CLLC双向谐振变换器电感-变压器矩阵式一体化集成与优化设计
李俊杰, 吴红飞, 花文敏, 杨帆, 刘越, 何静, 程钰杰
（南京航空航天大学）
DOI：10.13334/j.0258-8013.pcsee.210738
更高效率、更轻量化、更小型化是电力电子变换器永恒追求的目标。双向直流变换器是实现储能装置充放电的核心，在众多的隔离双向直流变换器电路结构中，CLLC谐振变换器具有优异的软开关性能，特别适合车载、机载、星载等对变换器效率和体积重量具有严苛要求的场合。为了实现双向变换，CLLC谐振变换器原副边均需配置谐振腔，使得电路中高频电感、变压器等无源功率磁件数量增加。减小高频功率磁件的体积和损耗，是CLLC谐振变换器高效率、高功率密度的关键所在。基于宽禁带器件、提高开关频率是减小功率磁件体积的有效途径，但开关频率的大幅提高却为高频功率磁件的设计实现带来新的挑战。基于PCB绕组的平面磁技术能够大幅降低磁件高度、使得空间得以充分利用、显著提高变换器功率密度，但仍无法有效解决双向CLLC谐振变换器中多个高频功率磁件所导致的体积重量大、损耗高的问题。磁集成技术已经被证明是减小高频功率磁件数量、体积、重量和损耗、实现变换器高效高密度设计的有效途径，但如何实现多个高频电感和变压器的一体化、低损耗、高密度集成仍面临挑战。
论文提出了CLLC谐振变换器中多个高频电感、变压器的一体化、低损耗、高密度集成结构及其优化设计方法。图 1给出了CLLC谐振变换器电路拓扑及其一体化集成磁件结构示意图，集成磁件采用平面磁芯结构，四个绕线柱采用矩阵式布置方式，其绕组采用PCB实现。图1中四个绕线柱及其绕组分别代表四个小集成磁件，其中对角布置的两组集成磁件的匝比分别为N1:N2和N2:N1，且四个小集成磁件的原边绕组和副边绕组分别串联连接。原副边绕组串联结构使得各小集成磁件的原边和副边绕组电流分别相等，而各磁件等效匝比不同则使得小集成磁件磁通无法全耦合，也即等效在原边和副边产生了参数可以调控的高频电感。因此，集成磁件实现了原副边高频谐振电感和高频变压器的一体化集成。如图2所示，由于相邻小磁件的等效匝比不同，使得相邻绕线柱中高频磁通方向相反，为磁芯非绕线部分高频磁通的抵消、磁芯损耗及其体积的降低创造了条件。
图1 CLLC谐振变换器及其电感变压器一体化集成磁件结构示意图
图2 集成磁芯磁通分布特性
本文提出的平面矩阵式电感-变压器集成结构，不仅利用一个磁芯即同时实现了CLLC谐振变换器中多个高频电感、变压器的高密度集成，而且利用矩阵式磁结构和PCB绕组配置，实现了集成磁芯中高频磁通抵消，大幅减小了集成磁件的损耗和体积，为CLLC谐振变换器的高效率、高功率密度设计与实现创造了条件。
论文研究和讨论了以下4个方面的内容。
（1）一体化集成磁件的电磁特性
图3(a)为集成磁件的等效磁路模型。根据该磁路模型、原副边绕组电流约束并结合电磁感应定律，推导得到该集成磁件的等效电路模型如图3(b)所示，即集成磁件实现变换器所需的原副边谐振电感、变压器和激磁电感等功能，其中激磁电感Lm=4N1N2/Rg，谐振电感 Lr=2(N1-N2)2/Rg。因此，可以通过调节匝数和气隙来配置电感和变压器的参数。
图3 集成磁件等效模型
（2）一体化集成磁件的结构优化
平面集成磁件中，上下磁盖的体积和损耗主导了整个磁件的性能。以降低磁盖厚度、减小其损耗为目标，进一步优化了集成磁件的结构。根据图2(b)磁通分布特性，由于缺少磁通闭合路径，磁盖四个边角处无磁通分布。基于此，本文提出了带边柱的集成磁芯优化结构。如图4和图5所示，通过增加边柱，等效增加了磁盖中的有效导磁面积，使得磁通闭合路径更多、磁盖中磁通分布更加均匀，从而大大降低了磁盖中的峰值磁通密度、减小了磁盖的厚度和损耗。
图4 磁芯结构的优化
图5优化前后磁通分布对比
（3）一体化集成磁件的结构参数优化设计方法
