EP0711450A1 - Planar transducer - Google Patents

Planar transducer

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EP0711450A1
EP0711450A1 EP94916901A EP94916901A EP0711450A1 EP 0711450 A1 EP0711450 A1 EP 0711450A1 EP 94916901 A EP94916901 A EP 94916901A EP 94916901 A EP94916901 A EP 94916901A EP 0711450 A1 EP0711450 A1 EP 0711450A1
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cuboid
core
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Wincor Nixdorf International GmbH
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    • H01F29/14—Variable transformers or inductances not covered by group H01F21/00 with variable magnetic bias
    • H01F2029/143—Variable transformers or inductances not covered by group H01F21/00 with variable magnetic bias with control winding for generating magnetic bias

Definitions

  • FIG. 1 shows a section through a one-piece core 10 made of highly permeable material with low eddy current losses, for example a ferrite.
  • This core has the shape of a cuboid, which has a cuboid opening 12 and thus has a closed iron path with two legs 14a, 14b and the yokes 15a, 15b connecting them.
  • a primary winding 11a, 11b is placed around one leg 14a and a control winding 13 is applied to the other leg 14b.
  • the primary winding exists a metal profile that is as wide as the opening in the core and whose cross section is preferably approximately half the cross section of the opening.
  • the control winding 13 consists of one or more layers of insulated wire.
  • the planar transducer is preferably used as a transducer for regulating the output voltage on the secondary side in the case of primary switched-mode switching power supplies according to FIG. 3.
  • These consist of a rectifier 30, a filter capacitor 31, a control circuit 32, an electronic switch 33 and a transformer 40 with primary winding 41 and secondary winding 42.
  • the primary winding 41 is supplied by the first control circuit 32 with a pulsed current which is rectified on the secondary side.
  • This form of switching power supplies preferably as a forward converter is generally known, which is why details of the execution, in particular also protective means, were dispensed with for the sake of clarity.
  • the necessary magnetic flux numbers can be achieved with a u-shaped winding made of a copper profile with at the same time low leakage inductance.

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Abstract

PCT No. PCT/DE94/00654 Sec. 371 Date Jan. 24, 1996 Sec. 102(e) Date Jan. 24, 1996 PCT Filed Jun. 10, 1994 PCT Pub. No. WO95/03617 PCT Pub. Date Feb. 2, 1995Planar transductor consisting of one or more rectangular ferrite cores having a rectangular passage through which a metallic section of rectangular cross section is guided, in particular for the secondary control of a power supply unit.

