DE19523976A1 - Schaltnetzteil mit einem Transformator aus gedruckten Spulen - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Rücklaufkon­ verter, allgemein einen Transformatortyp mit gedruckten Spulen für Schaltnetzteile, und insbesondere eine Modi­ fikation einer Anordnung, die vorteilhaft in einem/ einer stabilisierten Netzteil bzw. Strom- oder Span­ nungsversorgung mit "indirekter Rückkopplung" verwendet wird, und eine Modifikation einer Anordnung zur Er­ leichterung der Wärmeabfuhr.

Stabilisierte Netzteile mit direkter Rückkopplung, wie sie in der veröffentlichten ungeprüften Patentanmeldung JP-278259/1989, die eine Erfindung der Anmelderin dar­ stellt, beschrieben sind, sind als Schaltnetzteile be­ kannt. Bei einem stabilisierten Netzteil mit direkter Rückkopplung wird die Sekundärausgangsspannung detek­ tiert, durch einen Opto- bzw. Photokoppler oder Puls­ transformator isoliert und an den Primärsteuerkreis rückgekoppelt.

Fig. 1 ist ein Schaltdiagramm eines konventionellen stabilisierten Netzteils mit direkter Rückkopplung, worin eine DC-(Gleichstrom-)Eingangsspannung V_in, ange­ legt an eine Primärwicklung N_p, durch ein Schaltelement Q ein- und ausgeschaltet wird. Um das Rauschen mit cha­ rakteristischen Spitzen infolge des Schaltens zu absor­ bieren, wird in die Eingangsseite der Primärwicklung N_p ein Eingangskondensator C_in eingefügt. Ein durch die Primärwicklung N_p fließender Strom wird mit I_p darge­ stellt, und eine Spannung, die an der Primärwicklung N_p erzeugt wird, wird mit V_p bezeichnet. Ein in einer Se­ kundärwicklung N_s induzierter Schaltstrom I_s wird durch eine Gleichrichterglättungsschaltung, die aus einer Di­ ode D₁ und einem Kondensator C₁ besteht, in einen Gleichstrom gewandelt, der an einer Last R_L für eine Ausgangsspannung V_out sorgt. Ein in einer Hilfswicklung N_B ebenso induzierter Schaltstrom I_B wird durch eine Gleichrichterglättungsschaltung, die aus einer Diode D₂ und einem Kondensator C₂ besteht, in einen Gleichstrom gewandelt, der zur Stromversorgung einer PWM-Regel­ schaltung (PWM = Pulsbreitenmodulation) dient. Ein Pho­ tokoppler PC koppelt ein Signal, das die Ausgangsspan­ nung V_out enthält, an die PWM-Regelschaltung zurück und isoliert die Primär- und Sekundärseite voneinander. Die PWM-Regelschaltung überträgt ein Ein/Aus-Regelsignal an das Schaltelement Q, um die Ausgangsspannung V_out kon­ stant zu halten.

Fig. 2 ist ein Wellenformdiagramm, das die Arbeitsweise der Vorrichtung von Fig. 1 darstellt, wobei (A) eine Primärwicklungsspannung V_p, (B) einen Primärwicklungs­ strom I_p, (C) eine Summe des Sekundärwicklungsstroms I_s und des Hilfswicklungsstroms I_B, (D) einen Hilfswick­ lungsstrom I_B und (E) einen Sekundärwicklungsstrom I_s zeigt. In (D) und (E) entspricht die gestrichelte Linie und die durchgezogene Linie einem stabilisierten Netz­ teil mit direkter Rückkopplung bzw. einem stabilisier­ ten Netzteil mit indirekter Rückkopplung. Wenn das Schaltelement Q ausgeschaltet wird, wird die Primär­ wicklungsspannung V_p der DC-Eingangsspannung V_in gleich, und der Primärwicklungsstrom I_p steigt in einer Drei­ eckswellenform an. Wenn das Schaltelement Q eingeschal­ tet wird, werden die Primärwicklungsspannung V_p und der Primärwicklungsstrom I_p zu Null, so daß die in der Pri­ märwicklung gespeicherte Energie an die Sekundärwick­ lung übertragen wird. Dies bedeutet aber auch, daß der Sekundärwicklungsstrom I_s die gleiche Wellenform be­ sitzt wie der Hilfswicklungsstrom I_B und allmählich re­ duziert wird, während das Schaltelement Q ausgeschaltet ist. Ein derartiges Schaltnetzteil wird als Rücklauf­ konverter bezeichnet.

Das stabilisierte Netzteil mit direkter Rückkopplung, dessen Übertragungsfunktion ein Sekundärsystem ist, weist das Problem auf, daß sein Regelsystem schwierig zu gestalten ist. Stabilisierte Netzteile mit indirek­ ter Rückkopplung, wie sie in der Veröffentlichung der ungeprüften Patentanmeldung 98870/1985, welche eine Er­ findung des Patentinhabers darstellt, beschrieben sind, sind als Einrichtungen bekannt, die das oben beschrie­ bene Problem lösen. Fig. 3 ist ein Schaltdiagramm eines konventionellen stabilisierten Netzteils mit indirekter Rückkopplung, worin die Teile, die die gleiche Funktion ausführen wie in Fig. 1, mit den gleichen Bezeichnungen dargestellt sind. Auf diese Teile wird nun in der Be­ schreibung nicht näher eingegangen. Bei einem konven­ tionellen, stabilisierten Netzteil mit indirekter Rück­ kopplung ersetzt eine in einer Hilfswicklung N_B indu­ zierte Spannung V_B die Ausgangsspannung V_out, die über einen Kanal mit Photokoppler PC an die PWM-Regelschal­ tung rückgekoppelt wird.

