一种变压器和电感磁集成结构制造技术

本发明专利技术公开了一种变压器和电感磁集成结构，属于电力电子技术领域。所述的一种变压器电感磁集成结构由一副至少含有4个磁柱的磁芯、初级绕组以及次级绕组构成；既能将一个变压器和两个电感集成在一个磁芯中，又能实现绕组结构的灵活配置，可以实现任意的变压器匝比和任意的励磁电感、漏感比，还能降低磁芯损耗、提高效率，同时，集成结构大大减小了功率磁件的体积重量，有助于提高变换器功率密度。本发明专利技术特别适用于双向CLLC谐振变换器等各类利用变压器、电感进行高频、高效、高功率密度功率变换的应用场合。

An integrated structure of transformer and inductor

【技术实现步骤摘要】
一种变压器和电感磁集成结构
本专利技术涉及一种变压器和电感磁集成结构，属于电力电子

技术介绍
随着现代电力电子技术的发展、SiC和GaN等高频开关器件的诞生，高频化、集成化和模块化已经成为开关电源的发展趋势。事实表明，提高开关频率，能够减小设备体积，提高功率密度和可靠性，降低开关噪声。谐振变换器以其出色的软开关、高效率、高功率密度等特性而获得工业界青睐，被广泛应用于服务器电源、新能源电动汽车充电桩等场合。而其中，CLLC谐振变换器由于其结构的对称性，可以实现双向功率传输，且能够在全负载范围内实现软开关，因此在电池充放电、车联网(V2G)等领域得到广泛应用。但是由于CLLC变换器一次侧和二次侧均存在一个谐振电感，不利于功率密度的提高。为了进一步提高变换器的功率密度，采用磁集成技术，把变压器和两个谐振电感集成到一个磁芯中，成为行之有效的手段之一。文献“GangLiu，DanLi，JianqiuZhang，BoHuandMinli.Jia，″BidirectionalCLLCresonantDC-DCconverterwithintegratedmagneticforOBCMapplication[C]//IEEEInternationalConferenceonIndustrialTechnology(ICIT)，Seville，2015，pp.946-951.”针对CLLC变换器提出了磁集成方案，通过降低初级绕组和次级绕组的耦合程度，把两个谐振电感集成到变压器中。但是这种方法磁芯结构不是最优，也难以控制励磁电感和漏感的大小，初级和次级的两个电感感值更无法做到相等。而文献“BinLi，QiangLiandFredC.Lee.High-FrequencyPCBWindingTransformerWithIntegratedInductorsforaBi-DirectionalResonantConverter[J].IEEETransactionsonPowerElectronics，vol.34，no.7，pp.6123-6135，July2019.”针对三相CLLC系统提供了另一种思路，将变压器分为两个部分，这两部分的初级绕组和次级绕组成对称关系，利用磁芯中柱对磁路进行解耦，降低初级绕组、次级绕组的耦合程度，从而实现两个漏感的集成，这种方法可以实现对变压器励磁电感和漏感的控制，且初级和次级漏感大小相等。但是这种方法依赖于磁芯中柱进行解耦，磁芯利用率不高，而且磁芯中柱上的磁通很大，损耗较大，仍有进一步提升的空间。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有技术的不足，提供一种磁集成单变压器和双电感结构，既能将一个变压器和两个电感集成在一个磁芯中，又方便控制漏感，同时还能优化磁通分布，降低磁滞损耗，大大减小功率变换器磁件的体积，提高功率密度。本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的：所述一种变压器和电感磁集成结构由磁芯(10)、初级绕组(20)、次级绕组(30)构成，其中，绕有部分初级绕组和/或部分次级绕组的磁柱共有2X(X≥2)个，没有绕制绕组的磁柱共Y(≥0)个，每两个绕有部分初级绕组和/或部分次级绕组的磁柱构成一对，即绕有部分初级绕组和/或部分次级绕组的磁柱共有X对；互为一对的两个磁柱中，其中一个磁柱的初级绕组、次级绕组分别和另一个磁柱的初级绕组、次级绕组绕制方向相反，且两个磁柱上的初级绕组匝数和次级绕组匝数成对称关系，即如果其中一个磁柱初级绕组匝数为NpNk1(Np≥1，Nk1≥0)，次级绕组匝数为NsNk2(Ns≥1，Nk2≥0，Nk1+Nk2≥1)，则另外一个磁柱的初级绕组匝数为NpNk2，次级绕组匝数为NsNk1。所述一种变压器和电感磁集成结构中，至少存在一对磁柱，其两个磁柱上的初级绕组和次级绕组匝数之比不相等。每对磁柱的第一磁柱和第二磁柱截面积相同；各对磁柱的截面积可以相同，也可以不同；既没有初级绕组也没有次级绕组的磁柱的截面积和绕有部分初级绕组和/或部分次级绕组的磁柱可以相同，也可以不同。