一种磁集成矩阵变压器及隔离型DC/DC变换器制造技术

本发明专利技术公开一种磁集成矩阵变压器及隔离型DC/DC变换器，属于电力电子技术领域。该磁集成矩阵变压器包括磁芯、原边绕组、副边绕组和整流单元，所述磁芯设有底座，底座上形成有中柱和至少三个边柱；磁芯上至少绕有一个副边绕组，每个副边绕组至少绕制在两个相邻边柱上，所述中柱用于绕制原边绕组。本发明专利技术在不改变磁芯的前提下灵活配置变压器副边绕组结构，实现任意变压器匝比和任意副边路数输出，既能减小变压器的体积重量，提高变换器的功率密度，又能适应不同工作场合下变换器的频率范围需求，使磁件具备灵活性与通用性。同时，变压器的副边绕组呈正交形式布置时兼具均流作用，还能利用包覆在磁芯外的金属壳实现良好的散热效果。用包覆在磁芯外的金属壳实现良好的散热效果。用包覆在磁芯外的金属壳实现良好的散热效果。

【技术实现步骤摘要】
一种磁集成矩阵变压器及隔离型DC/DC变换器


[0001]本专利技术涉及一种磁集成矩阵变压器，以及基于该磁集成矩阵变压器的隔离型DC/DC变换器，属于电力电子


技术介绍

[0002]随着电力电子技术的发展与高频半导体器件的进步，开关变换器向着高频化、集成化与模块化的方向发展。高频率、高效率、高功率密度及集成化是开关变换器的发展趋势。同时，由于数据中心电源、高动态响应电源等的需求不断增加，开关变换器同时也向着低压大电流的应用方向发展。传统的变压器已难以满足小型化与高功率密度的需求，为了提高此类变换器的效率和功率密度，同时减小器件并联带来的不均流等问题，输入绕组串联、输出绕组并联的矩阵变压器在隔离型DC/DC变换器如LLC谐振变换器、移相全桥变换器等中，得到广泛应用。
[0003]由于开关变换器小型化的需求，提高开关频率是减小变换器无源器件体积及重量，进而提高其功率密度的有效手段之一。但提高频率一方面增加了额外的损耗，另一方面降低了磁芯的利用率。此外，若变换器工作在较宽的频率范围内，又会带来变压器尺寸较大的问题。因此目前的矩阵变压器设计往往不能兼顾变换器高频小尺寸与高效率的需求。考虑到磁元件是限制变换器效率和功率密度的关键，磁集成技术便成为了降低磁件损耗，减小变换器体积重量的有效途径。
[0004]磁集成矩阵变压器，如D. Huang, S. Ji, F. C. Lee, "LLC Resonant Converter With Matrix Transformer", IEEE
‑r/>TPE, 2014 pp. 4339
‑
4347将多个分离的磁芯集成为单个集成磁芯，充分利用变压器的磁芯结构以及绕组结构，基于定制化的磁芯对磁芯结构进行重构与优化，实现在一个磁芯中集成变压器。然而，此类磁集成矩阵变压器方案的用铁量多，损耗较大。同时，现有的磁集成矩阵变压器属于定制化产品，按照某种增益和频率范围指标设计完成后便不能进行变动，灵活度不够，通用性不强。当变换器应用在不同的工作场合，变换器设计指标如变压器匝比或副边路数发生改变时，则需要重新设计并定制新的磁件。不但设计流程复杂，且时间耗费较多。S. Wang, H. Wu, F. C. Lee, et al.“Integrated Matrix Transformer with Optimized PCB Winding for High
‑
Efficiency High
‑
Power
‑
Density LLC Resonant Converter”, IEEE
‑
TPE,2017 pp.9072
‑
9082在低压大电流LLC谐振变换器中采用四圆磁柱结构磁芯对矩阵变压器进行磁件集成，减小了变压器磁损，但此类集成方式下变压器原、副边绕组需要围绕磁柱依次匝链，磁芯整体平面尺寸与变压器绕组的占板面积改善不明显，且其原边绕组路径及电阻相对较大。
[0005]除了集成磁芯的设计自由度、整体尺寸、体积重量以及变压器原副边绕组的铜损仍有优化空间外，被集成单元的均流特性也需要充分考虑以保证变压器磁通均衡、无集中热点。目前的磁集成矩阵变压器，大多采用印刷电路板（PCB）内紧凑的铜箔代替传统功率变压器的圆铜线，这可以减小功率变压器的体积，同时减小高频下绕组的交流损耗。然而，当变压器副边PCB绕组有多路输出时，无论是磁路不对称、绕组参数不一致还是副边多并联情
况，均会给变换器带来均流问题。与此同时，当变压器集成度进一步提高后，优良的散热性能也是确保集成磁变换器能够稳定运行并走向实用的必要条件，而现有的集成磁变换器，仍然会受温升的限制。

