DE69117403T2

DE69117403T2 - Niederprofil-flachtransformator für die verwendung bei unabhängig betriebenen schaltnetzteilen

Info

Publication number: DE69117403T2
Application number: DE69117403T
Authority: DE
Inventors: Alexander Estrov
Original assignee: Multisource Tech Corp
Current assignee: Multisource Technology Corp Boca Raton Fla Us
Priority date: 1990-03-30
Filing date: 1991-03-18
Publication date: 1996-09-05
Anticipated expiration: 2011-03-19
Also published as: AU7665091A; DE69117403D1; HK1007829A1; DE9114783U1; EP0476114B1; WO1991015861A1; EP0476114A1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG

Diese Erfindung betrifft den Entwurf von Hochfrequenztransformatoren und insbesondere Transformatoren des planaren Typs mit niedrigem Profil oder des Schaltungsplatinentyps, die die Isolationssicherheitsstandards erfüllen, die für eine Transformatorverwendung für eine Netz-Wechselspannung, beispielsweise in Off-Line-Schaltnetzteilen, vorgegeben sind.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Wegen ihrer kompakten Größe im Verhältnis zu ihren linearen Entsprechungen sind Schaltnetzteile seit langem von großem Interesse für Produktentwickler. Allerdings dauerte es bis zur zweiten Hälfte der 80er Jahre, daß Schaltnetzteile (d.h. "Wandler") die Energieversorgung der Wahl bei dem Entwurf der meisten elektronischen Geräte würden. Ihre zugenommene Popularität war zum größten Teil die Folge der Verfügbarkeit von Wandlern, die kompakter, gewichtsmäßig leichter, genauso zuverlässig und dennoch nur geringfügig teurer als lineare Geräte mit einer äquivalenten Nennleistung waren.
Der Schlüssel zur Entwicklung von höchst zuverlässigen, kompakten Wandlerentwürfen war die Verfügbarkeit von Hochfrequenz-Schalttransistoren, die hohe Spannungstransienten aushalten konnten, die auf der Netzspannung auftreten. Mit der Entwicklung von FETs und anderen Typen von schnellen Schalttransistoren, die in der Netzspannungsumgebung zuverlässig arbeiten konnten, wurden Schaltnetzteile vom Off-Line-Typ, die um kleine Transformatoren herum entworfen wurden, in der Praxis umgesetzt werden. Somit wurden die großen 50 und 60 Hertz Eisenkerntransformatoren, die in den klassischen linearen Energieversorgungen benötigt wurden, durch Hochfrequenztransformatoren ersetzt, die deren Größe und Gewicht beträchtlich verkleinerten. Demzufolge sind die heutigen Schaltnetzteile kleiner, gewichtsmäßig leichter und effizienter als vorangehende lineare Geräte.
Allerdings besteht mit der fortschreitenden Tendenz zur Miniaturisierung von elektronischen Produkten eine nicht enden wollende Nachfrage nach noch kleineren und leichteren Energieversorgungen. Dieses setzt sich in eine Nachfrage nach kleineren Transformatoren um, da der Transformator noch die größte und schwerste Komponente ist, selbst in heutigen Schaltnetzteilen.
Es ist wohlbekannt, daß kleine Transformatoren zur Verwendung bei Mega-Hertz-Frequenzen relativ realisierbar sind. Allerdings muß der Transformator in einem Off-Line-Wandler in der Netzspannungsumgebung arbeiten. Dies bedeutet, daß strengere Isolationsanforderungen bestehen, die jeder derartiger Transformatorentwurf erfüllen muß. Da eine Isolation hauptsächlich die Trennung und Isolation zwischen Drähten, Wicklungen, Schichten der Wicklungen und Verbindungen betrifft, ist es offensichtlich, daß die Isolationsanforderungen gegen eine Miniaturisierung der Größe arbeiten. Dieser Nachteil führt zu einer beträchtlichen Qualitätssteuerung, Inspektion und zu Kosten.
Eine der vielversprechendsten Techniken zum Entwerfen von kleinen hochfrequenten Transformatoren ist der planare Typ mit niedrigem Profil oder der Schaltungsplatinen-Typ (d.h. PCB-Typ) von Transformatoren, die beispielsweise in der GB-A-2 087 656 gezeigt. Bei dieser Art von Transformator sind die Primärwicklungen, die eine Spirale von Spuren auf einer planaren Oberfläche sind, mit den Sekundärwicklungen gekoppelt, die eine unterschiedliche Spirale von Spuren auf einer getrennten planaren Oberfläche sind, indem die Wicklungen in einem magnetischen Gehäuse eingeschlossen werden. Typischerweise ist das magnetische Gehäuse aus Ferrit, Sumarium oder irgendein anderes Verbundmaterial hergestellt, welches als ein Topf-Kern, ein R-M-Kern, ein E- Kern, ein I-Kern etc. ausgebildet ist. Es kann aber fast irgendeine Gestalt sein, die leicht um die Wicklungen plaziert werden kann und effektiv das Magnetfeld auf das Gebiet um die Wicklungen herum beschränkt.
Die Verwendung von planaren Spuren anstelle der klassischen Drahtwicklungen auf einem Wickelkörper ist ein wesentlicher Herstellungsfortschritt für Hochfrequenztransformatoren. Allerdings haben die internationalen Sicherheitsstandards für eine Wicklungszwischenisolation einen Stolperstein bei der Anwendung dieser Konstruktionstechnik auf die Miniaturisierung von Transformatoren für Off-Line-Wandler gelegt. Die Anforderungen für eine Isolation erfordern Wicklungszwischenabstände, die vor dieser Erfindung nur durch den Gewaltansatz der Verwendung von dicken Wickelkörpern und vielen Schichten von isolierenden Abstandsstücken angegangen werden konnten. Diese wären jedoch keine effizienten Transformatoren gewesen, da sie relativ große magnetische Elemente benötigen würden, um die schlechte Kopplung zwischen den Primär- und den Sekundärwicklungen zu kompensieren. Demzufolge hat die Unfähigkeit, die internationalen Sicherheitsstandards in kleinen, leichten effizienten Geräten zu erfüllen, planare Transformatoren mit niedrigem Profil aus Massenprodukten herausgehalten und von den Netzspannungen abgehalten.
