在四角柱中心有磁柱的低磁芯损耗变压器制造技术

一种用于高传输比和高功率密度应用的低磁芯损耗变压器，可以在磁性金属板之间有五个柱子，包括四个角柱和至少一个中心柱。中心柱提供了一条额外的磁通路径，以减少热量和磁芯损耗并提高效率。通过使多个中心柱有几种对称布置的N走线配置，可以进一步降低磁通密度。低磁芯损耗变压器实现了灵活的电压传输比。该比率可以是偶数或奇数。奇数比设计能够满足未来数据中心提供400伏高分布电源总线的要求。变压器绕组可以是印刷电路板(PCB)上的走线，该电路板集成电子组件用于紧凑和模块化设计。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】在四角柱中心有磁柱的低磁芯损耗变压器
本专利技术涉及一种具有多极的变压器，特别涉及一种五柱变压器。
技术介绍
变压器通常用于功率转换器中以进行电隔离和电压转换。初级绕组匝数与次级绕组匝数之比决定了变压器初级侧和次级侧之间的电压比。图1显示现有技术的用于数据中心的电源架构。三相480伏交流电(AC)功率从AC公用电网330通过高压变压器(XFMR)331降压，以向不间断电源(UPS)340供电，该不间断电源(UPS)340通过AC/DC阶段(stage)342为电池310充电。DC/AC阶段344反转电池电源或将AC电源直接输送到配电单元(PDU，PowerDistributionUnit)326，PDU326在数据中心内输送单相110伏或220伏交流电。电源单元(PSU，PowerSupplyUnit)320使用AC/DC整流器322生成400伏的DC高电压，该电压由DC/DC转换器324降压至12伏，以驱动电源总线346。电源总线346上的12伏DC被分配到几个服务器板310上，其有稳压器312、314、316，以调节它们的输出电压到CPU302、芯片组304和存储器306。但是，在公用电网和终端单元之间有太多的阶段(stage)，这会降低效率。同样，在12伏电源总线346上会有高传导损耗。因此，在图2中提出了更高电压的电源总线。图2显示了使用400伏总线的数据中心电源架构。UPS340进行了修改，以将400伏直流电驱动到电源总线348上。由于400伏电源通过电源总线348被分配给多个服务器板311，对于长距离电力传输不仅减少了电源总线348上的电力传导损耗，而且总效率也得到了提高，因为与图1的现有技术的数据中心电源架构相比，减少了两个阶段322、344。此外，对于400伏电源总线的应用，还降低了成本。每个服务器板311具有DC/DC转换器325，以将来自电源总线348的400伏降压到本地12伏，向服务器板311上的稳压器312、314、316再向每个控制单元302、304、306供电。对该新电源架构的挑战是在有限空间内将DC/DC转换器325放置在服务器板311上。通常，将400伏转换为12伏时，应用于通用隔离式转换器的变压器会非常大。此外，除了初级侧开关晶体管和次级侧整流器之外，支配DC/DC转换器325效率的一个部件是内部变压器。传统的磁芯形状(例如PQ磁芯或RM磁芯)具有大磁芯损耗(coreloss)、大端子损耗和磁芯体积大的缺点。为了解决传统变压器的问题，提出了一种矩阵变压器，该矩阵变压器通过一种对初级侧绕组将每个元件串联连接以及对次级绕组将每个元件并联连接的特殊化绕组方法将传统变压器分成多个小元件，其。例如，在一般的半桥(HB，Half-Bridge)转换器中，从400伏降压到12伏的降压转换，在其变压器中有大约16.7匝。如果将矩阵变压器的绕组设计为在一个元件中初级绕组绕制约2.1匝，次级绕组绕制1匝，则将有八个元件变压器连接在一起，而一个元件初级绕组内4.2匝需要四个元件变压器。即使四芯或八芯的总体积比整个传统变压器小，但在多芯使用中，磁芯损耗会大大增加。另一矩阵变压器将多个芯集成到一个芯中。通过在一个芯中用多个柱替换多个元件变压器，可以减少磁芯损耗。但是，可能会出现匝数比限制问题。磁通量平衡原理会将矩阵变压器中初级绕组比率限制为偶数，而不是奇数。当初级绕组由400伏总线驱动时，偶数匝数比将迫使次级侧的反射电压高于或低于12伏一个不希望的量。或者，对于16:1和18:1的匝数比，会迫使400伏的总线在其他电压下工作，例如384伏或432伏。因此，对于所建议的数据中心电源体系结构，其中电源总线上的400伏特在本地被转换为12伏特，这些矩阵变压器并不是理想的。所期望的是支持奇数匝数比的多元件变压器。也期望有紧凑且模块化的集成芯的多元件变压器。期望有优化磁芯几何形状的并且磁芯损耗最小的多元件变压器。【附图说明】图1显示用于数据中心的现有技术的电源架构。图2显示使用400伏总线的数据中心电源架构。图3是使用低磁芯损耗的五柱变压器的电力变换器的示意图。图4是低磁芯损耗五柱变压器的示意图。