CN111933434A - 一种平面变压器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种平面变压器，包括磁芯组件和环绕磁芯组件的绕组组件；其中，磁芯组件包括纵向依次排布的第一磁芯、第二磁芯以及第三磁芯；第一磁芯和第三磁芯均包含磁柱，第二磁芯为I型磁芯，且第一磁芯的磁柱朝下并与第二磁芯对应贴合，第三磁芯的磁柱朝上并与第二磁芯对应贴合；绕组组件包括环绕第一磁芯的第一绕组和环绕第三磁芯的第二绕组，第一绕组和第二绕组通过连接铜桩连接。本发明提供的平面变压器可以在变压器体积不变的情况下，提高磁芯利用率；且其可在垂直方向实现拼接，具备较高的功率密度，能够应用在低压大电流开关电源变换器中。
Description
技术领域
本发明属于开关电源技术领域，具体涉及一种平面变压器。
背景技术
随着功率半导体器件的不断发展，尤其是第三代半导体的发展，各类电子设备的体积越来越小。相应的，开关电源也朝着高效化、小型化、轻、薄等方向发展，而开关电源的小型化也推动了其向高频化和高功率密度发展。变压器作为隔离式电源中体积最大的部分，为了顺应这种小型化的发展趋势需要做进一步优化设计。平面变压器由于具备体积小、易于集成、制作，以及良好的重复性和准确性，而在高频率和高功率密度的开关电源中得到了广泛应用。
快捷韩国半导体有限公司在其专利申请文件《平面变压器》(申请号：201720012132.5)中公开了一种平面变压器，该平面变压器包括两块磁芯，五个绕组。该平面变压器在印制电路板上第一层包含第一和第二绕组迹线，第二层包含第二绕组迹线，第三层包含第四和第五绕组迹线。其主要特点在绕组的排布方式中，具备较好的屏蔽效果。然而，其主要应用在较低功率密度条件下，无法适用于较高的功率密度条件。
上海军陶电源设备有限公司在其专利申请文件《平面变压器及开关电源》(申请号：201910924023.4)公开了一种平面变压器及开关电源。该发明包括基板、分流片和磁芯组成。通过绕组并联分流片来降低绕组线圈电流密度，节省了制作多层厚铜PCB板成本。然其并未进行磁集成以及提高磁芯的利用率，相同磁芯条件下的电流大小没变，功率密度没有得到提高。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种平面变压器。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
一种平面变压器，包括磁芯组件和环绕所述磁芯组件的绕组组件；其中，
所述磁芯组件包括纵向依次排布的第一磁芯、第二磁芯以及第三磁芯；所述第一磁芯和所述第三磁芯均包含磁柱，所述第二磁芯为I型磁芯，且所述第一磁芯的磁柱朝下并与所述第二磁芯对应贴合，所述第三磁芯的磁柱朝上并与所述第二磁芯对应贴合；
所述绕组组件包括环绕所述第一磁芯的第一绕组和环绕所述第三磁芯的第二绕组，所述第一绕组和所述第二绕组通过连接铜桩连接。
在本发明的一个实施例中，所述绕组组件的每个绕组均包括原边绕组和副边绕组，且所有绕组均为多层印刷电路板绕组。
在本发明的一个实施例中，所述多层印刷电路板的铜厚为2盎司。
在本发明的一个实施例中，所述原边绕组和所述副边绕组均按层相互交叉，且层数相同。
在本发明的一个实施例中，所述第一绕组包括第一原边绕组和第一副边绕组，所述第一绕组包括第二原边绕组和第二副边绕组；所述第一原边绕组和所述第二原边绕组通过连接铜桩串联以形成所述平面变压器的原边绕组，所述第一副边绕组和所述第二副边绕组通过连接铜桩并联以形成所述平面变压器的副边绕组。
