CN1362005A - 印刷电路板上的绝缘阻挡层 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种设置有绝缘变压器的印刷电路板(PCB)组件,此绝缘变压器的作用是作为两个电气系统之间的绝缘阻挡层。按照本发明,此印刷电路板组件包括至少两个分离的印刷电路板部段(21,22),并且绝缘变压器(10)还用作为支撑结构,以机械上把所说部段相互连接。因为这些印刷电路板部段是分离的,所以它们不再影响绝缘阻挡层的爬电距离。相反,变压器(10)的绝缘材料和结构设计决定了所须的最小爬电距离。这种变压器的绝缘材料通常比印刷电路板的材料具有高得多的相比漏电起痕指数(CTI)值,因而所须的爬电距离就比较小。通过隔离印刷电路板上的爬电路径,与以前技术的布置相比,会显著减小变压器的尺寸。

Description

印刷电路板上的绝缘阻挡层

                    发明的技术领域

本发明总的来说涉及印刷电路板上的一种绝缘阻挡层，并且特别地涉及一种配有一绝缘变压器的印刷电路板组件及这种印刷电路板组件的制造。

                        发明背影

为了使电气系统或电路相互绝缘，正常情况下都使用绝缘变压器。曾设计一种绝缘变压器来提供电气系统之间的磁耦合，而不会在它们之间引入显著的电导耦合或静电耦合。绝缘主要是一个把连接和元件分离的问题，因而明显的是，绝缘要求与使整个设备的尺寸尽可能小是相抵触的。因此，绝缘变压器的结构一般都要求相当大的间隙距离和爬电距离以获得所期望的电绝缘。在这里，爬电距离是指沿绝缘表面测得的两导体之间的最短距离。

图1是按照以前的技术在印刷电路板(PCB)上设置的一绝缘变压器的简图。通常用常规的变压器引出脚，即初级边引出脚3和次级边引出脚4，把绝缘变压器1安装在印刷电路板2上。通常，设计用于印刷电路板的绝缘变压器时，沿变压器的初级边和次级边之间直线的点到点距离的尺寸是按印刷电路板的爬电距离来确定的。这就意味着变压器初级边和次级边之间点到点的距离必须大于相关电压下所须的印刷电路板的最小爬电距离。

相比漏电起痕指数(CTI)是一种能够用以相对于爬电距离比较绝缘材料的一种比较指数。CTI值越高，所须的爬电距离越小。这就是说，相对于较小的爬电距离，就要选择CTI值较高的绝缘材料。

虽然可以用各种各样的材料来制造印刷电路板，但是它们却常常用CTI值较低的诸如FR4或类似材料来制造。有可能用具有较高CTI值的材料来制造印刷电路板，但是这需要采用特殊而昂贵的材料来制造印刷电路板。实际上，很少采用这类特殊材料，而且印刷电路板的CTI值通常是比较低的。因此，所须的爬电距离就会变得相当大。这意味着变压器的尺寸将必须比较大，并且变压器会占据相当大的印刷电路板面积。

本发明克服了以前的技术在布置上的这些缺点和其他缺点。

                     相关的技术

1998年3月10日公布的、Bell的5,726,616美国专利涉及一种多线架变压器。一组件罩配置在此线架周围，此外此组件罩还有一用以使线芯定位的凸缘。线架和组件罩都设计得能满足爬电距离和间隙的要求。线芯包括若干可以穿过组件罩和线芯的叠片，组件罩则设有一用于接纳线芯的插座。为了确保叠片就位，有一组件罩安装在叠片外侧周围。

