一种磁芯结构及包含该结构的变压器的制作方法

1.本发明涉及开关电源变压器，尤其涉及磁集成平面变压器。


背景技术：

2.电力电子技术的飞速发展，对变换器的功率密度、性能等不断提出更高的要求。随着技术的发展，越来越发现磁性元件是限制变换器体积、重量、效率、成本的一个重要因素。据美国电源制造者协会(psma)统计，磁性元器件体积在dc-dc模块中占到总体积的20％以上、重量占总重的30％以上、损耗也占有相当比例。
3.目前常用的变压器原副边绕组均绕制在中柱上。针对原副边的匝比进行计算会出现分数匝的情况，设计者将原边或者副边的圈数采用近似取整的方法使得原副边圈数均为整数，近似取整的方法将导致变压器绕组的铜损增大或者减小，相应变压器的铁损减小或者增大，与初始设计存在一定的偏差，使得磁芯的利用率无法达成理想的效果。或采用原边与副边均采用倍数的方法得出整数匝比，此方法使得原副边的匝数较多，在变压器绕组的铜损增大，磁芯的铁损降低。由于原副边绕制在同一根磁柱无法实现分数匝的效果，使得磁芯利用率降低，无法进一步降低变压器上的损耗，且难以实现平面化。
4.随着技术的发展，对于效率和体积的要求越来越高，llc谐振变换器自从被发现后应用越来越广泛，llc谐振变换器在谐振点可实现较高的效率。然而llc谐振变换器相比于其他拓扑，需同时设计谐振电感和主变压器，对于谐振电感和主变压器的设计亦不相同，两个磁性元器件在pcb布局中占有较大的体积，导致其他功率器件的布局空间极大减小。llc谐振变换器采用谐振电感和主变压器在pcb布局中占有较大体积的缺点，使得llc谐振变换器难以小型化来满足越来越高的功率密度的要求。
5.在llc谐振变换器应用于ac-dc场合，现有技术出现了采用绕线变压器漏感作为谐振电感，通过调整原副边的距离来调整漏感的感量，满足谐振电感感量的要求，从而解决上述技术问题。然而将此方式应用于平面变压器时，由于平面变压器中的原副边绕组均绕制在同一根磁柱，且原副边的走线完全平行，在原副边距离增大到一定程度后漏感将不再增大，导致无法满足谐振电感的感量要求，故平面变压器无法通过控制原副边的距离来持续增大漏感的缺点，同样存在llc谐振变换器无法满足高功率密度要求的问题。
6.业内针对llc谐振变换器进行磁集成的研究发现，在采用ee型变压器时，可通过将部分原边绕组绕制在边柱上，在边柱的匝数与原边匝数满足一定关系的情况下可实现谐振电感与主变压器的磁集成，且谐振电感与主变压器磁解耦，通过磁解耦的方式可将谐振电感与主变压器进行磁集成。然而，此方法虽可实现磁集成，但是原边走线较长，使得集成变压器绕组上的铜损增大。此种集成变压器的磁通密度由于谐振电感的磁通密度经过边柱，主变压器的磁通密度根据磁通密度连续性可知既经过中柱同时也经过边柱。由于顶盖或底盖既通过谐振电感的磁通密度又通过主变压器的磁通密度，根据磁通密度连续性可知，在顶盖或底盖存在部分叠加和部分减弱的情况，故存在磁通密度分布不均匀的情况，不利于降低顶盖或底盖的厚度。磁解耦集成变压器由于顶盖或底盖较厚的缺点，同样使得llc谐振
变换器无法进一步提高减小体积，提高功率密度。
7.此外，磁解耦集成变压器虽然可将谐振电感与主变压器进行磁集成，然而需同时在中柱和边柱上开气隙才能满足谐振参数的要求，对工艺的要求也较高，同时由于结构不稳定，使得磁解耦的结构存在难以批量生产的缺点。


技术实现要素：

