KR101065161B1 - 평면 고전압 변압기장치 - Google Patents

Abstract

평면 변압기장치는, 1차 코일(4), 2차 코일(6) 및 코어(8, 10)를 갖추고 있고, 2차 코일(6)의 코일층(16, 24)이 1차 코일(4)의 평면과 기본적으로 평행한 방향으로 서로에 감겨 있다.

Description

평면 고전압 변압기장치 {PLANAR HIGH VOLTAGE TRANSFORMER DEVICE}

본 발명은 평면 고전압 변압기에 관한 것이다. 특히, 근본적으로는 그 변압기의 2차 코일이 기생 용량, 기생 인덕턴스, 및 소위 표피효과(skin effect) 및 근접효과(proximity effect) 등과 같은 주지의 바람직하지 않은 전기적인 특성을 극복 또는 현저히 줄일 수 있도록 설계되어 있는 평면 고전압 변압기에 관한 것이다.

실용상의 이유 및 안전상의 이유로, 전기 에너지는 통상은 비교적 낮은 전압으로 소비자에게 공급되고 있다. 수 kW(kilowatts) 이상의 단위의 고전압 전기 에너지의 필요성이 있는 경우는, 국부적으로 공급되는 전압을 소망하는 전압으로 변압하는 것이 일반적이다. 예컨대, 정전(靜電) 필터의 동작에 있어서는, 수백 W로부터 수십 kW까지의 전력이 10kV(kilovolts) 이상의 전압을 위해 필요하게 된다.

종래기술에 의하면, 실리콘이 풍부한 층으로 된 철판의 코어를 갖춘 통상의 고전압 변압기가 전압을 변압하기 위해 이용된다. 이들 고전압 변압기는, 전형적으로 50 또는 60Hz(Hertz)인 통상의 그리드 주파수에서의 사용에 알맞다.

이런 종류의 고전압 변압기는 상당히 크고 무겁다. 그 주요한 이유는, 철심(iron core)이 포화상태에 도달할 때까지 제한된 자속만을 취할 수 있기 때문이다. 따라서, 철심의 단면적은 고전압 변압기가 전달할 수 있는 전력이 얼마나 큰가를 결정한다. 코어가 비교적 크기 때문에, 고전압 변압기의 와인딩(winding: 권선)이 더 길어지게 되고, 이로써 고전압 변압기가 더 커지게 된다. 이것은, 현저한 저항성 전력손실의 발생을 가져온다. 이에 따라, 권선 와이어(winding wire)의 직경을 크게 하지 않으면 안되는데, 이것은 고전압 변압기의 중량 및 치수가 더 증가되는 것을 의미한다.

변압기 코어의 자속은 다음 식으로 주어진다.

여기서, B = 자속 [테슬라(T)],

= 피크 구동전압 [V], f = 주파수 [ Hz], Ae = 변압기 코어의 실효 단면적 [㎡]이다.

이 식으로부터 알 수 있는 바와 같이, 변압기 코어의 자속은 주파수와 반비례한다.

이러한 사실을 기초로 해서, 상승된 주파수에서 동작함으로써 주요 주파수에서 동작하는 고전압 변압기에 비해 향상된 성능/효율을 나타내는 철심을 가진 변압기를 개발했다. 성능/효율이 향상되는 이유는, 주파수가 증가할 때 철심의 치수가 축소되어도 좋다는 점에 있다.

비교적 높은 전압을 변압기에 공급하는 방법은, 소위 SMPS(Switched Mode Power Supply) 기술을 포함하고 있다. 이 기술에 따르면, 공급 전력은 고전압 변압기에 의해 바람직하게는 정방형 펄스화된 고주파 입력전압으로 변압된다.

주지의 설계의 고전압 변압기는, 그 동작 방식으로 인해 그 2차 와인딩에 있어서 비교적 높은 턴수(number of turns: 권회수)를 갖는다. 이것은, 비교적 얇은 권선 와이어를 가진 다층의 와인딩이 보다 큰 직경의 권선 와이어를 갖는 변압기의 권선보다 더 짧은 평균 거리만큼 떨어질 수 있다는 점에서 2차 용량이 상승하게 된다.

