DE102006062205B4

DE102006062205B4 - Hochspannungstransformator

Info

Publication number: DE102006062205B4
Application number: DE102006062205A
Authority: DE
Inventors: Robert Weger
Original assignee: Minebea Co Ltd
Current assignee: Minebea Co Ltd
Priority date: 2006-08-25
Filing date: 2006-12-22
Publication date: 2012-07-19
Anticipated expiration: 2026-12-23
Also published as: JP2008053735A; US20080048814A1; US7436279B2; DE102006062205A1

Abstract

Hochspannungstransformator, welcher umfasst einen geschlossenen Kern (10) mit einem ersten und einem zweiten Schenkel (12, 14), einen ersten Spulenkörper (16), der auf dem ersten Schenkel (12) des Kerns (10) angeordnet ist und ein erstes Ende, ein zweites Ende und eine Mitte aufweist, einen zweiten Spulenkörper (18), der auf dem zweiten Schenkel (14) des Kerns (10) angeordnet ist und ein erstes Ende, ein zweites Ende und eine Mitte aufweist, wobei jeder Spulenkörper (16; 18) mit einer ersten und einer zweiten Primärwicklung (Prim 1, Prim 2 und Prim 3, Prim 4) und einer ersten und einer zweitenbewickelt ist, wobei die erste Primärwicklung (Prim 1, Prim 3) jeweils am ersten Ende und die zweite Primärwicklung (Prim 2, Prim 4) jeweils am zweiten Ende des jeweiligen Spulenkörpers (16; 18) angeordnet ist, und die erste Sekundärwicklung (Sec 1, Sec...

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen Hochspannungstransformator, wie er beispielsweise in elektronischen Schaltungen zur Stromversorgung von Hintergrundbeleuchtungen für Flüssigkristallanzeigen (LCD) verwendet werden kann. Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf die Wicklungsstruktur von Hochspannungstransformatoren mit sogenannten Kammerwicklungen bzw. segmentierten Wicklungen.
Stand der Technik
Als Hintergrundbeleuchtungsquelle für Flüssigkristallanzeigen werden z. B. Kaltkathodenlampen verwendet. In einer Kaltkathodenlampen-Schaltung wird eine Primärspannung von einigen zehn Volt durch einen Hochspannungstransformator in eine Sekundärspannung von einigen hundert bis zu einigen Kilovolt (typisch: 0,6–2 kV) umgesetzt, um die Kaltkathodenlampe zu betreiben. 6 zeigt einen solchen Hochspannungstransformator bekannter Bauart. Der Transformator umfasst einen rechteckigen Ferritkern 110, der aus zwei U-förmigen Kernen zusammengesetzt ist. Es ergeben sich zwei parallele Schenkel 112, 114, auf denen jeweils ein Spulenkörper 116 und 118 angeordnet ist. Auf dem ersten Spulenkörper 116 ist eine Primärwicklung Prim 1 und eine Sekundärwicklung Sec 1 aufgewickelt. Auf dem zweiten Spulenkörper 118 ist ebenfalls eine Primärwicklung Prim 2 und eine Sekundärwicklung Sec 2 aufgewickelt. Die Sekundärwicklungen sind segmentiert auf mehrere Kammern verteilt, die durch Isolierstege 120 voneinander getrennt sind. Dadurch wird sichergestellt, dass die Spannungsdifferenz zwischen benachbarten Windungen unter einem kritischen Wert (typischerweise 200 Vrms) bleibt um einen dielektrischen Durchbruch auszuschließen. Die Hochspannungsanschlüsse (die sogenannten „heißen Enden”) HV1 und HV2 der beiden Sekundärwicklungen Sec 1 und Sec 2 sind jeweils an den Enden der Spulenkörper 116, 118 angeordnet. Die kalten Enden der Sekundärwicklungen sind entweder auf Massepotential oder auf massenahes Potential gelegt und daher besteht hier keine Gefahr für Funkenbildung.
