KR100735208B1 - Multi-Layer Transformer having Electrical Connection in a Magnetic Core - Google Patents
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Abstract
다층 변압기(132)를 위한 제조의 방법, 장치 및 제품으로서, 상기 다층 변압기는 적어도 한 층에 배치된 제 1권사(126, 128) 및 적어도 한 층에 배치된 제 2권사(178, 180)을 가진 변압기의 자심을 형성하는 각 층에 배치된 자심 영역을 가진 복수개의 층(168 내지 174)을 포함한다. 복수개의 상호연결 비아(130)은 층들 사이에서 제 1 권사를 연결하고, 복수개의 제 2의 상호연결 비아(130)는 층들 사이에서 제 2권사를 연결한다. 상기 상호 연결 비아는 변압기의 자심의 중심에 가까이 배치되고, 따라서, 변압기의 전체부피, 크기, 중량 및 가격을 감소시키는 동시에, 규제적 절연 안전 조건을 만족한다.
A method, apparatus and article of manufacture for a multilayer transformer 132, the multilayer transformer comprising first windings 126, 128 disposed on at least one layer and second windings 178, 180 disposed on at least one layer. And a plurality of layers 168 through 174 having magnetic core regions disposed in each layer forming the magnetic core of the excitation transformer. The plurality of interconnecting vias 130 connects the first winding between the layers, and the plurality of second interconnecting vias 130 connects the second winding between the layers. The interconnect vias are placed close to the center of the transformer's magnetic core, thus reducing the overall volume, size, weight and price of the transformer, while at the same time meeting regulatory insulating safety requirements.
Description
본 발명은 변압기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 다층 세라믹 변압기The present invention relates to a transformer, and more particularly to a multilayer ceramic transformer
(multi-layer ceramic transformer) 및 그 제조 방법에 관한 것이다.(multi-layer ceramic transformer) and a method of manufacturing the same.
종래 구조의 변압기는 권선(winding) 및, 투자(透磁)성 영역(magnetically permeable area)인 코어(core)를 포함한 것이다. 권선은 일반적으로 절연된 도전성 전선(wire)으로 이루어져 있고, 통상은 자심 주위를 둘러싸고 있다. 상기 권선은 또한 자심(magnetic core) 주위에 위치한 절연 보빈 주위를 둘러싼다. 일반적으로 변압기는 제 1 권선 및 제 2 권선을 포함한 상이한 회전(turn) 및 둘러쌈The transformer of the conventional structure includes a winding and a core, which is a magnetically permeable area. The windings generally consist of insulated conductive wires, usually surrounding the magnetic core. The winding also wraps around an insulating bobbin located around a magnetic core. Transformers generally have different turns and enclosures, including first and second windings.
(wrap)의 복수개의 권선을 포함하고 있다.It includes a plurality of windings of a wrap.
종래의 변압기는 오래 전부터 별개의 자심 및 권선 영역을 포함하였는 바, 이 경우, 권선 영역은 코어에 대한 권선의 위치 선정(placing) 측면에서 제한을 주고 있다. 일반적으로 권선은 자심 주위를 감고 있어, 변압기의 전체 크기 및 부피를 증가하게 한다. 현재 기술의 구조를 사용하는 경우, 권선이 코어 영역을 물리적으로 관통하는 것은 불가능한 것으로, 시간과 비용을 크게 요한다. 나아가, 자심 재료를 관통하는, 대부분의 가능한 회로 경로는 설계에 의해 제공된 자기장 이 외에 원치 않는 자기장을 유도하는 경향이 있다. 따라서, 자심 영역 주위로 권선을 둘러싸는 것은 종래의 변압기의 크기를 줄이기 위한 선택권을 제한한다. 절연 변압기(isolation transformer)의 크기감소는 종종 어려운 일인바, 이는 절연 변압기의 물리적 크기 및 구조가 그 전기적 절연 특성에 있어 역할을 하기 때문이다.Conventional transformers have long included separate magnetic cores and winding regions, in which case the winding regions have limitations in terms of the positioning of the winding relative to the core. Typically the windings are wound around the magnetic core, increasing the overall size and volume of the transformer. When using the structure of the current technology, it is impossible for the windings to physically penetrate the core area, which requires a great deal of time and money. Furthermore, most possible circuit paths through the magnetic core material tend to induce unwanted magnetic fields in addition to the magnetic fields provided by the design. Thus, wrapping the windings around the magnetic core region limits the options for reducing the size of conventional transformers. Reducing the size of an isolation transformer is often difficult, because the physical size and structure of the isolation transformer plays a role in its electrical insulation properties.
물리적 크기의 제한 이외에도, 원거리 통신 응용에서 사용되는 종래의 변압기는 규제적 안전표준을 따라야 하는데, 이는 대부분의 변압기들이, 통신망, 예를 들어 전화망으로부터, 사용자 전자장비를 절연하기 위해, 보다 많이 사용되기 때문이다. 많은 규제관련 정부기관들은 변압기가 특정 볼트의 절연 장벽을 제공하고, 변압기 내에서 특정 클리어런스(clearance) 및 크리파지 거리(creepage distance) 필요조건을 만족시킬 것을 요구한다.In addition to physical size limitations, conventional transformers used in telecommunications applications must comply with regulatory safety standards, which are more commonly used to insulate user electronics from telecommunications networks, such as telephone networks. Because. Many regulatory agencies require that transformers provide a barrier for insulating certain bolts and meet specific clearance and creepage distance requirements within the transformer.
"클리어런스 거리"는, 공기를 관통하여 측정된 2개의 도전성 부품간의 가장 짧은 거리로 정의되며, 특히 중요한데, 이는 비록 공기가 좋은 절연체이지만, 공기에 충분히 강한 전자장이 주어진 경우 결국 이온화하여 절연 장벽을 파괴하기 때문이다.A "clearance distance" is defined as the shortest distance between two conductive parts measured through air, which is particularly important, although air is a good insulator, it will eventually ionize and destroy the insulation barrier if given a strong enough electromagnetic field in the air. Because.
절연체의 표면을 따라 측정된 2개의 도전성 부품간의 최단거리로 정의되는 "크리파지 거리" 또한 매우 중요한데, 이는 절연체 표면상의 2 점 간에 충분한 전기적 포텐샬이 주어진 경우, 적절한 환경적 조건 및 충분한 시간하에서, 절연체의 표면이 결국 항복(break down)하여 그 절연 특성의 파괴를 가져오기 때문이다.The "creepage distance," which is defined as the shortest distance between two conductive parts measured along the surface of the insulator, is also very important, given the sufficient electrical potential between two points on the surface of the insulator, under adequate environmental conditions and sufficient time, This is because the surface of the break eventually breaks down, leading to a breakdown of its insulating properties.
기존의 변압기는 절연테이프, 크로스오버 테이프, 바니쉬, 에폭시, 절연 와이어 및 플라스틱 보빈을 사용함에 의해, 거리 및 볼트 절연 필요조건을 충족시킨 다. 이들은 다양한 조합으로 사용되어 변압기가 소망의 볼트 항복 한계 및 특정 거리를 지탱하는 것을 보장한다.Conventional transformers meet distance and bolt insulation requirements by using insulating tape, crossover tape, varnish, epoxy, insulated wire and plastic bobbins. They are used in various combinations to ensure that the transformers support the desired bolt break limits and specific distances.
