专利名称：电源转换装置及其磁性结构的制作方法
技术领域：
本发明关于一种电源转换装置及其磁性结构，特别关于一种降压式电源转换装置及其磁性结构。
背景技术：
请参照图1A所示，公知的多通道直流转直流转换器(Multi-channel DCto DC converter)1于每一通道利用一组切换元件11配合一电感器12所组成，并通过切换元件11的开、关动作，以及电感器12的储能原理，而将输入切换元件11的直流电源DC转换为所需的直流电源DC后再由输出端OUT输出。这种设计方式仅是利用切换元件配合电感器组成，因此对于电路参数的控制设计，例如电流纹波(Current Ripple)，难以达到较佳的设计。
请再参照图1B所示，另一种公知的多通道直流转直流电源转换器1’利用一个共用铁心的变压器13来耦合每一通道，而每一通道仍是配合一组切换元件11以及一电感器12，其中电感器12作为滤波电感使用，以将由输出端OUT输出的直流电源DC的波形维持于较平稳的状态。这种设计方式需要在每一通道使用电感器来作为滤波用，如此一来将增加电路中磁性元件的数量，进而会增加电路的分析以及设计困难度。
请再参照图1C所示，又另一种公知的多通道直流转直流电源转换器1”针对各个通道利用切换元件11以及一反相耦合变压器14进行耦合，并将各个通道所耦合的直流电源DC传送至一输出电感15以及一输出电容16，并由输出端OUT输出，以降低通道所产生的纹波。这种设计方式的输出电感将需承受所有通道的电流值的和，如此一来将会增加输出电感的负荷，使其损耗增大，而造成热能的处理较难以控制。
承上所述，目前公知使用的直流转直流电源转换器普遍存在上述的问题，因此如何提供一种能够改善通道电流纹波以及降低电感损耗，并且能够综合电路中的磁性元件的电源转换装置及其使用的磁性结构，实属当前重要课题之一。
发明内容
有鉴于上述课题，本发明的目的为提供一种能够降低通道电流纹波，且可改善绕组损耗的电源转换器及其磁性结构。
为实现上述目的，依据本发明的一种电源转换装置包括一电源产生单元、一第一变压器、一第一开关单元、一第二开关单元、一第一电感器及一电源输出单元。电源产生单元产生一电源信号；第一开关单元与电源产生单元电连接，并依据电源信号而产生一第一切换信号；第二开关单元与电源产生单元电连接，并依据电源信号而产生一第二切换信号；第一变压器与第一开关单元及第二开关单元电连接，且具有一第一绕组及一第二绕组，第一切换信号输入至第一绕组的一第一端，第二切换信号输入至第二绕组的一第一端；第一电感器分别与第一绕组的一第二端及第二绕组的一第二端电连接；以及电源输出单元与第一电感器及第二绕组的第二端电连接。
另外，为实现上述目的，依据本发明的一种电源转换装置的磁性结构包括一第一磁性体、一第一绕组及一第二绕组。第一绕组绕设于第一磁性体；以及第二绕组与第一绕组约呈平行绕设于第一磁性体，且部分第二绕组与第一绕组相对而设。
承上所述，因依据本发明的一种电源转换装置及其磁性结构，重新分配各变压器的绕组与电感器之间的连接特性，通过在变压器的各绕组所形成的部分或所有通道电连接电感器，使得变压器的各绕组所形成的通道的电流纹波以及电源转换装置的热分配能够得到较佳的控制，各通道电连接的电感器亦可以利用变压器漏感获得。另外，利用相应的磁性体所形成的磁性结构，将所需的变压器及电感器，利用一个磁性体直接成型，能够改善通道电流纹波以及降低电感损耗。
图1A至图1C为表示公知多通道直流转直流电源转换器的示意图；图2为表示依据本发明第一实施例的一种电源转换装置的示意图；图3为表示依据图2的滤波部分的示意图；图4为表示依据本发明第二实施例的一种电源转换装置的示意图；图5A及图5B为表示依据本发明第二实施例的另一种电源转换装置的示意图；图6为表示图2的部分实际结构的示意图；图7为表示依据本发明较佳实施例的电源转换装置的磁性结构的示意图；图8A及图8B为表示图6的第一磁性体及第二磁性体的截面的示意图；图9A至图9C为表示依据本发明较佳实施例的电源转换装置的磁性结构的另一示意图；以及图10为表示依据本发明较佳实施例的磁性结构针对应用于多通道电源转换装置的设计的示意图。
