一种磁集成谐振变换器的制造方法
【专利摘要】一种磁集成谐振变换器，包括谐振电路和集成磁件，所述谐振电路的输出端与所述集成磁件的原边绕组相耦合，其特征在于该变换器采用集成磁件作为磁集成变压器；该集成磁件包括一对相对设置，并不少于3个磁柱的磁芯，磁芯上分别绕有原边绕组和副边绕组，副边绕组全部绕在中心磁柱上，原边绕组全部绕在中心磁柱和边柱上。采用该集成磁件的谐振变换器，变换器磁件的变换效率最大；在工业化量产过程中，谐振变压器的制造工艺简单。
【专利说明】 一种磁集成谐振变换器
【技术领域】:
[0001]本发明属于电力电子【技术领域】，涉及一种谐振变换器，具体涉及LLC谐振变换器、DC/DC直流变换器及开关电源。
技术背景:
[0002]传统的LLC串联谐振变换器如图1所示，LC并联谐振变换器如图2所示，三相谐振变换器如图3所示，谐振电路均设计独立的电感Lr，谐振电路包括串接在主变压器原边绕组一端的一个谐振电感Lr，传统的谐振电路采用电感和谐振变压器串联的设计方案，存在三个缺陷；其一；两个组件的体积大；其二；电能一磁能一电能变换过程中，磁能的转换效率不能被充分利用；其三；谐振电感Lr和主变压器T两个独立的磁路系统，需要独立设计。
[0003]在专利号为ZL200710192354.0的文献中，一对相对设置的EE铁心，部分原边绕组和全部副边绕组绕在中心柱上，另一部分原边绕组绕在边柱上，由于原边绕组分成了两个绕组，工业化量产绕线工艺复杂。
[0004]在“ArkadiyKats,Gregorylvensky, SamBen-Yakov” “Application of interatedmagnetics in resonant converters” “IEEE-APEC, 1997:925-930” 的文献中，米用两副磁芯组合使用，能够解决体积大的问题；但是，谐振电感Lr和主变压器T是两个独立的磁路系统，磁路系统的变换效率，即变换功率/磁体重量比不能达到最大值。
【发明内容】
:
[0005]本发明的目的就是解决现有技术中的问题，提供一种磁集成谐振变换器，该变换器将原有电路中的主变压器和电感两个分立的磁件，设计成集成磁件；该变换器既能减小谐振电感和变压器的体积，又能使磁件的变换效率达到最大值。
[0006]此外，本发明的目的还在于，提供采用该谐振变换器的DC/DC变换器及开关电源。
[0007]为实现上述目的，本发明采用以下技术方案:
[0008]一种磁集成谐振变换器，包括谐振电路和集成磁件，所述谐振电路的输出端与所述集成磁件的原边绕组相耦合，其特征在于该变换器采用集成磁件作为磁集成变压器；该集成磁件包括一对相对设置，并不少于3个磁柱的磁芯，磁芯上分别绕有原边绕组(Np)和副边绕组(Ns)，副边绕组(Ns)全部绕在中心磁柱上，原边绕组(Np)全部绕在中心磁柱和边柱上；
[0009]进一步地，所述集成磁件适合于原边或付边串联谐振电感的谐振变换器；
[0010]进一步地，所述集成磁件至少有3个分支磁路；
[0011]进一步地，所述磁集成谐振变压器是原边绕组全部绕在两个分支磁柱上；
[0012]进一步地，所述磁集成谐振变压器是副边绕组全部绕在一个分支磁路上；
[0013]进一步地，所述磁集成谐振变压器副边绕组磁路的磁隙，小于无副边绕组磁路的磁隙；
[0014]进一步地，所述谐振电路为串联谐振或并联谐振拓扑。[0015]本发明还提供一种DC/DC变换器，包括开关电路和磁集成谐振变换器，所述开关电路的输出端与所述磁集成谐振变换器的输入端相耦合，所述磁集成谐振变换器为前述的谐振变换器；
[0016]进一步地，所述开关电路为半桥或全桥开关电路；
[0017]进一步地，所述谐振变换器为单相谐振变换器或三相谐振变换器；
[0018]本发明还提供一种开关电源，包括交流输入模块、DC/DC变换器和直流输出模块，其特征在于，所述变换器为如前所述的DC/DC变换器。
[0019]本发明有益的技术效果是:
[0020]相比于传统设计方案，本发明将原有电路中的变压器和电感两个分立的磁件，设计成一个集成磁件，一个闭环磁路，在初级交变电流的作用下，初级交变磁场同时穿过次级绕组磁路和无绕组磁路；两个并联的独立磁路在相同的初级交变磁压IN作用下，通过调整两个分支磁路的截面积和磁阻(磁隙)，得到两个分支磁路需要的磁通量；达到两个磁路的磁密Br相同的目的，由于原边绕组和付边绕组的两个分支磁路共用一个闭合磁路，导致主变换器的励磁电感增加，开关电路的励磁电流降低，电能变换效率提高；同时，集成磁件在谐振变换器电子开关关闭期间，是一个呈电感性质释放能量的整体部件，释放的剩余能量电流特征经典，谐波分量极小，开关管迅速进入零电压状态。
[0021]“Arkadiy Kats, Gregory Ivensky, Sam Ben-Yakov”“Application of interatedmagnetics in resonant converters” “IEEE-APEC, 1997:925-930” 的文献中，米用两副独立磁芯组合，导致在谐振变换器电子开关关闭期间，两个独立的呈电感性质的部件，由于没有磁路耦合，导致释放的剩余能量电流特征不经典，谐波分量丰富，需要相对较大的等效谐振电感(消耗磁性材料)，才能使开关管进入零电压状态。
[0022]采用该集成磁件的谐振变换器，变换器磁件的变换效率最大；在工业化量产过程中，谐振变压器的制造工艺简单。
【专利附图】
【附图说明】:
[0023]图1为传统LLC串联谐振变换器电路示意图；
[0024]图2为传统LC并联谐振变换器电路示意图
[0025]图3为传统的三相LLC串联谐振变换器的示意图
[0026]图4为本发明涉及的三磁柱型磁集成组件一种实施方式示意图；
[0027]图5为本发明涉及的三磁柱型磁集成组件另一种实施方式示意图；
[0028]图6为本发明涉及的四磁柱型磁集成组件另一种实施方式示意图；
[0029]图7为本发明涉及的四磁柱型磁集成组件另一种实施方式示意图；
[0030]图8为本发明涉及的三相七磁柱磁芯的集成磁件实施方式示意图；
[0031]图9为采用图6磁集成组件应用于单相LLC串联谐振变换器的示意图；
[0032]图10为采用图4磁集成组件应用于单相并联谐振变换器的示意图；
[0033]图11为采用图8磁集成组件应用于三相LLC串联谐振变换器的示意图。
【具体实施方式】:
[0034]应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。[0035]参见图4，为三磁柱型磁芯的集成磁件，副边绕组全部绕在中心磁柱上，原边绕组全部绕在中心磁柱和一侧边磁柱上，中心柱磁隙小于侧边磁柱磁隙，另一侧边磁柱无磁隙；等效谐振电感量(Lr)和主变换器(T)原副边的耦合系数一次调整，磁芯的电能/磁能/电能变换效率高，适合工业化生产。
[0036]参见图5，为三磁柱型磁芯的另一集成磁件，副边绕组全部绕在中心磁柱上，原边绕组全部绕在中心磁柱和一侧边磁柱上，中心柱磁隙小于侧边磁柱磁隙,另一侧边磁柱有磁隙；等效谐振电感量(Lr)和主变换器(T)原副边的耦合系数可以二次调整，磁芯的电能/磁能/电能变换效率高，方便调整工作频率。
[0037]参见图6，为四磁柱型的集成磁件，副边绕组全部绕在中心磁柱a上，原边绕组全部绕在中心磁柱a和中心磁柱b上，中心磁柱a磁隙小于中心磁柱b磁隙；两边磁柱无磁隙，这种磁路结构的变压器电磁辐射很小，磁芯的电能/磁能/电能变换效率高，适合大规模生产。
[0038]参见图7， 为四磁柱型的另一集成磁件，副边绕组全部绕在中心磁柱a上，原边绕组全部绕在中心磁柱a和中心磁柱b上，中心磁柱a磁隙小于中心磁柱b磁隙；两边磁柱有磁隙，等效谐振电感量(Lr)和主变换器(T)原副边的耦合系数可以二次调整，磁芯的电能/磁能/电能变换效率高；方便调整工作频率。
