集成耦合电感的矩阵磁集成平面变压器

本发明属于电气工程专业的电力电子，涉及集成耦合电感的矩阵磁集成平面变压器。

背景技术：

1、随着人类社会的不断发展，在传统化石能源出现短缺的情况下，新能源发电以及电动汽车得以蓬勃发展，在新能源发电系统中需要储能环节，通过双向直流变换器(bi-directional dc/dc converter,bdc)与直流母线进行能量交换，进行电能的存储以及释放。而在电动汽车领域，汽车电池能量同样需要双向流动，在电动汽车核心组件中，车载充电机(on board charger,obc)中的dc/dc部分负责汽车电池的充电和放电。高效、高功率密度、隔离双向直流变换器成为研究热点。在多种双向dc/dc变换器中，clllc谐振变换器因其高效、正反向增益特性一致等优点得到人们的青睐。相较于双有源桥变换器，clllc谐振变换器能更轻易地实现全负载范围内的软开关，以此大幅减小开关损耗，提升整体效率；同时，双向clllc变换器能工作在较高频率，这能减小整体的设计体积，提高功率密度。

2、然而双向clllc谐振变换器中含有较多的磁性元件，使用传统绕线式电感和变压器会限制整体效率和功率密度的提升。利用印刷电路板(pcb)代替绕线式绕组，以pcb加工的高精度、扁平化等优势提高加工一致性、散热等性能。

3、在此基础上，利用矩阵变压器技术和磁集成技术能进一步减小磁性元件体积和损耗，矩阵变压器技术是将一个大的变压器拆分成数个小的变压器串并联，保持变压器的二端口网络特性不变，应用这种方法能解决单个变压器绕组层数较多，以及绕组通流能力不足的问题；磁集成技术是将多个磁芯集成到一个磁芯中减少磁芯数量，减小磁芯体积和损耗。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供集成耦合电感的矩阵磁集成平面变压器，解决了现有技术中的clllc变换器中磁性元件体积大，损耗高等问题。

2、本发明所采用的技术方案是，集成耦合电感的矩阵磁集成平面变压器，包括相对设置的磁芯a1和磁芯b1，磁芯a1和磁芯b1之间设置依次设置有原边电感绕组、原边绕组、副边绕组及副边电感绕组；磁芯a1上设置有磁芯中柱c1、磁芯中柱c2、磁芯中柱c3、磁芯中柱c4和磁芯边柱s1及磁芯边柱s2；磁芯中柱c1、磁芯中柱c2、磁芯中柱c3、磁芯中柱c4均设置于磁芯边柱s1和磁芯边柱s2之间。

3、本发明的特点还在于，

4、磁芯边柱s1、磁芯边柱s2、磁芯中柱c2、磁芯中柱c3的气隙大小相同，磁芯中柱c1、磁芯中柱c4的气隙大小相同。

5、原边电感绕组包括原边电感绕组lpx和原边电感绕组lpy；原边绕组包括原边绕组t1x和原边绕组t1y；副边绕组包括副边绕组t2x和副边绕组t2y；副边电感绕包括副边电感绕组lsx和副边电感绕组lsy。

6、原边电感绕组lpx绕制在磁芯边柱s1和磁芯中柱c2上，磁芯边柱s1、磁芯中柱c2上均绕制一半的电感绕组匝数，原边电感绕组lpx在磁芯边柱s1和磁芯中柱c2上的绕向相反；原边电感绕组lpy绕制在磁芯中柱c3和磁芯边柱s2上，磁芯中柱c3及磁芯边柱s2上均绕制一半的电感绕组匝数，原边电感绕lpy在磁芯中柱c3和磁芯边柱s2上的绕向相反。

