DE102019215514A1 - Common mode choke - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Gleichtaktdrossel. Die Gleichtaktdrossel weist einen insbesondere magnetisch permeablen Ringkern, und eine Spule auf. Die Gleichtaktdrossel weist wenigstens eine weitere Spule auf, wobei die Spule und die weitere Spule jeweils derart im Bereich des Ringkerns angeordnet sind, dass ein die Spulen durchsetzender magnetischer Fluss den Ringkern erfassen kann. Erfindungsgemäß umschließt der Ringkern einen bevorzugt zylinderförmigen Durchbuch. Die Spulen weisen für jede Spulenwindung jeweils wenigstens einen oder nur einen elektrischen Innenleiter, insbesondere eine Stromschiene auf, wobei der Innenleiter in dem Durchbruch angeordnet ist. Die in dem Durchbruch angeordneten Innenleiter bilden gemeinsam eine dem Durchbruch entsprechende Form, bevorzugt Querschnittsform aus und füllen den Durchbruch so gemeinsam aus.The invention relates to a common mode choke. The common mode choke has an in particular magnetically permeable toroidal core and a coil. The common-mode choke has at least one further coil, the coil and the further coil each being arranged in the area of the toroidal core in such a way that a magnetic flux penetrating the coils can detect the toroidal core. According to the invention, the toroidal core encloses a preferably cylindrical through-hole. For each coil turn, the coils each have at least one or only one electrical inner conductor, in particular a busbar, the inner conductor being arranged in the opening. The inner conductors arranged in the opening together form a shape corresponding to the opening, preferably a cross-sectional shape, and thus jointly fill the opening.
Description
Stand der TechnikState of the art
Die Erfindung betrifft eine Gleichtaktdrossel. Die Gleichtaktdrossel weist einen insbesondere magnetisch permeablen Ringkern, und eine Spule auf. Die Gleichtaktdrossel weist wenigstens eine weitere Spule auf, wobei die Spule und die weitere Spule jeweils derart im Bereich des Ringkerns angeordnet sind, dass ein die Spulen durchsetzender magnetischer Fluss den Ringkern erfassen kann.The invention relates to a common mode choke. The common mode choke has an in particular magnetically permeable toroidal core and a coil. The common-mode choke has at least one further coil, the coil and the further coil each being arranged in the area of the toroidal core in such a way that a magnetic flux penetrating the coils can detect the toroidal core.
Gleichtaktdrosseln werden zur EMV-Entstörung (EMV = Elektro-Magnetische-Verträglichkeit) eingesetzt. Dazu weisen Gleichtaktdrosseln wenigstens zwei oder nur zwei Spulen auf, die über einen Ringkern miteinander in magnetischer Wechselwirkung stehen können. Der Spulenstrom in den zwei Spulen wird bevorzugt in zueinander verschiedene Richtungen geführt, so dass sich EMV-Störungen in dem Ringkern magnetisch einander aufheben.Common mode chokes are used for EMC suppression (EMC = electro-magnetic compatibility). For this purpose, common-mode chokes have at least two or only two coils, which can interact magnetically with one another via a toroidal core. The coil current in the two coils is preferably conducted in mutually different directions, so that EMC interference in the toroidal core magnetically cancel each other out.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Erfindungsgemäß umschließt der Ringkern einen bevorzugt zylinderförmigen Durchbuch. Die Spulen weisen für jede Spulenwindung jeweils wenigstens einen oder nur einen elektrischen Innenleiter, insbesondere eine Stromschiene auf, wobei der Innenleiter in dem Durchbruch angeordnet ist. Die in dem Durchbruch angeordneten Innenleiter bilden gemeinsam eine dem Durchbruch entsprechende Form, bevorzugt Querschnittsform aus und füllen den Durchbruch so gemeinsam aus.According to the invention, the toroidal core encloses a preferably cylindrical through-hole. For each coil turn, the coils each have at least one or only one electrical inner conductor, in particular a busbar, the inner conductor being arranged in the opening. The inner conductors arranged in the opening together form a shape corresponding to the opening, preferably a cross-sectional shape, and thus jointly fill the opening.
