(57)【要約】本発明は、箔巻ロープロファイルパワーＬ−Ｔプロセッサを提供する。磁気巻線（２０）をコア（３９）内に配置する。磁気巻線（２０）は、少なくとも１つの端子を有し、絶縁空間（２６）によって分離された同心テープ巻線を具える。前記テープ巻線を、らせん状パターンにおいて一緒に巻かれた導電性箔（３４）及び絶縁フィルム（３６）で形成することができる。磁気巻線（２０）は、非磁性非導電性中心ポストを配置することができる中心開口（２４）を有することができる。前記中心ポストを、結合された長さが中心開口（２４）の長さ未満の部分に分割し、中心開口（２４）内にエアギャップ（４８）を形成することもできる。
2004521505.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
箔巻ロープロファイルパワーＬ−Ｔプロセッサにおいて、
第２テープ巻線と、前記第２巻線の周囲に同心に配置された絶縁空間と、前記絶縁空間の周囲に同心に配置された第１テープ巻線とを具える磁気巻線と、
前記第１テープ巻線に電気的に接続された少なくとも１つの第１巻線端子と、
前記第２テープ巻線に電気的に接続された少なくとも１つの第２巻線端子と、
前記磁気巻線の周囲に配置され、動作的に結合されたコアとを具えることを特徴とする箔巻ロープロファイルパワーＬ−Ｔプロセッサ。
【請求項２】
請求項１に記載の箔巻ロープロファイルパワーＬ−Ｔプロセッサにおいて、前記磁気巻線の直径が前記磁気巻線の厚さより実質的に大きいことを特徴とする箔巻ロープロファイルパワーＬ−Ｔプロセッサ。
【請求項３】
請求項１に記載の箔巻ロープロファイルパワーＬ−Ｔプロセッサにおいて、前記磁気巻線の直径の前記磁気巻線の厚さに対する比が１０：１以上であることを特徴とする箔巻ロープロファイルパワーＬ−Ｔプロセッサ。
【請求項４】
請求項１に記載の箔巻ロープロファイルパワーＬ−Ｔプロセッサにおいて、前記第１テープ巻線が、らせん状パターンにおいて巻かれた導電性箔及び絶縁フィルムをさらに具えることを特徴とする箔巻ロープロファイルパワーＬ−Ｔプロセッサ。
【請求項５】
請求項４に記載の箔巻ロープロファイルパワーＬ−Ｔプロセッサにおいて、前記第１テープ巻線が、各対の間に絶縁空間を有する複数の同心リングをさらに具え、前記同心リングが、らせん状パターンにおいて巻かれた導電性箔及び絶縁フィルムをさらに具えることを特徴とする箔巻ロープロファイルパワーＬ−Ｔプロセッサ。
【請求項６】
請求項１に記載の箔巻ロープロファイルパワーＬ−Ｔプロセッサにおいて、前記第２テープ巻線が、らせん状パターンにおいて巻かれた導電性箔及び絶縁フィルムをさらに具えることを特徴とする箔巻ロープロファイルパワーＬ−Ｔプロセッサ。
【請求項７】
請求項１に記載の箔巻ロープロファイルパワーＬ−Ｔプロセッサにおいて、前記第１テープ巻線に電気的に接続された前記第１巻線端子を複数具えることを特徴とする箔巻ロープロファイルパワーＬ−Ｔプロセッサ。
【請求項８】
請求項１に記載の箔巻ロープロファイルパワーＬ−Ｔプロセッサにおいて、前記第２テープ巻線に電気的に接続された前記第２巻線端子を複数具えることを特徴とする箔巻ロープロファイルパワーＬ−Ｔプロセッサ。
【請求項９】
請求項１に記載の箔巻ロープロファイルパワーＬ−Ｔプロセッサにおいて、前記絶縁空間がポリマであることを特徴とする箔巻ロープロファイルパワーＬ−Ｔプロセッサ。
【請求項１０】
請求項１に記載の箔巻ロープロファイルパワーＬ−Ｔプロセッサにおいて、前記第２テープ巻線が、前記第２テープ巻線の軸に沿った中心開口を形成することを特徴とする箔巻ロープロファイルパワーＬ−Ｔプロセッサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細の技術分野は、インダクタ装置であり、特に、インダクタ特徴及びトランス特徴を有する箔巻ロープロファイルパワープロセッサである。
