CN107924755A - 变压器及具备其的谐振电路 - Google Patents

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Abstract

变压器(1)具备：形成磁路且具有中脚(10a)及从所述中脚(10a)分岔的多个侧脚(10b、10c)的铁芯(10)、分别缠绕在选自中脚(10a)及侧脚(10b、10c)中的第一被缠绕脚(10a)及第二被缠绕脚(10b)上的一次侧绕线(11)、以及缠绕在第一被缠绕脚(10a)或第二被缠绕脚(10b)的任一个上的二次侧绕线(12)，且由一次侧绕线(11)在第一被缠绕脚(10a)中产生的第一磁通量与在第二被缠绕脚(10b)中产生的第二磁通量在不与二次侧绕线(12)交链的位置具有预定的规定值以上的差。

Description

变压器及具备其的谐振电路
技术领域
本发明涉及一种谐振电路中所用的具有大漏感(leakage inductance)的小型变压器(transformer)及具备此小型变压器的谐振电路。
背景技术
以前，谐振电路利用谐振电感Lr、谐振电容Cr的谐振来实现软开关(soft-switching)。关于谐振电感Lr，能够使用变压器的漏感。已知通过使用漏感而零件数量减少，另外能够减少噪音。
但是，若使变压器小型化，则有难以充分取得用于形成漏的一次侧绕线与二次侧绕线的间隔，从而无法获得谐振所需要的漏感这一问题。
因此，为了获得大的漏感，提出了一种使用将一次侧绕线与二次侧绕线分割的骨架(bobbin)的方法(例如参照专利文献1)。
然而，为了获得充分的漏感，必须增大一次侧绕线与二次侧绕线的分割距离，致使变压器变大。
为了增大变压器的漏感，也提出了以下方法：在一次绕线与二次绕线之间追加磁性体，由此产生漏磁场，获得大的漏感(例如参照专利文献2)。
然而，由追加的磁性体产生的漏磁场与附近的绕线交链，由此导致损耗增大。另外，由于需要追加磁性体，因此构件增多。
另外，也提出了以下方法：在卷绕着一次绕线的中脚部分和未卷绕一次侧绕线的侧脚上卷绕二次侧绕线，由此获得漏感(例如参照专利文献3)。
然而，仅在中脚部分卷绕一次侧绕线的方法中，一次侧绕线的层数增加，由邻近效应(proximity effect)导致效率降低。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利特开2001-237126号公报
专利文献2：日本专利特开2013-172135号公报
专利文献3：日本专利特开2008-166624号公报
发明内容
发明所要解决的问题
鉴于现有技术的此种问题，本发明的目的在于提供一种通过在铁芯的两处由一次侧绕线产生大小具有充分差的磁通量而获得大漏感的变压器、及具备此种变压器的谐振电路。
解决问题的技术手段
为了达成所述目的，本发明的变压器的特征在于具备：铁芯，形成磁路且具有中脚及从所述中脚分岔的多个侧脚；一次侧绕线，分别缠绕在选自所述中脚及所述多个侧脚中的第一被缠绕脚及第二被缠绕脚上；以及二次侧绕线，缠绕在所述第一被缠绕脚或所述第二被缠绕脚的任一个上，并且由所述一次侧绕线在所述第一被缠绕脚中产生的第一磁通量与在所述第二被缠绕脚中产生的第二磁通量在不与所述二次侧绕线交链的位置具有预定的规定值以上的差。
此处，所述铁芯具有由所述一次侧绕线产生的所述第一磁通量及所述第二磁通量中不与所述二次侧绕线交链的磁通量的路径。进而，也可在所述路径中设置间隙。
根据此种结构的变压器，无需追加构件，由漏磁场的影响或邻近效应所致的损耗也不会增加，能够实现可获得大漏感的小型变压器。在所述路径中设置间隙的情况下，能够利用此间隙的长度来任意调节漏感。
