一种磁芯、集成磁元件、有源钳位正反激电路及开关电源的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种磁芯、包含上述磁芯的集成磁元件、包含上述集成磁元件的有源钳位正反激电路以及开关电源。磁芯包括第一磁柱、第二磁柱、第三磁柱以及横柱，所述横柱连接所述第一磁柱、所述第二磁柱和所述第三磁柱的同一端，所述第二磁柱位于所述第一磁柱和所述第三磁柱之间，其中第一磁柱垂直于磁感线的横截面积与第三磁柱垂直于磁感线的横截面积不相等。采用上述磁芯的集成磁元件中，绕制在磁芯上的线圈形成两组变压器。有源钳位正反激电路包含上述集成磁元件，使得正激变压器的磁柱横截面积比反激变压器的磁柱横截面积小，保证了正反激电路正常工作的同时，减小了电路的体积和重量。
【专利说明】一种磁芯、集成磁元件、有源钳位正反激电路及开关电源
【技术领域】
[0001]本发明涉及电子领域，尤其涉及一种磁芯、集成磁元件、有源钳位正反激电路及开关电源。
【背景技术】
[0002]电力电子技术的飞速发展，尤其是微处理器的飞速发展对为其供电的电源模块提出了极大的挑战。人们在应用多种技术手段来提高模块电源性能的同时，越来越发现磁性元件(简称磁元件，包括磁芯和绕在磁芯上的线圈)是限制电源体积、重量、效率的一个重要因素。据美国电源制造者协会(PSMA)统计，磁元件体积在DC-DC (直流转换直流)模块中占到总体积的20%以上、重量占总重量的30%以上。
[0003]有源钳位正反激电路是目前常用的一种电源电路，具有电路拓扑简单、电压尖峰小、可以实现零电压开关等优良特性，在中小功率的直流变换场合得到了广泛的应用。现有技术中有源钳位正反激电路采用的磁集成电路，将两个普通的变压器集成在一个磁元件上，在一定程度上简化了电路结构，减小了磁元件的体积。但是该电路只是将实现正激电路和反激电路的两个变压器简单地做在一块磁元件上，磁元件的体积和重量还是比较大，磁芯的利用率不闻，磁兀件的体积和重量还有进一步减小的空间。
【发明内容】
[0004]本发明实施例公开了一种磁芯、集成磁元件、有源钳位正反激电路及开关电源，可以实现减小磁芯以及集成磁元件的体积，增加有源钳位正反激电路及开关电源中集成磁元件磁芯的利用率的技术效果。
[0005]本发明实施例第一方面公开了一种磁芯，具体包括:
[0006]第一磁柱、第二磁柱、第三磁柱以及横柱，所述横柱连接所述第一磁柱、所述第二磁柱和所述第三磁柱的同一端，所述第二磁柱位于所述第一磁柱和所述第三磁柱之间，所述第一磁柱垂直于磁感线的横截面积与所述第三磁柱垂直于磁感线的横截面积不相等。
[0007]本发明实施例第二方面公开了一种集成磁元件，具体包括:
[0008]由第一磁芯和第二磁芯构成的闭合磁芯，以及绕制在所述闭合磁芯上的线圈；其特征在于:
[0009]所述第一磁芯和所述第二磁芯为如本发明实施例第一方面公开的磁芯，所述第一磁芯与所述第二磁芯尺寸一致；其中，
[0010]所述第一磁芯的第二磁柱与所述第二磁芯的第二磁柱两两相对并接触，构成所述闭合磁芯的中柱；
[0011]所述第一磁芯的第一磁柱与所述第二磁芯的第一磁柱两两相对不接触，构成所述闭合磁芯的第一侧柱；所述第一磁芯的第一磁柱与所述第二磁芯的第一磁柱之间形成第一气隙；
[0012]所述第一磁芯的第三磁柱与所述第二磁芯的第三磁柱两两相对不接触，构成所述闭合磁芯的第二侧柱；所述第一磁芯的第三磁柱与所述第二磁芯的第三磁柱之间形成第二气隙；
[0013]所述线圈绕在所述闭合磁芯上，形成两组变压器。
[0014]本发明实施例第三方面公开了一种有源钳位正反激电路，具体包括:
[0015]原边电路、集成磁元件、副边整流及电容滤波电路，所述副边整流及电容滤电路包括整流电路和滤波电路；其特征在于:所述原边电路通过所述集成磁元件连接所述副边整流及电容滤电路，所述原边电路连接所述第一原边绕组和所述第二原边绕组，所述第一副边绕组和所述第二副边绕组连接所述整流电路，所述整流电路连接所述滤波电路，其中所述集成磁元件是本发明实施例第二方面公开的集成磁元件。
[0016]本发明实施例第四方面公开了一种开关电源，包括本发明实施例第三方面公开的有源钳位正反激电路。
[0017]本发明实施例将磁芯的第一磁柱和第三磁柱的横截面积设置为不相等；在集成磁元件中采用上述磁芯，并且将第一磁芯的第一磁柱与第二磁芯的第一磁柱之间的距离也即第一气隙的宽度和第一磁芯的第三磁柱与第二磁芯的第三磁柱之间的距离也即第二气隙的宽度的比例，设置为和磁芯的第一磁柱与第三磁柱的横截面积的比例，以不影响磁回路的正常通行；有源钳位正反激电路中，第一磁柱参与形成的是正激变压器，第三磁柱参与形成的是反激变压器，将磁芯的第一磁柱与第三磁柱的横截面积设为不相等，在实现正反激电路正常功能的同时，降低了磁芯的体积和重量，进而降低了有源正反激电路及开关电源的体积和重量，提高了电路中磁芯的利用率。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0019]图1是本发明实施例的一种磁芯的正视图；
[0020]图2是本发明实施例的一种磁芯的仰视图；
[0021]图3是本发明实施例的第一种集成磁元件的结构示意图；
[0022]图4是本发明实施例的第二种集成磁元件的结构示意图；
[0023]图5是本发明实施例的一种有源钳位正反激电路的结构示意图；
[0024]图6是本发明实施例的一种有源钳位正反激电路的电路图；
[0025]图7是本发明实施例的一种开关电源的结构示意图。
【具体实施方式】
[0026]下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0027]本发明实施例公开的磁芯、包含上述磁芯的集成磁元件、包含上述集成磁元件的有源钳位正反激电路，其中磁芯的第一磁柱和第三磁柱的横截面积不相等；包含上述磁芯的集成磁元件中，绕制在磁芯的线圈形成两组变压器；包含上述集成磁元件的有源钳位正反激电路中，正激变压器的磁柱横截面积比反激变压器的磁柱横截面积小，保证了正反激电路正常工作的同时，减小了电路体积和重量。
[0028]请参阅图1，图1是本发明实施例的一种磁芯的正视图。图1所示的磁芯可以应用在各种电子设备的线圈和变压器中。如图1所示，该磁芯10包括:第一磁柱11、第二磁柱
12、第三磁柱13以及横柱14,横柱14连接第一磁柱11、第二磁柱12和第三磁柱13的同一端，第二磁柱12位于第一磁柱11和第三磁柱13之间。
[0029]请参阅图2，图2是本发明实施例的一种磁芯的仰视图。如图2所示，第一磁柱11的横截面积SI与第三磁柱13的横截面积S3不相等。其中，横截面积是指垂直于磁感线的磁柱的面积。
[0030]进一步地，第一磁柱垂直于磁感线的横截面积是第三磁柱垂直于磁感线的横截面积的0.3一0.8倍。
[0031]图1和图2所示的磁芯是由PQ型结构的铁芯构成，此外，还可以是由E型，EC型、EP型等形状的铁芯构成，本发明对铁芯的结构不作限制。
[0032]请参阅图3，图3是本发明实施例的第一种集成磁元件的结构示意图，图3所示的集成磁元件可用于在开关电源、电力电子装置中，担负着磁能的传递、储存以及滤波和电气隔离的作用。如图3所示，该集成磁元件300包括:第一磁芯310和第二磁芯320构成的闭合磁芯，以及绕制在闭合磁芯上的线圈，其中第一磁芯310和第二磁芯320是图1和图2所示的磁芯。
