Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Kondensatoren und insbesondere auf Kondensatoren, wie sie vorzugsweise für Schaltnetzteile oder für andere Anwendungen einsetzbar sind, bei denen hohe Ströme zu schalten sind.The present invention relates to capacitors, and more particularly to capacitors which are preferably applicable to switching power supplies or other applications where high currents are to be switched.
Schaltnetzteile sind bekannt. Insbesondere existieren sogenannte Buck-Converter oder Tiefsetzsteller. Speziell zur Versorgung von CPUs auf Computer-Platinen sind sogenannte Multi-Phase-Buck-Converter bekannt. Solche Multiphasen-Schaltnetzteile haben eine Schaltungstopologie, bei der typische Buck-Converter-Schaltungen parallel zwischen den Eingang und die Last gesetzt sind. Jede der n ”Phasen” wird zu gleichmäßig beabstandeten Intervallen innerhalb einer Schaltperiode eingeschaltet. Solche sogenannte Multi-Phase-Buck-Converter sind beispielsweise aus der Fachveröffentlichung ”Using Coupled Inductors to Enhance Transient Performance of Multi-Phase Buck Converters”, J. Li, u. a., IBM Symposium, 14.–15. September 2004, Seiten 1–25 , bekannt.Switching power supplies are known. In particular, so-called buck converters or buck converters exist. Especially for the supply of CPUs on computer boards, so-called multi-phase buck converters are known. Such multiphase switching power supplies have a circuit topology in which typical buck converter circuits are set in parallel between the input and the load. Each of the n "phases" is turned on at evenly spaced intervals within a switching period. Such so-called multi-phase buck converters are for example from the technical publication "Using Coupled Inductors to Enhance Transient Performance of Multi-Phase Buck Converters," J. Li, et al., IBM Symposium, 14.-15. September 2004, pages 1-25 , known.
Insbesondere bei Schaltnetzteilen, die höhere Leistungen zu schalten haben, ist es im Hinblick auf die elektromagnetische Verträglichkeit einerseits und auch im Hinblick auf den Leistungsverbrauch und die gesamte Performance, also auch im Hinblick auf den Wirkungsgrad andererseits von großer Bedeutung, eine gute elektromagnetische Verträglichkeit und einen guten Wirkungsgrad bzw. einen geringen Leistungsverbrauch zu erreichen. Aufgrund der inhärent transienten Vorgänge in Schaltnetzteilen ist es von großer Bedeutung, dass nicht nur die Ausgangsspannung bzw. der Ausgangsstrom bedacht werden, sondern dass auch Umladungsvorgänge und damit verbundene Magnetfelder beim Entwurf des Schaltnetzteils und auch seine Komponenten berücksichtigt werden.In particular, in switching power supplies that have to turn higher power, it is in terms of electromagnetic compatibility on the one hand and in terms of power consumption and overall performance, so in terms of efficiency on the other hand of great importance, good electromagnetic compatibility and a to achieve good efficiency or low power consumption. Due to the inherent transient processes in switching power supplies, it is of great importance that not only the output voltage or the output current are considered, but that also Umladungsvorgänge and related magnetic fields in the design of the switching power supply and its components are taken into account.
Die Schalter in einem Schaltnetzteil, die typischerweise als IGBT- oder MOS-Leistungstransistoren ausgebildet sind, zeichnen sich dadurch aus, dass sie starke Ströme schalten können. Andererseits entsteht durch das Schalten der Schalter eine Problematik hinsichtlich elektromagnetischer Verträglichkeit und hinsichtlich Verluste aufgrund der in den einzelnen Schaltungsteilen vorhandenen sich stark ändernden Magnetfelder.The switches in a switching power supply, which are typically designed as IGBT or MOS power transistors, are characterized in that they can switch strong currents. On the other hand, the switching of the switches creates a problem with regard to electromagnetic compatibility and with regard to losses due to the strongly changing magnetic fields present in the individual circuit parts.
