专利名称：适用于高密度大电流功率变换的pcb组合集成式变压器的制作方法
发明所属领域本专利是在功率变换领域里的一项发明，更具体地说是一种独特的功率变压器结构。该种变压器能够为低电压、大电流、高电流密度及高功率密度变换器提供一种理想的低成本变压器结构方案。
相关的领域描述在现代的直流功率变换领域，人们通常用开关型功率变换器把直流功率从一个电压水平变换到另一个电压水平，从安全绝缘的角度来说直流功率变换器分为两大类隔离型的和非隔离型的。
如果输入和输出电压都在规定的安全电压范围之内，非隔离型的变换器往往被采用。反之，如果任意一侧的电压超过了安全电压范围，变换器的输入与输出之间则必须加以隔离以防止低压侧被人体接触时造成电击或安全事故，这类情形在信息及通讯设备中极为常见。在这种情况下，一般需要采用功率变压来提供隔离，并同时完成功率转换功能。图一是对这样一种具有变压器隔离的功率变换器的一般性描述。
在图一中，直流输入电压首先经过原边的功率转换开关10被转换成高频开关式的交流信号，这一交流开关信号Vp输入到变压器20的初级绕组21，通过变压器的电磁偶合作用被传输到变压器的次边，并转换成另一个不同的交流电压Vs，该交流电压经连接在变压次级侧的整流器被转换成脉动直流，最后经布置在功率变换器输出端的输出滤波电路，滤除高频脉动成分而最终变成纯直流信号V0从输出端33输出。在如上所描述的直流功率变换器中，变压器是至为关键的元器件之一。它承担电气隔离和能量传输的双重功能。对于系统的效率，体积及可靠性等起了至关重要的作用。尤其在今天的直流功率变换器应用中，随着小型化的趋势，空间变得越来越紧凑，而新一代高速电子器件对电流的需求则不断地上升，这种发展趋势对电源变换器提出了高功率，高密度，及高可靠性等挑战性要求，从而也更突出了变压器设计的关键性和挑战性。半导体技术的迅速发展持续地把产品推向更高的集成密度，更高的工作速度越来越低的操作电压和越来越高的工作电流。普遍认为到2005年，高速处理器的工作电压将低于已于1V，而工作电流则将达到130A以上。在这种趋势，高效率的低电压大电流功率变换器将成为能使得这种操作性能得以实现的关键性部件。同时，大电流的操作、高速的系统动态响应和低噪音等要求又使得功率变换器必须要坐落在非常靠近CPU的地方。这些要求将彻底地改变传统的集中式电源供电方式，从而转向分布式电源系统结构，并对产品标准化提出了迫切的要求。在上述情形下，功率变压器是进一步增加电流容量和功率密度的关键部件之一。对于这种的应用和要求，目前有两种传统的做法做法之一被称作为平面变压器结构(Planar Transformer)。这种做法是把变压器的磁芯嵌在印刷电路板上，变压器的绕组由电路板上的铜箔导体穿过变压器磁芯的窗口而组成。这种设计方法可以把变压器的高度做得很低，生产工艺流程简单，加工性非常好。但从另一方面来说，因为所有的绕组全部由印刷电路板PCB的铜箔导体构成，绕组设计在某些情况下比较困难。特别是在低电压、大电流应用中为了取得足够的导电截面，PCB必须要做很多层。这样一来导致PCB的造价大幅度上升，从而影响整个产品的造价成本。而且因为普通材料的多层PCB，层与层之间的绝缘材料厚度又不能做得太薄，所以变压器窗口中有效导体的占空比不高，变压器窗口面积的有效使用率自然也不高。另一种高密度变压器结构方案，被称作为扁平变压器结构(FlatTransformer)。这种结构的变压器磁芯由一个或多个闭合式的磁套所组成。变压器的次级绕组由嵌在磁套壁上的铜箔组成。一个磁套为一个单元。初级线圈一般用绝缘导线穿过所有的磁套的中心孔构成。这样的设计提供了次级线圈结构的灵活性。次级线圈单元可以按照输出电流及电压的需要接成串联、并联或串并联等结构方式。多个次级绕组并联则可以非常有效地满足低电压、大电流的要求。这种结构方式的一个主要缺点是结构和生产加工的复杂性。次级和初级绕组的制作必须用手工完成。同时由于手工嵌入的需要铜箔的厚度一般只能限于0.4mm以下。这样单个次级绕组的电流负载能力就受到了限制，多个次级绕组并联可以增加电流的容量。但这样做会相应地增加制造的复杂性，变压器的体积也随之增大。基于以上分析，上述的两种变压器结构方式都具有本身的局限性。对于未来越来越高的功率密度要求和产品成本的压力，这两种方案都会受到越来越严峻的挑战。
