TWI747508B - 平板繞組變壓器 - Google Patents

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Abstract

一種平板繞組變壓器包含磁芯組及多層電路板。磁芯組包含第一磁芯、第二磁芯、第一磁柱、第二磁柱。第一磁芯與第二磁芯相互平行。多層電路板設置於第一磁芯及第二磁芯之間，第一磁柱及第二磁柱貫穿多層電路板。多層電路板包含第一低壓繞組層、第二低壓繞組層及高壓繞組層。第二低壓繞組層與該第一低壓繞組層並聯連接，高壓繞組層設置於第一低壓繞組層及第二低壓繞組層之間。其中高壓繞組層接收一極性電流時，第一低壓繞組層及/或第二低壓繞組層產生對應的一感應電流。第一磁芯、第二磁芯、第一磁柱與第二磁柱形成一封閉磁路。

Description

平板繞組變壓器
本發明是關於一種變壓器，特別關於一種整合型的平板繞組變壓器。
在切換式電源供應器（PSU）的應用中，由於高效能大功率（瓦數）的需求，因而衍生出許多效能提升的電路與架構，尤其在直流對直流轉換器（DC/DC converter）的應用上，亦是推陳出新。
請參照圖1，圖1為習知電源供應器的方塊示意圖。其輸入為高壓直流或交流輸入，其中包括一直流對直流轉換器2。其中，當轉換器2的輸出端應用在低壓輸出大電流時，對於直流對直流轉換器2造成的損失相當嚴重，因此在此應用中常將直流對直流轉換器中使用的多組變壓器10以高壓側串聯、低壓側並聯方式達到分流的效果，其優點是可減少低壓側元件電流應力及導通損失，並有助於提升效率。然而，這種做法中由於使用多個變壓器加以組合，元件數量增加影響整體設計的難易度，整體體積更大幅增加，其中變壓器的體積就是最大的難題。另外，由於變壓器為個別繞製，因變壓器相互存在感值誤差容易造成低壓側不均流。
在變壓器中，磁性元件在體積和損耗方面都佔據了一定比例，因此減小磁性元件的體積與損耗是降低變壓器整體體積以及提升效能的有效手段。然而，磁性元件體積的減小往往伴隨著磁性元件損耗的增加，因此如何經由設計對磁性元件進行優化，減小整合後變壓器整體體積，並降低損耗，實有必要發展一種改良之變壓器，以解決現有技術所面臨之問題。
有鑑於此，本發明的目的為提供一種整合型變壓器。相較於先前技術，本發明的變壓器整合高壓側串聯、低壓側並聯的多個變壓器於同一磁芯上，並採用平板繞組，在低壓大電流的應用上達到分流的效果，可降低低壓側元件電流應力及導通損失，且具有精簡的體積並降低損耗。
為達上述目的，本發明提供一種平板繞組變壓器包含磁芯組及多層電路板。磁芯組包含第一磁芯、第二磁芯、第一磁柱、第二磁柱。第一磁芯與第二磁芯相互平行。多層電路板設置於第一磁芯及第二磁芯之間，第一磁柱及第二磁柱貫穿多層電路板。多層電路板包含第一低壓繞組層、第二低壓繞組層及高壓繞組層。第二低壓繞組層與該第一低壓繞組層並聯連接，高壓繞組層設置於第一低壓繞組層及第二低壓繞組層之間。其中高壓繞組層接收一極性電流時，第一低壓繞組層及/或第二低壓繞組層產生對應的一感應電流。第一磁芯、第二磁芯、第一磁柱與第二磁柱形成一封閉磁路。
在一實施例中，高壓繞組層更包含相互串聯的一第一高壓繞組及一第二高壓繞組。第一高壓繞組圍繞第一磁柱設置，第二高壓繞組圍繞該第二磁柱設置。
在一實施例中，圍繞第一磁柱或第二磁柱的極性電流與對應感應的感應電流流動方向相反。
在一實施例中，極性電流在第一高壓繞組及第二高壓繞組流動方向相反。
