具有多种磁性材料的平面变压器的制作方法

具有多种磁性材料的平面变压器
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求2021年7月16日提交的标题为“一种多磁性材料组合的平面变压器”的第202110807371.0号(代理人案号096868-1260654-006300cnp)的中国专利申请、2021年9月23日提交的标题为“具有多种磁性材料的平面变压器(planar transformers with multiple magnetic materials)”的第63/261,550号(代理人案号096868-1260105-006300usp)美国临时专利申请，以及2022年7月14日提交的标题为“具有多种磁性材料的平面变压器(planar transformers with multiple magnetic materials)”的第17/812,632号(代理人案号096868-1299979-006310us)美国非临时专利申请的优先权，所有专利申请的内容出于所有目的以全文引用的方式并入本文中。
技术领域
3.所描述的实施例大体上涉及用于功率转换器中的变压器，且更确切地说，本发明的实施例涉及具有可以导致平面变压器的绕组损耗减少的多种磁性材料的平面变压器。


背景技术：

4.例如计算机、服务器和电视机等的电子装置使用一个或多个电力转换电路将一种形式的电能转换成另一种形式的电能。一些电力转换电路使用称为半桥转换器的电路拓扑来将高dc电压转换成更低dc电压。由于许多电子装置对功率转换电路的大小和效率敏感，因此新型功率转换器可以为新型电子装置提供相对更高的效率和更小的大小。


技术实现要素：

5.在一些实施例中，公开一种变压器。所述变压器包含：第一磁芯，其包含内部部分和外部部分；第二磁芯，其与所述内部部分和所述外部部分接触；多个初级绕组，其围绕所述内部部分形成；以及多个次级绕组，其围绕所述内部部分形成，其中所述内部部分包含第一磁性材料和第二磁性材料中的一个，并且所述外部部分包含所述第一磁性材料和所述第二磁性材料中的一个，其中所述第一磁性材料具有与所述第二磁性材料不同的特性。
6.在一些实施例中，所述第一磁芯包含第三部分，所述第三部分跨越所述内部部分和所述外部部分延伸并且与所述内部部分和所述外部部分接触。
7.在一些实施例中，所述第三部分和所述第二磁芯由所述第一磁性材料制成，其中所述内部部分和所述外部部分由所述第二磁性材料制成。
8.在一些实施例中，所述第一磁芯由所述第二磁性材料形成并且所述第二磁芯由所述第一磁性材料形成。
9.在一些实施例中，所述外部部分、所述第三部分和所述第一磁芯由所述第一磁性材料形成，并且所述内部部分由所述第二磁性材料形成。
10.在一些实施例中，所述外部部分由所述第二磁性材料形成，并且所述第三部分、所述内部部分和所述第二磁芯由所述第一磁性材料形成。
11.在一些实施例中，所述外部部分和所述内部部分由所述第一磁性材料形成，并且所述第三部分和所述第二磁芯由所述第二磁性材料形成。
12.在一些实施例中，所述第一磁芯由所述第一磁性材料和所述第二磁性材料中的一个形成。
13.在一些实施例中，所述第一磁性材料具有比所述第二磁性材料低的磁导率。
14.在一些实施例中，所述外部部分环绕所述内部部分的外周边。
15.在一些实施例中，所述多个初级绕组和所述多个次级绕组由所述第一和第二磁芯包围。
16.在一些实施例中，所述第一磁性材料包含磁性粉末材料，并且所述第二磁性材料包含铁氧体材料。
17.在一些实施例中，公开一种形成变压器的方法。所述方法包含形成包含内部部分和外部部分的第一磁芯；形成与所述内部部分和所述外部部分接触的第二磁芯；围绕所述内部部分形成多个初级绕组；以及围绕所述内部部分形成多个次级绕组，其中所述内部部分包含第一磁性材料和第二磁性材料中的一个，并且所述外部部分包含所述第一磁性材料和所述第二磁性材料中的一个，其中所述第一磁性材料具有与所述第二磁性材料不同的特性。
