專利名稱：基于帶有變壓器的倍壓整流電力電子無源集成模塊的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電カ電子無源集成模塊，是ー種用于電カ電子升壓場合，具有升壓、濾波、倍壓等電氣功能的高功率密度通用無源集成模塊。
背景技術(shù)：
1997年，美國首先提出了電カ電子積木(PEBB)的概念。電カ電子積木的概念主張?jiān)谂灤惋w機(jī)上使用標(biāo)準(zhǔn)化的電カ電子單元，一臺電カ電子裝置將由許多這樣的電カ電子単元裝配而成。由于標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化的設(shè)計(jì)，電カ電子裝置的維護(hù)變得非常方便，只要將出現(xiàn)故障的基本電カ電子單元更換掉即可。這就是“電カ電子集成”概念的雛形。1998年，美國電カ電子系統(tǒng)中心(CPES)對電カ電子裝置和系統(tǒng)作了充分的比較之后正式提出了 “電カ電子集成”的技術(shù)概念。“電カ電子集成”概念的核心是研制集成的電カ電子模塊(IPEM)。概念化的IPEM是ー個三維結(jié)構(gòu)的模塊，它擁有很高的功率密度和優(yōu)良的電氣性能，集成了主電路、驅(qū)動和控制電路、傳感器以及磁元件等無源元件。目前，實(shí)現(xiàn)完全集成的電カ電子模塊是非常困難的，所以學(xué)術(shù)界將電カ電子集成分為有源集成和無源集成兩種并分別進(jìn)行研究。有源集成主要實(shí)現(xiàn)功率器件、驅(qū)動控制電路和傳感器等有源部件的集成。無源集成主要實(shí)現(xiàn)磁元件、電容器等無源元件的集成。其中，無源元件的體積對電源裝置的體積、質(zhì)量的影響最大。因此，為了提高電源整體的功率密度，也有必要對無源元件進(jìn)行集成。由干與功率半導(dǎo)體器件的工作方式不一樣，因此集成的方法是不同的。采用磁集成技術(shù)可以用ー個磁性元件代替多個磁性元件，進(jìn)ー步還可以將電路中部分電容器與磁性元件集成在一起構(gòu)成無源集成模塊，以進(jìn)ー步減小體積和提高性能。但是，目前無源元件的集成還未取得有突破性的成功。中國國內(nèi)對電カ電子無源集成技術(shù)的研究是從進(jìn)入本世紀(jì)才開始的。當(dāng)人們漸漸地認(rèn)識到“電カ電子集成”的重要性之后，在國家的研究項(xiàng)目中確定了將無源集成作為系統(tǒng)集成研究的ー個重要方向。此外，結(jié)合新型磁性材料的無源集成的研究也獲得了國家科學(xué)基金的支持。但是，勿用諱言，我國對無源集成的研究相對較晩，研究成果相對較少。這是一個有待進(jìn)ー步發(fā)展的研究領(lǐng)域。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明在研究無源集成技術(shù)的基礎(chǔ)上，針對帶有變壓器的倍壓整流電路，將其中的變壓器、電感和電容等無源器件進(jìn)行集成，將之構(gòu)成無源集成模塊，提供一種基于帶有變壓器的倍壓整流電カ電子無源集成模塊，可廣泛用于電カ電子升壓場合，并具備濾波和軟開關(guān)的電氣功能，具有體積小、重量輕、功率密度高等特點(diǎn)；此外，它對電カ電子通用無源集成模塊的發(fā)展能提供技術(shù)和理論上的支持。為解決上述問題，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是
基于帶有變壓器的倍壓整流電カ電子無源集成模塊，其特征是，包括集成電容的單匝繞組結(jié)構(gòu)、倍壓整流電路、濾波電感和高頻變壓器；通過磁集成將高頻變壓器與濾波電感進(jìn)
