CN115223782A - 一种分数匝平面变压器及变换器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种分数匝平面变压器及变换器，第一表面上相邻两段副边绕组之间和第二表面上相邻两段副边绕组之间均设置有电路结构，每个电路结构包括同步整流管和电容，同步整流管的源极与电容的接地端连接；第一表面与第二表面上背对的电路结构中的两个电容的正电位端连接；在第一表面上，同步整流管的漏极与相邻的一段副边绕组的同名端连接，电容的正电位端与相邻的另一段副边绕组的异名端连接；在第二表面上，同步整流管的漏极与相邻的一段副边绕组的异名端连接，电容的正电位端与相邻的另一段副边绕组的同名端连接。本发明目的在于减小平面变压器的损耗和体积，获得更高的效率和功率密度。

Description

一种分数匝平面变压器及变换器
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种分数匝平面变压器及变换器。
背景技术
随着航空航天、信息技术和电动汽车等产业的不断发展，应用领域对电力电子变换器在效率、功率密度和电流能力等方面提出了更高的要求。近年来，伴随着宽禁带器件和软开关技术的应用，开关频率被推高到MHz，该频率下变压器损耗和体积较大的问题日益突出，严重制约了功率变换器的效率和功率密度，成为变换器小型化和高效化的瓶颈。
基于PCB绕组的平面变压器具有高集成度、一致性好、易于实现绕组交错等优势而得到广泛的研究和应用，可以实现更高的功率密度。然而在MHz频率下高效率地处理大电流依然具有非常大的挑战性，这是因为随着频率的不断提高，涡流效应更加显著，从而引起损耗的增加。为了减小涡流效应带来的不利影响，需要采用更薄的导体，同时为了满足大电流的要求，就需要更多绕组的并联。在高频下进行PCB绕组的并联存在绕组并联不均流问题、端部损耗大等问题，增加了平面变压器设计的复杂性，并制约了效率的提高。
平面矩阵变压器方案可以有效解决绕组端部损耗大等问题，有利于提高效率，但是其绕组损耗依然占主导，绕组损耗的进一步减小还存在很大的困难和挑战，且矩阵变压器不易实现奇数匝变比的结构，限制了其应用的范围和灵活性。近年来，分数匝平面变压器开始得到关注，分数匝平面变压器具有降低绕组损耗的潜力，然而由于现有分数匝变压器结构的集成度不高，和矩阵平面变压器相比在效率和功率密度方面还存在一定的差距。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种分数匝平面变压器及变换器，其目的在于减小平面变压器的损耗和体积，获得更高的效率和功率密度。
为了解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案予以实现：
一种分数匝平面变压器，包括PCB板和磁芯，所述磁芯包括磁芯中柱和围绕所述磁芯中柱的磁芯边柱，所述磁芯中柱和所述磁芯边柱均贯穿所述PCB板，所述磁芯中柱和所述磁芯边柱之间形成用于绘制绕组的绘制空间；
所述绕组包括绘制在所述PCB板内部的若干层原边绕组以及绘制在所述PCB板第一表面和第二表面上的N段副边绕组，N为不小于2的自然数，所述第一表面上的N段副边绕组与第二表面上的N段副边绕组对称绘制，且所述第一表面上的N段副边绕组和第二表面上的N段副边绕组均围绕所述磁芯中柱周向均匀分布；
所述第一表面上相邻两段副边绕组之间和第二表面上相邻两段副边绕组之间均设置有电路结构，每个所述电路结构包括同步整流管和电容，所述同步整流管的源极与所述电容的接地端连接；所述第一表面与所述第二表面上背对的电路结构中的两个所述电容的正电位端连接；在所述第一表面上，所述同步整流管的漏极与相邻的一段副边绕组的同名端连接，所述电容的正电位端与相邻的另一段副边绕组的异名端连接；在所述第二表面上，所述同步整流管的漏极与相邻的一段副边绕组的异名端连接，所述电容的正电位端与相邻的另一段副边绕组的同名端连接。
进一步地，所述磁芯边柱上与所述电路结构相对的位置均开设有线路引出口。
