CN104603892A

CN104603892A - 变压器

Info

Publication number: CN104603892A
Application number: CN201380045870.4A
Authority: CN
Inventors: A·伯内特; R·赖利
Original assignee: Alstom Technology AG
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2012-07-04
Filing date: 2013-07-03
Publication date: 2015-05-06
Also published as: EP2682958A1; US20150155090A1; WO2014006107A1

Abstract

一种变压器(30)，包括：第一印刷电路板衬底和第二印刷电路板衬底，所述第一印刷电路板衬底(32)包括具有小于或等于3.5的相对介电常数的至少一个第一衬底层(34)，并且所述第二印刷电路板衬底包括具有高于所述或每个第一衬底层(34)的所述相对介电常数的相对介电常数的至少一个第二衬底层(70)；以及多个导电迹线，至少一个导电迹线被图案化在所述第一衬底层(34)或所述第一衬底层(34)之一的表面上以形成第二绕组部(52)，并且至少另一个导电迹线被图案化在所述第二衬底层(70)或所述第二衬底层(70)之一的表面上以形成第一绕组部(50)，所述第一绕组部和第二绕组部(50、52)限定互相耦合的第一绕组和第二绕组，其中所述第一绕组由一个或多个第一绕组部(50)形成，所述第二绕组由一个或多个第二绕组部(52)形成，所述第二绕组形成在所述第一衬底层(34)或所述第一衬底层(34)中的至少一个上，并且所述第一绕组形成在所述第二衬底层(70)或所述第二衬底层(70)中的至少一个上。

Description

变压器

技术领域

本发明涉及一种变压器。

背景技术

高压设备，诸如电力电子变换器，通常依赖各种电隔离方法以将电力和信号供应至高压设备的各种组件，诸如开关、保护电路和辅助电路。例如，在电力电子变换器中，功率半导体器件被用于促进AC网络与DC网络之间的电力变换，并且每个功率半导体器件要求其自身电源为其控制和保护电路供给能量，其基于每个功率半导体器件的栅极驱动或基极驱动电子器件的电压电位。然而，由于电源系统与高压设备的各个组件之间的电压水平的不同，将每个功率半导体器件的电源连接到接地水平的电压供电系统是不切实际的。

一种解决方案是电力电子变换器通过从每级获取电力进行自供电，但是如果每级使用多于一个的功率半导体开关器件，那么这需要对相同级上的组件之间进行局部隔离。

电力电子变换器包括大量的功率半导体器件，从而形成复杂的电压波形，以便提高功率转换质量并且实现期望的额定功率。电力电子变换器中大量的功率半导体器件需要大量的变压器以将电力提供给每个功率半导体器件。因为当需要适应高电压水平时，传统变压器的结构容易在物理上很大，所以这导致了变换器尺寸和重量的整体增加。

另外，这些传统变压器的制造倾向于涉及具有低生产能力和较低产量的制造方法，诸如手工灌封和真空浸渍。

例如，在铸塑树脂铁氧体变压器中，因为磁芯的磁化强度使得它机械地弯曲，并且抑制这个机械弯曲对磁芯的磁特性是不利的，所以铁氧体磁芯不能被封装在完全刚性的硬化树脂中。此外，树脂的固化力能够使磁芯破裂或产生裂纹，从而破坏其性能。由于为了生产能够经受较高电应力的有竞争力尺寸的变压器有必要铸造无空隙的树脂，所以还需要高超的技巧和处理以高产量地制造铸塑树脂铁氧体变压器。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供一种变压器，包括：

第一印刷电路板(PCB)衬底和第二印刷电路板衬底，所述第一印刷电路板衬底包括具有小于或等于3.5的相对介电常数(dielectric relativepermittivity)的至少一个第一衬底层，并且所述第二印刷电路板衬底包括具有高于所述第一衬底层或每个第一衬底层的所述相对介电常数的相对介电常数的至少一个第二衬底层；以及

多个导电迹线，至少一个导电迹线被图案化在所述第一衬底层或所述第一衬底层之一的表面上以形成第二绕组部，并且至少另一个导电迹线被图案化在所述第二衬底层或所述第二衬底层之一的表面上以形成第一绕组部，所述第一绕组部和第二绕组部限定互相耦合的第一绕组和第二绕组，

