变压器及具有其的功率模块

技术领域

本公开涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种变压器及具有其的功率模块。

背景技术

现有技术中的配电网络开始采用新的技术，即电力电子变压器(PET)来代替工频配电变压器以弥补其种种缺点，实现配电系统的高功率密度、小型化、高效率化、智能化。而在PET中的一个核心的部件是高频高压变压器，它负责高压侧和低压侧的能量转换以及绝缘隔离。

高频高压变压器由于需要负责高低压之间的隔离，所以绝缘是它所需要面对的第一大难题。现有常见的绝缘方法是包覆固体绝缘材料，这个时候往往散热变成了高频高压变压器的瓶颈。

发明内容

本公开的一个主要目的在于克服上述现有技术的至少一种缺陷，提供一种变压器及具有其的功率模块。

根据本发明的第一个方面，提供了一种变压器，包括：

绝缘件，绝缘件包括第一绝缘体、第二绝缘体和基准平面；

高压部，高压部设置在基准平面的第一侧；

低压部，低压部设置在基准平面的第二侧；

其中，第一绝缘体设置在基准平面上，第二绝缘体的至少部分位于高压部周围，且绝缘件形成至少一个风道，风道的至少部分位于高压部在基准平面的法向方向的高度内。

在本发明的一个实施例中，绝缘件上设置有第一导电部，第一导电部位于基准平面的第一侧；其中，第一导电部由半导电材料构成。

在本发明的一个实施例中，第一导电部设置在第一绝缘体和高压部之间。

在本发明的一个实施例中，高压部在基准平面上的投影位于第一导电部之内。

在本发明的一个实施例中，绝缘件上设置有第二导电部，第二导电部位于基准平面的第一侧；其中，第二导电部的导电率小于第一导电部的导电率。

在本发明的一个实施例中，第二导电部沿第一导电部的周向外边缘设置。

在本发明的一个实施例中，第二导电部为半导电材料。

在本发明的一个实施例中，第二导电部为金属材料。

在本发明的一个实施例中，第二导电部的至少部分埋设于第一绝缘体内。

在本发明的一个实施例中，绝缘件上设置有第三导电部，第三导电部位于基准平面的第二侧；其中，第三导电部由半导电材料构成。

在本发明的一个实施例中，绝缘件上设置有第四导电部，第四导电部位于基准平面的第二侧；

其中，第四导电部的导电率小于第三导电部的导电率。

在本发明的一个实施例中，绝缘件包括：

两个相对设置的第二绝缘体，分别连接在第一绝缘体的两端；

其中，第一绝缘体和两个第二绝缘体之间具有风道。

在本发明的一个实施例中，绝缘件还包括第三绝缘体，第三绝缘体与第一绝缘体相对设置，且与两个第二绝缘体均连接；

其中，第一绝缘体、两个第二绝缘体和第三绝缘体之间具有风道。

在本发明的一个实施例中，绝缘件还包括第三绝缘体，第三绝缘体与第一绝缘体以及两个第二绝缘体均连接。

在本发明的一个实施例中，第三绝缘体与第一绝缘体之间具有预设夹角，预设夹角为90°至270°。

在本发明的一个实施例中，高压部为多个，低压部为多个，多个高压部与多个低压部一一相对应地设置。

在本发明的一个实施例中，高压部包括第一磁芯和第一绕组，第一绕组设置在第一磁芯上；低压部包括第二磁芯和第二绕组，第二绕组设置在第二磁芯上。

根据本发明的第二个方面，提供了一种功率模块，包括上述的变压器、高压功率单元以及低压功率单元；

其中，高压功率单元与变压器的高压部电气连接，低压功率单元与变压器的低压部电气连接。

本发明的变压器通过绝缘件实现了高压部和低压部的绝缘设置，且将高压部设置在了风道内实现了对高压部的有效散热。本发明的变压器结构避免了对高压部的完全包覆，即未妨碍其自身的散热能力，且绝缘件具有的风道结构更是通过空气流动及时带走高压部产生的热量。

