专利名称：变压器的制作方法
技术领域：
本发明涉及变压器，以及涉及包括变压器的设备，具体地涉及X射线成像设备。
某些电负载对于它们的电源电压要求高电压。用于医学应用的X射线管例如典型地需要15kV到160kV的加速电压，这涉及类似乳房造影术(mammography)到计算层析术(computed tomography)的应用。用于工业应用的X射线管甚至需要高达400kV的电压。供应的功率可以从几瓦到大于100千瓦。
高压可以藉助于高压变压器得到，高压变压器从可得到的低输入电压生成高的输出电压。
高压变压器通常包括一个芯(core)，对于约50kHz到约400kHz的工作频率，典型地是铁芯。在芯上安排有初级和次级绕组，输入电压馈送到初级绕组的端子，而输出电压通过次级绕组的端子来提供。
芯通常是具有两个腿的U形芯或具有三个腿的E形芯。绕组可被安排在芯的一个或多个腿上，此外，可被安排在连接腿的、芯的连接部分上。
传统上，使用圆截面的线来实现变压器的绕组。第一线圈例如可被安排作为围绕芯的第一腿的初级绕组，而第二线圈被安排作为围绕芯的第二腿的次级绕组，或两个线圈可被安排成围绕芯的同一个腿套入。
代替由线制成的绕组，例如可以使用箔或平面绕组。平面绕组包括由具有矩形截面的扁带制成的一匝或多匝(turn)。平面绕组导致减小的绕组电容和更高的结构复现性。
在变压器工作期间造成的磁场引起涡流损耗。更具体地，任何类型的绕组都对垂直于导体和处在导体截面的平面中的磁场分量起反应。
在基于线的绕组的情形下，排他地只有磁场的幅度、而非其方向是与损耗有关的。在平面绕组的情形下，只有垂直于矩形截面的长边的磁场分量对于损耗才是重要的，而平行于这个边的磁场分量是极不重要的。
如果在一个为基于线的初级或次级绕组设计的变压器中将初级或次级绕组实现为平面绕组，则通常将有很大的垂直于平面次级绕组匝的长边的磁场分量，且这导致很大的涡流损耗。
C.Quinn，K.Rinne，T.O’Donnell，M.Duffy和C.O.Mathuna的文档“A Review of Planar Magnetic Techniques and Technologies(平面磁技术和工艺一览)”，Applied Power Electronics Conferenceand Exposition，2001，APEC 2001，Sixteenth Annual IEEE 2001，Volume 2，4-8 March 2001，pp.1175-1183，涉及的是完全平面的磁结构。作为实施平面绕组的工艺，提到了印刷电路板(PCB)、柔性(flex)电路和压制的铜(stamped copper)。PCB被指示为实施平面绕组的高度可重复且可生产的手段。给出一个典型的PCB平面磁变压器，它由薄型(low profile)E芯和四层PCB组成，其中八个初级匝被夹在两个次级匝之间。
这样的PCB具有热耗散差的缺点。次级绕组阻碍热量从夹在两个次级绕组的匝之间的初级绕组排出。而且，对于高压变压器，这样的PCB具有在低压初级绕组与高压次级绕组之间电绝缘差的缺点。
本发明的目的是提供改进的变压器和包括变压器的改进的设备。
这个目的是通过这样一个变压器而达到的，该变压器包括具有在基底上的平面初级绕组的至少第一PCB和具有在基底上的平面次级绕组的至少第二PCB，其中第一PCB和第二PCB通过非铁磁的和电绝缘的材料互相分隔开，该材料比基底更好地传热。
这个目的还通过包括这样的变压器的设备，具体地是通过包括这样的变压器的X射线成像设备而达到。
本发明是出于这样的构思，即用PCB工艺实现的变压器的绕组不必集成在单个PCB中。作为替代，变压器的平面初级和次级绕组可以用至少两个分开的、互相不电接触的PCB实现。PCB可以通过非铁磁的和电绝缘的任何材料互相分隔开。另外，该材料应当比PCB的基底更好地传热。为此，该材料可以或者具有超过基底的热传导率的热传导率，或者允许对流传热。
