专利名称：采用无直流偏磁集成磁件的dc／dc开关变换器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种DC/DC(直流/直流)开关变换器，尤其是涉及一种采用无直流偏磁集成磁件的DC/DC开关变换器。
背景技术：
当前，直流开关电源的一个重要发展趋势是实现“轻、薄、短、小”和高效率，直流开关电源的核心是电力电子DC/DC(直流/直流)开关变换器。在各种DC/DC开关变换器中，一般都有输入滤波电感器、输出滤波电感器或储能电感器，为了传递和储存直流功率，这些电感器中一般都流过较大的直流偏置电流，导致这些电感器的铁心中产生较大的直流偏磁，为了防止直流偏磁引起电感器铁心的磁饱和，在这些电感器的铁心磁路中一般都开一个与直流偏置电流的大小成正比的气隙，结果使得电感器铁心的利用率很低，电感量大大降低，为了弥补电感量的这种损失，人们常常采用增大电感器铁心体积或绕组匝数的办法(非常不利于电感器及开关电源体积的减小)，结果使得DC/DC开关变换器难以实现“轻、薄、短、小”；此外，由于这些电感器的工作频率都很高(几十kHz以上)，使这些铁心开气隙的电感器产生了较大的泄漏电磁场及高频辐射电磁干扰，泄漏电磁场引起电感器绕组的涡流损耗，使DC/DC开关变换器难以实现高效率；高频辐射电磁干扰不仅影响变换器电路自身的正常工作，还会进入电网，污染电磁环境，危害其他电子设备的正常运行。因此，必须采取措施来消除这些电感器中的直流偏磁及气隙。
过去，人们曾在铁心磁路中加永磁材料来消除直流偏磁，但由于永磁体的成本、损耗及气隙引起电感量降低等原因，使该办法行不通。
另一个尝试是采用特殊的变换器结构来减小或消除直流偏磁。如美国专利“补偿电子功率变换器”(专利号US5,166,869)中引入“补偿变压器”，该补偿变压器把输入电感和输出电感结合成一个耦合电感，其输入电感中的直流磁通被输出电感所产生的直流磁通所消除，其主要缺点是只能在某一固定的输入/输出电压变比下消除直流偏磁，该变比由这两个绕组的固定匝比所决定，而不能在可变的输入/输出电压变比下消除直流偏磁，即不能通过脉宽调制法在任何占空比时都消除直流偏磁。注意耦合电感和变压器结构的不同在耦合电感中，当输入电感的瞬时电流流入同名端时，输出电感的瞬时电流也流入同名端，而在交流变压器中，输出电流是流出同名端。耦合电感的主要优点是可以减小输出纹波电流，甚至可以实现输出零纹波电流。
美国专利US6,400,579(授权日2002.10.9)是在Cuk变换器中加了一个中间绕组，将这个中间绕组与Cuk变换器中的输入和输出电感绕组集成在一个铁心上，可以在任何占空比时消除铁心中的直流偏磁，使铁心不用开气隙，发明人称其为直流变压器，结果使变换器的体积和重量减小，效率提高，且具有极高的过载能力(是额定负载电流的20多倍)。这种集成磁件及电路结构的缺点是电路复杂，自关断器件多(四个)，额外加了一个中间绕组(引起绕组电阻损耗)，且只适用于Cuk变换器这一种变换器，而不能适用于目前常用的各种DC/DC变换器(如Buck、Boost、Buck/Boost、Zeta、Sepic、正激、反激等等)。
发明内容
本发明为了克服压以上技术不足，提供了一种实施方便、在任何占空比时都可以消除滤波电感器和储能电感器中直流偏磁及气隙的DC/DC开关变换器。不但使变换器的体积减小，重量减轻，而且可以使变换器的动态响应速度大大加快，输出纹波电流减小，过载能力增强，电感器绕组的涡流损耗大大减小，产生的电磁干扰大大减小，电流应力减小，为实现开关电源的“轻、薄、短、小”和高效率提供理论和技术支持。同时，这种DC/DC变换器也非常适用于低电压大电流输出的开关变换器，并且可以适用于包括Cuk变换器在内的如上所述的各种常用的DC/DC变换器。