Planare Niederprofil-Transformatoren sind auf militärische Produkte beschränkt worden, bei denen eine geringere Isolation benötigt wird und auf DC-Zu-DC-Wandler, bei denen der Eingang eine niedrige DC-Spannung und nicht die Netzwechselspannung ist. Trotzdem stellt sich die tatsächliche Herausforderung nach planaren Transformatoren zur Verwendung in massenproduktorientierten Off-Line- Wandlern. Damit aber derartige Anwendungen zugelassen werden, existieren spezifische Isolationsanforderungen, die sie erfüllen müssen. Diese sind die Anforderungen der Sicherheitsnormungsausschüsse in der ganzen Welt. Diese Ausschüsse definieren, wie die Sicherheit in tatsächlich allen Konsumprodukten zu messen ist und diese gleichen Ausschüsse oder Behörden entscheiden, ob elektrische und mechanische Produkte ihre veröffentlichten Sicherheitsspezifikationen erfüllen oder nicht.
Fast jedes Land hat seine eigene Sicherheitsbehörde, jedoch ist von den internationalen Behörden die einflußreichste und kommerziell am wichtigsten die Underwriters' Laboratory (U.L.) in den USA, der VDE in Deutschland und die CSA in Kanada. Im Fall von Leistungstransformatoren, die sowohl bei 110 VAC als auch 220 VAC arbeiten, sind die U.L.-, V.D.E.-, und C.S.A.-Standards, die die Transformatorentwickler herausfordern, die folgenden: (A) Die Primärwicklungs-Zu-SELV- Wicklungs- (sichere zusätzliche Niederspannungswicklungs-)-Isolationsdicke muß entweder ein Isolator sein, der wenigstens zwei mm (.080") dick ist, oder drei Isolationsschichten mit jeweils .1mm (.004") Dicke (d.h. 3 plys); (B) der "Kriechabstand" und der "Freiraum" zwischen der Niederspannungs-Sekundärwicklung und jeder Wechselspannungsleitung oder Masse muß wenigstens 6mm (.240") sein; und (C) der "Kriechabstand" und der "Freiraum" zwischen dem Kern und jeder Leitung oder Masse muß wenigstens 2mm (.080") betragen. Der "Kriechabstand" und der "Freiraum" werden zwischen Leitern, Leitern und Anschlüssen, mit Masse verbundenen oder nicht mit Masse verbundenen leitenden Teilen, Komponenten und Komponentenzuleitungen untersucht. Ein "Kriechabstand" wird als der kürzeste Pfad zwischen zwei leitenden Teilen oder zwischen einem leitenden Teil und der Masseoberfläche des Geräts, gemessen entlang der Oberfläche der Isolation, definiert. Der "Freiraum" ist der kürzeste Abstand zwischen zwei leitenden Teilen, so wie er durch Luft gemessen wird. Wenn eine Barriere dazwischen angeordnet ist, wird die Beabstandung um die Barriere herum gemessen, oder, wenn die Barriere aus zwei oder mehr unzementierten Teilen besteht, wird die Beabstandung durch einen Übergang oder um die Barriere herum gemessen, je nachdem was kürzer ist.
Während der Bereitstellung eines niedrigen Profils und einer hohen Effizienz, hatten Transformatoren vom PC-Platinen(d.h. planaren Niederprofil-)-Typ für Off-Line-Wandler Schwierigkeiten, die obigen Anforderungen zu erfüllen.
Deshalb ist eine Aufgabe dieser Erfindung, eine planare Transformatorentwicklung mit niedrigem Profil und einem physikalischen Konstruktionskonzept bereitzustellen, die zur Erfüllung der oben angegebenen Isolationsanforderungen zur Verwendung in kommerziellen Off-Line-Wandlern verwendet werden können.
Es ist eine weitere Aufgabe dieser Erfindung, die Herstellung eines kostengünstigen planaren Transformators mit niedrigem Profil zu ermöglichen, der ausgelegt werden kann, so daß er Kriechabstands- und Freiraumwerte aufweist, die leicht die VDE-Spezifikationen erfüllen können, während er eine Verpackung mit kleinem Volumen und kleiner Höhe aufweist.
Es ist noch eine andere Aufgabe dieser Erfindung, eine Wickelkörperkonstruktion für einen planaren Transformator bereitzustellen, die die Wicklungen in einem Gehäuse mit minimalem Profil hält, während sie die Erreichung des erforderlichen Kriechabstands und Freiraums zwischen den Primär- und Sekundärwicklungen erlaubt.
Eine andere Aufgabe dieser Erfindung besteht darin, einen Hochfrequenztransformator bereitzustellen, der bei Konsumentenanwendungen nützlich ist, bei denen er eine Isolation von der Netzwechselspannung bereitstellen muß.
Eine andere Aufgabe besteht darin, einen Transformator bereitzustellen, der die Basis für kosteneffektive Konsumenten-orientierte Off-Line-Wandler ist.
Es ist noch eine weitere Aufgabe dieser Erfindung, einen Hochfrequenztransformator bereitzustellen, dessen Herstellung kostengünstig ist.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Diese und andere Aufgaben werden durch einen Transformatoraufbau gemäß Anspruch 1 gelöst, wobei ein derartiger Transformator ein Transformator vom planaren Niederprofil-Typ mit einei einzigartigen Wickelkörperkonstruktion und einer minimalen Anzahl von anderen Teilen ist. Der Transformator wird zusammengebaut, indem einfach alle Teile, außer die Kernteile, in einer Sandwich-artigen Laminierung aufgestapelt und zwei geeignet ausgebildete Ferritkernstücke um den Stapel herum plaziert werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfaßt der Stapel in der genannten Reihenfolge die folgenden Schichten: (a) eine erste planare leitende Wicklung; (b) ein erstes Wickelkörperelement; (c) eine zweite planare leitende Wicklung; (d) ein zweites Wickelkörperelement; und zwei E- förmige Ferritkerne, die um den Stapel herum plaziert sind.
