CN100570768C - 变压器结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种变压器结构，包括：一原边线圈；多个副边电路单元，每个所述副边电路单元包括一印刷电路板复合体；所述印刷电路板复合体包括至少一配置有副边导体线圈的印刷电路板；以及至少一输出整流电路，配置于印刷电路板复合体上，其中所述输出整流电路包括输出滤波装置与整流装置。通过本发明可有效地减少交流引线的长度与变压器的损耗，从而提高整体电路的效率。

Description

变压器结构

技术领域

本发明涉及一种开关方式电源的变压器结构，特别涉及高功率、高频率的变压器结构(transformer design)。

背景技术

在电源朝着高功率密度发展的今天，为了实现更高的效率，除了电路本身结构、元器件的合理选择和电路参数优化之外，机构、热设计与合理的印刷电路板(PCB：Printed Circuit Board)布局等非传统电气设计，在电源的实际设计中变的越来越重要。

在电源设计当中，高功率密度所导致的高频化，使得磁芯元件的设计尤为重要，此外，功率变压器的设计也是关键，其在大功率、高频应用场合更显其重要性。举例而言，如图1所示，为传统的直流/直流(DC/DC)变换器的整体结构，其中变压器1的二次侧包含变压器副边(secondary)绕组、输出整流器3与输出滤波器4等组成部分，而变压器1的一次侧则包含变压器原边(primary)绕组以及原边开关元件2，开关元件2连接输入端5，输出滤波器4连接负载(load)6。提高电路开关的频率可以有效地减小磁芯元件的体积，然而高频化对变压器的绕组设计带来了许多问题。高频工作下的导线的集肤效应(skin depth effect)与临近效应将使得变压器绕组自身与绕组之间产生额外的功率损耗，在大电流输出的场合尤其明显。此外，对于传统的变压器的输出侧结构，如图2所示，变压器1的绕组连接原边开关元件2以及输出整流器3和滤波器4，而输出侧的整流器3和滤波器部分器4安装在印刷电路板PCB上，另外，Zp表示引线的寄生阻抗。这样的配置导致变压器1的二次侧引线到输出整流器的距离会较大且交流通路较长，结果其引线的寄生等效电阻在高频大电流的场合会产生很大的损耗，并引起开关器件的开关损耗增加，影响电路的可靠性及效率。同样地，传统的大功率的变压器1的输出绕组也会由于终端效应(terminal effect)而使得终端损耗(terminal loss)大大增加。

因此，设计较佳的变压器绕组结构与输出侧结构已经成为影响电路的可靠性及效率的一个重要因素。因此，基于上述现有技术的缺点，以及传统的变压器存在诸多不利的影响，本发明提供一种变压器结构，可以有效地减少交流引线的长度与变压器的损耗从而提高整体电路的效率。

发明内容

鉴于现有技术中变压器的输出绕组的出线损耗过大的问题，本发明提供一种变压器结构，可以有效地减少交流引线的长度与变压器的损耗，从而提高整体电路的效率。

本发明目的在于提供一变压器结构，上述结构主要利用一原边线圈，多个包括印刷电路板复合体的副边电路单元，其中至少一输出整流电路配置于该印刷电路板复合体上，该输出整流电路包括输出滤波装置与整流装置，因此大大地减小了热阻以及输出端的损耗，使得变压器的使用寿命延长并且增加了变压器的输出效率与稳定度。

本发明的另一目的在于提供一种变压器结构，上述结构可以利用原边并联、副边并联，或者是其他不同的单元的组合，以配合实际输出功率的应用。

根据以上目的，本发明提供一种变压器结构，包括：

一原边线圈；

多个副边电路单元，每个所述副边电路单元包括一印刷电路板复合体；所述印刷电路板复合体包括至少一配置有副边导体线圈的印刷电路板；以及至少一输出整流电路，配置于印刷电路板复合体上，其中所述输出整流电路包括输出滤波装置与整流装置。