                      发明简述

本发明总的目的是提供一种用于印刷电路板或印刷电路板组件的体积有效的绝缘阻挡层。

特别是，希望用在印刷电路板或印刷电路板组件上安装一小巧的绝缘变压器的方法为其上的两个电气系统之间提供所需的绝缘。

本发明的另一个目的是改善在印刷电路板或印刷电路板组件上用作绝缘阻挡层的绝缘变压器的爬电特性。

本发明的还有一个目的是提供一种制造包含一绝缘变压器的印刷电路板组件的有效方法。

由后附的权利要求限定的本发明将满足以上这些目的和其他目的。

按照本发明的总的设想是把此绝缘变压器用作支撑结构，以把至少两个分离的印刷电路板部段机械上相互连接在一起。最好，在把绝缘变压器安装到印刷电路板后，用把一印刷电路板分割成若干部段的方法来形成分离的印刷电路板部段。因为印刷电路板已经被分离了，所以它不再影响绝缘阻挡层的爬电距离。而变压器的绝缘材料则决定了所须的最小爬电距离。变压器绝缘材料的CTI值通常比印刷电路板材料的CTI值高得多，因而致使所须的爬电距离比较小。由于分割了印刷电路板上的爬电路径，因此有可能采用整个印刷电路板组件的更为均衡的设计方案。可以获得下列优点：

对于任何给定的绝缘要求，与采用以前技术的布置相比，变压器的尺寸将显著减少。

节省变压器壳体的材料和树脂。

变压器在印刷电路板上的补偿面积也会减少。

由于变压器的重量较小，所以印刷电路板的振动比较容易处理。

因为印刷电路板被分离成若干部段，所以在制造过程中不再需要对印刷电路板进行测试以确认其所须的绝缘要求，因而可以省去成本核定和耗时试验程序

应该理解，虽然有效制造这种印刷电路板组件通常指，在把绝缘变压器安装到印刷电路板上以后才把印刷电路板分离成若干部段，但是也可能各印刷电路板的分离部段原先就是分离的印刷电路板。

为了改善绝缘变压器的爬电特性，最好用基本非平面的方式来形成变压器壳体。有利的是，变压器壳体还形成有凹进部段，如槽或类似的构造，和/或凸出部段，如凸片或肋。以这种方式，沿变压器壳体表面初级边和次级边之间的距离增加了。以这种方法，绝缘变压器可以做得更为小巧。

一种制造按照本发明的印刷电路板组件的有效方法包括在印刷电路板上开一个开口及在其上制作几个可折断部段。在开口的每一侧形成有可折断部段，使得在安装绝缘变压器之后，再除去那些可折断部段，则印刷电路板便被分离成分离的印刷电路板部段了。然而，首先使绝缘变压器位于与开口对准，并且把它安装到印刷电路板上，使它起支撑结构的作用，在机械上把分离的印刷电路板部段相互连接在一起。最好，在完成安装变压器和其他元件以后才除去可折断部段。以这种方法，可折断部段可以为印刷电路板的最合适的焊接提供所须的刚性。

