专利名称：输出电流纹波最小化正激式磁集成变换器的制作方法
技术领域：
本发明的输出纹波最小化正激式磁集成变换器属电能变换装置的直流变换器。
背景技术：
在中小功率的直流变换场合，正激式变换器由于电路拓扑简单、控制方便、高可靠性以及良好的经济性而得到了广泛的应用。具体包括有源箝位正激式变换器、双管正激变换器、谐振磁复位正激变换器、绕组磁复位正激变换器以及RCD磁复位正激变换器。由于正激式变换器都采用单端式整流电路，与半桥、全桥等双端式变换器相比，存在电感电流脉动较大的问题。为了保证输出电压品质，一般会增大滤波电感和滤波电容，这样势必会增大变换器的体积重量、不利于提高功率密度。高功率密度已经成为变换器的重要指标之一，为此，需要从减小元器件的外形尺寸和减小损耗两个方面入手。随着半导体功率器件封装技术的迅速发展，磁性元件成为制约变换器功率密度提高的主要因素之一。高频化虽然是减小磁性元件体积的有效手段，但是随之而来的磁件和半导体器件损耗的迅速增大又限制了功率密度的提高。因此，磁集成技术成为进一步提高变换器功率密度的行之有效的手段之一。
Ed Bloom，“Core selection for & design aspects of an integrated-magnetic forwardconverter”，in Proc.IEEE APEC 1986，pp.141-150针对绕组磁复位正激式变换器，公开了一种集成磁件方案，但是该方案只能减小磁件体积并不能改善输出电流脉动；台达公司申请的美国专利Isolated voltage regulator with one core structureU.S6,853,568针对高压输入VRM提出多种可应用集成磁件的电路结构，其中包括交错并联正激式变换器，以减小变换器的体积和重量、简化变换器结构。专利只简单说明该集成磁件是将变压器与电感相集成，未给出各绕组的具体连接方式包括各绕组同名端的关系，更未利用集成磁件来减小输出电流纹波。Gordon Bloom，Rudy Severns，“Thegeneralized use of integrated magnetics and zero-ripple techniques inswitchmode power converters”，in Proc.IEEE PESC 1984，pp.15-33公开了一种通用的减小电流脉动的方法——即通过构造耦合电感来实现。采取该方法虽然能够减小输出电流脉动，但需要外加电路，且无法将变压器和电感集成而减小磁件体积。
发明内容
本发明针对正激式变换器输出电流纹波大的缺点，给出一种变压器和电感的磁集成方案，不仅能够减小磁件体积，同时可以实现输出电流纹波的最小化。有利于提高正激式变换器的输出品质、变换效率、功率密度，并能改善其输出动态性能。
本发明的一种输出纹波最小化正激式磁集成变换器，包括直流电源、正激式变换器原边电路以及副边整流及电容滤波电路，其特征在于还包括将传统正激式变换器中的变压器和输出滤波电感集成得到集成磁件，通过恰当的绕组连接和优化的磁阻设置，实现磁件体积减小和输出纹波最小化。所述正激式变换器原边电路包括有源箝位正激式、双管正激式、绕组磁复位正激式、RCD磁复位正激式以及谐振磁复位正激式。