專利名稱：多層變壓器器件和方法
背景技術：
1.發明領域本發明涉及到多層變壓器，更確切地說，涉及到能提高多層變壓器內部繞組之間的磁耦合和介質擊穿電壓的多層變壓器。
2.相關技術的描述多層變壓器的使用是眾所周知的。一般來說，多層變壓器可采用以下工藝來構成。將磁性材料(如鐵氧體)鑄造成帶。隨后，將鑄造的帶切成薄片或薄層，并且在每個帶狀薄層的所要求位置上制作通孔，以便于形成導電的通路。將導電膠依次設置在帶狀薄層的表面上并制成端頭連接通孔的螺旋線繞組。隨后，經適當調整對齊，將一些具有相同導電繞組的帶狀薄層通過通孔重疊在一起，以制成多繞組變壓器的結構。經檢驗后，通過加熱和加壓力將這些薄層結合在一起。接著，把這種結構送入燒結爐燒結，制成結構相同的疊片式鐵氧體變壓器。采用上述工藝，可以通過在鐵氧體薄層表面上制作一組通孔和導電繞組方法來同時制作許多變壓器。在燒結的前后，變壓器都是單個的。
圖1-2顯示了采用上述工藝制成的傳統鐵氧體變壓器的例子。
然而，采用上述工藝所制成的變壓器結構，其磁導率在整個多層結構中都是均勻的。由導電繞組所產生的一部分磁通量貫穿相鄰的繞組。例如，在初級繞組和次級繞組是以交錯關系設置在不同薄層上的結構中，不是所有的由初級繞組所產生的磁通量都貫穿次級繞組。這就在初級繞組和次級繞組之間產生了無效的磁鏈。在初級繞組和次級繞組之間的磁鏈的效率可以由磁耦合系數來確定。一般來說，初級和次級繞組之間的磁耦合系數定義為Lpri-LleadLpri]]>式中Lpri表示為初級磁感應系數，Lleak表示為當次級繞組短路時在初級繞組上所測得的磁感應系數。經驗已經確定該耦合系數是繞組之間相互接近距離的函數。具有均勻磁導率的變壓器(如圖1和2所示)的磁耦合系數為0.83。
盡管相鄰薄層的繞組之間的空間越小就可以得到越高的磁耦合系數，但是，鐵氧體薄層的厚度必須滿足能承受在繞組之間不發生介質擊穿的最低電壓。例如，典型的NiZn鐵氧體材料的厚度需要大于7密耳才能承受2400V的交流電壓。
為了得到高的磁耦合系數，另一種方法已在美國專利5,349,743中提出。專利′743報導了制作器件的方法以及為了確定好提高磁耦合的磁芯區域而使用兩種不同材料來限制磁通量通路的方法。然而，由于需要制作器件以及采用與帶材料不相同的材料來填充器件，因此這種方法就顯得非常昂貴并且限制了變壓器的小型化。
于是，在改進的多層變壓器的技術方面就提出了繞組間具有較高磁耦合的要求。同樣，在低成本和小體積，在自動加工中的可靠的批量生產，以及在滿足規定的安全要求等方面，對改進的多層變壓器也提出了類似的要求。
發明概要為了克服上述所討論的現有技術的限制，以及克服在閱讀和理解目前的技術規范時會變得十分突出的一些其他限制，本發明提供了在不影響電絕緣特性下提高磁耦合的多層變壓器的方法和器件。
本發明提供了一種比具有較高磁導率的帶更薄、但是能可以與其在機械和化學性能上相兼容，且具有低磁導率的介質材料的薄層。這種薄層可以設置在導電繞組上面、下面或在繞組之間。可以理解到，這種薄層可以絲網印刷或涂膠在帶上。這種薄層在結構中會產生了不同磁導率的區域。為了能在絲網區域中選擇較低的鐵氧體磁導率，薄層中的介質材料在燒結過程中也與鐵氧體的帶產生化學反應。低的磁導率介質材料可為繞組間的磁通量提供高的磁阻路徑，于是，就增加了在所要求的磁芯體積中產生的磁通量能以更短的距離在繞組之間通過。因此，在所有的初級和次級繞組之間就會產生更多的磁鏈，也就更明顯地提高了磁耦合系數。
