CN105869855A - 一种双柱磁芯结构的平面变压器 - Google Patents

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宋衡
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Abstract

本发明公开了一种双柱磁芯结构的平面变压器，包括“πI”结构的铁氧体平板变压器磁芯和多层平面绕组线圈；本发明既降低了磁芯的整体厚度又保证了整个磁路磁通密度的均衡，同时，有效的解决了平面线圈漏磁的屏蔽；它可将磁路气隙设置在所有平面线圈绕组之外，避开了处于气隙平面绕组受气隙效应造成的影响；本发明使平板式变压器不再因受线圈匝数限制，而一味追求工作频率的提高，从而导致电源效率降低、电磁兼容很难达标等诸多技术瓶颈。

Description

一种双柱磁芯结构的平面变压器
技术领域
本发明涉及一种平面变压器，尤其一种双柱磁芯结构的平面变压器。
背景技术
传统的高频变压器通常由高频磁芯及电磁导线绕组构成，尤其是以铁氧体高频磁芯组配的：有骨架漆包圆铜线绕组的变压器，已成为了当今一种主流结构。就铁氧体磁芯而言，现今已形成了几十种不同结构型式的系列。然而，传统高频变压器一直就是电源变换器中的庞然大物；同时，它又是导致高频电磁辐射干扰的主要发生源。如何缩小变压器的体积实现高频电源变换器的功率密度，一直是业界的重点研究课题。从电磁学的基本理论可以得知，提高变换器的工作频率即可大大提高同一变压器所能传递的功率。无疑，这是高频电源变换器今后发展的必然方向。同时，也必须清楚地看到变换器是一个系统，变压器只不过是整个系统中的一个部件，在整个系统所有部件都尚未解决高频化适用技术的现今，一味追求变换器的高频化，其结果是：变换器效率降低、电路结构繁杂、成本高昂、电磁污染加剧等诸多后果。这种状况随着变换器功率的增大越为突出。为了缩小高频变压器的尺寸，近年间变压器行业都在关注一种新结构的平面变压器，它将传统变压器绕组从骨架由里到外布置绕制绕组的方法改变为预先制作好片状平面绕组，选配不同的平面绕组叠片组装变压器；板式平面绕组则是：使用现有印刷电路板制作技术，实现变压器平面绕组甚至线包总成的新工艺。平面变压器与传统变压器相比具有绕组间耦合性能好、效率高、漏磁小。同时，也是实现变压器薄型化、高频化的创新结构。近年间，这种平面结构的高频变压器已在中小功率DC/DC板卡式电源中得到了广泛的运用，以印刷板制作的板式平面变压器在中、小功率DC/DC变换器中已成为了工业化应用的一项成熟技术。纵观现今国际上技术顶级的电源公司，最新推出的AC/DC板卡电源总是无法实现DC/DC板卡电源相同功率条件下的模块厚度，首要原因就是AC/DC变压器薄型化的困难；就连最广泛使用并争相拼比微型化结构手机充电器，也未见采用平面板式变压器。这种奇怪的现象在非专业人员看来的确不可思议。其实，几乎所有的中、小功率AC/DC电源,尤其是被最普遍、最广泛使用的单端反激电源也无缘使用性能优越的平板变压器。其实，电源设计师都知道现有的平面变压器结构并不适合有较多绕组匝数和工作于较低开关频率要求的AC/DC变换器，尤其是单端反激拓扑的变换器。这还不仅仅是变压器绕组设计困难的问题，还会导致比传统绕线变压器更多的缺陷。为了使平面变压器能够适用于各种电源变换器的拓扑的条件下仍旧保持它所特有技术性能，正是本项技术研发的动力和目标。“πI”结构的铁氧体磁芯系列的发明为上述目标的实现推出了一种基础部件。另外印刷电路板加工工艺和覆铜层厚度的局限，单层铜箔所形成成的绕组匝数和导流截面都十分有限，仅适合一些小功率低压DC/DC变换器的运用条件。对于要求绕组匝数较多(如：具有高电压输入的AC/DC)或要求较大电流密度的运用场合，只能通过多层的电路板的串、并来达到匝数和电流密度的要求，这样一来平面变压器就需要使用相当多层数的电路板来叠成，使平板变压器小、薄的结构特色荡然无存。双柱磁芯结构的平面板式绕组线圈设计方法，在保持印刷板式平面变压器薄型化、低漏磁、高效率等诸多技术特色的条件下，有效解决了在绕组设计、电路板层间过线都形成的技术难度和制造成本飙升，过厚的绕组反而造成变压器漏磁升高、效率降低、噪声干扰等一系列的问题。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提出了一种双柱磁芯结构的平面板式变压器。
本发明一种双柱磁芯结构的平面板式变压器，包括“πI”结构的铁氧体平板变压器磁芯和多层双柱磁芯结构平面绕组线圈；
“πI”结构的铁氧体平板变压器磁芯包括上磁芯和下磁芯；所述的上磁芯包括一个平板和两根磁柱，所述的两根磁柱设置在平板上，两根磁柱的截面相等，形状相同，平行排列；所述的下磁芯为一个与上磁芯平板形状和大小相同的平板；在上磁芯和下磁芯之组合的完整磁路间跟据需要可设置磁路气隙垫层或不留气隙。
所述的两根磁柱之间的距离大于等于两倍磁柱的顶端与磁芯的平板的顶端的距离；其中磁柱的顶端到磁芯的平板的顶端的距离与磁柱的底端到磁芯的平板的底端的距离相同，磁柱的侧边与磁芯的平板的侧边的距离等于磁柱的顶端与磁芯的平板的顶端的距离；磁芯的平板在两磁柱间截面大于等于单根磁柱的平行于磁芯的平板的截面。
