EP2070401A1 - Schaltnetzteil - Google Patents

Schaltnetzteil

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Publication number
EP2070401A1
EP2070401A1 EP07787313A EP07787313A EP2070401A1 EP 2070401 A1 EP2070401 A1 EP 2070401A1 EP 07787313 A EP07787313 A EP 07787313A EP 07787313 A EP07787313 A EP 07787313A EP 2070401 A1 EP2070401 A1 EP 2070401A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
power supply
switching power
piezoelectric fan
transformer
fan
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP07787313A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Bernhard Eichhorner
Harald Schweigert
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG Oesterreich
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG Oesterreich filed Critical Siemens AG Oesterreich
Publication of EP2070401A1 publication Critical patent/EP2070401A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of AC power input into DC power output; Conversion of DC power input into AC power output
    • H02M7/42—Conversion of DC power input into AC power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of DC power input into AC power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of DC power input into AC power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10W—GENERIC PACKAGES, INTERCONNECTIONS, CONNECTORS OR OTHER CONSTRUCTIONAL DETAILS OF DEVICES COVERED BY CLASS H10
    • H10W40/00—Arrangements for thermal protection or thermal control
    • H10W40/40—Arrangements for thermal protection or thermal control involving heat exchange by flowing fluids
    • H10W40/43—Arrangements for thermal protection or thermal control involving heat exchange by flowing fluids by flowing gases, e.g. forced air cooling
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D33/00—Non-positive-displacement pumps with other than pure rotation, e.g. of oscillating type
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K7/00—Constructional details common to different types of electric apparatus
    • H05K7/20—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K7/00—Constructional details common to different types of electric apparatus
    • H05K7/20—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating
    • H05K7/20009—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating using a gaseous coolant in electronic enclosures
    • H05K7/20136—Forced ventilation, e.g. by fans
    • H05K7/20172—Fan mounting or fan specifications
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
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    • H05K7/20—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating
    • H05K7/2089—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating for power electronics, e.g. for inverters for controlling motor
    • H05K7/20909—Forced ventilation, e.g. on heat dissipaters coupled to components
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of DC power input into DC power output
    • H02M3/22—Conversion of DC power input into DC power output with intermediate conversion into AC
    • H02M3/24—Conversion of DC power input into DC power output with intermediate conversion into AC by static converters
    • H02M3/28—Conversion of DC power input into DC power output with intermediate conversion into AC by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate AC

Definitions

  • the invention relates to a switching power supply with a transformer, which comprises at least one primary winding which is connectable via a switching element to a DC voltage and which comprises at least one secondary winding which is connectable via a least one diode comprehensive rectifier circuit to a load.
  • Switching power supplies are known in various forms and serve to connect electrical loads to a power grid or to a power source. For example, a distinction is made between switched-mode power supplies which operate as flyback converters, as push-pull converters or as flux converters, etc. Electrical energy is transferred from a primary side to a secondary side via a transformer. In this case, the voltage applied on the primary side is clocked by means of a switching element, wherein the clock frequency is a multiple of the
  • Mains frequency corresponds. Due to the high clock frequency of the transformer can be designed to be correspondingly small.
  • US 2003/0107907 describes a switching power supply that uses the parasitic energy of the switching element to drive a fan.
  • switching-mode power supplies usually use natural air convection for cooling.
  • ventilation openings are arranged in the switching power supply housing, escape through the heated air up and fresh air can flow from below.
  • the arrangement of the heat-generating components within the housing usually depends on the prevailing flow conditions.
  • JP 2001 095 233 for example, the arrangement of several converter modules is described within a switching power supply unit housing. The higher power converter modules are better cooled by this arrangement than the lower power converter modules.
  • heat sinks may be arranged which are thermally connected to components to be cooled and deliver heat to the environment.
  • JP 2005 033 088 describes the arrangement of cooling fins that protrude from a housing, thus dissipating heat from switching power supply components to the environment.
  • Other known measures for cooling of switching power supplies relate to the design of individual heat-generating components.
  • US 2004/0080393 discloses a ring transformer for use in switching power supplies, in which the winding material is arranged favorably for heat dissipation.
  • JP 2006041314 Al a special expression of the winding material for transformers in a switching power supply is described.
  • the invention has for its object to provide a solution for cooling power generating components for switching power supplies, the design effort, the maintenance and energy consumption should be low and with no pollution due to excessive cooling air flow.
  • Switching power supply comprises at least one piezoelectric fan, which causes an air flow at the transformer and / or on the switching element and / or on the diode.
  • a piezo fan for use in a switched-mode power supply lies in the mode of operation;
  • the generated air flow is directed to the components to be cooled, the air flow remains low overall and thus no pollution caused by dirt particles in the air.
  • a piezo fan consumes only very little energy, whereby the effect on the efficiency of the switching power supply is negligible.
  • the simple design of a piezo fan also allows a simple structural arrangement within a switching power supply.
  • a microcontroller for driving the switching element and the at least one piezoelectric fan. This microcontroller can then be used in a simple manner to implement various control requirements.
  • a further advantageous embodiment of the invention provides that the at least one piezoelectric fan is formed from a substantially strip-shaped wing, wherein one end of the wing is arranged freely oscillating and a second end of the wing is held in a holder and wherein the wing electrically conductive one
  • Control unit is connected.
  • piezo fans are already available in reliable quality on the market and can be mounted in a simple manner.
  • the switching power supply comprises an even number of piezo fans, which are arranged in such a way that cancel the inertial forces of the free-swinging ends of the wings at the same synchronous excitation of the wings.
