阵列式集成电感的研究与应用

摘要：从磁路出发，将传统的一幅磁芯进行分割，变成阵列式结构，提出了阵列式解耦集成电感。分析了解耦集成原理，推导了等效电路，进行了仿真验证。并把阵列式集成电感应用于Cuk变换器，实验表明阵列式集成电感和多个分立电感一样具有相同的性能。最后给出了阵列式集成电感平面化方案，使阵列式集成电感达到了轻、小、薄的目的，同时阵列式及平面化结构有利于集成电感的散热，降低了阵列式集成电感的损耗。
关键词：集成电感；解耦集成；平面电感；阵列式

O 引言
    信息产业的迅猛发展，不仅为电源行业提供了巨大的市场和快速的发展动力，同时也对电源装置的体积、重量、效率、输出动态性能以及系统的可靠性等提出越来越高的要求。随着微电子技术、表面安装技术的采用和不断发展完善，短、小、轻、薄已经成为衡量当今开关电源产品的重要标志。采用集成磁技术町以显著降低磁性元件的高度，减小磁性元件的体积和重量，并且能够提高磁性元件的功率密度及开关电源的性能。在开关电源技术领域中，近年来，人们对集成磁技术的研究越来越重视，致力于研发集成磁性组件，推动电源技术的进步。目前，集成磁技术已成为电力电子领域的一个重要研究方向。磁集成的方法很多，但大多都是从磁路变换出发，把各个分立磁件从结构上集中在一起，利用一个整体磁芯作磁路，从而实现磁集成的目的。本文反其道而行之，将整体磁芯分割成块状，变成阵列式结构，而后探讨电感与电感的集成，为进一步实现开关电源短、小、轻、薄，提高电源的动态性能及功率密度而提供技术支持。

l 阵列式集成电感的磁路结构，磁集成原理及等效磁路、电路
1．1 阵列式集成电感的结构
    阵列式集成电感的结构示意图如图1所示。

    阵列式集成电感的磁路是由4个U型磁芯分别构成的磁路组合而成的(U型磁芯构成的单元称为“矩阵单元”)。4个绕组N1、N1′和N2、N2′成十字结构，分别绕在相邻两个磁芯的磁柱上。N1和N1′绕组异名端连接作为电感L1的绕组ab；N2和N2′绕组异名端连接作为电感L2的绕组cd。绕组电流及磁通方向如图1所示。
1．2 阵列式集成电感的等效磁路及磁集成原理
    设图l中每个独立磁路磁阻为R，阵列式集成电感的等效磁路如图2所示。绕组N1产生的磁通φ1分别交链两个磁路：磁路l一4—5和l一2—6；绕组N1′产生的磁通φ1′也分别交链两个磁路：磁路3—8—4和3—7—2。对于绕组N2、绕组N1及N1′交链绕组N2的总磁通为

   
同理，对于绕组N2′、绕组N1及N1′交链绕组N2的总磁通为

            
式(3)及(4)说明，若取φ1=φ1′，无论在何种情况下，绕组N1及N1′的磁通均不交链绕组N2和N2′，即绕组N1及N1′工作不影响绕组N2和N2′。考虑到

式(7)说明，只要绕组N1和N1′匝数相同，即可使绕组N1及N1′工作不影响响绕组N2和N2′。由于阵列式集成电感等效磁路的刘称性，同理有，当取时，绕组N2和N2′的磁通亦不交链绕组N1及N1′，即只要绕组N2和N2′匝数相同，绕组N2及N2′工作亦不影响绕组N1和N1′，这样电感L1和L2便实现了解耦集成。
1.3 阵列式集成电感等效电路
    阵列式集成电感是4个矩阵单元的组合，因此阵列式集成电感的等效电路可以看作是4个矩阵单元等效电路的电路组合。图1中细线框内矩阵单元可以看成是一个耦合电感，其等效磁路、对偶图和等效电路如图3(a)～图3(c)，其余3个矩阵单元等效电路亦为图3(c)。将4个矩阵单元等效电路通过电路连接在一起就得到了阵列式集成电感等效电路如图4所示。

    从图4可以得到cd端子开路时L1的电感(对应端口 ah)为

   

    从而可计算出I2的电感(对应端口cd)为

   
即为4个阵列式集成电感矩阵单元各自电感之和。
1．4 阵列式集成电感上再集成电感L3与L4
    通过对阵列式集成电感进一步分析，还可通过完全抵消绕组问的耦合作用及改变电路的连接方式而再集成电感。图5足在阵列式集成电感上再集成电感L3(端口ef)的结构示意图。图6是在阵列式集成电感上再集成L3和L4(gh端口)的结构示意图。为了允分利用磁路，只集成3个电感时，可将h和e端了连接起来，利用端子ge输出构成L3。

2 阵列式集成电感的仿真验证及其应用
2.1 阵列式集成电感等效电路仿真
    为了验证阵列式集成电感的解耦集成原理，利用Saber仿真软件对阵列式集成电感进行了仿真研究，图7分别为在图4中端子ab的L1上加幅值为10V，频率为100 kHz的正弦波及方波时的仿真波形。图7中vin是电感L1外加电压波形，vo是电感L2输出电压波形。从图7中可见，当电感L1端子施加正弦波或方波时，电感L2输出电压波形为零，这说明电感L1和L2实现了解耦。

2．2 阵列式集成电感的应用
    图8是基于阵列式集成电感的Cuk变换器输入和输出实验电压波形。Cuk变换器中两个电感Ll=L2=25μH，开关管触发频率为100kHz，输入电压10．1V。通过实验波形可见基于阵列式集成电感的Cuk变换器和基于分立电感的的Cuk变换器具有相同的性能。

2.3 阵列式集成电感的平面化
    为了达到集成电感轻、小、薄的目的，将电感绕组印制在PCB电路板上，PCB板上开有孔洞以安装UI型磁芯，图9是由两个电感构成的阵列式平面集成电感立体结构图。

3 结语
    本文提出的阵列式集成电感是将传统的一幅磁芯进行分割。变成阵列式结构，再利用解耦集成方法将多个电感集成在一起。分析了解耦集成原理，推导了等效电路，并把阵列式集成电感应用于Cuk变换器。仿真和实验表明阵列式集成电感和多个分立电感一样具有相同的性能。为使阵列式集成电感达到了轻、小、薄的目的，本文又将其平面化，阵列式及平而化结构有利于集成电感的散热，降低了阵列式集成电感的损耗，提高了电源整机效率。