【０００２】
近年、パワー電子回路及び構成要素に関してロープロファイルパッケージ後の積極的な追求があった。これは、スイッチングパワー電子回路網の高パワー及び低パワー用途の双方において慣例的でない設計を招いた。ロープロファイルは、電源の平坦さが主要な製品特徴を補ういくつかの用途においてきわめて重要であるが、多くの他の用途において、費用及び性能を改善する第２の設計目的として適所を見つけている。集積パワー回路、モジュラ化、パワーエレクトロニクスにおける標準化、パワー電子ビルディングブロック及び分配パワーシステムのような他の関連する開発は、ロープロファイルパッケージング技術の発展に燃料を供給している。
【０００３】
しかしながら、しばしば誤解されるのは、現在の材料でロープロファイルを得ようとすることであり、製造技術は、ある基本的なトレードオフを含む。純粋に電磁気の展望から、平坦なパワー処理構成要素は、一般的な材料及び箱型構造を使用しない。これは、平坦化構造は、同じ機能を行うのに、より大きな容積と、より多大なフットプリント領域とを必要とすることを意味する。
【０００４】
現在の純粋な平面パワー装置は、スタックにおいて配置された、長方形の絶縁材料と交互の長方形の箔を使用する。前記絶縁材料は、代表的に、低い電気伝導性の所望の特徴に伴う低い熱伝導性の望ましくない特徴を有する。前記絶縁材料は、前記スタックの方向に沿った主要な熱フロー経路にあり、伝熱を妨げる。前記長方形形状は、前記長方形の中心がどのヒートシンクからも遠すぎるため、前記箔に沿った効率的な伝導性熱フローを妨害する。これらの要因は、前記装置の中心において高い温度を招くかもしれない。
【０００５】
低い渦電流ロスと設計柔軟性とは、リッツ線を使用することによって達成可能であるが、リッツ線巻線はいくつかの欠点に苦しむ。高価であり、加工が困難である以外に、リッツ線は、含まれる絶縁物の量により、より高い巻線パッキング密度も示す。結果として、リッツ巻線構成要素は、しばしば、巻線内部にホットスポット温度を発生する危険を生じる。
【０００６】
パワー変換装置のサイズ及び重さは、パッシブ構成要素、すなわち、キャパシタ、トランス及びインダクタのサイズ及び重さによって左右される。
【０００７】
上記欠点を克服する箔巻ロープロファイルＬ−Ｔパワープロセッサを得ることが望ましい。
【０００８】
本発明のある態様は、ロープロファイルパッケージングを有する箔巻ロープロファイルパワーＬ−Ｔプロセッサを提供する。
【０００９】
本発明の他の態様は、高いパワー密度において動作する箔巻ロープロファイルパワーＬ−Ｔプロセッサを提供する。
【００１０】
本発明の他の態様は、優秀な熱伝導性を有する箔巻ロープロファイルパワーＬ−Ｔプロセッサを提供し、ホットスポットを回避することである。
【００１１】
本発明の他の態様は、インダクタ特徴及びトランス特徴を統合する箔巻ロープロファイルパワーＬ−Ｔプロセッサを提供し、パッシブ構成要素の数を減らすことである。
【００１２】
本発明の上記及び他の特徴及び利点は、添付した図面と共に読まれる以下の好適実施例の詳細な説明からさらに明らかになるであろう。詳細な説明及び図面は、単に本発明の例証であり、添付した請求項及びその等価物によって規定される本発明の範囲を限定するものではない。
【００１３】
