一种混合磁路集成电感的制作方法

1.本实用新型涉及光伏变压器领域技术，尤其是指一种混合磁路集成电感。


背景技术：

2.光伏逆变器中作为储能元件的boost电感以及作为滤波用的ac电感，一个共同的特点就是：其电感的一端必然和功率半导体的高压开关相连接。
3.为了降低逆变器的开关损耗，除了采用过零软开关技术以外，普遍的办法就是尽量提高功率器件的驱动开通和驱动关闭的速度。这样，电感的这一端不可避免地出现了极高的dv/dt的电压变化。
4.由于结构上的原因，电感绕线的每相邻匝间、层间等各个部位实际上分布了复杂的寄生电容和匝间结合漏磁造成的漏感，这些微小的电容和电感一起形成了一个非常复杂的lcr网，当电感的一端受到强烈的阶跃电压激励时，电感内部形成了复杂的高频衰减谐振，其频率一般会分布在十几mhz至数百mhz的频带范围，并具有一定的振荡能量，这是光伏逆变器emi的另一个重要干扰源。
5.因此，需要研究一种新的技术方案来解决上述问题。


技术实现要素：

6.有鉴于此，本实用新型针对现有技术存在之缺失，其主要目的是提供一种混合磁路集成电感，其有效降低损耗，同时可降低成本，提高光伏逆变器整机效率，从而可实现效率改善与低成本设计的兼顾。
7.为实现上述目的，本实用新型采用如下之技术方案：
8.一种混合磁路集成电感，包括有磁芯底板和设置于磁芯底板上的m组电感线圈组件、n个非晶磁芯块；
9.所述电感线圈组件包括有上端磁芯块、磁芯中柱和电感线圈，所述磁芯中柱的上端连接于上端磁芯块，所述磁芯中柱的下端连接于磁芯底板上，所述电感线圈以磁芯中柱所在上下方向为轴心绕制于磁芯中柱上；所述m与n均为正整数，且m大于n；所述m组电感线圈组件与n个非晶磁芯块依次交替设置，且每个非晶磁芯块位于两相邻的电感线圈组件之间。
10.作为一种优选方案，所述磁芯底板、上端磁芯块、磁芯中柱均是气雾化高性能铁硅结构。
11.作为一种优选方案，所述磁芯底板、上端磁芯块、磁芯中柱均是气雾化铁硅铝结构。
12.作为一种优选方案，所述电感线圈各自独立设置。
13.作为一种优选方案，所述电感线圈的线圈出线端均从同一侧伸出。
14.作为一种优选方案，所述电感线圈上端的线圈出线端向后侧延伸再向上延伸再向前侧伸出，而电感线圈下端的线圈出线端直接从前侧伸出，以形成上端的线圈出线端布置
于前侧的上排，而下端的线圈出线端布置于前侧的下排。
15.本实用新型与现有技术相比具有明显的优点和有益效果，具体而言，由上述技术方案可知，其主要是通过磁芯底板、m组电感线圈组件、n个非晶磁芯块的设置，有效降低损耗，同时可降低成本，提高光伏逆变器整机效率，从而可实现效率改善与低成本设计的兼顾。
16.为更清楚地阐述本实用新型的结构特征和功效，下面结合附图与具体实施例来对本实用新型进行详细说明。
附图说明
17.图1是本实用新型之实施例的混合磁路集成电感的立体示图；
18.图2是本实用新型之实施例的混合磁路集成电感的另一立体示图；
19.图3是本实用新型之实施例的混合磁路集成电感的主视图(未示线圈出线)；
20.图4是本实用新型之实施例的混合磁路集成电感的俯视图(未示线圈出线)；
21.图5是本实用新型之实施例的混合磁路集成电感的侧视图(未示线圈出线)；
22.图6是本实用新型之实施例的非晶磁芯块的立体示图(主要示出切割面)；
23.图7显示了本实用新型之实施例的初始电感测试(不加负载)增量电感测试(带电流)、交流损耗值测试的测试标准、测试方法；
24.图8显示了本实用新型之实施例的切割面短路检验的测试标准、测试方法；
25.图9是三相电感的连接接线示图；
26.图10是万用表测试方法示图。
27.附图标识说明：磁芯底板10、电感线圈组件20、上端磁芯块21、磁芯中柱22、电感线圈23、线圈出线端231、非晶磁芯块30、未喷涂绝缘层的切割面31。
具体实施方式
28.请参照图1至图10所示，其显示出了本实用新型之实施例的具体结构及一些测试方法。
29.在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
30.一种混合磁路集成电感，其包括有磁芯底板10和设置于磁芯底板10上的m组电感线圈组件20、n个非晶磁芯块30；所述磁芯底板10为有利于产生电感量和直流偏置特性的高性能铁硅或铁硅铝材料；
