DE4137776C2 - Hochfrequenzleistungsübertrager in Multilayer-Technik - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Hochfrequenzleistungsüber­ trager mit einem weichmagnetischen Kern und mindestens einer Primär- und Sekundärwicklung, die in Form von mehrschichtigen, flachen Leiterbahnen mit dazwischen liegenden, elektrisch isolierenden Schichten auf einer ein Kernloch aufweisenden Multilayer-Platte ausgebildet sind, wobei mindestens ein Schenkel des weichmagnetischen Kerns durch das Kernloch geführt ist. Insbesondere betrifft die Erfindung Leistungsübertrager für nach dem Resonanz­ prinzip arbeitende Schaltnetzteile (Resonanzumrichter).

Schaltnetzteile werden zur Energieversorgung von elek­ trischen Geräten, wie beispielsweise Personalcomputer, Videomonitore verwendet, in denen meist mehrere Verbraucher mit unterschiedlichen Spannungen, insbeson­ dere Gleichspannungen, versorgt werden müssen. Damit die Baugröße dieser Schaltnetzteile möglichst klein zu halten sind, werden zum Betreiben der Netzteile möglichst hohe Frequenzen verwendet. Eine besondere Gruppe von Schalt­ netzteilen sind solche, die nach dem Resonanzprinzip arbeiten. Diese sogenannten Resonanzumrichter weisen mindestens zwei Energiespeicher auf, nämlich eine Kapazi­ tät C und eine Induktivität L. Die Resonanzumrichter können dabei in Serien- und/oder Parallelresonanz betrieben werden.

Aus der DE 37 18 383 A1 ist ein Leistungsübertrager bekannt, bei dem die Streuinduktivität definiert einstellbar ist. Hierdurch ist die Möglichkeit gegeben, bei Einsatz des Übertragers in einem Resonanzumrichter auf eine separate Resonanzinduktivität zu verzichten. Die Resonanzinduktivität des Schwingkreises kann somit in den Leistungsübertrager selbst in Form der Streuinduktivität integriert werden. Die Einstellung der Steuinduktivität erfolgt über Isolationsdistanzscheiben zwischen der Primär- und der Sekundärwicklung. Die Primär- und die Sekundärwicklung selbst sind mehrteilig in Form von Stanzteilen ausgeführt und zusammen mit weiteren Isolationsdistanzscheiben auf einem hülsenförmigen Spulenträger aufgestapelt. Der Spulenträger selbst sitzt dann wiederum auf dem Mittelschenkel eines weichmagne­ tischen Kerns. Durch diesen Aufbau kann zwar die Resonanzdrossel eines Resonanzumrichters eingespart werden, jedoch ist die Herstellung des Übertragers durch Aufstapeln der zahlreichen scheibenförmigen Wicklungs­ teile zusammen mit Isolationsdistanzscheiben auf einem Spulenträger sehr aufwendig.

Durch den Aufsatz "Power transformer design for 1 MHz resonant converter" von A. Estrov in der Zeitschrift HFPC Proceedings, Mai 1986, Seiten 36-54 ist ein weiterer Hochfrequenzleistungsübertrager bekannt geworden, der eine Art Sandwich-Bauweise aufweist. Hierbei sind die Primärwicklungen als spiralförmig angeordnete Leiter­ bahnen auf einem dielektrischen Basismaterial ausgebildet. Die Sekundärwicklungen bestehen aus aufeinander geschichteten Kupferplatten mit dazwischen gelegten Isolatoren. Um eine galvanische Netztrennung zwischen der Primär- und der Sekundärwicklung zu gewährleisten, wurde ein speziell hierfür entwickelter Spulenkörper vorgesehen. Der Übertrager wird in die Platine des Schaltnetzteils integriert. Eine Einsparung der Resonanzdrossel ist mit diesem Leistungsübertrager nicht vorgesehen. In Fig. 5 dieser Veröffentlichung ist das Schaltbild eines Resonanzumrichters wiedergegeben. Der Resonanzkreis wird hierbei durch die zusätzliche Induktivität L2 zusammen mit der Kapazität C7 gebildet.

Aus der DE 37 22 124 A1 ist eine Flachbaugruppe mit einer Multilayer-Platte bekannt, auf der neben einer Spule oder einem Übertrager mehrere Bauelemente angebracht sind. Der Übertrager ist somit integraler Bestandteil einer größe­ ren Baugruppe mit mehreren Bauelementen. Die Leiterplatte weist ein Loch auf, das von den in mehreren Schichten der Multilayer-Platte angeordneten Windungen umschlossen ist und in das ein Schenkel eines Magnetkerns eingesteckt ist. Zur besseren magnetischen Kopplung zwischen den beiden Übertragerwicklungen ist es insbesondere vorge­ sehen, daß die Leiterbahnen verschiedener Wicklungen ineinander geschachtelt werden.

