DE102008049756A1

DE102008049756A1 - Schaltungsträger mit Transformator

Info

Publication number: DE102008049756A1
Application number: DE200810049756
Authority: DE
Inventors: Richard Dr. Matz
Original assignee: Osram GmbH
Current assignee: Osram GmbH
Priority date: 2008-09-30
Filing date: 2008-09-30
Publication date: 2010-05-27

Abstract

Der Schaltungsträger ist mit mindestens einem Transformator ausgestattet, welcher vollständig innerhalb des Schaltungsträgers angeordnet ist. Das Verfahren zum Herstellen eines Schaltungsträgers mit einem darin integrierten Transformator weist mindestens die folgenden Schritte auf: Aufeinanderstapeln der Lagen des Schaltungsträgers, wobei in eine Untermenge der Lagen des Schaltungsträgers Lagen des Transformators integriert sind, und folgend Verbinden der Lagen des Schaltungsträgers.

Description

Die Erfindung betrifft einen Schaltungsträger mit mindestens einem Transformator und ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Schaltungsträgers.
Üblicherweise wird, insbesondere bei einem leistungselektronischen Transformator, ein Ferritkern des Transformators separat durch Sintern von Ferritpulver hergestellt, mechanisch bearbeitet und mit Klammern in einer Öffnungen der Platine gehalten, wobei der Transformator typischerweise über die Platine herausschaut. Die Platine kann somit im Bereich des Transformators nicht für eine andere Oberflächenbestückung genutzt werden. Üblicherweise werden linear ausgestaltete, E-förmige Kerne verwendet. Um möglichst wenig Platinenfläche zu belegen, wird bisher der Kerndurchmesser des Kerns möglichst klein gewählt, wodurch die magnetische Flussdichte hoch wird.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen bestückbaren und mit einem Transformator ausgerüsteten Schaltungsträger bereitzustellen, welcher eine größere Bestückfläche aufweist.
Diese Aufgabe wird mittels eines Schaltungsträgers und eines Verfahrens zum Herstellen eines Schaltungsträgers nach dem jeweiligen unabhängigen Anspruch gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind insbesondere den abhängigen Ansprüchen entnehmbar.
Der Schaltungsträger ist mit mindestens einem Transformator ausgestattet, welcher vollständig innerhalb des Schaltungsträgers angeordnet ist. Dadurch kann die äußere Oberfläche des Schaltungsträgers oberhalb und/oder unterhalb des Transformators bestückt werden und braucht nicht mehr für den Transformator freigehalten zu werden.
Es wird ein Schaltungsträger bevorzugt, bei dem der Transformatorkern mindestens ein zentrales Kernvolumen zur Umgebung mit mindestens einer Spulenwindung aufweist, als auch zwei Deckschichten, die das zentrale Kernvolumen zwischen sich einfügen, wobei sich in zumindest einer der Deckschichten eine Flussdichte eines mittels der mindestens einen Spulenwindung erzeugten magnetischen Flusses mit steigendem Abstand vom zentralen Kernvolumen aus zumindest abschnittsweise verringert. Aufgrund der Verringerung der Flussdichte in der mindestens einen Deckschicht werden dort die magnetischen Verluste geringer. Dies kann dazu genutzt werden, die Deckschicht und damit den Transformatorkern und folglich den Transformator unter Beibehaltung einer gleichen Verlustleistung dünner zu gestalten.
Es wird zur Erreichung einer Verringerung der Flussdichte ein Schaltungsträger bevorzugt, bei dem sich die von einem magnetischen Fluss durchflossenen Bereiche zumindest einer der Deckschichten vom zentralen Kernvolumen aus zumindest abschnittsweise verbreitern.
Es wird auch ein Schaltungsträger bevorzugt, bei dem der Transformatorkern ferner mindestens ein Brückenvolumen aufweist, das seitlich versetzt zum zentralen Kernvolumen und den Wicklungen zwischen den Deckschichten eingefügt ist, wobei zumindest eine der Deckschichten so ausgestaltet ist, dass ihre von einem magnetischen Fluss durchflossenen Bereiche vom zentralen Kernvolumen zu einem Brückenvolumen hin zumindest abschnittsweise verbreitert sind. Mittels des mindestens einen Brückenvolumens wird ein hochpermeabler Schluss zwischen den Deckschichten und somit Kreislauf für den magnetischen Fluss erzeugt.
