CN116724368A - 变压器 - Google Patents

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CN116724368A CN202180089001.6A CN202180089001A CN116724368A CN 116724368 A CN116724368 A CN 116724368A CN 202180089001 A CN202180089001 A CN 202180089001A CN 116724368 A CN116724368 A CN 116724368A
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Abstract

一种变压器，包括绕组结构，该绕组结构形成初级侧线圈、次级侧线圈以及缠绕到变压器的线圈结构中的第一导线和第二导线。第一导线和第二导线限定它们之间的电容。第一导线耦合到初级侧中的冷点，而第二导线耦合到次级侧中的冷点，从而该电容在初级侧和次级侧之间形成Y电容器。该电容可以例如用于EMI抑制。

Description

变压器
技术领域
本发明涉及变压器，例如用在LED照明驱动器中的回扫变压器。
背景技术
固态照明单元，特别是基于LED的(改型)灯，越来越多地用于家庭建筑物和办公室中。除了它们的高效率之外，它们还由于新的设计特征、不同的色温、调光能力等而吸引消费者。
为了使LED照明适合于现有的市电照明器材，每个LED光单元利用转换器电路，用于将AC市电转换为DC驱动信号，并且还用于降低电压电平。转换器电路通常包括整流器和开关模式功率转换器。
开关模式功率转换器有各种可能的设计。低成本开关模式功率转换器是单级转换器，例如降压转换器或降压－升压转换器。在这两种情况下，都有控制向负载输送能量的主电感器。主电源开关控制从输入到主电感器的能量供应。
对于隔离/安全要求，还使用诸如回扫转换器的隔离转换器，其具有变压器，该变压器具有连接到输入和主电源开关的初级绕组，以及连接到负载的次级绕组。能量经由电磁－电转换从初级绕组转换到次级绕组。
US 2020357571A1公开了一种变压器结构，其中初级线圈、次级线圈和多个辅助线圈缠绕在变压器结构中。
容忍电磁干扰(EMI)通常具有挑战性。已知在初级侧和次级侧的两个接地端之间增加专用的分立电容器，例如Y电容器，以抑制EMI，但是分立电容器占据PCB上的区域。
因此，需要一种改进的解决方案来以节省空间的方式提供Y电容器。
发明内容
本发明由权利要求限定。
本发明的概念是提供一种变压器，其包括形成初级侧线圈和次级侧线圈的绕组结构。另外，第一导线和第二导线结合到该绕组结构中。第一导线电耦合到包括第一线圈的初级侧电路，并且第二导线电耦合到包括第二线圈的次级侧电路，并且第一导线和第二导线在它们之间限定电容。该电容具有可由设计控制的值，并且其用作变压器的可控寄生电容。该电容可以例如用于EMI抑制。
根据依据本发明的一个方面的示例，提供了一种包括绕组结构的变压器，其中该绕组结构包括：
具有第一端和第二端的位于初级侧的第一线圈，所述第一线圈是初级侧电路的一部分；
具有第一端和第二端的位于次级侧的第二线圈，所述第二线圈是次级侧电路的一部分；
第一导线；以及
第二导线，所述第一导线和所述第二导线不同于所述第一线圈和所述第二线圈；以及
所述第一导线的第一端连接到所述初级侧，其中所述第一导线的第一端电连接到所述初级侧电路的冷点，并且所述第二导线的第一端连接到所述次级侧，其中所述第二导线的第一端电连接到所述次级侧电路的冷点；
其中所述第一导线和所述第二导线中的至少一者通过绝缘涂层绝缘，
其中所述第一导线和所述第二导线并排且彼此相邻，从而在它们之间限定电容，并且所述第一导线和所述第二导线被缠绕到所述变压器的线圈结构中。
