CN106030733B - 用于功率转换的嵌入式螺线管变压器 - Google Patents

用于功率转换的嵌入式螺线管变压器 Download PDF

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Abstract

一种用于在射频范围内，优选地在VHF内操作的谐振功率转换器，包括至少一个PCB嵌入式变压器。变压器被配置用于射频操作并且包括：印刷电路板，限定水平面，印刷电路板包括由隔离层分离的至少两个水平导电层；第一嵌入螺线管，形成变压器的一次绕组；以及第二嵌入螺线管，设置成与第一螺线管平行并且形成变压器的二次绕组，其中，第一和第二嵌入螺线管形成在印刷电路板的导电层内，其中，嵌入螺线管的每个整匝具有：形成在上导电层内的水平顶部、形成在下导电层内的水平底部以及由在上导电层与下导电层之间延伸的通孔形成的两个垂直的侧部。

Description

用于功率转换的嵌入式螺线管变压器
技术领域
本发明一方面涉及一种用于射频操作的变压器，变压器包括：印刷电路板，其限定水平面，印刷电路板包括由隔离层分离的至少两个水平导电层；第一螺线管，形成变压器的一次绕组；以及第二螺线管，设置成与第一螺线管平行并且形成变压器的二次绕组。
根据进一步方面，本发明涉及一种功率转换器，在射频操作并且包括上述类型的变压器。更具体而言，本发明涉及一种谐振DC-DC转换器，在射频操作并且包括上述类型的变压器。
背景技术
在很多年来，持续需要小型、廉价的以及有效的电源。这促使开关式电源(SMPS)的发展。现代电源的尺寸主要由无源能量储存元件控制，与切换频率成反比。因此，更大的发展致力于更大的切换频率。如今市场上可获得的转换器通过高达几十兆赫的频率切换，并且可以具有大于95％的效率。不能进一步提高切换频率并且从而达到甚至更高的功率密度的原因是切换损耗。解决该问题的一种方法是使用与DC-DC转换器用的整流器组合的谐振射频(RF)放大器(逆变器)。通过这种类型的转换器，具有在甚高频率范围(VHF，30-300MHz)内的切换频率的SMPS设计成有高达大约90％的效率。通过在射频或者甚至在VHF频率操作DC-DC转换器，可以减小尺寸，从而也大幅降低无源能量储存元件的价格。然而，电感元件并且尤其功率变压器依然是电路中的最大元件。因此，需要小型以及高效率的变压器。
因此，本发明的目标在于，提供一种用于射频操作的变压器，具有可以通过低成本可靠地产生的小型有效的设计。
定义
在本文全文中，术语“导电”表示电气导电。术语“隔离”表示电气隔离。术语“耦合”要理解为电流分离的电磁耦合，这要与电气“连接”区分开，而电气“连接“表示通过导电材料的电流连接。
根据特定用途，变压器有时也可以称为耦合电感器。术语“变压器”通常指代适合于功率传输的装置。变压器需要高级耦合，以避免抑制性损耗。在指代适合于信号传输的装置时，通常采用术语“耦合电感器”，其中，更低级耦合依然有用的，或者甚至可能期望用于特定应用。然而，实际上，不能区分变压器和耦合电感器的拓扑。因此，在本申请的通篇中，术语变压器和“耦合电感器”被视为可互换的。
在设置在电路中时，根据变压器连接到电路内的方式，变压器可以在不同的配置中操作。在指代“隔离变压器”时，要理解的是，在隔离配置中连接的给定的变压器。因此，在指代“自耦变压器”时，要理解的是，变压器连接在自耦变压器配置中。
在指代功率转换器时，这包括DC-DC转换器、AC-DC转换器、AC-AC转换器以及DC-AC转换器中的任一个。
术语“水平”表示与印刷电路板(PCB)的平面平行的方向。术语“垂直”表示与印刷电路板所限定的水平面垂直的方向，其中，第一垂直方向指向向上方向，并且与第一垂直方向相反的第二垂直方向指向向下方向，其中，从“下”部件指向“上”部件的矢量具有向上指向的垂直分量。
术语“平行”覆盖具有横向偏移的几何结构以及没有偏移的重位的几何结构，即，在指代平行轴时，重位的轴也被涵盖。在本文中，螺线管的方向由其纵轴的方向确定。因此，在螺线管之间的任何角度(包括角度0)(即，具有平行螺线管的配置)要理解为在螺线管的相应纵轴之间的角度。
发明内容
根据第一方面，由用于在射频范围内(优选地在VHF内)操作的谐振功率转换器实现本发明的目标，所述功率转换器包括至少一个变压器，其中，所述至少一个变压器包括：
-印刷电路板，其限定水平面，所述印刷电路板包括由隔离层分离的至少两个水平导电层；
-第一嵌入螺线管，其形成所述变压器的一次绕组；以及
-第二嵌入螺线管，其设置成与所述第一螺线管平行并且形成所述变压器的二次绕组，
其中，所述第一和第二嵌入螺线管形成在所述印刷电路板的导电层内，其中，嵌入螺线管的每个整匝具有：第一水平顶部，其形成在上导电层内；水平底部，其形成在下导电层内；以及两个垂直的侧部，其由在所述上导电层与所述下导电层之间延伸的通孔形成。通常，通过这种方式形成的单个绕组已可以被视为嵌入PCB的螺线管。
