CN102844825B - 构成平面变压器和母线的装置 - Google Patents

Abstract

平面变压器的初级和/或次级线圈（104）与层压的母线集成在一起作为单个部件。线圈（104）被形成在至少一个母线导体（112）中，并且当电连接时，母线线圈（104）作为变压器的初级和/或次级电路的一部分。一个或更多个线圈引线框（144）被嵌入到层压的堆中，并且当电连接时，分别形成变压器的初级和/或次级电路。绝缘材料线圈（120）也被嵌入到层压的堆内。E形铁氧体芯（208）的中心腿（204）通过母线线圈（104）、线圈引线框（144）以及绝缘材料线圈（120）中的每个的中心开口。E形芯（208）位于与I形芯或E形芯（216）相邻（即通过开口）或接近。

Description

构成平面变压器和母线的装置

背景技术

在此公开的主题涉及平面变压器和母线，并且更具体地，涉及集成在一起作为单个部件的平面变压器和母线，用于例如在相对高的电力分配和电力转换设备应用中使用。

平面变压器和平面电感器通常各自包括多个平行的和/或交错的铜导体，所述铜导体被绝缘层隔离，被布置在堆中，并被芯包围。平面变压器通常具有一个或更多个串联连接的线圈的两个分离的串列(string)，一个串列是初级电路，另一串列是次级电路，其中每个电路的线圈通常彼此交错。绝缘层可以与初级电路和次级电路的每个线圈交错。平面电感器通常只具有一个或更多个串联连接的线圈中的一个串列。这些设备用在诸如相对低功率的DC-DC转换器和电源转换设备的应用中、以及在较低程度上的高功率应用中。平面变压器和电感器在尺寸上与常见的绕线版本相比相对紧凑，并且这些平面设备可被设计成具有相对较高的效率和增强的热管理。

可以使用传统的层压印刷电路板(printed circuit board“PCB”)技术制造平面变压器，并且甚至可以被嵌入到PCB本身内。然而，在1.5kW或更大的功率范围中，或当电流超过100A时，针对平面变压器使用传统的PCB技术的能力处于其极限、或超出该能力。相对高的电流需要相对厚的铜导体(例如，0.2mm直至0.8mm或更厚)，这超出了典型的PCB制造工艺的能力。PCB制造工艺的问题之一是蚀刻处理，在蚀刻处理中，随着铜厚度的增加，电路的边缘变得越来越不清晰(即，“模糊”)。此外，处理时间随着铜层厚度的增加而显著地增加。诸如电解镀铜以增加铜厚度的替选处理是相对昂贵的，并且随着厚度的增加，导体表面的平面性变得更成问题。

另一方面，层压母线适合于传导高频交流电流的电路。母线通常包括多个平行和/或交错的铜导体的堆，所述铜导体被绝缘层分开。在母线中使用的相对高的电流需要具有相对厚的铜规格的导体，从而减少电阻和过度发热。形成导体路径的优选方法是例如像冲孔，水冲法，激光切割，铣削等的机械处理，来替代化学蚀刻。

母线电路可以具有相互平行定位的平坦的导体，在不同层之间具有相对小的距离并且导体层被绝缘材料层分隔以形成堆。具有或不具有预先或在处理期间涂敷的粘合剂涂层的绝缘材料通常被定位在导体之间，并且使用热和压力在层压过程中将堆中的所有层压在一起，产生固体母线电路。由于铜的相对好的导热率，母线也具有相对好的散热能力。母线的暴露表面也使得母线相对容易冷却。

在使用电力存储设备(如电池，超级电容器等)的地方，发现相对高功率的DC-DC转换器被越来越多地使用。其他典型的高功率DC-DC转换器应用包括混合电动车辆、军用设备、航空电子设备，风车节距控制以及与产生直流电压的可再生能源(如太阳能)有关的新兴应用。

