专利名称：铁芯交叉的变压器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种变压器，更具体地说，涉及一种铁芯交叉的变压器。
技术背景一般地，磁性元件以设计成获得期望的电气性能的方式将磁性材料用 于形成和引导磁场。磁性元件易于使用于各种各样的电子设备，例如计算 机、电视、电话等。在运行中，磁场可作为储存、传递和释放电磁能量的 媒介。变压器是磁性元件的一个特例，以及一般包括围绕绕线架的两个或 多个导线(例如，铜线)绕组，其中所述绕线架具有贯通插入其中的铁 芯。所述绕线架一般地可由模制塑胶或其他任意合适的介电材料制造。导 线可以以预定的次数和预定的结构围绕绕线架来获得特殊的电气性能。例 如，绕组的数量(例如初级绕组和次级绕组)和每个绕组中的导线的匝数 可以是变压器的预期应用的一个函数。为了在变压器中形成磁场，具有高磁通的铁芯组件可被插入到绕线架中。通常铁芯组件由两片制成，每片具有"E"型截面，其可以被插入到绕 线架的相对端。然后变压器装置可用各种物理设备结合，例如弹簧夹、胶 带或粘合剂。当然，不同的结构也可以被用作不同的应用中。一般地，变压器运行的原理是流过与第二绕组导线绝缘的第一绕组导 线的电流的变化在铁芯中产生磁通量，该磁通量引起第二绕组导线中的电 流变化。两绕组导线的电流比率一般地与每个导线的绕组的相对个数有 关。这将依次产生电压，该电压是磁通变化和匝数的乘积。变压器被使用在几种应用中，包括功率变换器(或者电源适配器)， 其用于电力电子器件，例如手机、计算机及其类似器件。 一种类型的功率 变换器是开关模式电源(SMPS)。 SMPS可包括一个电源单元和该电源单 元内用来调节电流的电路。该调节电路控制电流以使其稳定为设定电压然 后送到电子器件。由于重量、经济和便利的因素，SMPS是选择为需要稳 定电流和电压的大多数电子设备供电的器件。然而，SMPS必须被仔细地5设计成以可接受的效率和最小的噪声提供电力。为了达到这些要求，功率变换器可包括含有 一 个或多个磁性元件的一 级或多级，其中所述该磁性元件包括滤波器、变压器、感应器或类似元 件。许多的功率变换器被设计成提供多级输出电压。示例性的例子是台式ATX计算机电源，其既产生了 12V、 5V和3.3V电源电压也可产生其他的 电压。12V、 5V和3.3V的电源都要求严格的电压调节和必须产生大的输 出电流。为了从单个变压器产生所有期望的输出电压，变压器初级和次级 绕组之间的匪数比应当与和输出电压加上输出级上的任何整流电压降有关 的输入电压相匹配。为了使变压器的次级匝数最小，由于使用数量较小的 整数匝数比，经常会在输出电压中引入一些误差。可以认识到，由于各种原因，变压器被期望具有相对少的次级绕组。 例如，因为从初级绕组到次级绕组的电压可以是"阶梯下降"(例如从120V 下降到3.3V),匪数比相当大，这就要求初级绕组相对于次级绕组有大量 的匝数。其次，因为次级绕组一般承载相对大的电流，因此会使用具有相 对大的截面的绕组，其增加了绕组所要求的物理空间。通过利用相对少的 匝数，次级绕组和初级绕组所要求的物理空间可被减小。在目前的变压器中，次级绕组示例性地缠绕有整数匝数-它们中的一 些使用半匝来略微提高匝数比的精确度。结果，大部分的电源或者因为匝 数比误差使输出电压的误差增加，或者它们在输出级上使用复杂的脉宽调 制(PWM)类型的方法来增加交叉传导的精确度。