磁性组件、功率变换电路及其功率变换装置的制作方法

本发明属于高频电源，尤其涉及磁性组件、功率变换电路及其功率变换装置。

背景技术：

1、随着人工智能的发展，人工智能数据处理芯片，如cpu、gpu、tpu等等(统称xpu)的功率要求越来越高，使得服务器功率大增，使得服务器系统板的供电电压从12v上升到48v。在服务器系统板供电电压为48v的应用场合，两级降压电路架构逐步变成主流。

2、两级降压电路架构中的中间母线变换装置是用来实现输入母线与输出母线之间电压变换的变换装置，包含输入电压和输出电压之比为固定增益比或不固定增益比两种。不固定增益比的中间母线变换装置，将服务器主板的40～60v范围的输入电压，稳定在12v输出电压，供给服务器主板上的内存条负载，给人工智能芯片供电的电压调节器负载，风扇负载等。随着服务器主板上的耗电越来越大了，该12v稳压输出的中间母线变换装置需要提供的功率也越来越大了，功率密度及散热要求越来越高。

3、针对上述应用，本发明提出了一系列手段，包括1)通过两个及以上电路单元并联及错相控制策略减小输入电容的容值；2)通过磁集成技术减小磁性组件的体积；3)通过器件的布局减小寄生参数，提升电源模块的开关频率；4)通过在绕组基板表面上设置表贴绕组，减小绕组的寄生电阻。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的之一在于提供一种功率变换电路及功率变换装置，通过两个及以上电路单元并联及错相控制策略减小输入电容的容值；同时通过磁集成技术减小磁性组件的体积；通过器件的布局减小寄生参数，提升电源模块的开关频率；通过在绕组基板表面上设置表贴绕组，减小绕组的寄生电阻。另一方面，还提出了一种适合所述功率变换电路的预充电电路和钳位电路，进一步优化功率变换装置的各项性能。

2、本发明一方面提供了一种磁性组件，包括一个磁芯和两个绕组组合；

3、所述磁芯包括一个中柱、两个边柱和两个磁基板，所述一个中柱和两个边柱设置于两个磁基板之间，所述中柱设置于两个边柱之间；

4、所述两个绕组组合分别绕制在一个边柱上，每个所述绕组组合包括两个相互连接的绕组，绕制在一个边柱上的一个绕组的两端电压与绕制在另一个边柱上的一个绕组的两端电压错相90度。

5、优选的，所述中柱与任一边柱之间的通道定义为绕线通道，每一所述绕组组合包括两个绕组，同一所述绕组组合中的一个绕组沿第一方向穿过一个所述绕线通道，同一所述绕组组合中的另一个绕组沿第二方向穿过同一所述绕线通道。

6、优选的，流经所述两个边柱的交流磁通随时间变化的趋势错相90度，流经所述两个边柱的交流磁通在所述中柱上按相位叠加或相减。

7、本发明另一方面提供了一种磁性组件，包括一个磁芯和至少两个绕组组合；

8、所述磁芯包括一个中柱、两个边柱和两个磁基板，所述一个中柱和两个边柱设置于两个磁基板之间，所述中柱设置于两个边柱之间；

9、所述至少两个绕组组合分别绕制在一个边柱上，每个所述绕组组合都包括两个电连接的绕组，所述每个绕组都包括第一端和第二端，且每个所述绕组的第一端和第二端分别位于磁芯相对的两侧。

10、优选的，所述中柱与任一边柱之间的通道定义为绕线通道，每一所述绕组组合包括两个绕组，同一所述绕组组合中的一个绕组沿第一方向穿过一个所述绕线通道，同一所述绕组组合中的另一个绕组沿第二方向穿过同一所述绕线通道。

11、优选的，流经所述两个边柱的交流磁通随时间变化的趋势错相90度，流经所述两个边柱的交流磁通在所述中柱上按相位叠加或相减。

12、本发明另一方面提供了一种磁性组件，包括一个磁芯、一个绕组基板、第一表贴绕组、第二表贴绕组和内部绕组；

13、所述磁芯包括至少一个边柱；

14、所述绕组基板包括至少一个磁芯孔槽、至少两个过孔以及相对的第一表面和第二表面，至少一个所述磁芯孔槽贯穿所述第一表面和第二表面，供至少一个所述边柱穿过；

15、所述第一表贴绕组设置于第一表面，所述第二表贴绕组设置于第二表面，所述内部绕组设置于绕组基板内，所述第一表贴绕组、第二表贴绕组和内部绕组通过所述过孔电连接。

16、优选的，所述第一表贴绕组围绕磁芯孔槽绕制一圈，所述第二表贴绕组围绕磁芯孔槽绕制一圈。

17、优选的，所述内部绕组围绕磁芯孔槽绕制两圈。

18、优选的，所述内部绕组包括第一内部绕组和第二内部绕组，所述第一内部绕组和第二内部绕组位于同一布线层，所述第一内部绕组和第二内部绕组的连接点与所述过孔设置于所述磁芯相对的两侧。

