KR20180007888A

KR20180007888A - 공통 권선 평면 트랜스포머

Info

Publication number: KR20180007888A
Application number: KR1020160089407A
Authority: KR
Inventors: 이주열
Original assignee: 이주열
Priority date: 2016-07-14
Filing date: 2016-07-14
Publication date: 2018-01-24
Also published as: WO2018012760A1; KR101838227B1

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 공통 권선 평면 트랜스포머는 서로 전자기 결합되는 한쌍의 코어를 갖는 코어부; 상기 한쌍의 코어 사이에 배치되고, 제1 관통홀 및 제2 관통홀이 형성된 기판; 상기 기판의 하단면에 형성되어 1차 권선을 형성하는 제1금속층; 및 상기 기판의 상단면에 형성되어 2차 권선 및 보조권선을 형성하는 제2 금속층을 포함할 수 있다.

Description

공통 권선 평면 트랜스포머{COMMON WINDING WIRE PLANAR TRANSFORMER}

본 발명은 평면 트랜스포머에 관한 것으로, 보다 상세하게는 공통 권선 평면 트랜스포머에 관한 것이다.

트랜스포머의 소형화는 스위칭 주파수를 증가시킴으로써 가능해지지만, 소형화에 따른 방열면적이 감소하여 손실이 증가하게 되며, 이 손실량은 스위칭 주파수의 증가에 따라 비례적으로 증가하게 되고, 권선형 트랜스포머는 100 kHz 이상의 스위칭 주파수에서 표피효과(skin effect)와 근접효과(proximity effect)에 의한 손실 증가로 인해 고주파의 스위칭 주파수를 갖는 전원장치에는 응용하기가 어렵다. 반면 넓은 유효 단면적을 갖는 평면 트랜스포머는 고주파 손실을 감소시켜 고주파 대역용 전원장치에 사용이 가능하여 소형화와 고효율화를 동시에 이룰 수 있는 특징이 있다.

통상적으로 종래의 평면형 트랜스포머는 적층 PCB에 1차 권선과 2차 권선을 구현하여, 권선형 트랜스포머와 같은 특성을 갖게 하는 것이다. 그러나 권선형에 비해 얇고 넓은 권선 패턴을 갖는 평면형은 권선수가 늘어나면 이를 배치하기 위해 PCB 적층수가 늘어나게 된다. 이런 특징은 권선형 트랜스포머의 유일한 단점이다.

도 1은 종래기술에 따른 평면형 트랜스포머를 도시한 것으로, 도 1의 (a)은 평면형 트랜스포머 전체를 나타낸 사시도이고, (b)는 코어(1)를 제거한 모습은 나타낸 사시도이고, (c)는 코어(1) 및 기판(2)을 제거한 모습을 나타낸 사시도이고, (d)는 1차 권선과 2차 권선을 분리하여 도시한 것이다.

도 1을 참조하면, 상부 코어와 하부 코어로 구성된 페라이트 코어(1)의 사이에 기판(2)이 형성되어 있으며 기판(2)에 금속성의 패턴층(3)이 권선되어 있다. 상기 권선은 평면 형상의 평면 권선이다.

1차 권선은 1차 권선(3-1)과 2차 권선(3-2)로 구성되며 1차 권선(3-1)은 1차 권선 단자(L1)에 연결되고 2차 권선(3-2)은 2차 권선 단자(L2)에 연결된다.

상기 1차 권선의 권선수는 32턴(turn) 이며 2차 권선의 권선수는 4턴(turn)이다. 이때 1차 권선은 층당 8턴으로 구성되는 4개 금속층으로 구성되고, 2차 권선은 층단 2턴으로 구성되는 2개 금속층으로 구성된다.

따라서 1차 권선 및 2차 권선을 모두 배치하기 위해서는 6개의 금속층과 5개의 PCB 유전체층이 필요하다. 보조권선이 추가될 경우 PCB 기판의 적층수가 더욱 많아지게 되므로 평면 트랜스포머의 제조비용이 상승하게 되고 PCB 기판층의 두께가 두꺼워짐에 따라 전체 트랜스포머의 크기가 커지게 된다.

