專利名稱：適用于高密度大電流功率變換的pcb組合集成式變壓器的制作方法
發(fā)明所屬領(lǐng)域本專利是在功率變換領(lǐng)域里的一項發(fā)明，更具體地說是一種獨特的功率變壓器結(jié)構(gòu)。該種變壓器能夠為低電壓、大電流、高電流密度及高功率密度變換器提供一種理想的低成本變壓器結(jié)構(gòu)方案。
相關(guān)的領(lǐng)域描述在現(xiàn)代的直流功率變換領(lǐng)域，人們通常用開關(guān)型功率變換器把直流功率從一個電壓水平變換到另一個電壓水平，從安全絕緣的角度來說直流功率變換器分為兩大類隔離型的和非隔離型的。
如果輸入和輸出電壓都在規(guī)定的安全電壓范圍之內(nèi)，非隔離型的變換器往往被采用。反之，如果任意一側(cè)的電壓超過了安全電壓范圍，變換器的輸入與輸出之間則必須加以隔離以防止低壓側(cè)被人體接觸時造成電擊或安全事故，這類情形在信息及通訊設(shè)備中極為常見。在這種情況下，一般需要采用功率變壓來提供隔離，并同時完成功率轉(zhuǎn)換功能。圖一是對這樣一種具有變壓器隔離的功率變換器的一般性描述。
在圖一中，直流輸入電壓首先經(jīng)過原邊的功率轉(zhuǎn)換開關(guān)10被轉(zhuǎn)換成高頻開關(guān)式的交流信號，這一交流開關(guān)信號Vp輸入到變壓器20的初級繞組21，通過變壓器的電磁偶合作用被傳輸?shù)阶儔浩鞯拇芜?，并轉(zhuǎn)換成另一個不同的交流電壓Vs，該交流電壓經(jīng)連接在變壓次級側(cè)的整流器被轉(zhuǎn)換成脈動直流，最后經(jīng)布置在功率變換器輸出端的輸出濾波電路，濾除高頻脈動成分而最終變成純直流信號V0從輸出端33輸出。在如上所描述的直流功率變換器中，變壓器是至為關(guān)鍵的元器件之一。它承擔電氣隔離和能量傳輸?shù)碾p重功能。對于系統(tǒng)的效率，體積及可靠性等起了至關(guān)重要的作用。尤其在今天的直流功率變換器應用中，隨著小型化的趨勢，空間變得越來越緊湊，而新一代高速電子器件對電流的需求則不斷地上升，這種發(fā)展趨勢對電源變換器提出了高功率，高密度，及高可靠性等挑戰(zhàn)性要求，從而也更突出了變壓器設(shè)計的關(guān)鍵性和挑戰(zhàn)性。半導體技術(shù)的迅速發(fā)展持續(xù)地把產(chǎn)品推向更高的集成密度，更高的工作速度越來越低的操作電壓和越來越高的工作電流。普遍認為到2005年，高速處理器的工作電壓將低于已于1V，而工作電流則將達到130A以上。在這種趨勢，高效率的低電壓大電流功率變換器將成為能使得這種操作性能得以實現(xiàn)的關(guān)鍵性部件。同時，大電流的操作、高速的系統(tǒng)動態(tài)響應和低噪音等要求又使得功率變換器必須要坐落在非?？拷麮PU的地方。這些要求將徹底地改變傳統(tǒng)的集中式電源供電方式，從而轉(zhuǎn)向分布式電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并對產(chǎn)品標準化提出了迫切的要求。在上述情形下，功率變壓器是進一步增加電流容量和功率密度的關(guān)鍵部件之一。對于這種的應用和要求，目前有兩種傳統(tǒng)的做法做法之一被稱作為平面變壓器結(jié)構(gòu)(Planar Transformer)。這種做法是把變壓器的磁芯嵌在印刷電路板上，變壓器的繞組由電路板上的銅箔導體穿過變壓器磁芯的窗口而組成。這種設(shè)計方法可以把變壓器的高度做得很低，生產(chǎn)工藝流程簡單，加工性非常好。但從另一方面來說，因為所有的繞組全部由印刷電路板PCB的銅箔導體構(gòu)成，繞組設(shè)計在某些情況下比較困難。特別是在低電壓、大電流應用中為了取得足夠的導電截面，PCB必須要做很多層。這樣一來導致PCB的造價大幅度上升，從而影響整個產(chǎn)品的造價成本。