CN107799280B - 一种应用金属敷接陶瓷基板的高温平面变压器 - Google Patents

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Abstract

一种应用金属敷接陶瓷基板的高温平面变压器，包括由一组铁镍钼金属磁粉芯磁芯拼接而成的双环状封闭结构磁芯；设置有多组应用金属敷接技术的陶瓷基板平面线圈，并且所有的平面线圈组件组成了变压器的初级绕组和次级绕组。所述高温平面变压器使用的陶瓷基板上留有一个用于安置金属磁粉芯材质磁芯的安装孔，两部分磁芯分别从陶瓷基板的两侧放入安装孔，对接粘合为一个整体。本发明即一种应用金属敷接陶瓷基板的高温平面变压器与传统绕线变压器和平面变压器相比，具有以下几个优势：采用金属敷接陶瓷基板可以大幅提高变压器的功率密度，降低变压器的漏感和分布电容，提高散热效率，并且可以在200℃以上高温环境中长时间工作，从而可以简化变压器的散热设计，减小变压器的尺寸和重量，同时也满足了航空航天、石油钻探等具有高温环境行业对开关电源的设计要求。

Description

一种应用金属敷接陶瓷基板的高温平面变压器
技术领域
本发明设计的是平面变压器，主要是应用金属敷接陶瓷基板的高温平面变压器。
背景技术
传统平面变压器多采用扁平漆包线绕线工艺，PCB印刷电路工艺，或两者混合结构。扁平漆包线绕线工艺体积较大，漏感高，一致性差；PCB印刷电路线圈结构紧凑，但无法在高频和高温下工作。PCB印刷电路工艺也可以用低温共烧陶瓷LTCC工艺代替以增强高频性能，但低温共烧陶瓷工艺通过在生瓷带上印刷金属浆料共同烧结而成，由于金属浆料与生瓷带收缩率不一致，所印制的金属导线宽度和厚度有限，无法承受较大电流。传统开关电源使用的平面变压器一般采用铁氧体磁芯，居里温度较低，高温下磁导率降低导致无法正常工作，无法满足在高温环境下长时间工作，这样就无法满足航空航天、石油钻探等具有高温环境行业对开关电源模块中平面变压器的高温及高功率密度的设计要求。
发明内容
本发明所要解决的问题是弥补上述现有技术的缺陷，提供一种可满足在高温环境下以及由变压器自身功率损耗导致的自发热情况下正常工作的高温、高功率密度、小型等要求的金属敷接陶瓷基板的高温平面变压器。
本发明应用金属敷接陶瓷基板的高温平面变压器由以下技术方案解决上述提到的技术缺陷。
这种应用金属敷接陶瓷基板的高温平面变压器，包括：有一组铁镍钼金属磁粉芯双环状封闭结构的磁芯；还包括应用金属敷接技术的陶瓷基板所构建的变压器初级和次级绕组。
所述变压器初级和次级绕组由多层金属敷接陶瓷基板层叠构成。
所述金属敷接陶瓷基板中间位置根据所述磁芯中柱尺寸采用激光切割工艺制作安装孔，用于安装磁芯，在陶瓷基板敷金属面围绕安装孔加工绕组线圈。
所述由双环状封闭结构铁镍钼金属磁粉芯组成的两部分磁芯的中柱穿过安装孔并在结合面施加可以承受200℃以上的高温磁性粘合剂粘合成为一个整体。所述两部分磁芯可以使用EE型或EI、ER型等与之结构相似的磁芯。
本发明金属敷接陶瓷基板的高温平面变压器由以下技术进一步解决上述提出的缺陷。
所述金属敷接陶瓷基板采用直接敷铜（DBC）或直接敷铝（DBA）技术的氧化铝(Al2O3)或氮化铝(AlN)陶瓷基板，可以承载大电流并在高温下工作。
所述陶瓷基板中的金属线圈围绕放置磁芯中柱的安装孔加工。
所述陶瓷基板中的金属线圈上下层之间通过焊盘使用金属柱结构连接，同时金属柱还对陶瓷板实现固定和支撑，由多层陶瓷基板分别层叠组成变压器的初级和次级绕组。
所述的高温平面变压器的初级绕组和次级绕组的引出端从陶瓷基板上线圈起始和终止处通过焊盘采用延长的金属柱结构引出。
本发明应用金属敷接陶瓷基板的高温平面变压器与传统绕线式变压器和传统平面变压器相比，具有以下有益效果。
1、采用耐高温的铁镍钼金属磁粉芯材料作为变压器磁芯，其居里温度（即失效温度）高达400摄氏度以上，远远高于传统平面变压器所使用的铁氧体磁芯的居里温度，可以满足变压器高温工作要求。
2、具有高频和耐高温特性的氧化铝（Al2O3）或氮化铝（AlN）陶瓷基板作为变压器线圈导体的承载介质，氧化铝或氮化铝陶瓷基板在800摄氏度以上都能保持良好的物理性能和绝缘性，同时与印刷电路板相比具有更好的导热性，因此在变压器自发热情况下具有更好的散热效果，有利于高温环境工作。
3、与传统PCB和低温共烧陶瓷平面变压器相比，采用氧化铝或氮化铝陶瓷基板作为平面变压器线圈的承载介质，可以将陶瓷基板厚度降低至0.4毫米以下，使得平面变压器的初级绕组和次级绕组贴合更加紧密，提高耦合系数，从而提高变压器的能量转换效率。
4、与传统PCB平面变压器和低温共烧陶瓷平面变压器相比，更薄的氧化铝或氮化铝陶瓷基板还可以有效地降低初级绕组和次级绕组的厚度，因此可以明显降低变压器的整体高度，有利于变压器小型化。
