一种功率磁元件及电源模块

摘要

本发明涉及到电气产品的技术领域，公开了一种功率磁元件及电源模块。该功率磁元件包括第一磁芯和第二磁芯，其中，第一磁芯包括并排设置的第一磁芯部和第二磁芯部，其中，第一磁芯部上设置有高于第二磁芯部的第一凸起及位于第一凸起两侧的第二凸起，第一凸起与两个第二凸起之间分别具有第一间隙，第二磁芯覆盖在第二磁芯部上，且第二磁芯与第一凸起之间具有与第一间隙连通的第二间隙。在上述技术方案中，第二间隙作为磁解耦气隙，且该第二间隙采用开放气隙，使绕组和气隙完全避开。减少气隙漏磁切割绕组带来的涡流损耗，同时开发气隙有助于降低谐振感量精度的控制难度。

权利要求

1.一种功率磁元件，包括相对设置的第一磁芯和第二磁芯，以及原边绕组和副边绕组，所述原边绕组和所述副边绕组分别包括多个层叠的矩形框铜片，其特征在于，所述第一磁芯包括第一磁芯部和第二磁芯部，其中，所述第一磁芯部的上表面设置有第一凸起及分别位于所述第一凸起两侧的第二凸起，所述第一凸起与两个第二凸起之间具有用于容纳所述原边绕组的矩形框铜片的第一间隙，且所述第一凸起和第二凸起的上表面高于所述第二磁芯部的上表面，所述第二磁芯部的上表面向下开设有两个用于容纳所述原边绕组和副边绕组的矩形框铜片的凹槽，所述两个凹槽之间具有第三凸起；

所述副边绕组的矩形框铜片位于所述两个凹槽内且套装在所述第三凸起，所述原边绕组的矩形框铜片位于所述两个凹槽及所述第一间隙内且套装在所述第一凸起和第三凸起上；

所述第二磁芯覆盖在所述第二磁芯部的所述两个凹槽及所述第三凸起上，且所述第二磁芯与所述第一凸起之间具有第二间隙。

2.如权利要求1所述的功率磁元件，其特征在于，所述第二间隙的宽度与所述谐振电感的电感量成反比。

3.如权利要求2所述的功率磁元件，其特征在于，所述第二间隙的宽度为：

其中，Lr谐振电感感量；Nr谐振电感匝数；μr磁芯相对磁导

率；μ0真空相对磁导率；le1磁芯等效磁路长度；Ae11磁芯等效磁路截面积；lgap为第二间隙的宽度；Ae22等效气隙截面积。

4.如权利要求1～3任一项所述的功率磁元件，其特征在于，所述第一磁芯部和所述第二磁芯部为一体结构，且所述第一凸起与所述第三凸起之间具有容纳所述副边绕组线圈的间隙，所述第二磁芯朝向所述第一凸起的端面为平面。

5.如权利要求1～3任一项所述的功率磁元件，其特征在于，所述第一磁芯部与所述第二磁芯部为一体结构，且所述第一凸起与所述第三凸起之间具有容纳所述副边绕组的间隙，所述第二磁芯抵压在所述第一凸起及第二凸起上，且所述第二磁芯朝向所述第一凸起的一端设置有缺口，所述缺口与所述第一间隙连通。

6.如权利要求5述的功率磁元件，其特征在于，所述缺口为燕尾型缺口、弧形缺口或V形缺口。

7.如权利要求6所述的功率磁元件，其特征在于，所述缺口的中线与所述第二磁元件的中线共线。

8.如权利要求7所述的功率磁元件，其特征在于，所述第二磁元件朝向所述第一凸起的端面中，位于所述缺口两侧的端面分别与所述两个第二凸起对齐。

9.如权利要求1～8任一项所述的功率磁元件，其特征在于，所述第二磁元件的顶部端面与所述第一凸起及两个第二凸起的顶部端面齐平。

10.一种电源模块，其特征在于，包括：输入滤波防护模块、与所述输入滤波防护模块连接的原边开关管、与所述原边开关管连接的功率磁元件、与所述功率磁元件能接的副边整流滤波模块，其中，所述功率磁元件为如权利要求1～9任一项所述的功率磁元件。