而且因為普通材料的多層PCB，層與層之間的絕緣材料厚度又不能做得太薄，所以變壓器窗口中有效導體的占空比不高，變壓器窗口面積的有效使用率自然也不高。另一種高密度變壓器結(jié)構(gòu)方案，被稱作為扁平變壓器結(jié)構(gòu)(FlatTransformer)。這種結(jié)構(gòu)的變壓器磁芯由一個或多個閉合式的磁套所組成。變壓器的次級繞組由嵌在磁套壁上的銅箔組成。一個磁套為一個單元。初級線圈一般用絕緣導線穿過所有的磁套的中心孔構(gòu)成。這樣的設(shè)計提供了次級線圈結(jié)構(gòu)的靈活性。次級線圈單元可以按照輸出電流及電壓的需要接成串聯(lián)、并聯(lián)或串并聯(lián)等結(jié)構(gòu)方式。多個次級繞組并聯(lián)則可以非常有效地滿足低電壓、大電流的要求。這種結(jié)構(gòu)方式的一個主要缺點是結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)加工的復雜性。次級和初級繞組的制作必須用手工完成。同時由于手工嵌入的需要銅箔的厚度一般只能限于0.4mm以下。這樣單個次級繞組的電流負載能力就受到了限制，多個次級繞組并聯(lián)可以增加電流的容量。但這樣做會相應地增加制造的復雜性，變壓器的體積也隨之增大?；谝陨戏治觯鲜龅膬煞N變壓器結(jié)構(gòu)方式都具有本身的局限性。對于未來越來越高的功率密度要求和產(chǎn)品成本的壓力，這兩種方案都會受到越來越嚴峻的挑戰(zhàn)。
本發(fā)明的概述本發(fā)明的主要宗旨是提供一種PCB組合集成式變壓器結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)可以在超薄型的空間里提供非常高的電流承載能力和簡單而有效的冷卻結(jié)構(gòu)，體積緊湊，而且容易制造，生產(chǎn)成本低。這種變壓器采用了PCB組合集成式繞組結(jié)構(gòu)。變壓器磁芯可以使用扁平式UU型、UI型、EE型、EI型、ER型等等多種不同的標準扁平式磁芯。磁芯嵌在PCB上，變壓器的初級繞組由PCB上的銅箔導體構(gòu)成，次級繞組由單獨的銅板制成，貼在PCB上并和初級繞組一起穿過磁芯的窗口。次級繞組銅板的某些部位可以彎起并做成不同形狀的散熱翅，用來幫助連接在次級繞組上的整流器件散熱。因為次級繞組是由一片或數(shù)片整體的銅板制成。而且銅板的厚度一般在一到幾個毫米之間，不會造成加工工藝等方面的困難。次級繞組的截面可以很容易地做到幾個平方毫米。這樣一來，滿足大電流輸出的要求就變成了簡單而又輕而易舉的事情。而且次級繞組的導體長度可以做得非常短，從而使得電阻性導電損耗變得非常低。在加工工藝方面，次級繞組可以由單片銅板一次壓制成型。制造成本可以降到最低。同時由于PCB上銅箔導體只用來提供初級繞組，PCB的層數(shù)或銅箔的厚度也可以大大減少，從而大大地減低PCB的成本。由于PCB層數(shù)及層與層之間絕緣的減少，整個變壓器也可以做得更薄。而且二次繞組上的散熱翅可以非常有效地幫助二次側(cè)功率器件的散熱，進而降低功率器件的溫度。進一步提高功率變換器的功率密度和可靠性。在提高了功率密度，效率和可靠性等的同時，也提高了變壓器的可制造性，并降低了功率變換器的制造成本。
上述優(yōu)點對于這一領(lǐng)域的同行應該不難理解，以下是對該發(fā)明的詳細描述。
圖形簡介

圖1描述了隔離式直流功率變換器的基本結(jié)構(gòu)及功率變換中的功能。
圖2描述了該發(fā)明所使用的UU型磁芯對變壓器的一般結(jié)構(gòu)。
圖3是兩種基本的次級整流電路結(jié)構(gòu)一種為全波整流，另一種為倍流整流。
圖4描述了使用EE型磁芯的變壓器基本結(jié)構(gòu)。
