采用中间线圈谐振无铁芯变压器的高效变换器

本发明涉及使用无铁芯变压器的变换器的，尤其是指一种采用中间线圈谐振无铁芯变压器的高效变换器。

背景技术：

1、无铁芯变压器也称空芯变压器，已经逐渐在隔离栅极驱动器、功率放大器、功率变换器等应用展现其优势。无铁芯变压器的优势主要在于重量和体积的降低，无铁芯饱和问题，且更易于集成。其次，无铁芯的涡流和磁滞损耗，无需考虑铁芯与绕组间的绝缘问题。

2、对于变换器而言，目前国内外的研究仅集中于采用两线圈无铁芯变压器的变换器，即变压器元件仅使用原边和副边两个线圈。采用两线圈无铁芯变压器的变换器现有成果包括基于pcb型空芯变压器的超高频谐振变换器、基于3d打印空芯变压器的超高频谐振变换器以及基于空芯变压器的中频中压cllc变换器等。在缺失铁芯的情况下，变压器最主要的变化在于励磁电感的急剧下降和励磁电流的增大，导致绕组损耗增加、效率降低和失去恒压功能。故两线圈无铁芯变压器电压型变换器的励磁电感小，使得原边绕组损耗、开关管导通损耗和开关损耗大大增加，原边绕组所需线径增大，且副边较大的漏感使得额定工作点难以设计。

3、最近，一种基于虚拟磁导率原理的无铁芯变压器被提出，此种变压器使用了多个中间线圈。当满足整体谐振条件时，变压器的等效励磁阻抗急剧增大，近似模拟了有铁芯的效果，可以看作磁导率等效地存在于互耦磁场中。然而，虚拟磁导率无铁芯变压器的变换器应用及其设计方法仍需进一步研究。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出了一种采用中间线圈谐振无铁芯变压器的高效变换器，基于中间线圈谐振原理，实现了增大等效励磁阻抗的效果，当激磁阻抗足够大且达到传统有铁芯变压器的水平时，即可在保证电压变比的同时实现高效的电能传输，本发明实现了无磁芯化，降低了变压器的重量、体积及成本。

2、为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：采用中间线圈谐振无铁芯变压器的高效变换器，所述变换器包括全桥逆变器、谐振电容、无铁芯变压器和全桥整流器；所述全桥逆变器为四个开关组成的原边全桥开关网络，包括两个并联的逆变桥臂，每个逆变桥臂均包括串联的两个开关；所述无铁芯变压器包括原边线圈、副边线圈和中间回路，所述中间回路包括中间线圈和中间电容，所述中间线圈和中间电容串联连接，在不使用铁芯的情况下，所述原边线圈、副边线圈及中间线圈之间仅通过空气中的磁场互相耦合；所述谐振电容与原边线圈串联连接；所述两个并联的逆变桥臂中心分别与原边线圈的一端和谐振电容的一端相连接；所述全桥整流器包括两个并联的整流桥臂及与该两个整流桥臂串联的输出滤波电容，该两个整流桥臂由四个整流二极管组成，每个整流桥臂均包括串联的两个整流二极管，两个整流桥臂的中心分别与副边线圈的两端连接。

3、进一步，所述变换器满足以下的谐振条件：

4、

5、式中，f0为谐振频率，l3为中间线圈电感，c3为中间电容的容值；

6、此外，所述谐振电容与原边线圈的漏感构成串联谐振腔，满足以下的谐振条件：

7、

8、式中，ll1为原边线圈的漏感，cr为谐振电容的容值。

9、进一步，所述无铁芯变压器在谐振频率f0下，励磁电感、中间线圈漏感和中间电容发生并联谐振，使等效励磁阻抗zme变得更大，变换器的原边线圈铜损、原边开关管导通损耗减小，从而使得效率提高，其中zme表达式为：

10、

11、式中，j代表复数，fn＝fs/f0表示归一化频率，fs表示开关频率，lm表示励磁电感，l′l3表示归算到原边的漏感，r′3表示归算到原边的中间线圈内阻，等效励磁阻抗zme与原来的励磁阻抗的比值被定义为虚拟磁导率μr：

12、

13、进一步，所述变换器的电压增益gnor表达式为：

14、

15、式中，ne＝m13/m23为等效匝比，m13为原边线圈与中间线圈之间的互感，m23为副边线圈与中间线圈之间的互感，vin为输入直流电压，vout为输出直流电压，fs为开关频率，f0为谐振频率，m1为励磁电感与原边漏感的比例系数，m2为励磁电感与中间线圈漏感的比例系数，q为品质因数，表达式为：

