用于多路输出反激式变换器的平面变压器磁芯及制造方法技术

用于多路输出反激式变换器的平面变压器磁芯及制造方法，包括五个磁柱、上磁盖和下磁盖；五个磁柱设置在上磁盖和下磁盖之间，且五个磁柱排列位置构成X型；每个磁柱均用于构成磁路闭合，且磁通在磁芯内部各位置分布均匀。所提出的磁芯形状适用于全范围多路输出反激变压器，可在同功率等级下达到功率密度最优，同时X型磁柱分布使其具有良好的散热特性及走线优势，且设计方法具有普适性，为多种变换器磁性元件提供了新的设计思路。磁性元件提供了新的设计思路。磁性元件提供了新的设计思路。

【技术实现步骤摘要】
用于多路输出反激式变换器的平面变压器磁芯及制造方法


[0001]本专利技术属于电气工程专业的开关电源领域，涉及用于多路输出反激式变换器的平面变压器磁芯及制造方法。

技术介绍

[0002]近年来，随着通信、控制等
不断发展，各行业对适配器、内置电源等电力电子产品的性能要求也日益提高，作为典型的电力电子装置，开关稳压电源具有体积小、重量轻、效率高等优点，在以小型化和轻量化为目标的电子产品领域均有广泛应用。在以计算机和多口适配器为代表的中小功率应用场合中，内部各种电子装置需要不同等级的电压供电，且相互之间需要隔离，而在单一功能模块内同时设置多个直流电源会显著增加电子装置的体积，提高系统的复杂度，降低设备的功率密度与可靠性，且造成一定程度的空间与能源浪费，因此具备多路输出特性的开关电源便具有明显优势。
[0003]考虑到反激式变换器结构简单、可靠性较高、驱动电路简单、元器件少且成本较低，适用于多路输出场合。作为反激变换器结构中的功率器件，变压器在其中承担着能量传递、能量存储、原副边隔离的重要作用。随着开关频率的不断提升，磁性元件的体积不断减小，但由于高频下邻近效应和集肤效应的影响，磁性元件自身损耗也随之增加，制约了其效率与功率密度的进一步提升。
[0004]目前大多数电力电子设备均采用传统绕线式变压器，其结构包括磁芯、绕组、骨架三部分，此类变压器设计简单，但功率密度低、寄生参数大且成本高。
[0005]近年来，随着印刷电路工艺的产业化，平面变压器的应用技术也日益成熟，这是一种呈高度扁平状的变压器，其绕组一般由折叠式铜箔、印制电路板的印刷铜线或铜箔组成，相对于传统变压器，具有高功率密度、低寄生参数、高效率、低成本的特点。由于平面变压器磁路灵活性较强，且无骨架需求，故其对磁芯形状的灵活性要求也较高。同时，仅在某一功率范围内选用标准磁芯是无法精确控制设备所需磁芯体积的。