Jedes Wickelkörperelement besteht aus einem isolierenden Material und besitzt ein Paar von gegenüberliegenden planaren Oberflächen, sowie eine zentrale Öffnung darin. Das erste Wickelkörperelement hat eine hochgezogene Wand, die sich von wenigstens einer seiner planaren Oberflächen in Richtung auf das zweite Wickelkörperelement hin erstreckt. Das zweite Wickelkörperelement hat wiederum eine hochgezogene Wand, die sich von wenigstens seiner planaren Oberfläche, die auf das erste Wickelkörperelement gerichtet ist, in Richtung auf das erste Wickelkörperelement hin erstreckt. Die hochgezogenen Wände der Wickelkörperelemente stehen benachbart zueinander im Eingriff und umschließen die Öffnung und beabstanden das erste von dem zweiten Wickelkörperelement. Isolationsmittel (Abstandsstücke) sind zwischen den leitenden Wicklungen und den Kernstücken vorgesehen, bei denen ein Wickelkörperelement noch nicht zwischen der Wicklung und dem Kern angeordnet ist. Der zentrale Arm des "E" läuft durch ein Loch in der Mitte des Stapels, um den Strom in den zweiten planaren Wicklungen mit den Wicklungen des ersten und zweiten planaren Elements magnetisch zu koppeln.
Die Ersetzung des klassischen Transformators mit einem Draht, der um einen nähartigen Wickelkörper gewickelt ist, durch planare Wicklungen, die innerhalb eines plattenartigen Wickelkörpers plaziert sind, macht den gesamten Aufbau niederprofilartig und auf eine Massenproduktion mit niedrigen Kosten anwendbar. Die Einfachheit der Konstruktion erlaubt eine einfache Zusammensetzung des Transformators von Hand oder maschinell. Sobald der Transformator zusammengebaut ist, stellt die Konstruktion ferner sicher, daß er die Isolationsanforderungen der Sicherheitsbehörden erfüllen wird, wie voranstehend erwähnt. Insbesondere ist es die Konstruktion der Wickelkörperelemente, die diese Erfüllung sicherstellt.
Tatsächlich ist es der Pfad entlang der Oberfläche jedes Wickelkörperelements von seiner oberen Oberfläche zu seiner unteren Oberfläche, der dem Transformator erlaubt, die Kriechabstands- und Freiraumanforderungen zu erfüllen. Jedes Wickelkörperelement umfaßt eine flache Oberfläche (d.h. ein planares Element) mit einer zentralen Öffnung. Wie voranstehend angegeben, erstreckt sich auf jeder Oberfläche des planaren Elements eine Wand um den Bereich, in dem die Wicklung sitzen wird. Wände erstrecken sich ebenfalls um die zentrale Öffnung, sowohl von den oberen als auch den unteren Oberflächen des planaren Elements. Die Wände erzeugen eine plattenartige Anordnung und wirken als Pfadverlängerungen für die Kriechabstands- und Freiraummessungen, während sie kaum das Profil des Transformators beeinträchtigen.
Somit ist der Transformator dieser Erfindung kostengünstig herzustellen, weist ein niedriges Profil auf und erfüllt (mit geeigneten Dimensionen) die internationalen Sicherheitsstandards für eine elektrische Isolation.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Zum vollständigen Verständnis der Erfindung wird sie nachstehend beispielhaft und unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben. In den Zeichnungen zeigen:
Figur 1 eine Explosionsansicht der bevorzugten Ausführungsform eines Transformatoraufbaus gemäß dieser Erfindung;
Figur 2A eine Draufsicht, Figur 2B eine Frontdraufsicht und Figur 2C eine Seitenansicht des zusammengebauten Transformators aus Figur 1;
Figuren 3A und 3B isometrische Darstellungen jeweils des Oberteils und Unterteils eines ersten Wickelkörperelements zur Verwendung in diesem Transformatoraufbau;
Figuren 4A und 4B jeweils obere und untere Draufsichten des ersten Wickelkörperelements (Wickelkörper A);
Figur 4C eine Vorderansicht, Figur 4D eine Linksseitenansicht, Figur 4E einen Seitenaufriß entlang der Schnittlinie B-B aus Figur 4A und Figur 4F eine Schnittansicht entlang der Schnittlinie A-A aus Figur 4A;
Figuren 5A und 5B isometrische Darstellungen jeweils des Oberteils und des Unterteils des in den Figuren 1, 2A und 2B gezeigten zweiten Wickelkörperelements;
Figuren 6A und 6B jeweils eine obere und untere Draufsicht des zweiten Wickelkörperelements;
Figur 6C eine Vorderansicht, Figur 6D eine linke Seitenansicht, Figur 6E eine Seitenschnittansicht entlang der Schnittlinie B-B aus Figur 6A und Figur 6F eine Schnittansicht entlang der Linie A-A in Figur 6A;
Figur 7 eine isometrische Darstellung der zwei zusammengesetzten Wickelkörper (Wickelkörper A und Wickelkörper B);
Figur 8A einen Seitenaufriß des Wickelkörpers A und des Wickelkörpers B, die zusammengesetzt sind, entlang der Schnittlinie B-B aus Figur 4A und Schnittlinie B-B aus Figur 6;
Figur 8B eine Frontschnittansicht des Wickelkörpers A und des Wickelkörpers B, die zusammengesetzt sind, entlang der Schnittlinie A-A aus Figur 4A und der Schnittlinie A-A aus Figur 6A;
Figur 9 eine Draufsicht einer PC-Platine mit einer Transformatorwicklung, zur Verwendung als eine sekundäre Teilwicklung in dem Transformator aus Figur 1;
Figur 10 eine Draufsicht einer anderen PC-Platine mit einer Transformatorwicklung zur Verwendung als eine primäre Teilwicklung;
Figur 11 eine Draufsicht eines dielektrischen Isolators zur Verwendung in dem Transformator;
Figur 12 eine isometrische Darstellung einer Hälfte eines E-förmigen Magnetkerns des Transformators;
Figur 13 ein Endansichtsdiagramm, welches ein Beispiel von "Freiraum"- und "Kriechabstands"-Messungen auf einer generischen Anordnung von elektronischen Teilen darstellt; und
Figur 14 eine vergrößerte Reproduktion der Ansicht aus Figur 8B, die mit Anmerkungen versehen ist, um die Kriechabstands- und Freiraummessungen für den Transformator der vorliegenden Erfindung zu zeigen.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG

Die Figuren 1 bis 12 zeigen eine beispielhafte Ausführungsform eines PCB-Transformators gemäß der vorliegenden Erfindung und seiner Bestandselemente. Gewählte Dimensionen sind gezeigt, aber jeder Durchschnittsfachmann wird von selbst erkennen, daß viele Dimensionen und die Gestalt von der unteren Grenzfrequenzspezifikation des Transformators und anderen Konstruktionsfaktoren abhängen. Die angegebenen Dimensionen sind für einen Transformator vorgesehen, der in einem Bereich zwischen 100K-1M Hertz bei 100 bis 250 W arbeitet.
Figur 1 zeigt eine Expiosionsansicht der bevorzugten Ausführungsform. Die Elemente des Transformators sind: ein erster dünner dielektrischer Isolator 1a; ein erstes planares Element (welches eine PC-Platine sein kann, die nicht ausdrücklich gezeigt ist), die eine erste planare Wicklung 10 enthält; zweite und dritte dünne dielektrische Isolatoren 1b und 1c unter der Wicklung 10; ein erste isolierendes Wickelkörperelement 20; ein zweites planares Element (das eine PC-Platine umfassen kann, die nicht ausdrücklich gezeigt ist), die eine zweite planare Wicklung 30a umfaßt; einen vierten dünnen dielektrischen Isolator 1d; ein drittes planares Element (welches ebenfalls eine PC-Platine umfassen kann, die nicht ausdrücklich gezeigt ist), die eine vierte planare Wicklung 30b enthält; ein zweites isolierendes Wickelkörperelement 40; fünfte und sechste dünne dielektrische Isolatoren 1e und 1f; ein viertes planares Element (welches unter Umständen auch eine PC-Platine aufweisen kann, die nicht ausdrücklich gezeigt ist), die eine vierte planare Wicklung 50 enthält; einen siebten dünnen dielektrischen Isolator 1g; und zwei E-förmige Ferritkern- Elemente 70a und 70b.
Die Figuren 2A-2C sind eine Draufsicht, eine Vorderansicht und eine Seitenansicht des vollständig zusammengebauten Transformators, der in Figur 1 gezeigt ist.
Unter Bezugnahme auf die Figuren 3A und 3B sind die Draufsicht und Unteransicht des ersten Wickelkörperelements 20 (auch manchmal als "Wickelkörper A" bezeichnet) in jeweiligen isometrischen Ansichten gezeigt. In Figur 3B ist das Wickelkörperelement relativ zu seiner Anordnung in Figur 3A umgedreht. Das Wickelkörperelement 20 ist in seiner Gesamtgestalt rechteckig und besitzt plattenartige Seiten 23 und 24, die senkrecht zu der oberen planaren Oberfläche 21 und der unteren planaren Oberfläche 22 sind. Das Wickelkörperelement 20 besitzt ferner in der Mitte ein rechteckiges Loch 25. Das Loch 25 ist auf der Oberseite und der Unterseite von Wänden 26 und 27 ringförmig umgeben. Wie dargestellt sind die Wände 26 und 27 parallel zu den Plattenseiten 23 und 24 auf der Oberseite als auch der Unterseite des Wickelkörperelements. Andere Anordnungen können natürlich für das erste Wickelkörperelement ausreichen, wobei diese Konfiguration nur ein Beispiel ist.
Die Figuren 4A-4D zeigen eine Draufsicht, eine Unteransicht, eine Frontansicht und eine linksseitige Ansicht des ersten Wickelkörperelements 20. Die Figuren 4E und 4F sind Querschnittsansichten.
Unter Bezugnahme auf die Figuren 5A und 5B sind die Draufsicht und die Unteransicht des zweiten Wickelkörperelements 40 (auch als "Wickelkörper B" bezeichnet) in jeweiligen isometrischen Ansichten gezeigt (wobei das Wickelkörperelement in Figur 5B relativ zu seiner Anordnung in Figur 5A umgedreht ist). Das Wickelkörperelement 40 ist in seiner Gesamtgestalt rechteckig und besitzt plattenartige Seiten 43 und 44, die senkrecht zu sowohl der oberen planaren Oberfläche 41 als auch der unteren planaren Oberfläche 42 sind. Das Wickelkörperelement 40 besitzt auch ein rechteckiges Loch 45 in der Mitte. Das Loch 45 ist ringförmig von Wänden 46 und 47 auf dem Oberteil und Unterteil umgeben. Wie dargestellt, sind die Wände 46 und 47 parallel zu den Plattenseiten 43 und 44 auf sowohl dem Oberteil als auch dem Unterteil des Wickelkörperelements. Wenn das erste Wickelkörperelement eine unterschiedliche Konfiguration annimmt, würden entsprechende Anderungen in dem zweiten Wickelkörperelement durchgeführt werden.
Die Wickelkörperelemente 20 und 40 sind ähnliche, aber nicht notwendigerweise identische Teile. Die nach oben weisende Wand 46, die 0,100" hoch und 0,020" dick ist, um das Loch 45 des Wickelkörperelements 40 ist dimensioniert, so daß es fest in die nach unten weisende Wand 27 des Wickelkörperelements 20 paßt, die 0,100" hoch und 0,020" dick ist.
Die Wickelkörperelemente sind vorzugsweise geformt, aber sie können auch bearbeitet sein. Während verschiedene isolierende Materialien verwendet werden können, ist festgestellt worden, daß Nylon gut verwendet werden kann.
Die Figuren 6A-6D sind eine Draufsicht, eine Unteransicht, eine Frontansicht und eine linksseitige Seitenansicht des zweiten Wickelkörperelements 40. Die Figuren 6E und 6F sind Querschnittsansichten des Wickelkörpers 40.
Figur 7 ist eine isometrische Darstellung der zwei Wickelkörperelemente, die zeigt, wie sie fest ineinander eingepaßt sind. Die "Unterteile" der Wickelkörperelemente sind aufeinander zugekehrt.
