KR20090056197A

KR20090056197A - 고주파 변압기, 그의 제조방법, 및 그를 이용한 디씨-디씨컨버터

Info

Publication number: KR20090056197A
Application number: KR1020070123251A
Authority: KR
Inventors: 이종필; 민병덕; 유동욱; 김태진; 안종보
Original assignee: 한국전기연구원
Priority date: 2007-11-30
Filing date: 2007-11-30
Publication date: 2009-06-03

Abstract

본 발명은 고주파 변압기, 그의 제조방법, 및 그를 이용한 DC-DC 컨버터에 관한 것으로서, 다수의 절연 배리어가 구비되는 보빈; 및 폭이 상기 보빈의 축 방향과 수직을 이루도록 에지와이즈(edge-wise) 방식으로 상기 보빈의 표면에 권선되는 코일을 포함하고, 상기 다수의 절연 배리어는 각각 홈이 형성된다.

따라서, 코일을 이루는 동선의 표피효과, 코일간 정전용량 및 누설 인덕턴스를 저감시키고 코일이 종래 기술보다 더 용이하게 장착될 수 있도록 할 뿐 아니라용이하게 제작할 수 있도록 하는 장점이 있다.

평각동선, 에지와이즈, 코일, 변압기, 절연 배리어

Description

고주파 변압기, 그의 제조방법, 및 그를 이용한 디씨-디씨 컨버터{Step-down high frequency transformer, its manufacturing method and DC-DC converter using this}

본 발명은 고주파 변압기, 그의 제조방법, 및 그를 이용한 DC-DC 컨버터에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 코일을 이루는 동선의 표피효과, 코일간 정전용량 및 누설 인덕턴스를 저감시키고 용이하게 제작할 수 있도록 하는 고주파 변압기, 그의 제조방법, 및 그를 이용한 DC-DC 컨버터에 관한 것이다.

도 1은 종래 기술에 따른 동심배치형 변압기의 구조가 도시된 도로서, 도 1(a)는 동심배치형 변압기의 단면이 도시된 도이며, 도 1(b)는 동심배치형 변압기에 구비된 코일이 도시된 측면도이다.

종래 기술에 따른 동심배치형 변압기는 도 1(a)에 도시된 바와 같이, 코어(1)의 중앙각(center leg)을 중심으로 구비된 보빈(2)에 2차 코일(4)을 권선하고 2차 코일(4) 외측에 1차 코일(3) 및 2차 코일(4)을 절연하는 절연재(5)를 배치한다. 그리고 절연재(5)의 외측에 1차 코일(3)을 권선하여 1차 코일(3) 및 2차 코일(4)이 상기 코어(1)의 중앙각(center leg)을 축으로 동심을 이루도록 구성된다.

상기 코일(3,4)은 평각동선의 폭이 보빈의 축 방향과 수평으로 권선되는 플랫 와이즈(flat-wise) 방식으로 권선되는데, 환선이나 리쯔 와이어를 사용하는 것보다 코일의 점적율(Space factor=코일면적/코어 면적)이 향상된다. 그러나, 일반적으로 고주파 변압기는 상용주파수의 변압기에 비해 그 크기가 매우 작으며 코어(1) 또는 보빈(2)의 축 방향치수(a)가 매우 작다. 따라서, 두께가 얇고 폭이 넓은 평각동선의 경우 코일로 사용되기 어려우므로 상대적으로 폭이 좁고 두께가 두꺼운 평각동선을 코일로서 사용하게 된다.

그러나, 폭이 좁고 두께가 두꺼운 평각동선을 사용하는 경우 동선의 표피효과(skin-effect)에 따른 교류저항이 크게 증가하고 이에 따른 손실이 급증하게 된다. 또한, 코일로 사용되는 도체의 폭과 두께 사이의 비 때문에 두께가 두꺼운 동선을 사용할수록 보빈(2)의 반경방향 치수(b1, b2)가 증가한다.

반경방향 치수(b1, b2)가 증가하면 실제 권선할 수 있는 턴 수가 줄어드는데, 도 1을 참조하여 이를 보다 상세히 설명하면 도 1(a)에 도시된 바와 같이 종래 기술에 따른 동심배치형 변압기에서는 1차 코일(3) 및 2차 코일(4)을 이루는 평각동선의 단면 개수가 각각 6개인 것으로 나타나지만, 실제 보빈(2)에 감기는 턴 수는 도 1(b)에 도시된 바와 같이 5턴 즉 5회 감기는 형상을 이룬다. 보빈(2)에 감기는 턴 수가 줄어들면 여러 층(layer)을 권선해야 하며, 층수가 증가함에 따라 동선의 저항값이 달라져 강압용으로 코일에 큰 전류가 흐르는 경우 변압기의 제작이 매우 어렵다. 또한, 2차 코일(4)에 흐르는 전류값이 큰 경우 여러 가닥의 소선을 조합하여 사용하는 방법이 있으나 이러한 경우 소선간 교류 저항 차에 따라 권선 내 부의 순환전류(circulating current)에 의한 손실(loss)이 발생하는 문제가 발생한다.