在本發明的一個實施例中，具有多層帶狀結構的變壓器包括由一層重疊一層的多個帶，其中，磁芯區域接近于變壓器的帶的中心，初級繞組設置在帶中至少一個上，次級繞組也是設置在帶中至少一個上，連接著帶之間的初級繞組的第一組多個互連通孔，連接著帶之間的次級繞組的第二組多個互連通孔，以及設置在帶之間的初級和次級繞組中至少一個附近的薄層，所述薄層是由磁導率比帶的磁導率更低的介質材料制成，對繞組之間磁通量形成高的磁阻路徑，使得磁通量流動在磁芯區域中最大。
此外，在本發明的一個實施例中，初級繞組和次級繞組是以交錯的關系設置在帶上。
還有，在本發明的一個實施例中，初級繞組和次級繞組是設置在相鄰的帶上。
還有，在本發明的一個實施例中，初級繞組和次級繞組是設置在同一個帶上。
同樣，在本發明的一個實施例中，薄層與帶在機械和化學性能上相兼容。
此外，在本發明的一個實施例中，薄層被絲網印刷在初級和次級繞組上。
此外，在本發明的一個實施例中，薄層被涂在初級和次級繞組上。
還有，在本發明的一個實施例中，薄層是帶狀形式。
本發明的優點之一是初級繞組和次級繞組之間的磁耦合得到了明顯的提高。本發明中的磁耦合系數能夠接近達到0.95。
在本發明中，配制低磁導率的介質材料(即薄層)，比傳統鐵氧體材料(如，NiZn鐵氧體材料)具有更高的介電電壓/密耳比，用于制作帶狀薄層。因此，本發明的另一個優點是允許在帶的厚度上整體縮小到要求滿足的介質測試電壓，由此使每個變壓器盡可能少地使用整體材料。
本發明的第三個優點是制造的低成本。在批量生產中，絲網印刷工藝要比制作器件的其它工藝快得多。絲網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實際上是帶狀薄層，相反，具有良好精細的絲網的制造并不是十分昂貴。較薄的鐵氧體帶狀薄層也降低了整個變壓器的高度和/或寬度。
本發明也提供了構造多層變壓器的方法，它包含的步驟有制作多層帶狀形式的磁性材料，在多層帶狀薄層中至少一個上設置導電繞組，在薄層上制作多個通孔，用于選擇性地連接導電繞組，以及在導電繞組中至少一個附近設置非磁性材料。
在本文件所附的權利要求以及其它部分中將詳細地描述本發明的上述以及其它各種具有新穎性的優點和性能。然而，為了較好地理解本發明、本發明的優點以及它的使用所能得到的目的，可以從本文件其它部分的附圖以及所討論的材料中得到參考，在這些附圖和材料中都有用來說明和討論本發明的器件的具體例子。
附圖的簡述現在參照附圖，在整套附圖中，用同一參考數字來表示所對應的部分。
圖1是說明一個常規多層變壓器的分解圖。
圖2是說明沿著圖1中2-2線的常規多層變壓器的剖面圖。
圖3是說明依據本發明一個實施例的多層變壓器的分解圖。
圖4是說明沿著圖3中4-4線的多層變壓器的剖面圖。
圖5是說明依據本發明另一個實施例的多層變壓器的剖面圖。
較佳實施例的詳細描述本發明提供了一種在不影響變壓器的介質絕緣性能的條件下提高其磁耦合的多層變壓器的方法和器件。
本發明提供了一種比具有較高磁導率的帶更薄，并能與其在機械和化學性能上相兼容，具有低磁導率的介質材料的薄層。這種薄層可以設置在導電繞組上面，下面，或在繞組之間。薄層在結構中可產生具有不同磁導率的區域。薄層中的介質材料在燒結過程中也與鐵氧體的帶產生化學反應，以便于在絲網區域中選擇較低的鐵氧體磁導率。低的磁導率的介質材料為繞組之間的磁通量形成高的磁阻路徑，于是，增加了所要求的磁芯體積中產生的磁通量能以短的距離在繞組之間通過。因此，在所有的初級和次級繞組之間就產生了更多的磁鏈，也就更明顯地提高了磁耦合系數。
在圖3-5所示的較佳實施例中，顯示了具有多層帶狀結構的變壓器。變壓器具有將設置在帶中至少一些上的繞組重疊在一起的帶。繞組采用互連通孔在帶之間連接。變壓器還包括絲印或涂膠在繞組中至少一些上的薄層。這種薄層由磁導率比帶的磁導率更低的介質材料所制成，因此，對在相鄰帶的繞組之間的磁通量形成了高的磁阻路徑。從而，提高了初級繞組和次級繞組之間的磁鏈，也能獲得更高磁耦合系數。
