KR101251843B1

KR101251843B1 - 변압기

Info

Publication number: KR101251843B1
Application number: KR1020110137809A
Authority: KR
Inventors: 조경래; 김의종; 김민호
Original assignee: 엘지이노텍 주식회사
Priority date: 2011-12-19
Filing date: 2011-12-19
Publication date: 2013-04-09

Abstract

실시예에 따른 변압기는 인쇄회로기판: 상기 인쇄회로기판 표면에 코일 형태로 형성되어 있는 금속 패턴; 상기 금속 패턴의 주위에 형성되어 있는 홀; 및, 상기 금속 패턴과 상기 홀을 포함하고 있는 상기 인쇄회로기판의 상면과 하면에 부착되고, 상기 홀에 삽입되는 'E'자형 코어를 포함하고, 상기 금속패턴은 상기 'E'자형 코어의 사이드부에 각각 형성된다.

Description

변압기{Transformer}

본 발명은 인덕터 및 그를 이용한 변압기에 관한 것으로서, 특히 단면, 양면, 또는 다층면의 인쇄회로기판의 도체를 사용하여 나선형(spiral), 미로형(meander), 망형(mesh) 등 일정한 방법으로 권선하고, 그 주위에 전기적 절연을 위해서 절연층을 두며, 권선의 외부에 홀(hole)을 만든 후에, 금속 또는 비금속 분말 코어와 수지 등의 컴파운드를 이용하여 부분 또는 전체를 덮거나, 채우거나, 몰딩(molding)하여 자기적 폐경로가 쉽게 형성되도록 하는 인덕터 및 그를 이용한 변압기에 관한 것이다.

전기 및 전자 회로에서 일반적으로 사용되는 수동소자는 크게 저항, 커패시터, 인덕터이다. 그 중에서 커패시터와 인덕터는 에너지를 저장 및 공급할 수 있는 가장 기본적인 소자이며, 주파수 특성을 갖기 때문에 사용하는 주파수와 전압, 전류에 따라서 사용되는 재료가 달라져야 한다.

한편 최근의 전자 기기는 소형·경량 및 박형화 되어가고 있으며, 이러한 기기에서 사용되고 있는 수동소자도 제조기술과 설계기술의 발달로 더욱 소형화되고 있고, 특히 위에서 언급한 커패시터 및 인덕터의 소형화는 제품의 크기를 결정하는 중요한 기준이 되기도 한다.

이 중에서 인덕터는 다른 수동소자와 달리 낮은 전력의 신호용으로 사용되고 있는 극히 일부의 경우를 제외하면, 기성품이 없기 때문에 인덕터를 필요로 하는 경우 설계, 제작, 시험, 평가, 외주 등의 많은 단계를 거치면서 채용하는 경우가 일반적이다.

도 1은 본 발명에 따른 직류/직류 소프트 스위칭 컨버터의 회로도이다. 본 발명에 따른 직류/직류 소프트 스위칭 컨버터는, 트랜스포머(Tr), 제 1 스위치 (Q1), 제 2 스위치(Q2), 커패시터(C3, C4), 입력 인덕터(Lin) 및, 정류회로부를 구비한다.

트랜스포머(Tr)는 1차코일(L1), 및 1차코일(L1)에 자기적으로 커플링되어 있는 2차코일(L2, L3)을 갖는다. 1차코일(L1)은 자화 인덕턴스 성분(Lm)과 누설 인덕턴스 성분(L4)을 가지고 있다. 1차코일(L1)에는 커패시터(C4)가 직렬로 연결되어 있다.

그리고, 전파정류회로의 출력단에는 출력 인덕터(Lo), 평활 커패시터(Co)가 연결되어 있고, 평활 커패시터(Co)의 출력이 출력전압(Vo)으로서 부하(Ro)에 공급된다. 이에 의해, 2차코일(L2, L3)의 교류전압이 정류되고 평활되어 부하(Ro)에 공급된다.

한편, 전력변환장치 등과 같은 분야에서는 출력 인덕터(Lo)와 트랜스포머(Tr)가 필수적으로 사용되고 있지만, 소자에 흐르는 전류가 크기 때문에 권선의 단면적이 커지게 되며, 따라서 소자의 크기를 소형화하는 것이 중요한 목표가 되고 있다.

