TWI643222B - 整合型變壓器 - Google Patents

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Abstract

本發明揭露一種整合型變壓器，適用於諧振轉換器。此種整合型變壓器包括一次側電路、二次側電路與整合型鐵芯。一次側電路與二次側電路分別包括複數個線圈。透過電磁感應，由一次側電路接收之第一電壓會轉換為第二電壓，且第二電壓由二次側電路輸出。一次側電路設置於整合型鐵芯上。整合型鐵芯包括共邊的複數個鐵芯環。該些鐵芯環共邊的部分形成一中心柱，該些鐵芯環非共邊的部分形成一外柱。一次側電路之該些線圈分別設置於整合型鐵芯之該些外柱上，且一次側電路中的該些線圈彼此串聯。

Description

整合型變壓器
本發明乃是關於一種變壓器，特別是指一種應用於諧振轉換器之整合型變壓器。
請參照圖1，圖1為傳統之鐵芯的示意圖。一般應用在諧振轉換器的變壓器通常是在其鐵芯的一次側與二次側各設置一組線圈WP與WS，用來作為傳遞能量及隔離鐵芯的一次側與二次側準位的一種路徑。通常，若想要調整變壓器的激磁電感以應用於諧振轉換器中，只能利用額外加墊氣隙、改變線圈WP與WS的匝數、更換鐵芯型號等等之方式來達成。
當應用在諧振轉換器時，為了減輕二次測電流應力的負擔，通常都會使用多組變壓器達到傳遞能量及隔離鐵芯的一次側與二次側之準位的目的。然而，此做法有一個疑慮存在，那就是多組變壓器中存在之些微的激磁電感誤差量將會使得每組變壓器之一次側與二次側間傳遞之能量多寡不均，進而使得輸出電壓不穩定。
為了維持輸出電壓的穩定，本發明提供了一種不需依靠額外加墊氣隙、改變圈數匝數或更換鐵芯型號來調整激磁電感的整合型變壓器。
本發明所提供的一種整合型變壓器，適用於諧振轉換器。此種整合型變壓器包括一次側電路、二次側電路與整合型鐵芯。一 次側電路與二次側電路分別包括複數個線圈。透過電磁感應，由一次側電路接收之第一電壓會轉換為第二電壓，且第二電壓由二次側電路輸出。一次側電路設置於整合型鐵芯上。整合型鐵芯包括共邊的複數個鐵芯環。該些鐵芯環共邊的部分形成一中心柱，該些鐵芯環非共邊的部分形成一外柱。一次側電路之該些線圈分別設置於整合型鐵芯之該些外柱上，且一次側電路中的該些線圈彼此串聯。
於本發明所提供之此整合型變壓器的一實施例中，二次側電路設置於整合型鐵芯的外部，且二次側電路之該些線圈彼此並聯。另外，一次側電路之該些線圈同方向地繞於整合型鐵芯之該些外柱上。
於本發明所提供之此整合型變壓器的一實施例中，一次側電路接收該第一電壓後，一次側電路之該些線圈之一所產生的磁通量分流至整合型鐵芯的中心柱與一次側電路中其餘的該些線圈。另外，若一次側電路之該些線圈所產生之磁通量於整合型鐵芯的各外柱的方向為第一方向，且該些磁通量分流至整合型鐵芯的中心柱與其餘該些外柱之磁通量的方向為第二方向，則第一方向與第二方向相反。
於本發明所提供之此整合型變壓器的一實施例中，一次側電路與二次側電路中的該些線圈由複數個印刷電路板上的走線構成。
本發明所提供的另一種整合型變壓器，也適用於諧振轉換器。此種整合型變壓器包括一次側電路、二次側電路與整合型鐵芯。一次側電路包括一線圈，二次側電路包括複數個線圈。透過電磁感應，一次側電路接收第一電壓以將第一電壓轉換為第二電壓，並將第二電壓由二次側電路輸出。一次側電路與二次側電路設置於整合型鐵芯上。整合型鐵芯包括共邊的複數個鐵芯環，該些鐵芯環共邊的部分形成一中心柱，且該些鐵芯環非共邊的部分 形成一外柱。一次側電路之線圈設置於整合型鐵芯之中心柱上，且二次側電路之該些線圈分別設置於整合型鐵芯之該些外柱上。
