DE19523976A1 - Schaltnetzteil mit einem Transformator aus gedruckten Spulen - Google Patents
Schaltnetzteil mit einem Transformator aus gedruckten SpulenInfo
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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 Vin, ange
legt an eine Primärwicklung Np, 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 Np
ein Eingangskondensator Cin eingefügt. Ein durch die
Primärwicklung Np fließender Strom wird mit Ip darge
stellt, und eine Spannung, die an der Primärwicklung Np
erzeugt wird, wird mit Vp bezeichnet. Ein in einer Se
kundärwicklung Ns induzierter Schaltstrom Is wird durch
eine Gleichrichterglättungsschaltung, die aus einer Di
ode D₁ und einem Kondensator C₁ besteht, in einen
Gleichstrom gewandelt, der an einer Last RL für eine
Ausgangsspannung Vout sorgt. Ein in einer Hilfswicklung
NB ebenso induzierter Schaltstrom IB 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 Vout 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 Vout kon
stant zu halten.
Fig. 2 ist ein Wellenformdiagramm, das die Arbeitsweise
der Vorrichtung von Fig. 1 darstellt, wobei (A) eine
Primärwicklungsspannung Vp, (B) einen Primärwicklungs
strom Ip, (C) eine Summe des Sekundärwicklungsstroms Is
und des Hilfswicklungsstroms IB, (D) einen Hilfswick
lungsstrom IB und (E) einen Sekundärwicklungsstrom Is
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 Vp der DC-Eingangsspannung Vin gleich,
und der Primärwicklungsstrom Ip steigt in einer Drei
eckswellenform an. Wenn das Schaltelement Q eingeschal
tet wird, werden die Primärwicklungsspannung Vp und der
Primärwicklungsstrom Ip zu Null, so daß die in der Pri
märwicklung gespeicherte Energie an die Sekundärwick
lung übertragen wird. Dies bedeutet aber auch, daß der
Sekundärwicklungsstrom Is die gleiche Wellenform be
sitzt wie der Hilfswicklungsstrom IB 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 NB indu
zierte Spannung VB die Ausgangsspannung Vout, 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 Is und des Hilfswicklungsstroms IB zeigt,
die gleiche ist wie im Fall eines stabilisierten Netz
teils mit direkter Rückkopplung, wird der Hilfswick
lungsstrom IB 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 Is eine Wellenform, die mit abfallendem
Hilfswicklungsstrom IB ansteigt, ein Maximum erreicht,
wenn der Hilfswicklungsstrom IB 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 Vout mit Hil
fe der Hilfswicklungsspannung VB 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 Vout mit Hilfe der
Hilfswicklungsausgangsspannung VB 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 Vin über einen Ein
gangskondensator Cin an eine Primärwicklung n1 eines
Transformators T angelegt. Wenn ein Schalttransistor
Tr, 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 Cout
gleichgerichtet wird, um für eine Last RL eine Aus
gangsspannung Vout zu liefern. Ein Regelsignal für den
Transistor Tr 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 QTR, einen
Transformator QT und eine Diode QD 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 Ns induziert wird,
wenn eine an eine Primärwicklung Np angelegte Gleich
spannung Vin durch ein Schaltelement Q ein- und ausge
schaltet wird, durch Gleichrichten geglättet und in ei
ne Last RL eingespeist wird, und daß eine Ausgangsspan
nung Vout mit Hilfe eines in einer Hilfswicklung NB 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 Ns induziert werden, wenn die an die
Primärwicklung Np angelegte Gleichung Vin durch das
Schaltelement Tr ein- und ausgeschaltet wird, durch
Gleichrichtung geglättet und an die Last RL 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 Iout
und einer Ausgangsspannung Vout dar
stellt;
Fig. 12 eine Leitungsregulationskennlinie, die
die Beziehung zwischen einer Eingangs
spannung Vin und der Ausgangsspannung
Vout 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 Np, Ns
bzw. NB. 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 Vin zur Ausgangsspannung Vout 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 Is und des Hilfswicklungsstroms
IB 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 Iout und einer Aus
gangsspannung Vout 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 Vout ihren Nennwert dann ein
nimmt, wenn der Laststrom Iout 100% seines Nennwerts
darstellt. Wenn der Laststrom Iout geringer als sein
Nenn- oder Sollwert ist, d. h. die Last relativ gering
ist, steigt die Ausgangsspannung Vout über ihren Nenn-
oder Sollwert. Die Differenz zwischen der Ausgangsspan
nung Vout und ihrem Sollwert ist bei der Ausführungsform
von Fig. 7 um 30% geringer als beim Vergleichsbeispiel
von Fig. 9. Wenn der Laststrom Iout 20% seines Soll
werts beträgt, liegt die Ausgangsspannung Vout 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 Vin und einer Ausgangsspannung Vout
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 Vout etwa 101% beträgt, wenn
die Eingangsspannung Vin 100% ihres Sollwerts ent
spricht. Wenn die Eingangsspannung Vin höher ist als
ihr Sollwert, steigt die Ausgangsspannung Vout über ih
ren Sollwert. Die Differenz zwischen der Ausgangsspan
nung Vout und ihrem Sollwert ist bei der Ausführungsform
von Fig. 7 um 50% kleiner als beim Vergleichsbeispiel
von Fig. 9. Wenn beispielsweise die Eingangsspannung
Vin 300 V beträgt, liegt die Ausgangsspannung Vout 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 (Ns) induziert ist, wenn eine an eine Primärwick lung (Np) angelegte Gleichspannung (Vin) durch ein Schaltelement (Q) ein- und ausgeschaltet wird, durch Gleichrichten geglättet und in eine Last (RL) eingespeist ist, und
- - eine Ausgangsspannung (Vout) mit Hilfe eines in einer Hilfswicklung (NB) 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 (Ns) induziert ist, wenn eine an eine Primärwick lung (Np) angelegte Gleichspannung (Vin) durch ein Schaltelement (Q) ein- und ausgeschaltet wird, durch Gleichrichtung geglättet und in eine Last (RL) eingespeist ist, und
- - eine Ausgangsspannung (Vout) mit Hilfe eines in einer Hilfswicklung (NB) 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 (Ns) induziert ist, wenn eine an eine Primärwicklung (Np) angelegte Gleichspannung (Vin) durch ein Schaltelement (Tr) ein- und ausgeschaltet wird, und das Schaltsignal in eine Last (RL) 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.
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