31.所述电感线圈组件20包括有上端磁芯块21、磁芯中柱22和电感线圈23，所述磁芯中柱22的上端连接于上端磁芯块21，所述磁芯中柱22的下端连接于磁芯底板10上，所述电感线圈23以磁芯中柱22所在上下方向为轴心绕制于磁芯中柱22上；所述上端磁芯块21、磁芯中柱22为有利于产生电感量和直流偏置特性的高性能铁硅或铁硅铝材料；所述电感线圈23各自独立设置。电感线圈23的线圈出线端231均从同一侧伸出，具体是指：电感线圈23上端的线圈出线端231向后侧延伸再向上延伸再向前侧伸出，而电感线圈23下端的线圈出线
端231直接从前侧伸出，如此，形成上端的线圈出线端231布置于前侧的上排，而下端的线圈出线端231布置于前侧的下排，使得整体结构紧凑，接线方便。
32.所述非晶磁芯块30的底端面及上端左、右侧面均为未喷涂绝缘层的切割面31；所述非晶磁芯块30的表面除切割面之外的区域均喷涂绝缘层。
33.所述m与n均为正整数，且m大于n；本实施例中，如图1和图2所示，所述m为3，n为2，也可以是所述m为2，n为1，或者其它数值，通常m等于n加1的和。所述m组电感线圈23电感线圈23组件20与n个非晶磁芯块30依次交替设置，且每个非晶磁芯块30位于两相邻的电感线圈23电感线圈23组件20之间；所述非晶磁芯块30的底端面的未喷涂绝缘层的切割面31与磁芯底板10的顶部相连接，所述非晶磁芯块30的上端左、右侧面的未喷涂绝缘层的切割面31分别与左、右侧的电感线圈23电感线圈23组件20的上端磁芯块21的侧面相连接，即：非晶磁芯块30的上端左侧面的未喷涂绝缘层的切割面31与左侧的电感线圈23电感线圈23组件20的上端磁芯块21的右侧面相连接，非晶磁芯块30的上端右侧面的未喷涂绝缘层的切割面31与右左侧的电感线圈23电感线圈23组件20的上端磁芯块21的左侧面相连接。
34.优选地，所述磁芯底板10、上端磁芯块21、磁芯中柱22均是气雾化高性能铁硅结构或气雾化铁硅铝结构。
35.本实施例中，基于反复测试及验证，如图3所示，其对磁芯底板10、上端磁芯块21、磁芯中柱22、电感线圈23、非晶磁芯块30的尺寸进行了优化调节：磁芯底板10的左右宽度l11为312-316毫米，磁芯底板10的上下厚度l8为19.5-20.5毫米，左侧的上端磁芯块21的左右宽度l1为70.2-80.8毫米，右侧的上端磁芯块21的左右宽度l5为70.2-80.8毫米，左、右侧及中间的上端磁芯块21的上下厚度l6为19.5-20.5毫米，左侧非晶磁芯块30的左右宽度l24为27.8-28.2毫米，右侧非晶磁芯块30的左右宽度l4为27.8-28.2毫米，左、右侧非晶磁芯块30的上下厚度l9为97.5-98.5毫米，中间的上端磁芯块21的左右宽度l3为97.2-98.8毫米，电感线圈23的左右宽度l10为62毫米，上端磁芯块21的顶端与磁芯底板10的底端的距离l7为最大120毫米。
36.混合磁路集成电感的非晶解耦：由两个以上的独立的电感线圈23分别绕制在各自的磁芯中柱22上，再通过其中公用的中间磁路(即非晶磁芯块30)形成磁集成的工作原理(集成电感的非晶解耦情况，可降低耦合系数偏低，装配的贴合度，非晶磁导率等通过测量非晶解耦和短路规避)。当线圈中流过电流时，线圈所产生的磁束，会在中间公共部分磁芯里进行磁通量抵消，甚至为零。如果在同一时刻流过线圈的电流值相接近时，磁芯公共部分的磁通可互相抵消，即便磁芯的有效截面积小，因其总磁通量很小，此处的磁场强度b也会很低，中心柱磁芯也远不会饱和。因此，其设计理念独特，是一种有效降低损耗的方法和措施。通过磁芯底板10、上端磁芯块21、磁芯中柱22、电感线圈23、非晶磁芯块30的结构设计，磁芯底板10、上端磁芯块21、磁芯中柱22构成主磁路，多个部分是分体制作组装的，使得主磁芯以及主磁芯和非晶磁芯块30构成的磁芯整体，实现其形状可以完全配合电感线圈23设计，磁场外泄降低到最小，实现了比传统贴片电感更加优越的屏蔽效果。磁芯中柱22可以任意调整气隙，实现耐更大的电流冲击。以及，磁芯底板10、上端磁芯块21、磁芯中柱22采用合金系金属磁粉材料压铸而成，将产品的磁损降低到最低，具有传统电感无法超越的饱和电流特性。
37.本实用新型中，通过在绕组内部使用有利于产生电感量和直流偏置特性的高性能
