CN109686538A - 一种变压器以及电源 - Google Patents

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Abstract

本申请公开一种变压器以及电源，涉及电子技术领域，能够通过分数匝形式降低绕组损耗的同时，提供一种更加方便实现的磁芯的磁柱分布结构，降低产品成本。该变压器，包括：磁芯，磁芯包括：第一磁柱和第二磁柱；第一磁柱的一端与第二磁柱的一端耦合，第一磁柱的另一端与第二磁柱的另一端耦合形成环形；第一磁柱和第二磁柱上绕制有一组或多组所述原边线圈，原边线圈连接原边开关电路，当原边开关电路为原边线圈供电时，线圈在第一磁柱和第二磁柱上形成磁通，其中，在第一磁柱和第二磁柱形成的磁通方向相同；第一磁柱以及第二磁柱上分别绕制有副边线圈；副边线圈用于感应第一磁柱或第二磁柱上的磁通产生电流，其中，副边线圈的匝数为分数匝。

Description

一种变压器以及电源
技术领域
本申请的实施例涉及电子技术领域，尤其涉及一种变压器以及电源。
背景技术
目前，随着通信设备的发展，更加先进的通信设备伴随扩容的同时体积进一步减少。通信设备供电的电源模块(简称电源)功率密度提升需求越来越强烈。随着通信设备的不断扩容，单位容量通信设备的尺寸不断缩小，然而通信设备的单板上电源模块的可用空间越来越小。因此，推动电源模块的功率密度不断提高，变的越来越重要，目前，电源模块的功率密度从几百瓦/inch^3(立方英尺)到现在的几千瓦/inch^3。
电源模块主要由原边开关电路、副边整流电路及配套散热件、功率磁元件、控制检测器件、输入滤波防护器件四部分组成。其中，通过功率磁元件的设计，降低功率磁元件的总体体积，提高电源模块的功率密度是目前主要的突破方向。为了减少功率磁元件的体积，开关频率不断提升，从几十kHz到百kHz再到目前的MHz，随着频率的提升，绕组损耗占比已经超过50％，目前降低绕组匝数，是降低绕组损耗的有效方式。
目前，业界已经提出通过分数匝形式降低绕组(也称作线圈)损耗的方案，如图2所示，提供的一种变压器的中心磁柱俯视方向的视图以及该变压器的磁芯的侧视图，其中，原边线圈La以及副边线圈Lb1-Lb4绕制在中心磁柱上，如图3所示，磁柱1的两端与中心磁柱的两端分别通过上侧的第一磁盖和下侧的第二磁盖耦合形成左侧的磁通回路，磁柱2的两端与中心磁柱的两端分别通过上侧的第一磁盖和下侧的第二磁盖耦合形成右侧的磁通回路；副边线圈和原边线圈在中心磁柱上绕制，线圈宽度受磁芯窗口(其中参照图3所示，磁芯窗口指中心磁柱与磁柱1耦合形成的环形内部的空间，当然图3中仅示意性的标记处左侧的磁芯窗口，当然中心磁柱与磁柱2耦合形成的环形内部的空间也称作磁芯窗口)限制，磁芯窗口利用率低。原边线圈和副边线圈出线交叉，原边线圈端头(例如，参照图3所示，La上节点a到原边开关电路的布线、以及La上节点b到原边开关电路的布线)长，端头高频效应大，损耗大，同时对于有安规隔离绝缘的场景，安规间距不好处理；功率增加时，只能增加线圈层数，导致功率磁元件高度增加，不利于功率磁元件扁平化设计；在另一种方案中，结合图4提供的一种变压器的中心磁柱俯视方向的视图，原边线圈La绕制在中心磁柱上，副边线圈Lb1和Lb2绕制在磁柱1上，副边线圈Lb3和Lb4绕制在磁柱2上。其磁芯的侧视图与图3相同，原边线圈、副边线圈绕制在不同的磁柱上，耦合差，漏感大；原边线圈与副边线圈交叠不充分，绕组等效交流电阻(alternating current resistor，ACR)大，绕组损耗大；考虑到磁分压，两边磁柱的磁通存在不平衡的问题。
总之，目前提供的方案中，磁芯的磁柱分布结构不合理，会造成诸多问题。
发明内容
本申请的实施例提供一种变压器以及电源，通过分数匝形式降低绕组损耗的同时，提供一种更加方便实现的磁芯的磁柱分布结构，降低产品成本。
为达到上述目的，本申请实施例采用如下技术方案：
第一方面，提供一种变压器，包括：磁芯，磁芯包括：第一磁柱和第二磁柱；第一磁柱的一端与第二磁柱的一端耦合，第一磁柱的另一端与第二磁柱的另一端耦合形成环形；第一磁柱和第二磁柱上绕制有一组或多组所述原边线圈，原边线圈连接原边开关电路，当原边开关电路为原边线圈供电时，线圈在第一磁柱和第二磁柱上形成磁通，其中，在第一磁柱和第二磁柱形成的磁通方向相同；第一磁柱以及第二磁柱上分别绕制有副边线圈；副边线圈用于感应第一磁柱或第二磁柱上的磁通产生电流，其中，副边线圈的匝数为分数匝。这样，通过分数匝形式降低绕组损耗的同时，由于第一磁柱和第二磁柱均能够绕制原边线圈和副边线圈，并且原边线圈可以直接利用第一磁柱和第二磁柱耦合形成的环形结构产生磁通，以便于副边线圈生成感应电流，这种结构相对于现有技术提供了一种更加简单的磁芯的磁柱分布结构。此外，原边线圈可以从第一磁柱或者第二磁柱的任意位置开始绕制，相对于现有技术可以避免端头过长，提供了很好地绕组分布和进出线通道；另外磁柱的周围均绕制有副边线圈，相对于现有技术仅在中心磁柱或者两侧的磁柱绕制副边线圈，提高了磁芯窗口的利用率；此外，由于第一磁柱和第二磁柱同时够绕制原边线圈和副边线圈，因此避免了原边线圈、副边线圈绕制在不同的磁柱出现的耦合差、交叠不充分的问题，同时也避免了副边线圈分别绕制在中心磁柱磁柱两侧的磁柱上时磁通存在不平衡的问题。
