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[Technisches Gebiet]
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Isoliertransformator zum Erzielen von isolierter elektrischer Leistung und eine Leistungsquelle, die mit dem Isoliertransformator bereitgestellt wird.
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[Stand der Technik]
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Die Ansteuerungs-Leistungsquelle für Inverter von Schienenfahrzeugen und die Leistungsquellen von großen industriellen Maschinen erfordern vergleichsweise so hohe Spannungen von 6 bis 25 kV als dielektrische Durchschlagsfestigkeitsspannung zwischen dem Primärabschnitt und dem Sekundärabschnitt. Ebenso vom Standpunkt der Vermeidung einer Fehlfunktion der Ausrüstung wegen Rauschstroms im Falle des Auftretens eines Blitzstoßes aus ist es erforderlich, dass die Parasitärkapazität zwischen dem Primärabschnitt und dem Sekundärabschnitt so gering wie möglich ist.
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Deswegen werden, um die Isolierfunktion zu erreichen, Isoliertransformatoren mit hoher Spannungsfestigkeit und niedriger Parasitärkapazität verwendet. Weiter muss bei einem Isoliertransformator der Abstand zwischen der Primärwicklung und der Sekundärwicklung groß sein, was ein Problem dadurch erzeugt, dass das Volumen des Isoliertransformators groß wird.
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Zur Lösung dieser technischen Probleme, um die Parasitärkapazität zu verringern, wurde der Niedrig-Parasitärkapazitätstransformator vorgeschlagen, wie in Patentliteratur 1 beschrieben. Der Transformator ist ein Mehrschicht-Transformator, wobei eine Isolierung zwischen der vierten Spulenlage der Primärspule und der dritten Spulenlage der Sekundärspule dicker ist als die Isolierungen zwischen den anderen Spulenlagen; auf diese Weise wird der Abstand zwischen der dritten Spulenlage und der vierten Spulenlage vergrößert, was die Parasitärkapazität zwischen der Primärspule und der Sekundärspule verringert.
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[Liste der Entgegenhaltungen]
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[Patentliteratur]
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- [PTL 1] Ungeprüfte japanische Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer Hei 10(1998)-106855
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[Kurzfassung der Erfindung]
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[Technisches Problem]
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Die oben genannte Patentliteratur 1 schlägt ein Verfahren zur Sicherstellung der dielektrischen Durchschlagsfestigkeitsspannung vor, indem die Isolierung dick gemacht wird und die Parasitärkapazität verringert wird. Jedoch sind, weil ein Mehrschicht-Transformator konfiguriert wird, eine Vielzahl von Isolierungen zwischen den Primärwicklungen und den Sekundärwicklungen notwendig. Deswegen ist es schwierig, das Volumen des Transformators zu verringern.
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Die zu lösenden Aufgaben der vorliegenden Erfindung sind, die Parasitärkapazität zwischen dem Primärabschnitt und dem Sekundärabschnitt bei einem Isoliertransformator mit hoher Spannungsfestigkeit zu verringern und das Volumen des Isoliertransformators zu verringern.
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[Lösung der Aufgabe]
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Ein Isoliertransformator gemäß der vorliegenden Erfindung weist einen primärseitigen Kern auf, um den die Primärwicklung gewickelt ist, einen sekundärseitigen Kern, um den die Sekundärwicklung gewickelt ist und eine Isolierung, wobei der primärseitige Kern und der sekundärseitige Kern gegenüberliegend angeordnet sind mit der dazwischenliegenden Isolierung und sicher auf der Isolierung befestigt sind.
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Dabei sind vorzugsweise der primärseitige Kern und der sekundärseitige Kern Topf-Ferritkerne, die Primärwicklung und die Sekundärwicklung innerhalb einer Öffnung des entsprechenden Kernes angeordnet und die Kerne gegenüberliegend angeordnet mit der dazwischenliegenden Isolierung, so dass jene Öffnungen einander zugewandt sind.
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Ebenso vorzugsweise sind der primärseitige Kern und der sekundärseitige Kern Ferritkerne der E-Kern-Bauform und die Kerne sind gegenüberliegend angeordnet mit der dazwischenliegenden Isolierung, so dass die Beine der Kerne einander zugewandt sind.
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Ebenso vorzugsweise ist die Isolierung aus zwei Isolierungen mit einem Luftspalt dazwischen gebildet und der primärseitige Kern ist auf der einen Seite der Isolierung angeordnet und der sekundärseitige Kern ist auf der anderen Seite der Isolierung angeordnet mit der dazwischenliegenden Isolierung.
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Ebenso vorzugsweise ist die Isolierung eine gedruckte Leiterplatte, die mit elektronischen Bauelementen bestückt ist.
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Ein Isoliertransformator gemäß der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass ein primärseitiger Kern, um den eine Primärwicklung gewickelt ist und ein sekundärseitiger Kern, um den eine Sekundärwicklung gewickelt ist, mit einem dazwischenliegenden Luftspalt angeordnet sind; der Luftspalt ist mindestens mit einem isolierenden Harz gefüllt und die Wicklungsoberflächen des primärseitigen Kerns und des sekundärseitigen Kerns sind einander zugewandt.
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Ein Isoliertransformator gemäß der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass ein primärseitiger Kern, um den einen Primärwicklung gewickelt ist und ein sekundärseitiger Kern, um den eine Sekundärwicklung gewickelt ist, mit einer dazwischenliegenden Isolierung angeordnet sind; der Umfang der Kerne ist mindestens mit isolierendem Harz überzogen und die Wicklungsoberflächen des primärseitigen Kerns und des sekundärseitigen Kerns sind einander zugewandt.
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Eine Leistungsquelle gemäß der vorliegenden Erfindung weist einen Isoliertransformator auf mit einem primärseitigen Kern, um den eine Primärwicklung gewickelt ist, einem sekundärseitigen Kern, um den eine Sekundärwicklung gewickelt ist und eine Isolierung; und der primärseitige Kern und der sekundärseitige Kern sind gegenüberliegend angeordnet mit der dazwischenliegenden Isolierung und sicher auf der Isolierung befestigt, wobei ein Schaltkreis-System, um den Isoliertransformator zu erregen, ein Serienresonanzsystem ist, das eine Streuinduktivität des Isoliertransformators nutzt.
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Eine Leistungsquelle gemäß der vorliegenden Erfindung weist einen Isoliertransformator auf mit einem primärseitigen Kern, um den eine Primärwicklung gewickelt ist, einem sekundärseitigen Kern, um den eine Sekundärwicklung gewickelt ist und eine Isolierung, der primärseitige Kern und der sekundärseitige Kern sind gegenüberliegend angeordnet mit der dazwischenliegenden Isolierung und sicher auf der Isolierung befestigt; ein primärseitiger Schaltkreis ist mit der Primärwicklung des Isoliertransformators verbunden; und ein sekundärseitiger Schaltkreis ist mit der Sekundärwicklung des Isoliertransformators verbunden, wobei der Isoliertransformator mit Schaltkreiskomponenten, die den primärseitigen Schaltkreis und den sekundärseitigen Schaltkreis bilden, auf einer gedruckten Leiterplatte angebracht ist.
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Weiter ist vorzugsweise die Isolierung des Isoliertransformators die gedruckte Leiterplatte und der primärseitige Kern und der sekundärseitige Kern sind auf entsprechenden Seiten der gedruckten Leiterplatte angebracht.