於本發明所提供之此整合型變壓器的一實施例中，二次側電路之該些線圈的圈數相同或不同，以轉換出相同或不同的第二電壓。
於本發明所提供之此整合型變壓器的一實施例中，一次側電路與二次側電路中的該些線圈由複數個印刷電路板上的走線構成。
1‧‧‧整合型變壓器
WP、WS‧‧‧線圈
C‧‧‧中心柱
O1、O2、O3‧‧‧外柱
FW1、FW2、FW3‧‧‧磁動勢
B1、B2、B3、B12、B13、B1C‧‧‧磁通量
R1、R2、R3、RC‧‧‧磁阻
Vin‧‧‧輸入電壓
Vout‧‧‧輸出電壓
C1、C2、Cr‧‧‧電容
Q1‧‧‧上臂開關
Q2‧‧‧下臂開關
DB1、DB2‧‧‧二極體
Lr‧‧‧電感
C0‧‧‧濾波電容
R0‧‧‧負載阻抗
圖1為傳統之鐵芯的示意圖。
圖2為根據本發明一例示性實施例繪示之整合型變壓器之整合型鐵芯的示意圖。
圖3為根據本發明一例示性實施例繪示之整合型變壓器之單柱磁動勢磁通量的示意圖。
圖4為根據本發明一例示性實施例繪示之整合型變壓器使用於諧振轉換器的示意圖。
圖5A與圖5B為圖4中繪示之整合型變壓器的示意圖。
在下文將參看隨附圖式更充分地描述各種例示性實施例，在隨附圖式中展示一些例示性實施例。然而，本發明概念可能以許多不同形式來體現，且不應解釋為限於本文中所闡述之例示性實施例。確切而言，提供此等例示性實施例使得本發明將為詳盡且完整，且將向熟習此項技術者充分傳達本發明概念的範疇。在諸圖式中，類似數字始終指示類似元件。
將理解的是，雖然第一、第二、第三等用語可使用於本文中用來描述各種元件或組件，但這些元件或組件不應被這些用語所 限制。這些用語僅用以區分一個元件或組件與另一元件或組件。因此，下述討論之第一元件或組件，在不脫離本發明之教示下，可被稱為第二元件或第二組件。
[整合型變壓器的一實施例]
本實施例所提供之整合型變壓器，主要適用於諧振轉換器。本實施例所提供之整合型變壓器的特色在於，本實施例所提供之整合型變壓器能夠有效降低流過變壓器之鐵芯的磁通量及降低變壓器之鐵芯內部激磁電感，以提升諧振轉換器的效率。
本實施例所提供之整合型變壓器包括一次側電路、二次側電路與整合型鐵芯。一次側電路與二次側電路分別包括複數個線圈。於本實施例中，透過電磁感應，可將由一次側電路所接收之第一電壓轉換為第二電壓，並將此第二電壓由二次側電路輸出。
請參照圖2，圖2為根據本發明一例示性實施例繪示之整合型變壓器之整合型鐵芯的示意圖。如圖2所示，整合型鐵芯包括共邊的複數個鐵芯環，該些鐵芯環共邊的部分形成一中心柱C，且該些鐵芯環非共邊的部分形成一外柱O1、O2與O3。於本實施例中，整合型變壓器之一次側電路設置於其整合型鐵芯上；較詳細地說，一次側電路之該些線圈分別設置於整合型鐵芯之該些外柱O1、O2與O3上，且一次側電路之該些線圈彼此串聯。另外，於本實施例中，整合型變壓器之二次側電路設置於一次側電路的外部；較詳細地說，二次側電路之該些線圈分別設置於整合型鐵芯之該些外柱O1、O2與O3上但不與一次側電路之該些線圈接觸，且二次側電路之該些線圈彼此並聯。
