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DE102016201258A1 - Electric voltage converter with several storage chokes - Google Patents

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DE102016201258A1
DE102016201258A1 DE102016201258.4A DE102016201258A DE102016201258A1 DE 102016201258 A1 DE102016201258 A1 DE 102016201258A1 DE 102016201258 A DE102016201258 A DE 102016201258A DE 102016201258 A1 DE102016201258 A1 DE 102016201258A1
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DE
Germany
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core
voltage converter
storage
legs
chokes
Prior art date
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Application number
DE102016201258.4A
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German (de)
Inventor
Stefan Matlok
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Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
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Publication date
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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektrischen Spannungswandler mit mehreren Speicherdrosseln, die auf parallelen Schaltungszweigen zwischen einem ersten Anschluss und einem zweiten Anschluss des Spannungswandlers verschaltet sind. Wenigstens zwei der Speicherdrosseln verfügen über einen gemeinsamen Kernsatz, der für jede Speicherdrossel einen von Spulenwicklungen der Speicherdrossel umwickelten Kernschenkel und Rückführungen für die in den Kernschenkeln erzeugten magnetischen Flüsse mit einem geringeren magnetischen Widerstand als die Kernschenkel aufweist. Die Rückführungen sind dabei lediglich durch Außenbereiche des Kernsatzes gebildet und die Speicherdrosseln so ausgebildet und verschaltet, dass jeweils in benachbarten Kernschenkeln ein magnetischer Fluss mit entgegengesetzter Flussrichtung erzeugt wird. Bei dem vorgeschlagenen Spannungswandler beanspruchen die Speicherdrosseln einen geringeren Bauraum als unabhängig voneinander ausgebildete Speicherdrosseln und sind dennoch weitgehend voneinander entkoppelt. The present invention relates to an electrical voltage converter with a plurality of storage chokes, which are connected on parallel circuit branches between a first terminal and a second terminal of the voltage converter. At least two of the storage chokes have a common core set comprising, for each storage choke, core sheaths wrapped by coil windings of the storage choke, and returns for the magnetic fluxes in the core limbs having a lower magnetic resistance than the core limbs. The feedbacks are formed only by outer regions of the core set and the storage chokes are designed and interconnected so that in each case adjacent magnetic limbs, a magnetic flux is generated with opposite flow direction. In the proposed voltage converter, the storage chokes require less space than independently designed storage chokes and are still largely decoupled from each other.

Figure DE102016201258A1_0001
Figure DE102016201258A1_0001

Description

Technisches AnwendungsgebietTechnical application

Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektrischen Spannungswandler mit mehreren Speicherdrosseln gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. The present invention relates to an electrical voltage converter with a plurality of storage chokes according to the preamble of claim 1.

Elektrische Spannungswandler werden für viele technische Anwendungen eingesetzt, beispielsweise in elektrischen Schaltnetzteilen. Insbesondere bei Gleichspannungswandlern (DC/DC-Wandler) hoher Leistung sind mehrere parallele Schaltungs- bzw. Energiezweige (sog. Phasen) erforderlich, um die geforderte Leistung bereitzustellen. Jede Phase weist dabei eine Speicherdrossel auf, welche die pulsierende Halbbrückenspannung mit der Gleichspannung verbindet. Die Speicherdrosseln müssen Energie zwischenspeichern und benötigen dafür entsprechenden Bauraum. Electrical voltage transformers are used for many technical applications, for example in electrical switching power supplies. Particularly in the case of DC converters (DC / DC converters) of high power, several parallel circuit or energy branches (so-called phases) are required in order to provide the required power. Each phase in this case has a storage inductor, which connects the pulsating half-bridge voltage with the DC voltage. The storage chokes must buffer energy and require corresponding space.

Stand der TechnikState of the art

Zur Verringerung des Bauraums ist es bekannt, mehrere der Speicherdrosseln durch Nutzung eines gemeinsamen Kernsatzes zu verkoppeln. Durch diese Verkopplung beeinflussen sich die einzelnen Speicherdrosseln jedoch häufig, so dass die einzelnen Phasen des Spannungswandlers untereinander nicht mehr elektrisch eigenständig sind. Die transformatorischen Effekte müssen daher immer berücksichtigt werden und können zum Verlust der effektiven Induktivität oder der maximalen Sättigung führen. Weiterhin werden höhere Ansprüche an die Regelung des Spannungswandlers gestellt, da sich die Nachbarphasen gegenseitig beeinflussen. To reduce the installation space, it is known to couple several of the storage chokes by using a common core set. Due to this coupling, however, the individual storage chokes often influence one another so that the individual phases of the voltage converter are no longer electrically independent of one another. The transforming effects must therefore always be taken into account and may lead to the loss of the effective inductance or the maximum saturation. Furthermore, higher demands are placed on the control of the voltage converter, since the neighboring phases influence each other.

