-
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Transformator zur Verwendung in einem elektrischen Spannungswandler eines Bordnetzes eines elektrischen Fahrzeugs. Ferner betrifft die Erfindung einen entsprechenden Gleichspannungswandler sowie einen elektrisch angetriebenen Kraftwagen mit einem erfindungsgemäßen Gleichspannungswandler oder einem erfindungsgemäßen Transformator.
-
In elektrisch angetriebenen Fahrzeugen sind Gleichspannungswandler bereitgestellt, um eine Hochspannung, beispielsweise eine Spannung von 400 V, in eine Niederspannung, beispielsweise von 12 V, umzuwandeln. Für DCDC (DC: Gleichstrom)-Wandler von Hochvolt (HV, engl.: high voltage) auf Niedervolt (LV, engl.: low voltage) werden zum Beispiel Transformatoren mit E- Kernen aus Ferrit eingesetzt. Windungen der Primärwicklung sind hierbei beispielsweise durch HF (Hochfrequenz)- Litze realisiert.
-
Als Folge daraus können Wicklungs- AC (AC: alternating current; Wechselstrom)-Verluste (z.B. Wirbelstromverluste aufgrund von Skin-Effekt oder Proximity-Effekt) bei höheren Ausgangsströmen des Transformators stark ansteigen. Für eine Verringerung der Wicklungs- AC- Verluste könnte eine Verschachtelung der Primärwicklung auf dem Mittelschenkel des E-Kerns realisiert werden. In einem verschachtelten Transformator sind die Windungen der Primärwicklung auf einem Schenkel des Transformators abwechselnd angeordnet. Bei der Verschachtelung müssen jedoch z.B. Luft- und Kriechstrecken für die erforderliche elektrische Isolation eingehalten werden. Somit kann eine Verschachtelung ein verhältnismäßig großes Volumen des Transformators bewirken oder komplexe Montageschritte erfordern.
-
Ein weiterer Nachteil einer solchen Verschachtelung können eine Vergrößerung der Wicklungskapazität zwischen Primär- und Sekundärwicklung sein, was EMV (elektromagnetische Verträglichkeit)- Nachteile bewirken und die Betriebsweise eines ZVS (ZVS: zero voltage switching)- Wandlers einschränken kann. Weitere Nachteile können ein komplexer Aufbau, schlechtere Kühlmöglichkeit der Einzelwicklungen oder ein erforderliches großes Wickelfenster sein.
-
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Transformator mit verringertem Einbauvolumen, verbesserter Wärmeableitung von Transformatorwicklungen und/oder verringerten Wicklungskapazitäten bereitzustellen.
-
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird gelöst mit Vorrichtungen gemäß den unabhängigen Ansprüchen. Weitere Aspekte sowie Weiterbildungen der Erfindung, die weitere Vorteile bewirken können, sind in den abhängigen Ansprüchen, der folgenden Beschreibung sowie in den Figuren beschrieben.
-
Gemäß der Erfindung wird ein Transformator mit einer Primärwicklung und zumindest einer Sekundärwicklung auf einem U-förmig ausgebildeten magnetischen Kern oder Ferritkern bereitgestellt. Der U-förmig ausgebildete Magnetkern ist beispielsweise ein magnetischer U-Kern oder C-Kern, beispielsweise umfassend ein Ferritmaterial. Ein Magnetkreis des Transformators kann mittels eines I-Kerns, der auf dem magnetischen U-Kern angeordnet ist, geschlossen werden. Der Transformator kann zur Verwendung in einem elektrischen Spannungswandler eines Bordnetzes eines elektrischen Fahrzeugs ausgebildet sein. Beispielsweise ist der Transformator dementsprechend als Hochstrom-Transformator ausgebildet.
-
Entsprechend der Erfindung umfasst die Primärwicklung eine erste und eine zweite Teilwicklung. Die erste und die zweite Teilwicklung sind je an gegenüberliegenden Außenschenkeln des magnetischen Kerns angeordnet. In einem Betrieb des Transformators führt der Magnetkern einen magnetischen Gesamtfluss, der in den gegenüberliegenden Außenschenkeln jeweils in gleicher Art vorliegt. Beispielsweise sind die beiden Teilwicklungen mittig am jeweiligen Außenschenkel positioniert. Die erste und die zweite Teilwicklung sind beispielsweise in Serie miteinander elektrisch verbunden und dazu mittels eines elektrischen Leiters, etwa einer Fortführung der Teilwicklungen, zwischen den gegenüberliegenden Außenschenkeln des Magnetkerns miteinander kontaktiert. Dadurch kann trotz der Aufteilung der Primärwicklung eine weite Kontaktierungsstrecke zwischen den Teilwicklungen vermieden werden.