所述滤波装置与整流装置位于两个印刷电路板复合体之间。

所述印刷电路板复合体上还包括一驱动芯片，配置于印刷电路板上。

原边、副边可以替换。

并且所述印刷电路板复合体的副边导体线圈的入线端与出线端约略垂直。

所述变压器包含多个原边线圈。

所述输出整流电路还包括一整流开关，该整流开关工作频率大于100Khz。

所述变压器结构还包括多个副边电路单元并联输出，该多个原边线圈并联连接。

所述变压器结构还包括多个副边电路单元并联输出，该多个原边线圈串联连接；其中至少一个副边电路单元独立输出。

每个原边线圈与副边电路单元采取交错式排列。

多个原边线圈包含多层绕组，一个原边线圈的各层绕组与副边电路单元交替排列。

所述变压器结构还包括一绝缘介质，隔离原边线圈与副边电路单元。

所述变压器结构还包括一遮罩层，配置于原边线圈与副边电路单元第一原边与第丨副边印刷电路板绕组之间。其中每个原边线圈与副边电路单元采取交错式排列。

本发明还提供一种高频变压器，包括：

一个原边线圈和多个副边线圈；

一个铁芯；

每个变压器副边线圈连接到至少一个整流器件；

一个包括至少一个电容的减少纹波装置连接到整流器件，该高频变压器特点在于：具有多块整流滤波电路基板，每个整流滤波电路基板上具有互相隔离的至少三个导体区，至少一个副边线圈的两个输出端分别连接到电路基板的第一导体区和第二导体区，所述减少纹波装置连接到第三导体区并输出调节后的直流电压到负载。

本发明的有益效果在于，有效地减少交流引线的长度与变压器的损耗，从而提高整体电路的效率。

附图说明

图1显示传统直流/直流(DC/DC)变压器的整体结构图；

图2显示传统变压器的一次与二次侧的结构；

图3显示一种半桥的LLC串联谐振电路；

图4显示本发明的变压器组装结构图；

图5A和图5B显示传统三明治绕法变压器与本发明的交错式绕法(interleaved)变压器的内部绕组在垂直方向的磁动势分布；

图6A和图6B显示传统变压器与本发明变压器的等效热阻模型；

图7A和图7B显示传统变压器与本发明的使用集成技术变压器的等效电路图；

图8A和图8B显示变压器的二次侧为一匝情况下印刷电路板绕组的具体结构示意图；

图9A和图9B显示变压器的不同终端形式所造成的影响；

图10显示原边绕组的结构图；

图11显示变压器二次侧为多匝情况下原副边组成的一个单元的示意图；

图12显示二次侧一片印刷电路板绕组的正反两层结构图；

图13A和图13B显示二次侧多匝情况下输出整流器外加散热器前后的结构图；

图14显示不同匝数的印刷电路板绕组的示意图；

图15显示原边使用印刷电路板绕组的结构图；

图16显示原边利用印刷电路板集成技术的绕组结构；

图17显示原副边均集成在同一印刷电路板上的结构；

图18显示采用一片印刷电路板同时集成两个单元的结构；

图19显示更多单元集成到一印刷电路板的结构示意图；

图20A和图20B显示变压器结构的可能的原副边绕组形式的示意图；

图21A和图21B显示变压器结构的可能的二次侧组合形式的示意图；

图22显示印刷电路板复合体可使用的二次侧不同的拓扑；

图23A和图23B显示两种原副边的安规解决方案的结构示意图；

图24显示另一种安规解决方案；

图25显示一种加入遮罩层解决电磁干扰的方案。

具体实施方式

结合附图对本发明的实施例进行详细描述如下。

请参考图示，其中所显示仅仅是为了说明本发明的较佳实施例，并非用以限制本发明。如图3所示，为半桥的LLC串联谐振电路的结构图，其中说明了变压器二次侧复合体输出整流单元(含输出滤波电容)。本发明的变压器结构可以适用于高功率变压器，并且不限定于高功率变压器，其他功率的变压器也可以适用。通常而言，电感(Ls)、电容(Cs)和变压器的励磁电感(Lm)构成一个LLC谐振电路。两个主开关S1和S2构成一个半桥结构，通过改变开关频率来实现输出电压的恒定。谐振电路连接在半桥的中点与地之间，因此，谐振电容Cs同时也起着隔直电容的作用。在输出侧，整流二极管D1与D2构成中心抽头的整流电路，整流二极管直接连接到输出电容Co上。另外，Z1，Z2，Z3表示引线的寄生阻抗。举一实施例而言，所述LLC谐振电路包括1.2kWLLC-SRC(Series Resonant Converter，串联谐振逆变器)，该电路的输出电流可以达到100安培(A)，而工作频率可以达到MHz等级，并且该电路结构需要其输出滤波单元仅含输出滤波电容Co。因此，传统变压器的设计在如此高频及大电流场合不仅会产生先前讨论的终端损耗(terminal loss)与交流电(AC)引线损耗，还将引发许多热设计问题与变压器绕组损耗过大等诸多缺陷。本发明的变压器结构，是在于集成(integrated)输出滤波电容与变压器绕组，以较佳地解决上述这些问题，其变压器整体结构如图4所示。

