DE112014001409T5

DE112014001409T5 - Integrierte magnetische Baugruppen und Verfahren zu ihrem Zusammenbau

Info

Publication number: DE112014001409T5
Application number: DE112014001409.5T
Authority: DE
Inventors: Joao Luiz Andres; Jouni Timo Uusitalo; Arturo Silva
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: ACLEAP POWER INC., TW
Priority date: 2013-03-15
Filing date: 2014-03-13
Publication date: 2015-12-10
Also published as: CN105518810A; WO2014151332A1; CN105518810B; US20140266530A1; US9991043B2

Abstract

Eine integrierte magnetische Baugruppe weist einen Magnetkern, eine Eingangswicklung, die induktiv mit dem Magnetkern verbunden ist, eine erste Ausgangswicklung, die induktiv mit dem Magnetkern verbunden ist, und eine zweite Ausgangswicklung auf, die induktiv mit dem Magnetkern verbunden ist. Der Magnetkern weist einen ersten und einen zweiten nicht bewickelten Schenkel und einen ersten und einen zweiten Wicklungsschenkel auf. Der erste und der zweite nicht bewickelte Schenkel sind voneinander beabstandet und der Magnetkern definiert eine Öffnung zwischen dem ersten und dem zweiten nicht bewickelten Schenkel. Die Eingangswicklung verläuft durch die Öffnung zwischen dem ersten und dem zweiten nicht bewickelten Schenkel und ist sowohl um den ersten als auch den zweiten Wicklungsschenkel gewickelt. Die erste Ausgangswicklung ist um den ersten Wicklungsschenkel gewickelt. Die zweite Ausgangswicklung ist um den zweiten Wicklungsschenkel gewickelt.

Description

VERWEISUNG AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Diese Anmeldung beansprucht die Vorteile aus der vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 61/792,574, eingereicht am 15. März 2013, die hiermit in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme aufgenommen ist.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Das Gebiet der Erfindung betrifft allgemein Leistungselektronik, und genauer integrierte magnetische Baugruppen zur Verwendung in Leistungselektronik.
Hochdichte Leistungselektronikschaltungen erfordern häufig die Verwendung mehrerer magnetoelektrischer Komponenten für verschiedene Zwecke, einschließlich Energiespeicherung, Signalisolierung, Signalfilterung, Energieübertragung und Leistungsverzweigung. Da die Nachfrage nach elektrischen Komplementen mit höherer Leistungsdichte wächst, wird auch der Bedarf an einer Integrierung von zwei oder mehr magnetoelektrischen Komponenten, wie Transformatoren und Induktoren, im selben Kern oder derselben Struktur größer.
Jedoch kann es sein, dass in bekannten integrierten magnetischen Baugruppen der Magnetfluss, der von einer Komponente erzeugt wird, nicht zu einem Nettoeffekt von Null auf den Betrieb der anderen Komponente(n) in der integrierten Struktur führt. Infolgedessen kann bzw. können die Effektivität und/oder die Effizienz der integrierten Komponenten herabgesetzt sein.
Außerdem hat zumindest in manchen bekannten integrierten magnetischen Baugruppen ein Streufluss verschiedene nachteilige Wirkungen auf den Betrieb der integrierten magnetischen Baugruppe. Ein Streufluss ist eine Komponente eines Magnetflusses, die vom Weg eines Hauptmagnetflusses abweicht. Der Streufluss verläuft häufig durch andere, nicht-aktive Komponenten in einer elektronischen Schaltung und induziert Wirbelströme in den Wicklungen dieser Komponenten. Dies führt zu erhöhten Leistungsverlusten in den Wicklungen und zu einer verringerten Effizienz. Außerdem verringert der Streufluss die Induktivität von integrierten magnetischen Baugruppen. Wenn solche integrierten magnetischen Baugruppen in Leistungswandlern verwendet werden, erhöht der Streufluss somit die Amplitude eines Welligkeitsstroms, was zu höheren Leistungsverlusten und einer geringen Effizienz führt.
KURZBESCHREIBUNG
In einem Aspekt wird eine integrierte magnetische Baugruppe geschaffen. Die integrierte magnetische Baugruppe weist auf: einen Magnetkern, eine Eingangswicklung, die induktiv mit dem Magnetkern verbunden ist, eine erste Ausgangswicklung, die induktiv mit dem Magnetkern verbunden ist, und eine zweite Ausgangswicklung, die induktiv mit dem Magnetkern verbunden ist. Der Magnetkern weist einen ersten und einen zweiten nicht bewickelten Schenkel und einen ersten und einen zweiten Wicklungsschenkel auf. Der erste und der zweite nicht bewickelte Schenkel sind voneinander beabstandet und der Magnetkern definiert eine Öffnung zwischen dem ersten und dem zweiten nicht bewickelten Schenkel. Die Eingangswicklung verläuft durch die Öffnung zwischen dem ersten und dem zweiten nicht bewickelten Schenkel und ist sowohl um den ersten als auch den zweiten Wicklungsschenkel gewickelt. Die erste Ausgangswicklung ist um den ersten Wicklungsschenkel gewickelt. Die zweite Ausgangswicklung ist um den zweiten Wicklungsschenkel gewickelt.
In einem anderen Aspekt wird ein Verfahren zum Zusammenbauen einer integrierten magnetischen Baugruppe geschaffen. Das Verfahren beinhaltet: Bereitstellen eines Magnetkerns, der einen ersten und und einen zweiten nicht bewickelten Schenkel und einen ersten und einen zweiten Wicklungsschenkel aufweist, wobei der erste und der zweite nicht bewickelte Schenkel voneinander beabstandet sind und der Magnetkern eine Öffnung zwischen dem ersten und dem zweiten nicht bewickelten Schenkel definiert, Bereitstellen einer Eingangswicklung, Bereitstellen einer ersten Ausgangswicklung, Bereitstellen einer zweiten Ausgangswicklung, induktives Verbinden der Eingangswicklung mit dem Magnetkern, so dass die Eingangswicklung durch die Öffnung zwischen dem ersten und dem zweiten nicht bewickelten Schenkel verläuft und um sowohl den ersten als auch den zweiten Wicklungsschenkel gewickelt ist, induktives Verbinden der ersten Ausgangswicklung mit dem Magnetkern, so dass die erste Ausgangswicklung um den ersten Wicklungsschenkel gewickelt ist, und induktives Verbinden der zweiten Ausgangswicklung mit dem Magnetkern, so dass die zweite Ausgangswicklung um den zweiten Wicklungsschenkel gewickelt ist.
In noch einem anderen Aspekt wird ein integrierter Magnetkern geschaffen. Der integrierte Magnetkern weist auf: eine erste Wange, eine zweite Wange, einen ersten und einen zweiten nicht bewickelten Schenkel, die sich zwischen der ersten Wange und der zweite Wange erstrecken, und einen ersten und einen zweiten Wicklungsschenkel, die sich zwischen der ersten Wange und der zweiten Wange erstrecken. Der erste und der zweite nicht bewickelte Schenkel sind voneinander beabstandet, und die erste Wange, die zweite Wange, der erste nicht bewickelte Schenkel und der zweite nicht bewickelte Schenkel definieren eine Öffnung zwischen dem ersten und dem zweiten nicht bewickelten Schenkel.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Darstellung eines Beispiels für einen Leistungswandler, der eine integrierte magnetische Baugruppe aufweist.
2 ist eine Explosionsansicht eines Beispiels für eine integrierte magnetische Baugruppe, die sich zur Verwendung in dem in 1 dargestellten Leistungswandler eignet.
3 ist eine Endansicht des Magnetkerns der in 2 dargestellten integrierten magnetischen Baugruppe.
4 ist eine andere Endansicht des Magnetkerns der in 2 dargestellten integrierten magnetischen Baugruppe.
5 ist eine Seitenansicht des Magnetkerns der in 2 dargestellten integrierten magnetischen Baugruppe.
6 ist eine schematische Darstellung des Leistungswandlers von 1 und zeigt die Ausrichtung von Wicklungen der integrierten magnetischen Baugruppe von 2.
7 ist eine perspektivische Ansicht einer ersten alternativen Ausführungsform einer integrierten magnetischen Baugruppe, die sich zur Verwendung in dem in 1 dargestellten Leistungswandler eignet.
8 ist eine Explosionsansicht der in 7 dargestellten integrierten magnetischen Baugruppe.
9 ist eine Seitenansicht des Magnetkerns der in 7 dargestellten integrierten magnetischen Baugruppe.
10 ist eine perspektivische Ansicht einer zweiten alternativen Ausführungsform einer integrierten magnetischen Baugruppe, die sich zur Verwendung in dem in 1 dargestellten Leistungswandler eignet.
11 ist eine Explosionsansicht der in 10 dargestellten integrierten magnetischen Baugruppe.
12 ist eine Seitenansicht des Magnetkerns der in 10 dargestellten integrierten magnetischen Baugruppe.
13 ist eine Endansicht des Magnetkerns der in 10 dargestellten integrierten magnetischen Baugruppe.
14 ist eine andere Endansicht des Magnetkerns der in 10 dargestellten integrierten magnetischen Baugruppe.
15 ist ein Ablaufschema eines Beispiels für ein Verfahren zum Zusammenbauen einer integrierten magnetischen Baugruppe.