在隨后的較佳實施例的描述中，可以參照本文中的附圖。這些附圖都說明了本發明可以實現的具體實施例。應該理解到可以利用其它實施例和結構上的變化都沒有離開本發明的范圍。
在圖1中，傳統的多層變壓器是由蓋帽(頂層)102，薄層104，分別具有初級繞組110，122和126的初級繞組層106，分別具有次級繞組112，124和128的次級繞組層108，低罩(底層)114，以及導電通孔119a，119b，119c，119d，120a，120b，120c，120d，121a，121b，121c，121d，121e，123b，123d，123e，123f，125d和125f。多層變壓器100的頂層102包括了四個端頭焊點116a-d和四個導電通孔119a-d。兩個端頭焊點116b，c分別連接初級繞組的起始引線和初級繞組的結束引線。另外兩個端頭焊點116a，d分別連接次級繞組的起始引線和次級繞組的結束引線。
初級繞組層106，110和次級繞組層108，112以交錯的關系相互重疊。初級繞組122通過通孔119c和120c與端頭焊點116c相連，通過通孔121e和123e與初級繞組126相連。初級繞組126通過通孔123b，121b，120b和119b與端頭焊點116b相連。同樣，次級繞組124通過通孔119a，120a和121a與端頭焊點116a相連，通過通孔123f和125f與次級繞組128相連。次級繞組128通過通孔125d，123d，121d，120d和119d與端頭焊點116d相連。
圖2是說明圖1中沿著2-2線的局部剖面圖。在該結構中，影線方框表示初級繞組122和126的匝數，而空白方框則表示次級繞組124和128的匝數。在整個多層變壓器100中，鐵氧體的磁導率都是相同的。一些磁力線129a-f貫穿在繞組之間。鐵氧體薄層的厚度必須足以防止繞組之間的介質擊穿。
在圖3中，顯示了依據本發明所較佳實施例的多層變壓器150。本發明的結構組成有蓋帽(頂層)152，薄層154，分別具有初級繞組的160，172和176的初級繞組層156，分別具有次級繞組的162，174和178的次級繞組層158，低罩(底層)164，以及導電通孔169a，169b，169c，169d，170a，170b，170c，170d，171a，171b，171d，171e，173b，173d，173e，173f，175d和175f。多層變壓器150的頂層152可以包括四個端頭焊點166a-d和四個導電通孔169a-d。兩個端頭焊點166b、c分別連接初級繞組的起始引線和初級繞組的結束引線。另兩個端頭焊點166a、d分別連接次級繞組的起始引線和次級繞組的結束引線。初級繞組層156，160和次級繞組層158，162以交錯的關系相互重疊。初級繞組172通過通孔169c和170c與端頭焊點166c相連，通過通孔171e和173e與初級繞組176相連。初級繞組176通過通孔173b，171b，170b和169b與端頭焊點166b相連。同樣，次級繞組174通過通孔169a，170a和171a與端頭焊點166a相連，通過通孔173f和175f與次級繞組178相連。次級繞組178通過通孔175d，173d，171d，170d和169d與端頭焊點166d相連。在初級繞組和次級繞組172，174，176和178上，將低磁導率介質材料制成的薄層絲印或膠涂在繞組上的。(如圖3所示的影線區域)。