Das mindestens eine Brückenvolumen kann als ein einziges zusammenhängendes Volumen ausgestaltet sein, z. B. ringförmig mit oder ohne Ausschnitt, oder beispielsweise auch als mehre re auf einer Kreisbahn regelmäßig angeordnete Ringsektoren, z. B. mit einem vorbestimmten, vom Fachmann auf den Anwendungsfall auszulegenden Tastverhältnis.
Es wird ein Schaltungsträger bevorzugt, bei dem sich die Deckschichten vom zentralen Kernvolumen aus mindestens winkelsektorförmig, insbesondere kreisförmig, verbreitern.
Es wird ferner ein Schaltungsträger bevorzugt, bei dem der Transformatorkern eine bezüglich des zentralen Kernvolumens rotationssymmetrische Grundform aufweist.
Es wird insbesondere ein Schaltungsträger bevorzugt, bei dem der Transformatorkern in Form eines Topfkerns vorliegt.
Es wird ein Schaltungsträger besonders bevorzugt, bei dem der Transformatorkern aus mehreren Lagen hergestellt ist, da sich so auch ein komplexer dreidimensionaler Aufbau noch vergleichsweise einfach erreichen lässt.
Es wird dann ein Schaltungsträger bevorzugt, bei dem auch der Transformator aus mehreren Lagen hergestellt ist, welche in die inneren Lagen des Schaltungsträgers integriert sind. Vorbestimmte Lagen des Schaltungsträgers weisen somit Bereiche auf, welche einer Transformatorfunktion entsprechen.
Es wird insbesondere bevorzugt, falls der Transformator monolithisch in den Schaltungsträger integriert ist.
Zur vergleichsweise einfachen Herstellung wird ein Schaltungsträger bevorzugt, bei dem die Lagen LTCC-Lagen sind und z. B. zunächst in Form von Grünkorperlagen (”green tapes”) vorliegen.
Das Verfahren zum Herstellen eines Schaltungsträgers mit einem darin integrierten Transformator weist mindestens die folgenden Schritte auf:

– Aufeinanderstapeln der grünen Lagen des Schaltungsträgers, wobei in eine Untermenge der (inneren) Lagen des Schaltungsträgers Lagen des Transformators integriert sind, z. B. als funktionelle Bereiche, beispielsweise mit Leiterbahnen als Windungen des Transformators, und
– Verbinden der Lagen des Schaltungsträgers, insbesondere monolithisch, mittels einer geeigneten Verbindungsmethode.

Es wird ein Verfahren besonders bevorzugt, bei dem das Aufeinanderstapeln der Lagen des Schaltungsträgers mindestens aufweist:

– Aufeinanderstapeln einer ersten Gruppe von Lagen mit mindestens einer Lage, in die jeweils zumindest ein Teil einer Deckschicht eines Transformatorkerns des Transformators integriert ist,
– Aufeinanderstapeln einer zweiten Gruppe von Lagen mit mindestens einer Lage, in die mindestens eine Wicklung des Transformators integriert ist,
– Aufeinanderstapeln einer weiteren ersten Gruppe so, dass die zweiten Gruppe zwischen den ersten Gruppen eingefügt ist, und
– Aufeinanderstapeln jeweils mindestens einer äußere Lage, die keine Bereiche des Transformators aufweisen, so dass die ersten Gruppen und die zweite Gruppe zwischen den äußeren Lagen eingefügt sind.

Vorzugsweise besteht das Material der Deckschicht aus einem hochpermeablen Material. Vorzugsweise weisen die Lagen der zweiten Gruppe ein dielektrisches Material als Grundmaterial auf, wobei andere Materialien in das dielektrische Material vorzugsweise nachträglich eingebracht werden. Die äußeren Lagen sind vorzugsweise zur Bestückung mit oberflächenbestückbaren Bauelementen geeignet.
Diese Schritte müssen nicht in dieser Reihenfolge durchgeführt werden. So kann der Schaltungsträger beispielsweise so aufgebaut werden, dass zunächst eine oder mehrere untere äu ßeren Lagen aufgestapelt werden, darauf eine untere erste Gruppe von Lagen einer unteren Deckschicht, darauf die zweite Gruppe von Lagen einschließlich funktionalen Bereichen für das zentrale Kernvolumen, das Brückenvolumen/die Brückenvolumina, die (primären und/oder sekundären) Wicklungen usw., darauf eine obere erste Gruppe von Lagen einer oberen Deckschicht und darauf wiederum ein oder mehrere obere äußeren Lagen.
Die Zahl der Lagen bzw. die Dicke der Deckschichten ist vorzugsweise die gleiche.
