集成電感及應用所述集成電感的功率變換器的製作方法

2023-10-09 14:40:09 1

本發明涉及功率變換技術領域，尤其涉及一種集成電感及應用所述集成電感的功率變換器。

背景技術：

在功率變換器中，採用交錯並聯技術可以減小紋波電流，只需較小的濾波電容即可滿足功率變換器的紋波電流要求，可顯著的降低濾波電容的成本，並提升功率變換器的效率。例如，在光伏逆變器中，更小的紋波電流意味著更小的紋波電壓，可有效的提高最大功率點跟蹤(maximumpowerpointtracking，mppt)控制器的電壓採樣精度，提升逆變器的效率。

採用交錯關聯技術的功率變換器包括並聯的多個功率橋臂，多個功率橋臂與多個分立的電感一一對應連接，並且以交錯方式運行。然而，採用分立電感進行交錯並聯後，同等功率下所需要的濾波電感數目增加一倍，導致功率變換器的生產成本上升；同時，由於濾波電感數目的增加，使得功率變換器的組裝工序更加複雜，導致生產工時增加；再者，在採用分立電感進行交錯並聯的功率變換器中，每個電感承受相同的伏秒，使得電感的磁損增大，不利於提升功率變換器的效率。

技術實現要素：

本發明提供一種集成電感，以減小功率變換器體積和重量，降低電感的磁損，提升功率變換器的效率。

另，本發明還提供一種應用所述集成電感的功率變換器。

本發明第一方面提供一種集成電感，包括磁芯和n個繞組，所述磁芯包括第一磁柱、n個第二磁柱以及設置於所述第二磁柱兩端的第一磁軛和第二磁軛；其中，n為大於或等於2的整數；

所述第一磁柱與所述n個第二磁柱分別平行間隔設置，所述第一磁柱與每 一所述第二磁柱的間距相等；

所述第二磁柱的一端通過所述第一磁軛與所述第一磁柱的一端連接，所述第二磁柱的另一端通過所述第二磁軛與所述第一磁柱的另一端連接；

所述n個繞組一一對應地設置於所述n個第二磁柱上。

所述集成電感通過將所述n個繞組集成於一副磁芯上，從而可以有效減小電感的體積和重量；同時，所述n個繞組共用所述第一磁柱，從而使得磁場中的低頻分量在所述第一磁柱中相互抵消，只留有高頻成分，從而可以使用低損耗的磁芯材料，以減小所述集成電感的磁損。

結合第一方面，需要說明的是，所述第一磁軛嵌入所述第一磁柱的一端，並與所述第一磁柱之間形成第一接觸面；所述第二磁軛嵌入所述第一磁柱的另一端，並與所述第一磁柱之間形成第二接觸面；其中，通過所述第一接觸面的磁通密度與通過所述第二接觸面的磁通密度相同。

進一步地，任意兩個所述第一接觸面的面積相等，且任意兩個所述第二接觸面的面積相等。

進一步地，所述第一磁軛的中軸線垂直於所述第一磁柱，所述第一接觸面的面積大於所述第一磁軛垂直於所述中軸線的橫截面面積；所述第二磁軛的中軸線垂直於所述第一磁柱，所述第二接觸面的面積大於所述第二磁軛垂直於所述中軸線的橫截面面積。

通過將每一所述第一磁軛和每一所述第二磁軛嵌入到所述第一磁柱中，實現嵌入連接，可以有效增加每一所述第一磁軛和每一所述第二磁軛與所述第一磁柱之間的接觸面面積，從而可以提升所述每一第一磁軛或每一第二磁軛與所述第一磁柱之間的接觸面的磁通容量，降低所述第一磁柱出現磁飽和的風險。

進一步地，所述第一接觸面和所述第二接觸面相對於所述第一磁柱的中心對稱。通過將每一第二磁柱對應的第一接觸面和第二接觸面設置為相對於所述第一磁柱的中心對稱，從而可以保證通過所述第一接觸面的磁通密度與通過所述第二接觸面的磁通密度相同。

