DE102022210135A1 - Transformer for a DC-DC converter - Google Patents
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Abstract
Ein Transformator (200) zur Anbringung auf einer Leiterplatte (205) umfasst eine Primärwicklung (215) und eine Sekundärwicklung (220), die koaxial um eine gemeinsame, gerade Wicklungsachse (235) gewickelt sind, wobei die Wicklungsachse (235) parallel zur Leiterplatte (205) orientiert ist.A transformer (200) for mounting on a circuit board (205) comprises a primary winding (215) and a secondary winding (220), which are wound coaxially around a common, straight winding axis (235), the winding axis (235) being parallel to the circuit board (235). 205) is oriented.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gleichspannungswandler in einem Kraftfahrzeug. Insbesondere betrifft die Erfindung einen Transformator in einem solchen Gleichspannungswandler.The present invention relates to a DC-DC converter in a motor vehicle. In particular, the invention relates to a transformer in such a DC-DC converter.
Ein Kraftfahrzeug umfasst einen elektrischen Antriebsstrang mit einer Batterie, einem Stromwandler und einer elektrischen Antriebsmaschine. Der Stromwandler ist dazu eingerichtet, eine von der Batterie bereitgestellte Gleichspannung in mehrere zueinander phasenverschobene Wechselströme für die Antriebsmaschine zu wandeln, um ein von der Maschine bereitgestelltes Drehmoment oder eine eingenommene Drehzahl zu steuern.A motor vehicle includes an electric drive train with a battery, a power converter and an electric drive machine. The current converter is set up to convert a direct voltage provided by the battery into a plurality of mutually phase-shifted alternating currents for the drive machine in order to control a torque provided by the machine or a speed adopted.
Ein Bordnetz an Bord des Kraftfahrzeugs wird traditionell mit einer Gleichspannung von ca. 12 V betrieben. Damit können Verbraucher an Bord des Kraftfahrzeugs mit Energie versorgt werden, beispielsweise verschiedene Steuergeräte oder Beleuchtungseinrichtungen oder ein Unterhaltungs- oder Kommunikationssystem. Um das Bordnetz aus der Batterie mit elektrischer Energie zu versorgen ist ein Gleichspannungswandler erforderlich. Eine von der Batterie bereitgestellte Spannung liegt üblicherweise bei ca. 400 oder ca. 800 V, sodass bei einer einstufigen Wandlung ein großer Spannungsunterschied zu überbrücken ist.An electrical system on board the motor vehicle is traditionally operated with a direct voltage of approximately 12 V. This means that consumers on board the motor vehicle can be supplied with energy, for example various control devices or lighting devices or an entertainment or communication system. In order to supply the on-board electrical system with electrical energy from the battery, a DC-DC converter is required. A voltage provided by the battery is usually around 400 or around 800 V, so a large voltage difference has to be bridged with a single-stage conversion.
Der Gleichspannungswandler soll kompakt und effizient sein, dabei kostengünstig und thermisch stabil. Zur Wandlung werden aktive und passive elektronische Komponenten verwendet, die üblicherweise auf einer Leiterplatte angeordnet sind. Viele bekannte Gleichspannungswandler verwenden einen Planartransformator, bei dem eine Sekundärwicklung als Leiterbahn auf der Leiterplatte ausgeführt ist. Wärme, die beim Betrieb eines solchen Transformators an den Leiterbahnen entsteht, kann meist schlecht abgeführt werden. Andere Transformatoren, die für DC-DC-Anwendungen bereitstehen, verwenden eine Primärwicklung aus Hochfrequenzlitze, die kostenintensiver und aufwändiger in der Verarbeitung als ein massiver Draht ist. Außerdem sind zur Ableitung anfallender Wärme häufig mehrere Anbindungen an ein Gehäuse oder einen Kühlkörper vorzusehen, sodass eine Montage oder ein Service aufwändig sein können.The DC-DC converter should be compact and efficient, cost-effective and thermally stable. Active and passive electronic components are used for conversion, which are usually arranged on a circuit board. Many well-known DC-DC converters use a planar transformer in which a secondary winding is designed as a conductor track on the circuit board. Heat that arises on the conductor tracks when operating such a transformer is usually difficult to dissipate. Other transformers available for DC-DC applications use a primary winding made of high-frequency stranded wire, which is more expensive and difficult to process than solid wire. In addition, several connections to a housing or a heat sink often have to be provided to dissipate the heat generated, so that installation or service can be complex.
