CN110024062B

CN110024062B - 高电流半匝绕组

Info

Publication number: CN110024062B
Application number: CN201780074540.6A
Authority: CN
Inventors: 苏巴拉奥·达克希纳·默西·贝鲁尔; 卡提克·耶尔; 蔡珉宇
Original assignee: Cummins Power Generation IP Inc
Current assignee: Cummins Power Generation IP Inc
Priority date: 2016-12-01
Filing date: 2017-11-30
Publication date: 2021-08-24
Anticipated expiration: 2037-11-30
Also published as: CN110024062A; WO2018102578A1; US20180158594A1; EP3549145A1; EP3549145B1; US11004592B2

Abstract

一种电气设备，包括具有中心部分和两个外部部分的芯、高电流绕组和低电流绕组。高电流绕组包括在第一高电流端子和第二高电流端子之间并联连接的多个半匝线圈。多个半匝线圈中的每一个半匝线圈围绕在中心部分的一部分周围，并与第一高电流端子和第二高电流端子一起形成在两个外部部分之一周围的回路。低电流绕组包括串联连接在第一低电流端子和第二低电流端子之间的多个整匝线圈，多个整匝线圈中的每一个整匝线圈基本上完全围绕在芯的中心部分周围。高电流绕组的多个半匝线圈与低电流绕组的多个整匝线圈交错。

Description

高电流半匝绕组

相关申请的交叉引用

本申请要求于2016年12月1日提交的题为“High-Current Half-Turn Windings”的第62/428,934号美国临时专利申请的优先权和权益，该美国临时专利申请以其整体通过引用并入本文。

技术领域

本公开总体上涉及变压器和电感器。更具体地，本公开涉及变压器和电感器的绕组。

背景

变压器通常用于高效电气和电力电子应用，诸如直流-直流(DC-DC)转换器、直流-交流(DC-AC)逆变器以及交流-交流(AC-AC)系统。在一些应用中，变压器需要高匝数比、低总漏电感和低电压绕组上极高的额定电流。通常，高电流低电压绕组是并联的，而低电流高电压绕组是串联的，以实现高匝数比。此外，可以通过使低电压绕组和高电压绕组交错来实现低漏电感。这种布置需要低压绕组和高压绕组两者的多个端接(termination)，其可能导致制造困难，增加漏电感，并消耗更多空间。

电力变压器有着广泛的应用。高开关频率(例如，600Hz、1,200Hz、100,000Hz等)变压器通常用于现代紧凑型高效电力电子应用，诸如DC-DC转换器或DC-AC逆变器。高频开关有助于避免电感器和变压器的饱和，从而能够使用重量更轻以及材料成本更低的磁性元件。此外，高频开关使得能够在电力电子器件中使用最佳低损耗操作开关，诸如双极结型晶体管(BJT)、金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)等，其可以具有不同的开关速度和/或控制方案。

概述

本公开的一个方面涉及一种电气设备。该电气设备包括芯、高电流绕组和低电流绕组。芯包括中心部分和两个外部部分。高电流绕组包括在第一高电流端子和第二高电流端子之间并联连接的多个半匝线圈，该多个半匝线圈中的每一个半匝线圈围绕在芯的中心部分的一部分周围。多个半匝线圈中的每一个半匝线圈与第一端子和第二端子一起形成在两个外部部分之一周围的回路。低电流绕组包括串联连接在第一低电流端子和第二低电流端子之间的多个整匝(full-turn)线圈，该多个整匝线圈中的每一个整匝线圈基本上完全围绕在芯的中心部分周围。高电流绕组的多个半匝线圈与低电流绕组的多个整匝线圈交错。多个半匝线圈和多个整匝线圈可以由箔式线圈(foil winding)、实心线、绞合线或利兹线(Litz wire)构成。其中，所述电气设备是变压器。其中，所述芯包括铁氧体芯或低磁导率芯。其中，所述多个半匝线圈包括第一组半匝线圈和第二组半匝线圈，其中，所述第一组半匝线圈中的每一个半匝线圈围绕在所述芯的所述中心部分的第一半部分周围，并且其中所述第二组半匝线圈中的每一个半匝线圈围绕在所述芯的所述中心部分的第二半部分周围。其中，所述高电流绕组还包括：第一交叉连接，所述第一交叉连接将所述第一组半匝线圈的一个端部电连接到所述第二组半匝线圈的一个端部；和第二交叉连接，所述第二交叉连接将所述第一组半匝线圈的另一端部电连接到所述第二组半匝线圈的另一端部。其中，所述高电流绕组与所述低电流绕组交错，并且其中所述低电流绕组的所述多个整匝线圈被内部端接。其中，所述高电流绕组的所述多个半匝线圈提供用于连续缠绕所述低电流绕组的所述多个整匝线圈的开口。其中，所述中心部分承载流过所述芯的总磁通量，并且其中，所述两个外部部分各自承载所述总磁通量的一半。其中，所述高电流绕组包括彼此电绝缘的第一层高电流绕组和第二层高电流绕组，其中所述第一层高电流绕组和所述第二层高电流绕组中的每一层高电流绕组都包括在所述第一高电流端子和所述第二高电流端子之间并联连接的多个半匝线圈。其中，所述高电流绕组包括彼此电绝缘的多于一层的高电流绕组，其中每一层高电流绕组都包括在所述第一高电流端子和所述第二高电流端子之间并联连接的多个半匝线圈。