本发明的变压器中，为了使所述第一磁通量及所述第二磁通量各自的大小具有差，例如也可针对所述第一被缠绕脚与所述第二被缠绕脚而使截面积或所述一次侧绕线的圈数中的至少其中之一不同。或者，也可在所述第一被缠绕脚及所述第二被缠绕脚的任一个中设有间隙，或在所述第一被缠绕脚及所述第二被缠绕脚中分别设有长度不同的间隙。但不限于此种方法。
另外，本发明的谐振电路的特征在于具备所述变压器、谐振电感及谐振电容，且利用与所述变压器的励磁电感连接的所述谐振电感及所述谐振电容的谐振。所述谐振电感及所述谐振电容也可与所述励磁电感串联连接。
根据此种结构的谐振电路，能够构成励磁电感Lm与谐振电感Lr的比(1＝Lm/Lr)小的谐振变换器或串联谐振变换器。由于频率特性变得急剧，因此能够通过使开关频率变化而获得广的输出电压范围，或者在将输出电压控制为一定值的情况下能够扩大输入范围。
另外，在本发明的谐振电路为LLC方式的谐振电路的情况下，优选所述励磁电感/所述谐振电感为3以下。
发明的效果
根据本发明的变压器，无需追加构件，由漏磁场的影响或邻近效应所致的损耗也不会增加，能够实现可获得大漏感的小型变压器。
另外，根据具备本发明的变压器的谐振电路，能够构成励磁电感Lm与谐振电感Lr的比(1＝Lm/Lr)小的串联谐振变换器。由于频率特性变得急剧，因此能够通过使开关频率变化而获得广的输出电压范围，或者在将输出电压控制为一定值的情况下能够扩大输入范围。
附图说明
图1为本发明的第一实施方式的变压器1的概观结构图。
图2中的(a)为所述变压器1的励磁电感Lm及漏感Llk的概略说明图。(b)为在所述变压器1的铁芯10的左脚10c中设有间隙的示例的概略说明图。
图3为与磁路计算中所用的磁导P有关的参数的说明图。
图4为在变压器1中使磁动势F具有差的方法的概略说明图。
图5中的(a)～(c)为在变压器1中使磁阻R具有差的方法的概略说明图。
图6中的(a)、(b)为例示一次侧绕线11及二次侧绕线12(12a、12b)的另一缠绕方式的概略图。
图7中的(a)～(c)为例示一次侧绕线11及二次侧绕线12(12a、12b)的进而又一缠绕方式的概略图。
图8为本发明的第二实施方式的串联谐振变换器电路20的概观结构图。
图9为本发明的第一实施方式的实施例1的铁芯10的概观结构图。
图10为本发明的第一实施方式的实施例2的铁芯10的概观结构图。
图11为本发明的第一实施方式的实施例3的铁芯10的概观结构图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的若干实施方式进行说明。
<第一实施方式>
图1为本发明的第一实施方式的变压器1的概观结构图。图2(a)为所述变压器1的励磁电感Lm及漏感Llk的概略说明图。图2(b)为在所述变压器1的铁芯10的左脚10c中设有间隙的示例的概略说明图。
如图1所示，变压器1具有形成磁路的铁芯10、输入侧的一次侧绕线11以及输出侧的二次侧第一绕线12a及二次侧第二绕线12b(统称为二次侧绕线12)。此处，示出对二次侧绕线12取中心抽头(center tap)的情况，但若不取中心抽头则可仅为二次侧第一绕线12a及二次侧第二绕线12b中的其中之一。
铁芯10具有一个中脚10a及从所述中脚10a分岔成两个的侧脚10b、侧脚10c(必要情况下分别称为右脚10b、左脚10c而加以区分)，例如包括E型铁芯与I型铁芯或E型铁芯彼此等。此外，铁芯10的材质可为普通材质。