반경방향 치수(b1, b2)가 증가하면 권선간 누설 인덕턴스 역시 증가하는데, 누설 인덕턴스는 누설자속(leakage flux)에 의해 1차 코일(3) 및 2차 코일(4)에 발생하는 인덕턴스이며, 2pfLI로 표시되는 리액턴스[reactance; p=3.14, f: 주파수(hz), LI: 누설 인덕턴스(H)]로 누설자속에 의한 추가 손실뿐만 아니라 전압 강하상의 문제를 발생시킨다. 즉, 누설자속에 의해 1차 및 2차 코일(3, 4) 및 코어 기타 구조물에 와류손(eddy-loss) 및 표류손(stray-loss) 등을 발생시킨다.

또한, 도 1(b)에 도시된 바와 같이 플랫와이즈(flat-wise) 방식으로 평각동선을 권선하여 코일로 사용하는 경우, 동선을 보빈(2) 표면에 감으려면 리드 삽입 부분(6a)에서 동선을 구부려야 하며, 리드 인출 부분(6b)에서도 동선을 거의 90도로 구부려 인출시켜야 하는데 이렇게 동선을 구부려서 삽입 또는 인출시키는 것은 매우 어려운 작업이다.

특히, 도 1에 도시된 바와 같이 종래 기술에 따른 동심배치형 변압기의 경우 1차 코일(3)과 2차 코일(4)의 대전면적(마주보는 면적)이 매우 크며 이에 따라 전체 코일의 정전용량이 매우 증가하므로 이를 방지하기 위해 1차 코일(3) 및 2차 코일(4) 사이에 추가로 정전 차폐판을 장치하는 등의 부가적인 방법이 요구된다.

상술한 바와 같은 정전용량 증가의 문제점을 해결하기 위한 방법으로 상기 보빈을 2개의 섹션(section)으로 나누어 사용하는 2-섹션 방식이 적용될 수 있다.

도 2 는 종래 기술에 따른 2-섹션형 변압기의 구조가 도시된 도로서, 도 2(a)는 2-섹션형 변압기의 단면이 도시된 도이며, 도 2(b)는 2-섹션형 변압기에 구비된 코일이 도시된 측면도이다.

종래 기술에 따른 2-섹션형 변압기는 도 2에 도시된 바와 같이, 코어(1)의 중심각(center leg)을 2개 부분으로 구분하도록 제작된 보빈(2)의 상부 또는 하부 섹션에 2차 코일(4)을 권선하고 다른 섹션에는 1차 코일(3)을 권선 및 배치한다. 또한, 보빈(2)을 2개의 섹션으로 나누는 절연 배리어(barrier)(5')를 포함하여, 보빈(2)에 배치된 절연 배리어(barrier)(5')에 의해 분리된 2개의 섹션에 1차 코일(3) 및 2차 코일(4)이 각각 배치되도록 하여 정전용량을 줄일 수 있다.

그러나, 도 2에서의 코일 역시 도 1에서 상술한 바와 같이 평각동선의 폭이 보빈(2)의 축 방향과 수평이 되도록 권선하는 플랫 와이즈(flat-wise) 방식을 사용한다. 이때 도 2(a)에 도시된 바와 같이 절연 배리어(5')를 포함하여 보빈(2)을 2개의 섹션으로 분리하면 권선이 가능한 축 방향 치수(a1, a2)가 도 1(a)에 도시된 경우에 비해 줄어든다. 따라서 권선이 가능한 평각동선의 폭의 범위가 더욱 줄어들며, 동선의 폭과 두께간의 비율이 감소함에 따라 표피효과에 따른 교류저항이 증가하고 이에 따른 손실 발생이 증가하게 된다.

즉, 도 1(a) 및 도 2(a)에 도시된 바를 비교하면, 2-섹션 방식에서의 코일은 동심배치 방식에서의 코일보다 더 많은 다층구조를 이루게 되고, 따라서 아래 수학식 1에서 알 수 있는 바와 같이 코일의 길이가 증가하고 전체 코일의 저항값이 증가하게 된다.

