DE3884661T2 - Kommutierungsregler. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kommutierungsregler.
• Kommutierungsregler, die in herkömmlichen Stromversorgungen für große Datenverarbeitungssysteme eingesetzt werden, benötigen Ausgangstransformatoren mit hoher Kilowattleistung und sehr hohem Ausgangsstrom, die außerdem verschiedenen Vorschriften wie UL und IEC entsprechen. Transformatoren herkömmlicher Konstruktion haben große, sperrige Strukturen mit erheblichen Auswirkungen auf Größe und Gewicht, hohe Streuinduktivität, starken Temperaturanstieg und damit verbundene Kühlprobleme.
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines verbesserten und kompakten Kommutierungsreglers.
• Erfindungsgemäß enthält ein Kommutierungsregler: Eine Transformator-Gleichrichter-Anordnung mit einem Gleichrichter und einem Transformator mit nebeneinanderliegenden Primär- und Sekundärwicklungen und einem Kern aus magnetischem Material, der die Wicklungen verbindet, dadurch gekennzeichnet, daß diese Sekundärwicklung eine flache, im wesentlichen rechteckige Platte mit einer Öffnung zur Aufnahme eines Teils dieses Kerns und einen sich von dieser Öffnung zum äußeren Rand der Platte erstreckenden Schlitz enthält, wobei der Gleichrichter auf der Platte auf einer Seite des Schlitzes montiert ist und einen ersten Anschluß der Sekundärwicklung bildet; ein mit der Platte verbundener und auf der anderen Seite des Schlitzes gegenüber dem ersten Anschluß angeordneter zweiter Anschluß vorgesehen ist, wobei die Platte im wesentlichen über den von diesem Gleichrichter, diese Anschlüsse und diese Öffnung definierten Stromweg hinausreicht und die Transformator-Gleichrichter- Anordnung auf einer Wärmesenke angeordnet ist, die in Wärmekontakt mit dem überwiegenden Teil einer Fläche dieser Platte steht, wobei die durch die Transformatorwicklungen und den Gleichrichter entwickelte Wärme zu dieser Wärmesenke geführt und durch sie abgeleitet wird.
• Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung enthält ein Kommutierungsregler: Eine Transformator-Gleichrichter-Anordnung mit einem Gleichrichterpaar und einem Transformator mit einer Primärwicklung und einer danebenliegenden Sekundärwicklung und einem Kern aus magnetischem Material, der die Wicklungen verbindet, wobei die Sekundärwicklung ein Paar überlappender, flacher, im wesentlichen rechteckiger Platten aufweist, wobei jede dieser Platten eine Öffnung zur Aufnahme eines gemeinsamen Teils dieses Kerns und einen sich von dieser Öffnung zum äußeren Rand der Platte erstreckenden Schlitz aufweist und diese Schlitze spitzwinklig zueinander angeordnet sind, um so zwischen sich einen gemeinsamen Mittelabgriffsteil dieser Sekundärwicklung zu definieren; die Gleichrichter auf den Platten auf den diesem Mittelabgriff gegenüberliegenden Seiten angeordnet sind; und diese Transformator-Gleichrichter Anordnung auf einer Wärmesenke angeordnet ist, so daß die durch die Transformatorwicklungen und die Gleichrichter entwickelte Wärme zu dieser Wärmesenke geführt und durch sie abgeleitet wird.
• EP-A-0220494 offenbart einen Gleichspannungswandler, der einen Leistungstransformator mit planaren Primär- und Sekundärwicklungen einsetzt.
