交錯(cuò)并聯(lián)雙向CLLC型諧振變換器中U+U型磁集成變壓器的設(shè)計(jì)

楊玉崗 武艷秋 孫曉鈺 郭 詞 田華松

交錯(cuò)并聯(lián)雙向CLLC型諧振變換器中U+U型磁集成變壓器的設(shè)計(jì)

楊玉崗1武艷秋1孫曉鈺1郭 詞1田華松2

（1. 遼寧工程技術(shù)大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院 葫蘆島 125105 2. 科華恒盛股份有限公司 廈門 361000）

交錯(cuò)并聯(lián)技術(shù)提高了變換器的傳輸容量，但增加了系統(tǒng)的元器件數(shù)量，特別是變壓器、電感等磁性元件，通過(guò)磁集成技術(shù)可減少磁件的數(shù)量和損耗。傳統(tǒng)的磁集成變壓器結(jié)構(gòu)多采用EE型結(jié)構(gòu)，繞組和氣隙分布在邊柱上，因而造成磁壓、磁通分布不均等問(wèn)題，且繞組完全包圍氣隙，使得擴(kuò)散磁通和繞組交鏈產(chǎn)生渦流損耗。因此該文提出一種U+U型磁集成變壓器結(jié)構(gòu)，給出集成變壓器的設(shè)計(jì)方法及參數(shù)，為與傳統(tǒng)EE型磁集成變壓器對(duì)比，利用ANSYS軟件進(jìn)行仿真，并通過(guò)一臺(tái)400～48V/1kW的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，對(duì)兩種集成變壓器結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了所提U+U型磁集成變壓器的優(yōu)越性。

交錯(cuò)并聯(lián) 雙向CLLC型諧振變換器 U+U型磁集成變壓器 EE型磁集成變壓器

0 引言

雙向LLC諧振變換器由于具有自然的軟開(kāi)關(guān)特性，滿足一次側(cè)開(kāi)關(guān)管的零電壓開(kāi)通（Zero Voltage Switching, ZVS）和二次側(cè)開(kāi)關(guān)管的零電流關(guān)斷（Zero Current Switching, ZCS），大大降低了損耗[1-5]，且具有高效率的特點(diǎn)。在大功率應(yīng)用場(chǎng)合，交錯(cuò)并聯(lián)技術(shù)能夠提升變換器的傳輸容量，通過(guò)多相承擔(dān)功率要求，避免單相大功率傳輸帶來(lái)的損耗嚴(yán)重和器件應(yīng)力大的問(wèn)題，因此交錯(cuò)并聯(lián)雙向CLLC變換器在直流配電網(wǎng)中優(yōu)勢(shì)明顯，具有研究?jī)r(jià)值和經(jīng)濟(jì)效益[6-9]。但采用交錯(cuò)并聯(lián)技術(shù)會(huì)導(dǎo)致元器件成倍增加，特別是質(zhì)量和體積占比較高的磁件數(shù)量也成倍增加，降低了變換器的功率密度，不符合當(dāng)前變換器高效率、高功率密度的發(fā)展趨勢(shì)，因此磁集成技術(shù)成為研究熱點(diǎn)[10-12]。復(fù)旦大學(xué)的劉剛等提出一種用于雙向CLLC諧振變換器的對(duì)稱型磁集成變壓器[13]。日本名古屋大學(xué)的Masayoshi Yamamoto等提出串聯(lián)輸入、并聯(lián)輸出的LLC諧振變換器，并將三個(gè)LLC變換器單元中變壓器進(jìn)行集成，提高了變換器的功率密度，該集成結(jié)構(gòu)是基于傳統(tǒng)EE型磁心而設(shè)計(jì)的[14]。

