开关电源中磁集成技术的应用研究综述
A Review of Application Research of Integrated Magnetics Technology in SMPS

1. 引言
随着电力电子学科本身的发展成熟，人们逐渐认识到，磁性元件(简称磁件，包括电感、变压器)不仅是电源中重要的功能元件，实现能量储存与转换、滤波和电气隔离，同时，其体积、重量、损耗在整机中也占有相当比例。据统计，磁件的重量一般是变换器总重的30~40%，体积占总体积的20~30%，对于高频工作、模块化设计的电源，磁件体积、重量所占的比例还会更高。另外，磁件还是影响电源输出动态性能和输出纹波的一个重要因素。因此，要提高电源的功率密度、效率和输出品质，不能仅局限于拓扑和软开关技术等的研究，还需要对减小磁件体积、重量及损耗的相关技术开展研究与应用，以满足电源发展的需要。其中，磁集成技术就能有效减小磁件的体积、重量、损耗以及电源输出纹波。
所谓磁集成技术，就是将变换器中的两个或多个分立磁件(Discrete Magnetics， DM)绕制在一副磁心上，从结构上集中在一起。集中后的磁件被称为集成磁件(Integrated Magnetics， IM)。通过一定的耦合方式、合理的参数设计，该技术能有效减小磁件体积和损耗，在一定的应用场合还可减小电源输出纹波、提高输出动态性能。另外，磁集成技术能减少连接端，可有效减少大电流场合连接端子的损耗。
为了增加对磁集成技术的了解，促进国内开展磁集成技术的研究、应用，本文将回顾磁集成技术的发展历史，对磁件的分析方法、目前磁集成技术主要应用研究内容以及磁集成技术应用中的具体问题等进行系统地归纳、总结。
2. 历史回顾
由磁集成技术的概念可以看出，它并非像电力电子技术需要建立在功率半导体器件的基础之上，而是基于对磁性元件的了解和应用。事实上，磁集成技术的应用已有70多年的历史，比电力电子技术本身的发展历史还长。
1928年G.B.Crouse提出采用耦合电感滤波电路的专利申请，这就是最早的IM应用电路。随着对耦合电感研究的深入，人们逐渐认识到耦合电感可被用于多种变换器来减小电流脉动。
自G.B.Crouse提出IM应用电路后的40年间，磁集成技术的研究一直局限在电感与电感的集成。直到1971年，J.Ceilo和H.Hoffman申请了采用IM推挽变换器的专利，将变压器和电感集成在一起，并称其为"combined transformer and inductor device"，IM的概念才初步显现，磁集成技术也进入了多种磁件集成的时代。
从20世纪的70年代到80年代中期，磁集成技术得到了相当的发展，出现了较多的磁集成技术的专利，其中以Slobodan. Cuk及Gordon Bloom等人的贡献较为突出。在70年代末，Slobodan. Cuk将磁集成技术成功地应用在Cuk变换器，引起人们对磁集成技术的关注。80年代后，Gordon Bloom较系统的总结和介绍磁集成技术的意义、发展及分析方法，明确指出用磁集成技术抑制电流纹波可应用于多种变换器，并导出多种IM正激变换器和隔离的IM-Boost变换器。
20世纪80年代中，磁集成技术的优点虽然得到认可，但除了被用于多路输出电源外，在其他电源产品上的应用非常有限，主要有以下几个原因限制其应用：①设计比较复杂：与DM相比，IM的设计是多磁路设计，难度略大；②IM的绕组结构比较复杂，制作相对困难。用传统的绕制方法，不仅会降低生产效率，而且不易保证磁件寄生参数的一致性，降低了IM的实用价值。
20世纪90年代以后，随着扁平磁件应用的推广，磁件生产自动化程度的提高，IM的应用变得相对容易；同时，电源的不断发展也对其体积、输出动态性能、效率等提出了较高的要求，尤其是微处理器的飞速发展对新一代高功率密度电源提出了更大的挑战，这些都促进了磁集成技术的研究与应用。1997年陈为将倍流整流电路(Current Doubler Rectifier， CDR)的两个滤波电感和变压器进行集成，使IM在大电流输出的场合具有了很好的应用价值。这一研究使磁集成技术成为新的研究热点。这段时期内，磁集成的研究内容从具体电路中的应用拓宽到IM的新的分析方法、仿真模型的研究。磁集成技术被应用在多种场合，如电压调整模块(Voltage Regulation Module，VRM)、功率因数校正变换器、谐振变换器等，以减小磁件体积、电流纹波和铁心损耗。
目前，磁集成技术的研究内容可分为两大类：
① 磁件等效电路建模方法。磁件等效电路建模方法为研究集成磁件对电路性能的影响提供分析工具。
②具体应用。主要解决如何结合具体电路发挥磁集成技术的优点。
3. 磁件等效电路建模方法
磁件分析所采用的基本原理是磁路的基本定律及电磁感应定律。为了分析集成磁件对电路的影响，一般需要建立其等效电路，目前主要有两种建立磁件等效电路的方法。
3.1 磁路-电路对偶变换法
磁路-电路对偶变换法是根据磁件的磁路模型，通过对偶变换等方法导出磁件的电路模型。由于对偶变换对建立磁件的电路模型起到关键的作用，称该建模方法为磁路-电路对偶变换法。
建立磁件等效电路的过程大致分为四步：①根据磁路欧姆定律，得到磁件的等效磁路；②在等效磁路基础上，运用对偶原理，得到等效磁路的对偶图；对偶变换的目的是将磁动势包含的i与电路的电流i、磁通Φ与电路中的电压v(v=Nφ)建立联系。③对得到的对偶图进行尺度变换，得到电流、磁链的关系图，以便于应用法拉第电磁感应定律得到等效电路；④根据法拉第电磁感应定律及变压器的阻抗变换原理，得到等效电路。
用磁路-电路对偶变换法得到的磁件等效电路用电感和理想变压器来表征，与常用的电路相同，便于比较IM电路与DM电路，较适于解析分析。虽然这种方法被广泛采用，但仍有一定局限性：①推导过程繁琐，不适于分析磁心结构复杂的磁件的等效电路；②所建立的磁件等效电路不能同时直接反映磁件的电路参数与磁路参数。
为此人们提出另一种建立磁件等效电路的方法：磁导-电容类比建模法。
3.2 磁导-电容类比建模法
磁导-电容类比建模法是根据Buntenbach提出的磁路参数与电路参数的类比关系：磁动势 电压、磁通变化率 电流、磁导 电容、磁通 电荷，直接由磁件建立回转器和电容表征的磁件等效电路模型。根据建模方法所用类比关系的特点，将其称为磁导-电容类比建模法。

