TW202242922A - 電源變壓器的平面繞組結構 - Google Patents
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Abstract
本案提供了一種印刷電路板型的平面繞組結構,用於主電源變壓器和/或輔助電源的需求。印刷電路板型的平面繞組結構可以通過磁芯電位控制來限制電場,從而為中壓應用創建出無局部放電的設計。同時,繞組結構可以在印刷電路板製造過程中形成,藉以創建出更具模組化和可靠性的結構,從而提高可製造性。而終端連接處理、初級和次級繞組佈置等技術則可用於控制中壓應用中的電應力。
Description
本案係關於一種於電源變壓器中使用的平面繞組結構,尤指一種用於中壓電源變壓器的平面繞組結構。
由於中壓配電在數據中心、電動汽車充電和其他新興應用中的使用增加,其低傳導損耗和潛在的較小占用空間也變得越來越受青睞。在中壓應用中(例如,4 kV左右至 13.8 kV左右),傳統作法需要體積龐大的電源頻率變壓器(line frequency transformer)來將中壓交流(medium voltage alternating current,MVAC)的電源降壓至低壓交流(alternating current,AC)或直流(direct current,DC)的電源,以供負載直接使用。為了克服電源頻率變壓器的缺點,遂開發了固態變壓器 (solid-state transformer,SST))的技術,以利用半導體元件的高頻操作來創建高頻脈寬調製 (pulse width modulation,PWM)的交流鏈路。其中,因所採用的伏秒(volt-seconds)低許多,故有可能減少被動式變壓器的佔用空間(參見參考文獻[1])。然而,高頻被動式變壓器的尺寸減小與工作頻率並不成反比,原因在於可靠的絕緣必須介於高壓和低壓繞組之間 (參見參考文獻[2])。
對中壓高頻變壓器設計而言,其目標可概括如下。 首先,中壓變壓器需無局部放電(partial discharge,PD)。局部放電係長期運行中最常見的退化原因之一。若絕緣材料由聚合物材料製成更是如此。無局部放電可確保部署後的長期使用壽命。其次,考慮到成本和製造簡易性,模組化解決方案和/或業界長期公認技術即為首選。第三,變壓器需要有更高的效率和更高的功率密度。尤其是在固態解決方案與傳統的電源頻率解決方案進行比較時,高效率更為一個關鍵的性能指標。同時,由於大多數絕緣材料的導熱性較差,因此越高的效率會對變壓器產生越小的熱應力,故熱能可被輕鬆移除。
第1圖係揭示習知絞合線封裝變壓器的解決方案示意圖。參見參考文獻[3]。在習知絞合線封裝變壓器的解決方案中,初級側和次級側均使用李茲線(Litz wire),即絞合線所構成。由於絞合線是由多股相互電絕緣的小股線所組成,而在灌封過程中很難控制小股線之間的間隙和氣泡,因此絞合線與環氧基的絕緣體結合很難控制其絕緣的品質。這主要是因為環氧基絕緣體通常具有較高的粘度,且在絞合線股線之間形成小空隙也是不可避免的。據此,一種解決方案是使用兩層絕緣材料分兩步施加。而兩層結構的製造需使用模具。低粘度絕緣材料,例如矽基絕緣體,可用於形成第一絕緣層。將絞合線放入模具後,即可施加矽基絕緣體。由於矽基絕緣體具有低粘度,因此矽基絕緣體可以填充不同股線之間的小間隙。然後,將矽基絕緣體固化後,再放入第二模具中以形成環氧樹脂基絕緣體。其中環氧樹脂基絕緣體具有更高的粘度,並可提供更好的擊穿強度。此方案無需擔心環氧樹脂絕緣體中會形成潛在空隙,因為環氧樹脂絕緣體並不接觸絞合線。待試品用環氧樹脂(主絕緣體)層固化後,更可以在絕緣體外部施加額外的屏蔽層,以將電場限制在絕緣體內。然而,此解決方案非常複雜,需要使用定制模具進行複數個步驟以完成固化過程,亦不具模組化解決方案的特性,難以量產。
第2圖係揭示另一習知變壓器設計,其係於磁芯之間插入間隙,並將變壓器分成低壓(LV)側和高壓(HV)側兩部分。參見參考文獻[4]。在此一解決方案中,初級繞組和次級繞組設置在變壓器的兩側,由間隙和其間的絕緣體隔開。磁芯的兩個分離部分不再共享相同或相似的電位。由於鐵芯之間刻意設置了間隙,因此可以減輕高壓側繞組與高壓側磁芯之間或低壓繞組與低壓側磁芯之間的絕緣要求。然而,其衍生的問題可能會消弭此解決方案的好處。首先,由於此解決方案需以間隙結構來提供主要絕緣,因此在此設計中電氣性能與絕緣性能具有相關性。然而於一些諧振轉換器應用中,變壓器的磁感需要控制在一預定範圍內以實現軟開關並保持較小的循環能量。若間隙太大,磁感可能太小,將使循環能量太多,從而導致不必要的傳導損耗。其次,此解決方案在某些應用中無法實現,因為無論是高壓側還是低壓側,磁芯都需接地。
