04-杨玉岗-电力电子的交错并联磁集成技术

CEEA 交错并联Buck变换器降低输出电流纹波，提高纹波频率
* Pit-Leong Wong’s dissertation, CPES, 2000
CEEA
多相交错并联Buck变换器的优点
提高了轻载效率； 成倍提高Buck变换器的容量； 电压功率通过各相分布传输，便于热量管理； 提高输出电流纹波频率，减小输出电容的ESR； 减小了输出电流纹波从而减小输出电压纹波和输 出电容的用量，或者保持输出电流纹波不变时采 用小电感从而提高暂态响应速度。
CEEA
Intel公司CUP电源的电压和电流变化趋势
• 为了适应CPU中晶体管数量的增加，要求其供电电源的功率达 到130W，电压降到1V，电流140A； •为了满足CPU时钟频率加快（4GHz）的要求，其供电电源的 电流变化率（暂态响应速度）相应增大。
CEEA
Buck变换器的多相交错并联
• 为了满足CPU的上述供电需求，其供电电源——电 压调整模块（VRM)采用多相交错并联Buck变换器 拓扑结构，并做到计算机主板上。
共模电容取值范围：1nF~10nF
平面积木式交错并联绕组结构
分布参数等效电路图
(n − 1)ε 0ε r wc Cn = d
(n ≥ 2)
CEEA
样机实验
I .L = 20 log a11 RL + a12 + a21 RS RL + a22 RS RS + RL ⎛ 1+ Z L / Z C -Z L ⎞ A=⎜ ⎟ 1 ⎠ ⎝ 1/Z C 1 Z C = Rc + jω ( Ls − ) Cy
CEEA
完成项目
开关变换器中平面集成磁件的设计理论及电磁干 扰研究（主持，国家自然科学基金，优秀结题） 薄膜集成磁件阵列化集成理论的研究（参与，国家自
然科学基金）
软开关变换器中平面无源集成的研究（主持，辽宁省
教育厅高校创新团队计划，优秀结题）
定子带极靴式开关磁阻电机驱动系统研究（主持，
煤炭科学基金）
样机实验
实验样机
共模干扰测试波形
差模干扰测试波形 共模插入损耗曲线
CEEA
三种磁集成EMI滤波器的比较
• 采用积木式交错并联技术克服了集成平面大电容的 困难；为EMI滤波器的无源集成提供了一种方案。 • 平面全集成EMI滤波器体积比传统EMI滤波器具有体 积小，元件个数少的优点。 • 平面阵列式集成EMI滤波器比平面EE型磁芯集成的 EMI滤波器具有差模电感调节容易，散热性能好的优 点。
为了克服平面集成EMI滤波 器仅仅依靠漏感来实现差 模电感而导致差模电感的 调节困难，在侧柱上绕线 圈实现差模电感。
将平面EE型磁芯用2幅UU型磁芯 替代，变为平面阵列式结构，以 减少集成磁件的集中发热，降低 集成磁件的温度。
CEEA
两种集成磁件温度比较
平面EE型磁芯集成磁件
平面阵列式集成磁件
CEEA
发电机
将机械能 转变为电 能的机械
水轮机 风力机 蒸汽轮机 燃气轮机 柴油机 …
定子
转子
（a）
定子 转子
(b)
CEEA
三相交错并联交流电动机
电动机
定子铁心 定子绕组
将电能转 变为机械 能的机械
同步电动机 异步电动机 伺服电动机 …
转子 机座
CEEA
三相交错并联变压器
变压器
将一种电 压的电能 变换为另 一种电压 的电能的 装置
三相变压器 …
CEEA
电力系统——交流电源的三相交错并联
核电厂 水电厂
500kV
500
电力系统 示意图
枢纽变电所
工厂
变电站 火电厂
输电线路 地区变电所 110kV
110
电气铁路
风电
配电线路
居民区
10kV 居民
配电变电所
CEEA
交流（AC）电源的三相交错并联
三峡水电厂
CEEA
新能源发电——交流电源的三相交错并联
• 耦合情况的暂态总输出电流响应速度均大于非耦合情况， • 占空比D越大，增大越多； • 反向耦合越强，增大也越多。
CEEA
交错并联磁集成耦合电感的实现
From discrete inductors to integrated non-coupling inductors (Proposed by Prof. W. Chen)
大功率交流电机软起动器研制（主持，鄂尔多斯煤矿）
CEEA
研究成果
出版编著： 《现代电力电子的磁技术》，科学出版社，2003 《中国电气工程大典》第2卷第9篇，中国电力出版社，2009 发表论文：80余篇。 获得专利：7项。
CEEA
Thanks !
