集成磁性元件的制作方法
【专利摘要】本发明涉及包括可导磁芯部的集成磁性元件，该可导磁芯部包括在水平面内延伸的基部构件和从基部构件大体上垂直突出的第一腿、第二腿、第三腿及第四腿。第一输出电感器绕组、第二输出电感器绕组、第三输出电感器绕组及第四输出电感器绕组分别缠绕第一腿、第二腿、第三腿及第四腿。集成磁性元件的第一输入导体具有第一导体轴线并且在第一腿、第二腿、第三腿及第四腿之间延伸，以感生通过可导磁芯部的第一磁通路径的第一磁通。集成磁性元件的第二输入导体具有基本上垂直于第一导体轴线延伸的第二线圈轴线，以感生通过可导磁芯部的第二磁通路径的第二磁通，第二磁通路径基本上正交于第一磁通路径延伸。本发明的另一方面涉及包括集成磁性元件的多输入隔离功率转换器。
【专利说明】集成磁性元件
【技术领域】
[0001]本发明涉及包括可导磁芯部的集成磁性元件，该可导磁芯部包括在水平面内延伸的基部构件和从基部构件基本上垂直突出的第一腿、第二腿、第三腿及第四腿。第一输出电感器绕组、第二输出电感器绕组、第三输出电感器绕组及第四输出电感器绕组分别缠绕第一腿、第二腿、第三腿及第四腿。集成磁性元件的第一输入导体具有第一线圈轴线并且在第一腿、第二腿、第三腿及第四腿之间延伸以感生通过可导磁芯部的第一磁通路径的第一磁通。集成磁性元件的第二输入导体具有基本上垂直于第一线圈轴线延伸的第二线圈轴线，以感生通过可导磁芯部的第二磁通路径的第二磁通，第二磁通路径基本上正交于第一磁通路径延伸。本发明的另一方面涉及包括所述集成磁性元件的多输入隔离功率转换器。
【背景技术】
[0002]为了将从两个或更多个输入电压或能源生成的功率组合以得到DC输出电压，近年来已经提出了多输入功率转换器的不同的电路拓扑结构[1-4]。输入电压或能源可以例如包括清洁能源如太阳能阵列、风力涡轮机、燃料电池及商业交流电力线。
[0003]—些已知的多输入功率转换器的普遍限制在于每次允许仅一个输入电源将功率或能量传递到输出以防止功率耦合效应。最近，为了克服此限制，已经提出了基于磁通相加技术和相移PWM控制来使用多输入线圈变压器。虽然此技术可以将功率从两个或多个不同的输入电压源单独地或同时地传递到DC输出及其相关联的负载[5]，但是在多输入功率转换器的输入驱动器处需要反向阻断二极管。需要反向阻断二极管来防止从输入电压源之一、通过变压器的耦合初级侧并且通过输入驱动器的半导体开关的体二极管、到另一输入电压源的反向功率流。
[0004]在没有这些反向阻断二极管的情况下，耦合到多输入功率转换器的不同的输入源不能同时将功率传送到负载。用于克服与变压器输入绕组之间的耦合相关联的问题的一些现有技术方法依赖于共享的低磁阻路径，或者利用磁通抵消机制对变压器的输入绕组进行解耦[6]。此外，由于互相耦合的输入电感器绕组的钳位电压而可能在输入驱动器的低侧MOSFET中强加较高的电流应力，这引起较高的功率损耗。
[0005]因此，有利的是提供用于多输入功率转换器及其他应用的、具有非耦合输入导体的集成磁性元件，以使得多个输入电源能够独立工作，而不用对功率转换器的任何功能进行折衷或需要将复杂的控制或保护电路添加到输入驱动器中。
【发明内容】
[0006]本发明的第一方面涉及集成磁性元件，包括:
[0007]-包括基部构件和顶部构件的可导磁芯部，基部构件在水平面或第一平面内延伸并且包括从基部构件基本上垂直突出的第一腿、第二腿、第三腿及第四腿。顶部构件被附接到第一腿、第二腿、第三腿及第四腿的相对于基部构件的相对端部。集成磁性元件另外包括分别缠绕所述第一腿、所述第二腿、所述第三腿及所述第四腿的第一输出电感器绕组、第二输出电感器绕组、第三输出电感器绕组及第四输出电感器绕组。集成磁性元件还包括沿着第一导体轴线在第一腿、第二腿、第三腿及第四腿之间延伸的第一输入导体，所述第一输入导体被配置成感生第一磁场，所述第一磁场正交于第一导体轴线并且通过可导磁芯部的第一磁通路径延伸。第二输入导体沿着第二导体轴线延伸并且被布置成感生第二磁场，所述第二磁场正交于第二导体轴线并且通过可导磁芯部的第二磁通路径延伸。第二磁通路径基本上正交于第一磁通路径延伸。
[0008]本发明因此基于在例如多输入功率转换器(如升压功率转换器和降压功率转换器等)等许多应用中有用的新磁通路径解耦理念。磁通路径解耦解念基于二维(2D)或三维(3D)空间正交磁通解耦，其中第一磁通路径与第二磁通路径在共享的可导磁芯部内彼此基本上正交地延伸。本领域技术人员要理解的是，第一磁通路径形成如下第一闭合磁回路:其从第一输入导体延伸通过基部构件、第一腿和第二腿、顶部构件、第三腿和第四腿并且返回到第一输入导体。同样地，第二磁通路径形成如下第二闭合磁回路:其从第二输入导体延伸通过基部构件、第一腿和第四腿、顶部构件、第二腿和第三腿并且返回到第二输入导体。以此方式，第一闭合磁回路的轴线基本上正交于第二闭合磁回路的轴线延伸，使得第二磁通路径基本上正交于第一磁通路径延伸，尽管如下面结合图3进一步详细描述的，通过第一腿、第二腿、第三腿及第四腿行进的磁通部分可以平行。
[0009]在优选的实施方式中，可导磁芯部包括新的不寻常几何结构，其中，第一腿、第二腿、第三腿及第四腿在基部构件处被布置为基本上矩形或方形图案，其中第一腿、第二腿、第三腿及第四腿位于基部构件的各个角上。在本实施方式中，第一输入半导体与第二输入半导体可以以十字形布局来布置，第一腿、第二腿、第三腿及第四腿位于四个象限区域中的各个区域中。
[0010]本领域技术人员要理解的是，第一腿、第二腿、第三腿及第四腿中的每个腿的横截面轮廓可以根据特定应用而大幅改变。横截面轮廓可以例如为圆形、椭圆形、矩形、五边形、六边形、七边形、八边形等。第一输出电感器绕组、第二输出电感器绕组、第三输出电感器绕组及第四输出电感器绕组中的每个输出电感器绕组的形状可以被调整为符合腿的这些横截面轮廓中的任何一个横截面轮廓以紧密配合在所考虑腿的周围。此外，第一输出电感器绕组、第二输出电感器绕组、第三输出电感器绕组及第四输出电感器绕组中的每个输出电感器绕组可以包括单个电感器绕组或多个全电感器绕组。
[0011]在一个实施方式中，第一导体轴线和第二线圈轴线二者均在水平面内延伸或者与水平面平行延伸。在一个这样的实施方式中，第一输入导体与第二输入导体被布置为彼此接近例如邻接，使得第一输入导体与第二输入导体在基部构件的中央区域邻接并且交叠。
[0012]在其他实施方式中，第一输入导体与第二输入导体垂直偏移(例如，沿着与第一腿、第二腿、第三腿及第四腿平行的方向偏移)，使得第一输入导体或第二输入导体被布置为与基部构件邻接或者固定到基部构件，而将其他输入导体朝向顶部构件提升到在基部构件上方的一定距离。
[0013]第一输入导体与第二输入导体中的每个输入导体可以包括基本上直的一段或一片导电线。导电线可以包括导电材料如金属材料，例如铜和/或铝。第一输入导体与第二输入导体中的每个输入导体可以包括导电材料的平条。第一输入导体与第二输入导体中的每个输入导体优选地包括完全或者部分覆盖该导体的电绝缘层。电绝缘层可以使输入导体的端部或一段未被覆盖，以形成用于将输入导体连接到合适驱动电路的第一外部电端子和第二外部电端子。导电材料的平条可以被布置为与基部构件邻接或者与顶部构件邻接。如果基部构件包括基本上平的上表面，则导电材料的平条可以固定到基部构件的平上表面。导电材料的平条可以被形成直条，该直条形成各个电感器绕组的一部分。
