← 返回
双向LLC变换器用垂直集成四腿矩阵变压器的设计与优化
Design and Optimization of Vertically Integrated Four-Leg Matrix Transformer for Bidirectional LLC Converter
| 作者 | Yong Li · Junyang Bao · Bangyin Liu · Shanxu Duan |
| 期刊 | IEEE Transactions on Industrial Electronics |
| 出版日期 | 2024年9月 |
| 技术分类 | 光伏发电技术 |
| 技术标签 | LLC谐振 户用光伏 |
| 相关度评分 | ★★★★★ 5.0 / 5.0 |
| 关键词 | 双向LLC转换器 住宅光伏储能系统 矩阵变压器 CEC效率 优化设计 |
语言:
中文摘要
由于具有高效和体积紧凑的优点,双向电感 - 电感 - 电容(LLC)变换器适用于48 V住宅光伏与储能系统(PV - ESS)。本文提出了一种垂直集成的四桥臂矩阵变压器结构,将四个电感单元和四个变压器单元集成到一个磁元件中,使电感和变压器能够独立优化并降低磁芯损耗。为适应住宅光伏与储能系统应用,针对加州能源委员会加权效率(CEC效率)对谐振槽参数、谐振频率和绕组匝数进行了精心优化。此外,提出了一种具有均流功能的改进型“8”字形绕组,以改善功率级的布局。进一步地,给出了基于有限元分析(FEA)的所提矩阵变压器的几何优化设计准则。最后,搭建了一台300 kHz、400 V/52 V、3.5 kW的双向LLC变换器。该三维堆叠组装样机实现了98.6%的峰值效率、98.3%的CEC效率以及550 W/in³的功率密度。
English Abstract
Due to the advantages of high efficiency and compact size, a bidirectional inductor-inductor-capacitor (LLC) converter is suitable for a 48 V residential photovoltaic and energy storage system (PV-ESS). A vertically integrated four-leg matrix transformer structure is proposed to integrate four inductor cells and four transformer cells into one magnetic component to allow the inductor and transformer to be optimized independently and reduce the core loss. To adapt to residential PV-ESS applications, the resonant tank parameters, resonant frequency, and winding turns are carefully optimized to target California Energy Commission weighted efficiency (CEC efficiency). In addition, a modified “8” type winding with current sharing is proposed to improve the layout of the power stage. Furthermore, a geometry optimal design guideline of the proposed matrix transformer based on finite element analysis (FEA) is given. Finally, a 300 kHz 400 V/52 V 3.5 kW bidirectional LLC converter is demonstrated. The 3-D-stacked assembly prototype achieves a peak efficiency of 98.6%, a CEC efficiency of 98.3%, and a power density of 550 W/in3.
S
SunView 深度解读
从阳光电源户用光储系统业务视角来看,这项垂直集成四桥臂矩阵变压器技术具有显著的战略价值。该技术针对48V户用光储系统设计的双向LLC变换器,与我司在户用储能领域的产品布局高度契合,特别是在提升系统效率和功率密度方面展现出明显优势。
该技术的核心创新在于将四个电感单元和四个变压器单元集成为单一磁性元件,实现了电感与变压器的独立优化,有效降低了磁芯损耗。98.6%的峰值效率和98.3%的CEC加权效率指标,对标加州能源委员会标准,这对我司拓展北美户用光储市场具有重要参考意义。550 W/in³的功率密度表现,可显著缩小变换器体积,有利于开发更紧凑的户用储能产品,提升系统集成度和安装便利性。
从技术成熟度评估,该方案基于300 kHz开关频率的3.5 kW双向LLC拓扑,功率等级与户用场景匹配良好,且已完成原型验证,具备较高的工程化可行性。改进型"8"字绕组设计和基于有限元分析的几何优化方法,为我司磁性元件设计提供了可借鉴的工程化路径。
然而,技术应用仍面临挑战:高频磁性元件的批量生产一致性、谐振参数在宽工况下的适应性、以及长期可靠性验证等问题需要深入研究。建议我司磁性元件团队与功率电子研发部门协同评估,重点关注该集成化设计理念在5-10kW户用储能变流器中的应用潜力,并结合我司全球化布局,针对不同区域能效标准进行适应性优化。