本發(fā)明涉及多相交錯型變換器中使用的耦合電感技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及陣列式平面集成磁件領(lǐng)域，具體說是一種適用于多相交錯耦合變換器的新型矩陣式多自由度耦合電感的構(gòu)造方法。

背景技術(shù)：

在多相電壓調(diào)理模塊(vrm)中采用基于耦合磁件的交錯并聯(lián)磁集成技術(shù)可以顯著改善其穩(wěn)態(tài)輸入輸出紋波特性，并提高變流器動態(tài)特性和轉(zhuǎn)換效率，以及更容易獲得高功率密度而備受關(guān)注。

集成電感的優(yōu)化設(shè)計是影響vrm的穩(wěn)態(tài)及暫態(tài)性能的重要因素，合理的耦合度可以提高vrm的輸出動態(tài)響應(yīng)，并能夠降低每一通道的穩(wěn)態(tài)紋波。

目前研究較多的交錯并聯(lián)變流器耦合磁件主要采用平面整體磁芯結(jié)構(gòu)，由于多相電感集成時磁路較為復(fù)雜，整體磁芯結(jié)構(gòu)一般要采用現(xiàn)有結(jié)構(gòu)磁芯構(gòu)造特殊結(jié)構(gòu)磁芯或采用開模設(shè)計特殊結(jié)構(gòu)的磁芯?，F(xiàn)有文獻表明，采用現(xiàn)有的磁芯構(gòu)造整體磁芯結(jié)構(gòu)的多繞組集成電感時，通常要增加磁件的高度、體積和數(shù)量，不利于實現(xiàn)高功率密度；而采用特殊結(jié)構(gòu)的磁芯又需要開模設(shè)計，增加了設(shè)計成本；同時，整體磁芯結(jié)構(gòu)集成電感的繞組與磁路過于集中，易形成局部熱點過高，導(dǎo)致磁件損耗增加。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的以上問題，本發(fā)明采用平面陣列化磁集成技術(shù)，特別提出了一種應(yīng)用于多相交錯耦合型雙向直流變流器的新穎矩陣式多自由度組合耦合電感的構(gòu)造方法。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是：

一種新型矩陣式多自由度組合耦合電感的構(gòu)造方法，其中耦合電感包括若干個矩陣化排列的基本耦合電感單元，耦合電感單元概念具有多自由度組合性、通用性和可拓展性，耦合電感單元包括自感單元電感和互感單元電感，自感單元電感采用單副磁芯上正向集成兩幅繞組而成；互感單元電感采用單副磁芯上反向耦合兩個繞組而成，耦合電感單元通過陣列化的多自由度排列組合和電路連接實現(xiàn)多個繞組間磁集成，新型矩陣式多自由度耦合電感的構(gòu)造方法是由如下步驟實現(xiàn)的：

(1)首先建立n相陣列式耦合電感的單元位置拓撲，所述的單元位置拓撲包括上、下三角元素矩陣兩種基本形式，將所述上、下三角元素矩陣結(jié)合，又可以構(gòu)成包括若干個耦合電感單元的滿元素單元位置的n相耦合電感矩陣式拓撲；

(2)建立與滿元素單元位置矩陣拓撲對應(yīng)的n相耦合電感結(jié)構(gòu)，將滿元素位置的n相矩陣式耦合電感的每相電感的基本單元耦合磁芯繞組首尾次序連接，各基本耦合電感單元的磁芯位置可根據(jù)需要自由調(diào)整，即通過單元耦合電感小磁芯的多自由度組合，實現(xiàn)多尺度耦合磁件組合和耦合電感相數(shù)的拓展；根據(jù)n相耦合電感的實際應(yīng)用場合和功率需求等條件，中、小功率等級通常采用上、下三角元素結(jié)構(gòu)拓撲構(gòu)造耦合磁件，而針對大功率應(yīng)用場合可采用滿元素位置的n相矩陣式耦合電感；通過將每相電感的基本單元耦合磁芯繞組首尾次序連接，并根據(jù)需要實時調(diào)整各基本耦合電感單元的磁芯位置，將單元耦合電感小磁芯的多自由度組合，可構(gòu)造出n相耦合電感的n×2n結(jié)構(gòu)矩陣拓撲、n×n結(jié)構(gòu)矩陣拓撲以及2n結(jié)構(gòu)矩陣拓撲等；

