CN111566763B - 在四角柱中心有磁柱的低磁芯损耗变压器 - Google Patents

Abstract

一种用于高传输比和高功率密度应用的低磁芯损耗变压器，可以在磁性金属板之间有五个柱子，包括四个角柱和至少一个中心柱。中心柱提供了一条额外的磁通路径，以减少热量和磁芯损耗并提高效率。通过使多个中心柱有几种对称布置的N走线配置，可以进一步降低磁通密度。低磁芯损耗变压器实现了灵活的电压传输比。该比率可以是偶数或奇数。奇数比设计能够满足未来数据中心提供400伏高分布电源总线的要求。变压器绕组可以是印刷电路板(PCB)上的走线，该电路板集成电子组件用于紧凑和模块化设计。

Description

在四角柱中心有磁柱的低磁芯损耗变压器

【技术领域】

本发明涉及一种具有多极的变压器，特别涉及一种五柱变压器。

【背景技术】

变压器通常用于功率转换器中以进行电隔离和电压转换。初级绕组匝数与次级绕组匝数之比决定了变压器初级侧和次级侧之间的电压比。

图1显示现有技术的用于数据中心的电源架构。三相480伏交流电(AC)功率从AC公用电网330通过高压变压器(XFMR)331降压，以向不间断电源(UPS)340供电，该不间断电源(UPS)340通过AC/DC阶段(stage)342为电池310充电。DC/AC阶段344反转电池电源或将AC电源直接输送到配电单元(PDU，Power Distribution Unit)326，PDU 326在数据中心内输送单相110伏或220伏交流电。电源单元(PSU，Power Supply Unit)320使用AC/DC整流器322生成400伏的DC高电压，该电压由DC/DC转换器324降压至12伏，以驱动电源总线346。电源总线346上的12伏DC被分配到几个服务器板310上，其有稳压器312、314、316，以调节它们的输出电压到CPU 302、芯片组304和存储器306。

但是，在公用电网和终端单元之间有太多的阶段(stage)，这会降低效率。同样，在12伏电源总线346上会有高传导损耗。因此，在图2中提出了更高电压的电源总线。图2显示了使用400伏总线的数据中心电源架构。UPS 340进行了修改，以将400伏直流电驱动到电源总线348上。由于400伏电源通过电源总线348被分配给多个服务器板311，对于长距离电力传输不仅减少了电源总线348上的电力传导损耗，而且总效率也得到了提高，因为与图1的现有技术的数据中心电源架构相比，减少了两个阶段322、344。此外，对于400伏电源总线的应用，还降低了成本。每个服务器板311具有DC/DC转换器325，以将来自电源总线348的400伏降压到本地12伏，向服务器板311上的稳压器312、314、316再向每个控制单元302、304、306供电。

对该新电源架构的挑战是在有限空间内将DC/DC转换器325放置在服务器板311上。通常，将400伏转换为12伏时，应用于通用隔离式转换器的变压器会非常大。此外，除了初级侧开关晶体管和次级侧整流器之外，支配DC/DC转换器325效率的一个部件是内部变压器。传统的磁芯形状(例如PQ磁芯或RM磁芯)具有大磁芯损耗(core loss)、大端子损耗和磁芯体积大的缺点。

为了解决传统变压器的问题，提出了一种矩阵变压器，该矩阵变压器通过一种对初级侧绕组将每个元件串联连接以及对次级绕组将每个元件并联连接的特殊化绕组方法将传统变压器分成多个小元件，其。例如，在一般的半桥(HB，Half-Bridge)转换器中，从400伏降压到12伏的降压转换，在其变压器中有大约16.7匝。如果将矩阵变压器的绕组设计为在一个元件中初级绕组绕制约2.1匝，次级绕组绕制1匝，则将有八个元件变压器连接在一起，而一个元件初级绕组内4.2匝需要四个元件变压器。即使四芯或八芯的总体积比整个传统变压器小，但在多芯使用中，磁芯损耗会大大增加。

另一矩阵变压器将多个芯集成到一个芯中。通过在一个芯中用多个柱替换多个元件变压器，可以减少磁芯损耗。但是，可能会出现匝数比限制问题。磁通量平衡原理会将矩阵变压器中初级绕组比率限制为偶数，而不是奇数。当初级绕组由400伏总线驱动时，偶数匝数比将迫使次级侧的反射电压高于或低于12伏一个不希望的量。或者，对于16:1和18:1的匝数比，会迫使400伏的总线在其他电压下工作，例如384伏或432伏。因此，对于所建议的数据中心电源体系结构，其中电源总线上的400伏特在本地被转换为12伏特，这些矩阵变压器并不是理想的。

