(12) TŁUMACZENIE PATENTU EUROPEJSKIEGO (19) PL (11) PL/EP (96) Data i numer zgłoszenia patentu europejskiego:

Transkrypt

1 RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) TŁUMACZENIE PATENTU EUROPEJSKIEGO (19) PL (11) PL/EP (96) Data i numer zgłoszenia patentu europejskiego: (13) (1) T3 Int.Cl. H01F 27/28 ( ) Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (97) O udzieleniu patentu europejskiego ogłoszono: Europejski Biuletyn Patentowy 20/47 EP B1 (4) Tytuł wynalazku: Planarne urządzenie transformatorowe wysokiego napięcia (30) Pierwszeństwo: NO (43) Zgłoszenie ogłoszono: w Europejskim Biuletynie Patentowym nr 2007/19 (4) O złożeniu tłumaczenia patentu ogłoszono: Wiadomości Urzędu Patentowego 2011/0 (73) Uprawniony z patentu: Applied Plasma Physics ASA, Sandnes, NO (72) Twórca(y) wynalazku: PL/EP T3 ARILD NESSE, Sandnes, NO ØYVIND WETTELAND, Stavanger, NO BJARTE KVINGEDAL, Sandnes, NO (74) Pełnomocnik: rzecz. pat. Lech Bury PRZEDSIĘBIORSTWO RZECZNIKÓW PATENTOWYCH PATPOL SP. Z O.O. SKR. POCZT Warszawa Uwaga: W ciągu dziewięciu miesięcy od publikacji informacji o udzieleniu patentu europejskiego, każda osoba może wnieść do Europejskiego Urzędu Patentowego sprzeciw dotyczący udzielonego patentu europejskiego. Sprzeciw wnosi się w formie uzasadnionego na piśmie oświadczenia. Uważa się go za wniesiony dopiero z chwilą wniesienia opłaty za sprzeciw (Art. 99 (1) Konwencji o udzielaniu patentów europejskich).

2 V463PL00/LB Opis [0001] Niniejszy wynalazek dotyczy planarnego transformatora wysokiego napięcia. W szczególności dotyczy on planarnego transformatora wysokiego napięcia, w którym uzwojenie wtórne transformatora zaprojektowano zasadniczo w celu wyeliminowania lub zredukowania w znaczącym stopniu znanych niepożądanych właściwości elektrycznych, takich pojemność pasożytnicza oraz tzw. efekt naskórkowości i efekt sąsiedztwa. [0002] Z przyczyn praktycznych oraz ze względów bezpieczeństwa energia elektryczna dostarczana do odbiorców cechuje się stosunkowo niskim napięciem. Ilekroć potrzebna jest energia elektryczna o wysokim napięciu i rzędu do kilku kilowatów (kw), powszechnie stosuje się lokalnie transformowanie dostarczonego napięcia do napięcia wymaganego. Na przykład dla potrzeb działania filtrów elektrostatycznych może być wymagana energia od kilkuset watów do kilkudziesięciu kilowatów przy napięciach przekraczających kilowoltów (kv). [0003] Planarny transformator wysokiego napięcia został ujawniony w dokumencie DE A [0004] Zgodnie ze stanem techniki typowe transformatory wysokiego napięcia dysponujące rdzeniem z warstwowych płytek żelaznych o dużej zawartości krzemu są wykorzystywane do transformowania napięcia w górę. Te transformatory wysokiego napięcia są odpowiednie do stosowania przy standardowej częstotliwości sieci, która wynosi zwykle 0 lub 60 herców (Hz). [000] Transformatory wysokiego napięcia tego typu są stosunkowo duże i ciężkie. Główną przyczyną jest to, że żelazny rdzeń może przyjmować tylko ograniczony strumień indukcji magnetycznej przed osiągnięciem nasycenia. W efekcie przekrój poprzeczny żelaznego rdzenia jest czynnikiem decydującym w kwestii ilości energii, jaką transformator napięcia jest w stanie zapewnić. W przypadku zastosowania stosunkowo dużego rdzenia uzwojenia transformatora wysokiego napięcia będą dłuższe i tym samym większe. To powoduje powstawanie znacznych rezystywnych strat energii. Średnica drutu nawojowego powinna być zatem powiększona, co wiąże się z dalszym zwiększeniem ciężaru i rozmiaru transformatora wysokiego napięcia. [0006] Strumień indukcji magnetycznej w rdzeniu transformatora jest obliczany na podstawie następującego wzoru: 30 1

