CN108417364A - 一种新颖的大功率平面变压器绕线方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新颖的大功率平面变压器绕线方法，包括层叠设置的初级PCB板和若干次级绕组片，且初级PCB板、各次级绕组片的中心位置分别开设有用于套设铁芯的通孔，初级PCB板采用多PCB层叠加结构，在各PCB层上分别印制有绕于相应通孔的初级绕组；初级绕组或次级绕组分别通过位于PCB底板上，以构成初级线圈或次级线圈；各次级绕组片采用铜箔绕制、且形成圆环形结构，圆环形结构的一端靠近PCB底板，圆环形结构的另一端为第一抽头和第二抽头，且圆环形结构与初级绕组之间形成供铁芯穿过的圆形孔洞，且初级PCB板、各次级绕组片主体形状为圆环形。应用本发明，漏感易控制，同时大大提升了通常平面变压器的散热性能，以及变压器功率变换的规格范围。

Description

一种新颖的大功率平面变压器绕线方法

技术领域

本发明属于变压器相关技术领域，具体涉及一种新颖的大功率平面变压器绕线方法。

背景技术

近年来，随着电力电子技术的发展和成熟，人们逐渐认识到磁性元件不仅是电源中的功 能元件，同时其体积、重量、损耗在整机中也占相当比例。据统计，磁性元件的重量一般是 变换器总重量的30％～40％，体积占总体积的20％～30％，对于模块化设计的高频电源，磁性元件 的体积、重量所占的比例还会更高。另外，磁性元件还是影响电源输出动态性能和输出纹波 的一个重要因素。因此，要提高开关电源的功率密度、效率和输出品质，关键是提高其中磁 元件的功率密度，降低磁性元件的体积和重量。平面变压器因为其特殊的平面结构和绕组的 紧密耦合，使得高频寄生参数得到了很大的降低，极大改进了开关电源的工作表现。因此， 近年来其在开关电源领域得到了广泛的应用。本文综述了近年来发展的平面变压器技术，与 传统变压器进行比较，分析了平面变压器在当今开关电源发展应用的优势和前景

变压器是电源中的一个关键元件。传统的绕线变压器通常由铁氧体磁芯及铜线圈构成， 体积庞大而且容易产生电磁干扰。而平面变压器与传统的绕线变压器最大的区别在于铁芯及 线圈绕组。平面变压器采用小尺寸的E型、RM型或环型铁氧体磁芯，通常是由高频功率铁氧 体材料制成，在高频下有较低的磁芯损耗；绕组采用多层印刷电路板迭绕而成，然后迭放在平 面的高频磁芯上构成变压器的磁回路。图1中表示出了一种典型的多层板平面变压器结构。 这种设计有低的直流铜阻、低的漏感和分布电容，可满足谐振电路的设计要求。而且由于磁 芯良好的磁屏蔽，可抑制射频干扰。并且平面变压器原边绕组的匝数通常也只有数匝，不仅 有效降低了铜损和分布电容、电抗，而且为绕制带来了很多便利。由于磁芯是用简单的冲压 件组合而成的，性能的一致性大大提高，也为大批量生产降低了成本。从而有效地解决体积 及高频问题，为电源变换器的轻型化、小型化提供了可能。

从变压器在开关电源中所处的位置上看，平面变压器可以分为独立式和嵌入式平面变压 器。独立式平面变压器是利用平面铜制引线框架或印制板的铜线为绕阻而构成。精密的铜制 引线框架或印制绕组使设计规格比线绕变压器更精确地符合要求，器件间的重复性水平也得 到提高。蚀刻铜制引线框架或印制型绕阻被堆叠在平面中，与高频铁氧体磁芯构成变压器的 磁路。该设计使其成为一个非常低剖面的变压器组件。在平面设计中实现大的横截面积铜导 体使高功率密度和高电流的设计变得更加容易。平面绕组和铁氧体的高表面容量比使平面变 压器具有良好散热功能。

特别是在高工作频率下，高转换效率是平面变压器的关键的优势。在绕线变压器中，效 率被“趋肤效应”逆反影响，即当高频电流通过圆柱形导体时迫使电子由中部流向边缘集中 在铜线表面，从而减少了电流通过的导体横截面积。