所述的平面绕组线圈为：PCB板串联绕组的首、尾端均从PCB板的外边沿所排布的金属化孔焊盘引出；PCB板上开有两个平行排列的磁芯柱安装通孔；以双面覆铜基材走线，并形成围绕两个芯柱孔的四个绕组；每个芯柱孔边缘通过铜面走线过孔，使围绕于同一芯柱的覆铜走线形成绕向相同的“双层串联绕组”；使围绕于不同芯柱的两个“双层串联绕组”按绕向相反地进行串联即可构成双柱、四绕组串联的整板绕组，即得单层平面绕组线圈，再将得到的单层平面绕组线圈串接；在相邻单层平面绕组线圈之间设置绝缘垫层；得到适用于双柱磁芯结构的多层平面绕组线圈；变压器的一次绕组、二次绕组和其它辅助绕组都用以上方法得到；最后在一次绕组、二次绕组、其它辅助绕组、磁芯上板、磁芯下板间跟据不同的绝缘要求设置不同的绝缘垫层。
所述的所有多层平面绕组线圈都设置在上磁芯和下磁芯之间，两根磁柱设置在多层平面绕组线圈的磁柱安装通孔内。
所述的每个绕组线路板于芯柱孔边缘设置有铜面走线过孔。
上下磁芯组合后上下磁芯的平面平行，上下磁芯平面覆盖所有平面线圈绕组。
所述的上磁芯和下磁芯的材料为铁氧体。
有益效果：
1、本发明既降低了磁芯的整体厚度又保证了整个磁路磁通密度的均衡，同时，有效的解决了平面线圈漏磁的屏蔽；
2、它可将磁路气隙设置在所有平面线圈绕组之外，避开了处于气隙平面绕组受气隙效应造成的影响；
3、由该结构系列磁性构成的平板式变压器，通用于现今的各种电源变换的类型与拓扑，尤其适合制作隔离型AC/DC，单端，双端，正激，反激等各种变换器拓扑；
4、它特别适合应用于印刷电路板作为平面线圈的超薄型板卡式电源，是现今平板变压器制作板卡式AC/DC电源的一项关键技术；
5、它的设计符合电磁学理论及相关计算公式，使平板式变压器不再因受线圈匝数限制，而一味追求工作频率的提高，从而导致电源效率降低、电磁兼容很难达标等诸多技术瓶颈；
6、它与常规绕线式变压器有着几乎完全相同的设计与计算方法，具有良好的替换性，它突破了平板式变压器结构的诸多技术制约，实现了板卡式电源对通用绕线式变压器电源的替换；
7、将印刷电路绕组设计为“双面绕组基础板”的标准化结构系列。依各种电源拓扑所要求的变压器参数选配相应磁芯和基础板，通过串、并绕组板层来获得所需绕组匝数和绕组电流，即可配组成各种不同类型和规格的变压器。一改传统电路板绕组只能专用的局限；同时，大大降低了印刷电路绕组制作的技术难度和较高的加工成本。使标准化基础板配组变压器的灵活工艺变成现实；
8、本发明大大降低了板式变压器的总厚度，是实现板式平面变压器薄型话的关键技术；
附图说明
图1为上磁芯的仰视图；
图2为上磁芯主视图；
图3为下磁芯的结构示意图；
图4为平面绕组线圈的上底面结构示意图；
图5为平面绕组线圈的下底面结构示意图；
图6为多层平面绕组线圈的结构示意图。
具体实施方式
如图1、图2所示，一种双柱磁芯结构的平面变压器，包括“πI”结构的铁氧体平板变压器磁芯和多层平面绕组线圈；
“πI”结构的铁氧体平板变压器磁芯包括上磁芯和下磁芯；所述的上磁芯包括一个平板1和两根磁柱2，所述的两根磁柱设置在平板上，两根磁柱的截面相等，形状相同，平行排列；所述的下磁芯为一个与上磁芯平板形状尺寸相同的平板；在上磁芯和下磁芯之组合的完整磁路间跟据需要可设置磁路气隙垫层或不留气隙。
所述的两根磁柱之间的距离大于等于两倍磁柱的顶端与磁芯的平板的顶端的距离；其中磁柱的顶端到磁芯的平板的顶端的距离与磁柱的底端到磁芯的平板的底端的距离相同，磁柱的侧边与磁芯的平板的侧边的距离等于磁柱的顶端与磁芯的平板的顶端的距离；磁芯的平板在两磁柱间截面大于等于单根磁柱的平行于磁芯的平板的截面。
如图3所示，所述的下磁芯3为一个平板；上磁芯的平板与下磁芯结构和大小相同；上磁芯和下磁芯之间组合成完整磁路，方法与传统变压器磁芯的组合方法相同。
所述的上磁芯和下磁芯的材料为铁氧体。磁芯材料的参数与传统变压器磁芯材料参数计算方法一致。
磁芯气隙的添加，方法是在上磁芯磁柱与下磁芯平板间跟据需要可设置磁路气隙垫层或不留气隙。
磁芯组合后上下磁芯的平面平行，上下磁芯平面覆盖所有平面线圈绕组。
如图4、图5、图6所示，所述的多层平面绕组线圈为：PCB板串联绕组的首、尾端均从PCB板的外边沿所排布的金属化孔4焊盘引出；PCB板上开有两个平行排列的磁芯柱安装通孔5；以及双面覆铜基材走线6，并形成围绕两个芯柱孔的四个绕组；每个芯柱孔边缘通过多个铜面走线过孔9，使围绕于同一芯柱的覆铜走线3形成绕向相同的“双层串联绕组”；使围绕于不同芯柱的两个“双层串联绕组”按绕向相反地进行串联即可构成双柱、四绕组串联的整板绕组，即得单层平面绕组线圈，再将得到的单层平面绕组线圈8串接；得到适用于双柱磁芯结构的多层平面绕组线圈；在相邻单层平面绕组线圈之间设置绝缘层；最后在双柱磁芯结构的多层平面绕组线圈的顶层和底层设置绝缘层7。
所述的平面绕组线圈设置在上磁芯和下磁芯之间，两根磁柱设置在平面绕组线圈的磁芯柱安装通孔内。