-
Weiterhin ist vorgesehen, dass die erste und die zweite Teilwicklung in einem gemeinsamen, elektrisch isolierenden Wickelgehäuse angeordnet oder untergebracht sind. Das Wickelgehäuse kann als Wickelkörper oder Spulenkörper beschrieben werden, welcher in einem geschlossenen Zustand die Teilwicklungen umgibt und dadurch nach außen hin elektrisch isoliert. Dem Fachmann ist dabei klar, dass selbstverständlich Anschlüsse der im Wickelgehäuse angeordneten Primärwicklung vom Inneren des Wickelgehäuses zum elektrischen Kontaktieren der Primärwicklung an vorgesehenen Ausgängen nach außen geführt sind. Das Wickelgehäuse ist beispielsweise aus Kunststoff und/oder Keramik gebildet.
-
Beispielsweise umfasst das Wickelgehäuse einen Grundkörper mit einem Hohlraum oder Innenraum zur Aufnahme der ersten und der zweiten Teilwicklung der Primärwicklung. Der Grundkörper kann genau zwei nebeneinander angeordnete, zylinderförmige Ausbildungen aufweisen, die je zur Aufnahme eines Außenschenkels des U-förmigen Magnetkerns im Inneren der zylinderförmigen Ausbildung ausgebildet sind und um deren Seitenfläche herum jeweils eine Teilwicklung der Primärwicklung ausgebildet ist. Der Grundkörper kann ferner eine Bodenplatte sowie eine zumindest teilweise geschlossene Seitenwandung umfassen. Das Wickelgehäuse kann ferner einen Deckel umfassen, der auf den Grundkörper aufgebracht werden kann, beispielsweise um eine im Grundkörper angeordnete Primärwicklung nach außen hin, gegen eine obere Oberfläche des Wickelgehäuses, elektrisch zu isolieren.
-
Ein Vorteil, der sich durch die verteilte Anordnung mit der ersten Teilwicklung auf einem ersten Außenschenkel und der zweiten Teilwicklung auf einem zweiten Außenschenkel des Magnetkerns ergeben kann, ist, dass die beiden Teilwicklungen in einem gemeinsamen Wickelgehäuse angeordnet und beispielsweise gegen Sekundärwicklungen des Transformators isoliert werden können. Somit kann auf eine weitere Isolierung zwischen Primär- und Sekundärwicklungen verzichtet werden. Eine Folge daraus kann ein verringertes Bauvolumen des Transformators sein, beispielsweise verglichen mit einem ähnlichen Transformator, der einen E-Kern und eine verschachtelte Primärwicklung umfasst. Ebenso können in vorteilhafter Weise eine Wicklungskapazität zwischen Primär-und Sekundärwicklung und/oder Wirbelstromverluste verringert werden, ohne dass eine Verschachtelung der Primärwicklung auf einem Schenkel des Magnetkerns mit entsprechend erforderlicher Isolierung notwendig ist.
-
Ferner ist ein Vorteil der Aufteilung der Primärwicklung auf den beiden Außenschenkeln eines U-Kerns beispielsweise, dass dadurch eine verbesserte Wärmeabfuhr oder Kühlung der Wicklungen erreicht werden kann. Durch die räumliche Trennung der Primärwicklung auf zwei verschiedenen Schenkeln des Magnetkerns kann beispielsweise eine größere räumliche Verteilung der Primärwicklung und somit ein größeres Volumen zur Wärmeabfuhr von der Primärwicklung erreicht werden.
-
Ein weiterer Vorteil der Erfindung kann die Anordnung der Primärwicklung in dem Wickelgehäuse sein, in dem die erste und die zweite Teilwicklung angeordnet sind. Beispielsweise ist dadurch eine Montage des Transformators besonders einfach möglich und Fehler beim Bereitstellen der elektrischen Isolierung zwischen den Wicklungen des Transformators beim Montieren können reduziert werden.
