CN114203408A - 平板绕组变压器 - Google Patents

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黄咏奕
李峻宏
张豪杰
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National Taipei University of Technology
Chicony Power Technology Co Ltd
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Abstract

本申请公开了平板绕组变压器。一种平板绕组变压器包含磁芯组和多层电路板。磁芯组包含第一磁芯、第二磁芯、第一磁柱、第二磁柱。第一磁芯与第二磁芯相互平行。多层电路板设置于第一磁芯和第二磁芯之间，第一磁柱和第二磁柱贯穿多层电路板。多层电路板包含第一低压绕组层、第二低压绕组层和高压绕组层。第二低压绕组层与该第一低压绕组层并联连接，高压绕组层设置于第一低压绕组层和第二低压绕组层之间。其中高压绕组层接收极性电流时，第一低压绕组层和/或第二低压绕组层产生对应的感应电流。第一磁芯、第二磁芯、第一磁柱与第二磁柱形成封闭磁路。

Description

平板绕组变压器
技术领域
本发明涉及一种变压器，特别涉及一种整合型的平板绕组变压器。
背景技术
在切换式电源供应器(PSU)的应用中，由于高效能大功率(瓦数)的需求，因而衍生出许多效能提升的电路与架构，尤其在直流对直流转换器(DC/DC converter)的应用上，亦是推陈出新。
请参照图1，图1为公知电源供应器的方块示意图。其输入为高压直流或交流输入，其中包括直流对直流转换器2。其中，当转换器2的输出端应用在低压输出大电流时，对于直流对直流转换器2造成的损失相当严重，因此在此应用中常将直流对直流转换器中使用的多组变压器10以高压侧串联、低压侧并联方式达到分流的效果，其优点是可减少低压侧元件电流应力和导通损失，并有助于提升效率。然而，这种做法中由于使用多个变压器加以组合，元件数量增加影响整体设计的难易度，整体体积更大幅增加，其中变压器的体积就是最大的难题。另外，由于变压器为个别绕制，因变压器相互存在感值误差容易造成低压侧不均流。
在变压器中，磁性元件在体积和损耗方面都占据了一定比例，因此减小磁性元件的体积与损耗是降低变压器整体体积以及提升效能的有效手段。然而，磁性元件体积的减小往往伴随着磁性元件损耗的增加，因此如何经由设计对磁性元件进行优化，减小整合后变压器整体体积，并降低损耗，实有必要发展一种改良的变压器，以解决现有技术所面临的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的为提供一种整合型变压器。相较于先前技术，本发明的变压器整合高压侧串联、低压侧并联的多个变压器于同一磁芯上，并采用平板绕组，在低压大电流的应用上达到分流的效果，可降低低压侧元件电流应力和导通损失，且具有精简的体积并降低损耗。
为达上述目的，本发明提供一种平板绕组变压器包含磁芯组和多层电路板。磁芯组包含第一磁芯、第二磁芯、第一磁柱、第二磁柱。第一磁芯与第二磁芯相互平行。多层电路板设置于第一磁芯和第二磁芯之间，第一磁柱和第二磁柱贯穿多层电路板。多层电路板包含第一低压绕组层、第二低压绕组层和高压绕组层。第二低压绕组层与该第一低压绕组层并联连接，高压绕组层设置于第一低压绕组层和第二低压绕组层之间。其中高压绕组层接收极性电流时，第一低压绕组层和/或第二低压绕组层产生对应的感应电流。第一磁芯、第二磁芯、第一磁柱与第二磁柱形成封闭磁路。
在一个实施例中，高压绕组层进一步包含相互串联的第一高压绕组和第二高压绕组。第一高压绕组围绕第一磁柱设置，第二高压绕组围绕该第二磁柱设置。
在一个实施例中，围绕第一磁柱或第二磁柱的极性电流与对应感应的感应电流流动方向相反。
在一个实施例中，极性电流在第一高压绕组和第二高压绕组流动方向相反。
