RU2579434C2 - Planar inductive element and method of heat removal from its windings - Google Patents

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: heat removal from the windings of a planar inductive element (PIE) located in a multilayer printed circuit-board (MPCB) is ensured by the formation of the MPCB surface of contact areas; the contact areas connection with winding ends; installation on the contact areas of the different windings of the current conducting heat removal element, wherein the heat transfer from the windings is ensured by the assurance of the thermal contact of the surface of the current conducting heat removal element with a heat dissipating element.

EFFECT: assurance of effective heat removal from the windings of the planar inductive element, located in the MPCB due to decreasing of the heat path length, and thermal resistance between the windings and environment.

3 cl, 3 dwg

Description

Область техникиTechnical field

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в импульсных источниках вторичного электропитания (далее ИВЭ) в качестве способа отвода тепла от обмоток в планарном индуктивном элементе.The invention relates to electrical engineering and can be used in pulsed sources of secondary power supply (hereinafter referred to as MVE) as a method of heat removal from the windings in a planar inductive element.

Уровень техникиState of the art

При построении ИВЭ существенным конструктивным элементом является силовой разделительный трансформатор и/или силовой дроссель (далее индуктивные элементы (ИЭ)). В настоящее время в связи с миниатюризацией ИВЭ взамен обычных ИЭ с проволочной намоткой, как правило, используются малогабаритные планарные индуктивные элементы (далее ПИЭ). При изготовлении ПИЭ, например, методом многослойной печатной платы (далее МПП), трудоемкость изготовления ИВЭ резко уменьшается, появляется повторяемость, увеличивается надежность. Вместе с тем появляются и отрицательные эффекты в виде большой номенклатуры МПП для различных исполнений ИВЭ по входному и выходному напряжению, одноканальных и многоканальных ИВЭ в сравнении с изготовлением обычных ИЭ с проволочной намоткой.When constructing an IVE, an essential structural element is a power isolation transformer and / or power inductor (hereinafter referred to as inductive elements (IE)). Currently, in connection with the miniaturization of IVE, instead of conventional IEs with wire winding, small-sized planar inductive elements (hereinafter PIE) are usually used. In the manufacture of PIE, for example, by the method of a multilayer printed circuit board (hereinafter referred to as MPP), the laboriousness of manufacturing an IVE sharply decreases, repeatability appears, and reliability increases. At the same time, negative effects also appear in the form of a large range of MPP for various versions of IVE according to input and output voltage, single-channel and multi-channel IVE in comparison with the manufacture of conventional IE with wire winding.

Помимо этого ПИЭ, являясь одним из наиболее теплонагруженных элементов ИВЭ вследствие протекающих в обмотках больших токов, требует организации эффективного отвода тепла.In addition, PIE, being one of the most heat-loaded elements of IVE due to the large currents flowing in the windings, requires the organization of effective heat removal.

Известно устройство (патент US 6222733 «Device and method for cooling a planar inducton», дата приоритета от 27.05.1997 г., МПК H01F 27/22), в котором отвод тепла от планарного трансформатора осуществляется с помощью адгезива, которым сердечник крепится к корпусу устройства.A device is known (patent US 6222733 "Device and method for cooling a planar inducton", priority date 05/27/1997, IPC H01F 27/22), in which heat is removed from the planar transformer using an adhesive that secures the core to the housing devices.

Недостатком данного устройства является то, что тепло отводится только от сердечника планарного трансформатора.The disadvantage of this device is that heat is removed only from the core of the planar transformer.

Известно устройство (патент RU 137172 «Паяный контакт», дата приоритета 14.02.2013 г., МПК H05K 3/34, H05K 1/14, H05K 1/18, H05K 7/20), в котором решается задача отвода тепла от обмоток в месте соединения трансформатора с основной печатной платой.A device is known (patent RU 137172 "Soldered contact", priority date 02/14/2013, IPC H05K 3/34, H05K 1/14, H05K 1/18, H05K 7/20), which solves the problem of heat removal from the windings in the junction of the transformer with the main circuit board.

