CN113258788B - 具有集成磁性元件的llc谐振转换器 - Google Patents

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Abstract

所描述实例包含具有集成磁性元件的LLC谐振转换器(100)，其包含：电感器单元(122‑5)；和多个变压器单元(122‑1)，其具有布置在堆叠结构(130)中的芯(110‑1)。所述单独变压器单元(122‑1)包含：初级和次级绕组(PI、SI)，其围绕所述变压器芯结构(110‑1)延伸；和次级晶体管(SRI)，其与所述次级绕组(SI)串联连接。一或多个绕组接近芯堆叠间隙成形以减少芯和绕组损耗。所述电感器单元(122‑5)包含：电感器绕组(LW)，其围绕所述电感器芯结构(110‑5)延伸以提供电感器(LR)；和电容器(CR)。所述电感器单元(122‑5)与所述变压器单元(122‑1)一起布置在所述堆叠结构(130)中以在单一磁路中磁性地耦合所述变压器初级绕组(PI)、所述电感器绕组(LW)和所述变压器次级绕组(SI)，从而抵消单元到单元通量。

Description

具有集成磁性元件的LLC谐振转换器
本申请是申请日为2016年11月11日，申请号为“201780069618.5”，而发明名称为“具有集成磁性元件的LLC谐振转换器”的中国专利申请的分案申请。
背景技术
LLC转换器提供与输入信号分离的输出电压信号的一种形式的串联谐振变换器。LLC转换器包含具有变压器初级绕组的串联谐振电路。开关电路将谐振电路或储能电路的交换节点交替地耦合到正供应节点和接地节点，以提供流经变压器初级绕组的交流谐振电流。例如整流器的次级电路提供输出电压以驱动负载。次级电路可包含同步整流器开关或二极管整流器。初级侧开关电路可经调整以调节输出电压。LLC谐振转换器具有高效率和高功率密度，且可为初级侧开关提供广负载范围的零电压交换和较低关闭电流。这些益处使得LLC谐振转换器适用于各种应用，例如高性能服务器和电信应用。在初级侧交换频率比谐振频率更低时，可利用零电流交换来关闭次级侧同步整流器装置。这对于具有保持时间需求的应用来说有助于电压增益提升能力而不降低效率。在高交换频率下的操作允许减小LLC谐振转换器中的磁性组件和电容器的大小。然而，这增加了交换相关的损耗和磁性组件损耗，使得效率较差。例如氮化镓(GaN)晶体管的宽带初级侧开关可用于减少输出电容和栅极电荷，从而降低循环电流损耗和栅极驱动损耗以便于在更高交换频率下操作。然而，用于LLC谐振转换器的磁性元件保持对(具体地说在高交换频率下)因芯损耗和绕组损耗而导致的所增加转换器效率的限制。其它改进适用于支持LLC谐振转换器的更高效率和功率密度。
发明内容
实例集成磁路包含电感器单元和多个变压器单元，所述电感器单元和所述多个变压器单元具有布置在堆叠结构中的电感器和变压器芯，以提供单一磁路来将初级侧电感器绕组与变压器初级和次级绕组磁性地耦合以便于通量抵消。单独变压器单元包含围绕变压器芯结构延伸的初级和次级绕组，和与次级绕组串联连接的次级晶体管或二极管。在某些实例中，次级电路包含两个次级绕组和两个对应次级晶体管以供用于同步整流器操作。在一些实例中，芯结构彼此间隔开以提供磁路间隙。在某些实例中，一或多个变压器绕组接近芯堆叠间隙成形或间隔离芯结构更远以减少芯边缘损耗。单独变压器单元可包含初级和/或次级绕组，所述初级和/或次级绕组形成为印刷电路板(PCB)上的迹线或其它导电结构，且一或多个次级晶体管和输出电容器可安装在变压器单元PCB上以便于更高功率密度的紧密设计。电感器单元包含谐振电容器和围绕电感器芯结构延伸以提供谐振电路电感器的电感器绕组。在某些实例中，电感器绕组可形成为电感器单元PCB上的导电结构，其中谐振电容器安装在电感器单元PCB上。所描述实例还包含功率转换系统，所述功率转换系统进一步包含：初级侧开关电路，其包含氮化镓(GaN)晶体管；和控制电路，其用以将交换控制信号提供到初级侧和次级侧开关以提供DC输出电压信号。
附图说明
图1为具有实例集成LLC变压器的实例调节的LLC谐振转换器的示意图。
图2为具有五个E形芯以及与用于变压器耦合的四个单元和用于LLC谐振转换器的实例谐振电感器的一个单元堆叠在一起的顶部芯的实例集成磁路的透视图。
图3为形成为围绕实例变压器芯结构的中心支脚延伸的在印刷电路板上或在其中的导电结构的次级绕组的俯视平面图。
图4为实例E形变压器芯结构的透视图。
图5为展示通量抵消的具有在相邻单元芯结构之间的间隙的实例集成变压器堆叠结构的前视正视图。
图6为具有成形绕组的另一实例集成变压器堆叠结构的前视正视图。
图7为与实例芯结构的外部支脚间隔开第一距离的形成为印刷电路板的顶部层上的导电结构的最上部次级绕组的俯视平面图。
图8为与实例芯结构的外部支脚间隔开较小第二距离的形成为印刷电路板的下部第二层中的导电结构的初级绕组的俯视平面图。
