一种磁集成电感和逆变器的制作方法

1.本发明涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种磁集成电感和逆变器。


背景技术：

2.在光伏发电、电化学储能等领域中，对并网逆变器功率的要求逐步提高，而现有的单管器件无法满足大功率的要求，为此必需使用功率模块，但是模块价格较高，增加了系统成本。为此，通常使用单管器件搭建逆变桥臂，再将多个逆变桥臂并联使用，但是，这种方式会增加电感器、电流传感器的数量，增加了系统的成本和复杂度。


技术实现要素：

3.本发明实施方式主要解决的技术问题是提供一种磁集成电感和逆变器，能够有效降低电流纹波，减小整体电路的体积，降低成本。
4.为解决上述技术问题，本发明实施方式采用的一个技术方案是：提供一种磁集成电感，包括：第一绕组、第二绕组、第三绕组、中柱磁芯、上磁芯、下磁芯、左柱磁芯及右柱磁芯；所述上磁芯和下磁芯上下对称设置；所述中柱磁芯、左柱磁芯和右柱磁芯均与所述上磁芯和下磁芯垂直设置；所述第一绕组绕在所述左柱磁芯上，所述第二绕组绕在所述右柱磁芯上，所述第三绕组绕在所述中柱磁芯上；所述第一绕组的输入端连接逆变电路，所述第二绕组的输入端连接逆变电路，所述第一绕组的输出端连接所述第二绕组的输出端；所述第一绕组和所述第二绕组的匝数相同；所述第三绕组的输入端和输出端分别与信号处理电路连接。
5.在一些实施例中，所述第三绕组用于：获取所述第一绕组的磁通与所述第二绕组的磁通，以计算出所述第三绕组的感应电压，以使所述信号处理电路根据所述感应电压计算出所述第一绕组与所述第二绕组之间的电流差。
6.在一些实施例中，所述左柱磁芯和右柱磁芯的形状相同且所述第一绕组和所述第二绕组的匝数相同。
7.在一些实施例中，所述上磁芯、下磁芯、左柱磁芯和右柱磁芯均为第一类型材料，所述中柱磁芯为第二类型材料；所述第一类型材料的磁导低于所述第二类型材料的磁导。
8.在一些实施例中，所述第一类型材料为铁硅、铁硅铝和铁镍中的一种或多种的组合；所述第二类型材料为铁氧体、非晶和纳米晶中的一种或多种的组合。
9.在一些实施例中，所述中柱磁芯、左柱磁芯和右柱磁芯的顶部均与所述上磁芯的底部平齐，所述中柱磁芯、左柱磁芯和右柱磁芯的底部均与所述下磁芯的顶部平齐。
10.在一些实施例中，所述上磁芯包括两部分，所述上磁芯的两部分关于所述中柱磁芯左右对称设置；所述中柱磁芯的顶部与所述上磁芯的顶部平齐，所述中柱磁芯的底部与所述下磁芯的顶部平齐；所述左柱磁芯和右柱磁芯的顶部均与所述上磁芯的底部平齐，所述左柱磁芯和右柱磁芯的底部均与所述下磁芯的顶部平齐。
11.在一些实施例中，所述上磁芯和下磁芯均包括两部分，所述上磁芯的两部分关于
所述中柱磁芯左右对称设置，所述下磁芯的两部分关于所述中柱磁芯左右对称设置；所述中柱磁芯的顶部与所述上磁芯的顶部平齐，所述中柱磁芯的底部与所述下磁芯的底部平齐；所述左柱磁芯和右柱磁芯的顶部均与所述上磁芯的底部平齐，所述左柱磁芯和右柱磁芯的底部均与所述下磁芯的顶部平齐。
12.为解决上述技术问题，本发明实施方式采用的另一个技术方案是：提供一种逆变器，所述逆变器包括：逆变电路和如上所述的磁集成电感；所述磁集成电感与所述逆变电路连接。
13.在一些实施例中，所述逆变电路包括：三相桥臂模块、母线电容模块及输出滤波模块，所述三相桥臂模块包括三个一相桥臂，每一相桥臂包括两个桥臂；所述三相桥臂模块分别与所述母线电容模块和所述磁集成电感连接，所述磁集成电感还与所述输出滤波模块连接，所述磁集成电感还用于与信号处理电路连接，所述母线电容模块还用于接入直流电，所述输出滤波模块还用于输出交流电；所述磁集成电感用于：当所述逆变器将所述直流电转换为交流电时，抑制共模电流纹波和差模电流纹波，并测量三相桥臂模块中每一相桥臂中的两个桥臂的电流差。
