CN1232572A - 平面变压器 - Google Patents

Abstract

一平面线圈组件,包括第一线圈(12、14)和第二线圈(16),各线圈具有一轴(20)和一对绝缘片层(22),这些层被叠压在一起,这些对绝缘片的各对中的至少一个具有一孔(24)。各线圈还包括一被缠绕在其线圈轴上且被密封在这些叠压的绝缘片层之间的金属带状导线(12a、14a、16a)。这些金属带导线具有一伸入到该孔中的部分。该第一线圈的金属带状导线通过这些绝缘片的孔而与第二线圈的金属带状导线电连接。

Description

平面变压器

本发明涉及高功率平面变压器。

一直在进行减小电源和DC-DC转换器的尺寸的努力。磁变压器和感应器元件是这些电源中使用的一类重要的元件且通常是难以小型化的。近来，所谓的型面高度不大的包括由用柔性电路和多层印刷电路板(PCB)技术构成的元件的“平面磁元件”(例如，变压器和感应器)在空间受限的应用中被使用。

在本发明的一方面，一平面线圈组件包括第一和第二线圈，各线圈具有一轴和一对叠压在一起的绝缘片层，这些对绝缘片的各对中的至少一个具有一孔。各线圈还包括一被缠绕在其线圈轴上并被密封在这些叠压的绝缘片层之间的金属带状导线。该金属带状导线具有一伸入到该孔中的部分。第一线圈的金属带状导线通过这些绝缘片的孔而与第二线圈的金属带状导线电互连(例如，焊接)。

本发明提供一种相对小的、型面高度不大的可处理高功率(例如，大于150瓦)且具有高绝缘电压(例如，大于6000伏)的变压器。而且，该变压器高度可靠并可在一宽的温度范围上工作。

本发明的实施例可包括一个或多个以下特征。第一线圈是一多匝线圈。第一和第二线圈被粘着地结合在一起。各金属带状导线可在一引线框部件上形成。这些绝缘片部件为聚酰亚胺而这些金属带状导线为铜。

在一变压器实施例中，该平面线圈组件还包括一配置在第一和第二线圈之间并具有一金属带状导线的第三线圈。该第一和第二线圈被互连以提供一平面变压器的初级而该第三线圈提供该变压器的次级。

在该变压器的优选实施例中，各第一、第二和第三线圈的各对绝缘片中的至少一个包括有一孔。第一和第二线圈中形成的这些孔暴露出与具有该孔的绝缘片相关联的金属带状导线的一部分以使可通过第一、第二和第三线圈的这些孔进行这些金属带状导线的电连接。该第一、第二和第三线圈被粘着地结合在一起。

这些孔为通常为多匝平面线圈且已被单独地密封在叠压的绝缘片之间的该第一和第二线圈的电互连提供了一方便路径。例如，该第一和第二线圈可形成一变压器的一初级线圈，该第三线圈是一对称地定位在各半个初级之间的一次级。该第三线圈既不与第一线圈也不与第二线圈电互连。然而，第三线圈中形成的该孔可允许第一和第二线圈通过其被电互连。该用于单独地互连密封的线圈的方案具有许多优点。本发明的互连方案允许使用多匝平面结构。相对厚的金属带状导线被叠压在一对相对薄的绝缘片线圈之间以确保线圈之间的高压绝缘以及当线圈在高温下(例如高达120℃)工作时高度可靠的密封。而且，其内使用这些变压器的组件(例如电路板)经常被暴露至高压“水洗”的过程。这些线圈被单独密封以确保它们在这些清洁程序期间是密封防水的。

而且，这些线圈可在一高度可重复的制造过程中被构成和密封。单独地密封各线圈还允许这些线圈被组合以提供多种变压器或其他的磁线圈元件构造。也就是说，简单地通过以不同方法叠压和互连这些线圈可从一有限数量的线圈构造构成大量的变压器或磁线圈元件。还有，由于这些线圈被单独地密封，不需要依靠在将这些线圈结合在一起中所使用的粘结剂来提供线圈的防水密封。