本公开的另一方面涉及一种电气设备。该电气设备包括芯和绕组。芯包括中心部分和两个外部部分。绕组包括在第一端子和第二端子之间并联连接的多个半匝线圈，该多个半匝线圈中的每一个半匝线圈围绕在芯的中心部分的一部分周围。多个半匝线圈中的每一个半匝线圈与第一端子和第二端子一起形成在两个外部部分之一周围的回路。其中，所述电气设备是电感器。其中，所述芯包括铁氧体芯或低磁导率芯。其中，所述多个半匝线圈包括第一组半匝线圈和第二组半匝线圈，其中，所述第一组半匝线圈中的每一个半匝线圈围绕在所述芯的所述中心部分的第一半部分周围，并且其中所述第二组半匝线圈中的每一个半匝线圈围绕在所述芯的所述中心部分的第二半部分周围。其中，所述绕组还包括：第一交叉连接，所述第一交叉连接将所述第一组半匝线圈的一个端部电连接到所述第二组半匝线圈的一个端部；和第二交叉连接，所述第二交叉连接将所述第一组半匝线圈的另一端部电连接到所述第二组半匝线圈的另一端部。其中，所述多个半匝线圈由箔式线圈、实心线、绞合线或利兹线构成。其中，所述中心部分承载流过所述芯的总磁通量，并且其中，所述两个外部部分各自承载所述总磁通量的一半。其中，所述绕组包括彼此电绝缘的第一层绕组和第二层绕组，其中所述第一层绕组和所述第二层绕组中的每一层绕组都包括在所述第一端子和所述第二端子之间并联连接的多个半匝线圈。其中，所述绕组包括彼此电绝缘的多于一层的绕组，其中每一层绕组都包括在所述第一端子和所述第二端子之间并联连接的多个半匝线圈。

当结合附图理解时，根据以下的详细描述，这些特征和其它的特征、连同其操作的组织和方式将变得明显。

附图简述

图1是根据示例性实施例的具有交错的高电流绕组和低电流绕组的电气设备的示意图。

图2是根据示例性实施例的具有端子的低电流整匝绕组的示意图。

图3A是根据示例性实施例的具有端子的高电流半匝绕组的示意图。

图3B是根据示例性实施例的高电流半匝绕组的交叉连接的示意图。

图4是根据示例性实施例的仅具有高电流半匝绕组的电气设备的示意图。

图5A是根据示例性实施例的具有端子的两层高电流半匝绕组的示意图。

图5B是根据示例性实施例的两层高电流半匝绕组的交叉连接的示意图。

图6是根据示例性实施例的包括用作变压器的电气设备的DC-DC转换器的电路的示意图。

详细描述

在下面的详细描述中，参考了附图，这些附图形成了说明书的一部分。在附图中，除非上下文另外规定，否则相似的符号通常标识相似的部件。在详细描述、附图和权利要求中描述的说明性实施例不旨在是限制性的。在不偏离此处提出的主题的精神或范围的情况下，可以利用其它实施例，并且可以做出其他改变。将容易理解，如在本文通常描述的以及在附图中示出的本公开的方面可以在各种各样的不同配置中被布置、替换、组合和设计，所有配置都被明确地设想并构成本公开的一部分。

