一种直流变压器及使用该直流变压器的直流／直流转换器

摘要

一种直流/直流转换器，其包含一输入滤波器，一无控制半桥转换器，一同步整流器，一输出电容，以及一直流变压器。该直流变压器包含一铁芯、一初级线圈、一第一次级线圈以及一第二次级线圈。该直流变压器的铁芯包含一第一脚柱、一具有一第一气隙的第二脚柱，以及一具有一第二气隙的第三脚柱。该第一次级线圈缠绕于该第一脚柱以及该第二脚柱，并通过该第一气隙产生一第一电感。该第二次级线圈缠绕于该第一脚柱以及该第三脚柱，并且通过该第二气隙产生一第二电感。采用本发明的直流/直流转换器，不须在印刷电路板上制作电感，即可抑制输出电压的噪声，因此可减少电感的损失，提高直流变压器的效率以及产品的电力密度。

说明书

【技术领域】

本发明提供一种直流变压器，尤指一种将输出电感整合于铁芯的直流变压器以及使用该直流变压器的直流/直流转换器。

   【背景技术】 

变压器是由一个互通的铁芯与绝缘的两个线圈所形成，以铁芯为介质，而将两个线圈结合。因此将交流电流通至初级线圈时，会在铁芯内产生与线圈成直交的磁束，利用此磁束，在次级线圈产生电压，此电压的大小与次级线圈的匝数成正比。因此，选择适当的匝数即可获得任意大小的电压。

请参考图1，所示为现有直流/直流转换器的方块示意图。直流/直流转换器的直流变压器10的铁芯12上具有一初级线圈(primary winding)以及一次级线圈(secondary winding)，初级线圈用来输入一输入电压Vin，通常输入电压Vin会先经一输入滤波器14进行滤波，再传送至一无控制半桥转换器(half-bridge converter without PWM control function)41，经直流变压器10的铁芯12转换电压后由次级线圈输出，而由次级线圈输出的电压经由同步整流器42整流后经由一输出滤波器16滤波而得到一输出电压Vo。假设直流变压器10的初级线圈与次级线圈的匝数比为N，直流变压器10的责任周期为D，则输出电压Vo可表示为Vo＝(D/2N)Vin。

请参考图2，所示为现有直流变压器10的变压器铁芯12以及线圈的示意图。直流变压器10的铁芯12上具有一初级线圈13、一第一次级线圈15以及一第二次级线圈17。铁芯12的形状为EE型，包含三个脚柱121、122、123，初级线圈13可以不同的方式缠绕于变压器铁芯12，例如只缠绕于第一脚柱121，或者是同时缠绕于第二脚柱122以及第三脚柱123。同样地，次级线圈也可以有不同的缠绕方式，如图2所示，次级线圈只缠绕于第一脚柱121，再以中间抽头(center tap)的方式拉出，形成第一次级线圈15以及第二次级线圈17。

请参考图3，所示为现有直流/直流转换器的电路图。直流/直流转换器包含一输入滤波器14(C1，L1)，一无控制半桥转换器41(C2，C3，Q1，Q2)，一直流变压器10，一同步整流器42(Q3，Q4)，以及一输出滤波器16(L2，C4)。直流变压器10包含一变压器铁芯12、一初级线圈13、第一次级线圈15、第二次级线圈17以及一辅助线圈19，输入电感L1以及输入电容C1所组成的输入滤波器14用来对输入电压Vin进行滤波。初级线圈13连接由二开关Q1，Q2及两电容C2，C3所组成的无控制半桥转换器41，用来驱动直流变压器10。第一次级线圈15与第二次级线圈17分别连接同步整流器42的开关Q3，Q4，辅助线圈19可用来提供开关Q3、Q4的操作电压。输出电感L2以及输出电容C4组成输出滤波器16，用来对直流变压器10转换的电压进行滤波，以产生输出电压Vo。

由上述可知，现有直流变压器抑制输出电压的噪声，通常会在同步整流器后端连接由一输出电感以及一输出电容组成的输出滤波器，由此调整输出电感的电感值，用来抑制输出电压的噪声。然而，随着集成电路的发展，电感组件由于需占用较多印刷电路板空间，因此在设计上会尽量避免或是寻找替代方案，此外，受限于输出电感的规格，阻抗会造成电力的损失，降低电力转换的效率。