19、本发明另一方面提供了一种功率变换电路，包括一个输入正端、一个输入负端、一个输出正端和两个开关桥臂；

20、每个所述开关桥臂都包括一个上开关、一个中开关和一个下开关，所述上开关、中开关和下开关依次串联电连接，所述上开关和中开关的连接点为上节点，所述中开关和下开关的连接点为下节点；

21、每个所述开关桥臂的上开关都电连接于输入正端，每个所述开关桥臂的下开关都电连接于输入负端；

22、所述功率变换电路还包括一个开关频率，所述开关频率在一个输入电压范围内跟随输入电压线性变化，所述开关频率在另一个输入电压范围内恒定。

23、优选的，所述输入电压小于一个预设值时，所述开关频率跟随输入电压的降低而降低。

24、优选的，还包括两个飞跨电容，一个变压器和一个电感，每个所述飞跨电容分别跨接在一个开关桥臂的上节点和另一个开关桥臂的下节点之间；

25、所述变压器包括两个变压器绕组，所述电感包括一个电感绕组，所述两个变压器绕组的第二端电连接，并于所述电感绕组的第一端电连接，所述两个变压器绕组的第一端分别电连接两个下节点，所述电感绕组的第二端电连接于输出负端；

26、当所述上开关的占空比d≤50％，一个所述开关桥臂的中开关与另一个开关桥臂的上开关同开同关；

27、当所述上开关的占空比d>50％，一个所述开关桥臂的中开关与另一个开关桥臂的下开关同开同关。

28、优选的，所述输入电压大于一个预设值时，所述开关频率跟随输入电压的升高而升高。

29、优选的，还包括一个变压器，一个谐振电容；所述变压器包括一个高压绕组和两个低压绕组；所述高压绕组与所述谐振电容串联跨接于两个上节点之间；所述两个低压绕组的第二端电连接于输出正端，所述两个低压绕组的第一端分别电连接两个下节点。

30、本发明另一方面提供了一种功率变换电路，包括一个输入端、一个输出端、两个电路单元和一个钳位电路；

31、所述两个电路单元的并联电连接于输入端和输出端；每个所述电路单元都包括至少一个开关和至少一个电容；

32、所述钳位电路包括一个吸收电路和一个放电电路，所述吸收电路跨接在至少一个所述开关的两端；所述放电电路的一端电连接所述吸收电路，另一端电连接所述另一电路单元中的所述至少一个电容。

33、优选的，所述吸收电路包括一个吸收二极管和一个吸收电容，所述放电电路包括一个放电二极管，所述放电二极管的一端与吸收电容和吸收二极管电连接，所述放电二极管的另一端与另一电路单元中的至少一个所述电容电连接。

34、优选的，每个所述电路单元都包括一个上开关、一个中开关和一个下开关以及两个开关电容，所述上开关、中开关和下开关依次串联电连接，所述上开关和中开关的连接点为上节点，所述中开关和下开关的连接点为下节点；所述输入端包括一个输入正端和一个输入负端，每个所述开关桥臂的上开关都电连接于输入正端，每个所述开关桥臂的下开关都电连接于输入负端；每个所述飞跨电容分别跨接在一个开关桥臂的上节点和另一个开关桥臂的下节点之间。

35、优选的，所述吸收电路并联于上开关两端，所述吸收电容的一端电连接输入正端，所述吸收电容的另一端电连接所述吸收二极管的正极和所述放电二极管的负极，所述吸收二极管的负极电连接一个所述上节点，所述放电二极管的正极电连接另一电路单元的任一上节点。

36、优选的，所述吸收电路并联于下开关两端，所述吸收电容的一端电连接输入负端，所述吸收电容的另一端电连接所述吸收二极管的负极和所述放电二极管的正极，所述吸收二极管的正极电连接所述下节点，所述放电二极管的负极电连接另一电路单元的另一上节点。

