CN1556580B - 采用无直流偏磁集成磁件的dc／dc开关变换器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种采用无直流偏磁集成磁件的DC/DC开关变换器，将DC/DC变换器实行两路并联，将这两条并联支路上的电感器集成在一个铁芯上，形成一个无直流偏磁的集成磁件，两条支路的开关频率相同，工作脉冲的占空比相同，导通时刻相差在一个周期之内。当其中一条支路的开关导通，由直流电源传过来的功率通过该条支路的绕组时，通过磁耦合的方式使功率由另一个绕组直接传递给负载，流过两绕组的电流在铁芯中产生的直流偏磁的大小相等，方向相反，铁芯中不用开气隙；该换器体积小、重量轻，效率高，过载能力强，电磁干扰小，输入、输出电流纹波小，动态响应速度快，适用于低电压大电流输出的开关电源。
Description
技术领域
本发明涉及一种DC/DC(直流/直流)开关变换器，尤其是涉及一种采用无直流偏磁集成磁件的DC/DC开关变换器。
技术背景
当前，直流开关电源的一个重要发展趋势是实现“轻、薄、短、小”和高效率，直流开关电源的核心是电力电子DC/DC(直流/直流)开关变换器。在各种DC/DC开关变换器中，一般都有输入滤波电感器、输出滤波电感器或储能电感器，为了传递和储存直流功率，这些电感器中一般都流过较大的直流偏置电流，导致这些电感器的铁芯中产生较大的直流偏磁，为了防止直流偏磁引起电感器铁芯的磁饱和，在这些电感器的铁芯磁路中一般都开一个与直流偏置电流的大小成正比的气隙，结果使得电感器铁芯的利用率很低，电感量大大降低，为了弥补电感量的这种损失，人们常常采用增大电感器铁芯体积或绕组匝数的办法(非常不利于电感器及开关电源体积的减小)，结果使得DC/DC开关变换器难以实现“轻、薄、短、小”；此外，由于这些电感器的工作频率都很高(几十kHz以上)，使这些铁芯开气隙的电感器产生了较大的泄漏电磁场及高频辐射电磁干扰，泄漏电磁场引起电感器绕组的涡流损耗，使DC/DC开关变换器难以实现高效率；高频辐射电磁干扰不仅影响变换器电路自身的正常工作，还会进入电网，污染电磁环境，危害其他电子设备的正常运行。因此，必须采取措施来消除这些电感器中的直流偏磁及气隙。
过去，人们曾在铁心磁路中加永磁材料来消除直流偏磁，但由于永磁体的成本、损耗及气隙引起电感量降低等原因，使该办法行不通。
另一个尝试是采用特殊的变换器结构来减小或消除直流偏磁。如美国专利“补偿电子功率变换器”(专利号：US5,166,869)中引入“补偿变压器”，该补偿变压器把输入电感和输出电感结合成一个耦合电感，其输入电感中的直流磁通被输出电感所产生的直流磁通所消除，其主要缺点是只能在某一固定的输入/输出电压变比下消除直流偏磁，该变比由这两个绕组的固定匝比所决定，而不能在可变的输入/输出电压变比下消除直流偏磁，即不能通过脉宽调制法在任何占空比时都消除直流偏磁。注意耦合电感和变压器结构的不同：在耦合电感中，当输入电感的瞬时电流流入同名端时，输出电感的瞬时电流也流入同名端，而在交流变压器中，输出电流是流出同名端。耦合电感的主要优点是可以减小输出纹波电流，甚至可以实现输出零纹波电流。
美国专利US6,400,579(授权日：2002.10.9)是在Cuk变换器中加了一个中间绕组，将这个中间绕组与Cuk变换器中的输入和输出电感绕组集成在一个铁芯上，可以在任何占空比时消除铁芯中的直流偏磁，使铁芯不用开气隙，发明人称其为直流变压器，结果使变换器的体积和重量减小，效率提高，且具有极高的过载能力(是额定负载电流的20多倍)。这种集成磁件及电路结构的缺点是电路复杂，自关断器件多(四个)，额外加了一个中间绕组(引起绕组电阻损耗)，且只适用于Cuk变换器这一种变换器，而不能适用于目前常用的各种DC/DC变换器(如Buck、Boost、Buck/Boost、Zeta、Sepic、正激、反激等等)。
发明内容
本发明为了克服压以上技术不足，提供了一种实施方便、在任何占空比时都可以消除滤波电感器和储能电感器中直流偏磁及气隙的DC/DC开关变换器。不但使变换器的体积减小，重量减轻，而且可以使变换器的动态响应速度大大加快，输出纹波电流减小，过载能力增强，电感器绕组的涡流损耗大大减小，产生的电磁干扰大大减小，电流应力减小，为实现开关电源的“轻、薄、短、小”和高效率提供理论和技术支持。同时，这种DC/DC变换器也非常适用于低电压大电流输出的开关变换器，并且可以适用于包括Cuk变换器在内的如上所述的各种常用的DC/DC变换器。