(3)分析相電感在相同磁阻不同匝數(shù)時耦合電感的耦合系數(shù)kij，得到相同磁阻不同匝數(shù)時耦合電感的耦合系數(shù)kij隨匝比α和耦合相數(shù)n變化的關(guān)系曲線圖；

(4)分析相電感在不同磁阻且不同匝數(shù)時耦合電感的耦合系數(shù)kij，得到不同磁阻和匝數(shù)時耦合電感的耦合系數(shù)kij與匝比α和磁阻比β的關(guān)系曲線圖；

(5)通過以上分析設(shè)計自感單元電感l(wèi)ii和互感單元電感mij，獲得互感單元電感mij的單元匝數(shù)nm，并計算得到單元磁路磁阻，給定一個單元匝比α，結(jié)合耦合度kop，利用不同磁阻和匝數(shù)時耦合電感的耦合系數(shù)與匝比和磁阻比的關(guān)系曲線，確定磁阻比β，再利用磁阻比β計算自感單元電感所需磁阻，從而獲得自感單元電感l(wèi)ii的單元匝數(shù)nl；

(6)利用自感單元電感的單元匝數(shù)nl來校驗是否滿足磁路不飽和條件，若不滿足，則重新給定單元匝比α進行計算；

(7)通過以上分析，設(shè)計構(gòu)造一個四相全集成矩陣式耦合電感和一個六相耦合電感，搭建vrm系統(tǒng)測試平臺驗證所述新型矩陣式多自由度耦合電感的構(gòu)造方法的正確性。

進一步的，所述相電感在相同磁阻不同匝數(shù)時耦合電感的耦合系數(shù)的設(shè)計范圍是，兩相集成時最大耦合度為1，三相集成時最大耦合度為0.5，四相集成時最大耦合度為0.33，六相集成時最大耦合度為0.2，亦即n相繞組集成時最大耦合系數(shù)為1/n-1；

進一步的，所述磁路不飽和條件的驗證步驟為：第一步，利用最佳耦合度求得穩(wěn)態(tài)電感值，第二步，根據(jù)穩(wěn)態(tài)電感值求得穩(wěn)態(tài)相電感電流紋波，最后計算出單元互感磁芯的磁感應(yīng)強度擺動值，若磁感應(yīng)強度擺動值較大，則需要開氣隙以避免單元互感磁芯飽和。

進一步的，所述新型矩陣式多自由度耦合電感的矩陣拓撲結(jié)構(gòu)包括上、下三角元素結(jié)構(gòu)拓撲、滿元素位置n×n結(jié)構(gòu)的n相耦合電感的矩陣拓撲和滿元素位置n×2n結(jié)構(gòu)的n相耦合電感的矩陣拓撲。

進一步的，所述上、下三角元素結(jié)構(gòu)拓撲由n(n+1)/2個單元結(jié)構(gòu)小磁芯構(gòu)成，所述滿元素位置n×n結(jié)構(gòu)的n相耦合電感的矩陣拓撲由n²個單元結(jié)構(gòu)小磁芯構(gòu)成，所述滿元素位置n×2n結(jié)構(gòu)的n相耦合電感的矩陣拓撲由2n²個單元結(jié)構(gòu)小磁芯或n²個單元結(jié)構(gòu)小磁芯構(gòu)成，所述n相耦合電感采用2n結(jié)構(gòu)矩陣拓撲由2n個單元結(jié)構(gòu)耦合的小磁芯單元構(gòu)成；其中n表示電感耦合的相數(shù)，也對應(yīng)著交錯并聯(lián)變換器的工作相數(shù)，每個耦合電感單元的繞組匝數(shù)根據(jù)所需電感量并通過計算獲得，耦合電感單元分為自感單元和互感單元，其中自感單元磁芯包括漏感調(diào)節(jié)磁芯，以調(diào)節(jié)各相之間耦合系數(shù)，實現(xiàn)多相耦合電感的對稱化耦合和機械平衡。

