Ein elektronisches Vorschaltgerät (EVG) wird als elektronischer Spannungs-und/oder Stromwandler im Beleuchtungsbereich eingesetzt. EVGs weisen mindestens ein induktives Bauelement auf. Das induktive Bauelement ist beispielsweise eine Drosselspule oder ein Transformator. Das induktive Bauelement verfügt über eine Drahtwicklung. Die Drahtwicklung weist eine Anzahl von Windungen eines elektrischen Leiters zur Erzeugung eines magnetischen Flusses durch den in dem Leiter fließenden Strom auf. Die Drahtwicklung dient auch der Erzeugung einer Spannung durch Änderung der magnetischen Induktion in der Drahtwicklung. Zur Vergrößerung der magnetischen Induktion und zur Verringerung eines magnetischen Streuverlusts befindet sich die Drahtwicklung meist auf einem Kern mit ferromagnetischem Material. Das ferromagnetische Kernmaterial ist beispielsweise ein Ferrit. Der Kern sorgt für einen möglichst geschlossenen magnetischen Kreis.

Diese EVGs werden zunehmend miniaturisiert. Die Miniaturisierung betrifft insbesondere ein induktives Bauelement der EVGs. Eine kleine Baugröße eines induktiven Bauelements lässt sich bei einem gleichbleibenden Leistungsdurchsatz durch eine höhere Schaltfrequenz erreichen. Eine höhere Schaltfrequenz führt aber zu einer Erhöhung der elektrischen Verluste und damit zu einer Erniedrigung der Güte Q des induktiven Bauelements. Die Güte ist ein Maß einer elektrischen Qualität des induktiven

Bauelements. Infolge der sinkenden Güte kann es bei einer zunehmenden Miniaturisierung des induktiven Bauelements insbesondere bei einer hohen Wechselspannung, mit der das induktive Bauelement betrieben wird, zu einer unzulässig hohen Betriebstemperatur kommen.

Bei einem induktiven Bauelement in Form eines Großtransformators ist beispielsweise eine Kühlvorrichtung zum Kühlen der Drahtwicklung mit einem Kühlkreislauf realisiert, der mit Hilfe eines Fluids betrieben wird. Eine solche Lösung gibt es für ein miniaturisiertes induktives Bauelement nicht. Das miniaturisierte induktive Bauelement wird normalerweise in einer Umgebung mit Luft betrieben. Dies bedeutet, dass die Drahtwicklung des Bauelements allein durch Konvektion gekühlt wird, die durch die Umgebungsluft hervorgerufen wird. Diese Art der Kühlung ist aber unter Umständen nicht ausreichend, um die Betriebstemperatur so weit zu reduzieren, dass die Güte des induktiven Bauelements den Anforderungen genügt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein induktives Bauelement mit einer effizienten Kühlvorrichtung zum Kühlen der Drahtwicklung bereitzustellen.

Die Aufgabe wird durch ein induktives Bauelement zur Bildung eines magnetischen Kreises gelöst, das mindestens eine Drahtwicklung und mindestens eine Kühlvorrichtung zum Kühlen der Drahtwicklung aufweist. Das induktive Bauelement ist dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlvorrichtung mindestens einen Verbundwerkstoff mit mindestens einem Polymerwerkstoff und mindestens einem thermisch leitfähigen Füllstoff aufweist.

Der Verbundwerkstoff besteht vorzugsweise aus einem elektrisch isolierenden beziehungsweise elektrisch schlecht leitenden Polymerwerkstoff mit einem thermisch leitfähigen und elektrisch schlecht leitenden Füllstoff. Der

Polymerwerkstoff kann ein natürliches und/oder künstliches Polymer aufweisen. Das natürliche Polymer ist beispielsweise Kautschuk. Das künstliche Polymer ist ein Kunststoff.

