具有集成变换器的开关转换器电路制造技术

本发明专利技术涉及具有集成变换器(1)的开关转换器电路，其中变换器(1)具有带EI磁芯几何结构的双环磁结构，其中一次和二次绕组(3，4)并排放置在磁芯(2)的E部分(9)的中心分支(5)上，空气隙(6)放置在中心分支(5)的自由端与磁芯(2)的I部分(8)之间的一次绕组(3)的远端(7)。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】本专利技术涉及用于例如DC-DC转换器等的这类应用的具有集成变换器的开关转换器电路。电子开关模式DC-DC转换器通过暂时存储输入能量并且然后将那个能量释放到不同电压的输出，将一个DC电压电平转换成另一个。存储可以是在例如变换器等的磁场存储组件中。在磁DC-DC转换器中，能量周期地存储到电感器或变换器的磁场中并且从其释放(通常在从300kHz到10MHz的范围中)。通过调整充电电压的占空比(其是通/断时间的比率)，能够控制所传递的功率量。基于变换器的转换器可提供输入与输出之间的隔离。这些电路是开关模式电源的核心。谐振转换器、例如LLC转换器作为具有普遍应用的有效DC-DC功率转换级而受到欢迎。为了降低材料成本并且使转换器体积为最小，功率级的谐振扼流圈作为集成实体设计到主变换器中，从而形成所谓的集成变换器，因此与需要物理谐振扼流圈的分立解决方案相比减少部件数。基于给定功率携带能力和电气设计限制的具有最小化磁芯和铜损耗的集成变换器的设计产生保持目标损耗指标所需的优化铁氧体磁芯尺寸和铜截面面积。优化磁芯尺寸和体积还暗示可用于铜绕组的固定绕组面积。US5790005示出一种开关转换器电路，其包括磁性材料的单环磁芯、通过在所述单环磁芯的相对分支上卷绕电感器宽松耦合的串联输入和串联输出所述电感器，所述分支中只有一个分支具有有效总间隙，所述输入和输出电感器具有相同匝数以获得所述输出绕组中的零纹波电流。在一次与二次绕组之间的这个单环磁芯中存在相当长的磁芯长度，从而引起仍然显著的磁芯损耗。其他现有技术解决方案将空气隙定位在双环磁结构的中心分支长度中，通常在具有标准对称E磁芯的中间，从而在空气隙附近引起绕组(其通常由铜制成)中的高铜损耗。这个布置对于给定匝数还降低一次与二次绕组之间的耦合因数k，这可通过二次线匝短路的情况下在一次线匝所测量的高泄漏电感来观察。这个泄漏电感基本上是特意集成到磁组件中的谐振电感。解决绕组中因空气隙边缘通量引起的铜损耗的现有技术解决方案将铜绕组保持为远离间隙区域或者延长磁芯长度以使得铜绕组能够放置在远离空气隙的充分距离以保持效率。两者均损害优化变换器设计。第一种将强制铜绕组截面积的减小，以便为空气隙平衡留有空间，因而增加铜绕组损耗指标，并且还使对密集卷绕绕组的制造过程复杂化。第二方式通过延长平衡所需的磁芯长度而增加磁芯损耗。此外，增加磁芯长度增加有效磁路长度，其对目标紧凑设计所需的AC磁芯几何因数具有直接负面影响。AC磁芯几何因数是用来评估变换器磁芯的功率操控能力的品质因数，包括对预计设计的AC磁芯损耗的考虑因素。考虑到现有技术，本专利技术的目的是提供一种具有降低损耗和减小转换器尺寸、具有集成变换器的开关转换器电路。此目的通过如权利要求1所述的具有集成变换器的开关转换器电路来实现。按照本专利技术，变换器具有带E-I磁芯几何结构的双环磁结构，其中一次和二次绕组并排放置在磁芯的E部分的中心分支上，其中空气隙放置在中心分支的自由端与磁芯的I部分之间的一次绕组的远端。按照本专利技术的优选实施例，开关转换器电路包括磁性材料的双环磁芯，具有相结合以形成共享两个环路所共有的一个中心分支的框架状结构的磁性材料的两个单环，唯一的空气隙定位在中心分支的自由端与框架状结构之间，还包括一次绕组和二次绕组，所述一次和二次绕组通过将所述绕组卷绕在中心分支上耦合。按照本专利技术的有利实施例，一次绕组卷绕在所述中心分支上靠近空气隙的段中，其中二次绕组卷绕在所述中心分支上远离空气隙的远端的段中。一次绕组定位在空气隙与二次导体绕组之间的中心分支上。通过将空气隙放置在一次绕组编组的远侧的本专利技术的所提出实施例实现减少优化匝数的集成变换器动作所需的泄漏电感并且同时减少一次与二次绕组之间的有效磁芯长度的重要可能性。低泄漏电感则能够与较大谐振电容器耦合，以降低相同功率处理等级的电压应力，同时保持高开关频率以使磁设计保持紧凑。低泄漏电感还意味着一次与二次绕组编组之间的较高耦合因数，因而防止一次上的附加线匝的进一步增加，以补偿宽松耦合变换器(其会进一步增加铜损耗)。本专利技术提供优化损耗并且降低转换器尺寸的解决方案，其关注采用双环磁结构所实现的所述功率转换级中的集成变换器，例如通过E结构磁芯或E-I磁芯的组合所形成的集成变换器，即，一次绕组占据中心分支结构，其中二次绕组与其并排。