專利名稱：多相功率變換器的制作方法
技術領域：
本公開涉及一種具有共享磁芯部分的多相功率變換器。
背景技術：
本部分提供了與本公開相關的、不必然是現有技術的背景信息。多相功率變換器包括操作在不同相位的兩個或更多個開關式子變換器，通常用于提高總輸出功率和/或減少在輸出端處的紋波電流(ripplecurrent)和/或電壓。如圖IA中所示，典型的多相功率變換器100可以包括兩個子變換器102AU02B，每個子變換器具有變壓器TX1、TX2。圖IB示出了圖IA中所示的變壓器TX1、TX2的示例性磁芯104A、104B。圖IB中所示的還有當每個磁芯104AU04B的相關聯的初級繞組被激勵時在該每個磁芯104A、104B中循環(huán)的磁通。

實用新型內容本部分提供本公開的綜合概述，但不是其全部特征或全部范圍的全面公開。根據本公開的一個方面，多相功率變換器包括控制電路和多個子變換器。每個子變換器包括輸入電路、輸出電路、以及將輸入電路耦接到輸出電路的磁芯。所述多個子變換器中的至少一個子變換器的磁芯具有與所述多個子變換器中的另一個子變換器的磁芯共享的芯部分?？刂齐娐繁慌渲贸梢圆煌南辔徊僮魉龆鄠€子變換器的輸入電路。所述多個子變換器的磁芯可以形成集成芯。另外，磁芯可以為變壓器芯、耦合電感器芯等。多個磁芯包括具有EI型芯構型的第一磁芯和具有E型芯構型的第二磁芯。每個輸出電路包括至少一個整流器。每個輸入電路的所述一個或更多個繞組環(huán)繞其磁芯的內柱延伸。在所述共享的芯部分上沒有繞組。所述輸入電路每個都采用正激變換器拓撲。根據文中所提供的描述，另外的方面和適用領域將變得明顯。應當理解，可以單獨地或結合一個或更多個其他方面來實現本公開的各個方面。還應當理解，文中的描述和具體示例僅意在說明，而不意在限制本公開的范圍。

文中所描述的附圖僅是為了說明所選擇的實施例而不是所有可能的實施方式，并且不意在限制本公開的范圍。圖IA是根據現有技術的具有隔離變壓器的示例性多相功率變換器的框圖。圖IB示出了圖IA中所示的變壓器的磁通路徑和磁芯。圖2是根據本公開的一個示例性實施例的隔離多相功率變換器的框圖。圖3A和圖3B示出了根據本公開的另一個示例性實施例的具有共享芯部分的變壓器芯。圖4是根據本公開的另一個示例性實施例的采用圖3A和圖3B的變壓器芯的隔離多相功率變換器的電路圖。[0014]圖5示出了根據本公開的再一個實施例的具有多個共享芯部分的多個變壓器芯。圖6是根據本公開的又一個示例性實施例的采用圖5的變壓器芯的隔離多相功率變換器的電路圖。圖7A至7D示出根據另一個實施例的具有共享芯部分的耦合電感器芯。圖8示出了根據再一個實施例的具有多個共享芯部分的多個耦合電感器芯。圖9示出了根據另一個示例性實施例的由包括共享芯部分的U型和I型芯部分形成的集成磁芯。圖10示出了根據另一個實施例的具有共享芯部分的雙眼磁芯(binocularmagnetic core)。圖11示出了根據本公開的再一個實施例的具有多個共享芯部分的聯體(conjoined)雙眼磁芯。
具體實施方式
現在將參照附圖更加全面地描述示例性實施例。提供了示例性實施例，以使得本公開詳盡地并全面地將范圍傳達給本領域的普通技術人員。闡述了許多具體細節(jié)(例如具體部件、設備和方法)以提供對本公開的實施例的透徹理解。對于本領域的普通技術人員，以下將是顯然的不需要采用具體細節(jié)；可以以多種不同形式來實施示例性實施例；并且這也不應被解釋成限制該公開的范圍。在一些示例性實施例中，對公知的過程(process)、公知的設備結構以及公知的技術不進行詳細的描述。文中所使用的術語只是為了描述特定的示例實施例而不意在限制。除非上下文清楚地另外表明，文中所使用的單數形式“一”和“所述/該”(“a”、“an”、“the”)也可以意在包括復數形式。