14.本发明提供了一种磁集成电感和逆变器，所述磁集成电感包括：第一绕组、第二绕组、第三绕组、中柱磁芯、上磁芯、下磁芯、左柱磁芯及右柱磁芯；所述上磁芯和下磁芯上下对称设置；所述中柱磁芯、左柱磁芯和右柱磁芯均与所述上磁芯和下磁芯垂直设置；所述第一绕组绕在所述左柱磁芯上，所述第二绕组绕在所述右柱磁芯上，所述第三绕组绕在所述中柱磁芯上；所述第一绕组的输入端连接逆变电路，所述第二绕组的输入端连接逆变电路，所述第一绕组的输出端连接所述第二绕组的输出端；所述第一绕组和所述第二绕组的匝数相同；所述第三绕组的输入端和输出端分别与信号处理电路连接。本发明实施例提供的磁集成电感可以在抑制差模电流纹波和共模电流纹波的同时做差模电流采样，减小了电路的体积，降低了成本。
附图说明
15.一个或多个实施例通过与之对应的附图进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。
16.图1是三相桥臂并联逆变电路的结构示意图；图2是本发明实施例提供的一种磁集成电感的结构示意图；图3是本发明实施例提供的一种逆变器的结构示意图；图4是本发明实施例提供的磁集成电感工作时的结构示意图；图5是逆变器中一个桥臂的五种结构的结构示意图；图6是本发明实施例提供的另一种磁集成电感的结构示意图；图7是本发明实施例提供的又一种磁集成电感的结构示意图。
具体实施方式
17.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不
用于限定本发明。
18.需要说明的是，如果不冲突，本发明实施例中的各个特征可以相互组合，均在本发明的保护范围之内。另外，虽然在装置示意图中进行了功能模块的划分，在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于装置示意图中的模块划分，或流程图中的顺序执行所示出或描述的步骤。
19.除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是用于限制本发明。本说明书所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
20.随着大型光伏电站、储能系统的发展，并网逆变器的功率等级逐步提高。而现有的单管器件无法满足大功率的需求。为此，通常使用桥臂并联的逆变电路来满足大功率的需求，但是，这种电路会增加电感器和电流传感器的数量，增加成本和电路的体积。
21.请参阅图1，图1是三相桥臂并联逆变电路的结构示意图。
22.该三相桥臂并联逆变电路包括母线电容模块、三相桥臂模块、电流传感器模块、滤波电感模块及输出滤波模块。
23.母线电容模块与直流电源连接，母线电容模块还与三相桥臂模块的输入端连接，三相桥臂模块的输出端分别与滤波电感模块和电流传感器模块连接，滤波电感模块还与输出滤波模块连接，输出滤波模块用于输出交流电。
24.母线电容模块包括电容cp和电容cn。三相桥臂模块包括r相桥臂、s相桥臂及t相桥臂，r相桥臂包括r1桥臂和r2桥臂，s相桥臂包括s1桥臂和s2桥臂，t相桥臂包括t1桥臂和t2桥臂。电流传感器模块包括电流传感器ct1、电流传感器ct2、电流传感器ct3、电流传感器ct4、电流传感器ct5及电流传感器ct6。滤波电感模块包括电感l
r1
、电感l
r2
、电感l
s1
、电感l
s2
、电感l
t1
、及电感l
t2
。输出滤波模块包括电感l1、电感l2、电感l3、电容c1、电容c2及电容c3。
25.其中，电感l
r1
、电感l
r2
、电感l
s1
、电感l
s2
、电感l
t1
、及电感l
t2
为每一个桥臂的输出端的滤波电感，用于抑制共模电流纹波和差模电流纹波。电流传感器ct1、电流传感器ct2、电流传感器ct3、电流传感器ct4、电流传感器ct5及电流传感器ct6为每一个桥臂的输出端的电流传感器，用于测量每一个桥臂的电流。
