DE69918364T2

DE69918364T2 - Spule

Info

Publication number: DE69918364T2
Application number: DE69918364T
Authority: DE
Inventors: Markus Rehm; Jose-L. Rodriguez-Duran; Thomas Riesle
Original assignee: Deutsche Thomson Brandt GmbH
Current assignee: Deutsche Thomson Brandt GmbH
Priority date: 1998-04-27
Filing date: 1999-04-15
Publication date: 2004-12-09
Anticipated expiration: 2019-04-16
Also published as: CN1233844A; EP0953993B1; CN1171252C; JP2000030941A; BR9901300A; EP0953993A3; EP0953993A2; US6154111A; DE69918364D1; DE19818673A1

Description

Die Erfindung geht aus von einer Spule mit einem Kern und Windungen, die als Leiterbahnen auf Trägerschichten angeordnet sind.
Spulen oder Transformatoren, die insbesondere bei Frequenzen von über 100 kHz betrieben werden und als Leistungsbauteil ausgelegt sind, werden in ihren elektrischen Eigenschaften durch den Skineffekt erheblich beeinflußt. Da durch den Skineffekt abhängig von der Frequenz Ströme nur in der äußeren Schicht eines Leiters fließen, können Drähte oder Leiterbahnen zur Verarbeitung von höheren Leistungen nicht entsprechend dicker gemacht werden, so dass beispielsweise Kupferlitze anstatt eines Drahtes verwendet werden muß. Aber auch bei Verwendung von Kupferlitze in Spulen herkömmlicher Bauart, die in Schaltnetzteilen bei Frequenzen von beispielsweise 500 kHz verwendet werden, weisen diese Temperaturen von über 100° und Verluste von mehreren Watt während des Betriebes auf. Die Verwendung von Kupferfolie mit dazwischen liegender Isolierschicht ist aufwendiger und weist ebenfalls noch eine extreme Temperaturerhöhung von 60°C bei 500 kHz auf.
Aus der Application Note Philips Magnetic Products, "Design of Planar Power Transformers", ist es bekannt, bei einem Leistungstransformator für höhere Frequenzen eine Platinentechnik zu verwenden. Hierbei liegen mehrere beidseitige Platinen übereinander und jede Platine enthält mehrere Windungen, deren inneres Ende eine Durchkontaktierung aufweist zur Verbindung der Windungen untereinander. Die Platinen enthalten in der Mitte ein Loch, durch die der Kern hindurchgeführt wird, so dass ein geschlossener magnetischer Kreis im Kern entsteht.
Spulen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sind bekannt durch die US-A-5 726 615 und FR-A-2 476 898.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Spule der eingangs genannten Art anzugeben, die niedrige elektrische Verluste aufweist bei kompakten Abmessungen.
Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale der Erfindung gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Spule enthält Trägerschichten, die jeweils nur eine Windung enthalten, wobei Anfang und Ende jeder Windung auf einer oder mehreren Erweiterungen am äußeren Rand der Trägerschicht herausgeführt sind, so dass mehrere Trägerschichten über diese Erweiterungen miteinander kontaktiert werden können. Als Trägerschicht kann eine dünne Platine, ein in der HF-Technik übliches Substrat oder eine Kunststofffolie verwendet werden, auf denen die eine Windung als Leiterbahn, insbesondere als Kupfer-Leiterbahn in Ätztechnik, aufgebracht ist.
Die Windungen auf den Trägerschichten können auf einfache Weise miteinander leitend verbunden werden, beipielsweise in einem Verfahrensschritt durch Eintauchen in ein Lötbad. Hierfür sind ein Anfang und ein Ende einer Windung auf einer Erweiterung unterschiedlich lang ausgeführt und mehrere Trägerschichten derart übereinander gelegt, dass sich Anfang und Ende von benachbarten Trägerschichten miteinander überlappen. Die Windungen sind dann nach dem Kontaktieren alle hintereinander geschaltet. Als Kern eignen sich beispielsweise E/I-, U/U-, R/M- oder E/E-Ferritkerne. In diesen können die Trägerschichten angeordnet werden, ohne dass ein Spulenkörper benötigt wird. Diese Kerne weisen üblicherweise eine oder zwei Öffnungen auf, in denen die Erweiterungen der Trägerschichten angeordnet sind. Ist der Platz einer Öffnung durch die nebeneinander liegenden Erweiterungen aufgebraucht, so kann durch eine verkürzte Windung und Verschiebung einer Erweiterung am Rand um ca. 90° auf die zweite Öffnung oder auf den Anfang der ersten Öffnung zurückgegangen werden.
Die Spule eignet sich insbesondere für Anwendungen als frequenzbestimmendes Bauteil in Resonanzkreisen von Schaltnetzteilen nach dem Resonanzwand lerprinzip, die bei Frequenzen von über 100 kHz arbeiten. Weitere Anwendungen, beispielsweise in der Nachrichtentechnik, sind aber ebenfalls möglich.
Im folgenden wird die Erfindung beispielhaft anhand von schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Trägerschicht mit einer Windung,
2 drei übereinander liegende, kontaktierte Trägerschichten und
3 eine Spule mit einem E/I-Kern und Trägerschichten.
Auf der Trägerschicht 1 der 1 ist eine Windung 2, gewissermaßen als Wicklung, mit einem Anfang 3 und einem Ende 4 angeordnet. Anfang 3 und Ende 4 liegen auf einer Erweiterung 10 der Trägerschicht an ihrem äußeren Rand. Die Trägerschicht 1 ist beispielsweise eine dünne Platine, ein Substrat oder eine Kunststofffolie, auf denen die Windung 2 als Leiterbahn, beispielsweise in Kupferätztechnik, aufgebracht ist. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Trägerschicht 1 rund und enthält ein Loch 8 in der Mitte zur Durchführung eines Kernes, andere Ausführungen sind aber ebenfalls möglich. Die Leiterbahn 2 ist kreisförmig und enthält einen schmalen Schlitz 9 zwischen Anfang 3 und Ende 4, durch den diese elektrisch voneinander isoliert sind. Das kurze Ende der Erweiterung 10 ist beispielsweise 2,5 mm und das lange Ende beispielsweise 4,5 mm lang.
