LLC谐振变换器中平面集成磁件的研究

摘要：本文针对目前开关电源向小型化、轻型化、薄型化方向发展的趋势，介绍了平面集成磁件的概念，研究了一种用于DC/DC变换器的LLC谐振变换器，在集成磁件通用模型的基础上分析了用于LLC谐振变换器的磁件集成，并设计了一个集成磁件。为了进一步减少集成磁件的高度和体积，本文又研究了平面集成磁件具体的设计方法，把该集成磁件转化成了平面集成磁件，并对转换前后的磁件做了电磁场仿真，结果表明转换前后磁件损耗也将减小。这样，就达到了进一步减小磁件体积、重量和高度的目的。

叙词：LLC谐振变换器 集成磁件 平面变压器 平面集成磁件

Abstract： Following the developing trend towards small, light and thin device on switching power supply at the present time, planar integrated magnetics concept is introduced in this thesis. A LLC resonant convertor on DC/DC conversion is investigated, and a integrated magnetic structure is analyzed based on the general model. Furthermore, the method of designing planar integrated magnetics is derived which can be used to reduce farther volume, weight and height of magnetics. Finally, by simulating, the result is that the wastage of the core also decreases. So the purpose reducing volume, weight and height is achieved.

Keyword：LLC resonant convertor Integrated magnetics Planar transformer Planar integrated magnetics.

1、 引言

信息产业的迅猛发展，不仅为电源行业提供了巨大的市场和快速发展的动力，同时也对电源装置的体积、重量、效率、输出动态性能以及系统的可靠性等提出越来越高的要求[1]。可是，由于电源装置中往往采用分立的、非标准的磁性器件，不仅体积大，而且形状不规则，难以自动化生产，使得电源装置体积、重量较大，给设计工作带来很多不便。“短、小、轻、薄”是当今开关电源的主要发展趋势之一，要做到“短、小、轻、薄”，最主要的是提高功率密度和采用低高度及体积、重量小的元器件。用平面磁件技术和集成磁技术可以减小磁件体积、重量和高度，便于结构设计。

平面磁性器件是一种呈低高度扁平状或超薄型(low profile)的磁性器件，其高度远小于传统的磁性器件[3]，采用平面铁芯和平面结构绕组，具有工作频率高，能量密度大，效率高，体积小，产品外观和一致性好，适合于自动化表面贴装，可以较好地实现低压大电流输出，尤其适用于空间和高度存在限制或对节能及散热要求苛刻的地方，所以这种磁性器件能适应当今开关电源“短、小、轻、薄”的发展趋势，得到了较广泛的应用。

集成磁技术是将变换器中的两个或多个分立磁件，如电感、变压器等，绕制在一个磁芯上，从结构上集中在一起，用一个磁性器件来实现，从而减少开关电源中的器件数量，减小体积，提高功率密度，使各磁件间的接线最短、损耗减小，输出滤波效果得以改善，以实用于低压大电流开关电源[5]。

采用平面磁件和集成磁技术成为实现开关电源“短、小、轻、薄”的重要手段，近年来人们对平面磁件和集成磁技术的研究越来越重视，有的已经实现了产品化，为电源技术的发展做出了贡献，文献[3]提出了平面集成磁技术的概念，本文在此基础上综合了平面磁件和集成磁技术的特点，把LLC谐振变换器中的一个谐振电感和隔离变压器集成到一起，设计了一个平面集成磁件，为平面集成磁件的设计提供了一个比较详细的设计方法。

