CN101257255A - 适合于llc谐振系列拓扑磁集成变换器 - Google Patents
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Abstract
本发明针对现有的LLC谐振变换器的磁件体积较大的缺点，提供一种适合于LLC谐振系列拓扑磁集成变换器，属直流变换器。该变换器将原电路中的变压器和电感的设计成集成磁件，该变换器既能减小磁件的体积，又能使得漏感容易控制，并将漏感集中在变压器原边。它包括直流电源、LLC谐振变换器原边电路以及副边整流电路，该变换器采用集成磁件作为磁集成变压器，该集成磁件包括一对相对设置的EE铁心，铁心上分别绕有原边绕组Np与副边绕组Ns，部分原边绕组Np和全部副边绕组Ns绕在中柱上，另一部分原边绕组Np绕过左侧柱或/和右侧柱；原边绕组的输入端接原边电路，副边绕组输出端接入副边整流电路。
Description
一、技术领域
本发明的适合于LLC谐振系列拓扑磁集成变换器，属电能变换装置的直流变换器。
二、背景技术
随着现代电力电子技术的发展、高频开关器件的诞生，开关电源向着高频化、集成化和模块化的方向发展。事实证明，提高开关频率能够减小装置体积，提高设备的功率密度和可靠性，并且降低开关噪声。谐振变换器由于其能实现软开关，有效地减小了开关损耗，使得频率能进一步提高，所以在高频功率变换领域得到广泛的重视和研究。LLC谐振变换器是将LLC谐振网络加入变换器，使得开关管可以在全负载范围内实现ZVS，由于该变换器副边没有滤波电感，因此如果采用全桥整流，整流二极管的电压应力仅为输出电压，而且可以实现ZCS，从而减小开关损耗。变压器漏感可以被利用为谐振电感，因此不存在由漏感引起的寄生振荡等问题。由于开关管关断时的电流很小，因此可以减少关断损耗。由于LLC谐振变换器有变压器和谐振电感两个磁性元件，为了进一步提高变换器的功率密度，磁集成技术成为行之有效的手段之一。
Charles S.Walker，“Combined Transformer and Inductor”，U.S.Patent4,689,592(Aug.25，1987)针对谐振变换器提出了通过在罐型磁芯的中部加入一片导磁体，将罐型磁芯分为上下两部分，使磁通分为三个部分，从三条磁路流通，利用新的罐型磁芯实现谐振变换器中电感和变压器的集成。但是该方法需要导磁体，另外在变压器的原副边均有漏感存在，从而会影响变换器的性能。Arkadiy Kats，Gregory Ivensky，Sam Ben-Yakov，“Application of Interated Magnetics in Resonant Converters”，IEEE-APEC，1997pp.925-930提供了另外一种获得多磁路的办法在谐振变换器中得到成功的应用，两副磁芯A、B被组合使用，变压器的原边绕组绕在两副磁芯上，副边绕组仅绕在磁芯A上，使变压器的漏感集中到原边，并可通过调节磁芯B的气隙来精确控制漏感的大小，但该方法虽然可以解决原副边均有漏感存在的问题，但需要两个磁芯，总的磁件体积没有实质的减小。现有的全桥变换器未集成前的电路图如附图1所示。
三、发明内容
本发明针对LLC谐振变换器的磁件体积较大的缺点，提供一种适合于LLC谐振系列拓扑磁集成变换器，该变换器将原电路中的变压器和电感的设计成集成磁件，该变换器既能减小磁件的体积，又能使得漏感容易控制，并将漏感集中在变压器原边。
