低雜散電磁輻射的新型高效能高頻脈沖變壓器的制造方法
【專利摘要】本發明所涉及的低雜散電磁輻射的新型高效能高頻脈沖變壓器，通過改變繞組的分布方式及繞組中電流的流動方向，提高初次級繞組間的磁耦合密度，同時降低外部合成磁通的強度；改變傳統變壓器通過初級繞組外部合成磁通向次級繞組傳輸能量的模式，利用初級繞組的內部合成磁通向次級繞組傳輸能量，初級繞組的外部合成磁通與能量傳輸完全無關，將傳輸能量的磁通與產生電磁干擾的磁通完全剝離開來，可以通過諸多技術手段對產生電磁干擾的外部合成磁通進行削弱和屏蔽，在有效提升變壓器傳輸效率和功率密度的同時，大幅降低雜散輻射所造成的電磁干擾。
【專利說明】
【技術領域】
[0001] 本發明涉及高頻脈沖變壓器技術。尤其涉及低雜散電磁輻射的新型高效能高頻脈 沖變壓器。 低雜散電磁輻射的新型高效能高頻脈沖變壓器
【背景技術】
[0002] 隨著電源技術的不斷進步，采用開關技術的二次電源的應用幾乎滲透了各個領 域，開關電源的核心器件之一是高頻脈沖變壓器，而高頻脈沖變壓器的技術瓶頸限制了開 關電源的進步，可以毫不夸張的說--高頻脈沖變壓器的性能決定了開關電源的總體性 能。到目前為止，傳統的高頻脈沖變壓器已經難以滿足高效能、大功率轉換電源的需要。其 關鍵的技術瓶頸在于：
[0003] 1、高頻脈沖變壓器的功率容量與變壓器的體積成正比，在體積一定的條件下，想 要加大變壓器的功率容量，只能通過提升轉換電源的頻率來實現。而頻率的提高會增強導 線的趨膚效應和臨近效應，同時，磁芯的損失也會隨之加大，對于傳統變壓器來說，頻率的 提升是有局限性的；
[0004] 2、高頻脈沖變壓器的傳輸效率直接影響它的功率密度，傳統的大功率高頻脈沖變 壓器的轉換效率很難突破90 %，這樣一來不僅造成了能源浪費，增加了制造成本，而且也限 制了體積的減小；
[0005] 3、高頻脈沖變壓器的能量傳輸是通過初級繞組的合成磁通耦合到次級繞組來進 行的，而這個磁通同時也會產生電磁干擾，即進行能量傳輸的磁通與產生電磁干擾的磁通 是同一個磁通，傳輸的功率越大產生的電磁干擾也就越強；
[0006] 4、脈沖變壓器傳輸的是前后沿陡峭的脈沖信號，其高頻諧波非常豐富，在傳輸有 效能量的同時所產生的雜散電磁輻射會造成很強的電磁干擾，而且隨著功率的加大干擾呈 幾何級數增強。
【發明內容】
[0007] 變壓器的繞組是由若干匝導線組成，繞組通電時每一條導線的周圍都會產生磁 場，磁場的強度與電流成正比，磁通的方向遵循安培定則。
[0008] 傳統高頻脈沖變壓器的繞組采用集束式繞制，單條導線產生的磁通3-1相互合成 后形成合成磁通3-2,傳統集束繞制的初級繞組層間內部合成磁通3-3相互抵消不參與能 量傳輸，外部合成磁通3-4通過磁芯的耦合向次級繞組傳輸能量；傳輸能量的初級繞組外 部合成磁通3-4在傳輸能量的同時，也會產生電磁干擾，即傳輸能量與產生電磁干擾是同 一個磁通。通過簡單的分析可以看出，傳統變壓器效率低、干擾大的根本原因在于：初次級 間進行能量傳輸的磁通與產生電磁干擾的磁通是同一個磁通；且僅有占線圈總匝數比例很 少的繞組外圍導線參與這一磁通的合成，而絕大多數的繞組內部導線的磁通相互抵消根本 不參與能量傳輸。因此變壓器的能量傳輸效率低下，功率密度無法提高，更嚴重的是隨著變 壓器功率的加大，伴之而來的電磁干擾也隨之加大。