Aus der US 2015/0287512 A1 ist eine Spulenanordnung aus zwei Speicherdrosseln bekannt, die über einen gemeinsamen dreiteiligen Kernsatz verkoppelt sind. Der Kernsatz weist für jede Speicherdrossel einen von Spulenwicklungen der Speicherdrossel umwickelten Schenkel mit wenigstens einem Luftspalt auf. Die beiden umwickelten Schenkel bilden dabei die außenliegenden Schenkel des Kernsatzes, zwischen denen ein mittlerer Schenkel zur Rückführung der in den außenliegenden Schenkeln erzeugten magnetischen Flüsse angeordnet ist. Dieser mittlere Schenkel hat dabei einen geringeren Querschnitt als die beiden äußeren Schenkel. Dies führt zu einer kompakteren Bauweise und einer Gewichtsersparnis gegenüber einer Ausbildung mit zwei getrennten Speicherdrosseln. Auch die in diesem Falle unerwünschte magnetische Kopplung zwischen den beiden Speicherdrosseln wird durch diese Ausgestaltung stark reduziert. Allerdings ist diese Lösung nur für Anordnungen mit zwei Speicherdrosseln möglich und weist zudem keine gute Schirmwirkung auf, so dass externe Magnetfelder auftreten können. From the US 2015/0287512 A1 a coil arrangement of two storage chokes is known, which are coupled via a common three-piece core set. The core set has, for each storage choke, a leg wrapped by coil windings of the storage choke with at least one air gap. The two wrapped legs thereby form the outer legs of the core set, between which a middle leg is arranged for the return of the magnetic fluxes generated in the outer legs. This middle leg has a smaller cross-section than the two outer legs. This leads to a more compact design and a weight saving compared to a training with two separate storage chokes. Also in this case unwanted magnetic coupling between the two storage chokes is greatly reduced by this design. However, this solution is only possible for arrangements with two storage chokes and also has no good shielding effect, so that external magnetic fields can occur.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Spannungswandler mit mehreren Speicherdrosseln anzugeben, bei dem die Speicherdrosseln einen möglichst geringen Bauraum beanspruchen, gut magnetisch abgeschirmt und weitgehend voneinander entkoppelt sind. The object of the present invention is to provide a voltage converter with a plurality of storage chokes, in which the storage chokes take up the smallest possible space, are well magnetically shielded and largely decoupled from each other.

Darstellung der ErfindungPresentation of the invention

Die Aufgabe wird mit dem elektrischen Spannungswandler gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Spannungswandlers sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen entnehmen. The object is achieved with the electrical voltage converter according to claim 1. Advantageous embodiments of the voltage converter are the subject of the dependent claims or can be found in the following description and the embodiments.

Der vorgeschlagene elektrische Spannungswandler weist mehrere Speicherdrosseln auf, die auf parallelen Schaltungszweigen zwischen einem ersten Anschluss des Spannungswandlers und einem zweiten Anschluss des Spannungswandlers verschaltet sind. Die Speicherdrosseln verfügen über einen gemeinsamen Kernsatz, der für jede Speicherdrossel einen von Spulenwicklungen der Speicherdrossel umwickelten Kernschenkel und Rückführungen für die in den Kernschenkeln erzeugten magnetischen Flüsse zur Bildung magnetischer Kreise aufweist. Die Kernschenkel und die Rückführungen sind dabei so ausgebildet, dass die Rückführungen einen geringeren magnetischen Widerstand als die Kernschenkel aufweisen, vorzugsweise einen um einen Faktor von ≥ 10 geringeren magnetischen Widerstand. Das kann beispielsweise durch Materialien unterschiedlicher Permeabilität für die Kernschenkel und die Rückführungen erreicht werden. Vorzugsweise weisen die Kernschenkel jedoch einen oder mehrere Luftspalte auf, durch die deren magnetischer Widerstand deutlich erhöht wird. The proposed electric voltage converter has a plurality of storage chokes, which are connected on parallel circuit branches between a first terminal of the voltage converter and a second terminal of the voltage converter. The storage chokes have a common core set, which has for each storage choke a core legs wrapped by coil windings of the storage choke and feedback for the magnetic fluxes generated in the core limbs to form magnetic circuits. The core legs and the recirculations are designed such that the recirculations have a lower magnetic resistance than the core limbs, preferably a lower magnetic resistance by a factor of ≥ 10. This can be achieved for example by materials of different permeability for the core legs and the returns. Preferably, however, the core legs have one or more air gaps, through which their magnetic resistance is significantly increased.

Der vorgeschlagene Spannungswandler zeichnet sich dadurch aus, dass zum einen die Rückführungen lediglich durch Außenbereiche des Kernsatzes gebildet und andererseits die Spulenwicklungen der Speicherdrosseln so ausgebildet und verschaltet sind, dass beim Betrieb des Spannungswandlers jeweils in benachbarten Kernschenkeln ein magnetischer Fluss mit entgegengesetzter Flussrichtung erzeugt wird. Dies kann durch unterschiedlichen Wicklungssinn der Spulenwicklungen benachbarter Kernschenkel oder auch durch umgekehrte Anschlusspolung der Spulen jeweils benachbarter Kernschenkel erreicht werden. The proposed voltage converter is characterized in that, on the one hand, the feedbacks are formed only by outer regions of the core set and, on the other hand, the coil windings of the storage inductors are designed and interconnected so that a magnetic flux with opposite flow direction is generated during operation of the voltage converter in adjacent core legs. This can be achieved by different winding sense of the coil windings of adjacent core legs or by reversed terminal polarity of the coils respectively adjacent core legs.

