一种半桥LLC谐振变换器中的高频中间抽头平面变压器

摘要

一种半桥LLC谐振变换器中的高频中间抽头平面变压器，采用八层结构，原边绕组位于第一、三、六、八层，两个副边绕组分别位于第二、七层和四、五层，原边附加绕组包括两个矩形的附加绕组，第一、三、五、七层的绕组串联构成一个附加绕组，第二、四、六、八层的绕组串联构成另一个附加绕组，相邻两层之间的附加绕组交叉设置，且相邻两层之间的附加绕组之间采用完全正对绕制，使两个附加绕组之间的等效电感Lr’和等效电容Cr’替代谐振网络中分立的谐振电感Lr和谐振电容Cr，励磁电感Lm由中间抽头平面变压器提供，通过磨磁芯的气隙来获得需要的励磁电感值；原边绕组或副边绕组分别位于该层相应的矩形附加绕组之内。

说明书

技术领域

本发明涉及平面变压器，尤其涉及一种半桥LLC谐振变换器中的高频中间抽头平面变压器(L-C-L-T集成高频中间抽头变压器),属于集成电路领域。

背景技术

目前，对应用在通信电源、服务器DC/DC电源和分布式电源系统的功率变换器，都有高功率密度、高效率以及高可靠性的要求。就高功率密度而言，如何减小功率变换器的体积成为研究焦点。其中，磁性元件的体积占到功率变换器体积的30％左右，已经成为功率变换器进一步发展的瓶颈。实际上，提高功率密度最有效的方法就是提高功率变换器的工作频率，使磁性元件的体积减小，特别是变压器的体积。

对于变压器而言，集成化和平面化是两个最主要的趋势。集成化即是利用变压器的磁芯结构以及绕组结构，尽可能地将磁性元件集成到一起，从而大幅减小磁性元件所占的体积。平面化即是将磁性元件的绕组用印刷电路板紧凑的铜线代替，从而减小磁性元件的体积。因此，平面变压器的集成化成为当前的研究热点。

LLC谐振变换器是目前研究最为火热的一种功率变换器。这是因为LLC谐振变换器能在宽负载范围内实现原边的ZVS和副边的零电流开关(ZCS)，从而使得开关损耗大幅降低，能够工作在很高的频率(>5MHz)。LLC谐振变换器的软开关过程使其应用在许多场合，特别是在低输出电压和高输出电流的场合。而且LLC谐振变换器没有副边的滤波电感，使得副边整流的电压应力降低。

针对半桥LLC谐振变换器，其谐振网络包括谐振电感Lr、谐振电容Cr、励磁电感Lm和变压器T。通常，平面变压器的漏感不足以满足谐振电感Lr的要求，需要外加电感构成谐振电感Lr。励磁电感Lm是变压器T固有的电感，可通过磨气隙得到需要的值。因此，磁性元件的集成是提高功率密度十分有效的方法。

发明内容

本发明目的是针对现有技术存在的缺陷，提供一种半桥LLC谐振变换器中的高频中间抽头平面变压器。

本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：一种半桥LLC谐振变换器中的高频中间抽头平面变压器，半桥LLC谐振变换器中包括谐振电感Lr、谐振电容Cr、励磁电感Lm和变压器T构成的谐振网络，其中励磁电感Lm是变压器T固有的电感，其特征在于：谐振网络采用八层PCB结构的中间抽头平面变压器，包括原边绕组Np、磁芯、副边中心抽头绕组以及原边附加绕组；

原边绕组Np位于第一、三、六、八层共四层，每层绕组均采用铜箔绕组环形绕制，第一、三、六、八层的绕组之间并联；副边绕组中心抽头分为两个绕组Nsa和Nsb，副边绕组Nsa位于第二、七层共二层，每层绕组均采用铜箔绕组环形绕制，第二、七层的绕组之间并联，另一个副边绕组Nsb位于第四、五层共二层，每层绕组均采用铜箔绕组环形绕制，第四、五层的绕组之间并联；