Der Polymerwerkstoff bildet dabei als Basismaterial des Verbundwerkstoffes eine Matrix, in die der Füllstoff eingebettet ist. Dabei können mehrere Füllstoffe vorhanden sein. Der Füllstoff kann bzw. die Füllstoffe können pulverförmig oder faserförmig sein. Ein Durchmesser eines Füllstoffpartikels ist aus dem um-Bereich ausgewählt, der von 100 nm bis 100 um reicht. Ein Füllgrad des Füllstoffes im Polymerwerkstoff ist dabei vorzugsweise so gewählt, dass eine Koagulationsgrenze überschritten wird. Unterhalb der Koagulationsgrenze ist die Wahrscheinlichkeit dafür sehr gering, dass sich einzelne Füllstoffpartikel berühren. Dies führt zu einem relativ niedrigen spezifischen Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten. Wenn die Koagulationsgrenze überschritten wird, berühren sich die Füllstoffpartikel mit relativ großer Wahrscheinlichkeit. Daraus ergibt sich ein relativ hoher spezifischer Wärmeleitfähigkeitskoeffizient des Verbundwerkstoffs.

Der Füllstoff ist thermisch leitfähig und vorzugsweise auch elektrisch isolierend bzw. elektrisch schlecht leitend. Dies führt dazu, dass das induktive Bauelement auch mit einer relativ hohen Betriebsspannung betrieben werden kann.

Beispielsweise beträgt die Betriebsspannung bis zu 2000 V.

Der Verbundwerkstoff ist auch bei einer Betriebsspannung in dieser Größenordnung durchschlagsfest. Als thermisch leitfähiger und gleichzeitig elektrisch isolierender beziehungsweise elektrisch schlecht leitender Füllstoff eignet besonders ein keramischer Werkstoff. Ein keramischer Werkstoff mit den genannten Eigenschaften ist beispielsweise Aluminiumoxid (Al203).

Zu einem effizienten Abtransport von Wärme, die im Betrieb des induktiven Bauelements in der Drahtwicklung entsteht, ist

der Verbundwerkstoff der Kühlvorrichtung vorzugsweise direkt mit der Drahtwicklung verbunden. Ein Wärmetransport von der Drahtwicklung weg erfolgt durch Wärmeleitung.

In einer besonderen Ausgestaltung weist die Kühlvorrichtung mindestens eine Folie mit dem Verbundwerkstoff auf, die mit der Drahtwicklung in direktem, thermisch leitfähigen Kontakt steht. Die Folie und die Drahtwicklung sind derart verbunden, dass eine Wärmeleitung von der Drahtwicklung zur Folie hin stattfinden kann. Die Folie und die Drahtwicklung berühren sich einander. Eine Foliedicke (Folienstärke) der Folie beträgt beispielsweise 0,22 mm. In Abhängigkeit vom Verbundwerkstoff (Art des Polymerwerkstoffes, Art und Füllgrad des Füllstoffes, etc, ) ist dabei ein spezifischer Wärmeleitfähigkeitskoeffizient vom 0,15 K/Wm bis hin zu 6,5 K/Wm erreichbar. Die Spannungsfestigkeit kann trotz der relativ geringen Foliedicke dabei 1 kV bis 6 kV betragen.

Um eine effiziente Wärmeableitung durch die Kühlvorrichtung zu gewährleisten, wird insbesondere eine weiche Folie mit dem Verbundwerkstoff verwendet. Die Folie ist plastisch und/oder elastisch verformbar. Die Drahtwicklung kann näherungsweise formschlüssig in die Folie eingebettet sein. Eine thermische Kontaktfläche zwischen der Folie und der Drahtwicklung, über die die Wärmeleitung stattfindet, ist dabei besonders groß.

In einer besonderen Ausgestaltung weist die Kühlvorrichtung mindestens eine Vergussmasse auf, die mindestens einen weiteren Verbundwerkstoff mit mindestens einem weiteren Polymerwerkstoff und mindestens einem weiteren thermisch leitfähigen Füllstoff aufweist und die mit der Drahtwicklung und/oder der Folie in direktem, thermisch leitfähigen Kontakt steht. Der Verbundwerkstoff und der weitere Verbundwerkstoff können gleich oder verschieden sein. Gleiches gilt für einzelne Komponenten des Verbundwerkstoffs und des weiteren Verbundwerkstoffs. Die Drahtwicklung und/oder die Folie sind zum Teil oder ganz in die Vergussmasse mit dem weiteren

Verbundwerkstoff eingebettet. Da der weitere Verbundwerkstoff thermisch leitfähig ist und durch das Einbetten ein nahezu kompletter Formschluss zwischen Gussmasse und Drahtwicklung bzw. Folie vorliegt, kann die Wärme von der Drahtwicklung und der Folie über die Gussmasse sehr effizient abgeleitet werden. Durch die Verwendung der Vergussmasse kommt es darüber hinaus zu einer homogenen Temperaturverteilung innerhalb des induktiven Bauelements. Die Drahtwicklung des Bauelements wird homogen gekühlt. Dies trägt ebenfalls zu einer erhöhten Güte des induktiven Bauelements bei.