Bei der vorgeschlagenen Ausbildung des Spannungswandlers wird ausgenutzt, dass bei vielen Spannungswandlern, insbesondere bei Gleichspannungswandlern, die Hauptstromrichtung durch die einzelnen Schaltungszweige identisch ist und die Ströme in den Schaltungszweigen ähnlich groß sind. Dadurch kompensieren sich bei der vorgeschlagenen Ausbildung des Kernsatzes mit den Speicherdrosseln die Magnetströme weitgehend. Restdifferenzen, die beispielsweise durch betriebsbedingte Stromwelligkeit (AC-Ripple) hervorgerufen werden, können über die äußeren Rückführungen fließen. Durch diese Rückführungen bleiben die Wicklungen der Speicherdrosseln daher weiterhin entkoppelt. Durch die vorgeschlagene Ausbildung und Verschaltung der Spulenwicklungen der Speicherdrosseln benachbarter Kernschenkel wird der magnetische Fluss in den Rückführungen deutlich reduziert, so dass auch deren Querschnitt entsprechend reduziert werden kann. Die Rückführungen werden lediglich durch Außenbereiche des Kernsatzes und somit durch außenliegende Kernschenkel gebildet. Es sind damit keine Rückführungen zwischen den einzelnen umwickelten Kernschenkeln bzw. den Speicherdrosseln mehr erforderlich, so dass die gesamte Anordnung einen kleineren Bauraum beansprucht. Durch den Verzicht auf innen liegende Rückführungen und den geringeren Bauraum werden auch Gewicht und Kosten eingespart. Die außen liegenden Rückführungen sorgen außerdem dafür, dass kein externes Magnetfeld auftritt. In the proposed design of the voltage converter is exploited that in many voltage converters, especially in DC-DC converters, the main current direction is identical by the individual circuit branches and the currents in the circuit branches are similar. This compensates for the proposed training of the core set with the storage chokes the magnetic currents largely. Residual differences caused, for example, by operational ripple (AC ripple) can flow across the external feedbacks. Due to these feedbacks, the windings of the storage chokes therefore remain decoupled. The proposed design and interconnection of the coil windings of the storage chokes adjacent core legs of the magnetic flux is significantly reduced in the feedback, so that their cross section can be reduced accordingly. The returns are formed only by outer areas of the core set and thus by outer core legs. There are therefore no repatriations between the individual wrapped core legs or the storage chokes longer required, so that the entire assembly takes up a smaller space. By eliminating internal recirculation and the smaller space and weight and cost savings. The external feedback also ensures that no external magnetic field occurs.

Der Kernsatz kann bei dem vorgeschlagenen Spannungswandler unterschiedliche Geometrien aufweisen. So können beispielsweise die umwickelten Kernschenkel in einer Reihe zwischen zwei oder mehr als zwei außen liegenden Rückführungsschenkeln angeordnet sein. Auch eine nicht lineare Anordnung der umwickelten Kernschenkel ist möglich. Die Kernschenkel sind jeweils beidseitig über das magnetisierbare Material des Kernsatzes mit den Rückführungen und – soweit vorhanden – mit den jeweils benachbarten Kernschenkeln verbunden. Der Kernsatz ist vorzugsweise zweiteilig ausgebildet. Besonders bevorzugt bilden die beiden Teile zwei gleichartige Hälften des Kernsatzes, die bei vertikaler Ausrichtung der Kernschenkel insbesondere die obere und die untere Hälfte des Kernsatzes darstellen.The core set may have different geometries in the proposed voltage converter. For example, the wrapped core legs may be arranged in a row between two or more than two outer return legs. A non-linear arrangement of the wrapped core legs is possible. The core legs are each connected on both sides via the magnetizable material of the core set with the returns and - where available - with the respective adjacent core legs. The core set is preferably formed in two parts. Particularly preferably, the two parts form two identical halves of the core set, which in particular represent the upper and the lower half of the core set when the core limbs are aligned vertically.

In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Summe der senkrecht zur magnetischen Flussrichtung gebildeten Querschnittflächen der Rückführungen kleiner als die Summe der senkrecht zur magnetischen Flussrichtung gebildeten Querschnitte der von den Spulenwicklungen umwickelten Kernschenkel. Damit lässt sich eine nahezu beliebige Reduzierung der Rückführungsquerschnitte erreichen.In a preferred embodiment, the sum of the cross-sectional areas of the recirculations formed perpendicular to the magnetic flux direction is smaller than the sum of the cross sections of the core legs wrapped by the coil windings that are perpendicular to the magnetic flux direction. This makes it possible to achieve almost any reduction in the return cross sections.