Vorteilhaft kann die Gleichtaktdrossel so besonders platzsparend ausgebildet sein. Es wurde nämlich erkannt, dass die Impedanz einer Gleichtaktdrossel wirksam erhöht werden kann, wenn die Querschnittsfläche des Durchbruchs von den Innenleitern voll bestromt werden kann.The common-mode choke can thus advantageously be designed to be particularly space-saving. This is because it was recognized that the impedance of a common mode choke can be effectively increased if the cross-sectional area of the opening can be fully energized by the inner conductors.
In einer bevorzugten Ausführungsform weisen die Innenleiter jeweils einen kreissegmentförmigen Querschnitt auf. Vorteilhaft kann der insbesondere zylinderförmige Durchbruch so vollständig durch die Innenleiter ausgefüllt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform weisen die Spulen jeweils nur eine Spulenwindung auf, wobei die Innenleiter dazu jeweils im Querschnitt halbkreisförmig ausgebildet sind.In a preferred embodiment, the inner conductors each have a cross-section in the shape of a segment of a circle. Advantageously, the particularly cylindrical opening can thus be completely filled by the inner conductor.
In a preferred embodiment, the coils each have only one coil turn, the inner conductors each being semicircular in cross section for this purpose.
In einer anderen Ausführungsform weisen die Spulen jeweils zwei Spulenwindungen auf. Bevorzugt sind die Innenleiter dazu jeweils im Querschnitt kreisviertelsegmentförmig ausgebildet. Vorteilhaft kann der Durchbruch so platzfüllend durch jeweils zwei Spulenwindungsabschnitte ausgefüllt werden. Jeder Innenleiter bildet dabei einen Windungsabschnitt einer Spulenwindung. Vorteilhaft kann die Induktivität bei zwei oder mehr Spulenwindungen quadratisch gesteigert werden.In another embodiment, the coils each have two coil turns. For this purpose, the inner conductors are preferably each embodied in the form of a quarter segment in cross section. The breakthrough can thus advantageously be filled in to fill space by two coil winding sections in each case. Each inner conductor forms a turn section of a coil turn. The inductance can advantageously be increased quadratically with two or more coil turns.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Gleichtaktdrossel einen elektrisch isolierend ausgebildeten Haltekörper auf. Der Haltekörper umschließt den Ringkern wenigstens teilweise und weist einen an den Haltekörper angeformten Hohlzylinder auf, wobei ein Hohlraum des Hohlzylinders den Durchbruch zur Aufnahme der Innenleiter bildet. Vorteilhaft kann der Ringkern so elektrisch von den Innenleitern isoliert sein. Vorteilhaft können die Innenleiter so als massive, insbesondere unisolierte, Metallstücke, insbesondere Kupferstücke, ausgebildet sein.In a preferred embodiment, the common mode choke has an electrically insulating holding body. The holding body at least partially encloses the toroidal core and has a hollow cylinder molded onto the holding body, a cavity of the hollow cylinder forming the opening for receiving the inner conductor. The toroidal core can thus advantageously be electrically isolated from the inner conductors. The inner conductors can thus advantageously be designed as solid, in particular uninsulated, metal pieces, in particular copper pieces.