所述集成磁件包括铁心和原边绕组Np、副边绕组Ns和滤波电感绕组NL；铁心有不小于三个的磁柱，原边绕组Np、副边绕组Ns绕在同一个磁柱上(若是绕组磁复位正激式变换器则还包括磁复位绕组Nr)，滤波电感绕组NL绕在另外的磁柱上；通过将集成磁件的副边绕组Ns和滤波电感绕组NL的同名端相连使得变压器绕组与滤波电感绕组匝链的交变磁通正向耦合，并在集成磁件的各磁柱设置气隙，使得磁阻满足一定的优化关系，从而实现输出电流纹波最小化。集成磁件可采用独立磁路数大于2的多种形状的铁心，铁心材料可选用铁氧体、微晶、超微晶、坡莫合金等多种铁磁材料，绕组所在的磁柱可以灵活变化，绕组可采用平面型绕组或者卷绕式绕组来实现。绕组的连接关系有两种正激式变换器向副边传输功率时原边绕组Np的电流流入端点与副边绕组Ns和滤波电感绕组NL的同名端相连点为同名端或者正激式变换器向副边传输功率时原边绕组Np的电流流入端点与副边绕组Ns和滤波电感绕组NL的同名端相连点为异名端。所述副边整流及电容滤波电路可以采用二极管整流电路，也可以采用同步整流电路。正激式变换器原边电路的输入端正向并联在直流电源的正负两端，正激式变换器原边电路的输出端与集成磁件原边绕组(Np)两端相连。当集成磁件的副边绕组Ns和滤波电感绕组NL的同名端相连点与正激式变换器向副边传输功率时原边绕组Np的电流流入点为同名端时，集成磁件的副边绕组Ns和滤波电感绕组NL的同名端相连点与二极管DR1的阴极(或同步整流管SR1的漏极)相连、副边绕组Ns的另外一端点与二极管DR2的阴极(或同步整流管SR2的漏极)相连、滤波电感绕组NL的另外一端点与输出电容Co的正端相连、两个整流二极管DR1和DR2的阳极(或两个同步整流管SR1和SR2的源极)与输出电容Co的负端相连；当集成磁件的副边绕组Ns和滤波电感绕组NL的同名端相连点与正激式变换器向副边传输功率时原边绕组Np的电流流入点为异名端时，集成磁件的副边绕组Ns和滤波电感绕组NL的同名端相连点与二极管DR2的阳极(或同步整流管SR2的源极)相连、副边绕组Ns的另外一端点与二极管DR1的阳极(或同步整流管SR1的源极)相连、滤波电感绕组NL的另外一端点与输出电容Co的负端相连、两个整流二极管DR1和DR2的阴极(或两个同步整流管SR1和SR2的漏极)与输出电容Co的正端相连。
本发明与现有技术相比的主要技术特点是，集成磁件的副边绕组Ns和滤波电感绕组NL的同名端相连，使得变压器绕组所在磁柱的磁通与滤波电感绕组所在磁柱的磁通在其它磁柱上互相削减，有利于减小其它磁柱上的交变磁通和最大磁通，从而可以减小磁件损耗和磁件体积。对于正激式变换器，该连接方式还使得变压器绕组匝链的交变磁通与滤波电感绕组匝链的交变磁通正向耦合。由于磁集成并不改变变压器绕组与滤波电感绕组的电压，因此磁集成本身不会改变滤波电感绕组匝链的交变磁通。根据叠加性原理可以知道，磁集成后滤波电感绕组匝链的交变磁通是变压器绕组与滤波电感绕组独立作用后的叠加，由于两者交变磁通正向耦合，因此有利于减小滤波电感绕组的电流脉动即输出电流脉动，并进而能提高变换器的输出品质和变换效率。调节磁件各磁柱的磁阻，能够调整变压器绕组与滤波电感绕组匝链的交变磁通的耦合强度，从而改变输出电流纹波。因此，通过优化磁件的磁阻设置，就能得到最小化的输出电流纹波，实现变换器性能的优化。
本发明的有益效果是可以减小磁件损耗、体积以及输出电流脉动，从而提高变换器功率密度、变换效率、输出品质以及输出动态性能。
四
附图1~附图6是本发明涉及的采用EE铁心的集成磁件的6种实施方式示意图。
