CN113674962A - 一种四相对称反向耦合磁集成电感 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种四相对称反向耦合磁集成电感，包括上端板、下端板及四个磁芯，其中，四个磁芯位于上端板与下端板之间，且四个磁芯上均套接有绕组，四个磁芯上的绕组对称分布，该电感器具有对称的磁性结构。
Description
技术领域
本发明涉及一种电感器，具体涉及一种四相对称反向耦合磁集成电感。
背景技术
具有同步整流器的降压转换器由于其简单的电路结构和控制策略而被广泛用于便携式电子设备和稳压器模块中。近年来，氮化镓高电子迁移率晶体管(GaN HEMT)已被证明在提高DC-DC转换器的效率和功率密度方面具有巨大优势。
反向耦合电感器的概念已成功应用于基于GaN器件的交错式稳压器模块中，以提高效率和功率密度，与此同时，反向耦合电感器已被验证比直接耦合电感器可减少40％的铁耗。随着高性能要求的提高，带有同步整流器的多相降压转换器成为必然趋势，两相降压转换器需要开发为四个或更多相。因此，使用EI或EE形铁芯的传统逆耦合磁结构只能在两相交错式降压转换器中使用，不适用于三相或更多相。
已经提出的三相和四相降压转换器，由于其不对称性，电感器参数并不相同，从而导致四相降压转换器的电流波形不平衡；工业界有使用对称的磁性结构来实现N相降压转换器的反向耦合的案例，尽管这种磁性结构可以实现相同的电感参数，但随着相数的增加，磁通量将在中心臂中明显增加，它不适用于高功率级别的应用；目前还有使用一种用于四相反向耦合电感器的更对称的磁性结构，但是，四个电感器参数在理论上仍然不相同。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种四相对称反向耦合磁集成电感，该电感器具有对称的磁性结构。
为达到上述目的，本发明所述的四相对称反向耦合磁集成电感，包括上端板、下端板及四个磁芯，其中，四个磁芯位于上端板与下端板之间，且四个磁芯上均套接有绕组，四个磁芯上的绕组对称分布。
四个磁芯上的绕组结构相同。
相邻两个磁芯之间均设置有支撑柱。
同一磁芯上绕组的层数均为一层。
同一磁芯上绕组的层数均为多层。
同一磁芯上绕组的层数根据电感器的电感值进行确定。
上端板及下端板均为方形结构。
四个磁芯沿周向均匀分布。
各支撑柱沿周向均匀分布。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的四相对称反向耦合磁集成电感在具体操作时，四个磁芯位于上端板与下端板之间，且四个磁芯上均套接有绕组，四个磁芯上的绕组对称分布，从而具有对称的磁性结构，避免四相降压转换器的电流波形不平衡。
附图说明
图1为用反向耦合电感的四相斩波电路拓扑图；
图2为D<0.25时电感电压及电流波形图；
图3为本发明的结构示意图；
图4为本发明的磁路模型图；
图5为磁芯5的PCB绕组图；
图6为磁芯5的结构图；
图7为基于GaN的原型板图；
图8为第一相的输出电压，高端驱动和电感电流图；
图9为电感电流的波形图；
图10为实验所得的效率曲线图；
图11为原型板在满负载下的热性能图。
其中，1为绕组、2为下端板、3为上端板、4为支撑柱、5为磁芯。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，不是全部的实施例，而并非要限制本发明公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要的混淆本发明公开的概念。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
在附图中示出了根据本发明公开实施例的结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
具有四相反向耦合电感器的四相降压转换器的原理图如图1所示，Vin和Vo分别表示输入和输出电压。v1、v2、v3及v4分别为四相电感器两端的电压，i1、i2、i3及i4分别为流过四相电感器的电流。L1、L2、L3及L4分别为四相自感，Mij(i＝1，2，3；j＝2，3，4)为四相电感器之间的互感。
