CN113809904A - 一种基于llc谐振变换器拓扑磁集成的矩阵变压器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于LLC拓扑磁集成的矩阵变压器，包括磁芯及周边排布的绕组，所述磁芯(7)进一步包括四个中柱(1)和四个边柱(2)，所述绕组进一步包括原边绕组和副边绕组；其中：每个中柱(1)和每个边柱(2)的周边排布有原边绕组和副边绕组，构成变压器；在中柱(1)中：上边为两层中柱原边绕组(3)，下边为四层中柱副边绕组(5)；在边柱(2)中：上边为两层边柱原边绕组(4)，下边为四层边柱副边绕组(6)；中柱(1)和边柱(2)均留有气隙lg1、lg2；对气隙lg1、lg2的控制带来了变压器的漏感和励磁电感相互解耦，从而满足LLC谐振变换器调压时对电感比的需求。与现有技术相比，本发明实现了励磁电感和漏感解耦控制的方案。

Description

一种基于LLC谐振变换器拓扑磁集成的矩阵变压器
技术领域
本发明涉及DC-DC变换器和谐振变换器领域，特别是涉及一种矩阵变压器。
背景技术
LLC谐振变换器具有易于实现的软开关特性和良好的磁集成特性，能够在较窄的频率范围内实现输出电压的高效率宽范围调节，因此被广泛应用于DC-DC降压场合，如微电网、电动汽车和数据中心等。目前，采用变压器的励磁电感代替LLC谐振变换器的并联谐振电感，并通过调节变压器气隙控制励磁电感的大小是一种常见的做法。此外，由于LLC谐振变换器的输出侧通常需要承受低压大电流，采用原边绕组串联、副边绕组并联的方式可以成倍降低副边整流器件的电流应力，矩阵变压器的概念应运而生。
一个四柱的矩阵变压器实际包含四个子变压器，在构成矩阵变压器时每个分立子变压器的磁通两两抵消，因此矩阵变压器的磁通密度更低，体积也更小，有助于实现变换器的高效率和高功率密度。但是矩阵变压器的漏感与它的励磁电感相比非常小且数值不可控，因此对于采用矩阵变压器结构的LLC谐振变换器来说，还需在谐振腔额外串联电感来满足调压的需求。
发明内容
为了解决LLC谐振变换器的串联谐振电感难以与矩阵变压器集成的问题，本发明提出了一种基于LLC拓扑磁集成的矩阵变压器，利用中心磁柱、边柱的气隙分别控制励磁电感和漏感，以满足LLC变换器调压时对电感比的要求。
本发明利用以下技术方案实现：
一种基于LLC拓扑磁集成的矩阵变压器，包括磁芯及周边排布的绕组，所述磁芯7进一步包括四个中柱1和四个边柱2，所述绕组进一步包括原边绕组和副边绕组；其中：
每个中柱1和每个边柱的周边排布有原边绕组和副边绕组，构成变压器；
在所述中柱1中：上边为两层中柱原边绕组3，且每层为四匝线圈相互串联，下边为四层中柱副边绕组5；在所述边柱2中：上边为两层边柱原边绕组4，两两并联，且每层为四匝线圈相互串联，下边为四层边柱副边绕组6，两两并联；副边绕组与原边绕组之间留有间距；
所述中柱1和所述边柱2在相应的副边绕组位置处具有两侧向内凹且形状类似1/4圆的空间，用于放置副边绕组，以削弱副边绕组之间的耦合；
所述中柱1和所述边柱2均留有气隙lg1、lg2，且lg1、lg2大小不同；对气隙lg1、lg2的控制带来了变压器的漏感和励磁电感相互解耦，从而满足LLC谐振变换器调压时对电感比的需求。
与现有技术相比，本发明能够达成以下的有益技术效果：
本发明在四柱矩阵变压器的基础上改良了磁芯结构，实现了励磁电感和漏感解耦控制的方案。
附图说明
图1为本发明的一种基于LLC拓扑磁集成的矩阵变压器结构立体图；
图2本发明的一种基于LLC拓扑磁集成的矩阵变压器结构俯视图；
图3为本发明的一种基于LLC拓扑磁集成的矩阵变压器A-A’向剖视截面放大图；
图4为等效的磁阻图。
附图标记：
1、中柱，2、边柱，3、中柱原边绕组，4、边柱原边绕组，5、中柱副边绕组，6、边柱副边绕组，7、磁芯。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述。
如图1所示，为发明提出的一种基于LLC拓扑磁集成的矩阵变压器结构立体图。如图2所示，本发明的一种基于LLC拓扑磁集成的矩阵变压器结构俯视图。该矩阵变压器包括磁芯及绕组。其中，所述磁芯7包括磁柱，；所述绕组包括原边绕组和副边绕组。
如图3所示，为本发明的一种基于LLC拓扑磁集成的矩阵变压器A-A’向剖视截面放大图。示出了本发明的磁芯结构和绕组排布。其中，所述磁柱共有四个中柱1和四个边柱2。每个中柱1和每个边柱2周边排布有原边绕组和副边绕组，构成变压器。在中柱1中：上边为两层中柱原边绕组3，且每层为四匝线圈相互串联，下边为四层中柱副边绕组5；在边柱2中：上边为两层边柱原边绕组4，两两并联，再分别与副边的器件相连，且每层为四匝线圈相互串联，下边为四层边柱副边绕组6，两两并联，再分别与副边的器件相连。为了减小绕组的耦合程度，副边绕组与原边绕组之间留有一定间距，此外，中柱1和边柱2在副边绕组位置处对应处具有两侧向内凹且形状类似1/4圆的空间，用于放置副边绕组，以削弱副边绕组之间的耦合。中柱1和边柱2都留有气隙lg1、lg2，且lg1、lg2大小不同。所述磁芯结构包括被气隙分割成的两部分。通过分别控制中柱、边柱的气隙lg1、lg2，变压器的漏感和励磁电感可以相互解耦，因此二者的比值也实现可控，能够满足LLC谐振变换器调压时对电感比的需求。φ、φσ分别是主磁通和漏磁通φσ。
如图4所示，为等效的磁阻图。其中，LLC谐振变换器的谐振腔由串联谐振电感Lr、并联谐振电感Lm和谐振电容Cr组成。通常，Lm可由变压器的励磁电感代替，并通过调节气隙lg控制励磁电感的感值。将Lr、Lm和变压器集成在一起，此时，谐振腔仅由变压器和谐振电容组成，减少了元件的数量和体积，有助于提升变换器整的的功率密度和效率。
每层副边绕组的宽度参照对应位置磁芯截面积的大小进行设计，以补偿空气磁通在副边绕组感应产生的涡流损耗，使各层绕组的电流密度均匀。
漏感和励磁电感的解耦控制，为了满足变换器调压的需求，漏感和励磁电感的比值被设计在合理的范围内
以上仅是本申请的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型,这些改进和变型也应视为本发明的专利保护范围。

