DE112023000757T5 - Integrated magnetic device - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft eine integrierte magnetische Vorrichtung (10) mit mindestens drei Spulen (11, 12, 13), die jeweils aus mindestens einer Wicklung (111, 112, 113, 111', 112', 113') um einen Ferritstab (121, 122, 123) herum gebildet sind, wobei die Spulen (11, 12, 13) so angeordnet sind, dass sie ein gleichseitiges Dreieck bilden, wobei die Vorrichtung ein Mittelelement (20) aus Ferrit aufweist, das zwischen den drei Spulen (11, 12, 13) angeordnet ist. The present invention relates to an integrated magnetic device (10) comprising at least three coils (11, 12, 13), each formed by at least one winding (111, 112, 113, 111', 112', 113') around a ferrite rod (121, 122, 123), the coils (11, 12, 13) being arranged to form an equilateral triangle, the device comprising a central element (20) made of ferrite arranged between the three coils (11, 12, 13).
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine integrierte magnetische Vorrichtung und insbesondere eine integrierte magnetische Vorrichtung, auch Transformator genannt, für einen Drehstrom-Resonanzwandler.The present invention relates to an integrated magnetic device and in particular to an integrated magnetic device, also called transformer, for a three-phase resonant converter.
Die Erfindung findet insbesondere Anwendung auf dem Gebiet der Hochspannungssysteme mit Spannungen von mehr als 60 V, z.B. mehr als 300 V, z.B. 800 V.The invention finds particular application in the field of high-voltage systems with voltages of more than 60 V, e.g. more than 300 V, e.g. 800 V.
Bei den Drehstrom-Resonanzwandlern handelt es sich um elektronische Schaltungen, die manchmal Transformatoren aufweisen.Three-phase resonant converters are electronic circuits that sometimes contain transformers.
Aufgrund ihres hohen Wirkungsgrads, ihres breiten Spannungsbereichs, ihrer geringen Stromwelligkeit und ihrer hohen Leistungsfähigkeit werden sie beispielsweise häufig bei Batterieladeanwendungen verwendet.Due to their high efficiency, wide voltage range, low current ripple and high power, they are often used in battery charging applications, for example.
Die magnetischen Bauteile, wie etwa die Transformatoren, die in den Wandlern integriert sind, sind somit von hoher Bedeutung für die Leistungen der Wandler, da sie deren Stärke definieren.The magnetic components, such as the transformers, which are integrated into the converters, are therefore of great importance for the performance of the converters, as they define their strength.
Es sind bereits Drehstrom-Transformatoren bekannt, die drei Spulen umfassen, die durch eine Wicklung um einen Stab oder einen Kern aus Ferrit herum gebildet und in einem Aluminiumgehäuse in ein und derselben Ebene angeordnet sind. Dieser Transformatortyp hat mehrere Nachteile, die seine Leistungen begrenzen. Bei diesen Nachteilen handelt es sich um starke Induktivitätseinbrüche, wenn der Transformator im Aluminiumgehäuse angeordnet ist, um unausgeglichene Ströme, um eine ungleichmäßige Resonanzfrequenz und um hohe Verluste im Aluminiumgehäuse.Three-phase transformers are already known, comprising three coils formed by a winding around a ferrite rod or core and arranged in the same plane in an aluminum casing. This type of transformer has several disadvantages that limit its performance. These disadvantages include a large drop in inductance when the transformer is arranged in the aluminum casing, unbalanced currents, an uneven resonance frequency and high losses in the aluminum casing.
Es gibt Lösungen, mit denen versucht wird, diese Transformatoren zu verbessern.There are solutions that try to improve these transformers.
