CN1226069A - 变压器 - Google Patents

Abstract

一种小型平面型变压器,包括铁心(K1,K2)和设置成一层或多层扁平载体上导体的初级绕组(W1)及至少一个次级绕组(W2),该变压器包括具有腔壳体系的线圈形成架,腔(C1,C2)容纳带有绕组(W1,W2)的层。至少一个腔(C1,C2)至少在区域中是闭合的,结果获得长爬电路径距离。即使在非常小型尺寸和/或完全利用导体条迹有效宽度时也能遵守现有关于主电源隔离的安全规程。腔壳体系可用两或三个塑料部件(P1,P2,P3)配合形成。具有导体条迹的层横向伸出腔壳体系以与端子相接触。

Description

变压器

本发明涉及一种包括一个初级绕组及至少一个次级绕组的变压器，它们以导体条迹的形式分布在一层或多层扁平载体、尤其是膜或印刷电路板上。这种类型的变压器例如用在具有非常高开关频率、尤其是大于50kHz的开关式电源中，由此能使变压器保持非常小。

当变压器尺寸减小时，如果该变压器不要被封装，则必须保证其初级侧和次级侧之间的足够绝缘。这对于具有主电源隔离的开关式电源是特别重要的，对于它，安全规程要求从次级侧到初级侧的表面电流爬电路径应至少为6mm，对于整个变压器这都必须被遵循。当给定了变压器铁心的尺寸，则可供绕组使用的容积也就受到限制。因此该安全规程会导致较大的部件及较大的功耗，这是由于无功阻抗增加及磁耦合降低引起的。

此类型的公知变压器被表示在图1a,1b上，它例如包括具有两个铁心部分K1,K2的铁心，初级及次级绕组W1，W2设在铁心的开口中。绕组作为导体条迹L分布在扁平载体的非导电层F上，在各种情况下将依赖所需的圈数使多个层彼此上下叠放。在此情况下多个层P通过镀通孔T2使导条串联并具有两个外部端子T1,T3。为了获得各线圈间足够长的爬电路径，层P的外及内边缘R必须保持空白，换言之，不允许有任何导体条迹。导体条迹L例如是使用蚀刻工艺作为铜条迹形成在层P上的。图1a,1b是相应于变压器中心水平及中心垂直平面的截面图。

本发明的目的是给出一种导言部分所述类型的小型变压器，它具有改进的电性能。

该目的将借助于权利要求1中所限定的本发明特征来达到。本发明的有利改进被描述在从属权利要求中。

本发明的变压器包括具有腔壳体系的线圈形成架，它具有容纳带有绕组的各层的腔。绕组被布置在至少两个分离的腔中，由此产生了绕组之间的长爬电电流距离，而不必一定要封装变压器。在此情况下，腔壳体系由至少两部分形成，它们这样地形成，即由这些部分的配合产生腔。

腔壳体系例如可由两部分构成，它们的形状每个相应于非对称H形横截面，及它们这样地配合，以致产生在铁心开口区域中的一个闭腔，用于次级绕组；及产生两个相邻的开腔，用于初级绕组。在一个不同的示范实施例中，腔壳体系由三部分形成，两部分这样地放入到一个中间部分中，以产生出两个闭腔，每一个用于一个绕组。

腔壳体系各部分可譬如由注射成型的热塑性塑料制成，它们的尺寸这样选择，即在与外壁配合的过程中它们彼此地插合。在此情况下，外壁可彼此上下像夹层地叠放，由此产生长的爬电电流距离，而不需要腔壳体系要求的任何空间增加。

腔壳体系具体围绕在铁心区域及开口上而且两侧均是打开的，结果是带有绕组的层可从两则伸出，以便进行与端子的接触连接及使不同层相接触。此外，该腔壳体系的外部设有在其外缘上的延伸部分，结果是，如果相连部分在经过铁心的截面中采取H形状，爬电路径在这些边缘上被加大了。层本身可在开口侧被足够地加大，如前所述，结果使这里也能同样地遵守完全规程。作为其结果，由腔壳体系形成的接触未受限制。

虽然腔壳体系部分本身占据了铁心开口中一部分空间，但由于现在导体条迹延伸到层的整个宽度直到腔壳体系的壁上，使该损失受到补偿。其结果是，例如对于变换功率约140瓦的变压器可利用的铜面积增大约45％。电功耗下降了相同比例。

此外，腔用作组装辅助，并减小了几何尺寸的变化，因此，减少了由于组装容差的电特性变化。另一方面是，作为其结果变压器功率可以增加或是对于预定功率变压器尺寸可减小。层例如为印刷电路板或膜，例如聚酯薄膜或Kapton膜。