К недостаткам данного устройства относится возможность отвода тепла от обмоток трансформатора только в случае его исполнения отдельным блоком.The disadvantages of this device include the ability to remove heat from the transformer windings only if it is implemented as a separate unit.

Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings

На фиг. 1 приведен чертеж, поясняющий способ отвода тепла от обмоток ПИЭ, расположенных в многослойной печатной плате.In FIG. 1 is a drawing explaining a method for removing heat from windings of PIE located in a multilayer printed circuit board.

На фиг. 2 приведено схематичное изображение устройства, осуществляющего способ отвода тепла с поперечным (А-А) и продольным (Б-Б) его сечениями.In FIG. 2 is a schematic illustration of a device implementing a method of heat removal with transverse (A-A) and longitudinal (B-B) sections thereof.

На фиг. 3 приведено изображение, поясняющее способ отвода тепла от обмоток ПИЭ на примере многообмоточного планарного трансформатора, на основе МПП.In FIG. 3 is an image explaining a method of removing heat from windings of PIE using the example of a multi-winding planar transformer based on MPP.

Сущность изобретенияSUMMARY OF THE INVENTION

Технический результат заключается в обеспечении эффективного отвода тепла от обмоток ПИЭ, расположенных в МПП.The technical result consists in providing efficient heat removal from the windings of PIE located in the MPP.

Данный технический результат достигается за счет предложенного в изобретении способа (фиг. 1), заключающегося в обеспечении отвода тепла от обмоток ПИЭ (3а, 3b), расположенных в МПП (4), путем формирования на поверхности МПП контактных площадок (2а, 2b); выполнением соединения контактных площадок с концами обмоток; установкой на контактные площадки разных обмоток токопроводящего теплоотводящего элемента (ТТЭ) (1), причем передача тепла от обмоток осуществляется путем обеспечения теплового контакта поверхности ТТЭ с теплорассеивающим элементом (ТЭ) (5).This technical result is achieved due to the method proposed in the invention (Fig. 1), which consists in providing heat removal from the windings of PIE (3a, 3b) located in the MPP (4) by forming contact pads on the surface of the MPP (2a, 2b); connecting pads to the ends of the windings; installing on the contact pads of different windings of the conductive heat-removing element (TFE) (1), and heat transfer from the windings is carried out by providing thermal contact of the surface of the TFE with the heat-dissipating element (TE) (5).

Описанный способ реализуется ПИЭ, содержащим по крайней мере две обмотки (3), расположенные в МПП (4); контактные площадки (2а, 2b), расположенные на поверхности МПП и имеющие контакт с концами обмоток (6); ТТЭ (1), соединяющий контактные площадки разных обмоток, причем ТТЭ имеет поверхность, сопряженную с ТЭ (5).The described method is implemented by PIE containing at least two windings (3) located in the MPP (4); contact pads (2a, 2b) located on the surface of the MPP and having contact with the ends of the windings (6); A TFE (1) connecting the contact pads of different windings, and a TFE has a surface associated with a FC (5).

Сопоставительный анализ с аналогами показывает, что заявляемое устройство отличается уменьшением количества элементов тепловой цепи между обмотками ПИЭ и ТЭ посредством соединения контактных площадок витков ПИЭ, расположенных на поверхности МПП, с помощью ТТЭ и обеспечения теплового контакта ТТЭ с ТЭ. Таким образом, тепло на теплорассеивающий элемент (например, корпус ИВЭ или радиатор) отводится непосредственно от обмоток ПИЭ и заявляемое устройство соответствует критерию «новизна».Comparative analysis with analogues shows that the inventive device is characterized by a decrease in the number of thermal circuit elements between the windings of the PIE and the FC by connecting the contact pads of the turns of the PIE located on the surface of the MPP, using the TFE and providing thermal contact of the TFE with the TE. Thus, the heat to the heat-dissipating element (for example, the housing of the IVE or radiator) is removed directly from the windings of the FIE and the claimed device meets the criterion of "novelty."

