為了在高性能細(xì)分領(lǐng)域持續(xù)達(dá)到良好的效率水平，我們需要具有低開關(guān)損耗的功率開關(guān)組件?，F(xiàn)代產(chǎn)品經(jīng)常使用諧振轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)利用了零電壓開關(guān)原理(zero voltage switching, ZVS)，優(yōu)勢是減少開關(guān)損耗。它們  常出現(xiàn)在LLC 諧振轉(zhuǎn)換器中，其電路中的諧振電感可實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)，使得LLC 器件非常適合要求高效率及大功率的車載充電器(OBC)應(yīng)用。

    LLC 一詞指的是諧振電路依賴的三個(gè)組件功能：變壓器勵(lì)磁電感(Lm)、變壓器漏感(Lr) 和諧振電容(Cr)。如果數(shù)值計(jì)算正確且遵守所需的  容差(tolerance)，這是使用LLC 變壓器漏感來取代所需諧振電感的已知方法。供貨商普思電子(Pulse Electronics) 使用有限元模型分析法(finite element modeling) 設(shè)計(jì)了一款3.6 kW 的LLC 變壓器，具備高及  容差的漏感，能夠作為LLC 轉(zhuǎn)換器的諧振電感。

    針對這款3.6 kW LLC 變壓器開發(fā)的系統(tǒng)要求包括：次級(jí)側(cè)對初級(jí)側(cè)的匝數(shù)比(N) 是2，初級(jí)側(cè)的勵(lì)磁電感是36 μH，的變壓器增益( 放大倍數(shù)) 為6。

    結(jié)果顯示放大倍數(shù)與變壓器的初級(jí)繞組漏感(leakage inductance) 直接相關(guān)。因此，為了實(shí)現(xiàn)的放大倍數(shù)，這個(gè)寄生參數(shù)需要設(shè)有  容差。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，要使用一項(xiàng)創(chuàng)新的變壓器設(shè)計(jì)。

    圖1 所示為LLC 電路框圖，其中的突出部分是諧振電感Lr。諧振電路與輸出/ 平滑電路產(chǎn)生電感耦合。

    圖1 具備理想變壓器模型的LLC轉(zhuǎn)換器

    磁力耦合主要由線圈結(jié)構(gòu)和鐵芯氣隙(air gap) 的幾何形狀決定。

    我們使用以下公式得出LLC 轉(zhuǎn)換器的放大倍數(shù)：

    放大倍數(shù)＝ (Lm + Lr) / Lr    (1)

    勵(lì)磁電感Lm 的容差值可以通過嚴(yán)格遵守鐵芯氣隙的容差值來控制，但諧振電感Lr 則需要進(jìn)一步研究。

    圖2 提供了更加完整的模型，這個(gè)模型包括了初級(jí)側(cè)線圈的漏感(Lk_prim) 和次級(jí)側(cè)線圈的漏感(Lk_sec)，以及可能出現(xiàn)的外部諧振電感(Lext)。

    圖2 示意漏感的變壓器電路

    接下來就清楚了：

    Lr = Lext + Lk_prim   (2)

    如前所述，通過設(shè)計(jì)具有足夠大漏感的變壓器，可以省去外部諧振電感器。這里的挑戰(zhàn)在于為這項(xiàng)寄生參數(shù)設(shè)定合適的嚴(yán)格容差，而普思電子正是以一項(xiàng)新穎的線圈設(shè)計(jì)達(dá)成了這個(gè)目標(biāo)。

    1   夾心繞法的線圈設(shè)計(jì)

    一個(gè)示例是PQ50/50 平臺(tái)，它的初級(jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)線圈導(dǎo)線的尺寸正好適用于3.6 kW 功率水平。考慮到變壓器開發(fā)目標(biāo)的系統(tǒng)要求，決定漏感值的式(1)和式(2) 說明了“將初級(jí)側(cè)線圈和夾心式繞法的次級(jí)側(cè)側(cè)線圈彼此分立的設(shè)計(jì)，  接近目標(biāo)值”。

    圖3 顯示了用于微調(diào)漏感值的線圈設(shè)計(jì)截面圖。這個(gè)設(shè)計(jì)的獨(dú)特之處在于能夠各自獨(dú)立控制線圈之間的距離，并達(dá)到所需的漏感值。每個(gè)線圈的寬度和線束尺寸都經(jīng)過仔細(xì)調(diào)整，以適應(yīng)線圈，將其微調(diào)到符合漏感容差要求。

    圖3 用于微調(diào)漏感值的線圈設(shè)計(jì)截面圖

    2   優(yōu)化變壓器設(shè)計(jì)的有限元法

    為了  終完成設(shè)計(jì)并確保漏感集中在初級(jí)側(cè)線圈周圍，必須優(yōu)化初級(jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)線圈的設(shè)計(jì)以及鐵芯氣隙的位置。

    該設(shè)計(jì)是以有限元法建立模型所開發(fā)的，有限元法是一種用于分析技術(shù)性磁力問題并開發(fā)有效解決方案的現(xiàn)代方法。所產(chǎn)生的磁通達(dá)到了預(yù)期結(jié)果。圖4顯示了初級(jí)側(cè)線圈和次級(jí)側(cè)線圈各個(gè)磁通路徑的有限元模型。

    圖4 初級(jí)側(cè)線圈(左)和次級(jí)側(cè)線圈(右)各個(gè)磁通路徑的有限元法分析模型

    原型設(shè)計(jì)( 圖5) 和電氣測試證實(shí)了優(yōu)化變壓器設(shè)計(jì)的有限元模型仿真結(jié)果。

    電氣參數(shù)的測量結(jié)果顯示，已經(jīng)達(dá)到目標(biāo)漏感值和容差值。

    為了計(jì)算實(shí)際的初級(jí)和次級(jí)繞組漏感，我們測量以下變壓器參數(shù)：

    Lso：次級(jí)側(cè)在開路狀態(tài)時(shí)的初級(jí)側(cè)電感

    Lss：次級(jí)側(cè)在短路狀態(tài)時(shí)的初級(jí)側(cè)電感

    Lpo：初級(jí)側(cè)在開路狀態(tài)時(shí)的次級(jí)側(cè)電感

    另外使用三個(gè)等式來計(jì)算初級(jí)側(cè)的漏感(Lk_prim)，次級(jí)側(cè)的漏感(Lk_sec)，以及勵(lì)磁電感(Lm) 等數(shù)值。

    Lk_prim = Lso – Lm   (3)

    Lk_sec = Lpo - Lm×N 2   (4)

    Lm = SQRT ((Lso-Lss)×Lpo/N 2)   (5)

    表1 總結(jié)了變壓器的測量和計(jì)算結(jié)果。初級(jí)繞組的勵(lì)磁和漏感參數(shù)值圓滿達(dá)到目標(biāo)，次級(jí)側(cè)的漏感值則相對較低。

    而且，該結(jié)果還證實(shí)了次級(jí)繞組的漏感已經(jīng)有效地  化，并且通過小信號(hào)分析可以將漏感集中在初級(jí)側(cè)。理論上，在變壓器的一個(gè)繞組上產(chǎn)生的感應(yīng)電壓是匝數(shù)比乘以施加到另一繞組的電壓，如下所示：

    Vout = N×Vin&