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：将采用无直流偏磁集成磁件的DC/DC变换器实行两路并联，将这第一条并联支路上的第一电感器L1和第二条并联支路上的第二电感器L2集成在一个铁芯上，形成一个无直流偏磁的第一集成磁件IM1，让其中一条并联支路上的绕组电流流入同名端，让其中另一条并联支路上的绕组电流流出同名端，这两条并联支路的开关频率相同，工作脉冲的占空比相同，导通时刻相差在一个周期之内，当其中一条并联支路的开关导通，由直流电源传过来的功率通过该条支路的电感绕组时，则通过磁耦合的方式使功率由另一条并联支路的电感绕组直接传递给负载，同时，流过两绕组的电流在铁芯侧柱中产生的直流偏磁的大小相等，方向相反，互相消除，铁芯侧柱不用开气隙；各条并联支路上的电流纹波由无直流偏磁第一集成磁件IM1中的绕组漏感来抑制，在制作无直流偏磁第一集成磁件IM1时，通过调整漏感的大小来满足不同的电流纹波要求。无直流偏磁第一集成磁件IM1的两个绕组互为输入、输出绕组，且其两个绕组的匝数和导线直径都相同。无直流偏磁第一集成磁件IM1的结构包括：E形铁芯，铁芯的中柱上有气隙，铁芯的两个侧柱上分别绕有第一电感绕组L1和第二电感绕组L2，它们在铁芯侧柱中产生的直流磁通的方向相反。如果一个DC/DC变换器中有两个这样的无直流偏磁第一集成磁件IM1和第二集成磁件IM2，就将第一集成磁件IM1和第二集成磁件IM2进一步集成在一个铁芯上，成为一个无直流偏磁第三集成磁件IM3。
本发明的有益效果是：由于DC/DC变换器采用了上述电路结构及无直流偏磁的集成磁件结构，不但在任何占空比时都可以消除电感器铁芯中的直流偏磁，使铁芯侧柱不用开气隙，使变换器的体积减小、重量减轻、高度减小；而且可以使变换器的动态响应速度加快，输入、输出纹波电流减小，过载能力增强，电感器绕组的涡流损耗减小，产生的电磁干扰减小，电流应力减小，从而为实现开关电源的“轻、薄、短、小”及高效率提供理论和技术支持。同时，这种DC/DC变换器的电路结构及其无直流偏磁的集成磁件也非常适用于低电压大电流输出的开关变换器。
附图说明
以下结合附图以实施例具体说明。
图1示采用无直流偏磁集成磁件的DC/DC开关变换器电路拓扑结构示意图。
图2示图1的实施例二的DC/DC开关变换器电路拓扑结构示意图。
图3示图1的实施例三的/DC开关变换器电路拓扑结构示意图。
图4示图1的实施例四的DC/DC开关变换器电路拓扑结构示意图。
图5示图1的实施例五DC/DC开关变换器电路拓扑结构示意图。
图6示图1的实施例六的DC/DC开关变换器电路拓扑结构示意图。
图7示图1的实施例七的DC/DC开关变换器电路拓扑结构示意图。
图8示图1的实施例八的DC/DC开关变换器电路拓扑结构示意图。
图9示图1的实施例九的DC/DC开关变换器电路拓扑结构示意图。
图10示图1的实施例十的DC/DC开关变换器电路拓扑结构示意图。
图11示图1的实施例十一的DC/DC开关变换器电路拓扑结构示意图。
图12示图1的实施例十二的DC/DC开关变换器电路拓扑结构示意图。
图13示图1的实施例十三的DC/DC开关变换器电路拓扑结构示意图。
图14示图1的实施例十四的DC/DC开关变换器电路拓扑结构示意图。
图15示图1的实施例一、二、三、四、六、八、十、十二、十三、十四中无直流偏磁第一集成磁件IM1的结构和实施例四、六、八中无直流偏磁第二集成磁件IM2的结构。
图16示图1的实施例五、七、九中无直流偏磁第三集成磁件IM3的结构。
图中，1-铁芯；2-铁芯中柱；3、4-铁芯第一、第二侧柱；L1～L4-第一～第四电感器；S1、S2-第一、第二可控开关器件；D1～D6-第一～第六二极管；C-输出电容、C1、C2-第一、第二电容；IM1～IM6-第一～第六集成磁件；Vg-直流电源；R-负载；T1、T2-第一、二变压器。
具体实施方式
实施例一，参照附图1，一种采用无直流偏磁集成磁件的DC/DC开关变换器，包括一个由第一电感器L1和第二电感器L2组成的无直流偏磁第一集成磁件IM1，第一可控开关器件S1和第二可控开关器件S2，第一二极管D1和第二二极管D2，输出电容C，直流电源Vg，及负载R。这种结构变换器的特点是实现两路并联，由第一电感器L1和第二电感器L2组成一个无直流偏磁第一集成磁件IM1，第一集成磁件IM1的1端和3端为同名端，2端和4端为同名端，上面一条支路的电流从1端流入，从2端流出，下面一条支路的电流从4端流入，从3端流出；第一可控开关器件S1和第二可控开关器件S2的开关频率相同，占空比相同，导通时刻相差在一个周期之内；无直流偏磁第一集成磁件IM1的第一电感器L1的1端接第一二极管D1的阴极和第一可控开关器件S1的源极(当第一可控开关器件S1采用功率MOFET时，下同)，第一二极管D1的阳极接地，第一可控开关器件S1的漏极接直流电源Vg的正极，第一电感器L1的2端接第二电感器L2的3端、输出电容C的正极和负载R的一端，输出电容C的负极和负载R的另一端接地，第一集成磁件IM1的第二电感器L2的4端接二极管D2的阴极和第二可控开关器件S2的源极(当第二可控开关器件S2采用功率MOFET时，下同)，第二二极管D2的阳极接地，第二第二可控开关器件S2的漏极接直流电源Vg的正极，直流电源Vg的负极接地。