16、

17、式中，lm表示励磁电感，ll1为原边线圈的漏感，l′l3表示归算到原边的漏感，rac为等效交流负载，表达式为：

18、

19、式中，rl表示负载电阻。

20、本发明的工作原理为：通过使用中间线圈谐振无铁芯变压器，达到增大激磁阻抗、减少激磁电流的效果，从而减少变换器导通损耗，提高效率。通过加入谐振电容与变压器原边漏感构成串联谐振腔，使得变换器可以近似通过基波进行能量传输；所提变换器可以通过pfm和pwm调制，分别达到升压、降压的效果，大大加宽了输入电压和输入电压的范围。

21、本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：

22、本发明基于中间线圈谐振原理，实现了增大等效励磁阻抗的效果。当激磁阻抗足够大且达到传统有铁芯变压器的水平时，即可在保证电压变比的同时实现高效的电能传输。本发明实现了无磁芯化，降低了变压器的重量、体积及成本。相比于采用传统两线圈无铁芯变压器的变换器，所提变换器优势在于：降低了原边电流，降低了导通损耗，包括开关管导通损耗和绕组铜耗，提高了系统效率；提高了功率因数；副边漏感极小，使得逆变器输入电压与整流器输入电压之间几乎无相位差，使得同步整流控制更加容易。相比于传统的有铁芯变换器，所提变换器有更高的等效励磁阻抗，即有更高的功率因数。当需要保证高增益或zvs实现时，传统的有铁芯谐振变换器不能设计得过大，故所提变换器降低了励磁电流，降低了导通损耗；所提变换器的等效励磁阻抗在设计得很大的情况下，仍能在全负载范围内实现zvs；所提变换器既在谐振频率点有极大的等效励磁阻抗，也能通过调频模式实现高电压增益；所提变换器的体积重量更小。

技术特征：

1.采用中间线圈谐振无铁芯变压器的高效变换器，其特征在于：所述变换器包括全桥逆变器、谐振电容、无铁芯变压器和全桥整流器；所述全桥逆变器为四个开关(s1～s4)组成的原边全桥开关网络，包括两个并联的逆变桥臂，每个逆变桥臂均包括串联的两个开关；所述无铁芯变压器包括原边线圈、副边线圈和中间回路，所述中间回路包括中间线圈和中间电容，所述中间线圈和中间电容串联连接，在不使用铁芯的情况下，所述原边线圈、副边线圈及中间线圈之间仅通过空气中的磁场互相耦合；所述谐振电容与原边线圈串联连接；所述两个并联的逆变桥臂中心分别与原边线圈的一端和谐振电容的一端相连接；所述全桥整流器包括两个并联的整流桥臂及与该两个整流桥臂串联的输出滤波电容，该两个整流桥臂由四个整流二极管(d1～d2)组成，每个整流桥臂均包括串联的两个整流二极管，两个整流桥臂的中心分别与副边线圈的两端连接。

2.根据权利要求1所述的采用中间线圈谐振无铁芯变压器的高效变换器，其特征在于，所述变换器满足以下的谐振条件：

3.根据权利要求1所述的采用中间线圈谐振无铁芯变压器的高效变换器，其特征在于，所述无铁芯变压器在谐振频率f0下，励磁电感、中间线圈漏感和中间电容发生并联谐振，使等效励磁阻抗zme变得更大，变换器的原边线圈铜损、原边开关管导通损耗减小，从而使得效率提高，其中zme表达式为：

4.根据权利要求1所述的采用中间线圈谐振无铁芯变压器的高效变换器，其特征在于，所述变换器的电压增益gnor表达式为：

技术总结本发明公开了一种采用中间线圈谐振无铁芯变压器的高效变换器，包括全桥逆变器、谐振电容、无铁芯变压器和全桥整流器；全桥逆变器包括两个并联的逆变桥臂；无铁芯变压器包括原边线圈、副边线圈和中间回路，中间回路包括串联的中间线圈和中间电容；谐振电容与原边线圈串联连接；两个并联的逆变桥臂中心分别与原边线圈一端和谐振电容一端相连；全桥整流器包括两个并联的整流桥臂及输出滤波电容，每个整流桥臂均包括串联的两个整流二极管，两个整流桥臂的中心分别与副边线圈的两端连接。本发明实现了增大等效励磁阻抗的效果，当激磁阻抗足够大且达到传统有铁芯变压器的水平时，即可在保证电压变比的同时实现高效的电能传输。技术研发人员：张波,杨伦受保护的技术使用者：华南理工大学技术研发日：技术公布日：2024/7/29