Eine der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe liegt in der Bereitstellung eines verbesserten Transformators, einer verbesserten Transformatoranordnung, eines verbesserten Gleichspannungswandlers und eines verbesserten Verfahrens zum Bereitstellen eines Transformators. Die Erfindung löst diese Aufgabe mittels der Gegenstände der unabhängigen Ansprüche. Außerdem wird ein verbessertes Kraftfahrzeug angegeben. Unteransprüche geben bevorzugte Ausführungsformen wieder.An object underlying the present invention is to provide an improved transformer, an improved transformer arrangement, an improved DC-DC converter and an improved method for providing a transformer. The invention solves this problem by means of the subject matter of the independent claims. In addition, an improved motor vehicle is specified. Subclaims give preferred embodiments.
Nach einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein Transformator zur Anbringung auf einer Leiterplatte eine Primärwicklung und eine Sekundärwicklung, die koaxial um eine gemeinsame, gerade Wicklungsachse gewickelt sind, wobei die Wicklungsachse parallel zur Leiterplatte orientiert ist.According to a first aspect of the present invention, a transformer for mounting on a circuit board includes a primary winding and a secondary winding coaxially wound around a common, straight winding axis, the winding axis being oriented parallel to the circuit board.
Durch die zur Leiterplatte parallele Wicklungsachse können die Primärwicklung und die Sekundärwicklung verbessert aneinander angebracht werden. Eine thermische Kopplung zwischen den Wicklungen kann verbessert sein, sodass Wärme, die im Betrieb des Transformators im Bereich einer der Spulen auftritt, verbessert nach außen abgeleitet werden kann.Due to the winding axis being parallel to the circuit board, the primary winding and the secondary winding can be attached to one another in an improved manner. A thermal coupling between the windings can be improved, so that heat that occurs in the area of one of the coils during operation of the transformer can be better dissipated to the outside.
Der Transformator ist in einer besonders bevorzugten Ausführungsform zur Übertragung von elektrischer Energie mit einer Frequenz von ca. 80 - 120 kHz eingerichtet. Insbesondere kann der Transformator zum Einsatz in einem Gleichspannungswandler eingerichtet sein. Ein Verhältnis einer Eingangsspannung zu einer Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers kann groß sein, sodass ein Windungsverhältnis zwischen der Primärwicklung und der Sekundärwicklung ebenfalls groß sein kann. Die zur Wandlung verwendete Frequenz kann mittels einer externen Schaltung erzeugt werden und ist bevorzugt so gewählt, dass eine effiziente Wandlung mit kostengünstig und gut zu handhabenden Bauteilen möglich ist.In a particularly preferred embodiment, the transformer is set up to transmit electrical energy at a frequency of approximately 80 - 120 kHz. In particular, the transformer can be set up for use in a DC-DC converter. A ratio of an input voltage to an output voltage of the DC-DC converter can be large, so that a turns ratio between the primary winding and the secondary winding can also be large. The frequency used for conversion can be generated using an external circuit and is preferably chosen so that efficient conversion is possible with inexpensive and easy-to-use components.
Die Sekundärwicklung kann aus einem Blech gebildet sein. Das Blech kann einen großen Strom leiten und sich dabei nur schwach bis mäßig erwärmen. Durch die große Oberfläche kann auftretende Wärme gut an eine Umgebung abgeleitet werden. Das Blech kann eine einfache Form aufweisen und die Sekundärwicklung kann leicht eigenständig hergestellt und gehandhabt werden, bevor sie am Transformator montiert wird.The secondary winding can be formed from a sheet of metal. The sheet metal can conduct a large current and only heat up slightly to moderately. Due to the large surface area, any heat that occurs can be easily dissipated into the surroundings. The sheet metal can be of a simple shape and the secondary winding can be easily manufactured and handled independently before being mounted on the transformer.
Der fertige Transformator kann ein vollständiges, eigenständiges Bauelement bilden, das unmittelbar in einer Schaltung eingesetzt werden kann. So kann der Transformator leichter in einer elektrischen bzw. elektronischen Schaltung eingesetzt werden. Die Leiterplatte (Platine) bildet bevorzugt kein integrales Bauteil des Transformators, sodass die Leiterplatte bzw. ein Layout von darauf befindlichen Leiterbahnen erleichtert unabhängig vom Transformator entwickelt werden kann.The finished transformer can form a complete, independent component that can be used directly in a circuit. This makes it easier for the transformer to be used in an electrical or electronic circuit. The circuit board (circuit board) preferably does not form an integral component of the transformer, so that the circuit board or a layout of conductor tracks located thereon can be easily developed independently of the transformer.