8.有鉴于此，本发明解决的技术问题是克服现有技术的不足，提出一种磁芯结构及包含该结构的变压器，该变压器相比于传统方案，既可实现谐振电感与主变压器的磁集成，又可实现分数匝的效果，原副边圈数有所降低，同时该变压器将原边磁柱放置在副边磁柱和漏感磁柱之间可保证磁芯的磁通密度分布均匀，相比于传统磁芯，可实现更薄的效果。并且可通过调节漏感磁柱的气隙来调整谐振电感的感量，通过调节副边磁柱的气隙来调整励磁电感的感量来满足llc的谐振参数要求，集成变压器的体积相比于分立变压器的体积有所降低，有利于提高功率密度以及降低成本。
9.本发明的构思之一为，常规情况下，变压器的原副边同时绕制于中柱、原副边平行放置，耦合较为良好，漏感可控制在5％以内，但无法满足llc谐振变换器的谐振电感感量的要求。本发明将原副边绕组分别绕制在不同的磁柱上，通过调节副边磁柱和漏感磁柱的磁阻来调节副边磁柱和漏感磁柱的磁通量。根据磁路-电路等效变换可知，可以通过调节漏感磁柱的气隙来调整谐振电感感量，通过调整副边磁柱的感量来调整llc电路中的励磁电感的感量，利用此技术可将llc谐振变换器的谐振电感与主变压器磁集成，从而提高功率密度。
10.本发明的构思之二为，常规情况下，变压器的原副边均绕制于中柱，仅可绕制整数倍的匝比，无法满足变压器的分数匝要求。本发明将原边绕组绕制在原边磁柱上，副边绕组绕制在副边磁柱上，漏感磁柱无绕线，将原边磁柱拆分为多个磁柱后，通过绕组串并联即可实现分数匝的效果，并且原副边的圈数有所降低。
11.本发明的构思之三为，根据磁通连续性可知，现有技术的磁柱排布副边磁柱的磁通量之和等于原边磁柱的磁通量，顶盖或底盖的厚度较厚。本发明通过改进磁柱排布，使得在谐振电感与主变压器磁集成的情况下，顶盖或底盖不会出现副边磁柱的磁通量和漏感磁柱的磁通量在顶盖或底盖出现叠加的现象，且原边磁柱存在n个磁柱，流过顶盖或底盖的磁通量被均分为n份，从而有利于降低顶盖或底盖的厚度，使得集成变压器更薄，可满足小型化的要求。
12.基于上述发明构思，本技术提供的磁芯结构技术方案如下：
13.一种磁芯结构，包括顶盖和底盖，顶盖和底盖的形状相同，其特征在于：
14.底盖上设置有n个原边磁柱、m个副边磁柱和p个漏感磁柱，n、m和p为正整数且至少有一项大于1；
15.各原边磁柱用于绕制各对应的原边绕组，各副边磁柱用于绕制各对应的副边绕组，漏感磁柱不绕制绕组；
16.各原边磁柱、各副边磁柱和各漏感磁柱沿与底盖平行的对称轴对称排布，对称轴各侧的磁柱满足：任一原边磁柱几何中心到相邻漏感磁柱几何中心的距离≤该相邻漏感磁柱几何中心到相邻副边磁柱几何中心的距离，该任一原边磁柱几何中心到该相邻副边磁柱
几何中心的距离≤该相邻漏感磁柱几何中心到该相邻副边磁柱几何中心的距离。
17.优选地，n≥2。
18.优选地，顶盖和底盖的形状为长方形，n＝2、m＝2、p＝1，各原边磁柱、各副边磁柱和漏感磁柱与底盖的两条对边平行设置，且漏感磁柱居中，对称轴各侧的原边磁柱位于漏感磁柱和该侧的副边磁柱之间。
19.优选地，顶盖和底盖的形状为长方形，n＝2、m＝1、p＝2，各原边磁柱、副边磁柱和各漏感磁柱与底盖的两条对边平行设置，且副边磁柱居中，对称轴各侧的原边磁柱位于副边磁柱和该侧的漏感磁柱之间。
20.进一步地，各副边磁柱和各漏感磁柱开设有气隙，各原边磁柱无气隙。
21.进一步地，各副边磁柱和各漏感磁柱上的气隙可调。
22.进一步地，各原边磁柱和各漏感磁柱开设有气隙，各副边磁柱无气隙。
23.优选地，顶盖和底盖横截面为长方形或者圆形。
24.本发明还提供有用上述磁芯结构的变压器，技术方案如下：
25.一种变压器，其特征在于：包含上述任一项所述的磁芯结构，各原边磁柱上绕制有各对应的原边绕组，各副边磁柱上绕制有各对应的副边绕组。
26.进一步地，当n＞1时，将某一原边绕组的异名端与另一原边绕组的同名端短接，实现该两个原边绕组的串联连接；或者将某一原边绕组和另一原边绕组的同名端与同名端短接，且异名端与异名端短接，实现该两个原边绕组的并联连接；