根据类比关系，绕组可以被看作连接磁路与电路的二端口元件，如图1 (a)所示。由法拉第电磁感应定律及磁动势的定义，可知对于N匝绕组有式(1)成立：
(1)
既然φ和F分别类比于电路中的电流和电压，式(1)给出的函数关系与电路中的二端口元件-回转器的特性相一致，因此引入回转器作为绕组的等效电路模型，如图1(b)所示。显然绕组匝数N相当于回转电阻，相应成为有量纲参数，单位为Ω。
用回转器模型表示磁件绕组，电容模型表示磁导，就能得到磁件的等效电路模型。显然等效电路能同时直接反映磁件的电路和磁路特性，包括绕组的电压、电流和磁芯的磁通，且推导方便。用电流控制电压源代替回转器，如图1(c)所示，可进行电路仿真。此外，在该模型中还可以方便地加入磁芯的非线性特性，使仿真结果更加准确。
这种方法建立等效电路相对简便、直接，能同时完整的反映磁件的电路与磁路特性，适用于磁件的仿真分析。
4. 磁集成技术的具体应用
下面根据磁芯结构、集成对象、磁通耦合情形以及集成后磁通的作用关系对当前磁集成技术的具体应用进行分类介绍。
4.1 分类方法1-磁芯结构
根据法拉第电磁感应定律可知，当绕组匝数和端电压不变，磁集成不会改变绕组匝链的交变磁通。因此多个磁件集成，一般要求磁芯具有多条磁支路，这样才能将多个交变磁通未必相同的DM集成起来。所以可根据磁芯结构将磁集成技术的应用分为两大类：①不改变原有磁芯结构，充分利用现有常规磁芯多磁路的特性(如EI、EE型磁芯)进行集成。目前，大部分磁集成的应用属于该类。②改变磁芯结构，人为得到多个磁支路，实现磁件集成。
目前改变磁芯结构获得多磁路的方法可分为两类：
（1） 在磁芯中外加导磁体来获得多磁路
Charles S.Walker是此类磁集成方法较早的提出者和应用者，如图2，通过在罐型磁芯的中部加入一片导磁体"2"，将罐型磁芯分为上下两部分，使磁通从三条磁路流通。该磁芯被用于谐振变换器中实现电感和变压器的集成。Charles S.Walker还将该方法进行推广：加入多个导磁体可以得到更多的磁路，实现多个电感和变压器的集成。Mike Meinhardt在该方法的基础上又进行了改进，减小损耗。此外，Bloom提出的多窗口的磁芯也属于此类。

