WO2013072135A1 - Induktionsbauteil - Google Patents

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Dragan Dinulovic
Alexander Gerfer
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    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F19/00—Fixed transformers or mutual inductances of the signal type
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F27/00—Details of transformers or inductances, in general
    • H01F27/28—Coils; Windings; Conductive connections
    • H01F27/29—Terminals; Tapping arrangements for signal inductances
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F27/00—Details of transformers or inductances, in general
    • H01F27/28—Coils; Windings; Conductive connections
    • H01F27/2895—Windings disposed upon ring cores

Definitions

  • the invention relates to an induction component.
  • induction components With ever-increasing switching frequency of electrical power circuits and controllers always new induction components are needed. These should primarily have a smaller inductance, for example in the switching frequency range between 10 MHz and 30 MHz an inductance between 100 nH and 300 nH for transformers and between 20 nH and 200 nH for inductors. In addition, these induction components should also have a smaller size.
  • microtransformer in which individual turns of a conductor are arranged around a magnetic inner layer (US Pat. No. 5,977,815 A).
  • the invention is based on the object to provide an induction component, which offers a variety of different applications in a small footprint.
  • the invention proposes an induction component with the features mentioned in claim 1. Further developments are the subject of dependent claims.
  • two coil means which are arranged on a common magnetic core, it is possible to use the induction component as a transformer. It is possible to select whether on the primary side as well as on the secondary side One uses one or both coils of each coil device. This allows a transmission of 1: 1, 1: 2, 2: 1, 2: 2 possible. If you leave each coil device consists of more than two coils, the number of possibilities is correspondingly larger.
  • an induction component that offers eight different applications in the example just discussed.
  • Another advantage of the induction component proposed by the invention is that it can cover larger switching frequency ranges with only one component or that a component can be used for a larger bandwidth. If, for example, 3 coils are required for a switching frequency of 10 MHz, but only one coil is required for 20 MHz, this can be achieved with a single component. In this way, component selection for the user is facilitated, procurement costs are reduced and the spectrum of inductance values to be kept becomes smaller.
  • the profile size of such an induction component should be, for example, in a range of 0.5 to 0.3 mm or less.
  • the sizes 1008, 0805, 0603, 0402, or 0201 may be mentioned.
  • each two adjacent coils are connected to a common solder pad. This simplifies the supply of - - Connection of the individual coils and also the production, since the component has only six solder pads in the example mentioned with two coil devices of two coils.
  • the ring has a rectangular shape and each of the two coil devices is formed on one leg of the rectangle.
  • the invention proposes to manufacture the coils and their windings in a thin-film process.
  • the individual conductor tracks of the turns are produced by a combination of splatters and electroplating.
  • the coils are produced by electroplating copper.
  • the magnetic core is made by depositing soft magnetic material, such as Ni, NiFe, CoFe, CoZrTi.
  • the desired inductance to be produced can be determined by the number of - -
  • FIG. 1 shows schematically the representation of a possible induction component according to the invention.
  • FIG. 1 shows the plan view of the induction component. It contains a magnetic core 1 in the illustrated embodiment. This has the shape of a rectangular ring, with two longitudinally extending legs 2 and connecting them two transverse legs 3. To each longitudinal leg 2 a plurality of coils 4 are arranged around, all coils 4, 5 of a longitudinal leg 2 form a coil means 6. The expression that the coils 4, 5 are wound is to be understood only in the function, since the coils are produced by the thin-film method, that is not wound. This method of manufacturing coils is known per se.
  • Each coil 4 has a winding start 7 and a winding end 8. All coils 4 are wound in the same direction, so they have the same winding sense. All coils 4 have the same number of turns. The coils 4 are arranged one behind the other in the longitudinal direction of the leg 2 and have a certain distance between each other.
  • the winding start 7 of the spool 4 shown on the far left is led out and connected to a soldering pad 9.
  • the winding end 8 of this coil is also led out and connected to a solder pad 9. With the same solder pad 9 and the winding start 7 of the second coil is connected.
  • Their winding end 8 is like - - In turn connected to a solder pad 9, with which the winding start 7 of the third coil is connected.
  • the induction component of Figure 1 has a total of 8 ports. By dividing into 2 coil devices that are not electrically connected to each other, the induction component can be used as a transformer. The following transmission ratios are possible: 1: 1, 1: 2, 1: 3; 2: 1, 2: 2, 2: 3; 3: 1, 3: 2, 3: 3. But it is also possible to use the induction component as an inductance, wherein one can use a single coil 4 or a series connection of multiple coils both 4 and 5. It is therefore possible to realize an inductance with the inductance value of a coil up to the inductance value of 6 coils.

