谐振变换器的高频变压器设计.pdf

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1、2012年中国电机工程学会直流输电与电力电子专委会学术年会论文集LLC谐振变换器的高频变压器设计赵慧超，张青利，刘红昌，颜湘武（华北电力大学电气与电子工程学院，保定，071000）摘要：LLC半桥谐振变换器以其高效率、高功率密度等优点成为研究的热门拓扑。合理选择其参数是实现变换器高工作效率，优良软开关特性的前提和保证。高频变压器既是LLC半桥谐振变换器的核心组件之一，同时又是LLC半桥谐振变换器的主要发热源和体积重量的主要占有者。因此，针对高频变压器的优化设计也是对LLC半桥谐振变换器的优化设计。采用AP法针对5kW高频变压器进行理论计算与设计，并进行了优化，详细阐述了高频变压器的设计与制

2、作方法。关键词：LLC半桥谐振变换器；高频变压器；优化设计1引言随着开关电源技术的不断发展，电源装置向小型化、轻量化方向发展，电源的开关频率也逐渐高频化，但在传统硬开关方式下将使开关损耗增加，影响效率。软开关技术的出现则[1]在一定程度上缓解了这种矛盾。LLC谐振变换器以其结构简单，效率高、功率密度大、体积小，重量轻，控制精度高等诸多优点在通讯电源领域备受关注，广泛应用于航天，电子，通信，电动汽车充电站等领域。近年来随着电动汽车的崛起与发展，开关电源在电动汽车充电站方面得到了十足的发展与推广。但是在实际应用中，开关电源的核心器件高频变压器的设计和制作尤为重要，因为高频变压器的设计不合理或者

3、制作工艺的不足等问题致使开关电源损耗过大，输出电压不稳定，发热量过大，甚至导致开关电源损坏等情况频繁出现。因此，开关电源变压器的设计与制作是制作开关电源的重要环节之一。有关LLC谐振变换器参数设计的资料很多，但其变压器的详细设计很少。本文首先介绍了LLC半桥谐振变换器的拓扑结构，然后详细分析了LLC半桥谐振变换器的高频变压器的设计过程。2LLC半桥谐振变换器的拓扑结构半桥LLC谐振变换器的主电路结构如图1所示。LLC谐振变换器一般包括三部分:方波产[2]生电路、谐振网络和输出电路。方波产生电路可以是半桥或全桥结构(一般根据功率需求选择)。通过高低端开关管的交替导通，将直流输入转换为方波。当

4、然，为防止它们同时导通，LLC谐振控制器普遍会在高低端开关管的驱动信号之间插入固定或可调的死区时间。LLC谐振变换器的谐振网络由三个谐振原件构成，分别为谐振电容Cs，谐振电感Ls和激磁电感Lm。5402012年中国电机工程学会直流输电与电力电子专委会学术年会论文集Q1D1D2CsVinLsLmRoQ2CoD4D3图1半桥LLC谐振变换器的主电路结构从图中我们可以看出，电路由以下元件构成：两个功率MOSFETQ、Q，Q和Q的1212占空比都是0.5，采用固定死区的互补调频控制方式来进行控制。图中分别给出了Q和Q的12体二极管和寄生电容；谐振电容C；理想变压器；并联谐振电感L；串联谐振电感L；

5、全SmS桥整流二极管D1、D2、D3、D4；输出电容C0和负载R0。方波馈入谐振网络后，电流波形和电压波形将产生相位差。开关损耗为流过开关管的电流与其源漏极两端的电压乘积。由于Q、Q在电流流过体二极管时开启，开启电压很低，12所以损耗很小。LLC谐振变换器电路有两个谐振频率，一个是谐振电感L和谐振电容C的SS[3]谐振频率，一个是L加上L与C的谐振频率。即：mSS1f(1)r12LCss1f(2)r22(LL)Csms3高频变压器的设计要求(1)变压器的设计要求本次的LLC谐振变换器的高频变压器设计要求变压器原边侧的逆变电路为半桥转换电路，变压器副边侧的整流电路为全桥整流电路

6、。本次的高频变压器设计的具体参数要求如下：①原边直流输入电压：Vin(max)=590V，Vin(min)=436V;②副边直流输出电压/电流：400V/12.5A;③谐振频率：35kHz。(2)高频变压器磁芯材料的选定在对高频变压器的磁芯材料进行选择时，一定要考虑到以下几个方面：1)所选的磁芯材料能否满足所设计的高频变压器的各项已定性能指标和设计要求。已定性能指标和设计要求主要包括变压器的输入输出功率、变压器的工作频率、变压器磁芯的工作磁通密度、温度等方面的指标和要求；2)所选择磁芯材料能否最大限度的减小所设计的高频变压器的质量和体积；3)所选择磁芯材料在价格方面能否满足给定的设计预算要

7、求。当所设计的开关电源中的高频变压器的工作频率在10kHz-100kHz范围内时，较为常用的用于制作高频变压器磁芯的软磁材料主要有铁氧体材料和非晶、纳米晶材料两大类；铁氧体材料由于具有饱和磁通密度低，磁导率低，居里温度低，温度依赖特性较强的缺点，所以并不适用于功率较大和工作磁通较高的情况下使用。虽然铁氧体材料在使用中有这样的局限性，但它也又具有中高频损耗低，成本低，价格便宜等优势，并且铁氧体材料可以被加工成各种形状的磁芯