采用一种所谓可折断板技术，仍有可能在自动焊接线上有效地制造印刷电路板组件。

阅读下文对本发明实施例的介绍将会理解到本发明提供的其他优点。

                        附图简介

参阅下文的描述及附图将更好地理解本发明及其进一步的目的和优点，其中：

图1为说明按照以前的技术、设置在印刷电路板上的绝缘变压器的简图；

图2为按照本发明的第一优选实施例的印刷电路板组件的简图；

图3A-3B为用于按照本发明的绝缘变压器壳体的透视图；

图4A至图4C为说明用于制造按照本发明的印刷电路板组件的方法的简图；

图5为从焊接一侧观察按照本发明的印刷电路板组件的视图；和

图6A和图6B为按照本发明的第二实施例的印刷电路板组件的简图。

                本发明实施例的详细说明

在所有附图中，相应的或相似的元件将使用相同的参考符号。

应该理解到，术语“印刷电路板”不应狭义地解释为限于带有“印刷的”元器件的电路板，而应广义地解释为任何类型的常规电路板。

图2为按照本发明的第一个优选实施例的印刷电路板组件的简图。由图2可见，此印刷电路板被分成由绝缘变压器10相互连接的两个分离部段21和22。一般来说，印刷电路板的每一部段都带有构成各自电气系统的许多电气元件。变压器10在其初级边有若干个引出脚11A，而在其次级边有若干个引出脚11B。最好，引出脚11A和11B分别穿孔焊接在分离的印刷电路板部段21和22上。变压器10的作用是作为一种支撑结构把分离的印刷电路板部段21和22机械上相互夹持在一起，并把整个印刷电路板组件固定在一起。同时，此变压器还在两个分离的印刷电路板部段21和22之间起着绝缘阻挡层的作用。这意味着，有可能采用CTI值较高的变压器10的绝缘材料。一般来说，变压器本体的绝缘材料可以从材料组I(CTI＞600)或材料组II(400≤CTI≤600)中来选取。如上所述，CTI值高意味着所须的爬电距离小。采用分隔印刷电路板上的爬电路径，并使用CTI值较高的绝缘变压器10作为电气系统之间的绝缘体，用较小的变压器就能达到所须的绝缘。

印刷电路板本身可以用各种各样的材料制成，例如，可以用FR4、聚酰胺、酚醛纸、A1202、聚四氟乙烯(PTFE)、含有无碱玻璃纤维的碳氢化合物和含有无碱玻璃纤维的APPE。应该理解到，因为印刷电路板不再影响绝缘阻挡层的爬电距离，所以印刷电路板的CTI值就不是关键的了。

此外，按照本发明还能够减少国际标准所须要的成本核定和耗时电压试验程序。按照惯例，绝缘变压器要经受许多次电压试验。首先，变压器制造厂要测试变压器。其次，当变压器安装到印刷电路板上时，还要测试印刷电路板。最后，把印刷电路板组件安装到更大的系统中时，还要对整个系统进行测试。然而，每一次电压试验都会使变压器的绝缘阻挡层受到一次损害。按照本发明，由于印刷电路板上的电气系统之间不存在爬电路径，所以就不再需要测试印刷电路板的绝缘特性了。换言之，制造印刷电路板过程中的绝缘测试程序可以取消。一般来说，这就意味着变压器经受的电压试验仅为两次，而不是采用以前技术时的三次。这是本发明所提供的一个明显优点。

提供原先就是分离的印刷电路板用作分离件，也有可能使印刷电路板组件具有优异的绝缘特性。在这种情况下，甚至可以提供印刷电路板部段用作由不同材料制成的分离的印刷电路板。例如，印刷电路板部段之一由于使用高电压或由于对印刷电路板材料的热要求，可能需要特殊而昂贵的材料，而对于另一分离的印刷电路板部段则采用较廉价的材料就足够了。自然，这为印刷电路板组件的设计者开拓了新的可能性，并提供了更宽松的设计自由度。

为了改进绝缘变压器10的爬电特性，最好此变压器设置有至少一个凹进部段，如一条槽或类似物，和/或一个运行的凸出部段，如一凸片或肋。最好，这些部段还沿着变压器壳体的侧边和底部伸展。如图2所示，凸片13A和13B连同这两个凸片之间形成的凹进部段穿过分离的印刷电路板部段21和22之间的开口延伸到了印刷电路板的焊接一侧。常规的印刷电路板焊接技术允许变压器凸片13A和13B浸入焊浴达3.5mm。这便大大增加了沿变压器壳体表面变压器的初级边和次级边之间的距离。可以看到，沿变压器表面的最短的路径，也就是爬电路径，由变压器壳体引出脚11A和11B的位置确定。由于凸片13A和13B延伸到印刷电路板的焊接一侧，所以间隙距离也会增加。在图2中，爬电路径用虚线表示，间隙距离则用箭头线表示。由图2可见，现在间隙距离变成了关键参数。通常，对于传统的绝缘变压器，爬电距离是很关键的。

很明显，由于保持或改善了间隙特性，所以凸片使爬电特性也大为改善。然而，在某些情况下，如果间隙的情形是可以控制的，则有可能省去凸片，而仅使用一个或几个凹进部段来改善爬电特性。