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是将采用无直流偏磁集成磁件的DC/DC变换器实行两路并联(或多路并联)，将这两条并联支路上的电感器L1和L2集成在一个铁心上，形成一个无直流偏磁的集成磁件IM1，让一条并联支路上的绕组电流流入同名端，让另一条并联支路上的绕组电流流出同名端，这两条支路的开关频率相同，工作脉冲的占空比相同，导通时刻相差在一个周期之内，当其中一条支路的开关导通，由直流电源传过来的功率通过该条支路的电感绕组时，则通过磁耦合的方式使功率由另一条支路的电感绕组直接传递给负载，同时，流过两绕组的电流在铁心中产生的直流偏磁的大小相等，方向相反，互相消除，铁心中不用开气隙；各条并联支路上的电流纹波由无直流偏磁集成磁件IM1中的绕组漏感来抑制，在制作无直流偏磁集成磁件IM1时，通过调整漏感的大小来满足不同的电流纹波要求。无直流偏磁集成磁件IM1的两个绕组互为输入、输出绕组，且其两个绕组的匝数和导线直径都相同。无直流偏磁集成磁件IM1的结构包括E形铁心1，铁心1的中柱上2有气隙，铁心1的两个侧柱3、4上绕有两个电感绕组L1和L2，它们在铁心1中产生的直流磁通的方向相反。如果一个DC/DC变换器中有两个这样的无直流偏磁集成磁件IM1和IM2，就将IM1和IM2进一步集成在一个铁心1上，成为一个无直流偏磁集成磁件IM3。
或者将Buck变换器中的输入滤波电感和输出滤波电感形成如上所述的集成磁件，也是进行直流功率的直接传输，从而消除铁心中的直流偏磁，使铁心不用开气隙。
本发明的有益效果是由于DC/DC变换器采用了上述电路结构及无直流偏磁的集成磁件结构，不但在任何占空比时都可以消除电感器铁心中的直流偏磁，使铁心不用开气隙，使变换器的体积减小、重量减轻、高度减小；而且可以使变换器的动态响应速度大大加快，输入、输出纹波电流减小，过载能力增强，电感器绕组的涡流损耗大大减小，产生的电磁干扰大大减小，电流应力减小，从而为实现开关电源的“轻、薄、短、小”及高效率提供理论和技术支持。同时，这种DC/DC变换器的电路结构及其无直流偏磁的集成磁件也非常适用于低电压大电流输出的开关变换器，并且可以适用于包括Cuk变换器在内的如上所述的各种常用的DC/DC变换器。
以下结合附图以实施例具体说明。
图1示采用无直流偏磁集成磁件的DC/DC开关变换器电路拓扑结构示意图。
图2示图1的实施例二的Buck型DC/DC开关变换器电路拓扑结构示意图。
图3示图1的实施例三的Boost型DC/DC开关变换器电路拓扑结构示意图。
图4示图1的实施例四的Buck/Boost型DC/DC开关变换器电路拓扑结构示意图。
图5示图1的实施例五的Cuk型DC/DC开关变换器电路拓扑结构示意图。
图6示图1的实施例六的Cuk型DC/DC开关变换器电路拓扑结构示意图。
图7示图1的实施例七的Zeta型DC/DC开关变换器电路拓扑结构示意图。
图8示图1的实施例八的Zeta型DC/DC开关变换器电路拓扑结构示意图。
图9示图1的实施例九的Sepic型DC/DC开关变换器电路拓扑结构示意图。
图10示图1的实施例十的Sepic型DC/DC开关变换器电路拓扑结构示意图。
图11示图1的实施例十一的Forward(正激)型DC/DC开关变换器电路拓扑结构示意图。
图12示图1的实施例十二的Forward(正激)型DC/DC开关变换器电路拓扑结构示意图。
图13示图1的实施例十三的Forward(正激)型DC/DC开关变换器电路拓扑结构示意图。
图14示图1的实施例十四的Forward(正激)型DC/DC开关变换器电路拓扑结构示意图。
图15示图1的实施例十五的Forward(正激)型DC/DC开关变换器电路拓扑结构示意图。
图16示图1的实施例一、二、三、四、五、七、九、十一、十三、十四、十五中无直流偏磁集成磁件IM1的结构和实施例五、七、九中无直流偏磁集成磁件IM2的结构。
图17示图1的实施例六、八、十中无直流偏磁集成磁件IM3的结构。
图中，1-铁心；2-铁心中柱；3、4-铁心侧柱；L1～L4-电感器；S1、S2-可控开关器件；D1～D6-二极管；C、C1、C2-电容；IM1～IM8-无直流偏磁集成磁件；Vg-直流电源；R-负载；T1、T2-变压器具体实施方式
