KR102677832B1 - Integral transformer - Google Patents
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Abstract
제1 돌출부를 갖는 단일 코어; 상기 제1 돌출부를 중심으로 상기 단일 코어 상에 나선형으로 권선된 제1 도전 패턴; 상기 제1 도전 패턴의 상부에 배치되며, 상기 제1 도전 패턴과 동일한 방향으로 권선되고 상기 제1 도전 패턴과 전기적으로 연결된 일단을 갖는 제2 도전 패턴; 및 상기 제1 도전 패턴의 상부 및 상기 제2 도전 패턴의 하부에 각각 배치되며, 상기 제1 돌출부를 중심으로 대칭의 U자 형상을 갖는 제3 도전 패턴 및 제4 도전 패턴을 포함하는 통합형 변압기가 개시된다.a single core having a first protrusion; a first conductive pattern spirally wound on the single core around the first protrusion; a second conductive pattern disposed on top of the first conductive pattern, wound in the same direction as the first conductive pattern, and having one end electrically connected to the first conductive pattern; and an integrated transformer including a third conductive pattern and a fourth conductive pattern disposed above the first conductive pattern and below the second conductive pattern, respectively, and having a symmetrical U-shape around the first protrusion. It begins.
Description
본 발명은 일체형 변압기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 변압기가 적용되는 다양한 회로에 포함된 인덕터 등 여러 자성 요소들을 하나의 구조물로 일체화 시킨 일체형 변압기에 관한 것이다.The present invention relates to an integrated transformer, and more specifically, to an integrated transformer in which various magnetic elements such as inductors included in various circuits to which the transformer is applied are integrated into one structure.
일반적으로, 절연형 직류 컨버터 등 전력 변환을 위한 여러 종류의 회로에는 변압기(Transformer)와 누설 인덕터 및 필터 인덕터가 적용되고 있다. 변압기나 인덕터는 전류 흐름에 의해 발생하는 자성을 이용하는 자성 요소들이다.In general, transformers, leakage inductors, and filter inductors are used in various types of circuits for power conversion, such as isolated direct current converters. Transformers and inductors are magnetic elements that utilize magnetism generated by current flow.
예를 들어, 페이즈-시프트 풀 브릿지 직류-직류 컨버터는 누설 인덕터, 트랜스포머 및 필터 인덕터를 포함하여 구현된다. 이러한 직류-직류 컨버터에서 누설 인덕터는 ZVS(Zero-voltage switching)을 위해 사용되며, 변압기는 절연 및 턴비를 통한 승강압을 위해 사용되고, 필터 인덕터는 출력 리플 전류를 감소시키기 위해 사용된다.For example, a phase-shift full bridge DC-DC converter is implemented including a leakage inductor, a transformer, and a filter inductor. In these DC-DC converters, a leakage inductor is used for zero-voltage switching (ZVS), a transformer is used for isolation and step-up through turn ratio, and a filter inductor is used to reduce output ripple current.
종래에는, 실제 구현되는 회로의 간소화를 위해, 변압기와 필터 인덕터를 통합하여 구현한 예가 있었으며, 다른 예로는 누설 인덕터와 트랜스포머를 통합하여 구현하는 경우가 존재한다.In the past, in order to simplify the circuit that is actually implemented, there was an example of implementation by integrating a transformer and a filter inductor, and another example is a case of implementation by integrating a leakage inductor and a transformer.
이러한 종래의 부품 통합 기법은, 열 방출 문제, MLT(Mean Length turn)의 평균 길이가 길어지는 등의 단점이 있다. 또한, 종래의 부품 통합 기법은 필요한 구성 요소의 수가 많고 부피가 큰 단점도 있다.This conventional component integration technique has disadvantages such as heat dissipation problems and an increase in the average length of MLT (Mean Length turn). Additionally, conventional component integration techniques have the disadvantage of requiring a large number of components and large size.
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.The matters described as background technology above are only for the purpose of improving understanding of the background of the present invention, and should not be taken as recognition that they correspond to prior art already known to those skilled in the art.
이에 본 발명은, 종래 기술의 단점을 해결할 수 있도록 직류-직류 컨버터에 적용되는 누설 인덕터, 변압기 및 필터 인덕터를 하나의 구조로 통합하는 일체형 변압기를 제공하는 것을 해결하고자 하는 기술적 과제로 한다.Accordingly, the present invention aims to solve the technical problem of providing an integrated transformer that integrates a leakage inductor, a transformer, and a filter inductor applied to a DC-DC converter into one structure to solve the shortcomings of the prior art.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 기술한 내용으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 해결 과제 및 장점들은 이하의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 기술자라면 본 발명의 해결 과제 및 장점들이 청구범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.The problem to be solved by the present invention is not limited to the content described above, and other problems and advantages of the present invention that are not mentioned can be understood through the following description, and can be made more clear by the embodiments of the present invention. You will find out. Additionally, a person skilled in the art to which the present invention pertains will easily understand that the problems and advantages of the present invention can be realized by means and combinations thereof as indicated in the claims.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서 본 발명은, As a means to solve the above technical problem, the present invention,
제1 돌출부를 갖는 단일 코어;a single core having a first protrusion;
상기 제1 돌출부를 중심으로 상기 단일 코어 상에 나선형으로 권선된 제1 도전 패턴;a first conductive pattern spirally wound on the single core around the first protrusion;
상기 제1 도전 패턴의 하부에 배치되며, 상기 제1 도전 패턴과 동일한 방향으로 권선되고 상기 제1 도전 패턴과 전기적으로 연결된 일단을 갖는 제2 도전 패턴; 및a second conductive pattern disposed below the first conductive pattern, wound in the same direction as the first conductive pattern, and having one end electrically connected to the first conductive pattern; and
상기 제1 도전 패턴의 상부 및 상기 제2 도전 패턴의 하부에 각각 배치되며, 상기 제1 돌출부를 중심으로 대칭의 U자 형상을 갖는 제3 도전 패턴 및 제4 도전 패턴을 포함하는 통합형 변압기가 제공된다.An integrated transformer is provided, including a third conductive pattern and a fourth conductive pattern, which are disposed above the first conductive pattern and below the second conductive pattern, respectively, and have a symmetrical U-shape around the first protrusion. do.