用語“包括、包含(comprises, comprising, including)”和“具有(having)”是開放型的包括，并因此指定所陳述的特征、整體(integer)、步驟、操作、元件和/或部件的存在，但是不排除一個或更多個其他特征、整體、步驟、操作、元件、部件和/或它們的組合的存在或添加。文中所描述的方法步驟、過程和操作不被解釋為必須要求其以所討論或所示的特定順序執(zhí)行，除非所討論或所示的特定順序被明確地確定為執(zhí)行順序。還應當理解，可以采用另外的或可替換的步驟。如果元件或層被稱為“在……上”、“接合到”、“連接到”或“耦接到”另一個元件或層，則該元件或層可以直接在其他元件或層上、直接接合到其他元件或層、直接連接到其他元件或層、或者直接稱接到其他元件或層，或者可以存在居間的元件或層。相反，如果元件被稱為“直接在……上”、“直接接合到”、“直接連接到”或“直接耦接到”另一個元件或層，則不可以存在居間的元件或層。應當以類似的方式來解釋用于描述元件之間的關系的其他詞語(例如，“在……之間”對比“直接在……之間”，“相鄰”對比“直接相鄰”等)。如文中所使用的，用語“和/或”包括所關聯的列出項中的一個或更多個的任意組合以及所有組合。盡管在文中可以使用第一、第二、第三等用語來描述不同的元件、部件、區(qū)域、層和/或部分，但是這些元件、部件、區(qū)域、層和/或部分不應當被這些用語限制。這些用語可以僅用于將一個元件、部件、區(qū)域、層和/或部分與另一個區(qū)域、層或部分區(qū)別開來。當文中使用諸如“第一”、“第二”和其他數值項的用語時，并不隱含順序或次序，除非由上下文清楚地表明。因此，下文所討論的第一元件、部件、區(qū)域、層或部分可以被稱作(term)第二元件、部件、區(qū)域、層或部分，而不偏離示例性實施例的教示。為了便于描述，可以在文中使用諸如“內的”、“外的”、“在……之下”、“在……下方”、“較低的”、“在……上方”、“較高的”等空間相關用語來描述圖中所示的一個元件或特征與另外的元件或特征的關系?？臻g相關用語意在除了包括圖中所示的方位之外，還包括使用中或工作中的設備的不同方位。例如，如果圖中的設備被翻過來，則描述為“在其他元件或特征下方”、“在其他元件或特征之下”的元件會被定位為“在其他元件或特征上方”。因此，示例用語“在……下方”可以包括“在……上方”和“在……下方”這兩個方位。設備可以以其他方式定位(旋轉90度或以其他定位)，可以這里使用的空間相關描述符進行相應的解釋。根據本公開的一個示例性實施例的多相功率變換器在圖2中示出，并總體上由參考標號200表示。如圖2中所示，多相功率變換器200包括兩個開關式子變換器SCI、SC2 和控制電路202。每個子變換器SC1、SC2都具有輸入電路204P204、輸出電路206^2062以及將輸入電路204P204耦接到輸出電路206^062的磁芯MC1、MC2。子變換器SCI、SC2具有共享芯部分208。控制電路202被配置成以不同的相位(例如，交迭的和/或不相交迭的相位)操作子變換器SC1、SC2的輸入電路204P204。子變換器SC1、SC2的磁芯MC1JC2形成集成芯(integrated core)。集成芯可以具有整體結構?；蛘?，集成芯可以由機械地相互(例如，經由粘合劑或其他合適的手段)耦接的多個芯部分形成。在這種情況下，多個芯部分可以包括例如開環(huán)磁芯的組合，諸如E型芯或U型芯，在這些芯之間具有I型芯。磁芯MCp MC2可以是具有初級側和次級側的變壓器芯。相應地，每個輸入電路204、2042可以是初級側電路，每個輸出電路206i、2062可以是次級側電路?；蛘撸總€磁芯MC1、MC2可以是耦合電感器的芯。多相功率變換器200還包括輸入Vin和輸出VQUT。輸入Vin耦接到輸入電路20+、2042，輸出Vqut耦接到輸出電路206^206”或者，輸入電路204P204可以具有獨立的輸入端子。