图9为与芯结构的外部支脚间隔开较小第三距离的形成为印刷电路板的下部第三层中的导电结构的初级绕组的俯视平面图。
图10为与芯结构的外部支脚间隔开第三距离的形成为在印刷电路板上或在其中的导电结构的电感器绕组的俯视平面图。
图11为与实例芯结构的外部支脚间隔开第一距离的形成为多层印刷电路板的顶部层上的单一宽迹线导电结构的最上部次级绕组的俯视平面图。
图12为与实例芯结构的外部支脚间隔开较小第二距离的形成为多层印刷电路板的下部第二层中的单一宽迹线导电结构的初级绕组的第一部分的俯视平面图。
图13为与实例芯结构的外部支脚间隔开又一较小第三距离的形成为多层印刷电路板的下部第三层中的单一宽迹线导电结构的初级绕组的第二部分的俯视平面图。
图14为与实例芯结构的外部支脚间隔开第三距离的形成为多层印刷电路板的下部第四层中的单一宽迹线导电结构的初级绕组的第三部分的俯视平面图。
图15为与实例芯结构的外部支脚间隔开第三距离的形成为多层印刷电路板的下部第五层中的单一宽迹线导电结构的初级绕组的第四部分的俯视平面图。
图16为与实例芯结构的外部支脚间隔开第三距离的形成为多层印刷电路板的下部第六层中的单一宽迹线导电结构的第二次级绕组的俯视平面图。
图17为具有堆叠芯的实例集成变压器和具有分离芯的设计的芯损耗的实例图表。
图18为具有分离芯的实例LLC变压器绕组设计和具有堆叠芯的集成变压器的绕组损耗的实例图表。
图19为对于具备具有堆叠芯的集成变压器的实例谐振LLC转换器的不同负载的经测量和经估计效率的实例图表。
具体实施方式
在图式中，相似参考数字贯穿全文指代相似元件，且各种特征不必按比例绘制。在本说明书中，术语“耦合(couple、coupled和couples)”包含间接或直接电气或机械连接或其组合。举例来说，如果第一装置耦合到第二装置或与第二装置耦合，那么所述连接可通过直接电气连接，或通过经由一或多个介入装置和连接的间接电气连接。
实例实施例包含使用堆叠芯单元结构来整合谐振电路电感器和电容器组件的集成磁路，以及用于改进LLC谐振转换器或其它应用的变压器初级和次级电路。
图1和2展示实施为调节的LLC谐振转换器100的功率转换系统，所述调节的LLC谐振转换器100具有形成为芯堆叠结构130的集成LLC变压器磁路。转换器100包含接收输入电压信号VI的第一和第二输入节点102和104。在一个实例中，输入信号VI为DC电压，所述DC电压在第一输入节点102处相对于第二输入节点104为正的，且第二输入节点104可以是接地或其它参考电压连接。
转换器100包含在交换节点106处提供交流电压VSW的开关电路132。在所说明的实例中，开关电路132包含连接在第一输入节点102与交换节点106之间的第一初级侧晶体管Q1，和连接在交换节点106与第二输入节点104之间的第二初级侧晶体管Q2。在一个实例中，初级侧晶体管Q1和Q2为n沟道氮化镓(GaN)场效应晶体管(FET)。Q1的漏极连接到第一输入节点102，且Q1的源极连接到交换节点106。Q2的漏极连接到交换节点106，且Q2的源极连接到第二参考节点104。开关Q1和Q2包含体二极管和栅极控制端，如图1中示意性地展示。根据交换控制信号SCP1和SCP2来分别操作开关Q1和Q2，以交替地将交换节点106连接到第一输入节点102(在SCP1高态有效时Q1接通)或将交换节点106连接到第二输入节点104(在SCP2高态有效时Q2接通)。在其它实例中，不同类型的FET、双极电晶体或其它基于半导体的开关可用于初级侧开关电路132中以控制交换节点电压VSW。在一个实例中，开关电路132包含连接在第一输入节点102与第二输入节点104之间的输入电容器CI。
串联电路连接在交换节点106与第二输入节点104之间。串联电路包含整数数目N个变压器初级电路，其中N大于1。在一个实例中，N＝4，如图1和2中所展示。在这一实例中，串联电路包含电容器CR、具有电感器绕组LW的电感器LR，和在交换节点106与第二输入节点104之间串联连接的四个变压器初级电路。在所说明的实例中，初级电路包含提供初级绕组电感LM(例如磁化电感)的初级绕组。在这种配置中，电容器CR连接在交换节点106与电感器LR之间，且电感器LR连接在电容器CR与节点108之间。
芯堆叠结构130由独立地包含芯结构110和相关联绕组的单元122形成。单独单元122可包含例如晶体管和/或电容器的其它电路组件，以为功率转换器100提供集成磁路。图1和2的实例堆叠结构130包含四个变压器单元122-1、122-2、122-3和122-4，和一个电感器单元122-5。转换器100包含N+1＝5个芯结构110-1到110-5(图1中标记为芯(CORE)1、芯2、芯3、芯4和芯5)。变压器芯结构110-1到110-4布置在形成芯堆叠结构130的堆叠配置中。前四个芯结构110-1、110-2、110-3和110-4为变压器芯结构。相关联的初级和次级绕组缠绕或以其它方式形成为围绕变压器芯结构110-1、110-2、110-3、110-4中的对应一个的至少一部分。在这一实例中，底部芯结构110-5为具有一或多个相关联电感器绕组LW以形成串联谐振电路电感器LR的电感器芯结构(芯5)。芯堆叠结构130提供单一磁路以磁性地耦合变压器初级电路、变压器次级电路和谐振电感器LR。结构有利地提供完整或至少部分通量抵消，以提升紧密高功率密度集成磁路中的热效率。