물리적 크기의 한계 및 전기적 절연특성 한계 이외에, 종래의 변압기는 자동화된 공정으로 제조하기가 쉽지 않다. 종래의 전선권취형 변압기는 권취도선In addition to the limitations of physical size and electrical insulation properties, conventional transformers are not easy to manufacture in an automated process. Conventional wire winding type transformer is wound lead
(winding leads)을 보빈 터미널에 용접해야 할 필요성 때문에, 자동화된 공정으로 제조하기 어렵다. 아울러, 권선을 둘러싸고, 이들을 제조 과정중 서로 분리 유지하는 것은 보다 어렵고 조립을 위한 많은 수작업을 요한다. 단지 보다 높은 볼트 절연을 요구하도록 규제적 필요조건이 변하는 경우에도 추가적 공정을 필요하고 시장이 부담할 수 있는 가격 이상으로 변압기 가격이 상승하게 된다.Due to the need to weld (winding leads) to bobbin terminals, it is difficult to manufacture in an automated process. In addition, surrounding the windings and keeping them separate from each other during the manufacturing process is more difficult and requires a lot of manual work for assembly. Even when regulatory requirements change to require higher bolt insulation, additional transformers are needed and the price of the transformer rises above what the market can afford.
종래 변압기의 한계를 극복하기 위해, 수많은 세라믹 변압기 제조방법이 개시되어 있다. 그러나, 이들 세라믹 변압기의 대부분은 적절한 볼트 브레이크다운 보호를 제공하기 위해 요구되는 물리적 필요조건 등의 전기 절연 요구사항을 충분히 해결하지 못한다.In order to overcome the limitations of conventional transformers, numerous ceramic transformer manufacturing methods have been disclosed. However, many of these ceramic transformers do not sufficiently address electrical insulation requirements, such as the physical requirements required to provide adequate bolt breakdown protection.
또한, 안전 요구사항을 충족시키는 종래의 세라믹 변압기는, 종래 세라믹 변압기의 코일간 좋지 않은 커플링 등, 종종 적절한 기능을 제공하지 못한다.In addition, conventional ceramic transformers that meet safety requirements often do not provide adequate functionality, such as poor coupling between coils of conventional ceramic transformers.
따라서, 당해 기술분야에는 향상된 변압기 및 그 제조방법, 특히, 자동화된 방식으로 쉽게 대량생산할 수 있으며, 또한 규제적 안전 필요조건을 충족시킬 수 있는 저가의, 소형 세라믹 변압기에 대한 필요성이 존재한다.Accordingly, there is a need in the art for improved transformers and methods for their manufacture, in particular, low cost, small ceramic transformers that can be easily mass-produced in an automated manner and that also meet regulatory safety requirements.
전술한 종래 기술의 한계를 극복하고, 본 명세서에 의해 명백해지는 기타 다른 한계점을 극복하기 위해, 본 발명은 전기적 절연 특성에 악영향을 주지 않으면서 물리적 크기 및 체적이 감소된 다층식 변압기를 제공하는 방법 및 장치를 개시한다.In order to overcome the aforementioned limitations of the prior art and to overcome other limitations evident by the present disclosure, the present invention provides a method of providing a multilayer transformer with reduced physical size and volume without adversely affecting electrical insulation properties. And a device.
하나의 구현예에 있어, 본 발명은, 변압기의 자심을 형성하는 2 이상의 층 위에 배치된 자심영역(magnetic core area)을 한정하는 복수개의 층, 하나 이상의 층 위에 배치된 1차 권선, 하나 이상의 층 위에 배치된 2차 권선, 층 사이에서 상기 1차 권선을 연결하는 복수개의 제 1 상호연결 비아(interconnect via) 및 층 사이에서 2차 권선을 연결하는 복수개의 제 2 상호연결 비아를 포함하는 다층 테이프 구조(multi-layer tape structure)를 가지는 변압기를 개시하는 바, 이 때, 제 1 및 제 2 상호접속 비아는 변압기의 자기코어의 중심에 가까이 배치된다.In one embodiment, the invention provides a plurality of layers defining a magnetic core area disposed over two or more layers forming a magnetic core of a transformer, a primary winding disposed over one or more layers, one or more layers. A multilayer tape comprising a secondary winding disposed above, a plurality of first interconnect vias connecting the primary windings between the layers and a plurality of second interconnect vias connecting the secondary windings between the layers A transformer having a multi-layer tape structure is disclosed, wherein the first and second interconnect vias are disposed close to the center of the magnetic core of the transformer.
추가로, 본 발명의 한 구현예에서, 층들은 공가열(cofired)된 세라믹 재료로 이루어진 층을 제공한다.In addition, in one embodiment of the present invention, the layers provide a layer of cofired ceramic material.
나아가, 본 발명의 한 구현예에서는, 상기 공가열된 세라믹 제료는 저온-공가열된 세라믹(Low-Temperature-Cofired-Ceramic: LTCC) 재료이다.Furthermore, in one embodiment of the present invention, the co-heated ceramic material is a Low-Temperature-Cofired-Ceramic (LTCC) material.
본 발명의 한 대안적 구현예에서, 상기 공가열된 세라믹 재료는 고온-공가열된 세라믹(High-Temperature-Cofired-Ceramic:HTCC) 재료이다.In an alternative embodiment of the present invention, the co-heated ceramic material is a High-Temperature-Cofired-Ceramic (HTCC) material.
본 발명의 한 가지 장점은 변압기의 전체 체적이 감소하고, 변압기 제조시 요구되는 재료의 양이 감소하여 변압기의 전체 비용과 중량이 현저히 감소하는 것 이다.One advantage of the present invention is that the total volume of the transformer is reduced, and the amount of material required for the manufacture of the transformer is reduced, resulting in a significant reduction in the overall cost and weight of the transformer.
본 발명은 인터리빙(interleaving) 권사를 가지는 다층 변압기를 제공한다. 한 구현예에서, 상기 다층 변압기는 변압기의 자심을 형성하는 2 이상의 층 위에 배치된 자심영역을 한정하는 복수개의 층, 제 1 층에 배치한 제 1 권사, 제 2층에 배치된 제 2 권사를 포함하며, 이 때 상기 제 1 및 제 2 층은 서로 인접하게 위치하여 제 1 권사 및 제 2 권사가, 한 층에서 다른층에 이르기까지, 인터리빙 관계를 가지도록 배치된다.The present invention provides a multi-layer transformer having interleaving windings. In one embodiment, the multilayer transformer comprises a plurality of layers defining a magnetic core region disposed on at least two layers forming a magnetic core of the transformer, a first winding disposed on a first layer, and a second winding disposed on a second layer. Wherein the first and second layers are positioned adjacent to each other such that the first and second windings have an interleaving relationship, from one layer to the other.
본 발명의 또 다른 한 구현예에 있어, 상기 변압기는 추가로 층들 사이에서 제 1 권사를 연결하는 복수개의 제 1 상호연결 비아 및 층들 사이에서 제 2 권사를 연결하는 복수개의 제 2 상호연결 비아를 포함한다.In another embodiment of the invention, the transformer further comprises a plurality of first interconnecting vias connecting the first winding between the layers and a plurality of second interconnecting vias connecting the second winding between the layers. Include.
추가로, 한 구현예에서, 상기 제 1 및 제 2 상호연결 비아는 변압기의 자심의 중심에 가까이 배치된다.In addition, in one embodiment, the first and second interconnect vias are disposed close to the center of the magnetic core of the transformer.