请参考图4，其中变压器的原边4a可以采用单芯或多芯的线，依一定的方向绕制在同一平面上，其包含两层相同的绕组串连在一起作为一个单元的原边。变压器的副边3c，采用印刷电路板(PCB)的绕组，将二次侧的输出整流电路包括滤波电容、及整流器均集成(integrated)到印刷电路板之上。换言之，副边3c是变压器二次侧复合体的印刷电路板绕组，原边4a是串连的两层原边绕组，将副边3c嵌入原边4a之中成为整个变压器的一个单元5b，利用铁心组3a、3b将多个单元5b整合成整个变压器。举一实施例而言，所述输出整流电路包括一个整流开关，其工作的开关频率大于100Khz。对于整体变压器的设计而言，可以利用若干个这样的单元5b并联来组成，则优化整个变压器的工作可以简化为优化每个并联的单元。越大的功率就需要越多的单元5b并联起来。

随后，请参考图5A和图5B，其分别显示传统三明治绕法变压器与本发明的交错式绕法(interleaved)变压器的内部绕组在垂直方向的磁动势分布。其中6a为原边绕组、7为副边绕组、8为磁芯，由安培环路定律可以得到变压器内部的磁场分布，如图中的曲线所示，其中磁动势(Magnetic Motive Force：MMF)直接影响变压器绕组上的损耗，换言之，磁动势越大变压器内部的绕组损耗越大。图5A是传统的三明治绕法的变压器及其磁动势分布，图5B是本发明的交错结构的变压器及其磁动势分布，从两图相较得知交错结构产生更小的变压器绕组损耗，即铜损显着地减小。

请参考图6A和图6B，从热设计的角度观之，变压器的热发生源大部分为绕组以及铁心，从水平方向看来传统的变压器绕组，其等效热阻9类似于串联，如图6A所示，因此其内部绕组的散热条件十分恶劣，而存在较大的热问题；而本发明的变压器改变了绕组排列方式，其等效热阻9类似于并联，如图6B所示，其所有绕组均可直接将热散布到变压器外部，因此，显著地降低热阻而改善散热能力。

请参考图7A和图7B，采用副边集成前后电路的差别。传统的变压器，其等效电路如图7A所示，其采取传统的绕组方式，并且最后才进行滤波；而本发明的变压器可以适用于大功率的变压器，其包括若干个单元(cell)10的并联，其中每一个均可以有效地分散功率。本发明的变压器采用原边并联、副边并联的结构，而与传统的不同之处在于副边的集成技术及原副边交错的绕组结构。集成之后可以简化变压器二次侧终端结构，而减小终端损耗，并明显减小输出交流(AC)通路的长度，同时减小寄生参数对电路的影响。再者，原有的变压器交流(AC)终端可以变为直流(DC)终端。

请参考图8A和图8B，其显示二次侧印刷电路板绕组集成技术。二次侧(即变压器副边)集成技术是变压器设计的核心，其详细的结构如图8A和图8B所示。印刷电路板由上下两层(layer)组成，图8A和图8B分别表示了上层(toplayer)与下层(bottom layer)的结构，其分别连接输出端与输入端。举一实施例而言，变压器二次侧包括：集成(integrated)在印刷电路板正面的输出滤波电容11、印刷电路板的导体线圈12、驱动芯片13以及输出整流器15。此外，印刷电路板正反两面具有通孔14，用于副边的上下二层绕组的连接。对于中心抽头的变压器结构而言，其印刷电路板上下两层的结构完全对称。在低压大电流的场合通常采用同步整流技术，此变压器的二次侧的印刷电路板绕组在集成(integrated)输出滤波电容的同时，采用同步整流技术并集成驱动芯片，输出同步整流晶体管(MOSFET)。从图中可以看出来输出的交流路径很短，在高频大电流场合下可以有效地减少损耗。

