許濤，華雷

（四川九洲空管科技有限責任公司，四川 綿陽 621000）

0 引言

磁性元件是開關電源的核心部件，主要實現(xiàn)儲能、轉換、濾波和電絕緣等功能。據(jù)統(tǒng)計，磁性元件的重量在變換器中占比為30%～40%，體積占比約為20%～30%。伴隨著工業(yè)生產(chǎn)技術的發(fā)展，開關電源電路具備微型化、高頻率、效率高、可靠性高和高功率密度的特性。隨著開關頻率的提高，有助于減小磁性元件的體積和重量，但效果不明顯，隨著頻率的增加，磁芯的損耗會大大增加，磁芯的使用率會減少，這限定了磁性元件規(guī)格和凈重的進一步減少。因而，為了更好地完成配電變壓器，尤其是大電流量模塊化電源的效率高、高功率密度、小規(guī)格和凈重的規(guī)范化，科學研究工作人員明確提出了磁集成技術。20世紀90年代至今，伴隨著平面圖磁性元件運用的普及化和磁性元件生產(chǎn)制造自動化技術水平的持續(xù)提升，磁集成技術也獲得了迅速發(fā)展。

磁集成技術便是在SPWM中盤繞2個或2個之上的分立磁元件(DM)，如儲能技術電感器、輸出功率SPWM等，成為集成磁件（Integrated Magnetics，IM）。磁集成技術采用一體化結構，在一對磁芯上.減少磁性元件的耗損、容積和凈重，提升過慮實際效果具備關鍵實際意義。

1 磁集成技術的發(fā)展

20世紀90年代之后，伴隨著平面圖磁性零件運用的普及化和發(fā)展，磁性零件生產(chǎn)制造自動化技術水平的提升，IM的運用越來越相對性非常容易。與此同時，伴隨著開關電源電路的持續(xù)發(fā)展，對其規(guī)格、凈重和高效率明確提出了規(guī)定，尤其是微控制器和集成IC的迅速發(fā)展趨勢對新一代高功率開關電源明確提出了更高的挑戰(zhàn)，促進了磁集成技術的運用和發(fā)展趨勢[1]。

磁集成技術于20世紀90年代引入我國。1990年版《開關穩(wěn)壓電源》引入Cuk變電器時，曾簡略談及磁集成技術的功效。接著，清華的專家教授宣布詳細介紹了互調(diào)的定義，并詳解了帶磁元器件雙偏位的建模及其一部分互調(diào)變電器的原理。磁集成技術的實際科學研究直至90年代末才宣布執(zhí)行，并獲得了一些成效。

磁集成技術主要用于電力電子中的開關電源，具有以下優(yōu)點：一是可以減少開關電源中的器件數(shù)量。磁集成技術關鍵用以電力電子技術中的開關電源，具備下列優(yōu)勢:一，能夠降低開關電源中的元器件總數(shù)；二，可以降低磁芯和繞組的損耗，提高開關電源的效率和功率密度；三，可以有效減小磁芯的體積和重量；四，能夠減少I/O電流量諧波失真，提升開關電源的動態(tài)特性，如瞬態(tài)響應速度[2]。

2 磁件等效電路模型

磁性元件（電感和變壓器）定性分析的閉路計算方法主要是分步轉換法，即根據(jù)變壓器等效電路的物理模型進行分步轉換，然后推導出磁性部分的電源電路的物理模型。全部模型全過程能夠分成四個流程:最先，依據(jù)閉合電路的歐姆定律，繪制帶磁元器件的閉合電路；隨后利用對偶原理獲得等效電路成對原理圖；隨后較為等效電路匹配圖的比率，獲得電流量與總流量的關聯(lián)圖。最終，利用電流的磁效應電流磁效應的基本定律和變電器的特點電阻器對關聯(lián)性開展轉換，從而對電流量與bt鏈接的關系圖開展轉換，獲得串聯(lián)電路。電平轉換的目的是將感應電動勢中包含的i與電源電路的電流i、磁通量Φ、電源電路的工作電壓v(v=N?)連接起來，使之等價電路到電源電路的改造。還可以根據(jù)電感L=ψ/i的定義、融合關系和變壓器特性阻抗轉換關系、電路串聯(lián)和并聯(lián)關系等計算各端口的等效閉合電路。這兩種方法本質(zhì)上是一樣的[3]。