因此，通过小尺寸实现高效功率转换器，这可以通过高再现性和低成本的自动的方式来生产。功率转换器可以是DC-DC转换器、AC-DC转换器、AC-AC转换器以及DC-AC转换器中的任一个。
进一步，根据功率转换器的一个实施方式，至少一个变压器设置为在输入侧与输出侧之间的隔离变压器。在这种配置中，将穿过转换器的功率通过隔离变压器从转换器的输入侧传输给转换器的输出侧。因此，需要在第一和第二螺线管之间的良好耦合以避免过度损耗，例如，高于0,6或者优选地高于0,8的耦合因数k。
进一步，根据一个实施方式，功率转换器是谐振DC-DC转换器。在本文中，术语DC可以表示缓慢变化的电压。在开关模式功率转换器的背景下，因此，只要与功率转换器的切换频率相比，DC电压电平的变化缓慢，就可以视为满足术语“DC”。在构建谐振DC-DC转换器时，期望在第一和第二螺线管之间期望良好耦合，以便实现功率转换器的有效谐振操作。这使用在本申请中公开的螺线管型PCB嵌入式变压器实现。有利地，这可以是这种PCB嵌入式变压器，具有双线交错的第一和第二螺线管，其中，第一螺线管的单匝和第二螺线管的单匝交替。可替换地，有利地，这还可以是形成在多层PCB(例如，四层PCB)内的PCB嵌入式变压器，其中，在与螺线管的纵轴垂直的横截面中观看时，第二螺线管设置在第一螺线管内部(反之亦然)。
而且，使用在本申请中公开的螺线管型PCB嵌入式变压器来耦合在谐振DC-DC功率转换器中的第一和第二螺线管，可实现特别小的形状系数、低轮廓(即，低垂直尺寸)、低重量以及低生产成本。而且，如在本发明中所描述的在功率转换器内使用PCB嵌入式变压器，具有变压器的足迹可以由电路设计师根据需要成形的优点。该设计自由度给电路设计师提供相当大的灵活性，并且在可用空间是临界参数时特别相关。
由于在这种照明应用中具有非常严格的空间限制，所以例如，在将功率转换器整合到LED照明装置或平面屏幕显示器内时，上述优点特别有用。具体而言，对转换的垂直尺寸(低轮廓)的限制在这些应用中非常苛刻。如本发明所公开的，包括PCB嵌入式变压器的功率转换器可以面临这些挑战。由于可以从而实现减少重量并且增强机械稳定性，所以例如，在构建(例如)用于大量移动消费型装置内的充电装置时，上述优点也有用。
进一步，根据功率转换器的一个实施方式，在输入侧上的切换频率至少是10MHz、优选地至少20MHz，更优选地至少30MHz。功率转换器的该操作范围对谐振DC-DC转换器特别有利。
在该频率范围内操作，促进通过特别有利的方式使用嵌入式变压器，用于设计高效功率转换器。通过在至少10MHz、至少20MHz或者甚至至少30MHz的频率操作的选择协同地加入低总体形状系数、低轮廓、低重量、设计自由等的上述优点中。例如，如在本申请中所讨论的被配置成用于在VHF内操作的嵌入式PCB变压器的高效无芯变压器设计的可能性避免磁心材料的损耗；在通过这些频率操作时需要的低电容，能够使用具有比电解质电容器远远更长的寿命的陶瓷电容器；通过这些频率，可以实现快速瞬态响应和小元件形状因数；所需要的更小尺寸的元件造成更低成本的元件以及更便宜的组件，从而降低功率转换器的总体生产成本。具体而言，将功率转换器设计为谐振功率转换器，促进通过上面引用的切换频率的特别有效的操作。
进一步，根据谐振功率转换器的一些实施方式，根据下面详细描述的一个有利实施方式，提供变压器。
根据更广泛的方面，本发明的目标由射频操作的变压器实现，该变压器包括：
-印刷电路板，其限定水平面，所述印刷电路板包括由隔离层分离的至少两个水平导电层；
-第一嵌入螺线管，其形成所述变压器的一次绕组；以及
-第二嵌入螺线管，其设置成与所述第一螺线管平行并且形成所述变压器的二次绕组，
其中，嵌入螺线管形成在所述印刷电路板的导电层内，其中，嵌入螺线管的每个整匝具有：第一水平顶部，其形成在上导电层内；水平底部，其形成在下导电层内；以及两个垂直的侧部，其由在所述上导电层与所述下导电层之间延伸的通孔形成。
在变压器布置中使用嵌入PCB内的螺线管，获得嵌入式螺线管变压器。嵌入式螺线管变压器具有超过其他配置的几个优点，如下面进一步详细所述。
印刷电路板通过垂直堆叠方向分层，即，不同层的印刷电路板水平并且彼此平行地定向。至少一个隔离层通常也形成载波层。在多层PCB中，堆叠层可以共同形成载波层。
嵌入式螺线管是围绕限定螺线管的纵向的水平轴缠绕的螺旋线圈。在优选的实施方式中，每个线圈由图案化成PCB的水平导电层的导电材料的一系列连动杆(traces)形成。通过在垂直方向穿透隔离层的通孔电气串联连接连动杆，以形成嵌入PCB内的水平线圈。在上导电层内由连动杆形成的线圈的顶部与在下导电层内由连动杆形成的底部交替。从顶部开始，整匝线圈从而由顶部、随后是向下通孔、底部以及向上通孔构成。每个向上和向下通孔还可以由并联耦合的多个通孔形成，从而降低匝的总电阻。通过仅仅调整形成顶部和底部的连动杆的布局以及通孔的位置，嵌入式螺线管变压器容易缩放。