Unter nochmaligen Bezug auf Fig. 2 wird die Wirkungs­ weise einer Vorrichtung, wie sie oben beschrieben wur­ de, nachfolgend detailliert erläutert. Obwohl in der Figur die Wellenform, die die Summe des Sekundärwick­ lungsstroms I_s und des Hilfswicklungsstroms I_B zeigt, die gleiche ist wie im Fall eines stabilisierten Netz­ teils mit direkter Rückkopplung, wird der Hilfswick­ lungsstrom I_B durch eine Dreieckswellenform repräsen­ tiert, die zu Beginn eines Zeitraums, während dessen das Schaltelement Q ausgeschaltet ist, ansteigt und dann steil abfällt. Andererseits besitzt der Sekundär­ wicklungsstrom I_s eine Wellenform, die mit abfallendem Hilfswicklungsstrom I_B ansteigt, ein Maximum erreicht, wenn der Hilfswicklungsstrom I_B zu Null wird, und all­ mählich sinkt, während das Schaltelement Q ausgeschal­ tet ist. Da die Hilfswicklung eine geringere Impedanz als die Sekundärwicklung besitzt, wird die im Transfor­ mator gespeicherte Energie, während das Schaltelement Q ausgeschaltet ist, zunächst an die Hilfswicklung und dann an die Sekundärwicklung abgegeben.

Wenn die Sekundärwicklungsausgangsspannung V_out mit Hil­ fe der Hilfswicklungsspannung V_B geregelt wird, steigt die Hilfswicklungsspannung steiler an als die Sekundär­ wicklungsspannung. Dies rührt daher, daß eine Wick­ lungsspannung V als Produkt einer Induktivität L und der Änderungsrate eines Stroms I wie folgt dargestellt werden kann:

V = L(dI/dt) (1).

Wegen dieser Differenzen im Anstiegsverhalten ist der Rücklaufkonverter mit indirekter Rückkopplung, der die Sekundärwicklungsausgangsspannung V_out mit Hilfe der Hilfswicklungsausgangsspannung V_B regelt, beim Regeln der Sekundärwicklungsausgangsspannung weniger genau als der Rücklaufkonverter mit direkter Rückkopplung.

Wie aus der veröffentlichten, ungeprüften Gebrauchsmu­ ster- bzw. Patentanmeldung 8390/1992, die eine Erfin­ dung des Patentinhabers darstellt, bekannt ist, besit­ zen Rücklaufkonverter mit indirekter Rückkopplung und großer Kapazität einen derartigen Aufbau, daß die Wärme an ein Kühlelement oder eine Vorrichtung mit Kühlplätt­ chen übertragen wird. Bei Schaltnetzteilanwendungen für Leistungen von etwa 100 W wurden jedoch nur die Transi­ storen und Dioden zum Schalten als wärmeerzeugende Elektronikbauteile betrachtet, während die Trans­ formatoren wegen ihrer großen Abmessungen als natürlich wärmeableitend galten.

Fig. 4 ist eine Seitenansicht eines konventionellen, montierten Schaltnetzteils, wobei die Wärmeableitungs­ kanäle durch Pfeile angedeutet sind. In der Figur ist eine Montagegrundlage 40, die aus einer flachen Platte aus Isoliermaterial, z. B. Epoxyharz, gebildet ist, auf einer oder beiden Seiten mit einem Verdrahtungsgebilde 42 versehen, das aus einem Leitermaterial, z. B. Kupfer, besteht. Ein wärmeerzeugendes Elektronikteil 50, wie etwa eine Leistungsdiode oder ein Leistungstransistor, ist auf der Montagegrundlage 40 befestigt. Eine Wärme­ senke 60, befestigt auf der Montagegrundlage 40, steht in thermischem Kontakt mit dem Elektronikteil 50, um Wärme abzuführen. Ein Transformator 13, der übliche Wicklungen besitzt, ist auf der Montagegrundlage 40 be­ festigt. Der Transformator 13 hat eine derartige Struk­ tur, daß ein Kern 131 in das Zentralloch eines Spulen­ trägers 132, um den eine Wicklung 133 gewickelt ist, zur Verbesserung der magnetischen Kopplung eingefügt ist. Die Wicklung 133 ist an eine Klemme 134 ange­ schlossen, die in ein Durchgangsloch in der Montage­ grundlage 40 eingelötet ist.

Fig. 5 ist ein Schaltdiagramm der Vorrichtung von Fig. 4, wobei die Wärmeableitungskanäle wie in Fig. 4 durch Pfeile angedeutet sind. In der Figur ist eine DC-Span­ nung von einem Eingangsnetzteil V_in über einen Ein­ gangskondensator C_in an eine Primärwicklung n1 eines Transformators T angelegt. Wenn ein Schalttransistor T_r, der an die Primärwicklung n1 angeschlossen ist, ei­ nen durch die Primärwicklung n1 fließenden Strom ein- und ausschaltet, wird in einer Sekundärwicklung n2 des Transformators T ein Schaltsignal induziert, das durch eine Diode D und weiter durch einen Kondensator C_out gleichgerichtet wird, um für eine Last R_L eine Aus­ gangsspannung V_out zu liefern. Ein Regelsignal für den Transistor T_r kann nun von der Art wie bei der oben be­ schriebenen indirekten oder direkten Rückkopplung sein. Gegebenenfalls ist eine Hilfswicklung an die Primär­ wicklung n1 oder die Sekundärwicklung n2 des Transfor­ mators 13 installiert.

Fig. 6 ist ein Ersatzschaltdiagramm für die Wärmeablei­ tungskanäle einer konventionellen Vorrichtung. Die Schaltung umfaßt einen Schalttransistor Q_TR, einen Transformator Q_T und eine Diode Q_D als wärmeerzeugende Elemente, die im wesentlichen voneinander getrennt sind. Der Transformator T zeigt eine Wärmeerzeugung in der Wicklung 133. Die erzeugte Wärme wird hauptsächlich auf zwei Arten abgeführt, nämlich durch Konvektion von der Transformatoroberfläche und durch Wärmeübertragung über die Klemme 134. Wegen des hohen thermischen Wider­ stands ist die Menge der abgeleiteten Wärme durch Wär­ meübertragung gegenüber der durch Konvektion vernach­ lässigbar. Der thermische Widerstand ist insbesondere infolge der Isolation und der Luft zwischen den Wick­ lungsheizteilen und der Klemme 134 sehr hoch. Darüber hinaus hat die aus einem zinnbeschichteten Eisendraht bestehende Klemme 134 selbst einen relativ hohen ther­ mischen Widerstand. Wenn beispielsweise für den Kern 43 das in JIS spezifizierte EER25.5 verwendet wird, be­ trägt der thermische Widerstand etwa 70°C/W.

