CN108475576B - 组合的变压器和llc谐振转换器 - Google Patents

组合的变压器和llc谐振转换器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于LLC谐振转换器的组合的变压器(16)，所述组合的变压器包括初级变压器绕组(1)，其设计用于在运行中产生第一磁通，所述第一磁通构成第一磁回路(27)，并且所述组合的变压器包括具有绕组的谐振扼流圈(4)，所述谐振扼流圈设计用于在运行中产生第二磁通，所述第二磁通构成第二磁回路(28)。初级变压器绕组(1)和谐振扼流圈(4)的绕组这样相对彼此设置，使得第一磁回路(27)的至少一个第一部分和第二磁回路(28)的至少一个第二部分在对于第一部分和第二部分共同的磁路(29)上延伸。包括这样的组合的变压器的LLC谐振转换器。

Description

组合的变压器和LLC谐振转换器
技术领域
本发明涉及一种用于LLC谐振转换器的组合的变压器以及包括这样的变压器的LLC谐振转换器。
背景技术
在车载充电器中，出于效率原因经常使用谐振的通电分离的DC/DC变压器。在这里，通电的分离出于安全原因被需要。通电分离的能量传输可以通过使用变压器实现。用于这样的谐振的通电分离的DC/DC变压器的通常的拓扑结构是所谓的LLC拓扑结构，其特点在于包括串联谐振扼流圈、并联谐振扼流圈和谐振电容器的谐振网络。通常，并联谐振扼流圈通过变压器的主电感实现并且因此不构成附加的部件。就此能够实现，在整个负载范围上可以无电压地切换开关晶体管(所谓的零电压开关)，由此能够取得以高的效率的高能效的运行。此外，这样的谐振的变压器具有高的功率密度。
除了该成果，需要的结构空间的进一步减小是值得期望的。
发明内容
因此，本发明的任务是，减小LLC谐振转换器的结构空间。此外，利用本发明应该减少用于制造LLC谐振转换器的费用和LLC谐振转换器的重量以及改善在其构造中的简单性。
按照本发明，前述的任务利用本发明的特征解决。用于LLC谐振转换器的按照本发明的组合的变压器具有初级变压器绕组，其设计用于在运行中例如在变压器芯体中产生构成第一磁回路的第一磁通，并且具有包括绕组的谐振扼流圈，其设计用于在运行中产生构成第二磁回路的第二磁通。初级变压器绕组和谐振扼流圈的绕组这样相对彼此设置，使得第一磁回路的至少一个第一部分和第二磁回路的至少一个第二部分在对于第一部分和第二部分共同的磁路上延伸。
变压器具有在共同的芯体上的初级绕组和次级绕组。按照本发明的组合的变压器具有谐振扼流圈的绕组，其与变压器芯体和变压器绕组一起可集成在唯一的部件中。初级变压器绕组和谐振扼流圈的绕组可以在一个共同的芯体上、例如以三芯子(Schenkel)的芯体的形式的变压器芯体上或在彼此不同的、彼此邻近的芯体上缠绕。初级变压器绕组与谐振扼流圈的绕组耦合。初级侧的变压器绕组和谐振扼流圈的绕组分别形成一个磁回路，其中，初级侧的变压器绕组的磁回路和谐振扼流圈的绕组的磁回路至少部分地在对于这两个回路共同的磁路上延伸，或初级侧的绕组和谐振扼流圈共同具有它们的相应的回路的至少一个部段。变压器绕组产生磁回路、所谓的变压器电路。谐振扼流圈的绕组产生另一个磁回路、所谓的谐振电路。按照本发明，现在规定，谐振电路和变压器电路共有它们磁回路的至少一部分。该共有在空间上可看出，即这在相同的部位上发生。由变压器绕组和谐振扼流圈的绕组产生的磁回路的共同的部分、也称为共同的部段是共同的磁路。亦即按照本发明，与变压器的次级绕组一起，存在与谐振扼流圈组合的或耦合的变压器作为集成的部件。下面，“变压器”总是可理解为物理的变压器，其中，通过附注“理想”分开地指出理想的变压器。