嵌入式螺线管具有基本上矩形横截面，如在与纵轴垂直的横截面平面中所示。通常，矩形横截面具有带扁平纵横比的板状形状，其中，垂直尺寸小于水平尺寸。
第一和第二螺线管部分重叠或者完全重叠地彼此相邻，并且感应耦合。耦合可以是外部的(即，通过螺线管的外部场)和/或内部的(即，通过螺线管的内部场)。
有利地，根据优选的实施方式，变压器是“无芯”，即，螺线管不通过磁性导电材料耦合。因此，术语“无芯”要这样理解为还包括实施方式，其中，变压器通过磁性非渗透性材料耦合，例如，用于产生印刷电路板的典型衬底材料。例如，嵌入式螺线管可以围绕这种磁性非渗透性材料缠绕并且从而填充有这种磁性非渗透性材料。这种无芯实施方式在下面也称为“空芯”。这种无芯变压器设置具有比具有基于磁芯的耦合的嵌入式变压器更容易生产的优点。而且，这种无芯变压器具有不经受因磁芯材料的损耗而造成的耗散的优点。
有利地，根据优选的实施方式，在相同的PCB上嵌入第一和第二螺线管。因此，可以避免额外组装步骤，而那可能具有未对准和更低精度的固有风险。结果，可以实现嵌入式变压器的可靠和可再生的高体积生产。
在最一般的配置中，第一和第二螺线管的纵轴可以相对于彼此具有任意角度。然而，为了实现适当的耦合，尤其在空芯配置中，第一和第二螺线管的纵轴设置为彼此平行。而且，第一和第二螺线管可以在PCB上具有基本上矩形足迹，如在水平面中的投影中所示。由于该矩形足迹，由第一和第二螺线管构造的嵌入式变压器可以被设计成容易适合整个电路设计，该设计最频繁地也具有矩形布局几何结构。
根据一个实施方式，嵌入式变压器依靠通过彼此堆叠的两个螺线管的水平并排设置或者垂直设置的外部耦合。该结构容易实现，并且非常容易制造不止一个一次或二次绕组。在由电感器的串联电阻分割的电感方面，每个绕组提供最佳可能的电感器，但是以在第一和第二螺线管之间的比其他设置低得多的耦合为代价。
如上所述，将嵌入式螺线管用于嵌入式变压器，具有超过其他线圈几何结构的多个优点。例如，与螺旋绕组相比，螺线管具有以下优点：电流更均匀地分布在连动杆的整个宽度之上，而螺旋的电流密度易于集中在连动杆的一个边缘上。因此，螺线管几何结构可以实现线圈的更低串联电阻，尤其用于大型结构时。而且，如上所述，螺线管具有矩形足迹，连接器通常设置在该结构的角部。从设计灵活性的角度来看，这比在该结构的中心具有一个连接器的螺旋结构更可取。而且，螺线管几何结构的外部磁场比螺旋几何结构的外部磁场更弱，从而降低了丧失电磁干扰要求的风险。在进一步示例中，与环形线圈几何结构相比，在螺线管几何结构中的通孔均匀地分布在连动杆的两侧时，螺线管具有更低的串联电阻，而环形结构会在环形线圈的内部边缘上造成电流密度集中在垂直通孔内。而且，由于每个区域具有更高的电感、足迹具有更好的使用以及与矩形几何结构电路部件具有更好的设计兼容性，所以与圆形形状的环形线圈等相比，从电路设计师的角度来看，螺线管几何结构的矩形足迹再次被视为一个优点。而且，与例如环形结构相比，可以实现出奇好的耦合效率。
进一步，根据变压器的一个实施方式，第一和第二螺线管围绕公共轴线缠绕。因此，与例如彼此堆叠的两个螺线管的水平并排设置或者垂直设置相比，在第一和第二螺线管之间实现提高的耦合。
进一步，根据变压器的一个实施方式，第一和第二螺线管在纵向至少部分重叠。在重叠的区域内，通过在重叠的区域内的内部磁场实现在第一和第二螺线管之间耦合。因此，与依靠外部耦合的几何结构相比，实现提高的耦合。该重叠可以是部分的或者优选地在第一和/或第二螺线管的整个长度上。可以在不同的几何结构中实现重叠，如下面进一步详细所述。
进一步，根据变压器的一个实施方式，第一和第二螺线管的顶部形成在公共上导电层内，和/或所述第一和第二螺线管的底部形成在公共下导电层内。该实施方式具有仅仅需要两个导电层的优点。这有利于廉价并且可靠地生产嵌入式螺线管变压器，例如，在双层PCB中。
有利地，根据一个实施方式，变压器的PCB是双层PCB。
进一步，根据变压器的一个实施方式，第一和第二螺线管逐区段交错。该实施方式可以被视为在第一和第二螺线管之间的外部和内部耦合的混合，其中，每个区段是紧密包装的线圈，具有由串联电阻分割的最佳电感。第一和第二螺线管的区段均在公共轴线上对准，从而通过良好的耦合效率共享公共磁路径。该实施方式具有允许在简单布局中提供不止一个一次和/或二次绕组的优点。
进一步，根据变压器的一个实施方式，第一螺线管的第一区段与第二螺线管的第二区段交替。第一和第二区段通过良好的耦合效率共享公共磁路径。
进一步，根据变压器的一个实施方式，第一区段是单匝，和/或第二区段是单匝。因此，在重叠的区域中，螺线管逐匝完全交错。为了给该交错腾出空间，相应螺线管的轴向节距(在轴向上在相邻匝之间的距离)需要增大。这具有相应螺线管的规定电感的串联电阻增大的优点。然而，该实施方式具有为两层嵌入式结构在交错的螺线管之间实现高效耦合的优点。
进一步，根据变压器的一个实施方式，PCB具有至少4层。该实施方式允许更复杂的变压器几何结构。
