磁性元件、功率模块及功率变换系统的制作方法

1.本公开涉及一种磁性元件、功率模块及功率变换系统，特别涉及一种具有较高pcb(printed circuit board，印刷电路板)利用率的磁性元件、功率模块及功率变换系统。


背景技术：

2.为了提高开关电源的工作频率、功率密度及可自动化制造性，且同时为了降低制造成本，越来越多的开关电源采用模块化的方式进行设计。模块化是将功率半导体器件设置于模块电路板上，再将模块电路板设置于主电路板上，其中模块电路板上设置磁性元件及功率变换线路。
3.由于大部分服务器及通信电源的高度设计为1u，使得设置于服务器及通信电源内部的模块电路板的高度受到限制。且由于磁性元件在模块电路板上占有相当大的体积、重量与损耗，因此磁性元件的设计及布局可以决定模块电路板(pcb)的利用率及通信电源的整体性能。
4.近年来，磁性元件的设计和空间布局经历了快速的发展。磁性元件的结构从单一的独立绕线式发展到平面结构、矩阵结构、模块结构、集成结构和混合结构等多种形态。在通信电源的模块化和开关频率的高频化的发展趋势下，平面结构的磁性元件具有体积小及功率密度高的优点，故被广泛地应用于模块电路板的磁性元件的设计中。
5.传统模块电路板的平面结构的磁性元件设计通常采用多个磁件集成的方式，模块电路板垂直插设于主电路板上，而模块电路板上的磁性元件通常包含谐振电感绕线柱及变压器绕线柱，其中谐振电感绕线柱及变压器绕线柱是水平并列放置，而仅有变压器绕线柱与模块电路板边沿之间的空间可用来设置与变压器绕线柱相连接的功率器件，谐振电感绕线柱与模块电路板边沿之间的空间则无法有效被利用，使得模块电路板上的pcb利用率不高。


技术实现要素：

6.本公开的目的为提供一种磁性元件、功率模块及功率变换系统，其是可实现具有较高pcb利用率的优势。
7.为达上述目的，本公开的一实施方式为提供一种磁性元件，包含本体、多个第一磁柱、第一公共磁柱及第二磁柱。本体，包含第一侧边、第二侧边、第三侧边以及第四侧边，第一侧边与第二侧边彼此相对且沿第一方向延伸，第三侧边与第四侧边彼此相对且沿第二方向延伸，第三侧边与第四侧边位于第一侧边及第二侧边之间。多个第一磁柱设置于本体且沿第一方向依次排列。第一公共磁柱，设置于所述本体且位于第一磁柱远离第一侧边的一侧，第一公共磁柱沿第一方向延伸。第二磁柱设置于所述本体且位于第一公共磁柱远离第一侧边的一侧。第一磁柱、第一公共磁柱以及第二磁柱沿第二方向依次设置。
8.为达上述目的，本公开的另一实施方式为提供一种磁性元件，包含第一本体、多个第一磁柱、两个边柱、第二本体、第二磁柱及第五磁柱。第一本体包含第一侧边、第二侧边、
第三侧边以及第四侧边，第一侧边与第二侧边彼此相对且沿第一方向延伸，第三侧边与第四侧边彼此相对且沿第二方向延伸，第三侧边与第四侧边位于第一侧边及第二侧边之间。多个第一磁柱设置于第一本体且沿第一方向依次排列。两个边柱分别设置于第一本体的第三侧边和第四侧边。第二本体沿第二方向与第一本体相邻设置。第二磁柱设置于第二本体且沿第一方向延伸。第五磁柱，设置于第二本体且沿第一方向延伸，第二磁柱与第五磁柱间隔设置。
9.为达上述目的，本公开的另一实施方式为提供一种功率模块，是垂直插设于第一电路板，且包含第二电路板、磁性元件、输出端子及副边电路。第二电路板包含布线区域。磁性元件设置于第二电路板，其中，磁性元件为如前所述的磁性元件。副边电路包含输出整流电路。其中布线区域位于磁性元件的本体的第一侧边或第一本体的第一侧边，且相邻于输出端子，副边电路设置于布线区域，第二电路板经由输出端子垂直地插设于第一电路板上。
10.为达上述目的，本公开的另一实施方式为提供一种功率变换系统，包含第一电路板、第二电路板、磁性元件、原边电路及副边电路。第二电路板经由输出端子垂直插设于第一电路板，第二电路板包含布线区域。磁性元件设置于第二电路板，其中磁性元件为如前所述的磁性元件。原边电路包含逆变电路和谐振电路，逆变电路和谐振电路级联。副边电路包含整流电路，副边电路与原边电路通过磁性元件实现电性隔离。其中布线区域位于磁性元件的本体的第一侧边或第一本体的第一侧边，且相邻于输出端子，副边电路设置于布线区域。
附图说明
11.图1是为本公开第一实施例的磁性元件的结构示意图。
12.图2是为图1所示的磁性元件的爆炸结构示意图。
13.图3是为图1所示的磁性元件中的部分元件设置于电路板上的上视图。