技术实现思路

[0006]本专利技术目的是提供用于多路输出反激式变换器的平面变压器磁芯及制造方法，以解决现有标准磁芯体积大、空间利用率低，而使其无法工作在高功率密度电源场合的问题。
[0007]为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0008]用于多路输出反激式变换器的平面变压器磁芯，包括五个磁柱1、上磁盖2和下磁盖3；五个磁柱1设置在上磁盖2和下磁盖3之间，且五个磁柱1排列位置构成X型；每个磁柱均用于构成磁路闭合，且磁通在磁芯内部各位置分布均匀。
[0009]进一步的，五个磁柱1包括四个不规则形状边柱和一个圆柱形中柱；四个不规则形状边柱位于字母X型的四角处，圆柱形中柱位于字母X型的对称中心，且中柱横截面积等于四个边柱横截面积之和。
[0010]进一步的，五个磁柱1之间设置有两个或四个走线口，走线口的数量根据输出绕组
数量决定，进而确定边柱形状。
[0011]进一步的，一种用于多路输出反激式变换器的平面变压器磁芯的制造方法，包括以下步骤：
[0012]根据变压器需求，确定磁芯的气隙空间、有效截面积、散热空间、走线空间和尺寸作为目标；
[0013]目标明确后，划分磁芯内部空间，按照有效区域保持不变，无效区域灵活分配的原则，对边柱形状进行重新规划；
[0014]在空间划分的基础上，将无效通流区域使用磁性材料填充，代替原有效通磁区域的部分体积；将无效通磁区域切割，若存在于磁芯内部，则用于扩大窗口宽度，若存在于磁芯外部，则用于减小磁芯体积；
[0015]重新规划磁芯空间后，以均匀分布磁通为原则，切割磁芯边柱，结合中柱、边柱横截面积几何关系，最终确定边柱尺寸。
[0016]进一步的，根据输出绕组数量决定切割2个或4个走线口，进而确定边柱形状；以最大化有效截面积为原则，连接磁芯对角线，其交点位于X型中心，以中心点出发，定义切割角与边柱角，结合几何关系，确定切割角的取值范围。
[0017]进一步的，磁芯区域划分包括：有效通流区域、有效通磁区域和无效通流区域。
[0018]进一步的，无效区域计算及分配：
[0019]空间划分明确后，对磁芯边柱和无效通流区域的横截面积进行对比计算；
[0020]根据几何关系，求解无效通流区域俯视图横截面积S
ineffective
为：
[0021]S
ineffective
＝(2r+2b)2‑
π(r+b)2ꢀꢀꢀ
(1)
[0022]r为中柱半径、a为边柱宽度、b为窗口宽度、c为磁芯宽度；
[0023]同时求得有效通磁区域中磁芯边柱的俯视图横截面积S
leg_effective
为：
[0024]S
leg_effective
＝2ac
ꢀꢀꢀ
(2)
[0025]对比式(1)
‑
(2)可知：
[0026]S
ineffective
>S
leg_effective
ꢀꢀꢀ
(3)
[0027]即无效通流区域截面积S
ineffective
大于边柱有效通磁区域截面积S
leg_effective
，边柱高度与磁芯窗口高度均为h，二者截面积同时改变时，对磁芯有效截面积影响相等。
[0028]进一步的，边柱开口计算及切割：
[0029]在新边柱上进行切割，以留出绕组的进出线空间，切割位置需根据边柱各位置的横截面积决定，将磁芯两对角线连接，得到X型图案，越靠近X交点处，边柱的横截面积越小，优先切割四边的中间区域；
[0030]计算开口大小时定义切割角度α与边柱角度θ，根据几何关系分别写出两角度对应区域的横截面积S
α
、S
θ
，并列写几何方程组，如式(4)所示：
[0031][0032]解方程组(4)得到新边柱的横截面积表达式，如式(5)所示：
[0033][0034]以不缩小原边柱截面积为原则，根据式(5)所示几何关系，得到磁芯切割角度α的取值范围：
[0035]α≤28.53
°ꢀꢀꢀ
(6)
[0036]令边柱横截面积之和与中柱相等，使内部磁通分布均匀。
[0037]与现有技术相比，本专利技术有以下技术效果：
[0038]本专利技术首先需根据磁性元件的磁路流向及绕组走向，对磁芯空间进行划分，以磁芯窗口中绕组分布的空间作为有效通流区域，以磁通分布的空间作为有效通磁区域，以空余窗口空间作为无效区域，从而在保证安全散热条件下，以不改变磁路中磁动势分布为原则，用磁芯材料填充无效空间，代替原磁芯中的磁柱部分，随后对所填充部分进行尺寸计算，保证有效截面积不小于原磁芯，且磁通分布均匀，使得各磁柱位置呈X型排列，并留出足够的绕组进出线空间，即可减小变压器的磁芯尺寸，提高磁性材料的空间利用率，实现变压器功率密度的最大化。
[0039]所提出的磁芯形状适用于全范本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.用于多路输出反激式变换器的平面变压器磁芯，其特征在于，包括五个磁柱1、上磁盖2和下磁盖3；五个磁柱1设置在上磁盖2和下磁盖3之间，且五个磁柱1排列位置构成X型；每个磁柱均用于构成磁路闭合，且磁通在磁芯内部各位置分布均匀。2.根据权利要求1所述的用于多路输出反激式变换器的平面变压器磁芯，其特征在于，五个磁柱1包括四个不规则形状边柱和一个圆柱形中柱；四个不规则形状边柱位于字母X型的四角处，圆柱形中柱位于字母X型的对称中心，且中柱横截面积等于四个边柱横截面积之和。3.根据权利要求2所述的用于多路输出反激式变换器的平面变压器磁芯，其特征在于，五个磁柱1之间设置有两个或四个走线口，走线口的数量根据输出绕组数量决定，进而确定边柱形状。4.一种如权利要求1至3任意一项所述的用于多路输出反激式变换器的平面变压器磁芯的制造方法，包括以下步骤：根据变压器需求，确定磁芯的气隙空间、有效截面积、散热空间、走线空间和尺寸作为目标；目标明确后，划分磁芯内部空间，按照有效区域保持不变，无效区域灵活分配的原则，对边柱形状进行重新规划；在空间划分的基础上，将无效通流区域使用磁性材料填充，代替原有效通磁区域的部分体积；将无效通磁区域切割，若存在于磁芯内部，则用于扩大窗口宽度，若存在于磁芯外部，则用于减小磁芯体积；重新规划磁芯空间后，以均匀分布磁通为原则，切割磁芯边柱，结合中柱、边柱横截面积几何关系，最终确定边柱尺寸。5.根据权利要求4所述的用于多路输出反激式变换器的平面变压器磁芯的制造方法，其特征在于，根据输出绕组数量决定切割2个或4个走线口，进而确定边柱形状；以最大化有效截面积为原则，连接磁芯对角线，其交点位于X型中心，以中心点出发，定义切割角与边柱角，结合几何关系，确定切割角的取值范围。6.根据权利要求4所述的用于多路输出反激式变换器的平面变压器磁芯的制造方法，其特征在于，磁芯区域划分包括：有效通流区域、有效通磁区域和无效通流区域。7.根据权利要求6所述的用于多路输出反激式变换器的平面变压器磁芯的制造方法，其特征在于，无效区域计算及分配：空间划分明确后，对磁芯边柱和无效通流区域...

【专利技术属性】
技术研发人员：安少亮，吴庆，刘少堃，王博彦，张琦，
申请(专利权)人：西安理工大学，
类型：发明
国别省市：