磁集成器件及功率轉換電路的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種磁集成器件及功率轉換電路，該磁集成器件包括形成有N個并排且緊靠設置的“日”字型閉合框架的磁芯組件，每一“日”字型閉合框架的中柱上設置有氣隙；每一中柱上纏繞有線圈，N個“日”字型閉合框架的中柱上的線圈電流的相位自首至尾遞增或者遞減，且相鄰兩“日”字型閉合框架的中柱上的線圈電流的相位差為360/N度；其中，N為大于1的自然數。本發(fā)明能夠減少磁集成器件的體積，且能夠降低磁集成器件的磁芯損耗。
【專利說明】
磁集成器件及功率轉換電路
技術領域
[0001] 本發(fā)明涉及磁集成技術領域，尤其涉及一種磁集成器件及功率轉換電路。
【背景技術】
[0002] 隨著開關器件和軟開關技術的發(fā)展，人們通常采用提高工作頻率的辦法實現開關 電源的小型化，但是受到磁性器件特性的限制，高頻化的方法有一定局限性。因為提高工作 頻率，會使磁性器件的磁芯損耗顯著增加，所以在高頻工作時磁性器件的磁芯一般要降額 使用，磁芯的工作磁密遠小于其飽和磁密，限制了磁性器件體積的進一步減小。為了能進一 步減小磁性器件的體積、重量和損耗，提高磁件性能，人們研究了磁集成技術，并將其應用 于電力電子磁性器件的設計中。
[0003] 磁性器件的集成實際上包含兩方面含義:一是將多個分立磁性元件集成在一個磁 芯結構上，充分利用各個磁件在具體電路拓撲中的電壓、電流關系以及磁路拓撲中的磁通、 磁勢關系，實現多個磁件的集成，以減小體積，提高開關電源的功率密度、降低損耗、改善輸 出濾波效果，例如將兩個或多個電感器繞制在一個磁芯上。二是將磁性元件與線路板結合， 例如直接將磁件繞組制造在線路板上，采用厚膜技術將磁芯和繞組制造在硅片上等。
[0004] 現有的磁件集成的對象主要有變壓器與變壓器，電感與電感，變壓器與電感。且目 前主要是針對變壓器與變壓器、變壓器與電感較多，例如，將變壓器的副邊與電感合并，減 少成本和銅損。而針對電感與電感的磁件集成相對較少，且一般是采用ΕΕ、ΕΠ )等磁芯實現 獨立的磁集成器件，在應用于多路并聯LLC電路中時，只能將多個獨立的磁集成器件并聯實 現。顯然，這種集成方式集成后的器件體積仍然較大，會占用很大的空間，同時，這種結構的 磁集成器件，在多路并聯LLC電路中獨立工作，難以降低電路的磁芯損耗(鐵損）。

【發(fā)明內容】

[0005] 本發(fā)明的主要目的在于提供一種磁集成器件，旨在減少磁集成器件的體積及降低 磁集成器件的磁芯損耗。
[0006] 為實現上述目的，本發(fā)明提出一種磁集成器件，該磁集成器件包括形成有N個并排 且緊靠設置的"日"字型閉合框架的磁芯組件，每一所述"日"字型閉合框架的中柱上設置有 氣隙;每一所述中柱上纏繞有線圈，所述N個"日"字型閉合框架的中柱上的線圈電流的相位 自首至尾遞增或者遞減，且相鄰兩所述"日"字型閉合框架的中柱上的線圈電流的相位差為 360/N度;其中，所述N為大于1的自然數。
[0007] 優(yōu)選地，所述磁芯組件包括N個E型子磁芯和一個I型子磁芯，開口朝向豎直上方的 N-I個E型子磁芯、所述一個I型子磁芯和一個開口朝向豎直下方的E型子磁芯自下而上依次 疊置，以構成所述N個"日"字型閉合框架的磁芯組件。
[0008] 優(yōu)選地，所述磁芯組件包括N個E型子磁芯和一個I型子磁芯，N個開口朝向豎直上 方的E型子磁芯和所述一個I型子磁芯自下而上依次疊置，以構成所述N個"日"字型閉合框 架的磁芯組件。
[0009] 優(yōu)選地，在所述N大于I，且小于等于3時，相鄰兩所述中柱上的線圈電流的方向相 反。
[0010] 優(yōu)選地，在所述N大于等于5時，各個所述中柱上的線圈電流的方向相同。