본 발명의 실시예에서, 상기 U자 형상의 제3 도전 패턴 및 제4 도전 패턴 각각의 두 개의 단부 및 하나의 중심부는 전류가 입출력되는 단자부가 되며, 상기 두 개의 단부에서 상기 중심부로 흐르는 전류는 서로 동일한 방향으로 흐르도록 구성될 수 있다. In an embodiment of the present invention, two ends and one center of each of the U-shaped third and fourth conductive patterns become terminal portions through which current is input and output, and the current flowing from the two ends to the center is They can be configured to flow in the same direction.
본 발명의 실시예에서, 상기 제1 도전 패턴 및 상기 제2 도전 패턴은 변압기 회로의 1차측 권선을 형성하고, 상기 제3 도전 패턴과 상기 제4 도전 패턴은 상기 변압기 회로의 두 개의 2차측 권선을 형성하며, 상기 두 개의 2차측 권선에 각각 병렬 연결된 2 개의 필터 인덕터를 형성할 수 있다.In an embodiment of the invention, the first conductive pattern and the second conductive pattern form a primary winding of the transformer circuit, and the third conductive pattern and the fourth conductive pattern form two secondary windings of the transformer circuit. It is possible to form two filter inductors connected in parallel to each of the two secondary windings.
본 발명의 실시예에서, 상기 단일 코어는 상기 제1 돌출부의 외측 대칭된 위치에 제2 돌출부 및 제3 돌출부를 더 포함하며, 상기 제1 도전 패턴 및 상기 제2 도전 패턴은 상기 제2 돌출부 및 상기 제3 돌출부 주변에 추가 권선된 영역을 각각 더 포함할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the single core further includes a second protrusion and a third protrusion at a symmetrical position outside the first protrusion, and the first conductive pattern and the second conductive pattern are formed on the second protrusion and the second protrusion. Each additional winding area may be further included around the third protrusion.
본 발명의 실시예에서, 상기 제1 도전 패턴 및 상기 제2 도전 패턴은 변압기 회로의 1차측 권선을 형성하고, 상기 제3 도전 패턴과 상기 제4 도전 패턴은 상기 변압기 회로의 두 개의 2차측 권선을 형성하며, 상기 두 개의 2차측 권선에 각각 병렬 연결된 2 개의 필터 인덕터를 형성하고, 상기 추가 권선된 영역은 상기 1차측 권선의 전단의 양단에 각각 연결된 두 개의 누설 인덕터를 형성할 수 있다.In an embodiment of the invention, the first conductive pattern and the second conductive pattern form a primary winding of the transformer circuit, and the third conductive pattern and the fourth conductive pattern form two secondary windings of the transformer circuit. , forming two filter inductors each connected in parallel to the two secondary windings, and the additionally wound area may form two leakage inductors respectively connected to both ends of the front end of the primary winding.
상기 일체형 변압기에 따르면, 하나의 단일 코어에 복수의 도전 패턴을 적층한 구조를 가짐으로써 변압기 회로를 구성하는 패턴과 인덕터를 구성하는 패턴들 사이의 커플링에 의해 출력전류의 리플을 낮추며 ZVS(Zero-voltage switching) 에너지를 증가시켜 전체 성능을 개선할 수 있다.According to the integrated transformer, it has a structure in which a plurality of conductive patterns are stacked on a single core, thereby lowering the ripple of the output current through coupling between the patterns constituting the transformer circuit and the patterns constituting the inductor, and ZVS (Zero -voltage switching) can improve overall performance by increasing energy.
또한, 상기 일체형 변압기에 따르면, 공극 조정을 통해 커플링 계수나 인덕턴스를 조절할 수 있으며, 자속 상쇄를 통해 코어 사이즈를 감소시킬 수 있어 제품의 경박 단소화가 용이하다.In addition, according to the integrated transformer, the coupling coefficient or inductance can be adjusted through air gap adjustment, and the core size can be reduced through magnetic flux cancellation, making it easy to make the product lightweight and short.
또한, 상기 일체형 변압기에 따르면, 다수의 코어로 구현되는 유도성 전기 부품을 하나로 통합함으로써, 특정 회로를 구현하는데 사용되는 부품수 및 부품 조립을 위한 생산 공정을 감소시킬 수 있다.In addition, according to the integrated transformer, by integrating inductive electrical components implemented with multiple cores into one, the number of components used to implement a specific circuit and the production process for component assembly can be reduced.
또한, 상기 일체형 변압기에 따르면, 인터리빙 효과로 인한 권선의 교류 손실을 감소시키고, MLT(Mean Length Turn) 감소를 통해 직류 손실을 감소시킬 수 있다.In addition, according to the integrated transformer, alternating current losses in the windings due to the interleaving effect can be reduced, and direct current losses can be reduced through reduction of MLT (Mean Length Turn).
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.The effects that can be obtained from the present invention are not limited to the effects mentioned above, and other effects not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the description below. will be.
본 명세서에서 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 용이하게 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 다음의 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 일체형 변압기가 적용되는 페이즈-시프트 풀 브릿지 직류-직류 컨버터의 예를 도시한 회로도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 통합형 변압기의 투시 사시도이다.
도 4는 도 3에 도시된 평면 S1에서 절단한 단면을 도시한 단면도이다.
도 5는 도 3에 도시된 실시예에 따른 통합형 변압기의 각 패턴을 도시한 평면도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 통합형 변압기의 투시 사시도이다.