또한, 비교적 큰 2차 코일, 특히 2차 코일에 관한 큰 변압기 코어 및 필요한 절연 간극은 상당히 높은 결합 인덕턴스를 갖는 이런 종류의 고전압 변압기로 되게 한다. 그 이유는, 1차 및 2차 와인딩 사이의 거리가 상당히 크면, 그들 사이의 자기 결합이 열화되기 때문이다.

2차 용량과 마찬가지 방법으로, 2차 용량과 조합해서, 근본적으로 이 불필요하게 기생하는 결합 인덕턴스가 변압기의 전류에 영향을 미치게 된다. 인덕턴스는 고주파수 전류를 감소시키므로, 1차 및 2차 와인딩 사이의 전류를 감소시키게 된다. 따라서, 이런 종류의 고전압 변압기는 비교적 좁은 밴드폭, 즉 고전압 변압기 동작시에 가장 높은 구동 주파수를 나타낸다.

SMPS는 1kV 단위까지의 전압변환(변압)에 있어서 향상된 효율을 얻기 위한 잘 알려진 기술이다. 전압이 더 높은 경우에는, 고전압 변압기에 있어서 상당히 좁은 밴드폭을 보상하기 위해, 전압 증배, 직렬로 접속된 고전압 변압기, 층으로 된 와인딩 기법 또는 소위 공진 절환(resonant switching)과 같은 본래 알려진 기술에 의해 변압기를 개조하는 것이 필요하게 된다.

그렇지만, 이들 기술에 공통하는 것은, 이들 기술이 결점을 어느 정도밖에 극복할 수 없고, 반면에 동시에 그것들이 복잡하고 거기에다 완전한 고전압 변압기의 비용이 증가된다는 점이다.

저전압 변압기로서 대부분은 소위 평면 변압기가 사용되고 있다. 평면 변압기는 전형적으로 적어도 하나의 인쇄회로기판을 갖추고 있다. 이 인쇄회로기판은 그 회로기판의 동층(copper layer) 내로 와인딩이 식각되어 있고, 이 와인딩을 페라이트 코어가 둘러싸고 있다. 회로기판의 평면 형상 와인딩을 이용함으로써, 이런 종류의 페라이트 코어가 비교적 낮고 길어져 평면 코어라고 한다.

평면 변압기는, 제조하기 쉽고, 와인딩이 서로 상당히 근접해서 배치되기 때문에 작은 기생 인덕턴스를 가진다고 하는 좋은 특징을 나타낸다. 평면 와인딩은 전형적으로 비교적 낮은 기생 용량을 갖는다. 이것은, 평면 변압기가 일반적으로 아주 양호한 밴드폭을 나타낸다는 것을 의미한다.

고전압 평면 변압기는 2차 와인딩에 있어서 상당히 높은 턴수를 갖지 않으면 안된다. 이 2차 와인딩을 전부 하나의 회로기판에 배치하는 경우에는, 와인딩에 필요한 영역이 상당히 커지게 된다. 생산기술 조건은 페라이트 코어의 사이즈를 제한한다. 따라서, 2차 와인딩을 포개어 여러 층으로 분할하는 것이 필요하게 된다. 이러한 해법은, 현저한 기생 2차 용량을 발생시켜 고전압 변압기로서 평면 변압기의 실용상의 목적을 위한 이용을 불가능하게 만든다는 문제점을 내포하고 있다.

본 발명은 종래기술의 문제점의 적어도 하나를 제거하거나 저감하는 것을 그 목적으로 한다.

이러한 목적은 이하의 설명 및 뒤의 청구범위에 기재된 특징을 통해 본 발명에 따라 달성된다.

전형적으로 높은 SMPS 구동 주파수에서 평면 변압기를 고전압 변압기로서 사용하기 위해서는, 기생 2차 용량을 현저한 정도로 저감시키는 것이 필요하게 된다.

주지의 전자이론으로부터, 직렬로 접속된 용량 사이의 총 용량은,

C_T = 1 / (1/C₁ + 1/C₂ + 1/C₃ + ... + 1/Cn)

과 같이 나타낼 수 있다.

모든 용량이 같다면, 그 식은

C_T = C₁ / N

으로 단순화된다.