Andererseits, wenn der Transformator T nur durch Kon­ vektion gekühlt wird, muß dessen Volumen um das 2,8- fache vergrößert werden, wenn sich der Wärmeverlust verdoppelt (vgl. Seite 280 in "Thermal Designs of Electronic Devices"). Dementsprechend wird die Trans­ formatorgröße mit steigendem Leistungsverbrauch erhöht.

Wenn die Wärme durch Konvektion abgeleitet wird, vari­ iert der thermische Widerstand mit dem Layout bzw. der Anordnung der Teile rund um den Transformator. Das heißt, der thermische Widerstand eines Teils, das einem starken Luftstrom ausgesetzt ist, ist reduziert, wäh­ rend der eines Teils, das im Windschatten eines großen Elektronikbauelements liegt, erhöht ist. Die Selbst­ kühlleistungsfähigkeit eines Transformators variiert stark mit der Anordnung der Teile beim Netzteilschal­ tungsdesign, weshalb das Netzteilschaltungsdesign und das thermische Design nicht voneinander getrennt werden können, und die Designfrage damit komplex wird.

Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines Rücklaufkonverters mit indirekter Rückkopplung, der im Vergleich mit einem Rücklaufkonverter mit direkter Rückkopplung bezüglich der Regelbarkeit der Sekundär­ ausgangsspannung günstig abschneidet, und dessen Trans­ formator mit gedruckten Spulen und hoher Selbstkühllei­ stungsfähigkeit so montiert ist, daß das thermische De­ sign unabhängig vom Bauteile-Layout sein kann.

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung einen Rücklaufkonverter gemäß den unabhängigen Patentansprü­ chen vor.

Um diese Aufgabe zu lösen, wird also ein Rücklaufkon­ verter bzw. -umrichter gemäß der vorliegenden Erfindung bereitgestellt, der so aufgebaut ist, daß ein Schaltsi­ gnal, das in einer Sekundärwicklung N_s induziert wird, wenn eine an eine Primärwicklung N_p angelegte Gleich­ spannung V_in durch ein Schaltelement Q ein- und ausge­ schaltet wird, durch Gleichrichten geglättet und in ei­ ne Last R_L eingespeist wird, und daß eine Ausgangsspan­ nung V_out mit Hilfe eines in einer Hilfswicklung N_B in­ duzierten Schaltsignals zur Übermittlung eines Regelsi­ gnals an das Schaltelement zum Zwecke der Stabilisie­ rung der Ausgangsspannung detektiert wird, wobei der Rücklaufkonverter bzw. -umrichter dadurch gekennzeich­ net ist, daß die Primär-, Sekundär- und Hilfswicklungen auf jeder Spulenformationsoberfläche einer Spulenkunst­ stoffolie oder eines Spulenlaminats ausgebildet sind, daß Wicklungsleitermuster bzw. -gebilde annähernd gleichförmig als Primär- und Sekundärwicklungen zwi­ schen einem Kernloch in der Spulenformationsoberfläche, das sich im Zentrum der Muster bzw. Gebilde befindet, und dem Rand der Spulenformationsoberfläche ausgebildet sind, und daß ein Wicklungsleitermuster als Hilfswick­ lung eher in der Peripherie der Spulenformationsober­ fläche als in der Nähe des Kernlochs ausgebildet ist.

Da das als Hilfswicklung dienende Wicklungsleitermuster nicht in der Nähe des Kernlochs vorgesehen ist, d. h. es befindet sich kein Leitermuster in einem Bereich in der Nähe des Kernlochs, wo die magnetische Verkettungsfluß­ dichte höher ist als am Rand der Spulenformationsober­ fläche, hat die Hilfswicklung mit dem Kern eine lose magnetische Kopplung. Damit wird die Impedanz der Hilfswicklungsseite genauso hoch wie die der Sekundär­ wicklungsseite, so daß selbst ein mit einer Ausgangs­ spannung indirekt rückgekoppelter stabilisierter Kreis einen Rücklaufkonverter mit hoher Regelbarkeit gewähr­ leistet.

Darüber hinaus wird erfindungsgemäß ein Transformator bereitgestellt, bei dem Schaltsignale, die in der Se­ kundärwicklung N_s induziert werden, wenn die an die Primärwicklung N_p angelegte Gleichung V_in durch das Schaltelement Tr ein- und ausgeschaltet wird, durch Gleichrichtung geglättet und an die Last R_L angelegt sind, der dadurch gekennzeichnet ist, daß ein isolie­ rendes Harz verwendet wird, um die Innenlagenmuster zu schichten, die jeweils den Primär- und Sekundärwicklun­ gen zugeordnet sind, und daß eine Spulenkunststoffolie mit Kontaktstiften aus einem Material auf Kupferbasis, die mit beiden Enden der Primär- und Sekundärwicklungen verbunden sind, eine Wärmesenke, die an die AC-Masse des Schaltnetzteils angeschlossen und mit dem Schalt­ element und einer sekundärseitigen Gleichrichterschal­ tung verbunden ist, und ein Drahtgebilde, durch das Wärme von den Kontaktstiften der gedruckten Spulen zur Wärmesenke übertragen wird, auf einer Montagegrundlage 40 vorgesehen sind, auf der das Schaltnetzteil montiert ist.