[0011] 此外，本發(fā)明還提供一種功率轉換電路，該功率轉換電路包括如上所述的磁集成 器件;所述磁集成器件包括形成有N個并排且緊靠設置的"日"字型閉合框架的磁芯組件，每 一所述"日"字型閉合框架的中柱上設置有氣隙;每一所述中柱上纏繞有線圈，所述N個"日" 字型閉合框架的中柱上的線圈電流的相位自首至尾遞增或者遞減，且相鄰兩所述"日"字型 閉合框架的中柱上的線圈電流的相位差為360/N度;其中，所述N為大于1的自然數。
[0012] 優(yōu)選地，所述功率轉換電路還包括N相并聯電路，所述磁集成器件的每一所述中柱 上線圈的電源輸入端接入所述N相并聯電路中的一相支路，所述N相并聯電路的每一相支路 中的電流相位與對應連接的線圈的電流相位相同。
[0013] 本發(fā)明通過設置帶有形成有N個并排且緊靠設置的"日"字型閉合框架的磁芯組 件，每一所述"日"字型閉合框架的中柱上設置有氣隙；這種磁芯組件形成N-I個公共磁路， 與現有的獨立集成器件相比，在實現同樣數量的電感時，通過共用磁路減少了整體體積;并 且，每一所述中柱上纏繞有線圈，所述N個"日"字型閉合框架的中柱上的線圈電流的相位自 首至尾遞增或者遞減，且相鄰兩所述"日"字型閉合框架的中柱上的線圈電流的相位差為 360/N度，這樣可以根據集成的個數設置相鄰兩線圈的電流方向為相同或者相反，進而使得 在兩者的公共磁路上的磁通削減，從而降低磁芯損耗。
【附圖說明】
[0014] 為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現 有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本 發(fā)明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以 根據這些附圖示出的結構獲得其他的附圖。
[0015] 圖1為本發(fā)明磁集成器件一實施例的結構示意圖；
[0016] 圖2為本發(fā)明磁集成器件另一實施例的結構示意圖；
[0017] 圖3為本發(fā)明磁集成器件的等效磁路圖；
[0018] 圖4為圖1所示的磁集成器件的磁芯損耗仿真波形圖；
[0019] 圖5為獨立磁性器件的磁芯損耗仿真波形圖；
[0020] 圖6為圖2所示的磁集成器件的磁芯損耗仿真波形圖；
[0021 ]圖7為基于本發(fā)明磁集成器件實現的三路交錯并聯LLC電路結構示意圖。
[0022] 附圖標號說明：

[0024]本發(fā)明目的的實現、功能特點及優(yōu)點將結合實施例，參照附圖做進一步說明。
【具體實施方式】
[0025]下面將結合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術方案進行清楚、完 整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明的一部分實施例，而不是全部的實施例。基 于本發(fā)明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其 他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。
[0026]需要說明，本發(fā)明實施例中所有方向性指示(諸如上、下、左、右、前、后……）僅用 于解釋在某一特定姿態(tài)(如附圖所示）下各部件之間的相對位置關系、運動情況等，如果該 特定姿態(tài)發(fā)生改變時，則該方向性指示也相應地隨之改變。
[0027]另外，在本發(fā)明中涉及"第一"、"第二"等的描述僅用于描述目的，而不能理解為指 示或暗示其相對重要性或者隱含指明所指示的技術特征的數量。由此，限定有"第一"、"第 二"的特征可以明示或者隱含地包括至少一個該特征。另外，各個實施例之間的技術方案可 以相互結合，但是必須是以本領域普通技術人員能夠實現為基礎，當技術方案的結合出現 相互矛盾或無法實現時應當認為這種技術方案的結合不存在，也不在本發(fā)明要求的保護范 圍之內。
