CN110914938A - 平面型变压器和dcdc转换器 - Google Patents

平面型变压器和dcdc转换器 Download PDF

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Abstract

平板型变压器(Tp)包括：初级侧的平面空芯线圈(Nap)、次级侧的平面空芯线圈(Nas)以及初级侧的平面磁芯(Cp)和次级侧的平面磁芯(Cs)。次级侧的平面空芯线圈(Nas)从初级侧的平面空芯线圈(Nap)沿该初级侧的平面空芯线圈(Nap)的绕组中心轴(Sp)方向隔开间隔配置，并且具有在绕组中心轴(Ss)方向上不与初级侧的平面空芯线圈(Nap)对置的非对置部(NFs)。初级侧的平面磁芯(Cp)和次级侧的平面磁芯(Cs)分别层叠在绕线中心轴方向上的初级侧的平面空芯线圈(Nap)和次级侧的平面空芯线圈(Nas)的外侧。

Description

平面型变压器和DCDC转换器
技术领域
本发明涉及一种平面型变压器。
背景技术
例如，在使用了非对称半桥型LLC转换器的绝缘型DCDC转换器中，需要在高频下使变压器的泄漏电感与谐振用电容器串联谐振。因此，在绝缘型DCDC转换器中，需要与高频用的大容量的谐振用电容器相配合地增大变压器的泄漏电感。
但是，作为能够调整变压器的泄漏电感的方案，已知有一种变压器：通过设置副磁芯并调整磁芯片***卷绕有变压器的次级侧线圈的副磁芯的间隙的***程度来控制泄漏电感(专利文献1)。
(现有技术文献)
专利文献1：日本实开昭61-188338号公报
发明内容
(发明所要解决的技术问题)
但是，上述变压器主要是相对于次级侧积极地产生泄漏电感的结构，因此在作为变压器整体来看的情况下，有可能无法充分确保泄漏电感。
本发明是鉴于上述情况而完成的，本发明的目的在于能够充分地确保泄漏电感。
(解决问题的措施)
本发明的一个方式的平面型变压器包括：初级侧的平面空芯线圈；次级侧的平面空芯线圈，从初级侧的平面空芯线圈沿该初级侧的平面空芯线圈的绕线中心轴方向隔开间隔配置，具有在绕线中心轴方向上不与初级侧的平面空芯线圈对置的非对置部；以及初级侧的平面磁芯和次级侧的平面磁芯，分别层叠在绕线中心轴方向上的初级侧的平面空芯线圈和次级侧的平面空芯线圈的外侧。
(技术效果)
根据本发明的一个方式，能够提供一种能够充分确保泄漏电感的平面型变压器。
附图说明
图1是表示使用了本发明的一个实施方式的平面型变压器的DCDC转换器的电路图。
图2表示构成图1的变压器的平面型变压器的原理的结构，其中(a)是分解立体图，(b)是侧视图，(c)是俯视图。
图3中，(a)是表示在图2的配置的平面型变压器的初级侧和次级侧的平面空芯线圈中产生的泄漏电感和励磁电感的说明图，(b)是表示正对的初级侧和次级侧的平面空芯线圈中产生的泄漏电感和励磁电感的说明图。
图4是表示在图2的初级侧和次级侧的平面空芯线圈中产生的泄漏电感和励磁电感的强度与两个平面空芯线圈的绕线中心轴的偏移量的相关关系的曲线图。
图5表示用作图1的变压器的平面型变压器的具体结构，(a)是俯视图，(b)是(a)的I-I线剖视图，(c)是表示形成有初级侧的平面磁芯的基板的表面侧的俯视图，(d)是表示形成有次级侧的平面磁芯的基板的背面侧的俯视图。
图6是平面空芯线圈的大小在初级侧和次级侧不同且用作图1的变压器的平面型变压器的剖面图。