第3圖係揭示使用同軸結構來形成變壓器初級側和次級側的習知解決方案示意圖。參見參考文獻[5]。此一解決方案具有兩個好處。首先,其係通過同軸電纜絕緣層形成絕緣結構,因此絕緣性能可以在電纜側獲得很好地控制,且不需以環氧樹脂或矽基封裝進行更多的後續處理。其次,電纜的內導電層內還有另一個中空空間,因此液體冷卻是可能的。若有需要,冷卻劑可以流入管道以去除熱量。但是,此一解決方案也面臨一些挑戰。首先,電纜的內管係由剛性金屬所製成。為了形成繞組,金屬勢必要彎曲。而在滿足最小彎曲比的條件下,亦需確保包裹導體的絕緣層無裂紋產生。這意味著難以形成符合較小彎曲比的形狀。其次,同軸結構較適合於1:1匝數比設計,卻很難實現在中壓應用中常見的需降低或升高初級側和次級側之間電壓的設計。
第4圖揭示習知使用印刷電路板進行中壓應用的解決方案。參見參考文獻[6]。於此一方案中,初級繞組和次級繞組僅呈規則的螺旋結構,並相互堆疊以填充磁芯的窗口區域。參考文獻[6]並沒有提出任何關於中壓運行的結果,但提到此一解決方案可以浸入油箱中,以用於潛在的高壓環境。然而,在中壓應用中,係以乾式變壓器較易維護。
有鑑於此,實有必要提供一種模組化且易於製造的電源變壓器解決方案以進行中壓應用。該電源變壓器解決方案需要無局部放電產,且具有更高的效率和更好的散熱能力,並可實現初級和次級之間的低噪聲耦合。
參考文獻:
1. J. Wang, A. Q. Huang, W. Sung, Y. Liu and B. J. Baliga, "Smart grid technologies," in IEEE Industrial Electronics Magazine, vol. 3, no. 2, pp. 16-23, June 2009, doi: 10.1109/MIE.2009.932583.
2. D. Rothmund, G. Ortiz, T. Guillod and J. W. Kolar, "10kV SiC-based isolated DC-DC converter for medium voltage-connected Solid-State Transformers," 2015 IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC), Charlotte, NC, USA, 2015, pp. 1096-1103, doi: 10.1109/APEC.2015.7104485.
3. Q. Chen, etc "High Frequency Transformer Insulation in Medium Voltage SiC enabled Air-cooled Solid-State Transformers," 2018 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE), Portland, OR, USA, 2018, pp. 2436-2443, doi: 10.1109/ECCE.2018.8557849.
4. S. Zhao, Q. Li, F. C. Lee and B. Li, "High-Frequency Transformer Design for Modular Power Conversion From Medium-Voltage AC to 400 VDC," in IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 33, no. 9, pp. 7545-7557, Sept. 2018, doi: 10.1109/TPEL.2017.2774440.
5. L. Heinemann, "An actively cooled high power, high frequency transformer with high insulation capability," APEC. Seventeenth Annual IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (Cat. No.02CH37335), Dallas, TX, USA, 2002, pp. 352-357 vol.1, doi: 10.1109/APEC.2002.989270.
6. C. Loef, R. W. De Doncker and B. Ackermann, "On high frequency high voltage generators with planar transformers," 2014 IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition - APEC 2014, Fort Worth, TX, USA, 2014, pp. 1936-1940, doi: 10.1109/APEC.2014.6803571.