节点108连接到第一变压器单元122-1的第一初级绕组P1。初级绕组P1经连接以提供节点108与节点112之间的电感LM。第二变压器单元122-2包含初级绕组P2。绕组P2经连接以提供节点112与节点114之间的电感LM。第三变压器单元122-3包含初级绕组P3，其经连接以提供节点114与节点116之间的另一初级电感LM。第四变压器单元122-4包含初级绕组P4，其经连接以提供节点116与第二输入节点104之间的电感LM。
图1的实例中的串联谐振电路在交换节点106与第二输入节点104之间的串联电路中依序连接谐振电容器CR、谐振电感器LR和变压器初级绕组P1到P4。在其它实例中，初级绕组P1到P4、谐振电容器CR和谐振电感器LR可在节点104与106之间的串联电路中按任何次序连接。在其它实例中，单独变压器电路可包含多个串联和/或并联连接的初级绕组，且单独变压器电路的初级绕组彼此串联连接。
电感器芯结构110-5与变压器芯结构一起布置于堆叠中，以提供变压器初级与次级电路之间的磁性耦合。电感器单元122-5包含缠绕或以其它方式形成为围绕电感器芯结构110-5的电感器绕组LW。此外，在所说明的实例中，谐振电容器CR形成为电感器单元122-5的部分，虽然并非所有可能实施方案都要求如此。
单独变压器单元122-1到122-4还包含变压器次级电路，所述变压器次级电路具有形成为围绕对应芯结构110-1到110-4的一或多个次级绕组。所说明的实例提供缠绕或以其它方式形成为围绕变压器单元122中的每一个中的对应芯结构110的两个次级绕组。在其它实例中，可在变压器单元122中的每一个中使用单一次级绕组，或可在每一次级电路中设置大于两个次级绕组。某些实例中的单独变压器次级电路还包含至少一个次级晶体管，例如在第一转换器输出118与第二转换器输出120之间与对应变压器次级绕组串联连接的同步整流器晶体管，或至少一个整流二极管(未展示)。在某些实例中，次级电路包含两个绕组和单一SR FET或二极管结构。在另一实例中，次级电路包含一个绕组和形成全桥整流器结构的四个SR FET。在其它实例中，单独次级电路包含一或多个次级绕组和一或多个整流二极管(未展示)。
在系统100的操作中，次级电路独立地整流对应AC次级信号(例如电流和电压)，以在转换器输出118和120处提供DC输出电压VO。一个实例中的转换器100还包含连接在转换器输出118与120之间的输出电容器CO。图1和2的实例中的单独次级电路包含围绕变压器芯结构110-1、110-2、110-3和110-4中的对应一个的至少一部分缠绕的第一和第二变压器次级绕组。在这一实例中，第一次级电路包含绕组S1和S2，第二变压器次级电路包含次级绕组S3和S4，第三次级电路包含次级绕组S5和S6，且第四次级电路包含次级绕组S7和S8。单独变压器次级绕组包含第一和第二端部。次级绕组的第一端部在第二转换器输出120处彼此连接。这一实例中的次级电路还包含第一和第二次级晶体管和对应第一和第二输出电容器。第一次级电路包含根据对应交换控制信号SCS1和SCS2操作的晶体管SR1和SR2，以及单元输出电容器C1和C2。在这一实例中，同步整流器或次级晶体管SR为独立地连接在对应次级绕组与第一转换器输出118之间的n沟道FET。其它实例中可使用其它类型的基于半导体的次级晶体管开关。次级电路输出电容器各自连接在第一转换器输出118与第二转换器输出120之间。
其它实例次级电路类似地经配置，如图1中所展示。这一实例中的第二次级电路包含根据对应交换控制信号SCS3和SCS4操作的晶体管SR3和SR4，以及输出电容器C3和C4。在这一实例，的第三次级电路包含根据对应交换控制信号SCS5和SCS6操作的晶体管SR5和SR6，以及电容器C7和C8。这一实例中的第四次级电路包含根据对应交换控制信号SCS7和SCS8操作的晶体管SR7和SR8，以及输出电容器C7和C8。如同第一变压器单元122-1的次级电路一样，其余三个变压器次级电路中的电容器独立地连接在第一转换器输出118与第二转换器输出120之间，且其余三个次级电路的晶体管独立地连接在对应次级绕组的第二端部与第一转换器输出118之间。