说明书

一种功率磁元件及电源模块

技术领域

[0001] 本发明涉及到电气产品的技术领域，尤其涉及到一种功率磁元件及电源模块。

背景技术

[0002] 随着设备不断扩容，单位容量设备尺寸不断缩小，单板供电模块的可用空间越来越小，推动模块电源的功率密度不断提高，从几百瓦/inch^3到现在的几千瓦/inch^3，电源模块主要由原副边开关器件及配套散热件、功率磁元件、控制检测器件、输入滤波防护四部分组成。输入滤波防护属于无缘器件，且多是标准配置，降体积可能性小且成本高，控制检测器件属于阻容器件，不是功率密度提升的瓶颈所在。原副边开关器件尺寸和散热能力依赖于基础半导体工艺和材料技术的发展，和产品功率密度演进的节奏匹配不上；功率磁元件占整个模块体积的30％左右，通过功率磁元件的设计，降低功率磁元件的总体体积，提高电源模块的功率密度是目前主要的突破方向。

[0003] 为了减少原副边开关管开关损耗，目前开关电源基本都采用谐振拓扑，而如图1所示的LLC串联谐振拓扑最为普遍。Cr为谐振电容、Lr为谐振电感，Lm为励磁电感；针对这种方案目前业界降低功率磁元件的体积，提高功率磁元件的功率密度主要有3个方向：1、功率磁元件的集成，通过将谐振电感Lr和变压器Lm集成为一个功率磁元件，降低功率磁元件总体积；2、提高功率磁元件的工作频率，降低功率磁元件的体积；3、在提高功率磁元件工作频率的同时，进行功率磁元件的集成，进一步降低功率磁元件体积。

[0004] 目前常用的一种技术方案：Lr和Lm集成，如图2及图3所示，其中，x表示功率磁元件的长度方向，y表示了功率磁元件的宽度方向，z表示了功率磁元件的高度方向。功率磁元件由两个磁芯1、2对盒形成，且磁芯1和磁芯2之间具有气隙5，原边绕组3围绕凸起6和凸起7，副边绕组4围绕凸起7；凸起6为谐振电感磁芯有效截面积，凸起7为变压器的磁芯有效截面积；谐振电感Lr和变压器T组成谐振拓扑功率磁元件；

[0005] 如图2及图4所示，现有技术中的功率磁元件的气隙5设置在两个磁芯1、2之间，且谐振电感Lr主要由气隙5决定，由于谐振电感气隙5存在，如图4所示，气隙漏磁切割绕组铜皮，造成功率磁元件的涡流损耗比较大。

发明内容

[0006] 本发明提供了一种功率磁元件及电源模块，用以提高电源模块功率磁元件的转换效率，降低涡流耗损。

[0007] 为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种功率磁元件，该功率磁元件包括包括相对设置的第一磁芯和第二磁芯，以及原边绕组和副边绕组，所述原边绕组和所述副边绕组分别包括多个层叠的矩形框铜片，

[0008] 所述第一磁芯包括第一磁芯部和第二磁芯部，其中，所述第一磁芯部的上表面设置有第一凸起及分别位于所述第一凸起两侧的第二凸起，所述第一凸起与两个第二凸起之间具有用于容纳所述原边绕组的矩形框铜片的第一间隙，且所述第一凸起和第二凸起的上表面高于所述第二磁芯部的上表面，所述第二磁芯部的上表面向下开设有两个用于容纳所述原边绕组和副边绕组的矩形框铜片的凹槽，所述两个凹槽之间具有第三凸起；

[0009] 所述副边绕组的矩形框铜片位于所述两个凹槽内且套装在所述第三凸起，所述原边绕组的矩形框铜片位于所述两个凹槽及所述第一间隙内且套装在所述第一凸起和第三凸起上；