[0033]具体地，第一磁芯310的第二磁柱312与第二磁芯320的第二磁柱322两两相对并接触，构成闭合磁芯330的中柱；
[0034]第一磁芯310的第一磁柱311与第二磁芯320的第一磁柱321两两相对不接触，构成闭合磁芯的第一侧柱；第一磁芯310的第一磁柱311与第二磁芯320的第一磁柱321之间形成第一气隙；
[0035]第一磁芯310的第三磁柱313与第二磁芯320的第三磁柱323两两相对不接触，构成闭合磁芯的第二侧柱；第一磁芯310的第三磁柱313与第二磁芯320的第三磁柱323之间形成第二气隙；
[0036]绕制在中柱上的线圈形成共同原边绕组，绕制在第一侧柱上的线圈形成第一副边绕组Ns301，绕制在第二侧柱上的线圈形成第二副边绕组Ns302，共同原边绕组作为第一原边绕组Np301和第一副边绕组Ns301构成第一变压器，同时共同原边绕组作为第二原边绕组Np302和第二副边绕组Ns302构成第二变压器。
[0037]进一步地,第一磁芯310的第一磁柱311与第二磁芯320的第一磁柱321之间的距离形成第一气隙的宽度；第一磁芯310的第三磁柱313与第二磁芯320的第三磁柱323之间的距离形成第二气隙的宽度；第一气隙的宽度不等于第二气隙的宽度。
[0038]进一步地，第一气隙的宽度与第二气隙的宽度的比例和第一磁芯310的第一磁柱311的横截面积与第一磁芯310的第三磁柱313的横截面积的比例相等。
[0039]请参阅图4，图4是本发明实施例的第二种集成磁元件的结构示意图，图4所示的集成磁元件与图3所示的集成磁元件结构一样，区别在于线圈的绕制方式不同，如图4所示:
[0040]绕制在第一磁芯410的第一磁柱411上的线圈形成第一原边绕组Np401，绕制在第二磁芯420的第一磁柱421上的线圈形成第一副边绕组Ns301，第一原边绕组Np401和第一副边绕组Ns401构成第一变压器；绕制在第一磁芯410的第三磁柱413上的线圈形成第二原边绕组Np402，绕制在第二磁芯420的第三磁柱423上的线圈形成第二副边绕组Ns402，第二原边绕组Np402和第二副边绕组Ns402构成第二变压器；第一原边绕组Np401和第二原边绕组Np402串联连接。
[0041]进一步地,第一磁芯410的第一磁柱411与第二磁芯420的第一磁柱421之间的距离形成第一气隙的宽度；第一磁芯410的第三磁柱413与第二磁芯420的第三磁柱423之间的距离形成第二气隙的宽度；第一气隙的宽度不等于第二气隙的宽度。
[0042]进一步地，第一气隙的宽度与第二气隙的宽度的比例和第一磁芯410的第一磁柱411的横截面积与第一磁芯410的第三磁柱413的横截面积的比例相等。
[0043]以上所示的只是集成磁元件的两种线圈绕制的方式，但本发明对线圈绕制的方式不作限制，线圈绕在闭合磁芯上，形成两组变压器即可。
[0044]请参阅图5,图5是本发明实施例的一种有源钳位正反激电路的结构示意图；图5所示的有源钳位正反激电路广泛应用于在变压器、开关电源、电力电子装置中。如图5所示，该有源钳位正反激电路500包括:原边电路501、集成磁元件504、副边整流及电容滤波电路，副边整流及电容滤电路包括整流电路502和滤波电路503 ;其特征在于:原边电路501通过集成磁元件504连接副边整流及电容滤波电路，连接输入端的原边电路501连接集成磁元件的第一原边绕组Np501和集成磁元件的第二原边绕组Np502，集成磁元件的第一副边绕组Ns501和集成磁元件的第二副边绕组Ns502连接整流电路502，整流电路502连接滤波电路503 ;其中集成磁元件为如图3-4任一图所示的集成磁元件。