  • the holder of the at least one piezoelectric fan is rigidly connected to the transformer.
  • the heat sink serves as a counterweight for the piezo fan and is cooled directly by the generated air flow.
  • the circuit elements which are in thermal contact with the heat sink are cooled.
  • the at least one piezoelectric fan is set into oscillation by means of a drive signal having a predetermined excitation frequency. In this way it is ensured that the air flow generated by the piezo fan is always adaptable to the thermal conditions in the switching power supply.
  • the drive signal is formed by means of microcontroller.
  • Switched-mode power supplies usually have a programmable microcontroller which can be used without additional hardware expenditure for generating a suitable drive signal of the piezoelectric fan.
  • a sinusoidal signal is generated as a drive signal. Due to its function as a control unit for the switched-mode power supply, with the requirement of a sinusoidal current drain, the microcontroller of a switched-mode power supply is particularly suitable for generating sinusoidal signals, e.g. using D / AWandler or as a smoothed or filtered PWM signal.
  • the mechanical vibration form of the wing is essentially sinusoidal, which is why a sinusoidal
  • Control signal the mechanical stress of the wing keeps low.
  • Switching power supplies are therefore particularly suitable for the use of piezo fans.
  • An advantageous embodiment of the method also provides that the power consumption of the at least one piezoelectric fan is detected as a function of the excitation frequency by means of microcontrollers, so that a resonance frequency is detected at maximum power consumption. Since the resonance frequency for each individual piezo fan can vary slightly, this method ensures that the resonance frequency of the piezo fan installed in the switched-mode power supply is available as a control variable.
  • the ambient temperature changing resonant frequency is reset at predetermined intervals and that when commissioning the switching power supply, the last set resonant frequency is specified as the excitation frequency.
  • Time intervals for adjusting the resonance frequency can be very short, so that the piezo fan is constantly operated with changing maximum environmental conditions under changing environmental conditions.
  • the microcontroller for predetermined excitation frequencies and associated tolerance values those power values are programmed, which are detected at undamaged, free-swinging wing of the at least one piezoelectric fan and that during operation, the frequency of the control signal is changed at predetermined intervals, so that changed resonance frequencies are detected. This is immediately recognized in the microcontroller when the
  • Resonance frequency of the piezo fan changes beyond the tolerance limits, which is usually due to a crack of the wing or due to foreign body contact. There are thus created the conditions to turn off the switching power supply in critical condition of the piezoelectric fan before components of the switching power supply damage and the event can be signaled to a maintenance or operating personnel.
  • Fig. 1 arrangement of switching power supply elements with respect to a piezoelectric fan. 8
  • FIG. 4 view A to the arrangement shown in Figure 3
  • Fig. 5 bobbin 12 according to the arrangement shown in Figure 3 Fig. 6 first alternative arrangement of a piezoelectric fan 8 to a transformer. 1
  • FIG. 7 bobbin 12a according to the arrangement shown in Figure 6
  • FIG. 10 Arrangement of two piezo fans 8 on a block-shaped heat sink 18
  • FIG. 11 Transformer 1 with a plurality of piezo fans 8
  • FIG. 1 the spatial arrangement of the heat generating elements of a switching power supply is shown greatly simplified.
  • a transformer 1 On a circuit carrier 7, a transformer 1, a primary-side switching element 4, a capacitor 3 (eg, an electrolytic capacitor) and a secondary-side diode 2 are arranged.
  • the secondary-side diode 2 is thermally connected to a first heat sink 5 and the primary side
  • Switching element 4 is coupled to a second heat sink 6.
  • the first heat sink 5 additionally serves as a receptacle for the holder 9 of a piezoelectric fan 8.
  • the vane 10 of the piezoelectric fan 8 has with its freely oscillating end in the direction of transformer 1.
  • the transformer 1 is thus in the main flow direction of the air flow generated by the piezoelectric fan 8. Since the piezoelectric fan 8 generates a widely scattering air flow, the elements arranged laterally of the piezoelectric fan 8 are also ventilated and thus cooled.
  • the supply voltage for the piezo fan is, for example, derived directly from the output voltage, if the potential position on the secondary side does not represent an insulation problem. Alternatively, provision should be made by means of a primary auxiliary supply.
  • To generate the excitation signal is either a separate circuit, for example, provided on an integrating into the holder 9 circuit carrier or
  • Excitation signal is generated by microcontroller.
  • the switching power supply has a suitable microcontroller for controlling the primary-side switching element 4. It is important to ensure that the wing 10 is operated within the elastic limit to avoid material fatigue.
  • the use of the microcontroller has the advantage that a sinusoidal excitation signal can be generated in a simple manner (for example by means of a D / A converter or as a smoothed PWM signal), whereby the mechanical load of the piezo-buffer 8 is reduced compared to an example trapezoidal excitation signal. Thus, the life of the piezo-blower 8 is increased. The noise is also lower with sinusoidal excitation.
  • the control by microcontroller also allows the storage of the slightly varying for each piezoelectric 8 resonant frequency. This is determined for example for each device in such a way that the piezoelectric fan is operated over a predetermined frequency range and then the frequency with the highest power consumption is stored as the resonance frequency.
  • the resonant frequency can then be determined at predetermined time intervals in this manner and compared with the stored value. A change in the resonant frequency over predetermined
  • Tolerance limits (to account for small changes due to changed environmental conditions) indicate a disturbance, such as a crack in the wing 10 or a foreign body collision.