图5是低磁芯损耗五柱变压器中的磁通量流的示意图。图6显示低磁芯损耗五柱变压器的初级绕组方向。图7是突出显示产生17:1:1比率的围绕五个柱的初级和次级绕组的示意图。图8是在四个PCB金属层上形成的迹线以实现17:1:1的五柱变压器的示意图。图9是图8的低磁芯损耗五柱变压器的理想化侧视图。图10是突出显示产生16:1:1比率的围绕五个柱的初级和次级绕组的示意图。图11是对金属迹线的修改，以实现偶数匝数比。图12A-12F显示变压器中五个柱的布置的替代方案。图13是变压器中柱的布置的另一变型。图14是变压器绕组匝数-输入电压表。【具体实施方式】本专利技术涉及多芯变压器(multi-coretransformer)的改进。以下描述以使本领域普通技术人员能够制造和使用在特定应用及其要求的上下文中所提供的本专利技术。对本领域技术人员而言，对优选实施例的各种修改将是显而易见的，本专利技术定义的一般原理可以应用于其他实施例。因此，本专利技术并不限于所示和所述的特定实施例，而是应被赋予与本专利技术披露的原理和新颖特征一致的最宽范围。图3是使用低磁芯损耗五柱变压器的电力变换器的示意图。电力变换器100是两个电感器和一个电容器的LLC谐振变换器，在初级侧有半桥晶体管，在次级侧有同步整流器。电力变换器100适合用作DC/DC变换器325(图2)。例如400伏的输入电压施加在晶体管20、22上，它们都通过电容器28连接到一个内部桥节点，该节点连接到变压器50。晶体管20、22可以是高性能功率晶体管、氮化镓(GaN)晶体管、或通用MOS晶体管。晶体管20、22的栅极由开关控制信号驱动，以实现开关模式电源(SMPS，Switched-ModePowerSupply)。变压器50有5个磁芯柱，夹在两个磁性金属板之间。初级绕组串联缠绕在所有五个柱上。电容器28将晶体管20、22的开关节点连接到初级绕组。在一个开关周期的半个周期内，初级侧电流首先流经柱4上的初级绕组64(比率4)，然后流经缠绕在柱1上的初级绕组61(比率1)，然后流经缠绕在柱3上的初级绕组63(比率3)，然后流经缠绕在柱5上的初级绕组65(比率5)，最后流经缠绕在柱2上的初级绕组62(比率2)连接到初级侧地。在下一个半周期内，初级侧电流反向流动。初级侧电流首先流经初级绕组62，然后依次流经绕组65、63、61，最后流经初级绕组64连接到电容器28。次级侧有四个并联的次级绕组，它们并联为两对或两组次级绕组。每对次级绕组仅缠绕五个柱之一。次级绕组52、54缠绕在柱1上，次级绕组56、58缠绕在柱5上。这两个柱1、5具有相同的磁通方向，用于向其他三个中央柱发射或接收磁通量。磁通方向在一个开关周期内会反转两次，取决于初级侧电流方向。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种低磁芯损耗变压器，包括：/n上磁性金属板；/n平行于所述上磁性金属板的下磁性金属板；/n由磁性金属制成的多个柱，所述多个柱位于所述上磁性金属板和所述下磁性金属板之间；/n所述多个柱中的第一磁通发射柱，其位于第一角位置；/n所述多个柱中的第一磁通接收柱，其位于第二角位置；/n所述多个柱中的第二磁通发射柱，其位于第三角位置；/n所述多个柱中的第二磁通接收柱，其位于第四角位置；/n所述多个柱中的中心磁通接收柱，其位于中心位置；/n其中所述中心位置位于所述第一角位置和所述第三角位置之间的直线的中间；/n其中所述中心位置位于所述第二角位置和所述第四角位置之间的直线的中间；/n初级绕组，其以顺时针方向缠绕每个磁通接收柱多次，以及以逆时针方向缠绕每个磁通发射柱多次；/n第一次级绕组，其缠绕在所述第一磁通发射柱周围；/n第三次级绕组，其缠绕在所述第二磁通发射柱周围。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20191016 US 16/654,1541.一种低磁芯损耗变压器，包括：
上磁性金属板；
平行于所述上磁性金属板的下磁性金属板；
由磁性金属制成的多个柱，所述多个柱位于所述上磁性金属板和所述下磁性金属板之间；
所述多个柱中的第一磁通发射柱，其位于第一角位置；
所述多个柱中的第一磁通接收柱，其位于第二角位置；
所述多个柱中的第二磁通发射柱，其位于第三角位置；
所述多个柱中的第二磁通接收柱，其位于第四角位置；
所述多个柱中的中心磁通接收柱，其位于中心位置；
其中所述中心位置位于所述第一角位置和所述第三角位置之间的直线的中间；
其中所述中心位置位于所述第二角位置和所述第四角位置之间的直线的中间；
初级绕组，其以顺时针方向缠绕每个磁通接收柱多次，以及以逆时针方向缠绕每个磁通发射柱多次；
第一次级绕组，其缠绕在所述第一磁通发射柱周围；
第三次级绕组，其缠绕在所述第二磁通发射柱周围。


