DE3718383A1 - Hochfrequenz-leistungsuebertrager - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Hochfrequenz-Leistungs­ übertrager gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Schaltnetzteile werden bekanntlich zur Energieversorgung von elektrischen Geräten, wie Personal-Computer, Video­ monitoren und dgl. verwendet, in denen meist mehrere ver­ schiedene 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.

Dieses Problem kann meist durch den Einsatz von sinus­ förmigen Strömen und Spannungen beherrscht werden, um den Nachteil hoher Anstiegsgeschwindigkeiten von Strom und Spannung zu vermeiden. Auf diese Weise besteht die Mög­ lichkeit, 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 Lei­ stungsübertragern eine definierte Streuinduktivität eingehalten werden muß.

Bei einem durch die DE-OS 35 42 103 bekannt gewordenen Hochfrequenz-Leistungsübertrager wird das Problem der Streuinduktivität dadurch gelöst, daß einer der Mittel­ schenkel zweier symmetrisch zueinander angeordneter Ferrit-Topfkerne entsprechend verkürzt ausgeführt wird. Die Verkürzung des Mittelschenkels - bedingt durch den dabei entstehenden Luftspalt - hat eine sehr große Streu­ induktivität 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.

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 Auf­ satzes zeigen, werden bei dem bekannten Leistungsüber­ trager 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. Die Sekundär­ wicklungen bestehen aus aufeinander geschichteten Leiter­ platten mit dazwischen gelegten Isolatoren. Um eine gal­ vanische Netztrennung zwischen der Primär- und Sekundär­ seite zu gewährleisten, wurde ein eigens hierfür ent­ wickelter Spulenkörper vorgesehen. Zur Verminderung sowohl der Streuinduktivität als auch des Platzbedarfs wird der Übertager in die Platine des Schaltnetzteiles integriert. Nachteilig bei dieser Ausführungsform ist, daß als Träger­ material für die Primärwicklung kupferbeschichtete Platinen verwendet werden, welche nur eine beschränkte Höhe der Leiterbahnen erlauben. 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 Kupferquer­ schnitte, 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 Stromverdrän­ gungseffekte (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 platinen­ integrierten 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.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Hoch­ frequenz-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.

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 _δ vom Abstand a und

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

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 Streuindukti­ vität erreichen läßt. Auf zusätzliche Isolierungen der Leitungsherausführungen, insbesondere der Sekundär­ wicklungsteile wurde wegen einer besseren Darstellbarkeit verzichtet.

Mit 1 ist der Mittelschenkel eines weichmagnetischen Kernteils 2 bezeichnet, der zusammen mit einem Kernteil 3 mit Mittelschenkel 4 den eigentlichen Kern des Leistungs­ übertragers 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 vorteilhaft, da die zu stapelnden Bauelemente kreisring­ förmig ausgebildet sein können, was deren Herstellbarkeit erheblich erleichert. Es ist aber verständlich, daß auch Kernteile verwendet werden können, bei welchen die Mittel­ schenkel im Querschnitt quadratisch oder rechteckig geformt sein können, bei entsprechender Ausbildung der sie umgebenden Räume 5 und 6.

Auf dem Mittelschenkel 1 ist ein hülsenförmiger Spulen­ träger 7 aufschiebbar, der einen Flansch 8 aufweist, mit dem er sich gegen den Kernteil 2 abstützt. Auf den Spulen­ träger 7 sind die Wicklungsteile 9 der Primärwicklungen bzw. die diese tragenden Spulenkörper 10 und die Wick­ lungsteile 12 der Sekundärwicklungen sowie dazwischen­ liegende Isolationsscheiben 13 aufstapelbar. Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 sind die Spulenkörper 10 für die Wicklungsteile 9 der Primärwicklung kreisring­ förmig ausgebildet, wobei in einem vorzugsweise U-förmigen Querschnitt die Wicklung 9 eingelegt ist.

Fig. 1 zeigt eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Sekundärwicklungsteile 12, die als flache, einwindige, kreisringförmige Stanzteile mit Anschlußfahnen 12 a und 12 b ausgeführt sind. Normalerweise sind die Anschlußfahnen 12 a und 12 b isoliert herausgeführt. Es wird darauf hinge­ wiesen, daß mehrere Wicklungsteile 12 der Sekundärwicklung hintereinander schaltbar sind, wobei dann zusammen­ gehörende Anschlußfahnen 12 b miteinander elektrisch verbunden werden. Diese Verbindung kann nach außen geführt werden und stellt dann eine Mittelanzapfung der in Reihe geschalteten Wicklungsteile. 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 Spulen­ trägers 7 eingreift, wodurch sämtliche Teile zueinander gesichert sind. Die Kernteile 2 und 3 können mit Hilfe von federnden Klammern, welche nicht dargestellt sind, gegen­ einander gepreßt werden. Durch die seitlichen Ausnehmungen in den Kernteilen 2 und 3 werden die Anschlußfahnen 12 a und 12 b sowie die Anschlüsse der Wicklungsteile 9 heraus­ geführt.