Auch in der DE 37 21 759 A1 wird ein Übertrager beschrie­ ben, der direkt auf einer Leiterplatte angebracht ist. Mindestens eine der Wicklungen soll dabei auf der Leiter­ platte als Leiterbahn aufgebracht sein. Es wird ferner angegeben, daß mehrlagige Wicklungen durch Benutzung sogenannter Multilayer-Leiterplatten zu erzeugen sind. Als bevorzugtes Einsatzgebiet wird der Frequenzbereich von 100 kHz und mehr angegeben. Angaben über die Streuinduktivität werden nicht gemacht.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es , einen Hochfrequenzleistungsübertrager anzugeben, der für den Einsatz in Resonanzumrichtern vorgesehen ist und der zusammen mit einer externen Kapazität den Resonanzkreis eines solchen Umrichters bildet.

Die Aufgabe wird bei einem Leistungs­ übertrager mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Bei Einsatz des erfindungsgemäßen Leistungsübertragers in einem Resonanzumrichter kann somit auf eine zusätzliche Resonanzdrossel verzichtet werden. Der Übertrager und eine externe Kapazität bilden den Schwingkreis. Die Resonanzinduktivität des Schwingkreises ist dabei in Form der Streuinduktivität in den Leistungsübertrager selbst integriert. Die Einstellung der Streuinduktivität für den speziellen Anwendungsfall erfolgt durch die Dicke der Isolationsschicht zwischen den Multilayer-Platten der Primär- und Sekundärwicklung. Insbesondere ist hierdurch auch eine einfache Einstellung der Streuinduktivität auf den für den speziellen Anwendungsfall erforderlichen Wert gewährleistet. Da die Kapazität C aufgrund der auftreten­ den Verluste in der Regel möglichst klein gehalten werden soll, muß ein hoher Wert für die Streuinduktivität L realisiert werden, damit die Frequenz des Resonanzkreises in dem gewünschten Bereich liegt. Mit dicht beieinander liegenden Primär- und Sekundärwicklungen läßt sich dies nicht erreichen. Daher ist vorgesehen, daß für die Primär- und Sekundärwicklung getrennte Multilayer-Platten vorgesehen sind. Durch die Dicke der Isolationsschicht zwischen diesen beiden Multilayer-Platten kann dann eine definierte, von Null verschiedene Streuinduktivität eingestellt werden, die einen hinreichend hohen Wert aufweist.

Vorzugsweise beträgt der Abstand der Multilayer-Platten und damit die Dicke der Isolationsschicht nicht weniger als 1 mm. In vielen Fällen wird der Abstand der Multilayer-Platten aber wesentlich größer sein. So kann zum Beispiel der durch die Kerngröße maximal vorgegebene Abstand eingestellt sein, d. h. der Abstand ergibt sich aus der Länge des Kernschenkels abzüglich der Stärke der Multilayer-Platten. Da bei enger Kopplung, d. h. bei geringem Abstand zwischen Primär- und Sekundärwicklung die Verluste aufgrund der Stromverdrängungseffekte (skin effect, proximity effect) hoch sind, wird durch die Trennung von Primär- und Sekundärwicklung bei dem erfindungsgemäßen Leistungsübertrager somit auch eine Reduzierung dieser Verluste erreicht.

In einer besonderen Ausführungsform sind die in verschie­ denen Ebenen der Multilayer-Platte angeordneten Teil­ wicklungen einer Leiterplatte zu mehreren getrennten Wicklungen verschaltet. Vorzugsweise geschieht dies so, daß sich ineinander verschachtelte Wicklungen ergeben. Hierdurch kann beispielsweise ein derart hoher Kopplungsgrad zwischen den Sekundärwicklungen erreicht werden, daß immer die gleiche Kopplung zur Primärseite besteht. Dies ist vorteilhaft für den Gleichlauf der Ausgangsspannungen über einen großen Lastbereich.

Bei den Stromversorgungsanwendungen werden in der Regel unterschiedliche Ausgangsleistungen benötigt. Diese erfordern im Übertrager verschiedene Wicklungsquer­ schnitte. Bei dem erfindungsgemäßen Leistungsübertrager kann dies auf einfache Weise durch unterschiedliche Lagenzahl des Multilayers, d. h. durch Parallelschaltung einzelner Teilwicklungen realisiert werden. Zudem läßt sich durch die entsprechende Wahl des Kupferquerschnittes der einzelnen Lagen der bei höheren Arbeitsfrequenzen auftretende "skin effekt" minimieren.

