DE20022015U1

DE20022015U1 - Planarkerntransformator

Info

Publication number: DE20022015U1
Application number: DE20022015U
Authority: DE
Original assignee: Vogt Electronic AG
Current assignee: Vogt Electronic AG
Priority date: 2000-12-29
Filing date: 2000-12-29
Publication date: 2001-03-01
Anticipated expiration: 2010-12-30

Description

VOGT electronic AG 29. Dezember 2000

DEGB-73241.2

Planarkerntransformator

Die Erfindung bezieht sich auf einen Planarkerntransformator mit einer mehrschichtigen Leiterplatte.

Planarkerntransformatoren sind für ihre Leistungsdichte und ihre platzsparende Ausführung bekannt. Lange Luft- und Wegstrecken wirken dieser Tendenz jedoch entgegen. Zur Realisierung von planaren Transformatoren werden Kriterien gefordert, die unter anderem den Sicherheitsnormen, wie z.B. VDE 0805, EN 60950 oder UL 1950 in Bezug auf die Luft- und Kriechstrecken-Spannungsbeständigkeit entsprechen. Bei Spannungen kleiner 300 Volt betragen diese z. B. bis zu 6,6 mm.

Aus dem U.S. Patent 5,175,525 ist ein raumsparender planarer Sicherheitstransformator bekannt, in dem zur Erhöhung einer elektromagnetischen Kopplung eine Einkapselung der Primärwicklung mittels einer speziell geformten zweiwindigen planaren Sekundärwicklung erfolgt, was jedoch sehr aufwendig ^x ist. Eine zusätzliche Erweiterung der Sekundärwicklung auf drei, vier und mehr Windungen zur Erzielung einer noch effizienteren elektromagnetischen Kopplung und Erhöhung der thermischen Streuung würde zu einer drastischen Erhöhung der Fertigungskosten führen.

Eine raumsparende Führung der Luft- und Kriechstrecken wird in der WO 91/15861 durch Einbau planarer Spulen in mehrere speziell dafür vorgesehene Spulenkörper erreicht. Eine Kontaktierung zwischen einzelnen einwindigen planaren Windungen der Sekundärwicklung erfolgt dabei außerhalb der Spulenkörper. Dieser Lösungsansatz ist wegen des hohen Arbeitsaufwands und der zusätzlichen Bauteile, die hierfür benötigt werden, jedoch sehr kostenintensiv.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, Luft- und Kriechstrecken wirtschaftlich und technisch effizient zu verringern.

Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale der Erfindung gelöst. Vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Der erfindungsgemäße Planartransformator umfaßt eine mehrschichtige Leiterplatte (im weiteren auch als Multilayer bezeichnet) und einen Kern, wobei der Multilayer mit einer Primärwicklung und einer Sekundärwicklung nach allgemein bekannten Techniken hergestellt wird. Die Primär- und Sekundärwicklungen können dabei aus mehreren Schichten bestehen und sind im Multilayer vollständig eingebettet. Durch die gezielte Ausführung der inneren Durchkontaktierungen (Dukos) ist es bei dem erfindungsgemäßen Transformator möglich, eine Kontaktierung jeweils zwischen den Schichten der Primär- und/oder der Sekundärwicklungen auf unterschiedlichen Lagen durchzuführen. Die Primärseite benötigt bei Netzanschlußspannung eine relativ hohe Windungszahl und weist daher mehrere Windungen pro Lage auf. Das macht eine Durchkontaktierung auf der Innenseite der Wicklungsspirale notwendig, wodurch sich diese Durchkontaktierung konstruktionstechnisch nahe am Mittelschenkel des Kerns befindet. Bei einer Kontaktierung von mehr als zwei Lagen sind dabei Durchkontaktierungen auch im Außenbereich der jeweiligen Wicklung notwendig. Transformatoren dieser Art werden oft bei hohen Frequenzen (200 kHz und mehr) verwendet, wodurch sich die Möglichkeit bietet, bei der Sekundärwicklung mit einer Windung pro Lage auszukommen. Die Durchkontaktierungen der Sekundärseite können somit am äußeren Teil des Multilayers plaziert werden. Die Kriech- und Luftstrecken von Sekundär-Dukos und Anschlußpads zum Kern können somit mit 7 mm und mehr einfach realisiert werden. Die Dukos der Primärseite benötigen dabei einen kleineren Abstand zum Kern (typischerweise 1 mm), bei dem eine fehlerfreie Funktion des Transformators gewährleistet wird. Dadurch wird ein einfacher und somit kostengünstiger Aufbau möglich, bei dem auf sehr einfache Weise mehrere Schichten der Sekundärwicklung in Verbindung miteinander gebracht werden.

