TW202004790A - 磁性元件及開關電源裝置 - Google Patents

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盧增藝
洪添丁
楊海軍
章進法
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Abstract

本發明公開了一種磁性元件及一種開關電源裝置。磁性元件包含一磁芯及至少三個繞組，磁芯包含至少三個繞線柱、至少一個邊柱及相對設置的第一蓋板和第二蓋板，其中至少三個繞線柱依次相鄰設置，第一蓋板和第二蓋板分別設置於至少三個繞線柱和至少一個邊柱的上方與下方，以形成閉合磁路；至少三個繞組分別繞設於至少三個繞線柱上；其中在任意三個相鄰的繞線柱中，位於中間的繞線柱的磁通與位於中間的繞線柱的兩側的兩個繞線柱的磁通方向相反。本發明通過將多路電感或者變壓器集成於同一個磁性元件，減少了磁性元件的體積、重量，降低了損耗。

Description

磁性元件及開關電源裝置
本發明涉及一種磁性元件及一種開關電源裝置。
在低壓大電流輸出的應用中，需要將變壓器陣列化設計，分成多個子變壓器單元進行組合。比如，在430V輸入、12V輸出的3kW伺服器電源中，LLC諧振電路的變壓器原次級匝比（Np :Ns1 :Ns2 ）為18:1:1，可分成三個6:1:1的子變壓器，並將初級繞組串聯，以及將次級繞組並聯。如此，初級繞組可流過相同的電流，而次級電流並聯以形成三倍大電流輸出。多個子變壓器的結構能夠起到並聯傳輸功率的效果，但多個子變壓器分立設計，結構複雜。如何優化磁芯形狀、減小磁芯體積和損耗，一直以來都是磁性元件設計開發的重點和難點。
本發明的一個主要方面在於克服上述現有技術的不足，提供一種體積小、損耗小的磁性元件。
本發明的另一個主要方面在於提供一種開關電源裝置，並對其中的磁性元件進行優化設計。
為了實現上述目的，本發明提供一種磁性元件，其特點在於，包含一磁芯，磁芯包含第一繞線柱、第二繞線柱、第三繞線柱、第一邊柱、第二邊柱以及相對設置的第一蓋板和第二蓋板，第二繞線柱位於第一繞線柱與第三繞線柱之間，第一邊柱與第二邊柱分別位於第一繞線柱以及第三繞線柱的外側，第一蓋板和第二蓋板分別設置於第一繞線柱、第二繞線柱、第三繞線柱、第一邊柱和第二邊柱的上方與下方，以形成閉合磁路；其中，第一繞線柱的磁通與第三繞線柱的磁通具有第一方向，第二繞線柱的磁通具有第二方向，第一方向與第二方向相反；在磁芯所在的平面內，存在一條直線同時接觸或貫穿第一繞線柱、第二繞線柱以及第三繞線柱。
在本發明的一實施例中，磁性元件還包含第一繞組、第二繞組以及第三繞組，第一繞組繞設於第一繞線柱，第二繞組繞設於第二繞線柱，第三繞組繞設於第三繞線柱。
在本發明的一實施例中，第一繞組、第二繞組以及第三繞組電性串聯耦接。
在本發明的一實施例中，第一繞組、第二繞組以及第三繞組電性並聯耦接。
在本發明的一實施例中，流經第一繞組的電流與流經第三繞組的電流方向相同，流經第二繞組的電流與流經第一繞組的電流以及流經第三繞組的電流方向相反。
在本發明的一實施例中，流經第一繞組、第二繞組以及第三繞組的電流相位相同。
在本發明的一實施例中，第一繞線柱、第二繞線柱以及第三繞線柱沿一水平線依序排列。
在本發明的一實施例中，第一邊柱和第二邊柱分別設置於水平線的兩端。
在本發明的一實施例中，第一邊柱和第二邊柱設置於水平線的同一側。
在本發明的一實施例中，第一邊柱和第二邊柱分別設置於水平線的不同側。
在本發明的一實施例中，磁芯還包含電感繞線柱，電感繞線柱上繞設有電感繞組。
在本發明的一實施例中，電感繞組與第一繞組、第二繞組以及第三繞組中的至少一個串聯。
在本發明的一實施例中，第一繞組、第二繞組以及第三繞組均為PCB繞組或三層絕緣線繞組。
在本發明的一實施例中，第一繞組、第二繞組以及第三繞組的匝數相同。
在本發明的一實施例中，第一繞組、第二繞組以及第三繞組均為初級繞組，且第一繞線柱、第二繞線柱與第三繞線柱上均繞設有至少一個次級繞組。
在本發明的一實施例中，次級繞組的匝數均為1匝。
在本發明的一實施例中，次級繞組為PCB繞組或銅片繞組。
為了實現上述目的，本發明另提供一種磁性元件，其特點在於，包含一磁芯，磁芯包含至少三個繞線柱、至少一個邊柱以及相對設置的第一蓋板和第二蓋板，其中，至少三個繞線柱依次相鄰設置，第一蓋板和第二蓋板分別設置於至少三個繞線柱和至少一個邊柱的上方與下方，以形成閉合磁路；以及至少三個繞組，至少三個繞組分別繞設於至少三個繞線柱上；其中，在任意三個相鄰的繞線柱中，位於中間的繞線柱的磁通與位於中間的繞線柱的兩側的兩個繞線柱的磁通方向相反。
在本發明的另一實施例中，在磁芯所在的平面內，存在一條直線同時接觸或貫穿至少三個繞線柱。
在本發明的另一實施例中，至少三個繞線柱沿一水平線依序排列。
