[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Drossel mit zwei Spulen und einem Kern, die
zur Verwendung bei Hochsetzsteller- oder Tiefsetzstellerschaltungen oder Leistungskorrekturfilter
(englisch: power factor correction oder power factor compensation, PFC) in Interleaved
Konfiguration optimiert wurde. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung einen
optimierten Doppelspulenkern für interleaved Anwendungen bei Hochsetzsteller- oder
Tiefsetzstellerschaltungen oder Leistungskorrekturfiltern (englisch: power factor
correction oder power factor compensation, PFC).
[0002] Unter dem Begriff "Drossel" wird im Folgenden eine Anordnung aus einer oder mehreren
Spulen, die auf einem gemeinsamen Kern sitzen, verstanden.
[0003] Unter einem Hochsetzsteller- oder Tiefsetzsteller wird eine Schaltung verstanden,
die eine Gleichspannung höher oder tiefer setzen kann. Hochsetzsteller und Tiefsetzsteller
arbeiten nach ähnlichen Prinzipien wie Leistungskorrekturfilter und verwenden teilweise
die gleichen Komponenten.
[0004] Eine Leistungsfaktorkorrektur ist seit dem 1. Januar 2001 mit der EMV-Norm für elektrische
Verbraucher ab 75 Watt in Deutschland vorgeschrieben. Unter Leistungsfaktor wird das
Verhältnis des Betrags der Wirkleistung zum Betrag der Scheinleistung verstanden.
Ein Wert kleiner als 1 bedeutet, dass die Scheinleistung, die aus dem Netz bezogen
wird, größer als die Wirkleistung ist, so dass das Netz zusätzlich durch Blindleistung
belastet wird, die bereitgestellt und transportiert werden muss, und die teilweise
über die Netze wieder zurückfliessen muss. Dadurch treten höhere Verluste im Netz
auf und das Netz muss größer dimensioniert werden als eigentlich nötig ist. Leistungsfaktorkorrekturfilter
sorgen dafür, dass der Leistungsfaktor möglichst nahe bei 1 liegt, d.h., dem Versorgungsnetz
wird nur reine Wirkleistung entnommen. Bei einer aktiven Leistungsfaktorkorrektur
(power factor correction PFC) wird der aufgenommene Strom dem zeitlichen Verlauf der
sinusförmig verlaufenden Netzspannung nachgeregelt.
[0005] Ein zentrales Bauteil von Hochsetzstellern, Tiefsetzstellern und PFCs ist eine Drossel,
mit der im Prinzip Energie zwischengespeichert wird und dann bei Bedarf wieder abgegeben
wird. Die folgenden Erklärungen beschränken sich auf die Anwendung der Drossel in
PFC Filtern. Ähnliche Überlegungen gelten aber auch für Hochsetzsteller und Tiefsetzsteller.
[0006] Ein der Drossel nachgeschalteter Schalter, der den Spulenausgang auf ein Bezugspotential
legen kann, wird von einer Regeleinrichtung so geöffnet und geschlossen, dass einerseits
genügend Leistung an den Verbraucher abgegeben wird und andererseits der dem Netz
entzogene Strom der Netzspannungskurve gleichphasig folgt.
[0007] In einer Weiterentwicklung wird die Eingangsleistung auf zwei Spulen, die unabhängig
voneinander geschaltet werden können, aufgeteilt. Im Allgemeinen werden die Schalter
invers zueinander betrieben, d.h. wenn der eine Schalter geöffnet ist, ist der andere
Schalter geschlossen. Bei einer solchen "Interleaved" Betriebsweise wird ein Drosselzweig
(Master) von der Regelschaltung direkt gesteuert, d.h. die Schaltzeiten für die Drossel
werden direkt von der Regelung bestimmt. Der zweite Drosselzweig (Slave) folgt in
der Regel dem Master um 180 Grad Phasen verschoben. Eine solch verschränkt (interleaved)
arbeitende Anordnung hat den Vorteil, dass eine effizientere Leistungsfaktorkorrektur
erzielt werden kann. Da jede Drossel nur die halbe Ausgangsleistung bewältigen muss,
können kleinere Bauelemente dimensioniert werden, so dass Verlustleistung und Wärmeentwicklung
verbessert wird und kompaktere PFC-Schaltungen möglich werden. Zu beachten ist, dass
eine korrekte Funktionsweise auch bei anderen Phasenlagen < 180° möglich ist. Das
heißt, dass die Phasenlage im allgemeinen variabel sein kann. Allerdings operiert
die Mehrzahl der Anwendungen mit einer Phasenlage von 180°.
[0008] Aktive PFC-Schaltungen bestehen gewöhnlich aus einem Gleichrichter mit direkt nachgeschaltetem
Hochsetzsteller mit einer Spule und einem Schalter, der einen großen Kondensator auf
eine Spannung oberhalb der Scheitelspannung der Netzwechselspannung auflädt. Abbildung
1 a zeigt schematisch das Prinzip eines Hochsetzstellers in Interleaved-Technik. Am
Eingang wird die Eingangsspannung V
IN an die zwei Drosselspulen L1 und L2 angelegt und der Eingangsstrom I
IN auf die zwei Drosseln aufgeteilt. Am Ausgang jeder Spule bzw. Drosseln L1 und L2
kann jeweils ein Schalter S1 bzw. S2 den Ausgang der Spule L1 bzw. L2 von einer Regelungsschaltung
(nicht gezeigt) gesteuert auf ein Bezugspotential legen. Die Ausgänge der Spulen L1
bzw. L2 werden über jeweils eine Diode mit einem Kondensator C
OUT verbunden, der in Zusammenspiel mit den Spulen L1 und L2 die Spannung hochsetzt (Hochsetzsteller)
und glättet, so dass sie an einen Lastwiderstand R
LOAD abgegeben werden kann.
