CN117809957A - 一种llc变压器及电源设备 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种LLC变压器及电源设备，所述LLC变压器包括原边绕组、若干组副边绕组、顶层磁芯和底层磁芯，所述若干组副边绕组叠层布置于所述原边绕组的两侧；所述原边绕组与最内侧的副边绕组之间设置至少一层内部屏蔽层，最外侧的副边绕组的外侧设置至少一层外部屏蔽层；所述顶层磁芯和底层磁芯将所述原边绕组、若干组副边绕组及各屏蔽层覆盖其中。本申请可实现多路不同电压的输出，运行频率高，并有效降低了绕组之间的寄生电容。

Description

一种LLC变压器及电源设备

技术领域

本申请涉及电子电路技术领域，特别涉及一种LLC变压器及电源设备。

背景技术

LLC变压器是一种隔离型DC-DC变换器，它通过全桥两电平LLC谐振变换器实现升降压功能，其中的高频变压器起隔离作用。LLC变压器具有软开关、能量双向流动、高效率、高功率密度等诸多优点。

然而现有的LLC变压器通常只有一路输出，无法满足多路输出的需求，无法用于不同电压的应用场景，并且现有LLC变压器的运行频率不高，且使用的磁芯较大，导致占板面积较大。同时，现有LLC变压器中容易出现较大的寄生电容，进而产生电流尖峰，影响电路的稳定性和可靠性。

发明内容

有鉴于此，本申请提出一种LLC变压器及电源设备，可实现多路不同电压的输出，运行频率高，并有效降低了绕组之间的寄生电容。

第一方面，本申请提供了一种LLC变压器，包括原边绕组、若干组副边绕组、顶层磁芯和底层磁芯，所述若干组副边绕组叠层布置于所述原边绕组的两侧；

所述原边绕组与最内侧的副边绕组之间设置至少一层内部屏蔽层，最外侧的副边绕组的外侧设置至少一层外部屏蔽层；

所述顶层磁芯和底层磁芯将所述原边绕组、若干组副边绕组及各屏蔽层覆盖其中。

由上，本申请提供的LLC变压器通过设置一组原边绕组和多组副边绕组，实现一路输入多路输出，并且通过将各副边绕组在原边绕组两侧进行叠层布置，并在原边绕组及副边绕组之间设置屏蔽层，能够有效降低各绕组之间的寄生电容，同时还通过在顶层和底层设置屏蔽层，可以有效地减小电磁泄露，提高电磁兼容性，保证变压器的稳定运行。

可选的，所述若干组副边绕组根据绕组圈数对称叠层布置于所述原边绕组的两侧。

由上，通过将若干组副边绕组对称地叠层布置在原边绕组的两侧，可以平衡电流和磁通分布，减小磁通密度和磁通偏移，从而减小磁芯的损耗和温升，还可以提高LLC变压器的可靠性。

可选的，所述原边绕组同一侧的多个副边绕组根据绕组圈数从大到小的顺序叠层布置于所述外部屏蔽层和内部屏蔽层之间。

由上，根据电容决定式，线圈间距d越大电容c越小，通过按照绕组圈数从大到小的顺序排列，也即面积从大到小的顺序分布，把原边绕组两侧的面积较大的线圈之间的距离尽量拉大，从而减小多层副边绕组本身和副边绕组之间的寄生电容，位移电流变小，减小了共模干扰，提高变压器的可靠性和稳定性。

可选的，所述原边绕组的输入端和各屏蔽层的接地端位于一侧，且各屏蔽层的接地端与所述原边绕组的接地端为同一个接地端，所述若干组副边绕组的输出端位于另一侧。

由上，将原边绕组的输入端和各屏蔽层的接地端位于一侧，且各屏蔽层的接地端与所述原边绕组的接地端为同一个接地端，可以使得输入电流和屏蔽层的接地电流更加集中，减小电磁干扰和辐射，若干组副边绕组的输出端位于另一侧，可以使得输出电压更加稳定和对称，提高变压器的性能和可靠性，从而更好地实现电路的对称性和稳定性。

可选的，所述若干组副边绕组的输出端呈横向排布，且绕组圈数最小的两个副边绕组的输出端位于横向排布的两端。

由上，副边绕组的输出端呈横向排布，可以减小输出电压的差分干扰和电场耦合，提高变压器的电磁兼容性能，绕组圈数较少的副边绕组通常具有较小的电感和较小的电阻，使其位于两端可以使得输出电压更加稳定和对称。

