高集成度的磁性复合电感和分布式逆变器的制作方法

1.本发明涉及电感技术领域，尤其涉及一种高集成度的磁性复合电感和包括该磁性复合电感的分布式逆变器。


背景技术：

2.随着新能源的发电占比会持续增加，且以后户用或商用的逆变器需求会更多，这就要求逆变器有极高的功率密度与效率。
3.磁性元器件作为逆变器的主要构成，其成本占整机15％以上，且损耗也占整机损耗的主要部分。因此更高的功率密度就要求更高的开关频率，而更高的开关频率必然会带来损耗的增加，从而造成效率下降。
4.在逆变器的升压侧(boost)每一路都带有一个磁元件。行业内对于升压侧的电感多采用铁硅等磁粉芯材料作为磁芯材料，该材料俗称软磁，特点是不易于饱和(短路)，因此大量应用于电感设计当中。但是由于磁粉芯材料的磁导率较低，一般在26u～75u，这样用磁粉芯绕制的电感就不容易饱和，但损耗较大，且同样感量要求下的体积也比较大，且磁粉芯作为较新的磁芯材料，其成本也较高。
5.另外现行电感大多采用所谓的单电感，即一路电感用一套磁环，这样的设计既占空间，又增加成本。
6.基于此，需要一种新的解决方案。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于针对现有技术的上述缺陷，提供一种适用于高防护等级的快速高集成度的磁性复合电感。
8.本发明实施例提供一种高集成度的磁性复合电感，包括左柱磁芯、右柱磁芯、上盖板磁芯、下盖板磁芯、中柱磁芯、第一绕组和第二绕组，所述左柱磁芯、所述中柱磁芯和所述右柱磁芯设置在对称设计的所述上盖板磁芯和所述下盖板磁芯之间，所述左柱磁芯和所述右柱磁芯对称设置在所述中柱磁芯两侧，所述左柱磁芯、所述右柱磁芯、所述上盖板磁芯、所述下盖板磁芯和所述中柱磁芯均采用铁氧体或非晶材料的一种或多种组合；所述第一绕组绕在所述左柱磁芯上，所述第二绕组绕在所述右柱磁芯上。
9.在本发明提供的高集成度的磁性复合电感中，所述左柱磁芯与所述右柱磁芯内分别设置有对称设计的多段气隙。
10.在本发明提供的高集成度的磁性复合电感中，所述多段气隙采用硅胶片、环氧板或其他具有高绝缘和导热性的材料中的一种或多种。
11.在本发明提供的高集成度的磁性复合电感中，所述第一绕组与所述第二绕组采用相同的绕制材料和绕制匝数，且绕制方式和绕组电流方向分别互为镜像关系。
12.在本发明提供的高集成度的磁性复合电感中，所述左柱磁芯与所述右柱磁芯为圆柱或椭圆柱，所述中柱磁芯为两侧宽中间窄的柱体。
13.本发明还提供一种分布式逆变器，包括如上所述的高集成度的磁性复合电感，所述第一绕组连接在所述分布式逆变器第一路输入，所述第二绕组连接在所述分布式逆变器第二路输入。
14.实施本发明实施例，具有如下有益效果：本发明提供的高集成度的磁性复合电感，包括有第一绕组、第二绕组、中柱磁芯、左柱磁芯、右柱磁芯、上盖板磁芯和下盖板磁芯；所有磁芯全部采用铁氧体材质，上盖板磁芯与下盖板磁芯需要对称设计，左柱磁芯和右柱磁芯也需要对称设计，且需要有分布式气隙；第一绕组绕在左柱磁芯上，连接在逆变器第一路输入；第二绕组绕在右柱磁芯上，连接在逆变器第二路输入；第一绕组与第二绕组绕制材料相同，绕制匝数相同，绕制方式对称；第一绕组与第二绕组电流流向为“镜像”关系；相比于传统的磁粉芯材质电感，该电感可在相同感量，相同频率和电流条件下大幅度降低磁芯体积，同时降低损耗与成本。
附图说明
15.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
16.图1所示是本发明提供的高集成度的磁性复合电感的结构示意图；
17.图2所示是本发明提供的高集成度的磁性复合电感的俯视图；
18.图3所示为包含本发明提供的高集成度的磁性复合电感的逆变器升压电路侧的示意图；
19.图4所示是本发明提供的高集成度的磁性复合电感的另一结构示意图；
