CN108777220A - 磁性元件及开关电源装置 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例公开了一种磁性元件及一种开关电源装置。所述磁性元件包含一磁芯以及至少三个绕组，所述磁芯包含至少三个绕线柱、至少一个边柱以及相对设置的第一盖板和第二盖板，其中，所述至少三个绕线柱依次相邻设置，所述第一盖板和所述第二盖板分别设置于所述至少三个绕线柱和所述至少一个边柱的上方与下方，以形成闭合磁路；所述至少三个绕组分别绕设于所述至少三个绕线柱上；其中，在任意三个相邻的所述绕线柱中，位于中间的绕线柱的磁通与位于所述中间的绕线柱的两侧的两个绕线柱的磁通方向相反。本发明通过将多路电感或者变压器集成于同一个磁性元件，减少了磁性元件的体积、重量，降低了损耗。

Description

磁性元件及开关电源装置
技术领域
本发明涉及一种磁性元件及一种开关电源装置。
背景技术
在低压大电流输出的应用中，需要将变压器阵列化设计，分成多个子变压器单元进行组合。比如，在430V输入、12V输出的3kW服务器电源中，LLC谐振电路的变压器原副边匝比(Np:Ns1:Ns2)为18:1:1，可分成三个6:1:1的子变压器，并将原边绕组串联，以及将副边绕组并联。如此，原边绕组可流过相同的电流，而副边电流并联以形成三倍大电流输出。多个子变压器的结构能够起到并联传输功率的效果，但多个子变压器分立设计，结构复杂。如何优化磁芯形状、减小磁芯体积和损耗，一直以来都是磁性元件设计开发的重点和难点。
发明内容
本发明的一个主要方面在于克服上述现有技术的不足，提供一种体积小、损耗小的磁性元件。
本发明的另一个主要方面在于提供一种开关电源装置，并对其中的磁性元件进行优化设计。
为了实现上述目的，本发明提供一种磁性元件，其特点在于，包含一磁芯，所述磁芯包含第一绕线柱、第二绕线柱、第三绕线柱、第一边柱、第二边柱以及相对设置的第一盖板和第二盖板，所述第二绕线柱位于所述第一绕线柱与所述第三绕线柱之间，所述第一边柱与所述第二边柱分别位于所述第一绕线柱以及所述第三绕线柱的外侧，所述第一盖板和所述第二盖板分别设置于所述第一绕线柱、所述第二绕线柱、所述第三绕线柱、所述第一边柱和所述第二边柱的上方与下方，以形成闭合磁路；其中，所述第一绕线柱的磁通与所述第三绕线柱的磁通具有第一方向，所述第二绕线柱的磁通具有第二方向，所述第一方向与所述第二方向相反；在所述磁芯所在的平面内，存在一条直线同时接触或贯穿所述第一绕线柱、所述第二绕线柱以及所述第三绕线柱。
在本发明的一实施例中，所述的磁性元件还包含第一绕组、第二绕组以及第三绕组，所述第一绕组绕设于所述第一绕线柱，所述第二绕组绕设于所述第二绕线柱，所述第三绕组绕设于所述第三绕线柱。
在本发明的一实施例中，所述第一绕组、所述第二绕组以及所述第三绕组电性串联耦接。
在本发明的一实施例中，所述第一绕组、所述第二绕组以及所述第三绕组电性并联耦接。
在本发明的一实施例中，流经所述第一绕组的电流与流经所述第三绕组的电流方向相同，流经所述第二绕组的电流与流经所述第一绕组的电流以及流经所述第三绕组的电流方向相反。
在本发明的一实施例中，流经所述第一绕组、所述第二绕组以及所述第三绕组的电流相位相同。
在本发明的一实施例中，所述第一绕线柱、所述第二绕线柱以及所述第三绕线柱沿一水平线依序排列。
在本发明的一实施例中，所述第一边柱和所述第二边柱分别设置于所述水平线的两端。
在本发明的一实施例中，所述第一边柱和所述第二边柱设置于所述水平线的同一侧。
在本发明的一实施例中，所述第一边柱和所述第二边柱分别设置于所述水平线的不同侧。
在本发明的一实施例中，所述磁芯还包含电感绕线柱，所述电感绕线柱上绕设有电感绕组。
在本发明的一实施例中，所述电感绕组与所述第一绕组、所述第二绕组以及所述第三绕组中的至少一个串联。
在本发明的一实施例中，所述第一绕组、所述第二绕组以及所述第三绕组均为PCB绕组或三层绝缘线绕组。
在本发明的一实施例中，所述第一绕组、所述第二绕组以及所述第三绕组的匝数相同。
在本发明的一实施例中，所述第一绕组、所述第二绕组以及所述第三绕组均为原边绕组，且所述第一绕线柱、所述第二绕线柱与所述第三绕线柱上均绕设有至少一个副边绕组。
在本发明的一实施例中，所述副边绕组的匝数均为1匝。
在本发明的一实施例中，所述副边绕组为PCB绕组或铜片绕组。
为了实现上述目的，本发明另提供一种磁性元件，其特点在于，包含一磁芯，所述磁芯包含至少三个绕线柱、至少一个边柱以及相对设置的第一盖板和第二盖板，其中，所述至少三个绕线柱依次相邻设置，所述第一盖板和所述第二盖板分别设置于所述至少三个绕线柱和所述至少一个边柱的上方与下方，以形成闭合磁路；以及至少三个绕组，所述至少三个绕组分别绕设于所述至少三个绕线柱上；其中，在任意三个相邻的所述绕线柱中，位于中间的绕线柱的磁通与位于所述中间的绕线柱的两侧的两个绕线柱的磁通方向相反。