[0010] 所述第二磁芯覆盖在所述第二磁芯部的所述两个凹槽及所述第三凸起上，且所述第二磁芯与所述第一凸起之间具有第二间隙。

[0011] 在上述技术方案中，第二间隙作为磁解耦气隙，且该第二间隙采用开放气隙，使绕组和气隙完全避开，漏磁引起的涡流损耗大大降低，提高功率磁元件的转换效率，同时开发气隙有助于降低谐振感量精度的控制难度。

[0012] 在具体设置第二间隙时，所述谐振电感的电感量随着所述第二间隙的宽度增大而减小。具体的，所述第二间隙的宽度与所述谐振电感的电感量成反比具体包括，所述第二间隙的宽度为：

[0013] 其中，Lr谐振电感感量；Nr谐振电感匝数；μr磁芯相对磁导率；μ0真空相对磁导率；le1磁芯等效磁路长度；Ae11磁芯等效磁路截面积；lgap为第二间隙的宽度；Ae22等效气隙截面积。

[0014] 在一个具体的设置方案中，第一磁芯的第一磁芯部和第二磁芯部可以采用分体设置也可以采用一体结构设置，在一个优选的方案中，第一磁芯部和第二磁芯部为一体结构，且所述第一凸起与所述第三凸起之间具有容纳所述副边绕组线圈的间隙，所述第二磁芯朝向所述第一凸起的端面为平面。即采用第一磁芯部和第二磁芯部为一体结构，方便了整个功率模块的安装以及设置。并且在采用上述结构时，第二间隙通过第二磁芯朝向第一凸起的平面与第一凸起形成，即该间隙为长方体形的间隙。

[0015] 此外，在第一磁芯部与所述第二磁芯部为一体结构，且所述第一凸起与所述第三凸起之间具有容纳所述副边绕组的间隙时，第二间隙还可以通过另一种结构形成，该结构为第二磁芯上的缺口结构，此时，所述第二磁芯抵压在所述第一凸起及第二凸起上，且所述第二磁芯朝向所述第一凸起的一端设置有缺口，所述缺口与所述第一间隙连通。在采用缺口的形式时，第二磁芯的总长度相比与采用第二间隙为长方体形间隙时的第二磁芯的总长度增加了第二间隙的宽度，从而提高了整个功率磁元件的功率密度。

[0016] 在采用缺口形式时，缺口的形状可以采用不同的形状，在一些具体的设置方式中，所述缺口可以为燕尾型缺口、弧形缺口或V形缺口，或者其他非平面切割形成的缺口。

[0017] 在采用非平面切割形成的缺口时，该缺口与第二磁芯的位置关系为：所述缺口的中线与所述第二磁元件的中线共线。从而方便整个部件的装配，保证三个间隙之间的连通。

[0018] 更具的，在缺口设置时，所述第二磁元件朝向所述第一凸起的端面中，位于所述缺口两侧的端面分别与所述两个第二凸起对齐。从而方便了第二磁芯的装配。

[0019] 在一个更具体的实施例中，所述第二磁元件的顶部端面与所述第一凸起及两个第二凸起的顶部端面齐平。

[0020] 此外，本发明还提供了一种电源模块，该电源模块包括：输入滤波防护模块、与所述输入滤波防护模块连接的原边开关管、与所述原边开关管连接的功率磁元件、与所述功率磁元件能接的副边整流滤波模块，其中，所述功率磁元件为上述任一项所述的功率磁元件。

[0021] 在上述技术方案中，功率磁元件中的第二间隙作为磁解耦气隙，且该第二间隙采用开放气隙，使绕组和气隙完全避开，漏磁引起的涡流损耗大大降低，提高功率磁元件的转换效率，同时开发气隙有助于降低谐振感量精度的控制难度。