輸出Vtm包括輸出端子212。每個輸入電路20U04可以包括環(huán)繞其磁芯延伸的一個或更多個繞組。另外，每個輸出電路206^204可以包括環(huán)繞其磁芯延伸的一個或更多個繞組。在圖2中所示的示例實施例中，輸出電路206^2062每個都耦連到公共端子210。輸出端子212可以直接耦連到公共端子210，或者通過諸如電感器214的一個或更多個電路元件耦連到公共端子210。多相功率變換器200可以另外包括耦接到輸出Vott的濾波器。濾波器可以包括例如電感器214和/或輸出電容器216。如圖2中所不，電感器214和輸出電容器216可以率禹接在輸出端子212和輸出電路206^2062的公共端子210之間?；蛘撸梢圆捎闷渌线m的濾波器。盡管在圖2中只示出了兩個子變換器，但是可以采用一個或更多個另外的子變換器。相應地，多相功率變換器200可以包括具有N-I個共享芯部分的N個子變換器，其中N是大于或等于二的整數。雖然圖2中控制電路202被示出為耦接到輸入電路204P204，但是該控制電路202還可以耦接到輸出電路206^2062以控制例如輸出電路206^2062中的整流開關(未示出)?？刂齐娐?02可以包括模擬和/或數字部件。在一些實施例中，控制電路202包括諸如數字信號處理器(DSP)的一個或更多個數字處理器，以用于控制輸出電路206^20 和/或輸入電路204^204的操作。圖3A示出了用于第一變壓器TXA和第二變壓器TXB的集成芯300的示例性實施例。在例如上文所述的和圖2中所示的子變換器SCI、SC2中，可以采用第一和第二變壓器TXA、TXB。第一變壓器TXA具有EI型芯構型，第二變壓器TXB具有E型芯構型。變壓器TXA的EI型芯構型包括共享軛312 (S卩，共享芯部分312)、軛304A以及從軛304A延伸到共享軛312的三個柱(leg) 306A、308A、310A。變壓器TXB的E型芯構型包括軛304B以及從軛 304B延伸到共享軛312的三個柱306B、308B、310B。柱308A位于柱306A和柱310A之間，柱308B位于柱306B和柱310B之間。因此，柱308A、308B可被稱為內柱。如圖3A中所示，第一變壓器TXA包括環(huán)繞集成芯300的內柱308A延伸的初級繞組314A。類似地，第二變壓器TXB包括環(huán)繞集成芯300的內柱308B延伸的初級繞組314B。或者，初級繞組314A、314B可以環(huán)繞集成芯300的其他部分延伸。在圖3A中所示的示例性實施例中，變壓器TXA、TXB的次級繞組也分別環(huán)繞內柱308A、308B延伸。另外，沒有環(huán)繞共享芯部分312定位的繞組。圖3A示出了當第一變壓器TXA的初級繞組314A被激勵時在該第一變壓器TXA中循環(huán)的磁通(由箭頭表示)。第一變壓器TXA的磁通流過內柱308A、柱306A、310A和共享芯部分312。類似地，圖3B示出了當第二變壓器TXB的初級繞組314B被激勵時在該第二變壓器TXB中循環(huán)的磁通。第二變壓器TXB的磁通流過內柱308B、柱306B、310B和共享芯部分312。因此，每個變壓器TXA、TXB的磁通都流過共享芯部分312?？梢砸圆幌嘟坏南辔患钭儔浩鱐XA、TXB的初級繞組314A、314B。在這種情況下，當第一變壓器TXA的磁通正在流動時(即，第一變壓器TXA的接通時間)，第二變壓器TXB的磁通是不流動的。相反地，當第二變壓器TXB的磁通正在流動時(即，第二變壓器TXB的接通時間)，第一變壓器TXA的磁通是不流動的。相應地，第一變壓器TXA和第二變壓器TXB可以具有180度的相位差。更一般地，每個變壓器可以以等于360/n的相位差來操作，其中n等于變壓器的個數。因此，相鄰的變壓器TXA、TXB的共享芯部分312可以被以不同相位切換的磁通分時共享。