• In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung liegen die Primärwicklungen des Transformators neben den Sekundärwicklungen, die sich wiederum in einer Richtung vom Kern über die kürzest mögliche Entfernung erstrecken, die die Montage der Gleichrichter und Ausgangsanschlüsse zuläßt. Diese Konfiguration minimiert die Streuinduktivität im Sekundärgleichrichter weg. In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Sekundärwicklung bzw. -wicklungen durch ein Plattenpaar in einer planaren Konfiguration gebildet, wobei die eine die andere überlagert und so konfiguriert ist, daß sie eine Sekundärwicklung mit Mittelabgriff definiert. Die in der Primärwicklung bzw. -wicklungen und in den Ausgangsgleichrichtern entwickelte Wärme wird ebenfalls zu den Sekundärwicklungen geführt und abgeleitet. In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erstreckt sich die Sekundärwicklung vom Kern aus in die andere Richtung, um die Wärmeableitung von der Wicklung weg zu verbessern. Alle sich über die Primärspule hinaus erstreckenden Bereiche der Sekundärspule sind auf einer Wärmesenke montiert, die vorzugsweise elektrisch leitend ist und eine flache Oberfläche hat, um die Sekundärleiter aufzunehmen, und weist eine dünne Isolierschicht zwischen den Sekundärwicklungen und der Wärmesenke auf. So wird die gesamte Wärme einschließlich der Verlustwärme aus der Primärspule und der Sekundärspule sowie die Gleichrichterverlustwärme durch eine kurze, breitflächige Wärmepfad- Schnittstelle zu der Wärmesenke geführt.
• Da der Hauptwärmefluß rechtwinklig zum Stromfluß ist, kann die Wärmesenke vollständig außerhalb bzw. vom Stromkreislauf getrennt liegen. Die elektrisch leitende Wärmesenke reduziert die Streuinduktivität durch die Möglichkeit, daß Bildströme, die den Strömen zwischen dem Transformator und den Gleichrichterschaltkreisen entsprechen, unter Erzeugung eines Erdsohleneffekts fließen, der die Streuinduktivität reduziert. Somit liefert die Erfindung eine kleine, streuverlustarme Struktur mit ausgezeichneten Wärmeübertragungscharakteristiken.
• Die Ausführungsmöglichkeiten der Erfindung werden im folgenden anhand von Beispielen und begleitenden Zeichnungen beschrieben, in denen
• Fig. 1 eine Draufsicht auf einen teilweise zusammengebauten erfindungsgemäßen Kommutierungsregler ist;
• Fig. 2 ein Querschnitt durch den Kommutierungsregler entlang der Linie 2-2 in Fig. 1 ist;
• Fig. 3 eine Querschnittansicht des Kommutierungsreglers entlang der Linie 3-3 in Fig. 1 ist.
• Zunächst sollen hier einige grundsätzliche und besondere Probleme im Zusammenhang mit herkömmlichen Reglerstrukturen erörtert werden. Die Stromzufuhr für große Datenverarbeitungsanlagen muß eine hohe Leistung und einen hohen Ausgangsstrom liefern. Die Spannungshöhe in Datenverarbeitungsgeräten ist verhältnismäßig gering und liegt bei Nennwerten im Bereich 1 bis 6 Volt, während die Stromstärke Hunderte von Ampere betragen kann. Aus nachfolgend beschriebenen Gründen ist es bei diesen Anwendungen auch kritisch, die Stromversorgung aus Gründen der Minimierung der Hochstrom-Verteilung in der Nähe der Verbraucher dicht zu packen, wodurch Größen-, Gewichts- und Kostenprobleme vermieden werden. Gleichzeitig muß das Packen dieser Stromversorgung ohne Vergrößerung des Abstands zwischen den Verbraucherpartitionen erfolgen, was seinerseits zu einer Verzögerungen der logischen Signale führen und die Leistung des gesamten Systems beeinträchtigen würde. Die Größe ist daher einer der kritischen, wenn nicht überhaupt der kritischste, Parameter bei der Konstruktion von Stromreglern.
• In der Stromregeltechnik ist es wohlbekannt, daß ein Betrieb mit höheren Frequenzen zur Einsparung bei Größe und Gewicht führt. Um eine hohen Frequenz mit damit verbundener hoher Leistung und starkem Strom zu erreichen, muß die physikalische Verdichtung von Transformator und Gleichrichter wegen der Stromschaltvorgänge in den Transformatorwicklungen und im Gleichrichter möglichst klein gehalten werden. Bei solchen Konstruktionen muß die Spannung auf Werte beschränkt werden, die unter der Durchschlagspannung von Schaltern und Gleichrichtern liegt, und endliche Induktivitäten sind unabdingbar.
