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KR102702931B1 - 트랜스포머 및 이를 포함하는 직류 컨버터 - Google Patents

트랜스포머 및 이를 포함하는 직류 컨버터 Download PDF

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KR102702931B1
KR102702931B1 KR1020190014393A KR20190014393A KR102702931B1 KR 102702931 B1 KR102702931 B1 KR 102702931B1 KR 1020190014393 A KR1020190014393 A KR 1020190014393A KR 20190014393 A KR20190014393 A KR 20190014393A KR 102702931 B1 KR102702931 B1 KR 102702931B1
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윤수광
배석
염재훈
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엘지이노텍 주식회사
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Abstract

본 발명은 트랜스포머에 관한 것으로, 보다 상세하게는 도전성 플레이트가 적층된 2차 코일부를 포함하는 트랜스포머에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 트랜스포머는, 중족 및 외족을 갖는 코어부; 상기 중족을 중심으로 턴을 형성하도록 수직 방향으로 적층된 복수의 도전성 플레이트를 포함하는 2차 코일부; 및 상기 외족을 중심으로 턴을 형성하도록 권선된 도선을 포함하는 1차 코일부를 포함할 수 있다.

Description

트랜스포머 및 이를 포함하는 직류 컨버터{TRANSFORMER AND DC-DC CONVERTER INCLUDING THE SAME}
본 발명은 도전성 플레이트가 적층된 2차 코일부를 구비하는 트랜스포머 및 이를 포함하는 직류 컨버터에 관한 것이다.
최근 환경에 대한 지속적인 관심과 규제에 따라 전기 모터를 구비한 차량의 연구가 활발하게 이루어지고 있다. 이러한 차량에서는 전기 모터를 구동하기 위한 고전압 배터리와 전장 부하에 전원을 공급하기 위한 보조 배터리가 함께 구비되는 것이 보통이며, 보조 배터리는 고전압 배터리의 전력을 통해 충전될 수 있다. 보조 배터리의 충전을 위해서는 고전압 배터리의 직류 전원을 보조 배터리의 전압에 해당하는 직류 전원으로 변환할 필요가 있으며, 이를 위헤 직류 컨버터(DC-DC CONVERTER)가 사용될 수 있다.
도 1은 일반적인 직류 컨버터 구성의 일례를 나타내는 블럭도이다.
도 1을 참조하면, 직류 컨버터(10)는 제1 배터리(Batt 1, 20)와 제2 배터리(batt 2, 30) 사이에 배치되며, 구동회로(11), 트랜스포머(12) 및 출력 회로(13)를 포함할 수 있다.
제1 배터리(20)는 직류 전압과 직류 전류를 출력하며, 트랜스포머(12)는 교류 전압과 교류 전류를 변환할 수 있다. 따라서, 구동 회로(11)는 트랜스포머(12)에 교류 전류가 입력되도록 제1 배터리(20)가 출력하는 직류 전류를 시간에 따라 변화하는 교류 전류로 변환하여 트랜스포머(12)의 1차 코일에 공급할 수 있다. 이를 위하여 구동 회로(11)는 풀 브리지를 구성하는 복수의 구동 스위치를 포함할 수 있으며, 각 구동 스위치는 제어부(40)의 제어에 따라 동작할 수 있다.
트랜스포머(12)는 구동회로(11)로부터 교류 전력을 입력받아 제1 배터리(20)와 제2 배터리(30)의 상대적 전압 차에 대응되도록 승압 또는 강압하여 2차 코일로 변환된 전력을 출력한다. 또한, 출력 회로(13)는 트랜스포머(12)로부터 출력되는 교류 전류를 직류 전류로 변환하여 제2 배터리(30)로 전달할 수 있다.
여기서, 트랜스포머(12)는 자성 코어를 포함하며, 자성 코어를 중심으로 1차 코일과 2차 코일이 배치된다. 이러한 자성 코어의 형태와 기능을 도 2a 및 도 2b를 참조하여 설명한다.
도 2a는 일반적인 자성 코어의 정면도를, 도 2b는 일반적인 자성 코어를 구성하는 하부 코어의 사시도를 각각 나타낸다.
