DE60004812T2

DE60004812T2 - Mehrschichtige transformatoranordnung und verfahren

Info

Publication number: DE60004812T2
Application number: DE60004812T
Authority: DE
Inventors: A. David ABEL
Original assignee: Midcom Inc
Current assignee: Nascentechnology Inc Watertown Sd Us
Priority date: 1999-04-01
Filing date: 2000-03-31
Publication date: 2004-07-01
Anticipated expiration: 2020-04-01
Also published as: KR100735209B1; CN1150571C; ATE248427T1; PT1173857E; ES2204553T3; US6198374B1; KR20020033604A; EP1173857A1; DK1173857T3; CN1348595A; EP1173857B1; AU4065900A; JP2002541658A; DE60004812D1; WO2000060619A1

Description

Technischer Hintergrund der Erfindung
1. Technischer Bereich der Erfindung
Die Erfindung betrifft mehrlagige Transformatoren, insbesondere mehrlagige Transformatoren mit verbesserter magnetischer Kopplung und dielektrischer Durchschlagspannung zwischen Windungen in dem mehrlagigen Transformator.
2. Beschreibung des Standes der Technik
Der Gebrauch von mehrlagigen Transformatoren ist weit bekannt. Im Allgemeinen wird ein mehrlagiger Transformator anhand des folgenden Prozesses konstruiert. Ein magnetisches Material, beispielsweise Ferrit, wird in ein Band gegossen. Das Band wir daraufhin in Bahnen oder Lagen zerschnitten und Durchgangslöcher werden an den benötigten Positionen in jeder der Bandschichten vorgesehen, um einen leitfähigen Pfad zu formen. Leitende Paste wird anschließend auf den Oberflächen der Bandschichten aufgetragen, so dass diese die spiralförmigen Windungen bilden, die an den Durchgangslöchern enden. Danach wird eine Anzahl von Bandlagen mit korrespondierenden leitenden Windungen zu einem Transformator-Gefüge mit mehreren Windungen aufgestapelt, wobei die Durchgangslöcher übereinstimmend angeordnet sind. Die zusammengebrachten Schichten werden unter Wärme und Druck verbunden. Das Gefüge wir dann in einem Sinterofen zu einem homogenen monolithischen Ferrit-Transormator geformt. Mit dem oben dargestellten Prozess können mehrere Transformatoren gleichzeitig hergestellt werden, indem eine Reihe von Durchgangslöchern und leitenden Windungen auf der Oberfläche der Ferrit-Lagen erzeugt werden. Der Transformator kann vor oder nach dem Brennen vereinzelt werden. Die
1 bis 2 zeigen ein Beispiel eines konventionellen Ferrit-Transformators, der anhand des oben dargestellten Prozesses hergestellt wurde.
Ein nach dem oben dargestellten Verfahren hergestellter Transformator weist jedoch eine gleichbleibende magnetische Permeabilität innerhalb des mehrlagigen Gefüges auf. Einige der Linien des magnetischen Flusses, der durch die leitenden Wicklungen erzeugt wird, treten durch die angrenzenden Windungen. Beispielsweise treten bei einem Gefüge, in dem Primär- und Sekundärwicklungen in einem verschachtelten Verhältnis auf verschiedenen Lagen angeordnet sind, nicht alle Flusslinien, die von den Primärwicklungen erzeugt werden, durch die Sekundärwicklungen. Dies ergibt eine ineffiziente Flussverkettung zwischen Primär- und Sekundärwicklungen. Die Effizienz der Flussverkettung zwischen Primär und Sekundärwicklungen kann anhand eines magnetischen Kopplungs-Faktors bestimmt werden. In der Regel ist der magnetische Kopplungs-Faktor zwischen Primär- und Sekundär-Wicklung definiert als
worin L_pri die primäre magnetische Induktivität und L_leak diejenige Induktivität ist, die bei einem Kurzschluss der in der Primärwicklung gemessen wird. Es wurde empirisch herausgefunden, dass die Kopplung eine Funktion des Abstands zwischen den Wicklungen ist. Ein Transformator (entsprechend 1 und 2) mit einer gleichbleibenden Permeabilität weist einen magnetischen Kopplungs-Faktor von 0.83 auf.
