CN111213215B - 变压器装置、电路装置和用于操作变压器装置的方法 - Google Patents
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Abstract
变压器装置包括磁耦合的初级绕组和次级绕组。变压器装置还包括补偿装置，其被电路化以提供初级绕组的端子与次级绕组的端子之间的链路。补偿装置被配置为使得通过初级绕组和次级绕组的磁通的变化在补偿装置中感应电压。补偿装置包括至少一个耦合电容器，其被配置为阻断DC电流并且使由感应电压引起的电流通过。补偿装置被配置为使用由感应电压引起的电流来至少部分地补偿由初级绕组和次级绕组之间的绕组间电容引起的电流。
Description
技术领域
根据本发明的实施例涉及变压器装置、电路装置和用于操作变压器装置的方法。根据本发明的实施例涉及平面变压器的共模噪声消除。
背景技术
平面变压器用于DC/DC(DC表示直流)功率转换，以提供电平变换、能量传输或电气隔离的目的。在平面变压器中，绕组被实现为铜线以形成必要的绕组。绕组由PCB(印刷电路板)绝缘材料隔开。在操作中，绕组使电压电平交变。初级绕组与次级绕组的接近导致变压器输入和输出之间的电容耦合。这产生AC(AC表示交流)电流，其被视为变压器的初级侧和次级侧之间的共模噪声。共模噪声降低了次级侧供电电路的性能。
因此，期望获得在降低共模噪声、效率和成本之间做出更好的折衷的概念。
发明内容
根据本发明的实施例涉及包括初级绕组和次级绕组的变压器装置。初级绕组和次级绕组是磁耦合的。变压器装置还包括补偿装置。补偿装置被电路化(被电路化也可以理解为被布置或配置)以在初级绕组的端子与次级绕组的端子之间提供链路(例如，这可以是AC链路，或例如DC阻断AC链路)。变压器装置的补偿装置被配置为使得通过初级绕组和次级绕组的磁通的变化在补偿装置中(例如，沿导线)感应电压。补偿装置还包括至少一个耦合电容器(例如，串联连接)，其被配置为阻断DC电流(例如，在初级绕组的端子与次级绕组的端子之间，或者沿链路)并使由感应电压引起的电流(例如，流向次级绕组端子的电流)通过。补偿装置被配置为使用由感应电压引起的电流来至少部分地补偿由初级绕组和次级绕组之间的绕组间电容引起的寄生电流(分别为共模噪声)。
因此，可以在不显著增加组件数量或变压器尺寸的情况下显著降低共模噪声。
该实施例基于如下的构思，使用补偿装置可有效抵消由初级绕组和次级绕组之间的寄生电容耦合引起的共模噪声，该补偿装置在初级绕组的端子和次级绕组的端子之间提供AC链路，并受到通过初级绕组和次级绕组的公共磁通的变化的影响，因为由补偿装置内感应的电压引起并流过耦合电容器的电流可以调谐以抵消由初级绕组和次级绕组之间的寄生耦合引起的电流。因此，流过补偿装置的电流有效地减小了次级侧的共模失真，因为它至少部分地补偿了由初级绕组和次级绕组之间的寄生电容引起的电流。已经发现，在这种补偿装置中引起的电流的相位非常适合于减小共模失真，该补偿装置包括在第一绕组的端子与第二绕组的端子之间延伸的导体和串联耦合电容器。例如，在补偿装置中感应的电压的相位通常与施加到初级绕组的输入电压呈固定(或近似固定)的相位关系，并且串联耦合电容器具有以下效果：当与由初级绕组和次级绕组之间的寄生电容引起的电流相比时，由补偿装置注入到次级绕组的端子中的电流基本上是180度异相的。例如，可以通过适当选择耦合电容器的电容值以良好的精度调节补偿装置注入(或提供)的电流的绝对值(其中，例如，可以将由耦合电容器注入的电流的绝对值设置为与由寄生电容引起的电流之差不超过30％，或不超过20％)。因此，不再需要用于减少共模失真的替代构思，其通常占用空间或对损耗和效率产生负面影响。
相应的变压器装置是基于以下认识的：在变压器的运行中，磁通变化沿补偿装置的导体(例如，可以使用PCB上的铜迹线实现的导线)感应电压。磁通变化与初级绕组(也称为初级绕组集)的电压变化有关。因此，感应的导线电压(例如，在补偿装置中感应的电压)与输入电压变化(或输入电压)确实具有精确的相位和大小关系，而另一方面是绕组间耦合产生共模噪声的原因。导线感应的电压(例如，在补偿装置中感应的电压)作为AC电流经由附加电容器馈送到次级接地侧。换言之，由导线感应的电压引起的AC电流可以作为AC电流经由附加电容器馈送到次级接地侧。如果导线感应的电压的极性(可以由导线延伸的路径确定，并且例如可以取决于导线是在变压器的铁芯的上半部还是下半部中布线的决定，或者例如可以通过设计确定，其中导线按顺时针方向或逆时针方向缠绕)和消除电容器被选择正确，可以通过这些方式(至少部分地)抵消总的共模噪声。
(例如通过补偿装置)获取实际的铁芯磁通变化的好处是，无论变压器在什么负载条件下运行，这都是初级电压变化的精确副本。例如，在补偿装置中感应的电压可以是初级电压的精确(可能成比例的)副本。因此，根据本发明的装置允许使用经由耦合电容器耦合到次级绕组的电流来补偿由寄生电容感应的电流。因此，不再需要最小化初级绕组和次级绕组之间的寄生电容。因此，根据本发明的解决方案优于常规的解决方案。
例如，为了避免电容耦合，在现有技术中指出，在布局设计阶段减小绕组间电容。这可以通过在初级绕组和次级绕组之间增加间距或减小横截面来实现。通常，这会导致可用铁芯体积内的铜利用率降低。这会增加铜迹线电阻，其导致更高的功率损耗(DCR)或需要更大的铁芯尺寸以实现目标功率能力。所提出的发明不需要在布局期间在PCB变压器中增加层间距，也不需要对初级到次级截面进行特殊处理。其允许充分利用可用的变压器铁芯体积。
如果无法通过线圈设计来降低共模噪声，则在相应的电容器添加共模滤波元件(如共模扼流圈)是目前的技术水平。这种方法需要额外的组件，其增加了电路的空间和成本。利用所提出的发明，可以避免或减少外部滤波电路。其允许在首次原型制造后调整实际的共模噪声行为。
总之，应当注意，本发明的变压器装置能够显著降低共模噪声，其中可以放宽初级绕组和次级绕组之间的解耦要求，并且其中变压器装置的布局可以比具有相同效率的现有变压器更小，从而可以降低成本。