使绕线方向(图中以重叠在一次侧绕线11上的箭头表示)彼此相反而将一次侧绕线11缠绕在自中脚10a、侧脚10b、侧脚10c中任意选择的两脚(本案的“第一被缠绕脚”及“第二被缠绕脚”，此处为中脚10a及右脚10b)上。此外，以下将选择中脚10a及右脚10b的情况作为示例来进行说明，但两脚的组合也可为左脚10c及中脚10a、或左脚10c及右脚10b。
将二次侧绕线12缠绕在所选择的两脚、即中脚10a与右脚10b的任一个(此处为右脚10b)上。
关于一次侧绕线11及二次侧绕线12，例如作为线(wire)，不仅可使用将细线捻合而成的利兹(Litz)线、单线，而且也可使用形成有图案的印刷电路板(Printing CircuitBoard，PCB)基板(图案线圈)、扁立缠绕线圈(edgewise coil)、铜箔，但不限于这些。此外，在使用线的情况下也可并用骨架。
此种变压器1的结构中，如图2(a)所示，在缠绕有一次侧绕线11的两脚(此处为中脚10a及右脚10b)中分别产生磁通量Φa、磁通量Φb，若这些磁通量Φa、磁通量Φb的大小在不与二次侧绕线12交链的位置具有充分的差(预定的规定值以上的差)，则由于仅在中脚10a及右脚10b中的其中之一上缠绕二次侧绕线12而铁芯10具有流通漏感Llk的路径(左脚10c)，因此可获得大的漏感Llk。
另外，如图2(b)所示，若在变压器1的铁芯10中在流通漏感Llk的路径中设置间隙，则可利用此间隙长Gc来任意调整漏感Llk。
图3为与磁路计算中所用的磁导P有关的参数的说明图。
其次，对使所产生的磁通量的大小具有差的方法的示例进行说明，首先预先确认磁路计算的基础。总磁通量Φ、磁动势F及磁阻R处于下式的关系。
总磁通量Φ＝磁动势F/磁阻R···(1)
然而，磁路计算中不太使用磁阻R，而通常使用磁阻R的倒数即磁导P，因此所述(1)式能够替换成下式。
总磁通量Φ＝磁动势F·磁导P···(2)
如图3所示，当将磁路长设为L、磁路截面积设为A、透磁率设为μ时，所述磁导P是由下式表示。
磁导P＝透磁率μ·磁路截面积A/磁路长L···(3)
图4为在变压器1中使磁动势F具有差的方法的概略说明图。图5(a)～(c)为在变压器1中使磁阻R具有差的方法的概略说明图。
作为使所产生的磁通量的大小具有差的方法的一例，也可在变压器1的中脚10a及右脚10b中使各磁动势F具有差。
磁动势F是由下式表示，因此例如可想到如图4所示般在中脚10a及右脚10b上使匝数N互不相同。
磁动势F∝NI(I为一定值，N为线圈的匝数)
作为使所产生的磁通量的大小具有差的方法的另一示例，也可在变压器1的铁芯10中在缠绕有一次侧绕线11的部分，此处是在中脚10a及右脚10b中，使各磁阻R具有差。
由所述(3)式得知，磁导P(磁阻R的倒数)与透磁率μ、磁路截面积A或磁路长L有关，因此只要改变这些参数中的至少一个即可。
例如也可如图5(a)所示，在中脚10a及右脚10b的至少其中之一中设置间隙，或如图5(b)所示，在两者中设置间隙的情况下只要改变各间隙长即可。其原因在于：透磁率μ在间隙部分与铁芯10中不同，因此总体的透磁率μ对应于间隙长而变化。此外，间隙未必一定要如图5(a)或图5(b)所示设置在铁芯10的偏上处，无论设置在中脚10a及右脚10b的哪处均可。
或者也可如图5(c)所示，在中脚10a及右脚10b中使各磁路截面积Aa、Ab互不相同。但是不限于这些方法。
根据以上所说明的第一实施方式，不需要磁性体等追加构件，由漏磁场与附近的绕线交链所致的损耗也不会增加，也不会因由于一次侧绕线的层数增加所产生的邻近效应而导致效率降低，能够实现可获得大漏感的小型变压器。
<第一实施方式的变形例>
图6(a)、(b)为例示一次侧绕线11及二次侧绕线12(12a、12b)的另一缠绕方式的概略图。图7(a)～(c)为例示一次侧绕线11及二次侧绕线12(12a、12b)的进而又一缠绕方式的概略图。