在本发明的一个实施例中，还包括若干拼接磁芯以及与所述拼接磁芯对应的拼接绕组。
在本发明的一个实施例中，所述第一磁芯、所述第三磁芯以及所述拼接磁芯为ER型磁芯或E型磁芯中的一种或多种。
在本发明的一个实施例中，所述拼接磁芯包括第四磁芯，所述拼接绕组包括环绕所述第四磁芯的第三绕组；其中，所述第四磁芯包含磁柱，其位于所述第一磁芯的上方且磁柱朝下；
所述第三绕组包括第三原边绕组和第三副边绕组；
所述第三原边绕组、所述第一原边绕组以及所述第二原边绕组通过连接铜桩串联以形成所述平面变压器的原边绕组；所述第三副边绕组、所述第一副边绕组以及所述第二副边绕组通过连接铜桩并联以形成所述平面变压器的副边绕组。
在本发明的一个实施例中，所述拼接磁芯还包括第五磁芯，所述拼接绕组还包括环绕所述第五磁芯的第四绕组，其中，所述第五磁芯包含磁柱，其位于所述第三磁芯的下方且磁柱朝上；
所述第四绕组包括第四原边绕组和第四副边绕组；
所述第三原边绕组、所述第一原边绕组、所述第二原边绕组以及所述第四原边绕组通过连接铜桩串联以形成所述平面变压器的原边绕组；所述第三副边绕组、所述第一副边绕组、所述第二副边绕组以及所述第四副边绕组通过连接铜桩并联以形成所述平面变压器的副边绕组。
在本发明的一个实施例中，所述拼接磁芯包括纵向依次排布的第六磁芯、第七磁芯以及第八磁芯，所述第六磁芯和所述第八磁芯均包含磁柱，所述第七磁芯为I型磁芯；
所述第六磁芯位于所述第三磁芯下方且磁柱朝下，并与所述第七磁芯对应贴合；所述第八磁芯的磁柱朝上并与所述第七磁芯对应贴合；
所述拼接绕组包括环绕所述第六磁芯的第五绕组和环绕所述第八磁芯的第六绕组；
所述第五绕组包括第五原边绕组和第五副边绕组，所述第六绕组包括第六原边绕组和第六副边绕组，所述第一原边绕组、所述第二原边绕组、所述第五原边绕组以及所述第六原边绕组通过连接铜桩串联以形成所述平面变压器的原边绕组；所述第一副边绕组、所述第二副边绕组、所述第五副边绕组以及所述第六副边绕组通过连接铜桩并联以形成所述平面变压器的副边绕组。
本发明的有益效果：
本发明提供的平面变压器可以在变压器体积不变的情况下，提高磁芯利用率；且其可在垂直方向实现拼接，具备较高的功率密度，能够应用在低压大电流开关电源变换器中。
以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种磁芯结构排布示意图；
图2是本发明实施例提供的一种绕组排布方式示意图；
图3是本发明实施例提供的一种平面变压器的结构示意图；
图4是本发明实施例提供的另一种磁芯结构排布示意图；
图5是本发明实施例提供的另一种绕组排布方式示意图；
图6是本发明实施例提供的另一种平面变压器的结构示意图；
图7是本发明实施例提供的又一种磁芯结构排布示意图；
图8是本发明实施例提供的又一种绕组排布方式示意图；
图9是本发明实施例提供的又一种平面变压器的结构示意图；
图10是本发明实施例提供的一种拼接结构平面变压器的结构示意图。
图标：C1-第一磁芯；C2-第二磁芯；C3-第三磁芯；C4-第四磁芯；C5-第五磁芯；C6-第六磁芯；C7-第七磁芯；R1-第一绕组；R11-第一原边绕组；R12-第一副边绕组；R2-第二绕组；R21-第二原边绕组；R22-第二副边绕组；R3-第三绕组；R31-第三原边绕组；R32-第三副边绕组；R4-第四绕组；R41-第四原边绕组；R42-第四副边绕组；R5-第五绕组；R51-第五原边绕组；R52-第五副边绕组；R6-第六绕组；R61-第六原边绕组；R62-第六副边绕组；L1-第一铜桩；L2-第二铜桩；L3-第三铜桩；L4-第四铜桩；L5-第五铜桩；L6-第六铜桩；L7-第七铜桩；L8-第八铜桩；L9-第九铜桩；L10-第十铜桩；L11-第十一铜桩；L12-第十二铜桩；L13-第十三铜桩；L14-第十四铜桩；L15-第十五铜桩。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例一
