面向未來(lái)電動(dòng)汽車(chē)的技術(shù)：具有最小容差的全新變壓器設計

電動(dòng)汽車(chē)和自動(dòng)駕駛的發(fā)展前景有賴(lài)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(chē)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(lǐng)域持續達到良好的效率水平，我們需要具有低開(kāi)關(guān)損耗的功率開(kāi)關(guān)組件?，F代產(chǎn)品經(jīng)常使用諧振轉換器拓撲結構，該結構利用了零電壓開(kāi)關(guān)原理(zero voltage switching, ZVS)，優(yōu)勢是減少開(kāi)關(guān)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(shí)現零電壓開(kāi)關(guān)，使得LLC 器件非常適合要求高效率及大功率的車(chē)載充電器(OBC)應用。

LLC 一詞指的是諧振電路依賴(lài)的三個(gè)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(lái)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L(cháng)LC 轉換器的諧振電感。

針對這款3.6 kW LLC 變壓器開(kāi)發(fā)的系統要求包括：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(guān)。因此，為了實(shí)現精確的放大倍數，這個(gè)寄生參數需要設有最小容差。為了實(shí)現這個(gè)目標，要使用一項創(chuàng )新的變壓器設計。

圖1 所示為L(cháng)LC 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轉換器

磁力耦合主要由線(xiàn)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＝ (L_m + L_r) / L_r    (1)

勵磁電感Lm 的容差值可以通過(guò)嚴格遵守鐵芯氣隙的容差值來(lái)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(gè)模型包括了初級側線(xiàn)圈的漏感(Lk_prim) 和次級側線(xiàn)圈的漏感(L_{k_sec})，以及可能出現的外部諧振電感(Lext)。

圖2 示意漏感的變壓器電路

接下來(lái)就清楚了：

Lr = Lext + Lk_prim   (2)

如前所述，通過(guò)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(xiàn)圈設計達成了這個(gè)目標。

1   夾心繞法的線(xiàn)圈設計

一個(gè)示例是PQ50/50 平臺，它的初級側和次級側線(xiàn)圈導線(xiàn)的尺寸正好適用于3.6 kW 功率水平?？紤]到變壓器開(kāi)發(fā)目標的系統要求，決定漏感值的式(1)和式(2) 說(shuō)明了“將初級側線(xiàn)圈和夾心式繞法的次級側側線(xiàn)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(zhuān)利線(xiàn)圈設計截面圖。這個(gè)設計的獨特之處在于能夠各自獨立控制線(xiàn)圈之間的距離，并達到所需的漏感值。每個(gè)線(xiàn)圈的寬度和線(xiàn)束尺寸都經(jīng)過(guò)仔細調整，以適應線(xiàn)圈精度，將其微調到符合漏感容差要求。

圖3 用于微調漏感值的專(zhuān)利線(xiàn)圈設計截面圖

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(xiàn)圈周?chē)?，必須?yōu)化初級側和次級側線(xiàn)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(kāi)發(fā)的，有限元法是一種用于分析技術(shù)性磁力問(wèn)題并開(kāi)發(fā)有效解決方案的現代方法。所產(chǎn)生的磁通達到了預期結果。圖4顯示了初級側線(xiàn)圈和次級側線(xiàn)圈各個(gè)磁通路徑的有限元模型。

圖4 初級側線(xiàn)圈(左)和次級側線(xiàn)圈(右)各個(gè)磁通路徑的有限元法分析模型

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

圖5 經(jīng)過(guò)優(yōu)化的LLC變壓器原型設計

電氣參數的測量結果顯示，已經(jīng)達到目標漏感值和容差值。

為了計算實(shí)際的初級和次級繞組漏感，我們測量以下變壓器參數：

L_so：次級側在開(kāi)路狀態(tài)時(shí)的初級側電感

L_ss：次級側在短路狀態(tài)時(shí)的初級側電感

L_po：初級側在開(kāi)路狀態(tài)時(shí)的次級側電感

另外使用三個(gè)等式來(lái)計算初級側的漏感(L_{k_prim})，次級側的漏感(L_{k_sec})，以及勵磁電感(Lm) 等數值。

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 總結了變壓器的測量和計算結果。初級繞組的勵磁和漏感參數值圓滿(mǎn)達到目標，次級側的漏感值則相對較低。

表1 變壓器漏感值結果/μH

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

Vout = N×Vin   (6)

實(shí)際上，施加到一個(gè)繞組的電壓會(huì )根據它們各自的阻抗分為漏感和勵磁電感。因此，當繞組中存在明顯的漏感時(shí)，勵磁電感兩端的電壓會(huì )降低。因此，在次級繞組兩端感應產(chǎn)生的電壓將明顯降低。當Ns/Np=2 時(shí)，理論的感應電壓應為：

初級側感應電壓(V_{p_induced}) = 次級側施加電壓

(V_{s_applied})×0.5   (7)

次級側感應電壓(V_{s_induce}d) = 初級側施加電壓

(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(shí)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(zhù)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。

圖6 次級側的施加電壓和初級側的感應電壓

圖7 初級側的施加電壓和次級側的感應電壓

因此，證實(shí)了將LLC 拓撲電路應用在大功率車(chē)載充電器上的優(yōu)勢。

（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年4月期）