CN209516901U - 一种磁性元件变压器与功率半导体组件 - Google Patents

Abstract

本实用新型的技术方案是：提供一种磁性元件变压器与功率半导体组件，包含变压器、功率半导体器件、铜母线、基板、PCB板，其中，所述变压器绕组输出外接铜母线，并整体固定在所述基板上，组成新型变压器结构；基于上述新型变压器结构，所述功率半导体器件安装在所述变压器朝向所述基板的一侧。该新型组合方式因为功率半导体器件位置可以更靠近变压器原副边输出端，寄生电感减小，电力电子电路工作在高频高峰值电流工作状态，这种布置减小了功率器件承受的电压应力和线路损耗，也减小了装置的电磁干扰，更利于散热，增加可靠性，对于多路并联情况，也更利于均流。

Description

一种磁性元件变压器与功率半导体组件

技术领域

本实用新型属于电力电子技术领域，涉及具有高功率密度的新型电力电子变压器结构及采用新型结构变压器和功率器件的组合方式。

背景技术

电力电子学是一门能量处理学科，是电力、电子、控制三门学科的交叉，采用特定的电路拓扑结构，通过对大功率半导体开关器件的控制，高效率的实现电能的变换、传输。电力电子装置被广泛地应用于现代生产、生活及科学研究各领域，在我们的生活中起着重要的作用。

电力电子主电路拓扑一般由功率半导体开关器件、变压器和电感、电容组成。功率半导体开关器件常用的有MOSFET、IGBT、二极管等，通过开关器件周期性的开通和关断实现电能的转换；变压器是一种磁性元件，在主电路中起隔离、储能、能量传递的作用；电感也是磁性元件，在电路中和电容一起作为储存电能和传递电能的元件，常用在输入和输出滤波器，用来平滑电流和电压。

在现实应用中，电力电子装置作为能量变换的装置，自身需要体积小、效率高，耗能小，可靠性和功率密度高、电磁干扰小。除了采用合适的电路拓扑和元件，各个元件的连接方式、PCB布局、加工工艺等都对装置的效率和可靠性有重要影响。

在常用的DC/DC变换中，变压器常采用图1A和图1B的形式，图中1代表磁芯，3代表原副边绕组，为了更好的耦合，通常原副边绕组交叠放置。4 是原边绕组的输出端，5是副边绕组的引出端，包括中间抽头。7是PCB板， 10代表固定变压器的胶水，9是粘合磁芯用胶。

图1中的变压器放置在电路板上和功率器件的连接布局如图2所示。同样，和图1对应，5代表副边绕组的引出端，4代表原边绕组的输出端，8 代表功率器件。副边绕组因为有多层，需要并联的输出排成一列，通过焊接实现电气连接。

这种布局有以下缺点：磁性元件占用PCB面积比较大，功率器件通常放在变压器的旁边，磁性元件和功率器件距离较远，磁性元件输出电流路径长，电流环路大，损耗大；磁性元件和功率开关器件距离越远，寄生电感越大，功率器件要承受更大的电压应力，增加开关损耗和功率器件的温度，降低可靠性，相应的，各项电磁干扰指标也会变大；当负载需要大电流输出，副边常常多路并联来满足要求，电流路径和环路在不同支路差异很大，不同线路阻抗使电流难以平衡，严重会导致装置损毁。

综上所述，电力电子电路的性能和电路布局、不同元件的连接方式紧密相关。因此对主电路关键元件磁性元件结构改进和对磁性元件和功率器件的布局进行研究有着十分重要的意义。

实用新型内容

针对上述现有磁性元件和功率半导体器件连接存在的问题，本实用新型提出一种磁性元件和功率半导体器件的组件方式，磁性元件包括变压器和电感。

本实用新型的技术方案是：提供包含变压器、功率半导体器件、铜母线、基板、PCB板，其中，所述变压器包含原边绕组和副边绕组，所述副边绕组的引出端外接铜母线，并整体固定在所述基板上，所述原边绕组的输出端安装在基板上，组成新型变压器结构；基于上述新型变压器结构，所述新型变压器结构安装在所述PCB板的一侧表面上，所述功率半导体器件设置在所述新型变压器结构的下方，且所述功率半导体器件设置在所述PCB板背离所述新型变压器结构的一侧或者与所述新型变压器结构共同位于所述PCB板的同侧。

优选地，所述变压器包含单个或两个及两个以上并联结构的副边绕组，所述副边绕组的输出端排成一列外接铜母线，铜母线轴向延伸以使功率半导体器件安装，铜母线输出端固定在基板上。

优选地，所述功率半导体器件设置在所述PCB板背离新型变压器结构的一侧表面，即功率半导体器件和新型变压器位于PCB板两侧相对的位置。优选地，当功率半导体器件比较小时，将功率半导体器件直接安装在PCB板与新型变压器结构之间，放在新型变压器结构的正下方，功率半导体器件和新型变压器结构在PCB板的同一侧。

