CN107025996A - 隔离变压器拓扑 - Google Patents

Abstract

本申请案涉及隔离变压器拓扑。用于模块集成的变压器(100)包含：第一磁性材料层(110)，其具有外边缘(111)；第二磁性材料层(120)，其具有外边缘(121)；及隔离层(130)，其沿着主轴(105)定位于所述第一磁性材料层(110)与所述第二磁性材料层(120)之间。所述变压器(100)包含：第一电感性元件(140)，其定位于所述第一磁性材料层(110)中；及第二电感性元件(150)，其与所述第一电感性元件(140)相对地安置且安置于所述第二磁性材料层(120)中。

Description

隔离变压器拓扑

技术领域

本发明一般来说涉及变压器，且更明确地说，涉及具有高质量因子且用于跨越经隔离势垒转移电力同时使用小形状因子且实现高隔离额定值的变压器。

背景技术

电化隔离是隔离电路区段以防止区段之间的电流流动的原理。此可通过电容性或电感性方法而实现。然而，隔离通常是电路设计中的限制因素。高质量隔离变压器通常是又大又贵的绕线变压器。此类变压器的大小使得此类变压器对于较小占用面积电路设计是不实用的。小隔离变压器通常具有不良隔离额定值。需要更适于模块集成的具有高隔离额定值的小且担负得起的隔离变压器。

发明内容

一般来说，依据这些各种实施例，隔离变压器包含特定拓扑，所述特定拓扑包含各自至少部分地嵌入磁性材料层中的第一及第二电感性元件。所述磁性材料减少通量泄漏，此既增加变压器的电感又屏蔽变压器与外部电路之间的干扰。电感性元件由限制电感性元件之间的电流泄漏的隔离层隔开。此设计允许易适于模块化集成的较小形状因子隔离变压器。明确地说，具有此拓扑的变压器与具有类似性能特性的其它变压器相比可具有小得多的轮廓。磁性材料的使用还提供较高击穿电压，此允许变压器的较薄总体设计。

这些及其它益处可基于对以下详细说明进行全面审查及研究而变得更清楚。

附图说明

尤其在连同图式一起研究时，以上需要通过提供用于以下详细说明中所描述的模块集成的隔离变压器拓扑而至少部分地得以满足，在图式中：

图1包括如根据本发明的第一实施例所配置的变压器拓扑的横截面图；

图2包括如根据本发明的第二实施例所配置的变压器拓扑的横截面图；

图3包括如根据本发明的第三实施例所配置的变压器拓扑的横截面图；

图4包括如根据本发明的第四实施例所配置的变压器拓扑的横截面图；

图5包括如根据本发明的第五实施例所配置的变压器拓扑的横截面图；

图6包括如根据本发明的第六实施例所配置的变压器拓扑的横截面图；

图7图解说明如根据本发明的各种实施例所配置的变压器的透视图。

所属领域的技术人员将了解，各图中的元件是为简单及清晰起见而图解说明的，且未必按比例绘制。举例来说，为帮助改进对本发明的各种实施例的理解，各图中的元件中的一些元件的尺寸及/或相对定位可相对于其它元件被放大。此外，通常未描绘在商业上可行的实施例中有用或必需的常见而众所周知的元件以便促进对这些各种实施例的较不受阻挡的观看。将进一步了解，可以特定发生次序描述或描绘特定动作及/或步骤，同时所属领域的技术人员将理解，关于序列的此特定性实际上并不需要。还将理解，本文中所使用的术语及表达具有与由所属领域的技术人员上文所陈述的此类术语及表达一致的一般技术含义，除非本文中另外陈述不同特定含义。

具体实施方式

现在参考图式，且明确地说，参考图1，现在将呈现与这些教示中的许多教示兼容的说明性变压器设计。变压器100具有主轴105且包含由隔离层130隔开的第一磁性材料层110及第二磁性材料层120。第一磁性材料层110、第二磁性材料层120及隔离层130沿着主轴105布置。第一磁性层110在沿着主轴105从隔离层130朝向图1的顶部的第一方向上。第二磁性材料层在沿主轴105从隔离层130朝向图1的底部的第二方向上。

