开关电源中磁集成技术及其应用_范文
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收 稿 日 期 2 0 0 3 － 0 6 － 3 0 改 稿 日 期 2 0 0 3 － 1 0 － 0 8
1
引言
随着电力电子学科的发展成熟，人们逐渐认识
到，磁性元件 (简称磁件，包括电感、变压器 ) 不仅 是电源中重要的功能元件，实现能量储存与转换、 滤波和电气隔离，同时，其体积、重量、损耗在整 机中也占有相当比例
[12,13]
，将变压器和电感集成在一
起，并称其为“combined transformer and inductor device ” ， IM 的概念才初步显现，磁集成技术也进 入了多种磁件集成的时代。 20 世纪的 70 年代到 80 年代中期，是磁集成技 术快速发展的时期。这期间，出现了较多的磁集成 技术的专利， 其中以 Slobodan.wenku.baidu.comCuk 及 Gordon Bloom 等人的贡献较为突出。 20 世纪 70 年代末， Slobodan. Cuk 将磁集成技术成功地应用在 Cuk 变换器
2004 年 3 月 第 19 卷第 3 期
电 工 技 术 学 报
TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY
Vol.19 Mar.
No.3 2004
开关电源中磁集成技术及其应用
陈乾宏 阮新波 严仰光
( 南京航空航天大学航空电源航空科技重点实验室 南京 210016) 摘要 回顾了磁集成技术的发展历史，介绍并简要分析了目前磁件的等效电路模型及建模方
[3]
感应定律，建模方法的应用并不局限于 IM，但与 DM 相比， 建立其等效电路模型对于分析 IM 对电路 的影响更显得愈发重要。目前主要有两种磁件等效 电路模型：电感、变压器表征的等效电路以及回转 器、电容表征的等效电路。 推导电感、变压器表征的等效电路的方法主要 是对偶变换方法，即根据磁件的磁路模型，进行对 偶变换从而导出磁件的电路模型 [2,20]。建模过程可 分为四步：首先根据磁路欧姆定律，画出磁件等效 磁路；然后运用对偶原理，得到等效磁路的对偶图； 对对偶图进行尺度变换，得到电流、磁链关系图； 最后，应用法拉第电磁感应定律和变压器的阻抗变 换关系，由电流、磁链关系图变换得到等效电路。 对偶变换的目的是将磁动势包含的 i 与电路的电流 i 、磁通 Φ 与电路中的电压 v ( v = NÖ& ) 建立联系，以 完成磁路向电路的转换。如果对磁件等效电路结构 比较熟悉，也可以根据电感的定义式 L= ψ/ i 推导各 端口的等效电感，结合表达式和变压器阻抗变换关 系、电路串并联关系画出等效电路 [9]。两种方法实 质相同。 磁件的电感 − 变压器等效电路模型与常用电路 相同，便于电路的直接比较、解析分析等，应用广
的集成方式等进行系统的归纳、总结。
2
电 工 技 术 学 报
2004 年 3 月
2
历史回顾
1933 年，G.B.Crouse 申请了采用耦合电感滤波
[10]
中的应用拓宽到 IM 的新的分析方法、仿真模型的 研究 [21~25]。磁集成技术被应用在多种场合，如电压 调整模块 (Voltage Regulation Module， VRM)[26~29] 、 功率因数校正变换器 [30~33]、谐振变换器[34, 35]等，以 减小磁件体积、电流纹波及损耗。 20 世纪 90 年代后，国内也开始了对磁集成技 术的认识和研究。在 1990 年版的《开关稳压电源》 中已经简要提到了磁集成技术的作用，到 1993 年， 蔡宣三教授正式引入了 IM 的概念，详细介绍了磁 件的对偶变换建模法以及一些 IM 变换器的工作原 理 [2]。 磁集成技术的具体研究到 90 年代末才正式展 开，福州大学磁学研究所、台达上海电力电子研发 中心以及南京航空航天大学航空电源重点实验室等 都在从事相关研究，并已取得了一定的成果 [3, 36]。 经过 70 多年的发展， 磁集成技术的研究与应用 越来越多样化和系统化，可分为两大类：①磁件等 效电路模型研究——包括建模方法、仿真模型的精 确化等。②具体应用——如何结合具体电路进行磁 件集成，充分发挥其技术优点。
电路的专利
，这就是最早的 IM 应用电路。随着