[0014]第一输入导体的第一电端子和第二电端子优选地被布置在其相对端部处，并且第二输入导体优选地也包括被布置在其相对端部处的第一电端子和第二电端子。第一电端子和第二电端子可以有利地用作第一输入导体和第二输入导体的外部可访问输入，以用于建立到电驱动电路(如基于晶体管的半桥或全桥驱动器)的连接。半桥或全桥驱动器也可以适用于向第一输入导体和第二输入导体提供相移PWM或PDM驱动信号。
[0015]根据本发明的有利的实施方式，集成磁性元件包括第三输入导体，所述第三输入导体沿着第三导体轴线在第一腿、第二腿、第三腿及第四腿中的对角成对的腿之间延伸以感生正交于第三导体轴线的第三磁场。第三输入导体被布置为生成通过可导磁芯部的第三磁通路径的第三磁场，该第三磁通路径基本上正交于可导磁芯部的第一磁通路径并且基本上正交于可导磁芯部的第二磁通路径来延伸。本发明的此实施方式能够支持如下三输入功率转换器:该三输入功率转换器能够将来自三个不同的输入电压源的功率单独地或同时地传递到DC输出电压。第三磁通路径基本上正交于第一磁通路径和第二磁通路径二者延伸的特征提供了三维(3D)空间正交磁通解耦，其中，第一磁通路径、第二磁通路径及第三磁通路径在共享的可导磁芯部内基本上彼此正交地延伸。
[0016]在一个实施方式中，顶部构件包括平行于水平面延伸的第五腿、第六腿、第七腿及第八腿。这优选地通过在顶部构件中设置具有合适尺寸的贯通孔或切口来完成，从而留下形成第五腿、第六腿、第七腿及第八腿中的各个腿的四个顶点。在一个这样的实施方式中，可导磁芯部包括中空立方结构，其中第一腿、第二腿、第三腿、第四腿、第五腿、第六腿、第七腿及第八腿形成中空立方结构的各个顶点。在后者实施方式中，基部构件也可以包括相应的中心贯穿切口或孔。
[0017]在优选的实施方式中，第一腿、第二腿、第三腿及第四腿被布置在基部构件的相应位置处，使得在基部构件的表面处形成第一基本正交延伸的通道或沟槽以及第二基本正交延伸的通道或沟槽。第一输入导体和第二输入导体分别通过第一沟槽和第二沟槽伸出。第一沟槽和第二沟槽的底表面可以基本上为平面并且被布置在水平面中，使得沟槽或通道中的每一个被第一腿、第二腿、第三腿及第四腿围住。
[0018]在一个实施方式中，基部构件可以包括第一基本上平的方形或矩形板，其中在基部构件的各个角上布置有第一腿、第二腿、第三腿及第四腿的。可替代地或另外地，顶部构件可以包括第二基本上平的矩形板。第一板和第二板优选地被布置为彼此基本上平行。平的方形或矩形基部和顶部板以及第一腿、第二腿、第三腿及第四腿彼此磁地且机械地耦合。在顶部构件和顶部构件二者均包括平的方形或矩形板的一个实施方式中，第一腿、第二腿、第三腿及第四腿中的每个腿可以与矩形或方形板的各个边缘齐平安装。随后的实施方式可以提供常规立方形状的可导磁芯部。
[0019]在其他实施方式中，基部构件可以具有平的圆形、椭圆形、五边形、六边形、七边形、八边形等结构的形状，其中，第一腿、第二腿、第三腿及第四腿被布置在此结构的各个周界边缘处。[0020]根据又一优选的实施方式，第一输入导体形成缠绕第一腿、第二腿、第三腿及第四腿中的第一对相邻腿的第一输入电感器绕组的一部分；并且
[0021]-第二输入导体形成缠绕第一腿、第二腿、第三腿及第四腿中的第二对相邻腿的第二输入电感器绕组的一部分。
[0022]优选地，第一电感器绕组和第二电感器绕组中的每个电感器绕组全部在基部构件或顶部构件上方在水平面中或与水平面平行地延伸。在本实施方式中，第一电感器绕组和第二电感器绕组中的每个电感器绕组具有如上面提及的环绕第一对相邻腿或环绕第二对相邻腿的水平折叠几何结构或布局。在本实施方式中，第一电感器绕组和第二电感器绕组具有水平的折叠的几何结构或布局。本实施方式的显著优点在于第一输入电感器绕组和第二输入电感器绕组可以容易地与标准型的硬或软印刷电路板(PCB)集成。功率转换器的其他元件可以与电感器绕组一起集成在PCB上，使得功率转换器能够有效模块化。
[0023]第一输入电感器绕组和第二输入电感器绕组可以包括单个或多个全电感器绕组。第一电感器绕组和第二电感器绕组中每个电感器绕组上的电感器绕组的精确数目的选择取决于所讨论的集成磁性元件以及相关联的功率转换器的许多设计考虑。电感器绕组将通常取决于例如功率转换器的双输入或三输入构架、初级与次级的绕组比以及功率转换器所需要的升压(St印-up)或降压(St印-down)因子等因素。此外，功率转换器设计参数(如驱动信号调制或开关频率、输入和输出电压电平、输出功率水平和功率效率等)通过也是用于确定第一电感器绕组和第二电感器绕组中每个电感器绕组上的绕组数目的相关特性。
[0024]然而，在多个有用的实施方式中，第一输入电感器绕组和第二输入电感器绕组中的每个输入电感器绕组包括在2与50之间的单独全绕绕组，并且第一输出电感器绕组、第二输出电感器绕组、第三输出电感器绕组和第四输出电感器绕组中每个输出电感器绕组包括在2与50之间的单独绕组。
[0025]在另一实施方式中，第一输入导体和第二输入导体中的每个输入导体可以形成各个U形输入电感器绕组的一部分。U形电感器绕组是包括基本上平行且垂直对齐的第一绕组腿和第二绕组腿的垂直折叠结构。第一绕组腿在第一腿、第二腿、第三腿及第四腿之间延伸，并且优选地与基部构件的上表面邻接，类似于之前讨论的水平折叠输入电感器绕组几何结构的第一腿的布置。然而，在本实施方式中，第二绕组腿被布置在基部构件的下表面之下，并且优选地与基部构件的下表面邻接。因此，将第一绕组腿与第二绕组腿耦合在一起的桥接部分的长度可以与基部构件的厚度大致对应。第二U形输入电感器绕组的第一腿和第二腿被布置为分别与第二 U形输入电感器绕组的第一腿和第二腿正交。
[0026]第一 U形电感器绕组和第二 U形电感器绕组中的每个U形电感器绕组可以包括具有导电材料的平带或平条，其可以经由胶合或类似工艺附接到基部构件。
[0027]根据本发明的优选实施方式，第一输入导体被配置成生成:沿第一方向通过布置在第一输入导体的第一侧上的第一对相邻腿的磁通；以及通过布置在第一输入导体的对置的第二侧上的第二对相邻腿的反向磁通。此外，第二输入导体被配置成生成:沿第二方向通过布置在第二输入导体的第一侧上的第一对相邻腿的磁通；以及通过布置在第二输入导体的对置的第二侧上的第二对相邻腿的反向磁通。通过输入电流流动经过第一输入导体和第二输入导体来感生出磁通，并且由于每个输入导体中的电流可以沿着两种不同的方向流动，因此可以创建四种不同的输入电流状态。在每种电流状态下，通过来自第一磁通和第二磁通二者的贡献来确定通过第一腿、第二腿、第三腿及第四腿中的每个腿所得到的磁通。这意味着同样由来自第一输入电流和第二输入电流二者的贡献来确定在第一输出电感器绕组、第二输出电感器绕组、第三输出电感器绕组及第四输出电感器绕组中的每个输出电感器绕组中感生的输出电压。此性能产生一种新的且高度灵活的方式，其使用分别施加到第一输入导体和第二输入导体的第一脉宽调制驱动信号与第二脉宽调制驱动信号之间的相位控制，来控制采用本集成磁性元件的多输入功率转换器的DC输出电压，如下面要进一步详细描述的。
[0028]本发明的第二方面因此涉及多输入隔离功率转换器，该多输入隔离功率转换器包括根据上述实施方式中的任一实施方式的集成磁性元件。多输入隔离功率转换器还包括:电率禹合到第一输入导体以对其提供第一驱动信号的第一输入驱动器；以及电I禹合到第二输入导体以对其提供第二驱动信号的第二输入驱动器。第一对对角腿的输出电感器绕组电耦合到第一输出整流电路，并且第二对对角腿的输出电感器绕组电耦合到第二输出整流电路。第一输出整流电路和第二输出整流电路优选地并联耦合到DC输出电压节点或端子，使得通过第一输入驱动器和第二输入驱动器两者传递的输入功率被传送到公共DC输出电压。
