LLC谐振变换器中平面集成磁件的研究

摘要：本文针对目前开关电源向小型化、轻型化、薄型化方向发展的趋势，介绍了平面集成磁件的概念，研究了一种用于DC/DC变换器的LLC谐振变换器，在集成磁件通用模型的基础上分析了用于LLC谐振变换器的磁件集成，并设计了一个集成磁件。为了进一步减少集成磁件的高度和体积，本文又研究了平面集成磁件具体的设计方法，把该集成磁件转化成了平面集成磁件，并对转换前后的磁件做了电磁场仿真，结果表明转换前后磁件损耗也将减小。这样，就达到了进一步减小磁件体积、重量和高度的目的。

叙词：LLC谐振变换器 集成磁件 平面变压器 平面集成磁件

Abstract： Following the developing trend towards small, light and thin device on switching power supply at the present time, planar integrated magnetics concept is introduced in this thesis. A LLC resonant convertor on DC/DC conversion is investigated, and a integrated magnetic structure is analyzed based on the general model. Furthermore, the method of designing planar integrated magnetics is derived which can be used to reduce farther volume, weight and height of magnetics. Finally, by simulating, the result is that the wastage of the core also decreases. So the purpose reducing volume, weight and height is achieved.

Keyword：LLC resonant convertor Integrated magnetics Planar transformer Planar integrated magnetics.

1、 引言

信息产业的迅猛发展，不仅为电源行业提供了巨大的市场和快速发展的动力，同时也对电源装置的体积、重量、效率、输出动态性能以及系统的可靠性等提出越来越高的要求[1]。可是，由于电源装置中往往采用分立的、非标准的磁性器件，不仅体积大，而且形状不规则，难以自动化生产，使得电源装置体积、重量较大，给设计工作带来很多不便。“短、小、轻、薄”是当今开关电源的主要发展趋势之一，要做到“短、小、轻、薄”，最主要的是提高功率密度和采用低高度及体积、重量小的元器件。用平面磁件技术和集成磁技术可以减小磁件体积、重量和高度，便于结构设计。

平面磁性器件是一种呈低高度扁平状或超薄型(low profile)的磁性器件，其高度远小于传统的磁性器件[3]，采用平面铁芯和平面结构绕组，具有工作频率高，能量密度大，效率高，体积小，产品外观和一致性好，适合于自动化表面贴装，可以较好地实现低压大电流输出，尤其适用于空间和高度存在限制或对节能及散热要求苛刻的地方，所以这种磁性器件能适应当今开关电源“短、小、轻、薄”的发展趋势，得到了较广泛的应用。

集成磁技术是将变换器中的两个或多个分立磁件，如电感、变压器等，绕制在一个磁芯上，从结构上集中在一起，用一个磁性器件来实现，从而减少开关电源中的器件数量，减小体积，提高功率密度，使各磁件间的接线最短、损耗减小，输出滤波效果得以改善，以实用于低压大电流开关电源[5]。

采用平面磁件和集成磁技术成为实现开关电源“短、小、轻、薄”的重要手段，近年来人们对平面磁件和集成磁技术的研究越来越重视，有的已经实现了产品化，为电源技术的发展做出了贡献，文献[3]提出了平面集成磁技术的概念，本文在此基础上综合了平面磁件和集成磁技术的特点，把LLC谐振变换器中的一个谐振电感和隔离变压器集成到一起，设计了一个平面集成磁件，为平面集成磁件的设计提供了一个比较详细的设计方法。

2、 用于LLC谐振变换器中的集成磁件

2.1　LLC谐振变换器

文献[6]提出了一种用于分布式供电系统的LLC谐振变换器，其电路图如图1所示。这种变换器具有如下优点：在零到全负载范围内具有ZVS功能，MOSFET关断电压低，因此变换器的关断损耗是非常低的;高输入电压下具有高效率，可以在正常工作条件下对变换器进行最优化设计;变换器副边没有滤波电感，副边整流管的电压应力低，能被减少到两倍的输入电压;变换器的磁性器件能很容易的集成到一个磁芯上;变压器的励磁电感也能被利用。与PWM变换器相比较，该拓扑结构提供了更低的开关损耗和导通损耗，可得到更高的工作效率和发挥更大的高频工作潜能。而且，在高输入电压下，能够确定变换器的最佳特性，可实现变压器的最优化设计。

由图1可见，若没有励磁电感Lm，这个变换器和串联谐振变换器相同，加上Lm后，电路特性及工作方式就完全不同了。电路中有三个无源元件：串连谐振电感Lr、并联谐振电感Lm和谐振电容Cr，副边