LLC諧振變換器中平面集成磁件的研究

摘要：本文針對目前開關(guān)電源向小型化、輕型化、薄型化方向發(fā)展的趨勢，介紹了平面集成磁件的概念，研究了一種用于DC/DC變換器的LLC諧振變換器，在集成磁件通用模型的基礎(chǔ)上分析了用于LLC諧振變換器的磁件集成，并設(shè)計(jì)了一個(gè)集成磁件。為了進(jìn)一步減少集成磁件的高度和體積，本文又研究了平面集成磁件具體的設(shè)計(jì)方法，把該集成磁件轉(zhuǎn)化成了平面集成磁件，并對轉(zhuǎn)換前后的磁件做了電磁場仿真，結(jié)果表明轉(zhuǎn)換前后磁件損耗也將減小。這樣，就達(dá)到了進(jìn)一步減小磁件體積、重量和高度的目的。

敘詞：LLC諧振變換器 集成磁件 平面變壓器 平面集成磁件

Abstract： Following the developing trend towards small, light and thin device on switching power supply at the present time, planar integrated magnetics concept is introduced in this thesis. A LLC resonant convertor on DC/DC conversion is investigated, and a integrated magnetic structure is analyzed based on the general model. Furthermore, the method of designing planar integrated magnetics is derived which can be used to reduce farther volume, weight and height of magnetics. Finally, by simulating, the result is that the wastage of the core also decreases. So the purpose reducing volume, weight and height is achieved.

Keyword：LLC resonant convertor Integrated magnetics Planar transformer Planar integrated magnetics.

1、 引言

信息產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，不僅為電源行業(yè)提供了巨大的市場和快速發(fā)展的動(dòng)力，同時(shí)也對電源裝置的體積、重量、效率、輸出動(dòng)態(tài)性能以及系統(tǒng)的可靠性等提出越來越高的要求[1]?？墒牵捎陔娫囱b置中往往采用分立的、非標(biāo)準(zhǔn)的磁性器件，不僅體積大，而且形狀不規(guī)則，難以自動(dòng)化生產(chǎn)，使得電源裝置體積、重量較大，給設(shè)計(jì)工作帶來很多不便。“短、小、輕、薄”是當(dāng)今開關(guān)電源的主要發(fā)展趨勢之一，要做到“短、小、輕、薄”，最主要的是提高功率密度和采用低高度及體積、重量小的元器件。用平面磁件技術(shù)和集成磁技術(shù)可以減小磁件體積、重量和高度，便于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

平面磁性器件是一種呈低高度扁平狀或超薄型(low profile)的磁性器件，其高度遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)的磁性器件[3]，采用平面鐵芯和平面結(jié)構(gòu)繞組，具有工作頻率高，能量密度大，效率高，體積小，產(chǎn)品外觀和一致性好，適合于自動(dòng)化表面貼裝，可以較好地實(shí)現(xiàn)低壓大電流輸出，尤其適用于空間和高度存在限制或?qū)?jié)能及散熱要求苛刻的地方，所以這種磁性器件能適應(yīng)當(dāng)今開關(guān)電源“短、小、輕、薄”的發(fā)展趨勢，得到了較廣泛的應(yīng)用。

集成磁技術(shù)是將變換器中的兩個(gè)或多個(gè)分立磁件，如電感、變壓器等，繞制在一個(gè)磁芯上，從結(jié)構(gòu)上集中在一起，用一個(gè)磁性器件來實(shí)現(xiàn)，從而減少開關(guān)電源中的器件數(shù)量，減小體積，提高功率密度，使各磁件間的接線最短、損耗減小，輸出濾波效果得以改善，以實(shí)用于低壓大電流開關(guān)電源[5]。

采用平面磁件和集成磁技術(shù)成為實(shí)現(xiàn)開關(guān)電源“短、小、輕、薄”的重要手段，近年來人們對平面磁件和集成磁技術(shù)的研究越來越重視，有的已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品化，為電源技術(shù)的發(fā)展做出了貢獻(xiàn)，文獻(xiàn)[3]提出了平面集成磁技術(shù)的概念，本文在此基礎(chǔ)上綜合了平面磁件和集成磁技術(shù)的特點(diǎn)，把LLC諧振變換器中的一個(gè)諧振電感和隔離變壓器集成到一起，設(shè)計(jì)了一個(gè)平面集成磁件，為平面集成磁件的設(shè)計(jì)提供了一個(gè)比較詳細(xì)的設(shè)計(jì)方法。

2、 用于LLC諧振變換器中的集成磁件

2.1　LLC諧振變換器

文獻(xiàn)[6]提出了一種用于分布式供電系統(tǒng)的LLC諧振變換器，其電路圖如圖1所示。這種變換器具有如下優(yōu)點(diǎn)：在零到全負(fù)載范圍內(nèi)具有ZVS功能，MOSFET關(guān)斷電壓低，因此變換器的關(guān)斷損耗是非常低的;高輸入電壓下具有高效率，可以在正常工作條件下對變換器進(jìn)行最優(yōu)化設(shè)計(jì);變換器副邊沒有濾波電感，副邊整流管的電壓應(yīng)力低，能被減少到兩倍的輸入電壓;變換器的磁性器件能很容易的集成到一個(gè)磁芯上;變壓器的勵(lì)磁電感也能被利用。與PWM變換器相比較，該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)提供了更低的開關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗，可得到更高的工作效率和發(fā)揮更大的高頻工作潛能。而且，在高輸入電壓下，能夠確定變換器的最佳特性，可實(shí)現(xiàn)變壓器的最優(yōu)化設(shè)計(jì)。

由圖1可見，若沒有勵(lì)磁電感Lm，這個(gè)變換器和串聯(lián)諧振變換器相同，加上Lm后，電路特性及工作方式就完全不同了。電路中有三個(gè)無源元件：串連諧振電感Lr、并聯(lián)諧振電感Lm和諧振電容Cr，副邊是一個(gè)帶中心抽頭的整流電路，后接一個(gè)濾波電容，原邊是一個(gè)半橋式電路，也可以用全橋式電路或其它電路結(jié)構(gòu)代替。

圖1　LLC諧振變換器

LLC諧振變換器規(guī)格：

輸入電壓范圍Vin ：300～400V

輸出電壓范圍Vo ：48V

輸出功率范圍Po ：1KW

變換器參數(shù)：

變壓器匝數(shù)比：4:1:1

諧振電感：14uH

諧振電容：0.047uF

勵(lì)磁電感：60uH

開關(guān)頻率范圍：150kHz-200kHz

2.2　集成磁件通用結(jié)構(gòu)的提出

以前對功率變換器的集成磁件曾經(jīng)作了大量的調(diào)查研究，查看一下這些論文，能夠發(fā)現(xiàn)這些磁件大部分使用EE磁芯結(jié)構(gòu)，不同之處是線圈的布置和氣隙的安排。

本文使用了一個(gè)帶有4個(gè)線圈的EE形磁芯的通用電路模型結(jié)構(gòu)，如圖2所示。每個(gè)磁柱上都開有氣隙。這是一個(gè)非常通用的結(jié)構(gòu),許多PWM變換器集成磁件的設(shè)計(jì)都使用這個(gè)結(jié)構(gòu)，只是對氣隙和線圈安排做一些相應(yīng)的變化。

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