[0045]具体地，第一原边绕组Np501和第一副边绕组Ns501构成的第一变压器为正激变压器，第二原边绕组Np502和第二副边绕组Ns502构成的第二变压器为反激变压器。
[0046]正激变压器是有源钳位正反激电路中形成正激式电路的变压器，主要作用是能量传递，变压器自身并不需要储存能量，理想的正激变压器能量传输比是1:1，变压器自身的损耗很小，所以较小的变压器就可以实现较大的传输功率；反激变压器是有源钳位正反激电路中形成反激式电路的变压器，主要作用是将能量储存在变压器的磁芯中，然后再从磁芯中将能量传送到副边电路，需要较大的变压器实现能量的传送。由以上正激变压器和反激变压器的工作原理可知，正激电路和反激电路所需要的变压器的大小是不一样的。
[0047]本发明实施例中，正激变压器由绕制在集成磁元件504的闭合磁芯的第一侧柱和中柱的第一原边绕组Np501和第一副边绕组Ns501组成，反激变压器由绕制在集成磁元件504的闭合磁芯的第二侧柱和中柱的第二原边绕组Np502和第二副边绕组Ns502组成；因此，正激变压器的体积大小与集成磁元件504的闭合磁芯的第一侧柱的体积大小有关，反激变压器的体积大小与集成磁元件504的闭合磁芯的第二侧柱的体积大小有关。而第一侧柱是由第一磁芯的第一磁柱和第二磁芯的第一磁柱构成的，第二侧柱是由第一磁芯的第三磁柱和第二磁芯的第三磁柱构成的，因此，正激变压器的体积大小与第一磁芯和第二磁芯的第一磁柱的体积有关，反激变压器的体积大小与第一磁芯和第二磁芯的第三磁柱的体积有关，第一磁芯和第二磁芯尺寸大小一致。[0048]本发明实施例中，集成磁兀件的第一磁芯的第一磁柱的横截面积与集成磁兀件的第一磁芯的第三磁柱的横截面积设置为不一样大小，以使第一磁柱的体积和第三磁柱的体积不一样。
[0049]进一步地,本发明实施例中，集成磁兀件的第一磁芯的第一磁柱的横截面积与集成磁元件的第一磁芯的第三磁柱的横截面积的比例设为0.3-0.8，以使正激变压器的体积小于反激变压器的体积，同时又不影响正激电路和反激电路的正常工作。
[0050]反激变压器是以一个储能元件的形式在电路中工作，因此反激变压器的磁芯一般需要设置一定大小的气隙，以防止变压器磁芯饱和，同时，为避免磁通量的偏移，在正激变压器中也需要设置一定大小的气隙，以使正激变压器中磁回路的磁阻与反激变压器中磁回路的磁阻大小相等。磁阻的大小与变压器磁柱的横截面积的大小成正比，与气隙的宽度成反比。
[0051]本发明实施例中，第一磁芯的第一磁柱与第二磁芯的第一磁柱之间形成第一气隙即正激变压器的气隙，第一磁芯的第三磁柱与第二磁芯的第三磁柱之间形成第二气隙即反激变压器的气隙；第一磁芯的第一磁柱与第二磁芯的第一磁柱之间的距离形成第一气隙的宽度，第一磁芯的第三磁柱与第二磁芯的第三磁柱之间的距离形成第二气隙的宽度；第一气隙的宽度与第二气隙的宽度的比例设置为与第一磁柱的横截面积和第三磁柱的横截面积的比例相等。
[0052]作为一种优选地方式，第一磁芯的第一磁柱的横截面积是第一磁芯的第三磁柱的横截面积的0.5倍,第一气隙的宽度与第二气隙的宽度的比例也为0.5。
[0053]作为一种优选的方式，集成磁元件504的第一磁芯和第二磁芯由PQ型结构的铁芯构成。
[0054]请参阅图6,图6是本发明实施例的一种有源钳位正反激电路的电路图；图6所示的电路图是图5所示的结构示意图的一个具体实施例。如图6所示，该有源钳位正反激电路包括:
[0055]由输入端和MOS管Q6011、Q6012以及二极管D6011组成的原边电路；
[0056]由整流二极管D6021、D6022组成的副边整流电路；
[0057]由滤波二极管D6031组成的电容滤波电路；
[0058]原边电路通过如图3所示的集成磁元件连接副边整流电路及电容滤波电路，原边电路连接集成磁元件的第一原边绕组和集成磁元件的第二原边绕组，此时该第一原边绕组和该第二原边绕组都为图3中共同原边绕组；集成磁元件的第一副边绕组和集成磁元件的第二副边绕组连接副边整流电路，副边整流电路连接电容滤波电路，电容滤波电路连接输出端。
[0059]除了采用图6所示的元器件及元器件之间的连接方式构成电路以外，有源钳位正反激电路还可以采用现有技术中其他的电路结构，本发明不作限制。
[0060]具体地，共同原边绕组和第一副边绕组构成的第一变压器为正激变压器，共同原边绕组和第二副边绕组构成的第二变压器为反激变压器。
[0061]本发明实施例中，集成磁兀件的第一磁芯6041的第一磁柱60411的横截面积与集成磁兀件604的第一磁芯6041的第三磁柱60413的横截面积的比例设为0.3-0.8,以使正激变压器的体积小于反激变压器的体积，同时又不影响正激电路和反激电路的正常工作。[0062]本发明实施例中，第一磁芯6041的第一磁柱60411与第二磁芯6042的第一磁柱60421之间的距离形成第一气隙的宽度，第一磁芯6041的第三磁柱60413与第二磁芯6042的第三磁柱60423之间的距离形成第二气隙的宽度；第一气隙的宽度与第二气隙的宽度的比例设置为与第一磁柱60411的横截面积和第三磁柱的横截面积的比例相等。
[0063]作为一种优选地方式，第一磁芯的第一磁柱的横截面积是第一磁芯的第三磁柱的横截面积的0.5倍,第一气隙的宽度与第二气隙的宽度的比例也为0.5。
[0064]作为一种优选的方式，集成磁元件的第一磁芯和第二磁芯由PQ型结构的铁芯构成。
[0065]请参阅图7，图7是本发明实施例的一种开关电源的结构示意图，如图7所示的开关电源700包括如图5或6所示的有源钳位正反激电路701和其他电路702。
[0066]本发明实施例中的电路可以根据实际需要进行合并、划分和删减。
[0067]根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。本发明并不局限于上面揭示和描述的【具体实施方式】，对发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。
【权利要求】
1.一种磁芯，包括第一磁柱、第二磁柱、第三磁柱以及横柱，所述横柱连接所述第一磁柱、所述第二磁柱和所述第三磁柱的同一端，所述第二磁柱位于所述第一磁柱和所述第三磁柱之间，其特征在于:所述第一磁柱垂直于磁感线的横截面积与所述第三磁柱垂直于磁感线的横截面积不相等。
2.如权利要求1所述的磁芯，其特征在于:所述第一磁柱垂直于磁感线的横截面积是所述第三磁柱垂直于磁感线的横截面积的0.3-0.8倍。
3.一种集成磁兀件，包括由第一磁芯和第二磁芯构成的闭合磁芯，以及绕制在所述闭合磁芯上的线圈；其特征在于: 所述第一磁芯和所述第二磁芯为如权利要求1或2所述的磁芯，所述第一磁芯与所述第二磁芯尺寸一致；其中， 所述第一磁芯的第二磁柱与所述第二磁芯的第二磁柱两两相对并接触，构成所述闭合磁芯的中柱； 所述第一磁芯的第一磁柱与所述第二磁芯的第一磁柱两两相对不接触，构成所述闭合磁芯的第一侧柱；所述第一磁芯的第一磁柱与所述第二磁芯的第一磁柱之间形成第一气隙； 所述第一磁芯的第三磁柱与所述第二磁芯的第三磁柱两两相对不接触，构成所述闭合磁芯的第二侧柱；所述第一磁芯的第三磁柱与所述第二磁芯的第三磁柱之间形成第二气隙； 所述线圈绕在所述闭合 磁芯上，形成两组变压器。
