具有平面变压器的基于GaN的开关模式电力供应器制造技术

提供一种开关模式电力供应器。所述电力供应器包含具有基于GaN的功率半导体晶体管和平面变压器的反激转换器。所述平面变压器包含磁芯以及初级和次级平面线圈绕组。所述磁芯具有被配置成接纳所述初级和次级平面线圈绕组的上部芯体和下部芯体。所述下部芯体具有至少三个突起，包含两个外围突起，以及被所述初级和所述次级平面线圈绕组环绕的中心突起。所述中心突起和所述两个外围突起具有相同高度，使得当所述两个外围突起接触所述上部芯体时，所述下部芯体的所述中心突起和所述上部芯体之间不存在气隙。所述中心突起由铁粉制成，且所述两个外围突起由铁氧体材料制成。两个外围突起由铁氧体材料制成。两个外围突起由铁氧体材料制成。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有平面变压器的基于GaN的开关模式电力供应器


[0001]本专利技术大体上涉及基于GaN的开关模式电力供应器。更具体来说，本专利技术涉及具有展现改进的电和磁特性的平面变压器的基于GaN的开关模式电力供应器。

技术介绍

[0002]开关模式电力供应器越来越多地在AC到DC功率转换器中以及电池充电应用(移动电子器件、电动车辆)中使用。开关模式电力供应器以转变过程中花费最少时间在完全接通和完全断开状态之间切换，这减少能量损耗。切换可在达到几MHz的高频率下发生；因此，可使用较小变压器和其它组件(例如，电容器、电感器)，从而允许减小电力供应器和功率转换器的总占用面积。
[0003]一种用于减小开关模式电力供应器中的变压器的大小的技术是通过使用平面变压器。在平面变压器中，变压器线圈通常使用印刷电路技术沉积在衬底上。线圈被配置成环绕磁芯以升高磁通量的水平。对于某些类型的开关模式电力供应器，使用带间隙的磁芯来避免电感饱和。然而，气隙可能导致漏磁通量线通过变压器线圈，使得生成涡流损耗，且系统效率降低。因此，在此项技术中需要具有拥有改进的磁和电特性的改进的平面变压器的改进的基于GaN的开关模式电力供应器。

