DE4116740A1

DE4116740A1 - POWER SWITCHING TRANSFORMER

Info

Publication number: DE4116740A1
Application number: DE19914116740
Authority: DE
Inventors: Masakazu Kazama
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1990-05-29
Filing date: 1991-05-23
Publication date: 1991-12-05
Also published as: GB2245106A; JPH0415220U; GB9111508D0

Description

Die Erfindung betrifft einen Stromversorgungs-Schalttransformator nach dem Oberbegriff des Patentanspruch 1.The invention relates to a power supply switching transformer according to the preamble of claim 1.

Derartige Gleichstromwandler werden als Leistungsschalter bzw. als Zeilenkipptransformator verwendet.DC converters of this type are used as circuit breakers or as a toggle transformer.

Bei herkömmlichen elektronischen Einrichtungen werden Gleichspannungen verschiedener Größe benötigt, wobei die Gleichspannungen dadurch erzeugt werden, daß ein Wandler zum Transformieren einer Gleichspannung verwendet wird. Bei einem solchen Wandler wird ein Strom, der auf die Primärseite eines Wandler-Transformators gegeben wird, durch einen Schalttransistor ein- und ausgeschaltet. Die transformierte Spannung, die man auf der Sekundärseite erhält, wird sodann gleichgerichtet, um eine Gleichspannung zu erhalten. Als ein Wandler dieses Typs ist der Zeilenendtrafo (Ein-Aus-System) allgemein bekannt, der so ausgelegt ist, daß er eine Spannung auf der Sekundärseite eines Transformators bei Stromunterbrechung auf die Primärseite dieses Transformators erzeugt.In conventional electronic devices, DC voltages are different Size needed, the DC voltages are generated by a converter is used to transform a DC voltage. With such a converter becomes a current that is given to the primary side of a converter transformer switched on and off by a switching transistor. The transformed tension that one on the secondary side is then rectified to obtain a DC voltage. As a converter of this type, the end-of-line transformer (on-off system) is generally known, which is designed to have a voltage on the secondary side of a transformer generated on power failure on the primary side of this transformer.

Ein Kern vom EER-Typ, wie er in der Fig. 1 dargestellt ist, wird im allgemeinen in einem Leistungsschalttransformator eines Zeilenkippwandlers verwendet. Ein Spalt G ist im wesentlichen in der Mitte der zentralen Schenkel 10 des Kerns vom EER-Typ vorgesehen. Die Oberflächen der zentralen Schenkel 10, die sich einander über den Spalt G gegenüberliegen, sind abgeschliffen. Bei dieser Anordnung verläuft ein Fluß F außerhalb und in der Nähe des Spalts G. Wenn dieser Streufluß F durch die Spulen 11 verläuft, die durch strichpunktierte Linien angedeutet und um den Kern gewickelt sind, entstehend in der Spule 11 Wirbelströme. Wird die Betriebsfrequenz erhöht, so fließen diese Wirbelströme in einem geschlossenen Kreis, der durch die Spulen 11 und die Kapazitäten zwischen diesen Spulen 11 gebildet wird, und erzeugen hierdurch Wirbelstromverluste, was zu einer Erwärmung der Spulen führt. Um die Größe der Transformatoren zu verringern, wurde die Arbeitsfrequenz in der Vergangenheit immer mehr erhöht. Liegt die Arbeitsfrequenz bei etwa 100 kHz oder mehr, so stellt die Wärmeentwicklung ein ernsthaftes Problem dar.A core of the EER type, as shown in FIG. 1, is generally used in a power switching transformer of a line-to-line converter. A gap G is provided substantially in the middle of the central legs 10 of the EER-type core. The surfaces of the central legs 10 , which face each other across the gap G, are ground. With this arrangement, a flow F runs outside and in the vicinity of the gap G. When this stray flow F runs through the coils 11 , which are indicated by dash-dotted lines and are wound around the core, eddy currents arise in the coil 11 . If the operating frequency is increased, these eddy currents flow in a closed circuit, which is formed by the coils 11 and the capacitances between these coils 11 , and thereby generate eddy current losses, which leads to heating of the coils. In order to reduce the size of the transformers, the working frequency has been increased more and more in the past. If the working frequency is around 100 kHz or more, the heat development is a serious problem.

