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Die Erfindung betrifft ein Ausgangsnetzwerk für eine Plasmaversorgungseinrichtung zur Erzeugung einer Ausgangsleistung ≥ 500 W bei einer im Wesentlichen konstanten Grundfrequenz ≥ 3 MHz und zur Leistungsversorgung eines Plasmaprozesses, an welchen die erzeugte Ausgangsleistung geliefert wird, wobei das an einen Hochfrequenzleistungswandler, insbesondere Inverter, anschließbare Ausgangsnetzwerk mindestens einen Ausgangsübertrager mit einer primärseitigen und einer sekundärseitigen Wicklung aufweist, wobei zumindest eine der Wicklungen eine erste Teilwicklung und einen zweite Teilwicklung aufweist, die in unterschiedlichen Schichten durch einen Isolator beabstandet angeordnet sind, wobei der Ausgangsübertrager ausgelegt ist, eine Ausgangsleistung ≥ 500 W bei einer Frequenz ≥ 3 MHz zu übertragen.
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Die
DE 11 2008 000 120 T5 offenbart eine Plasmaversorgungseinrichtung mit einem Ausgangsnetzwerk, wobei das Ausgangsnetzwerk einen Ausgangsübertrager aufweist, der eine primärseitige Wicklung und eine sekundärseitige Wicklung aufweist. Weiterhin kann eine Leiterplatte vorgesehen sein, die mehrlagig ausgebildet ist. Eine Windung des Ausgangsübertragers kann in jeder der Lagen gebildet sein.
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Die
WO 2009/012 825 A1 offenbart eine Hochfrequenzstromversorgungsanordnung, die ein Ausgangsnetzwerk mit einem Ausgangsübertrager aufweist. Die Primärwicklung des Ausgangsübertragers weist eine Begleitleitung auf.
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Eine Plasmaversorgungseinrichtung wird zur Plasmastromversorgung, d. h. zur Stromversorgung von Plasmaprozessen eingesetzt. Die Plasmaversorgungseinrichtung arbeitet bei einer Grundfrequenz, die bei deren Einsatz als Plasmastromversorgung nur geringfügig von einem Sollwert abweichen darf. Typische Grundfrequenzen sind 3,39 MHz, 13,56 MHz, 27 MHz, 40 MHz, 62 MHz. Häufig wird als Hochfrequenzleistungswandler ein Inverter verwendet, der zumindest ein schaltendes Element aufweist. Der Inverter generiert aus einem DC-Signal einer DC-Stromversorgung ein Wechselsignal, welches periodisch mit der Grundfrequenz sein Vorzeichen ändert. Dazu wird das zumindest eine schaltende Element im Takt der Grundfrequenz zwischen einem leitenden und einem nichtleitenden Zustand hin und her geschaltet. Das Ausgangsnetzwerk generiert aus dem durch den Inverter generierten Wechselsignal ein sinusförmiges Ausgangssignal im Wesentlichen bei der vorgegebenen Grundfrequenz.
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Bei einem Plasma handelt es sich um einen besonderen Aggregatszustand, der aus einem Gas erzeugt wird. Jedes Gas besteht grundsätzlich aus Atomen und/oder Molekülen. Bei einem Plasma ist dieses Gas zu einem Großteil ionisiert. Dies bedeutet, dass durch die Zufuhr von Energie die Atome bzw. Moleküle in positive und in negative Ladungsträger, also Ionen und Elektronen, aufgespalten werden. Ein Plasma eignet sich zur Bearbeitung von Werkstücken, da die elektrisch geladenen Teilchen chemisch hochgradig reaktiv sind und zudem durch elektrische Felder beeinflussbar sind. Die geladenen Teilchen können mittels eines elektrischen Feldes auf ein Werkstück beschleunigt werden, wo sie beim Aufprall einzelne Atome aus dem Werkstück herauslösen können. Die herausgelösten Atome können über Gasfluss abtransportiert werden (ätzen) oder auf andere Werkstücke beschichtet werden (Herstellung von Dünnfilmen). Anwendung findet eine solche Bearbeitung mittels eines Plasmas vor allem dann, wenn extrem dünne Schichten, insbesondere im Bereich weniger Atomlagen, bearbeitet werden sollen. Typische Anwendungen sind Halbleitertechnik (beschichten, ätzen etc.) Flachbildschirme (ähnlich Halbleitertechnik), Solarzellen (ähnlich Halbleitertechnik), Architekturglasbeschichtung (Wärmeschutz, Blendschutz etc.), Speichermedien (CD, DVD, Festplatten), dekorative Schichten (farbige Gläser, etc. und Werkzeughärtung). Diese Anwendungen haben hohe Anforderungen an Genauigkeit und Prozessstabilität.