功率转换系统100还包含控制电路或驱动电路124。控制电路124包含第一输出集合126，其提供初级侧交换控制信号SCP1和SCP2以交替地开启和关闭Q1和Q2。这将交换节点106交替地耦合到输入节点102、104，以将AC信号提供到变压器初级绕组P1到P4。如果次级电路包含一或多个晶体管，那么一个实例中的控制电路124还包含第二输出集合128。在替代地使用次级侧整流二极管的情况下，可省略输出128。所说明的实例中的输出128为次级晶体管SR1到SR8提供交换控制信号SCS1到SCS8的第二集合以整流来自次级电路的AC信号，从而在转换器输出118和120处提供DC输出电压信号VO。控制电路124可以是单一装置，或可由两个或更多个控制器芯片或控制器电路来实施。交换控制信号SCP、SCS的第一和第二集合在某些实例中同步。某些实例中的控制电路124以闭合环路方式操作，从而根据一或多个反馈信号和所需输出信号或设定点来调节输出电压信号VO。在图1的实例中，控制电路124接收输出电压反馈信号VO(例如来自第二转换器输出120相对于第一转换器输出118处的参考电压或接地电压)，并且也接收输出电流反馈信号IO。图1的实例包含与第一输出节点118相关联的电流传感器，以提供输出电流反馈信号IO。这一实例使用低侧输出电流传感。其它实例中可使用不同传感配置和反馈电路。
图2展示提供具有五个E形变压器和电感器芯结构110-1到110-5以及在第一变压器芯结构110-1上方的大体平面顶部芯结构110-T的集成磁路的芯堆叠结构130。这一实例中的集成磁路包含用于变压器耦合的四个变压器单元和用于LLC谐振转换器100的谐振电感器的一个底部单元。一个实例中的单元使用粘合剂(未展示)以机械方式安装于堆叠结构130中。举例来说，在相邻芯结构110之间存在或不存在的情况间隙下，变压器和电感器单元可胶粘在一起。其它实例中可使用机械安装结构(未展示)。单独芯结构110可安置为与一或多个相邻芯结构110接触。在所说明的实例中，电感器和变压器芯结构110在芯堆叠结构130中彼此间隔开，以提供在每一电感器和变压器芯结构与相邻变压器或顶部芯结构之间的一或多个间隙G。在其它实例中，芯结构110中的一些可间隔开以提供间隙G，同时其它芯结构与一或多个相邻芯结构110接触。
变压器和电感器绕组可以是缠绕或以其它方式围绕芯结构延伸以便提供变压器操作且形成谐振电感器LR的任何合适的导电结构。所说明的实例为竖直堆叠结构，具有在底部上的变压器芯110-5，其中每一E形芯结构110沿所说明竖直或Y方向朝上。在图2中，变压器初级绕组P1到P4和次级绕组S1到S8形成为导电结构，例如在对应变压器单元的变压器单元印刷电路板(PCB)上或在其中围绕变压器芯结构110-1、110-2、110-3、110-4延伸的迹线。并且，这一实例中的电感器绕组LW为在电感器单元PCB上或在其中围绕电感器芯结构110-5延伸的导电结构。举例来说，给定单元的导电结构可形成于单一对应多层PCB上，其中针对不同绕组具有不同层。可调适导电结构的数目和性质以提供任何所需初级与次级变压器匝数比，且形成绕组的导电结构可经设定大小以支持任何所需电平的初级和次级电路电流流量以供用于给定最终用途应用。
在图2的实例中，用于变压器和电感器单元的单独导电结构形成为单一导体迹线，其覆盖PCB结构的给定层的绝大部分且至少部分地围绕对应E形芯结构的中心支脚延伸。这有助于在减少绕组损耗的情况下支持高电流电平。对于变压器单元，一个初级绕组和两个次级绕组(例如第一变压器单元122-1的P1、S1和S2)可形成为单一PCB的不同层上的迹线或其它导电结构。在一个实例中，次级绕组形成于顶部和底部层上，且初级绕组形成于一或多个中间层中，虽然并非所有可能实施方案都要求如此。在其它实例中，可使用绝缘导线来形成堆叠结构130中的变压器和/或电感器绕组。在其它实例中，变压器和/或电感器绕组可形成为单独PCB结构上的导电结构，其中多个PCB设置在变压器和/或电感器单元中的给定一个中。在所说明的实例中，用于变压器和电感器单元的PCB结构大体为矩形，且包含用以容纳对应E形芯结构110的中心支脚的中心开口，虽然并非所有可能实施方案都要求如此。
图2中的PCB结构的使用还允许在堆叠结构130中紧密集成其它电路组件。在这一实例中，次级晶体管SR1到SR8和次级电容器C1到C8安装在对应变压器单元的变压器单元PCB上。这一布置允许常用印刷电路板组件安装技术和电路板迹线互连将次级晶体管与对应变压器次级绕组串联连接。可将合适的连接器安装到单元电路板(图2中未展示)以提供从次级电路到转换器输出118和120的外部连接，且以便于用于任何所包含输出电容器C0和/或输出电流和输出电压传感组件(图2中未展示)的连接。此外，在图2的实例中，电容器和次级晶体管组件安装在多层PCB结构的顶部侧面和底部侧面上，以便容纳到形成对应上部或下部次级绕组的对应导电结构的连接，其中次级电路设置于多层PCB结构和变压器单元的顶部和底部层上。如图2的实例中进一步展示，电感器单元包含具有一或多个层的PCB结构，其包含一或多个导电结构，所述一或多个导电结构形成围绕对应E形电感器芯110-5的中心支脚的电感器绕组LW。在这一实例中，谐振电路电容器CR安装到电感器单元PCB结构的顶部侧面。