附图7是本发明涉及的采用图1的集成磁件和二极管整流电路的有源箝位正激式磁集成变换器示意图。
附图8是本发明涉及的采用图1的集成磁件和同步整流电路的有源箝位正激式磁集成变换器示意图。
附图9是本发明涉及的采用图2的集成磁件和二极管整流电路的有源箝位正激式磁集成变换器示意图。
附图10是本发明涉及的采用图2的集成磁件和同步整流电路的有源箝位正激式磁集成变换器示意图。
附图11是本发明涉及的采用图1的集成磁件和二极管整流电路的双管正激式磁集成变换器示意图。
附图12是本发明涉及的采用图1的集成磁件和二极管整流电路的绕组磁复位正激式磁集成变换器示意图。
附图13是本发明涉及的采用图1的集成磁件和二极管整流电路的RCD磁复位正激式磁集成变换器示意图。
附图14是本发明涉及的采用图1的集成磁件和二极管整流电路的谐振磁复位正激式磁集成变换器示意图。
上述附图中的主要符号名称Vin-直流电源电压；Q1、Q2-功率管；D1、D2-二极管；C1-箝位电容；R1-吸收电阻；DR1、DR2-整流二极管；SR1、SR2-同步整流管；Co-输出滤波电容；R-负载；Np-原边绕组；Nr-磁复位绕组；Ns-副边绕组；NL-滤波电感绕组；a-正激式变换器向副边传输功率时原边绕组的电流流入点；b-正激式变换器向副边传输功率时原边绕组的电流流出点；c-副边绕组和滤波电感绕组的同名端连接点；d-副边绕组与滤波电感绕组不相连的一端；e-滤波电感绕组与副边绕组不相连的一端；a′-磁复位绕组的原边绕组a点的同名端；b′-磁复位绕组的原边绕组a点的异名端。
五具体实施例方式
采用EE铁心的集成磁件的实施方式例一，参照附图1。原边绕组Np、副边绕组放在铁心侧柱，滤波电感绕组NL放在另一个铁心侧柱，集成磁件的a点与c点为同名端。铁心不限于EE型。
采用EE铁心的集成磁件的实施方式例二，参照附图2。原边绕组Np、副边绕组放在铁心侧柱，滤波电感绕组NL放在另一个铁心侧柱，集成磁件的a点与c点为异名端。铁心不限于EE型。
采用EE铁心的集成磁件的实施方式例三，参照附图3。原边绕组Np、副边绕组放在铁心侧柱，滤波电感绕组NL放在铁心中柱，集成磁件的a点与c点为同名端。铁心不限于EE型。
采用EE铁心的集成磁件的实施方式例四，参照附图4。原边绕组Np、副边绕组放在铁心侧柱，滤波电感绕组NL放在铁心中柱，集成磁件的a点与c点为异名端。铁心不限于EE型。
采用EE铁心的集成磁件的实施方式例五，参照附图5。原边绕组Np、副边绕组放在铁心中柱，滤波电感绕组NL放在铁心侧柱，集成磁件的a点与c点为同名端。铁心不限于EE型。
采用EE铁心的集成磁件的实施方式例六，参照附图6。原边绕组Np、副边绕组放在铁心中柱，滤波电感绕组NL放在铁心侧柱，集成磁件的a点与c点为异名端。铁心不限于EE型。
本发明的实施例一，参照附图7，是采用图1的集成磁件和二极管整流电路的有源箝位正激式磁集成变换器示意图。原边绕组Np的a点与直流电源1的正端相连，主功率管Q1和有源箝位功率管Q2的公共点与集成磁件3的原边绕组Np的b点相连，箝位电容C1的一端与有源箝位功率管Q2的源极相连，另一端接到直流电源1的正端或者负端。集成磁件3的c点与整流二极管DR1的阴极相连、d点与整流二极管DR2的阴极相连、e点与输出电容Co的正端相连，两个整流二极管DR1和DR2的阳极与输出电容Co的负端相连。