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Ebenso vorzugsweise ist die Isolierung des Isoliertransformators vertikal auf der gedruckten Leiterplatte befestigt, der primärseitige Kern ist benachbart von dem primärseitigen Schaltkreis angeordnet und der sekundärseitige Kern ist benachbart von dem sekundärseitigen Schaltkreis angeordnet.
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Ebenso vorzugsweise sind die Schaltkreiskomponenten, die den sekundärseitigen Schaltkreis bilden, auf der gedruckten Leiterplatte oberflächenmontiert.
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Eine Leistungsquelle gemäß der vorliegenden Erfindung mit mindestens einer eingebauten Leistungsschaltvorrichtung und einem eingebauten Steuerkreis dafür enthält einen eingebauten Isoliertransformator um dem Steuerkreis Leistung zu liefern, wobei der Isoliertransformator einen primärseitigen Kern aufweist, um den eine Primärwicklung gewickelt ist und einen sekundärseitigen Kern aufweist, um den eine Sekundärwicklung gewickelt ist; der primärseitige Kern und der sekundärseitige Kern sind gegenüberliegend angeordnet mit einem Füllmaterial, das auf einer Platte für den. dazwischenliegenden Steuerkreis aufgetragen wurde; und der primärseitige Kern ist mindestens durch das Füllmaterial sicher befestigt.
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Weiter ist vorzugsweise die Anzahl der anzubringenden Isoliertransformatoren die gleiche wie die Anzahl der Leistungsschaltelemente.
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Ebenso vorzugsweise sind die Isoliertransformatoren, deren Anzahl dieselbe ist wie die Anzahl der Leistungsschaltelemente, hintereinandergeschaltet sind.
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[Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung]
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, einen Isoliertransformator zur Verfügung zu stellen, der die Parasitärkapazität zwischen dem primären Abschnitt und dem sekundären Abschnitt verringert und das Auftreten von Rauschstrom im Falle des Auftretens eines Blitzstoßes verhindert.
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[Kurze Figurenbeschreibung]
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1 ist eine Explosionsdarstellung, die ein erstes Ausführungsbeispiel eines Isoliertransformator zeigt.
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2 ist eine Explosionsdarstellung, die ein zweites Ausführungsbeispiel eines Isoliertransformator zeigt.
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3 ist ein Schaltschema, das ein Beispiel einer Leistungsquelle zeigt, die einen Isoliertransformator verwendet.
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4 ist ein Schaltschema, das ein Beispiel einer Leistungsquelle zeigt, die einen Isoliertransformator verwendet.
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5 ist eine Zusammenstellungszeichnung, die ein Beispiel einer Leiterplattenanordnung einer Leistungsquelle zeigt, die einen Isoliertransformator verwendet.
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6 ist eine Zusammenstellungszeichnung, die ein Beispiel einer Leiterplattenanordnung einer Leistungsquelle zeigt, die einen Isoliertransformator verwendet.
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7 ist eine Zusammenstellungszeichnung, die ein Beispiel einer Leiterplattenanordnung einer Leistungsquelle zeigt, die einen Isoliertransformator verwendet.
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8 ist eine Schnittansicht, die ein Beispiel eines vergossenen Isoliertransformator zeigt.
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9 ist eine Schnittansicht, die ein Beispiel eines vergossenen Isoliertransformator zeigt.
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10 ist ein Blockdiagramm eines Leistungsmoduls, das einen Isoliertransformator verwendet.
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11 ist eine Schnittansicht eines Leistungsmoduls, das einen Isoliertransformator verwendet.
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12 ist eine Schnittansicht einer Leistungsquelle für ein Leistungsmodul, das einen Isoliertransformator verwendet.
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[Beschreibung der Ausführungsbeispiele]
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Nachfolgend werden die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung im Detail mit Bezug zu den Zeichnungen beschrieben. Besonders, mit Bezug auf die Konfiguration des Isoliertransformators, die Konfiguration des Leistungsquellenschaltkreises mit dem Isoliertransformator, bestücken einer gedruckten Leiterplatte mit der Leistungsquelle, Vergießen des Isoliertransformators und eine Leistungsquelle, die als Leistungsmodul konfiguriert ist, mehrere Beispiele jedes Objekts werden hintereinander beschrieben.
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[Beispiele]
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Zuerst wird ein Beispiel der Konfiguration des Isoliertransformators gemäß der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf 1 und 2 beschrieben.
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1 ist eine Explosionsdarstellung eines Isoliertransformators 19 gemäß der vorliegenden Erfindung. Bei diesem Aufbau ist ein Primärabschnitt 11 des Transformators an der einen Oberfläche einer Isolierplatte 3 und ein Sekundärabschnitt 12 des Transformators auf der anderen Seite angeordnet. Der Primärabschnitt 11 des Transformators und der Sekundärabschnitt 12 des Transformators sind derart konstruiert, dass die Primärwicklung 2 und die Sekundärwicklung 4 in entsprechenden Topf-Ferritkernen 1 enthalten sind. Ohne ein Loch in der Isolierplatte 3 vorzusehen, liegen der Primärabschnitt 11 des Transformators und der Sekundärabschnitt 12 des Transformators einander gegenüber mit der dazwischenliegenden Isolierplatte.
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Nachfolgend erfolgt eine detaillierte Beschreibung. In 1 weisen die Kerne 1a und 1b eine kreisförmige Gestalt auf und sind sogenannte Topf-Ferritkerne, die jeder ein säulenförmiges Bein (1a1 und 1b1) in der Kreismitte enthalten, ein röhrenförmiges Bein (1a2 und 1b2) am Umfang und einen offenen Raum (1a3 und 1b3) mit einer kreisringförmigen Ausnehmung wenn von der Öffnung aus gesehen.
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Die Primärwicklung 2 ist spiralförmig um das zentrale Bein in der Ausnehmung 1a3 des Kerns 1a gewickelt und bildet dabei einen Primärabschnitt 11 des Transformators. Auf dieselbe Weise wie Kern 1a sind die Sekundärwicklungen 4a und 4b spiralförmig in der Ausnehmung 1b3 des Kerns 1b gewickelt und bildet dabei einen Sekundärabschnitt 12 des Transformators. Lackierte Drähte (Einzeldrähte) werden für die Primärwicklung 2 und die Sekundärwicklungen 4a und 4b verwendet. Jedoch können auch Litzendrähte verwendet werden.
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Die Isolierplatte 3 ist eine Isolierung und aus einem Material mit vergleichsweise niedriger elektrischer Dielektrizitätskonstante. Die Dielektrizitätskonstante der Isolierung ist wie folgt: 2,0 bis 2,5 für Papier, 2,3 bis 2,4 für Polyethylen, 2,8 bis 8,1 für Polyester, 3,0 bis 12,0 für Phenolharz, 4,0 bis 7,0 für Porzellan, 4,5 bis 5,2 für glasfaserverstärkten Kunststoff, 5,0 bis 5,3 für Polyurethan und 5,7 bis 7,0 für Glimmer. Bei Verwendung dieses Materials ist es durch Auswahl eines Materials mit niedriger Dielektrizitätskonstante möglich, die Parasitärkapazität zu verringern.
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Die Größe der Isolierplatte 3 entspricht der oder ist größer als die untere Oberfläche der Topf-Ferritkerne 1a und 1b. Wenn die Isolierplatte 3 größer gemacht wird, ist es möglich, die Kriechstrecke zwischen dem Primärabschnitt und dem Sekundärabschnitt zu erhöhen.
