一种高频磁集成变压器的制作方法

1.本实用新型涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种高频磁集成变压器。


背景技术：

2.随着电力电子技术的发展，电源模块功率密度提高，体积缩小，这对电源磁性器件的功率密度，体积及散热有了更高的要求。
3.例如，在现有的llc、lcl及lcc等软开关谐振变换器电路拓扑中，主变压器与串、并联电感分体制作，导致结构体积大，占用空间大。而为了更好的散热需要，电源模块的体积相应就得增大，不利于提高电源模块的功率密度。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本实用新型实施例提供一种高频磁集成变压器，结构紧凑，有利于提高电源模块的功率密度。
5.为达到上述实用新型目的，采用如下技术方案：
6.第一方面，本实用新型实施例提供的变压器，包括：磁芯、第一电感线圈、第二电感线圈、变压器原边线圈及变压器副边线圈，所述第一电感线圈、第二电感线圈、变压器原边线圈及变压器副边线圈集成于所述磁芯上，所述磁芯具有第一通孔、第二通孔、第三通孔、第一中磁柱、第二中磁柱及边磁柱，所述第一通孔与第二通孔通过第一中磁柱隔开，所述第二通孔与第三通孔通过第二中磁柱隔开，所述第一电感线圈穿设于所述第一通孔中、且缠绕于所述磁芯的边磁柱上，形成第一电感，所述变压器原边线圈及变压器副边线圈并行穿设于所述第二通孔中、且缠绕于所述磁芯的边磁柱上，所述第二电感线圈穿设于所述第三通孔中、且缠绕于所述磁芯的边磁柱上，形成第二电感；
7.对应所述第一通孔和/或第三通孔的边磁柱的截面上设有气隙；
8.所述第一电感与所述变压器原边线圈连接，所述第二电感与所述变压器原边线圈或变压器副边线圈连接，所述第一电感线圈、第二电感线圈、变压器原边线圈及变压器副边线圈的缠绕方向相同。
9.可选地，所述气隙设置一个或间隔设置多个。
10.可选地，所述边磁柱包括上边磁柱与下边磁柱，在所述上边磁柱与下边磁柱上对应设置所述气隙。
11.可选地，所述边磁柱包括上边磁柱与下边磁柱，所述第一电感线圈包括第一线包与第二线包，所述第一线包与第二线包分别穿设于所述第一通孔中，且所述第一线包缠绕于所述上边磁柱上，所述第二线包缠绕于所述下边磁柱上；
12.和/或，所述第二电感线圈包括第三线包与第四线包，第三线包与第四线包分别穿设于所述第三通孔中，且所述第三线包缠绕于所述上边磁柱上，所述第四线包缠绕于所述下边磁柱上；
13.和/或，所述变压器原边线圈包括第一原边线圈及第二原边线圈，所述变压器副边
线圈包括第一副边线圈及第二副边线圈，所述第一原边线圈与第一副边线圈并行缠绕于上边磁柱上，所述第二原边线圈与所述第二副边线圈并行缠绕于下边磁柱上。
14.可选地，所述第一电感线圈的第一线包与第二线包之间、所述第二电感线圈的第三线包与第四线包之间、所述变压器原边线圈的第一原边线圈与第二原边线圈之间、以及所述变压器副边线圈的第一副边线圈与第二副边线圈之间分别串联或并联连接。
15.可选地，所述第二通孔位于所述第一通孔与第三通孔之间或一侧。
16.可选地，所述磁芯包括第一u型磁芯、两个第二u型磁芯及第三u型磁芯，两个所述第二u型磁芯同侧扣合形成所述第二通孔，所述第一u型磁芯与其中一个所述第二u型磁芯反向侧贴合形成所述第一通孔，所述第二u型磁芯与另一个所述第二u型磁芯反向侧贴合形成所述第三通孔。
17.可选地，所述变压器原边线圈及变压器副边线圈采用铜带或者利兹线绕制。
18.可选地，所述第一电感线圈与所述变压器原边线圈串联连接，所述第二电感线圈与所述变压器原边线圈或变压器副边线圈并联连接。