[0028]本發(fā)明提出一種磁集成器件。
[0029] 參照圖1至圖3,在本發(fā)明實施例中，該磁集成器件包括形成有N個并排且緊靠設置 的"日"字型閉合框架的磁芯組件10,這種結構的磁芯組件10具有N個中柱11和N-I個公共磁 路，如圖1中磁路Gl和G2。其中，每一所述"日"字型閉合框架的中柱11上纏繞有線圈12,且每 一所述中柱11上還設置有氣隙13,氣隙13磁阻大，可以防止磁飽和，減少磁導率，這樣在不 達到磁芯飽和的前提下，N個中柱11上的線圈12相當N個獨立的電感，其中氣隙13用以使得N 個中柱11上的線圈12的電感量相等。顯然，這種結構的磁芯組件10在實現同樣數量的電感 時，通過共用磁路減少了整體體積。
[0030] 此外，為了減少磁芯損耗，所述N個"日"字型閉合框架的中柱11上的線圈12電流的 相位自首至尾遞增或者遞減，且相鄰兩所述"日"字型閉合框架的中柱11上的線圈12電流的 相位差為360/N度;其中，所述N為大于1的自然數。例如圖1所示，當"日"字型閉合框架為三 個時，則第一個"日"字型閉合框架的中柱11上的線圈12電流的相位為0度，第二個為120度， 第三個為240度，或者可以認為第一個"日"字型閉合框架的中柱11上的線圈12電流的相位 為360度，第二個為240度，第三個為120度。
[0031] 需要說明的是，上述磁芯組件10形成的磁路為低磁阻磁路，氣隙中的磁阻遠大于 磁路中的磁阻，通過提供低磁阻磁路實現解耦集成。如圖3所示的磁集成器件的等效磁路， 中柱11的氣隙13產生的磁阻R遠大于環(huán)路的磁阻。輸入的激勵是正弦變化的，產生的磁勢Φ 也是呈正弦變化的，相鄰的繞組產生的磁通在公共磁路上發(fā)生疊加，影響磁芯損耗。當相鄰 的兩個繞組產生的磁場方向相同時，為正向解耦；當相鄰的兩個繞組產生的磁場方向相反 時，為反向解耦。在相鄰的兩線圈12之間其線圈電流存在相位差時，產生的磁通在公共磁路 上會發(fā)生疊加或者削減，而影響磁芯損耗，其中磁通削減時則有利于磁芯損耗的減小。而設 置合適的相位差，則可以使得相鄰兩線圈12的電流方向相同或者相反，進而使得在兩者的 公共磁路上的磁通削減，即通過反向解耦的方式而實現降低了磁芯損耗。
[0032] 其中，可通過對應不同數量的"日"字型閉合框架，相應設置線圈12的繞線方向，以 便于在每個線圈12的電源輸入端輸入對應相位的電流時，能夠使得相鄰兩線圈12中的電流 相位差合適，以降低磁芯損耗。
[0033] 本實施例，需進一步說明的是，由于磁芯的中柱11處加有氣隙13,兩邊的磁柱不加 氣隙13，形成的磁芯磁路為低磁阻磁路，氣隙13中的磁阻遠大于磁路中的磁阻，通過提供低 磁阻磁路實現解耦集成。如圖3所示為多個"日"字型閉合框架的磁芯組件10構成的磁集成 器件的等效磁路，中柱11氣隙13產生的磁阻(Rl、R2……Rn)遠大于環(huán)路的磁阻。在輸入的激 勵正弦變化時，產生的磁勢Φ也是呈正弦變化的，相鄰的線圈12產生的磁通在公共磁路上 發(fā)生疊加，由于方向相反，磁通相互削減，則能夠減少磁芯損耗。
[0034] 值得一提的是，當N個不同線圈12集成，輸入的激勵存在相位差時，磁路的磁通變 化變得復雜，通過調整線圈12電流的流向，可以較大程度的降低公共磁路的磁芯損耗。具體 地，在所述N大于1，且小于等于3時，設置相鄰兩所述中柱11上的線圈12電流的方向相反，能 達到更好的效果。如圖1所示，圖1中，N等于3,形成有公共磁路Gl和G2,假設該磁集成器件沿 Gl至G2方向的三個線圈12分為第一線圈12、第二線圈12和第三線圈12,則第一線圈12和第 二線圈12之間的激勵電流相位相差120度，第二線圈12和第三線圈12之間的激勵電流相位 相差120,則第三線圈12和第一線圈12之間的激勵電流相位相當于相差240度。由于在公共 磁路Gl和G2中磁通發(fā)生疊加，的結果是影響到磁芯的損耗。通過有限元軟件進行仿真分析， 證明了該實施例對減小磁芯損耗的作用，如圖4所示的磁集成器件的磁芯損耗的平均值大 約為1.75兆左右，而圖5中獨立磁性器件的磁芯損耗的磁芯損耗的平均值大約為1.50兆左 右，顯然，應用本實施例的磁集成器件的磁芯損耗明顯減少。