其中所述第一绕组由一个或多个第一绕组部形成，所述第二绕组由一个或多个第二绕组部形成，所述第二绕组形成在所述第一衬底层或所述第一衬底层中的至少一个上，并且所述第一绕组形成在所述第二衬底层或所述第二衬底层中的至少一个上。

变压器可以是，例如馈电变压器(mains transformer)的形式或者用于反激(flyback)变换器的耦合电感器的形式。

发明者已经发现在具有小于或等于3.5的相对介电常数的第一衬底层上形成第二绕组为第二绕组与在使用中布置在绕组周围的磁芯之间提供了可靠的绝缘屏障。

当使用具有磁芯的变压器时，由一段第一衬底层和形成在第一衬底层与磁芯之间的任何气隙将形成在第一衬底层上的第二绕组与磁芯分隔开。气隙可以形成变压器设计的一部分，或者由于磁芯相对于每个绕组的移动无意地出现。并且，磁芯相对于每个绕组的移动可以引起气隙的大小变化。

在使用中，在第一衬底层上形成第二绕组有利地降低形成在第一衬底层与磁芯之间的气隙两端的电压。这是因为使用电阻性和电容性电压分压在该段第一衬底层与将第二绕组与磁芯分隔开的气隙之间分摊了施加在第二绕组与磁芯两端的差分电压，并且第一衬底层的低相对介电常数导致该段第一衬底层与将第二绕组与磁芯分隔开的气隙之间更平衡的电压分压。这防止了气隙内局部放电的发生，否则这将导致电击穿，致使变压器故障。

使用PCB技术允许第一PCB衬底与其他类型的PCB衬底的组合。第二PCB衬底被用于容纳一个或多个第一绕组部，对于其绝缘并不是关键性的。例如，第二PCB衬底可以由通常比PTFE成本低的FR-4制成。

在本发明的实施例中，由至少一个第一衬底层将第一绕组与第二绕组分隔开。

发明者还发现当由至少一个第一衬底层分隔开不同的绕组时，使用具有小于等于3.5的相对介电常数的至少一个第一衬底层为变压器的不同绕组之间提供了可靠的绝缘屏障。

在使用中，布置至少一个第一衬底层以分隔开第一绕组与第二绕组有利地降低形成在所述第一衬底层或每个第一衬底层中的气隙两端的电压。这是因为使用电阻性和电容性电压分压在所述或每个第一衬底层与气隙之间分摊了施加在所述或每个第一衬底层两端的差分电压，并且所述或每个第一衬底层的低相对介电常数导致所述或每个第一衬底层与气隙之间更平衡的电压分压。这防止了气隙内局部放电的发生，否则这将在短时间内侵蚀气隙周围的绝缘直到电击穿发生，致使变压器故障。

因此，使用具有小于或等于3.5的相对介电常数的至少一个第一衬底层不仅为第二绕组与在使用中布置在绕组周围的磁芯之间提供了可靠的绝缘屏障，还为变压器的第一绕组与第二绕组之间提供了可靠的绝缘屏障。这进而允许在绝缘屏障两端施加更高的差分电压，这将导致变压器对信号或电力转换具有更强的隔离。

优选地，所述或每个第一衬底层的相对介电常数小于等于3，并且甚至更优选地，小于等于2.5。

使用第一PCB衬底和第二PCB衬底可实现重量轻的并且尺寸相对小的平面变压器，并且从而被容易地运送至和运送自变换器站以用于安装和维修的目的。平面变压器紧凑的外型和低重量还导致包含平面变压器的设备的整体尺寸和重量减小，这对具有变换器站占用空间限制的某些电力应用，例如离岸风力发电场是有利的。

此外，当与需要手工灌封或真空浸渍方法的传统变压器的设计和制造相比较时，使用PCB技术允许相对低成本的变压器结构的简单设计以便在高电压水平上运行。加上PCB技术的批量生产能力，这允许使用具有高产量和快生产期的一致的、可重复的制造工艺来制造高质量平面变压器。

