TW202247568A - 三相磁性組件 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種三相磁性組件，該三相磁性組件包含複數個繞組，及統一鐵心主體。該鐵心主體包括鐵心支腳，該等鐵心支腳沿該等複數個繞組之中心軸線延伸，且該等複數個繞組圍繞該等鐵心支腳纏繞，使得當電流流過該等複數個繞組時，磁通量產生於該等複數個鐵心支腳中。該等複數個繞組包含第一相感應器、第二相感應器，及第三相感應器，及第一相變壓器、第二相變壓器，及第三相變壓器，該第一相感應器、該第二相感應器，及該第三相感應器，及該第一相變壓器、該第二相變壓器，及該第三相變壓器定位在該統一鐵心主體周圍，使得該第一相感應器及該第二相變壓器之該等鐵心支腳共享中心軸線，該第二相感應器及該第三相變壓器之該等鐵心支腳共享中心軸線，且該第三相感應器及該第一相變壓器之該等鐵心支腳共享中心軸線。

Description

三相磁性組件
本揭示案之態樣係關於電子元件，且具體而言係關於用於三相功率系統之感應器及變壓器元件。
三相LLC功率轉換器通常使用在包括電信系統、用於電動車輛之快速充電器，及需要高功率密度及高效率之其他應用的各種系統中。
這些三相LLC功率轉換器通常包括用於三個相位中之每一個的感應器/變壓器對。因為這些元件必須經得起大電流，所以該等元件通常在功率轉換器內的最大元件之間，且亦由於這些元件內之鐵心損失而耗散能量。
在一實施例中，提供三相磁性組件。該三相磁性組件包括複數個繞組，及統一鐵心主體，該統一鐵心主體具有複數個鐵心支腳，該等複數個鐵心支腳各自在該等複數個繞組之中心軸線之方向上延伸，且該等複數個繞組圍繞該等複數個鐵心支腳纏繞，使得當電流流過該等複數個繞組時，磁通量產生於該等複數個鐵心支腳中。
該等複數個繞組包含該等複數個繞組包含第一相感應器、第二相感應器，及第三相感應器，及第一相變壓器、第二相變壓器，及第三相變壓器，該第一相感應器、該第二相感應器，及該第三相感應器，及該第一相變壓器、該第二相變壓器，及該第三相變壓器定位在該統一鐵心主體周圍，使得該第一相感應器及該第二相變壓器之該等鐵心支腳共享中心軸線，該第二相感應器及該第三相變壓器之該等鐵心支腳共享中心軸線，且該第三相感應器及該第一相變壓器之該等鐵心支腳共享中心軸線。
在另一實施例中，提供用於三相磁性組件的統一鐵心主體。該統一鐵心主體包括複數個鐵心支腳，該等複數個鐵心支腳各自在第一相感應器、第二相感應器，及第三相感應器，及第一相變壓器、第二相變壓器，及第三相變壓器之中心軸線之方向上延伸，該等複數個鐵心支腳各自具有第一末端及第二末端，且各自經組配以提供磁性鐵心，該磁性鐵心傳導用於該第一相感應器、該第二相感應器，及該第三相感應器，及該第一相變壓器、該第二相變壓器，及該第三相變壓器中之一個的磁通量。
該統一鐵心主體亦包括感應器返回支腳，該感應器返回支腳經組配以在該等感應器內之該等鐵心支腳之該第一末端與該第二末端之間傳導磁通量；以及變壓器返回支腳，該變壓器返回支腳經組配以在該等變壓器內之該等鐵心支腳之該第一末端與該第二末端之間傳導磁通量。
在又一實施例中，提供三相磁性組件。該三相磁性組件包括複數個繞組、統一鐵心主體、感應器返回支腳，及變壓器返回支腳。
