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CN111835202A - 包括多个整流元件的多层变压器结构 - Google Patents

包括多个整流元件的多层变压器结构 Download PDF

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CN111835202A
CN111835202A CN202010304360.6A CN202010304360A CN111835202A CN 111835202 A CN111835202 A CN 111835202A CN 202010304360 A CN202010304360 A CN 202010304360A CN 111835202 A CN111835202 A CN 111835202A
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conductor
winding conductor
rectifier
primary
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CN202010304360.6A
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M.阿佩尔伯格
O.佩尔森
M.卡尔森
Q.王
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Flex Ltd
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Abstract

一种功率转换电路具有多层变压器和耦合到多层变压器的次级绕组的多个整流晶体管。多层变压器在PCB堆叠内形成为多个层，其中初级绕组导体和次级绕组导体竖直对齐并堆叠。次级绕组导体构造成具有一个或多个次级绕组臂，其提供多个整流晶体管物理连接到的区域。初级绕组导体构造成具有初级绕组臂。每个初级绕组导体的覆盖区配置为基本重叠每个次级绕组导体的整个覆盖区。这样，流过次级绕组导体的整个次级电流与初级绕组导体且因此与流过次级绕组导体的初级电流竖直对齐。

Description

包括多个整流元件的多层变压器结构
技术领域
本发明总体上涉及多层变压器领域。更具体地，本发明涉及一种包括多个整流元件的多层变压器结构。
背景技术
主要数据中心的发展已导致功率转换器的功率密度呈指数增长。这主要是由于MOSFET性能的快速发展而实现的，从而以很小的尺寸实现了极高的输出功率。为了适应这一发展并提高功率密度，必须对用于功率转换器的基于变压器的设计中的变压器进一步优化。
通过将变压器中的每个“线圈”表示为在PCB的不同层上构图的线圈状导体，可以将变压器结构集成为多层印刷电路板的一部分，每个线圈状导体对应于变压器的初级绕组或次级绕组的绕组或匝。对应于初级绕组的线圈状导体通过第一组通孔互连且对应于次级绕组的线圈状导体通过第二组通孔互连。线圈状导体位于PCB堆叠的每一层上，以便在堆叠中彼此竖直对齐。所得的结构称为多层变压器。
在某些应用中，电路板配置为功率转换器，并且选择次级绕组通过整流晶体管比如MOSFET连接到功率转换器电路中的不同电压轨。整流晶体管对于向附接的负载提供DC功率是必不可少的。在许多应用中，需要大量的整流晶体管来处理所需的电流量。电流越大，需要的整流晶体管数量就越多。整流晶体管的数量还取决于其他多个因素，包括输出电压、MOSFET设计和封装以及目标应用负载曲线。
当在例如大于或等于200KHz的高频下操作时，存在与多层变压器中的导体绕组相关的显著皮肤效应和涡流效应。在这种情况下，皮肤效应是交流电(AC)趋于分布在导体内，使得电流密度在多层变压器内的任意层处形成绕组的导体的外周边缘附近最大，并且减小从导体外周边缘向内移动。这些影响导致电流集中在绕组导体的某些部分内，而较少的电流流过绕组导体的其他部分。
通常，通过将功率转换器电路配置为具有在一个方向上流动的初级电流和在相反方向上流动的次级电流来将这些影响最小化，这在典型的变压器配置中可以看出。图1示出了示例性常规功率转换器电路的示意图。该示意图输出了功率转换器电路输出侧的四组整流晶体管，每组包括四个单独晶体管。具体地，功率转换器电路包括耦合到变压器M300的次级绕组端子TRMSA的整流晶体管T400、T4l4、T420、T424、T40l、T417、T42l、T427以及耦合到变压器M300的次级绕组端子TRMSB的整流晶体管T402、T4l5、T422、T425、T403、T4l6、T423、T426。整流晶体管T400、T414、T420、T424一起分组为第一组并且并联配置在次级绕组端子TRMSA与高压轨+OUT_C之间。整流晶体管T402、T415、T422、T425一起分组为第二组并且并联配置在次级绕组端子TRMSB与高压轨+OUT_C之间。整流晶体管T401、T417、T421、T427一起分组为第三组并且并联配置在次级绕组端子TRMSA与接地轨之间。整流晶体管T403、T416、T423、T426一起分组为第四组并且并联配置在次级绕组端子TRMSB与接地轨之间。
