DE102015001011A1

DE102015001011A1 - Gleichstromwandlersystem

Info

Publication number: DE102015001011A1
Application number: DE102015001011.5A
Authority: DE
Inventors: Werner Wölfel; Siegfried Kern; Wolfram Walter
Original assignee: Asd Automatic Storage Device GmbH
Current assignee: Asd Automatic Storage Device GmbH
Priority date: 2015-01-28
Filing date: 2015-01-28
Publication date: 2016-07-28
Also published as: DE202015009475U1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Gleichstromwandlersystem (100) mit mindestens einem auf einer Leiterplatte (26) angeordneten Gegentaktwandler (1), der einen ersten Schaltkreis (2) zur Umwandlung der von mindestens einer Batteriezelle erzeugten Gleichspannung in eine erste Wechselspannung, einen mindestens eine Primärwicklung (8, 9) und mindestens eine Sekundärwicklung (43) aufweisenden Transformator (5) mit Mantelkern, sowie einen zweiten Schaltkreis (3) zur Umwandlung der zweiten Wechselspannung in eine gegenüber der ersten Gleichspannung höhere Ausgangsspannung umfasst. Um einen kompakten Aufbau des Gleichstromwandlersystems (100) mit möglichst geringen ohmschen Verlusten zu erhalten, schlägt die Erfindung vor, dass der Transformator (5) zwei, jeweils nur aus einem Windungsabschnitt (6, 7) bestehende Primärwicklungen (8, 9) aufweist, wobei der erste Schaltkreis (2) mit der ersten Primärwicklung (8) und ein dritter Schaltkreis (4) mit der zweiten Primärwicklung (9) verbunden ist. Die Halbleiterschaltelemente (16–23) der beiden Schaltkreise (2, 4) sind einerseits kreuzungsfrei mit den entsprechenden Anschlüssen (29–32) der Windungsabschnitte 6, 7) und andererseits kreuzungsfrei mit zwei Stromschienen (35, 36) verbunden, welche jeweils den Transformator (5) und die beiden Schaltkreise (2, 4) umschließen. Die beiden Stromschienen (35, 36) weisen im Betrieb des Gleichstromwandlersystems (100) ein unterschiedliches Potential auf und sind auf unterschiedlichen Seiten der Leiterplatte (26) angeordnet, wobei die Anschlüsse (33, 37) der Halbleiterschaltelemente (16–23) der beiden Schaltkreise (2–4), an denen beim Betrieb des Gleichstromwandlersystems (100) ein gemeinsames Potential anliegt, mit einer der beiden, das entsprechende Potential aufweisenden Stromschienen (35, 36) verbunden sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Gleichstromwandlersystem mit mindestens einem auf einer Leiterplatte angeordneten Gegentaktwandler, der einen erste Halbleiterschaltelemente umfassenden ersten Schaltkreis zur Umwandlung der von mindestens einer Batteriezelle erzeugten Gleichspannung in eine erste Wechselspannung, einen mindestens eine Primärwicklung und mindestens eine Sekundärwicklung aufweisenden Transformator mit Mantelkern sowie einen zweiten Schaltkreis zur Umwandlung der zweiten Wechselspannung in eine gegenüber der ersten Gleichspannung höhere Ausgangsspannung umfasst.
Aus der EP 0 681 758 B1 ist ein Gleichstromwandler (im Folgenden auch als DC/DC-Wandler bezeichnet) zur Transformation hoher Eingangsspannungen (beispielsweise von > 230 V) in kleinere Ausgangsspannungen (beispielsweise von < 5 V) bekannt. Um bei den hohen Taktfrequenzen, mit denen der Transformator zwecks Vermeidung von Verlusten betrieben wird, entsprechend kleine Ausgangsspannungen zu erzeugen, wird in dieser Druckschrift vorgeschlagen, dass der Transformator zwei, jeweils aus einem Windungsabschnitt bestehende Sekundärwicklungen aufweist. Die beiden, in der Regel durch Kupferblechstreifen gebildete Windungsabschnitte weisen dabei beispielsweise die Form von Halbwindungen auf, welche um den Mittelschenkel eines Topfkernes herumgeführt sind. Da die Halbwindungen nur die Hälfte des gesamten von der Primärwicklung erzeugten magnetischen Flusses umschlingen, erzeugen sie jeweils auch nur die Hälfte der Spannung einer ganzen den gesamten magnetischen Fluss umfassenden Windung.
