【TLVR电感】耦合电感结构分析

为了解决GPU电流快速变化带来的输出电压跳变太大的问题,多相buck电源一般采用反耦合电感,但是在很多CPU或GPU的主板上看到的电感不少为TLVR电感。为什么要提出TLVR电感,TLVR电感和耦合电感是什么关系。本文将从耦合电感的结构开始分析,给出耦合电感与TLVR的关系,并且以两相为例子,对比其稳态和动态电感。
01 耦合电感常见结构
图1,耦合电感串联/并联结构与电路模型
如图1耦合电感常见结构有串联和并联结构:
  • 对于串联结构,根据其数学表达式可知是理想变压器模型,即串联结构一般用于变压器;
  • 对于并联结构,每相绕组和磁芯相互平行,根据右手法则,在图1中可以很简单的得到,每个绕组的磁场强度为自身的磁场减去另外三个绕组的感应磁场,正好符合反向耦合特点。
所以目前市面上常用的多相耦合电感基本都是并联磁芯结构,当然复杂应用也可以如图2的串联并联混合结构。
图2,耦合电感串并联混合结构
 
02 TLVR电感的提出
 
A.并联耦合电感存在问题
对于并联结构的耦合电感,不对称耦合是一个需要克服的固有问题;特别是当相数增加时,互感值会不相等,其性能会下降。如图2和图3对比说明,
图2  两相耦合电感自感互感仿真
图3  四相耦合电感自感互感仿真
 
图3中四相耦合电感,等比例扩展图2中的二相耦合电感得到。如图4可知在四相耦合的时候,互感不一样,并且两个磁芯之间距离越远互感越小。
 图4,2相和4相感量对比
 
B. 间接耦合电感
 
 
图5  间接耦合电感结构与电路等效模型
 
有学者提出了间接耦合电感,如图5。从图5可以看到,此时每相buck电路之间没有直接的磁路耦合关系,主要通过电流环路ic相连。不会存在相数增加互感变小的情况。
图6  电路等效模型变化
 
如图6,经过多次等效变换,最终可以等效成类似耦合电感的等效模型。如图7,可以计算出等效的自感和互感
图7  等效耦合电感模型计算
 
C. TLVR电感
 
为了更好的控制间接耦合的耦合强度,增加一个LC电感,用于不同相之间的副边耦合。也就是目前的TLVR电感。
图8  TLVR电路结构和等效电路模型
从图8的等效电路来看,TLVR电感也是耦合电感的一种新的形式。
 
03 2相TLVR电感和耦合电感对比
 
图9  两相TLVR电感自感互感计算
 
如图9,用如图6同样的电路模型等效变换,最终可以求得,自感和互感。再根据前面文章中2相耦合电感的分析,可以得到瞬态电感和稳态电感的值。最终比较2相TLVR电感和2相耦合电感的瞬态电感以及稳态电感,如图10。
图10  两相TLVR电感与两相耦合电感对比
 
假设LC=L,比较下耦合电感和TLVR电感的瞬态电感值,可知耦合电感的瞬态感量是要小于TLVR电感的,从这个角度来说,TLVR的电感动态性能虽然优于离散电感,但还是差于耦合电感。不过实际应用中,一般TLVR电感的k值取得很大,接近1;耦合电感的k值0.3-0.7之间,不会一样。
 

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