附图说明

[0022] 图1为现有技术中的功率磁元件的原理图；

[0023] 图2为现有技术中的功率磁元件的结构示意图；

[0024] 图3为现有技术中的功率磁元件的分解示意图；

[0025] 图4为现有技术中的功率磁元件漏磁时的示意图；

[0026] 图5为本发明实施例一提供的功率磁元件的结构示意图；

[0027] 图6为本发明实施例提供的功率磁元件的漏磁原理图；

[0028] 图7为本发明实施例二提供的功率磁元件的结构示意图；

[0029] 图8为本发明实施例二提供的功率磁元件的第一磁芯的结构示意图；

[0030] 图9为本发明实施例三提供的功率磁元件的结构示意图；

[0031] 图10为本发明实施例三提供的功率磁元件的分解示意图。

[0032] 附图标记：

[0033] 1、2-磁芯 3-原边绕组 4-副边绕组

[0034] 5-气隙 6-凸起 7-凸起

[0035] 10-第一磁芯 11-第二磁芯部

[0036] 111-凹槽 112-第三凸起 12-第一磁芯部

[0037] 121-第一凸起 122-第二凸起 20-第二磁芯

[0038] 21-缺口 30-原边绕组 40-第一间隙

[0039] 50-第二间隙 60-副边绕组

具体实施方式

[0040] 为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

[0041] 为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种功率磁元件，该功率磁元件包括相对设置的第一磁芯和第二磁芯，以及原边绕组和副边绕组，原边绕组和副边绕组分别具有多个层叠的矩形框铜片；

[0042] 第一磁芯包括第一磁芯部和第二磁芯部，其中，第一磁芯部的上表面设置有第一凸起及分别位于第一凸起两侧的第二凸起，第一凸起与两个第二凸起之间具有用于容纳原边绕组的矩形框铜片的第一间隙，且第一凸起和第二凸起的上表面高于第二磁芯部的上表面，第二磁芯部的上表面向下开设有两个用于容纳原边绕组和副边绕组的矩形框铜片的凹槽，两个凹槽之间具有第三凸起；

[0043] 副边绕组的矩形框铜片位于两个凹槽内且套装在第三凸起，原边绕组的矩形框铜片位于两个凹槽及第一间隙内且套装在第一凸起和第三凸起上；

[0044] 第二磁芯覆盖在第二磁芯部的两个凹槽及第三凸起上，且第二磁芯与第一凸起之间具有第二间隙。

[0045] 在上述实施例中，第二间隙作为磁解耦气隙，在具体设置该第二间隙时，采用开放气隙，使绕组和气隙完全避开，漏磁引起的涡流损耗大大降低，提高功率磁元件的转换效率，同时开发气隙有助于降低谐振感量精度的控制难度。

[0046] 为了方便理解本实施例提供的功率磁元件的结构及原理，下面结合具体的实施例对其进行详细的说明。

[0047] 首选需要说明的是，为了方便理解本实施例提供的功率磁元件，本实施例中附图中建立了坐标系，其中，x表示功率磁元件的长度方向，y表示了功率磁元件的宽度方向，z表示了功率磁元件的高度方向。

[0048] 如图5、图8及图10所示，图5、图7及图10示出了不同结构的功率磁元件。在本实施例中，功率磁元件包括第一磁芯10、第二磁芯20、原边绕组30及副边绕组60，其中，第一磁芯10和第二磁芯20相对设置且形成容纳原边绕组30及副边绕组60的空间，此外，本实施例中，原边绕组30和副边绕组60的设置方式与现有技术中的功率磁元件中的原边绕组30和副边绕组60的设置方式相同，因此，在此不再详细的赘述。

[0049] 如图7所示，图7示出了一种第一磁芯的结构。本实施例中的第一磁芯10的整体结构为一个L形的结构，该L形结构的竖直部分及水平部分分别为第一磁芯部12和第二磁芯20，其中，第一磁芯部12上具有间隔排列的三个凸起，该三个凸起分别为位于中间的第一凸起121，以及分列在第一凸起121两侧的两个第二凸起122，且在设置时，第一凸起121和两个第二凸起122之间间隔有第一间隙40，该两个第一间隙40为用于容纳原边绕组30套设在第一凸起121上时的避让空间。第二磁芯部11上同样设置有用于容纳原边绕组30和副边绕组
60的凹槽111，且两个凹槽111之间具有第三凸起112，凹槽111的底面与第一磁芯部12的上表面位于同一平面，且第一凸起121和第三凸起112之间还有具有容纳副边绕组60的边框的间隙。

