专利名称：多层变压器器件和方法
背景技术：
1.发明领域本发明涉及到多层变压器，更确切地说，涉及到能提高多层变压器内部绕组之间的磁耦合和介质击穿电压的多层变压器。
2.相关技术的描述多层变压器的使用是众所周知的。一般来说，多层变压器可采用以下工艺来构成。将磁性材料(如铁氧体)铸造成带。随后，将铸造的带切成薄片或薄层，并且在每个带状薄层的所要求位置上制作通孔，以便于形成导电的通路。将导电胶依次设置在带状薄层的表面上并制成端头连接通孔的螺旋线绕组。随后，经适当调整对齐，将一些具有相同导电绕组的带状薄层通过通孔重叠在一起，以制成多绕组变压器的结构。经检验后，通过加热和加压力将这些薄层结合在一起。接着，把这种结构送入烧结炉烧结，制成结构相同的叠片式铁氧体变压器。采用上述工艺，可以通过在铁氧体薄层表面上制作一组通孔和导电绕组方法来同时制作许多变压器。在烧结的前后，变压器都是单个的。
图1-2显示了采用上述工艺制成的传统铁氧体变压器的例子。
然而，采用上述工艺所制成的变压器结构，其磁导率在整个多层结构中都是均匀的。由导电绕组所产生的一部分磁通量贯穿相邻的绕组。例如，在初级绕组和次级绕组是以交错关系设置在不同薄层上的结构中，不是所有的由初级绕组所产生的磁通量都贯穿次级绕组。这就在初级绕组和次级绕组之间产生了无效的磁链。在初级绕组和次级绕组之间的磁链的效率可以由磁耦合系数来确定。一般来说，初级和次级绕组之间的磁耦合系数定义为Lpri-LleadLpri]]>式中Lpri表示为初级磁感应系数，Lleak表示为当次级绕组短路时在初级绕组上所测得的磁感应系数。经验已经确定该耦合系数是绕组之间相互接近距离的函数。具有均匀磁导率的变压器(如图1和2所示)的磁耦合系数为0.83。
尽管相邻薄层的绕组之间的空间越小就可以得到越高的磁耦合系数，但是，铁氧体薄层的厚度必须满足能承受在绕组之间不发生介质击穿的最低电压。例如，典型的NiZn铁氧体材料的厚度需要大于7密耳才能承受2400V的交流电压。
为了得到高的磁耦合系数，另一种方法已在美国专利5,349,743中提出。专利′743报导了制作器件的方法以及为了确定好提高磁耦合的磁芯区域而使用两种不同材料来限制磁通量通路的方法。然而，由于需要制作器件以及采用与带材料不相同的材料来填充器件，因此这种方法就显得非常昂贵并且限制了变压器的小型化。
于是，在改进的多层变压器的技术方面就提出了绕组间具有较高磁耦合的要求。同样，在低成本和小体积，在自动加工中的可靠的批量生产，以及在满足规定的安全要求等方面，对改进的多层变压器也提出了类似的要求。
发明概要为了克服上述所讨论的现有技术的限制，以及克服在阅读和理解目前的技术规范时会变得十分突出的一些其他限制，本发明提供了在不影响电绝缘特性下提高磁耦合的多层变压器的方法和器件。
本发明提供了一种比具有较高磁导率的带更薄、但是能可以与其在机械和化学性能上相兼容，且具有低磁导率的介质材料的薄层。这种薄层可以设置在导电绕组上面、下面或在绕组之间。可以理解到，这种薄层可以丝网印刷或涂胶在带上。这种薄层在结构中会产生了不同磁导率的区域。为了能在丝网区域中选择较低的铁氧体磁导率，薄层中的介质材料在烧结过程中也与铁氧体的带产生化学反应。低的磁导率介质材料可为绕组间的磁通量提供高的磁阻路径，于是，就增加了在所要求的磁芯体积中产生的磁通量能以更短的距离在绕组之间通过。因此，在所有的初级和次级绕组之间就会产生更多的磁链，也就更明显地提高了磁耦合系数。
