CN208959326U - 变压器和变换器 - Google Patents

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Abstract

变压器和变换器，其中变压器包括位于多个层上的初级绕组；以及与多个层交错的次级绕组；以及连接到变压器的基板，包括：具有第一端子、第二端子和第三端子的第一晶体管，其中第一端子连接到次级绕组，第二端子连接到变压器的输出端子，第三端子是控制端子；第一导电层；与第一导电层交错的第二导电层；第一通孔，其被固体填充并且将第一导电层和第一端子相连；以及第二通孔，其被固体填充并且将第二导电层和第二端子相连。本实用新型具有很好的热耗散；通过适当绕组交错实现的高频趋肤深度效应和邻近效应引起的损耗的减少；通过减小变压器次级绕组Ns1、Ns2之间的漏电感，MOSFET Q3和Q4的漏极到源极上的低电压尖峰。

Description

变压器和变换器
技术领域
本发明涉及DC/DC谐振变换器。更具体地，本发明涉及用于 DC/DC谐振变换器的高频变压器设计。
背景技术
图1中示出了半桥LLC变换器。图1所示的半桥LLC变换器可以与本部分中讨论的已知变压器或根据下面具体实施例方式部分中讨论的本发明的优选实施例的新型变压器一起使用。
图1示出了使用LLC串联谐振电路的半桥DC-DC变换器的典型应用。在图1中，“初级侧”是指连接到初级绕组的变压器左侧的电路部分，“次级侧”是指连接到次级绕组的变压器右侧的电路部分。LLC 是指连接到变压器的初级侧的无源元件电容C1、电感Lrt和电感Lmt。MOSFET Q1和Q2连接到变压器的初级侧以输入电压Vi。功率开关 MOSFET Q3、Q4连接到变压器的次级侧作为同步整流器(SR)。 MOSFET Q3、Q4中的每一个可以是单个MOSFET(如图1所示)，或者可以是并联连接的多个MOSFET(图1中未示出)。并联的 MOSFET意味着MOSFET的漏极连接在一起以及MOSFET的源极连接在一起。输出电容CO连接到变压器的次级侧。
变压器的设计应被认为是在大功率和大电流应用中。为了实现高功率密度，使用高开关频率来减小磁性部件的尺寸，并且应该慎重设计高频变压器。在高频时，在设计变压器绕组时，应考虑趋肤深度效应和邻近效应。趋肤深度效应和邻近效应可以产生大AC损耗和大DC 电阻损耗。此外，还应考虑变压器的次级绕组与MOSFET Q3、Q4之间的连接。应当减小次级绕组和SR(即MOSFET Q3、Q4)之间的距离，以减少导线的寄生阻抗，并最终减少端接损耗。
在US 2007/0152795A1、US7,705,705B2和US 2009/0085702 A1 中，变压器结构100包括并联连接的初级绕组和次级绕组，从而可实现所需的额定输出功率。如图2所示，功率变换器包括多个次级电路单元110，并且每个次级电路单元110包括具有次级绕组112的印刷电路板(PCB)111。PCB 111包括输出整流电路和电容滤波器。芯113 包括上芯部分114和下芯部分115。次级电路单元110堆叠在彼此顶部上，使得上芯部分114和下芯部分115的中心柱可以插入到PCB 111 和次级绕组112中的孔中。次级电路单元110并联连接以输出负载。虽然这种已知的变压器结构可以实现高效率，但是变压器组件的总体尺寸相当大。
在US 2010/0265029 A1中，圆柱形导电柱63a、63b、63c连接多个次级绕组6，如本申请的图3所示，其对应于US 2010/0265029 A1 的图6B。次级绕组6包括绕线筒基座60、三个绕线筒61、四个绕组结构62a、62b、62c、62d，三个导电柱63a、63b、63c、以及芯组64。虽然这种已知的结构可以实现高功率密度，但是由于次级绕组和同步整流器之间的距离不均匀，发生了大的端接损耗，从而难以实现高效率。