2.根据权利要求1所述的低磁芯损耗变压器，还包括：
第二次级绕组，其绕所述第一磁通发射柱一圈；
第四次级绕组，其绕所述第二磁通发射柱一圈；
其中所述第一和第三次级绕组分别绕一匝；
印刷电路板(PCB)，其金属层被图案化以形成金属走线，所述PCB上的所述金属走线形成所述初级绕组；
其中所述PCB位于所述上磁性金属板和所述下磁性金属板之间；
其中所述多个柱穿过所述PCB中的孔安装。


3.根据权利要求2所述的低磁芯损耗变压器，其中所述PCB正好有四个金属层，其中所述初级绕组布置在所述四个金属层中的两个金属层上，其中所述第一次级绕组和第三次级绕组形成在所述四个金属层的第一层上，其中所述第二次级绕组和第四次级绕组形成在所述四个金属层的第四层上，
其中，所述第一金属层和第四金属层位于PCB的表面附近，而所述初级绕组布置在所述四个金属层中的两个金属层上，所述两个金属层是所述第一金属层和第四金属层之间的内部金属层。


4.根据权利要求3所述的低磁芯损耗变压器，其中所述第一、第二、第三、第四次级绕组分别不完全缠绕在磁通发射柱的周围，其中在所述第一、第二、第三、第四次级绕组中的每一个上均形成有切口，所述切口有一个与所述次级绕组通过第一间隙和第二间隙分开的切口金属节点；对于所述第一、第二、第三和第四次级绕组中的每一个还包括：
晶体管，安装成跨过所述第一间隙耦接；
电容器，安装成跨过所述第二间隙耦接；
其中，当所述变压器将电流感生到所述次级绕组中时，所述晶体管和电容器是同步整流器的一部分。


5.根据权利要求2所述的低磁芯损耗变压器，其中所述第一、第二、第三和第四角位置形成一个平行四边形，所述中心位置位于所述平行四边形的中心。


6.根据权利要求5所述的低磁芯损耗变压器，其中所述上磁性金属板和下磁性金属板延伸超过所述第一、第二、第三和第四角位置。


7.根据权利要求2所述的低磁芯损耗变压器，其中每个磁通发射柱的截面积比每个磁通接收柱的截面积大至少50％。


8.根据权利要求2所述的低磁芯损耗变压器，其中所述初级绕组依次缠绕在所述第二磁通接收柱周围，然后在所述第一磁通发射柱周围，然后在所述中心磁通接收柱周围，然后在所述第二磁通发射柱周围，最后在所述第一个磁通接收柱周围。


9.根据权利要求2所述的低磁芯损耗变压器，其中所述初级绕组缠绕所述第一磁通发射柱周围四匝，绕所述第二磁通发射柱四匝，绕所述第一磁通接收柱三匝，绕所述第二磁通接收柱三匝，绕所述中心绕磁通接收柱三匝；其中所述初级绕组共有十七匝，每个次级绕组仅一匝，匝数比为17：1。


10.根据权利要求2所述的低磁芯损耗变压器，其中所述初级绕组缠绕所述第一磁通发射柱周围四匝，绕所述第二磁通发射柱四匝，绕所述第一磁通接收柱三匝，绕所述第二个磁通接收柱三匝，绕所述中心磁通接收柱两匝，其中所述初级绕组共十六匝，每个次级绕组仅一匝，匝数比为16：1。


11.一种低磁芯损耗五柱式磁芯，包括：
顶部磁性金属板，用于传导磁通；
底部磁性金属板，用于传导磁通；
左上磁性金属柱，用于将磁通从所述底部磁性金属板传导到所述顶部磁性金属板中；
右上磁性金属柱，用于将磁通从所述顶部磁性金属板传导到所述底部磁性金属板中；
中心磁性金属柱，用于将磁通从所述顶部磁性金属板传导到所述底部磁性金属板中；
左下磁性金属柱，用于将磁通从所述顶部磁性金属板传导到所述底部磁性金属板中；
右下磁性金属柱，用于将磁通从所述底部磁性金属板传导到所述顶部磁性金属板中；
其中所述中心磁性金属柱位于所述顶部和底部磁性金属板之间，并且位于所述左上磁性金属柱、所述右上磁性金属柱、所述左下磁性金属柱、所述右下磁性柱之间的一个中心位置上；
其中从所述中心磁性金属柱到所...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐良杰，刘燕，王硕望，
申请(专利权)人：香港应用科技研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：中国香港;81