Die Innenleiter sind bevorzugt jeweils als insbesondere gerader Stab ausgebildet. Dadurch können die Innenleiter aufwandsgünstig, beispielsweise als Strangpressprofil oder Walzprofil bereitgestellt werden.The inner conductors are preferably each designed as a straight rod, in particular. As a result, the inner conductors can be provided at low cost, for example as an extruded profile or a rolled profile.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Innenleiter jeweils mit einem Ende, insbesondere einer Stirnseite, mit einer Stromschiene verbunden, die von den Enden des Innenleiters insbesondere rechtwinklig weggeführt ist. Die Stromschiene ist beispielsweise durch ein Stanzgitter, auch Leadframe genannt, oder durch einen Schaltungsträger, insbesondere einen keramischen Schaltungsträger, gebildet. Vorteilhaft kann die Gleichtaktdrossel so platzsparend bereitgestellt werden. Die Innenleiter können so vorteilhaft mit einer Stirnseite mit der Stromschiene stoffschlüssig und elektrisch leitfähig verbunden, beispielsweise verlötet oder verschweißt sein. Die Stromschiene kann beispielsweise von einem Ende, insbesondere einer Stirnseite des Innenleiters, wegführend, den Ringkern wenigstens teilweise umschließend abgewinkelt gebildet sein.
Die abgewinkelte Stromschiene kann so vorteilhaft einen Außenleiter bilden, wobei ein abgewinkelter Abschnitt sich parallel zum Innenleiter erstreckt.In a preferred embodiment, the inner conductors are each connected at one end, in particular one end face, to a busbar, which is led away from the ends of the inner conductor, in particular at right angles. The busbar is formed, for example, by a stamped grid, also called a leadframe, or by a circuit carrier, in particular a ceramic circuit carrier. The common-mode choke can thus advantageously be provided in a space-saving manner. The inner conductors can thus advantageously be connected with one end face to the busbar in a materially and electrically conductive manner, for example soldered or welded. The busbar can, for example, be formed at an angle leading away from one end, in particular an end face of the inner conductor, at least partially enclosing the toroidal core.
The angled busbar can thus advantageously form an outer conductor, with an angled section extending parallel to the inner conductor.
Vorteilhaft kann die Gleichtaktdrossel so mit einer Stirnseite des Innenleiters mit einem Schaltungsträger Reflow-verlötet werden. Die Stromschiene, welche mit einem dazu entgegengesetzten Ende des Innenleiters elektrisch leitfähig, insbesondere stoffschlüssig, verbunden ist, kann mit einem davon abweisenden Ende mit dem Schaltungsträger verlötet werden. Die Stromschiene und der Innenleiter weisen bevorzugt jeweils ein Ende auf, welches in einer Ebene, insbesondere der Schaltungsträgerebene, liegt.The common-mode choke can thus advantageously be reflow-soldered to an end face of the inner conductor with a circuit carrier. The busbar, which is electrically conductive, in particular cohesively connected to an opposite end of the inner conductor, can be soldered to the circuit carrier with an end facing away therefrom. The busbar and the inner conductor preferably each have an end which lies in one plane, in particular the circuit carrier plane.
Die Erfindung betrifft auch ein Kontaktsystem. Das Kontaktsystem weist eine Gleichtaktdrossel gemäß der vorbeschriebenen Art auf. Bevorzugt umfasst das Kontaktsystem einen insbesondere keramischen Schaltungsträger, welcher wenigstens eine äußere elektrisch leitfähige Schicht und wenigstens eine elektrisch isolierende Schicht, insbesondere Keramikschicht, aufweist.The invention also relates to a contact system. The contact system has a common mode choke of the type described above. The contact system preferably comprises one in particular ceramic circuit carrier, which has at least one outer electrically conductive layer and at least one electrically insulating layer, in particular ceramic layer.
Der Schaltungsträger ist bevorzugt ein keramischer Schaltungsträger, bei dem die elektrisch isolierende Schicht durch eine Keramikschicht gebildet ist. Die elektrisch leitfähige Schicht ist bevorzugt eine Kupferschicht oder Aluminiumschicht. Der Schaltungsträger ist bevorzugt ein IMS-Schaltungsträger (IMS =Insulated-Metal-Substrate), DCB-Schaltungsträger (DCB = Direct-Copper-Bonded), AMB-Schaltungsträger (AMB =Active-Metal-Brazed), LTCC-Schaltungsträger (LTCC = Low-Temperature-Cofired-Ceramics) oder ein HTCC-Schaltungsträger (HTCC = High-Temperature-Cofired-Ceramics).The circuit carrier is preferably a ceramic circuit carrier in which the electrically insulating layer is formed by a ceramic layer. The electrically conductive layer is preferably a copper layer or an aluminum layer. The circuit carrier is preferably an IMS circuit carrier (IMS = Insulated Metal Substrate), DCB circuit carrier (DCB = Direct Copper Bonded), AMB circuit carrier (AMB = Active Metal Brazed), LTCC circuit carrier (LTCC = Low-Temperature-Cofired-Ceramics) or an HTCC circuit carrier (HTCC = High-Temperature-Cofired-Ceramics).