虽然凹进和/或凸出部段最好沿变压器壳体的一侧或几侧连续延伸，但是应该理解到，为了改进爬电特性，可以用各种不同的构型来安排凹进和/或凸出部段。例如，在变压器壳体的一侧或几侧基本上相互平行配置的两个或几个槽或凸片，只要它们是以重叠方式安排的，就没有必要非沿整个表面的一侧或几侧继续延伸，从而导致在垂直于延伸槽或凸片方向上爬电路径的增加。

从电学上看，可把变压器10设计成任何适当的印刷电路板型的常规变压器。

图3A和3B是用于按照本发明的绝缘变压器的壳体的透视图。变压器壳体有一个主体15、沿壳体本体设置的许多凸片13、变压器引出脚11和用于与固定螺钉(未示出)接合的孔17。最好，凸片13沿变压器壳体的至少三个侧连续延伸，即沿第一侧壁、沿底边和沿相对于第一侧壁的第二侧壁。

从变压器的初级边延伸到次级边的侧壁通常是经过加强的，以便能承受印刷电路板的重量和变压器的重量。

图4A至图4C是说明制造按照本发明的印刷电路板组件的图示。图4A示出一标准印刷电路板在两个主要部段21和22之间并设置有三片可折断部段23、24和25。除去可折断部段25，以在印刷电路板上界定了一用以接纳变压器的中心开口。如图4B所示，变压器10与中心开口对准。可折断部段23和24则仍然留在其位置上，以便在安装变压器10和其他元件时使两个主要部段21和22仍旧连在一起。最好，用常用的固定螺钉把变压器固定到印刷电路板上，然后再把它焊接到印刷电路板上。如图4C所示，在安装完毕后，再把可折断部段23和24除去，以使两个主要部段21和22分离。变压器10则把两个分离的印刷电路板部段21和22相互连接。因此，变压器10的绝缘材料确定了所须的爬电距离。

可选地，例如用钻或冲的方法来加工印刷电路板上的中心开口。当然，不用可折断板的技术，而采用其他技术也能把两个主要部段分离。然而，在自动焊接线上生产时最好采用可折断板的技术。

通常，在印刷电路板的初级边的焊接工序之后、安装变压器之前才除去可折断部段25，这道工序通常采用红外焊接技术或其他类似的焊接技术来完成。以同样的方法，在焊接印刷电路板的次级边之后最好除去可折断部段23和24。

图5为从焊接一侧观察的按照本发明的印刷电路板组件的视图。此组件主要包括通过绝缘变压器机械地相互连接的印刷电路板的两个主要部段21和22。变压器则由固定螺钉30固定到印刷电路板部段上。变压器引出脚11是焊接到印刷电路板上的通孔，并从印刷电路板伸出一段距离(例如1-2mm)，以使引出脚充分暴露于焊接。可折断部段23和24在焊接以后就被除去。图5还示出了变压器壳体的凸片13沿分割印刷电路板部段21和22的线是如何伸展。

为了更好地理解本发明，下文将参考特殊应用场合描述印刷电路板组件的更为详细的使用实施例。

用于马达速度控制的静态变流器通常都是用功率半导体来控制发动机电流。而功率半导体则由称之为门驱动单元(GDU)的电子线路为基础的印刷电路板控制的。通常由小变压器从低电压系统向门驱动单元供电，而此变压器必须在低电压系统和变流器的功率回路之间提供足够的绝缘。当采用绝缘的门双极晶体管(IGBT)作为发动机变流器的功率半导体时，用于门驱动单元的必要供电功率会小于10W。这意味着，此变压器可以直接安装在印刷电路板上。现假定在低电压和高电压系统之间采用功率为10W的变压器。按照标准，在变压器的初级边和次级边之间必须提供增强绝缘。

