CN111029121A - 多相耦合电感的阵列式集成磁件的构造方法及集成电感 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种多相耦合电感的阵列式集成磁件的构造方法及集成电感，属于电感器技术领域。本发明构造方法包括如下步骤：构建矩阵结构，所述耦合磁芯单元采用矩阵化结构布局；基于所述矩阵结构，构造矩阵式集成电感；采用多相电感对称化全耦合或多相电感对称化首尾次序耦合，形成对称化的集成电感。本发明的有益效果为：可消除直流偏磁、可自由调节耦合度、可任意拓展集成相数。

Description

多相耦合电感的阵列式集成磁件的构造方法及集成电感

技术领域

本发明涉及电感器技术领域，尤其涉及一种多相耦合电感的阵列式集成磁件的构造方法，还涉及一种由所述多相耦合电感的阵列式集成磁件的构造方法构造的集成电感。

背景技术

集成电感作为多相交错并联磁集成变换器的重要组成部分，不仅很大程度上决定着变换器体积、重量和成本，还直接影响着变换器效率、输出动态和稳态性能。而目前，应用于多相交错并联磁集成变换器的传统集成电感普遍存在诸多问题，直流偏磁、非对称化导致损耗增加和EMI恶化，设计成本较高、制作加工工艺复杂、标准化难以实现以及温升问题等已成为制约多相交错并联磁集成变换器进一步高频化的瓶颈。故研究散热能力强、可消除直流偏磁、对称化可变耦合度的新型高频集成磁件具有重要意义。

发明内容

为解决现有技术中的问题，本发明提供一种可实现多相耦合电感对称化设计的、可变耦合度、可消除直流偏、可抑制EMI的多相耦合电感的阵列式集成磁件，还提供一种由所述多相耦合电感的阵列式集成磁件的构造方法构造的集成电感。

本发明构造方法包括如下步骤：

步骤一：构建矩阵结构，所述耦合磁芯单元采用矩阵化结构布局；

步骤二：基于所述矩阵结构，构造矩阵式集成电感；

步骤三：采用多相电感对称化全耦合或多相电感对称化首尾次序耦合，形成对称化的集成电感，具体耦合方法为：

利用导线分别将若干个耦合磁芯单元的正向耦合绕组依次串联作主电感量，将耦合磁芯单元的反向耦合绕组依次串联作互感量，其中对角线耦合磁芯单元上的两相绕组均正向绕制，其余耦合磁芯单元上的绕组则采用反向绕制。

本发明作进一步改进，在步骤三中，采用多相电感对称化全耦合的对称化集成电感采用双绕组耦合磁芯单元及单绕组磁芯单元的柔性组合，通过各个单元小磁芯的串并联结构，构造出多相对称化的矩阵式集成电感。

本发明作进一步改进，所述矩阵式集成电感包括N相全耦合电感满矩阵拓扑结构和半角型矩阵拓扑结构，所述满矩阵拓扑结构包括N×N，N×2N和2N个耦合磁芯单元三种矩阵结构，所述半角型矩阵拓扑包括上三角形矩阵和下三角形矩阵两种基本形式，其矩阵中元素数量一样，与满矩阵拓扑结构相对应，半角型矩阵拓扑结构同样有1/2(N×(N+1))，1/2(N×(2N+1)和N+1等三种矩阵结构，其中N为矩阵中的元素，表示阵列式集成电感中耦合磁芯单元的数量，

所述矩阵式集成电感中的耦合磁芯单元的元素呈矩阵结构排列构成，且其矩阵元素所在位置的耦合磁芯单元都是双绕组绕制而成，其中矩阵的主对角线上位置的耦合磁芯单元为正向耦合磁芯，即放置于矩阵结构主对角线位置上的耦合磁芯单元采用两个绕组正向耦合，其余位置上的耦合磁芯单元的两个绕组采用反相绕制。

本发明作进一步改进，所述矩阵结构主对角线位置的正向耦合磁芯单元提供多相集成电感的主电感量L，且两个正向耦合绕组之间的耦合系数为1，或尽量接近1；其余非对角线位置上的反向耦合磁芯单元提供多相反向集成电感所需要的互感量M，非对角线磁芯上两个反向耦合绕组之间的耦合系数为可调节的系数，