本案之目的在於提供一種平面繞線結構,其結構包括絕緣平板、複數個導電層、第一端子和第二端子以及屏蔽層。絕緣平板具有繞組部和端子部,繞組部的中央部分具有通孔。複數個導電層埋設於絕緣平板的繞組部內,且通過一或複數個埋孔而彼此電性連接。複數個導電層被圖案化以構成圍繞通孔的變壓器繞線。第一端子和第二端子位於絕緣平板的端子部,且每一第一端子和第二端子均電連接到相應的一個導電層。屏蔽層塗覆於絕緣平板的繞組部的外表面。
於一實施例中,平面繞組結構更包括一屏蔽邊緣處理層,位於屏蔽層與第一端子和第二端子之間的端子部中。
於一實施例中,平面繞組結構還包括電氣套管,電氣套管具有灌封部和中空部,其中絕緣平板的端子部容置於灌封部內。
於一個實施例中,電氣套管更包括端子塊,位於灌封部中,以電性和機械地支撐第一端子和第二端子。
於一個實施例中,平面繞組結構還包括均壓環結構,嵌設於絕緣平板的端子部內。
於一個實施例中,均壓環結構包括一外部接地環以及一內部接地環。外部接地環位於絕緣平板的一外表面,靠近繞組部和端子部的界面。內部接地環嵌設於絕緣平板中,並通過一個或複數個盲孔與外部接地環電連接。
於一實施例中,均壓環結構包括複數個均壓環以及至少一電阻器。複數個均壓環嵌設於絕緣平板的端子部,並自繞組部與端子部的界面沿水平方向延伸。至少一電阻器嵌設於絕緣平板的端子部內,且電連接到相鄰的均壓環。
於一個實施例中,距離界面最遠的一個均壓環係電連接到第一端子和第二端子中之一者。
於一實施例中,平面繞組結構還包括複數個電磁干擾屏蔽層,嵌設於絕緣平板中,其中導電層嵌設於絕緣平板,且位於複數個電磁干擾屏蔽層之間。
於一實施例中,屏蔽層包括一半導體材料。
於一實施例中,絕緣平板包括FR4材料。
本案另一目的在於提供一種電源變壓器,其結構包括前述平面繞組結構、磁芯以及次級繞組結構。其中次繞組結構係通過磁芯與平面繞組結構磁耦合。
於一實施例中,部分磁芯設置於絕緣平板的通孔內。
於一實施例中,次級繞組結構電性連接至平面繞組結構的屏蔽層。
本案再一目的係提供一種平面繞組結構,其結構包括絕緣平板、第一繞線組以及第二繞線組。其中絕緣平板的中央部分具有一通孔,以容置一磁芯。第一繞線組設置於絕緣平板上,且第一繞線組環繞通孔並靠近通孔的周圍。第二繞線組設置於絕緣平板上,且第二繞線組環繞通孔。第二繞線組與通孔的周圍相隔一第一距離,並與平面繞線結構的邊緣相隔一第二距離。
於一實施例中,平面繞線結構更包括一第三繞線組,設置於絕緣平板上,且第三繞線組環繞通孔且靠近絕緣平板的邊緣。
於一實施例中,第一距離和第二距離相等。
於一實施例中,第一距離和第二距離的百分比差異小於20%。
本案又一目的係提供一種平面繞組結構,其結構包括絕緣平板、第一高壓繞組以及第一低壓繞組。絕緣平板具有第一通孔和第二通孔,用以容置一磁芯。第一高壓繞組設置於絕緣平板上。第一高壓繞組環繞第一通孔並靠近第一通孔的周圍。第一低壓繞組設置於絕緣平板上。第一低壓繞組環繞第二通孔並與第二通孔的周圍相隔一第一距離。
於一實施例中,平面繞組結構還包括一第二高壓繞組以及一第二低壓繞組。第二高壓繞組設置於絕緣平面板上,第二高壓繞組環繞第二通孔並靠近第二通孔的周圍。第二低壓繞組設置於絕緣平板上,第二低壓繞組環繞第一通孔並與第一通孔的周圍相隔一第二距離。
於一實施例中,第一低壓繞組和第二低壓繞組係串聯電連接。
高頻變壓器是中壓應用領域中的一關鍵部件。相較於傳統的工頻變壓器(line-frequency transformer),高頻變壓器由於功率級高頻操作和較小的應用伏秒,故可形成更小的尺寸和重量。且高頻變壓器的絕緣設計至關重要,更需要滿足無局部放電、易於製造、效率更高、熱性能更好等設計目標。
本案提供了一種印刷電路板(PCB)型平面結構變壓器的技術,以形成主電源變壓器和輔助電源變壓器。於本案實施例中,可通過磁芯電位控制提供一受限電場,從而為中壓(MV)應用創建無局部放電(PD)設計。同時,繞組結構可以通過PCB製造過程形成,創建更具模塊化和可靠性的結構,從而提高可製造性。其他諸如終端連接處理、初級和次級繞組佈置等技術也可用於控制中壓應用中的電應力。
在中壓應用中,有兩種類型的變壓器可以使用。第一種是主電源變壓器。如上所述,主電源變壓器被用來代替傳統的工頻變壓器。 因此,從高壓(初級)側輸送到低壓(次級)側的所有電源都需要流經主電源變壓器。第二種變壓器是輔助電源變壓器,用於高壓側的輔助電源應用。高壓側可例如是但不限於柵極驅動器電源、傳感器電源或整流轉換器或DC-DC轉換器所需的其他偏置電源。
對於主電源變壓器言,其通常係於初級側施加高壓,經過降壓功能後,變壓器的低壓輸出再連接到次級側。因此,初級高壓側繞組需採高電壓和低電流設計,而次級側繞組則需採低電壓和大電流設計。於本案實施例中,便提供了一種PCB型高壓繞組的解決方案。
第5圖係揭示本案實施例中用於電源變壓器的印刷電路板(PCB)型平面繞組結構500的透視圖。其中PCB型平面繞組結構500包括繞組部510和端子部520。
