[發明專利]基于低匝數高電壓變比平面變壓器和集成磁件的高電壓變比LLC諧振變換器

在審

• 申請號: 202010155270.5
• 申請日: 2020-03-02
• 公開（公告）號: CN113345694A
• 公開（公告）日: 2021-09-03
• 發明（設計）人: 楊玉崗
• 申請（專利權）人: 楊玉崗
• 主分類號: H01F27/245
• 分類號: H01F27/245;H01F27/30;H02M3/335
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明提供一種基于低匝數高電壓變比平面變壓器和集成磁件的高電壓變比LLC諧振變換器，包括兩片鐵芯和三個繞組；其中一片鐵芯是將平面“E”型鐵芯的中柱一分為二，形成兩個中柱，形成平面形鐵芯，另一片鐵芯呈平面“I”型；其中一個繞組為原邊繞組，全部繞過兩個中柱；另外兩個繞組為副邊繞組，匝數相等，分別繞在兩個中柱上；平面“I”型鐵芯覆蓋在平面形鐵芯上面。本發明的有益效果是：以最少的原、副邊繞組匝數，實現變壓器的高電壓變比、大電流輸出和磁集成，用于數據中心供電系統、新能源發電和電動汽車中的高電壓變比LLC諧振變換器，擴大容量，減小體積，降低成本，提高效率，節約能源。

技術領域

本發明涉及電力電子應用技術領域，尤其涉及一種基于低匝數高電壓 變比平面變壓器和集成磁件的高電壓變比LLC諧振變換器。

背景技術

根據摩爾定律(Moore’s Law)，當價格不變時，單個微處理器(CPU) 芯片上集成電路可容納的半導體元件的數目，約每個18-24個月增加一倍， 性能也提高一倍。由于單核CPU的發熱問題越來越嚴重，為了便于熱量 管理，Intel公司設計了多核CPU結構，例如XeonW-3175 CPU芯片，將 28個內核集成在一個CPU芯片上，這一芯片需要消耗2V×350A的電能。此外，近年來，GPU(圖像處理器)技術的發展已經超越了摩爾定律，在 其單個芯片上集成了600個內核，需要消耗1V×1000A的電能。于是， 數據中心每臺網絡服務器機柜消耗的功率將超過25kW(1V×25000A)。 這對于向數據中心網絡服務器中CPU和GPU供電的電壓調節器(VRM) 的設計提出了很大的挑戰。

由于當前和未來數據中心供電系統中關鍵部件-DC/DC變換器的高 電壓變比，要么采用兩級變換器結構，要么采用高變比單級變換器結構。 由于兩級變換器結構復雜，效率低，單級LLC諧振變換器成為未來的發 展趨勢，然而，由于單級LLC諧振變換器的高電壓變比(例如48∶1、 380∶6＝63∶1或380∶12＝32∶1)，即使采用氮化鎵等寬禁帶器件，將開關頻率 提高到MHz，將變壓器的副邊繞組匝數降低到只有一匝，其原邊繞組仍 然有很多匝(例如48匝、63匝或32匝)，導致高頻平面變壓器的PCB繞 組匝數和層數很多，繞組結構很復雜，成為制約數據中心供電系統降低成 本和高度、提高效率和功率密度、節約能源的關鍵瓶頸。

發明內容

針對現有技術缺陷，本發明提供一種基于低匝數高電壓變比平面變壓 器和平面集成磁件的高電壓變比LLC諧振變換器，旨在利用最少的變壓 器繞組匝數，實現LLC諧振變換器的高電壓變比，為當前和未來數據中 心設計低成本、低高度、高功率密度和高效率的DC/DC電源提供技術支 撐，節約能源。本發明研制的低匝數高電壓變比平面變壓器和集成磁件， 也可以用于其他各種類型的電力電子開關變換器，比如正激變換器、反激 變換器、半橋變換器、全橋變換器、推挽變換器、移相全橋變換器、三電 平變換器、多電平變換器等。

本專利解決其技術問題所采用的技術方案是：

一種低匝數高電壓變比平面變壓器，包括兩片鐵芯和三個繞組；其中 一片鐵芯是將傳統平面“E”型鐵芯的中柱一分為二，形成與傳統平面“E” 型鐵芯的側柱和平行的兩個鐵芯中柱，形成一片平面形鐵 芯，另一片鐵芯為傳統平面“I”型鐵芯；其中一個繞組為原邊繞組，全 部繞過平面形鐵芯的兩個中柱；另外兩個繞組為副邊繞組， 它們的匝數相等，分別繞在平面形鐵芯的兩個中上；平面“I” 型鐵芯覆蓋在平面形鐵芯的上面，形成低匝數高電壓變比平 面變壓器結構；低匝數高電壓變比平面變壓器的原、副邊繞組的電壓變比 為：(原邊繞組的匝數×形鐵芯的中柱數)∶第一個副邊繞 組的匝數∶第二個副邊繞組的匝數；在副邊繞組引出中間抽頭的情況下， 中間抽頭將每個副邊繞組分成兩半，低匝數高電壓變比平面變壓器的原邊繞組與每半個副邊繞組的電壓變比為：(原邊繞組的匝數×形鐵芯的中柱數)∶每半個副邊繞組的匝數，電壓變比提高1倍。