变压器包括电磁耦合的初级绕组和次级绕组。具体地，初级绕组和次级绕组可以缠绕在高磁导率的变压器芯(例如，磁芯或铁芯(ferrous core))周围，使得磁通量穿过初级绕组和次级绕组。施加到初级绕组的变化的电流(例如，交流电)在变压器芯中产生变化的磁通量，以及冲击次级绕组的变化的磁场。次级绕组处的变化的磁场由于电磁感应而在次级绕组中感应出变化的电压。因此，变压器可以在连接到初级绕组的电压源和连接到次级绕组的负载阻抗之间传递电能。电感器是相似的，但是它通常只有一个绕组，该绕组电磁耦合到自身，该绕组围绕在空气或芯周围，并且不与任何其他绕组相互作用。

电力变压器在DC-DC转换器或DC-AC逆变器或AC-AC系统中使用，用于在电力应用中升高或降低电压。根据法拉第感应定律，初级电压(即初级绕组上的电压)与次级电压(即次级绕组上的电压)的比与初级绕组匝数和次级绕组匝数的比成正比。如本文中所使用的，绕组匝数是指围绕变压器芯的绕组的两个端子之间的物理匝数。如果初级绕组匝数与次级绕组匝数之比大于一(1)，则该应用为降压应用。如果初级绕组匝数与次级绕组匝数之比小于一(1)，则该应用为升压应用。此外，根据能量守恒定律，初级电流(即流经初级绕组的电流)与次级电流(即流经次级绕组的电流)的比与绕组匝数比和电压比成反比。因此，具有较少匝数、有从其流过的较高电流的绕组被称为“高电流”绕组；具有较多匝数、有从其流过的较低电流的绕组被称为“低电流”绕组。

高开关频率(例如，600Hz、1,200Hz、100,000Hz等)变压器通常用于现代紧凑型高效电力电子应用中，因为它们能够使用重量更轻以及材料成本更低的磁性元件，并且能够在电力电子器件中使用最佳的低损耗操作开关。然而，高开关频率变压器和电感器可能具有在低开关频率(例如，50Hz、60Hz等)应用中没有遇到过的问题，诸如趋肤效应、漏电感和寄生电容。趋肤效应是指交流电趋于在导体表面附近流动。电流穿透的深度取决于电流的频率——频率越高，穿透的深度越小。通过减少通过导线横截面积的体传导(bulkconduction)，趋肤效应可以显著降低导线的载流能力。额外的导线厚度不会增加很多载流能力，因为表面积的增加速度与横截面积的增加速度不同。

漏电感源于不完全耦合的(imperfectly coupled)变压器的电气特性，由此每个绕组表现为与该绕组的电阻串联的自感。漏磁通交替存储和释放磁能，而每个电气周期充当与初级绕组和次级绕组中的每一个绕组串联的电感器。漏电感取决于芯和绕组的几何形状。漏电感可能导致变压器功率损耗和/或电压调节不佳。在现代电力电子应用中，漏电感被用作高效功率转换的能量传递元件。在一些实施例中，漏电感对于转换器操作具有特定值。在另外的实施例中，漏电感的特定值可以很低，并且不能通过传统的绕组方法来实现。

寄生电容是在初级绕组和次级绕组之间存在的电容，由初级绕组和次级绕组的接近引起。在高频应用中，寄生电容可能导致逆变器/转换器电路振荡或以其他方式与变压器电感耦合，从而影响逆变器/转换器电路的运行。

总体参考附图，本文公开的各种实施例涉及可用于变压器和/或电感器的交错的半匝的高电流绕组。具体地，根据一些示例性实施例，变压器芯具有中心部分和两个外部部分，该中心部分承载总磁通量，每个外部部分承载总磁通量的一半。高电流绕组包括并联在高电流侧绕组的两个端子之间的多个半匝线圈。每个半匝线圈围绕变压器芯的中心部分的一部分延伸，并与高电流侧绕组的两个端子一起形成围绕芯的两个外部部分之一的回路。低电流绕组包括在低电流侧绕组的两个端子之间串联连接的多个整匝线圈。多个整匝线圈中的每一个都围绕芯的整个中心部分延伸。高电流侧绕组和低电流侧绕组彼此交错。半匝线圈和整匝线圈可以由箔导体绕组、实心线、绞合线或利兹线构成。凭借半匝绕组，可以减少两个绕组中的总匝数；因此，漏电感和寄生电容可以相应地减小。此外，因为使用更少匝数的绕组，所以变压器的尺寸、重量和成本可以减小。