本发明的概述本发明的主要宗旨是提供一种PCB组合集成式变压器结构。这种结构可以在超薄型的空间里提供非常高的电流承载能力和简单而有效的冷却结构，体积紧凑，而且容易制造，生产成本低。这种变压器采用了PCB组合集成式绕组结构。变压器磁芯可以使用扁平式UU型、UI型、EE型、EI型、ER型等等多种不同的标准扁平式磁芯。磁芯嵌在PCB上，变压器的初级绕组由PCB上的铜箔导体构成，次级绕组由单独的铜板制成，贴在PCB上并和初级绕组一起穿过磁芯的窗口。次级绕组铜板的某些部位可以弯起并做成不同形状的散热翅，用来帮助连接在次级绕组上的整流器件散热。因为次级绕组是由一片或数片整体的铜板制成。而且铜板的厚度一般在一到几个毫米之间，不会造成加工工艺等方面的困难。次级绕组的截面可以很容易地做到几个平方毫米。这样一来，满足大电流输出的要求就变成了简单而又轻而易举的事情。而且次级绕组的导体长度可以做得非常短，从而使得电阻性导电损耗变得非常低。在加工工艺方面，次级绕组可以由单片铜板一次压制成型。制造成本可以降到最低。同时由于PCB上铜箔导体只用来提供初级绕组，PCB的层数或铜箔的厚度也可以大大减少，从而大大地减低PCB的成本。由于PCB层数及层与层之间绝缘的减少，整个变压器也可以做得更薄。而且二次绕组上的散热翅可以非常有效地帮助二次侧功率器件的散热，进而降低功率器件的温度。进一步提高功率变换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时，也提高了变压器的可制造性，并降低了功率变换器的制造成本。
上述优点对于这一领域的同行应该不难理解，以下是对该发明的详细描述。
图形简介
图1描述了隔离式直流功率变换器的基本结构及功率变换中的功能。
图2描述了该发明所使用的UU型磁芯对变压器的一般结构。
图3是两种基本的次级整流电路结构一种为全波整流，另一种为倍流整流。
图4描述了使用EE型磁芯的变压器基本结构。
发明的详细描述图2描述了使用该发明所构成的PCB组合集成式变压器的概念性结构。变压器的磁路由两片扁平式U型铁铨氧磁芯41、42组成。这两片磁芯嵌入多层PCB 45。PCB 45上对应41、42的芯柱开了两个相应大小的孔，使得41、42能穿过这两个孔嵌在PCB上并紧紧地结合在一起。变压器的初级绕组直接由围绕41、42的两个芯柱的螺旋形PCB铜箔线圈组成。围绕两个芯柱的初级线圈可以采用相同的或不同的圈数。一般情况下，特别是将两组初级线圈并联时，两组圈数应相等。一般地说，并联连接时，初级绕组电压承载能力是串联连接的一半，而电流容量则是串联时的两倍。无论是并联或串联连结，接线的极性都必须保证当电流从初级绕组的一端流向另一端时，所有初级绕组导体中的电流都以同一方向流过变压器窗口。这样初级绕组中各圈所产生的磁化力方能迭加起来产生相应的工作磁通。而不是互相抵消。根据应用和设计的需要，初级绕组也可以只围绕U型磁芯的一个芯柱。变压器将仍然按照同样的电磁偶合机理工作。但初次级之间的漏电感会因为绕组几何参数的不同而有所改变。变压器的次级绕组由两片铜板组成，在图中以48、49表示，如图中所示，这两片次级绕组铜板分别贴在PCB的上下表面并穿过变压器磁芯的窗口，形成两个单圈的绕组。根据不同的需要，次级绕组也可以只用一片铜板贴于PCB的一侧。在这样的结构中，因为次级绕组是由整块的铜板做成，其有效导电截面可以比同样体积的平面变压器或扁平变压器高出许多。以相当于标准ER18的磁芯所构成的变压器为例，本发明的次级绕组可获得约5mm2的导电截面。而扁平变压器或采用通用PCB材料的平面变压器则只能分别获得大约3mm2和2.4mm2的次级绕组有效导电截面。因此，使用本发明所构成的变压器，可在体积大约为18mm×18mm×6.5mm的空间里提供不低于100A的输出电流。而且绕组导体的长度非常短，这一优点结合大的导电截面使得导电损耗变得非常低。由此可为今天的高密度功率变换器提供一种非常高效率和高电流容量的变压器方案。因为本发明的次级绕组是独立于PCB的，而PCB的铜箔导体只需要用来构成初级绕组。所以，PCB的厚度和层次只需要为传统平面变压器的一半。由此使得功率变换器的制造成本大大地下降。和扁平变压器相比，次级绕组可使用全自动化制造过程。生产成本比扁平变压器低很多，而且工艺性能也更好。在直流功率变换器中，变压器的次级绕组通常接至整流电路。次级所感应出的交流电压通过整流电路转换成直流输出。