ES1229314U - Transformador para convertidores resonantes en configuracion zvs o llc - Google Patents

Abstract

1. Transformador para convertidores resonantes en configuración ZVS o LLC que comprende: - un núcleo magnético con una sección transversal cilíndrica o poligonal; - un carrete (1) de un material aislante eléctrico que proporciona un soporte formador de bobina; - unos devanados primario (2) y secundario (4), aislados eléctricamente y arrollados coaxialmente alrededor de una ranura anular de dicho carrete (1), en el que el carrete (1) tiene unas extensiones (1b) configuradas para ser unidas a unos terminales (5) para conexión eléctrica con dichos devanados primario (2) y secundario (4), caracterizado porque una película (3) magnética flexible de baja permeabilidad está dispuesta, alojada, entre dichos devanados primario (2) y secundario (4), rodeando dicha película magnética (3), al menos en parte, al devanado primario (2), con lo que los tres elementos: el devanado primario (2), la película magnética (3) y el devanado secundario (4) son coaxiales entre sí y rodean coaxialmente el núcleo magnético que está dispuesto insertado a través de un núcleo hueco (1a) del carrete (1).

Description

DESCRIPCION

TRANSFORMADOR PARA CONVERTIDORES RESONANTES EN CONFIGURACION

ZVS O LLC

Campo de la tecnica

La presente invention se refiere a un transformador con un valor de inductancia en serie integrado dentro del propio transformador como un unico elemento magnetico.

Espetificamente, la invencion describe una forma mejorada de aumentar la densidad de potencia en los conjuntos magneticos con una configuration LLC o ZVS.

Hoy en dia, el mercado de vehiculos hforidos enchufables y electricos (VHEs / VEs) esta creciendo mucho. Se proponen soluciones alternativas a los automoviles con motores termicos comunes para reducir la contamination global, especialmente en terminos de CO ² emitido (dioxido de carbono) u otros contaminantes NOx (oxidos de nitrogeno) as^ como particulas finas toxicas para la salud (provenientes de automoviles que funcionan con combustible Diesel). Los citados nuevos vehiculos requieren cada vez mas electronica de potencia, no solo para la alimentation de la red de potencia electrica con control de velocidad y par mediante un modulo inversor, sino tambien para los cargadores de baterias de alta tension (AT) conectadas a la red electrica domestica y fuentes de alimentacion continuas de baja tension (BT) estables para equipos convencionales de 12­ 14 Vcc (conjunto de radio, GPS, unidades de control integradas (UCI), sistema de aire acondicionado, iluminacion, etc.)

Aqu se hace referencia a los cargadores de CA/CC (de corriente alterna a corriente continua) en un rango de potencia de 3-22 kW y los convertidores de CC/CC de aproximadamente 2-4 kW. Las topologias electronicas preferidas son el esquema de medio puente o de puente completo LLC (tanque resonante inductor-inductorcondensador) para los cargadores de CA/CC (Fig. 1), asi como el puente completo de cambio de fase ZVS (conmutacion por paso por una tension cero) para los convertidores AT/BT (Fig. 2). La frecuencia de operation se mantiene en el rango de los 70-500 kHz para la de por si importante cantidad de potencia a transmitir mediante las tecnicas de conmutacion.

Esas topologias requieren un transformador que proporcione la conversion de tension de acuerdo con su relacion de numero de espiras (N1:N2) que tambien incluye un aislamiento galvanico entre los circuitos primario y secundario. Se necesita un segundo elemento magnetico (Lr o Lzvs) en serie con el primario del transformador como una bobina de choque resonante utilizada en ambas tecnicas LLC o ZVS. Para la etapa LLC, se agrega un tercer elemento magnetico en paralelo (Lp) para formar el tanque resonante. A menudo se puede reemplazar por la inductancia de magnetizacion del mismo transformador, llevando al conjunto magnetico a tener dos componentes solo en el caso de una configuracion ZVS.

