CN117594333A - 一种大功率磁集成llc高频电感变压器及三相双向llc电路 - Google Patents

一种大功率磁集成llc高频电感变压器及三相双向llc电路 Download PDF

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Abstract

本发明属于电力电子谐振软开关和磁集成领域,公开了一种大功率磁集成LLC高频电感变压器及其应用的双向LLC电路,变压器包括对称设置的磁芯上颚、磁芯下颚和连接于磁芯上颚、磁芯下颚之间的三个主磁柱、三个辅助磁柱、变压器原边绕组、变压器副边绕组和谐振电感绕组,磁芯上颚和磁芯下颚均为等边三角形形状,三个主磁柱分别设置在三个角,三个辅助磁柱分别设置在三个主磁柱轴心与磁芯上颚、磁芯下颚中心连线上,变压器原边绕组和变压器副边绕组绕制在三个主磁柱上,谐振电感绕组绕制在三个辅助磁柱上。本方案有效的减小了磁通密度,与独立变压器相比大大缩减了磁芯的体积。

Description

一种大功率磁集成LLC高频电感变压器及三相双向LLC电路
技术领域
本发明涉及电力电子谐振软开关和磁集成领域,具体涉及一种大功率磁集成LLC高频电感变压器及三相双向LLC电路。
背景技术
三相谐振变换器具备软开关,损耗小,功率密度高等优点被广泛应用。但在磁性元器件设计上还存在不足。
三相LLC至少包含一个三相变压器,每一相包含一个原边谐振电感或者一个副边谐振电感,或者原副边各包含一个谐振电感。总体上谐振器件数量本身就比较多。
其次三相LLC变压器有两种方式,一种是每一相设置一个单相变压器,三相共使用三个单相变压器,这样做的好处是三相谐振参数容易做的一致,不足是使磁性原件数量进一步增多。另一种常规方法是使用EI或EE磁芯做一个三相变压器,这样可以减少磁性器件的数量,但不足在于三相EI或EE磁芯变压器本身的磁路特性容易导致三相的励磁电感和漏感不一致,导致谐振参数不一致,影响三相一致性和电流波形。
总之,现有双向三相llc本身存在三相谐振参数不一致问题和磁性元件数量多、占用空间大的问题。针对三相LLC的磁集成技术可以很好的解决这些问题。
发明内容
本发明目的是提供一种大功率磁集成LLC高频电感变压器,能够解决LLC谐振变换器中磁性元件体积偏大,磁性原件个数偏多的问题,解决三相LLC谐振变换器磁性元件三相之间参数不一致、影响谐振效果的问题。
本发明为实现上述目的,通过以下技术方案实现:
一种大功率磁集成LLC高频电感变压器,包括磁芯和绕组,磁芯包括对称设置的磁芯上颚、磁芯下颚和连接于磁芯上颚、磁芯下颚之间的三个主磁柱、三个辅助磁柱,绕组包括变压器原边绕组、变压器副边绕组和谐振电感绕组,磁芯上颚和磁芯下颚均为等边三角形形状,三个主磁柱分别设置在三个角,三个辅助磁柱分别设置在三个主磁柱轴心与磁芯上颚、磁芯下颚中心连线上,三个主磁柱上分别设置主磁柱气隙,用于调整励磁电感,三个辅助磁柱上分别设置辅助磁柱气隙,用于调整谐振电感,变压器原边绕组和变压器副边绕组绕制在三个主磁柱上,谐振电感绕组绕制在三个辅助磁柱上。
进一步的,每一相的变压器原边绕组与变压器副边绕组同向绕制在一个主磁柱上,谐振电感绕制在该主磁柱与磁芯上颚、磁芯下颚中心连线上设置的辅助磁柱上,谐振电感绕组绕向与变压器原边绕组、变压器副边绕组相反。
进一步的,三个主磁柱、三个辅助磁柱均为圆柱形。
