具有集成磁性元件的LLC谐振转换器转让专利
申请号 : CN201780069618.5
文献号 : CN110326207B
文献日 : 2021-07-02
发明人 : 陈润若
申请人 : 德州仪器公司
摘要 :
权利要求 :
1.一种功率转换系统，其包括：开关电路，其包含连接在第一输入节点与交换节点之间的第一初级侧晶体管和连接在所述交换节点与第二输入节点之间的第二初级侧晶体管，和串联电路，其包含：
在所述交换节点与所述第二输入节点之间串联连接的整数数目N个变压器初级电路、电容器和电感器，N大于1；
N个变压器次级电路，所述N个变压器次级电路中的单独变压器次级电路包含一个或多个变压器次级绕组，和在第一转换器输出与第二转换器输出之间与所述变压器次级绕组串联连接的至少一个次级晶体管或二极管；
控制电路，其包含第一输出集合以提供第一交换控制信号集合来交替地开启和关闭所述第一初级侧晶体管和所述第二初级侧晶体管，从而使所述交换节点交替地耦合到所述第一输入节点和所述第二输入节点以将AC信号提供到所述N个变压器初级电路；和芯堆叠结构，其用以提供单一磁路以磁性地耦合所述变压器初级电路、所述电感器和所述变压器次级电路，所述芯堆叠结构包含：N个变压器芯结构，其布置在堆叠中，其中所述N个变压器初级电路中的单独变压器初级电路包含围绕所述变压器芯结构中的对应一个的至少一部分缠绕的变压器初级绕组，且其中所述一个或多个变压器次级绕组围绕所述变压器芯结构中的对应一个的至少一部分缠绕，和
电感器芯结构，其布置在所述堆叠中，其中所述电感器包含围绕所述电感器芯结构的至少一部分缠绕的电感器绕组。
2.根据权利要求1所述的功率转换系统，其中所述变压器芯结构和所述电感器芯结构为E形结构，单独E形结构包含：基底，其在第一方向上从第一端部延伸到第二端部，所述基底包含顶部侧面和相对的底部侧面，
第一端部支脚，其在第二方向上接近于所述第一端部从所述基底的所述顶部侧面向外延伸，
第二端部支脚，其在所述第二方向上接近于所述第二端部从所述基底的所述顶部侧面向外延伸，和
中间支脚，其在所述第二方向上从所述基底的所述顶部侧面向外延伸，所述中间支脚沿所述第一方向与所述第一端部支脚和所述第二端部支脚间隔开并处于所述第一端部支脚与所述第二端部支脚之间；
其中所述电感器绕组围绕所述电感器芯结构的所述中间支脚缠绕；且其中所述变压器初级绕组和变压器次级绕组围绕对应变压器芯结构的所述中间支脚缠绕。
3.根据权利要求2所述的功率转换系统，其中所述电感器芯结构和N‑1个所述变压器芯结构的所述端部和中间支脚朝向相邻变压器芯结构的所述基底；且
其中所述芯堆叠结构进一步包括顶部芯结构，所述顶部芯结构包含面向所述变压器芯结构中的第一个的所述端部和中间支脚的侧面。
4.根据权利要求3所述的功率转换系统，其中所述芯结构在所述芯堆叠结构中彼此间隔开，以提供在每一变压器芯结构的所述端部支脚与所述相邻变压器或顶部芯结构的所述基底之间的间隙；
其中所述变压器初级绕组和所述变压器次级绕组堆叠于每一单独变压器芯结构的所述中间支脚与所述端部支脚之间的空间中；
其中所述变压器初级绕组和变压器次级绕组的最上部绕组安置为离所述变压器芯结构的所述基底最远；且
其中所述最上部绕组与所述端部支脚横向地间隔开大于所述变压器初级绕组和所述变压器次级绕组中的其它变压器绕组的横向间隔距离的距离。
5.根据权利要求4所述的功率转换系统，其中所述最上部绕组为所述变压器次级绕组中的一个。
6.根据权利要求4所述的功率转换系统，其中所述单独变压器次级电路包含：第一变压器次级绕组和第二变压器次级绕组，其围绕所述变压器芯结构中的对应一个的至少一部分缠绕，所述变压器次级绕组独立地包含第一端部和第二端部，所述第一变压器次级绕组和所述第二变压器次级绕组的所述第一端部连接到所述第二转换器输出；和第一次级晶体管和第二次级晶体管，所述第一次级晶体管连接在所述第一变压器次级绕组的所述第二端部与所述第一转换器输出之间，所述第二次级晶体管连接在所述第二变压器次级绕组的所述第二端部与所述第一转换器输出之间。
7.根据权利要求6所述的功率转换系统，其中所述第一初级侧晶体管和所述第二初级侧晶体管为氮化镓GaN场效应晶体管。
8.根据权利要求4所述的功率转换系统，其中所述变压器初级绕组和变压器次级绕组为形成于印刷电路板PCB结构上或形成于其中的导电结构。
9.根据权利要求1所述的功率转换系统，其中所述芯结构在所述芯堆叠结构中彼此间隔开，以提供在每一变压器芯结构与相邻芯结构之间的间隙。
10.根据权利要求9所述的功率转换系统，其中所述变压器初级绕组和变压器次级绕组堆叠于每一单独变压器芯结构的空间中；
其中所述变压器初级绕组和变压器次级绕组的最上部绕组安置为离所述变压器芯结构的基底最远；且
其中所述最上部绕组与所述空间的端部横向地间隔开大于所述变压器初级绕组和变压器次级绕组中的其它变压器绕组与所述空间的所述端部的横向间隔距离的距离。