实施例一，参照附图1，一种采用无直流偏磁集成磁件的DC/DC开关变换器，包括一个由电感器L1和L2组成的无直流偏磁集成磁件IM1，两个可控开关器件S1和S2，两个二极管D1和D2(D1和D2也可以采用可控开关器件，如实现同步整流时)，电容C，直流电源Vg，及负载R。这种结构变换器的特点是实现两路(或多路)并联，由电感器L1和L2组成一个无直流偏磁集成磁件IM1，IM1的pp端和sp端为同名端，pm端和sm端为同名端，上面一条支路的电流从pp端流入，从pm端流出，下面一条支路的电流从sm端流入，从sp端流出；可控开关器件S1和S2的开关频率相同，占空比相同，导通时刻相差在一个周期之内；无直流偏磁集成磁件IM1的电感L1的pp端接二极管D1的阴极和开关器件S1的源极(当S1采用功率MOFET时，下同)，D1的阳极接地，S1的漏极接直流电源Vg的正极，L1的pm端接L2的sp端、电容C的正极和负载R的一端，C的负极和R的另一端接地，IM1的电感L2的sm端接D2的阴极和S2的源极(当S2采用功率MOFET时，下同)，D2的阳极接地，S2的漏极接直流电源Vg的正极，Vg的负极接地。集成磁件IM1的铁心1可以采用环形、U形、平面U型、E形、平面E形等各种形状，铁心材料可以采用铁氧体、金属磁粉芯、坡莫合金、非晶、超微晶等各种铁磁材料；集成磁件IM1的电感L1和L2的绕组线圈可以采用圆铜导线、铜箔或印刷电路板等，一般将这两个两线圈的匝数及导体截面积设置成相同；集成磁件IM1的结构可以采用如图16所示的结构，当然不只限于这种结构，铁心1中有一个带气隙的中柱2是为了增大两个绕组的漏感。两个可控开关器件S1和S2可以采用功率MOSFET、IGBT、GTR、GTO、SCR、IGCT、BCT等各种半导体开关器件，当二极管D1和D2采用可控开关器件时，也可以采用这些种类的半导体开关器件。
实施例二，参照附图2，一种采用可消除直流偏磁集成磁件的Buck型DC/DC开关变换器，包括一个输入滤波电感L1和一个输出滤波电感L2组成的可消除直流偏磁的集成磁件IM1，一个可控开关器件S1，一个二极管D1(D也可以采用可控开关器件，如实现同步整流时)，电容C，直流电源Vg，及负载R。这种结构的变换器的特点是由输入电感L1和输出电感L2组成一个可消除直流偏磁的集成磁件IM1，IM1的pp端和sp端为同名端，pm端和sm端为同名端，流过输入电感L1的电流从pp端流入，从sp端流出，流过输出电感L2的电流从sm端流入，从sp端流出；IM1的L1的pp端接Vg的正极，L1的pm端接S1的漏极和C1的正极，C1的负极接地，IM1的L2的sp端接C的正极和R的一端，C的负极和R的另一端接地，L2的sm端接S1的源极和D1的阴极，D1的阳极接地。集成磁件IM1采用的铁心同实施例一；集成磁件IM1的电感L1和L2的绕组线圈可以采用圆铜导线、铜箔或印刷电路板等；集成磁件IM1的结构采用如图16所示的结构，当然不只限于这种结构，铁心1中有一个带气隙的中柱2是为了增大两个绕组的漏感。可控开关器件S1及二极管D1采用的开关器件同实施例一。
实施例三，参照附图3，一种采用无直流偏磁集成磁件的并联Boost型DC/DC开关变换器，包括一个由电感器L1和L2组成的无直流偏磁集成磁件IM1，两个可控开关器件S1和S2，两个二极管D1和D2(D1和D2也可以采用可控开关器件，如实现同步整流时)，电容C，直流电源Vg，及负载R。这种结构的变换器的特点是实现两路(或多路)并联，由电感器L1和L2组成一个无直流偏磁集成磁件IM1，IM1的pp端和sp端为同名端，pm端和sm端为同名端，上面一条支路的电流从pp端流入，从pm端流出，下面一条支路的电流从sm端流入，从sp端流出；可控开关器件S1和S2的开关频率相同，占空比相同，导通时刻相差在一个周期之内；IM1的电感L1的pp端接L2的sm端和Vg的正极，L1的pm端接D1的阳极和S1的漏极，D1的阴极接D2的阴极、C的正极和R的一端，S1的源极接地，C的负极和R的另一端接地，IM1的电感L2的sp端接D2的阳极和S2的漏极，S2的源极接地。集成磁件IM1采用的铁心同实施例一；集成磁件IM1的电感L1和L2采用的绕组线圈同实施例一；集成磁件IM1的结构可以采用如图16所示的结构，当然不只限于这种结构，铁心1中有一个带气隙的中柱2是为了增大两个绕组的漏感。可控开关器件S1和S2及二极管D1和D2采用的开关器件同实施例一。