第一集成磁件IM1的铁心1可以采用环形、U形、平面U型、E形、平面E形等各种形状，铁心材料可以采用铁氧体、金属磁粉芯、坡莫合金、非晶、超微晶等各种铁磁材料；第一集成磁件IM1的第一电感器L1和第二电感器L2的绕组线圈可以采用圆铜导线、铜箔或印刷电路板等，一般将这两个两线圈的匝数及导体截面积设置成相同；第一集成磁件IM1的结构可以采用如图15所示的结构，当然不只限于这种结构，铁芯1中有一个带气隙的中柱2是为了增大两个绕组的漏感。第一可控开关器件S1和第二可控开关器件S2可以采用功率MOSFET、IGBT、GTR、GTO、SCR、IGCT、BCT等各种半导体开关器件，当第一二极管D1和第二二极管D2采用可控开关器件时，也可以采用这些种类的半导体开关器件。
实施例二，参照附图2，一种采用无直流偏磁集成磁件的并联DC/DC开关变换器，包括一个由第一电感器L1和第二电感器L2组成的无直流偏磁第一集成磁件IM1，第一可控开关器件S1和第二可控开关器件S2，第一二极管D1和第二二极管D2，输出电容C，直流电源Vg，及负载R。这种结构的变换器的特点是实现两路并联，由第一电感器L1和第二电感器L2组成一个无直流偏磁第一集成磁件IM1，第一集成磁件IM1的1端和3端为同名端，2端和4端为同名端，上面一条支路的电流从1端流入，从2端流出，下面一条支路的电流从4端流入，从3端流出；第一可控开关器件S1和第二可控开关器件S2的开关频率相同，占空比相同，导通时刻相差在一个周期之内；第一集成磁件IM1的第一电感器L1的1端接第二电感器L2的4端和直流电源Vg的正极，第一电感器L1的2端接第一二极管D1的阳极和第一可控开关器件S1的漏极，第一二极管D1的阴极接第二二极管D2的阴极、输出电容C的正极和负载R的一端，第一可控开关S1的源极接地，输出电容C的负极和负载R的另一端接地，第一集成磁件IM1的第二电感器L2的3端接第二二极管D2的阳极和第二可控开关器件S2的漏极，第二可控开关器件S2的源极接地。第一集成磁件IM1采用的铁心同实施例一；第一集成磁件IM1的第一电感器L1和第二电感器L2采用的绕组线圈同实施例一；第一集成磁件IM1的结构可以采用如图15所示的结构，当然不只限于这种结构，铁芯1中有一个带气隙的中柱2是为了增大两个绕组的漏感。第一可控开关器件S1和第二可控开关器件S2及第一二极管D1和第二二极管D2采用的开关器件同实施例一。
实施例三，参照附图3，一种采用无直流偏磁集成磁件的并联DC/DC开关变换器，包括一个由第一电感器L1和第二电感器L2组成的无直流偏磁第一集成磁件IM1，第一可控开关器件S1和第二可控开关器件S2，第一二极管D1和第二二极管D2，输出电容C，直流电源Vg，及负载R。这种结构的变换器的特点是实现两路并联，由第一电感器L1和第二电感器L2组成一个无直流偏磁第一集成磁件IM1，第一集成磁件IM1的1端和3端为同名端，2端和4端为同名端，上面一条支路的电流从1端流入，从2端流出，下面一条支路的电流从4端流入，从3端流出；第一可控开关器件S1和第二可控开关器件S2的开关频率相同，占空比相同，但导通时刻相差在一个周期之内；第一集成磁件IM1的第一电感器L1的1端接第一可控开关器件S1的源极和第一二极管D1的阴极，第一可控开关器件S1的漏极接第二可控开关器件S2的漏极和直流电源Vg的正极，第一电感器L1的2端接第二电感器L2的3端和直流电源Vg的负极，第一集成磁件IM1的第二电感器L2的4端接第二可控开关器件S2的源极和第二二极管D2的阴极；第一二极管D1的阳极接第二二极管D2的阳极、输出电容C的负极和负载R的一端，输出电容C的正极和负载R的另一端接直流电源Vg的负极。第一集成磁件IM1采用的铁心同实施例一；第一集成磁件IM1的第一电感器L1和第二电感器L2采用的绕组线圈同实施例一；第一集成磁件IM1的结构可以采用如图15所示的结构，当然不只限于这种结构，铁芯1中有一个带气隙的中柱2是为了增大两个绕组的漏感。第一可控开关器件S1和第一可控开关器件S2及第一二极管D1和第二二极管D2采用的开关器件同实施例一。
实施例四，参照附图4，一种采用无直流偏磁集成磁件的并联DC/DC开关变换器，包括一个由输入第一电感器L1和第二电感器L2组成的无直流偏磁第一集成磁件IM1，一个由输出第三电感器L3和第四电感器L4组成的无直流偏磁第二集成磁件IM2，第一可控开关器件S1和第二可控开关器件S2，第一二极管D1和第二二极管D2，输出电容C、第一电容C1和第二电容C2，直流电源Vg，及负载R。