Hochfrequenz-Leistungsübertrager

Abstract

 Hochfrequenz-Leistungsübertrager, insbesondere für nach dem Resonanzprinzip arbeitende Schaltnetzteile in Sand­wich-Bauweise, wobei auf dem Mittelschenkel (1) zumindest eines weichmagnetischen Kernteils (2) ein hülsenförmiger Spulenträger (7, 8) sitzt, auf dem die mehrteilig ausge­führten Primär- und Sekundärwicklungen (9, 12) zusammen mit kreisringförmigen Isolations- bzw. Isolations-Distanz­scheiben (13) zur Erzielung definierter Kopplungsfaktoren und definierter Streuinduktivitäten kombinierbar stapelbar sind.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen Hochfrequenz-Leistungsüber­trager gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

[0002] Schaltnetzteile werden bekanntlich zur Energieversorgung von elektrischen Geräten, wie Personal-Computer, Video­monitoren und dgl. verwendet, in denen meist mehrere ver­schiedene Verbraucher mit unterschiedlichen Spannungen, insbesondere Gleichspannungen, versorgt werden müssen. Um die Baugröße dieser Schaltnetzteile möglichst klein zu halten, werden zum Betreiben dieser Netzteile möglichst hohe Frequenzen verwendet. Besonders vorteilhaft haben sich sogenannte getaktete Netzteile herausgestellt, wobei aber mit Erhöhung der Betriebsfrequenz meist eine Erhöhung der Schaltverluste in den Gleichrichter-Bauelementen ein­hergeht, was mit einer Wirkungsgradverminderung verbunden sein kann.

[0003] Dieses Problem kann meist durch den Einsatz von sinusför­migen Strömen und Spannungen beherrscht werden, um den Nachteil hoher Anstiegsgeschwindigkeiten von Strom und Spannung zu vermeiden. Auf diese Weise besteht die Mög­lichkeit, die Betriebsfrequenz bis in den MHz-Bereich hinein zu steigern. Die Schaltnetzteile können hierbei in Serien- oder Parallel-Resonanz betrieben werden. Für die nach dem Resonanzprinzip arbeitenden Schaltnetzteile be­steht ein besonderes Problem darin, daß bei den Leistungs­übertragern eine definierte Streuinduktivität eingehalten werden muß.

[0004] Bei einem durch die DE-OS 35 42 103 bekannt gewordenen Hochfrequenz-Leistungsübertrager wird das Problem der Streuinduktivität dadurch gelöst, daß einer der Mittel­schenkel zweier symmetrisch zueinander angeordneter Ferrit-Topfkerne entsprechend verkürzt ausgeführt wird. Die Verkürzung des Mittelschenkels - bedingt durch den dabei entstehenden Luftspalt - hat eine sehr große Streu­induktivität zur Folge. Diese Maßnahme soll bewirken, daß bei Laständerungen die Ausgangsspannungen sowie die Reso­nanzfrequenz des Kreises nahezu konstant bleiben. Hierbei sind die in herkömmlicher Wicklungstechnik erstellte Pri­märwicklung und Sekundärwicklung auf je einen Mittelschen­kel einer Topfkernhälfte angeordnet. Eine Änderung der Streuinduktivität ist nur durch Änderung des Luftspaltes bzw. durch eine Änderung der Länge der Mittelschenkel möglich.

[0005] Durch den Aufsatz "Power Transformer Design for 1 MHz Resonant Converter" in der Zeitschrift HFPC Proceedings, Mai 1986, Seiten 36 bis 54 ist ein Hochfrequenz-­Leistungsübertrager bekannt geworden, der eine Art Sandwich-Bauweise aufweist. Wie Fig. 1 und 2 dieses Auf­satzes zeigen, werden bei dem bekannten Leistungsüber­trager zwei Ferritkerne verwendet, wobei der in Fig. 1 dargestellte Kern eine EI-Kombination und der in Fig. 2 dargestellte Kern eine EE-Kombination aufweist. Wie aus Bild 2 dieser Veröffentlichung hervorgeht, sind die Pri­märwicklungen auf einem dielektrischen Basismaterial spi­ralförmig angeordnete Leiterbahnen.