Es wird ferner ein Verfahren bevorzugt, bei dem die Lagen LTCC-Lagen sind und das Verfahren mindestens die Schritte des Aufeinanderstapelns der LTCC-Lagen und des Sinterns der LTCC-Lagen umfasst.
In den folgenden Figuren wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels schematisch genauer beschrieben. Dabei können zur besseren Übersichtlichkeit gleiche oder gleichwirkende Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen sein.
1 zeigt in zwei Teilbildern 1A und 1B einen herkömmlichen Transformatorkern zur Verwendung mit einem Schaltungsträger;
2 zeigt einen Schnitt durch einen in einen mehrlagigen Schaltungsträger integrierten mehrlagigen Transformator;
3 zeigt in den drei Teilbildern 3A bis 3C drei unterschiedliche Lagen des Schaltungsträgers aus 2 in Draufsicht im Bereich des Transformators;
4 zeigt eine Aufsicht auf einen Transformatorkern gemäß einer weiteren Ausführungsform und
5 zeigt eine Auftragung einer relativen Verlustleistung in einem Transformatorkern in Abhängigkeit von einer Dicke der Deckschicht und eines Kernradius' für verschieden ausgestaltete Transformatorkerne.
1 zeigt in den zwei Teilbildern 1A und 1B einen herkömmlichen Transformatorkern 51 zum Aufstecken auf einen Schaltungsträger (nicht gezeigt), z. B. eine FR4-Mehrlagenplatine. Im Einzelnen zeigt 1A den herkömmlichen Ferritkern 51 in Draufsicht auf eine Schaltungsträger-(Platinen-)Ebene. 1B zeigt den Ferritkern 51 als Querschnitt entlang einer Schnittlinie A-A aus 1A mit magnetischen Feldlinien.
Der Ferritkern 51 wird herkömmlicherweise aus zwei Ferritkeramik-Grünkörperbauteilen zusammengesetzt, gesintert und dann nachbearbeitet. Eines der zwei Bauteile ist ein E-förmiger Teil 52 mit einem meist vollzylindrischen zentralen Kernvolumen 53 ('mittlerer Querstrich des ”E”'), um welches die Wicklungen (nicht dargestellt) gelegt werden. Das für die Flussformung erforderliche zentrale Kernvolumen 53 ist vertikal ausgerichtet und liegt somit auf der gemeinsamen Achse R von Primär- und Sekundärspule. Der E-förmige Teil 52 weist ferner eine erste, obere Deckschicht 54 ('Rücken des ”E”') auf, die eine quaderförmige Grundform aufweist und an das Kernvolumen rechtwinklig anschließt, sowie außerhalb der Wicklungen angeordnete quaderförmige Brückenvolumina 55 für den hochpermeablen Schluss der magnetischen Feldlinien ('obere und untere Striche des ”E”'). Mittels der Deckschichten 54, 56 werden somit das zentrale Kernvolumen 53 und die äußeren Brückenvolumina 55 miteinander verbunden.
Das zweite der zwei Bauteile ist eine zweite, untere Deckschicht 56 mit quaderförmiger Grundform, die wie gezeigt auf dem E-förmigen Teil 52 aufsitzt. Dadurch kann, wie in 1B durch die Linien angedeutet, bei Stromdurchgang durch die Wicklung(en) ein magnetischer Fluss in zwei Zweigen zur Hälf te nach links und rechts erzeugt werden, welcher jeweils durch das zentrale Kernvolumen 53, eine jeweilige Seite der ersten Deckfläche 54, das zugehörige Brückenvolumen 55 und die jeweilige Seite der zweiten Deckschicht 56 fließt. Charakteristische Größen eines solchen Ferritkerns 51 sind eine kritische Durchtrittsfläche F des magnetischen Flusses in den – hier gleichgeformten – Deckschichten 54, 56, eine Dicke d₀ der Deckschichten 54, 56, ein minimaler seitlicher Abstand Δ zwischen zentralem Kernvolumen 53 und Brückenvolumen 55, ein Höhenabstand h zwischen den Deckschichten 54, 56 (entsprechend der Höhe des zentralen Kernvolumens 53 und des Brückenvolumens 55) sowie ein zentraler Kerndurchmesser 2r₀.
