Método de optimización del diseño de componentes magnéticos integrados y componente magnético integrado obtenido por dicho método.

Método de optimización del diseño de un componente magnético integrado formado por una pluralidad de componentes magnéticos discretos, mediante el aumento de grados de libertad del diseño de al menos un primer componente magnético discreto, donde al menos dicho primer componente magnético discreto y un segundo componente magnético discreto comparten un núcleo y al menos un arrollamiento de dicho componente magnético integrado. El método comprende las etapas de: elegir un componente magnético discreto que forma dicho componente magnético integrado; obtener un circuito eléctrico equivalente que reproduzca el comportamiento eléctrico de dicho componente magnético integrado de forma que, en al menos una porción de dicho núcleo, el flujo magnético circulante procede sustancialmente únicamente de dicho componente magnético discreto elegido. El método se caracteriza por la etapa de: dividir el al menos un arrollamiento compartido por dicho componente magnético discreto elegido cuyos grados de libertad de diseño son incrementados y al menos un segundo componente magnético discreto, en al menos dos sub-arrollamientos, donde al menos uno de dichos sub-arrollamientos se coloca en una columna de dicho núcleo en la que se encontraba el arrollamiento original y donde al menos uno de dichos sub-arrollamientos se coloca en una segunda columna de dicho núcleo por la que el flujo magnético que circula se debe sustancialmente al componente magnético discreto elegido, cuyos grados de libertad de diseño son incrementados

Método de optimización del diseño de componentes magnéticos integrados y componente magnético integrado obtenido por dicho método.

Campo de la invención

La presente invención se aplica al campo de los componentes magnéticos integrados, y más concretamente, a la optimización del diseño de componentes magnéticos integrados.

Antecedentes de la invención

La técnica de integración magnética para la fabricación de componentes magnéticos se lleva utilizando desde hace más de 20 años. Por ejemplo, Cuk, S., en "New magnetic structures for switching converters" (IEEE Transactions on Magnetics; Volume 19, Issue 2, Mar 1983 Pages: 75-83), describe una topología que permite lograr un rizado nulo a la salida de un convertidor DC/DC, y en el cual además los distintos componentes magnéticos implicados son integrados en un mismo núcleo magnético. La técnica de integración magnética busca optimizar el diseño de componentes magnéticos mediante la integración de varios de ellos en un mismo núcleo, de manera que se incrementa la eficiencia energética global, y el peso y tamaño se ven reducidos.

La integración magnética se utiliza para diseñar componentes magnéticos empleados en una gran diversidad de aplicaciones, tales como convertidores DC/DC de alta frecuencia o aplicaciones de filtrado de señal.

Por ejemplo, la solicitud de patente norteamericana US5783984 describe la aplicación de esta técnica a la integración de un filtro LCL y un transformador. Para ello, solo es necesario un núcleo magnético para constituir las dos inductancias del filtro LCL y el transformador, en vez de los tres núcleos magnéticos independientes que serían necesarios en el caso de construir el filtro mediante componentes discretos o individuales.

De esta manera, el hecho de utilizar menos material magnético y menos cobre se refleja en una disminución de peso y tamaño, y un incremento de la eficiencia energética.

Sin embargo, la integración magnética convencional presenta una serie de problemas: Por una parte, en algunos casos el diseño de los componentes integrados no se puede hacer de forma independiente. Esto no solo incrementa la dificultad del diseño, sino que limita la capacidad de optimización en cuanto a tamaño y peso, uno de los fines fundamentales buscados al aplicar técnicas de integración magnética. Este problema se pone de manifiesto en US5783984, donde se integran transformador e inductancia empleando únicamente dos arrollamientos.

Haciendo uso de esta topología de magnético integrado, si se requiere un transformador de una tensión relativamente alta y unas inductancias relativamente bajas, es necesario, o bien utilizar un núcleo con una sección de columna muy grande, o bien entrehierros muy grandes. La primera medida incurre en unas elevadas pérdidas en el núcleo, mientras que la segunda se refleja en una elevada emisión electromagnética debida al efecto "fringing flux", que se ve incrementado al utilizar grandes entrehierros.

Esto se traduce en una limitación en la capacidad de optimización y una mayor dificultad en el proceso de diseño.