【发明内容】

针对上述现有技术存在的不足，本发明的主要目的在于提供一种直流变压器及使用该直流变压器的直流/直流转换器。

本发明提供的直流变压器，包含一铁芯，其包含一第一脚柱、一具有一第一气隙的第二脚柱，以及一具有一第二气隙的第三脚柱；一初级线圈，缠绕于该第一脚柱；一第一次级线圈，缠绕于该第一脚柱以及该第二脚柱，并通过该第一气隙产生一第一电感；一第二次级线圈，缠绕于该第一脚柱以及该第三脚柱，并通过该第二气隙产生一第二电感。

本发明提供的直流/直流转换器，包含一输入滤波器，一无控制半桥转换器，一同步整流器，一上述直流变压器，以及一输出电容。

采用本发明的直流/直流转换器，不须在印刷电路板上制作电感，即可抑制输出电压的噪声，因此可减少电感的损失，提高直流变压器的效率以及产品的电力密度。

【附图说明】

图1为现有直流/直流转换器方块示意图，该直流/直流转换器包含一直流变压器。

图2为图1中的直流变压器示意图。

图3为图1所示直流/直流转换器电路图。

图4为本发明直流/直流转换器方块示意图，该直流/直流转换器包含一直流变压器。

图5为图4中的直流变压器示意图。

图6为图4所示直流/直流转换器电路图。

图7为图4所示直流/直流转换器操作波形图。

图8为图1所示直流/直流转换器输出电压波形图。

图9为图4所示直流/直流转换器输出电压波形图。

图10为EE型变压器的铁芯示意图。

图11为EI型变压器的铁芯示意图。

图12为EQ型变压器的铁芯示意图。

图13为RM型变压器的铁芯示意图。

【具体实施方式】

请参考图4，所示为本发明直流/直流转换器40的方块示意图。图中的直流/直流转换器40包含一直流变压器20，直流变压器20的铁芯22上缠绕有一初级线圈(primary winding)以及两个次级线圈(secondary windings)，初级线圈用来输入一输入电压Vin，通常输入电压Vin会先经由一输入滤波器24进行滤波，经无控制半桥转换器(half-bridge converter without PWM controlfunction)43再传送至铁芯22的初级线圈。本发明直流变压器20与先前直流变压器10最大的不同处在于本发明将输出电感整合于直流变压器20的铁芯22，因此由铁芯22的次级线圈输出的电压经过同步整流器44整流后只需连接一输出电容26进行滤波，即可得到一输出电压Vo。

请参考图5，所示为本发明直流变压器20的变压器铁芯22以及线圈的示意图。本发明利用气隙储能的原理，将铁芯22的次级线圈缠绕于铁芯22具有气隙的脚柱，产生等效电感，用以取代输出电感，这样直流变压器20所连接的输出电感就可以被整合于直流变压器20的变压器铁芯22。以EE型铁芯22为例，其包含三个脚柱221、222、223，依据本发明于第二脚柱222以及第三脚柱223分别形成第一气隙34以及第二气隙36，此时初级线圈28只缠绕于第一脚柱221，而次级线圈也缠绕于第一脚柱221，再以中间抽头(center tap)的方式拉出，形成第一次级线圈30以及第二次级线圈32。在本发明的实施方式中，第一次级线圈30还缠绕于具有第一气隙34的第二脚柱222上，并且第二次级线圈32还缠绕于具有第二气隙36的第三脚柱223上。当线圈缠绕于具有气隙的脚柱时，通过气隙储能，即可产生等效电感。

请参考图6，所示为本发明直流/直流转换器40的电路图。输入滤波器24由一输入电感L1以及一输入电容C1组成，用来对输入电压Vin进行滤波。初级线圈28连接无控制半桥转换器(C2，C3，Q1，Q2)，用来驱动直流变压器20。第一次级线圈30以及第二次级线圈32分别连接同步整流器44的开关Q3、Q4，辅助线圈38可用来提供同步整流器44的开关Q3、Q4的操作电压。由于直流变压器20的铁芯22以及线圈已依据图5所示改善，因此直流变压器20的变压器铁芯22上的第一次级线圈30以及第二次级线圈32相当于已分别连接一第一等效电感L21以及一第二等效电感L22作为二次级线圈的输出电感，所以输出滤波器26只需使用一输出电容C4，便可对直流变压器20转换的电压进行滤波，产生输出电压Vo。