Besonders bevorzugt ist die Summe der senkrecht zur magnetischen Flussrichtung gebildeten Querschnitte der Rückführungen so groß wie der senkrecht zur magnetischen Flussrichtung gebildete Querschnitt eines einzelnen der von den Spulenwicklungen umwickelten Kernschenkels. Unter der gleichen Größe ist dabei ein Bereich zwischen einer exakten Übereinstimmung bis zu einer Abweichung von maximal 10% zu verstehen. Die Querschnitte der einzelnen von den Spulenwicklungen umwickelten Kernschenkel sind dabei zumindest annähernd gleich. Damit kann eine magnetische Sättigung des Kernmaterials in den Rückführungen vermieden werden.Particularly preferably, the sum of the cross sections of the recirculations formed perpendicular to the magnetic flow direction is as large as the cross section formed perpendicular to the magnetic flux direction of a single one of the core legs wrapped by the coil windings. Under the same size is to be understood a range between an exact match up to a maximum deviation of 10%. The cross sections of the individual core legs wrapped by the coil windings are at least approximately the same. Thus, magnetic saturation of the core material in the recirculations can be avoided.

Eine optimale Kompensation der Magnetflüsse wird bei dem vorgeschlagenen Spannungswandler bei einer geraden Anzahl von Speicherdrosseln auf einem gemeinsamen Kernsatz erreicht. An optimal compensation of the magnetic fluxes is achieved in the proposed voltage converter with an even number of storage chokes on a common core set.

Der vorgeschlagene Spannungswandler ist vorzugsweise als mehrphasiger Gleichspannungswandler ausgebildet, wobei jeder der Schaltungszweige einer Phase des Spannungswandlers entspricht. Durch den vorgeschlagenen Aufbau des Kernsatzes mit den Speicherdrosseln können das Volumen und somit auch das Gewicht und die Kosten des magnetischen Materials (Ferritmaterial oder andere magnetische Stoffe) reduziert werden. Im Falle von lediglich zwei Speicherdrosseln bzw. -phasen kann damit beispielsweise eine Einsparung des Ferritmaterials von ca. 16% erreicht werden. Bei mehr als zwei Phasen wird eine Einsparung von bis zu ca. 30% ohne systembedingte transformatorische Kopplung der Phasen erreicht. Es lassen sich damit mehrphasige Gleichspannungswandler (DC/DC Wandler) aller Leistungsklassen realisieren. Das gilt ebenfalls für sämtliche Buck- und Boostwandler sowie Vollbrücken und resonante Wandler, solange der Peak-zu-Peak AC-Anteil kleiner ist als der doppelte Wert des DC-Anteils. Beispiele für derartige Wandler sind Mehrphasenwandler auf PC- und Server-Mainboards, DC-Backbone Versorgungen in Telekommunikations- und Rechenzentren, Brennstoffzellen-Booster im stationären und mobilen Bereich, Traktionsnetzwandler im Automobilbereich oder Ankoppler von Supercaps. The proposed voltage converter is preferably designed as a multi-phase DC-DC converter, wherein each of the circuit branches corresponds to a phase of the voltage converter. The proposed structure of the core set with the storage chokes, the volume and thus the weight and cost of the magnetic material (ferrite material or other magnetic materials) can be reduced. In the case of only two storage chokes or phases can thus be achieved, for example, a saving of the ferrite material of about 16%. With more than two phases, a saving of up to approx. 30% is achieved without systemic transformer coupling of the phases. This makes it possible to realize multiphase DC-DC converters (DC / DC converters) of all power classes. This also applies to all buck and boost converters as well as full bridges and resonant converters as long as the peak-to-peak AC content is less than twice the DC content. Examples of such converters are multiphase converters on PC and server mainboards, DC backbone supplies in telecommunications and data centers, fuel cell boosters in the stationary and mobile sector, traction network converters in the automotive sector or couplers of supercaps.

Prinzipiell lässt sich der vorgeschlagene Spannungswandler auch als Wechselspannungs-Wandler (AC-Wandler) realisieren. Bei Wechselspannungswandlern ist die Ausprägung mit 3 Phasen besonders günstig, da sich die drei Sinusströme hier perfekt ergänzen. Die äußeren Rückführungen bzw. Außenschenkel entkoppeln dabei in genau gleicher Weise die Spulen und erlauben den Ausgleich der Schaltwelligkeit (Schaltripple).In principle, the proposed voltage converter can also be realized as an AC voltage converter (AC converter). In the case of AC voltage transformers, the characteristic of 3 phases is particularly favorable, since the three sinusoidal currents complement each other perfectly here. The outer feedback or outer leg decouple in exactly the same way the coils and allow the compensation of the switching ripple (Schaltripple).

