TW202418697A

TW202418697A - 變壓器

Info

Publication number: TW202418697A
Application number: TW111141057A
Authority: TW
Inventors: 傅喬; 林詣超; 劉耀鍾; 郭家泰
Original assignee: 嘉和半導體股份有限公司
Priority date: 2022-10-28
Filing date: 2022-10-28
Publication date: 2024-05-01
Also published as: US20240145163A1; CN117954211A

Abstract

一種變壓器，包含一骨架；以及多個線圈，繞設於骨架上，其中多個線圈包含：一第一初級線圈；一第二初級線圈，位於第一初級線圈之上，電性連接第一初級線圈；一次級線圈，位於第一初級線圈與第二初級線圈之間；一第一輔助線圈，位於第二初級線圈之上；及一第二輔助線圈，位於第一輔助線圈之上，電性連接第一輔助線圈，其中第一輔助線圈的圈數大於第二輔助線圈。

Description

變壓器

本申請案涉及一種變壓器，尤指一種具有輔助線圈的反馳式變壓器。

在當今的消費性電子產品中，快速充電已是普遍的需求。氮化鎵(GaN)系列的材料由於擁有較寬能隙與高飽和速率的特點，因而適合應用於高功率與高頻率的充電器。因此，如何設計操作在高頻率的變壓器，使其可以兼顧輸出效率以及溫度，也就成為業界關注的課題之一。

本申請案提供一種變壓器，其可在高頻率操作時兼顧輸出效率以及溫度。

本申請案提供一種變壓器，包含一骨架；以及多個線圈，繞設於骨架上，其中多個線圈包含：一第一初級線圈；一第二初級線圈，位於第一初級線圈之上，電性連接第一初級線圈；一次級線圈，位於第一初級線圈與第二初級線圈之間；一第一輔助線圈，位於第二初級線圈之上；及一第二輔助線圈，位於第一輔助線圈之上，電性連接第一輔助線圈，其中第一輔助線圈的圈數大於第二輔助線圈。

在說明書及後續的申請專利範圍當中使用了某些詞彙來指稱特定的元件。所屬領域中具有通常知識者應可理解，硬體製造商可能會用不同的名詞來稱呼同一個元件。本說明書及後續的申請專利範圍並不以名稱的差異來做為區分元件的方式，而是以元件在功能上的差異來做為區分的準則。在通篇說明書及後續的申請專利範圍當中所提及的「包含」係為一開放式的用語，故應解釋成「包含但不限定於」。此外，「耦接」一詞在此係包含任何直接及間接的電氣連接手段。因此，若文中描述一第一裝置耦接於一第二裝置，則代表第一裝置可直接電氣連接於第二裝置，或透過其他裝置或連接手段間接地電氣連接至第二裝置。

請參考第1圖，第1圖為本申請案實施例之一反馳式變壓器T1的示意圖。反馳式變壓器T1包含一骨架10以及繞設於骨架10上的多個線圈，多個線圈包含一第一初級線圈N1、一次級線圈N2、一第二初級線圈N3、一第一輔助線圈N4及一第二輔助線圈N5。第一初級線圈N1為最底層，而第二初級線圈N3位於第一初級線圈N1之上且電性連接第一初級線圈N1，次級線圈N2位於第一初級線圈N1與第二初級線圈N3之間，第一輔助線圈N4位於第二初級線圈N3之上，以及第二輔助線圈N5位於第一輔助線圈N4之上且電性連接第一輔助線圈N4。此外，在各個線圈之間繞設絕緣層Tape1、Tape2、Tape3、Tape4，以及在第二輔助線圈N5之上繞設絕緣層Tape5。在一實施例中，絕緣層Tape1、Tape2、Tape3、Tape4、Tape5的材料可以是膠帶、樹脂、或絕緣紙，而不限於此。在一實施例中，絕緣層Tape5的厚度為多個絕緣層Tape1、Tape2、Tape3、Tape4的厚度的1倍以上，換言之，絕緣層Tape5可以是比其它絕緣層更多層的膠帶，以確保反馳式變壓器T1的最外層的絕緣度足夠。絕緣層以封閉式繞法將上述各線圈藏在內部避免線材外露。

在另一實施例中，反馳式變壓器T1可另包含一第一屏蔽層與一第二屏蔽層，其中第一屏蔽層位於第一初級線圈N1與次級線圈N2之間，以及第二屏蔽層位於第二初級線圈N3與次級線圈N2之間。在另一實施例中，第一屏蔽層、第二屏蔽層與第一初級線圈N1、次級線圈N2及第二初級線圈N3之間亦繞設有絕緣層。第一屏蔽層與第二屏蔽層未繪示於第1圖中，但於下表1中第一屏蔽層以E1，第二屏蔽層以E2符號代稱。

