[发明专利]具有集成磁性元件的LLC谐振转换器

说明书

所描述实例包含用于LLC谐振转换器(100)的集成磁路，其包含：电感器单元(122‑5)；和多个变压器单元(122‑1)，其具有布置在堆叠结构(130)中的芯(110‑1)。所述单独变压器单元(122‑1)包含：初级和次级绕组(PI、SI)，其围绕所述变压器芯结构(110‑1)延伸；和次级晶体管(SRI)，其与所述次级绕组(SI)串联连接。一或多个绕组接近芯堆叠间隙成形以减少芯和绕组损耗。所述电感器单元(122‑5)包含：电感器绕组(LW)，其围绕所述电感器芯结构(110‑5)延伸以提供电感器(LR)；和电容器(CR)。所述电感器单元(122‑5)与所述变压器单元(122‑1)一起布置在所述堆叠结构(130)中以在单一磁路中磁性地耦合所述变压器初级绕组(PI)、所述电感器绕组(LW)和所述变压器次级绕组(SI)，从而抵消单元到单元通量。

背景技术

LLC转换器提供与输入信号分离的输出电压信号的一种形式的串联谐振变换器。LLC转换器包含具有变压器初级绕组的串联谐振电路。开关电路将谐振电路或储能电路的交换节点交替地耦合到正供应节点和接地节点，以提供流经变压器初级绕组的交流谐振电流。例如整流器的次级电路提供输出电压以驱动负载。次级电路可包含同步整流器开关或二极管整流器。初级侧开关电路可经调整以调节输出电压。LLC谐振转换器具有高效率和高功率密度，且可为初级侧开关提供广负载范围的零电压交换和较低关闭电流。这些益处使得LLC谐振转换器适用于各种应用，例如高性能服务器和电信应用。在初级侧交换频率比谐振频率更低时，可利用零电流交换来关闭次级侧同步整流器装置。这对于具有保持时间需求的应用来说有助于电压增益提升能力而不降低效率。在高交换频率下的操作允许减小LLC谐振转换器中的磁性组件和电容器的大小。然而，这增加了交换相关的损耗和磁性组件损耗，使得效率较差。例如氮化镓(GaN)晶体管的宽带初级侧开关可用于减少输出电容和栅极电荷，从而降低循环电流损耗和栅极驱动损耗以便于在更高交换频率下操作。然而，用于LLC谐振转换器的磁性元件保持对(具体地说在高交换频率下)因芯损耗和绕组损耗而导致的所增加转换器效率的限制。其它改进适用于支持LLC谐振转换器的更高效率和功率密度。

发明内容

实例集成磁路包含电感器单元和多个变压器单元，所述电感器单元和所述多个变压器单元具有布置在堆叠结构中的电感器和变压器芯，以提供单一磁路来将初级侧电感器绕组与变压器初级和次级绕组磁性地耦合以便于通量抵消。单独变压器单元包含围绕变压器芯结构延伸的初级和次级绕组，和与次级绕组串联连接的次级晶体管或二极管。在某些实例中，次级电路包含两个次级绕组和两个对应次级晶体管以供用于同步整流器操作。在一些实例中，芯结构彼此间隔开以提供磁路间隙。在某些实例中，一或多个变压器绕组接近芯堆叠间隙成形或间隔离芯结构更远以减少芯边缘损耗。单独变压器单元可包含初级和/或次级绕组，所述初级和/或次级绕组形成为印刷电路板(PCB)上的迹线或其它导电结构，且一或多个次级晶体管和输出电容器可安装在变压器单元PCB上以便于更高功率密度的紧密设计。电感器单元包含谐振电容器和围绕电感器芯结构延伸以提供谐振电路电感器的电感器绕组。在某些实例中，电感器绕组可形成为电感器单元PCB上的导电结构，其中谐振电容器安装在电感器单元PCB上。所描述实例还包含功率转换系统，所述功率转换系统进一步包含：初级侧开关电路，其包含氮化镓(GaN)晶体管；和控制电路，其用以将交换控制信号提供到初级侧和次级侧开关以提供DC输出电压信号。

附图说明

图1为具有实例集成LLC变压器的实例调节的LLC谐振转换器的示意图。

图2为具有五个E形芯以及与用于变压器耦合的四个单元和用于LLC谐振转换器的实例谐振电感器的一个单元堆叠在一起的顶部芯的实例集成磁路的透视图。

图3为形成为围绕实例变压器芯结构的中心支脚延伸的在印刷电路板上或在其中的导电结构的次级绕组的俯视平面图。

图4为实例E形变压器芯结构的透视图。

图5为展示通量抵消的具有在相邻单元芯结构之间的间隙的实例集成变压器堆叠结构的前视正视图。