同于其它结构和材料，平面变压器没有像传统变压器那样很长的产生漏感的导线，而是 利用铜箔与电路板间的紧密结合，使得在相邻的匝数层间的间隙非常的小，因此在其中的能 量损耗也就很小了。在平面型变压器里，其“绕组”是做在印制电路板上的扁平传导导线或 是直接用铜泊。扁平的几何形状降低了开关频率较高时趋肤效应的损耗，也就是传统所说的 涡流损耗。因此，能最有效地利用铜导体的表面导电性能，效率要比传统变压器高的多。但 平面变压器的特性并不全是优点。平面变压器一、二次侧绕组之间的间距较小，储存磁能少， 所以漏感也较小；但这样却使得一、二次侧产生的寄生电容变大。另外，PCB绕组的可重现化 特性却是以增大铁心绕线窗中绝缘材料的比例为代价，降低了铜填充系数，限制了线圈匝数。 可以通过调整绕组间的距离调整漏感的大小。

从生产加工的角度来看，平面变压器也优于线绕变压器。绕线变压器通常要求手工操作 来剥去在绕线端的涂料，然后再焊锡。而在平面变压器上的压制或蚀刻铜片的引出端常常能 形成表面贴装终端以便于增长装配速度和重复性，从面减少成本。

在车载DC-DC大功率变压器设计过程中，输出电压一般较低，输出电流很大。传统的变 压器采用多股线绕线方式，存在诸多缺点。比如车载次级的绕组电流大，传统多股线线径较 粗，带来绕制工艺困难，且因绕制方式的弊端极易导致变压器的寄生参数偏差较大，不易控 制等问题。另一方面采用多股线绕制，线包外观不工整，体积也较大。

在车载DC-DC大功率应用场合，平面变压器的应用越来越受关注，市面普遍的平面变压 器采用PCB布线的方式进行绕制，因受限于PCB的层数，PCB绕线的空间，以及PCB散热等 因素，这种绕线方法常常应用在中小功率场合。在大功率应用场合，也出现了采用铜箔作为 线圈充当绕组，这种方法可以保证变压器绕组的电流，但是将匝数提升有一定难度，纯粹采 用铜箔也会导致平面变压器应用场合受限。

发明内容

本发明的目的是在于提供一种新颖的大功率平面变压器绕线方法，以解决上述现有技术 存在的问题。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种新颖的大功率平面变压器绕线方法，包 括：层叠设置的初级PCB板和若干次级绕组片，且初级PCB板、各次级绕组片的中心位置分 别开设有用于套设铁芯的通孔，所述初级PCB板采用多PCB层叠加结构，在各PCB层上分别 印制有绕于相应通孔的初级绕组；所述初级绕组或次级绕组分别通过位于PCB底板上，以构 成初级线圈或次级线圈；各次级绕组片采用铜箔绕制、且形成圆环形结构，所述圆环形结构 的一端靠近所述PCB底板，所述圆环形结构的另一端为第一抽头和第二抽头，且所述圆环形 结构与所述初级绕组之间形成供所述铁芯穿过的圆形孔洞，且所述的初级PCB板、各次级绕 组片主体形状为圆环形。

本发明的优选实施方式中，所述PCB底板上包含多组与所述初级绕组连接的接线孔，根 据所述接线孔的连接电路形成所述初级绕组的串联和并联。

本发明的优选实施方式中，所述初级PCB板的绕线在所述初级PCB板中以同心圆的形式 进行排列。

本发明的优选实施方式中，所述初级PCB板的数量为至少一个。

本发明的有益效果为：在大功率变压器应用场合，提供了一种可兼容不同功率变换场合 下的平面变压器设计绕线方法，比传统变压器体积小，漏感易控制，外观工整美观，同时大 大提升了通常平面变压器的散热性能，以及变压器功率变换的规格范围。

附图说明

图1是本发明的新型的车载电源平面变压器第一种示意图；

图2是本发明的新型的车载电源平面变压器第二种示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例：

如图1-图2所示，一种新颖的大功率平面变压器绕线方法，包括：层叠设 置的初级PCB板和若干次级绕组片，且初级PCB板、各次级绕组片的中心位置分 别开设有用于套设铁芯的通孔，初级PCB板采用多PCB层叠加结构，在各PCB层 上分别印制有绕于相应通孔的初级绕组；初级绕组或次级绕组分别通过位于PCB 底板上，以构成初级线圈或次级线圈；各次级绕组片采用铜箔绕制、且形成圆环 形结构，圆环形结构的一端靠近PCB底板，圆环形结构的另一端为第一抽头和第 二抽头，且圆环形结构与初级绕组之间形成供铁芯穿过的圆形孔洞，且的初级 PCB板、各次级绕组片主体形状为圆环形。