进一步，根据变压器的一个实施方式，在与所述螺线管的纵轴垂直的横截面平面中观看时，第二螺线管设置在第一螺线管内部，或者可替换地，第一螺线管设置在第二螺线管内部。该实施方式需要在至少4层PCB中实现。尽管在第一和第二螺线管所共享的横截面区域内的重叠的固有减少(内部螺线管固有地具有比外部/封闭螺线管更小的横截面)，与在双层PCB配置(例如，甚至具有交替的单匝的完全交错的配置)中实现的实施方式相比，在该实施方式中实现出奇高的耦合效率。
而且，对于规定的应用，该实施方式具有比上述实施方式更小的足迹，并且由于每个绕组的匝放置的尽可能接近，所以与在例如交错的结构中相比，更好地封装磁通量。由于通过PCB层实现隔离，所以该结构还可以优选地用于电流隔离应用，这通常需要比沿着在相同层内的表面的隔离远远更短的分离距离。优选地，形成一次侧的第一螺线管是内部螺线管，并且形成二次侧的第二螺线管是封闭内部螺线管的外部螺线管。
最优选地，第一和第二螺线管同心设置。因此，实现最佳耦合效率。
进一步，根据一些实施方式，功率转换器包括耦合至所述第一螺线管和/或所述第二螺线管的另外的螺线管。通过增加进一步绕组/螺线管，可以形成具有多个输入和/或输出绕组的变压器。
进一步，根据本发明的一个实施方式，变压器适合于通过在1MHz-1GHz、可替换地10MHz-500MHz、进一步可替换地30MHz-300MHz的范围内的射频操作。PCB结构的典型尺寸特别适合于在射频范围内(尤其是大约并且高于1MHz，并且更尤其在上面提供的VHF范围内)的功率电子设备的可行性操作。由于通过这种频率，透入深度大约是10μm(微米)，电流渗透到导体内，与典型PCB的导电层的厚度可比并且甚至小于该厚度。典型PCB具有在从大约0.1mm向下到大约15μm的范围内的导电层厚度。例如，所谓的“1oz Cu”PCB层规定为每平方英尺1盎司的铜量，造成在30μm-40μm之间(通常大约35μm)的铜层厚度。该厚度随着铜量线性缩放，其中，在PCB中的典型规格的铜层是1/2oz、0.75oz、1oz、2oz以及3oz。由于具有高频率的小透入深度，所以螺线管电感的电阻不受到典型PCB导电层的小厚度的明显影响。
进一步，根据本发明的一个实施方式，变压器具有高于0,1、优选地高于0,2、优选地高于0,3、优选地高于0,4、优选地高于0,5、更优选地高于0,6、甚至更优选地高于0,7并且最优选地高于0,8的耦合因数k。预期用于传输功率的变压器(例如，设置在输入侧与输出侧之间的隔离变压器)应具有高耦合因数k，例如，高于0,6或者优选地高于0,8。另一方面，预期用于使在AC电路中的平行阶段同步的耦合电感可以已经受益于远远更低的耦合因数。实际上，可以有利于给电路提供耦合电感器，这些耦合电感器具有可以在广范围的耦合因数内选择的指定的耦合因数。例如，通过选择布局类型和/或定制规定布局的参数，例如，如在下面的详细描述中的示例所示，可以选择耦合因数。
进一步，根据一个实施方式，至少一个变压器作为隔离变压器设置在输入侧与输出侧之间。
进一步，根据一个实施方式，至少一个变压器作为自耦变压器设置在输入侧与输出侧之间。
进一步，根据一个实施方式，设置至少一个变压器，使得所述第一螺线管在所述功率转换器内用作功率承载电感器并且所述第二螺线管用作感测电感器，以测量通过所述第一电感的电流。已测电流信号可以用于显示、在电流监控输出端口上呈现、和/或用作在功率转换器本身内的控制信号、或者用作在包括根据本发明的功率转换器的***内的控制信号。PCB嵌入式变压器配置允许电流感测布置在功率转换器中的简单、节省空间并且划算的整合。
进一步，根据特别优选的实施方式，功率转换器是谐振DC-DC转换器。
进一步，根据功率转换器的优选实施方式，在所述输入侧上的切换频率是至少10MHz、优选地至少20MHz，更优选地至少30MHz。
根据进一步方式，逆变器适合于在射频(优选地在VHF中)内操作，并且包括根据任何上面引用的实施方式的变压器。变压器结构可以用作耦合电感器，用于耦合第一和第二半导体开关的两个互补的栅极驱动信号。因此，通过小尺寸，实现高效功率逆变器，这可以通过高再现性和低成本通过自动的方式来制造。
附图说明
将结合附图，更详细地描述本发明的优选实施方式，这些附图示意性示出了：
图1a至图1c是根据第一实施方式的嵌入式螺线管变压器；
图2a至图2c是根据第二实施方式的嵌入式螺线管变压器；
图3a至图3c是根据第三实施方式的嵌入式螺线管变压器；
图4a至图4c是根据第四实施方式的嵌入式螺线管变压器；
图5是根据第一实施方式的包括嵌入式变压器的DC-DC转换器电路；
图6是根据另一个实施方式的包括耦合电感器的DE类功率逆变器；
图7是根据第二实施方式的包括嵌入式变压器的DC-DC转换器电路；
图8是根据第三实施方式的包括嵌入式变压器的DC-DC转换器电路；
图9是根据第四实施方式的包括嵌入式变压器的DC-DC转换器电路；