（2）通过现有磁芯的组合获得多磁路
Arkadiy Kats等提供了另外一种获得多磁路的办法，如图3所示，两副磁芯A、B被组合使用，变压器的原边绕组绕在两副磁芯上，副边绕组仅绕在磁芯A上，使变压器的漏感集中到原边，并可通过调节磁芯B的气隙来精确控制漏感的大小。图3所示的IM在谐振变换器中得到成功的应用。

4.2 分类方法2-集成对象
根据磁集成的对象可将磁集成技术分为电感与电感集成和电感与变压器集成。
4.2.1 电感与电感集成
电感与电感集成就是通常讲的耦合电感。根据电感绕组电压之间的关系可分为绕组电压成比例和绕组电压相差180°两种。
（1）绕组电压成比例
绕组电压成比例的耦合电感主要用于减小电流脉动甚至获得零纹波。当绕组匝数与电压成比例，则绕组匝链的交变磁通相同，可以选用单磁路磁芯如环形磁芯用于磁件集成。
·减小电流脉动的原理和零纹波条件
如图4所示，L1、L2为耦合电感两个绕组的自感，互感为M，绕组两端的电压分别为u1、 u2，"＊"表示绕组同名端。

显然，由于互感的分压作用，可减小加在自感上的电压，从而能减小电流纹波。需要说明，互感的引入并不总能减小自感上的电压，只有按照图4来设置同名端，保证互感起到分压的作用，才能减小电流纹波。否则，电流纹波还会增大。
根据耦合电感的方程容易得到i1实现零纹波的条件为：
(1-9)
由上式可知，要完全实现零纹波需要：①绕组电压成比例；②互感要满足一定关系。令u2=ku1，要实现i1零纹波，要求互感满足：M=L2/k。
·应用方法
对于电感绕组电压存在比例关系的电路拓扑，如Cuk变换器、电压型多路输出电源，可直接将分立电感集成，来减小电流脉动。在一般的变换器中，可以外加电感和电容，并将外加电感与滤波电感集成实现纹波抑制。图5说明如何在Buck变换器应用这种方法，图中 Lo为输出滤波电感，La为外加电感，Ca为外加电容，"*"表示绕组的同名端。稳态时，不考虑电容电压脉动，Ca上电压与输出电压相等，所以加在 La与Lo上的电压相等，满足绕组电压成比例的条件，将两电感集成就可减小输出电流脉动，通过专门设计来满足零纹波条件还可实现输出零纹波。这种方法已被用于多种变换器，如被用于断续模式的Boost功率因数校正电路，解决断续模式时交流输入电流脉动大的问题。

（2） 电感绕组电压相差180°
绕组电压相差180°的电感集成主要应用于多路交错并联工作的变换器，如VRM变换器等。由于绕组电压相位不同，绕组匝链的交变磁通相位也不相同，所以此类电感集成要用多磁路的磁芯，这一类磁集成的应用，关键是选用恰当的集成方式，充分发挥磁集成的作用，实现磁件体积、电流脉动和铁芯损耗的减小。
4.2.2 电感与变压器集成
电感与变压器集成被应用于多种隔离型变换器，这类IM的应用电路较多，主要有IM正激变换器 、IM推挽变换器 、多种IM-CDR电路以及IM-Boost单级功率因数校正电路。电感与变压器集成被应用于多种隔离型变换器，以减小变换器中磁件的体积、损耗。
4.3 分类方法3-磁通耦合情形
根据磁集成的磁通耦合情形可将其分为解耦集成和有耦合的磁集成。解耦集成，顾名思义，就是原来的DM集成后互相没有耦合作用。解耦集成的方法主要有两种：
(1) 提供低磁阻磁路实现解耦 (解耦集成方法#1)