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Der vorgeschlagene Spannungswandler wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals näher erläutert. Hierbei zeigen: The proposed voltage converter will be explained in more detail below with reference to embodiments in conjunction with the drawings. Hereby show:

1 ein Schaltbild eines mehrphasigen Gleichspannungswandlers; 1 a circuit diagram of a multi-phase DC-DC converter;

2 einen Querschnitt durch einen beispielhaften Aufbau zweier benachbarter Speicherdrosseln gemäß dem Stand der Technik; 2 a cross-section through an exemplary structure of two adjacent storage chokes according to the prior art;

3 einen Querschnitt durch einen beispielhaften Aufbau eines Kernsatzes mit zwei Speicherdrosseln gemäß der vorliegenden Erfindung; 3 a cross-section through an exemplary construction of a core set with two storage chokes according to the present invention;

4 einen Querschnitt durch einen beispielhaften Aufbau eines Kernsatzes mit einer größeren Anzahl N an Speicherdrosseln gemäß der vorliegenden Erfindung; und 4 a cross-section through an exemplary structure of a core set with a larger number N of storage chokes according to the present invention; and

5 eine schematische Darstellung eines unteren Teils eines weiteren beispielhaften Aufbaus eines Kernsatzes mit zwei Speicherdrosseln gemäß der vorliegenden Erfindung. 5 a schematic representation of a lower part of another exemplary construction of a core set with two storage chokes according to the present invention.

Wege zur Ausführung der ErfindungWays to carry out the invention

Im Folgenden wird anhand von 1 eine beispielhafte Schaltung für einen Gleichspannungswandler dargestellt, wie sie auch beim vorgeschlagenen Wandler eingesetzt werden kann. Der in 1 dargestellte Wandler hat mehrere parallele Energie- oder Schaltungszweige, sog. Phasen, die zwischen einem ersten Anschluss 1 und einem zweiten Anschluss 2 des Spannungswandlers verlaufen. In den einzelnen Schaltungszweigen ist jeweils eine Speicherdrossel 3 verschaltet, die der Zwischenspeicherung der Energie beim Betrieb des Spannungswandlers dient. Im vorliegenden Beispiel sind drei parallele Schaltungszweige mit entsprechenden Schaltern dargestellt, über die in bekannter Weise die Pulsbreite und damit der Wandlungsfaktor des Spannungswandlers eingestellt wird. The following is based on 1 an exemplary circuit for a DC-DC converter shown, as it can also be used in the proposed converter. The in 1 shown converter has a plurality of parallel energy or circuit branches, so-called. Phases, between a first terminal 1 and a second port 2 of the voltage converter. In the individual circuit branches each have a storage throttle 3 interconnected, which serves the intermediate storage of energy during operation of the voltage converter. In the present example, three parallel circuit branches are shown with corresponding switches, via the pulse width and thus the conversion factor of the voltage converter is set in a known manner.

Im vorliegenden Beispiel liegt am ersten Anschluss 1 die Highside-Eingangsspannung und am zweiten Anschluss 2 die Lowside-Ausgangsspannung an. Es handelt sich damit um einen Abwärtswandler. Der Wandler kann auch eine größere Anzahl N an Phasen bzw. Speicherdrosseln aufweisen, wie dies durch die Punkte in der Figur angedeutet ist. Durch den mehrphasigen Aufbau lässt sich zum einen die Restwelligkeit bei der Wandlung verringern und zum anderen auch eine größere elektrische Leistung am Ausgang bereitstellen. Die Speicherdrosseln benötigen für die Energiespeicherung Bauraum, der sich bei mehreren Speicherdrosseln entsprechend summiert. In this example, the first port is located 1 the highside input voltage and the second connection 2 the low side output voltage. It is a down-converter. The converter may also have a larger number N of phases or storage chokes, as indicated by the dots in the figure. Due to the multi-phase structure, on the one hand, the ripple during the conversion can be reduced and, on the other hand, a greater electrical output power can be provided. The storage chokes require space for energy storage, which adds up to several storage chokes.

2 zeigt hierzu beispielhaft im Querschnitt zwei nebeneinander angeordnete Speicherdrosseln 3, wie sie gemäß dem Stand der Technik ausgebildet sein können. Jede Speicherdrossel weist hierbei einen magnetisch leitfähigen Kernsatz 4 auf, der im vorliegenden Beispiel in E-Kern-Bauform zweiteilig ausgeführt ist. Der Kernsatz weist einen zentralen Kernschenkel 5 auf, der von den Spulenwicklungen 6 der Speicherdrossel 3 umwickelt ist. Beidseitig des zentralen Kernschenkels sind Rückführungen 7 für den im Kernschenkel 5 erzeugten magnetischen Fluss zur Bildung eines magnetischen Kreises ausgebildet. Der Kernschenkel 5 jeder Speicherdrossel 3 weist jeweils einen Luftspalt 8 auf, der in der 2 angedeutet ist. Bei einer Anordnung der beiden Speicherdrosseln 3 nebeneinander treten die in der Figur angedeuteten magnetischen Flüsse ϕ1 und ϕ2 auf und verteilen sich entsprechend auf die Rückführungen 7. Die Flussrichtung der magnetischen Flüsse ist in der Figur mit den Pfeilen angedeutet. 2 For this purpose, by way of example, shows in cross section two storage throttles arranged next to one another 3 , as they may be formed according to the prior art. Each storage choke here has a magnetically conductive core set 4 on, which in the present example in e-core design is made in two parts. The core set has a central core leg 5 on that of the coil windings 6 the storage throttle 3 is wrapped. On both sides of the central core leg are returns 7 for the core thigh 5 generated magnetic flux formed to form a magnetic circuit. The core thigh 5 each storage choke 3 each has an air gap 8th on that in the 2 is indicated. In an arrangement of the two storage chokes 3 next to each other, the magnetic fluxes φ1 and φ2 indicated in the figure occur and are distributed correspondingly to the returns 7 , The direction of flow of the magnetic fluxes is indicated in the figure by the arrows.

