一种高耦合系数、低电感电流纹波的集成电感设计方法与流程

1.本发明属于电力电子磁集成领域，具体涉及一种高耦合系数、低电感电流纹波的集成电感设计方法。


背景技术：

2.在dc/dc变换器中，磁性元件的重量和体积约占变换器的20％
‑
30％，磁性元件的损耗约为变换器总损耗的30％。磁性元件是传输和储存电能的重要组成部分，磁性元件的好坏，直接影响到dc/dc变换器的体积、效率和emi等性能。而磁性元件是客制化非标器件，是高频电磁场的复杂综合体，设计一个合适的磁性元件，需要综合考虑多方面的因素。由于多路交错并联电路运用逐渐广泛，使得dc/dc变换器中的磁性元件倍增。为了减小dc/dc变换器中磁性元件的体积和大小，进一步提高dc/dc变换器的性能，磁集成技术开始受到人们的青睐。磁集成技术是指用一副多磁路的集成磁件替代dc/dc变换器中的多个分立磁件，从而可以有效减小变换器的体积，提高功率密度。随着研究的进一步深入，人们发现利用耦合电感技术，使多路交错并联变换器的分立电感之间形成耦合，不仅可以减小变换器的体积和损耗，还可以有效提高变换器的稳态性能。


技术实现要素：

3.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种高耦合系数、低电感电流纹波的集成电感设计方法，所设计的电感具有耦合度较高、电感电流纹波较小的特点。
4.为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
5.一种高耦合系数、低电感电流纹波的集成电感设计方法，包括以下步骤：
6.步骤s1：根据磁芯结构确定磁路模型，并推导出单相电感的自感和两相电感之间的互感表达式；
7.步骤s2:在确保集成电感绕线柱不饱和的前提下确定绕线柱的截面积以及磁轭的厚度；
8.步骤s3:根据等效稳态电感和非绕线柱截面积的关系，在非绕线柱气隙尽可能小的情况下确定其截面积；
9.步骤s4:根据等效稳态电感,进一步调整绕线柱和非绕线柱的气隙，得到最终的集成电感。
10.进一步的，所述单相电感的自感和两相电感之间的互感表达式，具体为：
11.将单相电感的自感l和两相电感之间的互感m用绕线柱磁阻r1和非绕线柱磁阻r0表示
[0012][0013]
[0014][0015][0016]
其中，μ0是空气的磁导率，le0、le1分别为非绕线柱气隙和绕线柱气隙的大小，n为电感绕组的匝数，s0、s1分别为非绕线柱截面积和绕线柱气隙的截面积大小。
[0017]
进一步的，所述磁轭厚度设计，具体如下：根据绕线柱截面积s1，来得到磁轭的最小截面积，再确定磁轭的最小厚度。
[0018]
进一步的，所述步骤s3具体为：
[0019]
集成电感的自感l在绕线柱磁阻r1和非绕线柱气隙le0确定的情况下与非绕线柱截面积s0的关系，具体如下：
[0020][0021][0022]
进一步推导等效稳态电感在绕线柱磁阻r1和非绕线柱气隙le0确定的情况下与非绕线柱截面积s0的关系
[0023][0024]
进一步的，所述步骤s4具体为：
[0025]
步骤s41:将非绕线柱的气隙开到最大,绕线柱先不开气隙，得到设计集成电感最初的自感和互感值；
[0026]
步骤s42:由各个工作模态的电感电流纹波和电感电流直流分量i
dc
理论计算出一整个周期的波形,并获取单相自感l、互感m、时间t、磁阻r0、r1的函数；
[0027]
步骤s43:将非绕线柱磁阻r0的值，以及仿真得到最初的自感、互感值代入到中绕线柱磁密b1和非绕线柱磁密b0的表达式进行计算，并确定一个工作周期中磁密最大的时间t，即可得到各磁柱最大磁密b1、b0关于磁阻r1的关系；
[0028]