在本發明的另一實施例中，至少一個邊柱包括第一邊柱和第二邊柱，第一邊柱和第二邊柱分別設置於水平線的兩端。
在本發明的另一實施例中，至少一個邊柱包括第一邊柱和第二邊柱，第一邊柱和第二邊柱設置於水平線的同一側，且第一邊柱對應於靠近至少三個繞線柱的一端的繞線柱，第二邊柱對應於靠近至少三個繞線柱的另一端的繞線柱。
在本發明的另一實施例中，至少一個邊柱包括第一邊柱和第二邊柱，第一邊柱和第二邊柱分別設置於水平線的不同側，且第一邊柱對應於靠近至少三個繞線柱的一端的繞線柱，第二邊柱對應於靠近至少三個繞線柱的另一端的繞線柱。
在本發明的另一實施例中，至少一個邊柱為單個邊柱，邊柱位於水平線的一側。
在本發明的另一實施例中，磁芯還包含電感繞線柱，電感繞線柱上繞設有電感繞組。
在本發明的另一實施例中，磁性元件為變壓器，至少三個繞組均為初級繞組，至少三個繞線柱中的每一繞線柱上還繞設有至少一個次級繞組。
為了實現上述目的，本發明又提供一種開關電源裝置，其特點在於，開關電源裝置包括初級電路、隔離變換模組及次級電路。初級電路用於接收輸入電壓，並將輸入電壓轉換為初級電壓。隔離變換模組用於將初級電壓轉換為次級電壓，且隔離變換模組包括第一變壓器、第二變壓器及第三變壓器。第一變壓器包括第一初級繞組、第一次級繞組以及第二次級繞組。第二變壓器包括第二初級繞組、第三次級繞組以及第四次級繞組。第三變壓器包括第三初級繞組、第五次級繞組以及第六次級繞組。次級電路用於將次級電壓轉換為輸出電壓。其中，第一次級繞組與第二次級繞組串聯連接，第一次級繞組的第一端經由第一開關管電性耦接至第一輸出端子，第二次級繞組的第二端經由第二開關管電性耦接至第一輸出端子，第一次級繞組的第二端與第二次級繞組的第一端相連且電性耦接至第二輸出端子；第三次級繞組與第四次級繞組串聯連接，第三次級繞組的第一端經由第三開關管電性耦接至第一輸出端子，第四次級繞組的第二端經由第四開關管電性耦接至第一輸出端子，第三次級繞組的第二端與第四次級繞組的第一端相連且電性耦接至第二輸出端子；第五次級繞組與第六次級繞組串聯連接，第五次級繞組的第一端經由第五開關管電性耦接至第一輸出端子，第六次級繞組的第二端經由第六開關管電性耦接至第一輸出端子，第五次級繞組的第二端與第六次級繞組的第一端相連且電性耦接至第二輸出端子；其中，第一初級繞組、第一次級繞組、第二次級繞組繞設於如上磁性元件中的第一繞線柱，第二初級繞組、第三次級繞組、第四次級繞組繞設於如上所述的磁性元件中的第二繞線柱，第三初級繞組、第五次級繞組、第六次級繞組繞設於如上所述的磁性元件中的第三繞線柱。
在本發明的又一實施例中，其中，第一初級繞組的第一端電性耦接至初級電路的一端；第二初級繞組的第一端電性耦接至第一初級繞組的第二端；以及第三初級繞組的第一端電性耦接至第二初級繞組的第二端，第三初級繞組的第二端電性耦接至初級電路的另一端。
在本發明的又一實施例中，第一初級繞組、第二初級繞組以及第三初級繞組均為PCB繞組或三層絕緣線繞組。
在本發明的又一實施例中，第一次級繞組、第二次級繞組、第三次級繞組、第四次級繞組、第五次級繞組以及第六次級繞組的匝數均為1。
在本發明的又一實施例中，第一次級繞組、第二次級繞組、第三次級繞組、第四次級繞組、第五次級繞組以及第六次級繞組均為PCB繞組或銅片繞組。
在本發明的又一實施例中，輸入電壓範圍為410V至450V。
本發明的又一實施例中，輸入電壓範圍為36V至72V。
本發明通過將多路電感或者變壓器集成於同一個磁性元件，使得磁芯的任意三個相鄰的繞線柱中，位於中間的繞線柱的磁通與位於中間的繞線柱的兩側的兩個繞線柱的磁通方向相反，從而可有效地減小磁性元件的體積和磁芯損耗。
本發明的額外方面和優點將部分地在下面的描述中闡述，並且部分地將從描述中變得顯然，或者可以通過本發明的實踐而習得。
現在將參考附圖更全面地描述示例實施方式。然而，示例實施方式能夠以多種形式實施，且不應被理解為限於在此闡述的實施方式；相反，提供這些實施方式使得本發明將全面和完整，並將示例實施方式的構思全面地傳達給本領域的技術人員。圖中相同的附圖標記表示相同或類似的結構，因而將省略它們的詳細描述。
在介紹這裡所描述和/或圖示的要素/組成部分/等時，用語“一個”、“一”、“該”、“所述”和“至少一個”用以表示存在一個或多個要素/組成部分/等。術語“包含”、“包括”和“具有”用以表示開放式的包括在內的意思並且是指除了列出的要素/組成部分/等之外還可存在另外的要素/組成部分/等。實施方式中可能使用相對性的用語，例如“上”或“下”以描述圖示的一個元件對於另一元件的相對關係。能理解的是，如果將圖示的裝置翻轉使其上下顛倒，則所敘述在“上”側的組件將會成為在“下”側的組件。此外，說明書中的術語“第一”、“第二”等僅作為標記使用，不是對其物件的數位限制。
