集成电感及应用所述集成电感的功率变换器的制作方法

本发明涉及功率变换技术领域，尤其涉及一种集成电感及应用所述集成电感的功率变换器。

背景技术：

在功率变换器中，采用交错并联技术可以减小纹波电流，只需较小的滤波电容即可满足功率变换器的纹波电流要求，可显著的降低滤波电容的成本，并提升功率变换器的效率。例如，在光伏逆变器中，更小的纹波电流意味着更小的纹波电压，可有效的提高最大功率点跟踪(maximumpowerpointtracking，mppt)控制器的电压采样精度，提升逆变器的效率。

采用交错关联技术的功率变换器包括并联的多个功率桥臂，多个功率桥臂与多个分立的电感一一对应连接，并且以交错方式运行。然而，采用分立电感进行交错并联后，同等功率下所需要的滤波电感数目增加一倍，导致功率变换器的生产成本上升；同时，由于滤波电感数目的增加，使得功率变换器的组装工序更加复杂，导致生产工时增加；再者，在采用分立电感进行交错并联的功率变换器中，每个电感承受相同的伏秒，使得电感的磁损增大，不利于提升功率变换器的效率。

技术实现要素：

本发明提供一种集成电感，以减小功率变换器体积和重量，降低电感的磁损，提升功率变换器的效率。

另，本发明还提供一种应用所述集成电感的功率变换器。

本发明第一方面提供一种集成电感，包括磁芯和n个绕组，所述磁芯包括第一磁柱、n个第二磁柱以及设置于所述第二磁柱两端的第一磁轭和第二磁轭；其中，n为大于或等于2的整数；

所述第一磁柱与所述n个第二磁柱分别平行间隔设置，所述第一磁柱与每 一所述第二磁柱的间距相等；

所述第二磁柱的一端通过所述第一磁轭与所述第一磁柱的一端连接，所述第二磁柱的另一端通过所述第二磁轭与所述第一磁柱的另一端连接；

所述n个绕组一一对应地设置于所述n个第二磁柱上。

所述集成电感通过将所述n个绕组集成于一副磁芯上，从而可以有效减小电感的体积和重量；同时，所述n个绕组共用所述第一磁柱，从而使得磁场中的低频分量在所述第一磁柱中相互抵消，只留有高频成分，从而可以使用低损耗的磁芯材料，以减小所述集成电感的磁损。

结合第一方面，需要说明的是，所述第一磁轭嵌入所述第一磁柱的一端，并与所述第一磁柱之间形成第一接触面；所述第二磁轭嵌入所述第一磁柱的另一端，并与所述第一磁柱之间形成第二接触面；其中，通过所述第一接触面的磁通密度与通过所述第二接触面的磁通密度相同。

进一步地，任意两个所述第一接触面的面积相等，且任意两个所述第二接触面的面积相等。

进一步地，所述第一磁轭的中轴线垂直于所述第一磁柱，所述第一接触面的面积大于所述第一磁轭垂直于所述中轴线的横截面面积；所述第二磁轭的中轴线垂直于所述第一磁柱，所述第二接触面的面积大于所述第二磁轭垂直于所述中轴线的横截面面积。

通过将每一所述第一磁轭和每一所述第二磁轭嵌入到所述第一磁柱中，实现嵌入连接，可以有效增加每一所述第一磁轭和每一所述第二磁轭与所述第一磁柱之间的接触面面积，从而可以提升所述每一第一磁轭或每一第二磁轭与所述第一磁柱之间的接触面的磁通容量，降低所述第一磁柱出现磁饱和的风险。

进一步地，所述第一接触面和所述第二接触面相对于所述第一磁柱的中心对称。通过将每一第二磁柱对应的第一接触面和第二接触面设置为相对于所述第一磁柱的中心对称，从而可以保证通过所述第一接触面的磁通密度与通过所述第二接触面的磁通密度相同。