[0006] Die Sekundärwicklungen bestehen aus aufeinander geschich­teten Leiterplatten mit dazwischen gelegten Isolatoren. Um eine galvanische Netztrennung zwischen der Primär- und Se­kundärseite zu gewährleisten, wurde ein eigens hierfür entwickelter Spulenkörper vorgesehen. Zur Verminderung so­wohl der Streuinduktivität als auch des Platzbedarfs wird der Übertager in die Platine des Schaltnetzteiles inte­ griert. Nachteilig bei dieser Ausführungsform ist, daß als Trägermaterial für die Primärwicklung kupferbeschichtete Platinen verwendet werden, welche nur eine beschränkte Hö­he der Leiterbahnen erlauben.

[0007] Da zwischen den einzelnen spiralförmig angeordneten Win­dungen Mindestabstände eingehalten werden müssen, steht für den Primärstrom nur ein relativ kleiner Kupferquer­schnitt zur Verfügung. Wird eine größere Ausgangsleistung gefordert, so bedingt dies primär- als auch sekundärseitig größere Kupferquerschnitte, denen auf der Primärseite nur mit einer größeren Anzahl von Platinen und somit einer größeren Bauform Rechnung getragen werden kann. Es hat sich gezeigt, daß die Verluste der bei hohen Frequenzen eingesetzten Leistungsübertrager im wesentlichen durch Stromverdrängungseffekte (Skin- Effekt, Proximity-Effekt) in der Primärwicklung entstehen. Diese Effekte lassen sich mit dem gegebenen Wicklungsaufbau nicht minimieren. Ein weiterer Nachteil ergibt sich durch den platinenintegrier­ten Aufbau, da - wie aus Bild 1 ersichtlich - der Lei­stungsübertrager direkt an der Platine zusammengefügt wer­den muß, wodurch höhere Montagekosten entstehen. Ferner ist eine Änderung der Streuinduktivität bei einer bereits vorhandenen Bauform nicht ohne weiteres möglich.

[0008] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Hochfre­quenz-Leistungsübertager der im Oberbegriff des Patentan­spruchs 1 beschriebenen Art zu schaffen, mit dem sich nicht nur eine besonders kleine sondern auch eine genau definierte Streuinduktivität erreichen läßt. Diese Aufgabe wird bei einem Hochfrequenz-Leistungsübertrager durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Unteran­sprüchen.

[0009] Anhand der Zeichnung, in der mehrere Ausführungsbeispiele dargestellt sind, wird die Erfindung näher erläutert; es zeigen:

Fig. 1 die explosionsartig auseinandergezogenen Teile eines Hochfrequenz-Leistungsübertragers,

Fig. 2 verschiedene Wicklungskombinationen,

Fig. 3 die Abhängigkeit der Streuinduktivität L vom Abstand a und

Fig. 4 die Schnittansicht eines in Fig. 2b schematisch dargestellten Hochfrequenz-Leistungsübertragers.

Fig. 5 die Schnittansicht eines schematisch dargestellten Hochfrequenz-Leistungsübertragers mit verkürztem Spulenträger.

[0010] Fig. 1 zeigt den erfindungsgemäßen mechanischen Aufbau des Hochfrequenz-Leistungsübertragers, der nach dem Sandwich-­Prinzip aufgebaut ist. Die dargestellte Ausführungsform veranschaulicht eine der vielen Möglichkeiten, um die ein­zelnen Wicklungen miteinander zu verschachteln, wobei sich in dieser Form eine besonders kleine Streuinduktivität er­reichen läßt. Auf zusätzliche Isolierungen der Leitungs­herausführungen, insbesondere der Sekundärwicklungsteile wurde wegen einer besseren Darstellbarkeit verzichtet.

[0011] Mit 1 ist der Mittelschenkel eines weichmagnetischen Kern­teils 2 bezeichnet, der zusammen mit einem Kernteil 3 mit Mittelschenkel 4 den eigentlichen Kern des Leistungsüber­tragers bildet. Die Kernteile 2 und 3 sind vom E-Typ, wo­bei die Mittelschenkel 1 und 4 rund und die die Spulen aufnehmenden Räume 5 und 6 im Bereich der Kernteile 2 und 3 entsprechend ringzylindrisch ausgebildet sind. Die zy­lindrische Form der Mittelschenkel ist besonders vorteil­ haft, da die zu stapelnden Bauelemente kreisringförmig ausgebildet sein können, was deren Herstellbarkeit erheb­lich erleichert. Es ist aber verständlich, daß auch Kern­teile verwendet werden können, bei welchen die Mittel­schenkel im Querschnitt quadratisch oder rechteckig ge­formt sein können, bei entsprechender Ausbildung der sie umgebenden Räume 5 und 6.