須說明地是，一次側電路之該些線圈是以相同的方向繞於整合型鐵芯之該些外柱O1、O2與O3上。舉例來說，一次側電路與二次側電路中的該些線圈可由複數個印刷電路板上的走線來實現。由於本實施例所提供之整合型變壓器的整合型鐵芯具有三個外柱O1、O2與O3，使得電流能被分流，達到降低電流應力的效果，並 使得諧振轉換器具有較佳的整體效率。另外，本實施例所提供之整合型變壓器並非採傳統繞線式變壓器之設計，而是採用平板變壓器之設計，此種作法能夠有效地縮小元件的體積。
正由於本實施例所提供之整合型電壓器中設置了結構特殊之整合型鐵芯，因此，於一次側電路接收第一電壓後，本實施例所提供之整合型電壓器之一次側電路中的每個線圈所產生的磁通量會分流至整合型電壓器之整合型鐵芯的中心柱C與一次側電路中其餘的該些線圈。請參照圖3，圖3為根據本發明一例示性實施例繪示之整合型變壓器之單柱磁動勢磁通量的示意圖。
圖3繪示了圖2之整合型鐵芯於本實施例之整合型變壓器中的等效電路圖。於一次側電路接收第一電壓後，一次側電路中的每個線圈都會產生一個磁動勢FW1、FW2與FW3。於圖3中，電阻R1、R2與R3分別為整合型鐵芯之外柱O1、O2與O3的磁阻，電阻RC則為整合型鐵芯之中心柱的磁阻。以整合型鐵芯之外柱O1來說，其磁通量B1會分別地流向另外兩個外柱O2與O3以及中心柱。
於圖3中，磁通量B1流向外柱O2的分量標示為B12，磁通量B1流向外柱O3的分量標示為B13，且磁通量B1流向中心柱C的分量標示為B1C。若以同樣的方式標示出一次側電路之該些線圈所產生之該些磁通量B2與B3流向整合型鐵芯的外柱O1、O3與O1、O2以及中心柱C的分量，則可發現若一次側電路之該些線圈所產生之磁通量於整合型鐵芯的各外柱O1、O2與O3的方向為第一方向，且該些磁通量分流至整合型鐵芯的中心柱C與其餘該些外柱O1、O2與O3之磁通量的方向為第二方向，則第一方向與第二方向相反。簡單來說，如圖3所示，一次側電路之該些線圈所產生之磁通量於整合型鐵芯的各外柱O1、O2與O3的方向為向上(如：磁通量B1的方向)，該些磁通量分流至整合型鐵芯的中心柱C之磁通量的方向便為向下(如：磁通量B1C的方向)。
再者，由於一次側電路中的每個線圈所產生的磁通量會分流至其餘的線圈所在之各外柱，因此一次側電路之每個線圈所產生之磁通量便會部分地被由其餘的線圈所在之各外柱分流而來的磁通量給抵消。請同時參照圖2與圖3，舉例來說，若磁通量B1為10個單位，則可能會有2個單位的向下磁通量流向外柱O2、2個單位的向下磁通量流向外柱O3，剩下6個單位的向下磁通量全數中心柱C。同理，若磁通量B2也為10個單位，則也可能會有2個單位的向下磁通量流向外柱O1、2個單位的向下磁通量流向外柱O3，剩下6個單位的向下磁通量全數中心柱C；且若磁通量B3也為10個單位，則也可能會有2個單位的向下磁通量流向外柱O1、2個單位的向下磁通量流向外柱O2，剩下6個單位的向下磁通量全數中心柱C。
於是，一次側電路之每個線圈所產生之磁通量便會部分地被由其餘的線圈所在之各外柱分流而來的磁通量給抵消。於此例中，經磁通抵銷後，流經外柱O1、外柱O2與外柱O3的磁通量可能都只剩6個單位(即，10個單位-2個單位-2個單位)。如此一來，於本實施例中，整合型鐵芯的每個外柱的磁通量都能被降低，進而使得整合型變壓器的內部激磁電感下降，同時也能使得整合型鐵芯的損耗減小。