这种结构的变换器的特点是实现两路并联，由输入第一电感器L1和第二电感器L2组成一个无直流偏磁第一集成磁件IM1，第一集成磁件IM1的1端和3端为同名端，2端和4端为同名端，上面一条支路的输入电流从1端流入，从2端流出，下面一条支路的输入电流从4端流入，从3端流出；由输出第三电感器L3和第四电感器L4组成一个无直流偏磁第二集成磁件IM2，第二集成磁件IM2的1端和3端为同名端，第二集成磁件IM2的2端和4端为同名端，上面一条支路的输出电流从第二集成磁件IM2的1端流入，从第二集成磁件IM2的2端流出，下面一条支路的输出电流从第二集成磁件IM2的4端流入，从第二集成磁件IM2的3端流出；第一可控开关器件S1和第二可控开关器件S2的开关频率相同，占空比相同，导通时刻相差在一个周期之内；第一集成磁件IM1的第一电感器L1的1端接第二电感器L2的4端和直流电源Vg的正极，第一电感器L1的2端接第一可控开关器件S1的漏极和第一电容C1的正极，第一可控开关器件S1的源极接直流电源Vg的负极和第一二极管D1的阴极，第一电容C1的负极接第一二极管D1的阳极和第二集成磁件IM2的第三电感器L3的1端，第一集成磁件IM1的第二电感器L2的3端接第二可控开关器件S2的漏极和第二电容C2的正极，第二可控开关器件S2的源极接直流电源Vg的负极和第二二极管D2的阴极，第二电容C2的负极接第二二极管D2的阳极和第二集成磁件IM2的第四电感器L4的4端；第二集成磁件IM2的第三电感器L3的2端接第四电感器L4的3端、输出电容C的负极和负载R的一端，输出电容C的正极和负载R的另一端接直流电源Vg的负极。第一集成磁件IM1和第二集成磁件IM2采用的铁心1同实施例一；第一集成磁件IM1的第一电感器L1、第二电感器L2和第二集成磁件IM2的第三电感器L3、第四电感器L4采用的绕组线圈同实施例一，第一集成磁件IM1和第二集成磁件IM2的结构可以采用如图15所示的结构，当然不只限于这种结构，铁芯1中有一个带气隙的中柱2是为了增大两个绕组的漏感。第一可控开关器件S1和第二可控开关器件S2及二第一极管D1和第二二极管D2采用的开关器件同实施例一。
实施例五，参照附图5，一种采用无直流偏磁集成磁件的并联DC/DC开关变换器，其连接方式同实施例四，这种变换器与实施例四在结构上的唯一差异在于将无直流偏磁第一集成磁件IM1和第二集成磁件IM2进一步集成为一个无直流偏磁第三集成磁件IM3。无直流偏磁第三集成磁件IM3的结构可以采用如图16所示的结构，当然不只限于这种结构，铁芯1中有一个带气隙的中柱2是为了增大两个绕组的漏感。
实施例六，参照附图6，一种采用无直流偏磁集成磁件的并联DC/DC开关变换器，包括一个由第一电感器L1和第二电感器L2组成的无直流偏磁第一集成磁件IM1，一个由第三电感器L3和第四电感器L4组成的无直流偏磁第二集成磁件IM2，第一可控开关器件S1和第二可控开关器件S2，第一二极管D1和第二二极管D2，输出电容C、第一电容C1和第二电容C2，直流电源Vg，及负载R。这种结构的变换器的特点是实现两路并联，由第一电感器L1和第二电感器L2组成一个无直流偏磁第一集成磁件IM1，第一集成磁件IM1的1端和3端为同名端，2端和4端为同名端，左面一条支路的输入电流从1端流入，从2端流出，右面一条支路的输入电流从4端流入，从3端流出；第三电感器L3和第四电感器L4组成一个无直流偏磁第二集成磁件IM2，第二集成磁件IM2的1端和3端为同名端，第二集成磁件IM2的2端和4端为同名端，上面一条支路的输出电流从第二集成磁件IM2的1端流入，从第二集成磁件IM2的2端流出，下面一条支路的输出电流从第二集成磁件IM2的4端流入，从第二集成磁件IM2的3端流出；第一可控开关器件S1和第二可控开关磁件S2的开关频率相同，占空比相同，导通时刻相差在一个周期之内；第一集成磁件IM1的第一电感器L1的1端接第一可控开关器件S1的源极和第一电容C1的正极，第一可控开关器件S1的漏极接直流电源Vg的正极和第二可控开关器件S2的漏极，第一电感器L1的2端接地，第一集成磁件IM1的第二电感器L2的4端接第二可控开关器件S2的源极和第二电容C2的正极，第二电感器L2的3端接第一二极管D1的阳极和地，第二集成磁件IM2的第三电感器L3的1端接第一电容C1的负极和第一二极管D1的阴极，第三电感器L3的2端接第四电感器L4的3端、输出电容C的正极和负载R的一端，输出电容C的负极和负载R的另一端接地，第四电感器L4的4端接第二电容C2的负极和第二二极管D2的阴极，第二二极管D2的阳极接地。第一集成磁件IM1和第二集成磁件IM2采用的铁芯1同实施例一；第一集成磁件IM1和第二集成磁件IM2采用的绕组线圈同实施例一；第一集成磁件IM1和第二集成磁件IM2的结构可以采用如图15所示的结构。第一可控开关器件S1和第二可控开关器件S2及二极管D1和二极管D2采用的开关器件同实施例一。
实施例七，参照附图7，一种采用无直流偏磁集成磁件的并联DC/DC开关变换器，其连接方式同实施例六，这种变换器与实施例六在结构上的唯一差异在于将无直流偏磁第一集成磁件IM1和第二集成磁件IM2进一步集成为一个无直流偏磁第三集成磁件IM3。第三集成磁件IM3的结构可以采用如图16所示的结构，当然不只限于这种结构。
