DE3831610A1 - Schaltnetzteil - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Schaltnetzteil gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Solche Schaltnetzteile sind allgemein bekannt und finden Anwendung als Stromversorgungsgeräte für elektronische Geräte, beispielsweise für Rechner. In diesen Anwendun­ gen ist oftmals die räumliche Größe des Schaltnetzteils störend, so daß eine Miniaturisierung gewünscht wird.

Der typische Aufbau eines bekannten Schaltnetzteils ist gekennzeichnet durch eine Trägerplatte auf der Lei­ stungshalbleiterbauelemente, Transformator und sonstige zur Ansteuerung und eventuell Regelung erforderlichen Bauelemente aufgebaut sind. Ein solcher Aufbau ist z.B. in der Funkschau, Heft 12, 1987, Seiten 26 bis 29 be­ schrieben und insbesondere in Fig. 1 auf Seite 26 darge­ stellt. Aus der Informationsverarbeitungstechnik an sich bekannte Lösungen zur Miniaturisierung lassen sich nicht ohne weiteres auf die Leistungselektronik übertragen, da hohe Spannungen, hohe Ströme und großen Mengen an Ver­ lustwärme auftreten.

Eine grundsätzliche Möglichkeit zur Verkleinerung der erforderlichen Bauteile besteht in einer Erhöhung der Schaltfrequenz. Allerdings sind hierbei Grenzen gesetzt, da mit zunehmender Frequenz der Stromverdrängungseffekt sich bemerkbar macht und die Stromtragfähigkeit der elektrischen Leitungen, z.B. in der Wicklung des Trans­ formators abnimmt.

Zur Verbesserung der Wärmeabfuhr sind in Schaltnetzgerä­ ten entweder einzelne Bauelemente oder die gesamte Trä­ gerplatte auf einen Kühlkörper montiert und es wird mit Hilfe eines Gebläses forciert gekühlt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Schalt­ netzteil mit einem Aufbau anzugeben, der ein ver­ gleichsweise kleines Volumen und eine Erhöhung des Aus­ gangsstromes ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch ein Schaltnetzteil gemäß dem Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in Unteransprüchen angegeben.

Die erfindungsgemäße Lösung geht von einer hybriden Bau­ weise aus, wie sie von Leistungshalbleitermodulen, z.B. aus der DE-OS 31 27 457 bekannt ist, bezieht jedoch auch den in Schaltnetzgeräten erforderlichen Transformator mit ein. Bei dem genannten Leistungsshalbleitermodul wird ein keramisches Substrat verwendet, das relativ dicke, d.h. etwa 0,3 bis 0,5 mm dicke Leiterbahnen trägt, die nach einem z.B. aus der DE-OS 32 04 167 be­ kannten Verfahren zur direkten Verbindung von Kupfer mit Keramik aufgebracht sind. Während bei Leistungshalblei­ termodulen ein guter Wärmestrom von einem Leistungshalb­ leiterbauelement durch ein als Modulboden verwendetes keramische Substrat zu einem Kühlkörper von Bedeutung ist, spielt bei der vorgeschlagenen Anordnung das Wärme­ leitvermögen des Substrats keine Rolle. Die Wärme wird nämlich direkt von der jeweiligen Wärmequelle mit Hilfe einer Kühlflüssigkeit abgeführt. Im Hinblick auf die elektrische Isolierung, die mechanische Zuverlässigkeit und die Stromtragfähigkeit ist jedoch die Verwendung eines direkt gebondeten Substrats auch in der vorge­ schlagenen Anwendung besonders vorteilhaft. Einen Vor­ teil bietet auch die Möglichkeit zur Automatisierung der Herstellung.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung können mehrere Substrate übereinander mit nur wenigen Millimetern Ab­ stand voneinander angeordnet werden. Dabei wird für alle Substrate ein gemeinsamer Transformatorkern verwendet, wobei die Schenkel des Transformatorkerns entsprechend verlängert sind. Von Vorteil ist dabei, daß die Kernver­ luste des Transformators nur einmal auftreten und da­ durch der Gesamtwirkungsgrad verbessert wird.

Mit einer solchen Anordnung von mehreren Substraten übereinander kann durch elektrische Parallelschaltung die Ausgangsleistung erhöht werden. Es sind jedoch auch andere Schaltungskombinationen realisierbar. Selbstver­ ständlich sind auch auf den einzelnen Substraten andere Schaltungen als in dem Ausführungsbeispiel beschrieben, ausführbar.

Nach einer weiteren Ausgestaltung kann der an sich freie Teil auf der Oberfläche des Substrats mit einer Kupfer­ folie belegt werden, die den Zweck hat, eine Wölbung des Substrats infolge unterschiedlicher Ausdehnungskoeffi­ zienten der verbunden Werkstoffe zu vermeiden.

