一种模块化磁性部件及其多相耦合电感

1.本发明涉及磁元件领域，尤其涉及一种模块化磁性部件及其多相耦合电感。


背景技术：

2.现代信息化社会人工智能、超算、云服务等技术迅猛发展，作为其计算核心的多核cpu、gpu等处理器单元功耗剧增，其负载电流可达上千安培；同时为了保证处理器的可靠高效运行，人们对电源瞬态过程中的电压波动范围提出了更高要求——常规分立电感器部件已不能满足现有技术需求。
3.多相耦合电感的出现，为增大稳态等效电感减小输出纹波，减小动态等效电感提高瞬态输出响应提供了可能。但是，文献cn103141021b等所述的主流商用耦合电感方案仍采用平面型排布，在线路板上容易产生更大的寄生阻抗，且两侧与中间的电感耦合差异大，一致性相对较差。
4.另一方面，为了缩减供电网络的线路阻抗，出现了垂直供电等新供电物理架构，提高了系统效率。将功率流拓展至三维空间有益于创建紧凑、高效和大电流输出电源电路，但也出现了一定问题：而在wo2021211682a1中提出的垂直供电结构设计的磁芯结构较为复杂，制造装配难度大，非理想条件下容易出现相间不均衡的情况，且没有考虑地回路的排布。


