DE102018005043A1

DE102018005043A1 - Planartransformator

Info

Publication number: DE102018005043A1
Application number: DE102018005043.3A
Authority: DE
Inventors: Matthias Gossen
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2018-06-25
Filing date: 2018-06-25
Publication date: 2019-01-24

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Planartransformator (T) mit dem auf möglichst einfache Weise unterschiedliche Übersetzungsverhältnisse realisiert werden können. Der Planartransformator (T) umfasst dabei eine erste Leiterplatte (1) mit einer ersten und einer zweiten Lage (11, 12) und eine zweite Leiterplatte (2) mit einer ersten und einer zweiten Lage (21, 22), wobei jede Lage der ersten und zweiten Leiterplatte (11, 12, 21, 22) jeweils eine als Leiterbahn ausgebildete Wicklung (13, 14, 23, 24) aufweist, wobei die Wicklungen der jeweiligen ersten Lage der ersten und zweiten Leiterplatte (13, 23) elektrisch in Serie zueinander geschaltet sind, und die Wicklungen der jeweiligen zweiten Lage der ersten und zweiten Leiterplatte (14, 24) elektrisch parallel zueinander geschaltet sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen Planartransformator, umfassend eine erste Leiterplatte mit einer ersten und einer zweiten Lage, und eine zweite Leiterplatte mit einer ersten und einer zweiten Lage, wobei jede Lage der ersten und zweiten Leiterplatte jeweils eine, als Leiterbahn ausgebildete Wicklung aufweist.
Ein Transformator, auch Umspanner genannt, ist ein elektronisches Bauteil umfassend zumindest zwei Spulen bzw. Wicklungen, beispielsweise aus Kupferdraht, die über einen Transformatorkern, beispielsweise einen Ferritkern, induktiv gekoppelt sind. Die Spulen auch Primär- und Sekundärwicklung genannt, sind dabei gegeneinander elektrisch isoliert. Somit wird eine elektrische Eingangsleistung bei Wechselgrößen von Strom und Spannung an der ersten Spule (z.B. Eingangs- oder Primärwicklung) in eine Ausgangsleistung an der zweiten Spule (z.B. Ausgangs- oder Sekundärwicklung) übersetzt, wobei das Übersetzungsverhältnis von Eingangsstrom/-spannung (i1 und u1) zu Ausgangsstrom/-spannung (i2 und u2) von dem Verhältnis der Anzahl der Windungen der beiden Spulen (w1 und w2) zueinander abhängig ist. Das Übersetzungsverhältnis ü_T eines idealen Transformators ergibt sich folglich aus $ü_{T} = \frac{w 1}{w 2} = \frac{u 1}{u 2} = - \frac{i 2}{i 1} .$
Im Vergleich zu herkömmlichen Transformatoren weist ein Planartransformator Spulen bzw. Wicklungen auf, die im Wesentlichen planar als Leiterbahnen auf Leiterplatten (englisch: printed circuit boards, kurz: PCB) ausgebildet sind. Daraus ergibt sich eine höhere Leistungsdichte und ein höherer Wirkungsgrad als bei herkömmlichen Transformatoren. Der übertragene Leistungsbereich eines Planartransformators liegt in der Regel zwischen wenigen Watt bis zu mehreren Kilowatt.
Aus der DE 10 2007 019 111 A1 ist ein elektronisches Bauelement, insbesondere ein Planartransformator oder eine Planarinduktivität bekannt, mit zumindest einem Kern und zumindest einer mit elektronischen Bauelementen bestückten Hauptleiterplatte. Dabei ist der Hauptleiterplatte zumindest eine Sekundärleiterplatte zugeordnet, wobei die Hauptleiterplatte und die Sekundärleiterplatte mit als Leiterbahn ausgeführten Wicklungen versehen und im Bereich des Kerns angeordnet sind. Weiterhin ist vorgesehen, dass eine Vielzahl von Sekundärleiterplatten einen Stapel zur Bestückung auf der Hauptleiterplatine bilden.