14.图4是为包含图1所示的磁性元件的谐振变换器的等效电路图。
15.图5是为本公开第二实施例的磁性元件的结构示意图。
16.图6是为图5所示的磁性元件的爆炸结构示意图。
17.图7是为本公开第三实施例的磁性元件的结构示意图。
18.图8是为图7所示的磁性元件中的部分元件设置于电路板上的上视图。
19.其中，附图标记说明如下：
20.1、1b、1c：磁性元件
21.2：谐振变换器
22.21：逆变电路
23.22：谐振电路
24.23：隔离变压器
25.24：输出整流电路
26.25：输出滤波电路
27.vin：输入电源
28.s1、s2、s3、s4、s5、s6、s7、s8：开关
29.c、cr：电容
30.l1、l2：电感
31.vout：输出电源
32.3：第二电路板
33.31：输出端子
34.32：布线区域
35.4：副边电路
36.11：第一本体
37.111：第一侧边
38.112：第二侧边
39.113：第三侧边
40.114：第四侧边
41.115：第一面
42.116：第二面
43.x1：第一方向
44.x2：第二方向
45.12：第一磁柱
46.13：第一公共磁柱
47.14：第二磁柱
48.15：绕线组件
49.151：原边绕组
50.152：副边绕组
51.152a：出线端
52.153：电感绕组
53.16：磁盖
54.161：第一面
55.162：第二面
56.17：第三磁柱
57.18：第二公共磁柱
58.19：第四磁柱
59.17a、19a：气隙
60.11a：第二本体
61.117：第一面
62.118：第二面
63.51：边柱
64.52：第五磁柱
65.6：第一电路板
66.16a：第一盖体
67.16b：第二盖体
具体实施方式
68.体现本公开特征与优点的一些典型实施例将在后段的说明中详细叙述。应理解的是本公开能够在不同的实施方式上具有各种的变化，其皆不脱离本公开的范围，且其中的说明及附图在本质上是当作说明之用，而非用于限制本公开。
69.图1是为本公开第一实施例的磁性元件的结构示意图，图2是为图1所示的磁性元件的爆炸结构示意图，图3是为图1所示的磁性元件中的部分元件设置于电路板上的上视图，以及图4是为包含图1所示的磁性元件的谐振变换器的等效电路图。如图1至图4所示，本实施例的磁性元件1可应用于谐振变换器2，其中谐振变换器2为llc谐振变换器，而于另一些实施例中，谐振变换器2可为src谐振变换器或lclc谐振变换器。在电路结构上，谐振变换器2包含逆变电路21、谐振电路22、隔离变压器23、输出整流电路24及输出滤波电路25。逆变电路21是接收输入电源vin，其中逆变电路21为全桥逆变电路，且包含多个开关s1、s2、s3、s4，而于其他实施例中，逆变电路21还可为半桥逆变电路。谐振电路22是与逆变电路21电连接且为级联连接，且为llc谐振电路，并包含两个电感l1、l2及一个电容cr，其中电感l2可以是外接电感，也可以是隔离变压器23的激磁电感。在本发明中，电感l2为隔离变压器23的激磁电感。而于其他实施例中，谐振电路22还可为src谐振电路或lclc谐振电路。隔离变压器23是与谐振电路22电连接，用以转换输入电源vin。输出整流电路24是与隔离变压器23电连接，以对隔离变压器23的输出ac(交流)电压进行整流，其中输出整流电路24为全桥整流电路，且包含多个开关s5、s6、s7、s8，而于其他实施例中，输出整流电路24还可为全波整流电路。输出滤波电路25是与输出整流电路24电连接，以输出经整流的输出电源vout，其中输出滤波电路25仅包含一个电容c，而于其他实施例中，输出滤波电路25包含多个电容及电感串并联连接。
70.于本实施例中，逆变电路21和谐振电路22是构成谐振变换器2的原边电路，输出整流电路24及输出滤波电路25是构成谐振变换器2的副边电路，而谐振电路22的电感及隔离变压器23是共同地构成本实施例的磁性元件1，其中磁性元件1是用以实现谐振变换器2的原边电路及副边电路之间的电性隔离，换言之，原边电路、副边电路和磁性元件1共同构成谐振变换器2。如图3所示，在本实施例中，谐振变换器2的磁性元件1、副边电路4及原边电路(未图标)可设置于第二电路板3上，以构成一个功率模块。在其他实施例中，谐振变换器2的磁性元件1、副边电路4可设置于第二电路板3上，以构成一个功率模块，而将原边电路设置于第一电路板6上。而于一些实施例中，第二电路板3还可包含输出端子31及布线区域32，第二电路板3可经由输出端子31垂直地插设于第一电路板6上，以构成功率变换系统，而第二电路板3的布线区域32是位于磁性元件1及输出端子31之间，且相邻于输出端子31，用以设置副边电路4。
