JP4885306B2

JP4885306B2 - 基板を有する平面変換器

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Publication number: JP4885306B2
Application number: JP2010504929A
Authority: JP
Inventors: ヴォルフガングシーネ; ゲーオルクグロイエル; マルクマリアアレックスブルークス; ローマンジークフリードシーヒル
Original assignee: Koninklijke Philips NV; Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2007-04-26
Filing date: 2008-04-17
Publication date: 2012-02-29
Anticipated expiration: 2028-04-17
Also published as: JP2010525600A; US8378775B2; CN101675488A; CN101675488B; WO2008132645A1; EP2150964B1; EP2150964A1; US20100253461A1

Description

本発明は、一次的信号を二次的信号に変換する変換器に関するものである。本発明はまた、かかる変換器を含むデバイス、およびかかる変換器の生産方法にも関するものである。

米国特許ＵＳ６２１１７６７Ｂ１号は、その表題において平面変換器（ｐｌａｎａｒｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ）を開示し、その図１３において、１つの一次プリント回路基板と２つの二次プリント回路基板とを含む平面変換器を開示している。一次プリント回路基板は、二次プリント回路基板同士の間に挟まれている。一次プリント回路基板と平行に配された銅製スペーサが、二次プリント回路基板同士を相互接続している。

本発明の１つの目的は、一次的信号を、比較的高速のパルスおよび／または比較的高電圧のパルスを含み得る二次的信号に、変換する変換器を提供することである。かかるパルスは、たとえば、１ｋＶ／μｓｅｃよりも大きな立上り時間を有するものとされる。

本発明のさらなる目的は、かかる変換器を含むデバイスを提供すること、およびかかる変換器の生産方法を提供することである。

本発明の第１の側面によれば、一次的信号を二次的信号に変換する変換器は、上記の一次的信号を受け取る一次部分と、上記の二次的信号を供給する二次部分とを含み、上記の一次部分および二次部分が、それぞれ少なくとも１つの基板を含んでおり、各基板が、少なくとも１巻きの巻き線の少なくとも一部を含んでおり、２つの隣接する基板間の距離が、ゼロよりも大きくされている変換器によって規定される。

たとえば互いに隣接する基板の任意のペアの間に、ゼロよりも大きな距離を導入することにより、変換器の寄生容量が低減させられる。その結果、二次的信号は、１ｋＶ／μｓｅｃよりも大きな立上り時間を有する、比較的高速のパルスおよび／または比較的高電圧のパルスを含むものとされ得る。

たとえば銅の巻き線を有するプリント回路基板、またはたとえば絶縁層と導電層とを有する別の基板といったような各基板は、少なくとも１巻きの巻き線の少なくとも一部を含むものとされる。この巻き線は、たとえば、１つ以上のパターン化された導電性トレース（たとえば銅製トレース）から形成される。１つのトレースは、たとえばほぼ閉状態の環状パターンを形成し、それにより、ワイヤにより形成された１巻分すなわち１ループ分の巻き線と電磁的に等価なものを形成する。パターンは、Ｃ字型の形態であってもよく、その場合、Ｃ字の端点は端子点となる。

上記の変換器の１つの実施形態によれば、上記の変換器は、上記の一次部分および二次部分の一方が、少なくとも第１および第２の基板を含んでおり、上記の一次部分および二次部分の他方が、少なくとも１つのさらなる基板を含んでおり、上記のさらなる基板の少なくとも一部が、上記の第１および第２の基板の間に配されているものとして規定される。

一次基板と二次基板とをインターリーブされた態様で重ねることにより、換言すると一次基板と二次基板とのサンドイッチ構造を形成することにより、近接効果が低減させられ、かつかかる近接効果によってもたらされる損失が低減させられる。