  • the switching power supply can then be switched off automatically and the error corrected.
  • a separate circuit for generating the excitation signal may be integrated in the piezo fan, but as a rule a trapezoidal signal is provided.
  • Figure 2 shows a trained as an angle profile Kuhlelement 5a.
  • the Kuhlelement 5a is attached to the circuit carrier, not shown.
  • Thermally coupled to the second, orthogonal away from the circuit carrier angle leg is for example the diode 2 at.
  • This angle leg also has a rectangular opening into which the piezo fan 8 in the Way is used, that the wing 10 largely fills the breakthrough and has the free-swinging end of the blade 10 in the direction of the diode 2.
  • the diode 2 and the region of the heat sink 5 a directly in contact with it are ventilated directly by the piezo fan and thus cooled.
  • an embodiment of the switching element 4 or a combined arrangement is possible.
  • an optional stiffening 11 is provided on the front side.
  • FIG. 3 shows the arrangement of a piezo fan 8 on a transformer 1.
  • the transformer 1 consists of a bobbin 12, windings 13 - usually a primary winding and a secondary winding - and a mostly three-legged core 14.
  • the bobbin 12 is for example an injection molded part made of plastic as shown in Figure 5.
  • Bobbin 12 for wrapping the windings is formed of a hollow square tube with rectangular flanges on the end faces. In the cavity of the square tube, the middle leg of the core 14 is arranged, whereas the two outer legs of the core 14 rest laterally on the bobbin 12.
  • FIG. 7 Another embodiment of an attachment of the piezoelectric fan 8 to the transformer 1 is shown in FIG.
  • a coil body 12a designed as an injection molded part, as shown in FIG. 7, is provided.
  • an angled extension is arranged, which has a rectangular opening for receiving the piezoelectric fan 8 and is angled at its end again, so that with this end a support on the circuit carrier 1 not shown here is given.
  • the extension of the bobbin 12a thus essentially forms a bridge pointing away from the transformer, wherein further circuit elements to be cooled can be arranged in the free space under this bridge on the circuit carrier.
  • the piezoelectric fan 8 is arranged in such a way that the wing 10 largely fills the rectangular opening of the extension, with the freely oscillating end of the wing 10 pointing in the direction of windings 13. It is important to ensure that in the assembled state, a distance between the free-swinging wing end and the windings 13 surrounding core 14 is present.
  • the windings 13 and the core 14 is mitgekühlt amplified.
  • the additional support of the Fortsatzes on the circuit board prevents it in conjunction with the stabilizing mass of the transformer 1 disturbing vibrations due to the piezoelectric oscillations.
  • the cooling effect is not limited to the transformer 1, but also aims at other in the region of the piezoelectric fan 8 can be arranged circuit elements.
  • FIG. 9 Another embodiment of an attachment of the piezoelectric fan 8 to the transformer 1 is shown in FIG.
  • the arrangement corresponds essentially to that illustrated in FIG. 5 with the difference that the extension of the bobbin 12b, as shown in FIG. 9, has no fold for support on the circuit carrier 7.
  • the extension of the bobbin 12b has no fold for support on the circuit carrier 7.
  • the end of the extension is connected to the circuit carrier 7 by means of a support element 16. Under the extension thus again a free space is available, which is available for the arrangement of further circuit elements to be cooled.
  • the support member 16 is connected for example in a simple manner by means of plastic clips 17 to the circuit carrier.
  • a fastening variant of two piezo fans 8, shown in FIG. 10, is provided.
  • a fastening element 18, which may also be designed as a cooling element two piezoelectric fans 8 are arranged laterally in such a way that the

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Schaltnetzteil mit einem Transformator (1), welcher wenigstens eine Primärwicklung umfasst, die über ein Schaltelement (4) an eine Gleichspannung anschließbar ist und welcher wenigstens eine Sekundärwicklung umfasst, die über eine, wenigstes eine Diode (2) umfassende Gleichrichterschaltung an eine Last anschließbar ist, wobei das Schaltnetzteil wenigstens einen Piezolüfter (8) umfasst, welcher einen Luftstrom am Transformator (1) und/oder am Schaltelement (4) und/oder an der Diode (2) bewirkt. Der erzeugte Luftstrom ist gezielt auf die zu kühlenden Komponenten lenkbar, wobei der Luftdurchsatz insgesamt gering bleibt und damit auch keine Verschmutzung durch Luftpartikel entsteht.

Description

Schaltnetzteil
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Schaltnetzteil mit einem Transformator, welcher wenigstens eine Primärwicklung umfasst, die über ein Schaltelement an eine Gleichspannung anschließbar ist und welcher wenigstens eine Sekundärwicklung umfasst, die über eine, wenigstes eine Diode umfassende Gleichrichterschaltung an eine Last anschließbar ist.
Schaltnetzteile sind in den verschiedensten Ausprägungen bekannt und dienen dem Anschluss elektrischer Lasten an ein Stromnetz oder an eine Stromquelle. Man unterscheidet beispielsweise Schaltnetzteile, die als Sperrwandler, als Gegentaktwandler oder als Flusswandler etc. arbeiten. Über einen Transformator wird elektrische Energie von einer Primarseite auf eine Sekundarseite übertragen. Dabei wird die primarseitig anliegende Spannung mittels eines Schaltelements getaktet, wobei die Taktfrequenz einem Vielfachen der
Netzfrequenz entspricht. Aufgrund der hohen Taktfrequenz kann der Transformator entsprechend klein ausgeführt sein.
