CN113327751A

CN113327751A - 小体积磁集成器件

Info

Publication number: CN113327751A
Application number: CN202110581564.9A
Authority: CN
Inventors: 熊冬梅; 黄亭
Original assignee: Shenzhen Saidiford Technology Co ltd
Current assignee: Shenzhen Saidiford Technology Co ltd
Priority date: 2021-05-27
Filing date: 2021-05-27
Publication date: 2021-08-31

Abstract

本发明公开了一种小体积磁集成器件，属于电子元件领域，其包括上磁芯、下磁芯、变压器磁芯柱、第一电感磁芯柱和第二电感磁芯柱；还包括一对连接上、下磁芯的磁芯边柱；且该对磁芯边柱两侧相互间隔，间隔处形成隔断上磁芯和下磁芯的开口；第一电感磁芯柱、第二电感磁芯柱和变压器磁芯柱设置在该对磁芯边柱之间，且第一电感磁芯柱和第二电感磁芯柱均靠近其中一磁芯边柱；与现有技术相比，上、下磁芯和一对磁芯边柱形成公共磁通路径；第二电感线圈绕组第一电感线圈绕组产生的磁通在公共磁通路径上相互抵消；此时即使公共区域厚度极薄，也不会出现磁通饱和导致电感的有效感量降低，本发明的方案，大大减小磁集成器的生产耗料和整个磁集成器的体积。

Description

小体积磁集成器件

技术领域

本发明属于电子元件领域，具体为一种小体积磁集成器件。

背景技术

应绿色环保的可持续发展大趋势要求，高效节能当前是表征开关电源性能竞争力的主要参数之一，而具备软开关特性和双向功率变换功能的CLLC或称CLLLC电路拓扑是当前主流的应用方案，尤其在储能和新能源汽车的充电系统中应用尤为广泛。

双向功率变换拓扑CLLC/CLLLC电路的磁集成技术，在双向功率变换拓扑CLLC/CLLLC电路中至少会使用到3个功能磁元件：原边谐振电感L1、功率变压器Tx、副边谐振电感L2，如说明书附图图1所示。

现有技术的主要实施方案是使用三个分立的单一功能磁元件实现电路功能，这种方案的缺点有功率密度低，效率低和成本高；整个电路体积大；也有些方案中将L1和L2用变压器Tx的漏感替代，但变压器的漏感较小，难以匹配功能电路的最佳需求，若采用将就的折衷方案则电源的性能难以实现最佳化，并且漏感感量一致性难以控制。若变压器采用弱耦合工艺特意增加漏感，则会导致变压器交流损耗明显增加，从而带来二外的散热问题和电磁干扰问题。

为了解决上述问题，随之现有技术中出现了磁集成器件，例如专利号为202020186833.2的在先文件，公开了一种基于CLLC电路的磁集成器件及功率转换电路；将变压器和两个电感集成在一起；利用变压器与电感集成后磁路共用，减少了磁元件的个数，从而减小器件整体体积；但是该专利中没有考虑电感磁通量叠加的问题；导致公共磁路厚度较大；因此还可以对磁集成器的结构做进一步的优化，使得整个磁集成器体积更小。

发明内容

针对上述技术中存在的不足之处，本发明提供一种小体积磁集成器件，将变压器和两个电感集成在磁芯上；同时将两个电感设置在同一边柱的一侧，使得两个电感产生的感应磁场在磁集成器的公共磁通区域上的磁通方向相反，相互抵消；此时即使磁芯的公共区域厚度极薄，也不会出现磁通饱和导致电感的有效感量降低，本发明的方案，大大减小磁集成器的生产耗料和整个磁集成器的体积。

为实现上述目的，本发明提供一种小体积磁集成器件，包括上磁芯和下磁芯，设置在上磁芯和下磁芯之间的变压器磁芯柱和第一电感磁芯柱、第二电感磁芯柱；其中，第一电感磁芯柱用于缠绕第一线圈绕组，第二电感磁芯柱用于缠绕第二线圈绕组；变压器磁芯柱上用于缠绕原边绕组和副边绕组；

还包括一对连接上磁芯和下磁芯的磁芯边柱；且该对磁芯边柱两侧相互间隔，间隔处形成隔断上磁芯和下磁芯的开口；第一电感磁芯柱、第二电感磁芯柱和变压器磁芯柱设置在该对磁芯边柱之间，且第一电感磁芯柱和第二电感磁芯柱均靠近其中一磁芯边柱。