26.针对上述三相桥臂并联逆变电路，为了减少成本并减少电路的体积，请参阅图2，图2是本发明实施例提供的一种磁集成电感的结构示意图。
27.如图2所示，该磁集成电感包括：第一绕组n1、第二绕组n2、第三绕组n3、中柱磁芯c4、上磁芯c3、下磁芯c5、左柱磁芯c1及右柱磁芯c2。上磁芯c3和下磁芯c5上下对称设置。中柱磁芯c4、左柱磁芯c1和右柱磁芯c2均与上磁芯c3和下磁芯c5垂直设置。第一绕组n1绕在左柱磁芯c1上，第二绕组n2绕在右柱磁芯c2上，第三绕组n3绕在中柱磁芯c4上。第一绕组n1的输入端连接逆变电路，第二绕组n2的输入端连接逆变电路，第一绕组n1的输出端连接第二绕组n2的输出端。第一绕组n1和第二绕组n2的匝数相同。第三绕组n3的输入端和输出端分别与信号处理电路连接。
28.在一些实施例中，中柱磁芯c4、左柱磁芯c1和右柱磁芯c2的顶部均与上磁芯c3的底部平齐，中柱磁芯c4、左柱磁芯c1和右柱磁芯c2的底部均与下磁芯c5的顶部平齐。
29.在一些实施例中，第三绕组n3用于：获取第一绕组n1的磁通与第二绕组n2的磁通，
以计算出第三绕组n3的感应电压，以使信号处理电路根据感应电压计算出第一绕组n1与第二绕组n2之间的电流差。
30.在一些实施例中，左柱磁芯c1和右柱磁芯c2的形状相同且第一绕组n1和第二绕组n2的匝数相同。
31.在一些实施例中，上磁芯c3、下磁芯c5、左柱磁芯c1和右柱磁芯c2均为第一类型材料，中柱磁芯c4为第二类型材料。第一类型材料的磁导低于第二类型材料的磁导。
32.在一些实施例中，第一类型材料为铁硅、铁硅铝和铁镍中的一种或多种的组合。第二类型材料为铁氧体、非晶和纳米晶中的一种或多种的组合。
33.在一些实施例中，左柱磁芯c1和右柱磁芯c2的材料还可以是开了气隙的铁氧体、纳米晶或非晶磁芯等材料。需要注意的是，左柱磁芯c1和右柱磁芯c2的材料的磁导必须低于中柱磁芯c4的材料的磁导。
34.请参阅图3，图3是本发明实施例提供的一种逆变器的结构示意图。如图3所示，该逆变器包括：逆变电路和如上所述的磁集成电感，磁集成电感与逆变电路连接。
35.在一些实施例中，逆变电路包括：三相桥臂模块、母线电容模块及输出滤波模块，三相桥臂模块包括三个一相桥臂，每一相桥臂包括两个桥臂。三相桥臂模块分别与母线电容模块和磁集成电感连接，磁集成电感还与输出滤波模块连接，磁集成电感还用于与信号处理电路连接，母线电容模块还用于接入直流电，输出滤波模块还用于输出交流电。
36.磁集成电感用于：当逆变器将直流电转换为交流电时，抑制共模电流纹波和差模电流纹波，并测量三相桥臂模块中每一相桥臂中的两个桥臂的电流差。
37.母线电容模块包括电容cp和电容cn。三相桥臂模块包括r相桥臂、s相桥臂及t相桥臂，r相桥臂包括r1桥臂和r2桥臂，s相桥臂包括s1桥臂和s2桥臂，t相桥臂包括t1桥臂和t2桥臂。输出滤波模块包括电感l1、电感l2、电感l3、电容c1、电容c2及电容c3。
38.每个磁集成电感的l1端和l3端分别接每一相桥臂中的两个桥臂的输出。每个磁集成电感的l2端和l4端连接，并连接输出滤波模块。每个磁集成电感的l5和l6端分别连接信号处理电路，用于测量每一相桥臂中的两个桥臂的电流差。
39.其中，磁集成电感r、磁集成电感s及磁集成电感t用于抑制共模电流纹波和差模电流纹波，还用于测量每一相桥臂中的两个桥臂的电流差。
40.请参阅图4，图4是本发明实施例提供的磁集成电感工作时的结构示意图。
41.当第一绕组n1和第二绕组n2中有电流时，第一绕组n1和第二绕组n2产生的磁通如图4所示。因为中柱磁芯c4的磁导高于其它磁芯，所以中柱磁芯c4会解耦第一绕组n1和第二绕组n2产生的磁通，且第一绕组n1产生的磁通不会流过第二绕组n2，第二绕组n2产生的磁通也不会流过第一绕组n1。
42.当第一绕组n1的输入端l1和第二绕组n2的输入端l3流过相同大小的电流时，磁通与磁通相等，第一绕组n1在中柱磁芯c4上产生的磁通与第二绕组n2在中柱磁芯c4上产生的磁通相互抵消。此时，第三绕组n3感应到的感应电压为0。