Dabei ist zu beachten, dass in den Komponenten eines Schaltnetzteils Warme entsteht, die mit geeigneten Mitteln abgeführt werden muss, damit die Temperaturen einzelner Komponenten keinen kritischen Wert erreicht. Zudem ist die mit einem Schaltnetzteil übertragbare Leistung von der Temperatur einzelner Komponenten abhangig.
Insbesondere ist die Warmeentstehung im Transformator, im Schaltelement und in der sekundarseitigen Gleichrichterdiode zu beachten.
Nach dem Stand der Technik kennt man unterschiedliche
Methoden, um die in einem Schaltnetzteil entstehende Warme abzuleiten. Dabei ist die aufzuwendende Energie zum Betreiben von etwaig vorgesehenen Kühleinrichtungen zu beachten.
So beschreibt beispielsweise die US 2003/0107907 ein Schaltnetzteil, das die parasitäre Energie des Schaltelements nutz, um einen Ventilator anzutreiben.
Die nach dem Stand bekannte Nutzung von Ventilatoren zur Erhöhung des Kühlluftdurchsatzes in Gehäusen von Schaltnetzteilen hat jedoch den Nachteil, dass die im Gehäuse angeordneten Komponenten durch diverse Partikel in der Luft rasch verschmutzen. Das kann die Funktionsfähigkeit beeinträchtigen, weshalb in der Regel ein Staubfilter am Lüftungseinlass des Gehäuses angeordnet ist. Das führt jedoch zu einem erhöhten Wartungsaufwand, da diese Staubfilter regelmäßig getauscht werden müssen.
Nach dem Stand der Technik wird für Schaltnetzteile zumeist natürliche Luftkonvektion zur Kühlung genutzt. Dabei sind im Schaltnetzteilgehäuse Lüftungsöffnungen angeordnet, durch die erwärmte Luft nach oben entweichen und frische Luft von unten einströmen kann. Die Anordnung der Wärme erzeugenden Komponenten innerhalb des Gehäuses richtet sich dabei in der Regel nach den herrschenden Strömungsverhältnissen. In der JP 2001 095 233 ist beispielsweise die Anordnung mehrerer Konvertermodule innerhalb eines Schaltnetzteilgehäuses beschrieben. Die Konvertermodule höherer Leistung werden durch diese Anordnung besser gekühlt als die Konvertermodule niedrigerer Leistung.
Zusätzlich können Kühlkörper angeordnet sein, die mit zu kühlenden Komponenten thermisch verbunden sind und Wärme an die Umgebung abgeben. Zum Beispiel beschreibt die JP 2005 033 088 die Anordnung von Kühlrippen, die aus einem Gehäuse herausragen und so die Wärme von Schaltnetzteilkomponenten an die Umgebung ableitet. Andere bekannte Maßnahmen zur Kühlung von Schaltnetzteilen betreffen die Ausgestaltung einzelner Wärme erzeugender Komponenten. So ist in der US 2004/0080393 ein Ringtransformator für den Einsatz in Schaltnetzteilen offenbart, bei welchem das Wickelgut günstig für die Wärmeabfuhr angeordnet ist.
Auch in der JP 2006041314 Al ist eine spezielle Ausprägung des Wickelguts für Transformatoren in einem Schaltnetzteil beschrieben. Dabei ist die Sekundärwicklung des
Transformators als Wärmerohr ausgebildet, wodurch auch bei geringer Konvektion eine gute Wärmeabgabe erzielt werden soll. Hierbei sind jedoch der konstruktive Aufwand und die Einschränkung bei der Auslegung des Transformators zu beachten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für Schaltnetzteile eine Lösung zur Kühlung Wärme erzeugender Komponenten anzugeben, wobei der konstruktive Aufwand, der Wartungsaufwand und der Energiebedarf gering sein sollen und wobei keine Verschmutzung durch zu hohen Kühlluftdurchsatz erfolgt .
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch ein Schaltnetzteil der eingangs genannten Art, wobei das
Schaltnetzteil wenigstens einen Piezolüfter umfasst, welcher einen Luftstrom am Transformator und/oder am Schaltelement und/oder an der Diode bewirkt.
Der Vorteil eines Piezolüfters für den Einsatz in einem Schaltnetzteil liegt in der Funktionsweise; der erzeugte Luftstrom ist gezielt auf die zu kühlenden Komponenten lenkbar, wobei der Luftdurchsatz insgesamt gering bleibt und damit auch keine Verschmutzung durch Schmutzpartikel in der Luft entsteht. Zudem nimmt ein Piezolüfter nur sehr geringe Energie auf, wodurch die Auswirkung auf den Wirkungsgrad des Schaltnetzteils vernachlässigbar gering ist. Im Gegensatz zu einem Ventilator gibt es bei einem Piezolüfter keine Lebensdauer beschränkenden Lager und auch keine Notwendigkeit für Luftfilter, weshalb ein erfindungsgemäßes Schaltnetzteil im Wesentlichen wartungsfrei ist. Der einfache Aufbau eines Piezolüfters erlaubt zudem eine einfache konstruktive Anordnung innerhalb eines Schaltnetzteils .
In einer vorteilhaften Ausprägung der Erfindung ist zur Ansteuerung des Schaltelements und des wenigstens einen Piezolüfters ein MikroController vorgesehen. Dieser MikroController kann dann in einfacher Weise zur Umsetzung verschiedener Steuerungsanforderungen genutzt werden.