本发明的优点在于，对于初级绕组和次级绕组使用单独的PCB，使得能够经由适当选择的分隔材料改进热耗散。本发明的再一个优点在于，对于初级绕组和次级绕组使用PCB，使得能够改进在它们之间的电绝缘。本发明的另一个优点在于，对于初级绕组和次级绕组使用PCB，使得变压器的构建更容易和灵活。由于初级绕组和次级绕组被安排在分开的PCB上，所以相同的PCB可以在不同的构象(constellation)中使用，例如带有初级绕组和次级绕组的不同组合，或是用不同的绝缘材料。
而且，本发明保持用PCB实现的平面绕组的优点。由于使用平面绕组，变压器的构造可以是紧凑的、小的和轻的。与基于线的绕组布局相比较，还可以减小绕组电容。PCB的使用改进了电绝缘特性，因为高压绕组可以整个地封装。而且，特别地，PCB的使用使得绕组布局是可复现的。对于初级和次级绕组两者使用PCB，还允许在变压器的两边实现复合绕组结构。
在本发明一个实施例中，在至少两个PCB之间的材料包括流体，尽管必须指出这并不是一个要求。使用这样的气体或液体材料具有的优点是通过对流传热，总的传热导可以显著地增加。流体例如可以是在PCB之间的缝隙中的六氟化硫，或者它例如可包括变压器油。
为了保证变压器适合于高压应用，在初级和次级绕组之间必须保持某个绝缘距离。大的绝缘距离导致在两个PCB之间的小的电场强度，这限制了在这些PCB之间的绝缘材料上的应力。如果变压器包括一个芯，且如果该芯被接地，或如果由于某种其它原因在芯与绕组之间有电位差，那么在这个绕组与该芯之间也必须保持某个绝缘距离。
然而，大的绝缘距离具有缺点，即对于该绕组的给定的期望有效截面，它们增加了变压器的总尺寸。
如果例如通过接地而减小绕组的一端的电压电位，则所需要的绝缘距离可以减小，因此可以增加有效的绕组截面和减小绕组电阻。
在本发明的一个实施例中，变压器包括具有至少一个芯腿(coreleg)的芯，PCB被安排在该腿周围。至少一个PCB的绕组包括在变压器工作期间具有较高电压电位的绕组部分和具有较小电压电位的绕组部分。在这个PCB内具有较小电压电位的绕组部分然后可被安排为比具有较高电压电位的绕组部分更靠近该至少一个芯腿。
在绕组中的涡流损耗例如可以通过特定的绕组安排而被减小。如果绕组被相对一个水平线和相对一个垂直线来对称地安排，而该水平线和该垂直线经过该绕组所通过的芯窗口中心，则将有较小的垂直于绕组截面的长边的磁场分量，且作为结果，涡流损耗被减小。
如果该PCB中的至少一个包括多个层，以及如果这个PCB的绕组包括分布到各层中的多个匝，则这可以通过相对一个假想线来对称地安排匝而达到，该假想线平行于周围安排有PCB的一个芯腿。
变压器也可以包括用于初级绕组的一个以上的PCB，和/或用于次级绕组的一个以上的PCB。增加PCB的数目允许甚至更好的热耗散。当可得到几个PCB时，它们优选地被安排成使得具有不同电位的PCB的边(side)导致在PCB之间的空间中有尽可能小的电场强度。
在本发明的一个实施例中，变压器包括用于初级绕组的一个以上的PCB、用于次级绕组的一个以上的PCB、和具有PCB所通过的窗口的芯。芯窗口然后可被划分成多个窗口部分，以及PCB不仅可以在芯窗口中以对称方式安排，而且也可以在每个窗口部分中以对称方式安排。由于在几个窗口部分内的对称性，如果所有的初级绕组被并联连接且所有的次级绕组被并联连接，则电流被更均匀地分布。而且，最大磁场强度被减小，这导致更小的涡流损耗。
本发明可被利用于任何变压器，具体地用于从低输入电压生成高输出电压的高压变压器。按照本发明的变压器还可被利用于需要变压器的任何应用。例如，它可被使用于生成用于X射线管的高压。对于心血管和计算机层析术，例如，所利用的X射线系统需要具有有限尺寸和重量的强有力的高压发生器。
按照本发明的设备例如可以是能够为负载提供电源的电源设备。替换地，它例如可以是包括负载和另外为负载提供电源的电源部分的设备。按照本发明的设备也可以是X射线成像设备，例如是乳房造影设备、射线照相设备、或者是计算层析(CT)设备。
参照此后描述的实施例将明白和阐明本发明的这些和其它方面。
