1 kW 高密度 LLC 电源模块中使用的平面变压器概述
电感器-电感器-电容器 (LLC) 转换器是总线转换器公认的拓扑，因为它能够在高开关频率下在宽负载范围内保持零电压开关。在本电源提示中，我将概述高密度 1 MHz 1 kW 八分之一砖 LLC 转换器中使用的变压器，其效率超过 98%。
LLC转换器设计
任何实用的 LLC 转换器设计都从谐振回路的设计开始。为了使 LLC 转换器尽可能高效，转换器将以开环控制以接近谐振的固定频率运行。使用变压器漏感作为谐振电感器将限度地减小整个转换器的尺寸。该设计将以 1 MHz 运行，以保持变压器和相关无源元件的尺寸尽可能小。表 1显示了为此设计选择的储罐参数。有关如何选择这些参数的详细信息，请参阅参考文献 [1] 和 [2]。
表 1以 1 MHz 运行的设计的 LLC 槽路参数。
为了限度地提高效率，同步整流器需要使用多个并联场效应晶体管 (FET)。图 1所示的矩阵变压器结构将强制在多个 FET 之间共享。从功能上讲，每个变压器的初级线圈有两匝，每个中心抽头次级线圈有一匝。将初级绕组串联会迫使每个初级绕组流过相同的电流，从而迫使次级绕组共享电流。
图 1 LLC 转换器带有矩阵变压器，可强制在多个 FET 之间共享。资料德州仪器
图 2显示了图 1 所示的两个变压器中的磁通路径。张图显示了两个分立磁芯的情况。请注意，中间相邻腿的通量相等，但方向相反。如图 2 中图所示，将这些支路合并为单支路会导致净磁通流量为 0。由于磁芯的该支路中没有磁通，因此您可以消除该支路，如上图所示右边。
图 2图 1 所示矩阵变压器集成的磁通路径。德州仪器
因此，可以将图 1 所示的两个矩阵变压器元件集成到单个变压器铁芯中。图 3是 LLC 转换器的示意图，终集成矩阵变压器位于单个铁氧体磁芯上 [3]。
图 3 LLC 转换器在单个铁氧体磁芯上具有集成矩阵变压器。资料德州仪器
均方根电流估计
转换器中的大部分损耗来自均方根 (RMS) 电流，因此需要一种准确的方法来估计变压器绕组中的 RMS 电流。[4] 中提出的方法通过假设当转换器以略低于谐振回路的开关频率运行时，磁化电流保持恒定来实现这一点。有了这个假设，就可以创建 LLC 转换器关键波形的分段线性近似，并且根据这些电流的分段线性定义，您可以推导出变压器初级电流和变压器次级电流的 RMS 电流的封闭式表达式电流如公式 1 和 2 所示：
变压器绕组设计
[2] 中提出的绕组交错策略旨在限度地减少高频相关损耗。图 4显示了印刷线路板 (PWB) 叠层。
图 4变压器 PWB 叠层。资料德州仪器
图 4 中的红色绕组包含四个 PWB 层。每层有两匝。第二层和第五层串联，第八层和第十一层也是串联的。此外，第二层和第五层与第八层和第十一层并联。图 5显示了实际的 PWB 层。红色和橙色的铜形状是变压器初级。图 5 还用黄线显示了开关周期正半部分的电流方向。
图 5实际 PWB 层，其中变压器初级铜层为红色和橙色。资料德州仪器
图 4 中的蓝色层全部并联，形成变压器次级之一。图 4 中的绿色层与蓝色层相同，但适用于另一个变压器次级。图 6显示了实际的 PWB 层。青色的铜形状是变压器次级。中心抽头的正半部分显示在左侧，负半部分显示在右侧。图 6 还用黄线显示了开关周期正半部分的电流方向。
图 6实际 PWB 层，其中变压器次级铜层为青色，其中中心抽头的正极一半（左）和负极一半（右）。资料德州仪器
虽然这种绕组结构可以有效地限度地减少交流损耗，但它并不能将绕组损耗降低到零。为了更好地估计这些损耗，必须首先更好地估计绕组的直流电阻。这是通过计算的平面绕组弧与实际绕组几何形状的直流有限元分析 (FEA) 模型之间的差异来完成的。平面电弧的电阻公式如公式 3 所示：
其中σ是铜的电导率， 是铜层厚度，r 1是圆弧的内半径，r 2是圆弧的外半径。
图 7是圆弧直流 FEA 模型与绕组几何形状之间的比较。仅使用模型的四分之一降低了计算复杂度。R +和R-是根据FEA模型结果对绕组电阻进行的两个独立计算；R ca是公式 3 的输出。左图根据公式 3 校准 FEA 模型。右图确定公式 3 与实际几何形状之间的误差。使用此误差作为比例因子可以调整模型以更接近真实的几何形状。
图 7有限元绕组直流电阻估计，其中左图根据公式 3 校准 FEA 模型，右图确定公式 3 与实际几何形状之间的误差。资料德州仪器
公式 4 是终的绕组损耗公式，其中包含来自 [5] 的校准和交流损耗影响：
其中 f s是开关频率，μ 0是 4 x π x 10 -7。
您可以使用 Ansys FEA 软件从仿真的 LLC 转换器波形检查瞬态激励下的变压器绕组损耗。公式 4 与 Ansys 瞬态 FEA 模型的匹配误差在 1% 以内。
检测结果
图 8八分之一砖 LLC 转换器原型硬件。资料德州仪器
图 9显示了测得的硬件损耗和效率。该数据是通过 48V 输入恒流负载和强制通风收集的。图 9 还显示了模块效率并比较了预测损耗和测量损耗。
图 9测量的原型硬件的效率、损耗和调节。资料德州仪器