Eine weitere vorteilhafte Ausprägung der Erfindung sieht vor, dass der wenigstens eine Piezolüfter aus einem im Wesentlichen streifenförmigen Flügel gebildet ist, wobei ein Ende des Flügels frei schwingend angeordnet ist und ein zweites Ende des Flügels in einer Halterung gehalten ist und wobei der Flügel elektrisch leitend mit einer
Ansteuerungseinheit verbunden ist. Derartige Piezolüfter sind bereits in verlässlicher Qualität am Markt erhältlich und können in einfacher Weise montiert werden.
Von Vorteil ist es zudem, wenn das Schaltnetzteil eine gerade Anzahl an Piezolüftern umfasst, welche in der Weise angeordnet sind, dass sich die Trägheitskräfte der frei schwingenden Enden der Flügel bei gegengleicher synchroner Erregung der Flügel aufheben. Die konstruktiven Anforderungen an die Befestigung eines Piezolüfters innerhalb eines
Schaltnetzteils werden damit weiter reduziert, da die zur Vermeidung von Vibrationen erforderliche Körpermasse der Halterung mit ungerader Flügelanzahl entfällt.
Vorteilhaft ist es auch, wenn die Halterung des wenigstens einen Piezolüfters starr mit dem Transformator verbunden ist. Damit wird einerseits die Masse des Transformators zur Vermeidung von Vibrationen genutzt und andererseits der Luftstrom direkt auf den Transformator als eines der vorwiegend wärmekritischen Bauteile geleitet.
In gleicher Weise ist es vorteilhaft, die Halterung des wenigstens einen Piezolüfters starr mit einem im Schaltnetzteil angeordneten Kühlkörper zu verbinden. Bei dieser Ausprägung dient der Kühlkörper als Gegenmasse für den Piezolüfter und wird durch den erzeugten Luftstrom direkt gekühlt. Ebenso werden die mit dem Kühlkörper in thermischen Kontakt stehenden Schaltungselemente gekühlt.
Für ein Verfahren zum Betreiben eines erfindungsgemäßen Schaltnetzteils ist es von Vorteil, wenn der wenigstens eine Piezolüfter mittels eines Ansteuerungssignals mit vorgegebener Erregungsfrequenz in Schwingung versetzt wird. Auf diese Weise ist sicher gestellt, dass der vom Piezolüfter erzeugte Luftstrom jederzeit den thermischen Zuständen im Schaltnetzteil anpassbar ist.
Dabei ist es vorteilhaft, wenn das Ansteuersignal mittels MikroController gebildet wird. Schaltnetzteile verfügen in der Regel über einen programmierbaren MikroController, welcher ohne zusätzlichen Hardwareaufwand zur Erzeugung eines geeigneten Ansteuersignals des Piezolüfters verwendbar ist.
Des Weiteren ist es von Vorteil, wenn als Ansteuerungssignal ein Sinussignal erzeugt wird. Der MikroController eines Schaltnetzteils ist aufgrund seiner Funktion als Steuereinheit für das Schaltnetzteil mit der Anforderung einer sinusförmigen Stromentnahme insbesondere zur Generierung von Sinussignalen geeignet, z.B. mittels D/AWandler oder als geglättetes bzw. gefiltertes PWM-Signal. Auch die mechanische Schwingungsform des Flügels ist im Wesentlichen sinusförmig, weshalb ein sinusförmiges
Ansteuerungssignal die mechanische Beanspruchung des Flügels gering hält. Schaltnetzteile eignen sich daher besonders für den Einsatz von Piezolüftern .
Eine vorteilhafte Ausprägung des Verfahrens sieht zudem vor, dass die Leistungsaufnahme des wenigstens einen Piezolüfters in Abhängigkeit von der Erregungsfrequenz mittels MikroController erfasst wird, sodass bei maximaler Leistungsaufnahme eine Resonanzfrequenz erkannt wird. Da die Resonanzfrequenz für jeden einzelnen Piezolüfter leicht variieren kann, ist mit diesem Verfahren sichergestellt, dass die Resonanzfrequenz des im Schaltnetzteil eingebauten Piezolüfters als Steuergröße zur Verfügung steht.
Dabei ist es von Vorteil, wenn während des Betriebs durch schrittweise Variation der Erregungsfrequenz die sich infolge von Umgebungseinflüssen wie z.B. der Umgebungstemperatur verändernde Resonanzfrequenz in vorgegebenen Zeitabständen neu eingestellt wird und dass bei Inbetriebnahme des Schaltnetzteils die zuletzt eingestellte Resonanzfrequenz als Erregungsfrequenz vorgegeben wird. Die vorgegebenen
Zeitabstände zur Anpassung der Resonanzfrequenz können sehr kurz sein, so dass der Piezolüfter bei sich verändernden Umgebungsbedingungen laufend mit der maximalen Leistungsaufnahme betrieben wird.
Des Weiteren ist es dann von Vorteil, wenn dem MikroController für vorgegebene Erregungsfrequenzen und dazugehörige Toleranzwerte (zur Berücksichtigung veränderter Umgebungsbedingungen) jene Leistungswerte einprogrammiert werden, welche bei unbeschädigtem, frei schwingenden Flügel des wenigstens einen Piezolüfters erfasst werden und dass während eines Betriebs die Frequenz des Ansteuerungssignals in vorgegebenen Zeitabständen geändert wird, sodass geänderte Resonanzfrequenzen erkannt werden. Damit wird im MikroController sofort erkannt, wenn sich die
Resonanzfrequenz des Piezolüfters über die Toleranzgrenzen hinaus ändert, was in der Regel auf einen Riss des Flügels oder auf eine Fremdkörperberührung zurückzuführen ist. Es sind somit die Voraussetzungen geschaffen, das Schaltnetzteil bei kritischem Zustand des Piezolüfters abzuschalten, bevor Bauteile des Schaltnetzteils Schaden nehmen und das Ereignis kann einem Wartungs- oder Bedienpersonal signalisiert werden.