Um magnetische Sättigungseffekte und übermäßige Verluste zu vermeiden, sollte die magnetische Flussdichte in den Deckschichten 54, 56 möglichst nicht über dem Wert im zentralen Kernvolumen 53 liegen. Die Bauhöhe h + 2d₀ des Ferritkerns 51 sollte also so bemessen sein, dass eine effektive Durchtrittsfläche F = 2·r₀·d₀ für den magnetischen Fluss Φ in den Deckschichten 54, 56 mindestens der Hälfte des Kernquerschnitts π.r₀ ² entspricht. Typische Abmessungen betragen r₀ = 2 mm, Δ = 4 mm, d₀ = 1,5 mm und h = 2 mm. Das zentrale Kernvolumen 53 kann statt eines runden Querschnitts grundsätzlich z. B. auch einen ovalen, runden oder rechteckigen usw. Querschnitt aufweisen.
Um möglichst wenig Platinenfläche zu belegen, werden bisher nach Maßgabe der Materialeigenschaften des Ferrits der Kerndurchmesser r₀ möglichst klein und die magnetische Flussdichte möglichst hoch gewählt.
2 zeigt einen ausschnittsweisen Schnitt durch einen Grünkörper eines mehrlagig gestapelten Schaltungsträgers 1 in dem ein aus hier elf Lagen L1 bis L11 aufgebauter Transformator 2 integriert ist. Dabei sind die Lagen L1 bis L11 des Transformators 2 in die Lagen L1 bis L11 des Schaltungsträgers 1 integriert. Die Lagen L1 bis L11 sind als LTCC-Lagen ausge führt. Im Einzelnen weist der Schaltungsträger 1 mindestens auf:
zwei erste Gruppen C1 von Lagen mit mindestens einer Lage (hier: zwei Lagen L1, L2 bzw. L10, L11), in die jeweils zumindest ein Teil einer ferritischen ersten Deckschicht 4 bzw. zweiten Deckschicht 6 des Transformatorkerns des Transformators 2 integriert ist; jede der Gruppen weist eine Deckschicht 4, 6 auf, und
eine zweite Gruppe G2 von Lagen mit mindestens einer Lage (hier: sieben Lagen L3 bis L9), die zwischen den ersten Gruppen G1 eingefügt ist, wobei in mindestens eine der Lagen L4, L6, L8 eine Wicklung 7 des Transformators 2 integriert ist.
Im Einzelnen weist die zweite Gruppe G2 zwei Untergruppen von Lagen auf, nämlich eine erste Untergruppe G2A mit vier zueinander gleichartigen Lagen L3, L5, L7 und L9 und eine zweite Untergruppe G2B mit drei zueinander gleichartigen Lagen L4, L6 und L8. Die Lagen L3 bis L9 der Untergruppen G2A, G2B wechseln sich gegenseitig ab, wobei die Lagen L4, L6 und L8 der zweiten Untergruppe G2B zwischen den Lagen L3, L5, L7 und L9 der ersten Untergruppe G2A eingebracht sind. Alle Lagen der dritten Gruppe G2 weisen zentral ein gleichartig geformtes und positioniertes Ferritvolumen 8 auf, das einen Teil des zentralen Kernvolumens 3 darstellt. Alle Lagen weisen ferner seitlich des zentralen Kernvolumens 3 bzw. des jeweiligen Ferritvolumens 8 ein weiteres gleichartig geformtes und positioniertes Ferritvolumen 9 auf, das einen Teil des Brückenvolumens 6 darstellt. Alle Lagen L3 bis L9 der dritten Gruppe G2 weisen ferner ein zwischen dem Ferritvolumen 8 und dem Ferritvolumen 9 und seitlich außerhalb des Ferritvolumens 9 dielektrisches Material 10 zur elektrischen Isolierung auf. Die Lagen L4, L6 und L8 der zweiten Untergruppe G2B weisen im dielektrischen Material zwischen dem Ferritvolumen 8 und dem Ferritvolumen 9 jeweils ein metallisches Volumen für die jeweilige Wicklung 7 auf, z. B. in Form gefüllter Kanäle in der jeweiligen Lage oder siebgedruckter Leiter auf der jeweiligen Lage beispielsweise aus leitfähiger Silber- oder Goldpaste. Im Einzelnen befinden sich im gezeigten Fall also die Wicklungen 7 des Transformators 2, d. h., die metallischen Leiterbahnen im Inneren des Schaltungsträgers 1 zwischen einzelnen dielektrischen Lagen. Die Ferritvolumina 8, 9 und die metallischen Ferritvolumina 7 können beispielsweise als Durchkontaktierungen durch das dielektrische Material 10 einer der Lagen L3 bis L9 dargestellt werden. Alle Schichten L1 bis L11 weisen hier ungefähr die gleiche Dicke d_L auf.