Zur Verringerung des Bauraums für die Speicherdrosseln wird bei dem Spannungswandler der Erfindung ein Aufbau der Speicherdrosseln mit einem gemeinsamen Kern, für jeweils zwei oder mehr Phasen, gewählt. Die Nutzung eines gemeinsamen Kerns führt zwar in der Regel zu einer Verkopplung der Speicherdrosseln, die jedoch durch den vorgeschlagenen Aufbau weitestgehend wieder kompensiert wird. Durch die erfindungsgemäße Ausbildung des Kernsatzes und die Ausbildung und Verschaltung der Spulenwicklungen der Speicherdrosseln wird erreicht, dass der größte Teil des magnetischen Flusses jeweils durch die Nachbarwindungen kompensiert wird und verbleibende Differenzmagnetfelder über außenliegende Rückführungen kurzgeschlossen werden. Auf innenliegende Rückführungen bzw. Schenkel zwischen den einzelnen Speicherdrosseln kann damit verzichtet werden. Dies führt zu einer Verringerung des Bauraumes für die Speicherdrosseln, zu einer Gewichts- und damit auch zu einer Kostenersparnis. In order to reduce the installation space for the storage chokes in the voltage converter of the invention, a structure of the storage chokes with a common core, for each two or more phases selected. Although the use of a common core usually leads to a coupling of the storage chokes, which is largely compensated by the proposed structure again. The inventive design of the core set and the formation and interconnection of the coil windings of the storage chokes is achieved that the largest part of the magnetic flux is compensated in each case by the adjacent turns and remaining differential magnetic fields are short-circuited via external feedback. On internal feedback or legs between the individual storage chokes can be dispensed with. This leads to a reduction of the installation space for the storage throttles, to a weight and thus also to a cost savings.

3 zeigt hierbei einen Querschnitt durch einen beispielhaften Aufbau gemäß der Erfindung, der in seiner Leistungsfähigkeit dem Aufbau der 2 identisch ist. In der Figur ist der zweiteilige Kernsatz 4 mit den beiden innen liegenden Kernschenkeln 5 zu erkennen, die jeweils einen Luftspalt 8 aufweisen und von den Spulenwicklungen 6 der jeweiligen Speicherdrossel 3 umwickelt sind. Im vorliegenden Beispiel sind die beiden innen liegenden Kernschenkel 5 jeweils gegensinnig umwickelt, so dass im linken Kernschenkel der Fluss ϕ1 nach oben und im rechten Kernschenkel der Fluss ϕ2 nach unten, also in entgegengesetzter Flussrichtung erzeugt wird. Verbleibende Differenzflüsse werden über die außen liegenden Rückführungen 7 kurzgeschlossen. Diese Rückführungen 7 sorgen dafür, dass die beiden Speicherdrosseln 3 weiterhin magnetisch entkoppelt sind und auch kein externes Magnetfeld auftritt. Durch die entgegengerichteten magnetischen Flüsse in den benachbarten innenliegenden Kernschenkeln 5 kann auf eine zwischenliegende Rückführung verzichtet werden. Aus der 3 ist deutlich ersichtlich, dass damit das Volumen der Anordnung von Speicherdrosseln gegenüber einer Ausgestaltung gemäß dem Stand der Technik, wie sie in 2 dargestellt ist, reduziert wird. 3 shows a cross section through an exemplary structure according to the invention, the performance in its construction of the 2 is identical. In the figure, the two-part core set 4 with the two inner core legs 5 to recognize, each an air gap 8th and from the coil windings 6 the respective storage throttle 3 are wrapped. In the present example, the two inner core legs 5 each wrapped in opposite directions, so that in the left core leg of the river φ1 upwards and in the right core leg of the flow φ2 down, that is generated in the opposite direction of flow. Remaining differential flows are via the external returns 7 shorted. These returns 7 make sure that the two storage chokes 3 continue to be magnetically decoupled and no external magnetic field occurs. By the opposing magnetic fluxes in the adjacent inner core legs 5 can be dispensed with an intermediate recycling. From the 3 is clearly seen that so that the volume of the arrangement of storage chokes against a Embodiment according to the prior art, as in 2 is shown reduced.

Ein derartiger Aufbau lässt sich auf eine beliebige Anzahl von Speicherdrosseln 3 ausdehnen. Dies ist in 4 schematisch dargestellt, in der eine Anzahl von N Speicherdrosseln 3 mit den entsprechenden Kernschenkeln 5 und Spulenwicklungen 6 und den außen liegenden Rückführungen 7 angedeutet ist. Such a construction can be based on any number of storage chokes 3 expand. This is in 4 schematically illustrated in which a number of N storage chokes 3 with the corresponding core thighs 5 and coil windings 6 and the external returns 7 is indicated.