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Um aus einem Gas ein Plasma zu generieren, muss ihm Energie zugeführt werden. Das kann auf unterschiedliche Weise, beispielsweise über Licht, Wärme, elektrische Energie, erfolgen. Bei der Erzeugung mittels elektrischer Energie spricht man vom Zünden des Plasmas. Ein Plasma zur Bearbeitung von Werkstücken wird typischerweise in einer Plasmakammer gezündet. Dazu wird in der Regel ein Edelgas, z. B. Argon, mit niedrigem Druck in die Plasmakammer geleitet. Über Elektroden und/oder Antennen wird das Gas einem elektrischen Feld ausgesetzt. Ein Plasma entsteht bzw. wird gezündet, wenn mehrere Bedingungen erfüllt sind. Zunächst muss eine geringe Anzahl von freien Ladungsträgern vorhanden sein, wobei zumeist die stets in sehr geringem Maß vorhandenen freien Elektronen genutzt werden. Die freien Ladungsträger werden durch das elektrische Feld so stark beschleunigt, dass sie beim Aufprall auf Atome oder Moleküle des Edelgases weitere Elektronen herauslösen, wodurch positiv geladene Ionen und weitere negativ geladene Elektronen entstehen. Die weiteren freien Ladungsträger werden wiederum beschleunigt und erzeugen beim Aufprall weitere Ionen und Elektronen. Es setzt ein Lawineneffekt ein. Der ständigen Erzeugung von Ionen und Elektronen wirkt die natürliche Rekombination entgegen, d. h. Elektronen werden von Ionen angezogen und rekombinieren zur elektrisch neutralen Atomen bzw. Molekülen. Deshalb muss einem gezündeten Plasma beständig Energie zugeführt werden, um dieses aufrechtzuerhalten.
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Plasmastromversorgungen werden zur Erzeugung bzw. Zündung und zur Aufrechterhaltung eines Plasmas eingesetzt, können jedoch auch zur Anregung von Gaslasern eingesetzt werden. Plasmastromversorgungen müssen möglichst kleine Abmessungen aufweisen, damit sie in der Anwendung nah an den Plasmaentladungen angeordnet werden können. Sie sollen möglichst wiederholgenau und exakt arbeiten und möglichst geringe Verluste aufweisen, um einen hohen Wirkungsgrad zu realisieren. Eine weitere Anforderung sind möglichst geringe Herstellungskosten und hohe Wartungsfreundlichkeit. Nach Möglichkeit sollen Plasmastromversorgungen ohne mechanisch angetriebene Bauteile auskommen, insbesondere sind Lüfter aufgrund ihrer begrenzten Lebensdauer und der Gefahr von Verschmutzungen unerwünscht. Weiterhin sollen Plasmastromversorgungen gleichzeitig möglichst zuverlässig sein, sich nicht überhitzen und eine lange Betriebsdauer aufweisen.
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Aufgrund der hohen Dynamik und den oftmals chaotischen Verhältnissen in Plasmaprozessen ist eine Plasmastromversorgung viel höheren Anforderungen ausgesetzt als irgendeine andere Stromversorgung. Ein gezündetes Gas, das nur eine sehr geringe Anzahl von freien Ladungsträgern aufweist, weist eine nahezu unendlich hohe Impedanz auf. Ein Plasma besitzt aufgrund seiner großen Anzahl freier Ladungsträger eine relativ niedrige Impedanz. Beim Zünden des Plasmas erfolgt also ein sehr schneller Impedanzwechsel. Ein gezündetes Plasma hat als weitere Eigenschaft, dass sich die Impedanz sehr schnell und oftmals unvorhersehbar ändern kann. Man sagt, die Impedanz ist dynamisch. Die Impedanz des Plasmas ist zudem auch noch in hohem Grad nichtlinear. Dies bedeutet, dass eine Änderung der Spannung am Plasma nicht die analoge Änderung des Stroms hervorruft. Beispielsweise kann der Strom bei steigender Spannung sehr viel schneller ansteigen, hervorgerufen beispielsweise durch einen Lawineneffekt, oder der Strom kann auch bei sogenannter negativer Impedanz mit steigender Spannung absinken.
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Wenn eine Stromversorgung eine Leistung in Richtung Last, wie einer Plasmalast, abgibt, die mit ähnlicher Geschwindigkeit zur Last fließt, dort aber nicht aufgenommen werden kann, weil sich bei der vorhandenen Spannung der Last aufgrund der unterschiedlichen Impedanz nicht derselbe Strom einstellt, so wird nur der Teil der Leistung absorbiert, der sich aus Spannung und Strom in die Last berechnet. Der restliche Anteil der Leistung wird reflektiert. Dies erfolgt zwar auch bei Stromversorgungen mit niedrigen Frequenzen und auch bei Gleichstrom, nur bei diesen erfolgt das so schnell, dass sich die Spannung am Ausgang der Stromversorgung praktisch noch nicht verändert hat, wenn die reflektierte Energie zurückkommt. Es passiert für einen Beobachter also zeitgleich. In der Hochfrequenztechnik, mit Frequenzen oberhalb ca. 1 MHz, haben sich die Spannung und der Strom am Ausgang der Stromversorgung aber in der Regel schon verändert, wenn die reflektierte Leistung zurückkommt.
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Wenn die Last keine konstante Impedanz ist sondern eine dynamische und nichtlineare Last ist, so kann es zu mindestens zwei zusätzlichen problematischen Phänomenen kommen. Erstens können von den nichtlinearen, dynamischen Impedanzen Energien bei Frequenzen erzeugt werden, die ungleich der Grundfrequenz sind und Teile dieser Frequenzen können in Richtung der Stromversorgung geleitet werden. Durch Impedanzanpassungsglieder, die den schnellen dynamischen Impedanzänderungen nicht schnell genug folgen können, können vermehrt Reflektionen bei der Grundfrequenz verursacht werden, die von der dynamischen Impedanz zu der Stromversorgung geleitet werden.