Vorteilhaft gegenüber dem Stand der Technik ist bei dem erfindungsgemäßen Transformator auch die Tatsache, daß aus

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beliebig vielen Lagen bestehende Primär- und Sekundärseiten ineinander verschachtelt angeordnet werden können, wodurch die Streuinduktivität auf ein Minimum reduziert wird.

Der erfindungsgemäße Transformator weist darüber hinaus den besonderen Vorteil auf, daß die oben beschriebenen Durchkontakt ierungen zugleich die Anschlußpads bilden können, wodurch der Übergang von einer Windungszahl auf eine andere innerhalb ein- und desselben Transformators durch einfaches Umkontaktieren der äußeren Anschlüsse ermöglicht wird.

Anhand von Zeichnungen wird die Erfindung nachfolgend näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Draufsicht auf einen planaren Transformator, Fig. 2 die Vorderansicht auf einen planaren Transformator, Fig. 3 den planaren Transformator in einer Seitenansicht, Fig. 4 einen Ausschnitt A aus Fig. 2 in vergrößertem Maßstab mit dem Aufbau des Monolayers in der Ebene I-I aus

Fig. 1,
Fig. 5 einen Ausschnitt B aus Fig. 3 in vergrößertem Maßstab mit dem Aufbau des Monolayers entlang der Ebene II-II

in Fig. 1, und
Fig. 6 einen Ausschnitt C aus Fig. 3 in vergrößertem Maßstab mit dem Aufbau des Monolayers entlang der Ebene III-III in Fig. 1.

Fig. 1 zeigt eine Draufsicht auf einen Planartransformator 1 mit einem Kern 2 und einem Multilayer 3. Auf dem Multilayer 3 sind primäre Anschlußpads 4 und sekundäre Anschlußpads 5 angeordnet. Der besseren Anschaulichkeit halber wurde die Bestiftung in der Zeichnung weggelassen. Der Multilayer 3 beinhaltet eine in ihm vollständig eingebettete Primärwicklung und eine Sekundärwicklung (nicht gezeigt). Als Abstände zwischen den leitenden Teilen sind weiterhin die kürzesten Verbindungen zwischen den Rändern leitender Kupferflächen oder Kernoberflächen zu verstehen, z. B. bei Pads von Padrand zu Padrand. Die Ober- und Unterseite des Monolayers besteht aus Isolationsmaterial, auf dessen Oberfläche, wenn es

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notwendig ist, die Pads der Dukos angeordnet sind. Die Ober- und/oder Unterseite des Monolayers können außerdem die Leiterbahnen der Primärseite enthalten, falls die Luft- und Kriechstrecken zu den Pads der Sekundärseite eingehalten sind. Bei Einhaltung der Luft- und Kriechstrecken können, anders als in Fig. 1, Pads der Sekundäranschlüsse auf der räumlich gleichen Seite des Kerns liegen wie die Primäranschlüsse. Die Plazierung der sekundären Anschlußpads am äußeren Teil des Monolayers ist, wie schon erwähnt wurde, durch die Möglichkeit bei hohen Frequenzen als eine Windung pro Lage ausgeführt zu sein, gegeben. Die Kriech- und Luftstrecken von den Sekundärdukos und Anschlußpads zu primärseitig zugeordnetem Kern können somit mit 7 mm und mehr einfach realisiert werden. Aufgrund kleinerer Spannungen der einzelnen Windungen der Primärseite sind für die Dukos der Primärseite kleinere Abstände zum Kern (z.B. 1 mm) zugelassen, wie es aus Fig. 3 ersichtlich ist.