在一實施例中，第一高壓繞組包含電性連接的一第一高壓子繞組及一第二高壓子繞組，且第一高壓子繞組設置於第二高壓子繞組與第一低壓繞組層之間。第二高壓繞組包含電性連接的一第三高壓子繞組及一第四高壓子繞組，第三高壓子繞組設置於第四高壓子繞組與第二低壓繞組層之間，第二高壓子繞組電性連接第三高壓子繞組。
在一實施例中，第一高壓子繞組及第二高壓子繞組上下層疊，透過一貫孔電連接。
在一實施例中，第三高壓子繞組及第四高壓子繞組上下層疊，透過一貫孔電連接。
在一實施例中，第一高壓子繞組及第四高壓子繞組設置於多層電路板的同一層。
在一實施例中，第二高壓子繞組及第三高壓子繞組設置於多層電路板的同一層，透過一導電片相互電連接。
在一實施例中，第一低壓繞組層具有一第一低壓繞組及一第二低壓繞組，第二低壓繞組層具有一第三低壓繞組及一第四低壓繞組。第一低壓繞組及該第三低壓繞組圍繞該第一磁柱設置，第二低壓繞組及第四低壓繞組圍繞該第二磁柱設置。
在一實施例中，在正半周導通時，極性電流為一第一極性電流，產生的感應電流為一第一感應電流；在負半周導通時，極性電流為一第二極性電流，產生的感應電流為一第二感應電流，其中第一感應電流流經第一低壓繞組層及第二低壓繞組層之一部分，第二感應電流流經第一低壓繞組層及第二低壓繞組層之另一部分。
在一實施例中，第一感應電流流經第一低壓繞組及第三低壓繞組，第二感應電流流經第二低壓繞組及第四低壓繞組。
以下將參照相關圖式，說明依據本發明平板繞組變壓器的較佳實施例，其中相同的元件將以相同的參照符號加以說明。
本發明的平板繞組變壓器將高壓側串聯、低壓側並聯的多個變壓器整合於同一磁芯上，在低壓大電流的應用上達到分流的效果，可降低低壓側元件電流應力及導通損失，且具有精簡的體積並降低損耗。
請參照圖2A至圖2C，說明本發明磁路耦合的方式。圖2A為一種電源供應器的電路示意圖。電源供應器PSU包括輸入電壓Vin、開關元件SW1〜SW4、電容Cr、電感Lr、負載RL，內部四個變壓器201、202、203、204是以高壓側串聯、低壓側並聯的方式連接。圖2B為圖2A的變壓器的磁路示意圖。圖2C為圖2B的磁路耦合示意圖。以圖2A的四個變壓器為例，將四個變壓器排列如圖2B所示，其中高壓側繞組繞於各變壓器中柱上，左方兩個變壓器201、202的繞組方式是繞組中柱左側進入紙面，中柱右側穿出紙面；右方兩個變壓器203、204的繞組方式是繞組中柱左側穿出紙面，中柱右側進入紙面。因此，變壓器201、202、203、204的磁通方向依右手定則，如虛線箭頭所示，左方兩個變壓器201、202的磁通方向在中柱向下，兩側柱向上，左半圈為順時針方向，右半圈為逆時針方向；而右方兩個變壓器203、204的磁通方向在中柱向上，兩側柱向下，左半圈為逆時針方向，右半圈為順時針方向。此時，位於中央十字區塊的磁通方向相反，可達到局部磁通互消的效果，使此區塊磁通量大幅降低，因此，可將此區塊之磁芯去除，以降低變壓器體積。再者，為了近一步縮小體積，使磁芯型式更為簡潔，再簡化兩側四角部分的磁芯，得到最終磁芯型式如圖2C所示，相當於整合原本四個變壓器於一磁芯組，大幅降低了磁芯所佔的體積，因此大幅降低了變壓器20的體積。
又，可以透過同樣的方式，將2N個變壓器整合於同一磁芯組上，N為1、2、3…等的自然數。即，可將2、4、6…個的變壓器以局部磁通互消的方式排列，簡化磁芯後，多個變壓器可整合於同一磁芯組上。圖2D例示將兩個變壓器301、302磁路耦合，整合於同一磁芯組上構成變壓器30。圖2E例示將六個變壓器401〜406磁路耦合，整合於同一磁芯組上構成變壓器40。整合後的變壓器30、40磁芯所佔的體積大幅降低，因此體積大幅降低。磁芯組可包含四磁柱或二磁柱。本發明優選二磁柱的磁芯組，其體積較小，整合變壓器個數及匝數較靈活，只要是2N個的變壓器即可整合於一磁芯組。