功率转换器的输出侧还包括电容器C489、C473、C490、C472、C474、C49l、C475、C463-470、C476-478、电阻器R470、R47l、电感器M400和整流晶体管驱动器N419、N409。整流晶体管驱动器N419、N409缓冲并增加用于整流晶体管的从控制器(未示出)提供的驱动信号的驱动能力。输出电压在端子+OUT处被提供。
在功率转换器电路输入侧的端子+IN和-IN处提供输入DC功率。输入侧包括电容器C1-C9，C12，C13，C48，C49，电感器M1，晶体管T1-T4以及晶体管驱动器N420，N421。晶体管T1-T4可以是MOSFET或其他常规开关器件。晶体管驱动器N420，N42l缓冲并增加从控制器(未示出)提供的用于晶体管T1-T4的驱动信号的驱动能力。
在操作中，功率转换器电路接收输入的DC电压。晶体管T1-T4被脉宽调制，使得准平方电压波形被输入到变压器M300的初级绕组。准平方电压波形在正电压脉冲和负电压脉冲之间交替且被认为是AC电压。可以应用不同的调制方案。在一方案中，晶体管T1和T4导通而晶体管T2和T3截止以沿一个方向驱动电流，例如负初级电流和正次级电流，并且当沿另一方向驱动电流时，例如正初级电流和负次级电流(其被统称为AC电流)，晶体管T2和T3导通而晶体管T1和T4截止。当晶体管T1和T4导通且晶体管T2和T3截止时，初级电流从正轨+PWR流过晶体管T1、变压器M300的初级绕组、晶体管T4到负轨-IN，如在初级电流路径1中所示。在同一时间段内，整流晶体管T400、T4l4、T420、T424、T403、T4l6、T423、T426导通且整流晶体管T402、T415、T422、T425、T40l、T417、T421、T427截止，这导致在变压器M300的次级绕组处感应的次级电流流过整流晶体管T400、T4l4、T420、T424、电感器M400、电容器C463、C464、C465、C466、C467、C468、C469、C470、C476、C477、C478和任何连接的负载、整流晶体管T403、T416、T423、T426并回到次级绕组，如在次级电流路径2中所示。
当晶体管T1和T4截止且晶体管T2和T3导通时，初级电流从正轨+PWR流过晶体管T3、变压器M300的初级绕组、晶体管T2到负轨-IN，如在初级电流路径3中所示。在该同一时间段内，整流晶体管T400、T4l4、T420、T424、T403、T4l6、T423、T426截止且整流晶体管T402、T4l5、T422、T425、T401、T417、T42l、T427导通，这导致在变压器M300的次级绕组处感应的次级电流流过整流晶体管T401、T417、T421、T427、电容器C463、C464、C465、C466、C467、C468、C469、C470、C476、C477、C478和任何连接的负载、电感器M400、整流晶体管T402、T415、T422、T425并回到次级绕组，如在次级电流路径4中所示。
功率转换器电路的物理结构被实施为多层PCB。电容器、电阻器、控制器芯片安装到PCB的顶侧和/或底侧，并且多层变压器被实施为PCB堆叠中的交错的初级和次级绕组导体层。PCB包括图案化的导电互连和互连通孔，用于适当地互连各种部件和层。通过最小化次级绕组导体和整流晶体管之间的互连导体长度，可以进一步减少多层变压器中的损耗。通过将每个整流晶体管和次级绕组导体之间的连接移至绕组导体本身，可以解决此问题。特别地，每个整流晶体管的物理定位使得整流晶体管在PCB堆叠中的次级绕组导体的外周边缘上对准。图2示出了常规PCB中包括初级绕组导体的其中一层的俯视图。图3示出了常规PCB中包括次级绕组导体的其中一层的俯视图。PCB中包括次级绕组导体的实际层数和包括初级绕组导体的层数取决于多层变压器的匝数比。如图2所示，初级绕组导体2是圆形的。初级绕组导体2在断裂4处是不连续的，该断裂基本上形成了初级绕组导体2的两个端部。每个端部连接到PCB的另一层上的另一初级绕组导体的另一端部。不同层上的两个初级绕组导体的端部通过互连通孔互连。例如，初级绕组导体2的一端可以通过互连通孔6连接到PCB堆叠中的下一个较高的初级绕组导体，而初级绕组导体2的另一端可以通过互连通孔8连接到PCB堆叠中的下一个较低的初级绕组导体。
如图3所示，次级绕组导体12包括从圆形基部延伸的次级绕组导体臂14和16。类似于初级绕组导体，次级绕组导体12在断裂处不连续，其基本上形成次级绕组导体的两个端部，其通过互连通孔连接到PCB堆叠的其他层上的其他次级绕组导体。次级绕组导体12的圆形基部与初级绕组导体2的圆形形状基本匹配。在PCB堆叠中，图2所示的初级绕组导体2与图3的次级绕组导体12对齐并堆叠。图3中所示的虚线弧18表示图2的初级绕组导体2的外周边缘的相对位置。次级绕组导体臂14、16扩大了多个整流晶体管可以连接到的物理区域，以至次级绕组导体。选择整流晶体管的相对物理位置在图3中输出为叠加框。叠加在图3上的整流晶体管T422、T425、T4l4、T420、T416、T423、T427、T42l安装在PCB的一侧，例如顶侧，且整流晶体管T400、T424、T402、T415、T40l、T417、T403、T426(图1)的其余部分安装到PCB的另一侧，例如底侧。叠加在图3中的每个整流晶体管T422、T425、T414、T420、T4l6、T423、T427、T421与其他整流晶体管T400、T424、T402、T4l5、T40l、T4l7、T403、T426中的相应一个竖直对齐。整流晶体管T422、T425、T414、T420连接到电感器M400，并且整流晶体管T416、T423、T427、T421接地。类似地，整流晶体管T400、T414、T402、T415(图1)连接到电感器M400，并且整流晶体管T401、T417、T403、T426(图1)接地。