在本发明的一个实施例中，具有多层带状结构的变压器包括由一层重叠一层的多个带，其中，磁芯区域接近于变压器的带的中心，初级绕组设置在带中至少一个上，次级绕组也是设置在带中至少一个上，连接着带之间的初级绕组的第一组多个互连通孔，连接着带之间的次级绕组的第二组多个互连通孔，以及设置在带之间的初级和次级绕组中至少一个附近的薄层，所述薄层是由磁导率比带的磁导率更低的介质材料制成，对绕组之间磁通量形成高的磁阻路径，使得磁通量流动在磁芯区域中最大。
此外，在本发明的一个实施例中，初级绕组和次级绕组是以交错的关系设置在带上。
还有，在本发明的一个实施例中，初级绕组和次级绕组是设置在相邻的带上。
还有，在本发明的一个实施例中，初级绕组和次级绕组是设置在同一个带上。
同样，在本发明的一个实施例中，薄层与带在机械和化学性能上相兼容。
此外，在本发明的一个实施例中，薄层被丝网印刷在初级和次级绕组上。
此外，在本发明的一个实施例中，薄层被涂在初级和次级绕组上。
还有，在本发明的一个实施例中，薄层是带状形式。
本发明的优点之一是初级绕组和次级绕组之间的磁耦合得到了明显的提高。本发明中的磁耦合系数能够接近达到0.95。
在本发明中，配制低磁导率的介质材料(即薄层)，比传统铁氧体材料(如，NiZn铁氧体材料)具有更高的介电电压/密耳比，用于制作带状薄层。因此，本发明的另一个优点是允许在带的厚度上整体缩小到要求满足的介质测试电压，由此使每个变压器尽可能少地使用整体材料。
本发明的第三个优点是制造的低成本。在批量生产中，丝网印刷工艺要比制作器件的其它工艺快得多。丝网一般也比制作器件的其它工具的成本要低得多。除之以外，小的器件的加工尺寸和速度的限制实际上是带状薄层，相反，具有良好精细的丝网的制造并不是十分昂贵。较薄的铁氧体带状薄层也降低了整个变压器的高度和/或宽度。
本发明也提供了构造多层变压器的方法，它包含的步骤有制作多层带状形式的磁性材料，在多层带状薄层中至少一个上设置导电绕组，在薄层上制作多个通孔，用于选择性地连接导电绕组，以及在导电绕组中至少一个附近设置非磁性材料。
在本文件所附的权利要求以及其它部分中将详细地描述本发明的上述以及其它各种具有新颖性的优点和性能。然而，为了较好地理解本发明、本发明的优点以及它的使用所能得到的目的，可以从本文件其它部分的附图以及所讨论的材料中得到参考，在这些附图和材料中都有用来说明和讨论本发明的器件的具体例子。
附图的简述现在参照附图，在整套附图中，用同一参考数字来表示所对应的部分。
图1是说明一个常规多层变压器的分解图。
图2是说明沿着图1中2-2线的常规多层变压器的剖面图。
图3是说明依据本发明一个实施例的多层变压器的分解图。
图4是说明沿着图3中4-4线的多层变压器的剖面图。
图5是说明依据本发明另一个实施例的多层变压器的剖面图。
较佳实施例的详细描述本发明提供了一种在不影响变压器的介质绝缘性能的条件下提高其磁耦合的多层变压器的方法和器件。
本发明提供了一种比具有较高磁导率的带更薄，并能与其在机械和化学性能上相兼容，具有低磁导率的介质材料的薄层。这种薄层可以设置在导电绕组上面，下面，或在绕组之间。薄层在结构中可产生具有不同磁导率的区域。薄层中的介质材料在烧结过程中也与铁氧体的带产生化学反应，以便于在丝网区域中选择较低的铁氧体磁导率。低的磁导率的介质材料为绕组之间的磁通量形成高的磁阻路径，于是，增加了所要求的磁芯体积中产生的磁通量能以短的距离在绕组之间通过。因此，在所有的初级和次级绕组之间就产生了更多的磁链，也就更明显地提高了磁耦合系数。
在图3-5所示的较佳实施例中，显示了具有多层带状结构的变压器。变压器具有将设置在带中至少一些上的绕组重叠在一起的带。绕组采用互连通孔在带之间连接。变压器还包括丝印或涂胶在绕组中至少一些上的薄层。这种薄层由磁导率比带的磁导率更低的介质材料所制成，因此，对在相邻带的绕组之间的磁通量形成了高的磁阻路径。从而，提高了初级绕组和次级绕组之间的磁链，也能获得更高磁耦合系数。