[0035] 此外，在所述N大于等于5時，設置各個所述中柱11上的線圈12電流的方向相同，能 達到更好的效果。如圖2所示，為5個"日"字型閉合框架的磁芯組件10。成有公共磁路G1、G2、 G3、G4,假設該磁集成器件沿Gl至G4方向的五個線圈12分為第一線圈12、第二線圈12、第三 線圈12、第四線圈12和第五線圈12,則第二線圈12和第一線圈12之間的激勵電流相位相差 72度，第三線圈12和第二線圈12之間的激勵電流相位相差72度，第四線圈12和第三線圈12 之間的激勵電流相位相差72度，第五線圈12和第四線圈12之間的激勵電流相位相差72度。 由于在公共磁路61、62、63、64中磁通發(fā)生疊加，則會影響到磁芯的損耗。通過有限元軟件進 行仿真分析，證明了該實施例對減小磁芯損耗的作用，如圖6所示的磁集成器件的磁芯損耗 的平均值大約為2.00兆左右，而圖5中獨立磁性器件的磁芯損耗的磁芯損耗的平均值大約 為1.50兆左右，顯然，應用本實施例的磁集成器件的磁芯損耗明顯減少。
[0036] 綜上，與現有的技術相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于一方面通過共用磁路將多個磁性器 件組合在一起，減小了磁性器件的總體體積，另一方面通過設計線圈12激勵輸入形式，較大 程度的降低了磁芯損耗。
[0037] 上述實施例中，磁芯組件10可通過任何能夠組成"日"字型閉合框架的子磁芯實 現，本實施例中，磁芯組件10可通過以下方式實現，參照圖1和圖2,磁芯組件10包括N個E型 子磁芯101和一個I型子磁芯102,開口朝向豎直上方的N-I個E型子磁芯101、所述一個I型子 磁芯102和一個開口朝向豎直下方的E型子磁芯101自下而上依次疊置，以構成所述N個"日" 字型閉合框架的磁芯組件10。
[0038] 如圖1所示，兩個開口朝向豎直上方的E型子磁芯101、一個I型子磁芯102和一個開 口朝向豎直下方的E型子磁芯101自下而上依次疊置在一起，形成三個"日"字型閉合框架的 磁芯組件10，E型子磁芯101的邊柱不開氣隙13，形成一個多閉合回路的磁路。僅在三個"日" 字型閉合框架的中柱11上設置氣隙13,使三個線圈12的電感量相等。其中優(yōu)選在中柱11與 其相鄰的另一子磁芯的一端設置氣隙13,以便于纏繞線圈12?？梢岳斫獾氖牵枚鄠€E型 子磁芯101和一個I型子磁芯102配合實現相鄰兩個電感線圈12共用一個磁路，減少了磁芯 組件10的整體體積。當需要設置更多個時，則進一步增設開口朝向豎直上方的E型子磁芯 101即可，例如，如圖2所示的磁集成器件中，由四個開口朝向豎直上方的E型子磁芯101、一 個I型子磁芯102和一個開口朝向豎直下方的E型子磁芯101自下而上依次疊置在一起，形成 五個"日"字型閉合框架的磁芯組件10。
[0039] 該實施例中，需要說明的是，其磁芯組件10還可以通過以下方式替換實現，具體 地，所述磁芯組件10包括N個E型子磁芯101和一個I型子磁芯102，N個開口朝向豎直上方的E 型子磁芯101和所述一個I型子磁芯102自下而上依次疊置，以構成所述N個"日"字型閉合框 架的磁芯組件10。這種方式與上述磁芯組件10的實現方式基本一致，都是通過E型子磁芯 101和一個I型子磁芯102配合實現，不同的是，本實施例中，I型子磁芯102設置在最外側。
[0040] 需要說明的是，上述兩種結構的該磁集成器件由N個E型子磁芯101和一個I形子磁 芯通過共用磁路集成在一起與相同數量的獨立磁性器件(獨立磁性器件一般是一個E型子 磁芯101和一個I型子磁芯102疊置構成)相比，可以減少了N-I個I型子磁芯102。