请参考图9A和图9B，其分别显示变压器的不同终端形式所造成的影响。采用印刷电路板绕组有利于减少接线端损耗(terminal loss)。图9A表示的是传统铜箔绕组二次侧的终端结构，其缺点在于接线端16处的损耗，由于二次侧的绕组的入线端与出线端平行配置，因此原边交流电流ip产生的磁场使得输出侧电流is分布不均，而造成极大的损耗。而本发明采用图9B重叠的输出端结构，由于二次侧的绕组的入线端与出线端约略垂直，因此可以使原、副边交流电流产生的磁场相互抵消，损耗能够大大地减小。对于通常铜箔绕组而言，接线端相对复杂，在多个单元并联场合则更加复杂，而采用印刷电路板的绕组方法则能比较容易解决这个问题。此外，原边一次侧的绕组的入线端与出线端也可以采取约略垂直的配置方式。

此外，由于印刷电路板绕组上铜箔的良好散热条件，不需要额外的散热片提供给输出整流器，故可以有效地节省体积，极大地提高功率密度。根据实际的设计结果，采用本发明的变压器结构在同样的功率等级下可以节省约40％的体积，其可以适用于高功率密度场合。

请参考图10，其显示原边绕组的结构图。原边的绕组采用的是单芯或多芯导线17，例如铜箔，按一定的方向绕制而成，每个单元包含两层绕组17并在连接头18之处串连起来，而分别安装在副边印刷电路板绕组的两侧，如图4所示。另外，连接头18也可位于原边绕组外侧即如图11所示将其引出。如上所述，基于副边采用印刷电路板绕组复合体二次侧输出滤波电容以及输出整流器，并采用若干单元交错并联连接的变压器结构，即为本发明所提出的变压器结构。此外，必须强调的是本发明的变压器的磁芯的选择不仅限于图中所示的型态，也可用其他各种不同形状的磁芯类型。

请参考图11，其显示变压器二次侧为多匝情况下原副边组成的一个单元的示意图。对于输出电压较低，绕组取一匝的情况如前所述。当绕组为两匝时可利用两片印刷电路板串联而成，例如利用上下两层铜箔绕组19构成两匝绕组。同样地，输出滤波装置20复合体在印刷电路板上，本实施例中该滤波装置20为滤波电容；输出整流装置21安装于印刷电路板的两侧，本实施例中该输出整流装置21为输出整流管。换言之，本实施例中，两片印刷电路板串联成为印刷电路板复合体，其中一印刷电路板上有一块没有完整的滤波和整流装置，或者二块都没有完整的滤波和整流装置。如图11所示，当两块印刷电路板相叠时，滤波装置20每块板上都有，但是整流装置21可以两块共有；相反也可以滤波装置共有，所以构成完整的滤波整流功能的多块电路板即为印刷电路板复合体。此外，原边的绕组22，类似图4，整个绕组22与19组成一个单元。其中印刷电路板绕组结构19，如图12所示，可以看出其集成了输出滤波电容，并考虑就近安装输出整流管，减小了交流路径。上下两层铜箔通过通孔23串连起来。将若干个如图11所示的单元并联起来可以得到整个变压器结构，如图13A所示。若输出的整流器需要散热片，可如图13B所示加上散热片24，该散热片24同时也可用于作为输出的导线，一举数得。

类似地，本发明的变压器结构也可采用大于两匝的情形，例如2或N匝，其只要并联上述相应数量的印刷电路板绕组即可达到，如图14所示。故本发明的变压器结构同时适用于多匝印刷电路板绕组及需要散热片的情形。除此之外，在一片印刷电路板上也可集成两个单元，如图18所示的结构。同样地，也适用于更多副边单元一起复合体到一印刷电路板上的情况，如图19所示的结构。

类似于副边，原边同样可以采用印刷电路板绕组或采用印刷电路板复合体原边开关电路25来制作，其分别如图15与图16所示。此外，同样地，可以将原、副边绕组整合到一块印刷电路板上，如图17所示。

本发明的变压器可以适用于原边电压高于副边电压的情形，或副边电压高于原边电压的情形，其只需要将原副边的绕组对换即得，同样属于本发明的变压器类型。此外，对于绕组的组合而言，变压器结构既可应用于原边并联、副边并联，如图20B的所示，同样也可以应用于原边串联、副边并联的结构，如图20A所示。对于二次侧，同样地可以将不同的单元进行组合以得到不同的输出要求，如图21B所示，或者每路作为独立的负载输出，如图21A所示。