Die elektrisch leitfähige Schicht bildet eine Stromschiene, die mit einem Ende eines der Innenleiter verbunden ist. Der Schaltungsträger kann so vorteilhaft eine Stromschiene bilden, welche einen Teil einer Spulenwicklung bildet, wobei der Teil mit dem Innenleiter verbunden ist. Die Stromschiene kann weiter bevorzugt ein Verbindungselement bilden, welches zwei Spulenwicklungen derselben Spule miteinander elektrisch verbindet. So kann eine Spule, umfassend zwei Windungen, beispielsweise zwei zueinander benachbart angeordnete Innenleiter, umfassen, welche jeweils in dem Durchbruch angeordnet sind. Die Innenleiter bilden jeweils einen Teil einer Spulenwicklung derselben Spule, wobei die Spulenwicklungen jeweils an den Stirnseiten der Innenleiter ankoppelnd, rechtwinklig um den Ringkern herumgeführt sind. Die um den Ringkern herumgeführten Teile der Spulenwicklung sind beispielsweise durch eine einen Außenleiter bildende Stromschiene, insbesondere Stanzgitter, gebildet. Die Verbindung der Spulenwicklungen derselben Spule untereinander zu einer seriellen elektrischen Verbindung derselben kann mittels der Stromschiene des Schaltungsträgers gebildet sein, welcher einen Innenleiter kontaktiert.The electrically conductive layer forms a busbar that is connected to one end of one of the inner conductors. The circuit carrier can thus advantageously form a busbar which forms part of a coil winding, the part being connected to the inner conductor. The busbar can further preferably form a connecting element which electrically connects two coil windings of the same coil to one another. Thus, a coil comprising two turns, for example two inner conductors arranged adjacent to one another, which are each arranged in the opening. The inner conductors each form part of a coil winding of the same coil, the coil windings each coupling to the end faces of the inner conductor being guided around the toroidal core at right angles. The parts of the coil winding that are guided around the toroidal core are formed, for example, by a busbar, in particular a stamped grid, which forms an outer conductor. The connection of the coil windings of the same coil to one another to form a serial electrical connection of the same can be formed by means of the conductor rail of the circuit carrier, which contacts an inner conductor.
