CN104956453A - 低轮廓高电流复合变压器 - Google Patents

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Abstract

公开了一种低轮廓高电流复合变压器。变压器的一些实施方式包括：具有第一开始引线、第一结束引线、多个第一绕组线圈和第一中空芯的第一导电绕组；具有第二开始引线、第二结束引线、多个第二线圈和第二中空芯的第二导电绕组；以及围绕所述第一和第二绕组压缩的软磁性复合物。具有分布间隙的软磁性复合物提供接近线性的饱和曲线。

Description

低轮廓高电流复合变压器
相关申请的交叉引用
本申请要求在2013年1月25日提交的美国申请No.13/750,762的优先权，其通过引用全文并入本申请。
技术领域
本发明在此所述的实施方式涉及改进的低轮廓高电流复合变压器。
背景技术
变压器如其名所暗示通常用于将电压或电流从一个等级转换到另一等级。随着在一大批应用中加速使用所有不同类型的电子设备，对变压器的性能要求已经大大增加。
特定转换器的类型也已经有所增加。例如，存在许多不同类型的DC-DC转换器。这些转换器均具有特殊的用途。
降压转换器是一种步降DC-DC转换器。也就是说，在降压转换器中，输出电压小于输入电压。举例而言，降压转换器可用于在汽车中使用汽车充电器对移动电话充电。要这么做，必须将来自汽车电池的直流电转换成能对移动电话电池充电的降低的电压。当输入电压降至所期望的输出电压之下时，降压转换器就会碰到要维持所期望的输出电压的问题。
升压转换器是一种DC-DC转换器，其产生的输出电压大于输入电压。举例而言，升压转换器可用于移动电话中以将移动电话的电池电压转换成增加的电压，用于操作屏幕显示器等等。当输入电压波动到大于所期望的输出电压的电压时，升压转换器就会碰到要维持较高的输出电压的问题。
许多现有技术的感应构件，如感应器和变压器，包括具有视用途而定的特定形状的磁芯构件，该形状例如为E、U或I形、超环面形、或其它形状和构造。导电线绕组然后缠绕在磁芯构件周围以产生感应器或变压器。这些类型的感应器和变压器需要很多分开的部件，包括芯、绕组、和把部件维持在一起的结构。结果，感应器中有许多空气空间，其影响了操作并阻碍空间的最大化，并且该组装的构造通常使构件尺寸变得较大并降低了效率。
由于变压器正用于更广泛批的应用，而其中的许多应用需要小的占位面积，故亟需提供优质效率的小型变压器。
发明内容
公开了一种低轮廓高电流复合变压器。变压器的一些具体实施方式包括：第一导电绕组，其具有第一开始引线、第一结束引线、多个第一绕组线圈、和第一中空芯；第二导电绕组，其具有第二开始引线、第二结束引线、多个第二线圈、和第二中空芯；以及围绕着所述第一和第二绕组压缩的软磁性复合物。具有分布间隙的软磁性复合物提供接近线性的饱和曲线。
也公开了变压器的多种用途。在一些实施方式中，变压器作为反激变换器、单端主要感应器转换器和库克(Cuk)转换器操作。
附图说明
从下文配合附图所举例的描述中可获得更详细的理解，其中：
图1示出低轮廓高电流复合变压器的绕组；
图2示出低轮廓高电流复合变压器的绕组的可替换构造；
图3示出低轮廓高电流复合变压器的绕组的可替换构造；
图4示出低轮廓高电流复合变压器的绕组的可替换构造；
图5示出低轮廓高电流复合变压器的绕组的可替换构造；
图6示出根据某些实施方式所构造的变压器；
图7示出根据某些实施方式所构造的变压器；
图8示出根据某些实施方式所构造的变压器；
图9示出使用加压粉末技术的变压器相较于使用铁氧化物技术的变压器的线性饱和曲线；
图10示出使用上述变压器的实施方式的转换器的方块图；
图11示出使用所述变压器的转换器的功能方块图；
图12示出使用所述变压器并作为SEPIC操作的转换器所使用的有效电路图；
图13示出使用所述变压器并作为反激变换器操作的转换器所使用的有效电路图；以及
图14示出使用所述变压器并作为库克转换器操作的转换器所使用的有效电路图。
具体实施方式