-
Das Wickelgehäuse kann beispielsweise entsprechend an zumindest einer Seite ausgebildet sein, um eine Sekundärwicklung in einem vorbestimmten Abstand zur jeweiligen Teilwicklung der Primärwicklung anzubringen. Beispielsweise ist dafür an einer Oberseite und/oder einer Unterseite des Wickelgehäuses zumindest eine zylindrische Ausformung oder Ausbildung bereitgestellt, um die herum eine jeweilige Sekundärwicklung angeordnet werden kann. Beispielsweise bewirkt die zylindrische Ausformung eine Selbstjustierung der jeweiligen Sekundärwicklung um den Magnetkern, und eine vorbestimmte Dicke einer Unterseite bzw. Oberseite des Wickelgehäuses eine Selbstjustierung der jeweiligen Sekundärwicklung gegenüber der Primärwicklung bezüglich des Abstands. Ein Vorteil dabei ist, dass bei einer Montage des Transformators dadurch stets eine jeweilige für die elektrische Isolation zwischen Primär- und Sekundärwicklung erforderliche Luft- und Kriechstrecke eingehalten werden kann.
-
Gemäß einer Weiterbildung des Transformators ist zumindest eine der ersten und der zweiten Teilwicklung der Primärwicklung zwischen zwei Windungen einer Sekundärwicklung angeordnet. Mit anderen Worten ist beispielsweise eine erste Windung der Sekundärwicklung oberhalb der ersten Teilwicklung der Primärwicklung und eine zweite Windung der Sekundärwicklung unterhalb der ersten Teilwicklung angeordnet. Insbesondere ist eine erste Sekundärwicklung um die erste Teilwicklung herum ausgebildet und/oder dieser zugeordnet und eine zweite Sekundärwicklung um die zweite Teilwicklung herum ausgebildet und/oder dieser zugeordnet.
-
Beispielsweise weist die zumindest eine Sekundärwicklung genau zwei Windungen auf. Insbesondere weist sowohl die erste Sekundärwicklung als auch die zweite Sekundärwicklung jeweils genau zwei Windungen auf. Somit kann jeweils oberhalb und unterhalb der ersten und der zweiten Teilwicklung je genau eine Windung einer Sekundärwicklung angeordnet sein. Beispielsweise umfassen die Windungen der zumindest einen Sekundärwicklung zumindest ein starres Leiterblech oder Kupferblech. Beispielsweise ist eine Breite des Leiterblechs geringer als eine Höhe des Leiterblechs und das Leiterblech ist in einer Längenausdehnung ringförmig gebogen. Ein Leiterblech kann mit anderen Worten als gewundene oder ringförmig gebogene Stromschiene beschrieben werden. Das Leiterblech kann Kupfer und/oder Aluminium oder andere elektrisch leitfähige Materialien umfassen.
-
Im Fall, dass jeweils genau ein Leiterblech oder jeweils ein einzelnes Leiterblech oberhalb und unterhalb einer Teilwicklung der Primärwicklung angeordnet ist, kann sich der Vorteil ergeben, dass keine weitere Isolation der jeweiligen Leiterbleche notwendig ist. Eine elektrische Isolation der durch die Leiterbleche ausgebildeten Sekundärwicklung zur Primärwicklung ist wie bereits beschrieben mittels des um die Primärwicklung ausgebildeten Wickelkörpers realisiert und eine elektrische Isolation zu einer der Primärwicklung gegenüberliegenden Seite kann beispielsweise mittels des Magnetkerns und/oder eines Gehäuses des Magnetkerns erreicht werden.
-
Gemäß einer Weiterbildung des Transformators ist vorgesehen, dass zumindest eine Sekundärwicklung des Transformators eine Mittenanzapfung oder einen Mittelanschluss aufweist. Mit anderen Worten kann die Sekundärwicklung sowohl an äußeren Kontaktanschlüssen als auch an zumindest einem mittleren Kontaktanschluss (Spulen- oder Wicklungsanzapfung) elektrisch kontaktiert werden. Dabei können zwei um eine jeweilige Teilwicklung der Primärwicklung herum angeordnete Leiterbleche der zumindest einen Sekundärwicklung an der Mittenanzapfung der Sekundärwicklung gebogen, beispielsweise mit einem nach oben weisenden, bogenförmigen Verlauf, ausgebildet sein und in Formschluss miteinander in elektrisch leitender Verbindung stehen. Beispielsweise sind auch die äußeren Kontaktanschlüsse der Sekundärwicklung gebogen ausgebildet. Dadurch kann der Transformator beispielsweise in eine Halterung oder Schalung eingesetzt werden und die Kontaktanschlüsse der Sekundärwicklung über eine Außenwandung der Halterung hinweg nach außen geführt werden. Die nach au-ßen geführten Leiterbleche der Sekundärwicklung als Kontaktanschlüsse können vorteilhafterweise ein einfaches Kontaktieren der Sekundärwicklung ermöglichen.