Eine Spulenwindung kann so einen Innenleiter, den abgewinkelten Außenleiter und eine elektrisch leitfähige Schicht eines Schaltungsträgers, beispielsweise IMS-Substrat umfassen. Bevorzugt sind der Innenleiter und der Außenleiter mit einem Substrat, insbesondere IMS-Substrat mittels eines Lotmittels stoffschlüssig verbunden.A coil turn can thus comprise an inner conductor, the angled outer conductor and an electrically conductive layer of a circuit carrier, for example an IMS substrate. The inner conductor and the outer conductor are preferably materially connected to a substrate, in particular an IMS substrate, by means of a solder.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Kontaktsystems ist ein von dem Schaltungsträger abweisendes Ende des Innenleiters mit einer Stromschiene, welche bevorzugt einen Außenleiter bildet, verbunden, die von dem abweisenden Ende um den Ringkern außen herumführend geformt ist und mit dem Schaltungsträger verbunden ist. Die Stromschiene ist bevorzugt durch ein Stanzgitter oder Leadframe gebildet. Vorteilhaft kann ein Teil der Spulenwindung, welcher durch die Stromschiene, insbesondere das Stanzgitter, gebildet ist, durch ein vorgeformtes Blechteil, insbesondere Kupferblechteil, bereitgestellt werden, welches auf ein von dem Schaltungsträger abweisendes Ende des Innenleiters aufgesetzt, und dort mit dem Innenleiter verlötet oder punktverschweißt sein kann. Die Drosselspule kann so vorteilhaft aufwandsgünstig bereitgestellt werden.In a preferred embodiment of the contact system, one end of the inner conductor facing away from the circuit carrier is connected to a busbar, which preferably forms an outer conductor, which is shaped from the rejecting end to lead around the toroidal core and is connected to the circuit carrier. The busbar is preferably formed by a stamped grid or leadframe. A part of the coil winding, which is formed by the busbar, in particular the lead frame, can advantageously be provided by a preformed sheet metal part, in particular a sheet copper part, which is placed on an end of the inner conductor facing away from the circuit carrier, and there is soldered or spot-welded to the inner conductor can be. The choke coil can thus advantageously be provided at low cost.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Kontaktsystems ist der Schaltungsträger wenigstens im Bereich des Innenleiters und/oder des Ringkerns mit einer Wärmesenke wärmeleitfähig verbunden. Weiter bevorzugt ist die Drosselspule zwischen zwei insbesondere keramisch ausgebildeten Schaltungsträgern, insbesondere nach Art eines Sandwichs, eingeschlossen. Die so gebildete Kontaktanordnung kann vorteilhaft von beiden Seiten der Schaltungsträger, insbesondere von nach außen weisenden Seiten der Schaltungsträger, mit einer Wärmesenke verbunden werden.In a preferred embodiment of the contact system, the circuit carrier is connected in a thermally conductive manner to a heat sink at least in the area of the inner conductor and / or the toroidal core. The choke coil is furthermore preferably enclosed between two circuit carriers, in particular of ceramic design, in particular in the manner of a sandwich. The contact arrangement formed in this way can advantageously be connected to a heat sink from both sides of the circuit carrier, in particular from outwardly facing sides of the circuit carrier.
Die Wärmesenke, welche beispielsweise mittels eines insbesondere elektrisch isolierenden Wärmeleitmaterials, auch TIM (TIM = Thermal-Insulation-Material) genannt, mit dem Schaltungsträger verbunden werden kann, kann die in der Gleichtaktdrossel erzeugte Verlustwärme besonders effizient abführen. Es wurde nämlich erkannt, dass Verlustwärme zu den Stirnseiten des Innenleiters effizient abgeführt werden kann. Weiter wurde erkannt, dass der Ringkern in der vorbeschriebenen Kontaktanordnung des Kontaktsystems über den Schaltungsträger aufwandsgünstig und effizient entwärmt werden kann.The heat sink, which can be connected to the circuit carrier, for example by means of a particularly electrically insulating heat-conducting material, also called TIM (TIM = Thermal Insulation Material), can dissipate the heat loss generated in the common-mode choke particularly efficiently. This is because it was recognized that heat loss can be efficiently dissipated to the end faces of the inner conductor. It was also recognized that the toroidal core in the above-described contact arrangement of the contact system can be cooled efficiently and inexpensively via the circuit carrier.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Gleichtaktdrossel ist zwischen Innenleitern zueinander verschiedener Spulen ein elektrisch isolierender Trennsteg oder eine Trennwand angeordnet. Der Trennsteg ist beispielsweise ein Keramiksteg, Glassteg oder Kunststoffsteg. Bevorzugt ist der Trennsteg an den Haltekörper angeformt. Auf diese Weise kann der Haltekörper gemeinsam mit dem Trennsteg vorteilhaft einstückig als Kunststoffspritzteil ausgebildet sein. Der Trennsteg ist beispielsweise in Querschnitt T-förmig oder Doppel-T-förmig gebildet, wobei die T-Schenkel jeweils angeordnet sind, eine Ecke eines Innenleiters wenigstens teilweise zu umgreifen. Die Ecken der Innenleiter sind so vorteilhaft gegen Hochspannungsdurchbrüche oder Funkenüberschlag geschützt.In a preferred embodiment of the common mode choke, an electrically insulating separating web or a separating wall is arranged between inner conductors that are different from one another. The separating web is, for example, a ceramic web, glass web or plastic web. The separating web is preferably molded onto the holding body. In this way, the holding body can advantageously be designed in one piece together with the separating web as a plastic injection-molded part. The separating web is formed, for example, with a T-shaped or double-T-shaped cross-section, the T-legs each being arranged to at least partially encompass a corner of an inner conductor. The corners of the inner conductors are thus advantageously protected against high-voltage breakdowns or arcing.
