專利名稱：一種集成磁元件的直流變換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及直流變換器，特別是指 一種集成磁元件的直流變 換器。
背景技術(shù)：
電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，對變換器的功率密度、效率、輸出紋 波以及動態(tài)性能不斷提出更高的要求，尤其是微處理器的飛速發(fā)展對 為其供電的模塊電源更是提出了極大的挑戰(zhàn)。人們在應(yīng)用多種技術(shù)手 段來提高模塊電源性能的同時，越來越發(fā)現(xiàn)磁性元件(簡稱磁件，包括 電感、變壓器)是限制變換器體積、重量、效率的一個重要因素。據(jù)美
國電源制造者協(xié)會(PSMA)統(tǒng)計，^f茲件體積在DC-DC才莫塊中占到總體 積的20%以上、重量占總重的30%以上、損耗也占有相當(dāng)比例；另夕卜， 磁件還是影響電源輸出動態(tài)性能和輸出紋波的 一 個重要因素。
在傳統(tǒng)的全波整流全橋(半橋)變換器中，需要變壓器及電感兩 個磁性器件，磁件存在所占體積、重量、損耗都較大的問題。

實用新型內(nèi)容
有鑒于此，本實用新型在于提供一種集成磁元件的直流變換器， 以解決上述全波整流全橋(半橋)變換器中，需要變壓器及電感兩個 磁性器件，磁件存在所占體積、重量、損耗都較大的問題。
為解決上述問題，本實用新型提供一種集成磁元件的直流變換器， 包括
連接直流電流輸入端、產(chǎn)生周期性電壓的切換電路，所述切換電 路連接集成》茲元件，所述集成石茲元件連接整流、濾波電^各和直流電流 輸出端；
所述集成磁元件包括開口相對的兩個E型鐵芯，繞在鐵芯上的
4線圏形成變壓器和電感。
優(yōu)選的，所述線圏繞制在兩個E型鐵芯外側(cè)柱上形成變壓器，其
中一個E型鐵芯的中心柱上繞制電感。
優(yōu)選的，所述線圏繞制在兩個E型鐵芯中心柱上形成變壓器，其 中 一 個E型鐵芯的兩個外側(cè)柱上繞制電感。
優(yōu)選的，所述線圏繞制在兩個E型4^芯的同 一側(cè)的外側(cè)柱上形成 變壓器，其中一個E型鐵芯的一個外側(cè)柱上繞制電感。
優(yōu)選的，兩個E型鐵芯中間還具有I型鐵芯，所述線圈繞制在一 個E型鐵芯的中心柱上形成變壓器；在另 一個E型鐵芯的中心柱上繞 制電感。
優(yōu)選的，所述切換電路為全橋結(jié)構(gòu)或半橋結(jié)構(gòu)。
優(yōu)選的，所述切換電路為全橋結(jié)構(gòu)時，采用四個開關(guān)管Q1、 Q2、 Q3、 Q4構(gòu)成全橋結(jié)構(gòu)；
所述切換電路連接集成磁元件為Ql、 Q2的漏極與輸入電壓正 極相連，Q3、 Q4的源才及與直流電流輸入端的輸入電壓負(fù)極相連，Ql 的源極與Q3的漏極及變壓器一次側(cè)線圈的一端相連，Q2的源極與 Q4的漏極及一次側(cè)線圈的另 一端相連。
優(yōu)選的，所述切換電路為半橋結(jié)構(gòu)時，采用兩個開關(guān)管Ql、 Q2 及兩個分壓電容C1、 C2構(gòu)成半橋結(jié)構(gòu)；
所述切換電路連接集成磁元件為Ql的漏極、Cl的一端與輸入 電壓正極相連，Q2的源極、C2的一端與直流電流輸入端輸入電壓的 負(fù)極相連，Ql的源極、Q2的漏極與變壓器的一次側(cè)線圈的一端相連， Cl的另一端、C2的另一端與一次側(cè)線圏的另一端相連。
本實用新型中的直流變換器，在同一個鐵芯上實現(xiàn)變壓器和電感， 磁件體積較小，重量較輕、損耗也相應(yīng)降低，并可有效降低了生產(chǎn)成 本。