Die Sekundärwicklung umfasst bevorzugt nicht mehr als eine Windung. Dadurch kann der Transformator an eine Schaltung angepasst sein, die ein großes Umsetzungsverhältnis erfordert. Insbesondere an einem Gleichspannungswandler an Bord eines Kraftfahrzeugs kann eine solche Anforderung bestehen. In einer ersten Variante liegt die Sekundärwicklung U-förmig vor und kann weniger als eine vollständige Windung umfassen. Diese Bauform ist insbesondere montagefreundlich und kann eine Anbringung der Sekundärwicklung an der Primärwicklung derart, dass die Spulen thermisch miteinander gekoppelt sind, unterstützen. In einer zweiten Variante liegt die Sekundärwicklung O-förmig vor und umfasst praktisch genau eine volle Windung. Anschlüsse der Sekundärwicklung können sich senkrecht zu einer Ebene erstrecken, in der die O-Form gebildet ist. Zur Skalierung des Transformators kann eine Materialstärke der Sekundärwicklung erhöht oder verringert werden.The secondary winding preferably comprises no more than one turn. This allows the transformer to be adapted to a circuit, which requires a large conversion ratio. Such a requirement may exist in particular on a DC-DC converter on board a motor vehicle. In a first variant, the secondary winding is U-shaped and can comprise less than one complete turn. This design is particularly easy to assemble and can support attachment of the secondary winding to the primary winding in such a way that the coils are thermally coupled to one another. In a second variant, the secondary winding is O-shaped and comprises practically exactly one full turn. Terminals of the secondary winding may extend perpendicular to a plane in which the O-shape is formed. To scale the transformer, the material thickness of the secondary winding can be increased or decreased.
Die Primärwicklung ist weiter bevorzugt aus einem massiven Leiter gewickelt. Der Leiter ist bevorzugt radial außen elektrisch isoliert und kann beispielsweise als Kupferdraht bzw. als lackierter Kupferdraht vorliegen. Durch die konstruktionsbedingt gute Entwärmung des Transformators kann die Verwendung einer Hochfrequenzlitze nicht erforderlich sein. Eine Hochfrequenzlitze umfasst eine größere Anzahl feiner, gegeneinander isolierter Drähte, die in einer vorbestimmten Weise miteinander verflochten sind. Der massive Leiter ist kostengünstiger und kann wesentlich einfacher montiert werden. Beispielsweise kann ein Entfernen der Isolation am Ende des Leiters, um ihn elektrisch zu verbinden, ungleich leichter als bei einer Hochfrequenzlitze sein. Produktions- und Handhabungskosten des Transformators können dadurch gesenkt sein. Zur Skalierung des Transformators kann eine Windungszahl oder der Drahtquerschnitt der Primärwicklung erhöht oder verringert werden.The primary winding is further preferably wound from a solid conductor. The conductor is preferably electrically insulated radially on the outside and can be, for example, a copper wire or a lacquered copper wire. Due to the good heat dissipation of the transformer due to its design, the use of a high-frequency stranded wire may not be necessary. A high-frequency stranded wire comprises a large number of fine, mutually insulated wires that are interwoven in a predetermined manner. The solid conductor is less expensive and can be installed much more easily. For example, removing the insulation at the end of the conductor in order to connect it electrically can be much easier than with a high-frequency stranded wire. This can reduce the production and handling costs of the transformer. To scale the transformer, the number of turns or the wire cross-section of the primary winding can be increased or decreased.
Weiter bevorzugt liegt die Primärwicklung radial innen und die Sekundärwicklung radial außen am Transformator. Durch seine geschlossene Oberfläche kann die Sekundärwicklung verbessert Wärme von der Primärwicklung radial innen aufnehmen und radial außen an eine Umgebung abgeben. Ein Leiter der Sekundärwicklung umfasst bevorzugt ein stärkeres Material als ein Leiter der Primärwicklung, sodass die Sekundärwicklung strapazierfähiger ist. Die Sekundärwicklung kann die Primärwicklung mechanisch schützen, beispielsweise gegen eine unabsichtliche Beschädigung bei der Herstellung oder Montage des Transformators.More preferably, the primary winding is located radially on the inside and the secondary winding is located radially on the outside of the transformer. Due to its closed surface, the secondary winding can absorb heat from the primary winding radially on the inside and release it radially on the outside to an environment. A conductor of the secondary winding preferably comprises a stronger material than a conductor of the primary winding, so that the secondary winding is more durable. The secondary winding can protect the primary winding mechanically, for example against accidental damage during manufacture or assembly of the transformer.