Haciendo hincapie en el inductor en serie con el primario del transformador, normalmente se necesita un valor de inductancia de algunos micro henrios para resonancia con la auto capacitancia de los transistores (CMOS en paralelo con la fuente de drenaje de los transistores MOSFET en la Fig. 2) para una configuracion ZVS. Para resonancia LLC con el condensador en serie (Cr en la Fig.1), generalmente se necesita un valor mas alto de varios micro- a algunas decenas de microhenrios.

Estado de la tecnica

Ya se han implementado diferentes tecnicas para tratar de integrar el inductor en serie dentro del transformador como un solo elemento magnetico:

- Una posibilidad es usar la inductancia de fuga del mismo transformador como el valor de inductancia en serie requerido para Lr o Lzvs , segun se describe en la US2017040097A1.

- Otra posibilidad es la adicion de una parte de nucleo magnetico como una extension del nucleo del transformador para obtener el valor de choque requerido. Por lo tanto, un conjunto de nucleos mas complejo integra tanto el transformador como a la bobina de choque resonante (ver por ejemplo los documentos CN107887143A y CN207321121U).

- Finalmente, el uso de un shunt magnetico entre los devanados primario y secundario separados en sectores puede ser una tercera solucion que aparece descrita en US4613841A US4689592A, EP0142207A1, US8395470, US8648687 y US2018254143A1. Por ejemplo, la introduction de un nucleo anular entre los devanados primario y secundario superior e inferior es una tecnologia consistente ya existente basada en este principio (Fig.3). El nucleo magnetico normalmente se elige de unas referencias de un catalogo estandar con unas dimensiones y un nivel de permeabilidad dados.

Sin embargo, las tecnicas para integrar el valor de la inductancia en serie dentro del transformador expuestas anteriormente tienen unas claras limitaciones.

En primer lugar, el valor de la inductancia de fuga es normalmente un elemento parasito que el disenador debe establecer lo mas bajo posible para ofrecer el mejor acoplamiento en el transformador. Por lo tanto, las perdidas de frecuencia adicionales (corrientes de Foucault, efecto de proximidad) dentro del devanado se pueden mantener al mmimo. Sino, las perdidas totales de cobre correspondientes pueden ser varias veces las esperadas, lo que conduce a un posible sobrecalentamiento del transformador. En segundo lugar, en el espacio disponible del transformador, la separation del devanado requerida para generar un peor acoplamiento y, en consecuencia, un mayor valor de inductancia se logra facilmente al estableciendo una determinada separacion entre los devanados primarios y secundarios (ver la US2009278646A1). Manteniendo el tamano del transformador y de los conductores en funcion de la potencia y las corrientes nominales, la distancia de separacion no puede ser tan alta y la mayoria de las veces no se puede alcanzar el valor objetivo para el valor de la inductancia en serie. Eventualmente, esto causa malos resultados de acoplamiento en campos magneticos fuera del devanado, con una posible propagation electromagnetica fuera del transformador. La mayoria de las veces, se debe prohibir este tipo de actuation para no exceder los niveles de interferencia permitidos (conducidos o radiados) de acuerdo con las normas de seguridad del automovil (como UL 2202, IEC 61851-21 o similares).

Por otro lado, la adicion de la mitad de un nucleo magnetico para hacer que el inductor comparta una parte del circuito magnetico con el transformador tambien implica unas perdidas adicionales en dicho nucleo magnetico y en el cobre. Ademas, el peso, el volumen y el coste de una realization de este tipo pueden ser similares a los de un unico transformador mas su inductor resonante discreto. En otras palabras, esta solution no ofrece ningun aumento de densidad de potencia real a un costo menor en una solucion magnetica integrada. Solo la manipulation y la soldadura de un unico conjunto magnetico en lugar de dos elementos discretos puede representar una ventaja en relation con el ahorro de espacio en la placa electronica en la que se montan los componentes.

El caso de usar un shunt magnetico entre devanados separados parece ser la forma mas conveniente de proporcionar un valor de inductancia en serie mejorando la guia o conduction del flujo de fugas con aumento de la densidad de potencia. Las tecnicas comunes se basan en la introduccion de una parte de nucleo solido no deformable, preferiblemente de un material de alta permeabilidad magnetica entre los devanados para alcanzar el valor de inductancia en serie esperado (Fig. 3) como se describe en el documento citado US4613841A.

