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1、磁集成技术在不对称半桥倍流整流变换器中的应用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
2、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
3、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）DMCDR 电路 2 0 0 6 . 0 4. 0 7Po w e r m yCo l l e c t i o n（b）C.Peng 提出的 IMCDR 电路 （c） 拆分（b）中
4、 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 DMCDR 电路。图 2（b）为 C.Peng 最早提出的 IMCDR 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
5、端，c 正 d 负，1 增加，2 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，2 增加，1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 2 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 1 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）
6、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 IMCDR 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）Vab0 （b）Vab0 图 3 图 2（c）所示磁件的等效磁路 3 仿真
7、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
8、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 D0.5 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
9、7）。 图 6 不同输出功率两种集成方式的效率曲线 图 6 表明反向耦合方式时的效率明显高于正向耦合方式时的效率。就反向耦合方式而言，由图 6 可以看出，变换器的效率在输出功率为 700W 之前，随着负载的增加而提高；在 700W 左右为最高，约 94.6，之后则随着负载的增加而降低。这是由于负载较小时，变换器中功率器件的损耗占的比例较小，而其他损耗占的比例较多，且这部分损耗对负载变化的敏感相对器件损耗要小的多，所以在负载较小时，随着负载加大、输出功率增加，其他损耗占的比例逐渐降低，变换器效率增加；当负载增加到一定程度，功率器件的损耗成为损耗的主要部分，由于所用的功率器件为 MOS器件，通态损
10、耗与其电流有效值的平方成正比，而输出功率与负载电流成正比，所以，效率随负载的加大会呈下降趋势。 图 7 不同输入电压反向耦合时效率曲线 图 7 给出了在 300400V 输入范围内变换器的效率。尽管 Asym . HB 变换器更适合恒定的输入电压，但在 300400V 输入范围内它的效率也不低于 91.6。 5 结束语 采用磁集成技术可将不对称半桥倍流整流变换器中的两个分立电感和一个变压器集成在一个铁芯结构上，有效的降低了中柱的交变磁通，从而减小磁件的体积和磁芯损耗，提高了功率密度。 然而， 不对称半桥倍流整流电路和磁集成技术仍有不足之处。 如 CDR 会增加变换器一次侧损耗和滤波电感的损耗；二次侧整流管的损耗也是限制变换器效率的主要因素；受现有磁芯的限制和散磁的影响，磁集成技术在减小铁损的同时会带来铜损的增加，如 IM 的气隙较大，可能会因为铜耗的增加而抵消掉磁集成所减小的铁芯损耗。所有这些不足之处，也必将推动电路拓扑结构和磁集成技术的进一步发展。