[0009] 本發明的關鍵在于：重新分布初級繞組和次級繞組的相對位置，并控制初級繞組 內電流的方向，顛覆了傳統變壓器通過初級繞組外部合成磁通向次級繞組傳輸能量的模 式，利用初級繞組的層間磁通，甚至是匝間磁通向次級繞組傳輸能量--即初次級繞組能 量的傳輸是在繞組內部磁通間進行的，而產生電磁干擾的外部合成磁通完全不參與能量傳 輸，實現了能量傳輸與電磁干擾兩個磁通完全剝離，在有效提升變壓器傳輸效率和功率密 度的同時，大幅削弱和抑制電磁干擾。
[0010] 將變壓器的初級繞組作成單層平面線圈1-1、1-2、……1-n，同時將次級繞組制作 成單層平面線圈2-l、2-2、2-(n-l)，在兩層單層平面初級繞組之間嵌入1層單層平面次級 繞組，組合后的繞組總成的最頂層和最底層都是初級繞組；控制初級繞組的接線，使得相鄰 兩層初級繞組的電流反相，就可以保證初級繞組的層間內部合成磁通3-3相互增強，層間 外部合成磁通3-2相互抵消；由于次級繞組分布在初級繞組的層間與初級繞組強耦合，繞 組之間利用層間內部磁通3-3傳輸能量，外部磁通3-2與能量傳輸無關。雖然初級繞組層 間的外部磁通相互抵消，但是由于初級繞組的最頂層和最底層線圈的外部合成磁通相互增 強，產生初級繞組的外部合成磁通，該磁通已不參與能量傳輸，僅會產生電磁干擾，通過在 繞組總成的最頂層和最底層分別嵌入屏蔽層，對最頂層和最底層線圈的外部合成磁通進行 屏蔽，可以更有效地抑制已經大幅削弱了的電磁干擾；屏蔽層設計有絕緣縫隙，防止產生閉 合渦流；屏蔽層設計有電氣連接端子，實際應用時根據具體情況接地或懸空。
[0011] 也可以采用同軸導線制作高頻脈沖變壓器，同軸導線的內導體5-1為變壓器的初 級繞組，外導體5-2為變壓器的次級繞組，導線間平行分布；控制初級繞組的接線，使得相 鄰導線的電流反相，就可以保證導線間內部合成磁通4-2相互增強，外部磁通相互抵消；由 于次級繞組同軸分布在初級繞組外面與初級繞組強耦合，利用導線的內部合成磁通4-2傳 輸能量，外部磁通與能量傳輸無關且相互抵消。在繞組總成的層間嵌入屏蔽層5-3可以更 有效地抑制已經大幅削弱了的電磁干擾；屏蔽層設計有絕緣縫隙5-4,防止產生閉合渦流； 屏蔽層設計有電氣連接端子，實際應用時根據具體情況接地或懸空。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0012] 圖1 :結構示意圖
[0013] 1-1--初級平面繞組1 ;
[0014] 1-2--初級平面繞組2;
[0015] 1-3--初級繞組電流方向；
[0016] 2-1--次級平面繞組1.