Bei bidirektionalen Gleichstromwandlern, wie sie beispielsweise zur Speicherung von regenerativer Energie benötigt werden, ist die Primärwicklung des Transformators über den ersten Schaltkreis mit mindestens einer Batteriezelle von z. B. 3 V verbunden. Der Transformator erzeugt dann beispielsweise eine Hochspannung von z. B. 400 V, die über den zweiten Schaltkreis gleichgerichtet wird und z. B. über einen nachgeschalteten Wechselrichter dem 230 V-Netz zugeführt wird. Zur Ladung der Batteriezelle ist diese über den DC/DC-Wandler beispielsweise mit einer Fotovoltaikanlage verbunden, so dass die Sekundärwicklung nun als Eingangswicklung und die Primärwicklung als batterieseitige Ausgangswicklung des Transformators verwendet wird.
Insbesondere im Falle von Modul-Speichersystemen, bei denen mehrere Modul-Speicher parallel geschaltet werden und jeder Modul-Speicher nur eine (oder nur eine geringe Anzahl von) Batteriezelle(n) umfasst, mit der ein eigenes Gleichstromwandlersystem verbunden ist, besteht das Problem, dass sowohl durch den ersten Schaltkreis als auch durch die Primärwicklung des Transformators des Gegentaktwandlers sehr hohe Ströme (in der Regel > 100 A) fließen können und von der Sekundärwicklung eine hohe Spannung (beispielsweise von 400 V) erzeugt werden muss. Um sicher zu vermeiden, dass der Transformatorkern im Betrieb eines derartigen Wandlersystems in seinen Sättigungszustand gelangt, muss er daher in der Regel relativ bauraumaufwendig ausgelegt sein.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Gleichstromwandlersystem der eingangs erwähnten Art anzugeben, bei dem einerseits der jeweilige Transformator kompakt aufgebaut ist, und andererseits die ohmschen Verluste des Transformators und der sich an die Primärwicklungen batterieseitig anschließenden Schaltkreise des Gleichstromwandlersystems möglichst gering gehalten werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Weitere, besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung offenbaren die Unteransprüche.
Die Erfindung beruht im Wesentlichen auf dem Gedanken, den Gegentaktwandler des Gleichstromwandlersystems auf einer Leiterplatte sehr platzsparend anzuordnen, wobei der Transformator des Gegentaktwandlers ähnlich aufgebaut ist, wie im Falle der eingangs erwähnten Druckschrift EP 0 681 758 B1 .
Allerdings weist bei dem erfindungsgemäßen Gleichstromwandlersystem der Transformator des Gegentaktwandlers nicht zwei aus jeweils einem Windungsabschnitt bestehende Sekundärwicklungen auf, sondern es werden zwei batteriezellenseitig angeordnete, jeweils aus einem Windungsabschnitt bestehende Primärwicklungen verwendet.
Die Anschlüsse der beiden Primärwicklungen sind auf gegenüberliegenden Seiten des Mantelkernes aus diesem herausgeführt, wobei der erste Schaltkreis mit der ersten Primärwicklung und ein dritter Schaltkreis mit der zweiten Primärwicklung verbunden ist. Die Halbleiterschaltelemente der beiden Schaltkreise sind dabei benachbart zu den Anschlüssen der Primärwicklung auf der Ober- oder Unterseite der Leiterplatte angeordnet, derart, dass sich die auf der gleichen Oberfläche der Leiterplatte verlaufenden Verbindungsleitungen zwischen den Halbleiterschaltelementen und den Anschlüssen der Primärwicklungen nicht kreuzen. Außerdem ist auf jeder der beiden Oberflächen der Leiterplatte mindestens eine Stromschiene angeordnet, die den Transformator und die sich seitlich an den Transformator anschließenden Halbleiterschaltelemente des ersten und dritten Schaltkreises außenseitig mindestens teilweise umschließen, wobei die Anschlüsse der Halbleiterschaltelemente der beiden Schaltkreise, an denen beim Betrieb des Wandlers ein gemeinsames Potential anliegt, mit einer der beiden, das entsprechende Potential aufweisenden Stromschienen kreuzungslos verbunden sind.
