大數(shù)據(jù)中心的建設(shè)離不開供配電系統(tǒng)—電源設(shè)備的建設(shè)，為大數(shù)據(jù)中心提供 高效率、低排放、綠色化電能的電源設(shè)備，是大數(shù)據(jù)中心建設(shè)的重要組成部分。LLC諧振變換器能夠在寬輸入電壓范圍和寬負(fù)載變化范圍內(nèi)實現(xiàn)變壓器原邊開關(guān)管的零電壓開通（ZVS）及副邊整流管的零電流關(guān)斷（ZCS），具有低損耗、高效率和高功率密度等優(yōu)點，當(dāng)前的數(shù)據(jù)中心第二代供電系統(tǒng)，其DC/DC變換部分的電壓調(diào)節(jié)器（VR）普遍使用LLC諧振變換器，其電壓變比高達(dá)48V:1V，未來將使用的數(shù)據(jù)中心第三代供電系統(tǒng)和綠色能源互聯(lián)網(wǎng)供電系統(tǒng)，其 DC/DC變換部分，也將不可避免地使用LLC諧振變換器，其電壓變比高達(dá)400V:12V或380V:12V?？梢姡瑹o論是當(dāng)前普遍使用的數(shù)據(jù)中心第二代供電系統(tǒng)還是未來使用的第三代和綠色能源互聯(lián)網(wǎng)供電系統(tǒng)，其LLC諧振變換器都屬于高電壓變比結(jié)構(gòu)。
為了實現(xiàn)LLC諧振變換器的高電壓變比，人們早先通過增加功率級解決，例如采用兩級式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，第一級通常采用Buck/Boost拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，第二級采用LLC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，但兩級構(gòu)復(fù)雜，而且效率是兩級拓?fù)涞某朔e，總效率低，所以近年來人們大多采用單級式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[1,2]。文獻(xiàn)[3]提出一種單級48V:1V的Sigma拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。雖然實現(xiàn)了單級變換，但是需要一個LLC變換器和 Buck變換器進(jìn)行輸入串聯(lián)輸出并聯(lián)，不但電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且變換器的高低壓側(cè)不隔離，降低了電氣安全度，變壓器繞組的匝比高達(dá)40:1。文獻(xiàn)[4]采用利茲線設(shè)計了帶氣隙的高頻變壓器，用于360-400V/12V-200W的 LLC諧振變換器，最高效率95%，變壓器匝比為34:2:2，采用傳統(tǒng)的繞線式變壓器，由于變壓器原邊繞組匝數(shù)較多，很難采用平面變壓器結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)[5]采用兩個矩陣變壓器設(shè)計一種了390V/12V-1kW的半橋LLC變換器，功率級的功率密度830W/in3=50.6/cm3，最高效率95.4%，每個矩陣變壓器的原、副邊繞組匝數(shù)為8:1:1:1:1，兩個變壓器的繞組總匝數(shù)為（8+1+1+1+1） ×2=24匝，繞組匝數(shù)較多，平面變壓器繞組采用4層PCB結(jié)構(gòu)，制造成本也比較高。文獻(xiàn)[6]設(shè)計了一種三開關(guān)LLC變換器，用于115~230VAC(160~326VDC) /19V-60W 的高效率通用適配器，變壓器匝比為44:4，采用傳統(tǒng)的繞線式變壓器。一方面電壓變比和功率不夠，另一方面變壓器繞組匝數(shù)也太多。文獻(xiàn)[7]采用空心平面變壓器設(shè)計156V/12V-24W的0.5-3MHz 高頻LLC變換器，變壓器匝比為16:2，雖然變壓器繞組匝數(shù)較少，但電壓變比與48:1、400:12或380:12的要求差距較大，此外，功率也較小，效率也較低，最高效率只有87%。文獻(xiàn)[8]設(shè)計了250~430V/14V-3.6kW 的三相LLC諧振變換器，變壓器匝比為 44:1，變壓器匝數(shù)也過多。文獻(xiàn)[9]采用四分之一匝副邊繞組變壓器設(shè)計了380V/12V-1000W的LLC諧振變換器，功率密37.6W/cm3，最高效率97%，平面變壓器匝比為4:0.25，LLC諧振變換器的原邊采用半橋結(jié)構(gòu)，副邊采用4個中心抽頭整流器并聯(lián)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了LLC諧振變換器薄型化和低匝數(shù)變壓器的要求，但變壓器副邊四個整流器的輸出端在變壓器鐵芯的四個方向，顯著增加了變壓器副邊側(cè)低壓大電流引出線的長度，而且沒有實現(xiàn)變壓器和諧振電感的磁集成。雖然隨著氮化鎵和碳化硅等寬帶隙電力電子器件的發(fā)展，LLC諧振變換器的開關(guān)頻率可以提高到MHz，大幅度降低了LLC諧振變換器中變壓器的鐵芯體積、高度和繞組匝數(shù)，但是，由于受到大數(shù)據(jù)中心第二代、第三代及綠色能源互聯(lián)網(wǎng)供電系統(tǒng)中LLC諧振變換器高電壓變比的制約，即使將LLC諧振變換器中變壓器的副邊繞組匝數(shù)降低到只有1匝，其原邊變壓器繞組匝數(shù)仍然高達(dá)48/1=48 匝、400/12=33.3 匝或 380/12=32匝。
針對現(xiàn)有變壓器繞組技術(shù)現(xiàn)狀，本文提出一種“十”字型低匝比平面變壓器，用于高變比LLC諧振變換器，其變壓器存在繞組匝數(shù)過多、繞組結(jié)構(gòu)復(fù)雜的核心問題。通過磁集成技術(shù)，將傳統(tǒng)的四個變壓器集成為一個平面變壓器，將原來四個變壓器的四個原邊繞組集成為一個原邊繞組，繞在一個大磁柱上，四個副邊繞組分別繞在四個小磁柱上，以解決變壓器繞組匝數(shù)過多、繞組結(jié)構(gòu)復(fù)雜的問題，同時減小了變壓器的體積。首先分析了高邊比LLC諧振變換器的工作原理及增益特性，接著給出了“十”字型低匝比平面變壓器方案，進(jìn)行參數(shù)設(shè)計，研制了實驗樣機(jī)，進(jìn)行了磁場仿真和實驗驗證磁集成變壓器方案的有效性。
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