附图说明

通过结合附图考虑以下对本公开的优选实施方式的详细说明，本公开的各种目标.特征和优点将变得更加显而易见。附图仅为本公开的示范性图解，并非一定是按比例绘制。在附图中，同样的附图标记始终表示相同或类似的部件。其中：

图1是根据第一个示例性实施方式示出的一种变压器的第一个视角的结构示意图；

图2是根据第一个示例性实施方式示出的一种变压器的第二个视角的结构示意图；

图3是根据第二个示例性实施方式示出的一种变压器的第一个视角的结构示意图；

图4是根据第二个示例性实施方式示出的一种变压器的第二个视角的结构示意图；

图5是根据第三个示例性实施方式示出的一种变压器的结构示意图；

图6是根据第三个示例性实施方式示出的一种变压器的剖面结构示意图；

图7是根据第四个示例性实施方式示出的一种变压器的局部放大结构示意图；

图8是根据第五个示例性实施方式示出的一种变压器的第一个视角的结构示意图；

图9是根据第五个示例性实施方式示出的一种变压器的第二个视角的结构示意图；

图10是根据第六个示例性实施方式示出的一种变压器的结构示意图；

图11是根据第六个示例性实施方式示出的一种变压器的剖面结构示意图；

图12是根据第七个示例性实施方式示出的一种变压器的结构示意图；

图13是根据第七个示例性实施方式示出的一种变压器的剖面结构示意图；

图14是根据第八个示例性实施方式示出的一种变压器的结构示意图。

附图标记说明如下：

10、绝缘件；11、第一风道；12、第一绝缘体；13、第二绝缘体；14、第三绝缘体；15、第二风道；16、第四绝缘体；20、高压部；21、第一磁芯；22、第一绕组；30、低压部；31、第二磁芯；32、第二绕组；40、第一导电部；50、第二导电部；60、第三导电部。

具体实施方式

体现本公开特征与优点的典型实施例将在以下的说明中详细叙述。应理解的是本公开能够在不同的实施例上具有各种的变化，其皆不脱离本公开的范围，且其中的说明及附图在本质上是作说明之用，而非用以限制本公开。

在对本公开的不同示例性实施方式的下面描述中，参照附图进行，附图形成本公开的一部分，并且其中以示例方式显示了可实现本公开的多个方面的不同示例性结构.系统和步骤。应理解的是，可以使用部件.结构.示例性装置.系统和步骤的其他特定方案，并且可在不偏离本公开范围的情况下进行结构和功能性修改。而且，虽然本说明书中可使用术语“之上”.“之间”.“之内”等来描述本公开的不同示例性特征和元件，但是这些术语用于本文中仅出于方便，例如根据附图中的示例的方向。本说明书中的任何内容都不应理解为需要结构的特定三维方向才落入本公开的范围内。

本发明的一个实施例提供了一种变压器，请参考图1至图14，变压器包括：绝缘件10，绝缘件10包括第一绝缘体12、第二绝缘体13和基准平面；高压部20，高压部20设置在基准平面的第一侧；低压部30，低压部30设置在基准平面的第二侧；其中，第一绝缘体12设置在基准平面上，第二绝缘体13的至少部分位于高压部20周围，且绝缘件10形成至少一个风道，风道的至少部分位于高压部20在基准平面的法向方向的高度内。

本发明一个实施例的变压器通过绝缘件10实现了高压部20和低压部30的绝缘设置，且将高压部20设置在了风道内实现了对高压部20的有效散热。相对于现有技术中采用的包覆式绝缘方式，本发明一个实施例的变压器避免了对高压部20的完全包覆，即未妨碍其自身的散热能力，且绝缘件10具有的风道结构更是通过空气流动及时带走高压部20产生的热量。