通过耦合磁芯单元电感量的小磁芯的串联，所述矩阵式集成电感的自感量为L+M，互感量为M，然后通过调节反向耦合磁芯单元的种类、规格、气隙，单元自感量和单元互感量，以及非主对角线上反向耦合单元磁芯上两个绕组的反向耦合系数，实现每相耦合电感漏感的调节和多相电感之间耦合系数的调节，最终实现多相交错并联磁集成变换器的对称化全耦合设计。

本发明作进一步改进，采用多相电感对称化首尾次序耦合的对称化集成电感，采用环式首尾相接的阵列式结构，其基本型矩阵结构由1/2N×N个耦合磁芯单元首尾次序连接而成，N相首尾次序集成电感由2N个阵列化磁芯单元构成，矩阵电感的横坐标上有N个耦合磁芯单元元素，纵坐标上有1/2N个耦合磁芯单元元素。

本发明作进一步改进，基于所述基本型矩阵结构的改进型矩阵结构为：N相首尾次序对称化集成电感由2N个耦合磁芯单元呈多边形首尾次序连接构成，其中N个耦合磁芯单元位于N边形的顶点位置，提供每相电感的电感量，另外N个耦合磁芯单元位于矩阵中间位置，提供多相耦合电感的互感量，实现耦合系数的调节，此外，自感和互感单元耦合小磁芯能够根据变换器的结构需求，实时调整位置，

其中，顶点位置的耦合磁芯单元采用正向双耦合绕组，矩阵中间位置的耦合磁芯单元采用反向单绕组设置。

本发明作进一步改进，步骤三中，所述对称化集成电感，主对角线上的正向耦合磁芯单元均采取电感值相同的单绕组替代两个正向耦合绕组。

本发明作进一步改进，步骤三中，所述对称化集成电感的设计实现方式为：通过逆向推演拓扑复用原理，等效切割传统耦合电感磁芯及绕组，采用物理磁场和电气场、路相结合、并融合磁路—电路等效对偶变换模型的多尺度分析方法，从而找到集成磁件能够消除直流偏磁、自由调节耦合度、任意拓展集成相数的机理和对称化设计准则。

本发明还提供一种由所述多相耦合电感的阵列式集成磁件的构造方法构造的集成电感，包括若干个耦合磁芯单元，所述耦合电感单元包括交错设置的自感电感单元和互感电感单元，所述自感电感单元的正向耦合绕组依次串联作主电感量，所述互感电感单元的反向耦合绕组依次串联作互感量。

本发明作进一步改进，所述矩阵结构中，对角线耦合磁芯单元上的两相绕组均正向绕制，其余耦合磁芯单元上的绕组则采用反向绕制。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：增大了有效散热面积，具备高散热性，可消除直流偏磁、可自由调节耦合度、可任意拓展集成相数。

附图说明

图1为本发明方法流程图；

图2为N相全耦合对称化电感的满矩阵元素示意图；

图3为N相全耦合对称化电感的基本型N*N结构的满矩阵结构及连接示意图；

图4为N相全耦合对称化电感的改进型2N×N结构的满矩阵结构及连接示意图；

图5为N相全耦合对称化电感的满矩阵结构及连接示意图(改进型2N结构)；

图6为N相全耦合对称化电感的半矩阵结构元素示意图；

图7为N相全耦合对称化电感的基本型1/2(N×(N+1))结构的半矩阵结构连接示意图；

图8为N相首尾次序对称化耦合电感器的基本型1/2(N×N)结构的矩阵结构及连接示意图；

图9为N相首尾次序对称化耦合电感器，当耦合磁芯单元的绕组匝数为1匝时，三磁芯首尾次序相接改进型结构的环形矩阵结构；

图10为N相首尾次序对称化耦合电感器，当耦合磁芯单元的绕组匝数为1匝时，四磁芯首尾次序改进型结构的环形矩阵结构。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