Sowohl bei der Folie als auch bei der Vergussmasse ist es möglich, dass zwischen Vergussmasse, Folie und Drahtwicklung Zwischenräume (Hohlräume) vorhanden sind, die mit Luft gefüllt sind und daher zu einer thermischen Isolierung der Vergussmasse, Folie und der Drahtwicklung voneinander beitragen. Eine effiziente Ableitung von Wärme ist aufgrund der Zwischenräume nicht möglich. In einer besonderen Ausgestaltung weist daher ein zwischen der Folie und der Drahtwicklung und/oder zwischen dem Verguss und der Drahtwicklung vorhandener Zwischenraum ein thermisch leitfähiges Material zur thermischen Überbrückung des Zwischenraums auf. Der Zwischenraum ist vorzugsweise vollständig mit dem thermisch leitfähigen Material ausgefüllt. Dies führt zu einer verbesserten Wärmeableitung von der Drahtwicklung weg. Vorzugsweise wird dazu ein thermisch leitfähiges Material verwendet, das zusätzlich elektrisch isolierend ist. Das thermisch leitfähige Material ist daher insbesondere aus der Gruppe Öl, Paste, Wachs und/oder Klebstoff ausgewählt. Mit diesen thermisch leitfähigen und gleichzeitig elektrisch isolierenden Materialien ist gewährleistet, dass auch bei Verwendung von hohen Betriebsspannungen eine dafür notwendige Spannungsfestigkeit gegeben ist.

Die Kühlvorrichtung des induktiven Bauelements ist derart ausgestaltet, dass die in der Drahtwicklung im Betrieb des

induktiven Bauelements entstehende Wärme effizient nach außen abgeführt werden kann. Dazu wird für einen Weitertransport der Wärme vom Verbundwerkstoff der Kühlvorrichtung weg gesorgt. Der Weitertransport der Wärme erfolgt beispielsweise durch Konvektion. Dazu wird an der Kühlvorrichtung mit dem Verbundwerkstoff ein Fluid vorbeigeleitet, das die Wärme aufnehmen kann. Das Fluid ist beispielsweise eine Flüssigkeit oder ein Gas bzw. Gasgemisch.

Vorzugsweise erfolgt der Weitertransport der Wärme durch Wärmeleitung. In einer besonderen Ausgestaltung ist daher bei dem induktiven Bauelement die Folie mit dem Verbundwerkstoff und/oder die Vergussmasse mit dem Verbundwerkstoff mit einer Wärmesenke durch eine Wärmeleitung thermisch leitend verbunden. Mit Hilfe der Wärmesenke wird dafür gesorgt, dass im Betrieb des induktiven Bauelements ein möglichst kleiner Temperaturunterschied zwischen der Drahtwicklung, der Kühlvorrichtung und der Wärmesenke vorhanden ist. Dazu ist Wärmesenke vorzugsweise derart ausgestaltet, dass sie eine große Wärmemenge aufnehmen kann. Die Wärmekapazität der Wärmesenke ist groß. Denkbar ist auch, dass bei der Wärmesenke für einen effizienten Abtransport der Wärme gesorgt ist. Die Wärmesenke ist beispielsweise ein Kühlkörper aus einem Material, das sich durch eine hohe thermische Leitfähigkeit auszeichnet. Zum Aufrechterhalten des Wärmegradienten kann der Kühlkörper kann durch Konvektion gekühlt werden.