在US 2010/0207714 A1中，变压器的内部绕组耗散变压器的热量，如图4所示，其对应于US 2010/0207714A1的图2C。变压器2包括磁性设备21和壳体22。磁性设备21包括绕组构件和磁芯组件。绕组构件包括初级绕组组件211a和次级绕组组件211b。初级绕组组件211a 和次级绕组组件211b由铜箔制成。为了隔离和绝缘，绝缘带211d缠绕在变压器2的外周周围。初级绕组组件211a通过环形地缠绕铜箔来制造，因此，在初级绕组组件211a的中心限定了通道211c。变压器2 还包括定位板23。定位板23的面积大于壳体22的底面积。磁性设备 21包括至少一个销213。销213的端部连接到定位板23和绕组构件 211。壳体22包括第一侧板223。在壳体22的第一侧板223中包括多个螺栓孔223a。通过将螺栓或螺钉插入对应的孔223a中，可以将另一个散热设备(例如水冷设备或散热器)附接到壳体22的第一侧板223。由磁性设备21产生的热量通过导热粘合剂24传递到壳体22，然后由散热设备快速耗散掉，从而提高了散热效率。壳体22用作散热器，并且导热粘合剂24将热量从绕组构件传递到壳体22，然后传递到空气中。
高功率密度、高频变压器设计包括以下挑战：
1)绕组和同步整流器的热耗散。
2)高频趋肤深度效应和邻近效应引起的损耗。
3)由上次级绕组Ns1和下次级绕组Ns2之间的变压器的大漏电感与MOSFET Q3、Q4的寄生电容谐振创建的在MOSFET Q3、Q4的漏极到源极上的电压尖峰。
实用新型内容
为了克服上述问题，本发明的优选实施例提供了具有以下一个或多个特征的变压器：
1)没有散热器的情况下的很好的热耗散，这导致较小的尺寸。
2)通过适当绕组交错实现的高频趋肤深度效应和邻近效应引起的损耗的减少。
3)通过显著减少或最小化次级绕组和输出整流器PCB之间的距离带来的端接损耗的减少。
4)通过减小变压器次级绕组Ns1、Ns2之间的漏电感，MOSFET Q3和Q4的漏极到源极上的低电压尖峰。
根据本发明的优选实施例，变压器包括初级绕组位于多个层上并且次级绕组与多个层交错的变压器，并且包括连接到变压器且具有包括第一、第二、第三端子的第一晶体管的基板，其中第一端子连接到次级绕组，第二端子连接到变压器的输出端子，第三端子是控制端子；第一导电层；与第一导电层交错的第二导电层；第一通孔，其被固体填充并且将第一导电层和第一端子相连；以及第二通孔，其被固体填充并且将第二导电层和第二端子相连。
第一通孔和第二通孔优选在第一晶体管正下方向下延伸。变压器还优选包括汇流条，所述汇流条位于与第一晶体管所在的基板的第一表面相对的基板的第二表面上，并且连接到第二通孔。
次级绕组优选包括焊接到基板的输出端子。输出端子优选焊接到基板上的焊盘。次级绕组优选是中心抽头的。多个层优选包括印刷电路板。多于一个的初级绕组优选位于多个层中的每一层上。
第一晶体管优选是MOSFET。优选地，第一端子是MOSFET的漏极，第二端子是MOSFET的源极，并且第三端子是MOSFET的栅极。变压器优选地还包括磁芯。优选地，第一晶体管产生的热量由第一通孔和第二通孔来耗散，并且第一晶体管不连接到除第一通孔和第二通孔之外的散热器。优选地，基板还包括第二晶体管，并且第一晶体管和第二晶体管是同步整流器。
根据本发明的优选实施例，变换器包括主基板，主基板包括初级侧电路和连接到主基板的根据本发明的各种其它优选实施例的变压器。初级侧电路连接到变压器的初级绕组。
第一通孔和第二通孔优选在第一晶体管正下方向下延伸。变换器还优选包括汇流条，所述汇流条位于与第一晶体管所在的基板的第一表面相对的基板的第二表面上，并且连接到第二通孔。次级绕组优选包括焊接到基板的输出端子。输出端子优选焊接到基板上的焊盘。初级侧电路优选包括连接到输入电压的第一初级侧晶体管和第二初级侧晶体管。优选地，基板还包括第二晶体管，并且第一晶体管和第二晶体管是同步整流器。
根据以下参考附图对本发明的优选实施例的详细描述，本发明的上述和其它特征、元件、特性、步骤和优点将变得更加明显。
附图说明
图1是半桥LLC谐振变换器的电路图。
图2-4示出了已知的变压器。
图5是变压器的输出整流器电路的电路图。
图6是输出整流器电路的PCB的横截面图。
图7、8和9示出了输出整流器PCB。
图10为变压器的结构的分解图。
图11示出了变压器。
图12示出了变压器组件，其中图11所示的变压器连接到图7、8 和9所示的输出整流器PCB。
具体实施方式
本发明的优选实施例涉及用于诸如并联LC、LLC、LCLC等的 DC/DC谐振变换器的高频变压器设计。图5是DC/DC谐振变换器的次级侧的电路图。图12示出了实现图5所示电路的变压器组件200。变压器组件200包括变压器204和输出整流器PCB 210。输出整流器 PCB210可以是任何合适的基板。图6-9示出了输出整流器PCB 210。图10和11示出了具有初级绕组201、次级绕组202和磁芯203的变压器204。如图10所示，初级绕组201可以位于多个PCB205上，次级绕组202可以由冲压铜206制成。初级绕组201不必须位于PCB 205 上。初级绕组201可以例如由利兹(Litz)线制成。次级绕组不必须由冲压铜制成。次级绕组202可以由具有高导电性的任何合适材料制成，包括例如银或银合金。
