DE19927299C2

DE19927299C2 - Schaltnetzteilübertrager hoher Leistung

Info

Publication number: DE19927299C2
Application number: DE1999127299
Authority: DE
Inventors: Edwin Hielscher; Mathias Siegel; Werner Loges
Original assignee: Vacuumschmelze GmbH and Co KG
Current assignee: Vacuumschmelze GmbH and Co KG
Priority date: 1999-06-15
Filing date: 1999-06-15
Publication date: 2001-10-04
Anticipated expiration: 2019-06-16
Also published as: DE19927299A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Übertrager für ein Schaltnetz teil mit einem einen Innenraum aufweisenden Magnetkern, auf den wenigsten zwei Wicklungen aufgebracht sind, wobei die au ßenliegende Wicklung von einem trogförmigen, in Umfangsrich tung dem Magnetkern folgenden Gehäuse gebildet ist und der Magnetkern aus einer weichmagnetischen Legierung mit einer Sättigungsinduktion B_S < 1 Tesla hergestellt ist.

Ein derartiger Schaltnetzteilübertrager ist beispielsweise aus der EP 0 490 438 A1 bekannt. Ferner ist aus der DE 42 10 748 C1 die Verwendung von nanokristallinen weichmagnetischen Legierungen in der Leistungselektronik bekannt.

Ferner ist ein Übertrager aus der EP-A 0 875 908 bekannt, welcher einen ringförmigen Magnetkern aufweist, der in ein Schutzgehäuse eingebettet ist, das den Magnetkern bis auf ei nen ringförmigen Spalt vollständig umgibt. Auf das Schutzge häuse ist eine zweite Wicklung aus Draht aufgebracht. Durch die große räumliche Nähe der beiden Wicklungen zum Magnetkern ergeben sich geringe Streuinduktivitäten, so daß sich der be kannte Übertrager insbesondere für Taktfrequenzen im Hochfre quenzbereich eignet.

Neuere Entwicklungen bei der Stromversorgung in Automobilen gehen davon aus, das Bordnetz auf 42 V anzuheben, um die e lektrischen Verluste, bedingt durch große Ströme, zu reduzie ren und die Massen der Kabelbäume durch dünnere Drahtquer schnitte zu verkleinern. Da aber die meisten Verbraucher und die Batterie, zumindest in einer Übergangszeit, noch auf 12 V ausgelegt sind, müssen beide Spannungsebenen parallel existieren. Diese zweite Spannungsebene soll nun von Schaltnetz teilen erzeugt werden, die Leistungen bis etwa 2 kW umsetzen. Der Anspruch an die dazu verwendeten Übertrager ist insbeson dere im Hinblick auf die hohen Arbeitstemperaturen, Gewicht und mechanische Robustheit sehr groß. Insbesondere müssen die Übertrager in der Lage sein, Ströme im Bereich von 100 A um zusetzen. Die bekannten Leistungsübertrager sind jedoch nicht in der Lage, trotz kleiner Bauform derart große Ströme mit geringen Verlusten zu übertragen.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Übertrager kleiner Bauform mit einem neuartigen Gehäuse zu schaffen, welches einfach herzu stellen ist.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß das Gehäuse aus einem Blech mit einer Dicke zwischen 0,4 und 0,6 mm gefertigt ist.

Da ein Magnetkern mit einer Sättigungsinduktion < 1 T verwen det wird, kann zum einen der Querschnitt des Magnetkerns klein gewählt werden und zum anderen die Windungszahl der Wicklung bis auf eins reduziert werden. Außerdem kann die Taktfrequenz ≦ 100 kHz gewählt werden. In diesem Frequenzbe reich sind die Verluste im Magnetkern sehr gering.

Zudem werden erfindungsgemäß für das Gehäuse Bleche mit einer Dicke von 0,4 bis 0,6 mm verwendet, ohne daß sich durch die Wirbelströme allzu große Verluste im Blech ergeben. Da bei Frequenzen unterhalb von 100 kHz nur geringe Verluste im Mag netkern anfallen, wird bei einem Übertrager gemäß der Erfin dung der Entstehungsort der Verlustleistung vom Magnetkern ins Gehäuse verlagert. Das Gehäuse befindet sich außen und kann mit einfachen Mitteln wirksam gekühlt werden.

Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Draufsicht von unten auf ein erstes Ausführungs beispiel eines Übertragers für die Automobiltechnik;

Fig. 2 eine Seitenansicht des Übertragers aus Fig. 1; und

Fig. 3 eine Draufsicht von unten auf ein weiteres Ausfüh rungsbeispiel eines Übertragers.