[0029]在多输入隔离功率转换器的一个实施方式中，第一对对角腿的输出电感器绕组串联连接，并且第二对对角腿的输出电感器绕组串联连接。之前描述的第一输入导体和第二输入导体(并且可能的第三输入导体)的2D或3D正交磁通解耦使得这些输入导体能够独立操作，使得第一输入驱动器和第二输入驱动器可以耦合到公共电势如地。本领域技术人员要理解的是，本多输入隔离功率转换器可以具有多种不同的拓扑结构，如升压或降压的拓扑结构或配置。
[0030]本发明的第三方面涉及控制上述多输入隔离功率转换器的DC输出电压的方法，该方法包括以下步骤:
[0031]-在第一输入导体上生成具有第一相位角的第一脉宽调制驱动信号，
[0032]-在第二输入导体上生成具有第二相位角的第二脉宽调制驱动信号，
[0033]-调节第一相位角与第二相位角之间的相位角差以控制DC输出电压。该方法还可以包括以下步骤:
[0034]-调节第一脉宽调制驱动信号的占空比和/或第二脉宽调制驱动信号的占空比以调节DC输出电压。通过调节占空比、调节相位角差或者调节占空比和相位角差二者来控制DC输出电压的能力导致控制DC输出电压的极其灵活的方式，其具有许多益处，例如提供多输入隔离功率转换器的较宽的输入和/或输出电压范围。因此，相同的隔离功率转换器可以容易地适用于多种应用并且因此减少了给定功率转换器拓扑结构的所需的变量数目，降低了组件成本、元件成本、库存成本等。由本多输入隔离功率转换器提供的灵活适应性特别适合用于与经常输出宽范围的不同电压的清洁能源(如光伏电池)有关的功率转换。
【专利附图】
【附图说明】
[0035]将结合附图更详细地描述本发明的优选的实施方式，在附图中:
[0036]图1示出了根据本发明的第一实施方式的集成磁性元件的装配图；
[0037]图2示出了根据本发明方第一实施方式的集成磁性元件的分解透视图；[0038]图3示意性示出了根据本发明的第一实施方式的集成磁性元件的可导磁芯部中的第一正交延伸磁通路径和第二正交延伸磁通路径；
[0039]图4示出了根据本发明的第二实施方式的集成磁性元件的分解透视图；
[0040]图5示出了根据本发明的第三实施方式的集成磁性元件的装配图；
[0041]图6示出了根据本发明的第三实施方式的集成磁性元件的分解透视图；
[0042]图7a)、图7b)、图7c)以及图7d)示出针对四种不同的输入电流状态的、通过根据本发明的第一实施方式的集成磁性元件的四个腿的相应磁通方向；
[0043]图8示出了根据本发明的第四实施方式的包括三个输入导体的集成磁性元件的装配透视图；
[0044]图9示意性示出了根据本发明的第四实施方式的集成磁性元件的磁芯中的第一正交布置磁通路径、第二正交布置磁通路径和第三正交布置磁通路径；
[0045]图10示出了根据本发明的第五实施方式的包括三个输入导体的集成磁性元件的装配透视图；
[0046]图11是包括根据本发明的第一实施方式的集成磁性元件的双输入隔离升压DC-DC转换器的示意图；
[0047]图12示出了针对第一输入电压波形与第二输入电压波形之间的90度和O度相位角移动所描绘的原型双输入隔离升压DC-DC转换器的各组模拟输入电压波形和模拟输出波形的两幅曲线图；以及
[0048]图13示出了针对第一输入电压波形与第二输入电压波形之间的180度和45度相位角移动所描绘的原型双输入隔离升压DC-DC转换器的各组模拟输入电压波形和模拟输出波形的两幅曲线图。
【具体实施方式】
[0049]下面详细描述的实施方式特别适合在提供DC电压放大或升高的隔离升压功率转换器中的应用。然而，本领域技术人员将理解的是，下面描述的集成磁性元件实施方式对于其他类型的应用(如降压型功率转换器和具有可变耦合系数的多耦合电感器)是非常有用的。
[0050]图1示出了根据本发明的第一实施方式的集成磁性元件100的装配透视图。集成磁性元件100包括具有基部构件102和顶部构件104的可导磁芯部101。基部构件102包括第一腿110、第二腿112、第三腿114及第四腿116，所有腿均从基部构件102基本上垂直地突出到顶部构件的下表面，使得顶部构件分别附接到第一腿110、第二腿112、第三腿114及第四腿116的相对于基部构件102的相对端。可以以多种方式(如焊接、胶合、熔接、压配合)来提供第一腿110、第二腿112、第三腿114及第四腿116的相对端分别与顶部构件之间的附接，并且附接机制优选地确保了顶部构件104与第一腿110、第二腿112、第三腿114及第四腿116中的每个腿之间的良好磁耦合。集成磁性元件100还包括分别缠绕第一腿、第二腿、第三腿及第四腿的第一输出电感器绕组120、第二输出电感器绕组122、第三输出电感器绕组124及第四输出电感器绕组126。第四输出电感器绕组126在输出绕组126的每端包括一对电端子130、132，并且第一输出电感器绕组120、第二输出电感器绕组122及第三输出电感器绕组124中的每个电感器绕组分别包括相似的成对电端子(未示出)。在本发明的本实施方式中第一输出电感器绕组、第二输出电感器绕组、第三输出电感器绕组及第四输出电感器绕组中的每个电感器绕组被形成为单个全绕绕组，但是本领域技术人员要理解的是，第一输出电感器绕组120、第二输出电感器绕组122、第三输出电感器绕组124及第四输出电感器绕组126中的每个输出电感器绕组分别可以包括多个全匝绕组。集成磁性元件100另外包括第一输入导体或者初级侧导体106，该第一输入导体或者初级侧导体106是被形成为分别在第一腿110、第二腿112、第三腿114及第四腿116之间延伸的、具有导电材料的平带或平条的直电线。第一输入导体106适合于在输入电流流过第一输入导体106时根据公知的右手定则感生正交于第一导体轴线142的第一磁场。第一磁场感生贯穿可导磁芯部101的第一磁通路径或磁通路径的磁通。下面结合图3和图7a)至图7d)进一步详细地讨论第一磁通路径的产生和布置。第一输入导体106的每端包括电终端或端子(未示出)，其使得电驱动器电路(如基于晶体管的半桥或全桥驱动器)能够建立到导体106的电连接并能够对其提供驱动信号。第二直输入导体或初级侧导体108基本上垂直于第一输入导体106延伸。与第一输入导体106 —样，第二输入导体108也形成为分别在第一腿110、第二腿112、第三腿114及第四腿116之间延伸的导电材料的直平带，但沿着基部构件102的正交方向。第一输入导体106和第二输入导体108因此被布置为形成与基部构件的上部基本平的表面103邻接或接近地布置的十字形导体几何结构。本领域技术人员要理解的是，第一输入导体106和第二输入导体108中的每个输入导体在其他实施方式中可以具有替选形状(如圆形、方形或柱形横截面轮廓)来代替所描绘平带的矩形轮廓。第一输入导体106和第二输入导体108具有基本上位于基部构件的上表面103的中央区域的交叠区域。第一输入导体106和第二输入导体108分别可以包含具有高电导率的材料，如铜、铝或各种合金等。第一输入导体和第二输入导体可以包括如绞合线或其他特定绕组布置等导线设计，其旨在减少在施加至第一输入导体和第二输入导体的输入驱动信号的高操作频率下的涡流效应。因此，这样的特定绕组布置可以以有益的方式减少集成磁性元件的输入和/或输出电感器绕组的功率损耗并且提高功率转换器的整体功率转换效率。
[0051 ] 第一电感器绕组106、第二电感器绕组108各自优选地覆盖有电绝缘层以防止第一导体与第二导体之间或者这些导体中的每个导体与基部构件102之间的短路。第二输入导体108适合于在输入电流流过第二输入导体108时根据公知的右手定则感生正交于第二导体轴线140的第二磁场。第二磁场感生通过可导磁芯部的第二磁通路径的磁通，该第二磁通路径基本上正交于第一磁通路径来延伸。
