集成磁部件和功率转换器制造技术

集成磁部件和功率转换器。本发明专利技术涉及用于包括被配置用于交错操作的N>=2个LLC转换器的功率转换器的集成磁部件。集成磁部件包括第一轭和第二轭以及针对每个LLC转换器的绕组承载腿，所述绕组承载腿包括初级绕组和次级绕组，其中初级绕组和次级绕组被缠绕在相应的绕组承载腿上。集成磁部件进一步包括一个或多个返回腿。在本文中，绕组承载腿和一个或多个返回腿被并排布置，每个腿被磁连接到两个轭，并且绕组承载腿包括变压器气隙，而至少一个返回腿是没有气隙的，并且至少一个返回腿被布置在两个绕组承载腿之间。本发明专利技术进一步涉及功率转换器，所述功率转换器包括开关转换器级、整流器级和谐振级，谐振级包括N>=2个并联LLC转换器。

Integrated magnetic components and power converters

Integrated magnetic components and power converters. The invention relates to an integrated magnetic component for a power converter including a N >=2 LLC converter configured for interleaving operation. The integrated magnetic component includes a first yoke and a second yoke and a winding bearing leg for each LLC converter. The winding bearing leg comprises a primary winding and a secondary winding, in which the primary winding and the secondary winding are wound around the corresponding winding bearing leg. The integrated magnetic component further includes one or more return legs. In this paper, winding bearing legs and one or more return legs are arranged side by side, each leg is magnetically connected to two yokes, and winding bearing legs include transformer air gap, while at least one return leg has no air gap, and at least one return leg is arranged between two winding bearing legs. The invention further relates to a power converter, which comprises a switching converter stage, a rectifier stage and a harmonic stage, and a resonant stage comprising N >=2 parallel LLC converters.