Abstract

Es wird ein in Dünnschicht-Technik hergestelltes Induktionsbauteil vorgeschlagen, das in vielfacher Funktion verwendet werden kann. Es enthält an einem Magnetkern in Ringform zwei Spuleneinrichtungen, die ihrerseits wiederum aus mindestens zwei Spulen aufgebaut sind. Innerhalb jeder Spuleneinrichtung sind die benachbarten Wicklungsenden benachbarter Spulen miteinander und mit einem gemeinsamen Lötpad verbunden. Dadurch ist es möglich, einzelne Spulen anzuschließen und dadurch unterschiedliche Funktionen des Induktionsbauteils auszunutzen.

Description

Beschreibung
Induktionsbauteil
Die Erfindung betrifft ein Induktionsbauteil.
Mit ständig steigender Schaltfrequenz elektrischer Leistungsschaltungen und Controllern werden auch immer neue Induktionsbauteile benötigt. Diese sollen in erster Linie eine kleinere Induktivität aufweisen, beispielsweise im Schaltfrequenzbereich zwischen 10 MHz und 30 MHz eine Induktivität zwischen 100 nH und 300 nH für Transformatoren und zwischen 20 nH und 200 nH für Induktivitäten. Darüber hinaus sollen diese Induktionsbauteile auch eine kleinere Größe aufweisen.
Es ist bereits ein Induktionsbauteil bekannt, dass sowohl als Induktivität als auch als Mikro- Transformator verwendet werden kann (EP 1 178504 A1 ).
Weiterhin ist ein Mikrotransformator bekannt, bei dem einzelnen Windungen eines Leiters um eine magnetische Innenlage herum angeordnet werden (US 5976715 A).
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Induktionsbauteil zu schaffen, das bei geringem Platzbedarf eine Vielzahl von verschiedenen Anwendungsmöglichkeiten bietet.
Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung ein Induktionsbauteil mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen vor. Weiterbildungen sind Gegenstand von Unteransprüchen. Durch das Vorsehen zweier Spuleneinrichtungen, die auf einem gemeinsamen Magnetkern angeordnet sind, ist es möglich, das Induktionsbauteil als Übertrager zu verwenden. Dabei ist es möglich, sowohl auf der Primärseite als auch auf der Sekundärseite auszuwählen, ob - - man eine oder beide Spulen jeder Spuleneinrichtung verwendet. Dadurch ist eine Übertragung von 1 :1 , 1 :2, 2: 1 , 2:2 möglich. Wenn man jede Spuleneinrichtung aus mehr als zwei Spulen bestehen lässt, ist die Zahl der Möglichkeiten entsprechend größer.
Bei dem einfachsten Beispiel mit zwei Spuleneinrichtungen, die jeweils aus zwei benachbarten Spulen bestehen, kann man das Induktionsbauteil auch zum Darstellen einer Induktivität mit vier verschiedenen Werten verwenden, je nachdem, wie viele der vorhandenen Spulen man hinter- einander schaltet.
Man hat also ein Induktionsbauteil geschaffen, das in dem gerade abgehandelten Beispiel acht verschiedene Anwendungsmöglichkeiten bietet. Ein weiterer Vorteil des von der Erfindung vorgeschlagenen Induktionsbauteils liegt darin, dass man mit nur einem Bauteil größere Schaltfrequenzbereiche abdecken kann bzw. dass ein Bauteil für eine größere Bandbreite eingesetzt werden kann. Wenn beispielsweise für eine Schaltfrequenz von 10 MHz 3 Spulen benötigt werden, für 20 MHz aber nur noch eine Spule benötigt wird, so kann dies mit einem einzigen Bauteil erreicht werden. Auf diese Weise wird die Bauteileauswahl für den Anwender erleichtert, Beschaffungskosten reduziert und das Spektrum von vorzuhaltenden Induktivitätswerten wird kleiner. Die Profilgröße eines solchen Induktionsbauteils soll beispielsweise in einem Bereich von 0.5 bis 0.3 mm oder darunter liegen können.
Als Beispiel für die Größe solcher Bauteile können die Größen 1008, 0805, 0603, 0402, oder 0201 genannt werden.
In Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die benachbarten Wicklungsenden jeweils zweier benachbarter Spulen mit einem gemeinsamen Lötpad verbunden sind. Damit vereinfacht sich die Zu- - - sammenschaltung der einzelnen Spulen und auch die Herstellung, da das Bauteil in dem erwähnten Beispiel mit zwei Spuleneinrichtungen von jeweils zwei Spulen nur sechs Lötpads aufweist. Insbesondere kann in Weiterbildung der Erfindung vorgesehen sein, dass der Ring Rechteckform aufweist und jede der beiden Spuleneinrichtungen an jeweils einem Schenkel des Rechtecks ausgebildet ist.
In Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass alle Spulen einer Spuleneinrichtung den gleichen Windungssinn aufweisen. Dabei ist es auch möglich, dass der Windungssinn in beiden Spuleneinrichtungen identisch ist.
Obwohl es denkbar ist, dass die Zahl der Windungen bei jeder Spule und bei jeder Spuleneinrichtung unterschiedlich ist, kann erfindungsgemäß in Weiterbildung vorgesehen sein, dass alle Spulen einer Spuleneinrichtung die gleiche Windungszahl aufweisen, wobei insbesondere dies auch für die Spuleneinrichtungen untereinander gelten kann. Was für die Windungszahl und den Windungssinn gesagt wurde, kann in Weiterbildung der Erfindung auch für den Querschnitt der die Spulen bildenden elektrischen Leiter gelten.
Die Erfindung schlägt vor, die Spulen und ihre Windungen in einem Dünnschichtverfahren herzustellen. Die einzelnen Leiterbahnen der Windungen werden durch eine Kombination von Spluttern und Elektroplatieren hergestellt. Insbesondere wird vorgesehen, dass die Spulen durch Elektroplatieren von Kupfer hergestellt werden. Der Magnetkern wird durch Ablagern weichen magnetischen Materials hergestellt, beispielsweise Ni, NiFe, CoFe, CoZrTi.
Die gewünschte herzustellende Induktivität kann durch die Zahl der - -
Windungen und die Auswahl des Materials des magnetischen Kerns eingestellt werden.
Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorzüge der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und der Zusammenfassung, deren beider Wortlaut durch Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht wird, der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung sowie anhand der Zeichnung. Hierbei zeigen: Figur 1 schematisch die Darstellung eines möglichen Induktionsbauteils nach der Erfindung.
Die Figur 1 zeigt die Draufsicht auf das Induktionsbauteil . Es enthält in der dargestellten Ausführungsform einen Magnetkern 1 . Dieser weist die Form eines rechteckigen Rings auf, mit zwei in Längsrichtung verlaufenden Schenkeln 2 und zwei diese verbindenden Querschenkeln 3. Um jeden Längsschenkel 2 sind mehrere Spulen 4 herum angeordnet, wobei alle Spulen 4, 5 eines Längsschenkels 2 eine Spuleneinrichtung 6 bilden. Der Ausdruck, dass die Spulen 4, 5 gewickelt sind, ist nur in der Funktion zu verstehen, da die Spulen im Dünnschichtverfahren hergestellt, also nicht gewickelt werden. Dieses Verfahren zum Herstellen von Spulen ist an sich bekannt.
Jede Spule 4 hat einen Wicklungsanfang 7 und ein Wicklungsende 8. Alle Spulen 4 sind in der gleichen Richtung gewickelt, haben also den gleichen Windungssinn. Alle Spulen 4 haben die gleiche Anzahl von Windungen. Die Spulen 4 sind in Längsrichtung des Schenkels 2 hintereinander angeordnet und haben einen gewissen Abstand zwischen einander. Der Wicklungsanfang 7 der am weitesten links dargestellten Spu- le 4 ist herausgeführt und mit einem Lötpad 9 verbunden. Das Wicklungsende 8 dieser Spule ist ebenfalls herausgeführt und mit einem Lötpad 9 verbunden. Mit demselben Lötpad 9 ist auch der Wicklungsanfang 7 der zweiten Spule verbunden. Deren Wicklungsende 8 ist wie- - - derum mit einem Lötpad 9 verbunden, mit dem auch der Wicklungsanfang 7 der dritten Spule verbunden ist.
Alles, was für die Spulen 4 der ersten Spuleneinrichtung 6 gesagt wur- de, gilt auch für die zweite in Figur 1 unten dargestellte Spuleneinrichtung. Insbesondere können auch die Windungszahlen und der Windungssinn der Spulen untereinander gleich sein.
Das Induktionsbauteil der Figur 1 hat insgesamt 8 Anschlüsse. Durch die Aufteilung in 2 Spuleneinrichtungen, die elektrisch nicht miteinander verbunden sind, kann das Induktionsbauteil als Transformator verwendet werden. Es sind folgende Übertragungsverhältnisse möglich: 1 :1 , 1 :2, 1 :3; 2:1 , 2:2, 2:3; 3:1 , 3:2, 3:3. Es ist aber auch möglich, das Induktionsbauteil als Induktivität zu verwenden, wobei man eine einzelne Spule 4 oder auch eine Hintereinanderschaltung mehrerer Spulen sowohl 4 als auch 5 verwenden kann. Es lässt sich also eine Induktivität mit dem Induktivitätswert einer Spule bis zu dem Induktivitätswert von 6 Spulen verwirklichen.