可选的，所述若干组副边绕组根据其承载的电流设置其线宽：

I＝K×(ΔT∧0.44)×(A∧0.44)

其中，I为副边绕组承载的电流，K为修正系数，ΔT为副边绕组的温度变化，A为副边绕组的截面积，该截面积为线宽和厚度的乘积。

由上，通过合理地设置副边绕组的线宽，可以提高电流承载能力和稳定性，其中电流I是随着截面积A的增加而增加，随着温度变化ΔT的减小而减小。

可选的，所述屏蔽层为具有开口的环状结构，且各屏蔽层的开口位置相同。

由上，在LLC变压器中，由于存在高频的开关信号和电流，会产生较强的电磁干扰和辐射，采用具有开口的环状结构屏蔽层可以有效地减小这些干扰和辐射，提高电路的稳定性和可靠性，并且各屏蔽层的开口位置相同，可以使得上下层屏蔽层之间的电场方向一致，从而减小电场的变化和位移电流的产生，从而提高屏蔽效果。

可选的，所述屏蔽层的开口位置位于所述原边绕组的输入端和副边绕组的输出端之间。

由上，通过调整屏蔽层的开口位置，使其位于原边绕组的输入端和副边绕组的输出端之间，可以使屏蔽层和原边绕组上正相对处的各点电位较为接近，从而减小两者之间的电势差，减小位移电流。

可选的，所述原边绕组的绕组圈数为3匝，呈两层结构布置；

所述屏蔽层的开口为线型且沿着该屏蔽层环状结构的径向延伸设置，所述开口的中轴线位于所述原边绕组的两个输入端的对称轴至该对称轴逆时针转动90度的范围内。

由上，屏蔽层的开口可以为线型，该线型开口沿着屏蔽层环状结构的径向延伸设置，该开口的中轴线可位于原边绕组的两个输入端的对称轴至该对称轴绕着屏蔽层环状结构的中心逆时针转动90度的范围内，由于原边绕组为3匝且呈两层结构布置，该原边绕组的两输入端存在电压差，屏蔽层与其邻近的一层原边绕组间也存在电压差，通过将屏蔽层的开口位置设置于原边绕组的两个输入端的对称轴至该对称轴逆时针转动90度的范围内，可使得屏蔽层与其邻近的原边绕组之间的压差变小，进而使得寄生电容变小。

可选的，上述屏蔽层的开口的中轴线位于原边绕组的两个输入端的对称轴绕着屏蔽层环状结构的中心逆时针转动45度处。

由上，在原边绕组为1组，且圈数为3匝时，该屏蔽层的开口位置的设置方式，可以使屏蔽层和原边绕组上正相对处的各点电位趋近处处相等，从而减小屏蔽层和原边绕组之间的电势差，进一步减小位移电流。

可选的，所述副边绕组的组数为6组，各副边绕组的绕组圈数分别为8匝、5匝、2匝、2匝、1匝、1匝。

由上，LLC变压器的原边绕组为一组，副边绕组为6组，满足一路电压输入，六路电压输出，可分别为多个芯片供电。

可选的，所述顶层磁芯和底层磁芯为EE型或ECW型。

由上，顶层磁芯和底层磁芯可以选择EE型或ECW型，EE型磁芯具有较高的磁通密度和饱和磁通量，适用于较大功率的应用，同时，由于其开放的结构，EE型磁芯可以方便地实现多绕组绕线，适用于多副边绕组的设计。ECW型磁芯是一种复合磁芯，由多个C型磁芯拼接而成，它具有较高的磁通密度和饱和磁通量，适用于较大功率的应用，同时，ECW型磁芯的窗口面积较大，可以容纳更多的绕组圈数和线径较大的绕组，此外，ECW型磁芯的散热性能较好，有利于提高变压器的稳定性和可靠性。

第二方面，本申请提供了一种电源设备，包括电源电路及上述的LLC变压器；

所述电源电路的输出端连接所述LLC变压器的原边绕组的输入端；

所述LLC变压器的各副边绕组的输出端分别连接对应的用电设备。

本申请的这些和其它方面在以下(多个)实施例的描述中会更加简明易懂。

附图说明

图1为本申请实施例提供的一种LLC变压器的斜视、俯视及爆炸组合示意图；

图2为本申请实施例提供的一种屏蔽层开口位置的示意图。

应理解，上述结构示意图中，各框图的尺寸和形态仅供参考，不应构成对本申请实施例的排他性的解读。结构示意图所呈现的各框图间的相对位置和包含关系，仅为示意性地表示各框图间的结构关联，而非限制本申请实施例的物理连接方式。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本申请提供的技术方案作进一步说明。应理解，本申请实施例中提供的系统结构和业务场景主要是为了说明本申请的技术方案的可能的实施方式，不应被解读为对本申请的技术方案的唯一限定。本领域普通技术人员可知，随着系统结构的演进和新业务场景的出现，本申请提供的技术方案对类似技术问题同样适用。

