CN103078472B - 用于微波功率模块的高压电源磁性组件一体化集成方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于微波功率模块的高压电源磁性组件一体化集成方法，目的是将变压器、输入电感和补充谐振电感这三类磁性元件通过一定的方法将其集成至在一起，形成一种紧凑的结构。变压器采用紧耦合的方式，初级绕制在最内侧，然后按照电压从高到低的顺序绕制各组高压绕组，以保证交调能力。补充谐振电感是用于补充变压器中不够大的漏感而设计的，两个补充谐振电感绕制在双格骨架上，保证其对称性。将两个补充谐振电感的异名端连接至变压器初级的两个端部抽头；将输入电感的其中一个引出端连接至变压器初级的中间抽头，然后采用整体环氧灌封技术进行环氧灌封和固化，并且三个磁性元件均有一个面与灌封模具内表面接触，从而解决了磁芯散热问题。

Description

用于微波功率模块的高压电源磁性组件一体化集成方法

技术领域

本发明涉及一种用于通信、制导和电子对抗设备应用的积木式功率组件的特殊高压电源磁性元件一体化集成技术，特别涉及一种适用于微波功率模块的高压电源磁性元件一体化集成技术。

背景技术

微波功率模块是一种主要用于微波数据链通信、雷达、电子对抗和制导仪器等电子系统设备中的积木式功率组件。在宽带微波功率模块中高功率放大器采用了微型行波管（VPB），为其工作馈电的高压电源就成为微波功率模块的重要组成部分。

图1为一种用于微波功率模块的高压电源变换器的结构示意图，这是一种单级变换器。图中磁性元件包括：高压变压器部分(虚线部分)，输入电感L_in。如图1所示，高压变压器部分的参数，包括两个寄生分布电容C_p，起谐振作用的两个变压器漏感L_d（即谐振电感）、两个励磁电感L_p。其中变压器漏感L_d对单级变换器的影响最为直接。因此需要保证变压器漏感L_d在一定的范围之内。

在实现中，可以通过绕制变压器来保证变压器的漏感，但是绕制变压器还需要保证变压器的交调，但是如果保证了交调能力，采用绕制变压器产生的漏感就不会太大，无法达到对漏感的要求。

因此需要设计一种磁性组件，其具有变压器、储能电感，还能够提供足够谐振电感，并且保证变压器交调能力。目前还没有满足上述条件的磁性组件。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种高压变换器磁性元件一体化集成技术，该技术通过引入特殊的绕法，保证高压变压器的分布参数，同时通过外臵谐振电感补偿漏感形成谐振电感的不足。由于磁性元件为模块内最大的发热体，通过工艺控制，保证所有磁性元件的均能很好的将热扩散至表面，保证磁性元件的正常工作。

本发明目的的技术解决方案是：

一种高压电源磁性组件一体化集成方法，应用于微波功率模块中的高压电源变换器；该磁性组件包括三个磁性元件，分别为变压器、输入电感和补充谐振电感；该方法具体包括以下步骤：

第一步：绕制变压器、补充谐振电感和输入电感；

A、变压器的绕制方式为：

变压器由骨架、磁芯和漆包线构成；漆包线绕制在骨架上形成的绕组包括初级绕组和多组次级高压绕组；每个绕组独立绕制一层或一层以上，最里层为初级绕组，其次为最高压绕组，再其次为次最高压绕组，电压等级依次递减、最外层为电压等级最低的高压绕组；绕组之间缠绕聚酰亚胺胶带隔离，初级绕组与最高压绕组之间至少缠绕10层聚酰亚胺胶带；并且，绕制的各绕组均匀分布于整个骨架，绕组边缘距骨架边缘为2mm；初级绕组绕制成推挽结构，引出两个端部抽头和一个中间抽头；然后将绕制漆包线的骨架与磁芯组合起来；

B、补充谐振电感的绕制方式为：

补充谐振电感由中空结构的双格骨架、带气隙的磁芯和漆包线构成；首先，测出步骤A绕制完成的变压器的漏感，计算所需漏感与所测漏感之差，作为补充谐振电感的电感取值H；结合磁芯绕线窗口，计算磁芯气隙以及单个补充谐振电感的所需绕制圈数，然后根据计算得到的气隙和圈数进行磁芯气隙的打磨和漆包线的绕制，在双格骨架中的每一格分别形成值为H的电感H1和H2；最后将绕制漆包线的双格骨架与带气隙的磁芯组合起来；