27.当m＞1时，将某一副边绕组的异名端与另一副边绕组的同名端短接，实现该两个副边绕组的串联连接；或者将某一副边绕组和另一副边绕组的同名端与同名端短接，且异名端与异名端短接，实现该两个副边绕组的并联连接。
28.优选地，各原边绕组和各副边绕组为印刷电路板上的铜箔绕组。
29.本发明的有益效果如下：
30.(1)将原边绕组和副边绕组绕制在不同的磁柱上，能通过调节副边磁柱和漏感磁柱的磁阻来调节对应磁柱的磁通量，来实现对漏感磁柱的感量进行控制；
31.(2)将原边各磁柱上的绕组并联，可实现分数匝的效果，原副边圈数有所降低；
32.(3)可通过调节漏感磁柱的气隙来调整谐振电感的感量，通过调节副边磁柱的气隙来调整励磁电感的感量来满足llc的谐振参数要求，集成变压器的体积相比于分立变压器的体积有所降低，有利于提高功率密度以及降低成本；
33.(4)磁柱的截面积、排布和材质设计的优选实施例能保证磁芯的磁通密度分布均匀，有利于降低顶盖或底盖的厚度。
附图说明
34.图1为本发明第一实施例的磁芯结构及变压器绕线示意图；
35.图2为本发明第一实施例的磁芯结构立体图；
36.图3为本发明第一实施例的磁芯结构第一种拓展变形示意图；
37.图4为本发明第一实施例的磁芯结构第二种拓展变形示意图；
38.图5为本发明第二实施例的磁芯结构示意图；
39.图6为本发明第二实施例的磁芯结构立体图；
40.图7为本发明第三实施例的磁芯结构示意图。
41.附图标记：101-第一原边磁柱、102-第二原边磁柱、103-第三原边磁柱、201-第一副边磁柱、202-第二副边磁柱、203-第三副边磁柱、204-第四副边磁柱、301-第一漏感磁柱、302-第二漏感磁柱、401-顶盖、402-底盖；501-对称轴、601-第一原边绕组、602-第二原边绕组、603-第三原边绕组、701-第一副边绕组、702-第二副边绕组、703-第三副边绕组、704-第四副边绕组。
具体实施方式
42.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进一步详细说明。应对理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
43.第一实施例
44.图1为本发明第一实施例的磁芯结构及变压器绕线示意图、图2为本发明第一实施例的磁芯结构立体图。本实施例的磁芯结构包括顶盖401和底盖402，顶盖401和底盖402的形状相同，且均为长方形；底盖402上设置有2个原边磁柱101和102、2个副边磁柱201和202，以及1个漏感磁柱301，原边磁柱、副边磁柱和漏感磁柱沿与底盖平行的对称轴对称排布，对称轴见图2中虚线501所示。具体地，漏感磁柱301居中，故对称轴501将漏感磁柱301分为左右两部分，对称轴各侧原边磁柱的位置为位于副边磁柱与漏感磁柱之间，原边绕组绕制在原边磁柱上、副边绕组绕制在副边磁柱上。
45.本领域的技术人员知悉的是通过调整磁柱位置、磁路长度、磁柱截面积以及磁芯材质均可以实现磁芯磁通密度分布均匀，本发明通过磁柱位置的创新设计达到磁芯磁通密度分布均匀的目的，实现原理分析如下：
46.图1中的第一原边绕组601、第二原边绕组602、第一副边绕组701和第二副边绕组702的a、c、e、g为同名端；b、d、f、h为异名端。第一原边绕组601的异名端b和第二原边绕组602的同名端c相连，第一原边绕组601和第二原边绕组602的圈数相同，第一副边绕组701和第二副边绕组702的圈数相同。故第一原边磁柱101和第二原边磁柱102的磁通量大小相等，方向相同。第一副边磁柱201和第二副边磁柱202的磁通量大小相等，方向相同。且第一原边磁柱101以及第二原边磁柱102和第一副边磁柱201以及第二副边磁柱202的磁通量的大小不等，方向相反。