Claims

Patentansprüche
1. Induktionsbauteil, mit
1.1 einem Magnetkern (1 ) in Form eines geschlossenen Rings,
1.2 mindestens zwei Spuleneinrichtungen (6) auf dem Kern (1 ), von denen
1.3 jede Spuleneinrichtung (6) mindestens zwei Spulen (4, 5) aufweist,
1.4 deren Wicklungsenden (7, 8) nach außen geführt und mit Löt- pads (9) verbunden sind, wobei
1.5 die benachbarten Wicklungsenden (8, 7) jeweils zweier benachbarter Spulen (4; 5) zusammenschaltbar sind.
2. Induktionsbauteil nach Anspruch 1 , bei dem die benachbarten Wicklungsenden (8, 7) jeweils zweier benachbarter Spulen (4; 5) mit einem gemeinsamen Lötpad (9) verbunden sind.
3. Induktionsbauteil nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Ring Rechteckform aufweist und jede der beiden Spuleneinrichtungen (6) an jeweils einem Schenkel (2) ausgebildet ist.
4. Induktionsbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem alle Spulen (4, 5) mindestens einer Spuleneinrichtung (6), vorzugsweise aller Spuleneinrichtungen (6), den gleichen Windungssinn aufweisen.
5. Induktionsbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem alle Spulen (4, 5) mindestens einer Spuleneinrichtung (6), vorzugsweise aller Spuleneinrichtungen (6), die gleiche Windungszahl aufweisen.
6. Induktionsbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem alle Spulen (4, 5) mindestens einer Spuleneinrichtung (6), vorzugsweise aller Spuleneinrichtungen (6), den gleichen Leitungsquerschnitt aufweisen.
7. Induktionsbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Windungen der Spulen (4, 5) in Dünnschichttechnik hergestellt sind.
8. Induktionsbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Magnetkern (1 ) in Dünnschichttechnik hergestellt ist.
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