C、输入电感的绕制方式为：

输入电感由骨架、带有气隙的磁芯和漆包线构成；根据所传输的能量及高压电源变换器线路的开关频率确定输入电感的电感量，结合磁芯绕线窗口，计算磁芯气隙以及漆包线绕制圈数；然后根据计算得到的气隙和圈数进行磁芯气隙的打磨和漆包线的绕制；最后将绕制漆包线的骨架与带气隙的磁芯组合起来；

第二步：将第一步绕制而成的三个磁性元件相连：

将补充谐振电感中两个电感H1和H2的异名端连接至变压器初级的两个端部抽头；将输入电感的其中一个引出端连接至变压器初级的中间抽头；

第三步：将第二步连接完成的三个磁性元件放入一个模具，三个磁性元件均有一个面与模具内表面接触，各绕组引出线预留在外；在模具中灌满环氧树脂进行整体环氧灌封，环氧灌封在真空含浸机内完成。

优选地，初级的三根出线从骨架的同一端引出。

优选地，所述输入电感中的骨架采用双格骨架，将计算出来的输入电感圈数分为两部分，每部分绕制在骨架的一格内，且两部分漆包线通过骨架格壁上的开口相连。

优选地，所述双格骨架的骨架中心内壁距带气隙的磁芯的中心柱有2mm间隙，骨架材料选择耐高温的聚枫棒材料加工而成，骨架厚度为2mm。

优选地，所述补充谐振电感和输入电感中的漆包线用聚四氟乙烯套管包裹。

优选地，在所述补充谐振电感和输入电感中，磁芯气隙之间灌入导热硅脂。

本发明与现有技术相比，其显著优点是：

1、通过引入外臵电感，简化了变压器的设计难度，保证设计的一次成功率。

2、通过合理的绕线布局，保证了变压器的交叉调整能力，进而保证了实际电压与设计电压的一致性。

3、通过合理分布变压器的绕组分布，保证了高压电源可在宽负载变换范围内稳定工作。

4、通过合理的布局，保证了所有磁性元件的散热，进而保证了模块的可靠工作。

附图说明

图1为用于微波功率模块的高压电源变换器的结构示意图；

图2为本发明磁性组件的组成示意图。

图3为图2中变压器部分的组成示意图。

图4为补充谐振电感的结果示意图。

图5为双格骨架的结构示意图

图6为图2中三个磁性元件的连接关系示意图。

具体实施方式

本发明提供了一种应用于微波功率模块中的高压电源变换器的磁性组件一体化集成方法，如图2所示，该磁性组件集成了变压器和输入电感L_in，并且为了达到较大的漏感，增加了补充谐振电感。本发明集成方法的具体包括以下步骤：

第一步：绕制变压器。

变压器由骨架、磁芯和漆包线构成；漆包线绕制在骨架上形成的绕组包括初级绕组和多组次级高压绕组。

由于对于高压电源变换器的应用来说，其变压器最高压和最低压之间相差约10kV，同时由于体积狭小，变压器绕组众多，实际可利用的变压器磁芯窗口面积十分有限，这就限制了该变压器的绕制方法，绕组的圈数根据实际应用也已经确定，根据行波管的工作特点，将所需电压稳定度最高的绕组靠近初级绕制，所有绕组均需均匀分布与骨架之上，保证初级与次级的紧耦合，减小了漏感，保证了变压器的交叉调整能力，实现实际工作电压与设计电压一致的目的。如图3所示，具体为：

本实施例中，假设有5组高压绕组，最里层绕制初级绕组，其次为最高压绕组（该绕组的两端记为12、13），再其次为次最高压绕组（10,11），电压等级依次递减、最外层为电压等级最低的高压绕组（4,5）；绕组之间缠绕聚酰亚胺胶带隔离，初级绕组与最高压绕组之间至少缠绕10层聚酰亚胺胶带，使得绕组之间相互隔离，保证绕组之间的耐压。

初级绕组绕制成推挽结构，由具有公共端的两个绕组组成，引出两个端部抽头和一个中间抽头。优选地，为了引出线方便，初级的三根出线从骨架的同一端引出，其中高压侧各组可以采用上下出头方式，即从一端开始，至另一端结束。