도 2a및 도 2b를 함께 참조하면, 일반적인 자성 코어(C)는 상부 코어(C1)와 하부 코어(C2)를 포함할 수 있다. 여기서, 상부 코어(C1) 및 하부 코어(C2) 각각은 도시된 바와 같이 "E" 형 코어일 수 있다. 이러한 자성 코어(C)는 자기회로의 성격을 가진다. 예컨대, 중족(CC)에서 상방으로 흐르는 자속(ΦⅠ)은 코어 상부에서 좌우로 분기(ΦⅡ, ΦⅢ)되어 각각의 외족(CL, CR)에서 하방으로 흘러 다시 중족(CC)에서 합류하는 형태로 순환될 수 있다. 이때, 중족(CC)에 흐르는 자속(ΦⅠ)의 크기는 각 외족(CL, CR)에 흐르는 자속(ΦⅡ, ΦⅢ)의 합이 되며(즉, ΦⅠ= ΦⅡ+ ΦⅢ), 각 외족에 흐르는 자속의 크기는 자속의 통로의 단면적에 비례하게 된다. 따라서, 중족(CC)에서 발생한 자속(ΦⅠ)이 원활하게 두 외족(CL, CR)을 통해 흐르기 위해서는 두 외족(CL, CR)의 단면적의 합이 중족(CC)의 단면적 이상인 것이 바람직하다. 예를 들어, 도 2b에 도시된 바와 같이 중족(CC)과 두 외족(CL, CR)이 직사각형 평면 형상을 가져 y축 방향 길이가 서로 동일(L1)하다고 가정하면, 좌측 외족(CL)의 폭(W2)과 우측 외족(CR)의 폭(W3)의 합은 적어도 중족의 폭(W1)에 해당하는 것이 바람직하다.
그런데, 일반적인 트랜스포머는 자성 코어(C)의 중족(CC)에만 1차 코일과 2차 코일 모두가 위치하기 때문에 수직 방향(즉, Z축 방향)으로 중족(CC)의 높이가 보빈은 물론 1차 코일 및 2차 코일 전부를 수용할 수 있을 만큼 확보되어야 한다. 뿐만 아니라, 모든 코일이 가장 큰 둘레 길이를 갖는(즉, W1 > W2, W3) 중족(CC)을 중심으로 권선되므로 코일을 구성하는 재료 측면에서 불리하며, 전류의 이동 경로가 길어져 발열과 효율 측면에서도 바람직하지 않다.
본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 고안된 것으로, 보다 효율이 우수한 트랜스포머를 제공하기 위한 것이다.
특히, 본 발명은 1차 코일과 2차 코일 중 적어도 일부는 외족에 권선되는 구조의 트랜스포머를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당 업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 트랜스포머는, 중족 및 외족을 갖는 코어부; 상기 중족을 중심으로 턴을 형성하도록 수직 방향으로 적층된 복수의 도전성 플레이트를 포함하는 2차 코일부; 및 상기 외족을 중심으로 턴을 형성하도록 권선된 도선을 포함하는 1차 코일부를 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 외족은 상기 코어부의 일측에 배치되는 제1 외족과 상기 일측의 타측에 배치되는 제2 외족을 포함하고, 상기 1차 코일부는 상기 제1 외족을 따라 권선되는 제1 도선과 상기 제2 외족을 따라 권선되는 제2 도선을 포함할 수 있다.
예를 들어, 트랜스포머는 상기 중족이 관통하는 제1 관통홀, 상기 제1 외족이 관통하는 제2 관통홀 및 상기 제2 외족이 관통하는 제3 관통홀을 갖는 보빈을 더 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 2차 코일부는 상기 보빈의 상부에 배치되는 상부 코일부와 상기 보빈의 하부에 배치되는 하부 코일부를 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 상부 코일부와 상기 하부 코일부를 구성하는 상기 복수의 도전성 플레이트는, 제1 평면 형상을 갖는 복수의 제1 타입 도전성 플레이트와 제2 평면 형상을 갖는 복수의 제2 타입 도전성 플레이트를 포함하되, 상기 제1 타입 도전성 플레이트와 상기 제2 타입 도전성 플레이트는 수직 방향으로 교번순으로 적층될 수 있다.
예를 들어, 상기 제1 평면 형상과 상기 제2 평면 형상은 서로 좌우 대칭일 수 있다.
예를 들어, 상기 보빈은 상기 상부 코일부가 수용되는 제1 수용공; 상기 제1 도선이 수용되는 제2 수용공; 상기 제2 도선이 수용되는 제3 수용공; 및 상기 하부 코일부가 수용되는 제4 수용공을 제공할 수 있다.
예를 들어, 수직 방향으로 상기 제2 수용공 및 상기 제3 수용공은, 상기 제1 수용공과 상기 제4 수용공 사이에 배치될 수 있다.
예를 들어, 상기 제2 수용공 및 상기 제3 수용공은 수평 방향으로 서로 이격되어 나란히 배치될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 직류 변환기는 구동회로; 트랜스포머; 및 출력회로를 포함할 수 있다. 여기서 상기 트랜스포머는, 중족 및 외족을 갖는 코어부; 상기 중족을 중심으로 턴을 형성하도록 수직 방향으로 적층된 복수의 도전성 플레이트를 포함하는 2차 코일부; 및 상기 외족을 중심으로 턴을 형성하도록 권선된 도선을 포함하는 1차 코일부를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 트랜스포머에 대한 효과를 설명하면 다음과 같다.