Auch wenn bestimmte Merkmale verschiedener Ausführungsformen in manchen Zeichnungen dargestellt sein können und in anderen nicht, ist dies nur der Zweckmäßigkeit geschuldet. Jedes Merkmal von Zeichnungen kann in Kombination mit jedem Merkmal irgendeiner anderen Zeichnung genannt und/oder beansprucht werden.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Hierin werden Ausführungsbeispiele für integrierte magnetische Baugruppen beschrieben. Eine integrierte magnetische Baugruppe weist auf: einen Magnetkern, eine Eingangswicklung, die induktiv mit dem Magnetkern verbunden ist, eine erste Ausgangswicklung, die induktiv mit dem Magnetkern verbunden ist, und eine zweite Ausgangswicklung, die induktiv mit dem Magnetkern verbunden ist. Der Magnetkern weist einen ersten und einen zweiten nicht bewickelten Schenkel und einen ersten und einen zweiten Wicklungsschenkel auf. Der erste und der zweite nicht bewickelte Schenkel sind voneinander beabstandet und der Magnetkern definiert eine Öffnung zwischen dem ersten und dem zweiten nicht bewickelten Schenkel. Die Eingangswicklung verläuft durch die Öffnung zwischen dem ersten und dem zweiten nicht bewickelten Schenkel und ist sowohl um den ersten als auch den zweiten Wicklungsschenkel gewickelt. Die erste Ausgangswicklung ist um den ersten Wicklungsschenkel gewickelt. Die zweite Ausgangswicklung ist um den zweiten Wicklungsschenkel gewickelt.
1 ist eine schematische Darstellung eines Beispiels für eine elektronische Schaltung in Form eines Leistungswandlers 100, der so gestaltet ist, dass er eine Eingangsspannung V_in in eine Ausgangsspannung V_out umwandelt. Der Leistungswandler 100 weist eine Eingangsseite 102 und eine Ausgangsseite 104 auf, die über eine integrierte magnetische Baugruppe 106 elektrisch miteinander verbunden sind.
Die Eingangsseite 102 weist eine erste Schaltvorrichtung 108, eine zweite Schaltvorrichtung 110, eine dritte Schaltvorrichtung 112 und eine vierte Schaltvorrichtung 114 auf. Wie hierin noch ausführlicher beschrieben wird, sind Anschlussenden einer Eingangswicklung der integrierten magnetischen Baugruppe 106 elektrotechnisch zwischen der ersten Schaltvorrichtung 108 und der zweite Schaltvorrichtung 110 und zwischen der dritten Schaltvorrichtung 112 und der vierten Schaltvorrichtung 114 angeordnet.
Die Ausgangsseite 104 weist eine fünfte Schaltvorrichtung 116 und eine sechste Schaltvorrichtung 118 auf. Wie hierin noch ausführlicher beschrieben ist, sind Anschlussenden der ersten und der zweiten Ausgangswicklung der integrierten magnetischen Baugruppe 106 elektrisch mit der fünften Schaltvorrichtung 116 bzw. der sechsten Schaltvorrichtung 118 verbunden.
Im Betrieb werden die erste Schaltvorrichtung 108 und die vierte Schaltvorrichtung 114 zusammen zwischen geöffneten und geschlossenen Positionen umgeschaltet, und die zweite Schaltvorrichtung 110 und die dritte Schaltvorrichtung 112 werden zusammen zwischen geöffneten und geschlossenen Positionen umgeschaltet, deren Phasen in Bezug auf die erste Schaltvorrichtung 108 und die vierte Schaltvorrichtung 114 entgegengesetzt sind. Ebenso werden die fünfte Schaltvorrichtung 116 und die sechste Schaltvorrichtung 118 zwischen geöffneten und geschlossenen Positionen in entgegengesetzten Phasen umgeschaltet, um die Ausgangsspannung V_out zu produzieren, die zu einem Verbraucher 120 geliefert wird. In dem Ausführungsbeispiel sind Schaltvorrichtungen 108, 110, 112, 114, 116 und 118 als Transistorschalter (genauer als MOSFETs) dargestellt und mit einer oder mehreren (nicht dargestellten) Steuereinheiten verbunden, die so gestaltet sind, dass sie ein pulsbreitenmoduliertes Steuersignal an die Gate-Seite der einzelnen Schaltvorrichtungen 108, 110, 112, 114, 116 und 118 ausgeben, um die Schaltvorrichtungen zwischen offenen und geschlossenen Stellungen umzuschalten.
Obwohl die integrierte magnetische Baugruppe 106 hierin unter Bezugnahme auf einen Leistungswandler 100 beschrieben wird, kann die integrierte magnetische Baugruppe 106 in jeder geeigneten elektrischen Architektur implementiert werden, die es der integrierten magnetischen Baugruppe 106 ermöglicht, zu funktionieren wie hierin beschrieben, einschließlich von beispielsweise Flyback- bzw. Sperrwandlern und Push-Pull- bzw. Gegentaktwandlern.
2 ist eine Explosionsansicht eines Beispiels für eine integrierte magnetische Baugruppe 200, die sich zur Verwendung im Leistungswandler 100 eignet. Die integrierte magnetische Baugruppe 200 weist einen Magnetkern 202, eine Eingangswicklung 204, eine erste Ausgangswicklung 206 und eine zweite Ausgangswicklung 208 auf. Die Eingangswicklung 204, die erste Ausgangswicklung 206 und die zweite Ausgangswicklung 208 sind induktiv mit dem Magnetkern 202 verbunden, so dass mehrere Transformatoren und Induktoren innerhalb der integrierten magnetischen Baugruppe 200 ausgebildet sind.
3 ist eine Endansicht des Magnetkerns 202, 4 ist eine andere Endansicht des Magnetkerns 202 und 5 ist eine Seitenansicht des Magnetkerns 202. Wie in 2–5 dargestellt ist, weist der Magnetkern 202 in dem Ausführungsbeispiel eine allgemein rechteckige Form auf, die sechs Seiten hat. Die sechs Seiten des Magnetkerns 202 beinhalten eine erste Seite 210, eine gegenüber liegende zweite Seite 212, ein erstes und ein zweites Ende, 214 und 216, die einander gegenüber liegen und sich zwischen der erste Seite 210 und der zweiten Seite 212 erstrecken, und eine Oberseite 218 und eine gegenüber liegende Unterseite 220, die sich zwischen der ersten Seite 210 und der zweiten Seite 212 und zwischen dem ersten Ende 214 und dem zweiten Ende 216 erstrecken. In alternativen Ausführungsformen kann der Magnetkern 202 jede geeignete Form und jede geeignete Anzahl von Seiten aufweisen, die es der integrierten magnetischen Baugruppe 200 ermöglichen, zu funktionieren wie hierin beschrieben.
In dem Ausführungsbeispiel weist der Magnetkern 202 auf: eine erste Wange 222, eine zweite Wange 224, einen ersten und einen zweiten nicht bewickelten Schenkel, 226 und 228, die sich zwischen der ersten Wange 222 und der zweiten Wange 224 erstrecken, und einen ersten und einen zweiten Wicklungsschenkel, 230 und 232, die sich zwischen der ersten Wange 222 und der zweiten Wange 224 erstrecken. Wie hierin verwendet, bezeichnet der Begriff „Wicklungsschenkel“ einen Schenkel des Magnetkerns 202, um den eine Eingangswicklung 204 und/oder eine erste Ausgangswicklung 206 und/oder eine zweite Ausgangswicklung 208 gewickelt ist. Wie hierin verwendet, bezeichnet der Begriff „nicht bewickelter Schenkel“ die Schenkel des Magnetkerns 202, die keine Wicklungsschenkel sind.
Wie in 3–5 dargestellt ist, ist in dem Ausführungsbeispiel die erste Wange 222 über erste und zweite nicht bewickelte Schenkel 226 und 228 mit der zweiten Wange 224 verbunden. In anderen geeigneten Ausführungsformen kann die erste Wange 222 über den ersten Wicklungsschenkel 230 und/oder den zweiten Wicklungsschenkel 232 mit der zweiten Wange 224 verbunden sein. Die erste Wange 222 und die zweite Wange 224 weisen jeweils eine Innenfläche 234 bzw. 236 auf, zwischen denen sich die Wicklungsschenkel 230 und 232 und die nicht bewickelten Schenkel 226 und 228 erstrecken. Wenn die integrierte magnetische Baugruppe 200 zusammengebaut ist (in 3–5 dargestellt), sind die Innenflächen 234 und 236 einander zugewandt. In dem Ausführungsbeispiel erstreckt sich jeder Wicklungsschenkel 230 und 232 und jeder nicht bewickelte Schenkel 226 und 228 von der Innenfläche 234 der ersten Wange 222 zur Innenfläche 236 der zweiten Wange 224. In anderen geeigneten Ausführungsformen kann bzw. können sich einer oder mehrere von den Wicklungsschenkeln 230 und 232 und den nicht bewickelten Schenkeln 226 und 228 von der Innenfläche 236 der zweiten Wange 224 zur Innenfläche 234 der ersten Wange 222 erstrecken.