每个导电迹线可以具有铜基成分，由于铜极好的热和电特性，其适合于变压器应用。

每个绕组可以具有不同于其他绕组匝数的匝数。这导致变压器具有逐级升压或逐级降压的能力。不同绕组之间电压的逐级上升或逐级下降取决于一个绕组与另一个绕组的匝数的比例。

在使用中，由每个绕组产生的磁场与绕组的匝数成比例。正是这样，可以调节每个绕组中的匝数以更改磁场的强度以便提供变压器的最优性能。

优选地，变压器还包括磁芯。每个印刷电路板衬底的形状可以为包括一个或多个开口以接纳磁芯。这允许磁芯被保持在相对于每个绕组部的特定位置中。例如，磁芯可以被接纳在每个PCB衬底中，使得每个绕组部围绕磁芯的一部分。

每个导电迹线可以被图案化在衬底层之一的表面上以形成布置在插入磁芯的开口周围的绕组部。这改善了不同绕组之间的相互耦合并且从而有助于绕组之间电力的转换。

磁芯可以由不同类型的磁性材料制成。例如，磁芯可以具有铁氧体基成分。铁氧体基磁芯的高频性能导致平面变压器和任意支撑电路的减小的尺寸和更有效的性能。

磁芯可以被配置为具有各种形状来允许其与每个PCB衬底装配，从而得到鲁棒性的变压器的。例如，磁芯可以包括第一磁芯元件和第二磁芯元件，第一磁芯元件具有E形状并且第二磁芯元件具有E或I形状，或者第一磁芯元件和第二磁芯元件的每个具有ER形状。

在本发明的实施例中，所述第一衬底层或每个第一衬底层可以实质上具有聚四氟乙烯基成分。在这种实施例中，所述或每个第一衬底层可以由选自包括以下材料的群组制成：Rogers RT5870、Rogers RT5880、Polyflon和Rogers RO3003^TM。

聚四氟乙烯(PTFE)具有高介电强度、低比较跟踪指数(comparativetracking index)和大约为2的低相对介电常数，这致使它能够适于使用在所述或每个第一衬底层中。另外，PTFE基材料和空气的相当的相对介电常数允许第一PCB衬底内气隙的存在和/或在第一PCB衬底气隙与处于小心布置的位置的磁芯之间气隙的存在，而在绝缘屏障两端没有局部放电发生的风险。这无需进一步的灌封工艺以用树脂铸造整个变压器，从而降低制造工艺的复杂性和可变性。此外，使用PCB技术使得能够制造几乎没有气隙的具有至少一个PTFE基第一衬底层的第一PCB衬底。

在本发明的另一个实施例中，至少一个印刷电路板衬底可以包括多个衬底层以限定多层印刷电路板衬底。

使用具有多层结构的一个或多个PCB衬底允许实现复杂的电路布局，以便改善器件性能和效率，而无需很大程度地增大变压器的整体占用空间大小。另外，可以以紧凑方式的各种方法来布置绕组，同时保持绕组之间的良好绝缘。

在这种实施例中，至少一个绕组部可以形成在多层印刷电路板衬底的中间衬底层上。例如，高压、隔离绕组可以形成在多层印刷电路板衬底的中间衬底层上，以便提供所需的绝缘。

在其他这种实施例中，至少一个绕组部可以形成在多层印刷电路板衬底的外侧衬底层上。由形成在多层PCB衬底的外侧衬底层的对侧外表面上的多个绕组部可以形成至少一个绕组。

当与形成在中间衬底层上的高压绕组结合使用时，多层PCB衬底的外侧衬底层的外表面上形成的低压绕组可以用作为静电屏蔽，以将大部分的差分电压强制在分隔高压绕组和低压绕组的所述或每个第一衬底层两端。

在使用多层印刷电路板衬底的实施例中，多层印刷电路板衬底还可以包括至少一个绝缘层，所述或每个绝缘层被夹在所述多层印刷电路板衬底的两个衬底层之间，以便限定绝缘层和衬底层交替的层叠结构。

由至少一个绝缘层可以将所述第一绕组与第二绕组分隔开。

所述或每个绝缘层不仅提供绕组之间的额外绝缘，还可以用作将相邻衬底层接合在一起的中间接合层。另外，所述或每个绝缘层可以完全地封装形成在印刷电路板的中间层上的任意电子组件，并且因此为其提供增强的绝缘。例如，至少一个绝缘层可以覆盖至少一个绕组部。