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Es sind Plasmaversorgungseinrichtungen mit einem Ausgangsnetzwerk bekannt, wobei das Ausgangsnetzwerk einen Ausgangsübertrager aufweist. Dieser Ausgangsübertrager kann warm werden, insbesondere bei einem hohen Anteil von reflektierter Leistung. Insbesondere, wenn die Leistungsanteile bei anderen, insbesondere deutlich höheren Frequenzen als der Grundfrequenz liegen, ist dieses Phänomen besonders groß. Der Grund für die Erwärmung liegt zu einem erheblichen Teil an den dielektrischen Verlusten im Isoliermaterial zwischen den einzelnen Lagen des Ausgangsübertragers, in denen Leiterbahnmaterial angeordnet ist. Wenn beispielsweise eine Wicklung in unterschiedlichen Lagen spiralförmig gewickelt ist, entstehen Hochfrequenzfelder, auch wenn in den unterschiedlichen Lagen nur Teile der Primärwicklung vorgesehen sind. Dies liegt daran, dass sich die Spannung im Verlauf der Primärwicklung von dem Potential an einem Anschlusspunkt bis zum anderen Anschlusspunkt verteilt. Zwischen den beiden Lagen der Wicklung entsteht ein elektrisches Feld. Dieses elektrische Feld wechselt seine Richtung mit der Hochfrequenzspannung. Diese Hochfrequenzfelder erzeugen Verluste in dem Dielektrikum zwischen den Lagen (dielektrische Verluste), die zur Wärmeerzeugung führen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Ausgangsnetzwerk für eine Plasmaversorgungseinrichtung dahingehend weiter zu bilden, dass dielektrische Verluste reduziert werden können.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Ausgangsnetzwerk für eine Plasmaversorgungseinrichtung zur Erzeugung einer Ausgangsleistung ≥ 500 W bei einer im Wesentlichen konstanten Grundfrequenz ≥ 3 MHz und zur Leistungsversorgung eines Plasmaprozesses, an welchen die erzeugte Ausgangsleistung geliefert wird, wobei das an einen Hochfrequenzwandler, insbesondere Inverter, angeschlossene Ausgangsnetzwerk mindestens einen Ausgangsübertrager mit einer primärseitigen und einer sekundärseitigen Wicklung aufweist, wobei zumindest eine der Wicklungen eine erste Teilwicklung und eine zweite Teilwicklung aufweist, die in unterschiedlichen Schichten durch einen Isolator beabstandet angeordnet sind, wobei der Ausgangsübertrager ausgelegt ist, eine Ausgangsleistung ≥ 500 W bei einer Frequenz ≥ 3 MHz zu übertragen, und wobei die erste und zweite Teilwicklung elektrisch parallel geschaltet sind, wobei Wicklungsteile der unterschiedlichen Teilwicklungen im Wesentlichen deckungsgleich angeordnet sind.
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Die Teilwicklungen sind dabei vorzugsweise in parallelen Schichten angeordnet. Insbesondere sind die Teilwicklungen durch ein isolierendes Material beabstandet. Dies bedeutet, dass zwischen benachbarten Teilwicklungen ausschließlich isolierendes Material vorgesehen ist. Insbesondere befindet sich zwischen den Teilwicklungen keine Zwischenlage oder Zwischenschicht mit elektrischen Leitern, die ein elektrisches Hochfrequenzfeld verstärken könnten. Dadurch, dass die Teilwicklungen elektrisch parallel geschaltet sind, kann verhindert werden, dass Hochfrequenzfelder zwischen den beiden Teilwicklungen entstehen, die zu dielektrischen Verlusten führen. Die Verwendung von Teilwicklungsabschnitten in unterschiedlichen Schichten hat weiterhin den Vorteil, dass in den einzelnen Schichten die Leiterbahnen für die Teilwicklungen mit einem größeren Querschnitt ausgestaltet werden können, so dass größere Ströme geleitet werden können. Durch die Anordnung in unterschiedlichen Schichten ergibt sich weiterhin ein sehr kompakter Aufbau des Ausgangsübertragers und somit der Plasmaversorgungseinrichtung.
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Die erste und die zweite Teilwicklung können die gleiche Anzahl Windungen und eine im Wesentlichen gleiche geometrische Form aufweisen. Somit liegen identische Strukturen quasi deckungsgleich auf gegenüberliegenden Seiten einer isolierenden Schicht. Auch auf diese Weise können Hochfrequenzfelder, die zu Verlusten im Dielektrikum führen, vermieden werden.
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Beide Wicklungen (d. h. Primärwicklung und Sekundärwicklung) können eine erste Teilwicklung und eine zweite elektrisch parallel geschaltete Teilwicklung aufweisen. Dies hat fertigungstechnische Vorteile. Außerdem kann die Leiterplatte zwischen den elektrischen Leitern, d. h. den Teilwicklungen, aufgefräst werden, um die Ausbreitung von elektrischen Feldern und Wärmeenergie zu verhindern. Weiterhin ergeben sich Symmetrievorteile.
