CN114337294A - Llc拓扑结构的磁集成变换器的设计方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种LLC拓扑结构的磁集成变换器的设计方法，包括：S1、确定LLC变换器的设计规格；S2、根据LLC变换器的设计规格，设计得到LLC变换器的电气参数；S3、根据LLC变换器的电气参数确定磁芯和骨架结构，得到对应的磁芯和骨架结构参数；S4、确定绕组结构，得到关于绕组几何参数；S5、利用漏感系数A_σ的定义式，计算初次级绕组的距离d_s；S6、根据计算所得的参数进行变换器的绕制。本发明还涉及一种LLC拓扑结构的磁集成变换器的设计装置，包括规格确定模块，绕组结构确定模块，参数计算模块以及变换器绕制模块。本发明利用变换器漏感来代替谐振电感的功能，实现磁集成变换器的设计，适用于大多数具有对称结构的磁芯和骨架。

Description

LLC拓扑结构的磁集成变换器的设计方法及装置

技术领域

本发明涉及变换器技术领域，尤其涉及一种LLC拓扑结构的磁集成变换器的设计方法及装置。

背景技术

目前LLC拓扑结构的开关电源磁集成变压器的设计方法主要有两种方法，一种是利用变压器的漏感作为谐振电感实现LLC变压器的磁集成，此方法需要通过有限元仿真，反复迭代变压器模型结构以确定漏感的大小。另一种方法是利用独立绕组作为谐振电感以实现LLC磁集成变压器，这种设计方法通过变压器的等效磁路模型，用解析的法建立磁路的等效模型以确定漏感的大小。

目前，第一种利用变压器的漏感作为谐振电感实现LLC变压器的磁集成的方案，由于需要进行有限元仿真，同时缺少对物理模型的直观理解，在确定漏感及绕组结构时往往需要反复迭代，以得到所期望的结果，在工程运用中并不友好，因此并未得到广泛的应用。

第二种利用独立绕组作为谐振电感以实现LLC磁集成变压器的方案，在设计时建模过程复杂，工程应用有困难，同时因为有独立绕组的存在，在绕组结构的选择和变压器的小型化存在限制。

综上，上述两种磁集成方案存在磁集成漏感不易控制，绕组结构选择不灵活，不便于工程应用等缺点。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，提供一种磁集成漏感方便控制，绕组结构选择灵活的LLC拓扑结构的磁集成变换器的设计方法及装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种LLC拓扑结构的磁集成变换器的设计方法，包括：

