Планарный индуктивный элемент и способ отвода тепла от его обмоток

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в импульсных источниках вторичного электропитания в качестве способа отвода тепла от обмоток в планарном индуктивном элементе (ПИЭ). Технический результат - обеспечение эффективного отвода тепла от обмоток ПИЭ, расположенных в многослойной печатной плате (МПП), за счет сокращения длины теплового пути и уменьшения теплового сопротивления между обмотками и окружающей средой. Достигается тем, что отвод тепла от обмоток ПИЭ, расположенных в МПП, осуществляется путем формирования на поверхности МПП контактных площадок; выполнением соединения контактных площадок с концами обмоток; установкой на контактные площадки разных обмоток токопроводящего теплоотводящего элемента (ТТЭ), причем передача тепла от обмоток осуществляется путем обеспечения теплового контакта поверхности ТТЭ с теплорассеивающим элементом (ТЭ). 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Область техники

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.

Уровень техники

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.

Помимо этого ПИЭ, являясь одним из наиболее теплонагруженных элементов ИВЭ вследствие протекающих в обмотках больших токов, требует организации эффективного отвода тепла.

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.

Недостатком данного устройства является то, что тепло отводится только от сердечника планарного трансформатора.

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.

К недостаткам данного устройства относится возможность отвода тепла от обмоток трансформатора только в случае его исполнения отдельным блоком.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 приведен чертеж, поясняющий способ отвода тепла от обмоток ПИЭ, расположенных в многослойной печатной плате.

На фиг. 2 приведено схематичное изображение устройства, осуществляющего способ отвода тепла с поперечным (А-А) и продольным (Б-Б) его сечениями.

На фиг. 3 приведено изображение, поясняющее способ отвода тепла от обмоток ПИЭ на примере многообмоточного планарного трансформатора, на основе МПП.

Сущность изобретения

Технический результат заключается в обеспечении эффективного отвода тепла от обмоток ПИЭ, расположенных в МПП.

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).

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).

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».

Сущность заявляемого способа поясняется на примере ПИЭ в виде многообмоточного планарного трансформатора на основе МПП (фиг. 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).

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.

Площадь сечения ТТЭ выбирается исходя из величины тока, протекающего через коммутируемые обмотки ПИЭ.

Площадь соприкосновения ТТЭ с коммутирующими контактными площадками ПИЭ и с теплорассеивающим элементом выполняется максимально возможной для обеспечения минимального электрического и теплового сопротивления соответственно.

При выполнении теплорассеивающего элемента из токопроводящего материала между ним и ТТЭ располагается прокладка из диэлектрического материала с высокой теплопроводностью.

ТТЭ крепится на коммутирующие контактные площадки ПИЭ любым известным образом (например, пайкой).

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.

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.

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.

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».

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.

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.

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.