原边附加绕组集成了半桥LLC谐振变换器谐振网络中的谐振电感和谐振电容，原边附加绕组位于磁芯的外部，包括两个矩形的附加绕组AA’和BB’，附加绕组AA’和BB’分别由四层铜箔绕组绕制后串联而成，即第一、三、五、七层的绕组之间串联构成其中一个附加绕组AA’，第二、四、六、八层的绕组之间串联构成另一个附加绕组BB’，相邻两层之间的附加绕组交叉设置，达到相邻两层的两个附加绕组之间的距离最小化，相邻两层之间的附加绕组之间采用完全正对绕制，达到该两个附加绕组之间的正对面积最大化，使两个附加绕组之间的等效电感Lr’和等效电容Cr’能够替代谐振网络中分立的谐振电感Lr和谐振电容Cr使用，附加绕组AA’的A’端无电气连接，A端连接半桥LLC谐振变换器下MOS管的源极即中间抽头平面变压器的原边地端；附加绕组BB’的B’端无电气连接，B端连接原边绕组的非同名端，励磁电感Lm由中间抽头平面变压器提供，通过磨磁芯的气隙来获得需要的励磁电感值；

在第一～第八层的每一层上，相应设置的原边绕组Np或副边绕组Nsa或副边绕组Nsb分别位于该层相应的矩形附加绕组之内。

所述原边绕组的四层结构中，每层均采用16匝铜箔线圈绕制，铜箔线圈每匝宽度为10mil，匝间距为10mil，铜厚为2oz；副边的两个铜箔线圈绕组共四层，每层只有1匝，每匝宽度为70mil，铜厚为2oz；八层原边附加绕组每层均为2匝，每匝宽度为50mil，匝间距为15mil，铜厚为2oz。

所述层板厚为1.9mm，其中绝缘层厚度为：第一二、第七八层之间绝缘层厚度为0.25mm，第二三、第三四、第四五、第五六、第六七层之间绝缘层厚度为0.2mm。

所述中间抽头平面变压器的封装为插针式，中间抽头平面变压器对外提供五个针脚位，分别为P+，A，S1，S2，S3，均为焊盘形式，焊盘的孔径为40mil，外径为50mil，P+接桥臂中点，A接原边侧地，S1接输出整流即副边绕组Nsa的同名端，S2接副边侧地即副边中心抽头，S3接输出整流即副边绕组Nsb的非同名端。

所述磁芯选用RM8形状，磁芯材料选用3F4，磁芯的中柱嵌入在中心开孔的八层PCB板上。

本发明具有如下优点及显著效果：

1)高频中间抽头平面变压器采用八层结构，原边绕组位于第一、三、六、八层，两个副边绕组分别位于第二、七层和四、五层，原边附加绕组包括两个矩形的附加绕组AA’和BB’，附加绕组AA’和BB’分别由四层铜箔绕组绕制后串联而成，即第一、三、五、七层的绕组之间串联构成其中一个附加绕组AA’，第二、四、六、八层的绕组之间串联构成另一个附加绕组BB’，相邻两层之间的附加绕组交叉设置，达到相邻两层的两个附加绕组之间的距离最小化，相邻两层之间的附加绕组之间采用完全正对绕制，达到该两个附加绕组之间的正对面积最大化，包括两个矩形的附加绕组，第一、三、五、七层的绕组串联构成一个附加绕组，第二、四、六、八层的绕组串联构成另一个附加绕组，相邻两层之间的附加绕组交叉设置，且相邻两层之间的附加绕组之间采用完全正对绕制，使两个附加绕组之间的等效电感Lr’和等效电容Cr’替代谐振网络中分立的谐振电感Lr和谐振电容Cr，励磁电感Lm由中间抽头平面变压器提供，通过磨磁芯的气隙来获得需要的励磁电感值，原边绕组或副边绕组分别位于该层相应的矩形附加绕组之内。

2)本发明集成高频中间抽头平面变压器集成度高，体积小。不仅集成了半桥LLC谐振变换器中的磁性元件，还进一步集成了谐振电容。

3)本发明集成高频中间抽头平面变压器参数一致性好。在确定平面变压器的设计之后，参数就已经确定，确保了参数的高度一致性。

4)本发明中间抽头平面变压器采用对称交叉结构，绕组间耦合紧密，并联均流效果好，高频下的变压器损耗低。

5)本发明集成高频中间抽头平面变压器特别适用于MHz工作频率下，且成本低，可靠性好。

附图说明

图1是本发明整体原理图；

图2是本发明绕组结构图；

图3是本发明磁芯结构与参数图；

图4是本发明板层结构图；

图5是定频模式下原副边电压电流波形图。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明：

本发明一种半桥LLC谐振变换器中的高频中间抽头平面变压器(L-C-L-T集成高频中间抽头平面变压器)，在提出的L-C-L-T集成结构上，该变压器原副边以及原边附加绕组的绕线层数乃至于各层的匝数，可以根据实际应用的需求，任意决定。本发明提供了一种实质上可为不限匝数，不限层数的平面磁集成方法。