技术实现思路

[0004]根据本公开的一个方面，提供一种开关模式电力供应器。所述电力供应器包含具有基于GaN的功率半导体晶体管和平面变压器的反激转换器。所述平面变压器包含磁芯以及初级和次级平面线圈绕组。磁芯具有被配置成接纳初级和次级平面线圈绕组的上部芯体和下部芯体。下部芯体具有至少三个突起，包含两个外围突起，以及被初级和次级平面线圈绕组环绕的中心突起。中心突起和两个外围突起具有相同高度，使得当两个外围突起接触上部芯体时，下部芯体的中心突起和上部芯体之间不存在气隙。中心突起由铁粉制成，且所述两个外围突起由铁氧体材料制成。
[0005]通过用铁粉制造磁芯的中心突起，不需要上部和下部芯体之间的气隙来避免电感饱和。因此，避免了漏磁通量线，且系统效率得以改进。
附图说明
[0006]图1描绘根据一实施例的具有反激转换器的开关模式电力供应器；
[0007]图2是可在图1的电力供应器中使用的平面变压器的横截面侧视图；
[0008]图3是图2的平面变压器的透视图；
[0009]图4描绘根据一实施例的具有有源箝位反激转换器的开关模式电力供应器。
具体实施方式
[0010]在以下描述中，将阐述本公开的优选实例作为应被视为说明性而非限制性的实施
例。可省略特定细节以免使本公开模糊不清；然而，编写本公开是为了使所属领域的技术人员能够在不进行不当实验的情况下实践本文中的教示。
[0011]具体参看各图，图1是包含反激转换器配置的根据一实施例的开关模式电力供应器10。电力供应器10包含基于GaN的功率半导体晶体管110，其为电路的总开关。晶体管110以极高频率(高达兆赫兹范围)接通和断开。当基于GaN的开关晶体管110处于“接通”状态时，其传导电流；因此，跨晶体管110的电压降处于其最小值。在“断开”状态中，没有电流流经晶体管110。此切换形成高频率AC中介。当开关模式电力供应器用作AC到DC转换器时，AC经整流以产生所要DC输出。或者，可使用DC输入，且输出DC可逐步上升或逐步下降。
[0012]图1的开关模式电力供应器具有反激转换器配置。反激转换器是可取决于工作循环产生大于或小于输入电压的输出电压的一种类型的降压
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升压转换器。反激转换器配置包含用于使供应到变压器的输入电压移位的箝位电路。箝位电路可包含：箝位电容器137，其一端电连接到输入电压供应；电阻器138，其并联连接到箝位电容器137；以及箝位二极管135，其阴极电连接到箝位电容器137的另一端且其阳极电连接到初级绕组。
[0013]当基于GaN的开关晶体管110闭合/关闭时，变压器100的初级线圈190(如图2所示)直接连接到输入电压源107。变压器中的初级电流和磁通量增加。因此，能量存储在变压器100中。次级线圈192中的感应电压将为负。电容器120将能量供应到输出负载130。当基于GaN的开关晶体管断开/开启时，初级电流和磁通量下降。次级电压为正，且电流从变压器100流动并为电容器120再充电。
[0014]为了增加开关模式电力供应器10的效率，提供图2的变压器。在图2的变压器中，通过磁芯部分的配置对磁通量线进行整形，如在下文进一步详细论述。磁通量线避开初级和次级线圈以便当磁通量线通过线圈时(如图3A中所见)减少初级和次级线圈中的损耗。变压器100包含磁芯，其包含上部芯体150和下部芯体160。下部芯体包含三个突起：两个外围突起170和一个中心突起180。中心突起和两个外围突起170具有相同高度，使得当两个外围突起接触上部芯体172时，下部芯体180的中心突起和上部芯体之间不存在气隙。
[0015]在一些实施例中，中心突起180由铁粉制成，且两个外围突起170由铁氧体材料制成。
[0016]环绕中心突起180的是初级平面线圈190和次级平面线圈192。平面线圈190和192可以是使用印刷电路技术沉积在例如印刷电路板196(如图3所展示)或聚合物衬底等衬底上的金属线(例如，铜、镍)。然而，任何技术可用于形成平面金属线圈190和192。在图2中展示的配置中，初级线圈190在上侧和下侧由次级线圈192环绕；还可使用其它布置。替代性布置包含交替的初级线圈和次级线圈，或一组一个或多个初级线圈定位成邻近于一组一个或多个次级线圈。每一元件190和192可以是布置成平面螺旋形式的一组并排线圈的一部分，如图3中较清楚地看到。
[0017]图3是具有安置在衬底196上的初级线圈190(图3中不可见)和次级线圈192的图2的平面变压器的透视图。线圈中的每一个安置于环绕中心突起180的螺旋形配置中，使得多条金属线处于初级和次级线圈层中的每一个中的共面配置中。应注意，取决于绕组的选定数目，可在图3中使用更多或更少的初级和次级线圈层。其它任选的层(未图示)可提供屏蔽或绝缘或其它电组件。
[0018]图4是根据本专利技术的另一实施例的包含有源箝位反激转换器配置的开关模式电力
供应器20。具有有源箝位反激转换器20的电力供应器不同于图1的具有反激转换器10的电力供应器之处在于，开关212(其可以是基于GaN的功率半导体晶体管)代替箝位二极管135。在图4的有源箝位反激转换器中，来自变压器200的漏感的能量被重复使用且供应到负载230。这增加开关模式电力供应器210的效率。电容器220交替地存储来自变压器200的能量且将能量供应到输出负载230，如上文图1的实施例中。
[0019]在图4的具有有源箝位反激转换器的电力供应器中，跨总开关215(基于GaN的晶体管)的峰值电压可减小；因此，导通电阻和传导损耗可减小。图4的电路中的电磁干扰也减少。
[0020]工业适用性：
[0021]本专利技术的开关模式电力供应器可在AC
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DC转换器、DC
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种开关模式电力供应器，其特征在于，包括：反激转换器，其包含：基于GaN的功率半导体晶体管；平面变压器，其包含磁芯以及初级和次级平面线圈绕组；其中：所述磁芯包含被配置成接纳所述初级和次级平面线圈绕组的上部芯体和下部芯体；所述下部芯体具有至少三个突起，包含两个外围突起，以及被所述初级和次级平面线圈绕组环绕的中心突起；所述中心突起和所述两个外围突起具有相同高度，使得当所述两个外围突起接触所述上部芯体时，所述下部芯体的所述中心突起和所述上部芯体之间不存在气隙；所述中心突起由铁粉制成，且所述两个外围突起由铁氧体材料制成。2.根据权利要求1所述的开关模式电力供应器，其特征在于，所述初级和次级平面线圈绕组安置在一个或多个平面衬底上。3.根据权利要求2所述的开关模式电力供应器，其特征在于，所述一个或多个平面衬底包含一个或多个印刷电路板。4.根据权利要求1所述的开关模式电力供应器，其特征在于，所述初级平面线圈绕组在上侧和下侧由次级线圈绕组环绕。5.根据权利要求1所述的开关模式电力供应器，其特征在于，所述反激转换器进一步包含用于使供应到所述变压器的输入电压移位的箝位电路。6.根据权利要求1所述的开关模式电力供应器，其特征在于，所述反激转换器进一步包含用于在断开状态中存储来自所述变压器的功率的输出电容器。7.根据权利要求1所述的开关模式电力供应器，其特征在于，所述反激转换器进一步包含初级开关，所述初级开关电耦合到所述初级平面线圈绕组且经切换以允许或阻止电流流经所述初级平面线圈绕组。8.根据权利要求1所述的开关模式电力供应器，其特征在于，所述反激转换器进一步包含同步整流器，所述同步整流器电耦合到所述次级平面线圈绕组且经切换以允许或阻止电流流经所述次级平面线圈绕组。9.一种电子装置充电器，其特征在于，包含根据权利要求1所述的开关模式电力供应器。10.根据权利要求9所述的电子装置充电器，其特征在于，所述初级和次级平面线圈绕组安置在一个或多个平面衬底上。11.根据权利要求10所述的电子装置充电器，其特征在于，所述一个或多个平面衬底包含一个或多个印刷电路板。12.根据权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：邹艳波，杜发达，陈钰林，汤超，
申请(专利权)人：英诺赛科深圳半导体有限公司，
类型：发明
国别省市：