具体的方案，第一电感磁芯柱上绕有第一线圈绕组，第二电感磁芯柱上绕有第二线圈绕组，且第一线圈绕组在第一电感磁芯柱的磁通方向与第二线圈绕组在第二电感磁芯柱的磁通方向相反。

优选的方案，第一电感磁芯柱和第二电感磁芯柱中心点的连线与较近的磁芯边柱平行。

优选的方案，变压器磁芯柱的中心点、第一电感磁芯柱和第二电感磁芯柱的中心点不共线。

优选的方案，较近的磁芯边柱靠近第一电感磁芯柱和第二电感磁芯柱的面设有第一凹槽和第二凹槽，第一凹槽和第二凹槽的位置与分别与第一电感磁芯柱和第二电感磁芯柱对应。

优选的方案，变压器磁芯柱上设有原边绕组和副边绕组，第一线圈绕组的圈数平方与第一磁芯柱的截面积乘积与第二线圈绕组的圈数平方与第二磁芯柱的截面积乘积的比值与变压器原边绕组与副边绕线圈数比的比值为0.9-1.1。

具体的方案，上磁芯、下磁芯和一对磁芯边柱均为软磁材料，引导第一电感线圈绕组、第二电感线圈绕组产生的磁通穿过，形成公共磁通路径。

具体的方案，第一电感线圈绕组产生的磁通依次通过上磁芯、较远磁芯边柱、下磁芯形成回路；或者依次通过上磁芯、较近磁芯边柱、下磁芯形成回路；

第二电感线圈绕组产生的磁通依次通过下磁芯、较远边柱、上磁芯形成回路；或者依次通过下磁芯、较近磁芯边柱、上磁芯形成回路；

第二电感线圈绕组产生的磁通与第一电感线圈绕组产生的磁通在公共磁通路径上相互抵消。

优选的方案，第一电感磁芯柱和第二电感磁芯柱上均设有气隙。

优选的方案，上磁座和下磁座为可分离结构。

本发明的有益效果是：本发明提供的小体积磁集成器件，小体积磁集成器件，包括上磁芯和下磁芯，设置在上磁芯和下磁芯之间的变压器磁芯柱和第一电感磁芯柱、第二电感磁芯柱；还包括一对连接上磁芯和下磁芯的磁芯边柱；且该对磁芯边柱两侧相互间隔，间隔处形成隔断上磁芯和下磁芯的开口；第一电感磁芯柱、第二电感磁芯柱和变压器磁芯柱设置在该对磁芯边柱之间，且第一电感磁芯柱和第二电感磁芯柱均靠近其中一磁芯边柱；与现有技术相比，上磁芯、下磁芯和一对磁芯边柱形成公共磁通路径；第二电感线圈绕组产生的磁通与第一电感线圈绕组产生的磁通在公共磁通路径上相互抵消；此时即使公共区域厚度极薄，也不会出现磁通饱和导致电感的有效感量降低，本发明的方案，大大减小磁集成器的生产耗料和整个磁集成器的体积。

附图说明

图1为CLLC电路电路图。

图2为本发明的整体结构爆炸图；

图3为本发明上磁性座平面结构图；

图4为本发明的整体结构图；

图5为本发明的两个电感产生的磁通传导路径示意图；

图6为本发明的变压器产生的磁通传导路径示意图。

主要元件符号说明如下：

1、上磁芯；2、下磁芯；3、第二电感磁芯柱；4、第一电感磁芯柱；5、变压器磁芯柱；6、较近磁芯边柱；7、另一磁芯边柱；81、第二凹槽；82、第二凹槽；31、第二线圈绕组；41、第一线圈绕组；61、原边绕组和副边绕组。

具体实施方式

为了更清楚地表述本发明，下面结合附图对本发明作进一步地描述；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；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

关于本文中所使用的“第一”、“第二”、……等，并非特别指称次序或顺位的意思，亦非用以限定本发明，其仅为了区别以相同技术用语描述的元件或操作。

关于本文中所使用的“电性耦接”，可指二或多个元件相互直接作实体或电性接触，或是相互间接作实体或电性接触，而“电性耦接”还可指两个或多个元件相互操作或动作。

关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。

关于本文中所使用的“及/和”，包括所述事物的任一或全部组合。

关于本文中所使用的方向用语，例如：上、下、左、右、前或后等，仅是参考附加图式的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本案。