为了减小初级绕组201上的损耗，应当显著地减少或最小化每个 PCB 204上的匝数。例如，如图10所示，在16匝初级绕组201和1 匝次级绕组202中，四个PCB P1、P2、P3、P4中的每一个可以具有四匝，总共16匝。可以在PCB 205上使用不同数量的匝数，并且在初级绕组201中和在次级绕组202中可以使用不同数量的匝数。具有初级绕组201的PCB 205优选地串联连接。
次级绕组202优选地在中心抽头，如图5所示。中心抽头有时用于低电压、大电流输出应用。对于大电流应用，中心抽头的次级绕组 Ns1、Ns2优选是并联连接的多个绕组。如图10所示，变压器204可以包括对应于次级绕组Ns1的四个绕组Stop和对应于次级绕组Ns2的四个绕组Sbottom。当连接在输出整流器PCB 210上时，绕组Stop是并联连接的，并且绕组Sbottom是并联连接的。
图6示出了具有MOSFET Q3或Q4的输出整流器PCB 210的层。在图5中，端子D是MOSFET Q3或Q4的漏极端子，端子S是MOSFET Q3或Q4的源极端子。MOSFET Q3或Q4可以是单个MOSFET或并联的多个MOSFET。例如，图7示出了六个MOSFET Q3和六个MOSFET Q4。在图7中，为了清楚起见，标记了仅一个MOSFET Q3 和仅一个MOSFET Q4。可以使用任何合适的晶体管来代替MOSFET。如图6所示，输出整流器PCB 210包括多个漏极层和源极层213、214，以提供所需的负载电流。漏极层213专用于漏极，源极层214专用于源极。如图6所示，源极层213和漏极层214可以交替堆叠。因为漏极层和源极层213、214是对称交错的，所以电流在并联的漏极层和源极层213、214之间均等地分享。
对于高频应用，必须适当地选择每个漏极层和源极层213、214 中的铜的厚度，以减少由趋肤效应和邻近效应引起的DC和AC损耗。漏极层和源极层213、214之间的距离应保持小的漏极-至-源极电容。例如，漏极层和源极层213、214之间的最小距离应该是约5毫英寸。对于1600W、12V的输出变换器，每个铜层的厚度优选为约2盎司，其中2盎司对应于2盎司铜被辊压为1平方英尺面积时的厚度，并且输出整流器PCB 210的总厚度例如优选为约1.5mm。如果需要更高的功率，则可以使用约3盎司的铜，或者例如可以增加漏极层和源极层213、214的数量。
使用填充有导电材料的通孔211将漏极层213和源极层214互连。如图6所示，通孔211向下延伸，位于MOSFET Q3、Q4的正下方。通孔211的固体导电材料显著减小了阻抗和大电流传导通过通孔211 时产生的热量。通孔211的固体导电材料可以像辐射器一样将热量从 MOSFET Q3、Q4传输到输出整流器PCB 210的另一侧。
如图7、8和9所示，汇流条212将MOSFET Q3或Q4的源极层 214与端子Vout_RTN(图5所示的端子Vout_RTN)相连。汇流条212 收集源极电流，并将源极电流提供给具有较低传导损耗的端子 Vout_RTN。端子Vout连接到输出汇流条225(图11中示出了输出汇流条225)。汇流条212耗散由输出整流器PCB 210上的组件(包括 MOSFET Q3、Q4)产生的热量。汇流条212优选地位于MOSFET Q3、 Q4的相对侧，其中通孔212将MOSFET Q3或Q4的源极连接到汇流条212，使得汇流条212有效地从MOSFET Q3或Q4去除热量。因此，不需要散热器，这节省了空间和成本。
通过交错绕组和使用小趋肤深度，减少了AC损耗产生的热量。为了避免具有外部散热器，使用通孔211和汇流条212来耗散MOSFET Q3、Q4和其它半导体器件产生的热量。图7、8和9示出了输出整流器PCB 210的可能布局的一个非限制性示例。
如图7和图9所示，输出整流器PCB 210包括用于将输出整流器 PCB 210连接到变压器204的焊盘215、216。优选地，端子220、221、 222被焊接到对应的焊盘215，并且输出汇流条225被焊接到焊盘216。