圖1是全橋直流變換器的結(jié)構(gòu)圖；圖2是第一種磁元件的結(jié)構(gòu)圖3是含有第一種磁元件的全橋直流變換器的結(jié)構(gòu)圖； 圖4是第二種磁元件的結(jié)構(gòu)圖5是含有第二種磁元件的全橋直流變換器的結(jié)構(gòu)圖； 圖6是第三種磁元件的結(jié)構(gòu)圖7是含有第三種磁元件的全橋直流變換器的結(jié)構(gòu)圖； 圖8是第四種磁元件的結(jié)構(gòu)圖9是含有第四種磁元件的全橋直流變換器的結(jié)構(gòu)圖； 圖IO是半橋直流變換器的結(jié)構(gòu)圖； 圖11是含有第一種磁元件的半橋直流變換器的結(jié)構(gòu)圖； 圖12是含有第二種磁元件的半橋直流變換器的結(jié)構(gòu)圖； 圖13是含有第三種磁元件的半橋直流變換器的結(jié)構(gòu)圖； 圖14是含有第四種磁元件的半橋直流變換器的結(jié)構(gòu)圖。
具體實施方式
為清楚說明本實用新型中的技術(shù)方案，下面給出優(yōu)選的實施例并 結(jié)合附圖詳細(xì){兌明。
本實用新型中的變換器，包括全橋、半橋的直流變換器，參見圖 1,圖1是全橋直流變換器的結(jié)構(gòu)圖，包括直流電流輸入端1、切換 電路2、具有集成-茲元件的全波整流電路3、直流電流輸出端4。
其中，切換電^各2包括用四個開關(guān)管Q1、 Q2、 Q3、 Q4構(gòu)成全 橋結(jié)構(gòu)，Ql、 Q2的漏極與輸入電壓正極相連，Q3、 Q4的源極與輸入 電壓負(fù)極相連，Ql的源極與Q3的漏極及一次側(cè)線圏的一端相連，Q2 的源極與Q4的漏極及一次側(cè)線圏的另一端相連，這樣周期性的提供 一正電壓方波與一負(fù)電壓方波至該一次側(cè)線圈。
具有集成磁元件的全波整流電路3的二次側(cè)線圏的公共端與輸出 濾波電容的負(fù)端及輸出負(fù)極相連，二次側(cè)線圈的另一端與一整流二極 管的陽極相連，二次側(cè)線圈的另 一 端與另 一 整流二極管的陽極相連， 且這兩個整流二極管的陰極均與電感繞組線圈的 一端相連，電感繞組線圈的另 一 端與輸出濾波電容的正端及輸出正極相連。由整流二極管 對二次側(cè)信號進(jìn)行整流，輸出濾波電容對輸出信號濾波。
集成磁元件具有多種形式，
以下結(jié)合附圖詳細(xì)說明，第一種EE 型集成;茲元件的結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，原邊繞組Np、副邊繞組Nsl、 Ns2均分為相等的兩部分，分別繞在鐵芯兩側(cè)柱上，且均采用了正向 耦合的繞法。濾波電感繞組NL繞在鐵芯中柱。原邊繞組Np的a端與 副邊繞組Nsl的c端互為同名端、與副邊繞組Ns2的d端互為異名端。 副邊繞組Nsl與副邊繞組Ns2有公共端e。僅在鐵芯中柱開有一氣隙， 則中柱與兩側(cè)柱形成高磁阻回路(即圖中的虛線部分)，而兩側(cè)柱形成 低磁阻回路(即圖中的點劃線部分)。鐵芯不限于EE型，還可在EI 型上實現(xiàn)。
含有第一種集成磁元件的全橋變換器的結(jié)構(gòu)圖可參見圖3,是采 用圖2所示的第一種集成磁件，其由四部分組成輸入直流電源1， 全橋逆變電路2，集成》茲件3，副邊整流及電容濾波電路4。直流電源 正極與功率MOS管Ql、 Q2的漏極相連，直流電源負(fù)^l與功率MOS 管Q3、 Q4的源極相連。原邊繞組Np的a端與功率MOS管Ql的源 極及功率MOS管Q3的漏極相連，原邊繞組Np的b端與功率MOS 管Q2的源極及功率MOS管Q4的漏極相連。副邊繞組Nsl的c端與 二極管Dl的陽極相連，副邊繞組Ns2的d端與二極管D2的陽極相 連，二極管D1、 D2共陰極且此陰極與濾波電感繞組的f端相連，濾 波電感繞組的另一端g與輸出濾波電容的一端及輸出正端相連，副邊 繞組Nsl、 Ns2的公共端e與濾波電容的另一端及輸出負(fù)端相連。其 中二極管可用同步整流管及其驅(qū)動代替。