Der erste Wicklungsschenkel 230 und der zweite Wicklungsschenkel 232 sind ausreichend weit voneinander beabstandet, um in dem Zwischenraum ein oder mehrere Segmente der Eingangswicklung 204, der ersten Ausgangswicklung 206 und der zweiten Ausgangswicklung 208 aufnehmen zu können. Ferner ist der erste Wicklungsschenkel 230 ausreichend weit vom ersten nicht bewickelten Schenkel 226 beabstandet, um in dem Zwischenraum ein oder mehrere Segmente der Eingangswicklung 204, der ersten Ausgangswicklung 206 und der zweiten Ausgangswicklung 208 aufnehmen zu können, und der zweite Wicklungsschenkel 232 ist ausreichend weit vom zweiten nicht bewickelten Schenkel 228 beabstandet, um in dem Zwischenraum ein oder mehrere Segmente der Eingangswicklung 204, der ersten Ausgangswicklung 206 und der zweiten Ausgangswicklung 208 aufnehmen zu können.
Ferner sind der erste nicht bewickelte Schenkel 226 und der zweite nicht bewickelte Schenkel 228 voneinander beabstandet, und der Magnetkern 202 definiert eine Öffnung 238 zwischen dem ersten nicht bewickelten Schenkel 226 und dem zweiten nicht bewickelten Schenkel 228. Die Öffnung 238 ist so bemessen, dass sie die Eingangswicklung 204 aufnehmen kann. Anders ausgedrückt weist die integrierte magnetische Baugruppe 200 „geteilte“ nicht bewickelte Schenkel auf, zwischen denen die Eingangswicklung 204 aufgenommen wird. Wie hierin ausführlicher beschrieben wird, kann durch die Gestaltung des ersten nicht bewickelten Schenkels 226, des zweiten nicht bewickelten Schenkels 228 und der Eingangswicklung 204 eine im Vergleich zu bekannten magnetischen Baugruppen kompaktere magnetische Baugruppe erhalten werden, und die Leistungsverluste im Zusammenhang mit einer Magnetflussstörung zwischen verschiedenen Komponenten, die an ein und demselben Magnetkern integriert sind, sind minimiert.
In dem Ausführungsbeispiel wird die Öffnung 238 vom ersten nicht bewickelten Schenkel 226, vom zweiten nicht bewickelten Schenkel 228, von der ersten Wange 222 und von der zweiten Wange 224 definiert. Die Öffnung 238 ist so bemessen, dass sie zumindest die Eingangswicklung 204 aufnimmt, aber in anderen geeigneten Ausführungsformen kann die Öffnung 238 von einer anderen Komponente als dem ersten nicht bewickelten Schenkel 226, dem zweiten nicht bewickelten Schenkel 228, der ersten Wange 222 und der zweiten Wange 224 definiert werden.
In dem Ausführungsbeispiel weist der Magnetkern 202 auch mehrere Abstandhalter auf, die so gestaltet sind, dass sie Lücken im Magnetkern 202 schaffen und dadurch dem Magnetkern 202 eine gewünschte Induktanz und/oder einen gewünschten Sättigungsstrom verleihen. Genauer weist der Magnetkern 202 einen ersten Abstandhalter 240, der zwischen dem ersten Wicklungsschenkel 230 und der zweiten Wange 224 angeordnet ist, und einen zweiten Abstandhalter 242 auf, der zwischen dem zweiten Wicklungsschenkel 232 und der zweiten Wange 224 angeordnet ist. Der erste Abstandhalter 240 ist so gestaltet, dass er eine Lücke 244 zwischen dem ersten Wicklungsschenkel 230 und der zweiten Wange 224 schafft, und der zweite Abstandhalter 242 ist so gestaltet, dass er eine Lücke 246 zwischen dem zweiten Wicklungsschenkel 232 und der zweiten Wange 224 schafft.
In dem Ausführungsbeispiel sind der erste Abstandhalter 240 und der zweite Abstandhalter 242 aus einem Material mit relativ hoher magnetischer Permeabilität, beispielsweise Ferrit, aufgebaut. In alternativen Ausführungsformen können der erste Abstandhalter 240 und/oder der zweite Abstandhalter 242 ein Material mit einer relativ geringen magnetischen Permeabilität oder ein Material mit einem relativ hohen magnetischen Widerstand aufweisen. Dadurch, dass der erste Abstandhalter 240 und der zweite Abstandhalter 242 jeweils mit einer gewünschten magnetischen Permeabilität und/oder einem gewünschten magnetischen Widerstand versehen werden, kann die Induktivität der integrierten magnetischen Baugruppe 200 auf eine gewünschte Höhe eingestellt werden. Außerdem kann durch Variieren der magnetischen Permeabilität über der ersten Lücke 244 und der zweiten Lücke 246 (beispielsweise durch teilweise Auffüllen der ersten und der zweiten Lücke, 244 und 246, mit Material, das einen relativ hohen magnetischen Widerstand aufweist) die Menge an Streufluss, die im Betrieb innerhalb der integrierten magnetischen Baugruppe 200 produziert wird, verringert werden, wodurch die Effektivität und die Effizienz der integrierten magnetischen Baugruppe 200 verbessert werden.
Der Magnetkern 202 kann aus jedem geeigneten Material aufgebaut sein, mit dem die integrierte magnetische Baugruppe 200 funktionieren kann wie hierin beschrieben, einschließlich von Ferrit, Ferritpolymerverbundmaterialien, pulverisiertem Eisen, Sendust, laminierten Kernen, Bandkernen, Siliciumstahl, Nickel-Eisen-Legierungen (z.B. MuMETAL^®), amorphen Metallen und Kombination davon. In dem Ausführungsbeispiel sind die erste Wange 222, der erste nicht bewickelte Schenkel 226, der zweite nicht bewickelte Schenkel 228, der erste Wicklungsschenkel 230 und der zweite Wicklungsschenkel 232 aus einem einzigen Stück magnetischen Materials, beispielsweise Ferrit, gefertigt. Die zweite Wange 224 ist ebenfalls aus einem einzigen Stück magnetischen Materials gefertigt und über die nicht bewickelten Schenkel 226 und 228 mit der ersten Wange 222 verbunden.
Wie oben angegeben, sind die Eingangswicklung 204, die erste Ausgangswicklung 206 und die zweite Ausgangswicklung 208 jeweils induktiv mit dem Magnetkern 202 verbunden. Genauer ist die Eingangswicklung 204 um den ersten Wicklungsschenkel 230 und den zweiten Wicklungsschenkel 232 gewickelt, ist die erste Ausgangswicklung 206 um den ersten Wicklungsschenkel 230 gewickelt und ist die zweite Ausgangswicklung 208 um den zweiten Wicklungsschenkel 232 gewickelt.
Die Eingangswicklung 204, die erste Ausgangswicklung 206 und die zweite Ausgangswicklung 208 können aus jedem geeigneten leitenden Material aufgebaut sein, mit dem die integrierte magnetische Baugruppe 200 funktionieren kann wie hierin beschrieben, was beispielsweise Kupfer einschließt. Die Eingangswicklung 204, die erste Ausgangswicklung 206 und die zweite Ausgangswicklung 208 können aus dem gleichen leitenden Material oder aus verschiedenen leitenden Materialien aufgebaut sein. In dem Ausführungsbeispiel sind die Eingangswicklung 204, die erste Ausgangswicklung 206 und die zweite Ausgangswicklung 208 jeweils aus Kupferblechen aufgebaut und in einer verschränkten Gestaltung zusammengesetzt, so dass die leitenden Bleche der ersten und der zweiten Ausgangswicklung, 206 und 208, zwischen den leitenden Blechen der Eingangswicklung 204 angeordnet sind.
Die Eingangswicklung 204 weist ein erstes Anschlussende 248 und ein zweites Anschlussende 250 auf. Das erste Anschlussende 248 und das zweite Anschlussende 250 sind so gestaltet, dass sie elektrisch mit einer elektronischen Schaltung verbunden sind, beispielsweise mit dem in 1 dargestellten Leistungswandler 100.
Ferner weist die Eingangswicklung 204 hintereinander vom ersten Anschlussende 248 zum zweiten Anschlussende 250 ein erstes Anschlusssegment 252, ein erstes Wicklungssegment 254, ein zweites Wicklungssegment 256 und ein zweites Anschlusssegment 258 auf. Das erste Anschlusssegment 252 verläuft vom ersten Anschlussende 248 durch die Öffnung 238 zwischen dem ersten und dem zweiten nicht bewickelten Schenkel, 226 und 228, zum ersten Wicklungssegment 254. Das erste Wicklungssegment 254 verläuft vom ersten Anschlusssegment 252 um den ersten Wicklungsschenkel 230 zum zweiten Wicklungssegment 256. Das zweite Wicklungssegment 256 verläuft vom ersten Wicklungssegment 254 um den zweiten Wicklungsschenkel 232 zum zweiten Anschlusssegment 258. Das zweite Anschlusssegment 258 verläuft vom zweiten Wicklungssegment 256 durch die Öffnung 238 zwischen dem ersten und dem zweiten nicht bewickelten Schenkel, 226 und 228, zum zweiten Anschlussende 250.