应当理解本发明的附图和描述已经简化以说明有关于清楚理解本发明的元件，同时为了简洁而免除了感应器和变压器设计中发现的许多其它元件。本领域技术人员可以认识到在实施本发明时其它元件和/或步骤是所想要的和/或所需的。然而，因为这样的元件和步骤是本领域所公知的，并且因为它们并不有助于更好理解本发明，所以在此并不提供这种元件和步骤的讨论。本文的公开针对对于本领域技术人员所熟知的这种元件和方法的所有此种变化和修改。
本发明涉及一种低轮廓高电流复合变压器。所述变压器包括具有开始引线和结束引线的第一线绕组。另外，该装置包括第二线绕组。磁性材料完全围绕着所述线绕组以形成感应器本体。使用压力成型来将磁性材料成型在所述线绕组周围。
本装置的应用包括但不限于库克转换器(Cuk converter)、反激变换器(flyback converter)、单端主要电感转换器(SEPIC)、和耦合感应器。对于SEPIC和库克转换器，在变压器的两个绕组之间的漏电感应通过使用软磁性复合物降低损失来提高所述转换器的效率。
现参考图1，示出了低轮廓高电流复合变压器10的绕组，该变压器可用于如下所述的转换器。绕组，其在某些实施方式中也称为线圈，可以包括在共同轴线上的任何形状的一圈或多圈的导电体，在公共轴线上内周长或直径是相等或可变的。每一圈可以是任何形状，包括圆形、矩形和正方形。导体的横截面可以是任何形状，包括圆形、正方形或矩形。变压器10包括两个独立的绕组：第一绕组20和第二绕组30。第一绕组20包括多个圈22并且包括开始引线24和结束引线26。第二绕组30包括多个圈32并且包括开始引线34和结束引线36。
第一绕组20可以具有任何圈数。第二绕组30也可以具有任何圈数。第一绕组20和第二绕组30的圈数比率可以在1/10至10的范围内。具体地，第一绕组20可以包括的圈数范围大约是4至40，更特定而言为大约10圈。类似地，第二绕组30可以包括的圈数范围大约是4至40，更特定而言为大约10圈。
第一绕组20可以在第一方向上缠绕，第二绕组30在保持相同的旋转中心的同时可以在相反的方向上缠绕。可替换地，第二绕组30可以与第一绕组20在相同的方向上缠绕，同时又保持相同的旋转中心。而且，第二绕组30可以同时缠绕成与第一绕组20并排。第一绕组20和第二绕组30可以同时缠绕成交错的绕组，其也称为双线(bifilar)绕组。这使得第一绕组20和第二绕组30两者能维持用于变压器10的低轮廓。变压器10的尺寸可以确定为10x 10x 4mm、或其它更大或更小的适当尺寸。
图2示出绕组的另一构造。该构造示出用于形成变压器10的扁平线。此示示出了第一绕组20和第二绕组30之间增大的间隔。变压器10包括由具有矩形横截面的扁平线制成的线绕组20、30。用于绕组20、30的线的示例为瓷釉化的铜扁平线，其由具有用于绝缘的聚酰亚胺搪瓷涂层的铜制成。虽然显示和描述的为扁平线构造，但是本发明也可以使用Litz线(绞合线)和/或编织线构造。类似于上述的围绕构造，扁平线构造的绕组20、30包括多个圈22、32。第一绕组20包括开始引线24和结束引线26。第二绕组30包括开始引线34和结束引线36。开始引线24互连到第一引线16，并且结束引线26互连到第二引线17。开始引线34互连到第三引线18，并且结束引线34互连到第四引线19。
也可以使用其它构造的绕组。例如，如图3所示，有间隙的绕组可用来形成变压器10。在图3中，示出了两个绕组，但是可以使用任何数目。有间隙的绕组可包括第一绕组20，此绕组的中心相对于第二绕组30的绕组中心侧向位移。该位移在变压器本体的范围内可以沿水平和/或垂直方向。
图4所示绕组的另一构造为具有共用内径的有间隙的绕组。再次，虽然示出两个绕组，但是该构造可以使用任何数量的绕组。具有共用内径的有间隙的绕组可以包括第一绕组20、第二绕组30，在所述第一绕组20和第二绕组30之间有空气间隙。
图5示出绕组的另一构造。该构造包括三个绕组。如图所示，第一绕组20配置具有与第二绕组30和第三绕组40相同的绕组中心。其它构造可用于三绕组的变压器。如图所示，第一绕组绕着绕组中心缠绕，第二绕组30共享相同的绕组中心并且具有大于第一绕组20的外径的内径。第三绕组共享相同的绕组中心并且具有大于第二绕组30的外径的内径。