11.根据权利要求1所述的功率转换系统，其中所述单独变压器次级电路包含：第一变压器次级绕组和第二变压器次级绕组，其围绕所述变压器芯结构中的对应一个的至少一部分缠绕，所述变压器次级绕组独立地包含第一端部和第二端部，所述第一变压器次级绕组和所述第二变压器次级绕组的所述第一端部连接到所述第二转换器输出；和第一次级晶体管和第二次级晶体管，所述第一次级晶体管连接在所述第一变压器次级绕组的所述第二端部与所述第一转换器输出之间，所述第二次级晶体管连接在所述第二变压器次级绕组的所述第二端部与所述第一转换器输出之间。
12.根据权利要求1所述的功率转换系统，其中所述第一初级侧晶体管和所述第二初级侧晶体管为氮化镓GaN场效应晶体管。
13.根据权利要求1所述的功率转换系统，其中所述单独变压器初级绕组和单独变压器次级绕组为形成于印刷电路板PCB结构上或形成于其中的导电结构。
14.根据权利要求13所述的功率转换系统，其中每一单独次级电路的所述次级晶体管和输出电容器安装在所述对应PCB结构上。
15.根据权利要求1所述的功率转换系统，其中所述电感器绕组为形成于印刷电路板PCB结构上或形成于其中的导电结构，且其中所述电容器安装在所述PCB结构上。
16.一种用于谐振转换器的集成磁路，其包括：多个变压器单元，其布置在堆叠结构中，单独变压器单元包含：变压器芯结构，
变压器初级绕组，其形成为在变压器单元印刷电路板PCB上或在其中围绕所述变压器芯结构延伸的导电结构，
一个或多个变压器次级绕组，其形成为在所述变压器单元PCB上或在其中围绕所述变压器芯结构延伸的导电结构，和次级晶体管或二极管，其安装在所述变压器单元PCB上且在第一转换器输出与第二转换器输出之间与所述变压器次级绕组串联连接；和电感器单元，其包含：电感器芯结构；电感器绕组，其形成为在电感器单元PCB上或在其中围绕所述电感器芯结构延伸的导电结构；和谐振电容器，其安装在所述电感器单元PCB上且与所述电感器绕组串联连接，所述电感器绕组与所述谐振电容器和所述变压器单元的所述变压器初级绕组串联连接，所述电感器单元与所述变压器单元一起布置在所述堆叠结构中以在单一磁路中磁性地耦合所述变压器初级绕组、所述电感器绕组和所述变压器次级绕组。
17.根据权利要求16所述的集成磁路，其中所述单独变压器单元包含：第一变压器次级绕组和第二变压器次级绕组，其形成为在所述变压器单元PCB上或在其中围绕所述变压器芯结构延伸的导电结构，所述变压器次级绕组独立地包含第一端部和第二端部，所述第一变压器次级绕组和所述第二变压器次级绕组的所述第一端部连接到所述第二转换器输出；和
第一次级晶体管和第二次级晶体管，所述第一次级晶体管连接在所述第一变压器次级绕组的所述第二端部与所述第一转换器输出之间，所述第二次级晶体管连接在所述第二变压器次级绕组的所述第二端部与所述第一转换器输出之间。
18.根据权利要求16所述的集成磁路，其中所述芯结构在所述堆叠结构中彼此间隔开，以提供在每一变压器芯结构与相邻芯结构之间的间隙；
其中所述变压器初级绕组和变压器次级绕组安置于每一单独变压器芯结构的空间中；
其中所述变压器初级绕组和变压器次级绕组的最上部绕组安置为离所述变压器芯结构的基底最远；且
其中所述最上部绕组与所述空间的端部横向地间隔开大于所述变压器初级绕组和变压器次级绕组中的其它变压器绕组与所述空间的所述端部的横向间隔距离的距离。
19.一种LLC谐振转换器，其包括：开关电路，其用以在交换节点处提供交流电压；
电容器、电感器和多个变压器初级电路，其连接在所述交换节点与参考节点之间的串联电路中；
多个变压器单元，其布置在堆叠结构中，单独变压器单元包含：变压器芯结构；变压器初级绕组，其围绕所述变压器芯结构延伸；一个或多个变压器次级绕组，其围绕所述变压器芯结构延伸；和次级晶体管或二极管，其在第一转换器输出与第二转换器输出之间与所述变压器次级绕组串联连接；
电感器单元，其包含：电感器芯结构；电感器绕组，其围绕所述电感器芯结构延伸以提供所述电感器；和所述电容器，所述电感器单元与所述变压器单元一起布置在所述堆叠结构中以在单一磁路中磁性地耦合所述变压器初级绕组、所述电感器绕组和所述变压器次级绕组；以及
控制电路，其包含第一输出以提供初级侧交换控制信号来操作所述开关电路的交换，从而在所述交换节点处提供所述交流电压。
20.根据权利要求19所述的LLC谐振转换器，其中所述开关电路包含氮化镓GaN场效应晶体管。
21.一种功率转换装置，其包括：第一初级电路，其具有第一初级绕组；
第二初级电路，其具有第二初级绕组；
电感器，其具有与所述第一初级绕组及所述第二初级绕组串联耦合的电感器绕组；
第一次级电路，其对应于所述第一初级电路，且具有串联耦合的第一次级绕组及第二次级绕组；
第二次级电路，其对应于所述第二初级电路，且具有串联耦合的第三次级绕组及第四次级绕组；及
磁芯结构，其包含：
第一单元结构，其具有被所述第一初级绕组、所述第一次级绕组及所述第二次级绕组卷绕的第一中心支脚；