關於本文中所使用的“電性耦接”，可指二或多個元件相互直接作實體或電性接觸，或是相互間接作實體或電性接觸。關於本文中所使用的“電性串聯耦接”，可指二或多個元件相互直接串聯作實體或電性接觸，或是相互間接串聯作實體或電性接觸；而“電性並聯耦接” 可指二或多個元件相互直接並聯作實體或電性接觸，或是相互間接並聯作實體或電性接觸。
參見第1A圖，示出了本發明的一種開關電源裝置10，該開關電源裝置10包括有初級電路11、隔離變換模組12以及次級電路13。
該初級電路11是用於接收一輸入電壓Vin ，並將該輸入電壓Vin 轉換為一初級電壓。該初級電路11的電路拓撲可以是半橋，也可以是全橋或者其它拓撲。
該隔離變換模組12是用於將所述初級電壓轉換為次級電壓，且該隔離變換模組12可包括第一變壓器Txa 、第二變壓器Txb 以及第三變壓器Txc 。其中，第一變壓器Txa 包括第一初級繞組Npa 、第一次級繞組Nsla 以及第二次級繞組Ns2a ，所述第一初級繞組Npa 的第一端電性耦接至所述初級電路11的一端；第二變壓器Txb 包括第二初級繞組Npb 、第三次級繞組Ns1b 以及第四次級繞組Ns2b ，所述第二初級繞組Npb 的第一端電性耦接至所述第一初級繞組Npa 的第二端；第三變壓器Txc 包括第三初級繞組Npc 、第五次級繞組Ns1c 以及第六次級繞組Ns2c ，所述第三初級繞組Npc 的第一端電性耦接至所述第二初級繞組Npb 的第二端，所述第三初級繞組Npc 的第二端電性耦接至所述初級電路11的另一端。
該次級電路13是用於將所述次級電壓轉換為輸出電壓Vo 。
例如，在第1A圖所示的實施例中，所述第一次級繞組Nsla 與所述第二次級繞組Ns2a 串聯連接，所述第一次級繞組Nsla 的第一端經由第一開關管S1 電性耦接至第一輸出端子P1 ，所述第二次級繞組Ns2a 的第二端經由第二開關管S2 電性耦接至所述第一輸出端子P1 ，所述第一次級繞組Nsla 的第二端與所述第二次級繞組Ns2a 的第一端相連且電性耦接至第二輸出端子 P2 。
所述第三次級繞組Nslb 與所述第四次級繞組Ns2b 串聯連接，所述第三次級繞組Nslb 的第一端經由第三開關管S3 電性耦接至所述第一輸出端子P1 ，所述第四次級繞組Ns2b 的第二端經由第四開關管S4 電性耦接至所述第一輸出端子P1 ，所述第三次級繞組Nslb 的第二端與所述第四次級繞組Ns2b 的第一端相連且電性耦接至所述第二輸出端子P2 。
所述第五次級繞組Nslc 與所述第六次級繞組Ns2c 串聯連接，所述第五次級繞組Nslc 的第一端經由第五開關管S5 電性耦接至所述第一輸出端子P1 ，所述第六次級繞組Ns2 的第二端經由第六開關管S6 電性耦接至所述第一輸出端子P1 ，所述第五次級繞組Nslc 的第二端與所述第六次級繞組Ns2 的第一端相連且電性耦接至所述第二輸出端子P2 。
但是，可以理解的是，在本發明中，所述第一初級繞組Npa 、所述第二初級繞組Npb 和所述第三初級繞組Npc 的連接方式可以是直接串聯，如第1A圖所示；也可以是間接串聯耦接，如第1B圖所示；也可以是直接並聯，如第1C圖所示；也可以是間接並聯耦接，如第1D圖所示；這些並不作為對本發明的限制。
並且，可以理解的是，輸入端的電路拓撲不限於圖示中的半橋或全橋，還可以是其它電路架構。輸出端的電路拓撲可不限定於圖示中的半波整流，也可以是全波整流等其它方式。另外，本發明的開關電源裝置可用於經AC整流之後的電壓輸入，比如輸入電壓Vin 的範圍可為380V至450V，較佳地例如輸入電壓Vin 的範圍可為410V至450V；此外，本發明的開關電源裝置也可用於DC電壓輸入，比如輸入電壓Vin 的範圍可為36V至72V，這些同樣並不作為對本發明的限制。
下面介紹本發明的磁性元件。
參見第2圖，第2圖是本發明實施例的一種磁性元件，示出了例如第1A圖所示的開關電源裝置中的隔離變換模組12的多個變壓器組成的陣列式變壓器20的結構及其繞組的連接示意圖。在本實施例中，該變壓器20包含一磁芯21，所述磁芯21包含第一繞線柱211、第二繞線柱212、第三繞線柱213、第一邊柱214、第二邊柱215以及相對設置的第一蓋板216和第二蓋板217。所述第二繞線柱212位於所述第一繞線柱211與所述第三繞線柱213之間，所述第一邊柱214與所述第二邊柱215分別位於所述第一繞線柱211以及所述第三繞線柱213的外側，所述第一蓋板216和所述第二蓋板217分別設置於所述第一繞線柱211、所述第二繞線柱212、所述第三繞線柱213、所述第一邊柱214和所述第二邊柱215的上方與下方，以形成閉合磁路。其中，所述第一繞線柱211的磁通Φa 與所述第三繞線柱213的磁通Φc 具有第一方向，所述第二繞線柱212的磁通Φb 具有第二方向，所述第一方向與所述第二方向相反。例如，在第2圖中，繞組Npa 、繞組Npb 與繞組Npc 串聯連接，當繞組流過電流ip 時，所述第一繞線柱211和所述第三繞線柱213的磁通方向相同，對應圖中的磁通Φa 和Φc 的磁通方向均向下，並與所述第二繞線柱212的磁通Φb 的磁通方向相反，即對應圖中磁通Φb 的磁通方向向上。