第二種集成磁元件的結(jié)構(gòu)圖如圖4所示，包括原邊繞組Np、副 邊繞組Nsl、 Ns2繞于鐵芯中柱，且副邊繞組Nsl、 Ns2為正向耦合。 原邊繞組Np的a端與副邊繞組Nsl的c端互為同名端，與副邊繞組 Ns2的d端互為異名端。副邊繞組Nsl與副邊繞組Ns2有公共端e。濾波電感繞組NL分為相等的兩部分繞于兩側(cè)柱上且為正向耦合，所 以濾波電感繞組這兩部分產(chǎn)生的直流》茲通在中柱相互4氐消。在鐵芯的 兩側(cè)柱上分別開有等長的兩氣隙，這樣中柱便與兩側(cè)柱形成了低磁阻 回路，而兩側(cè)柱則形成了高》茲阻回路。鐵芯不限于EE型，還可在EI 型鐵芯上實現(xiàn)。
含有第二種集成磁元件的全橋變換器的結(jié)構(gòu)圖可參見圖5,是采 用圖4所示的第二種集成磁件和全波整流電路的全橋磁集成變換器示 意圖。其由四部分組成輸入直流電源1,全橋逆變電路2，集成磁件 3，副邊整流及電容濾波電路4。直流電源正極與功率MOS管Ql、 Q2的漏極相連，直流電源負(fù)極與功率MOS管Q3、 Q4的源極相連。 原邊繞組Np的a端與功率MOS管Ql的源極及功率MOS管Q3的漏 極相連，原邊繞組Np的b端與功率MOS管Q2的源極及功率MOS 管Q4的漏極相連。副邊繞組Nsl的c端與二極管Dl的陽極相連，副 邊繞組Ns2的d端與二極管D2的陽極相連，二極管D1、 D2共陰極 且此陰極與濾波電感繞組的f端相連，濾波電感繞組的另一端g與輸 出濾波電容的一端及輸出正端相連，副邊繞組Nsl、 Ns2的7>共端e 與濾波電容的另一端及輸出負(fù)端相連。其中二極管可用同步整流管及 其驅(qū)動代替。
第三種集成磁元件的結(jié)構(gòu)圖如圖6所示，包括原邊繞組Np、副 邊繞組Nsl、 Ns2繞于一鐵芯側(cè)柱，且副邊繞組Nsl、 Ns2為正向耦合， 形成一變壓器。原邊繞組Np的a端與副邊繞組Nsl的c端互為同名 端，與副邊繞組Ns2的d端互為異名端。副邊繞組Nsl與副邊繞組 Ns2有公共端e。濾波電感繞組NL繞在鐵芯的另 一側(cè)柱，形成一電感。 變壓器所在側(cè)柱上開有一較小氣隙，此側(cè)柱與鐵芯中柱形成一低磁阻 回路。電感所在側(cè)柱上開有一較大氣隙，此側(cè)柱與鐵芯中柱形成一高 磁阻回路。鐵芯中柱即高i茲阻回路與低石茲阻回i 各的公共路徑。鐵芯不 限于EE型。
8含有第三種集成磁元件的全橋變換器的結(jié)構(gòu)圖可參見圖7，是采
用圖6所示的第三種集成磁件和全波整流電路的全橋磁集成變換器示 意圖。其由四部分組成輸入直流電源1，全橋逆變電3各2，集成》茲件 3,副邊整流及電容濾波電3各4。直流電源正4及與功率MOS管Ql、 Q2的漏極相連，直流電源負(fù)極與功率MOS管Q3、 Q4的源極相連。 原邊繞組Np的a端與功率MOS管Ql的源極及功率MOS管Q3的漏 極相連，原邊繞組Np的b端與功率MOS管Q2的源極及功率MOS 管Q4的漏極相連。副邊繞組Nsl的c端與二極管Dl的陽極相連，副 邊繞組Ns2的d端與二極管D2的陽極相連，二極管D1、 D2共陰極 且此陰極與濾波電感繞組的f端相連，濾波電感繞組的另一端g與輸 出濾波電容的一端及輸出正端相連，副邊繞組Nsl、 Ns2的/〉共端e 與濾波電容的另一端及輸出負(fù)端相連。其中二極管可用同步整流管及 其驅(qū)動代替。