图10是根据第五实施方式的包括嵌入式变压器的DC-DC转换器电路；以及
图11是根据第六实施方式的包括嵌入式变压器的DC-DC转换器电路。
具体实施方式
图1-4示出了用于实现嵌入印刷电路板(PCB)内的变压器(x00)的不同布局，其中，在所有示出的实施方式中，第一螺线管(x01)和第二螺线管(x02)都设置在公共纵轴Z上。在示出的实施方式中，每个螺线管(x01、x02、203、204)的导电路径由形成在具有至少两个导电层的印刷电路板的导电层内的板状水平连动杆(x10、x12、x20、x22、230、232、240、242)以及由串联连接水平连动杆(x10、x12、x20、x22、230、232、240、242)以形成线圈的导电材料制成的垂直通孔(x11、x13、x21、x23、231、233、241、243)构成。图1-3示出了PCB嵌入式螺线管变压器的实施方式，需要的PCB具有由隔离层分离的两个导电层，例如双层PCB。图4示出了需要多层PCB的实施方式，彼此由隔离层分离的至少4个垂直堆叠的导电层。仅仅绘制了形成螺线管的导电路径，而在图中省略了隔离层。相应的子图(a)示出了第一和和第二螺线管(x01、x02)的导电路径的透视图，子图(b)示出了在纵轴Z的方向观看时的端视图，并且子图(c)示出了螺线管布置(x00)的顶部正视图(top elevation view)。
图1示出了在端对端配置中的PCB嵌入式变压器100的第一实施方式，第一螺线管101具有围绕纵轴Z的四匝绕组，每匝具有顶部110、随后是向下通孔111、底部112以及向上通孔113。第一螺线管101具有第一连接端子114、115，用于连接至进一步电路。在第一螺线管101的方向延伸上，第二螺线管102由围绕相同的纵轴Z的四匝绕组构成，每匝具有顶部120、随后是向下通孔121、底部122以及向上通孔123。第二螺线管102具有连接端子124、125。端对端配置本质上是螺线管，通过省略在连接端子114和125之间的垂直连接，该螺线管分成两个螺线管。
图2示出了在逐段交错的配置中的PCB嵌入式变压器200的第二实施方式。该布置包括每个四匝的4个相同的区段210、220、230、240，其中，4个区段210、220、230、240沿着公共的纵轴Z对准。螺线管区段210、220、230、240的匝数通过如上所述穿过垂直通孔串联连接的各水平顶部和底部以相同的方式构成，并且每个区段210、220、230、240具有相应的连接端子214、215、224、225、234、235、244、245。第一和第三区段210、230形成变压器200的一次侧。第一和第三区段210、230可以作为每个具有四匝的单独的第一螺线管操作，或者可以串联连接，用于作为具有8匝的一个第一螺线管操作。相应地，第二和第四区段220、240形成变压器200的二次侧，并且可以作为单独的第二螺线管或者作为一个第二螺线管操作。
图3示出了具有1:1交错配置的两个螺线管的PCB嵌入式变压器300的第三实施方式。变压器300具有第一螺线管301，具有由顶部310、底部312以及串联连接交替的顶部和底部310、312的垂直通孔311、313构成的匝，以提供如上所述的线圈。第一螺线管301具有第一连接端子314、315，用于连接至进一步电路。相应地，第二螺线管302由顶部320、底部322以及垂直通孔321、323构成。第二螺线管302具有第二连接端子324、325，用于连接至进一步电路。这两个螺线管301、302围绕公共的纵轴Z缠绕。然而，与上述实施方式相比，第一和第二螺线管的节距(即，在相同螺线管内的相邻匝之间的距离)加倍，以允许交替地布置一螺线管301和第二螺线管302的单匝。更大的节距易于产生更容易泄露的螺线管，并且略微增大长度并因此增大具有相同匝数的螺线管的电阻。然而，与其他双层设计(例如，上述实施方式)相比，1:1交错的配置具有在第一和第二螺线管之间的相当大的耦合的优点。
图4示出了PCB嵌入式变压器400的第四实施方式，其中，第一螺线管401包围第二螺线管402。在示出的实施方式中，第一和第二螺线管在优选的同心布置中，围绕相同的纵轴Z缠绕。变压器400需要具有4个导电层的多层PCB，如在图4b最佳所示。外部第一螺线管401的匝由在最高导电层中的顶部410、在最低导电层中的底部412、以及串联连接交替的顶部和底部410、412的垂直通孔411、413构成。内部第二螺线管的匝由在多层PCB的上部的内部导电层的顶部420、在多层PCB的下部的内部导电层的底部422、以及串联连接交替的顶部和底部420、422的垂直通孔421、423构成。变压器具有用于连接外部第一螺线管401至进一步电路的一次侧连接端子414、415以及用于连接内部第二螺线管402至进一步电路的二次侧连接端子424、425。注意，内部和外部螺线管的角色可以互换，使得内部螺线管形成变压器400的一次侧，并且外部螺线管形成变压器400的二次侧。
