DE19834615A1 - Transformator - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung gibt einen kompakten, planaren Transformator an, der einen Kern, Wicklungen, die als Leiterbahnen (L) auf Trägerschichten (F) angeordnet sind, und ein Kammersystem, das die Trägerschichten (F) mit den Wicklungen aufnimmt, aufweist. Zur Kontaktierung der Leiterbahnen (L) sind an Wänden (PK) des Kammersystems Stege (S) mit metallisierten Nuten (N) angeordnet. Das Kammersystem und die Stege können insbesondere nach dem Zweischuß-MID-Verfahren mit selektiver Metallisierung hergestellt werden. Die Nuten (N) sind beispielsweise kerbförmige oder trogförmige Vertiefungen, in die die Trägerschichten (F) einrasten und hierdurch gehalten werden. Der elektrische Kontakt durch die Nuten kann zusätzlich durch einen Lötpastenauftrag (LP) mit nachfolgender Verlötung unterstützt werden. DOLLAR A Durch die seitlichen Kontaktierungen werden Durchkontaktierungen bei den Trägerschichten (f) vermieden, so daß diese wesentlich kostengünstiger hergestellt werden können. Durch das Kammersystem können die Öffnungen eines Kerns, beispielsweise eines E/E oder E/I-Kernes, wesentlich besser ausgenutzt werden, wenn der Transformator eine ausreichende Isolationsfestigkeit, wie beispielsweise bei einer Netztrennung gefordert, erfüllen muß. Anwendungen ergeben sich insbesondere für Schaltnetzteile mit hohen Schaltfrequenzen, beispielsweise für Resonanzkonverter mit Schaltfrequenzen von über 100 kHz.
Description
Die Erfindung geht aus von einem Transformator mit einem
Kern und mit Wicklungen, die in Form von Leiterbahnen auf
Trägerschichten, insbesondere Folien oder Leiterplatten,
angeordnet sind. Transformatoren dieser Art finden
Verwendung beispielsweise in Schaltnetzteilen mit sehr hohen
Schaltfrequenzen, insbesondere bei Schaltfrequenzen über 100
kHz, wodurch die Abmessungen des Transformators sehr kompakt
gehalten werden können.
Bei einer Verkleinerung des Transformators muß auf eine
ausreichende Isolierung zwischen der Primärseite und der
Sekundärseite geachtet werden, wenn der Transformator nicht
vergossen werden soll. Dies ist insbesondere wichtig für
Schaltnetzteile mit Netztrennung, für die
Sicherheitsvorschriften eine Kriechstrecke für elektrische
Oberflächenströme zwischen Sekundärseite und Primärseite von
mindestens 6 mm verlangen, die für den gesamten
Transformator eingehalten werden muß. Bei gegebenen
Abmessungen des Transformatorkerns wird hierdurch das
verfügbare Nutzvolumen für die Wicklung eingeschränkt. Die
Sicherheitsvorschriften führen somit zu größeren
Bauelementen und höheren Verlustleistungen durch erhöhten
ohmschen Widerstand sowie zu einer schlechteren magnetischen
Kopplung.
Werden beidseitig beschichtete Trägerschichten verwendet, so
sind Durchkontaktierungen notwendig, die auf der Oberseite
und der Unterseite der Trägerschicht angeordnete
Leiterbahnen verbinden. Zudem müssen Leiterbahnen von
mehreren Trägerschichten miteinander verbunden werden, da
auf einer Seite einer Trägerschicht nur eine oder wenige
Leiterbahnen angeordnet sind und für eine
Transformatorwicklung eine vorgegebene Windungszahl erreicht
werden muß. Dies verteuert diesen Transformator jedoch
erheblich und erschwert eine automatische Fertigung.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, einen
Transformator der eingangs genannten Art anzugeben, der
kostengünstige elektrische Kontaktierungen bei sehr
kompakten Abmessungen aufweist.
Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebenen
Merkmale der Erfindung gelöst. Varteilhafte Weiterbildungen
der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Der Transformator nach der Erfindung enthält ein
Kammersystem, das die Wicklungen aufnimmt. Dieses trennt die
Primärwicklung von einer oder mehreren Sekundärwicklungen,
so daß lange Kriechstrecken zwischen diesen entstehen.