本发明的适合于LLC谐振系列拓扑磁集成变换器，属直流变换器，LLC系列拓扑包括半桥式、全桥式、复合式全桥三电平LLC谐振磁集成变换器；副边整流电路可以采用全桥整流或全波整流电路。
本发明的技术方案如下：
一种适合于LLC谐振系列拓扑磁集成变换器，包括直流电源、LLC谐振变换器原边电路以及副边整流电路，其特征在于该变换器采用集成磁件作为磁集成变压器，该集成磁件包括一对相对设置的EE铁心，铁心上分别绕有原边绕组Np与副边绕组Ns，部分原边绕组Np和全部副边绕组Ns绕在中柱上，另一部分原边绕组Np绕过左侧柱或/和右侧柱；原边绕组的输入端接原边电路，副边绕组输出端接入副边整流电路。
集成磁件适用于副边漏感小的原边串电感的谐振变换器及ZVS移相全桥变换器。绕组可采用平面型绕组或者卷绕式绕组；EE铁心的中柱居中或偏向一侧。
集成磁件的副边绕组Ns带有中心抽头，部分原边绕组Np和全部副边绕组Ns绕在中柱上，另一部分原边绕组Np绕过左侧柱或/和右侧柱。
半桥式LC谐振磁集成变换器，变换器向副边传递功率时原边绕组Np的电流流入点为同名端，连于谐振电容的负端，流出点连于直流电源的负端，副边绕组的两个端点连接于全桥整流的中点。
全桥式LLC谐振磁集成变换器，谐振向副边传递功率时原边绕组Np的电流流入点为同名端，连于谐振电容的负端，流出点连于主功率开关管Q1的源极与Q2的漏极的连接点，副边绕组的两个端点连接于全桥整流的中点，流出点连于主功率开关管Q1的源极与Q2的漏极的连接点，副边绕组的两个端点连接于全桥整流的中点。
复合式全桥三电平LLC谐振向副边传递功率时原边绕组Np的电流流入点为同名端，连于谐振电容的负端，流出点连于主功率开关管Q5的源极与Q6的漏极的连接点，副边绕组的两个端点连接于全桥整流的中点。
全桥式LLC谐振磁集成变换器，副边整流电路采用全波整流电路，其集成磁件原边绕组的两端点接原边电路，副边绕组三个端点接入副边整流电路。
EE铁心材料可选用铁氧体、微晶、超微晶、坡莫合金等多种铁磁材料，另外可以通过定制磁芯使得原边绕过的两个绕组的间距减小，绕组所在的磁柱可以灵活变化，绕组可采用平面型绕组或者卷绕式绕组来实现。
本发明通过将集成磁件的部分原边绕组绕制到磁芯的侧柱，合理控制绕过侧柱绕组的匝数及侧柱的气隙大小来达到所需谐振电感的值。由于将变压器绕组和谐振绕组都集中在一个磁芯上，省去一个磁芯，故可以减小磁件总的体积，从而提高变换器的功率密度，另外该集成方式漏感容易控制，同时漏感集中在变压器原边。
四、附图说明
附图1为全桥变换器未集成前的电路图。
附图2～附图5是本发明涉及的采用EE铁心的集成磁件的4种实施方式示意图。
附图6是采用图2的集成磁件应用于半桥LLC谐振变换器的示意图。
附图7是采用图2的集成磁件应用于全桥LLC谐振变换器的示意图。
附图8是采用图2的集成磁件应用于复合式全桥三电平LLC谐振变换器的示意图。
附图9是采用图2的集成磁件应用于全桥LLC谐振变换器全波整流图。
上述附图中的主要符号名称：Vin-直流电源电压；Q1～Q6-功率管；D1～D4-二极管；C-谐振电容；Css-飞跨电容；Cd1、Cd2-输入分压电容；DR1～DR4整流二极管；Co-输出滤波电容；R-负载；Np-原边绕组；Ns-副边绕组。
五、具体实施方式
附图1为现有的全桥变换器未集成前的电路图，本发明集成之后的变压器是将谐振电感和变压器用集成磁件替代。
集成磁件实例一