37、本发明另一方面提供了一种功率变换装置，包括一个绕组基板、一个变压器、一个电感和至少一个开关；所述绕组基板包括相对的第一表面和第二表面；

38、所述第一表面包括一个功率电路区、一个变压器区和一个电感区；

39、所述功率电路区、变压器区和电感区按同一方向依序排布；

40、所述至少一个开关设置于功率电路区，所述变压器设置于变压器区，所述电感设置于电感区。

41、优选的，所述第一表面还包括一个输出脚位区，所述电感区设置于输出脚位区和变压器区之间。

42、优选的，所述至少一个开关为下开关，所述下开关设置于功率电路区内邻近变压器区的一侧。

43、优选的，所述变压器包括一个变压器磁芯，所述变压器磁芯包括两个绕线通道、第一绕线通道侧和第二绕线通道侧，所述两个绕线通道都穿过第一绕线通道侧和第二绕线通道侧；所述下开关临近第一绕线通道侧，所述电感区临近第二绕线通道侧。

44、优选的，所述电感包括一个电感磁芯，所述电感磁芯包括两个绕线通道、第一绕线通道侧和第二绕线通道侧，所述两个绕线通道都穿过第一绕线通道侧和第二绕线通道侧；所述变压器区临近第一绕线通道侧，所述输出脚位区临近第二绕线通道侧。

45、本发明另一方面提供了一种功率变换装置，包括一个绕组基板和两个开关桥臂；所述绕组基板包括相对的第一表面和第二表面；所述第一表面包括一个上开关区和一个下开关区；

46、每个所述开关桥臂都包括一个上开关、一个中开关和一个下开关，同一所述开关桥臂中的上开关与中开关电连接于上节点，所述中开关和下开关电连接于下节点；

47、每个所述下开关设置于下开关区，每个所述上开关区设置于上开关区；

48、所述第一表面还包括第一连线和第二连线，所述第一连线穿过同一所述开关桥臂内上开关和下开关在第一表面的投影，所述第二连线穿过另一所述开关桥臂内上开关和下开关的连线，所述第一连线与第二连线相交。

49、优选的，所述第一表面还包括一个中开关区，所述中开关区设置于上开关区和下开关区之间；每个所述开关桥臂的中开关设置于中开关区内。

50、优选的，还包括至少两个飞跨电容，所述第一表面还包括两个飞跨电容区，所述两个飞跨电容区都设置于上开关区和下开关区之间，所述至少两个飞跨电容分别设置于一个飞跨电容区内；所述每个飞跨电容的一端电连接一个所述开关桥臂的上节点，另一端电连接另一个所述开关桥臂的下节点。

51、优选的，所述两个飞跨电容区分别设置于中开关区相对的两侧。

52、优选的，所述功率变换装置还包括一个变压器，所述第一表面还包括一个变压器区，所述变压器设置于所述变压器区，所述变压区邻近所述下开关区设置。

53、本发明另一方面提供了一种功率变换装置，包括一个绕组基板、一个变压器和一个电感；所述绕组基板包括相对的第一表面和第二表面；所述第一表面包括一个变压器区和一个电感区；

54、所述变压器包括一个变压器磁芯和一个变压器绕组，所述变压器磁芯包括两个变压器绕线通道、第一变压器绕线通道侧和第二变压器绕线通道侧，所述两个变压器绕线通道都穿过第一变压器绕线通道侧和第二变压器绕线通道侧，所述变压器绕组穿过所述变压器绕线通道；

55、所述电感包括一个电感磁芯和一个电感绕组，所述电感磁芯包括两个电感绕线通道、第一电感绕线通道侧和第二电感绕线通道侧，所述两个电感绕线通道都穿过第一电感绕线通道侧和第二电感绕线通道侧，所述电感绕组穿过所述电感绕线通道；所述第二变压器绕线通道侧临近第一电感绕线通道侧，所述变压器绕组与电感绕组电连接于绕组连接点，所述绕组连接点位于第二变压器绕线通道侧和第一电感绕线通道侧之间。

56、优选的，所述变压器绕组包括第一表贴绕组、第二表贴绕组和内部绕组，所述第一表贴绕组设置于第一表面，所述第二表贴绕组设置于第二表面，所述内部绕组设置于绕组基板内部。

57、优选的，所述绕组基板包括至少一个磁芯孔槽和至少两个过孔，所述磁芯孔槽贯穿第一表面和第二表面，所述两个过孔用于电连接第一表贴绕组、内部绕组和第二表贴绕组。

58、优选的，所述第一表贴绕组突出于第一表面，所述第二表贴绕组突出于第二表面。

59、本发明的有益效果是：本发明通过两个及以上电路单元并联及错相控制策略减小输入电容的容值；同时通过磁集成技术减小磁性组件的体积；通过器件的布局减小寄生参数，提升电源模块的开关频率；通过在绕组基板表面上设置表贴绕组，减小绕组的寄生电阻。