文獻(xiàn)筆記14---一種分段氣隙的CLLC變換器平面變壓器設(shè)計(jì)

前言

CLLC變換器結(jié)構(gòu)對(duì)稱，具有軟開(kāi)關(guān)、高效率等優(yōu)點(diǎn)。隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，對(duì)變換器的性能和功率密度提出了更高的要求。如今儲(chǔ)能得到了飛速發(fā)展，無(wú)論是大型集中儲(chǔ)能、工商業(yè)分布式儲(chǔ)能或是日常所見(jiàn)的小型儲(chǔ)能逆變器，各式各樣的應(yīng)用場(chǎng)景使得儲(chǔ)能在我們生活中無(wú)處不在。說(shuō)回LLC變換器，隨著功率密度的提升，變換器的頻率和體積在不斷的被壓縮。為了實(shí)現(xiàn)高的功率密度，諧振頻率被提到了兆赫茲，隨著帶來(lái)了新的問(wèn)題，如驅(qū)動(dòng)串?dāng)_問(wèn)題、寄生參數(shù)對(duì)諧振的影響、死區(qū)時(shí)間對(duì)效率的影響及磁性器件設(shè)計(jì)等一些列問(wèn)題都值得被研究。近年來(lái)行業(yè)內(nèi)對(duì)LLC的研究和應(yīng)用非常多，現(xiàn)在可以說(shuō)做變換器的沒(méi)有不知道LLC這個(gè)拓?fù)洌珜?duì)這個(gè)拓?fù)渫耆酝傅膽?yīng)該有限。之前學(xué)習(xí)的時(shí)候閱讀了一篇關(guān)于CLLC變壓器分段氣隙的平面變壓器設(shè)計(jì)方法非常實(shí)用，文章從磁場(chǎng)分布、磁芯損耗和繞組損耗等方面對(duì)變壓器的設(shè)計(jì)進(jìn)行講述，并研制了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)對(duì)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行驗(yàn)證，證明了分段氣隙設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)。

1 概述

學(xué)者們從LLC拓?fù)湓怼⑿滦推骷⒏倪M(jìn)拓?fù)洹⑾冗M(jìn)調(diào)制方法、諧振參數(shù)優(yōu)化方法、磁性器件設(shè)計(jì)方法、應(yīng)用場(chǎng)景等方法對(duì)變換器進(jìn)行了研究，由于天然的ZVS和ZCS備受行業(yè)和學(xué)者的青睞。就磁性器件方面，傳統(tǒng)的磁性器件設(shè)計(jì)方法不能再滿足對(duì)功率密度和性能的需求，適用于高頻的平面變壓器隨著出現(xiàn)，為提高功率密度提供一種路徑，采用磁集成方法，對(duì)1MHz雙向CLLC變換器的變壓器進(jìn)行研究、設(shè)計(jì)與測(cè)試，通過(guò)優(yōu)化PCB繞線方法、進(jìn)行仿真優(yōu)化，提出了一種分段氣隙的變壓器結(jié)構(gòu)，通過(guò)Maxwell瞬態(tài)場(chǎng)、渦流場(chǎng)求解器仿真，驗(yàn)證理論設(shè)計(jì)的正確性，為變壓器制作提供理論依據(jù)。文中基于圖1電路拓?fù)溲芯苛似矫孀儔浩鞯脑O(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法。

2 一種分段氣隙的CLLC平面變壓器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

圖1中拓?fù)渥儔浩鞲边吶@組并聯(lián)，實(shí)際上等效為三個(gè)變壓器，變壓器的制作方法有兩種，一是采用分立磁芯，二是采用一只磁芯，前者不利于功率密度的提升，同時(shí)寄生參數(shù)和成本較高。為了保證變換器的性能，因此采用平面變壓器，將在一個(gè)磁性上實(shí)現(xiàn)磁集成。

軟磁鐵氧體的平面磁芯傳輸功率滿足：

根據(jù)上式分析選擇PF值較高的材料，更有利于高頻應(yīng)用中變壓器的設(shè)計(jì)，常見(jiàn)的幾種軟磁鐵氧體材料的PF曲線見(jiàn)圖2。

平面變壓器的關(guān)鍵在于磁路的設(shè)計(jì)，通常EE型磁芯應(yīng)用最為常見(jiàn)，作者在文章中采用EE型磁芯進(jìn)行變壓器的設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)的變壓器采用分立磁芯設(shè)計(jì)，其優(yōu)化空間有限。該文章提出了集成磁芯的設(shè)計(jì)思路，繞組設(shè)計(jì)見(jiàn)圖3。

最終設(shè)計(jì)的變壓器結(jié)構(gòu)如圖4所示。

并采用Maxwell對(duì)所設(shè)計(jì)的變壓器進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)。

文中對(duì)單一氣隙進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)第3部分，實(shí)現(xiàn)結(jié)果并未達(dá)到預(yù)期目的，于是采用分段氣隙法進(jìn)行改進(jìn)，如圖5所示。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

該文最后搭建了1MHz，高壓側(cè)400V，低壓側(cè)20V的400W實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，對(duì)額定工況下，雙向工作進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)圖6。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明降壓模式最大效率為94%+，反向升壓最大效率為92%+，功率密度為52.8W/in3。

由測(cè)試結(jié)果可以看出性能未達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，進(jìn)行氣隙分段研究，分析可得，

磁芯中柱面積確定，磁路越長(zhǎng)，邊緣效應(yīng)越明顯。反之，磁芯外骨架一定，即磁路長(zhǎng)度不變，則中柱越細(xì)，邊緣損耗越大；磁芯確定，邊緣磁通系數(shù)F隨氣隙長(zhǎng)度lg的增大而增大；將其氣隙n等分，各自邊緣效應(yīng)的影響加和是有可能小于單一氣隙影響的等。仿真證明了分段氣隙優(yōu)于單一氣隙。

該文對(duì)高頻變壓器的氣隙設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究，針對(duì)低壓側(cè)溫度不均的現(xiàn)象提出了分段氣隙的改進(jìn)方法，給出了分析過(guò)程，變壓器的設(shè)計(jì)方法，并搭建了樣機(jī)進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明設(shè)計(jì)方法改進(jìn)了副邊輸出不均的問(wèn)題。該文對(duì)高頻變壓器的設(shè)計(jì)具有很好的借鑒意義。