Das Patent
Das Patent
Der Gegenstand der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, einen oder mehrere Nachteile der Vorrichtungen aus dem Stand der Technik zu beseitigen, indem eine integrierte magnetische Vorrichtung vorgeschlagen wird, die dazu ausgebildet ist, den Abfall des Werts der Induktivitäten im Aluminiumgehäuse, unausgeglichene Ströme und eine ungleichmäßige Resonanzfrequenz sowie hohe Verluste im Aluminiumgehäuse zu begrenzen. Diese integrierte magnetische Vorrichtung bildet beispielsweise einen Drehstrom-Transformator.The object of the present invention is therefore to eliminate one or more disadvantages of the prior art devices by proposing an integrated magnetic device designed to limit the drop in the value of the inductances in the aluminum housing, unbalanced currents and an uneven resonance frequency, as well as high losses in the aluminum housing. This integrated magnetic device forms, for example, a three-phase transformer.
Dazu schlägt die vorliegende Erfindung eine integrierte magnetische Vorrichtung mit mindestens drei Spulen vor, die jeweils aus mindestens einer Wicklung um einen Ferritstab herum gebildet sind, wobei die Spulen so angeordnet sind, dass sie ein gleichseitiges Dreieck bilden, wobei die Vorrichtung ein Mittelelement aus Ferrit aufweist, das zwischen den drei Spulen angeordnet ist.To this end, the present invention proposes an integrated magnetic device comprising at least three coils, each formed by at least one winding around a ferrite rod, the coils being arranged to form an equilateral triangle, the device comprising a central element made of ferrite arranged between the three coils.
Dieses Mittelelement mit einem Schenkel ermöglicht einen kontinuierlichen Fluss mit geringen Ferritverlusten.This single-leg center element allows for continuous flow with low ferrite losses.
Es ist möglich, dass dieses Mittelelement mit einem Schenkel keine um dieses herum angeordnete Wicklung aufweist.It is possible that this central element with one leg does not have a winding arranged around it.
Jeder Stab kann in einer zu seiner Längsachse senkrechten Ebene einen Querschnitt haben, der die gleiche Form hat wie derjenige der anderen Stäbe und sich von demjenigen des Mittelelements in dieser Ebene unterscheidet. Der Querschnitt der Stäbe ist z.B. kreisförmig und derjenige des Mittelelements nicht kreisförmig. In der zu ihrer Längsachse senkrechten Ebene haben die Stäbe beispielsweise exakt die gleiche Form. In diesem Fall haben alle Stäbe einen Querschnitt in Form eines Kreises mit dem gleichen Radius.Each bar can have, in a plane perpendicular to its longitudinal axis, a cross-section that has the same shape as the other bars and is different from that of the central element in that plane. For example, the cross-section of the bars is circular and that of the central element is not circular. For example, in the plane perpendicular to their longitudinal axis, the bars have exactly the same shape. In this case, all the bars have a cross-section in the shape of a circle with the same radius.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung hat das Mittelelement eine Höhe H, die der Höhe h einer Spule entspricht.According to one embodiment of the invention, the central element has a height H which corresponds to the height h of a coil.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weisen die drei Stäbe jeweils mindestens einen Luftspalt auf.According to one embodiment of the invention, the three bars each have at least one air gap.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist das Element aus Ferrit keinen Luftspalt auf.According to one embodiment of the invention, the ferrite element has no air gap.
