CN114121442B - 一种用于电力电子变换器的低交流铜损平面磁件绕组 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于电力电子变换器的带低交流铜损平面磁件绕组，包括磁芯和绕组；所述磁芯具有腔体，所述绕组为平面绕组片水平环绕形成，绕组设置在所述腔体内；所述绕组中平面绕组片设置多层，以最靠近零磁动势位置的层作为第1层绕组，随着绕组层远离零磁动势位置，绕组的层编号依次递增，若n>m，则第n层绕组的匝数≥第m层绕组的匝数。本发明能够降低绕组间因邻近效应产生的损耗，从而降低磁件的交流铜损。

Description

一种用于电力电子变换器的低交流铜损平面磁件绕组

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种用于电力电子变换器的平面磁件的低交流铜损的绕组。

背景技术

磁件是电力电子变换器的重要组成部分，几乎所有电源电路中，都需要用到磁件。平面磁件可以分为平面电感和平面变压器。近年来，随着PCB技术的不断发展和电力电子高频化和小型化趋势的不断深入，平面磁件凭借其成本低、可控、一致性好、体积小、能实现复杂结构等优势，被大量应用在中小功率的电力电子变换器中。

由于PCB绕组内部FR4等绝缘层的存在，平面磁件窗口利用率通常很低，这导致平面磁件的铜损，特别是平面电感的交流铜损，往往很大。一般而言，交流铜损的来源主要包括：集肤效应、邻近效应和边缘效应。目前，针对平面电感边缘效应的铜损的减小方法较多，例如：分布式气隙、准分布式气隙、正交气隙、气隙避让等。上述方法效果都比较好，使得边缘效应的铜损显著降低。然而，针对平面电感的集肤效应和邻近效应，目前并没有特别有效的交流铜损减小方法。虽然利兹线结构、变铜箔厚度、平面铜箔利兹线结构等方法同样能抑制集肤效应和邻近效应，但这些方法只适用于利兹线或铜箔绕组，在平面电感的PCB绕组中有比较大的局限性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于电力电子变换器的低交流铜损平面磁件绕组，解决平面磁件，特别是平面电感高交流铜损的问题，该方法具有减小交流铜损，减小PCB层数及加工成本，提高功率密度的优势。

为了实现上述目的，本发明提供了如下的技术方案。

一种用于电力电子变换器的低交流铜损平面磁件绕组，包括磁芯和绕组；所述磁芯具有腔体，所述绕组为平面绕组片水平环绕形成，绕组设置在所述腔体内；

所述绕组中平面绕组片设置多层，以最靠近零磁动势位置的层作为第1层绕组，随着绕组层远离零磁动势位置，绕组的层编号依次递增，若n>m，则第n层绕组的匝数≥第m层绕组的匝数。

作为本发明的进一步改进，所述绕组由直线段和圆弧段组成。

作为本发明的进一步改进，所述绕组中的任意一层，对于绕组沿直线段行进的部分，各匝宽度相同，均为w；

对于绕组沿圆弧行进的部分，各匝宽度不同；在某层中，若总匝数为n，整个绕组的内径为r₀，外径为r_n，则第k匝的内径为r_k-1，外径为r_k，1≤k≤n，且满足r_k＝r₀·(r_n/r₀)^k/n，0≤k≤n。

作为本发明的进一步改进，所述绕组全部设置在所述腔体内，或者所述绕组部分设置在所述腔体内。

作为本发明的进一步改进，所述绕组采用PCB工艺或厚膜工艺等制备而成。

作为本发明的进一步改进，所述磁芯包括上下两部分，上下两部分正反对扣安装在绕组上，绕组端部与绕组端子连接。

作为本发明的进一步改进，所述磁芯的形状为EE、EI、ER、EQ、RM、EL或ELT等。

作为本发明的进一步改进，所述平面绕组片为铜箔，铜箔水平环绕形成层状结构，每层铜箔之间设置玻璃纤维层或陶瓷层，所有铜箔外部再用绿油菲林、玻璃纤维层或陶瓷层制作绝缘层。

作为本发明的进一步改进，所述绕组水平环绕的形状为直线或半圆形弧道连接而成环形。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