• Angesichts der Forderungen nach niedriger Spannung, hohem Strom und endlicher Induktivität benötigt das Umschalten oder Kommutieren von Strom eine gewisse Zeit. Die Umschaltzeit nimmt direkt proportional zur Größenordnung des Stroms zu und ist in der Praxis auf einen kleinen Prozentsatz der Gesamttaktzeit begrenzt. So wird die maximale Betriebsfrequenz von Stromkommutierungsreglern durch die Parameter für Strom, Spannung und Induktivität der Schaltung eingeschränkt.
• Die Induktivität, die die Kommutierungszeit primär beeinflußt, ist die der Transformator/Gleichrichter-Anordnung selbst. Diese Induktivität kann durch Kürzen des physikalischen Wegs um den Transformator/Sekundär-Gleichrichter-Schaltkreis herum, durch Minimierung der Trennung zwischen Primär- und Sekundär- und nachgeordneten Sekundärwicklungen und durch die Verwendung von möglichst dünnen Leitern, die in einer planaren Konfiguration angeordnet werden, verkürzt werden, so daß die Ströme in den Wicklungen auch Abbildungen voneinander sind.
• Die obigen Lösungswege zur Reduzierung der Streuinduktivität neigen dazu, die Wärmedichte zu erhöhen und einen erheblichen Temperaturanstieg zu produzieren, wenn keine wirksame Kühlung vorhanden ist. Die Wärmeableitung bei herkömmlichen, konzentrisch gewickelten Transformatoren wird behindert durch die Notwendigkeit, daß die Wärme durch eine Vielzahl von Leiter- und Isolierschichten strömen muß, während die Kühlung durch Wärmeableitung über den Kern aufgrund der geringen Wärmeleitfähigkeit des herkömmlichen Hochfrequenzkernmaterials stark beeinträchtigt wird. Der zusätzliche Einbau von Stäben, Platten, Stangen oder ähnlicher Hardware zur Wärmeableitung, zur Einhaltung der Wicklungsabstände oder zur Erleichterung des Durchflusses von Kühlflüssigkeit hat die Tendenz, sowohl die Größe als auch die Streuinduktivität des Kommutierungsreglers zu erhöhen und kann in Wirklichkeit die Gesamtwärmeentwicklung noch steigern.
• Nehmen wir jetzt Bezug auf die Zeichnungen und insbesondere auf Fig. 1; diese ist eine Draufsicht auf einen zusammengebauten planaren, durch Wärmeleitung gekühlten Transformator mit einer Primärspule 11, einer Sekundärspule in Form einer Platte 13 und einem Kern 15. Die obere Kernhälfte, die Grundkühlplatten und die Montagehardware sind herkömmlich konstruiert und sind in Fig. 2 zwecks größerer Klarheit weggelassen. Zum Zwecke der Beschreibung sind duale Primärwicklungen 10 und 11 und eine Sekundärwicklung bestehend aus zwei Windungen mit Mittelabgriff, wie sie mit einer Brücke oder einem Gegentaktkonverter benutzt werden, beispielhaft dargestellt. Es könnte jedoch, in Abhängigkeit von konstruktionsspezifischen Anforderungen, auch eine einzelne Primärwicklung und/oder Sekundärwicklung benutzt werden. Die Grundkühlplatte 35, die Ausgangsdioden 47, 49 und die Anschluß-Hardware sind in der Schnittansicht in Fig. 3 dargestellt. Die Sekundärwicklung bzw. -wicklungen 13 haben die Form einer dünnen, planaren Struktur. Falls mehrere Sekundärwicklungen benötigt werden, werden ähnliche dünne Strukturen in coplanarer Anordnung konfiguriert, die durch eine dünne Isolierung minimaler Dicke voneinander getrennt sind.
• Die Primärwicklungen sind aus verhältnismäßig dünnen, spiralförmigen Leitern geformt und mit einem minimalen Dielektrikum voneinander isoliert, um sicherheitsstandardmäßiges Kriechen und Abstände vorzusehen. Planare Primärwicklungen werden ggf. direkt auf den Sekundärwicklungen befestigt. Bei multiplen Sekundärwicklungen ist es die bevorzugte Transformatorkonfiguration, die Gesamtprimärwicklung in zwei seriell geschaltete Spulen aufzuteilen, die an den einander gegenüberliegenden Seiten der Sekundärwicklung bzw. -wicklungen montiert sind. Diese Lösung verursacht die geringstmögliche Streuinduktivität im Inneren der Wicklungsstruktur.
