一种基于四元矩阵变换器的LLC谐振变换器制造技术

本申请公开了一种基于四元矩阵变换器的LLC谐振变换器，涉及LLC谐振变换器领域，该LLC谐振变换器中通过四根中心柱相连的两个磁板都有挖空区域，主电路板设置在两侧磁板之间且集成一次侧电路以及副边电路，每个原边绕组绕制在各根中心柱处，且相邻中心柱处的原边绕组的绕制方向相反，主电路板和每侧磁板之间设置副电路板，副电路板集成有副边子绕组和整流器件，通过层间汇流柱连接副边电路形成二次侧电路；二次侧的整流器件直接与副边绕组集成，可以有效减少端接损耗，消除端接产生的占地面积，而且整流器件设置在两侧磁板低磁密度区域，也不会引入额外的磁芯损耗，可以有效提高LLC谐振变换器的功率密度与效率。LLC谐振变换器的功率密度与效率。LLC谐振变换器的功率密度与效率。

【技术实现步骤摘要】
一种基于四元矩阵变换器的LLC谐振变换器


[0001]本申请涉及LLC谐振变换器领域，尤其是一种基于四元矩阵变换器的LLC谐振变换器。

技术介绍

[0002]LLC谐振变换器是一种高效、高性能的电力变换器，它通过谐振电路来实现零电压/零电流开关，具有易于实现的软开关特性和良好的磁集成特性，能够减少开关损耗和EMI噪声，被广泛应用于集群服务器、通信设备、数字产品适配器等工业领域。
[0003]随着开关频率的不断提高，通常会在LLC谐振变换器中集成矩阵变压器来均匀分配电流，从而可以有效减少LLC谐振变换器本身的损耗，继而提高LLC谐振变换器的功率密度和效率。然而，一旦LLC谐振变换器工作于压降区，二次侧较大的电流就会带来巨大的二次侧端接损耗，因此矩阵变压器的端接集成是优化LLC谐振变换器效率的关键技术。目前主流的有如下几种实现方法：(1)文献“A DCX
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LLC Resonant Converter with High Input
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Output Voltage Ratio Based on an Integrated Matrix Transformer”及文献“A DCX
‑
LLC Resonant Converter with High Input
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Output Voltage Ratio Based on an Integrated Matrix Transformer”向外扩展变换器绕组形成扩展区域，然后将整流装置放置在扩展区域中，这类方法会额外增加器件面积。(2)文献“High
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Efficiency High
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Power
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Density LLC Converter With an Integrated Planar Matrix Transformer for High
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Output Current Applications”及文献“Low
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Loss Integrated Inductor and Transformer Structure and Application in Regulated LLC Converter for 48
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V Bus Converter”缩小变换器磁芯的宽度，并将整流装置放在二次绕组上，这种方法虽然不会带来额外的面积增加，但存在磁通密度增加和铁芯损耗增加的问题。可见现有的方法都有各种问题，影响了LLC谐振变换器的性能。