参考图1，显示了根据示例性实施例的具有交错的高电流绕组和低电流绕组的电气设备100的示意图。电气设备100可以是变压器，其包括芯102、在两个端子116和118之间的高电流绕组、以及在两个端子126和128之间的低电流绕组。芯102允许磁通量流过。在一些实施例中，芯102可以是具有高磁导率的可磁化芯，诸如铁氧体、钐钴或钕铁硼的棒材或条材。在一些实施例中，芯102可以是用于高频应用的低磁导率的芯。芯102包括中心部分104和两个外部部分106和108。中心部分104承载流过的总磁通量。两个外部部分106和108各自承载总磁通量的一半。芯102可以是各种类型的，诸如EE、EI、EFD、ETD、EP、P、RM等。

参考图2，显示了根据示例性实施例的箔导体绕组类型的低电流整匝绕组200的透视图，该绕组200具有第一低电流端子226和第二低电流端子228。注意，其它导线类型也是可能的，诸如但不限于实心线、绞合线或利兹线。一般来说，在一种导体类型中，存在的表面积越大，由于导体耐受和承载趋肤效应传导的能力提高，变压器设计可以使用的频率越高。低电流整匝绕组200可以对应于图1的低电流绕组。低电流绕组200包括在第一端子226和第二端子228之间串联的多个整匝线圈。每个整匝线圈基本上完全围绕在磁芯102的中心部分104周围。线圈在中心部分104上可以一个在另一个上地堆叠，或者可以在中心部分104上一个接一个地连续缠绕。因为整匝线圈串联连接，所以低电流绕组200的绕组匝数是整匝线圈的总数。图2所示的低电流绕组200是圆形的，但是应当理解，低电流绕组可以是矩形、螺旋形或任何其他合适的形状的。第一低电流端子226和第二低电流端子228可以将低电流绕组电连接到各种电路(例如，电压源或负载)。如果低电流绕组200由一系列串联的子绕组或线圈构成，这些子绕组将通过端子或其它连接类型在其端部处耦合在一起，以形成整个低电流绕组200。低电流绕组200的子绕组或线圈的端子可以从绕组结构中取出，以便外部可用(类似于第一端子226和第二端子228)，或者有利地，保持在变压器绕组结构的内部，以便不干扰到变压器的其他端子连接。

参考图3A-3B，显示了根据示例性实施例的箔导体类型的高电流半匝绕组。图3A显示了具有端子315、316、317和318的高电流半匝绕组300。图3B显示了高电流半匝绕组300的交叉连接310。高电流半匝绕组300可以对应于图1的高电流半匝绕组。高电流绕组300包括在高电流端子315和316之间并联连接的多个半匝线圈和在高电流端子317和318之间并联连接的多个半匝线圈。每个半匝线圈围绕在芯102的中心部分104的一部分周围。线圈在中心部分104上可以一个在另一个上地堆叠，或者可以在中心部分104上一个接一个地连续缠绕。图3A所示的高电流绕组是半个圆，但是应当理解，高电流绕组可以是矩形、六边形或任何其他合适形状的一半。注意，本发明的高电流半匝绕组实施例利用其它导线类型(诸如但不限于实心线、绞合线或利兹线)也是可能的。

形成交叉连接310，其将端子316和317连接在一起，并将端子315和318连接在一起。如图3A所示，多个半匝线圈并联连接在高电流端子315和316之间，并且多个半匝线圈并联连接在高电流端子317和318之间。为了使这些线圈适当工作，交叉连接310用于连接在端子315和316之间的线圈以及在端子317和318之间的线圈，使得这些线圈中的磁通量相加而不是抵消。交叉连接310包括第一连接311和第二连接312，每一个都与芯102的外部部分106交叉，并且彼此电绝缘。第一连接311将端子316电连接到端子317。第二连接312将端子315电连接到端子318。因此，只有两个端子316和318将用于与外部电路/设备的连接。第一高电流端子316和第二高电流端子318可以将高电流绕组电连接到各种电路(例如，电压源或负载)。每个半匝线圈与端子316和318在外部部分106周围形成回路。通过交叉连接311和312，在端子315和316之间的半匝线圈中的磁通量和在端子317和318之间的半匝线圈中的磁通量加在一起。因为半匝线圈并联连接，并且外部部分106承载流过芯102的磁通量的一半，所以高电流绕组300的匝数是一半(1/2)。注意，在一些实施例中，交叉连接312、311可以分别结合到半匝线圈的端子315、317中，而不是单独的项。