Breve description de la invention

La solution propuesta por esta invencion es diferente porque se basa en el aumento del valor de la inductancia de fuga.

El documento US 8648687 reconoce como un avance en los sistemas de suministro de energia en un producto electronico el hacer un uso activo de la inductancia de fuga, inevitable. Por ejemplo, la inductancia de fuga (L) y un condensador (C) componen un circuito resonante LC. Un interruptor programado que usa el circuito resonante LC tiene una posibilidad de deterioro reducida, minimiza el ruido y mejora el rendimiento.

El aumento del valor de la inductancia de fuga segun la propuesta de esta invencion se obtiene mediante la introduction de una pelicula magnetica flexible de baja permeabilidad entre los devanados primario y secundario. Esta pelicula arrollada entre devanados concentricos, alrededor de un nucleo magnetico, con un espesor requerido, proporciona una guia del flujo de fuga y, en consecuencia, aumenta la inductancia de fuga representativa de dicho flujo de fuga (ver Fig. 4, lado derecho). La introduccion de la pelicula, por su flexibilidad, se realizara durante el proceso de devanado que es diferente de una estructura especial del nucleo que tambien podria incluir este shunt concentrico obtenido por una forma solida, pero de un material permeable magneticamente alto incluido dentro de la estructura del circuito magnetico como se describe en el documento citado US4613841A.

Un ajuste correcto en la permeabilidad de la pelicula magnetica (para una buena guia o conduction del flujo de fuga sin riesgo de saturation de la capa) y de su espesor (en una dimension razonable para poder ser integrada en el volumen del transformador) permite una disposition precisa del valor de inductancia de fuga al inductor resonante requerido. El nivel de permeabilidad se elige normalmente en el rango de 20-60 para que no sea demasiado bajo para tener suficiente guia de densidad de flujo de fuga, ni demasiado alto para evitar la saturacion de la pelicula por una guia de flujo demasiado gruesa. El grosor aplicado suele estar en el rango de algunas decimas de milimetro a algunos milimetros. Ademas, la pelicula introducida debe estar hecha de un material magnetico con propiedades (Fig. 5) que cumpla con el funcionamiento del transformador (rango de frecuencia (μ'), perdidas (μ’’), mdice termico, que cumpla con la directiva RoHS, etc.). Puede suministrarse como unas capas protectoras de IEM (interferencias electromagneticas) ya existentes en el mercado y rehechas en el ancho adecuado o totalmente particularizadas para las necesidades del disenador. En consecuencia, esta invencion se puede aplicar a muchas formas de transformadores con tambien una alta adaptabilidad para definir la altura del shunt flexible concentrico y el espesor total del devanado para alcanzar los rendimientos esperados en un volumen reducido.

La introduction de esta tecnica no afecta la inductancia de magnetization del transformador de manera notable. Si se pudiera producir una ligera desviacion debido a la adicion de un elemento magnetico dentro del nucleo principal, seria posible un pequeno cambio en la longitud del espacio central para recuperar el valor tipico esperado.

Por otro lado, esta tecnica solo modifica las perdidas totales de cobre en el devanado debido a posibles efectos parasitos mas fuertes en comparacion con la frecuencia. El disenador debe considerar esto en su totalidad en la etapa de diseno aplicando reglas de diseno correctas o simulaciones electromagneticas de elementos finitos para asegurarse de que el nivel total de perdidas sea aceptado por el tamano del componente sin sobrecalentamiento. Por supuesto, tambien depende del entorno (temperatura ambiente maxima en la aplicacion) y la eficiencia de refrigeracion en el convertidor (disipador de calor de aire forzado, de placa de agua fria, encapsulado con resina conductora termica, etc.).