图1-5的绕组可具有形成在其上或周围的变压器本体。所述变压器本体可包括软磁性复合物，其由具有分布间隙的绝缘磁性微粒组成。使用“软”字来定义软磁性复合物是指该复合物是软磁性的，例如其中的HC或抗磁力小于或等于5奥斯特。软磁性复合物可包括合金粉末、铁粉末或粉末的组合。粉末也可包括填充物、树脂和润滑物。软磁性复合物具有允许装置拥有高电感但低芯损耗的电特征，从而使其效率最大化。
软磁性复合物具有高电阻率(超过1ΜΩ)，其使得所制造的变压器能够在表面安装引线之间不需有导电路径下运行。根据电感值，磁性材料也允许有高达40MHz的有效操作。施加在软磁性材料上的力可以大约为每平方英寸15吨至每平方英寸60吨。该压力使得软磁性材料紧密而完全地绕着绕组被压缩和成型，以形成包括在绕组之间中的变压器本体。在某些实施方式中，紧密而完全地绕着绕组的压缩和成型可以包括在该绕组中每圈之间的周围和/或其中。
图6中所示的变压器10构造成例如安装在电路板(未示出)上或者安装成第一和第二绕组20、30形成在本体14内。变压器10包括本体14，其具有从其向外延伸的第一引线16和第二引线17。本体也具有从其向外延伸的第三引线18和第四引线19(不可见)。所述引线16、17、18和19在本体14的底部下方被弯曲和折叠，并且可以视需要焊接到一个或多个焊垫以连接到电路。一旦连接到电路板，所述引线16、17、18和19可视需要相互连接，以便能实现和影响变压器10的性能。以类似的方式，可视需要加入任何数量的线圈或引线。
如图7所示，变压器10包括两绕组的构造，以安装在例如电路板(未示出)上或用于安装。变压器10包括本体14，其可为如图所示的圆柱形或任何其它形状，如正方形或六角形，第一和第二绕组20、30(不可见)形成在所述本体14内部并且第一引线16和第二引线17从其向外延伸。本体也具有从其向外延伸的第三引线18和第四引线19。所述引线16、17、18和19从本体的底侧延伸并且可视需要焊接到PCB。一旦连接到电路板，所述引线16、17、18和19可视需要相互连接，以便能实现和影响变压器10的性能。
如图8所示，变压器10包括安装在例如电路板(未示出)上或用于安装的三绕组的构造。变压器10包括本体14，其具有形成在所述本体14内部的第一和第二绕组20、30(不可见)和从其向外延伸的第一引线16和第二引线17。本体也具有从其向外延伸的第三引线18和第四引线19。本体也具有从其向外延伸的第五引线12和第六引线13。这些引线12、13、16、17、18和19从本体的底侧延伸并且可视需要焊接到PCB。一旦连接到电路板，所述引线12、13、16、17、18和19可视需要相互连接，以便能实现和影响变压器10的性能。以类似的方式，可视需要加入任何数量的线圈或引线。
当与其它感应构件比较时，变压器10的实施方式具有一些独特的特性。有或没有引线框的导电绕组、磁芯材料和保护性外壳成型成单一整体的低轮廓单元化本体，其具有适合表面或通孔安装的终端引线。该构造允许为磁性性能最大利用可用空间，并且是磁性地自屏蔽的。单元化构造消除了对于多个芯体的需要，这是在先技术的E芯或其它芯形状的情形，并且也消除了相关的组装劳动。一些实施方式的独特导体绕组允许高电流操作，并且也在变压器的占位面积内使磁性参数最佳化。在此所描述的变压器是低成本、高性能封装体，而不依赖于昂贵、严格容限的芯材料和特定的缠绕技术。加压粉末技术在绝缘铁质材料中提供最小微粒尺寸，导致低芯损耗和高饱和而不牺牲磁导率，从而实现目标电感。
变压器10可以实现如等式1所定义的能量储存。
能量储存＝1/2*L*I2   (等式1)
通过选择微粒成分和尺寸以及由绝缘物、黏合物和润滑物在微粒周围产生的间隙，而使能量储存达到最大。加压粉末技术提供优良的饱和特性，其维持用于所施加的相关电流的高电感，以使储存能量达到最大。