Сущность заявляемого способа поясняется на примере ПИЭ в виде многообмоточного планарного трансформатора на основе МПП (фиг. 3).The essence of the proposed method is illustrated by the example of FIE in the form of a multi-winding planar transformer based on the MPP (Fig. 3).

Отдельные витки ПИЭ (3а, 3b), расположенные внутри МПП (4), соединяются между собой, образуя обмотки трансформатора. Обмотки выполняются разомкнутыми и их концы соединяются с контактными площадками (2а, 2b), расположенными на поверхности МПП, например, с помощью металлизированных отверстий (6). На данные контактные площадки разных разомкнутых обмоток ПИЭ устанавливается ТТЭ (1) (например, медная перемычка в форме параллелепипеда), обеспечивая параллельное и/или последовательное их соединение. При этом ТТЭ становится частью соединяемых обмоток, обеспечивая протекание по ним электрического тока, и участвует в распределении тепла, генерируемого обмотками. Таким образом появляется возможность обеспечить отвод тепла непосредственно от обмоток через ТТЭ путем создания теплового контакта части поверхности ТТЭ с ТЭ (5) (например, корпусом ИВЭ или радиатором).Separate turns of PIE (3a, 3b) located inside the MPP (4) are interconnected, forming transformer windings. The windings are open and their ends are connected to the contact pads (2a, 2b) located on the surface of the MPP, for example, using metallized holes (6). For these contact pads of different open windings of PIE, a TFE (1) is installed (for example, a copper jumper in the form of a parallelepiped), providing parallel and / or serial connection. In this case, the TFE becomes part of the connected windings, ensuring the flow of electric current through them, and participates in the distribution of heat generated by the windings. Thus, it becomes possible to provide heat removal directly from the windings through the FCS by creating thermal contact of a part of the surface of the FCS with the FC (5) (for example, by the housing of the IVE or radiator).

Таким образом, тепло, генерируемое в обмотках ПИЭ, непосредственно передается на теплорассеивающий элемент, сокращается длина теплового пути и уменьшается тепловое сопротивление между обмотками и окружающей средой.Thus, the heat generated in the windings of PIE is directly transferred to the heat-dissipating element, the length of the heat path is reduced and the thermal resistance between the windings and the environment is reduced.

Площадь сечения ТТЭ выбирается исходя из величины тока, протекающего через коммутируемые обмотки ПИЭ.The TFE cross-sectional area is selected based on the magnitude of the current flowing through the switched PIE windings.

Площадь соприкосновения ТТЭ с коммутирующими контактными площадками ПИЭ и с теплорассеивающим элементом выполняется максимально возможной для обеспечения минимального электрического и теплового сопротивления соответственно.The contact area of the FCF with the switching contact areas of the FIE and with the heat-dissipating element is performed as much as possible to ensure the minimum electrical and thermal resistance, respectively.

При выполнении теплорассеивающего элемента из токопроводящего материала между ним и ТТЭ располагается прокладка из диэлектрического материала с высокой теплопроводностью.When a heat-dissipating element is made of a conductive material, a gasket of a dielectric material with high thermal conductivity is located between it and the TFE.

ТТЭ крепится на коммутирующие контактные площадки ПИЭ любым известным образом (например, пайкой).The TFE is attached to the switching contact pads of the FIE in any known manner (for example, by soldering).

Обмотки ПИЭ могут соединяться с помощью ТТЭ для получения как одной обмотки при формировании дросселя, так и для получения нескольких, при формировании первичных и вторичных обмоток трансформатора в необходимых конфигурациях.PIE windings can be connected using a TFE to obtain both one winding during the formation of the inductor, and to obtain several, during the formation of the primary and secondary windings of the transformer in the necessary configurations.

