CN107946045B - 一种半匝绕组的可调漏感平面变压器 - Google Patents

一种半匝绕组的可调漏感平面变压器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种半匝绕组的可调漏感平面变压器，包括E型磁芯，I型磁芯，原边绕组，副边绕组U1‑U2，整流管D1‑D4以及滤波电容C1~C4；原边绕组绕制在E型磁芯的边柱和中柱上，副边绕组的两个U型绕组反向叠放于变压器窗口中，副边绕组的两个U型绕组的四个端口分别与一个整流管一端连接，整流管另一端与一个滤波电容一端连接，滤波电容另一端与对应U型绕组的中心抽头连接，E型磁芯和I型磁芯扣合。本发明使得副边绕组可以等效为0.5匝，因而可以使得原边的匝数变为一匝副边时的一半，大大降低了变压器的绕组体积和加工难度，提高了功率密度。

Description

一种半匝绕组的可调漏感平面变压器
技术领域
本发明涉及一种半匝绕组的可调漏感平面变压器，属于电磁技术领域。
背景技术
平面变压器由于其体积较小，常用于对功率密度要求较高的应用场合。其中LLC谐振变换器由于其能较容易的实现软开关，较高的效率和功率密度而广泛应用于高端电源和母线转换器中。
LLC谐振变换器一般包括前级全桥/半桥逆变电路，谐振电容，谐振电感，变压器和次级整流滤波电路。LLC谐振变换器常用于400V转12V等大电压变比的应用场合，因此其变压器变比可以达到16或者更高。
对于LLC谐振变换器等拓扑，为了减小其体积，其变压器一般采用平面变压器结构，而平面变压器的窗口面积比较小。对于高变比的变压器，由于常规绕法副边最低为一匝，因此对于一个变比为16的变压器其原边匝数最低为16匝。原边匝数过高可能导致变压器的窗口面积不足无法绕组高边比变压器，或者影响副边绕组空间使得无法使用较大截面的副边绕组而使得变压器容量受到限制。
发明内容
本发明提供了一种半匝绕组的可调漏感平面变压器，以用于解决应用于LLC谐振变换器等场合的大变比平面变压器原边绕组匝数过多窗口面积不足的问题。
本发明的技术方案是：一种半匝绕组的可调漏感平面变压器，包括E型磁芯，I型磁芯，原边绕组，副边绕组U1-U2，整流管D1-D4以及滤波电容C1~C4；
原边绕组绕制在E型磁芯的边柱和中柱上，副边绕组的两个U型绕组反向叠放于变压器窗口中，副边绕组的两个U型绕组的四个端口分别与一个整流管一端连接，整流管另一端与一个滤波电容一端连接，滤波电容另一端与对应U型绕组的中心抽头连接，E型磁芯和I型磁芯扣合。
所述副边绕组的两个U型绕组的四个端口分别与一个整流管一端连接，整流管另一端与一个滤波电容一端连接，滤波电容另一端与对应U型绕组的中心抽头连接，具体为：
两个U型绕组的四个端口经四个整流管接地，滤波电容C1、C2一端接中心抽头T1，滤波电容C1另一端接整流管D1一端，滤波电容C2另一端接整流管D2一端，滤波电容C3、C4一端接中心抽头T2，滤波电容C3另一端接整流管D3一端，滤波电容C4另一端接整流管D4一端；两个U型绕组的中心抽头T1、T2并联输出；
或者具体为：
两个U型绕组中U1两端口经整流管D1、D2后并联，两个U型绕组中U2两端口经整流管D3、D4后并联，两者并联之后作为正极输出；滤波电容C1、C2一端接中心抽头T1，滤波电容C1另一端接整流管D1一端，滤波电容C2另一端接整流管D2一端，滤波电容C3、C4一端中心抽头T2，滤波电容C3另一端接整流管D3一端，滤波电容C4另一端接整流管D4一端，两个U型绕组的中心抽头T1、T2作为地。
所述E型磁芯包括边柱M1、M3，中柱M2；原边绕组绕制在E型磁芯的边柱M1、M3和中柱M2之上，改变边柱、中柱上绕组匝数分布以调节漏感大小；边柱上绕线方向与中柱绕线方向相反，两个边柱绕线方向相同。
所述改变边柱、中柱上绕组匝数分布以调节漏感大小具体为：增加一匝中柱绕组，对应减少两个边柱绕组各一匝，能保证励磁电感不变同时降低漏感；增加两个边柱绕组各一匝，对应减少中柱绕组一匝，能保证励磁电感不变的同时增大漏感。
