专利名称：电场耦合变压器及其制造方法
技术领域：
本发明电埸耦合变压器及其制造方法属基本电气元件，特别是变压器的制造。
背景技术：
目前，普通磁耦合变压器使用铁芯和线圈，它的结构决定了它的体积、重量、形状以及安装方式都受到很大限制，这种限制妨碍了电子设备的小型化。由于普通变压器采用磁通耦合，当回路磁通量变化时，要产生感应电动势，在电流接通断开时，这个电动势很大，会造成元器件击穿损坏，这种现象给开关电路设计增加了复杂性，需要选用高耐压元器件，增加吸收、泄放回路等等。按普通磁耦合变压器工作原理，初级电流大小由次级负载电流大小决定，当次级短路，电流很大时，初级电流也很大，因此使用普通磁耦合变压器的电子电路电源，应设计保护电路，这也是使电子电路复杂的原因之一。尽管新材料如高μ磁导率材料的采用，也可以使磁耦合变压器体积、重量有所减少，但它固有欠隹的特性仍然促使人们探求新型变压器件，98年就有过以芯片代替变压器的报道，它是在芯片中设计特殊结构，将这些微小结构排列成特殊阵列而具有变压功能。还有人研究，希望通过回转器将电容变为有电感特性元件构成变压器，取代磁耦形式，但都未见有成功的报道。例如专利97198534.0平面变压器、专利99100579.1无铁芯印刷电路板型变压器、专利99124453.2具有高耦合效率的变压器等结构较复杂，成本较高，有瞬变电压冲击，没有限流及短路保护功能，易出现短路大电流故障，给电子设备维修带来极大不方便。
发明内容
本发明的目的是提供一种电埸耦合变压器及其制造方法，即用两个平行导体板接上电源或信号源，构造出变压前电埸，用另一个或多个导体板平行插入该电源电埸中进行分割，只要保证分割取能的电埸空间与被分割原埸空间体积之比，等于极板距离之比，满足要变换电压的变压比关系式，就可以得到符合要求的电埸耦合变压器。
本发明由金属膜导体极板和介质薄膜片组成，金属膜导体板可用铝箔，介质用有机薄膜，迭层变压器的迭片是小张电极导体板A、B、C，电极导体板A、B、C呈长方形，各有引脚向一边突出，A板引脚在左，B板引脚在右，C板引脚在中间，各板面积可相同，有机膜也是长方形，它的长、宽边尺寸都比导体板A、C、B、稍大，介质迭层厚度就是导体极板之间的距离，导体电极板从下向上按B、C、A、C周期性排列，BC之间介质层厚为d，AC之间介质层厚为r；有多组输出的变压器，迭片中C导体板可以有两块、多块，对两块的C板，分别称为C1、C2，下料做小张时，C1、C2的电极引脚位置错开，按B、C2、C1、A、C1、C2、B周期性地逐层向上排列，各导体板之间用介质有机膜层隔开，卷制的电埸耦合变压器，由长带状铝箔做金属导体板A、B、C，介质同样用有机膜，接照介质层r--A板--介质层r--C板--介质层d--B板--介质层d--C板排好，然后卷制，制造方法包括如下步骤(1)定出需要输出的电压U和电流I，由I计算电容C，由U利用变压比关系式确定分割电埸空间的各距离d值，再由d和C算出各导电极板面积S，可使各板面积相同；(2)采用导体板与介质层迭层形式制作，注意一个ACB面上还有一个ACB，A是同一导体板A，要保证任意相邻的AB导体板之间的电埸都被C板分割。
(3)将每块导电体电极板面积S分成m小张，制成小张电极导体板A、B、C，同时将有机膜介质切成长方形小块，在迭片时将相邻导体板绝缘，介质膜的厚度及分隔层数就确定了各分割的电埸距离d1，d2……。
(4)确定各导体电极及介质层的排列方式和顺序。
(5)迭片、压紧、热压塑封成型，制成片状结构。
(6)多组输出变压器制作过程与此相同，只是C导体板有两块，分别为C1、C2，下料做小张时，C1、C2的电极引脚位置要错开。
(7)卷绕制作时，将面积为S带状导体板同有机膜介质，按照介质层r--A板--介质层r--C板--介质层d--B板--介质层d--C板的排列方式卷绕，用普通有机膜电容器的引脚焊接方式及压紧、环氧树脂封装，制成通孔插装式元件。
本发明设计合理，结构简单，体积小，重量轻，成本低，灵活，无瞬变电压冲击，具有限流及短路保护功能，避免大面积电路被烧损的可能，给电子设备维修带来极大方便，宜作高频、脉冲耦合变压器使用或适于作电源。
图1是本发明基本结构示意图；图2是本发明插入两层导体板构造示意图；图3是本发明一组输出符号图；图4是本发明多组输出符号图；图5是本发明A片结构示意图；图6是本发明B片结构示意图；图7是本发明C片结构示意图；图8是本发明一种迭排方式示意图；图9是本发明成形迭片结构示意图；图10是本发明卷绕制作示意图；图11是本发明C1片结构示意图；图12是本发明C2片结构示意图；图13是本发明多组输出迭片结构示意图；图14是本发明多组输出结构示意图；图15是本发明演变图；图16是本发明一组输出等效电路图；图17是本发明多组输出等效电路图；图18是本发明多路使用示意图。