优选地，所述或每个绝缘层实质上具有聚四氟乙烯基成分。在这种实施例中，所述或每个绝缘层可以是接合层。所述或每个绝缘层由选自包括以下材料的群组制成：WLC、Arlon6700和Arlon6250，但不限于此。

使用至少一个PTFE基绝缘层，并使用热拉伸和/或真空拉伸技术，还最小化在PCB衬底制造期间每个PCB衬底中气隙的数量。

优选地，变压器还包括至少一个静电屏蔽(electrostatic screen)。所述或每个静电屏蔽可以被图案化在衬底层之一的表面上。例如，所述或每个静电屏蔽可以被布置在高压绕组周围以保护低压绕组和磁芯免于可能干扰绕组中信号的电容性电流的影响。所述或每个静电屏蔽可以被连接至参考电位，使得电容性电流被引至参考电位而不流入绕组。

所述或每个静电屏蔽可以是被图案化在衬底层之一的表面上并且部分围绕磁芯所插入的开口的铜层的形式。

在这种实施例中，至少一个静电屏蔽可以由一个或多个绕组部限定。换言之，至少一个静电屏蔽可以同时起变压器绕组的作用。

附图说明

现在将参照附图，通过非限制示例来描述本发明的优选实施例，附图中：

图1示出变压器的横截面；

图2示出形成图1的磁芯的一部分的第一磁芯元件和第二磁芯元件；

图3示出图1的第一PCB衬底；

图4示出未装配形式的图3的第一PCB衬底和图2的磁芯；

图5示出对比标准温度和压力下空气的帕邢曲线，对于不同尺寸的气隙，改进的绝缘屏障的气隙两端电压的变化；

图6示出图1所示的变压器的横截面的有限元模型几何结构；

图7和图8示出在图1的变压器运行期间第一PCB衬底中电压应力的变化；

图9示出根据本发明的实施例的变压器的横截面。

具体实施方式

图1中示出变压器30的横截面。

变压器30包括第一印刷电路板(PCB)衬底32。

第一PCB衬底32包括多个第一衬底层34以限定多层PCB衬底。每个第一衬底层34由Rogers RT5870制成，其是具有2.3的相对介电常数的玻璃微纤维PTFE材料。

可以设想，每个第一衬底层34可以由实质上具有PTFE基成分的另一种材料制成，诸如：

●具有2.2的相对介电常数的Rogers RT5880，

●Polyflon其是具有2.1的相对介电常数的PTFE材料，或者

●Rogers RO3003^TM，其是具有3的相对介电常数的填充陶瓷的PTFE复合材料。

变压器30还包括具有第一磁芯元件38和第二磁芯元件40的磁芯36，并且每个磁芯元件38、40具有ER形状，如图2所示。第一PCB衬底32的形状为使得每个第一衬底层34具有中央开口42以接纳磁芯36。这允许通过将第一磁芯元件38和第二磁芯元件40的中间支脚44分别从第一PCB衬底32的相对侧插入开口42而将磁芯36固定至第一PCB衬底32，使得每个磁芯元件38、40的外侧支脚46在相对侧上位于第一PCB衬底32的侧面。

优选地，磁芯36具有铁氧体基成分。铁氧体基磁芯36由于铁氧体基成分的高磁导率，很容易被磁化，这提高了变压器30的效率并且从而允许变压器30的尺寸减小。可以使用具有高磁导率的其他材料来代替铁氧体基磁芯36。

可以设想，取决于变压器30的应用，磁芯36的形状以及磁芯元件38、40的数量可以变化以改变磁芯36的磁特性。

变压器30还包括多个导电迹线48。每个导电迹线48在第一衬底层34的表面上图案化以形成围绕相应第一衬底层34的开口42的绕组部50、52，如图3所示。每个绕组部50、52具有多个匝数，每一匝围绕磁芯36的一部分。因为由每个绕组部50、52产生的磁场与绕组的匝数成比例，所以可以调节每个绕组50、52的匝数以改变磁场的强度以便提供变压器30的最优性能。

优选地，每个导电迹线48可以由铜制成，铜具有极好的热特性和电特性。例如通过对层叠在相应衬底层34的表面上的铜片蚀刻出迹线，可以形成每个导电迹线48。根据需要流过导电迹线48的电流幅值来确定每个导电迹线48的宽度。可以设想，每个导电迹线48可以由其他导电材料制成。