실시예에 따른 변압기 및 그 제조방법은 인쇄회로기판(PCB:Printed circuit board)의 도체를 사용하여 일정한 방법으로 권선하여, 인덕터 또는 변압기의 외형을 자유롭게 구성하게 하는 것을 목적으로 한다.

실시예에 따른 변압기 및 그 제조방법은 변압기를 슬림하게 제작할 수 있으므로, 변압기를 포함하여 제작되는 전원 공급 장치를 슬림하게 제작할 수 있다.

또한, 실시예에 따른 변압기 및 그 제조방법은 변압기의 제작 비용을 줄이면서 변압의 효율성을 향상시킬 수 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 컨버터의 회로도이다.
도 2는 발명의 실시예에 따른 변압기의 구성요소를 나타낸 분해 사시도이다.
도 3은 발명의 실시예에 따른 변압기 기본 구조의 분해 사시도이다.
도 4는 발명의 다른 실시예에 따른 변압기 기본 구조의 분해 사시도이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 기타 실시 예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.

도 2는 발명의 실시예에 따른 변압기의 구성요소를 나타낸 분해 사시도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 실시예에 따른 변압기는 상부 코어(105), 1차 금속 패턴(310), 1차 PCB(300), 절연시트(400), 2차 금속 패턴(510), 2차 PCB(500) 및 하부 코어(600)를 포함한다.

상부 코어(105)는 자계 형성을 유도하도록 제공되고, 절연시트(400)는 상부 코어(105)의 내부 일측에 제공되어 1차 금속 패턴(310)와 2차 금속 패턴(510)를 절연시킨다.

상기 상부 코어(105)는 "E"자 형상으로 형성될 수 있다. 상기 상부 코어(105)를 구체적으로 설명하면, 센터부(120), 제1 및 제2사이드부(110,130)를 포함하며, 제1사이드부(110), 제2사이드부(130) 및, 센터부(120)의 일단부는 서로 연결되며 타측은 분기된다.

상기 제1 및 제2사이드부(110,130)는 상부 코어(105)의 양단에 배치되며, 센터부(120)는 상기 제1 및 제2사이드부(110,130)로부터 이격되며 상기 제1 및 제2사이드부(110,130)의 중앙에 배치된다. 상기 센터부(120)의 두께는 상기 제1 및 제2사이드부(110,130)의 두께보다 얇은 두께로 형성될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다. 상기 하부 코어(600)는 I자 형상으로 형성될 수 있다.

상기 제1 및 제2사이드부(110,130)에는 코일이 권선될 수 있다. 자세하게, 1차 금속 패턴(310)와 2차 금속 패턴(510)가 절연시트(400)를 사이에 두고 권선될 수 있다. 이는 제2 변압기(200)에도 동일하게 적용될 수 있다.

도면을 기준으로 1, 2차 금속 패턴(310, 510)는 절연시트(400)의 상,하부에 제공되고, 상부 코어(105)의 제1 및 제2사이드부(110,130)를 감싸도록 형성될 수 있다.

여기서, 1, 2차 금속 패턴(310, 510)는 각각 제1 PCB(300)와 제2 PCB(500)상에 인덕턴스 성분을 갖는 금속 패턴층으로 제공될 수 있다. 또한, 인덕턴스 성분을 갖는 금속 패턴층은 도전율이 높은 금속 재질로 제공되어 변압된 전원 신호를 효율적으로 원활하게 출력하도록 제공될 수 있다. 이에 대해서는 후술한다.

전원 신호 공급부(미도시)는 상부 코어(105)의 외부로 노출된 1차 금속 패턴(310)와 전기적으로 연결되어 전원 신호를 공급하도록 제공된다. 이때, 전원 신호 공급부는 코어(105)의 외부로 노출된 1차 금속 패턴(310)의 끝단인 권선패드(50)와 전기적으로 연결되도록 제공될 수 있다.

또한, 전원 신호 공급부는 도전율이 높은 금속 재질로 제공되어 전원 신호를 1차 금속 패턴(310)로 효율적으로 공급하도록 제공될 수 있다.

전원 신호 출력부는 하부 코어(600)의 외부로 노출된 2차 금속 패턴(510)와 전기적으로 연결되어 2차 금속 패턴(510)에 의해 변압된 전원 신호를 출력하도록 제공될 수 있다.