也就是說，本實施例所提供之整合型變壓器由於具有結構特殊之整合型鐵芯，因此不用以額外加墊氣隙、改變圈數匝數、更換鐵芯型號等等的方式便能達到調整整合型變壓器之激磁電感的效果，以使得整合型變壓器適用於諧振轉換器中。
值得注意地是，於本實施例中，整合型鐵芯的形狀構造並不限於圖2所示之形狀構造。圖2所示之整合型鐵芯的形狀構造僅用以說明本實施例所提供之整合型變壓器中具有結構特殊之整合型鐵芯，而不用以限制本發明。簡言之，只要本實施例所提供之整合型變壓器中的整合型鐵芯其等效電路能夠表現為圖3所示之電 路架構，本實施例所提供之整合型變壓器中的整合型鐵芯其形狀構造可根據實際需求來作變化。
舉例來說，圖2所示之整合型鐵芯僅具有三個鐵芯環，該些鐵芯環共邊的部分形成中心柱C，該些鐵芯環非共邊的部分形成外柱O1、O2與O3。然而，於本實施例中，整合型鐵芯之鐵芯環的數量並未受限制；即，整合型鐵芯之鐵芯環亦可以為三個以上，其中該些鐵芯環共邊的部分形成中心柱，該些鐵芯環非共邊的部分形成外柱。
請參照圖4，圖4為根據本發明一例示性實施例繪示之整合型變壓器使用於諧振轉換器的示意圖。圖4舉例說明了本實施例所提供之整合型變壓器如何設置於一諧振轉換器中。如圖4所示，整合型變壓器1的一側設置有諧振轉換器的輸入電壓Vin，以及諧振轉換器的上臂開關Q1與下臂開關Q2，其中二極體DB1和DB2為上臂開關Q1與下臂開關Q2的本體二極體(Body Diode)，電容C1與電容C2則為上臂開關Q1與下臂開關Q2上的寄生電容。另外，電感Lr與電容Cr則分別為諧振轉換器的諧振電感和諧振電容。整合型變壓器1的另一側設置有濾波電容C0與負載阻抗R0，以輸出諧振轉換器的輸出電壓Vout。整合型變壓器1與前述各電路元件的設置即組成了一諧振轉換器中的功率級電路。
以下將舉例說明整合型變壓器1的形式。請參照圖5A與圖5B，圖5A與圖5B為圖4中繪示之整合型變壓器的示意圖。舉例來說，整合型變壓器1可以是中心抽頭整流之單元形式。如圖4與圖5A所示，圖5A中整合型變壓器之一次側電路的節點a、b分別連接於電容Cr與諧振轉換器的輸入電壓Vin，且圖5A中整合型變壓器之二次側電路的節點c、d分別連接於濾波電容C0的兩端。舉另一例來說，整合型變壓器1也可以是全橋整流之單元形式。如圖4與圖5B所示，圖5B中整合型變壓器之一次側電路的節點a、b分別連接於電 容Cr與諧振轉換器的輸入電壓Vin，且圖5B中整合型變壓器之二次側電路的節點c、d分別連接於濾波電容C0的兩端。
[整合型變壓器的另一實施例]
本實施例所提供之整合型變壓器，同樣也適用於諧振轉換器。本實施例所提供之整合型變壓器與前述實施例所提供之整合型變壓器同樣設置有結構特殊之整合型鐵芯，然兩者的差別在於，於本實施例中，一次側電路之線圈設置於整合型鐵芯之中心柱上而非各外柱上，且二次側電路之該些線圈分別設置於整合型鐵芯之該些外柱上而非整合型鐵芯的外部。
由於在諧振轉換器在高壓轉低壓時，會因為變壓器中二次側電路的電流過大而造成電路元件損毀。因此，於本實施例中，將一次側電路之線圈設置於整合型鐵芯之中心柱上，且將二次側電路之該些線圈設置於整合型鐵芯之該些外柱上是利用變壓器之整合型鐵芯來使得流經二次側電路的電流能由多組電流路徑流出。以此種方式，於本實施例中，利用將二次側電路中之該些線圈的圈數設計得相同或不同，便能轉換出相同或不同的第二電壓。
