一种单相CLLC电路的电感与变压器集成结构

一种单相cllc电路的电感与变压器集成结构
技术领域
1.本发明属于应用于高频工作环境下的变压器磁集成技术领域，尤其涉及一种适用于单相cllc电路的谐振电感与变压器集成结构。


背景技术：

2.随着新能源的大力发展，电动汽车、直流配电系统、个人移动设备等领域，对dc/dc变换器的效率、体积等性能指标的需求越来越高，如何实现高效率、高功率密度、大容量是研究人员的重要方向,其中谐振型软开关dc/dc变换器成为研究重点，其可以在宽输入范围，全负载范围内，自然实现原边开关管的零电压开通和副边开关管的零电流关断。因此磁性元件体积与损耗成为限制谐振变换器性能优化的关键因素。采用磁集成技术可以使多个磁性元件集成到一个磁性元件中，降低变换器体积和重量，从而提升变换器效率和功率密度。
3.如上所述，单相cllc电路拓扑如图1所示，其中包括由mosfet开关管组成的全桥逆变电路和全桥整流电路，以及由谐振网络组成，其中，谐振网络包括两个谐振电容、两个谐振电感、一个变压器组成。谐振变换器利用谐振腔的特性，可以实现原边开关管零电压开通和副边开关管零电流关断，整体提升了变换器的效率。
4.同时，传统形式的单相cllc电路需要两个谐振电感、一个变压器，若采用三个独立磁性元件，那么严重违背了高效率、高功率密度的初衷。因此，如何解决单相cllc电路中磁性元件数目多、损耗高的问题成为研究重点。
5.为了解决上述问题，目前有前人采用低磁导率材料作为磁分流器，以形成额外的磁路从而增加变压器的漏感，这种方案使得变压器结构变得十分复杂，同时低磁导率材料的铁芯损耗非常高，降低了变换器效率；同时也有前人采用双e型铁氧体材料的磁芯，将变压器的原边绕组n
p
(副边绕组ns)分别不平均的分配于两个磁芯边柱上，降低原边绕组n
p
(副边绕组ns)的耦合程度，来增大漏感，这种方案使得变换器水平方向的占地面积增大，降低了变换器的功率密度，同时两个磁芯边柱上的原边绕组n
p
(副边绕组ns)需要额外的飞线连接，增大变换器设计外观的复杂度，以及根据实际设计指标中不同原副边侧漏感的需求大小，需要随机分配原副边绕组匝数，以凑漏感参数，增大了变换器设计的难度。