进一步地，所述第一接触面与穿过所述第一磁轭和所述第一磁柱的磁力线之间存在一定的夹角；所述第二接触面与穿过所述第二磁轭和所述第一磁柱的磁力线之间存在一定的夹角。

进一步地，所述第一接触面和所述第二接触面均为l形曲面。

可选地，所述第一接触面和所述第二接触面均为弧形曲面。

结合第一方面，需要说明的是，所述第一磁柱的一端将任意两个所述第一磁轭相互隔离，所述第一磁柱的另一端将任意两个所述第二磁轭相互隔离。

通过将每一所述第一磁轭单独与所述第一磁柱的一端连接，使得任意两个所述第一磁轭之间不存在直接接触，并将每一所述第二磁轭单独与所述第一磁柱的另一端连接，使得任意两个所述第二磁轭之间也不存在直接接触，从而可以实现所述n个绕组之间的解耦合，因此可根据实际应用的需求分别调节所述n个绕组的电感量，此外，还可以在负载较小时，将所述n个绕组中的至少一个绕组设置为休眠状态，以降低功率变换器的功耗。

结合第一方面，需要说明的是，所述第一磁柱由无内部气隙的磁性材料制成，所述第二磁柱、第一磁轭和第二磁轭由有内部气隙的磁性材料制成；所述第一磁柱的磁导率大于所述第二磁柱、第一磁轭和第二磁轭的磁导率。

进一步地，所述第一磁柱由非晶、铁氧体或硅钢制成；所述第二磁柱、第一磁轭和第二磁轭均由铁硅铝粉或非晶粉制成。

由于所述第一磁柱与所述第二磁柱分别采用不同磁导率的磁性材料制成，同时，所述第一磁轭、第二磁轭与所述第二磁柱材料相同，且所述第一磁柱的磁导率大于所述第二磁柱、第一磁轭和第二磁轭的磁导率，相当于将磁路短路，从而可以获得更好的解耦效果。

结合第一方面，需要说明的是，所述n个绕组产生的磁场包括低频成分和高频成分，所述磁场中的低频成分在所述第一磁柱中相互抵消，所述磁场中的高频成分保留。

本发明第二方面提供一种功率变换器，包括集成电感和n个开关桥臂，所述集成电感包括磁芯和n个绕组，所述磁芯包括第一磁柱、n个第二磁柱以及设置于所述第二磁柱两端的第一磁轭和第二磁轭；其中，n为大于或等于2的整数；

所述第一磁柱与所述n个第二磁柱分别平行间隔设置，所述第一磁柱与每一所述第二磁柱的间距相等；

所述第二磁柱的一端通过所述第一磁轭与所述第一磁柱的一端连接，所述第二磁柱的另一端通过所述第二磁轭与所述第一磁柱的另一端连接

；所述n个绕组一一对应地设置于所述n个第二磁柱上；所述n个绕组分 别与所述n个开关桥臂一一对应连接。

结合第二方面，需要说明的是，所述集成电感为如本发明第一方面所提供的集成电感，所述功率变换器包括轻载工作模式，在所述轻载工作模式下，所述n个绕组中的至少一个绕组被设置为休眠状态。

所述功率变换器通过应用所述集成电感，从而可以有效减小所述功率变换器的体积和重量；同时，由于所述集成电感的n个绕组之间为解耦合状态，因此可根据实际应用的需求分别调节所述n个绕组的电感量；此外，还可以在负载较小时，将所述功率变换器切换为轻载工作模式，即将所述n个绕组中的至少一个绕组设置为休眠状态，从而可以降低所述功率变换器的功耗，并提升所述功率变换器在轻载时的工作效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一个实施例提供的集成电感的结构示意图；

图2是图1所示集成电感的磁芯中磁通量的波形示意图；

图3是本发明一个实施例提供的集成电感的结构示意图；

图4是本发明一个实施例提供的磁芯的结构示意图；

图5是本发明一个实施例提供的磁芯的结构示意图；

图6是本发明一个实施例提供的集成电感的结构示意图；

图7是本发明一个实施例提供的集成电感的结构示意图；

图8本发明一个实施例提供的功率变换器的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的实施例进行描述。

