WO2020230960A1 - 성능 개선을 위한 절연 구조가 적용된 평면 트랜스포머 - Google Patents

성능 개선을 위한 절연 구조가 적용된 평면 트랜스포머 Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to a planar transformer to which an insulation structure for improving performance is applied, and an insulation distance between a primary component, which is a component of the transformer, and a secondary via hole of a printed circuit board, is separately determined without extending the length of the coil pattern formed on the printed circuit board. It relates to a planar transformer to which an insulating structure is applied for improving the performance that can be secured through an insulating block.
  • a charger for charging a battery for a mobile device receives a commercial voltage supplied to the home, converts it to a voltage suitable for charging the battery, and charges the battery.
  • the commercial voltage supplied to the home is an AC voltage of 220V
  • the voltage used to charge the battery is 5V.
  • the charger drops the commercial voltage of 220V to a voltage of 5/9/12/20V and converts it to a DC voltage to charge the battery.In this way, the commercial voltage of 220V is converted to a low voltage of 5/9/12/20V. It is a transformer that functions to convert into.
  • the transformer is composed of a primary winding to which a commercial voltage is applied and a secondary winding to output a voltage lower than the commercial voltage.
  • an alternating current is applied to the primary winding, an alternating current is induced and flowed into the secondary winding, and the load is connected to the two secondary pin terminals connected to the secondary winding, so that the load transfers the current flowing through the secondary pin terminals.
  • transformers are being developed in the direction of miniaturization and weight reduction, but there is a limitation in miniaturization because the primary side components and the secondary side components must maintain a predetermined distance for electrical stability during operation. Accordingly, the conventional Patent Publication No. 10-2017-0142261 "A transformer for a charger with an improved section research group" has disclosed a technology for miniaturizing the transformer while securing an insulation distance, but instead of reducing the thickness of the transformer, The total area formed is increased (the length of the coil pattern formed on the printed circuit board is increased), and thus the complete miniaturization of the transformer has not been realized.
  • the technical problem to be solved by the present invention is to secure an insulation distance between a primary component (ferrite core) that is a component of a transformer and a secondary via hole of a printed circuit board.
  • Another technical problem to be solved by the present invention is to provide a planar transformer capable of increasing the efficiency of a transformer and miniaturizing the overall size of a product by reducing the resistance component of the transformer.
  • An insulation block capable of securing an insulation distance is inserted so as to surround at least a partial area of the ferrite core, and at the same time, two insulation blocks are fitted and coupled to the coupling force between the components of the transformer.
  • An object of the present invention is to provide a planar transformer capable of increasing the value.
  • the planar transformer to which an insulating structure for improving performance is applied includes a pair of ferrite cores 110 consisting of an upper core 110-1 and a lower core 110-2, and the pair of Arranged between the ferrite cores 110, a primary via hole 121 electrically connecting the primary coil pattern is provided at one end, and a secondary via hole 123 electrically connecting the secondary coil pattern at the other end is provided.
  • the printed circuit board 120, an insulating block 130-1 for accommodating one side of the pair of ferrite cores 110, and the insulating block 130-1 are disposed in the pair of ferrite cores 110 Insulation base 130-2 to be fitted; Including, the insulating block 130-1 and the insulating base 130-2 may accommodate a partial area of the printed circuit board 120 in which the secondary side via hole 123 is provided.
  • the insulating base 130-2 includes a first base insulating surface 135 and the first base insulating surface 135 in contact with the midfoot 112 of the pair of ferrite cores 110.
  • a second base insulating surface 136 extending from and contacting the upper and lower surfaces of the printed circuit board 120 may be further included.
  • the insulating block 130-1 is inserted into one side of the pair of ferrite cores 110 and is fitted with the second base insulating surface 136. 137) may be further included.
  • the insulating block 130-1 is inserted into one side of the pair of ferrite cores 110, and is external to the upper core 110-1 and the lower core 110-2. It may further include a second block insulating surface 138 accommodating a part of the exposed surface.
  • the upper core 110 and the lower core 110 are fitted on the inner surface on which the printed circuit board 120 is disposed, and the second base insulating surface 136 and the first An insulating receiving surface 116 on which the block insulating surface 137 is mounted may be provided.
  • the shortest linear distance from the outer surface of the midfoot 112 to the secondary via hole 123 may be 7 mm or less.
  • the insulating block 130-1 further includes a third block insulating surface 139 connecting the first block insulating surface 137 and the second block insulating surface 138,
  • the third block insulating surface 139 is provided with a hole H for exposing the printed circuit board 120 provided with the secondary via hole 123 to the outside of the pair of ferrite cores 110. I can.
  • the length of the coil pattern formed on the printed circuit board and the transformer can be miniaturized without expansion of the printed circuit board, and the insulation distance between the primary side and the secondary side is secured at least 7 mm. can do.
  • FIG. 1 is a perspective view showing a planar transformer to which an insulating structure for improving performance is applied according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is an exploded perspective view of a planar transformer to which an insulating structure for improving performance is applied according to the first embodiment of the present invention as viewed from above.
  • FIG. 3 is an exploded perspective view of a planar transformer to which an insulating structure for improving performance is applied according to the first embodiment of the present invention as viewed from the lower side.
  • FIGS. 4A and 4B are perspective views illustrating a method of combining an insulating block and an insulating base according to a first embodiment of the present invention.
  • 5A, 5B, and 5C are perspective views illustrating a method of coupling an insulating block and a lower core according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a cross-sectional plan view illustrating a shortest insulating distance between a pair of ferrite cores and a secondary side via hole according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a perspective view showing a planar transformer to which an insulating structure for improving performance is applied according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is an exploded perspective view of a planar transformer to which an insulating structure for improving performance is applied according to a second embodiment of the present invention as viewed from above.
  • FIG. 9 is an exploded perspective view of a planar transformer to which an insulating structure for performance improvement is applied according to a second exemplary embodiment of the present invention as viewed from the lower side.
  • FIG. 10 is a top view of a transformer according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a top cross-sectional view of a transformer according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is a cross-sectional view of the transformer shown in FIG. 10 taken along line A-A'.
  • FIG. 13 is a cross-sectional view of the transformer shown in FIG. 10 taken along line B-B'.
  • FIG. 14 are cross-sectional plan views comparing insulation distances according to structures in the conventional and the transformer according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 15 are views exemplarily comparing the sizes of secondary coil patterns in a transformer according to the first embodiment of the present invention and the prior art, respectively.
  • (1) and (2) of FIG. 16 are diagrams comparing the number of printed circuit boards that can be obtained from the same original plate in the conventional and the transformer according to the first embodiment of the present invention, respectively.
  • FIG. 17 are diagrams for explaining electrical resistance values of secondary coil patterns in the transformer according to the first embodiment of the present invention and in the related art, respectively.
  • 110-1 upper core 110-2: lower core
  • first base insulating surface 136 second base insulating surface
  • first block insulating surface 138 second block insulating surface
  • first lead pin 149 second lead pin
  • FIG. 1 is a perspective view showing a planar transformer 100 to which an insulation structure for improving performance is applied according to a first embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a perspective view showing an insulation structure for improving performance according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is an exploded perspective view of the planar transformer 100 to which an insulation structure for improving performance is applied according to the first embodiment of the present invention as viewed from the bottom.
  • a planar transformer 100 (hereinafter referred to as a transformer) to which an insulating structure for improving the performance of the present invention is applied is an upper core 110-1 and a lower core 110-electromagnetically coupled to each other. 2) a pair of ferrite cores 110, a printed circuit board 120 disposed in the inner space formed by the pair of ferrite cores 110, and an insulating block 130-1 for securing an insulating distance therebetween ) And an insulating base (130-2).
  • the pair of ferrite cores 110 may form an internal space in which a conversion process in which a voltage input through the transformer 100 is boosted or decreased is performed.
  • the pair of ferrite cores 110 are each of the first outer legs 114 so that the upper core 110-1 and the lower core 110-2 have an E-shaped lying down when viewed in a vertical cut plane.
  • the middle leg 112 and the second outer leg 115 may be formed, and the front and rear directions may be opened so that a partial area of the printed circuit board 120 may be exposed.
  • the shapes of the upper core 110-1 and the lower core 110-2 may have various shapes, but are not limited thereto.
  • the upper core 110-1 and the lower core 110-2 may each have an E-I type and an I-I type in cross section.
  • the front-rear direction refers to the one side where the insulating block 130-1 is not disposed in front, and one side in which the insulating block 130-1 is disposed is rear when viewed with respect to the transformer 100 of FIG. Can be understood as
  • the pair of ferrite cores 110 may be made of a ferrite material to be electromagnetically coupled to each other.