예컨대, 40개의 도체가 각 층에 8개씩 포개져서 5개 층에 위치되어 있고, 각 층간의 총 용량이 서로 대면하는 각 도체 사이에서 1/8 nF씩 1 nF인 경우에는, 총 용량은

C_T = 1/4 nF

로 된다.

그렇지만, 동일한 수의 회로기판의 도체가 각각 2개씩 20층으로 분배되는 경우에는, 각 층 사이의 용량은 2*1/8 = 1/4 nF로 된다.

총 용량은,

C_T = 1/4/19 nF = 1/76 nF

로 되거나, 또는 4층 예의 경우보다 19배 감소된다. 이 예에서는, 두 예의 도체가 다른 길이의 것이어도 좋음을 고려에 넣고 있지 않다.

포개지는 높이에 놓이는 다수의 회로기판은, 공간의 부족으로 인해 평면 변압기에 있어서 사용하기 어려운 경우가 있다.

평면 변압기에서의 형상의 문제는, 2차 코일에 관한 한, 각각이 작은 턴수를 갖는 비교적 다수의 층을, 평면 변압기의 1차 와인딩과 평행한 면에 위치되는 가는 코일로 권회함으로써 해결해도 좋다. 1층당 권회되는 수에 관한 층수는 최소한 1이고, 바람직하게는 5 이상이다.

그렇지만, 소위 표피효과 및 근접효과의 계산의 인정된 방법(P. L. Powel: "Effects of eddy currents in transformer windings" PROC. IEE, Vol. 113, No. 8, August 1996 참조)은, 층수가 높은 구동 주파수에서 와인딩의 저항에서의 바람직하지 않은 증가가 있는 소위 저항 인자에 두드러지게 영향을 미친다는 것을 나타낸다. 이 저항 인자는 층수의 영향을 받아 제곱으로 증가된다.

본 발명의 시험 중에, 놀랍게도 이 이론은 상술한 종류의 2차 코일에 관한 한 적용할 수 없고, 많은 층에도 불구하고 제안된 2차 코일 설계가 표피효과 및 근접효과에 관해 양호한 값을 나타내며, 이로써 상당히 낮은 저항 인자를 갖는다는 것을 알아냈다.

바람직한 실시예에서는, 2차 와인딩은 평면 변압기의 1차 와인딩과 평행한 면에 위치되는 도체 및 중간 절연물질의 비교적 좁은 롤(roll)로서 형성되어 있다. 이러한 구조에서는, 적어도 기생하는 2차 용량이 1층당 턴수를 적게 한 가는 코일과 마찬가지로 감소했다.

1차 코일은, 예컨대 적어도 하나의 회로기판 와인딩, 소위 리츠(Litz) 도체 와인딩 또는 보통의 바니시(varnish) 와이어, 혹은 그 조합으로서 형성되어도 좋다. 전형적으로, 리츠 도체는 개별적으로 절연된 많은 도체로 이루어진다.

본 발명에 따른 장치에 의해, 고전압 변압기에서의 바람직하지 않은 전기 현상이 현저한 정도로 극복되거나 저감됨으로써, 고전압 변압기를 종래기술에 비해 현저히 향상된 밴드폭을 갖도록 할 수가 있다. 따라서, 변압기는 소위 HV-SMPS(High Voltage Switched Mode Power Supply) 조작에 매우 알맞다.

상술한 바와 같이, 평면 변압기에서는, 페라이트 코어를 사용하는 것이 보통이다. 그렇지만, 소망에 따라 시트 금속 또는 금속박(metal foil)으로 구성되고 강자성 물질로 만들어진 코어를 사용해도 좋다. 시트 금속 코어는 전형적으로 "E"형상으로 형성되고, 반면에 금속박 코어는 생산기술적인 이유로 아마도 2개의 "C"형상 부재로 만들어진다.

예컨대, 상당히 높은 결합 인덕턴스를 얻기 위해, 1차 및 2차 와인딩은 코어 내에서 상당히 넓게 떨어지는 것이 바람직하다.