도 7 및 도 8은 도 6에 도시된 평면 S2 및 평면 S3에서 절단한 단면을 각각 도시한 단면도이다.
도 9는 도 6에 도시된 실시예에 따른 통합형 변압기의 각 패턴을 도시한 평면도이다.
도 10은 종래의 분리된 코어로 구현된 인덕터 및 변압기의 예를 도시한 사시도이다.
도 11은 종래의 분리된 코어로 구현된 인덕터 및 변압기가 적용된 페이즈 시프트 컨버터의 동작 파형과 본 발명의 실시예에 따른 통합형 변압기가 적용된 페이즈 시프트 컨버터의 동작 파형을 비교 도시한 도면이다.The following drawings attached to this specification illustrate preferred embodiments of the present invention, and serve to make the technical idea of the present invention easier to understand along with the detailed description of the invention described later. Therefore, the present invention is described in the following drawings. It should not be interpreted as limited to the matters stated in .
1 and 2 are circuit diagrams showing an example of a phase-shift full bridge DC-DC converter to which an integrated transformer is applied according to an embodiment of the present invention.
Figure 3 is a perspective perspective view of an integrated transformer according to an embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a cross-sectional view showing a cross section cut along plane S1 shown in FIG. 3.
FIG. 5 is a plan view showing each pattern of the integrated transformer according to the embodiment shown in FIG. 3.
Figure 6 is a perspective perspective view of an integrated transformer according to another embodiment of the present invention.
FIGS. 7 and 8 are cross-sectional views showing cross-sections cut on plane S2 and plane S3 shown in FIG. 6, respectively.
FIG. 9 is a plan view showing each pattern of the integrated transformer according to the embodiment shown in FIG. 6.
Figure 10 is a perspective view showing an example of an inductor and transformer implemented with a conventional separated core.
Figure 11 is a diagram comparing the operation waveform of a phase shift converter using an inductor and a transformer implemented with a conventional separated core and the operation waveform of a phase shift converter using an integrated transformer according to an embodiment of the present invention.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시예에 따른 일체형 변압기를 상세하게 설명한다.Hereinafter, an integrated transformer according to various embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings.
이하에서 설명되는 실시예들에 대한 특정한 구조적 또는 기능적 설명들은 단지 예시를 위한 목적으로 개시된 것으로서, 다양한 형태로 변경되어 실시될 수 있다. 따라서, 실시예들은 특정한 개시형태로 한정되는 것이 아니며, 본 명세서의 범위는 기술적 사상에 포함되는 변경, 균등물, 또는 대체물을 포함한다.Specific structural or functional descriptions of the embodiments described below are disclosed for illustrative purposes only and may be modified and implemented in various forms. Accordingly, the embodiments are not limited to the specific disclosed form, and the scope of the present specification includes changes, equivalents, or substitutes included in the technical spirit.
제1 또는 제2 등의 용어를 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 이런 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 해석되어야 한다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.Terms such as first or second may be used to describe various components, but these terms should be interpreted only for the purpose of distinguishing one component from another component. For example, a first component may be named a second component, and similarly, the second component may also be named a first component.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.When a component is referred to as being “connected” to another component, it should be understood that it may be directly connected or connected to the other component, but that other components may exist in between.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설명된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함으로 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.Singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In this specification, terms such as "comprise" or "have" are intended to designate the presence of the described features, numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof, but are not intended to indicate the presence of one or more other features or numbers, It should be understood that this does not exclude in advance the possibility of the presence or addition of steps, operations, components, parts, or combinations thereof.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless otherwise defined, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by a person of ordinary skill in the relevant technical field. Terms as defined in commonly used dictionaries should be interpreted as having meanings consistent with the meanings they have in the context of the related technology, and unless clearly defined in this specification, should not be interpreted in an idealized or overly formal sense. No.
도 1 및 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 일체형 변압기가 적용되는 페이즈-시프트 풀 브릿지 직류-직류 컨버터의 예를 도시한 회로도이다. 특히, 도 1은 변압기의 1차측 권선 전압이 비대칭인 회로를 도시하고 도 2는 변압기의 1차측 권선 전압이 대칭인 회로를 도시한다.1 and 2 are circuit diagrams showing an example of a phase-shift full bridge DC-DC converter to which an integrated transformer is applied according to an embodiment of the present invention. In particular, Figure 1 shows a circuit in which the primary winding voltage of the transformer is asymmetric and Figure 2 shows a circuit in which the primary winding voltage of the transformer is symmetrical.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 일체형 변압기(10)는 변압기 회로(T)를 구성하는 하나의 1차측 권선과 두 개의 2차측 권선 및 2차측 권선 각각에 병렬로 연결된 두 개의 필터 인덕터(Lf1 및 Lf2)를 하나의 코어를 사용하여 통합하여 구현할 수 있다.Referring to FIG. 1, the integrated transformer 10 according to an embodiment of the present invention includes one primary winding and two secondary windings constituting the transformer circuit T, and two filters connected in parallel to each of the secondary windings. The inductors (L f1 and L f2 ) can be integrated and implemented using one core.
또한, 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 일체형 변압기(20)는 변압기 회로(T)의 1차측 권선 양단에 각각 연결된 누설 인덕터(Lk1, Lk2)와 변압기 회로(T)의 1차측 권선과 두 개의 2차측 권선 및 2차측 권선 각각에 병렬로 연결된 두 개의 필터 인덕터(Lf1, Lf2)를 하나의 코어를 사용하여 통합하여 구현할 수 있다.In addition, referring to FIG. 2, the integrated transformer 20 according to an embodiment of the present invention includes leakage inductors (L k1 , L k2 ) connected to both ends of the primary winding of the transformer circuit (T) and the transformer circuit (T). It can be implemented by integrating the primary winding, two secondary windings, and two filter inductors (L f1 , L f2 ) connected in parallel to each of the secondary windings using one core.
