DE9114783U1 - Flachform-Planar-Transformator zur Verwendung in Offline-Schaltnetzteilen - Google Patents

Description

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FLACHFORM-PLANAR-TRANSFORMATOR ZUR VERWENDUNG IN OFFLINE-SCHALTNETZTEILEN

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft die Konstruktion von Hochfrequenztransformatoren und insbesondere Flachform-Planar-Transformatoren, oder Leiterplattentransformatoren, welche die Isolationssicherheitsstandards erfüllen, die für am Netz betriebene Transformatoren vorgeschrieben sind, wie z.B. bei Offline-Schaltnetzteilen.

Hintergrund der Erfindung

Schaltnetzteile waren für Produktentwickler seit langer Zeit aufgrund ihrer kompakten Größe im Gegensatz zu ihren linearen Gegenstücken von großem Interesse. Jedoch wurden Schaltnetzteile (d.h. "Schalter") erst ab der zweiten Hälfte der 80er Jahre das Netzteil der Wahl bei der Entwicklung der meisten Elektronikgeräte. Deren vergrößerte Popularität lag zu einem großen Teil daran, daß "Schalter" erhältlich waren, die kompakter, leichter, genauso zuverlässig, jedoch nur geringfügig teuerer waren als die linearen Konstruktionen gleicher Nennleistung.

Der Schlüssel zum Aufkommen von hochzuverlässigen kompakten "Schalter"-Konstruktionen war die Erhältlichkeit von Hochfrequenzschalttransistoren, die den hohen Spannungsspitzen widerstehen konnten, die am Netz auftreten. Mit der Entwicklung von FET's und anderen Typen von schnellschaltenden Transistoren, die in der Umgebung eines Netzes zuverlässig arbeiteten, wurden Schaltnetzteile vom Offlinetyp praktisch, die um kleine Transformatoren herum entwickelt wurden. Somit wurden die großen 50 und 60 Hz Eisenkerntransformatoren, die in den klassischen linearen Stromversorgungen erforderlich waren, durch Transformatoren mit höherer Frequenz ersetzt, was deren Größe und Gewicht bedeutend reduzierte. Folglich sind die Schaltnetzteile von heute kleiner, von leichterem Gewicht und leistungsfähiger als die vorherigen linearen Entwicklungen.

Mit dem fortwährenden Druck, Elektronikprodukte zu miniaturisieren, besteht jedoch ein nicht endender Bedarf nach noch kleineren und leichteren Stromversorgungen. Dies wirkt sich in einem Bedarf für kleinere Transformatoren aus, da der Transformator noch das größte und schwerste Bauteil sogar bei den Schaltnetzteilen von heute ist.

Es ist klar, daß kleine Transformatoren zur Verwendung im Megahertz-Frequenzbereich durchaus realisierbar sind. Jedoch muß der Transformator in einem Offline-"Schalter" in der Umgebung eines Netzes arbeiten. Dies bedeutet, daß strikte Isolationsanforderungen vorhanden sind, die bei jeder derartigen Transformatorkonstruktion erfüllt sein müssen. Da Isolation größtenteils eine Frage der Trennung und Isolierung zwischen Drähten, Windungen, Schichten von Windungen und Verbindungen ist, ist klar, daß die Isolationsanforderungen gegenläufig zu einer Miniaturisierung sind. Diese Abwägung hat eine bedeutsame Tragweite für die Qualitätskontrolle, die Inspektion und die Kosten.

Eine der vielversprechendsten Techniken für die Entwicklung kleiner Hochfrequenztransformatoren ist der Flachform-Planar- oder Leiterplatten-(d.h. PCB)-Transformator. Bei dieser Art von Transformator sind die Primärwindungen, die eine Spiralbahn auf einer planaren Oberfläche sind, mit den Sekundärwindungen, die eine weitere Spiralbahn auf einer anderen planaren Oberfläche sind, durch Einschließen der Windungen in ein magnetisches Gehäuse gekoppelt. Üblicherweise besteht das magnetische Gehäuse aus Ferrit, Sumarium oder irgendeinem anderen zusammengesetzten Material, das als Topfkern, R-M-Kern, &Egr;-Kern, I-Kern etc. geformt ist. Jedoch kann es nahezu jede Form aufweisen, die leicht um die Windungen anzuordnen ist und die effektiv das magnetische Feld auf das Gebiet um die Windungen herum begrenzt.

Die Verwendung von planaren Bahnen anstelle von den klassischen Drahtwicklungen an einer Spule ist ein bedeutender Fertigungsvorteil für
Hochfrequenztransformatoren. Jedoch stellten die internationalen Sicherheitsstandards für die Isolation zwischen Windungen ein Hindernis bei der Anwendung dieser Konstruktionstechnik auf die Miniaturisierung der Transformatoren für Offline-"Schalter" dar. Die Isolationsanforderungen machen Abstände zwischen den Windungen notwendig, die - vor dieser Erfindung - nur durch die rohe Technik, dicke Spulen und viele Schichten von isolierenden Zwischenlagen zu verwenden, in Angriff genommen hätten werden können. Somit wurden diese keine effizienten Transformatoren darstellen, da sie relativ große magnetische Elemente benötigen würden, um die schlechte Kopplung zwischen den Primär- und den Sekundärwindungen zu kompensieren. Die Unfähigkeit, die internationalen Sicherheitsanforderungen bei einer kleinen, leichten und effizienten Konstruktion zu erfüllen, verhinderten folglich, daß

Flachform-Planar-Transformatoren für Handelsartikel und für Netzanwendungen verwendet wurden.