Obwohl durch einen geringeren Abstand zwischen den Wicklungen in angrenzenden Schichten ein höherer magnetischer Kopplungsfaktor erreicht werden kann, müssen die Ferrit-Lagen dick genug ausgelegt werden, um die minimale Spannung zu ertragen, bei der kein dielektrischer Durchschlag zwischen den Windungen auftritt. Beispielsweise setzt die Dicke eines typischen NiZn Ferrit Materials mehr als 7 Millizoll (mils) voraus, um 240 Volt Wechselspannung (VAC) zu widerstehen.
Um einen höheren magnetischen Kopplungsfaktor zu erzielen wird in der US Patentschrift 5,349,743 eine andere Methode vorgeschlagen. Die Patentschrift '743 schlägt zur Erhöhung der Kopplung vor, Durchlässe zu gestalten und zwei getrennte Materialien zu verwenden, um den Pfad des magnetischen Flusses auf einen definierten Kernbereich einzuschränken. Diese Methode ist jedoch sehr teuer und schränkt die Miniaturisierung des Transformers dadurch ein, dass Durchlässe vorgesehen werden müssen, die mit einem anderen als dem Bandmaterial gefüllt werden.
Folglich gibt es einen Bedarf an verbesserten mehrlagigen Transformatoren mit einer erhöhten magnetischen Kopplung zwischen den Wicklungen. Weiterhin gibt es einen Bedarf an solch einem verbesserten mehrlagigen Transformator, der kostengünstiger und in kleineren Abmessungen konstruiert und/oder der einfach automatisiert massengefertigt werden kann, sowie den angeordneten Sicherheitsanforderungen genügt.
Die Zusammenfassung des japanischen Patents JP 08 130116 A beschreibt einen Transformator mit einer mehrlagigen Schichtstruktur, entsprechend des Oberbegriffs der Patentansprüche 1, 12, 20. Der Transformator wird aufgebaut, indem elf Schichten von Lagen (2) mit geringer magnetischer Permeabilität übereinander gestapelt werden. Primäre Spiralstrukturen (3) werden auf zwei dieser Lagen gedruckt und sekundäre Spiralstrukturen (4) werden auf vier dieser Lagen (2) gedruckt. Die Lagen mit den primären Spiralstrukturen (3) werden zusammen in der Mitte zwischen zwei Gruppen von Lagen mit sekundären Spiralstrukturen (4) angeordnet. Zwischen den Lagen mit den primären Spiralstrukturen (3) und den Lagen mit den sekundären Spiralstrukturen (4), werden auf jeder Seite zwei Lagen (2) eingeführt, die eine Paste (5) aus magnetischem Material mit hoher magnetischer Permeabilität auf Teilbereichen tragen. Eine dielektrische Schicht mit einer im Vergleich zu den Lagen (den Bändern) geringeren Permeabilität wird nicht zwischen die Lagen eingeführt.
Zusammenfassung der Erfindung
Zur Überwindung der Einschränkungen in dem zuvor beschriebenen Stand der Technik und zur Überwindung weiterer Einschränkungen, die beim Lesen und Begreifen der vorliegenden Ausführung offenkundig werden, sieht die vorliegende Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung vor, die einen mehrlagigen Transformator mit verbesserter magnetischer Kopplung bereitstellt, ohne dass dessen elektrisch isolierende Charakteristik beeinflusst wird.
Die vorliegende Erfindung stellt eine Schicht aus dielektrischem Material mit geringer Permeabilität bereit, die dünner, aber mechanisch und chemisch kompatibel zu dem Band mit hoher Permeabilität ist. Die dünne Schicht kann auf, unter oder zwischen den leitenden Windungen angeordnet sein. Es versteht sich, dass die dünne Schicht durch Siebdruck auf die Bänder aufgedruckt oder aufgeklebt werden kann. Die dünnen Schichten erzeugen innerhalb des Gefüges Bereiche mit unterschiedlicher Permeabilität. Das dielektrische Material in den dünnen Schichten reagiert während des Sinterns zusätzlich chemisch mit den Ferrit-Lagen um die Permeabilität des Ferrits gezielt in den verdeckten Bereichen zu reduzieren. Das dielektrische Material geringer Permeabilität formt einen Pfad mit einem für den magnetischen Fluss hohen magnetischen Widerstand zwischen den Wicklungen, wodurch eher die Bildung des magnetischen Flusses in dem gewünschten magnetischen Kernvolumen als Kurzschlüsse zwischen den Wicklungen unterstützt wird. Auf diese Weise wird eine bessere Flussverkettung zwischen allen Primär- und Sekundärwicklungen erwirkt, wodurch der magnetische Kopplungsfaktor bedeutend verbessert wird.
In einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist ein Transformator mit einer mehrlagigen Struktur eine Vielzahl von Bändern auf, die übereinandergeschichtet sind, mit einem magnetischen Kernbereich in der Nähe eines Zentrums der Bänder des Transformators, eine . Primärwicklung auf mindestens einem der Bänder, eine Sekundärwicklung auf mindestens einem der Bänder, eine erste Vielzahl von Verbindungslöchern, die die Primärwicklungen zwischen den Bändern verbinden, eine zweite Vielzahl von Verbindungslöchern, die die Sekundärwicklungen zwischen den Bändern verbinden, und eine Lage in der Nähe von mindestens einer der Primär- und Sekundärwicklungen zwischen den Bändern, wobei die Schicht aus einem dielektrischen Material mit geringerer Permeabilität im Vergleich zu dem der Bänder besteht, so dass ein Pfad mit hohem Widerstand für den magnetischen Fluss zwischen den Wicklungen entsteht, so dass der magnetische Fluss in dem magnetischen Kernbereich maximiert wird.
Weiterhin können die Primär- und Sekundärwicklungen in einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung in einem verschlungen Verhältnis auf den Bändern angeordnet sein.
Weiterhin können die Primär- und Sekundärwicklungen in einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung auf benachbarten Bändern angeordnet sein.
Weiterhin können die Primär- und Sekundärwicklungen in einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung auf demselben Band angeordnet sein.
In einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist die Schicht mechanisch und chemisch kompatibel mit den Bändern.
Weiterhin ist die Schicht in einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung per Siebdruck auf die Primär- und Sekundärwicklungen aufgedruckt.
Weiterhin ist die Schicht in einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung auf die Primär- und Sekundärwicklungen aufgeklebt.
Weiterhin hat die Schicht in einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung eine Bandform.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass die magnetische Kopplung zwischen den Primär- und Sekundärwicklungen bedeutend erhöht wird. Der magnetische Kopplungs-Faktor in der vorliegenden Erfindung kann ca. 0,95 erreichen.
In der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass das dielektrische Material mit der geringen Permeabilität (d.h. die dünne Schicht) ein höheres dielektrisches Verhältnis Volt/Millizoll (volt/mil) als das konventionelle Ferrit Material (z.B. NiZn Ferrit), welches für die Bandlagen verwendet wird, aufweist. Folglich ist ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung, dass diese eine allgemeine Reduzierung der Banddicken, die zur Bewältigung der dielektrischen Testspannungen benötigt werden, ermöglicht, wobei für jeden Transformator insgesamt weniger Material verwendet wird.
Ein dritter Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt in den geringeren Herstellungskosten. Ein Siebdruckprozess ist deutlich schneller als das Einbringen von Öffnungen in ein Volumen. Siebe sind zudem in der Regel deutlich billiger als Werkzeuge zum Erzeugen von Öffnungen. Weiterhin wird durch die Werkzeuggröße und -geschwindigkeit eingeschränkt, wie klein Öffnungen in Bandlagen praktisch sein können, wohingegen Siebe ohne hohe Kosten mit feinen Details ausgeführt werden können. Dünnere Ferrit-Bandlagen reduzieren zudem die Gesamthöhe und/oder das Gesamtgewicht des Transformators.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines mehrlagigen Transformators, wobei dieser die folgenden Schritte umfasst: Anfertigen eines magnetischen Materials in einem mehrlagigen Bandformat, Anordnen einer leitenden Wicklung auf mindestens einer Schicht des mehrlagigen Bandgefüges, Anfertigen einer Vielzahl von Durchgangslöchern in den Schichten, um die leitenden Wicklungen gezielt zu verbinden, Anordnen eines nicht-magnetischen Materials in der Nähe zu wenigstens einer der leitenden Wicklungen.