19.第二方面，本实用新型实施例提供的高频磁集成变压器，包括：磁芯、第一电感线圈、变压器原边线圈及变压器副边线圈，所述第一电感线圈、变压器原边线圈及变压器副边线圈集成于所述磁芯上，所述磁芯具有第一通孔、第二通孔、中磁柱及边磁柱，所述第一通孔与第二通孔通过中磁柱隔开，所述第一电感线圈穿设于所述第一通孔中、且缠绕于所述磁芯的边磁柱上，形成第一电感，所述变压器原边线圈及变压器副边线圈并行穿设于所述第二通孔中、且缠绕于所述磁芯的边磁柱上，对应于所述第二通孔的边磁柱的截面上设有气隙；
20.所述第一电感与所述变压器原边线圈连接，所述第一电感线圈、变压器原边线圈及变压器副边线圈的缠绕方向相同。
21.可选地，所述边磁柱包括上边磁柱与下边磁柱，所述第一电感线圈包括第一线包与第二线包，所述第一线包与第二线包分别穿设于所述第一通孔中，且所述第一线包缠绕于所述上边磁柱上，所述第二线包缠绕于所述下边磁柱上；
22.和/或，所述变压器原边线圈包括第一原边线圈及第二原边线圈，所述变压器副边线圈包括第一副边线圈及第二副边线圈，所述第一原边线圈与第一副边线圈并行缠绕于上边磁柱上，所述第二原边线圈与所述第二副边线圈并行缠绕于下边磁柱上。
23.本实用新型实施例提供的高频磁集成变压器，通过将第一电感、第二电感与变压器主体的原边、副边线圈集成于磁芯上，共用部分磁芯，可以减小模块中磁性器件(一般是磁芯)的体积，使得整体结构紧凑，有利于提高电源模块的功率密度。
附图说明
24.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
25.图1为本实用新型高频磁集成变压器一实施例结构示意图；
26.图2为图1中变压器一实施例电气原理图；
27.图3为图1中变压器另一实施例电气原理图；
28.图4为本实用新型变压器另一实施例结构示意图；
29.图5为图4中变压器一实施例电气原理图；
30.图6为本实用新型高频磁集成变压器在pcb板上的一实施例安装结构示意图；
31.图7为本实用新型高频磁集成变压器在pcb板上的另一实施例安装结构示意图；
32.图8为本实用新型高频磁集成变压器又一实施例结构示意图。
具体实施方式
33.下面结合附图对本实用新型实施例进行详细描述。
34.应当明确，为了更加清楚说明本实用新型，在以下的具体实施例中描述了众多技术细节，本领域技术人员应当理解，没有其中的某些细节，本实用新型同样可以实施。另外，为了凸显本实用新型的实用新型主旨，涉及的一些本领域技术人员所熟知的方法、手段、零部件及其应用等未作详细描述，但是，这并不影响本实用新型的实施。本文所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本实用新型保护的范围。
35.本实用新型实施例提供的高频磁集成变压器适用于移相llc、llc、lcl、lcc等软开关谐振变换器的电路拓扑中，更宽泛地说，其还适用于电源开关中；其中，术语“高频”在电力电子技术领域有公知的确切含义，在此就不再赘述。
36.本实用新型实施例提供的方案，将谐振电感与变压器主体集成为磁集成高频变压器，谐振电感与变压器主体共用磁芯，可以减小结构体积及占用的空间，提高变压器功率密度，降低损耗。
37.实施例一
38.图1为本实用新型高频磁集成变压器一实施例结构示意图；图2为图1中变压器一实施例电路原理图；图3为图1中变压器另一实施例电路原理图；图8为本实用新型高频磁集成变压器又一实施例结构示意图；参看图1至图3及图8所示，所述高频磁集成变压器包括：磁芯100、第一电感线圈9至12、第二电感线圈13至16、变压器原边线圈1至4及变压器副边线圈5至8，所述第一电感线圈9至12、第二电感线圈13至16、变压器原边线圈1至4及变压器副边线圈5至8集成于所述磁芯100上；所述磁芯100可使用铁氧体材料。