该变压器利用附加的导线(除了初级线圈和次级线圈之外)来限定电容。然而，它们是变压器结构的一部分，并且因此集成到变压器结构中。附加的第一导线的一端电连接到初级侧电路(包括初级线圈)，而第二导线的一端电连接到次级侧电路(包括次级线圈)，使得它们在初级侧和次级侧之间形成寄生电容。因此，该寄生电容被更精确地限定，并且其可以用作Y电容器以提供EMI抑制。因此，可以提供专用的分立Y电容器，并且可以减小PCB尺寸。
变压器例如用在LED驱动器中，而电容器用于在变压器的初级侧和次级侧之间提供EMI抑制。
第一导线和第二导线例如使用双股方法缠绕。
以这种方式，两条导线被实现为附加绕组，但是优选地一端浮置，使得它们一起限定第一线圈和第二线圈之间的串联电容器。
冷点是与高频dv/dt解耦的点，由此电容(CY)在初级侧和次级侧上形成Y电容器。
通过将初级侧电路和次级侧电路的两个冷点与Y电容器连接，可以有效地抑制EMI。
在一个详细的实施例中，冷点是接地。所述第一导线的第一端电耦合到所述初级侧电路的接地；而第二导线的第一端电耦合到次级侧电路的接地。
第一导线和第二导线例如分别电耦合到初级侧和次级侧的接地端子。这使得在变压器结构内跨越隔离侧的Y电容器的实现变得简单。
可替换地，冷点可以是初级侧电路和次级侧电路的高电压点。第一导线的第一端电耦合到初级侧电路的高电压端，而第二导线的第一端电耦合到次级侧电路的高电压端。在该示例中，电容形成在两侧的两个高电压点之间，并且这也可以提供用于EMI抑制的Y电容器。
甚至可替换地，Y电容器可以分别在不同侧连接在接地和高电压端之间。
在上述可替换的实施例中，电容形成在初级侧和次级侧的两个冷点之间，因此能够抑制EMI。
优选地，第一导线的第二端是电浮置的，并且第二导线的第二端是电浮置的，而不连接到初级侧电路和次级侧电路中的任何点。作为电容器的电极，可以使电极仅通过第一端连接到外部电路，并使第二端浮置。
第一线圈的第一端例如是相对于第一线圈的第二端的低电压端。在低侧驱动拓扑的情况下，第一线圈的第一端适于连接到开关的电流流入端子。然后，第一线圈的第二端适于接收输入电压，并且第一导线适于耦合到开关的电流流出端子。
第二线圈的第一端例如是相对于第二线圈的第二端的低电压端，并且适于连接到负载的负端子。第二线圈的第二端然后适于连接到负载的正端子。
在低侧驱动拓扑中，第一线圈的该第一端例如连接到开关模式功率转换器的主开关MOSFET的漏极(高电压端)。第一导线的第一端可以可选地经由电流感测电阻器连接到主开关MOSFET的源极。
该变压器例如被适配成用在包括初级侧和次级侧的隔离功率转换器中，其中：
所述第一线圈和所述第一导线适于放置在所述初级侧上；并且所述第二线圈和所述第二导线适于放置在所述次级侧。
于是，由第一导线和第二导线形成的电容是初级侧和次级侧之间的串联电容，其用作抑制EMI的Y电容器。
第一导线和第二导线中的至少一者例如是三重绝缘的。这在导线之间提供了期望的绝缘和电介质，用于实现合适的电容器。
原则上，第一导线和第二导线的长度和直径适于形成对应于电容的有效电容器的阳极和阴极的有效面积，第一导线和第二导线之间的距离适于形成有效电容器的阳极和阴极之间的有效空间，并且绝缘涂层具有介电常数，从而在该空间中提供电介质。
因此，电容器板区域有效地由一对交错的线圈盘绕的导线形成。
介电常数为1至5。
电容例如在1pf到1nf的范围内。
第一导线和第二导线优选地在第一线圈和第二线圈之间的空间内延伸。这提供了一种紧凑的布置，其中导线在初级线圈和次级线圈之间内部集成到变压器的结构中。
在更详细的结构中，第一线圈例如在变压器的径向内部绕轴线缠绕，第二线圈在变压器的径向外部绕轴线缠绕，并且第一导线和第二导线在径向内部和外部之间的径向中间部分缠绕。
本发明还提供一种LED照明驱动器，包括：
用于耦合到LED照明负载的输出；以及
用于向输出和LED照明负载递送能量的开关模式回扫转换器，其中该回扫转换器包括用作回扫变压器的上述限定的变压器，其中第二线圈连接到输出。
本发明还提供了一种LED照明设备，包括：