도 1은 평면 변압기의 단면을 부분적으로 나타낸 평면도,

도 2는 도 1의 I-I선에 따른 단면을 나타낸 도면,

도 3은 도 2의 단면을 더 큰 척도로 나타낸 도면,

도 4는 변형례를 나타낸 도면이다.

도면에서, 참조번호 1은 1차 코일(4), 2차 코일(6), 상반(上半) 코어(8) 및 하반(下半) 코어(10)를 갖춘 회로기판(2)을 포함하고 있는 고전압 평면 변압기를 나타낸다.

회로기판(2)이 중앙을 통과하는 개구(12)를 갖추고 있기 때문에, 2개의 E형상반 코어(8, 10)는 회로기판(2) 및 코일(4, 6)을 에워싸고 있다.

회로기판(2)은 1차 코일(4)용의 2개의 전원 접속점(14)을 더 갖추고 있다. 2차 코일(6)은 도시하지 않은 2개의 접속점을 갖추고 있다.

2차 코일(6)은 코일모양의 금속박, 바람직하게는 동의 금속박의 형태로 도체(16)에 의해 형성되어 있고, 도체박(16)의 각 층은 그 인접한 도체박 층(16)과 절연박(insulating foil; 18)에 의해 절연되어 있다. 더욱이, 2차 코일(6)은 절연물질(20)에 의해 1차 코일(4) 및 절반 코어(8, 10)로부터 절연되어 있다.

도체박(16)의 각 층은 2차 코일(6)의 코일층을 형성한다.

2차 코일(6)의 높이, 즉 동박(16)의 폭은 권회방향에서의 2차 코일(6)의 폭 보다 실질적으로 더 작고, 바람직하게는 2차 코일(6)의 폭의 5분의 1 이하이다.

2차 코일(6)은, 그 권회방향이 1차 코일(4)의 평면과 본질적으로 평행하게 되도록 배치된다.

설명의 개괄적인 부분에서 전술한 바와 같이, 비교적 다수의 도체층(16)이 비교적 작은 2차 용량을 만드는데 기여하는데 반해, 평면 변압기의 콤팩트한 구조 특성은 고전압 변압기(1)의 결합 인덕턴스에 있어서 실질적으로 저감된다. 이로써, 높은 밴드폭 및 비교적 높은 SMPS 구동 주파수를 이용하는 것이 가능하게 된다.

변형례에서는, 도 4에 도시된 바와 같이 2차 코일(6)은 바니시(varnish)에 의해 절연된 도체/와이어(22), 혹은 리츠(Litz) 도체 와인딩에 의해 형성되어 있다. 도 4에는, 코일층(24)에 있어서 각기 4회전의 와이어(22), 및 비교적 다수의 층(24)에 있어서 권회되는 와이어(22)가 도시되어 있다. 설명을 위해, 가장 멀리 위치된 코일층(24)이 다른 코일층(24)과 반대방향으로 해칭되어 있다. 코일층(24)은 서로, 근본적으로는 1차 코일(4)의 평면과 동일한 방향으로 권회된다.

코일층(24)의 수와 각 코일층(24)에서의 도체(22)의 수의 비율은, 근접효과가 그다지 크지 않은 단위에 있어서 5를 초과해야 한다.

이 변형례는 2차 용량에 관해 도 3에 따른 실시예와 같은 좋은 결과를 나타내고 있지 않지만, 실용적인 조건에 대해서는 만족하는 것이다.

Claims (7)

1차 코일(4), 2차 코일(6) 및 코어(8, 10)를 갖춘 평면 고전압 변압기장치로,

상기 2차 코일(6)의 코일층(16)이, 금속박에 의해 형성되어 있고, 층간의 층의 면방향으로 절연박(18)을 매개로 해서 서로에 감겨 있는 것을 특징으로 하는 평면 고전압 변압기장치.

제1항에 있어서, 상기 1차 코일(4)이 동박에 의해 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 평면 고전압 변압기장치.

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제1항에 있어서, 상기 코어(8, 10)가 상반 코어(8)와 하반 코어(10)로 이루어진 것을 특징으로 하는 평면 고전압 변압기장치.

제1항에 있어서, 상기 코어(8, 10)가 강자성 물질로 만들어진 것을 특징으로 하는 평면 고전압 변압기장치.

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