在随后的较佳实施例的描述中，可以参照本文中的附图。这些附图都说明了本发明可以实现的具体实施例。应该理解到可以利用其它实施例和结构上的变化都没有离开本发明的范围。
在图1中，传统的多层变压器是由盖帽(顶层)102，薄层104，分别具有初级绕组110，122和126的初级绕组层106，分别具有次级绕组112，124和128的次级绕组层108，低罩(底层)114，以及导电通孔119a，119b，119c，119d，120a，120b，120c，120d，121a，121b，121c，121d，121e，123b，123d，123e，123f，125d和125f。多层变压器100的顶层102包括了四个端头焊点116a-d和四个导电通孔119a-d。两个端头焊点116b，c分别连接初级绕组的起始引线和初级绕组的结束引线。另外两个端头焊点116a，d分别连接次级绕组的起始引线和次级绕组的结束引线。
初级绕组层106，110和次级绕组层108，112以交错的关系相互重叠。初级绕组122通过通孔119c和120c与端头焊点116c相连，通过通孔121e和123e与初级绕组126相连。初级绕组126通过通孔123b，121b，120b和119b与端头焊点116b相连。同样，次级绕组124通过通孔119a，120a和121a与端头焊点116a相连，通过通孔123f和125f与次级绕组128相连。次级绕组128通过通孔125d，123d，121d，120d和119d与端头焊点116d相连。
图2是说明图1中沿着2-2线的局部剖面图。在该结构中，影线方框表示初级绕组122和126的匝数，而空白方框则表示次级绕组124和128的匝数。在整个多层变压器100中，铁氧体的磁导率都是相同的。一些磁力线129a-f贯穿在绕组之间。铁氧体薄层的厚度必须足以防止绕组之间的介质击穿。
在图3中，显示了依据本发明所较佳实施例的多层变压器150。本发明的结构组成有盖帽(顶层)152，薄层154，分别具有初级绕组的160，172和176的初级绕组层156，分别具有次级绕组的162，174和178的次级绕组层158，低罩(底层)164，以及导电通孔169a，169b，169c，169d，170a，170b，170c，170d，171a，171b，171d，171e，173b，173d，173e，173f，175d和175f。多层变压器150的顶层152可以包括四个端头焊点166a-d和四个导电通孔169a-d。两个端头焊点166b、c分别连接初级绕组的起始引线和初级绕组的结束引线。另两个端头焊点166a、d分别连接次级绕组的起始引线和次级绕组的结束引线。初级绕组层156，160和次级绕组层158，162以交错的关系相互重叠。初级绕组172通过通孔169c和170c与端头焊点166c相连，通过通孔171e和173e与初级绕组176相连。初级绕组176通过通孔173b，171b，170b和169b与端头焊点166b相连。同样，次级绕组174通过通孔169a，170a和171a与端头焊点166a相连，通过通孔173f和175f与次级绕组178相连。次级绕组178通过通孔175d，173d，171d，170d和169d与端头焊点166d相连。在初级绕组和次级绕组172，174，176和178上，将低磁导率介质材料制成的薄层丝印或胶涂在绕组上的。(如图3所示的影线区域)。