Der Aufbau der Anordnung von Speicherdrosseln gemäß der vorliegenden Erfindung kann selbstverständlich auch in anderer Weise erfolgen. So zeigt 5 schematisch in einer nicht proportionsgerechten Darstellung eine weitere Möglichkeit für den Aufbau. In diesem Beispiel sind die untere Hälfte des Kernsatzes 4 für zwei Speicherdrosseln sowie eine Spulenwicklung 6 einer der Speicherdrosseln angedeutet. Der Kernsatz 4 weist dabei wiederum zwei innenliegende Kernschenkel 5 auf, die jeweils von einer Spulenwicklung 6 der entsprechenden Speicherdrossel umwickelt sind. Auch hier ist ein in diesem Beispiel nicht ersichtlicher Luftspalt in den innenliegenden Kernschenkeln 5 ausgebildet. Die Rückführungen 7 werden in diesem Beispiel durch sechs außenliegende Rückführungsschenkel gebildet. Die in der Figur erkennbaren Querschnittsflächen dieser Rückführungen 7 entsprechen in Summe vorzugsweise der Querschnittsfläche eines innenliegenden Kernschenkels 5. Selbstverständlich lässt sich ein derartiger Aufbau in analoger Weise auf mehr als zwei Speicherdrosseln erweitern. The structure of the arrangement of storage chokes according to the present invention can of course be done in other ways. So shows 5 schematically in a representation not proportional representation another possibility for the structure. In this example, the lower half of the core sentence 4 for two storage chokes and one coil winding 6 one of the storage chokes indicated. The core sentence 4 in turn has two inner core legs 5 on, each from a coil winding 6 the corresponding storage throttle are wrapped. Again, an air gap not apparent in this example is in the inner core legs 5 educated. The returns 7 are formed in this example by six outboard return legs. The recognizable in the figure cross-sectional areas of these returns 7 in sum, preferably correspond to the cross-sectional area of an inner core limb 5 , Of course, such a structure can be extended analogously to more than two storage chokes.

Mit dem vorgeschlagenen Aufbau und der entsprechenden Verschaltung der Speicherdrosseln lassen sich Bauraum, Gewicht und Kosten für die Speicherdrosseln ohne negativen Einfluss einer Verkopplung reduzieren. Der Kopplungsfaktor kann bei einer derartigen Ausgestaltung zumindest theoretisch auf Null reduziert werden. Sämtliche Auslegungen, Induktivität und Sättigung können dabei im Vergleich zu einer getrennten Ausbildung der Speicherdrosseln identisch bleiben. Bereits durchgeführte Simulationen zeigen den vernachlässigbaren gegenseitigen Einfluss der Speicherdrosseln. Es konnte auch bereits mit Simulationen nachgewiesen werden, dass die Speicherdrosseln gegenüber einer getrennten Ausführung ihre Induktivität nicht verändern und elektromagnetisch unabhängig bleiben. With the proposed structure and the corresponding interconnection of the storage chokes, space, weight and costs for the storage chokes can be reduced without negative influence of coupling. The coupling factor can be at least theoretically reduced to zero in such an embodiment. All interpretations, inductance and saturation can remain identical in comparison to a separate design of the storage chokes. Already performed simulations show the negligible mutual influence of the storage chokes. It has also been demonstrated by simulations that the storage chokes do not change their inductance compared to a separate version and remain electromagnetically independent.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Eingang des Spannungswandlers Input of the voltage converter
22
Ausgang des Spannungswandlers Output of the voltage transformer
33
Speicherdrossel Power inductor
44
Kern core
55
Kernschenkel core leg
66
Spulenwicklungen coil windings
77
Rückführung return
88th
Luftspalt air gap

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • US 2015/0287512 A1 [0004] US 2015/0287512 A1 [0004]

Claims (10)