在变压器装置的优选实施例中，绕组是平面变压器的一部分。这表示绕组的线圈例如位于一个平面层中或多个平面层中，并且如果变压器是多层变压器，则它包括一个以上的具有线圈的平面层。因此，变压器装置可以非常小。此外，由于在平面电容器中绕组之间的寄生电容耦合通常较大，因此在这种平面电容器中使用补偿装置特别有利。此外，例如，可以在这种平面电容器中以较小的努力来实现补偿装置，例如，使用平面层上的迹线作为补偿装置的导体。
在变压器装置的优选实施例中，初级绕组和/或次级绕组是中心抽头方式的。中心抽头例如可以是沿变压器绕组的中途的点的接触点。但是中心抽头可能不一定在中点，而可能更靠近一端。变压器装置可以具有例如多层初级绕组和/或多层次级绕组。在这种设计中，例如，一半的线圈连接到绕组的第一端子和中心抽头，而其他层中的另一半线圈连接到绕组的第二端子和中心抽头。这具有的优点是，绕组可以仅设置有至少三个端子，这可能有助于驱动变压器的初级绕组或从变压器的次级绕组获得输出电压。具有中心抽头可以使得能够设计对称电路。例如，补偿装置可以在初级绕组的中心抽头和次级绕组的中心抽头之间被电路化，因此可以帮助避免在初级和次级绕组的中心抽头处的电势之间的动态电势移位。
在变压器装置的优选实施例中，中心抽头是基准电势节点。因此，例如，输入电压可以被交替地施加到初级绕组的第一端子和第二端子，这导致磁通方向的变化(例如，不具有相对于输入侧基准电势的不同极性的输入电压)。另外，应当注意，初级侧基准电势和次级侧基准电势可以相对于彼此独立或浮动。因此，补偿装置可以例如通过提供抵消由寄生电容耦合引起的电流的电流来帮助减小初级侧基准电势和次级侧基准电势之间的动态移位。
在变压器装置的优选实施例中，初级绕组和次级绕组具有至少一个具有至少一匝的线圈。初级绕组或次级绕组的绕组例如可以具有一层以上。在这种设计中，绕组例如在每一层中具有一个线圈，并且每个线圈可以具有至少一匝(这表示例如一个360°的曲线，一个360°的螺旋或一个矩形布线)。
在变压器装置的优选实施例中，初级绕组和次级绕组包括布置在多层结构的不同层中的多个线圈，其中形成绕组的不同线圈绕磁通导体延伸。多层结构可以例如包括印刷电路板(PCB)。PCB在这种情况下例如用作绝缘材料或用作绕组线圈的衬底。根据该实施例，绕组的线圈(例如，初级绕组和/或次级绕组)可以彼此上下布置，这导致可以降低成本的较小的变压器装置。此外，补偿装置的导体例如也可以被布置在PCB结构上，并且例如可以至少部分地绕磁通导体延伸。因此，初级绕组和次级绕组以及补偿装置可以以成本有效的方式集成在PCB上，其中磁通导体(例如，磁铁芯)集中磁通(其中，补偿装置被设计为使得在磁通导体中集中的磁通在补偿装置内感应电压)。
在变压器装置的优选实施例中，使用被配置为引导磁通的E铁芯耦合初级绕组和次级绕组。根据该布局，例如，初级绕组和/或次级绕组可以绕E铁芯的中心支脚布置。因此，由初级绕组感应的磁通流经次级绕组并在其中感应电压。该感应的电压导致电流流经次级绕组。E铁芯例如可以是铁氧体磁铁芯。同样，补偿装置可以被布置为使得在补偿装置中感应适当相位或极性的电压。在使用E铁芯的情况下，补偿装置的导线可以例如被布置为通过E铁芯的间隙中的至少一个，其中，导线的实际位置可以确定感应电压的极性和大小。因此，可以有效地使用变压器装置的尺寸，并且可以通过使用E铁芯来实现初级绕组和补偿装置之间的强耦合磁耦合，这有助于获得感应电压的适当相位。
在根据本发明的优选实施例中，由补偿装置提供的链路是变压器装置的初级绕组的端子与次级绕组的端子之间的DC阻断AC链路(DC被理解为直流电流并且AC被理解为交流电流)。由于补偿装置位于磁通中，因此在补偿装置中可以感应出交流电流(响应于感应电压)，其可以从初级绕组的端子流经DC阻断AC链路，流向次级绕组的端子。初级绕组的端子和/或次级绕组的端子可以是中心抽头。因此，在补偿装置中感应的交流电流可以抵消由初级绕组和次级绕组之间的电容耦合引起的寄生电流，并且可以抵消通常由寄生电容引起的次级绕组电势的移位(“共模失真”)。另一方面，通过阻断DC电流，次级绕组可以相对于初级绕组“浮动”，使得连接到次级绕组的电路不受由变压器装置的初级侧确定的固定电势约束。
在根据本发明的优选实施例中，变压器装置的补偿装置包括与电容器串联的导线。补偿装置的原始示例是与电容器串联的导线。根据该实施例，电容器阻断直流电流并且传递(通过)交流电流，其中交流电流可以至少部分地补偿由变压器装置的初级绕组和次级绕组之间的绕组间电容引起的寄生电流。导线可以以非常低的成本实现，并且可以灵活地布置以调节导线中感应的电压。
在根据本发明的实施例中，变压器装置的补偿装置的导线包括至少一半的绕组，所述至少一半的绕组完全位于初级绕组的线圈的垂直于布置线圈的平面的投影中(在初级绕组的轴线方向上)。初级绕组的轴线方向也可以是中心磁通的方向。通过这种设计，同一磁通可以流过变压器装置的初级绕组和次级绕组的所有线圈。利用这种结构，各层之间也没有必要移位。因此，由于使用了变压器线圈的整个表面，因此实现了更高的效率。此外，该结构是节省空间的。
例如，本发明补偿由绕组间布局电容产生的共模电流。这是由与耦合电容器相结合穿过变压器铁芯一半的专用导线实现的。与耦合电容器串联的导线在初级DC端子和次级DC端子之间建立了AC链路。
在根据本发明的实施例中，变压器装置的补偿装置的导线被缠绕为使得通过初级绕组和次级绕组的磁通的变化在导线的两端之间感应出电压。由该电压产生的电流可以至少部分补偿共模噪声。
在根据本发明的优选实施例中，变压器装置的补偿装置的导线被布置为至少部分地包围磁铁芯，在该磁铁芯周围布置有初级绕组和次级绕组。根据该实施例，磁铁芯内的磁通沿布置在磁铁芯周围的导线感应出电压。由感应电压产生的电流例如能够补偿寄生电流。而且，变压器装置非常节省空间，并且在磁通和补偿电路的导线之间具有良好的耦合。
在根据本发明的优选实施例中，变压器装置的补偿装置的导线的绕组的方向被配置为使得由补偿装置中的感应电压引起的电流的极性与由初级绕组和次级绕组之间的绕组间电容引起的电流的极性相反。例如，补偿装置的导线的绕组可以是顺时针方向或逆时针，由此可以实现两种不同的极性。极性定义了由于感应电压而产生的电流是从初级绕组流向次级绕组还是从次级绕组流向初级绕组。通过适当的设计，可以实现良好的补偿效果。
