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(fā)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(qiáng)度；改變傳統(tǒng)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(nèi)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(guān)，將傳輸能量的磁通與產(chǎn)生電磁干擾的磁通完全剝離開來，可以通過諸多技術(shù)手段對產(chǎn)生電磁干擾的外部合成磁通進(jìn)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(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及高頻脈沖變壓器技術(shù)。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(shù)】
[0002] 隨著電源技術(shù)的不斷進(jìn)步，采用開關(guān)技術(shù)的二次電源的應(yīng)用幾乎滲透了各個領(lǐng) 域，開關(guān)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(shù)瓶頸限制了開 關(guān)電源的進(jìn)步，可以毫不夸張的說--高頻脈沖變壓器的性能決定了開關(guān)電源的總體性 能。到目前為止，傳統(tǒng)的高頻脈沖變壓器已經(jīng)難以滿足高效能、大功率轉(zhuǎn)換電源的需要。其 關(guān)鍵的技術(shù)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(zhuǎn)換電源的頻率來實(shí)現(xiàn)。而頻率的提高會增強(qiáng)導(dǎo) 線的趨膚效應(yīng)和臨近效應(yīng)，同時，磁芯的損失也會隨之加大，對于傳統(tǒng)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(tǒng)的大功率高頻脈沖變 壓器的轉(zhuǎn)換效率很難突破90 %，這樣一來不僅造成了能源浪費(fèi)，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(jìn) 行的，而這個磁通同時也會產(chǎn)生電磁干擾，即進(jìn)行能量傳輸?shù)拇磐ㄅc產(chǎn)生電磁干擾的磁通 是同一個磁通，傳輸?shù)墓β试酱螽a(chǎn)生的電磁干擾也就越強(qiáng)；
[0006] 4、脈沖變壓器傳輸?shù)氖乔昂笱囟盖偷拿}沖信號，其高頻諧波非常豐富，在傳輸有 效能量的同時所產(chǎn)生的雜散電磁輻射會造成很強(qiáng)的電磁干擾，而且隨著功率的加大干擾呈 幾何級數(shù)增強(qiáng)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 變壓器的繞組是由若干匝導(dǎo)線組成，繞組通電時每一條導(dǎo)線的周圍都會產(chǎn)生磁 場，磁場的強(qiáng)度與電流成正比，磁通的方向遵循安培定則。
[0008] 傳統(tǒng)高頻脈沖變壓器的繞組采用集束式繞制，單條導(dǎo)線產(chǎn)生的磁通3-1相互合成 后形成合成磁通3-2,傳統(tǒng)集束繞制的初級繞組層間內(nèi)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(chǎn)生電磁干擾，即傳輸能量與產(chǎn)生電磁干擾是同 一個磁通。通過簡單的分析可以看出，傳統(tǒng)變壓器效率低、干擾大的根本原因在于：初次級 間進(jìn)行能量傳輸?shù)拇磐ㄅc產(chǎn)生電磁干擾的磁通是同一個磁通；且僅有占線圈總匝數(shù)比例很 少的繞組外圍導(dǎo)線參與這一磁通的合成，而絕大多數(shù)的繞組內(nèi)部導(dǎo)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(yán)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(fā)明的關(guān)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(nèi)電流的方向，顛覆了傳統(tǒng)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(nèi)部磁通間進(jìn)行的，而產(chǎn)生電磁干擾的外部合成磁通完全不參與能量傳 輸，實(shí)現(xiàn)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(nèi)部合成磁通3-3相互增強(qiáng)，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(qiáng)耦合，繞 組之間利用層間內(nèi)部磁通3-3傳輸能量，外部磁通3-2與能量傳輸無關(guān)。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(qiáng)，產(chǎn)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(chǎn)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(jìn)行 屏蔽，可以更有效地抑制已經(jīng)大幅削弱了的電磁干擾；屏蔽層設(shè)計(jì)有絕緣縫隙，防止產(chǎn)生閉 合渦流；屏蔽層設(shè)計(jì)有電氣連接端子，實(shí)際應(yīng)用時根據(jù)具體情況接地或懸空。
[0011] 也可以采用同軸導(dǎo)線制作高頻脈沖變壓器，同軸導(dǎo)線的內(nèi)導(dǎo)體5-1為變壓器的初 級繞組，外導(dǎo)體5-2為變壓器的次級繞組，導(dǎo)線間平行分布；控制初級繞組的接線，使得相 鄰導(dǎo)線的電流反相，就可以保證導(dǎo)線間內(nèi)部合成磁通4-2相互增強(qiáng)，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(qiáng)耦合，利用導(dǎo)線的內(nèi)部合成磁通4-2傳 輸能量，外部磁通與能量傳輸無關(guān)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(jīng)大幅削弱了的電磁干擾；屏蔽層設(shè)計(jì)有絕緣縫隙5-4,防止產(chǎn)生閉合渦流； 屏蔽層設(shè)計(jì)有電氣連接端子，實(shí)際應(yīng)用時根據(jù)具體情況接地或懸空。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0012] 圖1 :結(jié)構(gòu)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(tǒng)變壓器初繞組結(jié)構(gòu)及磁通示意圖
[0019] 3-1-單匝導(dǎo)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(dǎo)線磁通；
[0026] 4-2--導(dǎo)線間合成磁通。
[0027] 圖6 :采用同軸導(dǎo)線結(jié)構(gòu)且初級繞組匝間電流反相的磁通示意圖
[0028] 5-1--同軸導(dǎo)線內(nèi)導(dǎo)體--初級繞組；
[0029] 5-2-同軸導(dǎo)線外導(dǎo)體-次級繞組；
[0030] 圖7 :初次級繞組為同軸導(dǎo)線的高頻脈沖變壓器結(jié)構(gòu)示意圖