本发明为解决现有技术问题，在分析了集成电感非对称性对高频多相交错并联磁集成变换器输出特性影响的基础上，本发明通过逆向推演拓扑复用原理，提出一种新型矩阵式对称化高频集成电感。采取场、路相结合和解耦磁集成多尺度分析方法，探求集成磁件可消除直流偏磁、可自由调节耦合度、可任意拓展集成相数的机制，给出一种适用于多相交错并联磁集成变换器的耦合电感，具体说是一种可实现多相耦合电感对称化设计的、可变耦合度、可消除直流偏、可抑制EMI的阵列式集成磁件及其多自由度构造方法。

如图1所示，本发明构造方法包括如下步骤：

步骤一：构建矩阵结构，所述耦合磁芯单元采用矩阵化结构布局；

步骤二：基于所述矩阵结构，构造矩阵式集成电感；

步骤三：采用多相电感对称化全耦合或多相电感对称化首尾次序耦合，形成对称化的集成电感，具体耦合方法为：

利用导线分别将若干个耦合磁芯单元的正向耦合绕组依次串联作主电感量，将耦合磁芯单元的反向耦合绕组依次串联作互感量，其中对角线耦合磁芯单元上的两相绕组均正向绕制，其余耦合磁芯单元上的绕组则采用反向绕制。

该多相耦合电感器采用矩阵化结构布局，采用耦合磁芯单元及其柔性组合概念，可构造出多相对称化耦合的矩阵式集成电感，可实现多相电感对称化全耦合以及多相电感对称化首尾次序耦合，具备衍生和可拓展能力，可根据具体情况，综合考虑损耗、设计难易程度、磁芯发热问题、耦合系数、漏磁等因素，衍生出一系列多自由度的耦合形式、矩阵结构和拓扑组合。

本例的集成电感可实现多相全耦合的对称化设计，具备可调节耦合系数、可消除直流偏、可抑制高频EMI，以及构造简单，普适性强的优点。该新型对称化多相耦合电感器采用矩阵化结构布局，可以增加散热面积，改善电磁干扰，提高综合应用性能。该构造理论具有普适性、通用性和可拓展性。

在步骤三中，采用多相电感对称化全耦合的对称化集成电感采用双绕组耦合磁芯单元及单绕组磁芯单元的柔性组合，通过各个单元小磁芯的串并联结构，构造出多相对称化的矩阵式集成电感。

如图2-5所示，基于适应不同应用场合、不同性能要求，以及根据磁芯的特点，矩阵式对称化电感器具有不同的组合形式：其基本形式为N相全耦合电感满矩阵拓扑，有N×N，N×2N和2N个单元磁芯等三种矩阵结构，其中N×N型矩阵结构为基本形式；N×2N型矩阵结构耦合系数更高，但磁芯数量更多，结构亦更复杂；2N型结构磁芯数量和绕组长度最少，损耗较低，其中N为矩阵中的元素，表示阵列式耦合电感器中耦合磁芯单元的数量。

如图2所示即为N相全耦合对称化电感的满矩阵元素示意图，图3所示即为N相全耦合对称化电感的满矩阵结构及连接示意图(基本型N×N结构)，图4和图5所示，分别为N相全耦合对称化电感的满矩阵结构及连接示意图(改进型2N×N结构)和N相全耦合对称化电感的满矩阵结构及连接示意图(改进型2N结构)，其中N×2N型矩阵结构耦合系数更高，但磁芯数量更多，结构亦更复杂；2N型结构磁芯数量和绕组长度最少，损耗较低，其中N为矩阵中的元素，表示阵列式耦合电感器中耦合磁芯单元的数量。

如图6和图7所示，为节省磁芯数量、体积和重量，本发明又可以衍生出N相全耦合电感的半角型矩阵拓扑，半角矩阵结构根据矩阵的基本原理，可分为上三角形矩阵和下三角形矩阵两种基本形式，其矩阵中元素数量一样。与满矩阵结构相对应，半角矩阵耦合电感器同样有1/2(N×(N+1))，1/2(N×(2N+1)和N+1等三种矩阵结构，其中N同样为矩阵中的元素，表示阵列式耦合电感器中耦合磁芯单元的数量。

