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Technisches Gebiet:
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Transformator und einen Gleichspannungswandler mit einem genannten Transformator.
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Stand der Technik und Aufgabe der Erfindung:
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Transformatoren zur Strom- oder Signalübertragung sind bekannt und werden in vielen elektrischen Systemen, wie z. B. Gleichspannungswandlern, verwendet, wo Ströme oder Spannungen umgewandelt werden oder Signale übertragen werden.
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Wie bei allen technischen Komponenten üblich, weisen die Transformatoren Verlustleistungen auf, die als Abwärme zu einem zum Teil unkontrollierbaren, starken Temperaturanstieg in den Transformatoren bzw. den elektrischen Systemen mit diesen Transformatoren führen können. Dieser starke Temperaturanstieg kann wiederum zu Funktionsstörungen gar zu Ausfällen der Transformatoren bzw. der elektrischen Systeme führen. Insb. führen hohe Verlustleistungen der Transformatoren bei einer Anwendung in leistungselektrischen Systemen, wie z. B. in den Gleichspannungswandlern, oft zu temperaturbedingten Funktionsstörungen bzw. Ausfällen der Systeme. Um diesem Problem entgegenzuwirken, bedarf es einer effizienten Kühlung der Transformatoren.
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Damit besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine Möglichkeit bereitzustellen, mit der ein Transformator bzw. ein Gleichspannungswandler mit einem Transformator effizienter gekühlt können.
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Beschreibung der Erfindung:
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Diese Aufgabe wird durch Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Transformator bereitgestellt.
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Der Transformator weist eine Leiterplatte, eine Planarwicklung, eine elektrisch isolierende und thermisch leitende Isolierschicht, sowie eine Wärmesenke zur Kühlung der Planarwicklung auf. Dabei ist die Planarwicklung als Teil einer Leiterbahn der Leiterplatte, insb. auf oder in der Leiterplatte, ausgebildet. Die Isolierschicht ist zwischen der Planarwicklung und der Wärmesenke angeordnet und verbindet die Planarwicklung (direkt) mit der Wärmesenke thermisch leitend. Dabei weist die Isolierschicht einen vergleichsweise niedrigen spezifischen Wärmewiderstand auf.
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Durch die Anwendung der Wärmesenke und der Isolierschicht, die die Planarwicklung mit der Wärmesenke (direkt) thermisch verbindet, kann die Abwärme von der Planarwicklung über die Isolierschicht mit einer vergleichsweise besseren Wärmeübertragungseigenschaft an die Wärmesenke abgeführt werden, als über einen Magnetkern, der sonst auf der Planarwicklung abgeordnet ist und aufgrund dessen vergleichsweise hohen spezifischen Wärmewiderstandes eine effiziente Wärmeabführung verhindert.
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Dabei ist der Wärmeübertragungsweg von der Planarwicklung über die Isolierschicht bis zu der Wärmesenke vergleichsweise kurz, da die Isolierschicht sowohl mit der Planarwicklung als auch mit der Wärmesenke (direkt) thermisch verbunden ist. Da die Isolierschicht an sich eine (im Vergleich zu dem Magnetkern) dünne Schicht ist, kann diese die Abwärme auch effizient weiterleiten.
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Dadurch kann Abwärme, die während des Betriebs des Transformators in der Planarwicklung entsteht, effizienter von der Planarwicklung an die Wärmesenke abgeführt werden. Folglich kann die Planarwicklung bzw. der Transformator effizienter gekühlt werden.
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Damit ist eine Möglichkeit bereitgestellt, mit der ein Transformator bzw. ein Gleichspannungswandler mit einem Transformator effizienter gekühlt können.
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Bspw. ist die Isolierschicht durch Aufkleben oder Beschichten auf die Planarwicklung aufgetragen.
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Bspw. ist die Isolierschicht als Teil einer Schicht der Leiterplatte und somit Teil der Leiterplatte ausgebildet.
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Bspw. weist die Isolierschicht vorimprägnierte Faser (auf Englisch „Prepreg“ bzw. „preimpregnated fibres“) oder eine Kunststofffolie auf.
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Bspw. bedeckt die Isolierschicht die Planarwicklung über eine ausgedehnte Fläche vollständig. Dadurch kann die Abwärme der Planarwicklung von der Planarwicklung über deren gesamten ausgedehnten Fläche abgeführt werden.