Hierdurch kann insbesondere die volle Breite der
Trägerschichten im Bereich der Öffnungen des Kerns genutzt
werden, so daß entweder die Breite der Leiterbahnen oder
ihre Anzahl erhöht werden bzw. der Transformator verkleinert
werden kann.
Zur Kontaktierung der Leiterbahnen weist das Kammersystem
Stege mit metallisierten Nuten auf, die Verbindungen
zwischen Leiterbahnen herstellen, die auf der Ober- und der
Unterseite einer beidseitig beschichteten Trägerschicht
angeordnet sind oder zwischen Leiterbahnen zweier
benachbarter Trägerschichten. Hierdurch können insbesondere
Durchkontaktierungen von Trägerschichten vermieden werden.
Eine Nut umfaßt hierbei gewissermaßen wie eine Klammer die
Kante einer beidseitig beschichteten Trägerschicht und
verbindet hierdurch zwei Leiterbahnen, bei denen
beispielsweise jeweils ein Ende bis zu dieser Kante
herangeführt ist.
Die Stege des Kammersystems und die metallisierten Nuten
können nach dem Zweischuß-MID ("Moulded Interconnect
Devices")-Verfahren zusammen mit den Kammerteilen
hergestellt werden. Durch das MID-Verfahren, ein Kunststoff-
Spritzgieß-Verfahren, können filigrane Strukturen aus
Thermoplasten zusammen mit metallischen Leiterbahnen
hergestellt werden, durch die herkömmliche Leiterplatten
ersetzt werden können. Die Stege werden hierbei selektiv
metallisiert für die Herstellung der Nuten.
Für einen niedrigeren Übergangswiderstand können die
metallisierten Nuten zusätzlich galvanisch verstärkt werden.
Unterstützend kann ein Latpastenauftrag mit nachgeschaltetem
Lötvorgang vorgesehen werden. Die Kontaktierungen werden auf
zwei oder mehrere Stege verteilt, um einen Zwischenraum mit
einem ausreichenden Isolationsabstand zwischen zwei Nuten zu
gewährleisten. Bei dem Zweischuß-MID-Verfahren kann
beispielsweise bei dem ersten Schuß eine Aktivierung mittels
Paladium-Keimen verwendet werden, die die Haftung einer
nachträglich aufgebrachten Kupferschicht verbessert.
Für die Trägerschichten kann insbesondere eine LCP ("Liquid
Crystal Polymer")-Struktur verwendet werden, auf die z. B.
mit dem Futuron-Verfahren Leiterbahnen aufgebracht werden
können. Hierdurch können Leiterbahndicken mit 35 µm oder 70
µm Kupfer für eine höhere Strombelastung hergestellt werden,
also Leiterbahndicken, die mit dem "Hot Stamping"-Verfahren
nicht erzeugt werden können. Die LCP-Folie ist sehr
temperaturbeständig, so daß Lötverfahren, beispielsweise das
Reflow-Verfahren, für das Kammersystem mit den darin
angeordneten Trägerschichten verwendet werden kann.
Im folgenden wird die Erfindung beispielhaft anhand von
schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1a, 1b ein planarer Transformator mit einem Kern und
mit in einem Kammersystem angeordneten Wicklungen,
Fig. 2 Kontaktierungen von Leiterbahnen mittels
tragförmiger Nuten,
Fig. 3a ein Kammerteil mit Stegen zur Kontaktierung,
Fig. 3b eine seitliche Ansicht des Kammerteils der Fig. 3a
in einem Schnitt und
Fig. 4 eine Kupferstruktur zur Galvanisierung von Nuten
auf einem Kammerteil.
In der Fig. 1a ist in einer Schnittzeichnung ein
Transformator mit einem Kern, bestehend aus zwei Kernteilen
K1, K2 in Form eines E/E-Kerns, und ein Kammersystem mit
zwei Kammerteilen P1 und P2 dargestellt. In dem Kammersystem
ist eine in zwei Teilwicklungen aufgeteilte Primärwicklung
W1 und eine Sekundärwicklung W2, die zwischen den beiden
Teilwicklungen der Primärwicklung W1 liegt, angeordnet. In
dem Bereich, in dem die Wicklungen durch die Öffnungen des
Kerns hindurchführen, ist die mittlere Wicklung W2 durch das
Kammersystem vollständig umfaßt, so daß sich hierdurch lange
Kriechwege zwischen Primär- und Sekundärwicklung ergeben.
