基于集成磁技术和恒频脉宽调制的谐振开关变

作者：深圳信息职业技术学院电子通信技术系高潮关键词：变流器开关谐振恒频技术脉宽调制集成磁件传统的桥式谐振型开关变流器，其输出参数的调节是采用改变开关频率来实现，当输入电压或负载参数变化较大时，为了稳定这将会引起较大的di/dt以及导通损耗，使开关功率管的开关转换在高频时变得比较困难[2-4]。

另一方面，采用提高变流器工作频宽调制(PWM)技术，以及变流器的集成磁技术。

前者确保变流器中的高频变压器、滤波器等参数的优化设计，以及开关功率管在零最短、损耗减小，输出滤波效果得以改善，以适用于低压大电流开关变流器，经过正确的设计，磁芯当中的磁通变化量会减小，从意义和目的。

基于恒频脉宽调制技术的谐振开关变流器电路拓朴结构及工作机理本文研究的恒频型脉宽调制型谐振开关变流器的电路拓朴结构包括两种电路形式，分别如图1所示。

它们与传统的并联谐振开联，而图1(b)中则是两个单向开关的并联，通过对辅助开关T1、T2的调节控制，使得变流器可以工作在恒频型脉宽调制方式之中c) t2≤t≤t3 d) t3≤t≤Ts/2图2开关变流器在0≤t≤Ts/2的工作机理l0≤t≤t1:互感(L1、L2、M)与电容Cr谐振阶段c) t2≤t≤t3 d) t3≤t≤Ts/2图2开关变流器在0≤t≤Ts/2的工作机理l0≤t≤t1:互感(L1、L2、M)与电容Cr谐振阶在t<0-时，开关功率管T1、T2均处于关断，辅助开关Ta处于导通，反向电流iL2经二极管D2流通。

t＝0时，均效应管T1导通，其导通电流iL1受电感L1的限制不能发生跃变，而从零开始呈正弦上升，与此同时，iL2趋于零，在iL2＝0时，此阶段结束，此期间中变流器的电路方式为:(1)(2)(3)，(L1=L2) (4)△t1=t1 (5)l t1≤t≤t2 :L1Cr谐振充电、放电阶段当t＝t1时，iL2(t1)＝0由于二极管D2的单向导电性，电感L2中不再有电流通过，于是L1不再有由iL2引起的互感作用。

此时形成电感L1与电容Cr谐振充放电阶段，iL1为正值，Vc为负值，则电感L1处于充电，电容Cr处于放电状态。

在t＝t2，电容Cr放电至零时，辅助开关Ta关断，此阶段结束，于是各个电路变量的函数式及时间长度为: 进一步，可以对辅助开关Ta的工作情况加以讨论。

在t＝t2，场效应管Ta关断时，其电压和电流为:(6)(7)，△t2=t2-t1 (8)(10)显然，场效应管Ta是在零电流及开关电压应力最低的情况下自然关断，这将有利于变流器整机电路的优化设计。

l t2≤t≤t3:电流iL1=IO、电压Vc=0之常值阶段当t＝t2时，Vc＝0，iL1＝IO、此阶段的时间长度为△t3=t3-t2，时间△t3可以调节，以控制变流器的输出。

当△t3=0时，则变流器的控制调节方式就转变为传统的调频工作方式。

恒频PWM型变流器的占空比D为:(11)l t3≤t≤t4 L1、Cr重新谐振充放电，以及t4≤t≤Ts/2 电感电流iL1续流阶段根据输出电压控制过程的需要，在t＝t3时，辅助开关Ta再一次导通，这时电路又重新处于L1Cr谐振状态。

在t=t3时，电容电压Vc达到峰值Vc＝Vcmax，电感电流IL1＝IO，此时辅助开关Ta关断，另一场效应管Tb导通，电容Cr开始谐振放电。

在t＝t4时，电感电流iL1谐振至零，场效应管T1关断，此后，反向电流iL1经二极管D1继续流通，开始续流工作过程，此阶段直到t =Ts/2，控制电路使场效应管T2导通时为止，变流器在前半个开关周期的工作结束。