第二单元结构，其具有被所述第二初级绕组、所述第三次级绕组及所述第四次级绕组卷绕的第二中心支脚，所述第二单元结构抵靠所述第一单元结构而堆叠，且所述第二中心支脚沿轴线与所述第一中心支脚对准。
22.根据权利要求21所述的功率转换装置，其中所述磁芯结构设置：所述第一初级绕组位于所述第一次级绕组及所述第二次级绕组之间，且沿轴线与所述第一次级绕组及所述第二次级绕组交叠；
所述第二初级绕组位于所述第三次级绕组及所述第四次级绕组之间，且沿所述轴线与所述第三次级绕组及所述第四次级绕组交叠；及所述电感器绕组沿所述轴线与所述第一初级绕组、所述第二初级绕组、所述第一次级绕组、所述第二次级绕组、所述第三次级绕组及所述第四次级绕组交叠。
23.根据权利要求21所述的功率转换装置，其中所述磁芯结构包含：第三单元结构，其具有被所述电感器绕组卷绕的第三中心支脚，所述第三中心支脚抵靠所述第一单元结构及所述第二单元结构而堆叠，且所述第三中心支脚沿所述轴线与所述第一中心支脚及所述第二中心支脚对准。
24.根据权利要求21所述的功率转换装置，其中所述磁芯结构包含：第一沟槽，其接收所述第一初级绕组、所述第一次级绕组及所述第二次级绕组；及第二沟槽，其接收所述第二初级绕组、所述第三次级绕组及所述第四次级绕组，所述第二沟槽沿所述轴线与所述第一沟槽对准。
25.根据权利要求24所述的功率转换装置，其中所述磁芯结构包含：第三沟槽，其接收所述电感器绕组，且沿所述轴线与所述第一沟槽及所述第二沟槽对准。
26.根据权利要求21所述的功率转换装置，其进一步包含：第一输入端及第二输入端；
开关电路，其与所述第一输入端及所述第二输入端耦合，且具有开关节点；及电容器，其耦合在所述开关电路与所述电感器之间。
27.根据权利要求26所述的功率转换装置，其中所述开关电路包含：第一氮化镓GaN晶体管，其耦合在所述第一输入端与所述开关节点之间；
第二氮化镓GaN晶体管，其耦合在所述开关节点与所述第二输入端之间；及输入电容器，其耦合在所述第一输入端及所述第二输入端之间。
28.根据权利要求21所述的功率转换装置，其进一步包含：印有所述第一次级绕组的第一印刷电路板PCB；
印有所述第一初级绕组的第二PCB；及印有所述第二次级绕组的第三PCB，其中所述磁芯结构包含接收所述第一PCB、所述第二PCB及所述第三PCB的沟槽，及贯穿所述第一PCB、所述第二PCB及所述第三PCB且被所述第一次级绕组、所述第一初级绕组及所述第二次级绕组卷绕的中心支脚。
29.根据权利要求28所述的功率转换装置，其进一步包含：印有所述第三次级绕组的第四PCB；
印有所述第二初级绕组的第五PCB；及印有所述第四次级绕组的第六PCB，其中所述磁芯结构包含接收所述第四PCB、所述第五PCB及所述第六PCB的第二沟槽，及贯穿所述第四PCB、所述第五PCB及所述第六PCB且被所述第三次级绕组、所述第二初级绕组及所述第四次级绕组卷绕的第二中心支脚，且其中所述磁芯结构将所述第一PCB、所述第二PCB及所述第三PCB自所述第四PCB、所述第五PCB及所述第六PCB隔离。
30.根据权利要求29所述的功率转换装置，其进一步包含：印有所述电感器绕组的第七PCB；
其中所述磁芯结构包含接收所述第七PCB的第三沟槽，及贯穿所述第七PCB且被所述电感器绕组卷绕的第三中心支脚，且其中所述磁芯结构将所述第七PCB自所述第一PCB、所述第二PCB、所述第三PCB、所述第四PCB、所述第五PCB及所述第六PCB隔离。
31.一种功率转换装置，其包括：初级电路，其具有初级绕组；
次级电路，其对应于所述初级电路，且具有串联耦合且被所述初级绕组插入的第一次级绕组及第二次级绕组；及
磁性结构，其包含：
沟槽，其接收所述初级绕组、所述第一次级绕组及所述第二次级绕组；及中心支脚，其被所述初级绕组、所述第一次级绕组及所述第二次级绕组卷绕。
32.根据权利要求31所述的功率转换装置，其进一步包含：第一输入端及第二输入端；
开关电路，其与所述第一输入端及所述第二输入端耦合，且具有开关节点；及电容器，其与所述开关节点耦合；及电感器，其串连耦合在所述电容器及所述初级电路之间。
33.根据权利要求32所述的功率转换装置，其中：所述电感器包含与所述初级绕组串连耦合的电感器绕组；
所述磁性结构将所述电感器绕组与所述初级绕组、所述第一次级绕组及所述第二次级绕组隔离；且
所述磁性结构将所述电感器绕组沿轴线与所述初级绕组、所述第一次级绕组及所述第二次级绕组对准，所述轴线通过所述中心支脚界定。
34.根据权利要求32所述的功率转换装置，其中所述开关电路包含：第一氮化镓GaN晶体管，其耦合在所述第一输入端与所述开关节点之间；
第二氮化镓GaN晶体管，其耦合在所述开关节点与所述第二输入端之间；及输入电容器，其耦合在所述第一输入端及所述第二输入端之间。
35.根据权利要求31所述的功率转换装置，其进一步包含：印有所述第一次级绕组的第一印刷电路板PCB；