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Andererseits beträgt die Dicke der Isolierplatte 3 ungefähr 0,3 bis 0,5 mm. Mit der Erhöhung der Dicke erhöht sich die dielektrische Durchschlagsfestigkeitsspannung und ermöglicht es dadurch, die Parasitärkapazität zu verringern. Im Gegensatz dazu lässt die Bindekraft zwischen dem Primärabschnitt und dem Sekundärabschnitt nach, was zu einer nachlassenden Leistungsfähigkeit der Leistungsquelle führt. Jedoch wurde bei der vorliegenden Erfindung der Erhöhung der Zuverlässigkeit der Vorzug gegeben und der Verringerung der Kosten durch die Erhöhung der Spannungsfestigkeit und der Verringerung der Parasitärkapazität anstelle von der Bindekraft zwischen dem Primärabschnitt und dem Sekundärabschnitt.
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Der oben genannte Primärabschnitt 11 des Transformators und der Sekundärabschnitt 12 des Transformators sind gegenüberliegend angeordnet und sicher auf der Oberfläche und der Rückseite der Isolierplatte 3 befestigt, so dass die entsprechenden Ausnehmungen (1a3 und 1b3) der Kerne, in denen die entsprechenden Wicklungen der Isolierplatte 3 zugewandt gewickelt sind. Zu dieser Zeit werden die mit den entsprechenden Wicklungen verbundenen Verbindungsleitungen von zwischen dem Primärabschnitt 11 des Transformators und der Isolierplatte 3 und von zwischen dem Sekundärabschnitt 12 des Transformators und der Isolierplatte 3 herausgezogen.
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2 ist eine Explosionsdarstellung, die ein zweites Ausführungsbeispiel eines Isoliertransformator 19 gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt. Die grundlegenden Prinzipien in 2 sind dieselben wie jene in 1. Obwohl der in 1 gezeigte Isoliertransformator den Vorteil hat, dass der Magnetfluss nicht so leicht streut, sind die Transformatoren, die Topf-Ferritkerne verwenden, vergleichsweise schwierig herzustellen und werden dadurch zwangsläufig teuer. Deswegen werden allgemein gebräuchliche, schon bestehende Kerne verwendet, die leicht herzustellen sind.
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In 2 sind die Kerne 1a und 1b Ferritkerne der E-Kern-Bauform, die jeder drei Beine haben: Ein dickes Bein in der Mitte und zwei dünne Beine an beiden Enden. Die Primärwicklung 2 ist um das zentrale Bein des Kerns 1a gewickelt und bildet einen Primärabschnitt 11 des Transformators. In derselben Weise wie der Kern 1a sind die Sekundärwicklungen 4a und 4b um das zentrale Bein des Kerns 1b gewickelt und bilden einen Sekundärabschnitt des Transformators. Weiter kann ein nicht dargestellter Spulenkörper zum Wickeln der Primärwicklung und der Sekundärwicklung und zum Befestigen derselben auf den Kernen verwendet werden. Obwohl lackierte Drähte (Einzeldrähte) für die Primärwicklung 2 und die Sekundärwicklungen 4a und 4b verwendet werden, können Litzendrähte verwendet werden.
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Die Isolierplatte 3 ist eine Isolierung und aus einem Material mit vergleichsweise niedriger elektrischer Dielektrizitätskonstante. Durch Auswahl eines Materials mit niedriger Dielektrizitätskonstante möglich, die Parasitärkapazität zu verringern. Durch Vergrößern der Isolierplatte 3 größer als die untere Oberfläche des Ferritkerns der E-Kern-Bauform ist es möglich, die ausreichende Kriechstrecke zwischen dem Primärabschnitt und dem Sekundärabschnitt sicherzustellen.
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Andererseits beträgt die Dicke der Isolierplatte 3 ungefähr 0,3 bis 0,5 mm. Mit der Erhöhung der Dicke erhöht sich die dielektrische Durchschlagsfestigkeitsspannung und ermöglicht es dadurch, die Parasitärkapazität zu verringern. Im Gegensatz dazu lässt die Bindekraft zwischen dem Primärabschnitt und dem Sekundärabschnitt nach, was zu einer nachlassenden Leistungsfähigkeit der Leistungsquelle führt. Jedoch wurde bei der vorliegenden Erfindung der Erhöhung der Zuverlässigkeit der Vorzug gegeben und der Verringerung der Kosten durch die Erhöhung der Spannungsfestigkeit und der Verringerung der Parasitärkapazität anstelle von der Bindekraft zwischen dem Primärabschnitt und dem Sekundärabschnitt.
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Der oben genannte Primärabschnitt 11 des Transformators und der Sekundärabschnitt 12 des Transformators sind gegenüberliegend angeordnet und sicher auf der Oberfläche und der Rückseite der Isolierplatte 3 befestigt, so dass die Spitze der entsprechenden Beine der Kerne, um die die entsprechenden Wicklungen gewickelt sind, der Isolierplatte 3 zugewandt sind.
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In 1 und 2 sind mehrere Kernformen gezeigt. Jedoch ist es für die Oberflächen der Primärwicklung und der Sekundärwicklung wichtig, dass sie einander gegenüberliegend sind.
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Als nächstes werden Beispiele der Schaltkreiskonfiguration der Leistungsquelle, die einen in 1 oder 2 gezeigten Isoliertransformator 19 enthält, mit Bezug zu 3 und 4 beschrieben werden. 3 zeigt die Schaltkreiskonfiguration der Leistungsquelle zur Durchführung des Vollweggleichrichtens der Ausgangsleistung des Isoliertransformators 19 und dem Liefern von elektrischer Leistung zu einer Last; und 4 zeigt die Schaltkreiskonfiguration der Leistungsquelle zum Gleichrichten der Ausgangsleistung des Isoliertransformators 19 und dem Liefern von elektrischer Leistung zu einer Vielzahl von Lasten. Beim Konfigurieren einer Leistungsquelle unter Verwendung eines in 1 oder 2 gezeigten Isoliertransformators 19 ist es offensichtlich, dass der primärseitige Schaltkreis 8 und der sekundärseitige Schaltkreis 9 jegliche Konfiguration haben können und typische Beispiele sind hier gezeigt.
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Zuerst wird die in 3 gezeigte Konfiguration beschrieben. 3 ist ein Schaltschema der Leistungsquelle, die einen in 1 oder 2 gezeigten Isoliertransformator verwendet. In dieser Zeichnung weist der in 1 oder 2 gezeigten Isoliertransformator eine in der Mitte angeordnete Isolierplatte 3 auf, einen Primärabschnitt 11 des Transformators und einen Sekundärabschnitt 12 des Transformators. Der Primärabschnitt 11 des Transformators ist über einen primärseitigen Schaltkreis 8 mit der Gleichstrom-Leistungsquelle 7 verbunden und der Sekundärabschnitt 12 des Transformators ist über einen sekundärseitigen Schaltkreis 9 mit der Last 10 verbunden.