Flachform-Planar-Transformatoren waren auf militärische Produkte beschränkt, bei denen eine geringere Isolation erforderlich ist, und auf DC-DC-Schalter, bei denen der Eingang eine niedrige Gleichspannung ist, nicht das Netz. Nichtsdestotrotz ist die wahre Herausforderung für planare Transformatoren die, zur Verwendung in verbraucherorientierten Offline-"Schaltern" zugelassen zu werden. Um jedoch für derartige Anwendungen zugelassen zu werden, müssen spezifische Isolationsanforderungen erfüllt sein. Dies sind die Anforderungen der Behörden in der ganzen Welt, welche ein Sicherheitszertifikat ausstellen. Diese Behörden definieren, wie die Sicherheit in praktisch allen Handelsartikeln gemessen wird, und die gleichen Behörden lassen elektrische und mechanische Produkte in Hinblick auf ihre veröffentlichten Sicherheitsanforderungen zu oder nicht zu.

Nahezu jedes Land hat seine eigene Sicherheitsbehörde; jedoch sind die einflußreichsten und kommerziell wichtigsten internationalen Behörden das Underwriters' Laboratory (U.L.) in den USA, V.D.E, in Deutschland und C.S.A. in Kanada. Im Falle von Netztransformatoren, die sowohl mit 110 V Wechselspannung und 220 V Wechselspannung betrieben werden, sind die U.L., V.D.E, und C.S.A.-Standards, welche die Transformatorentwickler herausfordern, die folgenden: (A) Die Isolationsdicke zwischen der Primärwindung und der SELV-Windung (Safe-Extra-Low-Voltage-Windung) muß entweder ein Isolator sein, der mindestens 2 mm (0,080") dick ist, oder drei Isolationsschichten, von denen jede mindestens 0,1 mm (0,004") dick ist (d.h., 3-schichtig); (B) der "Kriechweg" (creepage) und die "Schlagweite" (clearance) zwischen der Niederspannungs-, Sekundärwindung und entweder dem Wechselspannungsnetz oder dem Nulleiter muß mindestens 6 mm (0,240") sein; und (C) "Kriechweg" und "Schlagweite" zwischen dem Kern und entweder dem Netz oder dem Nulleiter

muß mindestens 2 rnm (0,080") sein. "Kriechweg" und "Schlagweite" werden zwischen den Leitern, Leitern und Anschlüssen, geerdeten oder nicht geerdeten leitenden Teilen, Komponenten und Komponentenzuleitungen ermittelt. Der "Kriechweg" ist als die kürzeste Verbindung zwischen zwei leitenden Teilen oder zwischen einem leitenden Teil und der geerdeten Oberfläche des Gerätes definiert, der entlang der Oberfläche der Isolation gemessen wird. "Schlagweite" ist die kürzeste Distanz zwischen zwei leitenden Teilen gemessen durch Luft. Wenn eine Barriere dazwischengesetzt wird, wird der Abstand um die Barriere herum gemessen, oder wenn die Barriere aus zwei oder mehr unverkitteten Teilen besteht, wird der Abstand durch eine Verbindung oder um die Barriere herum gemessen, was immer das Geringere ist.

Beim Vorsehen von Flachform- und hocheffizienten Leiterplattentransformatoren (d.h. vom flachform-planaren Typ) für Offline-"Schalter" waren Schwierigkeiten aufgetreten, die vorstehenden Anforderungen zu erfüllen.

Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Flachform-Planar-Transformatorkonstruktion und ein physikalisches Konstruktionskonzept zu schaffen, die leicht die oben erwähnten Isolationsanforderungen zur Verwendung in kommerziellen Offline-"Schaltern" erfüllen.

Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen billig herzustellenden Flachform-Planar-Transformator zu schaffen, dessen Kriechweg- und Schlagweitewerte bei geringem Volumen und geringer Höhe leicht die VDE-Spezifikationen erfüllen.

Es ist eine noch weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Spulenkonstruktion für einen Planar-Transformator zu schaffen, welche die Windungen in einem minimalen Profilgehäuse hält, während der notwendige Kriechweg und Abstand zwischen der Primär- und Sekundärwindung geschaffen ist.

Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Hochfrequenztransformator zu schaffen, der für Verbraucheranwendungen nützlich ist, bei denen eine Isolation vom Wechselstromnetz vorgesehen sein muß.

Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Transformator zu schaffen, der die Grundlage für kostengünstige, verbraucherorientierte Offline-"Schalter" bildet.

Es ist auch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Hochfrequenztransformator zu schaffen, der billig herzustellen ist.

Zusammenfassung der Erfindung

Diese und andere Aufgaben werden mit einem Flachform-Transformator vom planaren Typ gelöst, der eine einzigartige Spulenkonstruktion und ein Minimum an übrigen Teilen aufweist. Der Transformator wird zusammengebaut, indem einfach sämtliche Teile bis auf die Kernteile in einem sandwichartigen Laminat aufeinander gestapelt werden und indem zwei entsprechend geformte Ferritkernstücke um den Stapel angeordnet werden.

Bei der bevorzugten Ausführungsform besteht der Stapel aus den folgenden Schichten in der aufgelisteten Reihenfolge:

(a) Eine erste dünne dielektrische Zwischenlage; (b) ein erstes planares Glied, das eine erste Windung enthält; (c) zwei dünne dielektrische Isolatoren; (d) ein erstes Nylonspulenglied; (e) ein zweites planares Glied, das eine zweite Windung enthält; (f) ein dritter dünner dielektrischer Isolator; (g) ein drittes planares Glied, das ein drittes

Spulenglied enthält; (h) ein zweites Nylonspulenglied; (i) zwei dünne dielektrische Isolatoren; (j) ein viertes planares Glied, das eine vierte Windung enthält, und (k) ein siebter dünner dielektrischer Isolator. Zwei E-förmige Ferritkerne werden um den Stapel herum angeordnet, wobei der mittlere Arm des "E" durch eine Öffnung in der Mitte des Stapels geht, um den Strom in den zweiten planaren Windungen mit den Windungen des ersten und dritten planaren Gliedes magnetisch zu koppeln.