所述副边绕组两个为一组，能一组单独使用或者多组并联使用。
所述整流管为二极管或者可控器件。
本发明的有益效果是：采用标准磁芯，无需定值即可实现更高的变比，降低了高变比平面变压器的绕组加工难度；匝数减小使得可以使用更大截面的绕组从而提高了绕组的载流量；相对于其他半匝变压器，本发明结构对称，各半绕组交替工作形成一个完整环路，不存在偏磁问题；出线简单，可以很容易地和电路部分的整流滤波电路连接；原边绕组可以方便的调试漏感，便于磁集成技术的调试与实现；使得副边绕组可以等效为0.5匝，因而可以使得原边的匝数变为一匝副边时的一半，大大降低了变压器的绕组体积和加工难度，提高了功率密度。
附图说明
图1为本发明半匝副边绕组结构示意图；
图2为本发明可调漏感原边绕组结构示意图；
图3为本发明装配示意图；
图4为实施例1结构示意图；
图5为实施例2结构示意图。
具体实施方式
实施例1：如图1-4所示，一种半匝绕组的可调漏感平面变压器，包括E型磁芯，I型磁芯，原边绕组，副边绕组U1-U2，整流管D1-D4以及滤波电容C1~C4；
原边绕组绕制在E型磁芯的边柱和中柱上，副边绕组的两个U型绕组反向叠放于变压器窗口中（叠放可以为上下叠放，也可以并列叠放，如图4中展示的并列叠放；针对上下叠放W1和W2上下重叠，W3和W4上下重叠，所以图中没有展示），副边绕组的两个U型绕组的四个端口分别与一个整流管一端连接，整流管另一端与一个滤波电容一端连接，滤波电容另一端与对应U型绕组的中心抽头连接，E型磁芯和I型磁芯扣合。其中，所述副边绕组Ws包括两个完全相同的U型绕组，绕组W1段和W3段组成其中一个U字型绕组，W1和W3段中间位置留有中间抽头T1；绕组W2段和W4段组成另一个U字型绕组，W2和W4段中间位置留有中间抽头T2；所述磁芯为标准EI型平面变压器磁芯。
所述副边绕组的两个U型绕组的四个端口分别与一个整流管一端连接，整流管另一端与一个滤波电容一端连接，滤波电容另一端与对应U型绕组的中心抽头连接，具体如图4所示为：
两个U型绕组的四个端口经四个整流管接地，滤波电容C1、C2一端接中心抽头T1，滤波电容C1另一端接MOS管栅极，滤波电容C2另一端接MOS管栅极，滤波电容C3、C4一端接中心抽头T2，滤波电容C3另一端接MOS管栅极，滤波电容C4另一端接MOS管栅极；两个U型绕组的中心抽头T1、T2并联输出。
所述E型磁芯包括边柱M1、M3，中柱M2；原边绕组绕制在E型磁芯的边柱M1、M3和中柱M2之上，改变边柱、中柱上绕组匝数分布以调节漏感大小；边柱上绕线方向与中柱绕线方向相反，两个边柱绕线方向相同（图2中，两个边柱上绕线方向为顺时针，中柱绕线方向为逆时针）。
进一步地，可以设置所述改变边柱、中柱上绕组匝数分布以调节漏感大小具体为：增加一匝中柱绕组，对应减少两个边柱绕组各一匝，能保证励磁电感不变同时降低漏感；增加两个边柱绕组各一匝，对应减少中柱绕组一匝，能保证励磁电感不变的同时增大漏感。
所述副边绕组两个为一组，能一组单独使用或者多组并联使用（图4中给出了一组的情况）。
进一步地，设置所述整流管为MOS管可控器件（如图4所示）。
实施例2：如图1-3及图5所示，一种半匝绕组的可调漏感平面变压器，包括E型磁芯，I型磁芯，原边绕组，副边绕组U1-U2，整流管D1-D4以及滤波电容C1~C4；
原边绕组绕制在E型磁芯的边柱和中柱上，副边绕组的两个U型绕组反向叠放于变压器窗口中，副边绕组的两个U型绕组的四个端口分别与一个整流管一端连接，整流管另一端与一个滤波电容一端连接，滤波电容另一端与对应U型绕组的中心抽头连接，E型磁芯和I型磁芯扣合。
所述副边绕组的两个U型绕组的四个端口分别与一个整流管一端连接，整流管另一端与一个滤波电容一端连接，滤波电容另一端与对应U型绕组的中心抽头连接，具体为：