又参看图3和4，图3展示形成为围绕变压器芯结构的中心支脚延伸的在印刷电路板300上或在其中的多匝导电结构或迹线302的实例次级绕组S1的俯视图。在这一实例中，用于绕组S1的上部次级绕组导体迹线302定位于对应PCB结构300的顶部层上。此外，如图2中所展示，对应次级电容器C1和同步整流器次级开关SR1安装在图3中所展示的PCB结构300的相同顶部侧面上。PCB包含对应迹线以将次级绕组S1、电容器C1和次级开关SR1彼此连接，且经由连接器304提供到转换器输出118和120的连接。连接器304可以是安装到PCB 300的组件，或可以是与边缘连接器介接的指状件或迹线，或可提供以制出到转换器输出118和120的连接的任何合适的互连件。PCB 300可包含多个层和通孔或其它层内互连结构，以视需要提供电气连接，以便允许使用多个内部层来提供多匝初级绕组。此外，如图3中进一步展示，上部次级绕组S1与第一变压器芯结构110-1的端部和中心支脚横向地间隔开距离D3。在一个实例中，PCB结构300包含多个层以容纳最上部和最下部次级绕组和对应次级电路组件，以及一或多个中间层以容纳导电结构来形成初级绕组。在某些实例中，在PCB结构300上或中的给定层上的导电结构可为多匝配置，例如图3和7到10中所展示。此外，在某些实例中，导电结构可以是在给定PCB层(例如图11-16)上或在其中的单匝配置，且在一个实例中，给定层上的单匝导电结构在X方向上具有与对应芯结构110的合适的横向间距(例如D3)。
图4展示可用于芯堆叠结构130中的变压器或电感器芯结构110-1到110-5的实例E形变压器芯结构110。芯结构110可由铁或其它适用于提供变压器或电感器芯的含铁材料制成。某些实例中的芯结构110为固体结构。在某些实施方案中，使用层压的芯结构110。芯结构110包含沿着X方向上的橫向宽度W从第一端部延伸到第二端部的基底400。基底400包含顶部侧面T和相对的底部侧面B。E形芯结构包含端部支脚402和404以及中心支脚406。第一端部支脚402在Y方向上接近于第一端部从基底400的顶部侧面T向外延伸(例如从基底400竖直地向上)。第二端部支脚404在Y方向上接近于第二端部从顶部侧面T向外延伸。中间支脚406沿X方向与第一端部支脚402和第二端部支脚404间隔开并处于第一端部支脚402与第二端部支脚404之间，且在Y方向上从顶部侧面T向外延伸。中心支脚406与端部支脚402和406的横向间距提供两个空间，在所述两个空间中，变压器或电感器绕组可至少部分地围绕中心支脚406缠绕。在本说明书中，术语缠绕意指导线、导电PBC迹线或构成变压器或电感器绕组的其它导电结构的延伸，至少部分地围绕芯结构110的至少一部分以提供磁性耦合，从而在初级绕组与次级绕组之间实施电气电感和/或实施变压器耦合。
在图1和2的实例中，电感器绕组LW围绕电感器芯结构110-5的中间支脚406缠绕，且单独变压器初级绕组P1到P4和次级绕组S1到S8围绕对应变压器芯结构110-1、110-2、110-3和110-4的中间支脚406缠绕。在所说明的大体平面芯结构的竖直堆叠中，电感器芯结构110-5和下部三个变压器芯结构110-1、110-2和110-3的端部和中间支脚402、404、406朝向相邻变压器芯结构110-1、110-2、110-3、110-4的基底400，且顶部芯结构110-T包含朝向第一变压器芯结构110-1的端部和中间支脚402、404、406的下部侧面。其它实例可包含任何整数数目N个变压器单元，其中N大于1。在其它实施方案中可使用其它形状和配置的芯结构110。
图5展示具有在相邻单元芯结构之间的间隙G的集成变压器堆叠结构130的前视图。堆叠配置包含在顶部芯结构110-T与第一变压器芯结构110-1的端部支脚之间的间隙G1A和G1B。在这一实例中，间隙G1A和G1B大体上相等，虽然并非所有可能实施方案都要求如此。类似间隙(未标记)设置于顶部芯结构110-T与变压器芯结构110-1的中心支脚之间，虽然并非所有可能实施方案都要求如此。其它相邻芯结构之间的其它间隙在这一实例中为类似的，包含第一变压器芯结构110-1与第二变压器芯结构110-2之间的间隙G2A和G2B、第二变压器芯结构110-2与第三变压器芯结构110-3之间的间隙G3A和G3B、第三变压器芯结构110-3与第四变压器芯结构110-4之间的间隙G4A和G4B，和第四变压器芯结构110-4与电感器芯结构110-5之间的间隙G5A和G5B。在某些实例中，电感器-变压器间隙G5可与变压器-变压器间隙不同。