所期望的是支持奇数匝数比的多元件变压器。也期望有紧凑且模块化的集成芯的多元件变压器。期望有优化磁芯几何形状的并且磁芯损耗最小的多元件变压器。

【附图说明】

图1显示用于数据中心的现有技术的电源架构。

图2显示使用400伏总线的数据中心电源架构。

图3是使用低磁芯损耗的五柱变压器的电力变换器的示意图。

图4是低磁芯损耗五柱变压器的示意图。

图5是低磁芯损耗五柱变压器中的磁通量流的示意图。

图6显示低磁芯损耗五柱变压器的初级绕组方向。

图7是突出显示产生17:1:1比率的围绕五个柱的初级和次级绕组的示意图。

图8是在四个PCB金属层上形成的迹线以实现17:1:1的五柱变压器的示意图。

图9是图8的低磁芯损耗五柱变压器的理想化侧视图。

图10是突出显示产生16:1:1比率的围绕五个柱的初级和次级绕组的示意图。

图11是对金属迹线的修改，以实现偶数匝数比。

图12A-12F显示变压器中五个柱的布置的替代方案。

图13是变压器中柱的布置的另一变型。

图14是变压器绕组匝数-输入电压表。

【具体实施方式】

本发明涉及多芯变压器(multi-core transformer)的改进。以下描述以使本领域普通技术人员能够制造和使用在特定应用及其要求的上下文中所提供的本发明。对本领域技术人员而言，对优选实施例的各种修改将是显而易见的，本发明定义的一般原理可以应用于其他实施例。因此，本发明并不限于所示和所述的特定实施例，而是应被赋予与本发明披露的原理和新颖特征一致的最宽范围。

图3是使用低磁芯损耗五柱变压器的电力变换器的示意图。电力变换器100是两个电感器和一个电容器的LLC谐振变换器，在初级侧有半桥晶体管，在次级侧有同步整流器。电力变换器100适合用作DC/DC变换器325(图2)。

例如400伏的输入电压施加在晶体管20、22上，它们都通过电容器28连接到一个内部桥节点，该节点连接到变压器50。晶体管20、22可以是高性能功率晶体管、氮化镓(GaN)晶体管、或通用MOS晶体管。晶体管20、22的栅极由开关控制信号驱动，以实现开关模式电源(SMPS，Switched-Mode Power Supply)。

变压器50有5个磁芯柱，夹在两个磁性金属板之间。初级绕组串联缠绕在所有五个柱上。电容器28将晶体管20、22的开关节点连接到初级绕组。在一个开关周期的半个周期内，初级侧电流首先流经柱4上的初级绕组64(比率4)，然后流经缠绕在柱1上的初级绕组61(比率1)，然后流经缠绕在柱3上的初级绕组63(比率3)，然后流经缠绕在柱5上的初级绕组65(比率5)，最后流经缠绕在柱2上的初级绕组62(比率2)连接到初级侧地。在下一个半周期内，初级侧电流反向流动。初级侧电流首先流经初级绕组62，然后依次流经绕组65、63、61，最后流经初级绕组64连接到电容器28。

次级侧有四个并联的次级绕组，它们并联为两对或两组次级绕组。每对次级绕组仅缠绕五个柱之一。次级绕组52、54缠绕在柱1上，次级绕组56、58缠绕在柱5上。这两个柱1、5具有相同的磁通方向，用于向其他三个中央柱发射或接收磁通量。磁通方向在一个开关周期内会反转两次，取决于初级侧电流方向。

次级绕组52连接在晶体管32的漏极端和VOUT之间，而次级绕组54连接在VOUT和晶体管34的漏极端之间。电容器42将晶体管32的源极端连接到次级地，而电容器44将晶体管34的源极端连接到次级地。

类似地，次级绕组56连接在晶体管36的漏极端与VOUT之间，而次级绕组58连接在VOUT与晶体管38的漏极端之间。电容器46将晶体管36的源极端连接至次级地。电容器48将晶体管38的源极端连接至次级地。

晶体管32、34、36、38的栅极由同步整流(SR)信号驱动，以对由变压器50感应到次级绕组52、54、56、58上的电流进行整流，在输出电容器40上生成12伏的输出电压VOUT。晶体管32、34、36、38可以是功率晶体管，例如n沟道MOS晶体管。

图4是低磁芯损耗五柱变压器的示意图。五个柱70、72、74、76、78由磁性材料制成，并夹在磁性金属板370、372之间。中心柱74位于由角柱70、72、76、78形成的正方形的中间。

图5是低磁芯损耗五柱变压器中的磁通量流的示意图。柱70、78是磁通发射柱，而柱72、74、76是磁通接收柱。例如，发射磁通的北磁极可以被认为位于柱70、78的顶部，而接收磁通的南磁极可以被认为位于柱72、74、76的顶部。此外，磁通流动方向将在下半个开关周期反转，因为柱70、78成为磁通接收柱，而柱72、74、76成为磁通发射柱。

在半个开关周期中，磁通线从左上和右下柱70、78发射，并且流过上磁性板372，然后进入柱72、74、76，并通过下磁性板370完成回路。基于五个柱的布置，芯内部有六个磁环。从左上柱70发出的磁通分成通过上、下磁性金属板370、372到达三个相邻柱72、74、76的三个路径，而从右下柱78发出的磁通分为通过上、下磁性金属板370、372到达三个相邻柱72、74、76的三个其他路径。

当将柱70、72、76、78排列成正方形，而中心柱74位于正方形的中央，则到中心柱74的磁通密度大于到角柱72、76的磁通密度，因为中心柱74比角柱72、76更靠近发射柱70、78。到中心柱74的计算通量为0.41φ，而到任一角柱72、76的通量为0.295φ。

图6显示低磁芯损耗五柱变压器的初级绕组方向。初级绕组沿顺时针方向缠绕在磁通接收柱72、74、76上，但沿逆时针方向缠绕在磁通发射柱70、78上。根据右手握拳规则，当磁通是由初级电流沿逆时针方向流动时在柱70、78中产生的，则该磁通向上流向上磁性金属板372。同样根据右手握拳规则，当磁通是由初级电流沿顺时针方向流动流动时在立柱72、74、76中产生的，则磁通向下流向下部磁性金属板370。