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申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。如有不一致，以本说明书中所说明的含义或者根据本说明书中记载的内容得出的含义为准。另外，本文中所使用的术语只是为了描述本申请实施例的目的，不是旨在限制本申请。

本申请实施例提出了一种LLC变压器，通过设置一组原边绕组和多组副边绕组，可实现多路不同电压的输出，以方便地为多个芯片提供所需的电压，并通过减少整体尺寸，提高功率密度，实现较高的运行频率，还通过设置多层屏蔽层，有效降低了绕组之间的寄生电容。

如图1所示，本申请实施例提供了一种LLC变压器，该LLC变压器包括原边绕组P、若干组副边绕组S1-S6、顶层磁芯和底层磁芯，其中原边绕组的绕组圈数为3匝，各副边绕组的绕组圈数分别为：S1为8匝、S2为5匝、S3为2匝、S4为2匝、S5为1匝、S6为1匝。

通过布置叠层结构，将多个副边绕组S1-S6根据副边绕组的圈数对称布置于原边绕组P的上下两侧，需要说明的是，本实施例中的对称布置可以是根据绕组圈数的严格对称布置，也可以是以位于上下两侧的副边绕组圈数大部分对称且圈数相等、而小部分副边绕组的圈数较为接近的趋于对称的方式进行布置。例如，副边绕组S1、S4、S5位于原边绕组P的上层，副边绕组S2、S3、S6位于原边绕组P的下层。叠层结构可以减少副边绕组之间的距离，从而减小了它们之间的电场强度，进而有效地减小各个副边绕组之间的寄生电容，并且，叠层结构还可以提高LLC变压器的功率密度和效率，由于副边绕组被分层布置，使得磁芯的利用率更高，减小了磁芯的体积，从而实现了紧凑的设计。

原边绕组P与上层的副边绕组S5之间设置内部屏蔽层2，和下层的副边绕组S6之间设置内部屏蔽层3，顶层的副边绕组S1的外侧设置外部屏蔽层1，底层的副边绕组S2的外侧设置外部屏蔽层4。顶层磁芯和底层磁芯将原边绕组P、副边绕组S1-S6及各屏蔽层1-4中的全部覆盖其中或部分覆盖其中。

在一些实施例中，原边绕组同一侧的多个副边绕组可以根据绕组圈数从大到小的顺序叠层布置于所述外部屏蔽层和内部屏蔽层之间。例如，将副边绕组S1、S4、S5依次叠层布置于外部屏蔽层1和内部屏蔽层2之间，其中绕组圈数较大的副边绕组S1位于最外侧，贴近外部屏蔽层1，绕组圈数较小的副边绕组S5位于最内侧，贴近内部屏蔽层2；将副边绕组S2、S3、S6依次叠层布置于外部屏蔽层4和内部屏蔽层3之间，其中绕组圈数较大的副边绕组S2位于最外侧，贴近外部屏蔽层4，绕组圈数较小的副边绕组S6位于最内侧，贴近内部屏蔽层3。通过按照绕组圈数从大到小的顺序，也即面积从大到小的顺序分布，把原边绕组两侧的面积较大的线圈之间的距离尽量拉大，从而减小多层副边绕组本身和副边绕组之间的寄生电容，位移电流变小，减小了共模干扰，提高变压器的可靠性和稳定性。

在一些实施例中，原边绕组P的输入端和各屏蔽层的接地端位于一侧，且各屏蔽层的接地端与原边绕组P的接地端为同一个接地端，可以使得输入电流和屏蔽层的接地电流更加集中，减小电磁干扰和辐射，副边绕组S1-S6的输出端位于相对的另一侧，可以使得输出电压更加稳定和对称，提高变压器的性能和可靠性，从而更好地实现电路的对称性和稳定性。并且各副边绕组S1-S6的输出端呈横向排布，以减小输出电压的差分干扰和电场耦合，提高变压器的电磁兼容性能，由于绕组圈数较少的副边绕组通常具有较小的电感和较小的电阻，通过将绕组圈数最小的两个副边绕组S5、S6的输出端位于横向排布的两端，以使得输出电压更加稳定和对称。

