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| 权利 要求 书 1、 一种磁集成双端变换器， 其特征在于， 包括： 一双端对称工作的逆变电路作用于原边绕组； 一个三磁柱磁芯的集成磁件至少包含三个绕组和一个储能气隙， 其中原边 绕组和第一副边绕组共同绕于第一磁柱， 第二副边绕组绕于第二磁柱且流过总 的输出电流； 一组同步整流管， 其门极驱动信号分别和所述双端对称工作的逆变电路的 一组功率开关管的门极驱动信号互补工作。 2、 如权利要求 1所述的磁集成双端变换器， 其特征在于， 在第二磁柱和第 三磁柱上分别设置有储能气隙。 3、 如权利要求 2所述的磁集成双端变换器， 其特征在于， 所述第一副边绕 组和 /或所述第二副边绕组的匝数为一匝。 4、 如权利要求 1所述的磁集成双端变换器， 其特征在于， 仅在第三磁柱上 设置有储能气隙， 且所述第一副边绕组的匝数为所述第二副边绕组匝数的两倍。 5、 如权利要求 4所述的磁集成双端变换器， 其特征在于， 在所述第三磁柱 上增加一第三副边绕组， 所述第三副边绕组与所述第二副边绕组串联且流过总 的输出电流。 6、 如权利要求 1所述的磁集成双端变换器， 其特征在于， 仅在第二磁柱上 设置有储能气隙， 且所述第一副边绕组的匝数为所述第二副边绕组匝数的两倍。 7、 如权利要求 6所述的磁集成双端变换器， 其特征在于， 在所述第二磁柱 上增加一第三副边绕组， 所述第三副边绕组与所述第二副边绕组串联且流过总 的输出电流。 8、 如权利要求 1-7任一项所述的磁集成双端变换器， 其特征在于， 所述双 端对称工作的逆变电路为如下任一种： 半桥逆变电路、 全桥逆变电路或推挽电 路。 9、 一种磁集成双端变换器， 其特征在于， 包括： 一双端对称工作的逆变电路作用于原边绕组； 一个三磁柱磁芯的集成磁件至少包含三个绕组和一个储能气隙， 其中原边 绕组和第一副边绕组共同绕于第二磁柱和第三磁柱， 第二副边绕组绕于第二磁 柱且流过总的输出电流; 一组同步整流管， 其门极驱动信号分别和所述双端对称工作的逆变电路的 一组功率开关管的门极驱动信号互补工作。 10、 如权利要求 9所述的磁集成双端变换器， 其特征在于， 在第二磁柱和 第三磁柱上分别设置有储能气隙。 11、 如权利要求 10所述的磁集成双端变换器， 其特征在于， 所述第一副边 绕组和 /或所述第二副边绕组的匝数为一匝。 12、 如权利要求 9所述的磁集成双端变换器， 其特征在于， 仅在第三磁柱 上设置有储能气隙， 且所述第一副边绕组的匝数为所述第二副边绕组匝数的两 倍。 13、 如权利要求 12所述的磁集成双端变换器， 其特征在于， 在所述第三磁 柱上增加一第三副边绕组， 所述第三副边绕组与所述第二副边绕组串联且流过 总的输出电流。 14、 如权利要求 9-13任一项所述的磁集成双端变换器， 其特征在于， 所述 双端对称工作的逆变电路为如下任一种： 半桥逆变电路、 全桥逆变电路或推挽 电路。 |
本发明涉及一种具有集成变压器和电感器功能 的磁集成双端变换器。
背景技术 在宽范围输入电压的直流变换器应用场合， 根据功率等级的要求， 可选 用单端变换器 （如反激变换器、 正激变换器等）或双端变换器 （如半桥变换 器、 全桥变换器、 推挽变换器等）作为主功率拓朴。
附图 1所示为现有的一种磁集成半桥变换器， 集成磁件采用 EE型磁芯， 绕组 N p 和绕组 N s 绕在 EE型磁芯的中柱以构成变压器， 绕组 N L1 和绕组 N u 分别绕在 EE型磁芯的边柱以构成电感。 发明人在实现本发明的过程中， 发现现有技术至少存在绕组损耗大， 漏 感大的问题。