Der Schaltungsträger 1 weist ferner zwei hier gestrichelt eingezeichnete äußere Lagen LA auf, die keine Bereiche des Transformators 2 aufweisen und diesen beidseitig überdecken. Der Transformator 2 ist somit vollständig innerhalb des Schaltungsträgers 1 angeordnet.
Die Integration des Transformators 2 in den Schaltungsträger 1 wird die Schaltungsträgeroberfläche für anderweitige Bestückung frei, und das wesentliche Designziel des Transformators 2 verschiebt sich von der Minimierung der lateralen Ausdehnung zur Minimierung der Bauhöhe h + 2·d = h + 2·(2·d_L). Dies betrifft insbesondere die Lagen L1, L2 der ersten Gruppe G1, die der oberen Deckschicht 4 entspricht, und die Lagen L1, L2 der zweiten Gruppe G2, die der unteren Deckschicht 6 entspricht. Diese sollten zur Integration in den Schaltungsträger 1 besonders flach ausgelegt sein. Andererseits müssen sie einen hinreichenden magnetischen Querschnitt besitzen, da die magnetischen Verluste P in Ferriten etwa quadratisch mit der Flussdichte anwachsen. Hohe Flussdichten und/oder zu enge magnetische Querschnitte sind deshalb entlang des gesamten magnetischen Pfades zu vermeiden.
Die Lagen L1 bis L11 und LA können beispielsweise keramische LTCC (”Low Temperature Cofired Ceramics”; Niedertemperatur-Einbrandkeramik)-Lagen sein. Dabei werden die LTCC-Lagen zur Herstellung zunächst als multifunktionale Grünkörperlagen (”green tapes”) mit mehreren funktionalen Bereichen (z. B. dielektrische Bereiche, leitende Bereiche usw.) hergestellt, dann aufeinandergestapelt, und folgend bei einer relativ niedrigen Temperatur, z. B. zwischen 800°C und 950°C, gesintert. Beim Sintern verbinden sich die einzelnen Lagen zu einem im Wesentlichen monolithisch aufgebauten Körper; folglich wird auch der Transformator monolithisch aufgebaut und im Schaltungsträger monolithisch integriert.
3 zeigt in den drei Teilbildern 3A bis 3C drei unterschiedliche Lagen des Schaltungsträgers 1 aus 2 im Bereich des Transformators 1 in Draufsicht, nämlich eine Lage aus der Gruppe G1 (3A); eine Lage aus der Gruppe G2A (3B) und eine Lage aus der Gruppe G2B (3C).
3A zeigt, dass in Draufsicht auf eine der Lagen L1, L2, L10 oder L11, dass die Deckschichten 4, 6 bzw. Decklagen L1, L2, L10, L11 im Gegensatz zu bekannten Transformatoren für Schaltungsträger kreisförmig ausgebildet sind. Dadurch wird der magnetische Fluss Φ nicht nur wie beim linearen Ferritkern aus 1 entlang zweier Richtungen, sondern ähnlich wie in bekannten Schalenkernen in der gezeigten Ebene verteilt. Dadurch wiederum kann die Dicke d der Lagen L1, L2, L10, L11 bzw. der Deckschichten 4, 6, nämlich d = 2·d_L verringert werden. Eine weitere Verringerung der Dicke d bzw. dL lässt sich dadurch erreichen, dass der Kernradius r bewusst relativ groß gewählt ist, so dass die Verringerung der Querschnittsfläche F aufgrund der Verringerung der Bauhöhe h + 2·d durch diese Vergrößerung des Kernradius r zumindest teilweise kompensiert oder sogar überkompensiert wird. Dies vergrößert zwar die Windungslängen und Induktivitäten des Transformators 2, unterstützt aber das Designziel eines flachen, lateral ausgedehnten Aufbaus. Durch diese verbreiterte Ausdehnung können beispielsweise auch die äußeren Brückenvolumina breit oder zahlreicher ausgestaltet werden, beispielsweise mit einem Tastverhältnis von 1:2 entlang des Kreisumfanges, wie weiter unten genauer erklärt werden wird. Die (vertikale) Dicke d_L der Lagen L1, L2, L10, L11 bzw. d = 2·d_L der Deckschichten 4, 6 ist idealerweise so zu bemessen, dass die kritische Durchtrittsfläche F = π·r·d die Leistungsfähigkeit des Ferritmaterials optimal nutzt, was quantitativ beispielsweise durch Finite-Elemente-Modelle bestimmt werden kann.
