CN213424807U - 用作zvs或llc谐振转换器的串联电感器的变压器 - Google Patents

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Abstract

用作ZVS或LLC谐振转换器的串联电感器的变压器包括磁芯、电绝缘材料的线轴(1)、以及初级绕组(2)和次级绕组(4)，初级绕组和次级绕组电绝缘并同轴地缠绕在所述线轴(1)的环形槽周围，所述线轴具有附接到端子(5)以用于与初级绕组(2)和次级绕组(4)电连接的延伸部(1b)，其中，低磁导率柔性磁膜(3)布置并安设在所述初级绕组(2)与围绕初级绕组(2)的次级绕组(4)之间，使得初级绕组(2)、磁膜(3)和次级绕组(4)这三个元件彼此同轴，并同轴地围绕穿过线轴(1)的中空核(1a)而插入的芯。

Description

用作ZVS或LLC谐振转换器的串联电感器的变压器
技术领域
本实用新型涉及具有串联电感值(serial inductance value)的变压器，该串联电感值集成在变压器内作为单个磁性元件。
具体地，本实用新型公开了一种增加LLC或ZVS磁组中的功率密度的改进的方式。
背景技术
现今，插电式混合动力车辆和电动车辆(PHVs/EVs)的市场正在快速增长。为了减少全球污染，特别是在排放的CO2(二氧化碳)或其它NOx(氮氧化物)污染物以及对健康有害的(toxic-for-health)细颗粒物(来自柴油动力汽车)方面，这些插电式混合动力车辆和电动车辆是普通热机汽车的替代方案。这样的新型车辆的内部需要越来越多的电力电子设备，不仅用于具有由逆变器模块控制的速度和转矩的电力传动系统电源(electric powertrain supply)，而且还用于连接到家用电网的高压(HV)电池充电器和12-14Vdc常规设备(收音机、GPS、嵌入式控制单元(ECU)、空调系统、照明(lightning)等)的稳定的车内连续低压(LV)电源。
这里，参考在3-22kW功率范围内的AC/DC(交流电转直流电)充电器和大约2-4kW的DC/DC转换器。优选的电子拓扑是用于AC/DC充电器的LLC(电感器-电感器-电容器谐振槽)半桥或全桥示意图(图1)，以及用于HV/LV转换器的ZVS(零电压开关)相移全桥(图2)。工作频率保持在70-500kHz范围内，以通过切换(switching，开关)技术传输已经相当大的功率。
那些拓扑需要根据其匝数比(N1：N2)提供电压转换的变压器，该变压器还包括初级电路和次级电路之间的电流(galvanic)隔离。第二磁性元件(Lr或Lzvs)需要与变压器的初级(电路)串联，作为在LLC或ZVS这两种技术中使用的谐振扼流圈(resonant choke)。对于LLC级(stage)，添加第三并联磁元件(Lp)以形成谐振槽。这通常可以用变压器自身的磁化电感来代替，从而导致磁组仅在ZVS情况下具有两个分量(component)。
对于与变压器的初级(电路)串联的电感器，ZVS的情况通常需要若干微亨的电感值来与晶体管(与图2中的MOSFET晶体管的漏极-源极并联的CMOS)的自电容进行谐振。对于与串联电容器(图1中的Cr)的LLC谐振，通常需要几微亨到几十微亨的较高的(电感值)。
已经实施了不同的技术来尝试将串联电感器作为单个磁性元件而集成到变压器内：
-一种可能性是使用变压器本身的漏感作为Lr或Lzvs所需的串联电感值【US2017040097A1】。
-另一种可能性是增加芯(core，磁芯)的一部分作为变压器芯的延伸，以产生所需的扼流圈值。因此，更复杂的芯组集成变压器和谐振扼流圈【CN107887143A、CN207321121U】。
