面向未來電動汽車的技術：具有最小容差的全新變壓器設計

作者：Jochen Neller（儒卓力技術支持）,Gerard Healy（普思電子（Pulse Electronics）產(chǎn)品經(jīng)理）時間：2021-04-14 來源：電子產(chǎn)品世界

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電動汽車和自動駕駛的發(fā)展前景有賴于許多關鍵技術的進步，其中包括高性能電池的充電功能。車載充電器(OBC) 有望受益于一項新穎的電源變壓器設計。

本文引用地址：http://2s4d.com/article/202104/424478.htm

0 引言

為了在高性能細分領域持續(xù)達到良好的效率水平，我們需要具有低開關損耗的功率開關組件?，F(xiàn)代產(chǎn)品經(jīng)常使用諧振轉(zhuǎn)換器拓撲結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)利用了零電壓開關原理(zero voltage switching, ZVS)，優(yōu)勢是減少開關損耗。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，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) 設計了一款3.6 kW 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3.6 kW 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36 μH，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。因此，為了實現(xiàn)精確的放大倍數(shù)，這個寄生參數(shù)需要設有最小容差。為了實現(xiàn)這個目標，要使用一項創(chuàng)新的變壓器設計。

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)＝ (L_m + L_r) / L_r (1)

勵磁電感Lm 的容差值可以通過嚴格遵守鐵芯氣隙的容差值來控制，但諧振電感Lr 則需要進一步研究。

圖2 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(L_{k_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)設定合適的嚴格容差，而普思電子正是以一項新穎的線圈設計達成了這個目標。

1 夾心繞法的線圈設計

一個示例是PQ50/50 平臺，它的初級側(cè)和次級側(cè)線圈導線的尺寸正好適用于3.6 kW 功率水平?？紤]到變壓器開發(fā)目標的系統(tǒng)要求，決定漏感值的式(1)和式(2) 說明了“將初級側(cè)線圈和夾心式繞法的次級側(cè)側(cè)線圈彼此分立的設計，最接近目標值”。

圖3 顯示了用于微調(diào)漏感值的專利線圈設計截面圖。這個設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)過仔細調(diào)整，以適應線圈精度，將其微調(diào)到符合漏感容差要求。