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

楊玉崗 武艷秋 孫曉鈺 郭 詞 田華松

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

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、磁通分布不均等問題，且繞組完全包圍氣隙，使得擴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)計方法及參數(shù)，為與傳統(tǒng)EE型磁集成變壓器對比，利用ANSYS軟件進行仿真，并通過一臺400～48V/1kW的實驗樣機，對兩種集成變壓器結(jié)構(gòu)進行對比實驗，驗證了所提U+U型磁集成變壓器的優(yōu)越性。

交錯并聯(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關(guān)特性，滿足一次側(cè)開關(guān)管的零電壓開通（Zero Voltage Switching, ZVS）和二次側(cè)開關(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。在大功率應(yīng)用場合，交錯并聯(lián)技術(shù)能夠提升變換器的傳輸容量，通過多相承擔(dān)功率要求，避免單相大功率傳輸帶來的損耗嚴重和器件應(yīng)力大的問題，因此交錯并聯(lián)雙向CLLC變換器在直流配電網(wǎng)中優(yōu)勢明顯，具有研究價值和經(jīng)濟效益[6-9]。但采用交錯并聯(lián)技術(shù)會導(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，因此磁集成技術(shù)成為研究熱點[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LLC變換器單元中變壓器進行集成，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)計的[14]。

磁集成技術(shù)可使變換器中多個磁元件集成到一個磁心中，從而減少磁元件數(shù)量，降低體積和質(zhì)量，而且通過合理設(shè)計，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，通過和傳統(tǒng)EE型磁集成變壓器結(jié)構(gòu)進行對比，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，由擴散磁通造成的渦流損耗更小。通過ANSYS進行磁場仿真和實驗驗證，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，交錯并聯(lián)磁集成雙向CLLC諧振變換器的電路拓撲如圖1所示，變壓器TR1、TR2集成在同一個磁心上，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 交錯并聯(lián)磁集成雙向CLLC諧振變換器拓撲

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形磁心和一個十字形磁心組成，十字形磁心置于兩個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，作為兩個變壓器共用的低磁阻磁路；兩個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磁電感，形成上下、左右對稱的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形磁心面對面放置，在兩個中柱之間不留氣隙，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。

由于諧振變換器對于參數(shù)變化比較靈敏，因此變壓器的漏感需要嚴格控制，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，對這兩種磁集成結(jié)構(gòu)做出對應(yīng)的磁動勢及磁位分布，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)及磁動勢和磁位分布

圖4 EE型磁集成變壓器的結(jié)構(gòu)及磁動勢和磁位分布

對比圖3和圖4可見，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，磁通密度也會很大，散磁通增加，并且諧振變換器中變壓器的磁場是正弦交變的，對周圍電路引起嚴重的電磁干擾。

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)也會更大，進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)勢更明顯，更具有研究價值。

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，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度如圖6所示。磁通所通過的各段路徑尺寸見圖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磁磁動勢。通過對磁路模型進行串并聯(lián)簡化，得到簡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，可以計算圖7a中各磁阻為

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

（3）

圖7b中，磁阻0、1、2可分別表示為

由磁路模型運用磁路歐姆定律得

運用電磁感應(yīng)定律得

結(jié)合式（5）和式（6）得

即可得到自感表達式為

2 U+U型集成變壓器設(shè)計

設(shè)計變壓器時，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為例進行設(shè)計。將U+U型磁心作為新型變壓器結(jié)構(gòu)，對這種結(jié)構(gòu)變壓器的參數(shù)進行設(shè)計，同時給出傳統(tǒng)EE型集成結(jié)構(gòu)的變壓器參數(shù)來進行后續(xù)對比分析。

表1 變壓器設(shè)計參數(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不飽和，需要按照最小開關(guān)頻率設(shè)計匝數(shù)，在最小工作頻率smin處取最大磁感應(yīng)強度，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。

由于勵磁電感m集成于變壓器內(nèi)部，通過添加氣隙的方式形成所需要的勵磁電感，由電感計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)計參數(shù)見表3。

表3 EE型磁集成變壓器設(shè)計參數(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行集成磁件的建模和參數(shù)設(shè)置，進行電磁場仿真，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，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)計的合理性。對比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較高，說明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，進行2D磁通分布的仿真分析，在瞬態(tài)仿真的最大勵磁時刻，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勢而產(chǎn)生的擴散磁通切割繞組導(dǎo)體，也會產(chǎn)生較大的渦流損耗，并且會對外圍電路產(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散磁通分布，但這些擴散磁通并未和繞組切割，因而不會產(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。

4 樣機和實驗

根據(jù)第2節(jié)中設(shè)計的參數(shù)進行磁集成變壓器樣機制作，EE型和U+U型磁集成變壓器樣機如圖12所示，其測量數(shù)據(jù)見表4。

完成制作樣機并進行測試，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。并且對比兩種變壓器體積大小如圖13所示，利用“排水法”測得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

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型磁集成變壓器對比

為了驗證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，搭建交錯并聯(lián)磁集成雙向CLLC諧振變換器實驗系統(tǒng)如圖14所示。實驗系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)見表5。

在實驗系統(tǒng)中分別進行交錯并聯(lián)磁集成正、反向?qū)嶒灒謩e得到采用EE型和U+U型磁集成變壓器結(jié)構(gòu)在輕載（10%額定負載）、半載（50%額定負載）、滿載（額定負載）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，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，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 交錯并聯(lián)磁集成雙向CLLC諧振變換器實驗系統(tǒng)

表5 實驗系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)

Tab.5 Technical indicators of experimental system

可以得出，無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，驗證了U+U型磁集成變壓器的有效性。進一步通過實驗測定二者的實驗數(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)嶒炛C振電流波形

圖16 U+U型磁集成變壓器正向?qū)嶒炛C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，峰值效率達到94.8%，而EE型磁集成變壓器的效率較低，驗證了第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較低，主要是由于旁路磁通和擴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)嶒炛C振電流波形

圖18 U+U型磁集成變壓器反向?qū)嶒炛C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

針對交錯并聯(lián)雙向CLLC諧振變換器中集成磁件體積較大、效率較低的問題，提出一種U+U型磁集成變壓器結(jié)構(gòu)，通過和傳統(tǒng)EE型磁集成變壓器結(jié)構(gòu)進行對比，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，由擴散磁通引起的渦流損耗更小。通過仿真和實驗證明，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個百分點。

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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，研究方向為電力電子技術(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，研究方向為電力電子技術(shù)及磁集成技術(shù)。E-mail: 2496686505@qq.com（通信作者）

（編輯 陳 誠）