図１は、プロトタイプの箔巻ロープロファイルパワーＬ−Ｔプロセッサの斜視図である。パワープロセッサ４２は、コア３９内に配置された第１巻線端子３０及び第２巻線端子３２を有する磁気巻線２０を具える。パワープロセッサ４２は、積み重ねられた長方形の箔のアセンブリではなく短い円筒状磁気巻線２０を使用し、円筒状磁気巻線２０をはめるコア３９を使用することによって、純粋な平面パワー装置と異なる。パワープロセッサ４２は、箔巻ロープロファイル磁気構成要素として最良に形容される。純粋な平面パワー装置ではないが、パワープロセッサ４２は、製品設計及び性能に関して望ましいロープロファイルを維持する。円筒状巻線の使用は、パワー密度及びエネルギー密度の見地から、スタック長方形装置よりはるかに高い材料利用を可能にする。
【００１４】
図１に示すパワープロセッサはプロトタイプ装置である。さらなる改良が可能である。ロープロファイルは、取り付けるための小型のシェル内に前記パワープロセッサを平坦にパッケージングするのに適する。端子を特定の用途に必要な、又は、標準的なボードレイアウトに一致するときには前記パッケージから取り出すことができる。平坦な表面に、フィン、ファン又は他の冷却特徴を設けることもできる。平坦プロファイル及び垂直巻線は、前記パワープロセッサからの熱の伝達につながり、発生した熱は、ヒートシンクに近く、伝導性コイルに沿って垂直に流れる。
【００１５】
パッシブ統合を、前記パワープロセッサの漏れインダクタンスを、前記パワープロセッサを使用する回路設計中に含めることによって達成することができる。例えば、前記回路が共振タンクを含む場合、前記パワープロセッサの漏れインダクタンスは共振インダクタのサイズを減少することができ、または完全に除去することができる。
【００１６】
図２は、本発明にしたがって形成された箔巻ロープロファイルパワーＬ−Ｔプロセッサに関する磁気巻線２０を示す。
【００１７】
磁気巻線２０は、中心開口２４を有する第２テープ巻線２２と、第２テープ巻線２２と同心の絶縁空間２６と、絶縁空間２６と同心の第１テープ巻線２８とを具える。第１テープ巻線２８及び第２テープ巻線２２を、絶縁フィルムを有する導電性箔のターンで形成する。図３を参照されたい。前記テープ巻線を、その軸上の厚さより大きい直径を有する短い円筒形状に形成することができ、一般に箔又はバレル巻線とも呼ぶ。磁気巻線２０の機械的ストレス及び電気的特性を、真空含浸及びカプセル化のようなプロセスによる製造中に高めることができる。図２は、２つのテープ巻線及び１つの絶縁空間を有する実施例を示すが、追加のテープ巻線及び絶縁空間の同心リングを加え、特定の用途に関する特別な性能要求を得ることができる。
【００１８】
磁気巻線２０を、特定の用途に関して要求される任意の厚さにすることができる。ある実施例において、直径を軸の長さより実質的に大きくし、垂直巻線を形成する。他の実施例において、前記巻線は、１０：１以上の前記箔巻線直径の前記箔巻線厚さに対する比を有することができ、これは、一般に平面又は実質的にロープロファイル構成要素に関する比とみなされる。ロープロファイルは、回路ボード取り付け及び熱伝導に望ましい。
【００１９】
種々のテープ巻線を、所望の性能特徴及び用途に応じて１次又は２次巻線として選択することができる。２つ以上のテープ巻線を使用する場合、追加の巻線を、磁気巻線２０の種々の直径において配置することができ、これらの追加の巻線は、３次、４次等の巻線として作用する。互いに関する前記テープ巻線の直径は、各々のテープ巻線に関する漏れフラックスを制御する。したがって、第２テープ巻線２２が１次巻線として作用し、第１テープ巻線２８が２次巻線として作用する場合、各々のテープ巻線に関する漏れインダクタンスは、役割が逆の場合と比べてまったく異なるが制御可能である。すなわち、２次巻線を１次巻線の内側に巻いた場合である。一般に、中心から最も遠いテープ巻線は、本来関係する漏れインダクタンスの高い値を有する。
【００２０】