[0039]参见图8，为七磁柱磁芯的集成磁件，其中At、Bt、Ct三相三路磁柱的磁隙相同；A1^ B1^ C1 二相二路磁柱的磁隙相同；At、Bt、Ct 二相二路磁柱的截面积相同；Ap B1^ C1 二相二路磁柱的截面积相同；At、Bt、Ct 二相二路磁柱的磁隙小于A1' B1^ C1 二相二路磁柱的磁隙；原边A相绕组全部绕在AVA1两个磁柱上，A相副边绕组全部绕在At磁柱上；原边B相绕组全部绕在BVB1两个磁柱上，B相副边绕组全部绕在Bt磁柱上；原边C相绕组全部绕在Ct/Q两个磁柱上，C相副边绕组全部绕在Ct磁柱上；这种三相7磁柱结构的电能/磁能/电能变换效率，即磁件的磁性材料利用率最大，超过图4图5图6图7结构。适合三项LLC谐振变换器。
[0040]【具体实施例1】
[0041]参照图9，是采用图6的集成磁件应用于串联谐振变换器，谐振变换器包括开关电路、谐振电路、集成磁件；
[0042]开关电路为半桥斩波器，该斩波器由开关管Ql和开关管Q2串联组成，斩波器的输入端接直流电压源Vin，斩波器的输出端接谐振电路的输入端，斩波器将直流电斩波成交流方波并输出至谐振电路，谐振电路将交流方波电压转换成正弦电流波形，谐振变换器包括谐振电路和主变压器，谐振电路采用LLC串联谐振拓扑，包括磁集成组件的等效谐振电感Lr以及谐振电容Cr,谐振电容Cr与磁集成组件的电感串联连接构成谐振回路。
[0043]本发明实施例中，开关电路可以是半桥斩波器或全桥斩波器。
[0044]相比于传统设计方案，原本布置在谐振电路输出端的谐振电感Lr和主变压器T由磁集成组件替代，同等要求下，将布置在谐振电路输出端的谐振电感Lr和主变压器T，变成了一个共用闭合磁路两个分支磁路，并分别承担等效谐振电感Lr和主变压器T功能的磁集成组件。采用三磁柱型磁芯的集成组件，副边绕组全部绕在中心磁柱上，原边绕组全部绕在中心磁柱和一侧边磁柱上，等效谐振电感(Lr)和主变换器(T)耦合系数可以分别调整，磁芯的电能/磁能/电能变换效率高。[0045]本发明实施例中，集成磁件至少有两个磁柱开磁隙。
[0046]本发明实施例中，集成磁件原边绕组包绕的两个磁柱开磁隙。
[0047]【具体实施例2】
[0048]参照图10，是采用图4的集成磁件应用于并联谐振变换器，谐振变换器包括开关电路、谐振电路、集成磁件。
[0049]开关电路为单端开关电路，该开关电路由开关管Q2构成，开关电路的输出端接谐振电路的输入端，开关电路将直流电斩波成交流方波并输出至谐振电路，谐振电路将交流方波电压转换成正弦电流波形，谐振变换器包括谐振电路和主变压器，谐振电路采用LC并联谐振拓扑，包括磁集成组件的等效电感Lr以及谐振电容Cr,谐振电容Cr与磁集成组件的等效电感并联连接构成谐振回路；
[0050]相比于传统设计方案，原本布置在谐振电路输出端的谐振电感Lr和主变压器T由磁集成组件替代，同等要求下，将布置在谐振电路输出端的谐振电感Lr和主变压器T，变成了一个共用闭合磁路两个分支磁路，并分别承担等效谐振电感Lr和主变压器T功能的集成组件。采用三磁柱型磁芯的集成组件，副边绕组全部绕在中心磁柱上，原边绕组全部绕在中心磁柱和一侧边磁柱上，等效谐振电感(Lr)和主变换器(T)耦合系数可以分别调整，磁芯的电能/磁能/电能变换效率高。
[0051 ] 本发明实施例中，开关电路为单端开关电路。
[0052]本发明实施例中，集成磁件至少有两个磁柱开磁隙。
[0053]本发明实施例中，集成磁件原边绕组包绕的两个磁柱开磁隙。
[0054]【具体实施例3】
`[0055]参照图11，是采用图8的集成磁件应用于三相串联谐振变换器，三相DC/DC变换器包括三相开关电路、谐振电路、磁集成组件。
[0056]本发明实施例中，开关电路为三相半桥斩波器，也可设置为全桥斩波器；
[0057]本发明实施例中，谐振电路为串联谐振电路，谐振电路包括磁集成组件的等效谐振电感Lr和谐振电容Cra、Crb、Crc ;谐振电路将开关电路的方波输入电压变成正弦交流电流。
[0058]本发明实施例中，三个开关电路的桥臂分别与输入直流母线并联；三个开关电路由开关管Ql和Q2，Q3和Q4，Q5和Q6分别对应串联，组成3对桥臂。