另一种方法调制同步的 FET来增加或减少穿过它的损耗，在完全打开之间，二极管的压降与 MOSFET的体二极管相等。其它的方法使用单个次级输出(例如输出端的 一个电压级)，以及进而使用磁性放大器或者MOSFET来进一步调制最高 电压PWM信号使其下降到较低的平均电压，该平均电压被滤波产生其他 的DC输出电压。然而，这些技术方案复杂且昂贵。发明内容其中下面的实施例和方面被描述和图示成与用来表示示例性和图示 性，而不限制范围的系统、工具和方法相结合。在各种各样的实施例中， 一个或多个上述的问题被减少或消除，而其他的实施例致力于其它的改进。根据第一个方面，提供了可使用在磁性元件中的铁芯组件。铁芯组件 包含中心支腿，以及连接中心支腿的至少三个外支腿，当交互的电流接近 铁芯组件时，通过中心支腿和至少三个外支腿来形成磁性回路。另外，至 少三个外支腿的每个之间形成有间隙，绕组可通过该间隙进入和退出铁芯 组件。根据第二个方面，被提供的变压器包括铁芯组件、初级绕組和次级绕 组。铁芯组件包含中心支腿，以及连接中心支腿的至少三个外支腿，当交 变电流接近铁芯组件时，通过中心支腿和至少三个外支腿来形成磁性回 路。另外，至少三个外支腿的每个之间形成有间隙，绕组可通过该间隙进 入和退出铁芯组件。初级绕组具有以预定的次数巻绕中心支腿的部分，以 及穿过外支腿之间的至少 一个间隙的第 一端和第二端。次级绕组具有以预 定的次数巻绕中心支腿的部分，以及穿过外支腿之间的至少 一个间隙的第 一端和第二端。根据第三个方面，提供了装配磁性元件的方法。该方法包含提供了一 对半铁芯，每个半铁芯包含基体和从基体延伸的至少三个外支腿、从基体 与外支腿相同方向延伸的中心支腿，其中间隙形成在外支腿之间的空间 内。该方法还包含提供了实质上中空的绕线架来接收半铁芯的每个中心支 腿，绕线架包含绕组平面。进一步，该方法包含围着绕线架缠绕第一导 线，以及围着绕线架缠绕第二导线。另外，该方法包含将每个半铁芯的中 心支腿插入到绕线架中。除了上面所描述的示例性方面和实施例之外，其他方面和实施例通过 参考附图和通过研究下面的描述将变得显而易见。
图1示出了包含示例性的变压器的电源适配器应用； 图2A图示示例性的铁芯交叉的变压器的顶视图； 图2B图示图2A中示出的示例性的铁芯交叉的变压器的透视图； 图3图示一个可:f皮用在变压器中的示例性的4^芯结构的顶^L图； 图4图示另一个可用在变压器中的示例性铁芯结构的顶^L图； 图5图示另一个可用在变压器中的示例性铁芯结构的顶视图； 图6图示的数据的表格。
具体实施方式
虽然本发明允许进行各种各样的修改和替代形式，但是其中的具体实 施例已通过附图中的例子得以表示并且在此被详细描述。然而，应理解 到，并不是将本发明限制在所揭示的特定形式，而是，本发明要涵盖落入 由权利要求限定的本发明的范围和精神内的所有修改、等同物和替代形 式。图1图示可用于示例性的变压器100的应用。如所示，变压器100 可作为元件被包含在用电设备88的电源适配器84中。用电设备88可以 是便携式计算设备(例如笔记本电脑，个人数字助理，平板PC，或类似 设备)，或者手机、便携式音乐播放器、台式计算机，或类似设备。电源 适配器84的作用是将来自外电源80的输出电平改变为使之适合于用电设 备88的水平。如上所述，电源适配器84 (或转换器)可包含多级输出电 平(例如12V、 5V、 3.3V等)，其可通过在变压器100上包含多级次级绕 组来提供。