实施例八，参照附图8，一种采用无直流偏磁集成磁件的并联DC/DC开关变换器，包括一个由第一电感器L1和第二电感器L2组成的无直流偏磁第一集成磁件IM1，一个由第三电感器L3和第四电感器L4组成的无直流偏磁第二集成磁件IM2，第一可控开关器件S1和第二可控开关器件S2，第一二极管D1和第二二极管D2，输出电容C、第一电容C1和第二电容C2，直流电源Vg，及负载R。这种结构的变换器的特点是实现两路并联，由第一电感器L1和第二电感器L2组成一个无直流偏磁第一集成磁件IM1，第一集成磁件IM1的1端和3端为同名端，第一集成磁件IM1的2端和4端为同名端，上面一条支路的输入电流从第一集成磁件IM1的1端流入，从第一集成磁件IM1的2端流出，下面一条支路的输入电流从第一集成磁件IM1的4端流入，从第一集成磁件IM1的3端流出；由第三电感器L3和第四电感器L4组成一个无直流偏磁第二集成磁件IM2，第二集成磁件IM2的1端和3端为同名端，第二集成磁件IM2的2端和4端为同名端，左面一条支路的输出电流从第二集成磁件IM2的1端流入，从第二集成磁件IM2的2端流出，右面一条支路的输出电流从第二集成磁件IM2的4端流入，从第二集成磁件IM2的3端流出；第一可控开关器件S1和第二可控开关器件S2的开关频率相同，占空比相同，导通时刻相差在一个周期之内；第一集成磁件IM1的第一电感器L1的1端接第二电感器L2的4端和直流电源Vg的正极，第一电感器L1的2端接第一可控开关器件S1的漏极和第一电容C1的正极，第一可控开关器件S1的源极接地，第二电感器件L2的3端接第二可控开关器件S2的漏极和第二电容C2的正极，第二可控开关器件S2的源极接地，第二集成磁件IM2的第三电感器L3的1端接第一电容C1的负极和第一二极管D1的阳极，第三电感器L3的2端接地，第四电感器L4的4端接第二电容C2的负极和第二二极管D2的阳极，第四电感器L4的3端接地，第二二极管D2的阴极接第一二极管D1的阴极、输出电容C的正极和负载R的一端，输出电容C的负极和负载R的另一端接地。第一集成磁件IM1和第二集成磁件IM2采用的铁芯1同实施例一；第一集成磁件IM1和第二集成磁件IM2采用的绕组线圈同实施例一；第一集成磁件IM1和第二集成磁件IM2的结构可以采用如图15所示的结构。第一可控开关器件S1和第二可控开关器件S2及第一二极管D1和第二二极管D2采用的开关器件同实施例一。
实施例九，参照附图9，一种采用无直流偏磁集成磁件的并联DC/DC开关变换器，其连接方式同实施例八，这种变换器与实施例八在结构上的唯一差异在于将无直流偏磁第一集成磁件IM1和第二集成磁件IM2进一步集成为一个无直流偏磁第三集成磁件IM3。无直流偏磁第三集成磁件IM3的结构可以采用如图16所示的结构，当然不只限于这种结构。
实施例十，参照附图10，一种采用无直流偏磁集成磁件的并联DC/DC开关变换器，包括一个由第一变压器T1和第二变压器T2组成的无直流偏磁第四集成磁件IM4，一个由第一电感器L1和第二电感器L2组成的无直流偏磁第一集成磁件IM1，第一可控开关器件S1和第二可控开关器件S2，第一至第四二极管D1、D2、D3和D4，输出电容C，直流电源Vg，及负载R。这种结构的变换器的特点是实现两路并联，由第一变压器T1和第二变压器T2组成一个无直流偏磁第四集成磁件IM4，第四集成磁件IM4的1端、3端、5端和7端为同名端，第四集成磁件IM4的2端、4端、6端和8端为同名端；由第一电感器L1和第二电感器L2组成一个无直流偏磁第一集成磁件IM1，第一集成磁件IM1的1端和3端为同名端，第一集成磁件IM1的2端和4端为同名端，上面一条支路的输出电流从第一集成磁件IM1的1端流入，从第一集成磁件IM1的2端流出，下面一条支路的输出电流从第一集成磁件IM1的4端流入，从第一集成磁件IM1的3端流出；第一可控开关器件S1和第二可控开关器件S2的开关频率相同，占空比相同，导通时刻相差在一个周期之内；第四集成磁件IM4的1端接第一可控开关器件S1的漏极，第一可控开关器件S1的源极接第二可控开关器件S2的源极、直流电源Vg的负极和地，第四集成磁件IM4的2端接5端和直流电源Vg的正极，第四集成磁件IM4的6端接第二可控开关器件S2的漏极，第四集成磁件IM4的3端接第一二极管D1的阳极，第四集成磁件IM4的4端接7端、第二二极管D2的阳极、第四二极管D4的阳极和地，第四集成磁件IM4的8端接第三二极管D3的阳极，第一集成磁件IM1的第一电感器L1的1端接第一二极管D1的阴极和第二二极管D2的阴极，第一集成磁件IM1的2端接3端、输出电容C的正极和负载R的一端，第一集成磁件IM1的4端接第三二极管D3的阴极和第四二极管D4的阴极，输出电容C的负极和负载R的另一端接地。第四集成磁件IM4和第一集成磁件IM1采用的铁芯1同实施例一；第四集成磁件IM4和第一集成磁件IM1采用的绕组线圈同实施例一。第一可控开关器件S1和第二可控开关器件S2及第一至第四二极管D1、D2、D3和D4采用的开关器件同实施例一。本实施例中第一电感器L1和第二电感器件L2也可以不集成。