추가로, 한 구현예에서, 제 1 권사의 개시(starting) 및 마무리(finishing) 말단은, 변압기의 한쪽 말단에서, 복수개의 층의 동일 말단 층상에 배치된다.Further, in one embodiment, the starting and finishing ends of the first windings are disposed on the same end layer of the plurality of layers, at one end of the transformer.
한 구현예에서, 다층 변압기의, 제 2 권사의 개시 및 마무리 말단은, 변압기의 한쪽 말단에서, 복수개의 층의 동일 말단 층상에 배치된다.In one embodiment, the starting and finishing ends of the second winding of the multilayer transformer are disposed on the same terminal layer of the plurality of layers, at one end of the transformer.
한 구현예에서, 변압기의, 제 1 및 제 2권사의, 개시 및 마무리 말단은 변압기의 한 쪽 말단에서, 복수개의 층의 동일 말단 층상에 배치된다.In one embodiment, the starting and finishing ends of the transformer, the first and second windings, are disposed on one end of the transformer on the same end layer of the plurality of layers.
한 구현예에서, 변압기의 상기 복수개의 층은 강자성의 공가열된 세라믹 테이프(ferromagnetic cofired ceramic tape)이다. 상기 공가열된-세라믹 테이프는 저온-공가열된-세라믹(LTCC)으로 만들어진다.In one embodiment, the plurality of layers of the transformer is a ferromagnetic cofired ceramic tape. The co-heated-ceramic tape is made of low temperature-co-heated-ceramic (LTCC).
대안적 구현예에서, 상기 공가열된 세라믹 테이프는 고온-공가열된-세라믹 재료(HTCC)로 만들어진다.In an alternative embodiment, the coheated ceramic tape is made of hot-coheated-ceramic material (HTCC).
한 구현예에서, 제 1 및 제 2 권사는 각각, 자심내에서, 적어도 상기 제 1 및 제 2 층에 배치된 제 1 및 제 2 전도성 부재(electrically conductive member)로서, 상기 제 1 층상의 상기 제 1 전도성 부재는, 제 1 및 제 2 층사이에서 비아를 통해 제 2층상의 제 2 전도성 부재의 말단과 연결된, 말단을 가지며, 이 때 제 1 및 제 2 층은 서로 인접해 있고, 전도성 부재는 일반적으로 자심의 자속선(flux line)에 수직이며, 비아에 가까이 배치된 제 1 전도성 부재의 일부는, 비아에 가까이 배치된 제 2 도전성 부재의 일부에 대하여 평행이고, 상기 두 부분은, 서로 반대 방향으로, 같은 전류(equal current)를 전도하며, 이로써 비아 주변의 자기 효과가 실질적으로 없어진다.In one embodiment, the first and second windings are first and second electrically conductive members disposed in at least the first and second layers, respectively, in a magnetic core, wherein the first on the first layer is formed. The first conductive member has an end connected between the first and second layers via the via to the end of the second conductive member on the second layer, wherein the first and second layers are adjacent to each other and the conductive member is Generally perpendicular to the flux line of the magnetic core, a portion of the first conductive member disposed close to the via is parallel to a portion of the second conductive member disposed close to the via, and the two portions are opposite to each other. Direction, conducts an equal current, thereby substantially eliminating magnetic effects around the vias.
추가로, 한 구현예에서, 인접한 층에 배치된 제 1 및 제 2 권사는 제 1 거리만큼 분리되어 있는데, 상기 제 1 거리는, 동일층상의 제 1 권사의 제 1 전도성 부재의 두 인접한 부분간의 간격 거리(spacing distance)인 제 2 거리보다 작다.Further, in one embodiment, the first and second windings disposed in adjacent layers are separated by a first distance, the first distance being a gap between two adjacent portions of the first conductive member of the first winding on the same layer. It is smaller than the second distance, which is a spacing distance.
또 다른 구현예에서, 인접한 층에 배치된 제 1 및 제 2 권사는 제 1 거리 만큼 분리되어 있는데, 상기 제 1 거리는, 동일 층상의 제 2 권사의 제 2 전도성 부재의 두 인접한 부분간의 간격 거리인 제 2 거리보다 작다.In another embodiment, the first and second windings disposed in adjacent layers are separated by a first distance, wherein the first distance is the distance between two adjacent portions of the second conductive member of the second winding on the same layer. Less than the second distance.
또 다른 구현예에서, 인접한 층에 배치된 제 1 및 제 2권사는 제 1 거리만큼 분리되어 있는데, 상기 제 1 거리는, 각각 제 1 및 제 2 권사의 제 1 및 제 2 전도 성 부재간의 간격 거리인 제 2 거리보다 작다.In another embodiment, the first and second windings disposed in adjacent layers are separated by a first distance, wherein the first distance is the spacing distance between the first and second conductive members of the first and second windings, respectively. Is less than the second distance.
추가로, 한 구현예에서, 제 1 권사는 나선 형상이다.In addition, in one embodiment, the first winding is in the shape of a spiral.
또 다른 구현예에서, 제 2 권사는 나선 형상이다.In yet another embodiment, the second winding is in the shape of a spiral.
또 다른 구현예에서, 적어도 상기 제 1 층상에 배치된 제 1 권사는 제 1 자속(magnetic flux)을 발생시키고, 적어도 상기 제 2층상에 배치된 제 2 권사는 상기 제 1 자속에 의해 제 1 권사와 결합된다.In another embodiment, at least a first winding disposed on the first layer generates a first magnetic flux, and at least a second winding disposed on the second layer is wound by the first magnetic flux. Combined with.
본 발명의 한가지 이점은, 비아 주변의 제 1 및 제 2 전기 전도성 부재내의 순전류(net current)가 0 이므로, 변압기로부터의 자속선이 현저히 변화되지 않는다는 것이다. 따라서, 변압기 코어 영역으로 현저한 가자기장(spurious magnetic field)가 도입되지 않는다.One advantage of the present invention is that the net current in the first and second electrically conductive members around the via is zero, so that the flux lines from the transformer do not change significantly. Thus, no significant spurious magnetic field is introduced into the transformer core region.
본 발명의 또 다른 이점은 권사 간의 자기 결합이 현저히 향상되는 것이다.Another advantage of the present invention is that the magnetic coupling between the windings is significantly improved.
본 발명은 또한 평형 다층 변압기(balanced multi-layer transformer)를 제공한다. 한 구현예에서, 변압기는 적어도 한 층에 배치된 권사를 가진 적어도 하나의 층, 자속을 발생시키는 권사, 상기 권사에 의해 형성된 자심 영역으로 이루어지며, 이 때, 상기 자심 영역은 실질적으로 자속에 수직이다. 상기 적어도 한층의 최상부에 배치된 판은 자속을 위해 복귀 경로(return path)를 제공하는데, 이 때, 자속에 의해 덮힌(covered) 모든 판 단면 영역은 실질적으로 자속이 지나간The present invention also provides a balanced multi-layer transformer. In one embodiment, the transformer consists of at least one layer with windings disposed in at least one layer, windings for generating magnetic flux, and magnetic core regions formed by the windings, wherein the magnetic core regions are substantially perpendicular to the magnetic flux. to be. The plate disposed on top of the at least one layer provides a return path for the magnetic flux, wherein all of the plate cross-sectional areas covered by the magnetic flux are substantially free of magnetic flux.