并且，每个绕组独立绕制一层或一层以上，各绕组均匀分布于整个骨架，绕组边缘距骨架边缘为2mm，该距离可以避免绕组之间的表面爬电，使得绕组之间的耐压提高。

最后，将绕制漆包线的骨架与磁芯组合起来。

可见，该绕法采用了分层结构，保证初级与次级的紧耦合，减小漏感，从而保证了变压器的交叉调整能力，使得实际的输出电压与设计的输出电压基本一致。

例如，根据应用需求确定的一组主变压器参数要求如下：

1.磁芯：EELP

2.线径选择：漆包线（0.21）

3.各组圈数及导线股数

初级1、2、3：5圈；10股(其中中心抽头2为20股)，绕制两层，三根出线从一端出；

高压绕组4、5：76圈；1股；

高压绕组6、7：76圈；1股；

高压绕组8、9：55圈、1股；

高压绕组10、11：82圈、1股；

高压绕组12、13：82圈、1股；

通过上述参数测得初级电感为60~80μH(磁芯不需要磨气隙)，漏感通常在0.5μH以内；

第二步：绕制补充谐振电感。

在第一步中，由于需要保证变压器的交调能力，其采用紧耦合的方式使得漏感最小，因此需要外加补充谐振电感，该补充谐振电感串联入变压器的低压端，使得补充谐振电感与变压器漏感之和满足所需的变压器漏感值。

通过引入补充谐振电感可以保证单级变换器的高效率，从图1可以看出，需要两个补充谐振电感分别补充L_d1和L_d2，但由于体积的限制，磁性元件应当尽量简化，并且电感在工作时，温度较高，如果引入两个谐振电感势必会导致散热压力过大，影响线路的可靠性。因此，本发明通过在一个磁芯上绕制两组线圈实现一个磁芯两个电感的目的。

因此，如图4所示，补充谐振电感由中空结构的双格骨架、带气隙的磁芯和漆包线构成，双格骨架如图5所示。首先，测出第一步绕制完成的变压器的漏感，计算所需漏感与所测漏感之差，作为补充谐振电感的电感取值H；结合磁芯绕线窗口，计算磁芯气隙以及单个补充谐振电感的所需绕制圈数，然后根据计算得到的气隙和圈数进行磁芯气隙的打磨和漆包线的绕制，在双格骨架中的每一格分别形成值为H的电感H1和H2；最后将绕制漆包线的双格骨架与带气隙的磁芯组合起来，如图4所示，磁芯的中心柱插入到骨架的中空结构中。其中，采用双格骨架的目的是保证两个电感的对称性，如果采用无格挡的骨架，则两个电感一个绕在内一个绕在外，则距离磁芯远近不同，导致两个电感的不对称。

为保证谐振电感气隙所产生的热量不至于传输至线包，本例采用两种方案解决该问题：

1.双格骨架的骨架为中空结构，骨架中心内壁距磁芯的中心柱有2mm间隙，骨架材料选择耐高温的聚枫棒材料加工而成，骨架厚度为2mm。

2.磁芯气隙处灌满具有导热作用的导热硅脂，将热量传导至磁芯表面，再通过磁芯表面传输至散热底板。本例线包所采用的漆包线均用聚四氟乙烯套管包裹，避免高温将漆包线漆层融化，导致线包短路。

举个例子，假设根据需求需要变压器漏感为6μH，而本采用上述绕法测得的变压器漏感为0.3μH左右，故补充谐振电感取值应为5.7μH。结合绕线窗口，经计算本例该补充谐振电感磁芯气隙取0.8mm，圈数每个电感取5圈。则在两格骨架的每一个绕制一个5.7μH的电感。

第三步：绕制输入电感。

输入电感由骨架、带有气隙的磁芯和漆包线构成。根据所传输的能量及高压电源变换器线路的开关频率确定输入电感的电感量，假设为120~130μH，最终选择为120μH；结合磁芯绕线窗口，计算磁芯气隙以及漆包线绕制圈数分别为2mm和20圈，然后根据计算得到的气隙和圈数进行磁芯气隙的打磨和漆包线的绕制。为保证储能电感气隙所产生的热量不至于传输至线包，该输入电感的骨架也可以采用双格骨架，那么就需要将计算出来的输入电感圈数分为两份，每份10圈，分别绕制在骨架的一格内，且两部分漆包线通过骨架格壁上的开口相连。最后将绕制漆包线的骨架与带气隙的磁芯组合起来。为解决输入电感气隙所产生的热量不至于传输至线包的问题，同样可以采用补充谐振电感中的两种方案解决。

第四步：将第一步~第三步绕制而成的三个磁性元件相连，参见图6。

①将补充谐振电感中两个电感的异名端A、B连接至变压器初级的两个端部抽头，从而保证接线与图1的高压变压器一致；其中，异名端是指：1）两个绕组同向绕制，第一绕组的首部与第二绕组的尾部为异名端，2）两个绕组反向绕制，第一绕组和第二绕组的首部为异名端。

②将输入电感的其中一个引出端连接至变压器初级的中间抽头。

第五步：整体环氧灌封。

将第四步连接完成的三个磁性元件放入同一个模具，三个磁性元件均有一个面与模具内表面接触，变压器高压引出线4～13、谐振电感的另一组异名端、输入电感的另一端预留在外。在模具中灌满环氧树脂进行整体环氧灌封。灌封需在真空含浸机内完成，同时保证真空含浸机内的温度维持在60℃左右，直至环氧固化。