Claims (2)

1.一种基于LLC拓扑磁集成的矩阵变压器，包括磁芯及周边排布的绕组，其特征在于，所述磁芯(7)进一步包括四个中柱(1)和四个边柱(2)，所述绕组进一步包括原边绕组和副边绕组；每个中柱(1)和每个边柱(2)的周边排布有原边绕组和副边绕组，构成变压器；其中：
在所述中柱(1)中：上边为两层中柱原边绕组(3)，且每层为四匝线圈相互串联，下边为四层中柱副边绕组(5)，两两并联；在所述边柱(2)中：上边为两层边柱原边绕组(4)，且每层为四匝线圈相互串联，下边为四层边柱副边绕组(6)，两两并联；副边绕组与原边绕组之间留有间距；
所述中柱(1)和所述边柱(2)在相应的副边绕组位置处具有两侧向内凹且形状类似1/4圆的空间，用于放置副边绕组，以削弱副边绕组之间的耦合；
所述中柱(1)和所述边柱(2)均留有气隙lg1、lg2，且lg1、lg2大小不同；所述磁芯结构包括被气隙分割成的两部分；对气隙lg1、lg2的控制带来了变压器的漏感和励磁电感相互解耦，从而满足LLC谐振变换器调压时对电感比的需求。
2.如权利要求1所述的一种基于LLC拓扑磁集成的矩阵变压器，其特征在于，每层副边绕组的宽度适应所对应位置磁芯截面积的大小，从而使副边绕组的电流密度达到均分。
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