進一步地，所述第一接觸面與穿過所述第一磁軛和所述第一磁柱的磁力線之間存在一定的夾角；所述第二接觸面與穿過所述第二磁軛和所述第一磁柱的磁力線之間存在一定的夾角。

進一步地，所述第一接觸面和所述第二接觸面均為l形曲面。

可選地，所述第一接觸面和所述第二接觸面均為弧形曲面。

結合第一方面，需要說明的是，所述第一磁柱的一端將任意兩個所述第一磁軛相互隔離，所述第一磁柱的另一端將任意兩個所述第二磁軛相互隔離。

通過將每一所述第一磁軛單獨與所述第一磁柱的一端連接，使得任意兩個所述第一磁軛之間不存在直接接觸，並將每一所述第二磁軛單獨與所述第一磁柱的另一端連接，使得任意兩個所述第二磁軛之間也不存在直接接觸，從而可以實現所述n個繞組之間的解耦合，因此可根據實際應用的需求分別調節所述n個繞組的電感量，此外，還可以在負載較小時，將所述n個繞組中的至少一個繞組設置為休眠狀態，以降低功率變換器的功耗。

結合第一方面，需要說明的是，所述第一磁柱由無內部氣隙的磁性材料製成，所述第二磁柱、第一磁軛和第二磁軛由有內部氣隙的磁性材料製成；所述第一磁柱的磁導率大於所述第二磁柱、第一磁軛和第二磁軛的磁導率。

進一步地，所述第一磁柱由非晶、鐵氧體或矽鋼製成；所述第二磁柱、第一磁軛和第二磁軛均由鐵矽鋁粉或非晶粉製成。

由於所述第一磁柱與所述第二磁柱分別採用不同磁導率的磁性材料製成，同時，所述第一磁軛、第二磁軛與所述第二磁柱材料相同，且所述第一磁柱的磁導率大於所述第二磁柱、第一磁軛和第二磁軛的磁導率，相當於將磁路短路，從而可以獲得更好的解耦效果。

結合第一方面，需要說明的是，所述n個繞組產生的磁場包括低頻成分和高頻成分，所述磁場中的低頻成分在所述第一磁柱中相互抵消，所述磁場中的高頻成分保留。

本發明第二方面提供一種功率變換器，包括集成電感和n個開關橋臂，所述集成電感包括磁芯和n個繞組，所述磁芯包括第一磁柱、n個第二磁柱以及設置於所述第二磁柱兩端的第一磁軛和第二磁軛；其中，n為大於或等於2的整數；

所述第一磁柱與所述n個第二磁柱分別平行間隔設置，所述第一磁柱與每一所述第二磁柱的間距相等；

所述第二磁柱的一端通過所述第一磁軛與所述第一磁柱的一端連接，所述第二磁柱的另一端通過所述第二磁軛與所述第一磁柱的另一端連接

；所述n個繞組一一對應地設置於所述n個第二磁柱上；所述n個繞組分 別與所述n個開關橋臂一一對應連接。

結合第二方面，需要說明的是，所述集成電感為如本發明第一方面所提供的集成電感，所述功率變換器包括輕載工作模式，在所述輕載工作模式下，所述n個繞組中的至少一個繞組被設置為休眠狀態。

所述功率變換器通過應用所述集成電感，從而可以有效減小所述功率變換器的體積和重量；同時，由於所述集成電感的n個繞組之間為解耦合狀態，因此可根據實際應用的需求分別調節所述n個繞組的電感量；此外，還可以在負載較小時，將所述功率變換器切換為輕載工作模式，即將所述n個繞組中的至少一個繞組設置為休眠狀態，從而可以降低所述功率變換器的功耗，並提升所述功率變換器在輕載時的工作效率。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例中的技術方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