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Die erste und die zweite parallel geschaltete Teilwicklung können mindestens jeweils zwei Windungen aufweisen. Dadurch kann die Anzahl von Induktivitätserhöhungselementen zur Erzielung derselben Induktivität verringert werden.
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Der Ausgangsübertrager kann auf einer Leiterplatte mit mehreren Schichten aus isolierendem Material realisiert sein. Dadurch lässt sich ein Ausgangsübertrager besonders einfach realisieren. Außerdem kann er flach bauend realisiert werden.
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Die erste und die zweite Teilwicklung können als gedruckte Leiterbahnen realisiert sein. Auch dadurch ergeben sich fertigungstechnische Vorteile. Außerdem können die Ausgangsübertrager mit einer hohen Genauigkeit reproduziert werden.
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Die Leiterplatte kann zwischen den mindestens jeweils zwei Windungen zumindest abschnittsweise Ausnehmungen oder Gräben aufweisen. Dadurch können Luftstrecken geschaffen werden, die verhindern, dass sich Wärme in der Leiterplatte ausbreitet. Außerdem kann die Ausbreitung von elektrischen Feldern dadurch verringert oder vermieden werden.
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Die erste und zweite parallel geschaltete Teilwicklung können jeweils einen äußeren und einen inneren Wicklungsteil aufweisen, wobei der innere Wicklungsteil zumindest eine volle Windung aufweist und beim Übergang vom äußeren zum Inneren Wicklungsteil mindestens eine Brückenleiterbahn vorgesehen ist, die in einer anderen Schicht angeordnet ist als die erste und zweite Teilwicklung. Dadurch können die Anschlüsse des Ausgangsübertragers weit beabstandet voneinander vorgesehen werden. Zudem ergibt sich ein gleichförmiger Stromverlauf und damit eine gleichmäßige Erwärmung. Es kommt zu keinen unerwünschten lokalen Hitzeinseln. Außerdem hat sich herausgestellt, dass die Anordnung weniger anfällig für Übertragungen von Störsignalen ist.
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Die Brückenleiterbahn(en) der primärseitigen Wicklung kann in der/den Schicht(en) der sekundärseitigen Wicklung angeordnet sein und/oder die Brückenleiterbahn(en) der sekundärseitigen Wicklung kann in der/den Schicht(en) der primärseitigen Wicklung angeordnet sein. Dadurch kann die Brückenleiterbahn ebenfalls auf der Leiterplatte realisiert werden. Es ist nicht notwendig, als Brückenleiter einen Draht zu verwenden, der von der Leiterplatte absteht. Somit wird die Herstellung vereinfacht und die Gefahr vermieden, dass der Brückenleiter versehentlich entfernt oder getrennt wird.
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Der Isolator zwischen den in unterschiedlichen Schichten angeordneten Teilwicklungen einer Wicklung kann aus einem ersten Isoliermaterial ausgebildet sein und eine Teilwicklung der primärseitigen Wicklung und eine Teilwicklung der sekundärseitigen Wicklung können durch einen Isolator beabstandet sein, der aus einem zweiten, sich von dem ersten Isoliermaterial unterscheidenden Isoliermaterial ausgebildet ist. Somit kann in Bereichen, in denen hohe dielektrische Verluste zu befürchten sind und entsprechend eine hohe Wärmeerzeugung zu befürchten ist, ein besonders verlustarmes, dadurch aber relativ teures Isoliermaterial verwendet werden. Beispielsweise kann ein auf Teflon basierendes Material, insbesondere Rogers 4350, verwendet werden. In Bereichen, in denen weniger dielektrische Verluste zu befürchten sind, kann dagegen ein kostengünstigeres, herkömmliches Isoliermaterial, beispielsweise das Leiterplattenmaterial FR4 oder Prepreg verwendet werden.
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Insbesondere können die Isoliermaterialien so gewählt werden, dass das erste Isoliermaterial höhere Verluste bei Frequenzen ≥ 3 MHz aufweist als das zweite Isoliermaterial.
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Die Leiterplatte kann im Bereich des Ausgangsübertragers mehr isolierende Schichten aufweisen als im Bereich des übrigen Ausgangsnetzwerks. Somit können nur im Bereich des Ausgangsübertragers zusätzliche isolierende Schichten aus relativ teurem Isoliermaterial verwendet werden. Es ist jedoch nicht notwendig, in anderen Bereichen des Ausgangsnetzwerks, wo geringere Leistungsdichten zu erwarten sind, auch das teure Leiterplattenmaterial bzw. Isoliermaterial zu verwenden.
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Die Leiterplatte kann zumindest im Bereich des Ausgangsübertragers mehrere Schichten aus isolierendem Material aufweisen, wobei entweder eine oder mehrere innere Schichten aus dem ersten Isoliermaterial ausgebildet sind und eine oder mehrere untere und obere Schichten aus dem zweiten Isoliermaterial ausgebildet sind oder umgekehrt. Dies bedeutet, es könnte auch vorgesehen sein, dass eine oder mehrere innere Schichten aus dem zweiten Isoliermaterial ausgebildet sind und eine oder mehrere untere und obere Schichten aus dem ersten Isoliermaterial ausgebildet sind. Je nach Aufbau des Ausgangsübertragers kann somit das zweite Isoliermaterial, welches teurer ist, dort verwendet werden, wo eine höhere Leistungsdichte zu erwarten ist.
