[发明专利]一种集成漏感和激磁感的变压器磁集成结构及其集成方法

说明书

本发明公开的一种集成漏感和激磁感的变压器磁集成结构及其集成方法，属于电力电子领域的高频隔离开关电源方向。为克服上述常用的磁集成方法中磁芯结构非标准或者磁芯体积利用率低、设计复杂、具有推广应用方面的局限性等相关问题，本发明针对常用类型的含有漏感、激磁感和变压器三种磁性元件结构的变换器，使用两个标准的UI磁芯，通过合理设计绕组连接方式和参数，实现漏感、激磁感和变压器之间的集成，与分立的磁性元件相比，能够减少变换器的磁性元件数目，缩小在变换器中所占的体积比例，进一步缩小变换器系统的体积，提高功率密度这一重要指标，实现系统高效、高功率密度运行，提高运行的灵活性和可靠性。

技术领域

本发明涉及一种电力电子磁集成技术，尤其涉及一种集成漏感和激磁感的变压器磁集成结构及其集成方法，属于电力电子领域的高频隔离开关电源方向。

背景技术

近年来，各式各样的变换器由于具有传输效率高、易于实现软开关等特点发展迅速，伴随着碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)等宽禁带半导体器件的广泛应用，变换器正朝着高频、高效、高功率密度的方向发展。然而，这些变换器中通常含有电感和变压器等多个磁性元件，根据统计，磁性元件的重量占变换器重量的30％～40％，体积占变换器总体积的20％～30％，因此磁性元件数目过多，可能会导致变换器的重量和体积变大，限制功率密度这一性能指标的提高，通过磁集成技术，合理设计参数，将多个分立磁性元件(例如变压器、电感等)进行集成，能够减小磁性器件的重量，缩小变换器的体积，降低磁滞损耗，对改善电源动态性能、提高变换器功率密度有重要意义。

为了实现功率传输、调压和软开关等功能，变换器中通常需要电感和变压器等磁性元件，且磁性元件数量的多少根据变换器电路和实现功能的不同而不同。2017年在IEEETransaction on power electronics【电力电子期刊】上发表的‘Unified BoundaryTrapezoidal Modulation Control Utilizing Fixed Duty Cycle Compensation andMagnetizing Current Design for Dual Active Bridge DC–DC Converter’一文中的变换器拓扑含有三个磁性元件，包括漏感、激磁电感和变压器，激磁电流的设计有助于开关管ZVS的实现，但是外置并联激磁电感进一步增加了系统的体积，不利于变换器功率密度的提高。2020年在IEEE Transaction on industrial electronics【工业电子期刊】上发表的“GaN-based 1-MHz Partial Parallel Dual Active Bridge Converter withIntegrated Magnetics”一文利用一种独特的三侧柱磁芯结构将一个电感和三个变压器进行集成，大大缩小了磁性元件的体积，降低了低压侧开关管的电流应力，但是磁集成结构为非标准结构，结构复杂，难于实现。2019年在IEEE Transaction on power electronics【电力电子期刊】上发表的‘High-Frequency PCB Winding Transformer With IntegratedInductors for a Bi-Directional Resonant Converter’一文中将漏感、激磁电感集成到了EI磁芯变压器中，通过原副边绕组和中柱与侧柱的气隙设计，获得所需的磁性元件参数，对分立磁性元件的集成有重要意义，但是EI磁芯的中柱体积利用率低，不利于该磁集成方法的推广利用，具有局限性。

发明内容

为克服上述常用的磁集成方法中磁芯结构非标准或者磁芯体积利用率低、设计复杂、具有推广应用方面的局限性等相关问题，本发明公开的一种集成漏感和激磁感的变压器磁集成结构及其集成方法要解决的技术问题是：针对常用类型的含有漏感、激磁感和变压器三种磁性元件结构的变换器，使用两个标准的UI磁芯，通过合理设计绕组连接方式和参数，实现漏感、激磁感和变压器之间的集成，与分立的磁性元件相比，能够减少变换器的磁性元件数目，缩小在变换器中所占的体积比例，进一步缩小变换器系统的体积，提高功率密度这一重要指标，实现系统高效、高功率密度运行，提高运行的灵活性和可靠性。