-
Beispielsweise sind äußere Kontaktanschlüsse der Sekundärwicklung und ein Kontaktanschluss einer Mittenanzapfung der Sekundärwicklung an einer gemeinsamen Seite des magnetischen Kerns in Reihe nebeneinander angeordnet. Die jeweiligen Kontaktanschlüsse können dabei in gleichem oder unterschiedlichem Abstand zueinander und/oder in gleicher oder unterschiedlicher Höhe aus dem Transformator herausragen. Dadurch kann vorteilhafter Weise ein Kontaktieren der Sekundärwicklungen des Transformators weiter erleichtert werden.
-
Die Primärwicklung des Transformators umfasst beispielsweise eine gewickelte HF (Hochfrequenz) -Litze. Die erste und/oder zweite Teilwicklung der Primärwicklung kann einlagig oder mehrlagig ausgebildet sein, wobei Wickellagen horizontal oder vertikal gezählt werden können. Beispielsweise ist zumindest eine der Teilwicklungen zweilagig ausgebildet. Eine Wickellage der Teilwicklungen kann eine oder mehrere, beispielsweise 3, 4 oder 5 Windungen aufweisen. Alternativ oder zusätzlich kann die Primärwicklung eine Leiterplattenspule umfassen, die auf oder in einer mehrlagigen elektrischen Leiterplatte ausgebildet ist. Eine Leiterplattenspule kann beispielweise eine oder mehrere planare Windungen umfassen, die in mehreren, vertikal miteinander kontaktierten elektrischen Schichten der Leiterplatte ausgebildet sind. Der Vorteil einer Leiterplattenspule kann sein, dass diese bei der Montage besonders einfach in das Wickelgehäuse eingesetzt werden kann. Eine Leiterplattenspule kann beispielsweise dann verwendet werden, wenn der Transformator zum Führen von Ausgangsströmen von weniger als 200 A ausgebildet ist, da in diesem Fall nur verhältnismäßig geringe Wirbelstromverluste auftreten können.
-
In einer Weiterbildung des Transformators ist vorgesehen, dass eine elektrisch isolierende und wärmeleitende Vergussmasse zumindest im Bereich um die Windungen der Primärwicklung und der zumindest einen Sekundärwicklung angeordnet ist, um eine stärkere Wärmeableitung von den Wicklungen des Transformators zu ermöglichen. Die wärmeleitende Vergussmasse kann dabei vorteilhafter Weise sowohl eine Wärmeabfuhr von den Wicklungen des Transformators erhöhen als auch eine mechanische Stabilität des Transformators erhöhen.
-
Der erfindungsgemäße Transformator kann in einem Spannungswandler eines Bordnetzes eingesetzt werden. Alternativ kann der Transformator in anderen Spannungswandlern oder elektrischen Schaltungen eingesetzt werden, die galvanische Trennung benötigen und für Hochstromanwendungen genutzt werden.
-
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft einen elektrischen Gleichspannungswandler umfassend eine Ausgangsdrossel und einen Transformator gemäß einem zuvor beschriebenen Transformator. Eine Mittenanzapfung einer ersten Sekundärwicklung des Transformators und eine Mittenanzapfung einer zweiten Sekundärwicklung des Transformators sind parallel an die Ausgangsdrossel des Gleichspannungswandlers angeschlossen. Dadurch ist es möglich, einen Gleichspannungswandler mit lediglich einer einzigen Ausgangsdrossel bereitzustellen, um somit sowohl Platz- als auch Kostenvorteile erreichen zu können. Die Parallelschaltung der Sekundärwicklungen an die Ausgangsdrossel kann durch die auf zwei Schenkel des Magnetkerns aufgeteilte Anordnung der Teilwicklungen der Primärwicklung und die damit verbundene verbesserte Entwärmung des Transformators ermöglicht werden. Somit wird der Ausgangsstrom des Transformators auf die beiden Sekundärwicklungen aufgeteilt. Bei einer Verwendung eines andersartigen Transformators müssten dagegen unter Umständen zwei Ausgangsdrosseln bereitgestellt werden, da etwa eine Wärmeentwicklung im entsprechenden Transformator ansonsten beispielsweise zu groß wäre.