在一些实施例中，各副边绕组可根据其承载的电流设置其线宽，通过合理地设置副边绕组的线宽，可以有效地减小电阻、提高电流承载能力和稳定性。具体如下：

I＝K×(ΔT∧0.44)×(A∧0.44)

其中，I为副边绕组承载的电流，K为修正系数，ΔT为副边绕组的温度变化，A为副边绕组的截面积，该截面积为线宽和厚度的乘积。根据该公式可知，电流I是随着截面积A的增加而增加，随着温度变化ΔT的减小而减小。换言之，副边绕组的线宽随着承载电流I的增加而增加；在载流数值确定时，线宽随着温度变化ΔT的减小而增加，在电流承载能力方面，随着电流I的增加，需要减小电阻以减小功率损失，因此，需要增加线宽以减小电阻，从而提高电流承载能力。在温升方面，随着温度变化ΔT的增大，绕组的温度升高会导致电阻增加和性能下降，因此，需要增加线宽以减小电阻，从而减小温升和提高稳定性。

在LLC变压器中，由于存在高频的开关信号和电流，会产生较强的电磁干扰和辐射，因此，如图2所示，本实施例的各屏蔽层可采用具有开口的环状结构，可以有效地减小这些干扰和辐射，提高电路的稳定性和可靠性，并且各屏蔽层的开口位置相同，可以使得上下层屏蔽层之间的电场方向一致，从而减小电场的变化和位移电流的产生，从而提高屏蔽效果。

在一些实施例中，屏蔽层的开口位置可位于所述原边绕组的输入端和各副边绕组的输出端之间，参照图2所示，本实施例的原边绕组P的绕组圈数为3匝，呈两层结构，那么每层的圈数为1.5匝，屏蔽层2和屏蔽层3的开口可以为线型，该线型开口沿着屏蔽层环状结构的径向延伸设置，该开口的中轴线可位于原边绕组的两个输入端的对称轴至该对称轴绕着屏蔽层环状结构的中心逆时针转动90度的范围内，可使得屏蔽层与其邻近的原边绕组之间的压差变小，进而使得寄生电容变小。在一个优选实施例中，屏蔽层2和屏蔽层3的开口位置可设置于斜上45度方向上，也即该开口的中轴线位于原边绕组的两个输入端的对称轴绕着屏蔽层环状结构的中心逆时针转动45度的位置，该开口位置可以使屏蔽层和原边绕组上正相对处的各点电位趋近处处相等，从而减小两者之间的电势差，进一步减小位移电流。

在一些实施例中，顶层磁芯和底层磁芯可以设计为EE型或ECW型，其中，EE型磁芯具有较高的磁通密度和饱和磁通量，适用于较大功率的应用，同时，由于其开放的结构，EE型磁芯可以方便地实现多绕组绕线，适用于多副边绕组的设计。然而，EE型磁芯的窗口面积较小，需要选择合适的线径和绕组圈数以适应电路要求。ECW型磁芯是一种复合磁芯，由多个C型磁芯拼接而成，它具有较高的磁通密度和饱和磁通量，适用于较大功率的应用，同时，ECW型磁芯的窗口面积较大，可以容纳更多的绕组圈数和线径较大的绕组，此外，ECW型磁芯的散热性能较好，有利于提高变压器的稳定性和可靠性。

综上所述，本申请实施例通过提供一种LLC变压器，通过设置一组原边绕组和多组副边绕组，可以方便地为多个芯片提供所需的电压，适应性强，能够满足复杂的多路输出需求。并且通过将各副边绕组在原边绕组两侧进行叠层布置，有助于减小LLC变压器的整体尺寸，使其更加紧凑，并在原边绕组及副边绕组之间设置屏蔽层，能够有效降低各绕组之间的寄生电容，同时还通过在顶层和底层设置屏蔽层，可以有效地减小电磁泄露，提高电磁兼容性，保证变压器的稳定运行。

基于上述实施例提供的LLC变压器，本申请实施例还提供了一种电源设备，包括电源电路及上述实施例所述的LLC变压器；

其中，电源电路的输出端连接所述LLC变压器的原边绕组的输入端，该LLC变压器的各副边绕组的输出端分别连接对应的用电设备，从而实现多路输出，为各用电设备提供对应的工作电压。