在一个实施例中，第一高压绕组包含电性连接的第一高压子绕组和第二高压子绕组，且第一高压子绕组设置于第二高压子绕组与第一低压绕组层之间。第二高压绕组包含电性连接的第三高压子绕组和第四高压子绕组，第三高压子绕组设置于第四高压子绕组与第二低压绕组层之间，第二高压子绕组电性连接第三高压子绕组。
在一个实施例中，第一高压子绕组和第二高压子绕组上下层叠，透过贯孔电连接。
在一个实施例中，第三高压子绕组和第四高压子绕组上下层叠，透过贯孔电连接。
在一个实施例中，第一高压子绕组和第四高压子绕组设置于多层电路板的同一层。
在一个实施例中，第二高压子绕组和第三高压子绕组设置于多层电路板的同一层，透过导电片相互电连接。
在一个实施例中，第一低压绕组层具有第一低压绕组和第二低压绕组，第二低压绕组层具有第三低压绕组和第四低压绕组。第一低压绕组和该第三低压绕组围绕该第一磁柱设置，第二低压绕组和第四低压绕组围绕该第二磁柱设置。
在一个实施例中，在正半周导通时，极性电流为第一极性电流，产生的感应电流为第一感应电流；在负半周导通时，极性电流为第二极性电流，产生的感应电流为第二感应电流，其中第一感应电流流经第一低压绕组层和第二低压绕组层的一部分，第二感应电流流经第一低压绕组层和第二低压绕组层的另一部分。
在一个实施例中，第一感应电流流经第一低压绕组和第三低压绕组，第二感应电流流经第二低压绕组和第四低压绕组。
附图说明
图1为一种电源供应器的方块示意图。
图2A为一种电源供应器的电路示意图。
图2B为图2A的变压器的磁路示意图。
图2C为图2B的磁路耦合示意图。
图2D为本发明一个实施例的磁路耦合示意图。
图2E为本发明一个实施例的磁路耦合示意图。
图3A为本发明一个实施例的平板绕组变压器的正视图。
图3B为本发明一个实施例的平板绕组变压器的侧视图。
图3C为本发明一个实施例的平板绕组变压器的分解图。
图4为本发明一个实施例的平板绕组变压器的高压绕组示意图。
图5A为本发明一个实施例的平板绕组变压器的电路示意图。
图5B为本发明一个实施例的平板绕组变压器的正半周电流方向示意图(电路)。
图5C为本发明一个实施例的平板绕组变压器的正半周电流方向示意图(绕组)。
图5D为本发明一个实施例的平板绕组变压器的负半周电流方向示意图(电路)。
图5E为本发明一个实施例的平板绕组变压器的负半周电流方向示意图(绕组)。
具体实施方式
以下将参照相关附图，说明依据本发明平板绕组变压器的优选实施例，其中相同的元件将以相同的附图标记加以说明。
本发明的平板绕组变压器将高压侧串联、低压侧并联的多个变压器整合于同一磁芯上，在低压大电流的应用上达到分流的效果，可降低低压侧元件电流应力和导通损失，且具有精简的体积并降低损耗。
请参照图2A至图2C，说明本发明磁路耦合的方式。图2A为一种电源供应器的电路示意图。电源供应器PSU包括输入电压Vin、开关元件SW1～SW4、电容Cr、电感Lr、负载RL，内部四个变压器201、202、203、204是以高压侧串联、低压侧并联的方式连接。图2B为图2A的变压器的磁路示意图。图2C为图2B的磁路耦合示意图。以图2A的四个变压器为例，将四个变压器排列如图2B所示，其中高压侧绕组绕于各变压器中柱上，左方两个变压器201、202的绕组方式是绕组中柱左侧进入纸面，中柱右侧穿出纸面；右方两个变压器203、204的绕组方式是绕组中柱左侧穿出纸面，中柱右侧进入纸面。因此，变压器201、202、203、204的磁通方向依右手定则，如虚线箭头所示，左方两个变压器201、202的磁通方向在中柱向下，两侧柱向上，左半圈为顺时针方向，右半圈为逆时针方向；而右方两个变压器203、204的磁通方向在中柱向上，两侧柱向下，左半圈为逆时针方向，右半圈为顺时针方向。此时，位于中央十字区块的磁通方向相反，可达到局部磁通互消的效果，使此区块磁通量大幅降低，因此，可将此区块的磁芯去除，以降低变压器体积。再者，为了近一步缩小体积，使磁芯型式更为简洁，再简化两侧四角部分的磁芯，得到最终磁芯型式如图2C所示，相当于整合原本四个变压器于一磁芯组，大幅降低了磁芯所占的体积，因此大幅降低了变压器20的体积。
