CN110085397A - 用于谐振转换器的变压器单元 - Google Patents

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Abstract

一种用于谐振转换器的变压器单元(100)，包括：初级绕组(202)，其通过感应松散耦合到至少一个次级绕组(204)，由此产生漏电感；以及屏蔽元件(300)，其覆盖初级绕组(202)或次级绕组(204)中的至少一个，用于阻挡由漏电感产生的电磁噪声，其中，屏蔽元件(300)热耦合到初级绕组或次级绕组中的至少一个，用于传递由变压器单元(100)产生的热量。

Description

用于谐振转换器的变压器单元
技术领域
本发明涉及一种用于谐振转换器的变压器单元。此外，本发明涉及一种包括所述变压器单元的谐振转换器。另外，本发明涉及包括所述谐振转换器的开关电源。
背景技术
通常，谐振功率转换具有平滑波形和高功率密度的优点。在电路的输入和输出之间的阻抗最小的点处在谐振模式下操作转换器，也提供了改进的效率。根据它们的物理原理，谐振转换器是开关转换器，其包括主动参与确定输入到输出功率流的谐振回路电路。谐振转换器基于谐振逆变器，即将DC电压转换为正弦电压(更一般地，转换为低谐波含量AC电压)并向负载提供AC电力的系统。为此，开关网络通常产生方波电压，该方波电压施加到调谐到方波的基波分量的谐振回路。以这种方式，振荡将主要响应于该分量并且可忽略地响应于更高次谐波，使得其电压和/或电流以及负载的电压和/或电流将基本上是正弦曲线或分段正弦曲线。通过对谐振逆变器的AC输出进行整流和滤波，可以获得能够向负载提供DC功率的谐振DC-DC转换器。
根据开关网络的类型和谐振回路的特性，即其电抗元件(电容器和电感器)的数量及其配置，可以构建不同类型的DC-AC逆变器。更详细地，在谐振功率转换器中，在开关周围添加至少两个电抗元件以产生正弦电压或电流。图1示出了具有振荡槽路(tank circuit)201的谐振转换器，其包括变压器Np：Ns和LLC配置中的三个电抗元件Cr，Lr，Lm。
有两种方式可以实现振荡槽路的磁性部件。一种是具有理想的或接近理想的变压器和单独的电感器。更详细地说，理想的变压器模型假设初级绕组产生的所有磁通链接每个绕组的所有匝，包括其自身。在实践中，一些磁通穿过将其带到绕组外部的路径。这种磁通被称为漏磁通，并导致与相互耦合的变压器绕组串联的漏电感。漏磁通导致能量随着电源的每个循环交替地存储在磁场中和从磁场中释放。它不是直接的功率损耗，而是导致较差的电压调节，导致次级电压不与初级电压成正比，特别是在重负载下。通常，漏电感是不希望的特性，因为它会导致电压随负载而变化。设计用于降低漏电感的变压器在本文中称为理想或接近理想的变压器。
实现振荡槽路的磁性部件的第二种方式是将谐振电感集成到变压器中。更详细地，包括通过感应松散耦合到次级绕组的初级绕组的变压器产生漏电感。漏电感与相互耦合的变压器绕组串联，并可用作振荡槽路的谐振电感Lr。设计用于在操作中产生一定量漏电感的变压器在本文件中称为集成变压器。
用于增大或减小电力应用中的交流电压的变压器通常被设计成理想的或接近理想的变压器。然而，对于一些应用，例如对于谐振转换器，具有一定量漏电感的集成变压器是有利的。特别是，可以减少电气部件的数量。例如，用于谐振转换器的振荡槽路中的谐振电感可以集成在变压器中。因此，集成变压器能够降低成本并允许更紧凑的设计。
然而，集成变压器也具有一些由松散耦合的绕组引起的缺点。例如，漏电感产生大的磁杂散场，引起电磁干扰(EMI)问题。此外，为了产生松散耦合，初级和次级绕组是分开的，从而减少了绕组之间的热耦合并引起变压器的热问题。