整流器件可采用整流二极管或可控的电子开关，象MOSFET这样的器件。因为新一代的MOSFET管的导通电阻可以做得很。而且可以多管并联。用MOSFET做整流器件，其导通压降及损耗可以比整流二极管低很多。因此被大量地采用在高效率，高密度功率变换器中。在使用MOSFET做整流操作时，MOSFET的开关动作需要根据初级侧功率电子开关的开关动作同步进行。所以也被称作同步整流器(Synchronous Rectifier)。图3描述了两种通用的整流电路一种为全波整流电路，另一种为倍流整流电路。在实际应用中还有其它形式的整流电路，在此不一一列举。从图3中不难看出，变压器次级绕组的输出端直接和整流器件接在一起。因为本发明的次级绕组是由铜板做成，次级绕组同时也可作为一个良好的散热器，用来降低整流器件的温度。因为铜板绕组是一个独立的机械可加工部件。在它的适当的部位，如边缘等处，可以做出附加的散热翅以提高散热能力。图2中所示的次级绕组，即是一种典型的结构。基于同样的原理，其它类型的散热翅结构也可以根据实际需要来设计。如果平面式的次级绕组可以满足散热要求，次级绕组也可以不带凸起的散热翅而简化它的机械结构。无论有没有散热翅，次级绕组都可以用机械压制的方法一次成型。从而适合高效率的大规模生产，制造成本也大大地降低。图4所示的是使用扁平EE型磁芯的组合集成式变压器结构。如图所示，将E型磁芯51、52嵌入PCB上和磁芯的芯拄相应的孔中，初级绕组55和次级绕组56都围绕着磁芯芯柱53而形成。初级绕组由PCB铜箔导体所组成。次级绕组则为U型的铜板。另外，初、次级绕组也可围绕E型磁芯的两侧芯柱构成。从而形成1/2圈的有效圈数。这种结构具有和使用U型磁芯的变压器结构相同的优点，在此不再赘述。同时应该注意，本发明可以使用其它类型的磁芯结构，象UI型、EI型、ER型、EQ型、RM型及其它类型的磁芯。如果变压器为低电压输入，高电压输出，本发明中所述的初次级绕组也可以颠倒过来以适合这样的应用。综上所述，本发明的PCB组合集成式变压器具有如下非常明显的优点1).铜板式的次级绕组可提供非常充分的导体截面和非常短的导体长度。从而大大地提高了变压器的电流输出能力和功率变换器的功率密度。
2).次级绕组具有极低的直流电阻，从而使得变压器的铜损大大地降低，同时也大大地提高了低电压大电流输出的直流功率变换器的效率和性能。
3).次级绕组可以同时为次级整流器件提供良好的散热。在次级绕组的适当部位还可以附加散热翅，从而进一步提高散热性能。
4).整流器件可以直接安装在次级绕组铜板上，从而取得极低的导电阻抗和散热热阻。
5).该种变压器结构非常有利于设计大电流和超薄型的功率变压器。
6).可以大大地减少电路板(PCB)的厚度和层数，从而降低了功率变换器的制造成本。
7).结构简单可靠，且容易制造。
权利要求
1).一种电路板(PCB)组合集成式变压器结构。在此结构中，变压器的绕组由PCB线圈和外贴铜板线圈所组合而成。
2).本发明的变压器磁芯嵌入PCB，初级(次级)绕组由PCB线圈组成。次级(初级)绕组为铜板式结构并贴合在PCB上，初、次级绕组都穿过变压器磁芯的窗口。
3).铜板绕组可以同时作为散热器提供散热效果，次级整流元件或初级开关器件可以直接安装在铜板绕组上，从而取得最低的回路电阻和热阻。
4).在铜板绕组适当的部位可制出或附加散热翅，进一步地提高散热能力。
全文摘要
本发明提供了一种电路板(PCB)组合集成式变压器结构。该结构可以使用不同类型的扁平式磁芯，嵌入PCB的安装孔中，变压器的一部分绕组(初级或次级)由PCB铜箔线圈所组成。另一部分绕组(次级或初级)由独立于PCB的铜板线圈构成。初级和次级绕组贴合在一起并穿过磁芯的窗口。该结构可以大大地增加低电压侧绕组的导体截面，从而极大地提高了变压器和功率变换器的电流密度和功率密度。铜板绕组也同时为与其连接的功率电子器件提供了良好的散热效果，从而进一步提高了功率变换器的可靠性。该种结构使用了较少的PCB层数。铜板绕组容易制造。因此为现代的高效率、高密度、高可靠性功率变换器提供了一种高性能、低成本的变压器设计和相关的系统设计方案。
文档编号H01F30/00GK1747083SQ200410051408
公开日2006年3月15日 申请日期2004年9月10日 优先权日2004年9月10日
发明者范剑平 申请人:深圳普达电源技术有限公司