종래에는, 각각의 인덕터(Lk, Lk1, Lk2, Lf1, Lf2) 및 변압기 회로(T)를 각각 개별 코어를 사용하여 개별 소자의 형태로 구현하거나, 변압기 회로(T)와 필터 인덕터(Lf1, Lf2)를 하나의 소자로 통합하더라도 필터 인덕터(Lf1, Lf2)은 개별 코어를 사용하고 두 개의 코어를 중심으로 감긴 형태의 1차측 권선 및 2차측 권선을 갖는 형태로 변압기 회로(T)를 구성하였다.Conventionally, each inductor (L k , L k1 , L k2 , L f1 , L f2 ) and the transformer circuit (T) are implemented in the form of individual elements using individual cores, or the transformer circuit (T) and the filter Even if the inductors (L f1 , L f2 ) are integrated into one element, the filter inductors (L f1 , L f2 ) use individual cores and have a primary winding and a secondary winding wound around two cores. A transformer circuit (T) was constructed.
이러한, 종래의 회로 구현 기법은 두 개의 필터 인덕터(Lf1, Lf2) 사이의 인터리빙이 불가능 하여 필터 인덕터의 동손이 높고 변압기 권선의 높은 턴당 평균 길이로 인해 역서 큰 동손이 발생하는 문제가 있었다.In this conventional circuit implementation technique, interleaving between the two filter inductors (L f1 , L f2 ) is impossible, resulting in high copper loss in the filter inductor, and there is a problem in that large copper loss occurs due to the high average length per turn of the transformer winding.
도 1 및 도 2는 본 발명의 통합형 변압기가 적용되는 회로의 페이즈-시프트 풀 브릿지 직류-직류 컨버터 회로를 도시하였으나 이러한 예시들에 본 발명이 한정되지 않으며, 누설 인덕터, 변압기 회로 및 필터 인덕터가 적용되는 다양한 전기 전력 회로(예를 들어, 능동형 프라이백 포워드 컨버터(Active Fly-Back Forward Converter)에도 널리 적용될 수 있다.1 and 2 show a phase-shift full bridge DC-DC converter circuit of a circuit to which the integrated transformer of the present invention is applied, but the present invention is not limited to these examples, and a leakage inductor, a transformer circuit, and a filter inductor are applied. It can also be widely applied to various electrical power circuits (for example, Active Fly-Back Forward Converter).
도 3는 본 발명의 일 실시예에 따른 통합형 변압기의 투시 사시도이고, 도 4는 도 3에 도시된 평면 S1에서 절단한 단면을 도시한 단면도이다. 또한, 도 5는 도 3에 도시된 실시예에 따른 통합형 변압기의 각 패턴을 도시한 평면도이다. 도 5에 도시된 각 패턴은 좌측 상부에서 우측 하부로 갈수록 상부에 배치되는 패턴이 도시된다.Figure 3 is a perspective perspective view of an integrated transformer according to an embodiment of the present invention, and Figure 4 is a cross-sectional view taken along plane S1 shown in Figure 3. Additionally, FIG. 5 is a plan view showing each pattern of the integrated transformer according to the embodiment shown in FIG. 3. Each pattern shown in FIG. 5 shows a pattern disposed at the top from the upper left to the lower right.
도 3 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 통합형 변압기는, 단일 코어(11)에 권선되는 복수의 도전 패턴(12 내지 15)를 포함하여 구성될 수 있다.3 to 5, an integrated transformer according to an embodiment of the present invention may be configured to include a plurality of conductive patterns 12 to 15 wound around a single core 11.
단일 코어(11)는 페라이트 등과 같이 유도성 전기 소자의 코어로 적용되는 공지의 재료로 제작될 수 있다. 단일 코어(11)는 패턴에 흐르는 전류에 의해 생성되는 자속이 통과하는 경로가 될 수 있다. The single core 11 may be made of a known material applied as a core of an inductive electrical element, such as ferrite. The single core 11 may be a path through which the magnetic flux generated by the current flowing in the pattern passes.
단일 코어(11)는 그 중심부에 돌출부(P1)을 포함할 수 있다. 돌출부(P1)은 각각의 도전 패턴(12 내지 15)가 권선되는 중심이 될 수 있다. 또한, 단일 코어(11)는 그 양측에 돌출부(P1)와 동일한 방향(도 4에서 상부 방향)으로 연장 형성된 측벽부를 포함할 수 있다. The single core 11 may include a protrusion P1 at its center. The protrusion P1 may be the center around which each conductive pattern 12 to 15 is wound. Additionally, the single core 11 may include side walls extending in the same direction as the protrusion P1 (upward direction in FIG. 4) on both sides thereof.
돌출부(P1)와 측벽부의 상부에는 커버(16)가 배치될 수 있다. 커버(16)는 단일 코어(11)와 실질적으로 동일한 재료(예를 들어, 페라이트)로 제작될 수 있으며, 자속이 통과하는 경로를 제공할 수 있다. 본 발명의 실시예에서 돌출부(P1)와 커버(16) 사이의 공극 및/또는 측벽과 커버(16) 사이의 공극의 크기를 조정함으로써 커플링 계수나 인덕턴스를 조절할 수 있게 된다.A cover 16 may be disposed on the protrusion P1 and the upper portion of the side wall portion. Cover 16 may be made of substantially the same material (e.g., ferrite) as single core 11 and may provide a path for magnetic flux to pass through. In an embodiment of the present invention, the coupling coefficient or inductance can be adjusted by adjusting the size of the gap between the protrusion P1 and the cover 16 and/or the gap between the side wall and the cover 16.
