半桥LLC谐振变换器中的高效率高功率密度平面变压器设计

摘要

在通信基站、服务器、数据中心、雷达、航空航天等应用领域，效率和功率密度已经成为DC/DC变换器的关键指标。应用宽禁带器件和高效率拓扑，通过提高工作频率以减小无源器件和散热器的体积，在维持较高效率的同时提高变换器的功率密度变得可能。然而，提高工作频率意味着集肤效应和邻近效应对平面变压器的影响变大。这些高频效应所产生的漏感、寄生电容、交流电阻等将影响平面变压器的效率及工作性能。因此研究高频下平面变压器的寄生参数、损耗分布及集成化等具有重要意义。 本文基于传统平面变压器，针对高频半桥LLC谐振变换器应用，结合有限元分析软件Maxwell3D，探讨了一种高效率高功率密度平面变压器的设计方法与具体实现。对平面变压器的漏感、寄生电容计算、绕组损耗模型及磁集成方法等关键问题进行了分析。本文主要工作如下：(1)建立了平面变压器的一种绕组损耗模型。该模型适用于任意匝数的圆形PCB绕组。基于此模型，可得到每匝绕组的宽度最优解及原副边绕组的铜厚最优解。(2)提出了平面变压器的一种层间寄生电容计算方法。该方法通过计算两层PCB绕组之间存储的能量得到较为精确的寄生电容值，适用于两层PCB绕组同向或反向情况。(3)提出了矩阵变压器的一种磁集成设计方法。该方法将多个磁芯集成为单个磁芯，减小了磁芯损耗且提高了功率密度。最终给出了基于矩阵变压器的高效率高功率密度平面变压器实现。 仿真结果表明，本文设计的高效率高功率密度平面变压器具有较小的磁芯损耗和绕组损耗，漏感、励磁电感满足MHz级半桥LLC谐振变换器的要求。最后，在390V/12V、600W半桥LLC谐振变换器上对变压器进行了验证。测试结果表明，在1MHz工作频率下高效率高功率密度平面变压器的峰值效率为98.8%，功率密度为57.9W/cm3，满足设计指标要求。

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