43.当第一绕组n1的输入端l1和第二绕组n2的输入端l3流过的电流存在差异时，磁通与磁通不相等，第一绕组n1在中柱磁芯c4上产生的磁通与第二绕组n2在中柱磁芯c4
上产生的磁通不会相互抵消。
44.那么，第三绕组n3能够感应出感应电压，感应电压的计算公式为：（1）其中，为第三绕组n3的匝数。
45.进一步的，感应电压经过信号处理电路的积分处理后可以获得中柱磁通，根据中柱磁通可以计算获得第一绕组n1和第二绕组n2的电流差。
46.其中，信号处理电路可为积分电路。
47.需要说明的是，第一绕组n1和第二绕组n2的绕制方向可以相同，也可以相反。但是，需满足如下条件一和条件二中的一个：条件一，当第一绕组n1和第二绕组n2的绕制方向相同时，在第一绕组n1中电流从l1端流向l2端且在第二绕组n2中电流中l3端流向l4端，或是，在第一绕组n1中电流从l2端流向l1端且在第二绕组n2中电流中l4端流向l3端。
48.条件二，当第一绕组n1和第二绕组n2的绕制方向相反时，在第一绕组n1中电流从l1端流向l2端且在第二绕组n2中电流中l4端流向l3端，或是，在第一绕组n1中电流从l2端流向l1端且在第二绕组n2中电流中l3端流向l4端。
49.请参阅图5，图5是逆变器中一个桥臂的五种结构的结构示意图。
50.在一些实施例中，一个桥臂的第一种结构为图5中的结构11所示，为有源钳位三电平结构。
51.在一些实施例中，一个桥臂的第二种结构为图5中的结构12所示，为二极管钳位三电平结构。
52.在一些实施例中，一个桥臂的第三种结构为图5中的结构13所示，为两电平全桥结构。
53.在一些实施例中，一个桥臂的第四种结构为图5中的结构14所示，为t型三电平结构。
54.在一些实施例中，一个桥臂的第五种结构为图5中的结构15所示，为两电平半桥结构。
55.需要说明的是，桥臂的种类不局限于上述的五种桥臂，其它类型的桥臂也可应用于本发明实施例。
56.上述任意两个桥臂并联可组成一相桥臂。
57.本发明实施例提供的磁集成电感可以应用于任意的桥臂并联的逆变器中，逆变器电平数量可以为2电平、3电平、5电平等任意电平，逆变器的相数可以为单相、2相、3相等任意相数。本发明实施例提供的磁集成电感还可以应用于整流器或功率因数校正器中。
58.请参阅图6，图6是本发明实施例提供的另一种磁集成电感的结构示意图。
59.在一些实施例中，上磁芯c3包括两部分，上磁芯c3的两部分关于中柱磁芯c4左右对称设置。中柱磁芯c4的顶部与上磁芯c3的顶部平齐，中柱磁芯c4的底部与下磁芯c5的顶部平齐。
60.上磁芯c3的两部分，分别为磁芯c31和磁芯c32。磁芯c31和磁芯c32分别设置在中柱磁芯c4的左右两侧，且与中柱磁芯c4的顶部平齐。
61.左柱磁芯c1和右柱磁芯c2的顶部均与上磁芯c3的底部平齐，左柱磁芯c1和右柱磁芯c2的底部均与下磁芯c5的顶部平齐。
62.本实施例中，上磁芯c3和下磁芯c5的长短相同，左柱磁芯c1和右柱磁芯c2的长短相同，而且中柱磁芯c4比左柱磁芯c1的长度长，并且，左柱磁芯c1和右柱磁芯c设置在上磁芯c3和下磁芯c5之间。
63.请参阅图7，图7是本发明实施例提供的又一种磁集成电感的结构示意图。
64.在一些实施例中，上磁芯c3和下磁芯c5均包括两部分，上磁芯c3的两部分关于中柱磁芯c4左右对称设置，下磁芯c5的两部分关于中柱磁芯c4左右对称设置。中柱磁芯c4的顶部与上磁芯c3的顶部平齐，中柱磁芯c4的底部与下磁芯c5的底部平齐。
65.上磁芯c3的两部分，分别为磁芯c31和磁芯c32。磁芯c31和磁芯c32分别设置在中柱磁芯c4的左右两侧，且与中柱磁芯c4的顶部平齐。
66.下磁芯c5的两部分，分别为磁芯c51和磁芯c52。磁芯c51和磁芯c52分别设置在中柱磁芯c4的左右两侧，且与中柱磁芯c4的底部平齐。
