KR102222280B1 - 강화절연 트랜스포머 및 그 설계 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 강화절연 트랜스포머 및 그 설계 방법에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 강화절연 트랜스포머는 1차 권선 상에 2차 권선이 권취됨으로써 1차 권선 및 2차 권선이 적층 구조를 이루되 강화절연(reinforced insulation) 기준을 만족하는 트랜스포머로서, 상기 1차 권선 및 2차 권선은 도선 및 그 도선을 감싸는 절연 표피층을 포함하되, 2차 권선의 절연 표피층이 1차 권선의 절연 표피층 보다 그 수가 많거나 그 두께가 두꺼운 것을 특징으로 한다.

Description

강화절연 트랜스포머 및 그 설계 방법{Reinforced insulated transformer and design method thereof}
본 발명은 강화절연 트랜스포머 그 설계 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 최소한의 부피만으로 1차 전원 및 2차 전원 사이의 강화절연 구조가 구현된 트랜스포터 및 그 설계 방법에 관한 것이다.
각종 전자 기기 및 장치에는 여러 가지 다양한 종류의 전원이 필요하다. 이에 따라, 외부에서 공급되는 교류전원을 해당 전자 기기 및 장치에 필요한 전원으로 변환시켜주는 전원공급장치가 구비된다.
이러한 전원공급장치는 선형 제어(series regulator) 방식과 스위칭 모드(switching mode) 방식이 있다.
선형 제어 방식은 트랜스포머(transformer)를 사용하여 교류 전원을 변환하는 방식으로서, TV 수상기나 CRT 모니터 등에 주로 사용된다. 이러한 선형 제어 방식은 주위 회로가 간단하고 가격이 저렴하지만, 열 발생이 많고 전원 효율이 낮으며 부피가 큰 단점이 있다.
스위칭 모드 방식은 스위칭 소자를 이용하여 교류 전원을 변환하는 방식으로서, 선형 제어 방식에 비하여 열 발생이 거의 없고 전력 효율이 높으며 부피가 작은 이점을 가진다. 이러한 스위칭 모드 방식의 전원공급장치를 SMPS(switching mode power supply)라 지칭한다. 특히, SMPS는 효율이 높고 내구성이 강하며 소형 및 경량화에 유리하여, 통신용, 산업용, PC용, OA기기용, 가전기기용 등 대부분의 전자기기, 장비 및 시스템의 전원공급장치로 사용된다.
SMPS는 기본적으로 트랜스포머(transformer)를 구비한다. 이때, SMPS용 트랜스포머는 자성체인 코어(Core)와, 절연 및 권선을 위한 틀인 보빈(bobbin), 보빈에 권취되어 1차 및 2차 전원을 전달하는 1차 및 2차 권선을 각각 포함하며, 이에 따라 1차 및 2차 권선에서 발생되는 전자기 유도현상을 이용하여 전원을 변환시킬 수 있다.
한편, 인버터는 직류를 교류로 변환하는 장치로, PWM(Pulse Width Modulation) 신호에 따라 온/오프되는 스위칭 소자를 통해 직류 전압을 스위칭시켜 교류 전압을 생성하며, 생성된 교류 전압을 부하로 출력시킨다. 이러한 인버터의 제어기 및 기타 주변기기에 전원 공급을 위해 SMPS가 구비된다. 즉, 인버터에서, SMPS가 생성한 저전압 전원은 운전, 보호, 제어 등의 목적에 맞게 가공 사용된다.
인버터의 SMPS에서, 각 전원(또는 각 권선)은 서로 전기적으로 절연(이하, “절연”이라 지칭함)된다. 이때, 각 전원 사이(예를 들어, 1차 전원들 사이, 2차 전원들 사이, 또는 1차 전원과 2차 전원 사이)는 각 전원의 사용 위치에 따라 절연 등급(안전을 위한 절연 기준)이 결정된다. 이때, 절연 등급은 기능절연(functional insulation), 기본절연(basic insulation) 및 강화절연(reinforced insulation)의 3가지로 구분될 수 있다.
특히, 2차 전원이 사용자와 직접 접촉될 수 있는 외부에 위치하는 전원(예를 들어, I/O 전원 등)인 경우, 강화절연이 반드시 필요하다. 하지만, 강화절연 구현을 위한 종래의 방법은 단순희 1차 전원과 2차 전원 사이의 절연 거리를 증가시키는 것에 불과하므로, 해당 절연 거리 증가에 따른 인버터 SMPS용 트랜스포머의 부피가 커지는 문제점이 있었다.
KR10- 1932232B
상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 최소한의 부피만으로 1차 전원 및 2차 전원 사이의 강화절연 구조가 구현된 트랜스포머 및 그 설계 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
다만, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 강화절연 트랜스포머는 1차 권선 상에 2차 권선이 권취됨으로써 1차 권선 및 2차 권선이 적층 구조를 이루되 강화절연(reinforced insulation) 기준을 만족하는 트랜스포머로서, 상기 1차 권선 및 2차 권선은 도선 및 그 도선을 감싸는 절연 표피층을 포함하되, 2차 권선의 절연 표피층이 1차 권선의 절연 표피층보다 그 수가 많거나 그 두께가 두껍다.
상기 2차 권선은 그 절연 표피층이 복수 층으로 이루어져 기본절연(basic insulation) 기준의 내전압을 만족할 수 있다.
상기 2차 권선의 절연 표피층은 3중층일 수 있다.
상기 1차 권선 및 상기 2차 권선은 핀에 인접한 각 인출부가 각각 절연 튜브로 감싸질 수 있다.