两个U型绕组中U1两端口经整流管D1、D2后并联，两个U型绕组中U2两端口经整流管D3、D4后并联，两者并联之后作为正极输出；滤波电容C1、C2一端接中心抽头T1，滤波电容C1另一端接整流管D1阴极，滤波电容C2另一端接整流管D2阴极，滤波电容C3、C4一端中心抽头T2，滤波电容C3另一端接整流管D3阴极，滤波电容C4另一端接整流管D4阴极，两个U型绕组的中心抽头T1、T2作为地；
所述E型磁芯包括边柱M1、M3，中柱M2；原边绕组绕制在E型磁芯的边柱M1、M3和中柱M2之上，改变边柱、中柱上绕组匝数分布以调节漏感大小；边柱上绕线方向与中柱绕线方向相反，两个边柱绕线方向相同。
进一步地，可以设置所述改变边柱、中柱上绕组匝数分布以调节漏感大小具体为：增加一匝中柱绕组，对应减少两个边柱绕组各一匝，能保证励磁电感不变同时降低漏感；增加两个边柱绕组各一匝，对应减少中柱绕组一匝，能保证励磁电感不变的同时增大漏感。
所述副边绕组两个为一组，能一组单独使用或者多组并联使用（图5中给出了一组的情况）。
所述整流管为二极管（如图5所示）。
本发明的工作原理是：
如图4中所示，对于中心抽头作为正极使用的情况，原理如下：
对于可调漏感的原边绕组结构：
原边绕组同时绕制在边柱和中柱上，分别考虑边柱上的绕组和中柱上的绕组对于漏感的贡献。对于边柱上的绕柱，由于其磁力线有相对较多的部分通过***的空气闭合，因而产生的漏磁较多，对原边绕组的漏感贡献较大。而对于中柱上的绕组，由于其被两个边柱包围，其磁力线大部分通过磁芯闭合，因而产生的漏磁比较小，对原边绕组的漏感贡献较小。因此，当我们改变中柱和边柱的匝数分布时即可以调整原边绕组的总漏感。同时需要注意的是，每一匝中柱上的绕组产生的磁力线等同于两个边柱各绕一匝产生的磁力线。
对于半匝副边绕组结构：
工作时，原边绕组通入交变电流，在磁芯中产生交变的磁通，副边感应产生电流来抵消原边电流产生的磁通。假设原边通入为正弦交变电流。
假设在正半周期，磁柱M2中的磁力线方向垂直纸面向外且强度逐渐增大，则为了抵消此磁通的增加，将会在W2W4组成的绕组中有形成顺时针的电流的趋势，但由于W4所接的整流管此时处于截止状态，因此仅有W2半边绕组中有电流流过，方向为由D3流向抽头T1，此时抽头T1电压为正。同时会在W1W3组成的绕组中有形成顺时针的电流的趋势，但由于W1所接的整流管此时处于截止状态，因此仅有W3半边绕组中有电流流过，方向为由D2流向中心抽头T2，此时抽头T2电压为正。
则在负半周期时，磁柱M2中的磁力线方向垂直纸面向内且强度逐渐增大，则为了抵消此磁通的增加，将会在W2W4组成的绕组中有形成逆时针的电流的趋势，但由于W2所接的整流管此时处于截止状态，因此仅有W4半边绕组中有电流流过，方向为由D4流向抽头T1，此时抽头T1电压为正。同时会在W1W3组成的绕组中有形成逆时针的电流的趋势，但由于W3所接的整流管此时处于截止状态，因此仅有W1半边绕组中有电流流过，方向为由D1流向中心抽头T2，此时抽头T2电压为正。
由上述分析可以看出，在一个完整的周期内，绕组的各臂交替导通，始终保证了抽头T1T2输出正电压。同时在各半个周期内，输出电压为两个半匝的线圈并联输出，因此抽头的实际电压为半匝线圈所感应得到的电压，因此实现了半匝线圈的结构。
如图5中所示，对于中心抽头作为地使用的情况，原理如下：
对于可调漏感的原边绕组结构：
原边绕组同时绕制在边柱和中柱上，分别考虑边柱上的绕组和中柱上的绕组对于漏感的贡献。对于边柱上的绕柱，由于其磁力线有相对较多的部分通过***的空气闭合，因而产生的漏磁较多，对原边绕组的漏感贡献较大。而对于中柱上的绕组，由于其被两个边柱包围，其磁力线大部分通过磁芯闭合，因而产生的漏磁比较小，对原边绕组的漏感贡献较小。因此，当我们改变中柱和边柱的匝数分布时即可以调整原边绕组的总漏感。同时需要注意的是，每一匝中柱上的绕组产生的磁力线等同于两个边柱各绕一匝产生的磁力线。
对于半匝副边绕组结构：
工作时，原边绕组通入交变电流，在磁芯中产生交变的磁通，副边感应产生电流来抵消原边电流产生的磁通。假设原边通入为正弦交变电流。