Bei einem herkömmlichen Wandler werden zur Minimierung der ungünstigen Effekte des Streuflusses um die Lücke zwischen den zentralen Schenkeln eines Transformator-Kerns die Spulenwicklungen in der Nähe des Spalts so ausgelegt, daß sie größer sind als anderswo, oder es werden Litzendrähte bzw. aus mehreren verdrillten Drähten bestehende Windungen als Spulen verwendet. Das hierbei entstehende Problem liegt darin, daß sich die Windungszahl der Spulen insgesamt reduziert. Werden Litzendrähte verwendet, so erhöhen sich die Kosten unvermeidlich, außerdem ist es sehr schwierig, die Enden der Drähte zu verarbeiten.In a conventional converter to minimize the adverse effects of Stray flux around the gap between the central legs of a transformer core the coil windings near the gap are designed to be larger than elsewhere, or there are stranded wires or turns consisting of several twisted wires used as coils. The problem that arises here is that the Total number of turns of the coils reduced. If stranded wires are used, increase them the cost is inevitable, moreover, it is very difficult to end the wires to process.

Bei einem anderen bekannten Verfahren werden die ganzen Spulen mittels eines Plattenelements bedeckt und geschützt, das als Kurzschlußring bezeichnet ist und aus einer Kupferplatte besteht. Bei diesem Verfahren tritt das Problem auf, daß sich die Zahl der Komponenten vergrößert und hierdurch die Zahl der Montageschritte entsprechend zunimmt.In another known method, the whole coils are made using a plate element covered and protected, which is called a short-circuit ring and made of a copper plate consists. The problem with this method is that the number of components enlarged and the number of assembly steps increases accordingly.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, die Wärmeentwicklung in den Spulen zu unterdrücken, indem der Streufluß im Spaltbereich des Kerns verringert wird, ohne daß teure Litzendrähte verwendet werden und ohne daß sich die Zahl der Komponenten und Montageschritte erhöht.The invention is therefore based on the object, the heat development in the coils to be suppressed by reducing the leakage flux in the core gap area without expensive stranded wires are used and without the number of components and Assembly steps increased.

Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.This object is achieved in accordance with the features of patent claim 1.

Der mit der Erfindung erzielte Vorteil besteht insbesondere darin, daß der Streufluß in der Nähe der Lücke zwischen den zentralen Schenkeln des Kerns vermindert wird. Außerdem werden die in den Spulen erzeugten Wirbelströme vermindert, da die Spulen beim Spalt von dem Kern getrennt sind. Hierdurch wird die auf Wirbelströme beruhende Wärmeerzeugung in den Spulen unterdrückt. The advantage achieved by the invention is in particular that the leakage flux in the Proximity of the gap between the central legs of the core is reduced. Furthermore the eddy currents generated in the coils are reduced because the coils at the gap are separated from the core. As a result, the heat generation based on eddy currents suppressed in the coils.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigtEmbodiments of the invention are shown in the drawings and are in following described in more detail. It shows

Fig. 1 eine Seitenansicht des Kerns eines herkömmlichen Stromversorgungs- Schalttransformators; Fig. 1 is a side view of the core of a conventional power supply switching transformer;

Fig. 2 eine Seitenansicht des Kerns eines erfindungsgemäßen Stromversorungs- Schalttransformators; Fig. 2 is a side view of the core of a power supply switching transformer according to the invention;

Fig. 3 eine perspektivische Darstellung, welche die untere Hälfte des Kerns gemäß Fig. 2 zeigt und Fig. 3 is a perspective view showing the lower half of the core of FIG. 2 and

Fig. 4A und 4B Ansichten von zentralen Schenkeln des Kerns eines erfindungsgemäßen Stromversorgungs-Schalttransformators, die einen Abstand voneinander mit verschiedenen Formen aufweisen. FIGS. 4A and 4B are views of the central legs of the core of a power supply switching transformer according to the invention which have a distance from each other with different shapes.