进一步的,变压器原边两端为U1、U2,变压器副边两端为u1、u2,变压器原边U1、U2之间连接有励磁电感,变压器副边的一端u1与谐振电感的一端L1连接,谐振电感的另一端为L2,U1、u1、L2为同名端。定义U1U2的励磁电流向量为ILm,励磁电流ILm产生的磁通为B1,流过谐振电感的电流负副边电流记为I2,产生的磁通密度为B2。以上向量的关系如图3,原边电压U1超前原边励磁电流ILm90°,励磁电流ILm产生的磁通为B1与ILm同向,流过谐振电感的电流负副边电流记为I2与原边电压U1差180度,磁通密度B2与I2同相,B1与B2合成向量B,B小于B1与B2之和,与独立变压器和独立电感相比,有效的减小了磁通密度,磁芯体积大幅减小。
进一步的,主磁柱、辅助磁柱、磁芯上颚、磁芯下颚均为铁氧体材料。
进一步的,磁芯由上、下金属夹件夹持固定,上金属夹件设置在磁芯上颚上方,下金属夹件设置在磁芯下颚下方,上、下金属夹件由贯穿螺杆连接固定。
进一步的,变压器原边绕组匝数Np=15,变压器副边绕组匝数Ns=15,三个主磁柱上设置的气隙大小为0.0035m,三个辅助磁柱上设置的气隙大小为0.0027m。
一种大功率磁集成三相双向LLC电路,包括原边母线电容、原边三相全桥单元、三相变压器、副边三相全桥单元、副边母线电容,三相变压器采用上述大功率磁集成LLC高频电感变压器,三相变压器每一相的原边同名端分别连接原边三相全桥单元每相桥臂中点,三相变压器的A相原边异名端经过谐振电容Cra连接到B相原边异名端,B相原边异名端经过谐振电容Crb连接到C相原边异名端,C相原边异名端经过谐振电容Crc连接到A相原边异名端,三相变压器副边的三相谐振电感分别连接到副边三相全桥单元每相桥臂中点,三相副边异名端连接在一起。
进一步的,原边电压为800V,副边电压为800V,开关频率42k,功率75kw,原边三相全桥单元、副边三相全桥单元均采用IGBT模块,型号为FF200R12KS4,励磁电感为140uH,谐振电容Cra=Crb=Crc0.66uf,谐振电感为19.2uH。
本发明的优点在于:实现了一种大功率磁集成LLC高频电感变压器,有效的解决了三相LLC谐振变换器三相之间励磁电感和谐振电感感值不一致的问题。本方案将电感和变压器集成设计,与独立变压器和独立电感相比,有效减少了磁芯原件的个数和体积,更重要的是电感和变压器绕组设计有效的减小了磁通密度B,进一步减小了磁芯的体积。本技术方案使谐振变换器三相之间的参数更加一致,系统整体磁性器件更少,磁芯器件体积更小,且提出的磁集成变压器和电感不限于三相LLC,同样适用于其他流过电感电流和原边或副边电流同相位的其他电力电子电路。
附图说明
图1为本发明大功率磁集成LLC高频电感变压器磁芯结构图;
图2为本发明A相磁芯绕组示意图;
图3为本发明A相绕组连接图;
图4为本发明磁芯固定结构图;
图5为本发明变压器磁通密度B1和电感磁通密度B2向量关系图;
图6为实施例1本发明副边电流i2与励磁电流ILm幅值相等时的变压器磁通密度B1和电感磁通密度B2向量关系图;
图7为本发明大功率磁集成三相双向LLC电路;
其中,1-主磁柱,2-辅助磁柱,3-贯穿螺杆,4-磁芯下颚,5-下金属夹件,6-磁芯上颚,7-上金属夹件。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
实施例1
本实施例提出一种大功率磁集成LLC高频电感变压器,请参照图1,包括对称设置的磁芯上颚4、磁芯下颚5和连接于磁芯上颚、磁芯下颚之间的主磁柱1、辅助磁柱2、变压器原边绕组、变压器副边绕组和谐振电感绕组,磁芯上颚4和磁芯下颚5均为等边三角形形状,主磁柱有三个,对应三相分别为ZA1、ZB1、ZC1,设置在三个角,辅助磁柱有三个,对应三相主磁柱,分别为ZA2、ZB2、ZC2,设置在三个主磁柱ZA1、ZB1、ZC1轴心与磁芯上颚4、磁芯下颚5中心连线上,三个主磁柱ZA1、ZB1、ZC1上分别设置主磁柱气隙la1、lb1、lc1,用于调整励磁电感Lma、Lmb、Lmc,三个辅助磁柱ZA2、ZB2、ZC2上分别设置辅助磁柱气隙la2、lb2、lc2,用于调整谐振电感Lra、Lrb、Lrc。