S1、确定LLC变换器的设计规格；

S2、根据所述LLC变换器的设计规格，设计得到LLC变换器的电气参数；

S3、根据所述LLC变换器的电气参数确定磁芯和骨架结构，得到对应的磁芯和骨架结构参数；

S4、确定绕组结构，得到关于绕组几何参数；

S5、利用漏感系数A_σ的定义式，计算初次级绕组的距离d_s；

S6、根据计算所得的磁芯和骨架结构参数、绕组几何参数和初次级绕组的距离d_s进行变换器的绕制。

进一步地，所述步骤S1具体包括：

S1-1、确定LLC变换器的额定输入电压V_{in_nom}、输出电压V_{o_nom}、额定输出功率P_r和谐振频率f_r；

S1-2、根据所述输出电压V_{o_nom}和额定输出功率P_r确定输出电流I_o。

进一步地，所述步骤S2具体包括：

S2-1、根据所述的额定输入电压V_{in_nom}和输出电压V_{o_nom}确定LLC变换器匝比n；

S2-2、根据峰值谐振频率和自然谐振频率f₀确定电感比m；

S2-3、根据所述电感比m确定质量因数Q_e；

S2-4、确定谐振电感L_r和励磁电感L_m。

进一步地，所述谐振电感

所述励磁电感

其中，C_r为谐振电容，f_r为谐振频率，L_r为次级绕组短路在初级侧测得的电感值，L_p为次级绕组开路时在初级侧测得的电感值。

进一步地，所述步骤S3具体包括：

利用磁芯面积乘积法或磁芯几何参数法确定磁芯和骨架，得到磁芯和骨架结构参数。

进一步地，所述磁芯和骨架结构参数包括磁导率μ_o和绕组平均每匝长度MTL。

进一步地，所述步骤S4具体包括：

确定初级绕组和次级绕组电流的大小，计算得到初级绕线和次级绕线的规格；根据所得的初级绕线和次级绕线的规格确定绕组结构，得到关于绕组几何参数；

进一步地，所述绕组几何参数包括绕组高度d_H和绕组宽度d_w。

进一步地，所述步骤S5具体包括：

经磁场能量分析后得到谐振电感L_r与漏感系数A_σ的关系为：

L_r＝A_σ(1+k)N₁ ²；

其中k为原副边绕组的耦合系数：

经变换得到初次级绕组的距离d_s为表达式为：

其中，N₁为变压器初级线圈匝数，A_σ为漏感系数，d_H为绕组高度，μ_o为磁导率，MTL为绕组平均每匝长度，d_w为绕组宽度。

进一步地，还包括步骤S7：

S7、在得到期望的谐振电感L_r后，通过调整气隙的大小调整励磁电感L_m的大小，以满足LLC变换器设计的需要。

本发明还构造了一种LLC拓扑结构的磁集成变换器的设计装置，所述设计装置包括：

规格确定模块，用于确定LLC变换器的设计规格；

绕组结构确定模块，用于确定绕组结构，得到关于绕组几何参数；

参数计算模块，用于根据所述LLC变换器的设计规格，设计得到LLC变换器的电气参数，根据所述LLC变换器的电气参数确定磁芯和骨架结构，得到对应的磁芯和骨架结构参数，以及利用漏感系数A_σ的定义式，计算初次级绕组的距离d_s；

以及变换器绕制模块，根据计算所得的磁芯和骨架结构参数、绕组几何参数和初次级绕组的距离d_s进行变换器的绕制。

实施本发明具有以下有益效果：本发明可以实现利用变换器漏感来代替谐振电感的功能，实现磁集成LLC变换器的设计，适用于大多数具有对称结构的磁芯和骨架。将谐振回路中的谐振电感通过变换器漏感实现，从而减小了磁性元件占整个电源的体积，提高电源的功率密度。同时给出了漏感的合理估计方法，实现了漏感的可控，简化了磁集成LLC变换器的设计流程。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明LLC拓扑结构的磁集成变换器的设计方法的流程图；

图2是本发明的LLC拓扑结构的开关电源磁集成变换器的变压器全初级等效模型原理图；

图3是图2的交流等效模型图；

图4是本发明LLC拓扑结构的磁集成变换器的结构图；

图5是本发明LLC拓扑结构的磁集成变换器的设计装置的结构图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。以下描述中，需要理解的是，“前”、“后”、“上”、“下”、“左”、“右”、“纵”、“横”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“头”、“尾”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系、以特定的方位构造和操作，仅是为了便于描述本技术方案，而不是指示所指的装置或元件必须具有特定的方位，因此不能理解为对本发明的限制。

还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，“安装”、“相连”、“连接”、“固定”、“设置”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。当一个元件被称为在另一元件“上”或“下”时，该元件能够“直接地”或“间接地”位于另一元件之上，或者也可能存在一个或更多个居间元件。术语“第一”、“第二”、“第三”等仅是为了便于描述本技术方案，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量，由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。

如图1所示，为本发明的一种LLC拓扑结构的磁集成变换器的设计方法，在本发明中，将LLC拓扑结构的磁集成变换器简称为LLC变换器。该设计方法包括以下步骤：

S1、确定LLC变换器的设计规格；

LLC变换器的设计规格具体包括确定变换器的最小输入电压V_{in_min}、正常输入电压V_{in_nom}、最小输入电压V_{in_max}、输出电压V_{o_nom}、额定输出功率P_r、输出电流I_o、期望效率η₁、谐振频率f_r等。

进一步地，步骤S1具体包括：

S1-1、确定LLC变换器的正常输入电压V_{in_nom}、输出电压V_{o_nom}、额定输出功率P_r和谐振频率f_r；

S1-2、根据输出电压V_{o_nom}和额定输出功率P_r确定输出电流I_o。

S2、根据所述LLC变换器的设计规格，基于基波近似法进行主电路参数设计，得到LLC变换器的电气参数；该参数主要包括LLC变换器匝比n、电感比m、谐振电容C_r、谐振电感L_r、励磁电感L_m等。