請參照圖3A至圖3C，圖3A為本發明一實施例的平板繞組變壓器的正視圖。圖3B為本發明一實施例的平板繞組變壓器的側視圖。圖3C為本發明一實施例的平板繞組變壓器的分解圖。
在本實施例中，變壓器1相當於整合原本的兩個變壓器，且使用兩個UU核（UU core）組合而成的磁芯，高壓側與低壓側線圈繞組的匝數比為4:1:1。變壓器1為平板繞組變壓器，其中繞組是採用多層印刷電路板疊繞，平面繞組圍繞磁芯而構成變壓器1的磁路。
請參照圖3A及圖3B，變壓器1由磁芯組CO及多層電路板B1組成，多層電路板B1可包含多個平面繞組層相堆疊，包夾在磁芯組CO之間。磁芯組CO包含第一磁芯C1、第二磁芯C2、第一磁柱L1、第二磁柱L2。第一磁芯C1與第二磁芯C2相互平行。多層電路板B1設置於第一磁芯C1及第二磁芯C2之間，第一磁柱L1及第二磁柱L2貫穿多層電路板B1。多層電路板B1包含第一低壓繞組層S1、第二低壓繞組層S2及高壓繞組層P。第二低壓繞組層S2與該第一低壓繞組層S1並聯連接，高壓繞組層P設置於第一低壓繞組層S1及第二低壓繞組層S2之間。
請參照圖3C，高壓繞組層P包含相互串聯的一第一高壓繞組P1及一第二高壓繞組P2，第一高壓繞組P1圍繞第一磁柱L1設置，第二高壓繞組P2圍繞第二磁柱L2設置。第一高壓繞組P1包含電性連接的一第一高壓子繞組11及一第二高壓子繞組12，呈上下層疊，且第一高壓子繞組11設置於第二高壓子繞組12與第一低壓繞組層S1之間。第二高壓繞組P2包含電性連接的一第三高壓子繞組13及一第四高壓子繞組14，呈上下層疊，第三高壓子繞組13設置於第四高壓子繞組14與第二低壓繞組層S2之間，第二高壓子繞組12電性連接第三高壓子繞組13。
第一低壓繞組層S1具有一第一低壓繞組21及一第二低壓繞組22，第二低壓繞組層S2具有一第三低壓繞組23及一第四低壓繞組24。本實施例中，低壓側共有四個線圈，匝數各為一圈。第一低壓繞組21及該第三低壓繞組23圍繞該第一磁柱L1設置。第二低壓繞組22及第四低壓繞組24圍繞該第二磁柱L2設置。
請參照圖4，圖4為本發明一實施例的平板繞組變壓器的高壓繞組示意圖。高壓繞組層P中，第一高壓子繞組11及第四高壓子繞組14設置於多層電路板B1同一層，第二高壓子繞組12及第三高壓子繞組13設置於多層電路板B1另一層，兩層相互層疊。第二高壓子繞組12及第三高壓子繞組13可以是一體成形的金屬繞組，也可分別繞線而透過一導體或導線或導電片相互電連接。高壓繞組層P的繞線方式是由圖中左上角，第一高壓子繞組11的左側箭頭處開始順時針繞兩圈至a點，然後藉由貫孔與下層第二高壓子繞組12之a點相接，再繞兩圈，如此高壓繞組層P的左半邊構成第一高壓繞組P1，匝數為四圈。而第二高壓子繞組12與第三高壓子繞組13串聯，因此高壓繞組層P右側的線圈是由下層第三高壓子繞組13左側開始逆時針繞兩圈至b點，然後藉由貫孔與上層第四高壓子繞組14之b點相接，再繞兩圈，如此高壓繞組層P的右半邊構成第二高壓繞組P2，匝數為四圈。第一高壓繞組P1與第二高壓繞組P2繞組方向相反而電性連接互相串聯。
請參照圖5A，圖5A為本發明一實施例的平板繞組變壓器的電路示意圖。其包含兩組變壓器，共具有兩個高壓側線圈Np和四個低壓側線圈Ns。本實施例中，每組低壓側線圈Ns個別有兩個接點，以中心抽頭為例，但此整合型變壓器不限於任何型式，皆可適用。如圖5A所示，低壓側線圈Ns的一接點分別接至同步整流器SR1（SR2/SR7/SR8），而SR1與SR7共點，SR2與SR8共點，另一接點可利用貫孔與另一個線圈連接。如虛線框內所示，兩組變壓器呈高壓側串聯，而低壓側並聯在一起。
