CN110914937A - 薄变压器及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

公开了一种超薄变压器(UTT)。UTT包括超薄芯(UTC)，该超薄芯包括基座单元，该基座单元包括中央芯分支；至少一个侧分支；在基座单元中围绕中央芯分支形成环形空间的多个凹痕；以及开放面。UTC还包括适于匹配基座单元的开放面的盖单元。UTT还包括初级绕组和次级绕组。还公开了用于制造薄螺旋绕组的方法。该方法包括获得适于形成螺旋层的布线，将特定变压器的层的布线缠绕在两个平板之间，并在完成该层时移除平板。

Description

薄变压器及其制造方法
背景技术
电源和电池充电器被广泛使用。人们将它们中的大部分设计成从家用电网馈电，例如在110VAC到220VAC之间。充电器和电源从家用电网馈电并且经设计提供范围在例如20VDC和5VDC之间的输出DC电压。这种降压通常使用至少一级降压变压器来处理。
变压器将初级绕组中的AC电流转换成磁通量，然后将磁通量转换回变压器次级绕组中的AC电流。初级绕组的端子处的输入电压与次级绕组的端子处的输出电压之间的电压比与初级绕组数N1与次级绕组数N2之间的比成正比。因此，降压变压器将具有N1/N2>1。
为了通过变压器有效地转换电能，绕组的电阻应当保持尽可能低，并且磁通量的阻抗也应当保持尽可能低。两种类型的电阻将随着各自导管、电线和磁芯的横截面分别增大而减小，而与制得它们的材料无关。该基本物理规则规定需要传输的给定功率量限制了减小变压器的尺寸或体积的能力。另一方面，许多便携式电子设备(例如，蜂窝电话和智能电话、便携式计算设备(膝上型计算机、平板计算机等))的用户依赖于便携式功率充电器的可用性，且出于舒适和外观的原因，将优选尽可能小的充电器，优选地，小到类似于信用卡且厚度不大于信用卡厚度的两倍或三倍，这将使得充电器几乎不引人注意。
需要提供用于超薄充电器和电源中的非常薄的变压器。
发明内容
提供了一种超薄变压器(UTT)，其包括超薄磁芯(UTC)，该超薄磁芯包括基座单元、盖单元、初级绕组和次级绕组。该基座单元包括中央磁芯分支；至少一个侧分支；在基座单元中围绕中央磁芯分支形成环形空间的多个凹痕以及开放面。
在一些实施例中，UTT包括适于大致覆盖初级绕组和次级绕组的绕组环。
在一些实施例中，初级绕组还包括布置在对端的两层绕组，其中次级绕组布置在两个初级绕组层之间的至少一层中，每个绕组层包括扁平螺旋连续布线。在进一步的实施例中，初级绕组的层由具有适于符合高压绝缘要求的三重绝缘的电线制成。在又一些实施例中，初级绕组的层符合IEC/UL 60950所定义的标准。
在一些实施例中，UTT包括形成大致矩形棱柱形UTC的四个侧分支，其中初级绕组和次级绕组中的至少一个可以从UTC的四个面突出。
在一些实施例中，UTT包括形成大致三角形棱柱形UTC的三个侧分支，其中初级绕组和次级绕组中的至少一个可以从UTC的三个面突出。
在一些实施例中，UTC大致是圆柱形的，其中环形空间和UTC具有共同的对称轴。
在一些实施例中，UTC由磁渗透材料制成。
在一些实施例中，UTT可在50kHz至5MHz范围内的工作频率工作。
在一些实施例中，UTT的最大厚度是3.95mm，其中基座单元的面的最大厚度是1.1mm，其中盖单元的最大厚度是1.1mm，留下用于初级绕组和次级绕组的至少1.75mm的空间。
还公开了一种用于制造薄螺旋绕组的方法。该方法包括获得适于形成螺旋层的布线，将特定变压器的层的布线缠绕在两个平板之间，并在完成该层时移除平板。
在一些实施例中，螺旋层由直径为0.42mm或更小的布线制成。
在一些实施例中，布线涂覆有非常薄的聚合物涂层，其中涂层的熔点低于布线绝缘涂层的熔点。
用于制造薄变压器的方法还包括，在缠绕布线的步骤之后，将涂层加热到其熔点温度，从而熔化涂层，并且在预定的加热时间之后停止加热，允许线圈冷却，从而固化线圈。
附图说明
在说明书的结论部分特别指出并清楚地要求保护被认为是本发明的主题。然而，当结合附图阅读时，通过参考以下详细描述，可以最好地理解关于本发明的组织和操作的方法及其目的、特征和优点，在附图中：
图1A和1B是现有技术的变压器的配置的示意图；