• Die Sekundärwicklung 13 erstreckt sich in einer Richtung vom Kern 15 über den kürzesten benötigten Abstand, um die Gleichrichter und Ausgangsanschlüsse montieren zu können. Bei multiplen Sekundärspulen werden die oberen und unteren Erstreckungen der Sekundärwicklung 13 coplanar gehalten, mit einem Minimum an Isolierung über den größtmöglichen Bereich, der mit der Montage der Gleichrichter vereinbar ist. Diese Konfiguration minimiert die Streuinduktivität im Sekundärspulen/Gleichrichter-Pfad. Die in den Primärspulen 11 und Ausgangsgleichrichtern 47, 49 entwickelte Wärme wird zu den Sekundärwicklungen 13 und dann zur Grundkühlplatte 35 (Fig. 2) geführt und abgeleitet.
• In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Sekundärwicklung ein Paar im wesentlichen coplanare Platten 13, 24 auf, die sich in entgegengesetzten Richtungen vom Kern 15 aus erstrecken. Jede Platte weist einen sich vom Zentralbereich der Platte zum Rand erstreckenden Schlitz 7, 8 auf. Die Schlitze 7, 8 sind spitzwinklig zueinander angeordnet, so daß sie einen gemeinsamen Mittelabgriffsbereich der Sekundärwicklung zwischen sich definieren. Der gesamte Bereich der Sekundärwicklung 13 über die Primärspule 11 hinaus ist auf einer elektrisch leitenden Wärmesenke 35 (Fig. 2) montiert, wobei zwischen der planaren Sekundärwicklung 13 und der Wärmesenke 35 ein dünner Isolierbereich 37 liegt. Die durch die Primär- und Sekundärwicklungen und Gleichrichterverluste entwickelte Wärme wird durch diese kurze, großflächige Wärmeschnittstelle zur Wärmesenke geleitet. So verläuft der Großteil des Wärmeflusses rechtwinklig zum Strom, wodurch die Wärmesenke vollständig außerhalb bzw. vom Stromschaltkreis abgetrennt liegen kann. Weiterhin wird der Wärmewiderstand durch den kurzen großflächigen Wärmepfad minimiert.
• Der planare, durch Wärmeleitung gekühlte Transformator ist so konstruiert, daß alle Bauteile der Reihe nach aufmontiert werden, sobald die Primärspulen auf den Sekundärplatten befestigt sind. Unter Bezugnahme auf Fig. 2 und 3 ist eine Vielzahl von nicht dargestellten Stiften auf der Grundplatte 35 angebracht, die als Paßstifte für die nachfolgenden Schichten dienen. Als nächstes wird die untere Kernhälfte 43 in der Tasche der Grundplatte 35 positioniert, während die Isolierung 37, die Sekundärwicklung 24, die Isolierung 31, die Sekundär- Mittelabgriff-Kurzschlußbeilagscheiben 59 und die Sekundärwicklung 13 der Reihe nach eingesetzt werden. Dann wird die obere Kernhälfte 45 eingesetzt und mit der geeigneten, nicht dargestellten Hardware, befestigt. Die Sekundärplatten benötigen in den Schrauben-Montageöffnungen Durchführungsisolierungen, die Kurzschlüsse zwischen den Sekundärseiten oder den Montageplatten verhindern.
• Unter besonderer Bezugnahme auf Fig. 3, die weitere Einzelheiten des Gleichrichterabschnitts des Kommutierungsreglers zeigt, sind die Ausgangsdioden 47 und 49 jeweils auf den verlängerten Wicklungen 24 und 13 angeordnet. Isolierung 53, Wärmeübertragungsblock 55 und Isolierung 57 werden dann hinzugefügt und der Reihe nach angeordnet. Die Dioden 47 und 49 werden dann mit dem Ausgangsbus 51 verbunden, um einen Ausgang der Einheit vorzusehen. Die gesamte Einheit wird darauf mit Muttern, Schrauben und verschiedener nicht dargestellter herkömmlicher Hardware befestigt. Die oben beschriebene Konstruktion ermöglicht die wirksame Nutzung hochautomatischer Montagevorrichtungen (Roboter) und kann gleichzeitig mit der endgültigen Montage der Stromversorgung hergestellt werden, wodurch die Sorge um die Beschaffung von Unterbaugruppen und Materialdisposition entfällt.

