CN110379606A - 一种用于变压器和电感的高频低损耗pcb绕组装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于变压器和电感的高频低损耗PCB绕组装置,包括多层PCB板、开设与PCB板上的通孔,所述多层PCB板包含一个绕组、及绕组的第一端子和第二端子,或,所述多层PCB板包含两个绕组、及第三端子、第四端子、第五端子;所述绕组包含多个并联的线圈层;采用本发明设计的PCB绕组有效的保证了变压器、电感小尺寸、低成本的优势,并且大大减小了高频损耗,使其用于新型高频变换器成为可能。而且在PCB生产工艺和变压器组装工艺可实现范围内可以实现磁场在两绕组中近乎完全一致的耦合系数,进而平衡绕组电流。
Description
技术领域
本发明设计涉及PCB式绕组领域,具体是一种高频低损耗PCB绕组装置。
背景技术
新能源汽车车载DC/DC和充电机由于空间有限,必须减小产品尺寸。其中磁性元器件例如变压器、电感在此类产品中占据很大空间。此外,此类产品是大批量生产,所以对降低成本也提出了高要求。变压器和电感中印刷电路板(PCB)绕组的使用使得此类产品的高度大为降低,物料成本也大为降低。如图1所示,是变压器绕组实例示意图。
美国专利US6429763B1,使用八层PCB板实现变压器的原端串联和副端并联绕组,每层对应一个线圈。这种设计方法能够增加原端绕组的匝数和副端绕组的导电能力,适用于高压转低压的变换器。随着谐振变换器的推广,以及碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)功率器件的技术突破、成本降低,高频变换器已成为可能,并且已得到推广。由于此种PCB绕组设计在高频工作下会产生很大的绕组损耗,所以已经难以适用于高频变换器。
高频利兹线更适用于高频变换器,但是所占空间较大。而且比较PCB绕组,使用利兹线生产的磁性元件成本更高、工艺更复杂、产品一致性更差。
此外,当利兹线使用在如图1的副端S1和S2双绕组的变压器中时,容以造成磁场在S1和S2中的耦合不一致,从而导致绕组电流失衡。
发明设计内容
针对上述现有技术存在的问题,本发明设计的目的是提供一种用于变压器和电感的高频低损耗PCB绕组装置,采用本发明设计的PCB绕组有效的保证了变压器、电感小尺寸、低成本的优势,并且大大减小了高频损耗,使其用于新型高频变换器成为可能。而且在PCB生产工艺和变压器组装工艺可实现范围内可以实现磁场在两绕组中近乎完全一致的耦合系数,进而平衡绕组电流。
为了实现上述目的,一种用于变压器和电感的高频低损耗PCB绕组装置,包括多层PCB板、开设于PCB板上的通孔,
所述多层PCB板包含一个绕组、及绕组的第一端子和第二端子,或,所述多层PCB板包含两个绕组、及第三端子、第四端子、第五端子;
所述绕组包含多个并联的线圈层;
所述线圈层包括前半周覆铜走线和后半周覆铜走线,所述前半周覆铜走线和后半周覆铜走线位于不同PCB层,且前半周覆铜走线和后半周覆铜走线由通孔相连,且所述线圈层前半周覆铜走线位于PCB层边缘部,后半周覆铜走线位于PCB层中部,或前半周覆铜走线位于PCB层中部,后半周覆铜走线位于PCB层边缘部。
作为本发明的一种实施方案,基于上述内容,不同的是,所述多层PCB板包含一个绕组、及绕组的第一端子和第二端子;并联的各所述线圈层在第一端子处相连,且在第二端子处相连。
进一步,所述线圈层的前半周覆铜走线或后半周覆铜走线由多股覆铜走线并联而成,且并联的覆铜走线在所述第一端子和第二端子处相连;前半周覆铜走线位于PCB板层内中部的覆铜走线由所述通孔连接至所述后半周覆铜走线位于PCB板层内两侧边缘的覆铜走线;前半周覆铜走线位于层内两侧边缘的覆铜走线由所述通孔连接至后半周覆铜走线位于层内中部的覆铜走线。
作为本发明的另一种实施方案,基于上述内容,不同的是,所述多层PCB板包含第一绕组和第二绕组两个绕组、及第三端子、第四端子、第五端子;
第一绕组一端连接至第三端子,另一端连接至第四端子;第二绕组一端连接至第四端子,另一端连接至第五端子。
进一步,所述第一绕组从第三端子到第四端子的绕线方向,与第二绕组从第四端子到第五端子绕线方向相同。
进一步,所述第一绕组和第二绕组两个绕组分别各包含多个并联的线圈层,第一绕组线圈层在第三端子处相连,且在第四端子处相连;第二绕组线圈层在第四端子处相连,且在第五端子处相连。