以自上而下的顺序来布置多个第一衬底层34和绕组部50、52，参考图1如下所述：

第一绕组部50、54a形成在顶部第一衬底层34、56a的顶面上。

底部第一衬底层34、56b布置在顶部第一衬底层34、56a下方。另一个第一绕组部50、54b形成在底部第一衬底层34、56b的底面上。

第二绕组部52、58a形成在顶部第一衬底层34、56a的底面上，而另一个第二绕组部52、58b形成在底部第一衬底层34、56b的顶面上。

第一PCB衬底32还包括绝缘层60，其被夹在第一PCB衬底32的顶部第一衬底层34、56a与底部第一衬底层34、56b之间，以便限定绝缘层60和第一衬底层34交替的层叠结构。

绝缘层60由WLC制成，其是由浸渍有热固树脂的膨胀PTFE制成。WLC具有2.6的相对介电常数、1kV/mm的介电强度和220℃的熔点。

可以设想，绝缘层60可以由实质上具有PTFE基成分的另一种材料制成，诸如：

●Arlon6700，具有2.35的相对介电常数、2.5kV/mm的介电强度和220-230℃的熔点，或者

●Arlon6250，具有2.35的相对介电常数、1.0kV/mm的介电强度和125-130℃的熔点。

为了形成第一PCB衬底32，绝缘层60和第一衬底层34经受层叠工艺，其可以包含使用机器压力以施加机械力至绝缘层60和第一衬底层34，同时使用热量以熔化绝缘层60。这允许绝缘层60流过并且填充顶部第一衬底层34、56a与底部第一衬底层34、56b之间的空间，并且从而作用为接合层。在真空中实施层叠工艺以最小化第一PCB衬底32中气隙的数量。

以这种方式层叠绝缘层60和第一衬底层34导致绝缘层60封装形成于顶部第一衬底层34、56a和底部第一衬底层34、56b上的第二绕组部52。

第一绕组部50被电连接为形成第一绕组，同时第二绕组部52被电连接为形成第二绕组。通过在第一PCB衬底32中制造过孔62以分别电连接第一绕组部50和第二绕组部52，并且使用导电材料来电镀过孔62可以实现上述，如图3所示。还需要将过孔62电接入被埋置的绕组部52。

使用钻孔工艺可以在第一PCB衬底32中制造每个过孔62。当钻孔工艺引起温度上升时，绝缘层60的高熔点防止了热固树脂熔化并且弄脏过孔62的内侧壁。这进而允许随后的电镀工艺以正确地连接至每个过孔的内层。

图4示出未装配形式的图3的第一PCB衬底32和图2的磁芯36。

为了装配第一PCB衬底32和磁芯36以形成变压器30，第一磁芯元件38、40的支脚44、46的端表面抵接第二磁芯元件38、40的相应支脚44、46的端表面以便形成安装后的磁芯36的形状。在抵接表面之间使用粘合剂将磁芯元件38、40连接在一起。

优选地，使用例如夹子或支架等紧固件可以将磁芯元件38、40连接在一起以紧固磁芯元件38、40。

第一绕组中匝数与第二绕组中匝数的比例决定两个绕组两端电压的比例。

可以设想，每个绕组可以具有不同于其他绕组匝数的匝数，这使得能够通过不同绕组的磁耦合来逐级提高或逐级降低所转换的电压。

将第一绕组和第二绕组分隔开的绝缘层60和第一衬底层34在不同绕组之间形成PTFE基绝缘屏障。类似地，每个第一衬底层34将每个绕组和磁芯36分隔开的一段在每个绕组与磁芯36之间形成另一个PTFE基绝缘屏障。绝缘层60和第一衬底层34的高介电强度允许绝缘屏障经受在使用中施加在第一绕组与第二绕组之间以及施加在每个绕组与磁芯36之间的差分电压。这从而防止变压器30中局部放电和电击穿的发生。

另外，由于第二绕组形成在第一PCB衬底32的顶部第一衬底成34、56a与底部第一衬底层34、56b之间并且被绝缘层60封装，所以第二绕组具有增强的绝缘并且从而可以被连接至高电压。这使得在具有最少局部放电活动的不同绕组之间可以施以长期高压应力，得到具有较长寿命的可靠的绝缘屏障。

