[发明专利]基于带有变压器的倍压整流电力电子无源集成模块

说明书

技术领域

本发明涉及电力电子无源集成模块，是一种用于电力电子升压场合，具有升压、滤波、倍压等电气功能的高功率密度通用无源集成模块。

背景技术

1997年，美国首先提出了电力电子积木（PEBB）的概念。电力电子积木的概念主张在舰船和飞机上使用标准化的电力电子单元，一台电力电子装置将由许多这样的电力电子单元装配而成。由于标准化和模块化的设计，电力电子装置的维护变得非常方便，只要将出现故障的基本电力电子单元更换掉即可。这就是“电力电子集成”概念的雏形。

1998年，美国电力电子系统中心（CPES）对电力电子装置和系统作了充分的比较之后正式提出了“电力电子集成”的技术概念。“电力电子集成”概念的核心是研制集成的电力电子模块（IPEM）。概念化的IPEM是一个三维结构的模块，它拥有很高的功率密度和优良的电气性能，集成了主电路、驱动和控制电路、传感器以及磁元件等无源元件。

目前，实现完全集成的电力电子模块是非常困难的，所以学术界将电力电子集成分为有源集成和无源集成两种并分别进行研究。有源集成主要实现功率器件、驱动控制电路和传感器等有源部件的集成。无源集成主要实现磁元件、电容器等无源元件的集成。其中，无源元件的体积对电源装置的体积、质量的影响最大。因此，为了提高电源整体的功率密度，也有必要对无源元件进行集成。由于与功率半导体器件的工作方式不一样，因此集成的方法是不同的。采用磁集成技术可以用一个磁性元件代替多个磁性元件，进一步还可以将电路中部分电容器与磁性元件集成在一起构成无源集成模块，以进一步减小体积和提高性能。但是，目前无源元件的集成还未取得有突破性的成功。

中国国内对电力电子无源集成技术的研究是从进入本世纪才开始的。当人们渐渐地认识到“电力电子集成”的重要性之后，在国家的研究项目中确定了将无源集成作为系统集成研究的一个重要方向。此外，结合新型磁性材料的无源集成的研究也获得了国家科学基金的支持。但是，勿用讳言，我国对无源集成的研究相对较晚，研究成果相对较少。这是一个有待进一步发展的研究领域。

发明内容

本发明在研究无源集成技术的基础上，针对带有变压器的倍压整流电路，将其中的变压器、电感和电容等无源器件进行集成，将之构成无源集成模块，提供一种基于带有变压器的倍压整流电力电子无源集成模块，可广泛用于电力电子升压场合，并具备滤波和软开关的电气功能，具有体积小、重量轻、功率密度高等特点；此外，它对电力电子通用无源集成模块的发展能提供技术和理论上的支持。

为解决上述问题，本发明采取的技术方案是：

基于带有变压器的倍压整流电力电子无源集成模块，其特征是，包括集成电容的单匝绕组结构、倍压整流电路、滤波电感和高频变压器；通过磁集成将高频变压器与滤波电感进行集成，成为一个磁性器件；通过电容集成将双倍压电容进行集成并与集成的磁件器件再进行集成，构成无源集成模块；所述倍压整流电路带有变压器并能按变压器变比设置升压倍数，能根据倍压整流进行双倍压；所述滤波电感与双倍压电容构成LC滤波电路，以保证输出滤波的质量，所述双倍压电容具有倍压和滤波的双重功能；所述高频变压器如在变压器输入侧加入移相全桥电路，所述滤波电感能实现软开关的功能，达到复用的目的。

在所述的高频变压器与滤波电感的磁集成中，中柱上绕有高频变压器绕组，两侧柱上都绕有滤波电感绕组；所述滤波电感绕组可调整绕组绕向和匝数进行确定，其中的磁芯或采用平面型磁芯，或采用普通EE型磁芯，或采用薄膜及厚膜磁芯，但集成结构不变。

可选的，所述的两侧柱，在其中的一个侧柱上绕有滤波电感绕组。

对所述双倍压电容的集成主要通过绕组间的寄生电容来完成，即，所述的集成电容的单匝绕组结构由上下两层铜箔构成，通过中间绝缘层高度的设置来调整单匝电容的大小；而多匝绕组间的电容值则根据电路所选定值，通过不同集成电容的单匝绕组结构间的连接方式来进行确定。

可选的，所述集成电容的单匝绕组结构的排列，或上下排列，或左右排列。

本发明基于带有变压器的倍压整流电力电子无源集成模块的积极效果是：

（1）通过磁集成将变压器和电感两个磁性器件进行集成，成为一个磁性器件，使磁性器件数目变少、体积变小、功率密度提高； 

（2）通过电容集成将双倍压电容进行集成并与集成磁件再进行集成，构成无源集成模块，将两个磁性器件和两个电容用一个集成器件代替，进一步提高功率密度； 

（3）电感放置在变压器输出侧，与倍压整流电容构成LC滤波电路，如在变压器输入侧加入移相全桥电路等，电感还可实现软开关的功能；