CN116864274A - 一种高效低成本一体组合式llc谐振变压器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高效低成本一体组合式LLC谐振变压器，包括变压器磁芯和谐振磁芯，变压器磁芯有两组并呈镜像分布的“E”型，两组所述变压器磁芯上下胶合固定在变压器塑胶骨架上，所述变压器塑胶骨架一侧安装有谐振电感塑胶骨架，所述谐振电感塑胶骨架上安装有谐振磁芯，所述谐振磁芯呈跑道型，所述变压器磁芯内设有绕组线圈，所述绕组线圈由初级绕组和次级绕组组成，所述初级绕组设于变压器塑胶骨架上，所述次级绕组设于变压器塑胶骨架与谐振电感塑胶骨架之间，使所述变压器磁芯与谐振磁芯共用同一绕组线圈，本发明提高了变压器的效率，使得整个LLC谐振变换器的效率得到提升，综合实现重量减轻化、低铜损优点。
Description
技术领域
本发明涉及变压器技术领域，尤其是涉及一种高效低成本一体组合式LLC谐振变压器。
背景技术
LLC的电源优点作为广泛应用电路，该电路优点是工作频率范围大，效率高，噪声小，器件少、高效率、高功率密度、低EMI的优秀电路拓补，现得到了广大工程师的应用，目前传统LLC变压器与谐振电感组合方案有两种，可详见以下说明：
目前传统的LLC谐振变压器的方案一般是采用双槽骨架，初级绕组和次级绕组分别绕在两边两个槽中，控制原副边隔离，达到较大的漏磁通提高漏感，这个漏磁通为漏感，可被利用实现成谐振电感。此方案存在的缺点是：气隙周围的磁场会对附近的绕组或导体产生边缘效率，引起较大损耗；双槽结构导致绕线窗口长度减少，窗口利用率降低，每层绕组的匝数减少而绕组的层数增加，因此导致邻近效应显著，交流电阻损耗增加，且绕组热不易散出。这些缺点在大功率应用中更加明显，导致大功率应用时谐振参数的磁集成困难，变压器变换效率下降，削弱了LLC谐振变压器高效率的优势。
而外置谐振电感的成本是要比集成的要高，单独制作一个谐振电感，用于将外置谐振电感串联在变压器原边，因为外置谐振电感材料会多出磁芯和骨架、绕电感的铜线等，增加材料成本与谐振电感制作成本，另电源制作的时候需要插件的成本，且PCB板需预留谐振电感的位置，体积增大。因为谐振电感工作的电流是交流的，所以磁感应强度工作在第一象限与第三象限，为了使磁芯的损耗不是很大，一般Bmax取值都比较低，这样导致用铁氧体磁芯的时候，中柱开的气息比较大，很容易引起谐振电感的涡流损耗大，导致温度比较高。
为此，本发明提出了一种高效率集成式LLC谐振变压器，将谐振电感集成在变压器内的优点，而且能明显改善传统方案以上存在的上述缺点，可适用于大小功率LLC谐振变压器设计。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种高效低成本一体组合式LLC谐振变压器，包括变压器磁芯和谐振磁芯，变压器磁芯有两组并呈镜像分布的“E”型，两组所述变压器磁芯上下胶合固定在变压器塑胶骨架上，所述变压器塑胶骨架一侧安装有谐振电感塑胶骨架，所述谐振电感塑胶骨架上安装有谐振磁芯，所述谐振磁芯呈跑道型，所述变压器磁芯内设有绕组线圈，所述绕组线圈由初级绕组和次级绕组组成，所述初级绕组设于变压器塑胶骨架上，所述次级绕组设于变压器塑胶骨架与谐振电感塑胶骨架之间，使所述变压器磁芯与谐振磁芯共用同一绕组线圈。
作为本发明的一种优选技术方案，所述谐振磁芯由两端镜像对称的U型磁芯拼接组成，两段所述U型磁芯之间设有一段或多段数量“一”字磁芯，所述U型磁芯与“一”字磁芯之间、相邻“一”字磁芯之间通过气隙片填充。
作为本发明的一种优选技术方案，所述初级绕组与次级绕组之间通过绝缘胶带隔离。