7、副边电感绕组lsx绕制在磁芯边柱s1和磁芯中柱c2上，磁芯边柱s1、磁芯中柱c2上均绕制一半的电感绕组匝数，副边电感绕组lsx在磁芯边柱s1和磁芯中柱c2上的绕向相反；副边电感绕组lsy绕制在磁芯中柱c3和磁芯边柱s2上，磁芯中柱c3、磁芯边柱s2上均绕制一半的电感绕组匝数，副边电感绕组lsy在磁芯中柱c3和磁芯边柱s2上的绕向相反。

8、原边绕组t1x、副边绕组t2x绕制在磁芯中柱c1上；原边绕组t1y、副边绕组t2y绕制在磁芯中柱c4上，原边绕组t1x与原边绕组t1y串联。

9、原边绕组t1x、原边绕组t1y、原边电感绕组lpx和原边电感绕组lpy串联；副边绕组t2x与副边电感绕组lsx串联，构成变压器的一路输出；副边绕组t2y与副边电感绕组lsy串联，构成变压器的第二路输出，变压器的一路输出与变压器的二路输出端口并联。

10、原边绕组t1x由三层pcb绕组组成，三层pcb绕组的端子4与端子6相连，端子5与端子7相连；原边绕组t1y由三层pcb绕组组成，三层pcb绕组的端子20与端子22相连，端子21与端子23相连。

11、副边绕组t2x由三层pcb绕组组成，三层pcb绕组的端子12与端子13相连，端子11与端子10相连；副边绕组t1y由三层pcb绕组组成，三层pcb绕组的端子28与端子29相连，端子26与端子27相连。

12、原边电感绕组lpx端子2与原边绕组t1x端子3相连，原边绕组t1x端子3与原边绕组lpy端子17相连，原边绕组lpy端子17与原边绕组t1y端子19相连，副边电感绕组lsx端子15与副边绕组t2x端子10相连，副边电感绕组lsy端子31与变压器副边绕组t2y端子26相连。

13、本发明的有益效果是：本发明通过将一个双向clllc谐振变换器通过原边串联、副边并联的方式拆分成两组矩阵磁集成变压器，并将两路输出的4个谐振电感和两个变压器集成为一个平面磁芯，减小了变换器体积，提高了磁芯利用率和变换器整体的设计功率密度。同时利用耦合电感的设计方式，减小了单个谐振电感的绕组匝数，减小了绕组铜损，提高了效率。

技术特征：

1.集成耦合电感的矩阵磁集成平面变压器，其特征在于，包括相对设置的磁芯a1和磁芯b1，所述磁芯a1和磁芯b1之间设置依次设置有原边电感绕组、原边绕组、副边绕组及副边电感绕组；所述磁芯a1上设置有磁芯中柱c1、磁芯中柱c2、磁芯中柱c3、磁芯中柱c4和磁芯边柱s1及磁芯边柱s2；所述磁芯中柱c1、磁芯中柱c2、磁芯中柱c3、磁芯中柱c4均设置于磁芯边柱s1和磁芯边柱s2之间。

2.根据权利要求1所述的集成耦合电感的矩阵磁集成平面变压器，其特征在于，所述磁芯边柱s1、磁芯边柱s2、磁芯中柱c2、磁芯中柱c3的气隙大小相同，磁芯中柱c1、磁芯中柱c4的气隙大小相同。

3.根据权利要求2所述的集成耦合电感的矩阵磁集成平面变压器，其特征在于，所述原边电感绕组包括原边电感绕组lpx和原边电感绕组lpy；所述原边绕组包括原边绕组t1x和原边绕组t1y；副边绕组包括副边绕组t2x和副边绕组t2y；副边电感绕包括副边电感绕组lsx和副边电感绕组lsy。

4.根据权利要求3所述的集成耦合电感的矩阵磁集成平面变压器，其特征在于，所述原边电感绕组lpx绕制在磁芯边柱s1和磁芯中柱c2上，磁芯边柱s1、磁芯中柱c2上均绕制一半的电感绕组匝数，原边电感绕组lpx在磁芯边柱s1和磁芯中柱c2上的绕向相反；原边电感绕组lpy绕制在磁芯中柱c3和磁芯边柱s2上，磁芯中柱c3及磁芯边柱s2上均绕制一半的电感绕组匝数，原边电感绕lpy在磁芯中柱c3和磁芯边柱s2上的绕向相反。