图5和图6提供了在射频操作(优选地在VHF范围内)的功率转换器中的PCB嵌入式螺线管变压器的有利用途的示例。
图5示出了E类隔离谐振DC-DC转换器50，该转换器可以适合于射频操作，优选地在VHF范围内。转换器50在输入侧51上接收DC输入电压，并且在输出侧52上将DC输出电压提供给负载。输入侧51可以包括半导体开关，例如，MOSFET，具有可以由外部振荡器或者例如自振荡栅极驱动电路驱动的控制端子Q1，如在未决国际专利申请PCT/EP2013/072548中所述，以及包括由电容C2和L2形成的谐振槽。输出侧52可以包括E类整流器，在此处由二极管D1、电容C3以及电感L3示意性表示。输入侧51和输出侧由隔离变压器T1耦合。有利地，变压器T1是PCB嵌入式螺线管变压器500，具有一次绕组501和感应耦合至一次绕组501的二次绕组502，其中，由双线表示的耦合可以是无芯耦合。
图6示出了适合于射频操作(优选地在VHF内)的自振荡DE类功率逆变器60。逆变器60在输入级61的输入端子接收DC输入电压Vin，并且在输出级62的输出端子将在射频范围内(例如，在VHF内)的AC输出电压提供给负载。输入级61可以包括在半桥配置中的具有控制端子的半导体开关Q1、Q2和相应的漏源电容器C2、C3，其中，控制半导体开关为通过反相振荡。如图6示意性所示，可以由在此处由电感L1和C1表示(如在未决国际专利申请PCT/EP2013/072548中所述)的自振荡电路结合将在半导体开关Q1、Q2上作用的控制信号锁定到反相的耦合电感器M1来驱动振荡。有利地，耦合电感器M1是PCB嵌入式螺线管结构600，具有第一绕组601以及感应耦合至第一绕组601的第二绕组602，其中，由Z形粗线表示的耦合可以是无芯耦合。
图7-11示出了包括将转换器的输入侧耦合至输出侧的嵌入式螺线管变压器的谐振DC-DC转换器的进一步实施方式。在所有实施方式中，嵌入式变压器由被耦合以形成如上所述的嵌入式螺线管变压器的嵌入式PCB螺线管电感器构成。在图7-11中，耦合由双线表示，其中，耦合可以是无芯耦合。
图7示出了谐振DC-DC转换器70的一般示意图，输入侧(逆变器)71通过嵌入式隔离变压器700耦合至输出侧(整流器)72，其中，嵌入式印刷电路板螺线管电感器701、702耦合，以用作在输入侧逆变器71与输出侧整流器72之间的变压器700。
图8示出了谐振DC-DC转换器80的一般示意图，输入侧逆变器81通过嵌入式自耦变压器800耦合至输出侧整流器82。自耦变压器800由耦合的嵌入式印刷电路板螺线管电感801、802构成。在需要高升压比但是不需要隔离的应用中，该配置提供几个优点。自耦变压器800可以用于将输出侧整流器82的阻抗转换成输入侧逆变器81的期望输出阻抗。在它们非常取决于输入和输出阻抗时，这在谐振转换器中特别可取。
图9示意性示出谐振DC-DC转换器90的一个实施方式，输入侧逆变器91通过嵌入式自耦变压器900耦合至输出侧整流器92。图9的谐振DC-DC转换器90与图8的谐振DC-DC转换器80的不同之处在于：输入侧逆变器91包括多个更小的逆变器Inv1、Inv2。在示出的特定实施方式中，输入侧逆变器91具有串行输入和并行输出耦接的两个更小的逆变器Inv1、Inv2，配置也称为“SIPO”。输入侧逆变器91还可以包括甚至更多数量的更小逆变器。而且，多个更小逆变器还可以设置有并行和串行输入和输出的其他组合。输出侧整流器92可以相同方式包括(未示出)多个更小整流器。如果要使用串行输入或输出，则在子块(即，更小的逆变器和/或更小的整流器)内的电流隔离是一个要求。通常，串联连接可取地用于高电压，并且并联连接可取地用于高电流。
图10示意性示出谐振DC-DC转换器100的一个实施方式，输入侧逆变器101和输出侧整流器102通过嵌入式隔离变压器1000耦合在一起。隔离变压器由耦合的嵌入式印刷电路板螺线管电感器1001、1002构成。在谐振DC-DC转换器100的这个特定实施方式中，输入侧逆变器101包括DE类逆变器，并且输出侧包括E类整流器102。该拓扑特别适合于具有高输入电压和低输出电压的应用。这是由于输入侧101上的将两个开关S1、S2两端的峰值电压限于输入电压的半桥配置以及输出侧102上的单个二极管整流器，这尽可能减少因二极管的正向导通损耗所造成的整流器中的损耗。例如，这可用于USB充电装置，这需要将具有110V/230V电压的输入从整流电源输入转换成5V输出，并且必须电流隔离，以适当地保护充电装置的用户。
图11示意性示出谐振DC-DC转换器110的一个实施方式，具有输入侧逆变器111和输出侧整流器112。与在图10的实施方式中一样，输入侧逆变器111包括DE类逆变器，并且输出侧整流器包括E类整流器。图11的实施方式110与图10的实施方式100的不同之处在于，输入侧逆变器111和输出侧整流器112通过嵌入式自耦变压器1100耦合在一起。自耦变压器1100由耦合的嵌入式印刷电路板螺线管电感1101、1102构成，也如图8和图9所示。
