DE102021004555A1

DE102021004555A1 - Planartransformator

Info

Publication number: DE102021004555A1
Application number: DE102021004555.6A
Authority: DE
Inventors: Christian Lenkenhoff; Douglas Pappis
Original assignee: Kostal Automobil Elektrik GmbH and Co KG
Current assignee: Kostal Automobil Elektrik GmbH and Co KG
Priority date: 2021-09-08
Filing date: 2021-09-08
Publication date: 2023-03-09

Abstract

Beschrieben wird ein Planartransformator, bestehend aus einem mehrteilig ausgeführten Ferritkern und mehreren elektrisch miteinander verbundenen Leiterplatten, die jeweils mehrere Leiterbahnlagen aufweisen, wobei durch die Leiterbahnlagen ausgebildete Leiterbahnen die Wicklungen des Planartransformators ausbilden, und wobei die Leiterplatten durch eine Stiftleiste elektrisch miteinander verbunden sind, wobei die Leiterplatten jeweils durchgängige Steckhülsen (oder eine durchgängige Buchsenleiste) mit Kontaktfedern aufweisen, die auf die Kontaktstifte einer Stiftleiste aufgeschoben sind. Beschrieben wird zudem eine Anordnung mit einem derartigen Planartransformator.

Description

Die Erfindung betrifft einen Planartransformator, bestehend aus einem mehrteilig ausgeführten Ferritkern und mehreren elektrisch miteinander verbundenen Leiterplatten, die jeweils mehrere Leiterbahnlagen aufweisen, wobei durch die Leiterbahnlagen ausgebildete Leiterbahnen die Wicklungen des Planartransformators ausbilden, und wobei die Leiterplatten durch eine Stiftleiste elektrisch miteinander verbunden sind. Die Erfindung betrifft zudem eine Anordnung mit einem derartigen Planartransformator.
Transformatoren sind bisher meistens diskret aufgebaut, das heißt eine Leitung aus beispielsweise isolierter Kupferlitze ist um einen Wicklungskörper gewickelt, der wiederum um einen Kern montiert ist, und der an andere Komponenten mit Steckern oder Verschraubungen elektrisch angeschlossen ist.
Dieses Konzept hat allerdings diverse Nachteile. Zum einen ist die Aufbau- und Verbindungstechnik relativ aufwändig und beansprucht relativ viel Bauraum. Zum anderen sind solche Transformatoren nur schwer zu entwärmen, denn die Wärme aus den inneren Wicklungen kann nur schwer abgeführt werden. Oftmals wird ein Verguss eingesetzt, dessen thermische Leitfähigkeit aber ein eher schlechter Kompromiss ist.
Daher werden zunehmend Planartransformatoren eingesetzt. Bei dieser Aufbauart werden die Wicklungen vorzugsweise durch Leiterbahnlagen in einer Leiterplatte abgebildet, was den großen Vorteil bietet, dass die Leiterplatte mit ihren flächig ausgebildeten Wicklungen großflächig an einen Kühlkanal angedrückt werden kann. Ein weiterer gewichtiger Vorteil liegt darin, dass die gesamte Aufbau- und Verbindungstechnik einfacher, günstiger und robuster aufgebaut werden kann, da sich die Wicklungen bereits in einer Leiterplatte befinden, auf der ohne großen Aufwand weitere Schaltungskomponenten angeordnet werden können.
Nachteilig an derartigen Planartransformatoren ist, dass die Anzahl der Wicklungsebenen durch die Anzahl der Kupferlagen in der Leiterplatte begrenzt ist. Üblicherweise werden mehr als zwölf Kupferlagen als unwirtschaftlich gesehen.
Eine weitere Limitierung stellt die Kupferlagendicke dar, die sich üblicherweise zwischen 35 und 70 µm pro Kupferlage bewegt. Durch den ohmschen Widerstand der Leiterbahnen entstehen Leitungsverluste, die sich sowohl auf den Wirkungsgrad, als auch auf die Entwärmung auswirkt. Die Möglichkeiten zur direkten Aufdickung der Kupferlagen sind begrenzt. Zudem wird dadurch der Herstellungsprozess der Leiterplatte schnell kompliziert und somit unwirtschaftlich.
Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2018 005 043 A1 ist ein Planartransformator bekannt, bei dem die Wicklungen auf mehrere Leiterplatten verteilt sind, die auf eine spezielle Weise miteinander verschaltet sind. Die elektrische Verbindung der Leiterplatten untereinander, sowie auch mit einer weiteren Leiterplatte, die mit elektronischen Bauteilen bestückt ist, werden vor allem über Stiftleisten hergestellt, mit denen alle Leiterplatten verlötet sind.
Ein solcher Aufbau ist allerdings in mancherlei Hinsicht unflexibel. Dieses ist besonders in einem möglichen Reparaturfall nachteilig, da eine nachträgliche Demontage des Planartransformators und eine Prüfung und gegebenenfalls ein Austausch einzelner defekter Leiterplatten des Planartransformators nur mit einem hohen und oftmals nicht wirtschaftlich vertretbaren Aufwand möglich sind. Auch sind Lötverbindungen an Stiften relativ anfällig für mechanische Belastungen, zum Beispiel Vibrationsbelastungen, wie sie in Kraftfahrzeugen auftreten.
Es stellte sich erstens die Aufgabe, auf einfache und kostengünstige Weise einen Planartransformator zu schaffen, der die vorgenannten Nachteile vermeidet oder zumindest vermindert.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Leiterplatten jeweils durchgängige Steckhülsen mit Kontaktfedern aufweisen, die auf die Kontaktstifte einer Stiftleiste aufgeschoben sind.
Es stellte sich zweitens die Aufgabe, eine besonders vorteilhafte Anordnung mit einem Planartransformator zu schaffen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Planartransformator mit einer Schaltungsleiterplatte verbunden ist, welche die Stiftleiste trägt.
Nachfolgend soll die Erfindung anhand der Zeichnung dargestellt und näher erläutert werden. Es zeigen jeweils in einer Schnittdarstellung die