Por lo tanto, la presente invencion proporciona una forma mejorada de incrementar la densidad de potencia en los conjuntos magneticos LLC o ZVS mediante la integration de un valor de inductancia en serie utilizando a tal efecto una pelicula magnetica de baja permeabilidad, flexible, concentrica a los devanados, especificable y configurable. Tanto una alta adaptabilidad en la etapa de diseno como en el procesamiento como parte de la operation de devanado son la garantia de unos menores costes de desarrollo y de obtencion del producto final que conducen a una ventaja competitiva real.

Breve description de las figuras

Las anteriores y otras ventajas y caracteristicas se entenderan mas completamente a partir de la siguiente description detallada de una realization con referencia a los dibujos adjuntos, que se tomaran de forma ilustrativa y no limitativa, en los que:

Las Figs. 1 y 2 ilustran dos topologias electronicas de cargadores de CA/CC (corriente alterna a corriente continua), en los que es aplicable el objeto de esta invention.

Asi, la Fig. 1 muestra un diagrama de circuito esquematico de un convertidor resonante de medio puente LLC utilizado en cargadores de bateria integrados de CA/CC.

La Fig. 2 es un diagrama de circuito esquematico de un convertidor de CC/CC cuasi resonante de puente completo de cambio de fase ZVS (conmutacion por paso por una tension cero).

La Fig. 3 ilustra una tecnica conocida basada en la introduction de una parte de nucleo magnetico solido, no deformable, de un material permeable magneticamente alto, entre los devanados, que actua como un shunt magnetico, para alcanzar el valor de inductancia en serie esperado como se describe en el documento citado US4613841A.

La Fig. 4 es un ejemplo de una comparacion paralela de la inductancia de fuga obtenida de un transformador convencional (esquema del lado izquierdo) con un devanado primario y un devanado secundario situado mas cerca, aislado electricamente y dispuesto coaxialmente en una bobina y en un transformador (en el lado derecho) en el que se han aplicado los principios de esta invencion.

La Fig. 5 es un grafico que muestra un comportamiento de frecuencia esperado tipico de la pelicula magnetica flexible para el transformador mejorado de esta invencion con dos valores de permeabilidad (^) y (^') de la pelicula magnetica flexible.

La Fig. 6 es una vista en perspectiva que muestra un ejemplo de un transformador LLC 1:1 de 3.5kW/70-200kHz con un inductor en serie mejorado de 22^H mediante la introduccion de una pelicula magnetica flexible entre los devanados primario y secundario.

La Fig. 7 es una vista en planta del transformador LLC 1:1 del ejemplo de la Fig. 6 que muestra los elementos constitutivos utilizados en la solution tecnica propuesta.

La Fig. 8 es una vista en explosion que ilustra el concepto de montaje de la pekcula magnetica flexible entre los devanados primario y secundario del transformador.

Description detallada de una realization

La Fig. 1 muestra esquematicamente un convertidor resonante de medio puente LLC utilizado en cargadores de bateria de CC/CA, integrados. Se han indicado en la figura los valores de tension de entrada y de salida Vent y Vsal, la puerta de control 13, el transformador 11 y el condensador de salida 12. El tanque resonante esta formado por el conjunto de condensador Cr e inductancias Lr y Lp conectado al primario del transformador 11.

La Fig. 2 ilustra esquematicamente un convertidor de CC/CC cuasi-resonante de puente completo de cambio de fase ZVS (conmutacion por paso por una tension cero). Se han indicado igualmente las tensiones de entrada y salida Vent y Vsal, los transistores Cmos 22 utilizados, el inductor ZVS 21 el transformador 20 y el inductor junto a la salida 23.

En la Fig. 3 se ilustra un ejemplo de la solution del estado de la tecnica consistente en la introduction de una parte de nucleo solido 32, anular, entre los devanados primario 31 y secundario 33 de un transformador, en funciones de shunt magnetico, para alcanzar un determinado valor de inductancia en serie, todo ello tal y como se describe en el documento anteriormente citado US4613841A.