圖1是本發明一個實施例提供的集成電感的結構示意圖；

圖2是圖1所示集成電感的磁芯中磁通量的波形示意圖；

圖3是本發明一個實施例提供的集成電感的結構示意圖；

圖4是本發明一個實施例提供的磁芯的結構示意圖；

圖5是本發明一個實施例提供的磁芯的結構示意圖；

圖6是本發明一個實施例提供的集成電感的結構示意圖；

圖7是本發明一個實施例提供的集成電感的結構示意圖；

圖8本發明一個實施例提供的功率變換器的結構示意圖。

具體實施方式

下面將結合附圖，對本發明的實施例進行描述。

在功率變換技術領域，通常需要將電源電壓從一個電壓等級變換到另一個需要的電壓等級，採用交錯並聯技術的功率變換器因具有較高的轉換效率和功率密度，使其在功率變換技術領域得到了廣泛的應用。採用交錯並聯技術的功 率變換器包括相互並聯的多個功率開關橋臂，所述多個功率開關橋臂通過多個分立的電感繞組相互耦合，並且以交錯方式運行。目前，在採用交錯並聯技術的功率變換器中，由於採用多個分立電感繞組來實現多個功率開關橋臂的交錯並聯，當功率開關橋臂增多時，所需要的分立電感數目同步增多，使得功率變換器的體積增大，且電感的磁損增大，不利於提升功率變換器的效率。

本發明實施例提供一種集成電感，其可應用於採用交錯關聯技術的功率變換器中，所述集成電感通過將兩個或多個分立的繞組設置在一副磁芯上，以減小功率變換器的體積和重量；同時，兩個或多個繞組共用部分磁芯，使得低頻磁通分量相互抵消，可以降低電感的磁損，提升功率變換器的效率。

所述集成電感包括磁芯和n個繞組，所述磁芯包括第一磁柱、n個第二磁柱以及設置於所述第二磁柱兩端的第一磁軛和第二磁軛；所述第一磁柱與所述n個第二磁柱平行間隔設置，所述第一磁柱與所述第二磁柱的間距相等；所述第二磁柱的一端通過所述第一磁軛與所述第一磁柱的一端連接，所述第二磁柱的另一端通過所述第二磁軛與所述第一磁柱的另一端連接；所述n個繞組一一對應地設置於所述n個第二磁柱上；其中，n為大於或等於2的整數。其中，所述第一磁柱由無內部氣隙的磁性材料製成，例如非晶、鐵氧體、矽鋼等；所述第二磁柱、第一磁軛和第二磁軛由有內部氣隙的磁性材料製成，例如鐵矽鋁粉、非晶粉等；所述第一磁柱的磁導率大於每一所述第二磁柱、第一磁軛和第二磁軛的磁導率。

所述n個繞組共用所述第一磁柱，從而使得磁場中的低頻分量在所述第一磁柱中相互抵消，只留有高頻成分。同時，由於所述第一磁柱為無內部氣隙的磁性材料，相當於將磁路短路；且任意兩個所述第一磁軛之間通過所述第一磁柱的一端相互隔離，即每一所述第一磁軛單獨與所述第一磁柱的一端連接；任意兩個所述第二磁軛之間通過所述第一磁柱的另一端相互隔離，即每一所述第二磁軛單獨與所述第一磁柱的另一端連接；從而實現所述n個繞組之間的解耦合，並且可以減小所述集成電感的磁損。由於所述n個繞組之間處於解耦合狀態，因此可根據實際應用的需求分別調節所述n個繞組的電感量。此外，在實際應用時，還可以根據負載大小調節所述集成電感的工作模式，例如，在負載較小時，可以將所述n個繞組中的至少一個繞組設置為休眠狀態，以降低功率變換器的功耗。

請參閱圖1，在本發明一個實施例中，提供一種集成電感100，包括磁芯110和兩個繞組130，所述磁芯110包括第一磁柱111、兩個第二磁柱113以及設置於所述第二磁柱113兩端的第一磁軛1131和第二磁軛1133；所述第一磁柱111與兩個所述第二磁柱113平行間隔設置，所述第一磁柱111與所述第二磁柱113的間距相等；所述第二磁柱113的一端通過所述第一磁軛1131與所述第一磁柱111的一端連接，所述第二磁柱113的另一端通過所述第二磁軛1133與所述第一磁柱111的另一端連接；兩個所述繞組130一一對應地設置於兩個所述第二磁柱113上。