[0059]本发明实施例中，3对桥臂的中点作为开关电路方波电压的输出端，分别和谐振电路的输入端连接，谐振电路输出端分别和磁集成组件的三相原边绕组A、B、C串联连接，三相原边绕组A、B、C呈星型连接，且中点与开关电路的负端相连。
[0060]本发明实施例中，磁集成组件采用七磁柱型磁芯的集成组件，A相副边绕组全部绕在At磁柱上，A相原边绕组全部绕在At磁柱和A1磁柱上；B相副边绕组全部绕在Bt磁柱上，B相原边绕组全部绕在Bt磁柱和B1磁柱上，C相副边绕组全部绕在Ct磁柱上，C相原边绕组全部绕在Ct磁柱和C1磁柱上。
[0061 ] 本发明实施例中，集成磁组件至少有六个磁柱开磁隙。
[0062]本发明实施例中，集成磁组件原边绕组A相、B相、C相包绕的六个磁柱开磁隙。
[0063]本发明实施例中，谐振电路包括磁集成组件单元的等效谐振电感和谐振电容Cra、Crb、Crc0[0064]本发明实施例中，谐振电容Cra、Crb、Crc的电容容量相等。
[0065]本发明实施例中，磁集成组件单元三相原边绕组圈数相同；
[0066]本发明实施例中，磁集成组件单元三相副边绕组圈数相同；
[0067]相比于传统技术方案,原本布置在谐振电路输出端的A相、B相、C相三个谐振电感Lra.Lrb.Lrc和三相主变压器T由一个磁集成组件替代，同等要求下，将布置在谐振电路输出端的A相、B相、C相三个谐振电感和三相主变压器T，变成了一个共用闭合磁路七个分支磁路的磁集成组件，磁芯的体积减小，磁芯的电能/磁能/电能变换效率高。
[0068]本发明实施例中，该磁集成组件适用于原边或副边串联谐振电感的谐振变换器。
[0069]本发明还提供一种开关电源，所述开关电源包括依次连接的交流输入模块、上述的DC/DC变换器和直流输出模块。交流输入模块将交流电进行交流滤波、整流后转换成直流电，由DC/DC变换器进行直流/直流转换后输出至直流输出模块，直流输出模块进行直流整流滤波后提供最终的直流电信号。
[0070]应当理解，以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所做的等效结构或等效流程变换，或直接或间接应用在其他相关【技术领域】，均同理包括在本发明的专利保护范围。
【权利要求】
1.一种磁集成谐振变换器，包括谐振电路和集成磁件，所述谐振电路的输出端与所述集成磁件的原边绕组相耦合，其特征在于，该变换器采用集成磁件作为磁集成变压器；该集成磁件包括一对相对设置，并不少于3个磁柱的磁芯，磁芯上分别绕有原边绕组和副边绕组，副边绕组全部绕在中心磁柱上，原边绕组全部绕在中心磁柱和边柱上。
2.根据权利要求1所述的变换器，其特征在于，所述集成磁件适合用于原边或副边串联谐振电感的谐振变换器。
3.根据权利要求1所述的变换器，其特征在于，所述集成磁件至少有3个分支磁路。
4.根据权利要求3所述的变换器，其特征在于，所述磁集成谐振变压器是原边绕组全部绕在两个分支磁柱上。
5.根据权利要求3所述的变换器，其特征在于，所述磁集成谐振变压器是副边绕组全部绕在一个分支磁路上。
6.根据权利要求1所述的变换器，其特征在于，所述磁集成谐振变压器副边绕组磁路的磁隙小于无副边绕组磁路的磁隙。
7.根据权利要求1所述的变换器，其特征在于，所述谐振电路为串联谐振或并联谐振拓扑。
8.—种DC/DC变换器，包括开关电路和磁集成谐振变换器，所述开关电路的输出端与所述磁集成谐振变换器的输入端相耦合，所述磁集成谐振变换器为权利要求1-7之一所述的的谐振变换器。
9.根据权利要求8所述的DC/DC变换器，所述开关电路为半桥或全桥开关电路，所述谐振变换器为单相谐振变换器或三相谐振变换器。
10.一种开关电源，包括交流输入模块、DC/DC变换器和直流输出模块，其特征在于，所述DC/DC变换器为权利要求9所述的DC/DC变换器。
【文档编号】H01F27/30GK103762846SQ201410040351
【公开日】2014年4月30日 申请日期:2014年1月27日 优先权日:2014年1月27日
【发明者】陶顺祝 申请人:陶顺祝