摘" " 要： 為提高雙頻DC-DC變換器的功率密度，提出一種將獨立的高低頻電感集成在一個EIE型磁芯上的磁集成電感器設(shè)計方案，通過建立集成磁件的電路-磁路等效模型，設(shè)計了雙頻DC-DC變換器的EIE型磁集成電感器的結(jié)構(gòu)，建立了集成電感的等效模型，對磁集成雙頻DC-DC變換器進行了仿真分析，并通過實驗平臺驗證了新型磁件的運行效果。結(jié)果表明：新型磁件設(shè)計合理，可以在系統(tǒng)中穩(wěn)定運行，通過測量得到集成磁元件的體積和質(zhì)量分別為原來的27.6%和23.3%，使得雙頻變換器系統(tǒng)的功率密度得到了提升。

關(guān)鍵詞： EIE型集成電感器；磁集成技術(shù)；雙頻DC-DC變換器；磁路等效模型

中圖分類號： TM55" " " " " " "文獻標志碼： A" " " " " " " " 文章編號：" １６７１－０２４Ｘ（２０25）０1－００75－08

Design of EIE magnetic integrated inductor for double-frequency

DC-DC converters

GAO Shengwei1， JIN Congzhong2， YU Guanheng1， WANG Xiran2

（1. Tianjin Key Laboratory of Intelligent Control of Electrical Equipment ， Tiangong University， Tianjin 300387， China；

2. Logistics Center of China Tobacco Corporation Tianjin Company， Tianjin 300410， China）

Abstract： In order to improve the power density of the double-frequency DC-DC converter， a design scheme of a magnetic integrated inductor that integrates high frequency inductors and low frequency inductors in an EIE-type magnetic core was designed. By establishing the circuit-magnetic circuit equivalent model of the integrated magnetics， the structure of the EIE magnetic integrated inductor of the double-frequency DC-DC converter was designed， the equivalent model of the integrated inductance was established， and the magnetic integrated double-frequency DC-DC converter was simulated and analyzed. The rationality of the new magnetic component was verified. The results show that the experimental platform verifies that can work stably in the system. The volume and mass of the integrated magnetic component are measured to be 27.6% and 23.3% of the original， respectively， which improves the power density of the double-frequency converter system.

Key words： EIE-type integrated inductor； magnetic integration technology； double-frequency DC-DC converter； magnetic circuit equivalent model

雙頻DC-DC變換器包含一個高頻開關(guān)單元和一個低頻開關(guān)單元，其中高頻單元用于決定系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能和暫態(tài)性能，低頻單元為高頻單元分流，降低高頻單元的開關(guān)損耗，使得高頻單元可以低損耗地工作在很高的頻率下，提高變換器的動態(tài)響應?；镜碾p頻DC-DC變換器的拓撲可以通過開關(guān)電感三端網(wǎng)絡(luò)旋轉(zhuǎn)得到雙頻Buck變換器、雙頻Boost變換器以及雙頻Buck-Boost變換器。目前國內(nèi)外電力電子學界針對雙頻Buck變換器的研究主要包括拓撲結(jié)構(gòu)的演變、控制策略的改進、系統(tǒng)參數(shù)的分析、數(shù)學模型的建立等幾個方面[1-8]。但目前的雙頻Buck變換器仍然有許多問題有待解決，例如低頻單元的引入雖然降低了系統(tǒng)高頻單元的開關(guān)損耗，但卻增加了2個開關(guān)器件以及1個低頻的大電感，這限制了變換器功率密度的提升。因此，針對雙頻變換器的磁元件的研究成為提高變換器功率密度的手段。

磁集成技術(shù)是指通過合理的參數(shù)設(shè)計以及合適的耦合方式使變換器中的多個分立磁元件集成到一個磁元件上，能夠減小磁元件的數(shù)量、體積和磁損耗，提高變換器的功率密度，改善變換器的輸出特性[9-14]。根據(jù)集成磁件的不同，主要有電感與電感的集成、電感與變壓器的集成以及變壓器與變壓器的集成。文獻[15]提出了一種交錯并聯(lián)系統(tǒng)的磁集成方法，可將變換器的磁件集成到一個磁芯上，從而大幅度地降低系統(tǒng)的體積。文獻[16]提出了一種電感與變壓器的磁集成方法，將LLC諧振變換器的諧振電感與變壓器集成在一個磁芯上，提高了LLC諧振變換器的功率密度。文獻[17]針對多諧振腔諧振變換器，采用磁集成的方法，將多個變壓器集成到一個磁芯上，進而提高諧振變換器的功率密度。電感與電感的磁集成方法也可以分為耦合集成的方法和解耦集成的方法。在耦合集成方面，文獻[18]針對雙向DC-DC變換器，提出了一種新型的磁芯結(jié)構(gòu)，將雙向DC-DC變換器的電感耦合在一個磁芯上，減小電感電流的毛刺和開關(guān)管的尖峰電壓。文獻[19]提出了一種解耦集成方法，將Boost型PFC的電感集成到一個磁芯上，減小了磁元件的數(shù)量，提高了變換器的功率密度。