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Bspw. weist die Isolierschicht einen ersten Flächenabschnitt, der die Planarwicklung vollständig bedeckt, und einen zweiten Flächenabschnitt auf, der sich an dem ersten Flächenabschnitt angrenzt, mit dem ersten Flächenabschnitt einstückig ausgebildet ist und mit der Wärmesenke direkt thermisch verbunden ist. Der Aufspann des ersten und des zweiten Flächenabschnitts bildet einerseits großflächige thermische Kontaktierungen der Isolationsschicht mit der Planarwicklung und der Wärmesenke und andererseits eine großflächige Wärmeübertragungsfläche aus.
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Bspw. umfasst die Wärmesenke ein Teil eines Gehäuses oder ein Teil eines Kühlkörpers des Transformators.
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Bspw. umfasst die Wärmesenke ferner ein Wärmeleitmaterial (auf Englisch „Thermal Interface Material (TIM)“), wie z. B. in Form von Lückenfüllern (auf Englisch „Gap filler“) oder Unterlagen (auf Englisch „Pad“), das bspw. zwischen dem Gehäuseteil oder Kühlkörperteil und der Isolierschicht angeordnet ist und somit bspw. Fertigungstoleranzen zwischen der Leiterplatte und dem Gehäuseteil bzw. Kühlkörperteil ausgleicht.
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Bspw. weist der Transformator ferner einen Magnetkern bzw. Magnetkernhälften auf. Die Leiterplatte weist wiederum Aussparrungen, ähnlich Durchgangslöchern, auf, durch die Abschnitte des Magnetkerns bzw. einer der Magnetkernhälften von einer Seite (bspw. Unterseite) der Leiterplatte in eine andere Seite (bspw. Oberseite) der Leiterplatte geführt sind. Dabei verläuft die Planarwicklung zwischen den Aussparrungen spiralförmig.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein uni- oder bi-direktionaler Gleichspannungswandler, insb. für ein Kraftfahrzeug, speziell für ein Hybridelektro- /Elektrofahrzeug, bereitgestellt.
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Der Gleichspannungswandler weist einen zuvor beschriebenen Transformator und eine Wandler-Schaltung auf, wobei die Planarwicklung des Transformators an der Wandler-Schaltung elektrisch angeschlossen ist.
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Bspw. ist die Wandler-Schaltung auf der Leiterplatte des Transformators ausgebildet, auf oder in der auch die Planarwicklung als Teil einer Leiterbahn ausgebildet ist.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen des oben beschriebenen Transformators sind, soweit im Übrigen, auf den oben genannten Gleichspannungswandler übertragbar, auch als vorteilhafte Ausgestaltungen des Gleichspannungswandlers anzusehen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen:
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Im Folgenden wird eine beispielhafte Ausführungsform der Erfindung Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:
- 1 in einer schematischen Perspektivdarstellung eine Oberseite eines Abschnitts eines Gleichspannungswandlers mit einem Abschnitt eines Transformators gemäß der beispielhaften Ausführungsform der Erfindung; und
- 2 in einer weiteren schematischen Perspektivdarstellung eine Unterseite des Abschnitts des Gleichspannungswandlers der 1.
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Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen:
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1 zeigt in einer schematischen Perspektivdarstellung die Oberseite OS eines Abschnitts eines Gleichspannungswandlers GW mit einem Abschnitt eines Transformators TR gemäß der beispielhaften Ausführungsform.
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Der Gleichspannungswandler GW weist eine Leiterplatte LP auf, auf der die Wandler-Schaltung WS samt dem Transformator TR ausgebildet ist, der wiederum eine Planarwicklung WK als eine sekundäre Wicklung aufweist.
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Dabei ist die Wandler-Schaltung WS bis auf der Planarwicklung WK auf der Oberseite OS der Leiterplatte LP ausgebildet. Die Planarwicklung WK ist dagegen auf der Unterseite US der Leiterplatte LP ausgebildet (weshalb diese in 1 mit einer gestrichelten Linie dargestellt und in 2 mit einer durchgehenden Linie dargestellt ist. Vergleiche mit 2). Dabei ist die Planarwicklung WK über Durchkontaktierungen (auf Englisch „Vias“) an der Wandler-Schaltung WS elektrisch angeschlossen.