图5还展示由堆叠芯结构产生的集成磁路中的通量抵消。变压器和电感器绕组定向为且配置成提供如图5中所说明的通量路径，以通过将芯结构110集成在芯堆叠结构130中来促进通量抵消性能。变压器芯结构110-1到110-4的子堆叠提供附加的变压器耦合通量，示出为左侧面通量路径FP1-A和右侧面通量路径FP1-B。图5还展示E形变压器芯结构110-5中的通量路径FP2-A和FP2-B和第四变压器芯结构110-4的基底。四个变压器单元中的通量相同，且通量沿每一变压器单元之间的单元内横向路径FP3而经完全抵消。堆叠芯结构促进每一单元之间的通量抵消，且显著地降低芯损耗以提升热和电气效率和高功率密度。每一单元的对称结构也有助于每一变压器单元的次级并联绕组对的电流平衡，所述次级并联绕组对合并以提供输出电流来驱动连接的负载(未展示)。图5中所展示的通量路径促进集成磁路中的初级和次级电路的低损耗变压器耦合。谐振电感器LR和变压器绕组因此经由集成堆叠结构130共用磁路。堆叠结构130通过高磁导率芯结构材料提供低磁阻路径。由谐振电感器LR和低磁阻路径中的变压器流量而不是具有气隙的高磁阻路径来产生通量。谐振电感器LR和变压器将不彼此磁性地耦合。谐振电感器的通量可随初级电流而变化，且变压器与谐振电感器之间的通量也可部分地经抵消。
又参看图6到10，图6展示具有成形绕组以进一步通过减少边缘损耗来提升效率的另一集成变压器堆叠结构的前视图。单独变压器初级绕组P1到P4和变压器次级绕组S1到S8经堆叠或以其它方式安置于每一单独变压器芯结构110-1、110-2、110-3和110-4的中间支脚406与端部支脚402、404之间的空间中。电感器绕组LW在电感器芯结构110-5的中间支脚406与端部支脚402、404之间的空间中延伸。在上文所描述的图5的实例中，形成最接近芯结构外部支脚的变压器和电感器绕组的导电结构的横向向外边缘与其间隔开距离D3。图6中的实例包含接近端部支脚芯结构间隙G的成形变压器绕组以减少边缘损耗。在所说明的实例中，变压器绕组的最上部绕组安置为离单独变压器单元的基底400最远，且这一实例中的最上部绕组为次级绕组S1、S3、S5、S7。最上部绕组S1、S3、S5和S7与端部支脚402、404横向地间隔开距离D1。
图7展示围绕变压器芯结构110-1的中心支脚在相关联多层PCB 300的顶部层L1上形成为多匝导电结构302的最上部次级绕组S1的俯视图。导电结构302与芯结构110-1的外部支脚间隔开第一距离D1，所述第一距离D1大于图6中的距离D3。图8展示形成为在层L1下方的下部第二PCB层L2中的导电结构800的初级绕组P1的俯视图。这一绕组P1为第一变压器单元中的第二最高绕组，且与芯结构110-1的外部支脚间隔开较小第二距离D2(D2＜D1)。图9展示包含初级绕组P1的延续部分的变压器单元PCB 300的下部第三层L3中的导电结构900。这一导电结构900与芯结构110-1的外部支脚间隔开又一较小第三距离D3，其中D1＞D2＞D3。
在一个实例(例如图6)中，电感器绕组LR全部与电感器芯中心支脚横向地间隔开较小距离D3，虽然并非所有实施方案都要求如此。图10展示其中电感器绕组LW形成为电感器单元PCB 1000上或中的一或多个导电结构1002的这类配置的俯视图。这一实例中的电感器绕组结构1002与电感器芯结构110-5的外部支脚间隔开第三距离D3。如图10中进一步展示，谐振电容器CR安装在PCB结构1000上，且电感器PCB 1000包含迹线以使谐振电感器和电容器CR在节点108与交换节点106之间(图1)串联互连。一个实例中的电感器PCB 100还包含连接器1004，以便于与交换电路132和第一变压器单元122-1的变压器初级绕组P1和P2(上文所描述的图1中的节点108)耦合。
在图6到10中，通过移除一或多个外部匝来成形多匝导电迹线图案。在其它实例中，单匝设置于每一单独PCB层上，且一或多个最上部绕组可通过从接近芯中的气隙的区域中移除铜来成形或成锯齿状以减少由芯堆叠结构130中的气隙引起的边缘损耗。在这个设计中，最接近于气隙的变压器绕组的顶部两个层经成形，虽然并非本文中所描述的绕组成形技术的所有可能实施方案都要求如此。减小或成形接近气隙G的绕组减少边缘损耗，但可增加绕组传导损耗。可调适成形绕组以平衡成形的一或多个绕组中的边缘损耗与AC传导损耗之间的折衷，以便于降低总绕组和边缘损耗。