该变压器实施例可还包括一铁淦氧磁心部件，该第一和第二线圈的绝缘片部件具有一孔径，该孔径大小可接收该铁淦氧磁心部件。

通过以下对优选实施例的描述及自权利要求，本发明的其他特征和优点将显见。

图1为本发明的一平面变压器的透视图。

图2为图1的平面变压器的分解视图。

图3为沿图1的线3-3的该变压器的截面侧视图。

图4A-4C为图1的该平面变压器的线圈部件的平面视图。

图5为说明用于构成图1的平面变压器的一方案的流程图。

图6A和6B为在分别结合金属带状导线的接头端之前及之后的，图1的变压器的一部分的截面侧视图。

图7为在分别结合金属带的接头端之前及之后的，图1的变压器的一可替换实施例的一部分的截面侧视图。

图8A和8B为图7的线圈部件的平面视图。

图9为一变压器的一可替换实施例的截面侧视图。

图10为图9的变压器的线圈部件的平面视图。

参见图1-3和4a-4c，示出一能处理150瓦同时提供大于6000伏的绝缘电压的高功率平面变压器10。而且，变压器10具有一相对小的整体外部尺寸。具体地，该变压器具有约1.25英寸的引线到引线(lead-to-lead)长度、0.75英寸的宽度和0.30英寸的深度。变压器10包括由一对线圈部件12、14组成的一初级线圈和定位在期间的一次级线圈16。线圈部件12、14、16分别包括平坦的金属带12a、14a、16a，各该带由刚性导电金属形成，最好为铜或铜合金。这些金属带具有一基本上为矩形的截面和在约0.010和0.040英寸之间的厚度。这些金属带具有多匝构造，其中一系列直线段绕这些线圈部件的一轴20向内缠绕。金属带12a从在线圈12的外边的一端子26顺时针向内缠绕到一内接头28(图4A)。另一方面，作为金属带12a的反射镜图象的金属带14a从在线圈14的外边的一端子31逆时针向内缠绕到一内接头30(图4C)。在所有其他方面，金属带12a和14a是相同的。

金属带12a。14a、16a被分别密封在一对具有在约0.0005和0.001英寸之间的厚度的绝缘片22之间。最好，具有一可热粘合的丙烯酸的粘合涂层的聚酰亚胺膜被用于绝缘这些金属带。Pyralux^、Kapton^聚酰亚胺膜(E.I.Dupont de Nemours & Co.的产品)特别适用于密封这些金属带以确保防水密封。根据以下将更详细讨论的，绝缘片22包括有预形成孔24，用于允许线圈部件12、14电互连。注意尽管线圈部件12、14、16在图2中示出为相对薄，事实上，它们如图3和6A的截面视图中更精确描绘的，要厚得多。

金属带12a和14a提供一多匝线圈，在该实施例中，各线圈具有两匝以便这些金属带被连接在一起，一四匝初级线圈被提供。另一方面，次级线圈16的金属带16a仅具有在定位于该线圈的一边的端子之间延伸的一单一匝。因此，在该实施例中，图1的被装配的变压器具有4∶1的匝数比。在操作中，例如，在端子26、31被提供的一标称48伏输入在次级线圈16的端子32提供一高度调节的12伏输出(30安培)。

在金属带12a的端子26引入的初级电流流过金属带12a并经金属带的内接头28、30的互连而流至金属带14a。初级电流继续流过金属带14a到端子31。流过线圈12和14的初级电流产生一磁场，该磁场被耦合至次级线圈部件16以在端子32产生升高的(或降低的)电压。如图1中所示，端子26、31、32被弯曲以允许连接到一印刷电路板的表面安装孔。