具体实施例方式
本发明是利用电埸耦合来进行电压电流变换的，若采用普通电容器卷绕方式，如图10所示，可做成通孔插装元件。采用片状迭层结构，如图8、13、14所示，先接图5、6、7、11、12所示制成导体极板A、B、C、C1、C2，将然后导体极板A、B、C、C1、C2，如图8、9、13、14所示，压紧、热压塑封成型。如图15所示，利用靠近的两个任意曲面A、B，接上电源U1，它们之间就有了相应的电埸，利用第三个曲面与之靠近，它们之间存在电容，也就得到了相同的电埸。曲面C与之电容越大，得到相应电埸能量也就越多。将曲面改成平面，就成了两块成一定夹角的金属平板A、B构成开放的交变电埸E，折弯了的金属板C就是第三个曲面。为了提高电埸能量传输效率，可以向深处推进C板，于是就成为两块平行板A、B间加进一块C导体板的结构，C导体板的上下表面就是弯折的两个边，这就是本发明的基本结构，如图1所示。为了突出器件利用空间电埸传输特点，而又区别于已有的变压器电路，可以使用如图3所示的一组输出电路符号、如图4所示的多组输出电路符号、如图16、17所示的等效电路。由等效电路可见，本发明很象电容器串联分压输出，但是，它们又有很大的不同。分立电容器串联，就象电阻串联一样，是靠电流在容抗或阻抗上的压降来分压，各分立电容内电埸相互独立，没有直接联系，而本发明则不同，它所分隔的电埸是连通而且相互影响的。在图1中II区与III区的交变电埸始终是保持相等的，图2中的II区、III区、IV区的电埸也始终保持相等的，在下面的分折中可以清楚地看到这点。由本发明的基本结构及等效电路可见它基本上是平板电容构造和电埸分割，借用于平板电容关系来讨论就很简单，如图1、16、17所示，设A、B平板面积为S，C板面积为n/mS，CAC与CCB串联电容为C2，电路总电容为C则CAC=ϵ·nsm·r]]>CCB=ϵ·nsm·d]]> 式中，t为金属板C厚，ε为介质相对介电常数。C1=ϵ·m-nmsD=ϵ·(m-n)smD]]>C=C1+C2=ϵ[m(r+d)+nt]·sm·D·(r+d)]]>实际结构中，可令m＝n，这时C1＝O，C＝C2＝CAC串CCB。在C两端加电压 ，要求在CCB两端得到电压U2输出，就首先求C2即两个串联电容的极板电荷Q2。Q2=C2U1=ϵ·nsm·(r+d)·U1]]>Q2也是CCB极板电荷，故U2=Q2CCB=ϵ·ns·U1m·(r+d)·mdϵ·ns]]> η=U2U1=d·ns(r+d)·ns=dr+d]]>如果精确地控制两平行板之间被分割电埸空间--也就是两部分极板之间距离--之比，就可以得到小于输入电压的任意数值的输出电压，实现电埸耦合电压转换，因此η=U2U1=dr+d]]>称为本变压器的变化比。
被分割各区域电埸I区间电埸EI=U1D]]>II区间电埸EII=UACr=Q1CAC·1r]]>=ϵ·ns·U1m(r+d)·mrϵ·ns·1r=U1r+d]]>III区间电埸EIII=UACd=Q2CCB·1d]]>=ϵ·ns·U1m(r+d)·mdϵ·ns·1d=U1r+d]]>即II、III区间内电埸强度相同而与导体板C所放置的位置无关，这正是被分割的电埸连通并互相影响，由于厚度为t的导体板C插入，缩短了A、B板作用距离，因而该两区间埸强较I区强。一般的两个分立电容串联分压，它们各自的内部电埸未必相同。 大小与C板面积成正比，与距离(r+d)成反比，由于负载电流IL也要由C板电荷Q2的变化来提供，这里I2也是最大可能输出电流。当在CCB两端接上负载RL，输出电压U2推动IL流过RL，于是有 →ΔE=ΔQC2·1r]]>便由电源提供位移电流增量来补充电荷，促使III区埸强回升。经历了失衡的区间电埸重新回到平衡关系。电埸耦合的结果，输出电流最终仍是电源U1所提供。