步骤s44:获取绕线柱不饱和情况下所设计b1值所对应磁阻r1的大小，用该值计算
出对应气隙le1的大小，并用计算得到的绕线柱气隙le1得到新的自感互感值；
[0029]
步骤s45:将步骤s44得到的自感互感值以及r1代入到非绕线柱磁密b0与r0关系式中，并获取非绕线柱不饱和情况下所设计b0值所对应磁阻r0的大小，用该值计算出对应气隙le0的大小；用计算得到的非绕线柱气隙le0得到新的自感互感值，把新的自感互感值代入到b0与r0的关系式中；
[0030]
步骤s46:步骤s46中r0减小导致绕线柱磁通抵消变少，绕线柱会饱和，因此由步骤s45得到的气隙le1需要再次增大；与步骤s45类似，增大绕线柱气隙le1，将得到的自感互感值代入理论计算b1的大小，直至绕线柱不饱和即设计完毕。
[0031]
进一步的，所述步骤s42具体为：电路在一个工作周期共有四个工作模态，每个模态的电感电流纹波如下所示：
[0032][0033][0034][0035][0036]
由各个工作模态的电感电流纹波和电感电流直流分量i
dc
理论计算出一整个周期的波形；
[0037]
与r0的关系式中，计算非绕线柱磁密b0的大小直至非绕线柱不饱和。
[0054]
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
[0055]
1、本发明所设计的电感具有耦合度较高、电感电流纹波较小的特点；
[0056]
2、本发明能够快速的获取集成电感的设计方案，有效提高器件生产的效率。
附图说明
[0057]
图1是本发明集成磁件结构示意图；
[0058]
图2是本发明集成电感结构示意图；
[0059]
图3是本发明一实施例中集成磁件等效磁路模型图；
[0060]
图4是本发明一实施例中自感l与非绕线柱截面积s0关系示意图；
[0061]
图5是本发明一实施例中等效稳态电感与非绕线柱截面积s0关系示意图；
[0062]
图6是本发明一实施例中绕线柱磁密b1与磁阻r1的关系示意图；
[0063]
图7是本发明一实施例中非绕线柱磁密b0与磁阻r0的关系示意图；
[0064]
图中，1
‑
绕线柱，2
‑
磁轭，3
‑
非绕线柱、4
‑
电感绕组。
具体实施方式
[0065]
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
[0066]
请参照图1，本发明提供高耦合系数、低电感电流纹波的集成电感设计方法，在本实施例中以两相buck电路电感的集成为例，具体如下：
[0067]
步骤s1:根据磁芯结构得到如图三所示的磁路模型，可以将单相电感的自感l和两相电感之间的互感m用绕线柱磁阻r1和非绕线柱磁阻r0表示(μ0是空气的磁导率)。
[0068][0069][0070][0071][0072]
对集成磁件的绕线柱截面积s1、非绕线柱截面积s0以及磁轭的厚度进行设计，由于磁芯结构采用铁氧体，为了保证绕线柱磁密b1不饱和，应在条件允许的情况下尽量增大绕线柱的截面积s1。为削弱因开气隙带来的磁泄漏造成不良影响，因在设计时尽可能减小非绕线柱气隙le0的大小。
[0073]
步骤s2:推导了集成电感的自感l在绕线柱磁阻r1和非绕线柱气隙le0确定的情况下与非绕线柱截面积s0的关系，结论是自感l随着非绕线柱截面积s0的增大而增大，具体如图四所示：
[0074][0075][0076]
步骤s3:推导了等效稳态电感在绕线柱磁阻r1和非绕线柱气隙le0确定的情况下与非绕线柱截面积s0的关系，如图五所示，等效稳态电感随着非绕线柱截面积s0的增大而增大；等效稳态电感越大，电感电流的纹波也就越小，所以希望等效稳态电感越大越好，即非绕线柱截面积s0在条件允许的情况下越大越好。此外，s0增大还能使非绕线柱不容易饱和。