在后半个开关周期Ts/2≤t≤Ts里的工作机理与前半个开关周期完全类似。

电路分析方程式为:(12)(13)(14)(15)进一步，当t= t/4 ，场效应管Ta关断、Tb导通时，Tb的导通电流为:(16)这说明辅助开关(场效应管Ta及Tb)均是在零电流条件下自然关断和导通的，不会带来附加的开关损耗。

主要工作波形根据电路拓朴结构及工作机理分析，可以获得恒频型脉宽调制型谐振开关变流器在一个开关周期里的主要工作波形，如图3所示。

图3 恒频型脉宽调制型谐振开关变流器在0≤t≤Ts的工作波基于集成磁技术的谐振开关变流器集成磁技术成为当今电力电子领域的一个重要研究方向，平面变压器和集成磁件研究的一个重要发展方向是平面集成磁性器件，即将平面变压器和平面电感等平面磁性器件集成在一起，综合平面磁件和集成磁件所有优点，形成平面集成磁件，为进一步实现开关电源的“短、小、轻、薄”提供技术支持。

本节将讨论LLC谐振变换器的集成磁结构，将所有磁性器件集成到一个磁芯中。

通过集成磁，可减少元件个数和端部连接，以及降低封装。

经过正确的设计，磁芯当中的磁通变化量会减小，从而降低磁芯损耗，减小磁芯体积[7] -[11]。

集成磁件——平面变压器铁芯及线圈绕组设计图4 平面变压器的典型结构图图5 线圈导体宽度wt、匝间距s及绕线窗宽度平面变压器与传统变压器的最大区别在于铁芯及线圈绕组。

如图4和图5所示，平面变压器采用小尺寸的E型、RM型、罐型或环形铁氧体铁芯。

铁芯由高频功率铁氧体材料制成，高频铁芯损耗较低;绕组采用多层印刷电路板叠合而成。

这种设计突出优点有:能量密度高，因而体积大大缩小，相当于传统变压器的20%;效率高，通常为97%～99%;工作频率高，从50kHz到2MHz;电磁干扰小等。

谐振开关变流器的磁性器件设计主要为图6中虚线框中的3个元件，包括谐振电感Lr、电感Lm和变压器T。

由图6中结构可知，电感Lm即为变压器T的激磁电感。

因此，只需设计一个谐振电感和一个带激磁电感的变压器(见图7)。

图6 谐振开关变流器(LLC)的磁性器图7 电路图如果通过一个变压器就获得所有必需的磁性元件，即将变压器原边漏感作为谐振变流器的谐振电感Lr，将变压器的激磁电感作为变流器的电感Lm，这种结构的变压器问题在于: 谐振变流器的谐振电感Lr决定了变流器的运行点，而变压器的漏感大小不易精确掌握; 如果采用这种方式，不仅仅变压器原边存在漏感，副边也存在漏感，这样就会增加副边整流二极管的电压应力，若提高二极管的额定电压就会增加输出二极管的导通损耗。

从上述讨论可得出，谐振变流器Lr和Lm的大小需要精确掌握，同时要尽量减小副边漏感，所以采用常规计算方法来设计变压器漏感和激磁电感以代替谐振变流器的Lr和Lm是不太可能，因此需要新型变压器设计方法，使得LLC谐振变流器的Lr和Lm的大小得到精确控制。

根据平面变压器与传统变压器的差别，以及图4和图5所示平面变压器铁芯及线圈绕组结构，平面变压器设计方面的试验阐述如下变压器工作磁密Bm平面变压器高频运行时会产生铁芯损耗和绕组铜耗，从而使得变压器的温度升高。

为了避免高温灼坏变压器及其它电路元件，变压器的温升必须低于某一极限值。

变压器总损耗Ptotal与温升ΔT之间的关系可表示为:(17)式中，Rth为变压器的热阻。

由于平面铁芯的绕线窗空间大小固定，而变压器温升与铁芯工作磁密相关，因此可计算出铁芯工作磁密Bm的值。

假设变压器铁芯损耗为总损耗的一半，则铁芯损耗密度的最大值pcore与变压器温升ΔT之间的关系可表示为:mW/cm3(18)通过测量得到，铁氧体铁芯功率损耗与变压器运行频率f、工作磁密Bm及环境温度T 相关。