제1 도전 패턴(12)은 돌출부(P1)를 중심으로 나선형으로 권선된 형태로 제작될 수 있다. 제1 도전 패턴(12)은 절연 재질의 필름 상에 도전성을 갖는 금속 재료(금, 은, 구리 등)를 인쇄나 증착 등의 방식으로 원하는 형상의 패턴을 형성함으로써 제작될 수 있다. The first conductive pattern 12 may be manufactured in a spirally wound form around the protrusion P1. The first conductive pattern 12 can be manufactured by forming a pattern of a desired shape using a conductive metal material (gold, silver, copper, etc.) on an insulating film by printing or vapor deposition.
제1 도전 패턴(12)의 일단은 도 1에 도시된 노드 a'에 대응될 수 있으며, 변압기 회로(T)의 1차측 전류가 입력되는 단자가 될 수 있다. 제1 도전 패턴(12)의 타단은 제2 도전 패턴(13)의 일단과 연결될 수 있다. 도 5에서 황색 점은 그 상하부에 배치된 타 패턴과 전기적 연결이 이루어지는 부분을 나타낸다. 이는 후술하는 도 9에서도 동일하게 적용된다.One end of the first conductive pattern 12 may correspond to node a' shown in FIG. 1 and may be a terminal through which the primary current of the transformer circuit T is input. The other end of the first conductive pattern 12 may be connected to one end of the second conductive pattern 13. In Figure 5, the yellow dot represents a portion that is electrically connected to other patterns disposed above and below the dot. This also applies to Figure 9, which will be described later.
제2 도전 패턴(13)은 제1 도전 패턴(12)의 하부에 배치될 수 있으며, 제1 도전 패턴(12)의 일단과 전기적으로 연결된 일단을 포함할 수 있다. 또한, 제2 도전 패턴(13)은 제1 도전 패턴(12)과 동일한 방향으로 권선될 수 있다. 도 5에서, 제1 도전 패턴(12) 및 제2 도전 패턴(13)은 시계 방향으로 권선된다. 더욱 상세하게, 전류 흐름의 방향을 기준으로, 제1 도전 패턴(12)은 외곽에서 내부로 시계 방향의 나선형을 형성하도록 구현될 수 있다. 또한, 제2 도전 패턴(13)은, 그 일단이 제1 도전 패턴(12)의 나선형 패턴의 내부 일단과 전기적인 연결을 형성하고, 전류 흐름의 방향을 기준으로 외곽으로 시계 방향의 나선형을 형성하도록 구현될 수 있다. The second conductive pattern 13 may be disposed below the first conductive pattern 12 and may include one end electrically connected to one end of the first conductive pattern 12 . Additionally, the second conductive pattern 13 may be wound in the same direction as the first conductive pattern 12. In Figure 5, the first conductive pattern 12 and the second conductive pattern 13 are wound clockwise. In more detail, based on the direction of current flow, the first conductive pattern 12 may be implemented to form a clockwise spiral shape from the outside to the inside. In addition, one end of the second conductive pattern 13 forms an electrical connection with the inner end of the spiral pattern of the first conductive pattern 12, and forms a clockwise spiral shape outward based on the direction of current flow. It can be implemented to do so.
제2 도전 패턴의 타단은 도 1에 도시된 노드 b에 대응될 있으며, 변압기 회로(T)의 1차측 전류가 출력되는 단자가 될 수 있다.The other end of the second conductive pattern may correspond to node b shown in FIG. 1 and may be a terminal through which the primary current of the transformer circuit T is output.
즉, 제1 도전 패턴(12)과 제2 도전 패턴(13)은 각각의 턴수를 합산한 만큼의 턴수를 갖는 변압기 회로(T)의 1차측 권선을 구성할 수 있다.In other words, the first conductive pattern 12 and the second conductive pattern 13 can form a primary winding of the transformer circuit T having the number of turns equal to the sum of the respective turns.
본 발명의 실시예는, 제1 도전 패턴(12)과 제2 도전 패턴(13)의 턴 수를 조정함으로써 인덕턴스와 커플링 계수가 조정될 수 있다.In an embodiment of the present invention, the inductance and coupling coefficient can be adjusted by adjusting the number of turns of the first conductive pattern 12 and the second conductive pattern 13.
제3 도전 패턴(14)은 제1 도전 패턴(12)의 상부에 배치되고 제4 도전 패턴(15)는 제2 도전 패턴(13)의 하부에 배치될 수 있다.The third conductive pattern 14 may be disposed on an upper portion of the first conductive pattern 12 and the fourth conductive pattern 15 may be disposed on a lower portion of the second conductive pattern 13 .