參見第5圖,繞組部510包括PCB板511,大致呈帶圓角的矩形形狀,厚度範圍介於1 mm至6 mm之間。在一些實施例中,PCB板511更例如包括一通孔512,形成在PCB板511的中心部分,用以容置一磁芯。於本實施例中,端子部520例如形成於PCB板511的一延伸部分上,其寬度較繞組部510的PCB板511的寬度窄,例如約為繞組部510的PCB板511的一半。端子部520包括第一端子521和第二端子522,分別形成在PCB板511的延伸部分上,用以將電流導入和/或導出平面繞組結構500。於一實施例中,第一端子521、第二端子522例如穿過PCB板511並且暴露在PCB板511的兩個表面上。一個或多個導電層例如嵌設於PCB板511中,並與第一端子521和第二端子522電連接,以構成環繞通孔512的繞線線圈。於一實施例中,繞組部510的外表面例如塗覆屏蔽層,且在PCB板511延伸至端子部520之前的界面上具有屏蔽邊緣523。可理解地,PCB板511和通孔512依據設計選擇可為任何形狀(例如,矩形、圓形、橢圓形等)和任何合適的尺寸的平面結構。
再參見第5圖,於一實施例中,端子部520更例如附加包括端子殼體530,其具有第一隔室531和第二隔室532。第一隔室531和第二隔室532例如由一絕緣壁533所隔開。如第5圖所示,第一隔室531容置第一端子521和第二端子522,且包圍PCB板511的延伸部分。於一實施例中,第一隔室531由例如環氧樹脂的絕緣材料所灌封,以作為一屏蔽邊緣處理層而使電場平滑,細節將於後進一步詳述。應當理解,於本實施例中,屏蔽邊緣523由第一隔室531中的絕緣材料所完全覆蓋。
於本實施例中,第二隔室532包括提供所需爬電距離的中空空間以及用於與外部電源連接的電氣套管。絕緣壁533上可形成通孔,使得第一端子521和第二端子522得以連接到外部電源。端子塊534、535例如由金屬等導電材料所製成,更為外部電源與第一端子521和第二端子522之間的連接提供了電氣和機械支撐。於一實施例中,絕緣壁533和端子塊534、535更例如以一金屬螺釘(未圖示)貫穿。於一些實施例中,當複數個PCB板如第15圖所示而串聯連接時,端子殼體530可在複數個PCB板組裝後於變壓器級進行修改並應用。
第6圖係揭示第5圖中PCB型平面繞組結構500沿A-A線段的截面圖,其中包含本案實施例的屏蔽邊緣處理層。第7圖係揭示第5圖中PCB型平面繞組結構500沿B-B線段的截面圖。
參見第6圖與第7圖,於本實施例中,PCB型平面繞組結構500包括四個導電層513(由銅或其他合適的金屬材料所製成),以串列方式(cascaded manner)連接,且嵌設於PCB板511中。可理解的是,依設計選擇,平面繞組結構500可以使用任何適當數量的導電層513。如第6圖與第7圖所示,本實施例僅利用內層作為高壓繞組來進行導電。導電層513間主要通過PCB板511的PCB材料而彼此絕緣,並且通過埋孔514而電連接。於其他實施例中,埋孔514可例如填充環氧樹脂。於一實施例中,PCB板511由絕緣材料,例如FR4材料,所製成,以作為導電層513之間的絕緣層。由於PCB的FR4材料已廣泛應用於相關行業成為電源或控制板。FR4內部或FR4到內部銅層之間的品質和空隙缺陷均可獲致良好的控制,故可極盡限度地消弭內部局部放電(PD)或層別間局部放電的缺陷。
於一實施例中,PCB板511的外表面塗有屏蔽層515,該屏蔽層515可以由諸如碳導電塗料的半導體材料所製成。其中半導體材料所製成的屏蔽層515可例如與低壓側共享相同的電位。如此,若屏蔽層515於屏蔽邊緣523處突然終止,則在屏蔽邊緣523周圍將存在高電應力。為了避免此強電場的發生,於一實施例中,需以一屏蔽邊緣處理層524來平滑電場。
第8圖係揭示第5圖中PCB型平面繞組結構500沿C-C線段的截面圖,其中包含有本實施例的均壓環結構800。第9圖係揭示第5圖中PCB型平面繞組結構500沿D-D線段的截面圖。
參見第8圖與第9圖,於本實施例中,在導電層513和屏蔽層515之間引入均壓環結構800以減小電場應力。應當理解,均壓環結構800可以單獨存在或與第6圖中的屏蔽邊緣處理層524結合來降低電場應力。不同於第6圖所示以屏蔽邊緣523來終止接地電位,於本實施例中,接地電位可例如通過外部接地環810、盲孔820和內部接地環830延伸到內部PCB結構中。外部接地環810在PCB製造過程中一起形成,可視為PCB板511外表面上的一外層。當應用屏蔽層515時,屏蔽層515可以覆蓋外部接地環810,從而共享相同的接地電位。盲孔820將接地電位進一步向下電連接至嵌設於PCB板511中的內部接地環830。如此,強電應力將不再存在於屏蔽邊緣523上,而是存在於內部接地環830的邊緣上。