在本发明的另一实施例中，在所述磁芯所在的平面内，存在一条直线同时接触或贯穿所述至少三个绕线柱。
在本发明的另一实施例中，所述至少三个绕线柱沿一水平线依序排列。
在本发明的另一实施例中，所述至少一个边柱包括第一边柱和第二边柱，所述第一边柱和所述第二边柱分别设置于所述水平线的两端。
在本发明的另一实施例中，所述至少一个边柱包括第一边柱和第二边柱，所述第一边柱和所述第二边柱设置于所述水平线的同一侧，且所述第一边柱对应于靠近所述至少三个绕线柱的一端的绕线柱，所述第二边柱对应于靠近所述至少三个绕线柱的另一端的绕线柱。
在本发明的另一实施例中，所述至少一个边柱包括第一边柱和第二边柱，所述第一边柱和所述第二边柱分别设置于所述水平线的不同侧，且所述第一边柱对应于靠近所述至少三个绕线柱的一端的绕线柱，所述第二边柱对应于靠近所述至少三个绕线柱的另一端的绕线柱。
在本发明的另一实施例中，所述至少一个边柱为单个边柱，所述边柱位于所述水平线的一侧。
在本发明的另一实施例中，所述磁芯还包含电感绕线柱，所述电感绕线柱上绕设有电感绕组。
在本发明的另一实施例中，所述磁性元件为变压器，所述至少三个绕组均为原边绕组，所述至少三个绕线柱中的每一绕线柱上还绕设有至少一个副边绕组。
为了实现上述目的，本发明又提供一种开关电源装置，其特点在于，所述开关电源装置包括：
原边电路，用于接收输入电压，并将所述输入电压转换为原边电压；
隔离变换模组，用于将所述原边电压转换为副边电压，且所述隔离变换模组包括：第一变压器，包括第一原边绕组、第一副边绕组以及第二副边绕组；第二变压器，包括第二原边绕组、第三副边绕组以及第四副边绕组；以及第三变压器，包括第三原边绕组、第五副边绕组以及第六副边绕组；
副边电路，用于将所述副边电压转换为输出电压；
其中，所述第一副边绕组与所述第二副边绕组串联连接，所述第一副边绕组的第一端经由第一开关管电性耦接至第一输出端子，所述第二副边绕组的第二端经由第二开关管电性耦接至所述第一输出端子，所述第一副边绕组的第二端与所述第二副边绕组的第一端相连且电性耦接至第二输出端子；所述第三副边绕组与所述第四副边绕组串联连接，所述第三副边绕组的第一端经由第三开关管电性耦接至所述第一输出端子，所述第四副边绕组的第二端经由第四开关管电性耦接至所述第一输出端子，所述第三副边绕组的第二端与所述第四副边绕组的第一端相连且电性耦接至所述第二输出端子；所述第五副边绕组与所述第六副边绕组串联连接，所述第五副边绕组的第一端经由第五开关管电性耦接至所述第一输出端子，所述第六副边绕组的第二端经由第六开关管电性耦接至所述第一输出端子，所述第五副边绕组的第二端与所述第六副边绕组的第一端相连且电性耦接至所述第二输出端子；
其中，所述第一原边绕组、所述第一副边绕组、所述第二副边绕组绕设于如上所述的磁性元件中的第一绕线柱，所述第二原边绕组、所述第三副边绕组、所述第四副边绕组绕设于如上所述的磁性元件中的第二绕线柱，所述第三原边绕组、所述第五副边绕组、所述第六副边绕组绕设于如权利要求1所述的磁性元件中的第三绕线柱。
在本发明的又一实施例中，其中，所述第一原边绕组的第一端电性耦接至所述原边电路的一端；所述第二原边绕组的第一端电性耦接至所述第一原边绕组的第二端；以及所述第三原边绕组的第一端电性耦接至所述第二原边绕组的第二端，所述第三原边绕组的第二端电性耦接至所述原边电路的另一端。
在本发明的又一实施例中，所述第一原边绕组、所述第二原边绕组以及所述第三原边绕组均为PCB绕组或三层绝缘线绕组。
在本发明的又一实施例中，所述第一副边绕组、所述第二副边绕组、所述第三副边绕组、所述第四副边绕组、所述第五副边绕组以及所述第六副边绕组的匝数均为1。
在本发明的又一实施例中，所述第一副边绕组、所述第二副边绕组、所述第三副边绕组、所述第四副边绕组、所述第五副边绕组以及所述第六副边绕组均为PCB绕组或铜片绕组。
在本发明的又一实施例中，所述输入电压范围为410V至450V。
本发明的又一实施例中，所述输入电压范围为36V至72V。
本发明通过将多路电感或者变压器集成于同一个磁性元件，使得磁芯的任意三个相邻的绕线柱中，位于中间的绕线柱的磁通与位于中间的绕线柱的两侧的两个绕线柱的磁通方向相反，从而可有效地减小磁性元件的体积和磁芯损耗。
本发明的额外方面和优点将部分地在下面的描述中阐述，并且部分地将从描述中变得显然，或者可以通过本发明的实践而习得。
附图说明
通过参照附图详细描述其示例实施方式，本发明的上述和其它特征及优点将变得更加明显。