磁集成技術(shù)可使變換器中多個(gè)磁元件集成到一個(gè)磁心中，從而減少磁元件數(shù)量，降低體積和質(zhì)量，而且通過(guò)合理設(shè)計(jì)，可以減少或消除磁元件交流磁通，從而提高效率和功率密度。本文提出一種變壓器磁集成結(jié)構(gòu)——U+U型磁集成變壓器，通過(guò)和傳統(tǒng)EE型磁集成變壓器結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比，建立磁位差模型，分析兩者磁通密度分布情況和磁位差的區(qū)別得出，U+U型磁集成變壓器結(jié)構(gòu)比EE型磁集成變壓器結(jié)構(gòu)的磁通密度分布更均勻、磁位差更小，由擴(kuò)散磁通造成的渦流損耗更小。通過(guò)ANSYS進(jìn)行磁場(chǎng)仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，證明利用U+U型磁集成變壓器方案能夠提高變換器的效率和功率密度。

1 U+U型磁集成變壓器

1.1 U+U型磁集成變壓器的特性分析

在CLLC諧振變換器中，將變壓器的漏感作為諧振電感的一部分[13]，同外加電感共同構(gòu)成諧振電感，交錯(cuò)并聯(lián)磁集成雙向CLLC諧振變換器的電路拓?fù)淙鐖D1所示，變壓器TR1、TR2集成在同一個(gè)磁心上，k1、k2和k3、k4分別為變壓器TR1、TR2的漏感，o1～o4為外加電感，r1、r2和s1、s2分別為兩相諧振變換器的一次、二次電流。

圖1 交錯(cuò)并聯(lián)磁集成雙向CLLC諧振變換器拓?fù)?/p>

U+U型磁集成變壓器結(jié)構(gòu)如圖2a所示。從圖中可以看出，U+U型磁集成變壓器結(jié)構(gòu)由兩片U形磁心和一個(gè)十字形磁心組成，十字形磁心置于兩個(gè)U形磁心中間，兩片U形磁心中部與十字形磁心的左右橫磁軛緊貼，在它們之間不留氣隙，作為兩個(gè)變壓器共用的低磁阻磁路；兩個(gè)U形磁心的上、下側(cè)柱與十字形磁心的上側(cè)或下側(cè)之間留有氣隙，形成磁集成變壓器的勵(lì)磁電感，形成上下、左右對(duì)稱的U+U型磁集成變壓器結(jié)構(gòu)。在U+U型磁集成變壓器的十字形磁心的上側(cè)磁柱上繞制11、12繞組，形成諧振變換器中變壓器TR1及其勵(lì)磁電感m1，在下側(cè)磁柱上繞制21、22繞組，形成諧振變換器中變壓器TR2及其勵(lì)磁電感m2。

圖2 變壓器的磁集成結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)EE型變壓器集成結(jié)構(gòu)如圖2b所示，兩片E形磁心面對(duì)面放置，在兩個(gè)中柱之間不留氣隙，形成變壓器集成的低磁阻磁路；上、下側(cè)柱之間留氣隙，形成變壓器的勵(lì)磁電感。在上、下側(cè)柱上分別繞制TR1的11、12繞組和TR2的21、22繞組。

由于諧振變換器對(duì)于參數(shù)變化比較靈敏，因此變壓器的漏感需要嚴(yán)格控制，為了分析U+U型磁集成變壓器結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)EE型變壓器集成結(jié)構(gòu)在散磁、磁位差方面的差異，對(duì)這兩種磁集成結(jié)構(gòu)做出對(duì)應(yīng)的磁動(dòng)勢(shì)及磁位分布，分別如圖3和圖4所示。

圖3 U+U型磁集成變壓器的結(jié)構(gòu)及磁動(dòng)勢(shì)和磁位分布

圖4 EE型磁集成變壓器的結(jié)構(gòu)及磁動(dòng)勢(shì)和磁位分布

對(duì)比圖3和圖4可見(jiàn)，EE型磁集成變壓器結(jié)構(gòu)中繞組完全包裹住氣隙，在氣隙處存在較大的磁位差，造成較大的散磁通，而這些散磁通與繞組進(jìn)行交鏈，產(chǎn)生額外的渦流損耗；EE型磁集成變壓器結(jié)構(gòu)相比于U+U型磁集成結(jié)構(gòu)，磁位差較大的位置發(fā)生在磁心的外側(cè)柱上，在接近一半磁路的外側(cè)柱上磁位差均較大，磁通密度也會(huì)很大，散磁通增加，并且諧振變換器中變壓器的磁場(chǎng)是正弦交變的，對(duì)周圍電路引起嚴(yán)重的電磁干擾。