在功率变换技术领域，通常需要将电源电压从一个电压等级变换到另一个需要的电压等级，采用交错并联技术的功率变换器因具有较高的转换效率和功率密度，使其在功率变换技术领域得到了广泛的应用。采用交错并联技术的功 率变换器包括相互并联的多个功率开关桥臂，所述多个功率开关桥臂通过多个分立的电感绕组相互耦合，并且以交错方式运行。目前，在采用交错并联技术的功率变换器中，由于采用多个分立电感绕组来实现多个功率开关桥臂的交错并联，当功率开关桥臂增多时，所需要的分立电感数目同步增多，使得功率变换器的体积增大，且电感的磁损增大，不利于提升功率变换器的效率。

本发明实施例提供一种集成电感，其可应用于采用交错关联技术的功率变换器中，所述集成电感通过将两个或多个分立的绕组设置在一副磁芯上，以减小功率变换器的体积和重量；同时，两个或多个绕组共用部分磁芯，使得低频磁通分量相互抵消，可以降低电感的磁损，提升功率变换器的效率。

所述集成电感包括磁芯和n个绕组，所述磁芯包括第一磁柱、n个第二磁柱以及设置于所述第二磁柱两端的第一磁轭和第二磁轭；所述第一磁柱与所述n个第二磁柱平行间隔设置，所述第一磁柱与所述第二磁柱的间距相等；所述第二磁柱的一端通过所述第一磁轭与所述第一磁柱的一端连接，所述第二磁柱的另一端通过所述第二磁轭与所述第一磁柱的另一端连接；所述n个绕组一一对应地设置于所述n个第二磁柱上；其中，n为大于或等于2的整数。其中，所述第一磁柱由无内部气隙的磁性材料制成，例如非晶、铁氧体、硅钢等；所述第二磁柱、第一磁轭和第二磁轭由有内部气隙的磁性材料制成，例如铁硅铝粉、非晶粉等；所述第一磁柱的磁导率大于每一所述第二磁柱、第一磁轭和第二磁轭的磁导率。

所述n个绕组共用所述第一磁柱，从而使得磁场中的低频分量在所述第一磁柱中相互抵消，只留有高频成分。同时，由于所述第一磁柱为无内部气隙的磁性材料，相当于将磁路短路；且任意两个所述第一磁轭之间通过所述第一磁柱的一端相互隔离，即每一所述第一磁轭单独与所述第一磁柱的一端连接；任意两个所述第二磁轭之间通过所述第一磁柱的另一端相互隔离，即每一所述第二磁轭单独与所述第一磁柱的另一端连接；从而实现所述n个绕组之间的解耦合，并且可以减小所述集成电感的磁损。由于所述n个绕组之间处于解耦合状态，因此可根据实际应用的需求分别调节所述n个绕组的电感量。此外，在实际应用时，还可以根据负载大小调节所述集成电感的工作模式，例如，在负载较小时，可以将所述n个绕组中的至少一个绕组设置为休眠状态，以降低功率变换器的功耗。

请参阅图1，在本发明一个实施例中，提供一种集成电感100，包括磁芯110和两个绕组130，所述磁芯110包括第一磁柱111、两个第二磁柱113以及设置于所述第二磁柱113两端的第一磁轭1131和第二磁轭1133；所述第一磁柱111与两个所述第二磁柱113平行间隔设置，所述第一磁柱111与所述第二磁柱113的间距相等；所述第二磁柱113的一端通过所述第一磁轭1131与所述第一磁柱111的一端连接，所述第二磁柱113的另一端通过所述第二磁轭1133与所述第一磁柱111的另一端连接；两个所述绕组130一一对应地设置于两个所述第二磁柱113上。