上記の変換器の１つの実施形態によれば、上記の変換器は、上記の一次部分および二次部分の一方が、少なくとも第１および第２および第３の基板を含んでおり、上記の一次部分および二次部分の他方が、少なくとも第４および第５の基板を含んでおり、第４の基板の少なくとも一部が、第１および第２の基板の間に配されており、第５の基板の少なくとも一部が、第２および第３の基板の間に配されているものとして規定される。

上記で規定したような、インターリーブされた態様の重ね合わせ（サンドイッチ構造）は、変換器の漏れインダクタンスを低減させる。たとえば隣接する基板の任意のペア間における、ゼロよりも大きな距離と相俟って、これにより、二次的信号は、さらに高速のパルスおよび／またはさらに高電圧のパルスを含むものとされ得る。

上記の変換器の１つの実施形態によれば、上記の変換器は、上記の第１および第２の基板の間の距離が、上記の第２および第３の基板の間の距離よりも小さいものとして規定される。

１つの特定の方向に沿って、連続する一次基板間の距離を増大させることにより、この特定の方向において、容量損失がさらに低減させられる。

上記の変換器の１つの実施形態によれば、上記の変換器は、上記の第１および第４の基板の間の距離が、上記の第４および第２の基板の間の距離よりも小さいものとして規定される。

１つの特定の方向に沿って、一次基板と二次基板との連続する組の間の距離を増大させることにより、この特定の方向において、容量損失がさらに低減させられる。

上記の変換器の１つの実施形態によれば、上記の変換器は、上記の第４および第２の基板の間の距離が、上記の第２および第５の基板の間の距離よりも小さく、かつ上記の第２および第５の基板の間の距離が、上記の第５および第３の基板の間の距離よりも小さいものとして規定される。

上記の変換器の１つの実施形態によれば、上記の変換器は、上記の第１および第２および第３の基板の巻き線が、互いに直列接続されており、上記の第４および第５の基板の巻き線が、互いに直列接続されており、第１および第４の基板の少なくとも一方の１点が、接地点であるものとして規定される。

好ましくは、上記の特定の方向は、基板に対して垂直な方向であって、第１の（第４の）基板から開始し、第２および第３の（第５の）基板に向かって延在する方向とされる。その場合、第１の（第４の）基板が接地されていれば、比較的近接した基板の間には比較的低い電位差が存在し、互いに比較的離れた基板の間には比較的高い電位差が存在することとなる。かかる変換器は、３つの異なる改善点（たとえば隣接する基板の任意のペアの間におけるゼロよりも大きな距離＋サンドイッチ構造＋増大する電圧に対して増大する距離）を有し、一次的信号を、１０ｋＶ／μｓｅｃよりも大きな立上り時間を有するパルスを含む二次的信号に変換することができる。

上記の変換器の１つの実施形態によれば、上記の変換器は、２つの外側脚部と１つの内側脚部と有するコアをさらに含み、上記の基板が、実質的に平行かつ／または実質的に平面状のプリント回路基板であり、上記の巻き線が、プリント回路基板上のプリントであって、上記の内側脚部を包囲し、かつ上記の外側脚部により包囲されており、当該変換器には、熱伝導性かつ電圧絶縁性の樹脂が含浸させられており、かつ当該変換器がさらに、基板に対する電磁妨害シールドおよびヒートシンクとして作用する、アルミニウム製コンテナを含んでいるものとして規定される。

上記のコアは、２つのＥ８０コアを組み合わせることにより実現されてもよい。２つの隣接する基板間の距離は、（１つまたは複数の）コア内、および／または（１つまたは複数の）コアの近傍において画定され得る。変換器は、たとえば１００ワット未満のパワーレベル、または１００から１００００ワットのパワーレベル、または１００００ワット超のパワーレベルといったような、多数の異なるパワーレベルにおいて使用され得る。一次基板同士は、それら一次基板に対して実質的に垂直な、別の１つの基板を介して互いに直列接続されてもよい。二次基板同士は、ピンを介して互いに直列接続されてもよい。