请参见图1～3，图1是本发明实施例提供的一种磁芯结构排布示意图，图2是本发明实施例提供的一种绕组排布方式示意图，图3是本发明实施例提供的一种平面变压器的结构示意图。本发明提供的平面变压器包括：磁芯组件和环绕磁芯组件的绕组组件；其中，
磁芯组件包括纵向依次排布的第一磁芯C1、第二磁芯C2以及第三磁芯C3；第一磁芯C1和第三磁芯C3均包含磁柱，第二磁芯C2为I型磁芯，且第一磁芯C1的磁柱朝下并与第二磁芯C2对应贴合，第三磁芯C3的磁柱朝上并与第二磁芯2对应贴合；
绕组组件包括环绕第一磁芯C1的第一绕组R1和环绕第三磁芯C3的第二绕组R2，第一绕组R1和第二绕组R2通过连接铜桩连接。
具体地，如图1所示，本实施例中的三个磁芯C1、C2、C3由上至下依次垂直放置，其中，上下两个磁芯C1和C3均包含磁柱，且磁柱均朝向中间的I型磁柱C2，并与磁芯C2相对应、贴合，以实现磁耦合。
此外，本实施例采用的第一磁芯C1和第三磁芯C3可以为ER型磁芯或者E型磁芯中的一种或者多种。
进一步地，绕组组件中的每个绕组均包括原边绕组和副边绕组，且所有绕组均为多层印刷电路板绕组。其中，原边绕组和副边绕组均按层相互交叉，且占用的电路层数相同。
具体地，原边绕组每层可以是一匝但不仅限于一匝，在设计时可以根据实际电路进行匝数优化。副边绕组每层的匝数可根据实际电路工作条件进行设计选取。
本实施例采用多层铜厚印刷电路板(PCB)绕组主要是由于PCB绕组加工简单，绕制方式灵活，性能可靠，且相对于传统的绕线式电磁元器件，PCB绕组散热更好。
具体地，考虑到PCB绕组的载流能力，本实施例将多层印刷电路板的铜厚设计为2盎司，约为70μm。
在本实施例中，所有的原边绕组通过连接铜桩串联以形成整个平面变压器的原边绕组，所有的副边绕组通过连接铜桩并联以形成整个平面变压器的副边绕组。
进一步地，请继续参见图2和图3，其中，第一绕组R1包括第一原边绕组R11和第一副边绕组R12，第一绕组R2包括第二原边绕组R21和第二副边绕组R22；第一原边绕组R11和第二原边绕组R21通过连接铜桩串联以形成平面变压器的原边绕组，第一副边绕组R12和第二副边绕组R22通过连接铜桩并联以形成平面变压器的副边绕组。
具体地，原边绕组和副边绕组的输入端和输出端均设有金属化通孔，用以实现原边绕组的串联和副边绕组的并联。
更具体地，第一原边绕组R11的输出端通过第一铜桩L1连接第二原边绕组R21的输入端以实现原边绕组串联，第一原边绕组R11的输入端和第二原边绕组R21的输出端作为整个平面变压器原边绕组的输入端和输出端。第一副边绕组R12的输入端和输出端分别通过第二铜桩L2和第三铜桩L3对应连接第二副边绕组R22的输入端和输出端，以实现副边绕组的并联。
本实施例提供的平面变压器可以在变压器体积不变的情况下，提高磁芯利用率。传统的平面变压器的磁芯一般为EI型或者EE型，而EE型和EI型的磁芯利用率较低，且传统的平面变压器一个磁回路需要两块磁芯，对应一组绕组。而本实施例提供的平面变压器两组绕组对应三块磁芯，磁芯的利用率得到了提高；同时，采用EIE型磁芯结构，能够在满足功率需求的情况下提高磁芯利用率。