[0052]基部构件102在图1的几何结构的水平面内延伸，并且第一导体轴线142和第二导体轴线140 二者均在水平面内延伸。本领域技术人员要理解的是，顶部构件和底部构件的选择性指定是任意的，原因在于围绕集成磁性元件100的水平面的180度的旋转将会在不影响元件功能的情况下使顶部构件和底部构件的方向颠倒。在本发明的所描绘的第一实施方式中，顶部构件和底部构件中的每个构件包括基本为方形的平板结构，其中第一腿、第二腿、第三腿及第四腿在方形平板的各个角处布置为大致方形的图案。顶部构件104的平板结构被布置为基本上平行于基部构件102的平板结构。本领域技术人员要理解的是，基部构件和/或顶部构件各自可以具有许多不同的形状，如矩形、方形、圆形、椭圆形、八角形
坐寸ο
[0053]包括第一腿110、第二腿112、第三腿114及第四腿116的基部构件102优选地包括具有高导磁率的材料，例如软磁材料(如铁氧体)或铁磁性合金(如钢片、硅钢、铸钢、钨钢、磁钢、铸铁、镍等)。相同类型的材料适用于顶部构件104使得第一磁通路径和第二磁通路径中的每个磁通路径呈现出低磁阻并且还优选地具有高的磁饱和点。本领域技术人员还要理解的是，除所描绘的圆形形状之外，第一腿110、第二腿112、第三腿114及第四腿116中的每个腿分别可以具有其他截面轮廓或形状，如三角形、正方形、矩形、椭圆形、五边形、六边形、七边形、八边形等。输出电感器绕组中的每一个的形状可以被调整为符合腿的这些替选截面轮廓以紧密配合在所考虑腿的周围。
[0054]由发明人构建了根据本实施方式的具有下述尺寸的集成磁性元件100的实验原型:
[0055]-基板厚度、宽度及深度分别为:7mm、44mm、44mm。
[0056]-第一腿、第二腿、第三腿及第四腿中每个腿的长度=8mm。
[0057]-第一腿、第二腿、第三腿及第四腿中每个腿的直径=14mm。
[0058]-基板材料和顶部构件材料:Mn-Zn铁氧体MN80C。
[0059]-取决于所考虑应用的特性(如功率转换器的输入电压、输出电压、开关频率等)，在IkW与2kW之间的最大功率转换能力。
[0060]图2示出了根据本发明的上述第一实施方式的集成磁性元件100的分解透视图。方形基部构件102被形成为包括大致方形的平板结构的单一整体结构，其中第一腿110、第二腿112、第三腿114及第四腿116中的每个腿分别从平板的表面103基本上垂直突出。第一腿、第二腿、第三腿及第四腿位于方形基部构件102的各个角处。顶部构件104具有与基部构件配合的形状，并且被另外形成为通过胶合/焊接或通过使用胶带或夹槽附接到第一腿110、第二腿112、第三腿114及第四腿116的各个端部的单独结构。
[0061]图3不意性不出与第一输入导体106相关联的第一正交延伸磁通路径Φ I和与第二输入导体108相关联的第二正交延伸磁通路径Φ2。分别由贯穿根据本发明的第一实施方式设计的集成磁性元件100的可导磁芯部的实线圆环和虚线圆环示意性示出第一正交延伸磁通路径和第二正交延伸磁通路径。贯穿第一磁通路径ΦI的磁通由流过第一输入导体106的输入电流生成。第一磁通路径Φ I形成如下第一闭合磁回路或路径:其从第一输入导体106下面的基部构件部分延伸、然后垂直向上通过第一腿110和第二腿112、朝向第三腿114和第四腿116水平通过平顶板104、并且垂直向下通过第三腿114和第四腿116、以及水平通过基部构件的平板结构从而返回到位于第一输入导体106下面的基部构件部分。
[0062]贯穿第二磁通路径Φ 2的磁通由流过第二输入导体108的输入电流生成。第二磁通路径Φ 2形成如下第二闭合磁回路或路径:其从第二输入导体106下面的基部构件部分延伸、然后垂直向上通过第二腿112和第三腿114、朝向第一腿110和第四腿116水平通过平顶板104、垂直向下通过腿114和腿116、以及水平通过基部构件102的平板结构从而返回到位于第二输入导体106下面的基部构件部分。本领域技术人员要注意的是，第一磁通路径ΦI的轴线基本上正交于第二磁通路径Φ2的轴线延伸。
[0063]因此，遵循上述第一磁通路径和第二磁通路径的方向的分析，流过第一输入导体106的输入电流生成分别通过第一腿110、第二腿112、第三腿114及第四腿116中的每个腿的磁通，并且流过布置为正交于第一输入导体的第二输入导体108的输入电流生成分别通过第一腿110、第二腿112、第三腿114及第四腿116中的每个腿的磁通。如下面结合图7a)至图7d)进一步详细描述的，在这些腿的每个腿中生成的磁通取决于这两种输入电流的量级和方向/相位。
[0064]图4示出了根据本发明的第二实施方式的集成磁性元件400的分解透视图。对附图标记进行编号使得第一实施方式(图1)与本实施方式400中的相应特征具有相应的附图标记。在集成磁性元件400中，在第一腿410、第二腿412、第三腿414及第四腿416之间延伸的第一输入导体形成第一单匝电感器绕组406的一部分。第一单匝电感器绕组406包括具有导电材料的平的U型带或条。第一输入导体被形成为与基部构件402的上表面403邻接或接近布置的第一腿或臂。第一单匝电感器绕组406的第二腿或臂被布置在基部构件402的平的方形结构下面并且与第一腿平行。单匝电感器绕组406的桥接或耦合部分围绕基部构件的平的矩形结构的边缘延伸。第二腿及桥接或耦合部分对响应于输入电流流动经过单匝电感器绕组406而通过可导磁芯部的第一磁通路径生成的磁通不产生任何明显贡献。
[0065]第二输入导体在第一腿410、第二腿412、第三腿414及第四腿416之间延伸。第二输入导体形成与第一单匝电感器绕组406相同的第二单匝电感器绕组408的一部分。第二单匝电感器绕组408包括具有导电材料的平的U形带或条，其中第二输入导体形成第一腿或臂。第二单匝电感器绕组408的第一腿被布置为正交于第一单匝电感器绕组406的第一腿，使得这些腿在基部构件402的上表面403处紧邻地交叉。第二单匝电感器绕组408还包括第二腿和桥接部分，该第二腿和桥接部分对响应于输入电流流动经过第二单匝电感器绕组406而通过可导磁芯部的第二磁通路径生成的磁通不产生任何明显贡献。因此，通过分别流过第一单匝电感器绕组406和第二单匝电感器绕组408的输入电流生成的相应磁通本质上与上面结合本发明的第一实施方式详细描述的那些类似。特别地，由于由在正交取向的第一输入导体和第二输入导体中的电流流动产生的第一磁场和第二磁场的正交方向，可导磁芯部的第一磁通路径基本上正交于第二磁通路径来延伸。本领域技术人员要理解的是，在替选方案中的第一单匝电感器绕组406和第二单匝电感器绕组408中的每个单匝电感器绕组可以包括多个全电感器绕组，以提供使输入电流沿相同方向流动的多个平行延伸的第一输入导体。具有导电材料的U形条的第二腿和桥接部分的作用主要是为多匝电感器绕组提供电流返回路径。与之前实施方式中使用的输入导体相比较，第一输入导体和第二输入导体在本实施方式中的优势在于多匝数提供变压器的较高匝数比以及较低的磁芯损耗。
[0066]图5是根据本发明的第三实施方式的集成磁性元件500的装配透视图。对附图标记进行编号使得第一实施方式(图1)与本实施方式中相应的特征具有相应的附图标记。集成磁性元件500包括具有平的方形板结构的基部构件502和顶部构件504，该顶部构件504同样具有与基部构件502的外轮廓相符的基本上平且方形板状的结构。顶部构件504被稳固地附接并磁性地耦合到第一腿510、第二腿512、第三腿514及第四腿516的相对于基部构件502的相反端，以形成集成磁性元件500的连贯可导磁芯部。