Diese und verschiedene weitere Vorteile und Neuheitsmerkmale, die die Erfindung charakterisieren, werden genau in den beiliegenden und einen Teil hierzu darstellenden Ansprüchen aufgezeigt. Dennoch sollte, zum besseren Verständnis der Erfindung, ihrer Vorteile und der durch ihren Gebrauch erzielten Absichten, Bezug auf die Zeichnungen genommen werden, die einen weiteren Teil hierzu darstellen, und zu dem begleitenden schriftlichen Inhalt, in dem spezifische Beispiele einer der Erfindung entsprechenden Vorrichtung dargestellt und beschrieben werden.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
In den Zeichnungen stellen gleiche Referenznummern durchgehend entsprechende Teile dar:
1 stellt eine Explosionsansicht eines konventionellen mehrlagigen Transformators dar.
2 stellt eine Querschnittsansicht entlang der Linie 2- 2 in 1 eines konventionellen mehrlagigen Transformators dar.
3 stellt eine Explosionsansicht eines erfindungsgemäßen mehrlagigen Transformators dar.
4 stellt eine Querschnittsansicht entlang der Linie 4- 4 des mehrlagigen Transformators in 3 dar.
5 stellt eine Querschnittsansicht eines mehrlagigen Transformators in einer weiteren erfindungsgemäßen Ausgestaltung dar.
Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausgestaltungen
Die vorliegende Erfindung umfasst ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ausstattung eines mehrlagigen Transformators mit einer verbesserten ma gnetischen Kopplung ohne dass dessen elektrische Isolationseigenschaften beeinflusst werden.
Die vorliegende Erfindung stellt eine Schicht aus einem dielektrischen Material mit geringer Permeabilität bereit, die dünner als aber mechanisch und chemisch kompatibel zu dem Band mit der höheren Permeabilität ist. Die dünnen Schichten können von oben auf, von unten auf oder zwischen den leitenden Wicklungen angeordnet sein. Die dünnen Schichten erzeugen Bereiche unterschiedlicher Permeabilität innerhalb des Gefüges. Das dielektrische Material in den dünnen Schichten reagiert während des Sinterns zusätzlich chemisch mit den Ferrit-Lagen, um die Permeabilität des Ferrits gezielt in den verdeckten Bereichen zu reduzieren. Das dielektrische Material geringer Permeabilität formt einen Pfad mit einem für den magnetischen Fluss hohen magnetischen Widerstand zwischen den Wicklungen, wodurch eher die Bildung des magnetischen Flusses in dem gewünschten magnetischen Kernvolumen als Kurzschlüsse zwischen den Wicklungen unterstützt wird. Auf diese Weise wird eine bessere Flussverkettung zwischen allen Primär- und Sekundärwicklungen, wodurch der magnetische Kopplungsfaktor bedeutend verbessert wird.
In den bevorzugten Ausgestaltungen, dargestellt in den 3 – 5, ist ein Transformator mit einer mehrlagigen Struktur dargestellt. Der Transformator weist übereinander gestapelte Bänder mit Wicklungen auf mindestens einigen dieser Bändern auf. Die Wicklungen sind zwischen den Bändern über Verbindungslöcher verbunden. Der Transformator beinhaltet weiter eine dünne Schicht, die per Siebdruck auf mindestens einige der Wicklungen aufgebracht ist oder aufgeklebt wird. Die dünne Schicht besteht aus einem dielektrischen Material mit geringerer Permeabilität als das der Bänder, so dass zwischen den Wicklungen benachbarter Bänder ein Pfad hohen Widerstands für den magnetischen Fluss entsteht. Folglich wird die Flussverkettung zwischen den Primär- und Sekundärwicklungen verbessert und ein höherer magnetischer Kopplungsfaktor kann erreicht werden.