实施例四，参照附图4，一种采用无直流偏磁集成磁件的并联Buck/Boost型DC/DC开关变换器，包括一个由电感器L1和L2组成的无直流偏磁集成磁件IM1，两个可控开关器件S1和S2，两个二极管D1和D2(D1和D2也可以采用可控开关器件，如实现同步整流时)，电容C1，直流电源Vg，及负载R。这种结构的变换器的特点是实现两路(或多路)并联，由电感器L1和L2组成一个无直流偏磁集成磁件IM1，IM1的pp端和sp端为同名端，pm端和sm端为同名端，上面一条支路的电流从pp端流入，从pm端流出，下面一条支路的电流从sm端流入，从sp端流出；可控开关器件S1和S2的开关频率相同，占空比相同，但导通时刻相差在一个周期之内；IM1的电感L1的pp端接S1的源极和D1的阴极，S1的漏极接S2的漏极和Vg的正极，L1的pm端接L2的sp端和Vg的负极，IM1的L2的sm端接S2的源极和D2的阴极；D1的阳极接D2的阳极、C的负极和R的一端，C的正极和R的另一端接Vg的负极。集成磁件IM采用的铁心同实施例一；集成磁件IM1的电感L1和L2采用的绕组线圈同实施例一；集成磁件IM1的结构可以采用如图16所示的结构，当然不只限于这种结构，铁心1中有一个带气隙的中柱2是为了增大两个绕组的漏感。可控开关器件S1和S2及二极管D1和D2采用的开关器件同实施例一。
实施例五，参照附图5，一种采用无直流偏磁集成磁件的并联Cuk型DC/DC开关变换器，包括一个由输入电感器L1和L2组成的无直流偏磁集成磁件IM1，一个由输出电感器L3和L4组成的无直流偏磁集成磁件IM2，两个可控开关器件S1和S2，两个二极管D1和D2(D1和D2也可以采用可控开关器件，如实现同步整流时)，电容C、C1和C2，直流电源Vg，及负载R。这种结构的变换器的特点是实现两路(或多路)并联，由输入电感器L1和L2组成一个无直流偏磁集成磁件IM1，IM1的pp端和sp端为同名端，pm端和sm端为同名端，上面一条支路的输入电流从pp端流入，从pm端流出，下面一条支路的输入电流从sm端流入，从sp端流出；由输出电感器L3和L4组成一个无直流偏磁集成磁件IM2，IM2的pp端和sp端为同名端，pm端和sm端为同名端，上面一条支路的输出电流从pp端流入，从pm端流出，下面一条支路的输出电流从sm端流入，从sp端流出；可控开关器件S1和S2的开关频率相同，占空比相同，导通时刻相差在一个周期之内；IM1的L1的pp端接L2的sm端和Vg的正极，L1的pm端接S1的漏极和C1的正极，S1的源极接Vg的负极和D1的阴极，C1的负极接D1的阳极和IM2的L3的pp端，IM1的L2的sp端接S2的漏极和C2的正极，S2的源极接Vg的负极和D2的阴极，C2的负极接D2的阳极和IM2的L4的sm端；IM2的L3的pm端接L4的sp端、C的负极和R的一端，C的正极和R的另一端接Vg的负极。集成磁件IM1和IM2采用的铁心同实施例一；集成磁件IM1的电感L1、L2和集成磁件IM2的电感L3、L4采用的绕组线圈同实施例一，集成磁件IM1和IM2的结构可以采用如图16所示的结构，当然不只限于这种结构，铁心1中有一个带气隙的中柱2是为了增大两个绕组的漏感。可控开关器件S1和S2及二极管D1和D2采用的开关器件同实施例一。
实施例六，参照附图6，一种采用无直流偏磁集成磁件的并联Cuk型DC/DC开关变换器，其连接方式同实施例五，这种变换器与实施例五在结构上的唯一差异在于将无直流偏磁集成磁件IM1和IM2进一步集成为一个新的无直流偏磁集成磁件IM3。无直流偏磁集成磁件IM3的结构可以采用如图17所示的结构，当然不只限于这种结构，铁心1中有一个带气隙的中柱2是为了增大两个绕组的漏感。
