[发明专利]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

说明书

本发明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。

技术领域

本发明涉及电力电子应用技术领域，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。

背景技术

根据摩尔定律(Moore’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XeonW-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×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×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×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。

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。

发明内容

针对现有技术缺陷，本发明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。本发明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。

本专利解决其技术问题所采用的技术方案是：

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” 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” 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×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×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。