在根据本发明的优选实施例中，变压器装置的补偿装置的电容器具有电容，其被选择为使得由在补偿装置中感应的电压引起并馈送到次级绕组的电流的大小至少为由绕组间电容器引起的电流大小的50％。由于通过补偿装置馈送到次级绕组的电流，可以至少部分地抑制共模噪声。由在补偿装置中感应的电压引起的电流与由绕组间电容器引起的电流相反。因此，可以至少部分地补偿也被称为共模噪声的寄生电流。
在根据本发明的优选实施例中，变压器装置的补偿装置的一侧耦合到初级绕组的基准节点，而补偿装置的另一侧耦合到次级绕组的基准节点。因此，补偿装置在初级绕组和次级绕组之间形成链路。基准节点可以是例如地面。
在根据本发明的优选实施例中，变压器装置的补偿装置的电容器例如定位为使得电容器与次级绕组的基准节点之间的距离小于电容器与初级绕组的基准节点间的距离。因此，可以改善次级侧的解耦。
根据本发明的另一实施例是电路装置，包括作为初级电路的一部分的初级绕组和作为次级电路的一部分的次级绕组。初级绕组和次级绕组磁耦合。该电路装置还包括补偿装置。补偿装置被电路化(也可以理解为被布置或配置)以在初级电路的基准电势节点和次级电路的基准电势节点之间提供AC链路(该链路是有关电地，并且初级绕组也可以理解为初级DC端子，次级绕组也可以理解为次级DC端子。补偿装置被配置为使得通过初级绕组和次级绕组的磁通的变化在补偿装置中(例如，沿导线)感应出电压。该补偿装置还包括至少一个耦合电容器，其被配置为阻断DC电流(在初级绕组和次级绕组之间)并且使由感应电压引起的电流(AC电流)(例如，流向次级电路的基准电势节点的电流)通过。补偿装置被配置为至少部分地补偿由初级绕组和次级绕组之间的绕组间电容引起的(寄生)电流(使用由感应电压引起的电流)。初级绕组也可以理解为初级电路，次级绕组也可以理解为次级电路。该电路提供了对共模失真的良好抑制，因为在补偿装置中感应的电压引起补偿电流，该补偿电流与由寄生电容引起的电流异相。
根据本发明的另一实施例创建了一种用于操作变压器装置的方法。该方法包括工作变压器装置的初级绕组和次级绕组的磁耦合。该方法还包括补偿装置提供初级绕组的端子与次级绕组的端子之间的链路的步骤。在下一步骤中，通过初级绕组和次级绕组的磁通的变化在补偿装置中感应出电压。补偿装置包括至少一个耦合电容器，其阻断DC电流并且使由感应电压引起的电流通过。该方法包括另一步骤，其中，补偿装置部分地补偿由初级绕组和次级绕组之间的绕组间电容引起的电流。
该方法基于与上述变压器装置和/或电路布置相同的考虑。
顺便说一下，该方法可以完成所有特征和功能，关于变压器装置和/或电路装置也描述了这些特征和功能。
附图说明
附图不一定按比例绘制，而是通常将重点放在说明本发明的原理上。在以下描述中，参考以下附图描述了本发明的各种实施例，在附图中：
图1示出了根据本发明的实施例的变压器装置的示意图；
图2示出了根据本发明的另一实施例的变压器装置的示意图；
图3示出了根据本发明的另一实施例的变压器装置的补偿装置的详细视图；
图4示出了根据本发明的另一实施例的变压器装置的详细视图；
图5示出了根据本发明的另一实施例的变压器装置的横截面的示意图；
图6a和图6b示出了根据本发明的另一实施例的具有根据变压器装置的信号的图；
图7是常规的平面变压器的示意图；
图8示出了通过移位迹线来减少重叠的常规示意图。
具体实施例
1)根据图1的变压器装置
图1示出了根据本发明的实施例的变压器装置100的示意图。
变压器装置100优选地(可选地)包括初级绕组110和次级绕组120。初级绕组110和次级绕组120例如是磁耦合的(例如，使用公共磁通130)。变压器装置100还包括补偿装置140，补偿装置140被布置为在初级绕组110的端子112和次级绕组120的端子122之间提供链路(例如，AC链路或DC阻断AC链路)。在初级绕组112的端子(也可称为初级DC端子(DC表示直流))与次级绕组122的端子(也可称为次级DC端子(DC表示直流))之间，存在由补偿装置140提供的电气链路(AC链路)。补偿装置140被配置为使得通过初级绕组110和次级绕组120的磁通130的变化在补偿装置140中(例如沿导线142)感应电压。变压器装置100的补偿装置140包括例如至少一个串联连接的耦合电容器144，耦合电容器144被配置为在初级绕组110的端子112和次级绕组120的端子122之间或者沿链路阻断DC电流，并且使由感应电压引起的电流146(例如，流向次级绕组的端子122的补偿电流146)通过。补偿装置140被配置为使用由感应电压引起的电流146来至少部分地补偿由初级绕组110和次级绕组120之间的绕组间电容152引起的寄生电流150。
因此，可以看到，当寄生电流150可以被补偿(例如，因为用于降低共模失真的其他低效率方式就变得不必要)时，具有补偿装置140的变压器装置100在初级绕组110和次级绕组120之间的能量转移方面可以更有效。根据该实施例，与也可以补偿寄生电流150的常规使用的外部滤波器相比，补偿装置140可以非常小。在利用感应电流146抑制寄生电流150时，变压器装置100也可以比现有技术的状态更精确，因为可以补偿寄生电流150的电流146可以通过适当的设计来精确地调整。
因此，在初级绕组110和次级绕组120之间的耦合中，变压器装置100是非常有效的。变压器装置100还能够降低成本，因为补偿装置140可以被配置得非常小。可选地，变压器装置100可以单独地或组合地补充本文所描述的所有特征和功能。
2)根据图2的变压器装置
图2示出了根据本发明的实施例的变压器装置200的示意图。
