[发明专利]一种基于多谐振变换器的磁芯结构

说明书

本发明公开一种基于多谐振变换器的磁芯结构，包括若干个子变压器，每个子变压器的匝数比不同，各个子变压器的原边之间、副边之间通过串联或并联方式连接；共包括四种连接方式，分别是原边串联副边串联(PSSS)、原边串联副边并联(PSSP)、原边并联副边串联(PPSS)和原边并联副边并联(PPSP)。

技术领域

本发明属于多谐振变换器的磁集成技术领域，提出了一种新型磁芯结构。利用矩阵变压器思想和绕组不均匀分布的设计，在磁芯的中柱引入一定气隙，来实现变压器励磁电感和漏感的解耦控制，从而使变压器和与之串联的谐振电感能够被有效集成在该新型磁芯中。

背景技术

谐振型直流变换器是一类性能优良的直流变换器，因其具有高效率、高频率、高功率密度和低电磁干扰的优点，得到了学术界的广泛关注。由于多谐振变换器的谐振腔内无源器件(包括电容、电感和变压器)的数量和连接方式迥异，它们可以表现出更为灵活的谐振特性和更为优异的工作特性，针对该类变换器的研究层出不穷。本发明以多谐振变换器作为研究对象，并对其相关的磁集成技术进行深入研究。

谐振腔单元是多谐振变换器的核心结构，而包括电感和变压器在内的磁性元件又是谐振腔单元的关键元件。其中，包括电感和变压器在内的磁性元件，其体积和重量占比较高，影响着变换器的整体性能。不同于利兹线和铜箔制作而成的传统变压器，采用印刷电路板(Printed Circuit Board，PCB)绕组制成的平面磁件展现了良好的优势。具体来说，平面磁件的散热面积较大，可以很好的改善热耗散问题；采用PCB板作为绕组，更容易实现自动化生产，避免了寄生参数不一致所带来的问题，同时还保证了产品外观良好的一致性。

采用PCB绕组及平面磁件技术，可以优化磁性元件的性能，更利于实现变换器的“轻”，“小”，“薄”。但是这种优化只针对单一磁件，多谐振变换器中磁性元件数量偏多和由此带来的体积大的问题仍待解决。磁集成技术能很好地解决上述问题，它通过将多个分立磁件集成到一个磁芯结构内，用单一磁件来实现多个分立磁件的功能。这样以来，更利于实现变换器的高功率密度、高频化和集成模块化设计。

特别地，在谐振变换器中，可将变压器的漏感作为谐振电感加以利用从而简化磁集成设计。因此，有些研究者提出，选择低磁导率材料构造磁分路器，通过改变磁分路器的相对磁导率及其厚度来获得理想的漏感值，但是引入磁分路器的做法又会增加变换器拓扑的复杂程度。为此，有些研究者提出将变压器的一次侧绕组和二次侧绕组完全分开，以它们之间的气隙作为主要漏磁路的设计方法。这样以来，改变绕组之间的距离便可以改变绕组间的耦合程度，从而控制漏感的大小。但是这种方法会导致漏磁通主要流经空气，不可避免地带来额外的涡流损耗和电磁干扰等问题。

通常来说，多谐振型直流变换器中的磁性元件数量较多，体积较大，且相关磁件均为手工缠绕，制作过程复杂，限制了该变换器的进一步应用和推广。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，针对多谐振腔中的谐振元件，特别是磁性元件数量偏多、体积较大的问题，提供一种基于多谐振变换器的磁芯结构。可以灵活地实现变压器的励磁电感和漏感的解耦控制，从而将变压器和与之串联的谐振电感进行有效集成。本发明可以用单一磁件来解决多谐振变换器中磁性元件数量偏多的问题，探索多谐振型直流变换器的应用价值。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于多谐振变换器的磁芯结构，包括若干个子变压器，每个子变压器的匝数比不同，各个子变压器的原边之间、副边之间通过串联或并联方式连接；共包括四种连接方式，分别是原边串联副边串联(PSSS)、原边串联副边并联(PSSP)、原边并联副边串联(PPSS)和原边并联副边并联(PPSP)。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

(1)新型磁芯结构的结构较简单，通过传统的E型磁芯改造而来，但其中心磁柱的长度较传统E型磁芯的中心磁柱短，更利于实现变换器的小型化、轻量化的发展目标；