使用PCB技术使得能够在第一衬底层34中制造几乎没有气隙的第一PCB衬底32。并且，使用PTFE基绝缘层60，并使用热拉伸和真空拉伸技术，还最小化在第一PCB衬底32制造期间第一PCB衬底32中气隙的数量。

在实践中，不同绕组之间的绝缘屏障可以包括由于制造公差形成在绝缘层60和/或第一衬底层34中的气隙。另外，每个绕组与磁芯36之间的绝缘屏障还可以包括形成在磁芯36与第一PCB衬底32之间的间隙气隙。间隙气隙可以形成变压器设计的一部分，或者由于磁芯36相对于每个绕组的移动无意地出现。并且，磁芯36相对于每个绕组的移动可能使得间隙气隙的大小变化。

因此，这些气隙和间隙气隙的形成导致改进的绝缘屏障，其包括PTFE基和空气组成部分形式的不同电介质。

使用电阻性和电容性电压分压在PTFE基和空气组成部分之间分摊施加在每个改进的绝缘屏障两端的差分电压。在大多数情形下，电容性电压分压的效果强于电阻性电压分压的效果。因此，每个PTFE基和空气组成部分两端的电压很大程度地由每个单独组件的电容并且因此由其相对介电常数来确定。

如上所述，Rogers RT5870具有2.3的相对介电常数并且WLC具有2.6的相对介电常数，而空气具有1的相对介电常数。PTFE基材料与空气的这些相当的相对介电常数导致相应的绝缘层60和第一衬底层34与空气组成部分之间更平衡的电压分压。正是这样，使用PTFE基材料使改进的绝缘屏障中任何气隙两端每单位长度的电压最小化并且从而降低局部放电和电击穿的风险。

相比之下，诸如FR-4和环氧树脂的其他PCB材料的相对较高的相对介电常数将导致气隙和空隙两端每单位长度的更高电压，并且从而引起气隙和空隙内的电击穿。这可以损坏绝缘屏障并且最终引起变压器30的故障。

因此，使用实质上具有PTFE基成分的绝缘层60和第一衬底层34为第一绕组与第二绕组之间以及每个绕组与磁芯36之间提供了可靠的绝缘屏障。这从而允许更高的差分电压被施加在相应绝缘屏障两端，这导致平面变压器30具有对信号或电力转换的增强的隔离性。

图5示出对改进的绝缘屏障的分析，其中将示出对于不同尺寸的气隙在改进的绝缘屏障的气隙两端电压V_Air的改变的电压曲线66与标准温度和压力下空气的帕邢曲线66进行比较。

在这个分析中，改进的绝缘屏障包括PTFE基和空气组成部分，并且具有1.1mm的厚度。PTFE基组件具有2.1的相对介电常数。

在改进的绝缘屏障两端施加3kV的电压。假设改进的绝缘屏障两端的电场是层叠的并且没有表面放电和极化效应。

根据如下计算气隙两端电压的变化：

V_{Air} = \frac{V_{Total}}{1 + \frac{t_{Insulator}}{t_{Air} \times ϵ_{Insulator}}}

其中V_Air是气隙两端的电压；

V_Total是施加在改进的绝缘屏障两端的电压；

t_Insulator和t_Air分别是PTFE基组件和气隙的尺寸；

ε_Insulator是PTFE基组件的相对介电常数。

当气隙两端的电压曲线64符合或超过空气的帕邢曲线66时，电击穿发生。图5示出当气隙的尺寸t_Air大约在0.3mm与0.8mm之间时，电压曲线64与帕邢曲线66相符。这表明了在改进的绝缘屏障中可以存在的气隙尺寸t_Air的大致范围，以可靠地避免电击穿。换言之，气隙的尺寸t_Air可以小于0.3mm或者大于0.8mm以可靠地避免改进的绝缘屏障中的电击穿。

进行有限元模型分析以研究图1所示的变压器30运行期间第一PCB衬底32两端的电压应力。特别地，进行分析以研究从形成在第一PCB衬底32上的每个绕组部50、52的边缘到铁氧体磁芯36的外侧支脚46的电压应力。图6示出分析中所使用的有限元模型几何结构。