变压器装置200包括磁耦合的初级绕组210和次级绕组220。变压器装置200还包括补偿装置230，补偿装置230被配置为在初级绕组的端子212与次级绕组的端子222之间提供链路(AC链路或DC阻断AC链路)。在变压器装置200中，初级绕组212的端子例如是中心抽头，而次级绕组222的端子也是例如中心抽头。根据该实施例，中心抽头212和222分别是初级侧和次级侧的基准电势节点。初级侧的基准电势节点例如可以被视为地面。根据该实施例，初级绕组210包括第一端子214和第二端子216，并且变压器装置200的次级绕组220包括第一端子224和第二端子226。变压器装置200可以例如是DC到DC转换器的一部分。在该情况下，第一端子214可以是推端子(push terminal)，第二端子216可以是挽端子(pullterminal)。根据该实施例，变压器装置200具有初级绕组210，初级绕组210例如可以是对称推挽电路的一部分。初级绕组210的第一端子214和第二端子216交替地接通和关断(耦合到电源电压)，从而使变压器的初级绕组中的电流周期性地反向。变压器装置200的初级绕组210和次级绕组220例如具有至少一个线圈218和228，这些线圈具有至少一匝(在这种情况下，一匝可以是例如360°螺旋或360°曲线或矩形绕线)。根据该实施例的变压器装置200可以例如是多层平面变压器。在该情况下，例如，初级绕组210和次级绕组220各自包括多个线圈218a至218j和228a至228h，这些线圈被布置在多层结构(PCB)的不同层中，其中不同的线圈218a至218j和228a至228h形成绕磁通导体延伸的绕组。换句话说，在附图标记219a处象征性地示出的初级绕组210的第一部分例如实际上由线圈218a-218e的并联电路实现，在附图标记219b处象征性地示出的初级绕组210的第二部分实际上由线圈218f至218j的并联电路实现，在附图标记229a处象征性地示出的次级绕组220的第一部分实际上由线圈228a-228d的并联电路实现，在附图标记229b处象征性地示出的次级绕组220的第二部分实际上由线圈228e至228h的并联电路实现。例如，在并联电路中每个绕组可以实现比该图中所示的更少或更多的线圈。
根据本发明的该实施例，变压器装置200还包括补偿装置230，补偿装置230被配置为使得通过初级绕组210和次级绕组220的磁通的变化在补偿装置230中(例如，沿导线232)感应电压。补偿装置包括例如至少一个(串联连接的)耦合电容器234，耦合电容器234被配置为在初级绕组212的端子与次级绕组222的端子之间或沿链路230阻断DC电流(DC电流表示直流电流)，并使由感应电压引起的电流236(例如，流向次级绕组222的端子的补偿电流236)通过。变压器装置200的补偿装置230例如被配置为使用由感应电压引起的电流236至少部分地补偿由初级绕组210和次级绕组220之间的绕组间电容242引起的寄生电流240。电流236(I补偿)也可以称为补偿电流。补偿装置230例如是(或包括)与电容器234串联的导线232。初级绕组210和次级绕组220例如可以由磁铁芯250耦合。这种铁芯250可以例如是e铁芯(e-core)，其中初级绕组210和次级绕组220缠绕在中心支脚(leg)上。
在下文中，将描述变压器装置200的操作。在初级绕组210和次级绕组220之间可以产生例如寄生绕组间电容242。该绕组间电容242例如组合了初级绕组210的单线圈218a至218j和次级绕组220的单线圈228a至228h之间的所有可能的寄生绕组间电容。由于绕组间电容242，寄生(AC)电流240在初级绕组210和次级绕组220之间流动。寄生电流240也被理解为例如共模噪声，并且可能导致次级绕组的电势发生不希望的偏移。不希望的电势偏移可以例如至少部分地由补偿装置230抑制。耦合电容器234例如可以被选择，使得在补偿装置中产生的补偿电流236(由补偿装置230的导线中的感应电压引起的)的值至少为寄生电流240的50％，并且极性与寄生电流240的极性相反。该补偿电流236可以例如抑制寄生电流240并从而提高变压器装置的效率。另一方面，通过用耦合电容器234阻断DC电流，次级绕组可以相对于初级绕组“浮动(float)”，使得连接到次级绕组的电路不会连接到由变压器装置的初级侧确定的固定电势。
可选地，变压器装置200可以由本文中描述的所有特征和功能单独地或组合地补充。
3)根据图3的变压器装置
图3示出了根据本发明的实施例的变压器装置300的示意图。变压器装置300包括例如初级绕组和次级绕组。初级绕组和次级绕组的线圈被布置在PCB印刷电路板上。在图3中，只能看到多层平面变压器的顶表面310，其是本发明的示例并且示出了绝缘层的表面。初级绕组的线圈具有层间连接(过孔)320a至320c，次级绕组的线圈具有层间连接(过孔)320d至320f。层间连接320a至320f例如是镀覆的通孔。在顶表面310上，例如，布置有补偿装置330。补偿装置330被电路化以在初级绕组的端子340和次级绕组的端子350之间提供链路(AC链路或DC阻断AC链路)。补偿装置被配置为使得例如通过变压器装置300的初级绕组和次级绕组的磁通的变化在补偿装置330中(例如，沿导线332)感应电压。补偿装置330的导线332包括例如至少一半的绕组，其完全(或至少部分地)位于垂直于补偿装置330的初级绕组的延伸方向(x1，y1)的投影中。换言之，补偿装置330的导线332包括例如至少一半的绕组，其完全(或至少部分地)位于初级绕组的线圈的垂直于(在轴线方向上)初级绕组(布置有线圈的平面)的投影中。导线332例如被缠绕，使得通过变压器装置300的初级绕组和次级绕组的磁通的变化在导线332的端部之间感应电压。导线332也可以例如被布置为至少部分地包围磁铁芯360，在磁铁芯360周围布置有初级绕组和次级绕组。补偿装置330的导线332的缠绕方向例如被配置为使得由补偿装置330中的感应电压引起的电流334的极性与由初级绕组和次级绕组之间的绕组间电容引起的电流的极性相反。极性可以例如随着导线的半圈绕组的方向而改变。在图3中，导线332例如是逆时针布置的(导线332位于变压器铁芯的下半部中)。例如，当导线的半圈绕组被顺时针方向布置时(导线332位于变压器铁芯的上半部)，可以实现不同的极性。补偿装置330例如是与电容器336串联的导线332。补偿装置330的电容器336具有例如以下电容：被选择为使得由补偿装置330中感应的电压引起的并被馈送到次级绕组的电流334的大小至少是由绕组间电容器引起的电流大小的50％。补偿装置330的一侧例如耦合到初级绕组的基准节点340，并且补偿装置330的另一侧耦合到次级绕组的基准节点350。补偿装置330的电容器336例如被定位为使得电容器336与次级绕组的基准节点350之间的距离小于电容器336与初级绕组的基准节点340之间的距离。