在并不要求电流隔离的应用中，通常更可取地在自耦变压器配置中使用耦合电感器。而且，对于具有低输入电压的应用，仅仅具有低侧开关的逆变器(例如，在图5示出的输入侧逆变器51中的开关Q1)通常例如，在电池驱动的应用(例如，汽车、便携式装置等)中更可取。而且，对于具有高输出电压的应用，包括半桥整流器的输出侧整流器可取。
示例
变压器可以由电感矩阵描述。
其中，v(t)和i(t)分别表示时间相关的电压和电流，并且指数p和s分别表示一次侧和二次侧。
电感矩阵的解释产生变压器参数，用于表征给定的变压器。电感矩阵的对角元素L11和L22是每个绕组的自电感，并且非对角元素L12和L21是互通量所确定的互电感。由于变压器是无源装置，所以L12和L21相等。耦合因数k由以下公式表示：
在下面，给出针对如上参考图1-4所述的PCB嵌入式变压器的不同类型的布局的示例，其中，以下示例的变压器的匝数可以相对于在图中示出的变压器改变。下面在每个示例中提供已测变压器的实际匝数和对应的几何数据。几何数据包括变压器和/或第一和第二螺线管的宽度w的值。提供这些宽度w，作为在与纵向垂直的水平方向上，在通孔的相应垂直中心之间的距离。几何数据进一步包括变压器和/或第一和第二螺线管在纵向的总长度l。变压器和/或第一和第二螺线管的相应高度h由用于产生相应嵌入式螺线管变压器的PCB层堆确定。根据变压器布局，在双层PCB中或者在四层PCB中实现这些结构，也如在以下示例中所表示的。双层PCB堆包括厚度大约为1600μm的隔离核心层，在该隔离核心层一侧承载由厚度为35μm的铜制成的上导电层，并且在相反侧承载由厚度为35μm的铜制成的对应下导电层。四层PCB堆具有大约1600μm的总厚度，并且包括厚度大约为710μm的隔离内层，在该隔离内层的任一侧承载内部上和下铜层。内部铜层均具有35μm的厚度。每个内部铜层由预浸各自厚度为360μm的7628材料的相应外部隔离层覆盖。最后，每个外部隔离层承载由厚度为18μm的铜箔制成的外部导电层。
示例是被设计成用于在VHF频率范围内操作的变压器，并且不同的变压器通过上述变压器参数L11、L22、L12、L21、k的测量值表征。使用网络分析仪获得变压器参数L11、L22、L12、L21、k的测量，其中，在频率范围1MHz–1.8GHz内进行所有测量。基于测量结果，指定操作的频率范围，对其来说，视所获得的变压器值有效。由于变压器是无源装置，所以L12等于L21。因此，下面提供仅仅用于L12的值。
示例1
示例表示嵌入双层PCB内的端对端布局，如上面在图1a-c并且在以下实现方式中所示：
第一螺线管 第二螺线管 变压器
匝数 5 5
宽度w/mm 10 10 10
长度l/mm 10 10 20
高度h/mm 1,6 1,6 1,6
连动杆宽度t/mm 1,8 1,8 1,8
为该实现方式测量以下变压器参数：
L11/nH L12/nH L22/nH K
41,00 3,22 39,45 0,08
对于在100MHz–850MHz的频率范围内的操作，变压器参数的值有效。
示例2
示例2表示嵌入双层PCB内的逐区段交错布局，如上面在图2a-c并且在以下实现方式中所示，一个第一螺线管和一个第二螺线管设置在公共纵轴上。这两个螺线管具有分布在两个区段之上的5匝，分别具有2匝和3匝。在沿着纵向观看时，从变压器的一端开始，第一螺线管的2匝，接着是第二螺线管的3匝，其后接着第一螺线管的3匝，再次接着第二螺线管的2匝。
第一螺线管 第二螺线管 变压器
匝数 5 5
区段的数量 2 2
每个区段的匝数 2/3 2/3
宽度w/mm 10 10 10
长度l/mm 20
高度h/mm 1,6 1,6 1,6
连动杆宽度t/mm 1,8 1,8 1,8
为该实现方式测量以下变压器参数：
对于在1MHz–900MHz的频率范围内的操作，变压器参数的值有效。
示例3
示例3表示交错的布局，其中，第一螺线管的单匝与第二螺线管的单匝交替。该布局嵌入双层PCB内，如上面在图3a-c并且在以下实现方式中所示：
第一螺线管 第二螺线管 变压器
匝数 10 10
宽度w/mm 10 10 10
长度l/mm 16,4
高度h/mm 1,6 1,6 1,6
连动杆宽度t/mm 0,6 0,6 0,6
为该实现方式测量以下变压器参数：
L11/nH L12/nH L22/nH k
159,07 94,03 162,89 0,59
对于在1MHz–650MHz的频率范围内的操作，变压器参数的值有效。
示例4
示例4表示布局，其中，第一螺线管被包围在第二螺线管内部。该布局嵌入四层PCB内，如上面在图4a-c并且在以下实现方式中所示：
第一螺线管 第二螺线管 变压器
匝数 19 19
宽度w/mm 23,4 25 25
长度l/mm 11 11 11
高度h/mm 0,71 1,6 1,6