Es ist besonders bevorzugt, dass die Primärwicklung thermisch mit der Sekundärwicklung gekoppelt ist. In einer ersten Ausführungsform kann der Transformator zu diesem Zweck ein thermisches Koppelmaterial umfassen, das zwischen den Spulen liegt. Das Koppelmaterial (thermal interface material, TIM) kann ein beliebiges wärmeleitfähiges Material umfassen, beispielsweise eine Paste, einen Klebstoff, einen Füllstoff, ein Plattenmaterial, ein Klebeband oder ein seine Phase änderndes Material (phase change material, PCM). Das TIM ist dazu eingerichtet, sich möglichst gut an eine Oberfläche eines angrenzenden Materials anzulegen, um einen Wärmewiderstand gering zu halten. Dabei können Poren oder Unebenheiten des angrenzenden Materials geschlossen bzw. überbrückt werden. Das TIM kann in einen radialen Spalt zwischen den Spulen eingelegt oder eingefüllt werden.It is particularly preferred that the primary winding is thermally coupled to the secondary winding. In a first embodiment, the transformer can for this purpose comprise a thermal coupling material that lies between the coils. The thermal interface material (TIM) may comprise any thermally conductive material, such as a paste, an adhesive, a filler, a sheet material, an adhesive tape, or a phase change material (PCM). The TIM is designed to fit as closely as possible to a surface of an adjacent material in order to keep thermal resistance low. Pores or unevenness in the adjacent material can be closed or bridged. The TIM can be inserted or filled into a radial gap between the coils.
In einer zweiten Ausführungsform können die Primärwicklung und die Sekundärwicklung zumindest partiell aneinander anliegen, um einen guten Wärmeübergang zu gewährleisten. Ein Träger, an dem die Spulen angebracht sind, kann in einem Bereich zwischen den Spulen eine Aussparung aufweisen, um den Wärmeübergang zu fördern. die beiden Ausführungsformen können vorteilhaft miteinander verbunden werden. So kann beispielsweise ein flüssiges oder pastöses TIM durch eine Aussparung durchtreten, um den thermischen Kontakt zwischen den Spulen weiter zu verbessern.In a second embodiment, the primary winding and the secondary winding can at least partially rest against each other in order to ensure good heat transfer. A carrier to which the coils are attached can have a recess in an area between the coils to promote heat transfer. the two embodiments can advantageously be connected to one another. For example, a liquid or pasty TIM can pass through a recess to further improve the thermal contact between the coils.
Der Transformator kann ferner einen außen liegenden Transformatorkern umfassen. Der Transformatorkern ist bevorzugt als Schalenkern ausgeführt und kann aus einem Material wie Ferrit herstellbar sein. Ein magnetisches Feld des Transformators kann so verbessert streuarm sein. Durch die flächig aneinander anliegenden Primär- und Sekundärwicklungen kann eine Streuinduktivität des Transformators gering sein. Durch den flächigen Aufbau kann eine kapazitive Kopplung zwischen der Primär- und der Sekundärspule erhöht sein. Umgekehrt können elektrische oder magnetische Felder von außen verbessert von in den Spulen fließende Strömen ferngehalten sein. Eine elektromagnetische Verträglichkeit des Transformators bzw. eines mit ihm aufgebauten Geräts kann verbessert sein. Der Transformatorkern kann gut wärmeleitfähig sein, sodass auftretende Wärme gut an ein externes Element oder eine Umgebung abgeführt werden kann. Eine Oberfläche des Transformatorkerns kann so geformt sein, dass ein Wärmeübergang an ein weiteres Element begünstigt ist.The transformer can further comprise an external transformer core. The transformer core is preferably designed as a shell core and can be made from a material such as ferrite. A magnetic field of the transformer can thus have improved low-scattering. Because the primary and secondary windings lie flat against one another, the transformer's leakage inductance can be low. Due to the flat structure, a capacitive coupling between the primary and secondary coils can be increased. Conversely, external electric or magnetic fields can be better kept away from currents flowing in the coils. The electromagnetic compatibility of the transformer or a device constructed with it can be improved. The transformer core can have good thermal conductivity, so that any heat that occurs can be easily dissipated to an external element or environment. A surface of the transformer core can be shaped in such a way that heat transfer to another element is promoted.
Der Transformatorkern ist bevorzugt zweiteilig, sodass er leicht an den aneinander angebrachten Wicklungen montiert werden kann. Weiter bevorzugt sind die Teile in ihren Formen gleich, sodass der Transformatorkern aus zwei identischen Teilen hergestellt werden kann. Lagerhaltungs- und Montagekosten können so gering gehalten sein.The transformer core is preferably in two parts so that it can be easily assembled onto the adjacent windings. The parts are also preferably identical in shape so that the transformer core can be manufactured from two identical parts. Inventory and assembly costs can thus be kept low.
Nach einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren zum Herstellen eines Transformators, der zur Anbringung auf einer Leiterplatte eingerichtet ist, Schritte des axialen Aufschiebens einer fertig gewickelten, geraden Primärwicklung auf einen Träger; und des Aufschiebens einer fertig gewickelten, geraden Sekundärwicklung auf den Träger derart, dass die Spulen koaxial liegen und um eine gemeinsame Wicklungsachse gewickelt sind, die gerade und parallel zu der Leiterplatte orientiert ist. Je nach Form der Sekundärwicklung kann diese ebenfalls axial entlang der Wicklungsachse oder in einer Richtung senkrecht zur Wicklungsachse angebracht werden.According to a further aspect of the present invention, a method of manufacturing a transformer adapted to be mounted on a circuit board includes steps of axial mounting pushing a finished, straight primary winding onto a carrier; and pushing a fully wound, straight secondary winding onto the carrier such that the coils are coaxial and wound around a common winding axis that is straight and oriented parallel to the circuit board. Depending on the shape of the secondary winding, it can also be attached axially along the winding axis or in a direction perpendicular to the winding axis.