在下文中，将描述示例几何图形。这里假设(变压器装置300的)平面变压器例如使用E铁芯。相应地，印刷电路板例如包括用于E铁芯的支脚的三个矩形凹口312a、312b和312c，它们彼此并排布置，印刷电路板的部分314a和314b位于其间。印刷电路板的第一部分314a(在E铁芯的第一支脚(第一凹口312a)和E铁芯的第二支脚(中央支脚，第二凹口312b)之间)从印刷电路板的初级侧(或通常第一侧)(从变压器的角度来看)延伸到印刷电路板的次级侧(或通常第二侧)(从变压器的角度来看)。类似地，印刷电路板的第二部分314b(在E铁芯的第二支脚(中心支脚，第二凹口312b)与E铁芯的第三支脚(第三凹口312c)之间)从印刷电路板的初级侧延伸到印刷电路板的次级侧。
初级绕组的端子(例如，端子340)被布置在印刷电路板的初级侧上。次级绕组的端子(例如，端子350)被布置在印刷电路板的次级侧上。
导线332从布置在印刷电路板的初级侧上邻近于第一支脚(或邻近于第一支脚的凹口312a)的初级绕组的端子340延伸到布置在印刷电路板的次级侧上邻近于第三支脚(或邻近于第三支脚的凹口312c)的次级绕组的端子350。导线332在印刷电路板的初级侧上从初级绕组的端子340朝向pcb的弯曲点延伸，该弯曲点位于初级侧上邻近于pcb的第二部分314b。在弯曲点之后，导线332经由pcb的第二部分314b朝向印刷电路板的次级侧延伸。在pcb的次级侧，导线332经由片状电容器336耦合到次级绕组的端子350。因此，导线332至少近似地包括L形，因此至少近似地对应于矩形绕组的一半。
可以使用专用的(优选地，绝缘的)导线来实现导线332，或者替代地，使用在pcb上构造的导线迹线(trace)来实现导线332。
绕组或线圈例如被布置为围绕中央凹口312b(其是E铁芯的中央支脚)，优选地被布置在多层pcb的内层上。
可选地，变压器装置300可以由本文中描述的所有特征和功能单独地或组合地补充。
可选地，耦合电容器336可以被布置在pcb的初级侧上，或者甚至布置在pcb的第一部分314a上或在pcb的第二部分314b上。
此外，可选地，导线332可以围绕中央凹口312b(切口)缠绕一次或多次，这将增加导线332中的感应电压。
此外，导线332也可以沿第一部分314a布线，这将改变导线332中感应的电压的符号。
自然地，也可以使用其他类型的铁芯。
4)根据图4的变压器装置
图4示出了根据本发明实施例的具有被配置为引导磁通的E铁芯410的变压器装置400的示意图。
变压器装置400表示具有如图3所示的在切口(cutoff)处实现的E铁芯的图3的变压器装置300。
E铁芯410通过紧固件412被附接到平面多层变压器。E铁芯410增加了变压器装置400的初级绕组与次级绕组之间的耦合。变压器装置400的初级绕组和次级绕组被布置为围绕E铁芯410的中心支脚，并且例如由布置在PCB(印刷电路板)上的线圈形成。变压器装置400还包括补偿装置420，补偿装置420包括例如至少延伸通过E铁芯410的中心支脚与其他支脚之一之间的间隔(或间隙)的导线422。补偿装置420建立到初级绕组的连接430和到次级绕组的连接440。这些连接430和440例如被布置为邻近于E铁芯410的相对侧(例如，在pcb的初级侧或第一侧上以及在pcb的次级侧或第二侧上)。变压器装置400的补偿装置420包括例如PCB上的单导线迹线422(非缠绕)和至少一个电容器424。
可选地，变压器装置400可以单独地或组合地补充本文所描述的所有特征和功能。
5)根据图5的变压器装置
图5示出了根据本发明的实施例的变压器装置500的示意图(透视图)。变压器装置500包括例如磁耦合530的初级绕组510a和510b以及次级绕组520a和520b。变压器装置500例如是具有隔离层560a至560e的平面多层变压器，隔离层560a至560e被布置在pcb的导电层510a、510b、520a和520b之间(导电PCB层510a、510b、520a和520b(每个)包括具有至少一匝的线圈)。初级绕组510a和510b具有中心抽头512，次级绕组520a和520b具有例如中心抽头522。中心抽头512和522可以例如是初级侧和次级侧的基准电势节点。初级绕组510a和510b还具有初级绕组的第一端子514和初级绕组的第二端子516。次级绕组520a和520b还具有例如次级绕组524的第一端子和次级绕组526的第二端子。根据该实施例的变压器装置500还包括补偿装置540，补偿装置540被布置为在初级绕组512的端子与次级绕组522的端子之间提供链路。补偿装置540例如被配置为使得通过初级绕组和次级绕组的磁通530的变化在补偿装置540中(例如，沿导线542)感应电压。补偿装置540还包括例如至少一个(串联连接的)耦合电容器544，耦合电容器544被配置为阻断初级绕组512的端子与次级绕组522的端子之间的DC电流，并使由感应电压(例如，补偿电流546流向次级绕组522的端子)引起的电流546通过。补偿装置还可以例如被配置为使用感应电压引起的电流546至少部分地补偿寄生电流550，寄生电流550由初级绕组510a和510b与次级绕组520a和520b之间的绕组间电容552引起。初级绕组510a和510b与次级绕组520a和520b例如由磁性E铁芯570耦合并且缠绕E铁芯的中心支脚。E铁芯例如可以是铁氧体铁芯。
可选地，变压器装置500可以单独地或组合地补充本文中所描述的所有特征和功能。
6)根据图6a和6b的共模噪声
图6a和6b示出了相似变压器装置的共模噪声信号。图6a和6b两者在横坐标上示出时间，在纵坐标上示出以mV为单位的电压(例如，纵坐标是在50欧姆的电阻下初级侧的基准电势与次级侧的基准电势之间的电势差)。在图6a中，在没有补偿装置的情况下，记录共模噪声信，而在图6b中，在具有补偿装置的情况下，记录共模噪声。补偿装置也可以被称为消除电路。在图6a中，在50Ω(欧姆)的电阻下可以测量122mVpkpk(mV峰到峰)的平均电压610。根据该数据，可以计算出2.44mApkpk(mA峰到峰)的寄生电流。该寄生电流也被理解为共模噪声。在图6b中，在50Ω的电阻下记录15mVpkpk的平均电压620。利用此数据，可以计算出0.30mApkpk的寄生电流。该计算出的数据表明(有效)共模噪声随补偿装置而降低。这表示由于补偿装置带来了八倍的改进。
因此，可以看出，根据本发明的变压器装置明显优于常规的解决方案。