47.根据磁通连续性可知，两个副边磁柱201、202和漏感磁柱301的磁通量之和等于两个原边磁柱的磁通量之和。故流过顶盖401和底盖402的底部磁芯的最大磁通量为原边磁柱磁通量的一半，且第一漏感磁柱301的磁通量的方向与两个副边磁柱201、202的磁通量方向相同。由于第一漏感磁柱301左右均存在原边磁柱101、102，使得两个原边磁柱101、102之间经过顶盖401或底盖402的底部磁芯的磁通量大小相等方向相反，从而使得磁通量相互抵消，而两个原边磁柱101、102经过漏感磁柱301的磁通量仅在漏感磁柱301上叠加，在顶盖401和底盖402的底部磁芯均不会出现磁通量叠加的情况。故有利于降低顶盖或底盖的厚度，从而使得集成变压器更薄，可满足小型化的要求。
48.根据磁阻的定义式可知：
[0049][0050]
其中：rm代表磁阻，l代表磁路长度，u代表磁芯磁导率，ae代表磁芯截面积。
[0051]
根据电感的定义式可知：
[0052][0053]
其中：l代表电感量，np代表匝数，rm代表磁阻。
[0054]
本实施例原边绕组601、602分别绕制在原边磁柱101、102上，副边绕组701、702分别绕制在副边磁柱201、202上，第一漏感磁柱301上无绕组。根据磁通连续性可知两个副边磁柱201、202和漏感磁柱301的磁通量之和等于两个原边磁柱101、102的磁通量之和，假设两个原边磁柱101、102的磁通量之和为φ1，两个副边磁柱201、202的磁通量之和为φ2，漏感磁柱301的磁通量为φ3，则本实施例的磁通量的关系为通过调节副边磁柱201、202和第一漏感磁柱301上的截面积或磁路路径或开气隙或改变磁柱材质均可调整副边磁柱和漏感磁柱上的磁阻，即调节副边磁柱201、202和漏感磁柱301上的电感量。根据磁路-电路等效变换可知，本实施例应用于llc谐振电路的情况下，在原边磁柱不开气隙的情况下，可以通过调节漏感磁柱的气隙来调整谐振电感感量，通过调整副边磁柱的气隙来调整励磁电感的感量，通过等效变换为普通llc谐振变换器的谐振电感和励磁电感，且集成变压器与普通的llc谐振变换器的增益可完全等效替换。故此种绕法可实现谐振电感与主变压器的磁集成，且感量可单独调整。
[0055]
本实施例第一原边磁柱101和第二原边磁柱102均无气隙，第一副边磁柱201、第二副边磁柱202和第一漏感磁柱301开一定的气隙，此种结构可以保证集成变压器的稳定性，有利于批量生产。
[0056]
本实施例实现分数匝的原理说明如下：
[0057]
根据法拉第电磁感应定律、磁通方程、磁材料特性和安培定律有：
[0058]
φ＝bae、b＝uh和hl＝npi；
[0059]
其中：e代表感应电压，np代表匝数，φ代表磁通量，b代表磁通密度，ae代表磁芯截面积，h代表磁场强度，l代表磁路长度，i代表激励电流。
[0060]
在感应电压不变的情况下，磁芯截面积与匝数成反比，激励电流与匝数成反比。假设两个原边磁柱101、102的截面积和材质相同，两个副边磁柱201、202的截面积和材质相同，原边磁柱101、102截面积之和等于副边磁柱201、202和漏感磁柱301截面积之和，漏感磁柱301开一定的气隙，基于该假设条件的三个绕制例子如下：
[0061]