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Die Leiterplatte LP weist drei Aussparungen AS (ähnlich Durchgangslöchern) zum Hindurchführen einer Magnetkernhälfte MK eines Magnetkerns des Transformators TR bzw. deren Abschnitte MA bzw. Magnetkernschenkel auf.
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Der Transformator TR weist ferner den genannten Magnetkern aus zwei Magnetkernhälften MK auf, wobei eine der beiden Magnetkernhälften MK auf der Unterseite US der Leiterplatte LP angeordnet ist. Dabei ragen Abschnitte MA der auf der Unterseite US der Leiterplatte LP angeordneten Magnetkernhälfte MK durch die Aussparungen AS hindurch und in einer Erstreckungsrichtung ER, die senkrecht zur Oberseite OS der Leiterplatte LP steht.
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2 zeigt in einer weiteren schematischen Perspektivdarstellung die Unterseite US des Abschnitts des Gleichspannungswandlers GW mit dem Abschnitt des Transformators TR gemäß der beispielhaften Ausführungsform.
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Die Planarwicklung WK ist auf der Unterseite US der Leiterplatte LP ausgebildet und ist über die Durchkontaktierungen an der Wandler-Schaltung WS auf der Oberseite OS der Leiterplatte LP elektrisch angeschlossen. Dabei ist die Planarwicklung WK als eine Leiterbahn bzw. ein Teil davon ausgebildet und verläuft spiralförmig zwischen den Aussparungen AS. Ferner umspannt bzw. umrandet die Planarwicklung WK eine ausgedehnte Fläche auf der Unterseite US der Leiterplatte LP.
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Der Gleichspannungswandler GW weist ferner eine elektrisch isolierende und thermisch leitende Isolierschicht IS auf, die auf der Planarwicklung WK angeordnet ist und einen ersten und einen zweiten Flächenabschnitt FA1, FA2 aufweist.
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Dabei bedeckt der erste Flächenabschnitt FA1 die von der Planarwicklung WK umrandete bzw. umspannte Fläche vollständig. Der zweite Flächenabschnitt FA2 grenzt sich an dem ersten Flächenabschnitt FA1 und mit diesem einstückig ausgebildet und somit thermisch verbunden.
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Dabei ist die Isolierschicht IS auf die Planarwicklung WK durch Aufkleben oder Beschichten aufgetragen. Alternativ ist die Isolierschicht IS als Teil einer elektrischen Isolierschicht der Leiterplatte LP ausgebildet, wobei in diesem Fall die Planarwicklung WK als eine Leiterbahn-Innenlage zwischen den elektrischen Isolierschichten der Leiterplatte LP eingebettet ist.
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Der Gleichspannungswandler GW weist ferner ein Gehäuse auf, das nicht in den beiden oben genannten Figuren abgebildet ist. Dabei besteht das Gehäuse aus Aluminium und dient zusätzlich als eine Wärmesenke bzw. ein Kühlkörper zur Kühlung des Gleichspannungswandlers GW.
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Dabei ist das Gehäuse bzw. ein Gehäuseteil des Gehäuses direkt mit dem zweiten Flächenabschnitt FA2 der Isolierschicht IS thermisch kontaktiert und somit über die Isolierschicht IS mit der Planarwicklung WK thermisch verbunden. Hierzu weist das Gehäuse bzw. das Gehäuseteil entsprechende Vorsprünge bzw. ausgedehnte Oberfläche auf, die nach dem Zusammenmontieren des Gleichspannungswandlers GW bis zu dem zweiten Flächenabschnitt FA2 der Isolierschicht IS reichen und mit diesem körperlich und somit auch thermisch kontaktiert ist.
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Eventuell vorliegende Distanz zwischen dem Gehäuse bzw. dem Gehäuseteil und der Leiterplatte LP bzw. der Isolierschicht IS auf der Leiterplatte LP infolge von unvermeidbaren Fertigungstoleranzen wird durch bspw. Lückenfüller aus einem thermisch leitenden Material ausgeglichen, die zwischen den Vorsprüngen des Gehäuses bzw. des Gehäuseteils und dem zweiten Flächenabschnitt FA2 angeordnet und mit diesen körperlich und thermisch kontaktiert sind.
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Die Wärmeübertragung von der Planarwicklung WK als eine Wärmequelle an das Gehäuse als eine Wärmesenke erfolgt hauptsächlich über die Isolierschicht IS bzw. die beiden Flächenabschnitte FA1, FA2 der Isolierschicht IS.
