面向半桥LLC的高频高效率变压器绕组均流设计

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当前,电源向着高效率、高频和高功率密度的方向发展。LLC变换器作为一种常见的开关电源,由于其拓扑简单、元器件数目少、在整个负载范围下都是以ZVS(Zero Voltage Switch,零电压开关)条件工作从而实现高效率等优势受到关注。作为LLC变换器的核心元件之一,平面变压器常采用多层绕组并联,而并联的绕组并不能自然将电流均匀分配,进而造成额外的功率损耗,并且功率损耗随频率的提高程指数增长,会导致变压器的效率大幅降低。针对上述问题,论文首先分析了绕组结构、绝缘层厚度等因素对平面变压器并联均流的影响,并通过仿真验证了分析的正确性,明确了最适合均流的绕组结构,并给出了均流最优时绝缘层厚度应满足的关系;综合考虑平面变压器并联均流问题与漏感等参数,发现铜厚较薄时漏感造成的损耗占主导,铜厚较厚时均流造成的损耗占主导。在此基础上,提出了一款输入输出端口优化的2×1矩阵变压器结构,并利用磁集成技术及交错型端口排布技术对该变压器进行进一步优化,使绕组中的电流更加均衡。然后,为了评估变压器的性能,设计了一款LLC变换器并对LLC变换器样机进行了测试。ANSYS Maxwell 3D仿真及实测结果表明,本文所设计的平面变压器拥有8:1的高变比,可以在1.1 MHz~1.3 MHz频率下稳定传输136 W的功率,输出电流最高可达38.37 A,效率达97.6%。平面变压器副边绕组内部各层电流差距小于11.25%,电流分布均匀,变压器整体温度不超过64.4℃。
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