连动杆宽度t/mm 0,4 0,4 0,4
为该实现方式测量以下变压器参数：
L11/nH L12/nH L22/nH k
1154,33 1104,82 1506,57 0,84
对于在1MHz–25MHz的频率范围内的操作，变压器参数的值有效。

Claims (30)

1.一种用于在射频范围内操作的谐振的功率转换器，所述功率转换器包括至少一个变压器，其中，所述至少一个变压器包括：
-印刷电路板，限定水平面，所述印刷电路板包括由隔离层分离的至少两个水平导电层；
-第一嵌入螺线管，形成所述变压器的一次绕组；以及
-第二嵌入螺线管，被设置成与所述第一嵌入螺线管平行并且形成所述变压器的二次绕组，
其中，所述第一嵌入螺线管和所述第二嵌入螺线管都形成在所述印刷电路板的所述导电层内，其中，嵌入螺线管的每个整匝具有：上导电层中形成的水平顶部、下导电层中形成的水平底部以及通过在所述上导电层与所述下导电层之间延伸的通孔形成的两个垂直侧部。
2.根据权利要求1所述的功率转换器，其中，所述射频范围包括频率范围为30-300MHz的甚高频。
3.根据权利要求1所述的功率转换器，其中，所述变压器是无芯变压器。
4.根据权利要求1所述的功率转换器，其中，所述第一嵌入螺线管和所述第二嵌入螺线管嵌入在同一印刷电路板上。
5.根据权利要求1所述的功率转换器，其中，所述第一嵌入螺线管和所述第二嵌入螺线管绕在公共轴线周围。
6.根据权利要求5所述的功率转换器，其中，所述第一嵌入螺线管和所述第二嵌入螺线管在纵向上至少部分重叠。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的功率转换器，其中，所述第一嵌入螺线管和所述第二嵌入螺线管的顶部形成在公共上导电层中，和/或所述第一嵌入螺线管和所述第二嵌入螺线管的底部形成在公共下导电层中。
8.根据权利要求7所述的功率转换器，其中，所述第一嵌入螺线管和所述第二嵌入螺线管逐区段交错。
9.根据权利要求8所述的功率转换器，其中，所述第一嵌入螺线管的第一区段与所述第二嵌入螺线管的第二区段交替。
10.根据权利要求9所述的功率转换器，其中，第一区段是单匝，和/或第二区段是单匝。
11.根据权利要求1-6中任一项所述的功率转换器，其中，所述印刷电路板具有至少4层。
12.根据权利要求11所述的功率转换器，其中，当在与嵌入螺线管的纵轴垂直的横截面内观看时，所述第二嵌入螺线管设置在所述第一嵌入螺线管内部，或者可替换地，所述第一嵌入螺线管设置在所述第二嵌入螺线管内部。
13.根据权利要求1-6中任一项所述的功率转换器，其中，所述变压器包括耦合至所述第一嵌入螺线管和/或所述第二嵌入螺线管的另外的螺线管。
14.根据权利要求1-6中任一项所述的功率转换器，其中，所述变压器适配用于在1MHz-1GHz的范围内的射频操作。
15.根据权利要求1-6中任一项所述的功率转换器，其中，所述变压器适配用于在10MHz-500MHz的范围内的射频操作。
16.根据权利要求1-6中任一项所述的功率转换器，其中，所述变压器适配用于在30MHz-300MHz的范围内的射频操作。
17.根据权利要求1-6中任一项所述的功率转换器，其中，所述变压器具有高于0.1的耦合因数k。
18.根据权利要求1-6中任一项所述的功率转换器，其中，所述变压器具有高于0.3的耦合因数k。
19.根据权利要求1-6中任一项所述的功率转换器，其中，所述变压器具有高于0.4的耦合因数k。
20.根据权利要求1-6中任一项所述的功率转换器，其中，所述变压器具有高于0.5的耦合因数k。
21.根据权利要求1-6中任一项所述的功率转换器，其中，所述变压器具有高于0.6的耦合因数k。
22.根据权利要求1-6中任一项所述的功率转换器，其中，所述变压器具有高于0.8的耦合因数k。
23.根据权利要求1所述的功率转换器，其中，至少一个变压器设置为输入侧与输出侧之间的隔离变压器。
24.根据权利要求1所述的功率转换器，其中，至少一个变压器设置为输入侧与输出侧之间的自耦变压器。
25.根据权利要求1-6中任一项所述的功率转换器，其中，至少一个变压器被设置，使得所述第一嵌入螺线管被用作所述功率转换器中的功率承载电感器并且所述第二嵌入螺线管被用作感测电感器，以测量通过第一电感器的电流。
26.根据权利要求1-6中任一项所述的功率转换器，其中，所述功率转换器是谐振DC-DC转换器。
27.根据权利要求23或24所述的功率转换器，其中，在所述输入侧上的切换频率至少是10MHz。
28.根据权利要求23或24所述的功率转换器，其中，在所述输入侧上的切换频率至少是20MHz。
29.根据权利要求23或24所述的功率转换器，其中，在所述输入侧上的切换频率至少是30MHz。
30.根据权利要求1-6中任一项所述的功率转换器，其中，所述功率转换器是逆变器。
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