Für den Transformator (Transformator mit gedruckten Spulen) wird eine Spulenkunststoffolie zusammen mit ei­ nem isolierenden Harz zur Isolation der Primär- und Se­ kundärwicklungen verwendet, so daß die Transformator­ größe gegenüber der bei üblicher Luftisolation redu­ ziert werden kann. Durch die Wärmesenke, die thermisch mit dem Transformator mit gedruckten Spulen verbunden ist, wird die Wärme über die Kontaktstifte und das Drahtgebilde besser abgeleitet. Damit wird die Wärme­ übertragung gegenüber der Konvektion bei der Wärmeab­ leitung dominant, so daß das Bauelemente-Layout auf die thermische Gestaltung einen geringeren Einfluß hat.

In den beigefügten Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 ein Schaltdiagramm eines konventionel­ len, stabilisierten Netzteils mit di­ rekter Rückkopplung;

Fig. 2 ein Wellenformdiagramm zur Wirkungswei­ se der Vorrichtung von Fig. 1;

Fig. 3 ein Schaltdiagramm eines konventionel­ len, stabilisierten Netzteils mit indi­ rekter Rückkopplung;

Fig. 4 eine Seitenansicht eines konventionel­ len, montierten Schaltnetzteils;

Fig. 5 ein Schaltdiagramm der Vorrichtung von Fig. 4;

Fig. 6 ein Ersatzschaltdiagramm der Wärmeab­ leitkanäle einer konventionellen Vor­ richtung;

Fig. 7 eine Querschnittsansicht eines Trans­ formators einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 8 eine Draufsicht einer flachen Hilfs­ wicklungsspuleneinrichtung 23;

Fig. 9 eine Querschnittsansicht eines Trans­ formators, der für den Vergleich mit der vorliegenden Erfindung benutzt wird;

Fig. 10 eine Draufsicht einer flachen Hilfs­ wicklungsspuleneinrichtung 23 im Trans­ formator von Fig. 9;

Fig. 11 eine Lastregulationskennlinie, die die Beziehung zwischen einem Laststrom I_out und einer Ausgangsspannung V_out dar­ stellt;

Fig. 12 eine Leitungsregulationskennlinie, die die Beziehung zwischen einer Eingangs­ spannung V_in und der Ausgangsspannung V_out darstellt;

Fig. 13 eine Querschnittsansicht eines Trans­ formators einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 14 eine Seitenansicht eines montierten Schaltnetzteils einer dritten Ausfüh­ rungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 15 eine Draufsicht einer flachen Hilfs­ wicklungsspuleneinrichtung 23;

Fig. 16 ein Ersatzschaltdiagramm der Wärmeab­ leitkanäle der Vorrichtung von Fig. 14;

Fig. 17 eine perspektivische Ansicht einer vierten Ausführungsform der vorliegen­ den Erfindung;

Fig. 18 ein Schaltdiagramm der Vorrichtung von Fig. 17;

Fig. 19 eine perspektivische Ansicht einer fünften Ausführungsform der vorliegen­ den Erfindung; und

Fig. 20 ein Schaltdiagramm der Vorrichtung von Fig. 19.

Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die Zeichnungen näher beschrieben. Fig. 7 ist eine Querschnittsansicht eines Transformators einer Ausführungsform der vorlie­ genden Erfindung, wobei ein Kern 10 vom EE-Typ in sei­ ner Mitte einen Zentralkern 11 besitzt. Ein an den Zen­ tralkern 11 des Kerns 10 angrenzender Zentralspalt 12 reduziert die Streuinduktivität. Eine Spulenkunststoffolie 20 bzw. ein Spulenlaminat, eine Zusammensetzung eines konventionellen Spulenkörpers und eines Drahtes, dessen spezifische Struktur in der JP-Patentanmeldung Nr. 128531/1994 der Anmelderin beschrieben ist, wird auch als Transformator mit gedruckten Spulen bezeich­ net. Nach Fig. 7 besitzt das Spulenlaminat 20 eine Dreischichtstruktur wonach eine flache Primärwick­ lungsspuleneinrichtung 21, eine flache Sekundärwick­ lungsspuleneinrichtung 22 und eine flache Hilfswick­ lungsspuleneinrichtung 23 einer oberen Schicht, einer Zwischenschicht bzw. einer unteren Schicht zugeordnet sind. Im Schaltdiagramm von Fig. 3 entsprechen die fla­ che Primärwicklungsspuleneinrichtung 21, die flache Se­ kundärwicklungsspuleneinrichtung 22 und die flache Hilfswicklungsspuleneinrichtung 23 den Symbolen N_p, N_s bzw. N_B. Die Bahnen des magnetischen Flusses 30 werden durch eine Vielzahl von geschlossenen Schleifen mit dem Zentrum im Zentralspalt repräsentiert, wobei die magne­ tische Verkettungsflußdichte in der Nähe des Zentral­ kerns 11 hoch und abgelegen vom Zentralkern 11 niedrig ist.

Fig. 8 ist eine Draufsicht einer flachen Hilfswick­ lungsspuleneinrichtung 23. Eine Spulenformationsober­ fläche 231 ist ein Rechteck mit einer Breite W und ei­ ner Höhe H. Der Durchmesser eines Kernlochs 232 im Zen­ trum der Spulenformationsoberfläche 231 ist größer als der Außendurchmesser des Zentralkerns 11. Ein Leiterge­ bilde bzw. -muster 233 ist als Wicklung um das im Zen­ trum des Musters befindliche Kernloch 232 ausgebildet, wobei zwei Wicklungen eher am Rand der Spulenformati­ onsoberfläche als in der Nähe des Kernlochs 232 ausge­ bildet sind. Vorausgesetzt, daß das Krümmungszentrum der Wicklungen mit dem Zentrum des Kernlochs 232 über­ einstimmt, können die Beziehungen zwischen dem Krüm­ mungsradius der äußeren Wicklung, dem Krümmungsradius der inneren Wicklung und dem Mittelpunkt zwischen dem Randbereich der Spulenformationsoberfläche 231 und dem Kernloch 232, (W + D)/4, wie folgt ausgedrückt werden:

D/2 < (W + D)/4 R2 < R1 < W/2 (2)

wobei R1 dem Krümmungsradius der äußeren Wicklung und R2 dem Krümmungsradius der inneren Wicklung entspricht.

