同軸結(jié)構(gòu)高效能超高頻電子變壓器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及高頻電子變壓器技術(shù)。尤其涉及同軸結(jié)構(gòu)高效能超高頻電子變壓器。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著電源技術(shù)的不斷進(jìn)步，采用開關(guān)技術(shù)的二次電源的應(yīng)用幾乎滲透了各個(gè)領(lǐng)域，開關(guān)電源的核心器件之一是高頻電子變壓器，而高頻電子變壓器的技術(shù)瓶頸限制了開關(guān)電源的進(jìn)步，可以毫不夸張的說一一高頻電子變壓器的性能決定了開關(guān)電源的總體性能。到目前為止，傳統(tǒng)的高頻電子變壓器已經(jīng)難以滿足高效能、大功率轉(zhuǎn)換電源的需要。其關(guān)鍵的技術(shù)瓶頸在于:
[0003]1、高頻電子變壓器的功率容量與變壓器的體積成正比，在體積一定的條件下，想要加大變壓器的功率容量，只能通過提升轉(zhuǎn)換電源的工作頻率來實(shí)現(xiàn)。而頻率的提高會增強(qiáng)導(dǎo)線的趨膚效應(yīng)和臨近效應(yīng)，同時(shí)，磁芯的損失也會隨之加大，對于傳統(tǒng)變壓器來說，頻率的提升是有局限性的；
[0004]2、高頻電子變壓器的傳輸效率限制了它的功率密度，傳統(tǒng)的大功率高頻電子變壓器的轉(zhuǎn)換效率很難突破90%，這樣一來不僅造成了能源浪費(fèi)，增加了制造成本，而且也制約了體積的減??；
[0005]3、高頻電子變壓器的能量傳輸是通過初級繞組的合成磁通耦合到次級繞組來進(jìn)行的，而這個(gè)磁通同時(shí)也會產(chǎn)生電磁干擾，進(jìn)行能量傳輸?shù)拇磐ㄅc產(chǎn)生電磁干擾的磁通是同一個(gè)磁通，傳輸?shù)墓β试酱螽a(chǎn)生的電磁干擾也就越強(qiáng)；
[0006]4、開關(guān)電源變壓器傳輸?shù)氖乔昂笱囟盖偷拿}沖信號，其高頻諧波非常豐富，在傳輸有效能量的同時(shí)所產(chǎn)生的雜散電磁輻射會造成很強(qiáng)的電磁干擾，而且隨著功率的加大干擾呈幾何級數(shù)增強(qiáng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]變壓器的繞組是由若干匝導(dǎo)線組成，繞組通電時(shí)每一條導(dǎo)線的周圍都會產(chǎn)生磁場，磁場的強(qiáng)度與電流成正比，磁通的方向遵循右拳定則。
[0008]傳統(tǒng)高頻電子變壓器的繞組采用集束式繞制，單條導(dǎo)線產(chǎn)生的磁通1-2相互合成后形成合成磁通1-3，傳統(tǒng)集束繞制的初級繞組匝間合成磁通1-2相互抵消不參與能量傳輸，外部合成磁通1-3通過磁芯的耦合向次級繞組傳輸能量；傳輸能量的初級繞組外部合成磁通1-3在傳輸能量的同時(shí)，也會產(chǎn)生電磁干擾，即:傳輸能量與產(chǎn)生電磁干擾是同一個(gè)磁通。
[0009]通過簡單的分析可以看出，傳統(tǒng)變壓器效率低、干擾大的根本原因在于:初次級間進(jìn)行能量傳輸?shù)拇磐ㄅc產(chǎn)生電磁干擾的磁通是同一個(gè)磁通；且僅有占初級線圈總匝數(shù)比例很少的繞組外圍的導(dǎo)線參與這一磁通的合成，而絕大多數(shù)的繞組內(nèi)部導(dǎo)線的磁通相互抵消根本不參與能量傳輸。因此變壓器的能量傳輸效率低下，功率密度無法提高，更嚴(yán)重的是隨著變壓器功率的加大，伴之而來的電磁干擾也隨之加大。
[0010]本發(fā)明的關(guān)鍵在于:重新分布初級繞組和次級繞組的相對位置，并控制初級繞組內(nèi)每一匝導(dǎo)線電流的方向，顛覆了傳統(tǒng)變壓器通過初級繞組的合成磁通向次級繞組傳輸能量的模式，利用初級繞組的匝間磁通向次級繞組傳輸能量一一即初、次級繞組能量的傳輸是在繞組內(nèi)部的磁通間進(jìn)行的，而產(chǎn)生電磁干擾的外部合成磁通完全不參與能量傳輸，實(shí)現(xiàn)了能量傳輸與電磁干擾兩個(gè)磁通完全剝離，在有效提升變壓器傳輸效率和功率密度的同時(shí)，從根本上削弱和抑制電磁干擾。