這可以減小集成芯300中的磁通密度，并因此減小鐵耗。因此，可以提高變壓器TXA、TXB的效率?；蛘撸梢砸韵嘟坏南辔粊聿僮鞯谝蛔儔浩鱐XA和第二變壓器TXB。S卩，第一變壓器TXA的接通時間和第二變壓器TXB的接通時間可以交迭。這可以通過在(共享公共芯部分的)兩個變壓器TXA、TXB的初級繞組都被激勵時對每個變壓器TXA、TXB的磁通進行限制的主動控制方案來完成。圖4示出了隔離的兩相交錯正激變換器(forward converter,正向變換器)400的示意圖，該隔離的兩相交錯正激變換器400采用了具有圖3A和3B的共享芯部分312的變壓器TXA、TXB。如圖4中所示，次級側電路每個都包括耦接到每個相應變壓器TXA、TXB的次級繞組的整流器426A、426B (例如，二極管)。然而，應當理解，可以采用其他合適的正激變換器構型，也可以采用其他合適的功率變換器拓撲，而不偏離本公開的范圍。在一個優(yōu)選實施例中，正激變換器400為900W的功率變換器，每個變壓器TXA、TXB具有材料體積為10. Scm3的鐵氧體芯。由于連結了所述芯，4cm3的鐵氧體材料被共享，導致減少了 18. 5%的鐵氧體材料。材料的減少提供了在芯的成本和物理尺寸兩方面的節(jié)省。圖5示出了用于N個變壓器TX1-TXn的集成芯500的另一個示例性實施例，其中N大于或等于二(或者在圖5中所示的特定示例中，至少為5)。例如在圖2的多相功率變換器200中，可以采用變壓器TX1-TXnij每個變壓器具有與相鄰的變壓器共享的芯部分C1-CV115在圖5的示例中，變壓器TX1-TXim每個都采用E型芯構型，而第N個變壓器TXn采用EI型芯構型。每個變壓器TX1-TXn包括一個或更多個初級繞組和一個或更多個次級繞組。當變壓器的一個或更多個初級繞組被激勵時，磁通(由箭頭所示)流過每個變壓器的集成芯的部分，包括流過其共享芯部分。盡管圖5示出了流過所有變壓器TX1-TXn的磁通，但是應當理解，變壓器TX1-TXn的初級繞組以不同的相位操作，該不同的相位可以交迭，或者可以不交迭。 圖6示出了隔離多相正激變換器600，該隔離多相正激變換器600采用具有圖5的共享芯部分C1-CV1的變壓器TX1-TXp圖7A不出了用于第一I禹合電感器CIA和第二I禹合電感器CIB的集成芯700的不例性實施例。例如在上文所述和圖2中所示的子變換器SCI、SC2中，可以采用第一和第二耦合電感器CIA、CIB。第一耦合電感器CIA具有EI型芯構型，第二耦合電感器CIB具有E型芯構型。耦合電感器CIA的EI型芯構型包括共享軛712 (S卩，共享芯部分712)、軛704A以及從軛704A延伸到共享軛712的三個柱706A、708A、710A。耦合電感器CIB的E型芯構型包括軛704B以及從軛704B延伸到共享軛712的三個柱706B、708B、710B。柱708A位于柱706A和柱710A之間，柱708B位于柱706B和柱710B之間。因此，柱708A、708B被稱為內柱。如圖7A中所示，第一耦合電感器CIA包括環(huán)繞集成芯700的內柱708A延伸的輸入側繞組714A。類似地，第二耦合電感器CIB包括環(huán)繞集成芯700的內柱708B延伸的輸入側繞組714B?；蛘撸斎雮壤@組714A、714B可以環(huán)繞集成芯700的其他部分延伸。在圖7A中所示的示例性實施例中，耦合電感器CIA、CIB的輸出側繞組也分別環(huán)繞內柱708A、708B延伸。另外，沒有環(huán)繞共享芯部分712定位的繞組。耦合電感器CIA、CIB的集成芯700可以具有和圖3A中所示的集成變壓器芯300相同的通常構型，除了集成芯700可以包括氣隙(未示出)和/或由具有較高磁通飽和凈空的芯材料形成之外。