已知当母线被用在相对高功率DC-DC转换器(通常大于1.5kW)时，平面变压器以及最常见的电感器是分离的部件。平面变压器、母线和电感器通常在DC-DC转换器的AC(交流)部分内。其他应用可以在整流器中。通常借助于螺杆和螺栓(以及根据需要的鼓状物(drum))或通过钎焊或其他连接方法将变压器的次级电路安装到母线上。针对额外的连接损失，在平面变压器和母线之间的通常单一互连位置可以被接地，从而由于全部电流被集中在单一连接位置的一侧而在该单一连接位置处产生不期望的热点或局部发热。

随着功率密度增加，平面变压器中的温度趋向于增加，其结果是会需要被动或主动冷却。通常通过铁氧体芯(或其它合适的芯材料)进行平面设备的导电、对流或液体冷却，其中，芯被连接到冷却板、散热片或其他冷却设备或系统。

需要将平面变压器和母线集成在一起，以形成用于在相对高功率的电力分配和转换设备的应用中使用的单个一体部件，其中，将平面变压器与母线集成会在变压器和母线之间产生相对更均衡的连接，从而改进了变压器和母线之间的电流的流动，并且减少了互连损失和电流热点。

发明内容

根据本发明的一个方面的实施例，相对高功率的平面变压器的初级线圈和次级线圈的一个或两者与层压的母线集成在一起，从而将平面变压器和母线结合在一起作为单个一体部件。线圈被切掉或否则在至少一个母线导体中被形成，并且当电连接时，母线线圈作为平面变压器的初级和/或次级电路的一部分。一个或更多个线圈引线框被嵌入在层压的变压器/母线堆中，并且当电连接时，分别形成平面变压器的初级电路和/或次级电路。绝缘材料线圈也嵌入到层压的变压器/母线堆内。E形铁氧体磁芯的中心腿穿过母线线圈、线圈引线框和绝缘材料线圈中的每个的开口。E形芯位于与I形芯或E形芯相邻(即通过开口)或接近。

根据结合附图进行的以下说明，这些和其它优点和特征将变得更加明显。

附图说明

在说明书的结尾处的权利要求中特别指出并清楚地要求保护被认为是本发明的主题。根据结合附图进行的以下详细描述，本发明的前述和其他特征和优点是明显的，在附图中：

图1是根据本发明的实施例的与母线部分集成以形成单个一体部件的平面变压器部分的分解视图；以及

图2是以组装形式与根据图1的实施例的母线集成的平面变压器的等距视图。

参照附图，通过示例，具体实施方式部分说明了本发明的实施例以及优点和特征。

具体实施方式

参照图1，以分解的形式示出了根据本发明的实施例的与母线部分集成在一起以形成单个统一部件100的平面变压器部分。所得到的集成的平面变压器和母线部件100可以是电力分配或电力转换设备(诸如DC-DC转换器)或在相对高功率(>1.5kW)和/或高电流(>100A)的应用中利用平面变压器和母线的其他类型设备的一部分。

在典型的变压器中，需要两个盘绕电路，即初级电路和次级电路。每个电路通常包括串联连接的线圈的串列。在盘绕电路所位于的位置周围还设置了通常是磁性的芯。本发明的实施例包括作为母线电路的一体部件的初级和/或次级盘绕电路中的至少一个。在图1和2中示出的集成部件100的实施例中，只有次级电路被形成为母线电路的一部分。然而，应当理解，基于本文的教导内容，根据本发明的另外的实施例，当形成集成部件100时，平面变压器的初级电路和次级电路都可被形成为母线电路的一部分。此外，在本发明的其他实施例中，如在此详细描述且示出的，被形成为母线电路的一部分的平面变压器的次级电路反而可包括电感器；即，单个线圈设备。