Das induktive Bauelement ist vorzugsweise eine Drosselspule oder ein Transformator. Eine Drosselspule ist für Gleichstrom durchlässig. Dagegen wird Wechselstrom durch die Drosselspule begrenzt. Die Drosselspule weist für einen Strom hoher Frequenz einen hohen elektrischen Blindwiderstand auf. Der Transformator besteht aus mindestens zwei Drahtwicklungen. Es können aber auch mehr als zwei Drahtwicklungen zum Transformator angeordnet sein. Alternativ dazu besteht der

Transformator aus einer Drahtwicklung, die durch einen elektrischen Abgriff in zwei Teile unterteilt ist.

Das induktive Bauelement wird gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung in einem elektronischen Vorschaltgerät verwendet, bei dem eine elektrische Eingangsleistung in eine elektrische Ausgangsleistung umgewandelt wird. Eingangsleistung und Ausgangsleistung sind normalerweise unterschiedlich.

Insbesondere wird dabei das Bauelement mit einer Wechselspannung mit einer Frequenz aus dem Bereich von einschließlich 100 kHz bis einschließlich 200 MHz betrieben.

Dieser Frequenzbereich wird als Hochfrequenzbereich bezeichnet. Zur Anwendung in der Hochfrequenztechnik weist das induktive Bauelement insbesondere einen Kern mit einem ferromagnetischen Kernmaterial auf, das hochfrequenztauglich ist. Beispielsweise ist das Kernmaterial ein Ferrit in Form eines M33-Kernmaterials mit einer Grenzfrequenz von etwa 10 MHz. Dieses Kernmaterial weist Mangan und Zink auf. Ebenso ist ein Kl, K6 oder K12-Kernmaterial denkbar. Diese Kernmaterialien weisen Nickel und Zink auf. Das K6- Kernmaterial weist beispielsweise eine Grenzfrequenz von 7 MHz auf.

Im Hinblick auf die Hochfrequenzanwendung weist die Drahtwicklung vorteilhaft eine Hochfrequenzlitze mit einer Vielzahl von voneinander elektrisch isolierten Einzeldrähten auf. Eine Litze ist ein aus vielen Metallfäden (Einzeldrähten) gewundener oder geflochtener Draht. Bei einer Hochfrequenzlitze sind die Einzeldrähte gegeneinander isoliert, um Verluste durch Skineffekt und Wirbelströme zu reduzieren. Dadurch wird im Vergleich zu einer Litze mit nicht voneinander isolierten Einzeldrähten bei gleichem Querschnitt ein niedrigerer Hochfrequenzverlustwiderstand erzielt. Insbesondere weisen die Einzeldrähte zumindest einen aus dem Bereich von einschließlich 10 um bis einschließlich 50 um ausgewählten Einzeldrahtdurchmesser aus. Insbesondere ist die Vielzahl aus dem Bereich von einschließlich 10 bis

einschließlich 30 ausgewählt. Beispielsweise sind 10 und mehr Einzeldrähte zu einer Hochfrequenzlitze angeordnet. Damit lassen sich Drahtwicklungen mit einer relativ großen Oberfläche und damit mit einem relativ niedrigen Hochfrequenzverlustwiderstand bereitstellen.

In einer besonderen Ausgestaltung wird eine Wechselspannung von bis zu 2000 Volt verwendet. Es hat sich gezeigt, dass sich mit Hilfe der Spalte auch bei einigen hundert Volt mit einer Frequenz von einigen MHz eine hohe Güte erzielen lässt.

Dies führt dazu, dass das induktive Bauelement miniaturisiert werden kann und trotzdem ein hoher Leistungsdurchsatz bei hoher Güte und niedrigen inneren Verlusten erreicht werden kann. Das induktive Bauelement kann somit als ein miniaturisiertes HF-HV (Hochfrequenz-Hochvolt)-Bauelement bezeichnet werden.

Das induktive Bauelement kann auch in einem Zündtrafo zum Zünden einer Entladungslampe eingesetzt werden. Zum Zünden der Entladungslampe wird die Entladungslampe über eine elektrische Schaltung mit einer hohen Wechselspannung (Initialspannung) angesteuert. In einer weiteren Ausgestaltung wird daher ein Spannungspuls mit einer Wechselspannung von bis zu 40 kV verwendet. Das Bauelement wird mit dieser hohen Wechselspannung kurzzeitig innerhalb weniger um (Zünddauer) angesteuert.