18.在一些实施例中，在所公开的方法中，所述第一磁芯包含第三部分，所述第三部分跨越所述内部部分和所述外部部分延伸并且接触所述内部部分和所述外部部分。
19.在一些实施例中，在所公开的方法中，所述第一磁性材料具有比所述第二磁性材料低的磁导率。
20.在一些实施例中，在所公开的方法中，所述外部部分环绕所述内部部分的外周边。
21.在一些实施例中，在所公开的方法中，所述初级绕组和所述次级绕组由所述第一和第二磁芯包围。
22.在一些实施例中，在所公开的方法中，所述第一磁性材料包含磁性粉末材料，并且所述第二磁性材料包含铁氧体材料。
23.在一些实施例中，在所公开的方法中，所述第三部分和所述第二磁芯由所述第一磁性材料制成，其中所述内部部分和所述外部部分由所述第二磁性材料制成。
24.在一些实施例中，在所公开的方法中，所述第一磁芯由所述第二磁性材料形成并且所述第二磁芯由所述第一磁性材料形成。
附图说明
25.图1说明根据本公开的实施例的带有具有多个区段的芯的平面变压器；
26.图2说明示出根据本公开的实施例的用于图1的平面变压器中的子芯和不同类型的磁性材料的各种组合的示意图；
27.图3a和3b说明根据本公开的实施例的磁芯区段和磁性材料的各种结构组合；以及
28.图4a说明示出用于具有气隙并且具有用于芯中的单个高磁导率材料的磁芯结构的磁通量线的图式。图4b说明示出根据本公开的实施例的用于结构的磁通量线的图式，所述结构不具有气隙且具有含有不同磁导率值的多芯材料。
具体实施方式
29.本文所公开的装置、结构和相关技术大体上涉及功率转换装置。更具体来说，本文所公开的装置、结构和相关技术涉及使用包含多种磁性材料的平面变压器的功率转换电路。在一些实施例中，在其芯中使用多种磁性材料的平面变压器可以减少其绕组损耗，从而导致功率转换电路的效率的总体改进。在各种实施例中，可以消除平面变压器中的气隙并用磁性材料代替，从而减少绕组损耗。在一些实施例中，平面变压器可以包含：第一磁芯，其具有外部部分和内部部分，以及跨越所述外部部分和所述内部部分延伸并且与所述外部部分和所述内部部分接触的第三部分；以及第二磁芯，其与所述外部部分和所述内部部分接触，其中所述外部部分、所述内部部分、所述第三部分和所述第二磁芯可以由第一磁性材料和第二磁性材料中的一个形成。第一磁性材料可以具有比第二磁性材料低的磁导率。本公开的实施例可以防止芯饱和，由此减少平面变压器中的绕组损耗。
30.在各种实施例中，公开用于在磁芯的各个区段中将磁性材料与不同磁导率组合的方法。所公开的方法可以将平面变压器的整体磁导率的值保持在相对不变的值。本文描述各种发明性实施例，包含方法、过程、系统、装置等。
31.现将相对于附图描述若干说明性实施例，附图形成本发明的一部分。以下描述仅提供实施例，且并不希望限制本公开的范围、适用性或配置。实际上，实施例的以下描述将为所属领域的技术人员提供用于实施一个或多个实施例的启迪性描述。应了解，可在不脱离本公开的精神和范围的情况下对元件的功能和配置做出各种改变。在以下描述中，出于阐释的目的，阐述特定细节以便提供对特定发明性实施例的透彻理解。然而，将显而易见，可以在无这些特定细节的情况下实践各种实施例。图式和描述并不希望为限制性的。词语“示例”或“示例性”在此用于表示“用作示例、实例或说明”。本文中描述为“示例性”或“示例”的任何实施例或设计不一定被解释为优先于或优于其它实施例或设计。
32.图1说明根据本公开的实施例的平面变压器100。如图1中所示，平面变压器100可以包含第一磁芯102、第二磁芯104、第三磁芯106和第四磁芯110。平面变压器100还可以包含初级绕组108和次级绕组112。磁芯102、104和106可以形成e形状，并且磁芯110可以呈i形状。在所说明的实施例中，在平面变压器100的磁芯中不存在气隙。在没有气隙的情况下，可以消除气隙周围的磁通量泄漏，从而导致平面变压器100的绕组损耗减小。此外，在没有气隙的情况下，可以在平面变压器100中形成完整磁路。此外，磁芯102、104、106和110可以由不相似且具有不同磁导率值的各种磁性材料形成。磁芯102、104、106和110也可以称为子芯。磁芯102、104、106和110可以例如由第一磁性材料和第二磁性材料，或第一和第二磁性材料的组合形成。在各种实施例中，所公开的结构和方法可以用于任何合适的平面变压器芯形状，例如但不限于，eir、ei、u或c形芯，以及平面变压器中的任何数目的绕组层。