发明内容
本发明的实施例提供了一种磁集成双端变换器 ， 能够减小绕组损耗和原、 副边的漏感， 实现能量的高效变换。
本发明的实施例提供的一种磁集成双端变换器 ， 包括：
一双端对称工作的逆变电路作用于原边绕组；
一个三磁柱磁芯的集成磁件至少包含三个绕组 和一个储能气隙， 其中原 边绕组和第一副边绕组共同绕于第一磁柱， 第二副边绕组绕于第二磁柱且流 过总的输出电流;
一组同步整流管， 其门极驱动信号分别和所述双端对称工作的逆 变电路 的一组功率开关管的门极驱动信号互补工作。
本发明的实施例提供的另一种磁集成双端变换 器， 包括：
一双端对称工作的逆变电路作用于原边绕组；
一个三磁柱磁芯的集成磁件至少包含三个绕组 和一个储能气隙， 其中原 边绕组和第一副边绕组共同绕于第二磁柱和第 三磁柱， 第二副边绕组绕于第 二磁柱且流过总的输出电流；
一组同步整流管， 其门极驱动信号分别和所述双端对称工作的逆 变电路 的一组功率开关管的门极驱动信号互补工作。 由本发明的实施例提供的技术方案可知， 通过将原边绕组和第一副边绕 组绕制在相同的磁柱上， 并使用同步整流管替代现有技术中的整流二极 管， 可以降低开关器件的导通损耗， 起到对副边绕组的零压降钳位作用； 这样可 以采用最少的原边绕组来实现原边能量到副边 的传递， 减小绕组损耗和原、 副边的漏感， 实现能量的高效变换。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案 ， 下面将对现有技术及本 发明实施例描述中所需要使用的附图作一简单 地介绍。
图 1为现有技术中的一种磁集成半桥变换器；
图 2为本发明实施例一提供的一种磁集成半桥变 器；
图 3 为对本发明实施例一提供的磁集成双端变换器 集成磁件的分析示意 图；
图 4为本发明实施例一提供的磁集成半桥变换器 工作波形示意图； 图 5为本发明实施例二提供的一种磁集成半桥变 器；
图 6为本发明实施例二提供的磁集成半桥变换器 工作波形示意图； 图 7为本发明实施例三提供的一种磁集成半桥变 器；
图 8为本发明的实施例提供的一种磁集成全桥变 器；
图 9为本发明的实施例提供的一种磁集成推挽变 器；
图 10为当副边绕组同时为一匝时， 本发明的实施例提供的一种磁集成双 端变换器的示意图；
图 11为当副边绕组同时为一匝时， 本发明的实施例提供的另一种磁集成 双端变换器的示意图； 图 12为本发明实施例四提供的一种磁集成半桥变 器。
具体实施方式 为使本发明的目的、 技术方案、 及优点更加清楚明白， 下面结合附图并 举实施例， 对本发明提供的技术方案进一步详细描述。
本发明的实施例提供的一种磁集成双端变换器 ， 包括：
一双端对称工作的逆变电路作用于原边绕组；
一个三磁柱磁芯的集成磁件至少包含三个绕组 和一个储能气隙， 其中原 边绕组和第一副边绕组绕于第一磁柱， 第二副边绕组绕于第二磁柱且流过总 的输出电流；
一组同步整流管， 其门极驱动信号分别和所述双端对称工作的逆 变电路 的一组功率开关管的门极驱动信号互补工作。
其中， 双端对称工作的逆变电路可以为半桥逆变电路 、 全桥逆变电路或 推挽电路中任一种。 当双端对称工作的逆变电路为半桥逆变电路时 ， 本发明 的实施例提供的磁集成双端变换器又可称为磁 集成半桥变换器； 同样， 当双 端对称工作的逆变电路为全桥逆变电路或推挽 电路时， 本发明的实施例提供 的磁集成双端变换器对应又可称为磁集成全桥 变换器或磁集成推挽变换器。
以双端对称工作的逆变电路为半桥逆变电路为 例， 本发明的实施例提供 的磁集成双端变换器可以有如下的具体结构。