20.图5所示为流过boost电感的电流；
21.图6所示为纹波电流在电感上产生的磁感应强度
△
b；
22.图7所示为本发明提供的高集成度的磁性复合电感产生的磁力线示意图。
具体实施方式
23.为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的典型实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。
24.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
25.本发明总的思路是：针对传统的逆变器升压侧(boost)电感磁芯为磁粉芯(铁硅)材质，但采用该磁芯的电感体积大且损耗大的问题，本发明提供一种可以用于光伏逆变器或光储一体机的新型高集成度的磁性复合电感。该电感包括有：第一绕组、第二绕组、中柱磁芯、左柱磁芯、右柱磁芯、上盖板磁芯和下盖板磁芯。所有磁芯全部采用铁氧体材质，上盖板磁芯与下盖板磁芯需要对称设计，左柱磁芯和右柱磁芯也需要对称设计，且需要有分布式气隙；第一绕组绕在左柱磁芯上，连接在逆变器第一路输入；第二绕组绕在右柱磁芯上，
连接在逆变器第二路输入；第一绕组与第二绕组绕制材料相同，绕制匝数相同，绕制方式对称；第一绕组与第二绕组电流流向为“镜像”关系。相比于传统的磁粉芯材质电感，该电感可在相同感量，相同频率和电流条件下大幅度降低磁芯体积，同时降低损耗与成本。
26.为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明，应当理解本发明实施例以及实施例中的具体特征是对本技术技术方案的详细的说明，而不是对本技术技术方案的限定，在不冲突的情况下，本发明实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。。
27.图1所示是本发明提供的高集成度的磁性复合电感的电路图。如图1所示，本发明提供的高集成度的磁性复合电感包括左柱磁芯、右柱磁芯、上盖板磁芯、下盖板磁芯、中柱磁芯、第一绕组和第二绕组。
28.具体地，在本发明一实施例中，所述左柱磁芯、所述右柱磁芯、所述上盖板磁芯、所述下盖板磁芯和所述中柱磁芯均采用铁氧体或非晶材料的一种或多种组合。传统用于逆变器升压侧的电感的磁芯为磁粉芯(铁硅)材质，本发明采用铁氧体作为材料，前者磁导率为26u～75u，后者磁导率为2000u～9000u，则在相同感量要求下，后者的体积为前者的1/10左右，因此可以最大限度缩小磁元件体积。此外，同样感量的磁元件(磁粉芯和铁氧体)应用在相同工况下会有相同的纹波电流，相同纹波电流条件，前者的磁损是后者几倍；因此磁粉芯材质的损耗大于铁氧体损耗。进一步地，在磁元件领域，磁芯材料体积和材料决定了相同感量条件下，磁粉芯价格会高出铁氧体很多。最后，磁粉芯最大优点是磁场强度较高，因此不易饱和，因此大量应用于与电网连接的领域；但光伏逆变器的pv短路能力有限，因此完全可以采用铁氧体。
29.具体地，在本发明一实施例中，所述左柱磁芯、所述中柱磁芯和所述右柱磁芯设置在对称设计的所述上盖板磁芯和所述下盖板磁芯之间，所述左柱磁芯和所述右柱磁芯对称设置在所述中柱磁芯两侧，所述第一绕组绕在所述左柱磁芯上，所述第二绕组绕在所述右柱磁芯上；所述左柱磁芯与所述右柱磁芯内分别设置有对称设计的多段气隙。由此，在该磁性复合电感中，左右侧磁芯、气隙和上下盖板磁芯均为对称和对齐设计；第一绕组绕制于左侧磁芯，第二绕组绕置于右侧磁芯；第一绕组与第二绕组为镜像关系，既绕线方式为镜像，2个绕组电流方向也为镜像关系。对于传统逆变器，每个升压电路采用一个电感，而本发明通过上述结构设计，可以实现两路绕组共用一个磁芯被应用在逆变器升压侧。