[0011]可以采用同軸結(jié)構(gòu)制作高頻電子變壓器，同軸導(dǎo)線的內(nèi)導(dǎo)體3-1為變壓器的初級繞組，外導(dǎo)體3-2為變壓器的次級繞組，導(dǎo)線間平行分布；控制初級繞組的接線，使得相鄰導(dǎo)線的電流反相，就可以保證每匝導(dǎo)線間內(nèi)部合成磁通3-4相互增強(qiáng)，外部磁通相互抵消；由于次級繞組同軸分布在初級繞組外面與初級繞組強(qiáng)耦合，利用導(dǎo)線的內(nèi)部合成磁通3-4傳輸能量，外部磁通與能量傳輸無關(guān)且相互抵消。在繞組總成的層間嵌入屏蔽層4-1可以更有效地抑制已經(jīng)大幅削弱了的電磁干擾；屏蔽層設(shè)計(jì)有絕緣縫隙4-2，防止產(chǎn)生閉合渦流；屏蔽層設(shè)計(jì)有電氣連接端子，實(shí)際應(yīng)用時(shí)根據(jù)具體情況接地或懸空。
【附圖說明】
[0012]圖1:傳統(tǒng)變壓器初級繞組結(jié)構(gòu)及磁通分布示意圖
[0013]1-1 初級導(dǎo)線；
[0014]1-2——單匝導(dǎo)線磁通；
[0015]1_3 繞組合成磁通。
[0016]圖2:層間電流反相繞組的磁通分布示意圖
[0017]1-1 初級導(dǎo)線；
[0018]1-2--單Bi導(dǎo)線磁通；
[0019]1-3——繞組合成磁通；
[0020]14 層間合成磁通。
[0021]圖3:匝間電流反相繞組的磁通分布示意圖
[0022]2-1——單匝導(dǎo)線；
[0023]2-2——單匝導(dǎo)線磁通；
[0024]2-3 導(dǎo)線間合成磁通。
[0025]圖4:采用同軸結(jié)構(gòu)且初級繞組匝間電流反相的磁通分布示意圖
[0026]3-1——同軸導(dǎo)線內(nèi)導(dǎo)體(初級繞組)；
[0027]3-2一一同軸導(dǎo)線外導(dǎo)體(次級繞組);
[0028]3-3--單Bi導(dǎo)線磁通；
[0029]3-4 導(dǎo)線間合成磁通。
[0030]圖5:初次級繞組為同軸結(jié)構(gòu)的高頻電子變壓器結(jié)構(gòu)示意圖
[0031]3-1一一同軸導(dǎo)線內(nèi)導(dǎo)體(初級繞組)；
[0032]3-2一一同軸導(dǎo)線外導(dǎo)體(次級繞組)。
[0033]圖6:帶屏蔽層的同軸結(jié)構(gòu)大功率高頻電子變壓器徑向截面示意圖
[0034]3-1——同軸導(dǎo)線內(nèi)導(dǎo)體(初級繞組)；
[0035]3-2一一同軸導(dǎo)線外導(dǎo)體(次級繞組);
[0036]3-3——單匝導(dǎo)線磁通；
[0037]3-4 導(dǎo)線間合成磁通；
[0038]4-1 層間屏蔽層；
[0039]4-2——屏蔽層絕緣縫隙。
【具體實(shí)施方式】
[0040]初次級繞組為同軸結(jié)構(gòu)且初級繞組匝間電流反相的超低EMI大功率高頻電子變壓器。
[0041]采用同軸導(dǎo)線制作大功率高頻電子變壓器，其結(jié)構(gòu)為圓柱狀一一同軸導(dǎo)線分布的徑向截面是圓形，且繞組的層間內(nèi)嵌屏蔽層，屏蔽層沿軸向開有貫通的縫隙，防止屏蔽層的感應(yīng)電流形成環(huán)流，屏蔽層單端有導(dǎo)線接出，供應(yīng)用時(shí)接地使用。
[0042]利用同軸導(dǎo)線的芯線作為變壓器的初級繞組，將同軸導(dǎo)線的外導(dǎo)體作為變壓器的次級繞組，采取合適的接線方式，保證初級繞組中相鄰導(dǎo)線電流反相，就可以充分利用初級繞組的匝間磁通相互增強(qiáng)的性能最大限度地提高初次級繞組間能量傳輸?shù)男省?br>[0043]此時(shí)初級繞組內(nèi)部的匝間磁通相互增強(qiáng)，在圓柱徑向的外部合成磁通相互抵消幾乎為零，再加之屏蔽層的作用保證其雜散輻射幾乎為零，電磁干擾因此可以降到最低。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.同軸結(jié)構(gòu)高效能超高頻電子變壓器。