Die Figuren 8A und 8B zeigen jeweils eine Vorderquerschnittsansicht und eine linksseitige Querschnittsansicht der zwei zusammengepaßten Wickel körperelemente.
Figur 9 zeigt sowohl die erste planare Wicklung 10 als auch die vierte planare Wicklung 50 auf dem jeweiligen ersten planaren Element 11 und dem vierten planaren Element 51. In dieser Ausführungsform enthält jedes planare Element (11 und 51) das Leitermuster (d.h. Wicklungen 10 und 50) für eine Hälfte der Sekundärwicklung. Die Sekundärwicklung wird durch Reihenschaltung der Wicklungen 10 und 50 vervollständigt. Natürlich sind die Wicklungen 10 und 50 in diesem Beispiel identisch, sie können aber allgemein unterschiedlich sein. Planare Wicklungen 10 und 50 sind 0,030" von irgendeiner Kante der planaren Elemente 11 bzw. 51, die innerhalb der Umfänge der Wickelkörper 20 und 40 positioniert sind.
Figur 10 zeigt die Draufsicht von planaren Elementen 30a und 30b und 31a und 31b. Planare Elemente 30a und 30b sind bemessen und ausgebildet, so daß sie in den Raum innerhalb der "Platte" des Wickelkörperelements 20 passen. Planare Elemente 30a und 30b können spiralförmige Leiterspuren aufweisen, oder irgendein anderes Verdrahtungsmuster, welches einen Transformatorstrom führt. In dieser Ausführungsform sind die Wicklungen 31a und 31b als eine kontinuierliche Primärwicklung des Transformators in Reihe geschaltet. Die spiralförmigen Spuren der Wicklungen 31a und 31b führen den Netzwechselstrom dieses Transformators. Die Spuren besitzen ein ausreichendes Maß, um diesen Strom zu behandeln und sind innerhalb des Bereichs, der durch die gestrichelten Linien 33a und 33b eingerahmt isl, so daß sie nicht näher als 0,020" zu irgendeiner Kante des planaren Elements (z.B. des PCB-Substrats) sind, welches innerhalb der Umfänge der Wickelkörper 20 und 40 ist.
Figur 11 zeigt die dünnen isolierenden Abstandsstücke 1a, 1b, 1c und 1d, 1e, 1f und 1g. Sie können aus einem dielektrischen Material (z.B. Mylar oder Polyemid) ausgestanzt sein, welches 0,005" ± 0.001" ist, so daß sie 0,004" dick oder dicker sind. Die sieben Abstandsstücke 1a, 1b, 1c, 1d, 1e, 1f und 1g weisen typischerweise die gleichen Außendimensionen und das gleiche zentrale Lochmuster wie die planaren Elemente 11, 30a, 30b und 51 auf. Ein Abstandsstück ist auf dem Oberteil des planaren Elements 11 plaziert, eines auf dem Oberteil des planaren Elements 51, um sie von dem Kern zu isolieren, während die anderen verwendet werden, um die 3-ply- Spezifikation für eine Primärwicklung-Zu-SELV- Wicklungsisolation zu erfüllen.
Figur 12 ist eine isometrische Zeichnung einer der zwei identischen "E"-förmigen Ferritkernelemente 70a und 70b, die in dieser Ausführungsform verwendet werden. Der zentrale Vorsprung ist 0,250" breit, während jeder Endvorsprung 0,125" breit ist. Die Längen der drei Vorsprünge (71, 72 und 73) des Kernelements sind 0,250" von der oberen Oberfläche entfernt, so daß die Kerne 70a und 70b eng anliegend um die Wickelkörperelemente, die planaren Elemente und die Abstandsstücke des Aufbaus passen, wobei ihre E-Vorsprünge einander kontaktieren. Die zwei Kernelemente können zusammengeklebt werden.
Um die Einzigartigkeit und den Vorteil des Schichtaufbaus der voranstehend erwähnten Teile vollständig zu verstehen, ist es wichtig, zu verstehen, wie die Sicherheitsbehörden eine Leiter-Zu-Leiter-Isolation messen und welche minimalen Abstände sie für diese Messungen für einen Leistungstransformator fordern.
Es gibt zwei wichtige Messungen, die zur Bestimmung der elektrischen Isolation zwischen Leitern verwendet werden, nämlich den "Kriechabstand" und den "Freiraum". Wie voranstehend erwähnt, ist der "Kriechabstand" als der kürzeste Pfad zwischen zwei leitenden Teilen oder zwischen einem leitenden Teil und der Masseoberfläche des Geräts, gemessen entlang der Oberfläche der Isolation, definiert. Es ist wichtig zu beachten, daß der Kriechabstand entlang der Oberfläche der Isolation zwischen zwei Leitern gemessen wird. Figur 13 definiert die Pfade 91 und 92, entlang deren die Kriechabstandsmessung in zwei unterschiedlichen Situationen durchgeführt werden würde. Der "Freiraum" ist eine ähnliche Messung einer Leiter-Zu-Leiter-Trennung, aber sie wird durch Luft gemacht, entlang des kürzesten Pfads zwischen Leitern. "Freiraum" ist der kürzeste Abstand zwischen zwei leitenden Teilen, so wie er durch Luft gemessen wird, wie in dem Pfad 94. Wenn eine Barriere dazwischen angeordnet ist (z.B. 90), wird die Beabstandung um die Barriere herum gemessen, so wie im Pfad 95. Wenn eine Barriere zwischen Leitern aus zwei oder mehreren unzementierten Slücken besteht, wird die Beabstandung durch einen Übergang oder um die Barriere herum gemessen, je nachdem, was kürzer ist.
Der "Kriechabstand" und der "Freiraum" werden zwischen allen Leitern, Leitern und Anschlüssen, mit Masse verbundenen oder nicht mit Masse verbundenen leitenden Teilen, Komponenten und Komponentenleitungen in einem Transformator gemessen.