图7是突出显示产生17:1:1比率的围绕五个柱的初级和次级绕组的示意图。尽管绕组可以是缠绕在柱子上的金属线，但是在本实施例中，绕组是印刷电路板(PCB)上的金属迹线，该印刷电路板***上磁性金属板372和下磁性板370之间，该印刷电路板上有五个孔用于五个柱70-78。在一个实施例中，使用具有四个金属层的四层PCB。两层用于次级绕组，两层用于初级绕组。次级绕组104形成在围绕柱70的两个PCB层上，而另一对次级绕组形成在围绕柱78的两个PCB层上。次级电流在次级绕组104中由与初级绕组102缠绕的共享柱内部的不断变化的磁通量产生。感应的次级电流的值是变压器匝数比和初级电流的乘积。

初级绕组102缠绕在所有五个柱上。由于两个PCB层用于初级绕组102，因此初级绕组102的金属迹线可以使用两层之间的导通孔(vias)跨接其自身(cross-over itself)。初级绕组102沿顺时针方向缠绕在磁通接收柱72、74、76上，而沿逆时针方向缠绕在磁通发射柱70、78上。

初级绕组102首先绕左下柱76三次，然后绕左上柱70四次，然后绕中心柱74三次，然后绕右下柱78四次，最后绕右上柱72三次。围绕所有柱的初级绕组102的总匝数为3+4+3+4+3或17，而次级绕组在柱70、78周围有四个单独的单绕环。初级绕组的总匝数与两对次级绕组的比为17:1:1，相当于图3的半桥LLC电路中所需12伏输出电压的408伏输入电压。这是满足电源总线348上期望的400伏电压(图2)的最接近的转换比。

柱76有三匝初级绕组64(图3)。当高侧晶体管20(图3)导通并且初级电流从电容器28流出时，柱76上的初级线圈接收磁通，该磁通在柱70、78上的次级绕组54、58上感生一部分正的次级电流。当低侧晶体管22(图3)导通并且初级电流从电容器28流入时，柱76上的初级线圈发射磁通，该磁通在柱70、78上的次级绕组52、56上感生一部分负的次级电流。柱76的初级绕组与两对次级绕组的匝数比为3:1:1(比率4)。

同样单独看柱70，柱70有四匝初级绕组61。当高侧晶体管20导通且初级电流从电容器28流出时，柱70上的初级线圈发射在柱70、78上的次级绕组54、58上感生一部分正的次级电流的磁通，而当高侧晶体管20关闭而低侧晶体管22导通且初级电流从电容器28流入时，它接收在柱70、78的次级绕组52、56上感生一部分负的次级电流的磁通量。柱70的初级绕组与两对次级绕组的匝数比为4:1:1(比率1)。

单独地，中心柱74有三匝初级绕组63。当高侧晶体管20导通且初级电流从电容器28流出时，柱74上的初级线圈接收在柱70、78上的次级绕组54、58上感生一部分正的次级电流的磁通。当低侧晶体管22导通且初级电流从电容器28流入时，柱74上的初级线圈发射在柱70、78上的次级绕组52、56上感生一部分负的次级电流的磁通，该磁通。柱74的初级绕组与两对次级绕组的匝数比为3:1:1(比率3)。

同样单独看柱78，柱78有四匝初级绕组65。当高侧晶体管20导通且初级电流从电容器28流出时，柱78上的初级线圈发射在柱70、78上的次级绕组54、58上感生一部分正的次级电流的磁通，而当高侧晶体管20关闭，低侧晶体管22导通且初级电流从电容器28流入时，它接收在柱70、78的次级绕组52、56上感生一部分负的次级电流的磁通量。柱78的初级绕组与两对次级绕组的匝数比为4:1:1(比率5)。

最后，单独看右上柱72，柱72有三匝初级绕组62。当高侧晶体管20导通且初级电流从电容器28流出时，柱72上的初级线圈接收在柱70、78上的次级绕组54、58上感生出一部分正的次级电流的磁通。当低侧晶体管22导通且初级电流从电容器28流入时，柱72上的初级线圈发出在柱70、78上的次级绕组52、56上感生一部分负的次级电流的磁通。柱72的初级绕组与两对次级绕组的匝数比为3:1:1(比率2)。

图8是在四个金属层上形成的迹线以实现17:1:1的五柱变压器的示意图。使用图8中所示的图案对四层PCB上的四层金属进行构图。初级绕组102(图7)形成在第2层和第3层上，而两个次级绕组形成在第1层上，另外两个次级绕组形成在第4层上。黑色线是金属中的间隙，而封闭的白色空间是由于它们大的面积而允许高电导的宽金属线。可以替代为更小、更窄的金属走线，但是窄的宽度会增加电阻损耗。

在第1层上，绕左上柱70的一匝由围绕柱70的金属矩形形成。该矩形被从矩形的顶部延伸到柱70的两个间隙打断，从而打断整个回路。一个间隙被晶体管32跨骑，而另一个间隙被电容器42跨骑。这些间隙之间的节点是图3中的次级接地节点GND。VOUT连接到该矩形的右上角，电容器42的右边。次级绕组52由该左上矩形形成。