33.在一些实施例中，第一磁性材料可以具有相对较高的磁导率值。第一磁性材料的磁导率值可以在800到10,000h/m的范围内。如受益于本公开的所属领域的一般技术人员所了解，第一磁性材料的磁导率可以设定为任何合适的值。在各种实施例中，第一磁性材料可以是铁氧体材料。在一些实施例中，第二磁性材料可以具有相对较低的磁导率值。在各种实施例中，第二磁性材料的磁导率值可以在2到15h/m的范围内，而在其它实施例中，磁导率值可以在12到45h/m的范围内，并且在又其它实施例中，磁导率值可以在5到160h/m的范围内。如受益于本公开的所属领域的一般技术人员所了解，第二磁性材料的磁导率可以设定为任
何合适的值。在各种实施例中，第二磁性材料可以是磁性粉末。
34.在一些实施例中，铁氧体芯的相对较高磁导率可以为磁通量流提供低磁阻路径，其可以将平面变压器100的磁化电感(lm)维持在相对高的水平。此外，磁粉芯可以具有相对较低的磁导率，从而能够存储相对大量的能量，这可以帮助防止平面变压器100饱和。在各种实施例中，平面变压器可以使用第一磁性材料和第二磁性材料由磁芯102、104、106和110的组合形成。这可能产生各种组合(cn)。cn可以表达为：
35.cn＝m
n-2
36.其中n是子芯的数目，并且m指示用于平面变压器100中的各种类型的磁性材料。作为实例，以上等式可以使用四个磁性子芯(m＝4)和两种磁性材料(n＝2)产生14个组合。如受益于本公开的所属领域的普通技术人员所了解，子芯的数目和磁性材料的数目可以设定为任何合适的值。
37.图2说明根据本公开的实施例的示出4个子芯和2种不同类型的磁性材料的图式200。如可以在图式200中看到，存在可用于每个子芯的两种磁性材料。在图式200中，
①
和
②
分别表示第一磁性材料(磁性材料-1)和第二磁性材料(磁性材料-2)。在所说明的实施例中，第一磁性材料可以是铁氧体材料并且第二磁性材料可以是磁性粉末。在所说明的实施例中，平面变压器100的磁化电感lm和漏感lk可以保持不变，因此平面变压器100的有效磁导率可以保持不变，以避免影响使用平面变压器100的功率转换电路的操作。各种子芯和不同磁性材料的组合可以如下用四维坐标形式表示：
38.(1,1,1,2),(1,1,2,1),(1,1,2,2),(1,2,1,1),(1,2,1,2),(1,2,2,1),(1,2,2,2)
39.(2,1,1,1),(2,1,1,2),(2,1,2,1),(2,1,2,2),(2,2,1,1),(2,2,1,2),(2,2,2,1)
40.在平面变压器100中，磁芯102可以与磁芯104对称。因此，在14个组合中，可以存在相同的4个组合。因此，剩下10个独特的组合：
41.(1,1,1,2),(1,1,2,1),(1,1,2,2),(1,2,1,1),(1,2,1,2)
42.(1,2,2,1),(1,2,2,2),(2,1,1,2),(2,1,2,2),(2,2,1,2)
43.根据本公开的实施例，磁芯区段和磁芯材料的这十个组合在图3a和3b中说明。用于磁芯区段和磁芯材料的这十个组合的实例绕组损耗在表1中说明：
[0044][0045]
表1
[0046]