또한, 전원 신호 출력부는 도전율이 높은 금속 재질로 제공되어 2차 금속 패턴(510)를 통해 변압된 전원 신호를 효율적으로 원활하게 출력하도록 제공될 수 있다.

도 3은 발명의 실시예에 따른 변압기 기본 구조의 분해 사시도이다. 도 3은 다층 인쇄회로기판의 패턴을 이용한 권선과 권선 주위의 자기적 폐경로를 형성하기 위한 홀을 구비한 변압기 기본 구조의 분해 사시도로서, 다층 인쇄회로기판을 이용하여 제한된 공간에서 1차와 2차만으로 구성된 변압기 권선의 구성 방법을 나타낸 것이다. 기판의 권선 구조는 나선형(spiral)이며 1차 PCB(300)에 권선패드(51)를 시작으로 1차 금속 패턴(310)가 구성되며, 또 다른 권선패드(50)에서 권선이 멈춘다.

이때 나선형 구조에서 발생되는 나선 구조의 종점과 권선 패드(50)와의 전기적 연결은 절연시트(400)의 상면에 형성된 도선(54)과 스루홀(52, 53)을 통하여 이루어진다. 다음 2차 권선(510)에서도 2차 PCB(500)의 표면에 나선형 권선(510)을 구성하고, 권선패드(59, 60)를 이용하여 연결한다. 이때에도 끊어진 권선은 절연시트(400)의 하면에 형성된 도선(55)과 스루홀(56, 58)을 이용하여 연결된다.

권선 주위에 형성된 홀(111, 121, 131)에 상기 상부 코어(105)의 제1 및 제2사이드부(110,130) 및 센터부(120)기 통과하도록 삽입되어 하부 코어(600)와 결합될 수 있다.

이때 권선패드(50, 51)는 외부의 회로에 전기적 연결이 용이하도록 노출시켰다. 이 경우, 권선 주위의 홀을 따라서 채워진 상부 코어 코어 및 하부 코어(105, 600)가 높은 투자율을 갖고 있기 때문에 권선에서 발생된 자속의 대부분은 코어에 갇히게 되고, 따라서 누설자속이 낮아지며, 변압기의 자화인덕턴스가 커지게 되는 장점이 생기게 된다.

발명의 실시예에서는 상부 코어가 'E' 형상으로 형성되고, 하부 코어가 'I'형상으로 형성되었으나, 사용하는 용도에 따라 변압기의 형상을 자유롭게 구성하거나, 선택할 수 있기 때문에 사용하기 편리하고, 공정이 간단하여 제조원가를 낮출 수 있다는 장점이 있고, 또한 누설자속이 작아지기 때문에 변압기의 1차와 2차간 결합율을 높일 수 있다.

도 4는 발명의 다른 실시예에 따른 변압기 기본 구조의 분해 사시도이다. 도 4는 다층 인쇄회로기판의 패턴을 이용한 권선과 권선 주위의 자기적 폐경로(magnetic closed loop)를 형성하기 위한 홀(hole)을 배치시킨 인덕터 기본 구조의 분해 사시도로서, 다층 인쇄회로기판을 이용하여 제한된 공간에서 인덕터의 권선 횟수를 증가시킬 수 있는 구성 방법을 나타낸 것이다.

기판의 권선 구조는 나선형(spiral)이라고 알려져 있는 방법으로 1차 PCB(300)가 다층으로 구성된다. 자세하게, 최상층 기판(301)에 권선 패드(50)를 시작으로 권선(311)이 구성되며, 최상층 기판(301)의 표면에 형성된 또 다른 권선 패드(57)에서 권선이 멈춘다. 다음, 두 번째 기판(302)의 권선패드(57)에서 나선형 권선(312)이 시작되고, 권선은 두 번째 기판(302)의 다른 권선패드(57)에서 멈추게 된다.

이 경우 최상층의 권선패드(138)와 두 번째 권선패드(141)는 인쇄회로기판에서 일반적으로 사용되고 있는 스루홀(through hole)(52)을 통해 도체로 연결된다. 마찬가지 방법으로 최하층 기판(303)도 위의 구성 방법과 마찬가지로 나선형 구조의 권선(313)을 추가할 수 있으며, 이 경우에서도 각 기판의 권선 패드(57)는 스루홀(52)을 이용하여 연결된다. 최하층 기판(303)에서 멈춘 인덕터 권선(313)의 권선 패드(57)와 최상층 권선 패드(57)가 스루홀(52)을 통하여 도체로 연결된다. 도 4에서 인덕터의 권선수에 따라, 다층 기판을 사용하는 대신 단층이나 양면 기판을 사용할 수도 있다.

