LLC諧振變換器中平面集成磁件的研究
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使用上述方法，可設計出集成磁件結構。例如，設計圖6所示結構的集成磁件。為了得到與分立設計相同的值，可使：Lr=14uH，Lm=60uH，繞組匝數(shù)比=16：4，集成磁件的設計結果為：Nl=9，Np=13，Ns=4，每個磁柱的氣隙為0.56mm。
目前平面磁件研究和應用較多的是PCB型，其鐵芯采用平面EI型鐵氧體鐵芯，其繞組導體做成寬片狀的PCB或銅箔，以增大散熱面積，減小在高頻工作時由集膚效應和臨近效應所引起的渦流損耗并有利于散熱，本文采用這種類型，進行了LLC諧振變換器集成磁件結構平面化的設計。
前面分析的LLC諧振變換器的集成磁件，按傳統(tǒng)集成磁件設計方法設計的結構如圖11(a)所示。磁心選用Philips公司的E42/21/20軟磁鐵氧體鐵芯，線圈采用圓導線繞制，原邊繞組Nl為13匝，副邊Np、Ns都為4匝，由于副邊電流較大，采用兩層并聯(lián)結構。 Nl、Np線圈選用AWG18，Ns線圈選用AWG13。左柱上繞制電感線圈，右柱上繞制變壓器線圈，緊靠右柱的是原邊繞組的13匝線圈，外邊兩層分為上下兩部分，各對應兩個Ns線圈，采用兩匝并聯(lián)纏繞方式。圖11(b)為它的磁力線仿真圖。
(a) (b)
圖11 傳統(tǒng)設計的集成磁件截面圖與磁力線仿真圖
我們把上文的集成磁件設計成平面集成磁件。首先把圓型導體轉換為平面型導體，轉換時應保證導體截面積不變。先把圓導線轉換成等截面積的正方形導線，如圖12(a)所示，然后再把正方形導線轉換成相應的銅箔導線?？紤]到銅導線通過的最大電流密度一般為3～5A/mm2,平面導線銅箔為10～20A/mm2，轉換后，相應銅箔的截面積要比圓導線的截面積小3～4倍。銅箔非常薄，如果把一個圓導體轉換成一個銅箔導體，那么銅箔將是非常寬的，這顯然不適合磁件的寬度要求。因此，可以把它分成幾個等寬度的銅箔，再把這幾個銅箔并聯(lián)就可以了。這樣得到的集成磁件如圖12(b)所示。Nl、Np的每根導線變成兩個平面導體并聯(lián)，每個銅箔寬0.6mm，厚0.2mm，對于Ns，每根圓導線可轉換成5個平面導體并聯(lián)，導體寬2mm，厚0.2mm。
在圖中我們看到轉換后繞組所占總體積減小，而且平面導體布置結構更緊湊，每根平面導體厚0.2mm，十二層平面導體的厚度為2.4mm，即使加上絕緣層厚度，與E42/21/20磁芯的窗高(窗高29.6mm，窗寬8.65mm)相比也是很小的，這使得EE磁芯的窗口利用率明顯下降。而且使用EE磁芯，也不利于降低磁件的高度，下面研究把EE磁芯轉換成EI磁芯。
(a) (b)
圖12 平面磁件轉換的中間過程
我們選用的EI磁芯是E/43/10/28。下面給出兩磁芯的尺寸，鐵芯參數(shù)的對照如圖13和表1、表2所示。兩種鐵芯的截面積差不多，這里選用E/43/10/28最主要的原因是，可以保證磁件鐵芯的最大工作磁通密度小于其飽和磁通密度。選用E/43/10/28后有效磁路長度減少較大，對集成磁件的電感量會產(chǎn)生影響，但由于鐵芯的三個磁柱都有氣隙，所以電感量的大小主要由氣隙的磁路決定，受磁芯磁路的影響很小，可以忽略。因而選用E/43/10/28后磁芯有效磁路的減少對集成磁件的影響并不是很大。替換后，磁芯體積和質量都大大減小，達到了減小體積和重量的目的。由表1可以計算出，選用E43/10/28后，磁芯窗寬為11.31mm，窗高為4.55mm，可設定導線厚度都為0.15mm，原邊線寬0.8mm，副邊線寬2.7mm。平面集成磁件結構如圖14(a)所示。該結構比傳統(tǒng)磁件體積、高度、重量都小很多。圖14(b)為該結構的磁力線仿真圖。通過與傳統(tǒng)集成磁件的仿真圖比較，可以看出平面集成后，磁芯的磁通密度減小。因此集成后，磁芯損耗也將減小。
(a) EE型鐵芯(其中一片) (b) 平面EI型鐵芯
圖13 E型鐵芯和平面EI型鐵芯的外形圖
表1 兩種鐵芯的尺寸
表2 兩種鐵芯的鐵芯參數(shù)
(a)
(b)
圖14 平面集成磁件截面圖與磁力線仿真圖
4、結論
本文介紹了平面集成磁件的概念，研究了LLC諧振變換器中集成磁件的設計。然后，介紹了平面集成磁件的設計方法，通過把LLC諧振變換器的非平面集成磁件設計為平面集成磁件，不但減小了集成磁件的體積、高度和重量，還減小了磁芯損耗。
參考文獻
[1] R.Huljak，V. Thottuvelil，A.Marsh and B.Miller. Where Are Power Supplies Headed, IEEE APEC,2000 pp.10- 17.
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