[0017] 圖2 :初級線圈電流方向示意圖
[0018] 圖3 :傳統變壓器初繞組結構及磁通示意圖
[0019] 3-1-單匝導線磁通；
[0020] 3-2--繞組層間外部合成磁通；
[0021] 3-4-繞組總成合成磁通。
[0022] 圖4 :層間電流反相繞組的磁通示意圖
[0023] 3-3--級繞組層間合成磁通。
[0024] 圖5 :匝間電流反相繞組的磁通示意圖
[0025] 4-1--單導線磁通；
[0026] 4-2--導線間合成磁通。
[0027] 圖6 :采用同軸導線結構且初級繞組匝間電流反相的磁通示意圖
[0028] 5-1--同軸導線內導體--初級繞組；
[0029] 5-2-同軸導線外導體-次級繞組；
[0030] 圖7 :初次級繞組為同軸導線的高頻脈沖變壓器結構示意圖
[0031] 圖8 :帶屏蔽層的圓筒形結構同軸導線大功率高頻脈沖變壓器徑向截面示意圖
[0032] 5-3--層間屏蔽層；
[0033] 5-4--屏蔽層絕緣縫隙。
【具體實施方式】
[0034] 實施例一:初級繞組層間電流反相平面高頻脈沖變壓器。
[0035] 采用平面變壓器的制作工藝，將初級繞組和次級繞組分成多層制作，且次級繞組 的層數比次級繞組的層數少一層（即次級繞組的層數為N，則初級繞組的層數是N-1)，在兩 層初級繞組層之間嵌入次級繞組層，最頂層和最底層均為初級繞組。
[0036] 根據與次級繞組層相鄰的初級繞組層電流反相的原則連接初級繞組的層間接線， 保證初級繞組內部層間磁通在次級繞組平面為相互增強。此時，初級繞組的外部層間磁通 相互抵消，只有最頂層外部磁通和最底層的外部磁通是相互增強的，這部分磁通不參與能 量轉換，只會產生雜散輻射，應該盡可能減小，所以初級繞組的單側截面盡可能接近圓形或 矩形。
[0037] 次級繞組可以有多種連接方式，根據輸出電壓和輸出功率的要求，設定次級繞組 的連接方式。
[0038] 實施例二:初次級繞組為同軸導線且初級繞組匝間電流反相的大功率高頻脈沖變 壓器。
[0039] 采用同軸導線制作大功率高頻脈沖變壓器是利用同軸導線的芯線作為變壓器的 初級繞組，將同軸導線的外導體作為變壓器的次級繞組，采取合適的接線方式，保證初級繞 組中相鄰導線電流反相，就可以充分利用初級繞組的匝間磁通相互增強的性能，最大限度 地提高初次級間能量傳輸的效率。
[0040] 此時初級繞組內部的匝間磁通相互增強，而外部合成磁通相互抵消后幾乎為零， 其雜散輻射就幾乎為零，因此可以將電磁干擾降到最低。
[0041] 實施例三：圓梓狀初次級繞組為同軸導線目.初級繞組匝間電流反相的超低EMI大 功率高頻脈沖變壓器。
[0042] 采用同軸導線制作大功率高頻脈沖變壓器，其結構為圓柱狀--同軸導線分布的 徑向截面是圓形，且繞組的層間內嵌屏蔽層，屏蔽層沿軸向開有貫通的縫隙，防止屏蔽層的 感應電流形成環流，屏蔽層單端有導線接出，供應用時接地使用。
[0043] 利用同軸導線的芯線作為變壓器的初級繞組，將同軸導線的外導體作為變壓器的 次級繞組，采取合適的接線方式，保證初級繞組中相鄰導線電流反相，就可以充分利用初級 繞組的匝間磁通相互增強的性能最大限度地提高初次級間能量傳輸的效率。
[0044] 此時初級繞組內部的匝間磁通相互增強，在圓柱徑向的外部合成磁通相互抵消幾 乎為零，再加之屏蔽層的作用保證其雜散輻射幾乎為零，電磁干擾因此降到最低。