图1是其中可以实施本发明的示例性设备的示意图；图2是按照本发明的第一实施例的变压器的示意性截面图；图3是按照本发明的第二实施例的变压器的示意性截面图；图4是按照本发明的第三实施例的变压器的示意性截面图；图5是按照本发明的第四实施例的变压器的示意性截面图；图6是按照本发明的第五实施例的变压器的示意性截面图；以及图7是显示按照本发明的实施例的变压器的细节的示意图。
图1是其中可以实施本发明的设备的示意性框图。该设备包括负载和为负载提供电源的电源部分。该设备可以是令X射线管作为负载14的X射线成像设备。
电源部分包括第一整流器10、倒相器11、高压变压器12和第二整流器13。第一整流器10整流由交流馈电线提供的线电压Vin。经整流的电压被提供到倒相器11，倒相器把经整流的电压变换成高频方波电压。高压变压器12把这个方波电压提升到更高的电压电平。第二整流器13整流最终得到的高电平的交变电压，以得到高电平直流电压Vout。高电平直流电压Vout被提供给负载14，例如提供给一个X射线管。
图1的高压变压器12的第一实施例在图2给出。
图2是具有E芯20的变压器12的示意性截面图。芯20例如由铁氧体材料制成。被形成在第一PCB30的基底上的平面初级绕组被安排成围绕芯20的中间腿。被形成在分开的第二PCB40的基底上的平面次级绕组同样地被安排成围绕芯20的中间腿、在第一PCB30的上方。第一PCB30和第二PCB40由非铁磁的、电绝缘和热传导材料的层50互相间隔开。层50由于具有超过基底的热传导率的热传导率，或由于允许对流传热，而比对PCB30，40所采用的基底更好地传导热。层50例如可包括变压器油或者可由填充以六氟化硫的缝隙来实现，预备一个绝缘层50使得能够冷却绕组，该绕组在变压器12处于使用中时会变热。如果初级和次级绕组相对通过每个芯窗口的垂直线是基本上对称的，则泄漏场是水平的且平行于绕组的匝的长边，如图2中的虚线箭头所示。结果，在PCB40的次级绕组中的涡流损耗被最小化。
为了构建变压器12，首先把具有初级绕组的PCB30安装在芯20的中间腿上，然后紧接PCB30而把绝缘层50安装在芯20的中间腿上，最后，紧接绝缘层50而把具有次级绕组的PCB40安装在芯20的中间腿上。
代替单个初级绕组和单个次级绕组，可以利用多个初级和次级绕组。特别地，可以利用多个初级和或次级绕组，以便在芯窗口除了达到垂直对称以外，还达到水平对称。
图3到6是包括U形芯21和在该U形芯21的窗口中绕组的水平对称性的变压器12的示意性截面图。
在图3的变压器12中，具有次级绕组的PCB40被安装在U形芯21的右腿上。在U形芯21的窗口中，PCB40被安排成相对通过窗口中心的垂直线对称和相对通过窗口中心的水平线对称。
具有初级绕组的第一PCB31被安装在U形芯21的右腿上、在具有次级绕组的PCB40的上方，而具有初级绕组的第二PCB32被安装在U形芯21的右腿上、在具有次级绕组的PCB40的下方。具有初级绕组的PCB31，32也被安排成相对通过窗口中心的垂直线对称。而且，具有初级绕组的PCB31，32是互相相同的，并且被安排成与具有次级绕组的PCB40相距相同的距离。在具有次级绕组的PCB40与具有初级绕组的PCB31，32之间的缝隙被填充以变压器油或六氟化硫作为绝缘材料。
第一PCB31和第二PCB32的初级绕组被并联连接，这样，由于芯窗口中的对称性，电流被相等地分到两个初级绕组。泄漏场由图3的虚线箭头表示。最大场强低于图2中的情形，这导致在次级侧较低的涡流损耗。
在图4的变压器12中，五个PCB33，34，35，36，41，42被安装在U形芯21的右腿上。
U形芯21的窗口被第一假想的水平线H划分成相同尺寸的上面部分和下面部分。
具有次级绕组的第一PCB41被安排成相对通过芯窗口上面部分中间的水平线H1对称。具有初级绕组的第一PCB33被安排在芯窗口的上面部分内、在具有次级绕组的第一PCB41的上方，而具有初级绕组的第二PCB34被安排在芯窗口的上面部分内、在具有次级绕组的第一PCB41的下方。