技术实现要素：

5.为实现上述发明目的，本发明采用如下的技术方案：
6.本发明首先提供了一种模块化磁性部件，包括主磁性组件、主电流绕组、地回路绕组；
7.所述主磁性组件包括磁柱体以及相互对称的两个磁板；两个磁板分别为设置在磁柱体的上端的第一磁板和设置在磁柱体的下端的第二磁板；所述磁板上存在水平向外延伸的两条边沿，所述两条边沿相邻且两条边沿所成的角为模块化磁性部件的夹角θ；所述磁柱体、第一磁板和第二磁板上开设有用于安装主电流绕组的槽道；在主磁性组件上模块化磁性部件的夹角θ开口所对的一个侧面还竖直设置有地回路绕组；所述主磁性组件外表面与主电流绕组和地回路绕组绝缘；所述主电流绕组包括第一路径、设置在第一路径两侧的第二路径以及设置在顶部和底部的焊接面端子，第一路径用于实现竖直方向上的功率传输，第二路径环绕在主磁性组件磁柱体进行排布，以产生竖直方向上的磁通；所述地回路绕组设置在主磁性组件外围区域提供电流返回路径，与主电流绕组高度一致。
8.作为本发明的优选，所述磁柱体、第一磁板以及第二磁板一体成型，第一磁板、第二磁板外形与厚度相等。所述模块化磁性部件的夹角θ大于等于45
°
，小于等于180
°
。
9.作为本发明的优选，所述模块化磁性部件的槽道深度小于等于模块化磁性部件宽度的一半，以保证各相电感之间有足够的耦合强度。
10.作为本发明的优选，主磁性组件中提供给地回路绕组使用的外围区域大于等于地
回路绕组截面积。
11.本发明还提供了一种模块化磁性部件的多相耦合电感，多个模块化磁性部件能够在垂直方向上堆叠，同时在水平方向上以模块化磁性部件的夹角θ顶点为中心进行旋转拼接组成多相耦合电感；在多相耦合电感中模块化磁性部件个数x为：x＝k
×n×
m，其中n表示相数，n≥2，且n与模块化磁性部件的夹角θ存在n＝360
°
/θ关系，k表示水平拓展系数，m表示堆叠层数，m≥1。
12.作为本发明的优选方案，多相耦合电感中各模块化磁性部件磁板内部工作磁通密度为水平方向，磁住体内部工作磁通密度为竖直方向；组立为多相耦合电感后，构建磁通抵消回路。
13.作为本发明的优选方案，多相耦合电感中各模块化磁性部件之间设置有气隙，控制磁通密度不发生饱和。
14.本发明还提供了一种多相耦合电感在激励电路中的应用。
15.与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
16.1)相对于传统的平面立体结构，垂直电感结构提高空间电感密度，提高系统功率密度，适用于高功率密度大电流垂直供电场景。
17.2)模块化磁性部件设计令装配难度大幅减小，且利于扩展，可灵活扩展系统容量。
18.3)气隙结构转移到侧面，各相电感一致性较高，对装配敏感度降低，便于控制所述多相耦合电感感量。
19.4)直流磁通充分相互抵消，可以避免大电流应用下带来的大工作磁通密度饱和问题，减小磁件体积和电流损耗。
附图说明
20.图1是本发明提供的实施例1模块化磁性部件结构图。
21.图2是本发明提供的实施例1模块化磁性部件爆炸图。
22.图3是本发明提供的实施例1模块化磁性部件尺寸标注图。
23.图4是本发明提供的实施例1模块化磁性部件磁阻模型示意图。
24.图5是本发明提供的实施例1堆叠模块化磁性部件结构图。
25.图6是本发明提供的实施例1堆叠模块化磁性部件爆炸图。
26.图7是本发明提供的实施例1多相耦合电感结构示意图(θ＝90
°
,k＝1,n＝4,m＝1)。
27.图8是本发明提供的实施例1多相耦合电感工作磁密示意图。
28.图9是本发明提供的实施例1多相耦合电感磁阻模型示意图。
29.图10是本发明提供的实施例1均衡多相耦合电感工作电流波形示意图。
30.图11是本发明提供的实施例1 50％装配误差多相耦合电感工作电流波形示意图。
31.图12是本发明提供的实施例1扩展多相耦合电感结构示意图(θ＝90
°
,k＝2,n＝4,m＝1)。
32.图13是本发明提供的实施例2 180
°
模块化磁性部件结构图。
33.图14是本发明提供的实施例2 180
°
模块化磁性部件爆炸图。
34.图15是本发明提供的实施例2两相耦合电感结构图。
35.图16是本发明提供的普通多相buck激励电路。
36.图17是本发明提供的多相开关电容buck激励电路。
37.其中：1、模块化磁性部件；11、主磁性组件；12、主电流绕组；13、地回路绕组；111、第一磁板；112、第二磁板；113、磁柱体；1110、第一上方槽；1120、第一下方槽；1111、第二上方槽；1121、第二上方槽；121、第一路径；122、第二路径；123、焊接面端子a；14、堆叠式修改的主电流绕组；15、堆叠式修改的地回路绕组；141、堆叠式修改的主电流绕组第一路径；142、堆叠式修改的主电流绕组第二路径；143、焊接面端子b；161、右侧模块化磁性部件工作垂直磁通；162、耦合垂直磁通a；163、顶磁板工作水平磁通a；164、底磁板工作水平磁通a；171、左侧模块化磁性部件工作垂直磁通；172、耦合垂直磁通b；173、顶磁板工作水平磁通b；174、底磁板工作水平磁通b。
具体实施方式