印有所述初级绕组且位于所述第一PCB上方的第二PCB；及印有所述第二次级绕组且位于所述第二PCB上方的第三PCB，其中所述沟槽接收所述第一PCB、所述第二PCB及所述第三PCB，且所中心支脚贯穿所述第一PCB、所述第二PCB及所述第三PCB。
36.一种功率转换装置，其包括：初级电路，其具有第一初级绕组及与所述第一初级绕组串连耦合的第二初级绕组；
第一次级电路，其具有串联耦合且被所述第一初级绕组插入的第一次级绕组及第二次级绕组；
第二次级电路，其具有串联耦合且被所述第二初级绕组插入的第三次级绕组及第四次级绕组；及
磁性结构，其包含：
第一单位结构，其接收所述第一初级绕组、所述第一次级绕组及所述第二次级绕组；及第二单位结构，其接收所述第二初级绕组、所述第三次级绕组及所述第四次级绕组，所述第二单位结构抵靠所述第一单位结构而堆叠以将所述第一初级绕组与所述第二初级绕组及所述第一次级绕组、所述第二次级绕组、所述第三次级绕组及所述第四次级绕组沿轴线对准。
37.根据权利要求36所述的功率转换装置，其中所述磁性结构将所述第一初级绕组、所述第一次级绕组及所述第二次级绕组自所述第二初级绕组、所述第三次级绕组及所述第四次级绕组隔离。
38.根据权利要求36所述的功率转换装置，其中：所述第一单位结构包含被所述第一初级绕组、所述第一次级绕组及所述第二次级绕组卷绕的第一中心支脚；
所述第二单位结构包含被所述第二初级绕组、所述第三次级绕组及所述第四次级绕组卷绕的第二中心支脚；及
所述第一中心支脚与所述第二中心支脚对准以界定所述轴线。
39.根据权利要求36所述的功率转换装置，其进一步包含：第一输入端及第二输入端；
开关电路，其与所述第一输入端及所述第二输入端耦合，且具有开关节点；及电容器，其与所述开关节点耦合；及电感器，其串连耦合在所述电容器及所述初级电路之间。
40.根据权利要求39所述的功率转换装置，其中所述开关电路包含：第一氮化镓GaN晶体管，其耦合在所述第一输入端与所述开关节点之间；
第二氮化镓GaN晶体管，其耦合在所述开关节点与所述第二输入端之间；及输入电容器，其耦合在所述第一输入端及所述第二输入端之间。
说明书 :
具有集成磁性元件的LLC谐振转换器
背景技术
交换节点交替地耦合到正供应节点和接地节点，以提供流经变压器初级绕组的交流谐振电
流。例如整流器的次级电路提供输出电压以驱动负载。次级电路可包含同步整流器开关或
二极管整流器。初级侧开关电路可经调整以调节输出电压。LLC谐振转换器具有高效率和高
功率密度，且可为初级侧开关提供广负载范围的零电压交换和较低关闭电流。这些益处使
得LLC谐振转换器适用于各种应用，例如高性能服务器和电信应用。在初级侧交换频率比谐
振频率更低时，可利用零电流交换来关闭次级侧同步整流器装置。这对于具有保持时间需
求的应用来说有助于电压增益提升能力而不降低效率。在高交换频率下的操作允许减小
LLC谐振转换器中的磁性组件和电容器的大小。然而，这增加了交换相关的损耗和磁性组件
损耗，使得效率较差。例如氮化镓(GaN)晶体管的宽带初级侧开关可用于减少输出电容和栅
极电荷，从而降低循环电流损耗和栅极驱动损耗以便于在更高交换频率下操作。然而，用于
LLC谐振转换器的磁性元件保持对(具体地说在高交换频率下)因芯损耗和绕组损耗而导致
的所增加转换器效率的限制。其它改进适用于支持LLC谐振转换器的更高效率和功率密度。
发明内容
绕组与变压器初级和次级绕组磁性地耦合以便于通量抵消。单独变压器单元包含围绕变压
器芯结构延伸的初级和次级绕组，和与次级绕组串联连接的次级晶体管或二极管。在某些
实例中，次级电路包含两个次级绕组和两个对应次级晶体管以供用于同步整流器操作。在
一些实例中，芯结构彼此间隔开以提供磁路间隙。在某些实例中，一或多个变压器绕组接近
芯堆叠间隙成形或间隔离芯结构更远以减少芯边缘损耗。单独变压器单元可包含初级和/
或次级绕组，所述初级和/或次级绕组形成为印刷电路板(PCB)上的迹线或其它导电结构，
且一或多个次级晶体管和输出电容器可安装在变压器单元PCB上以便于更高功率密度的紧
密设计。电感器单元包含谐振电容器和围绕电感器芯结构延伸以提供谐振电路电感器的电
感器绕组。在某些实例中，电感器绕组可形成为电感器单元PCB上的导电结构，其中谐振电
容器安装在电感器单元PCB上。所描述实例还包含功率转换系统，所述功率转换系统进一步
包含：初级侧开关电路，其包含氮化镓(GaN)晶体管；和控制电路，其用以将交换控制信号提
供到初级侧和次级侧开关以提供DC输出电压信号。
附图说明
具体实施方式
其组合。举例来说，如果第一装置耦合到第二装置或与第二装置耦合，那么所述连接可通过
直接电气连接，或通过经由一或多个介入装置和连接的间接电气连接。
压信号VI的第一和第二输入节点102和104。在一个实例中，输入信号VI为DC电压，所述DC电
压在第一输入节点102处相对于第二输入节点104为正的，且第二输入节点104可以是接地
或其它参考电压连接。
Q1，和连接在交换节点106与第二输入节点104之间的第二初级侧晶体管Q2。在一个实例中，