高电流绕组和低电流绕组可以以交错方式布置，以实现低漏电感。如上所述，低电流绕组包括在第一低电流端子126和第二低电流端子128之间串联连接的多个整匝线圈。每个整匝线圈基本上完全围绕在芯102的中心部分104周围。在一些实施例中，如图1所示，第一低电流端子126设置在最外面的整匝线圈处，并且第二低电流端子128设置在最里面的整匝线圈处。由于高电流绕组的半匝线圈为低电流绕组的连续缠绕提供了开口，因此整匝线圈的串联连接不需要特殊的端接。换句话说，在这种布置中，为了串联连接，开口允许单个连续绕组，而没有外部端接。因此，低电流绕组或高电流绕组可以被重新构造成不同的匝数比。例如，变压器可以很容易地通过将其端接改变为不同的绕组比以及改变串联或并联线圈连接布置(特别是低电流半线圈绕组的串联或并联线圈连接布置)的使用来重新构造。此外，因为高电流侧的绕组匝数是一半(1/2)，所以与利用在高电流侧使用整匝线圈的绕组而实现的设计相比，两个绕组中的匝数减少了一半。因此，绕组材料、变压器尺寸和成本可以相应地减少。例如，半匝变压器设计的电流输出可以保持与整匝变压器相同，这是因为两组半匝绕组并联连接，并且捕获相同量的磁通量。导体材料的成本和尺寸也可以减少，这是因为事实上每个半匝线圈将会承载在整匝线圈实施方式中存在的电流的一半(1/2)(其然后通过并联耦合进行组合)。此外，与变压器尺寸、设计和匝数相关的漏电感和寄生电容也可以降低，这是由于次级匝数更少以及交错层更少。在这种布置中，由于固有线圈电阻的并联连接，半匝变压器高电流绕组的DC电阻也降低了(如果导体尺寸保持相同)，同时总匝数的减少也将降低整匝低电流绕组的DC电阻和总材料成本。

参考图4，示出了根据示例性实施例的仅具有高电流半匝绕组的电气设备400的示意图。电气设备400可以是电感器，其包括芯402、在第一端子416和第二端子418之间的高电流绕组。芯402可以类似于图1的芯102。芯402包括中心部分404和两个外部部分406和408。中心部分404承载流过的总磁通量。两个外部部分406和408各自承载总磁通量的一半。半匝绕组可以类似于图3A和图3B所示的绕组300。每个半匝线圈与第一端子416和第二端子418在外部部分406周围形成回路。

半匝绕组设计方法也为电感器设计增加了更多灵活性。通常，可以通过使用小的芯、大气隙长度或磁导率小的材料来产生小电感。然而，标准的芯尺寸、气隙长度和材料磁导率是离散的，很难改变设计考虑因素(consideration)。有时，由于电感器的高功率水平，小的芯不能使用，而定制气隙长度和材料磁导率是昂贵的。由于半匝绕组可以将单匝电感器的电感降低到其整匝值的1/4，因此其可以用于使用标准芯尺寸、气隙长度和材料磁导率来实现所需的电感。此外，由于两组半匝绕组并联连接，因此半匝电感器变压器设计的额定电流可以保持与单匝电感器相同。在这种布置中，由于固有线圈电阻的并联连接，绕组的DC电阻也降低了(如果导体尺寸保持相同)。导体材料的成本和尺寸也可以降低，这是因为事实上每个半匝线圈将会承载在整匝线圈实施方式中存在的电流的一半(1/2)。

参考图5A-5B，显示了根据示例性实施例的双层高电流半匝绕组。图5A显示了具有端子的双层高电流半匝绕组500。图5B显示了双层高电流半匝绕组500的交叉连接510。双层半匝绕组500包括第一层绕组502和第二层绕组520，它们彼此电绝缘。第一层绕组502和第二层绕组520中的每一层绕组可以类似于图3A的绕组300。第一层绕组502包括在端子515和516之间并联连接的多个半匝线圈和在高电流端子517和518之间并联连接的多个半匝线圈。第二层绕组520包括在端子525和526之间并联连接的多个半匝线圈和在高电流端子527和528之间并联连接的多个半匝线圈。交叉连接510包括第一连接511和第二连接512。第一连接511将端子517、527和526电连接到端子516。第二连接512将端子515、525和528电连接到端子518。因此，只有两个端子516和518能够用于与外部电路/设备的连接。双层半匝绕组500可以用作图1的电气设备100和图4的电气设备400的高电流绕组。

