嵌入式磁性部件變壓器裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本申請(qǐng)涉及嵌入式磁性部件變壓器裝置，并且尤其涉及具有降低的耦合和改善的隔離性能的嵌入式磁性部件變壓器裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]例如在US2011/0108317A1中已知的是提供小輪廓變壓器和電感器，其中，磁性部件被嵌入在樹(shù)脂基板中的空腔中，并且用于變壓器或電感器的必要的輸入和輸出電連接形成在基板表面上。然后可以通過(guò)將阻焊層和電鍍銅層添加到所述基板的頂表面和/或底表面來(lái)形成用于電源裝置的印刷電路板(PCB)。然后該裝置的必要的電子部件可以表面貼裝在PCB上。
[0003]與傳統(tǒng)的變壓器相比，嵌入式設(shè)計(jì)允許構(gòu)建明顯地更薄和更緊湊的裝置。這是期望的，因?yàn)榈湫偷赜糜趯⒆儔浩餮b置安裝到例如電子裝置的母板等的PCB上的可用空間是非常有限的。具有較小的占地面積的變壓器部件因此使得更多的部件能夠被安裝在PCB上，或者使得PCB的整體尺寸以及因此整個(gè)裝置的尺寸被減小。
[0004]當(dāng)減小變壓器裝置的尺寸時(shí)，變壓器繞組上的相鄰線圈之間的間隙將可能被設(shè)置成更加彼此靠近，并且設(shè)置在變壓器上的分開(kāi)的繞組之間的間隙也將被減小。這樣就降低了在使用期間在變壓器中建立的磁場(chǎng)能夠從變壓器芯部中逸出的容易度，并且因此經(jīng)由磁場(chǎng)在設(shè)置在芯部上的分開(kāi)的繞組之間導(dǎo)致更強(qiáng)的耦合。減小相鄰的線圈之間的間隙的另一后果是:在包含變壓器繞組的相鄰導(dǎo)電部件之間存在的電容增加。繞組之間的經(jīng)由它們所產(chǎn)生的磁場(chǎng)而引起的增大的耦合，以及變壓器上的增大的電容分布對(duì)于特定應(yīng)用場(chǎng)合中的變壓器而言是不期望的特性。
[0005]此外，減小變壓器尺寸可能導(dǎo)致安全隱患，尤其是如果共享一個(gè)公共的變壓器芯部的兩個(gè)分開(kāi)的繞組必須處理高電壓的話。此種變壓器典型地例如被用在電力電子應(yīng)用中和電力變換技術(shù)中。在此情況下，繞組必須彼此電隔離。較小的變壓器趨于降低電隔離繞組之間的距離，意味著電隔離對(duì)于由電弧引起的故障而言是不耐用的，并且降低了變壓器繞組能夠安全處理的最大電壓。
[0006]通過(guò)如下的方式可以增大電隔離的安全等級(jí):通過(guò)使用具有設(shè)置在不同的PCB層中的不同繞組的多層PCB裝置，通過(guò)在變壓器芯部上提供覆蓋物，或者通過(guò)在繞組上涂覆保形涂料或者其他類型的諸如絕緣膠帶等的絕緣材料。三重絕緣導(dǎo)線也可以被使用。然而，所有這些技術(shù)具有如下的缺點(diǎn):嵌入式磁性部件變壓器裝置必須被制作得較大，從而將額外的PCB層或較厚的絕緣體容納在繞組和/或芯部上。
[0007]因此，我們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到，需要提供一種具有減小的線圈之間的耦合和改進(jìn)的隔離特性的嵌入式變壓器裝置，并提供一種制造這種裝置的方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]現(xiàn)在，將參考獨(dú)立權(quán)利要求對(duì)本發(fā)明進(jìn)行限定。有利的特征在從屬權(quán)利要求中提出。
[0009]在本發(fā)明的第一方面中，提供一種嵌入式變壓器裝置，包括:絕緣基板，所述絕緣基板具有第一側(cè)和與第一側(cè)相反的第二側(cè)，并且在所述絕緣基板中具有空腔，所述空腔具有內(nèi)周緣和外周緣；磁芯，所述磁芯被容納在空腔中并且具有第一區(qū)段和第二區(qū)段；第一電繞組，所述第一電繞組貫穿絕緣基板并且圍繞磁芯的第一區(qū)段設(shè)置；以及第二電繞組，所述第二電繞組貫穿絕緣基板并且圍繞磁芯的第二區(qū)段設(shè)置。