(traversed) 자심 영역과 같다.(traversed) equal to the magnetic field region
본 발명은 또한 평형 다층 변압기를 제공한다. 한 구현예에서, 상기 변압기는 적어도 한층에 배치된, 권사를 가진 적어도 하나의 층, 자속을 발생시키는 권 사, 권사에 의해 형성된 자심 영역으로 이루어지며, 이 때, 상기 자심 영역은 실질적으로 자속에 수직이다. 상기 적어도 한층의 최상부에 배치된 판은, 자속을 위해 복귀 경로를 제공하는데, 이 때, 자속에 의해 덮힌 모든 판 단면 영역은 자속에 의해 덮힌 자심 영역보다 크다.The present invention also provides a balanced multilayer transformer. In one embodiment, the transformer consists of at least one layer with windings, windings for generating magnetic flux, magnetic core regions formed by windings, wherein the magnetic core regions are substantially at a magnetic flux. Vertical. The plate disposed at the top of the at least one layer provides a return path for the magnetic flux, wherein all of the plate cross-sectional area covered by the magnetic flux is larger than the magnetic core region covered by the magnetic flux.
본 발명의 한가지 이점은, 평형화된 단면 영역(balanced cross-sectional area)을 가진 평형 변압기를 인식하여, 주어진 크기를 위한 자속밀도를 최대화한 것이다.One advantage of the present invention is to recognize a balanced transformer with a balanced cross-sectional area, maximizing the magnetic flux density for a given size.
본 발명은 세라믹 변압기를 위한 강자성 재료를 제공한다. 자성 코어를 구성하는 복수의 층들은 이러한 강자성 재료로 형성될 수 있다. 하나의 구현예에서, 상기 강자성 재료는 니켈-구리-아연-페라이트(NiCuZnFeO)를 포함하는데, 이 경우, 페라이트 (FeO) 함량은 총 중량%의 40 내지 60 %이다. 상기 강자성 재료는 또한 비스무스(Bi)를 총 중량%의 1% 이하의 양으로, 산화아연(ZnO)를 총 중량%의 10% 이하의 양으로 포함하며, 이 경우, 세라믹 변압기 가열 후, 산화아연 입자크기는 10㎛ 이하이다.The present invention provides a ferromagnetic material for a ceramic transformer. The plurality of layers constituting the magnetic core may be formed of such a ferromagnetic material. In one embodiment, the ferromagnetic material comprises nickel-copper-zinc-ferrite (NiCuZnFeO), wherein the ferrite (FeO) content is 40 to 60% of the total weight. The ferromagnetic material also contains bismuth (Bi) in an amount of 1% or less of total weight percent and zinc oxide (ZnO) in an amount of 10% or less of total weight percent, in which case after heating the ceramic transformer, zinc oxide The particle size is 10 μm or less.
본 발명을 특징짓는 신규한 여러가지 다른 이점과 특징들을 이하 청구항에서 특징적으로 지적하며, 본 발명의 일부를 이룬다. 그러나, 본 발명, 그 이점 및 그 사용으로 얻어지는 목적을 보다 잘 이해하기 위해, 본 명세서의 일부를 이루며, 본 발명의 실시예를 기술한 서술적 내용을 수반한 도면에 대한 설명이 이루어진다.
Many other novel advantages and features that characterize the invention are pointed out in the claims that follow and form part of the invention. However, in order to better understand the present invention, its advantages, and the objects obtained by using the same, a description is given of the drawings, which form a part of the present specification and which describe the embodiments of the present invention.
이하, 참조번호와 마찬가지로 전반에 걸쳐 해당 부분을 나타내는 도면에 관 해 설명한다.Hereinafter, like the reference numerals will be described with reference to the drawings showing the corresponding parts throughout.
도 1 A, B는 종래 권선형 변압기의 측면도와 단면도를 도시한 것이다.1 A and B show side and sectional views of a conventional wound transformer.
도 2는 본 발명의 바람직한 구현예에 따른, 다층 변압기의 최상부층의 평면도이다.2 is a plan view of a top layer of a multilayer transformer, in accordance with a preferred embodiment of the present invention.
도 3은 본 발명의 바람직한 구현예에 따른, 하나의 극성내에서의 전류 흐름을 도시한 변압기 권사층을 도시한 것이다.3 shows a transformer winding layer showing current flow within one polarity, according to a preferred embodiment of the present invention.
도 4는 본 발명의 바람직한 구현예에 따른, 도 3의 반대 극성내에서의 전류 흐름을 도시한 또 다른 변압기를 도시한 것이다.FIG. 4 illustrates another transformer showing current flow within the opposite polarity of FIG. 3, in accordance with a preferred embodiment of the present invention.
도 5는 본 발명의 바람직한 구현예에 따른, 도 3 및 도 4에 나타낸 변압기 권사층 2개를 축적배열로 도시한 것으로, 각층에서의 전류 및 상응하는 자속 극성도 추가적으로 묘사한 것이다.FIG. 5 shows, in accumulation arrangement, two transformer winding layers shown in FIGS. 3 and 4, in accordance with a preferred embodiment of the present invention, further depicting current and corresponding magnetic flux polarity in each layer.
도 6A, B는 종래 다층 변압기의 한 층상에서 별개의 제 1 및 제 2 권사를 가진 자속 경로를 도시한 것이다.6A and 6B show a magnetic flux path with separate first and second windings on one layer of a conventional multilayer transformer.
도 7A, B는 본 발명의 바람직한 구현예에 따른 다층 변압기의 개별 층상에서 근접한(in close proximity) 제 1 및 제 2 권사와 자속 경로를 도시한 것이다.7A and B illustrate the first and second windings and magnetic flux paths in close proximity on individual layers of a multilayer transformer according to a preferred embodiment of the present invention.
도 8A, B는 본 발명의 바람직한 구현예에 따른, 한 층의 평면도 및 다층 변압기의 단면 영역을 도시한 것이다.8A, B illustrate a plan view of one layer and the cross-sectional area of a multilayer transformer, in accordance with a preferred embodiment of the present invention.
도 9는 본 발명의 바람직한 구현예에 따른 다층 변압기의 분해도를 도시한 것이다.9 shows an exploded view of a multi-layer transformer according to a preferred embodiment of the present invention.
도 10은 본 발명의 바람직한 구현예에 따른 평형 다층 변압기의 영역들을 도 시한 것이다.10 illustrates regions of a balanced multilayer transformer in accordance with a preferred embodiment of the present invention.
도 11 A. B, 및 C는 본 발명의 바람직한 구현예에 따른, 상이한 나선 권사패턴의 3가지 실시예의 평면도를 도시한 것이다.
11 A. B, and C show top views of three embodiments of different spiral winding patterns, in accordance with a preferred embodiment of the present invention.
본 발명은 다층테이프 구조를 가지는 변압기를 제공한다. 본 발명은 또한 인터리빙(interleaving) 관계로 결합된 제1 및 제2 권사를 가진 다층 변압기를 제공한다. 본 발명은 추가로 평형 다층 변압기를 제공한다. 추가로, 본 발명은 변압기용 강자성 재료를 제공한다.The present invention provides a transformer having a multilayer tape structure. The present invention also provides a multilayer transformer having first and second windings coupled in an interleaving relationship. The present invention further provides a balanced multilayer transformer. In addition, the present invention provides a ferromagnetic material for a transformer.
하기 바람직한 구현예의 서술에서, 그 일부를 구성하는 도면을 참조하는데, 이 경우 상기 도면은 본 발명이 수행될 수 있는 특정 구현예를 도시하는 방법으로 나타내어진다. 다른 구현예들도 가능하며, 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 범위내에서 구조적 변경도 가능하다.In the following description of the preferred embodiments, reference is made to the drawings, which form a part thereof, in which case the drawings are represented by a way of illustrating a particular embodiment in which the invention may be practiced. Other embodiments are possible, and structural changes are possible without departing from the scope of the present invention.