5、在陶瓷基板上采用金属敷接技术加工变压器线圈，与低温共烧陶瓷LTCC技术相比，金属敷接技术明显减小了陶瓷板与金属之间过渡层的厚度，使得金属层到基板的热阻减小，金属层厚度可达到0.3mm甚至更高，同时金属层宽度仅受限于变压器所用磁芯窗口截面尺寸，远远超过低温共烧陶瓷金属导线宽度，因此绕组可承载更大的电流，导体损耗降低，从而提高功率密度。同时金属层面积的增加使变压器热分布更为均匀，改善变压器的散热性能。
6、与传统PCB和低温共烧陶瓷平面变压器相比，采用金属敷接技术的线圈导体加工精度高，线圈与磁芯贴合更为紧密，因此漏感极低，提高了变压器的效率。
7、和低温共烧陶瓷平面变压器相比，线圈金属层宽度更大，扁平度高，在高频电流下可以明显改善电流的趋肤效应，线圈的交流阻抗降低，从而减少了线圈损耗。
本发明应用金属敷接陶瓷基板的高温平面变压器的具体结构由以下附图和实例详细给出。
附图说明
图1是一种金属敷接陶瓷基板的高温平面变压器的整体构成图。
图2是一种金属敷接陶瓷基板的高温平面变压器的分解结构图。
图3是一种金属敷接陶瓷基板的高温平面变压器的线圈绕组的结构分解图。
图中1-上磁芯，2-下磁芯，3-初级绕组，4-次级绕组，5-初级线圈引出端金属柱，6-初级线圈层间连接金属柱，7-初级线圈引出端金属柱，8-次级线圈引出端金属柱，9-次级线圈层间连接金属柱，10-次级线圈层间连接金属柱，11-次级线圈引出端金属柱，P1-初级绕组第一线圈，P2-初级绕组第二线圈，S1-次级绕组第一线圈，S2-次级绕组第二线圈，S3-次级绕组第三线圈，12-初级绕组第一线圈连接孔，13-初级绕组第一线圈连接孔，14-初级绕组第一线圈连接孔，15-初级绕组第二线圈连接孔，16-初级绕组第二线圈连接孔，17-初级绕组第二线圈连接孔，18-次级绕组第一线圈连接孔，19-次级绕组第一线圈连接孔，20-次级绕组第一线圈连接孔，21-次级绕组第一线圈连接孔，22-次级绕组第二线圈连接孔，23-次级绕组第二线圈连接孔，24-次级绕组第二线圈连接孔，25-次级绕组第二线圈连接孔，26-次级绕组第三线圈连接孔，27-次级绕组第三线圈连接孔，28-次级绕组第三线圈连接孔，29-次级绕组第三线圈连接孔，30-氧化铝或氮化铝陶瓷基板，31-高温磁性粘合剂层。
具体实施方式
由图2可以清晰的看出本发明的高温平面变压器实例包括：由E型铁镍钼金属磁粉芯1和2对置构成双环状封闭结构磁芯；内置多层金属敷接陶瓷基板线圈层叠构成的变压器初级绕组3和次级绕组4。每片陶瓷基板线圈中部采用激光切割工艺加工出与磁芯中柱尺寸相配合的安装孔并沿安装孔对齐。两部分磁芯穿过陶瓷基板安装孔并通过高温磁性粘合剂层31粘接固定。
由图3可以看出每片变压器线圈由金属敷接的氧化铝或氮化铝陶瓷基板30制作，通过蚀刻工艺在金属层加工出特定形状导线。在陶瓷基板一侧根据线圈匝数开有若干沿垂直方向对齐的安装孔。线圈P1和P2构成2匝变压器初级绕组，线圈S1至S3构成3匝变压器次级绕组。同一绕组内相邻两层线圈在对应的连接孔外径具有在垂直方向重叠的焊盘结构，通过穿过连接孔的金属柱与高温焊锡实现相邻两层线圈的电路连接。金属柱同时实现多层线圈之间的对位与物理支撑。
从图3可以进一步的观察到本发明变压器实例的绕组布局是初级与次级的绕组线圈按S1-P1-S2-P2-S3的顺序交替放置，绕组间具体的连接方式如下：初级绕组3的第一线圈P1上的连接孔13与第二线圈P2上的连接孔16使用金属柱6实现P1与P2的电路布线连接，初级绕组第一线圈P1中的连接孔14和第二线圈P2中的连接孔15作为初级绕组引出端使用延长的金属柱5和7引出，同时引出端使用的延长金属柱也穿过初级绕组第一线圈P1中的连接孔12和第二线圈P2中的连接孔17；次级绕组4的第一线圈S1上的连接孔19与第二线圈S2上的连接孔23使用金属柱9实现S1与S2的电路布线连接，次级绕组4的第二线圈S2上的连接孔24与第三线圈S3上的连接孔28使用金属柱10实现S2与S3的电路布线连接，而次级绕组第一线圈S1的连接孔18和第三线圈S3的连接孔29作为次级线圈的引出端使用延长的金属柱8和11引出，同时金属柱8和11也穿过第二线圈S2中的连接孔22和25以及第三线圈S3中的连接孔26和27以固定和支撑陶瓷基板。
以上给出了本实例变压器具体的实施方案，但本发明即应用金属敷接陶瓷基板的高温平面变压器不局限于上述的实例说明。根据本发明所述技术方案可以做出具有相对复杂绕组形式的平面变压器包括带有辅助绕组、绕组具有中心抽头等结构，对于本发明所属技术领域的普通技术人员在不脱离本发明构思前提下做出的性能与用途相当的同等替代或变形，都应视为本发明所提交权利要求书中确定的保护范围。