Aus der DE 697 29 196 T2 ist eine Planarübertrageranordnung für eine elektrische Schaltung bekannt, wobei die Anordnung aufweist: ein Schaltungsplatinenstück, eine Primärwicklung, die zumindest ein im Wesentlichen planares Wicklungsmuster aufweist, und eine Sekundärwicklung, die zumindest ein im Wesentlichen planares Wicklungsmuster aufweist, einen Übertragerkern, der die Primär- und Sekundärwicklungen zumindest teilweise umgibt, wobei sowohl die Primär- als auch die Sekundärwicklungen auf dem Schaltungsplatinenstück geformt sind, und der Übertragerkern an das Schaltungsplatinenstück angebracht ist, wodurch der Übertragerkern und das Schaltungsplatinenstück zusammen eine separate Planarübertragerkomponente bilden, wobei die Planarübertrageranordnung eine erste Schaltungsplatine aufweist, an der die elektrische Schaltung implementiert ist und eine Öffnung entsprechend dem Übertragerkern aufweist, in die die Planarübertragerkomponente eingesetzt ist.
Aus dem Stand der Technik ergibt sich jedoch der Nachteil, dass das Übersetzungsverhältnis nicht individuell angepasst werden kann, ohne die als Leiterbahnen ausgeführten Wicklungen auf den Leiterplatten zu verändern. Eine Anpassung des Übersetzungsverhältnisses kann somit nur mit erhöhtem Aufwand erfolgen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, auf einfache Weise unterschiedliche Übersetzungsverhältnisse für einen Planartransformator zu realisieren.
Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die abhängigen Patentansprüche, die folgende Beschreibung sowie die Figuren offenbart.
Durch die Erfindung ist ein Planartransformator bereitgestellt. Der Planartransformator umfasst dabei eine erste Leiterplatte mit einer ersten und einer zweiten Lage, und eine zweite Leiterplatte mit einer ersten und zweiten Lage, wobei jede Lage der ersten und zweiten Leiterplatte jeweils eine als Leiterbahn ausgebildete Wicklung aufweist, wobei die Wicklungen der jeweiligen ersten Lage der ersten und zweiten Leiterplatte elektrisch in Serie zueinander geschaltet sind und die Wicklungen der jeweiligen zweiten Lage der ersten und zweiten Leiterplatte elektrisch parallel zueinander geschaltet sind.
Mit anderen Worten sind also die Wicklungen des Planartransformators jeweils als Leiterbahnen in den jeweils zwei Lagen zweier Leiterplatten realisiert. Die Wicklung in der ersten Lage der ersten Leiterplatte ist dabei elektrisch in Serie zu der Wicklung in der ersten Lage der zweiten Leiterplatte geschaltet und die Wicklung in der zweiten Lage der ersten Leiterplatte ist elektrisch parallel zu der Wicklung in der zweiten Lage der zweiten Leiterplatte geschaltet. Durch die serielle Verschaltung der Wicklungen in den jeweiligen ersten Lagen summiert sich insgesamt also die Anzahl der Windungen in der ersten Lage der ersten Leiterplatte mit der Anzahl der Windungen in der ersten Lage der zweiten Leiterplatte auf. Im Gegensatz dazu summiert sich durch die parallele Verschaltung der Wicklungen in den jeweiligen zweiten Lagen die Anzahl der Windungen in der zweiten Lage der ersten Leiterplatte und der Anzahl der Windungen in der ersten Lage der zweiten Leiterplatte nicht auf.
Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass die Wicklungen, also beispielsweise die Primär- bzw. Sekundärwicklungen des Planartransformators individuell zueinander verschaltet werden können, sodass das Übersetzungsverhältnis auf einfache Weise angepasst werden kann.
Zu der Erfindung gehören auch Ausführungsformen, durch die sich zusätzliche Vorteile ergeben.
Eine Ausführungsform sieht vor, dass die Leiterplatten einen Stapel bilden und mittels zumindest jeweils einer Lötkontaktierung miteinander verbunden sind.
Mit anderen Worten sind die erste und die zweite Leiterplatte aufeinander gestapelt, das heißt die erste Leiterplatte liegt beispielsweise auf der zweiten Leiterplatte auf. Vorzugsweise weisen die Leiterplatten gleiche Abmessungen auf und sind derart ordentlich gestapelt, dass die Kanten der Leiterplatten bündig miteinander abschließen. Jede der Leiterplatten weist dabei zumindest eine elektrisch leitfähige Kontaktfläche auf, wobei die Leiterplatten über diese Kontaktfläche miteinander verlötet sind und somit elektrisch miteinander verbunden sind.
Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass die Leiterplatten identisch aufgebaut sind, wodurch zum einen die Leiterplatten und zum anderen auch die jeweiligen Wicklungen in den unterschiedlichen Lagen der Leiterplatten auf einfache und immer gleiche Weise automatisierbar miteinander verbunden werden können. Die kann beispielsweise durch ein Wiederaufschmelzlötverfahren (Reflow-Löten) erfolgen.
Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass der Planartransformator auch einen Transformatorkern umfasst, der die Leiterplatten zumindest abschnittsweise umgibt, und die jeweiligen Wicklungen der zugehörigen Leiterplatten um den Transformatorkern angeordnet sind.
In anderen Worten verlaufen also die Leiterbahnen in den verschiedenen Lagen der Leiterplatten als Wicklungen in Windungen zumindest teilweise um den Transformatorkern. Der Transformatorkern kann dabei beispielsweise als Ferritkern ausgebildet sein.
Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass die Wicklungen der jeweiligen ersten Lage als Primärwicklungen ausgebildet sind und die Wicklungen der jeweiligen zweiten Lage als Sekundärwicklungen ausgebildet sind.
In anderen Worten, sind die Wicklungen in der ersten Lage der ersten Leiterplatte und die Wicklungen in der ersten Lage der zweiten Leiterplatte als Eingangswicklungen des Transformators ausgebildet und die Wicklungen der zweiten Lage der ersten Leiterplatte und die Wicklungen der zweiten Lage der zweiten Leiterplatte sind als Ausgangswicklungen des Planartransformators ausgebildet.
Da erfindungsgemäß die Primärwicklungen nun in Serie zueinander geschaltet sind und die Ausgangswicklungen Sekundärwicklungen parallel zueinander geschaltet sind, ergibt sich durch die Verschaltung ein neues Übersetzungsverhältnis ü, welches aus der Summe des Übersetzungsverhältnisses der ersten Leiterplatte und des Übersetzungsverhältnisses der zweiten Leiterplatte resultiert. Sind die Leiterplatten identisch aufgebaut, ergibt sich das neue Übersetzungsverhältnis ü aus dem Produkt der Anzahl an Leiterplatten (hier z.B. zwei) und dem Übersetzungsverhältnis ü_Basis das jede einzelne Leiterplatte aufweist.
Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass die Wicklungen der jeweiligen ersten Lage als Sekundärwicklungen ausgebildet sind, und die Wicklungen der jeweiligen zweiten Lage als Primärwicklungen ausgebildet sind.
In anderen Worten, sind die Wicklungen in der ersten Lage der ersten Leiterplatte und die Wicklungen in der ersten Lage der zweiten Leiterplatte als Ausgangswicklungen des Transformators ausgebildet und die Wicklungen der zweiten Lage der ersten Leiterplatte und die Wicklungen der zweiten Lage der zweiten Leiterplatte sind als Eingangswicklungen des Planartransformators ausgebildet.
Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass die jeweiligen Wicklungen als Leiterbahnen in der zugehörigen Leiterplatte ausgebildet sind und mit Durchkontaktierungen an die Oberfläche der Leiterplatte geführt sind.
In anderen Worten sind die als Leiterbahn ausgebildeten Wicklungen also innerhalb, das heißt unter der Oberfläche der zugehörigen Leiterplatte ausgebildet. Die Wicklungen werden anschließend mittels Durchkontaktierungen (Via), also vertikalen elektrischen Verbindungen zur Kontaktierung an die Oberfläche der Leiterplatte geführt.
Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass die jeweiligen Wicklungen als Leiterbahnen an der Oberfläche der zugehörigen Leiterplatte ausgebildet sind.
In anderen Worten ist beispielsweise die Wicklung der ersten Lage der ersten Leiterplatte an der Oberseite der Leiterplatte ausgebildet und die Wicklung der zweiten Lage der ersten Leiterplatte an der Unterseite der Leiterplatte ausgebildet.
Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass zumindest eine der Leiterplatten mittels Stiftleisten mit einer mit elektronischen Bauelementen bestückten dritten Leiterplatte elektrisch verbunden ist.
In anderen Worten ist die erste Leiterplatte und/oder die zweite Leiterplatte mittels Stiftleisten mit einer dritten Leiterplatte elektrisch verbunden. Die dritte Leiterplatte stellt die Hauptleiterplatte einer elektronischen Schaltung dar und ist beispielsweise mit einer Vielzahl von elektronischen Bauelementen, etwa Widerständen, Kondensatoren, Transistoren usw. bestückt.
Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass der Planartransformator zumindest eine weitere Leiterplatte mit einer ersten und einer zweiten Lage mit jeweils als Leiterbahnen ausgebildete Wicklungen umfasst, wobei die Wicklung der ersten Lage zumindest einer weiteren Leiterplatte elektrisch in Serie oder parallel zu den Wicklungen der jeweiligen ersten Lage der ersten und zweiten Leiterplatte geschaltet ist, und die Wicklung der zweiten Lage der zumindest einen weiteren Leiterplatte elektrisch in Serie oder parallel zu den Wicklungen der jeweiligen zweiten Lage der ersten und zweiten Leiterplatte geschaltet ist.
In anderen Worten bilden also zumindest drei Leiterplatten einen Stapel. Auch mehr als drei Leiterplatten, z.B. vier oder sechs Leiterplatten als Teil des Planartransformators sind denkbar. Die Wicklungen der zusätzlichen Leiterplatte(n) sind dabei entweder in Serie oder parallel zu den Wicklungen der ersten und zweiten Leiterplatte geschaltet.
Die Erfindung umfasst auch die Kombinationen der Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in der einzigen Figur alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Dabei zeigt die einzige Fig. einen schematischen Aufbau eines Planartransformators mit drei Leiterplatten.
Bei dem im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung. Bei dem Ausführungsbeispiel stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsform jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden und damit auch einzeln oder in einer anderen als der gezeigten Kombination als Bestandteil der Erfindung anzusehen sind. Des Weiteren ist die beschriebene Ausführungsform auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils funktionsgleiche Elemente.
Die Fig. zeigt einen Querschnitt durch einen Planartransformator T, welcher aus einer ersten Leiterplatte 1, einer zweiten Leiterplatte 2 und einer dritten Leiterplatte 3 aufgebaut ist. Der Planartransformator T umfasst dabei auch einen Transformatorkern K, der zumindest abschnittsweise die drei Leiterplatten 1, 2 und 3 umgibt.
Jede der Leiterplatten 1, 2 und 3 ist in der Fig. mit je zwei Lagen dargestellt. Somit weist die erste Leiterplatte 1 eine erste Lage 11 und eine zweite Lage 12 auf, die zweite Leiterplatte 2 weist eine erste Lage 21 und eine zweite Lage 22 auf und die dritte Leiterplatte 3 weist eine erste Lage 31 und eine zweite Lage 32 auf.
Weiterhin befindet sich in der ersten Lage der ersten Leiterplatte 11 auch die erste Wicklung der ersten Leiterplatte 13, die als Leiterbahn unter der Oberfläche der Leiterplatte 1 ausgebildet ist. Außerdem befindet sich in der zweiten Lage der ersten Leiterplatte 12 die zweite Wicklung der ersten Leiterplatte 14, die als Leiterbahn an der Oberfläche der Leiterplatte 1 ausgebildet ist. Analog dazu befindet sich in der ersten Lage der zweiten Leiterplatte 21 die erste Wicklung der zweiten Leiterplatte 23, die als Leiterbahn unter der Oberfläche der Leiterplatte 2 ausgebildet ist. In der zweiten Lage der zweiten Leiterplatte 22 befindet sich die zweite Wicklung der zweiten Leiterplatte 24, die als Leiterbahn an der Oberfläche der zweiten Leiterplatte 2 ausgebildet ist. Entsprechend befindet sich auch in der ersten Lage der dritten Leiterplatte 31 die erste Wicklung der dritten Leiterplatte 33, die als Leiterbahn unter der Oberfläche der dritten Leiterplatte 3 ausgebildet ist. In der zweiten Lage der dritten Leiterplatte 32 befindet sich die zweite Wicklung der dritten Leiterplatte 34, die als Leiterbahn an der Oberfläche der Leiterplatte 3 ausgebildet ist.
Dabei sind die jeweiligen ersten Wicklungen 13, 23 und 33 der Leiterplatten in Serie geschaltet und die jeweiligen zweiten Wicklungen 14, 24 und 34 der Leiterplatten parallel zueinander geschaltet.