일반적으로 코일을 이용한 권선에서 발생된 자속이 누설되는, 즉 누설자속이 커지기 때문에 외부의 다른 이웃한 소자와 환경에 나쁜 영향을 미치게 되는 단점이 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해서 기존의 발명은 금속이나, 비금속, 또는 페라이트와 같은 자성체를 일정한 형상으로 가공한 코어를 기판에 있는 홀의 양쪽에서 삽입시켜 자기적 폐경로를 형성하게 함으로서 인덕턴스를 증가시키고, 누설자속을 감소시켰으나, 발명의 실시예에서는 인쇄회로기판의 패턴을 이용한 권선을 통해 이러한 문제점을 해소할 수 있다.

이상에서 실시예들에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함되며, 반드시 하나의 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의해 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims

인쇄회로기판:
상기 인쇄회로기판 표면에 코일 형태로 형성되어 있는 금속 패턴;
상기 금속 패턴의 주위에 형성되어 있는 홀; 및,
상기 금속 패턴과 상기 홀을 포함하고 있는 상기 인쇄회로기판의 상면에 부착되어 상기 홀에 삽입되는 'E'자형 상부 코어 및 상기 인쇄회로기판의 하면에 부착되고, 상기 홀에 삽입되는 'I'자형 하부 코어를 포함하고,
상기 금속패턴은 상기 'E'자형 코어의 사이드부에 각각 형성되는 변압기.
제1항에 있어서,
상기 금속패턴은 1차 금속 패턴과 2차 금속 패턴을 포함하고, 상기 1차 금속 패턴과 2차 금속 패턴의 사이에 형성되는 절연 시트를 더 포함하는 변압기.
제2항에 있어서,
상기 1차 금속 패턴과 2차 금속 패턴의 끝단에 각각 형성되는 권선패드를 더 포함하는 변압기.
제3항에 있어서,
상기 1차 금속 패턴에 접하는 권선패드와 연결되는 전원 신호 공급부; 및,
상기 2차 금속 패턴에 접하는 권선패드와 연결되는 전원 신호 출력부;를 포함하는 변압기.
제4항에 있어서,
상기 전원 신호 공급부와 상기 전원 신호 출력부 중 적어도 하나는 금속 재질을 포함하는 변압기.
제3항에 있어서,
상기 인쇄회로기판은, 다수개가 적층되어 있으며, 적층되는 상기 인쇄회로기판 상에 위치하는 다수의 상기 권선패드를 연결하는 도선을 포함하는 변압기.
1차 인쇄회로기판:
상기 1차 인쇄회로기판상에 코일 형태로 형성되어 있는 제1 금속 패턴;
상기 1차 인쇄회로기판 하부에 배치되는 2차 인쇄회로기판:
상기 2차 인쇄회로기판상에 코일 형태로 형성되어 있고, 상기 제1 금속 패턴과 전기적으로 절연되며, 자기적으로 결합되어 코일 형태로 형성되어 있는 제2 금속 패턴;
상기 제1 및 제2 금속 패턴의 주위에 형성되어 있는 홀;
상기 제1 및 제2 금속 패턴과 상기 홀을 포함하고 있는 상기 1차 및 2차 인쇄회로기판의 상면에 부착되어 상기 홀에 삽입되는 'E'자형 상부 코어 및 상기 인쇄회로기판의 하면에 부착되고, 상기 홀에 삽입되는 'I'자형 하부 코어를 포함하는 변압기.
제7항에 있어서,
상기 제1 금속 패턴 및 제2 금속 패턴은 상기 E자형 상부 코어의 사이드부에 각각 형성되는 변압기.
제7항에 있어서,
상기 1차 금속 패턴과 2차 금속 패턴의 끝단에 각각 형성되는 권선패드;를 더 포함하는 변압기.
제7항에 있어서,
상기 1차 금속 패턴과 2차 금속 패턴은 나선형(spiral)으로 형성되는 변압기.
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