发明内容
本发明的目的是优化用于谐振转换器的变压器单元。本发明的另一个目的是降低谐振转换器的组装复杂性，例如通过减少电子部件的数量，例如减少电抗元件，并且同时减少机械部件，例如用于热管理的元件和用于EMI屏蔽的元件。另外，本发明的目的是降低成本并同时允许集成变压器的紧凑和稳定的设计。
这些目的中的至少一个由独立权利要求的主题解决。本发明的有利实施例是从属权利要求的主题。
本发明基于这样的思想，即用于谐振转换器的变压器单元包括初级绕组，其通过感应松散耦合到至少一个次级绕组，由此产生漏电感。变压器单元还包括屏蔽元件，其覆盖初级绕组或次级绕组中的至少一个，用于阻挡由漏电感产生的电磁噪声，并且其中，屏蔽元件热耦合到初级绕组或次级绕组中的至少一个，用于传递变压器单元产生的热量。
具有松散耦合绕组的变压器，即集成变压器，是有利的，因为可以减少电气部件的数量。特别地，对于谐振转换器，漏电感用作谐振电感。对于本领域技术人员来说清楚的是，漏电感主要由绕组的设计和用于形成变压器的磁芯的几何形状控制。因此，漏电感可以通过绕组的设计和它们在变压器单元中的位置来控制。
此外，集成变压器是特别有利的，因为具有单独电感器的近乎理想的变压器将需要更多空间并且也更昂贵。因此，这种集成变压器能够实现成本有效且紧凑的设计。
另外，当变压器在操作中时，使用屏蔽元件可以减少由相同漏电感引起的EMI问题。特别地，电磁屏蔽是通过用由导电或磁性材料制成的屏障来阻挡场以减少空间中的电磁场的实践。减少量取决于所使用的材料、其厚度、屏蔽体积的尺寸和感兴趣的场的频率以及屏蔽中到入射电磁场的孔的尺寸、形状和取向。对于本领域技术人员来说清楚的是，电磁波由电场和磁场的同步振荡组成。因此，阻挡电场或磁场就足够了。在本发明的一个特别有利的实施例中，电场被诸如铝的金属阻挡。
此外，对于本领域技术人员来说清楚的是，电磁波是电场和磁场的自传播横向振荡波。因此，阻挡一部分电场以减少由漏电感引起的EMI噪声就足够了。在特别有利的实施例中，通过覆盖初级绕组或次级绕组来降低变压器的噪声。该解决方案具有特别的优点，即可以容易地满足例如关于爬电距离的安全要求。特别地，屏蔽元件可以非常靠近一个绕组放置，因此，通过在初级绕组和次级绕组之间仍具有足够的安全距离，可以提高屏蔽效率。
有利地，屏蔽元件覆盖初级绕组。因此，由于变压器的初级侧的不期望的操作(例如，形成初级绕组的电导体的断裂)不会影响次级侧，因此连接到次级侧的用户器件被保护。然而，对于本领域技术人员来说清楚的是，本发明不限于仅覆盖初级绕组的屏蔽元件。
此外，将屏蔽元件热耦合到初级或次级绕组中的至少一个额外地减少了部件的数量。此外，在集成变压器中，初级绕组和次级绕组以相对大的距离物理地分开。因此，热耦合屏蔽元件可以非常靠近绕组放置，并且在初级绕组和次级绕组之间仍具有足够的安全距离。通过将热耦合屏蔽元件靠近初级绕组或次级绕组定位，相应的绕组被有效地冷却并且改善了变压器的热管理。有利地，屏蔽元件热耦合到初级绕组，因为通常初级绕组的温度高于次级绕组的温度。然而，对于本领域技术人员来说清楚的是，本发明不限于仅与初级绕组热耦合的屏蔽元件。
特别地，使用热耦合到变压器的一个绕组的屏蔽元件能够对该绕组进行热管理。另外，这种冷却至少允许对未与屏蔽元件热耦合的变压器的其他绕组进行间接热管理。因此，不需要其他主动冷却元件，例如风扇。这节省了成本和空间，并且还避免了可听见的噪音或与诸如风扇之类的主动冷却元件相关的其他问题。此外，该结构允许更好的EMI性能，因为不需要额外的EMI屏蔽或EMI滤波器，这另外节省了成本和空间。此外，具有高功率密度的紧凑设计可以在没有主动冷却的情况下实现成本效益。