本发明实施例中提供的平面变压器绕制方法，其初级绕组采用PCB走线的方式绕制，其 具体匝数及线径取决于功率变换器的具体规格。若要增加匝数，可将单独PCB绕组在固定的 PCB上进行串联组合。若要增加其通流能力，可将PCB绕组进行并联组合，组合好后在出脚 PCB上进行固定出现。

其中固定PCB的脚位连接方式取决于所需匝数，及绕组电流大小，可灵活组织，初级绕 组出现可单独开孔引线。

初级绕组固定后，然后嵌入到磁芯中柱，绕组PCB尺寸需要匹配磁芯的中柱尺寸，以及 窗口尺寸，尽可能方便组装，且提升磁芯的利用率。

然后将次级铜箔嵌入到初级绕组上面，次级铜箔同样可根据具体匝数及通流情况，进行 串并组合，铜箔引脚固定在PCB板上。根据具体情况，可采用三明治夹层方式，进行初次级 绕组装配，最后进行点胶固定。如图2所示，实现变压器原边由N1、N2、N3、N4组成，副边 由N5、N6、N7、N8。

根据具体变压器功率变换规格，初级一般电压较高，电流相对较小，初级采用PCB板绕 制，次级采用铜箔绕制(次级电流一般较大)，并且采用固定PCB板进行绕组串并组合，提 升次级匝数。

需要说明的是，为提升磁芯利用率，变压器采用无骨架绕制，初级绕组的PCB板需要开 成与磁芯中柱及窗口匹配尺寸，在PCB上进行绕线。为了解决高压绕组多，功率大绕组电流 大的问题，可将初级的绕线PCB进行串并组合，具体串并方式需要再借助绕组出脚PCB进行 组合。

次级绕组采用铜箔绕制，铜箔尺寸同样与初级绕组PCB一样，开成与磁芯匹配尺寸。根 据次级电流大的特点，可将铜箔采用并联方式，提升其通流能力。

进一步的，PCB底板上包含多组与初级绕组连接的接线孔，根据接线孔的连接电路形成 初级绕组的串联和并联。

进一步的，初级PCB板的绕线在初级PCB板中以同心圆的形式进行排列。

进一步的，初级PCB板的数量为至少一个。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者 操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这 种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排 他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而 且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有 的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个......”限定的要素，并不排除在包 括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本领域普通技术人员可以理解实现上述方法实施方式中的全部或部分步骤是可以通过程 序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可以存储于计算机可读取存储介质中，这里所称得 的存储介质，如：ROM/RAM、磁碟、光盘等。

以上所述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，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种新颖的大功率平面变压器绕线方法，其特征在于，包括：层叠设置的初级PCB板和若干次级绕组片，且初级PCB板、各次级绕组片的中心位置分别开设有用于套设铁芯的通孔，所述初级PCB板采用多PCB层叠加结构，在各PCB层上分别印制有绕于相应通孔的初级绕组；所述初级绕组或次级绕组分别通过位于PCB底板上，以构成初级线圈或次级线圈；各次级绕组片采用铜箔绕制、且形成圆环形结构，所述圆环形结构的一端靠近所述PCB底板，所述圆环形结构的另一端为第一抽头和第二抽头，且所述圆环形结构与所述初级绕组之间形成供所述铁芯穿过的圆形孔洞，且所述的初级PCB板、各次级绕组片主体形状为圆环形。

2.根据权利要求1所述的一种新颖的大功率平面变压器绕线方法，其特征在于，所述PCB底板上包含多组与所述初级绕组连接的接线孔，根据所述接线孔的连接电路形成所述初级绕组的串联和并联。

3.根据权利要求1所述的一种新颖的大功率平面变压器绕线方法，其特征在于，所述初级PCB板的绕线在所述初级PCB板中以同心圆的形式进行排列。

4.根据权利要求1所述的一种新颖的大功率平面变压器绕线方法，其特征在于，所述初级PCB板的数量为至少一个。