Abstract：　　This paper introduces three kinds of integration methods of input inductance and output inductance in CUK switch convertor , following the trend of small,thin and light for the developing of the switch convertor at the present time. The concept of coupling integration and discoupling integration is presented. The purpose of minishing the volume of the convertor and decreasing the number of core and weight are reached, so the magnetics integration is an effect method for the development of switching convertor to small, thin and light.

Keyword：CUK convertor, magnetics integration, coupling magnetics integration, discoupling magnetics integration.

1　引 言

　　磁性器件是开关型变换器的重要组成部分[2]。它是完成能量储存与转换、滤波和电气隔离的主要器件。磁性器件的体积、重量、损耗和成本等在开关变换器中占有较大的比重，所以开关变换器的“小、薄、轻”离不开磁性器件的“小、薄、轻”。因此，为了既能保证变换器的性能良好，又能尽量减少它的体积、重量和成本，近年来，功率电子学工作者对变换器的磁路做了大量的研究工作[3－7,11]。集成磁件（Integrated Magnetics）的出现就是一个很好的例子。所谓集成磁件，就是把开关变换器的所有磁性器件（如电感器和变压器）从结构上集中在一起，用一个磁性器件实现。这样做不但能减少变换器的体积和重量，有时还能提高变换器的性能[5,6]。本文介绍了在CUK变换器中把输入和输出端的两个电感用具有一个磁芯的耦合电感来代替，不但减少了磁心数量，还可以使输入、输出电流纹波减小，甚至为零。此外，通过解耦磁集成也可实现两个电感的集成。


2　磁件集成概念的提出

　　由于磁件在电源装置中的重要作用，对磁集成技术的研究一直伴随着功率变换技术的发展，其中对磁集成技术的研究可以追溯到70多年前。

　　最早的集成磁件是用于滤波电路中的耦合电感。1928年G.B.Crouse 提出采用集成磁件滤波电路的专利申请。自G.B.Crouse 提出集成磁件应用电路后的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申请了采用集成磁件推挽变换器的专利，将变压器和电感集成到一起，并称其为“combined transformer and inductor device”,磁件集成的概念才初步显现，磁集成技术也进入了多种磁件集成的时代。

　　美国加州理工学院Slobodan Cuk 进行一系列Boost-buck 串联变换器的研究，并不断地完善，终于完成以他名字命名的变换器，简称CUK变换器，如图1所示。该变换器确实是一种能用最少的元器件，获得较理想功率变换特性的电路结构，所以称之为最佳拓扑变换结构。它比以前的变换器如Buck、Boost、Buck－Boost等变换器具有更多的优点。CUK变换器的输入、输出电流都是没有脉动的，这是它的主要优点。因此CUK电路有很大的实用价值。但是变换器的输入、输出电流还是有纹波的，而且纹波大小与电感大小、开关频率和导通比有关。为了解决这个问题，CUK做了不少试验。他把变换器中的两个电感用一个耦合电感来代替，使变换器输入、输出电流纹波进一步减少，甚至为零[8-9]。同时，通过电感耦合，不仅减小了电流纹波，而且把两个电感耦合为一个电感，使两个磁芯变为一个磁芯。从而减少了磁性元件的重量和数量。

图1　 CUK变换器电路图


3　CUK变换器中输入、输出两电感集成的方法

　　1．电感耦合磁集成法

　　电感耦合磁集成法就是把CUK变换电路中的两电感耦合到一起，通过设定一些参数达到磁集成的目的，如图2所示。因为在电路的输入和输出环节内都含有电感元件，所以输入和输出的纹波本来就比降压型、升压型电路小。但是，如果按图3所示，将输入和输出电感绕制在同一个磁芯上耦合起来，构成电感耦合的CUK变换电路的话，则可实现输入或输出，甚至输入及输出电流纹波均为零的优异特性。而且，可以使变压器的体积更小，重量更轻。图中耦合电感仍沿用了普通交流变压器的符号，但实际上两者是有本质区别的。首先，耦合电感可以通过直流电流；其次，耦合电感次级电流的流向与交流变压器次级电流的流向恰好相反。因为耦合方式只影响交流特性，故电感耦合的CUK电路在保持本CUK变换电路全部变换特性的同时，还能提供瞬间感性能量传递的作用。

图2　具有电感耦合的CUK变换器

　　现在利用图3耦合电感的等效模型，讨论输出、输入电流纹波的消减作用。图中Lp，Ln,Lm分别表示耦合电感的初级漏感、次级漏感和互感。按电工原理，他们之间存在如下关系： ,K为电感耦合的系数。另外，注意到初级、次级匝比 。

　　根据图3等效模型，可直接写出等效电路输出和输入回路的KVL：

　　表示电感耦合后，变换电路的输出电流纹波可消减为零，但是输入电流纹波一点也未改善。上面的第一种情况称为对称纹波消减；第二种情况称为非对称纹波消减。显见，利用电感耦合集成不但减少了一个磁芯，还能有效消减电流纹波。特别是非对称纹波消减，能实现输出电流零纹波，具有特别引人的优点。由此推断，采用两级电感耦合的CUK变换电路，第一级按n=1/K,第二级按n=K条件作非对称纹波消减耦合，则理应同时实现输入和输出电流纹波为零的结果。