绕制例子1：假设第一原边绕组601和第二原边绕组602的圈数各为1圈，第一副边绕组701和第二副边绕组702的圈数各为1圈。第一原边绕组601和第二原边绕组602的同名端a和c短接，第一原边绕组601和第二原边绕组602的异名端b和d短接。第一副边绕组701和第二副边绕组702的同名端e和g短接，第一副边绕组701和第二副边绕组702的异名端f和h短接。故流入第一原边绕组601和第二原边绕组602的电流均为激励电流的一半，根据前面
的公式推导感应电压和激励电流存在的系数的关系，故原副边的匝比为1:2。
[0062]
绕制例子2：假设第一原边绕组601和第二原边绕组602的圈数各为1圈，第一副边绕组701和第二副边绕组702的圈数各为1圈。第一原边绕组601的异名端和第二原边绕组602的同名端b和c短接，第一副边绕组701和第二副边绕组702的同名端e和g短接，第一副边绕组701和第二副边绕组702的异名端f和h短接。故流入第一原边绕组601和第二原边绕组602的电流均为激励电流，根据前面的公式推导感应电压和激励电流存在1的系数的关系，故原副边的匝比为1:1。
[0063]
绕制例子3：假设第一原边绕组601和第二原边绕组602的圈数各为2圈，第一副边绕组701和第二副边绕组702的圈数各为1圈。绕制原边的第一圈时，第一原边绕组601的异名端和第二原边绕组602的同名端b和c短接；绕制原边的第二圈时，第一原边绕组601和第二原边绕组602的同名端a和c短接，第一原边绕组601和第二原边绕组602的异名端b和d短接。第一副边绕组701和第二副边绕组702的同名端e和g短接，第一副边绕组701和第二副边绕组702的异名端f和h短接。故流入第一原边绕组601和第二原边绕组602的电流均为激励电流的1.5倍，根据前面的公式推导感应电压和激励电流存在1.5的系数的关系，故原副边的匝比为1.5:1。
[0064]
作为本实施例的变形，还可以包括但不限于如下方式：
[0065]
(1)原有的两个副边磁柱改为四个副边磁柱，分别是第一副边磁柱201、第二副边磁柱202、第三副边磁柱203以及第四副边磁柱204，其他磁柱不变，相应的磁柱绕制相应的绕组，包括四个绕组，分别是第一副边绕组701、第二副边绕组702、第三副边绕组703以及第四副边绕组704，如图3。
[0066]
(2)原有的两个副边磁柱改为两个漏感磁柱，原有的漏感磁柱改为副边磁柱，相应的磁柱绕制相应的绕组，如图4。
[0067]
需要说明的是，本实施例对称轴501两侧的磁柱满足：任一原边磁柱几何中心到相邻漏感磁柱几何中心的距离≤该相邻漏感磁柱几何中心到相邻副边磁柱几何中心的距离，该任一原边磁柱几何中心到该相邻副边磁柱几何中心的距离≤该相邻漏感磁柱几何中心到该相邻副边磁柱几何中心的距离。
[0068]
本实施例图3的磁柱间的相邻关系包括4种情况：(1)漏感磁柱、第一原边磁柱和第一副边磁柱；(2)漏感磁柱、第一原边磁柱和第二副边磁柱；(3)漏感磁柱、第二原边磁柱和第三副边磁柱；(4)漏感磁柱、第二原边磁柱和第四副边磁柱。按照图3的思路可以进一步将各磁柱横向或者纵向分割，排布方法和磁柱间的相邻关系可以依次类推，不再一一举例说明。
[0069]
第二实施例
[0070]
图5为本发明第二实施例的磁芯结构示意图、图6所示为本发明第二实施例的磁芯结构立体图，本实施例与第一实施例的不同之处在于顶盖401和底盖402的形状为圆形，漏感磁柱为2个，即第一漏感磁柱301和第二漏感磁柱302，磁柱的排布同样为原边磁柱、副边磁柱和漏感磁柱沿与底盖平行的对称轴对称排布，对称轴见图3中虚线所示，具体地，2个半圆形原边磁柱在底盖上居中对称设计，2个副边磁柱和2个漏感磁柱环绕原边磁柱对称设计，对称轴两侧的磁柱位置关系为：任一原边磁柱到漏感磁柱的距离≤相邻漏感磁柱到副