Die Wicklungen W1, W2 sind aus mehreren Lagen von
Trägerschichten F aufgebaut, zwischen denen eine
Isolierschicht angeordnet ist. Die Trägerschichten F sind in
diesem Ausführungsbeispiel beidseitig mit Leiterbahnen
versehen. Einseitig beschichtete Trägerschichten können aber
ebenfalls verwendet werden.
Eine beispielhafte Anordnung einer Leiterbahn L auf der
Trägerschicht F ist aus der Fig. 1b ersichtlich. Hier sind
fünf Windungen auf einer Seite angeordnet mit einer
Kontaktierung T1 am Anfang und einer Kontaktierung T2 am
Ende der Leiterbahn. Das Ende der Leiterbahn T2 wird über
eine Durchkontaktierung auf die Unterseite der Trägerschicht
F durchgeführt, auf der ebenfalls Windungen angeordnet sind,
und mittels einer Durchkontaktierung T3 wieder auf die
Oberseite zurückgeführt.
Die beiden Kammerteile P4 und P5 umgeben die
Sekundärwicklung W2 im Bereich der Öffnungen der beiden
Kernteile K1 und K2 vollständig, so daß hierdurch fast die
volle Breite der Öffnungen im Kern K1, K2 genutzt werden
kann, wie aus der Fig. 1b ersichtlich. Die Dicke der Wände
der Kammerteile P1 und P2 kann sehr gering gehalten werden,
z. B. 0,4 mm. Außerhalb von den Öffnungen der Kernteile K1,
K2 können die Trägerschichten F aus dem Kammersystem
herausragen, beispielsweise um Kontaktierungen an den
Anschlüssen T1 und T3 vorzunehmen. Der benötigte
Isolationsabstand kann hier ohne Nachteile durch einen
ausreichenden Rand R auf der Trägerschicht F hergestellt
werden. Der anhand der Fig. 1a und 1b beschriebene
Transformator und der bekannte relevante Stand der Technik
ist bereits in der früheren Anmeldung P 198 05 914
beschrieben, auf die hiermit verwiesen wird.
Zur Vermeidung von Durchkontaktierungen enthält das
Kammersystem Stege S mit metallisierten Nuten N, dargestellt
in der Fig. 2, die Verbindungen zwischen Leitern auf der
Oberseite und Leitern auf der Unterseite der Trägerschichten
F herstellen. Die Stege S sind an Kammerwänden PK
angeordnet, die in diesem Ausführungsbeisiel senkrecht von
dem Badenteil B eines Kammerteils hochführen. Die Nuten N
können tragförmig, wie in diesem Ausführungsbeispiel, oder
kerbförmig ausgeführt sein, so daß die Trägerschichten F mit
einer Kante einrasten. Eine metallisierte Nut N umgibt
hierbei die Kante wie eine Klammer und stellt hierdurch
einen elektrischen Kontakt zwischen einer Leiterbahn L auf
der Oberseite und einer Leiterbahn L auf der Unterseite
einer Trägerschicht F her. Die Tiefe der Nut kann
beispielsweise in einem Bereich um 0,5 mm liegen.
Als Trägerschicht kann insbesondere eine LCP-Struktur mit
einer Dicke von 0,05 mm verwendet werden, die mit
Leiterbahnen der Dicke 35 µm oder 70 µm versehen werden
kann. Zur Unterstützung der Kontaktierung zwischen den
Leiterbahnen L auf der Ober- und der Unterseite der
Trägerschicht F kann zusätzlich nach ein Lötpastenauftrag LP
verwendet werden, der in die Nuten N eingebracht ist. Durch
entsprechendes Erhitzen, beispielsweise in einem Reflow-
Verfahren, kann die Lötpaste mit den Leiterbahnen L und der
Metallisierung der Nut N verschmelzen. Anstatt dieses
Lötverfahrens kann auch ein Leitkleber verwendet werden.