参考图6，显示了根据示例性实施例的包括用作变压器的电气设备100的DC-DC转换器平台600的电路的示意图。DC-DC转换器600可以用于例如电池充电电路，通过电气设备100在第一电路610和第二电路620之间转换电压。第一电路610通过高电流端子116和118连接到电气设备100的高电流绕组。在一些实施例中，第一电路610包括电池(例如，12VDC、24VDC、48VDC或72VDC)和逆变器/整流器，用于在直流(DC)和交流(交流)之间转换。第二电路620通过低电流侧端子126和128连接到电气设备100的低电流绕组。在一些实施例中，第二电路包括高压DC母线(例如，200-800VDC)和逆变器/整流器，用于在DC和AC之间转换。

DC-DC转换器600可以通过电气设备100升高或降低电压。例如，在发动机电气化期间，DC-DC转换器600可以升高从第一电路610的电池输出的低电压，并且在第二电路620上提供高电压，以起动发动机。当发动机驱动交流发电机产生电能时，DC-DC转换器600可以降低从第二电路620产生的高电压，并提供低电压，以用于对第一电路610中的电池再充电。实际上，绕组产生的一些磁通量穿过绕组外部的路径。漏磁通导致漏电感，该漏电感可以等价为与绕组串联连接的漏电感器630。

在电气设备100的设计中，可以在给定的变压器规格下(诸如频率、功率、高电流侧电压和电流、低电流侧电压和电流等)确定高电流绕组和低电流绕组的匝数。高电流绕组的匝数满足以下方程式。

其中N_hc是高电流绕组的匝数，f_s是变压器的频率，V_lv是高电流侧电压，B_max是芯中的最大磁通密度，并且A_c是变压器芯的横截面积。可以使用面积乘积法来选择变压器芯。在一些实施例中，高电流侧电压V_lv和变压器的频率f_s是固定量。最大磁通密度B_max、变压器芯的横截面积A_c可能会发生变化。在其中V_lv＝16V、f_s＝50kHz、B_max＝0.15T、A_c＝6.83cm²的示例中，根据方程式(1)计算的高电流绕组的匝数N_hc为0.4974，近似为0.5。

高电流侧绕组的半匝设计(即N_hc～0.5)优于整匝(即N_hc～1)。对于上面示例的整匝绕组设计(其中V_lv＝16V，f_s＝50kHz(对于应用来说，V_lv和f_s是固定的))，为了实现N_hc～1，需要减小B_max和/或A_c(B_max和A_c会发生变化)。然而，减小B_max可能意味着在相同功率和频率下变压器芯的尺寸增加，这意味着芯的利用率不足。虽然为了相同的芯面积乘积而减小A_c不一定需要增加芯尺寸，但定制芯的设计会增加制造成本。此外，可能需要进一步研究当芯的表面积变化时，定制芯的功率密度和散热。

可根据以下方程式确定低电流绕组的匝数。

N_lc＝n·N_hc (2)

其中N_lc是低电流绕组的匝数，并且n是匝数比，其可以作为变压器规格给出。在其中N_hc＝1/2的高电流绕组的半匝设计中，如果n＝24，则低电流绕组的匝数N_lc为12。对于其中N_hc＝1的高电流绕组的整匝设计，为了满足相同的匝数比n＝24，根据方程式(2)计算的N_lc将为24，这比半匝设计中的低电流匝数多12。正因如此，在半匝设计中，在两个绕组中的总匝数减少；因此，可以相应地减少总绕组电阻、总漏电感、绕组材料、变压器尺寸和成本。注意，通过改变高电流半匝线圈经由高电流半匝线圈的外部端接的耦合，可以在围绕后改变这种设计的比。例如，在并联耦合线圈之前，每层中的两个半匝线圈可以通过连接它们的端部端子315和317串联耦合，总比n为12。如果需要，这也使高电流线圈能够容易地交错。如果外部端接可用于整匝低电流线圈，则它们可以以类似的方式改变，以改变绕组比，或者保持在绕组结构内部，以更好地实现高电流线圈的交叉连接或交错。