[0050] 在本实施例中，为了改变磁解耦气隙(即第二间隙50)造成的漏磁切割原边绕组30的情况，本实施例提供的功率磁元件改变了第二间隙50的设置位置，在本实施例中，第二间隙50设置在第一磁芯部12和第二磁芯20之间，具体的，且第二磁芯20朝向第一凸起121的端面与第一凸起121之间具有与两个第一间隙40连通的第二间隙50。

[0051] 即第一间隙40及第二间隙50形成一个立体的间隙。其漏磁情况如图6所示，一并参考图5与图6，其中，图6示出了图5中的第一磁芯部12的端面形状，该端面为垂直于第一磁芯部12和第二磁芯部11的排列方向的端面，如图6所示，图6中横向表示了第一磁芯部的宽度方向y(垂直于第一磁芯部12和第二磁芯部11的排列的方向)，竖直方向z为第一凸起121的高度方向，即第一磁芯部12的高度方向。漏磁线采用的带箭头的直线表示。在本实施例中，漏磁线在第一磁芯部12内部以及第一磁芯部12的第一凸起121和第二凸起122之间传递，从而改善了产生的漏磁切割原边绕组30铜皮的情况，进而降低了整个功率磁元件的涡流耗损的情况，改善了功率磁元件的效率。

[0052] 在具体设置第二间隙50时，所述谐振电感的电感量随着所述第二间隙50的宽度增大而减小。即功率磁元件中的谐振电感的电感量等于谐振电感匝数的平方与其他结构数值的比值来确定的，该其他结构数据的数值为：磁芯相对的磁导率与磁芯等效磁路长度的乘积再除以磁芯等效磁路的截面积的值、与真空相对磁导率诚意第二间隙50的宽度在除以等效气隙截面积的值之间的和；具体的，第二间隙50的宽度与所述谐振电感的电感量的关系具体为：

[0053] 其中，Lr谐振电感感量；Nr谐振电感匝数；μr磁芯相对磁导率；μ0真空相对磁导率；le1磁芯等效磁路长度；Ae11磁芯等效磁路截面积；lgap为第二间隙50的宽度；Ae22等效气隙截面积，该等效气隙截面积为所有气隙的截面积等效后的总截面积，通过仿真可以得到。通过上述的对应关系可以根据需要设计的功率磁元件的谐振电感的电感量来计算第二间隙50的宽度，从而可以有效的改善功率磁元件的功率，降低漏磁产生的涡流的耗损。

[0054] 在本发明中，第二间隙50的具体设置可以采用不同的方式形成，下面结合具体的实施例对其进行详细的说明。

[0055] 在一个具体的设置方案中，第一磁芯10的第一磁芯部12和第二磁芯部11可以采用分体设置也可以采用一体结构设置。

[0056] 如图5所示，第一磁芯部12和第二磁芯部11为分体式接头，此时，功率磁元件的电感和变压器分开来设置，即第一磁芯部12与套装在其上的原边绕组30形成谐振电感；第二磁芯20与第一磁芯10的第二磁芯部11对盒以及套装在两者之间的副边绕组60形成变压器。此时第二间隙50为谐振电感与变压器之间的放置间隙。

[0057] 但是采用如图5所示的功率磁元件的结构时，由于采用分体式结构，不可避免的出现装配精度不好控制的情况。为此，本实施提供的一种更佳的功率磁元件。具体的，如图7及图8所示，第一磁芯10的第一磁芯部12和第二磁芯部11采用一体结构，如图8所示，第一磁芯部12和第二磁芯部11形成一个L形的结构，且第一凸起121与第三凸起112之间具有容纳副边绕组60线圈的间隙，第二磁芯20朝向第一凸起121的端面为平面。在采用上述结构时，第二间隙50为第一磁芯部12的凸起部分与第二磁芯20的端面之间的间隔，此时，该第二间隙50为一个长方体形的间隙。一并参考图6，由于谐振电感采用开放气隙，减少漏磁切割绕组铜皮带来的涡流损耗。即采用第一磁芯部12和第二磁芯部11为一体结构，方便了整个功率模块的安装以及设置。并且在采用上述结构时，由于第一磁芯10的第一磁芯部12和第二磁芯部11采用一体结构设置，方便了整个功率磁元件的设置。