상기 절연 튜브는 테프론(Teflon) 튜브일 수 있다.
1차 권선 및 2차 권선의 배리어 합계 거리가 강화절연 기준의 이격 거리 보다 짧을 수 있다.
1차 권선 및 2차 권선의 배리어 합계 거리가 기본절연(basic insulation) 기준을 만족하는 이격 거리에 포함될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 강화절연 트랜스포머는 인버터용 전원공급장치의 구성으로 포함될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 강화절연 트랜스포머의 설계 방법은 1차 권선 및 2차 권선이 적층 구조를 이루되 그 사이가 강화절연(reinforced insulation) 기준을 만족하는 트랜스포머의 설계 방법으로서, (1) 1차 권선을 귄취 형성하는 단계, (2) 1차 권선 상에 2차 권취 형성하는 단계를 포함하며, 상기 1차 권선 및 2차 권선은 도선 및 그 도선을 감싸는 절연 표피층을 포함하되, 2차 권선의 절연 표피층이 1차 권선의 절연 표피층 보다 그 수가 많거나 그 두께가 두껍다.
본 발명의 일 실시예에 따른 강화절연 트랜스포머의 설계 방법은 핀에 인접한 1차 권선 및 2차 권선의 각 인출부에 대해 절연 튜브로 감싸는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기와 같이 구성되는 본 발명 일 실시예에 따른 강화절연 트랜스포머 및 그 설계 방법은 최소한의 부피만으로 1차 전원 및 2차 전원 사이의 강화절연 구조가 구현될 수 있는 이점이 있다.
특히, 본 발명 일 실시예에 따른 강화절연 트랜스포머 및 그 설계 방법은 2중의 기본절연 기준 만족을 통한 강화절연을 구현함으로써, 종래에 강화절연 구현을 위해 필요했던 1차 전원과 2차 전원 사이의 절연 거리를 줄일 수 있어 배리어의 크기를 줄일 수 있으므로, 1차 권선 및 2차 권선의 권취 부위, 즉 권선 창면적을 늘릴 수 있는 이점이 있다.
도 1은 일반적인 SMPS의 블록 구성도를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 강화절연 트랜스포머의 정면 사진을 나타낸다.
도 3은 도 2에서 절연층을 제거한 경우의 사진을 나타낸다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 강화절연 트랜스포머의 정면 사진 및 사시면 사진을 나타낸다.
도 5는 도 4를 참조하여 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 강화절연 트랜스포머의 구성을 나타낸다.
도 6은 코어(core)(100), 1차 권선(310), 2차 권선(320) 및 절연층(400)의 일 예를 나타낸다. 또한, 도 7은 도 5의 단면 일부를 나타낸다.
도 8은 종래 트랜스포머에서 인출부(311, 321)가 핀(500)에 연결된 모습을 나타낸다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 강화절연 트랜스포머에서 인출부(311, 321)가 핀(500)에 연결된 모습을 나타낸다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 강화절연 트랜스포머의 설계 방법의 순서도를 나타낸다.
본 발명의 상기 목적과 수단 및 그에 따른 효과는 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며, 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 경우에 따라 복수형도 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다", “구비하다”, “마련하다” 또는 “가지다” 등의 용어는 언급된 구성요소 외의 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
본 명세서에서, “또는”, “적어도 하나” 등의 용어는 함께 나열된 단어들 중 하나를 나타내거나, 또는 둘 이상의 조합을 나타낼 수 있다. 예를 들어, “또는 B”“및 B 중 적어도 하나”는 A 또는 B 중 하나만을 포함할 수 있고, A와 B를 모두 포함할 수도 있다.
본 명세서에서, “예를 들어” 등에 따르는 설명은 인용된 특성, 변수, 또는 값과 같이 제시한 정보들이 정확하게 일치하지 않을 수 있고, 허용 오차, 측정 오차, 측정 정확도의 한계와 통상적으로 알려진 기타 요인을 비롯한 변형과 같은 효과로 본 발명의 다양한 실시 예에 따른 발명의 실시 형태를 한정하지 않아야 할 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '연결되어’ 있다거나 '접속되어' 있다고 기재된 경우, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성 요소에 '직접 연결되어' 있다거나 '직접 접속되어' 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해될 수 있어야 할 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소의 '상에' 있다거나 '접하여' 있다고 기재된 경우, 다른 구성요소에 상에 직접 맞닿아 있거나 또는 연결되어 있을 수 있지만, 중간에 또 다른 구성요소가 존재할 수 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면, 어떤 구성요소가 다른 구성요소의 '바로 위에' 있다거나 '직접 접하여' 있다고 기재된 경우에는, 중간에 또 다른 구성요소가 존재하지 않은 것으로 이해될 수 있다. 구성요소간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 예를 들면, '～사이에'와 '직접 ～사이에' 등도 마찬가지로 해석될 수 있다.
본 명세서에서, '제1', '제2' 등의 용어는 다양한 구성요소를 설명하는데 사용될 수 있지만, 해당 구성요소는 위 용어에 의해 한정되어서는 안 된다. 또한, 위 용어는 각 구성요소의 순서를 한정하기 위한 것으로 해석되어서는 안되며, 하나의 구성요소와 다른 구성요소를 구별하는 목적으로 사용될 수 있다. 예를 들어, '제1구성요소'는 '제2구성요소'로 명명될 수 있고, 유사하게 '제2구성요소'도 '제1구성요소'로 명명될 수 있다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또한, 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일 실시예를 상세히 설명하도록 한다.