Description

Planar-Transduktor Planar transducer
Technisches GebietTechnical field
Die Anordnung betrifft die StromflußSteuerung mit Trans¬ duktoren, insbesondere in Schaltnetzteilen.The arrangement relates to current flow control with transducers, particularly in switched-mode power supplies.
Stand der TechnikState of the art
Schaltnetzteile werden in großem Umfang bei Aufgaben einge¬ setzt, bei denen große Ausgangsströme bei niedrigen Spannun¬ gen benötigt werden, beispielsweise in Netzteilen für Hoch¬ leistungscomputer. Hierbei werden sekundärseitig meist meh- rere Spannungen benötigt. Dafür werden mehrere Ausgangs¬ wicklungen benutzt, die getrennt gleichgerichtet werden. Dabei kann eine primärseitige Regelung Lastunterschiede bei den verschiedenen AusgangsSpannungen nicht ausgleichen, so daß eine zusätzliche Sekundärregelung notwendig ist. Hierfür hat sich die Benutzung von Transduktoren, also von in magne¬ tische Sättigung gesteuerten Spulen, bewährt.Switched-mode power supplies are used to a large extent in tasks in which large output currents are required at low voltages, for example in power supplies for high-performance computers. This usually requires several voltages on the secondary side. For this purpose, several output windings are used, which are rectified separately. A primary-side control cannot compensate for load differences at the various output voltages, so that an additional secondary control is necessary. The use of transducers, that is to say coils controlled in magnetic saturation, has proven itself for this purpose.
Aufgabe der Erfindung ist es, Anordnungen anzugeben, die mit geringem Aufwand Transduktoren für Ströme bis 300 A im Niederspannungsbereich bei geringer Streuinduktivität und leichter Fertigung erreichen.The object of the invention is to provide arrangements which achieve transducers for currents up to 300 A in the low-voltage range with little effort, with low leakage inductance and easy manufacture.
Darstellung der ErfindungPresentation of the invention
Die Erfindung benutzt einstückige Kerne mit rechteckiger Form, durch die die zu steuernde Primärwicklung als Kupfer¬ profil mit einer Windung geführt wird. Dabei ist die Verwen- dung von einstückigen Kernen, die in Toroidform als Ring¬ kerne bekannt sind, besonders vorteihaft, weil durch den Wegfall eines Luftspalts eine hohe Permeabilität erreicht wird. Der notwendige Querschnitt kann bei guaderförmigen Kernen in einfacher Weise durch Aufreihen mehrerer Kerne er¬ reicht werden.The invention uses one-piece cores with a rectangular shape, through which the primary winding to be controlled is passed as a copper profile with one turn. The use of one-piece cores, which are known in toroidal form as ring cores, is particularly advantageous because a high permeability is achieved by the elimination of an air gap. The necessary cross-section can be in the case of a guaderiform Cores can be achieved in a simple manner by lining up several cores.
Durch den rechteckigen Querschnitt in Verbindung mit einem rechteckigen Leiter für die Primärspule wird eine fast voll- ständige Füllung des Innenraums erreicht. Besonders vorteil¬ haft ist die Verwendung eines flachen Profils für die Primärspule, das außerhalb des Kerns mit geringem Abstand von dem Innenteil zurückgeführt wird. Dadurch wird eine besonders geringe Rest- oder Streuinduktivität erreicht. Die Steuerwicklung kann, im Gegensatz zu einem herkömmlichen Ringkern, lagenweise gewickelt werden.Thanks to the rectangular cross-section in connection with a rectangular conductor for the primary coil, the interior is almost completely filled. It is particularly advantageous to use a flat profile for the primary coil, which is returned outside the core at a short distance from the inner part. A particularly low residual or leakage inductance is thereby achieved. In contrast to a conventional toroid, the control winding can be wound in layers.
Kurzbeschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Es zeigenShow it
Fig. 1 eine Schnitt durch einen Kern mit gesteuerter und steuernder Wicklung,1 shows a section through a core with controlled and controlling winding,
Fig. 2 einen Querschnitt durch mehrere Kerne mit Wicklun¬ gen und2 shows a cross section through several cores with windings and
Fig. 3 eine AnwendungsSchaltung in einem primärgetakten Netzteil.Fig. 3 shows an application circuit in a primary clocked power supply.
Detaillierte Beschreibung der ErfindungDetailed description of the invention
Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch einen einstückigen Kern 10 aus hochpermeablem Material mit geringen Wirbelstrom¬ verlusten, beispielsweise einem Ferrit. Dieser Kern hat die Form eines Quaders, der einen quaderförmigen Durchbruch 12 aufweist und somit einen geschlossenen Eisenweg mit zwei Schenkeln 14a, 14b und den sie verbindenden Jochen 15a, 15b aufweist. Um den einen Schenkel 14a wird eine Primärwicklung 11a, 11b gelegt und auf den anderen Schenkel 14b wird eine Steuerwicklung 13 aufgebracht. Die Primärwicklung besteht aus einem Metallprofil, das breit ist wie der Durchbruch im Kern und dessen Querschnitt vorzugsweise etwa die Hälfte des Querschnitts des Druchbruchs ist. Die Steuerwicklung 13 besteht aus einer oder mehreren Lagen aus isoliertem Draht.1 shows a section through a one-piece core 10 made of highly permeable material with low eddy current losses, for example a ferrite. This core has the shape of a cuboid, which has a cuboid opening 12 and thus has a closed iron path with two legs 14a, 14b and the yokes 15a, 15b connecting them. A primary winding 11a, 11b is placed around one leg 14a and a control winding 13 is applied to the other leg 14b. The primary winding exists a metal profile that is as wide as the opening in the core and whose cross section is preferably approximately half the cross section of the opening. The control winding 13 consists of one or more layers of insulated wire.
In Fig. 2 ist diese Anordnung im Querschnitt dargestellt. Dabei ist die bevorzugte Ausführungsform dargestellt, bei der die Primärwicklung 11a, 11b ein U-förmig gebogenes oder verschraubtes Flachprofil aus Kupfer oder Aluminium ist, über das bei der Montage ein vorbereiteter, bereits mit der Steuerwicklung versehener, Kernsatz geschoben wird. Danach wird das Flachprofil direkt an die Gleichrichteranschlüsse (nicht gezeigt) angeschraubt und die Steuerwicklung 13 ange¬ schlossen. Der Kernsatz wird zuvor aus einem oder mehreren Kernen hergestellt, die aneinandergereiht werden, so daß ihre Öffnungen fluchten. Nach einer vorübergehenden Fixie¬ rung, beispielsweise durch Klebeband, kann die Steuerwick¬ lung aufgebracht werden. Die Fixierung kann nach der Montage an den Kernen verbleiben. Es können mehrere Montagesätze je nach Anzahl der verwendeten Kerne Verwendung finden, so daß durch die Anzahl der Kerne der magnetische Querschnitt ein¬ fach an das jeweilig zu fertigende Gerät angepaßt werden kann. Anstelle des Flachprofils kann auch ein aus Kupfer¬ litze geflochtenes Band verwendet werden, wie es beispiels¬ weise zur elektrischen Verbindung von Tür und Gehäuse als Masseband bekannt ist.This arrangement is shown in cross section in FIG. The preferred embodiment is shown, in which the primary winding 11a, 11b is a U-shaped bent or screwed flat profile made of copper or aluminum, over which a prepared core set, already provided with the control winding, is pushed during assembly. The flat profile is then screwed directly onto the rectifier connections (not shown) and the control winding 13 is connected. The core set is previously made from one or more cores that are strung together so that their openings are aligned. After a temporary fixation, for example with adhesive tape, the control winding can be applied. The fixation can remain on the cores after assembly. Several assembly kits can be used depending on the number of cores used, so that the number of cores means that the magnetic cross section can be easily adapted to the particular device to be manufactured. Instead of the flat profile, a band braided from copper wire can also be used, as is known, for example, for the electrical connection of the door and housing as a ground band.
Angewendet wird der Planar-Transduktor vorzugsweise als Transduktor zur sekundärseitigen Regelung der Ausgangsspan¬ nung bei primär getakteten Schaltnetzteilen nach Fig. 3. Diese bestehen aus einem Gleichrichter 30, einem Siebkonden- sator 31, einer Steuerschaltung 32, einem elektronischen Schalter 33 und einem Übertrager 40 mit Primärwicklung 41 und Sekundärwicklung 42. Der Primärwicklung 41 wird dabei durch die erste SteuerSchaltung 32 ein gepulster Strom zuge¬ führt, der auf der Sekundärseite gleichgerichtet wird. Diese Form der Schaltnetzteile, vorzugsweise als Durchflußwandler ausgeführt, ist allgemein bekannt, weshalb auf Details der Ausführung, insbesonder auch Schutzmittel, zugunsten der Übersichtlichkeit verzichtet wurde.The planar transducer is preferably used as a transducer for regulating the output voltage on the secondary side in the case of primary switched-mode switching power supplies according to FIG. 3. These consist of a rectifier 30, a filter capacitor 31, a control circuit 32, an electronic switch 33 and a transformer 40 with primary winding 41 and secondary winding 42. The primary winding 41 is supplied by the first control circuit 32 with a pulsed current which is rectified on the secondary side. This form of switching power supplies, preferably as a forward converter is generally known, which is why details of the execution, in particular also protective means, were dispensed with for the sake of clarity.