应理解，本申请实施例中的LLC变压器的工作原理可以参考图1-图2所示的实施例及相关扩展实施例的相关表述，本申请实施例将不再重复赘述。

需要说明的是，本申请所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，上述对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域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，都属于本申请保护的范围。

说明书和权利要求书中的词语“第一、第二、第三等”或模块A、模块B、模块C等类似用语，仅用于区别类似的对象，不代表针对对象的特定排序，可以理解地，在允许的情况下可以互换特定的顺序或先后次序，以使这里描述的本申请实施例能够以除了在这里图示或描述的以外的顺序实施。

在上述的描述中，所涉及的表示步骤的标号，并不表示一定会按此步骤执行，还可以包括中间的步骤或者由其他的步骤代替，在允许的情况下可以互换前后步骤的顺序，或同时执行。

说明书和权利要求书中使用的术语“包括”不应解释为限制于其后列出的内容；它不排除其它的元件或步骤。因此，其应当诠释为指定所提到的所述特征、整体、步骤或部件的存在，但并不排除存在或添加一个或更多其它特征、整体、步骤或部件及其组群。因此，表述“包括装置A和B的设备”不应局限为仅由部件A和B组成的设备。

本说明书中提到的“一个实施例”或“实施例”意味着与该实施例结合描述的特定特征、结构或特性包括在本申请的至少一个实施例中。因此，在本说明书各处出现的用语“在一个实施例中”或“在实施例中”并不一定都指同一实施例，但可以指同一实施例。此外，在本申请的各个实施例中，如果没有特殊说明以及逻辑冲突，不同的实施例之间的术语和/或描述具有一致性、且可以相互引用，不同的实施例中的技术特征根据其内在的逻辑关系可以组合形成新的实施例。

注意，上述仅为本申请的较佳实施例及所运用的技术原理。本领域技术人员会理解，本申请不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本申请的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本申请进行了较为详细的说明，但是本申请不仅仅限于以上实施例，在不脱离本申请的构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，均属于本申请的保护范畴。

Claims (10)

1.一种LLC变压器，其特征在于，包括原边绕组、若干组副边绕组、顶层磁芯和底层磁芯，所述若干组副边绕组叠层布置于所述原边绕组的两侧；

所述原边绕组与最内侧的副边绕组之间设置至少一层内部屏蔽层，最外侧的副边绕组的外侧设置至少一层外部屏蔽层；

所述顶层磁芯和底层磁芯将所述原边绕组、若干组副边绕组及各屏蔽层覆盖其中。

2.根据权利要求1所述的LLC变压器，其特征在于，所述若干组副边绕组根据绕组圈数对称叠层布置于所述原边绕组的两侧。

3.根据权利要求1或2所述的LLC变压器，其特征在于，所述原边绕组同一侧的多个副边绕组根据绕组圈数从大到小的顺序叠层布置于所述外部屏蔽层和内部屏蔽层之间。

4.根据权利要求1所述的LLC变压器，其特征在于，所述原边绕组的输入端和各屏蔽层的接地端位于一侧，且各屏蔽层的接地端与所述原边绕组的接地端为同一个接地端，所述若干组副边绕组的输出端位于另一侧。

5.根据权利要求1或4所述的LLC变压器，其特征在于，所述若干组副边绕组的输出端呈横向排布，且绕组圈数最小的两个副边绕组的输出端位于横向排布的两端。

6.根据权利要求1所述的LLC变压器，其特征在于，所述屏蔽层为具有开口的环状结构，且各屏蔽层的开口位置相同。

7.根据权利要求6所述的LLC变压器，其特征在于，所述原边绕组的绕组圈数为3匝，呈两层结构布置；

所述屏蔽层的开口为线型且沿着该屏蔽层环状结构的径向延伸设置，所述开口的中轴线位于所述原边绕组的两个输入端的对称轴至该对称轴逆时针转动90度的范围内。

8.根据权利要求7所述的LLC变压器，其特征在于，所述屏蔽层的开口的中轴线位于原边绕组的两个输入端的对称轴绕着屏蔽层环状结构的中心逆时针转动45度处。

9.根据权利要求1所述的LLC变压器，其特征在于，所述副边绕组的组数为6组，各副边绕组的绕组圈数分别为8匝、5匝、2匝、2匝、1匝、1匝。

10.一种电源设备，其特征在于，包括电源电路及权利要求1至9任意一项所述的LLC变压器；

所述电源电路的输出端连接所述LLC变压器的原边绕组的输入端；

所述LLC变压器的各副边绕组的输出端分别连接对应的用电设备。