CN117174467A - 一种变压器和电感的磁集成结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种变压器和电感的磁集成结构，包括：用于电感磁路的第一磁芯，用于变压器磁路的第二磁芯和同时用于电感磁路和变压器磁路的公共磁芯；第一磁芯与公共磁芯所组成的电感磁芯窗口朝向与第二磁芯和公共磁芯所组成的变压器磁芯窗口朝向存在偏向角θ；流过电感绕组的电感电流，在第一磁芯和公共磁芯中产生电感磁通；流过变压器一次侧绕组的变压器电流，在第二磁芯和公共磁芯中产生变压器磁通；电感电流和变压器电流之间有一定的相位差φ。本发明通过调节电感和变压器磁通的偏向角，可降低公共磁芯部分的高度，从而有机会在不增加footprint或几乎不增加高度的情况下将电感集成到变压器中。
Description
技术领域
本发明涉及磁集成技术，特别涉及一种变压器和电感的磁集成结构。
背景技术
随着数据中心、工业、军事、航空航天和电动汽车等应用的不断发展，具有优化尺寸和效率的电源变换系统的需求越来越高。期望具有高效率、高频率和高功率密度电源的需求显著增加。
磁器件在电源中占据了约40％的体积，重量和损耗，尤其是在传统的电源变换器中，多采用分散式的电感和变压器组合，电感和变压器都占据着较大的体积和重量；为了降低磁器件的体积和重量占比，磁集成技术得到了长足的发展。
近年来，对磁集成的研究多集中在两个方面：1.在变压器中集成一个或多个单独的谐振电感或者滤波电感，即在一个变压器上堆叠一个电感，电感和变压器公用部分磁芯，可以有效降低磁器件的footprint，多用于大功率应用场合，工作频率在几十kHz到几百kHz之间；2.在变压器中造出一段副边绕组不经过的磁芯，或者给原副边绕组之间插入一个耦合路径，用原边绕组产生但不经过复边绕组的磁通，即漏感作为单独的电感使用，同样可以将分散的电感和变压器集成在一起，绕组损耗得到了明显的优化，但footprint优化不明显，磁芯高度没有变化，多用于平面型串联电感和变压器的集成，频率可以提高到1MHz附近。
发明内容
本发明目的是：提供一种新的变压器和电感的磁集成结构，采用电感和变压器堆叠的集成方式，通过改变电感和变压器之间的磁通角度，可在降低footprint的同时有效降低磁器件的高度，
本发明的技术方案是：
变压器和电感的磁集成结构，包括：
用于电感磁路的第一磁芯，用于变压器磁路的第二磁芯和同时用于电感磁路和变压器磁路的公共磁芯；第一磁芯与公共磁芯所组成的电感磁芯窗口朝向与第二磁芯和公共磁芯所组成的变压器磁芯窗口朝向存在偏向角θ；
穿过电感磁芯窗口的电感绕组，采用一组或多组导线；流过电感绕组的电感电流，在第一磁芯和公共磁芯中产生电感磁通；
穿过变压器磁芯窗口的变压器绕组，包括一次侧绕组和二次侧绕组，采用一组或多组导线；流过变压器一次侧绕组的变压器电流，在第二磁芯和公共磁芯中产生变压器磁通；
电感电流和变压器电流之间有一定的相位差φ，相位差φ满足范围：90≤φ＜180。
优选的，所述第一磁芯为一个I型盖板。
优选的，所述公共磁芯包括一个磁芯盖板和至少两个磁芯柱，磁芯柱位于磁芯盖板表面且至少有两个磁芯柱朝向所述第一磁芯。
优选的，所述第一磁芯和公共磁芯通过公共磁芯的至少两个磁芯柱集成为一体作为电感磁芯。
优选的，所述第一磁芯和公共磁芯组成电感磁芯中至少设置一个隔断的气隙。
优选的，所述电感绕组为穿过电感磁芯窗口的铜片、利兹线、三重绝缘线、完全绝缘线中的一种。
优选的，所述变压器绕组为穿过变压器磁芯窗口的铜箔、利兹线、三重绝缘线、完全绝缘线和印刷电路板中的一种。
优选的，穿过电感磁芯窗口的多根导线之间存在磁耦合关系。
优选的，所述电感电流和变压器电流之间的相位差φ，满足范围90°＜φ＜135°。
优选的，所述电感磁芯窗口朝向与变压器磁芯窗口朝向之间的偏向角θ，满足θ＝180-φ关系。
本发明的优点是：