[0009] Die Öffnungs- und Schließzeiten des Schalters S1 werden von einer Regelung bestimmt
(Master), die dafür sorgt, dass einerseits für den Verbraucher R
LOAD ausreichend Strom I
OUT zur Verfügung steht und andererseits der Eingangsstrom I
IN phasenrichtig der Eingangsspannung V
IN folgt. Der Schalter S2 folgt dem Schalter S1 um 180 Grad Phasen verschoben (Slave).
Damit erfolgt im Prinzip eine Pulsweitenmodulation des Eingangsstroms, bei der die
Pulsweite von dem Regler gesteuert wird. Fig. 1 b zeigt das Schaltverhalten der Schalter
S1 und S2. Die Zeit, in der der Schalter S1 geschlossen ist, wird mit T
on bezeichnet und ist je nach Regelung variabel. In der Zeit, in der der Schalter S1
geschlossen ist, ist der Schalter S2 geöffnet (180 Grad Phasenverschiebung). Die Gesamtzeit,
die sich aus der Summe der Zeit T
on, in der der Schalter S1 geschlossen ist, und der Zeit T
off, in der der Schalter geöffnet ist, ergibt, wird Periode T genannt und ist konstant.
Das Tastverhältnis (duty cycle) D = T
on/T ist variabel und von der Regelung abhängig. In der Figur 1b ist ein Tastverhältnis
D von konstant 0,5 dargestellt.
[0010] Fig. 1c zeigt die Ströme I1 und I2 durch die Spulen L1 und L2. Der Strom I1 durch
die Spule L1 setzt sich aus einer Gleichstromkomponente ldc1 und einer Rippelkomponente
lac1, verursacht durch die Schaltvorgänge, zusammen. Entsprechend setzt sich der Strom
I2 durch die Spule L2 aus einer Gleichstromkomponente ldc2 und einer Rippelkomponente
lac2 (Wechselstromkomponente durch Schaltvorgänge) zusammen. Da die Schalter um 180
Grad Phasen verschoben geschaltet werden, ist die Phasenverschiebung zwischen lac1
und lac2 180 Grad. Am Kondensator C
OUT werden die Ströme I1 und I2 addiert. D. h. die gesamte Gleichstromkomponente ergibt
sich zu ldc = ldc1 + ldc2. Da ldc1 = Idc2 = I
IN/2 ergibt sich ldc zu ldc = I
IN, Für die gesamte Rippelstromkomponente (Wechselstromkomponente) ergibt sich lac =
lac1 - lac2, da lac1 und lac2 um 180° Phasen verschoben sind. Dies gilt jedoch nur
für ein Tastverhältnis von D = 0,5, also für t
on = t
off. D.h. bei einem Tastverhältnis D = 0,5 kompensieren sich die Rippelstromkomponenten.
Bei anderen Tastverhältnissen kompensieren sich die Rippelströme nicht genau. In jedem
Fall wird aber bei einem Interleaved Design die Rippelstromkomponente insgesamt verringert,
so dass ein glätterer Spannungsverlauf erreicht wird.
[0011] Zu beachten ist, dass bei 180°C Phasenverschiebung das Rippelflussmaximum im Mittelschenkel
bei einem Tastverhältnis D=0,5 auf tritt. Die Interleaved-Drossel funktioniert aber
auch bei anderen Phasenlagen < 180°. Hier verschiebt sich nur das Tastverhältnis D
bei dem das Maximum des Wechselflussrippels auftritt. Das heißt, dass die Phasenlage
im allgemeinen variabel sein kann. Allerdings operiert die Mehrzahl der Anwendungen
mit einer Phasenlage von 180°.
[0012] Drosseln zum Einsatz in interleaved Hochsetzstellern und PFC Stufen sind aus dem
Stand der Technik bekannt. Im einfachsten Fall werden zwei Spulen auf einen gemeinsamen
Kern gewickelt, wie beispielsweise in dem US Patent
US 6,362,986 B1 der Firma Volterra gezeigt wird. Fig. 2 zeigt schematisch die Spulenanordnung dieses
Patents mit den Schaltern 40 für den interleaved Betrieb. Die beiden Spulen 20 und
30 sind auf einem gemeinsamen ringförmigen Kern 10 angeordnet, d.h. das Spulenpaar
20, 30 arbeitet mit starker magnetischer Kopplung, ähnlich einem Transformator. Da
sich die magnetischen Flüsse aus den Spulen addieren, sind die Kerngeometrien entsprechend
groß, um einerseits eine hohe magnetische Leitfähigkeit zu erreichen und andererseits
den Kern nicht bis zur Sättigungsmagnetisierung belasten.
[0013] Das
US Patent 8,217,746 B2 beschreibt eine Weiterentwicklung einer Drosselspule für Interleaved PFC-Schaltkreise,
in denen der Spulenkern für die beiden Spulen so ausgebildet ist, dass die beiden
Spulen nur schwach magnetisch gekoppelt sind. Fig. 3 zeigt eine schematische Ansicht
der Spulen- und Kernkonfiguration der
US 8,217,746 B2. Der Kern besteht aus zwei E-förmigen Teilen 110 und 120, die durch ein I-förmiges
Teil 130 voneinander getrennt sind. Die Spulen 20 und 30 sind auf die Mittelschenkel
der E-förmigen Teile 110 und 120 aufgewickelt. Da sich der magnetische Fluss φ1 bzw.