在具有半匝高电流绕组的变压器中，可以实现低漏电感。一种双绕组变压器电感矩阵是：

电感矩阵的对角元(例如，M₁₁和M₂₂)表示每个电流回路(例如，高电流绕组和低电流绕组)的自感。自感在数值上等于一个电流回路(当另一回路中没有电流流动时，在该电流回路中流过的电流为一安培(1A))中的磁链(flux linkage)。例如，当1A的电流在高电流绕组中流动并且在低电流绕组中没有电流流动时，M₁₁在数值上等于高电流绕组中的通量。电感矩阵的非对角线元(例如，M₁₂和M₂₁)表示在电流回路之间的互感。当1A的电流流经另一回路而其他任何地方都没有电流流动时，互感在数值上等于电流回路中的磁链。例如，当1A的电流流经低电流绕组并且在高电流绕组中没有电流流动时，M₁₂在数值上等于高电流绕组中的磁链。

对于具有元M_ij(i,j＝1,…,N)的电感矩阵，第i行和第j列的耦合系数被定义为：

耦合系数k指示第i个绕组中有多少磁通量与第j个绕组相关联。如果第i个绕组中的所有磁通量都到达第j个绕组，那么k＝1，这意味着耦合是100％。k>0.5的电感器紧密耦合；并且k<0.5的电感器松散耦合。双绕组变压器的漏电感计算如下。

L_lk1＝M₁₁(1-k) (5)

L_lk2＝M₂₂(1-k)/n² (6)

Total L_leakage＝L_lk1+L_lk2 (7)

利用Ansys Maxwell 3D有限元电磁工具，开发了基于实际可用的绕组导体和芯的计算机辅助模型。针对以上示例，其中V_lv＝16V，f_s＝50kHz，N_hc＝1/2，并且高电流与低电流匝数比n＝1:24，获得漏电感。根据计算机辅助模拟，总漏电感为：

Total L_leakage＝L_lk1+L_lk2＝55.1 nH (8)

因此，在该示例性计算机辅助模型下，在半匝高电流绕组设计上实现了低漏电感，同时减少了两个绕组中的总匝数。

半匝高电流绕组和整匝低电流绕组可以由箔式线圈、实心线、绞合线或利兹线构成。在绞合线中，多个较小的导体股被捆扎成单个较大的导体，较大的导体对于给定的横截面具有大的组合表面积。因此，当使用绞合线时，趋肤效应可以减轻。在利兹线中，多根细线股被单独绝缘、扭绞或编织在一起，以及共同地端接。因此，如果使用利兹线，寄生电容可以进一步减小。

本文所使用的术语“耦合”、“连接”以及类似术语意指两个部件直接或间接地连结到彼此。这样的连结可以是固定的(例如，永久的)或可移动的(例如，可移除的或可释放的)。这样的连结可以在以下情况下实现：两个构件或两个构件和任何附加的中间构件彼此一体地形成为单个整体，或者两个构件或两个构件和任何附加的中间构件附接至彼此。

本文中对元件的位置(例如，“顶部”、“底部”等)的引用仅用于描述图中各种元件的方位。应当指出的是，不同元件的方向可根据其它的示例性实施例而不同，并且这种变化意在被本公开所包含。

重要的是注意到，各种示例性实施例的构造和布置仅仅是说明性的。虽然在本公开中只详细描述了几个实施例，但除非专门注明，否则审阅本公开的本领域技术人员应容易认识到，很多修改(例如，在各种元件的大小、结构、形状和比例、参数的值、安装布置、材料的使用、定向等上的变化)是可能的，而实质上不偏离本文所述的主题的新颖性教导和优点。例如，示出为整体形成的元件可由多个部分或元件构成，元件的位置可以倒置或者以其它方式改变，并且分立的元件或位置的性质或数目可以发生改变或变化。除非专门注明，否则根据可替代的实施例，任何工艺或方法步骤的顺序或次序可以改变或者重新排列。也可在各种示例性实施例的设计、操作条件和布置上做出其它替代、修改、变化和省略，而不偏离本发明的范围。

Claims

1.一种电气设备，包括：

芯，所述芯包括中心部分和两个外部部分；

高电流绕组，所述高电流绕组包括在第一高电流端子和第二高电流端子之间并联连接的多个半匝线圈，所述多个半匝线圈中的每一个半匝线圈围绕在所述芯的所述中心部分的一部分周围，其中，所述多个半匝线圈中的每一个半匝线圈与所述第一高电流端子和所述第二高电流端子一起形成在所述两个外部部分之一周围的回路；和