結合參考第1A圖，第一初級繞組Npa 、第一次級繞組Ns1a 、第二次級繞組Ns2a 是繞設於所述第一繞線柱211以構成所述第一變壓器Txa ；第二初級繞組Npb 、第三次級繞組Ns1b 、第四次級繞組Ns2b 是繞設於所述第二繞線柱212以構成所述第二變壓器Txb ；第三初級繞組Npc 、第五次級繞組Ns1c 、第六次級繞組Ns2c 是繞設於所述第三繞線柱213以構成所述第三變壓器Txc 。並且，所述第一初級繞組Npa 、所述第二初級繞組Npb 和所述第三初級繞組Npc 串聯連接。較佳地，流經所述第一初級繞組Npa 、所述第二初級繞組Npb 和所述第三初級繞組Npc 的電流的大小以及相位均相同。其中，第2圖中並未示出次級繞組。在其它實施方式中，繞線柱上也可以沒有次級繞組，作為電感使用。
相比三個分立的變壓器，通過將三個變壓器集成於同一個磁性元件上，可有效降低磁芯的體積。此外，通過設置使得磁芯的任意三個相鄰的繞線柱中，位於中間的繞線柱的磁通與位於中間的繞線柱的兩側的兩個繞線柱的磁通方向相反，從而可有效地降低磁芯損耗。
根據本公開的實施例，所述第一初級繞組Npa 、所述第二初級繞組Npb 以及所述第三初級繞組Npc 例如均可為PCB繞組或三層絕緣線繞組。較佳地，初級繞組的匝數相同。
根據本公開的實施例，所述第一次級繞組Ns1a 、所述第二次級繞組Ns2a 、所述第三次級繞組Ns1b 、所述第四次級繞組Ns2b 、所述第五次級繞組Ns1c 以及所述第六次級繞組Ns2c 例如均可為PCB繞組或銅片繞組。較佳地，各次級繞組的匝數例如可均為1。
參見第3A~3G圖，第3A圖是本發明中第一種磁芯結構的立體結構示意圖，第3B圖示出第3A圖所示的磁芯結構的分解示意圖。如第3A~3B圖所示，本發明的一種磁芯結構30包含磁芯31，其除包含第一繞線柱311、第二繞線柱312、第三繞線柱313、第一邊柱314、第二邊柱315外，還包含相對設置的第一蓋板316和第二蓋板317，所述第一蓋板316和所述第二蓋板317分別設置於所述第一繞線柱311、所述第二繞線柱312、所述第三繞線柱313、所述第一邊柱314和所述第二邊柱315的上方與下方，以形成閉合磁路。
為了比較清楚展示三個繞線柱和兩個邊柱，第3C圖示出第3A圖所示的磁芯結構隱藏第一蓋板之後的立體結構示意圖；第3D圖示出第3C圖所示的磁芯結構的俯視圖，較佳地，該磁芯結構的三個繞線柱，例如所述第一繞線柱311、所述第二繞線柱312、所述第三繞線柱313，是沿一水平線依序排列，而所述第一邊柱314和所述第二邊柱315是分別設置於所述水平線的兩端。但根據本公開的其它實施例，磁芯結構30也可以僅包含單個邊柱，該單個邊柱位於所述水平線的一側。
第3E圖示出本發明中第二種磁芯結構的俯視圖，其與第3D圖所示的磁芯結構的區別在於，所述第一繞線柱311、所述第二繞線柱312、所述第三繞線柱313的相對位置存在一定程度的錯位，且存在一條直線能夠同時接觸或穿過該三個繞線柱，如圖中虛線L所示。
第3F圖示出第3D圖的所示的磁芯結構的繞組電流方向，其中該三個繞線柱對應的繞組電流方向是第一繞線柱311和第三繞線柱313所對應的繞組電流方向I1 和I3 均為順時針方向，而第二繞線柱312所對應的繞組電流方向I2 為逆時針方向。
第3G圖示出第3D圖的所示的磁芯結構的初級繞組可以僅由一個繞組構成，所示初級繞組為“∞字形”繞法，繞組電流方向I在包圍第一繞線柱311和第三繞線柱313為順時針方向，繞組電流方向I在包圍第二繞線柱312為逆時針方向。
參見第4A圖、第4B圖、第4C圖，第4A圖是本發明中的第三種磁芯結構40的立體結構示意圖，所述磁芯結構40除包含第一繞線柱411、第二繞線柱412、第三繞線柱413、第一邊柱414、第二邊柱415外，還包含相對設置的第一蓋板（圖中未示出）以及第二蓋板417，所述第一蓋板和所述第二蓋板417分別設置於所述第一繞線柱411、所述第二繞線柱412、所述第三繞線柱413、所述第一邊柱414和所述第二邊柱415的上方與下方，以形成閉合磁路。第4A圖所示的磁芯結構40為隱藏第一蓋板之後的立體結構示意圖；第4B圖示出第4A圖所示的磁芯結構的俯視圖，其中所述磁芯結構的三個繞線柱，例如所述第一繞線柱411、所述第二繞線柱412、所述第三繞線柱413，是沿一水平線依序排列，所述第一邊柱414和所述第二邊柱415分別設置於所述水平線的同一側。第4C圖示出第4A圖的所示的磁芯結構的繞組電流方向，該三個繞線柱對應的繞組電流方向是所述第一繞線柱411和所述第三繞線柱413所對應的繞組電流方向I1 和I3 均為順時針方向，而所述第二繞線柱412所對應的繞組電流方向I2 為逆時針方向。