按照本发明，提出一种组合的变压器并且在一种实施形式中提出一种组合的LLC变压器。组合的变压器的构造的特点在于磁性的谐振部件以及变压器的组合的布置形式。通过磁性的谐振部件的按照本发明的集成，能够实现按照本发明的任务在部件数量、结构空间、成本以及重量方面要实现的节省。此外，组合的LLC变压器的实现能够不借助额外部件地进行。例如，相比于包括变压器和与此分离的谐振扼流圈的LLC谐振转换器而言，不需要另外的构件用于构造组合的变压器。
在按照本发明的组合的变压器的一种实施形式中，初级变压器绕组和谐振扼流圈的绕组这样相对彼此设置，使得第一磁回路的第一磁通和第二磁回路的第二磁通在对于第一部分和第二部分共同的磁路上至少部分地相消地重叠。亦即以具有谐振电感值的谐振扼流圈和具有磁化电感值的变压器的形式的各谐振部件这样设置或连接，使得磁回路的磁通在共同的磁路上完全或部分地相消地重叠。
通过磁通的相消的重叠、即其至少部分的相减引起，在共同的磁路的该部分中，磁通渗透的材料或介质相比于没有相消的重叠的情况具有更小的总通量密度。以这种方式，在相同的磁通的情况下，在共同的路径的部位上需要的磁性的横截面可以相比于在非相消的重叠中减少。由这两个磁通造成的通量小于相应的磁通本身(单通量)。更准确地说是，相消的重叠引起，造成的通量的量小于这两个在共同的路径上引导的磁通的较大的通量的量。
在按照本发明的组合的变压器的另一种实施形式中，相消的重叠通过初级变压器绕组和谐振扼流圈的布置形式、绕组方向和/或布线引起。
布置形式表示谐振扼流圈和初级变压器绕组相对彼此的部位或定位。如果谐振扼流圈和初级变压器绕组放置在一个芯体上，则它们可以处于芯体的多个可能的芯子的分别一个芯子上。芯体类型又从芯体的多个可能的类型中选择。谐振扼流圈和初级变压器绕组的绕组方向分别确定磁通的方向。按照布置形式和布线，谐振扼流圈和初级变压器绕组反向或同向地缠绕。谐振扼流圈和初级变压器绕组的布线影响电流流过谐振扼流圈和初级变压器绕组的时间上的顺序和方向。电流流过谐振扼流圈和初级变压器绕组的时间上的顺序和方向(除了布置形式和绕组方向之外)确定何时并且以何方向产生磁通。
可能的布线可以通过谐振扼流圈和初级变压器绕组的分别一个接头的相互没有中间元件的简单的、必要时直接的电连接发生。在谐振扼流圈和初级变压器绕组的该串联中，相同的电流流过谐振扼流圈和初级变压器绕组。由此保证，在相同的时间在谐振扼流圈和初级变压器绕组中分别产生磁通，从而所述磁通在共同的磁路中(在任何情况下)可以重叠。
谐振扼流圈和初级变压器绕组的布置形式、绕组方向和/或布线的组合按照本发明这样发生，即谐振扼流圈和初级变压器绕组的磁通在共同的磁路中部分地或完全相消地重叠。
在按照本发明的组合的变压器的一种特别的实施形式中，第一磁回路和第二磁回路沿芯体引导。
在按照本发明的组合的变压器的另一种实施形式中，第一磁回路和第二磁回路至少部分地沿芯体的分别不同的芯体区段引导。
芯体用于磁通在磁回路中的针对性的空间的引导并且通常由具有高的磁导率的材料、例如铁素体或铁制成。
芯体可包括多个芯体区段。在此，存在芯体的至少两个部件，所述部件分别由磁通彼此独立地流过。芯体也可具有多于两个的芯体区段。在芯体的一个部件上，在一种实施形式中所述两个磁通可以共同被引导、例如在一个共同的芯子中。
芯体的一半可以分别圆形地设置在圆形电路中，例如在蛋芯体形状中亦或构成为包括必要时开口的端部的各个芯子。