[0041] 本發(fā)明還提出一種功率轉換電路，結合圖1至圖7,該功率轉換電路包括上述磁集 成器件，該功率轉換電路的具體結構參照上述實施例，由于本發(fā)明功率轉換電路采用了上 述所有實施例的全部技術方案，因此至少具有上述實施例的技術方案所帶來的所有有益效 果，在此不再一一贅述。
[0042 ]進一步地，上述功率轉換電路還包括N相并聯電路，所述磁集成器件的每一所述中 柱11上線圈12的電源輸入端接入所述N相并聯電路中的一相支路，所述N相并聯電路的每一 相支路中的電流相位與對應連接的線圈12的電流相位相同。并且，每一所述中柱11上的線 圈12的輸出端連接至變壓器對應的輸入端。
[0043]具體地，如圖7所示，為三相交錯并聯LLC電路，每一相支路對應有一輸入電源，分 別為￥^1、￥1112、￥1113、經過105管、二極管和電容進行相應處理后輸出至對應的線圈12的電 源輸入端，需保證的是，三相交錯并聯LLC電路的每一相支路中的電流相位與對應連接的三 個線圈Lr I、Lr2、Lr3的電流相位相同，其中，三相交錯并聯LLC電路的相鄰支路中的電流方 向相反，磁集成器件的輸出端分別與三個變壓器Tl的初級線圈Lr I、Lr2、Lr3-一對應連接， 三個變壓器Tl的次級線圈并聯后從公共輸出端VO輸出。
[0044]以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例，并非因此限制本發(fā)明的專利范圍，凡是在本 發(fā)明的發(fā)明構思下，利用本發(fā)明說明書及附圖內容所作的等效結構變換，或直接/間接運用 在其他相關的技術領域均包括在本發(fā)明的專利保護范圍內。
【主權項】
1. 一種磁集成器件，其特征在于，包括形成有N個并排且緊靠設置的"日"字型閉合框架 的磁芯組件，每一所述"日"字型閉合框架的中柱上設置有氣隙；每一所述中柱上纏繞有線 圈，所述N個"日"字型閉合框架的中柱上的線圈電流的相位自首至尾遞增或者遞減，且相鄰 兩所述"日"字型閉合框架的中柱上的線圈電流的相位差為360/N度;其中，所述N為大于1的 自然數。2. 如權利要求1所述的磁集成器件，其特征在于，所述磁芯組件包括N個E型子磁芯和一 個I型子磁芯，開口朝向豎直上方的N-1個E型子磁芯、所述一個I型子磁芯和一個開口朝向 豎直下方的E型子磁芯自下而上依次疊置，以構成所述N個"日"字型閉合框架的磁芯組件。3. 如權利要求1所述的磁集成器件，其特征在于，所述磁芯組件包括N個E型子磁芯和一 個I型子磁芯，N個開口朝向豎直上方的E型子磁芯和所述一個I型子磁芯自下而上依次疊 置，以構成所述N個"日"字型閉合框架的磁芯組件。4. 如權利要求1至3任一項所述的磁集成器件，其特征在于，在所述N大于1，且小于等于 3時，相鄰兩所述中柱上的線圈電流的方向相反。5. 如權利要求4所述的磁集成器件，其特征在于，在所述N大于等于5時，各個所述中柱 上的線圈電流的方向相同。6. -種功率轉換電路，其特征在于，包括如權利要求1至5任一項所述的磁集成器件。7. 如權利要求6所述的功率轉換電路，其特征在于，所述功率轉換電路還包括N相并聯 電路，所述磁集成器件的每一所述中柱上線圈的電源輸入端接入所述N相并聯電路中的一 相支路，所述N相并聯電路的每一相支路中的電流相位與對應連接的線圈的電流相位相同。
【文檔編號】H01F27/24GK106057431SQ201610087764
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年2月16日 公開號201610087764.8, CN 106057431 A, CN 106057431A, CN 201610087764, CN-A-106057431, CN106057431 A, CN106057431A, CN201610087764, CN201610087764.8
【發(fā)明人】胡長軍
【申請人】中興通訊股份有限公司