图3a和3b示出具有如上文所述的各种磁芯区段和不同磁性材料的10个结构。如可以在表1中看到，与具有气隙并且具有用于其磁芯区段中的单个材料的芯结构相比，磁性区段和磁芯材料的各种组合可以减小绕组损耗。作为实例，结构(2,1,1,2)可以相对较大地减少绕组损耗，例如，结构(2,1,1,2)的绕组损耗可以为1.13w。在一些实施例中，第一磁芯可以具有e形状，其中第一磁芯可以具有外部部分和内部部分。在各种实施例中，外部部分和内部部分可以由不同磁性材料形成。绕组损耗的减小可以改进功率转换装置的效率，例如在65w功率转换器中，可以实现1％的效率改进。
[0047]
图4a说明示出用于具有气隙404并且具有用于芯中的单个高磁导率材料408的磁芯结构的磁通量线的图式400a。图4b说明示出用于组合(2,1,1,2)结构的磁通量线的图式400b，所述结构不具有气隙并且具有含有用于其芯区段410和412中的不同磁导率值的多芯材料。如可以看到，与区段406的图式400b中的磁通量相比，区段402中的图式400a中的磁通量相对较大。区段406中的相对较低磁通量使组合(2,1,1,2)结构的结构能够具有相对较低的绕组损耗。
[0048]
在一些实施例中，可以使用本文所公开的结构和技术的组合来实现平面变压器绕组损耗的减小。尽管本文针对平面变压器的一种特定配置描述和说明结构和方法，但是本公开的实施例适用于平面变压器的其它配置，例如但不限于u形或c形变压器。此外，本公开的实施例适合于与具有多种磁性材料的变压器一起使用。此外，本公开的实施例适合于于其它变压器配置，例如但不限于非平面变压器一起使用。
[0049]
在前文说明书中，本公开的实施例已经参考可以针对不同实施方案变化的许多特定细节进行描述。因此，说明书和附图被认为是说明性的而非限制性的。本公开的范围的唯一和排他性指标，以及申请人所意图成为本公开的范围的内容，是本技术发布的权利要求集合的字面和等效范围，在这些权利要求发布的具体形式中，包含任何后续更正。在不脱离本公开的实施方式的精神和范围的情况下，可以以任何合适的方式组合特定实施方式的具体细节。
[0050]
此外，例如“底部”或“顶部”等空间相对术语可以用于描述元件和/或特征与另一个(些)元件和/或特征的关系，例如如图所示。应当理解，除了图中描绘的定向之外，空间相对术语旨在涵盖在使用和/或操作中的装置的不同定向。例如，如果图中的装置被翻转，则描述为“底部”表面的元件可以被定向为“在”其它元件或特征“之上”。装置可以以其它方式定向(例如，旋转90度或处于其它定向)并且相应地解释本文中使用的空间相对描述符。
[0051]
如本文中所使用，术语“和”、“或”和“和/或”可以包含多种含义，这些含义也预期至少部分地取决于使用此类术语的上下文。通常，“或”如果用于关联例如a、b或c等列表，那么既定表示a、b和c，此处是在包含性意义上使用，以及a、b或c，此处是在排他性意义上使用。另外，如本文中所使用的术语“一个或多个”可以用于以单数形式描述任何特征、结构或特性，或可以用于描述特征、结构或特性的一些组合。然而应注意，这仅仅为说明性实例，且所主张的主题不限于此实例。此外，如果术语“中的至少一个”用于关联列表(例如a、b或c)，则可以将其解释为表示a、b和/或c的任何组合，例如a、b、c、ab、ac、bc、aa、aab、abc、aabbccc等。
[0052]
贯穿本说明书对“一个实例”、“实例”、“某些实例”或“示例性实施方案”的提及意味着关于特征和/或实例描述的特定特征、结构或特性可以包含在所要求的主题的至少一
个特征和/或实例中。因此，短语“在一个实例中”、“实例”、“在某些实例中”或“在某些实施方案中”或其它相似短语在贯穿本说明书的各处的出现未必皆指同一特征、实例和/或限制。此外，特定特征、结构或特性可以组合于一个或多个实例和/或特征中。
[0053]
在先前详细描述中，已经陈述许多特定细节以提供对所要求的主题的透彻理解。然而，所属领域的技术人员将理解，可以在没有这些特定细节的情况下实践所要求的主题。在其它情况下，未详细地描述一般技术人员原本知晓的方法及设备以免使所要求的主题模糊不清。因此，希望所要求的主题不限于所公开的特定实例，而是此类所要求的主题还可以包含落在所附权利要求书和其等效物的范围内的所有方面。