Die Erfindung wird nachfolgend in beispielhafter Weise unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren erläutert. Es zeigen in schematischer Darstellung:
Fig. 1 Anordnung von Schaltnetzteilelementen gegenüber einem Piezolüfter 8
Fig. 2 Anordnung eines Piezolüfters 8 an einem Kühlkörper 5a Fig. 3 Anordnung eines Piezolüfters 8 an einem Transformator 1
Fig. 4 Ansicht A zur in Figur 3 dargestellten Anordnung
Fig. 5 Spulenkörper 12 gemäß der in Figur 3 dargestellten Anordnung Fig. 6 erste Alternative Anordnung eines Piezolüfters 8 an einem Transformator 1
Fig. 7 Spulenkörper 12a gemäß der in Figur 6 dargestellten Anordnung
Fig. 8 zweite Alternative Anordnung eines Piezolüfters 8 an einem Transformator 1
Fig. 9 Spulenkörper 12b gemäß der in Figur 8 dargestellten Anordnung
Fig. 10 Anordnung von zwei Piezolüftern 8 an einem blockförmigen Kühlkörper 18 Fig. 11 Transformator 1 mit mehreren Piezolüftern 8
In Figur 1 ist stark vereinfacht die räumliche Anordnung der Wärme erzeugenden Elemente eines Schaltnetzteils dargestellt. Auf einem Schaltungsträger 7 sind ein Transformator 1, ein primärseitiges Schaltelement 4, ein Kondensator 3 (z.B. ein Elektrolyt-Kondensator) und eine sekundärseitige Diode 2 angeordnet. Die sekundärseitige Diode 2 ist dabei thermisch an einen ersten Kühlkörper 5 und das primärseitige
Schaltelement 4 an einen zweiten Kühlkörper 6 gekoppelt. Der erste Kühlkörper 5 dient zusätzlich als Aufnahme für die Halterung 9 eines Piezolüfters 8.
Der Flügel 10 des Piezolüfters 8 weist mit seinem frei schwingenden Ende in Richtung Transformator 1. Der Transformator 1 liegt also in der Hauptströmungsrichtung des vom Piezolüfter 8 erzeugten Luftstromes. Da der Piezolüfter 8 einen weit streuenden Luftstrom erzeugt, werden auch die seitlich des Piezolüfters 8 angeordneten Elemente belüftet und somit gekühlt.
Bei der Gestaltung des nicht dargestellten Gehäuses des Schaltnetzteils ist darauf zu achten, dass sich durch geeignete Anordnung von Lüftungsschlitzen für die Zu- und Abluft die gewünschte Luftströmung einstellen kann.
Die Versorgungsspannung für den Piezolüfter wird beispielsweise direkt von der Ausgangsspannung abgeleitet, falls die Potenziallage sekundärseitig kein Isolationsproblem darstellt. Alternativ dazu ist eine Versorgung mittels primärer Hilfsversorgung vorzusehen.
Zur Erzeugung des Erregungssignals ist entweder eine eigene Schaltung, beispielsweise auf einem in die Halterung 9 integrieren Schaltungsträger vorgesehen oder das
Erregungssignal wird mittels MikroController erzeugt. In der Regel verfügt das Schaltnetzteil über einen dafür geeigneten MikroController zur Ansteuerung des primärseitigen Schaltelements 4. Dabei ist darauf zu achten, dass der Flügel 10 innerhalb der Elastizitätsgrenze betrieben wird um Materialermüdung zu vermeiden. Die Verwendung des MikroControllers bietet den Vorteil, dass in einfacher Weise ein sinusförmiges Erregungssignal erzeugbar ist (z.B. mittels D/A-Wandler oder als geglättetes PWM-Signal), wodurch sich die mechanische Belastung des Piezolufters 8 gegenüber einem beispielsweise trapezförmigen Erregungssignal verringert. Damit wird die Lebensdauer des Piezolufters 8 erhöht. Auch die Gerauschbildung ist bei sinusförmiger Erregung geringer. Die Ansteuerung mittels MikroController ermöglicht zudem die Speicherung der für jeden Piezolufter 8 leicht variierenden Resonanzfrequenz. Diese wird beispielsweise für jedes Gerat in der Weise bestimmt, dass der Piezolufter über einen vorgegebenen Frequenzbereich hinweg betrieben wird und dann die Frequenz mit der höchsten Leistungsaufnahme als Resonanzfrequenz abgespeichert wird.
Auch wahrend des regulären Betriebs kann dann in vorgegebenen Zeitabstanden auf diese Weise die Resonanzfrequenz bestimmt und mit dem abgespeicherten Wert verglichen werden. Eine Änderung der Resonanzfrequenz über vorgegebenen
Toleranzgrenzen (zur Berucksichtungen kleiner Änderungen infolge veränderter Umgebungsbedingungen) hinweg deutet auf eine Störung hin, beispielsweise eine Rissbildung im Flügel 10 oder eine Fremdkorperkollision . Das Schaltnetzteil kann dann automatisch abgeschaltet und der Fehler behoben werden.
Alternativ kann eine eigene Schaltung zur Erzeugung des Erregungssignals im Piezolufter integriert sein, dabei wird jedoch in der Regel ein trapezförmiges Signal bereitgestellt.