도 1은 일반적인 SMPS의 블록 구성도를 나타낸다.
SMPS는 스위칭 소자를 이용하여 교류 전원을 변환하는 장치로서, 도 1에 도시된 바와 같이, 노이즈 필터(10), 입력 정류 평활 회로(20), 컨버터(30), 제어 회로(40) 및 출력 정류 평활 회로(50)를 포함할 수 있다. 다만, 도 1은 SMPS 구성에 대한 일 예시로서, 인버터용 SMPS를 한정하는 것은 아니다.
노이즈 필터(10)는 입력단을 통해 입력되는 교류 전원(P1)의 노이즈를 제거하는 구성이다. 즉, 노이즈 필터(10)는 입력단의 노이즈가 내부의 회로 소자를 손상시키는 것을 방지할 수 있으며, 전류의 불규칙적인 떨림 현상을 최소화할 수 있다. 다만, 노이즈 필터(10)는 SMPS에서 발생한 전원 노이즈가 입력 계통으로 유입되지 않도록 방지하는 보조 기능을 위한 구성이므로, 인버터용 SMPS의 필수 구성 요소는 아니다.
입력 정류 평활 회로(20)는 입력 전원에 대한 정류 및 평활 기능을 수행하는 구성으로서, 입력용 정류 회로 및 입력용 평활 회로를 포함할 수 있다. 이때, 입력용 정류 회로는 노이즈 필터(10) 등을 통과한 교류 전원을 정류한 정류 전원(P2)으로 변환시킬 수 있다. 예를 들어, 입력용 정류 회로는 브릿지 다이오드 회로 등을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 입력용 평활 회로는 입력용 정류 회로를 통과한 맥류의 정류 전원(P2)을 변환하여 보다 평활한 전원(P3)을 생성할 수 있다. 즉, 입력용 평활 회로는 높은 전원을 낮추고 낮은 전압을 높여 어느 정도 일정한 전압이 출력되게 할 수 있다. 예를 들어, 입력용 평활 회로)는 콘덴서 또는 인덕터를 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
컨버터(30)는 평활화된 전원(P3)을 원하는 크기의 전원(P4)으로 변환시키는 구성이다. 즉, 컨버터(30)는 스위칭 소자의 온/오프(on/off) 시간에 따라 최종 출력 직류 전원의 크기를 조절할 수 있다. 이때, 스위칭 소자(31)는 GTO, BJT, IGBT, MOSFET 등의 트랜지스터로 이루어질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
특히, 컨버터(30)는 전력의 변환을 담당하는 주요 부분으로서, 입출력 변화 비의 크기 및 회로 구성에 따라 많은 종류의 컨버터로 분류된다. 예를 들어, 컨버터(30)는 고주파 트랜스포머의 유무에 따라 크게 비절연형과 절연형으로 나뉠 수 있으며, 비절연형은 Buck 방식, Boost 방식, Buck-boost 방식, C'uk 방식 등이 있을 수 있고, 절연형은 Flyback 방식, Forward 방식, Full-bridge 방식, Half-bridge 방식 등이 있을 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
제어 회로(40)는 컨버터(30)를 제어하는 구성이다. 즉, 제어 회로(40)는 스위칭 소자(31)의 온/오프(on/off) 시간을 제어할 수 있다. 예를 들어, 제어 방식으로는 보통 펄스 폭 변조(Pulse Wide Modulation; PWM) 또는 펄스 주파수 변조(Pulse Frequency Modulation; PFM) 방식 등이 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 제어 회로(40)는 최종 출력되는 직류 전압을 안정화시키기 위한 궤환 제어 회로이거나 이를 더 포함할 수 있다.
출력 정류 평활 회로(50)는 컨버터(30)에 의해 변환된 전원(P4)에 대한 정류 및 평활 기능을 수행하여 최종 전원을 생성하는 구성으로서, 출력용 정류 회로 및 출력용 평활 회로를 포함할 수 있다. 즉, 출력용 정류 회로는 컨버터(30)에 의해 변환된 전원에 대해 추가적으로 정류 기능을 수행할 수 있다. 예를 들어, 출력용 정류 회로는 다이오드 등을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 출력용 평활 회로는 출력용 정류 회로를 통과한 전원을 변환하여 보다 평활한 최종 전원(P5)을 생성할 수 있다. 즉, 출력용 평활 회로는 높은 전원을 낮추고 낮은 전압을 높여 어느 정도 일정한 전압이 출력되게 할 수 있다. 예를 들어, 출력용 평활 회로는 콘덴서 또는 인덕터를 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
도 2 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 강화절연 트랜스포머의 정면 사진 및 사시면 사진을 나타내며, 도 3은 도 2에서 절연층을 제거한 경우의 사진을 나타낸다.
본 발명의 일 실시예에 따른 강화절연 트랜스포머는 전자기 유도현상을 이용하여 1차 전원의 크기를 낮춘 2차 전원을 출력시킨다. 예를 들어, 본 발명의 일 실시예에 따른 강화절연 트랜스포머는 SMPS, 특히 인버터용 SMPS에 포함되는 구성으로서, 입력 정류 평활 회로(20)와 컨버터(30)의 사이나, 컨버터(30)와 출력 정류 평활 회로(50)의 사이에 구비될 수 있다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 강화절연 트랜스포머는 평활화된 전원(P3)을 1차 전원으로 입력 받으며, 전자기 유도현상에 따라 1차 전원의 크기를 낮춘 2차 전원을 출력시켜 컨버터(30)로 전달할 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 강화절연 트랜스포머는 컨버터(30)에 의해 변환된 전원(P4)을 1차 전원으로 입력 받으며, 전자기 유도현상에 따라 1차 전원의 크기를 낮춘 2차 전원을 출력시켜 출력 정류 평활 회로(50)로 전달할 수 있다. 다만, 본 발명이 상술한 바와 같이 SMPS의 전원 변환 구성으로만 사용되는 것으로 한정되는 것은 아니며, 기타 다양한 전자 기기 및 장치의 전원 변환 구성으로도 사용될 수 있다.
