CN113809904B - 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
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和每个边柱朝向磁场一侧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l g1、l g2,且l g1、l g2大小不同;对气隙l g1、l g2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。
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朝向磁场一侧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l g1、l g2,且l g1、l g2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l g1、l g2,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、φ σ 分别是主磁通和漏磁通φ σ 。
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L r 、并联谐振电感L m 和谐振电容C r 组成。通常,L m 可由变压器的励磁电感代替,并通过调节气隙l g 控制励磁电感的感值。将L r 、L m 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)朝向磁场一侧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l g1、l g2,且l g1、l g2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l g1、l g2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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