Die serielle Verschaltung der ersten Wicklungen 13, 23 und 33 erfolgt, indem in die erste, zweite und dritte Leiterplatte 1, 2 und 3 Durchkontaktierungen bzw. Vias eingelassen sind, die den jeweiligen Wicklungsanfang bzw. das Wicklungsende der jeweiligen ersten Wicklung 13, 23 und 33 als Kontakte zur Oberfläche der Leiterplatte führen. Dabei sind die Durchkontaktierungen V derart angeordnet, dass jeweils das Wicklungsende einer ersten Wicklung einer der Leiterplatten mit dem Wicklungsanfang einer ersten Wicklung einer anderen Leiterplatte verbunden werden kann.
In der Fig. ist beispielsweise der Wicklungsanfang der ersten Wicklung der dritten Leiterplatte 33 über eine Durchkontaktierung V an die Oberfläche der dritten Leiterplatte 3 geführt und über einen Lötkontakt L und eine Durchkontaktierung V in der zweiten Leiterplatte 2 mit dem Anfang der ersten Wicklung der zweiten Leiterplatte 23 verbunden. In ähnlicher Weise ist dann der Wicklungsanfang der ersten Wicklung der zweiten Leiterplatte 23 über eine Durchkontaktierung der in zweiten Leiterplatte 2 an die Oberfläche geführt und über einen Lötkontakt L mit einer Durchkontaktierung V der ersten Leiterplatte 1 mit dem Ende der ersten Wicklung der ersten Leiterplatte 13 verbunden. Um die ersten Wicklungen 13, 23 und 33 nun seriell zu verbinden, ist der Wicklungsanfang der ersten Wicklung der ersten Leiterplatte 13 über eine Durchkontaktierung V zur Oberfläche der ersten Leiterplatte 1 geführt und über einen Lötkontakt L mit dem einen Ende einer Steckbrücke (Jumper) J verbunden. Das andere Ende der Steckbrücke J ist dann wieder über einen Lötkontakt L mit einer durchgängigen Durchkontaktierung V in der ersten Leiterplatte 1 verbunden. Von der ersten Leiterplatte aus führt eine elektrische Verbindung aus durchgängigen Durchkontaktierungen V und Lötkontakten L über die zweite Leiterplatte 2 bis zur dritten Leiterplatte 3. Dabei sind diese durchgängigen Durchkontaktierungen nicht direkt mit der jeweiligen erster Wicklung der Leiterplatten 13, 23 und 33 in Kontakt.
Entsprechend sind nun die ersten Wicklungen der ersten Leiterplatte 13, 23 und 33 in Serie miteinander verbunden, wobei die losen Kontaktflächen der Durchkontaktierungen V auf der Unterseite der dritten Leiterplatte 3 beispielsweise an eine Hauptleiterplatte mit elektronischen Bauelementen oder eine Wechselspannungsquelle angeschlossen werden könnten.
Die Parallelverschaltung der jeweiligen zweiten Wicklungen der Leiterplatten 14, 24 und 34 erfolgt in der Fig., indem der jeweilige Wicklungsanfang jeder der zweiten Wicklungen 14, 24 und 34 miteinander verbunden wird, und gleichzeitig das jeweilige Wicklungsende jeder zweiten Wicklung 14, 24 und 34 miteinander verbunden wird. Dazu sind erneut Durchkontaktierungen V vorgesehen, welche den jeweiligen Wicklungsanfang und das jeweilige Wicklungsende der zweiten Wicklungen 14, 24 und 34 zur Oberfläche der jeweiligen Leiterplatte 1, 2 und 3 führen.
Entsprechend ist also der Wicklungsanfang der zweiten Wicklung der dritten Leiterplatte 34 über Durchkontaktierungen V mit dem Wicklungsanfang der zweiten Wicklung der zweiten Leiterplatte 24 und dem Wicklungsanfang der zweiten Wicklung der ersten Leiterplatte 14 verbunden. Analog ist das Wicklungsende der zweiten Wicklung der dritten Leiterplatte 34 über Durchkontaktierungen V mit dem Wicklungsende der zweiten Wicklung der zweiten Leiterplatte 24 und dem Wicklungsende der zweiten Wicklung der ersten Leiterplatte 14 verbunden. Die Kontaktierung des jeweiligen Wicklungsanfangs bzw. des jeweiligen Wicklungsendes erfolgt dabei erneut mittels Lötkontakten L. Der nicht verbundene Wicklungsanfang und das nicht verbundene Wicklungsende der zweiten Wicklung der ersten Leiterplatte und der nicht verbundene Wicklungsanfang und das nicht verbundene Wicklungsende der zweiten Wicklung 34 der dritten Leiterplatte können dann beispielsweise an eine mit elektronischen Bauteilen bestückten Hauptleiterplatte oder einen anderen elektrischen Verbraucher angeschlossen werden.