如图3所示，每个整流晶体管都相对于次级绕组导体物理定位，使得整流晶体管的第一部分(比如整流晶体管T416和T423的A部分)重叠次级绕组导体的外周边缘，且第二部分(比如B部分)重叠相邻的导体元件(比如接地节点)。连接到次级绕组导体的每个整流晶体管的位置在初级绕组导体的覆盖区之外，如图3所示，因为整流晶体管T422、T425、T414、T420、T416、T423、T427、T421位于初级绕组导体2的外周边缘比如虚线弧18的右侧。在这种配置中，整流晶体管被认为位于初级绕组导体内的初级电流路径的外部。换句话说，整流晶体管不在作为AC电流回路的初级电流路径上对齐。
根据初级侧晶体管T1-T4的状态，初级电流沿顺时针方向(比如图2所示)流动，或者沿逆时针方向绕初级绕组导体流动。初级绕组导体的宽度是内周边缘与外周边缘之间的距离的量度。初级电流流动在初级绕组导体的宽度上分布，但根据由通过次级绕组导体的次级电流的流动路径形成的磁场线而集中。为了使接近效应和涡流损失最小化，期望使次级电流路径与初级电流路径竖直对齐。然而，由于整流晶体管物理上位于次级绕组导体臂的边缘，如图3所示，所以实际的次级电流路径比如次级电流路径20延伸到次级绕组导体臂中，从而通过整流晶体管例如通过整流晶体管T421、T423、T427传导。该延伸的次级电流路径与初级电流路径之间的距离导致显著损耗。在图3所示的示例性配置中，次级绕组导体在初级绕组导体外部(在其右侧)的部分约占总次级电流路径的50％。另外，由在次级绕组导体臂中的次级电流流动产生的磁场线导致在初级绕组导体的外周处的集中的初级电流流动、接近效应。
发明内容
实施例涉及一种功率转换电路，其具有多层变压器和耦合到多层变压器的次级绕组的多个整流晶体管。多层变压器在PCB堆叠内形成为多个层，其中形成多层变压器的初级绕组导体和次级绕组导体竖直对齐并堆叠。次级绕组导体构造成具有一个或多个次级绕组臂，其提供多个整流晶体管物理连接到的区域。初级绕组导体构造成具有初级绕组臂。每个初级绕组导体的覆盖区配置为基本重叠每个次级绕组导体的整个覆盖区。这样，流过次级绕组导体的整个次级电流与初级绕组导体且因此与流过次级绕组导体的初级电流竖直对齐。在多层变压器内竖直对齐次级电流和初级电流可使次级电流和初级电流的接近最大化，并减小接近效应和相关的涡流损耗。
根据本公开内容的一个方面，提供一种功率转换电路，包括：a.印刷电路板堆叠，其包括堆叠在一起的多个层；b.形成在印刷电路板堆叠内的多层变压器，其中，所述多层变压器包括多个初级绕组导体和多个次级绕组导体，每个初级绕组导体形成为印刷电路板堆叠的相应一层，并且每个次级绕组导体形成为印刷电路板堆叠中的相应一个，进一步其中，每个初级绕组导体的覆盖区配置为基本竖直重叠每个次级绕组导体的整个覆盖区；以及c.多个整流晶体管，每个整流晶体管连接到多个次级绕组导体之一。
所述多个整流晶体管相对于多个初级绕组导体物理地定位，以与通过所述多层变压器的AC电流路径竖直对齐。
所述AC电流路径包括通过每个初级绕组导体的初级电流路径。
所述多层变压器的结构使得能够将DC电流注入和移出变压器块，所述变压器块被定义为由竖直对齐并堆叠的多个初级绕组导体和多个次级绕组导体形成的竖直空间。
所述多个整流晶体管各自与每个初级绕组导体的覆盖区竖直对齐。
每个次级绕组导体包括多个次级绕组导体臂。
每个次级绕组导体包括由次级绕组导体中的不连续断裂而分开的第一次级绕组导体臂和第二次级绕组导体臂。
包括连接到所述整流晶体管的次级绕组导体的印刷电路板堆叠中的每一层还包括DC节点导体，进一步其中，所述DC节点导体包括延伸到第一次级绕组导体臂和第二次级绕组导体臂之间的不连续断裂中的DC节点突起。
所述DC节点突起与每个初级绕组导体竖直对齐。
每个整流晶体管上的一个或多个连接点连接至所述次级绕组导体之一，并且每个整流晶体管上的一个或多个其他连接点连接至在与所连接的次级绕组导体相同的层上的DC节点导体。
每个整流晶体管上的连接至在与所连接的次级绕组导体相同的层上的DC节点导体的一个或多个其他连接点连接至所述DC节点突起。
每个整流晶体管物理地跨越所述DC节点突起与所述第一次级绕组导体臂和第二次级绕组导体臂中的一个之间的不连续断裂。