Da der Mittelabschnitt keinen Luftspalt aufweist, sind die Phasen entkoppelt, was bedeutet, dass der durch eine Phase erzeugte Fluss nicht durch die anderen Phasen gekoppelt ist.Since the center section has no air gap, the phases are decoupled, meaning that the flux generated by one phase is not coupled by the other phases.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist das Element aus Ferrit einen säulenförmigen Mittelabschnitt auf, ausgehend von dem sich drei Schenkel erstrecken.According to one embodiment of the invention, the ferrite element has a columnar central portion from which three legs extend.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die Form der Schenkel so angepasst, dass sie sich zwischen den Spulen einfügt. In einer zu den Längsachsen der Stäbe senkrechten Ebene kann jeder Stab eine Abmessung haben, die in einer Richtung weg von dem Mittelabschnitt zunächst abnimmt und dann bis zum Ende dieses Schenkels zunimmt.According to an embodiment of the invention, the shape of the legs is adapted to fit between the coils. In a plane perpendicular to the longitudinal axes of the rods, each rod can have a dimension which initially decreases in a direction away from the central portion and then increases towards the end of that leg.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist das Ende jedes Schenkels flach.According to one embodiment of the invention, the end of each leg is flat.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist ein zweites, dreieckiges Element aus Ferrit auf der Oberseite des Mittelelements aus Ferrit angeordnet. In einer Variante kann ein Abschnitt jedes Stabs mit dem entsprechenden Abschnitt der anderen Stäbe einteilig ausgebildet sein, und dieses Teil kann den oberen Abschnitt der integrierten magnetischen Vorrichtung bilden.According to an embodiment of the invention, a second triangular ferrite element is arranged on top of the central ferrite element. In a variant, a portion of each bar may be formed integrally with the corresponding portion of the other bars, and this part may form the upper portion of the integrated magnetic device.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist ein drittes, dreieckiges Element aus Ferrit auf der Unterseite des Mittelelements aus Ferrit angeordnet. In einer Variante können das Mittelelement und ein Abschnitt jedes Stabs einteilig ausgebildet sein und den unteren Abschnitt der integrierten magnetischen Vorrichtung bilden.According to an embodiment of the invention, a third triangular ferrite element is arranged on the underside of the central ferrite element. In a variant, the central element and a portion of each rod can be formed in one piece and form the lower portion of the integrated magnetic device.
Die Erfindung betrifft auch die Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einem Kraftfahrzeug, insbesondere zur Stromversorgung einer Einheit zum Speichern von elektrischer Energie eines Fahrzeugs. Die Einheit zum Speichern von elektrischer Energie ist z.B. eine Batterie, die eine Nennspannung entsprechend den oben genannten Werten haben kann.The invention also relates to the use of the device according to the invention in a motor vehicle, in particular for supplying power to a unit for storing electrical energy in a vehicle. The unit for storing electrical energy is, for example, a battery, which can have a nominal voltage corresponding to the values mentioned above.
Beim Lesen der Beschreibung, die nachfolgend mit Bezug auf die beigefügten, beispielhaften Figuren gegeben ist, werden weitere Ziele, Merkmale und Vorteile besser verstanden und deutlicher. In den Figuren zeigen:
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1 die Leistungsauslegung eines CLLLC-Wandlers, - -
2 eine schematische Darstellung einer Draufsicht der integrierten magnetischen Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, - -
3 eine schematische Darstellung einer Draufsicht des Mittelelements der integrierten magnetischen Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, - -
4 eine Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Aluminiumgehäuse, - -
5 ein Schaubild des Magnetkreises der Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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1 the performance design of a CLLLC converter, - -
2 a schematic representation of a top view of the integrated magnetic device according to an embodiment of the invention, - -
3 a schematic representation of a plan view of the central element of the integrated magnetic device according to an embodiment of the invention, - -
4 a sectional view of a device according to the invention with an aluminum housing, - -
5 a diagram of the magnetic circuit of the device according to an embodiment of the invention.
Die Erfindung betrifft eine integrierte magnetische Vorrichtung.The invention relates to an integrated magnetic device.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung handelt es sich bei dieser magnetischen Vorrichtung um einen Transformator für einen Drehstrom-Resonanzspannungswandler. Der Drehstrom-Resonanzspannungswandler ist ein LLC-, CLLC, CLLLC, LC- oder CLC-Drehstrom-Resonanzspannungswandler. Die Leistungsauslegung eines CLLLC-Wandlers ist in
Die magnetische Vorrichtung 10 umfasst mindestens drei Spulen 11, 12, 13, die jeweils aus mindestens einer primären Wicklung 111, 112, 113 und einer sekundären Wicklung 111', 112', 113' um einen Stab oder Kern 121, 122, 123 aus Ferrit gebildet sind.The
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weisen diese drei Stäbe 121, 122, 123 jeweils mindestens einen Luftspalt auf.According to one embodiment of the invention, these three
Die erfindungsgemäße magnetische Vorrichtung hat eine dreieckige Geometrie. Das bedeutet, dass die drei Spulen so angeordnet sind, dass sie ein gleichseitiges Dreieck bilden. Genauer gesagt ist jede Spule auf Höhe der Kante eines Dreiecks angeordnet.The magnetic device according to the invention has a triangular geometry. This means that the three coils are arranged to form an equilateral triangle. More precisely, each coil is arranged at the level of the edge of a triangle.