本发明的实施例二，参照附图8，是采用图1的集成磁件和同步整流电路的有源箝位正激式磁集成变换器示意图。原边绕组Np的a点与直流电源1的正端相连，主功率管Q1和有源箝位功率管Q2的公共点与集成磁件3的原边绕组Np的b点相连，箝位电容C1的一端与有源箝位功率管Q2的源极相连，另一端接到直流电源1的正端或者负端。集成磁件3的c点与同步整流管SR1的漏极相连、d点与同步整流管SR2的漏极相连、e点与输出电容Co的正端相连，两个同步整流管SR1和SR2的源极与输出电容Co的负端相连。
本发明的实施例三，参照附图9，是采用图2的集成磁件和二极管整流电路的有源箝位正激式磁集成变换器示意图。原边绕组Np的a点与直流电源1的正端相连，主功率管Q1和有源箝位功率管Q2的公共点与集成磁件3的原边绕组Np的b点相连，箝位电容C1的一端与有源箝位功率管Q2的源极相连，另一端接到直流电源1的正端或者负端。集成磁件3的c点与二极管DR2的阳极相连、d点与二极管DR1的阳极相连、e点与输出电容Co的负端相连，两个整流二极管DR1和DR2的阴极与输出电容Co的正端相连。
本发明的实施例四，参照附图10，是采用图2的集成磁件和同步整流电路的有源箝位正激式磁集成变换器示意图。原边绕组Np的a点与直流电源1的正端相连，主功率管Q1和有源箝位功率管Q2的公共点与集成磁件3的原边绕组Np的b点相连，箝位电容C1的一端与有源箝位功率管Q2的源极相连，另一端接到直流电源1的正端或者负端。集成磁件3的c点与同步整流管SR2的源极相连、d点与同步整流管SR1的源极相连、e点与输出电容Co的负端相连，两个同步整流管SR1和SR2的漏极与输出电容Co的正端相连。本发明涉及的有源箝位正激式磁集成变换器也可以采用图3～图6的集成磁件以及二极管整流或同步整流电路。
本发明的实施例五，参照附图11，是采用图1的集成磁件和二极管整流电路的双管正激式磁集成变换器示意图。功率管Q1的源极、二极管D1的阴极和集成磁件3的原边绕组Np的a点相连，功率管Q1的漏极、二极管D2的阴极与直流电源1的正端相连；功率管Q2的漏极、二极管D2的阳极和集成磁件3的原边绕组Np的b点相连，功率管Q2的源极、二极管D1的阳极与直流电源1的负端相连。集成磁件3的c点与二极管DR1的阴极相连、d点与二极管DR2的阴极相连、e点与输出电容Co的正端相连，两个整流二极管DR1和DR2的阳极与输出电容Co的负端相连。本发明涉及的双管正激式磁集成变换器可以采用图1～图6的集成磁件及二极管整流或同步整流电路。
本发明的实施例六，参照附图12，是采用图1的集成磁件和二极管整流电路的绕组磁复位正激式磁集成变换器示意图。集成磁件3的原边绕组Np的a点与直流电源1的正端相连，功率管Q1的漏极与绕组Np的b点相连，功率管Q1的源极与直流电源1的负端相连。磁复位绕组Nr与原边绕组Np、副边绕组Ns绕在一个磁柱上。磁复位绕组Nr的b′点与直流电源1的正端(或二极管D1的阳极)相连，绕组Nr的a′点与二极管D1的阴极(或直流电源1的负端)相连。集成磁件3的c点与整流二极管DR1的阴极相连、d点与整流二极管DR2的阴极相连、e点与输出电容Co的正端相连，两个整流二极管DR1和DR2的阳极与输出电容Co的负端相连。本发明涉及的绕组磁复位正激式磁集成变换器可以采用图1～图6的集成磁件及二极管整流或同步整流电路。