Fig. 3 zeigt den schematischen Aufbau des Monolayers im mit A in Fig. 2 bezeichneten Wickelfensterbereich des Kerns. Der Aufbau besteht aus mehreren übereinandergelegten Kupferlei tbahnen mit primären Windungen 7 und sekundären Windungen 8, die voneinander jeweils mit einer Isolierungsebene 9 isoliert sind. Als Isolierungsmaterial wird vorteilhafterweise Prepreg FR4 verwendet. Beim Fertigen wird der Aufbau unter Vakuum und Hitze verpreßt. Das Prepreg fließt zwischen die Leiterbahnen und den Multilyerrand, wodurch die Leiterbahnen vollständig eingekapselt werden.

Für das Prepreg und das Laminat für die Leiterplatten werden die Materialien so ausgewählt, um den Normen VDE 0805, EN 60950 oder UL 1950 zu genügen. Bei einem einlagigen Isolierungsmaterial wird diese Forderung erfüllt, wenn die Stärke mindestens 0,4 mm beträgt. Bei zwei Lagen muß jede Lage für sich die vorgeschriebene Höchstspannung halten. Bei drei Lagen müssen jeweils zwei Lagen die oben genannten Spannungskriterien erfüllen.

Es sei erwähnnt, daß sowohl die Windungen der Primärseite, als auch die Windungen der Sekundärseite aus beliebig vielen Lagen bestehen können. Die Lagen der Primär- und Sekun-

darseite können ineinander verschachtelt angeordnet werden, womit sich die Streuinduktivität auf ein Minimum reduzieren läßt. Der Einfachheit halber werden hier nur zwei Lagen für die Primärwicklung und eine Lage für die Sekundärwicklung dargestellt und beschrieben.

Das Isolationsverhalten des Planartransformators wird u. a. durch den Abstand d2 zwischen der Sekundärwicklung und dem Kern bestimmt. Wie die Erfahrung zeigt, gewährleistet der Abstand d2>=0,8 mmm eine ausreichende Isolierung der Sekundärwicklung zum Kern für Spannungen <300 Volt, was durch die Sicherheitsnorm VDE 0805, EN 60950 und UL 1950 festgelegt ist. Der Abstand dl zwischen den primären Windungen und dem Kern kann <0,8 mm sein (typischerweise dl=0,5 mmm) und wird hauptsächlich durch Parameter des Herstellungsprozesses und der Funktionsisolation bestimmt.

Daraus ergibt sich für die Wicklungsauslegung folgender Vorteil: Für die primäre Windung ergibt sich durch die kleine Kriechstrecke dl eine größere Wicklungsbreite. Die relativ großen Windungszahlen der Primärseite können somit niederohmiger realisiert werden. Für die Sekundärseite ergibt sich eine große Isolierungsstrecke d2. Da aber sekundär nur eine Windung pro Lage realisiert ist, wirkt sich das kleinere Wicklungsfenster nur geringfügig im Wicklungswiderstand aus.

Fig. 5 zeigt einen weiteren Aufbau des Multilayers entlang der Ebene II-II in Fig. 1 im Wickelfensterbereich B des Kerns aus Fig. 3. Hier soll der Abstand d3 im Multilayer zwischen den spannungsführenden Kupferleitungen der primären Seite und der sekundären Seite größer oder = 1 mm eingehalten werden, um den oben erwähnten Sicherheitsnormen zu genügen.

Fig. 6 zeigt den Aufbau des Multilayers im Wickelfensterbereich des Kerns in einer Schnittebene, die durch eine Durchkontaktierung 10 der Sekundärwicklung verläuft. In diesem Fall bildet die Durchkontaktierung zugleich das Anschlußpad für die Sekundärwicklung.