-最后，在扇区中分离的初级绕组和次级绕组之间使用磁分路可以是第三种解决方案【US4613841A、US4689592A、EP0142207A1、US8395470、US8648687和US2018254143A1】。例如，在顶部和底部的初级绕组和次级绕组之间引入环形芯是与这一原理一致的现有技术(图3)。通常选择具有给定尺寸和磁导率水平的芯作为标准目录零件号。
然而，以上公开的将串联电感值集成在变压器内的技术具有明显的限制。
首先，漏感值通常是寄生元件，其必须被设计者设置为尽可能低，以在变压器中提供最佳耦合(coupling，联接)。因此，绕组内部的额外频率损耗(涡电流、邻近效应)可以保持在最小值。否则，相应的总铜损耗可能是预期损耗的几倍，导致变压器可能过热。其次，在变压器的给定尺寸中，通过在初级绕组和次级绕组之间设置(put)分离，容易实现产生较差耦合并因此产生较高电感值所需的绕组分离(参见US2009278646A1)。将变压器和导体的尺寸保持为限定在额定功率和电流，分离距离不能太大，而且大多数情况下不能达到串联电感值的目标值。最终，这会导致不良耦合，从而导致磁场离开绕组，并可能导致电磁传播到变压器之外。根据汽车安全标准(如UL2202、IEC 61851-21或类似标准)，大多数情况下必须禁止此类行为超过允许的干扰水平(传导或辐射)。
另一方面，增加半个芯以使电感器与变压器共享磁路的一部分，也会增加芯和铜的损耗。此外，这种变型的重量、体积和成本类似于单独的其中一个变压器及其离散的(discrete，分立的)谐振电感器(的重量、体积和成本)。换言之，在这样的集成型磁性方案中，该方案不会以较低的成本提供任何实际功率密度的增加。只是操作和焊接仅一个磁组而不是两个离散的元件，在节省安装有(各个)部件的电子板上的空间方面可能是有利的。
在分离的绕组之间使用磁分路的情况似乎明显是通过改善漏磁(leakageflux，漏磁通量)随着功率密度增加的引导而提供更多串联电感值的最便捷的方式。常见的技术基于在绕组之间引入实心(solid，固态)不可变形的芯部(优选具有高磁导率材料)以达到预期的串联电感值(图3)，如在引用的US4613841A中所公开的。
发明内容
本实用新型提出的解决方案的不同之处在于，该方案基于漏感值的增加。
US8648687认为，电子产品中的电源系统的最新发展是积极利用不可避免的漏感。例如，漏感(L)和电容器(C)构成LC谐振电路。使用LC谐振电路的软开关使损坏可能性降低、噪音减小，并且使性能提高。
根据本实用新型的建议，通过在初级绕组和次级绕组之间引入低磁导率柔性磁膜来增加漏感值。在磁芯周围、缠绕在同心绕组之间的该(磁)膜具有所需的厚度，提供漏磁的引导，从而增加代表漏磁的漏感(图4)。通过膜的柔性，引入该膜是卷绕(winding)过程的一部分，这不同于(磁)芯的特殊结构，也可包括由实心形状110(形成)、但磁路结构内包括高磁导率材料的该同心分路(如引用的US4613841A中所公开的)。
正确调整磁膜磁导率(以获得良好的漏磁引导而不存在层饱和的风险)和厚度(以合理的尺寸集成在变压器的体积中)可以将漏感值精确设定为所需的谐振电感器(的漏感值)。磁导率水平通常在20-60的范围内选择，不能太低而没有足够的漏磁密度引导，也不能太高，从而避免由于膜的厚度中的通量(flux)引导太好而使该膜饱和。所应用的厚度通常在十分之几毫米到几毫米的范围内。此外，引入的膜必须由磁性材料制成，其性能(图5)符合变压器的操作(频率范围(μ’)、损耗(μ”)、热指数、符合RoHS指令……)。这可以作为市场上已有的EMI(电磁干扰)屏蔽层，并以适当的宽度重新加工，或完全根据设计者的需求定制。因此，本实用新型通过限定同心柔性分路高度和总缠绕厚度的方式，可应用于许多变压器形状，且具有高适应性，以在减小体积的情况下达到预期性能。