在图1中，包括变压器次级电路的母线线圈104、108可以被机械一体地形成为与相应的母线导体112、116邻接或连接。图1示出了两个次级母线线圈104、108和相应的母线导体112、116，尽管可以利用任意数量的变压器次级线圈104、108和相应的母线导体112、116。线圈104、108和母线导体112、116的形状可以是平面的，并且它们可以包括铜或其他合适的导电材料。线圈104、108的所得到的中心开口形状均可以通过例如切割相应的母线导体112、116或通过其它合适的方法而形成。此外，每个母线线圈104、108可以不是连续的线圈，反而可以具有不与线圈104、108或相应的母线导体112、116的其余部分连接的端点或开口。此外，母线线圈104、108可以处于包括线圈104、108的串联连接的串列中。线圈104、108和母线导体112、116可以均被制作为一块铜、或通过例如本领域中已知的钎焊、焊接、铜焊等而连接的分离的部件。另外，线圈104、108中的每个可以包括至少一个绕组，因此，在一些实施例中，每个线圈104、108可包括多个绕组。

通过与相应的母线绝缘体132、136、140集成在一起的线圈绝缘体120、124、128将线圈104、108和母线导体112、116彼此电绝缘(并且与初级电路线圈电绝缘)。绝缘体120-140可以包括具有粘接涂层或不具有粘接涂层的任何适合的绝缘材料。通常母线线圈104、108和母线导体112、116可以与绝缘体120-140绝缘，绝缘体120-140可以包括UL-94V-0阻燃剂介电膜，诸如聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯和聚氟乙烯。在要求耐高温的应用中，也可使用聚酰亚胺、聚醚醚酮、聚芳醚酮和聚苯硫醚。介电膜在一侧或双侧上可涂覆有粘合剂，该粘合剂可以包括环氧树脂、丙烯酸酯或聚氨酯的改性树脂系。使用绝缘体120-140不会干扰母线线圈104、108和相应的母线导体112、116的串联串列连接。

可以通过互连多个导电引线框线圈144-160并且将这些线圈144-160与次级电路的线圈104-128以及绝缘层120-128、164-184交错来形成平面变压器的初级电路。每个引线框线圈144-160可以包括至少一个绕组，并且在一些实施例中，每个引线框线圈144-160可以包括多个绕组。

还参照图2，在平面变压器的初级电路中在两个引线框线圈144、160上设置有延伸突出件(extension tab)188、192。延伸突出件188、192有利于通过其他电路部件(未示出)到平面变压器的初级电路的连接，从而还可与初级电路电连接在一起。母线导体112、116还可各自包括延伸突出件196、200，以利于通过其他电路部件(未示出)到平面变压器的次级电路的连接，从而还与次级电路电连接在一起。在替选方案中，连接可以被制作成直接到每个母线导体112、116，而没有利用任何突出件196、200。

如在图2中所示，可以通过将堆暴露于温度和压力来将导体和绝缘层的堆层压在一起，从而使堆变成固体结构或组件。该固体结构组件形成了根据本发明的实施例的集成的平面变压器和母线部件100。在线圈和绝缘层的每个的中心，设置了孔以允许E形芯208的中心腿204通过该堆。在其各个线圈部分中的导体层迹线(track)和绝缘层迹线的宽度通过电气设计要求以及E形芯208的外腿212和中心腿204之间的可用空间来确定。I形芯216或第二E形芯216可安装在第一E形芯208的顶部上。E形芯208和I形芯216通常由铁氧体材料制成，但也可由平面磁性元件中通常使用的其他适合的芯材料制成。为了符合设计变压器和电感器的技术，可以在芯208、216之间设置气隙。由于耦合和减小电磁场或其他的原因，母线导体112、116的多个平行层可以与相反极性的母线导体交错。

对于平面变压器或电感器以及对于母线，各种拓扑结构和配置是可能的；例如，更大数量的线圈框可以串联连接到母线线圈，以增加绕组的数目，或在双线(bifilar)设计的情况下可以增加更大数目的盘绕母线层，或产生多个变压器输出。