为提供一更有效的磁路，线圈部件12、14、16被安装在一变压器心组件34内，该变压器心组件34具有一E心部件36和一顶板38，该E心部件36和顶板38都由烧结的铁淦氧材料形成，且一起提供用于由线圈部件生成的磁场的磁通路径。E心部件包括一中心柱40和一对端柱42，它们一起确定一对通道44，这些线圈部件被定位在该对通道内。线圈部件12、14、16的绝缘片22包括被形成为矩形的开口44，该中心柱延伸通过该开口44。这样，中心柱40便于线圈部件在该心组件内的配准。

不象仅具有一单一匝且沿其外周进行其连接的次级线圈16，线圈12、14为多匝的且要求在线圈的这些匝的内部一点处进行这些线圈的连接。通过设置在线圈12、14、16的绝缘片22的内部的预形成孔24，可实现线圈12、14的内接头28和30的互连。具体地，内接头28、30突入形成在其密封绝缘片内的孔并被定位成一个在另一个之上。

再参看图4A-4C，金属带导线12a、14a、16a包括通常以直角相互连接的线段。这些线段的连接处可以是具有一预定曲率半径的弯头以改善线圈的磁特性并提供在相对厚的金属带上的更有效的密封。

参见图5的流程图，对用于装配图1-3和4a-4c中所示类型的一平面变压器的优选方案进行描述。为提供一更有效的制造过程，通常在一引线框带48(图10)上制做各线圈部件12、14、16。例如，多达六个的线圈部件12各被连接至一单独的引线框带。

金属带12a、14a和16a最好通过一冲压或光化蚀刻过程形成(步骤100)。在珂罗板设计的改进中，金属带可替换地通过线电子放电加工(EDM)过程形成。根据被使用以形成金属带的具体过程，可要求各种精加工操作(步骤102)。例如，在冲压和清洗金属带之后，可使用一精压过程以去除这些带的边缘的毛刺。为准备电镀操作，在精压之后可还执行一微蚀刻步骤。

在与准备金属带的过程分开的一过程中，粘着地包覆的绝缘片22被切成带状并设置有孔24(例如预冲孔或预钻孔)(步骤104)这些孔的直径约0.100英寸且可在两绝缘片中都形成孔或简单地在面对金属带连接至的线圈的绝缘片中形成孔。这些绝缘片被定位在一装配夹具(未示出)内的金属带的两侧上，这些片的粘着衬垫与金属带相接触。相对于对应变压器10的初级线圈的金属带12a、14a，这些金属片与覆盖金属带的端接头28、30的孔24对准以使这些接头突入这些孔并通过这些孔被暴露出。然后通过使用一差压层压设备对绝缘片加热和加压而将金属带热结合在绝缘片内(步骤106)。一差压层压设备抽真空以去除绝缘片之间的空气，从而获得有效的密封。可使用保形压垫对线圈结构加压。根据许多因素经验地确定在密封过程期间对绝缘片和金属带施加的压力和热量水平，这些因素包括在一给定时间被处理的单元数。然而，在大多数应用中，所施加的温度通常高达190℃且压力水平高达500磅/英寸²。这些温度和压力被施加约1.5小时(在温度上)。要求这些极端的压力和温度水平以确保相对厚的金属带(例如40密耳)和相对薄的绝缘片(例如2密耳)之间的防水密封。保证这一密封是重要的，因为在变压器工作的高温下，腐蚀影响会增大。

参见图6A，示出叠压配置的线圈12、14、16的孔24的区域的分解截面侧视图。注意到在一接头不打算从这些绝缘片中伸出的区域中，这些片被切削或预冲压以提供一在这些片包围的金属带的端部外面延伸的一绝缘片区域50是重要的。这样，当对这些绝缘片施加一差压层压处理时，这些延伸的区域被“缩拢”以提供该金属带的一可靠的密封。为确保薄绝缘片和厚金属带之间的有效密封，通常希望区域50的长度为金属带厚度的1.5到2倍。例如，对于40密耳厚的金属带，区域50的长度应在60与80密耳之间。

