集成式磁性变压器组件的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及集成式磁性变压器组件，该集成式磁性变压器组件包括：第一磁导芯， 第一磁导芯形成第一基本闭合磁通路径；以及第二磁导芯，第二磁导芯形成第二基本闭合 磁通路径。第一输入电感器绕组被缠绕在第一磁导芯的第一预定段上，并且第二输入电感 器绕组被缠绕在第二磁导磁性的第一预定段上。该集成式磁性变压器组件还包括第一输出 电感器绕组，该第一输出电感器绕组包括串联耦合的第一半绕组和第二半绕组，其中，该第 一半绕组被缠绕在第一磁导芯的第二预定段上，并且该第二半绕组被缠绕在第二磁导芯的 第二预定段上。第二输出电感器绕组包括串联耦合的第一半绕组和第二半绕组，其中，该第 一半绕组被缠绕在第一磁导芯的第三预定段上，并且该第二半绕组被缠绕在第二磁导芯的 第三预定段上。第一输出电感器绕组的第二半绕组和第二输出电感器绕组的第二半绕组被 配置成产生通过第二基本闭合磁通路径的反向磁通，并且第一输出电感器绕组的第一半绕 组和第二输出电感器绕组的第一半绕组被配置成产生通过第一基本闭合磁通路径的对齐 的（aligned)(即，朝相同方向的）磁通。该集成式磁性变压器组件非常适合于用在宽范围 的单输入、多输入或多输出隔离式电力转换器拓扑中。
【背景技术】
[0002] 为了将从两个或更多个独立的输入电压或能源生成的电力合并以生成经调整的 DC输出电压，近年来已经提出了多个多输入电力转换器的拓扑。独立输入电压或能源可 以例如包括清洁能源，例如太阳能电池阵、风力涡轮机、燃料电池、电池和商用AC电力线。 一些已知的多输入电力转换器的共同限制在于：每次仅允许单个输入电压或电源将电力 或能量传递至转换器输出以防止制电力耦合效应。这些电力耦合效应可以在电力转换器 变压器的初级侧及其相关联的输入驱动器电路中引入环流。因而这些电力耦合效应在电 力转换器变压器的初级侧及其相关联的输入驱动器电路中引起相当大的电力损耗并且可 以严重地损害驱动器电路。本发明提出了针对单输入多输入隔离式电力转换器的新的电 路拓扑，该电路拓扑使用具有次级侧半绕组的新颖的绕组连接的分开的多绕组变压器。支 持本发明的理念源于在本申请人的公开的PCT专利申请W02013/037696"Anintegrated magneticscomponent"（其涉及针对单输入或多输入电力转换器的新颖的四象限集成式变 压器（FQIT))中描述的隔离式电力转换器拓扑。基于FQIT的电力转换器拓扑能够在转换 器组件的多个初级侧或输入侧电感器绕组之间进行完全去耦合，使得两个分开的输入电源 能够在没有不期望的电力耦合效应的情况下同时地或者在任何时分复用方案下将能量传 递到转换器输出中。
[0003] 在一个方面中，本发明提供了一种新颖的集成式磁性变压器组件，该新颖的集成 式磁性变压器组件在电气上等同于FQIT，尽管该新颖的集成式磁性变压器组件拥有明显不 同的芯几何结构。尽管由基于FQIT芯几何结构的电力转换器提供的相当多的优点，但是基 于FQIT芯几何结构的电力转换器目前仍保持可能需要专用制造工具的定制结构。相比之 下，本集成式磁性变压器组件可以基于常规芯几何结构例如E形几何结构的两个磁导芯。 这些传统芯几何结构易于以低成本从多个源得到。此外，本集成式磁性变压器组件的等同 电路结构能够与对基于本集成式磁性变压器组件的电力转换器的操作原理的直接理解一 起方便地进行电气分析和仿真。
【发明内容】