对耦合电感研究的深入，人们逐渐认识到耦合电感 具有减小电流脉动的优点 [11] 。 自 G.B.Crouse 提出 IM 应用电路后的 40 年间， 磁集成技术的研究一直局限在电感与电感的集成。 直到 1971 年，J.Ceilo 和 H.Hoffman 申请了采用 IM 推挽变换器的专利
[21]
一步等效了磁心的滞环特性，并提出回转器−电容 − 电阻磁心等效模型，其中电阻用来表示磁心损 耗 [23]；文献 [24, 25] 将该方法用于 IM 的仿真分析。
(a) 电 感 示 意 图
(b) 电 感 的 回 转 器 - 电 容 模 型
。根
据所采用的类比关系称其建模方法为磁导电容类比 法，下面用图 1a 所示的电感为例进行说明。图中 Φ 为磁通、 Λ m 为铁心磁导、 Λ 为气隙磁导， v、 i 为 磁件绕组的电压、电流， N 为绕组匝数， F 为绕组 电流产生的磁势。该磁件可分为两部分：①连接磁 路与电路的绕组。②磁路部分。其中绕组连接电路 和磁路，可被看作二端口元件。根据法拉第电磁感 应定律及磁动势的定义，对于该绕组有式 (1) 成立
(1)
4
4.1
磁集成技术的应用
Techniques), it introduces and compares the current equivalent electrical circuit models and the modeling methods of the magnetics, generalizes and analyzes the application of the MIT in switching power supply from the following aspects, the characteristics of the magnetic core, the universal magnetic-integration methods and the different magnetic-integration objects. Besides, the summary of the characteristics of MIT, magnetic-integration methods and the limitation of the application of the MIT are presented in the paper. Keywords ： Magnetic-integration techniques, integrated magnetics, coupled inductor, converter 件体积、重量及损耗的相关技术开展研究与应用，以 满足电源发展的需要。其中，磁集成技术就能有 效减小磁件的体积、重量、损耗以及电源输出纹 波 [2~8] 。 所谓磁集成技术，就是将变换器中的两个或多 个分立磁件 (Discrete Magnetics, DM) 绕制在一副磁 心上，从结构上集中在一起 [2]。集中后的磁件被称 为集成磁件 (Integrated Magnetics, IM)。通过一定的 耦合方式、合理的参数设计，该技术能有效减小磁 件体积和损耗，在一定的应用场合还可减小电源输 出纹波、提高输出动态性能 [2~8]。另外，磁集成技术 能减少连接端，可有效减少大电流场合连接端子的 损耗 [9] 。 本文将回顾磁集成技术的发展历史，对磁件等 效电路模型、磁集成技术主要应用研究内容、常用
法，从磁心特性、磁集成的通用方法以及不同的磁集成对象三方面对磁集成技术的主要应用研究 内容进行了概括分析，总结了磁集成技术的多解性特点、常用的磁集成方式以及磁集成应用的限 制。 关键词： 磁集成技术 集成磁件 耦合电感 变换器 中图分类号： TM46
The Application of the Magnetic-integration Techniques in Switching Power Supply
第 19 卷第 3 期
陈乾宏 等
开关电源中磁集成技术及其应用
3
泛，但推导过程繁琐，因此，文献 [36]对磁件按照 磁柱划分， 得到磁件的电感 -变压器等效电路通用模 型，解决了这一问题。但是，建立复杂磁心结构磁 件的电感 -变压器等效电路很困难，而且电感 − 变压 器等效电路未能直接反映磁件的磁路参数 [21, 22] 。为 此， David C. Hamill 在 1993 年提出另一种磁件等效 电路模型：回转器 - 电容等效模型。 回转器 −电容等效模型是根据 Buntenbach 1968 年提出的磁路与电路的类比关系（即：磁导类比于 电容、磁通类比于电荷、磁动势类比于电压、磁通 变化率类比于电流）而得出的磁件等效电路