1 eine Anordnung mit einem Planartransformator, und die
2 eine einzelne Leiterplatte eines Planartransformators.

Die 1 zeigt eine Anordnung mit einem Planartransformator 10. Auf einer Schaltungsleiterplatte 19 werden die Ströme, die durch den Planartransformator 10 fließen sollen bereitgestellt. Auf der Schaltungsleiterplatte 19 ist eine Stiftleiste 14 mit relativ langen Kontaktstiften 17 aufgelötet.
Mit den Kontaktstiften 17 mechanisch und elektrisch verbunden sind zwei Leiterplatten 11, 12, die beide Bestandteile des Planartransformators 10 sind.
Der Aufbau der Leiterplatten 11, 12 wird anhand der 2 verdeutlicht. Die 2 zeigt dazu eine der Leiterplatten 11, 12. Diese weist mehrere, in parallelen Schichten angeordnete Leiterbahnlagen 13 auf. Die Leiterbahnlagen 13 sind auf grundsätzlich bekannte Weise als, hier nicht dargestellte, gewundene Leiterbahnen ausgeführt, welche Wicklungen des aufzubauenden Planartransformators 10 ausbilden.
Zur elektrischen Verbindung der Leiterbahnlagen 13 untereinander sowie auch zur Verbesserung der vertikalen Wärmeableitung weist die Leiterplatte 11, 12 mehrere Durchkontaktierungen 23 auf.
Der elektrische Anschluss der Leiterbahnen in den Leiterbahnlagen 13 erfolgt über Steckhülsen 15, die auf einer der Außenseiten der Leiterplatte 11, 12 angeordnet sind. Die Steckhülsen 15 sind durchgängig ausgebildet, was bedeutet, dass Kontaktstifte 17 durch sie hindurchgeführt werden können.
Um dieses zu ermöglichen, sind die Steckhülsen 15 fluchtend zu Durchbrüchen 21 in der Leiterplatte 11, 12 montiert. Die elektrische Anbindung der Steckhülsen 15 an die Kontaktstifte 17 erfolgt über zu den Steckhülsen 15 gehörende Kontaktfedern 16, welche wiederum jeweils über Lötstellen 22 mit Leiterbahnen auf der Oberfläche der Leiterplatte 11, 12 verbunden sind.
Zur Vereinfachung der Montage sind alle Steckhülsen 15 mitsamt ihren Kontaktfedern 16 hier als eine Buchsenleiste 20 ausgeführt.
Zum Aufbau des Planartransformators 10 werden mindestens eine und vorzugsweise, wie in der 1 dargestellt, mehrere solcher Leiterplatten 11, 12 mit den Kontaktstiften 17 einer Stiftleiste 14 verbunden.
Die Kontaktstifte 17 stellen über die Steckhülsen 15 der Buchsenleiste 20 elektrische Verbindungen zwischen den Leiterplatten 11, 12 her. Zudem sind die Kontaktstifte 17 als Teil der Stiftleiste 14 mit einer Schaltungsleiterplatte 14 verlötet, die hier nicht dargestellte elektrische und/oder elektronische Bauelemente trägt, welche die zu- und abgehenden Ströme des Planartransformators 10 verwenden.
Zum Aufbau des Planartransformator 10 gehört zudem ein mehrteilig ausgeführter Ferritkern 18, dessen Schenkel durch in den Figuren nicht erkennbare Ausnehmungen der Leiterplatten 11, 12 hindurchgeführt sind.
Um eine möglichst gute thermische Kopplung zwischen den Leiterplatten 11, 12 zu erhalten ist es vorteilhaft, auf beispielsweise die erste Leiterplatte 11 einen Gapfiller 24 aufzutragen. Darüber wird dann eine zweite Leiterplatte 12 in Position gebracht, welche ebenfalls eine Buchsenleiste 20 mit durchgängig ausgebildeten Steckhülsen 15 aufweist, die auf die Kontaktstifte 17 „aufgefädelt“ sind. Nach dem Zusammenführen der beiden Leiterplatten 11, 12, verbindet der Gapfiller 24 die erste Leiterplatte 11 thermisch mit der zweiten Leiterplatte 12.
Auf diese Weise sind beide Leiterplatten 11, 12 an der gleichen Stelle und mit der gleichen Kontaktierungsart angebunden. Die beiden Leiterplatten 11, 12 können so innerhalb des Ferritkerns 18 parallel betrieben werden.
Für höhere Ströme ist es vorteilhaft, das Leiterplattenlayout sowohl der Leiterplatten 11, 12 als auch der Schaltungsleiterplatte 19 derart zu gestalten, dass sich die Ströme auf mehrere parallelgeschaltete Kontaktstifte 17 aufteilen können um einer thermischen Überlastung entgegen zu wirken.
Durch die Parallelschaltung der Leiterplatten 11, 12 können die Leitungsverluste in den Leiterbahnen erheblich reduziert werden. Bei zwei parallelgeschalteten Leiterplatten 11, 12 halbieren sich die Ströme pro Leiterbahn; insofern kann in ungefährer Näherung davon ausgegangen werden, dass sich die Leitungsverluste pro Leiterbahn sowie pro Leiterplatte 11,12 vierteln. Da diese Verluste dann in beiden Leiterplatten 11, 12 auftreten, sind die gesamten Leitungsverluste ungefähr halbiert.
Genau dieser Effekt wird auch bei der Entwärmung genutzt, die dann einfacher und kosteneffizienter ausgestaltet werden kann.
Gleichzeitig stellt der Aufbau mit den federnden Elementen eine sehr robuste Aufbauart dar, da Bewegungen des Planartransformators sowohl in axialer Richtung der Kontaktstifte 17, als auch in dazu senkrechten Richtungen durch die flexiblen Kontaktstifte 17 ohne eine nennenswerte Änderung der Übergangswiderstände ausgeglichen werden können.
Bezugszeichenliste