En la Fig. 4 se han comparado dos transformadores, uno de ellos, a la izquierda con un distanciador 3a entre los devanados primario 2 y secundario 4 en material plastico y en la derecha con la introduccion de una pelicula cilmdrica magnetica 3 entre los devanados, segun los principios de la invention. Aplicando unas mismas condiciones de intensidad primario /intensidad secundario de 15Apk/-15Apk y 100kHz se aprecia una diferencia en el valor total de la energia en todas las regiones que determina una inductancia de fuga de 3,4 ^H para el transformador de la izquierda y de 16,7 ^H en el transformador de la derecha en el que se ha aplicado la pelicula magnetica 3, es decir se ha obtenido un incremento en la inductancia de fuga, en este ejemplo, superior a 5 veces el primer valor de inductancia de fuga.

Tal como se ha indicado la Fig. 5 es un diagrama explicativo del comportamiento en frecuencia esperado utilizando una pelicula magnetica flexible para el transformador mejorado de esta invencion con dos valores de permeabilidad (^) y (^') de dicha peKcula magnetica flexible.

Las figuras 6 a 8 ilustran un transformador que tiene un inductor integrado con una estructura general como la descrita en el documento WO 2016071553, y que comprende:

- unos cuerpos magneticos primero y segundo 7, simetricos, que son independientes entre si, cada uno de los cuales incluye una placa de la que sobresale un miembro tubular de nucleo 7a;

- un carrete 1 de un material aislante electrico que proporciona un soporte formador de bobina;

- unos devanados primario 2 y secundario 4, aislados electricamente, y que se disponen arrollados coaxialmente alrededor de una ranura anular de dicho carrete 1,

Los dos miembros tubulares 7a estan dispuestos a traves de un nucleo hueco 1a del carrete 1 enfrentados entre si, y el carrete 1 tiene unas extensiones configuradas para ser unidas a una placa base 6 que soporta unas salidas de devanado o terminales 5 para la conexion electrica con dichos devanados primario 2 y secundario 4.

La placa base 6 con configuraciones de guia para los terminales 5 es opcional y los terminales deben estar unidos directamente a las extensiones 1b citadas del carrete 1.

De acuerdo con esta invencion, se dispone una pelicula cilmdrica magnetica 3 flexible de baja permeabilidad, alojada entre dichos devanados primario 2 y secundario 4, de modo que los tres elementos: devanado primario 2, pelicula magnetica 3 y devanado secundario 4 son coaxiales entre si y rodean coaxialmente a los miembros 7a del nucleo tubular magnetico insertados a traves del nucleo hueco 1a del carrete 1.

La Fig. 7 muestra claramente la disposition de la pelicula magnetica 3 entre los devanados primario 2 y secundario 4, rodeando coaxialmente el nucleo magnetico formado por las dos partes salientes 7a enfrentadas a testa.

En un ejemplo de realization:

- los cuerpos magneticos 7, simetricos (dos mitades), son de ferrita de manganeso-zinc (MnZn) de baja perdida con respuesta de temperatura plana;

- el carrete 1 citado es de un material plastico fabricado por ejemplo de LCP, fenolico, PET o cualquier material (poKmeros termoestables) resistente a la temperatura (al menos en el rango de -40/+155 °C), igmfugo (segun la Norma internacional UL94, por ejemplo) y que proporciona tambien un buen nivel de aislamiento entre el devanado y los miembros de nucleo 7a (al menos 3-4kV/mm);

- los devanados primario y secundario 2, 4, estan hechos de filamento de Litz aislado dentro de una pelicula delgada de poliimida de 25^m superpuesta para proporcionar un sistema de aislamiento reforzado;

- las salidas de devanado 5 estan estanadas o soldadas en tubos delgados de cobre o laton;

- la placa base 6, de plastico, con configuration de guia para ubicar las salidas puede ser de plastico como el carrete 1.