Insbesondere bei Anwendungen, in denen hohe Ströme zu schalten sind, existieren Problematiken bei herkömmlichen Bauelementen, die in der elektromagnetischen Verträglichkeit einerseits und den auftretenden Verlustleistungen andererseits liegen und damit nicht zuletzt mit der Größe und den Kosten des Bauelements zusammenhängen.In particular, in applications where high currents are to switch, there are problems with conventional components that are in the electromagnetic compatibility on the one hand and the power loss occurring on the other hand, and thus not least related to the size and cost of the device.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen verbesserten Kondensator zu schaffen.The object of the present invention is to provide an improved capacitor.
Diese Aufgabe wird durch einen Kondensator nach Patentanspruch 1 gelöst.This object is achieved by a capacitor according to claim 1.
Ein Aspekt betrifft ein Mehrphasen-Schaltnetzteil mit einer spezielle Art der stromabhängigen Umschaltung insbesondere bei einem negativen Strom. Das Schaltnetzteil umfasst eine Mehrzahl von Parallelzweigen, wobei jeder Parallelzweig zwei seriell geschaltete steuerbare Schalter und eine Spule aufweist, die zwischen die beiden Schalter und einen Ausgangsknoten geschaltet ist. Ferner ist ein Kondensator vorgesehen, der zwischen den Ausgangsknoten der Parallelzweige und Masse geschaltet ist. Eine Steuerung ist ausgebildet, um die zwei Schalter jedes Parallelzweiges so zu schalten, dass ein erster Schalter eines Parallelzweiges von einem leitenden in einen sperrenden Zustand geschaltet wird, wenn ein Strom durch eine Spule dieses Parallelzweiges einen ersten Stromwert erreicht, der größer als 5 A ist, und dass der zweite Schalter von einem leitenden in einen sperrenden Zustand geschaltet wird, wenn der Strom durch die Spule des Parallelzweiges einen zweiten Stromwert erreicht, der kleiner als 0 A ist.One aspect relates to a multiphase switching power supply with a special type of current-dependent switching, in particular in the case of a negative current. The switching power supply comprises a plurality of parallel branches, each parallel branch having two series-connected controllable switches and a coil which is connected between the two switches and an output node. Further, a capacitor is provided, which is connected between the output node of the parallel branches and ground. A controller is arranged to switch the two switches of each parallel branch so that a first switch of a parallel branch is switched from a conducting to a blocking state when a current through a coil of this parallel branch reaches a first current value which is greater than 5 A. and that the second switch is switched from a conducting to a blocking state when the current through the coil of the parallel branch reaches a second current value which is less than 0 A.
Damit wird sichergestellt, dass der Strom durch die Spule vor der erneuten Umschaltung die Nulllinie durchläuft und sogar leicht negativ ist. Dies stellt sicher, dass freie Ladungsträger in Halbleiterelementen, wie beispielsweise den Schaltern bzw. an den Schaltern zusätzlich vorgesehene Freilaufdioden, so weit als möglich ausgeräumt sind. Damit ist eine schnelle Umschaltung einerseits und andererseits auch eine Umschaltung erreichbar, die nicht gegen starke Magnetfelder oder elektrische Felder ankämpfen muss. Damit wird die Verlustleistung erheblich reduziert bzw. minimiert.This ensures that the current through the coil passes through the zero line before the new switchover and is even slightly negative. This ensures that free charge carriers in semiconductor elements, such as, for example, the switches or free-wheeling diodes additionally provided at the switches, are eliminated as far as possible. This is a quick switching on the one hand and on the other hand also a switching achievable, which does not have to fight against strong magnetic fields or electric fields. Thus, the power loss is significantly reduced or minimized.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Transistorstapelschaltung eingesetzt mit einem ersten Transistorelement mit einem ersten Halbleiterbereich, mit einer ersten Vorderseite, auf der eine erste Source- oder eine erste Emitter Metallisierung angeordnet ist, und mit einer Rückseite, an der ein erster Drain- oder ein erster Kollektorkontakt ausgebildet ist, und einem ersten Gate- oder einem ersten Basiskontakt. Ein zweites Transistorelement wird entsprechend vorgesehen. Das zweite Transistorelement ist auf dem ersten Transistorelement gestapelt, wobei der zweite Drain- oder der zweite Kollektorkontakt auf der ersten Source- oder der ersten Emitter-Metallisierung gestapelt angeordnet ist und leitend verbunden ist. Ferner ist ein Ausgangskontakt mit dem zweiten Drain- oder dem zweiten Kollektorkontakt und der ersten Source- oder der ersten Emitter-Metallisierung verbunden.According to another aspect of the present invention, a transistor stack circuit is used having a first transistor element with a first semiconductor region, with a first front side, on which a first source or a first emitter metallization is arranged, and with a back side, at which a first drain or a first collector contact is formed, and a first gate or a first base contact. A second transistor element is provided accordingly. The second transistor element is stacked on the first transistor element, wherein the second drain or the second collector contact is stacked on the first source or the first emitter metallization and is conductively connected. Further, an output contact is connected to the second drain or the second collector contact and the first source or the first emitter metallization.
