CN112562983A - 一种基于非整数匝绕组设计的pcb板平面型变压器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于非整数匝绕组设计的PCB板平面型变压器，属于功率变换器变压器结构领域；发明采用的优化设计包括下列组成部分:2层奇数匝设计的原边绕组，2层非整数匝设计的副边绕组以及顶面磁芯和底面磁芯；所述奇数匝设计的原边绕组设置在2层非整数匝设计的副边绕组之间，2层副边绕组位于顶面磁芯和底面磁芯之间。本发明可以在不增加等效总匝数的条件下实现变比控制。

Description

一种基于非整数匝绕组设计的PCB板平面型变压器
技术领域
本发明属于功率变换器变压器结构领域。
背景技术
变压器作为功率变换器中必不可少的一部分，承担着功率传输和电气隔离的作用。随着功率变换器的快速发展，高频化高效率高功率密度成为了趋势，变压器作为磁性元件的一种，在整个变换器***占据着较大体积和重量，其损耗也在总损耗中占有较高比例。
国内外对变压器优化设计进行了大量研究，从传统变压器改进至平面变压器，大大减小了变压器的体积和绕组匝数。但随着5G技术，通讯设备以及服务器的迅速发展，对低压大电流电源的需求日益提升，大量学者引入矩阵变压器原理，增加磁芯和副边绕组输出并联支路数以输出大电流，但代价是增加了副边匝数。因此对目前的大电流输出方案进行改进是一种必然趋势。
发明内容
发明目的：为了解决上述背景技术中存在的问题，本发明提供了一种基于非整数匝绕组设计的PCB板平面型变压器。
技术方案：本发明提供了一种基于非整数匝绕组设计的PCB板平面型变压器，包括顶面磁芯和底面磁芯，所述底面磁芯的中心处设有磁中心柱，磁中心柱的周围设有n个磁边柱，n为正整数；所述顶面磁芯和底面磁芯之间设有绕着磁中心柱绕制的第一～第四层绕组，第一、四层绕组均为副边绕组，第二、三层绕组均为原边绕组；当原边绕组通电时，所述两层副边绕组分别工作半个周期；所述两层副边绕组结构相同，均包括n段长度为1/n*L的绕组，L为一匝绕组的长度，将该n段绕组均绕着磁中心柱进行绕制，且一段绕组对应一个磁边柱；将该n段绕组中每段电压高的一端全部并联后作为正输出端，电压低的一端全部并联后作为负输出端，从而将该n段绕组等效成一匝绕组；所述第二层原边绕组的匝数和第三层原边绕组的匝数之和为m，且m为奇数，则变压器的变比为m:1/n。
进一步的，所述每层原边绕组上设有
Figure BDA0002747657220000011
匝线圈，具体绕制方法为：先在一层原边绕组上沿着磁中心柱由外向内绕制
Figure BDA0002747657220000012
匝线圈，并将绕制的最后1匝线圈通过过孔绕到另外一层原边绕组上，且绕制在另外一层原边绕组的最内圈，两层原边绕组最内圈的绕组并联，从而等效为一匝绕组。
进一步的，所述顶面磁芯和底面磁芯为方形，圆形或多边形。
有益效果：本发明减小了绕组匝数，可灵活控制变比，提高变换器的整体功率密度，且本发明在保持副边等效匝数一匝不变的情况下，实现了非整数匝绕组并联输出大电流以满足通讯等现代电子设备的需要。同时本发明原边绕组和副边绕组都具有良好的对称性，为仿真参数设计带来了便利。本发明将副边绕组设置在外层，方便副边绕组外接元器件。
附图说明
图1为本发明的整体结构图；
图2为本发明的原边绕组为3匝时两层原边绕组的绕制图；
图3为原边绕组为3匝时的原边绕组等效电路图；
图4为副边非整数匝绕组和磁芯结构的俯视图；
图5为底面磁芯结构图；其中(a)为底面磁芯为圆形时的底面磁芯结构图，(b)为底面磁芯为多边形时的底面磁芯结构图。
具体实施方式
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
如图1所示，本实施例提供一种基于非整数匝绕组设计的PCB板平面型变压器，该变压器由由下列部分组成：1)原边奇数匝绕组；2)副边非整数匝绕组；3)顶面磁芯和底面磁芯。所述底面磁芯的中心处设有磁中心柱，磁中心柱的周围设有n个磁边柱，n为正整数；所述顶面磁芯和底面磁芯之间设有绕着磁中绕制第一～第四层绕组，第一、四层绕组均为副边绕组，第二、三层均为原边绕组；当原边绕组通电时，所述两层副边绕组分别工作半个周期；所述两层副边绕组结构相同，均包括n段长度为1/n*L的绕组，L为一匝绕组的长度，将该n段绕组绕着磁中心柱进行绕制，且一段绕组对应一个磁边柱，并将该n段绕组中每段电压高的一端全部并联后作为正输出端，电压低的一端全部并联后作为负输出端，从而将该n段绕组等效成1匝绕组；所述第二原边绕组的个数和第三层为原边绕组个数之和为m，则变压器爱的变比为m:1/n，且m为奇数。本实施列适用于用于电气设备中大电流输出功率变换器的4层PCB板平面型变压器。
优选的，所述每层原边绕组上设有
Figure BDA0002747657220000031
匝线圈，具体绕制方法为：先在一层原边绕组内而外的绕制
Figure BDA0002747657220000032
匝线圈，并将绕制的最后一匝线圈通过过孔绕到另外一层原边绕组上，且绕制在另外一层的原边绕组的最内圈，两层原边绕组最内圈的绕组并联，从而等效为1匝绕组。
优选的，所述顶面磁芯和底面磁芯为方形，圆形或多边形。
以m＝3,n＝2为例本实施例的详细设计步骤如下：
按照图2绕制原边绕组。4层PCB板的中间2层为原边绕组，中间第一层按照图示方向由外向内先绕制1匝，然后按照图中的点将另外一匝进行过孔，至中间第2层，与第二层内圈对应连通，形成中间2层内圈绕组并联的结构；接着将第二层由内向外绕制，则原边奇数匝绕组结构设计完成，该原边奇数匝绕组的等效电路图如图3所示。中间内圈绕组由于并联，实现电流均流，使得该2圈绕组等效成一圈绕组的同时，也保证了整体的对称性，即实现上下层的磁势均匀分布。
按照图4绕制副边绕组。4层PCB板的第一层和第四层为副边绕组，构成中心插头式结构，实现副边的全波整流。两个副边绕组结构相同，将1匝线圈等分成2匝，该两匝分别绕着磁中心柱绕制，2个Vo点是同一节点，2个地也是同一参考点，2个半匝线圈并联输出。当原边通电流时，副边感应的感应电流方向和绕成一匝时的电流流向是一致的，半匝线圈感应出的磁场方向也是和绕成一匝时的磁场方向一致；两层副边绕组连接整流管，使得该两层副边绕组分别工作半个周期。本实施将副边绕组设置在外层，原边绕组设置在内层，使得副边绕组更加方便的外接元器件。
磁芯的设计根据非整数匝副边绕组决定，2个半匝则有2个磁边柱和一个磁中心柱，1/n匝则有n个磁边柱和一个磁中心柱。如图5中的(a)，(b)所示底面磁芯还可以为多边形结构和圆形结构。其中，多边形结构成本较低，而圆形结构设计更加灵活，窗口利用率高，成本较高。
上面结合附图对本发明的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 (3)