7)根据图7的平面变压器
图7示出了如维基百科(Wikipedia)中所示的常规平面变压器的示意图。平面变压器由PCB(可印刷电路板)710组成。在PCB上的绕组712具有第一端子714和第二端子716。还示出了E铁芯720和I铁芯730以及两个夹具740a和740b。
这样的布置可以用在根据本发明的实施例中，由本文描述的补偿装置补充。
8)根据图8的平面迹线的重叠
图8示出了通过移动迹线来减少重叠的概念，摘自于http://eprints.qut.edu.au/43466/1/Neda_Shahabi_Ghahfarokhi_Thesis.pdf。在图8a中，可以看到两个非移位的平面迹线之间的有效公共表面积。在图8b中，可以看到两个移位的平面迹线之间的有效公共表面积。
该概念可以用在常规的方法中以减小寄生电容，但是该概念也增加了面积(成本)和/或增加了损耗。即使在根据本发明的实施例中可以使用使相邻的平面迹线移位的概念，但这是不必要的，因为补偿装置有助于补偿寄生电容的有害影响。
9.结论
在下文中，将描述根据本发明的一些概念。在此，应注意的是，本部分中描述的概念可以单独使用，也可以与关于其他实施例描述的特征和功能以及权利要求中描述的特征和功能结合使用。
此外，可选地，本部分中描述的特征、功能和细节可以独立地或组合地添加到其他部分或权利要求中描述的实施例。
在下文中，将描述由本发明的实施例所解决的问题。
例如，本发明的实施例不需要在PCB变压器中增加层间距，也不需要在布局期间对初级到次级横截面进行特殊处理。实施例允许充分利用可用的变压器铁芯体积。可以避免或减少外部滤波电路。实施例允许在第一次原型制造之后调整实际的共模噪声表现。
在下文中，将提供根据本发明的实施例的构造和操作的描述。
实施例补偿由绕组间布局电容产生的共模电流。这是由穿过变压器铁芯的一半而布线的专用导线与耦合电容器结合实现的，例如如表示FVI LP1共模消除原理的图2所示。
与耦合电容器串联的该导线在初级DC端子和次级DC端子之间建立AC链路。
例如，图3示出了共模消除导线的物理布线，图4示出了由铁氧体磁铁芯包围的消除导线。
例如，在变压器的AC工作期间，磁通变化沿半圈绕组感应电压。磁通变化与初级绕组集的电压变化有关。因此，例如，感应的导线电压与输入电压变化之间确实具有明确的相位和大小关系，而另一方面这是绕组间耦合产生共模噪声的原因。导线感应电压通过附加电容器而作为AC电流被馈送到次级接地侧。如果正确选择极性(铁芯上半部或下半部中的导线)和消除电容器，则通过这种方式消除总的共模噪声。
获得实际芯磁通变化的好处是，无论变压器在何种负载条件下工作，这是初级电压变化的精确副本。
作为示例，请参见FVI-16实现和结果：
·初始共模噪声为122mVpkpk/50Ohm＝2.44mApkpk
·在具有导线和1.6nF的情况下，约为15mVpkpk/50Ohm＝0.30mApkpk
这表示改善了8倍！
例如，图6a示出了没有消除电路的FVI-16示例共模噪声，图6b示出了具有消除电路的FVI-16示例共模噪声。
总之，可以看出，根据本发明的变压器装置明显优于常规解决方案。
Claims (17)
1.一种变压器装置(100；200；300；400；500)，包括：
初级绕组(110；210，219a，219b；510a，510b)和次级绕组(120；220，229a，229b；520a，520b)，其中，所述初级绕组(110；210，219a，219b；510a，510b)和所述次级绕组(120；220，229a，229b；520a，520b)磁耦合(130；360；530)；
补偿装置(140；230；330；420；540)，其中，所述补偿装置(140；230；330；420；540)被电路化以提供所述初级绕组(110；210，219a，219b；510a，510b)的端子(112；212；340；430；512)与所述次级绕组(120；220，229a，229b；520a，520b)的端子(122；222；350；440；522)之间的链路；以及
导线(142；232；332；422；542)，与电容器(144；234；336；424；544)串联；
其中，所述补偿装置(140；230；330；420；540)被配置为使得通过所述初级绕组(110；210，219a，219b；510a，510b)和所述次级绕组(120；220，229a，229b；520a，520b)的磁通(130；360；530)的变化在所述补偿装置(140；230；330；420；540)中感应出电压；并且
其中，所述补偿装置(140；230；330；420；540)包括至少一个耦合电容器(144；234；336；424；544)，所述至少一个耦合电容器(144；234；336；424；544)被配置为阻断直流电流并且使由所感应的电压引起的电流(146；236；334；546)通过；
其中，所述补偿装置(140；230；330；420；540)被配置为至少部分地补偿由所述初级绕组(110；210，219a，219b；510a，510b)与所述次级绕组(120；220，229a，229b；520a，520b)之间的绕组间电容(152；242；552)引起的电流(150；240；550)；并且
其中，所述导线(142；232；332；422；542)被缠绕使得通过所述初级绕组(110；210，219a，219b；510a，510b)和所述次级绕组(120；220，229a，229b；520a，520b)的磁通(130；360；530)的变化在所述导线(142；232；332；422；542)的两端之间感应出电压。
2.根据权利要求1所述的变压器装置(100；200；300；400；500)，其中，所述绕组是平面变压器的一部分。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的变压器装置(100；200；300；400；500)，其中，所述初级绕组(110；210，219a，219b；510a，510b)和/或所述次级绕组(120；220，229a，229b；520a，520b)是中心抽头(212；222；340；350；430；440；512；522)方式的。