在一个实施例中，绝缘件10包括第一绝缘体12、第二绝缘体13和基准平面，第一绝缘体12设置在基准平面上，高压部20和低压部30分别设置在基准平面的第一侧和第二侧，即高压部20和低压部30分别位于第一绝缘体12的两侧，此时，高压部20和低压部30可以是直接设置在第一绝缘体12上，当然也可以不与第一绝缘体12相接触。

在一个实施例中，风道的至少部分位于高压部20在基准平面的法向方向的高度内，即高压部20位于风道内部。此时，风道可以是一个，即其为第一风道11，第一风道11位于基准平面的第一侧，高压部20位于第一风道11内。风道也可以是两个，如图11或13所示，即两个风道为第一风道11和第二风道15，第一风道11和第二风道15分别位于基准平面的第一侧和第二侧，高压部20位于第一风道11内，低压部30位于第二风道15内。当绝缘件10具有第一风道11和第二风道15时，不仅增加了散热效果，同时增加了沿着绝缘件10表面的爬电距离。

如图1和图2所示，绝缘件10上设置有第一导电部40，第一导电部40位于基准平面的第一侧；其中，第一导电部40由半导电材料构成。

在一个实施例中，由半导电材料制备而成的第一导电部40设置在绝缘件10上，使得高压部20产生的电场更加均匀地分配到绝缘件10上。

在一个实施例中，第一导电部40为屏蔽层，其通过喷涂、电镀、涂敷等方式附着于绝缘件10表面，相互结合无间隙。采用带屏蔽层的绝缘体来满足高压绝缘的需求，使电场更均匀，绕组表面的绝缘厚度可以减薄。

在一个实施例中，高压部20包括第一磁芯21和第一绕组22，第一绕组22设置在第一磁芯21上；低压部30包括第二磁芯31和第二绕组32，第二绕组32设置在第二磁芯31上。第一磁芯21、第一绕组22、第二磁芯31和第二绕组32通过绝缘件10实现电气隔离，第一磁芯21和第一绕组22自身的绝缘仅需要满足绕组匝间电压或层间电压。相较于采取常规高压线圈真空浇注固体绝缘来实现高低压之间的绝缘要求，本实施例中的绕组表面绝缘厚度可以大幅减少，例如减少20倍，由此绝缘材料导致的热阻减少20倍，散热改善。

在一个实施例中，第一导电部40设置在第一绝缘体12和高压部20之间。此设置方式主要是为了保证通过第一导电部40将高压部20产生的电场均匀地分配到第一绝缘体12上。

在一个实施例中，高压部20在基准平面上的投影位于第一导电部40之内。高压部20边缘产生的电场也可以通过位于其边缘的第一导电部40进行均匀分布，从而尽可能提高电场的均匀度，避免局部放电。

如图3至图7所示，绝缘件10上设置有第二导电部50，第二导电部50位于基准平面的第一侧；其中，第二导电部50的导电率小于第一导电部40的导电率。

在一个实施例中，第二导电部50与第一导电部40均位于基准平面的第一侧，在第二导电部50与第一导电部40的共同作用下使高压部20产生的电场均匀地分布。

在一个实施例中，第一导电部40和第二导电部50均设置在第一绝缘体12上，第二导电部50与第一导电部40相接触，且第二导电部50的导电率小于第一导电部40的导电率。

在一个实施例中，第二导电部50沿第一导电部40的周向外边缘设置，从而可以将第一导电部40的周向外边缘积聚的电场进一步均匀，避免了第一导电部40的边缘发生局部放电。

如图3和图4所示，第二导电部50为半导电材料。其通过涂敷或喷涂设置在第一绝缘体12上，且位于第一导电部40的周围。

在一个实施例中，如图3和图4所示，第二导电部50为半导电胶。

在一个实施例中，如图5至图7所示，第二导电部50为金属材料。由金属材料制备而成的第二导电部50位于第一导电部40的周向外边缘，且与第一导电部40相接触，从而可以使得第一导电部40周围边缘的电场可以进一步均匀，也避免了第一导电部40的边缘发生局部放电。