Dadurch, dass die Anordnung einem gleichseitigen Dreieck entspricht, ist es möglich, ein Gleichgewicht zwischen den elektrischen Parametern wie die Induktivitäten jeder Spule zu gewährleisten und das magnetische Volumen zu reduzieren.Because the arrangement corresponds to an equilateral triangle, it is possible to ensure a balance between the electrical parameters such as the inductances of each coil and to reduce the magnetic volume.
Im Kontext der Erfindung weist die Vorrichtung ein Mittelelement 20 aus Ferrit auf, das zwischen den drei Spulen 11, 12, 13 angeordnet ist, wie in
Das Mittelelement 20 ohne Luftspalt ermöglicht eine Entkopplung der Phasen und einen Ausgleich der Induktivitätsverluste. Mit diesem Element 20 ist es auch möglich, den magnetischen Streufluss im Inneren des Transformators zu konzentrieren.The
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung hat das Element 20 eine Höhe H, die der Höhe h einer Spule 11, 12, 13 entspricht. Die Höhe h einer Spule wird durch den Abstand zwischen ihren beiden Enden definiert.According to an embodiment of the invention, the
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist das Element 20 aus Ferrit einen säulenförmigen Mittelabschnitt 24 auf, ausgehend von dem sich drei Schenkel 21, 22, 23 erstrecken.According to one embodiment of the invention, the
Die Form der Schenkel ist so angepasst, dass sie sich zwischen den Spulen einfügt. D.h. jeder Schenkel weist zwei abgerundete Seiten auf, deren Konturen der Form einer Spule folgen. Die Seiten von zwei angrenzenden Schenkeln bilden eine Kurve 220, 230, 240, die der Kontur einer Spule 11, 12, 13 folgt.The shape of the legs is adapted to fit between the coils. This means that each leg has two rounded sides whose contours follow the shape of a coil. The sides of two adjacent legs form a curve 220, 230, 240 that follows the contour of a
Dieses Mittelelement 20 mit einem Schenkel ermöglicht einen kontinuierlichen Fluss mit geringen Ferritverlusten.This
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist das Ende 211, 212, 213 jedes Schenkels 11, 12, 13 flach. D.h. jedes Ende bildet in Höhenrichtung H eine flache Ebene.According to one embodiment of the invention, the
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist ein zweites, dreieckiges Element 40 aus Ferrit auf der Oberseite des Elements 20 aus Ferrit angeordnet, d.h. auf der derjenigen, die in der Ebene der Oberseite der Spulen liegt.According to an embodiment of the invention, a second
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist ein drittes, dreieckiges Element 50 aus Ferrit auf der Unterseite des Elements 20 aus Ferrit angeordnet, d.h. auf derjenigen, die in der Ebene der Unterseite der Spulen liegt.According to an embodiment of the invention, a third
Der Begriff obere wird als Gegensatz zum Begriff untere definiert, wobei die Begriffe jeweils eines der beiden Enden der Spulen darstellen.The term upper is defined as the opposite of the term lower, with each term representing one of the two ends of the coils.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind die Kanten des zweiten Elements 40 und des dritten Elements 50 scharf oder abgerundet.According to one embodiment of the invention, the edges of the
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die magnetische Vorrichtung 10 in einem Aluminiumgehäuse 60 angeordnet, das in
Da das Mittelelement 20 keinen Luftspalt hat, sind die Phasen entkoppelt, was bedeutet, dass der von einer Phase erzeugte Fluss nicht durch die anderen Phasen gekoppelt ist. Unter dieser Annahme kann die Vorrichtung 10 mit dem Magnetkreis aus
Bei diesem Kreis ist Rc das magnetische Material, z.B. Ferrit, der magnetische Widerstand Rg ist der magnetische Widerstand des Luftspalts, Rw ist der magnetische Widerstand des Spulenfensters, Np1 ist die Anzahl der Windungen in der primären Phase 1, Ns1 ist die Anzahl der Windungen in der sekundären Phase 1, Ip1 ist der Primärstrom in der Phase 1, und Is1 ist der Sekundärstrom in der Phase 1.In this circuit, Rc is the magnetic material, e.g. ferrite, the magnetic resistance Rg is the magnetic resistance of the air gap, Rw is the magnetic resistance of the coil window, Np1 is the number of turns in the primary phase 1, Ns1 is the number of turns in the secondary phase 1, Ip1 is the primary current in the phase 1, and Is1 is the secondary current in the phase 1.