采用EE型铁心的集成磁件的实施方式例一，参照附图2，部分原边绕组和全部副边绕组绕在中柱上，另一部分原边绕组绕过左侧柱(或右侧柱)。铁心不限于EE型，铁心材料选用铁氧体、微晶、超微晶或坡莫合金制成。改绕制方法可以减小磁件的体积，从而提高变换器的功率密度，另外谐振电感值可以通过调节绕过侧柱绕组的匝数及气隙的大小而得到很好的控制，且漏感集中在变压器原边。
集成磁件实例二
采用非标准EE型铁心的集成磁件的实施方式例二，参照附图3，铁心中柱偏一侧边柱，部分原边绕组和全部副边绕组绕在中柱上，另一部分原边绕组绕在靠近中柱的侧柱上。中柱偏左侧，铁心不限于EE型。采用该结构的磁芯除具有附图2的优点外，还可以减小原边绕组的用量，从而一定程度上可以降低成本及绕组的铜损。
集成磁件实例三
采用EE型铁心的集成磁件的实施方式例三，参照附图4，部分原边绕组和全部副边绕组绕在中柱上，另一部分原边绕组绕过左侧柱。铁心不限于EE型。采用该绕制方法除具有附图2的优点外，可以有效的缩小两侧柱磁通大小的差距。
集成磁件实例四
采用EE型铁心的集成磁件的实施方式例四，参照附图5，其集成磁件(3)的副边绕组(Ns)带有中心抽头，部分原边绕组和全部副边绕组绕在中柱上，另一部分原边绕组绕过左侧柱(或右侧柱，或同时绕过左、右侧柱)。铁心不限于EE型。该集成磁件适用于副边为全波整流电路的谐振变换器。
本发明的实施例一
参照附图6，是采用图2的集成磁件应用于半桥LLC谐振变换器的示意图。包括直流电源、LLC谐振变换器原边电路、副边整流滤波电路以及EE集成磁件，它将传统LLC谐振变换器中的变压器和谐振电感集成得到集成磁件。铁心材料可选用铁氧体、微晶、超微晶、坡莫合金等多种铁磁材料，另外可以通过定制磁芯使得原边绕过的两个绕组的间距减小，绕组所在的磁柱可以灵活变化，绕组可采用平面型绕组或者卷绕式绕组来实现。
该半桥LLC谐振变换器，包括直流电源(1)、LLC谐振变换器原边电路(2)以及副边整流滤波电路(4)，其中LLC谐振变换器的原边电路(2)由主功率管(Q1)的源极和(Q2)的漏极相连，主功率管(Q1)的漏极接直流电源(1)的正极，主功率管(Q2)的源极接直流电源(1)的负极，谐振电容的一端与桥臂中点连接所组成；副边整流及电容滤波电路(4)为二极管全桥整流电路或全波整流电路，具体组成是：DR1的阳极与DR2的阴极相连，DR3的阳极与DR4的阴极相连，DR1与DR3的阴极相连，DR2与DR4的阳极相连，滤波电容(Co)的正端接DR1与DR3的阴极所组成的全桥整流电路；集成磁件包括一对相对设置的EE铁心和原边绕组(Np)、副边绕组(Ns)；部分原边绕组(Np)和全部副边绕组(Ns)绕在中柱上，另一部分原边绕组(Np)绕过左侧柱(也可以绕在右侧柱，或同时绕过在左、右侧柱)，变换器向副边传递功率时原边绕组(Np)的电流流入点为同名端，连于谐振电容的负端，流出点连于直流电源(1)的负端，副边绕组的两个端点连接于全桥整流的中点。另外，该集成方法广泛适用于副边漏感小的原边串电感的谐振变换器及ZVS移相全桥变换器。
本发明的实施例二
参照附图7，是采用图2的集成磁件应用于全桥LLC谐振变换器的示意图。其中全桥LLC谐振向副边传递功率时原边绕组(Np)的电流流入点为同名端，连于谐振电容的负端，流出点连于主功率开关管Q1的源极与Q2的漏极的连接点，副边绕组的两个端点连接于全桥整流的中点，流出点连于主功率开关管Q1的源极与Q2的漏极的连接点，副边绕组的两个端点连接于全桥整流的中点。
本发明的实施例三
参照附图8，是采用图2的集成磁件应用于复合式全桥三电平LLC谐振变换器的示意图。其中复合式全桥三电平LLC谐振向副边传递功率时原边绕组(Np)的电流流入点为同名端，连于谐振电容的负端，流出点连于主功率开关管Q5的源极与Q6的漏极的连接点，副边绕组的两个端点连接于全桥整流的中点。