[1~4]
。据统计，磁件的重量一般
是 变 换 器 总 重 的 30%~40% ， 体 积 占 总 体 积 的 20%~30%，对于高频工作、模块化设计的电源，磁 件体积、重量所占的比例还会更高
[3,4]
，并成为限制
模块高度的主要因素。另外，磁件还是影响电源输 出动态性能和输出纹波的一个重要因素[4~6]。因此， 要提高电源的功率密度、效率和输出品质，不能仅 局限于拓扑和软开关技术等研究，还需要对减小磁
Chen Qianhong Ruan Xinbo Yan Yangguang Nanjing 210016 China) (Nanjing University of Aero. & Astro. Abstract
Based on reviewing the developing history of the MIT (Magnetic-integration
Fig.1 (c ) 电 感 的 电 路 仿 真 模 型 图 1 电 感 的 回 转 器 －电 容 模 型 和 相 应 的 仿 真 模 型 Gyrator-capacitor model and the ralated simulation model of inductor
v 0 N F i = 1/N 0 ⋅ Ö&
[14~17]
，
不仅减小了磁件体积，更降低了电流纹波，从而引 起人们对磁集成技术的关注。 80 年代后， G. D. Bloom 第一个对磁集成技术的意义、发展及分析方法进 行较系统的总结和介绍 [8,
18~20]
3
磁件等效电路模型
磁件建模的理论依据是磁路的基本定律和电磁
，明确指出磁集成技
术可应用于多种变换器来抑制电流纹波，并推导出 多种 IM 正激变换器和隔离的 IM-Boost 变换器。 20 世纪 80 年代中，尽管人们认识到磁集成技 术的优点，但其实际应用主要局限在多路输出电源 中，限制其推广应用的原因主要有以下几点 ：① 磁件设计较复杂。 与 DM 相比， IM 的设计是多磁路 设计，难度略大。② IM 的绕组结构比较复杂，制 作相对困难。用传统的绕制方法，不仅会降低生产 效率，而且不易保证磁件寄生参数的一致性，降低 了 IM 的实用价值。 20 世纪 90 年代以后，随着扁平磁件应用的推 广、磁件生产自动化程度的提高，IM 的应用变得相 对容易；同时，电源的不断发展也对其体积、输出 动态性能、效率等提出了较高的要求，尤其是微处 理器的飞速发展对新一代高功率密度电源提出了更 大的挑战， 这些都促进了磁集成技术的研究与应用。 1997 年 ,Wei Chen 将倍流整流电路 (Current Doubler Rectifier, CDR) 中 两 个 滤 波 电 感 和 变 压 器 进 行 集 成 [9] ，不仅提高了电源的功率密度，还减少了大电 流连接端子，使 IM 在大电流输出场合具有了较高 的应用价值。这一研究使磁集成技术成为新的研究 热点。这段时期内，磁集成的研究内容从具体电路
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引言
随着电力电子学科的发展成熟，人们逐渐认识
到，磁性元件 (简称磁件，包括电感、变压器 ) 不仅 是电源中重要的功能元件，实现能量储存与转换、 滤波和电气隔离，同时，其体积、重量、损耗在整 机中也占有相当比例
[12,13]
，将变压器和电感集成在一
起，并称其为“combined transformer and inductor device ” ， IM 的概念才初步显现，磁集成技术也进 入了多种磁件集成的时代。 20 世纪的 70 年代到 80 年代中期，是磁集成技 术快速发展的时期。这期间，出现了较多的磁集成 技术的专利， 其中以 Slobodan.wenku.baidu.comCuk 及 Gordon Bloom 等人的贡献较为突出。 20 世纪 70 年代末， Slobodan. Cuk 将磁集成技术成功地应用在 Cuk 变换器
2004 年 3 月 第 19 卷第 3 期
电 工 技 术 学 报
TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY
Vol.19 Mar.