Ein hierin beschriebener Transformator kann mittels des Verfahrens einfach hergestellt werden und erfordert keine speziellen Füge- oder Montagetechniken. Merkmale oder Vorteile des Verfahrens und des Transformators können gegenseitig übertragbar sein.A transformer described herein can be easily manufactured using the method and does not require any special joining or assembly techniques. Features or advantages of the method and the transformer may be mutually transferable.
Zwischen der Primärwicklung und der Sekundärwicklung kann ein thermisches Koppelmaterial angebracht werden. Beispielsweise kann ein pastöses TIM verwendet werden, das im Rahmen der Montage zwischen den Spulen eingebracht wird. Insbesondere kann das TIM am Träger oder an einer der Spulen vorgesehen werden, bevor die Spulen aneinander oder an dem Träger angebracht werden. Durch das axiale Ein- oder Aufschieben der Spulen in den Träger kann das TIM vorteilhaft gleichmäßig verteilt werden und in einen Spalt oder eine Unebenheit eindringen. Überschüssiges TIM kann nach dem Aufschieben leicht entfernt werden. In einer anderen Ausführung kann auch beispielsweise ein plattenförmiges TIM verwendet werden, das leichter gehandhabt werden kann und nach dem Anbringen der Spulen nicht weiterbearbeitet werden muss.A thermal coupling material can be applied between the primary winding and the secondary winding. For example, a pasty TIM can be used, which is introduced between the coils during assembly. In particular, the TIM can be provided on the carrier or on one of the coils before the coils are attached to each other or to the carrier. By axially pushing the coils into or onto the carrier, the TIM can advantageously be evenly distributed and penetrate into a gap or unevenness. Excess TIM can be easily removed after pushing on. In another embodiment, for example, a plate-shaped TIM can also be used, which is easier to handle and does not need to be further processed after the coils have been attached.
Nach noch einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst eine Transformatoranordnung einen hierin beschriebenen Transformator und ein Kühlelement, wobei das Kühlelement eine Vertiefung aufweist, um einen von der Leiterplatte entfernt liegenden Abschnitt des Transformators aufzunehmen. Zwischen dem Transformator und dem Kühlelement kann ebenfalls ein TIM vorgesehen sein. Weiter bevorzugt ist das verwendete TIM zum Zeitpunkt der Montage pastös, sodass es einen Raum zwischen der Vertiefung und dem Transformator verbessert ausfüllen kann. Es ist bevorzugt, dass das Kühlelement parallel zur Leiterplatte liegt. In einer weiteren Ausführungsform kann auch ein flaches Kühlelement ohne Vertiefung vorgesehen sein, das am Transformator anliegt. Das Kühlelement kann einen Kühlkörper, einen geschlossenen Fluidkanal für ein Kühlfluid oder ein Gehäuse einer Schaltung umfassen, in welcher der Transformator eingesetzt ist.According to yet another aspect of the present invention, a transformer assembly includes a transformer described herein and a cooling element, the cooling element having a recess to receive a portion of the transformer remote from the circuit board. A TIM can also be provided between the transformer and the cooling element. More preferably, the TIM used is pasty at the time of assembly, so that it can better fill a space between the recess and the transformer. It is preferred that the cooling element lies parallel to the circuit board. In a further embodiment, a flat cooling element without a recess can also be provided, which rests on the transformer. The cooling element can comprise a heat sink, a closed fluid channel for a cooling fluid or a housing of a circuit in which the transformer is inserted.
Nach wieder einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein Gleichspannungswandler, insbesondere zum Einsatz an Bord eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs, einen hierin beschriebenen Transformator oder eine hierin beschriebene Transformatoranordnung. Der Gleichspannungswandler ist bevorzugt dazu eingerichtet, eine hohe Gleichspannung von ca. 400 oder ca. 800 V in eine wesentlich niedrigere Bordspannung von beispielsweise ca. 12 V, ca. 24 V oder ca. 48 V umzuwandeln. Dazu kann eine beliebige, einen Transformator erfordernde Wandlerschaltung verwendet werden. Insbesondere kann der Gleichspannungswandler als Gegentaktwandler ausgeführt sein, beispielsweise mit Halbbrücken- oder Vollbrücken Ansteuerung. Andere Wandlerprinzipien sind ebenfalls denkbar.According to yet another aspect of the present invention, a DC-DC converter, in particular for use on board an electrically driven motor vehicle, comprises a transformer described herein or a transformer arrangement described herein. The DC-DC converter is preferably set up to convert a high DC voltage of approximately 400 or approximately 800 V into a significantly lower on-board voltage of, for example, approximately 12 V, approximately 24 V or approximately 48 V. Any converter circuit that requires a transformer can be used for this purpose. In particular, the DC-DC converter can be designed as a push-pull converter, for example with half-bridge or full-bridge control. Other converter principles are also conceivable.