本発明の第２の側面によれば、変換器を含むデバイスが、上記の一次的信号を生成するソース、および／または上記の二次的信号を受け取る負荷を、さらに含むデバイスによって規定される。

このソースは、たとえばハーフブリッジまたはフルブリッジを含むものとされる。負荷は、たとえば誘電体バリア放電ランプを含むものとされる。

本発明の第３の側面によれば、変換器の生産方法が、２つの隣接する基板を、互いに上記の距離をおいて取り付ける工程を含む方法により規定される。

巻き線を有する基板を含む変換器の漏れインダクタンスおよび寄生容量は、それらの基板および巻き線の位置に依存するというのが、１つの洞察として挙げられる。比較的高速のパルスおよび／または比較的高電圧のパルスを可能とするために、たとえば隣接する基板の任意のペアの間において、ゼロよりも大きな距離が存在するべきであるという思想が、１つの基本思想として挙げられる。

一次的信号を、比較的高速のパルスおよび／または比較的高電圧のパルスを含み得る二次的信号に、変換する変換器を供給するという課題が解決される。１つのさらなる利点として挙げられるのは、変換器が、比較的コンパクトとなり、かつ比較的低いパワー損失を有するものとなるという点である。

本発明の上記およびその他の側面は、以下で説明する実施形態を参照することにより明らかとなる。

本発明に従う変換器の上面写真本発明に従う変換器の側面写真本発明に従う変換器の側面図本発明に従う変換器を含む、本発明に従うデバイスを示した図

図１には、本発明に従う変換器の上面写真が示されている。（一次）上方基板と、その上方基板の下に配された（二次）基板とが、明確に認められ、それらの基板は２つのコアにより包囲されている。上側基板は、１巻きの巻き線を含んでいる。より厳密にいうと、上側基板は、ほぼ閉状態の環状パターンの形式を有するパターン化された導電性トレースを含んでおり、それにより、ワイヤにより形成された１巻分すなわち１ループ分の巻き線と電磁的に等価なものを形成している。上側基板の下に配された基板は、１巻分よりも多くの巻き線を含んでいる。

図２には、本発明に従う変換器の側面写真が示されている。インターリーブされた形態で重ねられた、４つの（一次）基板および３つの（二次）基板が明確に認められ、それらの基板は２つのコアにより包囲されている。４つの（一次）基板は、それら４つの（一次）基板に対して実質的に垂直な別の１つの基板を介して、互いに直列接続されている。３つの（二次）基板は、ピンを介して互いに直列接続されている。

図３には、図２に則した、本発明に従う変換器１の側面図が示されている。変換器１は、一次側（左側）において、下から順番に、たとえば１巻きの巻き線を有する基板１１、たとえば２巻きの巻き線を有する基板１２、たとえば２巻きの巻き線を有する基板１３、およびたとえば１巻きの巻き線を有する基板１４を含んでいる。また、変換器１は、二次側（右側）において、下から順番に、たとえば１５巻きの巻き線を有する基板２１、たとえば１４巻きの巻き線を有する基板２２、およびたとえば１５巻きの巻き線を有する基板２３を含んでいる。変換器１はさらに、たとえば２つのコア３１−３２を含んでおり、これらコアの各々は、たとえば２つの外側脚部と１つの内側脚部とを含むものとされる。上記の巻き線は、たとえば、上記の内側脚部を包囲し、かつ外側脚部により包囲されるものとされる。

２つのコア３１−３２を用いるのに代えて、より大きな１つのコア、または３つ以上のコアが用いられてもよい。基板１１−１４および２１−２３は、たとえば実質的に平行な基板、かつ／またはたとえば実質的に平面状のプリント回路基板とされ得る。上記の巻き線は、プリント回路基板上のプリントであってもよい。変換器１には、熱伝導性かつ電圧絶縁性の樹脂が含浸させられていてもよく、また変換器１はさらに、基板１１−１４ならびに２１−２３に対する電磁妨害シールドおよびヒートシンクとして作用する、アルミニウム製コンテナを含んでいてもよい。