도 5는 도 4를 참조하여 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 강화절연 트랜스포머의 구성을 나타내며, 도 6은 코어(core)(100), 1차 권선(310), 2차 권선(320) 및 절연층(400)의 일 예를 나타낸다. 또한, 도 7은 도 5의 단면 일부를 나타낸다. 즉, 도 7은 도 5에서 A와 A' 사이의 절단면을 B 방향에서 바라본 일부를 나타낸다.
도 5 내지 도 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 강화절연 트랜스포머는 코어(core)(100), 보빈(bobbin)(200), 권선(300), 절연층(400), 핀(pin)(500) 및 배리어(barrier)(600)을 포함한다.
코어(100)는 자성체로 이루어진 구성으로서, 권선(300)이 권취될 때 그 중심이 된다. 즉, 코어(100)는 1차측에서 2차측으로의 에너지 전달을 향상시키기 위한 구성일 수 있다.
보빈(200)은 코어(100), 권선(300), 절연층(400) 및 핀(500) 등과 같은 본 발명의 나머지 구성을 지지하거나 하우징(husing)하는 구성이다. 이때, 보빈(200)은 핀(500)을 지지하는 부위인 핀 부위(210)와, 코어(100), 권선(300), 절연층(400) 및 배리어(600) 등을 지지하고 이들 구성이 안착되는 중공부의 중심 부위(220)와, 중심 부위(220)를 기준으로 핀 부위(210)의 반대 측에 구비되는 탑(top) 부위(230)를 각각 가질 수 있다.
권선(300)은 권취되어 전자기 유도 현상이 발생되는 구성이다. 이때, 권선(300)은 1차 전원이 전달되는 1차 권선(310)과, 2차 전원이 전달되는 2차 권선(320)을 포함할 수 있다. 이때, 1차 전원은 200V, 400V 등과 같은 고전압 전원일 수 있다. 또한, 2차 전원은 12V 등과 같은 저전압 전원으로서, 사용자가 직접 접촉 가능한 전원일 수 있다.
1차 권선(310) 및 2차 권선(320)에 의한 전원 변환 원리는 다음과 같다. 즉, 1차 권선(310)에 교류 전원이 인가되면 해당 전원의 전류에 의해 자속이 발생되고, 2차 권선(320)에는 이 자속의 변화를 방해하려는 방향으로 기전력이 유기될 수 있다.
1차 권선(310) 및 2차 권선(320)은 도전 물질로 이루어진 도선(310a, 320a)과, 그 도선(310a, 320a)을 감싸는 피복 부분으로서 에나멜(enamel) 등의 절연 물질로 이루어진 절연 표피층(310b, 320b)을 각각 포함할 수 있다.
도 6을 참조하면, 1차 권선(310) 및 2차 권선(320)은 서로 적층된 구조를 가지되 그 사이가 이격(이하, 이러한 이격 거리를 “상하 이격 거리”라 지칭함)되며, 그 사이에 절연층(400)이 구비될 수 있다. 즉, 코어(100) 상에 1차 권선(310)이 권취된 후, 1차 권선(310) 상을 절연층(400)이 덮는다. 이후, 절연층(400) 상에 2차 권선(320)이 다시 권취되며, 2차 권선(320) 상을 절연층(400)이 다시 덮을 수 있다. 다만, 1차 권선(310) 및 2차 권선(320)의 상하 이격 거리의 공간에 마련되는 절연층(400)은 생략될 수도 있다.
다만, 도 6 및 도 7에서는 1차 권선(310) 및 2차 권선(320)이 하나씩 구비되는 것으로 도시하였으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 1차 권선(310) 및 2차 권선(320)은 복수개가 더 적층될 수 있다. 특히, 복수개의 1차 권선(310) 사이가 또는 복수개의 2차 권선(320) 사이가 서로 연결될 수도 있으며, 이 경우, 해당 1차 권선(310) 또는 2차 권선(320)의 권수를 늘리는 효과가 발생될 수 있다.
1차 권선(310) 및 2차 권선(320)이 적층됨에 따라, 1차 권선(310) 및 2차 권선(320)에서는 전자기 유도 현상이 발생된다. 그 결과, 1차 권선(310)에 전달된 고전압의 1차 전원이 전자기 유도 현상에 의해 저전압의 2차 전원으로 2차 권선(320)에 유도될 수 있다. 이때, 2차 권선(320)에 유도된 2차 전원의 크기는 1차 전원의 크기, 각 권선(310, 320)의 권수, 각 권선(310, 320) 간의 이격 거리 등에 영향을 받을 수 있다.
특히, 1차 권선(310) 및 2차 권선(320)은 각각 2개의 단부를 가지는데, 1차 권선(310) 및 2차 권선(320)의 각 단부는 핀(500)에 연결될 수 있다. 이때, 핀(500)은 각 권선(310, 320)에 연결되어 전원의 입/출력을 전달하는 구성으로서, 타 단자, 소자 또는 장치에 연결될 수 있다.