參見第5A圖、第5B圖、第5C圖，第5A圖是本發明中第四種磁芯結構的立體結構示意圖，所述磁芯結構50除包含第一繞線柱511、第二繞線柱512、第三繞線柱513、第一邊柱514、第二邊柱515外，還包含相對設置的第一蓋板（圖中未示出）以及第二蓋板517，所述第一蓋板和所述第二蓋板517分別設置於所述第一繞線柱511、所述第二繞線柱512、所述第三繞線柱513、所述第一邊柱514和所述第二邊柱515的上方與下方，以形成閉合磁路。第5A圖所示的磁芯結構為隱藏第一蓋板之後的立體結構示意圖；第5B圖示出第5A圖所示的磁芯結構的俯視圖；其中所述磁芯結構的三個繞線柱，例如所述第一繞線柱511、所述第二繞線柱512、所述第三繞線柱513，是沿一水平線依序排列，所述第一邊柱514和所述第二邊柱515分別設置於所述水平線的不同側。第5C圖示出第5A圖的所示的磁芯結構的繞組電流方向，該三個繞線柱對應的繞組電流方向是第一繞線柱511和第三繞線柱513所對應的繞組電流方向I1 和I3 均為順時針方向，第二繞線柱512所對應的繞組電流方向I2 為逆時針方向。
在本發明的一實施例中，可利用如第3A~3G圖、第4A~4C圖、第5A~5C圖所示的磁芯結構來形成如第2圖中所示的磁性元件，即變壓器集成磁性元件（例如陣列式變壓器），其中的初級繞組可以是PCB、三層絕緣線或其它形式的繞組，次級繞組可以是PCB、銅片或者其它形式的繞組。此外，如第2圖所示的磁性元件的每個繞線柱上繞設有2個次級繞組，但本公開並不以此為限，在其它實施例中，每個繞線柱上可以僅包含一個次級繞組。
在本發明的其它實施例中，如第2圖中所示的磁性元件20也可以沒有次級繞組，此時可作為電感使用，即形成電感集成磁性元件。
雖然在第2圖中僅示出了由3個子變壓器集成在一個鐵芯上的變壓器集成磁性元件，但可以理解的是，本發明還可以有其它變型，例如可由更多個子變壓器集成而成的變壓器集成磁性元件，或者例如僅由多個初級繞組（即沒有次級繞組）集成而成的電感集成磁性元件，這些並不作為對本發明的限制。
參見第6A圖、第6B圖、第6C圖、第6D圖，其示出了在第2圖的基礎上延伸到多個子變壓器集成在一個鐵芯上的結構，比如第6A圖所示的由四個子變壓器組成的變壓器集成磁性元件60，該變壓器集成磁性元件60包含一磁芯61，所述磁芯61包含依次相鄰設置的第一邊柱615、第一繞線柱611、第二繞線柱612、第三繞線柱613、第四繞線柱614、以及第二邊柱616，還包含相對設置的第一蓋板617和第二蓋板618，所述第一蓋板617和所述第二蓋板618分別設置於所述第一繞線柱611、所述第二繞線柱612、所述第三繞線柱613、所述第四繞線柱614、所述第一邊柱615和所述第二邊柱616的上方與下方，以形成閉合磁路。其中，在任意三個相鄰的繞線柱中，位於中間的繞線柱的磁通與位於所述中間的繞線柱的兩側的兩個繞線柱的磁通方向相反。例如，在相鄰的第一繞線柱611、第二繞線柱612、第三繞線柱613中，位於中間的繞線柱（即第二繞線柱612）上的磁通Φb 的磁通方向與位於兩側的第一繞線柱611和第三繞線柱613上的磁通Φa 和磁通Φc 的磁通方向相反；而在相鄰的第二繞線柱612、第三繞線柱613、第四繞線柱614中，位於中間的繞線柱（即第三繞線柱613）上的磁通Φc 的磁通方向與位於兩側的第二繞線柱612和第四繞線柱614上的磁通Φb 和磁通Φd 的磁通方向相反。
第6B圖所示的磁芯結構為隱藏第一蓋板之後的立體結構示意圖。第6C圖示出第6B圖所示的磁芯結構的俯視圖，該磁芯61的四個繞線柱，例如所述第一繞線柱611、所述第二繞線柱612、所述第三繞線柱613以及所述第四繞線柱614，是沿一水平線依序排列，而所述第一邊柱615和所述第二邊柱616是分別設置於所述水平線的兩端。第6D圖示出第6B圖的所示的磁芯結構的繞組電流方向，其中該四個繞線柱對應的繞組電流方向是第一繞線柱611和第三繞線柱613所對應的繞組電流方向I1 和I3 均為逆時針方向，第二繞線柱612和第四繞線柱614所對應的繞組電流方向I2 和I4 均為順時針方向。同樣地，在第6A圖~第6D圖所示的實施例中，初級繞組可以是PCB或三層絕緣線或其它形式的繞組，次級繞組可以是PCB或者銅片或者其它形式的繞組。也可以沒有次級繞組，此時可作為電感使用。