进一步地，步骤S2具体包括：

S2-1、根据正常输入电压V_{in_nom}和输出电压V_{o_nom}确定LLC变换器匝比n；

具体的，LLC变换器匝比为：

参见图2-3，在全初级等效模型中，等效匝比n_t为：

n_t＝n·M_v；

其中，V_{in_nom}为变换器的正常输入电压，V_{o_nom}为变换器的输出电压。M_v为虚拟增益；

S2-2、根据峰值谐振频率和自然谐振频率f₀确定电感比m；峰值谐振频率是增益曲线峰值时所对应的频率值；

电感比的定义式为：

其中，L_p为短路副边绕组在原边测得的电感，L_r为谐振电感。

S2-3、根据电感比m确定质量因数Q_e；

现需确定电感比m以及质量因数Q_e，不同的应用需要不同的L_p和Q_e实现优化的设计，较小的m虽然可以获得较大的峰值增益，使设计原理容性区域。但是由于m的定义为L_p与L_r的比值，较小的m意味着相对较小的L_m，而小的L_m会导致较大的励磁电流，这对ZVS是有利的，但会增加变压器的铜损和铁损，导致效率的降低。较小的Q_e同样也可以获得较高的峰值增益，当频率一定时，较小的Q_e可以实现较宽的增益调整，也就是说，较小的Q_e会使增益曲线变得更陡，斜率更大。但是过小的Q_e可能使频率显著影响增益的大小。同样，过大的Q_e可能会造成较低的峰值电压增益，这可能无法满足设计要求。

对电感比m进行选取时应考虑到尽量使变换器运行范围在峰值谐振频率和自然谐振频率之间，然后根据所选的m值，在最大峰值增益曲线上，根据最大峰值增益考虑适当的Q_e值，Q_e满载时：

其中，L_r是谐振电感，C_r是谐振电容，Req为等效负载；

等效负载为：

其中，n是变换器匝比，V_{o_nom}是变换器的输出电压，I_o是变换器的输出电流。

具体的，谐振电容为：

其中，Q_e为质量因数，f_r为谐振频率，Req为等效负载。

谐振电感为：

其中，f_r为谐振频率，C_r为谐振电容。

励磁电感为：

其中，L_p为短路副边绕组在原边测得的电感，L_r为谐振电感。

根据谐振电感L_r和谐振电容C_r可求出自然谐振频率为：

其中，L_r为谐振电感，C_r为谐振电容。

S3、根据所述LLC变换器的电气参数确定磁芯和骨架结构，得到对应的磁芯和骨架结构参数；

步骤S3具体包括：

利用磁芯面积乘积法或磁芯几何参数法确定磁芯和骨架，得到磁芯和骨架结构参数。

磁性元件的设计首先要选择合适的磁芯材料，磁芯材料主要分为以下几类：金属软磁材料，铁氧体软磁材料和其他新型软磁材料。与金属软磁材料相比，铁氧体软磁材料具有高磁导率，高电阻率，低涡流损耗等特点，这使得铁氧体材料在高频应用中具有很大的优势。同时与其他新型软磁材料相比，铁氧体的性价比高。因此在开关变换器的设计中，通常采用铁氧体材料作为变压器的磁芯。

变压器设计通常有两种方法，分别为AP(磁芯面积乘积法)和KG法(磁芯几何参数法)。第一种方法是先求出磁芯窗口面积A_w和磁芯有效截面积A_e的面积乘积，再根据AP值选取合适的磁芯尺寸。第二种KG法是求出磁芯的几何参数，即计算出磁芯的具体尺寸，再选取合适的磁芯型号进行设计。

本实施例中使用采取AP法进行变压器的设计，根据电磁感应定律求出AP值为：

其中，n为变换器匝比，V_{o_nom}为输出电压，I_{m_max}为当变换器工作在最小频率时的励磁电流，K_w为窗口系数，j为电流密度，B_m为最大磁通密度，f_{s_min}为在满载条件下变换器的最小频率，M_v为虚拟增益。

根据计算好的AP值选取合适的磁芯，得到关于磁芯和骨架的参数。根据磁芯和骨架结构可确定出磁导率μ_o、绕组平均每匝长度MTL。

S4、确定原副边绕组电流的大小，分别计算原边绕组额定电流I_wp和二次侧绕组额定电流I_sw；计算得到原副边绕线的规格；根据所述原副边绕线的规格确定绕组结构，得到关于绕组几何参数；绕组几何参数包括绕组高度d_H、绕组宽度d_w。