請參照圖5B，圖5B為本發明一實施例的平板繞組變壓器的正半周電流方向示意圖（電路）。在交流電源正半周時，變壓器1接收第一極性電流ip1，高壓側線圈Np（高壓繞組層P）如圖中箭頭方向，由上而下導通，第一極性電流ip1流經兩組高壓側線圈Np，因而兩組高壓側線圈Np所對應的低壓側線圈Ns分別產生對應的第一感應電流id1，如箭頭方向所示從兩組低壓側線圈Ns的中央抽頭流出至負載RL，再自同步整流器SR2、SR8流入。再參照圖5C所示，圖5C為本發明一實施例的平板繞組變壓器的正半周電流方向示意圖（繞組）。在正半周導通時，第一極性電流ip1由第一高壓子繞組11流進，其繞行高壓繞組層P，流經第一高壓子繞組11、第二高壓子繞組12、第三高壓子繞組13、第四高壓子繞組14，由第四高壓子繞組14流出。第一極性電流ip1在第一高壓繞組P1的第一高壓子繞組11及第二高壓子繞組12內以順時針方向流動，在第二高壓繞組P2的第三高壓子繞組13及第四高壓子繞組14內以逆時針方向流動。也就是說，當高壓側線圈Np的第一高壓繞組P1與第二高壓繞組P2於正半周導通時，第一極性電流ip1流經第一高壓繞組P1與第二高壓繞組P2，電磁感應於第一磁芯C1、第二磁芯C2、第一磁柱L1與第二磁柱L2形成一封閉磁路，使低壓側線圈Ns也對應地感應導通，第一低壓繞組層S1及第二低壓繞組層S2產生對應的第一感應電流id1，第一低壓繞組21、第三低壓繞組23導通。圍繞第一磁柱L1的第一極性電流ip1為順時針方向流動，對應感應的第一感應電流id1為逆時針方向流動，兩者電流流動方向相反。
請參照圖5D及圖5E，圖5D為本發明一實施例的平板繞組變壓器的負半周電流方向示意圖，圖5E為本發明一實施例的平板繞組變壓器的負半周電流方向示意圖（繞組）。在交流電源負半周時，變壓器1接收第二極性電流ip2，高壓側線圈Np(高壓繞組層P)以與圖5B中相反的方向導通。第二極性電流ip2流經兩組高壓側線圈Np，因而兩組高壓側線圈Np所對應的低壓側線圈Ns分別產生對應的第二感應電流id2，如箭頭方向所示第二感應電流id2分別從低壓側線圈Ns的中央抽頭流出至負載RL，再自同步整流器SR1、SR7流入。再參照圖5E所示，在負半周導通時的第二極性電流ip2與在正半周導通時的第一極性電流ip1流動方向相反，由第四高壓子繞組14流進，繞行高壓繞組層P，流經第四高壓子繞組14、第三高壓子繞組13、第二高壓子繞組12、第一高壓子繞組11，由第一高壓子繞組11流出。第二極性電流ip2在第一高壓繞組P1的第一高壓子繞組11及第二高壓子繞組12內以逆時針方向流動，在第二高壓繞組P2的第三高壓子繞組13及第四高壓子繞組14內以順時針方向流動。也就是說，當高壓側線圈Np的第一高壓繞組P1與第二高壓繞組P2於負半周導通時，第二極性電流ip2流經第一高壓繞組P1與第二高壓繞組P2，電磁感應於第一磁芯C1、第二磁芯C2、第一磁柱L1與第二磁柱L2形成一封閉磁路，使低壓側線圈Ns也對應地感應導通，第一低壓繞組層S1及第二低壓繞組層S2產生對應的第二感應電流id2，第二低壓繞組22、第四低壓繞組24導通。圍繞第二磁柱L2的第二極性電流ip2為順時針方向流動，對應感應的第二感應電流id2為逆時針方向流動，兩者電流流動方向相反。第一感應電流id1流經第一低壓繞組21、第三低壓繞組23，第二感應電流id2流經第二低壓繞組22、第四低壓繞組24。第一感應電流id1與第二感應電流id2流經第一低壓繞組層S1及第二低壓繞組層S2的不同部分。