제3 도전 패턴(14) 및 제4 도전 패턴(15)은 돌출부(P1)을 중심으로 그 둘레에 U자 형상으로 형성될 수 있다. U자 형상을 갖는 제3 도전 패턴(14) 및 제4 도전 패턴(15) 각각의 단부는 도 1에 도시된 노드 c와 노드 d에 대응될 수 있으며 다. 또한, U자 형상을 갖는 제3 도전 패턴(14) 및 제4 도전 패턴(15)의 중심부, U자 형상의 하단부에 해당되는 부분은 도 1에 도시된 노드 o에 대응될 수 있다. 즉, 제3 도전 패턴(14) 및 제4 도전 패턴(15)은 각 단부에서 중심부 사이에 인덕턴스를 갖는 도전체가 배치된 구조이다. 제3 도전 패턴(14) 및 제4 도전 패턴(15) 각각의 두 개의 단부 및 하나의 중심부는 전류가 입출력되는 단자부가 되며, 상기 두 개의 단부에서 상기 중심부로 흐르는 전류는 서로 동일한 방향으로 흐르도록 구성되는 것이 바람직하다. 제3 도전 패턴(14) 및 제4 도전 패턴(15)이 갖는 U 자 형상의 패턴의 두 개의 단부에서 중심부로 서로 동일한 방향의 전류가 흐르는 경우, 돌출부(P1)에는 각각의 전류 흐름에 의해 서로 반대 방향의 자속이 흘러 서로 상쇄될 수 있으므로 돌출부(P1)의 사이즈를 감소시킬 수 있고 그에 따라 통합형 변압기 전체 사이즈를 감소시킬 수 있다.The third conductive pattern 14 and the fourth conductive pattern 15 may be formed in a U shape around the protrusion P1. The ends of each of the third conductive patterns 14 and 15 having a U-shape may correspond to nodes c and d shown in FIG. 1 . Additionally, the central portion of the third conductive pattern 14 and the fourth conductive pattern 15 having a U-shape and the portion corresponding to the lower end of the U-shape may correspond to node o shown in FIG. 1 . That is, the third conductive pattern 14 and the fourth conductive pattern 15 have a structure in which a conductor with inductance is disposed between each end portion and the center portion. The two ends and one center of each of the third conductive patterns 14 and the fourth conductive patterns 15 become terminal portions through which current is input and output, and the currents flowing from the two ends to the center flow in the same direction. It is desirable to be configured. When currents in the same direction flow from the two ends of the U-shaped pattern of the third conductive pattern 14 and the fourth conductive pattern 15 to the center, the protrusions P1 are connected to each other by the respective current flows. Since magnetic fluxes in opposite directions may flow and cancel each other out, the size of the protrusion (P1) can be reduced, and thus the overall size of the integrated transformer can be reduced.
제3 도전 패턴(14) 및 제4 도전 패턴(15) 중 하나는 서로 직렬 연결된 두 개의 2차측 권선으로 변압기 회로(T)를 구성할 수 있다. 또한, 제3 도전 패턴(14) 및 제4 도전 패턴(15) 중 나머지 하나는 변압기 회로(T)의 2차측 권선 각각에 병렬로 연결된 필터 인덕터(Lf)를 구성할 수 있다.One of the third conductive patterns 14 and the fourth conductive patterns 15 may form a transformer circuit T with two secondary windings connected in series. Additionally, the remaining one of the third conductive pattern 14 and the fourth conductive pattern 15 may form a filter inductor (L f ) connected in parallel to each of the secondary windings of the transformer circuit (T).
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 통합형 변압기의 투시 사시도이고, 도 7 및 도 8은 도 6에 도시된 평면 S2 및 평면 S3에서 절단한 단면을 각각 도시한 단면도이며, 도 9는 도 6에 도시된 실시예에 따른 통합형 변압기의 각 패턴을 도시한 평면도이다.Figure 6 is a perspective perspective view of an integrated transformer according to another embodiment of the present invention, Figures 7 and 8 are cross-sectional views respectively cut on plane S2 and plane S3 shown in Figure 6, and Figure 9 is a cross-sectional view of Figure 6 This is a plan view showing each pattern of the integrated transformer according to the embodiment shown in .
도 6 내지 도 9를 참조하면, 전술한 도 3 내지 도 5의 실시예와 유사하게, 본 발명의 다른 실시예에 따른 통합형 변압기(20)는, 단일 코어(11)에 권선되는 복수의 도전 패턴(12 내지 15)를 포함하여 구성될 수 있다.Referring to FIGS. 6 to 9, similar to the embodiment of FIGS. 3 to 5 described above, the integrated transformer 20 according to another embodiment of the present invention has a plurality of conductive patterns wound on a single core 11. It may be configured to include (12 to 15).
도 6 내지 도 9의 실시예는, 전술한 도 3 내지 도 5의 실시예와는 단일 코어(11)가 갖는 추가의 돌출부와 제1 도전 패턴(12) 및 제2 도전 패턴(13)의 형상에서 차이점을 갖는다. 불필요한 중복 설명을 생략하여 발명의 이해를 더욱 명확하게 돕기 위해, 두 실시예가 갖는 차이점에 대해서만 상세하게 설명하기로 한다.The embodiment of FIGS. 6 to 9 is different from the embodiment of FIGS. 3 to 5 described above in that the single core 11 has additional protrusions and the shapes of the first conductive pattern 12 and the second conductive pattern 13. There is a difference in In order to help understand the invention more clearly by omitting unnecessary redundant description, only the differences between the two embodiments will be described in detail.
도 6 내지 도 9의 실시예에 적용된 단일 코어(11)는 그 중심부에 형성된 제1 돌출부(페라이트 등과 같이 유도성 전기 소자의 코어로 적용되는 공지의 재료로 제작될 수 있다. 단일 코어(11)는 패턴에 흐르는 전류에 의해 생성되는 자속이 통과하는 경로가 될 수 있다. The single core 11 applied in the embodiments of FIGS. 6 to 9 may be made of a known material applied as a core of an inductive electric element, such as a first protrusion (ferrite, etc.) formed at the center thereof. Single core 11 can be a path through which the magnetic flux generated by the current flowing in the pattern passes.
단일 코어(11)는 그 중심부에 형성된 돌출부(P1)와 그 양측으로 형성된 추가의 돌출부(P2, P3)를 포함할 수 있다. 이 추가의 돌출부(P2, P3) 역시 커버(16)와 공극을 형성할 수 있으며, 이 공극의 크기를 조정하여 커플링 계수 및 인덕턴스를 결정할 수 있다.The single core 11 may include a protrusion P1 formed at its center and additional protrusions P2 and P3 formed on both sides thereof. These additional protrusions (P2, P3) may also form an air gap with the cover 16, the size of which can be adjusted to determine the coupling coefficient and inductance.