图10示出了包括在PCB 205上串联连接的初级绕组201和由冲压铜206制成的并联连接的次级绕组202的变压器204。图11示出了在连接到输出整流器PCB 210之前的变压器204。变压器204包括可以被焊接到输出整流器PCB 210中的对应焊盘215的中心端子220、左端子221和右端子222。优选地，端子220、221、222不通过摩擦或过盈配合(interferencefit)连接到焊盘215，并且端子220、221、222之间的电连接由焊料来创建。中心端子220提供如图5所示的次级绕组202的中心抽头，而左端子221和右端子222连接到同样如图 5所示的次级绕组202的端部。尽管在图1和图5的电路中未示出，变压器204可以包括集成输出电感器226。
图12示出了变压器组件200，其中变压器204连接到输出整流器 PCB 210。次级绕组202和端子Vout、Vout_RTN之间的电气路径可以又短又宽，以降低接触电阻，从而降低导电损耗。端子Vout通过中心端子220连接到次级绕组202。端子Vout_RTN通过左端子和右端子 221或222、MOSFET Q3或Q4、通孔211和汇流条212连接到次级绕组202。
虽然在图12中未示出，但是变压器组件200可以安装到主PCB。主PCB可以包括可通过端子223连接到初级绕组201的初级侧电路。初级侧电路可以包括例如：无源组件电容器C1、电感器Lrt和电感器 Lmt，以及有源组件MOSFET Q1、Q2，如图1所示。
应当理解，上述描述仅仅用于说明本发明。在不脱离本发明的情况下，本领域技术人员可以设计出各种替代和修改。因此，本发明旨在包含落在所附权利要求范围内的所有这些替代、修改和变化。

Claims (20)

1.一种变压器，包括：
位于多个层上的初级绕组；以及
与多个层交错的次级绕组；以及
连接到变压器的基板，包括：
具有第一端子、第二端子和第三端子的第一晶体管，其中第一端子连接到次级绕组，第二端子连接到变压器的输出端子，第三端子是控制端子；
第一导电层；
与第一导电层交错的第二导电层；
第一通孔，其被固体填充并且将第一导电层和第一端子相连；以及
第二通孔，其被固体填充并且将第二导电层和第二端子相连。
2.根据权利要求1所述的变压器，其中，第一通孔和第二通孔在第一晶体管正下方向下延伸。
3.根据权利要求1所述的变压器，还包括汇流条，所述汇流条位于与第一晶体管所在的基板的第一表面相对的基板的第二表面上，并且连接到第二通孔。
4.根据权利要求1所述的变压器，其中，次级绕组包括焊接到基板的输出端子。
5.根据权利要求4所述的变压器，其中，输出端子焊接到基板上的焊盘。
6.根据权利要求1所述的变压器，其中，次级绕组是中心抽头的。
7.根据权利要求1所述的变压器，其中，多个层包括印刷电路板。
8.根据权利要求1所述的变压器，其中，多于一个的初级绕组位于所述多个层中的每一层上。
9.根据权利要求1所述的变压器，其中，第一晶体管是MOSFET。
10.根据权利要求9所述的变压器，其中，第一端子是MOSFET的漏极，第二端子是MOSFET的源极，并且第三端子是MOSFET的栅极。
11.根据权利要求1所述的变压器，其中，变压器还包括磁芯。
12.根据权利要求1所述的变压器，其中：
第一晶体管产生的热量通过第一通孔和第二通孔来耗散；以及
第一晶体管不连接到除第一通孔和第二通孔之外的散热器。
13.根据权利要求1所述的变压器，其中：
基板还包括第二晶体管；以及
第一晶体管和第二晶体管是同步整流器。
14.一种变换器，包括：
主基板，包括初级侧电路；以及
连接到所述主基板的根据权利要求1所述的变压器；其中
初级侧电路连接到变压器的初级绕组。
15.根据权利要求14所述的变换器，其中，第一通孔和第二通孔在第一晶体管正下方向下延伸。
16.根据权利要求14所述的变换器，还包括汇流条，所述汇流条位于与第一晶体管所在的基板的第一表面相对的基板的第二表面上，并且连接到第二通孔。
17.根据权利要求14所述的变换器，其中，次级绕组包括焊接到基板的输出端子。
18.根据权利要求17所述的变换器，其中，输出端子焊接到基板上的焊盘。
19.根据权利要求14所述的变换器，其中，初级侧电路包括连接到输入电压的第一初级侧晶体管和第二初级侧晶体管。
20.根据权利要求14所述的变换器，其中：
基板还包括第二晶体管；以及
第一晶体管和第二晶体管是同步整流器。
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