铁硅或铁硅铝材料，而在绕组之外，则使用极高的抗饱和特性和高频损耗小的非晶块材料，来尽可能地缩短非绕线部的磁路长度和减小磁阻，同时避免因空气气隙处的漏磁而产生的导线的涡流损耗。通过这一结构形式，可以在比原来非晶型电感量小30至50％的条件下，使得光伏逆变器整机效率提高0.5至0.7％以上。
38.接下来，介绍针对本实用新型申请进行的一些测试方案：
39.首先，将非晶块未喷涂的切割面朝下放置在工装上，再将非晶块上端未喷涂位置与粉芯块侧面接触，移动非晶块让其一端与粉芯齐平组装，此基础上，可以进行电感初始感量耦合方案、非晶切割面短路方案。
40.如图7所示，其显示了初始电感测试(不加负载)增量电感测试(带电流)、交流损耗值测试的测试标准、测试方法。
41.如图8所示，其显示了切割面短路检验的测试标准、测试方法。
42.接下来，详细介绍电感初始感量耦合系数测试方案、非晶切割面短路方案。
43.1、电感初始感量耦合系数测试方案
44.【测试设备】lcr表
45.【被测对象】混合磁路集成电感
46.【测试目的】确认混合磁路集成电感的非晶解耦情况，可能导致耦合系数偏高的原因：装配的贴合度差，非晶磁导率严重偏低等；
47.【测试方法】测试初始感量时，完成单绕组感量测试后，将三相电感如图9所示连接，分别测试a+与b一之间的初始感量lab，b+与c-之间的初始感量lbc；
48.ma b＝(la+lb-lab)/2
49.mb c＝(lc+lb-lbc)/2
50.耦合系数
[0051][0052][0053]
【测试判据】计算得到的所有耦合系数均小于阈值。
[0054]
【阻抗阈值】6％。
[0055]
2、非晶切割面短路方案
[0056]
【测试设备】万用表
[0057]
【被测对象】非晶块切割端面
[0058]
【测试目的】确认切割后的非晶块断面降损处理是否到位，排查是否存在明显的短路情况；
[0059]
【测试方法】如图10所示，万用表调整到欧姆档，两个表笔保证水平距离10mm，随机抽取8个测试点，读取阻抗测试结果。
[0060]
【测试判据】所有阻抗数据大于等于判断阈值。
[0061]
【阻抗阈值】20欧姆。
[0062]
本实用新型技术方案主要用于光伏变压器技术领域，是光伏储能为了更加充分的利用电，降低损耗是初衷。我司开发的300kw级别的大功率光伏逆变器用升压电感和逆变电感，通过高频化对材料、器件做技术创新。用碳化硅半导体和第三代半导体材料给电源和储能带来提高能效的机会。采用非晶材料以其极高的抗饱和特性和高频损耗小+铁硅铝等方法(或高性能铁硅npf材料)，通过混合磁路(hybrid magnetics)技术，根据光伏boost电流的工作特点，扬长避短，做到既降低了电感量(小体积、低成本要求)，又显著改善电感的损耗。要显著提高其综合效率，就必须最大限度地控制好较轻负荷时的功率损耗。利用混合磁路中不同磁材的特性，通过对其磁路长度、磁阻及绕线匝数等影响电感特性的诸要素进行优化调节，使之符合的l-i直流电感偏置特性，从而可实现效率改善与低成本设计的兼顾。
[0063]
新型电感的l-i特性，其突出特点就是在额定负载时，通过降低额定电感量，人为加大电路中的电流纹波(利用光伏逆变器输入端的大容量电容“过剩”的高频大纹波能力资源)，来完成低内阻且少用铜的设计。另外，当负载逐渐减轻时，电感量会随之大幅提升，使得此时的磁芯内部的δb明显下降。这样，一方面减少了铁损，另一方面局部的微小气隙处的漏磁也会大幅减轻，使涡流影响极小。另外，随着电感量的迅速提升，电感中的高频电流纹波大幅下降，进一步降低了电感电流的有效值和电流的高频分量，从而使得线圈的直流损耗、集肤效应(又叫趋肤效应)、接近效应等明显改善。实践证明，这样的设计可以使逆变器的整机效率，从极轻负载开始就处于高效，直至满载，个别情况下，较轻负荷的效率还可能在很宽的一个范围内高于满载效率。
[0064]
本实用新型的设计重点在于，其主要是通过磁芯底板10、m组电感线圈23电感线圈23组件20、n个非晶磁芯块30的设置，其有效降低损耗，同时可降低成本，提高光伏逆变器整机效率，从而可实现效率改善与低成本设计的兼顾。
[0065]
以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型的技术范围作任何限制，故凡是依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均仍属于本实用新型技术方案的范围内。