技术实现要素：

6.为了解决上述问题，本发明提供了一种单相cllc电路的谐振电感与变压器集成结构，减少了谐振变换器中磁性元件的数量、体积、重量和损耗，优化了变换器的效率和功率密度。
7.本发明是通过以下技术方案实现的：
8.本发明提出了一种适用于单相cllc电路的谐振电感与变压器集成结构，所述单相cllc电路包括全桥逆变电路、全桥整流电路、和谐振网络组成。其中，谐振网络拓扑如图2所示，包括两个谐振电容、两个谐振电感、一个变压器组成。将上述谐振网络中的两个谐振电
感和一个变压器集成到一个磁性元件中，具体的，采用一种新型的绕组放置方式，将变压器的原边绕组n
p
全部绕制于磁柱1上，将变压器的副边绕组ns全部绕制于磁柱2上，降低原边绕组n
p
和副边绕组ns的耦合程度，使得变压器原副边侧的漏感加大，替代成为谐振网络中原边侧和副边侧的谐振电感。
9.所述集成磁性元件结构包括两个双e型铁氧体材料磁芯、变压器原边绕组n
p
和副边绕组ns。其中两个e型磁芯对称放置形成“日”字形结构，磁芯1、2、3均开气隙，且根据不同的变压器变比、漏感大小以及变压器励磁电感的大小，来改变原副边绕组匝数和三个磁柱气隙大小，同时三个气隙大小一般不均等。
10.进一步的，运用一种新型变压器原副边绕组放置方式，将变压器的原边绕组n
p
全部绕制于磁柱1上，使得位于磁柱1上的绕组与副边绕组ns耦合度降低，增大原边侧的漏感，以便充当原边侧的谐振电感lr1，并且使得磁柱1开得气隙大小满足副边侧谐振电感lr2的需求。
11.进一步的，变压器的副边绕组ns也同样全部绕制于磁柱2上，使得位于磁柱2上的绕组与原边绕组n
p
耦合度降低，增大副边侧的漏感，以便充当副边侧的谐振电感lr2，并且使得磁柱2开得气隙大小同样满足原边侧谐振电感lr1的需求。
12.进一步的，根据集成磁性元件的磁路等效模型如图4所示，运用磁路的欧姆定律进行推导，可以求出各磁路上的流通的磁通量的大小：
[0013][0014]
式中r1为磁柱1所开气隙得到的磁阻大小，此时由于磁芯磁导率远大于真空磁导率，因此本发明所有计算里均忽略磁芯磁阻大小，只考虑气隙磁阻。同理r2为磁柱2所开气隙得到的磁阻大小，r3为磁柱3所开气隙得到的磁阻大小，n
pip
为变压器原边绕组匝数与原边侧电流之积；同理n
sis
为变压器副边绕组匝数与副边侧电流之积
[0015]
进一步的，根据上述磁芯各磁柱上磁通量的大小，运用安培环路定律和电磁感应定律，可以推导出变压器原边绕组的自感、副边绕组的自感和原副边绕组之间的互感：
[0016][0017]
式中l
p
为变压器原边侧自感感量，ls为变压器副边侧自感感量，m三为变压器原边
绕组与副边绕组之间的互感感量
[0018]
进一步的，根据变压器的t型等效电路模型如图2所示，运用上述推导的式子和励磁电感与互感之间的关系可以得到变压器原边侧的理论计算漏感大小、副边侧的理论计算漏感大小和励磁电感的大小表达式：
[0019][0020]
式中l
kp
为变压器原边侧的漏感大小，l
ks
为变压器副边侧的漏感大小，lm为变压器归算到原边侧的励磁电感的大小，其中n为变压器的变比，可见于变压器的t型等效模型中
[0021]
进一步的，可以根据设计指标励磁电感、原边侧谐振电感和副边侧谐振电感的需求和气隙磁阻公式，来反求各磁柱上所开气隙大小，具体的气隙磁阻表达式可以表示为：
[0022][0023]
式中，ri为各磁柱(1、2、3)气隙磁阻大小，l
gi
为各磁柱(1、2、3)所开气隙大小，ur为相对磁导率，u0为真空磁导率，a
ei
为各磁芯磁柱(1、2、3)的有效截面积
[0024]
本发明的有益效果：将单相cllc电路中的一个变压器和两个谐振电感集成到一个磁性元件上，减小了变换器的体积和重量，提高了效率和功率密度，同时通过一种新型的绕组放置方式，改进了传统磁集成中变压器占地面积大、不同磁柱上原边绕组(副边绕组)连接之间的飞线以及谐振参数设计困难等问题，通过采用这种新型绕组放置方式，使得磁柱1、2之间的气隙大小可以灵活调节原副边侧的漏感大小，也使得磁柱3之间的气隙大小可以灵活调节励磁电感与谐振电感的比值k，以及采用原副边绕组半交错排布的形式可以达到降低交流绕组损耗和降低变换器emi干扰问题。
附图说明
[0025]
图1为单相cllc电路的原理拓扑图；
[0026]
图2为谐振网络构成的等效t型二端口网络示意图；
[0027]
图3为集成磁性元件原副边绕组放置三维示意图；
[0028]
图4为集成磁性元件的磁路等效模型；
[0029]
图5为maxwell有限元软件磁仿真示意图；
具体实施方式
[0030]
下面结合附图和具体实施例对本发明实施例中的技术方案进行清晰、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。附图仅用于辅
助性的说明本发明的内容和目的，因此附图比较简单并且未使用精准的比例进行操作。
[0031]
如图1所示，本发明适用于单相cllc电路的谐振电感与变压器集成，其中变换器包括全桥逆变电路，全桥整流电路，以及谐振网路。其中，谐振网络解耦于逆变电路和整流电路中间。
[0032]
如图2所示，本发明中谐振网络包括两个谐振电容，两个谐振电感和一个变压器。其中谐振电容与谐振电感串联，电感与变压器集成结构包括双e型铁氧体材料的磁芯、变压器的原边绕组n
p
和副边绕组ns构成,其中谐振电感与变压器集成绕组可以是平面pcb绕组，也可以采用绕线制绕组。
[0033]
如图3所示，本发明中首先将变压器的原边绕组n
p
全部绕制于磁柱1上，使得在于磁柱1上绕组与副边绕组ns降低耦合程度，增大原边侧的漏感大小，以充当原边侧的谐振电感lr1。
[0034]
进一步的，将变压器的副边绕组ns同样进行相应的操作，也全部绕制于磁柱2上。使得位于磁柱2上的绕组与原边绕组n
p
降低耦合程度，增大副边侧的漏感，以充当副边侧的谐振电感lr2。
[0035]
如图3、4所示，本发明中根据集成磁性元件按照上述的新型绕组放置方式，形成的等效磁阻模型，可用于计算各个磁柱上流通的磁通量，以便得到原边绕组n
p
自感l
p
和副边绕组ns自感l
p
和绕组间的互感m大小。
[0036]
进一步的，根据安培环路定律和电磁感应定律，可用于计算原边侧的漏感、副边侧的漏感和励磁电感lm的大小，从而可以决定根据设计参数指标，三个磁柱分别开得多大气隙。
[0037]
进一步的，本发明中为了保证原边侧与副边侧漏感充当原副边侧谐振电感，因此原边侧与副边侧的漏感大小之比必须保证成变压器变比平方倍。
[0038]
进一步的，本发明中采用双e型铁氧体材料的磁芯，其中磁芯中柱的有效截面积ae是磁芯边柱的有效截面积的2倍。因此，一般情况下为了保证原副边侧漏感大小成变比平方倍，磁柱2开得气隙l
g2
大小为磁柱1开得气隙l
g1
大小的2倍。
[0039]
进一步的，本发明中为了保证励磁电感lm与原边侧谐振电感lr1的比值k不至于太小，也不至于太大，取值一般在3-6之间。因此，一般情况下，磁柱3开得气隙lg3大小一般是磁柱2开得气隙lg2的3-6倍左右。
[0040]
如图5所示，本发明经过有限元仿真软件maxwell进行验证所提想法的准确性。在仿真中计算变压器绕组的自感量和互感量，得到的电感矩阵结构与理论设计相一致。
[0041]
上述具体的实施例对本发明的原理和实施方式做了详细说明，但本发明并不限于上述特定的实施例，本领域的技术人员可在其知识范围内，借鉴本发明的思想，在具体的实施方式上做出相应的改变。