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Die Leiterplatte des Ausgangsnetzwerks kann mit einem mit Kühlflüssigkeit gekühlten Kühlkörper direkt oder indirekt verbunden sein. Dadurch kann das Ausgangsnetzwerk und insbesondere der Ausgangsübertrager gekühlt werden. Die Kühlung mit einem mit Kühlflüssigkeit gefüllten Kühlkörper hat den Vorteil, dass keine Lüfter zur Kühlung notwendig sind.
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Insbesondere kann die Plasmaversorgungseinrichtung ohne zusätzlich durch Lüfter erzwungene Lustströmung ausgebildet sein.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnung, die erfindungswesentliche Einzelheiten zeigen, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung schematisch dargestellt und werden nachfolgend mit Bezug zu den Figuren der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
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1 einen vereinfachten Schaltplan einer erfindungsgemäßen Plasmaversorgungseinrichtung;
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2 eine erste Ausführungsform eines Ausgangsübertragers;
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2a einen Querschnitt durch einen Ausgangsübertrager gemäß 2;
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3 eine zweite Ausführungsform eines Ausgangsübertragers;
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3a einen Querschnitt durch einen Ausgangsübertrager gemäß 3;
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4 eine Schnittdarstellung durch eine Leiterplatte, auf der ein Ausgangsnetzwerk realisiert werden kann.
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Die 1 zeigt eine Plasmaversorgungseinrichtung 10 mit einem ersten als Inverter 11 ausgebildeten Hochfrequenzleistungswandler und einem zweiten als Inverter 12 ausgebildeten Hochfrequenzleistungswandler. Die Inverter 11, 12 sind als Halbbrücke mit jeweils zwei in Serie geschalteten schaltenden Elementen 11.1, 11.2, 12.1, 12.2 ausgebildet. Beide Inverter 11, 12 sind jeweils an einen positiven Versorgungsspannungsanschluss 13 und an einen negativen Versorgungsspannungsanschluss 14 einer DC-Stromversorgung (nicht gezeigt) angeschlossen. Die Plasmaversorgungseinrichtung 10 weist weiter ein Ausgangsnetzwerk 15 auf, an das einerseits die Inverter 11, 12 und andererseits eine Last 16, insbesondere eine Plasmalast, angeschlossen sind. Als zentrales Schaltungsteil weist das Ausgangsnetzwerk 15 einen Ausgangsübertrager 17 mit einer primärseitigen Wicklung 18 und einer sekundärseitigen Wicklung 19 auf.
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Durch das Zusammenschalten der Ausgänge der beiden Inverter 11, 12 kann eine größere Ausgangsleistung mittels der Plasmaversorgungseinrichtung 10 erreicht werden. Zwischen der sekundärseitigen Wicklung 19 und einem Ausgangsanschluss 27 für die Last 16 ist ein Impedanzanpassungsglied 28 angeordnet. Das Impedanzanpassungsglied 28 umfasst eine Induktivität 29 und zwei Kondensatoren 30a, 30b. Das Impedanzanpassungsglied 28 kann mehrere Induktivitäten 29 sowie in Serie und/oder parallel geschaltete Kondensatoren 30a, 30b aufweise.
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Das Impedanzanpassungsglied 28 kann wie in 1 gezeigt dem Ausgangsübertrager 17 nachgeschaltet sein, es kann aber auch in umgekehrter Reihenfolge angeordnet sein, also dem Ausgangsübertrager 17 vorgeschaltet sein.
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Mit Hilfe des Ausgangsnetzwerks 15 wird aus einem an den Eingangsanschlüssen 20a, 20b eingegebenen Wechselsignal ein am Ausgangsanschluss 27 ausgegebenes sinusförmiges Ausgangssignal generiert. Weiter werden harmonische Frequenzen gefiltert und DC-Anteile abgetrennt. An die sekundärseitige Wicklung 19 ist ein Masseanschluss 34 angeschlossen. Das Ausgangsnetzwerk 15 ist überwiegend in Planartechnologie realisiert und einschließlich der Eingangsanschlüsse 20a, 20b, des Masseanschlusses 34 und des Ausgangsanschlusses 27 auf einer mehrlagigen bzw. mehrschichtigen Leiterplatte angeordnet.
