CN112992493A - 一种交叉绕组平面变压器结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种交叉绕组平面变压器结构，其由至少四层结构的PCB板、一次侧绕组及二次侧绕组组成；各层所述PCB板上均具有第一端口、第二端口、第三端口、第四端口及转换孔，其中，所述第一端口、所述第二端口、所述第四端口及所述第三端口沿矩形的四个顶点逆时针布置，所述转换孔布置于所述第一端口与所述第二端口间。本发明的有益效果在于：1，降低单层绕组电流密度，减小绕组损耗；2，减小边缘磁通、漏磁通造成的损耗；3，提升EMI表现。

Description

一种交叉绕组平面变压器结构
技术领域
本发明涉及一种交叉绕组平面变压器结构。
背景技术
随着开关电源朝着模块化、小型化、功率密度越来越高的方向发展，减小体积、提高电流密度成为了必要的改革途径。传统开关电源使用的绕线式变压器由于漆包线、绕线薄柄、大窗口面积的磁芯，严重制约了小型化的发展，其次，传统变压器多采用多股漆包线并绕、浸漆、烘烤等制程造成产品一致性差等问题，大大阻碍了量产进程。
平面变压器使用铜箔代替漆包线，利用玻璃树脂纤维以及粘合剂充当绝缘材料，选用高度与体积比极优的平面磁芯，大大减小了变压器的体积，成熟的PCB制板工艺解决了产品一致性问题，并使得电流密度在成倍提高的同时极小甚至不再受到集肤效应的影响。
此外，高频平面变压器还具有传统变压器不具备的优势：绕组结构相对固定，与磁芯耦合度较高，漏感小；叠层材质参数稳定，变压器寄生参数可控且调整手段多样。
平面变压器磁芯往往需要开气隙，由于气隙处漏磁通与边缘磁通大，造成涡流损耗大，气隙处发热严重。
发明内容
本发明要解决现有技术中平面变压器磁芯往的气隙处发热严重的问题，提供一种新型的开关电源中的平面变压器结构。
为了实现这一目的，本发明的技术方案如下：一种交叉绕组平面变压器结构，其由至少四层结构的PCB板、一次侧绕组及二次侧绕组组成；各层所述PCB板上均具有第一端口、第二端口、第三端口、第四端口及转换孔，其中，所述第一端口、所述第二端口、所述第四端口及所述第三端口沿矩形的四个顶点逆时针布置，所述转换孔布置于所述第一端口与所述第二端口间；
第一层PCB板，其上具有所述一次侧绕组的部分匝，所述一次侧绕组的部分匝沿顺时针方向自所述第一端口始围绕中心渐进式绕至所述转换孔，所述第一端口及所述第二端口为所述一次侧绕组与外电路的连接端口，所述转换孔为所述一次侧绕组的串联转接过孔；
第二层PCB板，其上具有所述二次侧绕组的部分匝，所述二次侧绕组的部分匝沿逆时针方向自所述第三端口始围绕中心渐进式绕至所述第四端口，所述第三端口及所述第四端口为所述二次侧绕组与外电路的连接端口；
第三层PCB板，其上具有所述一次侧绕组的另部分匝，所述一次侧绕组的另部分匝沿顺时针方向自所述转换孔始围绕中心渐进式绕至所述第二端口，所述第一端口及所述第二端口为所述一次侧绕组与外电路的连接端口，所述转换孔为所述一次侧绕组的串联转接过孔；以及，
第四层PCB板，其上具有所述二次侧绕组的另部分匝，所述二次侧绕组的另部分匝沿逆时针方向自所述第三端口始围绕中心渐进式绕至所述第四端口，所述第三端口及所述第四端口为所述二次侧绕组与外界电路的连接端口。
作为一种交叉绕组平面变压器结构的优选方案，所述一次侧绕组的部分匝的匝宽沿顺时针方向逐渐变宽、逐渐变细或不变。