Eine Hilfswicklungsklemme 234 ist mit einem Ende des Leitergebildes 233 auf der Spulenformationsoberfläche 231, auf der das Leitergebilde 233 aufgebracht ist, verbunden. Eine Hilfswicklungsklemme 235 ist über ein Verbindungsgebilde 236 mit dem anderen Ende des Lei­ tungsgebildes 233 verbunden. Da das Verbindungsgebilde 236 das Leitergebilde 233 ohne Kurzschluß kreuzen muß, wird das Verbindungsgebilde auf einer anderen Spulen­ formationsoberfläche aufgebracht oder isoliert vom Lei­ tergebilde 233 in Form einer Schaltbrücke auf der Spu­ lenformationsoberfläche 231 aufgebracht.

Auf den flachen Primär- und Sekundärwicklungsspulenein­ richtungen 21 und 22, deren Draufsichten nicht gezeigt sind, werden Leitergebilde in Form von Wicklungen mit nahezu gleichförmigen Abständen zwischen dem Kernloch und dem Rand der Spulenformationsoberfläche aufge­ bracht. Gemäß der Querschnittsansicht von Fig. 7 be­ sitzt die flache Primärwicklungsspuleneinrichtung 21 und die flache Sekundärwicklungsspuleneinrichtung 22 sechs bzw. zwei Wicklungen, da das Wicklungsverhältnis so eingestellt ist, daß es mit dem Verhältnis der Ein­ gangsspannung V_in zur Ausgangsspannung V_out überein­ stimmt.

Nachfolgend wird die Wirkungsweise der oben beschriebe­ nen Vorrichtung dargelegt. Da der Kernspalt als Zen­ tralspalt 12 in einem Netzteiltransformator für Rück­ flußkonverter ausgebildet ist, steigt die magnetische Verkettungsflußdichte bei Annäherung an den Zentralkern 11 an. Die magnetische Kopplung zwischen dem Leiterge­ bilde 233 und dem Kern wird deshalb mit Annäherung an das Kernloch 232 stärker. Bei der flachen Hilfswick­ lungsspuleneinrichtung 23 befindet sich das Leiterge­ bilde 233 am Rand der Spulenformationsoberfläche 231, wodurch die magnetische Verkettungsflußdichte geringer wird als für den Fall, daß das Leitergebilde 233 in die Nähe des Kernlochs 232 gebracht wird. Die Impedanz der Hilfswicklungsseite steigt augenscheinlich an und nä­ hert sich der der Sekundärwicklungsseite. Damit glei­ chen sich die in Fig. 2 gezeigten Wellenformen des Se­ kundärwicklungsstroms I_s und des Hilfswicklungsstroms I_B aneinander an, so daß die Regelbarkeit der Sekundär­ wicklungsausgangsspannung besser ist als zuvor.

Nachfolgend wird der Effekt beschrieben, der sich zeigt, wenn die flache Hilfswicklungsspuleneinrichtung 23 in die Nähe der flachen Sekundärwicklungsspulenein­ richtung 22 gebracht wird. Die Verkettung des magneti­ schen Flusses mit einer Spule verursacht, daß die im Kern 10 gespeicherte Energie an die Spule übertragen wird, wenn das Schaltelement Q ausgeschaltet ist. Wenn die flache Hilfswicklungsspuleneinrichtung 23 in einer hinreichenden Entfernung von der flachen Sekundärwick­ lungsspuleneinrichtung 22 angebracht wird, ergibt sich nur eine Magnetflußverkettung mit der Hilfswicklung. Dies verhindert, daß das Sekundärwicklungsausgangs­ signal im Hilfswicklungsausgangssignal widergespiegelt wird, was zu reduzierter indirekter Regelbarkeit führt. Andererseits, wenn die flache Hilfswicklungsspulenein­ richtung 23 und die flache Sekundärwicklungsspulenein­ richtung 22 nahe beieinander angeordnet sind, steigt die indirekte Regelbarkeit nur wegen der geringen ma­ gnetischen Flußverkettung mit der Hilfswicklung an.

Die Ausführungsform von Fig. 7 wird mit einem Transfor­ mator mit einer flachen Hilfswicklungsspuleneinrichtung verglichen, bei der die Leitergebilde gleichmäßig auf der Spulenformationsoberfläche 231 angeordnet sind, um die Wirkungsweise dieser Ausführungsform zu beschrei­ ben.

Fig. 9 ist eine Querschnittsansicht eines Transforma­ tors, der mit der vorliegenden Erfindung verglichen wird, und Fig. 10 ist eine Draufsicht einer flachen Hilfswicklungsspuleneinrichtung 23 im Transformator von Fig. 9.

Ein Leitergebilde 233 wird als Wicklung um ein im Zen­ trum des Leitergebildes 233 gebildetes Kernloch 232 ge­ bildet, wobei zwei Wicklungen so gewickelt sind, daß das Leitergebilde 233 gleichförmig zwischen der unmit­ telbaren Nähe zum Kernloch 232 und dem Rand verteilt ist. Vorausgesetzt, daß das Krümmungszentrum der Wick­ lungen mit dem Zentrum 0 des Kernlochs 232 überein­ stimmt, lassen sich die Beziehungen zwischen dem Krüm­ mungsradius der äußeren Wicklung und dem Krümmungsradi­ us der inneren Wicklung folgendermaßen ausdrücken:

D/2 < R4 (W + D)/4 < R3 < W/2 (3)

wobei R3 dem Krümmungsradius der äußeren Wicklung und R4 dem Krümmungsradius der inneren Wicklung entspricht.