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

In Fig. 2 sind einige der grundsätzlichen Wicklungskom­ binationen dargestellt, mit welchen ein großer Streu­ induktivitätsbereich in Abhängigkeit des Abstandes a über­ strichen werden kann. Mit 9 sind wiederum die Sekundär­ wicklungsteile und mit 12 die Primärwicklungsteile darge­ stellt. Die dünnen Linien 13 stellen Isolierscheiben bzw. Isolier-Distanzscheiben dar.

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 7 Fig. 2a, jedoch mit zusätzlichen Primär- und Sekundär­ wicklungsteilen.

Das Schaubild gemäß Fig. 3 läßt den Zusammenhang zwischen der Streuinduktivität L _δ und dem Abstand a, erzeugt durch die Abstandsisolationsscheiben 13, für verschiedene Wicklungskombinationen 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.

Eine Aufteilung der Primärwicklung in mehrere Teilwick­ lungen 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 Massiv­ kupferdrähten -, auch HF-Litze mit beliebigem Querschnitt und Litzenzahl auf den einzelnen Spulenkörpern einzu­ setzen. Dies gilt gleichermaßen für die Primärwicklung als auch für die Sekundärwicklungen. Im Ausführungsbeispiel sind sekundärseitig Massivkupferbleche eingesetzt, die bei höheren Frequenzen zur Minimierung der Stromverdrängungs­ effekte gegen mehrere dünne zueinander isolierte Kupfer­ bleche ersetzt werden können.

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

Fig. 4 zeigt eine Schnittbildzeichnung des Hochfrequenz- Leistungsübertragers, der entsprechend der Wicklungs­ kombination nach Fig. 2b aufgebaut ist. Die nach den VDE-Richtlinien geforderten Luft- und Kriechstrecken können bei entsprechender Wahl der Primärwicklungs­ durchmesser und der sekundärseitigen Kupferblech-Durch­ messer einfach eingehalten werden. Auf eine Isolation zwischen den Primärwicklungsteilen 9 und den Sekundär­ wicklungsteilen 12 kann in dieser besonderen Ausführungs­ form 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 Mittel­ schenkel, wie die RM-, PM- und ETD-Typen geeignet.

Durch die Verwendung einfacher Stanzteile für die Sekun­ därwicklungen, Abstandsisolationsscheiben und Isolations­ scheiben sowie unkomplizierte Spritzgußteile für die Spulenkörper wird eine kostengünstige Herstellung ermög­ licht. Je nach Anwendungsfall können die einzelnen Kom­ ponenten durch einfaches Stapeln zusammengefügt werden. Fertigungstechnisch gesehen, führt dies zu einer flexiblen Automatisierung von Hochfrequenz-Leistungsübertragern. Die so gefertigten Bauelemente können, um eine höhere mecha­ nische 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.

Claims (7)

1. Hochfrequenz-Leistungsübertrager, insbesondere für nach dem Resonanzprinzip arbeitende Schaltnetzteile in Sand­ wich-Bauweise, wobei auf den Mittelschenkeln weichmagne­ tischer Kernteile ein oder mehrere Primär- und Sekundär­ wicklungen 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) zusammen mit kreis­ ringförmigen 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 (12 a, 12 b) ausgeführt sind.

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

5. Hochfrequenz-Leistungsübertrager nach einem der Ansprü­ che 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 Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der hülsenförmige Spulenträger (7) einen im wesentlichen runden Flansch (8) aufweist, welcher am Grunde des Mittelschenkels (1) des zugeordneten Kernteils (2) aufliegt und so gestaltet ist, daß er ein Verdrehen des Spulenträgers (7, 8) auf dem Mittelschenkel (1) ver­ hindert.

7. Hochfrequenz-Leistungsübertrager nach einem oder meh­ reren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Spulenkörper (10) der einzelnen Wicklungsteile (9) und/oder der rohrförmige Spulenträger (7, 8) als Spritzgußteile hergestellt sind.