面向未來電動汽車的技術(shù)：具有最小容差的全新變壓器設(shè)計(jì)

Jochen Neller Gerard Healy

電動汽車和自動駕駛的發(fā)展前景有賴于許多關(guān)鍵技術(shù)的進(jìn)步，其中包括高性能電池的充電功能。車載充電器（OBC）有望受益于一項(xiàng)新穎的電源變壓器設(shè)計(jì)。

0 引言

為了在高性能細(xì)分領(lǐng)域持續(xù)達(dá)到良好的效率水平，我們需要具有低開關(guān)損耗的功率開關(guān)組件。現(xiàn)代產(chǎn)品經(jīng)常使用諧振轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)利用了零電壓開關(guān)原理（zero voltage switching， ZVS），優(yōu)勢是減少開關(guān)損耗。它們最常出現(xiàn)在LLC諧振轉(zhuǎn)換器中，其電路中的諧振電感可實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)，使得LLC器件非常適合要求高效率及大功率的車載充電器（OBC）應(yīng)用。

LLC一詞指的是諧振電路依賴的三個組件功能：變壓器勵磁電感（Lm）、變壓器漏感（Lr）和諧振電容（Cr）。如果數(shù)值計(jì)算正確且遵守所需的最小容差（tolerance），這是使用LLC變壓器漏感來取代所需諧振電感的已知方法。供貨商普思電子（Pulse Electronics）使用有限元模型分析法（finite element modeling）設(shè)計(jì)了一款3.6 kW的LLC變壓器，具備高精度及最小容差的漏感，能夠作為LLC轉(zhuǎn)換器的諧振電感。

針對這款3.6 kW LLC變壓器開發(fā)的系統(tǒng)要求包括：次級側(cè)對初級側(cè)的匝數(shù)比（N）是2，初級側(cè)的勵磁電感是36 μH，精確的變壓器增益（放大倍數(shù)）為6。結(jié)果顯示放大倍數(shù)與變壓器的初級繞組漏感（leakage inductance）直接相關(guān)。因此，為了實(shí)現(xiàn)精確的放大倍數(shù)，這個寄生參數(shù)需要設(shè)有最小容差。為了實(shí)現(xiàn)這個目標(biāo)，要使用一項(xiàng)創(chuàng)新的變壓器設(shè)計(jì)。

圖1所示為LLC電路框圖，其中的突出部分是諧振電感Lr。諧振電路與輸出/平滑電路產(chǎn)生電感耦合。磁力耦合主要由線圈結(jié)構(gòu)和鐵芯氣隙（air gap）的幾何形狀決定。

我們使用以下公式得出LLC轉(zhuǎn)換器的放大倍數(shù)：

放大倍數(shù)=（Lm + Lr） / Lr （1）

勵磁電感Lm的容差值可以通過嚴(yán)格遵守鐵芯氣隙的容差值來控制，但諧振電感Lr則需要進(jìn)一步研究。

圖2提供了更加完整的模型，這個模型包括了初級側(cè)線圈的漏感（Lk_prim）和次級側(cè)線圈的漏感（Lk_sec），以及可能出現(xiàn)的外部諧振電感（Lext）。

接下來就清楚了：

Lr = Lext + Lk_prim （2）

如前所述，通過設(shè)計(jì)具有足夠大漏感的變壓器，可以省去外部諧振電感器。這里的挑戰(zhàn)在于為這項(xiàng)寄生參數(shù)設(shè)定合適的嚴(yán)格容差，而普思電子正是以一項(xiàng)新穎的線圈設(shè)計(jì)達(dá)成了這個目標(biāo)。

1 夾心繞法的線圈設(shè)計(jì)

一個示例是PQ50/50平臺，它的初級側(cè)和次級側(cè)線圈導(dǎo)線的尺寸正好適用于3.6 kW功率水平?？紤]到變壓器開發(fā)目標(biāo)的系統(tǒng)要求，決定漏感值的式（1）和式（2）說明了“將初級側(cè)線圈和夾心式繞法的次級側(cè)側(cè)線圈彼此分立的設(shè)計(jì)，最接近目標(biāo)值”。

圖3顯示了用于微調(diào)漏感值的專利線圈設(shè)計(jì)截面圖。這個設(shè)計(jì)的獨(dú)特之處在于能夠各自獨(dú)立控制線圈之間的距離，并達(dá)到所需的漏感值。每個線圈的寬度和線束尺寸都經(jīng)過仔細(xì)調(diào)整，以適應(yīng)線圈精度，將其微調(diào)到符合漏感容差要求。

2 優(yōu)化變壓器設(shè)計(jì)的有限元法

為了最終完成設(shè)計(jì)并確保漏感集中在初級側(cè)線圈周圍，必須優(yōu)化初級側(cè)和次級側(cè)線圈的設(shè)計(jì)以及鐵芯氣隙的位置。

該設(shè)計(jì)是以有限元法建立模型所開發(fā)的，有限元法是一種用于分析技術(shù)性磁力問題并開發(fā)有效解決方案的現(xiàn)代方法。所產(chǎn)生的磁通達(dá)到了預(yù)期結(jié)果。圖4顯示了初級側(cè)線圈和次級側(cè)線圈各個磁通路徑的有限元模型。

原型設(shè)計(jì)（圖5）和電氣測試證實(shí)了優(yōu)化變壓器設(shè)計(jì)的有限元模型仿真結(jié)果。

以下是在我們經(jīng)優(yōu)化的變壓器的次級繞組和初級繞組上分別施加2 V電壓（黃色）時(shí)的感應(yīng)電壓（藍(lán)色）。

如圖6和圖7所示，初級測的感應(yīng)電壓（1.02 V）接近理論值（即：次級側(cè)施加電壓的一半），而次級側(cè)的感應(yīng)電壓（3.52 V）則顯著低于初級側(cè)施加電壓的兩倍。這里顯示了初級側(cè)漏感的集中特性。

因此，證實(shí)了將LLC拓?fù)潆娐窇?yīng)用在大功率車載充電器上的優(yōu)勢。