降低绕组间因邻近效应产生的损耗，从而降低磁件的交流铜损。可以减小平面绕组的层数，降低生产加工平面绕组的成本；同时，减小平面绕组的厚度，降低整个平面磁件的高度，提升功率密度。相应地，针对大感值的多匝绕组电感(临近损耗占比更大)，本发明的优势更为显著。

附图说明

在此描述的附图仅用于解释目的，而不意图以任何方式来限制本发明公开的范围。另外，图中的各部件的形状和比例尺寸等仅为示意性的，用于帮助对本发明的理解，并不是具体限定本发明各部件的形状和比例尺寸。在附图中：

图1是ELT磁芯的平面绕组的三维结构图。

图2是不同平面磁件((a)为气隙在一边的铁氧体电感、(b)为气隙在中间的铁氧体电感、(c)为磁粉芯电感、(d)为变压器)的标注不同层顺序的截面图。

图3是本发明所述的绕组结构的截面图。

图4是本发明所述的绕组的三维结构图。

图5是本发明所述的绕组结构的主视图和俯视图。

图6是本发明所述的绕组与其它绕组的单位长度绕组交流电阻对比图。

图7是本发明所述的6匝电感绕组的绕组交流电阻的对比图。

其中，0为气隙，1为上磁芯，2为下磁芯，3为绕组，31为被包裹的磁芯，32为不被包裹的磁芯，4为绕组端子。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、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。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的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施例。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

本发明采用能实现多层绕组，易于改变每匝宽度和每层匝数的工艺制作绕组，如PCB工艺或厚膜工艺等；采用适用于平面磁件的磁芯形状，磁芯可以正反对扣地安装在绕组上，如EE、EI、ER、EQ、RM、EL、ELT等形状。

对于被磁芯包裹的绕组部分，绕组铜层最靠近零磁动势位置的层为第1层绕组，随着绕组层远离零磁动势位置，绕组的层编号依次递增，依次为第2层、第3层、第4层，以此类推。若n>m，则第n层的绕组的匝数>第m层的绕组的匝数。

上述本发明的特征是基于：在数学上可以证明，对于一个有多层铜箔且每层铜箔有任意匝的绕组，互换任意两层的位置，绕组直流损耗和集肤损耗均不变。若在此过程中，将匝数少的层换到层编号小的位置，绕组临近损耗会减小。

在本发明所述的绕组中的任意一层，对于绕组沿直线段行进的部分，各匝宽度相同，均为w。一般地，每匝绕组宽度远大于绕组的匝间距，因此匝间距可以忽略。对于绕组沿圆弧行进的部分，各匝宽度不同。设在该层总匝数为n，从内向外依次为第1匝，第2匝，…。整层绕组的内径为r₀，外径为r_n，则第k匝的内径为r_k-1，外径为r_k(1≤k≤n)。那么r_k＝r₀·(r_n/r₀)^k/n(0≤k≤n)。

下面结合附图和实例对本发明做详细说明。

平面电感的绕组分为被磁芯包裹的部分和不被磁芯包裹的部分，如图1所示。为了方便描述，这里取了ELT(EL+PLT)磁芯。本发明侧重减小被磁芯包裹绕组部分的电感的临近损耗，绕组的被包裹部分越多，铜损降低效果越好。当然，本发明对不被磁芯包裹绕组部分也有一定的铜损降低效果。

为了便于观察，对于绕组被磁芯包裹的部分，可以取一个截面对绕组进行观察。如图2所示，对于被磁芯包裹的绕组部分，绕组铜层最靠近零磁动势位置的层为第1层绕组，随着绕组层远离零磁动势位置，绕组的层编号依次递增，依次为第2层、第3层、第4层，以此类推。以平面电感为例，如果采用磁导率接近无限大的磁性材料(如铁氧体)，最远离气隙的铜层为第1层，越靠近气隙，层编号依次递增；如果采用磁导率相对较小的磁性材料(如磁粉芯)，绕组的最中间的一层为第1层，两边向外层编号同时依次递增。若n>m，第n层的绕组的匝数>第m层的绕组的匝数。

