CN102543371B - 一种集成独立电感的变压器及其安装方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁芯，包括一无气隙磁路闭合磁芯，所述的无气隙磁路闭合磁芯外表面有一个或一个以上的向外延伸的同材质柱状磁柱；所述的无气隙磁路闭合磁芯为环形磁芯，所述的柱状磁柱沿所述的环形磁芯直径方向向外延伸；或者所述的无气隙磁路闭合磁芯为环形磁芯，所述的柱状磁柱沿垂直所述的环形磁芯直径方向向外延伸。本发明可适用于带输出短路保护功能的自激推挽式变换器上，可使得变压器或共模电感和电感之间磁力线独立，互不影响；使用了同材质的磁材进行磁集成，磁芯在生产时，由一套模具成型，加工容易，产品一致性高；使用同一模具一体制成，传热效果良好。

Description

一种集成独立电感的变压器及其安装方法

技术领域

本发明涉及磁集成技术领域，特别涉及一种应用于电源变换器中的磁芯。

背景技术

现有的电源变换器，为了追求更高的功率密度，即在同样的体积下，电源变换器实现更大的输出功率，开始向磁集成方向发展；另一方面，为了实现良好的电磁兼容性，对共模电感、差模电感也开始使用磁集成技术，以减小体积。共模电感(Common modeChoke)，也叫共模扼流圈，有的文献又称之为共轭电感，常用于开关电源中过滤共模的电磁干扰信号。事实上，共模电感是变压器的一种形式而已。变压器的最基本形式，包括两组绕有导线的线圈，并且彼此以电感方式耦合一起，这与共模电感没有本质上的区别。变压器注重隔离、升降压，其输入信号为要被传输的信号，变压器的承受功率相对要大；而共模电感注重隔离、过滤共模的电磁干扰信号，其输入信号为要被阻碍、过滤的信号而已，其承受功率相对较小。故在本文中，对共模电感和变压器不加以严格区分，即能实现变压器功能的器件，也表示能实现共模电感的功能，反之亦然。

鉴于各种文献不区分磁心与磁芯和铁心与铁芯，本文中的磁芯和公知的其它文献一样，和磁心表示相同的意思，指铁氧体材料，即由各种氧化铁混合物组成的一种烧结磁性金属氧化物，磁芯则用在高频。而铁心、铁芯是硅片型材料，只适合低频率的电感线、低频变压器，一般用于低频和音频。

在ZL01121116.4的专利中示出了一种差模和共模集成滤波器，采用了两种磁导率差导很大的、有气隙的磁芯组成。

在ZL01121117.2的专利中示出了另一种差模和共模集成滤波器，采用了两种磁导率差导很大的、有气隙的磁芯组成。

上述两种方案存在的共同缺点：

1、磁芯存在气隙，在不需要气隙的场合无法使用，如工业领域中，大量使用的微功率DC/DC模块中广泛使用自激推挽式变换器，其工作原理参见电子工业出版社的《开关电源的原理与设计》第67页至70页。该书ISBN号7-121-00211-6。自激推挽式变换器必需使用磁饱和式磁芯，而磁芯加气隙是公知的抗磁饱和的手段。

2、生产、组装工艺相对复杂。

在CN101308724B的专利中示出了另一种变压器和电感的磁集成结构，同样采用了有气隙的磁芯组成变压器和电感。

其存在的缺点不仅包括上述的两个缺点，由于使用了田字型磁芯，必需使用两个明显气隙才能实现磁路相对独立。

在ZL01121117.2的专利的背景技术中，对应ZL01121117.2的公开附图3也示出了美国专利US5731666的差共模集成方案，其中的I型磁芯采用低磁导率材料，装配比较困难；在美国专利US5731666公开的附图4(FIG.4)中，线圈340产生的磁通380应能全部穿过线圈341，事实上，I型磁芯320尽管采用了低磁导率材料，磁通380中的一部分会采用磁通390的短线路穿过I型磁芯，这样降低了共模电感的性能。磁通也是对磁力线的一种概称。