Claims (4)

1. Ein Kommutierungsregler, beinhaltend

Eine Transformator-Gleichrichter-Anordnung mit einem Gleichrichter und einem Transformator mit nebeneinanderliegenden Primär- (11) und Sekundärwicklungen (13) und einem Kern (15) aus magnetischem Material, der die Wicklungen verbindet, dadurch gekennzeichnet, daß diese Sekundärwicklung eine flache, im wesentlichen rechteckige Platte (13) mit einer Öffnung zur Aufnahme eines Teils dieses Kerns und einen sich von dieser Öffnung zum äußeren Rand der Platte erstreckenden Schlitz (7) enthält,

wobei der Gleichrichter (47) auf der Platte auf einer Seite des Schlitzes montiert ist und einen ersten Anschluß der Sekundärwicklung bildet;

ein mit der Platte verbundener und auf der anderen Seite des Schlitzes gegenüber dem ersten Anschluß angeordneter zweiter Anschluß vorgesehen ist,

wobei die Platte im wesentlichen über den von diesem Gleichrichter, diese Anschlüsse und diese Öffnung definierten Stromweg hinaus reicht und

die Transformator-Gleichrichter-Anordnung auf einer Wärmesenke (35) angeordnet ist, die in Wärmekontakt mit dem überwiegenden Teil einer Fläche dieser Platte steht, wobei die durch die Transformatorwicklungen und den Gleichrichter entwickelte Wärme zu dieser Wärmesenke (35) geführt und durch sie abgeleitet wird.

2. Ein Kommutierungsregler gemäß Anspruch 1, bei dem die Transformator-Gleichrichter-Einheit ein Gleichrichter-Paar (47, 49) beinhaltet,

die Sekundärwicklung ein Paar überlappender, flacher, im wesentlichen rechteckiger Platten (13, 24) beinhaltet, wobei jede dieser Platten eine Öffnung zur Aufnahme eines gemeinsamen Teils dieses Kerns aufweist und sich ein Schlitz (7, 8) von dieser Öffnung zum äußeren Rand der betreffenden Platte erstreckt,

diese Schlitze (7, 8) spitzwinklig zueinander angeordnet sind und so zwischen sich einen gemeinsamen Mittelabgriffteil dieser Sekundärwicklung definieren; und

diese Gleichrichter (47, 49) auf diesen Platten auf einander gegenüberliegenden Seiten des Mittelabgriffteils montiert sind.

3. Ein Kommutierungsregler gemäß Anspruch 2, bei dem sich diese Platten über die Öffnung hinaus auf die gegenüberliegende Seite dieses Mittelabgriffteils erstrecken, um so einen Kühlstreifen zu bilden.

4. Ein Kommutierungsregler gemäß Anspruch 3, bei dem dieser Kühlstreifen eine kurze, aber großflächige Wärmeschnittstelle zur Wärmeableitung zu der Wärmesenke darstellt.