CN104064329A - 平板磁芯高频脉冲变压器 - Google Patents

Abstract

本发明所涉及的平板磁芯高频脉冲变压器，采用铁氧体软磁绝缘材料制作平面变压器线圈绕组的基板，利用离子溅射、真空蒸镀、网版印刷……等工艺，在铁氧体绝缘基板上制作单层平面线圈，将次级绕组的平面线圈嵌入到初级绕组层间，并使相邻初级绕组层间电流反相，就可利用初级绕组的层间合成磁通向次级绕组传输能量，而产生电磁干扰的变压器外部合成磁通被大幅度削弱，从而有效抑制了电磁干扰(EMI)，将传输能量的磁通与产生电磁干扰的磁通完全剥离开来，在有效提升变压器传输效率和功率密度的同时，大幅降低杂散辐射所造成的电磁干扰。

Description

平板磁芯高频脉冲变压器

技术领域

本发明涉及高频脉冲变压器技术。尤其涉及平板磁芯高频脉冲变压器。

背景技术

随着二次电源技术的不断进步，平面高频脉冲变压器以其优良的高频性能日益受到界内的重视，然而平面高频脉冲变压器也难以逾越邻近效应的技术瓶颈，而且体积的紧凑和频率的升高使得邻近效应的影响更加严重，其性能的提升受到制约；同时高昂的成本限制了平面高频脉冲变压器的普及应用。

迄今为止，平面变压器仍然沿用传统变压器的磁芯结构——主要以“E”形为主；绕组的分布和电流流动方向也与传统变压器基本相同。这些设计和结构无法摆脱传统变压器所遇到的邻近效应、漏磁……等技术难题，所以，平面脉冲变压器虽然较好地解决了趋肤效应、热点……等问题，使得高频脉冲变压器的性能得到了明显的提升，但是仍然存在很大的技术提升空间。

发明内容

本发明所涉及的平板磁芯高频脉冲变压器，采用铁氧体软磁绝缘材料制作平面变压器线圈绕组的基板2-1，利用离子溅射、真空蒸镀、网版印刷……等工艺，在铁氧体绝缘基板上制作单层平面线圈2-2，将次级绕组的平面线圈嵌入到初级绕组层间，并使相邻初级绕组层间电流反相，就可利用初级绕组的层间合成磁通4-5向次级绕组传输能量，而产生电磁干扰的外部合成磁通4-7被大幅度削弱，从而有效抑制了电磁干扰(EMI)，将传输能量的磁通4-5与产生电磁干扰的磁通4-7完全剥离开来，在有效提升变压器传输效率和功率密度的同时，大幅降低杂散辐射所造成的电磁干扰。

根据安培定则，可以简单判断出单层结构的平面变压器在将初级绕组的层间电流反相后，其层间的内部磁通4-5是相互增强的，层间的外部磁通4-4相互抵消，将只有最顶层和最底层绕组的合成磁通4-6是相互增强的，会产生绕组的外部磁通4-7——该磁通是产生电磁干扰的根源；将次级绕组设计在初级绕组的层间，就可以充分利用初级绕组层间增强了的磁通4-5传输能量，而传输电磁干扰的外部磁通4-7不参与能量传输，实现了传输能量的磁通4-5与产生电磁干扰的磁通4-7完全剥离。

通过进一步的分析，单层平面绕组作为一组线圈，它们的匝间磁通4-2相互抵消，外部磁通4-3相互增强。将单层平面绕组叠加，并使相邻层间电流反相，这两层平面绕组之间的层间磁通4-5相互增强，而层间的外部磁通4-4相互抵消，绕组外部的合成磁通比单层绕组时有所减弱，这就是本发明的理论基础。将次级绕组嵌入到两组单层的平面初级绕组之间，就可以利用初级绕组的层间合成磁通4-5向次级绕组传输能量；此时，初级绕组的外部合成磁通4-7已不参与能量传输，并且已被大幅度削弱，还可以根据需要进行屏蔽和抑制。

根据上面的分析，传输能量的磁通在初级绕组的层间传导，利用铁氧体软磁绝缘材料制作平面变压器单层平面绕组的基材，把绕组制作在平板软磁材料表面，不仅不影响绕组的正常制作，在利用基板的导磁性能增强绕组间耦合的同时，还可以通过控制铁氧体基材的厚度有效削弱绕组层间邻近效应的影响。采用本发明技术制作的平面变压器可以工作在100kHz～30MHz频率范围。