第一電繞組和第二電繞組中的每一個(gè)包括:設(shè)置在所述絕緣基板的第一側(cè)上的上導(dǎo)電跡線；設(shè)置在所述絕緣基板的第二側(cè)上的下導(dǎo)電跡線；內(nèi)導(dǎo)電連接器，所述內(nèi)導(dǎo)電連接器在鄰近磁芯的內(nèi)周緣處貫穿絕緣基板并，所述內(nèi)導(dǎo)電連接器分別在相應(yīng)的上導(dǎo)電跡線和相應(yīng)的下導(dǎo)電跡線之間形成電連接；以及外導(dǎo)電連接器，所述外導(dǎo)電連接器在鄰近磁芯的外周緣處貫穿絕緣基板，所述外導(dǎo)電連接器分別在相應(yīng)的上導(dǎo)電跡線和相應(yīng)的下導(dǎo)電跡線之間形成電連接。第一繞組的內(nèi)導(dǎo)電連接器被設(shè)置在多個(gè)彎曲排中，各排被定位成與空腔的內(nèi)周緣相距基本恒定的距離。第二繞組的內(nèi)導(dǎo)電連接器被設(shè)置在第一彎曲排中，該第一彎曲排被定位成與空腔的內(nèi)周緣相距基本恒定的距離，該基本恒定的距離足夠大以允許第二彎曲排內(nèi)導(dǎo)電連接器被容納在第一彎曲排和空腔的內(nèi)周緣之間。第二繞組的外導(dǎo)電連接器被設(shè)置在第一彎曲排中，該第一彎曲排被定位成與空腔的外周緣相距基本恒定的距離，該基本恒定的距離足夠大以允許第二彎曲排外導(dǎo)電連接器被容納在第一彎曲排和空腔的外周緣之間。
[0010]第一繞組的最靠近空腔的內(nèi)周緣的彎曲排上的內(nèi)導(dǎo)電連接器可以被設(shè)置在具有第一半徑的第一大致圓形弧線上；第二繞組的第一彎曲排上的內(nèi)導(dǎo)電連接器可以被設(shè)置在第二大致圓形弧線上，該第二大致圓形弧線與第一大致圓形弧線同心，并且具有第二半徑；并且第一半徑大于第二半徑。
[0011]第一繞組可以與第二繞組隔開(kāi)，從而在第一繞組和第二繞組之間提供電隔離。
[0012]嵌入式變壓器裝置還可以包括:第一隔離屏障，所述第一隔離屏障形成在絕緣基板的第一側(cè)上，以至少覆蓋第一側(cè)的位于第一電繞組與第二電繞組之間的第一電繞組和第二電繞組彼此最接近的部分，并與絕緣基板的第一側(cè)形成緊密結(jié)合連接；以及第二隔離屏障，所述第二隔離屏障形成在絕緣基板的第二側(cè)上，以至少覆蓋第二側(cè)的位于第一電繞組與第二電繞組之間的第一電繞組和第二電繞組彼此最接近的部分，并與絕緣基板的第二側(cè)形成緊密結(jié)合連接。
[0013]嵌入式變壓器裝置還可以包括:輔助電繞組，所述輔助電繞組貫穿絕緣基板并且圍繞磁芯設(shè)置；所述輔助電繞組包括:設(shè)置在所述絕緣基板的第一側(cè)上的上導(dǎo)電跡線；設(shè)置在所述絕緣基板的第二側(cè)上的下導(dǎo)電跡線；內(nèi)導(dǎo)電連接器，所述內(nèi)導(dǎo)電連接器在鄰近磁芯的內(nèi)周緣處貫穿絕緣基板，所述內(nèi)導(dǎo)電連接器分別在相應(yīng)的上導(dǎo)電跡線和相應(yīng)的下導(dǎo)電跡線之間形成電連接；以及外導(dǎo)電連接器，所述外導(dǎo)電連接器在鄰近磁芯的外周緣處貫穿絕緣基板，所述外導(dǎo)電連接器分別在相應(yīng)的上導(dǎo)電跡線和相應(yīng)的下導(dǎo)電跡線之間形成電連接；其中，輔助繞組的內(nèi)導(dǎo)電連接器被設(shè)置在多個(gè)彎曲排中，各排被定位成與空腔的內(nèi)周緣相距基本恒定的距離。
[0014]輔助繞組可以與第二繞組隔開(kāi)，從而在輔助繞組和第二繞組之間提供電隔離。
[0015]可以通過(guò)如下距離的最小距離來(lái)提供電隔離:第一電繞組和第二電繞組之間的最小間隔距離；以及第二電繞組和磁芯之間的最小間隔距離。
[0016]基本恒定的距離可以足夠大以允許容納第二彎曲排外導(dǎo)電連接器，從而增大變壓器的漏電感。
[0017]變壓器的漏電感和變壓器繞組的分布電容可以形成高頻振蕩LC電路，該高頻振蕩LC電路能夠被操作以使得當(dāng)發(fā)生短路時(shí)限制第一繞組和第二繞組之間電力的傳遞。
[0018]還可以提供一種包括嵌入式變壓器裝置的電力轉(zhuǎn)換器。
[0019]電力轉(zhuǎn)化器還可以包括電路以激勵(lì)變壓器繞組，其中該電路是Royer電路。