該統一鐵心主體具有複數個鐵心支腳，該等複數個鐵心支腳各自具有第一末端及第二末端，該等複數個鐵心支腳各自在該等複數個繞組之中心軸線之方向上延伸，且該等複數個繞組圍繞該等複數個鐵心支腳纏繞，使得當電流流過該等複數個繞組時，磁通量產生於該等複數個鐵心支腳中，其中該等複數個繞組包含第一相感應器、第二相感應器，及第三相感應器，及第一相變壓器、第二相變壓器，及第三相變壓器，該第一相感應器、該第二相感應器，及該第三相感應器，及該第一相變壓器、該第二相變壓器，及該第三相變壓器定位在該統一鐵心主體周圍，使得該第一相感應器及該第二相變壓器之該等鐵心支腳共享中心軸線，該第二相感應器及該第三相變壓器之該等鐵心支腳共享中心軸線，且該第三相感應器及該第一相變壓器之該等鐵心支腳共享中心軸線。
該感應器返回支腳經組配以在該等感應器內之該等鐵心支腳之該第一末端與該第二末端之間傳導磁通量，且該變壓器返回支腳經組配以在該等變壓器內之該等鐵心支腳之該第一末端與該第二末端之間傳導磁通量。
本文所描述之示例性實施例例示用於組配三相磁性組件之不同方法，該三相磁性組件包括用於使用在三相功率系統中的統一鐵心主體。
第1A圖、第1B圖，及第1C圖例示用於三相磁性組件的統一鐵心主體100。在此等示例性實施例中，統一鐵心主體100經組配以支援藉由複數個繞組形成的三個感應器及三個變壓器。統一鐵心主體100包括空氣隙110，該等空氣隙影響藉由鐵心主體100支援的感應器及變壓器之各種參數。統一鐵心主體100亦包括感應器返回支腳120及變壓器返回支腳130。
感應器返回支腳120提供用於來自三個感應器的磁通量之返回路徑。變壓器返回支腳130提供用於來自三個變壓器的磁通量之返回路徑。
在一示例性實施例中，統一鐵心主體100具有複數個鐵心支腳(在此三個經例示)。每個鐵心支腳具有第一末端及第二末端，該每個鐵心支腳各自在複數個繞組之中心軸線之方向上延伸，且複數個繞組圍繞該每個鐵心支腳纏繞，使得當電流流過複數個繞組時，磁通量產生於複數個鐵心支腳中。
第1C圖例示來自第1A圖及第1B圖的統一鐵心主體100之下部分。在此示例性實施例中，支腳112、114，及116提供用於三個變壓器之支撐，且充當用於三個變壓器之磁性鐵心，該等三個變壓器由圍繞支腳112、114，及116中之每一個的繞組組成。變壓器返回支腳118之一部分亦經例示。類似模組用來提供用於三個感應器之支撐，且充當用於三個感應器之磁性鐵心，且將在製造期間定位在此模組上方。
第2A圖及第2B圖例示三相磁性組件200。在此示例性實施例中，統一鐵心主體210已用三個變壓器212、214，216，以及三個感應器202、204，及206填充。第2B圖亦例示感應器返回支腳222及變壓器返回支腳220。
第3A圖例示三相磁性組件300。在此示例性實施例中，統一鐵心主體310已用三個變壓器312、314，及316，以及三個感應器302、304，及306填充。在此，一次繞組引出線331-336經例示為上升至磁性組件300之頂部的電線，且二次繞組引出線321-326經例示為流至磁性組件300之底部的導體。
在此示例性實施例中，一次繞組引出線331、333，及335為指示一次繞組之極性的圓點，且二次繞組引出線321、323，及325為指示二次繞組之極性的圓點。
第3B圖例示三相磁性組件內的示範性繞組。在此示例性實施例中，單個繞組用來構造圍繞統一鐵心主體310的感應器350及對應的(相同相的)變壓器340之內鐵心/一次鐵心。應注意，感應器350及變壓器340在不同的鐵心支腳上彼此偏離。此狀況經做出以降低統一鐵心主體310內的磁通量且以下關於第4圖及第5圖詳細地予以論述。
第4圖例示併入三相磁性組件470的示範性功率轉換器電路。此示例性實施例例示併入三相磁性組件470的三相半橋LLC電路之一部分。此僅為本發明之一個示例性使用，因為三相磁性組件470可亦使用在諸如全橋組態、其他半橋組態等的許多其他電路中。