每一所述第一磁軛1131與所述第一磁柱111的一端之間形成一第一接觸面1135，任意兩個所述第一接觸面1135的面積相等；每一所述第二磁軛1133與所述第一磁柱111的另一端之間形成一第二接觸面1137，任意兩個所述第二接觸面1137的面積相等；通過每一所述第二磁柱113對應的第一接觸面1135和第二接觸面1137的磁通密度相同。其中，所述第一磁軛1131的中軸線垂直於所述第一磁柱111，所述第一接觸面1135為所述第一磁軛1131在與所述第一磁柱111連接之處垂直於所述中軸線的橫截面；所述第二磁軛1133的中軸線垂直於所述第一磁柱111，所述第二接觸面1137為所述第二磁軛1133在與所述第一磁柱111連接之處垂直於所述中軸線的橫截面。

在本發明一個實施例中，將所述兩個繞組130分別標記為第一繞組131和第二繞組133。假設所述第一繞組131中的電流為i1，所述第二繞組133中的電流為i2，且所述電流i1與電流i2的方向相反，如圖1中箭頭所示，則所述第一繞組131產生的磁場方向與所述第二繞組133產生的磁場方向也相反。假設通過所述第一繞組131對應的第二磁柱113及其兩端的第一磁軛1131和第二磁軛1133的磁通量為φ1，通過所述第二繞組133對應的第二磁柱113及其兩端的第一磁軛1131和第二磁軛1133的磁通量為φ2，則通過所述第一磁柱111的磁通量為φ1-φ2。由於所述第一繞組131與所述第二繞組133產生的磁場方向相反，所述第一繞組131產生的磁通量φ1中的低頻成分與所述第二繞組133產生的磁通量φ2中的低頻成分在所述第一磁柱111中相互抵消，僅保留高頻成分，如圖2所示。

請參閱圖3，在本發明一個實施例中，所述集成電感100可以被設置為單路工作模式。例如，將所述第一繞組131接入電流i1，並保持所述第二繞組133 懸空，即所述第二繞組133中的電流為零。在單路工作模式下，由於只有一個繞組有電流接入，另一個繞組懸空，從而可以降低所述集成電感100的功耗。此外，假設通過所述第一繞組131對應的第二磁柱113及其兩端的第一磁軛1131和第二磁軛1133的磁通量為φ1，則通過所述第一磁柱111的磁通量也為φ1，相對於多路繞組同時工作狀態下，所述第一磁柱111中的磁通量大幅下降。對比圖3和圖1也可以看出，在相同的磁芯截面下，單路工作模式時通過所述第一磁柱111的磁通量相對於多路繞組同時工作時通過所述第一磁柱111的磁通量大幅下降。因此，所述第一磁柱111可以採用鐵氧體等低飽和磁通密度的材料，從而降低所述集成電感100的磁芯損耗，節省成本。

請參閱圖4，在本發明一個實施例中，提供一種磁芯210，包括第一磁柱211、兩個第二磁柱213以及設置於所述第二磁柱213兩端的第一磁軛2131和第二磁軛2133。所述磁芯210相對於圖1所示的磁芯110，區別在於：所述第一磁軛2131嵌入所述第一磁柱211的一端，並與所述第一磁柱211之間形成一l形曲面的第一接觸面2135；所述第二磁軛2133嵌入所述第一磁柱211的另一端，並與所述第一磁柱211之間形成一l形曲面的第二接觸面2137。所述第一接觸面2135和所述第二接觸面2137相對於所述第一磁柱211的中心對稱。

所述第一磁軛2131的中軸線垂直於所述第一磁柱211，所述第一接觸面2135的面積大於所述第一磁軛2131垂直於所述中軸線的橫截面面積；所述第二磁軛2133的中軸線垂直於所述第一磁柱211，所述第二接觸面2137的面積大於所述第二磁軛2133垂直於所述中軸線的橫截面面積；通過每一所述第二磁柱213對應的第一接觸面2135和第二接觸面2137的磁通密度相同。

通過將所述第一磁軛2131和第二磁軛2133嵌入到所述第一磁柱211中，並分別與所述第一磁柱211之間形成l形曲面的第一接觸面2135和第二接觸面2137，可以有效增加所述第一磁柱211與所述第一磁軛2131及第二磁軛2133之間的接觸面積，從而增加所述第一接觸面2135和第二接觸面2137的磁通容量，降低所述第一磁柱211出現磁飽和的風險。