Fig. 11 ist eine Lastregulationskennlinie, die die Be­ ziehung zwischen einem Laststrom I_out und einer Aus­ gangsspannung V_out zeigt, wobei die gefüllten Quadrate (∎) Daten der Ausführungsform von Fig. 7 bezeichnen und leere Quadrate () Daten eines Vergleichsbeispiels nach Fig. 9 sind. Die Einstellungen sind so erfolgt, daß die Ausgangsspannung V_out ihren Nennwert dann ein­ nimmt, wenn der Laststrom I_out 100% seines Nennwerts darstellt. Wenn der Laststrom I_out geringer als sein Nenn- oder Sollwert ist, d. h. die Last relativ gering ist, steigt die Ausgangsspannung V_out über ihren Nenn- oder Sollwert. Die Differenz zwischen der Ausgangsspan­ nung V_out und ihrem Sollwert ist bei der Ausführungsform von Fig. 7 um 30% geringer als beim Vergleichsbeispiel von Fig. 9. Wenn der Laststrom I_out 20% seines Soll­ werts beträgt, liegt die Ausgangsspannung V_out für das Vergleichsbeispiel bei 107% ihres Sollwerts, während sie bei der Ausführungsform von Fig. 7 bei 105% ihres Sollwerts liegt.

Fig. 12 ist eine Leitungsregulations- bzw. Übertra­ gungskennlinie, die die Beziehung zwischen einer Eingangsspannung V_in und einer Ausgangsspannung V_out zeigt, wobei die gefüllten Quadrate (∎) Daten der Ausführungsform von Fig. 7 darstellen, und die leeren Quadrate () den Daten des Vergleichsbeispiels von Fig. 9 entsprechen. Die Einstellungen sind so erfolgt, daß die Ausgangsspannung V_out etwa 101% beträgt, wenn die Eingangsspannung V_in 100% ihres Sollwerts ent­ spricht. Wenn die Eingangsspannung V_in höher ist als ihr Sollwert, steigt die Ausgangsspannung V_out über ih­ ren Sollwert. Die Differenz zwischen der Ausgangsspan­ nung V_out und ihrem Sollwert ist bei der Ausführungsform von Fig. 7 um 50% kleiner als beim Vergleichsbeispiel von Fig. 9. Wenn beispielsweise die Eingangsspannung V_in 300 V beträgt, liegt die Ausgangsspannung V_out für das Vergleichsbeispiel bei 103,5% ihres Sollwerts, während sie bei der Ausführungsform von Fig. 7 bei 102,0% ihres Sollwerts liegt.

Fig. 13 ist eine Querschnittsansicht eines Transforma­ tors einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Er­ findung, wobei als Kern 10 ein Kern vom EI-Typ verwen­ det wird. Damit befindet sich der Zentralspalt 12 un­ terhalb des Zentralkerns 11. In der Ausführungsform hat das Spulenlaminat 20 eine Fünfschichtstruktur, die fla­ che Hilfswicklungsspuleneinrichtung 23 ist in der drit­ ten Schicht enthalten, und flache Sekundärwicklungsspu­ leneinrichtungen 22 sind in der zweiten und vierten Schicht vorgesehen, zwischen die die dritte Schicht eingelagert ist. Flache Primärwicklungsspuleneinrich­ tungen 21 sind als erste und fünfte Schicht bzw. als äußerste Schichten vorgesehen und verleihen dem Trans­ formator eine hochgradig symmetrische Sandwich-Struk­ tur. Wenn zwei flache Sekundärwicklungsspuleneinrich­ tungen 22 in ebenso vielen Schichten vorgesehen sind, wobei jede von diesen beiden als separate Sekundärwick­ lung behandelt wird, kann der Transformator als Dop­ pelausgangsnetzteil und darüber hinaus bei Parallel- oder Serienschaltung der zwei flachen Sekundärwick­ lungsspuleneinrichtungen als Einzelausgangswicklung verwendet werden.

Wie oben erwähnt, ist gemäß der ersten und zweiten Aus­ führungsform das Leitergebilde, das als Hilfswicklung dient, nur im Randbereich abgelegen vom Kernloch vorge­ sehen, und der magnetische Verkettungsfluß ist im Rand­ bereich geringer als in der Nähe des Kerns, womit die magnetische Kopplung zwischen der Hilfswicklung und dem Kern gering ist. Folglich ist die Impedanz der Hilfs­ wicklungsseite um den Betrag der der Sekundärwicklungs­ seite erhöht, so daß selbst eine Ausgangsspannung sta­ bilisierende Schaltung mit indirekter Rückkopplung die Regelbarkeit des Rückflußkonverters verbessert.

Fig. 14 ist eine Seitenansicht eines montierten Schalt­ netzteils gemäß einer dritten Ausführungsform der vor­ liegenden Erfindung, wobei die Teile, die die gleiche Funktion ausführen wie in Fig. 4, mit den gleichen Be­ zugszeichen gekennzeichnet sind und auf eine entspre­ chende Beschreibung verzichtet ist. Ein Spulenlaminat 20, eine Komposition aus einem konventionellen Spulen­ körper und einem Leiterdraht, ist im wesentlichen das gleiche wie das Spulenlaminat von Fig. 7. Ein Kern 10 ist in das Zentrum des Spulenlaminats eingefügt, und Innenschichtgebilde 236 sind mit Hilfe eines isolieren­ den Harzes aufeinandergeschichtet. Die Stärke der Fest­ körperisolation gewährleistet die radiale und axiale Isolation der Primär- und Sekundärwicklungen mit dem Kern 10 im Zentrum. Die dielektrische Festigkeit der Festkörperisolation (10 kV/mm) ist etwa 10 mal so hoch wie die von Luft (1 kV/mm). Damit kann die Dicke bzw. Stärke der Isolationsschicht gemäß der vorliegenden Er­ findung auf 1/10 der konventionellen Luftisolations­ schicht reduziert werden. Jedes innere Schichtgebilde 236 ist der Primär- und Sekundärwicklung zugeordnet, und gegebenenfalls wird zur Primär- und Sekundärwick­ lung eine Hilfswicklung hinzugefügt.

