磁集成电感器的制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种磁集成电感器，包括相对设置的上轭磁芯和下轭磁芯、设于该上轭磁芯和该下轭磁芯之间的至少二个带绕组的中柱磁芯、以及设于该上轭磁芯和该下轭磁芯之间的至少一个高导磁性磁芯，该至少二个中柱磁芯与该上轭磁芯和下轭磁芯构成多个第一磁路，该至少一个高导磁性磁芯与该上轭磁芯和下轭磁芯构成至少一个第二磁路，其中该高导磁性磁芯的相对磁导率大于或等于1000，且设该上、下轭磁芯的饱和磁通密度为Bs(B)，磁路有效截面积为Ae(B)，该高导磁性磁芯的饱和磁通密度为Bs(A)，磁路有效截面积为Ae(A)，则Ae(A)×Bs(A)≤Ae(B)×Bs(B)×50％。
【专利说明】磁集成电感器
【技术领域】
[0001]本发明涉及电感器，尤其是涉及一种能够抑制共模电流的磁集成电感器。
【背景技术】
[0002]实现三相交流逆变输出的光伏逆变器、大功率UPS(不间断电源)、电机驱动变频器等部件，其输出电源电路中需要采用LC或LCL等的交流逆变输出无源LC滤波网络，来实现对输出电流的高频脉动成分的抑制，以达到对其输出的高次谐波及并网连接EMC (Electro Magnetic Compatibility,电磁兼容性)的要求。为了进一步减小体积，降低产品的成本，各相的逆变交流电感采用三相耦合电感来取代每相各自独立的单一电感，成为逆变器设计者的重要选择。
[0003]如图1所示，为广泛应用的典型的三电平三相逆变器的电路结构，其中采用了 LCL的η型AC滤波网络120，与逆变器的半导体开关网络110相连的为三相耦合式交流逆变电感器121，右侧与交流电网相连接的为三相低频(工频)滤波电感器123。为了有效改善电源的EMC效果，交流逆变电感器121后面的滤波电容器122，比如采用Y型接法或等效成Y型接法，其三相电容器的中点，通过机壳接地等的形式，最终被连接回到了逆变器直流端的电容器101中点。这样逆变器100的输出就形成了一个对地的零序电流回路，即出现了流经三相的交流逆变电感器121各相的电感电流之和不为零的现象。
[0004]这一零序电流的存在，使得逆变器系统对地的漏电流增大，严重时形成安全风险；另外，该电流从逆变器的电容器中点出发，通过高频逆变电路、交流逆变电感器121、滤波电容器122，最终回到直流侧的电容器101中点构成一个电流通路。这个零序电流，由于不输出而只在逆变器100内部循环流动，会加重半导体逆变桥臂、交流逆变电感器121的损耗，使得逆变器100的工作效率大幅消减，被流经的元件如交流逆变电感器121等还会出现严重的异常发热。
[0005]因此，期望可以减少电感器中的零序电流。另外，零序电流本质上为一种共模电流。在其他场合中，也存在抑制其他共模电流的需求。
【发明内容】
[0006]因此本发明所要解决的技术问题是提供一种可以抑制共模电流的磁集成电感器。
[0007]本发明为解决上述技术问题而采用的技术方案是一种磁集成电感器，包括相对设置的上轭磁芯和下轭磁芯、设于该上轭磁芯和该下轭磁芯之间的至少二个带绕组的中柱磁芯、以及设于该上轭磁芯和该下轭磁芯之间的至少一个高导磁性磁芯，该至少二个中柱磁芯与该上轭磁芯和下轭磁芯构成多个第一磁路，该至少一个高导磁性磁芯与该上轭磁芯和下轭磁芯构成至少一个第二磁路,其中该高导磁性磁芯的相对磁导率大于或等于1000，且设该上、下轭磁芯的饱和磁通密度为Bs(B)，磁路有效截面积为Ae(B)，该高导磁性磁芯的饱和磁通密度为Bs (A)，磁路有效截面积为Ae (A)，则Ae (A) X Bs (A) ( Ae (B) X Bs (B) X 50 %。
[0008]在本发明的一实施例中，Ae⑷X Bs⑷(Ae⑶X Bs (B) X 10 %。
[0009]在本发明的一实施例中，该中柱磁芯的数量为2-3个。
[0010]在本发明的一实施例中，该中柱磁芯的材料为硅钢片、非晶磁芯、铁氧体、铁硅或铁娃招。
[0011]在本发明的一实施例中，该中柱磁芯包括非导磁的气隙。
[0012]在本发明的一实施例中，该高导磁磁芯与该上轭磁芯和该上轭磁芯的接触面间紧密结合，使该第二磁路基本上不包含气隙。
[0013]本发明由于采用以上技术方案，使之与现有技术相比，通过选取使用极少量的高导磁性的材料，即可抑制电感器中共模电流的产生，避免给逆变器、电感器带来各种不良后果O
【专利附图】
【附图说明】