变压器原边绕组和变压器副边绕组绕制在三个主磁柱上,请参照图2和图3,以A相为例,变压器原边两端为U1、U2,变压器副边两端为u1、u2,变压器原边U1、U2之间连接有励磁电感Lma,变压器副边的一端u1与谐振电感Lra的一端L1连接,谐振电感Lra的另一端为L2,U1、u1、L2为同名端,变压器A相原边绕组U1U2与变压器副边绕组u1u2同向绕制在主磁柱ZA1上, A相谐振电感绕组L1L2设置在辅助磁柱ZA2上,A相谐振电感绕组L1L2与副边绕组U1U2反向绕制。
定义U1U2的励磁电流向量为ILm,励磁电流ILm产生的磁通为B1,流过谐振电感的电流负副边电流记为I2,产生的磁通密度为B2。以上向量的关系如图5,原边电压U1超前原边励磁电流ILm90°,励磁电流ILm产生的磁通为B1与ILm同向,流过谐振电感的电流负副边电流记为I2与原边电压U1差180度,磁通密度B2与I2同相,B1与B2合成向量B,B小于B1与B2之和,与独立变压器和独立电感相比,有效的减小了磁通密度,磁芯体积大幅减小。如图6,以ILm=I2的情况计算说明,原边电压U1超前原边励磁电流ILm90°,励磁电流ILm产生的磁通为B1与ILm同向,流过谐振电感的电流负副边电流记为I2与原边电压U1差180度,磁通密度B2与I2同相,B1与B2合成向量B,B小于B1与B2之和,与单独设计电感和变压器的磁通密度B0相比,本发明磁集成条件下磁通密度B是0.707倍B0,磁通密度减小约30%。体积降低约50%。
请参照图4,磁芯由上、下金属夹件夹持固定,上金属夹件7设置在磁芯上颚6上方且紧贴磁芯上颚6,下金属夹件5设置在磁芯下颚4下方并紧贴磁芯下颚4,上、下金属夹件由贯穿螺杆3连接固定,能够夹持固定及保护磁性。
磁芯优选铁氧体材料。
实施例2
本实施例提出一种大功率磁集成三相双向LLC电路,包括原边母线电容、原边三相全桥单元、三相变压器、副边三相全桥单元、副边母线电容,所述三相变压器采用实施例1的大功率磁集成LLC高频电感变压器,具体电路连接方式请参照图7,原边母线电容C1两端跨接在原边三相全桥单元两端,副边母线电容C2跨接在副边三相全桥单元两端。原边三相全桥单元包括三相桥臂,第一桥臂包括开关管T1和二极管D1、开关管T2和二极管D2,第二桥臂包括开关管T3和二极管D3、开关管T4和二极管D4,第三桥臂包括开关管T5和二极管D5、开关管T6和二极管D6,副边三相全桥电路单元包括三相桥臂,第四桥臂包括开关管T1’和二极管D1’、开关管T2’和二极管D2’,第五桥臂包括开关管T3’和二极管D3’、开关管T4’和二极管D4’,第六桥臂包括开关管T5’和二极管D5’、开关管T6’和二极管D6’,上述每相桥臂均为IGBT模块。
三相变压器每一相的原边同名端U1、V1、W1分别连接原边三相全桥单元每相桥臂中点A1、B1、C1,三相变压器的A相原边异名端U2经过谐振电容Cra连接到B相原边异名端V2,B相原边异名端V2经过谐振电容Crb连接到C相原边异名端W2,C相原边异名端W2经过谐振电容Crc连接到A相原边异名端U2,三相变压器副边的三相谐振电感Lra、Lrb、Lrc一端连接三相变压器副边同名端u1、v1、w1,另一端分别连接到副边三相全桥单元每相桥臂中点A1’、B1’、C1’,三相副边异名端u2、v2、w2连接在一起。
