磁集成技术在电力电子行业开关电源中的应用

时间： 2024-07-06 来源：合肥艾创微电子科技有限公司公众号

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概述

磁性元件是开关电源的核心部件，主要实现储能、转换、滤波和电绝缘等功能。据统计，磁性元件的重量在变换器中占比为30%~40%，体积占比约为20%~30%。伴随着工业生产技术的发展，开关电源电路具备微型化、高频率、高效率、高可靠性和高功率密度的特性。开关频率的提高，有助于减小磁性元件的体积和重量，但效果并不显著，随着频率的增加，磁芯的损耗会大大增加，磁芯的使用率会减少，这限制了磁性元件规格和净重的进一步减少。因而，为更好地完成配电变压器，尤其是大电流量模块化电源的高效率、高功率密度、小规格和净重的规范化，科学研究工作人员明确提出了磁集成技术。

磁集成技术关键用于电力电子技术中的开关电源，具备下列优势:

一、能够降低开关电源中的元器件总数；

二、可以降低磁芯和绕组的损耗，提高开关电源的效率和功率密度；

三、可以有效减小磁芯的体积和重量；

四、能够减少I/O电流量谐波失真，提升开关电源的动态特性，如瞬态响应速度。

01、磁元件等效模型

磁性元件（电感和变压器）定性分析的闭路计算方法主要是分步转换法，即根据变压器等效电路的物理模型进行分步转换，然后推导出磁性部分的电源电路的物理模型。全部模型全过程能够分成四个流程:最先，依据闭合电路的欧姆定律，绘制带磁元器件的闭合电路；随后利用对偶原理获得等效电路成对原理图；而后较为等效电路匹配图的比率，获得电流量与总流量的关联图。最终，利用电流的磁效应电流磁效应的基本定律和变电器的特点电阻器对关联性开展转换，从而对电流量与bt链接的关系图开展转换，获得串联电路。电平转换的目的是将感应电动势中包含的i与电源电路的电流i、磁通量Φ、电源电路的工作电压V连接起来，使之等价电路到电源电路的改造。还可以根据电感L=ψ/i的定义、融合关系和变压器特性阻抗转换关系、电路串联和并联关系等计算各端口的等效闭合电路。这两种方法本质上是一样的。

磁性部分闭合电路的物理模型与普通电源电路相同，有利于电源电路的即时比较和分析，它被广泛使用，但整个计算过程很复杂。因此，将磁性部分分成磁性圆柱体以获得磁性部分，闭路感应变压器的通用物理模型解决了这个问题。但是，磁芯结构复杂的电感-变压器闭合电路是非常困难的，并且电感-变压器闭合电路不能立即反应磁性元件等效电路的主要参数。因此，David C.Hamill在1993年明确提出了另一种磁闭合电路物理模型：转子-电容器等效电路物理模型。造型简单直接，又体现了电源电路和磁性元件等效电路的特点。用电流来操纵电压源而不是旋转器，然后就可以进行电路设计。另外，物理模型中磁芯的主要参数相对独立，可以方便地加入磁芯的饱和状态和磁滞，使用电感和变压器等效电路的物理模型必须转换为电感。因此，转子-电容器实体模型不仅可以通过仿真获得主要的电磁参数，而且有利于磁性部件的精确计算和仿真，也推动了标准化、通用化的磁芯模型仿真库的创建，具有很强的现实意义。磁性零件在仿真分析方面具有显著优势，引起了大家对科学研究的兴趣。

02、磁集成通用方法

分离的磁性元件组合后，它们之间没有耦合效应，这就是分离的整合。解耦集成是一种通用的磁集成方式，现阶段有两种解耦整合方式，通过给出一个低磁电等效电路来完成去耦是最基本的去耦方法。如图1所示，N1和N2为感应线圈，分别绕在磁芯两侧。它们之间基本上没有耦合，磁芯的中心柱没有磁密度，其磁阻低于有磁密度的侧柱。因此，由此产生的磁通量通过中心柱产生一个控制回路，这种方法可以增强许多磁性成分的分离和整合。由于需要单个低频公共磁路，N个磁性元件的集成至少需要N+1个磁环。

图1：解耦集成方法1

另一种方法是根据解耦效应完成解耦集成，如两个电感器的解耦集成，如图2所示。电感2绕在磁芯的中心柱上，线圈匝数为N2，磁通被两侧的柱子闭合。为更好地补偿电感1产生的磁通，电感1分解成N11和N12绕组绕侧轴串联，使电感2产生的磁通在左排之间产生，磁通方向磁芯与N11相同。反之，右排方向与N12相同，有效的磁阻设计可以平衡磁通耦合和完全分离的效果。

图2：解耦集成方法2

03、磁集成技术总结

多样化是磁集成技术的关键特点，反映在:①构造的多样化——切分或组成。②磁通量高效率法多元化——磁通量能够耦合还可以解耦，能够累积还可以降低。③磁相对密度的多元化——IM的磁相对密度是由好多个不等式判别式获得的，自身便是多解难题。比较各种各样计划方案的关键是下列多个层面：寄生参数（关键是走电感）、电流量谐波失真分量、磁通量、可塑性和扩展性。

考虑到IM中磁通效率的相关性，磁性元件集成的关键有四种：①直流电磁通量和交流磁通量累积，可以合理减小磁性元件的尺寸。②重叠平行磁极中的交替磁通可能会相互抵消。用于电感和电感在绕组中的相位角积分，以及电感和变压器的积分交变磁通的相对位置和固定位置，可降低磁芯共用磁柱的交变磁场密度，相应可降低铁芯损耗。③直流电磁通量和直流电磁通量相互减小，这种集成方法有助于减小磁性部件的尺寸。可用于一般电感和电感集成。④耦合线圈感应交变正向磁通可以减少电流纹波分量。

磁芯原材料限定了磁集成技术的运用。磁芯原材料的共振频率特点决定了其可靠性设计的频率范畴。因此磁集成只适用工作中在频率范畴内的磁元件，不适用于工作中在高频率的磁元件，例如工作中在低频的键入滤波电感和工作中在高频率的变电器。磁芯是磁集成技术优势的具体限定要素，现阶段最具体的运用是2个带磁元件的集成。科学研究结果显示，集成好几个带磁元件在规格和耗损上的优势更为显著，必须对磁芯进行专业设计。目前的对称性磁芯限定了磁集成技术的优势，同时对称性磁芯的磁集成也面临着磁芯中磁通量遍布不均匀的难题。只有除掉不必要的磁芯，IM才可以充分运用规格和损耗上的优势。磁集成的提升不但包含提升电磁线圈和磁密构造，还包含优化铁芯。

04、结语

随着磁性元件和器件的不断发展，微型和高频磁性技术得到进一步发展。作为一种应用技术，集成磁技术将在提高功率密度、减小变压器体积和重量等方面发挥着越来越重要的作用。磁集成技术将是未来磁性元件的发展方向，并为电力电子行业的发展带来创新和突破。

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