Zwischen den Trägerschichten F sind Isolierschichten 15
angeordnet zur Vermeidung von Kurzschlüssen zwischen
Leiterbahnen. Die Stege S enthalten insbesondere nur für
jede zweite Trägerschicht F eine metallisierte Nut N, so daß
sich ein ausreichender Isolationsabstand zwischen zwei Nuten
ergibt.
In der Fig. 3a ist ein Kammerteil P3 in einer Aufsicht
dargestellt, in das die Trägerschichten F, beispielsweise
die Sekundärwicklung W2, in Form eines Stapels eingelegt
werden. Es enthält ein Badenteil B, auf dem die unterste
Trägerschicht F möglichst plan aufliegt, und Seitenwände PK,
die die Breite der Trägerschichten bestimmen. Dieses
Kammerteil P3 kann beispielsweise für einen E/E-Kern
verwendet werden, wobei der mittlere Kernschenkel des Kerns
durch die Öffnung OE des Kammerteils P3 hindurchführt.
Durch ein zweites Kammerteil, nicht dargestellt, ist die in
dem Kammerteil P3 angeordnete Wicklung im Bereich des Kernes
und dessen Öffnungen vollständig umschlossen, so daß die
volle Breite zwischen den Kammerwänden PK für Leiterbahnen
auf den Trägerschichten F verwendet werden kann. Das
Kammerteil P3 und das zugehörige, abschließende äußere
Kammerteil sind ähnlich den Kammerteilen P1 und P2 der Fig.
1a, besitzen jedoch seitliche Erweiterungen. Hierdurch
können weitere Stege beim inneren Kammerteil P3 angeordnet
werden, beim Ausführungsbeispiel der Fig. 3a die Stege S1,
S2 und S5, S6. Durch eine Aussparung AS können die Stege S3
und S4 auch von der Seite bearbeitet werden.
Der Aufbau der Stege S3, S4 geht aus der Fig. 3b hervor, die
eine Ansicht des Kammerteils P3 im Schnitt A-B zeigt. In
diese Stege S3, S4 sind metallisierte Nuten N1-N5
eingelassen, durch die jeweils ein Kontakt zwischen einer
Leiterbahn auf der Oberseite und der Unterseite einer
Trägerschicht hergestellt wird. Da die Nuten N1-N5 auf
zwei Stege verteilt sind, entsteht ein ausreichender
Isolationsabstand zwischen den Nuten. Hierdurch werden mit
einem Steg jeweils Kontaktierungen von übernächsten
Trägerschichten bewirkt, so daß zwei Stege notwendig sind.
Durch die fünf Nuten N1-N5 werden daher fünf
Trägerschichten kontaktiert.
Durch die Stege S3, S4 werden nur Kontaktierungen von
Leiterbahnen auf der Ober- und der Unterseite von
Trägerschichten hergestellt zur Vermeidungen von
Durchkontaktierungen. Kontaktierungen zwischen
Trägerschichten können mit der Erfindung ebenfalls
hergestellt werden, sollen aber bei dieser Ausführung am
äußeren Rand der Trägerschichten zusammen mit den
Anschlüssen der Wicklung realisiert werden.
In der Fig. 4 sind die Nuten N1-N5 der Stege S3, S4
vergrößert in einer Detailzeichnung dargestellt. Hier ist
zusätzlich nach eine Kupferstruktur KS zu sehen, die in der
Fig. 3b nicht vorhanden ist. Durch diese wird eine
elektrische Verbindung zu den Nuten N1-N5 bewirkt, über
die bei der Herstellung die Metallisierung der Nuten N1-N5
in einem Kupferbad galvanisch verstärkt werden kann. Nach
der Galvanisierung wird die Kupferbahn KS wieder entfernt.
Die Kupferschicht KS kann direkt auf der Wand PK aufgebracht
werden.
Indem für die Trägerschicht F und die Kammerteile P1, P2
beziehungsweise P3 dieselbe LCP-Struktur verwendet wird,
bietet sich die Möglichkeit, den Transformator vollständig
zu recyclen. Eine Trennung von Kunststoff und Metall mit
einem befriedigendem Reinheitsgrad bei einer LCP-Struktur
wurde bereits nachgewiesen. Ein Stoffrecycling wäre
insbesondere wichtig für Fernsehgeräte, da diese sehr viele
Kunststoffteile enthalten.