EE型磁集成變壓器結(jié)構(gòu)的導(dǎo)磁截面積小于U+U型磁集成結(jié)構(gòu)，因而在相同磁通密度和勵(lì)磁電感的情況下，EE型磁集成結(jié)構(gòu)需要的繞組匝數(shù)更多，氣隙相比U+U型磁集成結(jié)構(gòu)也會(huì)更大，進(jìn)一步加劇了上述兩種差異。

因此，U+U型磁集成變壓器結(jié)構(gòu)相比于傳統(tǒng)EE型磁集成變壓器結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)更明顯，更具有研究?jī)r(jià)值。

1.2 U+U型磁集成變壓器的磁路模型

U+U型磁集成變壓器結(jié)構(gòu)磁通分布如圖5所示，兩變壓器的繞組分別繞在十字形磁心的上、下磁軛上。11、12和21、22分別為兩個(gè)磁集成變壓器TR1和TR2的一次、二次繞組，且1121、1222，r1、r2和s1、s2分別為流入兩相一次、二次繞組的電流。在不考慮氣隙邊緣磁通和繞組漏磁時(shí)，11、22分別為兩變壓器的主磁通。

圖5 U+U型磁集成變壓器結(jié)構(gòu)磁通分布

U+U型磁集成變壓器各段磁路長(zhǎng)度如圖6所示。磁通所通過(guò)的各段路徑尺寸見(jiàn)圖6中的標(biāo)注，用1、2、3、4表示。為U形磁心和十字形磁心之間的氣隙，上下、左右氣隙對(duì)稱，其他磁心尺寸標(biāo)注如圖6所示，磁心厚度為。

圖6 U+U型磁集成變壓器各段磁路長(zhǎng)度

根據(jù)磁路歐姆定律可得U+U型磁集成變壓器的基本磁路模型如圖7a所示。其中，11r1、12s1和21r2、22s2分別為變壓器繞組的勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)。通過(guò)對(duì)磁路模型進(jìn)行串并聯(lián)簡(jiǎn)化，得到簡(jiǎn)化后的磁路模型如圖7b所示。

圖7 U+U型磁集成變壓器的磁路模型

根據(jù)磁阻定義，可以計(jì)算圖7a中各磁阻為

式中，0為真空磁導(dǎo)率；r為相對(duì)磁導(dǎo)率；1、2、3、4與磁路長(zhǎng)度關(guān)系表示為

（3）

圖7b中，磁阻0、1、2可分別表示為

由磁路模型運(yùn)用磁路歐姆定律得

運(yùn)用電磁感應(yīng)定律得

結(jié)合式（5）和式（6）得

即可得到自感表達(dá)式為

2 U+U型集成變壓器設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)變壓器時(shí)，由于是雙向CLLC諧振變換器，則從高壓側(cè)到低壓側(cè)即400～48V為例進(jìn)行設(shè)計(jì)。將U+U型磁心作為新型變壓器結(jié)構(gòu)，對(duì)這種結(jié)構(gòu)變壓器的參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)給出傳統(tǒng)EE型集成結(jié)構(gòu)的變壓器參數(shù)來(lái)進(jìn)行后續(xù)對(duì)比分析。

表1 變壓器設(shè)計(jì)參數(shù)