这里所描述的变压器铁芯结构(或组件)本质上允许绕组具有分数的 匝数(这与整数匝数相对)，以使设计者可以创造出更精确的匝数比同时 使用相对较小数量的匝数。图2A-B是具有交叉的形状截面的铁芯结构 150的顶视图(图2A)和透视图(2B)。亦即，铁芯结构150包含具有四 个外支腿152a-d的上半部和包括四个外支腿的下半部(仅外支腿155b和 155c可见)。铁芯结构150的上半部和下半部还包含被插入到绕线架156 的开口的中心支腿(图2A-2B中未显示)。绕线架156可具有巻绕绕组表 面的一个或多个初级和次级绕组(例如绕组154a-b)。另外，绕线架156 可包含多个销(例如销158)，用于将铁芯结构150固定在印刷电路板上 (PCB)，和/或用于将绕组耦接于其他电路，。作为例子，铁芯结构可以由 铁氧体材料、铁粉末或者类似材料制造而成。通过将绕组配置成以在铁芯结构150上的任意四个特定区域(例如柱 152a和152b之间的间隙、柱152b和152c之间的间隙、柱152c和152d 之间的间隙、柱152d和152a之间的间隙)进出，设计者可以制造具有四 分之一匪的倍数的绕组结构(例如l/4匝、1/2匝、3/4匝)。在这一点上，的顶视图。如图所示， 铁芯结构200包含四个具有相等截面面积的柱202a-d。在这点上，用户能 以一种方式围绕绕线架缠绕绕組以使绕组从间隙位置ab、 bc、 cd或da中 的之一进入铁芯结构200，以及从这些位置之一从所述铁芯出来。因为柱 202a-d的截面面积实质上是相等的，通过每个柱202a-d的i兹通量将相等。 因此，绕组的每四分之一叵将等于绕组的整个匝之间的电压变化的四分之 一。例如，如果一个10匝的次级绕组具有10V的^"出电压，以及11匝具 有12V的输出电压，则在10^匝、lCH/2匝、10%匝的电压将分别是10.5V、 11V和11.5V。在这点上，在不增加绕组的匝数的情况下，能够在变压器 的次级侧获得更精确的输出电压。注意到，不希望大量地增加绕组的匝数，除了其他原因，这是因为由 于它们的电流传输要求，绕组需具有相当大的直径。另外，在阶梯式降压 变压器中，增加次级绕组的臣数可极大地增加初级绕组所要求的匝数。图4是铁芯结构220的顶视图，其包含具有不同截面积的多个支腿 222a-d。在这点上，其他期望的电平可通过利用绕组的四分之一匝凄t来获 得。在这个例子中，支腿222a和222c每一个可具有铁芯结构150的中心 支腿(未示出)截面积40%的截面积，以及支腿222b和222d每一个可具 有中心支腿的截面积10%的截面积。因此，使用铁芯结构220，通过穿过 两个40%的支腿222a、 222c和10%的支腿222b、 222d之一 (例如40% + 40% +10% =90% )来获得相当于全叵的9/10的电压。作为例子，绕組 的一端可在"bc"间隙处进入铁芯结构220，绕组可巻绕(在图4中显示为 顺时针)绕线架N次，以及另一端可在"ab"间隙处从铁芯结构220出来， 来获得相当于N + 0.9的匝数。作为另一个例子，绕组的一端可在"ab"间隙 处进入铁芯结构220，绕组可被巻绕(在图4中显示为顺时针)绕线架N 次，以及另一端可在"bc"间隙处从铁芯结构220出来，来获得相当于N + 0.1的匝数。本领域内的技术人员将容易地认识到一定数量的支腿和可变 截面的许多其他组合可被利用来获得期望的功能。