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Nachfolgend erfolgt eine detaillierte Beschreibung. In 3 ist die Gleichstrom-Leistungsquelle 7 mit dem primärseitigen Schaltkreis 8 verbunden. Der primärseitige Schaltkreis 8 enthält einen Glättungskondensator 20a, hintereinandergeschaltete Leistungs-MOSFETs 21a und 21b, einen Steuerkreis 22, einen Resonanzkondensator 23, einen verlustlosen Dämpfungskondensator 24, einen Isolierungssignalempfangsabschnitt 25 und eine Steuerschaltung 29, wobei der Resonanzkondensator 23 mit dem Mittelpunkt der hintereinandergeschalteten Leistungs-MOSFETs 21a und 21b verbunden ist.
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Der Resonanzkondensator 23 und der Quell-Anschluss des Leistungs-MOSFETs 21b sind mit dem Primärabschnitt 11 des außerhalb des primärseitigen Schaltkreises 8 liegenden Transformators verbunden. Der Primärabschnitt 11 des Transformators ist magnetisch mit dem Sekundärabschnitt 12 des Transformators verbunden, wobei die Isolierplatte 3 dazwischen liegt. Der Sekundärabschnitt 12 des Transformators weist eine Mittenabzweigs-Konfiguration auf und ist mit den innerhalb des sekundärseitigen Schaltkreises 9 liegenden Gleichrichterdioden 26a und 26b verbunden.
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Weiter sind innerhalb des sekundärseitigen Schaltkreises 9 ein mit den Gleichrichterdioden 26a und 26b verbundener Glättungskondensator 20a, eine Ausgangsspannungsfehlerverstärkerschaltung 27 und ein Isolierungssignalsendeabschnitt 28 vorgesehen; und Signale werden mittels Glasfaserkabel von dem Isolierungssignalempfangsabschnitt 25 des primärseitigen Schaltkreises 8 zu der Steuerschaltung 29 übertragen.
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Als nächstes wird das Verhalten des in 3 gezeigten Schaltkreises beschrieben. Die Steuerschaltung 29 erzeugt Impulssignale entsprechend den vom Isolierungssignalempfangsabschnitt 25 eingegangenen Signalen und gibt die Impulssignale an den Steuerkreis 22 aus. Der Steuerkreis 22 sendet Ansteuersignale zu den Leistungs-MOSFETs 21a und 21b und schaltet die Leistungs-MOSFETs 21a und 21b. In diesem Vorgang wird die Ausgangsleistung durch Frequenzsteuerung gesteuert; und die Rate zu dem AN- und AUS-Zeitpunkt der Leistungs-MOSFETs 21a und 21b ist konstant und verändert sich nicht entsprechend der Ausgangsleistung; anstelle dessen ändert sich die Antriebsfrequenz.
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Obwohl der Primärabschnitt 11 des Transformators und der Sekundärabschnitt 12 des Transformators magnetisch miteinander verbunden sind mit der dazwischenliegenden Isolierplatte 3, da die Ferritkerne durch die Isolierplatte 3 getrennt worden sind, ist die Streuinduktivität vergleichsweise größer als die des gewöhnlichen Isoliertransformators. Deswegen wird in diesem Beispiel die Streuinduktivität wirksam verwendet. Das heißt, dass durch Betreiben der Leistungs-MOSFETs 21a und 21b bei einer höheren Frequenz als die Resonanzfrequenz der Schaltung ein Resonanzstrom durch die durch die Streuinduktivität und einen verlustlosen Dämpfungskondensator 24 gebildete Serienresonanzschaltung läuft und die Leistung wird zu dem Sekundärabschnitt 12 des Transformators übertragen.
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In dem sekundärseitigen Schaltkreis 9 richten die Gleichrichterdioden 26a und 26b hochfrequenten Wechselstrom gleich, der zu dem Sekundärabschnitt des Transformators übertragen wurde und der gleichgerichtete Strom wird in dem Glättungskondensator 20b gespeichert. Die Last 10a bezieht eine stabile Ausgangsleistung von dem Glättungskondensator 20b und der Ausgangsspannungsbefehlswert wird durch die Ausgangsspannungsfehlerverstärkerschaltung 27 verstärkt; und Signale werden zu der Steuerschaltung 29 mittels Isolierungssignalsendeabschnitt 28, Glasfaserkabel 18 und dem Isolierungssignalempfangsabschnitt 25 übertragen; und die Frequenz, bei der die Leistungs-MOSFETs 21a und 21b betrieben werden, wird geändert, um dadurch die Ausgangsspannung gesteuert konstant werden zu lassen.
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Darüber hinaus können in 2 Glasfaserübertragungsanschlüsse einschließlich OptoWires, und Isolierungen einschließlich EAIJ Glasfaserverbindern, sogenannte TOS-LINKs, für den Isolierungssignalsendeabschnitt 28, das Glasfaserkabel 18 und den Isolierungssignalempfangsabschnitt 25 verwendet werden. Weiter kann ein Shunt-Reglerfür die Ausgangsspannungsfehlerverstärkerschaltung 27 verwendet werden.
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Als nächstes wird die in 4 gezeigte Konfiguration beschrieben. 4 ist ein Schaltschema eines anderen Beispiel einer Leistungsquelle, die einen in 1 oder 2 gezeigten Isoliertransformator 19 verwendet. In 4 ist einer Vorrichtung mit derselben Funktion wie der in 3 gezeigten Vorrichtung dasselbe Bezugszeichen zugeordnet. Weil die primärseitige Konfiguration mit der Schaltungskonfiguration in 3 überlappt, wird die Beschreibung weggelassen.
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Der Sekundärabschnitt 12 des Transformators weist eine Mittenabzweigs-Konfiguration auf und ist mit den innerhalb des sekundärseitigen Schaltkreises 9 liegenden Gleichrichterdioden 26a und 26b verbunden. Anders als in 3 ist der sekundärseitige Schaltkreis 9 zusätzlich zu dem Glättungskondensator 20b mit einem Glättungskondensator 20c versehen. Ebenso ist die Konfiguration der Gleichrichterdioden unterschiedlich von der in 3 gezeigten Konfiguration. Der Glättungskondensator 20c bildet eine Leistungsquelle mit negativem Potential mit einem Erdpotential des Glättungskondensators 20b als einem positivem Anschluss und liefert Leistung zu der zweiten Last 10b. Weiter sind die Ausgangsspannungsfehlerverstärkerschaltung 27 und der Isolierungssignalsendeabschnitt 28 innerhalb des sekundärseitige Schaltkreises 9 angeordnet; und Signale werden zu der Steuerschaltung 29 mittels Glasfaserkabel 18 und dem Isolierungssignalempfangsabschnitt 25 des primärseitige Schaltkreises 8 übertragen.
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Als nächstes wird das Verhalten der in 4 gezeigten Schaltung beschrieben. Die Steuerschaltung 29 erzeugt Impulssignale entsprechend den vom Isolierungssignalempfangsabschnitt 25 eingegangenen Signalen und gibt die Impulssignale an den Steuerkreis 22 aus. Der Steuerkreis 22 sendet Ansteuersignale zu den Leistungs-MOSFETs 21a und 21b und schaltet die Leistungs-MOSFETs 21a und 21b. In diesem Vorgang wird die Ausgangsleistung durch Frequenzsteuerung gesteuert; und die Rate zu dem AN- und AUS-Zeitpunkt der Leistungs-MOSFETs 21a und 21b ist konstant und verändert sich nicht entsprechend der Ausgangsleistung; anstelle dessen ändert sich die Antriebsfrequenz.