Wie in der Fig. gezeigt ist, sind alle drei Leiterplatten 1, 2 und 3 identisch aufgebaut sind.
Dem in der einzigen Fig. gezeigten Ausführungsbeispiel kann folgende Situation beispielhaft zugrunde liegen. Die jeweiligen ersten Wicklungen 13, 23 und 33 können besipeilsweise als Primärwicklungen des Planartransformators ausgebildet sein. Weiterhin können die zweiten Wicklungen 14, 24 und 34 als Sekundärwicklungen des Planartransformators ausgebildet sein. Ist beispielsweise ein Verhältnis der ersten Windungen der Wicklung der ersten Leiterplatte 13 zu den Windungen der zweiten Wicklung der ersten Leiterplatte 14 von 2:1 gegeben, ergibt sich ein Übersetzungsverhältnis ü₁ von 2.
Sind die Leiterplatten 1, 2 und 3 weiterhin beispielsweise identisch aufgebaut, so ergibt sich folglich auch für die zweite Leiterplatte 2 und die dritte Leiterplatte 3 ein jeweiliges Übersetzungsverhältnis ü₂ und ü₃ von 2. Dieses Übersetzungsverhältnis der ersten, zweiten und dritten Leiterplatte 1, 2 und 3 kann auch als Basisübersetzung ü_Basis bezeichnet werden. Sind nun die Primärwicklungen der Leiterplatten 1, 2 und 3 in Serie geschaltet und die Sekundärwicklungen parallel geschaltet, ergibt sich ein neues Übersetzungsverhältnis ü aus der Summe der Übersetzungsverhältnisse der einzelnen Leiterplatten 1, 2 und 3. Folglich kann das neue Übersetzungsverhältnis ü auch gegeben sein, als ü = n ∗ ü_basis, wobei n der Anzahl an Leiterplatten, nämlich drei, entspricht. Das neue Übersetzungsverhältnis ü, dass also mit einer derartigen Verschaltung der Leiterplatten 1, 2 und 3 realisiert werden kann, entspricht nun 6:1.
Analog könnten in einer anderen beispielhaften Situation die ersten Wicklungen 13, 23 und 33 als Sekundärwicklungen vorliegen und die zweiten Wicklungen 14, 24 und 34 als Primärwicklungen vorliegen. Außerdem könnte in einem anderen, nicht gezeigten Ausführungsbeispiel beispielsweise die ersten Wicklungen 13, 23 und 33 an der Oberfläche der jeweiligen Leiterplatte 1, 2 und 3 verlaufen, während die zweiten Wicklungen 14, 24 und 34 unter der Oberfläche der jeweiligen Leiterplatte 1, 2 und 3 geführt sind.
Auch ist denkbar, dass Leiterplatten mit mehr als zwei Lagen zum Beispiel drei, vier oder fünf Lagen je Leiterplatte vorgesehen sind. Dabei können die, als Wicklungen ausgebildeten Leiterbahnen in den unterschiedlichen Lagen einer Leiterplatte beliebig miteinander verbunden werden. Bei zwei vierlagigen Leiterplatten könnten beispielsweise jeweils die Wicklungen in den ersten beiden Lagen als Primärwicklung des Planartransformators in Serie geschaltet werden und die Wicklungen in den jeweiligen übrigen beiden Lagen als Sekundärwicklungen parallel zueinander geschaltet werden.
Möglich ist auch, dass beispielsweise die dritte Leiterplatte 3 in einem anderen, nicht gezeigten Ausführungsbeispiel mit der ersten Wicklung 33 parallel zu der ersten Wicklung der zweiten Leiterplatte 23 geschaltet ist, wohingegen die zweite Wicklung der dritten Leiterplatte 34 in Serie zu der zweiten Wicklung der zweiten Leiterplatte 24 geschaltet ist.