如图1所示，一种L-C-L-T集成高频中间抽头平面变压器应用于半桥LLC谐振变换器中，谐振网络1包括谐振电感Lr、谐振电容Cr、励磁电感Lm和中间抽头变压器T。

如图1所示，本发明包括原边附加绕组2、励磁电感3、中间抽头变压器4。其中，原边附加绕组2集成了谐振网络1中的谐振电感Lr和谐振电容Cr。中间抽头变压器4的原边P采用4层并联铜箔绕组绕制，分别位于第一、三、六、八层(TOP为第一层，BOTTOM为第八层)。由于是中间抽头结构，中间抽头变压器4的副边两个绕组Sa，Sb均采用2层并联铜箔绕组绕制，其中第二、七层为副边一绕组Sa，第四、五层为副边另一绕组Sb。

如图1所示，原边附加绕组2位于中间抽头变压器4的外部(中间抽头变压器4是与磁芯直接耦合的，原边附加绕组2也会有少量的耦合)。原边附加绕组2由两个绕组AA’和BB’绕制而成，其中第一、三、五、七层串联成一个绕组AA’，第二、四、六、八层串联成另一个绕组BB’。绕组AA’的一端A’无电气连接，另一端A是谐振网络1中的A端，也是L-C-L-T集成高频中间抽头平面变压器的原边地端。绕组BB’一端B与中间抽头变压器原边的一端B连接，另一端B’无电气连接。

如图2所示，为本发明L-C-L-T集成高频中间抽头平面变压器绕组结构图。图中给出了原边附加绕组A，B端点，原边附加绕组无电气连接的端部A’，B’，副边绕组S1，S2，S3端点以及原边端点P+。H1为第一层与第三层连接的盲孔，H2为第二层与第四层连接的盲孔，H3为第三层与第五层连接的盲孔，H4为第四层与第六层连接的盲孔，H5为第五层与第七层连接的盲孔，H6为第六层与第八层连接的盲孔。第一、三、六、八层上的变压器原边绕组采用16匝铜箔线圈绕制，铜箔线圈每匝宽度为10mil，匝间距为10mil，铜厚为2oz，且第一、三、六、八层之间通过P1和P2两个实心过孔(过孔的孔里面填满锡，可以增加带电流能力)并联。第二、七层的副边绕组均为1匝铜箔绕组，绕组宽度为70mil，铜厚为2oz，且通过焊盘S1和焊盘S2并联。第四、五层的副边绕组均为一匝铜箔绕组，绕组宽度为70mil，铜厚为2oz，且通过焊盘S2和焊盘S3并联。其中，S2为中间抽头。环形绕组(即原边绕组和副边绕组)的中间开孔，磁芯的中柱嵌入在中心开孔的八层PCB板上。

如图2所示，原边附加绕组BB’绕组，B端与P1端通过第二层上的走线连接。B端顺时针方向经过第一层2匝矩形原边附加绕组，与第三层2匝矩形原边附加绕组通过H1串联。H1顺时针方向经过第三层2匝矩形原边附加绕组，与第五层2匝矩形原边附加绕组通过H3串联。H3顺时针方向经过第五层2匝矩形原边附加绕组，与第七层2匝矩形原边附加绕组通过H5串联。H5顺时针方向经过第七层2匝矩形原边附加绕组到B’处，B’处无电气连接。原边附加绕组AA’绕组，A端顺时针方向经过第二层2匝矩形原边附加绕组，与第四层2匝矩形原边附加绕组通过H2串联。H2顺时针方向经过第四层2匝矩形原边附加绕组，与第六层2匝矩形原边附加绕组通过H4串联。H4顺时针方向经过第六层2匝矩形原边附加绕组，与第八层2匝矩形原边附加绕组通过H6串联。H6顺时针方向经过第八层2匝矩形原边附加绕组到A’处，A’处无电气连接。第一、三、五、七层的绕组串联构成一个附加绕组，第二、四、六、八层的绕组串联构成另一个附加绕组，相邻两层之间的附加绕组交叉设置，且相邻两层之间的附加绕组之间采用完全正对绕制，使两个附加绕组之间的等效电感Lr’和等效电容Cr’替代谐振网络中分立的谐振电感Lr和谐振电容Cr，励磁电感Lm由中间抽头平面变压器提供，通过磨磁芯的气隙来获得需要的励磁电感值，原边绕组或副边绕组分别位于该层相应的矩形附加绕组之内。