图3和7到10的实例包含PCB结构300的给定层上的多匝导电迹线结构。在其它实施方案中，单匝导电结构或迹线可形成于多层PCB结构300的给定层上。这可为有利的，以便提升给定设计的载流能力。图11展示形成为多层PCB 300的顶部层Ly上的单一宽迹线导电结构的最上部次级绕组S1的俯视图。在这一实例中，如上文所描述使用成形绕组技术，其中绕组S1与外部芯支脚间隔开第一距离D1。图12展示形成为多层PCB 300的下部第二层L2中的单一宽迹线导电结构的初级绕组P1的第一部分的俯视图。在这一实例中，形成初级绕组P1的部分的第二层迹线与芯结构的外部支脚间隔开较小第二距离D2。图13展示形成为PCB结构300的下部第三层L3中的单一宽迹线导电结构的初级绕组P1的第二部分的俯视图，其中第三层迹线与芯结构110-1的外部支脚间隔开另一较小第三距离D3。图14展示与芯结构的外部支脚间隔开D3的形成为PCB 300的下部第四层L4中的单一宽迹线导电结构的初级绕组P1的第三部分的俯视图。图15展示也与芯结构的外部支脚间隔开第三距离D3的形成为多层PCB 300的下部第五层L5中的单一宽迹线导电结构的初级绕组P1的第四部分的俯视图。图16展示形成为多层印刷电路板300的下部第六层(例如底部层)中的单一宽迹线导电结构的第二次级绕组S2的俯视图，其中这一实例中的第二次级绕组S2与芯结构的外部支脚间隔开距离D3。
又参看图17到19，所描述实例可用以促进更高转换器效率和功率密度，和紧密功率转换器。图17展示将具有具备如上文所描述的堆叠芯(N＝4)的集成变压器的LLC谐振转换器的芯损耗1702与具有分离芯的LLC谐振转换器设计的芯损耗1704进行比较的图表1700。如图17中所展示，相比于具有用于变压器和谐振电感器的分离芯的设计，转换器100的集成设计可显著地减少芯损耗。图18展示使不具有绕组成形的集成LLC变压器绕组设计的绕组损耗1802与使用如图11到16中所展示的成形绕组的上文所描述的集成设计的绕组损耗1804进行比较的图表1800。图19展示分别说明对于具有具备如上文所描述的堆叠芯的集成变压器的谐振LLC转换器的不同负载的经测量和估计效率曲线1902和1904的图表1900，不包含控制电路124(图1)的功率消耗，其中因为初级侧GaN FET Q1和Q2的第三象限操作停滞时间和次级SR开关的二极管传导时间并未完全经优化，所以测量效率低于估计效率。
所描述集成变压器磁路和转换器100有助于包含变压器、谐振电感器、SR MOSFET和输出电容器CO的紧密LLC谐振转换器结构。使用用于初级侧开关Q1和Q2的GaN FET进一步减少栅极驱动器损耗和关闭损耗，且具有堆叠平面芯结构、成形绕组和同步整流器MOSFET的集成变压器减少芯损耗和绕组损耗。所描述实例提供用于高性能服务器和电信应用的有利解决方案，所述高性能服务器和所述电信应用需要高效率和高功率密度，以及LLC谐振转换器的零电压交换和零电流交换优势。所描述实例有助于在于更高交换频率下使用集成磁性电路来对抗磁性组件损耗的同时促进更高频率操作以减小磁性组件大小并增大功率密度。进一步使用GaN或其它宽带初级晶体管Q1和Q2来减少开关损耗，以进一步促进紧密高效转换器中的高频操作。
在权利要求书的范围内，对所描述实施例的修改是可能的，且其它实施例是可能的。

Claims (18)

1.一种功率转换装置，其包括：
初级装置，其包含具有第一开口的第一平面结构和具有第二开口的第二平面结构，所述第一平面结构包含缠绕在所述第一开口的第一初级绕组，以及所述第二平面结构包含与所述第一初级绕组串联耦合且缠绕在所述第二开口的第二初级绕组；
第一次级装置，其包含具有第三开口的第三平面结构和具有第四开口的第四平面结构，所述第一次级装置包含被所述第一初级绕组插入的第一次级绕组和第二次级绕组，其中所述第一次级绕组缠绕所述第三开口，以及所述第二次级绕组缠绕所述第四开口；
第二次级装置，其包含具有第五开口的第五平面结构和具有第六开口的第六平面结构，所述第二次级装置包含被所述第二初级绕组插入的第三次级绕组和第四次级绕组，其中所述第三次级绕组缠绕所述第五开口，以及所述第四次级绕组缠绕所述第六开口；以及
堆叠结构，其包含：
第一芯结构，其包含延伸穿过所述第一开口、所述第三开口和所述第四开口的第一支脚；及
第二芯结构，其包含延伸穿过所述第二开口、所述第五开口和所述第六开口的第二支脚，其中所述第一芯结构和所述第二芯结构与对准的所述第一支脚和所述第二支脚堆叠。
2.根据权利要求1所述的功率转换装置，其中所述第一平面结构至所述第六平面结构是第一印刷电路板结构至第六印刷电路板结构，所述第一印刷电路板结构至所述第六印刷电路板结构具有打印于其上的对应绕组。
3.根据权利要求2所述的功率转换装置，其中：
所述第一印刷电路板结构、所述第三印刷电路板结构和所述第四印刷电路板结构是第一多层中的第一层、第三层和第四层；以及
所述第二印刷电路板结构、所述第五印刷电路板结构和所述第六印刷电路板结构是第二多层中的第二层、第五层和第六层。
4.根据权利要求1所述的功率转换装置，其包括：
电感器装置，其包含：
具有第七开口的第七平面结构和与所述第一初级绕组及所述第二初级绕组串联耦合且缠绕所述第七开口的电感器绕组；
其中所述堆叠结构还包含具有第三支脚的第三芯结构，所述第三支脚延伸穿过所述第七开口；以及