Der Transformatorkern nutzt somit die geometrische Tatsache, dass die kritische Durchtrittsfläche F für die Feldlinien an der Innenseite der horizontalen Ferritteile (Deckschichten) mit dem Kernradius r₀ wächst und damit die zugehörige Dicke d bzw. d0 entsprechend reduziert werden kann, ohne dass die magnetische Flussdichte wächst. Die Vorteile dieser planaren Transformatorstruktur sind eine größere laterale Ausdehnung zugunsten einer flacheren Bauform, ein besser geeignetes Aspektverhältnis für die planare Integration, sowie die Vermeidung lokal erhöhter Flussdichte mit daraus resultierender magnetischer Sättigung und übermäßigen magnetischen Verlusten.
3B zeigt in Draufsicht auf eine der Lagen L3, L5, L7 oder L9, dass das zentrale Kernvolumen 3 einen runden Querschnitt aufweist und mittig bezüglich des Transformators 2 angeordnet ist. Das Brückenvolumen 5 ist ringförmig um das zentrale Kernvolumen 3 und davon mittels des dielektrischen Materials 10 elektrisch getrennt angeordnet, wobei an einer Seite eine Öffnung 11 zur Herausführung von Anschlüssen der Wicklungen eingebracht ist, wie in 3C näher erläutert.
3C zeigt in Draufsicht auf eine der Lagen L4, L6 oder L8, dass Anschlüsse 12 für die Wicklungen 7 durch eine Öffnung 11 im Brückenvolumen 5 herausgeführt werden.
Mittels der gezeigten Anordnung wird in den Deckschichten 4, 6 eine Flussdichte eines mittels der Wicklungen 7 erzeugten magnetischen Flusses mit steigender Entfernung vom zentralen Kernvolumen 3 verringert, weil sich die zur Verfügung stehende Breite der Deckschicht 4, 6 verbreitert.
4 zeigt skizzenhaft eine Aufsicht auf einen rotationssymmetrischen Transformatorkern 13 gemäß einer weiteren Ausführungsform, wobei die Form und Lage des zentralen Kernvolumens 3 und der Brückenvolumina 5 gestrichelt eingezeichnet ist. Die äußeren Brückenvolumina 5 bzw. 9 sind hier ringsektorähnlich in einem gleichmäßigen peripheren Abstand mit einem Tastverhältnis von 1:2 entlang des Kreisumfanges angeordnet. Durch die Lage des zentralen Kernvolumens 3 und der Brückenvolumina 5 ist ein den mittels der mindestens einen Spulenwindung erzeugter magnetischen Fluss (welcher mittels der mindestens einen Spulenwindung erzeugt wird) leitender Bereich 14 vorgegeben, der hier strichgepunktet eingezeichnet ist. Dieser Bereich 14 verbreitert sich mit steigendem Abstand vom zentralen Kernvolumen 3, so dass sich eine Flussdichte zumindest in einem solchen Sektor entsprechend verringert. Diese ringsektorartige Anordnung der Brückenvolumina 5 weist den Vorteil auf, dass sie einfacher herzustellen ist als ein einteiliges Brückenvolumen.
5 zeigt eine Auftragung einer relativen Verlustleistung in radialsymmetrischen Transformatorkernen als Funktion einer Dicke d₀ der Deckschicht und eines Kernradius' r₀ relativ zu einem linearen Kern nach 1 mit r₀ = 1,5 mm, d₀ = πr₀/4 = 1,2 mm, h = 2 mm und Δ = 4 mm.
Die volumenspezifischen Verluste nehmen in Ferritmaterial in der Praxis ungefähr quadratisch mit der Flussdichte zu. Bei weitgehend homogener Flussverteilung können die Gesamtverluste in einem Ferritkern deshalb durch den magnetischen Fluss Φ wie folgt ausgedrückt werden:
wobei a eine Proportionalitätskonstante, Fz die gesamte Querschnittsfläche an einer beliebigen Stelle quer zu den Feldli nien und V das vom magnetischen Fluss Φ effektiv durchströmte Volumen sind. Im Folgenden werden nur die Verluste in dem zentralen Kernvolumen und den Deckschichten betrachtet, während die Brückenvolumina vernachlässigt werden, da die dort auftretenden Verluste durch große Breite immer beliebig klein gemacht werden können, die Brückenvolumina also für das Transformatordesign nicht kritisch sind. Die entsprechenden Volumina des konventionellen linearen Kerns besitzen dann die magnetischen Verluste
Zum Vergleich wird ein radialsymmetrischer Kern nach 2 und 3 betrachtet, bei dem wegen der nach außen hin abnehmenden Flussdichte die Verluste in den horizontalen Schichten der Dicke d als Integral zu schreiben sind:
5 zeigt berechnete Werte eines Quotienten P/P₀ nach den Gln. (2) und (3), d. h., die relativen Verluste des radialsymmetrischen Transformatorkerns als Funktion von Kernradius r₀ und Ferritdicke d₀ für verschieden dimensionierte Kerne. Dabei liegen Werte mit gleichem Quotienten P/P₀ auf einer gemeinsamen Höhenlinie.
