具有平面变压器的基于GaN的开关模式电力供应的制作方法

具有平面变压器的基于gan的开关模式电力供应
技术领域
1.本发明大体上涉及基于gan的开关模式电力供应。更确切地说，本发明涉及具有展现改进的电和磁特性的平面变压器的基于gan的开关模式电力供应。


背景技术：

2.开关模式电力供应越来越多地在ac到dc电力转换器中以及电池充电应用(移动电子器件、电动交通工具)中使用。开关模式电力供应以转变过程中花费最少时间在完全接通和完全断开状态之间切换，这减少能量损耗。切换可在达到几mhz的高频率下发生；因此，可使用较小变压器和其它组件(例如，电容器、电感器)，从而允许减小电力供应和电力转换器的总体占用面积。
3.一种用于减小开关模式电力供应中的变压器的大小的技术是通过使用平面变压器。在平面变压器中，变压器线圈通常使用印刷电路技术沉积在衬底上。然而，常规的平面变压器可包含通过变压器线圈的磁通量线，从而增加损失并降低系统效率。对于某些类型的开关模式电力供应，平面变压器可包含对于可变电流负载非最佳的磁体间隙。因此，在这方面的技术中需要具有拥有改进的磁和电特性的改进的平面变压器的改进的基于gan的开关模式电力供应。