本发明没有电感线圈，也就没有电路状态突变时的自感电动势ε对元器件的冲击，这样可以降低工作在开关状态下对元器件高耐压的要求，比如常见开关电源的开关管；也可使本发明作脉冲变压器耦合的电路设计简单化，比如同名端问题可以不予考虑，开关脉冲的吸收、泄放回路可以去掉等。本发明自身具有限流及短路保护功能，图16、17等效电路可见，本发明总是要经过串联电容CAC再输出电流，设计中，该串联电容满足了输出电流要求的同时，也就限制了超过设计要求过大的电流输出，即使输出端短路也是如此。这就是本发明自身具有限流和短路保护功能，这个优点使得电源电路的设计大为简化，如图18所示一个变压器带多个二级变压，由于各自变压器的限流和保护功能，可以把有短路大电流故障限制在一个具体的变压器供电范围，避免大面积电路被烧损的可能，给电子设备维修带来极大的方便，本发明结构与电容器相似，它也具有电容器体积小、重量轻、成本低的优点，采用迭层办法，很容易做成片装形式，而这点传统变压器就很难做到，由于本发明变压比简单，根据介质绝缘强度和厚度比较容易设计出合符要求的产品。本发明高频信号传输失真小，它的阻抗变换关系和普通变压器相似，很适宜作高频、脉冲耦合变压器。片状迭层结构与电子设备塑料机壳合为一体，其面积可以取得很大，因此可以不考虑本发明的空间体积，在塑封加热加压成型过程中，提高本发明的紧密度，提高了热稳定性，还有利于通风散热，这种方式适于作电源。空载的时候，有最大电流流过本发明，这是和磁耦合变压器对称的特点，使用当中尽量避免这种情况发生，最好将本发明用在稳定满载或大负载运行电路中。
权利要求
1.一种电埸耦合变压器，其特征是由金属膜导体极板和介质薄膜片组成，金属膜导体板可用铝箔，介质用有机薄膜，迭层变压器的迭片是小张电极导体板A、B、C，电极导体板A、B、C呈长方形，各有引脚向一边突出，A板引脚在左，B板引脚在右，C板引脚在中间，各板面积可相同，有机膜也是长方形，它的长、宽边尺寸都比导体板A、C、B、稍大，介质迭层厚度就是导体极板之间的距离，导体电极板从下向上按B、C、A、C周期性排列，BC之间介质层厚为d，AC之间介质层厚为r；有多组输出的变压器，迭片中C导体板可以有两块、多块，对两块的C板，分别称为C1、C2，下料做小张时，C1、C2的电极引脚位置错开，按B、C2、C1、A、C1、C2、B周期性地逐层向上排列，各导体板之间用介质有机膜层隔开；卷制的电埸耦合变压器，由长带状铝箔做金属导体板A、B、C，介质同样用有机膜，接照介质层r--A板--介质层r--C板--介质层d--B板--介质层d--C板排好，然后卷制组成。
2.一种电埸耦合变压器的制造方法，其特征是包括如下步骤(1)定出需要输出的电压U和电流I，由I计算电容C，由U利用变压比关系式确定分割电埸空间的各距离d值，再由d和C算出各导电极板面积S，可使各板面积相同；(2)采用导体板与介质层迭层形式制作，注意一个ACB面上还有一个ACB，A是同一导体板A，要保证任意相邻的AB导体板之间的电埸都被C板分割。(3)将每块导电体电极板面积S分成m小张，制成小张电极导体板A、B、C，同时将有机膜介质切成长方形小块，在迭片时将相邻导体板绝缘，介质膜的厚度及分隔层数就确定了各分割的电埸距离d1，d2……。(4)确定各导体电极及介质层的排列方式和顺序。(5)迭片、压紧、热压塑封成型，制成片状结构。(6)多组输出变压器制作过程与此相同，只是C导体板有两块，分别为C1、C2，下料做小张时，C1、C2的电极引脚位置要错开。(7)卷绕制作时，将面积为S带状导体板同有机膜介质，按照介质层r--A板--介质层r--C板--介质层d--B板--介质层d--C板的排列方式卷绕，用普通有机膜电容器的引脚焊接方式及压紧、环氧树脂封装，制成通孔插装式元件。
3.据权利要求1、2所述电埸耦合变压器及其制造方法，其特征是迭片成片形。
4.据权利要求1、2所述电埸耦合变压器及其制造方法，其特征是卷制成形。
5.据权利要求1、2所述电埸耦合变压器及其制造方法，其特征是可一组输出、多组输出。
全文摘要
本发明提供了一种电埸耦合变压器及其制造方法,即用两个平行导体板接上电源或信号源,构造出变压前原电埸,用另一个或多个导体板平行插入该电源电埸中进行分割,只要保证分割取能的电埸空间与被分割原埸空间体积之比在平行导体板分割情况下,是导体板距离之比,满足要变换电压的变压比关系式,就可以得到符合要求的电埸耦合变压器。本发明设计合理,结构简单,体积小,重量轻,成本低,灵活,无瞬变电压冲击,具有限流及短路保护功能,避免大面积电路被烧损的可能,给电子设备维修带来极大方便,宜作高频、脉冲耦合变压器使用或适于作电源。
文档编号H01G4/38GK1348195SQ0112782
公开日2002年5月8日 申请日期2001年9月6日 优先权日2001年9月6日
发明者吴观晖, 吴小乐 申请人:吴观晖