φ2 in den Spulen 20 bzw. 30 vom Mittelschenkel der E-förmigen Teile auf die beiden
Außenschenkel der E-förmigen Teile aufteilt, kann der Querschnitt A2 der Außenschenkel
halb so groß wie der Querschnitt A1 im Mittelschenkel sein. Da die Spulen 20 und 30
gegenphasig gewickelt bzw. angeschlossen werden, heben sich die Gleichstromanteile
der magnetische Flüsse φ1 und φ2 der Spulen 20 und 30 im I-förmigen Teil 130 weitgehend
auf, so dass der Querschnitt des I-förmigen Teils 130 auch kleiner gehalten werden
kann, als der Querschnitt A1 im Mittelschenkel der E-förmigen Teile 110 und 120. Durch
das Zusammenfügen der zwei E-förmigen Teile 110 und 120 und des I-förmigen Teils 130
entstehen an den Stossstellen Luftspalte 140.
[0014] Im Hinblick auf neue Energiespartechniken, beispielsweise in der Automobiltechnik
im Bereich der Hybrid- und Elektrofahrzeuge gibt es einen zunehmenden Bedarf an Drosseln
für interleaved PFC Schaltungen mit geringem Gewicht und hoher Effizienz um einerseits
Energie zu sparen (Gewicht) und andererseits Energie effizient zu übertragen, beispielsweise,
wenn Bewegungsenergie in Elektromobilen oder Hybridmobilen mit einem Generator zurückgewonnen
wird und in das Bordnetz eingespeist wird. Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden
Erfindung eine Drossel mit einer optimierten Kerngeometrie für ein Drosselspulenpaar
zur Anwendung in interleaved PFC-Anwendungen bereitzustellen, das kompakt ist, und
geringe Verluste und ein geringes Gewicht aufweist.
[0015] Die Aufgabe wird gelöst mit einer Drossel mit zwei Spulen und einem Kern gemäß Patentanspruch
1.
[0016] Insbesondere wird die Aufgabe gelöst durch eine Drossel mit zwei Spulen und einem
Kern, die dadurch gekennzeichnet ist, dass der Kern mehrere Kernabschnitte mit mehreren
Außenschenkeln und einem Mittelschenkel umfasst, wobei der Kern so ausgestaltet ist,
dass die Kernabschnitte zwei Schleifen mit dem Mittelschenkel als einen gemeinsamen
Abschnitt bilden, wobei jede der zwei Spulen auf unterschiedlichen Schleifen außerhalb
des gemeinsamen Abschnitts liegt, dass die Außenschenkel einen Querschnitt A1 aufweisen,
und dass der Mittelschenkel für den gemeinsamen Abschnitt einen Querschnitt A2 < 2
x A1 aufweist.
[0017] Mit dieser Anordnung ist ein Kopplungsfaktor k der zwei Spulen von kleiner als 5%,
bevorzugter kleiner als 3% und noch bevorzugter kleiner als 1% realisierbar, wodurch
die Kernquerschnitte in den Außenschenkeln kleiner gehalten werden können, da sich
die Magnetfelder der Spulen in den Außenschenkeln nicht mehr überlappen. Weiterhin
hebt sich der magnetische Fluss, der der Gleichstromkomponente entspricht, der beiden
Spulen im gemeinsamen Abschnitt auf, so dass der Querschnitt des gemeinsamen Abschnitts
klein gemacht werden kann und damit Material gespart werden kann. Da die Spulen nicht
koaxial wie in der
US 8,217,746 B2 angeordnet sind, sonder auf den Außenschenkeln sitzen, wird weniger Material für
den Kern benötigt, wodurch sich eine Gewichtsersparnis ergibt. Dies erreicht man z.B.
dadurch, dass die zwei Spulen auf zwei gegenüberliegenden Außenschenkeln angeordnet
sind.
[0018] In einer Ausführungsform liegt der Querschnitt A2 im Bereich 0,5 A1 bis 0,2 A1, so
dass weiter Gewicht reduziert werden kann.
[0019] Um einen Kopplungsfaktor von weniger als 5%, 3% oder 1 % zu erreichen, wird der Kern
so ausgelegt, dass der magnetische Widerstand in zumindest einem der Außenschenkel
R
MA größer ist als der magnetische Widerstand des Mittelschenkels R
MI. wobei R
MA > 20 R
MI (5%), R
MA > 33 R
MI (3%) bzw. R
MA > 100 R
MI (1%) ist.
[0020] In einer Ausführungsform wird für den Kernabschnitt im Mittelschenkel ein Material
mit hoher Permeabilität verwendet um die Verkopplung zwischen den beiden Wicklungen,
bzw. deren Flüssen, gering zu halten. In den Außenschenkeln wird ein Material mit
hoher Sättigungsflussdichte bevorzugt um den magnetischen Querschnitt der Außenschenkel
gering zu halten.
[0021] Diese Ausführungsform mit unterschiedlichen Materialien für Außenschenkel und Mittelschenkel
ist nur für bestimmte Fälle vorteilhaft, wo eine zu große Kopplung zwischen den beiden
Wicklungen und hohe Verluste im Mittelschenkel vermieden werden sollen. Eine hohe
Permeabilität ist im Allgemeinen jedoch nicht unbedingt notwendig, da der Kern geschert
ist. Gängige Leistungsferrite die verwendet werden können, haben i.a. eine Anfangspermeabilität
µi von 1000 bis 3000. Eine hohe Permeabilität im Mittelschenkel ist vorteilhaft da
die Kopplung verringert wird. Der Einfluss der Permeabilität der Außenschenkel auf
die Kopplung ist vernachlässigbar, da hier der Luftspalt den magnetischen Widerstand
dominiert. Im Mittelschenkel wird man damit eher ein hochpermeables Material verwenden.
