四相VRM中无直流偏磁阵列式集成磁件的研究

张立明 赵海涛

四相VRM中无直流偏磁阵列式集成磁件的研究

张立明 赵海涛

以消除直流偏磁为突破点，提出了应用于四相电压调整模块(VRM)的阵列式集成磁件。研究了VRM的稳态电流及动态响应受阵列式集成磁件各电感耦合系数的影响；利用“场”、“路”结合的方法分析了阵列式集成磁件消除直流偏磁的原理；推导得到了阵列式集成磁件等效电路；设计了阵列式集成磁件的实现结构，并给出了阵列式集成磁件的电磁设计方法。

集成磁件；耦合系数；直流偏磁；阵列式磁芯

磁件是VRM的重要部件，其体积、损耗、电感量等是影响VRM的体积、高度、电流纹波、效率和动态速度的重要因素。在提高开关电源频率和采用多相交错并联技术的基础上，研究磁集成技术，可以减小磁件的体积和高度，改善VRM的性能，以适应电力电子装置集成化的发展趋势。

1 采用阵列式集成磁件的VRM原理分析

1．1变换器工作原理。

阵列式集成磁件四相非隔离交错并联型VRM采用Buck变换器拓扑如图1(a)所示，四个电感两两反向耦合，其中，电感L1和L3、L2和L4无直接耦合关系。图1(b)为集成磁件等效电路模型，四个电感自感相等，即L1=L2=L3=L4=L，变换器在一个开关周期内共有八个工作模态，各开关管移相交替导通DTS(D为占空比，D<0.25；TS为开关周期)，由图1(b)可知变换器在任意工作模态，各耦合电感电流均有如下关系

(1)

在变换器一个开关周期内，根据各模态表达式及电感电流关系式可得到阵列式集成磁件四相非隔离交错并联型VRM的输入输出电压增益为

(2)

(a) 拓扑电路

(b) 集成磁件等效电路模型图1 四相交错并联型Buck变换器拓扑

(2)式表明，采用阵列式集成磁件并没有改变VRM电压增益。对各模态分析可见，耦合系数的大小还将影响变换器电流纹波大小及动态响应速度。图2是利用Saber仿真软件得到的变换器稳态电流纹波及动态响应速度与集成磁件耦合系数k大小的变化关系，由图可见稳态电流纹波的降低与动态响应速度的加快是一对矛盾。可见不同的适用场合，应根据VRM的不同的输出指标要求合理设计集成磁件的耦合系数。

1．2阵列式集成磁件消除直流偏磁原理分析。

(1)动态定价，区分淡旺季。采用柔性定价，通过多元化的定价方式支持庐山民宿的价格弹性，淡旺季根据游客需求的不同，设定不同的，有吸引力的价格。旺季游客数量巨大，多数游客的价格敏感度会降低，此时经营者可将民宿价格在消费者可接受的范围内调高，形成创收；庐山旅游淡季时，游客数量会大幅减少，此时山上民宿空房量大，供大于求，经营者应该相应的降低价格，通过保守的定价，以低价来刺激消费者对于民宿的需求。

1．2．1 直流磁通分布。

(a)电流纹波与k的变化关系

(b)动态响应与的变化关系图2 电流纹波及动态响应与的变化关系

集成磁件直流磁通分布如图3所示。在VRM各工作模态下，各磁芯直流磁通为

ΦⅠ=Φ1-Φ2=0

ΦⅡ=Φ2-Φ3=0

(3)

ΦⅢ=Φ3-Φ4=0

ΦⅣ=Φ4-Φ1=0

图3 集成磁件直流磁通分布

1．2．2交流磁通分布。

集成磁件交流磁通分布和直流磁通相同，在VRM各工作模态下，各磁芯交流磁通不为零

φⅠ=φ1-φ2

φⅡ=φ2-φ3

(4)

φⅢ=φ3-φ4

φⅣ=φ4-φ1

各磁芯交流磁通波形理论分析如图4所示；图5为电磁场有限元仿真分析磁通波形，结果与理论分析一致。

图4 各磁芯交流磁通波形

图5 电磁场有限元仿真磁通波形

2 集成磁件等效电路

利用磁路—电路对偶变换法可推导得到集成磁件等效电路图6所示。

3 阵列式集成磁件的设计

电磁设计：由于各磁芯消除了直流偏磁，所以直流磁密Bj=0(j=Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ)。因此集成磁件的设计只考虑交流磁密即可，各磁芯交流磁密峰-峰值为

(5)

式中m为磁芯层数。各磁芯的最大工作磁密

Bjmax=Bj+|△Bj|(j=Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ)

(6)

ResearchofArrayTypeIntegratedMagneticComponentofnonDC-biasfor4-phaseVRM

Zhang Liming Zhao Haitao

In order to eliminate DC-bias ,this paper presents the array type integrated magnetic component of 4-phase Voltage Regulator Module(VRM).It studies each inductance coupling coefficient of array type integrated magnetic component affected on steady current and dynamic response of VRM and analyses the principle of how array type integrated magnetic component eliminate DC-bias with the method of combining “field” and “circuit”. Equivalent circuit of array type integrated magnetic component is deduced. This paper not only designs the structure of array type integrated magnetic component but also gives the electromagnetism design method of array type integrated magnetic component.

integrated magnetic component; coupling coefficient; DC-bias; array type magnetic core

ClassNo.:TM46DocumentMark:A

孔祥春 郑英玲)

张立明，助理工程师，鸡西矿业集团培训中心，黑龙江·鸡西。邮政编码：158100

1672-6758(2010)01-0054-2

TM46

A