發(fā)明的詳細描述圖2描述了使用該發(fā)明所構(gòu)成的PCB組合集成式變壓器的概念性結(jié)構(gòu)。變壓器的磁路由兩片扁平式U型鐵銓氧磁芯41、42組成。這兩片磁芯嵌入多層PCB 45。PCB 45上對應41、42的芯柱開了兩個相應大小的孔，使得41、42能穿過這兩個孔嵌在PCB上并緊緊地結(jié)合在一起。變壓器的初級繞組直接由圍繞41、42的兩個芯柱的螺旋形PCB銅箔線圈組成。圍繞兩個芯柱的初級線圈可以采用相同的或不同的圈數(shù)。一般情況下，特別是將兩組初級線圈并聯(lián)時，兩組圈數(shù)應相等。一般地說，并聯(lián)連接時，初級繞組電壓承載能力是串聯(lián)連接的一半，而電流容量則是串聯(lián)時的兩倍。無論是并聯(lián)或串聯(lián)連結(jié)，接線的極性都必須保證當電流從初級繞組的一端流向另一端時，所有初級繞組導體中的電流都以同一方向流過變壓器窗口。這樣初級繞組中各圈所產(chǎn)生的磁化力方能迭加起來產(chǎn)生相應的工作磁通。而不是互相抵消。根據(jù)應用和設(shè)計的需要，初級繞組也可以只圍繞U型磁芯的一個芯柱。變壓器將仍然按照同樣的電磁偶合機理工作。但初次級之間的漏電感會因為繞組幾何參數(shù)的不同而有所改變。變壓器的次級繞組由兩片銅板組成，在圖中以48、49表示，如圖中所示，這兩片次級繞組銅板分別貼在PCB的上下表面并穿過變壓器磁芯的窗口，形成兩個單圈的繞組。根據(jù)不同的需要，次級繞組也可以只用一片銅板貼于PCB的一側(cè)。在這樣的結(jié)構(gòu)中，因為次級繞組是由整塊的銅板做成，其有效導電截面可以比同樣體積的平面變壓器或扁平變壓器高出許多。以相當于標準ER18的磁芯所構(gòu)成的變壓器為例，本發(fā)明的次級繞組可獲得約5mm2的導電截面。而扁平變壓器或采用通用PCB材料的平面變壓器則只能分別獲得大約3mm2和2.4mm2的次級繞組有效導電截面。因此，使用本發(fā)明所構(gòu)成的變壓器，可在體積大約為18mm×18mm×6.5mm的空間里提供不低于100A的輸出電流。而且繞組導體的長度非常短，這一優(yōu)點結(jié)合大的導電截面使得導電損耗變得非常低。由此可為今天的高密度功率變換器提供一種非常高效率和高電流容量的變壓器方案。因為本發(fā)明的次級繞組是獨立于PCB的，而PCB的銅箔導體只需要用來構(gòu)成初級繞組。所以，PCB的厚度和層次只需要為傳統(tǒng)平面變壓器的一半。由此使得功率變換器的制造成本大大地下降。和扁平變壓器相比，次級繞組可使用全自動化制造過程。生產(chǎn)成本比扁平變壓器低很多，而且工藝性能也更好。在直流功率變換器中，變壓器的次級繞組通常接至整流電路。次級所感應出的交流電壓通過整流電路轉(zhuǎn)換成直流輸出。整流器件可采用整流二極管或可控的電子開關(guān)，象MOSFET這樣的器件。因為新一代的MOSFET管的導通電阻可以做得很。而且可以多管并聯(lián)。用MOSFET做整流器件，其導通壓降及損耗可以比整流二極管低很多。因此被大量地采用在高效率，高密度功率變換器中。在使用MOSFET做整流操作時，MOSFET的開關(guān)動作需要根據(jù)初級側(cè)功率電子開關(guān)的開關(guān)動作同步進行。所以也被稱作同步整流器(Synchronous Rectifier)。圖3描述了兩種通用的整流電路一種為全波整流電路，另一種為倍流整流電路。在實際應用中還有其它形式的整流電路，在此不一一列舉。從圖3中不難看出，變壓器次級繞組的輸出端直接和整流器件接在一起。因為本發(fā)明的次級繞組是由銅板做成，次級繞組同時也可作為一個良好的散熱器，用來降低整流器件的溫度。因為銅板繞組是一個獨立的機械可加工部件。在它的適當?shù)牟课?，如邊緣等處，可以做出附加的散熱翅以提高散熱能力。圖2中所示的次級繞組，即是一種典型的結(jié)構(gòu)。基于同樣的原理，其它類型的散熱翅結(jié)構(gòu)也可以根據(jù)實際需要來設(shè)計。如果平面式的次級繞組可以滿足散熱要求，次級繞組也可以不帶凸起的散熱翅而簡化它的機械結(jié)構(gòu)。