可以采用离子溅射镀膜、真空蒸发镀膜、物理气相沉积、化学气相沉积……等多种工艺在铁氧体软磁绝缘基板上制作平面线圈，这些工艺均可以严格控制镀膜的厚度；也可以采用网版印刷工艺、涂敷工艺制作石墨材料的线圈。线圈的导体可以根据需要有多种选择，例如：金、银、铜……等金属材料，也可以是石墨系材料或四氯化锡等高导电率的金属氧化物非金属材料，但成膜温度必须低于铁氧体材料的居里温度。

单层平面线圈堆叠后制作层间过孔，过层间孔制作根据工艺需要，可以在全部平面线圈堆叠完成后进行，或者在平面线圈堆叠过程中进行。过孔的制作工艺通常采用沉铜法或填充法，也可以采用焊接、压接……等方法。

根据电磁屏蔽的需要，在线圈总成的最顶层和最底层分别设计有屏蔽层，该屏蔽层是径向留有绝缘缝隙的导体，该绝缘缝隙可以防止被屏蔽的磁通电流产生闭合环路，屏蔽层设计有接地端子，该接地端子可以根据需要接地或者悬空。

在单层平面线圈堆叠过程中，每层之间实施必要的绝缘措施，堆叠完成后的线圈总成，装入到专门设计的铁氧体软磁材料外盒中，该外盒可以有效保护线圈电路，同时也是线圈外部合成磁通的通路，可以起到抑制电磁辐射的作用。

制作完成的平板磁芯高频脉冲变压器外部预留有线圈电极，变压器内部线圈通过电极与电路连接。电极的材质通常为铜、铜镀金、铜镀银……等金属材料。

附图说明

图1：传统平面变压器结构示意图

1——平面线圈；

1-1——初级绕组；

1-2——次级绕组；

1-3电极；

3-1——磁芯。

图2：单层绕组合成磁通示意图

4-1——单导线磁通；

4-2——导线匝间合成磁通；

4-3——导线外部合成磁通。

图3：层间电流反相绕组的结构及磁通示意图

4-1——单导线磁通；

4-2——导线匝间合成磁通；

4-4——层间外部合成磁通；

4-5——层间内部合成磁通；

4-6——绕组顶层及底层合成磁通；

4-7——总合成磁通。

图4：层间电流反相绕组磁通合成示意图

4-1——单导线磁通；

4-2——导线匝间合成磁通；

4-4——层间外部合成磁通；

4-5——层间内部合成磁通；

4-6——绕组顶层及底层合成磁通。

图5：平板磁芯变压器下斜视结构示意图

1——平面线圈；

1-3——铜电极；

2-1——铁氧体软磁绝缘基板；

2-2——平面线圈；

2-3——层间过孔；

2-4——定位孔。

图6：平板磁芯变压器上斜视结构示意图

1——平面线圈；

1-3——铜电极；

2-1——铁氧体软磁绝缘基板；

2-2——平面线圈；

2-3——层间过孔；

2-4——定位孔。

图7：平板磁芯变压器总体结构示意图

1——平面线圈；

1-3——铜电极；

2-1——铁氧体软磁绝缘基板；

5-1——铁氧体软磁绝缘材料外盒。

具体实施方式

实施例一：离子溅射工艺制作平板磁芯高频脉冲变压器。

采用铁氧体软磁绝缘材料制作平面变压器单层平面线圈的基板，该铁氧体基板上预留有层间过孔、电极装配孔、定位孔……等工艺孔；利用离子溅射工艺在铁氧体基板上制作一层厚度满足要求的导电膜；再利用激光、蚀刻等工艺将导电膜切割成平面螺旋线圈；采用沉铜工艺在铁氧体基板的层间过孔表面沉积一定厚度的铜导电层；线圈堆叠过程中，采用焊接工艺将需要连通的层间过孔进行电气连接；线圈的堆叠遵循初级→次级→初级的原则，最顶层和最底层均为初级线圈。

在单层平面线圈堆叠过程中，每层之间实施必要的绝缘措施，堆叠完成后的线圈总成，装入到专门设计的铁氧体软磁材料外盒中，该外盒可以有效保护线圈电路，同时也是线圈外部合成磁通的通路，可以起到抑制电磁辐射的作用。

根据与次级绕组层相邻的初级绕组层电流反相的原则连接初级绕组的层间接线，保证初级绕组内部层间磁通在次级绕组平面为相互增强。此时，初级绕组的外部层间磁通相互抵消，只有最顶层外部磁通和最底层的外部磁通是相互增强的，这部分磁通不参与能量转换，只会产生杂散辐射，应该尽可能减小。