请参考图7，所示为直流/直流转换器40的操作波形图。第一个波形为开关Q1的控制信号，第二个波形为开关Q2的控制信号，Vp为初级线圈两端的电压，Vos为同步整流电压，Vo为输出电压。开关Q1和开关Q2为互补操作模式，即当开关Q1导通时，开关Q2截止，并且开关Q1与Q2的占空比接近50％。直流/直流转换器的工作方式可分为四个状态，其中第一个状态为开关Q1导通而开关Q2截止，此时初级线圈28的电压经由铁芯22耦合到第一次级线圈30，接着把能量储存于第一等效电感L21。当开关Q2要由截止转到导通的状态时，为防止开关Q1和开关Q2同时导通，造成短路使电路烧毁的严重后果，必须先进到第二个状态，即开关Q1和开关Q2都为截止的情形，这段时间Td称为截止时间(dead time)，此时直流变压器20的初级线圈28完全没有能量耦合到第一次级线圈30以及第二次级线圈32，第一次级线圈30则将上一个状态储存于第一等效电感L21的能量传送到输出电容26。接着进入第三个状态，即开关Q1截止而开关Q2导通，此时初级线圈28的电压经由铁芯22耦合至第二次级线圈32，使第二次级线圈32将能量储存于第二等效电感L22。同样地，当开关Q1要由截止转到导通的状态时，也必须先使开关Q1和开关Q2都截止，以避免短路致使电路烧毁，此为第四个状态，之后又回到第一个状态，如此循环下去。

图8所示为现有直流/直流转换器10的输出电压的波形图，其输入电压Vin＝48V，输出电压Vo＝5V，输出电流Io＝10A，输出电压的涟波峰对峰值为42mV，输出效率为90％。图9所示为本发明直流/直流转换器20的输出电压的波形图，其输入电压Vin＝48V，输出电压Vo＝5V，输出电流Io＝10A，输出电压的涟波峰对峰值为31.9mV，输出效率为90.5％。由实验仿真数据可知，本发明直流变压器20可减小直流/直流转换器40的输出电压的涟波峰对峰值，并提高直流/直流转换器40的输出效率。

图10及图11，分别所示为EE型铁芯100与EI型铁芯110的示意图。虽然图5所示的铁芯22只需在第二脚柱222和第三脚柱223上形成气隙34和36，然而在实际应用上，若是在铁芯的三个脚柱上都形成气隙，将更容易达成，而制造成本也较低。如图10及图11所示，铁芯100及110的三个脚柱101，102，103以及111，112，113上分别都有气隙1010，1020，1030和1110，1120，1130。本发明直流变压器所使用的铁芯，除了EE及EI型，也可是图12所示的EQ型铁芯120或如图13所示的RM型铁芯130等。此外，铁芯的气隙的大小大约只需介于0.02-0.07mm即可。

由上述可知，本发明直流变压器使用具有气隙的铁芯，常见的有EE、EI、EQ或RM等型式铁芯，直流变压器的次级线圈需再缠绕于铁芯具有气隙的脚柱，以产生等效电感，这样直流变压器便不须外加输出电感，即可抑制直流变压器的输出电压噪声，而且整合输出电感后的直流变压器，可缩小产品的体积，减少电感的损失，并且提高直流/直流转换器的效率，而且，整合输出电感后还可提高产品的电力密度。

与现有技术相比较，本发明直流变压器利用具有气隙的铁芯以及次级线圈的缠绕方式，将输出电感整合于铁芯，省去了在印刷电路板上制作电感的空间。现有直流变压器必须在印刷电路板上形成输出电感，以抑制输出电压的噪声，然而电感组件却会占用较多印刷电路板的空间，增加产品的体积，并且受限于输出电感的规格，阻抗会造成电力的损失，降低电力转换的效率。本发明直流变压器不须在印刷电路板上制作电感，即可抑制输出电压的噪声，因此可减少电感的损失，提高直流变压器的效率以及产品的电力密度。