1차 권선(310) 및 2차 권선(320) 중 특정 부위는 보빈(200)의 외부로 노출될 수 있는데, 이 특정 부위를 “인출부(311, 321)”라 지칭할 수 있다. 즉, 인출부(311, 321)는 권선(310, 320) 중에서 핀(500)에 인접한 부위로서, 권선(310, 320) 중에서 그 단부와 그 권취 부위의 사이에 해당할 수 있으며, 보빈(200)의 핀 부위(210) 상에 노출될 수 있다.
한편, 1차 권선(310) 및 2차 권선(320)의 권취 부위와, 이들을 덮는 절연층(400)은 보빈(200)의 중심 부위(220)에 위치할 수 있다. 이때, 1차 권선(310) 및 2차 권선(320)은 배리어(600)의 사이 공간 내에서 권취될 수 있다.
배리어(600)는 각 권선(310, 320)의 귄취 부위의 양측에 형성되는 벽으로서, 1차 권선(310)과 2차 권선(320)의 사이의 이격 거리(즉, 절연 거리)를 확보해 준다. 즉, 1차 권선(310)은 그 층의 양측에 구비된 배리어(600)(이하, “제1 배리어”라 지칭함)의 사이 공간 내에 권취 부위를 가지며, 2차 권선(320)은 그 층의 양측에 구비된 배리어(600)(이하, “제2 배리어”라 지칭함)의 사이 공간 내에 권취 부위를 가진다. 이에 따라, 1차 권선(310)의 권취 부위 단부와 2차 권선(320)의 권취 부분 단부는 제1 배리어 및 제2 배리어가 차지하는 공간만큼 서로 이격된 효과를 가지게 된다. 특히, 배리어(600)는 각 권선(310, 320)의 귄취 부위의 영역 보다 높다. 즉, 1차 권선(310) 또는 2차 권선(320)의 귀취 부위 양측에 마련된 2개의 배리어(600)는 그 보다 낮은 높이인 그 사이 공간(이하, “권취 공간”이라 지칭함)에서만 각 권선(310, 320)이 권취되게 한다. 이에 따라, 배리어(600)가 차지하는 공간(도 7에서 '600' 부호의 화살표 길이)(이하, “배리어 거리”라 지칭함)가 클수록 각 권선(310, 320)에 대한 권취 공간은 좁아진다. 다만, 각 배리어(600)에서, 그 배리어 길이는 서로 동일하지 않을 수도 있다.
이하, 절연등급 중 강화절연(reinforced insulation)을 만족하기 위한 본 발명에 따른 설계방법에 대하여 설명하도록 한다.
각 전원(또는 각 권선)은 서로 절연되는데, 이때 각 전원 사이(예를 들어, 1차 전원들 사이, 2차 전원들 사이, 또는 1차 전원과 2차 전원 사이)는 각 전원의 사용 위치(내부용 또는 외부용)에 따라 안전을 위한 절연 기준인 '절연 등급'이 결정된다.
이때, 내부용 및 외부용은 해당 전원의 사용 위치로서, 사용자와의 직접 접촉 여부와 관련 있다. 즉, 내부용 전원은 사용자와 직접 접촉하지 직접 않는 1차 전원 또는 2차 전원으로서, 해당 기기 또는 장치 내부에서만 사용되는 전원을 의미한다. 반대로, 외부용은 사용자와 접촉하지 직접 가능한 2차 전원으로서, 해당 기기 또는 장치의 외부로 노출될 수 있는 전원을 의미한다.
절연등급 대상 전원 (인버터용
1차 전원)
200V일 경우의 최소 이격 거리		 (인버터용
1차 전원)
400V일 경우의 최소 이격 거리
기능절연(functional insulation) - 1차 전원들 사이
- 내부용 2차 전원들 사이
- 외부용 2차 전원들 사이		 1.5㎜ 3㎜
기본절연(basic insulation) - 1차 전원과 내부용 2차 전원 사이 3㎜ 5.5㎜
강화절연(reinforced insulation) - 1차 전원과 외부용 2차 전원 사이
- 내부용 2차 전원과 외부용 2차 전원 사이		 5.5㎜ 8㎜
표 1을 참조하면, 절연 등급은 기능절연(functional insulation), 기본절연(basic insulation) 및 강화절연(reinforced insulation)의 3가지로 구분될 수 있으며, 강화절연은 이들 중에 가장 높은 절연 기준이라 할 수 있다. 즉, 기능절연, 기본절연 및 강화절연으로 갈수록 그 절연 기준 정도가 높아지는 것으로 볼 수 있다.기능절연은 1차 전원들 사이나, 내부용 2차 전원들 사이나, 외부용 2차 전원들 사이에 대한 기준이다. 예를 들어, 인버터용으로서, 1차 전원이 200V인 경우, 기능절연을 만족하기 위해서는, 해당 전원 사이가 최소 1.5㎜ 이상 이격되어야 한다. 또한, 인버터용으로서, 1차 전원이 400V인 경우, 기능절연을 만족하기 위해서는, 해당 전원 사이가 최소 3㎜ 이상 이격되어야 한다.
기본절연은 1차 전원과 내부용 2차 전원 사이에 대한 기준이다. 예를 들어, 인버터용으로서, 1차 전원이 200V인 경우, 기본절연을 만족하기 위해서는, 해당 전원 사이가 최소 3㎜ 이상 이격되어야 한다. 또한, 인버터용으로서, 1차 전원이 400V인 경우, 기본절연을 만족하기 위해서는, 해당 전원 사이가 최소 5.5㎜ 이상 이격되어야 한다.