初级侧晶体管Q1和Q2为n沟道氮化镓(GaN)场效应晶体管(FET)。Q1的漏极连接到第一输入
节点102，且Q1的源极连接到交换节点106。Q2的漏极连接到交换节点106，且Q2的源极连接
到第二参考节点104。开关Q1和Q2包含体二极管和栅极控制端，如图1中示意性地展示。根据
交换控制信号SCP1和SCP2来分别操作开关Q1和Q2，以交替地将交换节点106连接到第一输
入节点102(在SCP1高态有效时Q1接通)或将交换节点106连接到第二输入节点104(在SCP2
高态有效时Q2接通)。在其它实例中，不同类型的FET、双极电晶体或其它基于半导体的开关
可用于初级侧开关电路132中以控制交换节点电压VSW。在一个实例中，开关电路132包含连
接在第一输入节点102与第二输入节点104之间的输入电容器CI。
串联电路包含电容器CR、具有电感器绕组LW的电感器LR，和在交换节点106与第二输入节点
104之间串联连接的四个变压器初级电路。在所说明的实例中，初级电路包含提供初级绕组
电感LM(例如磁化电感)的初级绕组。在这种配置中，电容器CR连接在交换节点106与电感器
LR之间，且电感器LR连接在电容器CR与节点108之间。
1和2的实例堆叠结构130包含四个变压器单元122‑1、122‑2、122‑3和122‑4，和一个电感器
单元122‑5。转换器100包含N+1＝5个芯结构110‑1到110‑5(图1中标记为芯(CORE)1、芯2、芯
3、芯4和芯5)。变压器芯结构110‑1到110‑4布置在形成芯堆叠结构130的堆叠配置中。前四
个芯结构110‑1、110‑2、110‑3和110‑4为变压器芯结构。相关联的初级和次级绕组缠绕或以
其它方式形成为围绕变压器芯结构110‑1、110‑2、110‑3、110‑4中的对应一个的至少一部
分。在这一实例中，底部芯结构110‑5为具有一或多个相关联电感器绕组LW以形成串联谐振
电路电感器LR的电感器芯结构(芯5)。芯堆叠结构130提供单一磁路以磁性地耦合变压器初
级电路、变压器次级电路和谐振电感器LR。结构有利地提供完整或至少部分通量抵消，以提
升紧密高功率密度集成磁路中的热效率。
以提供节点112与节点114之间的电感LM。第三变压器单元122‑3包含初级绕组P3，其经连接
以提供节点114与节点116之间的另一初级电感LM。第四变压器单元122‑4包含初级绕组P4，
其经连接以提供节点116与第二输入节点104之间的电感LM。
组P1到P4、谐振电容器CR和谐振电感器LR可在节点104与106之间的串联电路中按任何次序
连接。在其它实例中，单独变压器电路可包含多个串联和/或并联连接的初级绕组，且单独
变压器电路的初级绕组彼此串联连接。
构110‑5的电感器绕组LW。此外，在所说明的实例中，谐振电容器CR形成为电感器单元122‑5
的部分，虽然并非所有可能实施方案都要求如此。
它方式形成为围绕变压器单元122中的每一个中的对应芯结构110的两个次级绕组。在其它
实例中，可在变压器单元122中的每一个中使用单一次级绕组，或可在每一次级电路中设置
大于两个次级绕组。某些实例中的单独变压器次级电路还包含至少一个次级晶体管，例如
在第一转换器输出118与第二转换器输出120之间与对应变压器次级绕组串联连接的同步
整流器晶体管，或至少一个整流二极管(未展示)。在某些实例中，次级电路包含两个绕组和
单一SR FET或二极管结构。在另一实例中，次级电路包含一个绕组和形成全桥整流器结构
的四个SR FET。在其它实例中，单独次级电路包含一或多个次级绕组和一或多个整流二极
管(未展示)。
器输出118与120之间的输出电容器CO。图1和2的实例中的单独次级电路包含围绕变压器芯
结构110‑1、110‑2、110‑3和110‑4中的对应一个的至少一部分缠绕的第一和第二变压器次
级绕组。在这一实例中，第一次级电路包含绕组S1和S2，第二变压器次级电路包含次级绕组
S3和S4，第三次级电路包含次级绕组S5和S6，且第四次级电路包含次级绕组S7和S8。单独变
压器次级绕组包含第一和第二端部。次级绕组的第一端部在第二转换器输出120处彼此连
接。这一实例中的次级电路还包含第一和第二次级晶体管和对应第一和第二输出电容器。
第一次级电路包含根据对应交换控制信号SCS1和SCS2操作的晶体管SR1和SR2，以及单元输
出电容器C1和C2。在这一实例中，同步整流器或次级晶体管SR为独立地连接在对应次级绕
组与第一转换器输出118之间的n沟道FET。其它实例中可使用其它类型的基于半导体的次
级晶体管开关。次级电路输出电容器各自连接在第一转换器输出118与第二转换器输出120
之间。
这一实例，的第三次级电路包含根据对应交换控制信号SCS5和SCS6操作的晶体管SR5和
SR6，以及电容器C7和C8。这一实例中的第四次级电路包含根据对应交换控制信号SCS7和