Das Ersetzen des klassischen Transformators, bei dem Draht um eine garnrollenartige Spule gewickelt ist, durch planare Windungen, die innerhalb einer tablettartigen Spule angeordnet sind, ermöglicht eine Flachform des gesamten Aufbaus und ermöglicht die Anwendung einer Massenproduktion mit niedrigen Kosten. Die Einfachheit der Konstruktion macht den Zusammenbau des Transformators entweder manuell oder maschinell sehr einfach. Wenn darüber hinaus der Transformator zusammengebaut ist, so stellt die Konstruktion sicher, daß die Isolationsanforderungen der Sicherheitsbehörden wie oben erwähnt eingehalten sind. Genauer gesagt ist es die Konstruktion der Spulenglieder, welche dieses Einhalten sicherstellt.

Tatsächlich ist es der Weg entlang der Oberfläche jedes Spulengliedes von seiner oberen Oberfläche zu seiner unteren Oberfläche, der ermöglicht, daß der Transformator die Kriechweg- und Schlagweiteanforderungen erfüllt. Jedes Spulenglied umfaßt eine flache Fläche (d.h. ein planares Element) mit einer zentralen Öffnung. Auf jeder Oberfläche des planaren Elementes erstreckt sich eine Wand um das Gebiet, in dem sich die Windung befinden wird. Auch erstrecken sich Wände um die zentrale Öffnung, sowohl von der oberen wie auch von der unteren Oberfläche des planaren Elementes. Die Wände erzeugen eine tablettartige Anordnung und wirken als Wegverlängerer für die Kriechweg- und Schlageweitemessungen, während sie die Form des Transformators kaum beeinflussen.

Somit ist der erfindungsgemäße Transformator leicht herzustellen, besitzt eine Flachform, und er erfüllt (mit passenden Abmessungen) die internationalen Sicherheitsstandards für elektrische Isolation.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Damit die Erfindung vollständig verstanden wird, wird diese nachfolgend anhand eines Beispiels und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben:

Fig. 1 zeigt eine Explosionsansicht der bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Transformatoraufbaus;

Fig. 2A ist eine Aufsicht, Fig. 2B ist eine Vorderansicht und Fig. 2C ist eine Seitenansicht des zusammengebauten Transformators von Fig. 1;

Fig. 3A und 3B sind isometrische Zeichnungen von jeweils der Oberseite und der Unterseite eines ersten Spulengliedes zur Verwendung in diesem Transformatoraufbau;

Fig. 4A und 4B sind jeweils Ansichten von oben und von unten auf das erste Spulenglied (Spule A). Fig. 4C ist eine Vorderansicht, Fig. 4D ist eine linke Seitenansicht, Fig. 4E ist eine seitliche Schnittansicht entlang der Linie B-B von Fig. 4A, und Fig. 4F ist eine Schnittansicht entlang der Linie A-A von Fig. 4A;

Fig. 5A und 5B sind isometrische Zeichnungen von jeweils der Oberseite und der Unterseite des zweiten Spulengliedes, das in den Fig. 1, 2A und 2B gezeigt ist;

Fig. 6A und 6B sind jeweils Ansichten von oben und von unten auf das zweite Spulenglied, Fig. 6C ist eine Vorderansicht,

Fig. 6D eine linke Seitenansicht, Fig. 6E eine geschnittene Seitenansicht entlang der Linie B-B von Fig. 6A, und Fig. 6F ist eine Schnittansicht entlang der Linie A-A von Fig. 6A;

Fig. 7 ist eine isometrische Zeichnung der beiden zusammengepaßten Spulen (Spule A und Spule B);

Fig. 8A ist eine geschnittene Seitenansicht der ineinandergepaßten Spulen A und B entlang der Linie B-B von Fig. 4A und der Linie B-B von Fig. 6,

Fig. 8B ist eine vordere Schnittansicht der ineinandergepaßten Spulen A und B entlang der Linie A-A von Fig. 4A und entlang der Linie A-A von Fig. 6A;

Fig. 9 ist eine Aufsicht von oben auf eine Leiterplatte, die eine Transformatorwindung enthält, zur Verwendung als partielle Sekundärwindung in dem Transformator von Fig. 1;

Fig. 10 ist eine obere Aufsicht auf eine weitere Leiterplatte, die eine Transformatorwindung zur Verwendung als eine partielle Primärwindung enthält;

Fig. 11 ist eine Aufsicht von oben auf einen dielektrischen Isolator zur Verwendung in dem Transformator;

Fig. 12 ist eine isometrische Zeichnung einer Hälfte des E-förmigen magnetischen Kerns des Transformators;

Fig. 13 ist eine Endansicht, die ein Beispiel von "Schlagweite"- und "Kriechweg"-Messungen an einer allgemeinen Anordnung elektronischer Teile zeigt;

Fig. 14 ist eine vergrößerte Darstellung der Ansicht von Fig. 8B, die mit Anmerkungen versehen ist, um die Kriechweg- und Schlagweitemessungen für den erfindungsgemäßen Transformator zu zeigen.

Detaillierte Beschreibung

Fig. 1 bis 12 stellen eine beispielhafte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Leiterplattentransformators sowie dessen Bestandteile dar. Es sind ausgewählte Abmessungen gezeigt, jedoch wird jeder Fachmann verstehen, daß viele Abmessungen und die Form von der

Niederfrequenz-Abschaltspezifikation des Transformators und von weiteren Designfaktoren abhängen. Die dargestellten Abmessungen betreffen einen Transformator, der zwischen 100 kHz - 1 MHz bei 100 bis 250 Watt arbeitet.

Fig. 1 zeigt eine Explosionsansicht der bevorzugten Ausführungsform. Die Elemente des Transformators sind: ein erster dünner dielektrischer Isolator la; ein erstes planares Glied, das eine Leiterplatte sein kann (nicht explizit gezeigt), das eine erste planare Windung 10 enthält; zweite und dritte dünne dielektrische Isolatoren Ib und Ic unter der Windung 10; ein erstes isolierendes Spulenglied 20; ein zweites planares Glied (das eine Leiterplatte enthalten kann, nicht explizit gezeigt), das eine zweite planare Windung 30a enthält; ein vierter dünner dielektrischer Isolator Id; ein drittes planares Glied (das auch eine Leiterplatte enthalten kann, nicht explizit gezeigt), das eine vierte planare Windung 30b enthält; ein zweites isolierendes Spulenglied 40; fünfte und sechste dünne dielektrische Isolatoren Ie und If; ein viertes planares Glied (möglicherweise auch mit einer Leiterplatte, nicht explizit gezeigt), das eine vierte planare Windung 50 enthält; ein siebter dünner dielektrischer Isolator Ig; und zwei E-förmige Ferritkernglieder 70a und 70b.