图6所示为N相全耦合对称化电感的半矩阵结构元素示意图，其矩阵中元素数量一样。与满矩阵结构相对应，半角矩阵耦合电感器同样有1/2(N×(N+1))，1/2(N×(2N+1)和N+1等三种矩阵结构，其中N同样为矩阵中的元素，表示阵列式耦合电感器中耦合磁芯单元的数量，图7给出N相全耦合对称化电感的半矩阵结构连接示意图(基本型1/2(N×(N+1))结构)。

本发明新型对称化全耦合电感，无论是基本型N×N矩阵结构，以及其改进型N×2N和2N等满矩阵结构，或者耦合磁芯单元数量更少的半角矩阵结构，都是由耦合磁芯单元元素呈矩阵结构排列构成，且其矩阵元素所在位置的耦合磁芯单元都是双绕组绕制而成，其中矩阵的主对角线上位置的耦合磁芯单元为正向耦合磁芯，即放置于矩阵结构主对角线位置上的耦合磁芯单元采用两个绕组正向耦合，其余位置上的耦合磁芯单元的两个绕组采用反相绕制，各单元耦合磁通通过串并联多自由度的组合，最终可以实现多相耦合电感器各相之间反相耦合。

基于双绕组耦合磁芯单元的满矩阵或者半角矩阵对称化耦合电感器中，矩阵结构主对角线位置的正向耦合磁芯单元提供多相耦合电感器的主电感量L，且两个正向耦合绕组之间的耦合系数为1，或尽量接近1；其余非对角线位置上的反向耦合磁芯单元提供多相反向耦合电感器所需要的互感量M，非对角线磁芯上两个反向耦合绕组之间的耦合系数为可调节的系数。最终，通过单元电感量的小磁芯的串联，耦合电感器自感量为L+M，互感量为M，然后通过调节反向耦合磁芯单元的种类、规格、气隙，单元自感量和单元互感量，以及非主对角线上反向耦合单元磁芯上两个绕组的反向耦合系数，均可以实现每相耦合电感漏感的调节和多相电感之间耦合系数的调节，最终实现多相交错并联磁集成变换器的对称化全耦合设计。

如图8-10所示，因上述多相全耦合电感器，随着耦合相数增加，耦合系数会持续降低，制约其耦合相数的拓展，因此，本发明又拓展出多相耦合电感器对称化首尾次序耦合的方法，可实现多相交错并联磁集成变换器耦合相数任意拓展，其首尾次序耦合电感器有1/2N×N型基本矩阵结构和2N改进型矩阵结构。

本发明的首尾次序对称化耦合的集成电感，主要采用环式首尾相接的阵列式结构，其基本型矩阵结构由1/2N×N个耦合磁芯单元首尾次序连接而成；图8给出N相首尾次序对称化耦合电感器的矩阵结构及连接示意图(基本型1/2(N×N)结构)，N相首尾次序耦合电感器由2N个阵列化磁芯单元构成，矩阵电感的横坐标上有N个耦合磁芯单元元素，纵坐标上有1/2N个耦合磁芯单元元素。

而改进型矩阵结构如图9和图10所示，以一匝三相和四相对称化首尾次序耦合电感器为例，多匝连接方式与一匝相同，N相首尾次序对称化耦合电感器由2N个耦合磁芯单元呈多边形首尾次序连接构成，其中N个磁芯位于N边形的顶点位置，提供每相电感的电感量，另外N个耦合磁芯单元位于矩阵中间位置，提供多相耦合电感的互感量，实现耦合系数可调节，此外，自感和互感单元耦合小磁芯可根据变换器的结构需求，实时调整位置。

为减小磁芯绕组数量，减低绕组铜损，改善磁芯耦合系数，适应更多的应用场合，本发明所述所有类型的阵列式耦合电感器，其主对角线上的正向耦合磁芯单元均可进行优化，可采取电感值相同的单绕组替代两个正向耦合绕组，减小原方案中正向耦合磁芯的漏感，减小设计难度，拓展设计区间，且有益于提高耦合系数。

本例阵列式对称化多相耦合的集成电感的电感量和耦合系数以及漏感值，可通过耦合磁芯单元提供和调整，磁芯型号的选择和设计具备多自由度选择，即可以选用标准化磁芯、平面磁芯、亦可设计PCB绕组，以及定制各种磁芯，即可以使用相同规格的磁芯，即磁阻相同的磁芯，也可以使用不同规格或材质的磁芯，即磁阻不相同的磁芯，具备设计灵活性、柔性、可拓展性，以及工程化、标准化的可操作性，其耦合磁芯单元可多自由度组合，其矩阵结构的单元位置元素亦可任意调整和拓展，从而实现多相对称化集成磁件耦合相数的拓展。