Claims (9)

1.一种双柱磁芯结构的平面变压器，包括“πI”结构的铁氧体平板变压器磁芯和多层平面绕组线圈；
其特征在于：“πI”结构的铁氧体平板变压器磁芯包括上磁芯和下磁芯；所述的上磁芯包括一个平板和两根磁柱，所述的两根磁柱设置在平板上，两根磁柱的截面相等，形状相同，平行排列；所述的下磁芯为一个与上磁芯平板形状和大小相同的平板；上磁芯和下磁芯之间黏接，其中磁柱的顶端到磁芯的平板的顶端的距离与磁柱的底端到磁芯的平板的底端的距离相同；
所述的平面绕组线圈为：PCB板串联绕组的首、尾端均从PCB板的外边沿所排布的金属化孔焊盘引出；PCB板上开有两个平行排列的磁芯柱安装通孔；以双面覆铜基材走线，并形成围绕两个芯柱孔的四个绕组；每个芯柱孔边缘通过铜面走线过孔，使围绕于同一芯柱的覆铜走线形成绕向相同的“双层串联绕组”；使围绕于不同芯柱的两个“双层串联绕组”按绕向相反地进行串联即可构成双柱、四绕组串联的整板绕组，即得单层平面绕组线圈，再将得到的单层平面绕组线圈串接；得到适用于双柱磁芯结构的多层平面绕组线圈；在相邻单层平面绕组线圈之间设置绝缘层；最后在双柱磁芯结构的多层平面绕组线圈的顶层和底层设置绝缘层；
所述的多层平面绕组线圈设置在上磁芯和下磁芯之间，两根磁柱设置在多层平面绕组线圈的磁芯柱安装通孔内。
2.根据权利要求1所述的一种双柱磁芯结构的平面变压器，其特征在于：所述的两根磁柱之间的距离大于等于两倍磁柱的顶端与磁芯的平板的顶端的距离。
3.根据权利要求1所述的一种双柱磁芯结构的平面变压器，其特征在于：磁柱的侧边与磁芯的平板的侧边的距离等于磁柱的顶端与磁芯的平板的顶端的距离。
4.根据权利要求1所述的一种双柱磁芯结构的平面变压器，其特征在于：磁芯的平板在两磁柱间截面面积大于等于单根磁柱的平行于磁芯的平板的截面面积。
5.根据权利要求1所述的一种双柱磁芯结构的平面变压器，其特征在于：所述的每个芯柱孔边缘通过多个铜面走线过孔。
6.根据权利要求1所述的一种双柱磁芯结构的平面变压器，其特征在于：所述的上磁芯的矩形平板与下磁芯结构和大小相同。
7.根据权利要求1所述的一种双柱磁芯结构的平面变压器，其特征在于：上下磁芯黏接后上下磁芯的平面平行，上下磁芯平面覆盖所有平面线圈绕组。
8.根据权利要求1所述的一种双柱磁芯结构的平面板式变压器，其特征在于：所述的上磁芯和下磁芯的材料为铁氧体。
9.根据权利要求1所述的一种双柱磁芯结构的平面变压器，其特征在于：所述的上磁芯的一个或两个磁柱与下磁芯平板间加入气隙垫层。
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