Aufgrund der hervorragenden spritztechnischen Eigenschaften
der LCP-Strukturen können Wandstärken im Bereich von 0,4 mm
für die Kammerteile verwendet werden, wodurch der
Flächenverlust in den Öffnungen des Kerns bei dieser
Wandstärke gering gehalten wird. Aufgrund der Verbreiterung
der nutzbaren Fläche auf den Trägerschichten im Vergleich zu
früheren Transformatoren kann die Anzahl der Lagen von
Trägerschichten reduziert werden, so daß die zusätzlichen
Kasten, die durch das Kammersystem entstehen, bereits durch
die Einsparung einer Wicklungslage kompensiert werden
können. Zusätzlich weist der Transformator verbesserte
elektrische Eigenschaften auf, durch die bessere Ausnutzung
der Kernöffnungen.
Das anhand der Fig. 1-4 erläuterte Kammersystem bezieht
sich im wesentlichen auf einen E/E-Kern oder E/I-Kern.
Andere Ausgestaltungen, insbesondere für andere Kernformen,
sind aber ebenfalls möglich. Transformatoren dieser Art
sollen beispielsweise in Resonanzwandler-Schaltnetzteilen
verwendet werden, die höhere Leistungen im Bereich von
deutlich über 100 Watt bereitstellen können, z. B. für
Plasma-Fernsehgeräte oder Fernsehgeräte mit großen
Bildröhren. Der Transformator kann auch nach weitere
primärseitig oder sekundärseitig angeordnete Wicklungen
enthalten. Andere Anwendungen, beispielsweise für Drosseln
und Filter, sind aber ebenfalls möglich.
Claims (10)
1. Transformator mit einem Kern (K1, K2) und mit Wicklungen
(W1, W2), die als Leiterbahnen (L) auf Trägerschichten
(F) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß der
Transformator ein Kammersystem (P1, P2, P3) enthält, das
die Trägerschichten (F) mit den Wicklungen (W1, W2)
aufnimmt, und daß in dem Kammersystem (P1, P2, P3) zur
Kontaktierung von Leiterbahnen (L) Stege (S) mit einer
metallisierten Nut (N) angeordnet sind.
2. Transformator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Stege (S) nach dem Zweischuß-MID-Verfahren mit
selektiver Metallisierung hergestellt sind.
3. Transformator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die Kontaktierungen zum Verbinden
von Leiterbahnen (L) zwischen Ober- und Unterseite einer
beidseitig beschichteten Trägerschicht (F) und/oder
zwischen Leiterbahnen (L) zweier Trägerschichten (F)
angeordnet sind.
4. Transformator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß eine Nut (N) eine Kante einer beidseitig
beschichteten Trägerschicht (F) klammerähnlich umfaßt
zur Kontaktierung.
5. Transformator nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die durch die metallisierte
Nut (N) bewirkte Kontaktierung durch einen
Latpastenauftrag (LP) mit nachgeschaltetem Lötvorgang
unterstützt ist.
6. Transformator nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktierungen auf
mindestens zwei Stege (S) verteilt sind für einen
ausreichenden Isolationsabstand zwischen zwei Nuten (N)
7. Transformator nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerschichten (F)
vorwiegend aus einem Kunstoff mit LCP-Struktur sind, und
daß für das Kammersystem (P1, P2, P3) derselbe
Kunststoff verwendet ist.
8. Transformator nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die metallisierten Nuten (N)
der Stege (S) zumindest teilweise galvanisch verstärkt
sind.
9. Transformator nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß das Kammersystem (P1, P2,
P3) wenigstens eine Wicklung (W2) zumindest
bereichsweise umgibt.
10. Transformator nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Stege (S) an
Seitenwänden (PK) des Kammersystems (P1, P2, P3)
angeordnet sind, und daß die Trägerschichten (F) mit
jeweils einer ihrer Kanten in jeweils einer der Nuten
(N) verrastet sind.
Priority Applications (8)
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Publications (1)
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