【權利要求】
1. 低雜散電磁輻射的高效能新型高頻脈沖變壓器。其特征是：根據安培定律及有關電 磁學原理，合理分布脈沖變壓器的初次級繞組及設定繞組中電流的流動方向，使得脈沖變 壓器初級繞組內部的層間合成磁通或匝間合成磁通相互增強，而外部合成磁通相互抵消， 將傳統變壓器通過初級繞組的外部合成磁通與次級繞組間進行能量轉換的模式，更改為利 用初級繞組的內部磁通向次級繞組傳輸能量。在有效提升變壓器傳輸效率和功率密度的同 時，大幅降低變壓器因外部磁通的雜散輻射而造成的電磁輻射。適當內嵌屏蔽層可以更加 有效地降低殘留的外部合成磁通產生的電磁輻射。
2. 按照權利要求1所述的合理分布脈沖變壓器的初次級繞組具有顯著特點。其特征 是：在初級繞組的層間嵌入單層的次級繞組制作平面變壓器，初級繞組的層數比次級繞組 多一層（次級繞組為N層，則初級繞組為N+1層），堆疊時，最頂層和最底層都是初級繞組。
3. 按照權利要求1所述的合理分布脈沖變壓器的初次級繞組，可以采用同軸導線制作 初次級繞組。其特征是：初次級繞組的導線為同軸導線--同軸導線的內導體為初級繞組， 外導體為次級繞組，變壓器繞組的分布呈3D立體結構。
4. 按照權利要求1所述的設定繞組中電流的流動方向具有顯著特點。其特征是：當采 用初級繞組層間嵌入次級繞組層的結構時--平面變壓器，初級繞組的層間電流反相；若 采用同軸導線結構時，相鄰的同軸導線內導體（初級繞組）電流反相。
5. 按照權利要求1所述的脈沖變壓器初級繞組內部的層間合成磁通或匝間合成磁通 相互增強，而外部合成磁通相互抵消。其特征是：根據安培定則可以簡單地判斷通電導體在 周圍空間產生的磁場及磁通的方向。 層間耦合的平面變壓器由于相鄰初級繞組層的電流為反相，其層間合成磁通是相互增 強的，最頂層和最底層的外部合成磁通也是相互增強的，而外部的層間合成磁通則相互抵 消。內嵌在初級繞組層間的次級繞組充分利用初級繞組層間增強的磁通進行能量傳輸，夕卜 部磁通被大幅削減，而這部分磁通已不參與能量傳輸，為降低雜散磁通造成的電磁輻射提 供了有效的解決途徑。 匝間耦合的同軸導線變壓器由于相鄰導線的電流反相，其匝間合成磁通是相互增強 的，而外部的合成磁通是相互抵消。與初級繞組導線同軸分布的次級繞組導線充分利用了 初級繞組匝間相互增強的磁通，提高了能量傳輸效率，因此加大了功率密度，同時外部磁通 因相互抵消而被大幅削減，而這部分磁通已不參與能量轉換，通過優化同軸導線的分布形 式，可以將雜散磁通造成的電磁輻射降到最低程度。
6. 按照權利要求1所述的適當內嵌屏蔽層可以更加有效地降低殘留的外部合成磁通 產生的電磁輻射。其特征是：層間耦合的平面變壓器在其最頂層和最底層嵌入電磁屏蔽層， 且在屏蔽層上開有絕緣縫隙，防止屏蔽層的感應電流形成環流，屏蔽層單端有導線接出，可 供接地使用。 匝間耦合的同軸導線變壓器為達到最低電磁輻射效果，通常采用圓柱狀結構。初級繞 組可以由內向外多層分布，此時每一層的匝數應為偶數才可以保證相鄰導線的電流反相。 為使電磁干擾降至最低，可以在同心圓的層間嵌入屏蔽層。屏蔽層沿軸向開有貫通的縫隙， 防止屏蔽層的感應電流形成環流，屏蔽層單端有導線接出，可供接地使用。
【文檔編號】H01F19/08GK104064322SQ201310095046
【公開日】2014年9月24日 申請日期:2013年3月22日 優先權日:2013年3月22日
【發明者】王勇 申請人:王勇