따라서 소형화를 위해서는 적층되는 기판의 수를 줄일 필요가 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 기판의 수를 줄여 소형화가 가능한 공통 권선 평면 트랜스포머를 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 공통 권선 평면 트랜스포머에서, 상기 2차 권선과 보조권선은 동일 평면에서 일정 간격으로 근접 배치될 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 공통 권선 평면 트랜스포머에서, 상기 2차 권선과 보조권선은 서로 교대로 배치될 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 공통 권선 평면 트랜스포머에서, 상기 제1 금속층에는 상기 1차 권선과 연결되는 1차 권선단자가 더 형성되고, 상기 제2 금속층에는 상기 2차 권선과 연결되어 2차 권선단자 및 보조권선에 연결되는 보조권선 단자가 더 형성될 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 공통 권선 평면 트랜스포머에서, 상기 1차 권선, 2차 권선 및 보조권선은 상기 제1 관통홀 및 제2 관통홀 둘레를 따라 이중 나선 구조로 형성될 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 공통 권선 평면 트랜스포머에서, 상기 코어는 하부코어와 상부코어로 구성되고, 상기 하부코어는 상기 제1 관통홀을 관통하는 제1 돌출부 및 상기 제2 관통홀 관통하는 제2 돌출부를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 공통 권선 평면 트랜스포머에서, 상기 1차 권선은 제1 연결선을 통해 상기 제1 권선단자와 연결되고, 상기 2차 권선은 제2 연결선을 통해 상기 제2 권선단자와 연결되고, 상기 보조권선은 제3 연결선을 통해 상기 보조권선단자와 연결될 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 공통 권선 평면 트랜스포머에서, 상기 2차 권선과 보조권선은 권선비가 동일할 수 있다.

상기 2차 권선과 보조권선은 권선폭이 서로 상이할 수 있다.

본 발명의 실시예에 의하면, 종래의 평면형 트랜스포머에 비해 에너지 효율이 우수하다.

본 발명의 실시예에 의하면, 종래의 평면형 트랜스포머에 비해 보다 적은 기판으로 구성할 수 있어 트랜스포머의 두께를 얇게 할 수 있다.

본 발명의 실시예에 의하면, 종래의 평면형 트랜스포머에 비해 보다 가볍다.

본 발명의 실시예에 의하면, 페라이트 코어의 상단면을 얇은 평면형태로 만들 수 있어서 원가 절감할 수 있다.

본 발명의 실시예에 의하면, 이중 나선형 구조로 인한 효율 향상으로 2차 권선의 금속 두께를 줄일 수 있다.

본 발명의 실시예에 의하면, 2차 권선과 보조권선을 동일층에 배치하여 기판의 층수 및 금속층의 두께를 줄일 수 있다.

본 발명의 실시예에 의하면, 2차 권선과 보조권선을 동일층에 배치하여 1차 권선에 대해 자기 결합을 원활히 할 수 있다.

본 발명의 실시예에 의하면, 2차 권선과 보조권선을 동일층에 배치하여 1차 권선과 함께 양면 기판을 사용할 수 있다.

본 발명의 실시예에 의하면, 종래의 평면형 트랜스포머에 비해 보다 적은 PCB 기판 적층으로 시스템에 온 보드(On-board)가 가능하다.

본 발명의 실시예에 의하면, 적층되는 기판의 감소로 인한 위/아래층의 선로패턴에서 발생하는 권선 캐패시턴스(winding capacitance)가 감소하여 효율을 개선할 수 있다.

도 1은 종래기술에 따른 트랜스포머를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 공통 권선 평면 트랜스포머를 나타낸 것이다.
도 3은 상기 도 2의 (b)를 확대하여 도시한 것이다.
도 4는 상기 도 2의 (c)를 확대하여 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 공통 권선 평면 트랜스포머의 분해 사시도를 나타낸 것이다.
도 6은 종래의 평면 트랜스포머와 본 발명에 의한 공통 권선 평면 트랜스포머를 비교한 것이다.
도 7은 종래의 평면 트랜스포머와 본 발명에 의한 공통 권선 평면 트랜스포머의 자속밀도를 비교 도시한 것이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

도면들에 있어서, 본 발명의 실시 예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니며 명확성을 기하기 위하여 과장된 것이다. 본 명세서에서 특정한 용어들이 사용되었으나. 이는 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이며, 의미 한정이나 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 권리 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다.

본 명세서에서 ‘및/또는’이란 표현은 전후에 나열된 구성요소들 중 적어도 하나를 포함하는 의미로 사용된다. 또한, ‘연결되는/결합되는’이란 표현은 다른 구성요소와 직접적으로 연결되거나 다른 구성요소를 통해 간접적으로 연결되는 것을 포함하는 의미로 사용된다. 본 명세서에서 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 또한, 명세서에서 사용되는 ‘포함한다’또는 ‘포함하는’으로 언급된 구성요소, 단계, 동작 및 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및 소자의 존재 또는 추가를 의미한다.