Da hier die Verluste durch die erhöhte Wechselflussaussteuerung aufgrund der Querschnittsreduzierung
dominieren, wird man den Mittelschenkelquerschnitt meist nicht bis zur Sättigungsgrenze
verringern können, so dass hier vorteilhaft auch ein verlustärmeres Material mit etwas
geringerer Sättigungsflussdichte verwendet wird. Im Außenschenkel wird man, wie bei
einer normalen Drossel, ein Material mit hoher Aussteuerung und noch tolerierbaren
Verlusten auswählen. In den meisten Anwendungsfällen kann der gesamte Kern aus einem
Material bestehen. Nur in bestimmten Fällen (zu große Kopplung, hohe Verluste im Mittelschenkel)
wird man zu unterschiedlichen Materialien für Außenschenkel und Mittelschenkel greifen.
[0022] Um einen 100-fach größeren magnetischen Widerstand in einem Außenschenkel gegenüber
dem Mittelschenkel zu erreichen, kann in einer Ausführungsform der Außenschenkel einen
Luftspalt aufweisen, der vorzugsweise in dem Bereichen der Spulen angeordnet ist.
[0023] Um die erfindungsgemäße Kerngeometrie zu erreichen, sind verschiedene Ausführungsformen
möglich.
[0024] In einer Ausführungsform werden die Kernabschnitte aus zwei E-förmigen Teilen gebildet,
die so zusammen gefügt werden, dass deren freien Enden aneinander stossen, so dass
die zusammengefügten Mittelschenkel der zwei E-förmigen Teile den gemeinsamen Abschnitt
bilden. Mit dieser Konfiguration ist eine kürzere und damit kompaktere Bauform möglich
als beispielsweise in der
US 8217746 gezeigt ist.
[0025] In einer anderen Ausführungsform werden die Außenschenkel aus zwei U-förmigen Teilen
gebildet, die so zusammengefügt werden, dass deren freien Enden aneinander stossen,
so dass ein magnetischer Kreis entsteht, wobei der Mittelschenkel für den gemeinsamen
Abschnitt T-förmig ist und zwischen den zwei Spulen in den magnetischen Kreis so eingefügt
ist, dass der magnetische Kreis kurz geschlossen wird, so dass der magnetische Kreis
in die zwei magnetisch schwach gekoppelten Schleifen unterteilt wird. Neben der kompakten
Bauform weist diese Ausführungsform den weiteren Vorteil auf, dass beim Zusammenfügen
von je zwei Formteilen nur zwei Flächen aneinander stossen im Gegensatz zum E-förmigen
Formteil, bei dem drei Flächen aneinander stossen. Bei drei aneinander stossende Flächen
müssen die Formteile sehr präzise gefertigt sein, um unkontrollierte Luftspalte zu
vermeiden. Aufgrund von Fertigungstoleranzen sind diese Luftspalte nahezu unvermeidlich.
Bei zwei aneinander stossende Flächen wie bei den U-förmigen Teilen und dem T-förmigen
Teil tritt dieser Effekt jedoch nicht auf, so dass mit dieser Ausführungsform Drosseln
mit geringeren Toleranzen hergestellt werden können.
[0026] In einer Ausführungsform davon entspricht eine Höhe H2 eines vertikalen Teils des
T-förmigen Mittelschenkels einer Höhe H1 des Außenschenkels. Weiterhin entspricht
eine Breite B2 des vertikalen Teils des T-förmigen Mittelschenkels einem lichten Abstand
zwischen den zwei Spulen und eine Tiefe T2 des vertikalen Teils des T-förmigen Kernabschnittes
entspricht einem Innenabstand T1 von gegenüberliegenden Außenschenkeln des magnetischen
Kreises. Dies trägt zu einer kompakten Bauform bei, da der Raum zwischen den Spulen
innerhalb des magnetischen Kreises spielfrei ausgefüllt wird und damit vollständig
für den magnetischen Fluss nutzbar ist. In einer weiteren Ausführungsform davon liegt
ein horizontaler Teil des T-förmigen Mittelschenkels auf einem Außenschenkel auf.
Insgesamt erlaubt die T-förmige Ausbildung des Mittelschenkels eine einfache und präzise
Positionierung des magnetischen Kurzschlusses zwischen den beiden Spulen. Durch die
Auflageflächen, die durch den horizontalen Teil des T-förmigen Mittelschenkels gebildet
werden, wird der Mittelschenkel präzise bis zur korrekten Tiefe in den magnetischen
Kreis eingeführt.
