Planartransformator: dickes Kupfer oder mehr Lagen?

Ein Planartransformator trägt seine Wicklung als Kupferlagen der Leiterplatte. Die Wicklung ist Artwork: jede Windung liegt auf den Mikrometer genau da, wo das CAD sie zeichnet. Streuinduktivität, Kopplung und Wicklungswiderstand sind damit reproduzierbar wie die Leiterplatte selbst, nicht wie eine Handwicklung.

Die zentrale Auslegungsfrage ist der Kupferquerschnitt. Der Strom braucht Fläche, und Fläche gibt es auf zwei Wegen: dickere Kupferfolien oder mehr Lagen parallel. Beide Wege liefern denselben DC-Widerstand. In der Fertigung und im AC-Verhalten unterscheiden sie sich deutlich.

Die Versuchung: dickes Kupfer

Der DC-Widerstand einer Lage fällt linear mit der Kupferdicke. Wer 4 oz oder 6 oz bestellt, halbiert oder drittelt den Verlust auf dem Papier. Dagegen stehen vier Effekte:

• Ätzgrenzen. Der Ätzprozess trägt seitlich ab, während er in die Tiefe arbeitet. Je dicker die Folie, desto breiter werden minimale Stege und Abstände. Bei 6 oz sind Strukturen unter einem halben Millimeter kaum noch sauber zu fertigen. Die Abstände fressen genau die Fensterbreite, die der Querschnitt gewinnen sollte.
• Verpressung. Dicke Kupferlagen muss das Prepreg vollständig füllen. Das verlangt mehr Harz, spezielle Prepreg-Typen und weitet die Dickentoleranz der fertigen Platte. Bei einem Transformator ist die Dickentoleranz direkt eine Toleranz im Wickelfenster und im Isolationsaufbau.
• Lieferantenpool. 2 oz liegt in jedem Katalog-Stackup. 3 oz können viele, 4 bis 6 oz wenige. Jedes zusätzliche oz verkleinert den Kreis der Fertiger, verlängert die Lieferzeit und hebt den Preis, und zwar für jede Platte der Serie, nicht nur für den Prototyp.
• AC-Nutzen fehlt. Die Skin-Tiefe in Kupfer beträgt bei 250 kHz rund 0.15 mm. Eine 2-oz-Folie (70 µm) liegt darunter und leitet auf ganzer Dicke. Eine 6-oz-Folie (210 µm) liegt darüber: der Wechselstrom nutzt die Mitte der Folie nicht mehr. Der Proximity-Verlust steigt nach Dowell mit dem Verhältnis von Foliendicke zu Skin-Tiefe. Dickes Kupfer kann bei AC mehr verlieren als dünnes.

Dickes Kupfer kauft also DC-Querschnitt und bezahlt mit Fensterbreite, Toleranz, Lieferantenpool und AC-Verlust.

Die Alternative: Lagen parallel

Derselbe Querschnitt entsteht aus mehreren Standardlagen parallel. Vier Lagen 2 oz tragen so viel wie eine Lage 8 oz, bleiben aber einzeln unter der Skin-Tiefe und im Katalog-Stackup. Der Fertiger presst einen Aufbau, den er täglich fertigt, mit bekannter Toleranz und bekanntem Preis.

Parallele Lagen haben eine eigene Falle: Kreisströme. Zwei parallele Lagen an unterschiedlichen Positionen im Wicklungsstapel sehen unterschiedliche magnetische Feldstärke. Die Differenz treibt einen Kreisstrom durch das Lagenpaar, der Verlust erzeugt, ohne Last zu tragen. Dieser Effekt steht in keinem einfachen Dowell-Modell. Die Gegenmittel:

• Verschachteln. Primär- und Sekundärlagen abwechseln. Die Verschachtelung halbiert die Feldspitzen im Stapel und nimmt den Kreisströmen den Antrieb.
• Spiegelpositionen. Parallele Lagen an magnetisch gleichwertige Positionen legen, symmetrisch zur Stapelmitte. Gleiches Feld, kein Kreisstrom.
• Nachrechnen. Den AC-Faktor der realen Anordnung mit einem Feldlöser prüfen, nicht nur mit Dowell. Ein pauschaler Faktor von 1.5 auf den DC-Widerstand ist für verschachtelte Aufbauten ein belastbarer Startwert.