所述第一实施方式中，在中脚10a与右脚10b上使绕线方向彼此相反而缠绕一次侧绕线11。在右脚10b上在一次侧绕线11的下侧缠绕二次侧绕线12(二次侧第一绕线12a及二次侧第二绕线12b)。然而，一次侧绕线11及二次侧绕线12的缠绕方式不限于此。
例如，也可如图6(a)所示，交替缠绕一次侧绕线11及二次侧绕线12。或者，也可如图6(b)所示，自上而下依次缠绕一次侧绕线11、二次侧绕线12(二次侧第一绕线12a)、二次侧绕线12(二次侧第二绕线12b)、一次侧绕线11。
另外，也可使上下顺序与第一实施方式的一次侧绕线11及二次侧绕线12的缠绕方式相反而设定成如图7(a)所示。另外，也可使上下顺序与图6(a)所示的缠绕方式相反而设定为如图7(b)所示，同样地，也可使上下顺序与图6(b)所示的缠绕方式相反而设定成如图7(c)所示。
<第二实施方式>
图8为本发明的第二实施方式的半桥(half-bridge)式串联谐振变换器电路20的概观结构图。
所述第一实施方式的变压器1例如适于半桥及全桥(full-bridge)的串联谐振变换器电路或移相全桥(phase shifted full-bridge)电路、双有源桥(Dual ActiveBridge，DAB)电路等。
另外，能够用于如下谐振电路，此谐振电路利用与变压器1的励磁电感串联连接的谐振电感Lr及谐振电容Cr的谐振。图8所示的半桥式串联谐振变换器电路20也为其一例。
根据此种第二实施方式，通过使用漏感大的第一实施方式的变压器1，能够构成励磁电感Lm与谐振电感Lr的比(1＝Lm/Lr)小的串联谐振变换器。由于频率特性变得急剧，因此能够通过使开关频率变化而获得广的输出电压范围，或者在将输出电压控制为一定值的情况下能够扩大输入范围。
此外，LLC电路的情况下，优选以励磁电感Lm与谐振电感Lr的比(1＝Lm/Lr)成为3以下的方式构成。
实施例1
图9为本发明的第一实施方式的实施例1的铁芯10的概观结构图。实施例1中，如所述图9所示，使用将漏感路径用的左脚10c的截面积Ac设为1、中脚10a的截面积Aa设为2、右脚10b的截面积Ab设为2的铁芯10。
在铁芯10的中脚10a及右脚10b上，以中脚侧2匝、右脚侧1匝将一次侧绕线11交替卷绕成8字，卷绕共计15匝(中脚侧10匝、右脚侧5匝)之后，最后在右脚侧卷绕1匝。
进而，在铁芯10的右脚10b上，与一次侧绕线11同向而卷绕2匝二次侧绕线12，与其不同地，在右脚10b上与一次侧绕线11反向而卷绕2匝二次侧绕线12。
测定是使用电感电容电阻(LCR)计进行。测定条件为频率100kHz。首先使二次侧绕线12开路(open)，测定一次侧绕线11的电感值Lp。然后，使二次侧绕线12短路(short)，测定一次侧绕线11的电感Llk。
所述电感Llk为漏感，励磁电感Lm是由Lm＝Lp-Llk算出。若设为m＝Lm/Llk，则测定结果为
Lm＝157.2μH
Llk＝104.1μH
获得了大的漏感。
实施例2
图10为本发明的第一实施方式的实施例2的铁芯10的概观结构图。实施例2中，如所述图10所示，使用将漏感路径用的左脚10c的截面积Ac设为1、中脚10a的截面积Aa设为3、右脚10b的截面积Ab设为2的铁芯10。
在铁芯10的中脚10a及右脚10b上各卷绕1匝一次侧绕线11成8字，卷绕共计16匝(中脚侧8匝、右脚侧8匝)。
进而，在铁芯10的右脚10b上，与一次侧绕线11同向而卷绕2匝二次侧绕线12，与其不同地，在右脚10b上与一次侧绕线11反向而卷绕2匝二次侧绕线12。
测定设备、测定条件或测定方法等与实施例1相同。测定结果为
Lm＝277μH
Llk＝89.8μH