Durch eine derartige Anordnung der Bauelemente und der Stromschienen des Gegentaktwandlers ergibt sich ein sehr kompakter Aufbau eines Gleichstromwandlersystems.
Abgesehen davon, dass die Verwendung von Windungsabschnitten gegenüber einer vollständigen Windung zu einer Verringerung der ohmschen Leitungsverluste führt, können nun auch Batteriezellen mit sehr geringer Zellenspannung von beispielsweise 1,75 V auf Spannungen von z. B. 400 V transformiert werden, weil der in dem Transformatorkern erzeugte magnetische Fluss im Wesentlichen dem Fluss entspricht, der durch eine beide Windungsabschnitte umfassende Windung erzeugt wird, an der eine Batteriezelle mit doppelter Spannung (3, 5 V) liegt.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Transformator des Gegentaktwandlers im Bereich einer Ausnehmung der Leiterplatte angeordnet und ist durch kraftschlüssige Verbindung mindestens eines Teiles der Anschlüsse der Windungsabschnitte mit der Leiterplatte an dieser befestigt.
Vorzugsweise handelt es sich bei den Schaltkreisen um H-Schaltbrücken und bei den Halbleiterschaltelementen um Feldeffekttransistoren.
Bei den Halbleiterschaltelementen des ersten und dritten Schaltkreises muss es sich bei den Schaltelementen nicht zwingend jeweils um ein einzelnes Schaltelement handeln. Vielmehr können in Abhängigkeit von der Stromstärke jeweils auch Gruppen von mehreren parallel geschalteten Halbleiterschaltelementen verwendet werden, wobei einzelne Schaltelemente dann in Abhängigkeit von der erforderlichen Stromstärke zu- oder abgeschaltet werden.
Die Stromschienen können direkt oder über zusätzliche Bauelemente (beispielsweise über eine Drossel) mit randseitig an der Leiterplatte angeordneten Anschlüssen verbunden sein, die ihrerseits über entsprechende Verbindungsleitungen mit der Energiequelle verbindbar sind.
Das erfindungsgemäße Gleichstromwandlersystem kann auch mehrere mit der gleichen Batteriezelle verbindbare Gegentaktwandler umfassen, um beispielsweise auf einfache Weise die Ausgangsspannung des Systems zu verdoppeln. Hierzu werden die Bauelemente des jeweiligen Gegentaktwandlers in benachbarten Bereichen der Leiterplatte wiederum um die entsprechenden Anschlüsse der Primärwicklungen des jeweiligen Transformators möglichst platzsparend angeordnet und sowohl auf der Ober- wie auf der Unterseite der Leiterplatte die mit dem entsprechenden Potential verbindbaren Stromschienen rahmenförmig um diese Bauelemente herum angeordnet.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den folgenden, anhand von Figuren erläuterten Ausführungsbeispielen. Es zeigen:
1 die Schaltung eines Gegentaktwandlers für ein erfindungsgemäßes Gleichstromwandlersystem, wobei lediglich die drei Schaltkreise und der Transformator des Gegentaktwandlers dargestellt sind;
2 einen Querschnitt durch den in 1 angedeuteten Transformator des Gegentaktwandlers, wobei die Sekundärwicklung weggelassen wurde und der erste und dritte Schaltkreis nur schematisch dargestellt sind;
3 eine Draufsicht auf die Oberseite einer Leiterplatte eines erfindungsgemäßen Gleichstromwandlersystems;
4 eine Draufsicht auf die Unterseite der in 3 dargestellten Leiterplatte und
5 eine Seitenansicht der in den 3 und 4 dargestellten Leiterplatte.