薄層可以設置在初級和次級繞組的上面，或在初級和次級繞組的下面，或在初級和次級繞組之間。這種低磁導率介質材料在機械和化學性能上與較高磁導率的鐵氧體帶是相互兼容的。在燒結的過程中，低磁導率介質材料也與鐵氧體帶產生化學反應，選擇性地降低絲印區域中的鐵氧體磁導率。因此，在每個繞組帶上可以獲得不同磁導率的區域。薄層180為相鄰的初級和次級繞組172，174，176和178的磁通量構成了高的磁阻路徑，從而增加了所要求的磁芯區域182中的磁通量，該區域在變壓器的帶的中心位置附近。在初級繞組匝數和次級繞組匝數之間產生更多的磁鏈。從而，磁耦合系數得到明顯提高。變壓器150的磁耦合系數能夠接近達到0.95。此外，用于制成薄層180的低磁導率介質材料可配制成具有比形成帶狀層所使用的NiZn鐵氧體更高的介電伏特/密耳比率。從而，能夠減小滿足電壓所要求的帶厚度。
圖4說明了圖3中沿著4-4線的局部剖面圖。在圖4中，影線方塊表示初級繞組172和76的匝數，空白方塊表示次級繞組174和178的匝數，薄層180采用虛線來表示。阻止磁通量184泄漏到繞組之間的區域，而通過所需的磁芯區域182。可以理解到，繞組的匝數可以根據需要而變化的。也可以理解到，在本發明中，繞組的形狀和尺寸也是可以變化的。
圖5顯示了根據本發明另一個實施例的變壓器190。在圖5中，初級繞組和次級繞組都是設置在每個繞組薄層192上。如圖5所示，影線方塊194表示初級繞組的匝數，空白方塊196表示次級繞組的匝數。由虛線所包圍的區域198是采用低磁導率介質材料制成的薄層。迫使磁通量200(簡化為單根磁力線)進入所需的磁芯區域202。阻止磁通量200泄漏到繞組之間的區域。變壓器190已經提高了磁耦合和繞組之間的介質擊穿電壓。
當制作多層變壓器，如圖3和4所示的150時，首先制備多層帶狀形式的磁性材料。將導電繞組印在一些帶上。為了帶之間的初級繞組和次級繞組的互連，制作一些導電通孔。將低磁導率介質材料的薄層絲網印刷或膠涂在具有導電繞組的帶中至少一個上。利用加熱和加壓力，經過適當的調整后使帶結合在一起，形成一個多層變壓器。
這里所使用的術語非磁性材料是指其磁性導磁率要比在器件中所使用的磁性材料的磁性導磁率低得多的材料。
在上述變壓器中，磁性耦合系數能夠接近達到0.95。可以意識到磁耦合可以進一步地提高，在本發明的范圍中，這主要取決于所要求材料的指標。
變壓器的頂層和依次各層都可采用帶狀形式的鐵氧體材料制成。例如，帶的材料可以是低溫燒結的陶瓷(LTCC)或高溫燒結的陶瓷(HTCC)。
可以意識到可以同時生產大量的變壓器。為了大量的變壓器的批量生產可以采用制作一系列通孔，導電繞組，和在磁性材料(如鐵氧體材料)薄片上的低磁導率的薄層來迅速實現。在燒結的前后，每個的變壓器都可以是單獨的。
也可以意識到當對本專業熟悉后，會對本生產過程和結構產生許多不脫離本發明精神的改進。例如，薄的低磁導率薄層可以設置在每個繞組上面。
以上所述的討論，闡明了本發明較佳實施例，但它只是用以說明和描述的目的。而不是試圖作詳盡的論述或將本發明限制在所揭示的準確形式中。鑒于以上討論，許多改進和變化都是可能的。本發明的范圍并沒有受到上述詳細描述的限制以及本文件所附的權利要求的限制。
權利要求
1.一種具有多層帶狀結構的變壓器，其特征在于所述變壓器包括以一個重疊一個方式重疊的多個帶，其磁芯區域在接近變壓器的帶的中心；初級繞組設置在至少一個帶上；次級繞組設置在至少一個帶上；連接著帶之間初級繞組的第一組多個互連通孔，連接著帶之間次級繞組的第二組多個互連通孔；以及設置在帶之間初級繞組和次級繞組中至少一個附近的層，所述層采用磁導率比帶的低的介質材料制成，因此，在繞組之間形成磁通量的磁阻通路，引導磁通量通過磁芯區域。