2、 用于LLC谐振变换器中的集成磁件

2.1　LLC谐振变换器

文献[6]提出了一种用于分布式供电系统的LLC谐振变换器，其电路图如图1所示。这种变换器具有如下优点：在零到全负载范围内具有ZVS功能，MOSFET关断电压低，因此变换器的关断损耗是非常低的;高输入电压下具有高效率，可以在正常工作条件下对变换器进行最优化设计;变换器副边没有滤波电感，副边整流管的电压应力低，能被减少到两倍的输入电压;变换器的磁性器件能很容易的集成到一个磁芯上;变压器的励磁电感也能被利用。与PWM变换器相比较，该拓扑结构提供了更低的开关损耗和导通损耗，可得到更高的工作效率和发挥更大的高频工作潜能。而且，在高输入电压下，能够确定变换器的最佳特性，可实现变压器的最优化设计。

由图1可见，若没有励磁电感Lm，这个变换器和串联谐振变换器相同，加上Lm后，电路特性及工作方式就完全不同了。电路中有三个无源元件：串连谐振电感Lr、并联谐振电感Lm和谐振电容Cr，副边是一个带中心抽头的整流电路，后接一个滤波电容，原边是一个半桥式电路，也可以用全桥式电路或其它电路结构代替。

图1　LLC谐振变换器

LLC谐振变换器规格：

输入电压范围Vin ：300～400V

输出电压范围Vo ：48V

输出功率范围Po ：1KW

变换器参数：

变压器匝数比：4:1:1

谐振电感：14uH

谐振电容：0.047uF

励磁电感：60uH

开关频率范围：150kHz-200kHz

2.2　集成磁件通用结构的提出

以前对功率变换器的集成磁件曾经作了大量的调查研究，查看一下这些论文，能够发现这些磁件大部分使用EE磁芯结构，不同之处是线圈的布置和气隙的安排。

本文使用了一个带有4个线圈的EE形磁芯的通用电路模型结构，如图2所示。每个磁柱上都开有气隙。这是一个非常通用的结构,许多PWM变换器集成磁件的设计都使用这个结构，只是对气隙和线圈安排做一些相应的变化。

[p] [p]

(10)

使用上述方法，可设计出集成磁件结构。例如，设计图6所示结构的集成磁件。为了得到与分立设计相同的值，可使：Lr=14uH，Lm=60uH，绕组匝数比=16：4，集成磁件的设计结果为：Nl=9，Np=13，Ns=4，每个磁柱的气隙为0.56mm。

3、 LLC谐振变换器集成磁件结构的平面化

目前平面磁件研究和应用较多的是PCB型，其铁芯采用平面EI型铁氧体铁芯，其绕组导体做成宽片状的PCB或铜箔，以增大散热面积，减小在高频工作时由集肤效应和临近效应所引起的涡流损耗并有利于散热，本文采用这种类型，进行了LLC谐振变换器集成磁件结构平面化的设计。

前面分析的LLC谐振变换器的集成磁件，按传统集成磁件设计方法设计的结构如图11(a)所示。磁心选用Philips公司的E42/21/20软磁铁氧体铁芯，线圈采用圆导线绕制，原边绕组Nl为13匝，副边Np、Ns都为4匝，由于副边电流较大，采用两层并联结构。 Nl、Np线圈选用AWG18，Ns线圈选用AWG13。左柱上绕制电感线圈，右柱上绕制变压器线圈，紧靠右柱的是原边绕组的13匝线圈，外边两层分为上下两部分，各对应两个Ns线圈，采用两匝并联缠绕方式。图11(b)为它的磁力线仿真图。

(a)　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(b)

图11　传统设计的集成磁件截面图与磁力线仿真图

我们把上文的集成磁件设计成平面集成磁件。首先把圆型导体转换为平面型导体，转换时应保证导体截面积不变。先把圆导线转换成等截面积的正方形导线，如图12(a)所示，然后再把正方形导线转换成相应的铜箔导线。考虑到铜导线通过的最大电流密度一般为3～5A/mm2,平面导线铜箔为10～20A/mm2，转换后，相应铜箔的截面积要比圆导线的截面积小3～4倍。铜箔非常薄，如果把一个圆导体转换成一个铜箔导体，那么铜箔将是非常宽的，这显然不适合磁件的宽度要求。因此，可以把它分成几个等宽度的铜箔，再把这几个铜箔并联就可以了。这样得到的集成磁件如图12(b)所示。Nl、Np的每根导线变成两个平面导体并联，每个铜箔宽0.6mm，厚0.2mm，对于Ns，每根圆导线可转换成5个平面导体并联，导体宽2mm，厚0.2mm。

