LLC諧振變換器中平面集成磁件的研究

作者：時間：2012-09-03 來源：網(wǎng)絡

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摘要：本文針對目前開關電源向小型化、輕型化、薄型化方向發(fā)展的趨勢，介紹了平面集成磁件的概念，研究了一種用于DC/DC變換器的LLC諧振 變換器，在集成磁件通用模型的基礎上分析了用于LLC諧振 變換器的磁件集成，并設計了一個集成磁件。為了進一步減少集成磁件的高度和體積，本文又研究了平面集成磁件具體的設計方法，把該集成磁件轉(zhuǎn)化成了平面集成磁件，并對轉(zhuǎn)換前后的磁件做了電磁場仿真，結果表明轉(zhuǎn)換前后磁件損耗也將減小。這樣，就達到了進一步減小磁件體積、重量和高度的目的。

本文引用地址：http://2s4d.com/article/176309.htm

敘詞：LLC諧振變換器集成磁件平面變壓器平面集成磁件

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

信息產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，不僅為電源行業(yè)提供了巨大的市場和快速發(fā)展的動力，同時也對電源裝置的體積、重量、效率、輸出動態(tài)性能以及系統(tǒng)的可靠性等提出越來越高的要求[1]?？墒?，由于電源裝置中往往采用分立的、非標準的磁性器件，不僅體積大，而且形狀不規(guī)則，難以自動化生產(chǎn)，使得電源裝置體積、重量較大，給設計工作帶來很多不便。“短、小、輕、薄”是當今開關電源的主要發(fā)展趨勢之一，要做到“短、小、輕、薄”，最主要的是提高功率密度和采用低高度及體積、重量小的元器件。用平面磁件技術和集成磁技術可以減小磁件體積、重量和高度，便于結構設計。

平面磁性器件是一種呈低高度扁平狀或超薄型(low profile)的磁性器件，其高度遠小于傳統(tǒng)的磁性器件[3]，采用平面鐵芯和平面結構繞組，具有工作頻率高，能量密度大，效率高，體積小，產(chǎn)品外觀和一致性好，適合于自動化表面貼裝，可以較好地實現(xiàn)低壓大電流輸出，尤其適用于空間和高度存在限制或?qū)?jié)能及散熱要求苛刻的地方，所以這種磁性器件能適應當今開關電源“短、小、輕、薄”的發(fā)展趨勢，得到了較廣泛的應用。

集成磁技術是將變換器中的兩個或多個分立磁件，如電感、變壓器等，繞制在一個磁芯上，從結構上集中在一起，用一個磁性器件來實現(xiàn)，從而減少開關電源中的器件數(shù)量，減小體積，提高功率密度，使各磁件間的接線最短、損耗減小，輸出濾波效果得以改善，以實用于低壓大電流開關電源[5]。

采用平面磁件和集成磁技術成為實現(xiàn)開關電源“短、小、輕、薄”的重要手段，近年來人們對平面磁件和集成磁技術的研究越來越重視，有的已經(jīng)實現(xiàn)了產(chǎn)品化，為電源技術的發(fā)展做出了貢獻，文獻[3]提出了平面集成磁技術的概念，本文在此基礎上綜合了平面磁件和集成磁技術的特點，把LLC諧振變換器中的一個諧振電感和隔離變壓器集成到一起，設計了一個平面集成磁件，為平面集成磁件的設計提供了一個比較詳細的設計方法。

2、用于LLC諧振變換器中的集成磁件

2.1　LLC諧振變換器

文獻[6]提出了一種用于分布式供電系統(tǒng)的LLC諧振變換器，其電路圖如圖1所示。這種變換器具有如下優(yōu)點：在零到全負載范圍內(nèi)具有ZVS功能，MOSFET關斷電壓低，因此變換器的關斷損耗是非常低的;高輸入電壓下具有高效率，可以在正常工作條件下對變換器進行最優(yōu)化設計;變換器副邊沒有濾波電感，副邊整流管的電壓應力低，能被減少到兩倍的輸入電壓;變換器的磁性器件能很容易的集成到一個磁芯上;變壓器的勵磁電感也能被利用。與PWM變換器相比較，該拓撲結構提供了更低的開關損耗和導通損耗，可得到更高的工作效率和發(fā)揮更大的高頻工作潛能。而且，在高輸入電壓下，能夠確定變換器的最佳特性，可實現(xiàn)變壓器的最優(yōu)化設計。

由圖1可見，若沒有勵磁電感Lm，這個變換器和串聯(lián)諧振變換器相同，加上Lm后，電路特性及工作方式就完全不同了。電路中有三個無源元件：串連諧振電感Lr、并聯(lián)諧振電感Lm和諧振電容Cr，副邊是一個帶中心抽頭的整流電路，后接一個濾波電容，原邊是一個半橋式電路，也可以用全橋式電路或其它電路結構代替。