图1A示出本发明一实施方式中的开关电源装置的结构示意图，其中该开关电源装置的隔离变换模组中的多个变压器的原边绕组为直接串联的连接方式；
图1B示出本发明另一实施方式中的开关电源装置的结构示意图，其中该开关电源装置的隔离变换模组中的多个变压器的原边绕组为间接串联耦接的连接方式；
图1C示出本发明又一实施方式中的开关电源装置的结构示意图，其中该开关电源装置的隔离变换模组中的多个变压器的原边绕组为直接并联的连接方式；
图1D示出本发明再一实施方式中的开关电源装置的结构示意图，其中该开关电源装置的隔离变换模组中的多个变压器的原边绕组为间接并联耦接的连接方式；
图2示出图1A中该开关电源装置的隔离变换模组中的多个变压器的绕组连接的示意图；
图3A示出本发明的磁性元件的第一种磁芯结构的立体组装图，其中该磁芯结构包含第一绕线柱、第二绕线柱、第三绕线柱、第一边柱、第二边柱、第一盖板和第二盖板；
图3B示出图3A所示的磁芯结构的立体分解图；
图3C示出图3A所示的磁芯结构去掉第一盖板的立体图；
图3D示出图3C所示的磁芯结构的俯视图；
图3E示出本发明的磁性元件的第二种磁芯结构的俯视图，其中该磁芯结构的三个绕线柱中存在一条直线能够同时接触到或穿过所述三个绕线柱；
图3F示出图3D所示的磁芯结构中3个绕线柱对应的电流方向；
图3G示出图3D所示的磁芯结构可以由一个绕组一线到底的“∞”形连接示意图；
图4A示出本发明的磁性元件的第三种磁芯结构的立体图，其中该磁芯结构的两个边柱与三个绕线柱不在同一水平线上且两个边柱位于同一侧；
图4B示出图4A所示的磁芯结构的俯视图；
图4C示出图4A所示的磁芯结构的三个绕线柱对应的电流方向；
图5A示出本发明的磁性元件的第四种磁芯结构的立体图，其中该磁芯结构的两个边柱与三个绕线柱不在同一水平线上且两个边柱位于不同侧；
图5B示出图5A所示的磁芯结构的俯视图；
图5C示出图5A所示的磁芯结构的三个绕线柱对应的电流方向；
图6A示出本发明另一实施例中的变压器的结构及其绕组连接的示意图，其中绕线柱的数量为4个；
图6B示出图6A所示的变压器的磁芯结构去掉第一盖板的立体图；
图6C示出图6B所示的磁芯结构的俯视图；
图6D示出图6B所示的磁芯结构的四个绕线柱对应的电流方向；
图7A示出图2的基础上增加一个磁柱的磁性元件的示意图；
图7B示出图7A所示的磁性元件中磁芯结构去掉第一盖板的立体图；
图7C示出图7B所示的磁芯结构的俯视图；
图7D示出图7B所示的磁芯结构的3个绕线柱对应的电流方向。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本发明将全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略它们的详细描述。
在介绍这里所描述和/或图示的要素/组成部分/等时，用语“一个”、“一”、“该”、“所述”和“至少一个”用以表示存在一个或多个要素/组成部分/等。术语“包含”、“包括”和“具有”用以表示开放式的包括在内的意思并且是指除了列出的要素/组成部分/等之外还可存在另外的要素/组成部分/等。实施方式中可能使用相对性的用语，例如“上”或“下”以描述图标的一个组件对于另一组件的相对关系。能理解的是，如果将图标的装置翻转使其上下颠倒，则所叙述在“上”侧的组件将会成为在“下”侧的组件。此外，权利要求书中的术语“第一”、“第二”等仅作为标记使用，不是对其对象的数字限制。
关于本文中所使用的“电性耦接”，可指二或多个元件相互直接作实体或电性接触，或是相互间接作实体或电性接触。关于本文中所使用的“电性串联耦接”，可指二或多个元件相互直接串联作实体或电性接触，或是相互间接串联作实体或电性接触；而“电性并联耦接”可指二或多个元件相互直接并联作实体或电性接触，或是相互间接并联作实体或电性接触。
参见图1A，示出了本发明的一种开关电源装置10，该开关电源装置10包括有原边电路11、隔离变换模组12以及副边电路13。
该原边电路11是用于接收一输入电压Vin，并将该输入电压Vin转换为一原边电压。该原边电路11的电路拓扑可以是半桥，也可以是全桥或者其它拓扑。
该隔离变换模组12是用于将所述原边电压转换为副边电压，且该隔离变换模组12可包括第一变压器Txa、第二变压器Txb以及第三变压器Txc。其中，第一变压器Txa包括第一原边绕组Npa、第一副边绕组Nsla以及第二副边绕组Ns2a，所述第一原边绕组Npa的第一端电性耦接至所述原边电路11的一端；第二变压器Txb包括第二原边绕组Npb、第三副边绕组Ns1b以及第四副边绕组Ns2b，所述第二原边绕组Npb的第一端电性耦接至所述第一原边绕组Npa的第二端；第三变压器Txc包括第三原边绕组Npc、第五副边绕组Ns1c以及第六副边绕组Ns2c，所述第三原边绕组Npc的第一端电性耦接至所述第二原边绕组Npb的第二端，所述第三原边绕组Npc的第二端电性耦接至所述原边电路11的另一端。
