基于交错变换器中无直流偏磁阵列式集成磁件研究

在开关电源技术领域中，开关电源的发展趋势之一是集成化，近年来人们对集成磁技术的研究越来越重视。磁集成技术是减小磁件体积和损耗以及提高变换器动态性能的重要研究方向。在DC/DC变换器中，为了存储和传递直流功率，其磁件中一般都流过较大的直流偏置电流，在磁件磁芯中产生较大的直流偏磁，为了防止直流偏磁引起磁芯饱和，一般采用低磁导率的材料或者具有集中气隙及分布气隙的高磁导率的材料，但这会使磁芯的利用率降低，同时限制了磁件体积的减小。文献将文献和给出的应用于两通道交错并联DC/DC变换器的集成磁件E形磁芯两侧柱上的气隙同时移到中柱上，使两个电感最大程度地耦合，利用中柱气隙最大限度地削减直流偏磁，取得了较好的效果，但较大的气隙使得磁件损耗增加。本文在分析文献的基础上，提出了一种应用于交错并联DC/DC变换器的阵列式集成磁件。该阵列式集成磁件在磁芯中不存在气隙的情况下消除了各磁路中的直流偏磁，提高了磁芯的利用率;并可以通过在磁芯之间加入磁片得到不同的漏感及选择不同型号的磁芯改变两个电感的耦合程度。

1 阵列式集成磁件在交错并联DC/DC变换器中的应用

近年来，交错并联技术正在应用于低压大电流输出的电压调整模块(VRM)。交错并联拓扑具有抑制输出电流纹波，降低输出滤波器容量和扩大系统输出功率的显著优点，通过减小每个并联之路上的电感，可以显著提高动态特性。

图1是利用阵列式集成磁件构成的双通道交错并联Buck变换器的拓扑，电感L1和L2反向耦合，L1=L2=L。该变换器中开关管S1和S2导通触发脉冲相差，D相等，在一个开关周期内共有4个工作模态。图2为阵列式集成电感的结构示意图，磁路由1#、2#、3#、4#四个磁芯构成;四个绕组N1、N1′和N2、N2′成十字结构，分别绕在相邻两个磁芯的磁柱上，并且有N1=N1′=N2=N2′。N1和N1′绕组连接构成电感L1的绕组ab;N2和N2′绕组连接构成电感L2的绕组cd。

2 阵列式集成磁件消除直流偏磁分析

图2所示阵列式集成磁件磁芯构成可分为两种形式：

(1)四个磁芯材料及型号相同;

(2)对角磁芯材料或型号不相同。

2.1 阵列式集成磁件直流磁通的分布

在以下四个工作模态下，磁件直流磁通分布如图3所示。

2.1.1 四个磁芯材料及型号相同

四个磁芯完全相同。

式(2)表明在四个磁芯材料及型号完全相同的情况下，各磁芯中直流磁通被完全抵消。

2.1.2 对角磁芯材料或型不相同

设1#和3#磁芯型号完全相同，且较2#和4#磁芯具有高的磁导率，则

将式(3)代入式(2)可见，式(2)仍然成立，这表明对角磁芯材料或型号不相同时各磁芯中直流磁通仍然被完全抵消，即无直流偏磁。

2.2 阵列式集成磁件交流磁通的分布

在四个工作模态下，磁件中交流磁通分布如图2所示。

2.2.1 四个磁芯材料及型号相同

各绕组磁通波形及磁芯中的磁通波形如图4所示。从图4可见，各磁芯中交流磁通变化相同，磁芯中无直流偏磁。

2.2.2 对角磁芯材料或型号不相同

仍设1#和3#磁芯型号完全相同，且较2#和4#磁芯具有高的磁导率。各绕组磁通波形及磁芯中的磁通波形如图5所示。从图5可见，由于磁导率不同，对角磁芯中交流磁通变化相同;但2#和4#磁芯磁通变化幅度小于1#和3#磁芯磁通变化幅度;磁芯中无直流偏磁。

变换器一通道导通，另一通道续流时，电感电压ui为

式(5)描述了变换器的稳态性能，式(6)描述了变换器的动态性能，由此可见，变换器的输出性能依赖于耦合系数大小，式(6)表明，耦合电感漏感越小，耦合越强，动态性能越好;但式(5)表明，漏感太小，会有较大的输出纹波。

图2所示阵列式集成磁件可以利用下面两种方法调节电感L1和L2的漏感：

(1)通过设计时采用不同的形状的磁芯来得到不同的漏感;

(2)在磁芯间距之间加入磁片来调节L1和L2的漏感。

3 集成磁件的等效电路

图2阵列式集成磁件每个电感可以看成是四个磁芯分别形成的分立电感的组合，四个磁芯构成四组耦合电感，集成磁件的等效电路是四组耦合电感连接，如图6所示。

本文利用电磁场仿真软件Maxwell对四个磁芯材料及型号完全相同的集成磁件作了仿真验证。仿真参数如下：选择UI10.5磁芯;各磁芯间距1mm;各电感端部电压频率为500kHz。图7为磁件各绕组磁通波形，其中flux-L1U，flux-L1N，flux-L2L和flux-L2R分别为绕组N1，N1′，N2′，和N2′的磁通。图8为各磁芯磁通波形，仿真表明磁芯中无直流偏磁。图9(a)和图9(b)分别为Maxwell软件及利用Saber软件使用图6集成磁件等效电路仿真得到的电流波形，由于仿真漏感较小，电流纹波较大。图10为图2阵列式集成磁件构成的两相变换器实验样机输出电压波形，其中输入电压为12.5V，开关管触发频率为500kHz，占空比为0.3。

本文将阵列式耦合电感应用于交错并联变换器，详细分析了集成磁件消除直流偏磁的原理，给出了磁件的等效电路，同时分析了集成磁件漏感对变换器输出性能的影响，给出了集成磁件改变漏感的两种方法。阵列式耦合电感集成磁件的优点在于可设计漏感的情况下消除了磁路中的气隙，提高了磁芯的利用率。仿真及实验结果表明了阵列式耦合电感集成磁件消除直流偏磁理论的正确性和实用性。