LED照明负载；以及
如上限定的LED照明驱动器，其中所述LED照明驱动器的输出连接到所述LED照明负载。
参考下面描述的实施例，本发明的这些和其它方面将变得显而易见。
附图说明
为了更好地理解本发明，并且为了更清楚地示出如何实现本发明，现在将仅通过示例的方式参考附图，其中：
图1示出了第一种已知的变压器布局；
图2示出了第二已知的变压器布局；
图3示出了根据本发明的变压器架构；
图4以分解图示出了变压器的整体结构；
图5示出了变压器的可能的电路连接；
图6示出了由图5所示的连接产生的电路图，其具有LED形式的负载；以及
图7示出了热点和可以在其之间形成Y电容器的冷点。
具体实施方式
将参照附图描述本发明。
应当理解，详细描述和特定示例虽然指示了装置、系统和方法的示例性实施例，但是仅用于说明的目的，而不旨在限制本发明的范围。本发明的装置、系统和方法的这些和其它特征、方面和优点将从以下描述、所附权利要求和附图中变得更好理解。应当理解，附图仅仅是示意性的并且没有按比例绘制。还应当理解，在所有附图中使用相同的附图标记来表示相同或相似的部件。
本发明提供一种包括绕组结构的变压器，该绕组结构形成初级侧线圈、次级侧线圈以及缠绕到变压器的线圈结构中的第一导线和第二导线。第一导线和第二导线限定它们之间的电容。该电容可以例如用于EMI抑制。
已知在变压器的初级绕组和次级绕组之间添加专用的分立电容器作为Y电容器，用于EMI改进。
图1示出了具有初级侧线圈12的变压器10，初级侧线圈12连接在正输入端子14和晶体管14的漏极之间。这例如是开关模式功率转换器的基本电路的一部分。次级侧线圈18连接到负载。
图1中示出了初级侧线圈12和次级侧线圈18之间的寄生电容。
图2示出了变压器10，同样具有初级侧线圈12和次级侧线圈18，以及附加绕组20。图2中示出了初级侧线圈12和附加绕组20之间以及附加绕组20和次级侧线圈18之间的寄生电容。
在上述变压器中使用寄生电容存在以下问题：该寄生电容不利于EMI抑制，因为寄生电容在一侧的热点和另一侧的冷点之间，切换期间的高dv/dt将产生大的共模电流，并且EMI恶化。此外，它具有低电容和低精度，因为不能确保线圈缠绕的均匀性。例如，该距离和对准难以逐产品地重复。
图3示出了根据本发明的变压器结构。
图3示出了变压器的绕组结构。绕组围绕具有中心轴线30的线轴(未示出)形成。因此，图3示出绕组的横截面，并且仅在中心轴线30的一侧。
变压器具有在变压器的径向内部围绕轴线30缠绕的初级侧第一线圈40。在所示的示例中，第一线圈具有两个绕组的深度。次级侧第二线圈50在变压器的径向外部围绕轴线30缠绕。在所示的示例中，第二线圈具有一个绕组的深度。
第一线圈40具有第一端42和第二端44。在该示例中，第一端42和第二端44位于变压器的相同横向侧，因此线圈的径向内绕组沿轴线方向从一侧缠绕到另一侧(图3中从左到右)，然后外绕组往回缠绕(从右到左)。
第二线圈具有第一端52和第二端54。
除了初级线圈和次级线圈之外，还提供了第一导线60，其例如用于连接到包括第一线圈40的初级侧电路。提供第二导线70，其例如用于连接到包括第二线圈50的次级侧电路。第一导线和第二导线中的一者或两者通过绝缘涂层绝缘。
如图3所示，第一导线60和第二导线70围绕轴线30缠绕并且彼此相邻和并排，从而在它们之间限定电容。特别地，在该示例中，它们在距轴线一个径向距离(即，具有一个绕组的深度)处形成交错的线圈对。第一导线和第二导线缠绕在变压器的线圈结构中。第一导线和第二导线的这种布置可以通过使用双股方法缠绕来获得，通过双股方法可以形成一对紧密间隔的平行绕组。
第一导线60和第二导线70缠绕在初级的第一线圈40所在的径向内部和次级的第二线圈50所在的径向外部之间的径向中间部分。可以有绝缘带以在结构上分离第一线圈，第一导线和第二导线以及第二线圈。
优选地，第一导线60的第二端是电浮动的，并且第二导线70的第二端是电浮动的。因此在初级侧和次级侧之间串联地限定电容。