In der Fig. 2 ist eine Seitenansicht dargestellt, die nur einen Kern zeigt, der aus einem erfindungsgemäßen Stromversorgungs-Schalttransformator herausgenommen ist. Die Fig. 3 ist eine perspektivische Ansicht der unteren Hälfe des Kerns gemäß Fig. 2. FIG. 2 shows a side view which shows only one core which has been removed from a power supply switching transformer according to the invention. FIG. 3 is a perspective view of the lower half of the core of FIG. 2.

Wie in der Fig. 2 dargestellt, ist der Kern durch die horizontale Linie A-A in obere und untere Bereiche unterteilt, d. h. in eine obere Kernhälfte 1 und in eine untere Kernhälfte 2. Jede Kernhälfte wird durch Pressen eines Ferritmaterials mittels Druckformen integral hergestellt. Jede Kernhälfte weist außerdem eine E-Form mit zwei Seitenschenkeln und einem zentralen Schenkel auf. Die obere Kernhälfte 1 besitzt zwei seitliche Schenkel 1a, 1b und einen zentralen Schenkel 1c. Entsprechend besitzt die untere Kernhälfte 2 zwei seitliche Schenkel 2a, 2b und einen zentralen Schenkel 2c. Wenn die oberen und unteren Kernhälften 1 und 2 so angeordnet sind, daß sie sich in vertikaler Richtung gegenüberliegen, werden die Seitenschenkel 1a, 2a und 1b, 2b in engen Kontakt zueinander gebracht, doch bildet sich hierbei ein Spalt zwischen den zentralen Schenkeln 1c und 2c, wodurch ein EER-Kern gebildet wird. Die Bezeichnung EER deutet darauf hin, daß zwei E-förmige Hälften vorgesehen sind, wobei der mittlere Schenkel einen kreisförmigen Querschnitt hat, während die beiden äußeren Schenkel einen im wesentlichen rechteckigen Querschnitt haben.As shown in FIG. 2, the core is divided into upper and lower regions by the horizontal line AA, ie into an upper core half 1 and a lower core half 2 . Each core half is integrally manufactured by pressing a ferrite material using printing formes. Each core half also has an E-shape with two side legs and a central leg. The upper core half 1 has two lateral legs 1 a, 1 b and a central leg 1 c. Correspondingly, the lower core half 2 has two lateral legs 2 a, 2 b and a central leg 2 c. If the upper and lower core halves 1 and 2 are arranged so that they face each other in the vertical direction, the side legs 1 a, 2 a and 1 b, 2 b are brought into close contact with one another, but this forms a gap between the central ones Legs 1 c and 2 c, whereby an EER core is formed. The designation EER indicates that two E-shaped halves are provided, the middle leg having a circular cross section, while the two outer legs have a substantially rectangular cross section.

Aus der Fig. 3 ist ersichtlich, daß jeder der zentralen Schenkel 1c und 2c des Kerns so ausgebildet ist, daß zwei zylindrische Bereiche B und C verschiedenen Durchmessers, nämlich d₁ und d₂ aufweisen und über einen konischen Bereich D miteinander verbunden sind. Bezogen auf die Breite d₃ des Spalts G sind die Durchmesser d₁ und d₂ der zylindrischen Bereiche B und C auf 0,6 d₁ < d₂ < 0,95 d₁ festgelegt. From Fig. 3 it can be seen that each of the central legs 1 c and 2 c of the core is formed so that two cylindrical regions B and C of different diameters, namely d₁ and d₂ and are connected to each other via a conical region D. Based on the width d₃ of the gap G, the diameters d₁ and d₂ of the cylindrical regions B and C are set at 0.6 d₁ <d₂ <0.95 d₁.