為提高雙頻Buck變換器的功率密度，本文提出一種EIE型的解耦集成電感器結(jié)構(gòu)，將雙頻Buck變換器的高低頻繞組集成在一個磁芯上，首先建立集成電感器磁阻等效模型，分析其解耦成立的條件；之后，通過分析變換器的特性以及磁元件特性給出了集成電感器的參數(shù)，針對集成磁件下系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性以及暫態(tài)特性進行了仿真分析，并通過有限元法驗證了集成磁件的磁密分布和磁場強度情況；最終在輸入電壓60 V、輸出電壓24 V的雙頻Buck變換器樣機中驗證EIE型磁集成電感器設(shè)計的合理性。

1 EIE型解耦集成電感器分析

1.1 解耦集成的必要性

雙頻Buck變換器如圖1所示。

圖1中S1-S4為雙頻變換中的功率器件。雙頻DC-DC變換器中高低頻單元分別包含2個電感，高頻單元電感記為H，低頻單元電感記為L，H和L可以采用同名端連接的方式進行耦合，也可以采用異名端連接的方式進行耦合，sn為開關(guān)器件，其中n∈（1，2， 3，4），Cin和Cout分別為輸入和輸出電容，等效電路如圖2所示。當高低頻電感耦合時，高頻電感與低頻電感會產(chǎn)生感應電壓，使雙頻變換器的低頻單元喪失為高頻單元分流的能力。因此，有必要研究具備耦合系數(shù)為0的EIE型磁集成電感器的雙頻DC-DC變換器。

1.2 EIE型解耦集成電感器的磁路模型

本文提出的新型EIE型解耦集成電感器，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

磁芯由2個“E”字型鐵氧體和一個“I”字型鐵氧體構(gòu)成，其中2個“E”字型鐵芯分別置于“I”字型鐵芯的兩端，組成EIE型磁芯結(jié)構(gòu)，磁柱記為柱Ⅰ—柱Ⅶ，其中IH為高頻單元電感電流，IL低頻單元電感電流，H1和H2為高頻單元電感1段和2段的磁場強度。

雙拼DC-DC變換器的高低頻電感值不同導致EIE型集成電感器的氣隙上下不對稱，為保證磁元件結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，集成電感器左右對稱，gap1—gap4為電感器的氣隙。由于磁元件的磁芯磁阻、氣隙磁阻、雜散磁通以及繞組之間的距離均會影響電感與電感之間的耦合系數(shù)，為保證EIE磁芯上高低頻電感耦合系數(shù)為0，高低頻電感繞制位置如圖3所示。在磁元件中，磁元件的磁阻主要包括磁元件氣隙磁阻以及磁芯磁阻，磁路的磁阻影響著磁元件中磁通密度的分布情況，進而影響兩電感的解耦條件。根據(jù)歐姆定律得到EIE型集成電感器的基本磁路模型如圖4所示。圖4中，Rgap1-Rgap4為氣隙產(chǎn)生的磁阻，Ra-Rd為磁芯產(chǎn)生的磁阻。圖5為圖4磁路的簡化模型。圖5中R1-R5滿足式（1）。

R1 = Rgap1 + Ra + RdR2 = Rgap3 + RbR3 = RcR4 = Rgap2 + Ra + RdR5 = Rgap4 + Rb（1）

1.3 集成電感解耦條件

為簡便分析，不考慮磁元件漏感。圖6為單一高頻電感作用條件下EIE型電感器磁路—電路等效模型。

根據(jù)磁路節(jié)點電壓定律，其產(chǎn)生的磁通量Ф1-Ф4有如下方程：

為保證EIE型磁集成電感器正常工作，需保證各磁柱最大磁通密度小于鐵氧體材料的最大磁通密度，即令式（18）—式（21）均小于0.45 T，以此得到NH1、NH2、NL的取值范圍。

3 仿真分析

3.1 磁集成雙頻變換器仿真分析

通過電容回轉(zhuǎn)器建立集成磁元件模型，為驗證集成磁件下雙頻DC-DC變換器的工作狀態(tài)提供了可能，圖9為EIE型集成電感器的電容回轉(zhuǎn)器模型，利用PSpice建立磁元件的電容回轉(zhuǎn)器模型，通過Simulink和PSpice聯(lián)合仿真以得到磁集成雙頻DC-DC變換器的工作情況。

已知變換器參數(shù)為：輸入電壓Vin = 60 V；輸出電壓Vo = 24 V；負載電流I0 = 2.4 A；高頻單元開關(guān)頻率為400 kHz；低頻單元開關(guān)頻率為100 kHz；高頻電感值為50 μH；低頻電感值為200 μH；集成磁件尺寸如圖8所示。同時參考圖3和圖4，相關(guān)參數(shù)設(shè)置為：NH1 = NH2 = 8；NL = 18；lgap1 = lgap2 = 0.2 mm；lgap3 = lgap4 = 0.9 mm。