Ein an beide Enden der Primär- und Sekundärwicklung ei­ nes Transformators angeschlossener Stiftkontakt 24 ist aus einem Material auf Kupferbasis hergestellt, um des­ sen thermischen Widerstand zu reduzieren. Da der Stift­ kontakt 24 nicht an einer Wicklung befestigt ist, ge­ nügt ein Stiftkontakt 24 mit einer geringen Biegestei­ figkeit. Die thermische Leitfähigkeit von Materialien auf Kupferbasis ist mehr als 10 mal so hoch als die von üblichen zinnbeschichteten Eisendrähten. Die durch eine Transformatorwicklung erzeugte Wärme wird über den Stiftkontakt 24 problemlos an ein Drahtgebilde 42 abge­ leitet. Das auf der Montagegrundlage 40 gebildete Drahtgebilde 42 ist zur Reduktion seines elektrischen Widerstands aus einem Material auf Kupferbasis herge­ stellt. Eine Fixierklemme 62 zur Befestigung einer Wär­ mesenke 60 an die Montagegrundlage 40 ist mit dem Drahtgebilde 42 verbunden.

Fig. 15 ist ein Schaltdiagramm der Vorrichtung von Fig. 14, wobei die Teile, die die gleiche Funktion ausführen wie in Fig. 5, mit den gleichen Bezugszeichen gekenn­ zeichnet sind und auf eine Beschreibung dieser Teile verzichtet ist. Die AC- bzw. Wechselstrommasse der Pri­ mär- und Sekundärwicklung eines Transformators 14 ist jeweils mit einem Dreieck (V) symbolisiert. Die Wärme­ senke 60 ist an die AC-Masse angeschlossen. Damit kann ein Rauschen infolge der schwebenden Kapazität zwischen der Wärmesenke 60 und den umgebenden Bauteilen redu­ ziert werden.

Fig. 16 ist ein Ersatzschaltdiagramm der Wärmeablei­ tungskanäle der Vorrichtung von Fig. 14. Der Transfor­ mator mit gedruckten Spulen ist gegenüber konventionel­ len Transformatoren stark verkleinert, so daß seine Kühlleistungsfähigkeit durch Konvektion entsprechend seiner Oberflächenreduktion verschlechtert ist. Zur Wärmeleitung ist ein thermischer Widerstand R236 zwi­ schen einem Wicklungsheizungsteil und dem Stiftkontakt 24, ein thermischer Widerstand R24 zwischen dem Stift­ kontakt 24 und dem Drahtgebilde 42, ein thermischer Wi­ derstand R42 zwischen dem Drahtgebilde 42 und der Fi­ xierklemme 62 und ein thermischer Widerstand R60 der Wärmesenke 60 eingeführt. Der thermische Widerstand R236 beträgt etwa 10°C/W. Da der thermische Widerstand R24 für einen Kontakt mit 1,0 mm Durchmesser und 5 mm Länge 10°C/W beträgt, ist der thermische Widerstand R24 für fünf Stiftkontakte 24 mit etwa 2°C/W hinreichend gering. Daher kann für die Summe des thermischen Wider­ stands R236 und des thermischen Widerstands R24 zwi­ schen dem Wicklungsheizungsteil und dem Wicklungsgebil­ de 42 etwa 6°C/W eingesetzt werden. Dieser Wert ent­ spricht etwa 1/10 des entsprechenden thermischen Wider­ stands einer konventionellen Ausführungsform. Anderer­ seits können der thermische Widerstand 42 und der ther­ mische Widerstand 60 abhängig von der Gestaltung hin­ reichend reduziert werden, so daß eine angemessene Kühlleistungsfähigkeit durch Leitung gewährleistet ist.

Fig. 17 ist eine perspektivische Ansicht einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und Fig. 18 ist ein Schaltdiagramm der Vorrichtung von Fig. 17. Ei­ ne Wärmesenke 60 ist gemeinsam für die Primär- und Se­ kundärseite eines Schaltnetzteils vorgesehen. Die Wär­ meableitfähigkeit bei einer solchen Anordnung ist höher als bei einer separaten Wärmesenke 60 jeweils für die Primär- und die Sekundärseite des Schaltnetzteils.

Fig. 19 ist eine perspektivische Ansicht einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und Fig. 20 ist ein Schaltdiagramm der Vorrichtung von Fig. 19. Da nur eine einzige Wärmesenke 60 für ein Elektronikbau­ teil 50 eine ungenügende Kühlleistungsfähigkeit be­ sitzt, ist eine zusätzliche Wärmesenke 64 vorgesehen. Die zusätzliche Wärmesenke 64 ist thermisch mit einem Drahtgebilde 42 verbunden und unterstützt die Wärmeab­ leitung beim Transformator. Das Drahtgebilde 42 wird als AC-Masse verwendet.

Wie bereits erwähnt ist bei den Ausführungsformen 3 bis 5 der Wärmeableitwiderstand zwischen dem Wicklungshei­ zungsteil und dem Stiftkontakt 24 unter Verwendung ei­ nes Transformators mit gedruckten Spulen reduziert, um die durch die Primär- und Sekundärwicklungen des Trans­ formators erzeugte Wärme abzuleiten, womit insbesondere dann Kühlung durch Leitung gewährleistet wird, wenn die Wärmeableitungsfähigkeit durch Konvektion infolge einer Verkleinerung des Transformators niedrig ist. Da sich ein aufheizender Transformator darüber hinaus im we­ sentlichen durch Leitung zur Wärmesenke 60 abkühlt, kann die thermische Gestaltung unabhängig vom Elektro­ nikbauteil-Layout erfolgen.