共模等效电路的高频模型 实验样机
ZL =
2 Rcm + jω( Lcm − RcmCp −ω2L2 Cp ) cm
(1−ω L C ) +(ωR C )
2 2 cm p cm p
2
测试电压波形
共模插入损耗曲线
CEEA
• 平面全集成EMI滤波器
CEEA
平面全集成EMI滤波器
在前面所提结构的基础上，再加两个高 介电常数的L-C结构，即可实现EMI滤波 器的全集成。由于差模电容取值为 0.1μF~1μF，为了尽量减少集成EMI滤 波器的体积，可选择温度和频率稳定性 较好的陶瓷介质（X7R，N1250，NP0）来 实现差模电容的集成。
• • • • • •
CEEA
内 容 提 要
交流电源的三相交错并联技术 直流Buck变换器的交错并联（磁集成）技术 EMI滤波器的交错并联磁集成技术
CEEA
• 平面积木式交错并联磁集成EMI滤波器
CEEA
DM 0.15
平面积木式交错并联绕组结构
DM&CM 0.5 1 5 0.2 0 -0.5 D=0.1 D=0.2 D=0.3 D=0.333
ΔI1
' ΔI1
-0.4
-0.3
-0.2
-0.1
0
k
• 耦合情况的稳态相电流纹波均小于非耦合情况， • 占空比D越大，稳态相电流纹波减小越多； • 耦合越强，稳态相电流纹波减小也越多。
CEEA
耦合与非耦合情况下暂态总输出电流响应速度之比
* Yan Dong’s dissertation, CPES, 2008
CEEA
耦合电感的几种典型结构（3）
iB iA iB
iA
Vo
PCB
CEEA
耦合电感的几种典型结构（4）
CEEA
交错并联磁集成Buck变换器的优点
减少电感元件数量； 提高了稳态工作效率； 提高了暂态响应速度； 减小每相电感电流纹波，可减小电感铜损； 减小磁芯中柱的磁通纹波，可减小电感铁损； 由于每相电流减小而减小开关损耗及电流应力。
CEEA
在研项目
• 双向DC/DC变换器交错并联磁集成理论与控制方法
（主持，国家自然科学基金）
• 交错并联磁集成开关变换器的非爆炸本质安全特 性研究（主持，辽宁省自然科学基金） • 多相交错电压调整模块中平面集成磁件的研究（主
持，教育部留学归国人员科研启动基金）
• 5kW高效率双向隔离DC/DC模块研制（主持，清华大学）
From integrated non-coupling inductors to integrated coupling inductors (Proposed by Dr. Pit-Leong Wong)
CEEA
耦合电感的几种典型结构（1）
分立结构 耦合结构
CEEA
耦合电感的几种典型结构（2）
Lcm =
μ0 μeff n 2 Ae
le
实 验 样 机
19cm3
CEEA
平面全集成EMI滤波器样机实验
共模干扰测试波形
共模插入损耗曲线 由于采用理 想差模等效 电路来取代 实际的差模 等效电路， 导致偏差稍 大。
差模干扰测试波形
差模插入损耗曲线
CEEA
• 平面阵列式集成EMI滤波器
CEEA
平面阵列式集成EMI滤波器结构
CEEA
开关电源中的 交错并联磁集成技术
杨玉岗
辽宁工程技术大学/电气自动化研究院(CEEA)
2012年6月21日（yangyugang21@）
CEEA
内 容 提 要
交流电源的三相交错并联技术 直流Buck变换器的交错并联（磁集成）技术 EMI滤波器的交错并联磁集成技术
CEEA
三相交错并联交流发电机
CEEA
电力电子技术在三相交流电源中应用 电力电子三相整流和逆变系统
CEEA
内 容 提 要
交流电源的三相交错并联技术 直流Buck变换器的交错并联（磁集成）技术 EMI滤波器的交错并联磁集成技术
CEEA
Moore定律
• 集成电路中晶体管的数量每两年增加1倍。
过去50年来Intel公司微处理器和存贮器中晶体管数量的变化趋势 2010年，每个芯片上晶体管的数量达到100亿Pcs。
• • • • •
CEEA
多相交错并联Buck变换器的不足
• 只能减小总输出电流纹波，不能减小每相电感电 流的纹波； • 如果为了提高暂态响应速度而采用小电感，则每 相电感电流纹波会较大，从而使开关管的导通损 耗和开关损耗增大，电感的铜耗增大，使变换器 的效率降低。
CEEA
三相交错并联耦合与非耦合的稳态相电流纹波之比
CEEA
内 容 提 要
交流电源的三相交错并联技术 直流Buck变换器的交错并联（磁集成）技术 EMI滤波器的平面磁集成技术
CEEA
Back up
CEEA
杨玉岗简介
杨玉岗：博士，教授，博导，主要从事电力电子磁集成技 术的研究，主持国家自然科学基金项目2项，出版著作2 部，获得专利7项，发表论文80余篇。曾任华为电气公司 研发部电磁元件研究室主任，美国弗吉尼亚理工大学和德 国克劳斯塔尔工业大学访问学者，国家自然科学基金同行 评议专家，电力电子与电力传动辽宁省重点学科带头人， 中国电源学会理事，《电源学报》编委，《中国电机工程 学报》、《电工技术学报》、《电工电能新技术》论文评 审专家。