根据本公开内容的另一个方面，提供一种功率转换电路，包括：a.印刷电路板堆叠，其包括堆叠在一起的多个层；b.形成在印刷电路板堆叠内的多层变压器，其中，所述多层变压器包括多个初级绕组导体和与多个初级绕组导体竖直对齐的多个次级绕组导体；以及c.多个整流晶体管，每个整流晶体管连接到多个次级绕组导体之一，其中，所述多层变压器的结构使得能够将DC电流注入和移出变压器块，所述变压器块被定义为由竖直对齐并堆叠的多个初级绕组导体和多个次级绕组导体形成的竖直空间。
附图说明
参考附图描述了多个示例实施例，其中相似的部件设置有相似的附图标记。示例实施例旨在说明而不是限制本发明。附图包括以下各图：
图1示出了示例性常规功率转换器电路的示意图。
图2示出了常规PCB中包括初级绕组导体的其中一层的俯视图。
图3示出了常规PCB中包括次级绕组导体的其中一层的俯视图。
图4示出了根据一些实施例的示例性功率转换器电路的示意图。
图5示出了根据一些实施例的PCB堆叠内包括初级绕组导体的其中一层的俯视图。
图6示出了根据一些实施例的PCB堆叠内包括次级绕组导体的其中一层的俯视图。
图7示出了来自图6的PCB堆叠层，其包括叠加有安装到PCB堆叠的顶侧层的第一组整流晶体管的次级绕组导体112。
图8示出了来自图6的PCB堆叠层，其包括叠加有安装到PCB堆叠的底侧层的第二组整流晶体管的次级绕组导体112。
图9示出了来自图5的PCB堆叠层，其包括叠加有整流晶体管的初级绕组导体100。
图10示出了来自图7的PCB堆叠层，其示出了截面线A-A'。
图11示出了沿图10所示的线A-A'的PCB堆叠的一部分的剖视图。
图12示出了类似于图11的PCB堆叠的一部分的剖视图，其还包括嵌入式管芯级整流晶体管。
图13示出了表示AC电阻对频率的曲线图。
图14示出了表示效率对功率的曲线图。
具体实施方式
本申请的实施例涉及一种多层变压器结构。本领域普通技术人员将认识到，以下对多层变压器结构的详细描述仅是说明性的，而绝非旨在进行限制。受益于本公开的本领域技术人员将容易想到多层变压器结构的其他实施例。
现在将详细参考附图中所示的多层变压器结构的实施方式。在整个附图和以下详细描述中将使用相同的参考标记来指代相同或相似的部件。为了清楚起见，并未示出和描述本文描述的实施方式的所有常规特征。当然，应该理解，在开发任何此类实际实施方式时，必须做出许多特定于实施方式的决策，以实现开发人员的特定目标，比如遵守应用和与业务相关的约束，并且这些特定目标对于各实施方式及各开发人员将有所不同。此外，应理解，这种开发工作可能是复杂且耗时的，但对于受益于本公开的本领域普通技术人员而言，这仍将是工程的例行工作。
本申请的功率转换器电路包括增强的多层变压器结构。尽管整个功率转换器电路的示意性布局与类似的常规功率转换器电路相似，但PCB上的物理结构布局却有所不同，从而带来显著增强和性能改进。特别地，改变了多层变压器的初级绕组导体和次级绕组导体的结构配置，以及改变了整流晶体管相对于初级绕组导体和次级绕组导体的位置。
图4示出了根据一些实施例的示例性功率转换器电路的示意图。为了在比较相似的示意性布局时区分物理结构，示例性功率转换器电路示意性地配置为与图1中所示的功率转换器电路类似，如将在下面更详细地解释。应当理解，增强的多层变压器结构和相应的整流晶体管可以可替代地应用于除图4所示的示例性示意图之外的其他功率转换器电路。除了与可比的常规示意性功率转换器电路的结构不同之外，图4中示意性示出的功率转换器电路包括附加导体元件，比如铜夹，其可用于将次级绕组导体互连到电感器。该附加导体元件在图4中示出为元件TEB1。
图4的功率转换器电路包括整流晶体管T400、T414、T420、T424、T401、T417、T421、T427，它们配置为两组四个晶体管。变压器M300'是改进的多层变压器，其结构上与多层变压器M300(图1)不同。整流晶体管T400、T414、T420、T424、T401、T417、T421、T427耦合到变压器M300'的次级绕组端子TRMSA。功率转换器电路还包括整流晶体管T402、T415、T422、T425、T403、T416、T423、T426，它们配置为两组四个晶体管。整流晶体管T402、T415、T422、T425、T403、T416、T423、T426耦合到变压器M300'的次级绕组端子TRMSB。整流晶体管T400、T414、T420、T424一起分组为第一组并且并联配置在次级绕组端子TRMSA与高压轨+OUT_C之间。整流晶体管T402、T415、T422、T425一起分组为第二组并且并联配置在次级绕组端子TRMSB和高压轨+OUT_C之间。整流晶体管T401、T417、T421、T427一起分组为第三组并且并联配置在次级绕组端子TRMSA与接地轨之间。整流晶体管T403、T416、T423、T426一起分组为第四组并且并联配置在次级绕组端子TRMSB与接地轨之间。功率转换器的输出侧还包括电容器C489、C473、C490、C472、C474、C491、C475、C463-470、C476-478、电阻器R470、R471、电感器M400和整流晶体管驱动器N419、N409。整流晶体管驱动器N419、N409缓冲并增加从用于整流晶体管的控制器(未示出)提供的驱动信号的驱动能力。输出电压在端子+OUT处被提供。在功率转换器电路输入侧的端子+IN和-IN处供应输入DC功率。输入侧包括电容器C1-C9、C12、C13、C48、C49、电感器M1、晶体管T1-T4和晶体管驱动器N420、N421。晶体管T1-T4可以是MOSFET或其他常规开关器件。晶体管驱动器N420、N421缓冲并增加从用于晶体管T1-T4的控制器(未示出)提供的驱动信号的驱动能力。