Claims (7)

1. Rücklaufkonverter bzw. -umrichter mit einem Trans­ formator aus gedruckten Spulen, bei dem:

• - ein Schaltsignal, das in einer Sekundärwicklung (N_s) induziert ist, wenn eine an eine Primärwick­ lung (N_p) angelegte Gleichspannung (V_in) durch ein Schaltelement (Q) ein- und ausgeschaltet wird, durch Gleichrichten geglättet und in eine Last (R_L) eingespeist ist, und
• - eine Ausgangsspannung (V_out) mit Hilfe eines in einer Hilfswicklung (N_B) induzierten Schaltsi­ gnals zur Übertragung eines Regelsignals an das Schaltelement (Q) zum Zwecke der Stabilisierung der Ausgangsspannung detektiert ist, wobei:
• - die Primär-, Sekundär- und Hilfswicklungen auf jeder Spulenformationsoberfläche eines Spulenla­ minats (20) gebildet sind, Windungsleitergebilde größtenteils gleichförmig als Primär- und Sekun­ därwicklungen zwischen einem auf der Spulenforma­ tionsoberfläche gelegenen Kernloch im Zentrum der Gebilde und dem Rand der Spulenformationsoberflä­ che ausgebildet sind, und ein Windungsleiterge­ bilde als Hilfswicklung eher am Rand als in der Nähe des Kernlochs ausgebildet ist, und
• - ein EE- oder EI-förmiger Kern mit einem Zentral­ spalt (12) mit seinem Zentralkern in das Kernloch eingefügt oder ein Kern mit geschlossenem magne­ tischen Kreis an das Spulenlaminat (20) angebracht ist.

2. Rücklaufkonverter mit einem Transformator aus ge­ druckten Spulen nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Spulenlaminat (20) eine flache Primärwicklungsspuleneinrichtung (21), auf der die Primärwicklung ausgebildet ist, eine flache Sekun­ därwicklungsspuleneinrichtung (22), auf der die Se­ kundärwicklung ausgebildet ist, und eine flache Hilfswicklungsspuleneinrichtung (23), auf der die Hilfswicklung ausgebildet ist, besitzt, wobei die flachen Primär-, Sekundär- und Hilfswicklungsspu­ leneinrichtungen in dieser Reihenfolge geschichtet sind.

3. Rücklaufkonverter mit einem Transformator aus ge­ druckten Spulen nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Spulenlaminat zwei flache Primär­ wicklungsspuleneinrichtungen (21), auf denen je­ weils eine Primärwicklung ausgebildet ist, zwei flache Sekundärwicklungsspuleneinrichtungen (22), auf denen jeweils Sekundärwicklungen ausgebildet sind, und eine flache Hilfswicklungsspuleneinrich­ tung (23), auf der eine Hilfswicklung ausgebildet ist, wobei die flache Hilfswicklungsspuleneinrich­ tung als Zwischenschicht zwischen die flachen Se­ kundärwicklungsspuleneinrichtungen eingeschichtet ist, die wiederum zwischen die zwei flachen Primär­ wicklungsspuleneinrichtungen eingeschichtet sind.

4. Rücklaufkonverter bzw. -umrichter mit einem Trans­ formator aus gedruckten Spulen, bei dem:

• - ein Schaltsignal, das in einer Sekundärwicklung (N_s) induziert ist, wenn eine an eine Primärwick­ lung (N_p) angelegte Gleichspannung (V_in) durch ein Schaltelement (Q) ein- und ausgeschaltet wird, durch Gleichrichtung geglättet und in eine Last (R_L) eingespeist ist, und
• - eine Ausgangsspannung (V_out) mit Hilfe eines in einer Hilfswicklung (N_B) induzierten Schaltsi­ gnals zur Übertragung eines Regelsignals an das Schaltelement zum Zwecke der Stabilisierung der Ausgangsspannung detektiert ist, wobei:
• - ein EE- oder EI-förmiger Kern mit einem Zentral­ spalt (12) mit seinem Zentralkern in das Kernloch eingefügt oder ein Kern mit geschlossenem magne­ tischen Kreis an das Kernlaminat (20) angebracht ist, die Primär-, Sekundär- und Hilfswicklungen auf jeder Spulenformationsoberfläche des Spulen­ laminats ausgebildet sind, Windungsleitergebilde größtenteils gleichförmig als Primär- und Sekun­ därwicklungen zwischen einem auf der Spulenforma­ tionsoberfläche gelegenem Kernloch im Zentrum der Gebilde und dem Rand der Spulenformationsoberflä­ che ausgebildet sind, und ein Windungsleiterge­ bilde als Hilfswicklung in einem Bereich, mit Ausnahme eines Bereichs mit hoher magnetischer Verkettungsflußdichte in der Nähe des Zentral­ spalts, ausgebildet ist.

5. Rücklaufkonverter mit einem Transformator aus ge­ druckten Spulen für Schaltnetzteile, wobei der Transformator mit gedruckten Spulen

• - durch Gleichrichtung ein Schaltsignal glättet, das in einer Sekundärwicklung (N_s) induziert ist, wenn eine an eine Primärwicklung (N_p) angelegte Gleichspannung (V_in) durch ein Schaltelement (Tr) ein- und ausgeschaltet wird, und das Schaltsignal in eine Last (R_L) einspeist, und
• - ein Spulenlaminat (20) mit Stiftkontakten (24) aus einem Material auf Kupferbasis, die an beide Enden der Primär- und Sekundärwicklungen ange­ schlossen sind, aufweist, wobei
• - innere Schichtgebilde (236), die mit Hilfe eines isolierenden Harzes geschichtet sind, jeweils den Primär- und Sekundärwicklungen zugeordnet sind, eine Wärmesenke (60), die mit der AC-Masse des Schaltnetzteils verbunden und an das Schaltele­ ment und eine Sekundärseitengleichrichterschal­ tung angebracht ist, und ein Wicklungsgebilde (42), das die Wärme von den Stiftkontakten der gedruckten Spulen zur Wärmesenke überträgt, auf eine Montagegrundlage (40) montiert sind.

6. Rücklaufkonverter mit einem Transformator aus ge­ druckten Spulen nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Wärmesenke sowohl dem Schaltele­ ment als auch der Sekundärseitengleichrichterschal­ tung zugeordnet ist.

7. Rücklaufkonverter mit einem Transformator aus ge­ druckten Spulen nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine zusätzliche Wärmesenke (64) ne­ ben der Wärmesenke installiert und diese zusätzli­ che Wärmesenke mit der Schaltnetzteil-AC-Masse ver­ bunden ist.