同样在第1层上，绕右下柱78的一匝由围绕柱78的金属矩形形成。该矩形被从矩形的底部延伸到柱78的两个间隙打断，从而打断整个回路。一个间隙被晶体管36跨骑，而另一间隙被电容器46跨骑。这些间隙之间的节点是次级接地节点GND。VOUT连接到该矩形的左下角，电容器46的左侧。次级绕组56由该右下矩形形成。

类似地，两个次级绕组54、58分别由第4层的左上矩形和右下矩形形成。VOUT连接到该单匝回路的电容器44、48。第1层和第4层矩形在中心柱74周围有一个圆形切口。

端子92、94形成以装配穿过四个金属层。端子92位于左下柱76附近，并且诸如从图3的电容器28接收到初级绕组102的输入。端子94位于右上柱72附近，并传输来自初级绕组102的输出，例如图3的初级地。

输入端子92没有连接到第1、3、4层上的任何金属走线，而是连接到第2层上的螺旋金属走线的中心。图中的黑线表示金属之间的间隙，而不是金属走线本身。在第2层上，该走线围绕柱76沿顺时针方向螺旋旋转三圈。最后一圈具有矩形外边缘，围绕柱76的左下区域到左上，然后围绕左上柱70螺旋。围绕柱70的一圈半在第2层上形成，以逆时针方向围绕柱70。

导通孔122、124、126形成以电连接第2层和第3层。导通孔122、124、126分别在柱70、74、78附近形成。在第2层上绕左上柱70旋转了一圈半后，初级绕组通过靠近柱70的导通孔122到达第3层。金属走线从导通孔122绕柱70以逆时针方向向外螺旋旋转两圈以上，在第2层和第3层内绕柱70总共旋转四圈。

然后，在第3层，金属走线绕中心柱74以顺时针方向向内螺旋转一圈半，然后穿过导通孔124到达第2层，绕中心柱74以顺时针向外螺旋转一圈半以上，总共绕中心柱74绕三圈。在完成绕中心柱74的三圈后，金属迹线绕右下柱78以逆时针方向向内旋转超过两圈，然后通过导通孔126从第2层到第3层，在第3层绕右下柱78以逆时针方向向外螺旋大约一圈半，在第2层和第3层内，绕柱78总共旋转四圈。

在第3层，金属走线继续从绕柱78向外盘旋延伸到绕右上柱72以顺时针方向向内盘旋三圈。然后在柱72处，金属走线在端子94处终止，并作为图3中的初级地输出。

初级绕组102绕每个柱70、78四匝，绕每个柱72、74、76三匝，总共17匝。由于次级绕组各绕一匝，所以使用图8的金属PCB走线可实现17:1:1的匝数比。

图9是图8的低磁芯损耗五柱变压器的理想化侧视图。PCB 120有由绝缘层隔开的四个金属层。四个金属层的图案如图8所示。PCB 120放置在上磁性金属板372和下磁性金属板370之间。在中心的柱74、在左边的柱70、76，以及在右边的柱72、78。导通孔122、124、126连接用于初级绕组的第2层和第3层。端子92、94装配穿过所有四层，以传输初级绕组的输入和输出。晶体管32-38和电容器42-48被表面安装在PCB 120的顶表面和底表面上。

图10是突出显示产生16:1:1比率的围绕五个柱的初级和次级绕组的示意图。在此替代方案中，与图7比较，从绕中心柱74的匝数中移除一匝。初级绕组102绕每个柱70、78四匝，绕每个柱72、76三匝，以及绕中心柱74两匝，总共有16匝。由于次级绕组是各绕一匝，所以使用图10的布置可实现16:1:1的匝数比。

图11是对金属走线的修改，以实现偶数匝数比。在该替代方案中，与图8相比，从绕中心柱74的匝数中移除一匝。第3层上的金属迹线仅绕中心柱74一整圈，而不是一圈半。同样，在第2层上，将走线切除半圈至只有一圈。绕中心柱74的总匝数减少到两圈。

初级绕组102绕每个柱70、78四匝，绕每个柱72、76三匝，并且绕中心柱74两匝，总共16匝。由于次级绕组各绕一匝，因此使用图11的金属PCB走线可实现16:1:1的匝数比。

图12A-12F显示变压器中五个柱的布置的替代方案。这些布置的特点是具有对称柱状阵列的灵活磁芯设计以及通过将磁通量分成磁芯中的几个回路的低磁通密度增进作用。磁性金属板370、372在形状和尺寸上可以相同，但是在这些附图中仅示出了磁性金属板370。在图12A中，磁性金属板370和372(未示出)是圆形而不是方形。PCB也可以是圆形的并且比磁性金属板370大，并且从磁性金属板370延伸出。在图12B，磁性金属板370是矩形形状而不是方形形状。在图12C，磁性金属板370是平行四边形或菱形形状。左上柱70不直接与左下柱76对齐。

在图12D，磁性金属板370、372延伸超过柱70、72、76、78。在图12E，磁性金属板370、372延伸仅在x方向超过柱70、72、76、78，而不是y方向。

初级绕组以顺时针方向缠绕在磁通接收柱72、74、76上，但是以逆时针方向缠绕在磁通发射柱70、78上。

在图12F，存在另外的中心柱73、75。初级绕组102对于所有五个磁通接收柱72-76以顺时针方向缠绕，而对于磁通发射柱70、78则以逆时针方向缠绕。次级绕组仅缠绕在磁通发射柱70、78上。利用这种特定的N走线方法，初级绕组102可以串联绕线在柱70、76、75、74、73、72、78上，以前述顺序或以其它顺序比如70、72、73、74、75、76、78。