磁性部分閉合電路的物理模型與普通電源電路相同，有利于電源電路的即時比較和分析。它被廣泛使用，但整個計算過程很復雜。因此，將磁性部分分成磁性圓柱體以獲得磁性部分。閉路感應變壓器的通用物理模型解決了這個問題。但是，磁芯結構復雜的電感-變壓器閉合電路是非常困難的，并且電感-變壓器閉合電路不能立即反應磁性元件等效電路的主要參數(shù)。因此，David C.Hamill在1993年明確提出了另一種磁閉合電路物理模型：轉子-電容器等效電路物理模型。造型簡單直接，又體現(xiàn)了電源電路和磁性元件等效電路的特點。用電流來操縱電壓源而不是旋轉器，然后就可以進行電路設計了。另外，物理模型中磁芯的主要參數(shù)相對獨立，可以方便地加入磁芯的飽和狀態(tài)和磁滯，使用電感和變壓器等效電路的物理模型必須轉換為電感。因此，轉子-電容器實體模型不僅可以通過仿真獲得主要的電、磁參數(shù)，而且有利于磁性部件的精確計算和仿真，也推動了標準化、通用化的磁芯模型仿真庫的創(chuàng)建，具有很強的現(xiàn)實意義。磁性零件在仿真分析方面具有顯著優(yōu)勢，引起了大家對科學研究的興趣。

3 磁元件集成通用方法

分離的磁性元件組合后，它們之間沒有耦合效應，這就是分離的整合。解耦集成是一種通用的磁集成方式?，F(xiàn)階段有兩種解耦整合方式。通過給出一個低磁電等效電路來完成去耦是最基本的去耦方法。如圖1所示，N1和N2為感應線圈，分別繞在磁芯兩側。它們之間基本上沒有耦合。磁芯的中心柱沒有磁密度，其磁阻低于有磁密度的側柱。因此，由此產(chǎn)生的磁通量通過中心柱產(chǎn)生一個控制回路，這種方法可以增強許多磁性成分的分離和整合。由于需要單個低頻公共磁路，N個磁性元件的集成至少需要N個加上一個磁環(huán)。

圖1 解耦集成方法1

另一種方法是根據(jù)解耦效應完成解耦集成。如兩個電感器的解耦集成，如圖2所示。電感2繞在磁芯的中心柱上，線圈匝數(shù)為N2，磁通被兩側的柱子閉合。為了更好地補償電感1產(chǎn)生的磁通，電感1分解成N11和N12繞組繞側軸串聯(lián)，使電感2產(chǎn)生的磁通在左排之間產(chǎn)生，磁通方向磁芯與N11相同。反之，右排方向與N12相同，有效的磁阻設計可以平衡磁通耦合和完全分離的效果。

圖2 解耦集成方法2

4 開關電源的磁集成技術總結

多樣化是磁集成技術的關鍵特點，反映在:①構造的多樣化——切分或組成。②磁通量高效率法多元化——磁通量能夠耦合還可以解耦，能夠累積還可以降低。③磁相對密度的多元化——IM的磁相對密度是由好多個不等式判別式獲得的，自身便是多解難題。較為各種各樣計劃方案的關鍵是下列好多個層面：寄生參數(shù)（關鍵是走電感）、電流量諧波失真分量、磁通量、可塑性和擴展性。

考慮到IM中磁通效率的相關性，磁性元件集成的關鍵有四種：①直流電磁通量和交流磁通量累積，可以合理減小磁性元件的尺寸。②重疊平行磁極中的交替磁通可能會相互抵消。用于電感和電感在繞組中的相位角積分，以及電感和變壓器的積分交變磁通的相對位置和固定位置.可降低磁芯共用磁柱的交變磁場密度，相應可降低鐵芯損耗。③直流電磁通量和直流電磁通量相互減小，這種集成方法有助于減小磁性部件的尺寸?？捎糜谝话汶姼泻碗姼屑?。④耦合線圈感應交變正向磁通可以減少電流紋波分量[4]。

磁芯原材料限定了磁集成技術的運用。磁芯原材料的共振頻率特點決策了其可靠性設計的頻率范疇。因此磁集成只適用工作中在頻率范疇內(nèi)的磁元件，不適感用以工作中在高頻率的磁元件，例如工作中在低頻的鍵入濾波電感和工作中在高頻率的變電器。磁芯是磁集成技術優(yōu)勢的具體限定要素?，F(xiàn)階段最具體的運用是2個帶磁元件的集成?？茖W研究結果顯示，集成好幾個帶磁元件在規(guī)格和耗損上的優(yōu)勢更為顯著，必須專業(yè)設計方案的磁芯。目前的對稱性磁芯限定了磁集成技術的優(yōu)勢。與目前對稱性磁芯的磁集成一般遭遇磁芯中磁通量遍布不勻稱的難題。僅有除掉不必要的磁芯，IM才可以充分運用規(guī)格和損耗上的優(yōu)勢。磁集成的提升不但包含提升電磁線圈和磁密構造，還包含優(yōu)化鐵芯[5]。

5 結語

隨著磁性元件和器件的不斷發(fā)展，微型和高頻磁性技術得到進一步發(fā)展。作為一種應用技術，集成磁技術將發(fā)揮越來越重要的作用，可以大大提高功率密度，減小變壓器的體積和重量。磁集成技術將是未來磁性元件的發(fā)展方向，并為電力電子行業(yè)的發(fā)展帶來新的創(chuàng)新和突破。