该变压器因此利用附加的导线(不同于初级线圈和次级线圈)来限定有效电容Cd。第一导线和第二导线之一例如是三重绝缘的。这在导线之间提供了用于实现合适的电容器的期望的电介质。
选择第一导线和第二导线的长度和直径以限定形成Cd的电容器结构的阳极和阴极的所需有效面积。类似地，第一导线和第二导线之间的距离形成电容器结构的阳极和阴极之间的有效电极间隔，并且绝缘涂层具有介电常数，从而在该空间中提供电介质。
因此，电容器有效地由一对交错的线圈盘绕的导线形成。
电介质为1－5。电容例如在1pF到1nf的范围内。
这两根导线仍然是变压器的绕组结构的一部分，因此被集成到变压器的结构中。如下面将与外部电路一起描述的，一条导线电连接到初级侧，而另一条导线电连接到次级侧，使得它们在变压器的初级侧和次级侧之间形成寄生电容。因此，该寄生电容被更精确地限定，并且如果适当地连接到两侧的两个冷点，例如均连接到分别在图5和图6所示的两侧的接地，或者连接到如图6中另外示出的两侧的两个高电压端，则该寄生电容可以用作Y电容器以提供EMI抑制。冷点是在开关模式功率转换器的开关期间与高频dv/dt解耦的点；相反，热点是具有高频dv/dt的点。图7示出了相应的冷点和热点，其中冷点包括A，C，D和F，热点包括B和E。请注意，冷点可以根据部件的放置而变化，即使转换器仍然是回扫转换器。例如，如果图7中的二极管DI被放置在下侧，即从接地端子正向到第二线圈的虚线端子，则次级侧的点E和F(以及接地)是冷点，而点D不再是冷点。或者，如果低侧驱动回扫变为高侧驱动回扫，即开关在输入电压和第一线圈的第二端之间移动，则初级侧上的冷点包括输入电压点、第一线圈的第一端B/C和接地，而第一线圈的第二端A不再是冷点。
变压器例如用在LED驱动器中，电容器用于在变压器的初级侧和次级侧之间提供EMI抑制。变压器可以是辅助电源的一部分，或者它可以是针对LED负载的正常电源的一部分。
图4以分解图示出了变压器的整体结构。其示出了径向向内的第一线圈40，进一步径向向外定位的第一导线60和第二导线70，以及围绕外部的第二线圈50。绕组结构围绕铁氧体磁芯。
图5示出了变压器的一种可能的电路连接。Y电容器CY被示为电路元件，但是它是由导线60和70形成的有效电容器，而不是真正的分立元件。该有效电容器的功能可从下面描述的图6中理解。
第一线圈40的第一端42例如是相对于第一线圈40的第二端44的低电压端。第一端42连接到开关80的电流流入端。第一线圈的高电压的第二端44接收输入电压Vin。这里，在初级侧，根据它们在回扫转换的充电阶段中的电压来命名低/高电压。
第一导线60耦合到开关80的电流流出端子，在该示例中，该电流流出端子是初级侧接地。
第二线圈的第一端52例如也是相对于第二线圈的第二端54的低电压端，并且连接到负载82的负端子。这里，在次级侧，根据它们在回扫转换的续流阶段中的电压来命名低/高电压。该连接可以是次级侧的接地。第二线圈的高电压的第二端54连接到负载82的正端子。
负载被示为续流二极管D1、存储电容器C2和要被提供能量的负载(例如LED装置)的组合。
第二导线70连接到第二线圈的第一端52，而第二线圈的第一端52也是次级侧电路的接地。
第一导线60的该第一端连接到开关MOSFET 80的源极(较低电压端子)，该开关MOSFET 80是开关模式功率转换器的主开关。这显示为初级侧电路的接地，尽管也可以有连接在接地和源极之间的电流感测电阻器(如图6所示)。
因此，在该示例中，由第一导线和第二导线形成的电容是初级侧和次级侧的接地之间的串联电容。它由电容器CY表示。
图6示出了由图5所示的连接产生的电路图，其具有LED形式的负载。
如图6所示，本发明对回扫变压器特别感兴趣。在一个示例中，对应于图5所示的电路连接，电容器CY连接在两侧的两个接地之间。它避免了对用于提供EMI抑制的单独Y电容器的需要。