Die Wicklungssektion mit dem höchsten Spannungspotential ist gefährdet durch Funkenbildung zum Kern entlang der Oberfläche des Spulenkörpers. Diese Gefahr wird bei einem Einsatz des Transformators in einem Inverter für Hintergrundbeleuchtungen durch die hier verwendete hohe Frequenz der Hochspannung im Bereich von 30–70 kHz noch verschärft. Um eine Funkenbildung aufgrund einer Potentialdifferenz zwischen dem heißen Ende der Hochspannungs-Sekundärwicklungen Sec 1, Sec 2 und dem Kern 110 zu vermeiden, muss der Spulenkörper 115, 118 so gestaltet sein dass sich ausreichende Abstände zwischen den „heißen” Teilen der Sekundärwicklungen und dem Kern ergeben (sog. Kriechstrecken). Diese Maßnahme vergrößert jedoch die Baugröße des Transformators. Gerade bei Anwendungen für Hintergrundbeleuchtungs-Inverter, bei denen auf eine Miniaturisierung aller Bauteile großer Wert gelegt wird, ist das problematisch.
Eine andere Lösung gemäß dem Stand der Technik besteht im Vergießen der Problemzonen, oder des gesamten Transformators mit Epoxid-Harz.
Gemäß dem Stand der Technik können die Hochspannungswicklungen entweder in einer schichtweisen Wicklungstechnik (Lagenwicklungen, wobei die einzelnen Lagen durch isolierende Kunststoffbänder getrennt sind), oder in der sog. Kammerwicklungstechnik hergestellt werden. Für die miniaturisierten Transformatoren von Invertern für Hintergrundbeleuchtungen werden wegen der Kostenvorteile fast ausschließlich Kammerwicklungen mit einem Ende auf oder nahe bei Massepotential verwendet.
EP 1 724 791 A2 offenbart einen Hochspannungstransformator mit zwei parallel zueinander angeordneten I-Kernen, wobei in der Mitte jedes Kerns eine Primärwicklung und angrenzend an jede Seite der Primärwicklung jeweils eine Sekundärwicklung angeordnet ist. Die elektrischen Anschlüsse der Sekundärwicklungen sind an den jeweiligen Enden der I-Kerne angeordnet.
Die DE 199 28 567 A1 offenbart einen Hochspannungstransformator, bei dem die Sekundärwicklung auf die Primärwicklung gewickelt ist.
Die DE 197 28 667 A1 offenbart einen Hochspannungstransformator mit zwei parallel zueinander angeordneten Sekundärwicklungen, wobei jeder Sekundärwicklung eine Primärwicklungen zugeordnet ist, die jeweils an einem Ende der Sekundärwicklungen in einen Flansch des jeweiligen Spulenkörpers eingesetzt sind.
Die WO 2004/103031 A1 offenbart ein Vorschaltgerät für Lampen mit einer Primärwicklung und mehreren Sekundärwicklungen. Es sind verschiedene Schaltungen zum Betrieb mehrerer Gasentladungslampen an dem Vorschaltgerät beschrieben. Die EP 1 397 028 A1 betrifft ebenfalls ein Vorschaltgerät der oben beschriebenen Art zum Betrieb mehrerer Gasentladungslampen.
Offenbarung der Erfindung
Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Hochspannungstransformator anzugeben, der eine kleine Baugröße aufweist und die klassischen Problemzonen für Funkenbildung und Oberflächenentladung am heißen Ende der Hochspannungswicklung völlig vermeidet.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Hochspannungstransformator mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.
Bevorzugte Ausgestaltungen und weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Bei dem erfindungsgemäßen Transformator werden Problemzonen mit hoher Potentialdifferenz durch eine spezielle doppelsymmetrische Wicklungsanordnung vermieden. Weitere Vorteile der vorgeschlagenen Wicklungsanordnung sind reduzierte Verluste aufgrund des Proximity-Effekts und die reduzierte Höhe bzw. Baugröße dieses Transformators. Die beiden letztgenannten Vorteile ergeben sich aus der Teilung der primären und sekundären Wicklungen in vier Teilwicklungen mit halbem Drahtdurchmesser.