Der konventionelle, lineare Transformatorkern aus 1 weist die Maße r₀ = 1,5 mm und d₀ = 1,2 mm auf. Ein radialsymmetrischer Transformatorkern gemäß 2 und 3 mit diesen Parametern würde aufgrund seiner Geometrie eine größere kritische Durchtrittsfläche F aufweisen, da die Flussdichte in der Deckfläche vom zentralen Kernvolumen nach außen hin abnimmt. Folglich würden nur 80% der Verluste des linearen Vergleichskerns auftreten, was durch den auf der Höhenlinie '0,8' liegenden Punkt M1 dargestellt ist.
Im Gegenzug kann die Schichtdicke d auf Ober- und Unterseite (der oberseitigen und unterseitigen Deckschicht) bei gleichem angenommenen Kernradius r₀ = 1,5 mm von d = 1,2 mm auf d = 0,6 mm halbiert werden, um die gleichen Verluste wie im linearen Fall einzustellen, was durch den auf der Höhenlinie '1,0' liegenden Punkt M2 dargestellt ist. Dies reduziert somit die Bauhöhe um 1,2 mm.
Eine weitere Verringerung von d auf 0,5 mm oder 0,4 mm bei gleichen magnetischen Verlustleistungen ist beispielsweise durch die Vergrößerung des Kernradius' r auf z. B. 2 oder 2,5 mm möglich, was durch den Punkt M3 bzw. M4 dargestellt ist. Somit lässt sich die Bauhöhe h + 2·d reduzieren, ohne dass die Gesamtverluste des Kerns zunehmen. Derartige Schichtdicken sind beispielsweise in der LTCC (”Low Temperature Cofired Ceramics”; Niedertemperatur-Einbrandkeramik)-Technologie für die monolithische Integration handhabbar.
Selbstverständlich ist die vorliegende Erfindung nicht auf das gezeigte Ausführungsbeispiel beschränkt.
So können die Schichten und die funktionalen Bereiche auch anders strukturiert sein. So mag beispielsweise das metallische Volumen für die Wicklungen nicht in Form einer Durchkontaktierung eingebracht werden, sondern auf eine Oberfläche einer LTCC-Lage aufgebracht werden, z. B. mittels Siebdrucks von Leiterbahnen auf die dielektrischen Lagen, insbesondere mit Ag, AgPd oder Cu.

1: Schaltungsträgers
2: Transformator
3: zentrales Kernvolumen
4: erste Deckschicht
5: Brückenvolumen
6: zweite Deckschicht
7: Wicklung
8: Ferritvolumen
9: Ferritvolumen
10: dielektrisches Material
11: Öffnung
12: Anschlüsse
13: Transformatorkern
14: magnetisch leitender Bereich
51: Transformatorkern
52: E-förmiger Teil
53: zentrales Kernvolumen
54: obere Deckschicht
55: äußeres Brückenvolumen
56: untere Deckschicht
d: Dicke einer Deckschicht
d₀: Dicke einer Deckschicht
D_L: Dicke einer Einzellage
Δ: seitlicher Abstand
h: Höhenabstand
F: kritische Durchtrittsfläche
G1: erste Gruppe von Einzellagen
G2: zweite Gruppe von Einzellagen
G2A: Untergruppe der zweiten Gruppe
G2B: Untergruppe der zweiten Gruppe
L1: Einzellage
M: Berechnete Werte einer Verlustleistung
r: Radius des zentralen Kernvolumens
r₀: Radius des zentralen Kernvolumens

Claims

Schaltungsträger (1) mit mindestens einem Transformator (2), welcher vollständig innerhalb des Schaltungsträgers (1) angeordnet ist.