因此铁芯损耗密度可表示为:mW/cm3(19)式中，运行频率f的单位为Hz，工作磁密Bm的单位为T，环境温度T的单位为℃，Cm、x、y、ct0、ct1以及ct2均可从铁芯生产厂家提供的铁氧体特性参数表中查得。

100℃时CT 的值为1。

将式(18)代入式(19)整理后，工作磁密Bm可表示为:(20)注意该式计算出的Bm为变压器铁芯磁通密度峰－峰值的一半变压器绕组结构确定了铁芯工作磁密Bm，就可根据给定的变压器设计参数、变换器拓扑以及变压器类型对应的公式计算变压器原边和副边绕组匝数。

为了降低制作成本，线圈导体厚度最好为PCB敷铜的标准厚度。

PCB板上的敷铜厚度通常为35μm或70μm。

由于电流流过绕组会产生损耗，引起温升，因此要选择合适PCB敷铜厚度，以免PCB板温升过高。

图8 PCB板敷铜截面积、流过的电流与温升值之间的关平面变压器多用于低压大电流场合，其副边常采用多层绕组层并联以提高载流能力。

因此根据输出电流、选定的PCB敷铜厚度以及铜导体允许流过的电流密度便可确定副边并联的绕组层数。

确定了变压器原边和副边匝数后，便可确定变压器绕组结构。

首先确定平面变压器原边和副边绕组层的叠放方案。

导体流过电流会产生损耗，提高PCB板的温升。

为了减小热效应，避免出现局部过热点使得PCB膨胀变形，PCB板各层的敷铜应尽量对称分布。

如上所述，平面变压器绕组层的最佳叠放方案是采用原、副边相互交替叠放的办法，从而降低绕组层间的邻近效应。

PCB板的层间介质可作为平面变压器各绕组层之间的绝缘。

接下来根据流过的电流值、铜导体所允许流过的最大电流密度以及选定的铁芯尺寸来确定PCB板敷铜宽度wt。

敷铜宽度wt可表示为:mm(21)式中，bw为铁芯绕线窗的宽度，N为绕组层上的线圈匝数，s为匝间距。

PCB绕组温升最后一步是计算平面变压器PCB绕组的温升，验证变压器的设计，首先应计算出原边和副边电流的有效值。

PCB板敷铜截面积、流过的电流与温升值之间的关系如图8所示。

邻近效应不是很显著的PCB板即可直接利用图8初步确定敷铜宽度、厚度和截面积，根据流过的电流估算出温升值。

综上所述，平面变压器设计的流程图如图9所示。

图9 平面变压器的设计流程图基于集成软件平台的平面集成磁器件优化设计方法平面集成磁器件的优化设计目标是:初步计算出平面集成磁器件的基本参数(如线圈匝数、磁芯选择等)后，改变铁芯气隙厚度，对各种气隙厚度的平面集成磁器件的3D模型进行仿真，从中选择出参数值最接近所需谐振电感Lr和激磁电感Lm的平面集成磁器件，从而实现平面集成磁器件的优化设计目标。

如上所述，平面变压器存在漏感。

变压器铁芯的气隙厚度越小，漏感越小，激磁电感就越大。

为了获得设计所需的平面集成磁器件，必须精确控制谐振电感Lr和激磁电感Lm的参数值，设计优化途径为:对不同铁芯气隙厚度的平面集成磁器件进行Maxwell 3D静磁场仿真，从中找出最接近LLC谐振变换器所需的谐振电感Lr和激磁电感Lm的参数值的最佳铁芯气隙厚度。

平面集成磁器件的设计优化选用Engineous公司开发的集成优化软件平台iSIGHT对平面集成磁器件进行设计优化。

iSIGHT集成软件平台为核心，集成电磁分析软件Maxwell 3D，用以精确掌握平面集成磁器件谐振电感Lr和激磁电感Lm的参数值，从中找出最接近变换器所需Lr和Lm参数值的最佳铁芯气隙厚度，获得平面集成磁器件的最优化设计。