可选的，在一种示例性的方案中，副边线圈，连接副边整流电路；副边整流电路包括包括第一开关、第二开关、第三开关、第四开关、第五开关、第六开关、第七开关、第八开关以及四个电容组；每个所述电容组包含至少一个电容或者至少两个并联的电容；所述第一磁柱上绕制有第一副边线圈、第二副边线圈、第三副边线圈以及第四副边线圈；所述第一副边线圈的一端连接第二电容组的正极，所述第一副边线圈的另一端通过第一开关连接第一电容组的负极；所述第二副边线圈的一端连接第二电容组的正极，所述第二副边线圈的另一端通过第二开关连接第一电容组的负极；其中所述第一副边线圈和第二副边线圈围绕第一磁柱绕制，并且第一副边线圈和第二副边线圈关于垂直于第一磁柱的磁通方向的截面上一条中线对称；所述第三副边线圈的一端连接第一电容组的正极，所述第三副边线圈的另一端通过第三开关连接第二电容组的负极；所述第四副边线圈的一端连接第一电容组的正极，所述第四副边线圈的另一端通过第四开关连接第二电容组的负极；其中所述第三副边线圈和第四副边线圈围绕所述第一磁柱绕制，并且所述第三副边线圈和第四副边线圈关于垂直于所述第一磁柱的磁通方向的截面上一条中线对称；所述第二磁柱上绕制有第五副边线圈、第六副边线圈、第七副边线圈以及第八副边线圈；所述第五副边线圈的一端连接第四电容组的正极，所述第五副边线圈的另一端通过第五开关连接第三电容组的负极；所述第六副边线圈的一端连接第四电容组的正极，所述第六副边线圈的另一端通过第六开关连接第三电容组的负极；其中所述第五副边线圈和第六副边线圈围绕所述第二磁柱绕制，并且所述第五副边线圈和第六副边线圈关于垂直于所述第二磁柱的磁通方向的截面上一条中线对称；所述第七副边线圈的一端连接第三电容组的正极，所述第七副边线圈的另一端通过第七开关连接第四电容组的负极；所述第八副边线圈的一端连接第三电容组的正极，所述第八副边线圈的另一端通过第八开关连接第四电容组的负极；其中所述第七副边线圈和第八副边线圈围绕所述第二磁柱绕制，并且所述第七副边线圈和第八副边线圈关于垂直于所述第二磁柱的磁通方向的截面上一条中线对称。其中上述的各个开关可以为开关晶体管，例如场效应晶体管。
可选的，当所述原边开关电路为所述原边线圈供电的方向为第一方向时，所述第一开关、第三开关、第六开关以及第八开关导通；当所述原边开关电路为所述原边线圈供电的方向为第二方向时，所述第二开关、第四开关、第五开关以及第七开关导通，其中所述第一方向和第二方向相反。例如，原边开关电路向原边线圈输出交变电流时，在一个半周期对原边线圈供电的方向采用第一方向，在另一个半周期对原边线圈供电的方向采用第二方向。
可选的，所述第一磁柱和第二磁柱上绕制有第一原边线圈以及第二原边线圈，当所述第一原边线圈的第一原边开关电路为所述第一原边线圈供电，且所述第二原边线圈的第二原边开关电路为所述第二原边线圈供电时，所述第一原边线圈在所述第一磁柱和所述第二磁柱产生的磁通方向与所述第二原边线圈在所述第一磁柱和所述第二磁柱产生的磁通方向相同。例如：第一磁柱和第二磁柱耦合形成的环形结构，磁通方向呈逆时针方向时，第一磁柱的磁通方向为垂直于纸面向里，第二磁柱的磁通方向为垂直于纸面向外。第一磁柱和第二磁柱耦合形成的环形结构，磁通方向呈顺时针方向时，第一磁柱的磁通方向为垂直于纸面向外，第二磁柱的磁通方向为垂直于纸面向里。
此外，为单板的热均衡性，两组原边线圈即第一原边线圈以及第二原边线圈的原边开关电路可以分别布局在磁芯的两侧。例如：第一原边开关电路位于第一磁柱远离所述第二磁柱的一侧；所述第二原边开关电路位于所述第二磁柱远离所述第一磁柱的一侧。
可选的，所述原边线圈分别在所述第一磁柱和第二磁柱上绕制一匝。
可选的，所述原边线圈采用PCB绕组，或者金属导线绕组。此外，为提高电流流量，原边线圈可以为多层PCB层的并联结构。
可选的，所述副边线圈采用PCB绕组，或者金属导线绕组。此外，为提高电流流量，副边线圈可以为多层PCB层的并联结构。
可选的，可以通过将第一磁柱和第二磁柱设置于通过第一磁芯盖板和第二磁芯盖板之间实现第一磁柱与第二磁柱的耦合，例如：磁芯还包括第一磁芯盖板和第二磁芯盖板，其中所述第一磁柱和所述第二磁柱设置于所述第一磁芯盖板和所述第二磁芯盖板之间，所述第一磁柱的一端连接所述第一磁芯盖板，所述第一磁柱的另一端连接所述第二磁芯盖板，所述第二磁柱的一端连接所述第一磁芯盖板，所述第二磁柱的另一端连接所述第二磁芯盖板。
第二方面，提供一种电源，包括：如上述的变压器，以及与所述变压器的原边线圈连接的原边开关电路，以及与所述变压器的副边线圈连接的副边整流电路。本申请中第二方面的有益效果，可以参考第一方面及其各种实现方式中的有益效果分析，此处不再赘述。
本申请的这些方面或其他方面在以下的描述中会更加简明易懂。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍。
图1为本申请的实施例提供的一种电源模块的结构示意图；
图2为现有技术提供的一种变压器在中心磁柱俯视方向的视图；
图3为现有技术提供的一种如图2所示的变压器的磁芯的侧视图；
图4为现有技术提供的另一种变压器在中心磁柱俯视方向的视图；
图5为本申请的实施例提供的一种变压器在磁芯俯视方向的视图；
图6为本申请的实施例提供的如图5所示的变压器的磁芯的侧视结构视图一；
图7为本申请的实施例提供的如图5所示的变压器的磁芯的侧视结构视图二；
图8为本申请的实施例提供的如图5所示的变压器的磁芯的侧视结构视图三；
图9为本申请的另一实施例提供的一种变压器在磁芯俯视方向的视图；
图10为本申请的实施例提供的如图7所示的变压器的工作电流示意图；
图11为本申请的另一实施例提供的如图7所示的变压器的工作电流示意图；