絶縁空間２６を、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）フィルム又はデュポンによって製造されるマイラーブランドのポリエステルフィルムのようなポリマ絶縁材料のターンで満たすことができ、又は、絶縁材料の単一ピースとして製造することができる。前記絶縁材料の熱抵抗を最小にし、前記パワープロセッサの内側から外側への温度勾配を低くすることができ、高い温度安定性を与えることができる。絶縁空間２６の半径方向の厚さは、積分された漏れインダクタンスの量、すなわち、蓄積された磁気エネルギーの一部を制御する。合計の漏れインダクタンスは、絶縁空間２６の半径方向の厚さが増すにつれて増加する。
【００２１】
第１テープ巻線２８及び第２テープ巻線２２に、各々、第１巻線端子３０及び第３巻線端子３２を設ける。前記巻線端子は、前記パワープロセッサと外部装置との間の電気的接続を与える。前記巻線端子を、製造プロセス及び周囲の材料と調和する任意の導電性材料で形成することができ、種々の実施例において、銅、金、銀又はアルミニウムで形成することができる。前記巻線端子を、前記テープ巻線の導電性箔の個々のターンと電気的に接触させ、適所に溶接又はプレスすることができる。前記巻線端子の半径方向位置を、変化する電圧のような動作中の変化した動作出力特性を達成するように選択する。多数の巻線端子を使用し、多数のタップを与えることができる。
【００２２】
図３は、箔巻ロープロファイルＬ−Ｔプロセッサに関する箔巻線の図式的な断面図を示す。導電性箔３４の長いストリップと絶縁箔３６を共通軸の周りに巻き、導電性箔３４と絶縁フィルム３６の交互の層を形成する。導電性箔３４の各々のターンを、導電性箔３４よりわずかに幅広い絶縁フィルム３６によって次のターンから絶縁する。絶縁フィルム３６の余分な幅は、導電性箔３４のあるターンが次のターンとショートするのを防ぎ、この余分な幅を、絶縁フィルム３６と導電性箔３４との間の相対幅の初期選択によって、又は、磁気巻線２０をエッチングし、磁気巻線２０を巻いた後の導電性箔３４の幅を減少させることによって達成することができる。
【００２３】
ある実施例において、導電性箔３４を銅にすることができ、絶縁フィルム３６をポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）フィルム又はデュポンによって製造されるマイラーブランドのポリエステルフィルムのようなポリマにすることができる。他の実施例において、導電性箔３４を金、銀又はアルミニウムで形成することができる。異なった厚さの異なった材料を選択し、所望の性能を満たすことができ、これらの材料は当業者によって理解されるであろう。導電性箔３４の厚さを、設計周波数における表皮深さと比べて小さくすることができる．多数の同心テープ巻線を使用する場合、異なった導電性箔厚さを各々の巻線に使用することができる。代わりの実施例において、いくつかの箔の層を絶縁フィルム３６の各ターンに関して並列に巻き、導電性箔３４がいくつかの箔の層を具えるようにすることができる。
【００２４】
前記パワープロセッサにおける導電性箔３４及び絶縁フィルム３６の方向を、効率的な熱伝導に適合させる。熱は、前記導電性箔の狭い幅に沿って前記コアへ流れ、これはヒートシンクとして作用する。これは、前記磁気巻線の中心が高い温度になるのを防ぐ。絶縁材料と交互の長方形箔のスタックを具える純粋な平面パワーデバイスにおいて、熱フロー経路における前記絶縁材料は熱伝導を制限する。本発明のパワープロセッサにおける絶縁材料は、熱フローの方向に沿って位置する。これは、前記磁気巻線からのより良好な熱伝導を与える。
【００２５】