No.3 2004
开关电源中磁集成技术及其应用
陈乾宏 阮新波 严仰光
( 南京航空航天大学航空电源航空科技重点实验室 南京 210016) 摘要 回顾了磁集成技术的发展历史，介绍并简要分析了目前磁件的等效电路模型及建模方
[3]
感应定律，建模方法的应用并不局限于 IM，但与 DM 相比， 建立其等效电路模型对于分析 IM 对电路 的影响更显得愈发重要。目前主要有两种磁件等效 电路模型：电感、变压器表征的等效电路以及回转 器、电容表征的等效电路。 推导电感、变压器表征的等效电路的方法主要 是对偶变换方法，即根据磁件的磁路模型，进行对 偶变换从而导出磁件的电路模型 [2,20]。建模过程可 分为四步：首先根据磁路欧姆定律，画出磁件等效 磁路；然后运用对偶原理，得到等效磁路的对偶图； 对对偶图进行尺度变换，得到电流、磁链关系图； 最后，应用法拉第电磁感应定律和变压器的阻抗变 换关系，由电流、磁链关系图变换得到等效电路。 对偶变换的目的是将磁动势包含的 i 与电路的电流 i 、磁通 Φ 与电路中的电压 v ( v = NÖ& ) 建立联系，以 完成磁路向电路的转换。如果对磁件等效电路结构 比较熟悉，也可以根据电感的定义式 L= ψ/ i 推导各 端口的等效电感，结合表达式和变压器阻抗变换关 系、电路串并联关系画出等效电路 [9]。两种方法实 质相同。 磁件的电感 − 变压器等效电路模型与常用电路 相同，便于电路的直接比较、解析分析等，应用广
的集成方式等进行系统的归纳、总结。
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电 工 技 术 学 报
2004 年 3 月
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历史回顾
1933 年，G.B.Crouse 申请了采用耦合电感滤波
[10]
中的应用拓宽到 IM 的新的分析方法、仿真模型的 研究 [21~25]。磁集成技术被应用在多种场合，如电压 调整模块 (Voltage Regulation Module， VRM)[26~29] 、 功率因数校正变换器 [30~33]、谐振变换器[34, 35]等，以 减小磁件体积、电流纹波及损耗。 20 世纪 90 年代后，国内也开始了对磁集成技 术的认识和研究。在 1990 年版的《开关稳压电源》 中已经简要提到了磁集成技术的作用，到 1993 年， 蔡宣三教授正式引入了 IM 的概念，详细介绍了磁 件的对偶变换建模法以及一些 IM 变换器的工作原 理 [2]。 磁集成技术的具体研究到 90 年代末才正式展 开，福州大学磁学研究所、台达上海电力电子研发 中心以及南京航空航天大学航空电源重点实验室等 都在从事相关研究，并已取得了一定的成果 [3, 36]。 经过 70 多年的发展， 磁集成技术的研究与应用 越来越多样化和系统化，可分为两大类：①磁件等 效电路模型研究——包括建模方法、仿真模型的精 确化等。②具体应用——如何结合具体电路进行磁 件集成，充分发挥其技术优点。
电路的专利
，这就是最早的 IM 应用电路。随着
对耦合电感研究的深入，人们逐渐认识到耦合电感 具有减小电流脉动的优点 [11] 。 自 G.B.Crouse 提出 IM 应用电路后的 40 年间， 磁集成技术的研究一直局限在电感与电感的集成。 直到 1971 年，J.Ceilo 和 H.Hoffman 申请了采用 IM 推挽变换器的专利
[21]
一步等效了磁心的滞环特性，并提出回转器−电容 − 电阻磁心等效模型，其中电阻用来表示磁心损 耗 [23]；文献 [24, 25] 将该方法用于 IM 的仿真分析。
(a) 电 感 示 意 图
(b) 电 感 的 回 转 器 - 电 容 模 型
。根
据所采用的类比关系称其建模方法为磁导电容类比 法，下面用图 1a 所示的电感为例进行说明。图中 Φ 为磁通、 Λ m 为铁心磁导、 Λ 为气隙磁导， v、 i 为 磁件绕组的电压、电流， N 为绕组匝数， F 为绕组 电流产生的磁势。该磁件可分为两部分：①连接磁 路与电路的绕组。②磁路部分。其中绕组连接电路 和磁路，可被看作二端口元件。根据法拉第电磁感 应定律及磁动势的定义，对于该绕组有式 (1) 成立
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4.1
磁集成技术的应用
Techniques), it introduces and compares the current equivalent electrical circuit models and the modeling methods of the magnetics, generalizes and analyzes the application of the MIT in switching power supply from the following aspects, the characteristics of the magnetic core, the universal magnetic-integration methods and the different magnetic-integration objects. Besides, the summary of the characteristics of MIT, magnetic-integration methods and the limitation of the application of the MIT are presented in the paper. Keywords ： Magnetic-integration techniques, integrated magnetics, coupled inductor, converter 件体积、重量及损耗的相关技术开展研究与应用，以 满足电源发展的需要。