제1 도전 패턴(12)과 제2 도전 패턴(13)은 각각 추가의 돌출부(P2, P3)의 주위로 권선된 추가 권선 영역(T)을 포함할 수 있다. 제1 도전 패턴(12)에 형성된 추가 권선 영역(T)은 도 2의 누설 인덕터(Lk/2) 중 노드 a와 변압기 회로(T) 사이에 위치한 누설 인덕터에 해당할 수 있다. 또한, 제2 도전 패턴(13)에 형성된 추가 권선 영역(T)은 도 2의 누설 인덕터(Lk/2) 중 노드 b와 변압기 회로(T) 사이에 위치한 누설 인덕터에 해당할 수 있다.The first conductive pattern 12 and the second conductive pattern 13 may each include an additional winding area T wound around the additional protrusions P2 and P3. The additional winding area T formed in the first conductive pattern 12 may correspond to a leakage inductor located between node a and the transformer circuit T among the leakage inductors L k/2 of FIG. 2 . Additionally, the additional winding area T formed in the second conductive pattern 13 may correspond to a leakage inductor located between node b and the transformer circuit T among the leakage inductors L k/2 of FIG. 2 .
도 10은 종래의 분리된 코어로 구현된 인덕터 및 변압기의 예를 도시한 사시도이다.Figure 10 is a perspective view showing an example of an inductor and transformer implemented with a conventional separated core.
도 10에 도시된 바와 같이, 종래에는 컨버터를 구현하기 위한 누설 인덕터(100)와 변압기(200) 및 필터 인덕터(300, 400)를 각각의 개별 코어를 사용하여 구현하였다. 이에 따라, 종래에는 각각의 소자들을 제작하기 위한 공정과 비용이 증가하게 되며, 커플링에 따른 효과들을 기대할 수 없었다.As shown in FIG. 10, in the related art, the leakage inductor 100, transformer 200, and filter inductors 300 and 400 for implementing the converter were implemented using individual cores. Accordingly, in the past, the process and cost for manufacturing each device increased, and effects due to coupling could not be expected.
도 11은 종래의 분리된 코어로 구현된 인덕터 및 변압기가 적용된 페이즈 시프트 컨버터의 동작 파형과 본 발명의 실시예에 따른 통합형 변압기가 적용된 페이즈 시프트 컨버터의 동작 파형을 비교 도시한 도면이다.Figure 11 is a diagram comparing the operation waveform of a phase shift converter using an inductor and a transformer implemented with a conventional separated core and the operation waveform of a phase shift converter using an integrated transformer according to an embodiment of the present invention.
도 11을 참조하면, 본 발명의 통합형 변압기를 적용한 경우, 종래에 비해 스위치의 ZVS(Zero Voltage Switching) 에너지의 증가로 인한 소프트 스위칭을 달성할 수 있어 회로의 효율을 증가시킬 수 있다. 또한, 본 발명의 통합형 변압기를 적용한 경우, 출력전류의 리플을 감소시킬 수 있어 필터 사이즈를 감소시킬 수도 있게 된다. Referring to FIG. 11, when the integrated transformer of the present invention is applied, soft switching can be achieved due to an increase in ZVS (Zero Voltage Switching) energy of the switch compared to the prior art, thereby increasing circuit efficiency. In addition, when the integrated transformer of the present invention is applied, the ripple of the output current can be reduced, making it possible to reduce the filter size.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 여러 실시예에 따른 통합형 변압기는 하나의 단일 코어(11)에 적층된 복수의 도전 패턴(12 내지 15)을 포함하는 구조를 갖는다. 이러한 구조는 변압기 회로를 구성하는 패턴과 인덕터를 구성하는 패턴들 사이의 커플링에 의해 출력전류의 리플을 낮추며 ZVS(Zero-voltage switching) 에너지를 증가시켜 전체 성능을 개선할 수 있다.As described above, the integrated transformer according to various embodiments of the present invention has a structure including a plurality of conductive patterns 12 to 15 stacked on one single core 11. This structure can improve overall performance by lowering the ripple of the output current and increasing ZVS (Zero-voltage switching) energy by coupling between the patterns that make up the transformer circuit and the patterns that make up the inductor.
또한, 본 발명의 여러 실시예에 따른 통합형 변압기는 공극 조정을 통해 커플링 계수나 인덕턴스를 조절할 수 있으며, 자속 상쇄를 통해 코어 사이즈를 감소시킬 수 있어 제품의 경박 단소화가 용이하다.In addition, the integrated transformer according to various embodiments of the present invention can adjust the coupling coefficient or inductance by adjusting the air gap, and can reduce the core size through magnetic flux cancellation, making it easy to make the product lightweight and short.
또한, 본 발명의 여러 실시예에 따른 통합형 변압기는, 다수의 코어로 구현되는 유도성 전기 부품을 하나로 통합함으로써, 특정 회로를 구현하는데 사용되는 부품수 및 부품 조립을 위한 생산 공정을 감소시킬 수 있다.In addition, the integrated transformer according to various embodiments of the present invention integrates inductive electrical components implemented with multiple cores into one, thereby reducing the number of components used to implement a specific circuit and the production process for component assembly. .
또한, 본 발명의 여러 실시예에 따른 통합형 변압기는 인터리빙 효과로 인한 권선의 교류 손실을 감소시키고, MLT(Mean Length Turn) 감소를 통해 직류 손실을 감소시킬 수 있다. Additionally, the integrated transformer according to various embodiments of the present invention can reduce alternating current losses in the windings due to the interleaving effect and reduce direct current losses through reduction of MLT (Mean Length Turn).