図４には、本発明に従う変換器１を含む、本発明に従うデバイス２が図示されている。この図では、変換器１は、等価回路の形式で示されている。この回路は、たとえば上記のコア３１−３２に対応する、コア３３を含んでいる。この回路はさらに、４つの一次インダクタすなわち一次巻き線群１５−１８を含んでおり、巻き線群１５（たとえば１巻き）は基板１１上に配されており、巻き線群１６（たとえば２巻き）は基板１２上に配されており、巻き線群１７（たとえば２巻き）は基板１３上に配されており、巻き線群１８（たとえば１巻き）は基板１４上に配されている。この回路はさらに、３つの二次インダクタすなわち二次巻き線群２４−２６を含んでおり、巻き線群２４（たとえば１５巻き）は基板２１上に配されており、巻き線群２５（たとえば１４巻き）は基板２２上に配されており、巻き線群２６（たとえば１５巻き）は基板２３上に配されている。変換器１の一次側は、ハーフブリッジまたはフルブリッジといったソース３に接続されており、このソース３はさらに、たとえばＤＣ電源に接続される。変換器１の二次側は、たとえば負荷（図示せず）にさらに接続される。

変換器１は、ソース３から来る一次的信号を、負荷用の二次的信号に変換する。変換器１は、一次的信号を受け取る一次部分と、二次的信号を供給する二次部分とを含んでいる。これらの一次部分および二次部分は、それぞれ少なくとも１つの基板１１−１４および２１−２３を含んでおり、各基板は、少なくとも１巻きの巻き線の少なくとも一部を含んでいる。たとえば互いに隣接する基板１１−１４および２１−２３の任意のペアの間に、ゼロよりも大きな距離を導入することにより、変換器１の寄生容量が低減させられる。その結果、二次的信号は、１ｋＶ／μｓｅｃよりも大きな立上り時間を有する、比較的高速のパルスおよび／または比較的高電圧のパルスを含むものとされ得る。

たとえば、上記の一次部分および二次部分のうちの一方が、少なくとも２つの基板１１−１２を含むものとされ、一次部分および二次部分のうちの他方が、少なくとも１つの基板２１を含むものとされ、基板２１の少なくとも一部が、基板１１−１２の間に配される。あるいは、たとえば、上記の一次部分および二次部分のうちの一方が、少なくとも３つの基板１１−１３を含むものとされ、一次部分および二次部分のうちの他方が、少なくとも２つの基板２１−２２を含むものとされ、基板２１の少なくとも一部が、基板１１−１２の間に配され、基板２２の少なくとも一部が、基板１２−１３の間に配される。こうして、一次基板と二次基板とが、インターリーブされた態様で重ねられる。換言すると、近接効果、およびかかる近接効果によってもたらされる損失を低減させるため、一次基板と二次基板とのサンドイッチ構造が形成されている。これにより、変換器の漏れインダクタンスが低減される。

基板１１−１２間の距離は、基板１２−１３間の距離よりも小さい。連続する一次基板間の距離を、特定の方向に沿って大きくしていくことにより、その特定の方向において、容量損失がさらに低減される。基板１１と２１との間の距離は、基板２１と１２との間の距離よりも小さい。

一次基板と二次基板との連続する組の間の距離を、特定の方向に沿って大きくしていくことにより、その特定の方向において、容量損失がさらに低減される。基板２１と１２との間の距離は、基板１２と２２との間の距離よりも小さく、基板１２と２２との間の距離は、基板２２と１３との間の距離よりも小さく、以下同様とされる。一次基板と二次基板との連続する組の間の距離を、特定の方向に沿って大きくしていくことにより、その特定の方向において、容量損失がさらに低減される。