[0012] Auf dem Mittelschenkel 1 ist ein hülsenförmiger Spulen­träger 7 aufschiebbar, der einen Flansch 8 aufweist, mit dem er sich gegen den Kernteil 2 abstützt. Auf den Spulen­träger 7 sind die Wicklungsteile 9 der Primärwicklungen bzw. die diese tragenden Spulenkörper 10 und die Wick­lungsteile 12 der Sekundärwicklungen sowie dazwischenlie­gende Isolationsscheiben 13 aufstapelbar. Bei dem Ausfüh­rungsbeispiel nach Fig. 1 sind die Spulenkörper 10 für die Wicklungsteile 9 der Primärwicklung kreisringförmig ausge­bildet, wobei in einem vorzugsweise U-förmigem Querschnitt die Wicklung 9 eingelegt ist.

[0013] Fig. 1 zeigt eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Sekundärwicklungsteile 12, die als flache, einwindige, kreisringförmige Stanzteile mit Anschlußfahnen 12a und 12b ausgeführt sind. Normalerweise sind die Anschlußfahnen 12a und 12b isoliert herausgeführt. Es wird darauf hingewie­sen, daß mehrere Wicklungsteile 12 der Sekundärwicklung hintereinander schaltbar sind, wobei dann zusammengehören­de Anschlußfahnen 12b miteinander elektrisch verbunden werden. Diese Verbindung kann nach außen geführt werden und stellt dann eine Mittelanzapfung der in Reihe geschal­teten Wicklungsteile.

[0014] Nachdem die Wicklungsteile 9 bzw. deren Spulenkörper 10 sowie die Wicklungsteile 12 und die Isolationsscheiben 13 entsprechend placiert auf den Spulenträger 7 aufgestapelt sind, wird der Spulenträger 7 auf den Mittelschenkel 1 des Kernteiles 2 aufgeschoben. Dann wird von oben der Kernteil 3 aufgesetzt, wobei der Mittelschenkel 4 in das Innere des hülsenförmigen Spulenträgers 7 eingreift, wodurch sämtli­che Teile zueinander gesichert sind. Die Kernteile 2 und 3 können mit Hilfe von federnden Klammern, welche nicht dar­gestellt sind, gegeneinander gepreßt werden. Durch die seitlichen Ausnehmungen in den Kernteilen 2 und 3 werden die Anschlußfahnen 12a und 12b sowie die Anschlüsse der Wicklungsteile 9 herausgeführt.

[0015] Erfindungsgemäß kann mit dem in Fig. 1 dargestellten prin­zipiellen Aufbau eine definierte Streuinduktivität mit den Isolationsscheiben 13 zwischen den Primärwicklungsteilen 9 und den Sekundärwicklungsteilen 12 eingestellt werden und zwar durch die jeweilige Anzahl der Isolationsscheiben und deren Stärke.

[0016] In Fig. 2 sind einige der grundsätzlichen Wicklungskombi­nationen dargestellt, mit welchen ein großer Streuinduk­tivitätsbereich in Abhänigkeit des Abstandes a überstri­chen werden kann. Mit 12 sind wiederum die Sekundärwick­lungsteile und mit 9 die Primärwicklungsteile dargestellt. Die dünnen Linien 13 stellen Isolierscheiben bzw. Isolier-Distanzscheiben dar.

[0017] Mit einer Wicklungsanordnung nach Fig. 2a läßt sich eine sehr kleine, fest eingestellte Streuinduktivität bei guter Kopplung erreichen. Die Anordnung gemäß Fig. 2b erlaubt eine gute Einstellbarkeit kleiner Streuinduktivitätswerte im Gegensatz zu dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2c, mit welcher relativ große Streuinduktivitäten vorgegeben wer­den können. Fig. 2d zeigt eine Ausführungsform gemäß Fig. 2a, jedoch mit zusätzlichen Primär- und Sekundärwicklungs­teilen.