引入这种技术不会以显著的方式影响变压器的磁化电感。如果由于在主(principal)芯内部增加磁性元件会产生任何微小偏差，则中心间隙长度的小幅变化仍然可能恢复预期的典型值。
另一方面，由于寄生效应对频率的影响可能更大，该技术仅修改绕组中的总铜损耗。设计者必须在设计阶段通过应用正确的设计规则或有限元电磁模拟来充分考虑这一点，以确保总损耗水平应被部件尺寸所接受而不会过热。当然，这也取决于环境(应用中的最大环境温度)和转换器中的冷却效率(强制空气、冷水板散热器、使用导热树脂的灌封等)。
因此，本实用新型提供了一种通过使用可定制且可配置的同心柔性低磁导率磁膜集成串联电感值来增加LLC或ZVS磁组的功率密度的改进方法。设计阶段的高度适应性，以及作为卷绕操作一部分的加工，都保证了较低的开发和最终产品成本，从而带来真正的竞争优势。
一种用作ZVS或LLC谐振转换器的串联电感器的变压器，包括：磁芯，具有柱形或多边形横截面；电绝缘材料的线轴(1)，用以提供线圈架；初级绕组(2)和次级绕组(4)，初级绕组和次级绕组电绝缘且同轴地缠绕在所述线轴的环形凹槽周围，其中，所述线轴(1)具有延伸部(1b)，该延伸部被构造成附接到端子(5)以与所述初级绕组(2)和所述次级绕组(4)电连接，低磁导率柔性磁膜(3)布置并安设在所述初级绕组(2)与所述次级绕组(4)之间，所述磁膜(3)至少部分地围绕所述初级绕组(2)，使得所述初级绕组(2)、所述磁膜(3)和所述次级绕组(4)这三个元件彼此同轴，并同轴地围绕穿过所述线轴(1)的中空核(1a)而插入的磁芯。
在一实施例中，所述磁膜(3)呈完全围绕所述初级绕组(2)的柱形。
在一实施例中，柱形的所述磁膜仅覆盖在所述初级绕组(2)和所述次级绕组(4)的高度上延伸(development)的一部分。
在一实施例中，所述低磁导率柔性磁膜(3)带有或不带有粘合层，并具有在20-60范围内的磁导率。
在一实施例中，所述低磁导率柔性磁膜(3)还具有0.1到1mm的厚度，从而允许1MHz以上的频率操作。
在一实施例中，所述低磁导率柔性磁膜(3)是单层的，或包括螺旋布置的两层或更多层。
在一实施例中，所述变压器的(磁)芯为两个部分，并且包括彼此独立的对称的第一磁性体和第二磁性体(7)，所述第一磁性体和所述第二磁性体的每一个包括板，管状芯构件(7a)从所述板突出，其中两个所述管状芯构件(7a)布置成穿过所述线轴(1)的中空核(1a)并且彼此对置。
在一实施例中，所述线轴(1)的所述延伸部(1b)被配置为附接到基板(6)，所述基板支撑所述端子(5)以电连接到所述初级绕组(2)和所述次级绕组(4)。
在一实施例中，所述线轴(1)和所述基板(6)具有由LCP、酚醛树脂、PET或热固性聚合物中选择的塑料材料，其至少在-40/+155℃范围内耐温并且阻燃。
在一实施例中，所述塑料材料还提供在所述绕组与所述(磁)芯之间的至少3-4kV/mm的电绝缘水平。
在一实施例中，所述初级绕组(2)和次级绕组(4)由Litz(利兹)线制成。
在一实施例中，所述利兹线在25μm的聚酰亚胺薄膜内绝缘，所述聚酰亚胺薄膜重叠以提供强化绝缘系统。
附图说明
通过参考附图对实施例的以下详细描述，将更全面地理解上述及其它优点和特征，附图是说明性的而不是限制性的，其中：
图1和图2示出本实用新型的对象适用的AC/DC(交流电转直流电)充电器的两种电子拓扑。
因此，图1示出在AC/DC嵌入式电池充电器中使用的LLC半桥谐振转换器的示意性电路图。
图2是ZVS(零电压开关)相移全桥准谐振DC/DC转换器的示意性电路图。
图3示出如在引用的US4613841A中所公开的、基于在作为磁分路的绕组之间引入高导磁率材料的实心不可变形的芯部以达到预期的串联电感值的已知技术。
