中心議題：

• 幾種磁集成倍流整流拓撲的比較

解決方案：

• 在外磁柱上加氣隙
• 減小了功率密度
• 具有較多的連接端子

在現今的大電流DC/DC變流器中，倍流整流（CDR）拓撲結構由於它本身的特點
，已經成為最優的輸出整流拓撲選擇。與傳統的帶中間抽頭的整流拓撲相比較，其變壓器副邊隻有一組繞組
，結構上相對比較簡單

；同時CDR副邊繞組的匝數也較少
，在大電流情況下，副邊繞組的損耗就會降低；且qie它ta的de輸shu出chu有you兩liang個ge濾lv波bo電dian感gan

，流liu經jing每mei個ge電dian感gan上shang的de電dian流liu隻zhi有you負fu載zai電dian流liu的de一yi半ban，所suo以yi，輸shu出chu濾lv波bo電dian感gan上shang的de功gong率lv損sun耗hao也ye較jiao小xiao

，由you於yu兩liang個ge濾lv波bo電dian感gan的de存cun在zai
，變bian流liu器qi的de輸shu出chu電dian流liu/電壓紋波也相對較小。

但它需要3個磁性元件，必然導致體積的增大，從而減小了功率密度；同時具有較多的連接端子
，在電流較大時
，連接端子上的功率損耗必然相對較大。為了克服以上缺點，磁集成（integratedmagnetics）技術早已應用在CDR拓撲當中。所謂磁集成就是將變流器中兩個或兩個以上的分立磁性元件（變壓器，輸入/輸出濾波電感）都繞製在一副磁芯內，從而達到減小體積
，提高功率密度
，減少連接端子的目的。
　　
本文對多種磁集成倍流整流拓撲（IM-CDR）進行了分析和比較，選出了其中較佳的拓撲，並在此IMCDR拓撲的基礎上對一個輸出為1V
，20W的DC/DC變(bian)流(liu)器(qi)進(jin)行(xing)了(le)實(shi)驗(yan)
，同(tong)時(shi)給(gei)出(chu)了(le)實(shi)驗(yan)波(bo)形(xing)。特(te)別(bie)要(yao)提(ti)出(chu)的(de)是(shi)

，當(dang)負(fu)載(zai)較(jiao)大(da)時(shi)，存(cun)儲(chu)在(zai)變(bian)壓(ya)器(qi)原(yuan)邊(bian)漏(lou)感(gan)中(zhong)的(de)能(neng)量(liang)可(ke)用(yong)來(lai)實(shi)現(xian)副(fu)邊(bian)同(tong)步(bu)整(zheng)流(liu)管(guan)的(de)自(zi)驅(qu)動(dong)，從(cong)而(er)降(jiang)低(di)了(le)控(kong)製(zhi)電(dian)路(lu)的(de)複(fu)雜(za)程(cheng)度(du)。
　　
幾種磁集成倍流整流拓撲的比較
　　
圖1給出了到目前為止的幾種適於低壓大電流電壓調整模塊（VRM）拓撲的IM-CDR拓撲結構。


(a)分立磁性元件的倍流整流(b)PengC提出的IM-CDR[1](c)ChenWei提出的IM-CDR[2]

(d)(c)中的中間柱氣隙可不加(e)XuPeng提出的IM-CDR[3](f)SunJian提出的改進型IM-CDR
圖1IM-CDR電路結構
　　
圖1(a)所示的是采用分立元件構成的CDR電路

，它一共需要3個分立的磁性元件，分別是輸出濾波電感L1和L2
，以及變壓器。結果導致變流器體積和重量過大。同時，它的大電流連接端子也較多
，這必然增加副邊的導通損耗。
　　
為了避免上述這種傳統CDR拓撲結構的不足
，PengC提出了一種IM-CDR電路拓撲
，如圖1(b)所示。它將以往的CDR整流電路中的3個分立磁性元件（輸出濾波電感和變壓器）集中繞製在同一副磁芯中，結果大大地減小了變流器的體積和重量
，但是，由於它副邊仍然有較多的繞組數和連接端子
，使得這種CDR拓撲的應用受到了限製。
　　
圖1(c)是由ChenWei提出的CDR拓撲結構[2]。它是將圖1(b)中的變壓器副邊繞組分解，分別繞在磁芯的兩個外磁柱上。結果使得拓撲副邊的結構變得簡單
，連接端子也相對減少。這種CDRtuopujiegoufeichangshihedadianliubianliuqideyingyongchanghe