作为本发明的一种优选技术方案，所述内绕组线圈与外绕组线圈均采用利兹绞合线。
作为本发明的一种优选技术方案，所述变压器塑胶骨架上开设有用于谐振电感塑胶骨架卡合固定的安装卡位，使所述变压器塑胶骨架与谐振电感塑胶骨架能够相互卡合。
作为本发明的一种优选技术方案，所述谐振电感塑胶骨架内部开设竖向通孔，所述谐振磁芯穿过竖向通孔拼接组合，并通过钢夹固定。
作为本发明的一种优选技术方案，所述谐振磁芯选用选功率铁氧体、非晶、纳米晶材质，所述变压器磁芯采用功率铁氧体材质。
作为本发明的一种优选技术方案，所述变压器磁芯的底部设有底板，所述绕组线圈端部穿过底板上预设的通孔形成引脚。
作为本发明的一种优选技术方案，所述变压器磁芯通过环氧胶相互固定，所述变压器磁芯通过环氧胶固定在底板上。
与现有技术相比，本发明能达到的有益效果是：
1、本发明在剩余的原边绕组和副边之间增加了多段拼接的谐振磁芯，能够将LLC谐振电感集成在变压器内部，有效提高LLC谐振变换器的功率密度，初次绕组和次级绕组不再采用分槽绕制的方式，磁路长度大大减小，有效降低了初、次级绕组的层数从而减小了交流电阻，降低了邻近损耗，从而提高了变压器的效率，使得整个 LLC谐振变换器的效率得到提升，综合实现重量减轻化、低铜损优点；
2、初级绕组和次级绕组之间加入多段拼接呈跑道型的谐振磁芯，可以通过气隙片调整谐振磁芯的厚度，来调节变压器初级绕组和次级绕组的漏磁量，从而实现调节变压器集成的谐振电感的电感量。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的爆炸结构图；
图2为本发明的结构示意图；
图3为本发明谐振变压器的主视图；
图4为本发明谐振变压器的左视图；
图5为本发明谐振变压器的右视图；
图6为本发明谐振变压器的仰视图；
图7为本发明谐振变压器的俯视图。
其中：1、变压器磁芯；2、变压器塑胶骨架；3、谐振电感塑胶骨架；4、漆包绞合线；5、谐振磁芯；6、气隙片；7、钢夹；8、底板；9、环氧胶；10、绝缘胶带；11、引脚。
实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施例，进一步阐述本发明，但下述实施例仅仅为本发明的优选实施例，并非全部。基于实施方式中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得其它实施例，都属于本发明的保护范围。下述实施例中的实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
参阅图1～7所示，本发明提供一种高效低成本一体组合式LLC谐振变压器，包括变压器磁芯1和谐振磁芯5，变压器磁芯1有两组并呈镜像分布的“E”型，两组变压器磁芯1上下胶合固定在变压器塑胶骨架2上，变压器塑胶骨架2一侧安装有谐振电感塑胶骨架3，谐振电感塑胶骨架3上安装有谐振磁芯5，谐振磁芯5呈跑道型，变压器磁芯1内设有绕组线圈4，绕组线圈4由初级绕组和次级绕组组成，初级绕组设于变压器塑胶骨架2上，次级绕组设于变压器塑胶骨架2与谐振电感塑胶骨架3之间，使该变压器采用原边夹副边三明治绕法，使变压器磁芯1与谐振磁芯5共用同一绕组线圈4。
优选的，谐振磁芯5由两端镜像对称的U型磁芯拼接组成，两段U型磁芯之间设有一段或多段数量“一”字磁芯，U型磁芯与“一”字磁芯之间、相邻“一”字磁芯之间通过气隙片6填充，可以调整谐振磁芯5厚度，来调节变压器初级和次级的漏磁量，从而实现调节变压器集成的谐振电感的电感量。
优选的，初级绕组与次级绕组之间通过绝缘胶带10隔离。