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In der 2 ist in einer Explosionsdarstellung eine erste Ausführungsform eines Ausgangsübertragers 17.1 gezeigt. Der Ausgangsübertrager 17.1 weist vier (Leiterbahn)schichten 101, 103, 201, 203, d. h. Schichten oder Lagen, in denen Leiterbahnmaterial angeordnet ist, und drei jeweils dazwischen angeordnete Isolatoren 100, 102, 200, d. h. Schichten oder Lagen aus einem Isoliermaterial, auf. Er weist ferner auf einem ersten Isolator 100 in der (Leiterbahn)schicht 101 eine erste in Planartechnik realisierte Teilwicklung 101b der primärseitigen Wicklung 18 und auf einem zweiten Isolator 102 in der (Leiterbahn)schicht 101 eine zweite Teilwicklung 103b der primärseitigen Wicklung 18 auf. Auch die zweite Teilwicklung 103b ist in Planartechnik realisiert. Dies bedeutet, dass die Teilwicklungen 101b, 103b aus gedruckten Leiterbahnen gebildet sind. Die Teilwicklungen 101b, 103b sind elektrisch parallel geschaltet, was durch die Verbindungslinien 104, 105, 106, 107 angedeutet ist.
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Die primärseitige Wicklung 18 ist an die Anschlüsse 20a, 20b angeschlossen. Die primärseitige Wicklung 18 weist äußere Wicklungsteile 110a, 110b, 110c und 110d auf. Weiterhin weist sie innere Wicklungsteile 111a, 111b auf, wobei die inneren Wicklungsteile 111a, 111b im Ausführungsbeispiel eine volle Windung umfassen. Der Übergang vom äußeren Wicklungsteil 110a, 110b zum inneren Wicklungsteil 111a, 111b wird durch Brückenleiterbahnen 112a, 112b realisiert, die in der dritten (Leiterbahn)schicht 201 und in der vierten (Leiterbahn)schicht 203 angeordnet sind.
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Die Wicklungsteile 110a, 110c, 111a der ersten Teilwicklung 101b liegen in derselben Schicht. Insbesondere liegen sie in einer Schicht, die parallel zu der Schicht ist, in der die Wicklungsteile 110b, 110d, 111b liegen. Es ist der 2 außerdem zu entnehmen, dass die Wicklungsteile 110a, 110c, 111a der ersten Teilwicklung 101b die gleiche Anzahl an Windungen und dieselbe geometrische Form aufweisen wie die Wicklungsteile 110b, 110d, 111b der zweiten Teilwicklung 103b. Weiterhin sind die Wicklungsteile der unterschiedlichen Teilwicklungen 101b, 103b im Wesentlichen deckungsgleich angeordnet.
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Die Teilwicklungen 101b, 103b sind durch den Isolator 100 beabstandet. Insbesondere sind zwischen den Teilwicklungen 101b, 103b keine elektrischen Leitungen und insbesondere keine (Leiterbahn)schichten angeordnet, die elektrische Felder beeinflussen könnten.
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Der Ausgangsübertrager 17.1 weist weiterhin auf dem dritten Isolator 200 in der dritten (Leiterbahn)schicht 201 eine erste in Planartechnik realisierte Teilwicklung 201b der sekundärseitigen Wicklung 19 und in der vierten (Leiterbahn)schicht 203 eine zweite Teilwicklung 203b der sekundärseitigen Wicklung 19 auf. Auch die zweite Teilwicklung 203b ist in Planartechnik realisiert. Dies bedeutet, dass die Teilwicklungen 201b, 203b aus gedruckten Leiterbahnen gebildet sind. Die Teilwicklungen 201b, 203b sind elektrisch parallel geschaltet, was durch die Verbindungslinien 204, 205, 206, 207 angedeutet ist.
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Die sekundärseitige Wicklung 19 ist an die Anschlüsse 34, 34.1 angeschlossen. Die sekundärseitige Wicklung 19 weist äußere Wicklungsteile 210a, 210b, 210c und 210d auf. Weiterhin weist sie innere Wicklungsteile 211a, 211b auf, wobei die inneren Wicklungsteile 211a, 211b im Ausführungsbeispiel eine volle Windung umfassen. Der Übergang vom äußeren Wicklungsteil 210a, 210b zum inneren Wicklungsteil 211a, 211b wird durch Brückenleiterbahnen 212a, 212b realisiert, die in der ersten (Leiterbahn)schicht 101 und in der zweiten (Leiterbahn)schicht 103 angeordnet sind.
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Die Wicklungsteile 210a, 210c, 211a der ersten Teilwicklung 201b liegen in derselben (Leiterbahn)schicht 201. Insbesondere liegen sie in der (Leiterbahn)schicht 203, die parallel zu der (Leiterbahn)schicht 201 ist. Es ist der 2 außerdem zu entnehmen, dass die Wicklungsteile 210a, 210c, 211a der ersten Teilwicklung 201 die gleiche Anzahl an Windungen und dieselbe geometrische Form aufweisen wie die Wicklungsteile 210b, 210d, 211b der zweiten Teilwicklung 203. Weiterhin sind die Wicklungsteile der unterschiedlichen Teilwicklungen 201, 203 im Wesentlichen deckungsgleich angeordnet.
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Die Teilwicklungen 201b, 203b sind durch den Isolator 200 beabstandet. Zwischen den Teilwicklungen 201b, 203b sind keine elektrischen Leitungen oder (Leiterbahn)schichten angeordnet, die elektrische Felder beeinflussen könnten.