-
Der erfindungsgemäße Transformator kann dazu ausgebildet sein, elektrische Ströme oder Nennströme von mehr als 50 A, mehr als 100 A oder mehr als 200 A und/oder von weniger als 500 A oder weniger als 400 A zu leiten. Der Transformator kann beispielsweise für einen Maximalstrom von 300 A ausgelegt sein. Aufgrund der verbesserten Wärmeabfuhr im Transformator können somit hohe Ströme in einem kompakt ausgebildeten Transformator geführt werden. Durch die Verwendung des Transformators im Gleichspannungswandler kann dieser entsprechend hohe Ströme führen.
-
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug, insbesondere einen Kraftwagen, umfassend ein elektrisches Bordnetz mit einem Hochvoltbereich (etwa einem 400V-Bordnetz) und einem Niedervoltbereich (etwa einem 12V-Bordnetz). Der Kraftwagen umfasst ferner einen zwischen dem Hochvoltbereich und dem Niedervoltbereich angeordneten Spannungswandler des Bordnetzes mit einem zuvor beschriebenen Transformator. Beispielsweise ist zwischen dem Hochvoltbereich und dem Niedervoltbereich eine galvanische Trennung benötigt, die mittels des erfindungsgemäßen Transformators bereitgestellt werden kann. Dabei benötigt der erfindungsgemäß kompakt ausgeführte Transformator nur ein geringes Bauvolumen im Kraftwagen oder einem entsprechenden Fahrzeug. Ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug kann alternativ ein elektrisches Zweirad, ein Wasserfahrzeug oder Luftfahrzeug betreffen.
-
Weiterbildungen des Gleichspannungswandlers sowie des Kraftwagens betreffen Merkmale von Weiterbildungen wie sie bereits in Verbindung mit dem Transformator beschrieben sind. Daher wird auf eine wiederholte Beschreibung verzichtet und die entsprechenden Merkmale gelten auch in Verbindung mit dem Gleichspannungswandler sowie dem Kraftwagen als offenbart.
-
Einige Beispiele von Vorrichtungen werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Figuren lediglich beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Transformators mit einer ersten und einer zweiten Teilwicklung einer Primärwicklung auf einem U-Kern;
- 2 eine schematische Darstellung eines Wicklungsschemas des Transformators;
- 3 eine Seitenansicht eines beispielhaften Transformators mit Anschlüssen von Sekundärwicklungen;
- 4 eine Draufsicht eines beispielhaften Transformators mit Primärwindungen in einem offenen, isolierenden Wickelgehäuse;
- 5 eine perspektivische Darstellung eines beispielhaften Transformators mit montiertem Ferritkern;
- 6 eine perspektivische Darstellung eines beispielhaften Transformators mit zwei Sekundärwicklungen mit Mittenanzapfung;
- 7 einen Transformator in einer Vergusskavität;
- 8 ein schematisches Ersatzschaltbild eines Transformators; und
- 9 ein schematisches Ersatzschaltbild eines Gleichspannungswandlers.
-
1 zeigt eine schematische Darstellung eines beispielhaften Transformators 10 mit einer ersten Teilwicklung 12 und einer zweiten Teilwicklung 14 einer Primärwicklung 16 auf einem U-Kern 18. Der U-Kern 18 ist magnetisch leitfähig und bildet teilweise einen Magnetkern 20 des Transformators 10 aus. Ein magnetischer Fluss 22 durchfließt den Magnetkern 20 mit den beiden gegenüberliegenden Außenschenkeln des U-Kerns 18, an denen jeweils die erste Teilwicklung 12 und die zweite Teilwicklung 14 angeordnet sind. Ein elektrisches Leiterstück 24, z.B. aus einem selben Material wie die erste und zweite Teilwicklung 12, 14, verbindet die erste Teilwicklung 12 mit der zweiten Teilwicklung 14. Dabei wird beispielsweise eine Umkehr des Wicklungssinns der zweiten Teilwicklung 14 gegenüber der ersten Teilwicklung 12 erreicht.