Existen trabajos en los que se ha realizado distribución de devanados con el fin de tener más libertad a la hora de diseñar los componentes magnéticos integrados, sobre determinadas topologías de componentes magnéticos integrados para determinadas aplicaciones de electrónica de potencia. Por ejemplo, en el trabajo "Integrated magnetic full wave converter with flexible output inductor", Transactions on Power Electronics, Volume 18, Issue 2, March 2003 Page(s): 670-678 de Liang Yan; Dayu Qu; y Lehman, se propone una topología concreta que soluciona este problema para una aplicación de un convertidor DC/DC concreto. Otra solución concreta se propone en el trabajo "Transformer and Series Inductance Integration for Harmonic Filtering in PWM Inverters Based in a Simple Design Procedure", ISIE 2007 proceedings, IEEE, de Jorge Pleite, Virgilio Valdivia, Carlos González y Pablo Zúmel.

Resumen de la invención

La presente invención trata de resolver los problemas anteriormente mencionados mediante un método de optimización del diseño de componentes magnéticos integrados que añade grados de libertad suficientes como para que puedan ser diseñados todos los componentes integrados de forma independiente y mediante ecuaciones sencillas.

Así, en un aspecto de la presente invención, se proporciona un método de optimización del diseño de un componente magnético integrado formado por una pluralidad de componentes magnéticos discretos, mediante el aumento de grados de libertad del diseño de al menos un primer componente magnético discreto, donde al menos ese primer componente magnético discreto y un segundo componente magnético discreto comparten un núcleo y al menos un arrollamiento del componente magnético integrado. El método comprende las etapas de: elegir un componente magnético discreto que forma ese componente magnético integrado; obtener un circuito eléctrico equivalente que reproduzca el comportamiento eléctrico de ese componente magnético integrado de forma que, en al menos una porción del núcleo, el flujo magnético circulante procede sustancialmente únicamente del componente magnético discreto elegido. El método se caracteriza por las etapas de: dividir el al menos un arrollamiento compartido por el componente magnético discreto elegido cuyos grados de libertad de diseño son incrementados y al menos un segundo componente magnético discreto, en al menos dos sub-arrollamientos, donde al menos uno de esos sub-arrollamientos se coloca en una columna del núcleo en la que se encontraba el arrollamiento original y donde al menos uno de los sub-arrollamientos se coloca en una segunda columna del núcleo por la que el flujo magnético que circula se debe sustancialmente al componente magnético discreto elegido, cuyos grados de libertad de diseño son incrementados.

Opcionalmente, el arrollamiento compartido por los dos componentes magnéticos discretos se divide solo en un primer sub-arrollamiento y un segundo sub-arrollamiento.

En otro aspecto de la presente invención, se proporciona un componente magnético integrado que integra una pluralidad de elementos magnéticos discretos, obtenible mediante el método anteriormente mencionado.

Preferentemente, ese componente magnético integrado está formado por un filtro LCL integrado con un transformador.

En una realización particular, ese componente comprende un núcleo magnético que a su vez comprende una pluralidad de columnas, cada una de las cuales está conectada a cada columna adyacente mediante un primer tramo perpendicular de núcleo magnético y un segundo tramo perpendicular de núcleo magnético. Además, dos de esas columnas comprenden cada una al menos un entrehierro. Una columna que no comprende entrehierros comprende un primer arrollamiento, otra columna que no comprende entrehierros comprende un segundo arrollamiento y los dos tramos perpendiculares que conectan las dos columnas interiores comprenden en total tres arrollamientos.

En otra realización particular, el componente comprende un núcleo magnético que a su vez comprende una pluralidad de columnas, cada una de las cuales está conectada a cada columna adyacente mediante un primer tramo perpendicular de núcleo magnético y un segundo tramo perpendicular de núcleo magnético. Una de las dos columnas situadas más a la izquierda del núcleo magnético comprende al menos un primer entrehierro y una de las dos columnas situadas más a la derecha del núcleo magnético comprende al menos un segundo entrehierro. La primera columna que comprende al menos un primer entrehierro comprende además un primer y un segundo arrollamiento y la segunda columna que comprende al menos otro primer entrehierro comprende además un tercer y un cuarto arrollamiento. Una tercera columna comprende un quinto y un sexto arrollamientos y una cuarta columna comprende un séptimo y un octavo arrollamientos.