첫째, 1차 코일이 중족보다 작은 둘레를 갖는 외족에 권선되므로 1차 코일을 구성하는 도선의 길이가 감소하며, 그로 인해 발열이 감소하여 효율이 향상된다.
둘째, 두 개의 중족 각각에 1차 코일이 나뉘어 권선되면 수직 방향으로 1차 코일의 권선을 위해 필요한 코어의 높이가 감소한다.
셋째, 감소한 코어의 높이로 인해 수직 방향으로 코어의 일측에 냉각 수단이 접할 경우 열 이동 경로가 짧아져 냉각 효율이 향상된다.
본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
이하에 첨부되는 도면들은 본 발명에 관한 이해를 돕기 위한 것으로, 상세한 설명과 함께 본 발명에 대한 실시예들을 제공한다. 다만, 본 발명의 기술적 특징이 특정 도면에 한정되는 것은 아니며, 각 도면에서 개시하는 특징들은 서로 조합되어 새로운 실시예로 구성될 수 있다.
도 1은 일반적인 직류 컨버터 구성의 일례를 나타내는 블럭도이다.
도 2a는 일반적인 자성 코어의 정면도를, 도 2b는 일반적인 자성 코어를 구성하는 하부 코어의 사시도를 각각 나타낸다.
도 3은 일 실시예에 따른 트랜스포머의 외관 사시도이다.
도 4a 및 도 4b는 일 실시예에 따른 트랜스포머의 분해 사시도이다.
도 5는 일 실시예에 따른 보빈의 형상을 나타내는 분해 사시도이다.
도 6은 일 실시예에 따른 하부 코어의 외관 사시도이다.
도 7은 일 실시예에 따른 두 가지 타입의 도전성 플레이트의 평면 형상을 나타낸다.
도 8은 일 실시예에 따른 트랜스포머의 단면도이다.
이하, 본 발명의 실시예들이 적용되는 장치 및 다양한 방법들에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다.
실시예의 설명에 있어서, 각 구성 요소의 " 상(위) 또는 하(아래)", "전(앞) 또는 후(뒤)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, "상(위) 또는 하(아래)" 및"전(앞) 또는 후(뒤)"는 두 개의 구성 요소들이 서로 직접 접촉되거나 하나 이상의 또 다른 구성 요소가 두 개의 구성 요소들 사이에 배치되어 형성되는 것을 모두 포함한다.
또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성 요소에 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
또한, 이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다" 또는 "가지다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재될 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥 상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 실시예에 따른 트랜스포머를 상세히 설명하기로 한다.
도 3은 일 실시예에 따른 트랜스포머의 외관 사시도이고, 도 4a 및 도 4b는 일 실시예에 따른 트랜스포머의 분해 사시도이다.
도 3 내지 도 4b를 함께 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 트랜스포머(100)는 보빈(110)과, 보빈(110) 상에 배치 또는 보빈(110) 내에 삽입되는 복수의 도전성 플레이트(120), 복수의 도전성 플레이트(120)를 전기적으로 연결시켜 복수의 도전성 플레이트(120)와 함께 2차 코일부를 구성하는 복수의 체결부(130), 중족과 외족 각각이 보빈(110)을 관통하는 형태로 결합되는 코어부(140) 및 보빈(110) 내에 삽입되는 1차 코일부(160)를 포함할 수 있다.
2차 코일부(120, 130)는 1차 코일부(160)로부터 공급 받은 전원 신호를 변압시켜 출력할 수 있다. 도 3 내지 도 4b에서는 2차 코일부(120, 130)를 구성함에 있어 총 16매의 도전성 플레이트가 두께 방향(예를 들어, z축 방향)으로 적층된 형태로 배치될 수 있다. 각각의 도전성 플레이트는 2차 코일부에서 1턴에 해당할 수 있다. 다만, 이는 예시적인 것으로 더 많거나 더 적은 도전성 플레이트가 적용될 수 있다.
예를 들어, 복수의 도전성 플레이트(120) 각각은 y축과 나란한 방향으로 보빈(110) 상에 배치되거나, 보빈(110)내에 삽입될 수 있다.
복수의 도전성 플레이트(120) 각각은 체결부(130)를 통한 전기적 연결을 제외하면 절연재를 통해 서로 전기적으로 절연될 수 있다. 예를 들어, 복수의 도전성 플레이트 중 서로 인접한 도전성 플레이트 사이에는 절연 필름이 배치되어 서로 전기적으로 절연될 수 있다. 절연 필름은 케톤, 폴리이미드 등의 성분을 포함할 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 도전성 플레이트(120)는 상부 코일부(120T) 및 하부 코일부(120B)를 포함할 수 있으며, 각 코일부(120T, 120B)는 두께 방향으로 서로 이격될 수 있다.