39.所述磁芯100具有第一通孔110、第二通孔120、第三通孔130、第一中磁柱140、第二中磁柱150及边磁柱，所述第一通孔110与第二通孔120通过第一中磁柱140隔开，所述第二通孔120与第三通孔130通过第二中磁柱150隔开，所述第一电感线圈9至12穿设于所述第一通孔110中、且缠绕于所述磁芯100的边磁柱上，形成第一电感；所述变压器原边线圈1至4及变压器副边线圈5至8并行穿设于所述第二通孔120中、且缠绕于所述磁芯100的边磁柱上，所述第二电感线圈13至16穿设于所述第三通孔130中、且缠绕于所述磁芯100的边磁柱上，形成第二电感。
40.对应所述第一通孔110和/或第三通孔130的边磁柱的截面上设有气隙161，该气隙161可用陶瓷片或者其他聚酯材料制成的片状体设置于边磁柱的截面上；通过在边磁柱上设置气隙161，可以降低导磁率，有利于避免在交流大信号或直流偏置下的磁饱和现象。
41.如图2及图3所示，所述第一电感与所述变压器原边线圈1至4连接，所述第二电感与所述变压器原边线圈1至4或变压器副边线圈5至8连接，所述第一电感线圈9至12、第二电感线圈13至16、变压器原边线圈1至4及变压器副边线圈5至8的缠绕方向相同，例如图1中的绕制方向；当然，也可以全部与图1所示的缠绕方向相反的方向绕制。
42.本实施例中，通过采用上述磁芯100结构及同向缠绕方式，所述第一电感通电后形成的磁场与所述变压器原边线圈1至4通电后形成的磁场在第一中磁柱140处方向相反，在第一中磁柱140处磁场存在相互抵消的情况；所述第二电感通电后形成的磁场与所述变压器原边线圈1至4通电后形成的磁场在第二中磁柱150处方向相反，在该处磁场也存在相互抵消的情况；这样，可以实现第一电感与第二电感分别与变压器主体(为了便于描述，并与本实用新型主题名称“变压器”区分，将变压器原边、副边线圈及对应的磁芯100部分命名为“变压器主体”)磁路的相互抵消，在一定程度上可避免第一中磁柱140和第二中磁柱150处出现磁饱和现象。
43.为了帮助理解上述方案的技术效果，对磁饱和作一简单介绍如下：磁饱和相当于变压器的原边线圈侧是个空心线圈，即相当于短路，电流会很大,其对开关电源的危害很大，轻则发热发烫，重则直接烧坏。因此，在工业应用中，需要防止高频变压器磁饱和。
44.其中，在一些实施例中，所述变压器原边线圈1至4或变压器副边线圈5至8可以采用铜带或者利兹线绕制；优选采用三明治绕制方式将变压器原边线圈1至4与变压器副边线圈5至8缠绕于边磁柱上，该种绕制方式可以减小变压器漏感。
45.如图1所示，所述第二通孔120位于所述第一通孔110与第三通孔130之间。在一些实施例中，第一通孔110与第三通孔130关于第二通孔120对称设置。
46.如图8所示，所述第二通孔120也可以位于所述第一通孔110与第三通孔130的一侧。
47.继续参看图1所示，在又一些实施例中，所述磁芯100包括第一u型磁芯100、两个第二u型磁芯100及第三u型磁芯100，两个所述第二u型磁芯100同侧扣合形成所述第二通孔120，所述第一u型磁芯100与其中一个所述第二u型磁芯100反向侧贴合形成所述第一通孔110，所述第二u型磁芯100与另一个所述第二u型磁芯100反向侧贴合形成所述第三通孔130。
48.具体的，磁芯100可以采用四只u型磁芯100粘结成一体。其中，一对u型磁芯100扣合粘结在一起形成变压器主体的磁芯100部分，一只u型磁芯100粘结于左侧，形成第一电感的磁芯100部分，另一只u型磁芯100粘结于右侧，形成第二电感的磁芯100部分。第一电感与变压器主体共用第一中磁柱140，第二电感与变压器主体共用第二中磁柱150。