技术特征：
1.一种适用于单相cllc电路的电感与变压器集成结构，其特征在于，所述单相cllc电路包括全桥逆变电路、全桥整流电路和谐振网络。将上述谐振网络中的谐振电感和变压器集成到一个磁性元件中，具体的，将变压器的原边绕组n
p
和副边绕组n
s
分别全部绕制于磁柱1和磁柱2上，降低原边绕组n
p
和副边绕组n
s
的耦合程度，使得变压器原副边侧的漏感加大，替代成为谐振网络中原边侧和副边侧的谐振电感。2.根据权利要求1所述的集成结构，其特征在于，所述的集成磁性元件结构包括两个双e型铁氧体材料磁芯、变压器原边绕组n
p
和副边绕组n
s
。其中磁芯对称放置形成“日”字形结构，磁芯中柱与左右两个磁芯边柱均开气隙，且根据不同的变压器变比、漏感大小以及变压器励磁电感的大小，来改变原副边绕组匝数和三个磁柱气隙大小，同时三个气隙大小一般不均等。3.根据权利要求1所述的集成结构，其特征在于，将变压器的原边绕组n
p
全部绕制于磁柱1上，使得位于磁柱1上的绕组与副边绕组n
s
耦合度降低，增大原边侧的漏感，以便充当原边侧的谐振电感l
r1
，并且使得磁柱1开得气隙大小满足副边侧谐振电感的需求。4.根据权利要求1所述的集成结构，其特征在于，将变压器的副边绕组n
s
全部绕制于磁柱2上，使得位于磁柱2上的绕组与原边绕组n
p
耦合程度降低，增大副边侧的漏感，以便充当副边侧的谐振电感l
r2
，并且使得磁柱2开得气隙大小满足原边侧谐振电感的需求。5.根据权利要求1、2、3、4所述的集成结构，其特征在于，原边绕组n
p
所在的磁柱1上开得气隙l
g1
大小和绕组匝数直接决定了副边侧漏感的大小，同时副边绕组n
s
所在的磁柱2上开得气隙l
g2
大小和绕组匝数也直接决定原边侧漏感的大小，具体可见说明书磁阻模型推导公式。6.根据权利要求1、2、3、4、5所述的集成结构，其特征在于，变压器励磁电感l
m
的大小直接取决于磁柱3上开得气隙l
g3
大小和原边绕组n
p
和副边绕组n
s
的匝数之和，同样具体可见说明书磁阻模型推导公式。7.根据权利要求3、4所述的集成结构，其特征在于，谐振电感与变压器的集成绕组可为平面pcb绕组或者绕线制绕组。

技术总结
本发明提供了一种适用于单相CLLC电路的电感与变压器集成结构，属于电力电子技术领域。所述的集成结构是由含有两个双E型铁氧体材料的磁芯、变压器的原边绕组N


技术研发人员：程鹤 王亚伟 孙国梁 李朋圣 张政
受保护的技术使用者：中国矿业大学
技术研发日：2023.03.27
技术公布日：2023/7/20