CN111312490A - 一种pcb有源平面变压器及制作方法 - Google Patents

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Abstract

一种PCB有源平面变压器及制作方法，属于有源变压器及制作方法。有源平面变压器的平面变压器包括有两组绕组和一组磁芯，两组绕组绘制在同一张PCB板上，两组绕组与双向有源桥的两个H桥电路相连接；在两组绕组中心位置的PCB板上有安装孔，磁芯的边柱穿过安装孔；双向有源桥为双向DC/DC变换器，有两个H桥模块，H桥模块均包括：结构相同的前桥和后桥，与平面变压器绕组相连接的H电路和功率器件；所述H桥电路绘制PCB板上；所述的功率器件焊接在H桥电路上。优点：PCB平面变压器磁芯采用3D打印技术，形状可根据要求任意定制，通过3D打印磁芯与平面变压器绕组的配合，实现变压器漏感控制。宽禁带器件SiCMOSFET有效降低开关损耗，减小磁芯体积，提升功率密度。

Description

一种PCB有源平面变压器及制作方法
技术领域
本发明涉及一种有源变压器及制作方法，特别是一种PCB有源平面变压器及制作方法。
背景技术
广泛应用于新能源发电、电动汽车和直流配变电等领域的有源变压器包括双向有源桥和一个变压器，所述的双向有源桥为双向DC/DC变换器的一种，有两个H桥模块分别连接在变压器的初级和次级；两个H桥模块根据功率传输的方向可以命名为前桥和后桥。具有高功率密度、高效率和小体积等优点，图1为现有技术的双向有源桥的基本拓扑图。
前桥的输入侧接直流母线，通过H桥将直流电逆变为交流电，交流电通过一个变压器传输能量，再通过后桥将交流电整流成直流输出，其传输的功率为：
Figure BDA0002388839130000011
式中d为前桥和后桥交流侧的移相占空比，其取值范围是0到0.5，因此，在开关频率T不变的前提下，变换器能够传输的最大功率由漏感值Lr决定。
在实际的研究与生产中，传统方法绕制的隔离变压器不能很好的控制漏感值，因此有的是将隔离变压器绕制的足够理想，再串接上一个给定值的电感Lr，使用电感代替漏感传输功率。这种方法可以通过调节电感磁芯气隙任意调节Lr，但又加入了新的部件，大大减小了系统的功率密度。即使在实际的研究生产中，使用了确定漏感值的隔离变压器，但是传统方法绕制的隔离变压器会存在较大的参数差异，同时变压器与两个安装H桥功率器件的电路板均是各自独立生产，最后在变压器的一次侧和二次侧分别通过连接件连接两个安装有H桥的电路板完成组装。因此，在连接部位会以及变压器上会产生很多的参数差异，这些参数差异对于多台双向有源桥变换器串并联的均压均流控制很不友好。
发明内容
本发明的目的是要提供一种基于3D打印技术的PCB平面变压器及设计方法，解决现有技术中不能有效控制漏感以及多台双向有源桥变换器参数差异的问题。
本发明的目的是这样实现的：本发明包括PCB有源平面变压器及其有源平面变压器的制作方法。
平面变压器和双向有源桥；
所述的平面变压器包括有两组绕组和一组磁芯，两组绕组绘制在同一张PCB板上，两组绕组与双向有源桥的两个H桥电路相连接；在两组绕组中心位置的PCB板上有安装孔，磁芯的边柱穿过安装孔；
所述的双向有源桥为双向DC/DC变换器，有两个H桥模块，均有交流侧和直流侧；所述的两个H桥模块均包括：前桥和后桥，前桥和后桥的结构相同，包括与平面变压器绕组相连接的H电路和功率器件；所述H桥电路绘制PCB板上；所述的功率器件焊接在H桥电路上；
前桥的直流侧与直流母线连接，前桥的交流侧与平面变压器的一次侧连接；
后桥的交流侧与平面变压器的二次侧连接，后桥的直流侧接负载。