技术实现要素：

4.根据本公开的一个方面，提供一种开关模式电力供应。所述电力供应包含具有基于gan的功率半导体晶体管和平面变压器的返驰转换器。所述平面变压器包含磁芯以及初级和次级平面线圈绕组。磁芯具有下部芯体和上部芯体。下部芯体具有至少三个突起，包含一中心突起和两个外围突起。中心突起具有在两个外围突起的高度上方延伸的高度，且接受环绕中心突起的初级和次级平面线圈绕组。上部芯体包含凹入部分，其接收下部芯体的中心突起，使得当两个外围突起接触上部芯体时，间隙定位于下部芯体的中心突起和上部芯体的凹入部分之间。
5.在另一方面中，本公开提供具有有源箝位返驰转换器的开关模式电力供应。有源箝位返驰转换器包含一个或多个基于gan的功率半导体晶体管和平面变压器。所述平面变压器包含磁芯以及初级和次级平面线圈绕组。磁芯包含下部芯体和上部芯体。下部芯体具有至少三个突起，包含一中心突起和两个外围突起。中心突起被配置成接受环绕中心突起的初级和次级平面线圈绕组。中心突起具有阶梯式上表面，使得当两个外围突起接触上部芯体时，不同间隔的第一和第二间隙形成于下部芯体和上部芯体之间。
附图说明
6.图1描绘根据一实施例的具有返驰转换器的开关模式电力供应；
7.图2是可在图1的电力供应中使用的平面变压器的横截面侧视图；
8.图3a和3b展示相关技术实施例(图3a)和图2的变压器(图3b)的磁通量线；
9.图4是图2的平面变压器的透视图；
10.图5描绘根据一实施例的具有有源箝位返驰转换器的开关模式电力供应；
11.图6是可在图5的电力供应中使用的平面变压器的芯体的横截面侧视图；
12.图7是可在图5的电力供应中使用的平面变压器的横截面侧视图；
13.图8是平面变压器的电感与电流的关系的曲线；
14.图9是平面变压器的电流与时间的关系的曲线；
15.图10是平面变压器的电流与时间的关系的曲线。
具体实施方式
16.转向各图，详细地说，图1是包含返驰转换器配置的根据一实施例的开关模式电力供应10。电力供应10包含基于gan的功率半导体晶体管110，其为电路的总开关。晶体管110以极高频率(高达兆赫兹范围)接通和切断。当基于gan的开关晶体管110处于“接通”状态时，其传导电流；因此，跨晶体管110的电压降处于最小值。在“断开”状态中，没有电流流经晶体管110。此切换形成高频率ac中介。当开关模式电力供应用作ac到dc转换器时，ac经整流以产生所要dc输出。或者，可使用dc输入，且输出dc可逐步上升或逐步下降。
17.图1的开关模式电力供应具有返驰转换器配置。返驰转换器是可取决于工作循环产生大于或小于输入电压的输出电压的一种类型的降压-升压转换器。返驰转换器配置包含箝位电容器137、电阻器138和箝位二极管135。
18.当基于gan的开关晶体管110闭合/关闭时，变压器100的初级线圈190(图2)直接连接到输入电压源107。变压器中的初级电流和磁通量增加。因此，能量存储在变压器100中。次级线圈192中的感应电压将为负。电容器120将能量供应到输出负载130。当基于gan的开关晶体管断开/开启时，初级电流和磁通量下降。次级电压为正，且电流从变压器100流动且为电容器120再充电。
19.为了增加开关模式电力供应10的效率，提供图2的变压器。在图2的变压器中，通过磁芯部分的配置对磁通量线进行整形，如在下文进一步详细论述。磁通量线避免初级和次级线圈(如图3b中所见)以便当磁通量线通过线圈时(如图3a中所见)减少初级和次级线圈中的损失。变压器100包含磁芯，其包含下部芯体160和上部芯体150。下部芯体包含三个突起：两个外围突起170和一中心突起180。中心突起180具有在两个外围突起的高度上方延伸的高度(图2中的元件182展示外围突起170和中心突起180之间的高度差)。上部芯体150包含凹入部分185，其接收下部芯体的中心突起180，使得当两个外围突起在界面172处接触上部芯体时，间隙187定位于下部芯体的中心突起180和上部芯体的凹入部分185之间。气隙187可具有大致0.3到大致1mm范围内的厚度。
20.环绕中心突起180的是初级平面线圈190和次级平面线圈192。平面线圈190和192可以是使用印刷电路技术沉积在例如印刷电路板196(图4)或聚合物衬底等衬底上的金属线(例如，铜、镍)。然而，任何技术可用于形成平面金属线圈190和192。在图2中展示的配置中，初级线圈190在上侧和下侧由次级线圈192环绕；还可使用其它布置。替代性布置包含交替的初级线圈和次级线圈，或一组一个或多个初级线圈定位成邻近于一组一个或多个次级线圈。每一元件190和192可以是布置成平面螺旋形式的一组并排线圈的一部分，如图4中较清楚地看到。
21.图4是具有安置在衬底196上的初级线圈190(图4中不可见)和次级线圈192的图2的平面变压器的透视图。线圈中的每一个安置于环绕中心突起180的螺旋形配置中，使得多条金属线处于初级和次级线圈层中的每一个中的共面配置中。应注意，取决于绕组的选定数目，可在图4中使用更多或更少的初级和次级线圈层。其它任选的层(未图示)可提供屏蔽或绝缘或其它电组件。