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Obwohl der Primärabschnitt 11 des Transformators und der Sekundärabschnitt 12 des Transformators magnetisch miteinander verbunden sind mit der dazwischenliegenden Isolierplatte 3, da die Ferritkerne durch die Isolierplatte 3 getrennt worden sind, ist die Streuinduktivität vergleichsweise größer als die des gewöhnlichen Isoliertransformators. Deswegen wird in diesem Beispiel die Streuinduktivität wirksam verwendet. Das heißt, dass durch Betreiben der Leistungs-MOSFETs 21a und 21b bei einer höheren Frequenz als die Resonanzfrequenz der Schaltung ein Resonanzstrom durch die durch die Streuinduktivität und einen verlustlosen Dämpfungskondensator 24 gebildete Serienresonanzschaltung läuft und die Leistung wird zu dem Sekundärabschnitt 12 des Transformators übertragen.
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In dem sekundärseitigen Schaltkreis 9 richten die Gleichrichterdioden 26a und 26b hochfrequenten Wechselstrom gleich, der zu dem Sekundärabschnitt des Transformators übertragen wurde und der gleichgerichtete Strom wird in dem Glättungskondensator 20b und 20c gespeichert. Die Last 10a und 10b beziehen eine stabile Spannung von dem entsprechenden Glättungskondensator 20b bzw. 20c.
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Ein Fehler zwischen der Spannung des Glättungskondensators 20b und dem Ausgangsspannungsbefehlswert wird durch die Ausgangsspannungsfehlerverstärkerschaltung 27 verstärkt; und Signale werden zu der Steuerschaltung 29 mittels Isolierungssignalsendeabschnitt 28, Glasfaserkabel 18 und dem Isolierungssignalempfangsabschnitt 25 übertragen; und die Frequenz, bei der die Leistungs-MOSFETs 21a und 21b betrieben werden, wird geändert, um dadurch die Ausgangsspannung gesteuert konstant werden zu lassen.
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In 4 können Glasfaserübertragungsanschlüsse einschließlich OptoWires, und Isolierungen einschließlich EAIJ Glasfaserverbindern, sogenannte TOSLINKs, für den Isolierungssignalsendeabschnitt 28, das Glasfaserkabel 18 und den Isolierungssignalempfangsabschnitt 25 verwendet werden. Weiter kann ein Shunt-Reglerfür die Ausgangsspannungsfehlerverstärkerschaltung 27 verwendet werden.
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Als nächstes wird eine Technik zum Bestücken einer gedruckten Leiterplatte mit den Schaltelementen, die die in 3 oder 4 gezeigte Leistungsquelle bilden, mit Bezug auf die 5, 6 und 7 beschrieben. In jenen Beispielen sind zusätzlich zum Isoliertransformator der primärseitige Schaltkreis 8 und der sekundärseitige Schaltkreis 9 auf der gedruckten Leiterplatte 6 angebracht.
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Zuerst wird 5 erklärt. 5 ist eine seitliche Schnittansicht der Leiterplatte, auf der Schaltelemente angebracht sind, die die in 3 oder 4 gezeigte Leistungsquelle bilden. Zusätzlich zu dem in 1 gezeigten Isoliertransformator 19 sind in 5 ein primärseitiger Schaltkreis 8 und ein sekundärseitiger Schaltkreis 9 auf der gedruckten Leiterplatte 6 angebracht, die als eine Einheit eine Leistungsquelle bilden.
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Nachfolgend erfolgt eine detaillierte Beschreibung. In 5 ist der primärseitige Schaltkreis 8 auf der linken Seite der gedruckten Leiterplatte 6 angebracht. Der Isoliertransformator 19 in 1 oder 2 ist an dem mittigen Abschnitt angebracht. Der Isoliertransformator 19 ist derart angebracht, dass der primäre Abschnitt 11 des Transformators auf der linken Seite angeordnet ist wo der primärseitige Schaltkreis 8 angebracht ist und der sekundäre Abschnitt 12 des Transformators ist auf der rechten Seite angeordnet, wo der sekundärseitige Schaltkreis 9 angebracht ist mit der Isolierplatte 3 aufrecht auf der gedruckten Leiterplatte 6 als die Mitte angebracht ist.
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Die montierten Bauelemente des primärseitigen Schaltkreises 8 enthalten einen Glättungskondensator 20a, ein Leistungs-MOSFET 21a, einen Resonanzkondensator 23 und einen Isolierungssignalempfangsabschnitt 25; und die montierten Bauelemente des sekundärseitigen Schaltkreises 9 enthalten eine Gleichrichterdiode 26a und einen Glättungskondensator 20b.
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Weiter wird eine Leiterplatte in Einpresstechnik als die gedruckte Leiterplatte 6 verwendet. In diesem Fall besteht der primärseitige Schaltkreis 8 aus Bauelementen mit Anschlussdrähten (Glättungskondensator 20a, Leistungs-MOSFET 21a, Resonanzkondensator 23) und oberflächenmontierten Bauelementen (Isolierungssignalempfangsabschnitt 25); und der sekundärseitige Schaltkreis 9 ist mit ausschließlich oberflächenmontierten Bauelementen versehen (Gleichrichterdiode 26a und Glättungskondensator 20b). Auf diese Weise ist mit Bezug auf den sekundärseitigen Schaltkreis 9 kein Verdrahtungsmuster auf der Rückseite der gedruckten Leiterplatte, was ein Auftreten von Isolierungsfehlern auf der Rückseite der gedruckten Leiterplatte verhindert.
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6 ist ebenso eine seitliche Schnittansicht der Leiterplatte. In 6 ist eine gedruckte Leiterplatte auf einer Seite der Isolierplatte 3 angeordnet; und auf der Oberfläche der gedruckten Leiterplatte 6 sind Bauelemente des primärseitigen Schaltkreises 8 und der Primärabschnitt 11 des Transformators sicher befestigt. Die gedruckte Leiterplatte 6 ist mittels Montageelementen 100 mit einem angemessenen Abstand h auf der Isolierplatte 3 angebracht.
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Andererseits ist eine oberflächenmontierte Leiterplatte 30 direkt auf der anderen Oberfläche der Isolierplatte 3 angeordnet. Auf der Oberfläche der oberflächenmontierte Leiterplatte 30 sind Bauelemente des sekundärseitigen Schaltkreises 9 und der Sekundärabschnitt 12 des Transformators angebracht. Der Primärabschnitt 11 des Transformators und der Sekundärabschnitt 12 des Transformators sind gegenüber angeordnet mit der Isolierplatte 3 und einem Luftspalt des Abstands h dazwischen und sind sicher befestigt.
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Andererseits beträgt die Dicke der Isolierplatte 3 ungefähr 0,3 bis 0,5 mm. Mit der Erhöhung der Dicke erhöht sich die dielektrische Durchschlagsfestigkeitsspannung und ermöglicht es dadurch, die Parasitärkapazität zu verringern. Im Gegensatz dazu lässt die Bindekraft zwischen dem Primärabschnitt und dem Sekundärabschnitt nach, was zu einer nachlassenden Leistungsfähigkeit der Leistungsquelle führt. Jedoch wurde bei der vorliegenden Erfindung der Erhöhung der Zuverlässigkeit der Vorzug gegeben und der Verringerung der Kosten durch die Erhöhung der Spannungsfestigkeit und der Verringerung der Parasitärkapazität anstelle von der Bindekraft zwischen dem Primärabschnitt und dem Sekundärabschnitt.