现有技术中的CLLC电路可以实现双向DCDC变换；如图1所示；该电路由原边全桥电路和副边全桥电路组成，原边和副边均由有源器件构成，原边和副边各串联电容和电感,形成谐振电路,原副边通过变压器实现电气隔离；CLLC电路由谐振电感L1、谐振电感L2、变压器T及原负边谐振电容组成；背景技术中提到的在先申请中，虽然将两个谐振电感和变压器集成到了一起，相比于三个单独的元件缩小了体积，但是在其两个边柱的位置两个电感的磁通是正向叠加的，两个边柱位置容易出现磁通饱和，导致电感的有效感量降低，从而影响谐振效果；为了防止该情况发生，只能将边柱增厚；但这样，整个磁集成器的体积不仅会增大，而且生产耗料增加，大大提高了生产成本。

基于此，本发明提供一种小体积磁集成器件，包括上磁芯1和下磁芯2，设置在上磁芯1和下磁芯2之间的变压器磁芯柱5和第一电感磁芯柱4、第二电感磁芯柱3；其中，第一电感磁芯柱4用于缠绕第一线圈绕组41，第二电感磁芯柱3用于缠绕第二线圈绕组31；变压器磁芯柱5上用于缠绕原边绕组和副边绕组61；

还包括一对连接上磁芯1和下磁芯2的磁芯边柱；且该对磁芯边柱两侧相互间隔，间隔处形成隔断上磁芯1和下磁芯2的开口；第一电感磁芯柱4、第二电感磁芯柱3和变压器磁芯柱5设置在该对磁芯边柱之间，且第一电感磁芯柱4和第二电感磁芯柱3均靠近其中一磁芯边柱。

与现有技术相比，上磁芯1、下磁芯2和一对磁芯边柱形成公共磁通路径；第二电感线圈绕组产生的磁通与第一电感线圈绕组产生的磁通在公共磁通路径上完全相互抵消；此时即使公共区域厚度极薄，也不会出现磁通饱和导致电感的有效感量降低，本发明的方案可以大大减小磁集成器的生产耗料和整个磁集成器的体积；特别是在当今追求电子设备体积越小越好的消费观念下，具有重要意义。

在本实施例中，上磁芯1、下磁芯2和一对磁芯边柱均为软磁材料，引导第一电感线圈绕组、第二电感线圈绕组产生的磁场穿过，形成公共磁通路径；在本实施例中，第二电感线圈绕组产生的磁通与第一电感线圈绕组产生的磁通路径完全相同；且第一线圈绕组41和第二线圈绕组31上的电流方向相反；使得第一线圈绕组41和第二线圈绕组31产生的感应磁场的方向相反；在全部公共磁通路径上相互抵消；不会在局部出现叠加。

本发明中的软磁材料可以为铁氧体、非晶、纳米晶、硅钢等硬饱和特性磁材料。

参阅图5，在通入电流后第一电感线圈绕组产生的感应磁场为E1，其依次穿过上磁芯1截面、较远磁芯边柱截面、下磁芯2截面形成回路，该回路的磁通为Φ1A；或者依次通过上磁芯1的截面、较近磁芯边柱6截面、下磁芯2截面形成回路，该回路的磁通为Φ1B；在通入电流后第二电感线圈绕组产生的感应磁场为E2，其依次穿过下磁芯2截面、较远边柱截面、上磁芯1截面形成回路；该回路的磁通为Φ2A；或者依次通过下磁芯2截面、较近磁芯边柱6截面、上磁芯1截面形成回路；回路的磁通为Φ2B；由于第一电感线圈和第二电感线圈中的电流方向相反，故E1和E2的方向相反；Φ1A与Φ2A可以相互抵消；Φ1B和Φ2B可以相互抵消。

在本实施例中，由于磁通Φ1A与磁通Φ2A通过的面完全相同，磁通Φ1B和Φ2B通过的面也完全相同；控制电流大小，使得E1＝E2时，第一电感线圈和第二电感线圈在公共区域的磁通即可完全抵消。

在本实施例中，第一电感线圈中的电流大小与变压器原边电流相同，第一电感线圈中的电流大小与变压器幅边相同；在不考虑损耗情况下变压器原边与副边的电流比等于原边绕组和副边绕组61圈数的反比；要使得磁通Φ1A与磁通Φ2A相等，则应满足变压器磁芯柱5上设有原边绕组和副边绕组61，第一线圈绕组41的圈数平方与第一磁芯柱的截面积乘积与第二线圈绕组31的圈数平方与与第二磁芯柱的截面积乘积的比值与变压器原边绕线与副边绕线匝数比的比值为1即可，考虑到变压器的励磁，该比值为0.9-1.1较佳；可以保证第一电感线圈和第二电感线圈在公共区域的磁通大小相等，方向相反。