图1C是变压器芯的示意性等距视图，包括指示根据图1B的配置的磁通量的箭头；
图2A是根据本发明实施例的超薄变压器的示意性等距视图；
图2B是根据本发明实施例的图2A的薄变压器的示意性三维(3D)放大图；
图2C是图2A的薄变压器的横截面图；
图2D是根据本发明实施例的变压器绕组的示意性横截面图，示出了其间的初级绕组的层和次级绕组的层；
图3A示意性地示出了根据本发明实施例的三个螺旋绕组的放大图；以及
图3B是根据本发明实施例的使用平板制造非常薄的螺旋绕组的方法的示意图。
应当理解，为了说明的简单和清楚，图中所示的元件不必按比例绘制。例如，为了清楚起见，一些元件的尺寸相对于其他元件可能被放大。此外，在认为适当的情况下，可以在附图中重复附图标记以指示相应或类似的元件。
具体实施方式
在以下详细描述中，阐述了许多具体细节以便提供对本发明的透彻理解。然而，本领域技术人员应当理解，没有这些具体细节也可以实施本发明。在其他情况下，没有详细描述公知的方法、过程和部件，以免模糊本发明。
现在参考图1A和1B，它们分别是现有技术中已知的变压器的配置100和150的示意图。变压器配置100描绘了其中磁芯102包括两个相邻磁环并且初级绕组104和次级绕组106位于该芯102的外部分支上的实施例。结果，主磁通量流过外部路径102A，而中间路径基本不用于流动磁通量。图1B示出了变压器配置150的示意图，其中磁芯的形状类似于变压器100的形状，但是初级绕组154和次级绕组156都缠绕磁芯152的中央分支。结果，磁通量流过磁芯152的所有分支，如箭头152A所示。在该配置中，可用于磁通量的磁芯的总横截面高于配置100的总横截面，从而能够以该芯的较低磁阻来变换较高功率。
现在参考图1C，图1C是变压器磁芯180的示意性等距图示。对于如图1B所示的变压器绕组配置，磁通量将如图1C的箭头所示流动。在垂直分支中可用于流动的磁通量的横截面由类横截面灰色区域180A、180B和180C描绘。在水平分支中可用于流动的磁通量的横截面由类横截面灰色区域182A、182B描绘。任何减小变压器物理尺寸的尝试被认为影响可用于磁通量流的横截面，这又将限制可经由变压器变换的电功率的量。
参考图2A，其是根据本发明实施例的超薄变压器200的示意性等距图示。超薄变压器(UTT)200包括超薄磁芯(UTC)201，其包括基座单元202和适于匹配基座单元202的开放面的盖单元204。UTC 201可以由磁渗透材料制成，该磁渗透材料可以经选择具有满足变压器的总体设计要求的磁参数(例如磁场[H]、磁通密度[B]、磁芯损耗、工作频率、磁导率等)。例如50kHz至5MHz范围内的工作频率的可操作性等。UTC 201经成形容纳绕组环250，绕组环250可以用于容纳UTT 200的初级和次级绕组，根据需要具有匝数比并且根据需要具有高电压输入/输出隔离。
现在还参考图2B，图2B是根据本发明实施例的图2A的超薄变压器200的示意性三维(3D)放大图示。如图2B所示，基座单元202包括多个凹痕或雕刻202A，这些凹痕或雕刻202A在基座单元202中形成围绕中央磁芯分支202B形成的环形空间。使盖单元204装配到基座单元202上并完全覆盖基座单元202，从而完成围绕芯分支202B并经由四个侧分支202C的四向磁路(如灰色箭头所示)。如图2B所示，初级绕组和次级绕组中的至少一个可以从UTC的四个面突出。然而，图2B的矩形棱柱形UTC仅仅是非限制性示例，而三角形棱柱形UTC(其中初级绕组和次级绕组中的至少一个可以从UTC的三个面突出)和大致圆柱形UTC(其中环形空间和UTC具有公共对称轴)也是可能的。在基座单元202和盖单元204之间限定的中空空间由环形或环形空间250示出，环形或环形空间250示意性地限定可用于变压器绕组(环形绕组)的体积。
现在参考图2C，图2C是UTT 200沿图2A中的横截线AA的示意性横截面图。如图2C所示，基座单元202由盖单元204覆盖。由基座单元202和盖单元204形成的磁芯201尤其形成磁通量路径，如通过中央磁芯分支202B和通过侧芯分支202C的箭头所示。磁通量围绕适于容纳变压器的初级和次级绕组的绕组体积250。在本发明的一些实施例中，变压器的厚度THT可以不大于3.95mm(最大厚度)，基座单元基础的厚度THB可以不大于1.1mm，并且盖单元的厚度THc可以不大于1.1mm，留出至少1.75mm用于变压器绕组(SOLH)。