또한, '제1, 제2' 등과 같은 표현은, 복수의 구성들을 구분하기 위한 용도로만 사용된 표현으로써, 구성들 사이의 순서나 기타 특징들을 한정하지 않는다.

실시예들의 설명에 있어서, 각 층(막), 영역, 패턴 또는 구조물들이 기판, 각 층(막), 영역, 패드 또는 패턴들의 "상/위(on)"에 또는 "하/아래(under)"에 형성된다는 기재는, 직접(directly) 또는 다른 층을 개재하여 형성되는 것을 모두 포함한다. 각 층의 상/위 또는 하/아래에 대한 기준은 도면을 기준으로 설명한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 공통 권선 평면 트랜스포머를 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 공통 권선 평면 트랜스포머를 나타낸 것으로, 도 2의 (a)은 평면형 트랜스포머 전체를 나타낸 사시도이고, (b)는 상부 코어(11)를 제거한 모습은 나타낸 사시도이고, (c)는 코어부(10) 및 기판(20)을 제거한 모습을 나타낸 사시도이고, (d)는 1차 권선과 2차 권선을 분리하여 도시한 것이다.

도 3은 상기 도 2의 (b)를 확대하여 도시한 것이고, 도 4는 상기 도 2의 (c)를 확대하여 도시한 것이고, 도 5는 상기 공통 권선 평면 트랜스포머의 분해 사시도를 나타낸 것이다.

도 2 및 도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 평면형 트랜스포머는 코어부(10), 기판(20) 및 금속층(30)을 포함한다.

상기 코어부(10)는 서로 전자기 결합하는 한쌍의 페라이트 코어(11, 12)로 구성될 수 있다. 즉, 상부 코어(11)와 하부코어(12)가 결합된 형태이다. 상기 상부 코어(11)와 하부 코어(12)는 각각 양쪽 끝단이 돌출된 돌출부(13, 14)가 형성되어 있으며, 돌출부(13, 14))는 사각형 형상일 수 있다.

상기 돌출부(13, 14)는 기판(20)에 형성된 관통홀(H1, H2)을 각각 관통하며, 상기 관통홀(H1, H2) 주위로 나선형의 권선이 형성된다. 상기 돌출부(13, 14)는 상부 코어(11)와 접촉하여 접촉면을 형성한다. 그리고 하부 코어(12)의 양쪽 끝단도 돌출될 수 있는데, 상부 코어(11)와 접촉하여 접촉면을 형성한다. 즉, 4개의 접촉면이 형성되어 자속 형성에 기여하게 된다. 자속 형성과 관련해서는 후술하기로 한다.

상기 기판(20)은 양면 기판으로, 기판의 하단면과 상단면에 각각 금속층(30)이 형성될 수 있다. 상기 기판에는 제1 관통홀(H1) 및 제2 관통홀(H2)이 형성될 수 있다.

상기 금속층(30)은 기판(20)의 하단면에 형성되는 제1 금속층(31) 및 상기 기판의 상단면에 형성되는 제2 금속층(32)을 포함할 수 있다.

상기 제1 금속층(31)은 1차 권선(310)을 형성하고, 상기 제2 금속층(32)은 2차 권선(320)과 보조권선(330)을 형성할 수 있다.

또한, 상기 제1 금속층(31)은 1차 권선(310)과 연결되는 1차 권선단자(L1)를 더 형성할 수 있고, 상기 제2 금속층(32)은 상기 2차 권선(320)과 전기적으로 연결되는 2차 권선단자(L2) 및 상기 보조권선(330)과 전기적으로 연결되는 보조권선단자(L3)를 더 형성할 수 있다.

그리고 상기 1차 권선(310)과 1차 권선단자(L1)는 제1 연결선(41)을 통해 연결되고, 상기 2차 권선(320)과 2차 권선단자(L2)는 제2 연결선(42)을 통해 연결되고, 보조권선(330)과 보조권선단자(L3)는 제3 연결선(43)을 통해 연결될 수 있다.

상기 권선단자들(L1, L2, L3)은 모두 +단자와 -단자를 구성되어 있으며, 연결선(41, 42, 43) 역시 +/-단자에 각각 연결되는 + 단자 연결선과 -단자 연결선으로 구성되어 있다.