圖7A示出了當第一耦合電感器CIA的輸入側繞組714A被激勵時(S卩，當耦合電感器CIA正在充電時)在該第一耦合電感器CIA中循環(huán)的磁通(由箭頭表示)；圖7B示出了當第一耦合電感器CIA的輸入側繞組714A沒有被激勵時(即，當耦合電感器CIA正在放電時)在該第一耦合電感器CIA中循環(huán)的磁通。在兩個例子中，第一耦合電感器CIA的磁通流過內柱708A、柱706A、710A和共享芯部分712。類似地，圖7C示出了當第二耦合電感器CIB的輸入側繞組714B被激勵時在該第二耦合電感器CIB中循環(huán)的磁通；圖7D示出了當第二耦合電感器CIB的輸入側繞組714B沒有被激勵時在該第二耦合電感器CIB中循環(huán)的磁通。在兩個例子中，第二耦合電感器CIB的磁通流過內柱708B、柱706B、710B和共享芯部分712。相應地，每個耦合電感器CIA、CIB的磁通都流過共享芯部分712。耦合電感器CIA、CIB的輸入側繞組714A、714B優(yōu)選地以不相交迭的相位激勵(SP，使得在任何給定時刻繞組714A和714B不兩者都被激勵)。另外，當耦合電感器CIA放電時，可以不激勵繞組714B，類似地，當耦合電感器CIB放電時，可以不激勵繞組714A。或者，可以當耦合電感器CIA仍在放電時激勵繞組714B，類似地，可以當耦合電感器CIB仍在放電時激勵繞組714A。因此，第一耦合電感器CIA和第二耦合電感器CIB可以具有180度的相位差。更一般地，每個耦合電感器可以以等于360/n的相位差操作，其中n等于耦合電感器的個數。另外，可以通過具有高達百分之五十(50%)的占空比的驅動信號來激勵每個繞組714A、714B。因此，相鄰的耦合電感器CIA、CIB的共享芯部分712可以被以不同相位切換的磁 通分時共享。這可以減小集成芯700中的磁通密度，并因此減小鐵耗。因此，可以提高耦合電感器CIA、CIB的效率。圖8示出了用于N個耦合電感器CI1-CI1^A集成芯800的另一個示例性實施例，其中N大于或等于二(或者在圖8中所示的特定示例中，至少為5)。例如在圖2的多相功率變換器200中，可以采用耦合電感器CI1-CInij每個耦合電感器都具有與相鄰的耦合電感器共享的芯部分ClSC1-CISCVltj在圖8的示例中，耦合電感器CI1-CIim每個都采用E型芯構型，而第N個耦合電感器CIn采用EI型芯構型。每個耦合電感器CI1-CIn包括一個或更多個輸入側繞組和一個或更多個輸出側繞組。當耦合電感器的一個或更多個輸入側繞組正在充電或放電時，磁通(由箭頭示出)流過每個耦合電感器的集成芯的部分，包括流過其共享芯部分。盡管圖8示出了流過所有的耦合電感器CI1-CInW磁通，但是應當理解，耦合電感器CI1-CIn的輸入側繞組被以不同的相位操作，該不同的相位可以交迭，或者可以不交迭。圖9示出了用于第一變壓器A和第二變壓器B的集成芯900的另一個示例性實施例。在上文所述以及圖2中所示的子變換器SC1、SC2中，可以采用第一和第二變壓器A、B。如圖9中所示，第一變壓器A具有n型芯構型，第二變壓器B具有U型芯構型。UI型芯構型包括鄰接U型芯構型的共享芯部分。此外，如圖9所示，每個變壓器A、B包括環(huán)繞芯卷繞的初級和次級繞組。圖10示出了用于第一變壓器A和第二變壓器B的集成芯1000的再一個示例性實施例。在上文所述以及圖2中所示的子變換器SC1、SC2中，可以采用第一和第二變壓器A、B。如圖10中所示，第一變壓器A和第二變壓器B包括具有共享芯部分的雙眼芯構型。此夕卜，如圖10中所示，每個變壓器A、B包括環(huán)繞芯卷繞的初級和次級繞組。圖11示出了用于四個變壓器A-D的集成芯1100的另一個示例性實施例。在圖2的多相功率變換器200中，可以采用變壓器A-D。如圖11中所示，變壓器A-D包括在每個相鄰的變壓器之間具有共享芯部分的聯體雙眼芯構型。此外，如圖11中所示，每個變壓器A-D包括環(huán)繞芯卷繞的初級和次級繞組?