进一步,所述前半周覆铜走线或后半周覆铜走线由多股覆铜走线并联而成,并联的覆铜走线在第三端子和第四端子处相连;前半周覆铜走线位于层内中部的覆铜走线由所述通孔连接至后半周覆铜走线位于层内两侧边缘的覆铜走线;前半周覆铜走线位于层内两侧边缘的覆铜走线由通孔连接至后半周覆铜走线位于层内中部的覆铜走线
进一步,所述PCB板的每一层中,所述前半周覆铜走线属于第一绕组,所述后半周覆铜走线属于第二绕组;或所述前半周覆铜走线属于第二绕组,所述后半周覆铜走线属于第一绕组。
与现有技术相比,本发明设计的有益效果如下:
采用本发明设计的PCB绕组有效的保证了变压器、电感小尺寸、低成本的优势,并且大大减小了高频损耗,使其用于新型高频变换器成为可能。而且在PCB生产工艺和变压器组装工艺可实现范围内可以实现磁场在两绕组中近乎完全一致的耦合系数,进而平衡绕组电流。
附图说明
图1是变压器绕组实例示意图;
图2是本发明一种实施方式示意图;
图3是本发明另一种实施方式示意图;
图4是本发明另一种实施方式示意图;
图5是本发明绕组线圈不同层连接设计示意图;
图6是本发明PCB绕组产品第一层;
图7是本发明PCB绕组产品第二层;
图8是本发明PCB绕组产品第三层;
图9是本发明PCB绕组产品第四层;
图10是本发明PCB绕组产品第五层;
图11是本发明PCB绕组产品第六层。
具体实施方式
下面结合附图对本发明设计做进一步说明。
如图2-4所示,一种用于变压器和电感的高频低损耗PCB绕组装置,包括多层PCB板、开设于PCB板上的通孔,
所述多层PCB板包含一个绕组、及绕组的第一端子和第二端子,或,所述多层PCB板包含两个绕组、及第三端子、第四端子、第五端子;
所述绕组包含多个并联的线圈层;
如图5所示,所述线圈层包括前半周覆铜走线和后半周覆铜走线,所述前半周覆铜走线和后半周覆铜走线位于不同PCB层,且前半周覆铜走线和后半周覆铜走线由通孔相连,且所述线圈层前半周覆铜走线位于PCB层边缘部,后半周覆铜走线位于PCB层中部,或前半周覆铜走线位于PCB层中部,后半周覆铜走线位于PCB层边缘部。
作为本发明的一种实施方案,基于上述内容,不同的是,如图2所示,所述多层PCB板包含一个绕组、及绕组的第一端子和第二端子;并联的各所述线圈层在第一端子处相连,且在第二端子处相连。
进一步,所述线圈层的前半周覆铜走线或后半周覆铜走线由多股覆铜走线并联而成,且并联的覆铜走线在所述第一端子和第二端子处相连;前半周覆铜走线位于PCB板层内中部的覆铜走线由所述通孔连接至所述后半周覆铜走线位于PCB板层内两侧边缘的覆铜走线;前半周覆铜走线位于层内两侧边缘的覆铜走线由所述通孔连接至后半周覆铜走线位于层内中部的覆铜走线。
在本实施例中,优选的,PCB为四层板;绕组有两个端子,四层覆铜线圈并联。第一层左半圈通过通孔1连接至第二层右半圈;第二层左半圈通过通孔2连接至第一层右半圈;第三层左半圈通过通孔1连接至第四层右半圈;第四层左半圈通过通孔2连接至第三层右半圈。第一至四层左半圈并联至端子1(0°);第一至四层右半圈并联至端子2(360°)。这样的层叠使得外层的电流走到内层,内层的电流走到外层。图5为每层覆铜走线设计方法实例。每个线圈由3条走线并行组成,并行走线在端子处相连。线圈在端子对立侧(180°)通过通孔换层,并且外围走线和中间走线交换位置。图中实线和虚线表示线圈左半圈和右半圈处在不同PCB层。这样的层内走线方式使得边缘的电流走到中部,层内电流交换使得电流密度在PCB各处覆铜线圈内趋于平衡,趋肤效应大为减弱。
作为本发明的另一种实施方案,基于上述内容,不同的是,如图3或4所示,所述多层PCB板包含第一绕组和第二绕组两个绕组、及第三端子、第四端子、第五端子;
第一绕组一端连接至第三端子,另一端连接至第四端子;第二绕组一端连接至第四端子,另一端连接至第五端子。
进一步,所述第一绕组从第三端子到第四端子的绕线方向,与第二绕组从第四端子到第五端子绕线方向相同。
进一步,所述第一绕组和第二绕组两个绕组分别各包含多个并联的线圈层,第一绕组线圈层在第三端子处相连,且在第四端子处相连;第二绕组线圈层在第四端子处相连,且在第五端子处相连。
进一步,所述前半周覆铜走线或后半周覆铜走线由多股覆铜走线并联而成,并联的覆铜走线在第三端子和第四端子处相连;前半周覆铜走线位于层内中部的覆铜走线由所述通孔连接至后半周覆铜走线位于层内两侧边缘的覆铜走线;前半周覆铜走线位于层内两侧边缘的覆铜走线由通孔连接至后半周覆铜走线位于层内中部的覆铜走线