在图中我们看到转换后绕组所占总体积减小，而且平面导体布置结构更紧凑，每根平面导体厚0.2mm，十二层平面导体的厚度为2.4mm，即使加上绝缘层厚度，与E42/21/20磁芯的窗高(窗高29.6mm，窗宽8.65mm)相比也是很小的，这使得EE磁芯的窗口利用率明显下降。而且使用EE磁芯，也不利于降低磁件的高度，下面研究把EE磁芯转换成EI磁芯。

(a)　　　　　　　　　　　　　　　　 (b)

图12　平面磁件转换的中间过程

我们选用的EI磁芯是E/43/10/28。下面给出两磁芯的尺寸，铁芯参数的对照如图13和表1、表2所示。两种铁芯的截面积差不多，这里选用E/43/10/28最主要的原因是，可以保证磁件铁芯的最大工作磁通密度小于其饱和磁通密度。选用E/43/10/28后有效磁路长度减少较大，对集成磁件的电感量会产生影响，但由于铁芯的三个磁柱都有气隙，所以电感量的大小主要由气隙的磁路决定，受磁芯磁路的影响很小，可以忽略。因而选用E/43/10/28后磁芯有效磁路的减少对集成磁件的影响并不是很大。替换后，磁芯体积和质量都大大减小，达到了减小体积和重量的目的。由表1可以计算出，选用E43/10/28后，磁芯窗宽为11.31mm，窗高为4.55mm，可设定导线厚度都为0.15mm，原边线宽0.8mm，副边线宽2.7mm。平面集成磁件结构如图14(a)所示。该结构比传统磁件体积、高度、重量都小很多。图14(b)为该结构的磁力线仿真图。通过与传统集成磁件的仿真图比较，可以看出平面集成后，磁芯的磁通密度减小。因此集成后，磁芯损耗也将减小。

(a)　EE型铁芯(其中一片)　　　　　　　　　　 (b)　平面EI型铁芯

图13　E型铁芯和平面EI型铁芯的外形图

表1　两种铁芯的尺寸

表2　两种铁芯的铁芯参数

(a)

(b)

图14 平面集成磁件截面图与磁力线仿真图

4、结论

本文介绍了平面集成磁件的概念，研究了LLC谐振变换器中集成磁件的设计。然后，介绍了平面集成磁件的设计方法，通过把LLC谐振变换器的非平面集成磁件设计为平面集成磁件，不但减小了集成磁件的体积、高度和重量，还减小了磁芯损耗。

参考文献

[1] R.Huljak，V. Thottuvelil，A.Marsh and B.Miller. Where Are Power Supplies Headed, IEEE APEC,2000 pp.10- 17.[p]

[2] Conor Quinn, Karl Rinne,Terence O’Donnell, Maeve Duffy, Cian.O. Mathuna. A Review of Planar Magnetic Techniques and Technologies, IEEE APEC, 2001, pp.1175-1183.

[3] 杨玉岗;现代电力电子的磁技术，北京：科学出版社，2003。

[4] 蔡宣三，龚绍文;高频功率电子学，北京：科学出版社，1993。

[5] 杨玉岗;平面集成磁技术，中国电源学会第15届全国电源技术年会论文集，2003，pp. 582-584.

[6] Bo Yang, Fred C.Lee. LLC Resonant Converter for Front End DC/DC Conversion. IEEE APEC2002, 2002, pp.1108-1112.

[7] Bo Yang, Rengang Chen, Fred.Lee. Integrated Magnetic for LLC Resonant Converter. IEEE APEC2002, 2002, pp.346-351.