AC电流具有两种不同的极性，这需要使用整流晶体管进行整流。电流路径103、107对应于一个相位(极性、方向)，电流路径101、105对应于另一相位。整流晶体管的输出(在DC节点118处)是整流的脉冲电压波形(其是具有单极性的AC电压)，其被输入到电感器M400。尽管从整流晶体管输出的电压是脉冲AC电压，但从整流晶体管输出的电流是DC电流。电感器M400和电容器C463-C470、C476-C478形成LC滤波器，该LC滤波器的作用是将脉冲波形平均为基本恒定的DC电压值。
在操作中，功率转换器电路接收输入的DC电压。晶体管T1-T4被脉宽调制，使得准平方电压波形被输入到变压器M300的初级绕组。准平方电压波形在正电压脉冲和负电压脉冲之间交替且被认为是AC电压。可以应用不同的调制方案。在一方案中，晶体管T1和T4导通而晶体管T2和T3截止以沿一个方向驱动电流，例如负初级电流和正次级电流，并且当沿另一方向驱动电流时，例如正初级电流和负次级电流(其被统称为AC电流)，晶体管T2和T3导通而晶体管T1和T4截止。当晶体管T1和T4导通且晶体管T2和T3截止时，初级电流从正轨+PWR流过晶体管T1、变压器M300'的初级绕组、晶体管T4到负轨-IN，如在初级电流路径101中所示。在同一时间段内，整流晶体管T400、T4l4、T420、T424、T403、T4l6、T423、T426导通且整流晶体管T402、T415、T422、T425、T40l、T417、T421、T427截止，这导致在变压器M300'的次级绕组处感应的次级电流流过整流晶体管T400、T4l4、T420、T424、电感器M400、电容器C463、C464、C465、C466、C467、C468、C469、C470、C476、C477、C478和任何连接的负载、整流晶体管T403、T416、T423、T426并回到次级绕组，如在次级电流路径105中所示。
当晶体管T1和T4截止且晶体管T2和T3导通时，初级电流从正轨+PWR流过晶体管T3、变压器M300'的初级绕组、晶体管T2到负轨-IN，如在初级电流路径103中所示。在该同一时间段内，整流晶体管T400、T4l4、T420、T424、T403、T4l6、T423、T426截止且整流晶体管T402、T4l5、T422、T425、T401、T417、T42l、T427导通，这导致在变压器M300'的次级绕组处感应的次级电流流过整流晶体管T401、T417、T421、T427、电容器C463、C464、C465、C466、C467、C468、C469、C470、C476、C477、C478和任何连接的负载、电感器M400、整流晶体管T402、T415、T422、T425并回到次级绕组，如在次级电流路径107中所示。尽管电流路径101、103、105、107示意性地类似于图1中的电流路径1、2、3、4，但路径并不相同。相反，由于初级绕组导体和次级绕组导体的修改形状以及整流晶体管的不同相对位置，通过多层变压器M300'的电流路径是不同的，如下面更详细地说明。
尽管示意性地类似于图1的多层变压器M300，但多层变压器M300'的初级绕组导体和次级绕组导体的物理形状不同，并且每个整流晶体管T400、T414、T420、T424、T401、T417、T421、T427、T402、T415、T422、T425、T403、T416、T423、T426相对于初级绕组导体和次级绕组导体的物理位置是不同的。
功率转换器电路的物理结构被实施为多层PCB。在一些实施例中，电容器、电阻器和控制器芯片安装到PCB的顶侧和/或底侧，并且多层变压器被实施为PCB堆叠中的交错的初级和次级绕组导体层。PCB包括图案化的导电互连和互连通孔，用于适当地互连各种部件和层。PCB中包括次级绕组导体的实际层数和包括初级绕组导体的层数取决于多层变压器的匝数比。
图5示出了根据一些实施例的PCB堆叠内包括初级绕组导体的其中一层的俯视图。初级绕组导体100包括从基本圆形的基部部分延伸的初级绕组导体臂102。初级绕组导体100在断裂104处不连续，该断裂在图5所示的初级绕组导体的特定层中形成初级绕组电流路径端点。这些端点可以互连到PCB堆叠的其他层中的其他相邻定位的初级绕组导体。例如，可以使用互连通孔106将初级绕组导体100互连到PCB堆叠中的下一个较高定位的初级绕组导体，并且可以使用互连通孔108将初级绕组导体100互连到PCB堆叠中的下一个较低定位的初级绕组导体。初级绕组导体100包括其他不连续，通过它们可以形成其他互连通孔，以为与PCB堆叠中的初级绕组导体交错的次级绕组导体提供互连。还可以形成类似的不连续和互连通孔，以提供与连接到次级绕组导体的整流晶体管的互连。例如，互连通孔110、122、124、126在初级绕组导体100的不连续中形成。这种互连通孔与初级电断开。