下列的表I概括了对两种不同的高电压系统的要求，一系统的额定绝缘电压为1800V，另一系统的额定绝缘电压为4200V。

表I

	1800V系统	4200V系统
			额定绝缘电压(UNm)	1800V	4200V
额定脉冲电压(UNi)	16.0kV	28.8kV
			间隙(Cl)按照prEN50124-1：1998	19.3mm	38.0mm
爬电(Cr)变压器本体的材料组II，400≤CTI≤600污染度PD2按照prEN50124-1：1998	25.6mm	59.6mm
			爬电(Cr)变压器本体的材料组I，CTI＞600污染度PD2按照prEN50124-1：1998	18.0mm	42.0mm
爬电(Cr)	36.0mm	84.0mm

由表I可见，安装在图1所示的印刷电路板上的常规绝缘变压器的爬电距离是由印刷电路板的材料确定的，对于1800V的系统爬电距离至少必须36mm。对于按照本发明的绝缘变压器，根据变压器壳体所用的材料，1800V系统的所须最小爬电距离为18mm或25.6mm。如果从材料组II中选取变压器的材料，则1800V系统的所须最小爬电距离为25.6mm。间隙距离为19.3mm。通过提供变压器壳体带有图2所示的或与之相当的凸片，那么19.3mm的间隙距离便是临界参数。因此，变压器的初级边与次级边之间的距离在20mm左右是足够的了，刚好满足间隙要求。与常规布置的36mm的相应距离相比，这是一个显著的改进。当要求较高的绝缘电压，例如4200V，时，如图6A和6B所示，可以采用表面焊接的变压器引出脚来增加间隙距离。图6A和6B是按照本发明的第二优选实施例的印刷电路板组件的简图。图6A和6B的布置与图2的布置类似，只是现在变压器引出脚41A和41B是表面焊接到印刷电路板的部段21和22上。与以前相似，为了改善变压器的爬电特性，变压器40设置有许多引出脚43A-43C。在图6A中，用虚线表示爬电距离，而在图6B中用虚线表示间隙距离。

然而，应该注意，如果变压器是紧安装到印刷电路板上的，那么图6B中所示的空气路径就无效了。取而代之，间隙路径则将绕着变压器侧边延伸，提供较长的间隙距离。

上文介绍的实施例仅仅是给出了几个例子，并且应理解为本发明限制于此。例如，变压器设计者可以修改变压器的壳体和变压器的制造性。保留本文所披露和保护的根本原则的进一步的修改、变化和改进，则仍属本发明的范围。

Claims (19)

1.一种用绝缘变压器(10；40)获得印刷电路板组件上的绝缘阻挡层的方法，其特征在于，所说的方法包括以下步骤：

用所说的绝缘变压器(10；40)机械上把分离的印刷电路板部段(21，22)相互连接起来；和

形成所说的绝缘变压器(10；40)的壳体，沿所说的变压器壳体的至少一侧延伸有至少一凹进部段和/或凸出部段(13；43)。

2.按照权利要求1的获得绝缘阻挡层的方法，其特征在于，所说的分离的印刷电路板部段(21，22)是，在把所说的绝缘变压器安装到所说的印刷电路板上以后，用把印刷电路板分割成所说的部段形成的。

3.按照权利要求1的获得绝缘阻挡层的方法，，其特征在于，所说的分离的印刷电路板部段(21，22)启始提供为分离件。

4.按照权利要求1的获得绝缘阻挡层的方法，其特征在于，其还包括为所说的绝缘变压器(10；40)选择其绝缘材料的步骤，这种材料的相比漏电起痕指数(CTI)比印刷电路板部段的CTI要高。