Wenn die voneinander entfernten Endbereiche der zentralen Schenkel 1c und 2c der oberen und der unteren Kernhälften 1 und 2 konisch ausgebildet sind, um die Querschnitte der zentralen Schenkel 1c und 2c in der Nähe des Spalts G auf diese Weise zu reduzieren, weil der magnetische Widerstand in den zentralen Bereichen der zentralen Schenkel 1c und 2c kleiner als der in dem äußeren Bereich wird, konzentriert sich der Fluß durch die zentralen Schenkel in den zentralen Bereichen der zentralen Schenkel und wird somit verdichtet. Folglich nimmt der Streufluß um den Spalt G betragsmäßig ab. Außerdem wird ein Streufluß, der durch die Spulen geht, reduziert, weil die zentralen Schenkel des Kerns und die Spulen in der Nähe des Spalts G voneinander getrennt sind. Wegen dieses synergetischen Effekts werden die Wirbelströme in der Nähe des Spalts verringert, wodurch die Wärmeentwicklung in den Spulen unterdrückt wird.If the distal end portions of the central legs 1 c and 2 c of the upper and lower core halves 1 and 2 are conical in order to reduce the cross sections of the central legs 1 c and 2 c in the vicinity of the gap G in this way, because the magnetic resistance in the central regions of the central legs 1 c and 2 c becomes smaller than that in the outer region, the flow through the central legs concentrates in the central regions of the central legs and is thus compressed. As a result, the amount of leakage flux around the gap G decreases. In addition, a leakage flux that passes through the coils is reduced because the central legs of the core and the coils near the gap G are separated. Because of this synergistic effect, the eddy currents near the gap are reduced, which suppresses the heat generation in the coils.

Jeder zentrale Schenkel 1c und 2c des Kerns kann so ausgebildet sein, daß nur der konische Bereich D ein konisches Ende aufweist, wie es die Fig. 4A zeigt. Er kann indessen auch so ausgebildet sein, daß die zylindrischen Bereiche B und C, die unterschiedliche Durchmesser aufweisen, direkt miteinander verbunden sind, so daß sie ein Ende ohne konischen Bereich besitzen, wie es in der Fig. 4B gezeigt ist.Each central leg 1 c and 2 c of the core can be designed such that only the conical region D has a conical end, as shown in FIG. 4A. However, it can also be designed such that the cylindrical regions B and C, which have different diameters, are directly connected to one another so that they have an end without a conical region, as shown in FIG. 4B.

Im Hinblick auf die Kernherstellungsverfahren, bei denen ein Ferritmaterial gepreßt wird und angesichts der Unterschiede in der Abtraggenauigkeit von spalt-gebildeten Oberflächen, wird jedoch die in der Fig. 3 dargestellte Form bevorzugt, die einen zylindrischen Bereich am äußeren Ende besitzt. Der äußere Endbereich der zentralen Schenkel 1c und 2c muß nicht hergestellt werden, wenn der Kern durch Pressen hergestellt wird; er kann vielmehr auch nach dem Pressen geschnitten werden.In view of the core manufacturing processes in which a ferrite material is pressed and in view of the differences in the abrasion accuracy of gap-formed surfaces, however, the shape shown in Fig. 3, which has a cylindrical portion at the outer end, is preferred. The outer end portion of the central legs 1 c and 2 c need not be made if the core is made by pressing; it can also be cut after pressing.