[0067]在集成磁性元件500中，第一输入导体形成第一电感器绕组506的一部分，所述第一电感器绕组506被形成为单个全匝绕组。第一电感器绕组506包括具有导电材料的平带或条。然而，代替用于本发明的第二实施方式的第一电感器绕组506的U形形式，本第一电感器绕组506在水平面内折叠，从而在沿着基部构件502的平的方形结构的上表面503来延伸。以此方式，第一输入电感器绕组506全部在基部构件502上方且在水平面内延伸。然而，第一输入导体是如下的具有导电材料的直平条:其形成第一电感器绕组506的第一腿或段，并且以与上面讨论的集成磁性元件500的实施方式类似的方式在集成磁性元件500的第一腿510、第二腿512、第三腿514及第四腿516之间延伸。第一输入电感器绕组506的水平折叠布局或几何结构缠绕或环绕与基部构件502的上表面503邻接布置的第四腿516和第三腿514。第一输入电感器绕组506的水平折叠布局或几何结构形成如下单个全绕绕组:该单个全绕绕组形成为绕组的折叠平条，其中在输入电感器绕组506的端部处布置有电端子(未不出)。第一输入电感器绕组506另外包括:从基部构件505的外围向外突出的第二腿506b ;以及电或机械地耦接第一腿和第二腿的桥接或耦合部分506c。第二腿506b和桥接部分506c对通过可导磁芯部的第一磁通路径生成的磁通不产生任何明显的贡献。这是因为这些导体部分/腿磁耦合到具有低导磁率的周围环境并且仅非常弱地耦合到基部构件502的导磁材料。
[0068]在基部构件502的平的方形结构的上表面503上布置有与第一输入电感器绕组506具有相同形状和材料的第二输入电感器绕组508，但其被定向为在水平面中正交于第一输入导体506。第二输入电感器绕组508的水平折叠布局或几何结构缠绕或环绕与基部构件502的上表面503邻接布置的第二腿512和第三腿514。第二输入电感器绕组508被布置为正交于第一输入电感器绕组506,并且同样地包括如下第一输入导体:该第一输入导体包括在第一腿510、第二腿512、第三腿514及第四腿516之间延伸的具有导电材料的直平条。第一输入导体形成第一电感器绕组506的第一腿或段。第一输入导体和第二输入导体的轴线的正交布置使响应于输入电流流动经过第一输入导体和第二输入导体而生成的第一磁场和第二磁场的方向相应地正交。因此，可导磁芯部的第一磁通路径以与图3中关于磁通路径ΦI和磁通路径Φ 2的相对应的方式大致正交于第二磁通路径来延伸。
[0069]与第一实施方式100和第二实施方式400相比,本实施方式500的优点在于第一输入电感器绕组506和第二输入电感器绕组508的几何结构使得其很好地适合于集成在标准类型的印刷电路板(PCB)(例如柔性PCB或硬PCB)上。此特征使基于集成磁性元件500的本实施方式的功率转换器能够模块化，这是由于功率转换器的其他元件可以与输入电感器绕组506和输入电感器绕组508 —起集成在PCB上。
[0070]图6是上面描绘的根据本发明的第三实施方式的集成磁性元件500的分解透视图。第一电感器绕组506和第二电感器绕组508的水平折叠布局或几何结构是明显的，使得电感器绕组由电导体的各个平折叠条形成。同样地，附图描绘了在水平面内与第一输入导体506相关联的第一导体轴线542相对于与第二输入导体508相关联的第二线圈轴线540的正交方向。
[0071]图7a)示出了在四种不同的输入电流状态中的第一输入电流状态下、通过根据本发明的第一实施方式的集成磁性元件100的第一腿110、第二腿112、第三腿114和第四腿116的各个磁通方向。本领域技术人员要理解的是，出于上述原因，经过集成磁性元件400、集成磁性元件500的替选实施方式中的第一腿110、第二腿112、第三腿114和第四腿116的各个磁通方向在很大程度上相同。第一输入电流状态的特征在于:流过第一输入导体106的输入电流Il的指示方向；以及流过第二输入导体108的输入电流12的指示方向。在第一输入电流状态下使用右手定则，输入电流11生成如下第一磁场:其感生由实线箭头109a和109b指示的、沿着相同方向通过第一腿110和第二腿112的磁通。这是由于第一腿110和第二腿112被相邻布置在输入导体106的相同侧上。此外，输入电流Il还引起由实线箭头109c和109d指示的、在第三腿114和第四腿116内沿着相同方向的磁通。由Il感生的磁通因此引起通过第一腿和第二腿的相对于第三腿和第四腿反向的磁通，这归因于由图3描绘的第一磁通路径ΦI形成的闭合磁回路的几何结构。
[0072]在第一输入电流状态下，关于流过第二输入导体108的输入电流12的指示方向使用右手定则，引起由虚线箭头IllC和Illd指示的、沿着相同方向通过第一腿110和第四腿116的磁通。这是因为第一腿110和第四腿116被布置在第二输入导体108的相同侧上。此外，输入电流12还引起由虚线箭头Illb和Illa指示的、在第二腿112和第三腿114内沿着相同方向的磁通。由12感生的磁通因此引起在第一腿和第四腿中的相对于第二腿和第三腿反向的磁通，这归因于由图3描绘的第二磁通路径Φ2形成的闭合磁回路的几何结构。
[0073]由输入电流Il和输入电流12感生的相应磁通的分析显示出，由来自第一磁通路径Φ I和第二磁通路径Φ 2 二者的通量贡献或分量来确定分别在第一腿110、第二腿112、第三腿114及第四腿116中的每个腿中所得到的磁通。这意味着同样由来自第一磁通路径和第二磁通路径二者的贡献来确定在输出电感器绕组120、输出电感器绕组122、输出电感器绕组124及输出电感器绕组126中的每个输出电感器绕组中感生的输出电压。
[0074]图7b)示出了第二输入电流状态下分别通过第一腿110、第二腿112、第三腿114及第四腿116的各个磁通方向。在所绘出的第二输入电流状态下，第二输入电流12的方向相对于上述第一输入电流状态中12的方向反转。第一输入电压Il的方向与第一输入电流状态中的方向相同。第一输入电流和第二输入电流的这些方向引起了由实线箭头109a、109b、109c、109d指示的、通过Il所感生的磁通的所描绘方向。同样地,虚线箭头111a、111b、111c、Illd指示由12感生的通过各个腿的相应磁通。如所期望的，由12生成的通过第一腿110、第二腿112、第三腿114及第四腿116的磁通的方向反转，而由12生成的通过每个腿的磁通的方向保持不变。
[0075]图7c)示出了在第三输入电流状态下分别通过第一腿110、第二腿112、第三腿114及第四腿116的各个磁通方向。在所描绘的第三输入电流状态下，第一输入电流Il和第二输入电流12 二者的方向相对于其在上面描述的图7a)中的第一输入电流状态下的相应方向反转。第一输入电流和第二输入电流的这些方向引起了由实线箭头109a、109b、109c、109d指示的、通过Il所感生的磁通的所描绘方向。同样地，由虚线箭头llla、lllb、lllc、Illd指示由12感生的通过各个腿的相应磁通。如所期望的，由于输入电流Il和输入电流12 二者的反转，所以通过第一腿110、第二腿112、第三腿114及第四腿116中每个腿的所有感生磁通的方向均反转(相对于第一输入电流状态)。