在按照本发明的组合的变压器的另一种实施形式中，芯体的有磁性效果的横截面在对于第一部分和第二部分共同的磁路的部位上相对于在对于第一部分和第二部分共同的磁路之外的另一个部位而言减少。
通过相消的重叠，相比于不存在相消的重叠时而言引起更小的总通量。换句话说：磁通在该部位上通过相消的重叠相比于在共同的路径外的部位上更小。为了获得相同的磁通密度，可以在较小的磁通时将材料/介质的有磁性效果的横截面在共同的路径的部位上较小地选择。以这种方式，相比于没有相消的重叠的部位上而言，较薄的材料/介质和/或具有较小的横截面的材料/介质在该部位上是可能的。由此，按照本发明的组合的变压器的体积和结构空间可以减少。
材料/介质的正交于磁通的流动方向的横截面定义为有磁性效果的横截面。因为该磁通通常沿芯体的材料/介质的纵向延伸部或大致平行于芯体的材料/介质的纵向延伸部延伸，所以有磁性效果的横截面通常对应于材料/介质的横截面。
为了减少需要的磁性的横截面，谐振扼流圈和初级变压器绕组此外这样连接并且缠绕，使得磁通在共同的路径上相消地重叠。
芯体的材料/介质的横截面可以相比于不处于磁回路的共同的路径上的部位上的芯体的材料/介质的横截面而言减少。这样，芯体的厚度或横截面可以在共同的路径的相消重叠的部分中小于在芯体、例如芯体半部的如下区域中，在所述区域上，磁通不共同地引导。以另一种考察方式，芯体的有磁性效果的横截面可以相比于当磁通不相消重叠时需要的横截面而言减少。如果它们例如正重叠，则横截面必须比在只由两个磁通之一流过的部位上还较大。
在按照本发明的组合的变压器的一种特别的实施形式中，初级变压器绕组和谐振扼流圈的绕组缠绕到芯体的不同的芯子上。敞开的芯子能够实现谐振扼流圈和初级变压器绕组围绕芯体的简单的缠绕。在封闭的回路或芯体中，用于每个绕组的线必须耗费地穿过。只要对于给定的应用需要的，则谐振扼流圈和初级变压器绕组可以分别缠绕到环或半壳上。
在组合的变压器的一种按照本发明的实施形式中，所述芯体作为PQ芯体或作为E芯体构成。对于这些芯体可以给出适合的缠绕体，所述缠绕体允许绕组在芯体上的预制、绝缘的装配以及绕组例如在电路板上的连接。
在按照本发明的组合的变压器的另一种实施形式中，初级变压器绕组和谐振扼流圈的绕组一体地缠绕。以这种方式，谐振扼流圈的绕组和初级变压器绕组能够以唯一的线缠绕。理想地，所述缠绕在一个工步中发生，这简化了制造。在此，可以首先将第一绕组围绕芯子缠绕，然后将线引导至第二芯子并且在那里借助相同的装置缠绕第二绕组。
在按照本发明的组合的变压器的一种特别的实施形式中规定，当谐振扼流圈与电容器电连接时，将组合的变压器作为LLC变压器使用。包括连接的谐振电路的电路可以通过带有电容器的布线实现。
此外，本发明包括LLC谐振转换器，其包括组合的变压器，所述组合的变压器具有初级变压器绕组和包括绕组的谐振扼流圈，所述初级变压器绕组设计用于，在运行中产生第一磁通，所述第一磁通构成第一磁回路，所述谐振扼流圈设计用于，在运行中产生第二磁通，所述第二磁通构成第二磁回路，其中，初级变压器绕组和谐振扼流圈的绕组这样相对彼此设置，使得第一磁回路的至少一个第一部分和第二磁回路的至少一个第二部分在对于第一部分和第二部分共同的磁路上延伸。
LLC谐振转换器的谐振扼流圈、初级变压器绕组和次级变压器绕组的迄今的多部件的布置形式按照本发明转变为如下布置形式，在所述布置形式中，包括初级和次级变压器绕组的变压器附加地具有谐振扼流圈，由此LLC谐振转换器的磁性的谐振部件集成在一个构件中。以这种方式实现，提供一种谐振的LLC谐振转换器，其在保持有效功率的情况下在复杂性减少的意义中的特点在于实现的经济性和简单性。在部件数量、结构空间、成本以及重量范围的节省以及构造的改善的简单性可以利用按照本发明的组合的变压器对于按照本发明的LLC谐振转换器实现。