其中，磁集成技术就能有 效减小磁件的体积、重量、损耗以及电源输出纹 波 [2~8] 。 所谓磁集成技术，就是将变换器中的两个或多 个分立磁件 (Discrete Magnetics, DM) 绕制在一副磁 心上，从结构上集中在一起 [2]。集中后的磁件被称 为集成磁件 (Integrated Magnetics, IM)。通过一定的 耦合方式、合理的参数设计，该技术能有效减小磁 件体积和损耗，在一定的应用场合还可减小电源输 出纹波、提高输出动态性能 [2~8]。另外，磁集成技术 能减少连接端，可有效减少大电流场合连接端子的 损耗 [9] 。 本文将回顾磁集成技术的发展历史，对磁件等 效电路模型、磁集成技术主要应用研究内容、常用
法，从磁心特性、磁集成的通用方法以及不同的磁集成对象三方面对磁集成技术的主要应用研究 内容进行了概括分析，总结了磁集成技术的多解性特点、常用的磁集成方式以及磁集成应用的限 制。 关键词： 磁集成技术 集成磁件 耦合电感 变换器 中图分类号： TM46
The Application of the Magnetic-integration Techniques in Switching Power Supply
第 19 卷第 3 期
陈乾宏 等
开关电源中磁集成技术及其应用
3
泛，但推导过程繁琐，因此，文献 [36]对磁件按照 磁柱划分， 得到磁件的电感 -变压器等效电路通用模 型，解决了这一问题。但是，建立复杂磁心结构磁 件的电感 -变压器等效电路很困难，而且电感 − 变压 器等效电路未能直接反映磁件的磁路参数 [21, 22] 。为 此， David C. Hamill 在 1993 年提出另一种磁件等效 电路模型：回转器 - 电容等效模型。 回转器 −电容等效模型是根据 Buntenbach 1968 年提出的磁路与电路的类比关系（即：磁导类比于 电容、磁通类比于电荷、磁动势类比于电压、磁通 变化率类比于电流）而得出的磁件等效电路
[1~4]
。据统计，磁件的重量一般
是 变 换 器 总 重 的 30%~40% ， 体 积 占 总 体 积 的 20%~30%，对于高频工作、模块化设计的电源，磁 件体积、重量所占的比例还会更高
[3,4]
，并成为限制
模块高度的主要因素。另外，磁件还是影响电源输 出动态性能和输出纹波的一个重要因素[4~6]。因此， 要提高电源的功率密度、效率和输出品质，不能仅 局限于拓扑和软开关技术等研究，还需要对减小磁
Chen Qianhong Ruan Xinbo Yan Yangguang Nanjing 210016 China) (Nanjing University of Aero. & Astro. Abstract
Based on reviewing the developing history of the MIT (Magnetic-integration
Fig.1 (c ) 电 感 的 电 路 仿 真 模 型 图 1 电 感 的 回 转 器 －电 容 模 型 和 相 应 的 仿 真 模 型 Gyrator-capacitor model and the ralated simulation model of inductor
v 0 N F i = 1/N 0 ⋅ Ö&
[14~17]
，
不仅减小了磁件体积，更降低了电流纹波，从而引 起人们对磁集成技术的关注。 80 年代后， G. D. Bloom 第一个对磁集成技术的意义、发展及分析方法进 行较系统的总结和介绍 [8,
18~20]
3
磁件等效电路模型
磁件建模的理论依据是磁路的基本定律和电磁
，明确指出磁集成技
术可应用于多种变换器来抑制电流纹波，并推导出 多种 IM 正激变换器和隔离的 IM-Boost 变换器。 20 世纪 80 年代中，尽管人们认识到磁集成技 术的优点，但其实际应用主要局限在多路输出电源 中，限制其推广应用的原因主要有以下几点 ：① 磁件设计较复杂。 与 DM 相比， IM 的设计是多磁路 设计，难度略大。② IM 的绕组结构比较复杂，制 作相对困难。用传统的绕制方法，不仅会降低生产 效率，而且不易保证磁件寄生参数的一致性，降低 了 IM 的实用价值。 20 世纪 90 年代以后，随着扁平磁件应用的推 广、磁件生产自动化程度的提高，IM 的应用变得相 对容易；同时，电源的不断发展也对其体积、输出 动态性能、效率等提出了较高的要求，尤其是微处 理器的飞速发展对新一代高功率密度电源提出了更 大的挑战， 这些都促进了磁集成技术的研究与应用。 1997 年 ,Wei Chen 将倍流整流电路 (Current Doubler Rectifier, CDR) 中 两 个 滤 波 电 感 和 变 压 器 进 行 集 成 [9] ，不仅提高了电源的功率密度，还减少了大电 流连接端子，使 IM 在大电流输出场合具有了较高 的应用价值。这一研究使磁集成技术成为新的研究 热点。这段时期内，磁集成的研究内容从具体电路