SCS8操作的晶体管SR7和SR8，以及输出电容器C7和C8。如同第一变压器单元122‑1的次级电
路一样，其余三个变压器次级电路中的电容器独立地连接在第一转换器输出118与第二转
换器输出120之间，且其余三个次级电路的晶体管独立地连接在对应次级绕组的第二端部
与第一转换器输出118之间。
106交替地耦合到输入节点102、104，以将AC信号提供到变压器初级绕组P1到P4。如果次级
电路包含一或多个晶体管，那么一个实例中的控制电路124还包含第二输出集合128。在替
代地使用次级侧整流二极管的情况下，可省略输出128。所说明的实例中的输出128为次级
晶体管SR1到SR8提供交换控制信号SCS1到SCS8的第二集合以整流来自次级电路的AC信号，
从而在转换器输出118和120处提供DC输出电压信号VO。控制电路124可以是单一装置，或可
由两个或更多个控制器芯片或控制器电路来实施。交换控制信号SCP、SCS的第一和第二集
合在某些实例中同步。某些实例中的控制电路124以闭合环路方式操作，从而根据一或多个
反馈信号和所需输出信号或设定点来调节输出电压信号VO。在图1的实例中，控制电路124
接收输出电压反馈信号VO(例如来自第二转换器输出120相对于第一转换器输出118处的参
考电压或接地电压)，并且也接收输出电流反馈信号IO。图1的实例包含与第一输出节点118
相关联的电流传感器，以提供输出电流反馈信号IO。这一实例使用低侧输出电流传感。其它
实例中可使用不同传感配置和反馈电路。
中的集成磁路包含用于变压器耦合的四个变压器单元和用于LLC谐振转换器100的谐振电
感器的一个底部单元。一个实例中的单元使用粘合剂(未展示)以机械方式安装于堆叠结构
130中。举例来说，在相邻芯结构110之间存在或不存在的情况间隙下，变压器和电感器单元
可胶粘在一起。其它实例中可使用机械安装结构(未展示)。单独芯结构110可安置为与一或
多个相邻芯结构110接触。在所说明的实例中，电感器和变压器芯结构110在芯堆叠结构130
中彼此间隔开，以提供在每一电感器和变压器芯结构与相邻变压器或顶部芯结构之间的一
或多个间隙G。在其它实例中，芯结构110中的一些可间隔开以提供间隙G，同时其它芯结构
与一或多个相邻芯结构110接触。
底部上的变压器芯110‑5，其中每一E形芯结构110沿所说明竖直或Y方向朝上。在图2中，变
压器初级绕组P1到P4和次级绕组S1到S8形成为导电结构，例如在对应变压器单元的变压器
单元印刷电路板(PCB)上或在其中围绕变压器芯结构110‑1、110‑2、110‑3、110‑4延伸的迹
线。并且，这一实例中的电感器绕组LW为在电感器单元PCB上或在其中围绕电感器芯结构
110‑5延伸的导电结构。举例来说，给定单元的导电结构可形成于单一对应多层PCB上，其中
针对不同绕组具有不同层。可调适导电结构的数目和性质以提供任何所需初级与次级变压
器匝数比，且形成绕组的导电结构可经设定大小以支持任何所需电平的初级和次级电路电
流流量以供用于给定最终用途应用。
有助于在减少绕组损耗的情况下支持高电流电平。对于变压器单元，一个初级绕组和两个
次级绕组(例如第一变压器单元122‑1的P1、S1和S2)可形成为单一PCB的不同层上的迹线或
其它导电结构。在一个实例中，次级绕组形成于顶部和底部层上，且初级绕组形成于一或多
个中间层中，虽然并非所有可能实施方案都要求如此。在其它实例中，可使用绝缘导线来形
成堆叠结构130中的变压器和/或电感器绕组。在其它实例中，变压器和/或电感器绕组可形
成为单独PCB结构上的导电结构，其中多个PCB设置在变压器和/或电感器单元中的给定一
个中。在所说明的实例中，用于变压器和电感器单元的PCB结构大体为矩形，且包含用以容
纳对应E形芯结构110的中心支脚的中心开口，虽然并非所有可能实施方案都要求如此。
PCB上。这一布置允许常用印刷电路板组件安装技术和电路板迹线互连将次级晶体管与对
应变压器次级绕组串联连接。可将合适的连接器安装到单元电路板(图2中未展示)以提供
从次级电路到转换器输出118和120的外部连接，且以便于用于任何所包含输出电容器C0
和/或输出电流和输出电压传感组件(图2中未展示)的连接。此外，在图2的实例中，电容器
和次级晶体管组件安装在多层PCB结构的顶部侧面和底部侧面上，以便容纳到形成对应上
部或下部次级绕组的对应导电结构的连接，其中次级电路设置于多层PCB结构和变压器单
元的顶部和底部层上。如图2的实例中进一步展示，电感器单元包含具有一或多个层的PCB
结构，其包含一或多个导电结构，所述一或多个导电结构形成围绕对应E形电感器芯110‑5
的中心支脚的电感器绕组LW。在这一实例中，谐振电路电容器CR安装到电感器单元PCB结构
的顶部侧面。
用于绕组S1的上部次级绕组导体迹线302定位于对应PCB结构300的顶部层上。此外，如图2
中所展示，对应次级电容器C1和同步整流器次级开关SR1安装在图3中所展示的PCB结构300