[0014]为让本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，以下结合附图对本发明的【具体实施方式】作详细说明，其中:
[0015]图1示出三电平逆变及其典型的输出滤波电路。
[0016]图2示出常规三相耦合电感器结构。
[0017]图3不出本发明一实施例的磁集成式三相I禹合电感器结构。
[0018]图4示出本发明一实施例的磁集成式三相耦合电感器等效原理示意图。
[0019]图5A-?示出本发明的各种实施形态。
[0020]图6不出本发明另一实施例磁集成式三相I禹合电感器结构。
【具体实施方式】
[0021 ] 下面将描述本发明的磁集成电感器的示例性结构。
[0022]作为比较，示出图2的常规的三相耦合交流逆变电感器的代表结构。先参考图2所示，电感器200包括相对设置的上轭磁芯201和下轭磁芯202、以及设于上轭磁芯201和下轭磁芯202之间的3个中柱磁芯203。各个中柱磁芯203与上轭磁芯201和下轭磁芯202构成多个第一磁路。在各个中柱磁芯203上绕设有绕组线包204。上、下轭磁芯201、203与中柱磁芯203的材料可以是硅钢片、非晶磁芯、铁氧体、铁硅、铁硅铝等各种软磁材料。中柱磁芯203如果采用铁氧体、硅钢片、非晶带材等高导磁性材料，为了避免电感的大电流饱和现象，每个绕组线包204的中柱磁芯部分必须采用单个或多个的非导磁的气隙205 ;中柱磁芯203如果采用低导磁粉芯(如铁硅磁芯、铁硅铝磁芯等)，则这些气隙可以变小或去除。
[0023]图3示出本发明一实施例的磁集成式三相稱合电感器结构。参考图3所示，电感器300包括相对设置的上轭磁芯301和下轭磁芯302、设于上轭磁芯301和下轭磁芯302之间的3个中柱磁芯303、以及设于上轭磁芯301和下轭磁芯302之间的I个高导磁性磁芯304。各个中柱磁芯303与上轭磁芯301和下轭磁芯302构成多个第一磁路。高导磁性磁芯304与上轭磁芯301和下轭磁芯302构成一个第二磁路。在各个中柱磁芯303上绕设有绕组线包305。中柱磁芯303的材料可以是硅钢片、非晶磁芯、铁氧体、铁硅、铁硅铝等各种软磁材料。中柱磁芯303如果采用铁氧体、硅钢片、非晶带材等高导磁性材料，为了避免电感的大电流饱和现象，每个绕组线包305的中柱磁芯部分必须采用单个或多个的非导磁的气隙306 ;中柱磁芯303如果采用低导磁粉芯(如铁硅磁芯、铁硅铝磁芯等)，则这些气隙可以变小或去除。
[0024]图3与图2所示实施例相比，其特点是增加了高导磁性磁芯304，和上下轭磁芯301、302构成基本上没有气隙的第二磁路。也就是说，高导磁性磁芯304与上轭磁芯301、下轭磁芯302的接触面间除了接触面因凹凸不平而出现的微小的间隙外，没有其它有意设置的气隙。
[0025]举例来说，高导磁性磁芯304的相对磁导率大于或等于1000。上、下轭磁芯301、302的相对磁导率也大于或等于1000。高导磁性磁芯304的材料与上、下轭磁芯301、302的材料可以相同，也可以不同。
[0026]此外，设高导磁性磁芯304材料和上、下轭磁芯301、302的材料的饱和磁通密度分别为Bs (A)、Bs (B)，则高导磁性磁芯304和上、下轭磁芯301、302的有效横截面面积Ae (A)、Ae(B)的关系须满足下面条件:Ae (A) XBs(A) ( Ae(B) XBs(B) X 50 %。
[0027]在本发明的较佳实施例中，根据设计共模电感量的情况，最小甚至还有可能将前述50%控制在10%以下，即Ae(A) XBs(A) SAe(B) XBs⑶X 10%，以实现最佳的产品性价比。
[0028]图4示出本发明一实施例的磁集成式三相耦合电感器等效原理示意图。如图4所示，I (U)、I (V)、I (W)分别为某一时刻逆变器电感线圈里流经的电流值，它们在各自绕组中柱磁芯里面产生的磁通量分别为# (U)、# (V)、# (W)，由于绕组为同方向绕制组装，因此，磁通的流经方向如图4所示；三相电流的总和为:Σ I = I (U)+I (U)+I (U),它们在磁芯里面产生的总磁通量流经高导磁性磁芯304的磁通量为:Σ Φ = f (U)+ f (V)+ f (W)。
[0029]当逆变器三相电感电流相位平衡对称时，则不存在零序电流，即Σ I = 0，此时，Φ (U)+ Φ (V)+ Φ (W)为0，流经高导磁性磁芯304的磁通量为零，此时，高导磁性磁芯304的存在与否不对滤波电路产生任何影响，本实施例的磁集成三相电感器与图1所示常规耦合三相电感器相同。