Elektrischer Spannungswandler mit mehreren Speicherdrosseln (3), die auf parallelen Schaltungszweigen zwischen einem ersten Anschluss (1) des Spannungswandlers und einem zweiten Anschluss (2) des Spannungswandlers verschaltet sind, wobei wenigstens zwei der Speicherdrosseln (3) über einen gemeinsamen Kernsatz (4) verfügen, der – für jede Speicherdrossel (3) einen von Spulenwicklungen (6) der Speicherdrossel (3) umwickelten Kernschenkel (5) und – Rückführungen (7) für die in den Kernschenkeln (5) erzeugten magnetischen Flüsse zur Bildung magnetischer Kreise aufweist, wobei die Rückführungen (7) einen geringeren magnetischen Widerstand als die Kernschenkel (5) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückführungen (7) lediglich durch Außenbereiche des Kernsatzes (4) gebildet und die Spulenwicklungen (6) der Speicherdrosseln (3) so ausgebildet und verschaltet sind, dass jeweils in benachbarten Kernschenkeln (5) ein magnetischer Fluss mit entgegengesetzter Flussrichtung erzeugt wird.Electric voltage converter with several storage chokes ( 3 ), which are connected on parallel circuit branches between a first connection ( 1 ) of the voltage converter and a second terminal ( 2 ) of the voltage converter, wherein at least two of the storage chokes ( 3 ) via a common core sentence ( 4 ), which - for each storage choke ( 3 ) one of coil windings ( 6 ) of the storage throttle ( 3 ) wrapped core legs ( 5 ) and - returns ( 7 ) for those in the core thighs ( 5 ) generated magnetic fluxes to form magnetic circuits, the feedback ( 7 ) has a lower magnetic resistance than the core legs ( 5 ), characterized in that the returns ( 7 ) only by outside areas of the core set ( 4 ) and the coil windings ( 6 ) of the storage throttles ( 3 ) are formed and connected in such a way that in each adjacent core legs ( 5 ) generates a magnetic flux with opposite flow direction. Elektrischer Spannungswandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die von den Spulenwicklungen (6) umwickelten Kernschenkel (5) wenigstens einen Luftspalt (8) aufweisen. Electrical voltage transformer according to claim 1, characterized in that the of the coil windings ( 6 ) wrapped core legs ( 5 ) at least one air gap ( 8th ) exhibit. Elektrischer Spannungswandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungswandler eine gerade Anzahl an Speicherdrosseln (3) aufweist. Electrical voltage converter according to claim 1 or 2, characterized in that the voltage converter an even number of storage chokes ( 3 ) having. Elektrischer Spannungswandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Summe der senkrecht zur magnetischen Flussrichtung gebildeten Querschnitte der Rückführungen (7) so groß wie ein senkrecht zur magnetischen Flussrichtung gebildeter Querschnitt eines von den Spulenwicklungen (6) umwickelten Kernschenkels (5) ist.Electrical voltage transformer according to one of Claims 1 to 3, characterized in that a sum of the cross sections of the return paths (90) formed perpendicular to the magnetic flux direction ( 7 ) as large as a perpendicular to the magnetic flux formed cross-section of one of the coil windings ( 6 ) wrapped core leg ( 5 ). Elektrischer Spannungswandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Summe der senkrecht zur magnetischen Flussrichtung gebildeten Querschnitte der von den Spulenwicklungen (6) umwickelten Kernschenkel (5) größer einer Summe der senkrecht zur magnetischen Flussrichtung gebildeten Querschnitte der Rückführungen (7) ist.Electrical voltage transformer according to one of claims 1 to 3, characterized in that a sum of the cross sections formed perpendicular to the magnetic flux direction of the coil windings ( 6 ) wrapped core legs ( 5 ) greater than a sum of the cross sections of the recirculations formed perpendicular to the magnetic flow direction ( 7 ). Elektrischer Spannungswandler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kernsatz (4) zwei außenliegende Schenkel als Rückführungen (7) aufweist, zwischen denen die mit den Spulenwicklungen (6) umwickelten Kernschenkel (5) in Reihe angeordnet sind. Electrical voltage transformer according to one of Claims 1 to 5, characterized in that the core set ( 4 ) two outer legs as returns ( 7 ), between which with the coil windings ( 6 ) wrapped core legs ( 5 ) are arranged in series. Elektrischer Spannungswandler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kernsatz (4) mehr als zwei außenliegende Schenkel als Rückführungen (7) aufweist, zwischen denen die mit den Spulenwicklungen (6) umwickelten Kernschenkel (5) in Reihe angeordnet sind.Electrical voltage transformer according to one of Claims 1 to 5, characterized in that the core set ( 4 ) more than two outer legs as returns ( 7 ), between which with the coil windings ( 6 ) wrapped core legs ( 5 ) are arranged in series. Elektrischer Spannungswandler nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungswandler als mehrphasiger Gleichspannungswandler ausgebildet ist, wobei jeder der Schaltungszweige einer Phase des Spannungswandlers entspricht.Electrical voltage converter according to one of claims 1 to 7, characterized in that the voltage converter is designed as a multi-phase DC-DC converter, wherein each of the circuit branches corresponds to a phase of the voltage converter. Elektrischer Spannungswandler nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungswandler als dreiphasiger Wechselspannungswandler ausgebildet ist, wobei jeder der Schaltungszweige einer Phase des Spannungswandlers entspricht und alle Speicherdrosseln (3) über den gemeinsamen Kernsatz (4) verfügen.Electrical voltage converter according to one of claims 1 to 7, characterized in that the voltage converter is designed as a three-phase AC voltage converter, wherein each of the circuit branches corresponds to a phase of the voltage converter and all storage chokes ( 3 ) on the common core sentence ( 4 ) feature. Elektrischer Spannungswandler nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Kernsatz (4) als zweiteiliger Kernsatz ausgebildet ist.Electrical voltage transformer according to one of Claims 1 to 9, characterized in that the core set ( 4 ) is designed as a two-part core sentence.
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