在ZL03229099.3的专利中示出了滤波器磁芯结构，和美国专利US5731666的差共模集成方案具有共同的缺点。ZL03229099.3的专利中示出了滤波器磁芯结构，由于使用了带有契形凹口的扁磁柱，共模电感其中一组产生的磁通会被带有契形凹口的扁磁柱分流，从而降低了共模电感的性能。

如图1示出的是申请号为201110242377.4的文件中第一实施例的电路，电路的主体为自激推挽式变换器，其中电感LN和功率变压器B就无法使用现有的磁集成技术集成在一起。由于现有磁集成技术的磁芯存在气隙，电路无法进入磁饱和式工作状态，电路的工作频率飘移过大，电路工作在不稳定状态，会导致损坏。而美国专利US5731666的差共模集成方案用在这里，由于电感LN和功率变压器B存在互感，电路工作效率下降，工作频率出现跳频现象，同时引发电磁兼容性性能下降。

如图1示出的电路，按申请号为201110242377.4的文件中公布的参数制作成功后，还有一个缺点，当输出短路时，尽管电路的工作电流不大，但这时电路的主要发热元件为电感LN，电感LN的温度很高，要想降低这个温度，就要选取更大体积的磁芯绕制电感LN，而工业领域中使用自激推挽式变换器的微功率DC/DC模块，无法接受大体积的器件。如图2为使用FLUKE TI25型热成像仪实拍电感LN在输出端出现短路时的热图。当输出短路时，电感LN的温度为79.3度，环境温度为30.6度，电感LN的温升为48.7度。由于图2是原始图片，黑色底，不方便对图中单元进行标注，故对图2进行反色处理，得到如图3的图片，其中，31为功率变压器B，32为电感LN，33为电路板，电路板33上放置了图1中的不包括功率变压器B和电感LN的大部分元件，34为漆包线，这里也作为功率变压器B和电感LN的引线，35为目标框，目标框内的色温测试精度得到保证，目标框外的色温仅供参考。从图2、图3中可以看到，电感LN使用了和功率变压器B相同的尺寸的磁芯，都有这么高温，若减小电感LN的尺寸，在输出短路时，电感LN的温度会进一步上升，甚至超过150度，磁芯会接近或超过本身的居里温度点而引发退磁，丧失磁芯固有功能。

发明内容

本发明的目的是提供一种磁芯，可适用于带输出短路保护功能的自激推挽式变换器上，可使得变压器或共模电感和电感之间磁力线独立，互不影响。

为解决上述技术问题，本发明提供一种磁芯，包括一无气隙磁路闭合磁芯，所述的无气隙磁路闭合磁芯外表面有一个或一个以上的向外延伸的同材质柱状磁柱。

优先地，所述的无气隙磁路闭合磁芯为环形磁芯，所述的柱状磁柱沿所述的环形磁芯直径方向向外延伸。磁环是对无气隙磁路闭合磁芯的一种统称。

作为上述技术方案的等同方案，所述的无气隙磁路闭合磁芯为环形磁芯，所述的柱状磁柱沿垂直所述的环形磁芯直径方向向外延伸。

本发明利用上述磁芯集成独立电感的变压器，在所述的无气隙磁路闭合磁芯上绕制第一变压器或第一电感组，上述磁芯的柱状磁柱上绕制第二变压器或第二电感组。

本发明还提供一种上述磁芯的集成独立电感的变压器/共模电感的安装方法，上述磁芯的柱状磁柱插入电路板，用胶固定。

本发明还提供一种上述磁芯的集成独立电感的变压器/共模电感的安装方法，上述磁芯的柱状磁柱插入电路板，用合适的螺丝拧入上述磁芯的柱状磁柱固定。

优选地，上述螺丝为有弹性的材质组成。

优选地，第二电感组由电路板上的走线组成。

与现有技术相比，本发明具有如下显著的效果：

⑴本发明是在原有的闭合结构的磁芯上设置磁柱，可实现变压器或共模电感和电感之间磁力线独立、互不影响的技术效果，可很好地适用于带输出短路保护功能的自激推挽式变换器中。