또한, 복수의 도전성 플레이트(120) 각각은 도전성 금속, 예를 들어, 구리를 포함할 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 복수의 도전성 플레이트는 알루미늄을 포함할 수 있다. 구리 대신 알루미늄이 적용될 경우, 도전성 플레이트의 두께는 구리 대비 약 60% 더 두꺼울 수 있으나, 반드시 이러한 두께비에 한정되는 것은 아니다.
아울러, 복수의 도전성 플레이트(120) 각각은 코어부(140)의 중족을 중심으로 턴을 형성하도록 배치될 수 있다.
보빈(110)은 1차 코일부(160)를 구성하는 도전선(161, 162), 2차 코일부를 구성하는 복수의 도전성 플레이트(120), 그리고 코어부(140)가 서로 절연되되, 각각(120, 140)의 적어도 일부를 수용하거나 고정시키기에 적합한 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 보빈(110)은 코어부(140)의 중족과 양측 외족 각각이 관통할 수 있도록 중족과 양측 외족 각각의 형상에 대응되는 평면 형상을 갖는 관통홀(TH1, TH2, TH3)을 가질 수 있다.
보빈(110)은 절연성 물질, 예를 들어, 수지 물질을 포함할 수 있으며, 다양한 성형 방식으로 생산될 수 있다. 본 발명의 실시예들에 따른 보빈(110)은 복수의 도전성 플레이트(120) 중 두께 방향으로 최상층 도전성 플레이트의 상면 및 두께 방향으로 최하층 도전성 플레이트의 하면을 각각 노출시키는 오프닝을 가질 수 있다. 보빈(110)의 보다 구체적인 형상은 도 5를 참조하여 후술하기로 한다.
체결부(130)는 복수의 금속 바(bar) 형태로 도전성 플레이트(120) 각각의 일 단부를 두께 방향(예를 들어, Z축 방향)으로 관통하되, 솔더링 방식으로 도전성 플레이트(120) 각각과 고정될 수 있다. 물론, 실시예에 따라 금속 바는 볼트, 너트, 와셔 등의 다른 체결 부재로 대체될 수도 있다. 또한, 체결부(130)는 복수의 금속 바 각각에 의해 관통되는 버스바(BB)가 추가로 구비될 수도 있다. 버스바(BB)는 트랜스포머(100)가 기판 등에 실장될 때 2차측 코일과 전기적 통로가 됨과 함께, 트랜스포머(100)를 기판 등에 고정시키는 역할을 수행할 수도 있다.
자기회로의 성격을 가지는 코어부(140)는 자속의 통로 역할을 할 수 있다. 코어부는 상측에서 결합되는 상부 코어(141)와 하측에서 결합되는 하부 코어(142)를 포함할 수 있다. 두 코어(141, 142)는 서로 상하로 대칭되는 형상일 수도 있고, 비대칭 형상일 수도 있다. 코어부(140)는 자성물질, 예를 들어, 철 또는 페라이트를 포함할 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 코어부(140)의 구체적인 형상은 도 6을 참조하여 후술하기로 한다.
1차 코일부(160)는 제1 도선(161)과 제2 도선(162)을 포함할 수 있다. 1차 코일부(160)는 강성 도체 금속, 예를 들어 구리 도전선이 수회 감겨진 다중 권선, 예컨대, 리츠 와이어(Litz Wire) 형상일 수 있다. 제1 도선(161)과 제2 도선(162) 각각은 코어부(140)의 서로 다른 외족을 중심으로 턴을 형성하도록 배치될 수 있다. 예컨대, 제1 도선(161)은 일측 외족(141_2, 142_2)을 중심으로 턴을 형성하도록 배치되고, 제2 도선(162)은 중족(141_1, 142_1)을 기준으로 일측 외족과 대향하는 방향에 배치된 타측 외족(141_3, 142_3)을 중심으로 턴을 형성하도록 각각 배치될 수 있다. 또한, 제1 도선(161)을 구성하는 도선의 단부는 보빈(110)의 제1 개구(OP1)를 통해 외부로 인출될 수 있고, 제2 도선(162)을 구성하는 도선의 단부는 제2 개구(OP2)를 통해 외부로 인출될 수 있다. 아울러, 1차 코일부(160)에서 보빈(110)의 제1 개구(OP1) 및 제2 개구(OP2)를 통해 노출되는 단부를 제외한 나머지 부분은 보빈(110) 내부의 수용공에 수용될 수 있다.
도 5는 일 실시예들에 따른 보빈(110)의 형상을 나타낸다.