Die Worst-Case-Sicherheitsanforderungen für Leistungstransformatoren in den V.D.E.-, UL- und C.S.A.- Standards für Off-Line-Transformatoren sind: (A) die Primärwicklungs-Zu-SELV-Wicklungs- (sichere zusätzliche Niederspannungswicklungs-) Isolationsdicke muß entweder ein Isolator sein, der wenigstens 2mm (0,080") dick ist, oder drei Schichten einer Isolation, die jeweils mindestens 0,1mm (0,004") dick ist (d.h. 3 plys); (B) der "Kriechabstand" und der "Freiraum" zwischen der Sekundärwicklung und jeder Leitung oder Nasse muß wenigstens 6mm (0,0240) sein; (C) der "Kriechabstand" und der "Freiraum" zwischen dem Kern und jeder Leitung oder Masse muß wenigstens 2mm (0,080") sein.
Um zu verstehen, wie die Transformatorkonstruktion dieser Erfindung die obigen Spezifikationen erfüllt, während sie ein niedriges Profil beibehält, wird der Aufbau selbst nun untersucht.
Nun wird wieder auf Figur 1 Bezug genommen, aus der ersichtlich ist, daß der Transformator durch die folgenden beispielhaften Schritte zusammengebaut werden kann: Zunächst wird ein erstes planares Element "PM" 31a (welches nicht ausdrücklich gezeigt ist, um eine Verwirrung zu vermeiden, die aber die Wicklung 30a trägt) auf der Unterseite 22 des Wickelkörperelements 20 plaziert. Die Lippe 27 um das Loch 25 in dem Wickelkörper 20 lokalisiert das PM und hält es an seinem Platz. Als nächstes wird ein dünner dielektrischer Isolator 1d über das PM 31a plaziert, dann wird ein PM 31b (welches ebenfalls nicht ausdrücklich gezeigt ist, um eine unnötige Verwirrung zu vermeiden, die aber die Wicklung 30b trägt) darauf plaziert. Ein Wickelkörperelement 40 wird über der PCB 31b, auf den Wickelkörper 20, plaziert, wobei das Loch 45 und die Lippe 47 des Wickelkörperelements 40 fest in das Loch 25 und die Lippe 27 des Wickelkörperelements 20 passen.
An diesem Punkt sind die Wicklungen 30a und 30b zwischen Wickelkörperelementen 20 und 40 eingebettet, wobei die Verbindungspunkte 32a und 32b (d.h. Lötleitungen) dieser Wicklungen von dem linken Ende der fest zusammengepaßten Wickelkörper (siehe Figur 1) vorstehen. Als nächstes werden zwei dielektrische Isolatoren 1c und 1b auf dem Wickelkörperelement 20 plaziert, dann wird ein PM 11 (mit der Wicklung 10) auf der unteren Oberfläche des Sandwich-Aufbaus plaziert, der durch das Oberteil der Platte 21 des Wickelkörperelements 20 gebildet wird. Als nächstes werden zwei dielektrische Isolatoren auf der äußeren Oberfläche des Wickelkörperelements 40 plaziert, dann wird ein PM 51 (mit einer Wicklung 50) auf der unteren Oberfläche des Sandwich- Aufbaus plaziert, der durch das Oberteil der Platte 41 des Wickelkörperelements 40 gebildet wird. Abstandsstücke 1a und 1b werden jeweils über die PMs 11 und 41 plaziert, nämlich als zwei neue äußere Schichten des Sandwich-Aufbaus. Die Verbindungspunkte 12 und 52 (d.h. Lötleitungen) der Wicklungen 10 und 50 der PMs 11 und 51 stehen von dem rechten Ende der Wickelkörperplatten vor (siehe Figur 1). Die zwei E- förmigen Ferritkernelemente 70a und 7db werden nun um den gesamten Sandwich-Aufbau plaziert, so daß ihre Mittelvorsprünge genau in das Loch (26, 46) in der Mitte des PM-Wickelkörper-Sandwich-Aufbaus passen. Der Kern-PM- Wickelkörper-Sandwich-Aufbau kann durch Preßpassung zusammengebracht werden oder für einen Antifeuchtigkeitsschutz kann ein herkömmlicher Industrieklebstoff auf die Eingriffsoberflächen der Kernelemente gebracht und ein Druck angewendet werden, während dieser Klebstoff aushärtet. Die geeigneten Zuleitungen auf den Wicklungen 10 und 50 werden miteinander verlötet, um die zwei Hälften der Sekundärwicklung in eine kontinuierliche Wicklung zusammenzufassen. Oder die Zuleitungen können zusammengelötet werden, um die Wicklung 10 parallel zu der Wicklung 50 zu machen. Die geeigneten Zuleitungen auf den Wicklungen 31a und 31b werden ebenfalls zusammengelötet, um die zwei Hälften der Primärwicklung in Reihe zu schalten. Andere Wicklungen (auf dem gleichen oder anderen PMs) und Abstandsstücke können je nach Anforderung hinzugefügt werden.
Nachdem nunmehr der Transformatoraufbau beschrieben worden ist, ist ersichtlich, daß ein geringer Arbeitsaufwand benötigt wird, um ihn zusammenzubauen. Ferner sollte es einem Durchschnittsfachmann ersichtlich sein, daß die Zusammenbauprozedur automatisiert werden kann, wenn dies erwünscht ist.
Die Höhe des beispielhaften Niederprofiltransformators, so wie er voranstehend beschrieben wurde, beträgt ungefähr 0,500".
Im vorangehenden Text wurde bereits ein Abriß der drei kritischen Spezifikationen angegeben, die jeder Transformator erfüllen muß, um bei Konsumanwendungen nützlich zu sein.