Wie in 2 dargestellt ist, ist das erste Anschlusssegment 252 im Wesentlichen parallel zum zweiten Anschlusssegment 258 ausgerichtet. Darüber hinaus liegen das erste Anschlusssegment 252 und das zweite Anschlusssegment 258 im Wesentlichen auf einer Ebene. Wenn Strom durch die Eingangswicklung 204 fließt, ist die Richtung, in welcher der Strom durch das erste Anschlusssegment 252 fließt, der Richtung des Stroms, der durch das zweite Anschlusssegment 258 fließt, im Wesentlichen entgegengesetzt (d.h. bei 180 Grad ausgerichtet). Die Magnetflüsse, die vom ersten Anschlusssegment 252 und vom zweiten Anschlusssegment 258 erzeugt werden, tilgen einander im Wesentlichen, wodurch innerhalb des Magnetkerns 202 ein Magnetfluss von netto null produziert wird. Durch die Gestaltung des ersten nicht bewickelten Schenkels 226, des zweiten nicht bewickelten Schenkels 228 und der Eingangswicklung 204 kann somit eine im Vergleich zu bekannten magnetischen Baugruppen kompaktere magnetische Baugruppe erhalten werden, und die Leistungsverluste im Zusammenhang mit einer Magnetflussstörung zwischen verschiedenen Komponenten, die an ein und demselben Magnetkern integriert sind, sind minimiert.
6 ist eine schematische Ansicht des Leistungswandlers 100 (1), welche die Ausrichtung der Eingangswicklung 204, der ersten Ausgangswicklung 206 und der zweiten Ausgangswicklung 208 darstellt. Es sind mehrere Ausrichtungen der Eingangswicklung 204, der ersten Ausgangswicklung 206 und der zweiten Ausgangswicklung 208 in Bezug aufeinander und in Bezug auf den Magnetkern 202 möglich. In dem Ausführungsbeispiel sind die Eingangswicklung 204, die erste Ausgangswicklung 206 und die zweite Ausgangswicklung 208 um den ersten und den zweiten Wicklungsschenkel, 230 und 232, gewickelt, so dass mehrere Transformatoren und Induktoren innerhalb der integrierten magnetischen Baugruppe 200 ausgebildet sind. Genauer ist das erste Wicklungssegment 254 der Eingangswicklung 204 in einer ersten Ausrichtung um den ersten Wicklungsschenkel 230 gewickelt, und das zweite Wicklungssegment 256 der Eingangswicklung 204 ist in einer zweiten Ausrichtung, die eine zur ersten Ausrichtung im Wesentlichen entgegengesetzte Polarität aufweist, um den zweiten Wicklungsschenkel 232 gewickelt. Die erste Ausgangswicklung 206 ist in einer dritten Ausrichtung, die eine zu der ersten oder der zweiten Ausrichtung im Wesentlichen entgegengesetzte Polarität aufweist, um den ersten Wicklungsschenkel gewickelt, und die zweite Ausgangswicklung ist in einer vierten Ausrichtung, die eine zur dritten Ausrichtung im Wesentlichen entgegengesetzte Polarität aufweist, um den zweiten Wicklungsschenkel 232 gewickelt. In einer geeigneten alternativen Ausführungsform ist das erste Wicklungssegment 254 der Eingangswicklung 204 in einer ersten Ausrichtung um den ersten Wicklungsschenkel 230 gewickelt, und das zweite Wicklungssegment 256 der Eingangswicklung 204 ist in einer zweiten Ausrichtung, die im Wesentlichen die gleiche Polarität aufweist wie die erste Ausrichtung, um den zweiten Wicklungsschenkel 232 gewickelt. Dadurch, dass das erste und das zweite Wicklungssegment, 254 und 256, Wicklungsausrichtungen mit im Wesentlichen der gleichen Polarität aufweisen, ist die Verkürzung der Eingangswicklung 204 als Ganzes erleichtert, wodurch der Gleichstromwiderstand (DCR) der Eingangswicklung 204 und damit zusammenhängende Leistungsverluste verringert sind.
Wie in 6 dargestellt ist, weist in dem Ausführungsbeispiel das zweite Wicklungssegment 256 zwei Windungen um den ersten Wicklungsschenkel 230 auf, und das zweite Wicklungssegment 256 weist zwei Windungen um den zweiten Wicklungsschenkel 232 auf. Die erste Ausgangswicklung 206 weist mindestens eine Windung um den ersten Wicklungsschenkel 230 auf, und die zweite Ausgangswicklung 208 weist mindestens eine Windung um den zweiten Wicklungsschenkel 232 auf. Jeder von den beiden Transformatoren, die in dem (in 1 dargestellten) Ausführungsbeispiel ausgebildet sind, weist ein Windungsverhältnis von zwei zu eins auf.
7 ist eine perspektivische Ansicht einer ersten alternativen Ausführungsform einer integrierten magnetischen Baugruppe 300, die sich zur Verwendung im Leistungswandler 100 (1) eignet, und 8 ist eine Explosionsansicht der integrierten magnetischen Baugruppe 300.
Wie in 7–8 dargestellt ist, weist die integrierte magnetische Baugruppe 300 einen Magnetkern 302, eine Eingangswicklung 304, eine erste Ausgangswicklung 306 und eine zweite Ausgangswicklung 308 auf. Die Eingangswicklung 304, die erste Ausgangswicklung 306 und die zweite Ausgangswicklung 308 sind induktiv mit dem Magnetkern 302 verbunden, so dass mehrere Transformatoren und Induktoren innerhalb der integrierten magnetischen Baugruppe 300 ausgebildet sind.
Der Magnetkern 302 hat eine allgemein rechteckige Form, die sechs Seiten aufweist. Die sechs Seiten des Magnetkerns 302 beinhalten eine erste Seite 310, eine gegenüber liegende zweite Seite 312, ein erstes und ein zweites Ende, 314 und 316, die einander gegenüber liegen und sich zwischen der erste Seite 310 und der zweiten Seite 312 erstrecken, und eine Oberseite 318 und eine gegenüber liegende Unterseite 320, die sich zwischen der ersten Seite 310 und der zweiten Seite 312 und zwischen dem ersten Ende 314 und dem zweiten Ende 314 erstrecken.
Der Magnetkern 302 weist auf: eine erste Wange 322, eine zweite Wange 324, einen ersten und einen zweiten nicht bewickelten Schenkel, 326 und 328, die sich zwischen der ersten Wange 322 und der zweiten Wange 324 erstrecken, und einen ersten und einen zweiten Wicklungsschenkel, 330 und 332, die sich zwischen der ersten Wange 322 und der zweiten Wange 324 erstrecken. Außerdem weist der Magnetkern 302 einen dritten nicht bewickelten Schenkel 334 auf, der sich zwischen der ersten Wange 322 und der zweiten Wange 324 erstreckt und zwischen dem ersten und dem zweiten nicht bewickelten Schenkel 326 und 328 angeordnet ist.
Die erste Wange 322 ist über den ersten nicht bewickelten Schenkel 326, den zweiten nicht bewickelten Schenkel 328, den dritten nicht bewickelten Schenkel 334, den ersten Wicklungsschenkel 330 und den zweiten Wicklungsschenkel 332 mit der zweiten Wange 324 verbunden. Die erste Wange 322 und die zweite Wange 324 weisen jeweils eine Innenfläche 336 bzw. 338 auf, zwischen denen sich die Wicklungsschenkel 330 und 332 und die nicht bewickelten Schenkel 326, 328 und 334 erstrecken. Wenn die integrierte magnetische Baugruppe 300 zusammengebaut ist (in 7 dargestellt), sind die Innenflächen 336 und 338 einander zugewandt.
In der in 7–8 dargestellten Ausführungsform weisen jeder nicht bewickelte Schenkel 326, 328 und 334 und jeder Wicklungsschenkel 330 und 332 einen unteren Abschnitt, der sich von der ersten Wange 322 nach oben zur zweiten Wange 324 erstreckt, und einen oberen Abschnitt auf, der sich von der zweiten Wange 324 nach unten zur ersten Wange 322 erstreckt. In anderen geeigneten Ausführungsformen weist ein oder weisen mehrere von 326, 328 und 334 und von den Wicklungsschenkeln 330 und 332 einen einzelnen Abschnitt auf, der sich von einer von der ersten Wange 332 oder der zweiten Wange 324 zur jeweils anderen von der ersten Wange 322 oder der zweiten Wange 324 erstreckt (beispielsweise die nicht bewickelten Schenkel 226 und 228, die in 2–6 dargestellt sind.
Der erste Wicklungsschenkel 330 und der zweite Wicklungsschenkel 332 sind ausreichend weit voneinander beabstandet, um in dem Zwischenraum ein oder mehrere Segmente der Eingangswicklung 304, der ersten Ausgangswicklung 306 und der zweiten Ausgangswicklung 308 aufnehmen zu können. Ferner ist der erste Wicklungsschenkel 330 vom ersten nicht bewickelten Schenkel 326 und vom dritten nicht bewickelten Schenkel 334 ausreichend weit beabstandet, um in dem Zwischenraum ein oder mehrere Segmente der Eingangswicklung 304, der ersten Ausgangswicklung 306 und der zweiten Ausgangswicklung 308 aufnehmen zu können. Der zweite Wicklungsschenkel 332 ist vom zweiten nicht bewickelten Schenkel 328 und vom dritten nicht bewickelten Schenkel 334 ausreichend weit beabstandet, um in dem Zwischenraum ein oder mehrere Segmente der Eingangswicklung 304, der ersten Ausgangswicklung 306 und der zweiten Ausgangswicklung 308 aufnehmen zu können.