도 5를 참조하면, 일 실시예에 따른 보빈(110)은 상부 보빈(110T)과 하부 보빈(110B)을 포함할 수 있다. 상부 보빈(110T)은 상부 코일부(120T)가 수용되는 제1 수용공(RH1)을 제공하고, 하부 보빈(110B)은 하부 코일부(120B)가 수용되는 제4 수용공(RH4)을 제공한다.
제1 수용공(RH1)과 제4 수용공(RH4)는 두께 방향(예를 들어, Z축 방향)으로 상하 대칭 형상을 가져, 제1 수용공(RH1)은 상측으로 개방되며, 제4 수용공(RH4)은 하측으로 개방된다. 따라서, 제1 수용공(RH1)에 수용되는 상부 코일부(120T)는 최상단에 위치하는 도전성 플레이트의 적어도 일부가 상측방향으로 노출되며, 제4 수용공(RH4)에 수용되는 하부 코일부(120B)는 최하단에 위치하는 도전성 플레이트의 적어도 일부가 하측방향으로 노출된다. 따라서, 상부 코일부(120T)와 하부 코일부(120B)는 각각 적어도 일 표면에 대하여 넓은 방열 면적을 갖게 되며, 그로 인해 노출된 표면의 위치에 따라 주변 공기중으로 또는 코어부(140)가 결합될 때 코어부(140)로 신속히 전달될 수 있어 방열에 유리하다.
또한, 상부 보빈(110T)과 하부 보빈(110B)이 결합될 때, 제1 도선(161)이 수용되는 제2 수용공(RH2)과 제2 도선(162)이 수용되는 제3 수용공(RH3)을 각각 제공한다. 아울러, 상부 보빈(110T)과 하부 보빈(110B)이 결합될 때, 코어부(140)의 중족(141_1, 142_1)이 관통하는 제1 관통홀(TH1), 일측 중족(141_2, 142_2)이 관통하는 제2 관통홀(TH2) 및 타측 중족(141_3, 142_3)이 관통하는 제3 관통홀(TH3)을 제공한다.
상부 보빈(110T)과 하부 보빈(110B)은 상하 대칭 형상을 가질 수 있으나, 다른 실시예에 의하면 비대칭 형상일수도 있다. 이하의 설명에서는 상부 보빈(110T)과 하부 보빈(110B)이 상하 대칭 형상을 이루는 것으로 가정하여 하부 보빈(110B)을 중심으로 형상을 설명한다.
하부 보빈(110B)은 일 수평 방향(예컨대, x축 방향)으로 나란히 이격되어 배치되며, 상측으로 각각 연장되는 제1 외벽(OW1)과 제2 외벽(OW2)을 포함한다. 제1 외벽(OW1)과 제2 외벽(OW2) 각각은 "U"자형 또는 일측 반원이 절취된 트랙(track)형 평면 형상을 가지거나, 일 단변이 절취된 사각형 평면 형상을 가질 수 있다. 또한, 제1 외벽(OW1)의 내부에는 제1 내벽(IW1)이, 제2 외벽(OW2)의 내부에는 제2 내벽(IW2)이 배치된다. 제1 내벽(IW1)의 내측면은 제2 관통홀(TH2)의 측벽을, 제2 내벽(IW2)의 내측면은 제3 관통홀(TH3)의 측벽을 각각 정의할 수 있다.
아울러, 제1 외벽(OW1)의 내측면과 제1 내벽(IW1)의 외측면이 함께 제2 수용공(RH2)을 정의할 수 있으며, 제2 외벽(OW2)의 내측면과 제2 내벽(IW1)의 외측면이 함께 제3 수용공(RH3)을 정의할 수 있다.
한편, 제1 외벽(OW1)과 제2 외벽(OW2)에서 서로 인접한 두 외측면 사이에는 중앙 격벽(MP)이 배치될 수 있다. 중앙 격벽(MP)은 제1 외벽(OW1) 및 제2 외벽(OW2)과 함께 제1 관통홀(TH)을 정의할 수 있다.
또한, 하부 보빈(110B)의 저면에는 제4 수용공(RH4)을 정의하는 제3 외벽(OW)이 배치될 수 있다. 제2 외벽(OW2) 각각은 "U"자형 또는 일측 반원이 절취된 트랙(track)형 평면 형상을 가지거나, 일 단변이 절취된 사각형 평면 형상을 가질 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니고 하부 코일부(120B)를 수용하기에 적합한 형상이면 족하다.
한편, 각 관통홀(TH1, TH2, TH3)은 사각형 평면 형상을 갖는 것으로 도시되나, 이는 예시적인 것으로 코어부(140) 중족과 외족 각각의 평면 형상에 대응되는 형상을 갖는 것으로 족하다.