进一步,所述PCB板的每一层中,所述前半周覆铜走线属于第一绕组,所述后半周覆铜走线属于第二绕组;或所述前半周覆铜走线属于第二绕组,所述后半周覆铜走线属于第一绕组。
在本实施例中,优选的,PCB为六层,包含绕组1和绕组2,对应于图1的S1和S2绕组。连接方式也如图5所示,端子1对应S1上端子,端子2对应S1和S2相连的端子,端子3对应S2下端子。每层覆铜走线如图4所示,边缘覆铜走线电流由通孔换层后走到中间覆铜走线。绕组1第一层和第五层左半圈在180°位置交换到第三层右半圈;第四层左半圈在180°位置交换到第二层和第六层右半圈。如图6-11所示,绕组2第二层和第六层左半圈在540°位置交换到第四层右半圈。;第三层左半圈在540°位置交换到第一层和第五层右半圈。这样外层电流在端子对立端走到了内层,充分利用了内部覆铜。此外,此种安排方式,使得绕组1和绕组2完全对称,由于磁场耦合不一致导致的电流不一致也能降到最小。
虽然本发明已提供若干实用例,但应理解,在不脱离本发明的精神或范围的情况下,本发明所公开的方法可以以许多其他特定形式来体现。本发明的实例应被视为说明性而非限制性的,且本发明并不限于本文本所给出的细节。例如,实现PCB绕组的层数并不限于四、六或八层,层内并行的覆铜走线也不限于三条。
Claims (7)
1.一种用于变压器和电感的高频低损耗PCB绕组装置,其特征在于,包括多层PCB板、开设于PCB板上的通孔,
所述多层PCB板包含一个绕组、及绕组的第一端子和第二端子,或,所述多层PCB板包含两个绕组、及第三端子、第四端子、第五端子;
所述绕组包含多个并联的线圈层;
所述线圈层包括前半周覆铜走线和后半周覆铜走线,所述前半周覆铜走线和后半周覆铜走线位于不同PCB层,且前半周覆铜走线和后半周覆铜走线由通孔相连,且所述线圈层前半周覆铜走线位于PCB层边缘部,后半周覆铜走线位于PCB层中部,或前半周覆铜走线位于PCB层中部,后半周覆铜走线位于PCB层边缘部。
2.根据权利要求1所述的一种用于变压器和电感的高频低损耗PCB绕组装置,其特征在于,所述多层PCB板包含一个绕组、及绕组的第一端子和第二端子;并联的各所述线圈层在第一端子处相连,且在第二端子处相连。
3.根据权利要求2所述的一种用于变压器和电感的高频低损耗PCB绕组装置,其特征在于,所述线圈层的前半周覆铜走线或后半周覆铜走线由多股覆铜走线并联而成,且并联的覆铜走线在所述第一端子和第二端子处相连;前半周覆铜走线位于PCB板层内中部的覆铜走线由所述通孔连接至所述后半周覆铜走线位于PCB板层内两侧边缘的覆铜走线;前半周覆铜走线位于层内两侧边缘的覆铜走线由所述通孔连接至后半周覆铜走线位于层内中部的覆铜走线。
4.根据权利要求1所述的一种用于变压器和电感的高频低损耗PCB绕组装置,其特征在于,所述多层PCB板包含第一绕组和第二绕组两个绕组、及第三端子、第四端子、第五端子;
第一绕组一端连接至第三端子,另一端连接至第四端子;第二绕组一端连接至第四端子,另一端连接至第五端子。
5.根据权利要求4所述的一种用于变压器和电感的高频低损耗PCB绕组装置,其特征在于,所述第一绕组从第三端子到第四端子的绕线方向,与第二绕组从第四端子到第五端子绕线方向相同。
6.根据权利要求5所述的一种用于变压器和电感的高频低损耗PCB绕组装置,其特征在于,所述前半周覆铜走线或后半周覆铜走线由多股覆铜走线并联而成,第一绕组并联的覆铜走线在第三端子和第四端子处相连;前半周覆铜走线位于层内中部的覆铜走线由所述通孔连接至后半周覆铜走线位于层内两侧边缘的覆铜走线;前半周覆铜走线位于层内两侧边缘的覆铜走线由通孔连接至后半周覆铜走线位于层内中部的覆铜走线;第二绕组并联的覆铜走线在第四端子和第五端子处相连;前半周覆铜走线位于层内中部的覆铜走线由所述通孔连接至后半周覆铜走线位于层内两侧边缘的覆铜走线;前半周覆铜走线位于层内两侧边缘的覆铜走线由通孔连接至后半周覆铜走线位于层内中部的覆铜走线。
7.根据权利要求6所述的一种用于变压器和电感的高频低损耗PCB绕组装置,其特征在于,所述PCB板的每一层中,所述前半周覆铜走线属于第一绕组,所述后半周覆铜走线属于第二绕组;或所述前半周覆铜走线属于第二绕组,所述后半周覆铜走线属于第一绕组。
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