1、本发明提出的变压器和电感的磁集成结构，其中电感的产生的磁通方向与变压器产生的磁通方向可以不在一个平面上，通过调节电感和变压器磁通的偏移角，可降低公共磁芯部分的高度，从而有机会在不增加footprint或几乎不增加高度的情况下将电感集成到变压器中。
2、由于电感电流和变压器励磁电流的相位差φ，与磁通的偏移角θ满足θ＝180-φ，本发明可根据电感电流和变压器励磁电流的相位差进行调节电感磁通方向，可保证盖板磁通最小，减小磁芯损耗。
附图说明
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
图1为现有的堆叠式磁集成结构的原理图；
图2为现有的平面式磁集成结构的示意图；
图3为本发明的磁集成结构的爆炸图；
图4为本发明的磁集成结构的整体示意图；
图5为本发明的磁集成结构的主视图；
图6为通过磁芯柱调节磁通角的磁集成结构的爆炸图；
图7为通过磁芯柱调节磁通角的磁集成结构的整体示意图；
图8为通过磁芯柱调节磁通角的磁集成结构的主视图；
图9为通过磁芯柱调节磁通角的优化对比图；
图10为电感磁芯与公共磁芯集成为一个整体的立体图；
图11为电感磁芯与公共磁芯集成为一个整体的主视图；
图12为公共磁芯包含四个磁芯柱的磁集成结构的爆炸图；
图13为公共磁芯包含四个磁芯柱的磁集成结构的主视图；
图14为多电感绕组的磁集成结构的爆炸图；
图15为多电感绕组的磁集成结构的主视图；
图16为磁集成结构应用于LLC电路的原理图；
图17为磁集成结构应用于LLC电路的时序图；
图18为磁集成结构应用于两级电路的原理图。
图19为磁集成结构应用于两级电路的时序图。
具体实施方式
实施例1
如图3-5所示，本实施例的变压器和电感的磁集成结构，包括：
用于电感磁路的第一磁芯1，用于变压器磁路的第二磁芯2和同时用于电感磁路和变压器磁路的公共磁芯3；第一磁芯1与公共磁芯3所组成的电感磁芯窗口B2朝向与第二磁芯2和公共磁芯3所组成的变压器磁芯窗口B1朝向存在偏向角θ；
电感绕组4，为至少一组穿过第一磁芯和公共磁芯组成的电感磁芯窗口的导体；流过电感绕组的电感电流，在第一磁芯和公共磁芯中产生电感磁通；
穿过变压器磁芯窗口的变压器绕组，包括一次侧绕组51和二次侧绕组52，分别用于变压器的原边和副边；变压器的一次侧绕组为至少一组穿过第二磁芯和公共磁芯组成的变压器磁芯窗口的导体，变压器的二次侧绕组为至少一组穿过第二磁芯和公共磁芯组成的变压器磁芯窗口的导体；电感绕组与变压器的一次侧绕组存在串联关系，且电感绕组和变压器一次侧绕组的连接节点可引出用于其他器件的链接；流过变压器一次侧绕组51的变压器电流，在第二磁芯和公共磁芯中产生变压器磁通。
具体实施时，所述第一磁芯1为一个I型盖板。所述公共磁芯包括一个磁芯盖板31和两个磁芯柱32，磁芯柱32位于磁芯盖板31表面且两个磁芯柱32朝向所述第一磁芯1，所述磁芯柱32与所述磁芯盖板31宽度方向平行。用于电感的第一磁芯1与公共磁芯3的磁芯柱32相连，形成完整的电感磁通回路。用于变压器的第二磁芯2一般为U型或者E型，包括至少两个磁芯柱和一个磁芯盖板，用于变压器的第二磁芯的磁芯柱与公共磁芯3的背离电感侧磁芯相连，组成完整的变压器磁通回路，第二磁芯2和公共磁芯3组合的变压器完整磁芯中包含至少一个气隙。
所述电感绕组4为穿过电感磁芯窗口的铜片、利兹线、三重绝缘线、完全绝缘线中的一种。穿过电感磁芯窗口的多根导线之间存在磁耦合关系。
所述变压器绕组为穿过变压器磁芯窗口的铜箔、利兹线、三重绝缘线、完全绝缘线和印刷电路板中的一种。
电感电流和变压器电流之间有一定的相位差φ，相位差φ满足范围：90≤φ＜180；所述电感磁芯窗口B2朝向与变压器磁芯窗口B1朝向之间的偏向角θ，满足θ＝180-φ关系。
进一步优选的，所述电感电流和变压器电流之间的相位差φ，满足范围90°＜φ＜135°，存在偏移角θ最多可降低约30％的电感磁芯高度。本实施例可根据电感电流和变压器励磁电流的相位差调节电感磁通方向，保证盖板磁通最小，减小磁芯损耗。
实施例2