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Weiter wird eine Leiterplatte in Einpresstechnik als die gedruckte Leiterplatte 6 verwendet. Der primärseitige Schaltkreis 8 besteht aus Bauelementen mit Anschlussdrähten und oberflächenmontierten Bauelementen; und der sekundärseitige Schaltkreis 9 ist mit ausschließlich oberflächenmontierten Bauelementen versehen. Eine oberflächenmontierte Leiterplatte kann als die gedruckte Leiterplatte 6 verwendet werden.
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7 ist ebenso eine seitliche Schnittansicht der Leiterplatte, auf der in 3 oder 4 gezeigte Schaltelemente montiert sind. In 7 ist der primärseitige Schaltkreis 8 auf der linken Seite der gedruckten Leiterplatte 6 angebracht. Der Primärabschnitt 11 des Transformators ist sicher auf der Seite der Rückseite B in der Mitte der gedruckten Leiterplatte 6 befestigt. Mit Bezug auf die Position, an der der Primärabschnitt 11 des Transformators angebracht ist, ist der Sekundärabschnitt 12 des Transformators sicher auf der Seite der Oberfläche A der gedruckten Leiterplatte 6 befestigt. Der sekundärseitige Schaltkreis 9 ist rechts von der Position auf der Seite der Oberfläche A der gedruckten Leiterplatte 6 angebracht, wo der sekundäre Abschnitt 12 des Transformators angebracht ist.
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Weiter wird eine Leiterplatte in Einpresstechnik als die gedruckte Leiterplatte 6 verwendet. Der primärseitige Schaltkreis 8 besteht aus Bauelementen mit Anschlussdrähten und oberflächenmontierten Bauelementen; und der sekundärseitige Schaltkreis 9 ist mit ausschließlich oberflächenmontierten Bauelementen versehen. Auf diese Weise ist mit Bezug auf den sekundärseitigen Schaltkreis 9 kein Verdrahtungsmuster auf der Rückseite der gedruckten Leiterplatte, was ein Auftreten von Isolierungsfehlern auf der Rückseite der gedruckten Leiterplatte verhindert.
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Die Dicke der gedruckten Leiterplatte 6 beträgt ungefähr 0,3 bis 2,4 mm. Mit der Erhöhung der Dicke erhöht sich die dielektrische Durchschlagsfestigkeitsspannung und ermöglicht es dadurch, die Parasitärkapazität zu verringern.
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Gemäß den oben genannten Beispielen sind bei dem Isoliertransformator 19, weil nicht nur die Primärwicklung und die Sekundärwicklung sondern auch der primärseitige Kern und der sekundärseitige Kern durch die gedruckte Leiterplatte 6 sicher getrennt sind, die Primärwicklung und die Sekundärwicklung sicher getrennt. Weiter kann die Parasitärkapazität zwischen dem Primärabschnitt und dem Sekundärabschnitt durch Verwendung eines isolierenden Materials mit niedriger elektrischer Dielektrizitätskonstante für die gedruckte Leiterplatte verringert werden. Weiter kann die Spannungsfestigkeit des Transformators durch Erhöhen der Dicke der gedruckten Leiterplatte 6 erhöht werden und gleichzeitig kann die Parasitärkapazität zwischen dem Primärabschnitt und dem Sekundärabschnitt verringert werden.
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Deswegen enthält die vorliegende Erfindung einen Isoliertransformator mit hoher dielektrischer Durchschlagsfestigkeitsspannung in einem einfachen Aufbau unter Verwendung einer gedruckten Leiterplatte und erreicht dadurch die Kostenreduktion.
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Als nächstes wird mit Bezug auf die 8 und 9 das Vergießen des in 1 oder 2 gezeigten Isoliertransformators 19 beschrieben.
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8 ist eine Schnittansicht eines Isoliertransformators 19. Wenn ein in 1 gezeigter Isoliertransformator verwendet wird, weisen die Kerne 1a und 1b eine kreisförmige Gestalt auf und sind sogenannte Topf-Ferritkerne, die jeder ein säulenförmiges Bein in der Kreismitte enthalten, ein röhrenförmiges Bein am Umfang; und, wenn von der Öffnung aus gesehen, ist das Innere eine kreisringförmige Ausnehmung.
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Weiter, wenn ein in 2 gezeigter Isoliertransformator verwendet wird, sind die Kerne 1a und 1b Ferritkerne der E-Kern-Bauform, von denen jeder ein Bein in der Mitte und ein anderes Bein am Umfang aufweist; und der Raum zwischen den Beinen ist eine Ausnehmung. Deswegen, weil die Schnittfläche in 1 dieselbe ist wie die Schnittfläche in 2, erfolgt die Beschreibung für den Fall, dass ein Isoliertransformator in 1 (die Kerne 1a und 1b haben eine kreisförmige Gestalt und sind sogenannte Topf-Ferritkerne) verwendet wird.
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Bei der Schnittform in 8 ist die Primärwicklung 2 spiralförmig um das zentrale Bein in der Ausnehmung des Kerns 1a gewickelt. Weiter sind die Sekundärwicklungen 4a und 4b ebenfalls spiralförmig in der Ausnehmung des Kerns 1b gewickelt in derselben Weise wie der Kern 1a.
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Dann sind der Kern 1a und der Kern 1b, die entsprechende Wicklungen enthalten, mit einem vorbestimmten Abstand H gegenüberliegend angeordnet, so dass die Oberflächen der Spulen einander zugewandt sind. Als nächstes, wie in der Zeichnung gezeigt, ist der zwischen dem Kern 1a und dem Kern 1b liegende Abschnitt 30 ebenso wie der Umfangsabschnitt 40 der Kerne 1a und 1b mit isolierendem Material 5 gefüllt und das Material ist verfestigt und bildet dadurch einen Isoliertransformator 19. Beim Ausführen des in 8 gezeigten Vergießens ist es offensichtlich, dass die Vorbereitung der Gussform oder anderer für die Anordnung und Befestigung der Kerne an vorbestimmten Positionen oder das Einfüllen des Harzes angemessen ausgeführt werden muss.
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In diesem Fall, weil die Funktion der Isolierplatte 3 in 1 und 2 durch den zwischen dem Kern 1a und dem Kern 1b dazwischenliegenden Abschnitt 30 erreicht wird, sind die Eigenschaften des Isolierfüllmaterials oder der Abstand H zwischen den einander zugewandten Oberflächen der Spulen bezüglich der Isolierung bestimmt.
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Insbesondere ist das isolierende Material 5 ein Material, wie Harz oder Keramik, das ein Isolator mit vergleichsweise niedriger elektrischer Dielektrizitätskonstante ist und im Herstellungsprozess flexibel umformbar und danach härtbar ist. Durch insbesondere Auswählen eines Materials mit niedriger elektrischer Dielektrizitätskonstante ist es möglich, die Parasitärkapazität zu verringern.
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Der Abstand H zwischen dem Kern 1a und dem Kern 1b, die einander zugewandt sind, ist ungefähr 0,3 mm bis 5,0 mm. Mit der Erhöhung der Dicke erhöht sich die dielektrische Durchschlagsfestigkeitsspannung und ermöglicht es dadurch, die Parasitärkapazität zu verringern. Anderes magnetisches Material wie amorphe Materialien können als Material für die Kerne 1a und 1b verwendet werden.
