[发明专利]适用于多相交错并联变换器的耦合电感

说明书

技术领域

本发明涉及一种适合于多相交错并联变换器中使用的耦合电感，属于电 感器或电压变换领域。

背景技术

在开关电源中，滤波电感起了滤波和储能的功能，具有十分重要的作用， 但这两种功能存在着矛盾关系：在保证滤波电感匝数和最大磁通不变的前提 下，若流过的平均电流越大，则要求磁芯磁阻越大，即滤波电感感值越小， 而若要提高滤波能力，则要求滤波电感感值增大。为了缓和这两种矛盾，通 常采用保持磁阻不变、增大有效导磁面积，即增加磁件体积的方法。该矛盾 在同时承担滤波和储能功能的电感中总是存在。

而近年来，随着全球性的资源短缺，电力电子技术的发展不光要提高变 换器的电气性能，还要尽量降低材料的消耗。耦合的电感和交错并联技术是 减小磁件的体积、材料的消耗，提高变换器的功率密度有效手段，在Buck、 Boost、Forward、Flyback、半桥变换器、隔离式全桥变换器等多种变换器和 电压调整器(Voltage Regulator，VR)、功率因数校正器、车载电源、燃料电 池供电系统、光-伏发电系统等多种场合中得到了广泛的应用。

对于两相交错并联变换器，电感的耦合方式可分为正向耦合和反向耦合 两种。Pit-Leong Wong，Peng Xu，P.Yang and F.C.Lee.Performance Improvements of Interleaving VRMs with Coupling Inductors.IEEE Trans.on Power Electronics，2001，16(4)：499-507.针对这两种耦合方式做了详细的分析 和比较，指出反向耦合方式可以增大稳态等效电感、减小动态等效电感，符 合变换器的稳态低纹波、动态快响应的要求，适合于VRM等快动态响应要求 的场合。

为了将反向耦合方式应用于多相交错并联变换器，提高变换器稳态性能 与动态性能，Zumel P，Garcia O，Cobos J.A，Uceda J.Magnetic Integration for Interleaved Converters.Proc.IEEE APEC，2003：1143-1149.提出采用一副多磁 路磁芯来实现所有电感的集成，减小了磁芯体积，但是这种耦合方式的磁芯 仍然同时承担储能和滤波的功能，存在着两种功能的固有矛盾，这制约了体 积的进一步优化。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述现有的多相交错并联变换器中使用的多磁 路磁芯中储能功能和滤波功能之间的固有矛盾导致磁件体积较大的缺点，提 供一种能在保证反向耦合的基础上，将磁件中的储能功能和滤波功能分开， 分别由不同的磁性元件实现，能分别对磁性元件进行优化设计，大大减小磁 件的体积的适合于多相交错并联变换器的耦合电感。

本发明的适合于多相交错并联变换器的耦合电感，其结构主要由两相绕 组组成的反向耦合变压器和储能电感组合而成，对于n相交错并联变换器， 其中的反向耦合变压器个数为n-1或n或n(n-1)/2个，其连接关系分别为中心 式或首尾闭合式或两两组合式，所述中心式为选取一相拆分、串联，其它各 相均与该相绕组构成反向耦合变压器；所述首尾闭合式为将每相绕组拆分为2 个绕组串联，相邻两相绕组构成反向耦合变压器，依次组合形成闭环连接； 所述两两组合式为每相绕组拆分为n-1个绕组串联，任意两相绕组构成反向耦 合变压器，其中的储能电感与反向耦合变压器中的至少一相绕组串联连接， 储能电感的绕组个数为1～n个，储能电感的各相绕组相互独立或正向耦合。

所述反向耦合变压器包括铁心、各相绕组NT_n(n＝1，2，3...n)，铁心可选 用铁氧体、微晶、超微晶等高频铁磁材料；储能电感包括铁心、各相绕组 NL_n(n＝1，2，3...n)，铁心滤可选用铁氧体、微晶、超微晶、铁粉芯等多种铁 磁材料，绕组可采用平面型绕组或者卷绕式绕组来实现。

本发明与传统的多磁柱耦合电感相比的主要技术特点是，通过调整反向 耦合变压器的匝比和励磁电感与储能电感感值，可使得反向耦合变压器中不 含有直流磁通，不承担储能功能，从而可以减小其体积。同时反向耦合变压 器表现为随驱动信号变化的电压源，且该电压源总是减小滤波电感两端的压 降，这使得储能电感的电流脉动和交流磁通大大减小，从而可以减小储能电 感的磁件损耗和磁件体积。