9 ist eine Seitenansicht des Magnetkerns 302 von der ersten Seite 310 des Magnetkerns 302 her. Wie in 9 dargestellt ist, sind der erste nicht bewickelte Schenkel 326 und der zweite nicht bewickelte Schenkel 328 voneinander beabstandet, und der Magnetkern 302 definiert eine Öffnung 340 zwischen dem ersten nicht bewickelten Schenkel 326 und dem zweiten nicht bewickelten Schenkel 328. Die Öffnung 340 ist so bemessen, dass sie die Eingangswicklung 304 aufnehmen kann. In der in 7–9 dargestellten Ausführungsform wird die Öffnung 340 vom ersten nicht bewickelten Schenkel 326, vom zweiten nicht bewickelten Schenkel 328, von der ersten Wange 322 und von der zweiten Wange 324 definiert. Die Öffnung 340 ist so bemessen, dass sie zumindest die Eingangswicklung 304 aufnimmt, aber in anderen geeigneten Ausführungsformen kann die Öffnung 340 von einer anderen Komponente als dem ersten nicht bewickelten Schenkel 326, dem zweiten nicht bewickelten Schenkel 328, der ersten Wange 322 und der zweiten Wange 324 definiert werden.
Darüber hinaus erstreckt sich der erste nicht bewickelte Schenkel 326 von der ersten Seite 310 des Magnetkerns 320 aus um den ersten Wicklungsschenkel 330 zur zweiten Seite 312 des Magnetkerns 302. Ebenso erstreckt sich der zweite nicht bewickelte Schenkel 328 von der ersten Seite 310 des Magnetkerns 320 aus um den zweiten Wicklungsschenkel 332 zur zweiten Seite 312 des Magnetkerns 302. Der dritte nicht bewickelte Schenkel 334 ist angrenzend an die zweite Seite 312 des Magnetkerns 302 und zwischen dem ersten nicht bewickelten Schenkel 326 und dem zweiten nicht bewickelten Schenkel 328 angeordnet.
Gemeinsam umschließen der erste nicht bewickelte Schenkel 326, der zweite nicht bewickelte Schenkel 328 und der dritte nicht bewickelte Schenkel 334 den ersten Wicklungsschenkel 330 und den zweiten Wicklungsschenkel 332 im Wesentlichen, wodurch der erste Wicklungsschenkel 330 und der zweite Wicklungsschenkel 332 im Magnetkern 302 eingeschlossen werden. Die Gestaltung des Magnetkerns 302 bewirkt einen im Vergleich zum Magnetkern 202 (in 2–6 dargestellt) verkürzten durchschnittlichen Magnetflusspfad durch den Magnetkern 302. Ferner wird im Betrieb ein im Vergleich zum Magnetkern 202 (in 2–6 dargestellt) höherer Prozentanteil des Magnetkerns 302 vom Magnetfluss genutzt. Infolgedessen kann der Magnetkern 302 (und somit die integrierte magnetische Baugruppe 300) im Vergleich zum Magnetkern 202 verkleinert werden, ohne dass sich dies nachteilig auf die Betriebskennwerte der integrierten magnetischen Baugruppe 300 auswirkt.
Der Magnetkern 302 kann aus den gleichen Materialien und auf die gleiche Weise aufgebaut sein wie der oben beschriebene Magnetkern 202.
Die Eingangswicklung 304, die erste Ausgangswicklung 306 und die zweite Ausgangswicklung 308 sind jeweils induktiv mit dem Magnetkern 302 verbunden. Genauer ist die Eingangswicklung 304 um den ersten Wicklungsschenkel 330 und den zweiten Wicklungsschenkel 332 gewickelt, ist die erste Ausgangswicklung 306 um den ersten Wicklungsschenkel 330 gewickelt und ist die zweite Ausgangswicklung 308 um den zweiten Wicklungsschenkel 332 gewickelt.
Die Eingangswicklung 304 weist ein erstes Anschlussende 342 und ein zweites Anschlussende 344 auf. Das erste Anschlussende 342 und das zweite Anschlussende 344 sind so gestaltet, dass sie elektrisch mit einer elektronischen Schaltung verbunden sind, beispielsweise mit dem in 1 dargestellten Leistungswandler 100.
Ferner weist die Eingangswicklung 304 hintereinander vom ersten Anschlussende 342 zum zweiten Anschlussende 344 ein erstes Anschlusssegment 346, ein erstes Wicklungssegment 348, ein zweites Wicklungssegment 350 und ein zweites Anschlusssegment 352 auf. Das erste Anschlusssegment 346 verläuft vom ersten Anschlussende 342 durch die Öffnung 340 zwischen dem ersten und dem zweiten nicht bewickelten Schenkel, 326 und 328, zum ersten Wicklungssegment 348. Das erste Wicklungssegment 348 verläuft vom ersten Anschlusssegment 346 um den ersten Wicklungsschenkel 330 zum zweiten Wicklungssegment 350. Das zweite Wicklungssegment 350 verläuft vom ersten Wicklungssegment 348 um den zweiten Wicklungsschenkel 332 zum zweiten Anschlusssegment 352. Das zweite Anschlusssegment 352 verläuft vom zweiten Wicklungssegment 350 durch die Öffnung 340 zwischen dem ersten und dem zweiten nicht bewickelten Schenkel, 326 und 328, zum zweiten Anschlussende 344.
Ähnlich wie die Eingangswicklung 304 (in 2 dargestellt) ist das erste Anschlusssegment 346 im Wesentlichen parallel zum zweiten Anschlusssegment 352 ausgerichtet, und das erste und das zweite Anschlusssegment, 346 und 352, sind im Wesentlichen planparallel zueinander.
Wie in 8 dargestellt ist, sind die Eingangswicklung 304, die erste Ausgangswicklung 306 und die zweite Ausgangswicklung 308 keine planen Wicklungen. Wie hierin verwendet bezeichnet der Begriff „keine plane Wicklung“ eine Wicklung mit einem Breite-zu-Dicke-Verhältnis von mindestens etwa 0,25. In der dargestellten Ausführungsform weisen die Eingangswicklung 304, die erste Ausgangswicklung 306 und die zweite Ausgangswicklung 308 jeweils einen generell rechteckigen Querschnitt auf. In anderen geeigneten Ausführungsformen kann bzw. können eine oder mehrere von der Eingangswicklung 304, der ersten Ausgangswicklung 306 und der zweiten Ausgangswicklung 308 einen kreisförmigen Querschnitt, einen elliptischen Querschnitt, einen gerundeten Querschnitt oder jede geeignete Kombination davon aufweisen.
Die Eingangswicklung 304, die erste Ausgangswicklung 306 und die zweite Ausgangswicklung 308 weisen jeweils eine im Vergleich zur Eingangswicklung 204, zur ersten Ausgangswicklung 206 und zur zweiten Ausgangswicklung 208 (alle in 2 dargestellt) verringerte Breite auf. Im Vergleich zum ersten und zum zweiten Wicklungsschenkel, 230 und 232, (in 2 dargestellt) ermöglicht die verringerte Breite der Eingangswicklung 304, der ersten Ausgangswicklung 306 und der zweiten Ausgangswicklung 308 eine Positionierung des ersten und des zweiten Wicklungsschenkels, 330 und 332, in größerer Nähe zueinander, wodurch ein kompakterer Aufbau der integrierten magnetischen Baugruppe 300 erleichtert ist.
Die Eingangswicklung 304, die erste Ausgangswicklung 306 und die zweite Ausgangswicklung 308 können auf im Wesentlichen die gleiche Weise wie die Eingangswicklung 204, die erste Ausgangswicklung 206 und die zweite Ausgangswicklung 208, die oben mit Bezug auf 6 beschrieben wurden, um den ersten und den zweiten Wicklungsschenkel, 330 und 332, gewickelt sein.
10 ist eine perspektivische Ansicht einer zweiten alternativen Ausführungsform einer integrierten magnetischen Baugruppe 400, die sich zur Verwendung im Leistungswandler 100 (1) eignet, und 11 ist eine Explosionsansicht der integrierten magnetischen Baugruppe 400.
Wie in 10–11 dargestellt ist, weist die integrierte magnetische Baugruppe 400 einen Magnetkern 402, eine Eingangswicklung 404, eine erste Ausgangswicklung 406 und eine zweite Ausgangswicklung 408 auf. Die Eingangswicklung 404, die erste Ausgangswicklung 406 und die zweite Ausgangswicklung 408 sind induktiv mit dem Magnetkern 402 verbunden, so dass mehrere Transformatoren und Induktoren innerhalb der integrierten magnetischen Baugruppe 400 ausgebildet sind.
Der Magnetkern 402 hat eine allgemein rechteckige Form, die sechs Seiten aufweist. Die sechs Seiten des Magnetkerns 402 beinhalten eine erste Seite 410, eine gegenüber liegende zweite Seite 412, ein erstes und ein zweites Ende, 414 und 416, die einander gegenüber liegen und sich zwischen der erste Seite 410 und der zweiten Seite 412 erstrecken, und eine Oberseite 418 und eine gegenüber liegende Unterseite 420, die sich zwischen der ersten Seite 410 und der zweiten Seite 412 und zwischen dem ersten Ende 414 und dem zweiten Ende 416 erstrecken.