图12为本申请的实施例提供的一种变压器的磁芯的尺寸示意图；
图13为本申请的实施例提供的一种变压器的原边线圈的光绘图；
图14为本申请的实施例提供的一种变压器的副边线圈的光绘图；
图15为本申请的另一实施例提供的一种变压器的副边线圈的光绘图；
图16为本申请的实施例提供的一种变压器的工作电流的流动方向示意图；
图17为本申请的另一实施例提供的一种变压器的工作电流的流动方向示意图；
图18为本申请的实施例提供的一种电源的布局结构示意图；
图19为本申请的又一实施例提供的一种变压器在磁芯俯视方向的视图；
图20为本申请的实施例提供的如图19所示的变压器的工作电流示意图；
图21为本申请的另一实施例提供的如图19所示的变压器的工作电流示意图；
图22为本申请的又一实施例提供的一种变压器的工作电流的流动方向示意图；
图23为本申请的再一实施例提供的一种变压器的工作电流的流动方向示意图；
图24为本申请的另一实施例提供的一种电源的布局结构示意图；
图25为本申请的实施例提供的一种电源的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
在本申请的描述中，除非另有说明，“/”表示或的意思，例如，A/B可以表示A或B；本文中的“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。并且，在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”是指两个或多于两个。本申请中的左侧、右侧、上侧、下侧、顺时针方向、逆时针方向、垂直纸面向里、垂直纸面向外等均是以附图中的示例为例进行说明，在某些情况下，例如将附图旋转180度观看，左侧可能会转换为右侧，或者在本申请的实施例提供的附图的对侧观看，则顺指针方向可能转换为逆时针方向，因此以上的方向性描述，均是为结合本申请的实施例附图为使得本领域技术人员清楚的理解方案给出的定义，其并不对本申请的实施例造成任何限制。
目前，随着通信设备的发展，更加先进的通信设备伴随扩容的同时体积进一步减少。通信设备供电的电源模块(简称电源)功率密度提升需求越来越强烈。随着通信设备的不断扩容，单位容量通信设备的尺寸不断缩小，然而通信设备的单板上电源模块的可用空间越来越小。因此，推动电源模块的功率密度不断提高，变的越来越重要，目前，电源模块的功率密度从几百瓦/inch^3(立方英尺)到现在的几千瓦/inch^3。
如图1所示，电源模块主要由原边开关电路、副边整流电路及配套散热件(图1中未示出)、功率磁元件、控制检测器件、输入滤波防护器件组成。其中，输入滤波防护器件属于无源器件，且多是标准配置，降体积可能性小且成本高；控制检测器件属于阻容器件，不是功率密度提升的瓶颈所在。原边开关电路、副边整流电路的尺寸和散热能力依赖于基础半导体工艺和材料技术的发展，和产品功率密度演进的节奏是否能够匹配上；功率磁元件占整个模块体积的30％左右，通过功率磁元件的设计，降低功率磁元件的总体体积，提高电源模块的功率密度是目前主要的突破方向。通常，功率磁元件也称作变压器。为了减少功率磁元件的体积，原边开关电路的开关频率不断提升，从几十kHz到百kHz再到目前的MHz，随着频率的提升，绕组损耗占比已经超过50％，如何降低绕组损耗，成为一大难题，降低副边绕组(或称副边线圈)匝数，是降低绕组损耗的有效方式，但是当匝数降到1匝时，从匝比设计的角度来看，已经到了天花板，没办法进一步降低，由于频率高，导体趋附效应和临近效应的影响，增加导体面积效果不明显，且成本增幅大。所以如果突破1匝的瓶颈成为业界研究的方向，近年来不少研究机构和学者发表过分数匝的相关论文，对分数匝的机理进行比较详细的阐述。其中，广义上的分数匝是与整数匝相对的概念。但是工程实现性不高，且实现成本较高，商业应用局限性大。其中，整数匝指副边线圈的匝数为正整数的形式，分数匝指副边线圈的匝数为正分数形式。在本申请中，由于研究的范围为如何突破副边线圈的匝数最低为1匝的限制的前提下，因此下述方案中的分数匝指副边线圈小于1匝，即副边线圈的匝数为大于0小于1的范围。此外，在本申请的实施例中，原边线圈指通电后在磁芯中产生磁通的线圈，副边线圈指感应磁芯中的磁通产生感应电流的线圈，在一些实施例中原边也可称作初级，副边也可称作次级。
虽然，业界已经提出通过分数匝形式降低绕组损耗的方案，但是，目前提供的方案中，变压器的磁芯的磁柱分布结构不合理，仍然会造成诸多题。
例如，在一种方案中，结合图2提供的一种变压器在中心磁柱俯视方向的视图以及图3提供的该变压器的磁芯的侧视图，其中，原边线圈La以及副边线圈Lb1-Lb4绕制在中心磁柱上，如图3所示，磁柱1的两端与中心磁柱的两端分别通过上侧的第一磁盖和下侧的第二磁盖耦合形成左侧的磁通回路，磁柱2的两端与中心磁柱的两端分别通过上侧的第一磁盖和下侧的第二磁盖耦合形成右侧的磁通回路；原边线圈La和连接原边线圈La的原边开关电路形成原边功率回路；副边开关(例如开关晶体管)Q1、Q3、与Q1相连副边线圈Lb1、与Q3相连的副边线圈Lb3、以及电容组C1、C2(其中电容组可包含一个电容或多个电容的串并联结构)组成第一副边半周期功率回路，副边开关(例如开关晶体管)Q2、Q4、与Q2相连的副边线圈Lb2、与Q4相连副边线圈Lb4、以及电容C1、C2组成第二副边半周期功率回路；其中，原边开关电路向原边线圈输出交变电流时，在原边开关电路在一个半周期内向原边线圈La输入第一方向的电流(例如，在La上电流方向为a到b)，则在中心磁柱中产生垂直于纸面向里的磁通，该半周期内，Q1、Q3导通，则第一副边半周期功率回路处于工作状态；在原边开关电路在另一个半周期内向原边线圈La输入第二方向的电流(例如，在La上电流方向为b到a)，则在中心磁柱中产生垂直于纸面向外的磁通(磁通量)，该半周期内，Q2、Q4导通，则第二副边半周期功率回路处于工作状态。