CN104409202B - 一种紧耦合llc谐振变压器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种紧耦合高效LLC谐振变压器，包括磁芯不带气隙的环形主变压器，主变压器的初级线圈一端与输入辅助电感连接；主变压器的第二次级线圈两端分别与输出辅助电感两端连接；初级线圈由多股漆包线或扁平铜带包好绝缘层后均匀缠绕在所述主变压器的磁芯最里层，主变压器的第一次级线圈由多股漆包线或扁平铜带包好绝缘层后均匀缠绕在所述主变压器的磁芯第二层，第二次级线圈由多股漆包线或扁平铜带包好绝缘层后均匀缠绕在所述主变压器的磁芯最外层。本发明保证了变压器是紧密耦合，漏磁几乎可以忽略的同时又能满足励磁电感参数的要求，比传统LLC变压器的能量传递效率大大提高。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于电动汽车充电桩的LLC谐振变压器，尤其是一种用于大功率半桥或全桥LLC谐振变换器中的变压器。
背景技术
LLC谐振拓扑是目前大功率电源中最常用的一种电路拓扑之一，因其具有较好的软开关特性，次级整流二极管能实现零电流关断（ZCS），不需要输出滤波电感，工作电流波形接近正弦波等特点使其具有其他拓扑结构所希望但很难达到的优点：电磁干扰小，效率高（可超过96%）。变压器作为LLC谐振拓扑中的关键器件，对电路的可靠性以及效率起着关键作用。
目前，业界的LLC谐振变压器的绕制方式大多采用分槽型骨架结构，该结构有挡墙将初级和次级分开，通过调节挡墙的宽度来调节变压器的漏感，通过调节变压器磁芯气隙的长度来调节激磁电感，因而目前业界的LLC谐振变压器均属于一种松耦合。由于工艺的一致性、磁芯导磁率的偏差等原因，漏感的大小一致性难以保证，因而会影响电源的效率和可靠性。由于加入气隙，变压器在工作过程中漏磁增大，在气隙处温升较高，而且漏磁会使得变压器的铁磁材料和铜材产生涡流，使得变压器的能量传输效率大打折扣，同时磁芯磨气隙也提高了变压器加工的复杂程度和难度。由于初级和次级是一种松耦合，当变压器次级采用带中心抽头结构时会因为正负半周漏感的不一致而导致LLC谐振电路正负电流大小不一致，降低电源的效率和可靠性。
发明专利《高效LLC恒流电源谐振变压器线圈的绕制方法》（申请号201210554330.6）提出了次级线圈采用双线并绕的绕制方式来减轻变压器带中心抽头结构时因为正负半周漏感的不一致而导致LLC谐振电路正负电流大小不一致现象，但仍采用的是带隔离挡墙和加气隙的方式来获得LLC谐振所需的电感参数。文献《Design Methodologyfor Transformers Including Integrated andCenter-tapped Structures for LLCResonant Converters》表明带气隙的变压器因漏磁在变压器内部造成比较严重的涡流损耗（包括涡流铁损和涡流铜损，主要集中在气隙附件），因为这些损耗而降低了变压器传递能量的效率。
所以，简化变压器的生产工艺，提高变压器生产时参数的控制精度、提高变压器的传输效率是需要解决的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，针对上述现有技术的不足，提供一种紧耦合LLC谐振变压器。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种紧耦合LLC谐振变压器，包括磁芯不带气隙的环形主变压器，所述主变压器的初级线圈一端与输入辅助电感连接；所述主变压器的第二次级线圈两端分别与输出辅助电感两端连接；所述初级线圈由多股漆包线或扁平铜带包好绝缘层后均匀缠绕在所述主变压器的磁芯最里层，所述主变压器的第一次级线圈由多股漆包线或扁平铜带包好绝缘层后均匀缠绕在所述主变压器的磁芯第二层，所述第二次级线圈由多股漆包线或扁平铜带包好绝缘层后均匀缠绕在所述主变压器的磁芯最外层。
所述输入辅助电感、输出辅助电感均采用有气隙的铁氧体为磁芯，且所述输入辅助电感、输出辅助电感的线圈均由多股漆包线或扁平铜带包好绝缘层后均匀缠绕在各自的铁氧体磁芯上。
所述主变压器激磁电感Lm的计算公式如下：
Lm=（N1/N3）*L1；
其中，N1为初级线圈的匝数，N3为第二次级线圈的匝数，L1为输出辅助电感的电感量。
