[发明专利]一种低损耗的平面变压器绕组结构及变换器

说明书

本发明公开了一种低损耗的平面变压器绕组结构及变换器，包括变压器磁芯和包裹在所述变压器磁芯内的绕组，所述绕组包括五层原边绕组和四层副边绕组，由顶层向底层记，第一层、第三层、第五层、第七层和第九层为所述原边绕组，第二层、第四层、第六层和第八层为所述副边绕组，每层所述原边绕组和每层所述副边绕组之间贴合设置有绝缘层；所述第一层、第五层和第九层原边绕组并联，所述第三层和第七层原边绕组并联，所述第二层、第四层、第六层和第八层副边绕组并联。本发明充分抑制了高频下趋肤效应与临近效应，降低了平面变压器的损耗。

技术领域

本发明属于开关电源领域，具体涉及一种低损耗的平面变压器绕组结构及变换器。

背景技术

在开关电源领域中，高效率高功率密度始终是变换器所追求的目标。传统的变换器采用立式绕线作为电感或变压器，但立式绕线型具有很大的体积。采用印刷电路板(PCB)作为电感或变压器绕组则可以将磁件的体积大幅缩小。然而，使用PCB绕组型也就是平面型磁件会给变换器带来更高的损耗。对于隔离型变换器，平面变压器会产生大量的损耗，尤其是在大变比、大电流的功率条件下，平面变压器的损耗可能接近甚至超过总损耗的一半。

为了减小平面变压器的损耗，一种方法是采用矩阵变压器，矩阵变压器本质上是通过增大变压器体积，来获得更多的绕组并联数，从而实现更小的绕组交流电阻以降低铜损，此外，由于增大了磁芯体积并且磁通实现了部分抵消，铁损也可以降低。但是采用矩阵变压器会增大电路板布局的难度，如果并联绕组数很多，可能需要额外的连接端子以实现信号、供电、功率等的连接，从而降低了变换器的功率密度与集成度。另一种方法是直接使用多层绕组并联降低铜损，由于仅仅是增加了PCB的层数，变换器整体体积几乎没有变化，可以在保持铁损与功率密度不变的情况下降低铜损。

然而，当多层绕组并联时，高频下的趋肤效应和临近效应变得不可忽视，绕组自身磁场与临近绕组磁场的影响使得交流电阻会比直流时大很多，为了充分发挥多层绕组并联的益处，需要尽可能抑制趋肤效应和临近效应来降低绕组铜损。目前已有的变压器结构，大都将原边和副边绕组层数设计为相等，进行充分交错。尽管充分交错结构相比于没有进行交错的结构，临近效应减弱，整体铜损降低。但根据绕组交流损耗模型，该结构并没有实现最低的交流电阻，交流电阻仍有进一步减小的空间，如何构建一种实现最低交流电阻的绕组结构，成为降低变压器绕组损耗的关键。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种低损耗的平面变压器绕组结构及变换器，充分抑制了高频下趋肤效应与临近效应，降低了平面变压器的损耗。

为了解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案予以实现：

一种低损耗的平面变压器绕组结构，包括变压器磁芯和包裹在所述变压器磁芯内的绕组，所述绕组包括五层原边绕组和四层副边绕组，由顶层向底层记，第一层、第三层、第五层、第七层和第九层为所述原边绕组，第二层、第四层、第六层和第八层为所述副边绕组，每层所述原边绕组和每层所述副边绕组之间贴合设置有绝缘层；所述第一层、第五层和第九层原边绕组并联，所述第三层和第七层原边绕组并联，所述第二层、第四层、第六层和第八层副边绕组并联。

进一步地，所述第一层和第九层原边绕组的厚度为h₁，所述第三层、第五层和第七层原边绕组的厚度以及所述第二层、第四层、第六层和第八层副边绕组的厚度为h₂，其中：

h₁＝1.57δ

h₂＝3.14δ

式中，δ为变压器工作时绕组内电流的趋肤深度。

进一步地，所述绕组为PCB绕组，所述第一层、第五层和第九层原边绕组通过过孔并联，所述第三层和第七层原边绕组通过过孔并联，所述第二层、第四层、第六层和第八层副边绕组通过过孔并联。

进一步地，所述变压器磁芯的窗口宽度与所述绕组的宽度之差不大于0.5mm。