其特征是:根據(jù)安培定律及有關(guān)電磁學(xué)原理，合理分布電子變壓器的初次級繞組及設(shè)定初級繞組中電流的流動(dòng)方向，使得電子變壓器初級繞組內(nèi)部的匝間合成磁通相互增強(qiáng)，而外部合成磁通相互抵消，將傳統(tǒng)變壓器通過初級繞組的合成磁通向次級繞組進(jìn)行能量傳輸?shù)哪Ｊ?，更改為利用初級繞組的內(nèi)部磁通向次級繞組傳輸能量。在有效提升變壓器傳輸效率和功率密度的同時(shí)，大幅降低變壓器因外部合成磁通而產(chǎn)生的電磁干擾。適當(dāng)內(nèi)嵌屏蔽層可以更加有效地降低殘留的外部合成磁通產(chǎn)生的電磁輻射。2.按照權(quán)利要求1所述的合理分布電子變壓器的初次級繞組，采用同軸導(dǎo)線制作初次級繞組。其特征是:初次級繞組的導(dǎo)線為同軸結(jié)構(gòu)，同軸導(dǎo)線的內(nèi)導(dǎo)體為初級繞組，外導(dǎo)體為次級繞組，變壓器繞組的分布呈3D立體結(jié)構(gòu)。3.按照權(quán)利要求1所述的設(shè)定初級繞組中電流的流動(dòng)方向具有顯著特點(diǎn)。其特征是:同軸導(dǎo)線結(jié)構(gòu)的變壓器，相鄰的同軸導(dǎo)線內(nèi)導(dǎo)體(初級繞組)電流反相。4.按照權(quán)利要求1所述的同軸電子變壓器初級繞組內(nèi)部的匝間合成磁通相互增強(qiáng)，而外部合成磁通相互抵消。其特征是:匝間耦合的同軸結(jié)構(gòu)變壓器由于相鄰導(dǎo)線的電流反相，其匝間合成磁通是相互增強(qiáng)的，而外部的合成磁通相互抵消。與初級導(dǎo)線同軸分布的次級導(dǎo)線充分利用了初級繞組匝間相互增強(qiáng)的磁通，提高了能量傳輸效率，加大了功率密度。5.按照權(quán)利要求1所述的同軸電子變壓器內(nèi)傳輸能量的磁通與產(chǎn)生電磁干擾的磁通完全剝離。其特征是:同軸結(jié)構(gòu)電子變壓器的能量傳輸是在初、次級繞組的單匝導(dǎo)線之間進(jìn)行的，而產(chǎn)生電磁干擾的外部合成磁通因相互抵消而被大幅削減，而這部分磁通根本不參與能量轉(zhuǎn)換，所以在同軸結(jié)構(gòu)的電子變壓器中，傳輸能量的磁通與產(chǎn)生電磁干擾的磁通被徹底剝離開來。6.按照權(quán)利要求1所述的適當(dāng)內(nèi)嵌屏蔽層可以更加有效地降低殘留的外部合成磁通產(chǎn)生的電磁輻射。其特征是:層間耦合的平面變壓器在其最頂層和最底層嵌入電磁屏蔽層，且在屏蔽層上開有絕緣縫隙，防止屏蔽層的感應(yīng)電流形成環(huán)流，屏蔽層單端有導(dǎo)線接出，可供接地使用。 匝間耦合的同軸導(dǎo)線變壓器為達(dá)到最低電磁輻射效果，通常采用圓柱狀結(jié)構(gòu)。初級繞組可以由內(nèi)向外多層分布，此時(shí)每一層的匝數(shù)應(yīng)為偶數(shù)才可以保證相鄰導(dǎo)線的電流反相。為使電磁干擾降至最低，可以在同心圓的層間嵌入屏蔽層。屏蔽層沿軸向開有貫通的縫隙，防止屏蔽層的感應(yīng)電流形成環(huán)流，屏蔽層單端有導(dǎo)線接出，可供接地使用。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種同軸結(jié)構(gòu)高效能超高頻電子變壓器，本發(fā)明的關(guān)鍵在于：重新分布初級繞組和次級繞組的相對位置，并控制初級繞組內(nèi)每一匝導(dǎo)線電流的方向，顛覆了傳統(tǒng)變壓器通過初級繞組外部合成磁通向次級繞組傳輸能量的模式，利用初級繞組的匝間磁通向次級繞組傳輸能量——即初、次級繞組能量的傳輸是在繞組內(nèi)部的磁通間進(jìn)行的，而產(chǎn)生電磁干擾的外部合成磁通完全不參與能量傳輸，實(shí)現(xiàn)了能量傳輸與電磁干擾兩個(gè)磁通完全剝離，在有效提升變壓器傳輸效率和功率密度的同時(shí)，大幅削弱和抑制電磁干擾。
【IPC分類】H01F27/30, H01F27/28, H01F27/36, H01F19/04
【公開號】CN105448490
【申請?zhí)枴緾N201410722882
【發(fā)明人】王勇
【申請人】深圳市高瓴科技有限公司, 韓雨橙
【公開日】2016年3月30日
【申請日】2014年12月4日
【公告號】WO2016086873A1