优选的，内绕组线圈12与外绕组线圈4均采用利兹绞合线，其优势增加磁力线的耦合密度，有利于EMC，还有降低高频到来的邻近效应与趋肤效应。
优选的，变压器塑胶骨架2上开设有用于谐振电感塑胶骨架3卡合固定的安装卡位，使变压器塑胶骨架2与谐振电感塑胶骨架3能够相互卡合，用于谐振电感塑胶骨架3安装时的定位。
优选的，谐振电感塑胶骨架3内部开设竖向通孔，谐振磁芯5穿过竖向通孔拼接组合，并通过钢夹7固定，使谐振磁芯芯5能够得到固定。
优选的，谐振磁芯5选用选功率铁氧体、非晶、纳米晶材质，变压器磁芯1采用功率铁氧体材质，磁芯具有频宽、低损耗优势。
优选的，变压器磁芯1的底部设有底板8，绕组线圈4端部穿过底板8上预设的通孔形成引脚11，底板8采用FR4环氧板，用于定位引脚11的间距。
优选的，变压器磁芯1通过环氧胶9相互固定，变压器磁芯1通过环氧胶9固定在底板8上，实现变压器磁芯1在底板8上的安装与固定。
实施例
如图所示，本LLC谐振变压器采用原边夹副边三明治绕法，变压器磁芯1与谐振磁芯5共使用原边同一线圈，谐振磁芯5由两个呈“U”型半磁芯结构拼接组成，磁芯上下分为三段，并采用气隙片6等段隔离，然后拼装成跑道型的谐振磁芯5，谐振磁芯5可通过气隙片6调节磁导率满足谐振感量提高漏感需求，此设计优点留气隙是为了防止在工作中产生磁饱和，气隙片6的作用是减低磁导率，使线涠特性较少地依赖于磁芯材料的起始磁导率，气隙片6可以避免在交流大信号或直流偏置下的磁饱和现象，更好地控制谐振电感量，因为增加气隙的数量，能有效的减小边缘磁通到来的损耗，提高电感器的效率；
整体电路拓扑是在变压器的原边绕组上，变压器原边单独串联了一个谐振电感，电路上形成串联关系，漏感值形成增益效果；
此创新方案使用功率铁氧体材质磁芯组合，作为变压器磁芯1，变压器磁芯1形状呈“E”、“E”型（可应用不同磁芯形状）；谐振磁芯5呈跑道型，材质可选功率铁氧体、非晶、纳米晶，谐振磁芯5具有频宽、低损耗优势；
组成绕组线圈4的初级绕组和次级绕组全部使用利兹绞合线，其优势增加磁力线的耦合密度，有利于EMC，还有降低高频到来的邻近效应与趋肤效应；
实际数据对比：
原始方案：短路副边绕组测试漏感为2.5uH；
现创新方案：在原始方案基础上原边绕组串联一个谐振电感，漏感值可达到10uH（漏感值可调节磁芯气隙和磁芯截面积调整）；
增益漏感推算：变压器本身漏感值+串联谐振磁芯芯的电感值
谐振电感值公式：L=0.4π*u*N2*Ae*10-2/le
u:磁芯磁导率 N：匝数 Ae:磁芯有效截面积 Le:磁路长度
新电感绕线及组装步骤如下所示：
S1:先使用利兹绞合线原边1/2匝数绕在变压器塑胶骨架1上，绕组之间包绝缘胶带10隔离，然后紧接着绕副边绕组，绕完副边绕组后，利用谐振电感骨架3与变压器塑胶骨架3之间的卡位互相装配固定，将谐振电感塑胶骨架3固定，最后在谐振电感骨架（3）上使用利兹绞合线（4）绕完按剩余原边的1/2；
S2: 谐振磁芯5采用三段拼装组合，每段之间设置气隙片6，气隙片6采用NOMEX纸，调整气隙控制谐振电感量；
S4: 变压器塑胶骨架2带变压器磁芯1安装孔位，与谐振电感安装孔位，“E”型变压器磁芯组装在线圈中间空位，跑道型谐振磁芯5组装在原边与副边的中间空位，变压器磁芯1使用环氧胶9固定，谐振磁芯5用钢夹7固定，后再使用环氧胶9固定谐振磁芯5；
S5:变压器底部放一块FR4环氧板作为底板8，定位引脚11的距离，随后点上环氧胶9固定，以精准定位满足插件要求。
本发明在剩余的原边绕组和副边之间增加了多段拼接的谐振磁芯5，初次绕组和次级绕组不再采用分槽绕制的方式，磁路长度大大减小，有效降低了初、次级绕组的层数从而减小了交流电阻，降低了邻近损耗。