[0076]图7d)示出了在第四输入电流状态下分别通过第一腿110、第二腿112、第三腿114及第四腿116的各个磁通的方向。在所绘出的第四输入电流状态下，第一输入电流Il的方向相对于上面结合图7a)描述的第一输入电流状态下Il的方向反转。第一输入电流和第二输入电流的这些方向引起由实线箭头109a、109b、109c、109d指示的通过Il所感生的磁通的所描绘方向。同样地，虚线箭头11 la、11 lb、11 lc、11 Id指示由12感生的通过各个腿的相应磁通。[0077]上述取决于分别流过第一输入导体106和第二输入导体108的第一和第二输入或激励电流的方向或极性来改变分别通过第一腿110、第二腿112、第三腿114及第四腿116中的每个腿的总或所得到的磁通的能力引起如下可能性:通过分别施加到第一输入导体106和第二输入导体108的电压波形的相对移动而在输出电感器绕组120、122、124及126中的每个输出电感器绕组上产生不同的电压波形。因此，输出电感器绕组120、122、124及126的输出电压可以通过如下方式来调节:控制分别施加到第一输入导体106和第二输入导体108的输入电压波形之间的相位移动并且因此控制输入电流Il和12之间的相位移动。下面结合图12详细说明此非常有用的特性，其中图12示出针对第一输入电压波形和第二输入电压波形之间的不同相位角移动的、在输出电感器绕组120、122、124及126中的每个输出电感器绕组处的所测量的相应输出电压波形。
[0078]图8示出了根据本发明的第四实施方式的包括三个单独的输入导体806、807、808的集成磁性元件800的装配透视图。集成磁性元件800包括具有中空立方结构801的可导磁芯部。中空立方结构801包括一体成型的基部构件802和顶部构件804。顶部构件804具有在中央布置的方形切口或孔805，从而导致在顶部构件结构中形成第五腿811、第六腿813、第七腿815及第八腿817。此外，第一腿810、第二腿812、第三腿814及第四腿816从基部构件802垂直突出。第一腿至第八腿被形成为中空立方结构801的各个顶点。集成磁性元件800此外还包括分别缠绕第一腿810、第二腿812、第三腿814及第四腿816的第一输出电感器绕组、第二输出电感器绕组、第三输出电感器绕组及第四输出电感器绕组。此外，集成磁性元件800包括缠绕第五腿811、第六腿813、第七腿815及第八腿817中的相应腿的第五输出电感器绕组、第六输出电感器绕组、第七输出电感器绕组及第八输出电感器绕组。为清楚起见，未在附图中描绘第一输出电感器绕组至第八输出电感器绕组。
[0079]第一电感器绕组806包括被形成为具有导电材料的平U形带或条的单个全匝绕组。具有导电材料的平U形条806与上面结合本发明的第二实施方式所描述的U形输入导体406的相似之处在于:其包括形成为接近基部构件802的上表面布置的腿或臂的第一输入导体。第一输入导体在分别从基部构件802突出并且形成中空立方结构801的顶点的第一腿810、第二腿812、第三腿814及第四腿816之间延伸。平U形电感器绕组806的第二绕组腿或臂被布置在基部构件802的平中空方形结构下面。平U形条806的桥接或耦合部分围绕基部构件的中空矩形结构的边缘或顶点延伸。以与第一输入导体806相同的方式，对与第一电感器绕组806具有类似的形状、尺寸及材料的第二电感器绕组808进行布置或将其缠绕基部构件802的中空方形结构，但第二电感器绕组808被定向为在水平面内正交于第一电感器绕组806。第二电感器绕组808的第一腿形成第二输入导体,并且还在基部构件802上方在第一腿810、第二腿812、第三腿814及第四腿816之间延伸，使得第一输入导体和第二输入导体在基部构件802的中央区域彼此交叠。
[0080]集成磁性兀件800最后包括与第一输入电感器绕组806、第二输入电感器绕组808具有相似的形状、尺寸及材料的第三输入电感器绕组807。第三输入导体被布置或者缠绕对角布置的第二腿812和第四腿816，并且与基部构件802的中空方形结构的上表面处的水平面垂直偏移。第三电感器绕组807的第一腿形成在第一腿810、第二腿812、第三腿814及第四腿816之间延伸的第三输入导体。第三电感器绕组的方向围绕水平面、相对于第一电感器绕组806和第二电感器绕组808的方向旋转了 90度。第三电感器绕组807被配置成响应于对其施加的第三输入电流而感生通过可导磁芯部801的第三磁通路径的第三磁通。此第三输入电流引起在可导磁芯部801中形成基本上正交于第一磁通路径并且基本上正交于第二磁通路径而延伸的第三磁通路径，如下面进一步详细描述的。
[0081]图9示意性示出了集成磁性元件800的芯部801中的第一正交布置磁通路径823、第二正交布置磁通路径825及第三正交布置磁通路径827。由虚线823指示的第一磁通路径传导响应于施加到第一输入导体806的第一输入电流而生成的磁通，该磁通从顶部流到底部动或者从底部流到顶部，这取决于通过第一输入电感器806的输入电流的方向。由点线825指示的第二磁通路径传导响应于施加到第二输入导体808的第二输入电流而生成的磁通，该磁通从顶部流到底部或者从底部流到顶部，这取决于通过第二输入电感器808的输入电流的方向。如所示出的那样，第一磁通路径823被布置为基本上正交于第二磁通路径825，在这种意义上，由这些磁通路径形成的闭合磁回路的各个轴线基本上正交。由实线827指示的第三磁通路径传导响应于施加到第三输入导体807的第三输入电流而生成的磁通，该磁通从芯部801的较近垂直表面流到较远垂直表面或从芯部801的较远垂直表面流到较近垂直表面，这取决于通过第三输入电感器807的输入电流的方向。
[0082]如所示出的那样，第三磁通路径827基本上正交于第二磁通路径825并且基本上正交于第一磁通路径823延伸，使三个磁通路径彼此正交。第一磁通路径、第二磁通路径及第三磁通路径的这种正交布置提供了第一输入导体、第二输入导体和第三输入导体的3D正交通量解耦并且使得这些输入导体能够在没有任何相互磁耦合发生的情况下基本上独立进行操作，使得多输入功率转换器的三个独立输入电压源可以被容纳并且一致地工作以将功率提供给公共DC输出电压。
[0083]图10示出了根据发明的第五实施方式的包括三个单独的输入导体1006、1007、1008的集成磁性元件1000的装配透视图。集成磁性元件1000包括具有中空立方结构的可导磁芯部1001。中空立方结构1001包括一体成型的基部构件1002和顶部构件1004。第一输入导体1006、第二输入导体1007、第三输入导体1008分别在可导磁芯部1001上的布置与上面结合发明的第四实施方式公开和详细描述的输入导体布置相似。同样地，第一输入导体1006、第二输入导体1007、第三输入导体1008的形状、材料和尺寸可以分别与上面结合本发明的第四实施方式详细描述的那些相同。然而，虽然之前的实施方式的顶部构件包括导致形成四个额外腿的中心布置方形孔，但是本顶部构件是实板状结构。本领域技术人员要理解的是，本实施方式的中空立方磁芯结构1001能够支持分别如集成磁性元件800的第四实施方式的第一正交布置磁通路径823、第二正交布置磁通路径825及第三正交布置磁通路径827的相应一组三个正交磁通路径。集成磁性元件1000还优选地包括分别缠绕第一腿1010、第二腿1012、第三腿1014及第四腿1016的至少第一输出电感器绕组、第二输出电感器绕组、第三输出电感器绕组及第四输出电感器绕组。为了清楚起见，未在图中示出这些输出电感器绕组。