請參考第2圖，第2圖為本申請案實施例一反馳式變壓器T1的多個線圈的繞設方式的示意圖。第一初級線圈N1繞設的起始端點為反馳式變壓器T1的腳位5，繞設的終端為先收頭於位置X（通常為變壓器頂端或是任一空的腳位）；第二初級線圈N3繞設的起點為位置X，繞設的終端為腳位6。由此可知，第一初級線圈N1與第二初級線圈N3的纏繞方向相同。類似地，次級線圈N2繞設的起始端點為反馳式變壓器T1的腳位7，繞設的終端為腳位8；第一輔助線圈N4繞設的起始端點為反馳式變壓器T1的腳位2，繞設的終端為腳位3；及第二輔助線圈N5繞設的起始端點為反馳式變壓器T1的腳位3，繞設的終端為腳位4。在一實施例中，第一初級線圈N1與次級線圈N2之間，以及第二初級線圈N3與次級線圈N2之間分別包含第一屏蔽層及第二屏蔽層。第一屏蔽層及第二屏蔽層繞設的起點為浮接，繞設的終點為腳位4，經由繞設第一屏蔽層與第二屏蔽層，可降低反馳式變壓器T1的一次側及二次側之間的電磁干擾（EMI）。

請參考第3圖，第3圖為本申請案實施例一隔離式反馳式轉換器1（Flyback Converter）的示意圖。隔離式反馳式轉換器1包含有一開關電晶體Q1、一反馳式變壓器T1、一二極體D1、一輸入電容Cin以及一輸出電容Cout。具體而言，透過決定一輸入電壓Vin及一輸出電壓Vout，隔離式反馳式轉換器1可以運作在一穩態模式。

在一實施例中，隔離式反馳式轉換器1中的開關電晶體Q1可以是以III-V族化合物為材料的一高功率電晶體、一高電壓電晶體以及一高頻電晶體等。除此之外，針對高功率與高頻率的應用，開關電晶體Q1可以是一氮化鎵高電子移動速度電晶體（Gallium Nitride High Electron Mobility Transistor，GaN-HEMT），氮化鎵系列的材料由於擁有較寬能隙與高飽和速率的特點而適合於高功率與高頻率的應用。在一實施例中，開關電晶體Q1採用一增強型氮化鎵高電子移動速度電晶體 (Enhancement-mode GaN-HEMT)。在另一實施例中，開關電晶體Q1採用一增強型金氧半導體場效電晶體 (Enhancement-mode metal oxide semiconductor field effect transistor； E-mode MOSFET）搭配一空乏型氮化鎵高電子遷移率場效電晶體 (Depletion-mode HEMT)。反馳式變壓器T1包含上述任一實施例中所揭露的反馳式變壓器。於一實施例中，為了針對高功率與高頻率的應用，使得隔離式反馳式轉換器1操作在高頻率時兼顧輸出效率以及溫度，本申請案在反馳式變壓器T1採用了輔助線圈。當隔離式反馳式轉換器1需輸出不同的電壓給不同的系統時，需調整一次側的一供電電壓，可以經由調整第一輔助線圈N4及第二輔助線圈N5繞設線圈的圈數，以對應不同的供電電壓。

詳細來說，本申請案實施例的多個線圈的繞設方式可以參考下述多個規則，使隔離式反馳式轉換器1操作在高頻率時可兼顧輸出效率以及溫度。在一實施例中，第二初級線圈N3的圈數不同於第一初級線圈N1的圈數。在另一實施例中，第一初級線圈N1的圈數與第二初級線圈N3的圈數的總和可為次級線圈N2的圈數的4~8倍。在一實施例中，次級線圈N2的圈數可小於第一初級線圈N1的圈數和第二初級線圈N3的圈數。第一輔助線圈N4的圈數可至少大於第二輔助線圈N5的圈數的3倍。第一屏蔽層E1的圈數與第二屏蔽層E2的圈數可大於第一初級線圈N1的圈數、第二初級線圈N3的圈數及次級線圈N2的圈數的至少其中之一。第一屏蔽層E1的線徑與第二屏蔽層E2的線徑可小於第一初級線圈N1的線徑、第二初級線圈N3的線徑以及次級線圈N2的線徑。在一實施例中，上述各線圈股數可相同或不同。各線圈材料包含聚胺漆包銅線（UEW）絞合線、利茲線（LITZ）或TIW三層絕緣單芯線。上述各線圈材料可相同或不同。