Fig. 2A bis 2C zeigen Ansichten des vollständig zusammengebauten, in Fig. 1 gezeigten Transformators von oben, von vorne und von der Seite.

Fig. 3A und 3B zeigen jeweils in isometrischen Ansichten die Oberseite und Unterseite des ersten Spulengliedes 20 (manchmal "Spule A" genannt). In Fig. 3B ist das Spulenglied relativ zu seiner Position von Fig. 3A umgedreht. Das Spulenglied 20 hat eine rechteckige Gesamtform und tablettartige Seiten 23 und 24, die sowohl auf der oberen planaren Fläche 21 wie auch auf der unteren planaren Fläche 22 senkrecht stehen. Das Spulenglied 20 hat auch in der Mitte eine rechteckige Öffnung 25. Die Öffnung 25 ist an der Oberseite und der Unterseite komplett von Wänden 26 und 27 umgeben. Wie dargestellt, verlaufen die Wände 26 und 27 parallel zu den Tablettseiten 23 und 24 sowohl an der Oberseite wie auch an der Unterseite des Spulengliedes. Andere Anordnungen können für das erste Spulenglied genügen, wobei natürlich diese Konfiguration lediglich beispielhaft ist.

Fig. 4A bis 4D zeigen Ansichten des ersten Spulengliedes 20 von oben, von unten, von vorne und von links. Die Fig. 4E und 4F sind Querschnitte.

Fig. 5A und 5B zeigen in jeweiligen isometrischen Ansichten die Oberseite und die Unterseite des zweiten Spulengliedes 40 (auch genannt "Spule B") (wobei das Spulenglied in Fig. 5B relativ zu seiner Position in Fig. 5A umgedreht ist). Das Spulenglied 40 hat eine rechteckige Gesamtform und tablettartige Seiten 43 und 44, die sowohl auf der oberen planaren Fläche 41 wie auch auf der unteren planaren Fläche 42 senkrecht stehen. Das Spulenglied 40 hat in der Mitte auch eine rechteckige Öffnung 45. Die Öffnung 45 ist sowohl an der Oberseite wie auch an der Unterseite vollständig von Wänden 46 und 47 umgeben. Wie dargestellt, verlaufen sowohl an der Oberseite wie auch an der Unterseite des Spulengliedes die Wände 46 und 47 parallel zu den Tablettseiten 43 und 44. Wenn das erste Spulenglied eine andere Anordnung einnimmt, so würden in dem zweiten Spulenglied entsprechende Veränderungen gemacht werden.

Die Spulenglieder 20 und 40 sind ähnlich, jedoch nicht zwangsweise identische Teile. Die sich nach oben richtende Wand 46, 0,1" hoch und 0,02" dick, urn die Öffnung 45 des Spulengliedes 40 ist so dimensioniert, daß sie fest in das Innere der sich nach unten richtenden Wand 27, 0,1" hoch und 0,02" dick, des Spulengliedes 20 paßt.

Die Spulenglieder sind vorzugsweise gegossen, können jedoch auch bearbeitet sein. Während verschiedenartige Isolationsmaterialien verwendet werden können, hat sich herausgestellt, daß Nylon gut funktioniert.

Fig. 6A bis 6D zeigen Ansichten des zweiten Spulengliedes von oben, von unten, von vorne und von links. Fig. 6E und 6F sind Querschnittsansichten der Spule 40.

Fig. 7 ist eine isometrische Ansicht der beiden Spulenglieder, die zeigt, wie diese fest zusammengepaßt sind. Die "Unterseiten" der Spulenglieder liegen einander gegenüber.

Fig. 8A und 8B zeigen jeweils eine Querschnittsansicht von vorne und von links der beiden ineinandergepaßten Spulenglieder.

Fig. 9 zeigt sowohl die erste planare Windung 10 wie auch die vierte planare Windung 50 auf dem jeweiligen ersten planaren Glied 11 und dem vierten planaren Glied 51. Bei dieser Ausführungsform enthält jedes planare Glied (11 und 51) das Leiterbahnmuster (d.h. die Windungen 10 und 50) für die Hälfte der Sekundärwindung. Die Sekundärwindung wird durch Serienverschalten der Windungen 10 und 50 vervollständigt. Natürlich können die Windungen 10 und 50, die in diesem Beispiel identisch sind, grundsätzlich verschieden sein. Die planaren Windungen 10 und 50 haben einen Abstand von 0,03" von jeder Kante der planaren Glieder 11 bzw. 51, die innerhalb des Umfangs der Spulen 20 und 40 angeordnet ist.

Fig. 10 zeigt die Aufsicht auf die planaren Glieder 30a und 30b, und 31a und 31b. Die planaren Glieder 30a und 30b sind so dimensioniert und geformt, daß sie in den Raum innerhalb des "Tabletts" des Spulengliedes 20 passen. Die planaren Glieder 30a und 30b können spiralförmige Leiterbahnen, oder einige andere Leiterbahnmuster aufweisen, die den Transformatorstrom tragen. Bei dieser Ausführungsform sind die Windungen 31a und 31b als eine kontinuierliche Primärwindung des Transformators in Serie geschaltet. Die Spiralbahnen der Windungen 31a und 31b tragen den Netzstrom dieses Transformators. Die Bahnen sind von ausreichender Stärke, um diesen Strom aufzunehmen, und liegen innerhalb des Bereiches, der durch die gestrichelten Linien 33a und 33b begrenzt ist, so daß sie sich nicht näher als 0,02" an jeder Kante des planaren Gliedes (z.B. des Leiterplattensubstrates) befinden, die sich innerhalb des Umfangs der Spulen 20 und befindet.

