[发明专利]无铁芯印刷电路板型变压器

说明书

本发明涉及一种印刷电路板型变压器，特别的是涉及一种可以用作为功率逆流器及变流器的栅极驱动电路提供绝缘的变压器。本发明同时还涉及与变压器并用的栅极驱动电路。但也可用在一般需要体积很薄的电路和微型电路上应用。

功率逆流器和变流器的栅极驱动电路，例如MOSFET和IGBT这类的电子开关，通常要求电气绝缘。在各种可以采用的绝缘技术中，使用隔离变压器可能是最佳方法之一。但是，手工绕制的变压器和电感器生产成本较高，而且并不能直接成为印刷集成电路的一部分，因此，近期有致力找出人手制变压器的代替品的研究。

近期的研究方向是直接将变压器和/或电感器线圈绕在印刷电路板上。在J.M.Bourgeois.″PCB Based Transformer for Power MOSFET Drive″，IEEE APEC′94 pp.238-244可以找到这个方法的例子。除了成本因素之外，印刷电路板型的变压器和/或电感器受欢迎的原因是其具有自动化生产的可能性。

Bourgeois提出一种印刷电路板型变压器，用以绝缘大功率MOSFET装置的栅极驱动电路。这个变压器的线圈印在双面的印刷电路板(PCB)上。但是，Bourgeois的方案仍然需要铁氧体铁芯，Bourgeois方案具有一个优点是避免了人工绕制的变压器的使用，因为不能将不折断的铁氧体铁芯圈穿过印刷电路板，所以在Bourgeois提出的方法中不能使用普通的铁氧体铁芯圈。而是将一套U-I铁芯或U-U铁芯粘在一起，形成所要求的封闭的磁路代替使用这种铁氧体铁芯。

虽然Bourgeois的构思在减低生产成本和提高自动化生产方面有进步，但这些好处因需铁氧体铁芯以及两个这样的铁氧体铁芯粘在一起而有所限制。

本发明的一个目的在于提供一种无铁芯的印刷电路板型的变压器。因为完全不需要变压器铁芯，所以可以减低成本，大大简化了自动化生产的过程。

根据本发明所提供的无铁芯印刷电路板型变压器包括初级线圈和次级线圈，分别蚀刻在印刷电路板相对的两面上，在它们中间没有铁芯。

这种设计中，用传统的蚀刻印刷电路板技术，根据本发明的变压器在双面印刷电路板的相对侧设置“线圈”为导电的螺旋形轨，则变压器可以直接设置在印刷电路板上。由于不需要使用铁氧体铁芯，制造过程可以简化并可以做为自动化生产的一部分。这种变压器可以应用在信号和能量的传送。

根据变压器线圈的尺寸、初级及次级线圈的匝数、输送给次级线圈的负载的性质及大小，这种变压器可以在宽阔的频率范围内操作。在信号传送的应用上，输入电流最小时可以得到最佳操作频率，最佳操作频率和该变压器等效电路的最大阻抗频率相符。

一般而言，该变压器的可用频率大概在100KHz至20MHz之间。当频率低于100kHz时，变压器的能量损耗可能是一个相当严重的问题，不过，通过使用调制的输入技术，该变压器可以在频率低于100kHz的情况下使用。该变压器可以在高频率载波信号被低频率信号调制的情况下操作。举例来说，载波信号频率可以是该变压器的可用高频频宽，这个可用频宽是很高的，例如由100KHz至20MHz，而低频信号可以由1Hz至300kHz。高频载波信号应该调较至变压器的最佳操作频率。

根据本发明的无芯印刷电路板型变压器特别适用于MOSFET(金属-氧化物-半导体场效应管)及IGBT(绝缘栅极双极性晶体管)元件的栅极驱动电路内，因为该变压器能将元件和电源绝缘。

根据本发明的无铁芯印刷电路板型变压器提供栅极驱动电路给MOSFET和IGBT元件，其中所述元件的栅极和输入电源被无铁芯印刷电路板型变压器绝缘，所述无铁芯印刷电路板型变压器包括底面互相对应地蚀刻在一块双面的印刷电路板上。

此外，该变压器能在100KHz至20MHz的频宽操作，但是，该变压器在它的最大阻抗频率操作时，效果最理想。如需要在低于可用频宽的情况下驱动栅极，例如在直流电至300kHz，可以通过调制技术，低频的开关信号调制高频的载波信号最好是变压器的最佳操作频率，这个信号通过变压器后会被解调，提供一个低频栅极驱动信号。

根据本发明更提供了一种驱动功率MOSFET和IGBT元件栅极的方法，能够驱动功率MOSFET或IGBT元件，包括通过无铁芯印刷电路板型变压器将栅极与电源绝缘，该变压器的初级和次级线圈是底面互相对应地蚀刻在一块双面的印刷电路板上，两个线圈中间没有变压器铁芯。