具体实施方式
下面参考附图对本发明的实施方式进行说明。图1是表示使用了本发明的一个实施方式的平面型变压器的DCDC转换器的电路图。
图1所示的本实施方式的DCDC转换器1是在变压器T的初级侧使用了非对称半桥型LLC转换器3的绝缘型DCDC转换器。
该DCDC转换器1通过由LLC转换器3的MOSFET等构成的半导体元件Q1、Q2的开关，将输入初级侧的直流电压Vin转换为交流，在变压器T的初级侧和次级侧的线圈Np、Ns之间升压后，由整流用二极管D1、D2和平滑用电容器Co恢复为直流，并且向次级侧的负载Ro供给。
此时，以初级侧线圈Np的泄漏电感与谐振用电容器Cr的串联谐振电路的谐振频率的周期，使半导体元件Q1、Q2交替接通断开，由此能够抑制LLC转换器3中的开关损失，以高效率使直流电压Vin升压。
DCDC转换器1由谐振电路构成，使半导体元件Q1、Q2以高频(在此所说的高频至少为1MHz以上)接通断开。另外，为了使谐振电路在高频下成立，要求极小的励磁电感(例如在以2MHz驱动的情况下为0.8μH)和大的泄漏电感(例如在以2MHz驱动的情况下为1.1μH)。
因此，在本实施方式的DCDC转换器1中使用平面型变压器作为变压器T。以下，参照图2说明平面型变压器的结构。图2表示构成变压器的平面型变压器的原理的结构，(a)是分解立体图，(b)是侧视图，(c)是俯视图。
图2的(a)所示的例子的平面型变压器Tp包括由磁性体构成的初级侧的平面磁芯Cp和与其层叠的金属制的初级侧的平面空芯线圈Nap、以及由磁性体构成的次级侧的平面磁芯Cs和与其层叠的金属制的次级侧的平面空芯线圈Nas。
此外，初级侧的平面空芯线圈Nap和次级侧的平面空芯线圈Nas形成为相同直径的圆环状且配置为非同轴。另外，初级侧的平面磁芯Cp和次级侧的平面磁芯Cs形成为相同大小的矩形。初级侧的平面磁芯Cp和次级侧的平面磁芯Cs具有比初级侧的平面空芯线圈Nap、次级侧的平面空芯线圈Nas的外径大的外形。
如图2的(b)所示，初级侧的平面磁芯Cp配置成与次级侧的平面磁芯Cs隔开间隔地正对。初级侧的平面空芯线圈Nap和次级侧的平面空芯线圈Nas分别层叠于初级侧的平面磁芯Cp和次级侧的平面磁芯Cs的相互对置的面。
初级侧的平面空芯线圈Nap和次级侧的平面空芯线圈Nas沿初级侧的平面磁芯Cp和次级侧的平面磁芯Cs的间隔方向、即沿各自的绕线中心轴Sp、Ss的轴向隔开间隔地配置。此外，初级侧的平面空芯线圈Nap和次级侧的平面空芯线圈Nas以各自的空芯Ap、As的一部分重叠的方式，将各自的绕线中心轴Sp、Ss的位置沿与绕线中心轴Sp、Ss正交的径向偏移配置。
通过这样的配置，如图2的(c)所示，在初级侧的平面空芯线圈Nap沿绕线中心轴Sp的径向设置有与次级侧的平面空芯线圈Nas重叠的对置部分Fp、以及位于次级侧的平面空芯线圈Nas的外侧的非对置部分NFp。
同样，在次级侧的平面空芯线圈Nas也沿绕线中心轴Ss的径向设置有与初级侧的平面空芯线圈Nap重叠的对置部分Fs、以及位于初级侧的平面空芯线圈Nap的外侧的非对置部分NFs。
另外，在图2的(a)～(c)的各图中，省略了各平面空芯线圈Nap、Nas的端子部分的图示。
通过以上述方式将初级侧的平面空芯线圈Nap和次级侧的平面空芯线圈Nas沿绕线中心轴Sp、Ss的径向偏移配置，如图3的(a)的说明图所示，在两个平面空芯线圈Nap、Nas之间，在对置部分Fp、Fs中产生励磁电感Lm，在非对置部分NFp、NFs中产生泄漏电感Lr。