现在参考图2D，其是根据本发明实施例的初级绕组251A、251B和次级绕组252的示意性横截面图。初级绕组可以体现为设置在变压器的绕组250的外部对端处的两层绕组来实施。次级绕组可以体现为设置在初级绕组层之间的一个或多个相邻层。每个绕组层可以包括扁平螺旋连续布线，如下面详细说明的。
初级绕组层可以由具有三重绝缘的电线制成，以符合高压绝缘要求，例如UL60950。典型地，但不限于，初级绕组的匝数将高于次级绕组的匝数，以提供降压转换。在其他实施例中，变压器可以被设计用于升压功能或简单地用于与电流隔离，例如1：n的变压比。
具有较高匝数的变压器级的生产可能增加一些生产难度，例如当生产具有直径为0.42mm或更小的布线的扁平螺旋层时。可以方便地将某个变压器层的螺旋绕组缠绕在两个平板之间，并且在绕组完成时移除这些平板。参见图3B中的一个这样的支撑板370，其是用于制造非常薄的螺旋绕组的方法的示意图。然而，由于布线的小的尺寸/直径及其低刚度形态，当移除支撑板时，螺旋线圈可能塌陷。根据一些实施例，这种小尺寸螺旋线圈的缠绕可以使用围绕绝缘层涂覆有非常薄的聚合物涂层的电线来进行。涂层的熔点CTM(℃)可以低于布线绝缘涂层的熔点。当支撑板之间的螺旋线圈的制备终止时，线圈可以被加热到CTM温度，从而熔化聚合物涂层。在预定的加热时间之后，可以停止加热，使线圈冷却并使聚合物涂层固化，从而使线圈固化。可以使用任何已知的手段和方法进行加热，例如直接加热(例如热空气)、感应加热、超声加热等。支撑板可以选自具有与聚合物材料固化的低趋势的材料，以在聚合物涂层固化之后易于分离板。初级的绕组可以通过执行螺旋绕组层来实现，该螺旋绕组层从外周向内延伸，从外部初级绕组层邻近变压器的脐部(或中心)交叉到变压器另一侧上的外部初级层，并且从内周向外缠绕，由此产生初级的单个绕组，该初级的单个绕组可以体现为在两个相对的外层处形成的两个层。
如果需要，可以在螺旋线圈层之间放置绝缘层253、255。然而，当低厚度是设计的目标并且规章不需要这种绝缘时，可以避免这种绝缘层。
现在参考图3A，图3A示意性地示出了根据本发明实施例的三个螺旋绕组352、354和356的放大视图。每个螺旋绕组可以分别具有外径D350、内径d350和螺旋线圈厚度T352、T354和T356。可以选择线圈的厚度以最佳地利用可用线圈体积，同时考虑在每个线圈中流动的电流，以实现体积的最佳利用，或者对于给定的可用宽度和长度以及所需的变换功率实现最小的变压器厚度。UTT还可以包括两个输入端子和两个输出端子，其中输入端子可以连接到初级绕组，输出端子可以连接到次级绕组。根据一些实施例，为了实现次级线圈的高绕组数，两层或更多层线圈可以串联电连接。例如，线圈352和356可以串联连接，并且设置匝数方向以在相同方向上提供统一的磁通量。该连接可以通过通孔连接器(图中未示出)来实现，该通孔连接器可以实施为具有应用于绕组的相同绝缘要求。根据一些实施例，次级绕组的布线的直径可以沿着螺旋绕组改变，以便确保每个匝具有相同的每整匝内部电阻，即，外部绕组的直径可以大于内部绕组的直径，以便补偿更长的绕组长度。在其他实施例中，可以以其他方式实现外部电阻的改变，例如沿着绕组的布线材料的纯度的改变。在一些实施例中，次级的绕组可以是沿着整个绕组具有相同直径的布线。
根据一些实施例，为了实现次级的非常低的阻抗，两个或更多个变压器的次级端子可以并联连接。
根据一些实施例，次级绕组的端子可以被定位成相对于初级绕组的端子的取向旋转90度，以便优化绕组周围的体积的利用并且允许变压器更好的最小化。
用于制造变压器芯的铁磁材料可以根据诸如工作频率、功率损耗的要求/限制、能量存储能力等考虑来选择。
虽然本文已说明和描述了本发明的某些特征，但所属领域的技术人员现在将想到许多修改、替代、改变和等效物。因此，应当理解，所附权利要求旨在覆盖落入本发明的真实精神内的所有这些修改和变化。

Claims (29)

1.一种超薄变压器(UTT)，所述UTT包括：
超薄磁芯(UTC)，所述UTC包括：
基座单元，包括：
中央磁芯分支；
至少一个侧分支；