初级绕组和次级绕组之间加入多段拼接呈跑道型的谐振磁芯5，可以通过气隙片6调整谐振磁芯5的厚度，来调节变压器初级绕组和次级绕组的漏磁量，从而实现调节变压器集成的谐振电感的电感量。
本发明提供的高效率一体式LLC谐振变压器具备高集成度和高效率的特点，能够将LLC谐振电感集成在变压器内部，有效提高LLC谐振变换器的功率密度；在实际使用中，还可以有效降低气隙漏磁通对绕组造成的边缘效应；初级和次级的磁路得到扩宽，绕组层数减少，且变压器原边与谐振电感使用共同绕组，能有效降低了绕组的交流电阻，从而提高了变压器的效率，进而使得整个 LLC谐振变换器的效率得到提升，综合实现重量减轻化、低铜损优点，综合评估此方案成本可大幅减少，且完全能突破体积大，效率低缺点。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之 “上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的仅为本发明的优选例，并不用来限制本发明，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (9)
1.一种高效低成本一体组合式LLC谐振变压器，其特征在于：包括变压器磁芯和谐振磁芯，变压器磁芯有两组并呈镜像分布的“E”型，两组所述变压器磁芯上下胶合固定在变压器塑胶骨架上，所述变压器塑胶骨架一侧安装有谐振电感塑胶骨架，所述谐振电感塑胶骨架上安装有谐振磁芯，所述谐振磁芯呈跑道型，所述变压器磁芯内设有绕组线圈，所述绕组线圈由初级绕组和次级绕组组成，所述初级绕组设于变压器塑胶骨架上，所述次级绕组设于变压器塑胶骨架与谐振电感塑胶骨架之间，使所述变压器磁芯与谐振磁芯共用同一绕组线圈。
2.根据权利要求1所述的一种高效低成本一体组合式LLC谐振变压器，其特征在于：所述谐振磁芯由两端镜像对称的U型磁芯拼接组成，两段所述U型磁芯之间设有一段或多段数量“一”字磁芯，所述U型磁芯与“一”字磁芯之间、相邻“一”字磁芯之间通过气隙片填充。
3.根据权利要求1所述的一种高效低成本一体组合式LLC谐振变压器，其特征在于：所述初级绕组与次级绕组之间通过绝缘胶带隔离。
4.根据权利要求1所述的一种高效低成本一体组合式LLC谐振变压器，其特征在于：所述内绕组线圈与外绕组线圈均采用利兹绞合线。
5.根据权利要求1所述的一种高效低成本一体组合式LLC谐振变压器，其特征在于：所述变压器塑胶骨架上开设有用于谐振电感塑胶骨架卡合固定的安装卡位，使所述变压器塑胶骨架与谐振电感塑胶骨架能够相互卡合。
6.根据权利要求1所述的一种高效低成本一体组合式LLC谐振变压器，其特征在于：所述谐振电感塑胶骨架内部开设竖向通孔，所述谐振磁芯穿过竖向通孔拼接组合，并通过钢夹固定。
7.根据权利要求1所述的一种高效低成本一体组合式LLC谐振变压器，其特征在于：所述谐振磁芯选用选功率铁氧体、非晶、纳米晶材质，所述变压器磁芯采用功率铁氧体材质。
8.根据权利要求1所述的一种高效低成本一体组合式LLC谐振变压器，其特征在于：所述变压器磁芯的底部设有底板，所述绕组线圈端部穿过底板上预设的通孔形成引脚。
9.根据权利要求1所述的一种高效低成本一体组合式LLC谐振变压器，其特征在于：所述变压器磁芯通过环氧胶相互固定，所述变压器磁芯通过环氧胶固定在底板上。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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