In Fig. 1 ist eine Draufsicht von unten auf einen Übertrager 1 dargestellt. Der Übertrager 1 weist einen Magnetkern 2 auf. Bei dem Magnetkern 2 handelt es sich um einen gewickelten Ringbandkern aus einer weichmagnetischen nanokristallinen Le gierung auf Eisenbasis. Auf den Magnetkern 2 ist eine innere Wicklung 3 aus einer Litze mit isolierten Adern aufgebracht. Die innere Wicklung 3 ist über Anschlußstifte 4 herausge führt. Die innere Wicklung 3 und der Magnetkern 2 sind ferner in einem trogförmigen Gehäuse 5 angeordnet, das mit einer Kunststoffmasse 6 vergossen ist. Wie in Fig. 2 deutlich er kennbar ist sind an das Gehäuse 5 Kontaktbügel 7, die ebenso 1 wie die Anschlußstifte 4 in eine Platine eingelötet werden können, angebracht.

Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel bei dem das Gehäuse 5 aus gestanzten Teilen zusammengesetzt ist, wobei die Anschlußstifte 8 zusammen mit den Gehäuse aus Blech aus gestanzt wurden.

Bei einem weiteren nicht dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Gehäuse 5 mit Kühlrippen ausgebildet, wodurch eine größere Oberfläche zur Kühlung zur Verfügung steht. Durch diese Maßnahme kann die Bauform weiter verkleinert werden.

Schließlich ist es auch möglich, ein zweites äußeres Gehäuse vorzusehen, das das Gehäuse 5 umschließt. Durch ein entspre chendes Verschalten des Gehäuses 5 und des äußeren Gehäuses kann dann eine Mittelanzapfung an der Primärwicklung bewerk stelligt werden.

Bei einem abgewandelten nicht dargestellten Ausführungsbei spiel ist schließlich auch die innere Wicklung 3 durch ein elektrisch leitendes inneres Gehäuse ersetzt. Dieses innere Gehäuse kann auch geteilt sein, um eine anderes Übersetzungs verhältnis als 1 : 1 zu erlauben.

Als Material für das Gehäuse 5 kommen insbesondere dünne Kup ferbleche mit einer Stärke von 0,4 bis 0,6 mm in Frage. Der artige Kupferbleche können ohne großen Aufwand durch Kalt fließpressen umgeformt werden.

Die weichmagnetische Legierung des Magnetkern 2 ist eine nanokristalline Legierung mit der Zusammensetzung Fe_xCu_yM_zSi_vB_w, wobei M ein Element aus der Gruppe Nb, W, Ta, Zr, Hf, Ti, Mo oder eine Kombination aus diesen bezeichnet und x + y + z + v + w = 100 at% ist, mit

Fe: x = 100 at% - y - z - v - w,
Cu: y = 0,5-2 at%, vorzugsweise = 1 at%,
M: z = 1-5 at%, vorzugsweise = 2-3 at%,
Si: v = 5,5-18 at%, vorzugsweise = 14-17 at%,
B: w = 5-14 at%,

wobei v + w < 18 at%, vorzugsweise v + w = 12-24 at% ist.

Bei der bevorzugten Zusammensetzung der Legierung kann durch eine entsprechende Wärmebehandlung des gewickelten Ringband kerns die Sättigungsmagnetostriktion auf einen Wert nahe Null eingestellt werden. In diesem Fall kann das Gehäuse 5 mit ei ner die Wärme gut leitenden, in der Regel sehr harten Kunst stoffmasse, beispielsweise einem Epoxidharz, vergossen wer den. Dadurch wird der Magnetkern 2 thermisch an das Gehäuse 5 angebunden. Von Vorteil ist weiterhin, daß sich das Gehäuse 5, das die Wicklung mit dem größten Stromfluß darstellt, au ßen befindet. Dadurch ergeben sich ideale Bedingungen für ei ne Wärmeabfuhr durch Luftkühlung.

Da die für den Magnetkern 2 verwendete Legierung darüber hin aus im Frequenzbereich unterhalb von 100 kHz nur eine geringe spezifische Verlustleistung von etwa 5 W/kg im Gegensatz zu 10 W/kg bei Ferriten aufweist, wird der Übertrager 1 mit Taktfrequenzen im Bereich zwischen 10 kHz und 100 kHz betrie ben. Bei diesen Frequenzen können sinnvollerweise für das Ge häuse 5 auch Blechdicken oberhalb von 0,4 mm verwendet wer den. Das bedeutet, daß die vom Gehäuse 5 gebildete äußere Wicklung einen großen Leitungsquerschnitt aufweist. Dies hat jedoch einen niedrigen Ohmschen Widerstand des Gehäuses 5 zur Folge. Da bei Frequenzen unterhalb von 100 kHz auch die Wir belstromverluste, im Gehäuse gering sind, ergeben sich insge samt im Gehäuse 5 nur geringe Verluste.