图6说明如何运用这种方法实现两个电感的解耦集成。图中N1、N2为电感绕组，分别绕在磁芯的两侧柱上。由于磁芯中柱没有气隙，其磁阻远远小于开有气隙的侧柱，所以N1、N2产生的磁通经中柱形成回路，互相之间基本无耦合。用类似的方法可以实现多个磁件(包括电感、变压器)的解耦集成。当然，必须要提供一条独立、低磁阻的公共磁路，也就是说n个磁件解耦集成需要磁芯至少有n+1个磁柱。
这种集成方法基本不影响电路性能，但不同的集成方式会影响公共磁柱的磁通。按照图6中的电流方向和绕组绕向，N1、N2产生的直流磁通在中柱方向相反，互相抵消，有利于减小磁芯体积。
(2) 通过完全抵消绕组间的耦合作用来解耦(解耦集成方法#2)

图7说明如何运用这种方法实现两个电感的解耦集成。图中，电感1绕在磁芯中柱，匝数为N1；电感2由两个绕组串联绕在磁芯的两个侧柱上，匝数分别为N21、N22。 按照图中的连接方式，电感1产生的磁通在磁芯左侧柱与N21产生的磁通方向相反，而在右侧柱与N22的方向相同，电感2的两个绕组在中柱产生的磁通方向相反。如果能完全抵消两个电感间的磁通耦合，就实现了两电感的解耦集成。
如图7所示，令磁芯三个磁柱的磁阻(包含磁芯与气隙磁阻)分别为R1、R21、R22，运用磁路分析方法，易得出解耦集成的条件为： (1-16)
(2)
显然，要完全抵消耦合作用，磁柱磁阻比值应与电感两个绕组的匝比相同。对于通常用的对称结构磁芯，一般取N21=N22，R21=R22，根据相同的原理，该方法可用于电感与变压器、变压器与变压器的集成。
由图7可看出，中柱绕组对两个电感绕组的作用相反，削减N21匝链的磁通、增大 N22匝链的磁通，因此会使两侧柱磁芯的最大磁密有较大的差别，降低磁芯的利用率。对此，可以通过调整A21、A22来改进，如可将N22移到磁芯中柱，将电感1移到磁芯右柱。改变导磁面积会影响磁阻间的关系，相应也要调整N21与N22的匝比关系。
(3) 两种解耦集成方法的比较
比较两种解耦集成的方法（#1、#2）可知：① #1通常需要给有绕组的磁柱加入气隙以增加其磁阻。用于变压器与变压器的集成时，会减小变压器的磁化电感。② #2存在磁芯磁通分布不均匀的问题。③ #2需要拆分绕组，可能会增加变压器的漏感。此外，当要求绕组有中心抽头时，不能直接从两串联绕组间得到中点。④ #1可以方便的推广到多个磁件的解耦集成，而#2不适合。
4.4 分类方法4-磁通的作用关系
根据IM中磁通的相互作用，可将现有磁集成的具体应用分为：
① 直流磁通与交流磁通叠加；
主要用于高频场合的电感与变压器的集成，如IM正激变换器、IM推挽变换器及IM Boost单级功率因数校正电路等。受到磁芯损耗限制，高频时磁芯的交变磁密取值较小，降低了磁芯利用率。通过磁件集成，将电感绕组产生的直流磁通耦合到变压器的绕组中，提高磁芯利用率，能有效地减小磁件体积。
② 交流磁通在公共磁柱互相削减；
用于绕组电压相差180°的电感与电感的集成、交变磁通相对方向固定的电感与变压器的集成等，如VRM变换器中的电感集成、IM-FAC变换器中的电感与变压器的集成等，可降低磁芯公共磁柱的交变磁密，相应能减小磁芯损耗。
③ 直流磁通与直流磁通互相削减；
当分立磁件中交变磁通的相对方向不固定，不能利用交流磁通互相削减的集成方式，可以考虑直流磁通互相削减的集成方式，例如IM-FAC变换器中电感与变压器的集成、一般的电感与电感的集成等。这种集成方式有利于磁件体积的减小。
④ 绕组产生的交流磁通正向耦合；
绕组产生的交流磁通正向耦合表明绕组匝链的交变磁通由多个绕组共同产生、正向叠加，绕组匝链的交变磁通由磁件中多个绕组的电流脉动共同决定。由于每个绕组匝链的交变磁通在集成前后不变，因此这种集成方式可减小单个绕组产生的交变磁通，在一定应用场合，能减小绕组电流脉动。
对于绕组电压相对方向固定的磁件都可考虑采用这种集成方式。磁件绕组电压的比值可以固定不变，如多路输出电源中的输出电感、Cuk变换器中的输入输出滤波电感等；也可以变化，如FAC变换器中的电感和变压器。
5. 磁集成技术的具体应用过程和注意要点
磁集成技术在变换器应用的一般过程可用图8说明，这里结合叙述每一步骤常用的变换方法和注意要点：