附图说明
下面借助附图进一步解释本发明的实施例。为了较好的直观性，在各附图中省去按照比例或忠于比例的示出。只要不另外地给出，在各附图中相同的附图标记表示具有相同意义的相同的部件。附图如下：
图1示出包括按照本发明的组合的变压器的电的等效连接图的按照本发明的LLC谐振转换器的电路图；
图2A示出在图1中示出的按照本发明的组合的变压器的磁性的等效连接图；
图2B示出图1的按照本发明的组合的变压器的电的等效连接图；
图3示出包括按照本发明的LLC变压器的LLC谐振转换器的模拟结果；以及
图4示出在按照本发明的组合的变压器的一个共同的芯体上的初级变压器绕组和谐振扼流圈的绕组的构造。
具体实施方式
图1示出按照本发明的LLC谐振转换器10的电路图，包括具有谐振电感值Lr的谐振扼流圈4和具有磁化电感值Lm的变压器在一个构件、即在按照本发明的组合的变压器16中的集成。实际的组合的变压器16具有理想的变压器3，所述变压器并联于组合的变压器16的具有磁化电感值Lm的主电感8地接通。
在图1中示出的谐振的LLC谐振转换器10具有所谓的LLC拓扑结构，其具有谐振网络，所述谐振网络包括谐振扼流圈4、变压器的具有磁化电感值Lm的主电感8和具有谐振电容Cr的谐振电容器5。在按照本发明的组合的变压器16(该组合的变压器集成地包括芯体、谐振扼流圈4的绕组、变压器的初级绕组和次级绕组)上，在初级侧连接有谐振电容器5，从而谐振扼流圈4、主电感8和谐振电容器5形成谐振振荡电路12。组合的变压器16作为LLC变压器结合到谐振振荡电路12中。
在整个负载范围上，能够无电压或几乎无电压地利用晶体管全桥的开关晶体管T1-T4切换(零电压开关)，由此能够以高的效率实现以高能效的运行。此外，按照本发明的LLC谐振转换器10具有高的功率密度。
此外，具有容量C_ZK的输入中间电路电容器6属于示出的电路，所述输入中间电路电容器为电路供以转换的直流电压。该电压在输入侧上存在在具有开关晶体管T1-T4的晶体管全桥上。
在输出侧上在开关晶体管T1-T4上存在的电桥电压11是谐振振荡电路12中的输入电压，所述谐振振荡电路具有谐振电容器5、谐振扼流圈4和主电感8。在谐振振荡电路12上的输入电压造成谐振振荡电路12中的电流强度。与谐振相关的电流流动经过开关晶体管T1-T4。因此，按照电流方向两个所述开关晶体管T1、T2或T3、T4形成用于谐振电流的通道。切换有利地总是在如下情况中，即在开关晶体管T1-T4上的电压差趋于零(零电压开关)时。
与谐振扼流圈4组合的变压器16在次级侧连接到输出整流器上，所述输出整流器具有整流二极管D1-D4。在整流器的输出侧上存在转换的直流电压，所述直流电压在图1中用于构成负载输出到替代负载上，所述替代负载通过具有阻抗值R_L的阻抗7并联连接于具有输出电容器容量C_OUT的输出电容器9构成。
图2A示出在图1中示出的按照本发明的组合的变压器16的磁性的等效连接图。在磁性的芯体21上，缠绕有初级侧的变压器绕组1和次级侧的变压器绕组2。在谐振扼流圈4的磁性的芯体22上缠绕有谐振扼流圈4的绕组。在另一种实施形式中，磁性的芯体21和谐振扼流圈4的磁性的芯体22能够一起一件式或分别多件式地构成。谐振扼流圈4和初级变压器绕组1串联连接并且与电的接头25在初级侧连接，在运行中，当电流I1流过初级侧的变压器绕组1和谐振扼流圈4时，电桥电压11存在在所述接头上。次级侧的变压器绕组2与电的接口26在次级侧连接，在运行中，当另一电流I2流过次级侧的变压器绕组2时，则输出电压下降，所述输出电压形成用于包括整流二极管D1-D4的输出整流器的输入电压(参看图1)。
