[发明专利]LLC谐振变换器用低损耗磁集成平面变压器的优化方法

说明书

本发明提供一种LLC谐振变换器用低损耗磁集成平面变压器的优化方法，包括以下步骤：(1)、通过LLC谐振变换器的设计指标得到平面变压器的匝比，并用AP法选择合适的磁性形状和材料，进一步计算得到原副边匝数；(2)、为了减弱涡流和并联绕组中环流的影响，采用原副边绕组的交叉换位布置；(3)、通过在平面变压器的中心柱开气隙，使得励磁电感减小，用其代替谐振网络的并联电感，实现磁集成，采用分段气隙来减弱气隙处扩散磁通的影响。按照本发明的磁集成平面变压器能有效减小绕组中的涡流损耗，从而提高LLC谐振变换器的效率，增大功率密度，符合其高效率、小型化的发展趋势。

技术领域

本发明涉及开关电源中的磁性器件领域，更具体地，涉及一种LLC谐振变换器用低损耗磁集成平面变压器的优化方法，应用于LLC谐振变换器(开关电源的一种拓扑结构)中的平面变压器优化设计。

背景技术

在开关电源中，电感、变压器等磁性元件作为电路中能量存储和传输的器件，在开关电源中发挥着重要作用，但在空间上占电源总体积的20％～30％，产生的能量损耗占电源总损耗的30％左右。为了提高电源的功率密度，通过提高开关电源的工作频率，变压器和电感等磁性器件的体积得到显著减小，但硬开关导致的高损耗限制其进一步发展。LLC谐振变换器采用软开关技术，由谐振电感、并联电感和谐振电容组成谐振网络，不仅能够在较宽的输入电压范围实现原边开关管的零电压导通，还能实现副边二极管的零电流关断，适用于高效率、高功率密度设计，是隔离式开关电源的首选。但传统的线绕式变压器限制了LLC谐振变换器功率密度的进一步提高，采用平面变压器无疑是一种好的解决办法。

平面变压器主要由软磁磁芯和PCB绕组构成。相较于线绕式变压器，其体积小，重量轻，且绕组线圈采用PCB板或铜箔制作，一致性好，参数可重复性强，有利于大批量生产。将其应用于LLC谐振变换器中，能够进一步提高电源的功率密度，实现小型化、高效率的目标。

但由于高频涡流效应，使得电流向导体表面聚集，产生额外的涡流损耗，且为了使其适用于大电流、大功率场合，平面变压器采用多层绕组并联的方式来增大其载流能力，使得并联绕组间存在环流，这进一步加剧了涡流效应的影响。现多采用三明治结构来减弱涡流效应，但当绕组层数较多时，三明治结构的效果有限。

平面变压器还可以通过在磁芯中磨气隙的方式，使励磁电感减小，从而替代谐振网络中的并联电感，减少磁性器件，实现磁集成，小型化。但励磁电感值越小时，所需气隙宽度越大，这会导致大的扩散磁通，与绕组层相接触，在高频工作环境下产生额外的涡流损耗，从而影响电源效率。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提高LLC谐振变换器的功率密度，实现高效率、小型化的目标，提供了一种平面变压器的优化设计，能够用变压器的励磁电感代替谐振网络的并联电感，实现磁集成，并且减小涡流效应带来的绕组损耗。

按照本发明，提供了一种LLC谐振变换器用低损耗磁集成平面变压器的优化方法，包括以下步骤：

(1)、通过LLC谐振变换器的设计指标可以得到平面变压器的匝比，并用AP法选择合适的磁性形状和材料，进一步计算得到原副边匝数，为了增大载流能力，大电流侧采用多个绕组并联。

(2)、为了减弱涡流和并联绕组中环流的影响，采用原副边绕组的交叉换位布置，原副边绕组层的正对面积越多越好，因此应该最大化。

(3)、通过在平面变压器的中心柱开气隙，使得励磁电感减小，用其代替谐振网络的并联电感，实现磁集成，采用分段气隙来减弱气隙处扩散磁通的影响，气隙间距要大于10个气隙宽度。

本发明中磁芯材料为软磁铁氧体，其电阻率高，在高频电磁场下产生的涡流损耗小，磁芯选型为平面E型磁芯。

按照本发明的磁集成平面变压器能有效减小绕组中的涡流损耗，从而提高LLC谐振变换器的效率，增大功率密度，符合其高效率、小型化的发展趋势。

附图说明