In der folgenden Beschreibung der bevorzugten Ausgestaltungen wird Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen genommen, die Teil der Beschreibung sind und die in Form von Abbildungen eine besondere Ausgestaltung zeigen, in der die Erfindung ausgeführt werden kann. Es versteht sich, dass andere Ausgestaltungen genutzt werden können und strukturelle Änderungen vorgenommen werden können, ohne den Geltungsbereich der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
In 1 besteht ein konventioneller mehrlagiger Transformator aus einer Abschlusskappe (Deckellage) 102, einer Lage 104, Primärwicklungs-Lagen 106, 110 mit entsprechenden Primärwicklungen 122 und 126, Sekundärwicklungs-Lagen 108, 112 mit entsprechenden Sekundärwicklungen 124, 128, einer Bodenkappe (Bodenlage) 114 und Durchgangslöchern 119a, 119b, 119c, 119d, 120a, 120b, 120c, 120d, 121a, 121b, 121d, 121e, 123b, 123d, 123e, 123f, 125d und 125f. die Deckellage 102 des mehrlagigen Transformators 100 kann vier Anschlussfelder 116a–d und vier leitende Durchgangsbohrungen 119a–d aufweisen. Zwei der Anschlussfelder 116b, c sind an eine Anfangsader der Primärwicklung und entsprechend an eine Endader der Primärwicklung angeschlossen. Die zwei weiteren Anschlussfelder sind an eine Anfangsader der Sekundärwicklung und entsprechend an eine Endader der Sekundärwicklung angeschlossen Die Primärwicklungs-Lagen 106, 110 und die Sekundärwicklungs-Lagen 108, 112 können in einem verschachtelten Verhältnis übereinander gestapelt sein. Die Primärwicklung 122 ist mit dem Anschlussfeld 116c über die Durchgangslöcher 119c und 120c und mit der Primärwicklung 126 über die Durchgangslöcher 121e und 123e verbunden. Die Primärwicklung 126 ist mit dem Anschlussfeld 116b über die Durchgangslöcher 123b, 121b, 120b und 119b verbunden.
Auf die gleiche Weise ist die Sekundärwicklung 124 mit dem Anschlussfeld 116a über die Durchgangslöcher 119a, 120a, 121a und mit der Sekundärwicklung 128 über die Durchgangslöcher 123f, 125f verbunden. Die Sekun därwicklung 128 ist mit dem Anschlussfeld 116d über die Durchgangslöcher 125d, 123d, 121d, 120d und 119d verbunden.
2 stellt eine Querschnittsansicht entlang der Linie 2-2 in 1 dar. In dem Gefüge stellen die schraffierten Quadrate die Windungen der Primärwicklungen 122 und 126 und die nicht ausgefüllten Quadrate die Windungen der Sekundärwicklungen 124 und 128 dar. Die Permeabilität der Ferrit-Lage ist über den gesamten mehrlagigen Transformator gleich. Einige Wirkungslinien des magnetischen Flusses 129a–f nehmen die Abkürzung zwischen den Wicklungen. Die Dicke der Ferrit-Lagen muss groß genug ausgelegt werden, um einen Durchschlag zwischen den Wicklungen zu verhindern.
In 3 ist ein mehrlagiger Transformator in einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung dargestellt. Das erfindungsgemäße Gefüge besteht aus einer Abschlusskappe (Deckellage) 152, einer Lage 154, Primärwicklungs-Lagen 156,160 mit entsprechenden Primärwicklungen 172 und 176, Sekundärwicklungs-Lagen 158, 162 mit entsprechenden 174 und 178, einem Bodendeckel (Bodenlage) 164 und leitenden Verbindungslöchern 169a, 169b, 169c, 169d, 170a, 170b, 170c, 170d, 171a, 171b, 171d, 171e, 173b, 173d, 173e, 173f, 175d und 175f. Die Deckellage 152 des mehrlagigen Transformators 150 kann vier Anschlussfelder 166a–d und vier leitende Durchgangsbohrungen 169a–d aufweisen. Zwei der Anschlussfelder 166b, c sind an eine Anfangsader der Primärwicklung und entsprechend an eine Endader der Primärwicklung angeschlossen. Die weiteren Anschlussflächen 166a, d sind mit einer Anfangsader der Sekundärwicklung und einer entsprechenden Endader der Sekundärwicklung verbunden. Die Primärwicklungs-Lagen 156, 160 und die Sekundärwicklungslagen 158, 162 können in einem verschachtelten Verhältnis übereinander gestapelt sein. Die Primärwicklung 172 ist mit dem Anschlussfeld 166e über die Durchgangslöcher 169c und 170c und mit