다음으로, 도 6을 참조하여 코어부(140)의 구성을 설명한다. 도 6은 하부 코어의 외관 사시도이다. 도 6에서는 코어부(140) 중 하부 코어(142)를 기준으로 설명하나, 상부 코어(141)는 하부 코어(142)와 상하 대칭 형상임을 가정하여, 상부 코어(141)에 대한 설명에 갈음하기로 한다.
도 6을 참조하면, 하부 코어(142)의 몸체, 즉, 하면은 일 방향(예컨대, x축 방향)으로 연장되는 장변과, 일 방향과 교차하는 타 방향(예컨대, y축 방향)으로 연장되는 단변을 포함하는 직사각형 평면 형상을 가질 수 있다.
또한, 하부 코어(142)는 중족(142_1)과 중족(142_1) 주변의 서로 대면하는 양 측면에 배치되는 외족(142_2, 142_3)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 외족(142_2)은 하부 코어(142)의 몸체의 일측으로부터 수직 방향으로 연장되며, 제2 외족(142_3)은 몸체의 타측으로부터 수직 방향으로 연장될 수 있다. 또한, 중족(142_1)은 제1 외족(142_2)과 제2 외족(142_3) 사이에 배치되며, 몸체로부터 수직 방향으로 연장될 수 있다.이때, 중족(142_1)과 외족(142_2, 142_3) 각각은 사각형 평면 형상을 가질 수도 있고, 도 6에 도시된 바와 같이 모서리가 소정 곡률을 가질 수도 있다.
한편, 보빈(110)과 결합될 때, 상부 코어(141)의 중족(미도시)과 하부 코어(142)의 중족(142_1)은 소정 간격(예를 들어, 100um) 이격되어 갭을 형상할 수 있다.
다음으로, 도 7을 참조하여 2차 코일부를 구성하는 복수의 도전성 플레이트의 구성을 설명한다.
도 7은 실시예에 따른 두 가지 타입의 도전성 플레이트의 평면 형상을 나타낸다.
도 7을 참조하면, 두 가지 서로 다른 평면 형상을 갖는 도전성 플레이트(121, 122)가 도시된다. 제1 타입 도전성 플레이트(121)는 제2 타입 도전성 플레이트(122) 대비 좌우가 반전됨을 제외하면 동일한 형상을 가지므로, 제1 타입 도전성 플레이트(121)를 중심으로 설명한다.
실시예에 따른 도전성 플레이트(121)는 2차 코일부의 1턴을 구성하기 위하여 두 개의 단부(121_M, 121_R)를 갖는 열린 고리형 평면 형상을 가질 수 있다. 도 7을 포함한 본 명세서에서 도전성 플레이트(121, 122)는 중공(HC)을 중심으로 하는 외경측 모서리가 둥근 열린 사각형 형상을 갖는 것으로 도시되었으나, 이는 예시적인 것으로 평면 형상은 열린 원형/타원형 고리형상이나 열린 다각형 고리형상일 수도 있다.
예를 들어, 제1 타입 도전성 플레이트(121)는"q"자형 평면 형상을 가질 수 있다. 또한, 제2 타입 도전성 플레이트(122)는 제1 타입 도전성 플레이트(121)와 좌우 대칭형상인 바, "p"자형 평면 형상을 가질 수 있다.
또한, 각 단부에는 체결부(130)가 관통할 수 있도록 관통홀(H)이 구비될 수 있다. 도 7에서는 단부마다 하나의 직사각형 평면 형상을 갖는 관통홀(H)이 도시되었으나, 홀의 개수와 위치는 상이할 수 있다.
한편, 제1 타입 도전성 플레이트(121)를 기준으로 제1 단부(121_M)는 그라운드로 연결되므로 그라운드 단부라 칭할 수 있으며, 제2 단부(121_R)는 하나의 시그널 라인으로 연결되므로 제1 시그널 단부라 칭할 수 있다. 유사하게, 제2 타입 도전성 플레이트(122)도 하나의 그라운드 단부(122_M)와 하나의 시그널 단부(122_L)를 가질 수 있는데, 시그널 단부(122_L)는 제1 시그널 단부(121_R)의 반대 방향에 위치하며, 제2 시그널 단부라 칭할 수 있다.
따라서, 2차 코일부(120, 130)를 구성하는 일 코일부, 예컨대, 상부 코일부(120T)에 2매의 도전성 플레이트가 적용될 경우, 2개의 그라운드 단부, 두 개의 제1 시그널 단부 및 두 개의 제2 시그널 단부가 구비된다. 여기서, 2개의 그라운드 단부는 수직 방향으로 적어도 일부가 서로 중첩되도록 관통홀(H)을 중심으로 정렬될 수 있다.