实施例七，参照附图7，一种采用无直流偏磁集成磁件的并联Zeta型DC/DC开关变换器，包括一个由电感器L1和L2组成的无直流偏磁集成磁件IM1，一个由电感器L3和L4组成的无直流偏磁集成磁件IM2，两个可控开关器件S1和S2，两个二极管D1和D2(D1和D2也可以采用可控开关器件，如实现同步整流时)，电容C、C1和C2，直流电源Vg，及负载R。这种结构的变换器的特点是实现两路(或多路)并联，由电感器L1和L2组成一个无直流偏磁集成磁件IM1，IM1的pp端和sp端为同名端，pm端和sm端为同名端，上面一条支路的输入电流从pp端流入，从pm端流出，下面一条支路的输入电流从sm端流入，从sp端流出；电感器L3和L4组成一个无直流偏磁集成磁件IM2，IM2的pp端和sp端为同名端，pm端和sm端为同名端，上面一条支路的输出电流从pp端流入，从pm端流出，下面一条支路的输出电流从sm端流入，从sp端流出；可控开关器件S1和S2的开关频率相同，占空比相同，导通时刻相差在一个周期之内；IM1的L1的pp端接S1的源极和C1的正极，S1的漏极接Vg的正极和S2的漏极，L1的pm端接地，IM1的L2的sm端接S2的源极和C2的正极，L2的sp端接D1的阳极和地，IM2的L3的pp端接C1的负极和D1的阴极，L3的pm端接L4的sp端、C的正极和R的一端，C的负极和R的另一端接地，L4的sm端接C2的负极和D2的阴极，D2的阳极接地。集成磁件IM1和IM2采用的铁心1同实施例一；集成磁件IM1和IM2采用的绕组线圈同实施例一；集成磁件IM1和IM2的结构可以采用如图16所示的结构。可控开关器件S1和S2及二极管D1和D2采用的开关器件同实施例一。
实施例八，参照附图8，一种采用无直流偏磁集成磁件的并联Zeta型DC/DC开关变换器，其连接方式同实施例七，这种变换器与实施例七在结构上的唯一差异在于将无直流偏磁集成磁件IM1和IM2进一步集成为一个新的无直流偏磁集成磁件IM3。集成磁件IM3的结构可以采用如图17所示的结构，当然不只限于这种结构。
实施例九，参照附图9，一种采用无直流偏磁集成磁件的并联Sepic型DC/DC开关变换器，包括一个由电感器L1和L2组成的无直流偏磁集成磁件IM1，一个由电感器L3和L4组成的无直流偏磁集成磁件IM2，两个可控开关器件S1和S2，两个二极管D1和D2(D1和D2也可以采用可控开关器件，如实现同步整流时)，电容C、C1和C2，直流电源Vg，及负载R。这种结构的变换器的特点是实现两路(或多路)并联，由电感器L1和L2组成一个无直流偏磁集成磁件IM1，IM1的pp端和sp端为同名端，pm端和sm端为同名端，上面一条支路的输入电流从pp端流入，从pm端流出，下面一条支路的输入电流从sm端流入，从sp端流出；由电感器L3和L4组成一个无直流偏磁集成磁件IM2，IM2的pp端和sp端为同名端，pm端和sm端为同名端，上面一条支路的输出电流从pp端流入，从pm端流出，下面一条支路的输出电流从sm端流入，从sp端流出；可控开关器件S1和S2的开关频率相同，占空比相同，导通时刻相差在一个周期之内；IM1的L1的pp端接L2的sm端和Vg的正极，L1的pm端接S1的漏极和C1的正极，S1的源极接地，L2的sp端接S2的漏极和C2的正极，S2的源极接地，IM2的L3的pp端接C1的负极和D1的阳极，L3的pm端接地，L4的sm端接C2的负极和D2的阳极，L4的sp端接地，D2的阴极接D1的阴极、C的正极和R的一端，C的负极和R的另一端接地。集成磁件IM1和IM2采用的铁心同实施例一；集成磁件IM1和IM2采用的绕组线圈同实施例一；集成磁件IM1和IM2的结构可以采用如图16所示的结构。可控开关器件S1和S2及二极管D1和D2采用的开关器件同实施例一。
实施例十，参照附图10，一种采用无直流偏磁集成磁件的并联Sepic型DC/DC开关变换器，其连接方式同实施例九，这种变换器与实施例九在结构上的唯一差异在于将无直流偏磁集成磁件IM1和IM2进一步集成为一个新的无直流偏磁集成磁件IM3。无直流偏磁集成磁件IM3的结构可以采用如图17所示的结构，当然不只限于这种结构。
