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磁集成技術及其在電力電子中的應用
功率磁性元件是所有電力電子裝置中*的關鍵器件。它擔負著磁能的傳遞、儲存以及濾波和電氣隔離等功能，其體積和重量一般占到整個電路的20%至30%，損耗約占總損耗的30%。同時，磁性元件的各參數(shù)對電路的性能影響很大，如變壓器漏感對電壓尖峰的影響，變壓器原、副邊繞組的耦合電容對隔離性能的影響。因此，磁性器件的研究對于減小電力電子裝置的體積和重量、提高電壓調制性能有十分重要的意義。
近年來，隨著開關器件和軟開關技術的發(fā)展，人們通常采用提高工作頻率的辦法實現(xiàn)開關電 源的小型化，但是受到磁性器件特性的限制，高頻化的方法有一定局限性。因為提高工作頻率，會使磁性器件的磁芯損耗顯著增加，所以在高頻工作時磁性器件的磁芯一般要降額使用，磁芯的工作磁密遠小于其飽和磁密，限制了磁性器件體積的進一步減小。為了能進一步減小磁性器件的體積、重量和損耗，提高磁件性能，人們研究了磁集成技術，并將其應用于電力電子磁性器件的設計中。
2 磁集成技術
2.1 磁集成技術的發(fā)展現(xiàn)狀
自從Cuk次提出了磁件集成化［1，2］的思想后，磁集成的概念不斷擴展，這一技術發(fā)展很快［3］，已成為電力電子行業(yè)發(fā)展的一個趨勢。近幾年，隨著電力電子技術高頻磁技術的不斷發(fā)展，磁集成技術已經發(fā)展成為電力電子技術的一個分支，國外很多研究人員致力于這方面的研究，但國內的研究和應用還處于起步階段。
2.2 磁集成技術的定義和特點
集成磁件實際上包含兩方面含義［4，5］：一是將多個磁性元件集成在一個磁芯結構上，充分利用各個磁件在具體電路拓撲中的電壓、電流關系以及磁路拓撲中的磁通、磁勢關系，實現(xiàn)多個磁件的集成，以減小體積，提高開關電源的功率密度、降低損耗、改善輸出濾波效果(例如將兩個或多個電感器繞制在一個磁芯上)；二是將磁性元件與線路板結合(例如直接將磁件的繞組制造在線路板上，采用厚膜技術將磁芯和繞組制造在硅片上等)。本文主要討論類問題。
在電力電子中，磁集成技術主要應用于開關電源和UPS逆變器中，有以下優(yōu)點：（1）減少開關電源中器件的數(shù)量；（2）使集成磁件的大工作磁密小于各分立磁件的磁密和，以減小磁件磁芯的截面積，從而減小磁件磁芯的體積和重量；（3）使集成磁件磁芯磁通的脈動量減小，從而使磁件的鐵損耗減小，提高開關電源的效率和功率密度；（4）改善開關電源的性能，如減小開關電源輸入和輸出電流的紋波，提高開關電源的瞬態(tài)響應速度等。
3 集成磁件的設計與建模
3.1 集成磁件的設計步驟
由于所設計的集成磁件是用于特定電路，因此，不僅要在設計的過程中考慮特定電路的要求，設計完成后對集成磁件的分析也很重要。另外，集成方式的選擇要綜合考慮其對鐵損和電流脈動的影響，以優(yōu)化電路性能。
集成磁件的設計大致可分四步：
步由分立磁件變換器推導出多種集成磁件變換器；
第二步結合具體電路，對比分析多種磁集成方案，從中選出的；
第三步完成集成磁件的參數(shù)計算與設計；
第四步對磁集成變換器進行仿真及其硬件實現(xiàn)。
對于功率變換電路，磁性元件對其性能的提高有重要的作用。例如，在輸出端增加電感或使各個電感有所耦合有利于減小電流紋波，但電感數(shù)量的增加往往相應增加了磁件的數(shù)量、體積和損耗。如果采用磁集成技術，電路拓撲中磁元件數(shù)量的增加并不一定意味著實際電路布置上磁結構所占體積和磁件損耗的增加。所以，在研究電路拓撲時，不僅要從電路拓撲方面考慮問題，還要注意將電路拓撲方案與磁件可能的集成結構方案綜合在一起研究，達到磁件結構與電路結構的組合。