将每个支柱串联连接，形成一个类似倒置字母“N”的绕线方法称为N走线。N走线能够使用多种类型的柱阵列，包括奇数或偶数个柱。

图13是变压器中的支柱布置的另一变型。在该变型中，中心柱由偏离精确中心位置的两个中心柱73、75代替。因为磁环路是对称的，所以通过这种偏置排列可以平衡磁通量。从磁通发射柱70、78到磁通接收柱72、73、75、76有八个磁通回路。初级绕组可以逆时针绕柱70，然后顺时针方向按顺序绕柱76、75、73、72，最后逆时针绕柱78。

替代实施例 发明人还考虑了若干个其他实施例。例如，可以将多于四个的金属层用于PCB，并且PCB可以有各种形状和变型。虽然已将晶体管和电容器显示为安装在PCB上，但它们可以在PCB内形成，也可以置于另一板或位置上。通过在PCB上集成晶体管和电容器，可以减少次级绕组与同步整流器之间连接处存在的交流损耗和漏感。虽然在图3中显示了每个次级绕组单个电容器42-48，但是可以并联使用多个电容器。同样，对于图3中的每个单个晶体管32-38，可以并联布置多个晶体管或二极管。

全部柱可以具有相同的大小(横截面积)，也可以具有不同的大小。在一个实施例中，磁通发射柱70、78的总面积等于磁通接收柱72、74、76的总面积，使得每个柱中的磁通密度大致相同。例如，每个柱70、78的面积可比任何柱72、74、76的面积大50％，或者磁通发射柱和磁通接收柱之间的面积比为3：2。而且，中心柱74可以大于角柱72、76。

中心柱74和柱72、76提供了三个来自磁通发射柱70的磁通路径。中心柱还提供了一个额外的热路径，并且还实现了有效的芯利用以填充方形芯的几何形状。因此，与只有四个角柱的情况相比，磁芯中的热传导和分布得到了改善。交流端接损耗和直流线损耗均降低了。总损耗可以减少10-20％。

此外，由于第五柱位于磁芯的中心区域，将来自磁通发射柱的磁通分为通往磁通接收柱的三个路径，因此磁芯中总共有六个回路。可以有效降低磁通密度和磁芯损耗。例如，在本发明的五个柱和仅四个角柱芯之间存在电感比较。尽管五个柱的总面积与四个角柱的总面积相同，但是由于五柱式磁芯中额外的中心磁路而获得了更高的电感，几乎是四柱式磁芯电感的1.3倍。实际上，使用五柱变压器降低了磁阻，并且实现了更均匀的磁通分布。

使第五柱位于磁芯的中心，变压器的绕组比可以是奇数或偶数比，以满足各种设计的初级侧和次级侧电压，而不会引起任何磁通量不平衡和饱和问题。

诸如17:1:1的奇数比,对于将400伏转换为12伏是有用的，而诸如16:1:1的偶数比，对于将380伏转换为12伏是有用的。确切的电压可能有所不同，例如408伏和384伏。可以通过常见的控制方法，例如转换器稳压器中的脉宽调制(PWM)或脉冲频率调制(PFM)，将反射电压校正为准确的值。

图14是变压器绕组匝数-输入电压表。图14显示了为各种匝数比生成12伏输出所需的输入电压。表格中显示了每个柱70-78的匝数。中心柱的绕组少于四个角柱，从而在变压器中产生更均匀的磁场分布和更快的散热能力。对于不同的输入电压、输出电压和支柱，可能会有其他变化。

由于有四个次级绕组52、54、56、58，输出电流能力增加了。由于次级电流分布在两对次级绕组上，因此可以减小电流密度和与热有关的故障。可以将高效率和高功率密度的电源转换器安装到小型设备中，例如用于电源砖(power bricks)和负载点(POL，point-of-load)应用。

尽管已经描述了圆柱形柱，但是这些柱可以有其他形状，例如六棱柱，也可以是不规则的。磁性金属板370、372的厚度可以增加以减少损耗。可以使用各种材料，例如柱70-78中以及磁性金属板370、372中的铁氧体磁芯或金属粉末芯。磁性金属板370、372可以有相同的形状，或者有不同的尺寸或形状。可以添加其他功能以更好地控制磁通量或减少磁芯损耗。磁性金属板370、372可以基本但不完全彼此平行，或者磁性金属板370、372可以彼此成一定角度地安装。磁性金属板370、372可以不是平坦或平面的，而是可以具有弯曲或曲面的形状或复杂的特征。然后，穿过磁性金属板370质心的等分平面可以与穿过磁性金属板372质心的等分平面基本平行。

可以以各种方式修改绕线顺序和次序，例如在其他柱处开始和结束。在各种布置中，可以添加多于两个的额外中心柱73、75。中心柱可以合并为一个更大的支柱。

初级绕组可以按N走线顺序布线。N走线方法串联连接每个柱，以形成“N”或倒置的“N”。不管有多少个柱，无论是偶数还是奇数的柱，都可以使用N走线序列来连接柱阵列。次级侧的绕组也可以在特定的磁通发射柱的不同层中具有多个匝。对于全波同步整流器，次级绕组可以并联布置，或者对于全桥整流器串联布置。全桥整流器只能使用三层PCB金属层，其中一层用于次级绕组，两层用于初级绕组，只有两个一匝的次级绕组52、56串联以产生17：2的比率或16：2的比例。串联次级绕组可通过四个二极管连接到桥式整流器，以实现高VOUT应用。次级绕组可以串联连接布置，或者每个次级绕组可以并联多于一匝。