的相同顶部侧面上。PCB包含对应迹线以将次级绕组S1、电容器C1和次级开关SR1彼此连接，
且经由连接器304提供到转换器输出118和120的连接。连接器304可以是安装到PCB 300的
组件，或可以是与边缘连接器介接的指状件或迹线，或可提供以制出到转换器输出118和
120的连接的任何合适的互连件。PCB 300可包含多个层和通孔或其它层内互连结构，以视
需要提供电气连接，以便允许使用多个内部层来提供多匝初级绕组。此外，如图3中进一步
展示，上部次级绕组S1与第一变压器芯结构110‑1的端部和中心支脚横向地间隔开距离D3。
在一个实例中，PCB结构300包含多个层以容纳最上部和最下部次级绕组和对应次级电路组
件，以及一或多个中间层以容纳导电结构来形成初级绕组。在某些实例中，在PCB结构300上
或中的给定层上的导电结构可为多匝配置，例如图3和7到10中所展示。此外，在某些实例
中，导电结构可以是在给定PCB层(例如图11‑16)上或在其中的单匝配置，且在一个实例中，
给定层上的单匝导电结构在X方向上具有与对应芯结构110的合适的横向间距(例如D3)。
成。某些实例中的芯结构110为固体结构。在某些实施方案中，使用层压的芯结构110。芯结
构110包含沿着X方向上的橫向宽度W从第一端部延伸到第二端部的基底400。基底400包含
顶部侧面T和相对的底部侧面B。E形芯结构包含端部支脚402和404以及中心支脚406。第一
端部支脚402在Y方向上接近于第一端部从基底400的顶部侧面T向外延伸(例如从基底400
竖直地向上)。第二端部支脚404在Y方向上接近于第二端部从顶部侧面T向外延伸。中间支
脚406沿X方向与第一端部支脚402和第二端部支脚404间隔开并处于第一端部支脚402与第
二端部支脚404之间，且在Y方向上从顶部侧面T向外延伸。中心支脚406与端部支脚402和
406的横向间距提供两个空间，在所述两个空间中，变压器或电感器绕组可至少部分地围绕
中心支脚406缠绕。在本说明书中，术语缠绕意指导线、导电PBC迹线或构成变压器或电感器
绕组的其它导电结构的延伸，至少部分地围绕芯结构110的至少一部分以提供磁性耦合，从
而在初级绕组与次级绕组之间实施电气电感和/或实施变压器耦合。
110‑3和110‑4的中间支脚406缠绕。在所说明的大体平面芯结构的竖直堆叠中，电感器芯结
构110‑5和下部三个变压器芯结构110‑1、110‑2和110‑3的端部和中间支脚402、404、406朝
向相邻变压器芯结构110‑1、110‑2、110‑3、110‑4的基底400，且顶部芯结构110‑T包含朝向
第一变压器芯结构110‑1的端部和中间支脚402、404、406的下部侧面。其它实例可包含任何
整数数目N个变压器单元，其中N大于1。在其它实施方案中可使用其它形状和配置的芯结构
110。
G1A和G1B。在这一实例中，间隙G1A和G1B大体上相等，虽然并非所有可能实施方案都要求如
此。类似间隙(未标记)设置于顶部芯结构110‑T与变压器芯结构110‑1的中心支脚之间，虽
然并非所有可能实施方案都要求如此。其它相邻芯结构之间的其它间隙在这一实例中为类
似的，包含第一变压器芯结构110‑1与第二变压器芯结构110‑2之间的间隙G2A和G2B、第二
变压器芯结构110‑2与第三变压器芯结构110‑3之间的间隙G3A和G3B、第三变压器芯结构
110‑3与第四变压器芯结构110‑4之间的间隙G4A和G4B，和第四变压器芯结构110‑4与电感
器芯结构110‑5之间的间隙G5A和G5B。在某些实例中，电感器‑变压器间隙G5可与变压器‑变
压器间隙不同。
中来促进通量抵消性能。变压器芯结构110‑1到110‑4的子堆叠提供附加的变压器耦合通
量，示出为左侧面通量路径FP1‑A和右侧面通量路径FP1‑B。图5还展示E形变压器芯结构
110‑5中的通量路径FP2‑A和FP2‑B和第四变压器芯结构110‑4的基底。四个变压器单元中的
通量相同，且通量沿每一变压器单元之间的单元内横向路径FP3而经完全抵消。堆叠芯结构
促进每一单元之间的通量抵消，且显著地降低芯损耗以提升热和电气效率和高功率密度。
每一单元的对称结构也有助于每一变压器单元的次级并联绕组对的电流平衡，所述次级并
联绕组对合并以提供输出电流来驱动连接的负载(未展示)。图5中所展示的通量路径促进
集成磁路中的初级和次级电路的低损耗变压器耦合。谐振电感器LR和变压器绕组因此经由
集成堆叠结构130共用磁路。堆叠结构130通过高磁导率芯结构材料提供低磁阻路径。由谐
振电感器LR和低磁阻路径中的变压器流量而不是具有气隙的高磁阻路径来产生通量。谐振
电感器LR和变压器将不彼此磁性地耦合。谐振电感器的通量可随初级电流而变化，且变压
器与谐振电感器之间的通量也可部分地经抵消。
经堆叠或以其它方式安置于每一单独变压器芯结构110‑1、110‑2、110‑3和110‑4的中间支