Der Anfang 3 mit der zugehörigen Erweiterung 10 der Trägerschicht 1 ist etwas kürzer als das Ende 4, so dass Trägerschichten aufeinander gelegt werden können derart, dass sich ein Ende einer Windung mit dem Anfang der nächsten Windung überlappt. Hierfür ist eine kleine Drehung zwischen den Trägerschichten notwendig, wie anhand der 2 dargestellt. Diese zeigt drei Trägerschichten, bei denen ein Anfang bzw. ein Ende jeweils überlappen, und die miteinander verlötet sind.
Von der untersten Trägerschicht ist nur der Anfang 3 sichtbar. Über dem Ende dieser Trägerschicht liegt der Anfang 4 der darauffolgenden Trägerschicht, deren Ende mit dem Anfang 5 der dritten Trägerschicht überlappt. Durch diese An ordnung können die Windungen in einem Prozeßschritt, beispielsweise durch Eintauchen in ein Lötbad, miteinander verbunden werden, so dass alle Windungen hintereinander geschaltet sind und eine Spulenwicklung mit einem Anfang 3 und einem Ende 6 ergeben. Andere Verbindungstechniken sind aber ebenfalls möglich.
Da die Trägerschichten 1 nur einseitig einen elektrischen Leiter aufweisen, sind die Windungen 2 durch die Trägerschichten ausreichend gegeneinander isoliert, so dass kein weiteres Isolationsmaterial mehr notwendig ist. Hierdurch können beispielsweise 20 Trägerschichten entsprechend 20 Windungen direkt in einem Kern bei entsprechender Dimensionierung angeordnet werden. Ein Spulenkörper wird nicht benötigt.
Die Leiterbahnen haben beispielsweise eine Dicke von 35 μm und weisen einen geringen ohmschen Widerstand bei Frequenzen über 100 kHz auf. Beispielsweise weist eine Spule mit 20 Windungen und 70 μH bei einer Frequenz von 500 kHz einen Widerstand von nur 0,6 Ohm auf, was nur zu einer relativen Temperaturerhöhung von 30°C führt. Die Dicke einer Trägerschicht 1 beträgt hier 0,1 mm.
In der 3 ist eine Spule mit einem Kern 20 und Windungen auf im Kern angeordneten Trägerschichten 21 in einer Draufsicht dargestellt. Von den Trägerschichten 21 sind nur die Erweiterungen 22, auf denen die Kontaktierungen zwischen dem jeweiligen Ende und dem Anfang der nächsten Windung hergestellt sind, sichtbar. Über Anschlüsse 23, 24 wird die Spule mit einer Schaltung verbunden. Durch eine Drehung bzw. Verschiebung einer Erweiterung, in diesem Ausführungsbeispiel um ca. 90°, kann auch die zweite Öffnung 25 des E/I-Kernes für Kontaktierungen genutzt werden. Alternativ kann auch eine zweite Ebene über den Erweiterungen 22 angelegt werden. In diesen Fällen ist auf dieser Trägerschicht keine vollständige Windung, sondern beispielsweise nur eine viertel, halbe oder dreiviertel Windung angeordnet. Diese Trägerschicht enthält dann beispielsweise eine Erweiterung, die aus der Öffnung 26 herausragt, und eine Erweiterung, die aus der Öffnung 25 mit dem jeweiligen Anfang bzw. Ende der Windung herausragt.
In einem Ausführungsbeispiel enthält die Spule beispielsweise 20 Windungen und erzielt mit einem RM12-Kern 70 μH. Die Leiterbahnen nutzen die Breite der Trägerschicht möglichst vollständig aus, um den ohmschen Hochfrequenzwiderstand möglichst gering zu halten. In diesem Ausführungsbeispiel beträgt er nur 0,6 Ohm für die Spule. Da die Spule als Speicherspule mit einem Luftspalt ausgelegt ist, um Energie zu speichern, ist sie zudem noch durch Wirbelströme verlustbehaftet. Bei Verwendung eines E/I-Kernes können die Verluste weiter reduziert werden, indem die Trägerschichten auf der anderen Seite des Spaltes durch Verwendung eines Abstandshalters, und dadurch möglichst weit weg von diesem, im Kern 20 angeordnet werden.
Parallelschaltungen von Windungen sind ebenfalls möglich: z. B. können zweimal 10 Windungen in Reihe geschaltet sein und diese Reihenschaltungen anschließend parallel verschaltet, so dass sich effektiv 10 Windungen mit niedrigeren ohmschen Widerstand ergeben.
Weitere Vorteile der Spule sind, dass kein Spulenkörper benötigt wird und die Verwendung von ökologisch bedenklichem Kupferlackdraht entfällt. Es kann gewalztes Kupfer direkt auf einer Kunststofffolie aufgebracht werden. Die Receyclingfähigkeit bei dieser Planartechnologie ist deshalb kein Problem: Nach dem Zerhacken der Spule kann der Ferritkern magnetisch und das Kupfer elektrisch herausgetrennt werden. Übrig bleibt dann die Kunststofffolie die je nach verwendetem Material wiederverwertet kann. Im Gegensatz dazu kann eine mit Litze gewickelte Spule nur auf der Müllhalde entsorgt werden.
Die anhand der 1–3 beschriebene Spule ist insbesondere als Speicherspule für höhere Leistungen ausgelegt. Weitere Ausführungsformen für entsprechende Anwendungen liegen im Rahmen eines Fachmanns. Insbesondere kann die Geometrie der Trägerschichten 1, der Leiterbahn 2, den Erweiterungen 10 je nach Ausführung geometrisch beliebig ausgeführt werden.

