磁控管+同轴电子变压器的dc-dc变换器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及DC-DC变换器。尤其涉及磁控管+同轴电子变压器的DC-DC变换器。
【背景技术】
[0002]超大功率DC-DC电源变换器已经成为二次电源行业的发展方向，开关电源是高效率二次电源的技术基础。从理论上讲，开关电源的工作频率越高其体积就可以越小，效率就能越高。但实际应用中由于导体的高频趋肤效应、线圈的临近效应、高频电路的分布参数等多种因素的影响，限制了开关电源工作频率的提高，众多制约因素中超高频超大功率电子变压器是最关键的因素。
[0003]在用的高频电子变压器仍是沿用传统变压器的设计理论，虽然在绕组结构上、高频材料方面都进行了很多改良，但是其基本原理没有改变。主要特点是:
[0004]1、初级线圈仍是集束式绕制(包括平面变压器的平面绕组)；
[0005]2、初级绕组的电流是完全同相的；
[0006]3、传输能量的磁通与产生电磁干扰的磁通是同一个磁通。
[0007]上述的技术特点决定了大功率高频电子变压器的工作频率难以超越目前的千赫级别(实际工作频率限制在300kHz以下)；而且传输效率、功率密度都差强人意；特别是电磁干扰随着传输功率的加大同比例增加；同时超大功率的超高频开关电路，由于器件的原因也难以满足实际应用的需要，这些技术瓶颈严重制约了开关电源的应用。
【发明内容】
[0008]本发明的关键在于:采用磁控管作为DC-DC电源变换器的高频功率开关器件，工作频率最高可达数千兆赫兹；同时采用同轴结构的超高频大功率变压器作为DC-DC变换器的电压变换器，两者协同工作，可以实现频率高达千兆级、功率达到兆瓦级别的DC-DC电源变换器。
[0009]传统的变压器都是通过初级绕组的外部合成磁通向次级绕组传输能量的，这些变压器的工作频率无法突破兆赫级别，同时随着功率的加大，电磁干扰也同级别增大。重新分布初级绕组和次级绕组的相对位置，并控制初级绕组内每一匝导线电流的方向，颠覆了传统变压器通过初级绕组的合成磁通向次级绕组传输能量的模式，利用初级绕组的匝间磁通向次级绕组传输能量一一即初、次级绕组能量的传输是在绕组内部的磁通间进行的，而产生电磁干扰的外部合成磁通完全不参与能量传输，实现了能量传输与电磁干扰两个磁通完全剥离，在有效提升变压器传输效率和功率密度的同时，从根本上削弱和抑制电磁干扰的产生。
[0010]采用同轴结构制作高频电子变压器，同轴导线的内导体2-31为变压器的初级绕组，外导体2-32为变压器的次级绕组，导线间平行分布；控制初级绕组的接线，使得相邻导线的电流反相，就可以保证导线间的合成磁通2-34相互增强，外部磁通相互抵消；由于次级绕组同轴分布在初级绕组外面与初级绕组强耦合，利用导线的匝间合成磁通2-34传输能量，外部合成磁通与能量传输无关且相互抵消。在绕组总成的层间嵌入屏蔽层2-35可以更有效地抑制已经大幅削弱了的电磁干扰；屏蔽层设计有绝缘缝隙2-36，防止产生闭合涡流；屏蔽层设计有电气连接端子，实际应用时根据具体情况接地或悬空。
[0011]同轴变压器是基于分布参数理论而成立并进行设计的，所以工作频率的高低直接决定同轴变压器的实际性能。IMHz的波长是300m，如此长波长的同轴变压器只能是“水中月”，而IMHz已经是目前高功率开关电源的上限，所以大功率、超高频率(应该达到
I,OOOMHz以上)的振荡电路(或称开关电路)是同轴变压器能否实际应用的技术关键。
[0012]电源变换器是一个完整的系统电路，其直流电源电路、振荡(开关)电路、功率馈送电路、电压变换器、整流器、滤波器等几个主要功能电路需要协调工作。其中直流电源电路、整流器、滤波器等电路的技术和器件相对比较成熟，在大功率振荡电路和电压变换器可以达到的工作频率范围内几乎不存在技术限制；大功率超高频振荡电路、电压变换器(高频电子变压器)、超高频大功率馈送电路的设计及工艺均是超高频大功率电源变换器的技术瓶颈。将磁控管与同轴功率变压器有机地整合成一体化的设计，可以有效解决上述的技术瓶颈。
[0013]磁控管是目前最常用的超高频大功率开关器件，其特点是功率大、效率高、工作电压低、尺寸小、重量轻、成本低。工作频率范围在250MHz至120GHz之间，脉冲功率从几十瓦到几十兆瓦，寿命可达几万小时。
[0014]同轴磁控管与同轴超高频功率变压器的整合应该是超大功率电源变换器的最佳选择，915MHz或2.45GHz这两个频点也非常适合电源变换器的使用。915MHz的波长约328mm，2.45GHz的波长约122mm，如此短的波长完全可以利用分布参数理论，将变压器和滤波电路的体积制作的非常小，甚至可以将全部高频电路完全内置于同轴变压器腔内，从而在实现超大功率传输的同时将电磁干扰降至最低。
【附图说明】
[0015]图1:匝间电流反相绕组的磁通分布示意图
[0016]2-31——单匝导线；
[0017]2-33——单匝导线磁通；