Schaltungsträger (1) nach Anspruch 1, bei dem ein Transformatorkern (3, 4, 5, 6; 13) des Transformators (2) mindestens – ein zentrales Kernvolumen (3) zur Umgebung mit mindestens einer Spulenwindung (7) und – zwei Deckschichten (4, 6), die das zentrale Kernvolumen (3) zwischen sich einfügen, aufweist, – wobei sich in zumindest einer der Deckschichten (4, 6) eine Flussdichte eines mittels der mindestens einen Spulenwindung (7) erzeugten magnetischen Flusses mit steigendem Abstand vom zentralen Kernvolumen (3) aus zumindest abschnittsweise verringert.
Schaltungsträger (1) nach Anspruch 1 oder 2, bei dem sich von einem magnetischen Fluss durchflossenen Bereiche (14) zumindest einer der Deckschichten (4, 6) vom zentralen Kernvolumen (3) aus zumindest abschnittsweise verbreitern.
Schaltungsträger (1) nach Anspruch 3, bei dem – der Transformatorkern (3, 4, 5, 6; 13) ferner mindestens ein Brückenvolumen (5) aufweist, das seitlich versetzt zum zentralen Kernvolumen (3) zwischen den Deckschichten (4; 6) eingefügt ist, – wobei zumindest eine der Deckschichten (4; 6) so ausgestaltet ist, dass ihre von einem magnetischen Fluss durchflossene Bereiche vom zentralen Kernvolumen (3) zu einem Brückenvolumen (5) hin zumindest abschnittsweise verbreitert sind.
Schaltungsträger (1) nach Anspruch 4, bei dem sich die Deckschichten (4, 6) vom zentralen Kernvolumen (3) aus mindestens winkelsektorförmig, insbesondere kreisförmig, verbreitern.
Schaltungsträger (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Transformatorkern (3, 4, 5, 6; 13) eine bezüglich des zentralen Kernvolumens (3) rotationssymmetrische Grundform aufweist.
Schaltungsträger (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welcher aus mehreren Lagen (L1–L11, LA) hergestellt ist.
Schaltungsträger (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Transformator (2) aus mehreren Lagen (L1–L11) hergestellt ist, welche in die Lagen (L1–L11, LA) des Schaltungsträgers (1) integriert sind.
Schaltungsträger (1) nach Anspruch 7, bei dem der Transformator (2) monolithisch in den Schaltungsträger (1) integriert ist.
Schaltungsträger (1) nach Anspruch 7 und 8, bei dem die Lagen (L1–L11, LA) LTCC-Lagen sind.
Verfahren zum Herstellen eines Schaltungsträgers (1) mit einem darin integrierten Transformator (2), aufweisend mindestens die folgenden Schritte: – Aufeinanderstapeln der Lagen (L1–L11, LA) des Schaltungsträgers (1), wobei in eine Untermenge der Lagen (L1–L11) des Schaltungsträgers (1) Lagen des Transformators (2) integriert sind, und – Verbinden der Lagen (L1–L11, LA) des Schaltungsträgers (1).
Verfahren nach Anspruch 11, bei dem der Schritt des Verbinders der Lagen (L1–L11, LA) des Schaltungsträgers (1) ein monolithisches Verbinden umfasst.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, bei dem das Aufeinanderstapeln der Lagen (L1–L11, LA) des Schaltungsträgers (1) mindestens aufweist: – Aufeinanderstapeln einer ersten Gruppe (G1) von Lagen (L1, L2) mit mindestens einer Lage (L1, L2), in die jeweils zumindest ein Teil einer Deckschicht (6) eines Transformatorkerns (3, 4, 5, 6; 13) des Transformators (2) integriert ist, – Aufeinanderstapeln einer zweiten Gruppe (G2) von Lagen (L3–L9) mit mindestens einer Lage (L4, L6, L8), in die eine Wicklung (7) des Transformators (2) integriert ist, – Aufeinanderstapeln einer weiteren ersten Gruppe (G1) so, dass die zweiten Gruppe (G2) zwischen den ersten Gruppen (G1) eingefügt ist, und – Aufeinanderstapeln jeweils mindestens einer äußere Lage (LA), die keine Bereiche des Transformators (2) aufweisen, so dass die ersten Gruppen (C1) und die zweite Gruppe (G2) zwischen den äußeren Lagen (LA) eingefügt sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, bei dem die Lagen (L1–L11, LA) LTCC-Lagen sind und das Verfahren mindestens die folgenden Schritte aufweist: – Aufeinanderstapeln der LTCC-Lagen (L1–L11, LA) und – Sintern der LTCC-Lagen (L1–L11, LA).