Claims

Spule mit einem Kern und mit Windungen, die als Leiterbahnen auf Trägerschichten angeordnet sind, und mehreren Trägerschichten (1), die maximal nur eine Windung (2) enthalten, deren Anfang (3) und deren Ende (4) jeweils auf einer oder mehreren Erweiterungen (10) am äußeren Rand der Trägerschicht (1) herausgeführt und mehrere Trägerschichten (1) über die Erweiterungen (10) elektrisch miteinander kontaktiert sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Anfang (3) und das Ende (4) einer Windung (2) auf der Erweiterung (10) unterschiedlich lang sind und mehrere Trägerschichten (1) derart übereinander gelegt sind, dass sich das Ende (4) einer Windung (2) mit dem Anfang der nächsten Windung überlappt (4, 5).
Spule nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerschicht (1) eine Platine, ein Substrat oder eine Kunststofffolie ist, auf denen die Windung als Leiterbahn (2) aufgebracht ist.
Spule nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Anfang und das Ende (4, 5) von Windungen (2) benachbarter Trägerschichten jeweils seriell miteinander leitend verbunden, vorzugsweise verlötet, sind.
Spule nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass benachbarte Trägerschichten (1) derart gegeneinander verdreht sind, dass sich der Anfang und das Ende von Windungen benachbarter Trägerschichten (1) jeweils überlappen.
Spule nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern ein E/I-, U/U-, R/M- oder E/E-Ferritkern ist, der die Trägerschichten (1) aufnimmt.
Spule nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule einen Luftspalt aufweist und dass die Trägerschichten (1) durch den Luftspalt beabstandet sind.
Spule nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Anfang (3) einer Windung (2) einer Trägerschicht (1) eine Drehung von ca. 90°, abhängig von der Öffnung des Kerns, gegenüber dem Ende der benachbarten Trägerschicht aufweist, so dass der zweite offene Bereich des Ferritkernes nutzbar ist.
Anwendung einer Spule nach einem der vorangehenden Ansprüche für Schaltnetzteile, deren Frequenzen über 100 kHz liegen.