In 1 ist die Schaltung eines Gegentaktwandlers 1 in Vollbrückenansteuerung für ein erfindungsgemäßes Gleichstromwandlersystem schematisch dargestellt. Dabei sind lediglich die Schaltkreise 2, 3 und 4 und der Transformator 5 des Gegentaktwandlers 1 wiedergegeben. Die üblicherweise weiteren, eingangs- und/oder ausgangsseitigen Bauelemente, wie Drosseln und Kondensatoren wurden aus Übersichtlichkeitsgründen weggelassen (zum Aufbau von Gegentaktwandlern vgl. beispielsweise den Internetartikel „Gegentaktflusswandler” abrufbar unter http://de.wikipedia.org/wiki/Gegentaktflusswandler).
Zur Umwandlung der von einer Batteriezelle (nicht dargestellt) erzeugten Gleichspannung in eine erste Wechselspannung umfasst der Gegentaktwandler 1 einen ersten Schaltkreis 2 und einen dritten Schaltkreis 4. Die beiden Schaltkreise 2, 4 sind parallel geschaltet und bestehen jeweils aus einer H-Schaltbrücke, wobei es sich bei den Schaltelementen um Feldeffekttransistoren (beispielsweise MOS-Feldeffekttransistoren) handelt.
Die beiden Schaltkreise 2, 4 sind jeweils mit einem geradlinigen Windungsabschnitt 6, 7 zweier Primärwicklungen 8, 9 des Transformators 5 verbunden (2), dessen Kern 10 als Mantelkern ausgebildet ist, d. h. er besitzt einen im Querschnitt E-förmigen Kern, dessen Mittelschenkel 11 die Primär- und Sekundärwicklungen trägt. Dabei befinden sich die Windungsabschnitte 6, 7 der beiden Primärwicklungen 8, 9 jeweils in gegenüberliegenden Ausnehmungen 12, 13 zwischen dem Mittelschenkel 11 und dem Außenschenkel 14, 15 des Transformatorkernes 10.
Die Sekundärwicklung 43 des Transformators 5 ist zur Gleichrichtung der sekundärseitigen Wechselspannung mit einem als Synchrongleichrichter dienenden Schaltkreis 3 verbunden.
Die Wirkungsweise der Schaltkreise 2, 3 und 4 von Gegentaktwandlern mit Vollbrückenansteuerung ist aus dem vorstehend erwähnten Artikel dem Fachmann bekannt und braucht hier nicht näher erläutert zu werden. Allerdings ist für die vorliegende Erfindung von Bedeutung, dass die Feldeffekttransistoren 16–19 des ersten Schaltkreises 2 und 20–23 des dritten Schaltkreises 4 derart über ihre Gate-Anschlüsse angesteuert werden, dass in den Windungsabschnitten 6, 7 der beiden Primärwicklungen 8, 9 ein gleich großer, aber entgegengesetzt gerichteter Strom fließt, wie dieses in 2 durch die Pfeile 24, 25 angedeutet ist.
Nachfolgend wird mit Hilfe der 3–5 näher auf den Aufbau eines erfindungsgemäßen Gleichstromwandlersystems 100 eingegangen, wobei vor allem die Anordnung der batterieseitigen Schaltkreise 2, 4 auf einer Leiterplatte 26 des Gegentaktwandlers 1 erläutert werden.
Während 3 die Draufsicht auf die Oberseite der Leiterplatte 26 zeigt, gibt 4 die Draufsicht auf die Unterseite der Leiterplatte 26 des erfindungsgemäßen Gleichstromwandlersystems 100 wieder.