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Die Isolatoren 100, 102, 200 weisen Ausnehmungen 114–121, 214–221 auf, um Verluste im Isoliermaterial, hervorgerufen durch hochfrequente elektrischer Felder, die zu Wärmeentwicklungen führen können, zu verhindern. Weiterhin sind Aussparungen 122–129, 222–229 vorgesehen, die als Ferrite ausgebildete Induktivitätserhöhungselemente 130, 131 aufnehmen können. Die Induktivitätserhöhungselemente 130, 131 werden jeweils aus zwei Halbschalen zusammengesetzt. Im Bereich der Ausnehmungen 114–121, 214–221 befindest sich auch in den (Leiterbahn)schichten 101, 103, 201, 203 kein Leiterbahnmaterial, so dass die Induktivitätserhöhungselemente 130, 131 auch diese Schichten durchgreifen können.
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Bei der Ausführungsform eines Ausgangsübertragers 17.2 gemäß der 3 sind die Teilwicklungen 101b, 103b der primärseitigen Wicklung 18 nicht mehr direkt benachbart (lediglich beabstandet durch einen Isolator) zueinander angeordnet. Insbesondere ist die sekundärseitige Wicklung 19 zwischen den Teilwicklungen 101b, 103b der primärseitigen Wicklung 18 angeordnet. Für die gleichen Bauelemente werden dieselben Bezugsziffern verwendet wie in der 2.
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Der Ausgangsübertrager 17.2 weist in einer ersten (Leiterbahn)schicht 101 eine erste in Planartechnik realisierte Teilwicklung 101b der primärseitigen Wicklung 18 und in einer zweiten (Leiterbahn)schicht 103 eine zweite Teilwicklung 103b der primärseitigen Wicklung 18 auf. Auch die zweite Teilwicklung 103b ist in Planartechnik realisiert. Dies bedeutet, dass die Teilwicklungen 101b, 103b aus gedruckten Leiterbahnen gebildet sind. Die Teilwicklungen 101b, 103b sind elektrisch parallel geschaltet, was durch die Verbindungslinien 104, 105, 106, 107 angedeutet ist.
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Die primärseitige Wicklung 18 ist an die Anschlüsse 20a, 20b angeschlossen. Die primärseitige Wicklung 18 weist äußere Wicklungsteile 110a, 110b, 110c und 110d auf. Weiterhin weist sie innere Wicklungsteile 111a, 111b auf, wobei die inneren Wicklungsteile 111a, 111b im Ausführungsbeispiel eine volle Windung umfassen. Der Übergang vom äußeren Wicklungsteil 110a, 110b zum inneren Wicklungsteil 111a, 111b wird durch Brückenleiterbahnen 112a, 112b realisiert, die in den (Leiterbahn)schichten 201 und 203 angeordnet sind.
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Die Wicklungsteile 110a, 110c, 111a der ersten Teilwicklung 101b liegen in derselben (Leiterbahn)schicht 101. Insbesondere liegen sie in einer Schicht, die parallel zu der (Leiterbahn)schicht 103 ist, in der die Wicklungsteile 110b, 110d, 111b liegen. Es ist der 3 außerdem zu entnehmen, dass die Wicklungsteile 110a, 110c, 111a der ersten Teilwicklung 101b die gleiche Anzahl an Windungen und dieselbe geometrische Form aufweisen wie die Wicklungsteile 110b, 110d, 111b der zweiten Teilwicklung 103b. Weiterhin sind die Wicklungsteile der unterschiedlichen Teilwicklungen 101b, 103b im Wesentlichen deckungsgleich angeordnet.
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Der Ausgangsübertrager 17.2 weist weiterhin in einer dritten (Leiterbahn)schicht 201 eine erste in Planartechnik realisierte Teilwicklung 201b der sekundärseitigen Wicklung 19 und in einer vierten (Leiterbahn)schicht 203 eine zweite Teilwicklung 203b der sekundärseitigen Wicklung 19 auf. Auch die zweite Teilwicklung 203b ist in Planartechnik realisiert. Dies bedeutet, dass die Teilwicklungen 201b, 203b aus gedruckten Leiterbahnen gebildet sind. Die Teilwicklungen 201b, 203b sind elektrisch parallel geschaltet, was durch die Verbindungslinien 204, 205, 206, 207 angedeutet ist.
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Die sekundärseitige Wicklung 19 ist an die Anschlüsse 34, 34.1 angeschlossen. Die sekundärseitige Wicklung 19 weist äußere Wicklungsteile 210a, 210b, 210c und 210d auf. Weiterhin weist sie innere Wicklungsteile 211a, 211b auf, wobei die inneren Wicklungsteile 211a, 211b im Ausführungsbeispiel eine volle Windung umfassen. Der Übergang vom äußeren Wicklungsteil 210a, 210b zum inneren Wicklungsteil 211a, 211b wird durch Brückenleiterbahnen 212a, 212b realisiert, die in den (Leiterbahn)schichten 101 und 103 angeordnet sind.
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Die Wicklungsteile 210a, 210c, 211a der ersten Teilwicklung 201b liegen in derselben (Leiterbahn)schicht 201. Insbesondere liegen sie in einer Schicht bzw. Lage, die parallel zu der (Leiterbahn)schicht 203 liegt, in der die Wicklungsteile 210b, 210d, 211b liegen. Es ist der 3 außerdem zu entnehmen, dass die Wicklungsteile 210a, 210c, 211a der ersten Teilwicklung 201b die gleiche Anzahl an Windungen und dieselbe geometrische Form aufweisen wie die Wicklungsteile 210b, 210d, 211b der zweiten Teilwicklung 203b. Weiterhin sind die Wicklungsteile der unterschiedlichen Teilwicklungen 201b, 203b im Wesentlichen deckungsgleich angeordnet.
