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。它們最常出現(xiàn)在LLC諧振轉(zhuǎn)換器中，其電路中的諧振電感可實現(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組件功能：變壓器勵磁電感(Lm)、變壓器漏感(Lr)和諧振電容(Cr)。如果數(shù)值計算正確并且遵守所需的最小容差(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)計了一款3.6kW的LLC變壓器，具備高精度及最小容差的漏感，能夠作為LLC轉(zhuǎn)換器的諧振電感。
針對這款3.6kW LLC變壓器開發(fā)的系統(tǒng)要求包括：次級側(cè)對初級側(cè)的匝數(shù)比(N)是2，初級側(cè)的勵磁電感是36uH，精確的變壓器增益(放大倍數(shù))為6。結(jié)果顯示放大倍數(shù)與變壓器的初級繞組漏感(leakage inductance)直接相關(guān)。因此，為了實現(xiàn)精確的放大倍數(shù)，這個寄生參數(shù)需要設(shè)有最小容差。為了實現(xiàn)這個目標(biāo)，要使用一項創(chuàng)新的變壓器設(shè)計。
圖一所示為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。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 (等式1)
勵磁電感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。
圖二提供了更加完整的模型，這個模型包括了初級側(cè)線圈的漏感(Lk_prim)和次級側(cè)線圈的漏感(Lk_sec)，以及可能出現(xiàn)的外部諧振電感(Lext)。
接下來就清楚了：Lr = Lext + Lk_prim (等式2)。如前所述，通過設(shè)計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新穎的線圈設(shè)計達(dá)成了這個目標(biāo)。
夾心繞法的線圈設(shè)計
一個示例是PQ50/50平臺，它的初級側(cè)和次級側(cè)線圈導(dǎo)線的尺寸正好適用于3.6kW功率水平。考慮到變壓器開發(fā)目標(biāo)的系統(tǒng)要求，決定漏感值的等式一和等式二說明了“將初級側(cè)線圈和夾心式繞法的次級側(cè)側(cè)線圈彼此分立的設(shè)計，最接近目標(biāo)值”。
圖三顯示了用于微調(diào)漏感值的專利線圈設(shè)計截面圖。這個設(shè)計的獨特之處在于能夠各自獨立控制線圈之間的距離，并達(dá)到所需的漏感值。每個線圈的寬度和線束尺寸都經(jīng)過仔細(xì)調(diào)整，以適應(yīng)線圈精度，將其微調(diào)到符合漏感容差要求。
優(yōu)化變壓器設(shè)計的有限元法
為了最終完成設(shè)計并確保漏感集中在初級側(cè)線圈周圍，必須優(yōu)化初級側(cè)和次級側(cè)線圈的設(shè)計以及鐵芯氣隙的位置。
該設(shè)計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。圖四顯示了初級側(cè)線圈和次級側(cè)線圈各個磁通路徑的有限元模型。
原型設(shè)計(圖五)和電氣測試證實了優(yōu)化變壓器設(shè)計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。
為了計算實際的初級和次級繞組漏感，我們測量以下變壓器參數(shù)：
Lso：次級側(cè)在開路狀態(tài)時的初級側(cè)電感
Lss：次級側(cè)在短路狀態(tài)時的初級側(cè)電感
Lpo：初級側(cè)在開路狀態(tài)時的次級側(cè)電感
另外使用三個等式來計算初級側(cè)的漏感(Lk_prim)，次級側(cè)的漏感(Lk_sec)，以及勵磁電感(Lm)等數(shù)值。
Lk_prim = Lso – Lm (等式3)
Lk_sec = Lpo - Lm x N2 (等式4)
Lm = SQRT ((Lso-Lss) x Lpo/N2) (等式5)
表一總結(jié)了變壓器的測量和計算結(jié)果。初級繞組的勵磁和漏感參數(shù)值圓滿達(dá)到目標(biāo)，次級側(cè)的漏感值則相對較低。
而且，該結(jié)果還證實了次級繞組的漏感已經(jīng)有效地最小化，并且通過小信號分析可以將漏感集中在初級側(cè)。理論上，在變壓器的一個繞組上產(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 (等式6)
實際上，施加到一個繞組的電壓會根據(jù)它們各自的阻抗分為漏感和勵磁電感。因此，當(dāng)繞組中存在明顯的漏感時，勵磁電感兩端的電壓會降低。因此，在次級繞組兩端感應(yīng)產(chǎn)生的電壓將明顯降低。當(dāng)Ns/Np＝2時，理論的感應(yīng)電壓應(yīng)為：
初級側(cè)感應(yīng)電壓(Vp_induced) = 次級側(cè)施加電壓(Vs_applied) * 0.5 (等式7)
次級側(cè)感應(yīng)電壓(Vs_induced) = 初級側(cè)施加電壓(Vp_applied) * 2 (等式8)
以下是在我們經(jīng)優(yōu)化的變壓器的次級繞組和初級繞組上分別施加2V電壓(黃色)時的感應(yīng)電壓(藍(lán)色)。
如下圖所示，初級測的感應(yīng)電壓(1.02V)接近理論值(即：次級側(cè)施加電壓的一半)，而次級側(cè)的感應(yīng)電壓(3.52V)則顯著低于初級側(cè)施加電壓的兩倍。這里顯示了初級側(cè)漏感的集中特性。
因此，證實了將LLC拓?fù)潆娐窇?yīng)用在大功率車載充電器上的優(yōu)勢。
這里顯示了這款新穎的設(shè)計如何容許使用分立的諧振電感器代替LLC變壓器的漏感。
對高效率、安全的、可靠的和經(jīng)濟(jì)性應(yīng)用的追求，決定了許多關(guān)鍵技術(shù)的進(jìn)步，例如車載充電器產(chǎn)品。而這些進(jìn)步反過來也為功率元件帶來新的技術(shù)挑戰(zhàn)，變壓器的設(shè)計就是其中一例。