即满足关系：(n₁ ²*S₁/n₂ ²*S₂):(N₁/N₂)＝(0.9-1.1)；其中n、N、S分别代表线圈绕组数、磁芯柱面积和绕组匝数。

参阅图6，变压器原边绕组和副边绕组61产生的励磁磁通包括Φ3A和Φ3B；Φ3A的路径是从上磁芯1中部向左穿过上磁芯1的截面后，再穿过较第一电感近的磁芯边柱截面，最后通过下磁芯2截面后形成回路；Φ3B的路径是从上磁芯1中部向右穿过上磁芯1的截面后，再穿过另一磁芯边柱7截面，最后通过下磁芯2截面后形成回路；由于Φ3A、Φ3B与Φ1A、Φ2A、Φ1B和Φ2B的时序存在差异；Φ3A、Φ3B不可能与Φ1A、Φ2A、Φ1B或Φ2B完全抵消；故下磁芯2、上磁芯1和两磁芯边柱的厚度只需使得Φ3A和Φ3B小于饱和值即可；相比于背景技术中的在先方案，磁芯上的损耗降低了，磁芯的体积减小了，成本也相应的降低了。

在本实施例中，且第一电感磁芯柱4和第二电感磁芯柱3中心点的连线与较近的磁芯边柱相互平行；第一电感磁芯柱4和第二电感磁芯柱3与磁芯边柱的距离相等；由于上磁芯1和下磁芯2均存在一定磁阻，所以相等能够使得第一电感线圈和第二电感线圈产生的磁场均以最小磁阻路径被引导至磁芯边柱上，并按照预定的磁通回路传导；若第一电感磁芯柱4和第二电感磁芯柱3到较近边柱的距离不相等，则在第一电感磁芯柱4和第二电感磁芯柱3的中间部分会出现磁通正向叠加的现象；为了防止该中间部分磁通饱和，需要将该上磁芯1和下磁芯2在中间部分位置厚度增大；因此，第一电感磁芯柱4和第二电感磁芯柱3与磁芯边柱的距离相等；可以保证全部公共磁通路径上的，第一电感线圈和第二电感线圈产生的磁通完全抵消，无任何叠加区域，最极限的较小整个磁集成器件的体积和耗材。

在本实施例中，变压器磁芯柱5可以根据实际需要与第一电感磁芯柱4和第二电感磁芯柱3设计在同一排，为了防止变压器原边绕组和副边绕组61产生的磁场影响第一电感线圈和第二电感线圈产生的磁场；同一排设计时应该将变压器磁芯柱5设计在最前端或者最后端；优选的方案，变压器磁芯柱5的中心点、第一电感磁芯柱4和第二电感磁芯柱3的中心点不共线；即将第一电感磁芯柱4和第二电感磁芯柱3排列成一排，变压器磁芯柱5设置在另一排，且变压器磁芯柱5与第一电感磁芯柱4和第二电感磁芯柱3中心点的连线平行；这样变压器上原边绕组和副边绕组61不会对第一电感线圈和第二电感线圈中间的磁场产生干扰；具体的，变压器磁芯柱5均关于第一电感磁芯柱4和第二电感磁芯柱3中心点的连线的中垂线对称；这样即使考虑到变压器的磁场影响第一电感线圈和第二电感线圈生成的磁场可以对称分布。

在本实施例中，第一电感磁芯柱4、第二电感磁芯柱3和变压器磁芯柱5上均设有气隙；气隙位于第一电感磁芯柱4和第二电感磁芯柱3的中间或者端部；气隙可以控制变压器感量和电感感量；此处气隙不仅可以防止第一电感自身产生的磁通使第一电感磁芯柱4饱和，还可以起到明显减弱第一电感线圈与第二电感线圈耦合的效果。

在本实施例中，较近的磁芯边柱靠近第一电感磁芯柱4和第二电感磁芯柱3的面设有第二凹槽82和第二凹槽81，第二凹槽82和第二凹槽81的位置与分别与第一电感磁芯柱4和第二电感磁芯柱3对应；设置第二凹槽82和第二凹槽81作用是为了对磁芯边柱的结构进行优化，减少磁芯边柱不必要的用料。

具体的方案，为了使用时绕线方便上磁芯1和下磁芯2为可分离结构。

例如第一电感磁芯柱4、第二电感磁芯柱3、变压器磁芯柱5、磁芯边柱均一部分设置在上磁芯1，另一部分设置的下磁芯2；上磁芯1和下磁芯2结合时，各个部件组合在一起；例如第一电感磁芯柱4、第二电感磁芯柱3、变压器磁芯柱5、磁芯边柱均设置在上磁芯1，下磁芯2直接与上磁芯1上的单个或者多个各个部件接触即可。