另外，本發明的平板繞組變壓器電路設計時可透過同步整流器設置的位置而決定低壓側線圈Ns中的第一低壓繞組21、第二低壓繞組22、第三低壓繞組23、第四低壓繞組24何者導通，本領域技術人員可依需求自由設計，也可使第一低壓繞組21、第二低壓繞組22共同導通或第一低壓繞組21、第四低壓繞組24共同導通，或第二低壓繞組22、第三低壓繞組23共同導通，或第三低壓繞組23、第四低壓繞組24共同導通，導通方式不以本實施例為限。例如在一實施例中，可設計成在正半周導通時，對應第一極性電流ip1，感應產生第一感應電流id1，使第一低壓繞組21、第二低壓繞組22共同導通；在負半周導通時，對應第二極性電流ip2，感應產生第二感應電流id2，使第三低壓繞組23、第四低壓繞組24共同導通。其中第一感應電流id1流經第一低壓繞組層S1及第二低壓繞組層S2之一部分，第二感應電流id2流經第一低壓繞組層S1及第二低壓繞組層S2之另一部分。
綜上所述，本發明提供一種整合型變壓器，整合高壓側串聯、低壓側並聯的多個變壓器於同一磁芯上，並採用平板繞組，在低壓大電流的應用上達到分流的效果，可降低低壓側元件電流應力及導通損失，且具有精簡的體積並降低損耗。本發明的整合型變壓器可使用於任意的直流對直流轉換器，例如但非僅限於順向、半橋、全橋轉換器，可用於高壓轉低壓及低壓轉高壓之用途，雙向皆可適用。
以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。任何未脫離本發明之精神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，均應包含於後附之申請專利範圍中。
1,10,20,30,40,201~204,301~302,401~406:變壓器
2:轉換器
SW:開關
SR:整流器
CO:磁芯組
C1:第一磁芯
C2:第二磁芯
L1:第一磁柱
L2:第二磁柱
B1:多層電路板
S1:第一低壓繞組層
21:第一低壓繞組
22:第二低壓繞組
S2:第二低壓繞組層
23:第三低壓繞組
24:第四低壓繞組
P:高壓繞組層
P1:第一高壓繞組
11:第一高壓子繞組
12:第二高壓子繞組
P2:第二高壓繞組
13:第三高壓子繞組
14:第四高壓子繞組
ip1:第一極性電流
ip2:第二極性電流
id1:第一感應電流
id2:第二感應電流
C,Cr:電容
Lr:電感
SW1〜SW4:開關元件
RL:負載
Np:高壓側線圈
Ns:低壓側線圈
SR1,SR2,SR7,SR8:同步整流器
PSU:電源供應器
Vin:輸入電壓
圖1為一種電源供應器的方塊示意圖。 圖2A為一種電源供應器的電路示意圖。 圖2B為圖2A的變壓器的磁路示意圖。 圖2C為圖2B的磁路耦合示意圖。 圖2D為本發明一實施例的磁路耦合示意圖。 圖2E為本發明一實施例的磁路耦合示意圖。 圖3A為本發明一實施例的平板繞組變壓器的正視圖。 圖3B為本發明一實施例的平板繞組變壓器的側視圖。 圖3C為本發明一實施例的平板繞組變壓器的分解圖。 圖4為本發明一實施例的平板繞組變壓器的高壓繞組示意圖。 圖5A為本發明一實施例的平板繞組變壓器的電路示意圖。 圖5B為本發明一實施例的平板繞組變壓器的正半周電流方向示意圖(電路)。 圖5C為本發明一實施例的平板繞組變壓器的正半周電流方向示意圖(繞組)。 圖5D為本發明一實施例的平板繞組變壓器的負半周電流方向示意圖(電路)。 圖5E為本發明一實施例的平板繞組變壓器的負半周電流方向示意圖(繞組)。