71.如图1及图2所示，于本实施例中，磁性元件1包含第一本体11、多个第一磁柱12、第一公共磁柱13及第二磁柱14。第一本体11包含第一侧边111、第二侧边112、第三侧边113、第四侧边114、第一面115及第二面116，其中第一侧边111与第二侧边112彼此相对且沿第一方向x1延伸，且第一侧边111相邻于布线区域32，第三侧边113及第四侧边114彼此相对且沿第二方向x2延伸，第三侧边113及第四侧边114位于第一侧边111及第二侧边112之间，第一面115及第二面116彼此相对，其中于磁性元件1设置于第二电路板3上时，第一本体11的第一面115与第二电路板3的上表面相接触。
72.多个第一磁柱12可为但不限为构成隔离变压器绕线柱，且多个第一磁柱12的数量可为但不限为如图2所示的三个，亦可根据隔离变压器的功率需求而改变第一磁柱12的数量，其中多个第一磁柱12设置于第一本体11的第一面115上，并沿着第一方向x1相间隔且依次排列，且多个第一磁柱12是相邻于第一侧边111，于一些实施例中，每一第一磁柱12的截面可为圆形结构、椭圆形结构、长方形结构或跑道形结构。第一公共磁柱13设置于第一本体11的第一面115上，位于第一磁柱12远离于第一侧边111的一侧，其中第一公共磁柱13的设置方向为沿着第一方向x1延伸。第二磁柱14可为但不限为构成电感绕线柱，且第二磁柱14的结构形状可为但不限为长条形结构，而第二磁柱14是设置于第一本体11的第一面115上，其中第二磁柱14的设置方向为沿着第一方向x1延伸，且位于第一公共磁柱13远离于第一侧边111的一侧，使得第一公共磁柱13位于第二磁柱14及多个第一磁柱12之间。其中多个第一磁柱12、第一公共磁柱13及第二磁柱14沿着第二方向x2彼此分隔且依次设置于第一本体11的第一面115上。
73.由上可知，本实施例的磁性元件1的多个第一磁柱12及第二磁柱14是沿着第二方向x2依次设置，其中多个第一磁柱12是相邻于第一侧边111，且第二磁柱14远离于第一侧边111且邻近于第二侧边112，而当磁性元件1设置于第二电路板3上时，第二电路板3的布线区域32位于磁性元件1的第一侧边111与第一电路板6之间，使得副边电路4可放置于第二电路板3的布线区域32内的任何位置，意即于第二电路板3上且位于磁性元件1与第一电路板6之间的任何位置皆可放置副边电路4，相较于传统模块电路板上电感绕线柱与模块电路板边沿之间的空间无法放置功率器件，本公开的磁性元件1放置于第二电路板3时pcb利用率较高。
74.于本实施例中，磁性元件1还包含绕线组件15，绕线组件15包含多个原边绕组151、多个副边绕组152以及多个电感绕组153，每一原边绕组151绕设于多个第一磁柱12上，每一副边绕组152是绕设于对应的一个第一磁柱12上。其中原边绕组151及副边绕组152采用交错配置来减小损耗，同时第二电路板3的底面放置副边绕组152而便于副边绕组152的出线，而副边绕组152的出线端152a是经由第一侧边111朝向远离第二磁柱14的方向向外延伸，其中出线端152a是用以连接副边电路4。每一电感绕组153则是绕设于第二磁柱14上。
75.于一些实施例中，多个原边绕组151、多个副边绕组152以及多个电感绕组153可为但不限为扁平线圈、铜箔线圈或pcb绕组。于本实施例中，磁性元件1还包含单一结构的磁盖16，且磁盖16为扁平结构，且包含彼此相对的第一面161及第二面162，其中磁盖16的第一面161与第一本体11的第一面115相对设置，且磁盖16用以覆盖第一本体11、第一磁柱12、第一公共磁柱13及第二磁柱14，使得第一本体11、第一磁柱12、第一公共磁柱13及第二磁柱14位于磁盖16的第一面161与第一本体11的第二面116之间。其中于磁性元件1设置于第二电路板3上时，磁盖16的第一面161与第二电路板3的下表面相接触。此外，于一些实施例中，为扁平结构的磁盖16与对应的第一磁柱12之间的空间，为扁平结构的磁盖16与对应的第一公共磁柱13之间的空间，为扁平结构的磁盖16与第二磁柱14之间的空间，上述三处空间中至少两处空间具有气隙。