Fig. 11 zeigt die dünnen isolierenden Zwischenlagen la, Ib, Ic und ld, le, If und Ig. Diese können aus dielektrischem Material (z.B. Mylar oder Polyemid ) ausgestanzt sein, das 0,005" + 0,001" dick ist, so daß diese 0,004" dick oder dicker sind. Die sieben Zwischenlagen la, Ib, lc, ld, le, If und Ig weisen typischerweise die gleichen Außenabmessungen und die gleiche Form der zentralen Öffnung auf, wie die planaren Glieder 11, 30a, 30b und 51. Eine Zwischenlage ist an der Oberseite des planaren Gliedes 11, eine an der Oberseite des planaren Gliedes 51 angeordnet, um diese von dem Kern zu isolieren, während die übrigen dazu verwendet werden, die dreilagige Spezifikation für die Isolation zwischen der Primärwindung und der SELV-Windung leicht zu erfüllen.

Fig. 12 zeigt eine isometrische Zeichnung eines der beiden identischen "E"-förmigen Ferritkernglieder 70a und 70b, die in dieser Ausführungsform verwendet werden. Der mittlere

Vorsprung ist 0,25" breit, während jeder Endvorsprung 0,125" breit ist. Die Längen der drei Vorsprünge (71, 72 und 73) der drei Kernglieder betragen 0,25" von der Oberfläche, so daß die Kerne 70a und 70b bündig um die Spulenglieder, die planaren Elemente und die Zwischenlagen des Aufbaus gepaßt werden können, wobei deren E-Vorsprünge einander berühren. Die beiden Kernglieder können miteinander verklebt werden.

Um die Einzigartigkeit und das Wünschenswerte des schichtigen Aufbaus der oben erwähnten Teile vollständig zu verstehen, ist es notwendig zu verstehen, wie die Sicherheitsbehörden die Leiter-zu-Leiter-Isolation messen und welche minimalen Abstände sie solchen Messungen für einen Netztransformator auferlegen.

Es gibt zwei wichtige Messungen, die zur Bestimmung der elektrischen Isolation zwischen Leitern verwendet werden, dies sind "Kriechweg" und "Schlagweite". Wie bereits ausgeführt, ist der "Kriechweg" als die kürzeste Verbindung zwischen zwei leitenden Teilen oder zwischen einem leitenden Teil und der geerdeten Oberfläche des Gerätes definiert, gemessen entlang der Oberfläche der Isolierung. Es ist wichtig festzuhalten, daß der Kriechweg entlang der Oberfläche der Isolierung zwischen den Leitern gemessen wird. Fig. 13 definiert die Wege 91 und 92, entlang deren die Kriechweg-Messung in zwei verschiedenen Situationen gemacht würde. "Schlagweite" ist eine ähnliche Messung einer Trennung zwischen zwei Leitern, jedoch ist diese durch Luft gemacht, entlang des kürzesten Weges zwischen den Leitern. "Schlagweite" ist der kürzeste Abstand zwischen zwei leitenden Teilen gemessen durch Luft, wie der Weg 94. Wenn eine Barriere (z.B. 90) dazwischengesetzt wird, so wird der Abstand um die Barriere herum gemessen, wie beim Weg 95. Wenn eine Barriere zwischen Leitern aus zwei oder mehr unverkitteten Teilen besteht, so wird der Abstand durch eine Verbindung oder um die Barriere herum gemessen, was immer geringer ist.

"Kriechweg" und "Schlagweite" werden zwischen sämtlichen Leitern, Leitern und Anschlüssen, geerdeten oder nicht geerdeten leitenden Teilen, Komponenten und Komponentenzuführungen in einem Transformator gemessen.

Die Sicherheitsanforderungen für den schlimmsten Fall (worst case) für Netztransformatoren sind in den V.D.E., UL und C.S.A.-Standards für Offline-Transformatoren: (A) die Isolationsdicke zwischen der Primärwindung und der SELV-Windung (Safe-Extra-Low-Voltage-Windung) muß entweder ein Isolator sein, der mindestens 2 mm (0,08") dick ist, oder drei Isolierschichten, von denen jede mindestens 0,1 mm (0,004") dick ist (d.h. dreischichtig); (B) "Kriechweg" und "Schlagweite" zwischen der Sekundärwindung und entweder dem Stromkreis oder dem Nulleiter müssen mindestens 6 mm (0,240") sein; (C) "Kriechweg" und "Schlagweite" zwischen dem Kern und entweder dem Netz oder dem Nulleiter müssen mindestens 2 mm (0,080") sein.

Um zu verstehen, wie die Transformatorkonstruktion dieser Erfindung die obigen Spezifikationen erfüllt, wobei eine flache Form beibehalten wird, wird nun der Aufbau selbst betrachtet.

Unter nochmaliger Bezugnahme auf Fig. 1 ist zu sehen, daß der Transformator durch die folgenden beispielhaften Schritte zusammengebaut werden kann: Zunächst wird das planare Glied (PG) 31a (welches nicht explizit gezeigt ist, um unnötige Verwirrung zu vermeiden, welches jedoch die Windung 30a trägt) an der Unterseite 22 des Spulengliedes 20 angeordnet. Die Lippe 27 um die Öffnung 25 in der Spule 20 lokalisiert das PG und hält dieses an seiner Stelle. Als nächstes wird ein dünner dielektrischer Isolator Id über dem PG 31a angeordnet, anschließend wird auf dessen Oberseite das PG 31b (welches auch nicht explizit dargestellt ist, um unnötige Verwirrung zu vermeiden, welches jedoch die Windung 30b

trägt) angeordnet. Das Spulenglied 40 wird über der Leiterplatte 31b auf die Spule 20 aufgesetzt, wobei die Öffnung 45 und die Lippe 47 des Spulengliedes 40 fest in das Innere der Öffnung 25 und die Lippe 27 des Spulengliedes eingepaßt werden.