实施例一
参见附图 2， 本实施例一的磁集成半桥变换器， 其原边的半桥逆变电路包 括分压电容 d、 C 2 和功率开关管 Si、 S 2 。 其集成磁件包含一个 EE型磁芯， 所述 EE型磁芯包括三个绕组和两个储能气隙。 其中原边绕组 N p 和第一副边 绕组 N sl 绕于第一磁柱 1，第二副边绕组 N s2 绕于第二磁柱 2，第二磁柱 2上设 置有储能气隙 1， 第三磁柱 3上设置有储能气隙 2。 原边绕组 N p 两端分别连 接半桥逆变电路的功率开关管 S 2 桥臂的连接点 A和分压电容 d、 C 2 的连 接点 B。
第一副边绕组 N sl 、 第二副边绕组 N s2 、 输出滤波电容 C。和第一同步整流 管 S 构成副边的一功率电路； 第二副边绕组 N s2 、输出滤波电容 C。和第二同 步整流管 SR 2 构成副边的另一功率回路。第一同步整流 管 8 和第一副边绕组 N sl 的串联支路和第二同步整流管 SR 2 并联， 在第二副边绕组 N s2 流过的电流 为同步整流管 S 和 SR 2 的电流之和。
参见附图 3和附图 4， 根据对称半桥的工作原理， 原边的功率开关管 Si 和 S 2 在相位交错 180。的驱动电压 V gl 和 V g2 作用下， 将在原边绕组 Np两端形 成方波逆变电压 VAB; 副边的同步整流管 8 和 SR 2 的驱动电压分别为 V GSL 和 V gs2 ， 其中， V 和 V g2 互补工作， V gs2 和 V gl 互补工作。 因此， 电路的工 作过程可以分为四个阶段：
P介段 U W:原边的功率开关管 Si导通， S 2 截止， 副边的同步整流管 S 导通， SR 2 截止。 加在原边绕组 N p 两端的电压为 V m /2， 原边绕组所在的第一 磁柱 1的0 线性上升， 其他两磁柱的磁通 Φ 2 、 Φ 3 也相应的上升。 第一副边绕 组 N sl 的电流 i SR1 等于第二副边绕组 N s2 的电流 i。 ut 。
P介段 2[t r t 2 ]: 原边的功率开关管 Si、 S 2 均截止， 副边的同步整流管 S 、 SR 2 均导通。 原边绕组电流 i p 为零。 第一副边绕组 N sl 被 SiU。 SR 2 短路， 使 得绕在第一磁柱 1的绕组 Np和 N sl 的电压均为零， 磁通 保持不变， 第二磁 柱 2的磁通下降量等于第三磁柱 3的磁通上升量。 两副边同步整流管均导通， 流过 S 的电流 i SR1 转移一部分到 SR 2 ， 电流之和等于 i。 ut 。
P介段 3[t 2 -t 3 ]:原边的功率开关管 S 2 导通， Si截止， 副边的同步整流管 SR 2 导通， S 截止。 加在原边绕组 N p 两端的电压为 -V m /2， 原边绕组所在的第一 磁柱 1的0 线性下降， 其他两磁柱的磁通 Φ 2 、 Φ 3 也相应的下降。 第二副边绕 组 N s2 的电流 iout全部流过同步整流管 SR 2 。
P介段 4[t 3 -t 4 ]: 原边的功率开关管 Si、 S 2 均截止， 副边的同步整流管 S 、 SR 2 均导通。 原边绕组电流 i p 为零。 第一副边绕组 N sl 被 SiU。 SR 2 短路， 使 得绕在第一磁柱 1的绕组 Np和 N sl 的电压均为零， 磁通 保持不变， 第二磁 柱 2的磁通下降量等于第三磁柱 3的磁通上升量。 两副边同步整流管均导通， 流过 SR 2 的电流 i SR2 转移一部分到 S ， 电流之和等于 i。 ut 。 根据磁通连续性， 可以推导出输入输出电压转换比：