在一个实施例中，由金属材料制备而成的第二导电部50为环状结构，并至少部分埋设于第一绝缘体12内。在一个实施例中，如图7所示，第二导电部50可以直接设置在第一绝缘体12的表面，即其可以不埋设在第一绝缘体12内，只需保证其与第一导电部40的周向边缘接触。

如图11所示，绝缘件10上设置有第三导电部60，第三导电部60位于基准平面的第二侧；其中，第三导电部60由半导电材料构成。

在一个实施例中，第三导电部60位于基准平面的第二侧，将低压部30产生的电场均匀地分配到绝缘件10上。

在一个实施例中，第三导电部60为屏蔽层，其通过喷涂、电镀、涂敷等方式附着于绝缘件10表面，相互结合无间隙。采用带屏蔽层的绝缘体来满足绝缘的需求，使绝缘体和导体的界面结构简单，电场更均匀，绝缘厚度可以减薄。

在一个实施例中，第三导电部60设置在低压部30与第一绝缘体12之间，且低压部30在基准平面上的投影均位于第三导电部60内。

在一个实施例中，第一导电部40位于基准平面的第一侧，第三导电部60位于基准平面的第二侧，高压部20包括第一磁芯21和第一绕组22，第一绕组22设置在第一磁芯21上；低压部30包括第二磁芯31和第二绕组32，第二绕组32设置在第二磁芯31上。第一导电部40和第一磁芯21相接触，第三导电部60和第二磁芯31相接触。第一磁芯21、第一绕组22、第二磁芯31和第二绕组32通过绝缘件10实现电气隔离。

在一个实施例中，绝缘件10上设置有第四导电部，第四导电部位于基准平面的第二侧；其中，第四导电部的导电率小于第三导电部60的导电率。第四导电部与第三导电部60相接触，且位于第三导电部60的周向外边缘，从而可以将第三导电部60的周向外边缘积聚的电场进一步均匀，避免了第三导电部60的边缘发生局部放电。

在一个实施例中，第四导电部为半导电材料或者为金属材料。

在一个实施例中，第四导电部为半导电胶或均压环。其具体设置方式可以参考第二导电部50的设置方式。

针对绝缘件10的具体结构，绝缘件10包括：两个相对设置的第二绝缘体13，分别连接在第一绝缘体12的两端；其中，第一绝缘体12和两个第二绝缘体13之间具有风道。

在一个实施例中，如图1和图2所示，绝缘件10由两个相对设置的第二绝缘体13和一个第一绝缘体12组成，其中，第一绝缘体12和第二绝缘体13均是平板体，高压部20与低压部30分别设置在第一绝缘体12的两侧，而两个相对设置的第二绝缘体13分别设置在第一绝缘体12的两端，即两个相对设置的第二绝缘体13和一个第一绝缘体12围成了一个U型的腔体，此腔体即为第一风道11。当第二绝缘体13的端部与第一绝缘体12相连接时，两个相对设置的第二绝缘体13和一个第一绝缘体12围成了一个风道，即第一风道11，此时高压部20位于第一风道11内。

在一个实施例中，如图11和13所示，第二绝缘体13的中部与第一绝缘体12相连接时，两个相对设置的第二绝缘体13和一个第一绝缘体12围成了两个风道，即第一风道11和第二风道15，此时高压部20位于第一风道11内，低压部30位于第二风道15内。

进一步地，绝缘件10还包括第三绝缘体14，第三绝缘体14与第一绝缘体12相对设置，且与两个第二绝缘体13均连接；其中，第一绝缘体12、两个第二绝缘体13和第三绝缘体14之间具有风道。

在一个实施例中，如图1至图6所示，绝缘件10由两个相对设置的第二绝缘体13、一个第一绝缘体12以及一个第三绝缘体14组成，其中，第一绝缘体12、第二绝缘体13以及第三绝缘体14均是平板体，两个相对设置的第二绝缘体13分别设置在第一绝缘体12的两端，而第三绝缘体14用于连接两个第二绝缘体13，即两个相对设置的第二绝缘体13、一个第一绝缘体12以及一个第三绝缘体14围成了一个两端开口的腔体，此腔体即为第一风道11，高压部20位于第一风道11内。对于第一绝缘体12和第二绝缘体13的连接位置可以是端部也可以是中部，本发明对连接位置和方式不做限定，但需保证至少可以形成第一风道11。

