面向高效率、高功率密度非对称半桥谐振变换器的集成矩阵变压器设计与损耗优化

本文为PCIM论文摘要。

新一代AI计算笔记本电脑正朝着超薄便携、高峰值计算能力和长电池续航时间的方向发展，这对其电源系统提出了严苛的要求：超高功率密度、宽动态负载适应性，以及在高频、大电流工作条件下的高效率。

作为笔记本电脑电源主流磁性元件的传统平面变压器，在此场景下面临关键限制：磁集成度低、绕组寄生参数大，且在 MHz 级开关频率下铜损和铁损急剧增加。对于广泛应用于紧凑型 AC-DC 转换器的非对称半桥（AHB）拓扑，这些缺点会导致高输出电流下效率急剧下降，成为限制功率密度提升的核心瓶颈。

矩阵变压器凭借多并联磁芯单元、高磁集成度、可控漏感以及优异的散热性能等优势，为上述挑战提供了极具前景的解决方案。本研究聚焦于面向AI笔记本电脑AHB电源的矩阵变压器的拓扑优化与损耗抑制，旨在同时提升功率密度和运行效率，并为便携式高计算能力设备的磁性元件设计提供工程参考。

采用多磁芯并联绕组的矩阵变压器结构。通过相邻绕组之间的磁通抵消效应，显著降低了漏感与交流绕组电阻，这不仅缩小了磁芯体积，还抑制了转换器的高频开关损耗和导通损耗。

将同步整流（SR）器件和输出电容器直接集成到矩阵变压器的次级绕组中。该设计消除了由长互连走线引起的终端相关损耗，并进一步降低了大电流条件下次级侧的导通损耗和寄生漏感。

基于基尔霍夫定律建立了AHB谐振转换器的原始微分方程，并将其转换为无量纲归一化方程以简化分析。推导出了多种工作模式的解析解，并结合模式切换的边界条件和功率平衡关系，构建了完整的稳态分析模型，为后续变压器损耗的计算与理论分析提供支撑。

为验证所提设计的有效性，研制了一台工作频率为250KHz、输入电压390V、输出电压可在5-48V之间调节、额定功率为240W的AHB谐振变流器原型机。在满载和动态负载条件下，对包括转换效率、功率密度和热性能在内的关键性能指标进行了测试。

测试结果表明，所提出的基于矩阵变压器的AHB转换器在额定工作条件下可达到98%的峰值转换效率，且功率级功率密度高达210 W/in³。与具有相同拓扑结构和功率等级的传统平面变压器方案相比，所提出的方案在满载时将总损耗降低了22%，并有效抑制了AHB拓扑结构在高输出电流下的效率下降。