本发明的实施例四
参照附图9，是采用图5的集成磁件应用于全桥式LLC谐振磁集成变换器，副边整流电路为全波整流电路，其集成磁件(3)的副边绕组(Ns)带有中心抽头，部分原边绕组(Np)和全部副边绕组(Ns)绕在中柱上，另一部分原边绕组(Np)绕过左侧柱；原边绕组的两端点接原边电路，副边绕组三个端点接入副边整流电路。
另外，附图3、4、5的集成磁件同样可以应用于半桥、全桥、复合式全桥三电平LLC谐振变换器。
Claims (10)
1、一种适合于LLC谐振系列拓扑磁集成变换器，包括直流电源、LLC谐振变换器原边电路以及副边整流电路，其特征在于该变换器采用集成磁件作为磁集成变压器，该集成磁件(3)包括一对相对设置的EE铁心，铁心上分别绕有原边绕组(Np)与副边绕组(Ns)，部分原边绕组(Np)和全部副边绕组(Ns)绕在中柱上，另一部分原边绕组(Np)绕过左侧柱或/和右侧柱；原边绕组的输入端接原边电路，副边绕组输出端接入副边整流电路。
2、根据权利要求1所述的适合于LLC谐振系列拓扑磁集成变换器，其特征在于所述的集成磁件适用于副边漏感小的原边串电感的谐振变换器及ZVS移相全桥变换器。
3、根据权利要求1所述的适合于LLC谐振系列拓扑磁集成变换器，其特征在于绕组可采用平面型绕组或者卷绕式绕组；EE铁心的中柱居中或偏向一侧。
4、根据权利要求1、2或3所述的适合于LLC谐振系列拓扑磁集成变换器，其特征在于所述的LLC系列拓扑包括半桥式、全桥式、复合式全桥三电平LLC谐振磁集成变换器；所述的副边整流电路包括全桥整流与全波整流电路。
5、根据权利要求4所述的适合于LLC谐振系列拓扑磁集成变换器，其特征在于所述集成磁件(3)的副边绕组(Ns)带有中心抽头，部分原边绕组(Np)和全部副边绕组(Ns)绕在中柱上，另一部分原边绕组(Np)绕过左侧柱或/和右侧柱。
6、根据权利要求4所述的适合于LLC谐振系列拓扑磁集成变换器，其特征在于半桥式LC谐振磁集成变换器，变换器向副边传递功率时原边绕组(Np)的电流流入点为同名端，连于谐振电容的负端，流出点连于直流电源(1)的负端，副边绕组的两个端点连接于全桥整流的中点。
7、根据权利要求4所述的适合于LLC谐振系列拓扑磁集成变换器，其特征在于全桥式LLC谐振磁集成变换器，谐振向副边传递功率时原边绕组(Np)的电流流入点为同名端，连于谐振电容的负端，流出点连于主功率开关管Q1的源极与Q2的漏极的连接点，副边绕组的两个端点连接于全桥整流的中点，流出点连于主功率开关管Q1的源极与Q2的漏极的连接点，副边绕组的两个端点连接于全桥整流的中点。
8、根据权利要求4所述的适合于LLC谐振系列拓扑磁集成变换器，其特征在于复合式全桥三电平LLC谐振向副边传递功率时原边绕组(Np)的电流流入点为同名端，连于谐振电容的负端，流出点连于主功率开关管Q5的源极与Q6的漏极的连接点，副边绕组的两个端点连接于全桥整流的中点。
9、根据权利要求5所述的适合于LLC谐振系列拓扑磁集成变换器，其特征在于全桥式LLC谐振磁集成变换器，副边整流电路采用全波整流电路，其集成磁件(3)原边绕组的两端点接原边电路，副边绕组三个端点接入副边整流电路。
10、根据权利要求1所述的适合于LLC谐振系列拓扑磁集成变换器，其特征在于铁心材料选用铁氧体、微晶、超微晶或坡莫合金制成。
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