前述所应用的是副边中心抽头半波整流电路的变压器，其集成印刷电路板的方法对于其他任何的结构的输出结构同样适用，例如全桥整流输出电路，电流倍增整流电路等，如图22所示，依同理可把输出整流器和滤波器复合体在绕组印刷电路板之上。另外，图中所示的输出滤波电感，可以是附加的电感，也可以是磁复合体的电感。

由于本发明的变压器的原边、副边紧贴在一起，与传统变压器相比，其安规问题显得更重要。我们可以利用外加绝缘介质26将原边的绕组封装起来，以满足变压器原边、副边的安规绝缘等级要求，如图23A所示。或者是，利用在印刷电路板绕组上涂上绝缘涂料27或选用三层绝缘导线，以同样满足安规要求，如图23B所示。同样地，也可将副边印刷电路板绕组用绝缘介质28包裹起来，以解决安规问题，如图24所示。

在功率变压器的设计之中，由于变压器绕组间的寄生电容较大，为了提高对高频干扰的隔离效果，可以在变压器绕组间增加一层遮罩层29，例如铜箔，并将该遮罩层29接地(接地线的长度应尽量短，否则因接地线的阻抗分压反而会使得其对干扰的衰减变差)。请参考图25，其为典型单遮罩层29加入变压器的原副两侧之间，以减小电磁干扰。

在一些应用场合之中，也可以使用多层印刷电路板结构中的一层作为遮罩层使用，如此即不需外加铜箔。

因此，相较于现有技术的变压器的终端损耗与散热问题难于满足严格的要求，本发明所提出的技术解决方案能够满足低的终端损耗与散热要求，同时要达到高的电路可靠性及效率。

上述实施例仅用于说明本发明，而非用以限定本发明。

Claims (15)

1.一种变压器结构，其特征在于，包括：

一原边线圈；

多个副边电路单元，每个所述副边电路单元包括：

一印刷电路板复合体；

所述印刷电路板复合体包括至少一配置有副边导体线圈的印刷电路板；以及

至少一输出整流电路，配置于所述印刷电路板复合体上，其中该输出整流电路包括输出滤波装置与整流装置。

2.如权利要求1所述的变压器结构，其特征在于，所述滤波装置与整流装置位于两个印刷电路板复合体之间。

3.如权利要求1所述的变压器结构，其特征在于，所述印刷电路板复合体上包括一驱动芯片。

4.如权利要求1所述的变压器结构，其特征在于，原边、副边可以替换。

5.如权利要求1所述的变压器结构，其特征在于，所述印刷电路板复合体的副边导体线圈的入线端与出线端约略垂直。

6.如权利要求1所述的变压器结构，其特征在于，所述输出整流电路还包括一整流开关，该整流开关工作频率大于100Khz。

7.如权利要求1所述的变压器结构，其特征在于，所述变压器包含多个原边线圈。

8.如权利要求7所述的变压器结构，其特征在于，还包括多个副边电路单元并联输出，所述多个原边线圈并联连接。

9.如权利要求7所述的变压器结构，其特征在于，还包括多个副边电路单元并联输出，所述多个原边线圈串联连接。

10.如权利要求1所述的变压器结构，其特征在于，至少一个副边电路单元独立输出。

11.如权利要求7所述的变压器结构，其特征在于，每个原边线圈与副边电路单元采取交错式排列。

12.如权利要求7所述的变压器结构，其特征在于，多个原边线圈包含多层绕组，一个原边线圈的各层绕组与副边电路单元交替排列。

13.如权利要求1所述的变压器结构，其特征在于，还包括一绝缘介质，隔离所述原边线圈与副边电路单元。

14.如权利要求1所述的变压器结构，其特征在于，还包括一遮罩层，配置于所述原边线圈与副边电路单元之间。

15.一种高频变压器，其特征在于，包括：

一个原边线圈和多个副边线圈；

一个铁芯；

每个变压器副边线圈连接到至少一个整流器件；

一个包括至少一个电容的减少纹波装置连接到所述整流器件；

其中，具有多块整流滤波电路基板，每个所述整流滤波电路基板上具有互相隔离的至少三个导体区，至少一个副边线圈的两个输出端分别连接到电路基板的第一导体区和第二导体区，所述减少纹波装置连接到第三导体区并输出调节后的直流电压到负载。

Images