功率轉換器電路之此示全性部分包括輸入Vi+ 450及Vi- 452、輸入電容器Cin 424以及輸入級N-FET 431-436。功率轉換器亦包括三相磁性組件470，該三相磁性組件併入感應器L1 401、L2 402，及L3 403，以及變壓器T1 411、T2 412，及T3 413。輸出級包括N-FET 437-448、輸出電容器Co 425及輸出Vo+ 460及Vo- 462。示例性功率轉換器電路亦包括電容器C1 421、C2 422，及C3 423。雖然此示例性電路使用N-FET，但其他示例性電路可使用P-FET，或寬能帶隙零件諸如SiC FET或GaN FET。
在此示例性電路中，感應器L1 401為第一相感應器，且變壓器T1 411為第一相變壓器。感應器L2 402為第二相感應器，且變壓器T2 412為第二相變壓器。感應器L3 403為第三相感應器，且變壓器T3 413為第三相變壓器。在典型設計中，此等三個相位為相對於彼此的120度相位。
因為感應器及變壓器支援大電流，所以各自促進來自其鐵心內的磁通量之一些鐵心損失量。為最小化此鐵心損失，將全部三個感應器及三個變壓器一起整合至三相磁性組件470中。共用感應器返回支腳經提供來用於三個感應器，且共用變壓器返回支腳經提供來用於三個變壓器，如第1B圖、第1C圖，及第2B圖中所例示。來自單個返回支腳內之三個相位的磁通量作用以彼此抵消，因為相位藉由120度分離，因而降低三相磁性組件470內之鐵心損失。
在一示例性實施例中，來自三個感應器中之每一個的磁通量為正弦的且偏離120度，使得來自三個感應器的組合磁通量自身抵消至實質上零。每個變壓器繞組中之磁通量為三角式的且偏離120度，使得來自三個變壓器相位的組合磁通量作用以相互抵消，且將變壓器返回支腳內之磁通量降低至每個單獨變壓器支腳中之通量的1/3。此抵消例示於第7圖中且以下詳細地加以論述。
第5A圖例示併入三相磁性組件的示範性電源電路內的感應器通量與變壓器通量之間的關係500。在諸如第4圖中所例示之實施例的一示例性實施例中，感應器510內之磁通量具有正弦形狀，而變壓器512內之磁通量具有三角形狀。變壓器磁化電流滯後於其對應的感應器內之磁化電流，如在此所示。兩個電流偏離φ514之相偏移。
此關係對於三個相位中之每一個適用。因為每個相位偏離120度或2π/3，所以相圖可經構造來用於感應器中之每一個及變壓器中之每一個。第5B圖例示此相圖。
第5B圖為例示併入三相磁性組件的示範性電源電路內的感應器及變壓器中之每一個內的磁通量之間的相位關係的相圖520。在此實例中，將第一相感應器L1通量531示出為0相偏移處的參考，來自剩餘感應器及變壓器的剩餘通量分量中之每一個相對於此相位向量加以例示。第一相變壓器T1通量541相對於第一相感應器L1通量531偏離π/2 - φ。第二相感應器L2通量532、第二相變壓器T2通量542、第三相感應器L3通量533，及第三相變壓器T3通量543亦例示於相圖520上。
應注意，第一相感應器L1及第二相變壓器T2之通量接近於為180度或π異相。此對於第二相感應器L2及第三相變壓器T3，且對於第三相感應器L3及第一相變壓器T1亦適用。由於各種感應器與變壓器之間的此相位關係，若裝置之相反對具有共享中心軸線的鐵心支腳，則對之通量將實質上在兩個裝置之間的鐵心之部分內抵消，且大大降低鐵心損失。