도 1A 는 시작 도선(lead) 46 및, 절연보빈 44 주위를 수 차례 감은 말단 도선 48을 가진 권사를 묘사한 종래의 변압기의 측면도를 도시한 것이다. 상기 권사는 절연된 도전성 전선을 포함한다. 권사 46 및 48을 통해 흐른 전류는 자기장을 발생시킨다. 자속선은 권사에 대하여 수직이다. 이러한 방식으로 생성된 자속선은 플럭스선(flux line)의 구축에 대한 자기저항 또는 저항이 낮은 자기 투과성 코어 42를 통과함으로써, 집중 또는 강화된다. 낮은 자기저항을 추가로 보장하기 위해, 패쇄된 자기경로 40을 자심 42 내에 구축한다. 종래 변압기의 또 다른 구현예 는 전형적으로 제 1 및 제 2 권선으로 이루어진 2 이상의 권선을 가지며, 코어에 대한 도선 접속이 4개 이상 필요하다.1A shows a side view of a conventional transformer depicting a winding having a starting
도 1B는 도 1A의 종래 변압기의 단면적 A-A의 절개도를 도시한 것이다.FIG. 1B shows a cutaway view of the cross-sectional area A-A of the conventional transformer of FIG. 1A.
코어 단면영역은 자속 경로 40에 대하여 수직이다(도 1A). 코어 재료의 최적 플럭스 밀도 등급 및 응용 전기적 필요 요건, 예컨대, 인덕턴스를 맞추기 위해, 코어의 단면영역 42의 전체 크기를 최적화 하는 것이 중요하다. 권선 영역 50의 추가적 묘사를 포함시켜, 권선이 권선 코어 42 부를 둘러싸고 코어 42의 중심부를 관통하지 않는 것을 명확히 하였다.The core cross-sectional area is perpendicular to the flux path 40 (FIG. 1A). In order to meet the optimum flux density grade of the core material and the application electrical requirements, such as inductance, it is important to optimize the overall size of the
도 2는 본 발명의 바람직한 구현예에 따른, 다층 변압기의 최상층을 도시한 것이다. 다층 변압기의 최상판 61은 4개의 도전성 터미널 패드 및 4개의 도전성 관통공(이후, 비아 60이라 칭한다)을 포함할 수 있다. 도전성 터미널 패드는 각각 제 1 권사 시작 도선(starting lead) 및 제 1 권사 말단 도선(ending lead) 52, 54에 해당한다. 다른 도전성 터미널 패드 56, 58은 각각 제 2 권사 시작도선 및 제2 권사 말단도선에 해당한다. 최상판 61 및 모든 후속층은 저온-공가열 세라믹재료2 shows a top layer of a multilayer transformer, in accordance with a preferred embodiment of the present invention. The top plate 61 of the multilayer transformer may include four conductive terminal pads and four conductive through holes (hereinafter referred to as via 60). The conductive terminal pads correspond to the first winding starting lead and the first winding ending
(LTCC) 또는 고온 공가열 세라믹 재료(HTCC) 등과 같은 페라이트 테이프 재료로 만들어질 수 있다. 제 1 및 제 2 권사는 수 개의 층위에 놓여지고, 수개의 층 사이에서 전도성 비아 60을 통하여 상호연결된다. 제 1 및 제 2 권사의 상기 시작 및 말단 도선은 판 61의 외측표면 63 상에서 끝난다. 도전성 비아 60은 일반적으로 판 61의 내측 부분을 향하여 위치하고 있다. 본 구현예에서, 제 1권사 및 제 2권사의 상기 터미널 패드는 동일판에 위치한다. 제 1 권사 및 제 2 권사를 위한 터미널 패드는 다른 판 또는 층 위에 놓여질 수 있다.(LTCC) or high temperature co-heat ceramic material (HTCC) or the like. The first and second windings are laid on several layers and are interconnected through
도 3은 본 발명의 바람직한 구현예에 따른 다층 변압기의 층 76을 나타낸 것이다. 도전성 재료는 페라이트 테이프 기판상에 인쇄(print)되어 전기 전도성 부재 또는 권사 62를 형성한다. 권사 62를 통하여 흐르는 전류에 의해, 권사 62에 수직이고 이를 둘러싸는 자기장 64가 생성된다. 자기장 64의 극성(polarity)은 전류의 방향에 따라 결정된다. 다층 변압기의 각각의 후속층은 유사한 권사를 가진다. 시작 말단(starting end)과 마무리 말단(finishing end)과 함께 1 이상의 회전을 가진 각각 권사는 도전성 터미널 패드 52, 54, 56 또는 58 (도 2)에 도전성 비아 60를 통해 전기적으로 연결되어 있다. 제 1 및 제 2 권사 당 회전 수는 변압기의 주어진 사양에 의해 결정된다. 권사 62에 의해 페라이트 테이프 기판이 내측(inner) 코어부 68 및 외측(outer) 코어부 66으로 나눈다. 도전성 비아 60은 바람직하게는 내측 코어부 68에 위치하여 변압기의 크기를 줄인다. 비아들 또는 비아의 일부는 내측 코어부 68의 바깥 쪽에 위치할 수 있다. 따라서, 하나의 바람직한 구현예에 있어, 모든 도전성 비아들은 층 76으로부터 인접층 74까지 내측 코어부 68를 관통할 수 있다(도 4 및 5). 비아 60을 사용하여 내부 코어부 69을 관통해 도전성 권선 62를 상호연결함에 의해 변압기의 전체 부피를 현저하게 줄이면서도 변압기의 자성에 부정적 영향을 주지 않는다.3 shows
도 4는, 본 발명의 바람직한 구현예에 따른, 다층 변압기의 층 74를 도시한 것이다. 도전성 권사 72는 페라이트 테이프 기판상에 인쇄되어 있다. 권사 72를 통하여 흐르는 전류는, 권사 72에 수직이고 이를 둘러싸는(encircle) 자기장 70을 생성시킨다. 자기장 70의 극성은 상기 전류의 방향에 따라 결정되고, 변압기의 인접층 76(도 3)상에 발생한 자기장 64(도 3)에 대해 반대 극성을 가진다. 권사 72는 1 이상의 회전을 가진다. 상기 권사의 시작 말단 및 마무리 말단은 도전성 터미널 패드 52, 54, 56 또는 58(도 2)에 도전성 비아 60을 통하여 전기적으로 연결될 수 있다. 권사 72는 층74의 페라이트 테이프 기판을 내측 코어부 69 및 외측 코어부 67로 나눈다. 도전성 비아 60은 바람직하게는 내측 코어부 69상에 위치한다. 따라서, 모든 도전성 비아는 층 74로부터 층 76까지 내측 코어부 69를 관통할 수 있다. 비슷하게, 제 1 및 제 2 권사의 수는 변압기의 주어진 사양에 따라 정해진다.4 shows
도 5는 본 발명의 바람직한 구현예에 따른 다층 변압기의 층 76 및 층 74의 를 도시한 것이다. 도 76 및 도 74는 다층 변압기의 2개의 인접층이거나, 혹은 2층 변압기일 수 있다. 층 76의 도전성 권사 62는 도전성 비아 60을 이용하여 층 74의 도전성 권사 72에 전기적으로 연결된다. 상기 권사 62로 흐르는 전류는 자기장 64를 생성시키는 데, 상기 자기장의 극성은 층 74 상에서 전도성 권사 72에 의해 발생한 자기장 70의 반대이다. 변압기의 중심 코어 영역에 위치한 도전성 권사 62 및 72의 일부를 둘러싸는 자기장 64 및 70의 극성은 직접적으로 서로 반대여서 상쇄한다. 그 결과, 중앙 코어영역내의 순(net) 자기장은 0이다. 상기 특징으로 인해, 그 자기 특성에 불리한 영향을 주지 않고, 상호연결 권사(interconnecting winding)가 다층변압기의 중심코어 영역을 관통할 수 있다. 또한, 변압기의 전체 부피 및 비용도 감소한다.