Unabhängig davon, welcher der beiden gestapelten Transistorelemente aktiv ist, findet ein Stromtransport trotzdem, auf den gesamten Transistorstapel bezogen, in der gleichen Richtung statt, so dass sich Magnetfelder aufgrund der Ströme durch die Transistoren, die ganz erhebliche Werte annehmen können, da erhebliche Leistungen zu schalten sind, nicht gegenseitig behindern. Damit werden Verluste eliminiert und es wird gleichzeitig ein schnelles Schaltverhalten erreicht. Regardless of which of the two stacked transistor elements is active, a current transport nevertheless takes place in the same direction, relative to the entire transistor stack, so that magnetic fields due to the currents through the transistors, which can assume very substantial values, since considerable benefits are not interfering with each other. This eliminates losses and at the same time achieves fast switching behavior.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Kondensator vorgesehen, der nicht nur einen ersten Anschlussleiter zum Anschließen eines positiven Potenzials und einen zweiten Anschlussleiter zum Anschließen eines negativen Potenzials aufweist, zwischen denen ein Dielektrikum angeordnet ist, sondern der zusätzlich einen dritten Anschlussleiter aufweist, der mit dem zweiten Anschlussleiter verbunden ist und sich entlang des ersten Anschlussleiters erstreckt und von dem ersten Anschlussleiter isoliert ist. Dieser dritte Anschlussleiter wird vorzugsweise dazu eingesetzt, die Schalter zu kontaktieren, die aus den Parallelzweigen auf ”Masse” gelegt sind, während der normale zweite Anschluss des Kondensators dazu verwendet wird, um die tatsächliche Schaltungsmasse der gesamten Schaltung zu kontaktieren. Damit wird ebenfalls sichergestellt, dass in allen räumlichen Bereichen der Schaltung entsprechende Ströme fließen, die im Zweifelsfall nicht gegeneinander ankämpfen müssen und daher keine unterschiedliche Magnetfelder entladen bzw. aufladen müssen.According to a further aspect of the present invention, a capacitor is provided which not only has a first connection conductor for connecting a positive potential and a second connection conductor for connecting a negative potential, between which a dielectric is arranged, but additionally has a third connection conductor which is connected to the second connection conductor and extends along the first connection conductor and is insulated from the first connection conductor. This third terminal lead is preferably used to contact the switches which are grounded from the parallel branches, while the normal second terminal of the capacitor is used to contact the actual circuit ground of the whole circuit. This also ensures that corresponding currents flow in all spatial areas of the circuit, which in case of doubt do not have to fight each other and therefore do not have to discharge or charge different magnetic fields.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Spulenarray vorgesehen, das einen ersten Stab mit einem ersten Spalt und einer ersten Wicklung um den ersten Stab, einen zweiten Stab mit einem zweiten Spalt und einer zweiten Wicklung um den zweiten Stab sowie ein Deckelelement und ein Bodenelement aufweist, wobei die Wicklungen des Spulenarrays jeweilige Spulen in den Parallelzweigen des Schaltnetzteils bilden können. Durch entsprechendes Koppeln dieser Spulen, indem dieselben innerhalb eines einzigen Spulenarrays mit gemeinsamen Boden- und Deckelelement ausgeführt werden, kann erreicht werden, dass nahezu ähnlich große Magnetfelder in dem Volumen des Spulenarrays existieren, obgleich laufend Ströme komplett angeschaltet werden, auf einen Maximalwert gebracht werden und dann komplett wieder auf einen Wert gleich 0 bzw. sogar noch kleiner gemacht werden.According to another aspect of the present invention, there is provided a coil array comprising a first bar having a first gap and a first turn around the first bar, a second bar having a second gap and a second turn around the second bar, and a lid member and a bottom member wherein the windings of the coil array can form respective coils in the parallel branches of the switched-mode power supply. By appropriately coupling these coils by running them within a single coil array with common bottom and lid members, it can be achieved that nearly similar magnetic fields exist in the volume of the coil array, although current currents are continuously turned on, brought to a maximum value, and then completely made back to a value equal to 0 or even smaller.