Nach abermals einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein Kraftfahrzeug einen elektrischen Energiespeicher, eine elektrische Antriebsmaschine und einen hierin beschriebenen Gleichspannungswandler. Dabei ist der Energiespeicher dazu eingerichtet, eine Fahrspannung für die elektrische Antriebsmaschine bereitzustellen und der Gleichspannungswandler ist dazu eingerichtet, ein Niederspannungs-Bordnetz zu speisen. Das Kraftfahrzeug kann insbesondere ein Kraftfahrzeug, einen Personenkraftwagen, einen Lastkraftwagen oder einen Omnibus umfassen.According to yet another aspect of the present invention, a motor vehicle comprises an electrical energy storage device, an electric drive machine and a DC-DC converter described herein. The energy storage is set up to provide a driving voltage for the electric drive machine and the DC-DC converter is set up to feed a low-voltage vehicle electrical system. The motor vehicle can in particular include a motor vehicle, a passenger car, a truck or a bus.
Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die beigefügten Figuren genauer beschrieben, in denen:
-
1 ein Kraftfahrzeug mit einem Gleichstromwandler; -
2 einen Transformator in einer ersten Ausführungsform; -
3 ein erstes Verfahren zur Herstellung eines Transformators; -
4 weitere Ansichten eines Transformators; -
5 einen Transformator in einer zweiten Ausführungsform; -
6 ein zweites Verfahren zur Herstellung eines Transformators; und -
7 weitere Ansichten eines Transformators
-
1 a motor vehicle with a DC converter; -
2 a transformer in a first embodiment; -
3 a first method for producing a transformer; -
4 further views of a transformer; -
5 a transformer in a second embodiment; -
6 a second method of manufacturing a transformer; and -
7 further views of a transformer
Außerdem verfügt das Kraftfahrzeug 105 über ein Bordnetz 125, das symbolisch als Schnittstelle dargestellt ist. Mit dem Bordnetz 125 können einer oder mehrere elektrische Verbraucher verbunden sein, die an Bord des Kraftfahrzeugs 105 betrieben werden können. Beispielhafte Verbraucher umfassen Aktuatoren, Steuervorrichtungen, eine Lichtanlage, eine Innenbeleuchtung oder auch Sensoren. Das Bordnetz 125 kann durch einen Gleichspannungswandler 130 aus der Batterie 125 gespeist werden. Eine Nennspannung des Bordnetzes 125 beträgt üblicherweise ca. 12 V oder ein kleines ganzzahliges Vielfaches davon. Der Gleichspannungswandler 120 ist dazu eingerichtet, eine durch die Batterie 125 bereitgestellte Gleichspannung auf die Nennspannung des Bordnetzes 125 herabzusetzen. Eine umsetzbare Leistung kann dabei im Bereich von mehreren 100 Watt bis mehreren kW liegen.In addition, the
Der Gleichspannungswandler 120 kann auf eine beliebige Weise arbeiten, beispielsweise als Flusswandler, Sperrwandler oder als Resonanzwandler. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Gleichspannungswandler 120 als Gegentaktflusswandler (push-pull converter) ausgeführt. In einem unteren Bereich von
Der Transformator 200 umfasst eine Primärwicklung 215 und eine Sekundärwicklung 220, die bevorzugt an einem Träger 225 angebracht sind. In der dargestellten Ausführungsform kann der Träger 225 einseitig mittels eines separaten Abschlusselements 230 geschlossen werden, nachdem die Spulen 215, 220 an ihm angebracht sind. Der Träger 225 kann aus einem Kunststoff herstellbar sein, beispielsweise im Spritzguss-Verfahren.The
Die Spulen 215, 220 sind um eine gemeinsame Wicklungsachse 235 gewickelt, die sich bevorzugt parallel zur Leiterplatte 205 erstreckt, wenn der Transformator 200 an der Leiterplatte 205 angebracht ist. Enden der Sekundärwicklung 220 erstrecken sich bevorzugt seitlich vom Transformator 200 weg, sodass der Transformator flexibel gegenüber einem Leistungshalbleiter des Gleichspannungswandlers 130 platziert werden kann. Enden der Primärwicklung 215 und der Sekundärwicklung 220 weisen bevorzugt in dieselbe Richtung. Enden der Primärwicklung 215 oder der Sekundärwicklung 220 können an der Leiterplatte 205 beispielsweise im Durchsteckverfahren (through-hole) oder an deren Oberfläche (surface mounted) angebracht und elektrisch kontaktiert werden. Alternativ kann eine der Wicklungen 215, 220 mittels einer Schweiß- oder Schraubverbindung kontaktierbar sein. In weiteren Ausführungsformen können die Wicklungen 215 oder 220 beispielsweise auch zur Verbindung mit Kabeln vorgesehen oder oder mit Kabeln konfektioniert sein oder der Transformator 200 kann mit einem Steckkontakt zur elektrischen Verbindung versehen sein.The