3 V463PL00/LB gdzie B = strumień indukcji magnetycznej w teslach, U = szczytowe napięcie sterujące w woltach, f = częstotliwość w Hz oraz Ae = skuteczny przekrój poprzeczny rdzenia transformatora w m 2. [0007] Ze wzoru wynika, że strumień indukcji magnetycznej w rdzeniu transformatora jest odwrotnie proporcjonalny do częstotliwości [0008] Bazując na tym fakcie opracowano transformatory z żelaznym rdzeniem, które wykazują się, pracując przy wyższej częstotliwości, zwiększoną wydajnością/sprawnością względem transformatorów wysokiego napięcia pracujących przy częstotliwości sieci. Przyczyna zwiększonej wydajności/sprawności wynika z tego, że wymiary żelaznego rdzenia mogą zostać zredukowane w przypadku zwiększenia częstotliwości. [0009] Sposób dostarczania stosunkowo wysokiej częstotliwości do transformatora obejmuje tzw. technikę SMPS (ang. Switched Mode Power Supply zasilacz impulsowy)). Zgodnie z tą techniką dostarczana energia jest przekształcana korzystnie w prostokątne napięcie wejściowe wielkiej częstotliwości do transformatora wysokiego napięcia. [00] Transformator wysokiego napięcia znanej konstrukcji posiada, z uwagi na sposób jego działania, stosunkowo dużą liczbę zwojów po stronie uzwojenia wtórnego. To prowadzi do zwiększonej pojemności wtórnej, ponieważ uzwojenia z wieloma warstwami o stosunkowo cieńszym drucie nawojowym będą oddalone od siebie o mniejszą średnią odległość niż w przypadku transformatora z drutem nawojowym o większej średnicy. [0011] Stosunkowo większe uzwojenie wtórne, większy rdzeń transformatora oraz konieczne odstępy izolacyjne, w szczególności w związku z uzwojeniem wtórnym, skutkują tym, że transformatory wysokiego napięcia tego typu cechują się stosunkowo wysoką indukcyjnością sprzężenia. Powodem jest to, że stosunkowo duża odległość między uzwojeniem pierwotnym, a wtórnym skutkuje słabym sprzężeniem magnetycznym między nimi. [0012] W taki sam sposób jak wtórna pojemność oraz w połączeniu z wtórną pojemnością, ta niezamierzona oraz zasadniczo nieodłączna pasożytnicza indukcyjność sprzężenia będzie wpływać na prąd w transformatorze. Ponieważ indukcyjność redukuje prąd wysokiej częstotliwości, będzie ona redukować prąd między uzwojeniem pierwotnym i wtórnym. Transformatory wysokiego napięcia tego typu wykazują się stosunkowo niewielką szerokością pasma, czyli największą częstotliwością sterującą, przy której transformator wysokiego napięcia może jeszcze działać. [0013] SMPS to dobrze znana technika umożliwiająca uzyskanie zwiększonej skuteczności transformacji napięcia do wielkości rzędu 1 kv. W przypadku wyższych napięć konieczne jest przystosowanie transformatora za pomocą znanych technik, takich jak powielanie napięcia, szeregowe łączenie transformatorów wysokiego napięcia, technika uzwojeń warstwowych lub tzw. przełączanie rezonansowe, w celu skompensowania stosunkowo wąskiego pasma w transformatorze wysokiego napięcia. [0014] Cechą wspólną tych technik jest to, że eliminują one wady jedynie w ograniczonym stopniu, a jednocześnie komplikują i tym samym zwiększają koszt całego transformatora wysokiego napięcia. 2