30.具体地，在本发明一实施例中，所述多段气隙采用硅胶片、环氧板或其他具有高绝缘和导热性的材料中的一种或多种。如图2所示，所述左柱磁芯与所述右柱磁芯为圆柱或椭圆柱，所述中柱磁芯为两侧宽中间窄的柱体。这样的几何形状有益于充分利用磁芯的窗口，不浪费磁芯窗口。
31.图3所示为包含本发明提供的高集成度的磁性复合电感的逆变器升压电路侧的示意图。如图3所示，所述电感主要用于逆变器升压电路(boost)侧，主要作用是将光伏板电压升压到母线所需电压，所述左侧磁芯的下引线与光伏板的输入与滤波电容正极相连，所述磁芯的上引线与逆变器第一路输入的二极管的阳极与i gbt的集电极相连；所述的右侧磁芯下引线与另一路光伏板的输入与滤波电容正极相连，所述的所述磁芯的上引线与逆变器第二路输入的二极管的阳极与i gbt的集电极相连。在相同频率与纹波电流条件下，所述的电感可以缩小一半以上的电感，同时可以降低损耗，降低成本，提高逆变器整机效率。
32.对于传统逆变器，每个升压电路采用一个电感，而本发明采用2路或几路共用一个磁芯，例如，图3为逆变器独立的2路boost电路。而采用本发明还可集成2个或2个以上的电感在一个磁元件上，如图4所示为4个电感共用一个磁芯。流过boost电感的电流如图5所示，光伏板实际流出的是i_dc，通过控制开关半导体q1/q2造成电感上的电流上升或下降，电容c1/c2提供电流纹波
△
i，纹波电流在电感上就会产生磁感应强度
△
b(如图6所示)，这些变换的磁感应强度就会在电感上产生相应的电压从而作用于整体电路中。
33.进一步地，如图7所示，电流流过线圈从而产生磁力线，由于左右磁芯开有气隙，因此其磁阻会远远大于中心磁芯，第一绕组产生的磁力线ф1主要流经环1，第二绕组产生的磁力线ф1流经环2，环1与环2在中心磁芯上相互抵消。磁芯带有磁阻，磁力线只要经过磁芯都会产生损耗，而本发明中柱磁芯由于磁力线相互抵消，因此环1与环2流过中柱磁芯的损耗可以忽略，而上下盖板磁芯采用的是铁氧体，其磁阻远远小于磁粉芯，因此损耗也可忽略不计，只会在左右侧磁芯柱的气隙处产生相应的损耗。
34.在使用时，首先采用ap法选择合适的磁芯体积和型号，已知实际电路的直流电流值为i dc，设定纹波电流
△
i对应的纹波磁感应强度
△
b(取值为0.1t)，取最大电流i peak对应的最大磁感应强度bmax(0.25t可确保铁氧体磁芯不会饱和)。则按照公式1即可计算输出纹波电流值，公式2可算出满足性能指标的最低感量(其中半导体开关周期为ts，输出母线电压为vbus，光伏板输入为vi n),公式3位计算的单个线圈所需绕制的最小匝数(其中ae磁芯等效横截面积)，公式4为计算单侧(左右侧)磁芯的总气隙长度，其中u0为真空磁导率，l e为等效此路长度(需将中住磁芯长度省去)，ur为磁芯等效的相对磁导率。需要注意的是下面这些公式计算出来的都是大致参数，还需实际绕制时进行相应的调整方可得到最佳参数。
[0035][0036][0037][0038][0039]
在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。
[0040]
类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。
[0041]
此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在下面的权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。
[0042]
应该注意的是上述实施例对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。本发明可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名称。