该副边电路13是用于将所述副边电压转换为输出电压Vo。
例如，在图1A所示的实施例中，所述第一副边绕组Nsla与所述第二副边绕组Ns2a串联连接，所述第一副边绕组Nsla的第一端经由第一开关管S1电性耦接至第一输出端子P1，所述第二副边绕组Ns2a的第二端经由第二开关管S2电性耦接至所述第一输出端子P1，所述第一副边绕组Nsla的第二端与所述第二副边绕组Ns2a的第一端相连且电性耦接至第二输出端子P2。
所述第三副边绕组Nslb与所述第四副边绕组Ns2b串联连接，所述第三副边绕组Nslb的第一端经由第三开关管S3电性耦接至所述第一输出端子P1，所述第四副边绕组Ns2b的第二端经由第四开关管S4电性耦接至所述第一输出端子P1，所述第三副边绕组Nslb的第二端与所述第四副边绕组Ns2b的第一端相连且电性耦接至所述第二输出端子P2。
所述第五副边绕组Nslc与所述第六副边绕组Ns2c串联连接，所述第五副边绕组Nslc的第一端经由第五开关管S5电性耦接至所述第一输出端子P1，所述第六副边绕组Ns2的第二端经由第六开关管S6电性耦接至所述第一输出端子P1，所述第五副边绕组Nslc的第二端与所述第六副边绕组Ns2的第一端相连且电性耦接至所述第二输出端子P2。
但是，可以理解的是，在本发明中，所述第一原边绕组Npa、所述第二原边绕组Npb和所述第三原边绕组Npc的连接方式可以是直接串联，如图1A所示；也可以是间接串联耦接，如图1B所示；也可以是直接并联，如图1C所示；也可以是间接并联耦接，如图1D所示；这些并不作为对本发明的限制。
并且，可以理解的是，输入端的电路拓扑不限于图示中的半桥或全桥，还可以是其它电路架构。输出端的电路拓扑可不限定于图示中的半波整流，也可以是全波整流等其它方式。另外，本发明的开关电源装置可用于经AC整流之后的电压输入，比如输入电压Vin的范围可为380V至450V，较佳地例如输入电压Vin的范围可为410V至450V；此外，本发明的开关电源装置也可用于DC电压输入，比如输入电压Vin的范围可为36V至72V，这些同样并不作为对本发明的限制。
下面介绍本发明的磁性元件。
参见图2，图2是本发明实施例的一种磁性元件，示出了例如图1A所示的开关电源装置中的隔离变换模组12的多个变压器组成的阵列式变压器20的结构及其绕组的连接示意图。在本实施例中，该变压器20包含一磁芯21，所述磁芯21包含第一绕线柱211、第二绕线柱212、第三绕线柱213、第一边柱214、第二边柱215以及相对设置的第一盖板216和第二盖板217。所述第二绕线柱212位于所述第一绕线柱211与所述第三绕线柱213之间，所述第一边柱214与所述第二边柱215分别位于所述第一绕线柱211以及所述第三绕线柱213的外侧，所述第一盖板216和所述第二盖板217分别设置于所述第一绕线柱211、所述第二绕线柱212、所述第三绕线柱213、所述第一边柱214和所述第二边柱215的上方与下方，以形成闭合磁路。其中，所述第一绕线柱211的磁通Φa与所述第三绕线柱213的磁通Φc具有第一方向，所述第二绕线柱212的磁通Φb具有第二方向，所述第一方向与所述第二方向相反。例如，在图2中，绕组Npa、绕组Npb与绕组Npc串联连接，当绕组流过电流ip时，所述第一绕线柱211和所述第三绕线柱213的磁通方向相同，对应图中的磁通Φa和Φc的磁通方向均向下，并与所述第二绕线柱212的磁通Φb的磁通方向相反，即对应图中磁通Φb的磁通方向向上。
结合参考图1A，第一原边绕组Npa、第一副边绕组Ns1a、第二副边绕组Ns2a是绕设于所述第一绕线柱211以构成所述第一变压器Txa；第二原边绕组Npb、第三副边绕组Ns1b、第四副边绕组Ns2b是绕设于所述第二绕线柱212以构成所述第二变压器Txb；第三原边绕组Npc、第五副边绕组Ns1c、第六副边绕组Ns2c是绕设于所述第三绕线柱213以构成所述第三变压器Txc。并且，所述第一原边绕组Npa、所述第二原边绕组Npb和所述第三原边绕组Npc串联连接。较佳地，流经所述第一原边绕组Npa、所述第二原边绕组Npb和所述第三原边绕组Npc的电流的大小以及相位均相同。其中，图2中并未示出副边绕组。在其它实施方式中，绕线柱上也可以没有副边绕组，作为电感使用。
相比三个分立的变压器，通过将三个变压器集成于同一个磁性元件上，可有效降低磁芯的体积。此外，通过设置使得磁芯的任意三个相邻的绕线柱中，位于中间的绕线柱的磁通与位于中间的绕线柱的两侧的两个绕线柱的磁通方向相反，从而可有效地降低磁芯损耗。