电路各参数为:三相电压器原边电压800V,副边电压800V,开关频率42k,功率75kw,IGBT型号为FF200R12KS4,励磁电感140uH,谐振电容0.66uf,谐振电感19.2uH。变压器原边绕组匝数Np=15,副边绕组匝数Ns=15,三个主磁柱上设置气隙la1=lb1=lc1=0.0035m,三个辅助磁柱上设置气隙la2=lb2=lc2=0.0027m。
最后应说明的是:以上所述仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种大功率磁集成LLC高频电感变压器,包括磁芯和绕组,其特征在于,磁芯包括对称设置的磁芯上颚、磁芯下颚和连接于磁芯上颚、磁芯下颚之间的三个主磁柱、三个辅助磁柱,绕组包括变压器原边绕组、变压器副边绕组和谐振电感绕组,所述磁芯上颚和磁芯下颚均为等边三角形形状,三个主磁柱分别设置在三个角,三个辅助磁柱分别设置在三个主磁柱轴心与磁芯上颚、磁芯下颚中心连线上,三个主磁柱上分别设置主磁柱气隙,用于调整励磁电感,三个辅助磁柱上分别设置辅助磁柱气隙,用于调整谐振电感,变压器原边绕组和变压器副边绕组绕制在三个主磁柱上,谐振电感绕组绕制在三个辅助磁柱上。
2.根据权利要求1所述大功率磁集成LLC高频电感变压器,其特征在于,每一相的变压器原边绕组与变压器副边绕组同向绕制在一个主磁柱上,谐振电感绕制在该主磁柱与磁芯上颚、磁芯下颚中心连线上设置的辅助磁柱上,谐振电感绕组绕向与变压器原边绕组、变压器副边绕组相反。
3.根据权利要求1所述大功率磁集成LLC高频电感变压器,其特征在于,所述三个主磁柱、三个辅助磁柱均为圆柱形。
4.根据权利要求1所述大功率磁集成LLC高频电感变压器,其特征在于,变压器原边两端为U1、U2,变压器副边两端为u1、u2,变压器原边U1、U2之间连接有励磁电感,变压器副边的一端u1与谐振电感的一端L1连接,谐振电感的另一端为L2,U1、u1、L2为同名端。
5.根据权利要求1所述大功率磁集成LLC高频电感变压器,其特征在于,所述主磁柱、辅助磁柱、磁芯上颚、磁芯下颚均为铁氧体材料。
6.根据权利要求1所述大功率磁集成LLC高频电感变压器,其特征在于,所述磁芯由上、下金属夹件夹持固定,上金属夹件设置在磁芯上颚上方,下金属夹件设置在磁芯下颚下方,上、下金属夹件由贯穿螺杆连接固定。
7.根据权利要求1所述大功率磁集成LLC高频电感变压器,其特征在于,变压器原边绕组匝数Np=15,变压器副边绕组匝数Ns=15,三个主磁柱上设置的气隙大小为0.0035m,三个辅助磁柱上设置的气隙大小为0.0027m。
8.一种大功率磁集成三相双向LLC电路,其特征在于,包括原边母线电容、原边三相全桥单元、三相变压器、副边三相全桥单元、副边母线电容,所述三相变压器采用权利要求1-7任一所述大功率磁集成LLC高频电感变压器,三相变压器每一相的原边同名端分别连接原边三相全桥单元每相桥臂中点,三相变压器的A相原边异名端经过谐振电容Cra连接到B相原边异名端,B相原边异名端经过谐振电容Crb连接到C相原边异名端,C相原边异名端经过谐振电容Crc连接到A相原边异名端,三相变压器副边的三相谐振电感分别连接到副边三相全桥单元每相桥臂中点,三相副边异名端连接在一起。
9.根据权利要求8所述大功率磁集成三相双向LLC电路,其特征在于,原边电压为800V,副边电压为800V,开关频率42k,功率75kw,原边三相全桥单元、副边三相全桥单元均采用IGBT模块,型号为FF200R12KS4,励磁电感为140uH,谐振电容Cra=Crb=Crc0.66uf,谐振电感为19.2uH。
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