对于本领域技术人员来说清楚的是，本发明不限于仅具有一个次级绕组的变压器。例如，初级绕组可以通过感应松散耦合到任何数量的次级绕组。
根据有利实施例，变压器单元的屏蔽元件还包括热沉部分，用于将传递的热量散发到流体。热沉是被动式热交换器，其将由电子或机械器件(例如变压器单元的初级绕组)产生的热量传递到流体介质，通常是空气或液体冷却剂，热量在那里从器件散发，从而允许将器件的温度调节到最佳水平。热沉设计为用于最大化其与周围冷却介质(例如空气)接触的表面积。根据特别有利的实施例，热沉部分由作为低成本和轻质材料的铝制成。
附加地或替代地，变压器单元的屏蔽元件还包括用于将屏蔽元件按压到变压器单元的夹紧部分。夹紧元件是用于将物体(即屏蔽元件和具有绕组的变压器单元)紧密地保持和/或固定在一起以防止移动或分离从而增加热耦合的紧固装置。
根据另一有利实施例，变压器单元的屏蔽元件由冲压并弯曲的金属板制成。因此，可以以高精度成本有效地制造屏蔽元件。在特别有利的实施例中，夹紧元件由冲压并弯曲的金属板的U形部分形成。
附加地或替代地，变压器单元还包括弹性热耦合元件，用于将屏蔽元件热耦合到初级绕组或次级绕组中的至少一个。因此，可以增加屏蔽元件和变压器单元之间的热耦合，并且可以优化变压器的热管理。在特别有利的实施例中，当屏蔽元件利用夹紧元件按压到绕组时，弹性热耦合元件额外地防止绕组的损坏。
根据另一有利实施例，变压器单元的第一绕组和第二绕组具有共同的纵向轴线。因此，可以通过在绕组之间形成的空间来控制漏电感。
附加地或替代地，变压器单元还包括承载第一绕组的第一绕线筒(bobbin)和承载第二绕组的第二绕线筒。绕线筒是具有或不具有凸缘的主轴或圆柱体，在其上缠绕形成绕组的电导体。因此，绕线筒稳定绕组。在特别有利的实施例中，第一绕线筒和第二绕线筒被制造为具有一个纵向轴线的单件。因此，绕组易于沿共同的纵向轴线定位，并且可以精确地控制引起漏电感的绕组之间的空间的尺寸。
根据另一有利实施例，变压器单元还包括用于增加爬电距离的绝缘屏障，其中，绝缘屏障布置在第一绕线筒和第二绕线筒之间。因此，可以轻松满足根据标准EN60335-2-29[DIN EN 60335-2-29:2010-11；VDE 0700-29:2010-11Household and similarelectrical appliances-Safety-Part 2-29:Particular requirements for batterychargers(IEC 60335-2-29:2002+A1:2004+A2:2009)；German version EN 60335-2-29:2004+A2:2010]或EN60664-1[DIN EN 60664-1:2008-01；VDE 0110-1:2008-01 Insulationcoordination for equipment within low-voltage systems-Part 1:Principles,requirements and tests(IEC 60664-1:2007)；German version EN 60664-1:2007]的对于爬电距离和间隙距离的安全要求。
附加地或替代地，变压器的初级绕组和/或次级绕组包括磁芯。根据特别有利的实施例，磁芯具有三腿结构，用于形成闭合磁系统。有利地，磁芯由铁氧体制成并且具有E形结构、EFD形结构、ETD形结构等。形成闭合磁系统的高磁导率磁芯的存在增加了电感并因此增加了变压器单元的效率。
根据本发明的另一个实施例，谐振功率转换器包括：向谐振回路提供交流电压的开关网络，其中，谐振回路包括谐振电感和至少一个电抗元件；变压器，并且其中，谐振电感和变压器由上述变压器单元形成。因此，可以减少谐振回路的电抗元件的数量。特别地，谐振电感可以集成在变压器单元中。