[0018] Das Schaubild gemäß Fig. 3 läßt den Zusammenhang zwischen der Streuinduktivität L und dem Abstand a, erzeugt durch die Abstandsisolationsscheiben 13, für verschiedene Wick­ lungskombinationen erkennen. Mit größer werdendem Abstand a ergibt sich zwangsläufig eine geringfügige Verschlechte­rung des Kopplungsfaktors zwischen Primär- und Sekundär­wicklungsteilen, die aber einen vernachlässigbaren Einfluß auf die Übertragbarkeit der Leistung hat. Das Ausführungs­beispiel nach Fig. 2d zeigt weiter, daß auch mit mehr als zwei Primärteilwickungen eine einstellbare Streuinduktivi­tät realisiert werden kann.

[0019] Eine Aufteilung der Primärwicklung in mehrere Teilwicklun­gen auf mehreren Spulenkörpern hat den Vorteil, daß durch die bessere räumliche Verteilung der Windungen kleinere Stromverdrängungseffekte (Kupferverluste) als in den Aus­führungsbeispielen nach Fig. 2a bis 2c erreicht werden können. Es besteht die Möglichkeit - außer Massivkupfer­drähten -, auch HF-Litze mit beliebigem Querschnitt und Litzenzahl auf den einzelnen Spulenkörpern einzusetzen. Dies gilt gleichermaßen für die Primärwicklung als auch für die Sekundärwicklungen. Im Ausführungsbeispiel sind sekundärseitig Massivkupferbleche eingesetzt, die bei hö­heren Frequenzen zur Minimierung der Stromverdrängungs­effekte gegen mehrere dünne zueinander isolierte Kupfer­bleche ersetzt werden können.

[0020] Die in den Schaltnetzteil-Anwendungen benötigten unter­schiedlichen Ausgangsleistungen der Übertrager erfordern verschiedene Kupferquerschnitte der Wicklungen. Dies ist problemlos mit dem erfindungsgemäßen Wicklungsprinzip möglich. Die gezeigten Beispiele sind mit vier Sekundär­wicklungen ausgeführt, welche beliebig nach den jeweiligen Anforderungen, wie Ausgangsspannung und Ausgangsstrom, verschaltbar sind. Eine Erhöhung oder Reduzierung der Anzahl der Wicklungsteile ist jederzeit möglich.

[0021] Fig. 4 zeigt eine Schnittbildzeichnung des Hochfrequenz-­Leistungsübertragers, der entsprechend der Wicklungskom­bination nach Fig. 2b aufgebaut ist. Die nach den VDE-Richtlinien geforderten Luft- und Kriechstrecken können bei entsprechender Wahl der Primärwicklungsdurch­messer und der sekundärseitigen Kupferblech-Durchmesser einfach eingehalten werden. Auf eine Isolation zwischen den Primärwicklungsteilen 9 und den Sekundärwicklungstei­len 12 kann in dieser besonderen Ausführungsform verzich­tet werden, da die Spulenträger 10 über den Spulenträger 7 geschoben sind. Die Herausführung der Anschlußdrähte für die Primär- und Sekundärseite erfolgt durch eine räumliche Trennung von 180°. Hierfür sind am besten die Kern­formen mit einem runden Mittelschenkel, wie die RM-, PM- ­und ETD-Typen geeignet.

[0022] Fig. 5 zeigt eine Schnittbildzeichnung des Hochfrequenz-­Leistungsübertragers mit einem verkürzten gemeinsamen Spu­lenträger (7, 8). In dieser Ausführungsform umhüllt der gemeinsame Spulenträger (7, 8) im zusammengebauten Zustand nur einen Teil der Mittelschenkel (1, 4) und ein weiterer Spulenkörper (11) ist direkt auf den freigebliebenen Teil des Mittelschenkels (4) aufgesteckt. Diese Ausführungsform kann insbesondere dann vorteilhaft eingesetzt werden, wenn eine der Wicklungen - im dargestellten Beispiel die Pri­märwicklung (9) - eine höhe Windungszahl erfordert, oder eine Wicklung mit einem größeren Leiterquerschnitt benö­tigt wird.