進一步的，所述單元結(jié)構(gòu)小磁芯包括環(huán)形磁芯與平面ui、ei等矩形磁芯在內(nèi)的各種磁芯和不同磁阻規(guī)格的磁芯，以實現(xiàn)通用性、替換性和易設(shè)計，每個單元磁芯內(nèi)對稱化繞制兩個繞組，所述兩個繞組根據(jù)矩陣位置特征和自感單元與互感單元的區(qū)別分別采用不同耦合方式，所述自感單元的小磁芯的兩個繞組采用正向繞制，所述互感單元的小磁芯的兩個繞組采用反向繞制，所述小磁芯的繞組為包括pcb繞組在內(nèi)的各種繞組。

本發(fā)明公開了一種新型矩陣式多自由度組合耦合電感的構(gòu)造方法，具有以下有益效果：

(1)提出了基于基本磁芯結(jié)構(gòu)的耦合電感單元拓展概念，通過單元耦合電感多自由度矩陣化組合，衍生出可實現(xiàn)任意多相電感集成的矩陣化拓撲結(jié)構(gòu)，該矩陣式耦合磁件具有結(jié)構(gòu)簡單、拓撲可變化，且耦合電感單元磁芯結(jié)構(gòu)不受限制，因此可實現(xiàn)多尺度自由組合和通用拓展型，并推廣至任意n相耦合電感的設(shè)計。

(2)所分析的n相vrm集成電感耦合度設(shè)計準則具有通用性。

(3)分析了相同磁阻不同匝數(shù)情況下以及不同磁阻且不同匝數(shù)情況下耦合系數(shù)設(shè)計方法，給出了該矩陣式耦合電感通用設(shè)計準則。

(4)本發(fā)明中矩陣式耦合磁件通過調(diào)節(jié)單元耦合磁芯參數(shù)及氣隙等，即可實現(xiàn)耦合度變化，滿足了n相vrm耦合電感不同耦合度設(shè)計范圍和要求，實現(xiàn)了多相vrm耦合電感對稱化設(shè)計，拓展了多相vrm非對稱耦合電感對稱化研究的新理論和新思路。

(5)本發(fā)明中矩陣式耦合磁件的單元互感磁芯上的兩兩耦合繞組采用反向設(shè)計方式，有效消除了直流偏磁。

附圖說明

圖1為應(yīng)用集成電感的n相交錯并聯(lián)vrm電路圖；

圖2為n相矩陣式耦合電感單元位置拓撲的基本形式圖，圖2a為上三角元素矩陣位置拓撲圖，圖2b為下三角元素矩陣位置拓撲圖，圖2c為滿元素矩陣單元位置拓撲圖；

圖3為采用上三角元素結(jié)構(gòu)的n相矩陣式耦合磁件拓撲結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為采用下三角元素結(jié)構(gòu)的n相矩陣式耦合磁件拓撲結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為采用滿元素位置結(jié)構(gòu)的n相矩陣式耦合磁件拓撲結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6為n相耦合電感ui型磁芯n×2n結(jié)構(gòu)矩陣拓撲圖；

圖7為n相耦合電感ei磁芯n×n結(jié)構(gòu)矩陣拓撲圖；

圖8為3相和4相耦合電感環(huán)形磁芯2n結(jié)構(gòu)的矩陣拓撲圖，其中圖8a為3相耦合電感環(huán)形磁芯2n結(jié)構(gòu)的矩陣拓撲圖，圖8b為4相耦合電感環(huán)形磁芯2n結(jié)構(gòu)的矩陣拓撲圖；