der Primärwicklung 176 über die Durchgangslöcher 171e und 173e verbunden. Die Primärwicklung 176 ist mit dem Anschlussfeld 166b über die Durchgangslöcher 173b, 171b, 170b und 169b verbunden. In gleicher Weise ist die Sekundärwicklung 174 mit dem An schlussfeld 166a über die Durchgangsbohrungen 169a, 170a und 171a und mit der Sekundärwicklung 178 über die Durchgangslöcher 173f und 175f verbunden. Die Sekundärwicklung 178 ist mit dem Anschlussfeld 166d über die Durchgangslöcher 175d, 173d, 171d, 170d und 169d verbunden. Auf die Primär- und Sekundärwicklungen 172, 174, 176 und 178 wird eine dünne Schicht 180 aus dielektrischem Material mit einer geringen Permeabilität per Siebdruck aufgebracht oder aufgeklebt (in 3 als schraffierter Bereich dargestellt). Die dünne Schicht kann auf den Primär- und Sekundärwicklungen, unter den Primär- und Sekundärwicklungen, oder zwischen den Primär- und Sekundärwicklungen angeordnet sein. Das dielektrische Material mit geringer Permeabilität ist mechanisch und chemisch kompatibel zu dem Ferrit-Band mit höherer Permeabilität. Während des Sinterns reagiert das dielektrische Material geringer Permeabilität zudem mit dem Ferrit-Band um die Permeabilität des Ferrits gezielt in dem per Siebdruck bedruckten Bereich zu reduzieren. Auf diese Weise wird in jedem Wicklungsband ein Bereich mit unterschiedlicher Permeabilität erreicht. Die dünne Lage 180 stellt einen Pfad mit hohem magnetischem Widerstand für den magnetischen Fluss zwischen den benachbarten Primär- und Sekundärwicklungen 172, 174, 176 und 178 dar, so dass die Ausbildung des Flusses in dem gewünschten magnetischen Kernbereich 182, der in der Nähe des Bänderschwerpunkts des Transformators 150 liegt, unterstützt wird. Eine höhere Flussverkettung zwischen den Primär- und Sekundärwindungen wird erreicht. Dementsprechend wird der magnetische Kopplungsfaktor bedeutend erhöht. Der magnetische Kopplungsfaktor des Transformators kann ungefähr 0,95 erreichen. Weiterhin ist ein dielektrisches Material geringer Permeabilität, welches für die dünne Schicht 180 verwendet wird, vorgesehen, das ein höheres dielektrisches Verhältnis von Volt/Millizoll (volt/mil) als das NiZn-Ferrit-Material aufweist, welches für die Bandlagen verwendet werden kann. Folglich kann die erforderliche Dicke zur Beherrschung der dielektrischen Spannungen reduziert werden.
4 stellt eine Querschnittsansicht entlang der Linie 4-4 in 3 dar. In 4 stellen die schraffierten Quadrate die Windungen der Primärwicklungen 172 und 176, die leeren Quadrate die Windungen der Sekundärwicklungen 174, 178 und die gestrichelten Linien die dünnen Schichten 180 dar. Der magnetische Fluss 184 wird davon abgehalten, in den Bereich zwischen den Wicklungen zu entweichen. Der magnetische Fluss 184 fließt in dem gewünschten magnetischen Kernbereich 182. Es versteht sich, dass die Windungen der Wicklungen entsprechend den Anforderungen variiert werden können. Es versteht sich ebenfalls, dass die Formen und Maße der Wicklungen innerhalb des Geltungsbereichs der Erfindung verändert werden können.
5 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Ausgestaltung eines Transformators 190. In 5 ist eine Primär- und Sekundärwicklung auf jeder der Wicklungslagen 192 aufgetragen. In 5 stellen die schraffierten Quadrate 194 die Windungen der Primärwicklungen und die leeren Quadrate 196 die Windungen der Sekundärwicklungen dar. Die von den gestrichelten Linien umrandeten Bereiche, stellen die dünnen Schichten aus einem dielektrischen Material geringer Permeabilität dar. Der magnetische Fluss 200 (vereinfacht als eine Flusslinie dargestellt) wird durch einen gewünschten magnetischen Kernbereich 202 gezwungen. Der magnetische Fluss 200 wird davon abgehalten, in den Bereich zwischen den Wicklungen einzutreten. Der Transformator 190 hat die magnetische Kopplung und die dielektrische Durchschlagsspannung zwischen den Wicklungen verbessert.