晶体管上的源极和漏极可以颠倒，也可以随着电流方向的改变而改变。术语源极和漏极在本文中可互换使用，而不是较笨拙的术语源极/漏极。可以使用标准MOS晶体管，如p沟道或n沟道晶体管，或者可以替代为更特殊的晶体管如GaN器件。可以对晶体管和其他器件进行各种修改以用于高功率和高频用途。

电流可以是正电流或负电流，可以以任一方向流动。可以有其他分立或寄生器件或组件，例如寄生电感。可以添加其他器件，如晶体管或开关，以断开初级或次级绕组，或防止过载。可以将各种定时和工作模式的各种控制信号施加到晶体管或开关的栅极，以更好地控制图3的电力变换器电路的运行。

虽然已经显示了PCB上的图案化金属走线，但是这些只是示例并且是近似的，实际的金属图案可能不同。可以使用金属层中的更大间隙。

尽管术语磁通发射和磁通接收已被用来描述向上磁性金属板372发射或接收磁通的柱，但是磁通形成一个环，因此每个柱同时将磁通发射到一个磁性金属板370、372并从另一个磁性金属板370、372接收磁通。因此，术语“磁通发射”和“磁通接收”取决于该点或参考，可以通过参考下层的磁性金属板370互换，而不是磁性金属板372。初级绕组方向和次级绕组方向，顺时针或逆时针，根据右手握拳规则确定柱中磁通的方向。

上、下、顶部、底部、左、右、之上、之下这些术语是相对的，用于解释相对位置。本发明可以被旋转、翻转、倒置、镜像或以其他方式变换，并且这些术语也可以被变换用于新的方位。术语缠绕或缠绕的并不意味着物理缠绕，例如将电线缠绕在柱子周围，既指物理电线绕线在柱子上，也指围绕柱子以螺旋状形成的PCB金属走线。

电流可以是正电流或负电流，可以以任一方向流动。可能会有多个二阶和三阶电路效应而且可能非常重要，尤其是对于较小的器件尺寸。电路仿真可用于在设计过程中考虑这些次要因素。

在一些实施例中可以存在辅助绕组，并且一些实施例可以有更多组的绕组，或者具有不同的极性和配置。例如，本文所述的变压器有四层PCB结构用于绕组，其中可以灵活地调整匝数比，这可以通过扩展PCB层或通过增加每层的初级和次级螺旋匝数来实现。

可以使用不同的晶体管、电容器、电阻器和其他器件尺寸，并且可以使用各种布局布置，如多腿、环形、甜甜圈形或不规则形状的晶体管。可以添加额外的抽头、保护环、晶体管和其他组件。

可以添加更复杂的逻辑和控制树，例如添加禁用晶体管以禁止运行，如用于省电模式。可以将滤波器添加到各个节点，包括初级侧或次级侧，例如添加电容器、电阻器、电感器或电阻器、电容器和电感器的网络。可以添加漏电电阻器。可能存在寄生电容和电阻。可以添加迟滞以实现更复杂的波形整形。可以在阶段之间添加缓冲器，也可以添加更多阶段或虚拟阶段(dummy stages)。

本发明的背景部分可以包含关于本发明的问题或环境的背景信息，而不是由其他人描述现有技术。因此，在背景技术部分中包含的内容并不是申请人对现有技术的承认。

本文描述的任何方法或过程是机器实现的或计算机实现的，旨在由机器、计算机或其他设备执行，不旨在没有机器辅助的情况下仅由人执行。产生的有形结果可以包括在诸如计算机监视器、投影设备、音频生成设备和相关媒体设备之类的显示设备上的报告或其他机器生成的显示，可以包括也是机器生成的影印本打印输出。其他机器的计算机控制是另一个有形的结果。

所述的任何优点和益处可能不适用于本发明的所有实施例。当在权利要求要素中使用单词“手段(means)”时，申请人希望该权利要求要素归属于35USC Sect.112，第6段。通常，一个或多个单词的标签在单词“手段”之前。单词“手段”前面的单词是旨在便于参考权利要求元素的标签，并不意图表达结构上的限制。这种手段加功能的权利要求旨在不仅覆盖在此所述的用于执行该功能及其结构等同物的结构，而且覆盖等同的结构。例如，虽然钉子和螺钉具有不同的构造，但它们是等同的结构因为它们都具有紧固功能。不使用单词“手段”的权利要求并不旨在归属于35 USC Sect.112，第6段。信号通常是电子信号，但也可以是光信号，例如可以通过光纤线传送。

为了说明和描述的目的，前面已经呈现了本发明实施例的描述。这并不意味着穷举或将本发明限制到所披露的确切形式。鉴于上述教导，可能有多种修改和变型。本发明范围不受限于该详述，而是受限于所附加的权利要求。

Claims (20)