如此，副边的两功率回路(第一副边半周期功率回路和第二副边半周期功率回路)随原边功率回路的电流而交替工作；副边线圈和原边线圈在中心磁柱上绕制，线圈宽度受磁芯窗口(其中参照图3所示，磁芯窗口指中心磁柱与磁柱1耦合形成的环形内部的空间，当然图3中仅示意性的标记处左侧的磁芯窗口，当然中心磁柱与磁柱2耦合形成的环形内部的空间也称作磁芯窗口)限制，磁芯窗口利用率低。原边线圈和副边线圈出线交叉，受左侧的磁柱1的布局的影响原边线圈端头(例如，参照图3所示，La上节点a到原边开关电路的布线、以及La上节点b到原边开关电路的布线)长，端头高频效应大，损耗大，同时对于有安规隔离绝缘的场景，安规间距不好处理；功率增加时，只能增加线圈层数，导致功率磁元件高度增加，不利于功率磁元件扁平化设计；同时对于采用印制电路板(printed circuit board，PCB)做线圈，成本会增加。在另一种方案中，在另一种方案中，结合图4提供的一种变压器在中心磁柱俯视方向的视图，原边线圈La绕制在中心磁柱上，副边线圈Lb1和Lb2绕制在磁柱1上，副边线圈Lb3和Lb4绕制在磁柱2上。其磁芯的侧视图与图3相同，即在该方案中磁柱1的两端与中心磁柱的两端分别通过上侧的第一磁盖和下侧的第二磁盖耦合形成左侧的磁通回路，磁柱2的两端与中心磁柱的两端分别通过上侧的第一磁盖和下侧的第二磁盖耦合形成右侧的磁通回路其中，中心磁柱与磁柱1和2。其中，副边线圈分别耦合1/2原边线圈产生的磁通，通过磁分压实现副边1/2匝效果。原边线圈La和原边开关电路形成原边功率回路；副边开关(例如开关晶体管)Q1、与Q1相连的副边线圈Lb1、C2组成的功率回路，以及Q3、与Q3相连的副边线圈Lb3、C4组成的率回路形成第一副边半周期功率回路；副边开关(例如开关晶体管)Q2、与Q2相连的副边线圈Lb2、C1组成的功率回路，以及Q4、与Q4相连的副边线圈Lb4、C3组成的功率回路形成第二副边半周期功率回路；其中，在原边开关电路在一个半周期内向原边线圈La输入第一方向的电流(例如，在La上电流方向为a到b)，则在中心磁柱中产生垂直于纸面向里的磁通，该半周期内，Q1、Q3导通，则第一副边半周期功率回路处于工作状态；在原边开关电路在另一个半周期内向原边线圈La输入第二方向的电流(例如，在La上电流方向为b到a)，则在中心磁柱中产生垂直于纸面向外的磁通(磁通量)，该半周期内，Q2、Q4导通，则第二副边半周期功率回路处于工作状态。副边两功率回路(第一副边半周期功率回路和第二副边半周期功率回路)随原边功率回路的电流而交替工作。然而，原边线圈、副边线圈绕制在不同的磁柱上，耦合差，漏感大；原、副边绕组交叠不充分，绕组等效交流电阻(alternating current resistor，ACR)大，绕组损耗大；考虑到磁分压，两边磁柱的磁通存在不平衡的问题。
结合上述的问题，本申请的实施例提供一种变压器，通过分数匝形式降低绕组损耗的同时，提供一种更加方便实现的结构，降低产品成本。具体的，参照图5、6所示，其中图5提供一种变压器在磁芯俯视方向的视图，图6提供了该变压器的磁芯的侧视结构视图，该变压器包括：磁芯、原边线圈La、副边线圈Lb1-8；磁芯包括：第一磁柱41和第二磁柱42，其中，第一磁柱41的一端与第二磁柱42的一端耦合，第一磁柱41的另一端与第二磁柱42的另一端耦合形成环形；第一磁柱41和第二磁柱42上绕制有至少一组或多组原边线圈La，原边线圈连接原边开关电路43，当原边开关电路43为原边线圈La供电时，原边线圈La在第一磁柱41和第二磁柱42上形成磁通，其中，在第一磁柱41和第二磁柱42形成的磁通方向相同；第一磁柱41以及第二磁柱42上分别绕制有副边线圈Lb；副边线圈Lb用于感应第一磁柱41或第二磁柱42上的磁通产生电流，其中，副边线圈Lb的匝数为分数匝。
需要说明的是，副边线圈Lb的匝数为分数匝例，如副边线圈的匝数为大于0小于1的范围，具体如0.5匝。当原边开关电路43为原边线圈La供电时，在第一磁柱41和第二磁柱42形成的磁通方向相同，其中磁通方向也或者称作磁通路径或磁通路，当然本技技术领域还可能存在其他的定义方式。例如，如图7示出一种该变压器的磁芯的侧视结构视图，按照第一磁柱41和第二磁柱42耦合形成的环形结构，磁通方向呈逆时针方向；此时，在如图5所示的变压器中，第一磁柱41的磁通方向为垂直于纸面向里，第二磁柱42的磁通方向为垂直于纸面向外。参照图8示出一种该变压器的磁芯的侧视结构视图，按照第一磁柱41和第二磁柱42耦合形成的环形结构，磁通方向呈顺时针方向；此时，在如图5所示的变压器中，第一磁柱41的磁通方向为垂直于纸面向外，第二磁柱42的磁通方向为垂直于纸面向里。因此，原边线圈以相反的方向分别绕制在两个磁柱上，即如图5所示，原边线圈La在第一磁柱上呈顺时针方向绕制，原边线圈Lb在第二磁柱上呈逆时针方向绕制。原边线圈在第一磁柱41和第二磁柱42各形成1匝线圈，在通电时，2匝线圈分别在各自绕制的磁柱上形成相同的磁通方向。图中5还示出了原边开关电路43的输入电压(Vin+、Vin-)。