由於內部接地環830被高絕緣材料所包裹,故可以減輕暴露在PCB板511外部的電場。然而,可能需要進一步減小電場,因為覆蓋內部接地環830的絕緣材料(例如,FR4)的有限厚度,可能不會使電場低於空氣擊穿值。因此,可能需要在水平方向上進一步擴展電場。於一實施例中,內部接地環830和第一端子521之間可實施複數個嵌入式均壓環840,以在彼此之間提供一受控電位。均壓環840最初可以單件式製造,然後再蝕刻成複數個均壓環840。藉此電場可由垂直方向至水平方向顯著地降低,從而減少PCB板511外表面的暴露應力。於一實施例中,每個均壓環840的電位可以通過分別連接至相鄰均壓環840之間的嵌入式或埋入式電阻器850來控制。於一些實施例中,埋入式電阻器850的電阻約為10M 歐姆。
如第9圖所示,每個均壓環840包括一上跡線842、一下跡線844和兩個埋孔846,共同形成圍繞導電層513的矩形導電環。均壓環840之間的電阻器850也例如具有矩形環形狀。上跡線842、下跡線844、埋孔846可於PCB製造過程中製造,因此額外勞動需要最少。均壓環840之間的電阻器850也可以在PCB製造過程中製造。於本實施例中,包含五個等距分離的均壓環840,每個均具有矩形封閉迴路,以及五個所述的電阻器850。應當理解,均壓環結構800可以任何合適數量和具有任何合適形狀和/或配置的均壓環840和電阻器850所構成。於一實施例中,離屏蔽邊緣523最遠的一均壓環840則例如電連接至導電層513中之一者或第一端子521和第二端子522中之一者。
電源變壓器的初級側和次級側之間的雜散電容,係由相對於屏蔽層515的高壓繞組(導電層513)決定,屏蔽層515與低壓側共享相同的電位。由於佔位面積相對較大,雜散電容可能無法忽視。第10圖係揭示第5圖中PCB型平面繞組結構沿A-A線段的截面圖,其中包含本案實施例的嵌入式EMI屏蔽層1010、1020。第11圖係揭示第10圖中PCB型平面繞組結構500的各個層別俯視圖。
第10圖所示的PCB型平面繞組結構500與第5圖所示者基本相同。於本實施例中,第10圖所示的平面繞組結構500更包括設置在導電層513上方且與導電層513絕緣的第一嵌入式EMI屏蔽層1010,以及設置在導電層513下方並與導電層513絕緣的第二嵌入式EMI屏蔽層1020。第一嵌入式EMI屏蔽層1010和第二嵌入式EMI屏蔽層1020例如分別通過第一EMI屏蔽端子1011和第二EMI屏蔽端子1021電耦合至PCB板511的外部。PCB板511內部的第一嵌入式EMI屏蔽層1010與第二嵌入式EMI屏蔽層1020為高頻電噪聲提供了一受控的EMI路徑,從而將EMI水平降低至低電壓側。
第12圖係揭示第10圖中PCB型平面繞組結構500的等效電路圖。EMI屏蔽層1010、1020與高壓繞組(導電層513)產生一等效電容C
Psh,並與屏蔽層515產生一等效電容C
Gsh。EMI屏蔽端子1011、1021可連接回初級接地端,使得初級側產生的噪聲可以循環回到初級側,從而減少與變壓器次級側的交互作用。
第13圖係揭示本案實施例中包括兩相同平面繞組模塊1310、1320的初級繞組組件結構1300。第14圖係揭示第13圖中初級繞組組件結構1300的等效電路圖。第15圖係揭示本案實施例中包含第13圖所示初級繞組組件結構1300的變壓器組件結構1500。
參見第13圖至第15圖,於一實施例中,平面繞組模塊1310包括端子1311、1312,而平面繞組模塊1320包括端子1321、1322。當平面繞組模塊1310、1320組合以形成初級繞組組件結構1300時,平面繞組模塊1310、1320之一者沿其縱軸翻轉180度,使得平面繞組模塊1310、1320可以堆疊在彼此的頂部,通孔1313、1323彼此對齊,且端子1312、1322對齊並相互電連接。平面繞組模塊1310、1320可以利用外部螺釘來串聯連接,其等效電路如第14圖所示。於本實施例中,次級側繞組1400可由絞合線製成,初級側可由兩塊板體串聯。初級側繞組1300和次級側繞組1400的佈置可例如是如第15圖所示的並排配置,或呈交錯配置(即,次級側繞組交錯在初級側繞組之間),這取決於所需的漏電感。通過使用外塗屏蔽層,可使屏蔽層的電位限制在低電壓水平,則變壓器組件結構1500的磁芯1510的窗口區域便不需要灌封來填充。其間高壓繞組與低壓繞組堆疊在一起,即便低壓繞組仍為一絞合線。
第16圖係揭示本案實施例中用以保持第13圖所示初級繞組組件結構1300之集成導電線架1600的截面圖。線架1600例如是導電的或者塗有金屬層,使得初級繞組組件結構1300的屏蔽層可以接地,並與低壓側共享相同的電位。如此,在磁芯1510的窗口區域1520中不需要進行灌封,並可以強制空氣冷卻直接去除初級繞組組件結構1300產生的熱量,具有極好的熱效益。