[0030]由于逆变器控制等原因，造成零序Σ I古O时，则Σ #古0，即电感相对于零序电流来讲，形成一个磁通流经高导磁性磁芯304通路的磁通路，由于高导磁性磁芯304、上、下轭磁芯301、302均为高导磁性磁性材料，因此相对于每一个的电感线圈来看，带绕组的中柱磁路以外的通路上磁阻极小近似于磁通短路，此时每一个绕组通过高导磁性磁芯304、上、下轭磁芯301、302构成了独立的等效共模电感。每一个共模磁通路中磁阻极小的缘故,其共模电感量极大，此时即便施加在各绕组线圈两端的共模电压较高，其所产生的共模电流被大幅抑制，即Σ I很小,从而这样的电感结构可以很好地抑制电路中零序电流的产生。
[0031]另外，由于上述原因零序电流很小，反过来又为高导磁性磁芯304的有效面积的控制提供条件。也就是说，本发明实施例中的一个显著特点就是，可以通过选取使用极少量的高导磁性的材料，即可消除常规三相耦合电感器因零序电流的产生而给逆变器、电感器带来的各种不良后果。
[0032]相反，常规的三相耦合电感，由于没有高导磁性磁芯所提供的高导磁性磁通路，一旦出现Σ I古O时，三个绕组中柱中产生的不为零的剩余磁通，会通过电感的空气间隙强制建立泄放漏磁通道，而此时由于泄放漏磁通路(空气)的磁阻极高，对于单个绕组所形成的共模电感量极小，导致零序电流的急剧上升，给逆变器带来巨大的损耗，大大影响逆变器的工作效率。
[0033]图5A-?示出本发明的各种实施形态。参考图5A-?所示，根据上述原理，本发明可以有多种实施形态，例如图5A所示，可以在上、下轭磁芯301、302之间且在两个带绕组的中柱磁芯303之间设置I个高导磁性磁芯304a ;如图5B所示，可以在上、下轭磁芯301、302之间且分别在两对相邻的带绕组的中柱磁芯303之间设置2个高导磁性磁芯304b ;如图5C所示，可以在上、下轭磁芯301、302之间且水平方向的边缘处设置2个高导磁性磁芯304c，且高导磁性磁芯304d接触上、下轭磁芯301、302相对表面；如图5C所示，可以在上、下轭磁芯301、302之间且水平方向的边缘处设置2个高导磁性磁芯304d，且高导磁性磁芯304d接触上、下轭磁芯301、302的侧壁。
[0034]本发明的上述实施例虽然描述的是3相电感器，即电感器具有3个带绕组的中柱磁芯，但是根据同样的原则，本发明的实施例可以扩展到单相耦合式交直流电感和其他多相耦合式交直流滤波电感。举例来说，图6示出本发明另一实施例磁集成式三相耦合电感器结构，该电感器在上、下轭磁芯601、602之间仅包括2个中柱磁芯603,且可包括一个高导磁性磁芯604。
[0035]虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的修改和完善，因此本发明的保护范围当以权利要求书所界定的为准。
【权利要求】
1.一种磁集成电感器，包括相对设置的上轭磁芯和下轭磁芯、设于该上轭磁芯和该下轭磁芯之间的至少二个带绕组的中柱磁芯、以及设于该上轭磁芯和该下轭磁芯之间的至少一个高导磁性磁芯，该至少二个中柱磁芯与该上轭磁芯和下轭磁芯构成多个第一磁路，该至少一个高导磁性磁芯与该上轭磁芯和下轭磁芯构成至少一个第二磁路，其中该高导磁性磁芯的相对磁导率大于或等于1000,且 设该上、下轭磁芯的饱和磁通密度为Bs⑶，磁路有效截面积为Ae⑶，该高导磁性磁芯的饱和磁通密度为Bs (A)，磁路有效截面积为Ae (A)，则Ae (A) XBs(A)彡 Ae (B) XBs (B) X 50%。
2.如权利要求1所述的磁集成电感器，其特征在于，Ae (A) XBs(A)彡 Ae (B) XBs (B) X 10%。
3.如权利要求1所述的磁集成电感器，其特征在于，该中柱磁芯的数量为2-3个。
4.如权利要求1所述的磁集成电感器，其特征在于，该高导磁性磁芯的数量为I个以上。
5.如权利要求1所述的磁集成电感器，其特征在于，该中柱磁芯的材料为硅钢片、非晶磁芯、铁氧体、铁硅或铁硅铝。
6.如权利要求1所述的磁集成电感器，其特征在于，该中柱磁芯包括非导磁的气隙。
7.如权利要求1所述的磁集成电感器，其特征在于，该高导磁磁芯与该上轭磁芯和该上轭磁芯的接触面间紧密结合，使该第二磁路基本上不包含气隙。
【文档编号】H01F17/04GK104282412SQ201410588797
【公开日】2015年1月14日 申请日期:2014年10月28日 优先权日:2014年10月28日
【发明者】邵革良, 张文举 申请人:田村（中国）企业管理有限公司, 深圳市京泉华科技股份有限公司