3行集成，成為ー個磁性器件；通過電容集成將雙倍壓電容進(jìn)行集成并與集成的磁件器件再進(jìn)行集成，構(gòu)成無源集成模塊；所述倍壓整流電路帶有變壓器井能按變壓器變比設(shè)置升壓倍數(shù)，能根據(jù)倍壓整流進(jìn)行雙倍壓；所述濾波電感與雙倍壓電容構(gòu)成LC濾波電路，以保證輸出濾波的質(zhì)量，所述雙倍壓電容具有倍壓和濾波的雙重功能；所述高頻變壓器如在變壓器輸入側(cè)加入移相全橋電路，所述濾波電感能實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)的功能，達(dá)到復(fù)用的目的。在所述的高頻變壓器與濾波電感的磁集成中，中柱上繞有高頻變壓器繞組，兩側(cè)柱上都繞有濾波電感繞組；所述濾波電感繞組可調(diào)整繞組繞向和匝數(shù)進(jìn)行確定，其中的磁芯或采用平面型磁芯，或采用普通EE型磁芯，或采用薄膜及厚膜磁芯，但集成結(jié)構(gòu)不變?？蛇x的，所述的兩側(cè)柱，在其中的一個側(cè)柱上繞有濾波電感繞組。對所述雙倍壓電容的集成主要通過繞組間的寄生電容來完成，S卩，所述的集成電容的單匝繞組結(jié)構(gòu)由上下兩層銅箔構(gòu)成，通過中間絕緣層高度的設(shè)置來調(diào)整單匝電容的大??；而多匝繞組間的電容值則根據(jù)電路所選定值，通過不同集成電容的單匝繞組結(jié)構(gòu)間的連接方式來進(jìn)行確定?？蛇x的，所述集成電容的單匝繞組結(jié)構(gòu)的排列，或上下排列，或左右排列。本發(fā)明基于帶有變壓器的倍壓整流電カ電子無源集成模塊的積極效果是
(1)通過磁集成將變壓器和電感兩個磁性器件進(jìn)行集成，成為ー個磁性器件，使磁性器件數(shù)目變少、體積變小、功率密度提高；
(2)通過電容集成將雙倍壓電容進(jìn)行集成并與集成磁件再進(jìn)行集成，構(gòu)成無源集成模塊，將兩個磁性器件和兩個電容用ー個集成器件代替，進(jìn)ー步提高功率密度；
(3)電感放置在變壓器輸出側(cè)，與倍壓整流電容構(gòu)成LC濾波電路，如在變壓器輸入側(cè)加入移相全橋電路等，電感還可實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)的功能；
(4)電容一方面與電感構(gòu)成濾波電路，保證輸出質(zhì)量，另ー方面完成倍壓功能，進(jìn)ー步提高升壓比，即電容達(dá)到復(fù)用，能完成更多的功能；
(5)集成電感繞組分別繞在兩個側(cè)柱上，可通過匝數(shù)和繞向的調(diào)整來確定電感的大小， 調(diào)整參數(shù)方便易行；
(6)集成磁芯可選用平面型磁芯或采用薄膜和厚膜磁芯，可大大降低無源集成器件的
厚度；
(7)本發(fā)明將變壓器、電感和雙電容進(jìn)行集成，構(gòu)成電力電子無源集成模塊，具備濾波和軟開關(guān)的電氣功能，可廣泛用于電カ電子升壓場合，并具有體積小、重量輕、功率密度高等特點(diǎn)；此外，對電カ電子通用無源集成模塊的發(fā)展能提供技術(shù)和理論上的支持。


圖1為本發(fā)明基于帶有變壓器的倍壓整流電カ電子無源集成模塊的整體示意圖2集成了濾波電感和變壓器的磁件集成結(jié)構(gòu)圖； 圖3集成了濾波電感和變壓器的集成磁件磁路圖； 圖4倍壓電容ら充電、倍壓電容ら放電的示意圖； 圖5倍壓電容ら充電、倍壓電容ら放電的示意圖； 圖6電感拆分后與電容構(gòu)成LC串聯(lián)結(jié)構(gòu)的示意圖；圖7電感與電容的無源集成中基本LC結(jié)構(gòu)單元； 圖8電感與電容的無源集成中與基本LC結(jié)構(gòu)單元等效的電路圖； 圖9電感與電容的無源集成中大電感和大電容串聯(lián)等效電路及其LC結(jié)構(gòu)單元連接形式圖I ；
圖10電感與電容的無源集成中大電感和小電容串聯(lián)等效電路及其LC結(jié)構(gòu)單元連接形式圖II ；
圖11電感與電容的無源集成中小電感和小電容串聯(lián)等效電路及其LC結(jié)構(gòu)單元連接形式圖12電感與電容的無源集成中單層絕緣版上集成了電容的電感繞組的結(jié)構(gòu)示意13帶有變壓器的倍壓整流電路無源集成示意圖。
圖中的標(biāo)號分別為；
1、無源集成模塊； 31、單層絕緣層； 4、銅箔； 7、高頻變壓器； 10、端子I ； 13、端子IV ； 142、第二電感繞組； 151、弟一磁心； 162、第二變壓器繞組c
2、集成電容的單匝繞組結(jié)構(gòu) 32、第一單層絕緣層； 5、倍壓整流電路； 8、側(cè)柱； 11、端子II; 14、電感繞組； 143、第三電感繞組； 152、弟'ニ磁心；