  • the pair of ferrite cores 110 can use the magnetic properties according to the switching frequency of the power circuit within several hundred kHz, and the usable frequency band is high, and power Compared to the capacity that can be converted, the transformer 100 can be made downsized, and its weight can be reduced.
  • the power loss rate is low, eddy current loss can be reduced in a high frequency band.
  • the printed circuit board 120 may include a primary coil pattern and a secondary coil pattern for boosting or decreasing a voltage. Specifically, the induced electromotive force generated in the primary coil pattern by the current drawn into the primary via hole 121 provided at one end of the printed circuit board 120 is guided to the secondary coil pattern, so that it is transferred to the other end of the printed circuit board 120. It may be output through the provided secondary via hole 123.
  • the printed circuit board 120 is electrically connected to the primary via hole 121 at one end of the via hole 121 on the primary side.
  • a first lead pin 147 connected to and connected to each other may be provided, and a second lead pin 149 electrically connected to the secondary via hole 123 may be provided at the other end where the secondary via hole 123 is provided.
  • the printed circuit board 120 is disposed in the pair of ferrite cores 110, and the inside of the printed circuit board 120 is inserted into which the midfoot 112 of the pair of ferrite cores 110 can be inserted. Holes 125 may be formed.
  • printed circuit board 120 although one printed circuit board 120 is shown, at least two or more printed circuit boards 120 including a coil pattern may be stacked.
  • the insulating block 130-1 and the insulating base 130-2 are combined with a pair of ferrite cores 110 and the printed circuit board 120 for electrical stability of the transformer 100.
  • An insulation distance between the 110) and the secondary via hole 123 may be secured.
  • the insulation distance is the shortest distance from the exposed point of the pair of ferrite cores 110, which is the primary component, to the secondary via hole 123, which is the secondary component, and the distance measured along the insulation surface is less than the standard insulation distance. It should be long.
  • the insulating block 130-1 may accommodate one side of the pair of ferrite cores 110, and the insulating base 130-2 forms a Diguon shape and is disposed within the pair of ferrite cores 110. I can.
  • it may be fitted with the insulating block 130-1 in the assembly process. That is, the insulating block 130-1 and the insulating base 130-2 may be accommodated as if enclosing a partial area of the printed circuit board 120 in which the secondary side via hole 123 is provided, through which a pair of ferrite cores The exposed point of 110 may be separated from the secondary via hole 123. Accordingly, it is possible to secure a standard insulation distance between a primary component and a secondary component even within the printed circuit board 120 having a relatively short length, and the length of the coil pattern formed on the printed circuit board 120 to secure the standard distance May not increase
  • FIG. 4A and 4B are perspective views showing a coupling method of the insulating block 130-1 and the insulating base 130-2 according to the first embodiment of the present invention
  • FIG. 5A, (b) and (c) are perspective views showing the coupling method of the insulating block 130-1 and the lower core 110-2 according to the first embodiment of the present invention
  • FIG. 6 is a first embodiment of the present invention. It is a top cross-sectional view for explaining the shortest insulation distance between the pair of ferrite cores 110 and the secondary via hole 123 according to FIG.
  • the insulating block 130-1 and the insulating base 130-2 may be cross-coupled to each other, and the printed circuit board 120 is formed in a cross-coupled space. ) Can accommodate some areas.
  • the insulating base 130-2 is a first base insulating surface 135 that abuts with the middle foot 112 of the pair of ferrite cores 110 or the one surface where the insertion hole 125 of the printed circuit board 120 is formed.
  • a second base insulating surface 136 extending from the first base insulating surface 135 and contacting the upper and lower surfaces of the printed circuit board 120, respectively. That is, the insulating base 130-2 has a Diguon shape and is disposed on one surface where the midfoot 112 of the pair of ferrite cores 110 and the printed circuit board 120 abut, thereby securing an insulation distance.
  • the insulating block 130-1 is inserted into one side of the pair of ferrite cores 110 and may include a first block insulating surface 137 that is fitted and coupled with the second base insulating surface 136,
  • the first block insulating surface 137 may be provided with a predetermined groove 137-1 to be firmly coupled to the second base insulating surface 136, that is, the insulating base 130-2.
  • a groove 137-1 may be provided in the first block insulating surface 137 of the insulating block 130-1.
  • the insulating block 130-1 includes a second block insulating surface 138 capable of receiving a portion of the exposed surfaces of the upper core 110-1 and the lower core 110-2, so that a separate adhesive member ( Yes, without adhesive or tape), it is firmly coupled to the insulating base 130-2 and an insulating distance can be secured.
  • an insulating receiving surface 116 may be provided on the inner surface of the lower core 110-2.
  • the lower core 110-2 has a thinner thickness in the region where the insulating receiving surface 116 is provided, so that the insulating block 130-1 can more easily accommodate the lower core 110-2. have.
  • Figure 5 (b) has been described with reference to the lower core (110-2), the same as the upper core (110-1) for receiving the insulating block (130-1) on the inner surface of the insulating receiving surface ( 116) can be provided.
  • the insulating block 130-1 connects the first block insulating surface 137 and the second block insulating surface 138.
  • a third block insulating surface 139 may be further included.
  • the third block insulating surface 139 is provided with a hole 139-1 for exposing the printed circuit board 120 provided with the secondary via hole 123 to the outside of the pair of ferrite cores 110, and the insulating block
  • the pair of ferrite cores 110 can be stably fixed just by inserting the (130-1).
  • a printed circuit board 120 is disposed between a pair of ferrite cores 110, and a pair of ferrite cores 110 includes a first outer leg 114, a middle leg 112, and a second
  • the outer legs 115 may be electromagnetically coupled to each other to provide a path of movement of magnetic flux.
  • the midfoot 112 may be inserted into the insertion hole 125 of the printed circuit board 120 to form a path for relaying magnetic fluxes of the primary side and the secondary side. That is, the input current applied to the via hole 121 on the primary side generates an electromotive force by the primary coil pattern in the printed circuit board 120, and the electromotive force is induced into the secondary coil pattern in the printed circuit board 120. It may be output through the vehicle side via hole 123.
  • an insulating base 130-2 is provided inside the pair of ferrite cores 110, and an insulating block is placed outside the pair of ferrite cores 110. 130-1) are placed, and each has a shape of a diguon facing each other so that they can be firmly fitted together.
  • the insulating block 130-1 and the insulating base 130-2 are disposed to insulate a part of the midfoot 112, thereby securing an insulating distance through the bypass length of the insulating means, so that the upper core 110-1 ) And from the outer surface of the middle foot 112 of the lower core 110-2 to the secondary via hole 123, the shortest insulation distance t can be implemented with a linear distance shorter than 7 mm, compared to the conventional printed circuit board ( 120) may be relatively small.
  • the transformer 100 according to the first embodiment of the present invention has been described.
  • the insulating block 130-having a structure surrounding a partial area of the printed circuit board 120 is the insulating distance t to be secured between the pair of ferrite cores 110 and the secondary side via hole 123. 1) And by securing through the insulating base (130-2), it is possible to minimize the length of the coil pattern formed on the printed circuit board (120). In addition, the overall size of the transformer 100 can be miniaturized and its performance can be improved.
  • FIG. 7 is a perspective view showing a planar transformer 100 to which an insulation structure for improving performance is applied according to a second embodiment of the present invention
  • FIG. 8 is a perspective view showing an insulation structure for improving performance according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is an exploded perspective view of a planar transformer 100 to which an insulating structure for improving performance is applied according to a second exemplary embodiment of the present invention as viewed from the lower side.
  • a transformer 100 includes a pair of ferrite cores including an upper core 110-1 and a lower core 110-2 electromagnetically coupled to each other. 110, a printed circuit board 120 disposed in an inner space formed by the pair of ferrite cores 110, an insulating block 130-1 for insulating the same, and an insulating base 130-2 may be included. .
  • the pair of ferrite cores 110 may form an internal space in which a conversion process in which a voltage input through the transformer 100 is boosted or decreased is performed.
  • the pair of ferrite cores 110 are each of the first outer legs 114 so that the upper core 110-1 and the lower core 110-2 have an E-shaped lying down when viewed in a vertical cut plane.
  • the middle leg 112 and the second outer leg 115 may be formed, and the front and rear directions may be opened so that a partial area of the printed circuit board 120 may be exposed.
  • the shapes of the upper core 110-1 and the lower core 110-2 may have various shapes, but are not limited thereto.
  • the upper core 110-1 and the lower core 110-2 may each have an E-I type and an I-I type in cross section.