第一磁性材料层110及第二磁性材料层120可由任何磁性材料制成。可能实例包含铁、赤铁矿、钢、镍、钴及基于铁氧体的材料，例如镍锌铁氧体、安置于粘结剂材料中的铁氧体粉末、金属粉末材料或其它类型的磁性铁氧体材料。隔离层130由电绝缘体构成。在一些实施例中，隔离层130由两个或两个以上电介质叠层构成，所述电介质叠层例如双马来酰亚胺三嗪层、FR4层、ABF层或用于衬底或印刷电路板制造的任何其它电介质材料层。

第一磁性材料层110具有背对隔离层130的外边缘111。第二磁性材料层120也具有背对隔离层130的外边缘121。隔离层具有基本上法向于主轴105的中心平面135。

变压器100还包含两个电感性元件140、150。第一电感性元件140定位于第一磁性层110的外层111与隔离层130的中心平面135之间。第二电感性元件150定位于第二磁性层120的外层121与隔离层130的中心平面135之间。两个电感性元件140、150经布置使得在时变电流流过第一电感性元件140时，第一电感性元件140产生诱发第二电感性元件150中的电流的磁场。在一些实施例中，如此构造的变压器实施于硅衬底上。

两个电感性元件140、150由导电材料制成。实例性材料包含银、铜、金及铝。电感性元件140、150绕沿轴向方向延伸的中心轴或主磁场产生轴而缠绕。两个电感性元件140、150的主磁场产生轴基本上彼此平行。电感性元件140、150的形状可变化。实例包含圈状、圆形、椭圆形、跑道形状、正方形、矩形、截锥形、多边形及其它形状。在图1中所展示的实施例中，两个电感性元件经塑形以允许电流围绕主轴105流动，其中电感性元件140、150两者的轴向方向基本上平行于主轴105。

第一电感性元件140定位于隔离层130的中心平面135与第一磁性材料层110的外边缘111之间。第二电感性元件150定位于隔离层130的中心平面135与第二磁性材料层120的外边缘121之间。电感性元件140、150在每一侧上由磁性材料或隔离层材料中的一者环绕。在图1中，电感性元件140、150完全嵌入磁性材料层110、120中，使得第一磁性材料层110的一部分安置于第一电感性元件140与隔离层130之间，从而覆盖第一电感性元件140的面向隔离层130的轴向侧，且第二磁性材料层120的一部分安置于第二电感性元件150与隔离层130之间，从而覆盖第二电感性元件150的面向隔离层130的轴向侧。

在典型操作中，隔离层130防止电流在两个电感性元件140、150之间的直接流动。磁性层110、120防止变压器外部的实质通量泄漏。此经减少通量泄漏产生高质量因子。磁性层110、120具有使变压器100免受来自周围电路的电干扰的增添效应。经减少通量泄漏还保护周围电路免受由变压器100造成的干扰。图1的所图解说明实例中的磁性层110、120的磁性材料经安置以覆盖背对隔离层130的侧上的电感性元件140、150。

在图2中所展示的实施例中，添加第二隔离层145及第三隔离层155。电感性元件140、150由第二隔离层145及第三隔离层155环绕。第二隔离层145及第三隔离层155沿基本上垂直于电感性元件140、150的轴向方向的方向环绕电感性元件140、150。第二隔离层145及第三隔离层155防止电流跨越电感性元件140、150中的间隙而泄漏。事实上，此方法允许其中电感性元件140、150及磁性材料被制成且堆叠成层而非将磁性材料嵌入电感性元件140、150内的简化制造工艺。

在图3中所展示的实施例中，电感性元件140、150沿着隔离层130的表面安置。电感性元件140、150在一侧上啮合或接触隔离层130且在所有其它侧上由磁性材料环绕，且磁性材料延伸到电感性元件140、150的绕组之间。围绕电感性元件140、150的磁性层110、120仍防止通量泄漏，且电感性元件140、150之间的磁性材料的缺失允许高耦合系数。

如图4的实例中所展示，电感性元件140、150可完全嵌入隔离层130中。绝缘材料防止电流跨越电感性元件140、150中的间隙而泄漏，从而增加质量因子。隔离层130中存在至少部分地用磁性材料填充的凹口112、122。凹口112、122界定延伸到隔离层的相应表面中的空隙。换句话说，凹口112、122平行于主轴105而延伸且至少部分地用磁性材料填充，在一种方法中，凹口112、122从第一磁性材料层110及第二磁性材料层120朝向中心平面135向内延伸直到至少与电感性元件140、150的最内表面齐平为止。此磁性材料提供电感性元件之间的磁通量路径中的较小间隙且产生较高耦合系数。