5.根据权利要求3所述的集成耦合电感的矩阵磁集成平面变压器，其特征在于，所述副边电感绕组lsx绕制在磁芯边柱s1和磁芯中柱c2上，磁芯边柱s1、磁芯中柱c2上均绕制一半的电感绕组匝数，副边电感绕组lsx在磁芯边柱s1和磁芯中柱c2上的绕向相反；副边电感绕组lsy绕制在磁芯中柱c3和磁芯边柱s2上，磁芯中柱c3、磁芯边柱s2上均绕制一半的电感绕组匝数，副边电感绕组lsy在磁芯中柱c3和磁芯边柱s2上的绕向相反。

6.根据权利要求3所述的集成耦合电感的矩阵磁集成平面变压器，其特征在于，所述原边绕组t1x、副边绕组t2x绕制在磁芯中柱c1上；原边绕组t1y、副边绕组t2y绕制在磁芯中柱c4上，原边绕组t1x与原边绕组t1y串联。

7.根据权利要求3所述的集成耦合电感的矩阵磁集成平面变压器，其特征在于，所述原边绕组t1x、原边绕组t1y、原边电感绕组lpx和原边电感绕组lpy串联；副边绕组t2x与副边电感绕组lsx串联，构成变压器的一路输出；副边绕组t2y与副边电感绕组lsy串联，构成变压器的第二路输出，所述变压器的一路输出与变压器的二路输出端口并联。

8.根据权利要求3所述的集成耦合电感的矩阵磁集成平面变压器，其特征在于，所述原边绕组t1x由三层pcb绕组组成，三层pcb绕组的端子4与端子6相连，端子5与端子7相连；原边绕组t1y由三层pcb绕组组成，三层pcb绕组的端子20与端子22相连，端子21与端子23相连。

9.根据权利要求3所述的集成耦合电感的矩阵磁集成平面变压器，其特征在于，所述副边绕组t2x由三层pcb绕组组成，三层pcb绕组的端子12与端子13相连，端子11与端子10相连；副边绕组t1y由三层pcb绕组组成，三层pcb绕组的端子28与端子29相连，端子26与端子27相连。

10.根据权利要求3所述的集成耦合电感的矩阵磁集成平面变压器，其特征在于，所述原边电感绕组lpx端子2与原边绕组t1x端子3相连，原边绕组t1x端子3与原边绕组lpy端子17相连，原边绕组lpy端子17与原边绕组t1y端子19相连，所述副边电感绕组lsx端子15与副边绕组t2x端子10相连，副边电感绕组lsy端子31与变压器副边绕组t2y端子26相连。

技术总结
本发明公开了集成耦合电感的矩阵磁集成平面变压器，包括相对设置的磁芯A1和磁芯B1，磁芯A1和磁芯B1之间设置依次设置有原边电感绕组、原边绕组、副边绕组及副边电感绕组；磁芯A1上设置有磁芯中柱C1、磁芯中柱C2、磁芯中柱C3、磁芯中柱C4和磁芯边柱S1及磁芯边柱S2；磁芯中柱C1、磁芯中柱C2、磁芯中柱C3、磁芯中柱C4均设置于磁芯边柱S1和磁芯边柱S2之间。本发明的变压器将一个双向CLLLC谐振变换器通过原边串联、副边并联的方式拆分成两组矩阵磁集成变压器，并将两路输出的4个谐振电感和两个变压器集成为一个平面磁芯，减小了变换器体积，提高了磁芯利用率和变换器整体的设计功率密度。

技术研发人员：安少亮,汪航,安少刚,常天豪,张琦
受保护的技术使用者：西安理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15