交錯變換器中無直流偏磁陣列式集成磁件研究
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在開關(guān)電源技術(shù)領(lǐng)域中，開關(guān)電源的發(fā)展趨勢之一是集成化，近年來人們對集成磁技術(shù)的研究越來越重視。磁集成技術(shù)是減小磁件體積和損耗以及提高變換器動態(tài)性能的重要研究方向。在DC／DC變換器中，為了存儲和傳遞直流功率，其磁件中一般都流過較大的直流偏置電流，在磁件磁芯中產(chǎn)生較大的直流偏磁，為了防止直流偏磁引起磁芯飽和，一般采用低磁導(dǎo)率的材料或者具有集中氣隙及分布?xì)庀兜母叽艑?dǎo)率的材料，但這會使磁芯的利用率降低，同時限制了磁件體積的減小。文獻(xiàn)將文獻(xiàn)和給出的應(yīng)用于兩通道交錯并聯(lián)DC／DC變換器的集成磁件E形磁芯兩側(cè)柱上的氣隙同時移到中柱上，使兩個電感最大程度地耦合，利用中柱氣隙最大限度地削減直流偏磁，取得了較好的效果，但較大的氣隙使得磁件損耗增加。本文在分析文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，提出了一種應(yīng)用于交錯并聯(lián)DC／DC變換器的陣列式集成磁件。該陣列式集成磁件在磁芯中不存在氣隙的情況下消除了各磁路中的直流偏磁，提高了磁芯的利用率；并可以通過在磁芯之間加入磁片得到不同的漏感及選擇不同型號的磁芯改變兩個電感的耦合程度。
1 陣列式集成磁件在交錯并聯(lián)DC／DC變換器中的應(yīng)用
近年來，交錯并聯(lián)技術(shù)正在應(yīng)用于低壓大電流輸出的電壓調(diào)整模塊(VRM)。交錯并聯(lián)拓?fù)渚哂幸种戚敵鲭娏骷y波，降低輸出濾波器容量和擴(kuò)大系統(tǒng)輸出功率的顯著優(yōu)點(diǎn)，通過減小每個并聯(lián)之路上的電感，可以顯著提高動態(tài)特性。
圖1是利用陣列式集成磁件構(gòu)成的雙通道交錯并聯(lián)Buck變換器的拓?fù)?，電感L1和L2反向耦合，L1=L2=L。該變換器中開關(guān)管S1和S2導(dǎo)通觸發(fā)脈沖相差
，D相等，在一個開關(guān)周期內(nèi)共有4個工作模態(tài)。圖2為陣列式集成電感的結(jié)構(gòu)示意圖，磁路由1#、2#、3#、4#四個磁芯構(gòu)成；四個繞組N1、N1′和N2、N2′成十字結(jié)構(gòu)，分別繞在相鄰兩個磁芯的磁柱上，并且有N1=N1′=N2=N2′。N1和N1′繞組連接構(gòu)成電感L1的繞組ab；N2和N2′繞組連接構(gòu)成電感L2的繞組cd。
2 陣列式集成磁件消除直流偏磁分析
圖2所示陣列式集成磁件磁芯構(gòu)成可分為兩種形式：
(1)四個磁芯材料及型號相同；
(2)對角磁芯材料或型號不相同。
2．1 陣列式集成磁件直流磁通的分布
在以下四個工作模態(tài)下，磁件直流磁通分布如圖3所示。
2．1．1 四個磁芯材料及型號相同
四個磁芯完全相同
式(2)表明在四個磁芯材料及型號完全相同的情況下，各磁芯中直流磁通被完全抵消。
2．1．2 對角磁芯材料或型號不相同
設(shè)1#和3#磁芯型號完全相同，且較2#和4#磁芯具有高的磁導(dǎo)率，則
將式(3)代入式(2)可見，式(2)仍然成立，這表明對角磁芯材料或型號不相同時各磁芯中直流磁通仍然被完全抵消，即無直流偏磁。
2．2 陣列式集成磁件交流磁通的分布
在四個工作模態(tài)下，磁件中交流磁通分布如圖2所示。
2．2．1 四個磁芯材料及型號相同
各繞組磁通波形及磁芯中的磁通波形如圖4所示。從圖4可見，各磁芯中交流磁通變化相同，磁芯中無直流偏磁。
2．2．2 對角磁芯材料或型號不相同
仍設(shè)1#和3#磁芯型號完全相同，且較2#和4#磁芯具有高的磁導(dǎo)率。各繞組磁通波形及磁芯中的磁通波形如圖5所示。從圖5可見，由于磁導(dǎo)率不同，對角磁芯中交流磁通變化相同；但2#和4#磁芯磁通變化幅度小于1#和3#磁芯磁通變化幅度；磁芯中無直流偏磁。
2．3 陣列式集成磁件漏感對變換器輸出性能的影響
變換器一通道導(dǎo)通，另一通道續(xù)流時，電感電壓ui為
式(5)描述了變換器的穩(wěn)態(tài)性能，式(6)描述了變換器的動態(tài)性能，由此可見，變換器的輸出性能依賴于耦合系數(shù)大小，式(6)表明，耦合電感漏感越小，耦合越強(qiáng)，動態(tài)性能越好；但式(5)表明，漏感太小，會有較大的輸出紋波。
圖2所示陣列式集成磁件可以利用下面兩種方法調(diào)節(jié)電感L1和L2的漏感：
(1)通過設(shè)計時采用不同的形狀的磁芯來得到不同的漏感；
(2)在磁芯間距之間加入磁片來調(diào)節(jié)L1和L2的漏感。
3 集成磁件的等效電路
圖2陣列式集成磁件每個電感可以看成是四個磁芯分別形成的分立電感的組合，四個磁芯構(gòu)成四組耦合電感，集成磁件的等效電路是四組耦合電感連接，如圖6所示。
4 仿真與實(shí)驗(yàn)
本文利用電磁場仿真軟件Maxwell對四個磁芯材料及型號完全相同的集成磁件作了仿真驗(yàn)證。仿真參數(shù)如下：選擇UI10．5磁芯；各磁芯間距1mm；各電感端部電壓頻率為500kHz。圖7為磁件各繞組磁通波形，其中flux-L1U，flux-L1N，flux-L2L和flux-L2R分別為繞組N1，N1′，N2′，和N2′的磁通。圖8為各磁芯磁通波形，仿真表明磁芯中無直流偏磁。圖9(a)和圖9(b)分別為Maxwell軟件及利用Saber軟件使用圖6集成磁件等效電路仿真得到的電流波形，由于仿真漏感較小，電流紋波較大。圖10為圖2陣列式集成磁件構(gòu)成的兩相變換器實(shí)驗(yàn)樣機(jī)輸出電壓波形，其中輸入電壓為12．5V，開關(guān)管觸發(fā)頻率為500kHz，占空比為0．3。
5 結(jié)語
本文將陣列式耦合電感應(yīng)用于交錯并聯(lián)變換器，詳細(xì)分析了集成磁件消除直流偏磁的原理，給出了磁件的等效電路，同時分析了集成磁件漏感對變換器輸出性能的影響，給出了集成磁件改變漏感的兩種方法。陣列式耦合電感集成磁件的優(yōu)點(diǎn)在于可設(shè)計漏感的情況下消除了磁路中的氣隙，提高了磁芯的利用率。仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了陣列式耦合電感集成磁件消除直流偏磁理論的正確性和實(shí)用性。
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