-
Die Aufteilung der Primärwicklung 16 auf die beiden Außenschenkel des U-Kerns ermöglicht ein Anbringen der beiden getrennten Teilwicklungen 12, 14 auf einem gemeinsamen Wickelkörper bzw. in einem gemeinsamen Wickelgehäuse (vgl. detaillierte Darstellung desselben z.B. in 4), das die Primärwicklung 16 sowohl mechanisch befestigt als auch gegenüber den Sekundärwicklungen des Transformators 10 elektrisch isoliert.
-
Entsprechend zeigt 1 auch eine erste Sekundärwicklung, die der ersten Teilwicklung 12 zugeordnet ist und eine zweite, der zweiten Teilwicklung 14 zugeordnete Sekundärwicklung mit einer oberen Windung 26 und einer unteren Windung 28. Die obere Windung 26 ist mit der unteren Windung 28 in Serie geschaltet und bildet gemeinsam mit dieser die zweite Sekundärwicklung des Transformators 10. Die Sekundärwicklungen des Transformators 10 weisen also jeweils genau zwei Windungen auf.
-
Die Primärwicklung 16 besteht z.B. aus HF- Litze und ist so ausgeführt, dass beide Schenkel in Reihe bewickelt sind (siehe auch Wickelschema gemäß 2). Die Wicklungsrichtung auf einem der beiden Schenkel ist dabei umgekehrt (bewirkt durch die entsprechende Führung des elektrischen Leiterstücks 24), um eine kontinuierliche Richtung für den magnetischen Fluss 22 im U- Kern 18 zu erreichen. Die Wicklung ist z.B. zweilagig ausgeführt. Dies ermöglicht eine möglichst kompakte Ausnutzung des Wickelfensters, beispielsweise innerhalb des Wickelkörpers, so dass keine zusätzlichen Wicklungsüberlappungen entstehen.
-
2 zeigt eine schematische Darstellung eines Wicklungsschemas 30 des Transformators 10. Die erste Teilwicklung 12 weist sechs einzelne Windungen auf, die in 2 gemäß deren Wicklungsreihenfolge von 1-6 beschriftet sind. Die Windungen sind dabei in der unteren Lage der ersten Teilwicklung 12 von außen nach innen geordnet und in der oberen Lage von innen nach außen angeordnet, sodass ein einfaches Verbinden der ersten Teilwicklung 12 mit der zweiten Teilwicklung 14 ermöglicht ist. In der zweiten Teilwicklung 14 wird die Primärwicklung 16 beispielsweise in der oberen Lage der zweiten Teilwicklung mit den Windungen 7-9 und in der unteren Lage der zweiten Teilwicklung mit den Windungen 10-12 fortgeführt.
-
3 zeigt eine Seitenansicht eines beispielhaften Transformators 10 mit Anschlüssen oder Kontakten von zwei Sekundärwicklungen. Dabei ist jeweils eine untere Windung einer ersten und zweiten Sekundärwicklung gezeigt, die unterhalb eines Wickelkörpers oder Wickelgehäuses 32, in dem die Primärwicklung 16 angeordnet ist, positioniert sind. Eine untere Windung 34 der ersten Sekundärwicklung, die aus einem Kupferblech gebildet sein kann, weist einen ersten Kontaktanschluss 36 und einen zweiten Kontaktanschluss 38 auf. Weiterhin zeigt 3 die untere Windung 28 der zweiten Sekundärwicklung des Transformators 10 mit einem ersten Kontaktanschluss 40 und einem zweiten Kontaktanschluss 42. Der zweite Kontaktanschluss 42 kann beispielsweise mit der oberen Windung 26 der zweiten Sekundärwicklung kontaktiert werden. Die obere Windung 26 kann um eine zylindrische Ausbildung 43 des Wickelgehäuses 32 herum angebracht werden.