同様の要素が図２と同様の参照符を共有する図４は、箔巻ロープロファイルＬ−Ｔプロセッサの上面図を示す。第１ハーフコア３８及び第２ハーフコア４０（図５に示す）は、磁気巻線２０を収容し、パワープロセッサ４２を形成する。前記ハーフコアを、フェライトのようなトランスコアに代表的に使用される材料で形成することができる。前記コアを、磁気巻線２０の周囲に配置され、前記巻線端子に関する通路を与えるのに適した任意の形状にすることができる。磁気巻線２０の軸に沿って見て、前記コアの形状を、前記端子に関する種々の切抜きを有する長方形又は十字型にすることができる。磁気巻線２０内の配置に関する中心ポストを含んでも省略してもよい。前記コアのジオメトリを、磁気巻線２０のロープロファイルを可能にするように平坦化され、異なった相対的寸法を有する、ＰＱ、ＲＭ又はＥＱコア設計のような標準構成の実質的な変更にすることができる。
【００２６】
同様の要素が図４と同様の参照符を共有する図５は、箔巻ロープロファイルパワーＬ−Ｔプロセッサに関する図４からの断面図Ａ−Ａを示す。コア３９は、第１ハーフコア３８及び第２ハーフコア４０を具える。第１ハーフコア３８の第１中心ポスト４４及び第２ハーフコア４０の第２中心ポスト４６は、磁気巻線２０の中心開口２４を通過する。ある実施例において、第１中心ポスト４４及び第２中心ポスト４６の組み合わされた長さを、磁気巻線と絶縁体の合わせた厚さより短くし、中心開口２４における前記中心ポスト間にエアギャップを形成する。前記中心ポストを、非磁性非導電材料で形成することができる。エアギャップ４８と非磁性中心ポストは、磁気巻線２０の中心に最も近い第２テープ巻線２２の漏れインダクタンスを減少する。
【００２７】
第１絶縁体５０と、エッジ絶縁体５２と、第２絶縁体５４とは、磁気巻線２０と前記コアとの間の空間を満たす。第１絶縁体５０と、エッジ絶縁体５２と、第２絶縁体５４の厚さは、積分された漏れインダクタンスのサイズ、すなわち、蓄積する磁気エネルギーの小部分を制御する。前記絶縁体に関する材料を、高い電気抵抗及び低い熱抵抗に関して選択する。前記絶縁体の低い熱抵抗は、前記パワープロセッサの内側から外側への低い温度勾配を達成し、高い温度安定性を与えるのを助ける。前記絶縁体に関する可能な材料は、空気、熱伝導パッド又は樹脂ベースポッティング材料である。
【００２８】
ここに開示した本発明の実施例は現在好適であると考えられ、種々の変更及び変形を本発明の精神及び範囲から逸脱することなく行うことができる。本発明の範囲を添付した請求項において示し、等価物の意味および範囲内に来る変更はすべて、そこに包含されるように意図する。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明にしたがって形成されたプロトタイプ箔巻ロープロファイルパワーＬ−Ｔプロセッサの斜視図を示す。
【図２】本発明にしたがって形成された箔巻ロープロファイルパワーＬ−Ｔプロセッサに関する磁気巻線を示す。
【図３】本発明にしたがって形成された箔巻ロープロファイルパワーＬ−Ｔプロセッサに関する箔巻線の図式的な断面図を示す。
【図４】本発明の方法にしたがって形成された箔巻ロープロファイルパワーＬ−Ｔプロセッサの上面図を示す。
【図５】本発明にしたがって形成された箔巻ロープロファイルパワーＬ−Ｔプロセッサに関する断面図を示す。
【国際公開パンフレット】
2004521505.tif 000003
2004521505.tif 000004
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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2004521505.tif 000016
【国際調査報告】
2004521505.tif 000017
2004521505.tif 000018