DE102016201258A1 - Electric voltage converter with several storage chokes - Google Patents
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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.
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
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
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
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:
Wege zur Ausführung der ErfindungWays to carry out the invention
Im Folgenden wird anhand von
Im vorliegenden Beispiel liegt am ersten Anschluss
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.
Ein derartiger Aufbau lässt sich auf eine beliebige Anzahl von Speicherdrosseln
Der Aufbau der Anordnung von Speicherdrosseln gemäß der vorliegenden Erfindung kann selbstverständlich auch in anderer Weise erfolgen. So zeigt
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
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