Weiterhin können auf dem Substrat außer Leistungshalb­ leiterbaulementen auch Bauteile zu deren Ansteuerung angeordnet sein.

Eine ausführliche Beschreibung der Erfindung erfolgt anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungs­ beispiels.

Es zeigen:

Fig. 1 Schaltungsanordnung eines Eintakt-Schaltgerä­ tes,

Fig. 2 Oberseite eines keramischen Substrats,

Fig. 3 Unterseite eines keramischen Substrats,

Fig. 4 Anordnung von Substraten in einem Gehäuse.

Fig. 1 zeigt eine bekannte Schaltungsanordnung eines Eintakt-Schaltgerätes, das aus einer nicht dargestellten Gleichspannungsquelle über Eingänge E 1 (Pluspol) und E 2 (Minuspol) gespeist wird und über Ausgänge A 1 (Pluspol) und A 2 (Minuspol) einen umgeformten Gleichstrom abgibt. Der Pluspol E 1 ist über einen ersten Halbleiterschalter V 1 mit einer Primärwicklung W 1 eines Transformators T 1 verbunden. Der Transformator T 1 weist einen Ferritkern K 1 auf. Der zweite Anschluß der Primärwicklung W 1 ist über einen zweiten Halbleiterschalter V 2 mit dem Minus­ pol E 2 verbunden. Außerdem sind primärseitig Freilaufdioden D 1 und D 2 zur Stromführung im gesperrten Zustand der Halbleiterschalter V 1 und V 2 angeordnet. Die Sekundärwicklung W 2 des Transformators T 1 ist über eine Gleichrichterdiode D 3 mit dem Pluspol A 1 des Ausgangs verbunden. Außerdem ist parallel zu den Ausgängen A 1 und A 2 eine sekundärseitige Freilaufdiode D 4 angeordnet. Grundsätzlich würde zur Realisierung der Schaltung pri­ märseitig ein einziger Leistungsschalter genügen. Die vorgesehene Anordnung von zwei Schaltern V 1 und V 2 hal­ biert jedoch die zu fordernde Spannungsfestigkeit der Schalter. Als Halbleiterschalter sind z.B. MOSFETs ge­ eignet.

Die Halbleiterschalter V 1 und V 2 werden von einer nicht dargestellten Ansteuerschaltung gleichzeitig ange­ steuert, die mit einer Frequenz von etwa 50 bis 150 kHz schalten, so daß an den Ausgängen A 1 und A 2 ein entspre­ chend pulsierender Gleichstrom auftritt.

Eine erfindungsgemäße Anordnung zur Realisierung der in Fig. 1 gezeigten Schaltung ist in den Fig. 2 bis 4 dar­ gestellt.

Fig. 2 zeigt die Oberseite eines Substrats 1 aus Alumi­ niumoxydkeramik. Das rechteckförmige Substrat 1 weist in einem mittleren Bereich eine als Kernloch 2 bezeichnete runde Öffnung sowie zwei Ausschnitte 3 zur Durchführung des runden Kernbutzens 16 und der äußeren Schenkel 17 eines Ferritkerns 15 auf. Das Substrat 1 trägt eine strukturierte Metallisierung 4, die hergestellt ist aus einer direkt mit dem Substrat 1 verbundenen Kupferfolie, die anschließend durch ätztechnische Verfahren struktu­ riert wurde. Mit dieser strukturierten Metallisierung 4 sind mehrere Leiterbahnen 5 realisiert und eine flache spiralförmige Spule 6 um das Kernloch 2 herum, die der Primärspule W 1 des Transformators T 1 entspricht. Auf den Leiterbahnen 5 sind die Halbleiterschalter 23 (entspr. V 1, V 2) und die Freilaufdioden 24 (entspr. D 1, D 2) aufgelö­ tet. Erforderliche Drahtverbindungen 7 sind durch Drahtbonden hergestellt. Auf diese Weise ist auch das am Kernloch 2 befindliche Ende der Spule 6 mit einer Lei­ terbahn 5 über eine Drahtverbindung 7 verbunden. Fig. 3 zeigt die Unterseite des Substrats 1, die eben­ falls eine strukturierte Metallisierung 4 trägt. Mit einer ersten Fläche 8 ist eine Spule 9 realisiert, die nur eine Windung aufweist und der Sekundärspule W 2 ent­ spricht, wobei Spulenanfang 10 und Spulenende 11 weiter­ geführt sind als Anschlußfläche für Dioden 12, 13. Die Gleichrichterdioden 12 ensprechen der Diode D 3 in Fig. 1, wobei der relativ hohe Ausgangsstrom auf vier paral­ lelgeschaltetete Gleichrichterdioden 12 aufgeteilt ist. Die Gleichrichterdioden 12 sind zwischen der ersten Flä­ che 8 und einer zweiten Fläche 14 angeordnet, die zu­ gleich dem Pluspol A 1 am Schaltungsausgang entspricht. Die in Fig. 3 dargestellten vier parallelgeschalteten Freilaufdioden 13 entsprechen der Freilaufdiode D 4 in Fig. 1. Die erste Fläche 8 ist am Spulenande 11 verlän­ gert als Leiterbahn zum Minuspol A 2 am Schaltungsaus­ gang.