49.所述磁芯100可以由第一u型磁芯100、两个第二u型磁芯100及第三u型磁芯100可以通过粘结的方式形成一体结构；所述磁芯100也可以直接制作成具有多个通孔的一体成型结构，并预设所述气隙161。
50.在一些实施例中，所述气隙161可以设置一个或间隔设置多个。其中，气隙161的数量及大小与磁芯100本身的尺寸、绕制线圈的匝数、变压器主体本身的参数有关。
51.继续参看图1所示，所述边磁柱包括上边磁柱与下边磁柱，在所述上边磁柱与下边磁柱上对应设置所述气隙161。
52.当间隔设置多个气隙161时，气隙161之间可以通过与边磁柱的截面匹配的磁柱隔
开。
53.如图1所示，所述边磁柱包括上边磁柱与下边磁柱，所述第一电感线圈9至12包括第一线包9～10与第二线包11～12，所述第一线包9～10与第二线包11～12分别穿设于所述第一通孔110中，且所述第一线包9～10缠绕于所述上边磁柱上，所述第二线包11～12缠绕于所述下边磁柱上；
54.和/或，所述第二电感线圈13至16包括第三线包13～14与第四线包15～16，第三线包13～14与第四线包15～16分别穿设于所述第三通孔130中，且所述第三线包13～14缠绕于所述上边磁柱上，所述第四线包15～16缠绕于所述下边磁柱上；
55.和/或，所述变压器原边线圈1至4包括第一原边线圈1～2及第二原边线圈3～4，所述变压器副边线圈5至8包括第一副边线圈6～7及第二副边线圈7～8，所述第一原边线圈1～2与第一副边线圈6～7并行缠绕于上边磁柱上，所述第二原边线圈3～4与所述第二副边线圈7～8并行缠绕于下边磁柱上。
56.其中，所述第一电感线圈9至12的第一线包9～10与第二线包11～12之间、所述第二电感线圈13至16的第三线包13～14与第四线包15～16之间、所述变压器原边线圈1至4的第一原边线圈1～2与第二原边线圈3～4之间、以及所述变压器原边线圈1至4的第一副边线圈6～7与第二副边线圈7～8之间分别串联或并联连接。
57.示例性地，如图2及图3所示，第一电感线圈9至12的第一线包9～10与第二线包11～12之间采用并联连接方式，变压器原边线圈1至4的第一原边线圈1～2与第二原边线圈3～4之间、所述变压器副边线圈5至8的第一副边线圈5～6与第二副边线圈7～8之间分别采用串联连接方式，第二电感线圈13至16的第三线包13～14与第四线包15～16之间也采用串联连接方式。
58.第一电感与第二电感可根据pcb上的布线需求，调换与变压器主体的位置关系，如图1及图8所示的两种示例性的安装位置。
59.本实用新型实施例提供的变压器，通过将第一电感、第二电感与变压器主体的原边、副边线圈集成于磁芯100上，共用部分磁芯100，可以减小模块中磁性器件(一般是磁芯100)的体积，使得整体结构紧凑，有利于提高电源模块的功率密度，降低损耗。
60.实施例二
61.图4为本实用新型变压器另一实施例结构示意图；图5为图4中变压器一实施例电气原理图；基于与实施例一基本相同的技术构思，将电感与变压器主体集成于同一磁芯上，共用部分磁芯，以降低磁性元件的体积，提升功率密度。不同之处在于，该实施例提供的变压器，体积及占用空间进一步减小，整体结构更加紧凑。
62.参看图4及图5所示，具体的，所述变压器包括：磁芯200、第一电感线圈9至12、变压器原边线圈1至4及变压器副边线圈5至8，所述第一电感线圈9至12、变压器原边线圈1至4及变压器副边线圈5至8集成于所述磁芯200上，所述磁芯200具有第一通孔210、第二通孔220、中磁柱230及边磁柱，所述第一通孔210与第二通孔220通过中磁柱230隔开，所述第一电感线圈9至12穿设于所述第一通孔210中、且缠绕于所述磁芯200的边磁柱上，形成第一电感，所述变压器原边线圈1至4及变压器副边线圈5至8并行穿设于所述第二通孔220中、且缠绕于所述磁芯200的边磁柱上，对应于所述第二通孔220的边磁柱的截面上设有气隙240；