图6示出了根据一些实施例的PCB堆叠内包括次级绕组导体的其中一层的俯视图。次级绕组导体112包括从圆形的基部部分延伸的第一次级绕组导体臂114和第二次级绕组导体臂116。次级导体臂114、116由DC节点突起120隔开，该DC节点突起120是DC节点118的延伸。DC节点118是形成为PCB堆叠层的一部分的导体。每个次级绕组导体臂114、116在图6所示的次级绕组导体的特定层中形成次级绕组电流路径端点。这些端点可以互连到PCB堆叠的其他层中的其他相邻定位的次级绕组导体。例如，可以使用互连通孔110将次级绕组导体臂114互连到PCB堆叠中的下一个较高定位的次级绕组导体，并且可以使用互连通孔126将次级绕组导体臂116互连到PCB堆叠中的下一个较低定位的次级绕组导体。互连通孔110、126也可以形成为提供与连接到次级绕组导体的整流晶体管的互连。互连通孔可以耦合到DC节点突起，以在整流晶体管和DC节点之间提供互连。例如，互连通孔122、124耦合到DC节点突起120。
图7示出了来自图6的PCB堆叠层，其包括叠加有安装到PCB堆叠的顶侧层的第一组整流晶体管的次级绕组导体112。图8示出了来自图6的PCB堆叠层，其包括叠加有安装到PCB堆叠的底侧层的第二组整流晶体管的次级绕组导体112。在一些实施例中，第一组整流晶体管安装到PCB堆叠的顶侧层，而第二组整流晶体管安装到PCB堆叠的底侧层，如图11所示。图11示出了沿图10所示的线A-A'的PCB堆叠的一部分的剖视图。在替代实施例中，一些整流晶体管可以嵌入在PCB堆叠内，比如图12所示的PCB堆叠的一部分的示例性剖视图。图12所示的替代实施例是与图11所示的视图类似的视图，但其中一个或多个其他整流晶体管或附加整流晶体管嵌入在PCB堆叠内并连接到相应的次级绕组导体。
再次参照图7和8，第一组整流晶体管可以包括连接到次级绕组端子TRMSA和高压轨+OUT_C的第一组整流晶体管T400、T414、T420、T424以及连接在次级绕组端子TRMSB和高压轨+OUT_C之间的第二组整流晶体管T402、T415、T422、T425。第一组整流晶体管定位成跨越DC节点突起和次级绕组导体臂中的一个之间的断裂，使得每个整流晶体管的第一部分重叠次级绕组导体臂中的一个并且每个整流晶体管的第二部分重叠DC节点突起。在示例性配置中，第一组整流晶体管每个电连接到包括次级绕组导体的PCB堆叠中的最顶层。此最顶层可以是PCB堆叠的顶侧外层，或者此最顶层可以是PCB堆叠的内层。第一组整流晶体管可以包括整流晶体管T424、T400、T414、T420、T402、T415、T422、T425。整流晶体管T402、T422、T425、T415分别跨越次级绕组导体臂116和DC节点突起120之间的断裂，并且通过相应的互连和/或互连通孔连接到次级绕组导体臂116和DC节点突起120。例如，整流晶体管T425通过次级互连通孔126连接到次级绕组导体臂116，并通过DC节点互连通孔124连接到DC节点突起120。整流晶体管T424、T400、T414、T420分别跨越次级绕组导体臂114和DC节点突起120之间的断裂，并且通过相应的互连和/或互连通孔连接到次级绕组导体臂114和DC节点突起120。例如，整流晶体管T414通过次级互连通孔110连接到次级绕组导体臂114，并通过DC节点互连通孔122连接到DC节点突起120。
在一些实施例中，第二组整流晶体管安装到PCB堆叠的底侧层，并且每个都电连接到PCB堆叠中包括次级绕组导体的最底层。第二组整流晶体管可以包括连接到次级绕组端子TRMSA和接地轨的第三组整流晶体管T401、T417、T421、T427以及连接在次级绕组端子TRMSB和接地轨之间的第四组整流晶体管T403、T416、T423、T426。第二组整流晶体管定位成跨越DC节点突起和次级绕组导体臂中的一个之间的断裂，使得每个整流晶体管的第一部分重叠次级绕组导体臂中的一个，并且每个整流晶体管的第二部分重叠DC节点突起。在示例性配置中，第二组整流晶体管各自电连接到PCB堆叠中包括次级绕组导体的最底层。该最底层可以是PCB堆叠的底侧外层，或者该最底层可以是PCB堆叠的内层。第二组整流晶体管可以包括整流晶体管T401、T421、T427、T417、T426、T403、T416、T423。整流晶体管T426、T403、T416、T423分别跨越次级绕组导体臂116和DC节点突起120之间的断裂，并且通过相应的互连和/或互连通孔连接到次级绕组导体臂116和DC节点突起120。整流晶体管T401、T421、T427、T417分别跨越次级绕组导体臂114与DC节点突起120之间的断裂10，并且通过相应的互连和/或互连通孔连接到次级绕组导体臂114和DC节点突起120。