4.根据权利要求3所述的变压器装置(100；200；300；400；500)，其中，所述中心抽头(212；222；340；350；430；440；512；522)是基准电势节点。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的变压器装置(100；200；300；400；500)，其中，所述初级绕组(110；210，219a，219b；510a，510b)和所述次级绕组(120；220，229a，229b；520a，520b)具有至少一个线圈(218，218a-218j；228，228a-228h)，所述至少一个线圈(218，218a-218j；228，228a-228h)具有至少一匝。
6.根据权利要求5所述的变压器装置(100；200；300；400；500)，其中，所述初级绕组(110；210，219a，219b；510a，510b)和所述次级绕组(120；220，229a，229b；520a，520b)包括被布置在多层结构的不同层中的多个线圈(218，218a-218j；228，228a-228h)，其中，不同的线圈(218，218a-218j；228，228a-228h)形成围绕磁通导体(130；250；360；410；530，570)延伸的绕组。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的变压器装置(100；200；300；400；500)，其中，所述初级绕组(110；210，219a，219b；510a，510b)和所述次级绕组(120；220，229a，229b；520a，520b)是使用E铁芯(250；410；570)耦合的，所述E铁芯(250；410；570)被配置为引导所述磁通(130；360；530)。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的变压器装置(100；200；300；400；500)，其中，由所述补偿装置(140；230；330；420；540)提供的链路是所述初级绕组(110；210，219a，219b；510a，510b)的端子(112；212；340；430；512)与所述次级绕组(120；220，229a，229b；520a，520b)的端子(122；222；350；440；522)之间的DC阻断AC链路。
9.根据权利要求1所述的变压器装置(100；200；300；400；500)，其中，所述补偿装置(140；230；330；420；540)的导线(142；232；332；422；542)包括至少一半的绕组，所述至少一半的绕组完全位于所述初级绕组(110；210，219a，219b；510a，510b)的线圈(218，218a-218j)的、垂直于布置有线圈(218，218a-218j)的平面的投影中。
10.根据权利要求9所述的变压器装置(100；200；300；400；500)，其中，所述导线(142；232；332；422；542)被布置为至少部分地包围磁铁芯(130；250；360；410；530，570)，所述初级绕组(110；210，219a，219b；510a，510b)和所述次级绕组(120；220，229a，229b；520a，520b)被布置为围绕所述磁铁芯(130；250；360；410；530，570)。
11.根据权利要求9所述的变压器装置(100；200；300；400；500)，其中，所述补偿装置(140；230；330；420；540)的导线(142；232；332；422；542)的绕组方向被配置为使得由所述补偿装置(140；230；330；420；540)中感应的电压引起的电流(146；236；334；546)的极性与由所述初级绕组(110；210，219a，219b；510a，510b)和所述次级绕组(120；220，229a，229b；520a，520b)之间的绕组间电容(152；242；552)引起的电流(150；240；550)的极性相反。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的变压器装置(100；200；300；400；500)，其中，所述补偿装置(140；230；330；420；540)的所述电容器(144；234；336；424；544)具有以下电容：该电容被选择为使得由所述补偿装置(140；230；330；420；540)中感应的电压引起并馈送到所述次级绕组(120；220，229a，229b；520a，520b)的电流(146；236；334；546)的大小至少是由所述绕组间电容器(152；242；552)引起的电流(150；240；550)的大小的50％。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的变压器装置(100；200；300；400；500)，其中，所述补偿装置(140；230；330；420；540)的一侧耦合到所述初级绕组(110；210，219a，219b；510a，510b)的端子(112；212；340；430；512)，并且其中，所述补偿装置(140；230；330；420；540)的另一侧耦合到所述次级绕组(120；220，229a，229b；520a，520b)的端子(122；222；350；440；522)。
14.根据权利要求13所述的变压器装置(100；200；300；400；500)，其中，所述补偿装置(140；230；330；420；540)的所述电容器(144；234；336；424；544)被定位为使得所述电容器(144；234；336；424；544)与所述次级绕组(120；220，229a，229b；520a，520b)的端子(122；222；350；440；522)之间的距离小于所述电容器(144；234；336；424；544)与所述初级绕组(110；210，219a，219b；510a，510b)的端子(112；212；340；430；512)之间的距离。