图4是由常规变压器和已经应用本实用新型原理的变压器获得的漏感的平行比较的示例，其中常规变压器的初级绕组和次级绕组被放置得更靠近、电隔离并且同轴地布置在线轴(bobbin，绕线架)和变压器上。
图5是示出用于本实用新型中改进的变压器的柔性磁膜的典型预期频率特性的曲线图，其示出具有柔性磁膜的两个磁导率值(μ’)和(μ”)。
图6是示出LLC 1:1变压器3.5kW/70-200kHz的示例的立体图，该变压器通过在初级绕组和次级绕组之间引入柔性磁膜而具有增强的22μH串联电感器。
图7是图6的示例的LLC 1:1变压器的平面图，示出该技术方案中使用的构成原材料。
图8是示出具有在初级绕组和次级绕组之间的柔性磁膜的组装概念的分解图。
具体实施方式
图1示意性地示出在集成DC/AC电池充电器中使用的谐振半桥LLC转换器。该图示出输入和输出电压值Vent(Vin)和Vsal(Vout)、控制门13、变压器11和输出电容器12。谐振槽由连接到变压器11的初级(绕组)的Cr电容器、Lr和Lp电感器的组构成。
图2示意性地示出准谐振ZVS(零电压步进开关)全桥DC/DC转换器。还示出输入和输出电压Vent(Vin)和Vsal(Vout)、使用的Cmos 22晶体管、ZVS电感器21、变压器20和靠近输出的电感器23。
图3中示出现有技术的解决方案的一个示例，全部如在上面提到的文献US4613841A中所述，示出为在变压器的初级绕组31和次级绕组33之间引入环形实心芯部32(作为磁分路)以达到一定的串联电感值。
在图4中，根据本实用新型的原理，比较两个变压器，左侧的变压器在塑料材料的初级绕组2和次级绕组4之间具有间隔件(spacer)3a，右侧的变压器在绕组之间引入柱形(cylinder，筒状)磁膜3。通过施加+15Apk/-15Apk和100kHz的相同初级/次级电流条件，可以看到所有区域的总能量值的差异，该差异确定用于左手侧的变压器的漏感为3.4μH，而用于已应用磁膜3的右手侧的变压器的漏感为16.7μH，即漏感增加，在本示例中，获得第一漏感值的5倍以上的漏感增加。
如图5所示，这是使用柔性磁膜的本实用新型中改进的变压器的预期频率行为的说明图，示出所述柔性磁膜的两个磁导率值(μ’)和(μ”)。
图6至图8示出具有呈现如WO2016071553(PREMO)中公开的一般结构的集成电感器的变压器，其包括：
-彼此独立的对称的第一磁性体和第二磁性体7，每个磁性体包括板，管状芯构件7a从该板突出；
-电绝缘材料的线轴1，其提供线圈架(coil former)；
-初级绕组2和次级绕组4，两者电绝缘并且同心地缠绕在所述线轴的环形凹槽周围。
两个管状芯构件7a被布置成穿过线轴1的中空核1a并且彼此对置，并且线轴1具有延伸部1b，该延伸部1b被配置为附接到基板6，基板6支撑绕组输出或端子5以用于与所述初级绕组2和次级绕组4电连接。
具有用于端子的引导构造的基板是可选的，并且端子应当直接附接到线轴1的所述延伸部1b。
根据本实用新型，低磁导率柱形柔性磁膜3被布置并安设(lodge)在所述初级绕组2和次级绕组4之间，使得三个元件：初级绕组2、磁膜3和次级绕组4彼此同轴，并且同轴地围绕穿过线轴1的中空核1a而插入的磁性管状芯构件7a。
图7清楚地示出布置在初级绕组2和次级绕组4之间的磁膜3的布置，同轴地围绕由两个头对头突出部分7a形成的磁芯。
在一个实施例中：
-对称的磁性体(两个半部)由具有平坦温度响应的低损耗锰锌(MnZn)铁氧体制成；
-所述线轴1将由塑料材料制成，所述塑料材料例如由LCP、酚醛树脂(Phenolic)、PET或任何耐高温(至少在-40/+155℃范围内)、阻燃(例如根据UL94国际标准)且在绕组和芯构件7a之间提供良好绝缘水平(至少3-4kV/mm)的材料(热固性聚合物)制成；