Tab.1 Transformer design parameters

表2 U+U型集成變壓器磁心尺寸

Tab.2 U+U integrated transformer core size （單位: mm）

所以磁心選擇滿足條件。

為保證變壓器在頻率變化時(shí)不飽和，需要按照最小開(kāi)關(guān)頻率設(shè)計(jì)匝數(shù)，在最小工作頻率smin處取最大磁感應(yīng)強(qiáng)度，因此高壓側(cè)線圈匝數(shù)p為

式中，f為高壓側(cè)方波的波形系數(shù)；e為磁心有效截面積。取高壓側(cè)匝數(shù)為33，根據(jù)電壓比和輸出整流管導(dǎo)通壓降d，可得出變壓器低壓側(cè)匝數(shù)s為

取低壓側(cè)匝數(shù)為4。

由于勵(lì)磁電感m集成于變壓器內(nèi)部，通過(guò)添加氣隙的方式形成所需要的勵(lì)磁電感，由電感計(jì)算公式得到磁心氣隙為

考慮到諧振變換器工作在較高頻率范圍內(nèi)，因此在導(dǎo)線選取時(shí)還要考慮趨膚效應(yīng)，趨膚深度為

根據(jù)諧振電流有效值，計(jì)算得到高壓側(cè)導(dǎo)線截面積p和低壓側(cè)導(dǎo)線截面積s分別為

因此變壓器高壓側(cè)選取導(dǎo)線規(guī)格為0.1mm×100的利茲線，低壓側(cè)選擇0.1mm×400兩股并聯(lián)的利 茲線。

為了后續(xù)的對(duì)比分析，這里給出在同樣工作條件下傳統(tǒng)EE型集成變壓器主要設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 EE型磁集成變壓器設(shè)計(jì)參數(shù)

Tab.3 Design parameters of EE type magnetic integration transformer

3 仿真分析

3.1 磁通密度仿真分析

為了分析兩者磁通密度分布情況，利用第2節(jié)中提出的U+U型和EE型磁集成變壓器的參數(shù)，在ANSYS 18.0版本的電磁組件中進(jìn)行集成磁件的建模和參數(shù)設(shè)置，進(jìn)行電磁場(chǎng)仿真，分析兩種集成結(jié)構(gòu)的磁心工作磁通密度分布情況。設(shè)置兩種結(jié)構(gòu)仿真參數(shù)中等效安匝數(shù)，即勵(lì)磁電流和安匝數(shù)的乘積均為60A，兩種結(jié)構(gòu)的3D仿真結(jié)果分別如圖8和圖9所示，圖中，為磁感應(yīng)強(qiáng)度。

圖8 EE型集成變壓器磁通密度3D仿真

圖9 U+U型磁集成變壓器磁通密度3D仿真

由圖8和圖9可見(jiàn)，在相同的磁通密度下，兩種結(jié)構(gòu)的最大磁通密度均小于磁心的飽和磁通密度0.3T，磁心均未出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，表明其變壓器參數(shù)設(shè)計(jì)的合理性。對(duì)比EE型和U+U型磁通密度分布情況可知，EE型磁集成結(jié)構(gòu)的磁通密度分布更加不均勻，且在氣隙處磁通密度最高，邊柱上的磁通密度也相對(duì)較高，說(shuō)明EE型磁集成結(jié)構(gòu)磁位差較大，在邊柱和氣隙處漏感也較大。

3.2 磁通分布仿真分析

為了對(duì)比分析兩種變壓器集成結(jié)構(gòu)的不同，在磁通密度仿真的基礎(chǔ)上，進(jìn)行2D磁通分布的仿真分析，在瞬態(tài)仿真的最大勵(lì)磁時(shí)刻，得到兩種集成結(jié)構(gòu)的磁通分布仿真分別如圖10和圖11所示，圖中，為矢量磁位。