Zu diesem Zeitpunkt sind die Windungen 30a und 30b zwischen den Spulengliedern 20 und 40 eingelegt, wobei die Verbindungspunkte 32a und 32b (d.h. die Lötstege) dieser Windungen aus dem linken Ende der fest ineinandergepaßten Spulen (vgl. Fig. 1) vorstehen. Anschließend werden zwei dielektrische Isolatoren Ic und Ib auf der Oberseite des Spulengliedes 20 angeordnet, anschließend wird das PG 11 (mit der Windung 10) auf der Außenfläche des Sandwiches angeordnet, das durch die Oberseite des Tablettes 21 des Spulengliedes 20 gebildet ist. Anschließend werden zwei dielektrische Isolatoren auf der Außenfläche des Spulengliedes 40 angeordnet, anschließend wird das PG 51 (mit der Windung 50) an der Außenfläche des durch die Oberseite des Tabletts 41 des Spulengliedes 40 gebildeten Sandwiches angeordnet. Zwischenlagen la und Ig werden über den PG's bzw. 51 als die beiden neuen Außenschichten des Sandwiches angeordnet. Die Verbindungspunkte 12 und 52 (d.h. Lötstege) der Windungen 10 und 50 der PG's 11 und 51 stehen aus dem rechten Ende der Spulentabletts (vgl. Fig. 1) heraus. Die beiden E-förmigen Ferritkernglieder 70a und 70b werden nun um das komplette Sandwich herum angeordnet, so daß deren mittlere Vorsprünge bündig in die Öffnung (26, 46) in der Mitte des PG-Spulensandwiches eingepaßt sind. Das Kern-PG-Spulen-Sandwich kann zusammen preßgepaßt werden, oder ein konventioneller Industriekleber kann gegen eine Verfälschung an den Paßflächen der Kernglieder angeordnet werden, und Druck kann ausgeübt werden, während der Kleber aushärtet. Die richtigen Stege an den Windungen 10 und 50 werden miteinander verlötet, um die beiden Hälften der Sekundärwindung zu einer kontinuierlichen Windung zu verbinden. Die Stege können auch verlötet werden, um die

Windung 10 mit der Windung 50 parallel zu schalten. Die richtigen Stege an den Windungen 31a und 31b werden auch miteinander verlötet, um die beiden Hälften der Primärwindung in Serie zu schalten. Andere Windungen (an dem gleichen oder an anderen PCs) und Zwischenlagen können nach Bedarf hinzugefügt werden.

Nachdem der Transformatoraufbau beschrieben worden ist, ist klar, daß geringe Arbeit nötig ist, um diesen zusammenzubauen. Ferner sollte für den Fachmann klar sein, daß der Zusammenbau, falls nötig, automatisiert werden könnte.

Die Höhe des vorstehend beschriebenen beispielhaften Flachform-Transformators beträgt ca. 0,5".

Weiter vorne im Text wurden Ausführungen der drei kritischen Spezifikationen gemacht, die jeder Transformator erfüllen muß, um für Verbraucheranwendungen nützlich zu sein.

Die erste Spezifikation fordert, daß die Isolation zwischen der Primärwindung und der SELV-Windung entweder 0,08" als eine einzelne Schicht ist, oder drei Schichten, die jeweils mindestens 0,004" dick sind. Zwischen der Unterseite des PG 11 und der Oberseite des PG 31a zeigt Fig. 14 zwei Isolatoren (d.h. Zwischenlagen), die jeweils 0,005" ± 0,001" dick sind, und die Spule A ist 0,02" bis 0,025" dick, wodurch die Dreischicht-Anforderung erfüllt ist. Die zweite Spezifikation fordert, daß der Kriechweg und die Schlagweite zwischen Primärseite und Sekundärseite mindestens 0,240" beträgt. Die frühere Diskussion von Fig. 13 zeigte, wie Kriechweg und Schlagweite grundsätzlich gemessen werden. Fig. 14 zeigt Kriechweg und Schlagweite in der dargestellten Ausführungsform, wobei der Weg 101 Kriechweg und Schlagweite zwischen Primärseite und Sekundärseite durch die Zentralöffnung zeigt, welcher der Weg des schlechtesten (d.h. minimalen) Kriechwegs und der Schlagweite in diesem Transformator ist. Kriechweg und Schlagweiteweg 101 starten

im Punkt A, der äußersten Erstreckung des Geätzten auf dem PG 31b, das so hergestellt ist, daß es sich nicht mehr als 0,03" von der Kante des PG in dieser Ausführungsform befindet. Der Weg 101 setzt sich unter der Wand 27 zum Punkt B fort, die 0,02" dick ist. Die Länge eines Weges X von einem definierten Startpunkt (in diesem Fall der Außenkante des Geätzten auf dem PG 31b) zu einer Stelle entlang des Weges sei mit "LEN(X)" bezeichnet und die Länge entlang des Weges vom Punkt A zum Punkt B sei mit "AB" bezeichnet. Unter Verwendung dieser Notation ist bei B, LEN(71) = 0,03" + 0,02" = 0,05". Kriechweg und Schlagweiteweg 101 setzen sich nun zwischen den Wänden 27 und 47 zum Punkt C fort. Am Punkt C ist LEN(IOl) = 0,05" + 0,1" = 0,15". Der Weg setzt sich von C nach D fort, was weitere 0,02" hinzufügt (anschließend zum Punkt E). Am Punkt E ist die Weglänge LEN(IOl) = 0,03" + 0,02" + 0,1" + 0,02" + 0,07". Von E nach F kommen 0,045", und F nach G weitere 0,03" hinzu. Somit ist

LEN(IOl) = AB + BC + CD + DE + EF + FG = 0,05" + 0,1" + 0,02" + 0,07" + 0,045" + 0,02" = 0,305",

was größer ist als die benötigten 0,24", die als die zweite Spezifikation gezeigt sind.