1.一种基于非整数匝绕组设计的PCB板平面型变压器，其特征在于，包括顶面磁芯和底面磁芯，所述底面磁芯的中心处设有磁中心柱，磁中心柱的周围设有n个磁边柱，n为正整数；所述顶面磁芯和底面磁芯之间设有绕着磁中心柱绕制的第一～第四层绕组，第一、四层绕组均为副边绕组，第二、三层绕组均为原边绕组；当原边绕组通电时，所述两层副边绕组分别工作半个周期；所述两层副边绕组结构相同，均包括n段长度为1/n*L的绕组，L为一匝绕组的长度，将该n段绕组均绕着磁中心柱进行绕制，且一段绕组对应一个磁边柱，将该n段绕组中每段电压高的一端全部并联后作为正输出端，电压低的一端全部并联后作为负输出端，从而将该n段绕组等效成一匝绕组；所述第二层原边绕组的匝数和第三层原边绕组的匝数之和为m，且m为奇数，则变压器的变比为m:1/n。
2.根据权利要求1所述的一种基于非整数匝绕组设计的PCB板平面型变压器，其特征在于，所述每层原边绕组上设有
Figure FDA0002747657210000011
匝线圈，具体绕制方法为：先在一层原边绕组上沿着磁中心柱由外向内绕制
Figure FDA0002747657210000012
匝线圈，并将绕制的最后1匝线圈通过过孔绕到另外一层原边绕组上，且绕制在另外一层原边绕组的最内圈，两层原边绕组最内圈的绕组并联，从而等效为一匝绕组。
3.根据权利要求1所述的一种基于非整数匝绕组设计的PCB板平面型变压器，其特征在于，所述顶面磁芯和底面磁芯为方形，圆形或多边形。
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