每一所述第一磁轭1131与所述第一磁柱111的一端之间形成一第一接触面1135，任意两个所述第一接触面1135的面积相等；每一所述第二磁轭1133与所述第一磁柱111的另一端之间形成一第二接触面1137，任意两个所述第二接触面1137的面积相等；通过每一所述第二磁柱113对应的第一接触面1135和第二接触面1137的磁通密度相同。其中，所述第一磁轭1131的中轴线垂直于所述第一磁柱111，所述第一接触面1135为所述第一磁轭1131在与所述第一磁柱111连接之处垂直于所述中轴线的横截面；所述第二磁轭1133的中轴线垂直于所述第一磁柱111，所述第二接触面1137为所述第二磁轭1133在与所述第一磁柱111连接之处垂直于所述中轴线的横截面。

在本发明一个实施例中，将所述两个绕组130分别标记为第一绕组131和第二绕组133。假设所述第一绕组131中的电流为i1，所述第二绕组133中的电流为i2，且所述电流i1与电流i2的方向相反，如图1中箭头所示，则所述第一绕组131产生的磁场方向与所述第二绕组133产生的磁场方向也相反。假设通过所述第一绕组131对应的第二磁柱113及其两端的第一磁轭1131和第二磁轭1133的磁通量为φ1，通过所述第二绕组133对应的第二磁柱113及其两端的第一磁轭1131和第二磁轭1133的磁通量为φ2，则通过所述第一磁柱111的磁通量为φ1-φ2。由于所述第一绕组131与所述第二绕组133产生的磁场方向相反，所述第一绕组131产生的磁通量φ1中的低频成分与所述第二绕组133产生的磁通量φ2中的低频成分在所述第一磁柱111中相互抵消，仅保留高频成分，如图2所示。

请参阅图3，在本发明一个实施例中，所述集成电感100可以被设置为单路工作模式。例如，将所述第一绕组131接入电流i1，并保持所述第二绕组133 悬空，即所述第二绕组133中的电流为零。在单路工作模式下，由于只有一个绕组有电流接入，另一个绕组悬空，从而可以降低所述集成电感100的功耗。此外，假设通过所述第一绕组131对应的第二磁柱113及其两端的第一磁轭1131和第二磁轭1133的磁通量为φ1，则通过所述第一磁柱111的磁通量也为φ1，相对于多路绕组同时工作状态下，所述第一磁柱111中的磁通量大幅下降。对比图3和图1也可以看出，在相同的磁芯截面下，单路工作模式时通过所述第一磁柱111的磁通量相对于多路绕组同时工作时通过所述第一磁柱111的磁通量大幅下降。因此，所述第一磁柱111可以采用铁氧体等低饱和磁通密度的材料，从而降低所述集成电感100的磁芯损耗，节省成本。

请参阅图4，在本发明一个实施例中，提供一种磁芯210，包括第一磁柱211、两个第二磁柱213以及设置于所述第二磁柱213两端的第一磁轭2131和第二磁轭2133。所述磁芯210相对于图1所示的磁芯110，区别在于：所述第一磁轭2131嵌入所述第一磁柱211的一端，并与所述第一磁柱211之间形成一l形曲面的第一接触面2135；所述第二磁轭2133嵌入所述第一磁柱211的另一端，并与所述第一磁柱211之间形成一l形曲面的第二接触面2137。所述第一接触面2135和所述第二接触面2137相对于所述第一磁柱211的中心对称。

所述第一磁轭2131的中轴线垂直于所述第一磁柱211，所述第一接触面2135的面积大于所述第一磁轭2131垂直于所述中轴线的横截面面积；所述第二磁轭2133的中轴线垂直于所述第一磁柱211，所述第二接触面2137的面积大于所述第二磁轭2133垂直于所述中轴线的横截面面积；通过每一所述第二磁柱213对应的第一接触面2135和第二接触面2137的磁通密度相同。

通过将所述第一磁轭2131和第二磁轭2133嵌入到所述第一磁柱211中，并分别与所述第一磁柱211之间形成l形曲面的第一接触面2135和第二接触面2137，可以有效增加所述第一磁柱211与所述第一磁轭2131及第二磁轭2133之间的接触面积，从而增加所述第一接触面2135和第二接触面2137的磁通容量，降低所述第一磁柱211出现磁饱和的风险。