在一个实施例中，如图11和13所示，绝缘件10由两个相对设置的第二绝缘体13、一个第一绝缘体12以及两个第三绝缘体14组成，第一绝缘体12与第二绝缘体13的中部连接，而两个第三绝缘体14分别连接一对第二绝缘体13的两端，此时，两个相对设置的第二绝缘体13、一个第一绝缘体12以及两个第三绝缘体14形成了两个两端开口的腔体，即第一风道11和第二风道15，此时，高压部20位于第一风道11内，低压部30位于第二风道15内。

如图10至图14所示，绝缘件10还包括第三绝缘体14，第三绝缘体14与第一绝缘体12以及两个第二绝缘体13均连接。

在一个实施例中，绝缘件10由两个相对设置的第二绝缘体13、一个第一绝缘体12以及一个第三绝缘体14组成，第一绝缘体12、第二绝缘体13以及第三绝缘体14均是平板体，两个第二绝缘体13以及一个第三绝缘体14分别连接于第一绝缘体12的三个周向边缘处。对于第一绝缘体12与第二绝缘体13以及第三绝缘体14的连接位置可以是端部也可以是中部，即可以形成一个或两个风道，但需保证高压部20所在一侧具有一个风道。

在一个实施例中，如图10至14所示，绝缘件10由两个相对设置的第二绝缘体13、一个第一绝缘体12、一个第三绝缘体14和一个第四绝缘体16(可以和第三绝缘体14结构相似或一样)组成，第一绝缘体12与第二绝缘体13的中部相连接，而第三绝缘体14连接于第一绝缘体12的第一端，相应的第四绝缘体16连接于第一绝缘体12的第二端，此时，绝缘件10内形成了第一风道11和第二风道15，两个风道内的空气流向相反。

在一个实施例中，以第一绝缘体12的第一侧为参考，第三绝缘体14或第四绝缘体16与第一绝缘体12之间具有预设夹角，预设夹角为90°至270°。

如图9和图10所示，第三绝缘体14与第一绝缘体12之间的预设夹角为90°，而第四绝缘体16与第一绝缘体12之间的预设夹角为270°。

如图12至图14所示，第三绝缘体14与第一绝缘体12之间的预设夹角A为钝角，而第四绝缘体16与第一绝缘体12之间的预设夹角B为大于180°小于270°的角度。其中，第三绝缘体14与第一绝缘体12之间的预设夹角A可以是100°、120°、140°或160°。而第四绝缘体16与第一绝缘体12之间的预设夹角B可以是190°、210°、230°或250°。

在一个实施例中，当第三绝缘体14倾斜于第一绝缘体12时，即第三绝缘体14顺着风道空气流通方向倾斜，使散热风道的风阻进一步减小。

在一个实施例中，绝缘件10可以是多个绝缘体分段连接，也可以是一体成型的。

在一个实施例中，如图14所示，高压部20为多个，低压部30为多个，多个高压部20与多个低压部30一一相对应地设置。

在一个实施例中，多个高压部20和多个低压部30可以是连接同一个电路，变压器是并联或串联，也可以各自隔离两个独立的电路，可以根据具体电路应用灵活配置。

在一个实施例中，高压部20包括第一磁芯21和第一绕组22，第一绕组22设置在第一磁芯21上；低压部30包括第二磁芯31和第二绕组32，第二绕组32设置在第二磁芯31上。

本发明的一个实施例还提供了一种功率模块，包括上述的变压器、高压功率单元以及低压功率单元；其中，高压功率单元与变压器的高压部20电气连接，低压功率单元与变压器的低压部30电气连接。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本发明旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和示例实施方式仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。