  • the pair of ferrite cores 110 may be made of a ferrite material to be electromagnetically coupled to each other.
  • the pair of ferrite cores 110 can use magnetic properties according to the switching frequency of the power circuit within several hundred kHz.
  • the usable frequency band is high, and the transformer 100 can be miniaturized compared to a capacity capable of converting power, so that its weight can be reduced.
  • the power loss rate is low, eddy current loss can be reduced in a high frequency band.
  • the printed circuit board 120 may include a primary coil pattern and a secondary coil pattern for boosting or decreasing a voltage. Specifically, the induced electromotive force generated in the primary coil pattern by the current drawn into the primary via hole 121 provided at one end of the printed circuit board 120 is guided to the secondary coil pattern, so that it is transferred to the other end of the printed circuit board 120. It may be output through the provided secondary via hole 123.
  • the printed circuit board 120 is electrically connected to the primary via hole 121 at one end of the via hole 121 on the primary side.
  • a first lead pin 147 connected to and connected to each other may be provided, and a second lead pin 149 electrically connected to the secondary via hole 123 may be provided at the other end where the secondary via hole 123 is provided.
  • the printed circuit board 120 is disposed in the pair of ferrite cores 110, and the inside of the printed circuit board 120 is inserted into which the midfoot 112 of the pair of ferrite cores 110 can be inserted. Holes 125 may be formed.
  • printed circuit board 120 although one printed circuit board 120 is shown, at least two or more printed circuit boards 120 including a coil pattern may be stacked.
  • the insulating block 130-1 and the insulating base 130-2 may secure an insulating distance between the pair of ferrite cores 110 and the secondary via hole 123 for electrical stability.
  • the insulation distance is the shortest distance from the exposed point of the pair of ferrite cores 110, which is the primary component, to the secondary via hole 123, which is the secondary component, and the distance measured along the insulation surface is less than the standard insulation distance. It should be long.
  • the insulating block 130-1 and the insulating base 130-2 are formed in a cross-coupled shape, and the insulating block 130-1 accommodates the upper core side 111 and secures an insulating distance.
  • a block inner insulating surface 132 may be included that accommodates the outer insulating surface 131 of the block and a part of the middle foot 112 of the upper core 110-1 and secures an insulating distance.
  • the insulating base 130-2 accommodates the lower core side surface 113 and accommodates the outer insulating surface 133 of the base to secure the insulating distance and a part of the midfoot 112 of the lower core 110-2, It may include a base inner insulating surface 134 to secure.
  • the insulating block 130-1 and the block outer insulating surface 131 and the base outer insulating surface 133 of the insulating base 130-2 are respectively formed with respect to the secondary side via hole 123 of the printed circuit board 120. It can be provided separately.
  • the insulating base 130-2 may have a structure accommodating a pair of ferrite cores 110 and the insulating block 130-1, and the insulating base 130-2 has a lower core 110 therein. -2), and the insulating block 130-1 in which the upper core 110-1 is accommodated may be seated thereon. That is, the block outer insulating surface 131 and the base outer insulating surface 133, the block inner insulating surface 132 and the base inner insulating surface 134 are cross-coupled to each other, thereby forming a very robust transformer structure.
  • the transformer 100 measures the standard insulation distance t to be secured between the pair of ferrite cores 110 and the secondary side via hole 123, as described above, with a special structured insulation block inserted into each other.
  • the transformer 100 By separately providing the (130-1) and the insulating base (130-2) in the transformer (100), it is possible to minimize the length of the coil pattern formed on the printed circuit board (120), miniaturization and performance improvement of the transformer (100) This could be possible.
  • FIG. 10 is a top view of a transformer 100 according to a second embodiment of the present invention
  • FIG. 11 is a plan cross-sectional view of a transformer 100 according to a second embodiment of the present invention
  • FIG. 12 is a diagram shown in FIG. A cross-sectional view of the transformer 100 taken along line A-A'
  • FIG. 13 is a cross-sectional view of the transformer 100 shown in FIG. 10 taken along line B-B'.
  • the transformer 100 has a printed circuit board 120 disposed between a pair of ferrite cores 110, and a pair of ferrite cores 110 includes a first outer leg 114 ,
  • the midfoot 112 and the second outer foot 115 may be electromagnetically coupled to each other to provide a moving path of magnetic flux.
  • the midfoot 112 may be inserted into the insertion hole 125 of the printed circuit board 120 to form a path for relaying magnetic fluxes of the primary side and the secondary side. That is, the input current applied to the via hole 121 on the primary side generates an electromotive force by the primary coil pattern in the printed circuit board 120, and the electromotive force is induced into the secondary coil pattern in the printed circuit board 120. It may be output through the vehicle side via hole 123.
  • the insulating block 130-1 coupled to the upper core 110-1 and the insulating base 130- coupled to the lower core 110-2. 2) can be coupled to the printed circuit board 120. That is, the insulating block 130-1 coupled with the upper core 110-1 and the insulating base 130-2 coupled with the lower core 110-2 are inserted into the insertion hole 125 of the printed circuit board 120. Can be inserted into and bonded together. In addition, in this process, a pair of ferrite cores 110 surrounding the printed circuit board 120 are formed in an insulating structure with the printed circuit board 120 through the insulating block 130-1 and the insulating base 130-2. Can be settled.
  • the insulating base 130-2 coupled to the lower core 110-2 has an insulating block 130-1 coupled to the upper core 110-1 mounted therein, and the outer insulating surface 131 ) And the base outer insulating surface 133, the block inner insulating surface 132 and the base inner insulating surface 134 are cross-coupled to each other, so that it may have a solid structure without shaking even by external force.
  • FIG. 14 are cross-sectional plan views comparing insulation distances according to structures in the transformer 100 according to the first embodiment of the present invention.
  • any insulating member between the middle foot 212 of the upper core 210-1 and the lower core 210-2 and the secondary side via hole 223 Since it does not exist, the shortest insulation distance t between the middle foot 212 and the secondary side via hole 223 must be at least 7 mm or more in a linear distance.
  • Figure 14 (2) is a structure of the transformer 100 of the present invention, by insulating a part of the midfoot 112 through the insulating block 130-1 and the insulating base 130-2, bypassing the insulating means Since the insulation distance is secured through the length, the shortest insulation distance t between the middle foot 112 and the secondary side via hole 123 can be implemented as a linear distance shorter than 7 mm. That is, compared to the prior art, the size of the printed circuit board 120 may be relatively small.
  • FIG. 15 are views exemplarily comparing the sizes of secondary coil patterns in the transformer 100 according to the first embodiment of the present invention and the prior art, respectively.
  • FIG. 15(1) shows the shape of the secondary coil pattern 250 formed in the printed circuit board 220 in the conventional transformer 200
  • FIG. 15(2) shows the printed circuit board in the transformer 100 of the present invention. 120) by showing the shape of the secondary coil pattern 150 formed in, it can be seen that the size of the secondary coil pattern 150 is smaller in the present invention compared to the prior art, through which the transformer 100 It can be seen that it can be made more compact.
  • (1) and (2) of FIG. 16 are diagrams comparing the number of printed circuit boards that can be obtained from the same original plate in the transformer 100 according to the first embodiment of the present invention and the conventional one, respectively.
  • the size of an original plate used for manufacturing a multilayer printed circuit board is 1000x1000mm.
  • about 2,009 printed circuit boards used in a conventional transformer Printed circuit boards (19.15x22.8mm) can be produced, but as shown in Fig. 16(2), the printed circuit board used in the transformer of the present invention has about 2,205 printed circuit boards (19.15x21.0mm) from one original plate. Can be produced.
  • FIG. 17 are views for explaining electrical resistance values of secondary coil patterns in the transformer 100 according to the first embodiment of the present invention and in the prior art, respectively.
  • the switching frequency of the charger circuit is 100 kHz
  • the output voltage and the output current are 5V/3A
  • the temperature of the printed circuit board according to the current density 251 is as follows.
  • the AC electrical resistance component is 42.1 (mohm)
  • the power loss due to the electrical resistance 42.1 (mohm) is 378.9mW.
  • the transformer 100 of the present invention has a switching frequency of 100 kHz, an output voltage and an output current of 5V/3A, and a printed circuit board according to the current density 151 (
  • the AC electrical resistance component becomes 31.8 (mohm)
  • the power loss due to the electrical resistance 31.8 (mohm) is 286.2mW.