根据本公开的实施例，所述第一原边绕组Npa、所述第二原边绕组Npb以及所述第三原边绕组Npc例如均可为PCB绕组或三层绝缘线绕组。较佳地，原边绕组的匝数相同。
根据本公开的实施例，所述第一副边绕组Ns1a、所述第二副边绕组Ns2a、所述第三副边绕组Ns1b、所述第四副边绕组Ns2b、所述第五副边绕组Ns1c以及所述第六副边绕组Ns2c例如均可为PCB绕组或铜片绕组。较佳地，各副边绕组的匝数例如可均为1。
参见图3A～3G，图3A是本发明中第一种磁芯结构的立体结构示意图，图3B示出图3A所示的磁芯结构的分解示意图。如图3A～3B所示，本发明的一种磁芯结构30包含磁芯31，其除包含第一绕线柱311、第二绕线柱312、第三绕线柱313、第一边柱314、第二边柱315外，还包含相对设置的第一盖板316和第二盖板317，所述第一盖板316和所述第二盖板317分别设置于所述第一绕线柱311、所述第二绕线柱312、所述第三绕线柱313、所述第一边柱314和所述第二边柱315的上方与下方，以形成闭合磁路。
为了比较清楚展示三个绕线柱和两个边柱，图3C示出图3A所示的磁芯结构隐藏第一盖板之后的立体结构示意图；图3D示出3C所示的磁芯结构的俯视图，较佳地，该磁芯结构的三个绕线柱，例如所述第一绕线柱311、所述第二绕线柱312、所述第三绕线柱313，是沿一水平线依序排列，而所述第一边柱314和所述第二边柱315是分别设置于所述水平线的两端。但根据本公开的其它实施例，磁芯结构30也可以仅包含单个边柱，该单个边柱位于所述水平线的一侧。
图3E示出本发明中第二种磁芯结构的俯视图，其与图3D所示的磁芯结构的区别在于，所述第一绕线柱311、所述第二绕线柱312、所述第三绕线柱313的相对位置存在一定程度的错位，且存在一条直线能够同时接触或穿过该三个绕线柱，如图中虚线L所示。
图3F示出图3D的所示的磁芯结构的绕组电流方向，其中该三个绕线柱对应的绕组电流方向是第一绕线柱311和第三绕线柱313所对应的绕组电流方向I1和I3均为顺时针方向，而第二绕线柱312所对应的绕组电流方向I2为逆时针方向。
图3G示出图3D的所示的磁芯结构的原边绕组可以仅由一个绕组构成，所示原边绕组为“∞字形”绕法，绕组电流方向I在包围第一绕线柱311和第三绕线柱313为顺时针方向，绕组电流方向I在包围第二绕线柱312为逆时针方向。
参见图4A、图4B、图4C，图4A是本发明中的第三种磁芯结构40的立体结构示意图，所述磁芯结构40除包含第一绕线柱411、第二绕线柱412、第三绕线柱413、第一边柱414、第二边柱415外，还包含相对设置的第一盖板(图中未示出)以及第二盖板417，所述第一盖板和所述第二盖板417分别设置于所述第一绕线柱411、所述第二绕线柱412、所述第三绕线柱413、所述第一边柱414和所述第二边柱415的上方与下方，以形成闭合磁路。图4A所示的磁芯结构40为隐藏第一盖板之后的立体结构示意图；图4B示出图4A所示的磁芯结构的俯视图，其中所述磁芯结构的三个绕线柱，例如所述第一绕线柱411、所述第二绕线柱412、所述第三绕线柱413，是沿一水平线依序排列，所述第一边柱414和所述第二边柱415分别设置于所述水平线的同一侧。图4C示出图4A的所示的磁芯结构的绕组电流方向，该三个绕线柱对应的绕组电流方向是所述第一绕线柱411和所述第三绕线柱413所对应的绕组电流方向I1和I3均为顺时针方向，而所述第二绕线柱412所对应的绕组电流方向I2为逆时针方向。
参见图5A、图5B、图5C，图5A是本发明中第四种磁芯结构的立体结构示意图，所述磁芯结构50除包含第一绕线柱511、第二绕线柱512、第三绕线柱513、第一边柱514、第二边柱515外，还包含相对设置的第一盖板(图中未示出)以及第二盖板517，所述第一盖板和所述第二盖板517分别设置于所述第一绕线柱511、所述第二绕线柱512、所述第三绕线柱513、所述第一边柱514和所述第二边柱515的上方与下方，以形成闭合磁路。图5A所示的磁芯结构为隐藏第一盖板之后的立体结构示意图；图5B示出图5A所示的磁芯结构的俯视图；其中所述磁芯结构的三个绕线柱，例如所述第一绕线柱511、所述第二绕线柱512、所述第三绕线柱513，是沿一水平线依序排列，所述第一边柱514和所述第二边柱515分别设置于所述水平线的不同侧。图5C示出图5A的所示的磁芯结构的绕组电流方向，该三个绕线柱对应的绕组电流方向是第一绕线柱511和第三绕线柱513所对应的绕组电流方向I1和I3均为顺时针方向，第二绕线柱512所对应的绕组电流方向I2为逆时针方向。
在本发明的一实施例中，可利用如图3A～3G、图4A～4C、图5A～5C所示的磁芯结构来形成如图2中所示的磁性元件，即变压器集成磁性元件(例如阵列式变压器)，其中的原边绕组可以是PCB、三层绝缘线或其它形式的绕组，副边绕组可以是PCB、铜片或者其它形式的绕组。此外，如图2所示的磁性元件的每个绕线柱上绕设有2个副边绕组，但本公开并不以此为限，在其它实施例中，每个绕线柱上可以仅包含一个副边绕组。