4 V463PL00/LB [001] Tak zwany transformator planarny jest wykorzystywany w coraz większym stopniu jako transformator niskiego napięcia. Transformator planarny zwykle obejmuje przynajmniej jedną płytkę drukowaną, na której wytrawione zostały uzwojenia w warstwie miedzi i w przypadku której zwykle rdzeń ferrytowy otacza uzwojenia. Z uwagi na zastosowanie uzwojeń o płaskim kształcie na płytkach drukowanych, rdzenie ferrytowe tego typu są stosunkowo niskie i podłużne i dlatego nazywane są rdzeniami płaskimi. [0016] Transformator planarny wykazuje korzystne cechy, będąc łatwym w produkcji i charakteryzując się niewielką pasożytniczą indukcyjnością sprzężenia, ponieważ uzwojenia są umieszczone stosunkowo blisko siebie. Uzwojenia płaskie zwykle mają stosunkowo niską pojemność pasożytniczą. To wiąże się z faktem, że transformatory planarne na ogół wykazują się bardzo dobrym pasmem przenoszenia. 1 [0017] Planarny transformator wysokiego napięcia powinien mieć stosunkowo dużą liczbę zwojów po stronie uzwojenia wtórnego. Jeżeli całe uzwojenie wtórne jest umieszczone na jednej płytce drukowanej, powierzchnia wymagana dla uzwojenia będzie stosunkowo duża. Uwarunkowania techniczno-produkcyjne ograniczają wielkość rdzenia ferrytowego. Dlatego konieczne jest rozdzielenie uzwojenia wtórnego na kilka warstw, ułożonych kolejno na sobie. Rozwiązanie takie wiąże się z tym, że znacząca pasożytnicza pojemność wtórna będzie rosnąć, uniemożliwiając wykorzystywanie, z przyczyn praktycznych, transformatorów planarnych jako transformatorów wysokiego napięcia. [0018] Wynalazek ma na celu wyeliminowanie lub zredukowanie przynajmniej jednej z wad stanu techniki. [0019] Cel został osiągnięty zgodnie z wynalazkiem jak zdefiniowano w niezależnym zastrz. 1 oraz dzięki cechom określonym w opisie poniżej oraz w kolejnych zależnych zastrzeżeniach. 20 [0020] Aby zastosować transformator planarny jako transformator wysokiego napięcia przy typowej wielkiej częstotliwości sterującej SMPS, konieczne jest zredukowanie w znacznym stopniu wtórnej pojemności pasożytniczej. [0021] Ze znanej teorii obwodów wiadomo, że całkowita pojemność połączonych szeregowo pojemności wynosi: 2 [0022] Jeżeli wszystkie pojemności są równe, wzór można uprościć do następującej postaci: 30 [0023] Jeżeli na przykład 40 przewodników zostanie umieszczonych w pięciu warstwach, jedna nad drugą, po 8 przewodników w każdej warstwie, i całkowita pojemność między każdą warstwą wynosi 1 nf przy pojemności 1/8 nf między każdym przewodnikiem umieszczonym naprzeciw drugiego, całkowita pojemność wyniesie: 3