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 성능 개선을 위한 절연 구조가 적용된 평면 트랜스포머는, 상부 코어(110-1)와 하부 코어(110-2)로 이루어진 한 쌍의 페라이트 코어(110), 상기 한 쌍의 페라이트 코어(110) 사이에 배치되며, 일단에 1차측 코일 패턴을 전기적으로 연결하는 1차측 비아홀(121)이 마련되고, 타단에 2차측 코일 패턴을 전기적으로 연결하는 2차측 비아홀(123)이 마련된 인쇄회로기판(120), 상기 한 쌍의 페라이트 코어(110)의 일측을 수용하는 절연 블록(130-1) 및 상기 한 쌍의 페라이트 코어(110) 내에 배치되어 상기 절연 블록(130-1)과 끼움 결합되는 절연 베이스(130-2); 를 포함하되, 상기 절연 블록(130-1) 및 상기 절연 베이스(130-2)는, 상기 2차측 비아홀(123)이 마련된 일측에서 상기 인쇄회로기판(120)의 일부 영역을 수용하는 것을 특징으로 한다.

Description

성능 개선을 위한 절연 구조가 적용된 평면 트랜스포머
본 발명은 성능 개선을 위한 절연 구조가 적용된 평면 트랜스포머에 관한 것으로, 트랜스포머의 구성 요소인 1차측 부품과 인쇄회로기판의 2차측 비아홀 간의 절연 거리를 인쇄회로기판에 형성된 코일 패턴의 길이 연장 없이 별도의 절연 블록을 통해 확보할 수 있는 성능개선을 위한 절연 구조가 적용된 평면 트랜스포머에 관한 것이다.
모바일 기기용 배터리를 충전하는 충전기는 가정에 보급되는 상용 전압을 인가 받아 배터리의 충전에 적합한 전압으로 변환한 후에 배터리를 충전한다. 이때, 가정에 보급되는 상용 전압은 220V의 교류 전압이고, 배터리 충전에 사용되는 전압은 5V이다. 이에 충전기는 220V의 상용 전압을 5/9/12/20V의 전압으로 강하시킨 다음 이를 직류 전압으로 변환하여 배터리를 충전하는데, 이렇게 충전기에서 220V의 상용 전압을 5/9/12/20V의 낮은 전압으로 변환시키는 기능을 하는 것이 트랜스포머이다.
이러한 기능을 수행하기 위해 트랜스포머는 상용 전압이 인가되는 1차측 권선과 상용 전압보다 낮은 전압을 출력하는 2차측 권선으로 구성된다. 1차측 권선에 교류 전류를 흘려주면 2차측 권선에 교류 전류가 유도되어 흐르게 되고, 2차측 권선에 연결된 2개의 2차측 핀 단자들에 부하가 연결됨으로써, 부하는 2차측 핀 단자들에 흐르는 전류를 받아서 동작한다.
한편, 트랜스포머는 소형화 및 경량화되는 방향으로 개발되고 있는데, 동작 과정에서 전기적 안정성을 위해 1차측 부품과 2차측 부품이 소정 거리를 유지하여야 하기 때문에, 소형화에 제약이 있다. 그에 따라, 종래 공개특허 제10-2017-0142261호"절연구조가 개선된 충전기용 트랜스포머"는 절연 거리를 확보함과 동시에 트랜스포머를 소형화하고자 하는 기술이 개시되었으나, 트랜스포머의 두께를 감소시키는 대신 트랜스포머를 이루는 전체 면적이 증가(인쇄회로기판에 형성된 코일 패턴의 길이 증가)하여, 트랜스포머의 완전한 소형화를 구현하지 못하였다.
따라서, 트랜스포머의 전기적 안정성을 확보하면서, 트랜스포머의 크기를 소형화할 수 있는 기술의 개발이 요구되며, 본 발명은 이에 관한 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 트랜스포머의 구성 요소인 1차측 부품(페라이트 코어)과 인쇄회로기판의 2차측 비아홀 간의 절연 거리를 확보하는 것을 목적으로 한다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는 트랜스포머의 저항 성분을 감소시킴으로써 트랜스포머의 효율을 높이고, 제품의 전체적인 크기를 소형화할 수 있는 평면 트랜스포머를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는 절연 거리를 확보할 수 있는 절연 블록이 페라이트 코어의 적어도 일부 영역을 감쌀 수 있도록 삽입되고 이와 동시에, 두 개의 절연 블록이 끼움 결합되어 트랜스포머의 구성 요소 간 결합력을 높일 수 있는 평면 트랜스포머를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 성능 개선을 위한 절연 구조가 적용된 평면 트랜스포머는, 상부 코어(110-1)와 하부 코어(110-2)로 이루어진 한 쌍의 페라이트 코어(110), 상기 한 쌍의 페라이트 코어(110) 사이에 배치되며, 일단에 1차측 코일 패턴을 전기적으로 연결하는 1차측 비아홀(121)이 마련되고, 타단에 2차측 코일 패턴을 전기적으로 연결하는 2차측 비아홀(123)이 마련된 인쇄회로기판(120), 상기 한 쌍의 페라이트 코어(110)의 일측을 수용하는 절연 블록(130-1) 및 상기 한 쌍의 페라이트 코어(110) 내에 배치되어 상기 절연 블록(130-1)과 끼움 결합되는 절연 베이스(130-2); 를 포함하되, 상기 절연 블록(130-1) 및 상기 절연 베이스(130-2)는, 상기 2차측 비아홀(123)이 마련된 상기 인쇄회로기판(120)의 일부 영역을 수용할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 절연 베이스(130-2)는, 상기 한 쌍의 페라이트 코어(110)의 중족(112)과 맞닿는 제1 베이스 절연면(135) 및 상기 제1 베이스 절연면(135)에서부터 연장되며 각각 상기 인쇄회로기판(120)의 상면 및 하면과 맞닿는 제2 베이스 절연면(136)을 더 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 절연 블록(130-1)은, 상기 한 쌍의 페라이트 코어(110)의 일측에 삽입되며, 상기 제2 베이스 절연면(136)과 끼움 결합되는 제1 블록 절연면(137)을 더 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 절연 블록(130-1)은, 상기 한 쌍의 페라이트 코어(110)의 일측에 삽입되며, 상기 상부 코어(110-1) 및 상기 하부 코어(110-2)의 외부 노출면의 일부를 수용하는 제2 블록 절연면(138)을 더 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 상부 코어(110) 및 상기 하부 코어(110)는 상기 인쇄회로기판(120)이 배치되는 내측면에서, 끼움 결합된 상기 제2 베이스 절연면(136) 및 상기 제1 블록 절연면(137)이 안착되는 절연 수용면(116)이 마련될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 중족(112)의 외측면으로부터 상기 2차측 비아홀(123)까지의 최단 직선 거리는 7mm 이하일 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 절연 블록(130-1)은, 상기 제1 블록 절연면(137)과 제2 블록 절연면(138)을 연결하는 제3 블록 절연면(139)을 더 포함하고, 상기 제3 블록 절연면(139)은, 상기 2차측 비아홀(123)이 마련된 상기 인쇄회로기판(120)을 상기 한 쌍의 페라이트 코어(110)의 외부로 노출시키기 위한 홀(H)이 마련될 수 있다.
본 발명에 의하면, 별도의 절연 블록과 절연 베이스를 삽입함으로써, 인쇄회로기판에 형성된 코일 패턴 길이 및 인쇄회로기판의 확장 없이도 트랜스포머를 소형화시킴과 동시에 1차측과 2차측 간의 절연 거리를 적어도 7mm 이상 확보할 수 있다.
또한, 인쇄회로기판에 형성된 코일 패턴의 길이가 증가하지 않아, 저항 성분이 감소되어, 트랜프포머의 효율이 증가할 뿐만 아니라, 제품의 전체적인 크기가 소형화되어, 제품의 제작 시 원가를 절감할 수 있다는 효과가 있다.
또한, 전기적 안정성을 제공하며, 제품의 소형화를 가능하게 하는 절연 블록이 서로 견고하게 결합하여, 트랜스포머가 별도의 접착 부재 없이도 단단하게 결속할 수 있다는 효과가 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해 될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 성능 개선을 위한 절연 구조가 적용된 평면 트랜스포머를 나타낸 사시도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 성능 개선을 위한 절연 구조가 적용된 평면 트랜스포머를 상측에서 바라본 분해 사시도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 성능 개선을 위한 절연 구조가 적용된 평면 트랜스포머를 하측에서 바라본 분해 사시도이다.
도 4의 (a) 및 (b)는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 절연 블록 및 절연 베이스의 결합 방식을 나타낸 사시도이다.
도 5의 (a), (b) 및 (c)는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 절연 블록과 하부 코어의 결합 방식을 나타낸 사시도이다.