^ = ^- ,其中 D是指占空比，为功率开关管 Si开通时间除以开关周期。
V m N p 2 实施例二
参见附图 5， 本实施例二的磁集成半桥变换器， 与实施例一的磁集成半桥 变换器结构不同在于： 本实施例二的 EE 型磁芯包括三个绕组和一个储能气 隙。 其中原边绕组 N p 和第一副边绕组 N sl 绕于第一磁柱 1， 第二副边绕组 N s2 绕于第二磁柱 2， 在第三磁柱 3上设置有储能气隙 1， 且第一副边绕组 N sl 匝 数等于第二副边绕组 N s2 匝数的两倍。
参见附图 6， 本实施例二的电路的工作过程同样可以分为四 个阶段： P介段 l[t 0 -t!]:原边的功率开关管 Si导通， S 2 截止， 副边的同步整流管 S 导通， SR 2 截止。 加在原边绕组 N p 两端的电压为 V m /2， 原边绕组所在的第一 磁柱 1的 性上升， 第二磁柱 2的磁通 Φ 2 线性上升， 第三磁柱 3的磁通 Φ 3 线性下降。 第一副边绕组 N sl 的电流 i SR1 等于第二副边绕组 N s2 的电流 i。 ut 。
P介段 2[t r t 2 ]: 原边的功率开关管 Si、 S 2 均截止， 副边的同步整流管 S 、 SR 2 均导通。 原边绕组电流 i p 为零。 第一副边绕组 N sl 被 SiU。 SR 2 短路， 使 得绕在第一磁柱 1的绕组 Np和 N sl 的电压均为零， 磁通 保持不变， 第二磁 柱 2的磁通下降量等于第三磁柱 3的磁通上升量。 两副边同步整流管均导通， 流过 S 的电流 i SR1 等于流过 SR 2 的电流 i SR2 ， 二者电流之和等于 i。 ut 。
P介段 3[t 2 -t 3 ]:原边的功率开关管 S 2 导通， Si截止， 副边的同步整流管 SR 2 导通， S 截止。 加在原边绕组 N p 两端的电压为 -V m /2， 原边绕组所在的第一 磁柱 1的0 线性下降， 其他两磁柱的磁通 Φ 2 、 Φ 3 也线性下降。 第二副边绕组
N s2 的电流 全部流过同步整流管 SR 2 。
P介段 4[t 3 -t 4 ]: 原边的功率开关管 Si、 S 2 均截止， 副边的同步整流管 S 、 SR 2 均导通。 原边绕组电流 i p 为零。 第一副边绕组 N sl 被 SiU。 SR 2 短路， 使 得绕在第一磁柱 1的绕组 N p 和 N sl 的电压均为零， 磁通 保持不变， 第二磁 柱 2的磁通下降量等于第三磁柱 3的磁通上升量。 两副边同步整流管均导通， 流过 S 的电流 i SR1 等于流过 SR 2 的电流 i SR2 ， 二者电流之和等于 i。 ut 。
根据磁通连续性， 可以推导出输入输出电压转换比：
^ = ^- ,其中 D是指占空比，为功率开关管 Si开通时间除以开关周期。
V m N p 2 由于第一磁柱 1和第二磁柱 2上未设置储能气隙， 可以认为该磁柱的等 效磁阻为零。 因此本实施例二的等效输出滤波电感 。 ^可表示为：
L out = ^ , 其中 R m3 为第三磁柱 3的等效磁阻。 实施例三
参见附图 7， 本实施例三的磁集成半桥变换器， 是在上述实施例二的基础 上， 在第三磁柱 3上增加第三副边绕组 N s3 。 具体而言， 本实施例三的 EE型 磁芯包括四个绕组和一个储能气隙。 其中原边绕组 N p 和第一副边绕组 N sl 绕 于第一磁柱 1，第二副边绕组 N s2 绕于第二磁柱 2，第三绕组 N s3 绕于第三磁柱 3， 第三磁柱 3设置有储能气隙 1， 且第一副边绕组 N sl 匝数等于第二副边绕 组 N s2 匝数的两倍。