图9示出与使用铁氧化物技术的变压器比较，使用加压粉末技术来形成软磁性复合物的变压器的接近线性的饱和曲线。如图9所示，加压粉末技术提供接近线性的饱和曲线。加压粉末的曲线90在较高电流下虽然下降到低于1μΗ的电感但仍维持高于0.9μΗ。另一方面，铁氧化物的曲线是梯状或硬饱和曲线(hard saturation curve)。铁氧化物的曲线95在任何电流下都不上升超过lμΗ，并且在12～15安之间具有急剧的下降。在较高的电流下，铁氧化物达到小于0.2μΗ。加压粉末的曲线则在较小的封装体下允许较高的电流密度，以能够处理电流尖峰而电感却不剧烈下降。这改善了电路的性能和稳定性。
现在参见图10，显示的是利用变压器10的转换器的方块图。转换器200可具有输入A、和一个或多个输出B。在转换器200中，输入A的电压电平可以大于、小于或等于输出B的电压电平。
例如，当作为SEPIC操作时，转换器200是一种直流到直流(DC-DC)转换器，其允许输入电压大于、等于或小于输出电压，并且输出电压具有与输入电压相同的极性。转换器200的输出是由控制晶体管的负载循环所控制，这将在下文进行描述。转换器200在电池电压可高于或低于所要之输出电压的情形下是有用的。例如，当13.2伏特的电池放电6伏特(在转换器200的输入处)并且系统构件需要12伏特(在转换器200的输出处)时，转换器200可以是有用的。在这样的示例中，输入电压既高于输出电压又低于输出电压。
例如，当作为库克转换器操作时，转换器200是一种直流到直流(DC-DC)的转换器，其允许输出电压大于、等于或小于输入电压，并且具有与输入电压相反的极性。
图11示出转换器的功能方块图。转换器200包括输入210、输出230、变压器10和控制单元220。转换器200也可以包括从所述输出230到所述控制单元220的反馈回路(未显示)。输入210可以视需要选择性地包括电压调节和调整。输入210可以包括一个(或多个)输入电容器以调节输入电压。输入210在视需要调整或调节输入电压之后提供信号给变压器10。变压器10可以基于所提供的信号来充电。例如，变压器10的第一侧可以充电到输入电压值。基于控制220，此变压器10的充电然后传递到输出230。输出230可以视需要选择性地包括对输出电压的调整和调节，以从转换器200提供更可用的电压。
现在又参见图12，示出使用变压器10作为SEPIC的有效电路图。无论输入电压是高于或低于输出电压，SEPIC通常都提供正调节的输出电压。SEPIC在需要从未调节的电源进行电压转换的用途中是特别有用。SEPIC 700可包括具有两个绕组702、704的变压器10。每个绕组在切换循环期间可被供应相同的电压。在所述两个绕组之间的漏电感可通过降低AC损耗而提高SEPIC 700的效率。如图12所示，变压器10具有耦接于地的第一引线760。第二引线770与二极管710互连，该二极管710耦接至V出和电容器720。另外，第二引线770和第三引线780经由电容器730互连，第三引线780连接到晶体管750的漏极。变压器10的第四引线790耦合至V入和电容器740。晶体管750的源极可耦合于地。
变压器10的串联接线的两个绕组的有效电感显示于等式2：
L＝L1+L2±2*K*(L1*L2)0.5   (等式2)
+或－取决于是否耦合为积分的或者微分的。L1和L2代表第一和第二绕组的电感，而K是耦合系数。因此，如果所述第一和第二绕组的电感都是L并且耦合是精确而且积分的，则变压器10可提供4L的电感。
分析图12的电路，V入通过电容器740调节。变压器10的第一绕组702充电并最终可等于V入。视控制晶体管750而定，第一绕组的电荷可通过电路700传递到V出。也就是说，变压器10的第一绕组的电荷可传送到变压器10的第二绕组。随后，该电荷基于控制晶体管750而耦合于V出。电容器720可调节来自变压器10的第二绕组的电荷的输出电压。二极管710可防止从电容器720泄漏到电路700的其余部分。
图13示出使用所述变压器并作为反激变换器(flyback converter)操作的转换器所使用的有效电路图。反激变换器可用于交流/直流(AC/DC)转换(需要整流)或直流/直流(DC/DC)转换。反激变换器是具有用于提供隔离的变压器的降压-升压转换器。