此外，如图6所示，为实现对第一磁柱41和第二磁柱42的耦合，磁芯还包括第一磁芯盖板45和第二磁芯盖板46，其中第一磁柱41和第二磁柱42设置于第一磁芯盖板45和第二磁芯盖板46之间，第一磁柱41的一端连接第一磁芯盖板45，第一磁柱41的另一端连接第二磁芯盖板46，第二磁柱42的一端连接第一磁芯盖板45，第二磁柱42的另一端连接第二磁芯盖板46。
这样，通过分数匝形式降低绕组损耗的同时，由于第一磁柱和第二磁柱均能够绕制原边线圈和副边线圈，并且原边线圈可以直接利用第一磁柱和第二磁柱耦合形成的环形结构产生磁通，以便于副边线圈生成感应电流，这种结构相对于现有技术提供了一种更加简单的磁芯的磁柱分布结构。此外，原边线圈可以从第一磁柱或者第二磁柱的任意位置开始绕制，相对于现有技术由于不受中心磁柱两侧的磁柱布局的影响，可以避免端头过长，提供了很好地绕组分布和进出线通道；另外磁柱的周围均绕制有副边线圈，相对于现有技术仅在中心磁柱或者两侧的磁柱绕制副边线圈，提高了磁芯窗口的利用率；此外，由于第一磁柱和第二磁柱同时能够绕制原边线圈和副边线圈，因此避免了原边线圈、副边线圈绕制在不同的磁柱出现的耦合差、交叠不充分的问题，同时也避免了副边线圈分别绕制在中心磁柱磁柱两侧的磁柱上时磁通存在不平衡的问题。
其中如图9所示提供一种变压器在磁芯俯视方向的视图，副边线圈连接副边整流电路44；副边整流电路44包括八个开关，其中该八个开关可以为开关晶体管，第一开关Q1、第二开关Q2、第三开关Q3、第四开关Q4、第五开关Q5、第六开关Q6、第七开关Q7、第八开关Q8以及四个电容组(C1-C4)；每个电容组包含至少一个电容或者至少两个并联的电容。其中上述的各个开关可以为开关晶体管，例如场效应晶体管。
第一磁柱41上绕制有第一副边线圈Lb1、第二副边线圈Lb2、第三副边线圈Lb3以及第四副边线圈Lb4；第一副边线圈Lb1的一端连接第二电容组C2的正极，第一副边线圈Lb1的另一端通过第一开关Q1连接第一电容组C1的负极；第二副边线圈Lb2的一端连接第二电容组C2的正极，第二副边线圈Lb2的另一端通过第二开关Q2连接第一电容组C1的负极；其中第一副边线圈Lb1和第二副边线圈Lb2围绕第一磁柱41绕制，并且第一副边线圈Lb1和第二副边线圈Lb2关于垂直于第一磁柱41的磁通方向的截面上一条中线对称；第三副边线圈Lb3的一端连接第一电容组C1的正极，第三副边线圈Lb3的另一端通过第三开关Q3连接第二电容组C2的负极；第四副边线圈Lb4的一端连接第一电容组C1的正极，第四副边线圈Lb4的另一端通过第四开关Q4连接第二电容组C2的负极；其中第三副边线圈Lb3和第四副边线圈Lb4围绕所述第一磁柱41绕制，并且第三副边线圈Lb3和第四副边线圈Lb4关于垂直于第一磁柱41的磁通方向的截面上一条中线对称；第二磁柱42上绕制有第五副边线圈Lb5、第六副边线圈Lb6、第七副边线圈Lb7以及第八副边线圈Lb8；第五副边线圈Lb5的一端连接第四电容组C4的正极，第五副边线圈Lb5的另一端通过第五开关Q5连接第三电容组C3的负极；第六副边线圈Lb6的一端连接第四电容组C4的正极，第六副边线圈Lb6的另一端通过第六开关Q6连接第三电容组C3的负极；其中第五副边线圈Lb5和第六副边线圈Lb6围绕所述第二磁柱42绕制，并且第五副边线圈Lb5和第六副边线圈Lb6关于垂直于所述第二磁柱42的磁通方向的截面上一条中线对称；第七副边线圈Lb7的一端连接第三电容组C3的正极，第七副边线圈Lb7的另一端通过第七开关Q7连接第四电容组C4的负极；第八副边线圈Lb8的一端连接第三电容组C3的正极，第八副边线圈Lb8的另一端通过第八开关Q8连接第四电容组C4的负极；其中第七副边线圈Lb7和第八副边线圈Lb8围绕第二磁柱42绕制，并且第七副边线圈Lb7和第八副边线圈Lb8关于垂直于第二磁柱42的磁通方向的截面上一条中线对称。
如图9所示，该变压器可以包括一组原边绕组La；原边线圈La以相反的方向分别绕制在两个磁柱上在第一磁柱51和第二磁柱52各形成1匝线圈，2匝线圈分别在各自绕制的磁柱上形成相同的磁通方向。原边线圈La和原边开关电路53形成原边功率回路，副边开关Q1、Q3、Q6和Q8，分别与Q1、Q3、Q6和Q8相连的副边线圈Lb1、Lb3、Lb6和Lb8、以及电容组C1、C2、C3和C4组成副边半周期功率回路；副边开关Q2、Q4、Q5和Q7，分别与Q2、Q4、Q5和Q7相连的副边线圈Lb2、Lb4、Lb5和Lb7、以及电容组C1、C2、C3和C4组成副边另一半周期功率回路；两个副边半周期功率回路随原边功率回路的电流而交替工作；电容组C1、C2、C3和C4并联输出负载电流。
变压器的两个半周期功率回路的工作电流参照图10、11说明如下，其中，当原边开关电路43为原边线圈La供电的方向为第一方向(例如图10中所示在第一磁柱周围为顺时针方向，在第二磁柱周围为逆时针方向)时，Q1、Q3、Q6和Q8导通；原边线圈La的电流围绕左侧的第一磁柱41顺时针方向流动，围绕右侧第二磁柱42逆时针方向流动，则在第一磁柱41产生的磁通垂直纸面向里(如图10中第一磁柱41中心的×符号)，第二磁柱42产生的磁通垂直纸面向外(如图10中第二磁柱中心的·符号)，其中在两个磁柱耦合形成的环路中磁通方向相同，即如图7所示，在两个磁柱上磁通方向均为逆时针方向；开关Q1、Q3、Q6和Q8导通，Q2、Q4、Q5和Q7关断；开关Q1和Q3，分别与Q1和Q3相连的两副边线圈，电容组C1和C2组成的功率回路中，电流逆时针方向流动；开关Q6和Q8，分别与Q6和Q8相连的两副边线圈，电容组C3和C4组成功率回路中，电流顺时针方向流动。