Trotz dieses außerordentlich großen Stromhubs wird durch die erfindungsgemäße Spulenarrayanordnung ein System erhalten, das nur minimale Verluste und ein außerordentlich gutes Schaltverhalten trotz entsprechender hoher Induktivitätswerte mit sich bringt.Despite this extraordinarily large current lift, the system according to the invention provides a system which brings with it only minimal losses and extraordinarily good switching behavior despite correspondingly high inductance values.
Es sei darauf hingewiesen, dass das Schaltnetzteil und die einzelnen Aspekte des Kondensators, der Transistorstapelschaltung und des Spulenarrays vorzugsweise gemeinsam eingesetzt werden. Das Schaltnetzteil kann jedoch auch mit alternativen Komponenten bereits vorteilhaft betrieben werden. Dasselbe gilt für den Kondensator, die Transistorstapelschaltung bzw. das Spulenarray. Diese einzelnen Aspekte können unabhängig voneinander auch in anderen Anwendungen als in einem Schaltnetzteil eingesetzt werden, wobei es jedoch besonders vorteilhaft ist, diese Elemente zusammen einzusetzen, da dann ein besonders günstiges verlustarmes Verhalten erreicht wird. Genauso können auch nur zwei oder drei der genannten Aspekte ohne jeweils den verbliebenen bzw. die verbliebenen Aspekte innerhalbe eines Schaltnetzteils oder innerhalb einer anderen elektronischen Schaltung umgesetzt werden.It should be noted that the switching power supply and the individual aspects of the capacitor, the transistor stack circuit and the coil array are preferably used together. However, the switching power supply can already be operated with alternative components already advantageous. The same applies to the capacitor, the transistor stack circuit or the coil array. These individual aspects can be used independently of one another in applications other than in a switched-mode power supply, but it is particularly advantageous to use these elements together since a particularly favorable low-loss behavior is then achieved. Likewise, only two or three of the mentioned aspects can be implemented without the remaining or the remaining aspects within a switching power supply or within another electronic circuit.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen detailliert erläutert. Es zeigen:Preferred embodiments of the present invention will be explained below in detail with reference to the accompanying drawings. Show it:
1 ein Schaltnetzteil gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; 1 a switching power supply according to an embodiment of the present invention;
2 ein Schaltdiagramm zum Darstellen des Schaltens der Schalter in einem Parallelzweig und weitere Stromverläufe der anderen Parallelzweige; 2 a circuit diagram for illustrating the switching of the switches in a parallel branch and other current waveforms of the other parallel branches;
3a eine bevorzugte Darstellung der seriell geschalteten steuerbaren Schalter in einem Parallelzweig; 3a a preferred representation of the serially connected controllable switch in a parallel branch;
3b eine Transistorstapelschaltung gemäß einem Ausführungsbeispiel; 3b a transistor stack circuit according to an embodiment;
3c eine Transistorstapelschaltung mit mehreren Paaren von steuerbaren Schaltern; 3c a transistor stack circuit having a plurality of pairs of controllable switches;
4 ein Schaltnetzteil von 1 mit einem vorgeschalteten LC-Filter; 4 a switching power supply of 1 with an upstream LC filter;
5a eine Implementierung eines Kondensators mit einem dritten Anschlussleiter gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; 5a an implementation of a capacitor with a third connection conductor according to an embodiment of the present invention;
5b eine Draufsicht auf eine bevorzugte Implementierung des Paars aus erstem Anschlussleiter und drittem Anschlussleiter; 5b a plan view of a preferred implementation of the pair of first terminal conductor and third terminal conductor;
5c eine alternative Ausführung des dritten Anschlusses bezüglich des ersten Anschlusses auf einer planaren Schaltung; 5c an alternative embodiment of the third terminal with respect to the first terminal on a planar circuit;