Der Hochspannungstransformator umfasst einen geschlossenen Kern mit einem ersten und einem zweiten Schenkel, einen ersten Spulenkörper, der auf dem ersten Schenkel des Kerns angeordnet ist und ein erstes Ende, ein zweites Ende und eine Mitte aufweist, und einen zweiten Spulenkörper, der auf dem zweiten Schenkel des Kerns angeordnet ist und ein erstes Ende, ein zweites Ende und eine Mitte aufweist. Jeder Spulenkörper ist mit einer ersten und einer zweiten Primärwicklung und einer ersten und einer zweiten Sekundärwicklung bewickelt, wobei die erste Primärwicklung am ersten Ende und die zweite Primärwicklung am zweiten Ende des jeweiligen Spulenkörpers angeordnet ist. Die erste Sekundärwicklung jedes Spulenkörpers ist ausgehend von der Mitte des Spulenkörpers in Richtung des ersten Endes des Spulenkörpers gewickelt, und die zweite Sekundärwicklung jedes Spulenkörpers ist ausgehend von der Mitte des Spulenkörpers in Richtung des zweiten Endes des Spulenkörpers gewickelt, wobei die Wicklungsrichtung der ersten Sekundärwicklung entgegensetzt zur Wicklungsrichtung der zweiten Sekundärwicklung ist. In der Mitte jedes Spulenkörpers ist ein erster elektrischer Anschluss angeordnet.
Dabei sind die benachbarten, aneinander angrenzenden Enden der ersten und der zweiten Sekundärwicklung jedes Spulenkörpers mit dem ersten Anschluss in der Mitte des Spulenkörpers verbunden. Diese Enden der Wicklung weisen ein hohes Spannungspotential auf.
Das andere Ende der ersten Sekundärwicklung jedes Spulenkörpers, das ein niedriges Spannungspotential aufweist, ist mit einem zweiten Anschluss verbunden, der am ersten Ende des Spulenkörpers angeordnet ist. Das ein niedriges Spannungspotential aufweisende Ende der zweiten Sekundärwicklung jedes Spulenkörpers ist mit einem dritten Anschluss verbunden, der am zweiten Ende des Spulenkörpers angeordnet ist.
Die Wicklungen können je nach Bedarf unterschiedlich verschaltet werden.
Die beiden Sekundärwicklungen, die sich auf demselben Spulenkörper befinden, müssen immer parallel geschaltet werden. Somit hat jeder Spulenkörper elektrisch gesehen nur eine einzige Sekundärwicklung die mechanisch aus zwei Teilen besteht. Da der erfindungsgemäße Transformator insgesamt zwei gleichartige Spulenkörper aufweist, ergeben sich insgesamt auch zwei Sekundärwicklungen. Diese müssen nun mit ihren kalten Enden verbunden werden. Man beachte allerdings, dass gemäß 1 zwar die Spulenkörper gleich sind nicht aber die Wicklungssinne der einzelnen Wicklungen. Wenn der Wicklungssinn so ist wie in 1 gezeichnet, dann ergibt sich an den beiden heißen Enden (HV12 und HV34) die gleiche Phasenlage und Spannung und die heißen Enden können elektrisch verbunden werden. Die Sekundärwicklungen sind nun also parallel geschaltet.
Eine andere Möglichkeit besteht darin zwei Spulenkörper mit identischem Wicklungssinn einzusetzen, wie in 3 dargestellt. Die kalten Enden der Sekundärwicklungen werden wieder wie im ersten Beispiel verbunden. Zwischen den heißen Enden ergibt sich nun allerdings wegen der Gegenphasigkeit der Wicklungen auf den beiden Spulenkörpern die doppelte Spannungsdifferenz. Die Sekundärwicklungen sind nun elektrisch hintereinander geschaltet.