；蛘撸詈想姼衅骺梢苑謩e使用圖9中的集成芯900、圖10中的集成芯1000、圖11中的集成芯1100。另外，在圖2的多相功率變換器200 (例如，子變換器SC1、SC2)中，可以使用包括集成芯900、1000、1100的耦合電感器。另外，在任何合適的開關電源、信號開關應用中，可以使用本公開的各種實施例，而不偏離本公開的范圍。為了示出和描述，提供了實施例的上述描述。所述實施例不意在窮舉或限制本公開。特定實施例的單獨的元件或特征通常不限制于特定實施例，而是在適用的情況下可互換，并且可以用于選擇的實施例中，即使沒有具體地示出或描述。同樣也可以在多種方式 上進行變化。這樣的變化不被認為是偏離了本公開，所有的這樣的修改意在被包括在本公開的范圍內。
權利要求1.一種多相功率變換器，其特征在于包括 多個子變換器，每個子變換器具有輸入電路、輸出電路、以及將所述輸入電路耦接到所述輸出電路的磁芯，所述多個子變換器中的至少一個子變換器的磁芯具有與所述多個子變換器中的另一個子變換器的磁芯共享的芯部分；以及 控制電路，所述控制電路被配置成以不同的相位操作所述多個子變換器的輸入電路。
2.根據權利要求I所述的多相功率變換器，其特征在于，所述多個子變換器的磁芯形成集成芯。
3.根據權利要求2所述的多相功率變換器，其特征在于，所述多個子變換器包括N個變換器，并且其中所述多個子變換器的磁芯包括N-I個共享的芯部分，其中N為大于或等于二的整數。
4.根據權利要求I、2或3所述的多相功率變換器，其特征在于，所述多個磁芯包括具有EI型芯構型的第一磁芯和具有E型芯構型的第二磁芯。
5.根據權利要求I、2或3所述的多相功率變換器，其特征在于，每個輸出電路包括至少一個整流器。
6.根據權利要求I、2或3所述的多相功率變換器，其特征在于，每個輸入電路包括環(huán)繞其磁芯延伸的一個或更多個繞組。
7.根據權利要求6所述的多相功率變換器，其特征在于，每個輸入電路的所述一個或更多個繞組環(huán)繞其磁芯的內柱延伸。
8.根據權利要求6所述的多相功率變換器，其特征在于，在所述共享的芯部分上沒有繞組。
9.根據權利要求1、2或3所述的多相功率變換器，其特征在于，所述輸出電路每個都耦接到公共端子。
10.根據權利要求9所述的多相功率變換器，其特征在于還包括耦接到所述公共端子的輸出端子。
11.根據權利要求10所述的多相功率變換器，其特征在于還包括耦接在所述公共端子和所述輸出端子之間的電感器和/或電容器。
12.根據權利要求1、2或3所述的多相功率變換器，其特征在于，所述輸入電路每個都采用正激變換器拓撲。
13.根據權利要求1、2或3所述的多相功率變換器，其特征在于，每個磁芯是具有初級側和次級側的變壓器的芯，每個輸入電路為初級側電路，每個輸出電路為次級側電路。
14.根據權利要求1、2或3所述的多相功率變換器，其特征在于，每個磁芯為耦合電感器的芯。
15.根據權利要求1、2或3所述的多相功率變換器，其特征在于，所述不同的相位為不相交迭的相位。
16.根據權利要求1、2或3所述的多相功率變換器，其特征在于，所述不同的相位為交迭的相位。
專利摘要本實用新型公開了一種具有共享磁芯部分的多相功率變換器，所述多相功率變換器包括控制電路和多個子變換器。每個子變換器具有輸入電路、輸出電路、以及將輸入電路耦接到輸出電路的磁芯。多個子變換器中的至少一個子變換器的磁芯具有與所述多個子變換器中的另一個子變換器的磁芯共享的芯部分?？刂齐娐繁慌渲贸梢圆煌南辔徊僮鞫鄠€子變換器的輸入電路。磁芯可以為變壓器、耦合電感器等的芯。
文檔編號H02M3/28GK202798465SQ20112056468
公開日2013年3月13日 申請日期2011年12月29日 優(yōu)先權日2011年9月30日
發(fā)明者羅貝特·H·基普利, 布雷德利·J·舒馬赫, 安德烈亞斯·施蒂德爾, 錢廣基 申請人:雅達電子國際有限公司