每个第一衬底层34具有2.54mm的厚度。由2mm的气隙将每个第一衬底层34的外边缘与铁氧体磁芯36的外侧支脚46分隔开。开口42与每个第一衬底层34的外边缘之间的距离是20mm。

每个绕组部50、52具有35μm的厚度。将每个第一绕组部50与相应第一衬底层34的外边缘之间的距离L₁设置为2mm、3mm或5mm。将每个第二绕组部52与相应第一衬底层34的外边缘之间的距离L₂设置为3mm或5mm。

由0.1mm的间隙将顶部第一衬底层34、56a与底部第一衬底层34、56b分隔开。如上所述，顶部第一衬底层34、56a与底部第一衬底层34、56b之间的绝缘层60具有2.3的相对介电常数。

第一绕组和铁氧体磁芯36被连接至0V的电压，而第二绕组被连接至4kV的电压。

可以假设，不存在表面放电和极化效应，并且顶部第一衬底层34、56a与底部第一衬底层34、56b之间的绝缘层60无气隙。

基于图6中所示的有限元模型几何结构的分析，图7示出当L₁＝3mm和L₂＝3mm时第一PCB衬底32中的电压曲线和应力分布，而图8示出对于L₁和L₂不同的值第一PCB衬底32中的电压应力分布。

图7和图8示出当L₁＝3mm和L₂＝3mm时第一PCB衬底32中的最大电压应力为大约9.6kV/mm并且每个第一衬底层34的外边缘处的电压应力为大约700V/mm。

图8还示出当L₁＝2mm或5mm并且L₂＝5mm时在第一PCB衬底32中的最大电压应力为大约7.2kV/mm并且每个第一衬底层34的外边缘处的电压应力为大约200V/mm。

因此，示出在变压器30中使用PTFE基第一PCB衬底32来最小化每个第一衬底层34与磁芯36之间气隙的电压应力。

除了在变压器30中提供可靠的绝缘屏障以外，与由于难以实现所需的高压绝缘而使得小批产量所倾向使用的手工灌封和真空浸渍方法不同，使用PCB技术允许高产量制造。当需要扩展至满足更高电压要求时，使用PCB技术还允许相对低成本的变压器结构的简单设计。

此外，基于PCB技术的变压器是重量轻的并且尺寸相对小的，并且从而被容易地容纳在包含其他电子电路的PCB衬底中或作为其一部分，以简化整体变换器装配。平面变压器30的紧凑外型和低重量还导致可以包含平面变压器30的变换器的尺寸和重量的整体降低。

图9示出根据本发明实施例的变压器130。图9中示出的变压器130的实施例在结构和运行上与图1所示的变压器30类似，并且相似的特征共用相同的附图标记。

第三变压器130与第一变压器30的不同之处在于：

●第三变压器130还包括第二PCB衬底68。第二PCB衬底68包括多个第二衬底层70，其每个的形状为具有中央开口42以接纳磁芯36。每个第二衬底层70由具有4.5至5范围的相对介电常数的FR-4制成；并且

●每个第一绕组部50形成在一个第二衬底层70的表面上。

以自上而下的顺序来布置第一衬底层34、第二衬底层70和绕组部50、52，参考图9如下所述：

第二绕组部52、58a形成在顶部第一衬底层34、56a的底面上。

底部第一衬底层34、56b布置在顶部第一衬底层34、56a的下方。另一个第二绕组部52、58b形成在底部第一衬底层34、56b的顶面上。

顶部第二衬底层70、72a布置在底部第一衬底层34、56b的下方。第一绕组部50、54a形成在顶部第二衬底层70、72a的底面上。

底部第二衬底层70、72b布置在顶部第二衬底层70、72a的下方。另一个第一绕组部50、54b形成在底部第二衬底层70、72b的顶面上。

第一PCB衬底32和第二PCB衬底68还包括多个绝缘层60，其每个绝缘层60被夹在第一PCB衬底32和第二PCB衬底68的两个连续衬底层34、70之间，以便限定交替的绝缘层60和衬底层34、70的层叠结构。

