一种三相交错并联CLLC电路的电感与变压器集成结构

技术领域

本发明属于应用于高频工作环境下的变压器磁集成技术领域，尤其涉及一种适用于三相交错并联CLLC电路的谐振电感与变压器集成结构。

背景技术

随着新能源的大力发展，电动汽车、直流配电系统、个人移动设备等领域，对DC/DC变换器的效率、体积等性能指标的需求越来越高，如何实现高效率、高功率密度、大容量是研究人员的重要方向,其中谐振型软开关DC/DC变换器成为研究重点，其可以在宽输入范围，全负载范围内，自然实现原边开关管的零电压开通和副边开关管的零电流关断。同时为了实现大功率，扩大容量，因此三相交错并联CLLC电路应运而生。

如上所述，三相交错并联CLLC电路如图1所示，其中包括由MOSFET开关管组成的三相桥式逆变电路和三相桥式整流电路，以及由三相谐振网络和三相变压器组成，其中，三相谐振网络包括六个谐振电容、六个谐振电感、三个变压器组成。谐振变换器利用谐振腔的特性，可以实现零电压开通和零电流关断，整体提升了变换器的效率。

同时，传统形式的三相交错并联CLLC电路需要六个谐振电感、三个变压器，若采用独立磁性元件，共九个磁性元件，那么严重违背了高效率、高功率密度的初衷。因此，如何解决三相交错并联CLLC电路中磁性元件数目多、损耗高的问题成为研究重点。

为了解决上述问题，有采用磁集成技术，常用EE型磁芯结构可将两个谐振电感与单相变压器进行磁集成到一个元件中，然而三相交错并联CLLC电路有六个电感和三个变压器，采用传统形式的EE型显然无法使九个磁性元件进行磁集成。此外有学者采用三个EE型磁芯进行简单的组合，甚至还有采用磁分流器以形成额外的磁路，这些办法使得变压器结构变得十分复杂，并且需要复杂的数学公式进行计算，同时磁芯损耗非常高，降低了变压器效率。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种基于三相交错并联CLLC电路的谐振电感与变压器集成结构，减少了谐振变换器中磁性元件的数量、体积、重量和损耗，优化了变换器的效率和功率密度。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明提出了一种适用于三相交错并联CLLC电路的谐振电感与变压器集成结构，所述三相交错并联CLLC电路包括三相桥式逆变电路、三相桥式整流电路、三相谐振网络和三相变压器，其中三相变压器原副边之间采用星形连接，可实现三相之间自动均流特性。将上述谐振网络中的六个谐振电感和三个变压器集成到一个磁性元件中，具体的，将A相变压器的原边绕组N

所述集成磁性元件结构包括顶层的平面磁芯盖，中间层的谐振电感与变压器集成绕组和底层的磁芯底座。其中，底层的磁芯底座包括底部的平面磁芯盖和该磁芯盖上集成的六个圆柱形磁柱，其中，三个磁柱为一排，共两排结构，形成2*3的矩阵形式。

进一步的，运用磁集成技术，将A相变压器的原边绕组N

进一步的，B相变压器的原边绕组N

进一步的，C相变压器的原边绕组N

进一步的，运用磁集成技术，将A相变压器的副边绕组N

进一步的，同理B相和C相的副边绕组也同样分别不平均的绕制于磁柱3、4上和磁柱5、6上。使得增大副边侧的漏感，以便充当B相和C相副边侧的漏感。

同时确保各相变压器在上下对称磁柱上的原边绕组N

进一步的，A、B、C三相变压器不仅本身独立变压器原副边绕组之间存在耦合，而且每一相原副边绕组之间(A相与B相，B相与C相，C相与A相)也存在耦合，耦合程度可用互感M表示。以各相变压器变比为1，所需原副边侧漏感大小相同进行推导，则根据集成磁性元件的原副边绕组示意图如图3所示，可得矩阵方程：

式中L

根据集成磁性元件的磁路等效模型如图4所示，以A相变压器为例进行推导，运用磁路的欧姆定律，可以求出：

式中N

进一步的，由于三相交错并联CLLC电路的驱动信号相位依次相差120度的电角度，三相谐振电流相位也相差120度电角度，可以得到：

式中I

进一步的，以A相变压器为例，基于上述式子，可以得到：

V

式中V

进一步的，三相磁集成变压器得以实现完全解耦，每一相的励磁电感和漏感均可以计算出来，以A相为例，可以表示出：

式中，L

本发明的有益效果：将三相交错并联CLLC电路中的三个变压器和六个电感集成到一个磁性元件上，减小了变换器的体积和重量，提高了效率和功率密度，同时可以通过顶层平面磁芯与磁柱之间的气隙大小灵活调节励磁电感与谐振电感的比值K，以及采用原副边绕组完全交错排布的形式可以达到降低交流绕组损耗和降低变换器EMI干扰问题。

附图说明

图1为三相交错并联CLLC电路的原理拓扑图；

图2为集成磁性元件结构示意图；

图3为集成磁性元件原副边绕组俯视图；

图4为集成磁性元件原副边绕组三维示意图；

图5为集成磁性元件的磁路等效模型；

图6为Maxwell有限元软件磁仿真示意图；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明实施例中的技术方案进行清晰、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。附图仅用于辅助性的说明本发明的内容和目的，因此附图比较简单并且未使用精准的比例进行操作。

如图1所示，本发明适用于三相交错并联CLLC电路的谐振电感与变压器集成，其中变换器包括三相桥式逆变电路，三相谐振网络和三相变压器，以及三相桥式整流电路，其中，谐振网络耦解于逆变电路和整流电路中间，三相变压器原副边均采用星形连接。

如图2所示，本发明所提出的谐振电感与变压器集成磁芯结构，包括顶层平面磁芯盖、中间层的谐振电感与变压器集成绕组和底层磁芯底座，其中，底层磁芯底座包括底层的平面磁芯盖和六个圆柱形磁柱，其中，谐振电感与变压器集成绕组可以是平面PCB绕组，也可以采用绕线制绕组。

如图3、4所示，本发明中首先将A相变压器的原边绕组N

进一步的，将A相变压器的副边绕组N

同时确保A相变压器在磁柱1和磁柱2上的原边绕组N

进一步的，将B相(C相)变压器的的原边绕组N

进一步的，将B相(C相)变压器的副边绕组N

同时确保B相(C相)变压器在磁柱3和磁柱4(磁柱5和磁柱6)上的原边绕组N

进一步的，六个圆柱形磁柱与顶层平面磁芯盖之间的气隙大小可以相同，也可以不同，在本实施例中采用气隙大小相同方式。

如图5所示，本发明中根据集成磁性元件按照上述的绕制方式，形成的等效磁阻模型，可用于计算各个磁柱上的磁通量，以便得到各自绕组自感和绕组之间的互感大小，从而可以决定根据设计参数指标开多大的气隙。

如图6所示，本发明经过有限元仿真软件Maxwell进行验证所提想法的准确性。在仿真中让A、B、C三相变压器绕组的激励相位相差120度电角度，得到的电感矩阵结构与理论相一致。

上述具体的实施例对本发明的原理和实施方式做了详细说明，但本发明并不限于上述特定的实施例，本领域的技术人员可在其知识范围内，借鉴本发明的思想，在具体的实施方式上做出相应的改变。