【技术实现步骤摘要】
集成磁部件和功率转换器
本专利技术涉及用于包括被配置用于交错操作的N>=2个LLC转换器的功率转换器的集成磁部件。集成磁部件包括第一轭和第二轭以及针对每个LLC转换器的绕组承载腿（windingcarryingleg），所述绕组承载腿包括初级绕组和次级绕组，其中，初级绕组和次级绕组被缠绕在相应的绕组承载腿上。集成磁部件进一步包括一个或多个返回腿（returnleg）。在本文中，绕组承载腿和一个或多个返回腿被并排布置，每个腿被磁连接到两个轭，并且绕组承载腿包括变压器气隙（airgap），而至少一个返回腿是没有气隙的。本专利技术进一步涉及功率转换器，所述功率转换器包括开关转换器级、整流器级和谐振级，所述谐振级包括N>=2个并联LLC转换器。
技术介绍
作为电信和商业系统的主要部分的开关模式电源常常规定它们的尺寸和电气性能以及可靠性和成本。随着对功率转换器的关键特性功率密度和效率的要求增加，特别地对电感性部件的这些评估特性的需求增加。增加功率密度和效率的一个方法是将电感性部件集成。变压器和电感器可以被集成到单个磁结构中，这除了减少了成本，还增加了功率密度和功率效率。其中集成磁元件被强烈地推荐的电路是LLC谐振转换器，所述LLC谐振转换器能够产生高效率和高质量EMI同时以高开关频率操作。谐振转换器、特别是LLC谐振转换器，归因于它们的高效率、低水平的EMI发射以及实现高功率密度的能力而越来越普及。其他的优势是小尺寸、轻量级和高效率。此外，在现代电源设计中通常使用交错方法，即组合多个单个LLC谐振转换器，特别是以并联连接来组合多个单个LLC谐振转换器，以增加每个单位的最大输出功率、扩展功率损耗、在轻负载操作中应用切相（phaseshedding）以及减小输入和输出滤波器的尺寸。诸如有源均流控制（activecurrentsharingcontrol）的附加的措施通常对交错的转换器而言是必要的，以平衡在单个转换器之中的负载。通过交错两个LLC转换器，可以减小庞大的（bulky）部件的体积并且可以实现更好的电流分布。此外，归因于电流纹波消除效应（currentripplecancellationeffect），可以大幅地减小输入和输出滤波器的体积。具有交错的LLC转换器的布置例如由US8564976和US2014/0009985A1公开。LLC转换器使用三个磁部件：串联谐振电感器、并联谐振电感器、双绕组或三绕组变压器。当交错两个LLC转换器时，磁部件的该数量加倍。除了产生更高的尺寸和成本的分立磁部件的数量之外，该转换器还导致负面地影响效率的至少六个绕组和若干互连。在近些年中，做出了一些努力以将所有的三个磁部件都集成到用于LLC谐振转换器的单个部件中。US2008/0224809公开了其中通过在变压器中引入设置磁化电感的气隙来将并联谐振扼流圈（choke）集成在变压器中的布置。其中集成了变压器和串联谐振的集成磁结构有助于增加功率密度以及效率。通过相互芯凸缘中的通量补偿来减少芯损耗，并且通过在谐振扼流圈与变压器之间的互连的减少来将铜损耗最小化。相互芯凸缘还意味着功率密度的增加。尽管部件集成，但是仍然存在用于两个交错的LLC转换器的两个磁组件。可以使用芯集成以便消除相互芯段中的通量并且因此减小芯损耗和体积，导致更高的效率和功率密度。US2016/0254756A1最近公开了用于三相交错的LLC转换器的集成磁部件，其包括三个串联谐振电感器、三个并联电感器和三个变压器。该集成磁部件实现了自动电流均衡并且实现了自动平衡所有支路中的电流的效果。然而，通过电流的强耦合，部件的设计变得更复杂。需要如下结构，所述结构减小总体芯尺寸以及铜损耗并且增加功率密度而不负面地影响EMI质量。适用于如在图1中描绘的两个交错的LLC转换器的结构是本专利技术的主题。目前的交错功率转换器是庞大的，或者它们需要许多磁部件，或者归因于单个LLC转换器的部件之间的强耦合，它们涉及工程中的显著的努力。
技术实现思路
本专利技术的目的是创建一种用于包括被配置用于与最初提到的
相关的交错操作的N>=2个LLC转换器的功率转换器的集成磁部件，这减小了总体芯尺寸以及铜损耗并且增加了功率密度而不负面地影响EMI质量，同时仍然保持工程努力低。本专利技术的技术方案由权利要求1的特征指定。根据本专利技术，至少一个返回腿被布置在两个绕组承载腿之间。由所述两个绕组承载腿的绕组生成的磁通量将把返回腿共享为返回路径并且因此彼此叠加。归因于LLC转换器的交错操作，伴随有在由LLC转换器生成的磁通量之间的相移，在返回路径中的总通量被减小。这导致了集成磁部件中的损耗的减少，特别是返回腿中的铁损耗的减少。损耗的减少还虑及集成磁部件的尺寸的减小。紧凑的组件还导致了杂散电感的减小和转换器的暂态特性的改善（amelioration）。集成磁部件实现了N个LLC转换器的磁部件，其中N是自然数。LLC转换器还被称为LLC谐振转换器或被称为LLC串联并联谐振。LLC谐振转换器包括使用至少以下三个磁部件的谐振电路：串联谐振电感器、并联谐振电感器以及具有初级绕组和次级绕组的变压器。轭和一个或多个返回腿是包括磁芯的磁芯元件。像返回腿一样，轭通过其磁芯来限定通量路径并且用于将磁通量回路闭合在磁电路中。与绕组承载腿相比，它们优选地不承载绕组。此外，绕组承载腿包括用于限定磁通量路径的磁芯。磁芯由磁导材料制成，特别是由诸如例如铁氧体（ferrite）或铁的高度可渗透材料制成。轭磁连接邻接（abut）轭的腿。因此，其两者都被磁连接到轭的绕组承载腿和返回腿正在第一轭与第二轭之间形成平行的磁路径。绕组承载腿中的气隙通常是磁通量路径中的集中的间隙，其被填充有空气或低磁导率的任何其他材料，其中通量路径由绕组承载腿的磁芯来限定。然而，气隙还可以被分布在绕组承载腿上。这可以通过使用具有低磁导率的磁芯来实现，例如通过使用由铁或铁合金粉末烧结的磁芯来实现。气隙被应用于调整磁部件的磁性质和/或存储磁能量。变压器气隙是允许配置包括初级绕组和次级绕组的相应的LLC转换器的变压器的磁特性的气隙。特别地，所述变压器气隙允许调整变压器的并联电感。如果返回元件和或轭的磁阻（reluctance）相对于所有变压器气隙的最小磁阻是小的，则所述返回元件和或轭被认为是无气隙的。非常小意味着磁阻至多是最小变压器气隙的磁阻的十分之一。因此，即使返回元件包括例如由制造公差引起的气隙，如果得到的磁阻是小的，则所述返回元件也被认为是无气隙的。这样的典型的公差处于大约10µm的范围内。腿被并排布置意味着它们被基本上平行地布置。优选地，轭也被基本上彼此平行地布置。还要指出，轭和腿优选地以矩形角度来布置，这简化了集成磁部件的结构和制造。优选地，轭和腿形成网格状结构。进一步要指出，集成磁电路的腿和轭优选地被布置在平面中。集成磁部件的绕组以如下方式被连接：通过芯的通量将被最小化（相应地，由不同绕组引起的通过芯的不同部分的通量将至少在某种程度上正补偿彼此）。特别地，绕组方向和绕组数量将被适配，使得由不同绕组引起的通过凸缘的通量将被最小化。集成磁部件还可以包括其他的绕组，所述其他的绕组也必须被连接使得芯损耗被最小化。绕组承载腿的变压器气隙的磁阻主本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.用于包括被配置用于交错操作的N >= 2个LLC转换器的功率转换器的集成磁部件（102），所述集成磁部件（102）包括a）第一轭（131.1）和第二轭（133.1），b）针对每个LLC转换器的绕组承载腿，包括初级绕组（120a、120b）和次级绕组（121a、121b），初级绕组（120a、120b）和次级绕组（121a、121b）被缠绕在相应的绕组承载腿上，c）集成磁部件（102）进一步包括一个或多个返回腿，d）其中绕组承载腿和一个或多个返回腿被并排布置，每个腿被磁连接到两个轭（131.1、133.1），并且其中绕组承载腿包括变压器气隙（119a、119b），而至少一个返回腿是没有气隙的，其特征在于e）至少一个返回腿被布置在两个绕组承载腿之间。