此外，本实施例提供的平面变压器还可以在垂直方向实现拼接。与传统平面变压器相比，在实现相同功率的同时具有更小的体积，从而使得变压器具备较高的功率密度，能够应用在低压大电流开关电源变换器中。
实施例二
本实施例提供了另一种平面变压器，是在上述实施例一提供的平面变压器的基础上拼接形成的。
在本实施例中，平面变压器还包括若干拼接磁芯以及与拼接磁芯对应的拼接绕组，其中，拼接磁芯与上述第一磁芯和第三磁芯一样，可以为ER型磁芯或者E型磁芯中的一种或多种，拼接绕组的连接根据相应的电气连接要求进行对应的串联或者并联。
请参见图4～6，图4是本发明实施例提供的另一种磁芯结构排布示意图，图5是本发明实施例提供的另一种绕组排布方式示意图，图6是本发明实施例提供的另一种平面变压器的结构示意图。
本实施例提供的平面变压器其的拼接磁芯包括第四磁芯C4，拼接绕组包括环绕第四磁芯C4的第三绕组R3；其中，第四磁芯C4包含磁柱，其位于第一磁芯C1的上方且磁柱朝下，如图4所示。
第三绕组R3包括第三原边绕组R31和第三副边绕组R32，如图2所示。
第三原边绕组R31、第一原边绕组R11以及第二原边绕组R21通过连接铜桩串联以形成平面变压器的原边绕组；第三副边绕组R32、第一副边绕组R12以及第二副边绕组R22通过连接铜桩并联以形成平面变压器的副边绕组。
具体地，在实施例一的基础上，根据电气连接要求，将第三原边绕组R31的输出端与第一原边绕组R11的输出端通过第四铜桩L4连接起来，与第二原边绕组R21一起实现平面变压器原边绕组的串联；第三原边绕组R11的输入端和第二原边绕组R21的输出端作为整个平面变压器原边绕组的输入端和输出端。同时，将第三副边绕组R32的输入端和输出端通过第五铜桩L5和第六铜桩L6分别连接至第一副边绕组R12的输入端和输出端，并与第二副边绕组R22一起实现平面变压器副边绕组的并联。
在本实施例中，第三原边绕组R31和第三副边绕组R32与实施例一中的绕组一样，均使用多层印刷电路板，且绕组方式一样，铜厚均为2盎司。
实施例三
在上述实施例二的基础上，本实施例还提供了一种拼接形成的平面变压器。请参见图7～9，图7是本发明实施例提供的又一种磁芯结构排布示意图，图8是本发明实施例提供的又一种绕组排布方式示意图，图9是本发明实施例提供的又一种平面变压器的结构示意图。
在实施例二的基础上，本实施例提供的拼接磁芯还包括第五磁芯C5，拼接绕组还包括环绕第五磁芯C5的第四绕组R4，其中，第五磁芯C5包含磁柱，其位于第三磁芯C3的下方且磁柱朝上，如图7所示。
第四绕组R4包括第四原边绕组R41和第四副边绕组R42，如图8所示。
第三原边绕组R31、第一原边绕组R11、第二原边绕组R21以及第四原边绕组R41通过连接铜桩串联以形成平面变压器的原边绕组；第三副边绕组R32、第一副边绕组R12、第二副边绕组R22以及第四副边绕组R42通过连接铜桩并联以形成平面变压器的副边绕组。
具体地，在实施例二的基础上，根据电气连接要求，将第四原边绕组R41的输入端通过第七铜桩L7连接至第二原边绕组R21的输出端，与第二原边绕组R21、第一原边绕组R11以及第三原边绕组R31一起实现平面变压器原边绕组的串联；第三原边绕组R11的输入端和第四原边绕组R41的输出端作为整个平面变压器原边绕组的输入端和输出端。
同时，将第四副边绕组R42的输入端和输出端通过第八铜桩L8和第九铜桩L9分别连接至第二副边绕组R22的输入端和输出端，并与第二副边绕组R22、第一副边绕组R12以及第三副边绕组R32一起实现平面变压器副边绕组的并联。