假设将初级侧的平面空芯线圈Nap与次级侧的平面空芯线圈Nas配置成绕线中心轴Sp、Ss在径向上重叠，则如图3的(b)的说明图所示，在两个平面空芯线圈Nap、Nas之间几乎仅产生对置部分Fp、Fs中的励磁电感Lm。
因此，与如图3的(b)所示的初级侧的平面空芯线圈Nap的绕线中心轴Sp与次级侧的平面空芯线圈Nas的绕线中心轴Ss重叠的同轴的平面型变压器Tp相比，如图3的(a)所示，使初级侧的平面空芯线圈Nap的绕线中心轴Sp与次级侧的平面空芯线圈Nas的绕线中心轴Ss相互偏移的平面型变压器Tp适合作为变压器T，该变压器T在图1的LLC转换器3中使初级侧线圈Np的泄漏电感与谐振用电容器Cr串联谐振。
在图3的(a)所示的平面型变压器Tp中，如图4的曲线图所示，初级侧的平面空芯线圈Nap和次级侧的平面空芯线圈Nas的偏移量越大，两者中产生的泄漏电感Lr越增加而励磁电感Lm越减少。另外，初级侧的平面空芯线圈Nap与次级侧的平面空芯线圈Nas的偏移是指双方的绕线中心的偏移。
因此，将具有偏移量的平面型变压器Tp用作图1中的变压器T，该偏移量在图3(a)中的初级侧与次级侧的平面空芯线圈Nap、Nas之间产生与图1中的谐振用电容器Cr串联谐振的大小的泄漏电感Lr、以及满足图1的初级侧的线圈Np和次级侧的线圈Ns之间所需的耦合系数的大小的励磁电感Lm。
另外，关于初级侧的平面空芯线圈Nap与次级侧的平面空芯线圈Nas的磁耦合，只要至少两者的一部分相对，则即使空芯Ap、As彼此不相对也可以。因此，用于得到所希望的泄漏电感Lr的、初级侧和次级侧的两个平面空芯线圈Nap、Nas之间的偏移量能够作为直到两者的至少外缘彼此重叠的大小为止的范围。
接着，参照图5的(a)～(d)说明作为图1的变压器T使用的平面型变压器Tp的具体结构。图5中，(a)是平面型变压器Tp的俯视图，(b)是(a)的I-I线剖视图，(c)是表示形成有初级侧的平面磁芯的基板的表面侧的俯视图，(d)是表示形成有次级侧的平面磁芯的基板的背面侧的俯视图。
图5的(a)所示的本实施方式的平板型变压器Tp如作为同一图的I-I线剖视图的图5的(b)所示具有基板5，该基板5在表面51和背面53分别形成有初级侧的平面空芯线圈Nap和次级侧的平面空芯线圈Nas。该基板5例如由玻璃环氧树脂等绝缘性树脂材料以刚性方式形成。
如图5的(c)所示，关于形成于基板5的表面51的初级侧的平面空芯线圈Nap，使设置在以方形环绕的导体的两端的端子部Rp向表面51的长边侧延伸。另一方面，如图5的(d)所示，关于如图5的(b)所示形成于基板5的背面53的次级侧的平面空芯线圈Nas，使端子部Rs向背面53的短边侧延伸，该端子部Rs设置在与以方形环绕的初级侧的平面空芯线圈Nap同一形状的导体的两端。
这样，通过将初级侧的平面空芯线圈Nap的端子部Rp和次级侧的平面空芯线圈Nas的端子部Rs配置成不重叠，防止了两个端子部Rp、Rs构成磁路的一部分。
在本实施方式的DCDC转换器1中，由于将以上述方式构成的平面型变压器Tp用作LLC转换器3的变压器T，因此能够增加初级侧的平面空芯线圈Nap与次级侧的平面空芯线圈Nas的偏移量，从而能够增加在两个平面空芯线圈Nap、Nas中产生的泄漏电感Lr。