[0031] 圖8 :帶屏蔽層的圓筒形結(jié)構(gòu)同軸導(dǎo)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(shí)施方式】
[0034] 實(shí)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(shù)比次級繞組的層數(shù)少一層（即次級繞組的層數(shù)為N，則初級繞組的層數(shù)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(jù)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(nèi)部層間磁通在次級繞組平面為相互增強(qiáng)。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(qiáng)的，這部分磁通不參與能 量轉(zhuǎn)換，只會產(chǎn)生雜散輻射，應(yīng)該盡可能減小，所以初級繞組的單側(cè)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(jù)輸出電壓和輸出功率的要求，設(shè)定次級繞組 的連接方式。
[0038] 實(shí)施例二:初次級繞組為同軸導(dǎo)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(dǎo)線制作大功率高頻脈沖變壓器是利用同軸導(dǎo)線的芯線作為變壓器的 初級繞組，將同軸導(dǎo)線的外導(dǎo)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(dǎo)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(qiáng)的性能，最大限度 地提高初次級間能量傳輸?shù)男省?br> [0040] 此時初級繞組內(nèi)部的匝間磁通相互增強(qiáng)，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(shí)施例三：圓梓狀初次級繞組為同軸導(dǎo)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(dǎo)線制作大功率高頻脈沖變壓器，其結(jié)構(gòu)為圓柱狀--同軸導(dǎo)線分布的 徑向截面是圓形，且繞組的層間內(nèi)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(yīng)電流形成環(huán)流，屏蔽層單端有導(dǎo)線接出，供應(yīng)用時接地使用。
[0043] 利用同軸導(dǎo)線的芯線作為變壓器的初級繞組，將同軸導(dǎo)線的外導(dǎo)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(dǎo)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(qiáng)的性能最大限度地提高初次級間能量傳輸?shù)男省?br> [0044] 此時初級繞組內(nèi)部的匝間磁通相互增強(qiáng)，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(quán)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(jù)安培定律及有關(guān)電 磁學(xué)原理，合理分布脈沖變壓器的初次級繞組及設(shè)定繞組中電流的流動方向，使得脈沖變 壓器初級繞組內(nèi)部的層間合成磁通或匝間合成磁通相互增強(qiáng)，而外部合成磁通相互抵消， 將傳統(tǒng)變壓器通過初級繞組的外部合成磁通與次級繞組間進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的模式，更改為利 用初級繞組的內(nèi)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(dāng)內(nèi)嵌屏蔽層可以更加 有效地降低殘留的外部合成磁通產(chǎn)生的電磁輻射。
2. 按照權(quán)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(diǎn)。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(shù)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(quán)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(dǎo)線制作 初次級繞組。其特征是：初次級繞組的導(dǎo)線為同軸導(dǎo)線--同軸導(dǎo)線的內(nèi)導(dǎo)體為初級繞組， 外導(dǎo)體為次級繞組，變壓器繞組的分布呈3D立體結(jié)構(gòu)。
4. 按照權(quán)利要求1所述的設(shè)定繞組中電流的流動方向具有顯著特點(diǎn)。其特征是：當(dāng)采 用初級繞組層間嵌入次級繞組層的結(jié)構(gòu)時--平面變壓器，初級繞組的層間電流反相；若 采用同軸導(dǎo)線結(jié)構(gòu)時，相鄰的同軸導(dǎo)線內(nèi)導(dǎo)體（初級繞組）電流反相。
5. 按照權(quán)利要求1所述的脈沖變壓器初級繞組內(nèi)部的層間合成磁通或匝間合成磁通 相互增強(qiáng)，而外部合成磁通相互抵消。其特征是：根據(jù)安培定則可以簡單地判斷通電導(dǎo)體在 周圍空間產(chǎn)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(qiáng)的，最頂層和最底層的外部合成磁通也是相互增強(qiáng)的，而外部的層間合成磁通則相互抵 消。內(nèi)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(qiáng)的磁通進(jìn)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(dǎo)線變壓器由于相鄰導(dǎo)線的電流反相，其匝間合成磁通是相互增強(qiáng) 的，而外部的合成磁通是相互抵消。與初級繞組導(dǎo)線同軸分布的次級繞組導(dǎo)線充分利用了 初級繞組匝間相互增強(qiáng)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(zhuǎn)換，通過優(yōu)化同軸導(dǎo)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(quán)利要求1所述的適當(dāng)內(nèi)嵌屏蔽層可以更加有效地降低殘留的外部合成磁通 產(chǎn)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(yīng)電流形成環(huán)流，屏蔽層單端有導(dǎo)線接出，可 供接地使用。 匝間耦合的同軸導(dǎo)線變壓器為達(dá)到最低電磁輻射效果，通常采用圓柱狀結(jié)構(gòu)。初級繞 組可以由內(nèi)向外多層分布，此時每一層的匝數(shù)應(yīng)為偶數(shù)才可以保證相鄰導(dǎo)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(yīng)電流形成環(huán)流，屏蔽層單端有導(dǎo)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(yōu)先權(quán)日:2013年3月22日
【發(fā)明者】王勇 申請人:王勇