⑵本发明使用了同材质的磁材进行磁集成，磁芯在生产时，由一套模具成型，加工容易，产品一致性高。

⑶本发明的结构简单，实用性强，通过螺丝或者胶合将本发明安装在电路板上，所以装配十分方便。

⑷本发明适用于自激推挽式变换器中，保证了共模电感的正常性能，使得电路工作状态稳定，延长了其使用寿命。

⑸由于本发明使用同一模具一体制成，传热效果良好。

附图说明

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

图1为申请号为201110242377.4的文件中第一实施例的电路；

图2为使用FLUKE TI25型热成像仪，实拍图1电路中电感LN在输出端出现短路时的热图；

图3为方便说明，对图2进行反色的图形；

图4为本发明第一实施例的立体图；

图5为本发明第二实施例的立体图；

图6为图4的顶视图；

图7为本发明第一实施例的磁力线示意图；

图8-1、8-2为磁力线相关的工作原理示意图；

图9为使用FLUKE TI25型热成像仪，实拍图1电路使用本发明后，在输出端出现短路时的热图；

图10-1为第一实施例的侧视图；

图10-2为第一实施例变形为第二实施例的示意图；

图11为第三实施例；

图12-1为本发明第四实施例的磁芯主视图；

图12-2为本发明第四实施例的磁芯侧视图；

图12-3为本发明第四实施例的磁芯顶视图；

图12-4为本发明第四实施例的磁芯立体图。

具体实施方式

图4为本发明第一实施例立体图。下面以图4的第一实施例为例，说明其变压器或共模电感和电感之间磁力线独立，图6为图4的顶视图，箭头61为磁环直径示意图，箭头61沿着箭头62方向延伸出磁材，沿环形磁芯直径方向，在无气隙磁路闭合磁芯外表面向外延伸一个同材质柱状磁柱,即可实现图4的第一实施例。在磁芯上绕上线圈，可以实现变压器和电感的集成器件，参见图7，其中，71为变压器的一个绕组，72为变压器的另一个绕组，而73为电感；图7也可以实现共模电感和电感的集成器件，其中，71为共模电感的一个绕组，72为共模电感的另一个绕组，两者圈数相等，而73为电感，在这里，叫差模电感；事实上，这两种器件的工作原理是相同的。在安装时，上述磁芯的柱状磁柱插入电路板，具体的固定方式采用磁柱通过螺丝或者胶合固定在电路板上，其中，螺丝采用具有弹性的材料制成。螺丝若不具有弹性，很容易损坏很脆但硬度很高的磁柱。

上述绕组线圈71和绕组线圈72产生的磁力线，在图7中，以74表示，其特点是全部在磁芯内部穿越；而线圈73产生的磁力线，参见图8-1中的81所示，磁力线81的特点是部分在磁芯内部穿越，部分在磁芯外部如空气或其它填充料内穿越，磁力线81是以轴线82为轴，左右对称的，其在环形磁芯内部也是对称的，刚好互相抵消，即线圈73产生的磁力线对线圈71和线圈72不产生任何影响。

上述绕组线圈71和线圈72同样不对线圈73产生影响，假设它们产生的磁力线中，像图8-2的磁力线83、磁力线84那样，部份泄漏出去影响到柱状磁柱，进而影响到柱状磁柱上的线圈73。事实上，磁力线83、磁力线84要穿越空气或其它填充料，空气相对磁导率为1，很低，磁力线83、磁力线84会选择从环形磁芯内部通过，最后形成的回路像图7中磁力线74一样，不会对柱状磁柱上的线圈73产生影响。

采用图4的本发明磁芯，采用图7的绕线方案，磁芯采用P46的材质，外径4.0mm,内径2.0mm，高1.6mm，沿着直径方向向外延伸出的一个同材质的圆柱状磁柱为2.0mm，圆柱状磁柱的直径为1.4mm,线圈71和线圈72采用AWG39号线各绕16匝，线圈73采用AWG39号线绕2匝,实测其电感量如下表一，测试仪器HF2817LCR数字电桥，测量精度±0.05％内，测试频率10KHz。表一：