Für Netzteile in Hochleistungsrechnern sind beispielsweise Ströme von ca. 300A bei 5,0V und 3,3V AusgangsSpannung ver¬ langt, die auf 1% genau auch bei unterschiedlicher Last ein¬ gehalten werden müssen. In Fig. 3 ist eine besonders vor¬ teilhafte Anordnung für diesen Fall dargestellt. Hierbei wird seitens des Schaltnetzteils nur eine Sekundärwicklung verwendet, aus der gleichzeitig 5V und 3,3V gewonnen werden. Dabei besteht die Sekundärwicklung 42 aus nur einer Windung. Eine zweite Sekundärwicklung würde die Leistungszahl durch den dann erheblich ungünstigeren Übertrager 40 verschlech¬ tern. Dabei ist nicht dargestellt, daß die AusgangsSpannung von 5V durch die Steuerschaltung 32 eingestellt wird. Die zweite Ausgangsspannung von 3,3V wird dann durch den Planar- Transduktor sekundärseitig geregelt. Die Gleichrichterschal¬ tungen für beide AusgangsSpannungen sind herkömmlich ausge¬ führt mit Gleichrichterdioden 43, 53, Siebdrosseln 47, 57, Dioden 44, 54 zur Übernahme des Siebdrosselstroms und Sieb¬ kondensatoren 45, 55.For power supplies in high-performance computers, for example, currents of approx. 300 A at 5.0 V and 3.3 V output voltage are required, which must be maintained to an accuracy of 1% even under different loads. 3 shows a particularly advantageous arrangement for this case. In this case, only one secondary winding is used on the part of the switching power supply, from which 5V and 3.3V are obtained simultaneously. The secondary winding 42 consists of only one turn. A second secondary winding would worsen the coefficient of performance due to the then considerably less favorable transformer 40. It is not shown that the output voltage of 5V is set by the control circuit 32. The second output voltage of 3.3V is then regulated on the secondary side by the planar transducer. The rectifier circuits for both output voltages are conventionally implemented with rectifier diodes 43, 53, filter chokes 47, 57, diodes 44, 54 for taking over the filter choke current and filter capacitors 45, 55.
Für die kleinere Spannung von 3,3V liegt der Planar-Trans- duktor in Serie mit der Sekundärwicklung 42 und der Gleich¬ richterdiode 43. Der Planar-Transduktor wird in selbst- sättigender Betriebsart verwendet. Hierbei baut der durch ihn fließende Strom das Magnetfeld bis zur Sättigung auf. Nach magnetischer Sättigung des Kerns 10 fällt die Indukti¬ vität auf einen kleinen Wert, der als Streu- oder Restinduk¬ tivität bezeichnet wird. Dieser Wert muß sehr klein sein, weil bei hoher Last für den 3,3V Ausgang und bei niedriger Last an dem 5V Ausgang nur eine kleine Spannungsdifferenz von weniger als IV zwischen den Punkten A und B zulässig ist. Ist die Spannung am 3,3V-Ausgang zu groß, so wird über die Steuerschaltung 46 ein Strom in die Wicklung 13 einge- speist, der in den Stromflußpausen den magnetischen Fluß im Kern 10 vermindert, so daß bei der nächsten Stromflußphase zunächst das Magnetfeld im Transduktor bis zu Sättigung auf¬ gebaut wird und erst anschließend Energie in den Ausgang gespeist wird. Die SteuerSchaltung benutzt als Führungsgröße die zu regelnde AusgangsSpannung.For the lower voltage of 3.3 V, the planar transducer is connected in series with the secondary winding 42 and the rectifier diode 43. The planar transducer is used in the self-saturating mode. The current flowing through it builds up the magnetic field to saturation. After magnetic saturation of the core 10, the inductance drops to a small value, which is referred to as scattering or residual inductance. This value must be very small because at high load for the 3.3V output and at low load at the 5V output only a small voltage difference of less than IV between points A and B is permissible. If the voltage at the 3.3 V output is too high, a current is fed into the winding 13 via the control circuit 46, which current in the current flow breaks the magnetic flux in Core 10 is reduced so that during the next current flow phase the magnetic field in the transducer is first built up to saturation and only then is energy fed into the output. The control circuit uses the output voltage to be regulated as a reference variable.
Bei hartmagnetischem Material ist, wie beschrieben, eine Steuerung über einen Steuerstrom zur Entmagnetisierung not¬ wendig. Bei weichmagnetischen Kernen kann die Entmagnetisie¬ rung durch Leerlauf der Steuerwicklung' erreicht werden. Beide bekannte Formen der Steuerung sind mit der Erfindung anwendbar.In the case of hard magnetic material, as described, control via a control current for demagnetization is necessary. In the case of soft magnetic cores, demagnetization can be achieved by idling the control winding. Both known forms of control can be used with the invention.
Durch die einstückige Form der Kerne aus Ferriten und die leichte Anreihung sind damit bei einer u-förmigen Windung aus einem Kupferprofil die notwendigen magnetischen Fluß- zahlen erreichbar bei gleichzeitig geringer Streuindukti¬ vität.Due to the one-piece shape of the cores made of ferrites and the easy arrangement, the necessary magnetic flux numbers can be achieved with a u-shaped winding made of a copper profile with at the same time low leakage inductance.
Die Anwendung des erfindungsgemäßen Transduktors läßt trotz der geringen Spannungsdifferenz die Benutzung einer gemein¬ samen Wicklung bei Schaltnetzteilen zu. Voraussetzung hierzu ist eine geringe Streuinduktivität des Transduktors. Die Streuinduktivität ist die Restinduktivität bei gesättigtem Kern. Für den angegegenen Bereich von 300A konnte dies mit herkömmlichen Bauformen nicht erreicht werden. The use of the transducer according to the invention allows the use of a common winding in switched-mode power supplies, despite the small voltage difference. A prerequisite for this is a low leakage inductance of the transducer. The leakage inductance is the residual inductance with a saturated core. For the specified range of 300A, this could not be achieved with conventional designs.