技术实现思路

[0006]本专利技术目的在于针对现有的隔离型DC/DC变换器中矩阵变压器灵活性不佳且缺乏通用性的问题，提供一种磁集成矩阵变压器结构。
[0007]本专利技术另一目在于提供一种隔离型DC/DC变换器。
[0008]本专利技术的具体技术方案如下：一种磁集成矩阵变压器，包括磁芯、原边绕组、副边绕组和整流单元，所述磁芯设有底座，底座上形成有中柱和至少三个边柱；磁芯上至少绕有一个副边绕组，每个副边绕组至少绕制在两个相邻边柱上，每个边柱上至少被一个副边绕组绕制，所述中柱用于绕制原边绕组，所述磁芯和绕制在边柱上的副边绕组形成变压器组件；所述磁集成矩阵变压器由两个结构相同的所述变压器组件拼合而成，两个变压器组件相互之间旋转90
°
或180
°
错位组合，组合后两者的中柱对正相接，各边柱对正相接，至少一组对正相接的边柱同时被两个副边绕组绕制；所述原边绕组绕制在一个磁芯的中柱上，或同时绕制在两个磁芯的中柱上。
[0009]进一步地，所述磁芯上的各边柱为圆柱或多棱柱，并位于以中柱为圆心的同心圆上或中柱为中心的正多边形上。
[0010]进一步地，所述每个副边绕组绕制边柱的数量相同。
[0011]进一步地，所述整流单元为全波整流时，磁芯上的每一个或两个副边绕组经整流单元形成一路输出；所述整流单元为全桥整流时，磁芯上的每两个副边绕组经整流单元形成一路输出。
[0012]进一步地，两组变压器组件的外部包覆有金属壳，所述金属壳与变压器组件之间设有导热绝缘垫，金属壳和变压器组件或整流单元中与输出电压V
o
等电位的出线端相连，形成副边电流的闭合路径。
[0013]进一步地，磁芯中，中柱的有效导磁面积为A
e_c
，单个边柱的有效导磁面积为A
e_s
，磁集成矩阵变压器的原副边匝比为N
p /N
s
，原边绕组围绕中柱绕制的圈数为n
pt
，单个副边绕组围绕m
s
个边柱绕制的圈数为n
sq
，则原副边匝比满足以下关系式：。
[0014]进一步地，原边绕组和副边绕组采用平面型绕组或者卷绕式绕组。
[0015]进一步地，所述磁芯选用铁氧体、微晶、超微晶或坡莫合金制成；所述金属壳选用铝合金、银、金或铜材制成；所述原、副边绕组具体采用铜线、利兹线、PCB绕组或铜箔。
[0016]一种隔离型DC/DC变换器，使用上述磁集成矩阵变压器结构，通过改变磁集成矩阵变压器副边绕组数量、副边绕组绕制边柱数量，或改变磁芯上边柱的数目，用以调整隔离型DC/DC变换器的输出增益，或拓宽的开关频率范围，或减小磁芯尺寸。
[0017]该变压器的副边绕组数量、副边绕组绕制边柱数量和有效导磁面积可以根据变压
器任意匝比或副边任意路数输出的需求灵活配置，既能减小磁件的体积重量，又能适应不同工作场合下变换器的频率范围需求，调整变换器的输出增益，使矩阵变压器具备灵活性与通用性。
[0018]本专利技术的磁集成矩阵变压器，适用于含有原边串联、副边多路并联矩阵变压器的隔离型DC/DC变换器如LLC谐振变换器、移相全桥变换器等中，副边整流电路可以采用全桥整流本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种磁集成矩阵变压器，包括磁芯、原边绕组、副边绕组和整流单元，其特征在于：所述磁芯设有底座，底座上形成有中柱和至少三个边柱；磁芯上至少绕有一个副边绕组，每个副边绕组至少绕制在两个相邻边柱上，每个边柱上至少被一个副边绕组绕制，所述中柱用于绕制原边绕组，所述磁芯和绕制在边柱上的副边绕组形成变压器组件；所述磁集成矩阵变压器由两个结构相同的所述变压器组件拼合而成，两个变压器组件相互之间旋转90
°
或180
°
错位组合，组合后两者的中柱对正相接，各边柱对正相接，至少一组对正相接的边柱同时被两个副边绕组绕制；所述原边绕组绕制在一个磁芯的中柱上，或同时绕制在两个磁芯的中柱上。2.根据权利要求1所述磁集成矩阵变压器，其特征在于：所述磁芯上的各边柱为圆柱或多棱柱，并位于以中柱为圆心的同心圆上或中柱为中心的正多边形上。3.根据权利要求2所述磁集成矩阵变压器，其特征在于：所述每个副边绕组绕制边柱的数量相同。4.根据权利要求1
‑
3任一所述磁集成矩阵变压器，其特征在于：所述整流单元为全波整流时，磁芯上的每一个或两个副边绕组经整流单元形成一路输出；所述整流单元为全桥整流时，磁芯上的每两个副边绕组经整流单元形成一路输出。5.根据权利要求4所述磁集成矩阵变压器，其特征在于：两组变压器组件的外...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈乾宏，陈俊杰，朱俊辉，徐幸灿，张斌，柯光洁，徐立刚，温振霖，任小永，张之梁，
申请(专利权)人：江苏展芯半导体技术有限公司，
类型：发明
国别省市：