具有次级绕组的第二PCB42被安排成相对通过芯窗口下面部分中间的水平线H3对称。具有初级绕组的第三PCB35被安排在芯窗口的下面部分内、在具有次级绕组的第二PCB42的上方，而具有初级绕组的第四PCB36被安排在芯窗口的下面部分内、在具有次级绕组的第二PCB42的下方。
所有的PCB33，34，35，36，41，42另外被安排成相对通过芯21的窗口中心的垂直线对称。
具有初级绕组的PCB33，34，35，36是互相相同的且具有次级绕组的PCB41，42是互相相同的。而且，在具有初级绕组的每个PCB33，34，35，36与具有次级绕组的各个紧邻PCB41，42之间的距离是相同的。
全部四个初级绕组被并联连接，这样，由于在芯窗口中的附加对称性，电流在芯窗口中均匀地分布。而且，最大场强进一步减小，这导致在次级端甚至更小的涡流损耗。
图5的变压器12相应于图4的变压器，只是具有初级绕组的第二和第三PCB34，35被组合成具有初级绕组的单个PCB37。然而，必须指出，在图4上，由于在第二和第三PCB34，35之间的缝隙，初级绕组可以被介质更大程度地冷却。
例如在图4的变压器12中，在初级与次级绕组之间的需要的绝缘距离和在次级绕组与芯21之间的需要的绝缘距离可以部分减小，正如图6和7所示的。
图6的变压器12具有基本上与图4的变压器12相同的结构。然而，代替非接地的PCB41，42，为次级绕组提供接地的PCB43，44。更靠近芯窗口中心的PCB43，44的次级绕组的各端45，46被连接到地GND。结果，与比其它端47，48相比，这些端45，46可以具有离PCB34和35的各个相邻初级绕组的以及离芯21的更小的隔离距离。隔离距离的局部减小允许增加具有给定芯窗口尺寸的PCB43和44的次级绕组的有效截面。所得到的、在PCB33，34，35和36的初级绕组中的不相等的电流分布-这意味着更高的损耗-可以通过增加的截面来补偿。
在图6上，可以看到，与图4的PCB41和42相比较，PCB43和44分别在PCB34和35的方向上被拉长，以便增加次级绕组的有效截面。
图7给出图6的变压器12的PCB43的细节，在其中，绕组离芯21的距离还被最佳化，以便得到次级绕组的大的有效截面。
图7是PCB43的示意性截面图。另外，显示了其上安装有PCB43的芯21的右腿。PCB43整体地具有矩形截面。PCB43包括由填充该矩形截面的绝缘材料60封装的多层绕组。绕组在每个层L1，...，L8中包括一匝或多匝。从最高层L1到最低层L8，匝数增加，这样，最低层L8包括最高匝数，以及最高层L1包括最小匝数。在每个层L1，...，L8中的匝围绕通过芯窗口中间的垂直线V对称地安排。因此，在最低层L8等等处的绕组与芯腿之间的最近距离小于在最高层L1等等处的绕组与芯腿之间的最近的距离。虽然PCB43作为整体具有离芯腿一致的距离，但因此在最低层L8等等处的绕组与芯腿之间会具有比在最高层L1等等处的绕组与芯腿之间更少的绝缘材料。绕组具有在最高层L1中的第一端和在最低层L8中的第二端。在最低绕组层L8中的那端被接地(未示出)。
由于最低绕组层被接地，所以它具有比更高绕组层低的电压电位。结果，它要求比更高层低的绝缘距离，即，它可以被安排成更靠近芯腿。这允许芯窗口的更好利用和减小的绕组电阻。尽管如此，仍维持了在芯窗口中的垂直对称性。
图6的变压器12的第二PCB44以相同的方式构建，它仅仅是在水平方向上被镜像。
图7上给出的PCB也可以在其它变压器构象中被利用。
应当理解，本发明的描述的实施例仅仅代表本发明的各种各样可能的实施例的某些实施例。例如，在图2到7的任一项的变压器中，初级绕组和次级绕组可以被交换。而且，在权利要求中的参考标号不打算限制权利要求的范围，而仅仅使得易于理解权利要求。还应当看到，在权利要求中的术语“包括”不排除其它单元或步骤，以及在权利要求中的术语“一个”不排除多个。
权利要求