第四種集成磁元件的結(jié)構(gòu)圖如圖8所示，包括原邊繞組Np、副 邊繞組Nsl、 Ns2繞于上面的E型《失芯中柱，且副邊繞組Nsl、 Ns2 為正向耦合，與中間的I型鐵芯形成一變壓器。原邊繞組Np的a端與 副邊繞組Nsl的c端互為同名端，與副邊繞組Ns2的d端互為異名端。 副邊繞組Nsl與副邊繞組Ns2有公共端e。濾波電感繞組NL繞在下 面的E型鐵芯的中柱，與中間的I型鐵芯形成一電感?？梢娮儔浩髋c 電感有公共部分I型鐵芯。僅濾波電感繞組NL所在的E型鐵芯中柱 上開有一氣隙，由此上面的E型鐵芯與中間的I型鐵芯形成一低磁阻 磁路，下面的E型鐵芯與中間的I型鐵芯形成一高磁阻磁路。中間的 I型鐵芯即高磁阻回路與低磁阻回路的公共路徑。鐵芯不限于EI型。
含有第四種集成磁元件的全橋變換器的結(jié)構(gòu)圖可參見圖9,是采
用圖8所示的第四種集成磁件和全波整流電路的全橋磁集成變換器示 意圖。其由四部分組成輸入直流電源1，全橋逆變電^各2，集成》茲件 3，副邊整流及電容濾波電路4。直流電源正才及與功率MOS管Ql、
9Q2的漏極相連，直流電源負(fù)極與功率MOS管Q3 、 Q4的源極相連。 原邊繞組Np的a端與功率MOS管Ql的源才及及功率MOS管Q3的漏 才及相連，原邊繞組Np的b端與功率MOS管Q2的源才及及功率MOS 管Q4的漏才及相連。副邊繞組Nsl的c端與二極管Dl的陽4及相連，副 邊繞組Ns2的d端與二極管D2的陽極相連，二才及管D1、 D2共陰極 且此陰極與濾波電感繞組的f端相連，濾波電感繞組的另一端g與輸 出濾波電容的一端及輸出正端相連，副邊繞組Nsl、 Ns2的公共端e 與濾波電容的另一端及輸出負(fù)端相連。其中二極管可用同步整流管及 其驅(qū)動代替。
上面詳細(xì)描述了全橋直流變換器，
以下結(jié)合附圖詳細(xì)描述半橋直 流變換器的結(jié)構(gòu)圖，參見圖10,半橋直流變換器在結(jié)構(gòu)上與直流全橋 變換器的區(qū)別僅在于切換電路2采用半橋結(jié)構(gòu)，采用兩個開關(guān)管Ql、 Q2及兩個分壓電容C1、 C2構(gòu)成半橋結(jié)構(gòu)，Ql的漏才及、Cl的一端與 輸入電壓正才及相連，Q2的源極、C2的一端與輸入電壓的負(fù)極相連， Ql的源極、Q2的漏i及與一次側(cè)線圈的一端相連，Cl的另一端、C2 的另 一端與 一次側(cè)線圏的另 一端相連，這樣周期性的提供一正電壓方 波與一負(fù)電壓方波至該一次側(cè)線圈。全橋結(jié)構(gòu)和半橋結(jié)構(gòu)均在第一時 區(qū)為一次側(cè)繞組提供正電壓或負(fù)電壓，在第二時區(qū)為一次側(cè)繞組提供 零電壓。
采用半橋結(jié)構(gòu)和各種集成磁件組成的直流變換器的結(jié)構(gòu)圖可參 見圖11至圖14，圖11是含有第一種集成磁元件直流變換器結(jié)構(gòu)圖， 由四部分組成輸入直流電源1，半橋逆變切換電^各2，集成^茲件3， 副邊整流及電容濾波電路4。直流電源正極與功率MOS管Ql的漏極 及分壓電容C1的一端相連，直流電源負(fù)極與功率MOS管Q2的源極 及分壓電容C2的一端相連。原邊繞組Np的a端與功率MOS管Ql 的源極及功率MOS管Q2的漏極相連，原邊繞組Np的b端與分壓電 容C1的另一端及分壓電容C2的另一端相連。副邊繞組Nsl的c端與