圖9為相同磁阻不同匝數(shù)時kij隨α和n的變化曲線圖(采用上、下三角元素結(jié)構(gòu))；

圖10為相同磁阻不同匝數(shù)時kij隨α和n的變化曲線圖(采用滿元素矩陣結(jié)構(gòu)、ui磁芯n×2n結(jié)構(gòu)、ei磁芯n×n結(jié)構(gòu))；

圖11為不同磁阻和不同匝數(shù)時集成電感的耦合系數(shù)kij與α和β的關(guān)系曲線圖(采用上、下三角元素結(jié)構(gòu))；

圖12為不同磁阻和不同匝數(shù)時集成電感的耦合系數(shù)kij與α和β的關(guān)系曲線圖(采用滿元素矩陣結(jié)構(gòu)、ui磁芯n×2n結(jié)構(gòu)、ei磁芯n×n結(jié)構(gòu))；

圖13為四相全集成耦合電感設(shè)計圖；

圖14為陣列化磁集成四相耦合電感的結(jié)構(gòu)及連接示意圖；

圖15為四相矩陣式耦合電感樣機圖；

圖16為基于耦合電感樣機的vrm實驗平臺圖；

圖17為采用矩陣式耦合電感的vrm全占空比范圍穩(wěn)態(tài)電流波形圖，其中圖17a為占空比d＝0.125時相電感電流紋波波形圖，圖17b為占空比d＝0.125時總輸出電流紋波波形圖，圖17c為占空比d＝0.4時相電感電流紋波波形圖，圖17d為占空比d＝0.4時總輸出電流紋波波形圖，圖17e為占空比d＝0.6時相電感電流紋波波形圖，圖17f為占空比d＝0.6時總輸出電流紋波波形圖，圖17g為占空比d＝0.875時相電感電流紋波波形圖，圖17h為占空比d＝0.875時總輸出電流紋波波形圖；

圖18為采用矩陣式耦合電感的vrm暫態(tài)試驗波形圖，圖18a為vrm輸出電流動態(tài)實驗波形圖，圖18b負載上調(diào)時輸出電壓波形圖，圖18c負載下調(diào)時輸出電壓波形圖。

具體實施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。

一種新型矩陣式多自由度組合耦合電感的構(gòu)造方法，其中耦合電感包括若干個矩陣化排列的基本耦合電感單元，耦合電感單元概念具有多自由度組合性、通用性和可拓展性，耦合電感單元包括自感單元電感和互感單元電感，自感單元電感采用單副磁芯上正向集成兩幅繞組而成；互感單元電感采用單副磁芯上反向耦合兩個繞組而成，耦合電感單元通過陣列化的多自由度排列組合和電路連接實現(xiàn)多個繞組間磁集成，應(yīng)用于圖1所示的n相交錯耦合的雙向直流變換器的新型矩陣式多自由度組合的耦合電感的構(gòu)造方法是由如下步驟實現(xiàn)的：

(1)建立如圖2所示n相陣列式耦合電感的單元位置拓撲，所述的單元位置拓撲包括上、下三角元素矩陣兩種基本形式，將所述上、下三角元素矩陣結(jié)合，又可以構(gòu)成如圖2(c)所示的包括若干個耦合電感單元的滿元素單元位置的n相耦合電感矩陣式拓撲；根據(jù)圖3-圖7所示的n相矩陣式耦合磁件拓撲結(jié)構(gòu)示意圖，以及矩陣式耦合磁件單元位置拓撲的概念，定義矩陣拓撲的每個單元位置元素都是一個基本耦合電感單元，該基本耦合電感拓展單元作為整個耦合磁件的自感單元和互感單元，其中作為自感單元的基本耦合電感單元由一副小磁芯和兩幅正向耦合繞制的繞組構(gòu)成，作為互感單元的基本耦合電感單元由一副小磁芯和兩幅反向耦合繞制的繞組構(gòu)成，以通過調(diào)節(jié)基本耦合電感單元的兩個自繞組的耦合系數(shù)，實現(xiàn)各相耦合電感間耦合度的改變。