四相电感器的电压方程表示为：
对于四相交织POL转换器，稳态下的v1、v2、v3及v4的波形根据占空比分为D<0.25、0.25<D<0.5、0.5<D<0.75和D>0.75。输入电压为12V，输出电压为1.8V，占空比D<0.25，仅分析占空比D<0.25，占空比D<0.25时的电感器电压及电流波形如图2所示。
参考图3，本发明所述的四相对称反向耦合磁集成电感包括上端板3、下端板2及四个磁芯5，其中，四个磁芯5位于上端板3与下端板2之间，且四个磁芯5上均套接有绕组1，四个绕组1的结构相同，其中，四个磁芯5上的绕组1对称分布。
相邻两个磁芯5之间均设置有支撑柱4，同一磁芯5上绕组1的层数均为一层或者多层，其中，同一磁芯5上绕组1的层数根据电感器的电感值进行确定，上端板3及下端板2均为方形结构，四个磁芯5沿周向均匀分布，各支撑柱4沿周向均匀分布。
图4为本发明的磁路模型，其中，R1表示磁芯臂的磁阻，R2表示与相应的磁芯5长度w2+w3有关的磁阻，R3表示与相应磁芯5长度
有关的磁阻，Rg为气隙的磁阻，可以通过理论计算得到四个绕组1之间的自感、互感及耦合系数，其中，自感为：
互感为：
本发明中四相反向耦合电感器的绕组1布置有4层PCB，每层铺铜厚度为2盎司，如图5a至图5d所示，箭头表示电流方向。
通过有限元模拟设计本发明的原型，芯材采用铁氧体，绕组1采用PCB铜走线，每相绕组1的匝数为N＝2，磁芯5的图片如图6所示。
将本发明的原型通过Q3D软件进行仿真，表1为仿真的自感及互感值。表1中的仿真结果验证了本发明的相同电感器参数。
表1
表2
如图7所示，构建并测试以500kHz开关频率工作的基于GaN的原型，通过LCR分析仪E4980A测量自感及互感，如表2所示。原型的测量输出电压和高端驱动器波形以及第一相电感器电流如图8所示，由图8可以看出，第一相降压转换器中的电感器电流纹波为10.4A，电感器电流波形具有八个等效值电感值，接近设计结果。
图9为理论耦合系数为-0.142时四相电感器电流的实验波形，每相电流纹波约为10A，每相电流波形与理论分析和FEA仿真结果一致，证明了本发明的电感参数相同。
图10为带有建议的磁芯5的POL原型的测量效率，当输出电流达到24A时，测得的峰值效率为87.9％，满载时测得的效率为80.7％。由于实验原型采用GaN器件，因此测量的效率高于目前工业界常用的器件，从而降低了高频下的开关损耗。
图11为该原型在满负载下的热性能，该性能由FLIR ONE PRO测量，环境温度为25℃，在该板上观察到的最高温度达到97℃，并且热点出现在第二相同步整流器上，整个电路板的典型温度约为89.8℃，可见设计的原型具有出色的散热性能。
Claims (9)
1.一种四相对称反向耦合磁集成电感，其特征在于，包括上端板(3)、下端板(2)及四个磁芯(5)，其中，四个磁芯(5)位于上端板(3)与下端板(2)之间，且四个磁芯(5)上均套接有绕组(1)，四个磁芯(5)上的绕组(1)对称分布。
2.根据权利要求1所述的四相对称反向耦合磁集成电感，其特征在于，四个磁芯(5)上的绕组(1)结构相同。
3.根据权利要求1所述的四相对称反向耦合磁集成电感，其特征在于，相邻两个磁芯(5)之间均设置有支撑柱(4)。
4.根据权利要求1所述的四相对称反向耦合磁集成电感，其特征在于，同一磁芯(5)上绕组(1)的层数均为一层。
5.根据权利要求1所述的四相对称反向耦合磁集成电感，其特征在于，同一磁芯(5)上绕组(1)的层数均为多层。
6.根据权利要求1所述的四相对称反向耦合磁集成电感，其特征在于，同一磁芯(5)上绕组(1)的层数根据电感器的电感值进行确定。
7.根据权利要求1所述的四相对称反向耦合磁集成电感，其特征在于，上端板(3)及下端板(2)均为方形结构。
8.根据权利要求1所述的四相对称反向耦合磁集成电感，其特征在于，四个磁芯(5)沿周向均匀分布。
9.根据权利要求1所述的四相对称反向耦合磁集成电感，其特征在于，各支撑柱(4)沿周向均匀分布。
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