本发明所述的绕组被磁芯包裹的部分的截面图如图3所示。由于对称性，这里只取了截面的一半。图中以一个6层PCB板绕组的13匝的铁氧体平面电感为例，E型磁芯在下方，I性磁芯在上方。图中，最下方一层的铜箔绕组为第1层，越往上铜层的层编号依次递增。第1到第6层，每层铜箔的匝数依次为1≤1≤2≤2≤3≤4(1+1+2+2+3+4＝13匝)。根据该原理，在总匝数固定的前提下，不同匝数的层之间的排列组合方式的数量可以大幅减小。

为了方便描述本发明所述的绕组，定义电感使用的铜层总数为M。从第1层到n₀层中，每层铜层均只有一匝绕组(共n₀层，n₀匝)；第(n₀+1)层绕组的匝数为n₁(n₁≥2)；第(n₀+2)层绕组的匝数为n₂(n₂≥2)；第(n₀+i)层绕组的匝数为n_i(n_i≥2，1≤i≤M-n₀)；以此类推。那么，n_j≤n_k(j<k，j≥2，k≥2)。电感总匝数N＝Σn_i(i＝0，1，2，…，M-n₀)。

根据上述定义，本发明所述的不同匝数组合的绕组结构可以用向量(n₀，n₁，n₂，…,n_i，…，n_M-n0)表示。下表列出了N＝1，2，…，8的情况下向量(n₀，n₁，n₂，…,n_i，…，n_M-n0)的可能值。N＝1时，共有1种绕组结构；N＝2时，共有2种绕组结构；N＝3时，共有3种绕组结构；N＝4时，共有5种绕组结构；N＝5时，共有7种绕组结构；N＝6时，共有11种绕组结构；N＝7时，共有15种绕组结构；N＝8时，共有20种绕组结构，以此类推。

上述各个结构的绕组在不同频率和不同尺寸下，绕组交流电阻有着不同的频率特性，选用时需根据具体的应用场景选用。

由于绕组结构众多，无法一一展示，下面以4层8匝的(n₀，n₁，n₂，n₃，n₄)＝(2，3，3，0，0)绕组为例，展示绕组的3D结构。该绕组对应的平面电感如图4所示，其主视图和俯视图如图5所示。

在本发明所述的绕组中的任意一层，对于绕组沿直线段前进的部分，各匝宽度相同。一般地，每匝绕组宽度远大于绕组的匝间距时，匝间距可以忽略。对于绕组沿圆弧前进的部分，各匝宽度不同。设在该层总匝数为n，从内向外依次为第1匝，第2匝，…。整个绕组的内径为r₀，外径为r_n，则第k匝的内径为r_k-1，外径为r_k(1≤k≤n)。那么r_k＝r₀·(r_n/r₀)^k/n(0≤k≤n)。以图5所示的绕组为例，第2层和第3层的匝数均为3，则在这两层中，绕组的中间部分中，绕组沿直线段前进，每匝绕组的宽度相同，均为w；绕组的左右两部分中，整层绕组的内径为r₀，外径为r_n，且该层第1匝绕组的外径(第2匝绕组的内径)为r₁＝r₀·(r₁/r₀)^1/3，第2匝绕组的外径(第3匝绕组的内径)为r₂＝r₀·(r_n/r₀)^2/3。

最后，以一个EI(EQ)磁芯的平面电感为例说明本发明所述方法的优势。图6展示了一绕组在不同排层方式下的二维仿真得到的单位长度绕组交流电阻(R_ac/l)。这里，该绕组包含3层，这3层分别有1匝、2匝和3匝，共6匝。因此，这3层共有6种排布方式。为了方便表示，这6种绕组排布方式对应的电感可以用L_xyz表示，其中x表示第1层的匝数，y表示第2层的匝数，z表示第3层的匝数。则上述6种绕组分别可以表示为：L₃₂₁(第1层3匝，第2层2匝，第3层1匝)、L₃₁₂(第1层3匝，第2层1匝，第3层2匝)、L₂₃₁(第1层2匝，第2层3匝，第3层1匝)、L₁₃₂(第1层1匝，第2层3匝，第3层2匝)、L₂₁₃(第1层2匝，第2层1匝，第3层3匝)和L₁₂₃(第1层1匝，第2层2匝，第3层3匝)。图中，“圆弧”对应“绕组沿圆弧行进的部分”，这里“单位长度电阻”中的“长度”对应绕组内径和外径的平均值；“直线”对应“绕组沿直线行进的部分”，这里“单位长度电阻”中的“长度”对应绕组行进方向的长度。其中，L₁₂₃对应本发明所述方法设计的绕组，它的单位长度绕组交流电阻明显小于其他绕组。