请参阅图5，在本发明一个实施例中，提供一种磁芯310，包括第一磁柱311、两个第二磁柱313以及设置于所述第二磁柱313两端的第一磁轭3131和第二磁轭3133。所述磁芯310与图4所示磁芯210的区别在于：所述第一磁轭3131与所述第一磁柱311的一端嵌入连接，并与所述第一磁柱311之间形成一弧形曲 面的第一接触面3135；所述第二磁轭3133与所述第一磁柱311的另一端嵌入连接，并与所述第一磁柱311之间形成一弧形曲面的第二接触面3137。

通过将所述第一磁轭3131和第二磁轭3133嵌入到所述第一磁柱311中，并分别与所述第一磁柱311之间形成弧形曲面的第一接触面3135和第二接触面3137，可以有效增加所述第一磁柱311与所述第一磁轭3131及第二磁轭3133之间的接触面积，从而增加所述第一接触面3135和第二接触面3137的磁通容量，降低所述第一磁柱311出现磁饱和的风险。

可以理解，所述第一磁轭在嵌入与所述第一磁柱时，以及所述第二磁轭在嵌入所述第一磁柱时，并不限于图4和图5所示两种嵌入方式，相应地，所述第一接触面及第二接触面也并不限于l形曲面和弧形曲面，还可以是半球形曲面、凹面或者楔面等，只需保证所述第一接触面的面积大于所述第一磁轭垂直于所述中轴线的横截面面积，所述第二接触面的面积大于所述第二磁轭垂直于所述中轴线的横截面面积即可。

可以理解，所述第一接触面的面积包括所述第一磁轭在嵌入所述第一磁柱时与所述第一磁柱之间形成的对穿过所述第一磁轭和所述第一磁柱的磁力线有切割作用的接触面面积，即所述第一接触面与穿过所述第一磁轭和所述第一磁柱的磁力线之间存在一定的夹角；所述第二接触面的面积包括所述第二磁轭在嵌入所述第一磁柱时与所述第一磁柱之间形成的对穿过所述第二磁轭和所述第一磁柱的磁力线有切割作用的接触面面积，即所述第二接触面与穿过所述第二磁轭和所述第一磁柱的磁力线之间存在一定的夹角。

请参阅图6，在本发明一个实施例中，提供一种集成电感400，图6所示为所述集成电感400的俯视图。所述集成电感400包括磁芯410和三个绕组430，所述磁芯410包括第一磁柱411、三个第二磁柱413以及设置于所述第二磁柱413两端的第一磁轭4131和第二磁轭4133(图6中，所述第二磁轭4133被所述第一磁轭4131遮挡，故用括弧表示)；所述第一磁柱411与三个所述第二磁柱413分别平行间隔设置，所述第一磁柱411与所述第二磁柱413的间距相等；所述第二磁柱413的一端通过所述第一磁轭4131与所述第一磁柱411的一端连接，所述第二磁柱413的另一端通过所述第二磁轭4133与所述第一磁柱411的另一端连接；三个所述绕组430一一对应地设置于三个所述第二磁柱413上。

可以理解，三个所述第二磁柱413可以呈三角形分布，每一所述第二磁柱 413分别设置于三角形的一个顶点所在的位置，所述第一磁柱411设置于三角形的外心所在的位置，从而使得所述第一磁柱411与每一所述第二磁柱413的间距相等。每一所述第一磁轭4131与所述第一磁柱411的连接方式，以及每一所述第二磁轭4133与所述第一磁柱411的连接方式可以参照图4或图5所示实施例中的描述，此处不再赘述。