도 6은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 한 쌍의 페라이트 코어와 2차측 비아홀 간의 최단 절연 거리를 설명하기 위한 평단면도이다.
도 7은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 성능 개선을 위한 절연 구조가 적용된 평면 트랜스포머를 나타낸 사시도이다.
도 8은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 성능 개선을 위한 절연 구조가 적용된 평면 트랜스포머를 상측에서 바라본 분해 사시도이다.
도 9는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 성능 개선을 위한 절연 구조가 적용된 평면 트랜스포머를 하측에서 바라본 분해 사시도이다.
도 10은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 트랜스포머의 상면도이다.
도 11은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 트랜스포머의 평단면도이다.
도 12는 도 10에 도시된 트랜스포머를 A-A'라인을 따라 절단한 단면도이다.
도 13은 도 10에 도시된 트랜스포머를 B-B'라인을 따라 절단한 단면도이다.
도 14의 (1) 및 (2)는 각각 종래 및 본 발명의 제1 실시 예에 따른 트랜스포머에서 구조에 따른 절연 거리를 비교한 평단면도이다.
도 15의 (1) 및 (2)는 각각 종래 및 본 발명의 본 발명의 제1 실시 예에 따른 트랜스포머에서 2차측 코일 패턴의 크기를 예시적으로 비교한 도면이다.
도 16의 (1) 및 (2)는 각각 종래 및 본 발명의 본 발명의 제1 실시 예에 따른 트랜스포머에서 동일 원판에서 획득할 수 있는 인쇄회로기판의 수를 비교한 도면이다.
도 17의 (1) 및 (2)는 각각 종래 및 본 발명의 본 발명의 제1 실시 예에 따른 트랜스포머에서 2차측 코일 패턴의 전기 저항 값을 설명하기 위한 도면이다.
<부호의 설명>
100: 평면 트랜스포머
110: 페라이트 코어
110-1: 상부 코어 110-2: 하부 코어
111: 상부 코어 측면 113: 하부 코어 측면
112: 중족
114: 제1 외족 115: 제2 외족
116: 절연 수용면
120: 인쇄회로기판
121: 1차측 비아홀 123: 2차측 비아홀
130-1: 절연 블록 130-2: 절연 베이스
131: 블록 외부 절연면 132: 블록 내부 절연면
133: 베이스 외부 절연면 134: 베이스 내부 절연면
135: 제1 베이스 절연면 136: 제2 베이스 절연면
137: 제1 블록 절연면 138: 제2 블록 절연면
139: 제3 블록 절연면
147: 제1 리드핀 149: 제2 리드핀
150: 코일 패턴 151: 전류 밀도
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명한다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 게시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 게시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다. 본 명세서에서 사용된 용어는 실시 예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다.
본 명세서에서 사용되는 "포함한다 (comprises)" 및/또는 "포함하는 (comprising)"은 언급된 구성 요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성 요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
이하, 본 발명에 대하여 첨부된 도면에 따라 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 성능 개선을 위한 절연 구조가 적용된 평면 트랜스포머(100)를 나타낸 사시도이고, 도 2는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 성능 개선을 위한 절연 구조가 적용된 평면 트랜스포머(100)를 상측에서 바라본 분해 사시도이며, 도 3은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 성능 개선을 위한 절연 구조가 적용된 평면 트랜스포머(100)를 하측에서 바라본 분해 사시도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 성능 개선을 위한 절연 구조가 적용된 평면 트랜스포머(100)(이하, 트랜스포머라 함)는 서로 전자기 결합되는 상부 코어(110-1) 및 하부 코어(110-2)를 포함하는 한 쌍의 페라이트 코어(110), 한 쌍의 페라이트 코어(110)가 형성한 내부 공간에 배치되는 인쇄회로기판(120)과 이들 간의 절연 거리를 확보하는 절연 블록(130-1) 및 절연 베이스(130-2)를 포함한다.
한 쌍의 페라이트 코어(110)는 트랜스포머(100)를 통해 입력되는 전압이 승압 또는 강압될 수 있는 변환 공정이 이루어지는 내부 공간을 형성할 수 있다. 이를 위해, 한 쌍의 페라이트 코어(110)는 수직 절단면으로 보았을 때, 상부 코어(110-1) 및 하부 코어(110-2)가 눕혀진 E자 형상을 가질 수 있도록 각각 제1 외족(114), 중족(112) 및 제2 외족(115)으로 이루어질 수 있으며, 인쇄회로기판(120)의 일부 영역이 노출될 수 있도록 전후 방향이 개구될 수 있다. 다만, 상부 코어(110-1) 및 하부 코어(110-2)의 형상은 이에 한정되지 않는 다양한 형상이 가능할 수 있다. 예를 들어, 상부 코어(110-1) 및 하부 코어(110-2)는 각각 그 단면이 E-I형, I-I형을 가질 수 있다.
참고로, 본 발명에서 전후 방향이란 도 1의 트랜스포머(100)를 기준으로 보았을 때 절연 블록(130-1)이 배치되지 않은 일측이 전방, 절연 블록(130-1)이 배치된 일측이 후방인 것으로 이해될 수 있다.
한편, 한 쌍의 페라이트 코어(110)는 서로 전자기 결합 될 수 있도록 페라이트(Ferrite) 소재로 이루어질 수 있다. 이와 같이, 트랜스포머(100)의 코어가 페라이트 소재로 이루어짐으로써, 한 쌍의 페라이트 코어(110)는 전원 회로의 스위칭 주파수에 따른 자성체 특성을 수백 kHz 이내에서 사용할 수 있으며, 사용 가능한 주파수 대가 높아, 전력 변환이 가능한 용량에 비해 트랜스포머(100)의 소형화가 가능하여 그 무게가 가벼워질 수 있다. 또한, 전력 손실률이 낮아 고주파 대역에서 와전류 손실을 감소시킬 수 있다.
인쇄회로기판(120)은 전압을 승압 또는 강압시키는 1차측 코일 패턴과 2차측 코일 패턴을 포함할 수 있다. 구체적으로, 인쇄회로기판(120)의 일단에 마련된 1차측 비아홀(121)로 인입된 전류에 의해 1차측 코일 패턴에서 발생한 유도 기전력이 2차측 코일 패턴으로 유도되어 인쇄회로기판(120)의 타단에 마련된 2차측 비아홀(123)로 출력될 수 있다.
이와 같이, 1차측 비아홀(121) 및 2차측 비아홀(123)로 전압이 입, 출력 되기 위해, 인쇄회로기판(120)은 1차측 비아홀(121)이 마련된 일단에서 1차측 비아홀(121)과 전기적으로 결선되는 제1 리드핀(147)이 구비되고, 2차측 비아홀(123)이 마련된 타단에서 2차측 비아홀(123)과 전기적으로 결선되는 제2 리드핀(149)이 구비될 수 있다.
아울러, 인쇄회로기판(120)은 한 쌍의 페라이트 코어(110) 내에 배치되는 바, 인쇄회로기판(120)의 내부에는 한 쌍의 페라이트 코어(110)의 중족(112)이 삽입될 수 있는 삽입 홀(125)이 형성될 수 있다.
한편, 본 발명에서 인쇄회로기판(120)이 하나인 것으로 도시되었으나, 코일 패턴을 포함하는 적어도 두 개 이상의 인쇄회로기판(120)이 적층될 수 있다.
절연 블록(130-1) 및 절연 베이스(130-2)는 트랜스포머(100)의 전기적 안정성을 위해, 한 쌍의 페라이트 코어(110) 및 인쇄회로기판(120)과 결합함으로써 한 쌍의 페라이트 코어(110)와 2차측 비아홀(123) 간의 절연 거리를 확보할 수 있다. 여기서, 절연 거리란 1차측 부품인 한 쌍의 페라이트 코어(110)의 노출지점으로부터 2차측 부품인 2차측 비아홀(123)까지의 가장 짧은 거리이며, 절연면을 따라 측정한 거리가 규격 절연 거리보다 길어야 한다.
구체적으로, 절연 블록(130-1)은 한 쌍의 페라이트 코어(110)의 일측을 수용할 수 있으며, 절연 베이스(130-2)는 디귿자 형상을 이루며 한 쌍의 페라이트 코어(110) 내에 배치될 수 있다. 또한, 조립 과정에서 절연 블록(130-1)과 끼움 결합될 수 있다. 즉, 절연 블록(130-1) 및 절연 베이스(130-2)는 2차측 비아홀(123)이 마련된 인쇄회로기판(120)의 일부 영역을 감싸듯이 수용할 수 있으며, 이를 통해 한 쌍의 페라이트 코어(110)의 노출지점을 2차측 비아홀(123)과 멀어지게 할 수 있다. 그에 따라, 상대적으로 길이가 짧은 인쇄회로기판(120) 내에서도 1차측 부품과 2차측 부품 간의 규격 절연 거리를 확보할 수 있으며, 규격 거리를 확보하기 위해 인쇄회로기판(120)에 형성된 코일 패턴의 길이를 증가시키지 않을 수 있다.