低电流绕组，所述低电流绕组包括串联连接在第一低电流端子和第二低电流端子之间的多个整匝线圈，所述多个整匝线圈中的每一个整匝线圈基本上完全围绕在所述芯的所述中心部分周围；

其中，所述高电流绕组的所述多个半匝线圈与所述低电流绕组的所述多个整匝线圈交错，以及

其中，所述多个半匝线圈包括在所述第一高电流端子和第二高电流端子之间和第二组半匝线圈并联连接的第一组半匝线圈，其中，所述第一组半匝线圈中的每一个半匝线圈围绕在所述芯的所述中心部分的第一半部分周围，并且其中所述第二组半匝线圈中的每一个半匝线圈围绕在所述芯的所述中心部分的第二半部分周围。

2.根据权利要求1所述的电气设备，其中，所述电气设备是变压器。

3.根据权利要求1所述的电气设备，其中，所述芯包括铁氧体芯或低磁导率芯。

4.根据权利要求1所述的电气设备，其中，所述高电流绕组还包括：

第一交叉连接，所述第一交叉连接将所述第一组半匝线圈的第一端部电连接到所述第二组半匝线圈的第一端部；和

第二交叉连接，所述第二交叉连接将所述第一组半匝线圈的第二端部电连接到所述第二组半匝线圈的第二端部。

5.根据权利要求1所述的电气设备，其中，所述多个半匝线圈或所述多个整匝线圈由箔式线圈、实心线、绞合线或利兹线构成。

6.根据权利要求1所述的电气设备，其中，所述高电流绕组与所述低电流绕组交错，并且其中所述低电流绕组的所述多个整匝线圈被内部端接。

7.根据权利要求6所述的电气设备，其中，所述高电流绕组的所述多个半匝线圈提供用于连续缠绕所述低电流绕组的所述多个整匝线圈的开口。

8.根据权利要求1所述的电气设备，其中，所述中心部分承载流过所述芯的总磁通量，并且其中，所述两个外部部分各自承载所述总磁通量的一半。

9.根据权利要求1所述的电气设备，其中，所述高电流绕组包括彼此电绝缘的第一层高电流绕组和第二层高电流绕组，其中所述第一层高电流绕组和所述第二层高电流绕组中的每一层高电流绕组都包括在所述第一高电流端子和所述第二高电流端子之间并联连接的多个半匝线圈。

10.根据权利要求1所述的电气设备，其中，所述高电流绕组包括彼此电绝缘的多于一层的高电流绕组，其中每一层高电流绕组都包括在所述第一高电流端子和所述第二高电流端子之间并联连接的多个半匝线圈。

11.一种电气设备，包括：

芯，所述芯包括中心部分和两个外部部分；以及

绕组，所述绕组包括在第一端子和第二端子之间并联连接的多个半匝线圈，所述多个半匝线圈中的每一个半匝线圈围绕在所述芯的所述中心部分的一部分周围；

其中，所述多个半匝线圈中的每一个半匝线圈与所述第一端子和所述第二端子一起形成在所述两个外部部分之一周围的回路，以及

其中，所述多个半匝线圈包括在所述第一端子和第二端子之间与第二组半匝线圈并联连接的第一组半匝线圈，其中，所述第一组半匝线圈中的每一个半匝线圈围绕在所述芯的所述中心部分的第一半部分周围，并且其中所述第二组半匝线圈中的每一个半匝线圈围绕在所述芯的所述中心部分的第二半部分周围。

12.根据权利要求11所述的电气设备，其中，所述电气设备是电感器。

13.根据权利要求11所述的电气设备，其中，所述芯包括铁氧体芯或低磁导率芯。

14.根据权利要求11所述的电气设备，其中，所述绕组还包括：

15.根据权利要求11所述的电气设备，其中，所述多个半匝线圈由箔式线圈、实心线、绞合线或利兹线构成。

16.根据权利要求11所述的电气设备，其中，所述中心部分承载流过所述芯的总磁通量，并且其中，所述两个外部部分各自承载所述总磁通量的一半。

17.根据权利要求11所述的电气设备，其中，所述绕组包括彼此电绝缘的第一层绕组和第二层绕组，其中所述第一层绕组和所述第二层绕组中的每一层绕组都包括在所述第一端子和所述第二端子之间并联连接的多个半匝线圈。

18.根据权利要求11所述的电气设备，其中，所述绕组包括彼此电绝缘的多于一层的绕组，其中每一层绕组都包括在所述第一端子和所述第二端子之间并联连接的多个半匝线圈。