一种磁元件抗饱和磁芯结构的制作方法

1.本发明涉及一种开关电源器件，具体涉及一种磁元件抗饱和磁芯结构。


背景技术：

2.磁元件是开关电源领域常见的一类无源器件，通常通过检测绕在磁芯上绕组电感量的变化判断磁芯是否饱和。在大多数应用中，磁芯饱和会引起感量下降，励磁电流增大，绕组损耗增大、烧坏等问题，应避免磁芯快速饱和。
3.磁元件按磁芯材质特性分为硬饱与软饱和两类。硬饱和磁芯特点为：该类磁芯材质相对磁导率μr比较大，一般大于500，如锰锌铁氧体、硅钢片、非晶或超微晶等。由该类硬饱和材质构成的磁芯，一般采用放置集中气隙的方式抑制电压或者电流引起的磁芯饱和。该类磁芯的特点是：在绕组电压或电流达到饱和值之前，绕组与磁芯形成的感量几乎不随电压或电流发生变化，感量保持恒定。当绕组电压或电流超过饱和值后，感量快速跌落至很小值，出现磁芯硬饱和现象，参见图1。软饱和磁芯特点为：该类磁芯材质相对磁导率μr比较小，一般为几十到200以下，如各类磁粉芯，包括铁粉芯，铁硅铝粉芯，铁硅粉芯，铁镍粉芯，非晶纳米晶粉芯等，该类磁芯具有分布式气隙结构，常见此类材质磁导率为26、40、60、75、90、125等。绕组感量随着电压或电流增大逐渐减小，感量与电压或电流值有关，不是一个恒定值，但不会出现电压或电流增大到一定值后，绕组感量快速跌落到接近0的硬饱和现象，参见图2。这两类特性的磁元件在开关电源领域都有应用。如各类变压器、llc谐振电感、滤波电感等，一般要求绕组感量恒定，多采用硬饱和磁芯方案。pfc电感、buck/boost电感等，允许感量随电压或电流发生变化，多采用软饱和磁芯方案。
4.在要求磁元件感量恒定的电源拓扑应用中，磁元件磁芯均采用硬饱和磁芯材质。电源有时需要短时工作在高电压(如浪涌，电网电压波动等)或者大电流(如过载，短路运行等)工况下，当变压器上加的电压过高，或者电感器上流过的电流过大时，会导致该类磁芯快速硬饱和，绕组感量快速下降，绕组中电流快速上升，很容易导致主回路开关管过流损坏。为了适应电源该类短时过压、过载工况，常规做法是将磁元件额定工作磁密设计的比较低，保证磁元件在短时过压、过载时磁芯仍然不会硬饱和，但会导致磁元件体积大，成本高，比较浪费。