[0077][0078]
综合以上推论，绕线柱截面积s1和非绕线柱截面积s0应在不增大磁芯的占板面积和高度的前提下尽可能取大。
[0079]
优选的，在本实施例中，磁轭厚度的设计方法：由于设计过程中磁轭也不能饱和，而且磁轭流过的磁通与绕线柱的基本一致，所以可根据绕线柱截面积s1，来得到磁轭的最小截面积，再确定磁轭的最小厚度；同时要注意磁轭厚度增大则意味着磁芯窗口高度变小，电感绕组能绕下的匝数上限也会变小。
[0080]
绕线柱截面积、非绕线柱截面积和磁轭的厚度确定后，磁芯的各个尺寸也就确定了。
[0081]
根据电路参数初步确定单相电感的匝数；
[0082]
设计时为得到较大的耦合系数k，应尽量使集成电感两相绕组分别产生的磁通在绕线柱上尽可能抵消。根据耦合系数k的表达式可知，随着非绕线柱磁阻r0的增大，k的数值将趋于
‑
1，此时反耦合程度将尽可能达到最大。
[0083][0084]
此外，前文推导了等效稳态电感与非绕线柱截面积s0的关系，即在非绕线柱气隙le0不变的情况下，等效稳态电感随着s0的增大而增大。由于非绕线柱磁阻r0与非绕线柱截面s0成反比，与非绕线柱气隙le0成正比，所以当s0确定后，等效稳态电感随着非绕线柱气隙le0和磁阻r0的增大而减小。
和非绕线柱磁通φ2波形：
[0097][0098][0099]
绕线柱磁密b1和非绕线柱磁密b0计算如下：
[0100][0101][0102]
由于所设计的电路参数d、t
s
、v
h
已知，截面积s0、s1已确定，故上述式子均是关于单相自感l、互感m、时间t、磁阻r0、r1的函数。
[0103]
步骤s42:为了使绕线柱和非绕线柱不饱和，可将步骤s41中r0的值，以及仿真得到最初的自感、互感值代入b1、b0的表达式进行计算，并确定一个工作周期中磁密最大的时间t，即可得到各磁柱最大磁密b1、b0关于磁阻r1的关系。
[0104]
步骤s43:由步骤s42得到绕线柱磁密b1关于磁阻r1的关系示意图，如图六所示，由于磁芯材料采用铁氧体，故可查找绕线柱不饱和情况下所设计b1值所对应磁阻r1的大小，用该值计算出对应气隙le1的大小。
[0105]
用计算得到的绕线柱气隙le1得到新的自感互感值。将新的自感互感值代入到b1与r1的关系式中，理论计算绕线柱磁密b1的大小。由于理论计算和仿真存在误差，故需不断调整绕线柱气隙le1的大小，将新得到的自感互感代入到b1表达式进行理论计算，直至绕线柱不饱和即可。
[0106]
步骤s44:根据步骤s3的推导，在绕线柱磁阻r1和非绕线柱气隙le0确定的情况下，等效稳态电感随着非绕线柱截面积s0的增大而增大。由于非绕线柱磁阻r0与截面积s0成反比，故等效稳态电感随着非绕线柱磁阻r0的增大而减小。
[0107]
为了得到更大的等效稳态电感，需在步骤s43的基础上，减小非绕线柱气隙le0的大小来减小r0。将步骤s43得到的自感互感值以及r1代入到非绕线柱磁密b0与r0关系式中，在关系示意图上(如图七所示)查找非绕线柱不饱和情况下所设计b0值所对应磁阻r0的大小，用该值计算出对应气隙le0的大小。用计算得到的非绕线柱气隙le0得到新的自感互感值，把新的自感互感值代入到b0与r0的关系式中，理论计算非绕线柱磁密b0的大小直至非绕线柱不饱和即可。
[0108]
步骤s45:步骤s44中r0减小导致绕线柱磁通抵消变少，绕线柱会饱和，因此由步骤s43得到的气隙le1需要再次增大。与步骤s43类似，增大绕线柱气隙le1，将得到的自感互感
值代入理论计算b1的大小，直至绕线柱不饱和即设计完毕。
[0109]
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。