3、絕緣層；
33、第二單層絕緣層； 6、濾波電感； 9、中柱； 12、端子 III ； 141、第一電感繞組； 144、第四電感繞組； 161、第一變壓器繞組；
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖給出本發(fā)明基于帶有變壓器的倍壓整流電カ電子無源集成模塊的具體實(shí)施方式
，但是，本發(fā)明的實(shí)施不限于以下的實(shí)施方式。參見附圖1，ー種基于帶有變壓器的倍壓整流電カ電子無源集成模塊，包括集成電容的單匝繞組結(jié)構(gòu)2、倍壓整流電路5、濾波電感6和高頻變壓器7 ；通過磁集成的方式將高頻變壓器7與濾波電感6進(jìn)行集成，成為ー個磁性器件(所述“磁集成”是指將磁性器件變壓器7與濾波電感6的兩個分立的磁芯集成在一個磁芯上，從結(jié)構(gòu)上構(gòu)成磁件的集成)。然后，通過電容集成的方式將雙倍壓電容集成在上述所集成的集成磁件上(所述“電容集成” 是指將與上述集成磁件相連的電容通過集成磁件中的電感銅箔繞組間電場所形成的電容來替代分立的外加電容，即為無源器件集成，在實(shí)施上，是將先集成好的集成磁件與電容器件再次集成)。所述的兩個磁性器件與兩個電容用ー個集成器件代替，進(jìn)ー步提高功率密度，構(gòu)成無源集成模塊1。圖中所述的倍壓整流電路5帶有變壓器并能按變壓器變比設(shè)置升壓倍數(shù)，能根據(jù)倍壓整流進(jìn)行雙倍壓；所述濾波電感6與雙倍壓電容構(gòu)成LC濾波電路，以保證輸出濾波的質(zhì)量，所述雙倍壓電容具有倍壓和濾波的雙重功能；所述高頻變壓器7如在變壓器輸入側(cè)加入移相全橋電路，所述濾波電感6能實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)的功能，達(dá)到復(fù)用的目的。在所述的高頻變壓器7與濾波電感6的磁集成中，中柱9上繞有高頻變壓器7繞組，兩側(cè)柱8上都繞有濾波電感6繞組(也可選用在兩側(cè)柱8其中的一個側(cè)柱8上繞有濾波電感6繞組。)。根據(jù)電感和變壓器繞組耦合的不同，所述濾波電感6繞組可調(diào)整繞組繞向和匝數(shù)進(jìn)行確定，其中的集成磁芯可選用平面型磁芯或采用薄膜和厚膜磁芯，可大大降低無源集成器件的厚度，但集成結(jié)構(gòu)不變包括通過源轉(zhuǎn)移方法將中柱變壓器繞組移至兩側(cè)柱的磁集成方案。實(shí)施中，對所述雙倍壓電容的集成主要通過繞組間的寄生電容來完成，S卩，所述的集成電容的單匝繞組結(jié)構(gòu)2由上下兩層銅箔4構(gòu)成，通過中間絕緣層3高度的設(shè)置來調(diào)整單匝電容的大??；而多匝繞組間的電容值則根據(jù)電路所選定值，通過不同集成電容的單匝繞組結(jié)構(gòu)2間的連接方式來進(jìn)行確定。所述集成電容的單匝繞組結(jié)構(gòu)2的排列，在普通應(yīng)用中可上下排列，在扁平要求的場合中則應(yīng)左右排列。上述基于帶有變壓器的倍壓整流電カ電子無源集成模塊的制備步驟可以是(順以介紹附圖2-13，以便對本發(fā)明作進(jìn)ー步的詳細(xì)介紹)
(1)將體積最大的磁性器件進(jìn)行集成，即將變壓器和電感這兩個分立的磁件用ー個磁件來代替
見附圖2和3。在本實(shí)施步驟中，中柱9繞有變壓器繞組，電感繞組繞在左右兩個側(cè)柱 8上，也可單獨(dú)繞在一個側(cè)柱8上，為分析全面，本實(shí)施例將電感分成兩個部分分別繞在兩個側(cè)柱上。在附圖2中，左柱上濾波電感ムれ繞組所產(chǎn)生的磁通為0ΖΛ，右柱上濾波電感繞組所產(chǎn)生的磁通為4>Lf2, 和05為中柱變壓器原副邊繞組產(chǎn)生的磁通，為變壓器產(chǎn)生的主磁通，且4>T=4>P-4>S,濾波電感磁通和<PLf2相互增強(qiáng)。其中，iLfX、iLf2、iP和is 為濾波電感電流以及原副邊電流外和A為原副邊匝數(shù)，和:^2為左右兩個磁柱電感繞
組匝數(shù)；SR1、ち和Si3為左右兩個