22.图5是包含有源箝位返驰转换器配置的开关模式电力供应205。具有有源箝位返驰转换器205的电力供应不同于图1的具有返驰转换器10的电力供应之处在于，开关212(其可以是基于gan的功率半导体晶体管)代替箝位二极管135。在有源箝位返驰转换器205中，来自变压器200的漏感的能量被重复使用且供应到负载230。这增加开关模式电力供应210的效率。电容器220或者存储来自变压器200的能量且将能量供应到输出负载230，如上文图1的实施例中。
23.在图5的具有有源箝位返驰转换器的电力供应中，跨总开关215(gan基晶体管)的峰值电压可减小；因此，导通电阻和传导损耗可减小。图5的电路中的电磁干扰也减少。
24.为图5的具有有源箝位返驰转换器的电力供应提供如图6所示的新颖的变压器芯体配置。在图6的变压器芯体配置中，磁芯具有下部芯体260和上部芯体250。下部芯体260具有至少三个突起，包含一中心突起280和两个外围突起270。中心突起280接受环绕中心突起的初级290和次级292平面线圈绕组，如图7的变压器中所见。中心突起具有阶梯式上表面，使得当两个外围突起270在界面272处接触上部芯体时，具有不同间隔的第一气隙δ1287和第二气隙δ
2 289存在于下部芯体和上部芯体之间。第一气隙δ
1 287可具有大致0.1到0.4mm范围内的间隔，且第二气隙δ
2 289可具有大致0.5到1.0mm范围内的间隔。
25.提供包含间隙δ1和δ2的阶梯式气隙以减小轻载频率。δ1气隙相比于常规单个气隙增加。气隙δ1小于气隙δ2。当电流流量为轻时，低电流电感被设计成较大值。当存在大电流流量时，使较小气隙δ1饱和以减小归因于电流增加而导致的电感。因此，轻载效率得以改进。
26.转向图7的平面变压器，中心突起280被初级平面线圈290和次级平面线圈292环绕。平面线圈290和292可以是使用印刷电路技术沉积在例如印刷电路板或聚合物衬底等衬底上的金属线，如上文图4的实施例中所展示。然而，任何技术可用于形成平面金属线圈290和292。在图8中展示的配置中，初级线圈290在上侧和下侧由次级线圈292环绕；还可使用其它布置。每一元件290和292可以是布置成平面螺旋形式的一组并排线圈的一部分。
27.使用图7的变压器，电力供应205'的连续工作模式(crm)的轻载效率极大地改进，使得有源箝位返驰配置的连续工作模式可通过使用电力供应205的适配器的能量效率标准。此外，不需要在减小有源箝位返驰配置电力供应的轻载频率的同时增加变压器体积。此外，电力供应的重载频率针对高电压输入得以改进，从而使变压器损失减小大致10％。
28.实例1
29.当变压器200正在操作时，当电流增加到气隙δ1的饱和值时，电感将由δ2决定。举例来说，如图8所示，横坐标表示流经变压器的初级线圈的电流，且纵坐标表示变压器的电感。设定为0.8aδ1饱和，δ1饱和之前的电感为250uh，且饱和之后的电感为100uh。
30.实例2
31.图9展示常规单气隙变压器与阶梯式气隙变压器200的轻载电流波形之间的比较。在轻载下，归因于较大电感，250uh频率比单幅100uh频率低60％。
32.实例3
33.图10展示常规单气隙变压器与阶梯式气隙变压器200的轻载电流波形之间的比较。变压器电流在重载下增加，且电感在δ1饱和之后减小到100uh。对于单气隙变压器，频率不会改变很多。
34.工业适用性：
35.本发明的开关模式电力供应可在ac-dc转换器、dc-dc转换器、电子装置(例如，移动电话)电池充电器和电子交通工具电池充电器中使用。
36.虽然已参考本公开的特定实施例描述并说明本公开，但这些描述和说明并非限制性的。所属领域的技术人员应理解，可在不脱离如由所附权利要求书限定的本公开的真实精神和范围的情况下，作出各种改变并且可用等效物替代。图示可能未必按比例绘制。归因于制造工艺和容差，本公开中的艺术再现和实际设备之间可能存在区别。本公开可存在未具体说明的其它实施例。应将说明书和图式视为说明性而非限制性的。可作出修改，以使特定情形、材料、物质组成、方法或工艺适于本公开的目标、精神和范围。所有此些修改既定落入所附权利要求书的范围内。虽然本文所公开的方法已参考按特定次序执行的特定操作描述，但应理解，可在不脱离本公开的教示的情况下组合、细分这些操作或对这些操作进行重新排序以形成等效方法。因此，除非在本文中具体指示，否则操作的次序及分组并非限制性的。
37.如本文所使用，术语“大致”，“基本上”，“大体上”及“约”用于描述及阐释小的变化。当与事件或情形结合使用时，所述术语可指事件或情形精确发生的情况以及事件或情形大致发生的情况。如在本文中相对于给定值或范围所使用，术语“约”通常意指在所述给定值或范围的
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0.5％范围内。所述范围可在本文中指示为自一个端点至另一端点或在两个端点之间。除非另外规定，否则本公开中所公开的所有范围包含端点。术语“大体上共面”可指沿着同一平面位于几微米(μm)内，例如沿着同一平面位于10μm内、5μm内、1μm内或0.5μm内的两个表面。当提及“大体上”相同的数值或特性时，所述术语可指值的平均值的
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