相应的，第四原边绕组R41和第四副边绕组R42也采用多层印刷电路板，铜厚均为2盎司；且采用交叉绕组方式，原副边绕组层数相同。
实施例四
在上述实施例一的基础上，本实施例还提供了一种拼接结构的平面变压器，请参见图10，图10是本发明实施例提供的一种拼接结构平面变压器的结构示意图，具体地，
拼接磁芯包括纵向依次排布的第六磁芯C6、第七磁芯C7以及第八磁芯C8，第六磁芯C6和第八磁芯C8均包含磁柱，第七磁芯C7为I型磁芯；
第六磁芯C6位于第三磁芯C3下方且磁柱朝下，并与第七磁芯C7对应贴合；第八磁芯的磁柱朝上并与第七磁芯C7对应贴合；
拼接绕组包括环绕第六磁芯C6的第五绕组R5和环绕第八磁芯C8的第六绕组R6；
第五绕组R5包括第五原边绕组R51和第五副边绕组R52，第六绕组R6包括第六原边绕组R61和第六副边绕组R62，第一原边绕组R11、第二原边绕组R21、第五原边绕组R51以及第六原边绕组R61通过连接铜桩串联以形成平面变压器的原边绕组；第一副边绕组R12、第二副边绕组R22、第五副边绕组R52以及第六副边绕组R62通过连接铜桩并联以形成平面变压器的副边绕组。
在本实施例中，第六磁芯C6、第七磁芯C7以及第八磁芯C8的排布方式与上述第一磁芯C1、第二磁芯C2以及第三磁芯C3的排布方式相同，并整体位于第一磁芯C1的上方或者第三磁芯C3的下方；相应的，第五绕组R5和第六绕组R6的排布方式与连接关系亦与第一绕组R1和第二绕组R2的连接关系相同。
本实施例选取其整体位于第三磁芯C3的下方，并根据实际电气连接要求进行绕组连接。
具体地，将第五原边绕组R51的输入端通过第十铜桩L10连接至第二原边绕组R21的输出端，同时将第五原边绕组R51的输出端通过第十一铜桩L11连接至第六原边绕组R61的输出端；第一原边绕组R11、第二原边绕组R21、第五原边绕组R51以及第六原边绕组R61一起实现平面变压器原边绕组的串联；第一原边绕组R11的输入端和第六原边绕组R61的输出端作为整个平面变压器原边绕组的输入端和输出端。
相应的，将第五副边绕组R52的输入端和输出端通过第十二铜桩L12和第十三铜桩L13分别连接至第二副边绕组R22的输入端和输出端，同时将第五副边绕组R52的输入端和输出端通过第十四铜桩L14和第十五铜桩L15分别连接至第六副边绕组R62的输入端和输出端；第一副边绕组R12、第二副边绕组R22、第五副边绕组R52以及第六副边绕组R62一起实现平面变压器副边绕组的并联。
本实施例提供的平面变压器可根据实际需求在垂直方向实现任意形式的拼接，使得变压器具备较高的功率密度，能够应用在低压大电流开关电源变换器中。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种平面变压器，其特征在于，包括磁芯组件和环绕所述磁芯组件的绕组组件；其中，
所述磁芯组件包括纵向依次排布的第一磁芯(C1)、第二磁芯(C2)以及第三磁芯(C3)；所述第一磁芯(C1)和所述第三磁芯(C3)均包含磁柱，所述第二磁芯(C2)为I型磁芯，且所述第一磁芯(C1)的磁柱朝下并与所述第二磁芯(C2)对应贴合，所述第三磁芯(C3)的磁柱朝上并与所述第二磁芯(2)对应贴合；
所述绕组组件包括环绕所述第一磁芯(C1)的第一绕组(R1)和环绕所述第三磁芯(C3)的第二绕组(R2)，所述第一绕组(R1)和所述第二绕组(R2)通过连接铜桩连接。
2.根据权利要求1所述的平面变压器，其特征在于，所述绕组组件的每个绕组均包括原边绕组和副边绕组，且所有绕组均为多层印刷电路板绕组。
3.根据权利要求2所述的平面变压器，其特征在于，所述多层印刷电路板的铜厚为2盎司。