请参阅图7，在本发明一个实施例中，提供一种集成电感500，图7所示为所述集成电感500的俯视图。所述集成电感500包括磁芯510和四个绕组530，所述磁芯510包括第一磁柱511、四个第二磁柱513以及设置于所述第二磁柱513两端的第一磁轭5131和第二磁轭5133(图7中，所述第二磁轭5133被所述第一磁轭5131遮挡，故用括弧表示)；所述第一磁柱511与四个所述第二磁柱513平行间隔设置，所述第一磁柱511与所述第二磁柱513的间距相等；所述第二磁柱513的一端通过所述第一磁轭5131与所述第一磁柱511的一端连接，所述第二磁柱513的另一端通过所述第二磁轭5133与所述第一磁柱511的另一端连接；四个所述绕组530一一对应地设置于四个所述第二磁柱513上。

可以理解，四个所述第二磁柱513可以呈矩阵分布，每一所述第二磁柱513分别设置于矩阵的一角所在的位置，所述第一磁柱511设置于矩阵的中心位置，从而使得所述第一磁柱511与每一所述第二磁柱513的间距相等。每一所述第一磁轭5131与所述第一磁柱511的连接方式，以及每一所述第二磁轭5133与所述第一磁柱511的连接方式可以参照图4或图5所示实施例中的描述，此处不再赘述。

请参阅图8，在本发明一个实施例中，提供一种功率变换器10，包括图1所示实施例的集成电感100和两个开关桥臂1、2，其中，所述集成电感100的结构可参照图1所示实施例中的相关描述，所述集成电感100的第一绕组131和第二绕组133分别与所述两个开关桥臂1、2一一对应连接。具体地，所述开关桥臂1包括相互串联的上开关管s1和下开关管s2，所述开关桥臂2包括相互串联的上开关管s3和下开关管s4，所述开关桥臂1与所述开关桥臂2相互并联，所述第一绕组131和所述第二绕组133的一端相互连接，所述第一绕组131的另一端与所述开关桥臂1的桥臂中点连接，所述第二绕组133的另一端与所述开关桥臂2的桥臂中点连接。

可以理解，由于所述集成电感100的第一绕组131和第二绕组133之间为 解耦合状态，因此，在实际应用时，不但可以单独调节所述第一绕组131和第二绕组133的电感量，还可以根据负载大小调节所述功率变换器10的工作模式，例如，在负载较小时，可以将所述第一绕组131或第二绕组133设置为休眠状态，即将所述功率变换器10设置为轻载工作模式，从而可以降低所述功率变换器10的功耗。

在本发明一个实施例中，所述功率变换器可包括集成电感和n个开关桥臂，所述集成电感可包括磁芯和n个绕组，所述磁芯包括第一磁柱、n个第二磁柱以及设置于所述第二磁柱两端的第一磁轭和第二磁轭；所述第一磁柱与所述n个第二磁柱分别平行间隔设置，所述第一磁柱与所述第二磁柱的间距相等；所述第二磁柱的一端通过所述第一磁轭与所述第一磁柱的一端连接，所述第二磁柱的另一端通过所述第二磁轭与所述第一磁柱的另一端连接；所述n个绕组一一对应地设置于所述n个第二磁柱上；所述n个绕组分别与所述n个开关桥臂一一对应连接；其中，n为大于或等于2的整数。所述集成电感可以是但不限于图1、图6或图7所示实施例中的集成电感，具体可以参照图1、图6或图7所示实施例中的相关描述，此处不再赘述。可以理解，在负载较小时，所述功率变换器可以将所述n个绕组中的至少一个绕组设置为休眠状态，即将所述功率变换器设置为轻载工作模式，从而可以降低所述功率变换器的功耗，并提升所述功率变换器在轻载时的工作效率。

可以理解，本发明实施例对所述功率变换器的电平等级不作限定，例如，所述功率变换器可以为二电平功率变换器，三电平功率变换器或四电平功率变换器等；此外，本发明的实施例对所述功率变换器的类型也不作限定，例如，所述功率变换器可以为二极管箝位型多电平功率变换器，也可以是电容箝位型多电平功率变换器等。

以上所揭露的仅为本发明的优选实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。