如图2所示，本发明L-C-L-T集成高频中间抽头平面变压器对外提供五个针脚位，分别为P+，A，S1，S2，S3，均为焊盘形式，焊盘的孔径为40mil，外径为50mil，其具体电路连接关系如图1所示，P+接桥臂中点，A接原边侧地，S1接输出整流，S2接副边侧地，S3接输出整流。

如图3所示，为中间抽头变压器磁芯的结构与参数。形状为RM8，材料为3F4。

如图4所示，本发明L-C-L-T集成高频中间抽头平面变压器的板厚可为1.9mm，各层铜箔铜厚均为2oz，其中绝缘层厚度为：第一二、第七八层之间绝缘层厚度为0.25mm，第二三、第三四、第四五、第五六、第六七层之间绝缘层厚度为0.2mm。

由于平面变压器采用紧凑的绕组结构，使得原副边的耦合十分紧密，在传统的平面变压器中，变压器的漏感通常只有励磁电感的1％左右，当运用在kHz半桥LLC谐振变换器中时，谐振电感一般会超过10uH，变压器的漏感远远小于需要的谐振电感值。因此在实际工程中通常在变压器外部串入一个功率电感作为谐振电感。这无疑增加了磁性元件的个数和体积，而且还增加了磁性元件的损耗。但是当工作频率达到MHz时，谐振网络对于谐振电感的要求只有几个uH，甚至会小于1个uH，对于谐振电容的要求只有几个nF，这种量级的电感和电容在平面变压器上的的实现是可行的。

原边附加绕组需要的感值和容值计算公式：

其中，Rac为谐振网络等效负载，fr为谐振频率，Q为品质因数。

原边附加绕组的两个绕组完全交叉，使两个绕组之间的距离最小化；原边附加绕组的两个绕组完全正对绕制，使两个绕组之间的正对面积最大化。两个绕组之间的距离最小化和正对面积最大化都增大两个绕组之间的等效电容，等效为谐振网络的谐振电容。原边附加绕组的每个绕组层与层之间均为串联结构，通过增大绕组的匝数来获得所需的等效电感值。原边附加绕组的等效电容可通过增大原边附加绕组的正对面积增大，原边附加绕组的等效电感可通过增大原边附加绕组的匝数增大。

当变压器的工作频率达到MHz时，由于变压器的集肤效应和邻近效应，使得并联层上的电流不均匀分布，造成严重的交流损耗。对于中间抽头变压器来说，当副边一个绕组工作时，会在另一个副边绕组上感应出涡流，产生涡流损耗。因此需要并联均流使得在高频时，并联层上的电流分布尽可能均匀。如图1所示，中间抽头变压器从顶层到底层依次为：P-Sa-P-Sb-Sb-P-Sa-P，其中P为原边绕组，Sa为副边一绕组，Sb为副边另一绕组。原边采用4层铜箔绕组并联，副边采用两层并联。中间抽头变压器工作时，按照绕组上是否流过电流分为两种工作模式：P-Sa-P-P-Sa-P和P-P-Sb-Sb-P-P。这两种工作模式下，原副边绕组都是对称分布的，原副边的并联绕组上的电流也是均分的。

下面以样机为例，描述并验证本发明。

参数及说明如下：

输入电压Vinv＝400V，输出电压Vs＝12V，输出功率Po＝200W，开关频率2MHz，谐振频率2MHz，半桥LLC谐振变换器工作在定频模式。

如图5所示，为定频模式下变换器的输入电压Vinv、输入电流ip、输出电压Vs、输出电流is的波形图。从图中可以看出，变换器的开关周期T＝500ns，开关频率fs＝1/T＝2MHz，可见本发明设计的L-C-L-T集成高频中间抽头变压器实现了励磁电感(L)、谐振电容(C)、谐振电感(L)与中间抽头变压器(T)的集成，本发明设计原边附加绕组适合于MHz工作频率下的半桥LLC谐振变换器。

如图5所示，输入电压Vin为400V，输出电压为12.39V。本发明设计的L-C-L-T集成高频中间抽头变压器的原副边绕组匝比为16：1，由于半桥LLC谐振变换器在开关频率等于谐振频率时电压增益为1，因此输出电压应为400/(16*2)即12.5V左右，因此本发明设计的绕组结构适合于MHz工作频率下的半桥LLC谐振变换器。

综上可见，本发明设计的L-C-L-T集成高频中间抽头变压器适合于MHz工作频率下的半桥LLC谐振变换器。