코일 길이 = 턴 수* MLT

코일 저항 = 8.9* 코일 길이/ 도체 단면적

(이때, MLT: Mean Length of Turn, 코일 평균길이)

또한, 코일의 길이가 길어지면 직류저항 값이 증가하고 표피효과에 의한 교류저항이 증가하므로 손실 발생이 매우 크게 되며, 누설 인덕턴스에 의한 손실도 함께 발생한다. 따라서, 도 2에 도시된 종래 기술에 의하더라도 제조상의 문제 뿐만 아니라 높은 손실과 임피던스 전압 강하 등의 여러 문제가 발생한다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 코일 저항, 정전용량 및 누설 인덕턴스 등에 의해 발생하는 손실을 최소화할 수 있는 고주파 변압기를 제공하는 데 있다.

또한, 본 발명의 목적은 크기가 작은 고주파 변압기라도 용이하게 제작할 수 있을 뿐 아니라 고주파 변압기의 생산 효율성을 크게 향상시킬 수 있도록 하는 고주파 변압기의 제조방법을 제공하는 데 있다.

그리고, 본 발명의 목적은 코일 간 발생하는 손실을 최소화한 고주파 변압기를 사용함으로써 DC-DC 변환시 듀티(duty) 이용률을 향상시킬 수 있도록 하는 DC-DC 컨버터를 제공하는 데 있다.

상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 고주파 변압기는 다수의 절연 배리어가 구비되는 보빈; 및 폭이 상기 보빈의 축 방향과 수직을 이루도록 에지와이즈(edge-wise) 방식으로 상기 보빈의 표면에 권선되는 코일을 포함하여 코일의 정전용량 및 누설 인덕턴스 등을 효과적으로 저감할 수 있다.

상기 다수의 절연 배리어는 각각 홈이 형성되어 코일이 보빈에 용이하게 장착될 수 있도록 한다.

또한, 본 발명에 따른 DC-DC 컨버터는 다수의 절연 배리어를 통해 보빈을 다수의 섹션으로 나누고, 에지와이즈(edge-wise)방식으로 코일을 권선하는 고주파 변 압기를 포함한다.

본 발명에 따른 고주파 변압기의 제조방법은 평각동선을 스프링 형상으로 권선하여 코일을 형성하는 단계; 코일의 일단을 보빈에 형성된 홈에 끼우고, 상기 코일을 회전시켜 상기 보빈 표면을 둘러싸도록 삽입하는 단계를 포함한다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 고주파 변압기, 그의 제조방법 및 그를 이용한 DC-DC 컨버터는 다수의 절연 배리어가 장착된 보빈에 에지와이즈(edge-wise)방식으로 권선된 코일이 장착되어, 코일 저항, 정전용량 및 누설 인덕턴스 등에 의해 발생하는 여러 손실들을 최소화할 수 있는 효과가 있다.

또한, 상기 다수의 절연 배리어는 소정 지점에 일정 방향으로의 홈이 형성되어 코일이 종래 기술보다 더 용이하게 장착될 수 있도록 할 뿐 아니라 고주파 변압기의 생산성을 크게 높일 수 있는 장점이 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 설명한다.

도 3 은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 고주파 변압기가 도시된 단면도로서, 도 3(a)는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 고주파 변압기의 측단면도이며, 도 3(b)는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 고주파 변압기의 측면도이다.

본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 고주파 변압기는 도 3a에 도시된 바와 같이 코어(10), 보빈(20), 코일 및 절연 배리어(50)를 포함하여 구성된다. 코 어(10)는 고주파 변압기에서 사용되는 EE 철심 코어 또는 EER 철심 코어인 것이 바람직하나 이에 한정되는 것은 아니다. 코어(10)의 재질은 철(Fe) 또는 고주파수에서의 특성이 좋은 페라이트(ferrite)가 사용될 수 있으며, 이외에도 변압기의 용도, 변압 방식에 따라 코어로서 여러 물질들이 코어의 재질로 적용될 수 있다.

보빈(20)은 코어(10)의 중심각(center leg)에 구비될 수 있으며, 코어(10)의 형태에 따라 여러 위치에 배치될 수 있다. 본 발명에 따른 고주파 변압기에 있어서, 상기 보빈(20)은 도 3에 도시된 바와 같이 n개(여기서, n은 2이상의 자연수)의 절연 배리어(50a 내지 50c)에 의해 다수(n+1)의 섹션으로 나누어지는데, 나뉘어진 각 섹션에 1차 코일(70b) 및 2차 코일(70a)을 권선하여 종래 기술에 비해 코일 간 정전용량을 크게 낮출 수 있다.