裝置之此配對例示於第6圖中且以下詳細地加以論述。諸如第3B圖中所例示之彼繞組配置的繞組配置用來實現此配對。
第6圖例示三相磁性組件600。在此示例性實施例中，統一鐵心主體310將感應器302、304，及306併入磁性組件600之感應器部分610中。統一鐵心主體310亦將變壓器312、314，及316併入磁性組件600之變壓器部分中。
在此，第一相感應器L1 302與第二相變壓器T2 314垂直對齊且與該第二相變壓器T2共享鐵心支腳。第二相感應器L2 304與第三相變壓器T3 316垂直對齊且與該第三相變壓器T3共享鐵心支腳。第三相感應器L3 306與第一相變壓器T1 312垂直對齊且與該第一相變壓器T1共享鐵心支腳。此組件實現以上關係第5B圖所論述之配對，且允許各種元件之磁通量主要在感應器部分610與變壓器部分620之間的統一鐵心主體310之部分中彼此抵消。
應注意，感應器302、304，及306內之電流與變壓器312、314，及316內之電流方向相對，從而允許各別通量在感應器部分610與變壓器部分620之間的統一鐵心主體310之部分中彼此抵消。
第7圖例示併入三相磁性組件的示範性電源電路內的變壓器中之每一個與共用返回支腳內的磁通量。如以上關於第4圖所論述，每個變壓器具有帶有彼此偏離120度的三角波形之磁通量。在此，第一相變壓器T1內之磁通量展示於圖表710中，第二相變壓器T2內之磁通量展示於圖表720中，且第三相變壓器T3內之磁通量展示於圖表730中。
當此等三個磁通量在共用返回支腳內組合時，組合通量之振幅為每個單獨變壓器之彼通量的1/3，具有單獨變壓器之彼頻率的三倍之頻率。藉由將來自三個變壓器的磁通量組合至單個變壓器返回支腳中，通量之振幅降低2/3且直接降低組件中之鐵心損失。
所包括的描述及圖描繪特定實施例以教導熟習此項技術者如何製作且使用最佳模式。出於教導發明性原理之目的，一些習知態樣已經簡化或省略。熟習此項技術者將瞭解來自屬於本發明之範疇的此等實施例之變化。熟習此項技術者將亦瞭解以上所描述之特徵可以各種方式組合以形成多個實施例。因此，本發明不限於以上所描述之特定實施例，但僅受申請專利範圍及其等效物限制。
100:統一鐵心主體 110:空氣隙 112,114,116:支腳 118:變壓器返回支腳 120:感應器返回支腳 130:變壓器返回支腳 200:三相磁性組件 202,204,206:感應器 210:統一鐵心主體 212,214,216:變壓器 220:變壓器返回支腳 222:感應器返回支腳 300:磁性組件 302,304,306:感應器 310:統一鐵心主體 312,314,316:變壓器 321~326:二次繞組引出線 331~336:一次繞組引出線 340:變壓器 350:感應器 401:感應器L1 402:感應器L2 403:感應器L3 411:變壓器T1 412:變壓器T2 413:變壓器T# 421:電容器C1 422:電容器C2 423:電容器C3 424:輸入電容器Cin 425:輸出電容器Co 431~436:輸入級N-FET 437~448:N-FET 450:輸入Vi+ 452:輸入Vi- 460:輸出Vo+ 462:輸出Vo- 470:三相磁性組件 500:關係 510:感應器 512:變壓器 514:相偏移 520:相圖 531:第一相感應器L1通量 532:第二相感應器L2通量 533:第三相感應器L3通量 541:第一相變壓器T1通量 542:第二相變壓器T2通量 543:第三相變壓器T3通量 600:三相磁性組件 610:感應器部分 620:變壓器部分 710,720,730,740:圖表