隔离层130中的至少部分地用磁性材料填充的凹口122可一直延伸穿过隔离层130，如图5的实例中所展示。在此实例中，凹口122事实上是贯穿通孔131。通孔131可部分地用磁性材料125填充，其中剩余部分用例如胶或材料等填充物133填充。贯穿通孔131中的填充物133的量相对于磁性材料125的量确定磁通量路径中的空气间隙的量。因此，可针对给定应用特定地制定变压器的耦合系数及质量因子。举例来说，此布置可用于需要高电感密度的应用中，例如用于用于工业自动化的低功率经隔离DCDC中。高电感密度将使此变压器适于传统PWM转换器以及回扫或全桥解决方案。

在替代实施例中，如图6中所展示，变压器100包含一组以上电感性元件140、150。在第一磁性材料层110中，存在第一顶部电感性元件140A及第二顶部电感性元件140B。在第二磁性材料层120中，存在第一底部电感性元件150A及第二底部电感性元件150B。当电流通过第一顶部电感性元件140A时，第一顶部电感性元件140A产生诱发第一底部电感性元件150A中的电流的磁场。当电流通过第二顶部电感性元件140B，第二顶部电感性元件140B产生诱发第二底部电感性元件150B中的电流的磁场。第一组电感性元件140A、150A绕沿轴向方向延伸的轴105A而缠绕。第二组电感性元件140B、150B绕沿相同方向或基本上相同方向延伸的轴105B而缠绕。

图7图解说明变压器100的一种形式的等距视图。电感性元件140、150绕沿轴向方向105延伸的轴而缠绕。电感性元件沿两个径向方向106、107缠绕。第一电感性元件140至少部分地嵌入第一磁性材料层110中。第二电感性元件150至少部分地嵌入第二磁性材料层120中。两个电感性元件140、150位于隔离层130的相对侧上。第一磁性材料层110沿轴向方向从隔离层130延伸超过第一电感性元件140。第一磁性材料层110还沿径向方向106、107延伸超过电感性元件140的每一侧。以此方式，电感性元件140完全被磁性材料环绕。类似地，第二磁性材料层120从隔离层130延伸以沿轴向方向105及径向方向106、107完全环绕第二电感性元件150。

在替代实施例中，第一电感性元件140及第二电感性元件150安置于隔离层130的表面上。磁性材料延伸以沿径向方向106、107覆盖电感性元件以及沿轴向方向105在电感性元件140、150的背对隔离层130的面上覆盖电感性元件。电感性元件140、150在每一侧上由隔离层130或磁性材料层110、120环绕。

所属领域的技术人员将认识到，可在不背离本发明的范围的情况下关于上文所描述实施例做出各种各样的修改、变更及组合，且此类修改、变更及组合将视为在发明性概念的范围内。

Claims (18)