例如，請參考表1，表1為本申請案多個線圈的繞設方式的一實施例。舉例來說，第一初級線圈N1的兩端分別耦接到腳位5及位置X；第一屏蔽層E1的一端耦接腳位4，另一端浮接。由於本申請案的反馳式變壓器T1是操作於高頻率的應用，例如，操作頻率為200k~250kHz，輸入電壓為90Vac~265Vac，輸出支援單電壓20~24V，以及具有多種輸出規格：5V@3A、9V@3A、12V@3A、15V@3A、20V@3.25A等。第一初級線圈N1與第二初級線圈N3的線圈股數可以包含1-50股（P），依照系統瓦數和操作需求調整。例如12股（12P），線圈線徑可為0.05-0.5mm，例如0.12mm，的聚胺漆包銅線（UEW）絞合的一利茲線（LITZ）分別繞設15圈以及14圈，次級線圈N2可以使用80股（80P）線徑0.1mm的三層絕緣線（TIW）繞設5圈。如此一來，第一初級線圈N1與第二初級線圈N3的繞設方式符合第二初級線圈N3的圈數不同於第一初級線圈N1的圈數、第一初級線圈N1的圈數與第二初級線圈N3的圈數的總和為次級線圈N2的圈數的4~8倍，以及次級線圈N2的圈數小於第一初級線圈N1的圈數和第二初級線圈N3的圈數的規則。因此，可以減少反馳式變壓器T1操作於高頻率時集膚效應（Skin Effect）帶來的影響。下列表1中其他線圈的繞設方式亦符合上述規則，在此不再贅述。表1

線圈	端點	線材	圈數	絕緣層
N1	5-X	LITZ(UEW) 0.12mm*12P	15	1層
E1	---4	UEW 0.13mm*2p	28	1層
N2	7-8	TIW-M 0.1mm*80p	5	2-3層
E2	---4	UEW 0.13mm*2p	28	1層
N3	X-6	LITZ(UEW) 0.12mm*12P	14	1層
N4	2-3	UEW 0.23mm*1p	15	1層
N5	3-4	UEW 0.23mm*1p	4	2層

綜上所述，本申請案的反馳式變壓器中多個線圈的繞設方式符合多個規則，可以使得隔離式反馳式轉換器操作在高頻率時符合安全規範以及快充協議（Power Delivery），且兼顧輸出效率以及溫度。以上所述僅為本申請案之較佳實施例，凡依本申請案申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本申請案之涵蓋範圍。

1:隔離式反馳式轉換器 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8:腳位、端點 X:位置、端點 10:骨架 D1:二極體 Q1:開關電晶體 Cin:輸入電容 Cout:輸出電容 N1:第一初級線圈 N2:次級線圈 N3:第二初級線圈 N4:第一輔助線圈 N5:第二輔助線圈 T1:反馳式變壓器 Tape1、Tape2、Tape3、Tape4、Tape5:絕緣層

第1圖為本申請案實施例一反馳式變壓器之示意圖。第2圖為本申請案實施例多個線圈的繞設方式的示意圖。第3圖為本申請案實施例一隔離式反馳式轉換器之示意圖。

10:骨架

N1:第一初級線圈

N2:次級線圈

N3:第二初級線圈

N4:第一輔助線圈

N5:第二輔助線圈

T1:反馳式變壓器

Tape1、Tape2、Tape3、Tape4、Tape5:絕緣層

Claims

一種變壓器，包含：一骨架；以及多個線圈，繞設於該骨架上，其中該多個線圈包含：一第一初級線圈；一第二初級線圈，位於該第一初級線圈之上，電性連接該第一初級線圈；一次級線圈，位於該第一初級線圈與該第二初級線圈之間；一第一輔助線圈，位於該第二初級線圈之上；及一第二輔助線圈，位於該第一輔助線圈之上，電性連接該第一輔助線圈，其中該第一輔助線圈的圈數大於該第二輔助線圈。
如請求項1所述的變壓器，另包含：一第一屏蔽層與一第二屏蔽層，其中該第一屏蔽層位於該第一初級線圈與該次級線圈之間，以及該第二屏蔽層位於該第二初級線圈與該次級線圈之間。
如請求項2所述的變壓器，其中該第一屏蔽層的線徑與該第二屏蔽層的線徑小於該第一初級線圈的線徑、該第二初級線圈的線徑以及該次級線圈的線徑。
如請求項2所述的變壓器，其中該第一屏蔽層的圈數與該第二屏蔽層的圈數大於該第一初級線圈的圈數、該第二初級線圈的圈數及該次級線圈的圈數的至少其中之一。
如請求項1所述的變壓器，其中該第一輔助線圈的圈數至少大於該第二輔助線圈的圈數的三倍。
如請求項1所述的變壓器，其中該次級線圈的圈數小於該第一初級線圈的圈數和該第二初級線圈的圈數。
如請求項1所述的變壓器，其中該第二初級線圈與該第一初級線圈的纏繞方向相同。
如請求項1所述的變壓器，其中該第二初級線圈的圈數不同於該第一初級線圈的圈數。
如請求項1所述的變壓器，其中該第一初級線圈的圈數與該第二初級線圈的圈數的總和為該次級線圈的圈數的4~8倍。