优选地，所述磁性元件外接铜母线用绕组输出端开模制造成铜母线结构来替代。

如上述任何一种组件方式，可在电感或者带中心抽头变压器中应用。

优选地，将变压器直立，对于副边需要大电流输出的场合，需要并联的副边绕组输出端子排成一列，再与开槽的铜母线连接，原边绕组和铜母线的输出固定在一个基板上，方便和PCB板连接和布线，因为上述创新性的变压器结构改变，和变压器原副边绕组有电气连结的功率器件可以放在与变压器位置相对的PCB板的另一面，缩短变压器绕组和功率器件间的走线距离；当表面贴装SMD功率器件体积比较小时，可以适当抬高变压器外接铜母线的高度，把功率器件直接放置在变压器的下面，和新型变压器结构放在PCB板的同一侧。

对于电感，也适用于外接铜母线的结构。

在某些应用中，变压器具有中间抽头，无论中间抽头是否引出，外接铜母线结构都可以使用，只是中间抽头的结构处理可以略有不同。

本实用新型中的铜母线厚度和长度可以根据实际需求变更，按照需连接的功率半导体器件的封装和其他制造参数设计，半导体越小，母线也可越短。

本实用新型中的铜母线结构，也可以在变压器设计时，根据需要将副边绕组直接制造成铜母线结构来代替外接铜母线达到同样的效果。

因为电力电子中常用的变压器磁芯结构有很多种，例如EI、EE、PM、PQ、罐形、环形等，本实用新型不受磁芯形状的限制，可适用于各种磁芯结构。

采用本实用新型的组件方式外接铜母线连接变压器绕组和功率器件，可以帮助两者散热，增加可靠性，而且铜母线的长度和厚度可以根据需要设计。

采用本实用组件方式，功率器件特别是表面贴装功率器件可以直接放在变压器下面或者变压器位置下面PCB板的另一面，绕组电流输出至输出电感或电容电流路径更短，减少能量损耗。

采用本实用组件方式，变压器和功率半导体器件布局更紧凑，减小了体积。对于输出大电流电路，因为变压器采用了铜母线结构，PCB板设计可以更大面积覆铜，减小线路损耗，更利于散热，增加可靠性。

采用本实用新型的组件方式，因为功率半导体器件位置可以更靠近变压器原副边输出端，寄生电感减小，电力电子电路工作在高频高峰值电流工作状态，这种布置减小了功率半导体器件承受的电压应力和线路损耗，也减小了装置的电磁干扰。

采用本实用组件方式，因为变压器通过铜母线结构实现和电路其他器件的电气连接，铜母线输出端比变压器绕组输出端占用PCB板空间更小，PCB 板上可以有更大的空间用来布局和走线，而且铜母线结构对变压器绕组输出端的适当引出使得功率半导体器件可以更恰当的摆放，对于大电流需要多路并联输出的场合，不同支路相同的布局使得不同支路有相同的线路阻抗，有助于更好的均流。

附图说明

图1A和图1B：常规变压器结构图

图2：以图1所示变压器布局的装置示意图

图3A-3E：本实用新型变压器构造

图4：外接铜母线的变压器结构图

图5：单个变压器带铜母线完整结构图

图6：单个变压器和功率半导体布局图

图7：双变压器带铜母线完整结构图

图8：双变压器和功率半导体布局图

图9：功率半导体和变压器放置在同一面示意图(单变压器)

图10：功率半导体和变压器放置在同一面示意图(双变压器)

图11A-11C：应用举例1：副边倍流整流电路

图12A-12D：应用举例2：适用于LLC/PSFB电路变压器带中间抽头的全波整流电路

图13A和图13B：带中间抽头变压器采用铜母线结构图

附图标记：1、磁芯 2、变压器基板 3、原副边绕组 4、原边绕组的输出端 5、副边绕组的引出端 6、铜母线 7、PCB板 8、功率半导体器件 9、粘合磁芯用胶 10、固定变压器用胶11、变压器中间抽头 12、输出滤波电容

具体实施方式

为了使本实用新型实施例的目的、技术方案、优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释本实用新型，而非对本实用新型的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本实用新型相关的部分而非全部结构。

请参照图3A-3E，变压器通常由磁芯1、原副边绕组3组成，在原副边绕组3中，原副边通常根据需要交叠放置，因为此部分非本实用新型重点，这里不做展开，只做简单介绍。副边绕组常常是低电压大电流，所以采用一定厚度的铜箔来实现，在本例中副边为2匝的铜箔，由不同层的的副边绕组在中间抽头位置串联，故中间抽头不用引出和电路其他部分相连。4是原边绕组的输出端，5是副边绕组的引出端，变压器副边需并联输出的绕组的输出端排成一列。变压器安装固定在变压器基板2上，从A方向观察的底部视图可以看到副边绕组输出端的排列。

