CN108666067A - 一种高效率集成式llc谐振变压器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高效率集成式LLC谐振变压器。所述变压器包括：磁芯1、骨架2、低导磁率磁层3、低导磁率磁层4、初级绕组5、次级绕组6、气隙7；所述气隙7位于磁芯1的中柱；所述低导磁率磁层3将磁芯1的中柱紧密包裹；所述初级绕组绕在里层；所述次级绕组绕在外层；所述低导磁率磁层4位于初级绕组5和次级绕组6之间；本发明解决了传统LLC谐振变压器在大功率应用中集成困难，效率降低的缺陷，不但能将LLC谐振变换器所需的谐振电感和激磁电感集成在变压器中，而且能降低变压器的边缘效应和邻近效应，有效提高了变压器能量传递的效率。
Description
技术领域
本发明涉及电力电子技术及其应用领域，特别是涉及一种应用于LLC谐振变换器的高效率集成式变压器。
背景技术
LLC谐振变换器作为一种高效率、高功率密度、低EMI的优秀开关电源拓扑结构，得到了广大学者和工程师的关注，并且在通信电源、LED电源、电动车充电电源等产品中获得了广泛应用。LLC谐振式变压器作为LLC谐振变换器中的核心器件，对电路的效率、功率密度、可靠性等至关重要。传统的LLC谐振变压器的方案一般是采用双槽骨架，初级绕组和次级绕组分别绕在两个槽中，彼此隔离，存在较大的漏磁通，这个漏磁通被利用来实现谐振腔的谐振电感；磁芯磁路中***气隙，以此获得谐振腔所需的激磁电感。传统方案存在的缺点是：气隙周围的磁场会对附近的绕组或导体产生边缘效率，引起较大损耗；双槽结构导致窗口长度减半，窗口利用率下降，每层绕组的匝数减少而绕组的层数增加，因此导致邻近效应显著，交流电阻损耗增加。这些缺点在大功率应用中更加明显，导致大功率应用时谐振参数的磁集成困难，变压器变换效率下降，削弱了LLC谐振变换器高效率的优势。为此，本发明提出了一种高效率集成式LLC谐振变压器，不但能保持传统方案中将谐振电感和激磁电感都集成在变压器内的优点，而且能明显改善传统方案存在的上述缺点；不但能适用于中小功率LLC谐振变换器，也适用于大功率LLC谐振变换器。
发明内容
本发明的目的是提供一种高效率集成式LLC谐振变压器，能够将LLC谐振变换器中的谐振电感和激磁电感都集成在变压器中，同时能够降低边缘效应和邻近效应，提高变压器的效率，不但适用于中小功率LLC谐振变换器，也适用于大功率LLC谐振变换器。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种高效率集成式LLC谐振变压器，所述变压器包括：磁芯1、骨架2、低导磁率磁层3、低导磁率磁层4、初级绕组5、次级绕组6、气隙7；所述气隙7位于磁芯1的中柱；所述低导磁率磁层3将磁芯1的中柱紧密包裹；所述初级绕组绕在里层，层数不超过3层；所述次级绕组绕在外层，层数不超过3层；所诉低导磁率磁层4位于初级绕组5和次级绕组6之间。
所述磁芯1为铁氧体，所述气隙7位于铁氧体中柱，边柱不***气隙。
所述低导磁率磁层3采用低导磁率的材料，相对导磁率一般在5～10，所述低导磁率磁层3将磁芯1的中柱均匀紧密包裹，由于低导磁率磁层3的导磁率仍然远比空气大，因此气隙边缘的漏磁通大部分经过低导磁率磁层3，可有效降低气隙边缘漏磁对绕组产生的边缘效应，同时可以获得谐振所需的激磁电感；
所述变压器磁芯的选择、气隙长度的计算过程如下：
变压器初级的激磁电流ILm的值由公式(1)给出：
式中的Vpri为加在变压器初级两端的电压值，fs为变换器的工作频率；Lm为谐振腔的激磁电感值；
有效相对导磁率μeff为：
lc为变压器磁芯的磁路长度；Ac为磁芯中柱横截面积；N1为初级绕组的匝数；μ0为空气的导磁率；
由Ap值来选择合适的磁芯：
这里∑VA为变压器各绕组的额定伏安值之和，ku为窗口利用系数，Kv为波形因数，正弦波Kv＝4.44，fs为工作频率，Bo最佳磁感应强度值，Kt＝48.2x103，kf为磁芯叠片系数。
最佳磁感应强度Bo由式(4)给出：
这里，hc为热对流传递系数，典型值取10，ka，kc，kw为无量纲常数，一般典型值取ka＝40，kc＝5.6，kw＝10。KC,α为材料参数，ρw为导线电阻率。
变压器磁路中的气隙长度g计算公式如下：
所述高效率集成式LLC谐振变压器的磁阻图如图3所示，Rm1为气隙边缘磁层的磁阻，Rmg为气隙的磁阻；其中：
式中，μ1为低导磁率磁层3的导磁率，Ac1为低导磁率磁层3的横截面积；μ0为空气的导磁率，Ac为变压器铁氧体磁芯的中柱横截面积；因为μ1＞＞μ0，但是Ac＞＞Ac1，所以Rm1和Rmg为同一数量级，所以Rm1不会对Rmg造成短路。
所述初级绕组绕在里层，因为不采用双槽结构，窗口长度是传统方案的两倍以上，因此绕组层数可以大大减少；同样的，所述次级绕组绕在外层，层数也大大减少；依据Dowell公式：
式中的p是变压器绕组的层数，Δ是绕组层厚d和趋肤深度δ0的比值，可知，绕组层数p越多，交流电阻越大，本发明有效减小了绕组层数，邻近效应显著降低，因此交流电阻显著减小，有利于提高变压器效率。
