磁集成技术在不对称半桥倍流整流变换器中的应用

1 引言

　　随着通信设备、计算机时钟频率的不断提高，对低压/大电流输出的电源要求越来越高。要提高功率密度，就必须减小体积，降低损耗。人们通常采用提高频率的方法来获得小型化，但受到磁件特性的限制，高频化的方法有一定的局限性：一方面，频率的提高会受到整机效率的限制；另一方面，频率的提高会带来磁芯损耗的迅速加大，为了减小磁芯损耗，磁芯高频工作时一般要降额使用，磁芯利用率降低，限制了磁件体积的减小。为进一步减小磁件的体积和损耗，同时保证变换器性能良好，人们研究了磁集成技术的应用。磁集成技术就是将变换器的两个或多个分立磁件绕制在一副磁芯上，从结构上集中在一起。采用磁集成技术可以减小磁件的体积、重量和损耗，减小电流纹波，改善滤波效果，对提高电源的性能及功率密度有重要意义。

2 电路结构及磁件结构

　　在研究电路拓扑时，不仅要从电路拓扑方面考虑问题，还要注意将电路拓扑方案与磁件的可能集成方案综合在一起研究，达到电路结构与磁件结构的最佳组合。

2.1 电路结构

图1　不对称半桥倍流整流变换器电路
　　不对称半桥( Asymmetrical Half Bridge , Asym . HB )倍流整流( Current Doubler Rectifier , CDR )变换器电路如图1所示。选择这种电路结构是因为它简单、高效，并且CDR对减小变压器的二次绕组的损耗有利。图1电路中有三个分立磁件（Discrete Magnetics , DM），变压器T，电感LO1 和LO2 ，本文主要就是应用磁集成技术将这三个磁件集成在一起，从而减小磁件损耗、体积。DM集成后的磁件被称为集成磁件（Integrated Magnetics , IM ）。

2.2 磁件结构

　　用源转移等效变换法，给出了IM的变换过程如下：

（a）DM－CDR 电路

（b）C.Peng 提出的IM－CDR电路

（c） 拆分（b）中IM的绕组得到的IM

(d)合并（c）中IM的绕组得到Wei Chen提出的IM

（e）拆分（d）中IM的绕组得到的IM

（f）改变（e）中IM的绕组连接方式得到改进型IM
图2 不对称半桥倍流整流电路中IM的变换过程
　　图2（a）为从图1中简化的DM－CDR 电路。图2（b）为C.Peng 最早提出的IM－CDR电路。用源转移等效变换法，将图2（b）所示磁件的副边绕组匝数不变、一拆为二，得到图2（c）。令R1、R2、Rc 分别为磁芯三个磁柱的磁阻，可画出图2（c）在一个工作周期的等效磁路：当a、b两点间电压为正，输出电压加在c、d两端，c正d负，φ1增加，φ2减小，等效磁路为图3（a）；当a、b两点间电压为负，输出电压加在e、d两端，e正d负，φ2增加，φ1减小，等效磁路为图3（b）。由等效磁路可知，当a、b两点间电压为正，在φ2对应的磁路，电感与变压器副边产生的磁动势完全抵消；当a、b两点间电压为负，在φ1对应的磁路，磁动势抵消为零。根据磁路分析结果，将图2（c）中IM的变压器副边绕组与电感绕组合并，得到图2（d），即Wei Chen提出的IM。图2（d）与图2（b）相比，省去了变压器副边绕组，减少了IM的连接端子，对减小磁件铜耗和体积非常有利。但是，图2（d）中绕组分别位于三个磁柱，必然存在较大的漏感，会降低变换器的性能。为克服这个问题，可用源转移变换方法，将原边ab绕组一拆为二，移到侧柱，如图2（e）所示。图2（e）中，IM的绕组被分成两部分，分别绕在磁芯的两个侧柱。改变（e）图中一个磁柱上绕组的连接方式（实际是改变绕组同名端）就得到了改进的IM－CDR电路，如图2（f）所示。改变绕组连接方式时，同一磁柱上的各绕组要同时变化，使同一磁柱上的各绕组间的同名端相对不变。图2（e）与图2（d）相比，能减小磁芯中柱的交变磁通，对减小原边电流也有好处。

　　

（a）Vab>0　　　　　　　　　 （b）Vab0
图3　图2（c）所示磁件的等效磁路

3 仿真波形

　　对比图2（e）与图2（f）可得出，两种不同方式下的磁通耦合作用不同。当绕组产生的磁通互相增强，就是正向耦合方式；反之，就是反向耦合方式，很明显，图2（e）为正向耦合方式，图2（f）为反向耦合方式。

A------反向耦合中柱交变磁通
B 、C------两侧柱交变磁通
D------正向耦合中柱交变磁通
图4 两种不同集成方式中柱的交变磁通

图5 两种集成方式不同占空比时磁通纹波系数
　 　对以上两种耦合方式进行PSpice 仿真，可得出图4，由图4可以得出，中柱的交变磁通为两侧柱交变磁通的总和，正向耦合方式增大了中柱交变磁通，反向耦合方式减小了中柱交变磁通，即降低了中柱的最高磁密，从而减小了磁件的体积。
　　图5给出了占空比D变化时两种不同集成方式下中柱的磁通纹波系数。通过PWM可调节占空比D的大小，在反向耦合时（图2（f）），两个侧柱产生的交变磁通在中柱消减，特别是当D＝0.5时，两个侧柱产生的交变磁通在中柱完全抵消，纹波系数为零；而正向耦合时（图2（e）），无论占空比D为何值，纹波系数恒为1。
　　由以上比较可以得出，采用反向耦合的集成方式更有利于减小中柱的交变磁通，降低中柱的最高磁密，减小了中柱的体积和损耗，从而减小整个磁件的体积和损耗。

4 效率曲线

　　为了说明磁集成的效果，给出了正向耦合与反向耦合时的效率曲线（图6）和反向耦合时输入电压变化时的效率曲线（图7）。