薄层可以设置在初级和次级绕组的上面，或在初级和次级绕组的下面，或在初级和次级绕组之间。这种低磁导率介质材料在机械和化学性能上与较高磁导率的铁氧体带是相互兼容的。在烧结的过程中，低磁导率介质材料也与铁氧体带产生化学反应，选择性地降低丝印区域中的铁氧体磁导率。因此，在每个绕组带上可以获得不同磁导率的区域。薄层180为相邻的初级和次级绕组172，174，176和178的磁通量构成了高的磁阻路径，从而增加了所要求的磁芯区域182中的磁通量，该区域在变压器的带的中心位置附近。在初级绕组匝数和次级绕组匝数之间产生更多的磁链。从而，磁耦合系数得到明显提高。变压器150的磁耦合系数能够接近达到0.95。此外，用于制成薄层180的低磁导率介质材料可配制成具有比形成带状层所使用的NiZn铁氧体更高的介电伏特/密耳比率。从而，能够减小满足电压所要求的带厚度。
图4说明了图3中沿着4-4线的局部剖面图。在图4中，影线方块表示初级绕组172和76的匝数，空白方块表示次级绕组174和178的匝数，薄层180采用虚线来表示。阻止磁通量184泄漏到绕组之间的区域，而通过所需的磁芯区域182。可以理解到，绕组的匝数可以根据需要而变化的。也可以理解到，在本发明中，绕组的形状和尺寸也是可以变化的。
图5显示了根据本发明另一个实施例的变压器190。在图5中，初级绕组和次级绕组都是设置在每个绕组薄层192上。如图5所示，影线方块194表示初级绕组的匝数，空白方块196表示次级绕组的匝数。由虚线所包围的区域198是采用低磁导率介质材料制成的薄层。迫使磁通量200(简化为单根磁力线)进入所需的磁芯区域202。阻止磁通量200泄漏到绕组之间的区域。变压器190已经提高了磁耦合和绕组之间的介质击穿电压。
当制作多层变压器，如图3和4所示的150时，首先制备多层带状形式的磁性材料。将导电绕组印在一些带上。为了带之间的初级绕组和次级绕组的互连，制作一些导电通孔。将低磁导率介质材料的薄层丝网印刷或胶涂在具有导电绕组的带中至少一个上。利用加热和加压力，经过适当的调整后使带结合在一起，形成一个多层变压器。
这里所使用的术语非磁性材料是指其磁性导磁率要比在器件中所使用的磁性材料的磁性导磁率低得多的材料。
在上述变压器中，磁性耦合系数能够接近达到0.95。可以意识到磁耦合可以进一步地提高，在本发明的范围中，这主要取决于所要求材料的指标。
变压器的顶层和依次各层都可采用带状形式的铁氧体材料制成。例如，带的材料可以是低温烧结的陶瓷(LTCC)或高温烧结的陶瓷(HTCC)。
可以意识到可以同时生产大量的变压器。为了大量的变压器的批量生产可以采用制作一系列通孔，导电绕组，和在磁性材料(如铁氧体材料)薄片上的低磁导率的薄层来迅速实现。在烧结的前后，每个的变压器都可以是单独的。
也可以意识到当对本专业熟悉后，会对本生产过程和结构产生许多不脱离本发明精神的改进。例如，薄的低磁导率薄层可以设置在每个绕组上面。
以上所述的讨论，阐明了本发明较佳实施例，但它只是用以说明和描述的目的。而不是试图作详尽的论述或将本发明限制在所揭示的准确形式中。鉴于以上讨论，许多改进和变化都是可能的。本发明的范围并没有受到上述详细描述的限制以及本文件所附的权利要求的限制。
权利要求
1.一种具有多层带状结构的变压器，其特征在于所述变压器包括以一个重叠一个方式重叠的多个带，其磁芯区域在接近变压器的带的中心；初级绕组设置在至少一个带上；次级绕组设置在至少一个带上；连接着带之间初级绕组的第一组多个互连通孔，连接着带之间次级绕组的第二组多个互连通孔；以及设置在带之间初级绕组和次级绕组中至少一个附近的层，所述层采用磁导率比带的低的介质材料制成，因此，在绕组之间形成磁通量的磁阻通路，引导磁通量通过磁芯区域。