主要元件符号说明1、1’、1”多通道直流转直流电源转换器11切换元件12电感器13变压器14反相耦合变压器15输出电感16输出电容2、2’电源转换装置21电源产生单元22第一开关单元23第二开关单元24电源输出单元25第三开关单元3磁性结构31第一磁性体311、311’第一沟槽312侧边313另一侧边314、314’第二沟槽32、32’第一线圈33、33’第二线圈
34第二磁性体35第三线圈DC直流电源OUT输出端TX1第一变压器TX2第二变压器C1电容器L1第一电感器L2第二电感器PS电源信号W1第一绕组W2第二绕组W3第三绕组W4第四绕组Lm激磁电感VL1、VX2、VX1电压Pia第一切换信号Pib第二切换信号Pic第三切换信号P11、P21、P31、P41第一端P12、P22、P32、P42第二端SW11、SW21、SW31第一开关元件SW12、SW22、SW32第二开关元件CO1第一环形铁心CO2第二环形铁心具体实施方式
以下将参照相关附图，说明依据本发明较佳实施例的电源转换装置及其磁性结构。
请参照图2所示，本发明第一实施例的电源转换装置2包括一电源产生单元21、一第一变压器TX1、一第一开关单元22、一第二开关单元23、一第一电感器L1以及一电源输出单元24。于本实施例中，电源转换装置为一降压式直流转直流电源转换装置(Buck Converter)，且以下以双通道电源转换装置为例说明。
电源产生单元21产生一电源信号PS。于本实施例中，电源信号PS为一直流电源信号。
第一开关单元22与电源产生单元21电连接，且其依据电源信号PS而产生一第一切换信号Pia。第二开关单元23与电源产生单元21电连接，且其依据电源信号PS而产生一第二切换信号Pib。于本实施例中，第一切换信号Pia及第二切换信号Pib的相位差为180度，其由第一开关单元22及第二开关单元23的作动而决定。
第一变压器TX1分别与第一开关单元22及第二开关单元23电连接，且第一变压器TX1具有一第一绕组W1及一第二绕组W2，且第一绕组W1具有一第一端P11及一第二端P12，第二绕组W2具有一第一端P21及一第二端P22。其中，第一切换信号Pia输入至第一绕组W1的第一端P11，而第二切换信号Pib输入至第二绕组W2的第一端P21。于本实施例中，第一变压器TX1为一反相耦合变压器。
承上所述，于本实施例中，第一开关单元22以及第二开关单元23各具有一第一开关元件SW11、SW21及一第二开关元件SW12、SW22。其中第一开关单元22的第一开关元件SW11及第二开关元件SW12以并联方式与第一绕组W1电连接；第二开关单元23的第一开关元件SW21及第二开关元件SW22以并联方式与第二绕组W2电连接。其中第一开关元件SW11、SW21及第二开关元件SW12、SW22可分别为一双极结型晶体管(BJT)或一场效晶体管(FET)。
请参照图2所示，第一电感器L1分别与第一绕组W1的第二端P12及第二绕组W2的第二端P22电连接。而电源输出单元24分别与第一电感器L1及第二绕组W2的第二端P22电连接，以将经过转换的电源信号输出。
于本实施例中，电源转换装置2还包括一电容器C1，其与电源输出单元24电连接，且电容器C1并与第一电感器L1形成一低通滤波器(Low PassFilter)。
为便于电路分析，请参照图3所示，其表示图2的滤波部分示意图，意即为电源信号经过开关单元后的部分电路示意图。其中Lm代表第一变压器TX1的激磁电感；VL1代表图2中第一电感器L1两端的电压；VX1代表经过第一开关单元22后的第一电源信号PS1的电压；VX2代表经过第二开关单元23后的第二电源信号PS2的电压；VO代表图2中电源输出单元24的电压。第一电感器L1两端的电压VL1、经由第一绕组W1(通道1)的电流I1的电流变化率及经由第二绕组W2(通道2)的电流I2的电流变化率分别如下式所示VL1＝(VX1+VX2)-2VO(1)dI1dt=(VX1+VX2)-2VOL1---(2)]]>dI2dt=VX1+VX2-2VOL1-VX2-VOLm---(3)]]>由式(2)及(3)可知，通道1的电流纹波由第一电感器L1、通道1的输入电压、通道2的输入电压及输出电压决定。通过第一变压器TX1的耦合关系，通道2的电流纹波将由通道1的第一电感器L1、第一变压器L1的激磁电感Lm及通道1的输入电压决定。