76.图5是为本公开第二实施例的磁性元件的结构示意图，以及图6是为图5所示的磁性元件的爆炸结构示意图。如图5及图6所示，本实施例的磁性元件1b是包含第一本体11、多个第一磁柱12、第一公共磁柱13、第二磁柱14、绕线组件(未图标)及磁盖16，其中第一本体
11、多个第一磁柱12、第一公共磁柱13、第二磁柱14、绕线组件(未图标)及磁盖16的结构与功能皆分别相似于图1所示的磁性元件1的第一本体11、多个第一磁柱12、第一公共磁柱13、第二磁柱14、绕线组件15及磁盖16，故于此仅以相同的标号代表结构及功能相似而不再赘述。而于本实施例中，磁性元件1b的磁盖16还包含多个第三磁柱17、第二公共磁柱18及第四磁柱19。多个第三磁柱17设置于磁盖16的第一面161上，且多个第三磁柱17的设置位置对应于多个第一磁柱12的设置位置，而每一第三磁柱17与对应的第一磁柱12之间具有气隙17a。第二公共磁柱18设置于磁盖16的第一面161上，且第二公共磁柱18的设置位置对应于第一公共磁柱13的设置位置，且第二公共磁柱18是与第一公共磁柱13相接触。第四磁柱19设置于磁盖16的第一面161上，且第四磁柱19的设置位置对应于第二磁柱14的设置位置，而第四磁柱19与第二磁柱14之间具有气隙19a。此外，于一些实施例中，每一第三磁柱17与对应的第一磁柱12之间的空间，第二公共磁柱18与对应的第一公共磁柱13之间的空间，第四磁柱19与第二磁柱14之间的空间，上述三处空间中至少两处空间具有气隙。
77.图7是为本公开第三实施例的磁性元件的结构示意图，以及图8是为图7所示的磁性元件中的部分元件设置于电路板上的上视图。如图所示，本实施例的磁性元件1c是包含第一本体11、多个第一磁柱12、第二磁柱14、绕线组件(未图标)及磁盖16，其中第一本体11、多个第一磁柱12、第二磁柱14、绕线组件(未图标)及磁盖16的结构与功能皆分别相似于图1所示的磁性元件1的第一本体11、多个第一磁柱12、第二磁柱14、绕线组件15及磁盖16，故于此仅以相同的标号代表结构及功能相似而不再赘述。而于本实施例中，磁性元件1c还包含第二本体11a，其中第二本体11a是与第一本体11相互独立设置于第二电路板3上，且第二本体11a沿着第二方向x2与第一本体11相邻设置，使得第一本体11位于第二本体11a及布线区域32之间。于本实施例中，第一本体11及第二本体11a的长度相同，而于另一些实施例中，第一本体11及第二本体11a的长度可以不相同。此外，于本实施例中，第二本体11a包含第一面117及第二面118，第二本体11a的第一面117是相邻于第一本体11的第一面115，第二本体11a的第二面118是相邻于第一本体11的第二面116，而第二磁柱14设置于第二本体11a的第一面117上。
78.此外，相较于第一实施例的磁性元件1所包含的第一公共磁柱13，本实施例的磁性元件1c是包含两个边柱51及第五磁柱52。两个边柱51是设置于第一本体11的第一面115上，且分别位于第一本体11的第三侧边113及第四侧边114，而使得多个第一磁柱12位于两个边柱51之间。第五磁柱52是设置于第二本体11a上，且第五磁柱52的设置方向为沿着第一方向x1延伸，而相邻于第二磁柱14，其中第五磁柱52与第二磁柱14之间是间隔设置，且第五磁柱52位于第二磁柱14及多个第一磁柱12之间，而第五磁柱52的结构形状可为但不限为长条形结构。于本实施例中，电感绕组可绕设于第五磁柱52和/或第二磁柱14上。
79.于本实施例中，磁性元件1c的磁盖16包含相互独立设置的第一盖体16a及第二盖体16b，磁盖16的第一盖体16a的设置位置对应于第一本体11，是用以覆盖第一本体11、多个第一磁柱12及两个边柱51，而磁盖16的第二盖体16b的设置位置对应于第二本体11a，是用以覆盖第二本体11a、第二磁柱14及第五磁柱52。
80.综上所述，本公开的磁性元件的多个第一磁柱及第二磁柱是沿着第二方向依次设置，其中多个第一磁柱是相邻于第一侧边，且第二磁柱远离于第一侧边且邻近于第二侧边，而当磁性元件设置于第二电路板上时，第二电路板的布线区域位于磁性元件的第一侧边与
第一电路板之间，使得副边电路可放置于第二电路板的布线区域内的任何位置，意即于第二电路板上且位于磁性元件与第一电路板之间的任何位置皆可放置副边电路，相较于传统模块电路板上电感绕线柱与模块电路板边沿之间的空间无法放置功率器件，本公开的磁性元件放置于第二电路板时pcb利用率较高。