5 V463PL00/LB [0024] Jeżeli jednak taka sama liczba przewodników na płytce drukowanej jest rozmieszczona na 20 warstwach po dwa przewodniki w każdej, pojemność między każdą warstwą wyniesie -2*1/8 = ¼ nf. [002] Całkowita pojemność będzie wynosić: lub 19 razy mniej niż w przypadku przykładu z czterema warstwami. W przykładzie nie uwzględniono faktu, że przewodniki w obu przykładach mogą mieć różne długości. [0026] Duża liczba płytek drukowanych leżących na innych wysokościach mogłaby być trudna do zastosowania w transformatorze planarnym z uwagi na brak przestrzeni [0027] Problem z geometrią w transformatorze planarnym może zostać rozwiązany, jeżeli chodzi o uzwojenie wtórne, poprzez nawinięcie stosunkowo dużej liczby warstw, z których każda miałaby niewielką liczbę zwojów, tworząc wąską cewkę, która jest umieszczona na transformatorze planarnym w płaszczyźnie równoległej do uzwojenia pierwotnego transformatora planarnego. Względna liczba warstw w stosunku do liczby zwojów na warstwę wynosi przynajmniej 1, a korzystnie ponad. [0028] Uznane sposoby obliczania tzw. efektu powierzchniowego oraz efektu sąsiedztwa, patrz P. L. Powel: Effects of eddy currents in transformer windings (Efekty prądów wirowych w uzwojeniach transformatora) PROC. IEE, Vol. 113, nr 8, sierpień 1966, wskazują jednak, że liczba warstw znacząco wpływa na tzw. współczynnik rezystancji, którym jest niepożądany wzrost rezystancji uzwojenia przy wielkich częstotliwościach sterujących. Liczba warstw w kwadracie wpływa na współczynnik rezystancji i powoduje zwiększenie jego wartości. [0029] Podczas testowania wynalazku nieoczekiwanie stwierdzono, że ta teoria nie ma zastosowania, jeżeli chodzi o wspomniany rodzaj uzwojenia wtórnego, oraz że pomimo wielu warstw proponowany projekt uzwojenia wtórnego wykazuje korzystne wielkości efektu powierzchniowego oraz efektu sąsiedztwa, a tym samym stosunkowo niski współczynnik rezystancji [0030] W korzystnym rozwiązaniu uzwojenie wtórne jest tworzone jako stosunkowo wąska rolka przewodnika oraz pośredni materiał izolacyjny. Uzwojenie wtórne jest umieszczone na płaszczyźnie równoległej do uzwojenia pierwotnego transformatora planarnego. Ta konstrukcja wykazuje się przynajmniej taką samą redukcją pasożytniczej pojemności wtórnej co wąska leżąca cewka z niewieloma zwojami na warstwę. [0031] Uzwojenie pierwotne może być utworzone na przykład jako przynajmniej jedno uzwojenie na płytce drukowanej, uzwojenie tak zwaną licą lub zwykłym przewodem emaliowanym, a także kombinacje powyższych. Lica zwykle składa się z wielu odizolowanych przewodów. [0032] Za pomocą urządzenia zgodnego z wynalazkiem niekorzystne zjawiska elektryczne w transformatorze wysokiego napięcia są eliminowane lub redukowane w znaczącym stopniu, tak że 4

6 V463PL00/LB transformator wysokiego napięcia może być wykonany ze znacznie zwiększoną szerokością pasma względem stanu techniki. Transformator jest zatem bardzo odpowiedni do tzw. działania HV-SMPS (High Voltage Switched Mode Power Supply wysokonapięciowy zasilacz impulsowy). [0033] Jak wspomniano w transformatorach planarnych powszechnie stosuje się rdzenie ferrytowe. Jednak, jeżeli jest to pożądane, istnieje możliwość zastosowania rdzenia, który jest zbudowany z blachy lub folii i który jest wytwarzany z materiału ferromagnetycznego. Rdzenie z blachy są zwykle wykonywane w kształcie litery E, podczas gdy z powodów techniczno-produkcyjnych, rdzenie z folii mają postać dwóch elementów w kształcie litery C. [0034] Jeżeli jest to pożądane, na przykład, aby uzyskać stosunkowo wysoką indukcyjność sprzężenia, uzwojenie pierwotne i wtórne mogą być oddalone stosunkowo daleko od siebie na rdzeniu. [003] Poniżej opisany został nieograniczający, korzystny przykład wykonania, zilustrowany na załączonych rysunkach, na których: fig. 1 przedstawia transformator planarny w widoku z góry, częściowo w przekroju; fig. 2 przedstawia przekrój I-I zgodnie z fig. 1; 1 fig. 3 przedstawia przekrój z fig. 2w powiększeniu; fig. 4 przedstawia przykład przydatny do zrozumienia wynalazku. [0036] Na rysunkach symbolem 1 oznaczono transformator planarny wysokiego napięcia, obejmujący płytkę drukowaną 2, z uzwojeniem pierwotnym 4, uzwojeniem wtórnym 6, górną połową rdzenia 8 oraz dolną połową rdzenia. 20 [0037] Dwie połówki rdzenia w kształcie litery E 8 i otaczają płytkę drukowaną 2 oraz cewki 4 i 6, ponieważ obwód drukowany 2 posiada centralny otwór przelotowy 12. [0038] Płytka drukowana 2 posiada ponadto dwa punkty do podłączenia zasilania 14 dla uzwojenia pierwotnego 4. Uzwojenie wtórne 6 posiada dwa punkty podłączenia (niepokazane). 2 [0039] Uzwojenie wtórne 6 jest tworzone przez przewodnik 16 w postaci nawiniętej folii metalowej, korzystnie z miedzi, przy czym każda warstwa folii przewodnika 16 jest odizolowana od sąsiedniej warstwy folii przewodnika 16 za pomocą folii izolacyjnej 18. Uzwojenie wtórne 6 jest ponadto odizolowane od uzwojenia pierwotnego 4 oraz od połówek rdzenia 8, za pomocą materiału izolacyjnego 20. [0040] Każda warstwa folii przewodnika 16 tworzy warstwę uzwojenia wtórnego [0041] Wysokość uzwojenia wtórnego 6, to jest szerokość folii miedzianej 16, jest zasadniczo mniejsza, korzystnie mniejsza niż 1/ szerokości uzwojenia wtórnego 6 w kierunku nawijania. [0042] Uzwojenie wtórne 6 jest rozmieszczone w taki sposób, że kierunek jego nawijania jest zasadniczo równoległy do płaszczyzny uzwojenia pierwotnego 4.

