基于低匝数高电压变比平面变压器和集成磁件的高电压变比LLC谐振变换器

摘要

本发明提供一种基于低匝数高电压变比平面变压器和集成磁件的高电压变比LLC谐振变换器，包括两片铁芯和三个绕组；其中一片铁芯是将平面“E”型铁芯的中柱一分为二，形成两个中柱，形成平面形铁芯，另一片铁芯呈平面“I”型；其中一个绕组为原边绕组，全部绕过两个中柱；另外两个绕组为副边绕组，匝数相等，分别绕在两个中柱上；平面“I”型铁芯覆盖在平面形铁芯上面。本发明的有益效果是：以最少的原、副边绕组匝数，实现变压器的高电压变比、大电流输出和磁集成，用于数据中心供电系统、新能源发电和电动汽车中的高电压变比LLC谐振变换器，扩大容量，减小体积，降低成本，提高效率，节约能源。

说明书

技术领域

本发明涉及电力电子应用技术领域，尤其涉及一种基于低匝数高电压 变比平面变压器和集成磁件的高电压变比LLC谐振变换器。

背景技术

根据摩尔定律(Moore’s Law)，当价格不变时，单个微处理器(CPU) 芯片上集成电路可容纳的半导体元件的数目，约每个18-24个月增加一倍， 性能也提高一倍。由于单核CPU的发热问题越来越严重，为了便于热量 管理，Intel公司设计了多核CPU结构，例如XeonW-3175 CPU芯片，将 28个内核集成在一个CPU芯片上，这一芯片需要消耗2V×350A的电能。此外，近年来，GPU(图像处理器)技术的发展已经超越了摩尔定律，在 其单个芯片上集成了600个内核，需要消耗1V×1000A的电能。于是， 数据中心每台网络服务器机柜消耗的功率将超过25kW(1V×25000A)。 这对于向数据中心网络服务器中CPU和GPU供电的电压调节器(VRM) 的设计提出了很大的挑战。

由于当前和未来数据中心供电系统中关键部件-DC/DC变换器的高 电压变比，要么采用两级变换器结构，要么采用高变比单级变换器结构。 由于两级变换器结构复杂，效率低，单级LLC谐振变换器成为未来的发 展趋势，然而，由于单级LLC谐振变换器的高电压变比(例如48∶1、 380∶6＝63∶1或380∶12＝32∶1)，即使采用氮化镓等宽禁带器件，将开关频率 提高到MHz，将变压器的副边绕组匝数降低到只有一匝，其原边绕组仍 然有很多匝(例如48匝、63匝或32匝)，导致高频平面变压器的PCB绕 组匝数和层数很多，绕组结构很复杂，成为制约数据中心供电系统降低成 本和高度、提高效率和功率密度、节约能源的关键瓶颈。

发明内容

针对现有技术缺陷，本发明提供一种基于低匝数高电压变比平面变压 器和平面集成磁件的高电压变比LLC谐振变换器，旨在利用最少的变压 器绕组匝数，实现LLC谐振变换器的高电压变比，为当前和未来数据中 心设计低成本、低高度、高功率密度和高效率的DC/DC电源提供技术支 撑，节约能源。本发明研制的低匝数高电压变比平面变压器和集成磁件， 也可以用于其他各种类型的电力电子开关变换器，比如正激变换器、反激 变换器、半桥变换器、全桥变换器、推挽变换器、移相全桥变换器、三电 平变换器、多电平变换器等。

本专利解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种低匝数高电压变比平面变压器，包括两片铁芯和三个绕组；其中 一片铁芯是将传统平面“E”型铁芯的中柱一分为二，形成与传统平面“E” 型铁芯的侧柱和平行的两个铁芯中柱，形成一片平面

本发明的有益效果在于：本发明提供的基于低匝数高电压变比平面变 压器和平面集成磁件的高电压变比LLC谐振变换器，利用最少的变压器 绕组匝数，最大限度地简化变压器的绕组设计，实现LLC谐振变换器的 高电压变比和大电流输出，同时，实现了变压器和谐振电感的磁集成，以 及多路并联LLC谐振变换器的所有变压器和谐振电感的磁集成，进一步 减小体积、提高性能、扩充容量，为当前和未来数据中心设计低成本和低 高度、高效率和高功率密度的直流供电源提供合理、完善的技术方案，节 约能源。本发明的也可以用于其他需要高电压变比的开关电源中，比如新 能源发电、电动汽车等领域。

以下结合附图以实施例作具体说明。

附图说明

为了更清楚地说明实施例，下面将对实施例中所需要使用的附图作简 单介绍。显而易见，下面描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本 领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这 些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例一提供的低匝数高电压变比平面变压器结构之一 的