作为替代方案，Y电容器可连接到两侧的两个高电压点，如图6顶部的虚线和电容器CY所示。因此，图6示出了电容器的两种可能但单独的实现方式。这也可以抑制EMI。两个示例都是基于这样的事实，即Y电容器应该被放置在两侧的两个冷点之间以用于EMI抑制。还可以是，Y电容器连接在初级侧电路的高电压点和次级侧电路的接地之间，比如图7中的点A到点D；或者在初级侧电路的接地和次级侧电路的高电压点之间，比如图7中的点C和F。
本发明的实现方式在变压器内为两个主功率侧(初级和次级)的冷点提供了彼此对准的导线延伸，以在初级侧电路和次级侧电路之间形成更均匀的寄生电容。
在绕组结构中使用的绕组通常是铜或铝。导线可以是例如圆形导线或矩形扁平导线。
该结构易于连接到初级侧电路和次级侧电路中。在导线要连接到接地的第一实施例中，第一导线的第一端是暴露的，并且可以作为一个变压器引脚通过外部布线连接到接地，而第二导线的第一端可以直接在变压器内连接到第二线圈的第一端。在导线将被连接到高电压点的第二实施例中，第一导线的第一端可以直接在变压器内连接到第一线圈的第二端，并且第二导线的第一端被暴露并且可以经由外部布线连接到负载/输出电容器的阳极。第二端分别是电浮置的，因此可以掩埋在变压器的结构中，而不连接到初级侧电路或次级侧电路中的任何点。
导线对的长度将取决于各种设计特征，诸如不同的线轴设计，以及绕组的匝数和层数。电容将相应地改变。电容遵循与平板电容器类似的关系，其中面积是相邻导线的总长度乘以导线的直径，并且平板分隔距离是两条导线之间的绝缘厚度。如果使线轴更大，则导线变得更长，并且电容更高。获得Y形电容器的所需电容的最容易的方式是缠绕两个导线的适当匝数。
例如，对于单层中具有8匝的绕组，40pF的电容是代表性的。
导线之间的间距也将根据设计而变化，但是例如可以在0.3mm到2mm的范围内，例如0.5mm。导线本身例如可以承受5kVac。在缠绕之后，它可以承受3.75kVac。
本发明特别有意义地用于开关模式功率转换器，特别是用作这种功率转换器中的回扫变压器。
开关模式功率转换器优选地是LED照明驱动器的一部分，其中来自次级侧的输出用于耦合到LED照明负载。LED照明装置例如包括LED照明负载和该照明驱动器，其中LED照明驱动器的输出连接到LED照明负载。
通过研究附图、公开内容和所附权利要求，本领域技术人员在实践所要求保护的本发明时可以理解和实现所公开实施例的变型。在权利要求中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。
在相互不同的从属权利要求中叙述某些措施的仅有事实并不表示不能有利地使用这些措施的组合。
如果在权利要求或说明书中使用术语“适于”，则应注意，术语“适于”旨在等同于术语“被配置成”。
权利要求中的任何附图标记不应解释为限制范围。

Claims (15)

1.一种变压器，包括绕组结构，其中所述绕组结构包括：
具有第一端和第二端的位于初级侧的第一线圈(40)，所述第一线圈(40)是初级侧电路的一部分；
具有第一端和第二端的位于次级侧的第二线圈(50)，所述第二线圈(50)是次级侧电路的一部分；
第一导线(60)；以及
第二导线(70)，所述第一导线(60)和所述第二导线(70)不同于所述第一线圈(40)和所述第二线圈(50)；
其中所述第一导线(60)的第一端连接到所述初级侧，其中所述第一导线(60)的所述第一端电连接到所述初级侧电路的冷点，并且所述第二导线(70)的第一端连接到所述次级侧，其中所述第二导线(70)的所述第一端电连接到所述次级侧电路的冷点，
其中所述第一导线和所述第二导线中的至少一者通过绝缘涂层绝缘，
其中所述第一导线和所述第二导线并排且彼此相邻，从而在它们之间限定电容(CY)，并且所述第一导线和所述第二导线被缠绕到所述变压器的线圈结构中。
2.根据权利要求1所述的变压器，其中所述冷点是与高频dv/dt解耦的点，从而所述电容(CY)跨所述初级侧和所述次级侧形成Y电容器以抑制EMI。