(2)建立與滿元素單元位置矩陣拓撲對應(yīng)的n相耦合電感結(jié)構(gòu)，將滿元素位置的n相矩陣式耦合電感的每相電感的基本單元耦合磁芯繞組首尾次序連接，各基本耦合電感單元的磁芯位置可根據(jù)需要自由調(diào)整，即通過單元耦合電感小磁芯的多自由度組合，實現(xiàn)多尺度耦合磁件組合和耦合電感相數(shù)的拓展；根據(jù)n相耦合電感的實際應(yīng)用場合和功率需求等條件，中、小功率等級通常采用如圖3和圖4所示上、下三角元素結(jié)構(gòu)拓撲構(gòu)造耦合磁件，而針對大功率應(yīng)用場合可采用可采用圖5至圖8所示的滿元素位置的n相矩陣式耦合電感；通過將每相電感的基本單元耦合磁芯繞組首尾次序連接，并根據(jù)需要實時調(diào)整各基本耦合電感單元的磁芯位置，將單元耦合電感小磁芯的多自由度組合，可構(gòu)造出如圖6所示的n相耦合電感的n×2n結(jié)構(gòu)矩陣拓撲、如圖7所示的n×n結(jié)構(gòu)矩陣拓撲以及如圖8所示的2n結(jié)構(gòu)矩陣拓撲等；

(3)分析相電感在相同磁阻不同匝數(shù)時耦合電感的耦合系數(shù)kij，得到如圖9所示的相同磁阻不同匝數(shù)時矩陣式耦合電感kij隨α和n的變化曲線(采用上、下三角元素結(jié)構(gòu))，以及圖10所示的相同磁阻不同匝數(shù)時矩陣式耦合電感kij隨α和n的變化曲線(采用滿元素矩陣結(jié)構(gòu)、ui磁芯n×2n結(jié)構(gòu)、ei磁芯n×n結(jié)構(gòu))；

(4)分析相電感在不同磁阻且不同匝數(shù)時耦合電感的耦合系數(shù)kij，得到如圖11所示的不同磁阻和不同匝數(shù)時集成電感的耦合系數(shù)kij與α和β的關(guān)系曲線(采用上、下三角元素結(jié)構(gòu))，以及圖12為不同磁阻和不同匝數(shù)時集成電感的耦合系數(shù)kij與α和β的關(guān)系曲線(采用滿元素矩陣結(jié)構(gòu)、ui磁芯n×2n結(jié)構(gòu)、ei磁芯n×n結(jié)構(gòu))；

(5)通過以上分析設(shè)計自感單元電感l(wèi)ii和互感單元電感mij，獲得互感單元電感mij的單元匝數(shù)nm，并計算得到單元磁路磁阻，再給定一個單元匝比α，結(jié)合耦合度kop，利用如圖11和圖12所示的不同磁阻和不同匝數(shù)時耦合電感的耦合系數(shù)與匝比和磁阻比的關(guān)系曲線，確定磁阻比β，再利用磁阻比β計算自感單元電感所需磁阻，從而獲得自感單元電感l(wèi)ii的單元匝數(shù)nl；

(6)利用自感單元電感的單元匝數(shù)nl來校驗是否滿足磁路不飽和條件，若不滿足，則重新給定單元匝比α進行計算；

(7)通過以上分析，根據(jù)圖13、圖14所示的陣列化磁集成四相耦合電感的結(jié)構(gòu)圖及連接示意圖；設(shè)計構(gòu)造一個如圖15所示四相全集成耦合電感樣機，并搭建如圖16所示vrm系統(tǒng)測試平臺，驗證所述新型矩陣式多自由度耦合電感的構(gòu)造方法的正確性，vrm穩(wěn)態(tài)及暫態(tài)試驗波形如圖17和圖18所示。

