面向未來電動汽車的技術(shù)：具有最小容差的全新變壓器設(shè)計

電動汽車和自動駕駛的發(fā)展前景有賴于許多關(guān)鍵技術(shù)的進(jìn)步，其中包括高性能電池的充電功能。車載充電器(OBC) 有望受益于一項新穎的電源變壓器設(shè)計。

0   引言

為了在高性能細(xì)分領(lǐng)域持續(xù)達(dá)到良好的效率水平，我們需要具有低開關(guān)損耗的功率開關(guān)組件?，F(xiàn)代產(chǎn)品經(jīng)常使用諧振轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)利用了零電壓開關(guān)原理(zero voltage switching, ZVS)，優(yōu)勢是減少開關(guān)損耗。它們最常出現(xiàn)在LLC 諧振轉(zhuǎn)換器中，其電路中的諧振電感可實現(xiàn)零電壓開關(guān)，使得LLC 器件非常適合要求高效率及大功率的車載充電器(OBC)應(yīng)用。

LLC 一詞指的是諧振電路依賴的三個組件功能：變壓器勵磁電感(Lm)、變壓器漏感(Lr) 和諧振電容(Cr)。如果數(shù)值計算正確且遵守所需的最小容差(tolerance)，這是使用LLC 變壓器漏感來取代所需諧振電感的已知方法。供貨商普思電子(Pulse Electronics) 使用有限元模型分析法(finite element modeling) 設(shè)計了一款3.6 kW 的LLC 變壓器，具備高精度及最小容差的漏感，能夠作為LLC 轉(zhuǎn)換器的諧振電感。

針對這款3.6 kW LLC 變壓器開發(fā)的系統(tǒng)要求包括：次級側(cè)對初級側(cè)的匝數(shù)比(N) 是2，初級側(cè)的勵磁電感是36 μH，精確的變壓器增益( 放大倍數(shù)) 為6。

結(jié)果顯示放大倍數(shù)與變壓器的初級繞組漏感(leakage inductance) 直接相關(guān)。因此，為了實現(xiàn)精確的放大倍數(shù)，這個寄生參數(shù)需要設(shè)有最小容差。為了實現(xiàn)這個目標(biāo)，要使用一項創(chuàng)新的變壓器設(shè)計。

圖1 所示為LLC 電路框圖，其中的突出部分是諧振電感Lr。諧振電路與輸出/ 平滑電路產(chǎn)生電感耦合。

圖1 具備理想變壓器模型的LLC轉(zhuǎn)換器

磁力耦合主要由線圈結(jié)構(gòu)和鐵芯氣隙(air gap) 的幾何形狀決定。

我們使用以下公式得出LLC 轉(zhuǎn)換器的放大倍數(shù)：

放大倍數(shù)＝ (L_m + L_r) / L_r    (1)

勵磁電感Lm 的容差值可以通過嚴(yán)格遵守鐵芯氣隙的容差值來控制，但諧振電感Lr 則需要進(jìn)一步研究。

圖2 提供了更加完整的模型，這個模型包括了初級側(cè)線圈的漏感(Lk_prim) 和次級側(cè)線圈的漏感(L_{k_sec})，以及可能出現(xiàn)的外部諧振電感(Lext)。

圖2 示意漏感的變壓器電路

接下來就清楚了：

Lr = Lext + Lk_prim   (2)

如前所述，通過設(shè)計具有足夠大漏感的變壓器，可以省去外部諧振電感器。這里的挑戰(zhàn)在于為這項寄生參數(shù)設(shè)定合適的嚴(yán)格容差，而普思電子正是以一項新穎的線圈設(shè)計達(dá)成了這個目標(biāo)。

1   夾心繞法的線圈設(shè)計

一個示例是PQ50/50 平臺，它的初級側(cè)和次級側(cè)線圈導(dǎo)線的尺寸正好適用于3.6 kW 功率水平?？紤]到變壓器開發(fā)目標(biāo)的系統(tǒng)要求，決定漏感值的式(1)和式(2) 說明了“將初級側(cè)線圈和夾心式繞法的次級側(cè)側(cè)線圈彼此分立的設(shè)計，最接近目標(biāo)值”。