Die dritte Spezifikation fordert, daß Kriechweg und Schlagweite zwischen dem Kern der Primärseite (Netz oder Nulleiter) mindestens 0,08" betragen. Der Weg 100 ist der gleiche wie der Weg 101 vom Punkt A zum Punkt E. Dieser Weg zeigt den minimalen Kriechweg und Schlagweiteweg vom Kern zur Primärwindung auf dem PG 30a. Somit ist LEN(IOO) » LEN(IOl - EF - FG) = 0,305" - 0,045" - 0,02" = 0,23".

Deshalb ist der Weg 100 größer als 0,08". Somit erfüllt der Transformator die dritte Anforderung.

Folglich kann die resultierende Packung leicht sämtliche Isolationsanforderungen erfüllen und dennoch ein sehr flaches

Äußeres darstellen, und somit einen extrem kompakten Transformator. Somit ist hierin ein hervorragender Weg gezeigt, einen Flachform-Planar-Transformator zu konstruieren, der leicht hergestellt werden kann und billig ist, und somit erfolgreich als Netztransformator in Offline-Schaltnetzteilen eingesetzt werden kann, die im Megahertz-Frequenzbereich arbeiten.

Für den Fachmann dürfte offensichtlich sein, daß obwohl hierin eine Ausführungsform des Transformators gezeigt worden ist, vielfältige Variationen gemacht werden können, ohne von der erfindungsgemäßen Lehre abzuweichen. Eine solche Variation ist die Anordnung der Primär- und Sekundärwindungen (die zusätzliche oder dickere isolierende Zwischenschichten benötigen können) umzudrehen. Eine weitere Variation würde darin bestehen, die beiden Sekundärwindungen als unabhängige Sekundärwindungen zu behandeln. Eine wieder andere Version wäre, die getrennten Isolatoren wegzulassen, die sich auf jeder Seite des PG 11 und PG 51 befinden. Eine andere würde sein unter Beachtung der dreischichtigen Spezifikation, die Anzahl der Isolatoren in jedem Hohlraum zu ändern. Ein anderer Ansatz wäre der, gestanzte Metallteile, die aus einem leitenden flächigen Metall gebildet sind, das nicht auf einem Substrat befestigt ist, anstelle von Leiterplatten für jede Windung 10, 30a, 30b und 50 zu verwenden. Eine andere Alternative wäre, Spulenglieder zu verwenden, die rund oder länglich sind oder eine andere Form haben, zusammen mit ähnlich geformten PG's-Windungen und Zwischenlagen, anstelle der rechteckigen Elemente. Eine noch andere Variation würde darin bestehen, lediglich zwei PG's mit zwei Spulengliedern zu verwenden. Alternativ könnte der Transformator auch mit mehr als zwei Spulen in einer Konstruktion mit mehreren Hohlräumen konstruiert werden. Viele weitere Variationen dieser Erfindung können unter Verwendung verschiedener Kombinationen magnetischer Elemente gemacht werden, die als &Egr;-Kerne, I-Kerne, R-Kerne, Topfkerne usw. geformt sind. Andere Variationen können insbesondere zum Herstellen von

Hochspannungstransformatoren existieren oder von Trenntransformatoren, die nicht die UL/VDE/CSA-Spezifikationen erfüllen müssen. Entsprechend ist die Erfindung nicht auf die dargestellte Ausführungsform begrenzt, sondern lediglich durch die folgenden Ansprüche und deren Äquivalente.

Claims (10)

Multisource Technology Corp. " 10.02.1992 SCHUTZANSPRÜCHE

1. Transformatoraufbau umfassend:

a. erste und zweite Spulenglieder (20, 40) aus isolierendem Material, von denen jedes ein Paar gegenüberliegender planarer Oberflächen (21, 22, 41, 42) aufweist, die eine zentrale Öffnung (25, 45) darin festlegen, wobei mindestens eines der Spulenglieder eine erhobene Wand (26, 27, 46, 47) aufweist, die sich von jeder Oberfläche erstreckt und die Öffnung umgibt;

b. eine erste planare leitende Windung, die neben einer ersten Oberfläche eines der Spulenglieder angeordnet ist;

c. eine zweite planare leitende Windung, die neben einer zweiten Oberfläche eines der Spulenglieder angeordnet ist;

d. erste und zweite Kernglieder (70a, 70b);

e. eine Isolationseinrichtung (la), zwischen der ersten Windung und dem ersten Kernglied; wobei

f. die ersten und zweiten Kernglieder (70a, 70b) einen magnetischen Weg durch die zentrale Öffnung festlegen und die ersten und zweiten Windungen verbinden.

2. Transformatoraufbau umfassend:

a. erste und zweite Spulenglieder (20, 40) aus

isolierendem Material, von denen jedes ein Paar gegenüberliegender planarer Oberflächen (21, 22, 41, 42) aufweist, die eine zentrale Öffnung (25,

45) darin festlegen, wobei mindestens eines der Spulenglieder eine erhobene Wand (26, 27, 46, 47) aufweist, die sich von jeder Oberfläche erstreckt und die Öffnung umgibt;

b. eine erste planare leitende Windung, die neben einer ersten Oberfläche eines der Spulenglieder angeordnet ist;

c. eine zweite planare leitende Windung, die neben einer zweiten Oberfläche eines der Spulenglieder angeordnet ist;

d. erste und zweite Kernglieder (70a, 70b);

e. eine Isolationszwischenlage (la) zwischen der ersten Windung und dem ersten Kernglied;

f. eine Isolationseinrichtung (Ig) zwischen der zweiten Windung und dem zweiten Kernglied;

g. mindestens eine Isolationszwischenlage zwischen jeder Windung und dem benachbarten Spulenglied; wobei

h. die ersten und zweiten Kernglieder einen magnetischen Weg durch die zentrale Öffnung festlegen und die ersten und zweiten Windungen miteinander verbinden.

