大功率LLC谐振变换器中谐振电感的优化研究_孙超

孙 超 1，王春芳 1，郑建芬 1，王世伟 2，刘龙国 2
（1. 青岛大学 自动化工程学院，山东 青岛 266071；2. 青岛云路新能源科技有限公司，山东 青岛 266109）
摘 要：大功率 LLC 谐振变换器的谐振电感磁路结构大多采用单气隙结构，存在局部过热、温升过高等问题。
针对这些问题，文章提出了一种三气隙磁路结构的谐振电感，并采用有限元分析法，基于 Ansys 分别建立了单气隙
在谐振电感运行过程中，各部件产生的温升主要由涡 流损耗以及线圈产生的热量导致。由式（5）~ 式（7）得
（10）
Pcu 和铁损 PFe（式（1））。铜损是指绕组线圈上的欧 姆损耗，铁损包括磁滞损耗和涡流损耗，由于其磁滞损 耗远小于涡流损耗，所以在本文中磁滞损耗忽略不计。
则谐振电感涡流区产生的涡流损耗可表示为 [9] （11）
标量电位，V；A ——矢量磁位；t——时间。
高和局部过热的问题，影响电动汽车充电桩的充电效
非涡流区的控制方程为
率，甚至损坏充电桩，因此有必要对谐振电感的电磁
由麦克斯韦方程及矢量磁位定义得
（4）
热场进行分析，进而改进电感的结构，克服局部过热 和温升过高的问题。
（5）
（6）
（7） 式中： H——磁场强度；B——磁感应强度；J——电流 密度。 1.2 谐振电感的温度场计算数学模型
中图分类号 ：TM47
文献标识码 ：A
文章编号 ：2095-3631(2015)04-0080-05
doi:10.13889/j.issn.2095-3631.2015.04.016
Optimization Research on Resonant Inductor in High
Power LLC Resonant Converter
SUN Chao1, WANG Chunfang1, ZHENG Jianfeng1，WANG Shiwei 2, LIU Longguo2 (1. College of Automation Engineering, Qingdao University, Qingdao, Shandong 266071,China;
问题，从而导致器件寿命缩短，甚至损坏器件。
谐振电感与外围空气接触的外表面为散热的边界条
本文以电动汽车直流充电桩用 LLC 谐振主电路中 件，其关系如下：
的谐振电感为研究对象，利用 Ansys 有限元软件，分
别建立了单气隙和三气隙谐振电感的三维非线性数学模 型，对其电磁场和温度场的耦关系曲线 Fig.5 Relationship between ferrite′s permeability (μ)
2. Qingdao Yunlu Energy Technology Co.,Ltd., Qingdao,Shandong 266109,China)
Abstract: Single air-gap structure has been commonly used in resonant inductor for high power LLC resonant converter, which may cause some problems such as local overheating, high temperature rise, etc.. Aiming at these problems, a resonant inductor with three-airgap magnetic structure was presented. Based on the finite element theory and Ansys, three-dimensional (3D) mathematic models of single air-gap resonant inductor and three-air-gap resonant inductor were respectively built and the magnetic-thermal coupling simulations were completed to obtain the vector curves of electromagnetic field and thermal field. Besides, compared with the simulation results of single air-gap and three-air-gap resonant inductor, it shows that three-air-gap resonant inductor has the advantages of reducing temperature rise, preventing local overheating and decreasing loss. Through many simulations, the optimal curves of three-air-gap location were given, which had important significance to the optimization design of resonant inductor.
图 3 三气隙谐振电感的磁芯结构 Fig. 3 The magnetic circuit of three-air-gap resonant inductor 2.2 电磁热耦合场建模
本文基于 Ansys 仿真软件，采用有限元法，对谐振 电感进行电磁热场模拟，分析过程采用载荷传递方法。 所谓载荷传递方法就是指在对不同的场进行分析时，将 一个场的分析结果作为载荷施加到另一个场，以此来耦 合两个场。本文的谐振电感电磁热耦合场就是将由电磁 场产生的热生成率作为温度场分析所要加的载荷（即热 源），然后进行温度场仿真分析。具体分析流程如图 4 所示。
Tab.1 Thermal conductivity of temperature field
结构
热传导系数 /W• ℃ -1•m-1
磁心
10
骨架
0.22
线圈
400
3 谐振电感仿真分析及优化设计