-
4 zeigt eine Draufsicht eines beispielhaften Transformators 10 mit Primärwindungen in dem isolierenden Wickelgehäuse 32. Die erste und zweite Teilwicklung 12, 14 sind in einem Kunststoffträger, der als Wickelkörper dient, bzw. dem Wickelgehäuse 32, eingewickelt. Dies dient der elektrischen Isolation der Primärwicklung 16 zu den Sekundärwicklungen und stellt gleichzeitig einen definierten Abstand zu den Sekundärwindungen dar. Somit kann die Koppelkapazität klein gehalten werden. Die Sekundärwicklung wird jeweils auf jedem Schenkel als Kupferblech, beispielsweise durch die obere Windung 26 und die untere Windung 28, ausgeführt. Dabei werden die beiden Teilwicklungen zu einem Mittelpunkt verbunden, den Kontaktanschluss 38 bzw. den Kontaktanschluss 42. Der erste Mittelpunkt kann in einem Gleichspannungswandler mit dem zweiten Mittelpunkt direkt parallelgeschaltet und auf eine Ausgangsdrossel geführt werden. Die Anordnung lastet die Primärwicklung und Sekundärwicklungen sehr symmetrisch aus.
-
5 zeigt eine perspektivische Darstellung eines beispielhaften Transformators 10 mit montiertem Ferritkern 44. der Ferritkerns 44 ist oberhalb der oberen Windungen der Sekundärwicklungen positioniert. 5 zeigt entsprechend die obere Windung 26 der zweiten Sekundärwicklung mit einem ersten Kontaktanschluss 46 und einem zweiten Kontaktanschluss 48. Der erste Kontaktanschluss 46 der oberen Windung 26 ist mit dem Kontaktanschluss 42 der unteren Windungen 28 elektrisch kontaktiert, sodass diese einen mittleren Anschluss oder eine Mittenanzapfung der zweiten Sekundärwicklung bilden.
-
6 zeigt eine perspektivische Darstellung eines beispielhaften Transformators 10 mit zwei Sekundärwicklungen mit Mittenanzapfung. Dabei stellt ein mittlerer Kontaktanschluss 38 einen Mittelpunkt der ersten Sekundärwicklung (elektrischer Kontakt der oberen Windung und unteren Windung der ersten Sekundärwicklung) bereit, welche der ersten Teilwicklung 12 der Primärwicklung 16 zugeordnet ist. Die obere Windung 26 der zweiten Sekundärwicklung ist mittels der zylindrischen Ausbildung 44 am Wickelgehäuse 32 positioniert, gleiches gilt analog für die obere Windung der ersten Sekundärwicklung. Das Wickelgehäuse 32 stellt also einen Kunststoffträger für Primär-und Sekundärwicklung bereit.
-
7 zeigt einen Transformator 10 in einer Vergusskavität 52, beispielsweise einem Aluminiumgehäuse. Zur Einhaltung der Luft- und Kriechstrecken kann der Transformator 10 in der Kavität 52, die unter anderem durch eine Außenwandung 54 begrenzt ist, mit Vergussmasse vergossen werden (Vergussmasse in 7 nicht dargestellt). Die Vergussmasse dient gleichzeitig als mechanische Befestigung und zur Entwärmung des Ferritkerns und der Wicklungen. Die Kontaktanschlüsse der Sekundärwicklungen sind bogenförmig ausgeführt, sodass sie über die Außenwandung 54 aus der Vergusskavität 52 herausgeführt werden. Die Sekundärwicklungen können zum Beispiel an eine IMS (isoliertes Metallsubstrat)- Platine angebunden werden, die über eine gute thermische Anbindung verfügt. Die Kontaktierung der Sekundärwicklung kann dabei etwa mittels Verschrauben oder Verschweißen realisiert werden. Sowohl die Vergussmasse mit dem angrenzenden Aluminiumgehäuse als auch die IMS-Platine können eine erhöhte Wärmeabfuhr von den Wicklungen des Transformators 10 bewirken.