Der Magnetkern 402 weist auf: eine erste Wange 422, eine zweite Wange 424, einen ersten und einen zweiten nicht bewickelten Schenkel, 426 und 428, die sich zwischen der ersten Wange 422 und der zweiten Wange 424 erstrecken, und einen ersten und einen zweiten Wicklungsschenkel, 430 und 432, die sich zwischen der ersten Wange 422 und der zweiten Wange 424 erstrecken. Außerdem weist der Magnetkern 402 einen dritten nicht bewickelten Schenkel 434, einen vierten nicht bewickelten Schenkel 436, einen fünften nicht bewickelten Schenkel 438 und einen sechsten nicht bewickelten Schenkel 440 auf, die sich jeweils zwischen der ersten Wange 422 und der zweiten Wange 424 erstrecken.
Die erste Wange 422 ist über die Wicklungsschenkel 430 und 432 und die nicht bewickelten Schenkel 426, 428, 434, 436, 438 und 440 mit der zweiten Wange 424 verbunden. Die erste Wange 422 und die zweite Wange 424 weisen jeweils eine Innenfläche 442 bzw. 444 auf, zwischen denen sich die Wicklungsschenkel 430 und 432 und die nicht bewickelten Schenkel 426, 428, 434, 436, 438 und 440 erstrecken. Wenn die integrierte magnetische Baugruppe 400 zusammengebaut ist (in 10 dargestellt), sind die Innenflächen 442 und 444 einander zugewandt.
Ferner weist die erste Wange 422 einen erhabenen Abschnitt 446 auf, der sich von der Innenfläche 442 zur zweiten Wange 424 erstreckt. Der erhabene Abschnitt 446 erstreckt sich von der ersten Seite 410 des Magnetkerns 402 zur zweiten Seite 412 und zwischen dem ersten und dem zweiten Wicklungsschenkel, 430 und 432. Die zweite Wange 424 weist ebenfalls einen (nicht dargestellten) erhabenen Abschnitt auf, der dem erhabenen Abschnitt 446 im Wesentlichen gleich ist.
In der in 10–11 dargestellten Ausführungsform weisen jeder nicht bewickelte Schenkel 426, 428, 434, 436, 438 und 440 und jeder Wicklungsschenkel 430 und 432 einen unteren Abschnitt, der sich von der ersten Wange 422 nach oben zur zweiten Wange 424 erstreckt, und einen oberen Abschnitt auf, der sich von der zweiten Wange 424 nach unten zur ersten Wange 422 erstreckt. In anderen geeigneten Ausführungsformen weist ein oder weisen mehrere der nicht bewickelten Schenkel 426, 436, 434, 436, 438 und 440 und der Wicklungsschenkel 430 und 432 einen einzelnen Abschnitt auf, der sich von einer von der ersten Wange 332 oder der zweiten Wange 424 zur jeweils anderen von der ersten Wange 422 oder der zweiten Wange 424 erstreckt (beispielsweise die nicht bewickelten Schenkel 226 und 228, die in 2–6 dargestellt sind.
Der erste Wicklungsschenkel 430 und der zweite Wicklungsschenkel 432 sind ausreichend weit voneinander beabstandet, um in dem Zwischenraum ein oder mehrere Segmente der Eingangswicklung 404, der ersten Ausgangswicklung 406 und der zweiten Ausgangswicklung 408 aufnehmen zu können. Ferner ist der erste Wicklungsschenkel 430 von jedem nicht bewickelten Schenkel 426, 428, 434, 436, 438 und 440 ausreichend weit beabstandet, um in dem Zwischenraum ein oder mehrere Segmente der Eingangswicklung 404, der ersten Ausgangswicklung 406 und der zweiten Ausgangswicklung 408 aufnehmen zu können. Der zweite Wicklungsschenkel 432 ist von jedem nicht bewickelten Schenkel 426, 428, 434, 436, 438 und 440 ausreichend weit beabstandet, um in dem Zwischenraum ein oder mehrere Segmente der Eingangswicklung 404, der ersten Ausgangswicklung 406 und der zweiten Ausgangswicklung 408 aufnehmen zu können.
12 ist eine Seitenansicht des Magnetkerns 402 von der ersten Seite 410 des Magnetkerns 402 her. Wie in 12 dargestellt ist, sind der erste nicht bewickelte Schenkel 426 und der zweite nicht bewickelte Schenkel 428 voneinander beabstandet, und der Magnetkern 402 definiert eine Öffnung 448 zwischen dem ersten nicht bewickelten Schenkel 426 und dem zweiten nicht bewickelten Schenkel 428. Ferner ist der dritte nicht bewickelte Schenkel 434 in der Öffnung 448 und zwischen dem ersten nicht bewickelten Schenkel 426 und dem zweiten nicht bewickelten Schenkel 428 angeordnet. Der dritte nicht bewickelte Schenkel 434 teilt die Öffnung 448 in eine erste Öffnung 450 und eine zweite Öffnung 452. Genauer wird die erste Öffnung 450 vom ersten nicht bewickelten Schenkel 426, vom dritten nicht bewickelten Schenkel 434, von der ersten Wange 422 und von der zweiten Wange 424 definiert. Die zweite Öffnung 452 wird vom zweiten nicht bewickelten Schenkel 428, vom dritten nicht bewickelten Schenkel 434, von der ersten Wange 422 und von der zweiten Wange 424 definiert. Die erste Öffnung 450 und die zweite Öffnung 452 sind jeweils so bemessen, dass sie einen Abschnitt der Eingangswicklung 404 aufnehmen können.
Der vierte nicht bewickelte Schenkel 436, der fünfte nicht bewickelte Schenkel 438 und der sechste nicht bewickelte Schenkel 440 sind jeweils in der Nähe der zweite Seite 412 des Magnekerns 402 angeordnet. Der vierte nicht bewickelte Schenkel 436 und der sechste nicht bewickelte Schenkel 440 sind voneinander beabstandet, und der fünfte nicht bewickelte Schenkel 438 ist zwischen dem vierten nicht bewickelten Schenkel 436 und dem sechsten nicht bewickelten Schenkel 440 angeordnet.
Gemeinsam umschließen die nicht bewickelten Schenkel 426, 428, 434, 436, 438 und 440 den ersten Wicklungsschenkel 430 und den zweiten Wicklungsschenkel 432 im Wesentlichen, wodurch der erste und der zweite Wicklungsschenkel, 430 und 432, im Magnetkern 402 eingeschlossen werden.
13 ist eine Endansicht des Magnetkerns 402 vom ersten Ende 414 des Magnetkerns 402 aus, und 14 ist eine Endansicht des Magnetkerns 402 vom zweiten Ende 416 des Magnetkerns 402 aus. Wie in 13 und 14 dargestellt ist, weist der Magnetkern 402 ferner eine erste Entlüftungsöffnung 451 im ersten Ende 414 und eine zweite Entlüftungsöffnung 456 im zweiten Ende 416 auf. In der dargestellten Ausführungsform wird die erste Entlüftungsöffnung 454 vom ersten nicht bewickelten Schenkel 426, vom vierten nicht bewickelten Schenkel 436, von der ersten Wange 422 und von der zweiten Wange 424 definiert. Die zweite Entlüftungsöffnung 456 wird vom zweiten nicht bewickelten Schenkel 428, vom sechsten nicht bewickelten Schenkel 440, von der ersten Wange 422 und von der zweiten Wange 424 definiert. Die Entlüftungsöffnungen 454 und 456 erleichtern einen Luftstrom durch den Magnetkern 402 und erleichtern somit die Ableitung von Wärme aus dem Inneren der integrierten magnetischen Baugruppe 400.
Der Magnetkern 402 kann aus den gleichen Materialien und auf die gleiche Weise aufgebaut sein wie der oben beschriebene Magnetkern 402.
Die Eingangswicklung 404, die erste Ausgangswicklung 406 und die zweite Ausgangswicklung 408 sind jeweils induktiv mit dem Magnetkern 402 verbunden. Genauer ist die Eingangswicklung 404 um den ersten Wicklungsschenkel 430 und den zweiten Wicklungsschenkel 432 gewickelt, ist die erste Ausgangswicklung 406 um den ersten Wicklungsschenkel 430 gewickelt und ist die zweite Ausgangswicklung 408 um den zweiten Wicklungsschenkel 432 gewickelt.
Die Eingangswicklung 404 weist ein erstes Anschlussende 458 und ein zweites Anschlussende 460 auf. Das erste Anschlussende 458 und das zweite Anschlussende 460 sind so gestaltet, dass sie elektrisch mit einer elektronischen Schaltung verbunden sind, beispielsweise mit dem in 1 dargestellten Leistungswandler 100.
Ferner weist die Eingangswicklung 404 hintereinander vom ersten Anschlussende 458 zum zweiten Anschlussende 460 ein erstes Anschlusssegment 462, ein erstes Wicklungssegment 464, ein zweites Wicklungssegment 466 und ein zweites Anschlusssegment 468 auf. Das erste Anschlusssegment 462 verläuft vom ersten Anschlussende 458 durch die erste Öffnung 450 zwischen dem ersten und dem dritten nicht bewickelten Schenkel, 426 und 434, zum ersten Wicklungssegment 464. Das erste Wicklungssegment 464 verläuft vom ersten Anschlusssegment 462 um den ersten Wicklungsschenkel 430 zum zweiten Wicklungssegment 466. Das zweite Wicklungssegment 466 verläuft vom ersten Wicklungssegment 464 um den zweiten Wicklungsschenkel 432 zum zweiten Anschlusssegment 468. Das zweite Anschlusssegment 468 verläuft vom zweiten Wicklungssegment 466 durch die zweite Öffnung 452 zwischen dem ersten und dem dritten nicht bewickelten Schenkel, 428 und 434 zum zweiten Anschlussende 460.