根据本发明的实施例的集成的平面变压器和母线部件100使得能够实现例如DC-DC转换器的电力设备的相对更紧凑的结构。与已知设计相比，减小了在部件100的所得的组件中的部件和连接的数目。由于母线现在直接是变压器功能的一部分，所以改进了部件100的热管理。可通过母线而不是通过铁氧体(或其他适合的材料)变压器芯相对快速地疏散变压器中内部产生的热。与平面变压器和母线之间的连接损失有关的热点可以消除。

根据利用部件100的设备(例如，DC-DC转换器)的类型、设计和特点，不同的结构和导体组合是可能的，并且使得能够进一步减小连接损失和接近损失。本发明的实施例也可应用于电感器，来替代变压器；即，只具有单个盘绕电路的部件。

本发明的实施例提供了在平面变压器和母线之间的连接点的母线侧上的互连损失的消除。本发明的实施例还提供了相对改进的冷却，使得更多的热可通过母线侧消散，而不会产生与互连损失(即，一些连接被消除)有关的另外的发热。此外，本发明的实施例提供了相对更紧凑的设计和结构，同时还可以消除浸渍(impregnation)处理(即，降低技术、健康和安全风险)。此外，由于平面变压器现在是母线电路的一部分的事实，可实现零件计数的减小。其他特征包括电磁场和接近损失的减小、以及由于单个固体的低轮廓结构而产生的改进的抗振动和冲击性、以及减小的零件的计数。此外，可实现由于输出绕组的较低的杂散电感而产生的改进的二极管换流。

虽然已经结合仅有限数目的实施例详细描述了本发明，但是应容易理解本发明不限于这样公开的实施例。而且，本发明可被修改以合并在此之前未描述的但与本发明的精神和范围相当的任意数目的变化、改变、替代或等同布置。此外，虽然已经描述了本发明的各种实施例，但是要理解本发明的多个方面可以只包括描述的实施例中的一些。因此，本发明不应视作被前述描述限制，而是仅被所附权利要求的范围限制。

Claims (3)

1.一种构成平面变压器和母线的装置，包括：

具有至少一个绕组的至少一个线圈；

所述母线，所述母线具有至少两个导电材料层，其中，具有至少一个绕组的所述至少一个线圈中的至少一个与所述母线的所述至少两个导电材料层中的至少一层是一体的；以及

芯；

其中，所述至少一个线圈包括所述平面变压器的初级电路或次级电路中的一个；所述至少一个线圈包括所述平面变压器的次级电路的多个串联连接的线圈，所述平面变压器的初级电路包括与所述次级电路的多个线圈交错布置的导电材料的多个串联连接的线圈，绝缘材料层各自被布置在所述交错布置的所述初级电路和所述次级电路的线圈之间、或布置在所述交错布置的所述初级电路的线圈之间、或布置在所述交错布置的所述次级电路的线圈之间，所述交错布置是层压的；所述芯包括第一E形芯，所述芯的通过所述次级电路的多个线圈中的每个线圈中的开口、通过所述初级电路的多个线圈中的每个线圈中的开口以及通过绝缘材料层的线圈中的每个线圈中的开口而被定位的部分包括所述E形芯的中心腿部分，并且所述芯还包括与所述第一E形芯处于相同位置的第二E形芯或I形芯中的一个芯，使得开口中的一个位于所述第一E形芯和第二E形芯或I形芯中的所述一个芯之间，或所述第一E形芯和第二E形芯或I形芯中的所述一个芯以相互邻接的关系被布置。

2.如权利要求1所述的装置，其中，所述至少一个线圈中的至少一个是与所述母线的至少一个导电材料层邻接或连接的线圈。

3.如权利要求1所述的装置，其中，所述至少一个线圈包括多个串联连接的线圈，其中，在所述多个线圈的对之间布置绝缘材料层，其中，所述绝缘材料层包括选自下组的阻燃剂介电膜，所述组包括聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚氟乙烯、聚酰亚胺、聚醚醚酮和聚苯硫醚，并且其中所述绝缘材料层在至少一个侧面上涂覆有粘合剂，所述粘合剂选自包括环氧树脂、丙烯酸酯或聚氨酯的改性树脂的组。