实施例十一，参照附图11，一种采用无直流偏磁集成磁件的并联DC/DC开关变换器，其连接方式同实施例十，这种变换器与实施例十在结构上的唯一差异在于将第四集成磁件IM4和第一集成磁件IM1进一步集成为一个无直流偏磁第五集成磁件IM5。
实施例十二，参照附图12，一种采用无直流偏磁集成磁件的并联DC/DC开关变换器，这种变换器与实施例十基本相同，其结构上的差异在于将实施例十一中的第四集成磁件IM4去掉一个绕组，形成一个新的无直流偏磁第六集成磁件IM6，同时去掉一个可控开关器件。也可以将第六集成磁件IM6和第一集成磁件IM1进一步集成为一个无直流偏磁的磁件。
实施例十三，参照附图13，一种采用无直流偏磁集成磁件的并联DC/DC开关变换器，其连接方式同实施例十，这种变换器与实施例十在结构上的差异在于将无直流偏磁第四集成磁件IM4分为两个独立的第一变压器T1和第二变压器T2。
实施例十四，参照附图14，一种采用无直流偏磁集成磁件的并联DC/DC开关变换器，其连接方式与实施例十基本相同，这种变换器与实施例十在结构上的差异在于将第四集成磁件IM4去掉一个绕组形成第一变压器T1，同时在第一变压器T1的输入侧增加第五二极管D5和第六二极管D6，第一可控开关器件S1和第二可控开关器件S2同时导通和关断。其连接方式为：第一变压器T1的1端接第一可控开关器件S1的源极和第六二极管D6的阴极，第一变压器T1的2端接第二可控开关器件S2的漏极和第五二极管D5的阳极，第一可控开关器件S1的漏极和第五二极管D5的阴极接直流电源Vg的正极，第二可控开关器件S2的源极和第六二极管D6的阳极接直流电源Vg的负极和地；第一变压器T1的3端接第一二极管D1的阳极，第一变压器T1的4端接5端、第二二极管D2的阳极、第四二极管D4的阳极和地，第一变压器T1的6端接第三二极管D3的阳极；第一集成磁件IM1的第一电感器L1的1端接第一二极管D1的阴极和第二二极管D2的阴极，第一集成磁件IM1的第一电感器L1的2端接第二电感器L2的3端、输出电容C的正极和负载R的一端，第一集成磁件IM1的第二电感器L2的4端接第三二极管D3的阴极和第四二极管D4的阴极；输出电容C的负极和负载R的另一端接地。
Claims (9)
1.一种采用无直流偏磁集成磁件的DC/DC开关变换器，其特征在于采用无直流偏磁集成磁件的DC/DC开关变换器实行两路并联，将这两条并联支路上的第一电感器(L1)和第二电感器(L2)的绕组集成在一个铁芯(1)上，形成一个无直流偏磁的第一集成磁件(IM1)，第一集成磁件(IM1)的第一电感器(L1)的1端和第二电感器(L2)的3端为同名端，第一电感器(L1)的2端和第二电感器(L2)的4端为同名端，第一电感器(L1)支路的电流从1端流入，从2端流出，第二电感器(L2)支路的电流从4端流入，从3端流出；第一电感器(L1)支路的第一可控开关器件(S1)和第二电感器(L2)支路的第二可控开关器件(S2)的开关频率相同，占空比相同，导通时刻相差在一个周期之内，当第一电感器(L1)支路和第二电感器(L2)支路中的一条支路的可控开关器件(S1或S2)导通时，由直流电源传过来的功率通过该条支路的电感器绕组时，则通过磁耦合的方式使功率由另一条支路的电感器绕组直接传递给负载，同时，流过两个电感器绕组的电流在铁芯(1)的第一侧柱(3)和第二侧柱(4)中产生的直流偏磁的大小相等，方向相反，互相消除，铁芯(1)的第一侧柱(3)和第二侧柱(4)不用开气隙；无直流偏磁第一集成磁件(IM1)包括：E形铁芯(1)，铁芯(1)的中柱(2)上有气隙，铁芯(1)的第一侧柱(3)和第二侧柱(4)上分别绕有第一电感器(L1)绕组和第二电感器(L2)绕组，它们在铁芯(1)中产生的直流磁通的方向相反，第一电感器(L1)和第二电感器(L2)的绕组匝数和导线直径都相同。
2.根据权利要求1所述的一种采用无直流偏磁集成磁件的DC/DC开关变换器，其特征在于第一集成磁件(IM1)的第一电感器(L1)的1端接第一二极管(D1)的阴极和第一开关可控器件(S1)的源极，第一二极管(D1)的阳极接地，第一可控开关器件(S1)的漏极接直流电源(Vg)的正极，第一电感器(L1)的2端接第二电感器(L2)的3端、输出电容(C)的正极和负载(R)的一端，输出电容(C)的负极和负载(R)的另一端接地；第一集成磁件(IM1)的第二电感器(L2)的4端接第二二极管(D2)的阴极和第一可控开关器件(S2)的源极，第二二极管(D2)的阳极接地，第一控制开关器件(S2)的漏极接直流电源(Vg)的正极，直流电源(Vg)的负极接地。