每对磁柱的第一磁柱和第二磁柱气隙长度相同；各对磁柱的气隙长度可以相同，也可以不同；既没有初级绕组也没有次级绕组的磁柱的气隙长度和绕有部分初级绕组和/或部分次级绕组的磁柱可以相同，也可以不同。绕组可采用平面型绕组和卷绕式绕组。本专利技术技术方案与既有技术方案的本质区别在于，通过引入多组磁柱，在每个磁柱上分布绕制不同比例的初级绕组和次级绕组，降低初级绕组和次级绕组的耦合程度，达到集成变压器和电感的目的，同时还能实现任意的匝比以及任意的励磁电感、漏感比。假设绕有部分初级绕组和/或部分次级绕组的磁柱共有2X(X≥2)个，没有绕制绕组的磁柱共Y(≥0)个，每两个绕有部分初级绕组和/或部分次级绕组的磁柱构成一对，即绕有部分初级绕组和/或部分次级绕组的磁柱共有X对；互为一对的两个磁柱中，其中一个磁柱的初级绕组、次级绕组分别和另一个磁柱的初级绕组、次级绕组绕制方向相反，且两个磁柱上的初级绕组匝数和次级绕组匝数成对称关系，即如果其中一个磁柱初级绕组匝数为NpNk1(Np≥1，Nk1≥0)，次级绕组匝数为NsNk2(Ns≥1，Nk2≥0，Nk1+Nk2≥1)，则另外一个磁柱的初级绕组匝数为NpNk2，次级绕组匝数为NsNk1；每对磁柱的第一磁柱和第二磁柱截面积相同，磁柱横截面接为Ak；每对磁柱的第一磁柱和第二磁柱气隙长度相同，气隙长度为δk；则所述集成变压器的匝比为Np/Ns。所述一种变压器和电感磁集成结构中，至少存在一对磁柱，其两个磁柱上的初级绕组和次级绕组匝数之比不相等，即存在第j对磁柱，其初级绕组匝数和次级绕组匝数满足Nj1≠Nj2，则初级绕组和次级绕组均存在漏感，且初级绕组漏感和次级绕组漏感的比值为Np2/Ns2。特别的，当所有磁通方向向上的初级绕组匝数和磁通向下的初级绕组匝数相同时，或者当存在既没有初级绕组也没有次级绕的磁柱没有设置气隙时，各磁柱磁通之间相互解耦，没有耦合关系；忽略铁心的磁阻和空气漏磁通，则初级绕组励磁电感表达式可以简化为式(1)，初级绕组漏感如式(2)所示，次级绕组漏感如式(3)所示。式中，Rk＝δk/(μ0Ak)为第k个磁柱的磁阻，μ0为空气磁导率。本专利技术具有如下有益效果：(1)同时集成一个变压器和两个电感，可以大大减小了功率磁件的体积重量，提高变换器功率密度，特别适用于双向CLLC谐振变换器等各类利用变压器、电感进行高频、高效、高功率密度功率变换的应用场合；(2)磁芯结构灵活配置，可以实现任意的变压器匝比和任意的励磁电感、漏感比；(3)多个磁柱的引入，可以充分优化绕组结构，优化磁通路径，当相邻磁柱的磁通方向相反、且能相互抵消时，磁芯损耗最低，效率最高。附图说明附图1是现有双向CLLC谐振变换器原理图；附图2是本专利技术的一种变压器和电感磁集成结构示意图；附图3是本专利技术的一种变压器和电感磁集成结构一对基本单元的初级绕组示意图；附本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种变压器和电感磁集成结构，其特征在于：/n所述一种变压器和电感磁集成结构由磁芯(10)、初级绕组(20)、次级绕组(30)构成，其中，绕有部分初级绕组和/或部分次级绕组的磁柱共有2X(X≥2)个，没有绕制绕组的磁柱共Y(≥0)个，每两个绕有部分初级绕组和/或部分次级绕组的磁柱构成一对，即绕有部分初级绕组和/或部分次级绕组的磁柱共有X对；互为一对的两个磁柱中，其中一个磁柱的初级绕组、次级绕组分别和另一个磁柱的初级绕组、次级绕组绕制方向相反，且两个磁柱上的初级绕组匝数和次级绕组匝数成对称关系，即如果其中一个磁柱初级绕组匝数为N

【技术特征摘要】
1.一种变压器和电感磁集成结构，其特征在于：
所述一种变压器和电感磁集成结构由磁芯(10)、初级绕组(20)、次级绕组(30)构成，其中，绕有部分初级绕组和/或部分次级绕组的磁柱共有2X(X≥2)个，没有绕制绕组的磁柱共Y(≥0)个，每两个绕有部分初级绕组和/或部分次级绕组的磁柱构成一对，即绕有部分初级绕组和/或部分次级绕组的磁柱共有X对；互为一对的两个磁柱中，其中一个磁柱的初级绕组、次级绕组分别和另一个磁柱的初级绕组、次级绕组绕制方向相反，且两个磁柱上的初级绕组匝数和次级绕组匝数成对称关系，即如果其中一个磁柱初级绕组匝数为NpNk1(Np≥1，Nk1≥0)，次级绕组匝数为NsNk2(Ns≥1，Nk2≥0，Nk1+Nk2≥1)，则另外一个磁柱的初级绕组匝数为NpNk2，次级绕组匝数为NsNk1。


2.根据权利要求1所述的一种变压器和电感磁集成结构...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴红飞，汤欣喜，花文敏，刘越，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32