Derartige Planartransformatoren könnten beispielsweise im Automobilbereich Einsatz finden. Sie könnten zum Beispiel als Spannungswandler genutzt werden um unterschiedliche Spannungslevel im Bordnetz eines Kraftfahrzeugs anzupassen.
In anderen Worten ist durch die Erfindung gezeigt, wie in leistungselektronischen Spannungswandlern durch die Verwendung von Planartransformatorkernen die Verwendung von Transformatorwicklungen, die auf Leiterbahnen aufgedruckt sind, ermöglicht wird. Diese Technologie hat damit unter anderem fertigungstechnische Vorteile. Eine Anpassung des Übertragungsverhältnisses der Transformatorwicklung geht allerdings zwangsläufig für konventionelle Konzepte mit einem neuen Platinen-Layout (Leiterplattenaufbau) einher. Die hier vorgestellte Erfindung basiert auf der Planartechnologie und kombiniert diese mit der Surface-Mounted-Technology (Technologie von oberflächenmontierten Bauelementen, kurz: SMT) zur Herstellung einer neuartigen Modularität für Planartransformatoren.
Um die Modularität zu gewährleisten, werden einzelne, identische Leiterplatten (Platinen) verwendet. Die Transformatorleiterplatten können in beliebiger Anzahl gestapelt werden, bis die maximale Fensterhöhe des verwendeten Transformatorkerns, beispielsweise eines Ferritkerns, erreicht wird. Die gewünschte Anzahl an Leiterplatten kann dabei in einem einzelnen Schritt mit Hilfe des konventionellen Reflow-Verfahrens verlötet werden. Die Kontaktierung mit einer Hauptplatine, die beispielsweise die Leistungselektronik enthalten kann, kann über Stiftleisten erfolgen. Die Transformatorleiterplatte kann dabei so gestaltet sein, dass bei den oben beschriebenen Stapeln eine Windungsseite (zum Beispiel die ersten Wicklungen) elektrisch seriell verbunden wird und die andere Seite (zweite Wicklungen) elektrisch parallel verbunden werden. Daraus resultiert das Übertragungsverhältnis ü = n ∗ ü_basis für n Transformatorleiterplatten, die jeweils ein Basiswicklungsverhältnis von ü_Basis aufweisen.
Die Platinen für die Transformatorleiterplatten können dabei so gestaltet werden, dass der vom Platinen Material abhängige maximale Isolationswiderstand limitierend für den Aufbau ist. Für die Serienverschaltungen der Windungen (Wicklungen) kann jeweils der Anfang und das Ende der Windung auf internen Lagen über Vias auf Lötpads (Lötkontakt) auf der Platinenober- und Platinenunterseite geführt werden. Je Seite der Platine existiert somit nur ein Anschluss an diese Windung. Auf der gleichen Seite der Platine kann eine zunächst nicht verbundene Kontaktierung von der Ober- zur Unterseite der Platine über ein Via mit jeweils einem zusätzlichen Lötpad eingebracht werden. Diese Verbindung kann für die oberste Transformatorleiterplatte im Stapel mit einem Jumper gebrückt werden und kann somit die elektrische Verbindung des Windungsendes der Serienverschaltung zurück zur Hauptplatine erzeugen. Bei der Parallelverschaltung können alle Windungsenden sowohl auf der Unter- als auch auf der Oberseite zu Lötpads herausgeführt werden. Die verwendeten Lötpads können beispielsweise maschinell Reflow-gelötet werden.
Ein entsprechender Planartransformator kann prinzipiell in jedem Industriebereich Verwendung finden. Ein mögliches Anwendungsgebiet im Automobilbereich ist die Adaption von Spannungswandlern auf unterschiedliche Bordnetzspannungslevel wie zum Beispiel von 12 V auf 24 V oder 28 V mit Hilfe einfacher Bestückungsvariationen. Eine Verwendung im Hochvoltbereich ist auch denkbar und ermöglicht die Adaption von Spannungswandlern auf unterschiedliche Spannungslevel. Ein Hochvoltbordnetz weist dabei eine Spannung von größer als 60 V, insbesondere größer als 100 V zum Beispiel von 400 V auf.
Insgesamt zeigt das Beispiel, wie durch die Erfindung ein modulares Windungskonzept für Planartransformatoren realisiert werden kann.