在本发明的其它实施例中，如图2中所示的磁性元件20也可以没有副边绕组，此时可作为电感使用，即形成电感集成磁性元件。
虽然在图2中仅示出了由3个子变压器集成在一个铁芯上的变压器集成磁性元件，但可以理解的是，本发明还可以有其它变型，例如可由更多个子变压器集成而成的变压器集成磁性元件，或者例如仅由多个原边绕组(即没有副边绕组)集成而成的电感集成磁性元件，这些并不作为对本发明的限制。
参见图6A、图6B、图6C、图6D，其示出了在图2的基础上延伸到多个子变压器集成在一个铁芯上的结构，比如图6A所示的由四个子变压器组成的变压器集成磁性元件60，该变压器集成磁性元件60包含一磁芯61，所述磁芯61包含依次相邻设置的第一边柱615、第一绕线柱611、第二绕线柱612、第三绕线柱613、第四绕线柱614、以及第二边柱616，还包含相对设置的第一盖板617和第二盖板618，所述第一盖板617和所述第二盖板618分别设置于所述第一绕线柱611、所述第二绕线柱612、所述第三绕线柱613、所述第四绕线柱614、所述第一边柱615和所述第二边柱616的上方与下方，以形成闭合磁路。其中，在任意三个相邻的绕线柱中，位于中间的绕线柱的磁通与位于所述中间的绕线柱的两侧的两个绕线柱的磁通方向相反。例如，在相邻的第一绕线柱611、第二绕线柱612、第三绕线柱613中，位于中间的绕线柱(即第二绕线柱612)上的磁通Φb的磁通方向与位于两侧的第一绕线柱611和第三绕线柱613上的磁通Φa和磁通Φc的磁通方向相反；而在相邻的第二绕线柱612、第三绕线柱613、第四绕线柱614中，位于中间的绕线柱(即第三绕线柱613)上的磁通Φc的磁通方向与位于两侧的第二绕线柱612和第四绕线柱614上的磁通Φb和磁通Φd的磁通方向相反。
图6B所示的磁芯结构为隐藏第一盖板之后的立体结构示意图。图6C示出图6B所示的磁芯结构的俯视图，该磁芯61的四个绕线柱，例如所述第一绕线柱611、所述第二绕线柱612、所述第三绕线柱613以及所述第四绕线柱614，是沿一水平线依序排列，而所述第一边柱615和所述第二边柱616是分别设置于所述水平线的两端。图6D示出图6B的所示的磁芯结构的绕组电流方向，其中该四个绕线柱对应的绕组电流方向是第一绕线柱611和第三绕线柱613所对应的绕组电流方向I1和I3均为逆时针方向，第二绕线柱612和第四绕线柱614所对应的绕组电流方向I2和I4均为顺时针方向。同样地，在图6A～图6D所示的实施例中，原边绕组可以是PCB或三层绝缘线或其它形式的绕组，副边绕组可以是PCB或者铜片或者其它形式的绕组。也可以没有副边绕组，此时可作为电感使用。
参见图7A、图7B，其示出了本发明又一实施例中的另一种磁性元件70的结构，其是在图2的基础上，在第一边柱的左侧增加一电感绕线柱的实施例，并在该电感绕线柱上缠绕电感Nr以构成图1A中LLC电路的谐振电感Lr，该实施例为谐振电感与变压器共用边柱的一种磁集成方式。在本实施例中，该磁性元件70包含一磁芯71，所述磁芯71包含依次相邻设置的电感绕线柱718、第一边柱714、第一绕线柱711、第二绕线柱712、第三绕线柱713和第二边柱715，还包含相对设置的第一盖板716以及第二盖板717，所述第一盖板716和所述第二盖板717分别设置于所述第一绕线柱711、所述第二绕线柱712、所述第三绕线柱713、所述电感绕线柱718、所述第一边柱714和所述第二边柱715的上方与下方，以形成闭合磁路。并且，在第一绕线柱711和第三绕线柱713上的磁通Φa和Φc的磁通方向都是向下的，在第二绕线柱712上的磁通Φb的磁通方向向上，而在电感绕线柱718上的磁通的磁通方向可以向上也可以向下。图7B所示的磁芯结构为隐藏第一盖板之后的立体结构示意图；图7C示出7B所示的磁芯结构的俯视图，该磁芯71的三个绕线柱，例如所述第一绕线柱711、所述第二绕线柱712、所述第三绕线柱713，是沿一水平线依序排列，而所述第一边柱714和所述第二边柱715是分别设置于所述水平线的两端，而所述电感绕线柱718是位于所述第一边柱714一端的外侧。在另一实施例中，所述电感绕线柱718也可以是位于所述第而边柱715一端的外侧。图7D示出图7B的所示的磁芯结构的绕组电流方向，该三个绕线柱对应的绕组电流方向是第一绕线柱711和第三绕线柱713所对应的绕组电流方向I1和I3均为顺时针方向，第二绕线柱712所对应的的绕组电流方向I2为逆时针方向，电感绕线柱所对应的绕组电流方向可以是顺时针方向也可以是逆时针方向。同样地，在图7A～图7D所示的实施例中，原边绕组可以是PCB或三层绝缘线或其他形式的绕组，副边绕组可以是PCB或者铜片或者其他形式的绕组，也可以没有副边绕组，作为电感使用。