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Die Teilwicklungen 201b, 203b sind durch den Isolator 200 beabstandet. Zwischen den Teilwicklungen 201b, 203b sind keine elektrischen Leitungen angeordnet, die elektrische Felder beeinflussen könnten.
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Sowohl für die 2 als auch für die 3 hat das Material für die Isolatoren bestimmte Eigenschaften. Das Material der Isolatoren 100, 200 kann aus einem ersten Isoliermaterial hergestellt sein, beispielsweise aus FR4. Dieses Isoliermaterial ist günstig, hat aber nicht die besten Hochfrequenzeigenschaften. Bei Frequenzen oberhalb 3 MHz verursacht es erhebliche dielektrische Verluste. Bei Leistungen oberhalb 500 W können die Verluste oftmals so erheblich sein, dass eine aufwändige Kühlung mittels forciert strömender Luft oder Flüssigkeit erforderlich wird. In den Ausführungsbeispielen können die Isolatoren 100 und 200 an den gezeigten Stellen eingesetzt werden, da hier keine signifikanten elektrischen Felder entstehen. Da die Wicklungsteile, zwischen denen diese Isolatoren aus dem ersten Isoliermaterial angeordnet sind, parallel und formgleich verlaufen, parallel angeschlossen und zu jedem Zeitpunkt im Wesentlichen das gleiche Potential aufweisen, entstehen kaum Verluste verursachende elektrische Felder. Ohne signifikante elektrische Felder können auch keine dielektrischen Verluste entstehen.
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Das Material der Isolatoren 102, 102a, 102b kann aus einem zweiten Isoliermaterial hergestellt sein, welches bessere Hochfrequenzeigenschaften aufweist. Es ist so ausgelegt, dass es geringere Verluste erzeugt als das erste Isoliermaterial. Das ist vorteilhaft, da zwischen den Wicklungsteilen, die diese Isolatoren umschließen, elektrische Felder entstehen. Das ist unvermeidlich, da es sich um Wicklungsteile von zwei verschiedenen Wicklungen, nämlich der Primärwicklung 18 und der Sekundärwicklung 19, handelt. Es ist deswegen akzeptabel, dass dieses Leiterplattenmaterial teurer ist. Beispielsweise handelt es sich hierbei um ein Isoliermaterial, das Polytetrafluorethylen (PTFE) oder Keramikbestandteile enthält, oder ganz aus Polytetrafluorethylen (PTFE) oder Keramik gefertigt ist. Das unter dem Handelsnamen Rogers 4350 bekannte Isoliermaterial kann beispielsweise als zweites Isoliermaterial eingesetzt werden.
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Die 2a zeigt einen Querschnitt durch einen Ausgangsübertrager 17.1 gemäß 2 mit denselben Bezugsziffern wie in 2.
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Die 3a zeigt einen Querschnitt durch einen Ausgangsübertrager 17.2 gemäß 3 mit denselben Bezugsziffern wie in 3.
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Die 4 zeigt einen Querschnitt durch einen alternativen Schichtenstapel 300, wobei im Inneren des Schichtenstapels drei isolierende Schichten aus einem ersten Isoliermaterial 301, 302, 303 vorgesehen sind und jeweils oben und unten eine Schicht 304, 305 aus einem zweiten Isoliermaterial mit besseren HF Eigenschaften vorgesehen ist. In den Schichten 311 und 312 kann die primärseitige Wicklung 18 des Ausgangstransformators realisiert werden. In den Schichten 321–324 kann die sekundärseitige Wicklung 19 des Ausgangstransformators realisiert werden. Es ist damit ein Ausgangstransformator vergleichbar dem der in 3 und 3a dargestellten Ausgangstransformator realisierbar. Die Wicklungsteile 210a, 210c, können in Schicht 322 realisiert sein. Die Wicklungsteile 210b, 210d können in Schicht 324 realisiert sein. Die Brückenleiterbahn 212b kann in Schicht 321 realisiert sein. Die Brückenleiterbahn 212a kann in Schicht 324 realisiert sein. Die Brückenleiterbahnen 112a und 112b können als Leiterbahnbrücken oberhalb von Schicht 311 bzw. unterhalb von Schicht 312 angeordnet sein. Der Vorteil einer solchen Anordnung liegt darin, dass das relativ teure zweite Isoliermaterial der Schichten 304, 305 nur im Bereich des Ausgangstransformators benötigt wird. Der restliche Teil des Ausgangsnetzwerks kann dann mit dem relativ günstigen Isoliermaterial der Schichten 301, 302, 303 ausgeführt werden.
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Eine Bohrung 306 ist dargestellt, durch die elektrische Verbindungen von Leiterbahnen in den unterschiedlichen Schichten realisiert werden können.
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Der Schichtenstapel 300 stellt eine mehrlagige bzw. mehrschichtige Leiterplatte dar.