本专利技术使绕组区域利用率保持为较高，而没有损害针对磁芯和铜损耗已经优化的变换器设计，因而使组件能够保持为紧凑，并且使因空气隙附近的边缘通量引起的损耗(其是现有技术解决方案中的问题)为最小。按照本专利技术的有利实施例，中心分支具有圆形截面轮廓。按照本专利技术的有利实施例，中心分支具有矩形或正方形截面轮廓。按照本专利技术的有利实施例，磁芯由铁素体材料来制成。按照本专利技术的有利实施例，磁芯由叠层金属板布置来制成。按照本专利技术的有利实施例，磁芯的中心分支的直径或几何外形尺寸大于空气隙的宽度，在另一个有利实施例中优选地大于空气隙的宽度的五倍。按照本专利技术的有利实施例，磁芯的中心分支的长度大于空气隙的宽度，在另一个有利实施例中优选地大于空气隙的宽度的五倍。根据上述描述和附图，本专利技术的以上及其他特征和优点将变得更显而易见，附图包括：图1示出按照本专利技术、具有EI磁芯结构的变换器配置。集成变换器1具有磁性材料的双环磁芯2。双环磁芯2由共用一个中心分支5的两个单环10、11组成。因此，第一环路10由第一长分支12、两个短分支14a和15a以及中心分支5来组成。中心分支5连接到第一环路10的短分支其中之一、在这里的示例中为右侧短分支14a。第二环路由第二长分支13、两个短分支14b和15b以及相同中心分支5来组成。中心分支5还连接到第二环路的短分支其中之一、在这里的示例中为右侧短分支14b。第一和第二环路的两个右侧短分支14a和14b连接在其窄边，如第一和第二环路10、11的左侧短分支15a和15b那样。因此来看图1的两个环路的组成，磁芯具有矩形框架或者框架状结构的总截面轮廓，其中中心分支5从矩形框架的短边之一(由短分支14a、14b所组成的边)朝矩形框架的相对短边8伸出，短边由短分支15a、15b所组成。但是，中心分支没有延伸到第二短边，而是在其自由前端与由短分支15a、15b所组成的第二短边8之间留下小空气隙。因此，中心分支5是两个环路10、11共有的。集成变换器1还具有一次绕组3和二次绕组4。一次和二次线圈绕组3、4通过被卷绕在中心分支5上耦合。只有中心分支5形成与矩形框架状结构的相对短边8的总空气隙6。一次绕组3卷绕在中心分支5上靠近空气隙6的段中，在这里的图1的示例中卷绕在中心分支5中靠近空气隙6的左边部分。二次绕组4卷绕在中心分支5上远离空气隙6的远端的段中，在这里的图1的示例中卷绕在中心分支5中远离空气隙的右边部分。因此，一次绕组3定位在空气隙6与二次绕组4之间。图1的示例中的一次和二次绕组3、4示范地示为各具有三个环路3a、3b、3c、4a、4b、4c，即，各具有相等数量的环路。当然也可多于或少于三个绕组，并且一次绕组3当然也可具有比二次绕组4更多或更少的环路。换言之，并且来看图1中采用不同视图所示的变换器1，变换器1具有带E-I磁芯几何结构的双环磁结构，其中通过右边短分支14a、14b和中心分支5的组本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有集成变换器(1)的开关转换器电路，其中，所述变换器(1)具有带EI磁芯几何结构的双环磁结构，其中一次和二次绕组(3，4)并排放置在所述磁芯(2)的E部分(9)的中心分支(5)上，其中空气隙(6)放置在所述中心分支(5)的自由端与所述磁芯(2)的I部分(8)之间的所述一次绕组(3)的远端(7)。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.05.28 EP 14001855.71.一种具有集成变换器(1)的开关转换器电路，其中，所述变换器(1)具有带EI磁芯几何结构的双环磁结构，其中一次和二次绕组(3，4)并排放置在所述磁芯(2)的E部分(9)的中心分支(5)上，其中空气隙(6)放置在所述中心分支(5)的自由端与所述磁芯(2)的I部分(8)之间的所述一次绕组(3)的远端(7)。2.一种开关转换器电路，包括磁性材料的双环磁芯(2)，具有相结合以形成共享两个环路(10，11)所共有的一个中心分支(5)的框架状结构的磁性材料的两个单环(10，11)，唯一的空气隙定位在所述中心分支(5)的自由端与所述框架状结构之间，还包括一次绕组(3)和二次绕组(4)，所述一次和二次绕组(3，4)通过将所述绕组(3，4)卷绕在所述中心分支(5)上而耦合。3.如权利要求2所述的开关转换器电路，其中，所述一次绕组(3)卷绕在所述中心分支(5)上靠近所述空气隙(6)的段中。4.如权利要求3所述的开关转换器电路，其中，所述二次绕组(4)卷绕在...

【专利技术属性】
技术研发人员：R韦，
申请(专利权)人：ABB股份公司，
类型：发明
国别省市：德国;DE