Bei der Herstellung eines mehrlagigen Transformators, entsprechend der Bezugsnummer 150 in den 3 und 4, wird ein magnetisches Material in einem mehrlagigen Bandgefüge vorbereitet. Leitfähige Wicklungen werden auf einige der Bänder gedruckt. Leitfähige Verbindungslöcher werden zur Verbindung der Primär- und Sekundärwicklungen zwischen den Bändern hergestellt. Eine dünne Schicht aus einem dielektrischen Material geringer Permeabilität wird per Siebdruck auf mindestens eines der Bänder mit den leitfähigen Wicklungen aufgebracht oder aufgeklebt. Unter Wärme und Druck werden die Bänder in angepasster Ausrichtung zu einem mehrlagigen Transformator verbunden.
Der zuvor verwendete Begriff nicht-magnetisches Material bezieht sich auf ein Material, dessen Permeabilität niedrig im Vergleich zu demjenigen Material des Bauteils ist.
In dem zuvor beschriebenen Transformator kann der magnetische Kopplungsfaktor ungefähr 0,95 erreichen. Es wird geschätzt, dass die magnetische Kopplung, abhängig von den gewünschten Spezifikationen der Materialien, im Geltungsbereich der Erfindung weiter verbessert werden kann.
Die Deckellage und nachfolgende Lagen eines Transformators könne aus einem ferritischen Material in Bandform hergestellt sein. Beispielsweise können die Bänder Low-Temperature-Coriefied Ceramic (LTCC)-Bänder oder High-Temperature-Coriefied Ceramic (HTCC) Bänder sein.
Es wird geschätzt, dass eine Vielzahl an Transformatoren gleichzeitig hergestellt werden kann. Eine Massenfertigung von Transformatoren in hoher Stückzahl kann schon durch das Anordnen eines großen Aufgebots an Durchgangslöchern, leitfähigen Wicklungen und dünnen Schichten niedriger Permeabilität auf Lagen aus magnetischem Material, wie beispielsweise Ferrit-Material, realisiert werden. Die einzelnen Transformatoren können vor oder nach dem Brennen getrennt werden.
Die dünnen Schichten niedriger Permeabilität können auf allen Wicklungen angeordnet sein.
Zahlreiche Änderungen und Variationen sind im Lichte der zuvor ausgeführten Lehre möglich. Bestimmungsgemäß wird der Wirkungsbereich der Erfindung nicht durch die detaillierte Beschreibung, sondern durch die anhängenden Patentansprüche eingeschränkt.

Claims

Ein Transformator (150) mit einer mehrlagigen Bandstruktur mit – einer Primärwicklung (172, 176) auf mindestens einem der Bänder (156, 160); – einer Sekundärwicklung (174,178) auf mindestens einem der Bänder (158, 162 ); gekennzeichnet durch – eine Vielzahl von Bändern (156, 160, 158, 162), die übereinander geschichtet sind mit einem magnetischen Kernbereich (182) in der Nähe eines Zentrums der Bänder des Transformators, wobei die Bänder den magnetischen Fluss durch den magnetischen Kernbereich (182) leiten; – eine erste Vielzahl von Verbindungsbohrungen (171e, 173e), die Primärwicklungen (172, 176) zwischen den Bändern verbinden und eine zweite Vielzahl von Verbindungsbohrungen (173f, 175f), die Sekundärwicklungen (174, 178) zwischen den Bändern verbinden; und – eine dielektrische Schicht (180) mit einer geringeren Permeabilität im Vergleich zu derjenigen der Bänder, wobei die dielektrische Schicht in der Nähe von zumindest einer der Primär- und Sekundäwicklungen (172, 174, 176, 178) zwischen den Bändern angeordnet ist und die dielektrische Schicht einen Weg mit hohem magnetischem Widerstand für den magnetischen Fluss zwischen den Primär- und Sekundärwicklungen bildet.
Der Transformator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Primär- und die Sekundärwicklungen in einem verschachtelten Verhältnis auf den Bändern angeordnet sind.
Der Transformator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Primär- und die Sekundärwicklungen auf benachbarten Bändern angeordnet sind.
Der Transformator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Primär und die Sekundärwicklungen auf demselben Band angeordnet sind.
