張立明 趙海濤

四相VRM中無直流偏磁陣列式集成磁件的研究

張立明 趙海濤

以消除直流偏磁為突破點，提出了應(yīng)用于四相電壓調(diào)整模塊(VRM)的陣列式集成磁件。研究了VRM的穩(wěn)態(tài)電流及動態(tài)響應(yīng)受陣列式集成磁件各電感耦合系數(shù)的影響；利用“場”、“路”結(jié)合的方法分析了陣列式集成磁件消除直流偏磁的原理；推導得到了陣列式集成磁件等效電路；設(shè)計了陣列式集成磁件的實現(xiàn)結(jié)構(gòu)，并給出了陣列式集成磁件的電磁設(shè)計方法。

集成磁件；耦合系數(shù)；直流偏磁；陣列式磁芯

磁件是VRM的重要部件，其體積、損耗、電感量等是影響VRM的體積、高度、電流紋波、效率和動態(tài)速度的重要因素。在提高開關(guān)電源頻率和采用多相交錯并聯(lián)技術(shù)的基礎(chǔ)上，研究磁集成技術(shù)，可以減小磁件的體積和高度，改善VRM的性能，以適應(yīng)電力電子裝置集成化的發(fā)展趨勢。

1 采用陣列式集成磁件的VRM原理分析

1．1變換器工作原理。

陣列式集成磁件四相非隔離交錯并聯(lián)型VRM采用Buck變換器拓撲如圖1(a)所示，四個電感兩兩反向耦合，其中，電感L1和L3、L2和L4無直接耦合關(guān)系。圖1(b)為集成磁件等效電路模型，四個電感自感相等，即L1=L2=L3=L4=L，變換器在一個開關(guān)周期內(nèi)共有八個工作模態(tài)，各開關(guān)管移相交替導通DTS(D為占空比，D<0.25；TS為開關(guān)周期)，由圖1(b)可知變換器在任意工作模態(tài)，各耦合電感電流均有如下關(guān)系

(1)

在變換器一個開關(guān)周期內(nèi)，根據(jù)各模態(tài)表達式及電感電流關(guān)系式可得到陣列式集成磁件四相非隔離交錯并聯(lián)型VRM的輸入輸出電壓增益為

(2)

(a) 拓撲電路

(b) 集成磁件等效電路模型圖1 四相交錯并聯(lián)型Buck變換器拓撲

(2)式表明，采用陣列式集成磁件并沒有改變VRM電壓增益。對各模態(tài)分析可見，耦合系數(shù)的大小還將影響變換器電流紋波大小及動態(tài)響應(yīng)速度。圖2是利用Saber仿真軟件得到的變換器穩(wěn)態(tài)電流紋波及動態(tài)響應(yīng)速度與集成磁件耦合系數(shù)k大小的變化關(guān)系，由圖可見穩(wěn)態(tài)電流紋波的降低與動態(tài)響應(yīng)速度的加快是一對矛盾?？梢姴煌倪m用場合，應(yīng)根據(jù)VRM的不同的輸出指標要求合理設(shè)計集成磁件的耦合系數(shù)。

1．2陣列式集成磁件消除直流偏磁原理分析。

(1)動態(tài)定價，區(qū)分淡旺季。采用柔性定價，通過多元化的定價方式支持廬山民宿的價格彈性，淡旺季根據(jù)游客需求的不同，設(shè)定不同的，有吸引力的價格。旺季游客數(shù)量巨大，多數(shù)游客的價格敏感度會降低，此時經(jīng)營者可將民宿價格在消費者可接受的范圍內(nèi)調(diào)高，形成創(chuàng)收；廬山旅游淡季時，游客數(shù)量會大幅減少，此時山上民宿空房量大，供大于求，經(jīng)營者應(yīng)該相應(yīng)的降低價格，通過保守的定價，以低價來刺激消費者對于民宿的需求。

1．2．1 直流磁通分布。

(a)電流紋波與k的變化關(guān)系

(b)動態(tài)響應(yīng)與的變化關(guān)系圖2 電流紋波及動態(tài)響應(yīng)與的變化關(guān)系

集成磁件直流磁通分布如圖3所示。在VRM各工作模態(tài)下，各磁芯直流磁通為

ΦⅠ=Φ1-Φ2=0

ΦⅡ=Φ2-Φ3=0

(3)

ΦⅢ=Φ3-Φ4=0

ΦⅣ=Φ4-Φ1=0

圖3 集成磁件直流磁通分布

1．2．2交流磁通分布。

集成磁件交流磁通分布和直流磁通相同，在VRM各工作模態(tài)下，各磁芯交流磁通不為零

φⅠ=φ1-φ2

φⅡ=φ2-φ3

(4)

φⅢ=φ3-φ4

φⅣ=φ4-φ1

各磁芯交流磁通波形理論分析如圖4所示；圖5為電磁場有限元仿真分析磁通波形，結(jié)果與理論分析一致。

圖4 各磁芯交流磁通波形

圖5 電磁場有限元仿真磁通波形

2 集成磁件等效電路

利用磁路—電路對偶變換法可推導得到集成磁件等效電路圖6所示。

3 陣列式集成磁件的設(shè)計

電磁設(shè)計：由于各磁芯消除了直流偏磁，所以直流磁密Bj=0(j=Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ)。因此集成磁件的設(shè)計只考慮交流磁密即可，各磁芯交流磁密峰-峰值為

(5)

式中m為磁芯層數(shù)。各磁芯的最大工作磁密

Bjmax=Bj+|△Bj|(j=Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ)

(6)

ResearchofArrayTypeIntegratedMagneticComponentofnonDC-biasfor4-phaseVRM

Zhang Liming Zhao Haitao

In order to eliminate DC-bias ,this paper presents the array type integrated magnetic component of 4-phase Voltage Regulator Module(VRM).It studies each inductance coupling coefficient of array type integrated magnetic component affected on steady current and dynamic response of VRM and analyses the principle of how array type integrated magnetic component eliminate DC-bias with the method of combining “field” and “circuit”. Equivalent circuit of array type integrated magnetic component is deduced. This paper not only designs the structure of array type integrated magnetic component but also gives the electromagnetism design method of array type integrated magnetic component.

integrated magnetic component; coupling coefficient; DC-bias; array type magnetic core

ClassNo.:TM46DocumentMark:A

孔祥春 鄭英玲)

張立明，助理工程師，雞西礦業(yè)集團培訓中心，黑龍江·雞西。郵政編碼：158100

1672-6758(2010)01-0054-2

TM46

A