本发明的阵列式的集成电感，是通过逆向推演拓扑复用原理，等效切割传统耦合电感磁芯及绕组，采用物理磁场和电气场、路相结合、并融合磁路—电路等效对偶变换模型的多尺度分析方法，从而找到集成磁件可消除直流偏磁、可自由调节耦合度、可任意拓展集成相数的机理和对称化设计准则。

本发明的新型集成磁件结构特征具备单元磁芯两绕组耦合特点，通过单元小磁芯上正向和反向的两个绕组，实现各绕组电流方向以及其直流磁通方向和分布彼此抵消，具体是利用导线分别将N个正向耦合绕组依次串联作主电感量，将反向蒲河绕组依次串联作互感量，其中对角线磁芯上的两相绕组均正向绕制，其余耦合磁芯上的绕组则采用反向绕制，从而实现任意两相电感两两反向耦合设计并消除直流偏磁。

本发明的有益效果是：

(1)本发明解决了传统交错并联磁集成拓扑随着相数增加，耦合系数不断降低且不平衡，耦合相数无法拓展的难题，解决了传统利用整体磁芯实现多相交错并联变换器耦合电感时各相电感不平衡度将增加问题；

(2)新型集成磁件的阵列化结构增大了有效散热面积，具备高散热性，解决了传统利用整体磁芯实现多相交错并联变换器耦合电感时局部热点集中、局部温升高、磁芯体积大，尤其磁芯高度不宜处理的问题；

(3)新型的集成电感可不依赖气隙的、高自由的调节耦合度，解决了传统利用整体磁芯实现多相交错并联变换器耦合电感时，多相电感之间耦合系数不易调节问题；

(4)解决了传统利用整体磁芯实现多相交错并联变换器耦合电感时，高频EMI噪声和机械噪声不宜消除的问题；

(5)解决了传统利用整体磁芯实现多相交错并联变换器耦合电感时，直流偏磁的问题；

(6)解决了传统利用整体磁芯实现多相交错并联变换器耦合电感时，磁芯开模复杂、工艺难、成本高的问题；

(7)解决了传统利用整体磁芯实现多相交错并联变换器耦合电感时，工艺设计和标准化生产难以管控的问题。进一步丰富和完善了多相阵列式对称化磁集成理论与耦合电感器柔性组合的通用设计方法，对于高频多相对称化耦合电感的标准化通用设计、规模化生产具有极大促进意义。

以上所述之具体实施方式为本发明的较佳实施方式，并非以此限定本发明的具体实施范围，本发明的范围包括并不限于本具体实施方式，凡依照本发明所作的等效变化均在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.多相耦合电感的阵列式集成磁件的构造方法，所述阵列式集成磁件包括若干个耦合磁芯单元，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：构建矩阵结构，所述耦合磁芯单元采用矩阵化结构布局；

步骤二：基于所述矩阵结构，构造矩阵式集成电感；

步骤三：采用多相电感对称化全耦合或多相电感对称化首尾次序耦合，形成对称化的集成电感，具体耦合方法为：

利用导线分别将若干个耦合磁芯单元的正向耦合绕组依次串联作主电感量，将耦合磁芯单元的反向耦合绕组依次串联作互感量，其中对角线耦合磁芯单元上的两相绕组均正向绕制，其余耦合磁芯单元上的绕组则采用反向绕制。

2.根据权利要求1所述的构造方法，其特征在于：在步骤三中，采用多相电感对称化全耦合的对称化集成电感采用双绕组耦合磁芯单元及单绕组磁芯单元的柔性组合，通过各个单元小磁芯的串并联结构，构造出多相对称化的矩阵式集成电感。