Такое техническое решение, расположение ТТЭ непосредственно на контактных площадках обмоток и наличие у него теплового контакта с ТЭ, обеспечивает эффективный отвод тепла от обмоток на ТЭ.Such a technical solution, the location of the FCs directly on the contact pads of the windings and the presence of thermal contact with the FCs, provides efficient heat removal from the windings on the FCs.

Экспериментальные данные подтвердили эффективность использования ТТЭ для коммутации и отвода тепла от обмоток ПИЭ. Так, например, для ИВЭ мощностью 100 Вт перегрев ПИЭ, выполненного на основе МПП, снизился с 35°C до 25°C, что позволило освоить выпуск ИВЭ с рабочей температурой корпуса до +125°C.Experimental data have confirmed the efficiency of using FCF for switching and heat removal from PIE windings. So, for example, for an IEE with a power of 100 W, the overheating of a PIE based on MPP decreased from 35 ° C to 25 ° C, which made it possible to master the production of IVE with a working temperature of the case up to + 125 ° C.

Предлагаемое устройство, реализующее способ отвода тепла ПИЭ изготавливается из стандартных элементов, которые серийно выпускаются промышленностью. Оно собирается типовыми монтажными операциями с помощью стандартного оборудования, что особенно важно при серийном производстве. Поэтому предлагаемое устройство удовлетворяет критерию «промышленная применимость».The proposed device that implements the method of heat dissipation PIE is made of standard elements that are commercially available from industry. It is assembled by typical installation operations using standard equipment, which is especially important in serial production. Therefore, the proposed device meets the criterion of "industrial applicability".

Claims (3)

1. Способ отвода тепла планарного индуктивного элемента, заключающийся в обеспечении отвода тепла от обмоток планарного индуктивного элемента, расположенных в многослойной печатной плате, путем формирования на поверхности многослойной печатной платы контактных площадок, выполнением соединения контактных площадок с концами обмоток, установкой на контактные площадки разных обмоток токопроводящего теплоотводящего элемента, отличающийся тем, что передача тепла от обмоток осуществляется путем обеспечения теплового контакта поверхности токопроводящего теплоотводящего элемента с теплорассеивающим элементом.1. The method of heat dissipation of a planar inductive element, which consists in providing heat removal from the windings of a planar inductive element located in a multilayer printed circuit board by forming contact pads on the surface of the multilayer printed circuit board, connecting the contact pads to the ends of the windings, installing different windings on the contact pads conductive heat sink element, characterized in that the heat transfer from the windings is carried out by providing thermal contact surface and a conductive heat sink element with a heat dissipating element. 2. Планарный индуктивный элемент, содержащий по крайней мере две обмотки, расположенные в многослойной печатной плате, контактные площадки, расположенные на поверхности многослойной печатной платы и имеющие контакт с концами обмоток, токопроводящий теплоотводящий элемент, соединяющий контактные площадки разных обмоток, отличающийся тем, что токопроводящий теплоотводящий элемент имеет поверхность, сопряженную с теплорассеивающим элементом.2. A planar inductive element containing at least two windings located in a multilayer printed circuit board, contact pads located on the surface of a multilayer printed circuit board and having contact with the ends of the windings, a conductive heat sink element connecting the contact pads of different windings, characterized in that the conductive the heat-removing element has a surface mating with the heat-dissipating element. 3. Планарный индуктивный элемент по п. 2, отличающийся тем, что в случае исполнения теплорассеивающего элемента из токопроводящего материала тепловой контакт осуществляется через диэлектрическую прокладку с высоким коэффициентом теплопроводности. 3. The planar inductive element according to claim 2, characterized in that in the case of a heat-dissipating element made of a conductive material, thermal contact is carried out through a dielectric strip with a high thermal conductivity.

Images