상기 1차 권선(310), 2차 권선(320), 및 보조권선(330)은 상기 관통홀(H1, H2) 주변으로 이중 나선 구조의 권선이 형성될 수 있다.

이때 상기 2차 권선(320)과 보조권선(330)은 동일 평면상에서 일정 간격으로 배치될 수 있다. 즉, 2차 권선과 보조권선은 공통권선 방식으로 구성되며, 서로 교대로 배치되어 이중 나선을 형성한다.

따라서 상기 2차 권선(320)과 보조권선(330)은 권선수가 동일하다. 하지만 권선의 너비는 서로 다를 수 있고, 본 실시예에서는 2차 권선(320)의 너비가 보조권선(330)의 너비보다 너 넓게 형성되어 있다.

상기 1차 권선(310)은 제1 관통홀(H1) 둘레를 따라 하나의 나선(311)이 형성되고, 제2 관통홀(H2) 둘레를 따라 다른 하나의 나선(312)이 형성되고, 이들 나선은 서로 연결부(313)를 통해 연결되어 하나의 권선을 형성할 수 있다.

상기 2차 권선(320) 역시 1차 권선과 마찬가지로 제1 관통홀(H1) 둘레를 따라 하나의 나선(321)이 형성되고, 제2 관통홀(H2) 둘레를 따라 다른 하나의 나선(322)이 형성되고, 이들 나선은 서로 연결부(323)를 통해 연결되어 하나의 권선을 형성할 수 있다.

상기 보조권선(330) 역시 마찬가지로 제1 관통홀(H1) 둘레를 따라 하나의 나선(331)이 형성되고, 제2 관통홀(H2) 둘레를 따라 다른 하나의 나선(332)이 형성되고, 이들 나선은 서로 연결부(333)를 통해 연결되어 하나의 권선을 형성할 수 있다.

상기 권선들의 권선수는 트랜스포머의 출력 전압에 따라 다양하게 설정 가능하다. 일 실시예로, 1차 권선(310)은 40턴(turn)일 수 있고, 2차 권선(320)과 보조권선(330)은 4턴일 수 있다.

상기와 같이 권선을 이중 나선 구조로 형성함으로써 종래의 평면 트랜스포머에 비해 기판의 수를 반으로 줄일 수 있고, 2차 권선과 보조권선을 동일 평면에 공통 권으로 형성함으로써 두께를 더욱 더 줄일 수 있다.

종래에는 1차 권선에 40턴을 형성하기 위해서는 8턴(turn)의 평면 권선이 5개 층의 금속층이 필요하고 그에 따라 기판의 수도 증가하게 되어 트랜스포머의 전체 두께가 두꺼울 수밖에 없다.

하지만, 본 발명에서는 권선을 이중 나선으로 형성하고, 2차 권선과 보조권선을 공통 권선으로 사용하여 한 개층의 기판층만으로 종래와 동일한 효과를 낼 수 있다.

도 6은 종래의 평면 트랜스포머와 본 발명에 의한 공통 권선 평면 트랜스포머를 비교한 것으로, 도 6의 (a)는 종래의 평면 트랜스포머를 나타낸 것이고 (b)는 본 발명에 의한 공통 권선 평면 트랜스포머는 나타낸 것이다.

도 6을 참조하면, 종래 평면 트랜스포머의 두께(t1)이 본 발명에 의한 평면 트랜스포머의 두께(t2)보다 두꺼운 것을 확인할 수 있다.

이하에서는 본 발명에 의한 공통 권선 평면 트랜스포머의 동작을 설명한다.

기판(20)에 형성되어 있는 이중 나선형 권선은 코어부(10)의 상부 코어(11)와 하부 코어(12)의 돌출부(13, 14)가 밀접하게 접촉이 된다. 이 때 1차 권선단자(L1)를 통해 설정된 전류가 인가되면 1차 권선에서 발생된 자기장은 하부 코어(12)의 좌측 돌출부(13)과 하부 코어(12)의 우측 돌출부(14)를 중심으로 폐루프가 형성이 되기 때문에 자속(magnetic flux)이 흐르게 된다.

이 자속(magnetic flux)은 2차 권선에 유기되어 자기장이 발생되며, 이 때 2차 권선단자를 통해 권선비에 의해서 설정된 전류가 흐르게 된다.