本发明的实施例七，参照附图13，是采用图1的集成磁件和二极管整流电路的RCD磁复位正激式磁集成变换器示意图。集成磁件3的原边绕组Np的a点与直流电源1的正端相连，功率管Q1的漏极、二极管D1的阳极与集成磁件3的原边绕组Np的b点相连，功率管Q1的源极与直流电源1的负端相连。箝位电容C1、吸收电阻R1并联，一端与二极管D1的阴极相连，另一端与直流电源1的正端相连。集成磁件3的c点与整流二极管DR1的阴极相连、d点与整流二极管DR2的阴极相连、e点与输出电容Co的正端相连，两个整流二极管DR1和DR2的阳极与输出电容Co的负端相连。本发明涉及的RCD磁复位正激式磁集成变换器可以采用图1～图6的集成磁件及二极管整流或同步整流电路。
本发明的实施例八，参照附图14，是采用图1的集成磁件和二极管整流电路的谐振磁复位正激式磁集成变换器示意图。集成磁件3的原边绕组Np的a点与直流电源1的正端相连，功率管Q1的漏极与绕组Np的b点相连，功率管Q1的源极与直流电源1的负端相连。集成磁件3的c点与整流二极管DR1的阴极相连、d点与整流二极管DR2的阴极相连、e点与输出电容Co的正端相连，两个整流二极管DR1和DR2的阳极与输出电容Co的负端相连。本发明涉及的谐振磁复位正激式磁集成变换器可以采用图1～图6的集成磁件及二极管整流或同步整流电路。
权利要求
1.一种输出纹波最小化正激式磁集成变换器，包括直流电源(1)、正激式变换器原边电路(2)以及副边整流及电容滤波电路(4)，其中正激式变换器原边电路(2)由主功率管(Q1)的漏极和有源箝位功率管(Q2)的源极相连，有源箝位功率管(Q2)的漏极串联箝位电容(C1)接直流电源(1)的正极，主功率管(Q1)的源极接直流电源(1)的负极所组成；副边整流及电容滤波电路(4)为二极管整流电路或者为同步整流电路，具体组成是由两个整流二极管(DR1、DR2)的阳极相连，滤波电容(Co)的负端接两个整流二极管(DR1、DR2)的阳极连接点上并接“地”所组成的二极管整流电路；或者由两个同步整流管(SR1、SR2)的源极相连，滤波电容(Co)的负端接两个同步整流管(SR1、SR2)的源极连接点上并接“地”所组成的同步整流电路；或者两个整流二极管(DR1、DR2)的阴极相连，滤波电容(Co)的正端连于两个整流二极管(DR1、DR2)的阴极连接点上所组成的二极管整流电路；或者由两个同步整流管(SR1、SR2)的漏极相连，滤波电容(Co)的正端接两个同步整流管(SR1、SR2)的漏极连接点上所组成的同步整流电路，其特征在于还包括将有源箝位正激变换器中的变压器和输出滤波电感集成得到的集成磁件(3)，该集成磁件(3)包括铁心、原边绕组(Np)、副边绕组(Ns)和滤波电感绕组(NL)；其中铁心不少于三个磁柱，原边绕组(Np)和副边绕组(Ns)均绕在铁心的同一个磁柱上，滤波电感绕组(NL)绕在铁心的另外磁柱上；变换器向副边传递功率时原边绕组(Np)的电流流入点连接于直流电源(1)正极，流出点连于主功率管(Q1)与有源箝位功率管(Q2)的串连点，副边绕组(Ns)和滤波电感绕组(NL)的连接关系有两种其一是副边绕组(Ns)和滤波电感绕组(NL)相连点与变换器向副边传递功率时原边绕组(Np)的电流流入点为同名端，连于第1整流二极管(DR1)的阴极或者连于第1同步整流管(SR1)的漏极，副边绕组(Ns)的另一端连于第2整流二极管(DR2)的阴极或者连于第2同步整流管(SR2)的漏极，滤波电感绕组(NL)的另外一端连于滤波电容(Co)的正端；其二副边绕组(Ns)和滤波电感绕组(NL)相连点与变换器向副边传递功率时原边绕组(Np)的电流流入点为异名端，连于第2整流二极管(DR2)的阳极或者连于第2同步整流管(SR2)的源极，副边绕组(Ns)的另一端连于第1整流二极管(DR1)的阳极或者连于第1同步整流管(SR1)的源极，滤波电感绕组(NL)的另外一端连于滤波电容(Co)的负端。