，yinweitahanyoujiaoshaodelianjieduanziheraozushu。qieyouyutadezhongxincizhushangyouqixicunzai


，yuanbiandejicidianganLm就會減小，在輸出輕載時能夠實現主開關的ZVS[2]。但氣隙不能開得太大，如果太大Lm就會很小
，導致變壓器原邊的激磁電流的增大，從而增大原邊的導通損耗。
　　
圖1(d)中給出的是中心柱不開氣隙的情況，此時變壓器原邊激磁電感Lm較大，原邊繞組中的激磁電流較小
，因此
，原邊的導通損耗也較小。在這種IM－CDRtuopuzhong，youyuyuanfubianraozushifenbieraozaisangecizhushangde
，suoyi
，yuanfubianraozujiandeouhejiaocha，daozhibianyaqiyuanbianlouganjiaoda
，jiangdilebianliuqidexingneng。ciwai
，zhezhongzhongjianmeiyouqixiliangbiankaiqixideIM-CDR拓撲
，其磁芯的生產比較困難。普通的EE或EI磁芯的兩個外磁柱上都沒有氣隙，要應用於圖1（d）中的IM-CDR拓撲，就必須在外磁柱上加氣隙，結果使得它的實現比較困難。
　　[page]
XuPeng提出了如圖1(e)所示的IM-CDR電路拓撲[3]。它是將圖1(d)中(zhong)的(de)變(bian)壓(ya)器(qi)原(yuan)邊(bian)繞(rao)組(zu)拆(chai)分(fen)，並(bing)分(fen)別(bie)繞(rao)製(zhi)到(dao)磁(ci)芯(xin)的(de)兩(liang)個(ge)外(wai)磁(ci)柱(zhu)上(shang)，這(zhe)樣(yang)原(yuan)副(fu)邊(bian)繞(rao)組(zu)就(jiu)會(hui)形(xing)成(cheng)較(jiao)好(hao)的(de)耦(ou)合(he)。並(bing)隻(zhi)是(shi)在(zai)中(zhong)心(xin)的(de)磁(ci)柱(zhu)加(jia)氣(qi)隙(xi)，兩(liang)個(ge)外(wai)磁(ci)柱(zhu)上(shang)不(bu)加(jia)氣(qi)隙(xi)。改(gai)進(jin)的(de)IM－CDR不僅減小了變壓器原邊漏感，提高變流器性能
，而且這種磁芯結構也更加便於生產
，普通的EE和EI磁芯就可以滿足要求，還有利於減小磁芯損耗和提高效率[3]。但它的原邊存在兩組繞組，結構要比圖1（c）及圖1(d)中的拓撲複雜。
　　
在上麵提出的這些IM-CDR拓撲中都存在同一個問題
，就是它們的輸出濾波電感值受到了限製，所以，存在相對較大的輸出電流/電壓紋波。因此，SunJian提出了如圖1(f)所示的電路。從結構上與圖1(e)相xiang比bi較jiao，隻zhi是shi在zai中zhong心xin的de磁ci柱zhu上shang加jia了le一yi組zu繞rao組zu，並bing串chuan在zai了le輸shu出chu端duan，這zhe就jiu相xiang當dang於yu在zai輸shu出chu端duan多duo加jia了le一yi個ge濾lv波bo電dian感gan
，從cong而er減jian小xiao了le輸shu出chu電dian流liu和he電dian壓ya紋wen波bo[4]。但這種結構拓撲並不適合低壓大電流場合。
　　
綜上所述

，圖1（c）所示的IM-CDR拓撲是最簡單的，在對輸出電流/dianyawenboyaoqiubushihengaodedadianliubianliuqizhong，tashizuiheshide。suiranbianyaqideyuanbiancunzaixiangduijiaodadelougan

，danzhezhongkaolv，tahaishizuiyoudexuanze。erqiezaifuzaidianliujiaodadeqingkuangxia
，bianyaqilougankeyonglaishixianfubiantongbuzhengliuguandeziqudong。