Stromdichte: Folien dürfen mehr

Die klassische Regel von 3 bis 6 A/mm² stammt vom drahtgewickelten Transformator. Dort sitzt der innere Draht in einem Wärmestau aus Lack und Wickellagen. Eine Planarfolie leitet ihre Wärme über wenige Mikrometer Harz in die Nachbarlagen und seitlich durch ununterbrochenes Kupfer in Kern und Kühlkörper.

Der ehrliche Massstab ist die Verlustflächendichte p = J² × ρ × t. Eine 61 µm Innenlage bei 12 A/mm² erzeugt rund 0.02 W/cm². Ein kompletter Stapel bleibt damit im Bereich von 0.1 bis 0.25 W/cm², was ein geklebter Kern mit Wärmepfad ohne Zwangsbelüftung abführt. 12 A/mm² sind für Planarfolien ein tragfähiges Limit; Dauerbetriebspunkte legt man auf etwa 70 Prozent davon, weil der Verlust mit dem Quadrat der Stromdichte steigt.

Beispiel: 400 W auf 8 Lagen

Eine 400 W Vollbrücke bei 250 kHz, Übersetzung 1:2, zeigt den Weg. Die Wicklung liegt auf einem 1.6 mm Katalog-Stackup mit 2 oz aussen und innen (70 µm / 61 µm). Jede Lage ist ein geschlossener Ring um den Mittelschenkel, volle Fensterbreite, geöffnet durch einen einzigen radialen Schlitz von 0.5 mm. Der Lagenplan:

• Aufbau I O O I | I O O I. Vier Primärlagen (I) mit je einer Windung parallel. Vier Sekundärlagen (O) als zwei Serienpaare, parallel geschaltet. Die Verschachtelung hält die Feldspitzen tief, die O-Lagen sitzen auf Spiegelpositionen und bleiben frei von Kreisströmen.
• Isolation aus dem Aufbau. Jeder Übergang zwischen I und O fällt auf ein dreilagiges Prepreg-Paket von mindestens 0.2 mm. Die Isolationsbarriere entsteht durch den Stackup selbst, ohne Zusatzfolie und ohne Sonderprozess.
• Zahlen. Im Nennpunkt liegt die höchste Stromdichte bei 6.6 A/mm², gut die Hälfte des Limits. Der Kupferverlust beträgt 1.5 W bei 400 W Ausgangsleistung. Ein 30 Sekunden Eckfall mit 32 A auf der Primärwicklung hebt ihn auf 2.2 W; das trägt die Wärmekapazität von Kupfer und Kern.

Kein Sonderkupfer, kein Sonder-Stackup, kein exotischer Fertiger. Die Leiterplatte ist Katalogware, und der Transformator erreicht seine Werte trotzdem, weil Verschachtelung und Lagenzahl die Arbeit machen.

Wann dickes Kupfer doch

Dickes Kupfer hat seinen Platz, wenn eine Wicklung das Stromdichtelimit berührt und Lagenzahl wie Plattendicke ausgereizt sind. Dann gilt: Kupfer gezielt kaufen, nicht flächig. Ein Schritt auf 3 oz nur auf den Aussenlagen trägt eine Auslegung oft eine ganze Leistungsklasse weiter und kostet deutlich weniger Lieferantenpool als ein durchgehend dicker Aufbau. Vorher lohnt die Frage an den Fertiger, welche Kupferdicken und Lagenzahlen sein Prozess im Katalog trägt.

Lehre

Der Querschnitt eines Planartransformators wird in Lagen gebaut, nicht in Foliendicke. Standard-Kupfer im Katalog-Stackup hält die Fertigung breit, den Preis stabil und die AC-Verluste klein. Verschachtelung und Spiegelpositionen machen parallele Lagen verlustarm, und die Verlustflächendichte ersetzt die alte Drahtregel als Massstab. Dickes Kupfer bleibt das letzte Werkzeug, eingesetzt nur auf den Lagen, die es brauchen.

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