实施例十一，参照附图11，一种采用无直流偏磁集成磁件的并联Forward(正激)型DC/DC开关变换器，包括一个由变压器T1和T2组成的无直流偏磁集成磁件IM4，一个由电感器L1和L2组成的无直流偏磁集成磁件IM1，两个可控开关器件S1和S2，四个二极管D1、D2、D3和D4(D1、D2、D3和D4也可以采用可控开关器件，如实现同步整流时)，电容C，直流电源Vg，及负载R。这种结构的变换器的特点是实现两路(或多路)并联，由变压器T1和T2组成一个无直流偏磁集成磁件IM4，IM4的pp1端、sp1端、pp2端和sp2端为同名端，pm1端、sm1端、pm2端和sm2端为同名端；由电感器L1和L2组成一个无直流偏磁集成磁件IM1，IM1的pp端和sp端为同名端，pm端和sm端为同名端，上面一条支路的输出电流从pp端流入，从pm端流出，下面一条支路的输出电流从sm端流入，从sp端流出；可控开关器件S1和S2的开关频率相同，占空比相同，导通时刻相差在一个周期之内；IM4的pp1端接S1的漏极，S1的源极接S2的源极、Vg的负极和地，pm1端接pp2端和Vg的正极，pm2端接S2的漏极，sp1端接D1的阳极，sm1端接sp2端、D2的阳极、D4的阳极和地，sm2端接D3的阳极，IM1的L1的pp端接D1的阴极和D2的阴极，pm端接sp端、C的正极和R的一端，sm端接D3的阴极和D4的阴极，C的负极和R的另一端接地。集成磁件IM4和IM1采用的铁心1同实施例一；集成磁件IM4和IM1采用的绕组线圈同实施例一。可控开关器件S1和S2及二极管D1、D2、D3和D4采用的开关器件同实施例一。本实施例中电感器L1和L2也可以不集成。
实施例十二，参照附图12，一种采用无直流偏磁集成磁件的并联Forward(正激)型DC/DC开关变换器，其连接方式同实施例十一，这种变换器与实施例十一在结构上的唯一差异在于将集成磁件IM4和IM1进一步集成为一个新的无直流偏磁集成磁件IM5。
实施例十三，参照附图13，一种采用无直流偏磁集成磁件的并联Forward(正激)型DC/DC开关变换器，这种变换器与实施例十一基本相同，其结构上的差异在于将实施例十一中的集成磁件IM4去掉一个绕组，形成一个新的无直流偏磁集成磁件IM6，同时去掉一个可控开关器件。也可以将IM6和IM1进一步集成为一个无直流偏磁的磁件IM7。
实施例十四，参照附图14，一种采用无直流偏磁集成磁件的并联Forward(正激)型DC/DC开关变换器，其连接方式同实施例十一，这种变换器与实施例十一在结构上的差异在于将无直流偏磁集成磁件IM4分为两个独立的变压器T1和T2。
实施例十五，参照附图15，一种采用无直流偏磁集成磁件的并联Forward(正激)型DC/DC开关交换器，其连接方式与实施例十一基本相同，这种变换器与实施例十一在结构上的差异在于将集成磁件IM4去掉一个绕组形成变压器T1，同时在T1的输入侧增加两个二极管D5和D6，可控开关器件S1和S2同时导通和关断。其连接方式为变压器T1的p1端接S1的源极和D6的阴极，m1端接S2的漏极和D5的阳极，S1的漏极和D5的阴极接Vg的正极，S2的源极和D6的阳极接Vg的负极和地；T1的p2端接D1的阳极，m2端接p3端、D2的阳极、D4的阳极和地，m3端接D3的阳极；IM1的L1的pp端接D1的阴极和D2的阴极，pm端接L2的sp端、C的正极和R的一端，L2的sm端接D3的阴极和D4的阴极；C的负极和R的另一端接地。或者将T1和IM1集成为一个无直流偏磁的磁件IM8。
权利要求
1.一种采用无直流偏磁集成磁件的DC/DC开关变换器，其特征在于采用无直流偏磁集成磁件的DC/DC变换器实行两路并联(或多路并联)，将这两条并联支路上的电感器L1和L2的绕组集成在一个铁心上，形成一个无直流偏磁的集成磁件IM1，IM1的电感器L1的pp端和电感器L2的sp端为同名端，L1的pm端和L2的sm端为同名端，一条支路的电流从pp端流入，从pm端流出，另一条支路的电流从sm端流入，从sp端流出；可控开关器件S1和S2的开关频率相同，占空比相同，导通时刻相差在一个周期之内，当其中一条支路的开关导通，由直流电源传过来的功率通过该条支路的电感器绕组时，则通过磁耦合的方式使功率由另一条支路的电感器绕组直接传递给负载，同时，流过两电感器绕组的电流在铁心中产生的直流偏磁的大小相等，方向相反，互相消除，铁心不用开气隙。无直流偏磁集成磁件IM1包括E形铁心(1)，铁心(1)的中柱上(2)有气隙，铁心(1)的两个侧柱(3)、(4)上绕有两个电感器绕组L1和L2，它们在铁心(1)中产生的直流磁通的方向相反，电感器L1和L2的绕组匝数和导线直径都相同。如果一个DC/DC变换器中有两个这样的无直流偏磁集成磁件IM1和IM2，就将IM1和IM2进一步集成在一个铁心(1)上，成为一个无直流偏磁集成磁件IM3。