Ähnlich wie die Eingangswicklung 204 (in 2 dargestellt) ist das erste Anschlusssegment 462 im Wesentlichen parallel zum zweiten Anschlusssegment 468 ausgerichtet, und das erste und das zweite Anschlusssegment, 462 und 468, sind im Wesentlichen planparallel zueinander.
In der in 10–14 dargestellten Ausführungsform werden die erste Ausgangswicklung 406 und die zweite Ausgangswicklung 408 von einer einzigen, einheitlich gestanzten Wicklung gebildet, die einen integrierten Ausgangsstift 470 aufweist. Die erste Ausgangswicklung 406 und die zweite Ausgangswicklung 408 sind über den integrierten Ausgangsstift 470 elektrisch miteinander verbunden. Durch Integrieren der Verbindung zwischen der ersten Ausgangswicklung 406 und der zweiten Ausgangswicklung 408 unter Verwendung des integrierten Ausgangsstifts 470 kann die Anzahl der Lötverbindungen, die nötig sind, um die integrierte magnetische Baugruppe 400 mit einer elektronischen Schaltung (z.B. auf einer gedruckten Leiterplatte (PCB)) elektrisch zu verbinden, im Vergleich zu magnetischen Baugruppen, deren Ausgangswicklungen über PCB-Verbindungen elektrisch verbunden sind, verkleinert werden. Die Gestaltung der ersten Ausgangswicklung 406, der zweiten Ausgangswicklung 408 und des integrierten Ausgangsstifts 470 erleichtert somit die Verringerung von Leistungsverlusten im Zusammenhang mit Lötverbindungen.
Die Eingangswicklung 404, die erste Ausgangswicklung 406 und die zweite Ausgangswicklung 408 können auf im Wesentlichen die gleiche Weise wie die Eingangswicklung 404, die erste Ausgangswicklung 406 und die zweite Ausgangswicklung 408, die oben mit Bezug auf 6 beschrieben wurden, um den ersten und den zweiten Wicklungsschenkel, 430 und 432, gewickelt sein.
15 ist ein Ablaufschema eines Beispielsverfahrens 1500 zum Zusammenbauen der integrierten magnetischen Baugruppe, beispielsweise der in 2 dargestellten integrierten magnetischen Baugruppe 200. Bei 1502 wird ein Magnetkern, beispielsweise der Magnetkern 202, bereitgestellt. Der Magnetkern weist einen ersten und einen zweiten nicht bewickelten Schenkel und einen ersten und einen zweiten Wicklungsschenkel auf. Der erste und der zweite nicht bewickelte Schenkel sind voneinander beabstandet und der Magnetkern definiert eine Öffnung zwischen dem ersten und dem zweiten nicht bewickelten Schenkel. Bei 1504 wird eine Eingangswicklung, beispielsweise die Eingangswicklung 204, bereitgestellt. Bei 1506 wird eine erste Ausgangswicklung, beispielsweise die erste Ausgangswicklung 206, bereitgestellt. Bei 1508 wird eine zweite Ausgangswicklung, beispielsweise die zweite Ausgangswicklung 208, bereitgestellt. Die Eingangswicklung wird induktiv mit dem Magnetkern verbunden 1510, so dass die Eingangswicklung durch die Öffnung zwischen dem ersten und dem zweiten nicht bewickelten Schenkel verläuft und um sowohl den ersten als auch den zweiten Wicklungsschenkel gewickelt wird. Die erste Ausgangswicklung wird induktiv mit dem Magnetkern verbunden, 1512, so dass die erste Ausgangswicklung um den ersten Wicklungsschenkel gewickelt wird. Die zweite Ausgangswicklung wird induktiv mit dem Magnetkern verbunden, 1514, so dass die zweite Ausgangswicklung um den zweiten Wicklungsschenkel gewickelt wird.
Hierin werden Ausführungsbeispiele für integrierte magnetische Baugruppen beschrieben. Eine integrierte magnetische Baugruppe weist auf: einen Magnetkern, eine Eingangswicklung, die induktiv mit dem Magnetkern verbunden ist, eine erste Ausgangswicklung, die induktiv mit dem Magnetkern verbunden ist, und eine zweite Ausgangswicklung, die induktiv mit dem Magnetkern verbunden ist. Der Magnetkern weist einen ersten und einen zweiten nicht bewickelten Schenkel und einen ersten und einen zweiten Wicklungsschenkel auf. Der erste und der zweite nicht bewickelte Schenkel sind voneinander beabstandet und der Magnetkern definiert eine Öffnung zwischen dem ersten und dem zweiten nicht bewickelten Schenkel. Die Eingangswicklung verläuft durch die Öffnung zwischen dem ersten und dem zweiten nicht bewickelten Schenkel und ist sowohl um den ersten als auch den zweiten Wicklungsschenkel gewickelt. Die erste Ausgangswicklung ist um den ersten Wicklungsschenkel gewickelt. Die zweite Ausgangswicklung ist um den zweiten Wicklungsschenkel gewickelt.
Im Vergleich zu zumindest manchen integrierten magnetischen Baugruppen werden in den hierin beschriebenen Systemen und Verfahren im integrierten Magnetkern geteilte Schenkel für sowohl die bewickelten als auch die nicht bewickelten Schenkel und eine primäre Wicklung verwendet, die durch den Kern zwischen den nicht bewickelten Schenkeln verläuft. Durch Verwenden geteilter Schenkel für die bewickelten und nicht bewickelten Schenkel und durch Führen der primären Wicklung durch den Kern zwischen nicht bewickelten Schenkeln wird die integrierte magnetische Baugruppe verkleinert, wodurch die Leistungsdichte erhöht wird und gleichzeitig der netto Magnetfluss am integrierten magnetischen Kern verringert wird.
Die Reihenfolge der Aus- oder Durchführung der Arbeitsschritte in den hierin dargestellten und beschriebenen Ausführungsformen ist nicht wesentlich, solange nichts anderes angegeben ist. Das heißt, die Arbeitsschritte können in einer beliebigen Reihenfolge durchgeführt werden, solange nichts anderes angegeben ist, und Ausführungsformen der Erfindung können mehr oder weniger Arbeitsschritte beinhalten als hierin offenbart. Zum Beispiel soll die Aus- oder Durchführung eines bestimmten Arbeitsschrittes vor, gleichzeitig mit oder nach einem anderen Arbeitsschritt im Bereich der Aspekte der Erfindung liegen.
Auch wenn bestimmte Merkmale verschiedener Ausführungsformen der Erfindung in manchen Zeichnungen dargestellt sein können und in anderen nicht, ist dies nur der Zweckmäßigkeit geschuldet. Gemäß den Grundlagen der Erfindung kann jedes Merkmal einer Zeichnung in Kombination mit jedem Merkmale irgendeiner anderen Zeichnung genannt und/oder beansprucht werden.
Die Beschreibung verwendet Beispiele, die die Erfindung einschließlich der besten Ausführungsweise offenbaren und einen Fachmann in die Lage versetzen sollen, die Erfindung in die Praxis umzusetzen, was die Herstellung und Verwendung von Vorrichtungen oder Systemen und die Durchführung etwaiger enthaltener Verfahren einschließt. Der patentfähige Umfang der Erfindung wird von den Ansprüchen definiert und kann andere Beispiele beinhalten, die einem Fachmann einfallen können. Diese Beispiele sollen im Bereich der Ansprüche eingeschlossen sein, wenn sie strukturelle Elemente aufweisen, die sich vom Wortsinn der Ansprüche nicht unterscheiden, oder wenn sie gleichwertige strukturelle Elemente aufweisen, die sich vom Wortsinn der Ansprüche nur unwesentlich unterscheiden.

Claims

Integrierte magnetische Baugruppe, aufweisend: einen Magnetkern, der umfasst: einen ersten und einen zweiten nicht bewickelten Schenkel, wobei der erste und der zweite nicht bewickelte Schenkel voneinander beabstandet sind, wobei der Magnetkern eine Öffnung zwischen dem ersten und dem zweiten nicht bewickelten Schenkel definiert; und einen ersten und einen zweiten Wicklungsschenkel; eine Eingangswicklung, die induktiv mit dem Magnetkern gekoppelt ist und durch die Öffnung zwischen dem ersten und dem zweiten nicht bewickelten Schenkel verläuft und sowohl um den ersten als auch um den zweiten Wicklungsschenkel gewickelt ist; eine erste Ausgangswicklung, die induktiv mit dem ersten Magnetkern gekoppelt ist, wobei die erste Ausgangswicklung um den ersten Wicklungsschenkel gewickelt ist; und eine zweite Ausgangswicklung, die induktiv mit dem Magnetkern gekoppelt ist, wobei die zweite Ausgangswicklung um den zweiten Wicklungsschenkel gewickelt ist.
Integrierte magnetische Baugruppe nach Anspruch 1, wobei die Eingangswicklung aufweist: ein erstes Anschlusssegment, das sich durch die Öffnung zwischen dem ersten und dem zweiten nicht bewickelten Schenkel erstreckt, ein erstes Wicklungssegment, das um den ersten Wicklungsschenkel gewickelt ist, ein zweites Wicklungssegment, das um den zweiten Wicklungsschenkel gewickelt ist, und ein zweites Anschlusssegment, das sich durch die Öffnung zwischen dem ersten und dem zweiten nicht bewickelten Schenkel erstreckt.