如前所述,除主電源變壓器外,輔助電源變壓器也廣泛用於中壓應用。對於輔助電源變壓器而言,其需具備較低的外形(尤其是較小的高度)以適合功率級外殼。對於平面結構設計,變壓器的高度通常由磁芯所決定。因此,必須妥善地控制磁芯和外殼之間的電位。此外,這些應用尚需要求初級側和次級側之間具有最小的雜散電容,以減少從功率級到控制級的耦合。再者,大多數輔助電源變壓器不需要處理大功率,因此可以將初級側和次級側集成至一個PCB中。
第17圖係揭示本案一實施例中將高壓(HV)繞組1710和低壓(LV)繞組1720集成在同一PCB 1730上以實現較小電場的平面繞組結構1700的俯視圖。第18圖係揭示本案一實施例中將高壓繞組1710和低壓繞組1720集成在同一PCB 1730上以實現較小電場的平面繞組結構1700的截面圖。如第17圖與第18圖所示,平面繞組結構1700包括第一通孔1701和第二通孔1702,並且可與CC型磁芯1800一起使用,以形成變壓器。高壓繞組1710圍著第一通孔1701與第二通孔1702而纏繞,且非常靠近磁芯1800的兩個磁柱1810、1820。低壓繞組1720以類似於高壓繞組1710的形式圍著第一通孔1701與第二通孔1702而纏繞,但相對遠離磁柱1810、1820,且低壓繞組1720是採串聯連接。高壓繞組1710和低壓繞組1720在PCB 1730上彼此分離。在高壓繞組1710和低壓繞組1720與磁芯1800的頂面和底面之間可形成間隙。因為高壓繞組1710非常靠近磁芯1800,磁芯1800的電位可以控制在非常靠近高壓側,這使得電場主要集中在由高壓至低壓的中心區域。
於一實施例中,磁芯1800和平面繞組結構1700可用環氧樹脂或其他絕緣材料灌封,以作為機械支撐且無局部放電。因為沒有絞合線,所以可以使用高粘度的灌封材料進行灌封。同時,由於磁芯電位得到很好的控制,灌封的外殼高度可以非常接近磁芯高度,因為磁芯頂部或底部周圍並無強電場。
第19圖係揭示本案另一實施例中將高壓繞組1910和低壓繞組1920集成在同一PCB 1930上以實現較小電場的平面繞組結構1900的俯視圖。第20圖係揭示本案另一實施例中將高壓繞組1910和低壓繞組1920集成在同一PCB 1930上以實現較小電場的平面繞組結構1900的截面圖。如第19圖與第20圖所示,平面繞組結構1900包括通孔1901,並與EE型磁芯2000一併用以形成一變壓器。高壓繞組1910緊鄰磁芯2000的中心磁柱2010而纏繞。低壓繞組1920圍繞磁芯2000的中心磁柱2010而纏繞,與通孔1901的外圍(或與磁芯2000的中心磁柱2010)形成一第一距離d1,並與平面繞組結構1900的邊緣(或與磁芯2000的側邊磁柱2020形成一第二距離d2。於各種實施例中,第一距離d1和第二距離d2可相同或略有不同(例如,第一距離d1和第二距離d2的百分比差異小於20%)。另外,在高壓繞組1910和低壓繞組1920與磁芯2000的窗口區域的頂面或底面之間則可形成一第三距離d3的間隙。
第21圖係揭示本案再一實施例中將高壓繞組2110和低壓繞組2120集成在同一PCB 2130上以實現較小電場的平面繞組結構2100的俯視圖。第22圖係揭示本案再一實施例中將高壓繞組2110和低壓繞組2120集成在同一PCB 2130上以實現較小電場的平面繞組結構2100的截面圖。如第21圖與第22圖所示,平面繞組結構2100與EE型磁芯2200一併形成一變壓器。其中第21圖與第22圖所示之平面繞組結構2100與第19圖與第20圖所示之平面繞組結構1900基本相同。於本實施例中,平面繞組結構2100更包括兩組高壓繞組2110,其中第一組高壓繞組2110緊鄰磁芯2200的中心磁柱2210而纏繞,而第二組高壓繞組2110則鄰近磁芯2200的側邊磁柱2220之外。低壓繞組2120圍繞磁芯2200的中心磁柱2010而纏繞,與通孔2101(或與中心磁柱2210)的外圍形成一第一距離d1,並與平面繞組結構2100的邊緣(或與側邊磁柱2220)形成一第二距離d2。於一實施例中,第一距離d1和第二距離d2可相同或略微不同(例如,第一距離d1和第二距離d2的百分比差異小於20%)。而在高壓繞組2110和低壓繞組2120與磁芯2200的窗口區域的頂面或底面之間則形成有一第三距離d3的間隙。
第23圖係揭示本案又一實施例中將高壓繞組2310和低壓繞組2320集成在同一PCB 2330上以實現較小電場的平面繞組結構2300的俯視圖。第24圖係揭示本案又一實施例中將高壓繞組2310和低壓繞組2320集成在同一PCB 2330上以實現較小電場的平面繞組結構2300的截面圖。如第23圖與第24圖所示,平面繞組結構2300包括第一通孔2301和第二通孔2302,且平面繞組結構2300與CC型磁芯2400一併用以形成一變壓器。高壓繞組2310圍繞第一通孔2301而纏繞並且非常靠近第一通孔2301的外圍或磁芯2400的第一磁柱2410。低壓繞組2320圍繞第二通孔2302而纏繞,且與磁芯2400的第二磁柱2420形成一距離d4。而在高壓繞組2310和低壓繞組2320與磁芯2400的窗口區域的頂面或底面之間則形成有一第三距離d3的間隙。