进一步地，所述同步整流管和所述电容采用贴片焊接的方式固定在所述PCB板上。
进一步地，所述第一表面与所述第二表面上背对电路结构中的两个所述电容的正电位端通过过孔连接。
进一步地，相邻两层所述原边绕组以及所述原边绕组与副边绕组之间均设置有绝缘介质层。
进一步地，所述同步整流管的源极与所述电容的接地端连接后接地。
进一步地，所述原边绕组连接有LLC谐振电路。
一种变换器，包括所述的一种分数匝平面变压器。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明提供的一种分数匝平面变压器，该分数匝平面变压器结构将同步整流管、输出电容集成到磁件中，通过集成对称结构的设计，副边绕组中的高频电流将围绕磁芯中柱的最短路径流通，且各路输出电流具有很好的均流特性，因而能够大幅度减小绕组损耗和端部损耗，同时拥有更高的集成度。相比于矩阵变压器，该分数匝变压器结构可以方便地设计成任意分数匝绕组，能够实现奇数匝变比，具有更宽的应用范围；同时由于分数匝变压器的副边绕组面积更小，有利于减小变压器的寄生电容，进而降低EMI噪声。该分数匝变压器结构使用在电力电子变换器中，能够进一步降低变换器的损耗和体积，从而有利于同时获得更高的效率和功率密度，满足应用领域对于处理大电流和节能环保的需求。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式中的技术方案，下面将对具体实施方式描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提出的分数匝平面变压器集成结构示意图；
图2为本发明提出的分数匝平面变压器在四层PCB中的具体布局方案，其中，(a)为PCB第一表面副边绕组和器件布局，(b)为PCB中间层1原边绕组布局，(c)为PCB中间层2原边绕组布局，(d)为PCB第二表面副边绕组和器件布局；
图3为本发明提出的分数匝平面变压器正半周期的等效电路和集成结构示意图，其中，(a)为该工作状态下等效电路原理图，(b)为PCB第一表面电流流动方向示意图，(c)表示PCB第二表面副边绕组没有电流流过；
图4为本发明提出的分数匝平面变压器负半周期的等效电路和集成结构示意图，其中，(a)为该工作状态下等效电路原理图，(b)表示PCB第一表面副边绕组没有电流流过，(c)为PCB第二表面电流流动方向示意图；
图5为本发明提出的分数匝平面变压器磁通密度B(t)和输出电压的关系；
图6为不同匝数的分数匝平面变压器的示意图；
图7为满载时的原副边开关管漏源电压和谐振电流波形。
图中：1-PCB板；201-磁芯中柱；202-磁芯边柱；3-副边绕组；4-原边绕组；5-同步整流管；6-电容；7-线路引出口。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
作为本发明的某一具体实施方式，结合图1和图2所示，一种分数匝平面变压器，包括PCB板1和磁芯，磁芯包括磁芯中柱201和围绕磁芯中柱201的磁芯边柱202，磁芯中柱201和磁芯边柱202均贯穿PCB板1，磁芯中柱201和磁芯边柱202之间形成用于绘制绕组的绘制空间，也就是说，在绘制空间中进行绕组的绘制。其中，如图2中的(b)和(c)所示，绕组包括绘制在PCB板1内部的若干层原边绕组4，相邻两层原边绕组4间隔布置，原边绕组4连接有LLC整流电路。如图2中的(a)和(d)所示，绕组还包括绘制在PCB板1第一表面和第二表面上的N段副边绕组3，N为不小于2的自然数。PCB板1第一表面上的N段副边绕组3与第二表面上的N段副边绕组3对称绘制，且PCB板1第一表面上的N段副边绕组3和第二表面上的N段副边绕组3均围绕磁芯中柱201周向均匀分布。本实施方式中，PCB板1的第一表面为PCB板1的正面或者反面，当第一表面为PCB板1的正面时，第二表面为PCB板1的反面；当第一表面为PCB板1的反面时，第二表面为PCB板1的正面。