当原边开关电路43为原边线圈La供电的方向为第二方向(例如图11中所示在第一磁柱周围为逆时针方向，在第二磁柱周围为顺时针方向)时，Q2、Q4、Q5和Q7导通。原边线圈La的电流围绕左侧的第一磁柱41逆时针方向流动，围绕右侧的第二磁柱42顺时针方向流动，左侧的第一磁柱41产生的磁通方向垂直于纸面向外(如图11中第一磁柱41中心的·符号)，右侧的第二磁柱42产生的磁通方向垂直于纸面向里(如图11中第二磁柱42中心的×符号)，其中在两个磁柱耦合形成的环路中磁通方向相同，即如图8所示，在两个磁柱上磁通方向均为顺时针方向；开关Q1、Q3、Q6和Q8关闭，Q2、Q4、Q5和Q7导通；开关Q2和Q4，分别与Q2和Q4相连的两副边线圈，电容组C1和C2组成功率回路中，电流顺时针方向流动；开关Q5和Q7、分别与Q5和Q7相连的两副边线圈，电容组C3和C4组成功率回路中，电流逆时针方向流动。
在本申请的实施例中，提供一种变压器的实测数据，其中参照图12所示提供了一种变压器的磁芯的尺寸示意图，变压器的磁芯尺寸如下表1所示，其中，I片指磁芯盖板，在该实施例中，第一磁芯盖板和第二磁芯盖板可以采用相同的尺寸。另外，下表中的Ae表示有效截面积，其中，为保证磁通量的转化效率，磁芯盖板的有效截面积(I的片Ae)与磁柱的Ae(第一磁柱的Ae、第二磁柱的Ae)相同或尽量接近。
表1
需要说明的是原边线圈以及副边线圈可以采用金属导线绕组；另外，两者也可以采用PCB绕组。如图13、14、15所示，是用PCB实现的原边线圈和副边线圈的光绘图；其中图13中示出的Wp(Wp1和Wp2)和图14、15中Wx组成原边线圈，由于图13、图14、以及图15示出的图层分别表示PCB板中不同的金属层，因此对于图5原边线圈La，可以通过图14和\或图15中的Wx将图13中的Wp1与Wp2串联形成原边线圈La。例如，Wx上设置有焊接过孔h3和h4，在Wp1上对应h3的投影位置设置有焊接过孔h1，在Wp2上对应h4的投影位置设置有焊接过孔h2，这样通过将焊接过孔h1与h3连通，将焊接过孔h2与h4连通，实现将图13中的Wp1与Wp2连接。当然，还可以通过其他金属层中的Wx(例如通过图15中的Wx)将Wp1与Wp2连接，具体方式类似，不再赘述。图14、15中示出，Ws1、Ws2组成的副边线圈，具体的，参照图14所示，通过Sb1处的过孔与图5中C2的正极连接，通过Sb2处的过孔与图5中的Q1连接，通过Sb3处的过孔与图5中Q2连接，通过Sb4处的过孔与图5中C4的正极连接，通过Sb5处的过孔与图5中的Q5连接，通过Sb6处的过孔与图5中Q6连接，则Sb1与Sb2之间形成副边线圈Lb1、则Sb1与Sb3之间形成副边线圈Lb2、则Sb4与Sb5之间形成副边线圈Lb5、则Sb4与Sb6之间形成副边线圈Lb6；通过Sa1处的过孔与图5中C1的正极连接，通过Sa2处的过孔与图5中的Q4连接，通过Sa3处的过孔与图5中Q3连接，通过Sa4处的过孔与图5中C3的正极连接，通过Sa5处的过孔与图5中的Q8连接，通过Sa6处的过孔与图5中Q7连接，则Sa1与Sa2之间形成副边线圈Lb4、则Sa1与Sa3之间形成副边线圈Lb3、则Sa4与Sa5之间形成副边线圈Lb8、则Sa4与Sa6之间形成副边线圈Lb7。此外，需要说明的是图13还示出了P11和P12处的过孔，其用于连接原边开关电路43。并且Wx与Ws1或Ws2不导通。
PCB的具体尺寸和厚度层数等设计参数如表2所示。两个半周期的工作电流方向如图16、17所示。其中，参照图16所示，在一个半周期中电流在原边线圈La的流动方向为：P11至P12；在副边线圈中的流动方向为Sb2至Sb1、Sa3至Sa1、Sa5至Sa4、Sb6至Sb4；，参照图17所示，另一个半周期中电流在原边线圈的流动方向为：P12至P11；在副边线圈中的流动方向为Sa2至Sa1、Sb3至Sb1、Sb5至Sb4、Sa6至Sa4。如图18示出的电源的布局结构图，其中原边开关电路布局在变压器的磁芯的左侧，副边整流电路布局在变压器的磁芯的上下两侧，其中上述的P11、P12为连接原边线圈连接原边开关电路的过孔；Sa1-Sa6、Sb1-Sb6为副边线圈连接副边滤波电路的过孔。当然，图13、14、15中仅是以一层PCB的光绘图示出的原边线圈和副边线圈为例进行说明，可以理解的是，为提高线圈的电流容量，还可以并联多层相同的PCB层作为原边线圈和副边线圈，例如，并联多层如图13所示的PCB层作为原边线圈，各层中的Wp并联；并联多层如图14所示的PCB层作为副边线圈，各层中的Ws1并联；并联多层如图15所示的PCB层作为副边线圈，各层中的Ws2并联。PCB绕组的参数如下表2所示，
规格 数值
PCB长 76.00mm
PCB宽 25.40mm
PCB厚度 2.5mm
PCB层数 16层
PCB铜厚 20Z
表2
基于上述参数，从实测数据来看，PCB平面变压器的等效直流电阻DCR(directcurrent resistor)(在20HZ频率下的电阻)为1.27，ACR(在0.9MHZ频率下的电阻)为6.54，ACR(在1.0M HZ频率下的电阻)为6.63，铜损可降低50％左右，整机效率预期可以突破98％。