10: 통합형 변압기 11: 단일 코어
12: 제1 도전 패턴 13: 제2 도전 패턴
14: 제3 도전 패턴 15: 제4 도전 패턴
16: 커버 P1-P3: 돌출부10: Integrated transformer 11: Single core
12: First challenge pattern 13: Second challenge pattern
14: Third challenge pattern 15: Fourth challenge pattern
16: Cover P1-P3: Protrusion
Claims (5)
상기 제1 돌출부를 중심으로 상기 단일 코어 상에 나선형으로 권선된 제1 도전 패턴;
상기 제1 도전 패턴의 하부에 배치되며, 상기 제1 돌출부를 중심으로 상기 제1 도전 패턴과 동일한 방향으로 권선되고 상기 제1 도전 패턴과 전기적으로 연결된 일단을 갖는 제2 도전 패턴; 및
상기 제1 도전 패턴의 상부 및 상기 제2 도전 패턴의 하부에 각각 배치되며, 상기 제1 돌출부를 중심으로 대칭의 U자 형상을 갖는 제3 도전 패턴 및 제4 도전 패턴을 포함하며,
상기 U자 형상의 제3 도전 패턴 및 제4 도전 패턴은 상호 동일 방향으로 적층되고,
상기 U자 형상의 제3 도전 패턴 및 제4 도전 패턴 각각의 두 개의 단부 및 하나의 중심부는 전류가 입출력되는 단자부가 되며, 상기 두 개의 단부에서 상기 중심부로 흐르는 전류는 서로 동일한 방향으로 흐르도록 구성되어 자속의 방향이 결정되고 커플링이 형성되며,
상기 제1 도전 패턴 및 상기 제2 도전 패턴은 변압기 회로의 1차측 권선을 형성하고,
상기 제3 도전 패턴의 U자 형상의 일단부와 중심부 사이의 영역 및 상기 제4 도전 패턴의 U자 형상의 일단부와 중심부 사이의 영역은 서로 병렬 연결되어 변압기 회로의 하나의 2차측 권선 및 상기 하나의 2차측 권선에 병렬 연결된 필터 인덕터의 통합 구조를 형성하고, 상기 제3 도전 패턴의 U자 형상의 타단부와 중심부 사이의 영역과 상기 제4 도전 패턴의 U자 형상의 타단부와 중심부 사이의 영역은 서로 병렬 연결되어 변압기 회로의 다른 하나의 2차측 권선 및 상기 다른 하나의 2차측 권선에 병렬 연결된 필터 인덕터의 통합 구조를 형성하는 것을 특징으로 하는 통합형 변압기.a single core having a first protrusion;
a first conductive pattern spirally wound on the single core around the first protrusion;
a second conductive pattern disposed below the first conductive pattern, wound around the first protrusion in the same direction as the first conductive pattern, and having one end electrically connected to the first conductive pattern; and
a third conductive pattern and a fourth conductive pattern disposed above the first conductive pattern and below the second conductive pattern, respectively, and having a symmetrical U-shape around the first protrusion;
The U-shaped third and fourth conductive patterns are stacked in the same direction,
Two ends and one center of each of the U-shaped third and fourth conductive patterns become terminal portions through which current is input and output, and currents flowing from the two ends to the center are configured to flow in the same direction. The direction of magnetic flux is determined and a coupling is formed,
The first conductive pattern and the second conductive pattern form a primary winding of the transformer circuit,
The area between the U-shaped end and the center of the third conductive pattern and the area between the U-shaped end and the center of the fourth conductive pattern are connected in parallel to form one secondary winding of the transformer circuit and the Forming an integrated structure of a filter inductor connected in parallel to one secondary winding, the area between the U-shaped other end and the center of the third conductive pattern and the U-shaped other end and the center of the fourth conductive pattern The regions of are connected in parallel with each other to form an integrated structure of another secondary winding of the transformer circuit and a filter inductor connected in parallel with the other secondary winding.
상기 단일 코어는 상기 제1 돌출부의 외측 대칭된 위치에 제2 돌출부 및 제3 돌출부를 더 포함하며,
상기 제1 도전 패턴 및 상기 제2 도전 패턴은 상기 제2 돌출부 및 상기 제3 돌출부 주변에 추가 권선된 영역을 각각 더 포함하는 것을 특징으로 하는 통합형 변압기.In claim 1,
The single core further includes a second protrusion and a third protrusion at positions symmetrical to the outside of the first protrusion,
The first conductive pattern and the second conductive pattern each further include an additional winding area around the second protrusion and the third protrusion.
상기 제1 도전 패턴 및 상기 제2 도전 패턴은 변압기 회로의 1차측 권선을 형성하고, 상기 제3 도전 패턴과 상기 제4 도전 패턴은 각각 상기 변압기 회로의 두 개의 2차측 권선과 상기 두 개의 2차측 권선에 각각 병렬 연결된 2개의 필터 인덕터를 형성하고, 상기 추가 권선된 영역은 상기 1차측 권선의 전단의 양단에 각각 연결된 두 개의 누설 인덕터를 형성하는 것을 특징으로 하는 통합형 변압기.
In claim 4,
The first conductive pattern and the second conductive pattern form the primary winding of the transformer circuit, and the third conductive pattern and the fourth conductive pattern form the two secondary windings and the two secondary windings of the transformer circuit, respectively. An integrated transformer, characterized in that two filter inductors are each connected in parallel to the windings, and the additional winding area forms two leakage inductors respectively connected to both ends of the front end of the primary winding.
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|---|---|
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| KR1020230130972A KR102677832B1 (en) | 2023-09-27 | 2023-09-27 | Integral transformer |
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Citations (3)
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|---|---|---|---|---|
| KR20220022677A (en) * | 2020-08-19 | 2022-02-28 | 엘지전자 주식회사 | Intergrated transformer, and ower converting apparatus including the same |
| KR20220111873A (en) * | 2021-02-03 | 2022-08-10 | 엘지이노텍 주식회사 | Transformer with Integrated Inductor |
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-
2023
- 2023-09-27 KR KR1020230130972A patent/KR102677832B1/en active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20220022677A (en) * | 2020-08-19 | 2022-02-28 | 엘지전자 주식회사 | Intergrated transformer, and ower converting apparatus including the same |
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