结合图1和图2所示，PCB板1的第一表面上相邻两段副边绕组3之间和第二表面上相邻两段副边绕组3之间均设置有电路结构，每个电路结构包括同步整流管5和电容6，同步整流管5的源极与电容6的接地端连接。PCB板1的第一表面与第二表面上背对电路结构中的两个电容6的正电位端连接。在PCB板1的第一表面上，每个电路结构中的同步整流管5的漏极与相邻的一段副边绕组3的同名端连接，每个电路结构中的电容6的正电位端与相邻的另一段副边绕组3的异名端连接。在PCB板1的第二表面上，每个电路结构中的同步整流管5的漏极与相邻的一段副边绕组3的异名端连接，每个电路结构中的电容6的正电位端与相邻的另一段副边绕组3的同名端连接。
结合图1和图2所示，在磁芯边柱202上与电路结构相对的位置均开设有线路引出口7。
本实施方式中，同步整流管5和电容6采用贴片焊接的方式固定在PCB板1上。PCB板1的第一表面与第二表面上背对电路结构中的两个电容6的正电位端通过过孔连接。同步整流管5的源极与电容6的接地端连接后接地。
为了更加详细的对本发明提供的分数匝平面变压器进行说明，本实施方式以全波整流的LLC电路为例，其集成结构如图1所示，该方式将围绕磁芯中柱201的一圈副边绕组平均分为四段副边绕组3，每段副边绕组3占据四分之一圆弧。将四组同步整流管5(SR)和输出电容6对称地集成到磁芯中柱201和磁芯边柱202之间形成的绘制空间中的相邻的副边绕组3之间，每只同步整流管5的漏极连接在相邻的一段副边绕组3的同名端，同步整流管5的源极与电容6的接地端连接，电容6的正电位端与相邻的另一段副边绕组3的异名端连接，PCB板1的第一表面与第二表面上背对电路结构中的两个电容6的正电位端连接。在四层PCB结构中，变压器原副边绕组以及同步整流管5和电容6的具体布局如图2所示，将变压器整数匝原边绕组绘制在PCB板内层，分数匝副边绕组绘制在PCB板外表面。
图3和图4为工作过程及其等效电路，为了简化绘图，将同步整流管用二极管替代。布置在PCB板正面的四只同步整流管SRa1-SRa4分别连接到四段副边绕组的同名输出端(图中用a表示)，对应输出电容Ca1-Ca4；布置在PCB板反面的四只同步整流管SRb1-SRb4连接到副边绕组的异名输出端(图中用b表示)，对应输出电容Cb1-Cb4。磁芯边柱在摆放同步整流管和电容的位置开有4个线路引出口7，变压器中心抽头和副边地从线路引出口处引出。如图3所示，在正半周期，SRa1-SRa4导通，SRb1-SRb4关断，副边绕组电流沿顶层顺时针流通，并分别从4个线路引出口处流出变压器。通过磁件和电路结构的对称设计，使得SRa1-SRa4的电流相等，副边绕组电流iSRa围绕磁芯中柱具有最短的路径，同时每路输出电流io1-io4的大小也是相等的。每路输出电容的电压为Vo，每一段副边绕组上承受的电压也为Vo，和输出电容电压大小相等、方向相反，所以输出电容都是共地的。围绕磁芯中柱一圈绕组上的电压为4Vo，输出电压为Vo，所以副边绕组的等效匝比是1/4。对于负半周期，如图4所示，SRb1-SRb4导通，SRa1-SRa4关断，工作过程与正半周期类似，区别在于另开通的是另外4只同步整流管，副边电流沿底层逆时针流通。
本发明提供的分数匝平面变压器，副边绕组的划分段数不是固定的，而是可以任意选取，设将围绕磁芯中柱一圈的副边绕组平均分成N段，待选取N后，磁芯中柱的尺寸可以通过以下计算得到。当同步整流管SR导通后，施加在一整圈绕组上的电压为NVo。一整圈绕组上的电压Vs(t)和磁芯中的磁通密度B(t)如图5所示，根据法拉第定律可以推导出磁芯有效截面积Ae：
Figure BDA0003765572840000061
设Bm和fs的取值保持恒定，则Ae与N成正比。此处以磁芯中柱形状是圆形的情况为例，磁芯的有效面积Ae＝πr2，则可得到磁芯中柱半径r：
Figure BDA0003765572840000071
设副边绕组宽度固定为c，可以求出围绕磁芯中柱的一圈副边绕组的总长度l1，进而得到每段副边绕组的长度ls为：
Figure BDA0003765572840000072