지금까지 본 발명의 제1 실시 따른 트랜스포머(100)가 포함하는 구성 요소에 대하여 개략적으로 설명하였으며, 이하에서는 트랜스포머(100) 내 1차측 부품과 2차측 부품 간의 규격된 절연 거리를 확보할 수 있는 절연 블록(130-1) 및 절연 베이스(130-2)에 대한 구체적인 형상에 대하여 설명하도록 한다.
도 4의 (a) 및 (b)는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 절연 블록(130-1) 및 절연 베이스(130-2)의 결합 방식을 나타낸 사시도이고, 도 5의 (a), (b) 및 (c)는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 절연 블록(130-1)과 하부 코어(110-2)의 결합 방식을 나타낸 사시도이며, 도 6은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 한 쌍의 페라이트 코어(110)와 2차측 비아홀(123) 간의 최단 절연 거리를 설명하기 위한 평단면도이다.
도 4의 (a) 및 (b)를 참조하면, 절연 블록(130-1)과 절연 베이스(130-2)는 서로 교차 결합되는 형상으로 이루어질 수 있으며, 교차 결합된 공간에서 인쇄회로기판(120)의 일부 영역을 수용할 수 있다. 구체적으로, 절연 베이스(130-2)는 한 쌍의 페라이트 코어(110)의 중족(112) 또는 인쇄회로기판(120)의 삽입 홀(125)이 형성된 일면과 맞닿는 제1 베이스 절연면(135)과 제1 베이스 절연면(135)에서부터 연장되며 각각 인쇄회로기판(120)의 상면 및 하면과 맞닿는 제2 베이스 절연면(136)을 포함할 수 있다. 즉, 절연 베이스(130-2)는 디귿자 형상을 가지고 한 쌍의 페라이트 코어(110)의 중족(112)과 인쇄회로기판(120)이 맞닿는 일면에 배치됨으로써 절연 거리를 확보할 수 있다.
한편, 절연 블록(130-1)은 한 쌍의 페라이트 코어(110)의 일측에 삽입되며, 제2 베이스 절연면(136)과 끼움 결합되는 제1 블록 절연면(137)을 포함할 수 있는데, 이 때 제1 블록 절연면(137)은 제2 베이스 절연면(136), 즉 절연 베이스(130-2)와 견고하게 결합될 수 있도록 소정의 홈(137-1)이 마련될 수 있다.
즉, 도 5의 (a)와 같이, 절연 블록(130-1)의 제1 블록 절연면(137)에는 홈(137-1)이 마련될 수 있다. 절연 블록(130-1)은 상부 코어(110-1) 및 하부 코어(110-2)의 노출면의 일부를 수용할 수 있는 제2 블록 절연면(138)을 포함함으로써, 별도의 접착 부재(예. 접착제, 테이프) 없이도 절연 베이스(130-2)와 견고히 결합되고 절연 거리를 확보할 수 있다.
아울러, 도 5의 (b)를 참조하면, 결합된 형상을 수직 절단면으로 보았을 때, 서로 견고하게 결합된 절연 블록(130-1) 및 절연 베이스(130-2)가 하부 코어(110-2)에 안착되기 위해, 하부 코어(110-2)의 내측면에서 절연 수용면(116)이 마련될 수 있다. 구체적으로, 하부 코어(110-2)는 절연 수용면(116)이 마련된 영역에서 보다 얇은 두께를 가짐으로써, 절연 블록(130-1)이 하부 코어(110-2)를 보다 용이하게 수용할 수 있다.
한편, 도 5의 (b)는 하부 코어(110-2)를 기준으로 설명하였으나, 상부 코어(110-1)에도 마찬가지로 그 내부면에 절연 블록(130-1)을 수용하기 위한 절연 수용면(116)이 마련될 수 있다.
또한, 도 5의 (c)를 참조하면, 결합된 형상을 후방에서 바라보았을 때, 절연 블록(130-1)은 제1 블록 절연면(137)과 제2 블록 절연면(138)을 연결하는 제3 블록 절연면(139)을 더 포함할 수 있다. 이러한 제3 블록 절연면(139)은 2차측 비아홀(123)이 마련된 인쇄회로기판(120)을 한 쌍의 페라이트 코어(110)의 외부로 노출시키기 위한 홀(139-1)이 마련되어, 절연 블록(130-1)이 삽입하는 것만으로도 한 쌍의 페라이트 코어(110)를 안정적으로 고정시킬 수 있다.
도 6을 참조하면, 한 쌍의 페라이트 코어(110) 사이에 인쇄회로기판(120)이 배치되어 있으며, 한 쌍의 페라이트 코어(110)는 제1 외족(114), 중족(112) 및 제2 외족(115)이 서로 전자기 결합되어 마그네틱 플럭스(magnetic flux)의 이동 경로를 제공할 수 있다. 여기서, 중족(112)은 인쇄회로기판(120)의 삽입 홀(125)에 삽입되어, 1차측과 2차측의 마그네틱 플럭스를 중계하는 경로를 형성할 수 있다. 즉, 1차측 비아홀(121)에 인가된 입력 전류가 인쇄회로기판(120) 내 1차측 코일 패턴에 의해 기전력을 발생시키고, 그 기전력이 인쇄회로기판(120) 내 2차측 코일 패턴으로 유기되어 2차측 비아홀(123)로 출력될 수 있다.
즉, 트랜스포머(100)의 성능을 유지함과 동시에 소형화를 구현하기 위해, 한 쌍의 페라이트 코어(110) 내부에 절연 베이스(130-2)를, 한 쌍의 페라이트 코어(110) 외부에 절연 블록(130-1)을 배치시키며, 각각이 마주보는 디귿자 형상을 가짐으로써 서로 견고하게 끼움 결합될 수 있다.
한편, 절연 블록(130-1) 및 절연 베이스(130-2)가 배치되어, 중족(112)의 일부를 절연함으로써, 절연 수단의 우회 길이를 통해 절연 거리가 확보되므로, 상부 코어(110-1) 및 하부 코어(110-2)의 중족(112) 외측면으로부터 2차측 비아홀(123)까지 최단 절연 거리(t)가 7mm 보다 더 짧은 직선 거리로 구현될 수 있어, 종래에 비해 인쇄회로기판(120)의 크기가 상대적으로 작아질 수 있다.
지금까지 본 발명의 제1 실시 예에 따른 트랜스포머(100)에 대하여 설명하였다. 본 발명에 따르면, 한 쌍의 페라이트 코어(110)와 2차측 비아홀(123) 사이에 확보되어야 할 절연 거리(t)를 인쇄회로기판(120)의 일부 영역을 감싸는 구조를 가지는 절연 블록(130-1) 및 절연 베이스(130-2)를 통해 확보함으로써, 인쇄회로기판(120)에 형성되는 코일 패턴의 길이를 최소화할 수 있다. 또한, 트랜스포머(100)의 전체 크기가 소형화되고 그 성능이 개선될 수 있다.
이하에서는 절연 거리를 확보할 수 있는 또 다른 구조의 트랜스포머(100)에 대하여 설명하도록 한다.
도 7은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 성능 개선을 위한 절연 구조가 적용된 평면 트랜스포머(100)를 나타낸 사시도이고, 도 8은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 성능 개선을 위한 절연 구조가 적용된 평면 트랜스포머(100)를 상측에서 바라본 분해 사시도이며, 도 9는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 성능 개선을 위한 절연 구조가 적용된 평면 트랜스포머(100)를 하측에서 바라본 분해 사시도이다.
도 7 내지 도 9를 참조하면, 본 발명의 제2 실시 예에 따른 트랜스포머(100)는 서로 전자기 결합되는 상부 코어(110-1) 및 하부 코어(110-2)를 포함하는 한 쌍의 페라이트 코어(110), 한 쌍의 페라이트 코어(110)가 형성한 내부 공간에 배치되는 인쇄회로기판(120)과 이를 절연시키는 절연 블록(130-1) 및 절연 베이스(130-2)를 포함할 수 있다.