其他将第一电感磁芯柱4、第二电感磁芯柱3、变压器磁芯柱5、磁芯边柱的拆分和多个组合方式，以及其他将第一电感绕线柱、第二电感绕线柱、变压器绕线柱拆分为多数个磁柱均应落入本发明的保护范围内。

本发明的优势在于：

1、将两个电感和变压器集成在一起，相比于现有技术中3个元件单独设置，大大减小了磁芯尺寸，提升了功率密度，降低了材料成本；

2、第一电感磁芯柱和第二电感磁芯柱设置为靠近其中一磁芯边柱，变压器磁芯柱设置在靠近另一磁芯边柱的一侧；与现有技术相比，上磁芯、下磁芯和一对磁芯边柱形成公共磁通路径；第二电感线圈绕组产生的磁通与第一电感线圈绕组产生的磁通在公共磁通路径上相互抵消；此时即使公共区域厚度极薄，也不会出现磁通饱和导致电感的有效感量降低，本发明的方案，大大减小磁集成器的生产耗料和整个磁集成器的体积。

3、合理的配置线圈匝数、磁芯截面积和线圈绕制工艺实现公共磁路内磁通相互抵消，降低了磁芯损耗，提升了效率。

4、合理选取线圈匝数、磁芯截面积及磁芯气隙的大小，每个功能磁元件电感量可以按照功能电路要求实现精准的参数匹配，消除了感量与工艺的折衷带来的效率损失。

以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但是本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。

Claims

1.一种小体积磁集成器件，包括上磁芯和下磁芯，设置在上磁芯和下磁芯之间的变压器磁芯柱和第一电感磁芯柱、第二电感磁芯柱；其中，第一电感磁芯柱用于缠绕第一线圈绕组，第二电感磁芯柱用于缠绕第二线圈绕组；变压器磁芯柱上用于缠绕原边绕组和副边绕组；

其特征在于，还包括一对连接上磁芯和下磁芯的磁芯边柱；且该对磁芯边柱两侧相互间隔，间隔处形成隔断上磁芯和下磁芯的开口；第一电感磁芯柱、第二电感磁芯柱和变压器磁芯柱设置在该对磁芯边柱之间，且第一电感磁芯柱和第二电感磁芯柱均靠近其中一磁芯边柱。

2.根据权利要求1所述的小体积磁集成器件，其特征在于，第一电感磁芯柱上绕有第一线圈绕组，第二电感磁芯柱上绕有第二线圈绕组，且第一线圈绕组在第一电感磁芯柱的磁通方向与第二线圈绕组在第二电感磁芯柱的磁通方向相反。

3.根据权利要求1所述的小体积磁集成器件，其特征在于，第一电感磁芯柱和第二电感磁芯柱中心点的连线与较近的磁芯边柱平行。

4.根据权利要求3所述的小体积磁集成器件，其特征在于，变压器磁芯柱的中心点、第一电感磁芯柱和第二电感磁芯柱的中心点不共线。

5.根据权利要求3所述的小体积磁集成器件，其特征在于，较近的磁芯边柱靠近第一电感磁芯柱和第二电感磁芯柱的面设有第一凹槽和第二凹槽，第一凹槽和第二凹槽的位置与分别与第一电感磁芯柱和第二电感磁芯柱对应。

6.根据权利要求1所述的小体积磁集成器件，其特征在于，变压器磁芯柱上设有原边绕组和副边绕组，第一线圈绕组的圈数平方与第一磁芯柱的截面积乘积与第二线圈绕组的圈数平方与第二磁芯柱的截面积乘积的比值与变压器原边绕组与副边绕线圈数比的比值为0.9-1.1。

7.根据权利要求1所述的小体积磁集成器件，其特征在于，上磁芯、下磁芯和一对磁芯边柱均为软磁材料，引导第一电感线圈绕组、第二电感线圈绕组产生的磁通穿过，形成公共磁通路径。

8.根据权利要求7所述的小体积磁集成器件，其特征在于，第一电感线圈绕组产生的磁通依次通过上磁芯、较远磁芯边柱、下磁芯形成回路；或者依次通过上磁芯、较近磁芯边柱、下磁芯形成回路；

9.根据权利要求1所述的小体积磁集成器件，其特征在于，第一电感磁芯柱和第二电感磁芯柱上均设有气隙。

10.根据权利要求1所述的小体积磁集成器件，其特征在于，上磁座和下磁座为可分离结构。