另外，可以透过同样的方式，将2N个变压器整合于同一磁芯组上，N为1、2、3…等的自然数。即，可将2、4、6…个的变压器以局部磁通互消的方式排列，简化磁芯后，多个变压器可整合于同一磁芯组上。图2D例示将两个变压器301、302磁路耦合，整合于同一磁芯组上构成变压器30。图2E例示将六个变压器401～406磁路耦合，整合于同一磁芯组上构成变压器40。整合后的变压器30、40磁芯所占的体积大幅降低，因此体积大幅降低。磁芯组可包含四磁柱或二磁柱。本发明优选二磁柱的磁芯组，其体积较小，整合变压器个数和匝数较灵活，只要是2N个的变压器即可整合于一磁芯组。
请参照图3A至图3C，图3A为本发明一个实施例的平板绕组变压器的正视图。图3B为本发明一个实施例的平板绕组变压器的侧视图。图3C为本发明一个实施例的平板绕组变压器的分解图。
在本实施例中，变压器1相当于整合原本的两个变压器，且使用两个UU核(UUcore)组合而成的磁芯，高压侧与低压侧线圈绕组的匝数比为4:1:1。变压器1为平板绕组变压器，其中绕组是采用多层印刷电路板迭绕，平面绕组围绕磁芯而构成变压器1的磁路。
请参照图3A和图3B，变压器1由磁芯组CO和多层电路板B1组成，多层电路板B1可包含多个平面绕组层相堆叠，包夹在磁芯组CO之间。磁芯组CO包含第一磁芯C1、第二磁芯C2、第一磁柱L1、第二磁柱L2。第一磁芯C1与第二磁芯C2相互平行。多层电路板B1设置于第一磁芯C1和第二磁芯C2之间，第一磁柱L1和第二磁柱L2贯穿多层电路板B1。多层电路板B1包含第一低压绕组层S1、第二低压绕组层S2和高压绕组层P。第二低压绕组层S2与该第一低压绕组层S1并联连接，高压绕组层P设置于第一低压绕组层S1和第二低压绕组层S2之间。
请参照图3C，高压绕组层P包含相互串联的第一高压绕组P1和第二高压绕组P2，第一高压绕组P1围绕第一磁柱L1设置，第二高压绕组P2围绕第二磁柱L2设置。第一高压绕组P1包含电性连接的第一高压子绕组11和第二高压子绕组12，呈上下层叠，且第一高压子绕组11设置于第二高压子绕组12与第一低压绕组层S1之间。第二高压绕组P2包含电性连接的第三高压子绕组13和第四高压子绕组14，呈上下层叠，第三高压子绕组13设置于第四高压子绕组14与第二低压绕组层S2之间，第二高压子绕组12电性连接第三高压子绕组13。
第一低压绕组层S1具有第一低压绕组21和第二低压绕组22，第二低压绕组层S2具有第三低压绕组23和第四低压绕组24。本实施例中，低压侧共有四个线圈，匝数各为一圈。第一低压绕组21和该第三低压绕组23围绕该第一磁柱L1设置。第二低压绕组22和第四低压绕组24围绕该第二磁柱L2设置。
请参照图4，图4为本发明一个实施例的平板绕组变压器的高压绕组示意图。高压绕组层P中，第一高压子绕组11和第四高压子绕组14设置于多层电路板B1同一层，第二高压子绕组12和第三高压子绕组13设置于多层电路板B1另一层，两层相互层叠。第二高压子绕组12和第三高压子绕组13可以是一体成形的金属绕组，也可分别绕线而透过导体或导线或导电片相互电连接。高压绕组层P的绕线方式是由图中左上角，第一高压子绕组11的左侧箭头处开始顺时针绕两圈至a点，然后通过贯孔与下层第二高压子绕组12的a点相接，再绕两圈，如此高压绕组层P的左半边构成第一高压绕组P1，匝数为四圈。而第二高压子绕组12与第三高压子绕组13串联，因此高压绕组层P右侧的线圈是由下层第三高压子绕组13左侧开始逆时针绕两圈至b点，然后通过贯孔与上层第四高压子绕组14的b点相接，再绕两圈，如此高压绕组层P的右半边构成第二高压绕组P2，匝数为四圈。第一高压绕组P1与第二高压绕组P2绕组方向相反而电性连接互相串联。
请参照图5A，图5A为本发明一个实施例的平板绕组变压器的电路示意图。其包含两组变压器，共具有两个高压侧线圈Np和四个低压侧线圈Ns。本实施例中，每组低压侧线圈Ns个别有两个接点，以中心抽头为例，但此整合型变压器不限于任何型式，皆可适用。如图5A所示，低压侧线圈Ns的一接点分别接至同步整流器SR1(SR2/SR7/SR8)，而SR1与SR7共点，SR2与SR8共点，另一接点可利用贯孔与另一个线圈连接。如虚线框内所示，两组变压器呈高压侧串联，而低压侧并联在一起。