另外，在该例中，初级侧的平面空芯线圈Nap与次级侧的平面空芯线圈Nas的偏移也是指双方的绕线中心的偏移。
另外，在该例中，使平面型变压器Tp产生足够大小的泄漏电感Lr，以便和与以高频进行开关的半导体元件Q1、Q2相配合的大容量的谐振用电容器Cr串联谐振，从而能够以高频驱动LLC转换器3。
再者，能够根据初级侧的平面空芯线圈Nap与次级侧的平面空芯线圈Nas的偏移量，调整在两个平面空芯线圈Nap、Nas中产生的泄漏电感Lr，因此能够不需要高精度地加工包括初级侧的平面磁芯Cp和次级侧的平面磁芯Cs的平面变压器Tp的结构件。
另外，初级侧的平面磁芯Cp、次级侧的平面磁芯Cs不具有***初级侧的平面空芯线圈Nap、次级侧的平面空芯线圈Nas的空芯Ap、As的中心磁芯(center pole)。因此，两个平面磁芯Cp、Cs配置成夹着初级侧或次级侧的平面空芯线圈Nap、Nas的空芯Ap、As，沿各平面空芯线圈Nap、Nas的绕线中心轴Sp、Ss的轴向隔开间隔地正对。
因此，在本实施方式的平面型变压器Tp中，通过初级侧的平面空芯线圈Nap、次级侧的平面空芯线圈Nas的磁通不会集中于初级侧的平面磁芯Cp、次级侧的平面磁芯Cs。
由此，能够使图2的(c)所示的初级侧的平面空芯线圈Nap和次级侧的平面空芯线圈Nas的非对置部分NFp、NFs可靠地产生与两个平面空芯线圈Nap、Nas的偏移量对应的大小的泄漏电感Lr。
但是，只要能够产生所需大小的泄漏电感Lr，也可以将***初级侧、次级侧的平面空芯线圈Nap、Nas的空芯Ap、As的中心磁芯设置于初级侧的平面磁芯Cp、次级侧的平面磁芯Cs，由EE磁芯或EI磁芯构成初级侧的平面磁芯Cp、次级侧的平面磁芯Cs。
进而，根据本实施方式的DCDC转换器1，由比初级侧的平面空芯线圈Nap、次级侧的平面空芯线圈Nas的外径大的外形形成平面型变压器Tp的初级侧的平面磁芯Cp、次级侧的平面磁芯Cs。
因此，可使在初级侧的平面空芯线圈Nap、次级侧的平面空芯线圈Nas中产生的漏磁通保留在平面型变压器Tp中，能够有效地构成平面型变压器Tp的泄漏电感Lr。
但是，只要能够完全覆盖在初级侧的平面空芯线圈Nap、次级侧的平面空芯线圈Nas中产生的漏磁通的磁路，并且产生所需大小的泄漏电感Lr，则也可以由比初级侧的平面空芯线圈Nap、次级侧的平面空芯线圈Nas的外径小的外形形成初级侧的平面磁芯Cp、次级侧的平面磁芯Cs。
另外，在本实施方式中，将平面型变压器Tp的初级侧的平面空芯线圈Nap和次级侧的平面空芯线圈Nas除了各自的端子部Rp、Rs以外形成为相同的形状。然而，例如图6的剖视图所示，可以在初级侧和次级侧使平面空芯线圈Nap、Nas的大小不同，或者可以在初级侧和次级侧使平面空芯线圈Nap、Nas的匝数不同。
另外，能够通过蚀刻等形成初级侧的平面空芯线圈Nap和次级侧的平面空芯线圈Nas，并且能够高精度地加工各自的位置。在进行这样的加工时，也可以在基板5的某个部位开设基准部(例如贯通孔)。
由此，在形成次级侧的平面空芯线圈Nas时，以使平面空芯线圈Nas的绕线中心从该基准部偏移规定距离的方式进行加工，能够提高初级侧的平面空芯线圈Nap与次级侧的平面空芯线圈Nas的偏移精度。
本发明不限于使用非对称半桥型LLC转换器的绝缘型DCDC转换器的变压器，能够广泛应用于在利用泄漏电感的领域中使用的各种变压器。