Figure 5 shows the layers of
본 발명의 바람직한 구현예는 평형의(balanced), 다층 변압기를 제공하는 바, 상기 변압기는 파괴전압(breakdown voltage)에 대한 안전 표준 또는 요건을 충족시킨다. 변압기가 사용자 장비 및 전화선 사이에 연결되어 있는 임의의 응용분야에서는, 1500V AC에 이르는 절연전압이 요구될 수 있다. 제 1 및 제 2 권사간의 절연볼트는 종종 변압기를 통한 과도한 누수전류가 없는 값의 약 1.6배일 것을 필요로 한다. 바람직한 한 구현예에서, 상기 다층 변압기는 두께가 0.0035 인치인 층을 포함할 수 있다. 상기 층의 상기 두께는 실질적으로 제 1 및 제 2 권사간의 거리와 같다. 상기 층 두께는 권사들 간의 양호한 자기 결합(magnetic couple)을 달성하는 것과 적절한 절연 보호 기능을 제공하는 것 사이의 기능 절충점이다. 예컨대, 권사간의 층이 두꺼울수록 얇은 층보다 더 좋은 절연특성을 제공한다. 그러나, 권사간의 거리가 멀어지므로, 두꺼운 층의 자기 결합은 얇은 층의 자기 결합보다 좋지 않다.A preferred embodiment of the present invention provides a balanced, multilayer transformer, which meets safety standards or requirements for breakdown voltage. In any application where a transformer is connected between the user equipment and the telephone line, insulation voltages up to 1500V AC may be required. Insulation bolts between the first and second windings often need to be about 1.6 times the value without excess leakage current through the transformer. In a preferred embodiment, the multi-layer transformer may comprise a layer having a thickness of 0.0035 inches. The thickness of the layer is substantially equal to the distance between the first and second windings. The layer thickness is a tradeoff between achieving good magnetic couple between the windings and providing adequate insulation protection. For example, thicker layers between windings provide better insulating properties than thin layers. However, since the distance between the windings is increased, the magnetic coupling of the thick layer is worse than the magnetic coupling of the thin layer.
다층 변압기내에서 제 1 및 제 2 권사간의 자기결합 및 절연특성을 향상시키기 위해, 본 발명은 변압기를 위해 보다 향상된 재료를 제공한다. 한 바람직한 구현예의 경우, 상기 재료는 약 50중량%의 페라이트를 가지는 니켈-페라이트 기저 재료(Nickel-Ferrite base material: NiCuZnFeO)를 포함한다. 절연 보호 또는 유전성 전압(dielectric voltage)을 증가시키기 위해, 기저재료의 조성 중 존재하는 Bi 양은 미량(trace amount)으로 최소화하고, Zn의 백분율 함량도 감소시킨다. 기저재료는 본질적으로 반도체일 수 있다. 조성 내의 Zn 양을 줄이고, Zn 입자를 직경 5 내지 10㎛ 의 크기 이하로 밀링(milling)함에 의해, 임계전압은 누수 전류를 허 용가능한 수준까지 조절하기에 충분히 높다. 조성 내에서 사용된 Zn의 실제 백분율 함량은 Zn 입자직경, 조성 내의 불순물 함량, 및 변압기 층의 제 1 및 제 2간 전체 두께 등의 요인에 의존한다. 예를 들어, 0.0035 인치의 두께를 가지는, 한 바람직한 구현예의 경우, Zn 함량은 10 중량%(weight%; wt%) 미만이며, 4 원자 중량% (Atomic Weight%) 미만이다. 특정 응용에 있어 소망하는 최소 절연전압 및 누수 전류를 기준으로 하여, 다른 층 두께도 사용할 수 있다. 각종 요건을 충족시키기 위해, 본 발명의 범위내에서, Zn 입자 직경, 백분율 함량 및 층 두께를 바꾸거나 조정할 수 있다.In order to improve the magnetic coupling and insulation properties between the first and second windings in a multilayer transformer, the present invention provides an improved material for the transformer. In one preferred embodiment, the material comprises a nickel-ferrite base material (NiCuZnFeO) having about 50% ferrite by weight. In order to increase the insulation protection or dielectric voltage, the amount of Bi present in the composition of the base material is minimized to a trace amount and the percentage content of Zn is also reduced. The base material can be essentially a semiconductor. By reducing the amount of Zn in the composition and milling the Zn particles to a size of 5-10 μm in diameter or less, the threshold voltage is high enough to control the leakage current to an acceptable level. The actual percentage content of Zn used in the composition depends on factors such as Zn particle diameter, impurity content in the composition, and overall thickness between the first and second layers of the transformer layer. For example, in one preferred embodiment, having a thickness of 0.0035 inches, the Zn content is less than 10 weight percent (wt%) and less than 4 atomic weight percent. Other layer thicknesses may be used based on the desired minimum insulation voltage and leakage current for a particular application. In order to meet various requirements, it is possible to vary or adjust the Zn particle diameter, percentage content and layer thickness within the scope of the present invention.
일반적으로, 변압기의 개별 권사간 결합 계수를 향상시키는 것도 개별 권사의 물리적 배치(layout)를 조절할 것을 추가로 요구한다. 권사는, 도 3 내지 5에 기재한 바와 같이, 각 세라믹 층의 두께감소에 의해, 그리고, 중앙 코어영역을 통한 결합에 의해 물리적으로 서로 근접하게 유지한다. 권사들이 서로 근접할수록, 보다 많은 자기 플럭스선이 각각의 권사를 통과하며, 이로인해 변압기의 결합 계수를 증가시키고, 전기적 신호의 보다 향상된 전달(transfer)을 가져온다.In general, improving the coupling coefficient between the individual windings of a transformer also requires further adjustment of the physical layout of the individual windings. The windings are kept in close physical proximity to each other by reducing the thickness of each ceramic layer, and by bonding through the central core region, as shown in FIGS. The closer the windings are to each other, the more magnetic flux lines pass through each winding, thereby increasing the coupling coefficient of the transformer and leading to a better transfer of the electrical signal.