[0027] In einer weiteren Ausführungsform werden die Außenschenkel aus zwei U-förmigen Teilen
gebildet, deren freie Enden jeweils gegenüber liegen und voneinander durch einen geraden
langgestreckten Kernabschnitt, der als Mittelschenkel dient, spielfrei getrennt sind,
so dass die zwei Schleifen mit dem Mittelschenkel als gemeinsamen Abschnitt entstehen,
die zwei miteinander schwach gekoppelte magnetische Kreise bilden. Ein gerader langgestreckter
Kernabschnitt, der als Mittelschenkel dient, hat gegenüber einem T-förmigen Kernabschnitt
den Vorteil, dass Microluftspalte, die zwischen den T-Teil und den Außenschenkeln
entstehen, vermieden werden. Dadurch wird die Kopplung zwischen den Magnetkreisen
reduziert. Gleichzeitig kann durch diesen Aufbau die Toleranz in den Außenluftspalten
bzw. in den Außenschenkeln abgefangen werden, da der Mittelschenkel jetzt flexibel
an die Außenschenkel bzw. Seitenplatten geklebt werden kann. Geringe Überstände des
Mittelschenkels sind kein Problem und auch ein etwas kürzerer Mittelschenkel beeinflusst
den Flussverlauf von den Außenschenkeln in den Mittelschenkel nur unwesentlich. In
einer Ausführungsform wird jedes U-förmige Teil oder E-förmige Teil aus mehreren geraden
Stücken zusammengefügt. Diese geraden Stücke können beispielsweise zusammengeklebt
werden, so dass Toleranzen aufgrund von unkontrollierten Microluftspalten reduziert
werden.
[0028] In einer Ausführungsform werden die Kernabschnitte aus einem Plattenstapel aus weichmagnetischem
Material hergestellt. Mit dieser Technik können auf einfache Weise beliebige Kernformen
mit geringem technischen Aufwand realisiert werden.
[0029] Die weiter oben genannte Aufgabe wird auch durch einen Drosselkern gelöst, der mehrere
Kernabschnitte bestehend aus mehreren Außenschenkeln und einem Mittelschenkel umfasst.
Die Kernabschnitte sind dabei so angeordnet, dass die Kernabschnitte zwei Schleifen
mit dem Mittelschenkel als einen gemeinsamen Abschnitt bilden, um zwei schwach gekoppelte
magnetische Kreise zu bilden, wobei die Außenschenkel einen Querschnitt A1 aufweisen
und wobei der Mittelschenkel für den gemeinsamen Abschnitt einen Querschnitt A2 kleiner
als 2 x A1 aufweist.
[0030] Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele, Weiterbildungen, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten
der Erfindung anhand der beigefügten Figuren näher erläutert. Dabei sind alle beschriebenen
und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination grundsätzlich
Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder
deren Rückbeziehung. Auch wird der Inhalt der Ansprüche zu einem Bestandteil der Beschreibung
gemacht. In den Figuren zeigt:
- Fig. 1
- das Prinzip eines Hochsetzstellers in interleaved-Technik;
- Fig. 2
- ein erstes Beispiel für eine Drossel zur Verwendung in einer PFC-Vorrichtung gemäß
dem Stand der Technik;
- Fig. 3
- ein zweites Beispiel für eine Drossel zur Anwendung in einer PFC-Vorrichtung gemäß
dem Stand der Technik;
- Fig. 4
- das Prinzip einer Drossel für PFC-Anwendungen gemäß der vorliegenden Erfindung;
- Fig. 5
- eine erste Ausführungsform einer Drossel für PFC-Anwendungen gemäß der vorliegenden
Erfindung;
- Fig. 6a
- eine Draufsicht einer zweiten und dritten Ausführungsform für eine Drossel für PFC-Anwendungen
gemäß der vorliegenden Erfindung;
- Fig. 6b
- eine perspektivische Ansicht der zweiten Ausführungsform der Drossel gemäß der vorliegenden
Erfindung;
- Fig. 6c
- eine andere perspektivische Ansicht der zweiten Ausführungsform der Drossel gemäß
der vorliegenden Erfindung; und
- Fig. 6d
- eine perspektivische Ansicht einer dritten Ausführungsform der Drossel für PFC-Anwendungen
gemäß der vorliegenden Erfindung.
[0031] Die vorliegende Erfindung erfolgte, um neue Drosseln mit einer optimierten kompakten
Kerngeometrie für PFC-Anwendungen mit Interleaved-Topologie bereitzustellen. Insbesondere
bei der wachsenden Elektromobilität, Technologie mit Elektrofahrzeugen (EV, electric
vehicle) und Hybridelektrofahrzeugen (HEV, hybrid electric vehicle) werden neue, kompakte,
d.h. mit geringem Gewicht, Drosseln und Drosselkerne erforderlich, die auch bei höheren
Frequenzen ab 100 kHz verwendet werden können.