Figur 2 zeigt ein als Winkelprofil ausgebildetes Kuhlelement 5a. Mit einem Winkelschenkel ist das Kuhlelement 5a auf dem nicht dargestellten Schaltungstrager befestigt. An dem zweiten, orthogonal vom Schaltungstrager wegweisenden Winkelschenkel liegt thermisch gekoppelt beispielsweise die Diode 2 an. Dieser Winkelschenkel weist zudem einen rechteckigen Durchbruch auf, in den der Piezolufter 8 in der Weise eingesetzt ist, dass der Flügel 10 den Durchbruch weitgehend ausfüllt und das frei schwingende Ende des Flügels 10 in Richtung der Diode 2 weist. Die Diode 2 und der mit ihr unmittelbar in Kontakt stehende Bereich des Kühlkörpers 5a werden bei dieser Anordnung direkt vom Piezolüfter belüftet und somit gekühlt. In gleicher Weise ist auch eine Ausführung für das Schaltelement 4 oder eine kombinierte Anordnung möglich .
Um bei einem Kühlkörper 5a mit geringer Dicke vom Piezolüfter 8 verursachte Vibrationen zu vermeiden, ist stirnseitig eine optionale Versteifung 11 vorgesehen.
In Figur 3 ist die Anordnung eines Piezolüfters 8 an einem Transformator 1 dargestellt. Der Transformator 1 besteht aus einem Spulenkörper 12, Wicklungen 13 - in der Regel eine Primärwicklung und einen Sekundärwicklung - und einem zumeist dreischenkeligen Kern 14. Der Spulenkörper 12 ist beispielsweise ein Spritzgussteil aus Kunststoff wie in Figur 5 dargestellt. Der im Wesentlichen spindelförmige
Spulenkörper 12 zum Umwickeln der Wicklungen ist aus einem hohlen Vierkantrohr mit rechteckigen Flanschen an den Stirnseiten gebildet. Im Hohlraum des Vierkantrohrs ist der mittlere Schenkel des Kerns 14 angeordnet, wohingegen die beiden Außenschenkel des Kerns 14 seitlich am Spulenkörper 12 anliegen .
An den rechteckigen Flanschen des Spulenkörpers 12 sind zudem zwei Fortsätze angeordnet, die auf der frei liegenden Seite des zusammengesetzten Transformators 1 von den Wicklungen 13 weg weisen. Diese Fortsätze sind dabei etwas länger als ein zur Kühlung des Transformators 1 vorgesehener Piezolüfter 8 und dienen zur Befestigung eines brückenförmigen Elements 11 zur Aufnahme der Halterung 9 des Piezolüfters 8. Die Verbindung des brückenförmigen Elements 11 mit den beiden Fortsätzen kann dabei mit an den Stirnseiten der Fortsätze angeordneten Kunststoffnieten 15 oder mittels Schraubverbindungen erfolgen. Der Piezolüfter 8 ist dann parallel zu den Fortsätzen in der Mitte des von den Fortsätzen, dem brückenförmigen Element 11 und den Wicklungen 13 gebildeten Freiraums angeordnet, wobei das frei schwingende Ende des Flügels 10 in Richtung der Wicklungen 13 weist. In Figur 4 sind das brückenförmige Element 11 mit dem daran befestigten Piezolüfter 8 in einer in Figur 3 eingezeichneten Ansichtsrichtung A dargestellt.
Die Wicklungen 13, in welchen die meiste Wärme innerhalb des Transformators 1 entsteht, werden bei dieser Anordnung direkt mittels Piezolüfter belüftet, sodass eine effiziente Kühlung des Transformators 1 gegeben ist.
Eine andere Ausprägung einer Befestigung des Piezolüfters 8 am Transformator 1 ist in Figur 6 dargestellt. Dabei ist ein als Spritzgussteil ausgebildeter Spulenkörper 12a, wie in Figur 7 dargestellt, vorgesehen. An einem Flansch des Spulenkörpers 12a ist ein abgewinkelter Fortsatz angeordnet, wobei dieser einen rechteckigen Durchbruch zur Aufnahme des Piezolüfters 8 aufweist und an seinem Ende nochmals abgewinkelt ist, sodass mit diesem Ende eine Abstützung auf dem hier nicht dargestelltem Schaltungsträger 1 gegeben ist. Der Fortsatz des Spulenkörpers 12a bildet also im Wesentlichen eine vom Transformator wegweisende Brücke, wobei im Freiraum unter dieser Brücke am Schaltungsträger weitere zu kühlende Schaltungselemente anordbar sind.
Der Piezolüfter 8 ist in der Weise angeordnet, dass der Flügel 10 den rechteckigen Durchbruch des Fortsatzes weitgehend ausfüllt, wobei das frei schwingende Ende des Flügels 10 in Richtung Wicklungen 13 weist. Dabei ist darauf zu achten, dass im zusammengefügten Zustand ein Abstand zwischen dem frei schwingenden Flügelende und dem die Wicklungen 13 umgebenden Kern 14 vorhanden ist. Bei dieser Ausprägung wird neben den Wicklungen 13 auch der Kern 14 verstärkt mitgekühlt. Die zusätzliche Abstützung des Fortsatzes auf dem Schaltungsträger verhindert dabei in Verbindung mit der stabilisierenden Masse des Transformators 1 störende Vibrationen infolge der Piezolüfterschwingungen . Zudem ist hier die Kühlwirkung nicht auf den Transformator 1 beschränkt, sondern zielt auch auf andere im Bereich des Piezolüfters 8 anordbare Schaltungselemente.