對(duì)比兩種磁通分布可得，EE型集成結(jié)構(gòu)由于磁心磁位差較大，存在較大的旁路磁通，在高頻情況下，穿過(guò)繞組產(chǎn)生較大的渦流損耗；且EE型集成結(jié)構(gòu)繞組完全包圍側(cè)柱氣隙，在氣隙處由于氣隙磁動(dòng)勢(shì)而產(chǎn)生的擴(kuò)散磁通切割繞組導(dǎo)體，也會(huì)產(chǎn)生較大的渦流損耗，并且會(huì)對(duì)外圍電路產(chǎn)生較大的電磁輻射，提高了產(chǎn)品的電磁干擾（Electromagnetic Inter- ference, EMI）要求。

圖10 EE型集成變壓器磁通分布2D仿真

圖11 U+U型磁集成變壓器磁通分布2D仿真

相比于EE型集成結(jié)構(gòu)，U+U型集成結(jié)構(gòu)中由于磁心磁位差均勻，不存在旁路磁通，僅僅在氣隙處存在擴(kuò)散磁通分布，但這些擴(kuò)散磁通并未和繞組切割，因而不會(huì)產(chǎn)生較大的渦流損耗。因此，可以得出U+U型集成結(jié)構(gòu)相比于EE型集成結(jié)構(gòu)具有更小的漏感和更低的損耗，更具有優(yōu)勢(shì)。

4 樣機(jī)和實(shí)驗(yàn)

根據(jù)第2節(jié)中設(shè)計(jì)的參數(shù)進(jìn)行磁集成變壓器樣機(jī)制作，EE型和U+U型磁集成變壓器樣機(jī)如圖12所示，其測(cè)量數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

完成制作樣機(jī)并進(jìn)行測(cè)試，得出U+U型磁集成結(jié)構(gòu)的漏感比EE型磁集成結(jié)構(gòu)的漏感小。并且對(duì)比兩種變壓器體積大小如圖13所示，利用“排水法”測(cè)得U+U型變壓器體積為79.2cm3，EE型變壓器體積為101.8cm3，體積同比減小22.2%，說(shuō)明基于U+U型變壓器結(jié)構(gòu)的變換器具有更高的功率密度。

圖12 EE型和U+U型磁集成變壓器樣機(jī)

表4 EE型和U+U型磁集成變壓器的電感

Tab.4 Inductance values of EE and U+U type magnetic integration transformers

圖13 U+U型磁集成變壓器和EE型磁集成變壓器對(duì)比

為了驗(yàn)證U+U型磁集成變壓器與傳統(tǒng)EE型磁集成結(jié)構(gòu)的不同，搭建交錯(cuò)并聯(lián)磁集成雙向CLLC諧振變換器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖14所示。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表5。

在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中分別進(jìn)行交錯(cuò)并聯(lián)磁集成正、反向?qū)嶒?yàn)，分別得到采用EE型和U+U型磁集成變壓器結(jié)構(gòu)在輕載（10%額定負(fù)載）、半載（50%額定負(fù)載）、滿載（額定負(fù)載）情況下，正、反向諧振電流波形分別如圖15～圖18所示，其中r_rms為諧振電流有效值。由圖15、圖16可見(jiàn)，變換器正向工作分別在輕載、半載、滿載的情況下，EE型諧振電流有效值分別為0.86A、1.41A、2.03A；U+U型磁集成變壓器諧振電流有效值分別為0.78A、1.26A、1.74A。由圖17、圖18可見(jiàn)，變換器反向工作分別在輕載、半載、滿載的情況下，EE型諧振電流有效值分別為6.14A、9.32A、14.9A；U+U型磁集成變壓器諧振電流有效值分別為5.32A、8.17A、14.2A。

圖14 交錯(cuò)并聯(lián)磁集成雙向CLLC諧振變換器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

表5 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)

Tab.5 Technical indicators of experimental system

可以得出，無(wú)論正向還是反向工作模式，基于U+U型磁集成變壓器的交錯(cuò)并聯(lián)雙向CLLC諧振變換器均能正常工作，且在各種工況下U+U型磁集成變壓器諧振電流均小于EE型磁集成變壓器，諧振電流減小可以降低諧振變換器損耗，能有效提高諧振變換器的效率，驗(yàn)證了U+U型磁集成變壓器的有效性。進(jìn)一步通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定二者的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并繪制效率曲線如圖19所示。