在一些实施例中，叠加在图8中的每个整流晶体管T401、T421、T427、T417、T426、T403、T416、T423与其他整流晶体管T422、T425、T414、T420、T402、T415、T422、T425(图7)中的相应一个竖直对齐。例如，整流晶体管T414位于PCB的顶侧表面上，而整流晶体管427位于PCB的底侧表面上并与整流晶体管T414对齐。通常，连接到每个变压器次级绕组的每组并联连接的整流晶体管对称对齐。例如，第一组整流晶体管与第三组整流晶体管对称对齐，而第二组整流晶体管与第四组整流晶体管对称对齐，其中第一组和第二组在PCB堆叠的同一侧，而第三组和第四组在PCB堆叠的另一侧。整流晶体管T422、T425、T414、T420、T402、T415、T422、T425连接到PCB堆叠中具有次级绕组导体的最顶层的DC节点118。在PCB堆叠中具有次级绕组导体的的最顶层也是PCB堆叠的顶侧外层的情况下，该层的DC节点118的DC节点突起120通过导体互连比如导电夹连接到电感器M400，该导体互连以图7中的框128和图4中示意性的TEB1为例。从整流晶体管T422、T425、T414、T420、T402、T415、T422、T425输出的DC电流通过导电夹128输入到电感器M400。尽管这种配置需要更长的DC电流路径，与图3中的将整流晶体管直接从次级绕组导体连接到电感器相反，图7的配置提供了感应图9的初级电流路径的次级电流路径，如下面详细解释。底侧的整流晶体管T401、T421、T427、T417、T426、T403、T416、T423连接到另一层的DC节点突起120，比如具有次级绕组导体的最底层(与具有使用铜夹连接到电感器的DC节点突起的层不同的层)，其中该DC节点突出接地。
图9示出了来自图5的PCB堆叠层，其包括叠加有整流晶体管的初级绕组导体100。如图9所示，仅标记了第一组整流晶体管，但应当理解，叠加的整流晶体管也对应于第二组整流晶体管。
在PCB堆叠中，对应层中的初级绕组导体100和次级绕组导体112竖直对齐。初级绕组导体100延伸(初级绕组导体臂102)以更类似于次级绕组导体112(和次级绕组导体臂114、116)的形状，特别地，初级绕组导体100延伸成使得每个整流晶体管在初级绕组导体100上完全竖直对齐，如图9所示。
根据输入AC信号的相位，初级电流以顺时针方向流动，比如图9所示的初级电流101，或者以逆时针方向绕初级绕组导体100流动。初级绕组导体100的宽度是内周边缘与外周边缘之间的距离的量度。初级电流在初级绕组导体的宽度上分布，但根据由次级电流通过次级绕组导体的流动路径形成的磁场线而集中。根据初级电流的方向，次级电流以逆时针方向流动，比如图7所示的次级电流105，或者以顺时针方向绕次级绕组导体112流动，比如图8所示的次级电流107。次级电流与初级电流的流动方向相反。
尽管次级电流分布在次级绕组导体上，但次级电流不是均匀分布的。由于多个整流晶体管位于次级绕组导体上的不同位置，因此次级电流路径被分为多个集中路径，每个路径终止于整流晶体管之一，比如图7所示的四个次级电流路径105或图8所示的四个次级电流路径107。流过次级绕组导体的次级电流产生相应的磁场。根据次级电流的多个集中路径形成磁场线。该磁场继而影响初级电流路径，其也根据磁场被分为多个集中路径。如应用于图5-9所示的结构，流到如图7和8所示的每个整流晶体管的每个次级绕组导体中的次级电流的集中路径产生会影响初级电流的磁场，从而在初级绕组导体中形成互补的集中路径，如图9所示。这样，初级电流路径(如图9所示，其作为集中路径分布在延伸的初级绕组导体上)在整流晶体管的顶侧下方和整流晶体管的底侧上方流动。次级电流路径分布作为集中的次级电流路径，其中每个穿过相应的一个整流晶体管，如图8和9所示。如图4所示，通过初级绕组导体的初级电流路径被分成多个集中路径。图7和8所示的次级电流路径以及图9所示的初级电流路径仅出于示例性目的示出。实际的次级电流路径取决于次级绕组导体的形状和配置以及每个整流晶体管的物理单位和与次级绕组导体的相关互连，并且初级电流路径根据次级绕组路径产生的局部磁场而分布并集中在整个初级绕组导体上。
次级绕组导体和整流晶体管之间的所有连接都发生在初级电流路径的覆盖区内。换句话说，初级绕组导体和次级绕组导体在PCB堆叠中成形并相对于彼此对齐，使得整流晶体管位于与初级绕组导体的一部分竖直对齐的连接到次级绕组导体的位置。这使得包括构成初级电流路径的所有集中路径的初级电流路径与整流晶体管和流过次级绕组导体的次级电流的相应集中路径竖直对齐。
在需要将多个整流晶体管连接到高侧电压轨和将多个整流晶体管连接到低侧电压轨的那些应用中，本文所述的多层变压器结构具有明显的优势。以所示和所述的方式配置初级绕组导体和次级绕组导体以及定位整流晶体管导致通过整流晶体管的更大电流平衡，因为初级电流不再集中在初级绕组导体的外周边缘附近，如图2和3的结构中所示。此外，将整流晶体管在初级绕组导体上竖直对齐使得次级和初级电流路径的集中路径也能够竖直对齐，从而降低了接近效应和相关的涡流损失。
在示例性应用中，以所述的方式对齐初级电流路径和次级电流路径将变压器的AC电阻降低约50％，如图13所示。AC电阻是皮肤效应和接近效应的函数。底部曲线示出了具有类似于图2和3所示结构的常规多层变压器的AC电阻与频率的关系。顶部曲线示出了具有类似于图5-9所示结构的多层变压器的AC电阻和频率的关系。两条曲线之间的间隙表示使用多层变压器结构代替常规结构消除的损耗量。