作为一种交叉绕组平面变压器结构的优选方案，所述一次侧绕组的另部分匝的匝宽沿顺时针方向逐渐变宽、逐渐变细或不变。
作为一种交叉绕组平面变压器结构的优选方案，所述二次侧绕组的部分匝的匝宽沿逆时针方向逐渐变宽、逐渐变细或不变。
作为一种交叉绕组平面变压器结构的优选方案，所述二次侧绕组的另部分匝的匝宽沿逆时针方向逐渐变宽、逐渐变细或不变。
与现有技术相比，本发明的有益效果至少在于：采用原副边交叉绕组设计，并采用多层绕组并联，降低原副边绕组间场强H，减小单匝绕组平均电流有效降低边缘磁通对绕组损耗的占比。另外，大电流绕组于远离磁芯中心柱换层并联，进一步较小边缘漏磁通的涡流损耗。提升平面变压器的综合表现。
除了上面所描述的本发明解决的技术问题、构成技术方案的技术特征以及由这些技术方案的技术特征所带来的有益效果之外，本发明所能解决的其他技术问题、技术方案中包含的其他技术特征以及这些技术特征带来的有益效果，将连接附图作出进一步详细的说明。
附图说明
图1是本发明一实施例中第一层的结构示意图。
图2是本发明一实施例中第二层的结构示意图。
图3是本发明一实施例中第三层的结构示意图。
图4是本发明一实施例中第四层的结构示意图。图5是本发明一实施例的外形轮廓图。
具体实施方式
下面通过具体的实施方式连接附图对本发明作进一步详细说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
请参见图1，图中示出的是一种交叉绕组平面变压器结构。
原边绕组其特征在于平面变压器一次侧前2匝如图1所示：
该平面变压器包含原边绕组，平面磁芯、副边绕组。其中绕组采用原边-副边-原边-副边交叉耦合，原副边绕组在垂直投影上完全重合。现以原边2匝副边1匝为例，即图一中2T/1T所示：该平面变压器为8层结构，其中在TOP层，一次侧绕组前1匝由端口1开始顺时针围绕中心柱渐进式接入转换孔，铺满整个平面。端口1与端口2为一次侧绕组与外电路连接端口。转换孔为一次侧绕组串联转接过孔。其中，每匝绕组宽度相同，各端口与绕组距离、各匝绕组间距、转换孔与绕组间距需按照绝缘耐压要求留出，具体间隔可参考安规。转换孔与端口均为镀铜通孔。本案例只给绘制了4个圆形通孔作为转换孔结构，也可以使用他形状过孔,或者多个通孔错落放置，即保证载流能力与安全距离即可。
副边绕组其特征在于平面变压器二次侧前2匝绕组如图2所示：
平面变压器二次侧绕组绕行方式如图2所示：包含端口3与端口4为二次侧绕组。二次侧绕组由端口3开始逆时针围绕中心柱接入端口4，铺满整个平面。端口3与端口4为二次侧绕组与外电路连接端口。其中，绕组宽度均匀，各端口与绕组距离、各匝绕组间距、转换孔与绕组间距需按照绝缘耐压要求留出，具体间隔可参考安规。
原边绕组其特征在于平面变压器一次侧后1匝如图3所示：
一次侧绕组后1匝由转换孔开始顺时针围绕中心柱渐进式接入端口2，铺满整个平面。转换孔为一次侧绕组串联转接过孔。其中，每匝绕组宽度相同，各端口与绕组距离、各匝绕组间距、转换孔与绕组间距需按照绝缘耐压要求留出，具体间隔可参考安规。转换孔与端口均为镀铜通孔。至此，原边一次侧共2匝绕组完成串联。在本案例中一次侧绕组宽度均相同，绕组宽度不同或者沿绕行方向渐宽或者渐细亦可，本例不再列出。
副边绕组其特征在于平面变压器二次侧后1匝绕组如图4所示：
平面变压器二次侧绕组绕行方式如图2所示：包含端口3与端口4为二次侧绕组。二次侧绕组由端口3开始逆时针围绕中心柱接入端口4，铺满整个平面。端口3与端口4为二次侧绕组与外电路连接端口。其中，绕组宽度均匀，各端口与绕组距离、各匝绕组间距、转换孔与绕组间距需按照绝缘耐压要求留出，具体间隔可参考安规。