3.根据权利要求1所述的采用无直流偏磁集成磁件的DC/DC开关变换器，其特征在于第一集成磁件(IM1)的第一电感器(L1)的1端接第二电感器(L2)的4端和直流电源(Vg)的正极，第一电感器(L1)的2端接第一二极管(D1)的阳极和第一可控开关器件(S1)的漏极，第一二极管(D1)的阴极接第二二极管(D2)的阴极、输出电容(C)的正极和负载(R)的一端，第一可控开关器件(S1)的源极接地，输出电容(C)的负极和负载(R)的另一端接地；第一集成磁件(IM1)的第二电感器(L2)的3端接第二二极管(D2)的阳极和第二可控开关器件(S2)的漏极，第二可控开关器件(S2)的源极接地。
4.根据权利要求1所述的采用无直流偏磁集成磁件的DC/DC开关变换器，其特征在于第一集成磁件(IM1)的第一电感器(L1)的1端接第一可控开关器件(S1)的源极和第一二极管(D1)的阴极，第一可控开关器件(S1)的漏极接第二可控开关器件(S2)的漏极和直流电源(Vg)的正极，第一电感器(L1)的2端接第二电感器(L2)的3端和直流电源(Vg)的负极；第二电感器(L2)的4端接第二可控开关器件(S2)的源极和第二二极管(D2)的阴极；第一二极管(D1)的阳极接第二二极管(D2)的阳极、输出电容(C)的负极和负载(R)的一端，输出电容(C)的正极和负载(R)的另一端接直流电源(Vg)的负极。
5.根据权利要求1所述的采用无直流偏磁集成磁件的DC/DC开关变换器，其特征在于由输出第三电感器(L3)和第四电感器(L 4)组成一个主磁路无直流偏磁的第二集成磁件(IM2)；第一电感器(L1)的1端接第二电感器(L2)的4端和直流电源(Vg)的正极，第一电感器(L1)的2端接第一可控开关器件(S1)的漏极和第一电容(C1)的正极，第一可控开关器件(S1)的源极接直流电源(Vg)的负极和第一二极管(D1)的阴极，第一电容(C1)的负极接第一二极管(D1)的阳极和第二集成磁件(IM2)的第三电感器(L3)的1端；第二电感器(L2)的3端接第二可控开关器件(S2)的漏极和第二电容(C2)的正极，第二可控开关器(S2)的源极接直流电源(Vg)的负极和第二二极管(D2)的阴极，第二电容(C2)的负极接第二二极管(D2)的阳极和第四电感器(L4)的4端；第三电感器(L3)的2端接第四电感器(L4)的3端、输出电容(C)的负极和负载(R)的一端，输出电容(C)的正极和负载(R)的另一端接直流电源(Vg)的负极。
6.根据权利要求1所述的采用无直流偏磁集成磁件的DC/DC开关变换器，其特征在于由第三电感器(L3)和第四电感器(L4)组成一个主磁路无直流偏磁的第二集成磁件(IM2)，第一电感器(L1)的1端接第一可控开关器件(S1)的源极和第一电容(C1)的正极，第一可控开关器件(S1)的漏极接直流电源(Vg)的正极和第二可控开关器件(S2)的漏极，第一电感器(L1)的2端接地；第二电感器(L2)的4端接第二可控开关器件(S2)的源极和第二电容(C2)的正极，第二电感器(L2)的3端接第一二极管(D1)的阳极和地；第三电感器(L3)的1端接第一电容(C1)的负极和第一二极管(D1)的阴极，第三电感器(L3)的2端接第四电感器(L4)的3端、输出电容(C)的正极和负载(R)的一端，输出电容(C)的负极和负载(R)的另一端接地；第四电感器(L4)的4端接电容(C2)的负极和第二二极管(D2)的阴极，第二二极管(D2)的阳极接地。
7.根据权利要求1所述的采用无直流偏磁集成磁件的DC/DC开关变换器，其特征在于由第三电感器(L3)和第四电感器(L4)组成一个主磁路无直流偏磁的第二集成磁件(IM2)，第一电感器(L1)的1端接(L2)的4端和直流电源(Vg)的正极，第一电感器(L1)的2端接第一可控开关器件(S1)的漏极和第一电容(C1)的正极，第一可控开关器件(S1)的源极接地；第二电感器(L2)的3端接第二可控开关器件(S2)的漏极和第二电容(C2)的正极，第二可控开关器件(S2)的源极接地；第二集成磁件(IM2)的第三电感器(L3)的1端接第一电容(C1)的负极和第一二极管(D1)的阳极，第三电感器(L3)的2端接地；第四电感器(L4)的4端接第二电容(C2)的负极和第二二极管(D2)的阳极，第四电感器(L4)的3端接地；第二二极管(D2)的阴极接第一二极管(D1)的阴极、输出电容(C)的正极和负载(R)的一端，输出电容(C)的负极和负载(R)的另一端接地。
8.根据权利要求1所述的采用无直流偏磁集成磁件的DC/DC开关变换器，其特征在于由第一变压器(T1)和第二变压器(T2)组成一个主磁路无直流偏磁的第四集成磁件(IM4)，由第一电感器(L1)和第二电感器(L2)组成一个无直流偏磁的第一集成磁件(IM1)；第四集成磁件(IM4)的1端接第一可控开关器件(S1)的漏极，第一可控开关器件(S1)的源极接第二可控开关器件(S2)的源极、直流电源(Vg)的负极和地；第四集成磁件(IM4)的2端接第四集成磁件(IM4)的5端和直流电源(Vg)的正极；第四集成磁件(IM4)的6端接第二可控开关器件(S2)的漏极；第四集成磁件(IM4)的3端接第一二极管(D1)的阳极，第四集成磁件(IM4)的4端接第四集成磁件(IM4)的7端、第二二极管(D2)的阳极、第四二极管(D4)的阳极和地，第四集成磁件(IM4)的8端接第三二极管(D3)的阳极；第一集成磁件(IM1)的第一电感器(L1)的1端接第一二极管(D1)的阴极和第二二极管(D2)的阴极，第一集成磁件(IM1)的第一电感器(L1)的2端接第二电感器(L2)的3端、输出电容(C)的正极和负载(R)的一端，第一集成磁件(IM1)的第二电感器(L2)的4端接第三二极管(D3)的阴极和第四二极管(D4)的阴极；输出电容(C)的负极和负载(R)的另一端接地。