3.根据权利要求2所述的构造方法，其特征在于：所述矩阵式集成电感包括N相全耦合电感满矩阵拓扑结构和半角型矩阵拓扑结构，所述满矩阵拓扑结构包括N×N，N×2N和2N个耦合磁芯单元三种矩阵结构，所述半角型矩阵拓扑包括上三角形矩阵和下三角形矩阵两种基本形式，其矩阵中元素数量一样，与满矩阵拓扑结构相对应，半角型矩阵拓扑结构同样有1/2(N×(N+1))，1/2(N×(2N+1)和N+1等三种矩阵结构，其中N为矩阵中的元素，表示阵列式集成电感中耦合磁芯单元的数量，

所述矩阵式集成电感中的耦合磁芯单元的元素呈矩阵结构排列构成，且其矩阵元素所在位置的耦合磁芯单元都是双绕组绕制而成，其中矩阵的主对角线上位置的耦合磁芯单元为正向耦合磁芯，即放置于矩阵结构主对角线位置上的耦合磁芯单元采用两个绕组正向耦合，其余位置上的耦合磁芯单元的两个绕组采用反相绕制。

4.根据权利要求3所述的构造方法，其特征在于：所述矩阵结构主对角线位置的正向耦合磁芯单元提供多相集成电感的主电感量L，且两个正向耦合绕组之间的耦合系数为1，或尽量接近1；其余非对角线位置上的反向耦合磁芯单元提供多相反向集成电感所需要的互感量M，非对角线磁芯上两个反向耦合绕组之间的耦合系数为可调节的系数，

通过耦合磁芯单元电感量的小磁芯的串联，所述矩阵式集成电感的自感量为L+M，互感量为M，然后通过调节反向耦合磁芯单元的种类、规格、气隙，单元自感量和单元互感量，以及非主对角线上反向耦合单元磁芯上两个绕组的反向耦合系数，实现每相耦合电感漏感的调节和多相电感之间耦合系数的调节，最终实现多相交错并联磁集成变换器的对称化全耦合设计。

5.根据权利要求1所述的构造方法，其特征在于：采用多相电感对称化首尾次序耦合的对称化集成电感，采用环式首尾相接的阵列式结构，其基本型矩阵结构由1/2N×N个耦合磁芯单元首尾次序连接而成，N相首尾次序集成电感由2N个阵列化磁芯单元构成，矩阵电感的横坐标上有N个耦合磁芯单元元素，纵坐标上有1/2N个耦合磁芯单元元素。

6.根据权利要求5所述的构造方法，其特征在于：基于所述基本型矩阵结构的改进型矩阵结构为：N相首尾次序对称化集成电感由2N个耦合磁芯单元呈多边形首尾次序连接构成，其中N个耦合磁芯单元位于N边形的顶点位置，提供每相电感的电感量，另外N个耦合磁芯单元位于矩阵中间位置，提供多相耦合电感的互感量，实现耦合系数的调节，此外，自感和互感单元耦合小磁芯能够根据变换器的结构需求，实时调整位置，

其中，顶点位置的耦合磁芯单元采用正向双耦合绕组，矩阵中间位置的耦合磁芯单元采用反向单绕组设置。

7.根据权利要求1-6任一项所述的构造方法，其特征在于：步骤三中，所述对称化集成电感，主对角线上的正向耦合磁芯单元均采取电感值相同的单绕组替代两个正向耦合绕组。

8.根据权利要求1-6任一项所述的构造方法，其特征在于：步骤三中，所述对称化集成电感的设计实现方式为：通过逆向推演拓扑复用原理，等效切割传统耦合电感磁芯及绕组，采用物理磁场和电气场、路相结合、并融合磁路—电路等效对偶变换模型的多尺度分析方法，从而找到集成磁件能够消除直流偏磁、自由调节耦合度、任意拓展集成相数的机理和对称化设计准则。

9.由所述权利要求1-8任一项所述的构造方法构造的集成电感，其特征在于：包括若干个耦合磁芯单元，所述耦合电感单元包括交错设置的自感电感单元和互感电感单元，所述自感电感单元的正向耦合绕组依次串联作主电感量，所述互感电感单元的反向耦合绕组依次串联作互感量。

10.根据权利要求9所述的集成电感，其特征在于：所述矩阵结构中，对角线耦合磁芯单元上的两相绕组均正向绕制，其余耦合磁芯单元上的绕组则采用反向绕制。

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