此外，如图19所示，提供的一种变压器在磁芯俯视方向的视图，该变压器还可以包括两组原边绕组，此时，第一磁柱41和第二磁柱42上绕制有第一原边线圈La1以及第二原边线圈La2，当第一原边线圈La1的第一原边开关电路53-1为第一原边线圈La1供电，且第二原边线圈La2的第二原边开关电路43-2为第二原边线圈La2供电时，第一原边线圈La1在第一磁柱41和第二磁柱42产生的磁通方向与第二原边线圈La2在第一磁柱41和第二磁柱42产生的磁通方向相同。
即第一原边线圈La1以相反的方向分别绕制在两个磁柱上在第一磁柱41和第二磁柱42各形成1匝线圈，2匝线圈分别在各自绕制的磁柱上形成相同的磁通方向。第二原边线圈La2以相反的方向分别绕制在两个磁柱上在第一磁柱41和第二磁柱42各形成1匝线圈，2匝线圈分别在各自绕制的磁柱上形成相同的磁通方向。并且第一原边线圈La1和第二原边线圈La2在第一磁柱41和第二磁柱42形成相同的磁通方向。为提供更加均匀的散热分布，第一原边开关电路43-1位于第一磁柱41远离第二磁柱42的一侧，即如图13中所示的变压器的左侧；第二原边开关电路43-2位于第二磁柱42远离第一磁柱41的一侧，即如图13中所示的变压器的右侧。
这样参照图19所示，从磁芯左侧出线的第一原边线圈La1以相反的方向绕制在两个磁柱上形成2匝原边线圈，此2匝线圈在磁芯产生的磁通方向相同，如图19所示。此第一原边绕组La1和第一原边开关电路43-1形成第一原边功率回路。从磁芯右侧出线的第二原边绕组La2以相反的方向绕制在两个磁柱上形成2匝原边线圈，此2匝线圈在磁芯形成的磁通方向相同。此第二原边绕组La2和第二原边开关电路43-2形成原边第二原边功率回路。第一原边功率回路和第二原边功率回路并联同步工作，磁通方向同步同向。副边开关Q1、Q3、Q6和Q8，分别与Q1、Q3、Q6和Q8相连的副边线圈Lb1、Lb3、Lb6和Lb8、以及电容组C1、C2、C3和C4组成副边半周期功率回路；副边开关Q2、Q4、Q5和Q7，分别与Q2、Q4、Q5和Q7相连的副边线圈Lb2、Lb4、Lb5和Lb7、以及电容组C1、C2、C3和C4组成副边另一半周期功率回路；副边两功率回路随原边功率回路的电流而交替工作；电容组C1、C2、C3和C4并联输出负载电流。
两个半周期功率回路的工作电流如图20、21所示：
参照图20所示，当第一原边开关电路43-1为原边线圈La1供电的方向为第一方向，且当第二原边开关电路43-2为原边线圈La2供电的方向为第一方向时，第一原边线圈La1以及第二原边线圈La2的电流围绕左侧的第一磁柱41顺时针方向流动，围绕右侧的第二磁柱42逆时针方向流动，则在第一磁柱41产生的磁通垂直纸面向里(如图20中第一磁柱41中心的×符号)，第二磁柱42产生的磁通垂直纸面向外(如图20中第二磁柱中心的·符号)，其中在两个磁柱耦合形成的环路中磁通方向相同，即如图7所示，在两个磁柱上磁通方向均为逆时针方向；开关Q1、Q3、Q6和Q8导通，Q2、Q4、Q5和Q7关断；开关Q1和Q3，分别与Q1和Q3相连的两副边线圈，电容组C1和C2组成的功率回路中，电流逆时针方向流动；开关Q6和Q8，分别与Q6和Q8相连的两副边线圈，电容组C3和C4组成功率回路中，电流顺时针方向流动。
参照图21所示，当第一原边开关电路43-1为原边线圈La1供电的方向为第二方向，且当第二原边开关电路43-2为原边线圈La2供电的方向为第二方向时，第一原边线圈La1以及第二原边线圈La2的电流围绕左侧的第一磁柱41逆时针方向流动，左侧的第一磁柱41产生的磁通方向垂直于纸面向外(如图11中第一磁柱41中心的·符号)，右侧的第二磁柱42产生的磁通方向垂直于纸面向里(如图11中第二磁柱42中心的×符号)，其中在两个磁柱耦合形成的环路中磁通方向相同，即如图8所示，在两个磁柱上磁通方向均为顺时针方向；开关Q1、Q3、Q6和Q8关闭，Q2、Q4、Q5和Q7导通；开关Q2和Q4，分别与Q2和Q4相连的两副边线圈，电容组C1和C2组成功率回路中，电流顺时针方向流动；开关Q5和Q7、分别与Q5和Q7相连的两副边线圈，电容组C3和C4组成功率回路中，电流逆时针方向流动。
其中，使用PCB实现原边线圈和副边线圈时，第一原边线圈和第二原边线圈的光绘图与图13类似；副边线圈的光绘图与图14、15类似；此外，PCB的具体尺寸和厚度层数等设计参数也可以参考表2。
两个半周期功率回路的工作电流在PCB上的流动方向如图22、23所示：其中，位于同层的Wp1和Wp2通过其他层的Wx(例如Ws1所在的层的Wx)连接形成第一原边线圈La1；位于同层的Wp3和Wp4通过其他层的Wx(例如Ws2所在的层的Wx)连接形成第二原边线圈La2。其中，参照图22、23所示，Ws1以及Wx2所在PCB层的中心位置均包含Wx，其中可以看出Wx上设置有焊接过孔，其焊接过孔的作用参照图13、14的描述，这里不再赘述，并且Wx与Ws1或Ws2不导通。其中，在一个半周期中电流在第一原边线圈La1的流动方向为：P11至P21、电流在第二原边线圈La2的流动方向为P12至P22；在副边线圈中的流动方向为Sb2至Sb1、Sa3至Sa1、Sa5至Sa4、Sb6至Sb4；其中另一个半周期中电流在第一原边线圈La1的流动方向为：P21至P11、电流在第二原边线圈La2的流动方向为P22至P12；在副边线圈中的流动方向为Sa2至Sa1、Sb3至Sb1、Sb5至Sb4、Sa6至Sa4。如图24示出的电源的布局结构图，其中第一原边开关电路43-1布局在变压器的磁芯的左侧，第二原边开关电路43-2布局在变压器的磁芯的右侧，副边整流电路44布局在变压器的磁芯的上下两侧，其中上述的P11、P21为第一原边线圈连接原边开关电路的过孔；P12、P22为第二原边线圈连接原边开关电路的过孔；Sa1-Sa6、Sb1-Sb6为副边线圈连接副边滤波电路的过孔。