[0058] 在第一磁芯部12和第二磁芯部11采用一体结构设置时，图7所示的功率磁元件中，由于谐振电感和变压器之间为磁解耦而增加的隔离间距，导致功率磁元件占板面积增加，同时，功率磁元件的功率密度降低。为了进一步的改善功率磁元件的功率，本发明实施例提供了另一种功率磁元件，在该功率磁元件中。如图9和图10所示，第一磁芯部12和第二磁芯部11采用一体结构，但是第二间隙50不是由第一磁芯部12与第二磁芯20之间的间隙改成由在第二磁芯部11上设置缺口21形成第二间隙50。

[0059] 具体的，如图9所示，在本实施例中，第一磁芯部12与第二磁芯部11为一体结构，且第一凸起121与第三凸起112之间具有容纳副边绕组60的间隙时，第二间隙50通过在第二磁芯20上的缺口21结构形成，此时，第二磁芯20抵压在第一凸起121及第二凸起122上，且第二磁芯20朝向第一凸起121的一端设置有缺口21，该缺口21与第一磁芯部12之间形成所述的第二间隙50，由于第二间隙50与第一间隙40连通，因此，第二磁芯20上的缺口21也与第一间隙40连通。在上述实施例中，由于采用缺口21的形式时，图9所示的第二磁芯20的长度与图7所示的第二磁芯20的总长度增加了一个图7中的功率磁元件的第二间隙50的宽度，从而提高了整个功率磁元件的功率密度。从而使得同功率的功率磁元件降低了占用的空间面积。

[0060] 在具体装配时，第二磁元件的顶部端面与第一凸起121及两个第二凸起122的顶部端面齐平。提高了功率磁元件外观上的整齐性，且方便了控制装配效果。

[0061] 该缺口21在具体设置时，可以采用不同的形状，具体的该缺口21为采用非平面切割在第二磁芯20朝向第一凸起121的端部切割形成的缺口21，该缺口21可以采用不同的形状，如该缺口21可以为燕尾型缺口21、弧形缺口21、V形缺口21、波浪形，或者其他非平面切割形成的缺口21。均可以应用到本实施例提供的功率磁元件中。仅需该缺口21在设置时，形成的第二间隙50的宽度满足上述实施例中限定的对应关系即可。

[0062] 继续参考图9及图10，为了方便缺口21的加工，同时保证安装后三个间隙的连通效果。在采用非平面切割形成的缺口21时，该缺口21与第二磁芯20的位置关系为：缺口21的中线与第二磁元件的中线共线。即在采用上述结构时，该缺口21采用一个中心对称的结构，从而方便整个部件的装配，保证三个间隙之间的连通。同时，采用上述结构时，还方便缺口21的加工。在一种更具体的结构中，在缺口21设置时，第二磁元件朝向第一凸起121的端面中，位于缺口21两侧的端面分别与两个第二凸起122对齐。从而方便了第二磁芯20的装配。并且使得形成的功率磁元件减少突兀的边角，提高整个功率磁元件的装配效果。

[0063] 此外，本发明还提供了一种电源模块，该电源模块包括：输入滤波防护模块、与输入滤波防护模块连接的原边开关管、与原边开关管连接的功率磁元件、与功率磁元件能接的副边整流滤波模块，其中，功率磁元件为上述任一项的功率磁元件。

[0064] 在上述实施例中，功率磁元件中的第二间隙50作为磁解耦气隙，且该第二间隙50采用开放气隙，使绕组和气隙完全避开。减少气隙漏磁切割绕组带来的涡流损耗，同时开发气隙有助于降低谐振感量精度的控制难度。进而提高了整个电源模块的工作效率。

[0065] 显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。