Die vier Primärwicklungen der beiden Spulenkörpers können entweder parallel oder in Reihe geschaltet werden, oder aber teilweise parallel und in Reihe. Dadurch kann das Transformationsverhältnis halbiert oder geviertelt werden.
Je nach Art der Beschaltung der Primärwicklungen muss sichergestellt werden, dass die Wicklungsrichtungen der Primärwicklungen derart gewählt sind, dass der magnetische Muss in dieselbe Richtung wirkt.
Weitere bevorzugte Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt einen erfindungsgemäßen unipolaren Hochspannungstransformator mit doppelsymmetrischer Wicklungsanordnung.
2 zeigt die Schaltung des unipolaren Transformators von 1.
3 zeigt einen erfindungsgemäßen bipolaren Hochspannungstransformator mit doppelsymmetrischer Wicklungsanordnung.
4 zeigt die Schaltung des bipolaren Transformators von 3.
5a zeigt eine zweite Möglichkeit der Zusammenschaltung der Primärwicklungen der Transformatoren der 1 und 3.
5b zeigt eine dritte Möglichkeit der Zusammenschaltung der Primärwicklungen der Transformatoren der 1 und 3.
6 zeigt einen Hochspannungstransformator nach dem Stand der Technik.
Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung
1 zeigt einen erfindungsgemäßen Hochspannungstransformator in unipolarer Ausführung. Der Transformator umfasst einen rechteckigen Ferritkern 10, der aus zwei U-förmigen Kernen zusammengesetzt ist. Es ergeben sich zwei parallele Schenkel 12, 14, auf denen jeweils ein Spulenkörper 16 und 18 angeordnet ist. Jeder Spulenkörper 16, 18 umfasst ein erstes Ende, ein zweites Ende und eine Mitte. Auf dem ersten Spulenkörper 16 sind zwei Primärwicklungen Prim 1, Prim 2 und zwei Sekundärwicklungen Sec 1 und Sec 2 aufgewickelt. Auf dem zweiten Spulenkörper 18 sind ebenfalls zwei Primärwicklungen Prim 3 und Prim 4 und zwei Sekundärwicklungen Sec 3 und Sec 4 aufgewickelt. Die Drahtführung der Sekundärwicklungen ist schematisch durch das Bezugszeichen 26 angedeutet. In ihrer Mitte (entlang der Längsachse der Spulenkörper) haben die Spulenkörper 16, 18 jeweils einen Hochspannungsanschluss HV12 und HV34. Die sich in der Mitte treffenden, benachbarten Enden der beiden Sekundärwicklungen Sec 1, Sec 2 bzw. Sec 3, Sec 4 jedes Spulenkörpers 16, 18 sind mit dem zugeordneten Hochspannungsanschluss HV12 bzw. HV34 verbunden. Zwischen den einzelnen Wicklungen und auch einzelnen Abschnitten der Sekundärwicklungen können Isolierstege 20 vorgesehen sein.
Die Wicklungsrichtung der beiden Sekundärwicklungen jedes Spulenkörpers verlaufen entgegengesetzt, wie es durch die Pfeile 22, 24 in der Zeichnung angedeutet und aus der angedeuteten Drahtführung 26 ersichtlich ist. Die ein niederes elektrisches Potential aufweisenden Enden (kalte Enden) der Sekundärwicklungen Sec 1, Sec 2, Sec 3 und Sec 4 werden mit zugeordneten peripheren Anschlüssen LV1, LV2, LV3 und LV4 an den Enden des jeweiligen Spulenkörpers verbunden, wie es auch bei Transformatoren gemäß dem Stand der Technik bekannt ist. Diese Anschlüsse LV1, LV2, LV3 und LV4 können elektrisch mit einer externen Verdrahtung verbunden werden, beispielsweise mit Leiterbahnen auf einer gedruckten Leiterplatte. Somit sind die beiden Sekundärwicklungen Sec 1, Sec 2 bzw. Sec 3, Sec 4 auf jedem Spulenkörper 16, 18 elektrisch parallel geschaltet.