此时， 第一副边绕组 N sl 、 第二副边绕组 N s2 、 第三副边绕组 N s3 、 输出滤 波电容 C。和第一同步整流管 S 构成副边的一功率电路； 第二副边绕组 N s2 、 第三副边绕组 N s3 、输出滤波电容 C。和第二同步整流管 SR 2 构成副边的另一功 率回路。第一同步整流管 SR^。第一副边绕组 N sl 的串联支路和第二同步整流 管 SR 2 并联。 第二副边绕组 N s2 和第三副边绕组 N s3 串联， 增强输出滤波电感 量， 流过的电流为同步整流管 S 和 SR 2 的电流之和。
本实施例三与上述实施例二相比， 通过在第三磁柱 3 上增加第三副边绕 组 3 ， 能够提高电路的输出滤波电感量， 同时对电路的工作模式没有影响。 因此， 同步整流管电流及输出电流的工作时序仍可以 参考附图 6。 此时本实施 例三的等效输出滤波电感量 L。 ut 可表示为： L out = d + ) 2 ， 其中 Rm3 为第三磁柱 3的等效磁阻。 实施例四
参见附图 12， 本实施例四的磁集成半桥变换器， 与实施例一的磁集成半 桥变换器结构不同在于：本实施例四的 EE型磁芯包括三个绕组和一个储能气 隙。 其中原边绕组 N p 和第一副边绕组 N sl 绕于第一磁柱 1， 第二副边绕组 N s2 绕于第三磁柱 3， 在第三磁柱 3上设置有储能气隙 1， 且第一副边绕组 N sl 匝 数等于第二副边绕组 N s2 匝数的两倍， 其中第二副边绕组 N s2 从第一副边绕组 N sl 中抽出。
本实施例四的电路的工作过程同实施例二。 综上所述， 以双端对称工作的逆变电路为半桥逆变电路为 例， 本发明的 实施例提供的磁集成双端变换器， 通过将原边绕组和第一副边绕组绕制在相 同的磁柱上， 并使用同步整流管替代现有技术中的整流二极 管， 可以降低开 关器件的导通损耗，并可以在上述第 2和 4 P介段把第一副边绕组 N sl 的电压箝 位成 0，起到对副边绕组的零压降钳位作用； 这样可以采用最少的原边绕组来 实现原边能量到副边的传递， 减小绕组损耗和原、 副边的漏感， 实现能量的 高效变换。
可以理解的是， 根据逆变电路的拓朴结构不同， 本实施例的双端对称工 换器和附图 9的磁集成推挽变换器。
其中， 附图 8 中的磁集成全桥变换器， 除原边的逆变电路的拓朴结构与 附图 2、 5或 7中的磁集成半桥变换器不同外， 其原副边绕组与附图 2、 5或 7 中磁集成半桥变换器的原副边绕组完全相同； 附图 9 中磁集成推挽变换器的 原边绕组有两个， 分别为 Np^。N p2 ， 比全桥、 半桥的原边绕组多一个， 但是 原边绕组 N pl 和 N p2 绕于同一磁柱， 同时副边的绕组结构与磁集成半桥变换器 相同。 因此， 附图 8的磁集成全桥变换器和附图 9的磁集成推挽变换器的工 作时序、 构成的磁芯内部磁通 Φ 、 Φ 2 、 Φ 3分别和本发明的磁集成半桥变换器 相同。
当原边绕组 Ν ρ 和第一副边绕组 N sl 绕于第一磁柱 1， 第二副边绕组 N s2 绕 于第二磁柱 2时， 参见附图 10， 在副边绕组 N sl 和 N s2 同时为一匝时， 图 10 中阴影区域代表副边绕组功率回路的铜皮， 呈现开口向上的 E型状， 包含三 部分： 其中两部分铜皮穿过磁芯窗口， 分别为绕组 N sl 和 N s2 ; 第三部分在磁 芯外部连接副边整流管 SR 2 ， 为走线部分。 原边绕组 N p 绕于第一磁柱 1， 一 部分和 N sl 在同一绕线窗口， 一部分暴露在磁芯窗口外， 和走线保证良好的耦 合关系， 这样能够实现原边绕组 N p 的能量向副边绕组 N sl 和 N s2 的高效切换， 同时保证 S 和 SR 2 对副边绕组的有效的零压降钳位功能。