以上，对本发明的实施方式进行了说明，但这些实施方式只是为了容易理解本发明而记载的简单的示例，本发明并不限定于上述实施方式，能够在本发明的范围内进行各种变形。
本申请主张基于2017年7月14日提交的日本专利申请第2017-137997号的优先权，该申请的全部内容通过引用并入本申请说明书中。
(工业实用性)
本发明的一个方式能够用于在利用泄漏电感的领域中使用的各种变压器。
(附图标记说明)
1 DCDC转换器
3 LLC转换器
5 基板(绝缘基板)
51 基板表面(第一面)
53 基板背面(第二面)
Ap 初级侧的平面空芯线圈的空芯
As 次级侧的平面空芯线圈的空芯
Co 平滑用电容器
Cp 初级侧的平面磁芯
Cr 谐振用电容器
Cs 次级侧的平面磁芯
D1、D2 整流二极管
Fp、Fs 对置部分
Lm 励磁电感
Lr 泄漏电感
Nap 初级侧的平面空芯线圈
Nas 次级侧的平面空芯线圈
NFp、NFs 非对置部分
Np 初级侧线圈
Ns 次级侧线圈
Q1、Q2 半导体元件
Ro 负载
Rp 初级侧的平面空芯线圈的端子部
Rs 次级侧的平面空芯线圈的端子部
Sp 初级侧的平面空芯线圈的绕线中心轴
Ss 次级侧的平面空芯线圈的绕线中心轴
Tp 平面型变压器
Vin 直流电压

Claims (7)

1.一种平面型变压器，包括：
初级侧的平面空芯线圈；
次级侧的平面空芯线圈，其从所述初级侧的平面空芯线圈沿所述初级侧的平面空芯线圈的绕线中心轴方向隔开间隔配置，具有在所述绕线中心轴方向上不与所述初级侧的平面空芯线圈对置的非对置部；以及
初级侧的平面磁芯和次级侧的平面磁芯，分别层叠在所述绕线中心轴方向上的所述初级侧的平面空芯线圈和所述次级侧的平面空芯线圈的外侧。
2.根据权利要求1所述的平面型变压器，其中，
所述初级侧和次级侧的各平面空芯线圈分别具有在所述绕线中心轴方向上相互对置的对置部分。
3.根据权利要求1或2所述的平面型变压器，其中，
所述初级侧的平面磁芯与所述次级侧的平面磁芯非同轴地配置。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的平面型变压器，其中，
所述初级侧的平面磁芯和所述次级侧的平面磁芯夹着所述绕线中心轴方向上的所述初级侧和次级侧的各平面空芯线圈的空芯部的对置部分，沿所述绕线中心轴方向隔开间隔地配置。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的平面型变压器，其中，
所述初级侧和次级侧的各平面磁芯具有比与所述绕线中心轴方向交叉的平面中的所述初级侧和次级侧的各平面空芯线圈的轮廓大的外形。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的平面型变压器，其中，
还包括绝缘基板，所述绝缘基板夹在所述绕线中心轴方向上的所述初级侧的平面空芯线圈和所述次级侧的平面空芯线圈之间，在所述绝缘基板的第一面形成有所述初级侧的平面空芯线圈，在所述绝缘基板的与所述第一面相反一侧的第二面形成有所述次级侧的平面空芯线圈。
7.一种DCDC转换器，其中，
使用权利要求1～6中任一项所述的平面型变压器作为使用了LLC转换器的绝缘型的DCDC转换器的变压器。
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