如果使用了双面镀层的载体层，则必须使用镀通孔，该孔使载体层上表面及下表面上设有的导体条迹相连接。此外，必须使多个载体层的导体条迹彼此相连接，因为在一个载体层的一侧上仅分布了一个或几个导体条迹，而对一个变压器绕组必须要达到预定的圈数。但是，这使得变压器成本显著增加并使自动化生产变得较困难。

为了使导体条迹相接触，因此在一个有利改进中，该腔壳体系具有金属化槽的侧条，这些金属化槽用于建立双面镀层的载体层的上表面及下表面上设有的导体条迹之间的连接或是两个相邻载体层的导体条迹的连接。这尤其是，使避免使用载体层的镀通孔成为可能。在此情况下槽在一定程度上像一个夹子包围在双面镀层的载体层的边缘，并由此连接两个导体条迹，在此情况下，例如每次将一个端部引导到该边缘上。

该腔壳体系的侧条及金属化槽可通过两步MID(“moulded interconnectdevices(模制互连器件)”)方法与腔壳部分一起产生。该MID方法，即一种塑料注射模压成型工艺过程可以制造由热塑性塑料与金属导体条迹一起作成的金属丝结构，它可取代传统的印刷电路板。在此情况下将侧条有选择地金属化，以便制作槽。

为了减少接触电阻，金属化槽可附加地用电镀来增强导电。为了提供辅助，可以设置钎焊剂涂层及后置焊接操作。接触部分在两个或多个侧条之间分配，以便保证在两个槽之间足够绝缘距离的间距。在两步MID方法的情况下，在第一步中例如可借助钯核激活，所述该激活改善了随后施加铜层时的粘附力。

作为载体层，尤其可以使用LCP(Liquid Crystal Polymer(液晶聚合物))结构，例如可使用Futuron方法对该结构施加导体条迹。这使得制造用于较大电流负载的厚度为35μm或70μm的铜导体条迹成为可能，换言之，该导体条迹的厚度用“热模压”方法不能制造出来。该LCP膜是高阻热的，由此可以使焊接工艺，例如“软熔(RefloW)”工艺用于具有设于其中的载体层的腔壳体系。

以下将参照附图以例子方式更详细地解释本发明，附图为：

图1a,1b表示根据现有技术的平面型变压器，

图2a,2b表示根据本发明的变压器，它具有由三部分及两腔组成的腔壳体系，及

图3a,3b表示根据本发明的变压器，它具有由两部分及三腔组成的腔壳体系，

图4表示借助凹口形槽的导体条迹接触连接的例子，

图5表示具有用于接触连接的侧条(Web)的腔壳体系，

图5b表示图5a的腔壳体系的侧视截面图，及

图6表示用于腔壳部分上电镀槽的铜结构。

在图2a中所示的变压器包括具有E/E铁心形式的两个铁心部分K1,K2的一个铁心，一个初级绕组W1及至少一个次级绕组W2的线圈通过所述铁心的开口导入。在此情况下绕组W1，W2被布置在由三部分P1,P2,P3组成的腔壳体系中，其方式是，在截面区域中产生两个闭合的腔C1,C2，绕组W1,W2彼此隔开地布置在所述腔中。一部分P2具有双T形，涉及开口部分，而另外两部分P1,P3具有U形。这两部分P1,P3作成与中间部分P2相适合并与后者配合产生闭合的腔C1,C2。在此情况下，U形部分P1,P2座落在T形部分P2中。由于布置在中间的双T形部分P2，在两个绕组W1及W2之间产生了长的爬电路径。

绕组W1,W2由其间设有绝缘层的多个缠绕载体层F构成。在该示范实施例中，在载体层F的两面上设有导体条迹。但是，也可使用在一面上有涂层的载体层。在载体层F上导体条迹L的示范分布可从图2b中看到，其中在一面上布置有5圈及在导体条迹开头设有触点T1和在其终点设有触点T2。导体条迹T2的终点通过镀通孔被延续到载体层F的下表面，在下表面上线圈类似地布置，并再借助镀通孔T3返回到上表面。

图2b以截面表示图2a的变压器，该截面垂直于图2a的截面并通过铁心部分K1。层F及具有部分P1,P2的腔壳体系完全填满在铁心K1中的开口。在此情况下，腔壳体系的各腔在铁心开口区域中完全闭合，并在铁心中仅有左及右两侧从腔C1,C2中伸出带有导条L的层F，作为绕组W1,W2的端子。例如，一个绕组W1的端子T1,T3位于左手侧，另一绕组W2的端子相反地位于右手侧，由此保证对主电源隔离的足够间隔。双T形部分P2在其边缘还额外地包括一个延伸部分P2L，用于增长在该区域中的爬电路径。这种设置使得导体条迹L可以延伸到铁心开口区域中层F的整个宽度上。