Bei einem unipolaren Transformator, gemäß 1, können die Sekundärwicklungen Sec 1, Sec 2 und Sec 3, Sec 4 von beiden Spulenkörpern 16, 18 durch eine externe Verdrahtung parallel geschaltet werden. wobei kein Sicherheitsabstand zwischen den Spulenkörpern 16, 18 benötigt wird. Die Primärwicklungen Prim 1 bis Prim 4 können beispielsweise alle in Reihe geschaltet sein.
2 zeigt ein mögliches Schaltbild des unipolaren Transformators aus 1.
Bei einem bipolaren Transformators, wie er in 3 dargestellt ist, muss ein Sicherheitsabstand zwischen den Spulenkörpern 16, 18 vorgesehen werden Wie es aus der schematisches Drahtführung 28 ersichtlich ist, sind die kalten Enden der Sekundärwicklungen wieder miteinander verbunden, wie im ersten Beispiel gemäß 1. Zwischen den heißen Enden der Sekundärwicklungen ergibt sich nun allerdings wegen der Gegenphasigkeit der Wicklungen auf den beiden Spulenkörpern 16, 18 die doppelte Spannungsdifferenz. Die Sekundärwicklungen sind nun elektrisch hintereinander geschaltet.
4 zeigt ein mögliches Schaltbild des bipolaren Transformators aus 1.
Die Primärwicklungen Prim 1, Prim 2, Prim 3, Prim 4 können entweder parallel oder in Serie oder teilweise parallel und in Serie geschaltet werden, abhängig von dem gewünschten Übertragungsverhältnis.
5a zeigt jeweils in Reihe geschaltete Primärwicklungen Prim 1 und Prim 2 sowie Prim 3 und Prim 4. Die beiden Reihenschaltungen sind wiederum parallel geschaltet.
5b zeigt eine Parallelschaltung aller vier Primärwicklungen Prim 1 bis Prim 4.
Es muss jedoch durch die Polarität und Wicklungsrichtung garantiert sein, dass der magnetische Fluss aller Primärwicklungen dieselbe Richtung aufweist. Jede Primärwicklung erzeugt somit einen magnetischen Fluss im Kern der in dieselbe Richtung wirkt, wie der von den übrigen Primärwicklungen erzeugte magnetische Fluss.
Bezugszeichenliste

10: Ferritkern
12: Schenkel
14: Schenkel
18: Spulenkörper
18: Spulenkörper
20: Isolierstege
22: Pfeil für Wicklungssinn bzw. Wicklungsrichtung
24: Pfeil für Wicklungssinn bzw. Wicklungsrichtung
26: Drahtführung (unipolarer Sekundärkreis)
28: Drahtführung (bipolarer Sekundärkreis)
110: Ferritkern
112: Schenkel
114: Schenkel
116: Spulenkörper
118: Spulenkörper
120: Isolierstege

Claims

Hochspannungstransformator, welcher umfasst einen geschlossenen Kern (10) mit einem ersten und einem zweiten Schenkel (12, 14), einen ersten Spulenkörper (16), der auf dem ersten Schenkel (12) des Kerns (10) angeordnet ist und ein erstes Ende, ein zweites Ende und eine Mitte aufweist, einen zweiten Spulenkörper (18), der auf dem zweiten Schenkel (14) des Kerns (10) angeordnet ist und ein erstes Ende, ein zweites Ende und eine Mitte aufweist, wobei jeder Spulenkörper (16; 18) mit einer ersten und einer zweiten Primärwicklung (Prim 1, Prim 2 und Prim 3, Prim 4) und einer ersten und einer zweiten Sekundärwicklung (Sec 1, Sec 2 und Sec 3, Sec 4) bewickelt ist, wobei die erste Primärwicklung (Prim 1, Prim 3) jeweils am ersten Ende und die zweite Primärwicklung (Prim 2, Prim 4) jeweils am zweiten Ende des jeweiligen Spulenkörpers (16; 18) angeordnet ist, und die erste Sekundärwicklung (Sec 1, Sec 3) jedes Spulenkörpers (16; 