基于低匝数高电压变比平面变压器和集成磁件的高电压变比LLC谐振变换器制造技术

本发明专利技术提供一种基于低匝数高电压变比平面变压器和集成磁件的高电压变比LLC谐振变换器，包括两片铁芯和三个绕组；其中一片铁芯是将平面“E”型铁芯的中柱一分为二，形成两个中柱，形成平面形铁芯，另一片铁芯呈平面“I”型；其中一个绕组为原边绕组，全部绕过两个中柱；另外两个绕组为副边绕组，匝数相等，分别绕在两个中柱上；平面“I”型铁芯覆盖在平面形铁芯上面。本发明专利技术的有益效果是：以最少的原、副边绕组匝数，实现变压器的高电压变比、大电流输出和磁集成，用于数据中心供电系统、新能源发电和电动汽车中的高电压变比LLC谐振变换器，扩大容量，减小体积，降低成本，提高效率，节约能源。节约能源。

【技术实现步骤摘要】
基于低匝数高电压变比平面变压器和集成磁件的高电压变比LLC谐振变换器


[0001]本专利技术涉及电力电子应用
，尤其涉及一种基于低匝数高电压 变比平面变压器和集成磁件的高电压变比LLC谐振变换器。

技术介绍

[0002]根据摩尔定律(Moore
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s Law)，当价格不变时，单个微处理器(CPU) 芯片上集成电路可容纳的半导体元件的数目，约每个18-24个月增加一倍， 性能也提高一倍。由于单核CPU的发热问题越来越严重，为了便于热量 管理，Intel公司设计了多核CPU结构，例如Xeon W-3175 CPU芯片，将 28个内核集成在一个CPU芯片上，这一芯片需要消耗2V
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350A的电能。 此外，近年来，GPU(图像处理器)技术的发展已经超越了摩尔定律，在 其单个芯片上集成了600个内核，需要消耗1V
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1000A的电能。于是， 数据中心每台网络服务器机柜消耗的功率将超过25kW(1V
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25000A)。 这对于向数据中心网络服务器中CPU和GPU供电的电压调节器(VRM) 的设计提出了很大的挑战。
[0003]由于当前和未来数据中心供电系统中关键部件-DC/DC变换器的高 电压变比，要么采用两级变换器结构，要么采用高变比单级变换器结构。 由于两级变换器结构复杂，效率低，单级LLC谐振变换器成为未来的发 展趋势，然而，由于单级LLC谐振变换器的高电压变比(例如48∶1、 380∶6＝63∶1或380∶12＝32∶1)，即使采用氮化镓等宽禁带器件，将开关频率 提高到MHz，将变压器的副边绕组匝数降低到只有一匝，其原边绕组仍 然有很多匝(例如48匝、63匝或32匝)，导致高频平面变压器的PCB绕 组匝数和层数很多，绕组结构很复杂，成为制约数据中心供电系统降低成 本和高度、提高效率和功率密度、节约能源的关键瓶颈。