如图6-8所示，本实施例中，与实施例1的方案类似，所不同的是，所述磁芯柱32与所述磁芯盖板31宽度方向之间有夹角，通过磁芯柱调节磁通角，对应的，穿过电感磁芯窗口的电感绕组4与所述磁芯盖板31宽度方向之间有夹角，进而改变了电感磁芯窗口B2朝向与变压器磁芯窗口B1朝向存在偏向角θ。
如图9所示，通过磁芯柱调节磁通角的优化对比，解耦柱磁通最多可优化约30％。
实施例3
如图10-11所示，本实施例中，所述第一磁芯1和公共磁芯3通过公共磁芯的两个磁芯柱32集成为一体作为电感磁芯。所述第一磁芯1中至少设置一个隔断的气隙11，增大变压器磁通路径。
实施例4
如图12-13所示，本实施例中，与实施例1的方案类似，所不同的是，所述公共磁芯包括一个磁芯盖板31和四个磁芯柱32，其中上表面的两个磁芯柱32朝向所述第一磁芯1，与所述磁芯盖板31宽度方向平行；下表面的两个磁芯柱32朝向所述第二磁芯2，与所述磁芯盖板32长度方向平行。
实施例5
如图14-15所示，本实施例中，与实施例1的方案类似，所不同的是，所述电感绕组4为分开的两个，两个绕组之间可以存在磁耦合关系。
所述电感绕组4也可为更多个，各绕组之间可以存在磁耦合关系。实施例中不再图示。
实施例6
如图16所示，本实施例中，将实施例1的变压器和电感的磁集成结构，应用于高频，低压大电流的LLC电路。图17为磁集成结构应用于LLC电路的时序图。
实施例7
如图18所示，本实施例中，将实施例2的变压器和电感的磁集成结构，应用于两级电路，如buck-boost+LLC变换器。图19为磁集成结构应用于两级电路的时序图。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明主要技术方案的精神实质所做的修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.变压器和电感的磁集成结构，其特征在于，包括：
用于电感磁路的第一磁芯，用于变压器磁路的第二磁芯和同时用于电感磁路和变压器磁路的公共磁芯；第一磁芯与公共磁芯所组成的电感磁芯窗口朝向与第二磁芯和公共磁芯所组成的变压器磁芯窗口朝向存在偏向角θ；
穿过电感磁芯窗口的电感绕组，采用一组或多组导线；流过电感绕组的电感电流，在第一磁芯和公共磁芯中产生电感磁通；
穿过变压器磁芯窗口的变压器绕组，包括一次侧绕组和二次侧绕组，采用一组或多组导线；流过变压器一次侧绕组的变压器电流，在第二磁芯和公共磁芯中产生变压器磁通；
电感电流和变压器电流之间有一定的相位差相位差/>满足范围：/>
2.如权利要求1所述的变压器和电感的磁集成结构，其特征在于，所述第一磁芯为一个I型盖板。
3.如权利要求1所述的变压器和电感的磁集成结构，其特征在于，所述公共磁芯包括一个磁芯盖板和至少两个磁芯柱，磁芯柱位于磁芯盖板表面且至少有两个磁芯柱朝向所述第一磁芯。
4.如权利要求1所述的变压器和电感的磁集成结构，其特征在于，所述第一磁芯和公共磁芯通过公共磁芯的至少两个磁芯柱集成为一体作为电感磁芯。
5.如权利要求1所述的变压器和电感的磁集成结构，其特征在于，所述第一磁芯和公共磁芯所组成的电感磁芯中至少设置一个隔断的气隙。
6.如权利要求1所述的变压器和电感的磁集成结构，其特征在于，所述电感绕组为穿过电感磁芯窗口的铜片、利兹线、三重绝缘线、完全绝缘线中的一种。
7.如权利要求1所述的变压器和电感的磁集成结构，其特征在于，所述变压器绕组为穿过变压器磁芯窗口的铜箔、利兹线、三重绝缘线、完全绝缘线和印刷电路板中的一种。
8.如权利要求1所述的变压器和电感的磁集成结构，其特征在于，穿过电感磁芯窗口的多根导线之间存在磁耦合关系。
9.如权利要求1所述的变压器和电感的磁集成结构，其特征在于，所述电感电流和变压器电流之间的相位差满足范围/>
10.如权利要求1所述的变压器和电感的磁集成结构，其特征在于，所述电感磁芯窗口朝向与变压器磁芯窗口朝向之间的偏向角θ，满足关系。
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