Der Transformator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht mechanisch und chemisch kompatibel zu den Bändern ist.
Der Transformator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht durch Siebdruck auf die Primär- und Sekundärwicklungen aufgedruckt ist.
Der Transformator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht auf die Primär- und Sekundärwicklungen aufgeklebt ist.
Der Transformator nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Schicht mit einem Format des Bandes.
Der Transformator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht auf der Oberseite von mindestens einer Primär- und Sekundärwicklung zwischen den Bändern angeordnet ist.
Der Transformator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht auf der Unterseite von mindestens einer Primär- und Sekundärwicklung zwischen den Bändern angeordnet ist.
Der Transformator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht innerhalb von mindestens einer Primär- und Sekundärwicklung zwischen den Bändern angeordnet ist.
Ein Transformator (150) mit einer mehrlagigen Bandstruktur mit einer Vielzahl von Verbindungsbohrungen (171e, 173e, 173f, 175f), die in den Schichten zur Verbindung der leitenden Wicklungen zwischen den Schichten angeordnet sind; gekennzeichnet durch – ein magnetisches Material (156, 160,158,162) in einer mehrlagigen Bandstruktur, das den magnetischen Fluss durch einen gewünschten magnetischen Kernbereich leitet (182); – eine leitende Wicklung (172, 174, 176, 178), angeordnet auf mindestens zwei Schichten der mehrlagigen Struktur; – ein nicht-magnetisches Material (180), angeordnet auf mindestens einer der leitenden Wicklungen, wobei das nicht-leitende Material einen Weg mit hohem magnetischem Widerstand für den magnetischen Fluss zwischen den leitenden Wicklungen bildet und das nicht-magnetische Material eine geringere Permeabilität im Vergleich zu dem mehrlagigen Band aufweist.
Der Transformator nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die leitenden Wicklungen in einem verschachtelten Verhältnis auf den Schichten der mehrlagigen Bandstruktur angeordnet sind.
Der Transformator nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die leitenden Wicklungen auf benachbarten Bändern angeordnet sind.
Der Transformator nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die leitenden Wicklungen auf demselben Band angeordnet sind.
Der Transformator nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das nicht-magnetische Material mechanisch und chemisch kompatibel zu der mehrlagigen Bandstruktur ist.
Der Transformator nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das nicht-magnetische Material durch Siebdruck auf die leitenden Wicklungen aufgedruckt ist.
Der Transformator nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das nicht-magnetische Material auf die leitenden Wicklungen aufgeklebt ist.
Der Transformator nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch ein nichtmagnetisches Material mit dem Format des Bandes.
Ein Verfahren zur Herstellung eines mehrlagigen Transformators (150) mit einer leitenden Wicklung (172, 174, 176, 178) auf mindestens zwei Schichten der mehrlagigen Bandstruktur, gekennzeichnet durch – das Bearbeiten eines magnetischen Materials (156, 160, 158, 162) in eine mehrlagige Bandstruktur, wobei das magnetische Material den magnetischen Fluss durch einen gewünschten magnetischen Kernbereich (182) leitet; – das Vorbereiten einer Vielzahl von Durchgangsbohrungen (171e, 173e, 173f, 175f) in den Schichten zur gezielten Verbindung der leitenden Wicklungen und – das Anordnen eines nicht-magnetischen Materials (180) in der Nähe zu mindestens einer der leitenden Wicklungen, wobei das nicht-magnetische Material einen Weg mit hohem magnetischem Widerstand für den magnetischen Fluss zwischen den leitenden Wicklungen bildet und das nicht-magnetische Material eine geringere Permeabilität im Vergleich zu dem mehrlagigen Band aufweist.
Das Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass eine der leitenden Wicklungen eine Primärwindung ist, eine der leitenden Wicklungen eine Sekundärwicklung ist und die Primär- und Sekundärwicklung in einem verschachtelten Verhältnis auf der Schicht angeordnet sind.
Das Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass eine der leitenden Wicklungen eine Primärwicklung ist, eine der leitenden Wicklungen eine Sekundärwicklung ist und die Primär- und Sekundärwicklung auf derselben Schicht angeordnet sind.
Das Verfahren nach Anspruch 20, gekennzeichnet durch ein nichtmagnetisches Material mit dem Format des Bandes.