所述的绕组绘制制作在PCB板的正、背两面，绕组的首尾通过PCB板上的过孔相连接；所述的PCB板为单层或多层；在绕组的中心有磁芯的安装孔。
所述的磁芯包括第一磁芯和第二磁芯，两个磁芯结构相同，为类U型结构，在中心位置两侧的边缘部位各有一个凸出。
所述的功率器件为高频宽禁带器件SiCMOSFET，其开关频率可达200kHz。
有源平面变压器的制作方法，具体步骤如下：
步骤1、根据变换器参数要求设计平面变压器磁芯形状。
步骤2、使用粉末融合床技术的3D打印机打印磁芯。
步骤3、在同一块PCB板上绘制平面变压器绕组和H桥电路；
绘制绕组时，在PCB板的正面，绕组为顺时针方向绘制，在PCB板的背面为逆时针方向绘制，在正面的尾端和背面的首端之间由过孔相连接；
步骤4、在平面变压器绕组的位置制作第一边柱安装孔、第二边柱安装孔、第一凸出安装孔和第二凸出安装孔；
步骤5、焊接SiCMOSFET并安装磁芯。
有益效果，由于采用了上述方案，本发明的双向有源桥由两个H桥和一个PCB平面变压器构成，两个H桥，分别为前桥和后桥，前桥和后桥通过一个一定漏感值的隔离变压器连接。每个H桥有两个桥臂，每个桥臂由两个高频SiCMOSFET构成；两个H桥的主电路与PCB平面变压器绕组绘制于同一张印制电路板上，且PCB平面变压器的一、二次绕组分别于两个H桥的交流侧相连接，可减小因连接件或人为因素引起的产品参数差异；
所述的两个H桥所采用的宽禁带开关器件SiCMOSFET，具有更高的开关速度，可将变换器开关速度提升至100kHz以上，其开关频率可达到200kHz以上；前后两个H桥的开关器件采用宽禁带器件SiCMOSFET，可大幅减小隔离变压器体积。
所述的PCB平面变压器，其绕组绘制在印制电路板上，PCB平面变压器的磁芯采用3D打印技术制成，可灵活控制磁芯形状。将所述的PCB平面变压器的绕组与两个H桥的主电路制作在同一张印制电路板上，直接在印制电路板上把PCB平面变压器绕组的输入端、输出端分别与两个H桥的交流测相连接，省去传统的连接件。
所述的PCB平面变压器绕组与3D打印的磁芯相配合，隔离变压器绕组绘制于印制电路板上，变压器磁芯采用3D打印技术制成；在设计之初，根据变换器参数要求设计平面变压器磁芯以及PCB绕组的形状，充分考虑变换器所需的漏感值，灵活控制磁芯形状、PCB平面变压器绕组形状从而控制漏感。
本发明提供的技术方案能够更为精确地控制变压器漏感，降低多台双向有源桥之间的参数差异，减小多台双向有源桥串并联均压均流的控制难度。
解决了现有技术中不能有效利用漏感以及多台双向有源桥参数差异的问题，达到了本发明的目的。
优点：PCB平面变压器磁芯采用3D打印技术，可任意定制磁芯形状形状，变压器绕组绘制于印制电路板上，并直接与两个H桥连接，设计完成后绕组形状固定，可减小后续加工中因人为因素引起的参数差异。通过3D打印磁芯与平面变压器绕组的配合，可实现变压器漏感控制。
双向有源桥采用宽禁带器件SiCMOSFET，其开关频率可达200kHz，可有效降低开关损耗，减小磁芯体积，提升功率密度。
附图说明
图1是背景技术的双向有源桥变换器的拓扑结构。
图2是本发明的结构图。
图3是本发明PCB绕组立体状态结构图。
图4是本发明PCB绕组俯视图。
图5是本发明磁芯展开的立体结构图。
图6是本发明磁芯安装后的立体结构图。
图中，1、前桥；11、第一SiCMOSFET管；12、第二SiCMOSFET管；13、第三SiCMOSFET管；14；第四SiCMOSFET管；15、第一前桥直流侧；16、第二前桥交流侧；161、第一前桥交流输出端；162、第二前桥交流输出端。
2、后桥；21、第五SiCMOSFET管；22、第六SiCMOSFET管；23、第七SiCMOSFET管；24、第八SiCMOSFET管；25、第一后桥直流侧；26、第二后桥交流侧；261、第一后桥交流输入端；262、第二后桥交流输入端。