Claims (4)

1.一种应用金属敷接陶瓷基板的平面变压器，包括由一对磁芯对接粘合而成的双环状封闭结构磁芯，以及环绕磁芯的平面变压器初级绕组和次级绕组；其特征在于：
所述平面变压器初级绕组和次级绕组分别由一片或多片金属敷接陶瓷基板上加工绕组线圈，再将制作有初级和次级绕组线圈的金属敷接陶瓷基板交叉层叠装配构成；
所述金属敷接陶瓷基板中间位置根据磁芯中柱尺寸制作安装孔用于安装磁芯，在陶瓷基板敷金属面围绕安装孔加工变压器初级和次级绕组线圈；
所述的构成初级绕组和次级绕组的金属敷接陶瓷基板一侧根据绕组线圈匝数开有若干沿垂直方向对齐的连接孔，同一绕组内相邻两层线圈在对应的连接孔外径具有在垂直方向重叠的焊盘结构，通过穿过连接孔的金属柱与焊锡实现相邻两层线圈之间的电路连接，金属柱同时实现多层线圈之间的对位与物理支撑；
所述的金属柱中作为变压器引出端金属柱的长度大于初级或次级绕组整体高度，装配后金属柱一侧与绕组表面平齐，另一侧伸出绕组表面作为连接端子；其它金属柱长度与初级或次级绕组整体高度相同，装配后金属柱两侧截面与变压器绕组上下表面均平齐。
2.根据权利要求1所述的应用金属敷接陶瓷基板的平面变压器，其特征在于：
所述的平面变压器所使用的磁芯材质为铁镍钼金属磁粉芯。
3.根据权利要求1所述的应用金属敷接陶瓷基板的平面变压器，其特征在于：
所述的平面变压器所使用的磁芯材质为居里温度高于铁镍钼金属磁粉芯的磁性材料。
4.根据权利要求1所述的应用金属敷接陶瓷基板的平面变压器，其特征在于：
所述的平面变压器所采用的两部分磁芯的结合面之间通过可以承受200℃以上温度的磁性粘合剂粘合成为一个整体。
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