2.根據權利要求1的變壓器，其特征在于，初級繞組和次級繞組以交錯的關系設置在帶上。
3.根據權利要求1的變壓器，其特征在于，初級繞組和次級繞組設置在相鄰的帶上。
4.根據權利要求1的變壓器，其特征在于，初級繞組和次級繞組設置在同一帶上。
5.根據權利要求1的變壓器，其特征在于，表征初級繞組和次級繞組之間耦合的耦合系數接近于0.95。
6.根據權利要求1的變壓器，其特征在于，薄層在機械和化學特性上與帶相兼容。
7.根據權利要求1的變壓器，其特征在于，薄層被絲網印刷在初級和次級繞組上。
8.根據權利要求1的變壓器，其特征在于，薄層被膠涂在初級和次級繞組上。
9.根據權利要求1的變壓器，其特征在于，薄層是以帶的形式。
10.根據權利要求1的變壓器，其特征在于，薄層設置在帶之間的初級和次級繞組中至少一個的頂層上。
11.根據權利要求1的變壓器，其特征在于，薄層設置在帶之間的初級和次級繞組中至少一個的底層上。
12.根據權利要求1的變壓器，其特征在于，薄層是設置在帶之間的初級和次級繞組中至少一個之間。
13.一種具有多層帶結構的變壓器，其特征在于所述變壓器包括以多層帶形式的磁性材料；設置在多層帶形式的薄層中至少一層上的導電繞組；設置在薄層中的多個互連通孔，以連接層之間的導電繞組；以及設置在繞組中至少一個上的非磁性材料，非磁性材料形成在導電繞組之間流通的磁通量的磁阻路徑，以致于磁通量在磁性材料的磁芯區域中流通。
14.根據權利要求13的變壓器，其特征在于，導電繞組以交錯的關系設置在多層帶形式的薄層上。
15.根據權利要求13的變壓器，其特征在于，導電繞組設置在相鄰的帶上。
16.根據權利要求13的變壓器，其特征在于，導電繞組設置在同一個帶上。
17.根據權利要求13的變壓器，其特征在于，表征導電繞組之間耦合的磁耦合系數接近于0.95。
18.根據權利要求13的變壓器，其特征在于，非磁性材料在機械和化學性能上與多層帶的形式相兼容。
19.根據權利要求13的變壓器，其特征在于，非磁性材料被絲網印刷在導電繞組上。
20.根據權利要求13的變壓器，其特征在于，非磁性材料被膠涂在導電繞組上。
21.根據權利要求13的變壓器，其特征在于，非磁性材料是帶形式的。
22.一種制造多層變壓器的方法，其特征在于所述方法包括準備多層帶形式的磁性材料；將導電繞組設置在多層帶形式的薄層中至少一層上；在薄層中制作多個通孔，用于可選擇性地連接導電繞組；將非磁性材料設置在導電繞組中至少一個附近上；
23.權利要求22的方法，其特征在于，導電繞組中有一個是初級繞組，導電繞組中有一個是次級繞組，初級和次級繞組以交錯的關系設置在薄層上。
24.權利要求22的方法，其特征在于，導電繞組中有一個是初級繞組，導電繞組中有一個是次級繞組，初級和次級繞組設置在同一薄層上。
25.權利要求22的方法，其特征在于，非磁性材料是帶的形式。
全文摘要
多層變壓器包括了多個帶,帶上具有設置在至少一層薄層上的磁芯區域,以形成變壓器的磁芯。初級繞組設置在至少一層薄層上。次級繞組設置在至少一層薄層上。低磁導率的介質材料所制成的薄層設置在至少一個繞組附近。第一組多個互連通孔連接帶之間的初級繞組。第二組多個互連通孔連接帶之間的次級繞組。將磁通量感應從初級引入到磁芯區域。繞組之間的磁耦合和介質擊穿得到改善。能夠獲得低成本和小體積的變壓器。
文檔編號H01F41/02GK1348595SQ00806004
公開日2002年5月8日 申請日期2000年3月31日 優先權日1999年4月1日
發明者D·A·埃布爾 申請人:密德康姆股份有限公司