1.一种设备，其包括：

变压器，其包括：

第一电感性元件，其主磁场产生轴沿轴向方向延伸；

第二电感性元件，其主磁场产生轴沿所述轴向方向延伸；及

隔离层，其沿所述轴向方向安置于所述第一电感性元件与所述第二电感性元件之间；

其中

磁性材料经安置以在所述第一电感性元件及所述第二电感性元件的与所述隔离层相对的相应轴向侧上覆盖所述第一电感性元件及所述第二电感性元件，且

所述隔离层及所述磁性材料中的一者经安置以覆盖所述第一电感性元件及所述第二电感性元件的面向所述隔离层的轴向侧。

2.根据权利要求1所述的设备，其中所述磁性材料经安置以覆盖所述第一电感性元件的面向所述隔离层的所述轴向侧且环绕所述第一电感性元件。

3.根据权利要求1所述的设备，其中所述隔离层经安置以覆盖所述第一电感性元件的面向所述隔离层的所述轴向侧，且其中所述磁性材料经安置以环绕所述第一电感性元件。

4.根据权利要求1所述的设备，所述变压器进一步包括：

第二隔离层，其经定位使得所述第一电感性元件沿垂直于所述轴向方向的方向由所述第二隔离层环绕。

5.根据权利要求1所述的设备，其进一步包括：

至少第三电感性元件，其绕沿所述轴向方向延伸的轴而缠绕且安置于所述隔离层的其上安置有所述第一电感性元件的侧上；

至少第四电感性元件，其绕沿所述轴向方向延伸的轴而缠绕且安置于所述隔离层的其上安置有所述第二电感性元件的侧上；

其中所述磁性材料经安置以在所述第三电感性元件及所述第四电感性元件的与所述隔离层相对的相应轴向侧上覆盖所述第三电感性元件及所述第四电感性元件。

6.根据权利要求1所述的设备，其中所述第一电感性元件、所述第二电感性元件及所述隔离层实施于硅衬底中。

7.一种设备，其包括：

变压器，其包括：

第一电感性元件，其围绕轴向方向缠绕且沿径向方向缠绕，所述第一电感性元件至少部分地嵌入第一磁性层中；

隔离层；

第二电感性元件，其围绕轴向方向缠绕且沿径向方向缠绕，所述第二电感性元件至少部分地嵌入第二磁性层中；

其中所述第一电感性元件及所述第二电感性元件安置于所述隔离层的相对侧上；

其中所述第一磁性层沿所述第一电感性元件的轴向方向从所述隔离层延伸超过所述第一电感性元件且沿所述第一电感性元件的径向方向延伸超过所述第一电感性元件，使得所述第一电感性元件由所述第一磁性层或所述隔离层环绕；

其中所述第二磁性层沿所述第二电感性元件的轴向方向从所述隔离层延伸超过所述第二电感性元件且沿所述第二电感性元件的径向方向延伸超过所述第二电感性元件，使得所述第二电感性元件由所述第二磁性层或所述隔离层环绕。

8.根据权利要求7所述的设备，其中所述第一电感性元件由所述第一磁性层环绕，使得所述第一磁性层的一部分还安置于所述第一电感性元件与所述隔离层之间。

9.根据权利要求7所述的设备，其中所述第二电感性元件由所述第二磁性层环绕，使得所述第二磁性层的一部分还安置于所述第二电感性元件与所述隔离层之间。

10.根据权利要求7所述的设备，其中所述第一电感性元件的一部分啮合所述隔离层，且所述第一磁性层延伸到所述第一电感性元件的绕组之间。

11.根据权利要求7所述的设备，其中所述第二电感性元件的一部分啮合所述隔离层，且所述第二磁性层延伸到所述第二电感性元件的绕组之间。

12.一种设备，其包括：

变压器，其包括：

第一磁性材料层，其具有外边缘；

第二磁性材料层，其具有外边缘；

隔离层，其沿着主轴定位于所述第一磁性材料层与所述第二磁性材料层之间，所述隔离层具有基本上法向于所述主轴的中心平面；

第一电感性元件，其绕基本上平行于所述主轴的轴而缠绕；及

第二电感性元件，其绕基本上平行于所述主轴的轴而缠绕，其中

所述第一磁性材料层从所述隔离层沿着所述主轴在第一方向上定位，其中所述第一磁性材料层的所述外边缘与所述隔离层相对，

所述第二磁性材料层从所述隔离层沿着所述主轴在第二方向上定位，其中所述第二磁性材料层的所述外边缘与所述隔离层相对，

所述第一电感性元件定位于所述隔离层的所述中心平面与所述第一磁性材料层的所述外边缘之间，且

所述第二电感性元件定位于所述隔离层的所述中心平面与所述第二磁性材料层的所述外边缘之间。

13.根据权利要求12所述的设备，其中所述第一电感性元件嵌入所述第一磁性材料层中。

14.根据权利要求12所述的设备，其中所述第一电感性元件嵌入所述隔离层中。

15.根据权利要求12所述的设备，所述变压器进一步包括：

第二隔离层，其经定位使得所述第一电感性元件沿垂直于所述主轴的方向由所述第二隔离层环绕。

16.根据权利要求12所述的设备，其中所述第一电感性元件的面向所述第二方向的一侧沿着所述隔离层的面向所述第一方向的表面安置。

17.根据权利要求12所述的设备，其中所述隔离层具有界定延伸到所述隔离层的表面中的空隙的至少一个凹口，所述凹口平行于所述主轴而延伸且至少部分地用磁性材料填充。

18.根据权利要求17所述的设备，其中所述隔离层的所述凹口界定穿过所述隔离层的孔。