技术特征：
1.一种混合磁路集成电感，其特征在于：包括有磁芯底板和设置于磁芯底板上的m组电感线圈组件、n个非晶磁芯块；所述电感线圈组件包括有上端磁芯块、磁芯中柱和电感线圈，所述磁芯中柱的上端连接于上端磁芯块，所述磁芯中柱的下端连接于磁芯底板上，所述电感线圈以磁芯中柱所在上下方向为轴心绕制于磁芯中柱上；所述m与n均为正整数，且m大于n；所述m组电感线圈组件与n个非晶磁芯块依次交替设置，且每个非晶磁芯块位于两相邻的电感线圈组件之间。2.根据权利要求1所述的一种混合磁路集成电感，其特征在于：所述磁芯底板、上端磁芯块、磁芯中柱均是气雾化高性能铁硅结构。3.根据权利要求1所述的一种混合磁路集成电感，其特征在于：所述磁芯底板、上端磁芯块、磁芯中柱均是气雾化铁硅铝结构。4.根据权利要求1所述的一种混合磁路集成电感，其特征在于：所述电感线圈各自独立设置。5.根据权利要求1所述的一种混合磁路集成电感，其特征在于：所述电感线圈的线圈出线端均从同一侧伸出。6.根据权利要求5所述的一种混合磁路集成电感，其特征在于：所述电感线圈上端的线圈出线端向后侧延伸再向上延伸再向前侧伸出，而电感线圈下端的线圈出线端直接从前侧伸出，以形成上端的线圈出线端布置于前侧的上排，而下端的线圈出线端布置于前侧的下排。

技术总结
本实用新型公开一种混合磁路集成电感，包括有磁芯底板和设置于磁芯底板上的M组电感线圈组件、N个非晶磁芯块；所述电感线圈组件包括有上端磁芯块、磁芯中柱和电感线圈，所述磁芯中柱的上端连接于上端磁芯块，所述磁芯中柱的下端连接于磁芯底板上，所述电感线圈以磁芯中柱所在上下方向为轴心绕制于磁芯中柱上；所述M与N均为正整数，且M大于N；所述M组电感线圈组件与N个非晶磁芯块依次交替设置，且每个非晶磁芯块位于两相邻的电感线圈组件之间。其有效降低损耗，同时可降低成本，提高光伏逆变器整机效率，从而可实现效率改善与低成本设计的兼顾。顾。顾。


技术研发人员：曹开华
受保护的技术使用者：东莞市嘉龙海杰电子科技有限公司
技术研发日：2023.02.27
技术公布日：2023/8/17