Breve descripción de las figuras

Con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características del invento de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica del mismo y para complementar esta descripción, se acompaña como parte integrante de la misma un juego de dibujos, cuyo carácter es ilustrativo y no limitativo. En estos dibujos:

La figura 1a muestra una inductancia y un transformador...

1. Método de optimización del diseño de un componente magnético integrado formado por una pluralidad de componentes magnéticos discretos, mediante el aumento de grados de libertad del diseño de al menos un primer componente magnético discreto, donde al menos dicho primer componente magnético discreto y un segundo componente magnético discreto comparten un núcleo y al menos un arrollamiento de dicho componente magnético integrado, donde dicho método comprende las etapas de:

- elegir un componente magnético discreto que forma dicho componente magnético integrado;

- obtener un circuito eléctrico equivalente que reproduzca el comportamiento eléctrico de dicho componente magnético integrado de forma que, en al menos una porción de dicho núcleo, el flujo magnético circulante procede sustancialmente únicamente de dicho componente magnético discreto elegido;

caracterizado por la etapa de:

- dividir el al menos un arrollamiento compartido por dicho componente magnético discreto elegido cuyos grados de libertad de diseño son incrementados y al menos un segundo componente magnético discreto, en al menos dos sub-arrollamientos, donde al menos uno de dichos sub-arrollamientos se coloca en una columna de dicho núcleo en la que se encontraba el arrollamiento original y donde al menos uno de dichos sub-arrollamientos se coloca en una segunda columna de dicho núcleo por la que el flujo magnético que circula se debe sustancialmente al componente magnético discreto elegido, cuyos grados de libertad de diseño son incrementados.

2. Método según la reivindicación 1, donde dicho arrollamiento compartido por dichos primer y segundo componentes magnéticos discretos se divide en al menos un primer sub-arrollamiento y un segundo sub-arrollamiento.

3. Componente magnético integrado que integra una pluralidad de elementos magnéticos discretos, obtenible mediante el método de la reivindicación 1.

4. Componente magnético integrado según la reivindicación 3, formado por un filtro LCL integrado con un transformador.

5. Componente magnético integrado según la reivindicación 4, que comprende un núcleo magnético que a su vez comprende una pluralidad de columnas (c1, c2, c3, c4), cada una de las cuales está conectada a cada columna adyacente mediante un primer tramo perpendicular de núcleo magnético (d1, d2, d3) y un segundo tramo perpendicular de núcleo magnético (d4, d5, d6), y donde dos de dichas columnas (c1, c4) comprenden cada una al menos un entrehierro (e1, e2),

caracterizado por que una columna (c2) que no comprende entrehierros comprende un primer arrollamiento (N_11d1), una columna (c3) que no comprende entrehierros comprende un segundo arrollamiento (N_22d1) y los dos tramos perpendiculares (d2, d5) que conectan las dos columnas interiores (c2, c3) comprenden en total tres arrollamientos (N_12d1, N_3d1, N_21d1).

6. Componente magnético integrado según la reivindicación 4, que comprende un núcleo magnético que a su vez comprende una pluralidad de columnas (c10, c20, c30, c40), cada una de las cuales está conectada a cada columna adyacente mediante un primer tramo perpendicular de núcleo magnético (d10, d20, d30) y un segundo tramo perpendicular de núcleo magnético (d40, d50, d60), y donde una de las dos columnas situadas más a la izquierda del núcleo magnético (c10, c20) comprende al menos un primer entrehierro (e10) y una de las dos columnas situadas más a la derecha del núcleo magnético (c30, c40) comprende al menos un segundo entrehierro (e20),

caracterizado por que la primera columna (c10) que comprende al menos un primer entrehierro (e10) comprende además un primer y un segundo arrollamiento (N_31d2, N_12d2), la segunda columna (c40) que comprende al menos otro primer entrehierro (e20) comprende además un tercer y un cuarto arrollamiento (N_34d2, N_21d2), una tercera columna (c20) comprende un quinto y un sexto arrollamientos (N_32d2, N_11d2) y una cuarta columna (c30) comprende un séptimo y un octavo arrollamientos (N_33d2, N_22d2).