18) ausgehend von der Mitte des Spulenkörpers in Richtung des ersten Endes gewickelt ist und die zweite Sekundärwicklung (Sec 2, Sec 4) jedes Spulenkörpers (16; 18) ausgehend von der Mitte des Spulenkörpers in Richtung seines zweiten Endes gewickelt ist, wobei die Wicklungsrichtung der ersten Sekundärwicklung (Sec 1, Sec 3) entgegensetzt zur Wicklungsrichtung der zweiten Sekundärwicklung (Sec 2, Sec 4) ist, und in der Mitte jedes Spulenkörpers (16; 18) ein erster elektrischer Anschluss (HV12, HV34) angeordnet ist, wobei die ein hohes Spannungspotential aufweisenden Enden der ersten und der zweiten Sekundärwicklungen (Sec 1, Sec 2 bzw. Sec 3, Sec 4) jedes Spulenkörpers (16; 18) mit dem ersten Anschluss (HV12 bzw. HV34) des jeweiligen Spulenkörpers (16; 18) verbunden sind.
Hochspannungstransformator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass alle Niederspannungsenden (LV1, LV2, LV3, LV4) der Sekundärwicklungen (Sec 1, Sec 2, Sec 3, Sec 4) elektrisch miteinander verbunden sind.
Hochspannungstransformator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärwicklungen (Prim 1 bis Prim 4) elektrisch so verschaltet sind, dass jede einzelne im Kern (10) die gleiche magnetische Flussrichtung erzeugt wie die übrigen.
Hochspannungstransformator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das ein niedriges Spannungspotential aufweisende Ende der ersten Sekundärwicklung (Sec 1, Sec 3) jedes Spulenkörpers (16; 18) mit einem zweiten Anschluss (LV1, LV3) verbunden ist, der am ersten Ende des jeweiligen Spulenkörpers (16; 18) angeordnet ist.
Hochspannungstransformator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das ein niedriges Spannungspotential aufweisende Ende der zweiten Sekundärwicklung (Sec 2, Sec 4) jedes Spulenkörpers mit einem dritten Anschluss (LV2, LV4) verbunden ist, der am zweiten Ende des jeweiligen Spulenkörpers (16; 18) angeordnet ist.
Hochspannungstransformator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Windungsrichtungen der beiden Sekundärwicklungen (Sec 1, Sec 2 und Sec 3, Sec 4) jedes Spulenkörpers (16; 18) einander entgegengesetzt sind, wodurch sich gleichphasige gleich große Spannungen an den ersten Anschlüssen (HV12 und HV34) ergeben.
Hochspannungstransformator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Windungsrichtungen der beiden Sekundärspulen (Sec 1, Sec 2 und Sec 3, Sec 4) jedes Spulenkörpers (16; 18) gleich sind, wodurch sich gegenphasige gleich große Spannungen an den ersten Anschlüssen (HV12 und HV34) ergeben, was einer Reihenschaltung der Sekundärwicklungen beider Spulenkörper (16, 18) entspricht.
Hochspannungstransformator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärwicklungen (Prim 1, Prim 2 oder Prim 3, Prim 4) eines Spulenkörpers (16; 18) parallel geschaltet sind.
Hochspannungstransformator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärwicklungen (Prim 1, Prim 2 oder Prim 3, Prim 4) eines Spulenkörpers (16; 18) in Reihe geschaltet sind.
Hochspannungstransformator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärwicklungen (Prim 1, Prim 2; Prim 3, Prim 4) der beiden Spulenkörper teilweise parallel und in Reihe geschaltet sind.