基板１１および２１の少なくとも一方の１点は、接地点とされる。これにより、この基板１１および／または２１は接地され、比較的近接した基板の間には比較的低い電位差が存在し、互いに比較的離れた基板の間には比較的高い電位差が存在することとなる。かかる変換器は、３つの異なる改善点（たとえば隣接する基板の任意のペアの間におけるゼロよりも大きな距離＋サンドイッチ構造＋増大する電圧に対して増大する距離）を有し、一次的信号を、１０ｋＶ／μｓｅｃよりも大きな立上り時間を有するパルスを含む二次的信号に変換することができる。

たとえば銅により巻き線がプリントされた平面プリント回路基板すなわちＰＣＢを有する構造をベースとした、本発明に従う変換器は、良好な熱カップリング性と、低い漏れインダクタンスとを有する。一次巻き線ＰＣＢと二次巻き線ＰＣＢとをインターリーブされた態様で重ねることにより、同じ電流を担持する過度に多くの巻き線ＰＣＢが、互いに隣接して配されることが回避される（１つの方向に向かうピークアンペア巻き線の数が低く保たれ、それにより近接効果が制限される）。すべての一次巻き線層が互いに重ねられ、かつすべての二次巻き線層も互いに重ねられた場合には、近接効果の損失は指数関数的に増大し、過度に高い銅パワー損失をもたらす。

銅パワー損失と漏れインダクタンスとを最小限に抑えるために、巻き線に対し比較的少ない数の巻き数が使用されるべきであり、かつ比較的大きなコア部が使用されるべきである（たとえば、互いに対向する２つのＥ８０コアの対）。

一次−二次浮遊容量を減らすため、インターリーブされた一次−二次ＰＣＢ間の距離は、二次電圧が累積するにつれて拡大され、最も高い二次電圧を有するＰＣＢが、一次ＰＣＢから最も大きな距離だけ離間されて配される構成がとられる。（水平方向の）一次ＰＣＢ同士は、左側にある１つの（垂直方向の）ＰＣＢによって相互接続される一方、二次ＰＣＢ同士は、垂直ピンによって相互接続される。

隣接する２つの基板間の距離がゼロよりも大きいという条件を満たす限り、一次基板の一次個数と、二次基板の二次個数とは、任意に選択することができる。

要約すると、一次的信号を二次的信号に変換する変換器１は、巻き線を有する基板１１−１４、２１−２３を含む、一次部分および二次部分を備えている。たとえば互いに隣接する基板１１−１４、２１−２３の任意のペアの間に、ゼロよりも大きな距離を導入することにより、変換器１の寄生容量が低減させられ、二次的信号は、１ｋＶ／μｓｅｃよりも大きな立上り時間を有する、比較的高速／高電圧のパルスを含むものとされ得る。近接効果およびその結果としての損失を減らすため、一次および二次基板１１−１４、２１−２３を、インターリーブされた態様で重ねることができる。かかるサンドイッチ構造は、漏れインダクタンスを低減させる。１つの特定の方向において容量損失をさらに減らすために、連続する一次基板１１−１４、２１−２３間の距離、および一次基板ならびに二次基板１１−１４、２１−２３の連続する組の間の距離が、その特定の方向に沿って増大させられる。比較的近接した基板１１−１４、２１−２３の間には比較的低い電位差が存在し、互いに比較的離れた基板１１−１４、２１−２３の間には比較的高い電位差が存在し得る。

上記で述べた実施形態は、本発明を限定するものではなく、説明するためのものであり、当業者においては、特許請求の範囲による本発明の技術的範囲から逸脱することなく、多くの変更実施形態を設計することができるであろう点に留意されたい。請求項において、括弧内に配された参照符号は、その請求項を限定するものと捉えられるべきではない。「含む」もしくは「備える」との語、およびその活用形の使用は、請求項中に記載された以外の要素または工程の存在を排除するものではない。ある要素に先行する「１つの」との冠詞は、かかる要素が複数存在することを排除するものではない。いくつかの手段を列挙した装置の請求項では、それらの手段のいくつかが、同一のハードウェア項目によって実装されてもよい。特定の施策が単に互いに異なる従属請求項に記載されているということは、それらの施策の組合せは有利に用いることができないことを示すものではない。