특히, 본 발명에 따른 고주파 변압기에 있어서, 보빈에 장착된 코일은 평각동선이 에지와이즈 방식으로 권선된 것으로, 종래 기술에 따른 실시 예에서 보빈의 축 방향길이가 동일한 경우 종래 기술에 비해 더 많은 수의 코일이 감길 수 있는데 이에 대한 보다 상세한 설명은 첨부된 도면과 함께 후술한다.

도 4는 본 발명에 따른 고주파 변압기에 있어서, 절연 배리어의 다양한 실시 예가 도시된 예시 단면도이다.

본 발명에 따른 고주파 변압기에 있어서, 절연 배리어(50a 내지 50c)는 도 4에 도시된 바와 같이 보빈(20)의 축과 직각을 이루도록 배치되며 일정 위치에 예각의 홈(60)이 형성된다. 따라서, 절연 배리어(50a 내지 50c) 및 그에 형성된 홈(60)이 나사의 산 및 골과 같은 역할을 할 수 있도록 한다.

이러한 절연 배리어(50a 내지 50c)는 2개 이상 보빈(20)에 구비될 수 있는데, 도 4(a)에 도시된 바와 같이 2개의 절연 배리어(50a)가 구비되는 경우 상기 보빈(20)은 3개의 섹션으로 나뉠 수 있으며, 도 4(b)에 도시된 바와 같이 3개의 절연 배리어(50b)가 구비되는 경우 상기 보빈(20)은 4개의 섹션으로 나뉠 수 있다. 이렇게 보빈(20)이 다수의 섹션으로 나뉘게 되면 1차 코일 및 2차 코일을 섹션 별로 배치할 수 있으므로 정전용량을 낮출 수 있게 된다.

또한, 상술한 바와 같이 보빈(20)을 다수의 섹션으로 나누는 절연 배리어(50a 내지 50c)를 제 1 절연 배리어라 할 때, 제 1 절연 배리어와는 크기가 다른 제 2 절연 배리어를 더 구비할 수 있다. 제 2 절연 배리어(55)는 도 4(c)에 도시된 바와 같이 제 1 절연 배리어(50c)에 의해 나뉘어진 각 섹션 내에 구비되는 것으로, 보빈(20)의 각 섹션에 권선된 코일의 각 턴 간 간격이 일정하게 유지될 수 있도록 배치된다. 따라서, 제 2 절연 배리어(55)는 제 1 절연 배리어(50c)에 비해 반경이 작고 두께가 얇은 것이 바람직하다.

상기 제 1 절연 배리어(50c) 및 제 2 절연 배리어(55)를 포함하는 절연 배리어는 코일의 턴을 이루는 평각동선의 넓은 면에서 각각 방출되는 열이 상호 전달되지 않도록 방열하는 효과가 있는데, 상기 절연 배리어(50a 내지 50c, 55)를 이루는 물질로서 화이버(fiber), 폴리에스테르 필름(polyester film), 크라프트 지(kraft paper) 등 방열 특성이 우수한 물질을 사용하는 경우 더욱 그 효과를 높일 수 있다.

도 5 는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 고주파 변압기에 있어서, 코일 장착 방법이 도시된 도이다.

본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 코일은 도 5에 도시된 바와 같이 평각동선이 나선형으로 권선된 코일(70)이 오른 나사의 원리를 이용하여 보빈(20)에 삽입될 수 있다. 상기 코일(70)은 평각동선이 에지와이즈(edge-wise) 방식으로 권선되는데, 이는 도 1에 도시된 바와 같이 평각동선의 넓은 면을 보빈(2)의 축 방향으로 구부리는 플랫와이즈(flat-wise) 방식과 달리, 평각 동선의 좁은 면을 축 방향으로 구부려 평각 동선의 넓은 면이 보빈(20)의 축 방향과 수직을 이루도록 권선되는 것으로, 전체적으로는 도 5에 도시된 바와 같이 나선형을 이루는 권선 방식을 지칭한다.

또한, 보빈(20)은 예를 들어 나사에 있어서 볼트의 역할을 하고, 에지와이즈(edge-wise)로 권선된 코일(70)은 너트의 역할을 하여 나선형으로 권선된 코일(70)의 일단을 보빈(20)에 형성된 홈(60)에 끼우고 상기 코일(70)을 오른 나사를 끼우는 것과 동일하게 회전시키면 회전함에 따라 평각동선이 상기 홈(60)을 따라 보빈(20) 표면을 감싸듯이 장착된다.