5.按照权利要求1的获得绝缘阻挡层的方法，其特征在于，其还包括下列步骤：为了改善爬电特性，以大体非平面的方式形成所说的绝缘变压器(10；40)的壳体。

6.按照权利要求1的获得绝缘阻挡层的方法，其特征在于，所说的绝缘变压器(40)表面焊接到所说的印刷电路板部段。

7.一种具有绝缘变压器(10；40)的印刷电路板(PCB)组件，其特征在于，所说的印刷电路板组件包括至少两个分离的印刷电路板部段(21，22)，并且所说的绝缘变压器(10；40)作为一支撑结构起作用，以机械上把部段(21，22)相互连接，而所说的绝缘变压器(10；40)具有一壳体，其形成有沿所说的变压器壳体的至少一侧延伸的至少一个凹进部段和/或凸出部段(13；43)。

8.如权利要求7所述的印刷电路板组件，其特征在于，所说的分离的印刷电路板部段是由将一印刷电路板分割成所说的部段形成。

9.如权利要求7所述的印刷电路板组件，其特征在于，所说的分离的印刷电路板部段启始是以分离的印刷电路板的形式提供的。

10.如权利要求7所述的印刷电路板组件，其特征在于，所说的绝缘变压器(10；40)具有一种绝缘材料，其相比漏电起痕指数(CTI)比印刷电路板部段的CTI更高。

11.如权利要求7所述的印刷电路板组件，其特征在于，所说的绝缘变压器(10；40)的初级边安装在所说的分离的部段的第一部段上，而所说的变压器的次级边则安装在所说的分离的部段的第二部段上。

12.如权利要求7所述的印刷电路板组件，其特征在于，为了改善爬电特性，所说的绝缘变压器(10；40)的壳体是以大体非平面的方式形成的。

13.如权利要求7所述的印刷电路板组件，其特征在于，形成所说的凸出部段(13；43)，使得能在至少一个方向增加沿所说的变压器壳体的表面的、所说的变压器(10；40)的初级边和次级边之间的距离。

14.如权利要求7所述的印刷电路板组件，其特征在于，所说的凸出部段(13；43)包括沿所说的变压器壳体的至少三个侧边延伸的至少一个凸片或肋。

15.一种用于制造印刷电路板组件的方法，其包括下列步骤：在印刷电路板的第一部段(21)和第二部段(22)之间提供绝缘变压器(10；40)作为绝缘阻挡层，其特征在于，所说的方法包括以下步骤：

在所说的印刷电路板上开一个开口；

在所说的印刷电路板上，所说的开口的每一侧制成若干可折断部段(23，24)，所说的可折断部段的每一个都从所说的开口延伸到所说的印刷电路板的各自的边缘；

使所说的绝缘变压器(10；40)与所说的开口对准；

在所说的印刷电路板的所说的第一部段(21)和所说的印刷电路板的所说的第二部段(22)上把所说的变压器(10；40)安装到所说的印刷电路板上，所说的安装至少包括把所说的变压器焊接到所说的印刷电路板上；

除去所说的印刷电路板的所说的可折断部段(23，24)，以分离所说的印刷电路板的第一部段(21)和第二部段(22)，

从而，所说的绝缘变压器(10；40)起一种支撑结构的作用，把所说的印刷电路板的第一部段(21)和第二部段(22)机械上相互连接，并且，所说的变压器(10；40)的绝缘材料决定所说的绝缘阻挡层的所须的最小爬电距离。

16.按照权利要求15的制造印刷电路板组件的方法，其特征在于，除去所说的可折断部段(23，24)的所说步骤是在所说的安装步骤之后实施的。

17.按照权利要求15的制造印刷电路板组件的方法，其特征在于，其还包括形成带有至少一个凹进部段和/或凸出部段(13；43)的所说的变压器(10；40)的壳体步骤。

18.按照权利要求17的制造印刷电路板组件的方法，其特征在于，形成的所说的凸出部段(13；43)至少为一个凸片或肋，其基本上沿分割所说的印刷电路板部段的线的方向上延伸，并延伸穿过所说的开口。

19.按照权利要求15的制造印刷电路板组件的方法，其特征在于，所说的开口是用在所说的印刷电路板上先制成可折断部段(25)，随后把所说的可折断部段(25)从所说的印刷电路板上除去而制成的。

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