[0032] Fig. 4 zeigt das Prinzip der vorliegenden Erfindung. Zwei Spulen 20 und 30 sitzen
auf einem optimierten Kompaktkern 200, der aus mehreren Außenschenkeln 230 und 240
und einem Mittelschenkel 250 besteht. Die Außenschenkel setzen sich aus zwei Spulen
tragenden Außenschenkeln 230 und zwei seitlichen Außenschenkeln 240, die als Verbindungselemente
der Spulen tragenden Außenschenkeln 230 dienen, zusammen, die einen magnetischen Kreis
bilden. Der Mittelschenkel 250, der parallel zu den Spulen tragenden Außenschenkel
230 verläuft, und der etwa die Mitten der seitlichen Außenschenkel 240 verbindet,
erzeugt einen magnetischen Kurzschluß zwischen den Verbindungselementen 240 und unterteilt
den magnetischen Kreis in zwei Schleifen 200-A und 200-B. Die Außenschenkel weisen
einen Querschnitt A1 auf. Der Mittelschenkel weist einen Querschnitt A2 kleiner als
2 x A1 auf. In der PFC-Anwendung werden die Spulen 20 und 30 so angeschlossen, dass
der Gleichstromanteil des magnetischen Flusses im Mittelschenkel 250 gegenläufig ist
und sich somit kompensiert. Durch den kompensierten DC-Fluss (Gleichstromfluss) kann
der Querschnitt des Mittelschenkels stark verringert werden. Der Wechselfluss der
Spulen 20 und 30 addiert sich jedoch im Mittelschenkel im Wesentlichen, da die Wechselflussamplituden
durch die gegenphasige Pulsweitenmodulation (siehe Abb.1 c) der PFC-Regelung sich
im Mittelschenkel aufgrund der umgekehrten Polung der Spulen 20 und 30 addieren. Bei
einem Tastverhältnis von D = 0,5, d.h. T
on = T
off ist der maximale Wechselfluss FiAC max = φac1 (Wechselfluss durch die Spule 20) +
φac2 (Wechselfluss durch die Spule 30). Bei anderen Tastverhältnissen verkleinert
sich die maximale Wechselflussamplitude durch den Mittelschenkel 250. Werden die Außenschenkel
230 und 240 bis zu einer Sättigungsflussdichte B
satt von gängigen Ferritmaterialien von 350-400 mT betrieben und wird das Verhältnis des
Rippelstroms lac zum Gesamtstrom lac + ldc auf einen Wert zwischen 0,1 und 0,5 eingestellt,
kann der minimale Querschnitt A2 des Mittelschenkels 250 das 0,2 fach bis zum einfach
des Querschnittes A1 der Außenschenkel betragen. Vorzugsweise werden die PFC-Stufen
so eingestellt, dass A2 im Bereich von 1 x A1 bis 0,2 x A1 liegt.
[0033] Um eine kleine Kopplung zwischen den Spulen 20 und 30 zu erreichen, sollte der magnetische
Widerstand R
MA in den Außenschenkeln 100 mal so hoch sein wie der magnetische Widerstand R
MI im Mittelschenkel. Der Kopplungsfaktor ergibt sich aus k = R
MI / R
MA, wobei R
MI der magnetische Widerstand im Mittelschenkel ist und R
MA der magnetische Widerstand in den Außenschenkeln ist. Trotz kleinerem Querschnitt
A2 des Mittelschenkels 250 wird dies leicht durch Luftspalte L erreicht, die beispielsweise
in den Außenschenkeln 230 in dem Bereich der Spulen 20 und 30 eingearbeitet sein können,
und die verhindern, dass ein relativ großer Gleichstromanteil durch die Spulen den
Kern in den Außenschenkeln in die Sättigung treibt. Durch die geringe magnetische
Kopplung dringen die Magnetfelder der Spule 20 nicht in den Kernbereich der Außenschenkel
der Spule 30 ein und umgekehrt, wie das bei einer starken Kopplung der Fall wäre.
Im Fall einer starken magnetischen Kopplung würden sich die Magnetfelder der Spulen
zumindest teilweise verstärken, so dass die Sättigungsmagnetisierung in den Außenschenkeln
schneller erreicht wäre. d.h., bei einer starken magnetischen Kopplung der Spulen
20 und 30 müsste der Kernquerschnitt der Außenschenkel größer dimensioniert werden.
Allgemein ist es jedoch vorteilhaft, Materialien im Mittelschenkel mit einem geringen
magnetischen Widerstand (große Permeabilität) und im Außenschenkel mit einer hohen
Sättigungsmagnetisierung zu verwenden.
[0034] Fig. 5 zeigt eine Umsetzung der vorliegenden Erfindung gemäß einer ersten Ausführungsform
mit zwei E-förmigen Formteilen 210 und 220, die so zusammengefügt werden, dass deren
freien Enden aneinander stossen. Zur Verdeutlichung der E-Form zeigt die Darstellung
in der Fig. 5 größere Lücken L1, L2 und L3 zwischen den freien Enden der zwei E-förmigen
Teile 210 und 220. Bei der Umsetzung in der Praxis sollten jedoch möglichst keine
Lücken L1, L2 und L3 auftreten, um undefinierte Luftspalte zu vermeiden. d.h. die
Endflächen an den freien Enden der E-förmigen Teile müssen so präzise gefertigt sein,
dass sie auf einer Ebene liegen, so dass keine Luftspalte entstehen. Luftspalte werden
definiert beispielsweise in den Seitenschenkeln 230 im Bereich der Spulen 20 und 30
eingefügt. Der Querschnitt A2 des Mittelschenkels 250 ist, wie oben ausführlicher
dargestellt wurde, kleiner als der Querschnitt A1 der Seitenschenkel 240 und 230.
[0035] Um eine Situation, wie sie bei den E-förmigen Teilen mit den drei Lücken L1, L2 und
L3 auftreten kann, zu vermeiden, können zwei U-förmige Kernteile 260 und 270 verwendet
werden, die so zusammengefügt werden, dass deren freien Enden aneinander stossen.
[0036] Fig. 6a zeigt eine schematische Draufsicht eines Kerns aus zwei U-förmigen Teilen
260 und 270 und einem Mittelschenkel 250 gemäß einer zweiten und dritten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. In der Fig. 6a sind die Stosskanten der freien Enden der
U-Teile 260 bzw. 270 nicht sichtbar. Sie Spulen 20 und 30 sitzen auf den spulentragenden
Außenschenkeln 230 des Kerns. Der Mittelschenkel 250 füllt die Lücke zwischen den
Spulen 20 und 30 und bildet außerdem einen magnetischen Kurzschluß zwischen den seitlichen
Außenschenkeln 240, so dass zwei Magnetschleifen bestehen. Die Luftspalte L in den
Seitenschenkeln 230 im Bereich der Spulen 20 und 30 sorgt für einen Betrieb außerhalb
der magnetischen Sättigung in den Außenschenkeln und gleichzeitig für eine geringe
Kopplung von weniger als ein Prozent zwischen den beiden Schleifen bzw. Spulen 20
und 30.