本发明通过将多路电感或者变压器集成于同一个磁性元件，可有效地减小磁性元件的体积。此外，通过设置使得磁芯的任意三个相邻的绕线柱中，位于中间的绕线柱的磁通与位于中间的绕线柱的两侧的两个绕线柱的磁通方向相反，从而有效降低磁芯损耗。
在本发明中，以上所有图示的绕线柱形状不限定于图中所示的圆柱状，也可以有各种形状，比如多边形，跑道型，椭圆形等。并且，本发明中，这些绕线柱的截面积基本相同，是指其差异在5％以内，尤指在3％以内。对于磁通量相同，是指其磁通差异不大于5％，特别是指不大于3％。
并且，在本发明中，较佳地，在所述第一边柱和所述第二边柱的内侧面上还可设置有与相应的绕线柱的外轮廓相对应的外轮廓对应部(图中未示)，例如与圆柱状绕线柱的外轮廓相对应的弧形凹陷部。在所述第一边柱或所述第二边柱的外侧面上还可设置有与相应的电感绕线柱的外轮廓相对应的电感外轮廓对应部(例如可参考图7B、7C)。
以上具体地示出和描述了本发明的示例性实施方式。应该理解，本发明不限于所公开的实施方式，相反，本发明意图涵盖包含在所附权利要求的精神和范围内的各种修改和等效布置。

Claims (33)

1.一种磁性元件，其特征在于，包含一磁芯，所述磁芯包含第一绕线柱、第二绕线柱、第三绕线柱、第一边柱、第二边柱以及相对设置的第一盖板和第二盖板，所述第二绕线柱位于所述第一绕线柱与所述第三绕线柱之间，所述第一边柱与所述第二边柱分别位于所述第一绕线柱以及所述第三绕线柱的外侧，所述第一盖板和所述第二盖板分别设置于所述第一绕线柱、所述第二绕线柱、所述第三绕线柱、所述第一边柱和所述第二边柱的上方与下方，以形成闭合磁路；
其中，所述第一绕线柱的磁通与所述第三绕线柱的磁通具有第一方向，所述第二绕线柱的磁通具有第二方向，所述第一方向与所述第二方向相反；
在所述磁芯所在的平面内，存在一条直线同时接触或贯穿所述第一绕线柱、所述第二绕线柱以及所述第三绕线柱。
2.根据权利要求1所述的磁性元件，其特征在于，还包含第一绕组、第二绕组以及第三绕组，所述第一绕组绕设于所述第一绕线柱，所述第二绕组绕设于所述第二绕线柱，所述第三绕组绕设于所述第三绕线柱。
3.根据权利要求2所述的磁性元件，其特征在于，所述第一绕组、所述第二绕组以及所述第三绕组电性串联耦接。
4.根据权利要求2所述的磁性元件，其特征在于，所述第一绕组、所述第二绕组以及所述第三绕组电性并联耦接。
5.根据权利要求2所述的磁性元件，其特征在于，流经所述第一绕组的电流与流经所述第三绕组的电流方向相同，流经所述第二绕组的电流与流经所述第一绕组的电流以及流经所述第三绕组的电流方向相反。
6.根据权利要求5所述的磁性元件，其特征在于，流经所述第一绕组、所述第二绕组以及所述第三绕组的电流相位相同。
7.根据权利要求1所述的磁性元件，其特征在于，所述第一绕线柱、所述第二绕线柱以及所述第三绕线柱沿一水平线依序排列。
8.根据权利要求7所述的磁性元件，其特征在于，所述第一边柱和所述第二边柱分别设置于所述水平线的两端。
9.根据权利要求7所述的磁性元件，其特征在于，所述第一边柱和所述第二边柱设置于所述水平线的同一侧。
10.根据权利要求7所述的磁性元件，其特征在于，所述第一边柱和所述第二边柱分别设置于所述水平线的不同侧。
11.根据权利要求1所述的磁性元件，其特征在于，所述磁芯还包含电感绕线柱，所述电感绕线柱上绕设有电感绕组。
12.根据权利要求11所述的磁性元件，其特征在于，所述电感绕组与所述第一绕组、所述第二绕组以及所述第三绕组中的至少一个串联。
13.根据权利要求2所述的磁性元件，其特征在于，所述第一绕组、所述第二绕组以及所述第三绕组均为PCB绕组或三层绝缘线绕组。
14.根据权利要求2所述的磁性元件，其特征在于，所述第一绕组、所述第二绕组以及所述第三绕组的匝数相同。
15.根据权利要求2所述的磁性元件，其特征在于，所述第一绕组、所述第二绕组以及所述第三绕组均为原边绕组，且所述第一绕线柱、所述第二绕线柱与所述第三绕线柱上均绕设有至少一个副边绕组。
16.根据权利要求15所述的磁性元件，其特征在于，所述副边绕组的匝数均为1匝。
17.根据权利要求15或16所述的磁性元件，其特征在于，所述副边绕组为PCB绕组或铜片绕组。
18.一种磁性元件，其特征在于，包含：
一磁芯，所述磁芯包含至少三个绕线柱、至少一个边柱以及相对设置的第一盖板和第二盖板，其中，所述至少三个绕线柱依次相邻设置，所述第一盖板和所述第二盖板分别设置于所述至少三个绕线柱和所述至少一个边柱的上方与下方，以形成闭合磁路；以及
至少三个绕组，所述至少三个绕组分别绕设于所述至少三个绕线柱上；