Integrierte magnetische Baugruppe nach Anspruch 2, wobei das erste Anschlusssegment im Wesentlichen planar ist und im Wesentlichen parallel ist zum zweiten Anschlusssegment.
Integrierte magnetische Baugruppe nach Anspruch 2, wobei der Magnetkern ferner einen dritten nicht bewickelten Schenkel umfasst, der zwischen dem ersten und dem zweiten nicht bewickelten Schenkel angeordnet ist, wobei das erste Anschlusssegment zwischen dem ersten nicht bewickelten Schenkel und dem dritten nicht bewickelten Schenkel verläuft, wobei das zweite Anschlusssegment, zwischen dem zweiten nicht bewickelten Schenkel und dem dritten nicht bewickelten Schenkel verläuft.
Integrierte magnetische Baugruppe nach Anspruch 1, wobei die erste Ausgangswicklung und die zweite Ausgangswicklung aus einer einheitlichen Wicklung gebildet sind, wobei diese Wicklung einen integrierten Ausgangsstift aufweist, wobei die erste Ausgangswicklung und die zweite Ausgangswicklung durch den integrierten Ausgangsstift elektrisch miteinander verbunden sind.
Integrierte magnetische Baugruppe nach Anspruch 1, wobei jede von der Eingangswicklung, der ersten Ausgangswicklung, und der zweiten Ausgangswicklung eine nicht-planare Wicklung umfasst.
Integrierte magnetische Baugruppe nach Anspruch 1, wobei der Magnetkern ferner eine erste Wange und eine zweite Wange aufweist, wobei die erste Wange durch zumindest den ersten und den zweiten nicht bewickelten Schenkel mit der zweiten Wange verbunden ist, wobei die Öffnung von der ersten Wange, der zweite Wange, dem ersten nicht bewickelten Schenkel und dem zweiten nicht bewickelten Schenkel definiert wird.
Integrierte magnetische Baugruppe nach Anspruch 1, wobei der Magnetkern ferner eine erste Platte und eine zweite Platte aufweist, wobei die erste Platte durch zumindest den ersten und den zweiten nicht bewickelten Schenkel mit der zweiten Platte gekoppelt ist, wobei die Öffnung von der ersten Platte, der zweite Platte, dem ersten nicht bewickelten Schenkel und dem zweiten nicht bewickelten Schenkel definiert ist.
Integrierte magnetische Baugruppe nach Anspruch 8, wobei der Magnetkern ferner einen erhabenen Abschnitt aufweist, der sich von einer Innenfläche von der ersten oder der zweiten Platte in Richtung auf die andere der ersten oder der zweiten Platte zu erstreckt, wobei sich der erhabene Abschnitt von einer ersten Wange des Magnetkerns in Richtung auf eine gegenüber liegende zweite Wange und zwischen dem ersten und dem zweiten Wicklungsschenkel erstreckt.
Verfahren zum Zusammenbauen einer integrierten magnetischen Baugruppe, wobei das Verfahren aufweist: Bereitstellen eines Magnetkerns, der einen ersten und einen zweiten unbewickelten Schenkel und einen ersten und einen zweiten Wicklungsschenkel aufweist, wobei der erste und der zweite unbewickelte Schenkel voneinander beabstandet sind, und wobei der Magnetkern eine Öffnung zwischen dem ersten und dem zweiten unbewickelten Schenkel definiert; Bereitstellen einer Eingangswicklung; Bereitstellen einer ersten Ausgangswicklung; Bereitstellen einer zweiten Ausgangswicklung; induktives Koppeln der Eingangswicklung mit dem Magnetkern derart, dass sich die Eingangswicklung durch die Öffnung zwischen dem ersten und dem zweiten nicht bewickelten Schenkel erstreckt und um sowohl den ersten als auch den zweiten Wicklungsschenkel gewickelt ist; induktives Koppeln der ersten Ausgangswicklung mit dem Magnetkern derart, dass die erste Ausgangswicklung um den ersten Wicklungsschenkel gewickelt ist; und induktives Koppeln der zweiten Ausgangswicklung mit dem Magnetkern derart, dass die zweite Ausgangswicklung um den zweiten Wicklungsschenkel gewickelt ist.
Verfahren zum Zusammenbauen einer integrierten magnetischen Baugruppe nach Anspruch 10, wobei die Eingangswicklung ein erstes Anschlusssegment, ein erstes Wicklungssegment, ein zweites Wicklungssegment und ein zweites Anschlusssegment aufweist, und wobei das induktive Koppeln der Eingangswicklung mit dem Magnetkern ferner das induktive Koppeln der Eingangswicklung mit dem Magnetkern auf solche Weise umfasst, dass sich das erste Anschlusssegment durch die Öffnung zwischen dem ersten und dem zweiten unbewickelten Schenkel erstreckt, das erste Wicklungssegment um den ersten Wicklungsschenkel gewickelt ist, das zweite Wicklungssegment um den zweiten Wicklungsschenkel gewickelt wird und sich das zweite Anschlusssegment durch die Öffnung zwischen dem ersten und dem zweiten unbewickelten Schenkel erstreckt.
Verfahren zum Zusammenbauen einer integrierten magnetischen Baugruppe nach Anspruch 11, wobei das induktive Koppeln der Eingangswicklung mit dem Magnetkern ferner das induktive Koppeln der Eingangswicklung mit dem Magnetkern auf solche Weise umfasst, dass das erste Anschlusssegment im Wesentlichen planar ist und im Wesentlichen parallel ist zum zweiten Anschlusssegment.
Verfahren zum Zusammenbauen einer integrierten magnetischen Baugruppe nach Anspruch 11, wobei der Magnetkern ferner einen dritten unbewickelten Schenkel aufweist, der in der Öffnung zwischen dem ersten unbewickelten Schenkel und dem zweiten unbewickelten Schenkel angeordnet ist, und wobei das induktive Koppeln der Eingangswicklung mit dem Magnetkern ferner das induktive Koppeln der Eingangswicklung mit dem Magnetkern auf solche Weise aufweist, dass sich das erste Anschlusssegment zwischen den ersten unbewickelten Schenkel und dem dritten unbewickelten Schenkel erstreckt und sich das zweite Anschlusssegment zwischen den zweiten unbewickelten Schenkel und dem dritten unbewickelten Schenkel erstreckt.
Verfahren zum Zusammenbauen einer integrierten magnetischen Baugruppe nach Anspruch 10, wobei der Magnetkern ferner eine erste Platte und eine zweite Platte aufweist, wobei das Verfahren ferner das Verbinden der ersten Platte mit der zweiten Platte mittels des ersten unbewickelten Schenkels und des zweiten unbewickelten Schenkels aufweist.
Magnetkern für eine integrierte magnetische Baugruppe, wobei der Magnetkern umfasst: eine erste Wange; eine zweite Wange; einen ersten und einen zweiten nicht bewickelten Schenkel, die sich zwischen der ersten Wange und der zweiten Wange erstrecken, wobei der erste und der zweite nicht bewickelte Schenkel voneinander beabstandet sind, wobei die erste Wange, die zweite Wange, der erste nicht bewickelte Schenkel und der zweite nicht bewickelte Schenkeleine Öffnung zwischen dem ersten und dem zweiten nicht bewickelten Schenkel definieren; und wobei sich der erste und der zweite nicht bewickelte Schenkel zwischen der ersten Wange und der zweiten Wange erstrecken.
Magnetkern nach Anspruch 15, wobei die erste Wange durch zumindest den ersten und den zweiten nicht bewickelten Schenkel mit der zweiten Wange verbunden ist.
Magnetkern nach Anspruch 15, wobei der erste und der zweite Wicklungsschenkel vom ersten und vom zweiten nicht bewickelten Schenkel zumindest zum Teil in dem Magnetkern eingeschlossen werden.
Magnetkern nach Anspruch 15, wobei der Magnetkern ferner eine erste Wange, eine zweite Wange, ein erstes Ende und ein zweites Ende umfasst, wobei sich das erste und das zweite Ende zwischen der ersten und der zweiten Wange erstrecken, wobei die erste Wange die Öffnung aufweist und wobei sowohl im ersten als auch im zweiten Ende eine Entlüftungsöffnung gebildet ist.
Magnetkern nach Anspruch 15, ferner einen dritten unbewickelten Schenkel aufweisend, der in der Öffnung zwischen dem ersten und dem zweiten unbewickelten Schenkel angeordnet ist, wobei der dritte unbewickelte Schenkel die Öffnung in eine erste Öffnung, die von dem ersten unbewickelten Schenkel, dem dritten unbewickelten Schenkel, der ersten Platte und der zweiten Platte definiert wird, und eine zweite Öffnung, die von dem zweiten unbewickelten Schenkel, dem dritten unbewickelten Schenkel, der ersten Platte und der zweiten Platte definiert wird, unterteilt.
Magnetkern nach Anspruch 15, ferner einen erhabenen Abschnitt umfassend, der sich von einer Innenfläche von der ersten oder der zweiten Platte in Richtung auf die andere von der ersten und der zweiten Platte zu erstreckt, wobei sich der erhabene Abschnitt von einer ersten Wange des Magnetkerns zu einer gegenüber liegenden zweiten Wange und zwischen dem ersten und dem zweiten Wicklungsschenkel erstreckt.