请参照图5B，图5B为本发明一个实施例的平板绕组变压器的正半周电流方向示意图(电路)。在交流电源正半周时，变压器1接收第一极性电流ip1，高压侧线圈Np(高压绕组层P)如图中箭头方向，由上而下导通，第一极性电流ip1流经两组高压侧线圈Np，因而两组高压侧线圈Np所对应的低压侧线圈Ns分别产生对应的第一感应电流id1，如箭头方向所示从两组低压侧线圈Ns的中央抽头流出至负载RL，再自同步整流器SR2、SR8流入。再参照图5C所示，图5C为本发明一个实施例的平板绕组变压器的正半周电流方向示意图(绕组)。在正半周导通时，第一极性电流ip1由第一高压子绕组11流进，其绕行高压绕组层P，流经第一高压子绕组11、第二高压子绕组12、第三高压子绕组13、第四高压子绕组14，由第四高压子绕组14流出。第一极性电流ip1在第一高压绕组P1的第一高压子绕组11和第二高压子绕组12内以顺时针方向流动，在第二高压绕组P2的第三高压子绕组13和第四高压子绕组14内以逆时针方向流动。也就是说，当高压侧线圈Np的第一高压绕组P1与第二高压绕组P2于正半周导通时，第一极性电流ip1流经第一高压绕组P1与第二高压绕组P2，电磁感应于第一磁芯C1、第二磁芯C2、第一磁柱L1与第二磁柱L2形成封闭磁路，使低压侧线圈Ns也对应地感应导通，第一低压绕组层S1和第二低压绕组层S2产生对应的第一感应电流id1，第一低压绕组21、第三低压绕组23导通。围绕第一磁柱L1的第一极性电流ip1为顺时针方向流动，对应感应的第一感应电流id1为逆时针方向流动，两者电流流动方向相反。
请参照图5D和图5E，图5D为本发明一个实施例的平板绕组变压器的负半周电流方向示意图，图5E为本发明一个实施例的平板绕组变压器的负半周电流方向示意图(绕组)。在交流电源负半周时，变压器1接收第二极性电流ip2，高压侧线圈Np(高压绕组层P)以与图5B中相反的方向导通。第二极性电流ip2流经两组高压侧线圈Np，因而两组高压侧线圈Np所对应的低压侧线圈Ns分别产生对应的第二感应电流id2，如箭头方向所示第二感应电流id2分别从低压侧线圈Ns的中央抽头流出至负载RL，再自同步整流器SR1、SR7流入。再参照图5E所示，在负半周导通时的第二极性电流ip2与在正半周导通时的第一极性电流ip1流动方向相反，由第四高压子绕组14流进，绕行高压绕组层P，流经第四高压子绕组14、第三高压子绕组13、第二高压子绕组12、第一高压子绕组11，由第一高压子绕组11流出。第二极性电流ip2在第一高压绕组P1的第一高压子绕组11和第二高压子绕组12内以逆时针方向流动，在第二高压绕组P2的第三高压子绕组13和第四高压子绕组14内以顺时针方向流动。也就是说，当高压侧线圈Np的第一高压绕组P1与第二高压绕组P2于负半周导通时，第二极性电流ip2流经第一高压绕组P1与第二高压绕组P2，电磁感应于第一磁芯C1、第二磁芯C2、第一磁柱L1与第二磁柱L2形成封闭磁路，使低压侧线圈Ns也对应地感应导通，第一低压绕组层S1和第二低压绕组层S2产生对应的第二感应电流id2，第二低压绕组22、第四低压绕组24导通。围绕第二磁柱L2的第二极性电流ip2为顺时针方向流动，对应感应的第二感应电流id2为逆时针方向流动，两者电流流动方向相反。第一感应电流id1流经第一低压绕组21、第三低压绕组23，第二感应电流id2流经第二低压绕组22、第四低压绕组24。第一感应电流id1与第二感应电流id2流经第一低压绕组层S1和第二低压绕组层S2的不同部分。
另外，本发明的平板绕组变压器电路设计时可透过同步整流器设置的位置而决定低压侧线圈Ns中的第一低压绕组21、第二低压绕组22、第三低压绕组23、第四低压绕组24何者导通，本领域技术人员可依需求自由设计，也可使第一低压绕组21、第二低压绕组22共同导通或第一低压绕组21、第四低压绕组24共同导通，或第二低压绕组22、第三低压绕组23共同导通，或第三低压绕组23、第四低压绕组24共同导通，导通方式不以本实施例为限。例如在一个实施例中，可设计成在正半周导通时，对应第一极性电流ip1，感应产生第一感应电流id1，使第一低压绕组21、第二低压绕组22共同导通；在负半周导通时，对应第二极性电流ip2，感应产生第二感应电流id2，使第三低压绕组23、第四低压绕组24共同导通。其中第一感应电流id1流经第一低压绕组层S1和第二低压绕组层S2的一部分，第二感应电流id2流经第一低压绕组层S1和第二低压绕组层S2的另一部分。