10: Planartransformator
11: Erste Leiterplatte
12: Zweite Leiterplatte
13: Leiterbahnlagen
14: Stiftleiste
15: Steckhülsen
16: Kontaktfedern
17: Kontaktstifte
18: Ferritkern
19: Schaltungsleiterplatte
20: Buchsenleiste
21: Durchbrüche
22: Lötstelle
23: Durchkontaktierungen
24: Gapfiller

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 102018005043 A1 [0007]

Claims

Planartransformator (10), bestehend aus einem mehrteilig ausgeführten Ferritkern (18) und mehreren elektrisch miteinander verbundenen Leiterplatten (11, 12), die jeweils mehrere Leiterbahnlagen (13) aufweisen, wobei durch die Leiterbahnlagen (13) ausgebildete Leiterbahnen die Wicklungen des Planartransformators (10) ausbilden, und wobei die Leiterplatten (11, 12) durch eine Stiftleiste (14) elektrisch miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplatten (11,12) jeweils durchgängige Steckhülsen (15) mit Kontaktfedern (16) aufweisen, die auf die Kontaktstifte (17) einer Stiftleiste (14) aufgeschoben sind.
Planartransformator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die durchgängigen Steckhülsen (15) als Buchsenleiste ausgebildet sind.
Planartransformator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Steckhülsen (15) parallelgeschaltet sind.
Planartransformator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplatten (11, 12) jeweils mindestens eine Ausnehmung aufweisen, durch die ein Ferritkern (18) hindurchgeführt ist.
Anordnung mit einem Planartransformator (10) mit allen Merkmalen des Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Planartransformator (10) mit einer Schaltungsleiterplatte (19) verbunden ist, welche die Stiftleiste (14) trägt.