1.变压器(12)，包括具有在基底上的平面初级绕组的至少一个第一印刷电路板(30)和具有在基底上的平面次级绕组的至少一个第二印刷电路板(40)，其中所述至少一个第一印刷电路板(30)和所述至少一个第二印刷电路板(40)通过非铁磁的和电绝缘的材料(50)互相分隔开，该材料(50)比所述基底更好地传热。
2.按照权利要求1的变压器(12)，其中所述材料(50)包括流体。
3.按照权利要求1的变压器(12)，其中所述印刷电路板(43)中至少一个印刷电路板的绕组的一个端子(45)被接地。
4.按照权利要求1的变压器(12)，还包括具有至少一个芯腿的芯(21)，所述印刷电路板(43)被安排在该芯腿周围，其中所述印刷电路板(43)中至少一个印刷电路板的绕组包括在所述变压器(12)工作期间具有较高的电压电位的绕组部分和具有较小的电压电位的绕组部分，以及其中在所述印刷电路板(43)中所述至少一个印刷电路板内、具有较小的电压电位的所述绕组部分被安排为比具有较高的电压电位的所述绕组部分更靠近所述至少一个芯腿。
5.按照权利要求1的变压器(12)，还包括具有至少一个芯腿的芯(21)，所述印刷电路板(43)被安排在所述芯腿周围，其中所述印刷电路板(43)中至少一个印刷电路板包括多个层(L1，...L8)，其中所述至少一个印刷电路板(43)的绕组包括被分布到所述层(L1，...L8)的多匝，以及其中所述匝被相对一个假想线来对称地安排，而该假想线平行于周围安排有所述印刷电路板(43)的所述芯腿。
6.按照权利要求1的变压器(12)，还包括具有至少两个芯腿的芯(21)，所述芯腿限制至少一个芯窗口的两边，-其中具有平面初级绕组的所述至少一个第一印刷电路板包括多个第一印刷电路板(33，34，35，36)；-其中具有平面次级绕组的所述至少一个第二印刷电路板包括多个第二印刷电路板(41，42)；-其中所述第一印刷电路板(33，34，35，36)和所述第二印刷电路板(41，42)被安排在所述至少两个芯腿中的第一芯腿周围；以及-其中所述至少一个芯窗口沿所述至少两个芯腿的所述第一芯腿被再划分成多个窗口部分，其中所述第一印刷电路板(33，34，35，36)和所述第二印刷电路板(41，42)被分布到所述多个窗口部分，以及其中在所述窗口部分的每个窗口部分中、所述第一印刷电路板(33，34，35，36)和所述第二印刷电路板(41，42)被安排为基本上相对一个相应的假想线对称，该假想线把一个相应的窗口部分划分成沿所述至少两个芯腿的所述第一芯腿安排的两半。
7.包括变压器(12)的设备，所述变压器(12)包括具有在基底上的平面初级绕组的至少一个第一印刷电路板(30)和具有在基底上的平面次级绕组的至少一个第二印刷电路板(40)，其中所述至少一个第一印刷电路板(30)和所述至少一个第二印刷电路板(40)通过非铁磁的和电绝缘的材料(50)互相分隔开，该材料(50)比所述基底更好地传热。
8.按照权利要求7的设备，其中所述设备是适于给一个负载提供电源电压的电源设备(10，11，12，13)。
9.按照权利要求7的设备，其中所述设备包括一个负载和一个包括所述变压器(12)的电源部分(10，11，12，13)，其中所述电源部分(10，11，12，13)适于给所述负载(14)提供电源电压。
10.按照权利要求9的设备，其中该设备是X射线成像设备，以及该负载(14)是X射线管。
全文摘要
本发明涉及具有平面初级绕组和平面次级绕组的变压器(12)。为了支持在工作期间的热耗散，每个绕组被集成到至少一个专用PCB(30，40)中的基底上。PCB(30，40)通过非铁磁的和电绝缘的材料(50)互相分隔开。该材料(50)比基底更好地传热。本发明同样涉及包括这样的变压器(12)的设备。
文档编号H01F27/10GK101027734SQ200580032246
公开日2007年8月29日 申请日期2005年9月19日 优先权日2004年9月24日
发明者C·洛夫, B·阿克曼 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司