參見第7A圖、第7B圖，其示出了本發明又一實施例中的另一種磁性元件70的結構，其是在第2圖的基礎上，在第一邊柱的左側增加一電感繞線柱的實施例，並在該電感繞線柱上纏繞電感Nr 以構成第1A圖中LLC電路的諧振電感Lr，該實施例為諧振電感與變壓器共用邊柱的一種磁集成方式。在本實施例中，該磁性元件70包含一磁芯71，所述磁芯71包含依次相鄰設置的電感繞線柱718、第一邊柱714、第一繞線柱711、第二繞線柱712、第三繞線柱713和第二邊柱715，還包含相對設置的第一蓋板716以及第二蓋板717，所述第一蓋板716和所述第二蓋板717分別設置於所述第一繞線柱711、所述第二繞線柱712、所述第三繞線柱713、所述電感繞線柱718、所述第一邊柱714和所述第二邊柱715的上方與下方，以形成閉合磁路。並且，在第一繞線柱711和第三繞線柱713上的磁通Φa 和Φc 的磁通方向都是向下的，在第二繞線柱712上的磁通Φb 的磁通方向向上，而在電感繞線柱718上的磁通的磁通方向可以向上也可以向下。第7B圖所示的磁芯結構為隱藏第一蓋板之後的立體結構示意圖；第7C圖示出第7B圖所示的磁芯結構的俯視圖，該磁芯71的三個繞線柱，例如所述第一繞線柱711、所述第二繞線柱712、所述第三繞線柱713，是沿一水平線依序排列，而所述第一邊柱714和所述第二邊柱715是分別設置於所述水平線的兩端，而所述電感繞線柱718是位於所述第一邊柱714一端的外側。在另一實施例中，所述電感繞線柱718也可以是位於所述第而邊柱715一端的外側。第7D圖示出第7B圖的所示的磁芯結構的繞組電流方向，該三個繞線柱對應的繞組電流方向是第一繞線柱711和第三繞線柱713所對應的繞組電流方向I1 和I3 均為順時針方向，第二繞線柱712所對應的的繞組電流方向I2 為逆時針方向，電感繞線柱所對應的繞組電流方向可以是順時針方向也可以是逆時針方向。同樣地，在第7A圖~第7D圖所示的實施例中，初級繞組可以是PCB或三層絕緣線或其他形式的繞組，次級繞組可以是PCB或者銅片或者其他形式的繞組，也可以沒有次級繞組，作為電感使用。
本發明通過將多路電感或者變壓器集成於同一個磁性元件，可有效地減小磁性元件的體積。此外，通過設置使得磁芯的任意三個相鄰的繞線柱中，位於中間的繞線柱的磁通與位於中間的繞線柱的兩側的兩個繞線柱的磁通方向相反，從而有效降低磁芯損耗。
在本發明中，以上所有圖示的繞線柱形狀不限定於圖中所示的圓柱狀，也可以有各種形狀，比如多邊形，跑道型，橢圓形等。並且，本發明中，這些繞線柱的截面積基本相同，是指其差異在5%以內，尤指在3%以內。對於磁通量相同，是指其磁通差異不大於5%，特別是指不大於3%。
並且，在本發明中，較佳地，在所述第一邊柱和所述第二邊柱的內側面上還可設置有與相應的繞線柱的外輪廓相對應的外輪廓對應部（圖中未示），例如與圓柱狀繞線柱的外輪廓相對應的弧形凹陷部。在所述第一邊柱或所述第二邊柱的外側面上還可設置有與相應的電感繞線柱的外輪廓相對應的電感外輪廓對應部（例如可參考第7B及7C圖）。
以上具體地示出和描述了本發明的示例性實施方式。應該理解，本發明不限於所公開的實施方式，相反，本發明意圖涵蓋包含在所附請求項的精神和範圍內的各種修改和等效佈置。
10‧‧‧開關電源裝置11‧‧‧初級電路12‧‧‧隔離變換模組13‧‧‧次級電路Vin‧‧‧輸入電壓Vo‧‧‧輸出電壓Txa ‧‧‧第一變壓器Npa‧‧‧第一初級繞組Nsla‧‧‧第一次級繞組Ns2a‧‧‧第二次級繞組Txb‧‧‧第二變壓器Npb‧‧‧第二初級繞組Ns1b‧‧‧第三次級繞組Ns2b‧‧‧第四次級繞組Txc‧‧‧第三變壓器Npc‧‧‧第三初級繞組Ns1c‧‧‧第五次級繞組Ns2c‧‧‧第六次級繞組S1‧‧‧第一開關管S2‧‧‧第二開關管S3‧‧‧第三開關管S4‧‧‧第四開關管S5‧‧‧第五開關管S6‧‧‧第六開關管P1‧‧‧第一輸出端子P2‧‧‧第二輸出端子Lr‧‧‧諧振電感Nr‧‧‧電感20‧‧‧陣列式變壓器30、40、50‧‧‧磁芯結構60、70‧‧‧變壓器集成磁性元件21、31、61、71‧‧‧磁芯211、311、411、511、611、711‧‧‧第一繞線柱212、312、412、512、612、712‧‧‧第二繞線柱213、313、413、513、613、713‧‧‧第三繞線柱614‧‧‧第四繞線柱214、314、414、514、615、714‧‧‧第一邊柱215、315、415、514、616、715‧‧‧第二邊柱216、316、617、716‧‧‧第一蓋板217、317、417、517、618、717‧‧‧第二蓋板718‧‧‧電感繞線柱Φa、Φb、Φc、Φd‧‧‧磁通ip、I、I1、I2、I3‧‧‧電流
第1A圖示出本發明一實施方式中的開關電源裝置的結構示意圖，其中該開關電源裝置的隔離變換模組中的多個變壓器的初級繞組為直接串聯的連接方式； 第1B圖示出本發明另一實施方式中的開關電源裝置的結構示意圖，其中該開關電源裝置的隔離變換模組中的多個變壓器的初級繞組為間接串聯耦接的連接方式； 第1C圖示出本發明又一實施方式中的開關電源裝置的結構示意圖，其中該開關電源裝置的隔離變換模組中的多個變壓器的初級繞組為直接並聯的連接方式； 第1D圖示出本發明再一實施方式中的開關電源裝置的結構示意圖，其中該開關電源裝置的隔離變換模組中的多個變壓器的初級繞組為間接並聯耦接的連接方式； 第2圖示出第1A圖中該開關電源裝置的隔離變換模組中的多個變壓器的繞組連接的示意圖； 