강화절연은 1차 전원과 외부용 2차 전원 사이나, 내부용 2차 전원과 외부용 2차 전원 사이에 대한 기준이다. 예를 들어, 인버터용으로서, 1차 전원이 200V인 경우, 강화절연을 만족하기 위해서는, 해당 전원 사이가 최소 5.5㎜ 이상 이격되어야 한다. 또한, 인버터용으로서, 1차 전원이 400V인 경우, 강화절연을 만족하기 위해서는, 해당 전원 사이가 최소 8㎜ 이상 이격되어야 한다.
본 발명은 강화절연을 만족하는 트랜스포머의 설계 방법을 제안한다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 트랜스포머는 1차 전원 및 2차 전원 사이나 2차 전원들 사이, 즉 1차 권선(310) 및 2차 권선(320)의 그 사이나 2차 권선(320)들의 사이에 따른 절연등급이 강화절연의 기준을 만족하는 트랜스포머이다.
한편, 트랜스포머에서, 1차 권선(310)과 2차 권선(320)은 이격 거리가 해당 절연 기준에 대한 최소 이격 거리를 만족해야 한다. 이를 위해, 1차 권선(310)과 2차 권선(320)의 적층 부분에서의 상하 이격 거리가 해당 최소 이격 거리를 만족하도록 설계된다. 또한, 1차 권선(310)과 2차 권선(320)의 배리어 합계 거리도 해당 최소 이격 거리 기준을 만족하도록 설계된다.
이때, 배리어 합계 거리는 1차 권선(310)의 권취 부위 일측에 마련된 제1 배리어의 배리어 거리와, 해당 1차 권선(310)의 인접 2차 권선(320)의 권취 부위 일측에 마련된 제2 배리어의 배리어 거리 사이의 합계를 의미한다. 즉, 배리어 합계 거리는 하측에 위치한 제1 배리어와 그 상측에 위치한 제2 배리어 사이의 배리어 거리 합이다.
하지만, 종래에 트랜스포머에 대한 강화절연 기준을 만족시키려는 경우, 상술한 이격 거리를 늘려야 하므로, 트랜스포머의 부피가 커질 수 밖에 없는 문제점이 있었다.
한편, 최소 이격 거리에 대한 기준을 만족하지 않더라도, 해당 전원을 전달하는 전원선(제1 권선 또는 제2 권선)이 내전압에 대한 기준을 만족하는 경우에도 해당 절연등급이 배정될 수 있다. 이때, 내전압은 권선의 절연 표피층의 중첩 정도나 절연 표피층의 두께에 영향을 받는다. 즉, 절연 표피층이 복수 층으로 이루어지되 그 중첩 수가 늘어날수록 또는 절연 표피층의 두께가 두꺼워질수록, 내전압이 증가하면서 그 절연등급도 높아질 수 있다.
다만, 이 경우에도 트랜스포머의 부피가 최소화되어야 하므로, 1차 권선(310) 보다는 2차 권선(320)의 절연 표피층(320b)이 상술한 조건을 만족하는 것이 바람직할 수 있다. 이는 2차 권선(320)이 1차 권선(310) 보다 그 권수가 작아 상술한 조건을 채용하더라도 그에 따른 부피 증가가 적을 수 있기 때문이다. 이에 따라, 본 발명은 제2 권선(320)의 절연 표피층(320b)이 1차 권선(310)의 절연 표피층(310a) 보다 중첩 수가 많거나 그 두께가 두껍도록 설계함으로써 내전압 증가에 의한 절연등급 향상을 제안(이하, “제1 제안”이라 지칭함)한다.
제1 제안에 따라, 2차 권선(320)이 일정 이상의 절연등급의 내전압을 만족하는 전원선으로 설계되는 경우, 해당 절연등급에 대한 최소 이격 거리를 만족하지 않아도 되므로, 1차 권선(310) 및 2차 권선(320)에 대한 각 배리어 합계 거리는 종래 보다 줄어들 수 있다.
도 8은 종래 트랜스포머에서 인출부(311, 321)가 핀(500)에 연결된 모습을 나타내며, 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 강화절연 트랜스포머에서 인출부(311, 321)가 핀(500)에 연결된 모습을 나타낸다.
한편, 인출부(311, 321)는 1차 권선(310) 및 2차 권선(320) 중에서 외부로 노출되는 부분이다. 이때, 인출부(311, 321)의 주변을 추가적인 절연 튜브(700)로 감싸는 경우, 해당 영역의 내전압을 증가시키거나 그 최소 이격 거리를 늘림으로써 그 절연등급을 높일 수 있다. 이에 따라, 본 발명은 추가적인 절연 튜브(700)로 인출부(311, 321)를 감싸도록 설계함으로써 그 절연등급을 향상할 것을 추가 제안(이하, “제2 제안”이라 지칭함)한다.
이때, 절연 튜브(700)는 절연 물질로 이루어진 것으로서, 가열에 의해 인출부(311, 321)의 주변에 쉽게 달라붙는 테프론(Teflon) 튜브일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
도 8을 참조하면, 종래의 트랜스포머는 인출부(311, 321)에 대해 별도의 절연 튜브(700)로 감싸지 않았다. 다만, 종래의 트랜스포머에서, 1차 권선(310)의 인출부(311)에 대해 절연 튜브(700)로 감싸는 경우가 있을 수 있으나, 2차 권선(320)의 인출부(321)에 대해서는 해당 가공이 이루어지지 않았다.