铁芯的形状可被改变成以允许任何期望数量的相等空间的绕组出口 ， 用于要求例如，五分之一匝、六分之一匝等的倍数的应用中。例如，图5示出了被设计成以允许六分之一匝的倍数的铁芯结构250的截面的顶视 图。铁芯结构包含六支腿252a-f和标注为ab、 bc、 cd、 de、 ef以及fa的支 腿之间的六个间隙。与图3中所示的铁芯结构200相似，使用铁芯结构 250，通过适当地缠绕绕组来获得分数匪数。例如，绕组可在间隙"ab"处进 入铁芯，被顺时针缠绕N次，以及在间隙"bc"处穿出结构250,从而提供 了相当于N +0.167的匝数。
图6是图示在此所述的铁芯结构的优点的表格290。表格290中所示 的数据可以是包含铁芯结构的变压器的，该铁芯结构具有相等的截面积并 且彼此间隔90度的四个支腿，如图2A-B中所示的铁芯结构150。表格 290的第一列表示应用于变压器的初级绕组的AC电压。第二列表示初级 绕组的匝数，以及第三列表示次级绕组的匝数。最后，第四列表示由在同 一行的1-3列的数据建立情况下横跨在次级绕组上的AC电压。
如第三列(次级侧匝数)中所示，铁芯结构提供了执行1/4、 ％、 ％和全 匝数的能力。附图标记300指的是在使用分数匝数时可用的次级绕组上的 电平。由此可见，使用允许分数匝数的铁芯结构允许使用者去选择比实质 增加匝数所要求获得的更精确的电平。必须意识到表格290中数据是涉及 理想的变压器，以及是为了图示目的。在这点上，在实际的变压器中出现 非理想的特性(例如各种损耗)没有被表示。
必须意识到这里所描述的铁芯结构与以前的设计相比具有几个益处和 优点。通过提供多级支腿，分数匝数成为可能，因而为变压器提供了较大 数量的电势匝数比，而不需要增加绕组的数量。进一步，对于具有多级初 级和次级绕组的变压器，更多的匪数比组合可被获得。另外，通过提供包 含具有不同截面积的多级支腿，更大的匝数比可被获得。本领域的技术人 员应该意识到这里所描述的特征和实施例可具有其他的优点和被使用在各 种应用中。
而本发明在附图和前面的说明书中被详细地图解和描述，这些图解和 描述被认为在特性上是示例性的和非限制性的。例如，上述某些实施例可 与其他描述的实施例组合和/或以其他方式排列(例如，过程单元可以其他 的顺序进行)。因此，应当理解到，仅首选的实施例和变形被展示和描 述，以及认识到那些落在本发明的精神之内的所有变化和改进都希望净皮保 护。相关申请的交叉引用
本申请要求在35U.S.C.119下于2008年5月28日提交的U.S.临时申 请号为61/056706、题名为"电力变换技术"的申请的优先权，它的内容在 此被全部引入。
权利要求
1、一种铁芯组件包括中心支腿；以及至少三个外支腿，该至少三个外支腿耦合于中心支腿，使得当变化电流出现在邻近铁芯组件时，所述中心支腿和所述至少三个外支腿形成磁路；其中间隙被形成在介于所述至少三个外支腿的每个之间，使得绕组可通过间隙进入和穿出该铁芯组件。
2、 如权利要求1所述的铁芯组件，其中所述至少三个外支腿具有实 质上为矩形的截面区域。
3、 如权利要求1所述的铁芯组件，其中岁哦数至少三个外支腿中的 至少一个具有不同于另一外支腿的截面面积。
4、 如权利要求1所述的铁芯组件，其中所述铁芯组件恰好包含四个 外支腿。
5、 如权利要求1所述的铁芯组件，其中所述外支腿和中心支腿由两 片材料形成。
6、 如权利要求1所述的铁芯组件，其中所述铁芯组件包含铁氧体材料。
7、 如权利要求1所述的铁芯组件，其中所述中心支腿的截面积实质 上等于所述外支腿的截面积之和。