在冷却后，金属带的暴露出的表面被镀锡以防止铜的氧化并提高对它们表面的可焊接性(步骤108)。暴露出的表面包括突入到它们各自孔24内的内接头28、30以及从线圈的外周伸出的端子26、30、32，尽管这些金属带可在叠压绝缘片之前被电镀，但最好在叠压绝缘片之后被电镀。在叠压后进行电镀允许装配员测试密封的质量。层压的绝缘片中的任何漏隙将导致这些片下的电镀的“镀料流动”并按照推测流到这些金属带的密封的表面上。因此，装配员可通过对在叠压的绝缘片下方的金属带的表面上的电镀进行视觉地检查而对一有缺陷的密封进行视觉地检查。

在电镀后，叠压的绝缘片42通常被微调以对叠压的线圈部件进行精加工(步骤110)。在该装配阶段，可钻通过绝缘片的附加开口(例如矩形的开口44)以容纳例如心组件34的中心柱40。

参照图6B，为电互连线圈部件12和14的端部28、30，这些线圈部件被定位在一夹具中(未示出)。该夹具具有从该组件的任一侧被引导的销并沿朝向相互的方向(箭头指示的方向)弯曲接头端28、30，使它们在次级线圈部件16的绝缘片22中的预形成孔44中的一区域内相互接触。如图4A和4C中更清楚地所示，接头28、30可被形成以具有比它们关联的金属带12a、14a小的宽度以便于它们互连。

参见图7、8A和8B，在一可替换的实施例中，线圈部件14的金属带包括一内接头26a，该内接头26a比与线圈部件12的金属带12a关联的内接头30a长。然而，不象以上结合图6A和6B讨论的实施例，接头28a和30a都沿同一方向被弯曲(在此是向上)以使伸出孔24a，在那里它们易于焊接在一起。这种配置便于视觉上检查和测试焊点。而且，具有伸出孔24的接头28a和30a更好地适于使用一工业的波峰钎焊机或牵引焊接系统焊接接头的应用。

在该实施例中，孔24a被预形成以被拉长并大于图4A和4C中的孔24。孔24a更大以容纳必须延伸通过线圈12和16的更长的接头30a。而且，在叠压绝缘片22期间施加的高压力水平导致粘合剂后退以被吸入该孔中，从而缩小它的尺寸的应用中期望较大的孔。而且，由于接头28a和30a在该孔外而非在次级线圈16的该孔的区域内被连接，次级线圈16的孔24b可被做得小些。较小的孔24b允许金属带16a被做得稍小些，从而减小变压器的整体尺寸。

装配的线圈然后被配置成任意多种叠放的构造并用粘合剂，例如热愈合(curable)环氧树脂结合在一起(步骤112)。注意到由于这些线圈被单独密封(如上面结合步骤106所述的)，不需要依靠第二个结合步骤来提供线圈的防水密封是重要的。然后将糊状或预成形钎料施加至接触接头端且使用回流炉进行融化(步骤114)。可替换地，如上所述，这些线圈可通过一工业的波峰钎焊机或牵引焊接系统被传送。

然后将装配的线圈部件从引线框带上去除且通常将端子26、30、32弯曲以允许连接至一印刷电路板的表面安装孔(步骤116)。可替换地，可将销或其他端子部件连接至外部和内部端接头以允许连接至该印刷电路板。

然后可在一铁淦氧磁心组件中装配这些粘着地结合的线圈(步骤118)。例如，在图2所示的变压器配置中，在该磁心组件的E心部件36内安装线圈12、14和16。然后将顶板38粘着地连接至E心部件从而在该磁心组件内固定这些线圈部件。在一些实施例中，中心柱40可接触顶板，而在另外的实施例中，中心柱被间隔开一间隙54(图3)，该间隔被选择以控制磁路的磁通密度。