请参照图4所示，本发明第二实施例的电源转换装置2’以三通道电源转换装置为例说明。电源转换装置2’除上述实施例的电源产生单元21、第一变压器TX1、第一开关单元22、第二开关单元23、第一电感器L1、电容器C1以及电源输出单元24之外，还包括一第二变压器TX2以及一第三开关单元25。其中第二变压器TX2与第一变压器相同为反向耦合变压器，而第三开关单元25亦与第一开关单元22及第二开关单元23相同具有一第一开关元件SW31及一第二开关元件SW32，且第一开关元件SW31及第二开关元件SW32亦可分别为一双极结型晶体管(BJT)或一场效晶体管(FET)。
第三开关单元25与电源产生单元21电连接，并依据电源信号PS而产生一第三切换信号Pic。于本实施例中，第一切换信号Pia、第二切换信号Pib以及第三切换信号Pic的相位差为120度，其由第一开关单元22、第二开关单元23及第三开关单元25的开、关动作而决定。
第二变压器TX2与第三开关单元25及第一变压器TX1电连接。第二变压器TX2具有一第三绕组W3及一第四绕组W4，且第三绕组W3具有一第一端P31及一第二端P32，第四绕组W4亦具有一第一端P41及一第二端P42。另外，第三开关单元25所产生的第三切换信号Pic输入至第四绕组W4的第一端P41。于本实施例中，第三绕组W3的第一端P31与第一变压器TX1的第二绕组W2的第二端P22电连接，而第一电感器L1与第三绕组W3的第二端P32电连接，且第一电感器L1通过第三绕组W3而与第二绕组W2产生电连接。另外，电源输出单元24除与第一电感器L1电连接之外，亦与第三绕组W3的第二端P32以及第四绕组W4的第二端P42电连接，而电源输出单元24则通过第三绕组W3而与第二绕组W2的第二端P22产生电连接。
请参照图5A所示，于本实施例中，电源转换装置2’还可包括一第二电感器L2，其分别与第一电感器L1及第三绕组W3的第二端P32电连接，而第一电感器L1则通过第二电感器L2及第三绕组W3，而与第二绕组W2第二端P22电连接。于此，电源输出单元24更与第二电感器L2及第二变压器TX2的第四绕组W4的第二端P42电连接，且电源输出单元24通过第二电感器L2及第三绕组W3，而与第二绕组W2的第二端P22电连接。
请参照图5B所示，于本实施例中，电源转换装置2”比电源转换装置2’还包括了一第三电感器L3，其与第二变压器TX2的第四绕组W4的第二端P42及第二电感L2电连接。
需注意者，上述的电感器是以独立的电器元件(如L1、L2与L3)来描述，当然，如果以等效电路的观点观看，电感器亦可采用变压器的漏感来实现。另外，本发明第一实施例及第二实施例针对双通道以及三通道的电源转换装置做说明，当然，其亦可继续扩充为多通道的电源转换装置，于此则不再多加赘述。
以上述第一实施例的双通道电源转换装置2为例，其实际结构可如图6所示，其可利用将第一绕组W1绕设于一第一环形铁心CO1的一侧及一第二环形铁心CO2的一侧，并将第二绕组W2绕设于第二环形铁心CO2的另一侧，如此一来，第一环形铁心CO1与绕设于其上的第一绕组W1可相当于电源转换装置2的第一电感器L1，而第二环形铁心CO2及绕设于其上的第一绕组W1及第二绕组W2可相当于电源转换装置2的第一变压器TX1。然而上述实施例的其他变化类型亦可依据此规则而进行连接，以形成电源转换装置2’、2”或其他类型的电源转换装置。
以下，将针对本发明的电源转换装置的磁性结构继续说明。请参照图7所示，依据本发明较佳实施例的电源转换装置的磁性结构3包括一第一磁性体31、一第一线圈32及一第二线圈33。于本实施例中，第一磁性体31具有一第一沟槽311。
第一线圈32绕设于第一磁性体31，于本实施例中，第一线圈32绕设于第一沟槽311与第一磁性体31的一侧边312之间。
第二线圈33约平行于第一线圈32而绕设于第一磁性体31，且部分的第二绕组33与第一绕组32相对而设。于本实施例中，第二绕组33绕设于第一磁性体31的侧边312以及与侧边312相对而设的另一侧边313之间。