Die Erfindung wird nun im Folgenden anhand von Figuren und weiteren Ausführungsbeispielen beschrieben. Weitere vorteilhafte Ausführungsvarianten ergeben sich aus einer Kombination der in den abhängigen Ansprüchen und in den Figuren beschriebenen Merkmalen.
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1 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine Kontaktanordnung mit einer Gleichtaktdrossel in einer Schnittdarstellung, die zwischen zwei Schaltungsträgern eingeschlossen und mit diesen verbunden ist; -
2 zeigt die in1 dargestellte Gleichtaktdrossel in einer Querschittdarstellung; -
3 zeigt eine Ausführungsform für eine Gleichtaktdrossel mit zwei Spulenwindungen für jede Spule der Gleichtaktdrossel; -
4 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine Gleichtaktdrossel mit drei zwei Spulenwindungen für jede Spule der Gleichtaktdrossel; -
5 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine Gleichtaktdrossel mit einem rechteckig geformten Ringkern;
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1 shows an exemplary embodiment of a contact arrangement with a common mode choke in a sectional illustration, which is enclosed between two circuit carriers and connected to them; -
2 shows the in1 Common mode choke shown in a cross-sectional view; -
3 shows an embodiment for a common mode choke with two coil turns for each coil of the common mode choke; -
4th shows an embodiment for a common mode choke with three two coil turns for each coil of the common mode choke; -
5 shows an embodiment for a common mode choke with a rectangular shaped toroidal core;
Die Gleichtaktdrossel
In dem Durchbruch
Anders als bei einer Vollwindung, welche den Ringkern einmal umlaufend umgibt, läuft die Teilwindung nur zu dem Innenleiter hin und führt von diesem nach Durchlaufen des Durchbruchs wieder weg.In the breakthrough
In contrast to a full turn, which surrounds the toroidal core once, the partial turn only runs towards the inner conductor and leads away from it again after passing through the opening.
Die Kontaktanordnung
Der Schaltungsträger
- - insbesondere in einer Ebene angeordnete - elektrisch leitfähige Schichten
15 und 16 , welche jeweils eine Stromschiene bilden.Der Schaltungsträger 9 umfasst eine elektrisch isolierende Schicht11 und zwei elektrisch leitfähige Schichten12 und 13 .
- - in particular arranged in one plane - electrically conductive layers
15th and16 , which each form a busbar. Thecircuit carrier 9 comprises an electrically insulatinglayer 11 and two electrically conductive layers12th and13th .
Die Innenleiter
Der Innenleiter
Der Innenleiter
Anders als in
Die Spulen der Gleichtaktdrossel
Anders als in
Der Ringkern
Der elektrisch isolierend ausgebildete Innenzylinder
Die Innenleiter
Die Spulen der Gleichtaktdrossel
In dem Teilraum
Die Innenleiter
Bei der in
In jedem der Teilräume sind Teile einer Spulenwindung derselben Drosselspule aufgenommen. In dem Ausführungsbeispiel gemäß
Zu dem Teilraum
Der Durchbruch
Bei der in
Eine erste Spule umfasst dabei die Innenleiter
Die Innenleiter
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