Zusammenfassend verbindet sich mit der Erfindung folgende wesentlichen Vorteile : - Mit Hilfe der Kühlvorrichtung kann die in der Drahtwicklung im Betrieb des induktiven Bauelements entstehende Wärme effizient abgeleitet werden. Durch das effiziente Ableiten der Wärme kommt es zu einer relativ geringen Temperaturerhöhung der Drahtwicklung. Die geringe Temperaturerhöhung führt zu einer relativ geringen Erhöhung des elektrischen Widerstands in der

Drahtwicklung. Es resultiert eine im Vergleich zu einer ungekühlten Drahtwicklung erhöhte Güte des induktiven Bauelements.

- Durch die Verwendung der Vergussmasse kommt es darüber hinaus zu einer homogenen Temperaturverteilung innerhalb des induktiven Bauelements. Die Drahtwicklung des Bauelements wird homogen gekühlt. Dies trägt ebenfalls zu einer erhöhten Güte des induktiven Bauelements bei.

- Aufgrund der effizienten Kühlung kann ein miniaturisiertes induktives Bauelement mit hohem Leistungsdurchsatz auch bei Hochfrequenzanwendungen eingesetzt werden.

Anhand mehrerer Ausführungsbeispiele und der dazugehörigen Figuren wird die Erfindung im Weiteren näher erläutert. Die Figuren sind schematisch und stellen keine maßstabsgetreuen Abbildungen dar.

Figuren 1 bis 3 zeigen jeweils ein induktives Bauelement mit einer Kühlvorrichtung in einem seitlichen Querschnitt.

Figur 4 zeigt einen Ausschnitt eines induktiven Bauelements mit Kühlvorrichtung im seitlichen Querschnitt.

Figur 5 zeigt ein induktives Bauelement von der Seite.

Figuren 6a und 6b zeigen eine RM-Bauform des Kerns des induktiven Bauelements von oben und im Querschnitt entlang der Verbindungslinie I-I.

Das induktive Bauelement 1 ist ein HF-HV- (Hochfrequenz- Hochvolt) Transformator (Figur 5). Das Bauelement 1 weist eine Drahtwicklung 3 und einen Kern 4 auf. Die Drahtwicklung zeichnet sich durch eine Wicklungsachse 12 aus, entlang der der Draht der Drahtwicklung 3 gewickelt ist. Die

Drahtwicklung 3 ist eine Hochfrequenzlitze 14 mit 30 Einzeldrähten. Der Drahtdurchmesser eines Einzeldrahtes beträgt etwa 30 um. Der Kern 4 ist ein Ferritkern und besteht aus einem M33-Kernmaterial. Der Kern weist eine RM6-Kernform auf (Figuren 6a und 6b). Der Kern ist eine Kombination einer E-Kernform und einer Topf-Kernform mit einer mittigen Bohrung 15. Der Kern 4 weist einen kernmittigen Spalt 7 auf, der um die mittige Bohrung 15 im Innenbereich 10 der Drahtwicklung 3 angeordnet ist. Zwei weitere Spalte 8 sind im Außenbereich 11 der Drahtwicklung 3 in jeweils einem der Kernschenkel 6 des Kerns 4 angeordnet. Alle drei Spalte 7 und 8 sind Luftspalte.

Die Spaltweiten der Spalte 7 und 8 sind mit jeweils etwa 3 mm im Wesentlichen gleich.

Der Kern ist im Wesentlichen symmetrisch. Er besteht aus zwei zur Spiegelebene 13 spiegelsymmetrisch angeordneten Teilen 5, die an den Spalten 7 und 8 einander gegenüberliegend angeordnet und durch die Spaltweiten 9 voneinander beabstandet sind. Die Spiegelebene 13 befindet sich in den drei Spalten 7 und 8. Durch die Anordnung ist aber nicht nur der Kern 4, sondern auch die Drahtwicklung 3 im Wesentlichen symmetrisch angeordnet. Es resultiert ein induktives Bauelement, das im Wesentlichen zur Spiegelebene 13 symmetrisch ist.