8、 一种变压器包括 铁芯组件包括中心支腿；以及至少三个外支腿，该至少三个外支腿耦合于中心支腿，使得当变 化电流出现在邻近铁芯组件时，所述中心支腿和至少三个外支腿形成磁 路；其中间隙被形成在介于所述至少三个外支腿的每个之间，使得绕 组可通过间隙进入和穿出所述4失芯组件；初级绕组，该初级绕组具有一部分以预定的次数巻绕所述中心支腿， 以及第一和第二端，该第一和第二端通过所述外支腿之间的至少一个间隙；以及次级绕组，该次级绕组具有一部分以预定的次数巻绕所述中心支腿， 以及第一端和第二端，该第一和第二端通过所述外支腿之间的至少一个间隙。
9、 如权利要求8所述的变压器，其中次级绕组的第一端通过所述外 支腿之间的一个间隙，以及次级绕组的第二端通过所述外支腿之间的另一 个间隙。
10、 如权利要求8所述的变压器，其中所述次级绕组是第一次级绕 组，所述变压器还包括第二次级绕组，该第二次级绕组具有一部分以预定的次数巻绕中心支 腿，以及第一端和第二端，该第一端和第二端通过所述外支腿之间的至少 一个间隙；其中所述第 一和第二次级绕组以不同的次数巻绕所述中心支腿。
11、 如权利要求IO所述的变压器，其中所述第二次级绕组的第一端通 过所述外支腿之间的一个间隙，以及所述次级绕组的第二端通过所述外支 腿之间的另一个间隙。
12、 如权利要求8所述的变压器，还包括绕线架，该绕线架配置在所述中心支腿上，其中所述初级绕组和所述 次级绕组被巻绕在所述绕线架上。
13、 如权利要求8所述的变压器，其中所述铁芯組件的至少三个外支 腿具有实质上为矩形的截面区域。
14、 如权利要求8所述的变压器，其中所述铁芯组件的至少三个外支 腿中的至少一个具有不同于所述外支腿中的另 一个的截面面积。
15、 如权利要求8所述的变压器，其中所述铁芯组件恰好包含四个外 支腿。
16、 一种装配^f兹性元件的方法，包括提供一对半铁芯，每个半铁芯包含基体和从该基体延伸的至少三个外 支腿，与所述外支腿同一方向从基体上延伸的中心支腿，其中间隙形成在 所述外支腿之间的空间中；提供实质上中空的绕线架来支撑所述半铁芯的每个中心支腿，所述绕 线架包含绕组表面；围绕所述绕线架缠绕第 一导线；围绕所述绕线架缠绕第二导线；以及将每个半铁芯的中心支腿插入进所述绕线架。
17、 如权利要求16所述的方法，其中缠绕所述第二导线包括以一定 的次数围绕所述绕线架缠绕所述第二导线，其中所述次数不是整数。
18、 如;K利要求16所述的方法，还包括以一定的次数围绕所述绕线架缠绕所述第二导线，其中所述次数不是 整数。
19、 如权利要求16所述的方法，其中所述至少三个外支腿中的至少 一个具有不同于所述外支腿中另一个的截面面积。
20、 如权利要求16所述的方法，其中所述铁芯组件恰好包含四个外支腿。
全文摘要
铁芯结构可被用在变压器中来改进可利用的匝数比。铁芯结构可包含至少三个外支腿和一个中心支腿。在运行中，变压器的绕组可以分数次数围绕中心支腿(例如使用绕线架)卷绕，使得变压器的匝数比可被更好地选择，而不增加所需要的匝数。另外，外支腿可具有不同的截面面积，使得可实现更多的分数匝数比。铁芯交叉的变压器。
文档编号H01F27/24GK101651015SQ20091016391
公开日2010年2月17日 申请日期2009年5月31日 优先权日2008年5月28日
发明者尼尔·盖尔, 阿图罗·西尔瓦 申请人:弗莱克斯电子有限责任公司