圖3 顯示了用于微調(diào)漏感值的專利線圈設(shè)計截面圖。這個設(shè)計的獨特之處在于能夠各自獨立控制線圈之間的距離，并達(dá)到所需的漏感值。每個線圈的寬度和線束尺寸都經(jīng)過仔細(xì)調(diào)整，以適應(yīng)線圈精度，將其微調(diào)到符合漏感容差要求。

圖3 用于微調(diào)漏感值的專利線圈設(shè)計截面圖

2   優(yōu)化變壓器設(shè)計的有限元法

為了最終完成設(shè)計并確保漏感集中在初級側(cè)線圈周圍，必須優(yōu)化初級側(cè)和次級側(cè)線圈的設(shè)計以及鐵芯氣隙的位置。

該設(shè)計是以有限元法建立模型所開發(fā)的，有限元法是一種用于分析技術(shù)性磁力問題并開發(fā)有效解決方案的現(xiàn)代方法。所產(chǎn)生的磁通達(dá)到了預(yù)期結(jié)果。圖4顯示了初級側(cè)線圈和次級側(cè)線圈各個磁通路徑的有限元模型。

圖4 初級側(cè)線圈(左)和次級側(cè)線圈(右)各個磁通路徑的有限元法分析模型

原型設(shè)計( 圖5) 和電氣測試證實了優(yōu)化變壓器設(shè)計的有限元模型仿真結(jié)果。

圖5 經(jīng)過優(yōu)化的LLC變壓器原型設(shè)計

電氣參數(shù)的測量結(jié)果顯示，已經(jīng)達(dá)到目標(biāo)漏感值和容差值。

為了計算實際的初級和次級繞組漏感，我們測量以下變壓器參數(shù)：

L_so：次級側(cè)在開路狀態(tài)時的初級側(cè)電感

L_ss：次級側(cè)在短路狀態(tài)時的初級側(cè)電感

L_po：初級側(cè)在開路狀態(tài)時的次級側(cè)電感

另外使用三個等式來計算初級側(cè)的漏感(L_{k_prim})，次級側(cè)的漏感(L_{k_sec})，以及勵磁電感(Lm) 等數(shù)值。

L_{k_prim} = L_so – L_m   (3)

L_{k_sec} = L_po - Lm×N 2   (4)

L_m = SQRT ((L_so-L_ss)×L_po/N 2)   (5)

表1 總結(jié)了變壓器的測量和計算結(jié)果。初級繞組的勵磁和漏感參數(shù)值圓滿達(dá)到目標(biāo)，次級側(cè)的漏感值則相對較低。

表1 變壓器漏感值結(jié)果/μH

而且，該結(jié)果還證實了次級繞組的漏感已經(jīng)有效地最小化，并且通過小信號分析可以將漏感集中在初級側(cè)。理論上，在變壓器的一個繞組上產(chǎn)生的感應(yīng)電壓是匝數(shù)比乘以施加到另一繞組的電壓，如下所示：

Vout = N×Vin   (6)

實際上，施加到一個繞組的電壓會根據(jù)它們各自的阻抗分為漏感和勵磁電感。因此，當(dāng)繞組中存在明顯的漏感時，勵磁電感兩端的電壓會降低。因此，在次級繞組兩端感應(yīng)產(chǎn)生的電壓將明顯降低。當(dāng)Ns/Np=2 時，理論的感應(yīng)電壓應(yīng)為：

初級側(cè)感應(yīng)電壓(V_{p_induced}) = 次級側(cè)施加電壓

(V_{s_applied})×0.5   (7)

次級側(cè)感應(yīng)電壓(V_{s_induce}d) = 初級側(cè)施加電壓

(V_{p_applied})×2   (8)

以下是在我們經(jīng)優(yōu)化的變壓器的次級繞組和初級繞組上分別施加2 V 電壓( 黃色) 時的感應(yīng)電壓( 藍(lán)色)。

如圖6 和圖7 所示，初級測的感應(yīng)電壓(1.02 V)接近理論值( 即：次級側(cè)施加電壓的一半)，而次級側(cè)的感應(yīng)電壓(3.52 V) 則顯著低于初級側(cè)施加電壓的兩倍。這里顯示了初級側(cè)漏感的集中特性。

圖6 次級側(cè)的施加電壓和初級側(cè)的感應(yīng)電壓

圖7 初級側(cè)的施加電壓和次級側(cè)的感應(yīng)電壓

因此，證實了將LLC 拓?fù)潆娐窇?yīng)用在大功率車載充電器上的優(yōu)勢。

（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年4月期）