한편, 트랜스포머에서, 기본절연의 만족하는 경우가 2번 이상이 생기면(이하, “추가 강화절연 조건”이라 지칭함), 절연등급의 규격에 따라, 해당 전원들 사이는 강화절연을 만족하는 것으로 인정될 수 있다. 즉, 추가 강화 절연 조건을 위해, 제1 제안 및 제2 제안 각각이 기본절연 기준에 만족하는 경우, 해당 트랜스포머의 전원들은 강화절연을 만족할 수 있다.
이에 따라, 제1 제안에 따라 2차 권선(320)이 기본절연 이상의 내전압을 만족하는 전원선으로 설계되고, 제2 제안에 따라 1차 권선(310)의 인출부(311) 외에 2차 권선(320)의 인출부(321)까지도 절연 튜브(700)로 감싸져 기본절연 이상으로 설계되는 경우, 해당 트랜스포머는 2번 이상의 기본절연 기준의 만족에 따른 강화절연의 구현이 가능하게 된다. 이 경우, 해당 트랜스포머에서, 1차 권선(310) 및 2차 권선(320)에 대한 각 배리어 합계 거리는 강화절연을 위한 최소 이격 거리 보다 줄어들 수 있게 된다.
즉, 이러한 2중의 기본절연 기준 만족을 통한 강화절연을 구현함으로써, 본 발명은 종래에 강화절연 구현을 위해 필요했던 1차 전원과 2차 전원 사이의 절연 거리(즉, 배리어 합계 거리)를 줄일 수 있어 배리어(600)의 크기를 줄일 수 있으므로, 1차 권선(310) 및 2차 권선(320)의 권취 부위, 즉 권선 창면적을 늘릴 수 있다.
즉, 1차 권선(310) 및 2차 권선(320)의 각 배리어 합계 거리는 기본절연 기준의 최소 이격 거리(예를 들어, 1차 전원이 200V인 경우에 3㎜, 1차 전원이 400V인 경우에 5.5㎜)만 만족하면 된다. 이에 따라, 각 배리어 합계 거리는 강화절연 기준의 최소 이격 거리(예를 들어, 1차 전원이 200V인 경우에 5.5㎜, 1차 전원이 400V인 경우에 8㎜) 보다 줄어들 수 있어, 종래에 발생했던 부피 증가, 즉 강화절연의 배리어 합계 거리를 만족하기 위한 부피 증가를 최소화할 수 있다
다만, 제1 제안과 관련하여, 트랜스포머 설계 시에 특정 절연등급 만족을 위해, 전원선의 내전압 변경을 위한 직접 설계 및 제작하는 것은 제조 비용 상승 등이 발생하므로, 제조 여건 상 쉽지 않을 수 있다. 한편, 각 절연등급에 대한 내전압은 전원선 자체의 사양으로 제공될 수 있다. 이에 따라, 본 발명은 기 설계 및 제작되어 제공되는 시중의 다양한 전원선들 중에서 기본절연의 내전압을 만족하는 특정 종류의 전원선을 제2 권선(320)으로 사용하도록 제안한다.
즉, 특정 종류의 전원선은 그 절연 표피층의 중첩 수가 복수로 이루어짐으로써 기본절연 기준의 내전압을 만족할 수 있다. 특히, 특정 종류의 전원선은, 도 7에 도시된 바와 같이, 그 절연 표피층이 3중층인 것이 바람직할 수 있다. 이는 그 절연 표피층의 중첩 수가 3 보다 낮은 경우에 기본 절연 기준의 내전압을 만족하지 못할 수 있으며, 그 보다 높은 경우에 2차 권선(320)이 너무 두꺼워져 2차 권선(320)의 권취 부위가 차지하는 부피가 커질 수 있기 때문이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 강화절연 트랜스포머의 설계 방법의 순서도를 나타낸다.
상술한 내용을 정리하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 강화절연 트랜스포머의 설계 방법은, 도 10에 도시된 바와 같이, 1차 권선 형성 단계(S100), 2차 권선 형성 단계(S200) 및 인출부 가공 단계(S300)를 포함할 수 있다.
S100에서, 1차 권선(310)이 권취 형성된다. 이때, 1차 권선(310)은 코어(100) 주변에 권췰될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
S200에서, 1차 권선(310) 상에 상하 이격 거리를 두로 2차 권선(320)이 권취 형성된다. 이때, 1차 권선(310)과 2차 권선(320)의 상하 이격 거리 영역에 절연층(400)이 형성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, S200에서, 1차 권선(310) 및 2차 권선(320)은 제1 제안 및 추가 강화절연 조건 등의 내용을 만족할 수 있다.
S300에서, 1차 권선(310) 및 2차 권선(320)를 1차 권선(310) 및 2차 권선의 인출부(311, 321) 각각에 대해 절연 튜브(700)로 감싼다. 즉, S300에서, 1차 권선(310) 및 2차 권선(320)은 제2 제안 및 추가 강화절연 조건 등의 내용을 만족할 수 잇다.
다만, S100 내지 S300에서, 트랜스포터의 각 구성, 특히 1차 권선(310) 및 2차 권선(320)은 도 1 내지 도 9에 따라 상술한 내용을 포함한다.