后四层（即5-8层）绕组结构与与前述4层完全一致，所有绕组在铅直面投影完全重合，每一层绕组中间间距完全相同。采用完全交错结构，保证了并联层绕组能够处在完全相同的磁环境中，确保均流。
本发明以2T/1T（T为turns的首字母，即匝数）匝绕组为例详细列些了设计，对于NT/1T匝绕组的设计，可通过类似于原边串接方案，在端口1与端口2之间多次使用转换孔，保证每一层转换孔的绝缘距离，理论上只要窗口面积足够大，可完成任意匝数的串接换层。
同样的，对于NT/NT的变压器，亦可利用上述方式进行耦合。将转换孔全部安置在一次侧端口间或者二次侧端口间，实现在磁芯中心柱的位置外串接换层，有效减小由于磁芯中心柱气隙造成的EMI与损耗问题。
图5示例了本发明的外形轮廓图，其中rout字样为挖空区域，用于装载平面变压器中心柱。PSPS字样表示原边副边绕组交叉耦合。具体设计中可不标示任何字样。
以上仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但且不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (5)

1.一种交叉绕组平面变压器结构，其特征在于，其由至少四层结构的PCB板、一次侧绕组及二次侧绕组组成；各层所述PCB板上均具有第一端口、第二端口、第三端口、第四端口及转换孔，其中，所述第一端口、所述第二端口、所述第四端口及所述第三端口沿矩形的四个顶点逆时针布置，所述转换孔布置于所述第一端口与所述第二端口间；
第一层PCB板，其上具有所述一次侧绕组的部分匝，所述一次侧绕组的部分匝沿顺时针方向自所述第一端口始围绕中心渐进式绕至所述转换孔，所述第一端口及所述第二端口为所述一次侧绕组与外电路的连接端口，所述转换孔为所述一次侧绕组的串联转接过孔；
第二层PCB板，其上具有所述二次侧绕组的部分匝，所述二次侧绕组的部分匝沿逆时针方向自所述第三端口始围绕中心渐进式绕至所述第四端口，所述第三端口及所述第四端口为所述二次侧绕组与外电路的连接端口；
第三层PCB板，其上具有所述一次侧绕组的另部分匝，所述一次侧绕组的另部分匝沿顺时针方向自所述转换孔始围绕中心渐进式绕至所述第二端口，所述第一端口及所述第二端口为所述一次侧绕组与外电路的连接端口，所述转换孔为所述一次侧绕组的串联转接过孔；以及，
第四层PCB板，其上具有所述二次侧绕组的另部分匝，所述二次侧绕组的另部分匝沿逆时针方向自所述第三端口始围绕中心渐进式绕至所述第四端口，所述第三端口及所述第四端口为所述二次侧绕组与外界电路的连接端口。
2.根据权利要求1所述的一种交叉绕组平面变压器结构，其特征在于，所述一次侧绕组的部分匝的匝宽沿顺时针方向逐渐变宽、逐渐变细或不变。
3.根据权利要求1所述的一种交叉绕组平面变压器结构，其特征在于，所述一次侧绕组的另部分匝的匝宽沿顺时针方向逐渐变宽、逐渐变细或不变。
4.根据权利要求1所述的一种交叉绕组平面变压器结构，其特征在于，所述二次侧绕组的部分匝的匝宽沿逆时针方向逐渐变宽、逐渐变细或不变。
5.根据权利要求1所述的一种交叉绕组平面变压器结构，其特征在于，所述二次侧绕组的另部分匝的匝宽沿逆时针方向逐渐变宽、逐渐变细或不变。
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