-
8 zeigt ein schematisches Ersatzschaltbild 56 eines Transformators 10. Die Primärwicklung 16 ist durch die erste Teilwicklung 12 und die zweite Teilwicklung 14, welche jeweils sechs Windungen umfassen, ausgebildet. Eine erste Sekundärwicklung, die der ersten Teilwicklung 12 zugeordnet ist, weist den Mittelanschluss 38 auf. Eine zweite Sekundärwicklung ist der zweiten Teilwicklung 14 zugeordnet und weist die obere Windung 26 und die untere Windung 28 mit den jeweiligen Kontaktanschlüssen 40, 42, 48 auf. Das Transformatorübersetzungsverhältnis kann je nach Anwendungsfall und Bedarf variiert werden. Das Übersetzungsverhältnis ist dabei z.B. durch zwei teilbar: 8:1:1 (vier Windungen je Teilwicklung der Primärwicklung), 10:1:1 (fünf Windungen je Teilwicklung der Primärwicklung), 12:1:1, 14:1:1, 16:1:1, oder andere Verhältnisse.
-
9 zeigt ein schematisches Ersatzschaltbild eines Gleichspannungswandlers 60 mit einem erfindungsgemäßen Transformator 10. Eine Ausgangsdrossel 62 ist sowohl mit dem Mittelanschluss 38 der ersten Sekundärwicklung als auch mit dem Mittelanschluss 42 der zweiten Sekundärwicklung elektrisch verbunden. Durch die Parallelschaltung oder Mittelpunkt-Zusammenschaltung der beiden Sekundärwicklungen können hohe Ausgangsströme des Gleichspannungswandlers 60, beispielsweise bis zu 300 A, ermöglicht werden. Ferner weist der Gleichspannungswandler 60 Schalter oder Transistoren 64, 66 auf, welche mit den äußeren Kontaktanschlüsse der ersten Sekundärwicklung verbunden sind und Transistoren 68, 70 auf, welche mit den äußeren Kontaktanschlüssen der zweiten Sekundärwicklung verbunden sind. Die Transistoren sind beispielsweise Feldeffekttransistoren, etwa MOSFETs (Metall-Oxid-Halbleiter Feldeffekttransistoren) eines Synchrongleichrichters und ermöglichen die Funktion des Gleichspannungswandlers 60.
-
Beispielsweise ist die Primärwicklung durch HF-Litze ausgebildet, um Wirbelströme zu begrenzen. Bei kleineren Ausgangsströmen (<200A) kann die Primärwicklung alternativ durch eine PCB- Wicklung ersetzt werden. Die Sekundärseite des Transformators kann sowohl als Mittelpunkttransformator als auch für Stromverdoppler-Gleichrichtungen (beide Sekundärwicklungen sind dann parallelgeschaltet) ausgeführt werden.
-
Die beschriebene Erfindung betrifft mit anderen Worten einen U-Kern Transformator mit verteilten Primär- und Sekundärwicklungen für Hochstrom-Bordnetzwandler. Durch die gezeigte Aufteilung der Primärwicklung kann eine Mehrfach-Verschachtelung vermieden werden, da die Primär und Sekundärwindungen auf einen U- Kern aufgeteilt sind. Die Koppelkapazität kann dadurch sehr klein gehalten werden. Durch die Aufteilung der Primärwicklung in zwei Teilwicklungen sind z.B. die AC- Verluste ebenfalls reduziert, was ansonsten eine zweifache Verschachtelung eines normalen E- Kern Transformators erfordern würde. Durch den Aufbau mit U-Kern kann eine Baugröße des Transformators im Gegensatz zu z.B. einem E-Kern Transformator verringert sein.
-
Bezugszeichenliste
-
- 10
- Transformator
- 12
- erste Teilwicklung
- 14
- zweite Teilwicklung
- 16
- Primärwicklung
- 18
- U-Kern
- 20
- Magnetkern
- 22
- magnetischer Fluss
- 24
- elektrisches Leiterstück
- 26
- obere Windung
- 28
- untere Windung
- 30
- Wicklungsschema
- 32
- Wickelgehäuse
- 34
- untere Windung
- 36
- erster Kontaktanschluss
- 38
- zweiter Kontaktanschluss bzw. Mittelanschluss
- 40
- erster Kontaktanschluss
- 42
- zweiter Kontaktanschluss bzw. Mittelanschluss
- 43
- zylindrische Ausbildung
- 44
- Ferritkern
- 46
- erster Kontaktanschluss
- 48
- zweiter Kontaktanschluss
- 52
- Vergusskavität
- 54
- Außenwandung
- 56
- Ersatzschaltbild eines Transformators
- 60
- Gleichspannungswandler
- 62
- Ausgangsdrossel
- 64 - 70
- Transistoren