[0020]在本發(fā)明的第二方面中，還提供一種嵌入式變壓器裝置，包括:絕緣基板，所述絕緣基板具有第一側(cè)和與第一側(cè)相反的第二側(cè)，并且在所述絕緣基板中具有空腔，所述空腔具有內(nèi)周緣和外周緣；磁芯，所述磁芯被容納在空腔中并且具有第一區(qū)段和第二區(qū)段；第一電繞組，所述第一電繞組貫穿絕緣基板并且圍繞磁芯的第一區(qū)段設(shè)置；以及第二電繞組，所述第二電繞組貫穿絕緣基板并且圍繞磁芯的第二區(qū)段設(shè)置。第一電繞組和第二電繞組中的每一個(gè)包括:設(shè)置在所述絕緣基板的第一側(cè)上的上導(dǎo)電跡線；設(shè)置在所述絕緣基板的第二側(cè)上的下導(dǎo)電跡線；內(nèi)導(dǎo)電連接器，所述內(nèi)導(dǎo)電連接器在鄰近磁芯的內(nèi)周緣處貫穿絕緣基板，所述內(nèi)導(dǎo)電連接器分別在相應(yīng)的上導(dǎo)電跡線和相應(yīng)的下導(dǎo)電跡線之間形成電連接；以及外導(dǎo)電連接器，所述外導(dǎo)電連接器在鄰近磁芯的外周緣處貫穿絕緣基板，所述外導(dǎo)電連接器分別在相應(yīng)的上導(dǎo)電跡線和相應(yīng)的下導(dǎo)電跡線之間形成電連接。第一繞組的內(nèi)導(dǎo)電連接器被設(shè)置在一個(gè)以上彎曲排中，各排被定位成與空腔的內(nèi)周緣相距基本恒定的距離。第二繞組的內(nèi)導(dǎo)電連接器被設(shè)置在一個(gè)或多個(gè)彎曲排中，各排被定位成與空腔的內(nèi)周緣相距基本恒定的距離。第二繞組的內(nèi)導(dǎo)電連接器和磁芯之間的最小距離大于第一繞組的內(nèi)導(dǎo)電連接器和磁芯之間的最小距離。
[0021 ] 本發(fā)明還提供一種相應(yīng)的制造方法。
【附圖說(shuō)明】
[0022]現(xiàn)在將僅通過(guò)舉例說(shuō)明的方式并參照附圖描述本發(fā)明的實(shí)施例，其中:
[0023]圖1A至IG示出了用于制造包括嵌入式磁性部件裝置的示例性技術(shù)；
[0024]圖2以形成繞組結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電導(dǎo)通孔的俯視圖的形式示出了本發(fā)明的第一實(shí)施例；
[0025]圖3示出了圖1中的導(dǎo)電導(dǎo)通孔的布置以導(dǎo)通孔和繞組之間的距離；
[0026]圖4示出了用于圖2和3中的導(dǎo)電導(dǎo)通孔的布置的跡線圖案；
[0027]圖5示出了嵌入式變壓器裝置形成自激振蕩推挽電路的一部分的實(shí)施例；以及
[0028]圖6是示出在短路模式期間變壓器電壓的高頻振蕩的圖形。
【具體實(shí)施方式】
[0029]本發(fā)明的實(shí)施例性實(shí)施例采用嵌入式磁性部件變壓器裝置的形式，該變壓器裝置具有圍繞嵌入在基板中的磁芯而布置的第一、第二和輔助繞組。嵌入式磁性部件變壓器裝置有利地可以被用作切換電力電子裝置的一部分，諸如Royer電路。以下將詳細(xì)討論在圖2至6中示出的裝置的第一實(shí)施例。
[0030]為了便于理解，現(xiàn)在將參考圖1A至IF來(lái)說(shuō)明制作嵌入式磁性部件變壓器裝置的示例性方法。在由本申請(qǐng)人提交的英國(guó)專利申請(qǐng)GB1414469.5和GB1414468.7中公開(kāi)了用于制造嵌入式磁性部件變壓器裝置的方法，這些專利的內(nèi)容通過(guò)引用納入此文。
[0031]在該方法的第一步驟中，如圖1A所示，用于容納磁芯的環(huán)形圓環(huán)或空腔302布置在絕緣基板301中。在本實(shí)例中，絕緣基板由樹(shù)脂材料形成，例如FR4。FR4是由織造的玻璃纖維布浸滲環(huán)氧樹(shù)脂粘結(jié)劑組成的復(fù)合“預(yù)浸”材料。將樹(shù)脂預(yù)干燥，但沒(méi)有硬化，使得當(dāng)它被加熱時(shí)，它流動(dòng)并充當(dāng)用于玻璃纖維材料的粘合劑。FR4已被發(fā)現(xiàn)具有良好的熱性能和絕緣性能。
[0032]如圖1B所示，環(huán)形磁芯304隨后將被安裝在空腔302中?？涨?02可以比該磁芯304略大，使得空氣間隙可存在于磁芯304周圍。磁芯304可手動(dòng)地或通過(guò)表面貼裝裝置(例如拾取和放置機(jī)器)安裝在空腔中。
[0033]在如圖1C所示的下一步驟中，第一絕緣層305或覆蓋層被固定或?qū)雍显诮^緣基板301上，以覆蓋空腔302和磁芯304。優(yōu)選地，覆蓋層305由與絕緣基板301相同的材料形成，因?yàn)檫@有助于在絕緣基板301的頂表面和覆蓋層305的下表面之間的結(jié)合。因此，覆蓋層305也可由層合在絕緣基板301上的材料