본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관하여 설명하였으나 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되지 않으며, 후술되는 청구범위 및 이 청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
10: 노이즈 필터 20: 입력 정류 평활 회로
30: 컨버터 40: 제어 회로
50: 출력 정류 평활 회로 100: 코어
200: 보빈 210: 핀 부위
220: 중심 부위 230: 탑 부위
300: 권선 310: 1차 권선
310a, 320a: 도선 310b, 320b: 절연 표피층
311, 321: 인출부 320: 2차 권선
400: 절연층 500: 핀
600: 배리어 700: 절연 튜브

Claims (11)

1차측의 1차 권선 상에 2차측의 2차 권선이 더 적은 권수로 권취되어 1차 권선 및 2차 권선이 적층 구조를 이룸으로써 2차측에 1차측 보다 작은 크기의 전원이 유도되며, 2번 이상의 기본절연(basic insulation) 기준의 만족에 따라 강화절연(reinforced insulation) 기준을 만족하고, 전원공급장치의 구성으로 포함되는 트랜스포머로서,
상기 1차 권선 및 2차 권선은 도선 및 그 도선을 감싸는 절연 표피층을 포함하되, 2차 권선의 절연 표피층이 1차 권선의 절연 표피층 보다 그 수가 많거나 그 두께가 더 두껍게 형성되고,
상기 2차 권선은 그 절연 표피층이 복수 층으로 이루어져 기본절연(basic insulation) 기준의 내전압을 만족하며,
상기 1차 권선 및 상기 2차 권선에서 핀에 인접하여 외부로 노출되는 각 인출부는 절연 튜브로 감싸져 기본절연(basic insulation) 기준을 만족하고,
상기 1차 권선 및 상기 2차 권선에 대한 배리어 합계 거리는 강화절연 기준의 이격 거리 보다 짧되, 기본절연(basic insulation) 기준을 만족하는 이격 거리에 포함되며,
상기 전원공급장치는, 입력 전원에 대한 정류 및 평활 기능을 수행하는 입력 정류 평활 회로와, 평활화된 전원을 변환하는 컨버터와, 컨버터에 의해 변환된 전원에 대한 정류 및 평활 기능을 수행하여 최종 전원을 생성하는 출력 정류 평활 회로를 각각 포함하며,
상기 입력 정류 평활 회로와 상기 컨버터의 사이나, 상기 컨버터와 상기 출력 정류 평활 회로의 사이에 구비되는 것을 특징으로 하는 강화절연 트랜스포머.
삭제
제1항에 있어서,
상기 2차 권선의 절연 표피층은 3중층인 것을 특징으로 하는 강화절연 트랜스포머.
삭제
제1항에 있어서,
상기 절연 튜브는 테프론(Teflon) 튜브인 것을 특징으로 하는 강화절연 트랜스포머.
제1항에 있어서,
인버터용 전원공급장치의 구성으로 포함되는 것을 특징으로 하는 강화절연 트랜스포머.
삭제
제1항에 있어서,
상기 입력 정류 평활 회로와 상기 컨버터의 사이에 구비되는 경우, 평활화된 전원을 1차측 전원으로 입력 받아 그 전원의 크기를 낮춘 2차측 전원을 출력시켜 컨버터로 전달하며,
상기 컨버터와 상기 출력 정류 평활 회로의 사이에 구비되는 경우, 컨버터에 의해 변환된 전원을 1차측 전원으로 입력 받아 그 전원의 크기를 낮춘 2차측 전원을 출력시켜 출력 정류 평활 회로로 전달하는 것을 특징으로 하는 강화절연 트랜스포머.
제1항, 제3항, 제5항, 제6항 및 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 2차 권선의 절연 표피층은 상기 1차 권선의 절연 표피층 보다 그 수가 많은 것을 특징으로 하는 강화절연 트랜스포머.
1차측의 1차 권선 상에 2차측의 2차 권선이 더 적은 권수로 권취되어 1차 권선 및 2차 권선이 적층 구조를 이룸으로써 2차측에 1차측 보다 작은 크기의 전원이 유도되며, 2번 이상의 기본절연(basic insulation) 기준의 만족에 따라 강화절연(reinforced insulation) 기준을 만족하고, 전원공급장치의 구성으로 포함되는 트랜스포머의 설계 방법으로서,
1차 권선을 귄취 형성하는 단계; 및
1차 권선 상에 2차 권선을 권취 형성하는 단계;를 포함하며,
상기 1차 권선 및 2차 권선은 도선 및 그 도선을 감싸는 절연 표피층을 포함하되, 2차 권선의 절연 표피층이 1차 권선의 절연 표피층 보다 그 수가 많거나 그 두께가 더 두껍게 형성되고,
상기 2차 권선은 그 절연 표피층이 복수 층으로 이루어져 기본절연(basic insulation) 기준의 내전압을 만족하며,
상기 1차 권선 및 상기 2차 권선에서 핀에 인접하여 외부로 노출되는 각 인출부는 절연 튜브로 감싸져 기본절연(basic insulation) 기준을 만족하고,
상기 1차 권선 및 상기 2차 권선에 대한 배리어 합계 거리는 강화절연 기준의 이격 거리 보다 짧되, 기본절연(basic insulation) 기준을 만족하는 이격 거리에 포함되며,
상기 전원공급장치는, 입력 전원에 대한 정류 및 평활 기능을 수행하는 입력 정류 평활 회로와, 평활화된 전원을 변환하는 컨버터와, 컨버터에 의해 변환된 전원에 대한 정류 및 평활 기능을 수행하여 최종 전원을 생성하는 출력 정류 평활 회로를 각각 포함하며,
상기 트랜스포머는 상기 입력 정류 평활 회로와 상기 컨버터의 사이나, 상기 컨버터와 상기 출력 정류 평활 회로의 사이에 구비되는 것을 특징으로 하는 강화절연 트랜스포머의 설계 방법.
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