Die Leiterplatte 26 weist einen ersten Bereich 27 zur Aufnahme des Transformators 5 und der Feldeffekttransistoren 16–19 und 20–23 der Schaltkreise 2 und 4 auf. Dabei sind der Transformator 5 in einer Ausnehmung 28 der Leiterplatte 26 und die Feldeffekttransistoren 16–19 und 20–23 ober- und unterseitig an der Leiterplatte 26 angeordnet.
Die Anschlüsse 29–32 der beiden Windungsabschnitte 6, 7 der Primärwicklungen 8, 9 erstrecken sich seitlich bis zu der Leiterplatte 26 und sind auf deren Oberseite mit dieser kraftschlüssig verbunden.
Unmittelbar seitlich von den Anschlüssen 29–32 der Windungsabschnitte 6, 7 sind die Feldeffekttransistoren 16–19 und 20–23 des ersten und dritten Schaltkreises 2 und 4 ober- und unterseitig angeordnet, wobei die Anschlüsse 33 der Drain-Elektroden der Feldeffekttransistoren 16–23 direkt mit den zugehörigen Anschlüssen 29–32 der Windungsabschnitte 6, 7 verbunden (verlötet) sind, so dass sich die auf der gleichen Oberfläche der Leiterplatte 26 verlaufenden Verbindungen zwischen den Schaltelementen 16–23 und den Anschlüssen der Windungsabschnitte 6, 7 nicht kreuzen.
Zur Kontaktierung der Anschlüsse 33 der Drain-Elektroden der auf der unteren Oberfläche der Leiterplatte 26 befindlichen Feldeffekttransistoren mit den Anschlüssen 29–32 der Windungsabschnitte 6, 7 ist eine Durchkontaktierung 34 der Anschlüsse 29–32 zur Unterseite der Leiterplatte vorgesehen (4; in 2 sind die durchkontaktierten Bereiche mit einem „*” versehen).
Auf jeder der beiden Oberflächen der Leiterplatte 26 ist eine schraffiert dargestellte, rahmenförmig ausgebildete, aus einem Kupferblech bestehende Stromschiene 35, 36 angeordnet, die jeweils den ersten Bereich 27 der Leiterplatte 26 seitlich begrenzen.
Alle Anschlüsse der Feldeffekttransistoren 16–19 und 20–23 der beiden Schaltkreise 2 und 4, an denen beim Betrieb des Gleichstromwandlersystems 100 ein gemeinsames Potential anliegt, sind mit einer der beiden, das entsprechende Potential aufweisenden Stromschienen 35, 36 kreuzungslos verbunden. Dieses kann vorzugsweise dadurch geschehen, dass die Anschlüsse 37 der Source-Elektroden der Feldeffektransistoren 16–23 direkt mit den Stromschienen 35, 36 verlötet sind.
Die Stromschienen 35, 36 sind in dem in den 3–5 dargestellten Ausführungsbeispiel über zusätzliche Bauelemente 38, 39 (beispielsweise einer Drossel 38 und einer Sicherung 39) mit randseitig an der Leiterplatte 26 angeordneten Anschlüssen 40, 41 (vgl. insbesondere auch 5) verbunden, die ihrerseits über entsprechende Verbindungsleitungen mit einer Batteriezelle verbindbar sind.
Die batteriezellenseitigen Schaltkreise 2, 4 mit den Primärwicklungen 8, 9 und der sekundärseitig vorhandene Schaltkreis 3 mit der Sekundärwicklung 43 des Transformators 5 sind vertauschbar, d. h. der Gegentaktwandler 1 (und damit auch das Gleichstromwandlersystem 100) ist bidirektional verwendbar.
Die weiteren, üblicherweise bei Gegentaktwandlern verwendeten Baueinheiten, die in den 3–5 nicht dargestellt sind (wie der zweite Schaltkreis 3, Ein- und Ausgangsdrosseln, Kondensatoren, Steuereinrichtungen zur Erzeugung von Schaltimpulsen für die Feldeffekttransistoren etc.), sind vorzugsweise außerhalb des ersten und zweiten Bereiche 27, 42 auf der Leiterplatte 26 angeordnet.
Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf das in den Figuren dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt. So können beispielsweise die einzelnen Feldeffekttransistoren durch Gruppen aus mehreren parallel schaltbaren Transistoren ersetzt werden, wobei die Anzahl der jeweils parallel geschalteten Transistoren von der Stärke des jeweils zu schaltenden Stromes abhängt.
Ein weiteres, erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel des Transformators des Gleichstromwandlers erhält man, wenn die beiden Windungsabschnitte der Primärwicklung des Transformators aus mindestens zwei parallel zueinander angeordneten Leiterabschnitten bestehen, deren Enden jeweils elektrisch miteinander verbunden sind, wobei die Sekundärwicklung des Transformators zwischen den parallel zueinander angeordneten Leiterabschnitten der Windungsabschnitte der Primärwicklung angeordnet ist. Denn durch eine derartige Anordnung ergibt sich sowohl ein geringerer Ohmscher-Widerstand der Primärwicklung als auch eine geringere Streuinduktivität, wie bei vergleichbaren bekannten Transformatoren ohne parallele Windungsabschnitte.
Außerdem wird durch eine derartige Anordnung der Primärwicklung ein kompakter Aufbau des Transformators sichergestellt, da die Leiterabschnitte durch die Sekundärwicklung beabstandet werden und sich daher einerseits an der Sekundärwicklung und andererseits an den ober- und unterseitigen Endflächen des Transformatorkernes abstützen.
6 zeigt die Seitenansicht eines entsprechenden Transformators, bei dem die beiden Windungsabschnitte der Primärwicklungen des Transformators jeweils aus zwei parallel zueinander angeordneten Leiterabschnitten bestehen. Dabei ist allerdings nur der Windungsabschnitt 7 der Primärwicklung 9 dargestellt, welcher sich aus den parallel zueinander angeordneten Leiterabschnitten 7' und 7'' zusammensetzt, die an ihren Enden elektrisch leitend miteinander verbunden sind und die Anschlüsse 31, 32 des Windungsabschnittes 7 bilden. Zwischen den Leiterabschnitten 7' und 7'' befindet sich die isoliert angeordnete Sekundärwicklung 43 des Transformators 5.
In 7 ist die Seitenansicht eines weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispieles des Transformators 5 dargestellt, bei dem die Windungsabschnitte der Primärwicklung jeweils aus drei parallel zueinander angeordneten Leiterabschnitten bestehen. In diesem Fall weist also der dargestellte Windungsabschnitt 7 zusätzlich zu den beiden randseitigen Leiterabschnitten 7' und 7'' zusätzlich einen mittig angeordneten dritten Leiterabschnitt 7''' auf. Die Enden der Leiterabschnitte 7'–7''' sind wiederum elektrisch leitend miteinander verbunden und bilden die Anschlüsse des Windungsabschnittes 7.
Sowohl zwischen dem Leiterabschnitt 7' und dem Leiterabschnitt 7''' als auch zwischen den Leiterabschnitten 7'' und 7''' befindet sich jeweils eine Sekundärwicklung 43' und 43''. Diese Sekundärwicklungen 43' und 43'' sind elektrisch in Serie geschaltet.
Das Gleichstromwandlersystem kann auch aus mehreren, auf einer Leiterplatte platzsparend angeordneten Gegentaktwandlern bestehen, wobei die einzelnen Gegentaktwandler beispielsweise batteriezellenseitig parallel und sekundärseitig in Reihe geschaltet sind.
In den 3 und 4 begrenzen die auf den beiden Oberflächen der Leiterplatte angeordneten Stromschienen daher einen zweiten Bereich 42, in dem die Bauelemente eines weiteren Gegentaktwandlers anordbar sind.
Da bei Verwendung von mehreren Gegentaktwandlern die Stromstärke in den einzelnen Bereichen der Stromschienen möglichst gleich groß sein sollte, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn der Ort der Anschlüsse 40, 41 entsprechend an den Stromschienen gewählt wird.