Die erste Spezifikation erfordert, daß die Isolation von der Primärwicklung-Zu-SELV-Wicklung entweder 0,080" als eine einzelne Schicht oder drei Schichten von wenigstens jeweils 0,004" ist. Zwischen der unteren Seite des PMs 11 und der Oberseite des PMs 31a zeigt Figur 14 zwei Isolatoren (d.h. Abstandsstücke) von jeweils 0,005"±0,001" und einen Wickelkörper A von 0,020" bis 0,025", was somit die 3-ply- Anforderung erfüllt. Die zweite Spezifikation erfordert, daß der Kriechabstand und der Freiraum zwischen der Primärwicklung und der Sekundärwicklung wenigstens 0,240" ist. Die obige Diskussion von Figur 13 zeigt, wie der Kriechabstand und der Freiraum allgemein gemessen werden. Unter Bezugnahme auf Figur 14 für den Kriechabstand und den Freiraum in der dargestellten Ausführungsform, zeigt der Pfad 101 den Kriechabstand und den Freiraum zwischen der Primärwicklung und der Sekundärwicklung durch das Mittenloch, was der Pfad des Worst-Case- (d.h. minimalen) Kriechabstands und Freiraums in diesem Transformator ist. Der Pfad 101 für den Kriechabstand und den Freiraum beginnt am Punkt A, der äußersten Erstreckung der Ätzung auf PM 31b, die so hergestellt ist, daß sie nicht näher als 0,030" von der Kante des PM in dieser Ausführungsform ist. Der Pfad 101 läuft weiter unter die Wand 27, die 0,020" dick ist, zum Punkt B. Die Länge des Pfads X von einem definierten Startpunkt (in diesem Fall an der äußeren Kante der Ätzung auf dem PM 31b) zu einer Stelle entlang des Pfads sei mit "LEN(X)" bezeichnet und die Länge entlang des Pfads vom Punkt A zum Punkt B sei mit "AB" bezeichnet. Unter Verwendung dieser Notation, gilt bei B, LEN(71)=0,030"+0,020"=0,050". Der Kriechabstands- und Freiraumpfad 101 läuft nun zwischen den Wänden 27 und 47 zum Punkt C. Am Punkt C ist LEN(101)=0,050"+0,100"=0,150". Der Pfad läuft von C nach D, wodurch weitere 0,020" addiert werden, dann zum Punkt E. Am Punkt E ist die Pfadlänge LEN(101)=0,030"+0,020+0,100"+0,020". Von E bis nach F werden 0,045" addiert und F bis G addiert weitere 0,030". Somit gilt
LEN(101)=AB+BC+CD+EF+FG=0,050"+0,100"+0,020"+0,045"+0,030 "=0,245"
was größer ist, als die erforderlichen 0,240", wie in der zweiten Spezifikation gezeigt.
Die dritte Spezifikation erfordert, daß der Kriechabstand und der Freiraum zwischen dem Kern und der Primärwicklung "Leitung oder neutral) wenigstens 0,080" beträgt. Der Pfad 100 ist der gleiche wie Pfad 101 vom Punkt A zum Punkt D. Dieser Pfad demonstriert den minimalen Kriechabstand- und Freiraumpfad von dem Kern zu der Primärwicklung auf dem PM 30a. Somit gilt
LEN(100)=AB+BC+CD=0,05"+0,100"+0,020"=0,170"
Somit ist der Pfad 100 größer als 0,080". Somit erfüllt der Transformator die dritte Anforderung.
Demzufolge kann die resultierende Verpackung leicht alle Isolationsanforderungen erfüllen und noch ein sehr niedriges Profil aufweisen und ein extrem kompakter Transformator sein. Somit ist hier ein exzellenter Weg aufgezeigt, um einen planaren Transformator mit niedrigem Profil zu konstruieren, der leicht und kostengünstig hergestellt werden und erfolgreich als ein Leitungstransformator in Off-Line- Schaltnetzteilen, die bei Megahertz-Frequenzen arbeiten, verwendet werden kann.
Allen Personen, die mit dieser Technologie vertraut sind&sub1; sollte jedoch offensichtlich sein, daß trotz der hier durchgeführten Illustration einer Ausführungsform des Transformators, vielerlei Variationen existieren, die in dem Umfang der beanspruchten Erfindung durchgeführt werden können. Eine derartige Variation besteht darin, die Anordnung der Primär- und Sekundärwicklungen umzudrehen (was zusätzliche und dickere Isolationsunterlagen erfordern kann). Eine andere Variation würde darin bestehen, die zwei Sekundärwicklungen als unabhängige Sekundärwicklungen zu behandeln. Noch eine andere Version würde sein, die getrennten Isolatoren wegzulassen, die sich auf jeder Seite des PMs 11 und PMs 51 befinden. Eine andere würde darin bestehen, die Anzahl von Isolatoren in jedem Hohlraum zu verändern, während die 3-ply-Spezifikation erfüllt wird. Noch eine andere Ausbildung würde darin bestehen, ausgestanzte Metallteile zu verwenden, die aus einer leitenden Metallschicht gebildet sind, die nicht auf einem Substrat befestigt ist, anstelle der PC-Platinen für jede oder alle Wicklungen 10, 30a, 30b und 50. Eine andere Alternative würde darin bestehen, Wickelkörperelemente zu verwenden, die rund oder länglich sind oder irgendeine andere Gestalt aufweisen, mit ähnlich ausgebildeten PMs, Wicklungen und Abstandsstücken, anstelle der rechteckigen Elemente. Eine noch andere Veränderung würde darin bestehen, nur zwei PMs mit zwei Wickelkörperelementen zu verwenden. Alternativ könnte der Transformator auch mit mehr als zwei Wickelkörpern in einer Konstruktion eines Mehrfachhohlraum-Typs konstruiert werden. Viele andere Veränderungen für diese Erfindung können unter Verwendung von unterschiedlichen Kombinationen von magnetischen Elementen durchgeführt werden, die als E-Kerne, I-Kerne, R-Kerne, Topf-Kerne usw. ausgebildet sind. Andere Veränderungen können spezifisch zur Herstellung von Hochspannungstransformatoren oder Isolationstransformatoren existieren, die nicht die UL/VDE/CSA-Spezifikationen erfüllen müssen.