한 쌍의 페라이트 코어(110)는 트랜스포머(100)를 통해 입력되는 전압이 승압 또는 강압될 수 있는 변환 공정이 이루어지는 내부 공간을 형성할 수 있다. 이를 위해, 한 쌍의 페라이트 코어(110)는 수직 절단면으로 보았을 때, 상부 코어(110-1) 및 하부 코어(110-2)가 눕혀진 E자 형상을 가질 수 있도록 각각 제1 외족(114), 중족(112) 및 제2 외족(115)으로 이루어질 수 있으며, 인쇄회로기판(120)의 일부 영역이 노출될 수 있도록 전후 방향이 개구될 수 있다. 다만, 상부 코어(110-1) 및 하부 코어(110-2)의 형상은 이에 한정되지 않는 다양한 형상이 가능할 수 있다. 예를 들어, 상부 코어(110-1) 및 하부 코어(110-2)는 각각 그 단면이 E-I형, I-I형을 가질 수 있다.
한편, 한 쌍의 페라이트 코어(110)는 서로 전자기 결합 될 수 있도록 페라이트(Ferrite) 소재로 이루어질 수 있다. 이와 같이, 트랜스포머(100)의 코어가 페라이트 소재로 이루어짐으로써, 한 쌍의 페라이트 코어(110)는 전원 회로의 스위칭 주파수에 따른 자성체 특성을 수백 kHz 이내에서 사용할 수 있다. 또한, 사용 가능한 주파수 대가 높아, 전력 변환이 가능한 용량에 비해 트랜스포머(100)의 소형화가 가능하여 그 무게가 가벼워질 수 있다. 또한, 전력 손실률이 낮아 고주파 대역에서 와전류 손실을 감소시킬 수 있다.
인쇄회로기판(120)은 전압을 승압 또는 강압시키는 1차측 코일 패턴과 2차측 코일 패턴을 포함할 수 있다. 구체적으로, 인쇄회로기판(120)의 일단에 마련된 1차측 비아홀(121)로 인입된 전류에 의해 1차측 코일 패턴에서 발생한 유도 기전력이 2차측 코일 패턴으로 유도되어 인쇄회로기판(120)의 타단에 마련된 2차측 비아홀(123)로 출력될 수 있다.
이와 같이, 1차측 비아홀(121) 및 2차측 비아홀(123)로 전압이 입, 출력 되기 위해, 인쇄회로기판(120)은 1차측 비아홀(121)이 마련된 일단에서 1차측 비아홀(121)과 전기적으로 결선되는 제1 리드핀(147)이 구비되고, 2차측 비아홀(123)이 마련된 타단에서 2차측 비아홀(123)과 전기적으로 결선되는 제2 리드핀(149)이 구비될 수 있다.
아울러, 인쇄회로기판(120)은 한 쌍의 페라이트 코어(110) 내에 배치되는 바, 인쇄회로기판(120)의 내부에는 한 쌍의 페라이트 코어(110)의 중족(112)이 삽입될 수 있는 삽입 홀(125)이 형성될 수 있다.
한편, 본 발명에서 인쇄회로기판(120)이 하나인 것으로 도시되었으나, 코일 패턴을 포함하는 적어도 두 개 이상의 인쇄회로기판(120)이 적층될 수 있다.
절연 블록(130-1) 및 절연 베이스(130-2)는 전기적 안정성을 위해, 한 쌍의 페라이트 코어(110)와 2차측 비아홀(123) 간의 절연 거리를 확보할 수 있다. 여기서, 절연 거리란 1차측 부품인 한 쌍의 페라이트 코어(110)의 노출지점으로부터 2차측 부품인 2차측 비아홀(123)까지의 가장 짧은 거리이며, 절연면을 따라 측정한 거리가 규격 절연 거리보다 길어야 한다.
구체적으로, 절연 블록(130-1)과 절연 베이스(130-2)는 서로 교차 결합되는 형상으로 이루어지며, 절연 블록(130-1)은 상부 코어 측면(111)을 수용하며 절연 거리를 확보하는 블록 외부 절연면(131)과 상부 코어(110-1)의 중족(112) 일부를 수용하며 절연 거리를 확보하는 블록 내부 절연면(132)을 포함할 수 있다. 또한, 절연 베이스(130-2)는 하부 코어 측면(113)을 수용하며 절연 거리를 확보하는 베이스 외부 절연면(133)과 하부 코어(110-2)의 중족(112) 일부를 수용하며 절연 거리를 확보하는 베이스 내부 절연면(134)을 포함할 수 있다.
아울러, 절연 블록(130-1)과 절연 베이스(130-2)의 블록 외부 절연면(131) 및 베이스 외부 절연면(133)은 각각 인쇄회로기판(120)의 2차측 비아홀(123)에 대하여 이격되게 마련될 수 있다.
또한, 절연 베이스(130-2)는 한 쌍의 페라이트 코어(110)와 절연 블록(130-1)을 수용하는 구조로 이루어질 수 있는데, 절연 베이스(130-2)는 그 내측에 하부 코어(110-2)를 수용하며, 그 위에 상부 코어(110-1)가 수용된 절연 블록(130-1)이 안착될 수 있다. 즉, 블록 외부 절연면(131)과 베이스 외부 절연면(133)이, 블록 내부 절연면(132)과 베이스 내부 절연면(134)이 서로 교차 결합되어 매우 견고한 트랜스포머 구조를 이룰 수 있다.
지금까지 본 발명의 제2 실시 예에 따른 트랜스포머(100)가 포함하는 구성에 대하여 개략적으로 설명하였다. 본 발명에 따르면, 트랜스포머(100)는 한 쌍의 페라이트 코어(110)와 2차측 비아홀(123) 사이에 확보되어야 하는 규격 절연 거리(t)를, 상술한 바와 같이 서로 삽입되는 특별한 구조의 절연 블록(130-1)과 절연 베이스(130-2)를 트랜스포머(100) 내에 별도로 마련함으로써, 인쇄회로기판(120)에 형성된 코일 패턴의 길이를 최소화할 수 있으며, 트랜스포머(100)의 소형화 및 성능 개선이 가능할 수 있다.
이하에서는 절연 거리를 확보할 수 있는 절연 블록(130-1) 및 절연 베이스(130-2)의 구조에 대해 보다 구체적으로 설명하도록 한다.
도 10은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 트랜스포머(100)의 상면도이고, 도 11은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 트랜스포머(100)의 평단면도이며, 도 12는 도 10에 도시된 트랜스포머(100)를 A-A'라인을 따라 절단한 단면도이며, 도 13은 도 10에 도시된 트랜스포머(100)를 B-B'라인을 따라 절단한 단면도이다.
도 10 내지 도 13을 참조하면, 트랜스포머(100)는 한 쌍의 페라이트 코어(110) 사이에 인쇄회로기판(120)이 배치되어 있으며, 한 쌍의 페라이트 코어(110)는 제1 외족(114), 중족(112) 및 제2 외족(115)이 서로 전자기 결합되어 마그네틱 플럭스(magnetic flux)의 이동 경로를 제공할 수 있다. 여기서, 중족(112)은 인쇄회로기판(120)의 삽입 홀(125)에 삽입되어, 1차측과 2차측의 마그네틱 플럭스를 중계하는 경로를 형성할 수 있다. 즉, 1차측 비아홀(121)에 인가된 입력 전류가 인쇄회로기판(120)내 1차측 코일 패턴에 의해 기전력을 발생시키고, 그 기전력이 인쇄회로기판(120) 내 2차측 코일 패턴으로 유기되어 2차측 비아홀(123)로 출력될 수 있다.
이러한 트랜스포머(100)의 성능을 유지함과 동시에 소형화를 구현하기 위해, 상부 코어(110-1)와 결합된 절연 블록(130-1)과 하부 코어(110-2)와 결합된 절연 베이스(130-2)를 인쇄회로기판(120)에 결합할 수 있다. 즉, 상부 코어(110-1)와 결합된 절연 블록(130-1)과 하부 코어(110-2)와 결합된 절연 베이스(130-2)를 인쇄회로기판(120)의 삽입 홀(125)에 삽입하여 서로 결합시킬 수 있다. 아울러, 이 과정에서 인쇄회로기판(120)을 감싸고 있는 한 쌍의 페라이트 코어(110)는 절연 블록(130-1)과 절연 베이스(130-2)를 통해 인쇄회로기판(120)과 절연 구조로 안착될 수 있다.
또한, 하부 코어(110-2)와 결합된 절연 베이스(130-2)는 그 내측에 상부 코어(110-1)와 결합된 절연 블록(130-1)이 안착되며, 블록 외부 절연면(131)과 베이스 외부 절연면(133)이, 블록 내부 절연면(132)과 베이스 내부 절연면(134)이 서로 교차 결합하여, 외력에도 흔들림이 없는 견고한 구조를 가질 수 있다.