4.如权利要求3所述的磁元件，其特征在于:绕制在所述中柱上的线圈形成共同原边绕组，绕制在所述第一侧柱上的线圈形成第一副边绕组，绕制在所述第二侧柱上的线圈形成第二副边绕组，所述共同原边绕组作为第一原边绕组和所述第一副边绕组构成第一变压器，同时所述共同原边绕组作为第二原边绕组和所述第二副边绕组构成第二变压器。
5.如权利要求3所述的磁元件，其特征在于:绕制在所述第一磁芯的第一磁柱上的线圈形成第一原边绕组，绕制在所述第二磁芯的第一磁柱上的线圈形成第一副边绕组，所述第一原边绕组和所述第一副边绕组构成第一变压器；绕制在所述第一磁芯的第三磁柱上的线圈形成第二原边绕组，绕制在所述第二磁芯的第三磁柱上的线圈形成第二副边绕组，所述第二原边绕组和所述第二副边绕组构成第二变压器；所述第一原边绕组和所述第二原边绕组串联连接。
6.如权利要求3所述的磁元件，其特征在于:所述第一磁芯的第一磁柱与所述第二磁芯的第一磁柱之间的距离形成所述第一气隙的宽度；所述第一磁芯的第三磁柱与所述第二磁芯的第三磁柱之间的距离形成所述第二气隙的宽度；所述第一气隙的宽度不等于所述第二气隙的宽度。
7.如权利要求6所述的磁元件，其特征在于:所述第一气隙的宽度与所述第二气隙的宽度的比例等于所述第一磁芯的第一磁柱的横截面积与所述第一磁芯的第三磁柱的横截面积的比例。
8.一种有源钳位正反激电路,包括原边电路、集成磁元件、副边整流及电容滤波电路，所述副边整流及电容滤电路包括整流电路和滤波电路；其特征在于: 所述集成磁元件为如权利要求4-7任一项所述的集成磁元件；所述原边电路通过所述集成磁元件连接所述副边整流及电容滤波电路，所述原边电路连接所述集成磁元件的第一原边绕组和所述集成磁元件的第二原边绕组，所述集成磁元件的第一副边绕组和所述集成磁元件的第二副边绕组连接所述整流电路，所述整流电路连接所述滤波电路。
9.如权利要求8所述的电路，其特征在于:所述第一原边绕组和所述第一副边绕组构成的第一变压器为正激变压器，所述第二原边绕组和所述第二副边绕组构成的第二变压器为反激变压器。
10.如权利要求9所述的电路，其特征在于: 所述集成磁元件的第一磁芯的第一磁柱的横截面积与所述集成磁元件的第一磁芯的第二磁柱的横截面积的比例为0.3-0.8 ； 所述第一磁芯的第一磁柱与所述第二磁芯的第一磁柱之间的距离形成所述第一气隙的宽度；所述第一磁芯的第三磁柱与所述第二磁芯的第三磁柱之间的距离形成所述第二气隙的宽度； 所述第一气隙的宽度与所述第二气隙的宽度的比例设置为与所述第一磁柱的横截面积和所述第三磁柱的横截面积的比例相等。
11.如权利要求10所述的电路，其特征在于:所述第一磁芯的第一磁柱的横截面积是所述第一磁芯的第三磁柱的横截面积的0.5倍，所述第一气隙的宽度与所述第二气隙的宽度的比例也为0.5。
12.如权利要求 8-11所述的电路，其特征在于:所述集成磁元件的第一磁芯和第二磁芯的形状为PQ型。
13.一种开关电源，其特征在于，所述开关电源如权利要求8-12任一项所述的有源钳位正反激电路。
【文档编号】H01F27/24GK104025217SQ201480000048
【公开日】2014年9月3日 申请日期:2014年3月5日 优先权日:2014年3月5日
【发明者】赵德琦, 刘鹏飞, 陈丽君, 莫光铖 申请人:深圳市欣锐特科技有限公司