2.根据权利要求1所述的一种采用无直流偏磁集成磁件的Buck型DC/DC开关变换器，其特征在于实现两路(或多路)并联，由电感器L1和L2组成一个主磁路无直流偏磁的集成磁件IM1，IM1的电感器L1的pp端接二极管D1的阴极和开关器件S1的源极(当S1采用功率MOFET时，下同)，D1的阳极接地，S1的漏极接直流电源Vg的正极，L1的pm端接L2的sp端、电容C的正极和负载R的一端，C的负极和R的另一端接地；IM1的电感器L2的sm端接D2的阴极和S2的源极(当S2采用功率MOFET时，下同)，D2的阳极接地，S2的漏极接直流电源Vg的正极，Vg的负极接地。
3.根据权利要求1所述的一种采用无直流偏磁集成磁件的Buck型DC/DC开关变换器，其特征在于由输入电感器L1和输出电感器L2组成一个无直流偏磁的集成磁件IM1，无直流偏磁集成磁件IM1的L1的pp端接Vg的正极，L1的pm端接S1的漏极和C1的正极，C1的负极接地；L2的sp端接C的正极和R的一端，C的负极和R的另一端接地，L2的sm端接S1的源极和D1的阴极，D1的阳极接地。
4.根据权利要求1所述的一种采用无直流偏磁集成磁件的并联Boost型DC/DC开关变换器，其特征在于实现两路(或多路)并联，由电感器L1和L2组成一个主磁路无直流偏磁的集成磁件IM1，IM1的电感L1的pp端接L2的sm端和Vg的正极，L1的pm端接D1的阳极和S1的漏极，D1的阴极接D2的阴极、C的正极和R的一端，S1的源极接地，C的负极和R的另一端接地；IM1的电感L2的sp端接D2的阳极和S2的漏极，S2的源极接地。
5.根据权利要求1所述的一种采用无直流偏磁集成磁件的并联Buck/Boost型DC/DC开关变换器，其特征在于实现两路(或多路)并联，由电感器L1和L2组成一个主磁路无直流偏磁的集成磁件IM1，IM1的电感L1的pp端接S1的源极和D1的阴极，S1的漏极接S2的漏极和Vg的正极，L1的pm端接L2的sp端和Vg的负极；IM1的L2的sm端接S2的源极和D2的阴极；D1的阳极接D2的阳极、C的负极和R的一端，C的正极和R的另一端接Vg的负极。
6.根据权利要求1所述的一种采用无直流偏磁集成磁件的并联Cuk型DC/DC开关变换器，其特征在于实现两路(或多路)并联，由输入电感器L1和L2组成一个主磁路无直流偏磁的集成磁件IM1，由输出电感器L3和L4组成一个主磁路无直流偏磁的集成磁件IM2；IM1的L1的pp端接L2的sm端和Vg的正极，L1的pm端接S1的漏极和C1的正极，S1的源极接Vg的负极和D1的阴极，C1的负极接D1的阳极和IM2的L3的pp端；IM1的L2的sp端接S2的漏极和C2的正极，S2的源极接Vg的负极和D2的阴极，C2的负极接D2的阳极和IM2的L4的sm端；IM2的L3的pm端接L4的sp端、C的负极和R的一端，C的正极和R的另一端接Vg的负极。或者，将集成磁件IM1和IM2进一步集成为一个新的无直流偏磁集成磁件IM3，无直流偏磁集成磁件IM3的结构包括铁心(1)、带气隙的铁心中柱(2)、铁心侧柱(3)和(4)、绕在侧柱(3)上的电感器绕组L1和L3、绕在侧柱(4)上的电感器绕组L2和L4，流过L1和L2的电流在铁心(1)中产生的直流偏磁的大小相等、方向相反，流过L3和L4的电流在铁心(1)中产生的直流偏磁的大小相等、方向相反。