　　2．解耦磁集成法

　　通过对线圈和磁芯的合理安排，使两个分离电感在集成后互相不产生耦合作用。这样，两个电感就不会相互影响，从而达到磁集成的目的。下面简单介绍两种解耦磁集成的方法。

　　1) 方法1：通过提供低磁阻磁路实现解耦

　　图4说明如何运用这种方法实现两个电感的解耦集成。图（a）为磁芯结构，N1、N2为电感绕组，分别绕在磁芯的两个侧柱上。由于磁芯中柱没有气隙，其磁阻远远小于开关气隙的侧柱，可近似为零。它的等效磁路如图（b）所示。因此，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。例如，多路输出电路中n个输出滤波电感的集成。也可以实现电感与变压器的集成，即把CUK电路中两个电感与隔离变压器相集成。

　　2）方法2：通过完全抵消绕组间的耦合作用来解耦

　　图5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的两个绕组在中柱上产生的磁通方向相反。图（a）的等效电路如图（b）所示。R1、R2、R3分别为磁柱磁阻，IN1为磁动势，φ为磁通。磁芯结构为对称结构。取N1=N2、R1=R2，在此条件下，磁动势IN1和IN2产生磁通φ1和φ2大小相等，这样电感1在磁芯中柱上产生零电磁通，而绕在磁芯中柱上的电感2将不受电感1的影响。在同样的条件下，电感2中的电流在电感2的两半部分产生大小相等、方向相反的电压。这就使得电感1中产生的总的感应电压为零，因此电感2中的电流就不会影响电感1的运行[10]。这样能完全抵消两个电感间通耦合，就实现了两电感的解耦集成。

　　根据相同的原理，该解耦集成法可用于电感与变压器、变压器与变压器的集成[11]。

　　3）两种解耦集成方法的比较

　　①方法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方法2存在磁芯磁通分布不均匀的问题。

　　③方法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，不能直接从两从串联绕组间得到中点。

　　④方法1可以方便的推广到多个磁件的解耦集成，而方法2不适合。


4　结论

　　本文说明了CUK变换器中输入电感和输出电感集成的几个例子。通过耦合磁集成可把两个电感集成为具有一个磁芯的耦合电感，而且通过合适的参数选择减少了输入输出纹波，甚至使输入输出纹波为零。两种解耦磁集成通过解耦的方法把两个分离的电感集成到一起，集成后互相没有耦合作用，因此也就没有减少纹波。但解耦集成法与耦合集成法相比可以更简单的把两电感集成在一起，而不需要更多的要求。集成后，磁件体积、数量以及重量都相应的减少，有助于整个CUK变换器体积、重量的减小。
　　　　　　

参考文献

[1] 陈为 何建农，电力电子高频磁技术及其发展趋势，电工电能新技术，2002，30－34。

[2] 徐泽玮，电源技术中应用的软磁材料发展回顾和分析，第十四届全国电源技术年会论文集，2001，569－575。

[3] Bo Yang,Fred C.Lee, “LLC Resonant Converter for Front End DC/DC Conversion”, IEEE, PP.1108-1112,2002.

[4] Bo Yang,Rengang Chen and Fred C.Lee, “Integrated magnetic for LLC Resonant Converter”,　IEEE,p.346-351,2002.

[5] Liang Yan,Dayu Qu,Buad Lehman, “Integrated Magnetic Full Wave Converter With Flexible Output Inductor”, IEEE,p.824-830,2002.

[6] Hernan Emilio Tacca, “Single-Switch Two-Output Flyback-Forward Converter Operation”,IEEETrans.PowerElectron.,vol.13.NO.5, p.903,1998.

[7] N.Frohkeke, J.Richter, P.Wallmeier,etal., “Soft Switching Forward-Flyback Converter with One Magnetic Component and Current Doubler Rectification Circuit”, IEEE,p.1161,2002.

[8] Slobodan.Cuk, “DC-to-DC switching converter with zero input and output current ripple and integrated magnetics circuits”,U.S. Patent 4,257,087 (March 17, 1981).

[9] Slobodan.Cuk, Middlebrook, robert.D, “DC-to-DC converter having reduced　ripple without need for adiustment”, U.S. Patent 4,274,133 (June 16, 1981).

[10] Yim-Shu Lee and Leng-Pong Wong, “Analysis,Synthesis and Applications of Integrated Magnetics,” 第十四届全国电源技术年会论文集，2001，29－34。

[11] David Ki-Wai Cheng, Leung-Pong Wong, Yim-Shu Lee, “Design, Modeling, and Analysis of Integrated Magnetics for Power Converter”, IEEE-PESC, 2000.PP.320-325.