3、平面变压器；31、交流侧一次绕组；311、PCB顶层一次绕组；312、PCB底层一次绕组；32、交流侧二次绕组；321、PCB顶层二次绕组；322、PCB底层二次绕组；33、第一磁芯；331、第一上凸出；332、第二上凸出；34、第二磁芯；341、第一下凸出；342、第二下凸出；35、第一气隙；36、第二气隙。
4、PCB板；41、PCB板顶层；42、PCB板底层；43、第一过孔；44、第二过孔；45、第一边柱安装孔；46、第二边柱安装孔；47、第一凸出安装孔；48、第二凸出安装孔。
具体实施方式
本发明包括PCB有源平面变压器及其有源平面变压器的制作方法。
平面变压器和双向有源桥；
所述的平面变压器包括有两组绕组和一组磁芯，两组绕组绘制在同一张PCB板上，两组绕组与双向有源桥的两个H桥电路相连接；在两组绕组中心位置的PCB板上有安装孔，磁芯的边柱穿过安装孔；
所述的双向有源桥为双向DC/DC变换器，有两个H桥模块，均有交流侧和直流侧；所述的两个H桥模块均包括：前桥和后桥，前桥和后桥的结构相同，包括与平面变压器绕组相连接的H电路和功率器件；所述H桥电路绘制PCB板上；所述的功率器件焊接在H桥电路上；
前桥的直流侧与直流母线连接，前桥的交流侧与平面变压器的一次侧连接；
后桥的交流侧与平面变压器的二次侧连接，后桥的直流侧接负载。
所述的绕组绘制制作在PCB板的正、背两面，绕组的首尾通过PCB板上的过孔相连接；所述的PCB板为单层或多层；在绕组的中心有磁芯的安装孔。
所述的磁芯包括第一磁芯和第二磁芯，两个磁芯结构相同，为类U型结构，在中心位置两侧的边缘部位各有一个凸出。
所述的功率器件为高频宽禁带器件SiCMOSFET，其开关频率可达200kHz。
有源平面变压器的制作方法，具体步骤如下：
步骤1、根据变换器参数要求设计平面变压器磁芯形状。
步骤2、使用粉末融合床技术的3D打印机打印磁芯。
步骤3、在同一块PCB板上绘制平面变压器绕组和H桥电路；
绘制绕组时，在PCB板的正面，绕组为顺时针方向绘制，在PCB板的背面为逆时针方向绘制，在正面的尾端和背面的首端之间由过孔相连接；
步骤4、在平面变压器绕组的位置制作第一边柱安装孔、第二边柱安装孔、第一凸出安装孔和第二凸出安装孔；
步骤5、焊接SiCMOSFET并安装磁芯。
实施例1：本发明提供了一种基于3D打印技术的PCB平面变压器及双向有源桥的设计方案，下面将结合附图对本发明进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
请参阅图1、图2和图3，本发明提供的一种设计方案：一种基于3D打印技术的PCB平面变压器及双向有源桥设计，包括两个H桥，分别为前桥1和后桥2，通过一定漏感值Lr的平面变压器3连接。前桥将直流母线电压逆变为与开关频率相同的交流方波电压，交流电压加在平面变压器一次侧，通过平面变压器将能量传输到变压器二次侧，再经过后桥将电能整流输出。
所述的两个H桥1和H桥2分别由4个SiCMOSFET11、SiCMOSFET12、SiCMOSFET13和SiCMOSFET14构成H桥1；由4个SiCMOSFET21、SiCMOSFET22、SiCMOSFET23、SiCMOSFET24构成H桥2。前桥1的第一前桥直流侧15接直流母线，第二前桥交流侧16接平面变压器的交流侧一次绕组31；后桥2的第二后桥交流侧26接平面变压器的交流侧二次绕组32，第一后桥直流侧25接负载。