15.根据权利要求1至14中任一项所述的变压器装置(100；200；300；400；500)，其中，所述初级绕组(110；210，219a，219b；510a，510b)和所述次级绕组(120；220，229a，229b；520a，520b)被布置为围绕E铁芯(250；410；570)的中心支脚(312b)并且由布置在印刷电路板上的线圈(218，218a-218j；228，228a-228h)形成，所述补偿装置(140；230；330；420；540)包括导线(142；232；332；422；542)，所述导线(142；232；332；422；542)至少延伸通过所述中心支脚(312b)与其他支脚(312a，312c)中的一个支脚之间的间距，所述补偿装置(140；230；330；420；540)与所述初级绕组(110；210，219a，219b；510a，510b)的连接以及所述补偿装置(140；230；330；420；540)与所述次级绕组(120；220，229a，229b；520a，520b)的连接被布置为邻近于所述E铁芯(250；410；570)的相对侧，并且所述补偿装置(140；230；330；420；540)包括在具有至少一个电容器(144；234；336；424；544)的印刷电路板上的单导线(142；232；332；422；542)迹线。
16.一种电路装置(100；200；300；400；500)，包括：
初级绕组(110；210，219a，219b；510a，510b)，所述初级绕组(110；210，219a，219b；510a，510b)是初级电路的一部分；以及
次级绕组(120；220，229a，229b；520a，520b)，所述次级绕组(120；220，229a，229b；520a，520b)是次级电路的一部分，
其中，所述初级绕组(110；210，219a，219b；510a，510b)和所述次级绕组(120；220，229a，229b；520a，520b)磁耦合(130；360；530)；
补偿装置(140；230；330；420；540)，以及
导线(142；232；332；422；542)，与电容器(144；234；336；424；544)串联；
其中，所述补偿装置(140；230；330；420；540)被电路化以提供所述初级电路的基准电势节点(112；212；340；430；512)与所述次级电路的基准电势节点(122；222；350；440；522)之间的链路，
其中，所述补偿装置(140；230；330；420；540)被配置为使得通过所述初级绕组(110；210，219a，219b；510a，510b)和所述次级绕组(120；220，229a，229b；520a，520b)的磁通(130；360；530)的变化在所述补偿装置(140；230；330；420；540)中感应出电压，
其中，所述补偿装置(140；230；330；420；540)包括至少一个耦合电容器(144；234；336；424；544)，所述至少一个耦合电容器(144；234；336；424；544)被配置为阻断DC电流并使由所感应的电压引起的电流(146；236；334；546)通过，
其中，所述补偿装置(140；230；330；420；540)被配置为至少部分地补偿由所述初级绕组(110；210，219a，219b；510a，510b)和所述次级绕组(120；220，229a，229b；520a，520b)之间的绕组间电容(152；242；552)引起的电流(150；240；550)，并且
其中，所述导线(142；232；332；422；542)被缠绕使得通过所述初级绕组(110；210，219a，219b；510a，510b)和所述次级绕组(120；220，229a，229b；520a，520b)的磁通(130；360；530)的变化在所述导线(142；232；332；422；542)的两端之间感应出电压。
17.一种用于操作变压器装置(100；200；300；400；500)的方法，
其中，初级绕组(110；210，219a，219b；510a，510b)和次级绕组(120；220，229a，229b；520a，520b)磁耦合(130；360；530)；并且
其中，补偿装置(140；230；330；420；540)提供所述初级绕组(110；210，219a，219b；510a，510b)的端子(112；212；340；430；512)与所述次级绕组(120；220，229a，229b；520a，520b)的端子(122；222；350；440；522)之间的链路，
其中，通过所述初级绕组(110；210，219a，219b；510a，510b)和所述次级绕组(120；220，229a，229b；520a，520b)的磁通(130；360；530)的变化在所述补偿装置(140；230；330；420；540)中感应出电压，
其中，所述补偿装置(140；230；330；420；540)包括至少一个耦合电容器(144；234；336；424；544)，所述至少一个耦合电容器(144；234；336；424；544)阻断DC电流并使由所感应的电压引起的电流(146；236；334；546)通过，
其中，所述补偿装置(140；230；330；420；540)部分地补偿由所述初级绕组(110；210，219a，219b；510a，510b)和所述次级绕组(120；220，229a，229b；520a，520b)之间的绕组间电容(152；242；552)引起的电流(150；240；550)，并且
其中，导线(142；232；332；422；542)与所述电容器(144；234；336；424；544)串联，所述导线(142；232；332；422；542)被缠绕使得通过所述初级绕组(110；210，219a，219b；510a，510b)和所述次级绕组(120；220，229a，229b；520a，520b)的磁通(130；360；530)的变化在所述导线(142；232；332；422；542)的两端之间感应出电压。
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