Claims

1. Transformatoraufbau mit wenigstens einem ersten (20) und wenigstens einem zweiten (40) Wickelkörperelement, wobei die Wickelkörperelemente beide aus einem isolierenden Material bestehen und im wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind, wobei jedes Wickelkörperelement ein Paar von gegenüberliegenden planaren Oberflächen (21, 22; 41, 42) sowie eine darin definierte zentrale öffnung (25, 45) aufweisen, wobei der Transformatoraufbau ferner erste und zweite leitenden Wicklungen (10 oder 50; 30a oder 30b) sowie einen Kern (70a, 70b umfaßt, die einen geschlossenen magnetischen Pfad durch die Öffnung und um die ersten und zweiten Wickelkörperelemente definieren, wobei der Kern magnetisch die erste planare leitende Wicklung mit der zweiten planaren leitenden Wicklung koppelt;

dadurch gekennzeichnet, daß

das wenigstens eine erste Wickelkörperelement (20) eine hochgezogene Wand (21) aufweist, die sich von wenigstens einer seiner planaren Oberflächen in Richtung auf das zweite Wickelkörperelement (40) hin erstreckt, welches wiederum eine hochgezogene Wand (47) aufweist, die sich von wenigstens seiner planaren Oberfläche, die auf das erste Wickelkörperelement zugekehrt ist, in Richtung auf das erste Wickelkörperelement hin erstreckt, wobei die hochgezogenen Wände der Wickelkörperelemente in Eingriffsbeziehung, benachbart zueinander, vorgesehen sind, und die Öffnung umschließen und das erste von dem zweiten Wickelkörperelement in einem Abstand halten;

wenigstens eine erste planare leitende Wicklung (30a oder 30b) in einen Raum zwischen einem ersten und einem zweiten Wickelkörperelement angeordnet ist und im wesentlichen die erhöhten Wände umschließt;

wenigstens eine zweite planare leitende Wicklung (10 oder 50) benachbart zu einer anderen planaren Oberfläche von einem der Wickelkörperelemente angeordnet ist; und

eine Isolationseinrichtung (1a, 1b) zwischen den planaren Wicklungen und den Teilen der Kernelemente vorgesehen ist, die den magnetischen Pfad in denjenigen Situationen schließen, bei denen ein Wickelkörperelement nicht bereits zwischen den Wicklungs- und Kernelementen angeordnet ist.

2. Transformator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die leitenden Wicklungen, die Wickelkörperelemente und die Isolationseinrichtung so dimensioniert sind, daß

i) die Isolation von der ersten Wicklung zu der zweiten Wicklung wenigstens drei Schichten mit wenigstens einer Dicke von jeweils 0,004" ist;

ii) der Kriechabstand und Freiraum zwischen den ersten und zweiten Wicklungen wenigstens 0,240" beträgt; und

iii) der Kriechabstand und der Freiraum zwischen den Kernelementen und der Primärwicklung wenigstens 0,080" ist, wobei die Primärwicklung diejenige der ersten und zweiten Wicklungen ist, die zur Verbindung mit der Netzwechselspannung vorgesehen ist.

3. Transformatoraufbau nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Wickelkörperelemente unter Verwendung eines isolierenden Materials geformt sind.

4. Transformatoraufbau nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der ersten und zweiten planaren leitenden Wicklungen eine Spur auf einer gedruckten Schaltungsplatine ist.

5. Transformatoraufbau nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der ersten und zweiten planaren leitenden Wicklungen aus einer leitenden Metallschicht gebildet ist, die nicht auf einem Substrat befestigt ist.

6. Transformatoraufbau nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eines der ersten und zweiten Kernelemente identisch sind.