보빈(20)에 절연 배리어(50)가 미리 장착되어 있는 경우, 절연 배리어(50)에 형성된 홈(60)을 따라 평각동선이 장착될 수 있으므로 매우 쉽고 간편하게 상기 코일(70)을 보빈(20)에 장착할 수 있다. 이때, 보빈(20)에 형성되는 홈 및 각 절연 배리어(50)에 형성되는 홈(60)은 동일한 방향으로 형성되는 것이 바람직하며 보빈의 홈과 수평으로 동일한 지점에 각 절연 배리어의 홈(60)이 위치하도록 홈을 형성하거나 절연 배리어를 위치한다면 코일을 회전하면서 자연스럽게 평각동선이 홈을 통과하여 장착되므로 보다 편리하게 상기 코일(70)을 장착할 수 있게 된다.

따라서 매우 쉽고 간편하게 상기 코일(70)을 보빈(20)에 장착할 수 있으며, 여러 개의 코일을 동일한 방법으로 장착할 수 있으므로 장착된 여러 코일을 병렬로 접속하기가 용이하고 구조상 별도의 전위(trans-position)가 요구되지 않는다.

이때, 코일의 각 턴(이하, 소선이라 지칭한다.)은 병렬로 권선방향을 따라 권선되어 있으므로 각 소선이 동일한 평균길이(MLT)를 갖게 되며 이에 따라 각 소선의 코일 저항이 동일한 값을 갖게 된다. 따라서 소선간 전위차에 의한 손실 발생이 거의 없는 효과가 있다.

또한, 누설 자계 등에 대하여 균등한 기하학적 거리(반경방향 거리)를 유지하므로 자계의 변화를 상쇄하는 방향으로 발생하는 소선 내의 순환 전류손실이 매우 적으므로 부하 전류에 의한 소신 외에 기타 요인에 의한 손실을 최소화할 수 있다. 따라서 전류의 크기에 따른 동선 선택의 폭이 매우 넓어지므로 큰 전류가 흐르는 변압기의 경우에도 용이하게 설계가 가능하며, 특히 높은 전압에서 낮은 전압으로 변압하는 강압용 변압기로서 큰 전류가 흐르는 경우 효과적이다.

그리고, 동선의 폭이 보빈의 반경 방향과 나란하도록 권선되므로 평각동선의 두께가 얇고 폭이 넓은 동선을 사용할 수 있는데, 이는 위에서 일부 상술한 바와 같이 동선에서의 와류손, 순환 전류 손 및 동선의 표피효과를 저감하는데 효과적이며, 이때 상기 평각동선의 구체적인 수치로는 종래 기술에서는 적용할 수 없었던 두께가 1mm~1.5mm, 폭이 8mm~12mm를 갖는 평각동선이 적용될 수 있으나 위의 수치에 의해 한정되는 것은 아니다.

도 6은 본 발명에 따른 고주파 변압기에 있어서, 코일 권선의 실시 예가 도시된 예시도로서, 도 6(a)는 스프링 형상으로 권선된 코일의 측단면도이고, 도 6(b) 및 도 6(c)는 상기 코일의 단면도이다.

나선형으로 권선된 상기 코일(70)은 도 6(a)에 도시된 바와 같이 스프링의 형상을 갖는 경우 스프링에서 작용하는 것과 유사한 탄성을 갖게 된다. 따라서 보빈(20) 표면에 코일(70)을 삽입하는 경우 코일(70)은 탄성력에 의해 바깥쪽으로 미는 힘을 갖게 된다. 따라서, 코일의 각 턴 간의 이격거리가 거의 등간격으로 자연스럽게 유지되어 코일 각 턴 간 절연력을 용이하게 높일 수 있으며, 제 2 절연 배리어를 구비하지 않더라도 종래 기술에 비해 코일(70)의 각 턴 간 방열특성을 향상시킬 수 있다.

또한, 코일(70)을 감는 방향과 보빈(20)에 형성된 홈의 예각 방향을 바꾸면 왼 나사 방향으로도 상기 코일(70)을 장착할 수 있으므로 고주파 변압기 권선의 극성 또는 직렬/역직렬 등의 문제에 용이하게 대응할 수 있다. 그리고, 도 6(b)에 도시된 바와 같이 평각동선이 삽입되는 리드 방향이 동일한 각도를 갖거나, 도 6(c)에 도시된 바와 같이 리드 방향이 180도를 이루는 등 평각동선의 리드 방향 및 각도를 쉽게 할 수 있어 코일간 접속 및 외부단자와의 접속이 매우 쉽다. 또한, 평각동선을 나선형으로 권선하는 전용의 권선기를 사용할 수 있으므로 코일 및 변압기의 생산성을 크게 향상시킬 수 있다.