Ein weiterer Vorteil der verwendeten Legierung ist deren hohe Sättigungsinduktion, die im allgemeinen oberhalb von 1 T liegt. Dies läßt sich leicht anhand der folgenden Gleichung erkennen. Gemäß dieser Gleichung gilt für die Flußdichte B im Magnetkern B = Uτ/(NA_Fef), wobei U die anliegende Span nung, τ das Tastverhältnis von Einschaltzeit zu Periodendau er, N die Zahl der Windungen, A_Fe der Eisenquerschnitt des Magnetkerns und f die Taktfrequenz bedeutet. Da ein möglichst großer Leitungsquerschnitt des Gehäuses 5 angestrebt wird, ist die Windungszahl N = 1. Ein kleiner und leichter Übertra ger 1 mit einen kleinen Eisenquerschnitt A_Fe ergibt sich dann nur, wenn die Flußdichte B oder die Taktfrequenz f besonders groß ist. Letzteres bewirkt jedoch unnötig große Verluste im Magnetkern 2 und in den Halbleiterbauelementen die zum Be schalten des Übertragers 1 verwendet werden. Außerdem machen sich dann Wirbelstromeffekte und Streukapazitäten bemerkbar. Insofern sind die obengenannten Materialien mit hoher Sätti gungsinduktion von Vorteil.

Es sei angemerkt, daß auf einer Platine, in die der Übertra ger 1 eingelötet wird, eine großflächige Leiterbahn ausgebil det sein kann, die das trogförmige Gehäuse 5 bis auf eine ringförmige Lücke schließt. Dadurch entsteht zwischen dem Ge häuse 5 und den inneren Wicklung eine optimale elektromagne tische Verkoppelung mit kleinen Streuinduktivitäten, was ins besondere wegen der kleinen Schaltpausen beim Schalten großer Ströme von Vorteil ist. Die vollständige Umhüllung des Ma gnetkerns 2 ist auch vorteilhaft für die Funkentstörung, da kaum Störfelder nach außen dringen können.

Weiterhin sei angemerkt, daß mit den hier vorgestellten Über tragern trotz kleiner Spannung im Bereich von 12 V große Ströme im Bereich von 100 A geschaltet werden können. Damit eignen sich die Übertrager 1 insbesondere für den Einsatz in Schaltnetzteilen, die die Stromversorgung in Automobilen si cherstellen.

Ein derartiges Schaltnetzteil weist primärseitig mindestens einen in Reihe zu der Primärwicklung geschalteten Schalter auf, der von einer Steuerelektronik mit der Taktfrequenz ge schaltet wird. Sekundärseitig sind Mittel vorhanden, die dazu dienen, die Sekundärspannung zu glätten. Dabei handelt es sich um herkömmliche von Dioden, Drosseln und Kondensatoren gebildete Schaltungsanordnungen.

Claims

1. Übertrager für ein Schaltnetzteil mit einem einen Innen raum aufweisenden Magnetkern (2), auf den wenigstens zwei Wicklungen (3, 5) aufgebracht sind, wobei die außenlie gende Wicklung von einem trogförmigen, in Umfangsrichtung dem Magnetkern folgenden Gehäuse (5) gebildet ist und der Magnetkern (2) aus einer weichmagnetischen Legierung mit einer Sättigungsinduktion B_S < 1 Tesla hergestellt ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (5) aus einem Blech mit einer Dicke zwischen 0,4 und 0,6 mm ge fertigt ist.

2. Übertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Permeabilität des Magnetkerns (2) zwischen 15.000 und 30.000 liegt.

3. Übertrager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Übertrager mit Frequenzen zwischen 10 kHz und 100 kHz betreibbar ist.

4. Übertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, für die Legierung eine nanokristalline Legierung auf Ei senbasis mit der Zusammensetzung Fe_xCu_yM_zSi_vB_w ist, wobei M ein Element aus der Gruppe Nb, W, Ta, Zr, Hf, Ti, Mo oder eine Kombination aus diesen bezeichnet und
x + y + z + v + w = 100 at% ist mit
Fe: x = 100 at% - y - z - v - w,
Cu: y = 0,5-2 at%,
M: z = 1-5 at%,
Si: v = 6,5-18 at%,
B: w = 5-14 at %,
wobei v + w < 18 at% gilt.

5. Übertrager nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß für die Legierung die Beziehung gelten:
Cu: y = 1 at%,
M: z = 2-3 at%,
Si: v = 14-17 at%,
wobei v + w = 22-24 at% gilt.

6. Übertrager nach einem der Ansprüch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetkern (2) ein gewickelter Ringbandkern ist.

7. Übertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (5) mit einem Epoxidharz vergossen ist.

8. Übertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (5) aus Kupfer angefertigt ist.

9. Übertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß am Gehäuse (5) in Platinen einlötbare Drahtbügel (7) befestigt sind.

10. Übertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß am Gehäuse (5) in eine Platine einlötbare Anschluß stifte (8) ausgebildet sind.

11. Übertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Wicklung (3) aus einer Litze mit isolier ten Adern gefertigt ist.

12. Übertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Wicklung (3) von einem weiteren trogförmi gen, in Umfangsrichtung dem Magnetkern folgenden Gehäuse gebildet ist.

13. Übertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (5) von einem weiteren trogförmigen, im Umfangsrichtung dem Magnetkern folgenden äußeren Gehäuse umgeben ist.