So ist es beispielsweise bei der Anordnung von zwei Gegentaktwandlern auf einer Leiterplatte günstiger, wenn die Anschlüsse 40, 41 statt, wie in den 3 und 4 dargestellt, an den oberen Enden der Stromschienen 35, 36 in mittleren Bereichen der Stromschienen 35, 36 angeordnet werden. Denn bei der in den 3 und 4 vorgeschlagenen Anordnung der Anschlüsse 40, 41 fließt in den Stromschienenbereichen zwischen den Anschlüssen 40, 41 der Stromschienen und den Anschlüssen des benachbarten Gegentaktwandlers ein doppelt so hoher Strom wie in den Stromschienenbereichen zwischen den beiden Gegentaktwandlern.
Hingegen würde bei einer Anordnung der Anschlüsse 40, 41 im mittleren Bereich der Stromschienen 35, 36 zwischen diesen Anschlüssen und den beiden Gegentaktwandlern jeweils nur der Strom fließen, den der entsprechende Gegentaktwandler auch tatsächlich benötigt.
Bezugszeichenliste

1: Gegentaktwandler
2: (erster) Schaltkreis
3: (zweiter) Schaltkreis
4: (dritter) Schaltkreis
5: Transformator
6, 7: Windungsabschnitte
7'–7''': Leiterabschnitte
8: (erste) Primärwicklung
9: (zweite) Primärwicklung
10: Transformatorkern, Mantelkern, Kern
11: Mittelschenkel
12, 13: Ausnehmungen
14, 15: Außenschenkel
16–19: Halbleiterschaltelement, Feldeffekttransistoren
20–23: Halbleiterschaltelement, Feldeffekttransistoren
24, 25: Pfeile
26: Leiterplatte
27: erster Bereich
28: Ausnehmung
29–32: Anschlüsse (Windungsabschnitte)
33: Anschluss (Drain-Elektrode)
34: Durchkontaktierung
35, 36: Stromschienen
37: Anschluss (Source-Elektrode)
38: Bauelement, Drossel
39: Bauelement, Sicherung
40, 41: Anschlüsse
42: zweiter Bereich
43, 43', 43'': Sekundärwicklungen
100: Gleichstromwandlersystem

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 0681758 B1 [0002, 0007]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

http://de.wikipedia.org/wiki/Gegentaktflusswandler [0023]

Claims

Gleichstromwandlersystem mit mindestens einem auf einer Leiterplatte (26) angeordneten Gegentaktwandler (1), der • einen erste Halbleiterschaltelemente (16–19) umfassenden ersten Schaltkreis (2) zur Umwandlung der von mindestens einer Batteriezelle erzeugten Gleichspannung in eine erste Wechselspannung, • einen mindestens eine Primärwicklung (8, 9) und mindestens eine Sekundärwicklung (43) aufweisenden Transformator (5) mit Mantelkern, sowie • einen zweiten Schaltkreis (3) zur Umwandlung der zweiten Wechselspannung in eine gegenüber der ersten Gleichspannung höhere Ausgangsspannung umfasst, mit den Merkmalen: a) der Transformator (5) weist zwei jeweils aus einem Windungsabschnitt (6, 7) bestehende Primärwicklungen (8, 9) auf, deren Anschlüsse (29–32) auf gegenüberliegenden Seiten des Mantelkernes (10) aus diesem herausgeführt sind, wobei der erste Schaltkreis (2) mit der ersten Primärwicklung (8) und ein dritter Halbleiterschaltelemente (20–23) umfassender Schaltkreis (4) mit der zweiten Primärwicklung (9) verbunden ist; b) die Halbleiterschaltelemente (16–19) des ersten Schaltkreises (2) und die Halbleiterschaltelemente (20–23) des dritten Schaltkreises (4) sind Ober- und/oder unterseitig in den sich an die Anschlüsse (29–32) der Windungsabschnitte (6, 7) der Primärwicklungen (8, 9) anschließenden Bereichen der Leiterplatte (26) befestigt, derart, dass sich die auf der gleichen Oberfläche der Leiterplatte (26) verlaufenden Verbindungsleitungen zwischen den Halbleiterschaltelementen (16–19 und 20–23) und den Anschlüssen (29–32) der Windungsabschnitte (6, 7) nicht kreuzen; c) auf jeder der beiden Oberflächen der Leiterplatte (26) ist mindestens eine Stromschiene (35, 36) angeordnet, die den Transformator (5) und die sich in Verlängerung der Windungsabschnitte (6, 7) des Transformators (5) seitlich anschließenden Halbleiterschaltelemente (16–19 und 20–23) des ersten und dritten Schaltkreises (2, 4) außenseitig mindestens teilweise umschließen, d) die Anschlüsse der Halbleiterschaltelemente (16–19 und 20–23) der beiden Schaltkreise (2, 4), an denen beim Betrieb des Gleichstromwandlersystems (100) ein gemeinsames Potential anliegt, sind mit einer der beiden, das entsprechende Potential aufweisenden Stromschienen (35, 36) kreuzungslos verbunden.
Gleichstromwandlersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Transformator (5) im Bereich einer Ausnehmung (28) der Leiterplatte (26) angeordnet und durch eine kraftschlüssige Verbindung der Anschlüsse (29–32 der Windungsabschnitte (6, 7) mit der Leiterplatte (26) an dieser befestigt ist.
Gleichstromwandlersystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den drei Schaltkreisen (2–4) um H-Schaltbrücken und bei den Halbleiterschaltelementen (16–23) um Feldeffekttransistoren handelt.
Gleichstromwandlersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, das jedes Halbleiterschaltelement (16–23) des ersten und dritten Schaltkreises (2, 4) aus mehreren, parallel geschalteten Feldeffekttransistoren besteht, die in Abhängigkeit den zu schaltenden Strömen aktivierbar sind.
Gleichstromwandlersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Windungsabschnitten (6, 7) der beiden Primärwicklungen (8, 9) um im Wesentlichen gerade verlaufende, streifenförmige Leiterelemente handelt.
Gleichstromwandlersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Windungsabschnitte (6, 7) der beiden Primärwicklungen (8, 9) jeweils die Form von Halbwindungen besitzen.
Gleichstromwandlersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Windungsabschnitt (6, 7) der Primärwicklungen (8, 9) des Transformators (5) aus mindestens zwei parallel zueinander angeordneten Leiterabschnitten (7'–7''') besteht, deren Enden jeweils elektrisch miteinander verbunden sind, und dass die Sekundärwicklung(en) (43; 43', 43'') des Transformators (5) zwischen den parallel zueinander angeordneten Leiterabschnitten (7'–7''') der Windungsabschnitte (6, 7) angeordnet ist (sind).
Gleichstromwandlersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die auf den beiden Oberflächen der Leiterplatte (26) angeordneten Stromschienen (35, 36) den Transformator (5) und die sich seitlich an den Transformator (5) anschließenden Halbleiterschaltelemente (16–23) des ersten und dritten Schaltkreises (2, 4) jeweils rahmenförmig umschließen.
Gleichstromwandlersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromschienen (35, 36) direkt oder über zusätzliche Bauelemente (38, 39) mit randseitig an der Leiterplatte (26) angeordneten Anschlüssen (40, 41) verbunden sind, die ihrerseits über entsprechende Verbindungsleitungen mit mindestens einer Batteriezelle verbindbar sind.
Gleichstromwandlersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei gleichartige Gegentaktwandler (1) an der Leiterplatte (26) angeordnet sind, die primärseitig parallel mit mindestens einer Batteriezelle verbindbar und sekundärseitig seriell miteinander verbunden sind, wobei die beiden Stromschienen (35, 36) mit unterschiedlichem Potential den Transformator (5) und die Halbleiterschaltelemente (16–23) des ersten und dritten Schaltkreises (2, 4) des jeweiligen Gegentaktwandlers (1) umschließen.