[0004] 本发明的第一方面涉及一种集成式磁性变压器组件，或者一种离散变压器组件， 其包括：第一磁导芯，该第一磁导芯形成第一基本闭合磁通路径；以及第二磁导芯，该第二 磁导芯形成第二基本闭合磁通路径。第一输入电感器绕组被缠绕在第一磁导芯的第一预定 段上，并且第二输入电感器绕组被缠绕在第二磁导芯的第一预定段上。集成式磁性变压器 组件还包括第一输出电感器绕组，该第一输出电感器绕组包括串联耦合的第一半绕组和第 二半绕组，其中，该第一半绕组被缠绕在第一磁导芯的第二预定段上，并且该第二半绕组被 缠绕在第二磁导芯的第二预定段上。第二输出电感器绕组包括串联耦合的上半段绕组和第 二半绕组，其中，该上半段绕组被缠绕在第一磁导芯的第三预定段上，并且该第二半绕组被 缠绕在第二磁导芯的第三预定段上。第一输出电感器绕组的第二半绕组和第二输出电感器 绕组的第二半绕组被配置成产生通过第二基本闭合磁通路径的反向磁通，并且第一输出电 感器绕组的第一半绕组和第二输出电感器绕组的第一半绕组被配置成产生通过第一基本 闭合磁通路径的对齐的（即，朝相同方向的）磁通。
[0005] 第一磁导芯与第二磁导芯之间的第一输出电感器绕组和第二输出电感器绕组的 各自的第一半绕组和第二半绕组的分布结合由第一输出电感器绕组和第二输出电感器绕 组的各自的第二半绕组的配置所提供的反向磁通产生多个益处。反向磁通可以引起由电 流通过第一输出电感器绕组的第二半绕组和第二输出电感器绕组的第二半绕组的流动而 来的第二磁导芯的第一预定段、第二预定段和第三预定段中的磁通的全部或至少部分的抵 消。该磁通抵消引起从第二输出电感器绕组反射回第二输入电感器绕组的电压的有益抑制 或消除。后者可以布置在第二磁导芯的初级侧。因此，如下面结合对附图的以下描述进一 步说明的，在本集成式磁性变压器组件中已经实现了第一输入电感器绕组和第二输入电感 器绕组的全部的或至少部分的磁性去耦合。
[0006] 第一磁导芯和第二磁导芯中的每一个优选地包括拥有高的磁导的材料，例如软磁 材料如铁氧体或铁磁合金如钢板、硅钢、铸钢、钨钢、磁钢、铸铁、镍等。
[0007] 本集成式磁性变压器组件的第一磁导芯和第二磁导芯优选地是由适当的保持构 件或载体以固定或预定空间关系保持的完全分开的机械结构，该保持构件或载体优选地由 非磁导材料例如塑料或弹性化合物制成。该预定空间关系可以包括第一磁导芯与第二磁导 芯之间的某个最小距离，例如2mm与50mm之间的距离，优选地为至少6mm的距离。以此方 式，第一磁导芯结合第一输入电感器绕组、第一输出电感器绕组的第一半绕组和第二输出 电感器绕组的第一半绕组形成第一变压器。同样地，通过第二磁导芯结合第二输入电感器 绕组、第一输出电感器绕组的第二半绕组和第二输出电感器绕组的第二半绕组来形成第二 变压器。根据一个实施方式，保持构件包括印刷电路板。保持构件的印刷电路板（PCB)部 分可以包括例如通过第一输入电感器绕组和第二输入电感器绕组以及第一输出电感器绕 组和第二输出电感器绕组的相应导线端子而电连接至这些电感器绕组中相应的电感器绕 组的各种外部可访问输入和输出端或块。因此，保持构件可以向集成式磁性变压器组件提 供理想的结构完整性和电连接性。电力转换器的其他部件也可以集成在PCB上，使得能够 对电力转换器进行有效地模块化。
[0008] 保持构件的印刷电路板的优选实施方式包括多层印刷电路板，该多层印刷电路板 优选地通过在多层PCB中的层中提供输入电感器绕组和输出电感器绕组中的若干个电感 器绕组作为相应的绕组图案，来向变压器组件提供另外的灵活性。多层印刷电路板的一个 实施方式包括第一通孔和第二通孔。第一磁导芯的公共直腿通过第一通孔而突出，并且第 二磁导芯的公共直腿通过第二通孔而突出。绕第一通孔布置有第一板布线图案，该第一板 布线图案包括第一输入电感器绕组、第一输出电感器绕组的第一半绕组以及第二输出电感 器绕组的第一半绕组中的至少一者。绕第二通孔布置有第二板布线图案，该第二板布线图 案包括第二输入电感器绕组、第一输出电感器绕组的第二半绕组以及第二输出电感器绕组 的第二半绕组中的至少一者。技术人员将理解，多层印刷电路板可以包括一个或更多个附 加通孔以容纳第一磁导芯和第二磁导芯的附加腿，例如针对一对E形磁导芯的四个附加 腿。