在运行中，通过初级侧的变压器绕组1产生磁通，所述磁通构成变压器的第一磁回路27(变压器电路)，所述第一磁回路由初级侧的变压器绕组1、磁性的芯体21和次级侧的变压器绕组2形成。在运行中，通过谐振线圈4的绕组产生另一磁通，所述另一磁通构成谐振扼流圈4的第二磁回路28(谐振电路)。
通过在初级侧的变压器绕组1和谐振线圈4的绕组上的点和加号(未示出)确定，在穿过谐振扼流圈4的绕组和初级侧的变压器绕组1时，是否从所述点使得具有磁性的芯体21和谐振扼流圈4的磁性的芯体22的一部分的芯体区段23被由初级变压器绕组产生的磁通和另一个由谐振扼流圈4产生的磁通以相同的方向环绕。因此，在相对彼此关系中，两个绕组能够以同向或反向地缠绕。在可以完全或部分地具有彼此接合的并且相互组合的芯体21和22的中间的接片区段的芯体区段23中，由初级变压器绕组产生的磁通和另一个由谐振扼流圈4的绕组产生的磁通在共同的磁路29上重叠。如芯体区段23，磁路29可以完全或部分地具有相互组合的芯体21和22的中间的接片区段。
为了减少对于谐振扼流圈4的绕组和初级变压器绕组1的磁通共同的芯体区段23需要的磁性的横截面，谐振扼流圈4和初级变压器绕组1这样连接和/或缠绕，使得分别产生的磁通在共同的磁路29上至少部分地相消地重叠。
图2B示出图1的按照本发明的组合的变压器16的电的等效连接图。对应于图2A，可看出具有谐振电感值Lr的谐振扼流圈4和组合的变压器16的初级侧的初级侧的串联连接，所述组合的变压器16作为磁化电感值Lm和理想的变压器3构成。当电流I1流过初级侧的变压器绕组1和谐振扼流圈4时，从初级侧的变压器绕组1到磁性的芯体21中感应出磁通，所述磁通按照感应定律在次级侧的变压器绕组2中感应出电压，所述电压导致通过次级侧的变压器绕组2的另一个电流I2。
图3示出利用按照本发明的LLC变压器对以按照图1的电路的LLC谐振转换器的以时间上的相关性的模拟结果，所述LLC变压器除了初级的和次级变压器绕组1和2之外附加地具有谐振扼流圈4的绕组。示出的模拟值来自电桥电压31、谐振振荡电路12中的电流强度32、共同的磁路29的芯体调制33、包括谐振扼流圈4或谐振电路28的路径的芯体调制34以及变压器电路27的路径的芯体调制35。
在此，模拟的电桥电压31预告电桥电压11，而谐振振荡电路12中的模拟的电流强度32预告谐振振荡电路12的电流11。
共同的磁路29的模拟曲线33是谐振电路28和变压器电路27的模拟曲线34、35的重叠。
在图4中以另一种实施形式示出按照本发明的组合的变压器，其中，共同的芯体41在分别一个芯子上将变压器绕组1和2以及谐振扼流圈4的绕组纵向相继设置地支承。因此，初级变压器绕组1和谐振扼流圈4的对称轴线(大致)形成直线。圆弧或椭圆形的部分件同样是可能的。初级变压器绕组1和谐振扼流圈4这样缠绕并且由电流流过，使得磁通方向这样构成，即，通过磁通形成的磁回路27、28在一个部位上相消地重叠。
在示出的布置形式中，初级变压器绕组1和谐振扼流圈4的绕组相继地设置并且分别构成沿相同的方向的磁通。磁回路27的进入变压器绕组1中的通量与谐振扼流圈4的回路28的磁通重叠。在此，初级变压器绕组1和谐振扼流圈4的磁通完全或部分地减去芯体41的部分17。
该相减发生在中间接片42上，共同的磁路29延伸通过所述中间接片。中间接片42是芯体41的部分。从该中间接片42出发，两个磁通沿它们相应的磁回路27、28在芯体41的相应的半壳中传输。