次级绕组共有(总层数-1)÷2层，次级绕组可以有多种连接方式，根据输出电压和输出功率的要求，设定次级绕组的连接方式。

实施例二：网版印刷工艺制作石墨线圈平板磁芯高频脉冲变压器。

采用铁氧体软磁绝缘材料制作平面变压器单层平面线圈的基板，该铁氧体基板上预留有层间过孔、电极装配孔、定位孔……等工艺孔；采用网版印刷工艺在铁氧体基板上制作一层厚度满足要求的石墨导电平面螺旋线圈；采用填充工艺在铁氧体基板的层间过孔内填充满石墨导体；线圈的堆叠遵循初级→次级→初级的原则，最顶层和最底层均为初级线圈。

在单层平面线圈堆叠过程中，每层之间实施必要的绝缘措施，堆叠完成后的线圈总成，装入到专门设计的铁氧体软磁材料外盒中，该外盒可以有效保护线圈电路，同时也是线圈外部合成磁通的通路，可以起到抑制电磁辐射的作用。

根据与次级绕组层相邻的初级绕组层电流反相的原则连接初级绕组的层间接线，保证初级绕组内部层间磁通在次级绕组平面为相互增强。此时，初级绕组的外部层间磁通相互抵消，只有最顶层外部磁通和最底层的外部磁通是相互增强的，这部分磁通不参与能量转换，只会产生杂散辐射，应该尽可能减小。

次级绕组共有(总层数-1)÷2层，可以有多种连接方式，根据输出电压和输出功率的要求，设定次级绕组的连接方式。

Claims (8)

1.平板磁芯高频脉冲变压器。其特征是：采用铁氧体软磁绝缘材料制作平面变压器线圈绕组的基板，铁氧体基板上预留有工艺孔，利用离子溅射、真空蒸镀、网版印刷……等工艺，在铁氧体绝缘基板上制作低电阻率导体的单层平面绕组，将次级绕组的平面绕组嵌入到初级绕组层间，并使相邻初级绕组层间电流反相，就可利用初级绕组的层间合成磁通向次级绕组传输能量，而产生电磁干扰的变压器外部合成磁通被大幅度削弱，从而有效抑制了电磁干扰(EMI)，将传输能量的磁通与产生电磁干扰的磁通完全剥离开来，在有效提升变压器传输效率和功率密度的同时，大幅降低杂散辐射所造成的电磁干扰。

在单层平面线圈堆叠过程中，每层之间实施必要的绝缘措施，堆叠完成后的线圈总成，装入到专门设计的铁氧体软磁材料外盒中，该外盒可以有效保护线圈电路，同时也是线圈外部合成磁通的通路，可以起到抑制电磁辐射的作用。

2.按照权利要求1所述的铁氧体软磁绝缘材料。其特征是：具有较高的居里温度，其居里温度点＞180℃。

3.按照权利要求1所述的铁氧体基板上预留有工艺孔。其特征是：铁氧体基板上预留有层间过孔、电极装配孔、定位孔……等工艺孔。

4.按照权利要求1所述的在铁氧体绝缘基板上制作单层平面绕组。其特征是：利用离子溅射、真空蒸镀、网版印刷……等工艺，在铁氧体绝缘基板的表面制作低电阻率导体的单层平面绕组。

5.按照权利要求1所述的低电阻率导体。其特征是：低电阻率导体包括：金、银、铜……等金属材料，也可以是石墨系材料或四氯化锡等高导电率的金属氧化物非金属材料，但成膜温度必须低于铁氧体材料的居里温度。

6.按照权利要求1所述的将次级绕组的平面绕组嵌入到初级绕组层间。其特征是：线圈的堆叠遵循初级→次级→初级的原则，最顶层和最底层均为初级线圈；初级绕组共有(总层数-1)÷2+1层，次级绕组共有(总层数-1)÷2层。在单层平面线圈堆叠过程中，每层之间实施必要的绝缘措施。

7.按照权利要求1所述的使相邻初级绕组层间电流反相，就可利用初级绕组的层间合成磁通向次级绕组传输能量。其特征是：初级绕组与次级绕组是相间堆叠，所以与每一层次级绕组相邻的初级绕组电流反相，就可满足相邻初级绕组层间电流反相的要求。

8.按照权利要求1所述的堆叠完成后的线圈总成，装入到专门设计的铁氧体软磁材料外盒中。其特征是：按照产品的规格，设计专用的铁氧体软磁材料外盒，该外盒可以有效保护线圈电路，同时也是线圈外部合成磁通的通路，可以起到抑制电磁辐射的作用。