이하에서는 도면을 참조하여 종래 트랜스포머의 구조와 본 발명의 제1 실시 예에 따른 트랜스포머의 구조를 비교하도록 한다.
도 14의 (1) 및 (2)는 각각 종래 및 본 발명의 본 발명의 제1 실시 예에 따른 트랜스포머(100)에서 구조에 따른 절연 거리를 비교한 평단면도이다.
도 14의 (1)은 종래의 절연 구조를 나타낸 것으로서, 종래에는 상부 코어(210-1) 및 하부 코어(210-2)의 중족(212)과 2차측 비아홀(223) 사이에 어떠한 절연 부재도 존재하지 않아, 중족(212)과 2차측 비아홀(223) 간의 최단 절연 거리(t)가 직선 거리로 최소 7mm 이상이 될 수 밖에 없었다.
반면, 도 14의 (2)는 본 발명의 트랜스포머(100) 구조로서, 절연 블록(130-1) 및 절연 베이스(130-2)를 통해 중족(112)의 일부를 절연함으로써, 절연 수단의 우회 길이를 통해 절연 거리가 확보되므로, 중족(112)과 2차측 비아홀(123)과의 최단 절연 거리(t)가 7mm 보다 더 짧은 직선 거리로 구현할 수 있다. 즉, 종래에 비해 인쇄회로기판(120)의 크기가 상대적으로 작아질 수 있다.
도 15의 (1) 및 (2)는 각각 종래 및 본 발명의 본 발명의 제1 실시 예에 따른 트랜스포머(100)에서 2차측 코일 패턴의 크기를 예시적으로 비교한 도면이다.
도 15의 (1)은 종래 트랜스포머(200)에서 인쇄회로기판(220) 내에 형성된 2차측 코일 패턴(250)의 형상, 도 15의 (2)는 본 발명의 트랜스포머(100)에서 인쇄회로기판(120) 내에 형성된 2차측 코일 패턴(150)의 형상을 나타낸 것으로써, 종래에 비해 본 발명에서 2차측 코일 패턴(150)의 크기가 좀 더 작아지는 것을 알 수 있으며, 이를 통해 트랜스포머(100)가 보다 소형화될 수 있음을 알 수 있다.
도 16의 (1) 및 (2)는 각각 종래 및 본 발명의 본 발명의 제1 실시 예에 따른 트랜스포머(100)에서 동일 원판에서 획득할 수 있는 인쇄회로기판의 수를 비교한 도면이다.
도 16을 참조하면, 일반적으로 다층 인쇄회로기판의 제조에 사용되는 원판의 크기가 1000x1000mm 인 바, 도 16의 (1)과 같이 종래의 트랜스포머에 사용되는 인쇄회로기판은 하나의 원판에서 약 2,009개의 인쇄회로기판(19.15x22.8mm)을 생산할 수 있지만, 도 16의 (2)와 같이 본 발명의 트랜스포머에 사용되는 인쇄회로기판은 하나의 원판에서 약 2,205개의 인쇄회로기판(19.15x21.0mm)을 생산할 수 있다.
즉, 하나의 동일한 원판으로 196개의 인쇄회로기판을 더 생산할 수 있어, 약 10% 정도로 원가를 절감할 수 있어, 보다 경제적일 수 있다.
도 17의 (1) 및 (2)는 각각 종래 및 본 발명의 본 발명의 제1 실시 예에 따른 트랜스포머(100)에서 2차측 코일 패턴의 전기 저항 값을 설명하기 위한 도면이다.
도 17의 (1)을 참조하면, 종래의 트랜스포머는 충전기 회로의 스위칭 주파수가 100kHz이고, 출력 전압 및 출력 전류가 5V/3A이며, 전류 밀도(251)에 따른 인쇄회로기판의 온도가 다음과 같을 때, 교류 전기저항 성분은 42.1(m옴)이 되며, 2차측 출력 전력이 15W일 때, 전기저항 42.1(m옴)으로 인한 전력 손실은 378.9mW인 것을 확인할 수 있다.
반면, 도 17의 (2)를 참조하면, 본 발명의 트랜스포머(100)는 충전기 회로의 스위칭 주파수가 100kHz이고, 출력 전압 및 출력 전류가 5V/3A이며 전류 밀도(151)에 따른 인쇄회로기판(200)의 온도가 다음과 같을 때, 교류 전기저항 성분은 31.8(m옴)이 되며, 2차측 출력 전력이 15W일 때, 전기저항 31.8(m옴)으로 인한 전력 손실은 286.2mW인 것을 확인할 수 있어, 전력 손실이 종래에 비해 감소한 것을 알 수 있다.
즉, 본 발명의 트랜스포머(100)는 절연 블록(130-1) 및 절연 베이스(130-2)를 삽입함으로써, 종래에 비해 약 25% 정도 전력 손실을 줄일 수 있다.
한편, 상술한 종래와 본 발명의 비교는 제1 실시 예를 기준으로 설명하였으나, 본 발명의 제2 실시 예에서도 절연 블록(130-1) 및 절연 베이스(130-2)를 배치를 통해 동일한 효과를 얻을 수 있는 것으로 이해될 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

Claims (7)

  1. 상부 코어(110-1)와 하부 코어(110-2)로 이루어진 한 쌍의 페라이트 코어(110);
    상기 한 쌍의 페라이트 코어(110) 사이에 배치되며, 일단에 1차측 코일 패턴을 전기적으로 연결하는 1차측 비아홀(121)이 마련되고, 타단에 2차측 코일 패턴을 전기적으로 연결하는 2차측 비아홀(123)이 마련된 인쇄회로기판(120);
    상기 한 쌍의 페라이트 코어(110)의 일측을 수용하는 절연 블록(130-1); 및
    상기 한 쌍의 페라이트 코어(110) 내에 배치되어 상기 절연 블록(130-1)과 끼움 결합되는 절연 베이스(130-2); 를 포함하되,
    상기 절연 블록(130-1) 및 상기 절연 베이스(130-2)는,
    상기 2차측 비아홀(123)이 마련된 일측에서 상기 인쇄회로기판(120)의 일부 영역을 수용하는 것을 특징으로 하는 성능 개선을 위한 절연 구조가 적용된 평면 트랜스포머.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 절연 베이스(130-2)는,
    상기 한 쌍의 페라이트 코어(110)의 중족(112)과 맞닿는 제1 베이스 절연면(135); 및
    상기 제1 베이스 절연면(135)에서부터 연장되며 각각 상기 인쇄회로기판(120)의 상면 및 하면과 맞닿는 제2 베이스 절연면(136); 을 포함하는 것을 특징으로 하는 성능 개선을 위한 절연 구조가 적용된 평면 트랜스포머.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 절연 블록(130-1)은,
    상기 한 쌍의 페라이트 코어(110)의 일측에 삽입되며,
    상기 제2 베이스 절연면(136)과 끼움 결합되는 제1 블록 절연면(137); 을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 성능 개선을 위한 절연 구조가 적용된 평면 트랜스포머.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 절연 블록(130-1)은,
    상기 한 쌍의 페라이트 코어(110)의 일측에 삽입되며,
    상기 상부 코어(110-1) 및 상기 하부 코어(110-2)의 외부 노출면의 일부를 수용하는 제2 블록 절연면(138); 을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 성능 개선을 위한 절연 구조가 적용된 평면 트랜스포머.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 상부 코어(110) 및 상기 하부 코어(110)는 상기 인쇄회로기판(120)이 배치되는 내측면에서,
    끼움 결합된 상기 제2 베이스 절연면(136) 및 상기 제1 블록 절연면(137)이 안착되는 절연 수용면(116)이 마련되는 것을 특징으로 하는 성능 개선을 위한 절연 구조가 적용된 평면 트랜스포머.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 중족(112)의 외측면으로부터 상기 2차측 비아홀(123)까지의 최단 직선 거리는 7mm 이하인 것을 특징으로 하는 성능 개선을 위한 절연 구조가 적용된 평면 트랜스포머.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 절연 블록(130-1)은,
    상기 제1 블록 절연면(137)과 제2 블록 절연면(138)을 연결하는 제3 블록 절연면(139); 을 더 포함하고,
    상기 제3 블록 절연면(139)은,
    상기 2차측 비아홀(123)이 마련된 상기 인쇄회로기판(120)을 상기 한 쌍의 페라이트 코어(110)의 외부로 노출시키기 위한 홀(H)이 마련되는 것을 특징으로 하는 성능 개선을 위한 절연 구조가 적용된 평면 트랜스포머.
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