图2是图1的低匝数高电压变比平面变压器结构之一的主视图；

图3是本发明实施二的低匝数高电压变比平面变压器结构之二的

图4是本发明实施二的低匝数高电压变比平面变压器结构之二的

图5是本发明实施三的低匝数高电压变比平面变压器+原边漏感的集 成磁件结构之一的铁芯和绕组结构图；

图6是本发明实施四的低匝数高电压变比平面变压器结构之三的铁芯 和绕组结构图；

图7是图6的低匝数高电压变比平面变压器结构之三的示意图；

图8是本发明实施例五的低匝数高电压变比平面变压器+原边漏感结 构之二的铁芯和绕组结构图；

图9是本发明实施例六的低匝数高电压变比平面变压器+原边漏感结 构之三的铁芯和绕组结构图；

图10是本发明实施例七的两个低匝数高电压变比平面变压器的解耦 集成磁件结构图；

图11是本发明实施例八的两个低匝数高电压变比平面变压器的耦合 集成磁件结构图；

图12是本发明实施例九的两个低匝数高电压变比平面变压器+原边 漏感的解耦集成磁件结构之一的结构图；

图13是本发明实施例十的两个低匝数高电压变比平面变压器+原边 漏感的耦合集成磁件结构之一的结构图；

图14是本发明实施例十一的两个低匝数高电压变比平面变压器+原 边漏感的解耦集成磁件结构之二的结构图；

图15是本发明实施例十二的两个低匝数高电压变比平面变压器+原 边漏感的耦合集成磁件结构之二的结构图；

图16是本发明实施例十三、十四、十五、十六的高电压变比LLC谐 振变换器的电路拓扑图。

图中：1-

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描 述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。为了全面 地了解本发明，在下面的详细描述中提到了许多具体细节，但本领域的技 术人员应该理解，本发明可以无需这些具体细节而实现。

实施例一：

参照附图1、2，一种低匝数高电压变比平面变压器，包括两片铁芯和 三个绕组；其中一片铁芯是将传统平面“E”型铁芯的中柱一分为二，形 成与传统平面“E”型铁芯的侧柱1-5和1-6平行的两个中柱1-1和1-2， 形成一片平面

实施例二：

参照附图3、4，一种低匝数高电压变比平面变压器，将传统平面“E” 型铁芯的中柱一分为四，形成4个中柱1-1、1-2、1-3和1-4，从而形成 平面

U

＝20∶0.5∶0.5∶0.5∶0.5∶0.5∶0.5∶0.5∶0.5

＝40∶1∶1∶1∶1∶1∶1∶1∶1

实施例三：

参照附图5，在附图3中的平面

本实施例的变压器原边绕组1的匝数为1匝，四个副边绕组3-1、3-2、 3-3、3-4的匝数均为2匝，原边漏感磁柱1-7的截面积和高度与其他四个 中柱1-1、1-2、1-3、1-4相等，变压器的电压变比为：U

U

由于原边漏感磁柱1-7的作用，原边绕组具有漏感，通过调节原边漏 感磁柱1-7的高度和截面积，来调节原边漏感的大小。

实施例四：

参照附图6、7，传统平面“E”型铁芯去掉中间磁柱，形成平面“U” 型铁芯5，其中一个磁柱5-8上没有绕组，另一个磁柱沿着长度方向一分 为四，形成四个分磁柱5-1、5-2、5-3、5-4，一个原边绕组2全部绕过所 述四个分磁柱；四个副边绕组3-1、3-2、3-3、3-4的匝数相等，分别绕 在所述四个分磁柱上，其中不相邻的两个副边绕组3-2、3-4置于原边绕 组2的下面，另外两个不相邻的副边绕组3-1、3-3置于原边绕组2的上 面；平面“I”型铁芯4覆盖在所述具有四个分磁柱的平面“U”形铁芯5 的上面；形成低匝数高电压变比平面变压器结构之三；本实施例的原边绕 组2及四个副边绕组3-1、3-2、3-3、3-4的匝数均为1匝，变压器的电压 变比为U

实施例五：

参照附图8，在图6中的四个分磁柱5-1、5-2、5-3、5-4的两侧各增 加一个原边漏感磁柱5-5、5-6，原边绕组2也绕过原边漏感磁柱5-5、5-6， 但是四个副边绕组3-1、3-2、3-3、3-4都不绕过原边漏感磁柱5-5、5-6； 所述四个副边绕组的匝数均为偶数匝，都引出中间抽头C

考虑中间抽头C

U

由于原边漏感磁柱5-5、5-6的作用，原边绕组具有漏感，通过调节原 边漏感磁柱5-5、5-6的高度和截面积，调节原边漏感的大小。

实施例六：

参照附图9，将附图8中的原边漏感磁柱5-5、5-6合二为一，形成原 边漏感磁柱5-7，原边漏感磁柱5-7居于分磁柱5-2和5-3之间，原边绕 组2也绕过漏感磁柱5-7，但是四个副边绕组3-1、3-2、3-3、3-4都不绕 过漏感磁柱5-7，形成低匝数高电压变比平面变压器+原边漏感的集成磁 件结构之三；本实施例中的变压器的电压变比与实施例五相同。