由于导线流过高频电流时，会产生集肤效应，因此在设计高频变压器时，一次侧和二次侧绕线的线径需要考虑集肤深度的影响。通常要求绕线的直径不大于两倍的集肤深度。因此，我们可以通过选择合适直径的漆包线来设计原副边绕线的股数，基于之前得到的原副边电流的值，分别计算原副边绕组的股数，由于次级采用中心抽头的形式，为了使副边漏感对称，次级采用双线并绕的方式。

S5、利用漏感系数A_σ的定义式，计算初次级绕组的距离d_s；

如图4所示，为对称式磁芯骨架的分布式绕组结构，其中，包括骨架1，磁芯2，初级绕组3，次级绕组4和挡墙5。其初级绕组3为N₁匝，次级绕组4为N₂匝。在之后的讨论中我们忽略磁芯骨架的厚度和尺寸，只考虑分布绕组间的距离d_s。当短路次级绕组4，流入初级绕组3的电流I₁将在次级绕组4中感生出

大小的电流。此时磁芯2内部的磁通几乎为零。同时由于铁磁材料的高磁导率，磁芯2内部的磁场强度可以忽略不计，因此忽略储存在磁芯中的能量，我们可以推导出此时漏感中的能量大小为：

其中，k为原副边绕组的耦合系数：

假设沿窗口高度d_H方向的磁场强度为匀强磁场，我们可以得到H(x)：

通过以上表达式，我们可以得到关于漏感能量的表达式如下；

定义漏感系数A_σ为：

漏感系数A_σ是与磁芯和绕组结构相关的参数，它仅取决于所选磁芯和绕组的几何参数；

最后经变换可以得到初次级绕组的距离d_s为：

其中，A_σ为漏感系数，d_H为绕组高度，μ_o为磁导率，MTL为绕组平均每匝长度，d_w为绕组宽度。

S6、根据上述计算所得的磁芯和骨架结构参数、绕组几何参数和初次级绕组的距离d_s等进行变换器的绕制，即根据绕组平均每匝长度MTL、绕组高度d_H、绕组宽度d_w和初次级绕组的距离d_s进行绕制。变压器绕制完毕，短路次级绕组，测量所得的感量，根据实测值适当调整初次级绕组的距离d_s，最后达到期望的漏感值，根据实验可得，计算所得的精度在10％-15％，可以满足工程设计需求。在较小的调整范围内可以达到较好的结果，可以指导实际的工程实践，极大的方便的工程设计所需的时间和精力。

S7、在得到期望的谐振电感L_r后，通过调整气隙的大小调整励磁电感L_m的大小，以满足LLC变换器设计的需要的电感比m。

在已经确定变压器模型中L_r和L_p的大小情况下，通过分别使次级绕组短路和开路，可以在初级侧测得L_p与L_r。由于LLC变换器要求较大的L_r，故可以采用分段绕法实现期望的L_r值。对于分段绕法，匝数与绕组位置的分配是决定L_r取值的主要因素，磁芯的气隙长度对L_r的影响并不明显。通过调节气隙的长度，可以轻易的控制L_p的大小。

如图5所示，为本发明的一种LLC拓扑结构的磁集成变换器的设计装置，该设计装置包括：

规格确定模块，用于确定LLC变换器的设计规格；

绕组结构确定模块，用于确定绕组结构，得到关于绕组几何参数；

参数计算模块，用于根据LLC变换器的设计规格，设计得到LLC变换器的电气参数，根据LLC变换器的电气参数确定磁芯和骨架结构，得到对应的磁芯和骨架结构参数，以及利用漏感系数A_σ的定义式，计算初次级绕组的距离d_s；

以及变换器绕制模块，根据计算所得的磁芯和骨架结构参数、绕组几何参数和初次级绕组的距离d_s进行变换器的绕制。

本发明可以利用变换器漏感来代替谐振电感的功能，实现磁集成变压器的设计，适用于大多数具有对称结构的磁芯和骨架，推导了仅取决于几何参数的漏感系数A_σ，该参数仅取决于绕组和铁氧体磁芯的结构参数。将谐振回路中的谐振电感通过变压器漏感实现，减小了磁性元件占整个电源的体积，从而提高了电源的功率密度。

可以理解的，以上实施例仅表达了本发明的优选实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制；应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，可以对上述技术特点进行自由组合，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围；因此，凡跟本发明权利要求范围所做的等同变换与修饰，均应属于本发明权利要求的涵盖范围。