Die Primärwicklung 215 umfasst üblicherweise mehrere Windungen, die bevorzugt aus einem massiven Leiter gewickelt sind, der beispielsweise einen Kupferdraht umfassen kann. In der Darstellung von
Die Sekundärwicklung 220 ist ebenfalls aus einem massiven Leiter gewickelt, jedoch bevorzugt aus einem Blech. Die Sekundärwicklung 220 kann nicht mehr als eine Windung umfassen und in der dargestellten Ausführungsform ist die Sekundärwicklung 220 U-förmig mit nicht ganz einer Windung ausgeführt. Enden der Sekundärwicklung 220 sind schmaler geschnitten, um eine Montage an der Leiterplatte 205 zu erleichtern.The secondary winding 220 is also wound from a solid conductor, but preferably from a sheet metal. The secondary winding 220 may comprise no more than one turn and in the embodiment shown, the secondary winding 220 is U-shaped with less than one turn. Ends of the secondary winding 220 are cut narrower to facilitate mounting on the
Nach der Montage des Transformators 200 ist die Sekundärwicklung 220 konzentrisch zur Primärwicklung 215 und radial außen angeordnet. Zur Verbesserung einer Wärmeübertragung zwischen den Spulen 215, 220 kann ein erstes thermisches Koppelmaterial TIM 240 vorgesehen sein. Das erste TIM 240 ist beispielhaft plattenförmig ausgeführt und befindet sich zwischen den beiden nach oben weisenden Schenkeln des U-förmigen Blechs, welches die Sekundärwicklung 220 bildet. In einer anderen Ausführungsform kann auch beispielsweise ein flüssiges oder pastöses erstes TIM 240 eingesetzt werden.After the
Der Träger 225 mit dem Abschlusselement 230 ist bevorzugt dazu eingerichtet, einen außen liegenden Transformatorkern 245 zu tragen. Der Transformatorkern 245 ist bevorzugt zweiteilig ausgeführt, wobei in einer Ausführungsform beide Teile gleich geformt sein können. Der Transformatorkern 245 ist bevorzugt aus einem Ferrit herstellbar. Ist der Transformatorkern 245 am Träger 225 angebracht, so umfasst er einen mittleren Schenkel, der sich entlang der Wicklungsachse 235 durch die Primärwicklung 215 und die Sekundärwicklung 220 erstreckt, sowie zwei weitere Schenkel, die auf unterschiedlichen Seiten des mittleren Schenkels und außerhalb der Spulen 215 und 220 liegen.The
Am Träger 225 kann eine Befestigungseinrichtung 250 ausgebildet sein, um den Transformator 200 beispielsweise an der Leiterplatte 205 oder dem Kühlelement 210 anzubringen. In der dargestellten, beispielhaften Ausführungsform umfasst eine Befestigungseinrichtung 250 einen Flansch mit einer Ausnehmung für eine Schraube und am Kühlelement 210 ist ein Abstandsbolzen 255 ausgebildet, in den die Schraube eingedreht werden kann. In einer anderen Ausführungsform kann ein Abstandsbolzen 255 auch an der Leiterplatte 205 angebracht sein.A
Zur verbesserten Ableitung von Wärme aus dem Transformator 200 in das Kühlelement 210 kann ein zweites thermischen Koppelmaterial TIM 260 vorgesehen sein. Das zweite TIM 260 liegt bevorzugt auf einer Seite am Kühlelement 210 und auf der anderen Seite an der Sekundärwicklung 220 und/oder dem Transformatorkern 245 an. Für die Wahl des zweiten TIM 260 gelten die üblichen Möglichkeiten, in der dargestellten Ausführungsform ist beispielhaft ein plattenförmiges zweites TIM 260 dargestellt.For improved dissipation of heat from the
In einem Schritt 310 kann diese Einheit mit der Sekundärwicklung 220 zusammengeführt werden. Dazu kann an der Sekundärwicklung 220 das erste TIM 240 angebracht werden, bevor die beiden Schenkel der Sekundärwicklung 220 durch korrespondierende Ausnehmungen des Trägers 225 eingeführt werden. Die Sekundärwicklung 220 wird somit bezüglich ihrer Wicklungsachse 235 radial in den Träger 225 eingeschoben. Ist die Sekundärwicklung 220 korrekt positioniert, so fallen Wicklungsachsen 235 beider Spulen 215, 220 zusammen. Das Resultat des Schritts 310 ist in