技术实现要素：

5.本发明的目的是针对现有硬饱和磁元件在短时高过压或高过载工况下，磁芯饱和，使得开关电源难以稳定工作在该类工况下，导致磁元件绕组电流快速上升，造成开关管损坏的技术问题，而提供一种磁元件抗饱和磁芯结构，实现在额定工况以下，绕组感量恒定，不随电压或电流发生明显变化。当高过压或者高过载时，绕组感量随电压或电流缓慢减小，不会急剧减小，导致电流快速上升。
6.为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：
7.一种磁元件抗饱和磁芯结构，其特殊之处在于：包括绕组、磁轭、与磁轭组成回路
的中柱；
8.绕组缠绕设置于中柱的外部，且绕组与中柱之间的距离为d3；
9.中柱包括并联的硬饱和磁分路与软饱和磁分路；硬饱和磁分路与软饱和磁分路连接的两端分别与磁轭连接；
10.硬饱和磁分路包括n+1磁芯段，每个磁芯段同轴设置，且相邻磁芯段之间形成n个气隙；n为大于等于1的正整数；气隙沿硬饱和磁分路轴线方向的长度为d1，且d3≥d1；
11.硬饱和磁分路与软饱和磁分路相对邻壁之间的距离为d2，且d2≥d1；
12.硬饱和磁分路的磁阻r
m1
与软饱和磁分路的磁阻r
m2
的关系为r
m2
＝ar
m1
，a的取值大于等于5；
13.硬饱和磁分路磁芯截面积a
e1
、软饱和磁分路磁芯截面积a
e2
与磁轭截面积a
e3
之间的关系为a
e3
≥a
e1
+a
e2
。
14.进一步地，所述磁轭为闭合型结构，其内部设置有容置空腔；
15.硬饱和磁分路与软饱和磁分路均位于容置空腔内，且硬饱和磁分路与软饱和磁分路连接的两端分别与磁轭连接；
16.或者，硬饱和磁分路的一端或/和两端与磁轭之间设置有气隙；软饱和磁分路的两端分别与磁轭连接。
17.进一步地，所述磁轭为u型结构；
18.硬饱和磁分路与软饱和磁分路连接的两端分别与磁轭的两端连接，形成闭合回路。
19.进一步地，所述磁轭包括平行的第一磁轭与第二磁轭；
20.三组中柱(2)依次平行设置于第一磁轭与第二磁轭之间，每组中柱(2)的硬饱和磁分路(3)与软饱和磁分路(4)连接的两端分别与第一磁轭、第二磁轭连接。
21.进一步地，所述硬饱和磁分路的磁阻r
m1
：
[0022][0023]
式中：n为气隙数量；μ0为空气磁导率；
[0024]
软饱和磁分路磁阻r
m2
：
[0025][0026]
式中：lg为软饱和磁分路轴向长度；μr为软饱和磁分路的磁材相对磁导率。
[0027]
进一步地，所述硬饱和磁分路包括三个磁芯段，每个磁芯段同轴设置，且相邻磁芯段之间形成两个气隙。
[0028]
进一步地，a的取值为5。
[0029]
进一步地，所述绕组采用利兹线或薄铜箔。
[0030]
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
[0031]
1、本发明磁元件抗饱和磁芯结构中的磁元件在额定工况以下，感量几乎不随电压、电流发生变化。在高过压、高过载工况下，绕组感量随电压或电流缓慢减小，扩大了开关电源适应电压、负载大范围变化的应用环境，防止电源输出短路时电流快速上升引起的炸
机。
[0032]
2、相比传统仅靠降低磁元件设计磁密，增大磁芯尺寸，适应电源宽范围工作的设计方案。本发明的磁元件磁芯尺寸变动小，绕组铜线用量增加小，使得成本增加小，结构实现更简单。
[0033]
3、本发明磁芯结构(中柱)硬饱和磁分路与软饱和磁分路之间至少保持一个气隙长度距离，硬饱和磁分路气隙处的扩散磁通时，不会在软饱和磁分路的磁芯中产生涡流损耗，发热小且效率高。
[0034]
4、本发明软饱和磁分路与硬饱和磁分路为并联关系。长期正常额定工况以下，软饱和磁分路中几乎没有磁通，所以没有高频涡流损耗，不会造成额外发热，效率高。
[0035]
5、绕组采用利兹线，或厚度小于集肤深度的薄铜箔材料，且与硬饱和磁分路与软饱和磁分路之间均应保持至少一个气隙长度距离，可以极大减小气隙扩散磁通在绕组中的涡流损耗，使得绕组发热小，效率高。
[0036]
6、本发明对于大气隙磁元件，采用分段式气隙结构，可以减小气隙处磁芯的涡流损耗。
附图说明
[0037]
图1为现有硬饱和磁元件感量随磁场强度变化特性示意图。
[0038]
图2为现有软饱和磁元件感量随磁场强度变化特性示意图。
[0039]
图3为本发明抗饱和磁芯结构实施例一的结构示意图，其中lg表示软饱和磁分路磁芯沿轴向的长度。
[0040]
图4为本图3的俯视图。
[0041]
图5为本发明抗饱和磁芯结构实施例二的结构示意图。
[0042]
图6为本发明抗饱和磁芯结构实施例三的结构示意图。
[0043]
图中附图标记为：
[0044]
1-磁轭，2-中柱，3-硬饱和磁分路，4-软饱和磁分路，5-气隙，6-绕组，7-磁芯段。
具体实施方式
[0045]
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明技术方案的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的技术方案，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0046]