7 V463PL00/LB [0043] Jak wspomniano w głównej części opisu, stosunkowo duża liczba warstw przewodnika 16 przyczynia się do tego, że pojemność wtórna jest stosunkowo niewielka, przy czym zwarta konstrukcja właściwa dla transformatora planarnego skutkuje znaczącą redukcją indukcyjności sprzężenia transformatora wysokiego napięcia 1. Tym samym udało się osiągnąć dużą szerokość pasma oraz możliwość stosowania stosunkowo wysokiej częstotliwości sterującej SMPS. [0044] W przykładzie przydatnym do zrozumienia wynalazku (patrz fig. 4) uzwojenie wtórne 6 jest tworzone przez emaliowany przewód/drut 22, ewentualnie licę. Przewód 22 został pokazany na fig. 4 jako nawinięty w warstwach uzwojenia 24, każda po cztery zwoje przewodu 22, oraz przy stosunkowo dużej liczbie warstw 24. W celu zilustrowania warstwa uzwojenia 24, umieszczona najbardziej środka, została zakreskowana w przeciwnym kierunku do kreskowania warstw uzwojenia 24. Warstwy uzwojenia 24 zostały nawinięte na siebie i zasadniczo w kierunku płaszczyzny uzwojenia pierwotnego 4. [004] Stosunek między liczbą warstw uzwojenia 24, a liczbą przewodników 22 w każdej warstwie uzwojenia 24 powinien przekraczać, aby efekt sąsiedztwa nie był zbyt duży. 1 [0046] To alternatywne rozwiązanie nie wykazuje się tak dobrymi wynikami w odniesieniu do pojemności wtórnej co rozwiązanie według fig. 3, ale jest zadowalające ze względów praktycznych. Zastrzeżenia patentowe Planarne urządzenie transformatorowe wysokiego napięcia obejmujące uzwojenie pierwotne (4), uzwojenie wtórne (6) oraz rdzeń (8, ), znamienny tym, że warstwy uzwojenia (16) uzwojenia wtórnego (6) są wykonane z folii metalowej, która jest nawinięta jedna na drugą z folią izolacyjną (18) między nimi w kierunku, który jest zasadniczo równoległy do płaszczyzny uzwojenia pierwotnego (4). 2. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że uzwojenie pierwotne (4) jest utworzone z arkusza miedzi na płytce drukowanej (2) Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że rdzeń (8, ) składa się z górnej połowy rdzenia (8) oraz dolnej połowy rdzenia () Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że rdzeń (8, ) jest wykonany z materiału ferromagnetycznego. 3 6

8 V463PL00/LB 7

9 V463PL00/LB 8

10 V463PL00/LB 9

11 V463PL00/LB

12 V463PL00/LB ODNOŚNIKI CYTOWANE W OPISIE Poniższa lista odnośników cytowanych przez zgłaszającego ma na celu wyłącznie pomoc dla czytającego i nie stanowi części dokumentu patentu europejskiego. Pomimo, że dołożono największej staranności przy jej tworzeniu, nie można wykluczyć błędów lub przeoczeń i EUP nie ponosi żadnej odpowiedzialności w tym względzie. Dokumenty patentowe cytowane w opisie Literatura nie patentowa, cytowana w opisie 11