根据本发明的又一个实施例，开关电源包括电连接上述谐振功率转换器的印刷电路板(PCB)。因此，电抗元件，例如电容，可以容易地组装在PCB上。
有利地，开关电源的印刷电路板机械地支撑屏蔽元件。因此，可以使屏蔽元件稳定。
根据特别有利的实施例，屏蔽元件热耦合到至少一个电力电子部件，例如用于切换开关网络的MOSFET，其由PCB支撑，用于传递由电力电子部件产生的热量。因此，可以在不增加部件数量的情况下提高开关电源的热特性。
附加地或替代地，开关电源的壳体元件包括第二热沉，其中第二热沉热耦合到屏蔽元件。因此，可以改善开关电源的热特性。
附图说明
附图被结合到说明书中并构成说明书的一部分以说明本发明的几个实施例。这些附图与描述一起用于解释本发明的原理。这些附图仅仅是为了说明如何进行和使用本发明的优选的和替代性的示例，而不能将本发明理解为仅限于所示出和描述的实施例。此外，实施例的几个方面可以单独地或以不同的组合形成根据本发明的解决方案。因此，下面描述的实施例可以被单独考虑或以其任意组合考虑。从附图中所示的本发明的各种实施例的以下更具体的描述中，其他特征和优点将变得显而易见，其中相似的参考标号指代相同的元件，并且其中：
图1是LLC谐振转换器的示意电路图；
图2是根据本发明的具有变压器单元的开关电源的分解图；
图3是变压器的分解图；
图4是绕线筒的示意性透视图；
图5是绕线筒的另一示意性透视图；
图6是绕线筒的示意性平面图；
图7是绕线筒的另一示意性平面图；
图8是绕线筒的另一示意性平面图；
图9是绕线筒的另一示意性平面图；
图10是沿着图7的线X-X的剖视图。
具体实施方式
现在将参考附图更详细地解释本发明，并且首先参考图2。图2示出了开关电源400的分解图。开关电源400包括由盖元件402和底部元件404形成的壳体。壳体元件由诸如塑料这样的绝缘材料制成。壳体元件用于机械地支撑和保护集成部件。特别地，盖元件402包括热沉元件406，也称为第二热沉406，并且底部元件404支撑印刷电路板(PCB)500。PCB用于机械支撑和电接触变压器单元100。
变压器单元100包括变压器200和屏蔽元件300。参考图3详细描述变压器200。变压器200包括初级绕组202和次级绕组204。特别地，变压器200通过电磁感应在初级绕组202和次级绕组204之间传输电能。变压器的初级绕组202中的变化电流产生变化的磁场，该变化的磁场又引起次级绕组204中的变化的电动势或电压。尽管未在附图中示出，但是变化的电流例如由提供交流电压的开关网络产生。开关网络例如安装在PCB 500上。
如图3中进一步所示，变压器200的初级绕组202和次级绕组204共享共同的纵向轴线206。换句话说，绕组的磁极并排布置。通过这种布置，初级绕组202和次级绕组204被电感耦合。
此外，初级绕组202和次级绕组204间隔开距离208。该距离208引起绕组的松散耦合，从而产生漏电感。此外，距离208在1至10毫米的范围内并且优选地为6.5mm，并且因此，满足了对于用于自行车等的电池充电器的应用对初级绕组202和次级绕组204之间的间隙距离的要求。
另外，变压器200包括两个三腿磁芯220。每个芯220包括圆柱形中心部分222，其由绕组202和204接收。此外，每个芯220包括轭226，轭226将中心部分222与两个矩形侧腿224连接。如图2中最佳所示，三腿磁芯220形成围绕变压器的绕组的封闭壳。绕组202和204被磁芯220包围，因此，变压器200以壳形式构造。
尽管未在图中示出，但是中心部分222不限于圆柱形形状。例如，中心部分可以具有任何其他多边形形状。同样适用于侧腿224的形状，其也可以具有圆柱形形状或任何其他多边形形状。