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Gemäß dieses Ausführungsbeispiels ist es möglich, die Durchschlagsfestigkeitsspannung und die Parasitärkapazität durch den Abstand H zwischen den Kernen 1a und 1b und das isolierende Material einzustellen. Weiter ist es möglich, weil die Isolierung zwischen der Primärwicklung und der Sekundärwicklung durchgeführt wurde und der primärseitige Kern und der sekundärseitige Kern strukturell getrennt sind, den Aufbau des Transformators zu vereinfachen und Kosten zu reduzieren.
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In dem Beispiel in 8 ist keine Isolierplatte 3 vorbereitet und Harz zum Vergießen ist für die Funktion der Isolierplatte 3 vorgesehen, während in dem Beispiel in 9 von Anfang an eine Isolierplatte 3 zwischen den einander zugewandten Kernen 1a und 1b vorgesehen ist.
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Die Isolierplatte 3 ist ein scheibenförmiges isolierendes Material mit demselben Durchmesser wie der der Kerne 1a und 1b; und der Kern 1a und der Kern 1b sind gegenüberliegend angeordnet mit der dazwischenliegenden Isolierplatte 3 so dass die Spulen einander zugewandt sind. Dann wird, wie in der Zeichnung gezeigt, der Umfangsabschnitt 40 der Kerne 1a und 1b mit dem isolierende Material 5 gefüllt und das Material härtet aus und bildet somit einen Isoliertransformator 19.
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Das isolierende Material 5 ist ein Material, wie Harz oder Keramik, das ein Isolator mit vergleichsweise niedriger elektrischer Dielektrizitätskonstante ist und im Herstellungsprozess flexibel umformbar und danach härtbar ist.
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Durch insbesondere Auswählen eines Materials mit niedriger elektrischer Dielektrizitätskonstante für die Isolierplatte 3 ist es möglich, die Parasitärkapazität zu verringern.
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Der Abstand zwischen dem Kern 1a und dem Kern 1b, die einander zugewandt sind, ist ungefähr 0,3 mm bis 5,0 mm. Mit der Erhöhung der Dicke erhöht sich die dielektrische Durchschlagsfestigkeitsspannung und ermöglicht es dadurch, die Parasitärkapazität zu verringern. Anderes magnetisches Material wie amorphe Materialien können als Material für die Kerne 1a und 1b verwendet werden.
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Gemäß dieses Ausführungsbeispiels ist es möglich, die Durchschlagsfestigkeitsspannung und die Parasitärkapazität durch das Material und den Abstand der Isolierplatte 3 einzustellen. Weiter ist es möglich, weil die Isolierung zwischen der Primärwicklung und der Sekundärwicklung durchgeführt wurde und der primärseitige Kern und der sekundärseitige Kern strukturell getrennt sind, den Aufbau des Transformators zu vereinfachen und Kosten zu reduzieren.
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Schließlich wird eine als Leistungsmodul konfigurierte Leistungsquelle mit Bezug auf 10, 11 und 12 beschrieben. Zuerst ist 10 ein Blockdiagramm eines Leistungsmoduls, das den Isoliertransformator 19 gemäß dieses Ausführungsbeispiels verwendet.
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In 10 sind innerhalb des Leistungsmoduls 13 zwei Paare Leistungsquellenabschnitte 50a und 50b vorgesehen, wobei jeder einen Isoliertransformator und hiervon einen sekundärseitigen Schaltkreis 9 aufweist und eine Torschaltung 60. Weil der primärseitige Schaltkreis 8 in 3 nicht in dem Modul enthalten ist, kann irgendein primärseitiger Schaltkreis eingesetzt werden. Weiter sind, weil die Torschaltung 60 enthalten ist, sind Steuersignalleitungen 61 und 62 und ein Torausgangsanschluss angeordnet.
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In dieser Zeichnung sind Primärabschnitte 11a und 11b der Transformatoren, Sekundärabschnitte 12a und 12b der Transformatoren, sekundärseitige Schaltkreise 9a und 9b, Steuerkreise 16a und 16b und Leistungsglieder 14a und 14b vorgesehen, wobei die Primärabschnitte 11a und 11b der Transformatoren. Der Sekundärabschnitt 12a des Transformators ist mit dem sekundärseitige Schaltkreis 9a verbunden, der sekundärseitige Schaltkreis 9a ist mit dem Steuerkreis 16a verbunden und der Steuerkreis 16a ist zwischen dem Tor und dem Emitter des Leistungsglieds 14a angeschlossen.
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Ähnlich ist der Sekundärabschnitt 12b des Transformators ist mit dem sekundärseitige Schaltkreis 9b verbunden, der sekundärseitige Schaltkreis 9b ist mit dem Steuerkreis 16b verbunden und der Steuerkreis 16b ist zwischen dem Tor und dem Emitter des Leistungsglieds 14b angeschlossen. Die Leistungsglieder 14a und 14b sind hintereinandergeschaltet.
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11 zeigt eine Schnittansicht des Leistungsmoduls, das einen Isoliertransformator gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet. In 11 ist das Leistungsmodul 13 auf ein Wärmeableitblech 15 geschraubt. Die Leistungsglieder 14a und 14b sind auf der unteren Seite des Leistungsmoduls angebracht. Die gedruckte Leiterplatte 6 ist über den Leistungsgliedern 14a und 14b angebracht und die Steuerkreise 16a und 16b, die sekundärseitige Schaltkreise 9a und 9b und die Sekundärabschnitte 12a und 12b der Transformatoren sind auf der gedruckten Leiterplatte 6 angebracht. Die Oberseite der gedruckten Leiterplatte 6 ist mit einem Füllmaterial 17 gefüllt; und an der Position, die der Oberseite der Sekundärabschnitte 12a und 12b des Transformatoren entspricht, sind die Primärabschnitte 11a und 11b der Transformatoren mit dazwischenliegendem Füllmaterial angeordnet.
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12 ist ein Schaltschema einer Leistungsquelle für ein Leistungsmodul, das einen Isoliertransformator gemäß diesem Ausführungsbeispiel verwendet. In 12 ist die Gleichstrom-Leistungsquelle 7 mit dem primärseitigen Schaltkreis 8 verbunden. Der primärseitige Schaltkreis 8 enthält einen Glättungskondensator 20a, hintereinandergeschaltete Leistungs-MOSFETs 21a und 21b, einen Steuerkreis 22, einen Resonanzkondensator 23 und einen verlustlosen Dämpfungskondensator 24, wobei der Resonanzkondensator 23 mit dem Mittelpunkt der hintereinandergeschalteten Leistungs-MOSFETs 21a und 21b verbunden ist.
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Der Resonanzkondensator 23 und der Quell-Anschluss des Leistungs-MOSFETs 21b sind hintereinandergeschaltet mit den Primärabschnitten 11 der außerhalb des primärseitigen Schaltkreises liegenden Transformatoren verbunden. Wie in 11 gezeigt, sind die Primärabschnitte 11a und 11b der Transformatoren magnetisch mit den Sekundärabschnitten 12a und 12b der jeweils innerhalb des Leistungsmoduls liegenden Transformatoren verbunden, mit dem dazwischenliegenden Füllmaterial 17.
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Jeder der Sekundärabschnitte 12a und 12b der Transformatoren weist eine Mittenabzweigs-Konfiguration auf und der Sekundärabschnitt 12b des Transformators ist mit den innerhalb des sekundärseitigen Schaltkreises 9 liegenden Gleichrichterdioden 26a und 26b verbunden. Die Gleichrichterdioden 26a und 26b sind mit dem Glättungskondensator 20b verbunden. Die Gleichrichterdioden 26c und 26d sind mit dem Glättungskondensator 20c verbunden. Anders als in 2 und 5 weist der Schaltkreis in 12 keine Rückkopplungsschaltung auf. Stattdessen weist der Schaltkreis Konstantspannungsschaltungen 31a und 31b auf.