图13中，电路800包括输入电压源840，其电耦合于开关810和变压器的初级绕组802。变压器的次级绕组804电连接到二极管820，电容器850和负载830并联耦合。操作中，当开关810关闭时，所述初级绕组802连接到输入电压源840。变压器中的通量增加，能量储存于变压器中。次级绕组804中所感应的电压使二极管被逆向偏压，并且电容器850供应能量给负载830。
当开关810打开时，次级电压使二极管820被正向偏压。来自变压器的能量使电容器850再充电并且供应负载830。
图14示出使用所述变压器并作为库克转换器操作的转换器所使用的有效电路图。库克转换器是输出电压大于或小于输入电压并且在输入和输出电压之间具有相反极性的DC/DC转换器。
图14中，电路900包括输入电压源940，其电耦合于开关910和变压器的初级绕组902。变压器的次级绕组904电连接到并联耦合的二极管920、电容器950和负载930。操作中，当开关910打开时，电容器960可通过第一绕组902而由输入源940充电。电流从次级绕组904经由二极管920流到负载930。当开关910闭合时，电容器960和第二绕组904将能量经由开关910转移到负载930。
虽然本发明的特征和元件在示例性实施方式中是以特殊的组合来描述，但是每个特征可以单独使用而无需示例性实施方式的其它特征和元件，或者在具有或没有本发明的其它特征和元件的情形下通过多种组合来使用。

Claims (19)

1.一种低轮廓高电流复合变压器，包括：
第一导电绕组，其具有第一开始引线、第一结束引线、多个第一绕组线圈和第一中空芯；
第二导电绕组，其具有第二开始引线、第二结束引线、多个第二绕组线圈和第二中空芯；以及
软磁性复合物，其围绕所述多个第一和第二绕组线圈被压缩，
其中，具有分布间隙的所述软磁性复合物提供接近线性的饱和曲线。
2.根据权利要求1所述的变压器，其特征在于，所述软磁性复合物填充所述第一和第二中空芯。
3.根据权利要求1所述的变压器，其特征在于，所述第一导电绕组和所述第二导电绕组布置成有间隙的绕组构造。
4.根据权利要求1所述的变压器，其特征在于，所述第一导电绕组和所述第二导电绕组布置成具有共用的内径构造的有间隙的绕组。
5.根据权利要求1所述的变压器，其特征在于，还包括第三导电绕组，所述第三导电绕组具有第三开始引线、第三结束引线、多个第三绕组线圈和第三中空芯。
6.根据权利要求5所述的变压器，其特征在于，所述第一、第二和第三中空芯中的至少两个叠置。
7.根据权利要求1所述的变压器，其特征在于，所述第一和第二导电绕组中的至少一个是圆形。
8.根据权利要求1所述的变压器，其特征在于，所述第一和第二导电绕组中的至少一个是矩形。
9.根据权利要求1所述的变压器，其特征在于，所述第一和第二导电绕组中的至少一个是正方形。
10.根据权利要求1所述的变压器，其特征在于，所述软磁性复合物形成感应器本体。
11.根据权利要求1所述的变压器，其特征在于，包括：所述软磁性复合物完全围绕和接触所有的所述第一和第二导电绕组，并且也完全填充所述第一和第二中空芯。
12.根据权利要求1所述的变压器，其特征在于，所述软磁性复合物在所述第一和第二中空芯的至少一个中围绕所述导电绕组被压力成型，使得所述感应器本体的该软磁性复合物在其中基本上没有空隙，并紧密地完全地围绕和接触所述导电绕组的所有部分被压缩，并不使所述绕组短路。
13.根据权利要求1所述的变压器，其特征在于，所述软磁性复合物包括粉末的组合。
14.根据权利要求13所述的变压器，其特征在于，所述软磁性材料包括合金粉末。
15.根据权利要求13所述的变压器，其特征在于，所述软磁性复合物包括铁粉末。
16.根据权利要求13所述的变压器，其特征在于，所述粉末包括填充物、树脂、和润滑物中的至少一种。
17.根据权利要求1所述的变压器，其特征在于，围绕所述多个第一和第二绕组线圈压缩的所述软磁性复合物形成变压器本体。
18.根据权利要求1所述的变压器，其特征在于，所述变压器将能量储存在所述软磁性芯的微粒之间的间隙内。
19.根据权利要求1所述的变压器，其特征在于，所述软磁性复合物包括在绝缘铁质材料中的最小微粒尺寸。
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