2.根据权利要求1的变压器，其特征在于，初级绕组和次级绕组以交错的关系设置在带上。
3.根据权利要求1的变压器，其特征在于，初级绕组和次级绕组设置在相邻的带上。
4.根据权利要求1的变压器，其特征在于，初级绕组和次级绕组设置在同一带上。
5.根据权利要求1的变压器，其特征在于，表征初级绕组和次级绕组之间耦合的耦合系数接近于0.95。
6.根据权利要求1的变压器，其特征在于，薄层在机械和化学特性上与带相兼容。
7.根据权利要求1的变压器，其特征在于，薄层被丝网印刷在初级和次级绕组上。
8.根据权利要求1的变压器，其特征在于，薄层被胶涂在初级和次级绕组上。
9.根据权利要求1的变压器，其特征在于，薄层是以带的形式。
10.根据权利要求1的变压器，其特征在于，薄层设置在带之间的初级和次级绕组中至少一个的顶层上。
11.根据权利要求1的变压器，其特征在于，薄层设置在带之间的初级和次级绕组中至少一个的底层上。
12.根据权利要求1的变压器，其特征在于，薄层是设置在带之间的初级和次级绕组中至少一个之间。
13.一种具有多层带结构的变压器，其特征在于所述变压器包括以多层带形式的磁性材料；设置在多层带形式的薄层中至少一层上的导电绕组；设置在薄层中的多个互连通孔，以连接层之间的导电绕组；以及设置在绕组中至少一个上的非磁性材料，非磁性材料形成在导电绕组之间流通的磁通量的磁阻路径，以致于磁通量在磁性材料的磁芯区域中流通。
14.根据权利要求13的变压器，其特征在于，导电绕组以交错的关系设置在多层带形式的薄层上。
15.根据权利要求13的变压器，其特征在于，导电绕组设置在相邻的带上。
16.根据权利要求13的变压器，其特征在于，导电绕组设置在同一个带上。
17.根据权利要求13的变压器，其特征在于，表征导电绕组之间耦合的磁耦合系数接近于0.95。
18.根据权利要求13的变压器，其特征在于，非磁性材料在机械和化学性能上与多层带的形式相兼容。
19.根据权利要求13的变压器，其特征在于，非磁性材料被丝网印刷在导电绕组上。
20.根据权利要求13的变压器，其特征在于，非磁性材料被胶涂在导电绕组上。
21.根据权利要求13的变压器，其特征在于，非磁性材料是带形式的。
22.一种制造多层变压器的方法，其特征在于所述方法包括准备多层带形式的磁性材料；将导电绕组设置在多层带形式的薄层中至少一层上；在薄层中制作多个通孔，用于可选择性地连接导电绕组；将非磁性材料设置在导电绕组中至少一个附近上；
23.权利要求22的方法，其特征在于，导电绕组中有一个是初级绕组，导电绕组中有一个是次级绕组，初级和次级绕组以交错的关系设置在薄层上。
24.权利要求22的方法，其特征在于，导电绕组中有一个是初级绕组，导电绕组中有一个是次级绕组，初级和次级绕组设置在同一薄层上。
25.权利要求22的方法，其特征在于，非磁性材料是带的形式。
全文摘要
多层变压器包括了多个带,带上具有设置在至少一层薄层上的磁芯区域,以形成变压器的磁芯。初级绕组设置在至少一层薄层上。次级绕组设置在至少一层薄层上。低磁导率的介质材料所制成的薄层设置在至少一个绕组附近。第一组多个互连通孔连接带之间的初级绕组。第二组多个互连通孔连接带之间的次级绕组。将磁通量感应从初级引入到磁芯区域。绕组之间的磁耦合和介质击穿得到改善。能够获得低成本和小体积的变压器。
文档编号H01F41/02GK1348595SQ00806004
公开日2002年5月8日 申请日期2000年3月31日 优先权日1999年4月1日
发明者D·A·埃布尔 申请人:密德康姆股份有限公司