상부 코일부(120T) 및 하부 코일부(120B) 각각은, 상술한 제1 타입 도전성 플레이트(121)와 제2 타입 도전성 플레이트(122)가 적어도 하나의 쌍을 이루어 중공(HC)을 중심으로 수직방향으로 정렬되도록 교번순으로 적층되어 구성될 수 있다.
전술한 실시예에 따른 트랜스포머의 효과를 도 8을 참조하여 설명한다.
도 8은 일 실시예에 따른 트랜스포머의 단면도이다. 도 8에서는 코어부(140)의 장축 방향(예컨대, x축 방향)과 나란한 방향을 따라 절취된 트랜스포머(100)의 단면이 도시되며, 간명한 이해를 돕기 위하여 보빈(110)의 도시는 생략되었다.
도 8을 참조하면, 실시예에 따른 트랜스포머(100)는 중족을 중심으로 턴을 형성하도록 2차 코일부를 구성하는 복수의 도전성 플레이트(120)가 배치되며, 외족을 중심으로 턴을 형성하도록 1차 코일부(160)를 구성하는 도선이 권선된다. 이때, 수직방향으로는 상부 코일부(120T)와 하부 코일부(120B) 사이에 1차 코일부(160)가 배치되며, 1차 코일부를 구성하는 제1 도선(161)과 제2 도선(162)은 수평 방향으로 서로 이격되어 나란히 배치된다.
이러한 구성을 가짐으로 인해, 중족을 중심으로 1차 코일부와 2차 코일부 모두가 턴을 이루도록 배치되는 일반적인 트랜스포머 대비 실시예에 따른 트랜스포머가 갖는 이점을 다음과 같이 설명한다.
일반적인 트랜스포머는 1차 코일부 전체가 중족을 중심으로 권선되기 때문에 동일 턴수를 구성하기 위하여 실시예에 따른 트랜스포머의 1차 코일부(160)가 수직 방향으로 차지하는 높이(h1)의 최소 두 배가 확보되어야 한다. 반면에, 실시예에 따른 트랜스포머는 1차 코일부(160)를 구성하는 코일부가 둘로 분할되어 수평 방향으로 나란히 이격되어 코어부(140)의 외족에 권선되므로 일반적인 트랜스포머 대비 1차 코일부(160)의 권선을 위해 확보되어야 할 높이가 적어도 h1만큼 감소한다. 이는 코어부(140)의 전체 높이(h2)가 일반적인 트랜스포머 대비 h1만큼 감소되어 슬림한 외관을 가질 수 있도록 한다.
뿐만 아니라, 코어부(140)의 높이 감소는 냉각에도 유리하다. 예컨대, 트랜스포머(100)가 직류 컨버터 등에 실장될 때, 코어부(140)의 하부는 직류 컨버터의 하우징(CP)과 전열 가능한 상태로 배치되며, 하우징(CP)에서 코어부(140)와 접하는 면의 배면에는 차량의 냉매(예를 들어, 냉각수)가 순환되는 것이 일반적이다. 이러한 경우, 코어부(140)의 높이가 낮을수록 전열 거리가 짧아지게 되므로 트랜스포머에서 발생한 열이 신속히 하우징(CP)을 통해 방출될 수 있다.
아울러, 이러한 구조를 가짐으로 인해 1차 코일부(160)을 구성하는 도선의 길이가 중족에 권선하는 경우 대비 감소할 수 있다. 예컨대, 도 2b에서 각 외족의 폭(w2, w3)이 서로 동일하며, 중족의 폭(w1) 대비 절반일 경우(즉, w1= 2*w2)를 기준으로 설명하면, 1턴을 구성하기 위하여 일반적인 트랜스포머에서는 중족의 둘레(2*L1+2*(2*w2))에 해당하는 길이의 도선이 필요하다. 반면에, 실시예와 같이 외족에 권선될 경우 외족의 둘레(2*L1+2*2w2)에 해당하는 길이의 도선이 필요하다. 결국, 실시예에 따르면 일반적인 트랜스포머 대비 턴당 2*w2에 해당하는 도선의 길이가 단축될 수 있다. 이로 인하여 트랜스포머의 제작 비용이 절감됨은 물론, 도선의 길이 단축으로 인해 저항이 감소하여 발열이 감소함에 따라 효율도 향상될 수 있다.
실시예에 따른 트랜스포머와 일반적인 트랜스포머의 발열 실험 결과가 아래 표 1과 같다. 실험은 동일한 용량(3.2kW급)의 직류 변환기에 실시예에 따른 트랜스포머와 일반적인 트랜스포머의 포화 동작 온도 측정을 통해 이루어졌다.
비고 1차 코일부 구조 1차측 코일 온도(℃) 2차측 코일 온도(℃) 상부 코어 온도
비교예 중족 권선 127 140 135
실시예 외족 권선 120 133 125
표 1을 참조하면, 실시예에 따른 트랜스포머는 비교례에 따른 일반적인 트랜스포머 대비 각 코일부의 온도는 7도, 상부 코어 온도는 10도 가량 낮음을 알 수 있다.