67.左柱磁芯c1和右柱磁芯c2的顶部均与上磁芯c3的底部平齐，左柱磁芯c1和右柱磁芯c2的底部均与下磁芯c5的顶部平齐。
68.本实施例中，上磁芯c3和下磁芯c5的长短相同，左柱磁芯c1和右柱磁芯c2的长短相同，而且中柱磁芯c4比左柱磁芯c1的长度长，并且，左柱磁芯c1和右柱磁芯c设置在上磁芯c3和下磁芯c5之间。
69.在产品实现时，上磁芯c3、下磁芯c5、中柱磁芯c4、左柱磁芯c1和右柱磁芯c2的外形可以为以下形状中的任意一种：圆形、椭圆形、三角形、正方形、矩形、圆角矩形和圆角三角形。
70.可以理解的是，图2所示的是磁集成电感的主视图对应的剖面图，而以上所说的各种外形形状是指各个磁芯的俯视时对应的形状。例如，上磁芯c3和下磁芯c5可以为板状，板的形状可以为以上形状。
71.中柱磁芯c3、左柱磁芯c1和右柱磁芯c2可以为柱状，其截面可以为以上形状。例如圆柱形、椭圆形柱或棱柱形均可以，其中棱柱形可以为三棱柱、四棱柱、五棱柱或六棱柱等。
72.而上磁芯c3和下磁芯c5一般可以采用板状，例如长方体板或者正方体板。
73.以上实施例介绍的磁集成电感中的各个磁芯可以独立设置，也可以部分磁芯集成设置，当部分磁芯集成设置时可以集成在一起一体成型。例如上磁芯c3、中柱磁芯c4、左柱磁芯c1和右柱磁芯c2集成在一起一体成型，而下磁芯c5单独设置，这样形成的磁芯为ei型。另外，还可以为下磁芯c5、中柱磁芯c4、左柱磁芯c1和右柱磁芯c2集成在一起，而上磁芯c3单独设置，这样形成的磁芯也为ei型。磁集成电感中的磁芯形状不限于ei型，可以为其他形状，如ee型、pq型等。
74.为了制造方便，集成在一起的各个磁芯可以在制造时一体成型，前提是一体成型的各个磁芯的材料需要相同。
75.在一些实施例中，第一绕组n1、第二绕组n2及第三绕组n3可以为扁线、漆包线或利兹线等，绕组材料可以为铝线、铜线等。
76.本实施例中，磁集成电感的边柱数量为两个，第一个边柱是右柱磁芯c1和绕制在右柱磁芯c1上的第一绕组n1，第二个边柱是右柱磁芯c2和绕制在右柱磁芯c2上的第二绕组n2。
77.在一些实施例中，磁集成电感的边柱数量不限于2个，磁集成电感的边柱数量可以为2的整数倍，边柱关于中柱磁芯c4对称，且中柱磁芯c4的磁导高于边柱磁芯的磁导。
78.本发明实施例提供了一种磁集成电感，磁集成电感包括：第一绕组、第二绕组、第三绕组、中柱磁芯、上磁芯、下磁芯、左柱磁芯及右柱磁芯；上磁芯和下磁芯上下对称设置；中柱磁芯、左柱磁芯和右柱磁芯均与上磁芯和下磁芯垂直设置；第一绕组绕在左柱磁芯上，第二绕组绕在右柱磁芯上，第三绕组绕在中柱磁芯上；第一绕组的输入端连接逆变电路，第二绕组的输入端连接逆变电路，第一绕组的输出端连接第二绕组的输出端；第一绕组和第二绕组的匝数相同；第三绕组的输入端和输出端分别与信号处理电路连接。本发明实施例提供的磁集成电感将2个功率绕组和电流传感器集成到一个电感中，可以在抑制差模电流纹波和共模电流纹波的同时做差模电流采样，减小整体电路的体积，降低成本。
79.基于以上实施例提供的一种磁集成电感，本技术实施例还提供一种逆变器，该逆变器包括以上实施例介绍的磁集成电感，具体可以参见图3，该变换器包括逆变电路和磁集成电感。磁集成电感与逆变电路连接。
80.本实施例提供的逆变器，将两个电感和两个电流传感器集成在一起形成磁集成电感，起到抑制差模电流纹波和共模电流纹波的作用又实现差模电流采样的作用，该磁集成变换器减少了磁柱的个数，因此降低了整个逆变器的体积，提高了功率密度。
81.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明，它们没有在细节中提供；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本技术各实施例技术方案的范围。