Wie oben bereits beschrieben, wird bei einem erfindungsgemäßen Schalttransformator eines Zeilenendstufen-Wandlers der Streufluß in der Nähe des Spalts reduziert, weil die zentralen Schenkel des EER-Kerns so ausgelegt sind, daß die Schenkelbereiche in der Nähe des Spalts kleinere Querschnittsflächen aufweisen als die anderen Bereiche.As already described above, in a switching transformer according to the invention of a line output converter the stray flux near the gap is reduced because the central leg of the EER core are designed so that the leg areas in the Near the gap have smaller cross-sectional areas than the other areas.

Da die Spulen außerdem in der Nähe des Spalts vom Kern getrennt sind, werden die in den Spulen erzeugten Wirbelströme reduziert, wodurch die Wärmeentwicklung in den Spulen unterdrückt wird. Somit kann die Arbeitsfrequenz erhöht und der Transformator weiter in seinen Abmessungen reduziert werden. Erfindungsgemäß kann der Transformator mit geringen Kosten hergestellt werden, ohne daß Litzendrähte, ein Kurzschlußring oder eine erhöhte Zahl von Herstellungsschritten erforderlich sind.Since the coils are also separated from the core near the gap, those in the Eddy currents generated by coils are reduced, which increases the heat development in the coils is suppressed. Thus, the working frequency can be increased and the transformer can continue to move in its dimensions can be reduced. According to the invention, the transformer can be low Costs are made without the need for stranded wires, a shorting ring or an increased one Number of manufacturing steps are required.

Claims

1. Power supply switching transformer with an EER core, which has a gap between the central legs and can be used as a line return converter, characterized in that the central leg regions ( 1 , 2 c) of the EER core in the vicinity of the gap ( G) have smaller cross-sectional areas than other areas.

2. Power supply switching transformer according to claim 1, characterized in that the EER core consists of two E core halves ( 1, 2 ), each of which has two side legs ( 1 a, 1 b; 2 a, 2 b) with a central one arms (1 c, 2 c), which lie opposite each other in such a way that the two side legs (1 a, 1 b; 2 a, 2 b) of the two core halves (1, 2) are in firm abutting contact, wherein each of the central leg of the two core halves ( 1, 2 ) is designed such that a first cylindrical region (B) is connected to a second cylindrical region (C), which has a smaller diameter than the first cylindrical region, via a conical region (D), wherein the central leg region tapers in the direction of its outer end and wherein a gap (G) is provided between the second cylindrical region (C) of the central legs of the core halves.

3. Power supply switching transformer according to claim 2, characterized in that a diameter d₁ of the first cylindrical region (B) and a diameter d₂ of second cylindrical portion are set to meet the following condition are enough: 0.6 d₁ <d₂ <0.95 d₁.

4. Power supply switching transformer according to claim 1, characterized in that the EER core consists of two E core halves ( 1, 2 ), each of which has two side legs ( 1 a, 1 b; 2 a, 2 b) and a central one arms (1 c, 2 c), which lie opposite each other in such a way that the two side legs (1 a, 1 b; 2 a, 2 b) of the two core halves (1, 2) are in solid touching contact, wherein each of the central Leg of the two core halves ( 1, 2 ) is designed so that it has two cylindrical regions ( 1 c, 2 c) and a conical region (D), the conical region tapering towards the outer end of the leg, and that a Gap is provided between the outer ends of the conical areas of the central leg of the core halves.

5. Power supply switching transformer according to claim 1, characterized in that the EER core consists of two E core halves ( 1, 2 ), each of which has two side legs ( 1 a, 1 b; 2 a, 2 b) and a central one arms (1 c, 2 c), which lie opposite each other in such a way that the two side legs (1 a, 1 b; 2 a, 2 b) of the two core halves (1, 2) to each other in firm abutting contact, wherein each of the central Leg of the two core halves ( 1, 2 ) is designed such that a first cylindrical region (B, 1 c) and a second cylindrical region (C) are connected to one another, the second cylindrical region (C) having a smaller diameter than that first cylindrical region, and that a gap is provided between the second cylindrical region (C) of the central legs of the core halves.