즉, 본 발명에 따른 고주파 변압기는 보빈의 반경에 맞는 다수의 절연 배리어를 구비하고, 각 절연 배리어에 일정 방향으로의 홈을 형성한 후 보빈에 절연 배 리어를 장착한다. 이때 절연 배리어에 형성된 홈의 위치가 보빈에 형성된 홈의 위치와 직선을 이루도록 배치하여 장착한다. 상기 전용의 권선기 또는 권선 장치를 이용하여 평각동선의 폭과 권선 방향이 수직이 되도록 나선형으로 평각동선을 권선하여 코일을 형성한다. 다음, 보빈에 형성된 홈에 코일의 일단을 끼우고 코일을 회전시켜 코일 전체가 보빈 표면을 둘러싸도록 장착한다. 그리고, 코일 중 원하는 위치에 탭을 연결하는 등의 단계에 따라 상기 고주파 변압기를 제작할 수 있다.

도 7 은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 고주파 변압기에 있어서, 보빈에 코일이 장착된 형상이 도시된 도이며, 도 8 은 도 7과 같이 제작된 고주파 변압기의 실제 외관도이다.

이때, 도 7은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 고주파 변압기에 있어서, 2개의 절연 배리어를 구비하여 3개의 섹션을 이룬 보빈에 코일을 장착한 것으로 가운데 섹션에 2차 코일을 배치하며, 2개의 바깥쪽 섹션에 1차 코일을 배치한 경우이다.

도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이 본 발명의 실시 예에 따른 고주파 변압기에 있어서, 보빈(20)의 바깥쪽 섹션에 배치된 2개의 1차 코일(70b)은 서로 직렬 연결되거나 병렬 연결될 수 있으며 가운데에 배치된 2차 코일(70a)은 도 5에 도시된 바와 같이 병렬로 접속하거나 2개의 권선을 코일 그룹으로 하여 센터 탭(center-tap)을 인출할 수도 있다. 따라서, 3개의 섹션으로 나눈 경우 1차 코일(70b) 및 2차 코일(70a)의 배치를 쉽게 조정할 수 있으므로 1차 및 2차 코일(70a, 70b) 내의 탭 인출 또는 결선 상의 여러 문제들을 쉽게 해결할 수 있다.

또한, 상술한 바와 같이 보빈(20)에 장착된 절연 배리어(50)는 보빈(20)에 형성된 홈과 동일한 위치에서 예각 방향의 홈이 형성될 수 있으므로 평각동선으로 권선된 코일의 장착이 매우 용이하다. 그리고, 절연 배리어(50)가 구비되는 수에 따라 4-섹션 또는 5-섹션 등 다-섹션(multi-section)을 이룰 수 있다. 이에 따라 변압기에서의 주요 파라미터(parameter)인 정전용량 또는 누설 인덕턴스 등의 조정이 매우 쉽게 된다.

한편, 종래 기술에 따른 도 1(b), 도 2(b) 및 본 발명에 따른 도 3(b)에서 각 코일의 축 방향 길이를 a라 하고, 반경방향 길이를 b, 절연 배리어를 포함한 각 코일간의 간격을 c라 하면 1차 코일에서 본 누설 인덕턴스 Lp는 다음의 수학식 2 내지 수학식 4로 나타낼 수 있다.

수학식 2는 본 발명에 따른 누설 인덕턴스의 경우이고, 수학식 3은 도 1에 도시된 바와 같은 종래 기술에 따른 동심배치형 변압기에서의 누설 인덕턴스, 수학식 4는 도 2에 도시된 바와 같은 종래 기술에 따른 2-섹션형 변압기에서의 누설 인덕턴스를 구하는 계산식이다. 상기 수학식 2 내지 4에서 나타난 바와 같이 파라미터 a,b,c 및 코일의 평균 길이(MLT), 그리고 1차 코일의 턴 수 Np가 각 수학식에서 동일한 값을 갖는 조건이라면 종래 기술에 따른 2-섹션형 변압기에서의 누설 인덕턴스보다 본 발명에 따른 누설 인덕턴스가 매우 유리한 값을 갖는다.

또한, 종래 기술에 따른 동심배치형 변압기에서의 누설 인덕턴스와 비교하면 코일의 축 방향 길이인 a 가 반경방향 길이인 b보다 크므로 본 발명에 따른 누설 인덕턴스 값이 다소 불리하나, 본 발명에서는 두께가 얇은 평각동선을 사용하며 섹 션 수를 증가시키므로 충분히 보완할 수 있다. 이를 명확히 하기 위해 본 발명에 따른 변압기와 종래 기술에 따른 변압기에 대하여 50khz의 주파수에서의 특성을 비교하면 다음의 표 1과 같다.