因为 E型磁芯的储能气隙分别设置于第二磁柱 2和第三磁柱 3或仅设置 在第三磁柱 3， 为了更加有效地控制集成磁件外部的磁场分布 ， 本发明的实施 例提供的磁集成双端变换器也可以将原边绕组 N p 和第一副边绕组 N sl 同时绕 过第二磁柱 2和第三磁柱 3， 其他的结构保持不变。
当原边绕组 N p 和第一副边绕组 N sl 同时绕过第二磁柱 2和第三磁柱 3，第 二副边绕组 N s2 绕于第二磁柱 2时， 参见附图 11， 在副边绕组 N sl 和 N s2 同时 为一匝时， 图 11中阴影区域代表副边绕组功率回路的铜皮， 呈现开口向上的 E型状， 包含三部分： 其中两部分铜皮穿过磁芯窗口， 分别为绕组 N sl 和N s2 ; 第三部分在磁芯外部连接副边整流管 SR 2 ， 为走线部分。 原边绕组 N p 绕于第 二磁柱 2和第三磁柱 3， 一部分和 N sl 在同一绕线窗口， 一部分暴露在磁芯窗 口外， 和走线保证良好的耦合关系。 与附图 10不同的是， 此时走线部分跟随 原边绕组 N p 绕于第二磁柱 2的外侧， 以保证和原边部分仍保持良好的耦合。
基于上述的说明， 本发明的实施例提供了另一种磁集成双端变换 器， 包 括：
一双端对称工作的逆变电路作用于原边绕组； 一个三磁柱磁芯的集成磁件包含至少三个绕组 和至少一个储能气隙， 其 中原边绕组和第一副边绕组共同绕于第二磁柱 和第三磁柱， 第二副边绕组绕 于第二磁柱且流过总的输出电流；
一组同步整流管， 其门极驱动信号分别和所述双端对称工作的逆 变电路 的一组功率开关管的门极驱动信号互补工作。
一种实施例， 三磁柱磁芯的集成磁件包含三个绕组和两个储 能气隙， 其 中原边绕组和第一副边绕组共同绕于第二磁柱 和第三磁柱， 第二副边绕组绕 于第二磁柱且流过总的输出电流， 在第二磁柱和第三磁柱上分别设置有储能 气隙。 此实施例对第一副边绕组的匝数与第二副边绕 组的匝数未做限制， 可 以^]同或不同。
另一种实施例， 三磁柱磁芯的集成磁件包含三个绕组和一个储 能气隙， 其中原边绕组和第一副边绕组共同绕于第二磁 柱和第三磁柱， 第二副边绕组 绕于第二磁柱且流过总的输出电流， 仅在第三磁柱上设置有储能气隙。 此实 施例要求所述第一副边绕组的匝数为所述第二 副边绕组匝数的两倍。
再一种实施例， 三磁柱磁芯的集成磁件包含四个绕组和一个储 能气隙， 其中原边绕组和第一副边绕组共同绕于第二磁 柱和第三磁柱， 第二副边绕组 绕于第二磁柱， 第三副边绕组绕于第三磁柱， 第三副边绕组与第二副边绕组 串联且流过总的输出电流， 仅在第三磁柱上设置有储能气隙。 此实施例也要 求所述第一副边绕组的匝数为所述第二副边绕 组匝数的两倍。
同样可以理解的是， 该磁集成双端变换器包括的一双端对称工作的 逆变 电路可以为半桥逆变电路、 全桥逆变电路或推挽电路中的任一种， 并且可以 产生方波电压信号作用于原边绕组。
需要说明的是， 原边绕组和第一副边绕组无论共同绕于未设置 有储能气 隙的第一磁柱， 还是共同绕于至少设置一储能气隙的第二磁柱 和第三磁柱， 当第一副边绕组和 /或所述第二副边绕组为一匝时， 由于绕组长度减少， 在满 足实际需要的同时， 能够减小绕组损耗。 最后需要说明的是， 本发明的实施例提供的磁集成双端变换器作为 一种 通信设备可以用于直流 -直流（DC-DC ) 的二次电源模块。 上述具体实施例并不用以限制本发明， 对于本技术领域的普通技术人员 来说， 凡在不脱离本发明原理的前提下， 所作的任何修改、 等同替换、 改进 等， 均应包含在本发明的保护范围之内。