2.根据权利要求1所述的输出纹波最小化正激式磁集成变换器，其特征在于所述的正激变换器原边电路(2)的组成是第1功率管(Q1)的源极、第1二极管(D1)的阴极和变换器传输功率时集成磁件(3)的原边绕组(Np)的电流流入点相连，第1功率管(Q1)的漏极、第2二极管(D2)的阴极与直流电源(1)的正端相连；第2功率管(Q2)的漏极、第2二极管(D2)的阳极和变换器传输功率时集成磁件(3)的原边绕组(Np)的电流流出点相连，第2功率管(Q2)的源极、第2二极管(D1)的阳极与直流电源(1)的负端相连。
3.根据权利要求1所述的输出纹波最小化正激式磁集成变换器，其特征在于所述的正激式变换器原边电路(2)，包括功率管(Q1)和二极管(D1)其中功率管(Q1)的源极连于直流电源(1)的负极，该功率管(Q1)的漏极连于变换器传输功率时集成磁件(3)的原边绕组(Np)的电流流出点；二极管(D1)的阴极连于直流电源(1)的正端，该二极管(D1)的阳极连接于集成磁件(3)的磁复位绕组(Nr)与变换器传输功率时集成磁件(3)的原边绕组(Np)的电流流入点的异名端处；所述集成磁件(3)还包括磁复位绕组(Nr)，该磁复位绕组(Nr)与原边绕组(Np)副边绕组(Ns)绕在集成磁件(3)的同一个磁柱上，磁复位绕组(Nr)与变换器传输功率时集成磁件(3)的原边绕组(Np)的电流流入点的同名端点连于直流电源(1)的负极。
4.根据权利要求1所述的输出纹波最小化正激式磁集成变换器，其特征在于所述的正激式变换器原边电路(2)，包括功率管(Q1)、二极管(D1)、吸收电阻(R1)和箝位电容(C1)，其中由吸收电阻(R1)与箝位电容(C1)并联成并联电路一端连于二极管(D1)的阴极，另一端连于直流电源(1)的正端和变换器传输功率时集成磁件(3)的原边绕组(Np)的电流流入点，二极管(D1)的阳极与变换器传输功率时集成磁件(3)的原边绕组(Np)的电流流出点相连，构成RCD电路；所述功率管(Q1)的源极连于直流电源(1)的负极，漏极同时连于二极管(D1)的阳极和变换器传输功率时集成磁件(3)的原边绕组(Np)的电流流出点。
5.根据权利要求1所述的输出纹波最小化正激式磁集成变换器；其特征在于所述的正激式变换器原边电路(2)只包括功率管(Q1)，该功率管(Q1)的源极连于直流电源(1)的负极，漏极连于与变换器传输功率时集成磁件(3)的原边绕组(Np)的电流流出点，变换器传输功率时集成磁件(3)的原边绕组(Np)的电流流入点与直流电源(1)的正极相连。
全文摘要
一种输出电流纹波最小化正激式磁集成直流变换器，属直流变换器。该直流变换器包括直流电源(1)、正激式变换器原边电路(2)以及副边整流及电容滤波电路(4)。其特征在于还包括将传统正激式变换器中的变压器和输出滤波电感集成得到集成磁件(3)；通过将集成磁件(3)的副边绕组(N
文档编号H02M3/24GK101030732SQ20071001926
公开日2007年9月5日 申请日期2007年1月9日 优先权日2007年1月9日
发明者陈乾宏, 王健, 冯阳, 阮新波 申请人:南京航空航天大学