Eine weitere Ausprägung einer Befestigung des Piezolüfters 8 am Transformator 1 ist in Figur 8 dargestellt. Die Anordnung entspricht dabei im Wesentlichen der in Figur 5 dargestellten mit dem Unterscheid, dass der Fortsatz des Spulenkörpers 12b, wie in Figur 9 dargestellt, keine Abkantung zur Abstützung auf dem Schaltungsträger 7 aufweist. Durch einen derart gestalteten Fortsatz werden Behinderungen beim Aufwickeln der Wicklungen 13 auf dem Spulenkörper 12b vermieden. Um dennoch eine ausreichende Stabilität sicherzustellen, ist das Ende des Fortsatzes mittels eines Stützelements 16 mit dem Schaltungsträger 7 verbunden. Unter dem Fortsatz ist somit wieder ein Freiraum vorhanden, der zur Anordnung weiterer zu kühlender Schaltungselemente nutzbar ist.
Das Stützelement 16 ist dabei beispielsweise in einfacher Weise mittels Kunststoffklipps 17 mit dem Schaltungsträger verbunden .
Zur Minimierung von Vibrationen ist eine in Figur 10 dargestellte Befestigungsvariante von zwei Piezolüftern 8 vorgesehen. An einem Befestigungselement 18, das auch als Kühlelement ausgebildet sein kann, sind zwei Piezolüfter 8 seitlich in der Weise angeordnet, dass sich die
Trägheitskräfte der beiden schwingenden Flügel 10 bei gegengleicher Erregung aufheben. Die freien Enden der beiden Flügel 10 bewegen sich also während eines Schwingzyklus synchron zueinander und voneinander weg.
Bei starker Wärmeentwicklung des Transformators 1 ist die Anordnung mehrer Piezolüfter 8 sinnvoll. Diese sind wie in Figur 11 dargestellt in der Weise anzuordnen, dass die frei schwingenden Enden der Flügel 10 auf die Wicklungen 13 des Transformators 1 gerichtet sind. Dabei ist eine gerade Anzahl von Piezolüftern 8 sinnvoll um Vibrationen durch gegengleiches Schwingen der Flügel 10 zu minimieren.

Claims

Patentansprüche
1. Schaltnetzteil mit einem Transformator (1), welcher wenigstens eine Primärwicklung umfasst, die über ein Schaltelement (4) an eine Gleichspannung anschließbar ist und welcher wenigstens eine Sekundärwicklung umfasst, die über eine, wenigstes eine Diode (2) umfassende Gleichrichterschaltung an eine Last anschließbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltnetzteil wenigstens einen Piezolüfter (8) umfasst, welcher einen
Luftstrom am Transformator (1) und/oder am Schaltelement (4) und/oder an der Diode (2) bewirkt.
2. Schaltnetzteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltelement und der wenigstens eine Piezolüfter mittels eines MikroControllers angesteuert wird.
3. Schaltnetzteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Piezolüfter (8) in der Weise aus einem im Wesentlichen streifenförmigen Flügel (10) gebildet ist, dass ein Ende des Flügels frei schwingend angeordnet ist und ein zweites Ende des Flügels in einer Halterung (9) gehalten ist und dass der Flügel elektrisch leitend mit einer Ansteuerungseinheit verbunden ist .
4. Schaltnetzteil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltnetzteil eine gerade Anzahl an Piezolüftern (8) umfasst, welche in der Weise angeordnet sind, dass sich die Trägheitskräfte der frei schwingenden Enden der Flügel (10) bei gegengleicher synchroner Erregung der Flügel (10) aufheben.
5. Schaltnetzteil nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Halterung des wenigstens einen Piezolüfters (8) starr mit dem Transformator (1) verbunden ist .
6. Schaltnetzteil nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Halterung (9) des wenigstens einen Piezolüfters (8) starr mit einem im Schaltnetzteil angeordneten Kühlkörper (5, 5a) verbunden ist.
7. Verfahren zum Betreiben eines Schaltnetzteils nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Piezolüfter (8) mittels eines Ansteuerungssignals mit vorgegebener Erregungsfrequenz in Schwingung versetzt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7 zum Betreiben eines
Schaltnetzteils nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Ansteuerungssignal mittels MikroController gebildeten wird.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Ansteuerungssignal ein Sinussignal erzeugt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsaufnahme des wenigstens einen Piezolüfters (8) in Abhängigkeit von der Erregungsfrequenz mittels MikroController erfasst wird, sodass bei maximaler Leistungsaufnahme eine Resonanzfrequenz erkannt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass durch schrittweise Variation der Erregungsfrequenz die sich infolge von Umgebungseinflüssen wie z.B. der Umgebungstemperatur verändernde Resonanzfrequenz in vorgegebenen Zeitabständen neu eingestellt wird und dass bei Inbetriebnahme des Schaltnetzteils die zuletzt eingestellte Resonanzfrequenz als Erregungsfrequenz vorgegeben wird.
12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass dem Mikrocontroller für vorgegebene Erregungsfrequenzen und dazugehörige Toleranzwerte jene Leistungswerte einprogrammiert werden, welche bei unbeschädigtem, frei schwingenden Flügel (10) des wenigstens einen Piezolüfters (8) erfasst werden und dass während eines Betriebs die Frequenz des Ansteuerungssignals in vorgegebenen Zeitabständen geändert wird, sodass geänderte Resonanzfrequenzen erkannt werden.
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