为了更进一步解释本实用新型变压器所采用的结构，请参考图4。图4 中有两个变压器，其中左边变压器为了更好显示绕组结构，拿掉磁芯1，可以观察到副边绕组的引出端5的设置。这是具有中间抽头的变压器，副边绕组的引出端5左边、右边和中间抽头输出在副边绕组设计时引出端根据需要设置在不同的位置。在图4中，变压器副边绕组左、右输出端连接在铜母线 6上，中间抽头没有引出，然后铜母线6和原边绕组的输出端4输出固定在变压器基板2上，整个变压器安装在PCB板7上，功率半导体器件8设置在 PCB板7背离所述新型变压器结构的一侧。

图5显示了一个完整的具有上述结构的变压器安装在PCB板7上，包括磁芯1、变压器基板2、原副边绕组3、原边绕组的输出端4和铜母线6。与变压器位置正相对的PCB板7的另一侧，安装有SMD封装的功率半导体器件 8。

图6是从PCB板7的反面看到的变压器绕组和功率半导体器件位置关系。其中8是功率半导体器件，6是铜母线，4是原边绕组的输出端。

图7是采用两个具有本实用新型变压器结构的示例，适用于大电流输出副边需要并联的场合。如同图5，包括磁芯1、变压器基板2、原副边绕组3，功率半导体器件8放置在新型变压器结构位置下面PCB板7的对面位置。6 是铜母线。

图8和图7对应，是从PCB板7的反面看到的变压器绕组和功率半导体器件的位置关系。其中包括磁芯1，PCB板7，8是功率半导体器件，6是铜母线，4是原边绕组的输出端。

如图9和图10，包括磁芯1、变压器基板2、原副边绕组3和原边绕组的输出端4，当功率半导体器件体积较小，也可以考虑把铜母线6适当抬高，功率半导体器件8放在PCB板7的正面，新型变压器结构的下面,和新型变压器结构在PCB板的同一侧。

上述变压器结构适用于倍流整流电路，如图11A-11C所示。图11B表示单路输出的情形，图11C副边电路示意图中的功率器件实际由两个MOSFET 并联实现，图11A示意图是大电流输出时，需要两路并联的情形。4是原边绕组输出端，6是铜母线，8是功率半导体器件，实际电路中最常用的是 mosfet、IGBT、二极管等。

图12A-12D是采用本实用新型铜母线结构带中心抽头输出端变压器用于 LLC/PSFB副边全波整流电路的情形，图12C、图12D是电路拓扑，图12B是单路输出的情形，图12A对应两个变压器需双路并联的情形。同前，4是原边绕组的输出端，6是铜母线输出端，8是功率半导体器件，11是变压器中间抽头，12代表输出滤波电容，也可以视情况放在附近，现实中可能需要多颗，减小电压纹波。

图13A和图13B是采用本实用新型铜母线结构时，图12电路所需要的带中间抽头变压器的结构。其中2是变压器基板，上图是正视图，1是磁芯， 3是原副边绕组，4是原边绕组的输出端，6是铜母线输出端，下面这个图是从A方向看到的底部视图，其中5是副边绕组的引出端，需要并联的绕组输出端排成一列，左右两侧输出通过铜母线引出，中间部分是变压器中间抽头，可以加长变压器中间抽头输出端如图13A和图13B所示，直接和铜母线6一起连接PCB板7。

本实用新型不局限于上述特定实施例子，在不背离本实用新型精神及其实质情况下，熟悉本领域技术人员可根据本实用新型作出各种相应改变和变形，但这些相应改变和变形都应属于本实用新型所附权利要求保护范围之内。

以上仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种磁性元件变压器与功率半导体组件，其特征在于：包含变压器、功率半导体器件、铜母线、基板、PCB板，其中，所述变压器包含原边绕组和副边绕组，所述副边绕组的引出端外接铜母线，并整体固定在所述基板上，所述原边绕组的输出端安装在基板上，组成新型变压器结构；基于上述新型变压器结构，所述新型变压器结构安装在所述PCB板的一侧表面上，所述功率半导体器件设置在所述新型变压器结构的下方，且所述功率半导体器件设置在所述PCB板背离所述新型变压器结构的一侧或者与所述新型变压器结构共同位于所述PCB板的同侧。

2.如权利要求1所述的组件，其特征在于：所述变压器包含单个或两个及两个以上并联结构的副边绕组，所述并联结构的副边绕组的引出端排成一列外接铜母线，铜母线轴向延伸以使功率半导体器件安装，铜母线输出端固定在基板上。