短路线圈73，这时测出来线圈71和线圈72的电感量若降低，说明它们之间存在互感，说明本发明不能实现变压器或共模电感和电感之间磁力线独立，反之，短路线圈71和线圈72，这时测出来线圈73的电感量若降低，同理说明本发明不能实现变压器或共模电感和电感之间磁力线独立，下表二为实测值:表二：

可见，短路线圈73，这时测出来线圈71和线圈72的电感量没有降低；短路线圈71和线圈72，这时测出来线圈73的电感量没有降低，本发明确实可以实现变压器或共模电感和电感之间磁力线独立。

另外，线圈73的内部柱状磁柱由于和主体磁环是同一模具制造，其传热效果良好，当采用图1电路，使用本发明按申请号为201110242377.4的文件中公布的参数制作成功后,线圈73即为图1中的电感LN，当输出短路时，图9为使用FLUKE TI25型热成像仪，实拍本发明的磁集成器件在电路的输出端出现短路时的热图。

当输出短路时，本发明的磁集成器件的温度为55.7度，环境温度为30.8度，温升为24.9度，对比背景技术中的温升48.7度,下降了23.8度。

图5为第二实施例，图10-1为第一实施例的侧视图，第二实施例事实上等同把沿着直径方向向外延伸出的一个同材质的柱状磁柱向上折上去，是第一实施例的机械变形，如图10-2示意图所示，工作原理同第一实施例，同样实现本发明的目的。事实上，在向上折的过程中，柱状磁柱停留在任意角度都可以看作是一种沿着直径方向向外延伸的机械变形，都可以实现本发明的目的。

图11为第三实施例，作为上述实施例的进一步改进，柱状磁柱可以设计成图11所示的T型形状，防止绕在柱状磁柱的线圈脱落，同样实现本发明的目的。

图12-1至图12-4为第四实施例，图12-1为本发明第四实施例的磁芯主视图；图12-2为本发明第四实施例的磁芯侧视图；图12-3为本发明第四实施例的磁芯顶视图；图12-4为本发明第四实施例的磁芯立体图；图12-4中，磁芯主体121绕制变压器或共模电感，而柱状磁柱延伸出两个，柱状磁柱122和柱状磁柱123，磁芯主体121的磁力线仍实现和柱状磁柱122及柱状磁柱123之间独立。

但柱状磁柱122和柱状磁柱123不能实现独立磁力线，它们之间存在互感，在柱状磁柱122和柱状磁柱123上分别绕制电感，利用两者之间的互感，柱状磁柱122上电感作为输入滤波电感，而柱状磁柱123上的电感作为输出滤波电感，利用其互感，可以进一步实现降低开关电源输出纹波。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。比如，采用各种几何形状截面积的磁环向外延伸出的一个同材质的柱状磁柱，如采用方形、椭圆形的磁环主体向外延伸出的一个同材质的柱状磁柱。

Claims (6)

1.一种集成独立电感的变压器，其特征在于：所述的变压器绕制在无气隙磁路闭合磁芯上，所述无气隙磁路闭合磁芯外表面有一个或一个以上的向外延伸的同材质柱状磁柱，在所述的柱状磁柱上绕制第二电感组；所述的无气隙磁路闭合磁芯为环形磁芯，且柱状磁柱设置在变压器原边绕组和副边绕组的对称轴轴线上。

2.根据权利要求1所述的集成独立电感的变压器，其特征在于：所述的柱状磁柱沿所述的环形磁芯直径方向向外延伸。

3.根据权利要求1所述的集成独立电感的变压器，其特征在于：所述的柱状磁柱沿垂直所述的环形磁芯直径方向向外延伸。

4.根据权利要求1所述的集成独立电感的变压器，其特征在于：所述的第二电感组由电路板上的走线组成。

5.权利要求1所述的集成独立电感的变压器的安装方法，其特征在于，所述的磁芯的柱状磁柱插入电路板，用螺丝拧入上述磁芯的柱状磁柱固定。

6.根据权利要求5所述的安装方法，其特征在于：所述的螺丝材质具有弹性。