[0018]2-34 导线间合成磁通。
[0019]图2:采用同轴导线结构且初级绕组匝间电流反相的磁通分布示意图
[0020]2-31——同轴导线内导体(初级绕组)；
[0021]2-32一一同轴导线外导体(次级绕组);
[0022]2-33——单匝导线磁通；
[0023]2-34 导线间合成磁通。
[0024]图3:同轴结构变压器结构示意图
[0025]2-31——同轴导线内导体(初级绕组)；
[0026]2-32一一同轴导线外导体(次级绕组)。
[0027]图4:带屏蔽层的同轴结构大功率高频电子变压器径向截面示意图
[0028]2-31——同轴导线内导体(初级绕组)；
[0029]2-32——同轴导线外导体(次级绕组)；
[0030]2-33——单匝导线磁通；
[0031]2-34 导线间合成磁通；
[0032]2-35 层间屏蔽层；
[0033]2-36--屏蔽层绝缘缝隙。
[0034]图5 =DC-DC转换电源的原理方框图
[0035]I——DC供电电源；
[0036]2一一同轴变压器+磁控管的一体化微波波段电源变换器；
[0037]2-1 尚频开关电路；
[0038]2~2 尚频馈送电路；
[0039]2-3 尚频变压器；
[0040]2-4——高频整流电路；
[0041]2-5——滤波电路；
[0042]3 DC直流电源。
【具体实施方式】
[0043]将磁控管与同轴结构的超高频大功率变压器组合成一体，制作2.45GHz/300kff的DC-DC电源变换器。
[0044]采用同轴结构制作大功率高频电子变压器，其结构为圆柱状一一同轴导线分布的径向截面是圆形，且绕组的层间内嵌屏蔽层，屏蔽层沿轴向开有贯通的缝隙，防止屏蔽层的感应电流形成环流，屏蔽层单端有导线接出，供应用时接地使用。
[0045]利用同轴导线的芯线作为变压器的初级绕组，将同轴导线的外导体作为变压器的次级绕组，采取合适的接线方式，保证初级绕组中相邻导线电流反相，就可以充分利用初级绕组的匝间磁通相互增强的性能最大限度地提高初次级绕组间能量传输的效率。
[0046]此时初级绕组内部的匝间磁通相互增强，在圆柱径向的外部合成磁通相互抵消几乎为零，再加之屏蔽层的作用保证其杂散辐射几乎为零，电磁干扰因此可以降到最低。
[0047]将磁控管的输出端直接与同轴变压器的内导体(变压器的初级绕组)连接，当
2.4GHz的大功率高频电流在同轴变压器的初级绕组内流动的时候，绕组导线的周围伴随产生交变的磁通，该交变磁通被与初级绕组同轴分布的次级导体切割，在次级导体内产生感生电流，该电流通过次级电路的整流、滤波后，变换成DC电源输出。
【主权项】
1.磁控管+同轴电子变压器的DC-DC变换器。其特征是:采用磁控管作为DC-DC电源变换器的高频功率开关器件，工作频率最高可达数千兆赫兹；同时采用同轴结构的超高频大功率变压器作为DC-DC变换器的电压变换器，两者协同工作，可以实现频率高达千兆级、功率达到兆瓦级别的DC-DC电源变换器。2.按照权利要求1所述的同轴结构的超高频大功率变压器是DC-DC变换器中的电压变换器。其特征是:根据安培定律及有关电磁学原理，合理分布电子变压器的初次级绕组及设定绕组中电流的流动方向，使得电子变压器初级绕组内部的匝间合成磁通相互增强，而外部合成磁通相互抵消。在有效提升变压器传输效率和功率密度的同时，大幅降低变压器对外造成的电磁干扰，再适当内嵌屏蔽层可以更加有效地降低残留的外部合成磁通产生的电磁辐射。3.按照权利要求1所述的磁控管是专用的超高频大功率开关器件。其特征是:磁控管具有功率大、效率高、工作电压低、尺寸小、重量轻、成本低。工作频率范围在250MHz至120GHz之间，脉冲功率从几十瓦到几十兆瓦，寿命可达几万小时。4.按照权利要求1所述的DC-DC变换器是磁控管与同轴变压器的组合体。其特征是:将磁控管的输出端直接与同轴变压器的内导体(变压器的初级绕组)连接，当2.4GHz的大功率高频电流在同轴变压器的初级绕组内流动的时候，绕组导线的周围伴随产生交变的磁通，该交变磁通被与初级绕组同轴分布的次级导体切割，在次级导体内产生感生电流，该电流通过次级电路的整流、滤波后，变换成DC电源输出。5.按照权利要求2所述的设定绕组中电流的流动方向具有显著特点。其特征是:同轴导线结构的变压器，相邻的同轴导线内导体(初级绕组)电流反相。
【专利摘要】本发明的关键在于：采用磁控管作为DC-DC电源变换器的高频功率开关器件，工作频率可达数千兆赫兹；同时采用同轴结构的超高频大功率变压器作为DC-DC变换器的电压变换器，两者协同工作，可以实现频率高达千兆级、功率达到兆瓦级别的DC-DC电源变换器。
【IPC分类】H02M1/44, H01F27/28
【公开号】CN105450010
【申请号】CN201410733807
【发明人】王勇
【申请人】深圳市高瓴科技有限公司, 王勇
【公开日】2016年3月30日
【申请日】2014年12月4日
【公告号】WO2016086875A1