技术实现思路

[0004]针对现有技术缺陷，本专利技术提供一种基于低匝数高电压变比平面变压 器和平面集成磁件的高电压变比LLC谐振变换器，旨在利用最少的变压 器绕组匝数，实现LLC谐振变换器的高电压变比，为当前和未来数据中 心设计低成本、低高度、高功率密度和高效率的DC/DC电源提供技术支 撑，节约能源。本专利技术研制的低匝数高电压变比平面变压器和集成磁件， 也可以用于其他各种类型的电力电子开关变换器，比如正激变换器、反激 变换器、半桥变换器、全桥变换器、推挽变换器、移相全桥变换器、三电 平变换器、多电平变换器等。
[0005]本专利解决其技术问题所采用的技术方案是：
[0006]一种低匝数高电压变比平面变压器，包括两片铁芯和三个绕组；其中 一片铁芯是将传统平面“E”型铁芯的中柱一分为二，形成与传统平面“E
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型铁芯的侧柱和平行的两个铁芯中柱，形成一片平面形铁 芯，另一片铁芯为传统平面“I”型铁芯；其中一个绕组为原边绕组，全 部绕过平面形铁芯的两个中柱；另外两个绕组为副边绕组， 它们的匝数相等，分别绕在平面形铁芯的两个中上；平面“I
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型铁芯
覆盖在平面形铁芯的上面，形成低匝数高电压变比平 面变压器结构；低匝数高电压变比平面变压器的原、副边绕组的电压变比 为：(原边绕组的匝数
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形铁芯的中柱数)∶第一个副边绕 组的匝数∶第二个副边绕组的匝数；在副边绕组引出中间抽头的情况下， 中间抽头将每个副边绕组分成两半，低匝数高电压变比平面变压器的原边 绕组与每半个副边绕组的电压变比为：(原边绕组的匝数
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形铁芯的中柱数)∶每半个副边绕组的匝数，电压变比提高1倍。
[0007]本专利技术的有益效果在于：本专利技术提供的基于低匝数高电压变比平面变 压器和平面集成磁件的高电压变比LLC谐振变换器，利用最少的变压器 绕组匝数，最大限度地简化变压器的绕组设计，实现LLC谐振变换器的 高电压变比和大电流输出，同时，实现了变压器和谐振电感的磁集成，以 及多路并联LLC谐振变换器的所有变压器和谐振电感的磁集成，进一步 减小体积、提高性能、扩充容量，为当前和未来数据中心设计低成本和低 高度、高效率和高功率密度的直流供电源提供合理、完善的技术方案，节 约能源。本专利技术的也可以用于其他需要高电压变比的开关电源中，比如新 能源发电、电动汽车等领域。
[0008]以下结合附图以实施例作具体说明。
附图说明
[0009]为了更清楚地说明实施例，下面将对实施例中所需要使用的附图作简 单介绍。显而易见，下面描述的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本 领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这 些附图获得其他的附图。
[0010]图1是本专利技术实施例一提供的低匝数高电压变比平面变压器结构之一 的形铁芯和原、副边绕组结构图；
[0011]图2是图1的低匝数高电压变比平面变压器结构之一的主视图；
[0012]图3是本专利技术实施二的低匝数高电压变比平面变压器结构之二的 形铁芯和原边绕组的结构图；
[0013]图4是本专利技术实施二的低匝数高电压变比平面变压器结构之二的 形铁芯和副边绕组结构图；
[0014]图5是本专利技术实施三的低匝数高电压变比平面变压器+原边漏感的集 成磁件结构之一的铁芯和绕组结构图；
[0015]图6是本专利技术实施四的低匝数高电压变比平面变压器结构之三的铁芯 和绕组结构图；
[0016]图7是图6的低匝数高电压变比平面变压器结构之三的示意图；
[0017]图8是本专利技术实施例五的低匝数高电压变比平面变压器+原边漏感结 构之二的铁芯和绕组结构图；
[0018]图9是本专利技术实施例六的低匝数高电压变比平面变压器+原边漏感结 构之三的铁芯和绕组结构图；
[0019]图10是本专利技术实施例七的两个低匝数高电压变比平面变压器的解耦 集成磁件结构图；
[0020]图11是本专利技术实施例八的两个低匝数高电压变比平面变压器的耦合 集成磁件结构图；
[0021]图12是本专利技术实施例九的两个低匝数高电压变比平面变压器+原边 漏感的解耦集成磁件结构之一的结构图；
[0022]图13是本专利技术实施例十的两个低匝数高电压变比平面变压器+原边 漏感的耦合集成磁件结构之一的结构图；
[0023]图14是本专利技术实施例十一的两个低匝数高电压变比平面变压器+原 边漏感的解耦集成磁件结构之二的结构图；
[0024]图15是本专利技术实施例十二的两个低匝数高电压变比平面变压器+原 边漏感的耦合集成磁件结构之二的结构图；
[0025]图16是本专利技术实施例十三、十四、十五、十六的高电压变比LLC谐 振变换器的电路拓扑图。
[0026]图中：1-形铁芯和形铁芯；1-1
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形铁芯和形铁芯的中柱之一；1-2
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形铁芯和形铁芯的中柱之二；1-3