于此，第一线圈32与第二线圈33相对而设的部分相当于图2中的第一变压器TX1，而第二线圈33未与第一线圈32相对而设的部分则相当于图2中的第一电感器L1。换句话说，上述实施例的电源转换装置2的第一变压器TX1及第一电感器L1即可以一个磁性结构3来实现。
另外，于本实施例中，磁性结构3还包括一第二磁性体34，其覆盖至少部分的第一磁性体31、第一线圈32及第二线圈33。其中，第一磁性体31沿与第一线圈32约为垂直的一截面呈I型，而第二磁性体34沿与第一线圈32约为垂直的截面呈U型(如图8A所示)；当然，第一磁性体31沿与第一线圈32约为垂直的截面呈U型，而第二磁性体34沿与第一线圈32约为垂直的截面呈I型(如图8B所示)，以利第一磁性体31与第二磁性体34的相互接合。
请再参照图9A所示，于本实施例中，第一磁性体31还可包括一第三线圈35，其约平行于第二线圈33而绕设于第一沟槽311及侧边313之间。如此一来，磁性结构3亦可单纯设计为变压器使用。另外，请参照图9B所示，上述实施例中的电源转换装置2的第一电感器L1亦可利用将磁性结构3的第一线圈32及第二线圈33之间增加一距离D1，利用变压器漏感(LeakageInductance)的原理达到第一电感器L1的效果，换句话说，第一磁性体31的侧边312或313的边长大于第一线圈32及第二线圈33的宽度的和。再者，第二线圈33除了可绕设于第一磁性体31的侧边312、314之间外，请参照图9C所示，还可于第一磁性体31形成一第二沟槽314，其与第一沟槽311相对并错位设置，而第二线圈33即可绕设于第二沟槽314与侧边312或侧边313之间，而使得磁性结构3的设计还具有灵活性。
当针对多通道电源转换装置而设计磁性结构时，请参照图10所示，其中第一磁性体31’具有多个第一沟槽311’，及与该多个第一沟槽311’相对并交错而设的多个第二沟槽314’。第一线圈32’绕设于该多个第一沟槽311’的其中两第一沟槽311’之间，而第二线圈33’绕设于该多个第二沟槽314’的其中两第二沟槽314’之间。当然，更多的通道将会需要设计更多的线圈，其他线圈亦可依照第一线圈32’与第二线圈33’的配置模式，而设置于其他的第一沟槽311’之间或第二沟槽312’之间。
综上所述，因依据本发明的一种电源转换装置及其磁性结构，重新分配各变压器的绕组与电感器之间的连接特性，通过在变压器的各绕组所形成的部分通道电连接电感器，使得变压器的各绕组所形成的通道的电流纹波以及电源转换装置的热分配能够得到较佳的控制。另外，利用相应的磁性体所形成的磁性结构，将所需的变压器及电感器，设计于同一磁性体上，亦能够改善通道电流纹波以及降低电感损耗。
以上所述仅为举例性，而非为限制性者。任何未脱离本发明的精神与范畴，而对其进行的等效修改或变更，均应包含于后附的权利要求中。
权利要求
1.一种电源转换装置，包括一电源产生单元，产生一电源信号；一第一开关单元，与该电源产生单元电连接，并依据该电源信号而产生一第一切换信号；一第二开关单元，与该电源产生单元电连接，并依据该电源信号而产生一第二切换信号；一第一变压器，其与该第一开关单元及该第二开关单元电连接，且具有一第一绕组及一第二绕组，其中各绕组分别具有一第一端及一第二端，该第一切换信号输入至该第一绕组的该第一端，该第二切换信号输入至该第二绕组的该第一端；一第一电感器，分别与该第一绕组的该第二端及该第二绕组的该第二端电连接；以及一电源输出单元，分别与该第一电感器及该第二绕组的该第二端电连接。
2.如权利要求1所述的电源转换装置，其中该第一切换信号与该第二切换信号的相位差为180度。
3.如权利要求1所述的电源转换装置，其还包括一第三开关单元，其与该电源产生单元电连接，并依据该电源信号而产生一第三切换信号；以及一第二变压器，其与该第三开关单元及该第一变压器电连接，并具有一第三绕组与一第四绕组，且该第三绕组及该第四绕组分别具有一第一端及一第二端，其中该第三绕组的该第一端与该第一变压器的该第二绕组的该第二端电连接，该第四绕组的该第一端与该第三开关单元电连接，该第三切换信号输入至该第四绕组；其中该电源输出单元更与该第三绕组的该第二端及该第四绕组的该第二端电连接；该第一电感器与该第三绕组的该第二端电连接。