앞서 설명한 실시 예들의 기술적 내용들은 서로 양립할 수 없는 기술이 아닌 이상은 다양한 형태로 조합될 수 있으며, 이를 통해 새로운 실시 형태로 구현될 수도 있다.
또한, 전술한 실시예에 따른 트랜스포머(100)는 계기용변성기, 교류계산반, 직류변환기(DC-DC converter), 승압기, 강압기 등에 실장될 수 있다.
본 발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있음은 당업자에게 자명하다. 따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.
100: 트랜스포머 110: 보빈
120: 도전성 플레이트 130: 체결부
140: 코어부 160: 1차 코일부

Claims (9)

  1. 몸체,
    상기 몸체의 일측으로부터 제1 방향으로 연장된 제1 외족,
    상기 몸체의 타측으로부터 상기 제1 방향으로 연장된 제2 외족 및
    상기 제1 외족과 상기 제2 외족 사이에 배치되고, 상기 몸체로부터 상기 제1 방향으로 연장된 중족을 갖는 코어부;
    상기 중족을 중심으로 턴을 형성하도록 상기 제1 방향으로 적층된 복수의 도전성 플레이트를 포함하는 2차 코일부;
    상기 제1 외족을 중심으로 턴을 형성하도록 권선된 제1 도선 및 상기 제2 외족을 중심으로 턴을 형성하도록 권선된 제2 도선을 포함하는 1차 코일부; 및
    상기 중족이 관통하는 제1 관통홀, 상기 제1 외족이 관통하는 제2 관통홀 및 상기 제2 외족이 관통하는 제3 관통홀을 갖는 보빈을 포함하고,
    상기 2차 코일부는,
    상기 보빈의 상부에 적어도 일부분이 노출되도록 배치되는 상부 코일부와 상기 보빈의 하부에 적어도 일부분이 노출되도록 배치되는 하부 코일부를 포함하는, 트랜스포머.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 상부 코일부와 상기 하부 코일부를 구성하는 상기 복수의 도전성 플레이트는,
    제1 평면 형상을 갖는 복수의 제1 타입 도전성 플레이트와 제2 평면 형상을 갖는 복수의 제2 타입 도전성 플레이트를 포함하되,
    상기 제1 타입 도전성 플레이트와 상기 제2 타입 도전성 플레이트는 상기 제1 방향으로 교번순으로 적층되는, 트랜스포머.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 제1 평면 형상과 상기 제2 평면 형상은 서로 좌우 대칭인, 트랜스포머.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 보빈은,
    상기 상부 코일부가 수용되는 제1 수용공;
    상기 제1 도선이 수용되는 제2 수용공;
    상기 제2 도선이 수용되는 제3 수용공; 및
    상기 하부 코일부가 수용되는 제4 수용공을 제공하는, 트랜스포머.
  7. 제6 항에 있어서,
    수직 방향으로 상기 제2 수용공 및 상기 제3 수용공은, 상기 제1 수용공과 상기 제4 수용공 사이에 배치되는, 트랜스포머.
  8. 제6 항에 있어서,
    상기 제2 수용공 및 상기 제3 수용공은 상기 제1 방향에 수직하는 제2 방향으로 서로 이격되어 나란히 배치되는, 트랜스포머.
  9. 구동회로;
    트랜스포머; 및
    출력회로를 포함하되,
    상기 트랜스포머는,
    몸체, 상기 몸체의 일측으로부터 제1 방향으로 연장된 제1 외족, 상기 몸체의 타측으로부터 상기 제1 방향으로 연장된 제2 외족 및 상기 제1 외족과 상기 제2 외족 사이에 배치되고, 상기 몸체로부터 상기 제1 방향으로 연장된 중족을 갖는 코어부;
    상기 중족을 중심으로 턴을 형성하도록 상기 제1 방향으로 적층된 복수의 도전성 플레이트를 포함하는 2차 코일부;
    상기 제1 외족을 중심으로 턴을 형성하도록 권선된 제1 도선 및 상기 제2 외족을 중심으로 턴을 형성하도록 권선된 제2 도선을 포함하는 1차 코일부; 및
    상기 중족이 관통하는 제1 관통홀, 상기 제1 외족이 관통하는 제2 관통홀 및 상기 제2 외족이 관통하는 제3 관통홀을 갖는 보빈을 포함하고,
    상기 2차 코일부는,
    상기 보빈의 상부에 적어도 일부분이 노출되도록 배치되는 상부 코일부와 상기 보빈의 하부에 적어도 일부분이 노출되도록 배치되는 하부 코일부를 포함하는, 직류 변환기.
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