边磁柱的距离，任一原边磁柱到副边磁柱的距离≤相邻漏感磁柱到副边磁柱的距离。
[0071]
需要说明的是，此种情况下磁柱间包括2种相邻关系，具体为：(1)第一原边磁柱101、第一副边磁201和第一漏感磁柱301；(2)第二原边磁柱102、第二副边磁202和第二漏感磁柱302。
[0072]
本实施例原边绕组到副边磁柱和漏感磁柱的磁通密度的流向不同，可有效降低顶盖或底盖的厚度，且原边走线相对可较短，可降低变压器原边的铜损，进一步提高llc谐振变换器的效率。
[0073]
作为本实施例的变形，还可以包括但不限于如下方式：
[0074]
(1)将漏感磁柱作为圆心，放置于2个原边磁柱之间；
[0075]
(2)将两个漏感磁柱合并为1个磁柱。
[0076]
第三实施例
[0077]
图7为本发明第三实施例的磁芯结构示意图，本实施例与第一实施例不同之处在于，原边磁柱、副边磁柱和漏感磁柱的排布没有采用平行的方式，原边磁柱为3个且形状为长方形，副边磁柱为3个且形状也为长方形，漏感磁柱为1个且形状为等边三角形。本实施例的磁柱的排布同样为原边磁柱、副边磁柱和漏感磁柱沿与底盖平行的对称轴对称排布，对称轴见图7中虚线所示，具体地，漏感磁柱301居中设计，3个原边磁柱101、102和103，以及3个副边磁柱201、202和203分为三组，沿漏感磁柱的三条边平行排布，各条边上的原边磁柱位于该条边上的副边磁柱与漏感磁柱之间。
[0078]
需要说明的是，此种情况下，对称轴各侧的磁柱也满足：任一原边磁柱几何中心到相邻漏感磁柱几何中心的距离≤该相邻漏感磁柱几何中心到相邻副边磁柱几何中心的距离，该任一原边磁柱几何中心到该相邻副边磁柱几何中心的距离≤该相邻漏感磁柱几何中心到该相邻副边磁柱几何中心的距离。
[0079]
上述漏感磁柱和其各边的原边磁柱，以及该边的漏感磁柱构成的相邻关系，包括三组：(1)漏感磁柱301、第一原边磁柱101和第一副边磁柱201构成相邻关系；(2)漏感磁柱301、第二原边磁102柱和第二副边磁柱202构成相邻关系；(3)漏感磁柱301、第三原边磁柱103和第三副边磁柱203构成相邻关系。
[0080]
本实施例第一原边磁柱上的绕组ef为第一原边绕组601，第二原边磁柱上的绕组ab为第二原边绕组602，第三原边磁柱上的绕组cd为第三原边绕组603；第一副边磁柱上的绕组kl为第一副边绕组701，第二副边磁柱上的绕组gh为第二副边绕组702，第三副边磁柱上的绕组ij为第三副边绕组703。本实施例与第一实施例不同之处在于可实现0.33:1的匝比。
[0081]
作为本实施例的变形，还可以包括但不限于如下方式：
[0082]
(1)原有的三个副边磁柱改为两个漏感磁柱，原有的漏感磁柱改为副边磁柱，相应的磁柱绕制相应的绕组；
[0083]
(2)随着磁柱数量的增加，中间的漏感磁柱可更改为多边形，排布方法和磁柱间的相邻关系可以依次类推，不再一一举例说明。
[0084]
需要说明的是，本发明的磁芯结构及包含本发明磁芯结构的变压器当各副边磁柱和各漏感磁柱开设有气隙，各原边磁柱无气隙时，可以应用于背景技术所描述的llc谐振变换器，由于漏感可控且可有效降低原边圈数，故在有源钳位反激、不对称半桥反激、cll谐振
变换器等拓扑中也是适用的，此时需要注意的是各原边磁柱和各漏感磁柱开设有气隙，各副边磁柱无气隙。
[0085]
以上仅是本发明优选的实施方式，本发明所属领域的技术人员还可以对上述具体实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。