本揭示案之許多態樣可參考以下圖式更好地理解。雖然若干實行方案係關於這些圖式加以描述，但本揭示案不限於本文所揭示的實行方案。相反，意圖將涵蓋所有替代方案、修改，及等效物。
第1A圖、第1B圖，及第1C圖例示用於三相磁性組件的統一鐵心主體。
第2A圖及第2B圖例示三相磁性組件。
第3A圖例示三相磁性組件。
第3B圖例示三相磁性組件內的示範性繞組。
第4圖例示併入三相磁性組件的示範性功率轉換器電路。
第5A圖例示併入三相磁性組件的示範性電源電路內的感應器通量與變壓器通量之間的關係。
第5B圖為例示併入三相磁性組件的示範性電源電路內的感應器及變壓器中之每一個內的磁通量之間的相位關係的相圖。
第6圖例示三相磁性組件。
第7圖例示併入三相磁性組件的示範性電源電路內的變壓器中之每一個與共用返回支腳內的磁通量。
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100:統一鐵心主體
110:空氣隙

Claims (17)

  1. 一種三相磁性組件，包含： 複數個繞組；以及 一統一鐵心主體，具有複數個鐵心支腳，該等複數個鐵心支腳各自在該等複數個繞組之中心軸線之一方向上延伸，且該等複數個繞組圍繞該等複數個鐵心支腳纏繞，使得當電流流過該等複數個繞組時，磁通量產生於該等複數個鐵心支腳中； 其中該等複數個繞組包含第一相感應器、第二相感應器，及第三相感應器，及第一相變壓器、第二相變壓器，及第三相變壓器，該第一相感應器、該第二相感應器，及該第三相感應器，及該第一相變壓器、該第二相變壓器，及該第三相變壓器定位在該統一鐵心主體周圍，使得該第一相感應器及該第二相變壓器之該等鐵心支腳共享一中心軸線，該第二相感應器及該第三相變壓器之該等鐵心支腳共享一中心軸線，且該第三相感應器及該第一相變壓器之該等鐵心支腳共享一中心軸線。
  2. 如請求項1所述之三相磁性組件，其中： 該等複數個繞組中之一第一個包含該第一相感應器及該第一相變壓器之一初級線圈； 該等複數個繞組中之一第二個包含該第二相感應器及該第二相變壓器之一初級線圈；以及 該等複數個繞組中之一第三個包含該第三相感應器及該第三相變壓器之一初級線圈。
  3. 如請求項1所述之三相磁性組件，其中該等鐵心支腳中之每一個包括一空氣隙。
  4. 如請求項1所述之三相磁性組件，進一步包含： 一感應器返回支腳，經組配以在該等感應器內之該等鐵心支腳之第一末端與第二末端之間傳導磁通量；以及 一變壓器返回支腳，經組配以在該等變壓器內之該等鐵心支腳之第一末端與第二末端之間傳導磁通量。
  5. 如請求項4所述之三相磁性組件，其中該等感應器內之電流為正弦式的，且來自該等三個感應器中之每一個的磁通量在該感應器返回支腳內彼此抵消。
  6. 如請求項4所述之三相磁性組件，其中該等變壓器內之電流為三角式的，且來自該等三個變壓器中之每一個的磁通量在該變壓器返回支腳內彼此部分地抵消。
  7. 一種用於一三相磁性組件的統一鐵心主體，該統一鐵心主體包含： 複數個鐵心支腳，該等複數個鐵心支腳各自在第一相感應器、第二相感應器，及第三相感應器，及第一相變壓器、第二相變壓器，及第三相變壓器之中心軸線之一方向上延伸，該等複數個鐵心支腳各自具有一第一末端及一第二末端，且各自經組配以提供一磁性鐵心，該磁性鐵心傳導用於該第一相感應器、該第二相感應器，及該第三相感應器，及該第一相變壓器、該第二相變壓器，及該第三相變壓器中之一個的磁通量； 一感應器返回支腳，經組配以在該等感應器內之該等鐵心支腳之該第一末端及該第二末端之間傳導磁通量；以及 一變壓器返回支腳，經組配以在該等變壓器內之該等鐵心支腳之該第一末端與該第二末端之間傳導磁通量。