多个凹痕，所述多个凹痕围绕所述中央磁芯分支在所述基座单元中形成环形空间；以及
开放面；
盖单元，所述盖单元适于匹配所述基座单元的所述开放面；
初级绕组；以及
次级绕组。
2.根据权利要求1所述的UTT，其中，所述初级绕组还包括布置在对端的两个绕组层，其中所述次级绕组布置在所述两个初级绕组层之间的至少一层中，每个所述绕组层包括扁平螺旋连续布线。
3.根据权利要求2所述的UTT，其中，第一初级绕组层是螺旋绕组层，所述螺旋绕组层从所述UTC的周边向内缠绕，从所述第一初级绕组层到第二初级绕组层靠近UTT的中心交叉，所述第二初级绕组层定位成与所述第一初级绕组层的侧面相对，其中所述第二初级绕组层从UTC的周边向外缠绕，从而经由两个相对的层形成所述初级绕组的单个绕组。
4.根据权利要求3所述的UTT，其中所述初级绕组层由具有适于符合高压绝缘要求的三重绝缘的电线制成。
5.根据权利要求1所述的UTT，还包括适于基本上覆盖所述初级绕组和所述次级绕组的绕组环。
6.根据权利要求1所述的UTT，包括形成大致矩形棱柱形UTC的四个侧分支，其中所述初级绕组和所述次级绕组中的至少一者可以从所述UTC的四个面突出。
7.根据权利要求1所述的UTT，包括形成大致三角形棱柱形UTC的三个侧分支，其中所述初级绕组和所述次级绕组中的至少一者可以从所述UTC的三个面突出。
8.根据权利要求1所述的UTT，其中所述UTC是大致圆柱形的，其中所述环形空间和所述UTC具有共同的对称轴。
9.根据权利要求1所述的UTT，其中所述UTC由磁渗透材料制成。
10.根据权利要求1所述的UTT，其中所述UTT在50kHz至5MHz范围内的工作频率是能够操作的。
11.根据权利要求1所述的UTT，其中所述UTT的最大厚度是3.95mm，其中所述基座单元的面的最大厚度是1.1mm，其中所述盖单元的最大厚度是1.1mm，为所述初级绕组和所述次级绕组留下至少1.75mm的空间。
12.根据权利要求1所述的UTT，还包括：
两个输入端子；以及
两个输出端子，
其中所述输入端子可以连接到所述初级绕组，并且所述输出端子可以连接到所述次级绕组。
13.根据权利要求1所述的UTT，其中所述UTT适于连接到从包括以下各项的组中选择的至少一项：电源、电池充电器、薄电池、膝上型计算机、智能电话。
14.根据权利要求1所述的UTT，其中所述UTT用作降压变压器。
15.根据权利要求1所述的UTT，其中所述UTT用作升压变压器。
16.根据权利要求1所述的UTT，其中所述UTT用于电流隔离。
17.根据权利要求1所述的UTT，其中变压比是1：n。
18.一种用于制造薄螺旋绕组的方法，所述方法包括：
获得适于形成螺旋层的布线；
将特定变压器的层的布线缠绕在两个平板之间；以及
当完成层时移除所述平板。
19.根据权利要求18所述的方法，其中所述螺旋层由直径为0.42mm或更小的布线制成。
20.根据权利要求18所述的方法，其中所述布线涂覆有非常薄的聚合物涂层，其中所述涂层的熔点低于布线绝缘涂层的熔点。
21.根据权利要求20所述的方法，在缠绕所述布线之后还包括：
将所述涂层加热至所述涂层的熔点温度，从而使所述涂层熔化；以及
在预定加热时间后停止加热，使线圈冷却，从而使所述线圈固化。
22.根据权利要求21所述的方法，其中使用选自包括以下各种方式的组中的方式进行加热：直接加热、热空气、感应加热、超声加热。
23.根据权利要求21所述的方法，其中所述平板由不易与所述聚合物材料固化的材料制成。
24.根据权利要求1所述的UTT，还包括多个绝缘层，其中每个绝缘层放置在两个螺旋线圈层之间。
25.根据权利要求1所述的UTT，其中两层或更多层线圈串联电连接，其中匝的方向被设置为在相同方向上提供统一的磁通量。
26.根据权利要求1所述的UTT，其中所述次级绕组的布线的直径沿着螺旋绕组改变。
27.根据权利要求1所述的UTT，其中电阻的改变是通过改变布线材料的纯度来实现的。
28.多个根据权利要求12所述的UTT，其中两个或更多个UTT的所述次级端子并联连接。
29.根据权利要求12的所述的UTT，其中所述次级绕组的端子被定位为相对于所述初级绕组的端子的取向旋转90度。
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