Claims

Patentansprüche claims
1. Planar-Transduktor mit einer gesteuerten Primär- und einer steuernden Sekundärwicklung, die einen für beide Wicklungen gleichen Magnetkreis umwinden, aufgebaut mit einem Kern der Merkmale: der Kern ist einstückig der Kern ist quaderförmig mit einem quaderförmigen Durchbruch, so daß der entstandene rechteckige Ring den Magnetkreis bildet.1.planar transducer with a controlled primary and a controlling secondary winding, which wind around a magnetic circuit that is the same for both windings, built up with a core of features: the core is in one piece the core is cuboid with a cuboid opening, so that the resulting rectangular ring forms the magnetic circuit.
2. Planar-Transduktor nach Anspruch 1, wobei die Primär¬ wicklung aus einem Metallprofil mit rechteckigem Quer¬ schnitt besteht, das durch den Druchbruch geführt ist.2. Planar transducer according to claim 1, wherein the primary winding consists of a metal profile with a rectangular cross-section which is guided through the opening.
3. Planar-Transduktor nach Anspruch 1, wobei die Primär¬ wicklung aus einem, vorzugsweise geflochtenen, Metall- band etwa rechteckigen Querschnitts besteht, das durch den Druchbruch geführt ist.3. Planar transducer according to claim 1, wherein the primary winding consists of a, preferably braided, metal strip of approximately rectangular cross section, which is guided through the opening.
4. Planar-Transduktor nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Primärwicklung U-förmig einen der beiden Schenkel umfaßt und die längere Seite des Querschnitts parallel zu die- sem Schenkel liegt.4. Planar transducer according to claim 2 or 3, wherein the primary winding comprises a U-shaped one of the two legs and the longer side of the cross section is parallel to this leg.
5. Planar-Transduktor nach Anspruch 2 oder 3, wobei das Metall Kupfer oder Aluminium ist.5. Planar transducer according to claim 2 or 3, wherein the metal is copper or aluminum.
6. Planar-Transduktor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wo¬ bei die Steuerwicklung lagenweise mit mindestens einer Lage auf einem der Schenkel aufgebracht ist.6. Planar transducer according to one of claims 1 to 5, where the control winding is applied in layers with at least one layer on one of the legs.
7. Planar-Transduktor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wo¬ bei der Planar-Transduktor durch Aneinanderreihung meh¬ rerer quaderförmiger einstückiger Kerne mit quader- förmigem Durchbruch gebildet wird, so daß die Durch- brüche fluchten. 7. Planar transducer according to one of claims 1 to 6, where the planar transducer is formed by stringing together a plurality of cuboid-shaped one-piece cores with a cuboid-shaped opening, so that the openings are aligned.
8. Anwendung eines Planar-Transduktors nach einem der Ansprüche 1 bis 7 in einem Durchfluß-Schaltwandler.8. Use of a planar transducer according to one of claims 1 to 7 in a flow switching converter.
9. Anwendung nach Anspruch 8, wobei mindestens zwei Aus¬ gangspannungen geringen Spannungsunterschieds aus einem einzigen, gemeinsamen Ausgang des Schaltwandlers gewonnen werden und mindestens eine der beiden Ausgangsspannungen durch den Transduktor reduziert und geregelt wird.9. Application according to claim 8, wherein at least two output voltages with a small voltage difference are obtained from a single, common output of the switching converter and at least one of the two output voltages is reduced and regulated by the transducer.
10. Anwendung nach Anspruch 9, wobei der Spannungsunterschied nomimal kleiner als zwei Volt ist. 10. Application according to claim 9, wherein the voltage difference is nominally less than two volts.
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