Claims

一次的信号を二次的信号に変換する変換器であって、当該変換器は、前記一次的信号を受け取る一次部分と、前記二次的信号を供給する二次部分とを含んでおり、前記一次部分および前記二次部分の一方が、互いに直列接続されている少なくとも第１および第２および第３の基板をこの順で含んでおり、前記一次部分および前記二次部分の他方が、互いに直列接続されている少なくとも第４および第５の基板をこの順で含んでおり、各基板は、少なくとも１巻きの巻き線の少なくとも一部を含んでおり、２つの隣接する基板間の距離は、ゼロよりも大きく、前記第４の基板の少なくとも一部が、前記第１および第２の基板の間に配されており、前記第５の基板の少なくとも一部が、前記第２および第３の基板の間に配されており、前記第１および第２の基板の間の距離が、前記第２および第３の基板の間の距離よりも小さいことを特徴とする変換器。
前記第１および第４の基板の間の距離が、前記第４および第２の基板の間の距離よりも小さいことを特徴とする請求項１記載の変換器。
前記第４および第２の基板の間の距離が、前記第２および第５の基板の間の距離よりも小さく、かつ前記第２および第５の基板の間の距離が、前記第５および第３の基板の間の距離よりも小さいことを特徴とする請求項２記載の変換器。
前記第１および第２および第３の基板の前記巻き線が、互いに直列接続されており、前記第４および第５の基板の前記巻き線が、互いに直列接続されていることを特徴とする請求項１記載の変換器。
前記第１および第４の基板の少なくとも一方の１点が、接地点であることを特徴とする請求項４記載の変換器。
当該変換器がさらに、２つの外側脚部と１つの内側脚部と有するコアを含み、前記基板は、実質的に平行かつ／または実質的に平面状のプリント回路基板であり、前記巻き線は、前記プリント回路基板上のプリントであって、前記内側脚部を包囲し、かつ前記外側脚部により包囲されていることを特徴とする請求項１記載の変換器。
当該変換器には、熱伝導性かつ電圧絶縁性の樹脂が含浸させられていることを特徴とする請求項１記載の変換器。
前記基板に対する電磁妨害シールドおよびヒートシンクとして作用する、アルミニウム製コンテナを更に含んでいることを特徴とする請求項１記載の変換器。
請求項１記載の変換器を含むデバイスであって、前記一次的信号を生成するソース、および／または前記二次的信号を受け取る負荷を、さらに含んでいることを特徴とするデバイス。
一次的信号を二次的信号に変換するための変換器の生産方法であって、当該変換器は、前記一次的信号を受け取る一次部分と、前記二次的信号を供給する二次部分とを含んでおり、当該生産方法は、２つの隣接する基板を、互いに距離をおいて取り付ける工程を含んでおり、前記一次部分および前記二次部分の一方が、互いに直列接続されている少なくとも第１および第２および第３の基板をこの順で含んでおり、前記一次部分および前記二次部分の他方が、互いに直列接続されている少なくとも第４および第５の基板をこの順で含んでおり、前記一次部分および前記二次部分は、それぞれ少なくとも１つの基板を含んでおり、各基板は、少なくとも１巻きの巻き線の少なくとも一部を含んでおり、前記第４の基板の少なくとも一部が、前記第１および第２の基板の間に配されており、前記第５の基板の少なくとも一部が、前記第２および第３の基板の間に配されており、前記第１および第２の基板の間の距離が、前記第２および第３の基板の間の距離よりも小さいことを特徴とする生産方法。