实施例七：

参照附图10，基于图6中的两个低匝数高电压变比平面变压器结构之 三，四个副边绕组3-1、3-2、3-3、3-4的匝数均改为2匝，并带中间抽头 C

实施例八：

参照附图11，在附图10中，将磁柱5-9去掉，通过改变两个变压器原 边绕组电流i

实施例九：

参照附图12，基于图8中的两个低匝数高电压变比平面变压器+原边 漏感的集成磁件结构之二，将它们的没有绕组的磁柱5-8合二为一，形成 磁柱5-9，通过改变两个变压器的原边绕组2的电流i

实施例十：

参照附图13，在附图12中，将磁柱5-9去掉，通过改变两个变压器 的原边绕组电流i

实施例十一：

参照附图14，基于图9中的两个低匝数高电压变比平面变压器+原边 漏感的集成磁件结构之三，将它们的没有绕组的磁柱5-8合二为一，形成 磁柱5-9，通过改变两个变压器的原边绕组2的电流i

实施例十二：

参照附图15，在附图14中，将磁柱5-9去掉，通过改变两个变压器 的原边绕组的电流i

实施例十三：

参照附图16和附图3、4，基于实施例二中的低匝数高电压变比平面 变压器结构之二，构建高电压变比LLC谐振变换器；实施例二中的低匝 数高电压变比平面变压器结构之二作为LLC谐振变换器的变压器TR和激 磁电感L

LLC谐振变换器中变压器TR的电压变比为：

U

或者：

U

LLC谐振变换器的八路输出并联，LLC谐振变换器中变压器TR的原、 副边绕组总匝数为5+1+1+1+1＝9匝，实现了LLC谐振变换器40∶1的高电 压变比和大电流输出；

同理，基于实施例四中的低匝数高电压变比平面变压器结构之三，也 可以构建附图16中的高电压变比LLC谐振变换器。

实施例十四：

参照附图16和附图5，基于实施例三中的低匝数高电压变比平面变压 器+原边漏感的集成磁件结构之一，构建高电压变比LLC谐振变换器，作 为LLC谐振变换器中的变压器TR、激磁电感Lm和谐振电感Lr；实施例 三中的低匝数高电压变比平面变压器+原边漏感的集成磁件结构之一的铁 芯1、铁芯磁柱1-1、1-2、1-3、1-4和漏感磁柱1-7，与附图16中的LLC谐振变换器中的铁芯CL、铁芯磁柱CL1、CL2、CL3、CL4和谐振电感 L

如果附图5中原边漏感磁柱1-7的截面积和高度与四个中柱1-1、1-2、 1-3、1-4相等，则LLC谐振变换器中变压器TR的电压变比为：

U

＝[1×(4+1)]∶0.5∶0.5∶0.5∶0.5∶0.5∶0.5∶0.5∶0.5

＝10∶1∶1∶1∶1∶1∶1∶1∶1

如果附图5中的变压器的原边绕组匝数增加为5匝，则LLC谐振变换 器中变压器TR的电压变比增加为：50∶1∶1∶1∶1∶1∶1∶1∶1；LLC谐振变换器中 变压器TR的原、副边绕组总匝数为5+1+1+1+1＝9匝，以很少的匝数，实 现了LLC谐振变换器50：1的高电压变比和大电流输出，而且集成了谐振 电感L

实施例十五：

参照附图16和10，基于实施例七中的两个低匝数高电压变比平面变 压器的解耦集成磁件结构，实现两个附图16中的高电压变比LLC谐振变 换器的并联，扩大高电压变比LLC谐振变换器的容量；

同理，参照附图16和11，基于实施例八中的两个低匝数高电压变比 平面变压器的耦合集成磁件，实现两个附图16中的高电压变比LLC谐振 变换器的并联。

实施例十六：

参照附图16和12，基于实施例九中的两个低匝数高电压变比平面变 压器+原边漏感的解耦集成磁件结构之一，实现两个附图16中的高电压变 比LLC谐振变换器的并联，扩大高电压变比LLC谐振变换器的容量；

同理，参照附图16和13，基于实施例十中的两个低匝数高电压变比 平面变压器+原边漏感的耦合集成磁件之一，实现两个附图16中的高电压 变比LLC谐振变换器的并联；

同理，参照附图16和14，基于实施例十一中的两个低匝数高电压变 比平面变压器+原边漏感的解耦集成磁件结构之二，实现两个附图16中的 高电压变比LLC谐振变换器的并联；

同理，参照附图16和15，基于实施例十二中的两个低匝数高电压变 比平面变压器+原边漏感的耦合集成磁件结构之二，实现两个附图16中的 高电压变比LLC谐振变换器的并联。

最后应说明的是：以上所述实施例只是本发明的较佳实施例，并非用 于限定本发明的保护范围。本说明书中应用了以上多个实施例对本发明的 原理及实施方式进行了闸述，只是被用于帮助理解本发明的方法及核心思 想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施 方式及应用范围上均会有所改变。因此，本说明书的内容不应被理解为对 本发明的限制，凡是在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均包含在本发明的保护范围之内。