38.下面结合具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。所述实施例仅是本公开内容的示范且不圈定限制范围。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。
39.实施例1
40.如图1和图2所示，为了一种模块化磁性部件，包括主磁性组件11以及设置在主磁性组件上的主电流绕组12和地回路绕组13；主磁性组件11包括第一磁板111、第二磁板112、磁柱体113；主电流绕组12包括传递竖直功率流的第一路径121，环绕磁柱体产生竖直方向磁通的第二路径122，以及用于焊接至pcb的接触面端子a 123。
41.上下磁板上还开有方形槽，1110第一上方槽，1120第一下方槽，1111第二上方槽，1121第二上方槽，其中第一方槽用于放置主电流绕组第一路径121，第二方槽仅作磁芯对称之用，以提高主磁性组件可制造性.
42.上下磁板的工作磁通方向为水平方向，磁柱体的工作磁通方向为竖直方向，将在图8中进一步阐述；
43.主电流绕组厚度取值根据选定工作频率的趋肤深度的两倍进行确定；
44.根据负载电流总电流大小以及电感工作占空比，可优化地选取电感耦合相数n，可选取不同中心角度360
°
/n的磁芯结构，2≤n≤8。
45.图3标注了模块化磁性部件的相关几何参数，其中，l代表其中心到边缘的长度，h表示磁柱体高度，h表示磁板厚度，l表示磁板方槽深度，w表示磁板宽度，而q表示磁柱体到其中心距离。如图3所示，方槽的深度l可以根据需要的电感耦合系数进行选取，一般不超过l/2，宽度w略大于主电流绕组厚度以满足装配裕度需求。
46.磁柱体的高度h需要根据主电流路径绕组阻抗要求选取。
47.提供给地回路绕组使用的主磁性组件外围区域s应大于等于绕组截面积wl。
48.如图4所示，为单个主磁性组件的磁域等效磁阻模型，winding表示主电流绕组输入磁路的磁动势激励源，匝数即等于主磁性组件垂直堆叠数目m；mag
top mag
botm mag
leg
分别表示第一上磁板、第二下磁板、磁柱体的磁阻，air
side
表示上下磁板伸出磁柱体部分间距路径上的气隙对应磁阻。各元件如下的对应表达式：
[0049][0050]
在图1至图3展示的一种模块化磁性部件基础上，进行垂直堆叠拓展，可以得到图5所示的一种模块化磁性部件。如图5和图6所示，两个主磁性部件11在垂直方向上紧密贴合，修改的堆叠式主电流绕组14包括传递竖直功率流的第一路径141，环绕磁柱体产生竖直方向磁通的第二路径142，以及用于焊接至pcb的接触面端子b143；地回路绕组为15。绕组围绕磁柱体螺旋缠绕，即增加了额外的第二路径，匝数增加，相应地电感感量增加，利于低频或更高激励电压等场景应用。
[0051]
图7展示了基于模块化磁性部件1的多相耦合电感，其参数取值为θ＝90
°
，n＝4，m＝1，k＝1，将四个相同的模块化磁性部件绕磁板顶点为中心进行旋转拼接，各模块化磁性部件之间存在有气隙19。
[0052]
图8示出了模块化磁性部件1_1和模块化磁性部件1_4的工作磁通分布情况。在工作工程中，实施激励电路的开关节点加在各主电流路径绕组底端，各输出端子确定为上端，根据绕组方向可得，右侧模块化磁性部件在磁柱体中产生右侧模块化磁性部件工作垂直磁通161，在左侧模块化磁性部件的磁柱体中产生耦合垂直磁通a162，并产生顶磁板工作水平磁通a163，底磁板工作水平磁通a164，左侧模块化磁性部件在磁柱体中产生左侧模块化磁性部件工作垂直磁通171，在右侧模块化磁性部件的磁柱体中产生耦合垂直磁通b172，并产生顶磁板工作水平磁通b173和底磁板工作水平磁通b174。
[0053]
如图9所示，基于上述各模块化磁性部件建模方法，该多相耦合电感可以建模为四个模块化磁性部件连接其上下磁板相互之间的气隙air
mutual_top
air
mutual_botm
的磁域等效磁阻模型。该模型可以便捷的通过plecs、simulink等仿真软件进行求解，以评估所设计的耦合电感的有效性。图10展示了6-1v场景下，给定电压激励占空比为0.1667，频率500khz，输出负载电流为100a，该多相耦合电感的各相工作电流波形，可见各相电感耦合良好，交错程度高，总输出电流纹波小。
[0054]
图10的仿真电流波形基于理想情况，而实际上air
mutual_top
之间air
mutual_botm
之间均存在一定程度上的装配误差，可能引起各相电感之间的不均流，不均热情况发生，为了保证系统高效稳定运行需要对其予以关注。图11示出了在给定
±
50％的装配气隙差异下，得到的多相耦合电感的各相工作电流波形，可见该多相耦合电感相间直流电流差异小，最大纹波相与最小纹波相纹波占直流分量差异在18％以内，具有很好的一致性，达到了所述发明的有益效果。
[0055]
为了适应更大功率的应用场景，还可以将本发明提供的一种多相耦合电感在水平方向上进行有益的扩展，即k≥2，如图12所示，其参数取值为θ＝90
°
,k＝2,n＝4,m＝1。
[0056]
实施例2
[0057]
图13至图14展示了一种180
°