出於說明和界定本案的目的,應注意程度的用語(例如,“基本上”、“稍微”、“約略”、“相較”等)在本文中係用於表示其即有程度的不確定性,可將其歸屬於任何定量比較、價值、測量或其他表示。此類程度用語在本文中還可用於表示與所述參考不同的定量 (例如,差異約10%或更少),而不會導致所討論主題的基本功能發生變化。除非本文另有說明,否則本文中出現的任何數值均可通過程度用語(例如,“約略”)進行了修飾,從而反映其即有程度的不確定性。
本案得由熟習此技術之人士任施匠思而為諸般修飾,然皆不脫如附申請專利範圍所欲保護者。
500:平面繞組結構
510:繞組部
511:PCB板
512:通孔
513:導電層
514:埋孔
515:屏蔽層
520:端子部
521:第一端子
522:第二端子
523:屏蔽邊緣
524:屏蔽邊緣處理層
530:端子殼體
531:第一隔室
532:第二隔室
533:絕緣壁
534、535:端子塊
800:均壓環結構
810:外部接地環
820:盲孔
830:內部接地環
840:均壓環
842:上跡線
844:下跡線
846:埋孔
850:電阻器
1010、1020:屏蔽層
1300:初級繞組組件結構
1310、1320:平面繞組模塊
1311、1312:端子
1313、1323:通孔
1321、1322:端子
1400:次級側繞組
1500:變壓器組件結構
1510:磁芯
1520:窗口區域
1600:線架
1700:平面繞組結構
1701:第一通孔
1702:第二通孔
1710:高壓繞組
1720:低壓繞組
1730:PCB
1800:磁芯
1810、1820:磁柱
1900:平面繞組結構
1901:通孔
1910:高壓繞組
1920:低壓繞組
1930:PCB
2000:磁芯
2010:中心磁柱
2020:側邊磁柱
2100:平面繞組結構
2110:高壓繞組
2120:低壓繞組
2130:PCB
2200:磁芯
2210:中心磁柱
2220:側邊磁柱
2300:平面繞組結構
2301:第一通孔
2302:第二通孔
2310:高壓繞組
2320:低壓繞組
2330:PCB
2400:磁芯
2410:第一磁柱
2420:第二磁柱
C
Psh:等效電容
C
Gsh:等效電容
d1:第一距離
d2:第二距離
d3:第三距離
d4:距離
A-A:線段
B-B:線段
C-C:線段
D-D:線段
HV:高壓
LV:低壓
第1圖係揭示習知絞合線封裝變壓器的解決方案示意圖。
第2圖係揭示另一習知變壓器設計,其係於磁芯之間插入間隙,並將變壓器分成低壓(LV)側和高壓(HV)側兩部分。
第3圖係揭示使用同軸結構來形成變壓器初級側和次級側的習知解決方案示意圖。
第4圖揭示習知使用印刷電路板進行中壓應用的解決方案。
第5圖係揭示本案實施例中用於電源變壓器的印刷電路板(PCB)型平面繞組結構的透視圖。
第6圖係揭示第5圖中PCB型平面繞組結構沿A-A線段的截面圖,其中包含有本案實施例的屏蔽邊緣處理層。
第7圖係揭示第5圖中PCB型平面繞組結構沿B-B線段的截面圖。
第8圖係揭示第5圖中PCB型平面繞組結構沿C-C線段的截面圖,其中包含有本實施例的均壓環結構。
第9圖係揭示第5圖中PCB型平面繞組結構沿D-D線段的截面圖。
第10圖係揭示第5圖中PCB型平面繞組結構沿A-A線段的截面圖,其中包含有本案實施例的嵌入式EMI屏蔽層。
第11圖係揭示第10圖中PCB型平面繞組結構的各個層別俯視圖。
第12圖係揭示第10圖中PCB型平面繞組結構的等效電路圖。
第13圖係揭示本案實施例中包括兩相同平面繞組模塊的初級繞組組件結構。
第14圖係揭示第13圖中初級繞組組件結構的等效電路圖。
第15圖係揭示本案實施例中包含第13圖所示初級繞組組件結構的變壓器組件結構。
第16圖係揭示本案實施例中用以保持第13圖所示初級繞組組件結構之集成導電線架的截面圖。
第17圖係揭示本案一實施例中將高壓繞組和低壓繞組集成在同一PCB上以實現較小電場的平面繞組結構的俯視圖。
第18圖係揭示本案一實施例中將高壓繞組和低壓繞組集成在同一PCB上以實現較小電場的平面繞組結構的截面圖。
第19圖係揭示本案另一實施例中將高壓繞組和低壓繞組集成在同一PCB上以實現較小電場的平面繞組結構的俯視圖。
第20圖係揭示本案另一實施例中將高壓繞組和低壓繞組集成在同一PCB上以實現較小電場的平面繞組結構的截面圖。
第21圖係揭示本案再一實施例中將高壓繞組和低壓繞組集成在同一PCB上以實現較小電場的平面繞組結構的俯視圖。
第22圖係揭示本案再一實施例中將高壓繞組和低壓繞組集成在同一PCB上以實現較小電場的平面繞組結構的截面圖。
第23圖係揭示本案又一實施例中將高壓繞組和低壓繞組集成在同一PCB上以實現較小電場的平面繞組結構的俯視圖。
第24圖係揭示本案又一實施例中將高壓繞組和低壓繞組集成在同一PCB上以實現較小電場的平面繞組結構的截面圖。