图3a,3b表示具有包括内部分P4及外部分P5的腔体系的变压器，它形成一个闭腔C3及两个开腔C3,C5。在图3a的截面中，两部分P4,P5具有非对称H形，并具有稍微不同尺寸，以致一个可放置在另一个中。这允许将次级绕组W2布置在闭合的中间腔C4中，及将分成两半的初级绕组W1布置在两外腔C3,C5中。将初级绕组W1布置在中间腔C4中及将次级绕组W1布置在两外腔C3,C5中也是可能的。外壁形状像非对称H形意味着在该情况下同样地获得了绕组W1及W2之间的长爬电路径。

图3b表示图3a变压器的一个截平面，它与图2b的截面相对应。在此情况下，层F的导体条迹L同样完全伸出到部分P5内腔的宽度以外。在此情况下，具有部分P4及P5的腔体系同样仅在铁心中围绕开口的区域中闭合，而在用于端子T1及T3接触连接的两侧上打开。

腔部分P4及P5的壁厚可保持很小，例如0.4mm。如上所述，载体层F可从腔体系伸出到铁心部分K1,K2中开口的外侧，例如为了实现端子T1及T3上的接触连接。这里，可通过载体层F上足够宽的边缘R获得所需的绝缘距离，而无任何缺点。

该变压器例如可用于开关式电源中，其中初级绕组W1与一个开关晶体管相连接，并经过桥式整流器连接到主电源(电网电源)。用于供给负载的多个次级绕组可布置在具有主电源隔离的次级侧及无主电源隔离的初级侧上。主电源隔离作在电路板上铁心的下方，在该电路板上变压器作为一器件布置。次级绕组是设有还是不设有主电源隔离的问题依赖于次级绕组端子是伸出到左边还是到右边。各绕组可以相应方式在腔体系的各腔之间分配。但是，也可具有其他构型，尤其是另外的铁心形状。

在一个有利的改进中，为了避免使用镀通孔，如图4所示，腔壳体系包括具有金属化槽N的侧条S，它建立载体层F的上表面和下表面上导条L之间的连接。侧条S布置在腔壁PK上，在该实施例中后者从腔部分的底部B上垂直地升起。槽N可设计成通体槽形，如该示范例中所示，或切口槽，结果使载体层F用边缘插入到位。在此情况下，金属化槽N像一个夹子围绕着边缘，并由此在相应载体层F的上表面导体条迹L和下表面导体条迹L之间形成电接触。槽的深度例如具有0.5mm范围上的值。

所使用的载体层具体可为具有0.05mm厚度的LCP结构，它可设有厚度为35μm或70μm厚的导体条迹。为了支持载体层F上表面及下表面上导体条迹L之间的接触连接，也可附加地使用钎焊焊剂涂层LP，它被导入到槽N中。通过适当加热，例如软熔处理能使钎焊焊剂与导体条迹L及槽N的金属化层熔焊起来，也可使用一种导电胶来代替该焊接处理。

在载体层F之间设置绝缘层IS，以便避免导体条迹之间的短路。具体地，侧条S仅包含用于每第二载体层F的金属化槽N，由此在两个槽之间产生足够的绝缘距离。

图5a表示一个内腔部分P4的平面图，在该腔部分中以堆状插入譬如次级绕组W2。该内腔部分包括：一个底部B，最下面的载体层F尽可能以平面方式支承在该底部上；及侧壁PK，它确定了载体层的宽度。该腔部分P4可用于譬如E/E铁心，铁心的中间铁心柱穿过腔部分P4的开口OE。

布置在腔部分P4中的绕组完全被未示出的第二腔部分封闭在铁心及其中开口的区域中，由此使得将腔壁PK之间的整个宽度均用于载体层F上导体条迹成为可能。腔部分P4及相关的终端外腔部分类似于图3a的腔部分P4及P5，但具有侧向延伸。其结果是，可在内腔部分P4中设置另外的侧条，即在图5a示范实施例中的侧条S1,S2和S5,S6。侧条S3及S4也可通过切口AS从侧面来加工。

图5b展示了侧条S3,S4的结构，它表示截面A-B中腔部分P4的视图。金属化槽N1-N5已在这些侧条S3,S4上被加工出来，在每种情况下这些槽在载体层的上表面及下表面的导体条迹之间建立接触。由于槽N1-N5在两侧条间分配，在槽之间就产生了足够的绝缘距离。其结果是，一个侧条每次用于与相邻第二个载体层产生接触，以致于两个侧条就足够了。例如，五个载体层的上及下导体条迹彼此借助五个槽N1-N5相接触，以避免使用镀通孔。

侧条S3,S4仅建立载体层上表面及下表面上导体条迹的接触，以避免使用镀通孔。载体层之间的接触同样可由本发明建立，但在该实施例中，是在载体层的外边缘上与绕组端子一起实现的。