7.根据权利要求1所述的一种采用无直流偏磁集成磁件的并联Zeta型DC/DC开关变换器，其特征在于实现两路(或多路)并联，由电感器L1和L2组成一个主磁路无直流偏磁的集成磁件IM1，由电感器L3和L4组成一个主磁路无直流偏磁的集成磁件IM2；IM1的L1的pp端接S1的源极和C1的正极，S1的漏极接Vg的正极和S2的漏极，L1的pm端接地；IM1的L2的sm端接S2的源极和C2的正极，L2的sp端接D1的阳极和地；IM2的L3的pp端接C1的负极和D1的阴极，L3的pm端接L4的sp端、C的正极和R的一端，C的负极和R的另一端接地；L4的sm端接C2的负极和D2的阴极，D2的阳极接地。或者，将集成磁件IM1和IM2进一步集成为一个新的无直流偏磁集成磁件IM3。
8.根据权利要求1所述的一种采用无直流偏磁集成磁件的并联Sepic型DC/DC开关变换器，其特征在于实现两路(或多路)并联，由电感器L1和L2组成一个主磁路无直流偏磁的集成磁件IM1，由电感器L3和L4组成一个主磁路无直流偏磁的集成磁件IM2；IM1的L1的pp端接L2的sm端和Vg的正极，L1的pm端接S1的漏极和C1的正极，S1的源极接地；L2的sp端接S2的漏极和C2的正极，S2的源极接地；IM2的L3的pp端接C1的负极和D1的阳极，L3的pm端接地；L4的sm端接C2的负极和D2的阳极，L4的sp端接地；D2的阴极接D1的阴极、C的正极和R的一端，C的负极和R的另一端接地。或者，将集成磁件IM1和IM2进一步集成为一个新的无直流偏磁集成磁件IM3。
9.根据权利要求1所述的一种采用无直流偏磁集成磁件的并联Forward(正激)型DC/DC开关变换器，其特征在于由变压器T1和T2组成一个主磁路无直流偏磁的集成磁件IM4，由电感器L1和L2组成一个无直流偏磁的集成磁件IM1；IM4的pp1端接S1的漏极，S1的源极接S2的源极、Vg的负极和地；IM4的pm1端接pp2端和Vg的正极；IM4的pm2端接S2的漏极；IM4的sp1端接D1的阳极，IM4的sm1端接sp2端、D2的阳极、D4的阳极和地，IM4的sm2端接D3的阳极；IM1的L1的pp端接D1的阴极和D2的阴极，pm端接sp端、C的正极和R的一端，sm端接D3的阴极和D4的阴极；C的负极和R的另一端接地。或者，将无直流偏磁集成磁件IM4和IM1进一步集成为一个新的无直流偏磁集成磁件IM5。或者，将无直流偏磁集成磁件IM4去掉一个绕组，形成一个无直流偏磁集成磁件IM6，同时去掉一个可控开关器件。或者，将IM6和IM1集成为一个无直流偏磁的集成磁件IM7。或者，将无直流偏磁集成磁件IM4分为两个独立的变压器T1和T2。
10.根据权利要求1或9所述的一种采用无直流偏磁集成磁件的并联Forward(正激)型DC/DC开关变换器，其特征在于将集成磁件IM4去掉一个绕组形成变压器T1，同时在T1的输入侧增加两个二极管D5和D6，可控开关器件S1和S2同时导通和关断，变压器T1的p1端接S1的源极和D6的阴极，m1端接S2的漏极和D5的阳极，S1的漏极和D5的阴极接Vg的正极，S2的源极和D6的阳极接Vg的负极和地；T1的p2端接D1的阳极，m2端接p3端、D2的阳极、D4的阳极和地，m3端接D3的阳极；IM1的L1的pp端接D1的阴极和D2的阴极，pm端接L2的sp端、C的正极和R的一端，L2的sm端接D3的阴极和D4的阴极；C的负极和R的另一端接地。或者将T1和IM1进一步集成为一个无直流偏磁的集成磁件IM8。
全文摘要
本发明涉及一种采用无直流偏磁集成磁件的DC/DC开关变换器，将DC/DC变换器实行两路并联，将这两条并联支路上的电感器集成在一个铁心上，形成一个无直流偏磁的集成磁件，两条支路的开关频率相同，工作脉冲的占空比相同，导通时刻相差在一个周期之内。当其中一条支路的开关导通，由直流电源传过来的功率通过该条支路的绕组时，通过磁耦合的方式使功率由另一个绕组直接传递给负载，流过两绕组的电流在铁心中产生的直流偏磁的大小相等，方向相反，铁心中不用开气隙；该换器体积小、重量轻，效率高，过载能力强，减小电磁干扰及输入、输出电流纹波，动态响应速度快，适用于低电压大电流输出的开关电源。
文档编号H02M3/04GK1556580SQ200410021028
公开日2004年12月22日 申请日期2004年1月7日 优先权日2004年1月7日
发明者杨玉岗 申请人:杨玉岗