-初级绕组2和次级绕组4由Litz(利兹)线制成(在25μm厚的聚酰亚胺薄膜内绝缘，其1/2或2/3重叠以提供强化的绝缘系统)；
-将绕组输出5镀锡(tin)或焊接成铜或黄铜细管中；
-具有引导构造以定位输出的塑料基板可以由塑料(如同线轴1)制成；以及
-低磁导率柔性磁膜3具有在20-60范围内的磁导率，带有或不带有粘合层，并且其厚度为0.1至1mm，从而允许在1MHz以上的频率操作。
在实施本实用新型时，还应注意的是，除此以外，还可以提供这种柔性磁膜的使用，并应用于减小靠近气隙的绕组中的膨胀磁通效应。因此，可以在绕组的内表面和/或外表面增加散布在与磁芯同轴的绕组之间的磁膜，其可以靠近在中心极和/或铁氧体芯的侧支脚(lateral leg)上切割的气隙。这种引入将导致与气塞(air-gag)前面的一部分绕组中的涡电流循环相关的额外铜损耗。因此，该部分的绕组的加热及其效率可以具有更好的性能。

Claims (11)

1.一种用作ZVS或LLC谐振转换器的串联电感器的变压器，所述ZVS或LLC谐振转换器包括在3-22kW功率范围内的AC/DC充电器和以2-4kW操作的DC/DC转换器，所述变压器包括：
-磁芯，具有柱形或多边形横截面；
-电绝缘材料的线轴(1)，用以提供线圈架；
-初级绕组(2)和次级绕组(4)，电绝缘且同轴地缠绕在所述线轴的环形凹槽周围，
其中，所述线轴(1)具有延伸部(1b)，该延伸部被构造成附接到端子(5)以与所述初级绕组(2)和所述次级绕组(4)电连接，
其特征在于，低磁导率柔性磁膜(3)布置并安设在所述初级绕组(2)与所述次级绕组(4)之间，所述磁膜(3)至少部分地围绕所述初级绕组(2)，使得所述初级绕组(2)、所述磁膜(3)和所述次级绕组(4)这三个元件彼此同轴，并同轴地围绕穿过所述线轴(1)的中空核(1a)而插入的磁芯，其中，
所述低磁导率柔性磁膜(3)带有或不带有粘合层，并具有在20-60范围内的磁导率，以及
所述低磁导率柔性磁膜(3)还具有0.1mm到1mm的厚度，从而允许1MHz以上的频率操作。
2.根据权利要求1所述的变压器，其特征在于，所述磁膜(3)呈完全围绕所述初级绕组(2)的柱形。
3.根据权利要求1或2所述的变压器，其特征在于，柱形的所述磁膜仅覆盖在所述初级绕组(2)和所述次级绕组(4)的高度上延伸的一部分。
4.根据权利要求1所述的变压器，其特征在于，所述低磁导率柔性磁膜(3)是单层的，或包括螺旋布置的两层或更多层。
5.根据权利要求1所述的变压器，其特征在于，所述变压器的磁芯为两个部分，并且包括彼此独立的对称的第一磁性体和第二磁性体(7)，所述第一磁性体和所述第二磁性体均包括板，管状芯构件(7a)从所述板突出，其中两个所述管状芯构件(7a)布置成穿过所述线轴(1)的中空核(1a)并且彼此对置。
6.根据权利要求1所述的变压器，其特征在于，所述线轴(1)的所述延伸部(1b)被配置为附接到基板(6)，所述基板支撑所述端子(5)以电连接到所述初级绕组(2)和所述次级绕组(4)。
7.根据权利要求6所述的变压器，其特征在于，所述线轴(1)和所述基板(6)由至少在-40至+155℃范围内耐温并且阻燃的塑料材料制成。
8.根据权利要求7所述的变压器，其特征在于，所述塑料材料为LCP、酚醛树脂、PET或热固性聚合物。
9.根据权利要求7所述的变压器，其特征在于，所述塑料材料还提供在所述绕组与所述磁芯之间的至少3-4kV/mm的电绝缘水平。
10.根据权利要求1所述的变压器，其特征在于，所述初级绕组(2)和次级绕组(4)由利兹线制成。
11.根据权利要求10所述的变压器，其特征在于，所述利兹线在25μm的聚酰亚胺薄膜内绝缘，所述聚酰亚胺薄膜1/2或2/3重叠以提供强化绝缘系统。
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