综上所述，本发明提供一种整合型变压器，整合高压侧串联、低压侧并联的多个变压器于同一磁芯上，并采用平板绕组，在低压大电流的应用上达到分流的效果，可降低低压侧元件电流应力和导通损失，且具有精简的体积并降低损耗。本发明的整合型变压器可使用于任意的直流对直流转换器，例如但非仅限于顺向、半桥、全桥转换器，可用于高压转低压和低压转高压的用途，双向皆可适用。
以上所述仅为举例性，而非为限制性者。任何未脱离本发明的精神与范畴，而对其进行的等效修改或变更，均应包含于后附的权利要求中。

Claims (12)

1.一种平板绕组变压器，包含：
磁芯组，包含：
第一磁芯和与所述第一磁芯相互平行的第二磁芯；
第一磁柱和第二磁柱，设置于所述第一磁芯和所述第二磁芯之间；以及
多层电路板，设置于所述第一磁芯和所述第二磁芯之间，所述第一磁柱和所述第二磁柱贯穿所述多层电路板，所述多层电路板包含：
第一低压绕组层；
第二低压绕组层，与所述第一低压绕组层并联连接；和
高压绕组层，所述高压绕组层设置于所述第一低压绕组层和所述第二低压绕组层之间；
其中，所述高压绕组层接收极性电流时，所述第一低压绕组层和/或所述第二低压绕组层产生对应的感应电流，所述第一磁芯、所述第二磁芯、所述第一磁柱与所述第二磁柱形成封闭磁路。
2.根据权利要求1所述的平板绕组变压器，所述高压绕组层进一步包含相互串联的第一高压绕组和第二高压绕组，所述第一高压绕组围绕所述第一磁柱设置，所述第二高压绕组围绕所述第二磁柱设置。
3.根据权利要求2所述的平板绕组变压器，其中所述极性电流在所述第一高压绕组和所述第二高压绕组流动方向相反。
4.根据权利要求2所述的平板绕组变压器，其中所述第一高压绕组包含电性连接的第一高压子绕组和第二高压子绕组，且所述第一高压子绕组设置于所述第二高压子绕组与所述第一低压绕组层之间；以及
所述第二高压绕组包含电性连接的第三高压子绕组和第四高压子绕组，所述第三高压子绕组设置于所述第四高压子绕组与所述第二低压绕组层之间，所述第二高压子绕组电性连接所述第三高压子绕组。
5.根据权利要求4所述的平板绕组变压器，其中所述第一高压子绕组和所述第二高压子绕组上下层叠，透过贯孔电连接。
6.根据权利要求4所述的平板绕组变压器，其中所述第三高压子绕组和所述第四高压子绕组上下层叠，透过贯孔电连接。
7.根据权利要求4所述的平板绕组变压器，其中所述第一高压子绕组和所述第四高压子绕组设置于所述多层电路板的同一层。
8.根据权利要求4所述的平板绕组变压器，其中所述第二高压子绕组和所述第三高压子绕组设置于所述多层电路板的同一层，透过导电片相互电连接。
9.根据权利要求2所述的平板绕组变压器，其中所述第一低压绕组层具有第一低压绕组和第二低压绕组；
所述第二低压绕组层具有第三低压绕组和第四低压绕组，所述第一低压绕组和所述第三低压绕组围绕所述第一磁柱设置；以及
所述第二低压绕组和所述第四低压绕组围绕所述第二磁柱设置。
10.根据权利要求9所述的平板绕组变压器，其中围绕所述第一磁柱或所述第二磁柱的所述极性电流与对应感应的所述感应电流流动方向相反。
11.根据权利要求1所述的平板绕组变压器，其中在正半周时，所述极性电流为第一极性电流，产生的所述感应电流为第一感应电流；在负半周时，所述极性电流为第二极性电流，产生的所述感应电流为第二感应电流，
其中所述第一感应电流流经所述第一低压绕组层和所述第二低压绕组层的一部分，所述第二感应电流流经所述第一低压绕组层和所述第二低压绕组层的另一部分。
12.根据权利要求11所述的平板绕组变压器，其中所述第一感应电流流经所述第一低压绕组和所述第三低压绕组，所述第二感应电流流经所述第二低压绕组和所述第四低压绕组。
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