其中，在任意三个相邻的所述绕线柱中，位于中间的绕线柱的磁通与位于所述中间的绕线柱的两侧的两个绕线柱的磁通方向相反。
19.根据权利要求18所述的磁性元件，其特征在于，在所述磁芯所在的平面内，存在一条直线同时接触或贯穿所述至少三个绕线柱。
20.根据权利要求18所述的磁性元件，其特征在于，所述至少三个绕线柱沿一水平线依序排列。
21.根据权利要求20所述的磁性元件，其特征在于，所述至少一个边柱包括第一边柱和第二边柱，所述第一边柱和所述第二边柱分别设置于所述水平线的两端。
22.根据权利要求20所述的磁性元件，其特征在于，所述至少一个边柱包括第一边柱和第二边柱，所述第一边柱和所述第二边柱设置于所述水平线的同一侧，且所述第一边柱对应于靠近所述至少三个绕线柱的一端的绕线柱，所述第二边柱对应于靠近所述至少三个绕线柱的另一端的绕线柱。
23.根据权利要求20所述的磁性元件，其特征在于，所述至少一个边柱包括第一边柱和第二边柱，所述第一边柱和所述第二边柱分别设置于所述水平线的不同侧，且所述第一边柱对应于靠近所述至少三个绕线柱的一端的绕线柱，所述第二边柱对应于靠近所述至少三个绕线柱的另一端的绕线柱。
24.根据权利要求20所述的磁性元件，其特征在于，所述至少一个边柱为单个边柱，所述边柱位于所述水平线的一侧。
25.根据权利要求18所述的磁性元件，其特征在于，所述磁芯还包含电感绕线柱，所述电感绕线柱上绕设有电感绕组。
26.根据权利要求18所述的磁性元件，其特征在于，所述磁性元件为变压器，所述至少三个绕组均为原边绕组，所述至少三个绕线柱中的每一绕线柱上还绕设有至少一个副边绕组。
27.一种开关电源装置，其特征在于，所述开关电源装置包括：
原边电路，用于接收输入电压，并将所述输入电压转换为原边电压；
隔离变换模组，用于将所述原边电压转换为副边电压，且所述隔离变换模组包括：
第一变压器，包括第一原边绕组、第一副边绕组以及第二副边绕组；
第二变压器，包括第二原边绕组、第三副边绕组以及第四副边绕组；以及
第三变压器，包括第三原边绕组、第五副边绕组以及第六副边绕组；
副边电路，用于将所述副边电压转换为输出电压；
其中，所述第一副边绕组与所述第二副边绕组串联连接，所述第一副边绕组的第一端经由第一开关管电性耦接至第一输出端子，所述第二副边绕组的第二端经由第二开关管电性耦接至所述第一输出端子，所述第一副边绕组的第二端与所述第二副边绕组的第一端相连且电性耦接至第二输出端子；所述第三副边绕组与所述第四副边绕组串联连接，所述第三副边绕组的第一端经由第三开关管电性耦接至所述第一输出端子，所述第四副边绕组的第二端经由第四开关管电性耦接至所述第一输出端子，所述第三副边绕组的第二端与所述第四副边绕组的第一端相连且电性耦接至所述第二输出端子；所述第五副边绕组与所述第六副边绕组串联连接，所述第五副边绕组的第一端经由第五开关管电性耦接至所述第一输出端子，所述第六副边绕组的第二端经由第六开关管电性耦接至所述第一输出端子，所述第五副边绕组的第二端与所述第六副边绕组的第一端相连且电性耦接至所述第二输出端子；
其中，所述第一原边绕组、所述第一副边绕组、所述第二副边绕组绕设于如权利要求1所述的磁性元件中的第一绕线柱，所述第二原边绕组、所述第三副边绕组、所述第四副边绕组绕设于如权利要求1所述的磁性元件中的第二绕线柱，所述第三原边绕组、所述第五副边绕组、所述第六副边绕组绕设于如权利要求1所述的磁性元件中的第三绕线柱。
28.根据权利要求27所述的开关电源装置，其特征在于，其中，
所述第一原边绕组的第一端电性耦接至所述原边电路的一端；
所述第二原边绕组的第一端电性耦接至所述第一原边绕组的第二端；以及
所述第三原边绕组的第一端电性耦接至所述第二原边绕组的第二端，所述第三原边绕组的第二端电性耦接至所述原边电路的另一端。
29.根据权利要求27所述的开关电源装置，其特征在于，所述第一原边绕组、所述第二原边绕组以及所述第三原边绕组均为PCB绕组或三层绝缘线绕组。
30.根据权利要求27所述的磁性元件，其特征在于，所述第一副边绕组、所述第二副边绕组、所述第三副边绕组、所述第四副边绕组、所述第五副边绕组以及所述第六副边绕组的匝数均为1。
31.根据权利要求27或30所述的开关电源装置，其特征在于，所述第一副边绕组、所述第二副边绕组、所述第三副边绕组、所述第四副边绕组、所述第五副边绕组以及所述第六副边绕组均为PCB绕组或铜片绕组。
32.根据权利要求27所述的开关电源装置，其特征在于，所述输入电压范围为410V至450V。
33.根据权利要求27所述的开关电源装置，其特征在于，所述输入电压范围为36V至72V。
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