도 6A 및 B는, 제 1 권사 100 및 제 2권사 102 사이의 좋지 않은 결합을 초래하는, 긴 자성 경로 98을 가진 종래의 변압기 96의 절개도 및 단면도를 나타낸 것이다. 도 6B는 제 2권사 102에 대한 제 1 권사 100 및, 유전성 항복(dielectric breakdown)을 방지하기 위해 유지되어야 하는 그들 간의 거리 X를 도시한다. 또한, 상기 종래의 변압기에 있어, X 는 동일 층 상의 2개의 권사간 거리이다.6A and B show a cutaway and cross-sectional view of a
도 7A 및 B는 본 발명의 한 바람직한 구현예에 따른 변압기 110의 분해도(blow up view) 및 단면도를 도시한 것이다. 상기 변압기의 경우, 훨씬 짧은 자성 경로 112가 제 1 권사 182 및 제 2권사 184간의 양호한 커플링을 가져온다. 본 발명의 상기 바람직한 구현예에서, 제 1 및 제 2 권사간 배치는, 최대 수의 자속선 112가 제 1권사 182로부터 자심 영역의 중심부를 통하여 지나가고, 제 2 권사 184와 결합되도록 배열한다. 좋은 커플링 패턴은, 도 7의 A, B에 나타난 바와 같이, 제 1권사 182 및 제 2 권사 184를 인터리빙(interleave)함으로써 얻어질 수 있다. 나아가, 권사 182, 184 각각은 나선모양을 가지고 있어, 평형 변압기 구조(balanced transfer constructure)를 유지하며, 권사간의 거리를 최소화한다. 한 구현예의 경우, 권사는 둥굴게 처리한 모서리를 가진 직선상의 나선패턴7A and B illustrate a blow up view and a cross-sectional view of a
(rectilinear spiral pattern)이거나 혹은 곡선상의 나선패턴(curvilinear spiral pattern)일 수 있다. 도 7A는 추가로 제 1 또는 제 2권사 층의 최상부에 탑재한 판 118을 도시하고 있다.(rectilinear spiral pattern) or a curved spiral pattern (curvilinear spiral pattern). FIG. 7A further shows
나아가, 본 발명에 따른 상기 바람직한 구현예의 경우, 거리 Y는 거리 X(도 6B)보다 짧도록 선택한다. 거리 X(도 6B)는 0.005 인치 내지 0.100인치의 범위일 수 있고, 한 바람직한 구현예의 경우, 0.006인치 내지 0.050인치의 범위일 수 있으며, 추가로 한 바람직한 구현예의 경우, 0.006 내지 0.010인치일 수 있다. 거리 Y, 즉 임의의 2개의 인접권사간의 수직 공간은 거리 X보다 짧도록 정하여 전기적 절연성 및 자기성 결합 특성을 최적화한다. 권사가 가까울수록, 결합이 커진다.Furthermore, for this preferred embodiment according to the invention, the distance Y is chosen to be shorter than the distance X (FIG. 6B). The distance X (FIG. 6B) can range from 0.005 inches to 0.100 inches, for one preferred embodiment, can range from 0.006 inches to 0.050 inches, and for a further preferred embodiment, can range from 0.006 to 0.010 inches. . The distance Y, or the vertical space between any two adjacent windings, is set to be shorter than the distance X to optimize the electrical insulation and magnetic coupling properties. The closer the winding is, the greater the bond.
도 8A는 권사 120에 의해 형성된 자기 코어영역 114를 가진 변압기 층 112의 평면도를 도시한 것이다. 도 8B는 본 발명의 바람직한 구현예에 따른 다층 변압기 의 수개의 층의 단면 영역의 절개도를 도시한 것이다. 도 8B에서, 각각 제 1 권사 158, 162 및 제 1권사 159, 161, 각각 제 2권사 160, 164 및 제 2권사 161, 165, 최상부판 156, 최저부판 166을 나타낸다.8A shows a plan view of a
도 9는 다층 평형 변압기 132의 분해도로서, 말단캡(end cap; 최상층) 124, 최저부캡(bottom cap; 최저층) 176, 각각 제 1 권사 126 및 128을 가진 제 1권사층 168, 170, 각각 제 2 권사 178, 180을 가지는 제 2 권사층 172, 174 및 전도성 비아 130을 도시한 것이다. 본 발명에 따른 상기 바람직한 구현예의 경우, 상기 제 1 권사층 168 및 170은 교호 인접층(alternate adjacent layers) 상에 쌓아 올려져 있다. 제 1 권사들 126 및 128은 실질적으로 서로 하나가 다른 하나의 위에 정렬되어 있다. 유사한 방식으로, 제 2 권사층 172 및 174는 교호 인접층 상에 쌓아 올려져 있다. 제 2 권사들 178 및 180은 실질적으로 서로 하나가 다른 하나의 위에 정렬되어 있다. 나아가, 제 1 권사 126 과 128 및 제 2 권사 178 및 180은 서로 다른 층에 인터리빙 관계로 배치되어 있고 실질적으로 서로에 대해 정렬하여, 다층 변압기 내에서, 최적의 자기 결합을 달성한다. 제 1 및 제 2 권사를 인터리빙하기 위해 다른 많은 배열도 존재할 수 있다.
예로써, 표 1은 제 1 및 제 2 권사를 인터리빙하기 위해 사용될 수 있는 6개의 다른 조합을 도시한 것으로, 이 때, 상기 권사는 다른 수의 회전을 가진다. 표 1에서, "P/x"는 제 1 회전의 총수를 나타내고, "S/x"는 제 2회전의 총수를 나타내며, X는 상기 권사의 회전의 총수이다.FIG. 9 is an exploded view of a multilayer
By way of example, Table 1 shows six different combinations that can be used to interleave the first and second windings, where the windings have different numbers of rotations. In Table 1, "P / x" represents the total number of 1st rotations, "S / x" represents the total number of 2nd rotations, and X is the total number of rotations of the said winding.
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제 1 및 제 2권사를 인터리빙하기 위해, 다른 여러가지의 배열이 사용될 수 있다.To interleave the first and second windings, other various arrangements can be used.