- la pelicula magnetica flexible 3, de baja permeabilidad, tiene una permeabilidad en el rango de 20-60, se proporciona con o sin una capa adhesiva, y tiene un grosor de 0,1 a 1 mm, lo que permite una operation de frecuencia por encima de 1 MHz

Al poner en practica esta invention, tambien se ha observado que adicionalmente, tambien se puede proporcionar el uso de tales peliculas magneticas flexibles y aplicarse para reducir el efecto de expansion de flujo en un devanado cerca de un hueco de aire. En consecuencia, se podria agregar una pelicula magnetica intercalada entre los devanados coaxialmente a un nucleo magnetico en la superficie interna y/o externa del devanado, que puede estar cerca de huecos de aire definidos en el polo central y/o en las patas laterales del nucleo de ferrita. Esta introduction supondra disminuir las perdidas de cobre adicionales relacionadas con la circulation de corrientes de Foucault en parte del devanado frente a una bolsa de aire. Por lo tanto, el calentamiento de la parte del devanado y su eficiencia podrian proporcionar un mejor rendimiento.

Claims (12)

REIVINDICACIONES

1. Transformador para convertidores resonantes en configuration ZVS o LLC que comprende:

- un nucleo magnetico con una section transversal cilmdrica o poligonal;

- un carrete (1) de un material aislante electrico que proporciona un soporte formador de bobina;

- unos devanados primario (2) y secundario (4), aislados electricamente y arrollados coaxialmente alrededor de una ranura anular de dicho carrete (1),

en el que el carrete (1) tiene unas extensiones (1b) configuradas para ser unidas a unos terminales (5) para conexion electrica con dichos devanados primario (2) y secundario (4),

caracterizado porque una pelmula (3) magnetica flexible de baja permeabilidad esta dispuesta, alojada, entre dichos devanados primario (2) y secundario (4), rodeando dicha pelmula magnetica (3), al menos en parte, al devanado primario (2), con lo que los tres elementos: el devanado primario (2), la pelmula magnetica (3) y el devanado secundario (4) son coaxiales entre si y rodean coaxialmente el nucleo magnetico que esta dispuesto insertado a traves de un nucleo hueco (1a) del carrete (1).

2. El transformador de la reivindicacion 1, en el que dicha pelmula magnetica (3) es cilmdrica rodeando completamente el devanado primario (1).

3. El transformador de la reivindicacion 1 o 2, en el que dicha pelmula cilmdrica magnetica cubre solo una parte del desarrollo en altura de los devanados primario (2) y secundario (4).

4. El transformador de la reivindicacion 1, en el que la pelmula magnetica (3) flexible de baja permeabilidad tiene una permeabilidad en el rango de 20-60, con o sin una capa adhesiva,

5. El transformador de la reivindicacion 4, en el que la peKcula magnetica flexible (3) de baja permeabilidad tiene un grosor de 0,1 a 1 mm, permitiendo una operativa de frecuencia superior a 1 MHz.

6. El transformador de la reivindicacion 5, en el que dicha pelicula magnetica (3) flexible de baja permeabilidad es una capa unica o comprende dos o mas capas dispuestas en espiral.

7. El transformador de la reivindicacion 1, en el que el nucleo del transformador esta formado por dos partes y comprende unos primeros y un segundos cuerpos magneticos (7) simetricos, independientes entre si, cada uno de los cuales incluye una placa desde la cual sobresale un miembro central tubular (7a), en donde los dos miembros tubulares (7a) de nucleo estan dispuestos a traves del nucleo hueco (1a) del carrete (1) y enfrentados entre si.

8. El transformador de la reivindicacion 1, en el que dichas extensiones (1b) del carrete (1) estan configuradas para ser unidas a una placa base (6) que soporta dichos terminales (5) para la conexion electrica a los devanados (2), (4).

9. El transformador de la reivindicacion 8, en el que el carrete (1) y dicha placa base (6) son de un material plastico seleccionado entre LCP, fenolico, PET o un polimero termoestable, resistente a la temperatura al menos en el rango de -40/+155 °C, e ignifugo.

10. El transformador de la reivindicacion 9, en el que dicho material plastico proporciona un nivel de aislamiento electrico entre el devanado y el nucleo de al menos de 3-4kV/mm.

11. El transformador de la reivindicacion 1, en el que los devanados primario (2) y secundario (4) estan hechos de un filamento de Litz.

12. El transformador de la reivindicacion 1, en el que el hilo de Litz esta aislado dentro de poliimida de pelicula delgada de 25 ^m superpuesta, proporcionando un sistema de aislamiento reforzado.