[0037] Fig. 6b zeigt eine perspektivische Ansicht des Schemas von Fig. 6a gemäß einer zweiten
Ausführungsform mit herausgezogenem Mittelschenkel 350. Die Fig. 6b zeigt nur die
Kernanordnung ohne die Spulenwicklungen 20 und 30 gemäß der zweiten Ausführungsform.
Der Kern ist aus zwei U-förmigen Teilen 260 und 270 zusammengesetzt, die sich an den
Stirnflächen der freien Enden der U-förmigen Teile, die in Fig. 6b durch die Linie
280 dargestellt ist, berühren. Da nur zwei Stossflächen 280 vorhanden sind, ist es
einfacher, unkontrollierte Luftspalte in den Außenschenkeln zu vermeiden. Die Außenschenkel
weisen eine Höhe H1 und eine Breite B1 auf, so dass die Außenschenkel einen Querschnitt
A1 = B1 x H1 aufweisen. Der Abstand der Außenschenkel 240, die die spulentragenden
Außenschenkel 230 verbinden, ist T1. Der Mittelschenkel 350, der in der Darstellung
von Fig. 6b aus der Ringstruktur herausgezeigt wird, ist T-förmig ausgebildet mit
einem vertikalen Teil 350-1 und einem horizontalen Teil 350-2. Der vertikale Teil
350-1 hat eine Höhe H2, eine Länge T2 und eine Breite B2. Um den Luftraum zwischen
den Spulen 20 und 30 (siehe Fig. 6a) möglichst optimal auszufüllen, entspricht die
Breite B2 des vertikalen Teils des T-förmigen Mittelschenkels 350 der lichten Weite
des Zwischenraums zwischen den Spulen. Die Länge T2 des T-förmigen Mittelschenkels
350 entspricht dem Abstand T1 zwischen den Außenschenkeln 240 und die Höhe H2 des
vertikalen Teils des T-förmigen Mittelschenkels 350 entspricht der Höhe H1 der Außenschenkel
230 und 240. Die Überstände des horizontalen Teils 350-2 des T-förmigen Mittelschenkels
350 weisen eine Länge L1 auf und liegen jeweils auf den seitlichen Außenschenkeln
240 auf. Die maximale Länge L2 des horizontalen Teils 350-2 des T-förmigen Mittelschenkels
350 ist maximal T1 + 2 x B1 bzw. die Länge L1 der Überstände des horizontalen Teils
350-2, die auf den Außenschenkeln 240 aufliegen, entsprechen ungefähr B1. Die Luftspalte
L in den U-förmigen Teilen 260 bzw. 270 können beispielsweise durch Füllmaterialien
wie CEM-1 oder FR4 realisiert werden. Die Dicke B2 des T-förmigen Mittelschenkels
350 ist kleiner als die Breite B1 der Außenschenkel 230 und 240.
[0038] Die Fig. 6c zeigt eine perspektivische Ansicht des Kerns gemäß der Fig. 6b in zusammengesetzter
Form. Die Bezugszeichen in Fig. 6c, die identisch sind mit den Bezugszeichen von Fig.
6b bezeichnen dieselben technischen Merkmale und auf eine Wiederholung der Erläuterung
wird hier verzichtet. Die Lufträume zwischen dem vertikalen Teil 350-1 des Mittelschenkels
350 und den spulentragenden Außenschenkeln 230 (die Spulen sind in Fig. 6c nicht gezeigt)
werden nahezu vollständig von den Spulenwicklungen ausgefüllt. In Fig. 6c schließt
der horizontale Teil 350-2 des T-förmigen Mittelschenkels 350 mit den Außenrändern
der Außenschenkel 240 bündig ab. Jedoch beeinflussen geringe Abweichungen, d.h. Überstände
und Unterstände das magnetische Verhalten des gesamten Kerns nicht.
[0039] Fig. 6d zeigt eine perspektivische Ansicht eines Kerns gemäß einer dritten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Der Kern setzt sich wie in der Fig. 6b aus zwei U-förmigen
Teilen 260 und 270 zusammen. Zwischen den U-förmigen Teilen 260 und 270 befindet sich
der Mittelschenkel 450, so dass die freien Flächen 280-1 und 280-2 der offenen Enden
der U-förmigen Teile 260 und 270 auf gegenüberliegende Seiten des Mittelschenkels
450, der quaderförmig mit einer Höhe H3, Breite B3 und einer Länge von T1 + 2 B1 vorliegt,
stossen. Die Größenangabe T1, B1 und H1 entsprechen den Größenangaben in Fig. 6b.
Im Übrigen können die U-förmigen Teile aus der Fig. 6b identisch zu den U-förmigen
Teilen aus der Fig. 6d sein. In der Fig. 6d bezeichnen Bezugszeichen, die identisch
sind zu Bezugszeichen in den vorherigen Figuren sind, dieselben technischen Merkmale
und auf eine Wiederholung wird hier deshalb verzichtet. Fig. 6d zeigt eine schematische
dreidimensionale Anordnung bei der die einzelnen Elemente 260, 270 und 450 auseinandergezogen
dargestellt werden. Im zusammengebauten Zustand wird der Mittelschenkel 450 flexibel
an die Außenschenkel 240-a, 240-b, 240-d und 240-c geklebt, wodurch Toleranzen in
den Außenluftspalten L abgefangen werden können. Geringe Überstände des Mittelschenkels
bzw. etwas kürzere Mittelschenkel beeinflussen den Flussverlauf von den Außenschenkeln
in den Mittelschenkel nur unwesentlich.