如图3所示，初级绕组202和次级绕组204由绕线筒230承载。因此，绕线筒230限定了变压器200的定位并稳定变压器200的绕组202和204。参考图4至10描述了绕线筒。
绕线筒230具有用于承载第一绕组202的第一圆柱形部分232和用于承载第二绕组204的第二圆柱形部分234。第一圆柱形部分232在第一基部处包括第一凸缘部分235并且在第二基部处包括第二凸缘部分236。第二圆柱形部分234在第一基部处包括第三凸缘部分237并且在第二基部处包括第四凸缘部分238。
如图6中最佳所示，绕线筒230还包括布置在第二凸缘部分236和第三凸缘部分237之间的连接元件239。连接元件239、第二凸缘部分236和第三凸缘部分237形成绝缘屏障233。通过绝缘屏障230，特别是由于第二和第三凸缘部分236和237，初级绕组202和次级绕组204之间的间隙距离增加，因此，满足了对于用于自行车等的电池充电器的应用对间隙距离的要求。
因此，绝缘屏障233的连接元件用于产生漏电感，并且第二凸缘部分236和第三凸缘部分237增加间隙距离，并且因此，能够实现安全和紧凑的设计。
如图8和图10所示，连接元件239沿图7的线X-X的剖视图，第一圆柱形部分232、第二圆柱形部分234和连接元件239包括用于接收磁芯220的圆柱形中心部分222的馈通240。因此，馈通240增加了变压器200的效率。
如图5所示，第一凸缘部分235包括第一连接器条带242，并且第四凸缘部分238包括第二连接器条带244。如图2所示，绕线筒230通过第一连接器条带242和第二连接器条带244机械连接到印刷电路板500。
有利地，绕线筒230由诸如塑料这样的绝缘材料制成。虽然未在图中示出，但是绕线筒230包括用于使绕组202和204与PCB 500电接触的导电元件。具有导电元件的绕线筒230例如通过注射成型或铸造工艺制造。
另外，如图3所示，变压器200包括用于容纳绕组202和204、磁芯222和绕线筒230的盖210。盖210可以由诸如塑料这样的绝缘材料制成，并且可以包括屏蔽箔。盖包括用于热接触变压器200的开口203。
此外，如图2所示，变压器单元100包括屏蔽元件300。屏蔽元件300包括热沉部分310和夹紧部分320。
具有U形形状的热沉部分310具有面向绕组202和204的磁极的中心热沉板312以及在绕组202和204的纵向轴线的方向上延伸的两个翼板314。特别地，翼板314增加了热沉部分310的表面，从而允许更有效地散热。热沉部分的U形形状允许开关电源的紧凑设计。
屏蔽元件300的热沉部分310还包括多个销316，用于热和/或电接触PCB 500并用于机械地支撑屏蔽元件300。因此，包括热沉部分310的屏蔽元件300可以电接地并且机械稳定。
具有U形形状的夹紧部分320包括在垂直于第一绕组202的纵向轴线的方向上延伸的中心夹紧部分322、面向第一绕组202的第一连接部分324和面向第二热沉406的第二连接部分326。
有利地，具有热沉部分310和夹紧部分320的屏蔽元件300由诸如铝这样的冲压并弯曲金属制成。
如图2所示，屏蔽元件300通过第一弹性热耦合元件602热耦合到初级绕组202。特别地，变压器200的盖210包括用于接收第一弹性热耦合元件602和屏蔽元件300的第一连接部分324的开口203。因此，由变压器200的初级绕组202产生的热量可以通过该热连接有效地传输到屏蔽元件300的热沉部分310。
另外，由诸如铝这样的金属制成的第一连接部分324覆盖第一绕组302，并且因此阻挡由漏电感引起的EMI噪声的电场。如上所述，屏蔽元件300通过多个销316中的至少一个接地。另外，屏蔽元件300的热沉部分310的中心板312(其也由诸如铝这样的金属制成)覆盖初级绕组302的一个磁极，并且因此也阻挡了由漏电感引起的EMI噪声的电场。