图 1 中，当 Q1、Q2 的开环频率为 10 kHz 时 , 以额 定电流为 13 A 的 EE55/28/21 型谐振电感为例，基于 Ansys 仿真软件，采用有限元法，对单气隙谐振电感和 三气隙谐振电感做电磁热耦合仿真。谐振电感采用铁氧 体材质磁心，其磁导率与温度的关系曲线如图 5 所示， 所建立的三维谐振电感模型实体图如图 6 所示。
（9） 式中：α——表面散热系数，W/（m2·K）；θ0—— 发热
了产生温升和局部过热的原因，提出了三气隙谐振电感 体温度，℃；θf—— 环境温度，℃。
的方案，并且给出了三气隙位置的优化曲线。
1.3 谐振电感的电磁热场耦合计算
1 谐振电感的电磁热耦合场数值计算
1.1 谐振电感的电磁场计算数学模型 谐振电感在正常运行过程中，损耗主要来源于铜损
和三气隙谐振电感的三维非线性数学模型，分别进行了电磁热场耦合模拟，计算出了各谐振电感的磁场和温度场矢
量曲线。对比单气隙和三气隙的仿真结果，得出了三气隙的谐振电感具有降低温升、避免局部过热和减少损耗的优点。
此外，通过多次仿真模拟，给出了三气隙位置的优化曲线，为谐振电感的优化设计提供了参考。
关键词：LLC 谐振变换器；谐振电感；分段气隙；电磁热场模拟；优化设计
charging pile of electric car
2.1.1 传统的单气隙谐振电感的磁路结构 在 LLC 谐振电路中，传统的谐振电感采用双 E 型
中心柱带单气隙的磁路结构（图 2）。磁心中加气隙是 为了避免磁通饱和；但是由于气隙的存在，引起了边缘 磁通，造成涡流损耗，增加了温升，造成了局部过热， 使得电抗器加速老化，增加损耗，系统效率降低。
了双 E 型中心柱带 3 个气隙的三气隙谐振电感磁路结构
（图 3）。这种结构以中心柱为对称轴左右对称，这样
谐振电感不仅可以避免磁饱和现象，而且磁通密度分布
更均匀，不会因局部磁通密度过大而造成局部过热，因
而减小了铜损和铁损，降低了系统损耗，提高了整体效率。
度场所需要的加载热源，即热生成率 P。依据式（8）
和式（9）将电磁场产生的热生成率作为载荷施加到温
度场中进行分析，得到温度分布情况。如果此时的温度
达到稳态，那么就会输出结果；如果未达到稳态，就会
将温度反馈到电磁场中，然后对材料属性的参数进行调
整，重新计算功率损耗，以此循环来获得最终温度的平
衡。谐振电感中各材料的热传导率如表 1 所示。
表 1 温度场的热传导系数
Keywords: LLC resonant converter; resonant inductor; tapped air-gap; magnetic-thermal coupling simulation; optimization design
0 引言
LLC 谐振变换器因其具有输出功率大、效率高等 优点，近年来在中小功率光伏逆变器、变频微波炉电源、 电动汽车充电装置等领域获得了广泛的应用 [1-3]，已成 为众多学者研究的热点。LLC 谐振变换器中的电感在
本文以电动汽车直流充电桩用llc谐振主电路中的谐振电感为研究对象利用ansys有限元软件分别建立了单气隙和三气隙谐振电感的三维非线性数学模型对其电磁场和温度场的耦合场进行分析给出了产生温升和局部过热的原因提出了三气隙谐振电感的方案并且给出了三气隙位置的优化曲线
80
2015 年第 4 期
大功率 LLC 谐振变换器中谐振电感的优化研究
P=Pcu+PFe
（1）
将谐振电感的三维模型分为涡流区和非涡流区。涡
流区主要由磁心、磁轭、套管等构成，非涡流区主要由
式中：σ ——电导率。
由谐振电感的非涡流区产生的热损耗可表示为
PCu=RI2
（12）
外围空气、线圈绕组、骨架等构成。
式中：R——线圈电阻，Ω；I——线圈电流有效值，A。
对于涡流区，采用矢量磁位和标量电位方法，其控 制方程 [8] 为
2015 年第 4 期
孙 超 等：大功率 LLC 谐振变换器中谐振电感的优化研究
81
1 倍 [7]。上述研究的电感磁路结构多采用单气隙结构， 在运行过程中，单气隙结构电感存在温升和局部过热的
式中：ρ—— 密度，kg/m3；CP—— 比热容，J/（kg·K）；θ—— 温度，℃；k—— 热导率，W/(m·K)；P—— 生热率，W/m3。
谐振电感产生的热损耗主要通过 3 种方式传递到周 围介质中，即传导、对流、辐射。由于谐振电感内部空 气对流缓慢，因此本文只考虑内部的热传导散热。在温 度场计算中，热传导方程为
（8）
图 1 电动汽车充电桩用 LLC 谐振电路拓扑图 Fig. 1 Topology diagram of LLC resonant circuit for the
82
大功率变流技术
2015 年第 4 期
2.1.2
图 2 传统的单气隙谐振电感的磁心结构 Fig. 2 The magnetic circuit of traditional single
air-gap resonant inductor
三气隙谐振电感的磁路结构
针对传统单气隙电感的磁路结构存在的问题，提出
（2）
2 谐振电感的电磁热耦合场建模
2.1 电动汽车充电桩用 LLC 谐振变换器主电路 电动汽车充电桩用 LLC 谐振电路拓扑如图 1 所示。
（3）
图中，谐振电感 Lr、激励电感 Lm 和谐振电容 Cr 构成 谐振电路，从而可使 Q1、Q2 实现软开关运行。在充电
式中：σ ——电导率，S/m；μ—— 磁导率，H/m；V—— 过程中， Lr 受谐振电流、频率的影响，易产生温升过
收稿日期：2015-05-21 作者简介：孙超 (1989-), 女，硕士研究生，从事电能变换与控制技术 研究；
王春芳（1964-），男，教授，博士，从事电能变换及其先进控 制技术方面的研究。
小功率情况下可以采用磁集成方式，而在中大功率情况 下需要进行单独设计。针对这种中大功率电感的设计， 一些学者通过有限元的方法，基于 Ansys 软件，对其电 特性和机械特性进行了计算和优化，而且还做了电磁结 构耦合仿真分析，对电感参数进行了优化 。 [4-5] 还有一 些学者通过 Ansys 仿真软件，对电感进行建模仿真和结 构优化，以减小电感体积，提高效率 [6]；并针对耦合储 能结构，对电感进行了建模仿真，以减小铁氧体磁心的 净磁通，与非耦合的储能电感相比，其饱和电流可增大