1. Drossel mit zwei Spulen (20, 30) und einem Kern (200),
dadurch gekennzeichnet,
dass der Kern (200) mehrere Kernabschnitte mit mehreren Außenschenkeln (230, 240, 240-A,
240-B, 240-C, 240-D) und einem Mittelschenkel (250, 350, 450) umfasst;
dass die Kernabschnitte zwei Schleifen mit dem Mittelschenkel als einem gemeinsamen Abschnitt
bilden;
dass jede der zwei Spulen (20, 30) auf unterschiedlichen Schleifen außerhalb des gemeinsamen
Abschnitts liegt;
dass die Außenschenkel (230, 240, 240-A, 240-B, 240-C, 240-D) einen Querschnitt A1 aufweisen;
und
dass der Mittelschenkel (250, 350, 450) für den gemeinsamen Abschnitt einen Querschnitt
A2 < 2 x A1 aufweist.
2. Drossel nach Anspruch 1, wobei die zwei Spulen (20, 30) auf zwei gegenüberliegenden
Spulen tragenden Außenschenkeln (230) angeordnet sind.
3. Drossel nach Anspruch 1 oder 2, wobei A2 im Bereich von 1 x A1 bis 0,2 x A1 liegt.
4. Drossel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der magnetische Widerstand mindestens
eines der Außenschenkeln RMA größer ist als der magnetische Widerstand des Mittelschenkels RMI, wobei RMA > 20 x RMI.
5. Drossel nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei für den Kernabschnitt im Mittelschenkel
ein magnetisch hochpermeables Material und für die Außenschenkel ein Material mit
hoher Sättigungsflussdichte verwendet wird.
6. Drossel nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei in mindestens einem Außenschenkel
(230) ein Luftspalt (L, L1, L2) liegt.
7. Drossel nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei Luftspalte (L, L1, L2) in den Außenschenkeln
(230) in den Bereichen der Spulen (20, 30) angeordnet sind.
8. Drossel nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Kernabschnitte aus einem Plattenstapel
aus weichmagnetischem Material hergestellt sind.
9. Drossel nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei
die Kernabschnitte zwei E-förmige Teile (210, 220) sind, die so zusammengefügt werden,
dass deren freien Enden aneinander stoßen, so dass die zusammengefügten Mittelschenkel
(250) der zwei E-förmigen Teile (210, 220) den gemeinsamen Abschnitt bilden.
10. Drossel nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Außenschenkel (230, 240) aus zwei
U-förmigen Teilen gebildet werden, die so zusammengefügt werden, dass deren freien
Enden aneinander stoßen, so dass ein magnetischer Kreis entsteht, und
wobei der Mittelschenkel (350) für den gemeinsamen Abschnitt T-förmig ist und zwischen
den zwei Spulen (20, 30) in den magnetischen Kreis so eingefügt ist, dass der magnetische
Kreis kurzgeschlossen wird, so dass der magnetische Kreis in die zwei Schleifen unterteilt
wird.
11. Drossel nach Anspruch 10, wobei eine Höhe H2 eines vertikalen Teils (350-1) des T-förmigen
Mittelschenkels (350) einer Höhe H1 des Außenschenkels (230, 240) entspricht, eine
Breite B2 des vertikalen Teils (350-1) des T-förmigen Mittelschenkels (350) einem
lichten Abstand zwischen den zwei Spulen entspricht und eine Länge T2 des vertikalen
Teils (350-1) des T-förmigen Kernabschnitts (350) einem Innenabstand T1 von gegenüberliegenden
Außenschenkeln (240) des magnetischen Kreises entspricht, so dass der vertikale Teil
(350-1) des T-förmigen Kernabschnitts (350) den Raum zwischen den Spulen innerhalb
des magnetischen Kreises spielfrei ausfüllt.
12. Drossel nach Anspruch 10 oder 11, wobei ein horizontaler Teil (350-2) des T-förmigen
Mittelschenkels (350) auf einem Außenschenkel (240) aufliegt.
13. Drossel nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Außenschenkel (230, 240, 240-A,
240-B, 240-C, 240-D) aus zwei U-förmigen Teilen gebildet werden, deren freien Enden
jeweils gegenüberliegen und voneinander durch einen geraden langgestreckten Kernabschnitt
(450), der als Mittelschenkel dient, spielfrei getrennt sind, so dass die zwei Schleifen
mit dem Mittelschenkel (450) als gemeinsamen Abschnitt entstehen, die zwei miteinander
gekoppelte magnetische Kreise bilden.
14. Drossel nach einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei
jedes U-förmige Teil aus mehreren geraden Stücken zusammengefügt ist.
15. Drosselkern mit mehreren Kernabschnitten bestehend aus mehreren Außenschenkeln (230,
240, 240-A, 240-B, 240-C, 240-D) und einem Mittelschenkel (250, 350, 450),
wobei die Kernabschnitte so angeordnet sind, dass die Kernabschnitte zwei Schleifen
mit dem Mittelschenkel (250, 350, 450) als einem gemeinsamen Abschnitt bilden, um
zwei schwach gekoppelte magnetische Kreise zu bilden;
wobei die Außenschenkel (230, 240, 240-A, 240-B, 240-C, 240-D) einen Querschnitt A1
aufweisen; und
wobei der Mittelschenkel (250, 350, 450) für den gemeinsamen Abschnitt einen Querschnitt
A2 kleiner als 2 x A1 aufweist.