脚406与端部支脚402、404之间的空间中。电感器绕组LW在电感器芯结构110‑5的中间支脚
406与端部支脚402、404之间的空间中延伸。在上文所描述的图5的实例中，形成最接近芯结
构外部支脚的变压器和电感器绕组的导电结构的横向向外边缘与其间隔开距离D3。图6中
的实例包含接近端部支脚芯结构间隙G的成形变压器绕组以减少边缘损耗。在所说明的实
例中，变压器绕组的最上部绕组安置为离单独变压器单元的基底400最远，且这一实例中的
最上部绕组为次级绕组S1、S3、S5、S7。最上部绕组S1、S3、S5和S7与端部支脚402、404横向地
间隔开距离D1。
部支脚间隔开第一距离D1，所述第一距离D1大于图6中的距离D3。图8展示形成为在层L1下
方的下部第二PCB层L2中的导电结构800的初级绕组P1的俯视图。这一绕组P1为第一变压器
单元中的第二最高绕组，且与芯结构110‑1的外部支脚间隔开较小第二距离D2(D2＜D1)。图
9展示包含初级绕组P1的延续部分的变压器单元PCB 300的下部第三层L3中的导电结构
900。这一导电结构900与芯结构110‑1的外部支脚间隔开又一较小第三距离D3，其中D1＞D2
＞D3。
器单元PCB 1000上或中的一或多个导电结构1002的这类配置的俯视图。这一实例中的电感
器绕组结构1002与电感器芯结构110‑5的外部支脚间隔开第三距离D3。如图10中进一步展
示，谐振电容器CR安装在PCB结构1000上，且电感器PCB 1000包含迹线以使谐振电感器和电
容器CR在节点108与交换节点106之间(图1)串联互连。一个实例中的电感器PCB 100还包含
连接器1004，以便于与交换电路132和第一变压器单元122‑1的变压器初级绕组P1和P2(上
文所描述的图1中的节点108)耦合。
中移除铜来成形或成锯齿状以减少由芯堆叠结构130中的气隙引起的边缘损耗。在这个设
计中，最接近于气隙的变压器绕组的顶部两个层经成形，虽然并非本文中所描述的绕组成
形技术的所有可能实施方案都要求如此。减小或成形接近气隙G的绕组减少边缘损耗，但可
增加绕组传导损耗。可调适成形绕组以平衡成形的一或多个绕组中的边缘损耗与AC传导损
耗之间的折衷，以便于降低总绕组和边缘损耗。
升给定设计的载流能力。图11展示形成为多层PCB 300的顶部层Ly上的单一宽迹线导电结
构的最上部次级绕组S1的俯视图。在这一实例中，如上文所描述使用成形绕组技术，其中绕
组S1与外部芯支脚间隔开第一距离D1。图12展示形成为多层PCB 300的下部第二层L2中的
单一宽迹线导电结构的初级绕组P1的第一部分的俯视图。在这一实例中，形成初级绕组P1
的部分的第二层迹线与芯结构的外部支脚间隔开较小第二距离D2。图13展示形成为PCB结
构300的下部第三层L3中的单一宽迹线导电结构的初级绕组P1的第二部分的俯视图，其中
第三层迹线与芯结构110‑1的外部支脚间隔开另一较小第三距离D3。图14展示与芯结构的
外部支脚间隔开D3的形成为PCB 300的下部第四层L4中的单一宽迹线导电结构的初级绕组
P1的第三部分的俯视图。图15展示也与芯结构的外部支脚间隔开第三距离D3的形成为多层
PCB 300的下部第五层L5中的单一宽迹线导电结构的初级绕组P1的第四部分的俯视图。图
16展示形成为多层印刷电路板300的下部第六层(例如底部层)中的单一宽迹线导电结构的
第二次级绕组S2的俯视图，其中这一实例中的第二次级绕组S2与芯结构的外部支脚间隔开
距离D3。
换器的芯损耗1702与具有分离芯的LLC谐振转换器设计的芯损耗1704进行比较的图表
1700。如图17中所展示，相比于具有用于变压器和谐振电感器的分离芯的设计，转换器100
的集成设计可显著地减少芯损耗。图18展示使不具有绕组成形的集成LLC变压器绕组设计
的绕组损耗1802与使用如图11到16中所展示的成形绕组的上文所描述的集成设计的绕组
损耗1804进行比较的图表1800。图19展示分别说明对于具有具备如上文所描述的堆叠芯的
集成变压器的谐振LLC转换器的不同负载的经测量和估计效率曲线1902和1904的图表
1900，不包含控制电路124(图1)的功率消耗，其中因为初级侧GaN FET Q1和Q2的第三象限
操作停滞时间和次级SR开关的二极管传导时间并未完全经优化，所以测量效率低于估计效
率。
减少栅极驱动器损耗和关闭损耗，且具有堆叠平面芯结构、成形绕组和同步整流器MOSFET
的集成变压器减少芯损耗和绕组损耗。所描述实例提供用于高性能服务器和电信应用的有
利解决方案，所述高性能服务器和所述电信应用需要高效率和高功率密度，以及LLC谐振转
换器的零电压交换和零电流交换优势。所描述实例有助于在于更高交换频率下使用集成磁
性电路来对抗磁性组件损耗的同时促进更高频率操作以减小磁性组件大小并增大功率密
度。进一步使用GaN或其它宽带初级晶体管Q1和Q2来减少开关损耗，以进一步促进紧密高效
转换器中的高频操作。