In einem Schritt 315 kann am Träger 225 der Magnet 245 angebracht werden. Dazu können zwei Schalen des Transformatorkerns 245 von unterschiedlichen axialen Seiten der Wicklungsachse 235 am Träger 225 zusammengeführt werden. Die Schalen des Transformatorkerns 245 können miteinander oder mit dem Träger 225 verklebt werden.In a
In einem unteren Bereich von
Im unteren Bereich von
In einem ersten Schritt 605 wird die Primärwicklung 215 am Träger 225 angebracht. In einem Schritt 610 kann die Sekundärwicklung 220 am Träger 225 angebracht werden. Beide Spulen 215, 220 können axial entlang ihrer Wicklungsachse 235 jeweils in den Träger 225 eingeschoben werden. Es ist zu beachten, dass hier im Unterschied zu der in
In einem Schritt 615 kann der Transformatorkern 245 von außen am Träger 225 angebracht werden. Dazu werden die Schalen des Transformatorkerns 245 bevorzugt bezüglich der Wicklungsachse 235 axial auf den Träger 225 von unterschiedlichen Seiten aufgeschoben. Optional können die Schalen des Transformatorkerns 245 in dieser Position verklebt werden. Der fertige Transformator 200 ist in einem unteren linken Bereich von
BezugszeichenReference symbols
- 100100
- Systemsystem
- 105105
- Kraftfahrzeugmotor vehicle
- 110110
- AntriebsstrangDrivetrain
- 115115
- elektrische Maschineelectric machine
- 120120
- StromwandlerPower converter
- 125125
- Batteriebattery
- 130130
- GleichspannungswandlerDC-DC converter
- 135135
- Bordnetz On-board electrical system
- 200200
- Transformatortransformer
- 205205
- LeiterplatteCircuit board
- 210210
- KühlelementCooling element
- 215215
- Primärwicklungprimary winding
- 220220
- SekundärwicklungSecondary winding
- 225225
- Trägercarrier
- 230230
- AbschlusselementClosing element
- 235235
- Wicklungsachsewinding axis
- 240240
- erstes thermisches Koppelmaterial, erstes TIMfirst thermal coupling material, first TIM
- 245245
- TransformatorkernTransformer core
- 250250
- BefestigungseinrichtungFastening device
- 255255
- AbstandsbolzenStandoffs
- 260260
- zweites thermisches Koppelmaterial, zweites TIM second thermal coupling material, second TIM
- 300300
- erstes Verfahrenfirst procedure
- 305305
- Primärwicklung an Träger anbringenAttach primary winding to carrier
- 310310
- Sekundärwicklung an Träger anbringenAttach secondary winding to carrier
- 315315
- Transformatorkern an Träger anbringen Attach transformer core to support
- 405405
- Ausnehmungrecess
- 505505
- Schraube, Bolzen, NieteScrew, bolt, rivet
- 510510
- Vertiefung deepening
- 600600
- zweites Verfahrensecond procedure
- 605605
- Primärwicklung an Träger anbringenAttach primary winding to carrier
- 610610
- Sekundärwicklung an Träger anbringenAttach secondary winding to carrier
- 615615
- Transformatorkern an Träger anbringenAttach transformer core to support
Claims (14)
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102022210135.9A DE102022210135A1 (en) | 2022-09-26 | 2022-09-26 | Transformer for a DC-DC converter |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102022210135.9A DE102022210135A1 (en) | 2022-09-26 | 2022-09-26 | Transformer for a DC-DC converter |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE102022210135A1 true DE102022210135A1 (en) | 2024-03-28 |
Family
ID=90140268
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE102022210135.9A Pending DE102022210135A1 (en) | 2022-09-26 | 2022-09-26 | Transformer for a DC-DC converter |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE102022210135A1 (en) |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN103617879A (en) | 2013-10-31 | 2014-03-05 | 昱京科技股份有限公司 | Transformer structure and rectifying circuit suitable for same |
US20170263369A1 (en) | 2016-03-11 | 2017-09-14 | Maxim Integrated Products, Inc. | Integrated transformers and coupled inductors and associated systems and methods |
EP3413321A2 (en) | 2017-06-08 | 2018-12-12 | Delta Electronics (Shanghai) Co., Ltd. | Magnetic component |
US20220051846A1 (en) | 2020-08-17 | 2022-02-17 | Tdk Corporation | Coil device |
-
2022
- 2022-09-26 DE DE102022210135.9A patent/DE102022210135A1/en active Pending
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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R016 | Response to examination communication |