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形铁芯的中柱之三；1-4-形铁芯的 中柱之四；1-5-形铁芯和形铁芯的侧柱 之一；本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种低匝数高电压变比平面变压器，包括两片铁芯和三个绕组，其特征在于：其中一片铁芯是将传统平面“E”型铁芯的中柱一分为二，形成与传统平面“E”型铁芯的侧柱平行的两个铁芯中柱，形成一片平面形铁芯，另一片铁芯为传统平面“I”型铁芯；其中一个绕组为原边绕组，全部绕过平面形铁芯的两个中柱；另外两个绕组为副边绕组，它们的匝数相等，分别绕在平面形铁芯的两个中柱上；平面“I”型铁芯覆盖在平面形铁芯的上面，形成低匝数高电压变比平面变压器结构之一；低匝数高电压变比平面变压器结构之一的原、副边绕组电压变比为：(原边绕组的匝数
×
形铁芯的中柱数)：第一个副边绕组的匝数：第二个副边绕组的匝数。2.根据权利要求1所述的低匝数高电压变比平面变压器结构之一，其特征在于：将传统平面“E”型铁芯的中柱一分为四，形成4个中柱，形成平面形铁芯，四个中柱比平面型铁芯的两个侧柱短；一个原边绕组全部绕过所述四个中柱；四个副边绕组的匝数相等，均为奇数匝，分别绕在四个中柱上，从每个副边绕组上引出一个中间抽头，中间抽头从所述平面形铁芯的下面引到所述副边绕组的端部一侧，形成奇数匝且具有中间抽头的副边绕组结构；平面“I”型铁芯覆盖在平面形铁芯上面，形成低匝数高电压变比平面变压器结构之二；由于所述副边绕组引出中间抽头，将每个副边绕组分成两半，所述低匝数高电压变比平面变压器结构之二的原边绕组与每半个副边绕组的电压变比为：(原边绕组匝数
×
平面形铁芯的中柱数)：每半个副边绕组的匝数。3.根据权利要求2所述的低匝数高电压变比平面变压器结构之二，其特征在于：在平面形铁芯上增加一个原边漏感磁柱，原边漏感磁柱的长度方向与四个中柱的长度方向相垂直；原边绕组也绕过所述原边漏感磁柱，但是四个副边绕组都不绕过所述原边漏感磁柱；四个副边绕组的匝数均为偶数匝，都引出一个中间抽头，所述中间抽头位于副边绕组的端部一侧；形成低匝数高电压变比平面变压器+原边漏感的集成磁件结构之一；由于增加了所述原边漏感磁柱，在原边漏感磁柱的高度和截面积与其他四个中柱相等的情况下，所述低匝数高电压变比平面变压器+原边漏感的集成磁件结构之一的原、副边绕组电压变比为：[原边绕组的匝数
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(形铁芯的中柱数+1)]：每个副边绕组的匝数；由于原边漏感磁柱的作用，原边绕组具有漏感，通过调节原边漏感磁柱的高度和截面积，来调节原边漏感的大小；由于中间抽头的作用，将每个副边绕组分为两半，所述低匝数高电压变比平面变压器+原边漏感的集成磁件结构之一的原边绕组与每半个副边绕组的电压变比，与没有中间抽头相比，提高一倍。4.根据权利要求1所述的低匝数高电压变比平面变压器结构之一，其特征在于：将传统平面“E”型铁芯的中间磁柱去掉，形成平面“U”型铁芯，其中一个磁柱上没有绕组，另一个磁柱沿着长度方向一分为四，形成四个分磁柱，一个原边绕组全部绕过所述四个分磁柱；四个副边绕组的匝数相等，分别绕在所述四个分磁柱上，其中不相邻的两个副边绕组置于原边绕组的下面，另外两个不相邻的副边绕组置于原边绕组的上面；平面“I”型铁芯覆盖在所述具有四个分磁柱的平面“U”形铁芯的上面，形成低匝数高电压变比平面变压器结构之三；其原、副边绕组的电压变比为：(原边绕组的匝数
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所述分磁柱数)：每个副边绕组的匝数。
5.根据权利要求4所述的低匝数高电压变比平面变压器结构之三，其特征在于：在原有四个分磁柱的两侧各增加一个磁柱，称为原边漏感磁柱，原边绕组也绕过所述两个原边漏感磁柱，但是四个副边绕组都不绕过所述两个原边漏感磁柱；所述四个副边绕组的匝数均为偶数匝，都引出一个中间抽头，所述中间抽头位于所述四个副边绕组的端部的同一侧；形成低匝数高电压变比平面变压器+原边漏感的集成磁件结构之二；如果所述两个原边漏感磁柱的截面积之和与原有四个分磁柱相等，所述两个原边漏感磁柱的高度也与原有四个分磁柱相等，则所述低匝数高电压变比平面变压器+原边漏感的集成磁件结构之二的原、副边绕组电压变比为：[原边绕组的匝数
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(原有分磁柱数+1)]：每个副边绕组的匝数；由于所述两个原边漏感磁柱的作用，原边绕组具有漏感，通过调节所述两个原边漏感磁柱的高度和截面积，来调节原边漏感的大小；由于中间抽头将每个副边绕组分为两半，所述集成磁件结构之二的原边绕组与每半个副边绕组的电压变比，比没有中间抽头的提高一倍。6.根据权利要求5所述的低匝数高电压变比平面变压器+原边漏感的集成磁件结构之二，其特征在于：将两个原边漏感磁柱合二为一，形成一个新原边漏感磁柱，所述新原边漏感磁柱居于四个分磁柱中间，形成低匝数高电压变比平面变压器+原边漏感的集成磁件结构之三；其电压变比与权利要求5相同。7.根据权利要求4所述的低匝数高电压变比平面变压器结构之三，其特征在于：四个副边绕组的匝数均改为偶数匝，并带中间抽头；将两个低匝数高电压变比平面变压器结构之三的没有绕组的磁柱合二为一，形成新磁柱，通过改变两个低匝数高电压变比平面变压器结构之三的原边绕组的电流方向，使得它们的原边绕组在所述新磁柱上通过的磁通方向相同，形成两个低匝数高电压变比平面变压器的解耦集成磁件结构；同理，根据权利要求5所述的两个低匝数高电压变比平面变压器+原边漏感的集成磁件结构之二，其特征在于：将它们的没有绕组的磁柱合二为一，形成新...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨玉岗，
申请(专利权)人：杨玉岗，
类型：发明
国别省市：