在某些开关电源拓扑中，正常工作时，要求电感感量恒定不变，如llc拓扑、移相全桥拓扑等，该类拓扑中常规电感方案多采用铁氧体磁芯，铁氧体电感具有硬饱和的特点。当该类拓扑有短时重过载或者短路运行要求时，该工况下流过电感的电流很大，磁芯易饱和，导致电感感量迅速减小。电源控制回路反应速度和可控稳态范围不能适应电感感量急剧变化，从而导致电源失控，电流急剧上升，电源炸机。
[0047]
本发明一种磁元件抗饱和磁芯结构，如图3所示，包括绕组6、磁轭1、与磁轭1组成回路的中柱2；
[0048]
绕组6缠绕设置于中柱2的外部，且绕组6与中柱2之间的距离为d3；
≥d1，避免了硬饱和磁分路3的第一气隙与第二气隙扩散磁通在软饱和磁分路4上感应出较大的涡流损耗。
[0063]
绕组6与软饱和磁分路4、硬饱和磁分路3侧壁之间的距离为d3，d3≥d1，避免了硬饱和磁分路3的第一气隙与第二气隙在绕组6上感应出较大的涡流损耗。
[0064]
硬饱和磁分路3磁阻r
m1
：
[0065][0066]
其中：n为气隙5数；
[0067]
d1为单个气隙5长度；
[0068]
μ0为空气磁导率；
[0069]ae1
为硬饱和磁分路3的磁芯截面积。
[0070]
软饱和磁分路4磁阻r
m2
：
[0071][0072]
其中：
[0073]
lg为软饱和磁分路4轴向长度；
[0074]
μr为软饱和磁分路4的磁材相对磁导率；
[0075]ae2
为软饱和磁分路4的磁芯截面积。
[0076]
通过设计，使r
m2
≥5
×rm1
，可保证额定工况以下时，绕组6感量随电压或者电流变化≤10％，满足常见电路拓扑对磁元件感量误差不超过10％的要求。
[0077]
磁轭1截面积为a
e3
，使a
e3
≥a
e1
+a
e2
，可保证在高过压，或高过载工况下，硬饱和磁分路3和软饱和磁分路4进入软饱和工作状态时，磁轭1部分磁芯不会硬饱和，不产生过大损耗，不会因磁轭1磁芯饱和导致感量快速下降。
[0078]
在硬饱和磁分路3饱和之前，硬饱和磁分路3磁阻r
m1
只有软饱和磁分路4磁阻r
m2
的1/5，甚至更小。由于硬饱和磁分路3与软饱和磁分路4为并联关系，硬饱和磁分路3中流过总磁通的90％左右，所以在硬饱和磁分路3饱和之前，磁元件特性主要由硬饱和磁分路3决定，对外表现为感量几乎不随电压或者电流变化。
[0079]
当在高过压或者高过流工况下，硬饱和磁分路3饱和，其磁阻r
m1
迅速增大，量级上接近r
m2
，或者比r
m2
大，部分磁通由硬饱和磁分路3转移到软饱和磁分路4中。由于磁轭1截面积a
e3
比硬饱和磁分路3磁芯截面积a
e1
和软饱和磁分路4磁芯截面积a
e2
之和大，所以磁轭1不会饱和，对感量的影响可以忽略。磁元件特性由硬饱和磁分路3和软饱和磁分路4共同决定，总的对外表现为感量随电压或电流缓慢减小的特征。
[0080]
由于软饱和磁性材料和绕组6在高频磁场中会感应较大涡流损耗，造成额外发热。本发明中，绕组6和软饱和磁分路4与硬饱和磁分路3之间隔至少一个气隙5长度的距离，减小气隙5处扩散磁通的高频涡流影响。
[0081]
实施例二
[0082]
如图5所示，实施例二与实施例一的区别在于磁轭1为u型结构；硬饱和磁分路3与软饱和磁分路4连接的两端分别与磁轭1的两端连接，形成闭合回路。磁轭1开口处由三个磁
芯段7(硬饱和分段式气隙5磁芯)构成的硬饱和磁分路3和软饱和磁芯构成的软饱和磁分路4复合而成，外面缠绕有绕组6，剩余磁轭1由硬饱和磁性材质构成。
[0083]
额定工况下，由于硬饱和磁分路3磁阻小，绝大部分磁通经过硬饱和磁分路3与u型磁轭1构成闭合回路，软饱和磁分路4只有少部分磁通流过，磁元件对外表现为硬饱和特性。当高过压或者高过载情况下，硬饱和磁分路3磁通饱和，其磁阻增大，磁通同时流过硬饱和磁分路3和软饱和磁分路4，磁元件对外表现为软饱和特性。
[0084]
实施例二与实施例一的其余结构均相同。
[0085]
实施例三
[0086]
如图6所示，实施例三与实施例一的区别在于磁轭1包括平行的第一磁轭与第二磁轭；中柱2设置于第一磁轭与第二磁轭之间，且为三组，分别为第一组中柱、第二组中柱与第三组中柱；第一磁轭与第二磁轭的一端分别连接第一组中柱的硬饱和磁分路3与软饱和磁分路4连接的两端；第一磁轭与第二磁轭的另一端分别连接第三组中柱的硬饱和磁分路3与软饱和磁分路4连接的两端；第二组中柱位于第一组中柱与第三组中柱之间，其一端与第一磁轭连，另一端与第二磁轭连接；形成三相e型磁芯结构。三个中柱2(复合磁芯柱)上分别缠绕相同的三相a绕组6、三相b绕组6与三相c绕组6。
[0087]
由于三相电压或电流矢量和等于0，当给三相a绕组6、三相b绕组6与三相c绕组6加载互差120
°
的电压或者电流激励时，由此产生的磁通会通过三相复合磁分路和上下磁轭1构成闭合回路。额定工况下，由于每个中柱2的硬饱和磁分路3的磁阻小，绝大部分磁通从该磁分路中流过，与之并联的软饱和磁分路4几乎不起作用，所以磁元件对外表现为硬饱和特性。
[0088]
当磁元件因高过压或者高过载时，硬饱和磁分路3磁通饱和，磁阻增大，磁通同时流过硬饱和磁分路3和软饱和磁分路4，磁元件对外表现为软饱和特性。
[0089]
实施例三与实施例一的其余结构均相同。