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In 12 erzeugt der Steuerkreis 22 einen Impuls mit konstanter Frequenz und einer festen Impulsbandbreite und sendet entsprechend dem Impuls Ansteuersignale zu den Leistungs-MOSFETs 21a und 21b und schaltet die Leistungs-MOSFETs 21a und 21b.
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Der Primärabschnitt 11a des Transformators und der Sekundärabschnitt 12a des Transformators, der Primärabschnitt 11b des Transformators und der Sekundärabschnitt 12b des Transformators sind magnetisch miteinander verbunden mit dem dazwischenliegenden Füllmaterial 17. Da die Ferritkerne durch das Füllmaterial 17 getrennt sind, ist die Streuinduktivität vergleichsweise größer als die des gewöhnlichen Isoliertransformators. Deswegen verwendet die vorliegende Erfindung die Streuinduktivität wirksam. Das heißt, dass durch Betreiben der Leistungs-MOSFETs 21a und 21b bei einer höheren Frequenz als die Resonanzfrequenz der Schaltung ein Resonanzstrom durch die durch die Streuinduktivität und einen verlustlosen Dämpfungskondensator 24 gebildete Serienresonanzschaltung läuft und die Leistung wird zu den Sekundärabschnitten 12a und 12b der Transformatoren übertragen.
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In dem sekundärseitigen Schaltkreis 9a richten die Gleichrichterdioden 26a und 26b hochfrequenten Wechselstrom gleich, der zu dem Sekundärabschnitt des Transformators übertragen wurde und der gleichgerichtete Strom wird in dem Glättungskondensator 20b gespeichert. Ähnlich richten die Gleichrichterdioden 26a und 26b in dem sekundärseitigen Schaltkreis 9b hochfrequenten Wechselstrom gleich, der zu dem Sekundärabschnitt des Transformators übertragen wurde und der gleichgerichtete Strom wird in dem Glättungskondensator 20c gespeichert. Da dieses Ausführungsbeispiel keine Rückkopplungsschaltung aufweist, sind die Ausgangsspannungsschwankungen wegen der Lastschwankungen und Temperaturänderungen durch die Konstantspannungsschaltungen 31a und 31b stabilisiert. Die Steuerkreise 16a und 16b erhalten eine stabile Spannung von den Konstantspannungsschaltungen 31a und 31b.
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Als nächstes wird in 10 die Antriebsleistung zum Antreiben der Leistungsglieder 14a und 14b an die Steuerkreise 16a und 16b der sekundärseitigen Schaltkreise 9a und 9b geliefert. Andererseits werden Steuersignale zum Steuern der Leistungsglieder 14a und 14b von außerhalb des Leistungsmoduls 13 zugeführt. Für die Leistungsglieder 14a und 14b sind beispielsweise IGBTs und antiparallele Dioden gezeigt; jedoch können Leistungs-MOSFETs und SiC-Schalter verwendet werden. Auf diese Weise hat dieses Ausführungsbeispiel ein Verfahren zum Erreichen der Isolierung zwischen dem Primärabschnitt und dem Sekundärabschnitt des Isoliertransformators für das Leistungsglied ansteuernde Leistungsquelle mittels eines Füllmaterials im Leistungsmodul gezeigt. Dieses Verfahren vereinfacht den Aufbau des Isoliertransformators der das Leistungsglied ansteuernden Leistungsquelle und ermöglicht eine Reduzierung der Größe und der Kosten.
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Deswegen werden in diesem Ausführungsbeispiel Isoliertransformatoren (zwei Paare), deren Anzahl dieselbe ist wie die Anzahl der IGBTs (zwei), die Leistungsschaltvorrichtungen sind, in dem Leistungsmodul eingesetzt. Weiter ist, wie in 12 gezeigt, nur ein primärseitiger Schaltkreis zum Erregen der Isoliertransformatoren notwendig. Wenn die Anzahl der in dem Leistungsmodul eingesetzten IGBTs auf vier und auf sechs angehoben wird, ist es möglich, die Anzahl der hintereinandergeschalteten Primärabschnitte der Transformatoren in 12 entsprechend der Anzahl der IGBTs auf vier und sechs anzuheben. Deswegen ist es möglich, das Volumen und die Kosten der Leistungsquelle zum Ansteuern der Leistungsmodule zu reduzieren.
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Weiter sind der Primärabschnitt und der Sekundärabschnitt des Transformators mit einem Füllmaterial 17 isoliert; und sie können ebenso mit einem Harz isoliert sein, das ein konstruktives Element ist.
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Gemäß der oben genannten vorliegenden Erfindung ist es durch Vermeidung von Rauschstrom im Falle des Auftretens eines Blitzstoßes möglich, die Größe der Leistungsquelle, die einen Isoliertransformator verwendet, zu verringern und die Zuverlässigkeit zu erhöhen. Weiter ist es möglich, die Kosten des Isoliertransformators und der Leistungsquelle, die den Isoliertransformator verwendet, zu reduzieren. Darüber hinaus gibt es vorteilhafte Wirkungen der Reduzierung der Größe der Leistungsquelle, die den Isoliertransformator verwendet ebenso wie die Erhöhung der Zuverlässigkeit. Weiter sind die Primärwicklung und die Sekundärwicklung isoliert und ebenso sind der primärseitige Kern und der sekundärseitige Kern getrennt. Deswegen können der Aufbau des Transformators vereinfacht und die Kosten reduziert werden.
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[Industrielle Anwendbarkeit]
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Die vorliegende Erfindung kann auf Toransteuernde Leistungsquellen, die sowohl für Inverter von Schienenfahrzeugen als auch für industrielle Leistungsquellen verwendet werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1a, 1b
- Kern
- 2
- Primärwicklung
- 3
- Isolierplatte
- 4a und 4b
- Sekundärwicklung
- 5
- Isolierendes Material
- 6
- gedruckte Leiterplatte
- 7
- Gleichstrom-Leistungsquelle
- 8
- primärseitiger Schaltkreis
- 9a, 9b, 9c
- sekundärseitiger Schaltkreis
- 10a, 10b
- Last
- 11, 11a, 11b
- Primärabschnitt des Transformators
- 12, 12a, 12b
- Sekundärabschnitt des Transformators
- 13
- Leistungsmodul
- 14a, 14b
- Leistungsglied
- 15
- Wärmeableitblech
- 16a, 16b
- Steuerkreis
- 17
- Füllmaterial
- 18
- Glasfaserkabel
- 19
- Isoliertransformator
- 20a, 20b, 20c
- Glättungskondensator
- 21a, 21b
- Leistungs-MOSFET
- 22
- Steuerkreis
- 23
- Resonanzkondensator
- 24
- verlustloser Dämpfungskondensator
- 25
- Isolierungssignalempfangsabschnitt
- 26a, 26b
- Gleichrichterdiode
- 27
- Ausgangsspannungsfehlerverstärkerschaltung
- 28
- Isolierungssignalsendeabschnitt
- 29
- Steuerschaltung
- 30
- Oberflächenmontierte Leiterplatte
- 31a, 31b
- Konstantspannungsschaltungen