在上式中，每一段副边绕组的长度会随着N的增加而减小，这表明通过增加N可以进一步减小每段副边绕组的电阻，而副边绕组的总电阻等效于这些绕组的并联，也将随之减小。原边绕组的长度lp(N)＝Np1/N·l1＝Np1·ls(N)，其中Np1表示N＝1匝时原边绕组的匝数。同样地，通过增加N可以同比例地减小原边绕组的电阻。
本发明提出的分数匝平面变压器可以实现任意匝比。图6给出了副边匝数分别为1/2，1/3和1/4时的具体结构示意图，使用类似的方法可以实现其他分数匝比。设所需实现的匝比为1/N，则将一圈副边绕组平均分为N段，并将2N只同步整流管和2N组输出电容集成在副边绕组表面，同时磁芯边柱在同步整流管和电容处开N个线路引出口，从而引出N路输出电流。
图7为利用上述实施方式设计的变压器副边绕组为1/4匝的LLC变换器样机的实验波形图，验证了本发明提出的方案具有可行性，且实现了较高的效率和功率密度。
为了进一步说明提出的分数匝平面变压器集成方案的优势和潜力，现与矩阵变压器方案在相同工况下进行对比。工况为400V-12V，开关频率1MHz，输出功率800W。两种变压器的最大磁通密度Bm和绕组宽度相等，都采用4层PCB。提出的分数匝变压器均摊到每一路的副边绕组长度大幅度减小，仅为矩阵变压器的0.41倍，原边绕组长度也按照相同比例减小，所以分数匝变压器集成方案能够大幅度减小绕组损耗。同时，集成同步整流管和电容的分数匝变压器结构更加紧凑，占板面积和体积更小，具有更高的功率密度。
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种分数匝平面变压器，其特征在于，包括PCB板(1)和磁芯，所述磁芯包括磁芯中柱(201)和围绕所述磁芯中柱(201)的磁芯边柱(202)，所述磁芯中柱(201)和所述磁芯边柱(202)均贯穿所述PCB板(1)，所述磁芯中柱(201)和所述磁芯边柱(202)之间形成用于绘制绕组的绘制空间；
所述绕组包括绘制在所述PCB板(1)内部的若干层原边绕组(4)以及绘制在所述PCB板(1)第一表面和第二表面上的N段副边绕组(3)，N为不小于2的自然数，所述第一表面上的N段副边绕组(3)与第二表面上的N段副边绕组(3)对称绘制，且所述第一表面上的N段副边绕组(3)和第二表面上的N段副边绕组(3)均围绕所述磁芯中柱(201)周向均匀分布；
所述第一表面上相邻两段副边绕组(3)之间和第二表面上相邻两段副边绕组(3)之间均设置有电路结构，每个所述电路结构包括同步整流管(5)和电容(6)，所述同步整流管(5)的源极与所述电容(6)的接地端连接；所述第一表面与所述第二表面上背对的电路结构中的两个所述电容(6)的正电位端连接；在所述第一表面上，所述同步整流管(5)的漏极与相邻的一段副边绕组(3)的同名端连接，所述电容(6)的正电位端与相邻的另一段副边绕组(3)的异名端连接；在所述第二表面上，所述同步整流管(5)的漏极与相邻的一段副边绕组(3)的异名端连接，所述电容(6)的正电位端与相邻的另一段副边绕组(3)的同名端连接。
2.根据权利要求1所述的一种分数匝平面变压器，其特征在于，所述磁芯边柱(202)上与所述电路结构相对的位置均开设有线路引出口(7)。
3.根据权利要求1所述的一种分数匝平面变压器，其特征在于，所述同步整流管(5)和所述电容(6)采用贴片焊接的方式固定在所述PCB板(1)上。
4.根据权利要求1所述的一种分数匝平面变压器，其特征在于，所述第一表面与所述第二表面上背对电路结构中的两个所述电容(6)的正电位端通过过孔连接。
5.根据权利要求1所述的一种分数匝平面变压器，其特征在于，相邻两层所述原边绕组(4)以及所述原边绕组(4)与副边绕组(3)之间均设置有绝缘介质层。
6.根据权利要求1所述的一种分数匝平面变压器，其特征在于，所述同步整流管(5)的源极与所述电容(6)的接地端连接后接地。
7.根据权利要求1所述的一种分数匝平面变压器，其特征在于，所述原边绕组(4)连接有LLC谐振电路。
8.一种变换器，其特征在于，包括如权利要求1至7任一项所述的一种分数匝平面变压器。
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