作者簡(jiǎn)介

本文是第二屆電力電子科普征文大賽的獲獎(jiǎng)作品，來(lái)自上海科技大學(xué)劉賾源的投稿。

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平面磁集成技術(shù)的發(fā)展

在此基礎(chǔ)上，平面磁集成技術(shù)開(kāi)始廣泛應(yīng)用于高功率密度場(chǎng)景，通過(guò)將變壓器的繞組(winding)設(shè)計(jì)在pcb電路板上從而代替利茲線(xiàn)，從而極大降低了變壓器的高度。

然而pcb的銅帶厚度并不大，一般不會(huì)超過(guò)4oz（140μm）,因此想要通過(guò)pcb傳輸大電流會(huì)有極大的損耗。為了降低這部分的損耗，有人可能會(huì)想到只要增加銅帶寬度，問(wèn)題就可以迎刃而解。然而這種方式變相地增加了變壓器占據(jù)的面積，同時(shí)會(huì)讓磁芯體積更加龐大。

那么到底如何解決這一問(wèn)題呢？由于副邊的輸出電流極大，因此在實(shí)際應(yīng)用中副邊會(huì)被拆分成多個(gè)并聯(lián)的狀態(tài)，如圖五所示，此時(shí)每一路的輸出電流僅為總電流的1/4。

根據(jù)功率計(jì)算公式，損耗功率與電流成二次方關(guān)系，因此此時(shí)副邊的損耗只有原本的1/4。隨著器件的發(fā)展以及第三代半導(dǎo)體(GaN, SiC)的推廣，此時(shí)工作頻率提升到了1MHz，更加有效地減小了整個(gè)電路的體積。圖六顯示了平面變壓器下的LLC電路，此時(shí)功率密度提升到了700W/in3[1]。

圖五：ISOP 4相LLC電路

圖六：4相LLC電路板

在這之后的發(fā)展就順理成章起來(lái)了，兩個(gè)變壓器導(dǎo)致整體電路面積的增加，因此將2個(gè)變壓器集成到1個(gè)磁芯上就可以有效提升功率密度。集成之后的電路板如圖七所示，此時(shí)電路的功率密度已經(jīng)突破了900W/in3[2]。

圖七：4相單變壓器LLC電路板

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來(lái)自器件的制約

此時(shí)針對(duì)電路方面的優(yōu)化已經(jīng)十分有限了，可能的優(yōu)化方向就是這個(gè)巨大的矩陣變壓器(matrix transformer)。變壓器占據(jù)了整個(gè)電路一半的體積，因此出現(xiàn)了新一類(lèi)的開(kāi)關(guān)電容電路（Switched Capacitor Converter）。但是，LLC仍然憑借其極高的效率與功率密度，簡(jiǎn)單的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及變壓器提供的輸入輸出隔離成為當(dāng)下的主流應(yīng)用電路。

隨著器件的發(fā)展，LLC電路功率密度也在不斷更新。在當(dāng)下的數(shù)據(jù)中心供電場(chǎng)景中，LLC電路已經(jīng)可以達(dá)到超過(guò)3kW/in3的驚人的功率密度，當(dāng)下能夠限制電路體積減小的就是來(lái)自器件與材料的制約。

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總結(jié)

除了集成電路，電力電子領(lǐng)域也在經(jīng)歷著類(lèi)似于“摩爾定律”的發(fā)展趨勢(shì)，即每隔一段時(shí)間，電路的功率密度就會(huì)有一次質(zhì)的飛躍。盡管當(dāng)前電路的功率密度已經(jīng)達(dá)到了一個(gè)相對(duì)較高的水平，但在未來(lái)，隨著半導(dǎo)體和磁性材料的不斷進(jìn)步，我們有望見(jiàn)證電路功率密度的再次提升。這些新材料和技術(shù)的出現(xiàn)，將為電力電子領(lǐng)域帶來(lái)前所未有的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。

參考資料

[1] D. Huang, S. Ji and F. C. Lee, "LLC Resonant Converter With Matrix Transformer," in IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 29, no. 8, pp. 4339-4347, Aug. 2014.

[2] C. Fei, F. C. Lee and Q. Li, "A new design paradigm for GaN based LLC converter," 2017 IEEE Southern Power Electronics Conference (SPEC), Puerto Varas, Chile, 2017, pp. 1-6.