绝缘层60和第一衬底层34、第二衬底层70的这种方式的层叠结构导致多个绝缘层60封装形成于第一衬底层34和第二衬底层70的表面上的第一绕组部50和第二绕组部52，并且将第一PCB衬底32和第二PCB衬底68接合在一起。

第一PCB衬底32和第二PCB衬底68组合以形成第二变压器130的优点在于：第一PCB衬底32能够经由绝缘层60和第一衬底层34提供高电压的、具有增强绝缘的第二绕组，而第二PCB衬底68能够容纳低电压的第一绕组，对于其绝缘并不是关键性的。由于在第二PCB衬底68中使用低成本FR-4材料，所以这导致经济的变压器130。

可以设想，一个第一绕组部50可以形成在一个第一衬底层34的表面上。

还可以设想，变压器30、130中绕组部50、52的数量可以取决于每个绕组所需的匝数而变化。为了容纳额外的绕组部50、52，每个PCB衬底32、68可以包括额外衬底层34、70，在其上可以形成额外的绕组部50、52。

在图1的变压器和这里所示的实施例中，至少一个绕组部可以额外地起到静电屏蔽的作用。例如，第一绕组和第二绕组的布置允许第一绕组用作静电屏蔽以将差分电压强置于绝缘屏障两端。另外，在第二绕组周围布置第一绕组减小了不同绕组的磁耦合过程中的漏电感。

可以设想变压器30、130还可以包括至少一个静定屏蔽，其中所述或每个静电屏蔽被图案化在衬底层34、70之一的表面上。例如，所述或每个静电屏蔽可以被布置在高压绕组周围以保护低压绕组和磁芯36免于可能干扰绕组中信号的电容性电流的影响。所述或每个静电屏蔽可以被连接至参考电位，使得电容性电流被引至参考电位而不流入绕组。

所述或每个静电屏蔽可以为被图案化在衬底层34、70之一的表面上并且部分地围绕磁芯36所插入的开口42的铜层的形式。

Claims

1.一种变压器，包括：

第一印刷电路板衬底和第二印刷电路板衬底，所述第一印刷电路板衬底包括具有小于或等于3.5的相对介电常数的至少一个第一衬底层，并且所述第二印刷电路板衬底包括具有高于所述或每个第一衬底层的相对介电常数的相对介电常数的至少一个第二衬底层；以及

2.根据权利要求1所述的变压器，其中由至少一个第一衬底层将所述第一绕组与所述第二绕组分隔开。

3.根据权利要求1或2所述的变压器，还包括磁芯，其中每个印刷电路板衬底的形状为包括一个或多个开口以接纳所述磁芯。

4.根据任一前述权利要求所述的变压器，其中所述或每个第一衬底层实质上具有聚四氟乙烯基成分。

5.根据权利要求4所述的变压器，其中所述或每个第一衬底层由选自包括以下材料的群组制成：和Rogers RO3003^TM。

6.根据任一前述权利要求所述的变压器，其中至少一个印刷电路板衬底包括多个衬底层以限定多层印刷电路板衬底。

7.根据权利要求6所述的变压器，其中至少一个绕组部形成在所述多层印刷电路板衬底的中间衬底层上。

8.根据权利要求6或7所述的变压器，其中至少一个绕组部形成在所述多层印刷电路板衬底的外侧衬底层上。

9.根据权利要求6至8中任一项所述的变压器，其中所述多层印刷电路板衬底还包括至少一个绝缘层，所述或每个绝缘层被夹在所述多层印刷电路板衬底的两个衬底层之间，以便限定绝缘层和衬底层交替的层叠结构。

10.根据权利要求9所述的变压器，其中由至少一个绝缘层将所述第一绕组与第二绕组分隔开。

11.根据权利要求9或10所述的变压器，其中至少一个绝缘层覆盖至少一个绕组部。

12.根据权利要求9至11中任一项所述的变压器，其中所述或每个绝缘层实质上具有聚四氟乙烯基成分。

13.根据权利要求12所述的变压器，其中所述或每个绝缘层由选自包括以下材料的群组制成：和

14.根据任一前述权利要求所述的变压器，还包括至少一个静电屏蔽，其中所述静电屏蔽或每个静电屏蔽被图案化在所述衬底层之一的表面上。

15.根据权利要求14所述的变压器，其中至少一个静电屏蔽由一个或多个绕组部限定。