請參閱圖5，在本發明一個實施例中，提供一種磁芯310，包括第一磁柱311、兩個第二磁柱313以及設置於所述第二磁柱313兩端的第一磁軛3131和第二磁軛3133。所述磁芯310與圖4所示磁芯210的區別在於：所述第一磁軛3131與所述第一磁柱311的一端嵌入連接，並與所述第一磁柱311之間形成一弧形曲 面的第一接觸面3135；所述第二磁軛3133與所述第一磁柱311的另一端嵌入連接，並與所述第一磁柱311之間形成一弧形曲面的第二接觸面3137。

通過將所述第一磁軛3131和第二磁軛3133嵌入到所述第一磁柱311中，並分別與所述第一磁柱311之間形成弧形曲面的第一接觸面3135和第二接觸面3137，可以有效增加所述第一磁柱311與所述第一磁軛3131及第二磁軛3133之間的接觸面積，從而增加所述第一接觸面3135和第二接觸面3137的磁通容量，降低所述第一磁柱311出現磁飽和的風險。

可以理解，所述第一磁軛在嵌入與所述第一磁柱時，以及所述第二磁軛在嵌入所述第一磁柱時，並不限於圖4和圖5所示兩種嵌入方式，相應地，所述第一接觸面及第二接觸面也並不限於l形曲面和弧形曲面，還可以是半球形曲面、凹面或者楔面等，只需保證所述第一接觸面的面積大於所述第一磁軛垂直於所述中軸線的橫截面面積，所述第二接觸面的面積大於所述第二磁軛垂直於所述中軸線的橫截面面積即可。

可以理解，所述第一接觸面的面積包括所述第一磁軛在嵌入所述第一磁柱時與所述第一磁柱之間形成的對穿過所述第一磁軛和所述第一磁柱的磁力線有切割作用的接觸面面積，即所述第一接觸面與穿過所述第一磁軛和所述第一磁柱的磁力線之間存在一定的夾角；所述第二接觸面的面積包括所述第二磁軛在嵌入所述第一磁柱時與所述第一磁柱之間形成的對穿過所述第二磁軛和所述第一磁柱的磁力線有切割作用的接觸面面積，即所述第二接觸面與穿過所述第二磁軛和所述第一磁柱的磁力線之間存在一定的夾角。

請參閱圖6，在本發明一個實施例中，提供一種集成電感400，圖6所示為所述集成電感400的俯視圖。所述集成電感400包括磁芯410和三個繞組430，所述磁芯410包括第一磁柱411、三個第二磁柱413以及設置於所述第二磁柱413兩端的第一磁軛4131和第二磁軛4133(圖6中，所述第二磁軛4133被所述第一磁軛4131遮擋，故用括弧表示)；所述第一磁柱411與三個所述第二磁柱413分別平行間隔設置，所述第一磁柱411與所述第二磁柱413的間距相等；所述第二磁柱413的一端通過所述第一磁軛4131與所述第一磁柱411的一端連接，所述第二磁柱413的另一端通過所述第二磁軛4133與所述第一磁柱411的另一端連接；三個所述繞組430一一對應地設置於三個所述第二磁柱413上。

可以理解，三個所述第二磁柱413可以呈三角形分布，每一所述第二磁柱 413分別設置於三角形的一個頂點所在的位置，所述第一磁柱411設置於三角形的外心所在的位置，從而使得所述第一磁柱411與每一所述第二磁柱413的間距相等。每一所述第一磁軛4131與所述第一磁柱411的連接方式，以及每一所述第二磁軛4133與所述第一磁柱411的連接方式可以參照圖4或圖5所示實施例中的描述，此處不再贅述。