為提供比較參考，采用分立磁件下的雙頻DC-DC變換器與集成磁件下的變換器仿真進行對比。圖10為分立磁件下雙頻Buck變換器額定輸出電壓V0、輸出電流I0、高頻電感電流IH、低頻電感電流IL的波形。在閉環(huán)控制下，低頻電感電流時刻追蹤高頻電感電流，低頻單元成功為高頻單元分流。圖11為EIE型集成電感器下雙頻Buck變換器穩(wěn)態(tài)工作波形。由仿真可知，集成磁件下的雙頻Buck變換器與分立磁件下的雙頻Buck變換器特性一致。

圖12和圖13分別為不同磁元件下雙頻Buck變換器的滿載切半載波形。仿真結(jié)果說明，當負載發(fā)生變化時，不同磁元件下的雙頻Buck變換器均可快速完成響應。

3.2 有限元分析

有限元法在磁性元件的仿真中有獨特的優(yōu)勢，可以直觀地顯示出磁件的磁通、磁場、電場以及熱場的情況，在磁件設(shè)計過程中通過有限元軟件進行仿真，有助于驗證理論結(jié)果，為實驗可行性提供保障。分立磁件高頻電感采用EE25磁芯，匝數(shù)取28匝，氣隙取0.88 mm；低頻電感采用EE33磁芯，匝數(shù)取36匝，氣隙取0.90 mm；集成磁件參數(shù)與上文一致。磁芯材料選擇TDK公司的PC95鐵氧體磁芯，考慮溫升以及系統(tǒng)參數(shù)，飽和磁通密度為0.45 T。

圖14為集成磁件的有限元仿真，其最大磁通密度為0.26 T，滿足設(shè)計要求，磁集成雙頻Buck變換器能夠正常工作。圖15為分立磁件高頻電感的有限元仿真，其最大磁通密度約為0.27 T；圖16為分立磁件低頻電感的有限元仿真，其最大磁通密度為0.41 T?；趯D14—圖16仿真結(jié)果，可以得到本文提出的集成磁件設(shè)計方法可以實現(xiàn)磁路解耦，并且集成磁件最大磁通密度還小于分立磁元件，避免磁飽和，可以更加穩(wěn)定地運行。

4 實驗驗證

為驗證EIE型集成電感器設(shè)計合理性以及磁集成雙頻Buck變換器的工作情況，建立了圖17所示的60 W雙頻Buck變換器樣機。高頻單元開關(guān)頻率為400 kHz，功率器件采用SiC器件；低頻單元開關(guān)頻率為100 kHz，功率器件采用Si器件；磁性元件采用EIE型集成電感器。采用分立電感下的雙頻Buck變換器進行對比實驗。磁元件的參數(shù)與上文仿真一致。

在圖17磁集成雙頻Buck變換器樣機中，可以看到集成磁件體積上明顯小于2個分立磁件的體積和，通過實驗測量，得到集成磁件的體積和質(zhì)量分別為原來的27.6%和23.3%。

圖18與圖19分別為集成磁件和分立磁件下系統(tǒng)的輸出電壓Vo、輸出電流Io、高頻電感電流IH、低頻電感電流IL的波形。由圖18—圖19可以看出，在不同磁元件下，雙頻變換器的低頻電感電流都很好地追蹤了高頻電感電流，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)輸出基本一致，證明磁集成電感器設(shè)計合理，高低頻電感完全解耦。

圖20與圖21為集成磁件和分立磁件下系統(tǒng)輸出電壓V0、輸出電流I0的暫態(tài)波形。由圖20—圖21可以看出，集成磁件與分立磁件系統(tǒng)的響應速度一致。

5 結(jié)束語

本文提出了一種面向雙頻DC-DC變換器的EIE型磁集成電感器設(shè)計方法，即通過建立EIE型磁集成電感器磁路-電路等效模型，得到高低頻電感耦合系數(shù)為0的條件，完成集成磁件參數(shù)的設(shè)計；通過電容回轉(zhuǎn)器仿真和有限元仿真驗證磁元件設(shè)計的合理性?；诒疚拇偶煞椒ㄔO(shè)計的集成磁件與分立磁件樣品相比，通過測量得到集成磁件體積和質(zhì)量分別減小了27.6%和23.3%。通過60 W雙頻Buck變換器樣機測試，集成磁件系統(tǒng)與分立磁件系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能與暫態(tài)特性基本一致，驗證了EIE型磁集成電感器設(shè)計的可行性。

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本文引文格式：

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收稿日期： 2022-11-07" " " " 基金項目： 天津市科技計劃項目 （20YDTPJC01520）

第一作者： 高圣偉（1978—），男，博士，教授，主要研究方向為電力電子技術(shù)。E-mail：gaoshengwei@tiangong.edu.cn

通信作者： 金從眾（1983—），男，高級工程師，主要研究方向為物流流程電氣自動化軟硬件設(shè)計。E-mail：jincongzhong@163.com