假设在正半周期，磁柱M2中的磁力线方向垂直纸面向外且强度逐渐增大，则为了抵消此磁通的增加，将会在W2W4组成的绕组中有形成顺时针的电流的趋势，但由于W2所接的整流管此时处于截止状态，因此仅有W4半边绕组中有电流流过，方向为由T1流向抽头D4，此时抽头T1为地，二极管D4阴极电压为正。同时会在W1W3组成的绕组中有形成顺时针的电流的趋势，但由于W3所接的整流管此时处于截止状态，因此仅有W1半边绕组中有电流流过，方向为由T2流向中心抽头D1，此时抽头T2为地，二极管D1阴极电压为正。
则在负半周期时，磁柱M2中的磁力线方向垂直纸面向内且强度逐渐增大，则为了抵消此磁通的增加，将会在W2W4组成的绕组中有形成逆时针的电流的趋势，但由于W4所接的整流管此时处于截止状态，因此仅有W2半边绕组中有电流流过，方向为由抽头T1流向D3，此时抽头T1为地，二极管D3阴极电压为正。同时会在W1W3组成的绕组中有形成逆时针的电流的趋势，但由于W1所接的整流管此时处于截止状态，因此仅有W3半边绕组中有电流流过，方向为由中心抽头T2流向D2，此时抽头T2为地，二极管D2阴极电压为正。
由上述分析可以看出，在一个完整的周期内，绕组的各臂交替导通，始终保证了抽头T1T2为地，二极管阴极电压为正。同时在各半个周期内，输出电压为两个半匝的线圈并联输出，因此二极管阴极的实际电压为半匝线圈所感应得到的电压，因此实现了半匝线圈的结构。
上面结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (5)

1.一种半匝绕组的可调漏感平面变压器，其特征在于：包括E型磁芯，I型磁芯，原边绕组，副边绕组U1-U2，整流管D1-D4以及滤波电容C1~C4；
原边绕组绕制在E型磁芯的边柱和中柱上，副边绕组的两个U型绕组反向叠放于变压器窗口中，副边绕组的两个U型绕组的四个端口分别与一个整流管一端连接，整流管另一端与一个滤波电容一端连接，滤波电容另一端与对应U型绕组的中心抽头连接，E型磁芯和I型磁芯扣合；
所述E型磁芯包括边柱M1、M3，中柱M2；原边绕组绕制在E型磁芯的边柱M1、M3和中柱M2之上，改变边柱、中柱上绕组匝数分布以调节漏感大小；边柱上绕线方向与中柱绕线方向相反，两个边柱绕线方向相同。
2.根据权利要求1所述的半匝绕组的可调漏感平面变压器，其特征在于：所述副边绕组的两个U型绕组的四个端口分别与一个整流管一端连接，整流管另一端与一个滤波电容一端连接，滤波电容另一端与对应U型绕组的中心抽头连接，具体为：
两个U型绕组的四个端口经四个整流管接地，滤波电容C1、C2一端接中心抽头T1，滤波电容C1另一端接整流管D1一端，滤波电容C2另一端接整流管D2一端，滤波电容C3、C4一端接中心抽头T2，滤波电容C3另一端接整流管D3一端，滤波电容C4另一端接整流管D4一端；两个U型绕组的中心抽头T1、T2并联输出；
或者具体为：
两个U型绕组中U1两端口经整流管D1、D2后并联，两个U型绕组中U2两端口经整流管D3、D4后并联，两者并联之后作为正极输出；滤波电容C1、C2一端接中心抽头T1，滤波电容C1另一端接整流管D1一端，滤波电容C2另一端接整流管D2一端，滤波电容C3、C4一端中心抽头T2，滤波电容C3另一端接整流管D3一端，滤波电容C4另一端接整流管D4一端，两个U型绕组的中心抽头T1、T2作为地。
3.根据权利要求1所述的半匝绕组的可调漏感平面变压器，其特征在于：所述改变边柱、中柱上绕组匝数分布以调节漏感大小具体为：增加一匝中柱绕组，对应减少两个边柱绕组各一匝，能保证励磁电感不变同时降低漏感；增加两个边柱绕组各一匝，对应减少中柱绕组一匝，能保证励磁电感不变的同时增大漏感。
4.根据权利要求1所述的半匝绕组的可调漏感平面变压器，其特征在于：所述副边绕组两个为一组，能一组单独使用或者多组并联使用。
5.根据权利要求1所述的半匝绕组的可调漏感平面变压器，其特征在于：所述整流管为二极管或者可控器件。
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