請參閱圖7，在本發明一個實施例中，提供一種集成電感500，圖7所示為所述集成電感500的俯視圖。所述集成電感500包括磁芯510和四個繞組530，所述磁芯510包括第一磁柱511、四個第二磁柱513以及設置於所述第二磁柱513兩端的第一磁軛5131和第二磁軛5133(圖7中，所述第二磁軛5133被所述第一磁軛5131遮擋，故用括弧表示)；所述第一磁柱511與四個所述第二磁柱513平行間隔設置，所述第一磁柱511與所述第二磁柱513的間距相等；所述第二磁柱513的一端通過所述第一磁軛5131與所述第一磁柱511的一端連接，所述第二磁柱513的另一端通過所述第二磁軛5133與所述第一磁柱511的另一端連接；四個所述繞組530一一對應地設置於四個所述第二磁柱513上。

可以理解，四個所述第二磁柱513可以呈矩陣分布，每一所述第二磁柱513分別設置於矩陣的一角所在的位置，所述第一磁柱511設置於矩陣的中心位置，從而使得所述第一磁柱511與每一所述第二磁柱513的間距相等。每一所述第一磁軛5131與所述第一磁柱511的連接方式，以及每一所述第二磁軛5133與所述第一磁柱511的連接方式可以參照圖4或圖5所示實施例中的描述，此處不再贅述。

請參閱圖8，在本發明一個實施例中，提供一種功率變換器10，包括圖1所示實施例的集成電感100和兩個開關橋臂1、2，其中，所述集成電感100的結構可參照圖1所示實施例中的相關描述，所述集成電感100的第一繞組131和第二繞組133分別與所述兩個開關橋臂1、2一一對應連接。具體地，所述開關橋臂1包括相互串聯的上開關管s1和下開關管s2，所述開關橋臂2包括相互串聯的上開關管s3和下開關管s4，所述開關橋臂1與所述開關橋臂2相互並聯，所述第一繞組131和所述第二繞組133的一端相互連接，所述第一繞組131的另一端與所述開關橋臂1的橋臂中點連接，所述第二繞組133的另一端與所述開關橋臂2的橋臂中點連接。

可以理解，由於所述集成電感100的第一繞組131和第二繞組133之間為 解耦合狀態，因此，在實際應用時，不但可以單獨調節所述第一繞組131和第二繞組133的電感量，還可以根據負載大小調節所述功率變換器10的工作模式，例如，在負載較小時，可以將所述第一繞組131或第二繞組133設置為休眠狀態，即將所述功率變換器10設置為輕載工作模式，從而可以降低所述功率變換器10的功耗。

在本發明一個實施例中，所述功率變換器可包括集成電感和n個開關橋臂，所述集成電感可包括磁芯和n個繞組，所述磁芯包括第一磁柱、n個第二磁柱以及設置於所述第二磁柱兩端的第一磁軛和第二磁軛；所述第一磁柱與所述n個第二磁柱分別平行間隔設置，所述第一磁柱與所述第二磁柱的間距相等；所述第二磁柱的一端通過所述第一磁軛與所述第一磁柱的一端連接，所述第二磁柱的另一端通過所述第二磁軛與所述第一磁柱的另一端連接；所述n個繞組一一對應地設置於所述n個第二磁柱上；所述n個繞組分別與所述n個開關橋臂一一對應連接；其中，n為大於或等於2的整數。所述集成電感可以是但不限於圖1、圖6或圖7所示實施例中的集成電感，具體可以參照圖1、圖6或圖7所示實施例中的相關描述，此處不再贅述。可以理解，在負載較小時，所述功率變換器可以將所述n個繞組中的至少一個繞組設置為休眠狀態，即將所述功率變換器設置為輕載工作模式，從而可以降低所述功率變換器的功耗，並提升所述功率變換器在輕載時的工作效率。

可以理解，本發明實施例對所述功率變換器的電平等級不作限定，例如，所述功率變換器可以為二電平功率變換器，三電平功率變換器或四電平功率變換器等；此外，本發明的實施例對所述功率變換器的類型也不作限定，例如，所述功率變換器可以為二極體箝位型多電平功率變換器，也可以是電容箝位型多電平功率變換器等。

以上所揭露的僅為本發明的優選實施例而已，當然不能以此來限定本發明之權利範圍，本領域普通技術人員可以理解實現上述實施例的全部或部分流程，並依本發明權利要求所作的等同變化，仍屬於發明所涵蓋的範圍。