[0023] Durch die Verwendung einfacher Stanzteile für die Sekun­därwicklungen, Abstandsisolationsscheiben und Isolations­scheiben sowie unkomplizierte Spritzgußteile für die Spu­lenkörper wird eine kostengünstige Herstellung ermöglicht. Je nach Anwendungsfall können die einzelnen Komponenten durch einfaches Stapeln zusammengefügt werden. Fertigungs­technisch gesehen, führt dies zu einer flexiblen Automati­sierung von Hochfrequenz-Leistungsübertragern. Die so ge­fertigten Bauelemente können, um eine höhere mechanische Festigkeit und eine bessere Netzisolation zu erlangen, vergossen werden. Der Einbau in die gedruckten Schaltungen geschieht in der gewohnten Technik, wobei aber besonders kleine Streuinduktivitätswerte erreicht werden können, wenn die Gleichrichterdioden direkt mit den sekundärsei­tigen Anschlußblechen verbunden sind und nicht über die Leiterbahnen der Platinen.

Ansprüche

1. Hochfrequenz-Leistungsübertrager, insbesondere für nach dem Resonanzprinzip arbeitende Schaltnetzteile in Sand­wich-Bauweise, wobei auf den Mittelschenkeln weichmagneti­scher Kernteile ein oder mehrere Primär- und Sekundärwick­lungen aufstapelbar sind, die nach dem Zusammenfügen der Kernteile fixiert und gehalten sind,
dadurch gekennzeichnet,
daß auf dem Mittelschenkel (1) zumindest eines weichmagne­tischen Kernteils (2) ein hülsenförmiger Spulenträger (7, 8) sitzt, daß die Primär- und Sekundärwicklungen mehrtei­lig ausgeführt sind und daß die einzelnen Wicklungsteile (9, 12) mindestens zum Teil zusammen mit kreisringförmigen Isolations- bzw. Isolations-Distanzscheiben (13) zur Er­zielung definierter Kopplungsfaktoren und definierter Streuinduktivitäten kombinierbar auf den hülsenförmigen Spulenträger (7, 8) stapelbar sind.

2. Hochfrequenz-Leistungsübertrager nach Patentanspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Wicklungsteile (9) auf kreisringförmigen Spulen­körpern (10) aus Isoliermaterial mit vorzugsweise U-förmi­gem Querschnitt untergebracht sind.

3. Hochfrequenz-Leistungsübertrager nach den Ansprüchen 1 und 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß einzelne Wicklungsteile (12) als flache einwindige kreisringförmige Stanzteile mit Anschlußfahnen (12a, 12b) ausgeführt sind.

4. Hochfrequenz-Leistungsübertrager nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß mehrere Stanzteile zur Bildung von Wicklungsteilen (12) mit mehreren Windungen und/oder Mittelanzapfungen zusammengefaßt sind.

5. Hochfrequenz-Leistungsübertrager nach einem der Ansprü­che 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß der hülsenförmige, allen Wicklungsteilen (9, 12) ge­meinsame Spulenträger (7, 8) auf dem Mittelschenkel (1) des einen Kernteils (2) aufsteckbar ist, derart, daß er im zusammengebauten Zustand auch den Mittelschenkel (4) des anderen Kernteils (3) umhüllt und zentriert.

6. Hochfrequenz-Leistungsübertrager nach einem der Ansprü­che 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß der hülsenförmige, allen Wicklungsteilen (9, 12) ge­meinsame Spulenträger (7, 8) auf dem Mittelschenkel (1) des einen Kernteils (2) aufsteckbar ist, derart, daß er im zusammengebauten Zustand nur einen Teil der Mittelschenkel (1, 4) umhüllt und daß mindestens ein Spulenkörper (11) direkt auf den freigebliebenen Teil der Mittelschenkel (1, 4) aufsteckbar ist.

7. Hochfrequenz-Leistungsübertrager nach Anspruch 5 oder 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Spulenkörper (10) der einzelnen Wicklungsteile (9) und/oder der rohrförmige Spulenträger (7, 8) als Spritz­gußteile hergestellt sind.

8. Hochfrequenz-Leistungsübertrager nach einem oder mehre­ren der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Spulenkörper (10) der einzelnen Wicklungsteile (9) und/oder der rohrförmige Spulenträger (7, 8) als Spritz-

Zeichnung