图14示出了表示效率与功率的曲线图。曲线510和512示出了功率耗散曲线，其是输入功率减去输出功率。特别地，曲线502示出了常规功率转换器电路比如图1-3的功率转换器电路的功率耗散曲线，而曲线500示出了本申请的功率转换器电路比如图4-9的功率转换器电路的功率耗散曲线。曲线500和502以百分比表示输出功率与输入功率之比。特别地，曲线510示出了常规功率转换器电路比如图1-3的功率转换器电路的输出功率与输入功率之比，而曲线512示出了本申请的功率转换器电路比如图4-9的功率转换器电路的输出功率与输入功率之比。
与常规功率转换器电路相比，功率转换器电路的电路示意图相似，但变压器绕组的布局结构和整流晶体管的相对定位改变了。多层变压器结构使得能够将DC电流注入和移出变压器块。通过将连接到整流晶体管的DC节点突起120配置成与初级绕组导体(初级绕组导体臂102)的延伸部分竖直对齐，从而能够做到这一点。由于DC节点突起120承载DC电流，因此在变压器块内存在DC电流，该变压器块是由初级和次级绕组导体构成的竖直堆叠。这种多层变压器结构与通常将整流元件置于PCB堆叠内的多层变压器的竖直覆盖区之外的做法相反。在这种常规配置中，将AC电流注入和移出变压器块，这使DC电流保持在变压器块之外。
DC突起的位置实现了整流晶体管输出的互连路径，同时提供了使所有整流晶体管都定位在AC电流路径中的结构配置，例如整流晶体管与PCB堆叠中的初级绕组导体竖直对齐。由于次级电流流过整流晶体管，因此通过次级绕组导体的次级电流的分布根据整流晶体管的物理定位来确定。继而，通过比如图7和8所示的次级绕组导体的次级电流的分布产生根据次级电流分布的磁场线。将初级绕组导体配置为至少延伸到与整流晶体管竖直对齐确保磁场线感应通过初级绕组导体的初级电流路径的分布，以匹配次级电流路径的分布，比如图6所示，从而使次级电流和初级电流的接近最大，并减少接近效应和相关的涡流损耗。
已经根据结合细节的特定实施例描述了本申请，以促进对多层变压器结构的构造和操作原理的理解。可以互换在各个附图中示出和描述的许多部件以实现必要的结果，并且该描述也应被解读为包括这种互换。因此，本文中对特定实施例及其细节的引用无意于限制所附权利要求的范围。对于本领域技术人员将显而易见的是，在不脱离本申请的精神和范围的情况下，可以对选择用于说明的实施例进行修改。

Claims (13)

1.一种功率转换电路，包括：
a.印刷电路板堆叠，其包括堆叠在一起的多个层；
b.形成在印刷电路板堆叠内的多层变压器，其中，所述多层变压器包括多个初级绕组导体和多个次级绕组导体，每个初级绕组导体形成为印刷电路板堆叠的相应一层，并且每个次级绕组导体形成为印刷电路板堆叠中的相应一个，进一步其中，每个初级绕组导体的覆盖区配置为基本竖直重叠每个次级绕组导体的整个覆盖区；以及
c.多个整流晶体管，每个整流晶体管连接到多个次级绕组导体之一。
2.根据权利要求1所述的功率转换电路，其中，所述多个整流晶体管相对于多个初级绕组导体物理地定位，以与通过所述多层变压器的AC电流路径竖直对齐。
3.根据权利要求2所述的功率转换电路，其中，所述AC电流路径包括通过每个初级绕组导体的初级电流路径。
4.根据权利要求1所述的功率转换电路，其中，所述多层变压器的结构使得能够将DC电流注入和移出变压器块，所述变压器块被定义为由竖直对齐并堆叠的多个初级绕组导体和多个次级绕组导体形成的竖直空间。
5.根据权利要求1所述的功率转换电路，其中，所述多个整流晶体管各自与每个初级绕组导体的覆盖区竖直对齐。
6.根据权利要求1所述的功率转换电路，其中，每个次级绕组导体包括多个次级绕组导体臂。
7.根据权利要求6所述的功率转换电路，其中，每个次级绕组导体包括由次级绕组导体中的不连续断裂而分开的第一次级绕组导体臂和第二次级绕组导体臂。
8.根据权利要求7所述的功率转换电路，其中，包括连接到所述整流晶体管的次级绕组导体的印刷电路板堆叠中的每一层还包括DC节点导体，进一步其中，所述DC节点导体包括延伸到第一次级绕组导体臂和第二次级绕组导体臂之间的不连续断裂中的DC节点突起。
9.根据权利要求8所述的功率转换电路，其中，所述DC节点突起与每个初级绕组导体竖直对齐。
10.根据权利要求8所述的功率转换电路，其中，每个整流晶体管上的一个或多个连接点连接至所述次级绕组导体之一，并且每个整流晶体管上的一个或多个其他连接点连接至在与所连接的次级绕组导体相同的层上的DC节点导体。
11.根据权利要求10所述的功率转换电路，其中，每个整流晶体管上的连接至在与所连接的次级绕组导体相同的层上的DC节点导体的一个或多个其他连接点连接至所述DC节点突起。
12.根据权利要求8所述的功率转换电路，其中，每个整流晶体管物理地跨越所述DC节点突起与所述第一次级绕组导体臂和第二次级绕组导体臂中的一个之间的不连续断裂。
13.一种功率转换电路，包括：
a.印刷电路板堆叠，其包括堆叠在一起的多个层；
b.形成在印刷电路板堆叠内的多层变压器，其中，所述多层变压器包括多个初级绕组导体和与多个初级绕组导体竖直对齐的多个次级绕组导体；以及
c.多个整流晶体管，每个整流晶体管连接到多个次级绕组导体之一，
其中，所述多层变压器的结构使得能够将DC电流注入和移出变压器块，所述变压器块被定义为由竖直对齐并堆叠的多个初级绕组导体和多个次级绕组导体形成的竖直空间。
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