作為優(yōu)選的實施方式，所述相電感在相同磁阻不同匝數(shù)時耦合電感的耦合系數(shù)的設(shè)計范圍是，兩相集成時最大耦合度為1，三相集成時最大耦合度為0.5，四相集成時最大耦合度為0.33，六相集成時最大耦合度為0.2，亦即n相繞組集成時最大耦合系數(shù)為1/n-1；

作為優(yōu)選的實施方式，所述磁路不飽和條件的驗證步驟為：第一步，利用最佳耦合度求得穩(wěn)態(tài)電感值，第二步，根據(jù)穩(wěn)態(tài)電感值求得穩(wěn)態(tài)相電感電流紋波，最后計算出單元互感磁芯的磁感應(yīng)強度擺動值，若磁感應(yīng)強度擺動值較大，則需要開氣隙以避免單元互感磁芯飽和。

作為優(yōu)選的實施方式，所述新型矩陣式多自由度耦合電感的矩陣拓撲結(jié)構(gòu)包括上、下三角元素結(jié)構(gòu)拓撲、滿元素位置n×n結(jié)構(gòu)的n相耦合電感的矩陣拓撲和滿元素位置n×2n結(jié)構(gòu)的n相耦合電感的矩陣拓撲。

作為優(yōu)選的實施方式，由圖3和圖4可知，所述上、下三角元素結(jié)構(gòu)拓撲由n(n+1)/2個單元結(jié)構(gòu)小磁芯構(gòu)成，由圖5和圖7所示可知，所述滿元素位置n×n結(jié)構(gòu)的n相耦合電感的矩陣拓撲由n²個單元結(jié)構(gòu)小磁芯構(gòu)成，由圖6和圖7所示可知，所述滿元素位置n×2n結(jié)構(gòu)的n相耦合電感的矩陣拓撲由2n²個單元結(jié)構(gòu)小磁芯或n²個單元結(jié)構(gòu)小磁芯構(gòu)成，由圖8所示可知，采用2n結(jié)構(gòu)矩陣拓撲構(gòu)成的n相矩陣式耦合電感由2n個單元結(jié)構(gòu)耦合的小磁芯單元構(gòu)成；其中n表示電感耦合的相數(shù)，也對應(yīng)著交錯并聯(lián)變換器的工作相數(shù)，每個耦合電感單元的繞組匝數(shù)根據(jù)所需電感量并通過計算獲得，耦合電感單元分為自感單元和互感單元，其中自感單元磁芯包括漏感調(diào)節(jié)磁芯，以調(diào)節(jié)各相之間耦合系數(shù)，實現(xiàn)多相耦合電感的對稱化耦合和機械平衡。

作為優(yōu)選的實施方式，所述單元結(jié)構(gòu)小磁芯包括環(huán)形磁芯與平面ui、ei等矩形磁芯在內(nèi)的各種磁芯和不同磁阻規(guī)格的磁芯，以實現(xiàn)通用性、替換性和易設(shè)計，每個單元磁芯內(nèi)對稱化繞制兩個繞組，所述兩個繞組根據(jù)矩陣位置特征和自感單元與互感單元的區(qū)別分別采用不同耦合方式，所述自感單元的小磁芯的兩個繞組采用正向繞制，所述互感單元的小磁芯的兩個繞組采用反向繞制，所述小磁芯的繞組為包括pcb繞組在內(nèi)的各種繞組。

將圖15所示矩陣式四相耦合電感應(yīng)用到如圖16所示的vrm系統(tǒng)測試平臺，并通過數(shù)字控制改變其占空比，測試其全占空比范圍內(nèi)穩(wěn)態(tài)實驗波形如圖17所示，暫態(tài)試驗波形如圖18所示。分析實驗結(jié)果可知，采用本發(fā)明提出的新型矩陣式多自由度耦合電感的構(gòu)造方法設(shè)計的耦合電感，在全占空比工作模式下，其vrm的穩(wěn)態(tài)性能及暫態(tài)性能良好，具備極大的實用性及性能優(yōu)勢。