[发明专利]低杂散电磁辐射的新型高效能高频脉冲变压器

说明书

技术领域

本发明涉及高频脉冲变压器技术。尤其涉及低杂散电磁辐射的新型高效能高频脉冲变压器。

背景技术

随着电源技术的不断进步，采用开关技术的二次电源的应用几乎渗透了各个领域，开关电源的核心器件之一是高频脉冲变压器，而高频脉冲变压器的技术瓶颈限制了开关电源的进步，可以毫不夸张的说——高频脉冲变压器的性能决定了开关电源的总体性能。到目前为止，传统的高频脉冲变压器已经难以满足高效能、大功率转换电源的需要。其关键的技术瓶颈在于：

1、高频脉冲变压器的功率容量与变压器的体积成正比，在体积一定的条件下，想要加大变压器的功率容量，只能通过提升转换电源的频率来实现。而频率的提高会增强导线的趋肤效应和临近效应，同时，磁芯的损失也会随之加大，对于传统变压器来说，频率的提升是有局限性的；

2、高频脉冲变压器的传输效率直接影响它的功率密度，传统的大功率高频脉冲变压器的转换效率很难突破90％，这样一来不仅造成了能源浪费，增加了制造成本，而且也限制了体积的减小；

3、高频脉冲变压器的能量传输是通过初级绕组的合成磁通耦合到次级绕组来进行的，而这个磁通同时也会产生电磁干扰，即进行能量传输的磁通与产生电磁干扰的磁通是同一个磁通，传输的功率越大产生的电磁干扰也就越强；

4、脉冲变压器传输的是前后沿陡峭的脉冲信号，其高频谐波非常丰富，在传输有效能量的同时所产生的杂散电磁辐射会造成很强的电磁干扰，而且随着功率的加大干扰呈几何级数增强。

发明内容

变压器的绕组是由若干匝导线组成，绕组通电时每一条导线的周围都会产生磁场，磁场的强度与电流成正比，磁通的方向遵循安培定则。

传统高频脉冲变压器的绕组采用集束式绕制，单条导线产生的磁通3-1相互合成后形成合成磁通3-2，传统集束绕制的初级绕组层间内部合成磁通3-3相互抵消不参与能量传输，外部合成磁通3-4通过磁芯的耦合向次级绕组传输能量；传输能量的初级绕组外部合成磁通3-4在传输能量的同时，也会产生电磁干扰，即传输能量与产生电磁干扰是同一个磁通。通过简单的分析可以看出，传统变压器效率低、干扰大的根本原因在于：初次级间进行能量传输的磁通与产生电磁干扰的磁通是同一个磁通；且仅有占线圈总匝数比例很少的绕组外围导线参与这一磁通的合成，而绝大多数的绕组内部导线的磁通相互抵消根本不参与能量传输。因此变压器的能量传输效率低下，功率密度无法提高，更严重的是随着变压器功率的加大，伴之而来的电磁干扰也随之加大。

本发明的关键在于：重新分布初级绕组和次级绕组的相对位置，并控制初级绕组内电流的方向，颠覆了传统变压器通过初级绕组外部合成磁通向次级绕组传输能量的模式，利用初级绕组的层间磁通，甚至是匝间磁通向次级绕组传输能量——即初次级绕组能量的传输是在绕组内部磁通间进行的，而产生电磁干扰的外部合成磁通完全不参与能量传输，实现了能量传输与电磁干扰两个磁通完全剥离，在有效提升变压器传输效率和功率密度的同时，大幅削弱和抑制电磁干扰。

将变压器的初级绕组作成单层平面线圈1-1、1-2、……1-n，同时将次级绕组制作成单层平面线圈2-1、2-2、2-(n-1)，在两层单层平面初级绕组之间嵌入1层单层平面次级绕组，组合后的绕组总成的最顶层和最底层都是初级绕组；控制初级绕组的接线，使得相邻两层初级绕组的电流反相，就可以保证初级绕组的层间内部合成磁通3-3相互增强，层间外部合成磁通3-2相互抵消；由于次级绕组分布在初级绕组的层间与初级绕组强耦合，绕组之间利用层间内部磁通3-3传输能量，外部磁通3-2与能量传输无关。虽然初级绕组层间的外部磁通相互抵消，但是由于初级绕组的最顶层和最底层线圈的外部合成磁通相互增强，产生初级绕组的外部合成磁通，该磁通已不参与能量传输，仅会产生电磁干扰，通过在绕组总成的最顶层和最底层分别嵌入屏蔽层，对最顶层和最底层线圈的外部合成磁通进行屏蔽，可以更有效地抑制已经大幅削弱了的电磁干扰；屏蔽层设计有绝缘缝隙，防止产生闭合涡流；屏蔽层设计有电气连接端子，实际应用时根据具体情况接地或悬空。