与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明通过输出辅助电感与第二次级线圈并联，利用次级反射到初级的电感来做LLC谐振的激磁电感，避免了在磁路中加入气隙，简化了工艺。本发明的结构保证了变压器是紧密耦合，漏磁几乎可以忽略，比传统LLC变压器的能量传递效率大大提高。变更参数时只需对输入辅助电感、输出辅助电感的参数做适当修改而不需改变压器主体的参数，参数精度和灵活性也大大提高。
附图说明
图1是本发明的主变压器次级绕组不带中心抽头的电路结构图；
图2是本发明的主变压器次级绕组带中心抽头的电路结构图；
图3是本发明的主变压器次级绕组不带中心抽头的绕制方法；
图4是本发明的主变压器次级绕组带中心抽头的绕制方法；
图5是本发明的辅助外电感L1和L2的绕制方法，两者绕制方法相同，只是根据参数的差异，绕的匝数不同；
其中，1、2为辅助外电感L2的两个端子； 3为初级N1的端子；4、5为不带中心抽头的第一次级N2的两个端子；4、5、6为带中心抽头（N2ˊ）的第一次级N2的三个端子；7、8为第二次级N3的两个端子；N5为辅助外电感L1的匝数。
具体实施方式
如图1～图4所示，本发明一实施例由一个不含气隙的环形主变压器T1及辅助外电感L1，辅助外电感L2组成。环形主变压器磁芯C不加气隙，初级N1由多股漆包线或扁平铜带包好绝缘层后均匀缠绕在磁芯上，可顺时针绕也可逆时针绕。主变压器第一次级N2可以是带中心抽头的绕组也可以是不带中心抽头的绕组。不带中心抽头时，第一次级N2由多股漆包线或扁平铜带包好绝缘层后均匀分布缠绕在磁芯上，可顺时针绕也可逆时针绕。带中心抽头时，第一次级N2、N2ˊ由多股漆包线或扁平铜带包好绝缘层后均匀分布缠绕在磁芯上，可顺时针绕也可逆时针绕，但2个绕组的方向要一致。
环形主变压器第二次级N3由多股漆包线或扁平铜带包好绝缘层后均匀分布缠绕在磁芯上，可顺时针绕也可逆时针绕。
如图5所示，辅助外电感L1采用留有气隙的铁氧体为磁芯，由多股漆包线或扁平铜带包好绝缘层后均匀缠绕在磁芯D上构成。辅助外电感L1的2个端子与环形主变压器第二次级N3的两个端子相连接。
辅助外电感L2采用留有气隙的铁氧体为磁芯，由多股漆包线或扁平铜带包好绝缘层后均匀缠绕在磁芯上构成。辅助外电感L2的与环形主变压器初级N1串联。谐振电感Lr与辅助电感L2的电感量的关系为：
Lr=L2+Lf≈L2
其中，L2为辅助外电感L2的电感量，Lf为环形主变压器的初级漏感，Lr为谐振腔的谐振电感，环形主变压器初级和次级属于紧耦合，环形主变压器的漏感非常小，漏感的相对误差更小，所以有Lr≈L2。
通过调整环形主变压器第二次级N3的匝数或调整外电感L1的匝数N4可以调整变压器激磁电感Lm，调整的对应关系公式如下：
Lm=（N1/N3）*L1
N1为初级的匝数，N3为第二次级的匝数，L1为外电感的电感量。Lm为激磁电感，其值为N3与L1相连接后测量N1两端得到的电感量。
实验表明，采用本技术方案时，变压器主体的温升可降低30度以上，充分说明变压器的能量传输效率得到了明显提升。
Claims (4)
1.一种紧耦合LLC谐振变压器，其特征在于，包括磁芯不带气隙的环形主变压器，所述主变压器的初级线圈一端与输入辅助电感连接；所述主变压器的第二次级线圈两端分别与输出辅助电感两端连接；所述初级线圈由多股漆包线或扁平铜带包好绝缘层后均匀缠绕在所述主变压器的磁芯最里层，所述主变压器的第一次级线圈由多股漆包线或扁平铜带包好绝缘层后均匀缠绕在所述主变压器的磁芯第二层，所述第二次级线圈由多股漆包线或扁平铜带包好绝缘层后均匀缠绕在所述主变压器的磁芯最外层。
2.根据权利要求1所述的紧耦合LLC谐振变压器，其特征在于，所述输入辅助电感、输出辅助电感均采用有气隙的铁氧体为磁芯，且所述输入辅助电感、输出辅助电感的线圈均由多股漆包线或扁平铜带包好绝缘层后均匀缠绕在各自的铁氧体磁芯上。
3.根据权利要求1或2所述的紧耦合LLC谐振变压器，其特征在于，所述主变压器激磁电感Lm的计算公式如下：
Lm=（N1/N3）*L1；
其中，N1为初级线圈的匝数，N3为第二次级线圈的匝数，L1为输出辅助电感的电感量。
4.根据权利要求1所述的紧耦合LLC谐振变压器，其特征在于，所采用的环形主变压器磁芯材料为铁基纳米晶。
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