4.根据权利要求2所述的平面变压器，其特征在于，所述原边绕组和所述副边绕组均按层相互交叉，且层数相同。
5.根据权利要求1所述的平面变压器，其特征在于，所述第一绕组(R1)包括第一原边绕组(R11)和第一副边绕组(R12)，所述第一绕组(R2)包括第二原边绕组(R21)和第二副边绕组(R22)；所述第一原边绕组(R11)和所述第二原边绕组(R21)通过连接铜桩串联以形成所述平面变压器的原边绕组，所述第一副边绕组(R12)和所述第二副边绕组(R22)通过连接铜桩并联以形成所述平面变压器的副边绕组。
6.根据权利要求5所述的平面变压器，其特征在于，还包括若干拼接磁芯以及与所述拼接磁芯对应的拼接绕组。
7.根据权利要求6所述的平面变压器，其特征在于，所述第一磁芯(C1)、所述第三磁芯(C3)以及所述拼接磁芯为ER型磁芯或E型磁芯中的一种或多种。
8.根据权利要求6所述的平面变压器，其特征在于，所述拼接磁芯包括第四磁芯(C4)，所述拼接绕组包括环绕所述第四磁芯(C4)的第三绕组(R3)；其中，所述第四磁芯(C4)包含磁柱，其位于所述第一磁芯(C1)的上方且磁柱朝下；
所述第三绕组(R3)包括第三原边绕组(R31)和第三副边绕组(R32)；
所述第三原边绕组(R31)、所述第一原边绕组(R11)以及所述第二原边绕组(R21)通过连接铜桩串联以形成所述平面变压器的原边绕组；所述第三副边绕组(R32)、所述第一副边绕组(R12)以及所述第二副边绕组(R22)通过连接铜桩并联以形成所述平面变压器的副边绕组。
9.根据权利要求8所述的平面变压器，其特征在于，所述拼接磁芯还包括第五磁芯(C5)，所述拼接绕组还包括环绕所述第五磁芯(C5)的第四绕组(R4)，其中，所述第五磁芯(C5)包含磁柱，其位于所述第三磁芯(C3)的下方且磁柱朝上；
所述第四绕组(R4)包括第四原边绕组(R41)和第四副边绕组(R42)；
所述第三原边绕组(R31)、所述第一原边绕组(R11)、所述第二原边绕组(R21)以及所述第四原边绕组(R41)通过连接铜桩串联以形成所述平面变压器的原边绕组；所述第三副边绕组(R32)、所述第一副边绕组(R12)、所述第二副边绕组(R22)以及所述第四副边绕组(R42)通过连接铜桩并联以形成所述平面变压器的副边绕组。
10.根据权利要求6所述的平面变压器，其特征在于，所述拼接磁芯包括纵向依次排布的第六磁芯(C6)、第七磁芯(C7)以及第八磁芯(C8)，所述第六磁芯(C6)和所述第八磁芯(C8)均包含磁柱，所述第七磁芯(C7)为I型磁芯；
所述第六磁芯(C6)位于所述第三磁芯(C3)下方且磁柱朝下，并与所述第七磁芯(C7)对应贴合；所述第八磁芯(C8)的磁柱朝上并与所述第七磁芯(C7)对应贴合；
所述拼接绕组包括环绕所述第六磁芯(C6)的第五绕组(R5)和环绕所述第八磁芯(C8)的第六绕组(R6)；
所述第五绕组(R5)包括第五原边绕组(R51)和第五副边绕组(R52)，所述第六绕组(R6)包括第六原边绕组(R61)和第六副边绕组(R62)，所述第一原边绕组(R11)、所述第二原边绕组(R21)、所述第五原边绕组(R51)以及所述第六原边绕组(R61)通过连接铜桩串联以形成所述平面变压器的原边绕组；所述第一副边绕组(R12)、所述第二副边绕组(R22)、所述第五副边绕组(R52)以及所述第六副边绕组(R62)通过连接铜桩并联以形成所述平面变压器的副边绕组。
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