도 10은 다층 변압기의 수 개의 단면 영역의 절개도를 도시한, 변압기 층 116의 평면도이다. 도 10은 내측 코어 단면 영역 214, 총 최상부판의 2개의 측면영역 218, 도전성 권사 220의 영역, 및 층 216의 외측 단면영역 222를 나타낸다. 자속 선에 의해 덮힌 최상부판의 단면 영역은 최상부판 영역 218 (단지 2면만 보임)의 4개의 측면 모두를 포함한다.10 is a plan view of
도 10에 도시된 변수는 변압기의 총 인덕턴스를 정한다. 인덕턴스는 하기 식을 사용하여 계산할 수 있다:The parameters shown in FIG. 10 determine the total inductance of the transformer. Inductance can be calculated using the following equation:
L = (0.4πN2Aμ)/ℓ*108 L = (0.4πN 2 Aμ) / ℓ * 10 8
(상기 식에서, N은 권사에 의해 만들어진 회전의 수이고, A는 내측 코어 단면 영역 214이며, μ는 자심의 투자율(permiability)이고, ℓ은 자성 경로의 길이이다. 본 발명의 다층 변압기의 총 단면 영역은, 변압기의 주어진 크기를 위해 자기장을 최대화하도록 평형화되어 있다(balanced). 평형 코어 단면적은 평형 변압기 를 제공하는데, 이는, 플럭스선이 판의 단면 영역을 통과하고, 변압기층을 통과하며, 변압기 코어 단면 영역을 통해 다시 되돌아올 경우, 플럭스 경로가 임의의 방향에 제한되지 않기 때문이다.Where N is the number of turns made by winding, A is the inner core
하나의 바람직한 구현예의 경우, 자속에 의해 덮힌 판의 총 단면 영역 218은 모두 4개의 면을 포함하며, 실질적으로 자속에 의해 덮힌 자심 영역 214와 같다.In one preferred embodiment, the total
또 다른 구현예의 경우, 자속에 의해 덮힌, 모든 판 단면영역 218은 모두 4개의 면을 포함하며, 실질적으로 자속에 의해 덮힌 자심 영역 214보다 크다.In another embodiment, all plate
도 11 A, B, 및 C는 본 발명의 바람직한 구현예에 따른 권사패턴의 3개의 다른 실시예의 평면도이다. 상기 패턴은 직선의 나선패턴 148이거나, 혹은 둥글게 처리된 모서리 152를 가지는 직선의 나선패턴 150 이거나, 곡선의 나선 패턴 154 이다. 상기 둥글게 처리된 모서리를 가지는 직선패턴 150 및 상기 곡선 패턴 154는 나선 권사의 모든 판 영역을 감소시키면서, 필요한 수의 회전을 제공함으로써 트레이스 커페시턴스(tarce capacitance)를 낮추는 것을 도와준다. 또한, 둥굴게 처리된 모서리 또는 곡선의 나선은 제조공정 중 권사의 2개의 도전성 부분간의 단락(short circuit) 가능성을 감소시키는 것을 도와준다.11 A, B, and C are plan views of three different embodiments of a winding pattern according to a preferred embodiment of the present invention. The pattern is a
도 1A 및 B에 나타낸 바와 같이, 기존의 권사형 변압기는 하나의 긴 별개의 코어 42(도 1A) 및 권사 영역 50(도 1B)를 가진다. 상기 코어 42(도 1A)에 대한 권사의 이러한 배치는 어렵다. 본 발명의 바람직한 구현예에서, 상기 제한은 다층 세라믹 변압기의 도전성 권사 62, 72(도 5)를 도전성 비아 60(도 2, 3, 4 및 5) 및 중앙 코어 영역 68, 69(도 3, 4)로 통과시킴에 의해 극복되어 소형(compact size) 이고, 권사간에 우수한 유도 결합을 가지며, 안전 규제 요건을 충족시키는 변압기를 얻을 수 있다.As shown in FIGS. 1A and B, a conventional wound transformer has one long distinct core 42 (FIG. 1A) and a winding region 50 (FIG. 1B). This arrangement of windings relative to the core 42 (FIG. 1A) is difficult. In a preferred embodiment of the present invention, the above limitations limit the
본 발명의 바람직한 구현예에 따른 변압기는, 공가열 세라믹 기술을 사용하여 제조된다. 하나의 예가, 저온-공가열 세라믹(LTCC) 기술을 사용하는 것이다. 또 다른 예로서, 고온-공가열-세라믹(HTCC) 기술을 사용하는 것이다. 자심 및 전기 절연체는 테이프 형태로 주조되며(cast), 페라이트 재료로 만들어진다. 상기 테이프는, 필요한 경우 레지스트레이션 구멍(registration hole)을 가진, 시트 형태로 잘린다. 층간의 도전성 상호 연결로 사용되는 비아는 세라믹 하이브리드 회로(ceramic hybrid circuit) 제조 기술분야에서 공지된 각종 기술을 사용하여 페라이트 테이프 내에 구멍형태로 형성될 수 있다. 상기 비아는 이어서, 하이브리드 회로 제조분야에서 공지되어 통상 사용되는 페이스트 또는 잉크형태의, 은(Ag), 팔라듐-은(PdAg), 백금-팔라듐-은(PtPdAg) 또는 기타 다른 도전성 재료와 같은, 도전성 재료로 구멍을 채움에 의해, 전도성으로 된다. 유사한 도전성 원소 또는 화합물이 페라이트 테이프상에 전도성 변압기 권사를 침착(deposit)시키기 위해 사용된다. 이로써, 도전성 비아는 끝이 나고(terminate) 권사에 전기적으로 연결된다. 비아와 권사는 변압기 층의 중앙 코어영역내에 위치할 수 있다. 채워진 비아 및 침착된 도전성 권사패턴을 포함하는 개별 페라이트 테이프층은, 비아를 가진 다른 층위에 적절히 정렬하여 적층됨으로써, 도 9에 나타난 바와 같이 다층변압기 구조의 형성시, 각종 층 간의 전기적 연결성을 확보한다. 상기 맞추어진(collated) 층들은 이어서 열과 압력 등과 같은 조건하에 서로 융화(fuse)될 수 있고, 연속하여 전체 구조를 노(furnace) 속에서 가열하여 균질의(homogenous) 모놀리식Transformers according to a preferred embodiment of the invention are manufactured using coheat ceramic technology. One example is to use low temperature-co-heat ceramic (LTCC) technology. As another example, high temperature-co-heating-ceramic (HTCC) technology is used. The core and electrical insulators are cast in tape form and are made of ferrite material. The tape is cut into sheet form, with a registration hole if necessary. Vias used as conductive interconnects between layers may be formed into holes in the ferrite tape using various techniques known in the art of ceramic hybrid circuit manufacturing. The vias are then conductive, such as silver (Ag), palladium-silver (PdAg), platinum-palladium-silver (PtPdAg) or other conductive materials, in the form of pastes or inks known and commonly used in the field of hybrid circuit manufacturing. By filling the hole with the material, it becomes conductive. Similar conductive elements or compounds are used to deposit conductive transformer windings on ferrite tape. As such, the conductive via is terminated and electrically connected to the winding. Vias and windings may be located in the central core region of the transformer layer. Individual ferrite tape layers, including filled vias and deposited conductive winding patterns, are stacked in proper alignment on other layers with vias to ensure electrical connectivity between the various layers in the formation of a multilayer transformer structure, as shown in FIG. . The collated layers may then be fused with each other under conditions such as heat and pressure, and subsequently heated to a homogenous monolithic structure by heating the entire structure in a furnace.
(monolithic) 페라이트 다층 변압기를 형성한다. 가열온도는 1300℃ 내지 800℃의 범위일 수 있다. 하나의 바람직한 구현예의 경우, 가열 온도는 1000℃ 내지 1200℃ 이고 보다 바람직하게는 대략 1100℃이다.(monolithic) to form a ferrite multilayer transformer. The heating temperature may range from 1300 ° C. to 800 ° C. In one preferred embodiment, the heating temperature is from 1000 ° C. to 1200 ° C. and more preferably approximately 1100 ° C.
여기서 개시된 과정을 사용하여, 비아 및 도전성 권사의 대형 배열(large array)을 페라이트 재료의 시트상에 형성함에 의해 대량으로 다층 변압기를 생산함으로써, 다수개의 변압기를 동시에 제조할 수 있다. 노(furnace)에서 가열하기 전 또는 후에 개개 변압기로 개별화할 수 있다.Using the procedure disclosed herein, multiple transformers can be produced simultaneously by producing large quantities of multilayer transformers by forming large arrays of vias and conductive windings on sheets of ferrite material. Individual transformers can be individualized before or after heating in a furnace.
물론, 당업자는 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위내에서, 상기 방법 및 배열에 변경을 가할 수 있다.Of course, those skilled in the art can make modifications to the methods and arrangements without departing from the spirit of the invention.
전술한 본 발명의 바람직한 예는 도시 및 서술의 목적으로 제공된 것이다. 포괄적인 것은 아니며, 본 발명을 개시된 형태로만 제한하고자 하는 것은 아니다. 상기 개시된 내용에 있어, 많은 개조 및 변경이 가능하다. 본 발명의 범위는 본 명세서에 의해 제한되지 않으며, 후술하는 청구범위에 의해 한정된다.Preferred examples of the invention described above are provided for purposes of illustration and description. It is not intended to be exhaustive or to limit the invention to the precise form disclosed. Many modifications and variations are possible in light of the above teaching. The scope of the present invention is not limited by this specification, but is defined by the following claims.
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