為了在高性能細分領(lǐng)域持續(xù)達到良好的效率水平，我們需要具有低開關(guān)損耗的功率開關(guān)組件?，F(xiàn)代產(chǎn)品經(jīng)常使用諧振轉(zhuǎn)換器拓撲結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)利用了零電壓開關(guān)原理(zero voltage switching, ZVS)，優(yōu)勢是減少開關(guān)損耗。它們  常出現(xiàn)在LLC 諧振轉(zhuǎn)換器中，其電路中的諧振電感可實現(xiàn)零電壓開關(guān)，使得LLC 器件非常適合要求高效率及大功率的車載充電器(OBC)應用。

    LLC 一詞指的是諧振電路依賴的三個組件功能：變壓器勵磁電感(Lm)、變壓器漏感(Lr) 和諧振電容(Cr)。如果數(shù)值計算正確且遵守所需的  容差(tolerance)，這是使用LLC 變壓器漏感來取代所需諧振電感的已知方法。供貨商普思電子(Pulse Electronics) 使用有限元模型分析法(finite element modeling) 設(shè)計了一款3.6 kW 的LLC 變壓器，具備高及  容差的漏感，能夠作為LLC 轉(zhuǎn)換器的諧振電感。

    針對這款3.6 kW LLC 變壓器開發(fā)的系統(tǒng)要求包括：次級側(cè)對初級側(cè)的匝數(shù)比(N) 是2，初級側(cè)的勵磁電感是36 μH，的變壓器增益( 放大倍數(shù)) 為6。

    結(jié)果顯示放大倍數(shù)與變壓器的初級繞組漏感(leakage inductance) 直接相關(guān)。因此，為了實現(xiàn)的放大倍數(shù)，這個寄生參數(shù)需要設(shè)有  容差。為了實現(xiàn)這個目標，要使用一項創(chuàng)新的變壓器設(shè)計。

    圖1 所示為LLC 電路框圖，其中的突出部分是諧振電感Lr。諧振電路與輸出/ 平滑電路產(chǎn)生電感耦合。

    圖1 具備理想變壓器模型的LLC轉(zhuǎn)換器

    磁力耦合主要由線圈結(jié)構(gòu)和鐵芯氣隙(air gap) 的幾何形狀決定。

    我們使用以下公式得出LLC 轉(zhuǎn)換器的放大倍數(shù)：

    放大倍數(shù)＝ (Lm + Lr) / Lr    (1)

    勵磁電感Lm 的容差值可以通過嚴格遵守鐵芯氣隙的容差值來控制，但諧振電感Lr 則需要進一步研究。

    圖2 提供了更加完整的模型，這個模型包括了初級側(cè)線圈的漏感(Lk_prim) 和次級側(cè)線圈的漏感(Lk_sec)，以及可能出現(xiàn)的外部諧振電感(Lext)。

    圖2 示意漏感的變壓器電路

    接下來就清楚了：

    Lr = Lext + Lk_prim   (2)

    如前所述，通過設(shè)計具有足夠大漏感的變壓器，可以省去外部諧振電感器。這里的挑戰(zhàn)在于為這項寄生參數(shù)設(shè)定合適的嚴格容差，而普思電子正是以一項新穎的線圈設(shè)計達成了這個目標。

    1   夾心繞法的線圈設(shè)計

    一個示例是PQ50/50 平臺，它的初級側(cè)和次級側(cè)線圈導線的尺寸正好適用于3.6 kW 功率水平?？紤]到變壓器開發(fā)目標的系統(tǒng)要求，決定漏感值的式(1)和式(2) 說明了“將初級側(cè)線圈和夾心式繞法的次級側(cè)側(cè)線圈彼此分立的設(shè)計，  接近目標值”。

    圖3 顯示了用于微調(diào)漏感值的線圈設(shè)計截面圖。這個設(shè)計的獨特之處在于能夠各自獨立控制線圈之間的距離，并達到所需的漏感值。每個線圈的寬度和線束尺寸都經(jīng)過仔細調(diào)整，以適應線圈，將其微調(diào)到符合漏感容差要求。

    圖3 用于微調(diào)漏感值的線圈設(shè)計截面圖

    2   優(yōu)化變壓器設(shè)計的有限元法

    為了  終完成設(shè)計并確保漏感集中在初級側(cè)線圈周圍，必須優(yōu)化初級側(cè)和次級側(cè)線圈的設(shè)計以及鐵芯氣隙的位置。

    該設(shè)計是以有限元法建立模型所開發(fā)的，有限元法是一種用于分析技術(shù)性磁力問題并開發(fā)有效解決方案的現(xiàn)代方法。所產(chǎn)生的磁通達到了預期結(jié)果。圖4顯示了初級側(cè)線圈和次級側(cè)線圈各個磁通路徑的有限元模型。

    圖4 初級側(cè)線圈(左)和次級側(cè)線圈(右)各個磁通路徑的有限元法分析模型

    原型設(shè)計( 圖5) 和電氣測試證實了優(yōu)化變壓器設(shè)計的有限元模型仿真結(jié)果。

    電氣參數(shù)的測量結(jié)果顯示，已經(jīng)達到目標漏感值和容差值。

    為了計算實際的初級和次級繞組漏感，我們測量以下變壓器參數(shù)：

    Lso：次級側(cè)在開路狀態(tài)時的初級側(cè)電感

    Lss：次級側(cè)在短路狀態(tài)時的初級側(cè)電感

    Lpo：初級側(cè)在開路狀態(tài)時的次級側(cè)電感

    另外使用三個等式來計算初級側(cè)的漏感(Lk_prim)，次級側(cè)的漏感(Lk_sec)，以及勵磁電感(Lm) 等數(shù)值。

    Lk_prim = Lso – Lm   (3)

    Lk_sec = Lpo - Lm×N 2   (4)

    Lm = SQRT ((Lso-Lss)×Lpo/N 2)   (5)

    表1 總結(jié)了變壓器的測量和計算結(jié)果。初級繞組的勵磁和漏感參數(shù)值圓滿達到目標，次級側(cè)的漏感值則相對較低。

    而且，該結(jié)果還證實了次級繞組的漏感已經(jīng)有效地  化，并且通過小信號分析可以將漏感集中在初級側(cè)。理論上，在變壓器的一個繞組上產(chǎn)生的感應電壓是匝數(shù)比乘以施加到另一繞組的電壓，如下所示：

    Vout = N×Vin&