도 7은 자속밀도를 비교 도시한 것으로, 도 7의 (a)는 종래 기술에 의한 평면 트랜스포머의 자속 밀도를 나타낸 것이고, (b)는 본 발명에 의한 공통 권선 평면 트랜스포머의 자속 밀도를 나타낸 것이다.

도 7을 참조하면, 종래의 평면형 트랜스포머는 상/하단의 페라이트 코어의 단일 중심부 돌출부가 구비된다. 또한 중심부 양쪽에 페라이트 코어 접촉면이 구비되어 모두 3개의 접촉면이 형성된다. 이 때 제1 자속(magnetic flux, 71)과 제2 자속(magnetic flux, 72)이 형성되어 평면형 트랜스포머의 자속밀도를 구성하게 된다.

그러나 듀얼 코어 평면형 트랜스포머는 페라이트 코어 양쪽 가장 자리의 접촉부, 및 중심부 돌출부 양쪽에 구비되어 있는 2개의 접촉면이 형성되어 모두 4개의 접촉면이 형성이 된다. 이 때 제1 자속(magnetic flux, 73)과 제2 자속(magnetic flux, 74)이 형성되고, 제1 중심부 접촉면과 제2 중심부 접촉면이 형성되는 폐루프에 주된 자속인 제3 자속(magnetic flux, 75)이 형성되어, 듀얼 코어 평면형 트랜스포머의 자속밀도를 구성하게 된다.

듀얼 코어 평면형 트랜스포머의 자속밀도가 평면형 트랜스포머의 자속밀도보다 높기 때문에 보다 효율적으로 에너지(전력)을 이동시킨다.

이는 듀얼코어 평면형 트랜스포머가 통상적인 평면형 트랜스포머보다 에너지 효율이 우수하다는 점을 알 수 있다.

이상에서 본 발명에 따른 실시예들이 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 범위의 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 다음의 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.

10 : 코어부
20 : 기판
30 : 금속층
31 : 제1 금속층
32 : 제2 금속층
310 : 1차 권선
320 : 2차 권선
330 : 보조권선
41, 42, 43 :연결선

Claims

서로 전자기 결합되는 한쌍의 코어를 갖는 코어부;
상기 한쌍의 코어 사이에 배치되고, 제1 관통홀 및 제2 관통홀이 형성된 기판;
상기 기판의 하단면에 형성되어 1차 권선을 형성하는 제1금속층; 및
상기 기판의 상단면에 형성되어 2차 권선 및 보조권선을 형성하는 제2 금속층을 포함하는 공통 권선 평면 트랜스포머.
제1항에 있어서,
상기 2차 권선과 보조권선은 동일 평면에서 일정 간격으로 근접 배치되는 공통 권선 평면 트랜스포머.
제1항에 있어서,
상기 2차 권선과 보조권선은 동일 평면에서 서로 교대로 배치되어 있는 공통권선 평면 트랜스포머.
제1항에 있어서,
상기 제1 금속층에는 상기 1차 권선과 연결되는 1차 권선단자가 더 형성되고,
상기 제2 금속층에는 상기 2차 권선과 연결되어 2차 권선단자 및 보조권선에 연결되는 보조권선단자가 더 형성되는 공통 권선 평면 트랜스포머.
제1항에 있어서,
상기 1차 권선, 2차 권선 및 보조권선은 상기 제1 관통홀 및 제2 관통홀 둘레를 따라 이중 나선 구조로 형성되는 공통 권선 평면 트랜스포머.
제1항에 있어서,
상기 코어는 하부코어와 상부코어로 구성되고,
상기 하부코어는 상기 제1 관통홀을 관통하는 제1 돌출부 및 상기 제2 관통홀 관통하는 제2 돌출부를 포함하는 공통 권선 평면 트랜스포머.
제4항에 있어서,
상기 1차 권선은 제1 연결선을 통해 상기 제1 권선단자와 연결되고,
상기 2차 권선은 제2 연결선을 통해 상기 제2 권선단자와 연결되고,
상기 보조권선은 제3 연결선을 통해 상기 보조권선단자와 연결되는 공통 권선 평면 트랜스포머.
제1항에 있어서,
상기 2차 권선과 보조권선은 권선비가 동일한 공통 권선 평면 트랜스포머.
제1항에 있어서,
상기 2차 권선과 보조권선은 권선폭이 서로 상이한 공통 권선 평면 트랜스포머.