구분	LIk(50khz)	C12(1khz)	비고
본 발명	2.62uH	39.7pF	LIk: 누설 인덕턴스
2-섹션	5.83uH	20.7pF	C12: 1차 및 2차 코일간 정전용량

표 1은 강압(step-down)용으로 동일한 치수의 평각동선을 도체로 사용하고 1차 코일의 턴수 Np=5, 2차 코일의 턴수 Ns=3으로 한 변압기를 단락(short-circuit)시험법으로 주파수 50khz에서 측정한 것이며, 1차 및 2차 코일간 정전용량은 각 코일을 단락한 상태에서 주파수 1khz에서 측정한 것이다.

표 1에 따르면, 코일간 정전용량은 본 발명에 따른 변압기에서 약 2배 이지만 누설 인덕턴스는 본 발명에 따른 변압기에서 종래 기술에 따른 2-섹션형 변압기에서의 값보다 55% 줄어든 값을 갖게 된다. 동작 주파수가 50khz면 매우 큰 저감효과를 갖는 것으로 자기공진 주파수(self-resonance frequency)가 본 발명에서는 590khz, 종래 기술에 따른 2-섹션형 변압기에서는 약 530khz를 갖게 된다. 또한, 직렬저항(Rs; Series Resistance)를 50khz에서 측정하는 경우 종래 기술에 따른 2-섹션형 변압기에서는 약 2.24Ω, 본 발명에 따른 변압기에서는 약 1.83Ω을 나타내므로 손실 측면에서도 우수한 것을 알 수 있다.

한편, 본 발명에 따른 고주파 변압기는 DC-DC 컨버터에 적용될 수 있다.

DC-DC 컨버터는 제 1레벨 전압의 직류전원에서 제 2레벨 전압의 직류전원으로 변환하는 전자회로 장치로서, 교류의 전압변환은 변압기로 할 수 있으나 직류의 전압변환에서는 그대로 변압기를 사용할 수는 없다. DC-DC 컨버터는 제 1 레벨 전압의 직류전원에서 발진회로를 통해 교류전원으로 변환하고, 변환된 교류전원을 변압기를 통해 다른 레벨의 교류전원으로 변환한다. 그리고나서, 변환된 다른 레벨의 교류전원을 정류하여 제 2 레벨 전압의 직류전압을 출력한다. 이러한 DC-DC 컨버터는 회로 구성에 따라 푸쉬-풀 컨버터(push-pull converter), 벅 컨버터(buck converter), 플라이백 컨버터(flyback converter) 등이 있으며 본 발명에 따른 고주파 변압기는 회로 구성이나 특성에 따라 다양하게 적용될 수 있다.

본 발명에 따른 고주파 변압기가 적용된 DC-DC 컨버터는 상술한 바와 같이 에지와이즈 방식으로 권선된 코일이 보빈에 장착되어 최소한의 손실로 변환동작이 수행될 수 있도록 한다.

도 9 는 종래 및 본 발명에 따른 고주파 변압기가 적용된 DC-DC 컨버터에 있어서, 변압기의 1차측 전류 파형이 도시된 그래프로서, 도 9(a)는 종래 기술에 따른 고주파 변압기가 적용된 DC-DC 컨버터에서의 1차측 전류 파형이 도시된 그래프이며, 도 9(b)는 본 발명에 따른 고주파 변압기가 적용된 DC-DC 컨버터에서의 1차측 전류 파형이 도시된 그래프이다.

표 1을 다시 참조하면, 종래 기술에 따른 변압기의 누설 인덕턴스 값은 5.83uH이고, 이때 변압기 입력전류의 파형은 도 9(a)에 도시된 바와 같이 약 2us에 걸쳐서 상승하게 된다. 그러나 본 발명에 따른 고주파 변압기의 누설 인덕턴스 값은 2.62uH이고, 이때 변압기 입력전류의 파형은 도 9(b)에 도시된 바와 같이 약 0.8us에 걸쳐 상승하므로 종래에 비해 약 두 배 이상 빠르게 상승하는 것을 알 수 있으며 이에 따라 DC-DC 컨버터의 듀티(duty)를 높이고 변압 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있게 된다.

이상과 같이 본 발명에 따른 고주파 변압기, 그의 제조방법 및 그를 이용한 DC-DC 컨버터를 예시된 도면을 참조로 하여 설명하였으나 본 발명은 본 명세서에 개시된 실시 예와 도면에 의해 한정되지 않으며, 보빈을 다수의 섹션으로 구분하고, 에지와이즈 방식으로 권선된 코일을 장착하여 코일에서 발생하는 손실을 최소화할 수 있도록 하는 본 발명의 기술사상은 보호되는 범위 이내에서 당 업자에 의해 용이하게 응용될 수 있음은 자명하다.