[0009] 集成式磁性变压器组件的其他实施方式包括针对第一输入电感器绕组和第二输 入电感器绕组中的每一个以及第一输出电感器绕组和第二输出电感器绕组中的每一个的 常规的导线类型和导线材料，例如硬铜线或利兹线。集成式磁性变压器组件的其他实施方 式可以使用基于上述PCB的布线和常规类型的导线的组合。
[0010] 本集成式磁性变压器组件的显著优点是第一磁导芯和第二磁导芯可以拥有常规 的变压器芯几何结构例如E形、环形、矩形等。因此，第一芯可以包括由三个基本直腿和公 共直腿的机械耦合而形成的第一基本矩形芯部，并且第二芯包括由三个基本直腿和公共直 腿的机械耦合而形成的第二基本矩形芯。在另一E形芯实施方式中，集成芯变压器组件包 括第一磁导E形芯和第二磁导E形芯，其中，所述E形芯中的每一个包括布置在一对相邻外 腿之间的公共腿。这些传统的芯几何结构易于以低成本从多个制造商或供应源得到，使得 本集成式磁性变压器组件可以从这些传统芯中的两个芯结合适当布置的输入变压器绕组 和输出变压器绕组来构造。
[0011] 可以通过取决于所选择的芯几何结构的第二芯上的不同半绕组布置来实现第一 输出电感器绕组的第二半绕组和第二输出电感器绕组的第二半绕组（这些半绕组产生反 向磁通）的有益配置。在优选实施方式中，第一输出电感器绕组的第一半绕组和第二输出 电感器绕组的第一半绕组被缠绕在第一芯的公共直腿上；并且第一输出电感器绕组的第二 半绕组和第二输出电感器绕组的第二半绕组被缠绕在第二芯的公共直腿上。第一输出电感 器绕组的第一半绕组和第二输出电感器绕组的第一半绕组朝相同方向连接，并且第一输出 电感器绕组的第二半绕组和第二输出电感器绕组的第二半绕组朝相反方向连接。在该绕组 布置中，第一输出电感器绕组的第一半绕组和第二输出电感器绕组的第一半绕组产生通过 第一芯的公共腿的朝相同方向的磁通，而第一输出电感器绕组的第二半绕组和第二输出电 感器绕组的第二半绕组产生通过第二芯的公共腿的朝相反方向的磁通。技术人员将理解， 由第二半绕组生成的第二芯中的磁通优选地不仅通过第二芯的公共腿而且在整个第二基 本闭合磁通路径的所有点处是反向的。同样地，由第一半绕组生成的第一芯中的磁通优选 地在整个第二基本闭合磁通路径的所有点处朝相同方向流动。
[0012] 第一输入电感器绕组优选地被配置或定向成使得：该第一输入电感器绕组产生朝 着与第一半绕组相同的方向的磁通。第二输入电感器绕组优选地被配置或定向成使得：该 第二输入电感器绕组产生下述的磁通：该磁通朝着与第一输出电感器绕组的第二半绕组相 同的方向并且因而朝着与由第二输出电感器绕组的第二半绕组产生的磁通相反的方向。第 一输入电感器绕组优选地被缠绕在第一磁导芯的公共直腿上，并且第二输入电感器绕组优 选地被缠绕在第二磁导芯的公共直腿上。在后者实施方式中，在第一芯和第二芯中的每一 个上的每个输入电感器绕组与输出电感器绕组中的每一个的第一半绕组和第二半绕组之 间保持具有最小磁漏的良好的磁耦合。根据后者实施方式的一个变型，第一输入电感器绕 组、第一输出电感器绕组的第一半绕组和第二输出电感器绕组的第一半绕组被相邻地布置 在第一芯的公共直腿上。同样地，第二输入电感器绕组、第一输出电感器绕组的第二半绕组 和第二输出电感器绕组的第二半绕组被相邻地布置在第二磁导芯的公共直腿上。技术人员 将意识到，布置在第一芯的公共直腿上的输入电感器绕组和输出电感器绕组可以部分地或 全部地交叠，即部分地或全部地交错，使得第一芯的第一段和第二段部分地或全部地交叠。 上述同样适用于第二芯上的输入电感器绕组和输出电感器绕组。
[0013] 根据本集成式磁性变压器组件的优选实施方式，第一输