Bei großen Leistungen (> 600 W) reduziert sich die Windungszahl primärseitig, so daß auch hier mit nur einer Windung pro Lage gearbeitet werden kann. Somit bietet sich die Gele-

genheit auf die inneren Dukos nahe beim Kern zu verzichten. Der Kern kann bei dieser^Ausführungsform nun als elektrisch schwebend angesehen werden und als Isolierungsstrecke zwischen Primär- und Sekundärwindungen kann nun die Summe der Abstände dl + d2 gerechnet werden. Hiermit läßt sich der Abstand d2 zwischen der sekundären Windung und dem Kern bis auf 0,5 mm verkürzen.

Im Rahmen der Erfindung sind auch andere Möglichkeiten zur Anordnung der Sekundär- und Primärwicklungen möglich. So können z. B. bei großen Leistungen und hohen Strömen die Sekundärwicklungen als gestanzte Kupferbleche ausgeführt werden, die über und unter der im Multilayer ausgeführten Primärwicklung angeordnet werden. Die Isolierung wird vollständig durch den Multilayer der Primärwicklung gewährleistet. Der minimale Abstdand zwischen den primären Windungen und in diesem Fall sekundärseitig zugeordnetem Kern muß nun aber >1 nun sein. Die gekapselte Primärwicklung entspricht dann dem Ansatz vom U.S. Patent 5,175,525, jedoch wird die Kapselung der Primärwicklung nicht mit einer vollständig isolierten konventionell bewickelten Spule erreicht, die eine Mindestisolationsstärke von 0,4 mm benötigt, sondern durch einen Multilayer, der durch die Lagentechnik auch Isolationsstärken kleiner 0,4 mm erlaubt und erreicht.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel, wie die Ausführung der Sekundärseite mit nur einer Windung pro Lage umgangen werden kann, stellt eine Lösung dar, bei der sowohl primärseitig als auch sekundärseitig benötigte Dukos mit einer Lage zusätzlicher Isolationsschicht abgedeckt werden. Für die dadurch entstandenen Sackkontaktierungen entfällt die Einhaltung von Luft- und Kriechstrecken. Die Abstände dl und d2 zwischen den primären bzw. sekundären Windungen und dem Kern, der in diesem Fall als elektrisch schwebend angesehen werden kann, können größer oder = 0,5 mm betragen. Dieses Ausführungsbeispiel erfordert jedoch zusätzliche Arbeitsgänge in der Herstellung des Multilayers, was eine Verteuerung des Endprodukts bewirkt.

Claims

1. Transformator (1) mit einem Kern (2) und einer mehrschichtigen Leiterplatte (3), die wenigstens eine Primärwicklung (7) in wenigstens einer ersten Schicht und wenigstens eine Sekundärwicklung (8) in wenigstens einer zweiten Schicht aufweist, wobei eine Kontaktierung jeweils zwischen den Schichten der Primär- (7) und/oder der Sekundärwicklung (8) mittels Durchkontaktierungen (6) gegeben ist, die Sekundärwicklung (8) jeweils aus einer Windung pro Schicht aufgebaut ist und wenigstens eine Durchkontaktierung (6) im Randbereich der Leiterplatte (3) aufweist.

2. Transformator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärwicklung (7) wenigstens zwei Windungen pro Schicht aufweist und die einzelnen Windungen mittels der Durchkontaktierungen (6) im kernnahen Bereich der Leiterplatte (3) miteinander kontaktiert sind.

3. Transformator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktierungen zwischen den Schichten der Primär- (7) und/oder der Sekundärwicklung (8) paarweise mittels Durchkontaktierungen (6) gegeben sind.

4. Transformator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten der Primärwicklung (7) und der Sekundärwicklung (8) ineinander verschachtelt angeordnet sind.

5. Transformator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Durchkontaktierung (6) als Anschlußpad dient.