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權(quán)利要求1、一種集成磁元件的直流變換器，其特征在于，包括連接直流電流輸入端、產(chǎn)生周期性電壓的切換電路，所述切換電路連接集成磁元件，所述集成磁元件連接整流、濾波電路和直流電流輸出端；所述集成磁元件包括開口相對的兩個E型鐵芯，繞在鐵芯上的線圈形成變壓器和電感。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成磁元件的直流變換器，其特征在 于，所述線圈繞制在兩個E型鐵芯外側(cè)柱上形成變壓器，其中一個E 型鐵芯的中心柱上繞制電感。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成磁元件的直流變換器，其特征在 于，所述線圈繞制在兩個E型鐵芯中心柱上形成變壓器，其中一個E 型鐵芯的兩個外側(cè)柱上繞制電感。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成磁元件的直流變換器，其特征在 于，所述線圈繞制在兩個E型鐵芯的同 一側(cè)的外側(cè)柱上形成變壓器， 其中一個E型鐵芯的一個外側(cè)柱上繞制電感。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成磁元件的直流變換器，其特征在 于，兩個E型鐵芯中間還具有I型鐵芯，所述線圈繞制在一個E型鐵 芯的中心柱上形成變壓器；在另一個E型鐵芯的中心柱上繞制電感。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成磁元件的直流變換器，其特征在 于，所述切換電路為全橋結(jié)構(gòu)或半橋結(jié)構(gòu)。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的集成磁元件的直流變換器，其特征在 于，所述切換電路為全橋結(jié)構(gòu)時，采用四個開關(guān)管Q1、 Q2、 Q3、 Q4 構(gòu)成全橋結(jié)構(gòu)；所述切換電^各連4妄集成;茲元件為Ql、 Q2的漏;〖及與輸入電壓正 極相連，Q3、 Q4的源極與直流電流輸入端的輸入電壓負(fù)極相連，Ql 的源極與Q3的漏極及變壓器一次側(cè)線圈的一端相連，Q2的源極與 Q 4的漏極及 一 次側(cè)線圏的另 一 端相連。
8、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的集成磁元件的直流變換器，其特征在 于，所述切換電路為半橋結(jié)構(gòu)時，采用兩個開關(guān)管Q1、 Q2及兩個分壓電容C1、 C2構(gòu)成半橋結(jié)構(gòu)；所述切換電路連接集成磁元件為Ql的漏極、Cl的一端與輸入 電壓正極相連，Q2的源極、C2的一端與直流電流輸入端輸入電壓的 負(fù)極相連，Ql的源極、Q2的漏極與變壓器的一次側(cè)線圈的一端相連， Cl的另一端、C2的另一端與一次側(cè)線圏的另一端相連。
專利摘要本實用新型公開了一種集成磁元件的直流變換器，包括連接直流電流輸入端、產(chǎn)生周期性電壓的切換電路，所述切換電路連接集成磁元件，所述集成磁元件連接整流、濾波電路和直流電流輸出端；所述集成磁元件包括開口相對的兩個E型鐵芯，繞在鐵芯上的線圈形成變壓器和電感。本實用新型中的直流變換器，在同一個鐵芯上實現(xiàn)變壓器和電感，磁件體積較小，重量較輕、損耗也相應(yīng)降低，并可有效降低生產(chǎn)成本。
文檔編號H02M3/28GK201266888SQ20082012310
公開日2009年7月1日 申請日期2008年10月15日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月15日
發(fā)明者張振鈺, 陳永勝 申請人:北京新雷能有限責(zé)任公司;深圳市雷能混合集成電路有限公司