實驗及其結果
　　
IM-CDR結構選擇如圖1（c）所示的拓撲。從結構上可以看出
，磁芯的3個磁柱上都加了相同的氣隙(lg)，這必然會導致變壓器原邊的漏感(Lk)的增大，但可以利用變壓器原邊漏感中的能量實現副邊同步整流管的自驅動（開通），同步管的關斷是通過外加驅動信號來完成的。實驗電路如圖2所示
，由圖2可以看到副邊同步管的驅動電路包括一個繞組（Na），兩個二極管(Da1
，Da2)和兩個MOS管(Sa1

，Sa2)，它的實現比較簡單，隻需要在磁芯的中心磁柱上多加一組繞組即可。變壓器原邊采用的是對稱半橋拓撲。實驗電路的具體參數見表1所列。實驗波形圖如圖3和圖4所示。圖3是在負載電流Io=4Ashicededebianyaqiyuanbiandianyaboxingyijilianggetongbuzhengliuguandemenjiqudongdianyaboxingtu。youyucishidefuzaidianliujiaoxiao
，fanyingdaobianyaqiyuanbiandejicidianliuyejiaoxiao

，zaiyuanbiankaiguanguanguanduandeshunjian
，bianyaqiyuanbianlougan（Lk）與開關管輸出結電容(Co1，Co2)間的振蕩尖峰不夠高，不足以開通副邊的同步整流管。

所suo以yi，在zai兩liang個ge原yuan邊bian開kai關guan管guan都dou處chu於yu斷duan態tai期qi間jian內nei
，其qi中zhong一yi個ge同tong步bu整zheng流liu管guan的de體ti二er極ji管guan必bi須xu導dao通tong進jin行xing續xu流liu。由you於yu此ci時shi的de負fu載zai電dian流liu不bu大da
，體ti二er極ji管guan上shang的de功gong率lv損sun耗hao也ye不bu明ming顯xian。隨sui著zhe負fu載zai的de加jia大da，原yuan邊bian的de振zhen蕩dang會hui逐zhu漸jian增zeng大da
，直zhi到dao能neng夠gou開kai通tong副fu邊bian同tong步bu整zheng流liu管guan。圖tu4所示的是負載電流Io=20A時(shi)的(de)變(bian)壓(ya)器(qi)原(yuan)邊(bian)電(dian)壓(ya)波(bo)形(xing)以(yi)及(ji)兩(liang)個(ge)同(tong)步(bu)管(guan)驅(qu)動(dong)波(bo)形(xing)。當(dang)原(yuan)邊(bian)開(kai)關(guan)管(guan)關(guan)斷(duan)時(shi)，存(cun)在(zai)於(yu)漏(lou)感(gan)中(zhong)的(de)能(neng)量(liang)足(zu)夠(gou)以(yi)開(kai)通(tong)兩(liang)個(ge)同(tong)步(bu)管(guan)。然(ran)而(er)同(tong)步(bu)管(guan)的(de)關(guan)斷(duan)隻(zhi)能(neng)通(tong)過(guo)外(wai)加(jia)驅(qu)動(dong)信(xin)號(hao)來(lai)實(shi)現(xian)。它(ta)們(men)分(fen)別(bie)來(lai)自(zi)於(yu)原(yuan)邊(bian)開(kai)關(guan)管(guan)的(de)門(men)極(ji)驅(qu)動(dong)vg1和vg2。圖5是測得的變流器的效率曲線圖。
表1實驗電路參數


圖2實驗電路圖
[page]



圖3Io=4A時的vp，vg3和vg4波形




圖4Io=20A時的vp
，vg3和vg4波形

圖5變流器效率曲線圖
　　
倍流同步整流拓撲在大電流變流器中的應用越來越廣泛，但是，傳統的結構上存在著磁性元件較多，體積較大等缺點，為了克服這些不足之處，磁集成技術早已經應用在這種拓撲當中。本ben文wen分fen析xi比bi較jiao了le幾ji種zhong磁ci集ji成cheng倍bei流liu整zheng流liu拓tuo撲pu結jie構gou，並bing給gei出chu了le相xiang應ying的de實shi驗yan電dian路lu模mo型xing。在zai負fu載zai較jiao大da情qing況kuang下xia，存cun儲chu在zai變bian壓ya器qi的de原yuan邊bian漏lou感gan中zhong的de能neng量liang可ke以yi用yong來lai實shi現xian副fu邊bian同tong步bu整zheng流liu管guan自zi驅qu動dong（開通）。