1.一种低磁芯损耗变压器，包括：

上磁性金属板；

平行于所述上磁性金属板的下磁性金属板；

由磁性金属制成的多个柱，所述多个柱位于所述上磁性金属板和所述下磁性金属板之间；

所述多个柱中的第一磁通发射柱，其位于第一角位置；

所述多个柱中的第一磁通接收柱，其位于第二角位置；

所述多个柱中的第二磁通发射柱，其位于第三角位置；

所述多个柱中的第二磁通接收柱，其位于第四角位置；

所述多个柱中的中心磁通接收柱，其位于中心位置；

其中所述中心位置位于所述第一角位置和所述第三角位置之间的直线的中间；

其中所述中心位置位于所述第二角位置和所述第四角位置之间的直线的中间；

初级绕组，其以顺时针方向缠绕每个磁通接收柱多次，以及以逆时针方向缠绕每个磁通发射柱多次；

第一次级绕组，其缠绕在所述第一磁通发射柱周围；

第三次级绕组，其缠绕在所述第二磁通发射柱周围。

2.根据权利要求1所述的低磁芯损耗变压器，还包括：

第二次级绕组，其绕所述第一磁通发射柱一圈；

第四次级绕组，其绕所述第二磁通发射柱一圈；

其中所述第一和第三次级绕组分别绕一匝；

印刷电路板PCB，其金属层被图案化以形成金属走线，所述PCB上的所述金属走线形成所述初级绕组；

其中所述PCB位于所述上磁性金属板和所述下磁性金属板之间；

其中所述多个柱穿过所述PCB中的孔安装。

3.根据权利要求2所述的低磁芯损耗变压器，其中所述PCB正好有四个金属层，其中所述初级绕组布置在所述四个金属层中的两个金属层上，其中所述第一次级绕组和第三次级绕组形成在所述四个金属层的第一层上，其中所述第二次级绕组和第四次级绕组形成在所述四个金属层的第四层上，

其中，所述第一金属层和第四金属层位于PCB的表面附近，而所述初级绕组布置在所述四个金属层中的两个金属层上，所述两个金属层是所述第一金属层和第四金属层之间的内部金属层。

4.根据权利要求3所述的低磁芯损耗变压器，其中所述第一、第二、第三、第四次级绕组分别不完全缠绕在磁通发射柱的周围，其中在所述第一、第二、第三、第四次级绕组中的每一个上均形成有切口，所述切口有一个与所述次级绕组通过第一间隙和第二间隙分开的切口金属节点；对于所述第一、第二、第三和第四次级绕组中的每一个还包括：

晶体管，安装成跨过所述第一间隙耦接；

电容器，安装成跨过所述第二间隙耦接；

其中，当所述变压器将电流感生到所述次级绕组中时，所述晶体管和电容器是同步整流器的一部分。

5.根据权利要求2所述的低磁芯损耗变压器，其中所述第一、第二、第三和第四角位置形成一个平行四边形，所述中心位置位于所述平行四边形的中心。

6.根据权利要求5所述的低磁芯损耗变压器，其中所述上磁性金属板和下磁性金属板延伸超过所述第一、第二、第三和第四角位置。

7.根据权利要求2所述的低磁芯损耗变压器，其中每个磁通发射柱的截面积比每个磁通接收柱的截面积大至少50％。

8.根据权利要求2所述的低磁芯损耗变压器，其中所述初级绕组依次缠绕在所述第二磁通接收柱周围，然后在所述第一磁通发射柱周围，然后在所述中心磁通接收柱周围，然后在所述第二磁通发射柱周围，最后在所述第一个磁通接收柱周围。

9.根据权利要求2所述的低磁芯损耗变压器，其中所述初级绕组缠绕所述第一磁通发射柱周围四匝，绕所述第二磁通发射柱四匝，绕所述第一磁通接收柱三匝，绕所述第二磁通接收柱三匝，绕所述中心绕磁通接收柱三匝；其中所述初级绕组共有十七匝，每个次级绕组仅一匝，匝数比为17：1。

10.根据权利要求2所述的低磁芯损耗变压器，其中所述初级绕组缠绕所述第一磁通发射柱周围四匝，绕所述第二磁通发射柱四匝，绕所述第一磁通接收柱三匝，绕所述第二个磁通接收柱三匝，绕所述中心磁通接收柱两匝，其中所述初级绕组共十六匝，每个次级绕组仅一匝，匝数比为16：1。

11.一种低磁芯损耗五柱式磁芯，包括：

顶部磁性金属板，用于传导磁通；

底部磁性金属板，用于传导磁通；

左上磁性金属柱，用于将磁通从所述底部磁性金属板传导到所述顶部磁性金属板中；

右上磁性金属柱，用于将磁通从所述顶部磁性金属板传导到所述底部磁性金属板中；

中心磁性金属柱，用于将磁通从所述顶部磁性金属板传导到所述底部磁性金属板中；

左下磁性金属柱，用于将磁通从所述顶部磁性金属板传导到所述底部磁性金属板中；

右下磁性金属柱，用于将磁通从所述底部磁性金属板传导到所述顶部磁性金属板中；

其中所述中心磁性金属柱位于所述顶部和底部磁性金属板之间，并且位于所述左上磁性金属柱、所述右上磁性金属柱、所述左下磁性金属柱、所述右下磁性金属柱之间的一个中心位置上；

其中从所述中心磁性金属柱到所述左上磁性金属柱、所述右上磁性金属柱、所述左下磁性金属柱、和所述右下磁性金属柱的平均距离小于所述左上磁性金属柱、所述右上磁性金属柱、所述左下磁性金属柱和所述右下磁性金属柱的相邻磁性金属柱之间的平均距离；