Bei höheren Frequenzen ergeben sich bei den Leistungs­ übertragern sehr geringe Windungszahlen. Bestimmte Aus­ gangsspannungen der Stromversorgung lassen sich dann nur noch mit weniger als einer Windung realisieren. Bei dem erfindungsgemäßen Übertrager werden diese Probleme auf einfache Weise über die Ausbildung der entsprechenden Multilayer-Lage gelöst. Dazu wird das Layout derart ausge­ bildet, daß ein Teil der Windung außerhalb des Außen­ schenkels des Magnetkerns geführt wird.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Abbildungen und Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 den Aufbau eines erfindungsgemäßen Leistungs­ übertragers;

Fig. 2 den Lagenaufbau und die elektrische Verschaltung;

Fig. 3 beispielhafte Ausbildungen der Einzellagen.

Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines erfindungs­ gemäßen Leistungsübertragers. Der Leistungsübertrager weist einen Magnetkern 1 auf, der beispielsweise aus zwei E-Kernen zusammengesetzt sein kann. Über den Mittel­ schenkel des Kerns 1 sind Multilayer-Platten 2, 3 geschoben, die einen Abstand a voneinander aufweisen. Zwischen den Multilayer-Platten 2, 3 befindet sich in der Regel ein Isolationskörper, der auch dazu dient, den Abstand der Multilayer-Platten 2, 3 definiert einzu­ stellen. Die Multilayer-Platte 2 beinhaltet die Primär­ wicklung, während auf der Multilayer-Platte 3 in ver­ schiedenen Schichten mit dazwischen angeordneten Isolationsschichten die Sekundärwicklungen untergebracht sind. Durch die Variation des Abstandes a kann die Streuinduktivität des Übertragers in definierter Weise eingestellt werden, wobei eine Vergrößerung des Abstandes eine Erhöhung der Streuinduktivität zur Folge hat. In der Serienfertigung erreicht man mit dieser Anordnung eine hohe Reproduzierbarkeit der Elementwerte.

In Fig. 2 ist beispielhaft der Lagenaufbau und die elektrische Verschaltung der Multilayer-Platte 3 dar­ gestellt, die die Sekundärwicklungen beinhaltet. Als Ausgangsspannung sind beispielsweise +12 V, +5 V, -5 V und -12 V vorgesehen. Vorteilhafterweise werden die Wicklungen dann gemäß Fig. 2 ineinandergeschachtelt. In dieser speziellen Ausgestaltung sind alle Lagen, für die der gleiche Spannungswert angegeben ist, parallel miteinander verschaltet, damit ein höherer Leitungsquerschnitt zu realisieren ist.

In Fig. 3 ist beispielhaft die Ausbildung der Einzellagen für die verschiedenen Spannungswerte dargestellt.

Vorteilhafterweise wird der erfindungsgemäße Leistungs­ übertrager als separates Bauelement hergestellt, das Anschlußstifte oder Drähte zur Kontaktierung mit einer elektrischen Schaltung aufweist. Hierdurch wird eine universelle Verwendung sichergestellt. In der Regel wird der Leistungsübertrager daher in einem separaten Gehäuse untergebracht sein. Ein Verguß ist hierbei in üblicher Weise möglich.

Neben dem beschriebenen Leistungsübertrager können auch andere magnetische Bauteile mit Multilayer-Platten als Wicklungen hergestellt werden. Dies trifft beispielsweise auf die Ausgangsdrossel von Stromversorgungen zu. Mögliche Einsatzgebiete von Bauelementen mit Wicklungen in Multilayer-Technik sind ferner magnetische Leistungs­ elemente herkömmlicher Schaltnetzteile oder Stromwandler.

Claims (4)

1. Leistungsübertrager mit einem magnetisierbaren Kern (1) und mindestens einer Primär- und Sekundärwicklung, die in Form von mehrschichtigen, flachen Leiterbahnen mit dazwischen liegenden elektrisch isolierenden Schichten auf einer ein Kernloch aufweisenden Multilayer-Platte ausgebildet sind, wobei mindestens ein Schenkel des magnetisierbaren Kerns (1) durch das Kernloch geführt ist, wobei

• - für Primärwicklung und Sekundärwicklung getrennte Multilayer-Platten (2, 3) vorgesehen sind, wobei
• - durch die Dicke der Isolationsschicht zwischen den Multilayer-Platten (2, 3) der Primär- und Sekundär­ wicklung eine definierte, von Null verschiedene Streu­ induktivität eingestellt wird, und wobei
• - der Leistungsübertrager zugleich die Funktion einer Resonanzdrossel in einem Resonanzumrichter übernimmt.

2. Leistungsübertrager nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Dicke a der Isolationsschicht zwischen den Multilayer-Platten (2, 3) der Primär- und Sekundär­ wicklung nicht weniger als 1 mm beträgt.

3. Leistungsübertrager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in verschiedenen Ebenen der Multi­ layer-Platte (2, 3) angeordnete Teilwicklungen zu mehreren, getrennten Wicklungen verschaltet sind, vorzugsweise derart, daß sich ineinander verschachtelte Wicklungen ergeben.

4. Leistungsübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß einzelne Wick­ lungen weniger als eine ganze Windung aufweisen.