LLC谐振变换器中平面集成磁件的研究

是一个带中心抽头的整流电路，后接一个滤波电容，原边是一个半桥式电路，也可以用全桥式电路或其它电路结构代替。

图1　LLC谐振变换器

LLC谐振变换器规格：

输入电压范围Vin ：300～400V

输出电压范围Vo ：48V

输出功率范围Po ：1KW

变换器参数：

变压器匝数比：4:1:1

谐振电感：14uH

谐振电容：0.047uF

励磁电感：60uH

开关频率范围：150kHz-200kHz

2.2　集成磁件通用结构的提出

以前对功率变换器的集成磁件曾经作了大量的调查研究，查看一下这些论文，能够发现这些磁件大部分使用EE磁芯结构，不同之处是线圈的布置和气隙的安排。

本文使用了一个带有4个线圈的EE形磁芯的通用电路模型结构，如图2所示。每个磁柱上都开有气隙。这是一个非常通用的结构,许多PWM变换器集成磁件的设计都使用这个结构，只是对气隙和线圈安排做一些相应的变化。

图2　集成磁件的通用结构

LLC谐振变换器也选用这个结构，原因如下：

要把两个磁件集成到一起，通常需要三条磁径。LLC谐振变换器尽管有三个磁件，但是Lm和变压器T能用一个带气隙的变压器产生。因此进行磁件集成时只需考虑两个磁件：串联谐振电感Lr和隔离变压器。因此EE磁芯结构的选取是非常合理的。

在对偶原理[4]的基础上可推导出所需要的模型，并获得实际磁件结构的电路模型。模型中的所有元件参数与实际磁件结构的参数相对应。图2磁件结构的磁路模型如图3所示。图4为等效电路模型，包括两组理想变压器和三个电感。

图3　通用结构的磁路模型　　　　　　　　 图4　通用结构的电路模型

向实际变压器结构那样，两个理想变压器的线圈匝数比是相同的。三个电感对应三个气隙，可以把它们都折算到一个线圈N1。需要的话，也可以把它们折算到别的线圈。图4给出了每个电感的值。在这个模型的基础上，可以研究更多的集成磁件结构。

2.3 用于LLC谐振变换器中的集成磁件

因为标准磁芯结构通常中柱上的气隙大于或等于两边柱上的气隙。为了方便，下面我们研究三个柱有相同气隙的结构。与上文提到的通用结构相比较，该磁件结果在左柱上只需要一个线圈。简化通用模型，可获得该集成磁件的电路模型，如图5所示。

图5　集成磁件结构的电路模型　　 图6　N 1、 N 2同名端与异名端相连的电路模型

该电路结构的原边绕组有几种可能的连接方法。图6是其中的一种，把N1同名端与N2异名端相连。这个电路有两种工作模式，如图7所示。现分别推导它们的等效电路。

(a)　　　　　　　　　　　　　　　 (b)

图7　LLC谐振变换电路的两种工作模式

对模式(a)，可推出下面的等式：

(1)

(2)

(3)

(4)

从公式(1)到(4)，输入电压、输入电流和输出电压之间的关系如下式：

(5)

根据(5)可得出该模型的等效电路，如图9所示。

图8　模式(a)的等效电路

电路中Lr和Na由下面的等式给出。

(5)

(6)

分析工作模式(b)可得出Lm，与模式(a)分析过程相同可得出模式(b)的一组方程，这儿不再列出。从这一组方程可得出Lm的表达式：

(7)

与上边的推导过程相同，同理可得N 1、N 2同名端相连时的Lr，Na和Lm的表达式。公式(8)～(10)分别给出了这些值。

(8)

(9)

(10)

使用上述方法，可设计出集成磁件结构。例如，设计图6所示结构的集成磁件。为了得到与分立设计相同的值，可使：Lr=14uH，Lm=60uH，绕组匝数比=16：4，集成磁件的设计结果为：Nl=9，Np=13，Ns=4，每个磁柱的气隙为0.56mm。

3、 LLC谐振变换器集成磁件结构的平面化

目前平面磁件研究和应用较多的是PCB型，其铁芯采用平面EI型铁氧体铁芯，其绕组导体做成宽片状的PCB或铜箔，以增大散热面积，减小在高频工作时由集肤效应和临近效应所引起的涡流损耗并有利于散热，本文采用这种类型，进行了LLC谐振变换器集成磁件结构平面化的设计。

前面分析的LLC谐振变换器的集成磁件，按传统集成磁件设计方法设计的结构如图11(a)所示。磁心选用Philips公司的E42/21/20软磁铁氧体铁芯，线圈采用圆导线绕制，原边绕组Nl为13匝，副边Np、Ns都为4匝，由于副边电流较大，采用两层并联结构。 Nl、Np线圈选用AWG18，Ns线圈选用AWG13。左柱上绕制电感线圈，右柱上绕制变压器线圈，紧靠右柱的是原边绕组的13匝线圈，外边两层分为上下两部分，各对应两个Ns线圈，采用两匝并联缠绕方式。图11(b)为它的磁力线仿真图。

(a)　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(b)

图11　传统设计的集成磁件截面图与磁力线仿真图

我们把上文的集成磁件设计成平面集成磁件。首先把圆型导体转换为平面型导体，转换时应保证导体截面积不变。先把圆导线转换成等截面积的正方形导线，如图12(a)所示，然后再把正方形导线转换成相应的铜箔导线。考虑到铜导线通过的最大电流密度一般为3～5A/mm2,平面导线铜箔为10～20A/mm2，转换后，相应铜箔的截面积要比圆导