1:變壓器
C1:第一磁芯
C2:第二磁芯
L1:第一磁柱
L2:第二磁柱
S1:第一低壓繞組層
S2:第一低壓繞組層
21:第一低壓繞組
22:第二低壓繞組
23:第三低壓繞組
24:第四低壓繞組
P1:第一高壓繞組
11:第一高壓子繞組
12:第二高壓子繞組
P2:第二高壓繞組
13:第三高壓子繞組
14:第四高壓子繞組

Claims (12)

  1. 一種平板繞組變壓器，包含： 一磁芯組，包含： 一第一磁芯及與該第一磁芯相互平行的一第二磁芯； 一第一磁柱及一第二磁柱，設置於該第一磁芯及該第二磁芯之間；以及 一多層電路板，設置於該第一磁芯及該第二磁芯之間，該第一磁柱及該第二磁柱貫穿該多層電路板，該多層電路板包含： 一第一低壓繞組層； 一第二低壓繞組層，與該第一低壓繞組層並聯連接；及 一高壓繞組層，該高壓繞組層設置於該第一低壓繞組層及該第二低壓繞組層之間； 其中，該高壓繞組層接收一極性電流時，該第一低壓繞組層及/或該第二低壓繞組層產生對應的一感應電流，該第一磁芯、該第二磁芯、該第一磁柱與該第二磁柱形成一封閉磁路。
  2. 如請求項1所述之平板繞組變壓器，該高壓繞組層更包含相互串聯的一第一高壓繞組及一第二高壓繞組，該第一高壓繞組圍繞該第一磁柱設置，該第二高壓繞組圍繞該第二磁柱設置。
  3. 如請求項2所述之平板繞組變壓器，其中該極性電流在該第一高壓繞組及該第二高壓繞組流動方向相反。
  4. 如請求項2所述之平板繞組變壓器，其中該第一高壓繞組包含電性連接的一第一高壓子繞組及一第二高壓子繞組，且該第一高壓子繞組設置於該第二高壓子繞組與該第一低壓繞組層之間；以及 該第二高壓繞組包含電性連接的一第三高壓子繞組及一第四高壓子繞組，該第三高壓子繞組設置於該第四高壓子繞組與該第二低壓繞組層之間，該第二高壓子繞組電性連接該第三高壓子繞組。
  5. 如請求項4所述之平板繞組變壓器，其中該第一高壓子繞組及該第二高壓子繞組上下層疊，透過一貫孔電連接。
  6. 如請求項4所述之平板繞組變壓器，其中該第三高壓子繞組及該第四高壓子繞組上下層疊，透過一貫孔電連接。
  7. 如請求項4所述之平板繞組變壓器，其中該第一高壓子繞組及該第四高壓子繞組設置於該多層電路板的同一層。
  8. 如請求項4所述之平板繞組變壓器，其中該第二高壓子繞組及該第三高壓子繞組設置於該多層電路板的同一層，透過一導電片相互電連接。
  9. 如請求項2所述之平板繞組變壓器，其中該第一低壓繞組層具有一第一低壓繞組及一第二低壓繞組； 該第二低壓繞組層具有一第三低壓繞組及一第四低壓繞組，該第一低壓繞組及該第三低壓繞組圍繞該第一磁柱設置；以及 該第二低壓繞組及該第四低壓繞組圍繞該第二磁柱設置。
  10. 如請求項9所述之平板繞組變壓器，其中圍繞該第一磁柱或該第二磁柱的該極性電流與對應感應的該感應電流流動方向相反。
  11. 如請求項1所述之平板繞組變壓器，其中在正半周時，該極性電流為一第一極性電流，產生的該感應電流為一第一感應電流；在負半周時，該極性電流為一第二極性電流，產生的該感應電流為一第二感應電流， 其中該第一感應電流流經該第一低壓繞組層及該第二低壓繞組層之一部分，該第二感應電流流經該第一低壓繞組層及該第二低壓繞組層之另一部分。
  12. 如請求項11所述之平板繞組變壓器，其中該第一感應電流流經該第一低壓繞組及該第三低壓繞組，該第二感應電流流經該第二低壓繞組及該第四低壓繞組。
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