初级绕组，其绕每个所述左上磁性金属柱、所述右上磁性金属柱、所述左下磁性金属柱、所述右下磁性金属柱和所述中心磁性金属柱多匝，所述初级绕组在初级输入和初级输出之间串联连接所述多匝，并传输一个在所述左上磁性金属柱、所述右上磁性金属柱、所述左下磁性金属柱、所述右下磁性金属柱和所述中心磁性金属柱上产生磁通的初级电流；

第一次级绕组，其缠绕在所述左上磁性金属柱周围；

第三次级绕组，其缠绕在所述右下磁性金属柱周围，其中第一次级电流和第三次级电流由在所述左上磁性金属柱和所述右下磁性金属柱中的磁通同时感生的；

第二次级绕组，其缠绕在所述左上磁性金属柱周围；和

第四次级绕组，其缠绕在所述右下磁性金属柱周围，其中第二次级电流和第四次级电流是由在所述左上磁性金属柱和所述右下磁性金属柱中的磁通同时感生的。

12.根据权利要求11所述的低磁芯损耗五柱式磁芯，其中，当从所述顶部磁性金属板观察时，所述初级绕组以顺时针方向缠绕在每个所述中心磁性金属柱、所述右上磁性金属柱、和所述左下磁性金属柱周围；

其中，当从所述顶部磁性金属板观看时，所述初级绕组以逆时针方向缠绕在每个所述左上磁性金属柱和所述右下磁性金属柱周围。

13.根据权利要求12所述的低磁芯损耗五柱式磁芯，还包括：

印刷电路板PCB，其布置在所述上磁性金属板、下磁性金属板之间，并缠绕在所述左上磁性金属柱、所述右上磁性金属柱、所述左下磁性金属柱、所述右下磁性金属柱、以及所述中心磁性金属柱周围，所述PCB具有金属走线以形成所述初级绕组，并形成所述第一、第二、第三和第四次级绕组。

14.根据权利要求13所述的低磁芯损耗五柱式磁芯，还包括：

晶体管和电容器，其安装在PCB上并连接到所述第一、第二、第三和第四次级绕组，其中所述晶体管和电容器对所述第一、第二、第三和第四次级电流进行整流。

15.根据权利要求14所述的低磁芯损耗五柱式磁芯，其中所述初级绕组依次缠绕所述左下磁性金属柱、所述左上磁性金属柱、所述中心磁性金属柱、所述右下磁性金属柱、和所述右上磁性金属柱。

16.根据权利要求14所述的低磁芯损耗五柱式磁芯，其中所述初级绕组依次绕所述左下磁性金属柱三匝，绕所述左上磁性金属柱四匝，绕所述中心磁性金属柱两或三匝，绕所述右下磁性金属柱四匝，绕所述右上磁性金属柱三匝；

其中，当绕所述中心磁性金属柱三匝时，所述初级绕组形成总共十七匝；

其中，当绕所述中心磁性金属柱两匝时，所述初级绕组形成总共十六匝；

其中，所述第一、第二、第三和第四次级绕组各自包括不超过一匝。

17.一种多中心低磁芯损耗变压器，包括：

多个中心柱，其位于中心位置附近，所述多个中心柱包括第一中心柱和第二中心柱；

四个角柱，其围绕所述多个中心柱而布置；

其中，所述第一中心柱和所述第二中心柱比所述四个角柱更靠近所述中心位置；

在所述四个角柱和所述多个中心柱的上方和下方的顶部磁性金属板和底部磁性金属板，并连接到所述四个角柱和所述多个中心柱；

第一次级绕组，其绕所述四个角柱中的第一角柱一匝；

第二次级绕组，其绕所述第一角柱一匝；

第三次级绕组，其绕所述四个角柱中的第三角柱一匝；

第四次级绕组，其绕所述第三角柱一匝；

其中，所述四个角柱中的所述第三角柱与所述第一角柱相对，所述第三角柱比所述第一角柱更靠近所述中心位置，更靠近所述四个角柱中的第二角柱，更靠近所述四个角柱中的第四角柱；

初级绕组，其缠绕所述四个角柱中的所述第一、第二、第三和第四角柱多次，并缠绕所述第一和第二中心柱多次。

18.根据权利要求17所述的多中心低磁芯损耗变压器，其中所述初级绕组以逆时针方向缠绕所述第一角柱多次，然后以顺时针方向缠绕所述第四角柱多次，然后以顺时针方向缠绕所述第一中心柱多次，然后以顺时针方向缠绕所述第二中心柱多次，然后以顺时针方向缠绕所述第二角柱多次，然后以逆时针方向缠绕所述第三角柱多次。

19.根据权利要求18所述的多中心低磁芯损耗变压器，还包括：

印刷电路板PCB，其位于所述顶部磁性金属板和所述底部磁性金属板之间；

PCB中图案化金属走线形成所述初级绕组的两个图案金属层；

PCB上图案化金属走线形成所述第一、第二、第三和第四次级绕组的两个表面金属层。

20.根据权利要求19所述的多中心低磁芯损耗变压器，还包括：

为每个所述第一、第二、第三和第四次级绕组置于所述PCB上的电容器和晶体管，所述电容器连接到每个所述次级绕组的尾端，所述晶体管连接到每个所述次级绕组的头端，其中所述电容器和所述晶体管的没有连接到所述次级绕组的相对端连接在一起作为次级侧接地节点。

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