3.根据权利要求1或2所述的变压器，其中：
所述第一导线(60)的所述第一端电耦合到所述初级侧电路的接地，或者所述第一导线(60)的所述第一端电耦合到所述初级侧电路的高电压端；以及
第二导线(70)的所述第一端电耦合到所述次级侧电路的接地，或者所述第二导线(70)的所述第一端电耦合到所述次级侧电路的高电压端。
4.根据权利要求3所述的变压器，其中所述初级侧电路的所述高电压端连接到输入电压，并且所述次级侧电路的高电压端连接到负载。
5.根据权利要求1、2或3所述的变压器，其中所述第一导线(60)的第二端是电浮置的，并且所述第二导线(70)的第二端是电浮置的，而不连接到所述初级侧电路和所述次级侧电路中的任何点。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的变压器，其中：
所述第一线圈(40)的所述第一端(42)相对于所述第一线圈(40)的第二端(44)是低电压端，并且适于连接到开关(80)的电流流入端子；
所述第一线圈的所述第二端(44)适于接收输入电压；
所述第一导线(60)在其第一端处包括连接端子，所述连接端子适于耦合到所述开关(80)的电流流出端子；
所述第二线圈(50)的所述第一端(52)相对于所述第二线圈(50)的所述第二端(54)是低电压端，并且适于连接到负载(82)的负端子；以及
所述第二线圈(50)的所述第二端(54)适于连接到所述负载(82)的正端子。
7.根据权利要求6所述的变压器，其中所述变压器适于用在包括初级侧和次级侧的隔离功率转换器中，其中：
所述第一线圈(40)和所述第一导线(60)适于被放置在所述初级侧；以及
所述第二线圈(50)和所述第二导线(70)适于被放置在所述次级侧。
8.根据权利要求6或7所述的变压器，其中所述第一线圈(40)的所述第一端经由感测电阻器(Rsense)电耦合到所述开关(80)的所述电流流出端子。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的变压器，其中所述第一导线(60)和所述第二导线(70)中的所述至少一者是三重绝缘的。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的变压器，其中所述第一导线(60)和所述第二导线(70)的长度和直径适于形成对应于所述电容的有效电容器的阳极和阴极的有效面积，所述第一导线和所述第二导线之间的距离适于形成所述有效电容器的所述阳极和所述阴极之间的有效空间，并且所述绝缘涂层具有介电常数，从而在所述空间中提供电介质。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的变压器，其中所述电容在1pF至1nF的范围内。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的变压器，其中所述第一导线(60)和所述第二导线(70)在所述第一线圈和所述第二线圈之间的空间内延伸。
13.根据权利要求12所述的变压器，其中所述第一线圈在所述变压器的径向内部部分处围绕轴线(30)缠绕，所述第二线圈在所述变压器的径向外部部分处围绕所述轴线缠绕，并且所述第一导线和所述第二导线在所述径向内部部分和所述外部部分之间的径向中间部分处缠绕。
14.一种LED照明驱动器，包括：
用于耦合到LED照明负载的输出；以及
用于向所述输出和所述LED照明负载递送能量的开关式回扫转换器，其中所述回扫转换器包括用作回扫变压器的根据权利要求1至13中任一项所述的变压器，其中所述第二线圈连接到所述输出。
15.一种LED照明装置，包括：
LED照明负载；以及
根据权利要求14所述的LED照明驱动器，其中所述LED照明驱动器的所述输出连接到所述LED照明负载。
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