图6以放大方式详细地表示了侧条S3,S4中的槽N1-N5。在图5b中未出现的铜结构KS也可在这里被看到。该铜结构起到对槽N1-N5电连接的作用，借助它在制造时，通过在镀铜槽中的电镀可使槽N1-N5的金属化增强。在电镀好后将该铜迹KS除去。铜层KS可被直接施加在壁PK上。

通过对载体层F及腔部分P4,P5和/或对于部分P1-P3使用相同的LCP结构，使变压器完全回收再利用成为可能。在LCP结构情况下，塑料及金属以满意的纯度隔离已经被证实。材料的回收利用尤其在电视机中是很重要的，因为它们中包含极大量的塑料件。

考虑到LCP结构的优异注射模制成型特性，对于腔壳部分可使用0.4mm范围上的壁厚，其结果是，由于该壁厚使铁心开口中的面积损失保持很小。与现有变压器相比，载体层上可利用区域的变宽可使载体层的层数减少，结果是，腔壳体系附加成本的增加可被绕组缠绕的节省正好补偿。此外，由于铁心开口的更好利用使变压器具有更好的电特性。

参照图2-6作出说明的腔壳体系基本上涉及E/E铁心或E/I铁心。但是，另外的构型，尤其是铁心形状的另外构型同样是可能的。这种类型的变压器可被使用在譬如谐振变换器开关式电源中，它可提供在远大于100瓦范围上的相对高功率输出，例如用于等离子体电视机或具有大显像管的电视机中。

Claims (14)

1．一种变压器，包括一个铁心(K1,K2)，一个初级绕组(W1)及至少一个次级绕组(W2)，它们被布置成一层或多层扁平载体(F)上的导条(L)，其特征在于：该变压器包括一个具有腔壳体系(P1-P5)的线圈形成架，它容纳具有绕组(W1,W2)的各个层(F)。

2．根据权利要求1的变压器，其特征在于：腔壳体系至少包括两个腔(C1-C5)，其中放置绕组(W1,W2)，初级绕组及次级绕组(W1,W2)被放置在不同的腔中。

3．根据权利要求2的变压器，其特征在于：线圈形成架至少包括两部分(P1-P5)，它们这样地形成，即通过各部分(P1,P2,P3；P4,P5)的配合来产生至少两个腔(C1,C2；C3-C5)；及至少一个腔(C1-C5)在至少铁心区域是闭合的。

4．根据权利要求2的变压器，其特征在于：两部分(P4,P5)以这样的方式相配合，以致产生出一个内腔(C4)，它在铁心(K1,K2)的区域是闭合的并用于初级绕组(W1)，及产生两个相邻的开腔(C3,C5)，它用于次级绕组(W2)。

5．根据权利要求3的变压器，其特征在于：腔壳体系包括三部分(P1-P3)，它们以这样方式配合，以致产生出两个在铁心(K1,K2)区域中闭合的腔(C1,C2)，一个用于初级绕组(W1)及一个用于至少一个次级绕组(W2)。

6．根据权利要求3,4或5的变压器，其特征在于：腔壳体系的部分(P1-P5)围绕着铁心(K1,K2)的开口，其结果是导入腔开口中的导体条迹(L)可被加宽，在加工中考虑到对于主电源隔离的必要距离。

7．根据以上权利要求中一项的变压器，其特征在于：线圈形成架的部分(P1-P5)由注射成型的热塑性塑料构成，及层(F)为印刷电路板或印刷电路膜。

8．根据以上权利要求中一项的变压器，其特征在于：在腔壳体系(P4)中设置带有金属化槽(N)的侧条(S)，以便与导体条迹(L)相接触。

9．根据权利要求8的变压器，其特征在于：侧条(S)是通过具有选择性金属化的两步MID方法产生的。

10．根据权利要求8或9的变压器，其特征在于：侧条(S)提供设在双面载体层(F)的上表面及下表面上的导体条迹(L)之间的连接和/或提供两个不同载体层(F)的导体条迹(L)之间的连接。

11．根据权利要求10的变压器，其特征在于：槽(N)以类似夹子方式包围两面镀层的载体层边缘，其用于接触连接。

12．根据以上权利要求8-11中一项的变压器，其特征在于：接触部分分配在至少两个侧条(S)之间，用于两个槽(N)之间足够的绝缘距离。

13．根据以上权利要求8-12中一项的变压器，其特征在于：载体层(F)主要由具有LCP结构的塑料作成；及对于腔壳体系(P4,P5)使用相同塑料。

14．根据以上权利要求8-13中一项的变压器，其特征在于：侧条(S)设置在腔壳体系(P1,P2,P3)的侧壁(PK)上；及在每种情况下载体层(F)用它们的一个边缘插在一个槽(N)中。

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