的模块化磁性部件及其结构，包含主磁性组件21，主电流绕组22，地回路绕组为23。主磁性组件21在结构上包含了211第一上磁板、212第二下磁板、213磁柱体；主电流绕组22包括传递竖直功率流的第一路径221，环绕磁柱体产生竖直方向磁通的第二路径222，以及用于焊接至pcb的接触面端子223；地回路绕组为23。
[0058]
上下磁板上还开有方形槽分别为第一上方槽2110，第一下方槽2120，第二上方槽2111以及第二上方槽2121，其中第一上方槽2110和第一下方槽2120用于放置主电流绕组第一路径221，第二上方槽2111以及第二上方槽2121仅作磁芯对称之用，以提高主磁性组件可制造性。
[0059]
图15展示了一种两相耦合电感结构，由180
°
的模块化磁性部件2_1和180
°
的模块化磁性部件2_2拼接组成，其中间存在装配气隙29，可以便捷地控制电感感量与耦合强度
[0060]
图16和图17示出了本发明所提出的多相耦合电感适用的几种激励电路，该多相耦合电感可以采用上述实施例中的结构。图16示意了一种多相buck电路(降压式变换电路)，图17示意了一种多相开关电容型buck电路，其中qh表示高侧功率开关管，q
l
表示低侧功率开关管，vbus表示前级输入母线电压，csw表示开关飞跨电容，cout表示输出电容，iload表示负载电流，vout表示输出电压。相数为n，相与相相互之间存在相位为360
°
/n的激励差异。
[0061]
值得说明的是，本技术的多相耦合电感并不限于应用在这些电路，也可以用于其他具有交错电压相位激励的电路拓扑中。
[0062]
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种模块化磁性部件，其特征在于，包括主磁性组件(11)，主电流绕组(12)、地回路绕组(13)；所述主磁性组件(11)包括磁柱体(113)以及相互对称的两个磁板；两个磁板分别设置在磁柱体上端的第一磁板(111)和设置在磁柱体下端的第二磁板(112)；所述磁板上相邻的两条边沿水平向外延伸；所述两条边沿所成的角为模块化磁性部件的夹角θ；所述磁柱体(113)、第一磁板(111)和第二磁板(112)上开设有用于安装主电流绕组(12)的槽道；在主磁性组件(11)上模块化磁性部件的夹角θ开口所对的一个侧面还竖直设置有地回路绕组(13)；所述主磁性组件外表面与主电流绕组(12)和地回路绕组(13)绝缘；所述主电流绕组(12)包括第一路径(121)、设置在第一路径两侧的第二路径(122)以及设置在顶部和底部的焊接面端子，第一路径用于实现竖直方向上的功率传输，第二路径环绕在主磁性组件磁柱体进行排布，以产生竖直方向上的磁通；所述地回路绕组(13)设置在主磁性组件外围区域提供电流返回路径，地回路绕组(13)与主电流绕组的高度一致。2.根据权利要求1所述的模块化磁性部件，其特征在于，所述磁柱体(113)、第一磁板(111)以及第二磁板(112)一体成型，第一磁板、第二磁板的外形与厚度相等。3.根据权利要求1所述的模块化磁性部件，其特征在于，所述模块化磁性部件的夹角θ大于等于45
°
，小于等于180
°
。4.根据权利要求1所述的模块化磁性部件，其特征在于，所述模块化磁性部件的槽道深度小于等于模块化磁性部件宽度的一半，以保证各相电感之间有足够的耦合强度。5.根据权利要求1所述的模块化磁性部件，其特征在于，主磁性组件中提供给地回路绕组使用的外围区域大于等于地回路绕组截面积。6.一种如权利要求1所述模块化磁性部件的多相耦合电感，其特征在于，多个模块化磁性部件能够在垂直方向上堆叠，同时在水平方向上模块化磁性部件以模块化磁性部件的夹角θ顶点为中心进行拼接组成多相耦合电感；在多相耦合电感中模块化磁性部件个数x为：x＝k
×
n
×
m；其中n表示相数，n≥2，且n与模块化磁性部件的夹角θ存在n＝360
°
/θ关系，k表示水平拓展系数，m表示堆叠层数，m≥1。7.根据权利要求6所述的多相耦合电感，其特征在于，多相耦合电感中各模块化磁性部件磁板内部工作磁通密度为水平方向，磁住体内部工作磁通密度为竖直方向；组成为多相耦合电感后，相互之间构建磁通抵消回路。8.根据权利要求6所述的多相耦合电感，其特征在于，多相耦合电感中各模块化磁性部件之间设置有气隙，控制磁通密度不发生饱和。9.一种如权利要求6-8任一项所述的多相耦合电感在激励电路中的应用。

技术总结
本发明涉及磁元件领域，尤其涉及一种模块化磁性部件及其多相耦合电感。模块化磁性部件包括主磁性组件、主电流绕组和地回路绕组；模块化磁性部件设计令装配难度大幅减小，且利于灵活扩展系统容量。多个模块化磁性部件可在垂直方向上堆叠，同时在水平方向上以模块化磁性部件的夹角θ顶点为中心进行旋转拼接组成多相耦合电感。位于侧面的气隙结构可提高各相电感一致性，对装配敏感度降低，便于控制所述多相耦合电感感量；相对于传统的平面立体结构，垂直电感结构提高空间电感密度，提高系统功率密度，适用于高功率密度大电流垂直供电场景。适用于高功率密度大电流垂直供电场景。适用于高功率密度大电流垂直供电场景。


技术研发人员：李武华 杜禹侃 任晟道 李楚衫 屈万园
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：2023.06.09
技术公布日：2023/8/21