側(cè)柱和中柱的磁阻。在附圖3所示的磁路圖中，ガバレ和Aム為變壓器原副邊磁動勢， 和為電感兩側(cè)柱磁動勢，根據(jù)磁路圖可得出集成磁件的電壓電流表達(dá)式為
權(quán)利要求
1.基于帶有變壓器的倍壓整流電カ電子無源集成模塊，其特征在干，包括集成電容的單匝繞組結(jié)構(gòu)(2)、倍壓整流電路(5)、濾波電感(6)和高頻變壓器(7)；通過磁集成將高頻變壓器(7 )與濾波電感(6 )進(jìn)行集成，成為ー個磁性器件；通過電容集成將雙倍壓電容進(jìn)行集成并與集成的磁件器件再進(jìn)行集成，構(gòu)成無源集成模塊(1)；所述倍壓整流電路(5)帶有變壓器井能按變壓器變比設(shè)置升壓倍數(shù)，能根據(jù)倍壓整流進(jìn)行雙倍壓；所述濾波電感(6) 與雙倍壓電容構(gòu)成LC濾波電路，以保證輸出濾波的質(zhì)量，所述雙倍壓電容具有倍壓和濾波的雙重功能；所述高頻變壓器(7)如在變壓器輸入側(cè)加入移相全橋電路，所述濾波電感(6) 能實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)的功能，達(dá)到復(fù)用的目的。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于帶有變壓器的倍壓整流電カ電子無源集成模塊，其特征在干，在所述的高頻變壓器(7)與濾波電感(6)的磁集成中，中柱(9)上繞有高頻變壓器 (7)繞組，兩側(cè)柱(8)上都繞有濾波電感(6)繞組；所述濾波電感(6)繞組可調(diào)整繞組繞向和匝數(shù)進(jìn)行確定，其中的磁芯或采用平面型磁芯，或采用普通EE型磁芯，或采用薄膜及厚膜磁芯，但集成結(jié)構(gòu)不變。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于帶有變壓器的倍壓整流電カ電子無源集成模塊，其特征在于，可選的，所述的兩側(cè)柱(8)，在其中的一個側(cè)柱(8)上繞有濾波電感(6)繞組。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于帶有變壓器的倍壓整流電カ電子無源集成模塊，其特征在干，對所述雙倍壓電容的集成主要通過繞組間的寄生電容來完成，即，所述的集成電容的單匝繞組結(jié)構(gòu)(2)由上下兩層銅箔(4)構(gòu)成，通過中間絕緣層(3)高度的設(shè)置來調(diào)整單匝電容的大??；而多匝繞組間的電容值則根據(jù)電路所選定值，通過不同集成電容的單匝繞組結(jié)構(gòu)(2)間的連接方式來進(jìn)行確定。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于帶有變壓器的倍壓整流電カ電子無源集成模塊，其特征在于，可選的，所述集成電容的單匝繞組結(jié)構(gòu)(2)的排列，或上下排列，或左右排列。
全文摘要
本發(fā)明涉及電力電子集成技術(shù)，是基于帶有變壓器的倍壓整流電力電子無源集成模塊，它采用無源集成理論將變壓器、濾波電感和雙倍壓整流電容進(jìn)行集成，構(gòu)成電力電子通用無源集成模塊；本無源集成模塊同時實(shí)現(xiàn)變壓器的升壓功能、倍壓整流的整流和雙倍壓功能，同時集成濾波電感繞組與雙倍壓整流電容還可構(gòu)成濾波電路，完成濾波功能；在實(shí)現(xiàn)上述電氣功能外，本無源集成模塊將變壓器、電感和電容集成在一個無源器件上，減小了無源器件的體積、降低了高度，進(jìn)而提高了功率密度。本發(fā)明的無源集成模塊不僅可用于電力電子變換器中的升壓環(huán)節(jié)，還可用于對體積和空間有嚴(yán)格要求的領(lǐng)域，如衛(wèi)星、空間站、無人飛機(jī)、電動汽車等高科技領(lǐng)域。
文檔編號H02M7/10GK102570863SQ201110436249
公開日2012年7月11日 申請日期2011年12月23日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月23日
發(fā)明者劉軍, 張希, 張海燕, 胡鵬, 蔣贏 申請人:上海電機(jī)學(xué)院