500:平面繞組結構
510:繞組部
511:PCB板
512:通孔
520:端子部
521:第一端子
522:第二端子
523:屏蔽邊緣
530:端子殼體
531:第一隔室
532:第二隔室
533:絕緣壁
534、535:端子塊
A-A:線段
B-B:線段
C-C:線段
D-D:線段
Claims (21)
- 一種平面繞線結構,包括: 一絕緣平板,具有一繞組部和一端子部,其中該繞組部的中央部分具有一通孔; 複數個導電層,埋設於該絕緣平板的該繞組部內,且通過一個或複數個埋孔而彼此電性連接,其中該複數個導電層被圖案化以構成圍繞該通孔的一變壓器繞線; 一第一端子和一第二端子,位於該絕緣平板的該端子部,且每一該第一端子和該第二端子分別電連接到相應的該複數個導電層之一;以及 一屏蔽層,塗覆於該絕緣平板的該繞組部的一外表面。
- 如請求項1所述的平面繞組結構,更包括一屏蔽邊緣處理層,位於該屏蔽層與該第一端子和該第二端子之間的該端子部中。
- 如請求項1所述的平面繞組結構,更包括一電氣套管,該電氣套管具有一灌封部和一中空部,其中該絕緣平板的該端子部容置於該灌封部內。
- 如請求項3所述的平面繞組結構,其中該電氣套管更包括一端子塊,位於該灌封部中,以電性和機械地支撐該第一端子和該第二端子。
- 如請求項1所述的平面繞組結構,更包括一均壓環結構,嵌設於該絕緣平板的該端子部內。
- 如請求項5所述的平面繞組結構,其中該均壓環結構包括一外部接地環以及一內部接地環,其中該外部接地環位於該絕緣平板的一外表面,靠近該繞組部和該端子部的一界面,其中該內部接地環嵌設於該絕緣平板中,並通過一個或複數個盲孔與該外部接地環電連接。
- 如請求項5所述的平面繞組結構,其中該均壓環結構包括複數個均壓環以及至少一電阻器,該複數個均壓環嵌設於該絕緣平板的該端子部,並自該繞組部與該端子部的一界面沿水平方向延伸,其中該至少一電阻器嵌設於該絕緣平板的該端子部內,且電連接到相鄰的該複數個均壓環。
- 如請求項7所述的平面繞組結構,其中該複數個均壓環中距離該界面最遠的一個係電連接到該第一端子和該第二端子中之一者。
- 如請求項1所述的平面繞組結構,更包括複數個電磁干擾屏蔽層,嵌設於該絕緣平板中,其中該導電層嵌設於該絕緣平板,且位於該複數個電磁干擾屏蔽層之間。
- 如請求項1所述的平面繞組結構,其中該屏蔽層包括一半導體材料。
- 如請求項1所述的平面繞組結構,其中該絕緣平板包括一FR4材料。
- 一種電源變壓器,包括: 一平面繞組結構,包括: 一絕緣平板,具有一繞組部和一端子部,其中該繞組部的中央部分具有一通孔; 複數個導電層,埋設於該絕緣平板的該繞組部內,且通過一個或複數個埋孔而彼此電性連接,其中該複數個導電層被圖案化以構成圍繞該通孔的一變壓器繞線; 一第一端子和一第二端子,位於該絕緣平板的該端子部,且每一該第一端子和該第二端子分別電連接到相應的該複數個導電層之一;以及 一屏蔽層,塗覆於該絕緣平板的該繞組部的一外表面; 一磁芯;以及 一次級繞組結構,其中該次繞組結構係通過該磁芯與該平面繞組結構磁耦合。
- 如請求項12所述的電源變壓器,其中該磁芯的一部分設置於該絕緣平板的該通孔內。
- 如請求項12所述的電源變壓器,其中該次級繞組結構電性連接至該平面繞組結構的該屏蔽層。
- 一種平面繞組結構,包括: 一絕緣平板,其中該絕緣平板的中央部分具有一通孔,用以容置一磁芯; 一第一繞線組,設置於該絕緣平板上,且該第一繞線組環繞該通孔並靠近該通孔的一周圍;以及 一第二繞線組,設置於該絕緣平板上,且該第二繞線組環繞該通孔,其中該第二繞線組與該通孔的該周圍相隔一第一距離,並與該平面繞線結構的一邊緣相隔一第二距離。
- 如請求項15所述的平面繞組結構,更包括一第三繞線組,設置於該絕緣平板上,且該第三繞線組環繞該通孔,且靠近該絕緣平板的該邊緣。
- 如請求項15所述的平面繞組結構,其中該第一距離和該第二距離相等。
- 如請求項15所述的平面繞組結構,其中該第一距離和該第二距離的百分比差異小於20%。
- 一種平面繞組結構,包括: 一絕緣平板,具有一第一通孔和一第二通孔,用以容置一磁芯; 一第一高壓繞組,設置於該絕緣平板上,其中該第一高壓繞組環繞該第一通孔,並靠近該第一通孔的一周圍;以及 一第一低壓繞組,設置於該絕緣平板上,其中該第一低壓繞組環繞該第二通孔,並與該第二通孔的一周圍相隔一第一距離。
- 如請求項19所述的平面繞組結構,更包括: 一第二高壓繞組,設置於該絕緣平面板上,其中該第二高壓繞組環繞該第二通孔,並靠近該第二通孔的該周圍;以及 一第二低壓繞組,設置於該絕緣平板上,其中該第二低壓繞組環繞該第一通孔,並與該第一通孔的該周圍相隔一第二距離。
- 如請求項20所述的平面繞組結構,其中該第一低壓繞組和該第二低壓繞組係串聯電連接。
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