集成磁件实际为电感、变压器的集成体，目前尚无精确的理论模型可用于集成磁件的结构参数优化设计。为此，本文提出基于有限元仿真辅助分析和磁件结构参数扫描寻优相结合的优化设计方法。通过提取代表绕组损耗和磁芯损耗的结构参数，建立了结构参数与集成磁芯总损耗的多变量函数。进一步，结合有限元仿真，以给定占地面积和高度条件下集成磁件总损耗最低为优化目标，给出了集成磁件结构参数优化设计的具体步骤和实例。
（4）实验验证
以2kW CLLC双向谐振变换器应用为例，设计并实现了集成磁芯，如图6所示。实验测试结果表明，所设计的集成磁芯与理论分析一致，开关频率500kHz条件下，实验样机满载最高效率达到98%。
图6 集成磁芯示意图
提出了适用于CLLC谐振变换器的矩阵式一体化集成平面磁件结构，仅通过一个磁件即实现了双向CLLC谐振变换器原副边谐振电感和高频隔离变压器的集成。详细分析了集成磁件的等效模型，给出了磁件结构及其物理参数的优化设计过程，并通过实验验证了所设计的集成磁件的可行性和有效性。本文所提出的基于电感-变压器一体化矩阵式磁集成技术的CLLC双向谐振变换器，特别适用于电动汽车、航空航天等双向直流变换器效率、功率密度有严苛要求的应用场合。
引文信息
李俊杰,吴红飞,花文敏,等.CLLC双向谐振变换器电感-变压器矩阵式一体化集成与优化设计[J].中国电机工程学报,2022,42(10): 3720-3728.
LI Junjie, WU Hongfei, HUA Wenmin, et al, et al. Matrix inductor - transformer integration and optimization design for CLLC bidirectional resonant converter [J]. Proceedings of the CSEE,2022,42(10): 3720-3728(in Chinese).
南京航空航天大学吴红飞教授团队主要从事“高频电力变换、电力电子系统集成、航空航天电源系统”等领域的研究工作。团队现有教授3人、副教授1人，团队近年来主持国家自然科学基金联合基金重点项目、优秀青年基金项目、面上项目和青年基金项目10项，主持装备发展部装备预研重点项目、江苏省杰出青年基金项目、江苏省产学研联合创新项目以及“空间站”、“载人航天”、“探月”等航空航天重大工程委托研制项目等30余项，成果在多个航空航天重大型号中得到应用。团队成员获得省部级科研奖励5项，获授权发明专利70余项。团队已培养毕业博士和硕士研究生100余人，现有在读博士/硕士研究生50余人。
吴红飞(1985)，南京航空航天大学长空学者、教授、博士生导师。国家自然科学基金优秀青年基金、江苏省杰出青年基金、教育部霍英东青年教师基金获得者，入选江苏省“青蓝工程”中青年学术带头人、江苏省“六大人才高峰”高层次人才等。2021年Delta环境与教育基金会“中达青年学者”、2020年中国电源学会“优秀青年奖”获得者，第一完成人获得省部级二等奖2项、三等奖1项。出版专著1部，发表论文近200篇，论文累计被引用近5000次，连续入选爱思唯尔“中国高被引学者”、斯坦福全球前2%顶尖科学家等。担任IEEE JESTPE、Journal of Power Electronics、Chinese Journal of Electrical Engineering、Power Electronics Devices and Components等多个期刊副主编或客座副主编。
李俊杰(1998)，男，硕士研究生，研究方向：电力电子系统集成技术、高频电力变换技术。
花文敏(1995)，男，硕士，研究方向：高频电力变换技术。
杨帆(1985)，女，博士，讲师，研究方向：新能源发电系统、高频电力变换技术。
刘越(1997)，男，博士研究生，研究方向：电力电子系统集成技术。
何静(1999)，女，硕士研究生，研究方向：高频电力变换技术。
程钰杰(1987)，男，博士研究生，高级工程师，研究方向：特种功率电源、高频电力变换技术。
责任编辑：吕鲜艳
审核：胡琳琳
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