因此，屏蔽元件300有效地屏蔽由漏电感产生的EMI噪声并直接冷却变压器的初级绕组202。另外，次级绕组204通过经由磁芯220的连接被间接冷却。
此外，如图2所示，屏蔽元件300通过第二弹性热耦合元件604热耦合到第二热沉406。因此，可以增加散热率。
另外，夹紧部分320布置在第二热沉406和第一绕组202之间。因此，可以增加第一连接部分324和第一绕组202之间的接触压力，并且可以增加第二连接部分326和第二热沉406之间的接触压力。通过增加接触压力，也可以增加热耦合。因此，热量可以更有效地传输到热沉310和第二热沉406。
虽然未在图中示出，但是PCB 500可以包括至少一个谐振电容和包括至少一个开关元件的一个电力电子器件，例如MOSFET。如图2所示，屏蔽元件300包括销316，销316由PCB500接收。因此，屏蔽元件300的热沉部分310还用于散发由PCB 500支撑的电力电子部件产生的热量。
附图标记

Claims (15)

1.一种用于谐振转换器的变压器单元(100)，包括；
初级绕组(202)，其通过感应松散耦合到至少一个次级绕组(204)，由此产生漏电感；以及
屏蔽元件(300)，其覆盖初级绕组(202)或次级绕组(204)中的至少一个，用于阻挡由漏电感产生的电磁噪声，
其中，屏蔽元件(300)热耦合到初级绕组或次级绕组中的至少一个，用于传递由变压器单元(100)产生的热量。
2.根据权利要求1所述的变压器单元，其中，屏蔽元件还包括热沉部分(310)，用于将传递的热量散发到流体。
3.根据权利要求1或2所述的变压器单元，其中，屏蔽元件还包括夹紧部分(320)，用于将屏蔽元件按压到变压器单元。
4.根据前述权利要求中任一项所述的变压器单元，其中，屏蔽元件由冲压并弯曲的金属板制成。
5.根据前述权利要求中任一项所述的变压器单元，还包括，弹性热耦合元件(602)，用于将屏蔽元件热耦合到初级绕组或次级绕组中的至少一个。
6.根据前述权利要求中任一项所述的变压器单元，其中，第一绕组和第二绕组具有共同的纵向轴线(206)。
7.根据前述权利要求中任一项所述的变压器单元，还包括，承载第一绕组的第一绕线筒(232)和承载第二绕组的第二绕线筒(234)。
8.根据权利要求7所述的变压器单元，还包括，绝缘屏障(233)，用于增加爬电距离，其中，绝缘屏障设置在第一绕线筒和第二绕线筒之间。
9.根据前述权利要求中任一项所述的变压器单元，其中，初级绕组或次级绕组中的至少一个包括磁芯(220)。
10.根据权利要求8所述的变压器单元，其中，磁芯具有三腿结构，用于形成闭合磁系统。
11.一种谐振功率转换器，包括
开关网络，向谐振回路提供交流电压，其中，谐振回路包括谐振电感(Lr)和至少一个电抗元件，以及
变压器(200)，
其中，谐振电感和变压器由根据前述权利要求中任一项所述的变压器单元(100)形成。
12.一种开关电源，包括
印刷电路板(500)，其电连接根据权利要求11所述的谐振功率转换器。
13.根据权利要求12所述的开关电源，其中，所述印刷电路板机械地支撑所述屏蔽元件(300)。
14.根据权利要求13所述的开关电源，其中，屏蔽元件热耦合到由印刷电路板支撑的至少一个电力电子元件，用于传递由电力电子元件产生的热量。
15.根据权利要求12至14中任一项所述的开关电源，其中，开关电源的壳体元件(402)包括第二热沉(406)，其中第二热沉(406)热耦合到屏蔽元件(300)。
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