LLC谐振变换器中的平面变压器漏感不对称问题研究
LLC谐振变换器是直流变压器常用的一种谐振结构，用来提供隔离和固定的电压传输比，原边开关管可以实现全负载范围内的软开关，具有宽输入范围、高功率密度、高效率的优点[1]。隔离变压器是LLC拓扑的核心部件之一，在高频应用时，其磁芯和绕组受趋肤效应、邻近效应、涡流效应等高频效应的不利影响而越发显著，导致变换器的变换效率和工作稳定性降低[2]。变压器次级绕组的中心抽头结构在LLC谐振转换器中被广泛采用，因为它比全桥等其他结构具有更低的导通损耗和更高的成本效益[3]。
为了适应轻小型、快散热的应用场合，平面变压器和磁集成技术受到广泛关注。平面变压器结构呈扁平状，具有较大的散热面积，通常采用平面E型、RM型等低造型磁芯，体积上比普通磁芯小很多，其材料特性多为高频、低损耗[4-6]。国内外研究人员将谐振电感集成到变压器中，通过减少磁性元件来减小变换器的体积[7-9]。由于谐振电感不是感值确定的独立器件，因此需要准确计算变压器漏感以匹配谐振频率，使LLC变换器工作在损耗最小的准谐振状态[10]。文献[11][12]提出了根据磁场中储存的能量计算平面变压器初级侧漏感的方法,实现了对磁集成变压器中谐振电感的设计。文献[13][14]通过绕组的交错排布，降低变换器的高频损耗。但是平面变压器的PCB绕组一般是多层绕组，这样原副边绕组存在多种交错排布方案。
如图1所示的LLC变换器，副边使用一个中心抽头变压器和两个二极管进行电压变换和整流，也被称为中心抽头全波整流电路。当谐振电流大于励磁电流时，副边电流大于零，则导通；当谐振电流小于励磁电流时，副边电流小于零，则导通。如果将绕组的交错排布方案应用到中心抽头变压器中，会存在副边绕组交替导通时等效到初级侧的漏感不相等的问题，造成变换器上下半周谐振状态不同，导致谐振电流的不对称以及整流器本身的应力增大，从而增加变换器的功率损耗。接下来将“由于副边绕组交替导通时等效到初级侧的变压器漏感不相等造成谐振电流不对称”的问题统称为“漏感不对称”问题。现有的研究很少有关于变压器漏感不对称问题的介绍，暂未提出有效的解决方法。
本文在上述文献的基础上，提出一种具有通用性的绕组交错排布方法。首先通过分析平面变压器绕组的磁动势分布图与漏感对称的关系，将磁动势分布图对称情况作为判断漏感是否对称的依据。然后通过平面变压器漏感计算公式分析影响变压器漏感的关键因素，并通过Maxwell 2D建模进行仿真验证。按照本文所提方法制造的中心抽头变压器，副边绕组交替导通时等效到原边的漏感相等，解决了谐振电流不对称的问题，提高了变换器的工作效率。
暂无评论