Bezugszeichenliste

1: Erste Leiterplatte
2: Zweite Leiterplatte
3: Dritte Leiterplatte
11: Erste Lage der ersten Leiterplatte
12: Zweite Lage der ersten Leiterplatte
13: Erste Wicklung der ersten Leiterplatte
14: Zweite Wicklung der ersten Leiterplatte
21: Erste Lage der zweiten Leiterplatte
22: Zweite Lage der zweiten Leiterplatte
23: Erste Wicklung der zweiten Leiterplatte
24: Zweite Wicklung der zweiten Leiterplatte
31: Erste Lage der dritten Leiterplatte
32: Zweite Lage der dritten Leiterplatte
33: Erste Wicklung der dritten Leiterplatte
34: Zweite Wicklung der dritten Leiterplatte
J: Steckbrücke (Jumper)
K: Transformatorkern
L: Lötkontakt/Lötkontaktierung
T: Planartransformator
V: Durchkontaktierung/Via

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

DE 102007019111 A1 [0004]
DE 69729196 T2 [0005]

Claims

Planartransformator (T), umfassend - eine erste Leiterplatte (1) mit einer ersten und einer zweiten Lage (11, 12), und - eine zweite Leiterplatte (2) mit einer ersten und einer zweiten Lage (21, 22), wobei - jede Lage der ersten und zweiten Leiterplatte (11, 12, 21, 22) jeweils eine, als Leiterbahn ausgebildete Wicklung (13, 14, 23, 24) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass - die Wicklungen der jeweiligen ersten Lage der ersten und zweiten Leiterplatte (13, 23) elektrisch in Serie zueinander geschaltet sind, und - die Wicklungen der jeweiligen zweiten Lage der ersten und zweiten Leiterplatte (14, 24) elektrisch parallel zueinander geschaltet sind.
Planartransformator (T) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass - die Leiterplatten (1, 2, 3) einen Stapel bilden sind und mittels zumindest jeweils einer Lötkontaktierung (L) miteinander verbunden sind.
Planartransformator (T) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - die Leiterplatten (1, 2, 3) identisch aufgebaut sind.
Planartransformator (T) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch - einen Transformatorkern (K), der die Leiterplatten (1, 2, 3) zumindest abschnittweise umgibt und die jeweiligen Wicklungen (13, 14, 23, 24, 33, 34) der zugehörigen Leiterplatten um den Transformatorkern (K) angeordnet sind.
Planartransformator (T) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - die Wicklungen der jeweiligen ersten Lage (13, 23, 33) als Primärwicklungen ausgebildet sind, und - die Wicklungen der jeweiligen zweiten Lage (14, 24, 34) als Sekundärwicklungen ausgebildet sind.
Planartransformator (T) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - die Wicklungen der jeweiligen ersten Lage (13, 23, 33) als Sekundärwicklungen ausgebildet sind, und - die Wicklungen der jeweiligen zweiten Lage (14, 24, 34) als Primärwicklungen ausgebildet sind.
Planartransformator (T) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - die jeweiligen Wicklungen (13, 23, 33) als Leiterbahnen in der zugehörigen Leiterplatte ausgebildet sind und über Durchkontaktierungen (V) an die Oberfläche geführt sind.
Planartransformator (T) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - die jeweiligen Wicklungen (14, 24, 34) als Leiterbahnen an der Oberfläche der zugehörigen Leiterplatte ausgebildet sind.
Planartransformator (T) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - zumindest eine der Leitplatten (1, 2, 3) mittels Stiftleisten mit einer, mit elektronischen Bauelementen bestückten, dritten Leiterplatte elektrisch verbunden ist.
Planartransformator (T) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch - zumindest eine weitere Leiterplatte (3) mit einer ersten und zweiten Lage (31, 32), mit jeweils als Leiterbahnen ausgebildete Wicklungen (33, 34), wobei - die Wicklung der ersten Lage, der zumindest einen weiteren Leiterplatte (33) elektrisch in Serie oder parallel zu den Wicklungen der jeweiligen ersten Lage der ersten und zweiten Leiterplatte (13, 23) geschaltet ist, und - die Wicklung der zweiten Lage, der zumindest einen weiteren Leiterplatte (34) elektrisch in Serie oder parallel zu den Wicklungen der jeweiligen zweiten Lage der ersten und zweiten Leiterplatte (14, 24) geschaltet ist.