图7展示了在频率、绕组和磁芯尺寸、铜厚、间距等条件一定的情况下，本发明所述绕组在匝数为6时，11种绕组对应的绕组沿直线行进的部分的单位长度绕组交流电阻(R_ac/l)。图中的电感编号对应上表中N＝6时的编号，表示本发明所述的不同电感绕组结构。相比于传统的一层一匝的11号电感(6，0，0，0)，4号电感(1，2，3，0)和9号电感(3，3，0，0)的单位长度绕组交流电阻更小。在设计中，应选用电阻更小的绕组结构。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的和区别类似的对象，两者之间并不存在先后顺序，也不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

应该理解，以上描述是为了进行图示说明而不是为了进行限制。通过阅读上述描述，在所提供的示例之外的许多实施例和许多应用对本领域技术人员来说都将是显而易见的。因此，本教导的范围不应该参照上述描述来确定，而是应该参照前述权利要求以及这些权利要求所拥有的等价物的全部范围来确定。出于全面之目的，所有文章和参考包括专利申请和公告的公开都通过参考结合在本文中。在前述权利要求中省略这里公开的主题的任何方面并不是为了放弃该主体内容，也不应该认为申请人没有将该主题考虑为所公开的发明主题的一部分。

Claims (7)

1.一种用于电力电子变换器的低交流铜损平面磁件绕组，其特征在于，包括磁芯和绕组；所述磁芯具有腔体，所述绕组为平面绕组片水平环绕形成，绕组设置在所述腔体内；

所述绕组中平面绕组片设置多层，以最靠近零磁动势位置的层作为第1层绕组，随着绕组层远离零磁动势位置，绕组的层编号依次递增，若n>m，则第n层绕组的匝数≥第m层绕组的匝数；

所述绕组由直线段和圆弧段组成；

所述绕组中的任意一层，对于绕组沿直线段行进的部分，各匝宽度相同，均为w；

对于绕组沿圆弧行进的部分，各匝宽度不同；在该层中，若总匝数为n，整个绕组的内径为r ₀，外径为r _n，则第k匝的内径为r _k-1，外径为r _k，1≤k≤n，且满足r _k=r _0·(r _n/r ₀)^k/n，0≤k≤n；

磁芯的形状为EI，E型磁芯在下方，I型磁芯在上方；

最下方一层的铜箔绕组为第1层，越往上铜层的层编号依次递增；第1到第6层，每层铜箔的匝数依次为1≤1≤2≤2≤3≤4；在总匝数固定的前提下，不同匝数的层之间的排列组合方式的数量减小。

2.根据权利要求1所述的一种用于电力电子变换器的低交流铜损平面磁件绕组，其特征在于，所述绕组全部设置在所述腔体内，或者所述绕组部分设置在所述腔体内。

3.根据权利要求1所述的一种用于电力电子变换器的低交流铜损平面磁件绕组，其特征在于，所述绕组采用PCB工艺或厚膜工艺制备而成。

4.根据权利要求1所述的一种用于电力电子变换器的低交流铜损平面磁件绕组，其特征在于，所述磁芯包括上下两部分，上下两部分正反对扣安装在绕组上，绕组端部与绕组端子连接。

5.根据权利要求1所述的一种用于电力电子变换器的低交流铜损平面磁件绕组，其特征在于，所述磁芯的形状为EE、EI、ER、EQ、RM、EL或ELT。

6.根据权利要求1所述的一种用于电力电子变换器的低交流铜损平面磁件绕组，其特征在于，所述平面绕组片为铜箔，铜箔水平环绕形成层状结构，每层铜箔之间设置玻璃纤维层或陶瓷层，所有铜箔外部再用绿油菲林、玻璃纤维层或陶瓷层制作绝缘层。

7.根据权利要求1所述的一种用于电力电子变换器的低交流铜损平面磁件绕组，其特征在于，所述绕组水平环绕的形状为直线和半圆形弧道连接而成环形。