Für die in den Fig. 2 und 3 dargestellte Anordnung ist ein Flüssigkeitskühlung vorgesehen. Dazu wird das be­ stückte Substrat in ein Gehäuse 19 eingebaut, wie in Fig. 4 in einem Schnittbild gezeigt, wobei das Gehäuse 19 dicht ist gegenüber einer Kühlflüssigkeit 22. Als Kühlflüssigkeit 22 wird eine elektrisch isolierende und gegenüber den verwendeten Werkstoffen inerte Flüssigkeit mit hohem Wärmetransportvermögen verwendet. Das Gehäuse 19 weist die erforderlichen vom Gehäuse isolierten elek­ trischen Anschlüsse 20 sowie Durchführungen 21 für die Kühlflüssigkeit 22 auf. In Fig. 4 ist ein Ausführungs­ beispiel mit zwei übereinander angeordneten Substraten 1 dargestellt.

Eine gemeinsame Betrachtung der Fig. 2 und 3 zeigt, daß am Substrat 1 - abgesehen von den sich gegenüberliegen­ den Spulen 6 und 9 des Transformators 18 - jeweils einem mit einer strukturierten Metallisierung versehenen Teil der Oberfläche ein freier Teil der Oberfläche auf der anderen Substratseite gegenüberliegt. Auf diese Weise kann hohen Anforderungen bezüglich Spannungsfestigkeit und Kriechstromfestigkeit entsprochen werden.

Die vorgeschlagene Realisierung des Schaltnetzgerätes in hybrider Bauweise in Verbindung mit der intensiven Flüs­ sigkeitskühlung führt zu einer sehr kompakten Ausfüh­ rung. Die Ausführung der Spulen des Transformatos mit relativ dünnen und breiten Leiterbahnen, also mit Lei­ tern, deren Oberfläche groß ist, vermindert die strombe­ grenzende Wirkung des Stromverdrängungseffekts bei den in Schaltnetzgeräten bevorzugten Frequenzen.

Claims (6)

1. Schaltnetzteil, das zumindest Halbleiterschal­ ter, Halbleiterdioden und einen Transformator als Bau­ teil aufweist, die auf zumindest einem als Trägerplatte wirkenden elektrisch isolierenden Substrat angeordnet sind, wobei das Substrat Leiterbahnen zur elektrischen Verbindung der Bauteile trägt, dadurch gekennzeichnet, daß

• a) das Substrat (1) zumindest ein Kernloch (2) auf­ weist zur Durchführung des Kernbutzens (16) eines Kerns (15) des Transformators (18),
• b) eine Primärwicklung (6) des Transformators (18) und eine Sekundärwicklung (9) des Transformators (18) jeweils als flache spiralförmige Spulen auf gegenüberliegenden Seiten des Substrats im Bereich des Kernlochs (2) ausgeführt sind und
• c) die Anordnung in einem gegenüber einer Kühlflüs­ sigkeit (22) abgedichteten Gehäuse (19) mit elek­ trischen Anschlüssen (20) sowie Durchführungen (21) für das Kühlmittel (22) untergebracht ist und vom Kühlmittel (22) umspült ist.

2. Schaltnetzteil nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Substrat (1) eine keramische Platte ist, die eine strukturierte Metallisierung (4) aus Kup­ fer trägt, wobei die Verbindung von Kupfer und Keramik nach einem Direct-Bonding-Verfahren hergestellt ist.

3. Schaltnetzteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärwicklung (9) nur eine Windung aufweist.

4. Schaltnetzteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Gehäuse (19) mehre­ re Substrate (1) übereinander angeordnet sind, wobei ein gemeinsamer Transformatorkern (15) vorgesehen ist, über den alle Spulen (6, 9) magnetisch gekoppelt sind.

5. Schaltnetzteil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die vom Transformator (18) aus gesehen primärseitigen Bauteile und Verbindungslei­ tungen gemeinsam mit der primärseitigen Spule (6) auf einer Oberseite des Substrats (1) angeordnet sind und die sekundärseitigen Bauteile auf einer Unterseite des Substrats (1).

6. Schaltnetzteil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzliche Bauteile zur Ansteuerung der Halbleiterschalter auf dem Substrat (1) angeordnet sind.