【技术特征摘要】
2017.05.08 EP 17169944.01.用于包括被配置用于交错操作的N>=2个LLC转换器的功率转换器的集成磁部件（102），所述集成磁部件（102）包括a）第一轭（131.1）和第二轭（133.1），b）针对每个LLC转换器的绕组承载腿，包括初级绕组（120a、120b）和次级绕组（121a、121b），初级绕组（120a、120b）和次级绕组（121a、121b）被缠绕在相应的绕组承载腿上，c）集成磁部件（102）进一步包括一个或多个返回腿，d）其中绕组承载腿和一个或多个返回腿被并排布置，每个腿被磁连接到两个轭（131.1、133.1），并且其中绕组承载腿包括变压器气隙（119a、119b），而至少一个返回腿是没有气隙的，其特征在于e）至少一个返回腿被布置在两个绕组承载腿之间。2.根据权利要求1所述的集成磁部件（102），包括N-1个返回腿，其中绕组承载腿和返回腿被交替地并排布置。3.根据权利要求1或2所述的集成磁部件（102），其中集成磁部件（102）由多个堆叠的芯元件（131、132、133）形成，其中堆叠的芯元件（131、132、133）是多腿芯元件或I芯。4.根据权利要求1至3中的任一项所述的集成磁部件（702），其中在每个绕组承载腿上的初级绕组（720a.1、720a.2、720b.1、720b.2）和次级绕组（721a、721b）在空间上被彼此隔开，以生成通量泄漏路径，限定相应的LLC转换器的串联电感器的串联电感。5.根据权利要求1至3中的任一项所述的集成磁部件（102），其进一步包括a）第三轭（132.1），其被布置在第一轭与第二轭（131.1、133.1）之间，将每个绕组承载腿划分为变压器部分和第一扼流圈部分，b）每个绕组承载腿的第一扼流圈部分，其包括用于限定LLC转换器的第一串联电感器的第一串联电感的第一扼流圈气隙（116a、116b）和第一扼流圈绕组（117a、117b），c）变压器部分，其包括变压器气隙（119a、119b）和初级绕组以及次级绕组（120a、120b、121a、121b）。6.根据权利要求5所述的集成磁部件（102），其中多个堆叠的芯元件（131、132、133）包括三个多腿芯元件或两个多腿芯元件和一个I芯。7.根据权利要求5或6所述的集成磁部件（602），其中集成磁部件（602）进一步包括a）第四轭（633.1），其将每个变压器部分划分为第二扼流圈部分和子变压器部分，b）每个绕组承载腿的第二扼流圈部分，其包括用于限定...

【专利技术属性】
技术研发人员：HD恩吉恩德特，O埃里恩，D鲁夫，
申请(专利权)人：泰达电子股份有限公司，
类型：发明
国别省市：泰国,TH