Zum Erzielen einer relativ hohen Güte des HF-HV- Transformators wird die Drahtwicklung 3 gekühlt. Dazu ist eine Kühlvorrichtung 20 zum Kühlen der Drahtwicklung 3 vorhanden. Die Kühlvorrichtung 20 weist eine Folie 21 mit einem thermisch leitenden Verbundwerkstoff auf. Das Basismaterial des Verbundwerkstoffs ist ein thermisch und elektrisch schlecht leitender Polymerwerkstoff. In dem Polymerwerkstoff ist ein Füllstoff mit hoher thermischer und niedriger elektrischer Leitfähigkeit eingebettet. Die Folie 21 weist eine Foliendicke von etwa 0,22 mm auf. Der spezifische Wärmeleitfähigkeitskoeffizient X beträgt etwa 4

K/Wm. Die elektrische Spannungsfestigkeit reicht bis etwa 6 kV.

Die Hochfrequenzlitze 14 der Drahtwicklung 3 und die Folie 21 sind um einen an die RM6-Kernform angepassten Wickelkörper 30 gewickelt. Dabei sind die Folie 21 und die Drahtwicklung 3 derart um den Wickelkörper 30 angeordnet, dass sich die Hochfrequenzlitze 14 der Drahtwicklung 3 und die Folien 21 ausgehend vom Wickelkörper 30 in radialer Richtung abwechseln (Figuren 1 und 2). Die verwendete Folien 21 dient als Zwischenisolationsschicht der Hochfrequenzlitze 14 der Drahtwicklung 3. Es resultiert ein effizienter Wärmeleitpfad 24 von der Drahtwicklung 3 weg in der radialen. Richtung.

Entlang des Wärmeleitpfads 24 wird Wärme, die im Betrieb des induktiven Bauelements in der Hochfrequenzlitze 14 entsteht, effizient abgeleitet.

Gemäß einer dazu alternativen Ausführungsform sind die Hochfrequenzlitze 14 der Drahtwicklung 3 und mehrere Folien 21 jeweils für sich radial zum Wickelkörper 30 ausgerichtet (Figur 3). Es ist eine Vielkammerlösung realisiert, die auch als Scheibenwicklung bezeichnet wird. Auch hier ist für eine effiziente Ableitung der Wärme über den Wärmeleitpfad 24 gesorgt.

Zur weiteren Ableitung der Wärme ist das induktive Bauelement 1 bzw. die Kühlvorrichtung 20 des induktiven Bauelements 1 in eine Vergussmasse 22 mit einem weiteren thermisch leitfähigen Verbundwerkstoff eingebettet (Figuren 1 und 3). Die Vergussmasse 22 ist mit einem Teil der Drahtwicklung 3 thermisch leitend direkt kontaktiert. Dies bedeutet, dass über eine thermische Kontaktfläche zwischen der Hochfrequenzlizte 14 der Drahtwicklung 3 und der Folie 21 bzw. den Folien 21 die Wärme über Wärmeleitung abgeleitet werden kann. Zum effizienten Ableiten der Wärme ist die Vergussmasse 22 mit der Wärmsenke 25 über Wärmeleitung thermisch leitend verbunden. Die Wärmesenke 25 ist eine

Platine mit einem thermisch hochleitfähigen Material. Es resultiert im Betrieb des induktiven Bauelements eine relativ kleine Temperaturdifferenz zwischen der Drahtwicklung 3 und der Wärmesenke 25.

Alternativ zur Vergussmasse 22 erfolgt das weitere Ableiten der Wärme durch eine Ableitfinne 26 mit einem relativ hohen Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten (Figur 2). Über die Ableitfinne 26, die über eine Distanzkeramik 28 mit relativ hohem Wärmeleitkoeffizienten mit den Folien 21 verbunden ist, wird die Wärme von den Folien 21 bzw. der Drahtwicklung 3 in Richtung Wärmesenke 25 weitergeleitet.

Sowohl im Falle der Vergussmasse 22 als auch im Falle der Folie 21 können Zwischenräume 27 vorhanden sein, die die Effizienz verringern, mit der die Drahtwicklung 3 gekühlt wird (Figur 4). Diese Zwischenräume 27 werden gemäß einer weiteren Ausführungsform mit einer thermisch leitfähigen und elektrisch isolierenden beziehungsweise schlecht leitenden Paste gefüllt.