所述的PCB平面变压器的磁芯由3D打印技术制成，图中的磁芯形状仅为一个示例，不能理解为对本发明的限制。图中，磁芯分为第一磁芯33和第二磁芯34，两个磁芯结构完全一致，均为类U型结构。第一磁芯33在中心部位存在第一上凸出331和第二上凸出332，第二磁芯34也含有两个凸出部分，为第一下凸出341和第二下凸出342，安装时，第一上凸出331和第一下凸出341安装到第一凸出安装孔47，两者相互靠近并留有第一气隙35，第二上凸出332与第二下凸出342安装到安装孔48，两者相互靠近并留有第二气隙36。设计磁芯时，改变第一气隙35和第二气隙36的大小，可以改变原边与副边的耦合程度，从而调节变压器漏感值Lr。
所述的PCB平面变压器绕组由印制电路板绘制而成，包括交流侧一次绕组31和交流侧二次绕组32。PCB顶层一次绕组311绘制于PCB板4的PCB板顶层41上，从前桥1的第一前桥交流输出端161由外向内绘制，经过第一过孔43连通到PCB板底层42，PCB底层一次绕组312绘制于PCB板底层42上，从第一过孔43开始由内向外绘制，连接到前桥1的第二前桥交流输出端162。PCB顶层二次绕组321绘制于PCB板4的PCB板顶层41上，从后桥2的第一后桥交流输入端261由外向内绘制，通过第二过孔44连通到PCB板底层42，PCB底层二次绕组322绘制于PCB板底层42上，从第二过孔44开始由内向外绘制，连接到第二后桥交流输入端262。
所述的PCB平面变压器的第一磁芯33和第二磁芯34的边柱分别穿过PCB板4的第一边柱安装孔45和第二边柱安装孔46。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在申请待批的本发明的权利要求范围之内。

Claims (5)

1.一种PCB有源平面变压器，其特征是：有源平面变压器包括：平面变压器和双向有源桥；
所述的平面变压器包括有两组绕组和一组磁芯，两组绕组绘制在同一张PCB板上，两组绕组与双向有源桥的两个H桥电路相连接；在两组绕组中心位置的PCB板上有安装孔，磁芯的边柱穿过安装孔；
所述的双向有源桥为双向DC/DC变换器，有两个H桥模块，均有交流侧和直流侧；所述的两个H桥模块均包括：前桥和后桥，前桥和后桥的结构相同，包括与平面变压器绕组相连接的H电路和功率器件；所述H桥电路绘制PCB板上；所述的功率器件焊接在H桥电路上；
前桥的直流侧与直流母线连接，前桥的交流侧与平面变压器的一次侧连接；
后桥的交流侧与平面变压器的二次侧连接，后桥的直流侧接负载。
2.根据权利要求1所述的一种PCB有源平面变压器，其特征是：所述的绕组绘制制作在PCB板的正、背两面，绕组的首尾通过PCB板上的过孔相连接；所述的PCB板为单层或多层；在绕组的中心有磁芯的安装孔。
3.根据权利要求1所述的一种PCB有源平面变压器，其特征是：所述的磁芯包括第一磁芯和第二磁芯，两个磁芯结构相同，为类U型结构，在中心位置两侧的边缘部位各有一个凸出。
4.根据权利要求1所述的一种PCB有源平面变压器，其特征是：所述的功率器件为高频宽禁带器件SiCMOSFET，其开关频率可达200kHz。
5.权利要求1所述的一种PCB有源平面变压器的制作方法，其特征是：有源平面变压器的制作方法，具体步骤如下：
步骤1、根据变换器参数要求设计平面变压器磁芯形状。
步骤2、使用粉末融合床技术的3D打印机打印磁芯。
步骤3、在同一块PCB板上绘制平面变压器绕组和H桥电路；
绘制绕组时，在PCB板的正面，绕组为顺时针方向绘制，在PCB板的背面为逆时针方向绘制，在正面的尾端和背面的首端之间由过孔相连接；
步骤4、在平面变压器绕组的位置制作第一边柱安装孔、第二边柱安装孔、第一凸出安装孔和第二凸出安装孔；
步骤5、焊接SiCMOSFET并安装磁芯。
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