第一步：由DM变换器推导多种IM方案；
这一步中，如何由DM变换器导出IM变换器是个难点。一旦推导出一个IM变换器就能够应用磁件变换方法推导多种IM方案。
目前常用的磁件变换方法主要有3种：
① 用源转移等效变换方法拆分绕组；其基本原理实际是磁路的等效变换。不妨用图9简要说明。图中磁件1的绕组在磁柱3上，与φ3匝链，由于磁路闭合，φ3＝φ1＋φ2，因此，将磁件1中的绕组匝数不变移到磁柱1、2上，与φ1＋φ2匝链，得到的磁件2与磁件1等效。如图9(c)所示，将磁件2中的绕组匝数不变拆分为两个串联绕组，则各磁路磁势不变，得到的磁件3与磁件2、磁件1仍然等效。磁件1到磁件3的变换方法就是源转移等效变换法。根据图例，可总结出源转移法变换磁件的方法：将绕组拆分串联移到其它各个磁柱上，各绕组匝数与原来的相同，并且保证绕组在各个磁柱产生的磁通方向不变，得到的磁件与原来磁件等效。源转移变换法已被用于IM正激变换器和IM-CDR电路的研究中。

② 根据具体电路进行绕组合并；
③ 改变IM的绕组连接方式，实际上是改变绕组同名端，从而改变磁通的耦合方式。
第二步：IM的分析、比较、选择；
这一步通常需要：①推导磁件等效电路；②结合电路、磁路进行综合分析。
IM比较和选择主要应考虑：
① 比较不同绕组连接方式、不同气隙结构的IM对变换器性能的影响：包括磁密、电流脉动、磁件损耗以及工程可实现性的比较。多种可能的绕组连接方式和气隙结构是IM具有的特点：多种绕组连接方式意味着磁通的作用关系多变，而多种气隙结构是多磁路设计多解的表现（磁路方程求解的限定条件是各磁路最大磁密小于设定值）。其中，磁件损耗分析的数值计算和精确测试一直以来都是电力电子学科中的一个难点。
②不同绕组连接方式对漏感的影响。改变绕组连接方式不仅改变磁通的作用关系，还会极大的影响绕组间的漏感。
显然，如何结合具体电路选择恰当的IM，是磁集成应用中的关键。
第三步：完成硬件设计和调试。
这一步主要是根据确定的磁件方案磁件设计。
6. 磁集成技术发展趋势
根据当前磁集成技术的现状，需要在以下几个方面进一步开展研究和应用：① 耦合电感在多种电路的应用，以减小电流纹波；② 新的适用于具体应用电路的IM的研究。主要用于在对功率密度和瞬态性能要求很高的场合，如VRM变换器及应用于通讯领域的低压／大电流电源模块；③集成磁件的优化设计方法；④建立实用、标准的磁件电路仿真模型和损耗分析模型。
随着未来电源的发展、新型磁性材料和磁芯的出现，对磁集成技术提出更高的要求：① 进一步拓宽磁集成技术的应用领域。既要扩大应用场合，还要发掘IM的新功能。如利用IM来实现半匝绕组。将其推广，可实现任意分数匝的绕组。② 研究适用于新的磁性材料与磁芯结构的磁集成技术。
7. 结论
本文回顾了磁集成技术的发展历史，系统地总结和分析了磁件的建模方法以及磁集成技术的具体应用，总结了磁集成技术的具体应用过程和相应的注意要点，并指出磁集成技术的发展趋势。■