  8. 如請求項7所述之用於一三相磁性組件的統一鐵心主體，其中該等感應器內之電流為正弦式的，且來自該等三個感應器中之每一個的磁通量在該感應器返回支腳內彼此抵消。
  9. 如請求項7所述之用於一三相磁性組件的統一鐵心主體，其中該等變壓器內之電流為三角式的，且來自該等三個變壓器中之每一個的磁通量在該變壓器返回支腳內彼此部分地抵消。
  10. 如請求項7所述之用於一三相磁性組件的統一鐵心主體，其中該第一相感應器、該第二相感應器，及該第三相感應器及該第一相變壓器、該第二相變壓器，及該第三相變壓器定位在該統一鐵心主體周圍，使得該第一相感應器及該第二相變壓器之該等鐵心支腳共享一中心軸線，該第二相感應器及該第三相變壓器之該等鐵心支腳共享一中心軸線，且該第三相感應器及該第一相變壓器之該等鐵心支腳共享一中心軸線。
  11. 如請求項10所述之用於一三相磁性組件的統一鐵心主體，其中： 該第一相感應器及該第一相變壓器之一初級線圈包含一單個繞組； 該第二相感應器及該第二相變壓器之一初級線圈包含一單個繞組；且 該第三相感應器及該第三相變壓器之一初級線圈包含一單個繞組。
  12. 如請求項7所述之用於一三相磁性組件的統一鐵心主體，其中該等鐵心支腳中之每一個包括一空氣隙。
  13. 一種三相磁性組件，包含： 複數個繞組； 一統一鐵心主體，具有複數個鐵心支腳，該等複數個鐵心支腳各自具有一第一末端及一第二末端，該等複數個鐵心支腳各自在該等複數個繞組之中心軸線之一方向上延伸，且該等複數個繞組圍繞該等複數個鐵心支腳纏繞，使得當電流流過該等複數個繞組時，磁通量產生於該等複數個鐵心支腳中，其中該等複數個繞組包含第一相感應器、第二相感應器，及第三相感應器，及第一相變壓器、第二相變壓器，及第三相變壓器，該第一相感應器、該第二相感應器，及該第三相感應器，及該第一相變壓器、該第二相變壓器，及該第三相變壓器定位在該統一鐵心主體周圍，使得該第一相感應器及該第二相變壓器之該等鐵心支腳共享一中心軸線，該第二相感應器及該第三相變壓器之該等鐵心支腳共享一中心軸線，且該第三相感應器及該第一相變壓器之該等鐵心支腳共享一中心軸線； 一感應器返回支腳，經組配以在該等感應器內之該等鐵心支腳之該第一末端及該第二末端之間傳導磁通量；以及 一變壓器返回支腳，經組配以在該等變壓器內之該等鐵心支腳之該第一末端與該第二末端之間傳導磁通量。
  14. 如請求項13所述之三相磁性組件，其中： 該等複數個繞組中之一第一個包含該第一相感應器及該第一相變壓器之一初級線圈； 該等複數個繞組中之一第二個包含該第二相感應器及該第二相變壓器之一初級線圈；且 該等複數個繞組中之一第三個包含該第三相感應器及該第三相變壓器之一初級線圈。
  15. 如請求項13所述之三相磁性組件，其中該等鐵心支腳中之每一個包括一空氣隙。
  16. 如請求項13所述之三相磁性組件，其中該等感應器內之電流為正弦式的，且來自該等三個感應器中之每一個的磁通量在該感應器返回支腳內彼此抵消。
  17. 如請求項13所述之三相磁性組件，其中該等變壓器內之電流為三角式的，且來自該等三個變壓器中之每一個的磁通量在該變壓器返回支腳內彼此部分地抵消。
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