4.如权利要求1或3所述的电源转换装置，其中该第一变压器或该第二变压器分别为一反相耦合变压器。
5.如权利要求3所述的电源转换装置，其还包括一第二电感器，其分别与该第一电感器及该第三绕组的该第二端电连接；该电源输出单元更与该第二电感器及该第二变压器的该第四绕组的该第二端电连接。
6.如权利要求3所述的电源转换装置，其中该第一切换信号、该第二切换信号及该第三切换信号的相位差为120度。
7.如权利要求3所述的电源转换装置，其还包括一第三电感器，其分别与该第一电感器及该第四绕组的该第二端电连接。
8.如权利要求1所述的电源转换装置，其还包括一电容器，其与该电源输出单元电连接，该电容器与该第一电感器形成一低通滤波器。
9.如权利要求1或3所述的电源转换装置，其中该第一开关单元的一第一开关元件及一第二开关元件以并联方式与该第一绕组电连接；该第二开关单元的一第一开关元件及一第二开关元件以并联方式与该第二绕组电连接；该第三开关单元的一第一开关元件及一第二开关元件以并联方式与该第四绕组电连接。
10.如权利要求1或3所述的电源转换装置，其中该第一开关单元、该第二开关单元或该第三开关单元分别为双极结型晶体管(BJT)或一场效晶体管(FET)。
11.一种电源转换装置的磁性结构，包括一第一磁性体；一第一线圈，绕设于该第一磁性体；以及一第二线圈，与该第一线圈约呈平行绕设于该第一磁性体，且部分该第二线圈与该第一线圈相对而设。
12.如权利要求11所述的磁性结构，其中该第一磁性体具有一第一沟槽，而第一线圈绕设于该第一沟槽与该第一磁性体的一侧边之间；该第二线圈绕设于该第一磁性体的该侧边及与该侧边相对而设的另一侧边之间。
13.如权利要求11所述的磁性结构，其还包括一第三线圈，其与该第二线圈约呈平行绕设于该第一沟槽及与该侧边相对而设的另一侧边之间。
14.如权利要求11所述的磁性结构，其中该第一磁性体还具有一第二沟槽，其与该第一沟槽相对并错位设置，该第二线圈绕设于该第二沟槽与该侧边之间。
15.如权利要求11所述的磁性结构，其中该第一磁性体具有多个第一沟槽及与该多个第一沟槽相对而设的多个第二沟槽，且该多个第一沟槽与该多个第二沟槽交错设置；该第一线圈绕设于该多个第一沟槽的其中两第一沟槽之间，该第二线圈绕设于该多个第二沟槽的其中两第二沟槽之间，其中该第一线圈与该第二线圈交错设置。
16.如权利要求11所述的磁性结构，其中该第一磁性体沿与该第一线圈约为垂直的一截面呈U型或I型。
17.如权利要求11所述的磁性结构，其还包括一第二磁性体，覆盖至少部分该第一磁性体、该第一线圈及该第二线圈；该第二磁性体沿与该第一线圈约为垂直的一截面呈U型或I型。
18.如权利要求11所述的磁性结构，其中该第一线圈与该第二线圈之间具有一距离。
19.如权利要求11所述的磁性结构，其中该第一磁性体的一侧边边长大于该第一线圈及该第二线圈的宽度的和。
20.如权利要求11所述的磁性结构，其还包含一第一环形铁心以及一第二环形铁心，该第一环形铁心与绕设于其上的该第一线圈形成一第一电感器，该第二环形铁心与绕设于其上的该第一线圈及第二线圈形成一第一变压器。
全文摘要
一种电源转换装置包括一电源产生单元、一第一变压器、一第一开关单元、一第二开关单元、一第一电感器以及一电源输出单元。电源产生单元产生一电源信号；第一开关单元与电源产生单元电连接，并依据电源信号而产生一第一切换信号；第二开关单元与电源产生单元电连接，并依据电源信号而产生一第二切换信号；第一变压器与第一开关单元及第二开关单元电连接，且具有一第一绕组及一第二绕组，第一切换信号输入至第一绕组的一第一端，第二切换信号输入至第二绕组的一第一端；第一电感器分别与第一绕组的一第二端及第二绕组的一第二端电连接；电源输出单元与第一电感器及第二绕组的第二端电连接。
文档编号H02M1/14GK101090232SQ20061009177
公开日2007年12月19日 申请日期2006年6月12日 优先权日2006年6月12日
发明者陈为, 卢增艺 申请人:台达电子工业股份有限公司