仍获得了大的漏感。
实施例3
图11为本发明的第一实施方式的实施例3的铁芯10的概观结构图。实施例3中，如所述图11所示，使用将漏感路径用的左脚10c的截面积Ac设为1、中脚10a的截面积Aa设为2、右脚10b的截面积Ab设为2，进而将中脚10a的间隙长Ga设为1、右脚10b的间隙长Gb设为2的铁芯10。
在铁芯10的中脚10a及右脚10b上各卷绕1匝一次侧绕线11成8字，卷绕共计16匝(中脚侧8匝、右脚侧8匝)。
进而，在铁芯10的右脚10b上与一次侧绕线11同向而卷绕2匝二次侧绕线12，与其不同地，在右脚10b上与一次侧绕线11反向而卷绕2匝二次侧绕线12。
测定设备、测定条件或测定方法等与实施例1相同。测定结果为
Lm＝27.2μH
Llk＝80.4μH
仍获得了大的漏感。
以上说明的第一实施方式、其变形例、第二实施方式及实施例1～实施例3的各结构只要不存在特别的阻碍因素等，则也可相互组合。
此外，本发明可在不偏离其主旨或主要特征的情况下以其他多种形式实施。因此，所述各实施方式或各实施例在所有方面仅为简单例示，而非限定性地解释。本发明的范围是由权利要求所揭示，且丝毫不受说明书正文的限制。进而，属于权利要求的均等范围的变形或变更全部在本发明的范围内。
本申请案请求基于2015年10月5日在日本提出申请的日本专利特愿2015-197549号的优先权。通过提及此申请案而将其内容并入到本申请案中。另外，关于本说明书中引用的文献，通过提及此文献而将其所有内容具体并入到本申请案中。
符号的说明
1：变压器
10：铁芯
10a：中脚
10b：侧脚(右脚)
10c：侧脚(左脚)
11：一次侧绕线
12：二次侧绕线
12a：二次侧第一绕线
12b：二次侧第二绕线
20：串联谐振变换器电路

Claims (8)

1.一种变压器，其特征在于包括：
铁芯，形成磁路且具有中脚及从所述中脚分岔的多个侧脚；
一次侧绕线，分别缠绕在选自所述中脚及所述多个侧脚中的第一被缠绕脚及第二被缠绕脚上；以及
二次侧绕线，缠绕在所述第一被缠绕脚或所述第二被缠绕脚的任一个上，并且
由所述一次侧绕线在所述第一被缠绕脚中产生的第一磁通量与在所述第二被缠绕脚中产生的第二磁通量在不与所述二次侧绕线交链的位置具有预定的规定值以上的差。
2.根据权利要求1所述的变压器，其特征在于：
所述铁芯具有由所述一次侧绕线产生的所述第一磁通量及所述第二磁通量中不与所述二次侧绕线交链的磁通量的路径。
3.根据权利要求2所述的变压器，其特征在于：
在所述路径中设有间隙。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的变压器，其特征在于：
关于所述第一被缠绕脚与所述第二被缠绕脚，截面积或所述一次侧绕线的圈数中的至少其中之一不同。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的变压器，其特征在于：
在所述第一被缠绕脚及所述第二被缠绕脚的任一个中设有间隙，或在所述第一被缠绕脚及所述第二被缠绕脚中分别设有长度不同的间隙。
6.一种谐振电路，其特征在于包括：
根据权利要求1至5中任一项所述的变压器、
谐振电感、及
谐振电容，且
利用与所述变压器的励磁电感连接的所述谐振电感及所述谐振电容的谐振。
7.根据权利要求6所述的谐振电路，其特征在于：
所述谐振电感及所述谐振电容与所述励磁电感串联连接。
8.根据权利要求7所述的谐振电路，其特征在于：
所述谐振电路为LLC方式的谐振电路，
所述励磁电感/所述谐振电感为3以下。
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