所述低导磁率磁层4位于初级绕组5和次级绕组6的中间，其相对导磁率取值为30～150，用来增大初级绕组和次级绕组之间的漏磁通；如图3，所述低导磁率磁层4其等效磁阻为RmL：
式中，μ2为低导磁率磁层4的相对导磁率，Ac2为低导磁率磁层4的横截面积，lm为低导磁率磁层4的磁路长度；改变低导磁率磁层4的厚度即改变低导磁率磁层4的横截面积Ac2，可以由此来调节漏磁通的大小，改变集成的谐振电感参数值。
所述高效率集成式LLC谐振变压器的等效电路如图4所示。
图4中，L'r为：
式中，N2为次级绕组匝数，I2为次级绕组电流，I1为初级绕组电流，d为低导磁率磁层4厚底的一半，h为磁芯中柱中心到低导磁率磁层4的距离；
LLC谐振腔所需的谐振电感值为；
Lr＝Lm||L'r (11)
图4中，电感Lm即为变压器的激磁电感；
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供的高效率集成式LLC谐振变压器在里层初级绕组和磁芯中柱气隙之间增加了一层低导磁率磁层3，该磁层的导磁率远小于铁氧体磁芯，但比空气的导磁率大，可以有效收集气隙边缘的漏磁通，削弱漏磁通对邻近导线的影响，大大降低了边缘损耗。而且，初次绕组和次级绕组不再采用分槽绕制的方式，磁路长度大大增加，有效降低了初、次级绕组的层数从而减小了交流电阻，降低了邻近损耗。为实现谐振电感的磁集成，初级绕组和次级绕组之间加入低导磁率磁层4，可以控制磁层4的厚度来调节变压器初级和次级的漏磁量，从而调节变压器集成的谐振电感的电感量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例高效率集成式LLC谐振变压器的结构图；
图2为本发明实施例高效率集成式LLC谐振变压器的剖面图；
图3为本发明实施例高效率集成式LLC谐振变压器的磁阻图；
图4为本发明实施例高效率集成式LLC谐振变压器的等效电路图；
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种高效率集成式LLC谐振变压器，能够将LLC谐振变换所需的谐振电感和激磁电感都集成在变压器内部，同时克服传统LLC谐振变压器的缺点，实现无论是在中小功率还是大功率应用下都能实现高效率能量传递的目的。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明提供了一种高效率集成式LLC谐振变压器，如图1所示，所述变压器包括：磁芯1、骨架2、低导磁率磁层3、低导磁率磁层4、初级绕组5、次级绕组6、气隙7；
如图1所示，所述气隙7放置在磁芯的中柱之间，两边的边柱不放置气隙；所述的低导磁率磁层3的相对导磁率较小，取值范围为5～10；如图2所示，低导磁率磁层3紧密包裹磁芯中放置有气隙的中柱。
如图2所示，所述初级绕组5绕在骨架的里层；如图1所示，初级绕组均匀绕满骨架所限定的磁路长度，因此初级绕组的层数较小，因此初级绕组的交流电阻较小，有效降低邻近效应造成的损耗。
如图2所示，所述次级绕组6绕在骨架的外层；如图1所示，次级绕组均匀绕满骨架所限定的磁路长度，因此次级绕组的层数较小，因此次级绕组的交流电阻较小，有效降低邻近效应造成的损耗。
如图2所示，在初级绕组5和次级绕组6之间***低导磁率磁层4，低导磁率磁层4的相对导磁率取值范围为30～150，为初级和次级绕组提供了一个漏磁通道，使变压器获得LLC谐振所需的谐振电感，改变低导磁率磁层4的厚度，可以调节变压器集成的谐振电感感值的大小。
本发明提供的高效率集成式LLC谐振变压器具备高集成度和高效率的特点，能够将LLC谐振电感和激磁电感都集成在变压器内部，有效提高LLC谐振变换器的功率密度；应用中，还可以有效降低气隙漏磁通对绕组造成的边缘效应；初级和次级的磁路得到扩宽，绕组层数减少，有效降低了绕组的交流电阻，这两个优势提高了变压器的效率，进而使得整个LLC谐振变换器的效率得到提升。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (5)
1.一种高效率集成式LLC谐振变压器，其特征在于，所述气隙7位于磁芯1的中柱；所述低导磁率磁层3将磁芯1的中柱紧密包裹；所述初级绕组绕在里层；所述次级绕组绕在外层；所述低导磁率磁层4位于初级绕组5和次级绕组6之间。
2.根据权利要求1所述的变压器，其特征在于，所述低导磁率磁层3将磁芯1的中柱均匀紧密包裹，低导磁率磁层3的相对导磁率取值范围为5~10。
3.根据权利要求1所述的变压器，其特征在于，所述初级绕组绕在里层，且层数不超过3层。
4.根据权利要求1所述的变压器，其特征在于，所述次级绕组绕在外层，且层数不超过3层。
5.根据权利要求1所述的变压器，其特征在于，所述低导磁率磁层4位于初级绕组5和次级绕组6之间，低导磁率磁层4的相对导磁率取值范围为30~150。
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