面向未來電動汽車的技術：具有最小容差的全新變壓器設計

Jochen Neller Gerard Healy

電動汽車和自動駕駛的發(fā)展前景有賴于許多關鍵技術的進步，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計。

0 引言

為了在高性能細分領域持續(xù)達到良好的效率水平，我們需要具有低開關損耗的功率開關組件。現代產品經常使用諧振轉換器拓撲結構，該結構利用了零電壓開關原理（zero voltage switching， ZVS），優(yōu)勢是減少開關損耗。它們最常出現在LLC諧振轉換器中，其電路中的諧振電感可實現零電壓開關，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：次級側對初級側的匝數比（N）是2，初級側的勵磁電感是36 μH，精確的變壓器增益（放大倍數）為6。結果顯示放大倍數與變壓器的初級繞組漏感（leakage inductance）直接相關。因此，為了實現精確的放大倍數，這個寄生參數需要設有最小容差。為了實現這個目標，要使用一項創(chuàng)新的變壓器設計。

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/平滑電路產生電感耦合。磁力耦合主要由線圈結構和鐵芯氣隙（air gap）的幾何形狀決定。

我們使用以下公式得出LLC轉換器的放大倍數：

放大倍數=（Lm + Lr） / Lr （1）

勵磁電感Lm的容差值可以通過嚴格遵守鐵芯氣隙的容差值來控制，但諧振電感Lr則需要進一步研究。

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

接下來就清楚了：

Lr = Lext + Lk_prim （2）

如前所述，通過設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設定合適的嚴格容差，而普思電子正是以一項新穎的線圈設計達成了這個目標。

1 夾心繞法的線圈設計

一個示例是PQ50/50平臺，它的初級側和次級側線圈導線的尺寸正好適用于3.6 kW功率水平。考慮到變壓器開發(fā)目標的系統(tǒng)要求，決定漏感值的式（1）和式（2）說明了“將初級側線圈和夾心式繞法的次級側側線圈彼此分立的設計，最接近目標值”。

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

2 優(yōu)化變壓器設計的有限元法

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

該設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性磁力問題并開發(fā)有效解決方案的現代方法。所產生的磁通達到了預期結果。圖4顯示了初級側線圈和次級側線圈各個磁通路徑的有限元模型。

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

以下是在我們經優(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）時的感應電壓（藍色）。

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

因此，證實了將LLC拓撲電路應用在大功率車載充電器上的優(yōu)勢。