63.所述第一电感与所述变压器原边线圈1至4连接，所述第一电感线圈9至12、变压器
原边线圈1至4及变压器副边线圈5至8的缠绕方向相同。
64.本实施例中，基于变压器的工作原理，利用变压器主体的原边或副边线圈与第二电感的并联关系，将第二电感直接集成于变压器主体部分磁芯200上，在变压器主体部分磁芯200上开气隙240，省去了第二电感部分的磁芯200，使体积及占用空间进一步减小，整体结构更加紧凑。
65.本实施例中，为了减小变压器主体的损耗，线圈绕制采用三明治绕法，变压器原边侧的线圈绕组可更改为利兹线。
66.在该实施例的变压器结构下，变压器的第一电感绕制只需要考虑一个中磁柱230的磁路方向，变压器主体及电感的各线包的起绕线，按图2所示方向进行同向绕制(或者是全部反向绕制也可，只要所有线圈缠绕方向一致即可)，变压器电气连接原理示意图如图5所示，如此，在一定程度上可满足中磁柱230处的第一电感与变压器主体产生的磁场相互抵消，避免磁饱和现象。
67.如图2所示，所述边磁柱包括上边磁柱与下边磁柱，所述第一电感线圈9至12包括第一线包9～10与第二线包11～12，所述第一线包9～10与第二线包11～12分别穿设于所述第一通孔210中，且所述第一线包9～10缠绕于所述上边磁柱上，所述第二线包11～12缠绕于所述下边磁柱上；
68.和/或，所述变压器原边线圈1至4包括第一原边线圈1～2及第二原边线圈3～4，所述变压器副边线圈5至8包括第一副边线圈5～6及第二副边线圈7～8，所述第一原边线圈1～2与第一副边线圈5～6并行缠绕于上边磁柱上，所述第二原边线圈3～4与所述第二副边线圈7～8并行缠绕于下边磁柱上。
69.本实用新型实施例提供的变压器，将第二电感直接集成于变压器主体部分磁芯200上，在变压器主体部分磁芯200上开气隙240，省去了第二电感部分的磁芯200，使体积及占用空间进一步减小，整体结构更加紧凑。
70.由于实施例二和实施例一基于基本相同的技术构思，为了叙述简洁起见，相同或关联部分就不再具体赘述，该实施例中未描述详尽之处请参看实施例一相关的描述。
71.如图6及图7所示，所述变压器可平躺或侧躺放置并连接于pcb(printed circuit board)上，侧躺放置结构如图6所示，平躺放置结构如图7所示。
72.根据本方案的技术构思，相对于现有的变压器与电感分体结构的每个磁芯200的长度，本实用新型实施例一和二提供的变压器，通过扩展磁芯200的长度，利用长度优势扩展磁性器件，更适用于1u(4.445cm)高度或者双拼80mm厚度风冷布局的开关电源。
73.综上，本实用新型实施例提供的高频磁集成变压器电源磁性器件体积变小，整体结构紧凑，有利于提高电源模块的功率密度，降低功率损耗。
74.需要说明的是，在本文中，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系的用语，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。诸如，第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。
75.而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解。
76.以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以权利要求的保护范围为准。