無論有沒有散熱翅，次級繞組都可以用機械壓制的方法一次成型。從而適合高效率的大規(guī)模生產(chǎn)，制造成本也大大地降低。圖4所示的是使用扁平EE型磁芯的組合集成式變壓器結(jié)構(gòu)。如圖所示，將E型磁芯51、52嵌入PCB上和磁芯的芯拄相應的孔中，初級繞組55和次級繞組56都圍繞著磁芯芯柱53而形成。初級繞組由PCB銅箔導體所組成。次級繞組則為U型的銅板。另外，初、次級繞組也可圍繞E型磁芯的兩側(cè)芯柱構(gòu)成。從而形成1/2圈的有效圈數(shù)。這種結(jié)構(gòu)具有和使用U型磁芯的變壓器結(jié)構(gòu)相同的優(yōu)點，在此不再贅述。同時應該注意，本發(fā)明可以使用其它類型的磁芯結(jié)構(gòu)，象UI型、EI型、ER型、EQ型、RM型及其它類型的磁芯。如果變壓器為低電壓輸入，高電壓輸出，本發(fā)明中所述的初次級繞組也可以顛倒過來以適合這樣的應用。綜上所述，本發(fā)明的PCB組合集成式變壓器具有如下非常明顯的優(yōu)點1).銅板式的次級繞組可提供非常充分的導體截面和非常短的導體長度。從而大大地提高了變壓器的電流輸出能力和功率變換器的功率密度。
2).次級繞組具有極低的直流電阻，從而使得變壓器的銅損大大地降低，同時也大大地提高了低電壓大電流輸出的直流功率變換器的效率和性能。
3).次級繞組可以同時為次級整流器件提供良好的散熱。在次級繞組的適當部位還可以附加散熱翅，從而進一步提高散熱性能。
4).整流器件可以直接安裝在次級繞組銅板上，從而取得極低的導電阻抗和散熱熱阻。
5).該種變壓器結(jié)構(gòu)非常有利于設(shè)計大電流和超薄型的功率變壓器。
6).可以大大地減少電路板(PCB)的厚度和層數(shù)，從而降低了功率變換器的制造成本。
7).結(jié)構(gòu)簡單可靠，且容易制造。
權(quán)利要求
1).一種電路板(PCB)組合集成式變壓器結(jié)構(gòu)。在此結(jié)構(gòu)中，變壓器的繞組由PCB線圈和外貼銅板線圈所組合而成。
2).本發(fā)明的變壓器磁芯嵌入PCB，初級(次級)繞組由PCB線圈組成。次級(初級)繞組為銅板式結(jié)構(gòu)并貼合在PCB上，初、次級繞組都穿過變壓器磁芯的窗口。
3).銅板繞組可以同時作為散熱器提供散熱效果，次級整流元件或初級開關(guān)器件可以直接安裝在銅板繞組上，從而取得最低的回路電阻和熱阻。
4).在銅板繞組適當?shù)牟课豢芍瞥龌蚋郊由岢?，進一步地提高散熱能力。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種電路板(PCB)組合集成式變壓器結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)可以使用不同類型的扁平式磁芯，嵌入PCB的安裝孔中，變壓器的一部分繞組(初級或次級)由PCB銅箔線圈所組成。另一部分繞組(次級或初級)由獨立于PCB的銅板線圈構(gòu)成。初級和次級繞組貼合在一起并穿過磁芯的窗口。該結(jié)構(gòu)可以大大地增加低電壓側(cè)繞組的導體截面，從而極大地提高了變壓器和功率變換器的電流密度和功率密度。銅板繞組也同時為與其連接的功率電子器件提供了良好的散熱效果，從而進一步提高了功率變換器的可靠性。該種結(jié)構(gòu)使用了較少的PCB層數(shù)。銅板繞組容易制造。因此為現(xiàn)代的高效率、高密度、高可靠性功率變換器提供了一種高性能、低成本的變壓器設(shè)計和相關(guān)的系統(tǒng)設(shè)計方案。
文檔編號H01F30/00GK1747083SQ200410051408
公開日2006年3月15日 申請日期2004年9月10日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月10日
發(fā)明者范劍平 申請人:深圳普達電源技術(shù)有限公司