将多个磁性元件(如变压器和电感或多个电感)集成在一个磁心上,称为集成磁元件。这样做的目的是可以减少转换器的体积,使各个磁性元件之间的接线最短,降低磁性元件的损耗。适用于低压大电流情况。Cuk在⒛世纪70年代末,首先提出在有隔离的Cult转换器中(IEEE PESO,1980)将输人电感、输出电感及变压器集成在一个磁心上,如图1所示,早期称为耦合(Coupled)电感。
图1 集成磁性元件的例子——有隔离的Cult转换器
集成磁元件(Integrated Magnetics,IM)转换器简称IM转换器,如100 kHz、50 W[正激式IM转换器、变压器和输出滤波电感集成在同一个
集成高频磁性元件是电力电子领域中的一种创新设计,它涉及到电力转换器中磁性元件的优化布局和整合。这种技术的主要目标是减小转换器的尺寸,缩短元件间的连接线,以及降低整个系统的能量损耗。集成磁元件的实现方式包括将变压器、电感等磁性元件集中在一个共同的磁心上,这被称为耦合电感或者集成磁元件(Integrated Magnetics, IM)转换器。
Cuk在20世纪70年代末提出了在隔离的Cuk转换器中采用集成磁性元件的概念,他建议将输入电感、输出电感和变压器合并到一个磁心上,以提高转换器的效率和紧凑性。这种设计减少了磁心间的电磁干扰,降低了磁通泄露,同时减少了外部布线带来的寄生参数影响,从而提高了系统的稳定性和性能。
IM转换器是集成磁元件技术的典型应用,例如100 kHz、50 W的正激式IM转换器,其中变压器和输出滤波电感被集成在同一磁心上,实现了更高效的空间利用和功率密度提升。此外,还有一种航空用的薄型0.5MHz、100W DC/DC转换器,它运用了混合功率封装技术和集成磁性技术,使得转换器厚度仅为0.21英寸,功率密度高达150W/in³,这展示了集成磁元件技术在轻量化和高功率密度方面的潜力。
集成磁元件的另一种形式是阵列式磁性元件,这种方法通过将磁性元件分散并形成分布式阵列,或者构建磁结构层,使得磁结构能与电路和其他器件紧密结合,实现更高级别的集成。微加工技术在此扮演了重要角色,它允许制造出尺寸微小的磁性元件,比如10 MHz的变压器,并且可以通过优化设计软件来提高效率,如达到90%以上,同时减小变压器的面积。
磁电混合集成是另一个值得关注的领域,通过利用电感箔式绕组的层间分布电容,可以将磁性元件与电容器集成在一起。例如,南非Hofsajer的研究报道了将5kVA、5kHz串联谐振转换器的LC谐振元件和变压器集成在同一平面磁心上的LCT集成元件,这种设计极大地简化了系统结构,提高了整体性能。
集成高频磁性元件技术是电力电子领域的重要进步,它不仅提高了转换器的功率密度,降低了体积和重量,还显著提升了系统效率。随着微加工和新材料技术的发展,未来我们有望看到更加先进、小型化的磁性元件集成解决方案,这将对电源设计和电子设备的小型化、高效化产生深远影响。