第3A圖示出本發明的磁性元件的第一種磁芯結構的立體組裝圖，其中該磁芯結構包含第一繞線柱、第二繞線柱、第三繞線柱、第一邊柱、第二邊柱、第一蓋板和第二蓋板； 第3B圖示出第3A圖所示的磁芯結構的立體分解圖； 第3C圖示出第3A圖所示的磁芯結構去掉第一蓋板的立體圖； 第3D圖示出第3C圖所示的磁芯結構的俯視圖； 第3E圖示出本發明的磁性元件的第二種磁芯結構的俯視圖，其中該磁芯結構的三個繞線柱中存在一條直線能夠同時接觸到或穿過所述三個繞線柱； 第3F圖示出第3D圖所示的磁芯結構中3個繞線柱對應的電流方向； 第3G圖示出第3D圖所示的磁芯結構可以由一個繞組一線到底的“∞”形連接示意圖； 第4A圖示出本發明的磁性元件的第三種磁芯結構的立體圖，其中該磁芯結構的兩個邊柱與三個繞線柱不在同一水平線上且兩個邊柱位於同一側； 第4B圖示出第4A圖所示的磁芯結構的俯視圖； 第4C圖示出第4A圖所示的磁芯結構的三個繞線柱對應的電流方向； 第5A圖示出本發明的磁性元件的第四種磁芯結構的立體圖，其中該磁芯結構的兩個邊柱與三個繞線柱不在同一水平線上且兩個邊柱位於不同側； 第5B圖示出第5A圖所示的磁芯結構的俯視圖； 第5C圖示出第5A圖所示的磁芯結構的三個繞線柱對應的電流方向； 第6A圖示出本發明另一實施例中的變壓器的結構及其繞組連接的示意圖，其中繞線柱的數量為4個； 第6B圖示出第6A圖所示的變壓器的磁芯結構去掉第一蓋板的立體圖； 第6C圖示出第6B圖所示的磁芯結構的俯視圖； 第6D圖示出第6B圖所示的磁芯結構的四個繞線柱對應的電流方向； 第7A圖示出第2圖的基礎上增加一個磁柱的磁性元件的示意圖； 第7B圖示出第7A圖所示的磁性元件中磁芯結構去掉第一蓋板的立體圖； 第7C圖示出第7B圖所示的磁芯結構的俯視圖； 第7D圖示出第7B圖所示的磁芯結構的3個繞線柱對應的電流方向。
20‧‧‧陣列式變壓器
21‧‧‧磁芯
211‧‧‧第一繞線柱
212‧‧‧第二繞線柱
213‧‧‧第三繞線柱
214‧‧‧第一邊柱
215‧‧‧第二邊柱
216‧‧‧第一蓋板
217‧‧‧第二蓋板
Npa‧‧‧第一初級繞組
Npb‧‧‧第二初級繞組
Npc‧‧‧第三初級繞組
Φa、Φb、Φc‧‧‧磁通
ip‧‧‧電流

Claims (33)

  1. 一種磁性元件，其中包含一磁芯，該磁芯包含第一繞線柱、第二繞線柱、第三繞線柱、第一邊柱、第二邊柱以及相對設置的第一蓋板和第二蓋板，該第二繞線柱位於該第一繞線柱與該第三繞線柱之間，該第一邊柱與該第二邊柱分別位於該第一繞線柱以及該第三繞線柱的外側，該第一蓋板和該第二蓋板分別設置於該第一繞線柱、該第二繞線柱、該第三繞線柱、該第一邊柱和該第二邊柱的上方與下方，以形成閉合磁路； 其中，該第一繞線柱的磁通與該第三繞線柱的磁通具有第一方向，該第二繞線柱的磁通具有第二方向，該第一方向與該第二方向相反； 在該磁芯所在的平面內，存在一條直線同時接觸或貫穿該第一繞線柱、該第二繞線柱以及該第三繞線柱。
  2. 根據請求項1所述的磁性元件，其中還包含第一繞組、第二繞組以及第三繞組，該第一繞組繞設於該第一繞線柱，該第二繞組繞設於該第二繞線柱，該第三繞組繞設於該第三繞線柱。
  3. 根據請求項2所述的磁性元件，其中該第一繞組、該第二繞組以及該第三繞組電性串聯耦接。
  4. 根據請求項2所述的磁性元件，其中該第一繞組、該第二繞組以及該第三繞組電性並聯耦接。
  5. 根據請求項2所述的磁性元件，其中流經該第一繞組的電流與流經該第三繞組的電流方向相同，流經該第二繞組的電流與流經該第一繞組的電流以及流經該第三繞組的電流方向相反。
  6. 根據請求項5所述的磁性元件，其中流經該第一繞組、該第二繞組以及該第三繞組的電流相位相同。
  7. 根據請求項1所述的磁性元件，其中該第一繞線柱、該第二繞線柱以及該第三繞線柱沿一水平線依序排列。
  8. 根據請求項7所述的磁性元件，其中該第一邊柱和該第二邊柱分別設置於該水平線的兩端。
  9. 根據請求項7所述的磁性元件，其中該第一邊柱和該第二邊柱設置於該水平線的同一側。
  10. 根據請求項7所述的磁性元件，其中該第一邊柱和該第二邊柱分別設置於該水平線的不同側。
  11. 根據請求項1所述的磁性元件，其中該磁芯還包含電感繞線柱，該電感繞線柱上繞設有電感繞組。
  12. 根據請求項11所述的磁性元件，其中該電感繞組與該第一繞組、該第二繞組以及該第三繞組中的至少一個串聯。
  13. 根據請求項2所述的磁性元件，其中該第一繞組、該第二繞組以及該第三繞組均為PCB繞組或三層絕緣線繞組。
  14. 根據請求項2所述的磁性元件，其中該第一繞組、該第二繞組以及該第三繞組的匝數相同。
  15. 根據請求項2所述的磁性元件，其中該第一繞組、該第二繞組以及該第三繞組均為初級繞組，且該第一繞線柱、該第二繞線柱與該第三繞線柱上均繞設有至少一個次級繞組。
  16. 根據請求項15所述的磁性元件，其中該次級繞組的匝數均為1匝。