도 1 은 종래 기술에 따른 동심배치형 변압기의 구조가 도시된 도,

도 2 는 종래 기술에 따른 2-섹션형 변압기의 구조가 도시된 도,

도 3 은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 고주파 변압기의 구조가 도시된 도,

도 4 는 본 발명에 따른 고주파 변압기에 있어서, 절연 배리어의 다양한 실시 예가 도시된 예시도,

도 5 는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 고주파 변압기에 있어서, 코일 장착 방법이 도시된 도,

도 6 은 본 발명에 따른 고주파 변압기에 있어서, 코일 권선의 실시 예가 도시된 예시도,

도 7 은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 고주파 변압기에 있어서, 보빈에 코일이 장착된 형상이 도시된 도,

도 8 은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 고주파 변압기가 구현된 실제 외관도, 및

도 9 는 종래 및 본 발명에 따른 고주파 변압기가 적용된 DC-DC 컨버터에 있어서, 변압기의 1차측 전류 파형이 도시된 그래프이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1, 10: 코어 2, 20: 보빈

50: 절연 배리어 60: 홈

70: 코일

Claims

다수의 절연 배리어가 구비되는 보빈; 및

폭이 상기 보빈의 축 방향과 대략 수직을 이루도록 에지와이즈(edge-wise) 방식으로 상기 보빈의 표면에 권선되는 코일

을 포함하는 것을 특징으로 하는 고주파 변압기.
제 1 항에 있어서,

상기 다수의 절연 배리어는 각각 홈이 형성되는 것을 특징으로 하는 고주파 변압기.
제 2 항에 있어서,

상기 각 홈은 상기 절연 배리어의 일정 지점에서 상기 보빈의 축 방향과 수직인 면에 대하여 예각을 갖도록 형성되는 것을 특징으로 하는 고주파 변압기.
제 1 항에 있어서,

상기 보빈은 n개(n은 2이상의 자연수)의 상기 절연 배리어를 구비하여 (n+1)개의 섹션으로 나뉘는 것을 특징으로 하는 고주파 변압기.
제 4 항에 있어서,

n=2인 경우 나뉘는 3개의 섹션 중 가운데 섹션에 1차 코일이 권선되고, 바깥쪽 섹션에 2차 코일이 권선되는 것을 특징으로 하는 고주파 변압기.
제 4 항에 있어서,

n=2인 경우 나뉘는 3개의 섹션 중 가운데 섹션에 2차 코일이 권선되고, 바깥쪽 섹션에 1차 코일이 권선되는 것을 특징으로 하는 고주파 변압기.
제 1 항에 있어서,

EE형 철심 코어 또는 EER형 철심 코어 중 하나의 코어를 포함하는 것을 특징으로 하는 고주파 변압기.
제 1 항에 있어서,

상기 코일은 폭이 8mm 내지 12mm 이고, 두께가 1mm 내지 1.6mm 인 평각동선이 권선되는 것을 특징으로 하는 고주파 변압기.
다수의 절연 배리어를 통해 보빈을 다수의 섹션으로 나누고, 에지와이즈(edge-wise)방식으로 코일을 권선하는 고주파 변압기

를 포함하는 것을 특징으로 하는 DC-DC 컨버터.
제 9 항에 있어서,

상기 코일은 대략 등간격으로 이격하여 배치되도록 권선된 것을 특징으로 하는 DC-DC 컨버터.
제 9 항에 있어서,

상기 절연 배리어는 n(n은 2이상의 자연수)개 이상 구비되어 상기 보빈을 (n+1)개의 섹션으로 나누는 제 1 절연 배리어; 및

상기 제 1 절연 배리어에 의해 나뉘어진 적어도 어느 하나 이상의 섹션 내에 구비되는 제 2 절연 배리어

를 포함하는 것을 특징으로 하는 DC-DC 컨버터.
코일의 일단을 보빈에 형성된 홈에 끼우고, 상기 코일을 회전시켜 상기 보빈 표면을 둘러싸도록 삽입하는 단계

를 포함하는 것을 특징으로 하는 고주파 변압기의 제조방법.
제 12 항에 있어서,

상기 삽입하는 단계 전, 평각동선을 스프링 형상으로 권선하여 코일을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고주파 변압기의 제조방법.
제 12 항에 있어서,

상기 삽입하는 단계 전, 다수의 절연 배리어를 구비하고, 상기 각 절연 배리 어의 일정 지점에 예각의 홈을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고주파 변압기의 제조방법.
제 12 항에 있어서,

상기 삽입하는 단계 전, 홈이 형성된 상기 다수의 절연 배리어를 상기 보빈에 장착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고주파 변압기의 제조방법.