可用任意多种不同的方法将叠放配置的线圈组件进行组合以提供具有不同特性的变压器。例如，如上所述，以上结合图1-4所述的变压器10被设计成具有一4∶1匝数比。该变压器的电互连不同组合可提供具有不同特性的一变压器。参见图9，例如，示出一对变压器的截面视图，各变压器与上述类似，该对变压器被示出一个在另一个之上叠放且电连接在一起。该构造很好地适于要求增高的效率和低输出电压的应用。为易于理解，使用标识图1的变压器的相同部件的参考数字。这样，实质上，最上面的变压器组件10a包括定位在一对线圈部件12之间的一次级线圈，该对线圈部件12一起形成该变压器的初级线圈。线圈部件12和15通过在孔44处焊接内接头28、30而被电连接。最下面的变压器10b是变压器10a的反射镜图象且通过一绝缘聚酰亚胺片80与变压器分开，该绝缘聚酰亚胺片80用作为变压器10a和10b之间的一隔板。

参见图10，除了外部端子部件82从该线圈的中心而非沿线圈14的一外边沿伸出外，线圈15与图1-4中的线圈14相同。在该线圈的中心设置端子部件82导致端子部件82相互叠加以使它们可易于通过焊接而被互连。

其他的实施例在以下的权利要求中，例如，本发明的原理可适用于其他的包括感应器的磁线圈元件。

Claims (16)

1、一平面线圈组件，包括：

第一和第二线圈，各线圈具有一轴并包括：

一对绝缘片层，这些层被叠压在一起，这些绝缘片的各对中的至少一个具有一孔；及

一被密封在这些叠压的绝缘片层之间且具有一伸入到该孔中的部分的金属带状导线，该金属带状导线被缠绕在其线圈轴上；

该第一线圈的金属带状导线通过这些绝缘片的孔而与第二线圈的金属带状导线电连接。

2、权利要求1的平面线圈组件，其中该第一线圈是一多匝线圈。

3、权利要求1的平面线圈组件，其中该第一和第二线圈的金属带状导线被焊接在一起。

4、权利要求1的平面线圈组件，还包括一具有一金属带状导线的第三线圈，该第三线圈配置在第一和第二线圈之间，该第一和第二线圈被互连以提供一平面变压器的初级，该第三线圈提供该变压器的次级。

5、权利要求4的平面线圈组件，其中各第一、第二和第三线圈的各对绝缘片中的至少一个包括有一孔，第一和第二线圈中形成的这些孔暴露出与具有该孔的绝缘片相关联的金属带状导线的一部分，可通过第一、第二和第三线圈的这些孔进行这些金属带状导线的电连接。

6、权利要求4的平面线圈组件，其中该第一、第二和第三线圈被结合在一起。

7、权利要求1的平面线圈组件，还包括一铁淦氧磁心部件，该第一和第二线圈的绝缘片部件具有一孔径，该孔径大小可接收该铁淦氧磁心部件。

8、权利要求4的平面线圈组件，其中第一、第二和第三线圈的各绝缘片部件具有一孔径，该孔径大小可接收一铁淦氧磁心部件。

9、权利要求1的平面线圈组件，其中各金属带状导线可在一引线框部件上形成。

10、权利要求1的平面线圈组件，其中这些绝缘片部件为聚酰亚胺。

11、权利要求1的平面线圈组件，其中这些金属带状导线为铜。

12、一种提供一平面线圈组件的方法，包括有步骤：

提供第一和第二线圈，各线圈通过以下步骤形成：

    在一对绝缘片层之间定位一金属带导线，

    将这些片层一个在另一个之上叠压以密封它们之间的该金属带导线；及

将第一线圈的金属带导线电连接至第二线圈的金属带导线。

13、权利要求12的方法，还包括步骤：通过该第一和第二线圈的各对绝缘片中的一个形成一孔，各孔暴露出与具有该孔的绝缘片相关联的金属带状导线的一部分，通过这些孔电连接这些金属带导线。

14、权利要求13的方法，其中电连接这些金属带导线包括在这些孔内朝向相互地弯曲这些金属带的端区。

15、权利要求12的方法，还包括步骤：将第一和第二线圈结合在一起。

16、权利要求12的方法，还包括步骤：通过该第一和第二线圈的这些绝缘片形成一孔径，该孔径的大小可接收一铁淦氧磁心部件。

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