技术实现思路

[0004]本申请人针对上述问题及技术需求，提出了一种基于四元矩阵变换器的LLC谐振变换器，本申请的技术方案如下：
[0005]一种基于四元矩阵变换器的LLC谐振变换器，该LLC谐振变换器包括变压器磁芯、主电路板、第一副电路板和第二副电路板；
[0006]变压器磁芯包括上磁板、下磁板和四根中心柱，上磁板和下磁板平行间隔设置，且上磁板和下磁板之间通过四根中心柱相连，四根中心柱排布形成一个虚拟矩形结构；上磁板有挖空区域，下磁板有挖空区域；
[0007]主电路板设置在上磁板和下磁板之间，第一副电路板设置在主电路板和上磁板之间，第二副电路板设置在主电路板和下磁板之间；
[0008]主电路板集成有原边绕组、原边谐振电路以及副边电路，每个原边绕组绕制在各根中心柱处，且相邻中心柱处的原边绕组的绕制方向相反，主电路板还引出副边接口，各个
原边绕组依次串联并连接原边谐振电路形成LLC谐振变换器的一次侧电路；
[0009]第一副电路板集成有第一副边子绕组和第一整流器件，第二副电路板集成有第二副边子绕组和第二整流器件，第一副电路板内的电路结构和第二副电路板内的电路结构分别通过层间汇流柱连接到主电路板的副边电路、形成LLC谐振变换器的二次侧电路，二次侧电路通过主电路板内的预设布线连接副边接口用于连接输出负载；
[0010]第一副电路板集成的各个第一整流器件均朝向上磁板一侧且位于上磁板的挖空区域内，第二副电路板集成的各个第二整流器件均朝向下磁板一侧且位于下磁板的挖空区域内，两个磁板的挖空区域处分别是磁板的磁密度低于预定密度阈值的区域。
[0011]其进一步的技术方案为，确定上磁板的挖空区域位于上磁板的中心区域，下磁板的挖空区域位于下磁板的中心区域。
[0012]其进一步的技术方案为，确定上磁板的挖空区域和下磁板的挖空区域的方法包括：
[0013]基于矩阵变压器的磁芯磁阻模型建立矩阵变压器的节点电压方程，节点电压方程指示各个节点处的电压与磁阻和磁导之间的方程关系，节点包括上磁板与各根中心柱连接位置以及下磁板与各根中心柱连接位置；
[0014]根据节点电压方程确定上磁板的各个节点之间的电压差并确定挖空区域，根据节点电压方程确定下磁板的各个节点之间的电压差并确定挖空区域。
[0015]其进一步的技术方案为，建立得到的节点电压方程为：
[0016][0017]其中，u
n1
是上磁板与第一中心柱连接位置的第一节点的电压，u
n2
是上磁板与第二中心柱连接位置的第二节点的电压，u
n3
是上磁板与第三中心柱连接位置的第三节点的电压，u
n4
是上磁板与第四中心柱连接位置的第四节点的电压；u
n5
是下磁板与第一中心柱连接位置的第五节点的电压，u
n6
是下磁板与第二中心柱连接位置的第六节点的电压，u
n7
是下磁板与第三中心柱连接位置的第七节点的电压，u
n8
是下磁板与第四中心柱连接位置的第八节点的电压；第一中心柱和第三中心柱位于虚拟矩形结构的一组对角线处，第二中心柱和第四中心柱位于虚拟矩形结构的一组对角线处；G1是每根中心柱的两端节点之间的气隙磁导，G2是每一个磁板中相邻两个节点之间的磁路磁导，G3是每一个磁板中对角线的两个节点之间的磁导，NI是每根中心柱处的电压源的绝对值；
[0018]基于节点电压方程确定上磁板中对角线的两个节点的电压差时钟为0，确定上磁板的中心区域作为挖空区域；
[0019]基于节点电压方程确定下磁板中对角线的两个节点的电压差时钟为0，确定下磁板的中心区域作为挖空区域。
[0020]其进一步的技术方案为，LLC谐振变换器还包括第一汇流屏蔽电路板和第二汇流屏蔽电路板，第一汇流屏蔽电路板设置在主电路板和第一副电路板之间，第二汇流屏蔽电路板设置在主电路板和第二副电路板之间；每个汇流屏蔽电路板包括从下至上依次层叠的底层汇流层、底层屏蔽层、顶层屏蔽层和顶层汇流层；
[0021]第一副电路板内的电路结构通过第一层间汇流柱连接到第一汇流屏蔽电路板的顶层汇流层的电路结构，所述顶层汇流层的电路结构通过通孔与底层汇流层的电路结构相连，所述底层汇流层的电路结构再经由第二层间汇流柱连接到主电路板的副边电路；
[0022]第二副电本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于四元矩阵变换器的LLC谐振变换器，其特征在于，所述LLC谐振变换器包括变压器磁芯、主电路板、第一副电路板和第二副电路板；所述变压器磁芯包括上磁板、下磁板和四根中心柱，所述上磁板和所述下磁板平行间隔设置，且所述上磁板和所述下磁板之间通过四根中心柱相连，四根中心柱排布形成一个虚拟矩形结构；所述上磁板有挖空区域，所述下磁板有挖空区域；所述主电路板设置在所述上磁板和所述下磁板之间，所述第一副电路板设置在所述主电路板和所述上磁板之间，所述第二副电路板设置在所述主电路板和所述下磁板之间；所述主电路板集成有原边绕组、原边谐振电路以及副边电路，每个原边绕组绕制在各根中心柱处，且相邻中心柱处的原边绕组的绕制方向相反，所述主电路板还引出副边接口，各个原边绕组依次串联并连接所述原边谐振电路形成所述LLC谐振变换器的一次侧电路；所述第一副电路板集成有第一副边子绕组和第一整流器件，所述第二副电路板集成有第二副边子绕组和第二整流器件，所述第一副电路板内的电路结构和所述第二副电路板内的电路结构分别通过层间汇流柱连接到所述主电路板的副边电路、形成所述LLC谐振变换器的二次侧电路，所述二次侧电路通过所述主电路板内的预设布线连接所述副边接口用于连接输出负载；所述第一副电路板集成的各个第一整流器件均朝向所述上磁板一侧且位于所述上磁板的挖空区域内，所述第二副电路板集成的各个第二整流器件均朝向所述下磁板一侧且位于所述下磁板的挖空区域内，两个磁板的挖空区域处分别是所述磁板的磁密度低于预定密度阈值的区域。2.根据权利要求1所述的LLC谐振变换器，其特征在于，确定所述上磁板的挖空区域位于所述上磁板的中心区域，所述下磁板的挖空区域位于所述下磁板的中心区域。3.根据权利要求1所述的LLC谐振变换器，其特征在于，确定所述上磁板的挖空区域和所述下磁板的挖空区域的方法包括：基于所述矩阵变压器的磁芯磁阻模型建立所述矩阵变压器的节点电压方程，所述节点电压方程指示各个节点处的电压与磁阻和磁导之间的方程关系，节点包括所述上磁板与各根中心柱连接位置以及所述下磁板与各根中心柱连接位置；根据所述节点电压方程确定所述上磁板的各个节点之间的电压差并确定挖空区域，根据所述节点电压方程确定所述下磁板的各个节点之间的电压差并确定挖空区域。4.根据权利要求3所述的LLC谐振变换器，其特征在于，建立得到的节点电压方程为：其中，u
n1
是所述上磁板与第一中心柱连接位置的第一节点的电压，u
n2
是所述上磁板与第二中心柱连接位置的第二节点的电压，u
n3
是所述上磁板与第三中心柱连接位置的第三节
点的电压，u
n4
是所述上磁板与第四中心柱连接位置的第四节点的电压；u
n5
是所述下磁板与第一中心柱连接位置的第五节点的电压，u
n6
是所述下磁板与第二中心柱连接位置的第六节点的电压，u
n7
是所述下磁板与第三中心柱连接位置的第七节点的电压，u
n8
是所述下磁板与第四中心柱连接位置的第八节...

【专利技术属性】
技术研发人员：伍群芳，姜盟瀚，王勤，肖岚，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：