基于上述表1以及表2中的参数，从图18提供的变压器的实测数据来看，PCB平面变压器的DCR(20HZ)为1.27，ACR(0.9M)为6.54，ACR(1.0M)为6.63，铜损可降低50％左右，整机效率预期可以突破98％。此外，由于两组原边线圈分别布局在磁芯的两侧，单板的热均衡性更好。
如图25所示，提供一种电源，包括上述的变压器51，以及与变压器51的原边线圈连接的原边开关电路52，以及与变压器51的副边线圈连接的副边整流电路53。当然，如图1所示，该电源可能还包括输入滤波防护器件、控制检测器件等等其他结构。本申请不再赘述。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种变压器，其特征在于，包括：磁芯，所述磁芯包括：第一磁柱和第二磁柱；其中，第一磁柱的一端与所述第二磁柱的一端耦合，所述第一磁柱的另一端与所述第二磁柱的另一端耦合形成环形；
所述第一磁柱和第二磁柱上绕制有一组或多组所述原边线圈，所述原边线圈连接原边开关电路，当所述原边开关电路为所述原边线圈供电时，所述原边线圈在所述第一磁柱和所述第二磁柱上形成磁通，其中，在所述第一磁柱和所述第二磁柱形成的磁通方向相同；
所述第一磁柱以及所述第二磁柱上分别绕制有所述副边线圈；所述副边线圈用于感应所述第一磁柱或第二磁柱上的磁通产生电流，其中，所述副边线圈的匝数为分数匝。
2.根据权利要求1所述的变压器，其特征在于，所述副边线圈，连接副边整流电路；
所述副边整流电路包括第一开关、第二开关、第三开关、第四开关、第五开关、第六开关、第七开关、第八开关以及四个电容组；每个所述电容组包含至少一个电容或者至少两个并联的电容；
所述第一磁柱上绕制有第一副边线圈、第二副边线圈、第三副边线圈以及第四副边线圈；
所述第一副边线圈的一端连接第二电容组的正极，所述第一副边线圈的另一端通过第一开关连接第一电容组的负极；
所述第二副边线圈的一端连接第二电容组的正极，所述第二副边线圈的另一端通过第二开关连接第一电容组的负极；其中所述第一副边线圈和第二副边线圈围绕所述第一磁柱绕制；
所述第三副边线圈的一端连接第一电容组的正极，所述第三副边线圈的另一端通过第三开关连接第二电容组的负极；
所述第四副边线圈的一端连接第一电容组的正极，所述第四副边线圈的另一端通过第四开关连接第二电容组的负极；其中，所述第三副边线圈和第四副边线圈围绕所述第一磁柱绕制；
所述第二磁柱上绕制有第五副边线圈、第六副边线圈、第七副边线圈以及第八副边线圈；
所述第五副边线圈的一端连接第四电容组的正极，所述第五副边线圈的另一端通过第五开关连接第三电容组的负极；
所述第六副边线圈的一端连接第四电容组的正极，所述第六副边线圈的另一端通过第六开关连接第三电容组的负极；其中所述第五副边线圈和第六副边线圈围绕所述第二磁柱绕制；
所述第七副边线圈的一端连接第三电容组的正极，所述第七副边线圈的另一端通过第七开关连接第四电容组的负极；
所述第八副边线圈的一端连接第三电容组的正极，所述第八副边线圈的另一端通过第八开关连接第四电容组的负极；其中所述第七副边线圈和第八副边线圈围绕所述第二磁柱绕制。
3.根据权利要求2所述的变压器，其特征在于，当所述原边开关电路为所述原边线圈供电的方向为第一方向时，所述第一开关、第三开关、第六开关以及第八开关导通；
当所述原边开关电路为所述原边线圈供电的方向为第二方向时，所述第二开关、第四开关、第五开关以及第七开关导通，其中所述第一方向和第二方向相反。
4.根据权利要求1-3任一项所述的变压器，其特征在于，所述第一磁柱和第二磁柱上绕制有第一原边线圈以及第二原边线圈，当所述第一原边线圈的第一原边开关电路为所述第一原边线圈供电，且所述第二原边线圈的第二原边开关电路为所述第二原边线圈供电时，所述第一原边线圈在所述第一磁柱和所述第二磁柱产生的磁通方向与所述第二原边线圈在所述第一磁柱和所述第二磁柱产生的磁通方向相同。
5.根据权利要求4所述的变压器，其特征在于，所述第一原边开关电路位于所述第一磁柱远离所述第二磁柱的一侧；所述第二原边开关电路位于所述第二磁柱远离所述第一磁柱的一侧。
6.根据权利要求1-3任一项所述的变压器，其特征在于，所述原边线圈分别在所述第一磁柱和第二磁柱上绕制一匝。
7.根据权利要求1-3任一项所述的变压器，其特征在于，所述原边线圈采用PCB绕组，或者金属导线绕组。
8.根据权利要求1-3任一项所述的变压器，其特征在于，所述副边线圈采用PCB绕组，或者金属导线绕组。
9.根据权利要求1-3任一项所述的变压器，其特征在于，
所述磁芯还包括第一磁芯盖板和第二磁芯盖板，其中所述第一磁柱和所述第二磁柱设置于所述第一磁芯盖板和所述第二磁芯盖板之间，所述第一磁柱的一端连接所述第一磁芯盖板，所述第一磁柱的另一端连接所述第二磁芯盖板，所述第二磁柱的一端连接所述第一磁芯盖板，所述第二磁柱的另一端连接所述第二磁芯盖板。
10.一种电源，其特征在于，包括：如权利要求1-9任一项所述的变压器，以及与所述变压器的原边线圈连接的原边开关电路，以及与所述变压器的副边线圈连接的副边整流电路。
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