9.根据权利要求8所述的采用无直流偏磁集成磁件的DC/DC开关变换器，其特征在于将权利要求8中的第四集成磁件(IM4)去掉一个绕组形成第一变压器(T1)，同时在第一变压器(T1)的输入侧增加第五二极管(D5)和第六二极管(D6)，第一可控开关器件(S1)和第二可控开关器件(S2)同时导通和关断，第一变压器(T1)的1端接第一可控开关器件(S1)的源极和第六二极管(D6)的阴极，第一变压器(T1)的2端接第二可控开关器件(S2)的漏极和第五二极管(D5)的阳极，第一可控开关器件(S1)的漏极和第五二极管(D5)的阴极、接直流电源(Vg)的正极，第二可控开关器件(S2)的源极和第六二极管(D6)的阳极接直流电源(Vg)的负极和地；第一变压器(T1)的3端接第一二极管(D1)的阳极，第一变压器(T1)的4端接第一变压器(T1)的5端、第二二极管(D2)的阳极、第四二极管(D4)的阳极和地，第一变压器(T1)的6端接第三二极管(D3)的阳极；第一集成磁件(IM1)的第一电感器(L1)的1端接第一二极管(D1)的阴极和第二二极管(D2)的阴极，第一集成磁件(IM1)的第一电感器(L1)的2端接第二电感器(L2)的3端、输出电容(C)的正极和负载(R)的一端，第一集成磁件(IM1)的第二电感器(L2)的4端接第三二极管(D3)的阴极和第四二极管(D4)的阴极；输出电容(C)的负极和负载(R)的另一端接地。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
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| ASS | Succession or assignment of patent right |
Owner name: LIAONING TECHNICAL UNIVERSITY Free format text: FORMER OWNER: YANG YUGANG Effective date: 20110517 |
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| COR | Change of bibliographic data |
Free format text: CORRECT: ADDRESS; FROM: 123000 ELECTRIC DEPARTMENT, LIAONING TECHNICAL UNIVERSITY, NO. 47, ZHONGHUAROAD, FUXIN CITY, LIAONING PROVINCE TO: 123000 DEPARTMENT OF SCIENCE AND TECHNOLOGY, NO. 47, ZHONGHUA ROAD, FUXIN CITY, LIAONING PROVINCE |
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| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20110517 Address after: 123000 science and technology division, Zhonghua Road, Liaoning, Fuxin 47, China Patentee after: Liaoning Technical University Address before: 123000 Department of electrical engineering, Liaoning Technical University, 47 Zhonghua Road, Liaoning, Fuxin Patentee before: Yang Yugang |
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| C17 | Cessation of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20100804 Termination date: 20120107 |