其中所述第三芯结构与所述第一芯结构和所述第二芯结构堆叠，所述第三支脚与所述第一支脚和所述第二支脚对准。
5.根据权利要求1所述的功率转换装置，其中所述第一芯结构包含：
基底，其在第一方向上从第一端部延伸到第二端部，所述基底包含顶部侧面和相对的底部侧面，
第一端部支脚，其在第二方向上接近于所述第一端部从所述基底的所述顶部侧面向外延伸，
第二端部支脚，其在所述第二方向上接近于所述第二端部从所述基底的所述顶部侧面向外延伸，和
所述第一支脚，其在所述第二方向上从所述基底的所述顶部侧面向外延伸，所述第一支脚沿所述第一方向与所述第一端部支脚和所述第二端部支脚间隔开并处于所述第一端部支脚与所述第二端部支脚之间。
6.根据权利要求5所述的功率转换装置，其中
其中所述第一次级绕组安置为离所述基底最远；且
其中所述第一次级绕组与所述端部支脚横向地间隔开大于所述第一初级绕组和所述端部支脚的横向间隔距离的距离。
7.根据权利要求6所述的功率转换装置，其中所述第一初级绕组沿着所述第二方向安置于所述第一次级绕组和所述第二次级绕组之间，其中所述第一初级绕组包含第一部分和第二部分，所述第二部分安置于所述第一部分和所述第二次级绕组之间，其中所述第一部分与所述端部支脚横向地间隔开大于所述第二部分和所述端部支脚之间的横向间隔距离且小于所述第一次级绕组和所述端部支脚之间的所述横向间隔距离的距离。
8.一种功率转换装置，其包括：
第一变压器结构，其包含：
具有第一开口的第一平面结构；
具有第二开口的第二平面结构；
第一初级绕组，其缠绕所述第一开口；
第一次级绕组，其缠绕所述第二开口；以及
第一芯结构，其包含第一支脚，其中所述第一平面结构和所述第二平面结构与穿过所述第一开口和所述第二开口的所述第一支脚堆叠；以及
第二变压器结构，其包含：
具有第三开口的第三平面结构；
具有第四开口的第四平面结构；
第二初级绕组，其缠绕所述第三开口；
第二次级绕组，其缠绕所述第四开口；以及
第二芯结构，其包括第二支脚，其中所述第三平面结构和所述第四平面结构与穿过所述第三开口和所述第四开口的所述第二支脚堆叠；并且所述第一芯结构和所述第二芯结构与对准的所述第一支脚和所述第二支脚堆叠。
9.根据权利要求8所述的功率转换装置，其包括：
电感器结构，其包含：
具有第五开口的第五平面结构；
电感器绕组，其缠绕所述第五开口；以及
第三芯结构，其包含第三支脚，所述第三支脚穿过所述第五开口，其中所述第一芯结构、所述第二芯结构和所述第三芯结构与对准的所述第一支脚、所述第二支脚和所述第三支脚堆叠。
10.根据权利要求9所述的功率转换装置，其中所述第一变压器结构堆叠在所述第二变压器结构和所述电感器结构之间。
11.根据权利要求9所述的功率转换装置，其进一步包括在所述第五平面结构上的电容器。
12.根据权利要求9所述的功率转换装置，其中：
所述第一变压器结构包含：
具有第六开口的第六平面结构；以及
第三次级绕组，其缠绕所述第六平面结构中的所述第六开口，其中所述第一支脚延伸进入所述第六开口；以及
所述第二变压器结构包含：
具有第七开口的第七平面结构；以及
第四次级绕组，其缠绕所述第七平面结构中的所述第七开口，其中所述第二支脚延伸进入所述第七开口。
13.根据权利要求12所述的功率转换装置，其中：
所述第一平面结构堆叠在所述第二平面结构和所述第六平面结构之间，以及
所述第三平面结构堆叠在所述第四平面结构和所述第七平面结构之间。
14.根据权利要求12所述的功率转换装置，其进一步包括：
在所述第二平面结构的一侧上的第一整流器装置和第一电容器；
在所述第六平面结构的一侧上的第二整流器装置和第二电容器；
在所述第四平面结构的一侧上的第三整流器装置和第三电容器；以及
在所述第七平面结构的一侧上的第四整流器装置和第四电容器。
15.根据权利要求8所述的功率转换装置，其中所述第一平面结构至所述第四平面结构是第一印刷电路板结构至第四印刷电路板结构。
16.根据权利要求15所述的功率转换装置，其中：
所述第一印刷电路板结构具有打印于其上的所述第一初级绕组；
所述第二印刷电路板结构具有打印于其上的所述第一次级绕组；
所述第三印刷电路板结构具有打印于其上的所述第二初级绕组；以及
所述第四印刷电路板结构具有打印于其上的所述第二次级绕组。
17.根据权利要求15所述的功率转换装置，其中：
所述第一印刷电路板结构和所述第二印刷电路板结构是第一多层中的第一层和第二层；以及
所述第三印刷电路板结构和所述第四印刷电路板结构是第二多层中的第三层和第四层。
18.根据权利要求8所述的功率转换装置，其中：
所述第一芯结构具有第一沟槽，所述第一平面结构和所述第二平面结构堆叠在所述第一沟槽内；以及
所述第二芯结构具有第二沟槽，所述第三平面结构和所述第四平面结构堆叠在所述第二沟槽内。
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