本发明中，由于体积狭小，微波功率模块内无风冷及水冷等散热条件，主要依靠将本磁性组件内部的发热点（主要是磁芯）以接触的方式通过传导传输至本磁性组件外部的散热底板，同时由于是低压供电，传输功率大，这就导致初级电流较大，进而导致电感温升较大，为保证所有磁性元件的可靠工作，需将电感及变压器所生产的热量尽可能的分布开来，并进一步将热传导至散热底板上，本例磁性元件的布局如图6所示，采用真空环氧灌注，由环氧材料良好的散热特性，保证热量不过分集中，磁性元件有一面始终与底板接触，同时保证接触的面光滑平整，减小热阻，将热迅速传导至散热底板。

至此本流程结束。如果采用MAG公司的高频低损耗EELP磁芯（高度为18mm）作为变压器磁芯，采用EQ30（高度为16mm）磁芯作为补充谐振电感和输入电感的磁芯，变压器体积大致为45mm×45mm×18mm，补充谐振电感和输入电感体积大致为30mm×20mm×16mm。将三者集成后，体积也非常小，从而实现了小型化。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种高压电源磁性组件一体化集成方法，应用于微波功率模块中的高压电源变换器；其特征在于，该磁性组件包括三个磁性元件，分别为变压器、输入电感和补充谐振电感；该方法具体包括以下步骤：

第一步：绕制变压器、补充谐振电感和输入电感；

A、变压器的绕制方式为：

变压器由骨架、磁芯和漆包线构成；漆包线绕制在骨架上形成的绕组包括初级绕组和多组次级高压绕组；每个绕组独立绕制一层或一层以上，最里层为初级绕组，其次为最高压绕组，再其次为次最高压绕组，电压等级依次递减、最外层为电压等级最低的高压绕组；绕组之间缠绕聚酰亚胺胶带隔离，初级绕组与最高压绕组之间至少缠绕10层聚酰亚胺胶带；并且，绕制的各绕组均匀分布于整个骨架，绕组边缘距骨架边缘为2mm；初级绕组绕制成推挽结构，引出两个端部抽头和一个中间抽头；然后将绕制漆包线的骨架与磁芯组合起来；

B、补充谐振电感的绕制方式为：

补充谐振电感由中空结构的双格骨架、带气隙的磁芯和漆包线构成；首先，测出步骤A绕制完成的变压器的漏感，计算所需漏感与所测漏感之差，作为补充谐振电感的电感取值H；结合磁芯绕线窗口，计算磁芯气隙以及单个补充谐振电感的所需绕制圈数，然后根据计算得到的气隙和圈数进行磁芯气隙的打磨和漆包线的绕制，在双格骨架中的每一格分别形成值为H的电感H1和H2；最后将绕制漆包线的双格骨架与带气隙的磁芯组合起来；

C、输入电感的绕制方式为：

输入电感由骨架、带有气隙的磁芯和漆包线构成；根据所传输的能量及高压电源变换器线路的开关频率确定输入电感的电感量，结合磁芯绕线窗口，计算磁芯气隙以及漆包线绕制圈数；然后根据计算得到的气隙和圈数进行磁芯气隙的打磨和漆包线的绕制；最后将绕制漆包线的骨架与带气隙的磁芯组合起来；

第二步：将第一步绕制而成的三个磁性元件相连：

将补充谐振电感中两个电感H1和H2的异名端连接至变压器初级的两个端部抽头；将输入电感的其中一个引出端连接至变压器初级的中间抽头；

第三步：将第二步连接完成的三个磁性元件放入一个模具，三个磁性元件均有一个面与模具内表面接触，各绕组引出线预留在外；在模具中灌满环氧树脂进行整体环氧灌封，环氧灌封在真空含浸机内完成。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，初级绕组的三根出线从骨架的同一端引出。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述输入电感中的骨架采用双格骨架，将计算出来的输入电感圈数分为两部分，每部分绕制在骨架的一格内，且两部分漆包线通过骨架格壁上的开口相连。

4.如权利要求1或3所述的方法，其特征在于，所述双格骨架的骨架中心内壁距带气隙的磁芯的中心柱有2mm间隙，骨架材料选择耐高温的聚枫棒材料加工而成，骨架厚度为2mm。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述补充谐振电感和输入电感中的漆包线用聚四氟乙烯套管包裹。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述补充谐振电感和输入电感中，磁芯气隙之间灌入导热硅脂。