  17. 根據請求項15或16所述的磁性元件，其中該次級繞組為PCB繞組或銅片繞組。
  18. 一種磁性元件，其中包含： 一磁芯，該磁芯包含至少三個繞線柱、至少一個邊柱以及相對設置的第一蓋板和第二蓋板，其中，該至少三個繞線柱依次相鄰設置，該第一蓋板和該第二蓋板分別設置於該至少三個繞線柱和該至少一個邊柱的上方與下方，以形成閉合磁路；以及 至少三個繞組，該至少三個繞組分別繞設於該至少三個繞線柱上； 其中，在任意三個相鄰的該繞線柱中，位於中間的繞線柱的磁通與位於該中間的繞線柱的兩側的兩個繞線柱的磁通方向相反。
  19. 根據請求項18所述的磁性元件，其中在該磁芯所在的平面內，存在一條直線同時接觸或貫穿該至少三個繞線柱。
  20. 根據請求項18所述的磁性元件，其中該至少三個繞線柱沿一水平線依序排列。
  21. 根據請求項20所述的磁性元件，其中該至少一個邊柱包括第一邊柱和第二邊柱，該第一邊柱和該第二邊柱分別設置於該水平線的兩端。
  22. 根據請求項20所述的磁性元件，其中該至少一個邊柱包括第一邊柱和第二邊柱，該第一邊柱和該第二邊柱設置於該水平線的同一側，且該第一邊柱對應於靠近該至少三個繞線柱的一端的繞線柱，該第二邊柱對應於靠近該至少三個繞線柱的另一端的繞線柱。
  23. 根據請求項20所述的磁性元件，其中該至少一個邊柱包括第一邊柱和第二邊柱，該第一邊柱和該第二邊柱分別設置於該水平線的不同側，且該第一邊柱對應於靠近該至少三個繞線柱的一端的繞線柱，該第二邊柱對應於靠近該至少三個繞線柱的另一端的繞線柱。
  24. 根據請求項20所述的磁性元件，其中該至少一個邊柱為單個邊柱，該邊柱位於該水平線的一側。
  25. 根據請求項18所述的磁性元件，其中該磁芯還包含電感繞線柱，該電感繞線柱上繞設有電感繞組。
  26. 根據請求項18所述的磁性元件，其中該磁性元件為變壓器，該至少三個繞組均為初級繞組，該至少三個繞線柱中的每一繞線柱上還繞設有至少一個次級繞組。
  27. 一種開關電源裝置，其中該開關電源裝置包括： 初級電路，用於接收輸入電壓，並將該輸入電壓轉換為初級電壓； 隔離變換模組，用於將該初級電壓轉換為次級電壓，且該隔離變換模組包括： 第一變壓器，包括第一初級繞組、第一次級繞組以及第二次級繞組； 第二變壓器，包括第二初級繞組、第三次級繞組以及第四次級繞組；以及 第三變壓器，包括第三初級繞組、第五次級繞組以及第六次級繞組； 次級電路，用於將該次級電壓轉換為輸出電壓； 其中，該第一次級繞組與該第二次級繞組串聯連接，該第一次級繞組的第一端經由第一開關管電性耦接至第一輸出端子，該第二次級繞組的第二端經由第二開關管電性耦接至該第一輸出端子，該第一次級繞組的第二端與該第二次級繞組的第一端相連且電性耦接至第二輸出端子；該第三次級繞組與該第四次級繞組串聯連接，該第三次級繞組的第一端經由第三開關管電性耦接至該第一輸出端子，該第四次級繞組的第二端經由第四開關管電性耦接至該第一輸出端子，該第三次級繞組的第二端與該第四次級繞組的第一端相連且電性耦接至該第二輸出端子；該第五次級繞組與該第六次級繞組串聯連接，該第五次級繞組的第一端經由第五開關管電性耦接至該第一輸出端子，該第六次級繞組的第二端經由第六開關管電性耦接至該第一輸出端子，該第五次級繞組的第二端與該第六次級繞組的第一端相連且電性耦接至該第二輸出端子； 其中，該第一初級繞組、該第一次級繞組、該第二次級繞組繞設於如請求項1該的磁性元件中的第一繞線柱，該第二初級繞組、該第三次級繞組、該第四次級繞組繞設於如請求項1所述的磁性元件中的第二繞線柱，該第三初級繞組、該第五次級繞組、該第六次級繞組繞設於如請求項1所述的磁性元件中的第三繞線柱。
  28. 根據請求項27所述的開關電源裝置，其中， 該第一初級繞組的第一端電性耦接至該初級電路的一端； 該第二初級繞組的第一端電性耦接至該第一初級繞組的第二端；以及 該第三初級繞組的第一端電性耦接至該第二初級繞組的第二端，該第三初級繞組的第二端電性耦接至該初級電路的另一端。
  29. 根據請求項27所述的開關電源裝置，其中該第一初級繞組、該第二初級繞組以及該第三初級繞組均為PCB繞組或三層絕緣線繞組。
  30. 根據請求項27所述的磁性元件，其中該第一次級繞組、該第二次級繞組、該第三次級繞組、該第四次級繞組、該第五次級繞組以及該第六次級繞組的匝數均為1。
  31. 根據請求項27或30所述的開關電源裝置，其中該第一次級繞組、該第二次級繞組、該第三次級繞組、該第四次級繞組、該第五次級繞組以及該第六次級繞組均為PCB繞組或銅片繞組。
  32. 根據請求項27所述的開關電源裝置，其中該輸入電壓範圍為410V至450V。
  33. 根據請求項27所述的開關電源裝置，其中該輸入電壓範圍為36V至72V。
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