[0084]图11是包括根据本发明的第一实施方式的集成磁性元件1100的双输入隔离升压DC-DC转换器的示意图。集成磁性元件1100用作双输入隔离升压DC-DC升压转换器中的变压器，其中第一输入导体SIl和第二输入导体SI2分别布置在初级变压器侧,并且第一输出电感器绕组S1、第二输出电感器绕组S2、第三输出电感器绕组S3及第四输出电感器绕组S4分别布置在次级变压器侧。本领域技术人员要理解的是，本集成磁性元件1100可以被根据集成磁性元件的上述第二实施方式和第三实施方式(二者均包括双输入导体结构)中的任何实施方式的集成磁性元件代替。在替选方案中，本集成磁性元件1100可以被根据集成磁性元件的上述第四实施方式和第五实施方式中的任何实施方式的集成磁性元件代替，尽管根据第四和第五实施方式的集成磁性元件中的每一个均包括三输入导体配置也如此。然而，三个输入导体中的任何一个可以保持打开而不连接到任何输入电压源，从而不需要在利用仅两个剩余输入导体期间妥协集成磁性元件的操作。如附图中所示的匝数比1:n，其中η可以具有0.1至100之间的值。匝数比被定义为输入导体的数目与输出电感器绕组的绕组数目之比。因此，第一输入导体、第二输入导体及第三输入导体中的每个输入导体可以具有与输出电感器绕组中的每一个的绕组数目相比较少、相等或较多的导体。
[0085]双输入隔离升压DC-DC转换器包括:电稱合到第一输入导体SIl以对其提供第一驱动信号的第一输入驱动器1102 ;以及电耦合到第二输入导体SI2以对其提供第二驱动信号的第二输入驱动器1104。与图1的第一绕组120相对应的第一输出电感器绕组SI与对应于例如图1的第三输出绕组124的第二输出电感器绕组S2串联耦合，使得SI和S3缠绕集成磁性元件1100的对角布置的腿。SI和S3的各个端部端子分别在电路节点E和F处电耦合到第一输出整流电路1110。与图1的第二输出绕组122相对应的第三输出电感器绕组S2与对应于例如图1的第四输出绕组126相对应的第四输出电感器绕组S4串联耦合，使得S2和S4缠绕集成磁性元件1100的相应对角布置的腿。S2和S4的各个端部端子分别在电路节点G和H处电耦合到第二输出整流电路1114。第一输出整流电路1110和第二输出整流电路1114各自包括全波二极管整流器。第一输出整流电路1110的全波二极管整流器包括半导体二极管D1、D2、D3及D4，并且第二输出整流电路1114的全波二极管整流器包括半导体二极管D5、D6、D7及D8。第一输出整流电路1110和第二输出整流电路1114分别并联耦合到V。处的DC输出电压节点。由负载电阻器&示意性示出双输入隔离升压DC-DC转换器上的负载。在DC输出电压节点两端I禹合有输出电容器C,以抑制分别由第一输出整流电路1110和第二输出整流电路1114提供的整流电压波形中的电压纹波，并且提供稳定的低纹波DC输出电压。
[0086]第一输入驱动器1102包括通过第一升压电感器L1^合到第一输入电压Vl的H桥晶体管驱动器，该第一输入电压Vl例`如可以是5V至100V之间的DC电压。第一 H桥晶体管驱动器的互补输出节点，即节点A和节点B，分别电耦合到第一输入导体SIl的相对端部。第二输入驱动器1104包括通过第二升压电感器L2耦合到第二输入电压V2的H桥晶体管驱动器，该第二输入电压V2例如可以是5V至100V之间的DC电压。第二 H桥晶体管驱动器的互补节点，即节点C和节点D，电耦合到第二输入导体SI2的相对端部。
[0087]如之前所阐明的那样，在集成磁性元件1100的可导磁芯部内的、分别与第一输入导体SIl和第二输入导体SI2相关联的第一磁通路径和第二磁通路径的正交布置提供了第一输入导体和第二输入导体的二维(2D)(或者甚至3D)的正交通量解耦，并且允许这些输入导体能够独立工作，使得输入电压源Vl和V2可以耦合到公共电势，如图11所示的接地。由流过第一输入导体SIl的输入电流生成或感生的磁通在第二输入导体SI2中感生基本为零的磁通，这是由于在可导磁芯部中由SIl生成的磁通或磁场与SI2的输入导体轴线平行行进并且由SI2生成的磁通或磁场与SIl的输入导体轴线平行行进，如上面例如结合图3所说明的。[0088]在图12中，最上的图a)描绘了针对第一输入电压波形与第二输入电压波形之间的90度相位角移动的、原型双输入隔离升压DC-DC转换器的第一组模拟输入电压波形和输出电压波形。第一输入电压波形和第二输入电压波形被施加到第一输入导体SIl和第二输入导体SI2中的相应输入导体作为第一 PWM调制驱动信号和第二 PWM调制驱动信号。PWM调制的第一驱动信号和第二驱动信号的占空比固定在75%。
[0089]图a)绘出针对90度的相移角、分别施加到第一输入导体SIl和第二输入导体SI2的第一驱动信号波形Vn和第二驱动信号波形VT2。下面绘制出分别由第一输出电感器绕组120、第二输出电感器绕组122、第三输出电感器绕组124及第四输出电感器绕组126感生的相应输出信号波形VS1、VS2、Vs3及VS4。同样地，图12的图b)绘出针对O度的相移角、分别施加到第一输入导体SIl和第二输入导体SI2的第一驱动信号波形Vn和第二驱动信号波形VT2。下面绘制出响应于所施加的信号分别在第一输出电感器绕组120、第二输出电感器绕组122、第三输出电感器绕组124及第四输出电感器绕组126中感生的相应输出信号波形Vs1、Vs2、Vs3 及 Vs4。
[0090]最后，图13的图a)和图b)分别绘出针对180度和45度的相移角、分别施加到第一输入导体SIl和第二输入导体SI2的第一驱动信号波形Vn和第二驱动信号波形VK。在驱动信号波形下面绘制出在每个相移角下、响应于所施加的信号分别在第一输出电感器绕组120、第二输出电感器绕组122、第三输出电感器绕组124及第四输出电感器绕组126中感生的相应输出信号波形VS1、VS2、VS3及VS4。如所示的那样，可以通过调节第一驱动信号波形Vn与第二驱动信号波形Vt2之间的相移角来调节各个输出信号波形VS1、VS2、VS3及VS4。当相移角是O度或180度时生成最大DC输出电压，而对于90度的相移角生成最小DC输出电压。此外，也可以通过调节PWM调制的第一驱动信号和第二驱动信号的占空比来控制DC输出电压。这与仅通过PWM输入信号的占空比控制来调节DC输出电压的传统功率转换器相反。
[0091]此外，如图13b)所示，针对第一驱动信号波形与第二驱动信号波形之间的45度的相移角，在输出信号波形vs1、Vs2> Vs3及中的每个输出信号波形中生成多电平输出电压波形。多电平输出电压波形证实对多电平功率转换器的新拓扑结构的值得关注的潜力，所述新拓扑结构可以代替传统的二极管箝位级联及电容器箝位多电平转换器拓扑结构。所生成的多电平输出电压波形的一个优点是减小了通过第一输入驱动器1102的MOSFET Ml至M4中的每个MOSFET的峰值电流以及通过第二输入驱动器1104的MOSFET M5至M8中的每个MOSFET的峰值电流。同样地，由于通过45度相移角设置所生成的多电平波形，可以显著减小在第一和第二输入导体的每一个中以及在输出电感器绕组中感生的峰值电流。这个特征还引起功率转换器的较高转换效率。
[0092]本功率转换器的另一优点为具有以下能力:以PWM调制输入信号的50%的占空比生成纯矩形脉冲波形，而不会在第一输出电感器绕组S1、第二输出电感器绕组S3、第三输出电感器绕组S3及第四输出电感器绕组S4中的每个电感器绕组上感生任何间歇性零电压电平或平台(platform)。在第一驱动信号波形与第二驱动信号波形之间的相移角是90度时生成矩形脉冲波形，并且该矩形脉冲波形甚至可以在没有输出滤波的情况下在DC输出电压处理想地实现零电压纹波。这需要在基部构件的腿上对角布置的输出电感器绕组在集成磁性元件(像变压器一样起作用)的次级侧上串联耦合。[0093]参考文献:
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【权利要求】
1.一种集成磁性元件，包括: -可导磁芯部，所述可导磁芯部包括基部构件和顶部构件，所述基部构件在水平面内延伸并且包括从所述基部构件基本上垂直突出的第一腿、第二腿、第三腿及第四腿， -所述顶部构件被附接到所述第一腿、所述第二腿、所述第三腿及所述第四腿的相对于所述基部构件的相对端部， -分别缠绕所述第一腿、所述第二腿、所述第三腿及所述第四腿的第一输出电感器绕组、第二输出电感器绕组、第三输出电感器绕组及第四输出电感器绕组， -沿着第一导体轴线在所述第一腿、所述第二腿、所述第三腿及所述第四腿之间延伸的第一输入导体，所述第一输入导体被配置成感生第一磁场，所述第一磁场正交于所述第一导体轴线并且通过所述可导磁芯部的第一磁通路径延伸，以及 -沿着第二导体轴线延伸并且被布置成感生第二磁场的第二输入导体，所述第二磁场正交于所述第二导体轴线并且通过所述可导磁芯部的第二磁通路径延伸； 其中，所述第二磁通路径基本上正交于所述第一磁通路径来延伸。
2.根据权利要求1所述的集成磁性元件，其中，所述第一导体轴线和所述第二导体轴线二者均在所述水平面内延 伸或者与所述水平面平行地延伸。
3.根据权利要求1或2所述的集成磁性元件，包括第三输入导体，所述第三输入导体沿着第三导体轴线在所述第一腿、所述第二腿、所述第三腿及所述第四腿中的对角成对的腿之间延伸，以感生正交于所述第三导体轴线的第三磁场； 其中，所述第三输入导体被布置成生成通过所述可导磁芯部的第三磁通路径的第三磁场，所述第三磁通路径基本上正交于所述可导磁芯部的所述第一磁通路径并且基本上正交于所述可导磁芯部的所述第二磁通路径来延伸。
4.根据权利要求3所述的集成磁性元件，其中，所述顶部构件包括第一中心贯穿切口以形成平行于所述水平面延伸的第五腿、第六腿、第七腿及第八腿。
5.根据权利要求4所述的集成磁性元件，其中，所述基部构件包括第二中心贯穿切口以形成平行于所述水平面延伸的第九腿、第十腿、第十一腿及第十二腿。
6.根据前述权利要求中任一项所述的集成磁性元件，其中，所述第一腿、所述第二腿、所述第三腿及所述第四腿在所述基部构件上被布置为基本上矩形或方形的图案。
7.根据权利要求6所述的集成磁性元件，其中，所述基部构件包括第一基本上平的矩形或方形板，其中所述第一腿、所述第二腿、所述第三腿及所述第四腿位于所述第一平板的各个角上。
8.根据权利要求7所述的集成磁性元件，其中，所述第一腿、所述第二腿、所述第三腿及所述第四腿中的每个腿与所述第一基本上平的矩形或方形板的各个边缘齐平安装。
9.根据权利要求8所述的集成磁性元件，其中，所述顶部构件包括第二基本上平的矩形或方形板，所述第二基本上平的矩形或方形板被成形为使得所述第一腿、所述第二腿、所述第三腿及所述第四腿被齐平安装到所述第二平板的各个边缘。
10.根据权利要求6和9所述的集成磁性元件，其中，所述顶部构件、所述基部构件和所述第一腿、所述第二腿、所述第三腿及所述第四腿形成中空立方结构，其中，所述第一腿、所述第二腿、所述第三腿、所述第四腿、所述第五腿、所述第六腿、所述第七腿、所述第八腿、所述第九腿、所述第十腿、所述第十一腿及所述第十二腿形成所述中空立方结构的各个顶点。
11.根据前述权利要求中任一项所述的集成磁性元件，其中，所述第一腿、所述第二腿、所述第三腿及所述第四腿被布置在所述基部构件的相应位置处，使得在所述基部构件的表面处形成第一基本正交延伸的沟槽或通道和第二基本正交延伸的沟槽或通道；以及 -所述第一输入导体和所述第二输入导体分别通过所述第一沟槽或通道和所述第二沟槽或通道伸出。
12.根据权利要求11所述的集成磁性元件，其中，所述第一输入导体和所述第二输入导体在所述基部构件的中央区域中邻接并交叠。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的集成磁性元件，其中， -所述第一输入导体形成缠绕所述基部构件或缠绕所述顶部构件的第一电感器绕组的一部分；以及 -所述第二输入导体形成缠绕所述基部构件或缠绕所述顶部构件的第二电感器绕组的一部分。
14.根据权利要求1至12中任一项所述的集成磁性元件，其中， -所述第一输入导体形成缠绕所述第一腿、所述第二腿、所述第三腿及所述第四腿中的第一对相邻腿的第一输入电感器绕组的一部分；以及 -所述第二输入导体形成缠绕所述第一腿、所述第二腿、所述第三腿及所述第四腿中的第二对相邻腿的第二输入电感器绕组的一部分； -其中，所述第一电感器绕组和所述第二电感器绕组中的每个电感器绕组全部在所述基部构件上方或所述顶部构件上方、在所述水平面中或与所述水平面平行地延伸。
15.根据前述权利要求中任一项所述的集成磁性元件，其中，所述第一输入导体和所述第二输入导体包括各自的基本上直的导电线段。
16.根据权利要求15所述的集成磁性元件，其中， -所述第一直导电线段和第二直导电线段包括布置为与所述基部构件邻接或与所述顶部构件邻接的、具有电绝缘导体材料的相应平条。
17.根据前述权利要求中任一项所述的集成磁性元件，其中， -所述第一输入导体被配置成生成:沿第一方向通过布置在所述第一输入导体的第一侧上的第一对相邻腿的磁通、以及通过布置在所述第一输入导体的对置的第二侧上的第二对相邻腿的反向磁通；以及 -所述第二输入导体被配置成生成:沿第二方向通过布置在所述第二输入导体的第一侧上的第一对相邻腿的磁通、以及通过布置在所述第二输入导体的对置的第二侧上的第二对相邻腿的反向磁通。
18.根据前述权利要求中任一项所述的集成磁性元件，其中，第一磁通路径形成从所述第一输入导体延伸通过所述基部构件、所述第一腿和所述第二腿、所述顶部构件、所述第三腿和所述第四腿并且返回到所述第一输入导体的第一闭合磁回路；以及 所述第二磁通路径形成从所述第二输入导体延伸通过所述基部构件、所述第一腿和所述第四腿、所述顶部构件、所述第二腿和所述第三腿并且返回到所述第二输入导体的第二闭合磁回路； 其中，所述第一闭合磁回路的轴线基本上正交于所述第二闭合磁回路的轴线来延伸。
19.一种多输入隔离功率转换器，所述多输入隔离功率转换器包括根据前述权利要求中任一项所述的集成磁性元件，并且还包括: -第一输入驱动器，所述第一输入驱动器电I禹合到所述第一输入导体以向所述第一输入导体提供第一驱动信号， -第二输入驱动器，所述第二输入驱动器电耦合到所述第二输入导体以向所述第二输入导体提供第二驱动信号， -第一对对角腿的输出电感器绕组电耦合到第一输出整流电路， -第二对对角腿的输出电感器绕组电耦合到第二输出整流电路；以及 -所述第一输出整流电路和所述第二整流电路并联耦合到DC输出电压节点或端子。
20.根据权利要求19所述的多输入功率隔离功率转换器，其中，所述第一对对角腿的输出电感器绕组串联连接，并且所述第二对对角腿的输出电感器绕组串联连接。
21.—种控制根据权利要求19或20的多输入隔离功率转换器的DC输出电压的方法，包括以下步骤: -在所述第一输入导体上生成具有第一相位角的第一脉宽调制驱动信号， -在所述第二输入导体上生成具有第二相位角的第二脉宽调制驱动信号，以及 -调节所述第一相位角与所 述第二相位角之间的相位角差以控制所述DC输出电压。
【文档编号】H01F30/06GK103782355SQ201280044360
【公开日】2014年5月7日 申请日期:2012年9月6日 优先权日:2011年9月13日
【发明者】欧阳紫薇, 迈克尔·A·E·安德森, 张哲
申请人:丹麦科技大学