3. Transformator nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet , daß die leitenden Windungen, die Spulenglieder und die Isolationseinrichtungen derart dimensioniert sind, daß i) die Isolation zwischen der ersten Windung und der zweiten Windung aus mindestens drei Schichten besteht, die jede mindestens 0,004" dick sind; ii) Kriechweg und Schlagweite zwischen der ersten und der zweiten Windung mindestens 0,24" betragen; und

iii) Kriechweg und Schlagweite zwischen den Kerngliedern und der Primärwindung mindestens 0,08" betragen, wobei die Primärwindung, diejenige der ersten und zweiten Windungen ist, die zum Anschluß an das Netz vorgesehen ist.

4. Transformatoraufbau umfassend:

a. erste und zweite Spulenglieder (20, 40) aus isolierendem Material, die im wesentlichen parallel zueinander und voneinander beabstandet angeordnet sind, wobei das erste Spulenglied (20) eine erhobene Wand aufweist, die sich in Richtung des zweiten Spulengliedes erstreckt, und das zweite Spulenglied (40) eine erhobene Wand aufweist, die sich in Richtung des ersten Spulengliedes erstreckt, so daß die Wände ein Volumen innerhalb des Raumes zwischen dem ersten und dem zweiten Spulenglied einschließen;

b. eine erste planare leitende Windung (30a), die in dem Raum zwischen dem ersten und dem zweiten Spulenglied außerhalb des eingeschlossenen Volumens angeordnet ist;

c. eine zweite planare leitende Windung (10, 50), die neben einer Oberfläche eines Spulengliedes angeordnet ist, die nicht dem anderen Spulenglied gegenüberliegt;

d. erste und zweite Kernglieder (70a, 70b);

e. Isolationseinrichtungen (Ia-Ig) zwischen jeder der ersten und zweiten Windungen und der ersten und zweiten Kernglieder; und wobei

f. die ersten und zweiten Kernglieder einen magnetischen Weg um die ersten und zweiten Spulenglieder herum festlegen und die erste planare leitende Windung mit der zweiten planaren leitenden Windung magnetisch koppeln.

5. Transformatoraufbau umfassend:

a. erste und zweite Spulenglieder (20, 40) aus isolierendem Material, von denen jedes ein Paar gegenüberliegender planarer Oberflächen (21, 22, 41, 42) aufweist, die eine zentrale Öffnung (25,

-A-

45) darin festlegen, sowie eine erhobene Wand (26, 27, 46, 47), die sich von jeder Oberfläche erstreckt und die Öffnung umgibt;

b. eine erste planare leitende Windung, die neben einer ersten Oberfläche des Spulengliedes angeordnet ist;

c. eine zweite planare leitende Windung, die neben einer zweiten Oberfläche des Spulengliedes angeordnet ist;

d. erste und zweite Kernglieder (70a, 70b);

e. eine Isolationseinrichtung, zwischen der ersten Windung und dem ersten Kernglied;

f. eine Isolationseinrichtung zwischen der zweiten Windung und dem zweiten Kernglied;

g. mindestens eine isolierende Zwischenlage (Ib, Ic, ld, le, If) zwischen jeder der Windungen und dem Spulenglied; wobei

h. das erste und zweite Kernglied einen magnetischen Weg durch die zentrale Öffnung festlegen und die ersten und zweiten Windungen miteinander verbinden; und wobei

i. die leitenden Windungen die Spulenglieder und die Isolationseinrichtungen so dimensioniert sind, daß (1) die Isolation zwischen der ersten Windung und der zweiten Windung entweder mindestens aus drei Schichten besteht, von denen jede mindestens 0,004" dick ist, oder aus einer Schicht, die mindestens 0,08" dick ist, (2) Kriechweg und Schlagweite zwischen der ersten und der zweiten Windung mindestens 0,24" betragen und (3) Kriechweg und Schlagweite zwischen den Kerngliedern und der Primärwindung mindestens 0,08" betragen, wobei die Primärwindung, die der ersten und zweiten Windungen ist, die für eine Verbindung mit dem Wechselstromnetz vorgesehen ist.

6. Transformatoraufbau nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet , daß die ersten und zweiten Spulenglieder (20, 40) aus einem isolierenden Material gegossen sind.

7. Transformatoraufbau nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet , daß mindestens eine der ersten und zweiten planaren leitenden Windungen (10, 30a, 30b, 50) eine Bahn auf einer Leiterplatte ist.

8. Transformatoraufbau nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet , daß mindestens eine der ersten und zweiten planaren leitenden Windungen aus einem leitenden flächigen Metall gebildet ist, das nicht auf einem Substrat befestigt ist.

9. Transformatoraufbau nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet , daß mindestens eines der ersten und zweiten Kernglieder identisch ist.

10. Transformatoraufbau umfassend:

a. erste und zweite Spulenglieder (20, 40) aus isolierendem Material, die im wesentlichen parallel zueinander und voneinander beabstandet angeordnet sind, wobei das erste Spulenglied (20) eine erhobene Wand aufweist, die sich in Richtung des zweiten Spulengliedes erstreckt und eine Öffnung (25) umschließt, und das zweite Spulenglied (40) eine erhobene Wand aufweist, die sich in Richtung des ersten Spulengliedes erstreckt, und eine Öffnung (45) umschließt, wobei die Öffnungen in den beiden Gliedern im

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wesentlichen die gleiche Größe und Form aufweisen und die erhobenen Wände der beiden Glieder zusammenpassend ausgebildet sind;

b. eine erste planare leitende Windung (30a, 30b), die zwischen den Spulengliedern und außerhalb der Öffnung angeordnet ist;

c. eine zweite planare leitende Windung (10, 50), die neben einer Oberfläche eines Spulengliedes, jedoch nicht zwischen den Spulengliedern und nicht innerhalb der Öffnung angeordnet ist;

d. erste und zweite Kernglieder (70a, 70b);

e. Isolationseinrichtungen zwischen der ersten und der zweiten planaren leitenden Windung und dem ersten und zweiten Kernglied; wobei

f. das erste und zweite Kernglied einen magnetischen Weg durch die Öffnung festlegen und die erste und zweite planare leitende Windung verbinden.