中间接片42的接片宽度可以在该布置形式中比在两个磁路27、28不相消地重叠的情况中更薄。减少的接片宽度减少组合的变压器16和LLC谐振转换器10的总尺寸，组合的变压器16安装在所述LLC谐振转换器中。
本发明的参考示出的实施形式所述的特征、例如初级变压器绕组1和谐振扼流圈4纵向相继地在共同的芯体41的分别一个芯子上以初级变压器绕组1和谐振扼流圈4的(大致)形成直线的对称轴线的布置形式也可以在本发明的其他的实施形式中存在，例如初级变压器绕组1和谐振扼流圈4纵向相继地在共同的芯体41的分别一个芯子上以初级变压器绕组1和谐振扼流圈4的(大致)形成圆弧或椭圆形的部分件的对称轴线的布置形式，除非另外给出或出于技术的原因自动禁止。

Claims (9)

1.用于LLC谐振转换器的组合的变压器(16)，
-包括初级变压器绕组(1)，所述初级变压器绕组设计用于，在运行中产生第一磁通，所述第一磁通构成第一磁回路(27)，并且
-包括具有绕组的谐振扼流圈(4)，所述谐振扼流圈设计用于，在运行中产生第二磁通，所述第二磁通构成第二磁回路(28)，其中，
-所述初级变压器绕组(1)和谐振扼流圈(4)的绕组相对彼此设置，使得第一磁回路(27)的至少一个第一部分和第二磁回路(28)的至少一个第二部分在对于所述第一部分和所述第二部分共同的磁路(29)上延伸，其中，第一磁回路(27)和第二磁回路(28)沿芯体引导并且第一磁回路(27)和第二磁回路(28)至少部分地在该芯体的分别不同的区段上引导，所述不同的区段在作为该芯体的一部分的中间接片处彼此接合并且相互组合，其中，从所述中间接片出发，第一磁通和第二磁通分别沿着其各自的磁回路在该芯体的相应的区段上引导，并且所述共同的磁路沿着所述中间接片引导，其中，所述初级变压器绕组(1)和谐振扼流圈(4)的绕组这样相对彼此设置，使得第一磁回路(27)的第一磁通和第二磁回路(28)的第二磁通在对于所述第一部分和所述第二部分共同的磁路(29)上至少部分地相消地重叠。
2.按照权利要求1所述的组合的变压器(16)，其中，所述相消的重叠通过初级变压器绕组(1)和谐振扼流圈(4)的布置形式、绕组方向和/或布线引起。
3.按照权利要求1所述的组合的变压器(16)，其中，芯体(41)的有磁性效果的横截面(42)在对于第一部分和第二部分共同的磁路(29)的部位上相比于对于第一部分和第二部分共同的磁路之外的另一部位而言减少。
4.按照权利要求2所述的组合的变压器(16)，其中，芯体(41)的有磁性效果的横截面(42)在对于第一部分和第二部分共同的磁路(29)的部位上相比于对于第一部分和第二部分共同的磁路之外的另一部位而言减少。
5.按照权利要求1至4之一所述的组合的变压器(16)，其中，初级变压器绕组(1)和谐振扼流圈(4)的绕组缠绕到芯体(41)的不同的芯子上。
6.按照权利要求1至4之一所述的组合的变压器(16)，其中，芯体(41)构成为PQ芯体或E芯体。
7.按照权利要求1至4之一所述的组合的变压器(16)，其中，初级变压器绕组(1)和谐振扼流圈(4)的绕组一体地缠绕。
8.按照权利要求1至4之一所述的组合的变压器(16)，其中，当谐振扼流圈(4)与电容器(5)电连接时，组合的变压器(16)可作为LLC变压器使用。
9.包括按照权利要求1至8之一所述的组合的变压器(16)的LLC谐振转换器(10)。
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