圖15 EE型磁集成變壓器正向?qū)嶒?yàn)諧振電流波形

圖16 U+U型磁集成變壓器正向?qū)嶒?yàn)諧振電流波形

由圖19可以看出，U+U型磁集成變壓器的效率最高，峰值效率達(dá)到94.8%，而EE型磁集成變壓器的效率較低，驗(yàn)證了第1節(jié)的理論分析和第3節(jié)的仿真分析。U+U型磁集成的磁壓分布均勻，磁通密度和漏磁較小，且有低磁阻磁路的磁通抵消作用降低了磁心損耗，所以U+U型磁集成變壓器效率最高，而EE型磁集成變壓器的效率相對(duì)較低，主要是由于旁路磁通和擴(kuò)散磁通造成的渦流損耗較大。

圖17 EE型磁集成變壓器反向?qū)嶒?yàn)諧振電流波形

圖18 U+U型磁集成變壓器反向?qū)嶒?yàn)諧振電流波形

圖19 兩種變壓器結(jié)構(gòu)的效率曲線

5 結(jié)論

針對(duì)交錯(cuò)并聯(lián)雙向CLLC諧振變換器中集成磁件體積較大、效率較低的問(wèn)題，提出一種U+U型磁集成變壓器結(jié)構(gòu)，通過(guò)和傳統(tǒng)EE型磁集成變壓器結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比，得出所提出的U+U型磁集成變壓器結(jié)構(gòu)的磁通密度分布比傳統(tǒng)EE型磁集成變壓器結(jié)構(gòu)更加均勻，磁位差更小，由擴(kuò)散磁通引起的渦流損耗更小。通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)證明，所提出的U+U型磁集成變壓器結(jié)構(gòu)的體積比傳統(tǒng)EE型磁集成變壓器結(jié)構(gòu)減小22.2%，諧振電流有效值在各種工況下都有減小，效率提高1個(gè)百分點(diǎn)。

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Design of U+U Type Magnetic Integrated Transformer in Interlaced Bidirectional CLLC Resonant Converter

11112

（1. College of Electrical and Control Engineering Liaoning Technical University Huludao 125105 China 2. Kehua Hengsheng Co. Ltd Xiamen 361000 China）

The interleave parallel technology improves the transmission capacity of the converter, but increases the number of system components, especially the transformer, inductance and other magnetic components. Magnetic integration technology can reduce the number of magnetic components and loss. The traditional structure of magnetic integration transformer mostly adopts EE type structure, where the windings and air gaps are distributed on the side legs, resulting in uneven distribution of magnetic pressure and magnetic flux. Moreover, the air gaps are surrounded with windings completely, which causes eddy current loss of the diffused magnetic flux hinging with the windings. This paper proposes a U+U type magnetic integrated transformer structure, and gives the related integrated design method and parameters. This paper simulates the magnetic field of the proposed U+U structure and the traditional structure by ANSYS software. Through a 400～48V/1kW interlaced bidirectional CLLC resonant converter prototype, the proposed structure is compared with the traditional EE type structure, which verifies the superiority of the proposed U+U type structure.

Interleaving parallel, bi-directional CLLC resonant converter, U+U type magnetic integration transformer, EE type magnetic integration transformer

TM46

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.191629

國(guó)家自然科學(xué)基金—山西煤基低碳聯(lián)合基金（U1510128）和遼寧省特聘教授（551806010）資助項(xiàng)目。

2019-11-26

2019-12-26

楊玉崗 男，1967年生，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)殡娏﹄娮蛹夹g(shù)及磁集成技術(shù)。E-mail: 447987957@qq.com

武艷秋 女，1996年生，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏﹄娮蛹夹g(shù)及磁集成技術(shù)。E-mail: 2496686505@qq.com（通信作者）

（編輯 陳 誠(chéng)）