Claims (11)

1.一种LLC拓扑结构的磁集成变换器的设计方法，其特征在于，包括：

S1、确定LLC变换器的设计规格；

S2、根据所述LLC变换器的设计规格，设计得到LLC变换器的电气参数；

S3、根据所述LLC变换器的电气参数确定磁芯和骨架结构，得到对应的磁芯和骨架结构参数；

S4、确定绕组结构，得到关于绕组几何参数；

S5、利用漏感系数A_σ的定义式，计算初次级绕组的距离d_s；

S6、根据计算所得的磁芯和骨架结构参数、绕组几何参数和初次级绕组的距离d_s进行变换器的绕制。

2.根据权利要求1所述的LLC拓扑结构的磁集成变换器的设计方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括：

S1-1、确定LLC变换器的额定输入电压V_{in_nom}、输出电压V_{o_nom}、额定输出功率P_r和谐振频率f_r；

S1-2、根据所述输出电压V_{o_nom}和额定输出功率P_r确定输出电流I_o。

3.根据权利要求2所述的LLC拓扑结构的磁集成变换器的设计方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括：

S2-1、根据所述的额定输入电压V_{in_nom}和输出电压V_{o_nom}确定LLC变换器匝比n；

S2-2、根据峰值谐振频率和自然谐振频率f₀确定电感比m；

S2-3、根据所述电感比m确定质量因数Q_e；

S2-4、确定谐振电感L_r和励磁电感L_m。

4.根据权利要求3所述的LLC拓扑结构的磁集成变换器的设计方法，其特征在于，

所述谐振电感

所述励磁电感

其中，C_r为谐振电容，f_r为谐振频率，L_r为次级绕组短路在初级侧测得的电感值，L_p为次级绕组开路时在初级侧测得的电感值。

5.根据权利要求3所述的LLC拓扑结构的磁集成变换器的设计方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括：

利用磁芯面积乘积法或磁芯几何参数法确定磁芯和骨架，得到磁芯和骨架结构参数。

6.根据权利要求5所述的LLC拓扑结构的磁集成变换器的设计方法，其特征在于，所述磁芯和骨架结构参数包括磁导率μ_o和绕组平均每匝长度MTL。

7.根据权利要求6所述的LLC拓扑结构的磁集成变换器的设计方法，其特征在于，所述步骤S4具体包括：

确定初级绕组和次级绕组电流的大小，计算得到初级绕线和次级绕线的规格；根据所得的初级绕线和次级绕线的规格确定绕组结构，得到关于绕组几何参数。

8.根据权利要求7所述的LLC拓扑结构的磁集成变换器的设计方法，其特征在于，所述绕组几何参数包括绕组高度d_H和绕组宽度d_w。

9.根据权利要求8所述的LLC拓扑结构的磁集成变换器的设计方法，其特征在于，所述步骤S5具体包括：

经磁场能量分析后得到谐振电感L_r与漏感系数A_σ的关系为：

L_r＝A_σ(1+k)N₁ ²；

其中k为原副边绕组的耦合系数：

经变换得到初次级绕组的距离d_s为表达式为：

其中，N₁为变压器初级线圈匝数，A_σ为漏感系数，d_H为绕组高度，μ_o为磁导率，MTL为绕组平均每匝长度，d_w为绕组宽度。

10.根据权利要求1所述的LLC拓扑结构的磁集成变换器的设计方法，其特征在于，还包括步骤S7：

S7、在得到期望的谐振电感L_r后，通过调整气隙的大小调整励磁电感L_m的大小，以满足LLC变换器设计的需要。

11.一种LLC拓扑结构的磁集成变换器的设计装置，其特征在于，所述设计装置包括：

规格确定模块，用于确定LLC变换器的设计规格；

绕组结构确定模块，用于确定绕组结构，得到关于绕组几何参数；

参数计算模块，用于根据所述LLC变换器的设计规格，设计得到LLC变换器的电气参数，根据所述LLC变换器的电气参数确定磁芯和骨架结构，得到对应的磁芯和骨架结构参数，以及利用漏感系数A_σ的定义式，计算初次级绕组的距离d_s；

以及变换器绕制模块，根据计算所得的磁芯和骨架结构参数、绕组几何参数和初次级绕组的距离d_s进行变换器的绕制。

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