須說明地是，於本實施例中，一次側電路與二次側電路中的該些線圈也可由複數個印刷電路板上的走線來實現。也就是說，本實施例所提供之整合型變壓器同樣不是採傳統繞線式變壓器之設計，而是採用平板變壓器之設計。
[實施例的可能功效]
綜上所述，本發明所提供之整合型變壓器由於具有結構特殊之整合型鐵芯，因此不用以額外加墊氣隙、改變圈數匝數、更換鐵芯型號等等的方式便能達到調整整合型變壓器之激磁電感的效果，以使得整合型變壓器適用於諧振轉換器中。
此外，本發明所提供之整合型變壓器中具有結構特殊之整合型鐵芯還能提供多組電流路徑，使得流經二次側電路的電流由多 組電流路徑流出，以避免整合型變壓器中流經二次側電路的電流過大而造成電路元件損毀。
以上所述僅為本發明之實施例，其並非用以侷限本發明之專利範圍。

Claims (7)

  1. 一種整合型變壓器，適用於一諧振轉換器，包括：一一次側電路與一二次側電路，分別包括複數個線圈，透過電磁感應，將由該一次側電路接收之一第一電壓轉換為一第二電壓並由該二次側電路輸出；以及一整合型鐵芯，該一次側電路設置於該整合型鐵芯上；其中，該整合型鐵芯包括共邊的複數個鐵芯環，該些鐵芯環共邊的部分形成一中心柱，該些鐵芯環非共邊的部分形成一外柱，該一次側電路之該些線圈分別設置於該整合型鐵芯之該些外柱上，且該一次側電路之該些線圈彼此串聯，該二次側電路之該些線圈分別設置於該整合型鐵芯之該些外柱上，且該二次側電路之該些線圈彼此並聯；其中，於該一次側電路接收該第一電壓後，該一次側電路之該些線圈之一所產生的磁通量分流至該整合型鐵芯的該中心柱與該一次側電路中其餘的該些線圈，該一次側電路之該些線圈所產生之磁通量於該整合型鐵芯的各該外柱的方向為一第一方向，該些磁通量分流至該整合型鐵芯的該中心柱與其餘該些外柱之磁通量的方向為一第二方向，且該第一方向與該第二方向相反。
  2. 如請求項1所述之整合型變壓器，其中該一次側電路之該些線圈同方向地繞於該整合型鐵芯之該些外柱上。
  3. 如請求項1所述之整合型變壓器，其中該一次側電路之每個線圈所產生之磁通量部分地被由其餘之該些線圈所在之該些外柱分流而來的磁通量抵消。
  4. 如請求項1所述之整合型變壓器，其中該一次側電路與該二次側電路中的該些線圈由複數個印刷電路板上的走線構成。
  5. 一種整合型變壓器，適用於一諧振轉換器，包括：一一次側電路與一二次側電路，該一次側電路包括一線圈，該二次側電路包括複數個線圈，透過電磁感應，將由該一次側電路接收之一第一電壓轉換為一第二電壓並由該二次側電路輸出；以及一整合型鐵芯，該一次側電路與該二次側電路設置於該整合型鐵芯上；其中，該整合型鐵芯包括共邊的複數個鐵芯環，該些鐵芯環共邊的部分形成一中心柱，該些鐵芯環非共邊的部分形成一外柱，該一次側電路之該線圈設置於該整合型鐵芯之該中心柱上，且該二次側電路之該些線圈分別設置於該整合型鐵芯之該些外柱上。
  6. 如請求項5所述之整合型變壓器，其中該二次側電路之該些線圈的圈數相同或不同，以轉換出相同或不同的該第二電壓。
  7. 如請求項5所述之整合型變壓器，其中該一次側電路與該二次側電路中的該些線圈由複數個印刷電路板上的走線構成。
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