Wird davon ausgegangen, dass der magnetische Widerstand des magnetischen Materials vernachlässigbar ist, können gleichwertige Magnetkreise abgeleitet werden, und es ist möglich, die magnetische Induktivität, den Induktivitätsverlust auf der Primärseite und den Induktivitätsverlust auf der Sekundärseite entsprechend den folgenden Formeln zu berechnen:
Für eine erfindungsgemäße Vorrichtung werden folgenden Ergebnisse erhalten: [Tabelle 1]
Diese Ergebnisse zeigen, dass es mit einer erfindungsgemäßen integrierten magnetischen Vorrichtung möglich ist, Induktivitäten mit Werten zu erhalten, die bei der Verwendung des Aluminiumgehäuses nicht abfallen. In der Tat ist der Induktivitätsabfall im Inneren des Aluminiumgehäuses stets niedriger als 5%.These results show that with an integrated magnetic device according to the invention it is possible to obtain inductances with values that do not drop when using the aluminum housing. In fact, the inductance drop inside the aluminum housing is always lower than 5%.
Mit einer derartigen Vorrichtung ist auch zu beobachten, dass die Magnetflussdichte im Mittelelement 20 einen nahezu kontinuierlichen Wert und infolgedessen sehr niedrige Hystereseverluste hat.With such a device it can also be observed that the magnetic flux density in the
Gemäß einer Variante der Erfindung sind die Winkel des Mittelelements 20 vergrößert, um den Induktivitätsverlust zu erhöhen.According to a variant of the invention, the angles of the
Gemäß einer weiteren Variante der Erfindung weist die Vorrichtung eine vierte Spule auf, um einen Niederspannungsauslass zu ermöglichen, beispielsweise für eine Verwendung in einem Bauteil zur Stromversorgung einer Einheit zum Speichern von elektrischer Energie eines Fahrzeugs, auch „OBC/DCDC“ genannt.According to a further variant of the invention, the device comprises a fourth coil to enable a low-voltage outlet, for example for use in a component for supplying power to a unit for storing electrical energy of a vehicle, also called "OBC/DCDC".
Die Erfindung betrifft auch einen Drehstrom-Resonanzwandler mit einer erfindungsgemäßen magnetischen Vorrichtung.The invention also relates to a three-phase resonant converter with a magnetic device according to the invention.
Die Erfindung betrifft auch die Verwendung des erfindungsgemäßen Drehstrom-Resonanzwandlers in einem Verbrenner-, Elektro- oder Hybridfahrzeug.The invention also relates to the use of the three-phase resonant converter according to the invention in a combustion engine, electric or hybrid vehicle.
Der Umfang der vorliegenden Erfindung ist nicht auf die oben angegebenen Einzelheiten beschränkt und ermöglicht Ausführungsformen in zahlreichen weiteren spezifischen Formen, ohne von dem Anwendungsbereich der Erfindung abzuweichen. Infolgedessen sind die vorliegenden Ausführungsformen als Veranschaulichung zu verstehen und können verändert werden, ohne jedoch von dem durch die Ansprüche definierten Umfang abzuweichen.The scope of the present invention is not limited to the details given above, and is capable of embodiment in many other specific forms without departing from the spirit and scope of the invention. Accordingly, the present embodiments are intended to be are for illustrative purposes only and are subject to change without departing from the scope defined by the claims.
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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