5d eine Schnittansicht der Anbringung des Kondensators an einer Platine mit durch die Platine durchgeführtem ersten Anschlussleiter; 5d a sectional view of the attachment of the capacitor to a board with performed through the board first terminal conductor;
5e eine Schnittdarstellung durch eine Platine mit auf der Platine angeordnetem Kondensator und an der Rückseite der Platine angeordneten Transistorstapelschaltungen und Induktivitäten; 5e a sectional view through a board with arranged on the board capacitor and arranged at the back of the board transistor stack circuits and inductors;
6a eine bevorzugte Implementierung des Schaltnetzteils mit einem Kondensator von beispielsweise 5a; 6a a preferred implementation of the switching power supply with a capacitor of, for example 5a ;
6b eine Schaltung aus einem Kondensator von 5a mit einer Transistorstapelschaltung von 3b; 6b a circuit of a capacitor of 5a with a transistor stack of 3b ;
7a ein Spulenarray gemäß einem Ausführungsbeispiel in einer schematischen Draufsicht; 7a a coil array according to an embodiment in a schematic plan view;
7b ein Spulenarray von 7a in einer schematischen Schnittdarstellung; 7b a coil array of 7a in a schematic sectional view;
8a ein Spulenarray gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel; 8a a coil array according to another embodiment;
8b ein Querschnitt durch ein Spulenarray von 8a in schematischer Darstellung; und 8b a cross section through a coil array of 8a in a schematic representation; and
8c eine Detaildarstellung des Ausführungsbeispiels von 8a mit den beiden Teilspulen L1a und L1b und deren Verschaltungen. 8c a detailed representation of the embodiment of 8a with the two sub-coils L 1a and L 1b and their interconnections.
1 zeigt ein Schaltnetzteil gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Insbesondere ist eine Mehrzahl von Parallelzweigen vorgesehen, wobei jeder Parallelzweig zwei seriell geschaltete steuerbare Schalter S1, S2 bzw. S3, S4 bzw. S5 und S6 und eine Spule L1 bzw. L2, Ln aufweist, die zwischen die beiden Schalter, also an einem jeweiligen Zwischenknoten OUT1, OUT2 bzw. OUT3 und einem Ausgangsknoten 150 geschaltet sind. Ferner ist ein Kondensator COUT, der mit 152 bezeichnet ist, vorgesehen, wobei dieser Kondensator 152 zwischen den Ausgangsknoten 150 der Parallelzweige und eine Schaltungsmasse 154 geschaltet ist. Ferner ist eine Steuerung 160 vorgesehen, die ausgebildet ist, um die zwei Schalter jedes Parallelzweiges so zu schalten, dass ein erster Schalter von einem leitenden in einen sperrenden Zustand geschaltet wird, wenn ein Strom durch eine Spule des entsprechenden Parallelzweiges einen ersten Stromwert erreicht, der größer als 5 A ist, und dass der zweite Schalter von einem leitenden in einen sperrenden Zustand geschaltet wird, wenn der Strom durch die Spule des Parallelzweiges einen zweiten Stromwert erreicht, der kleiner als 0 A ist. Die Steuerung besitzt also bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung für jeden Strom I1, I2, In einen Eingang und hat für jeden Schalter S1 bis S6 bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel einen Ausgang. 1 shows a switching power supply according to an embodiment of the present invention. In particular, a plurality of parallel branches is provided, each parallel branch having two serially connected controllable switches S 1 , S 2 or S 3 , S 4 or S 5 and S 6 and a coil L 1 or L 2 , L n , which between the two switches, that is to say at a respective intermediate node OUT 1 , OUT 2 or OUT 3 and an output node 150 are switched. Further, a capacitor C OUT , which with 152 is designated, provided, wherein this capacitor 152 between the output nodes 150 the parallel branches and a circuit ground 154 is switched. There is also a controller 160 which is configured to switch the two switches of each parallel branch such that a first switch is switched from a conducting to a blocking state when a current through a coil of the corresponding parallel branch reaches a first current value which is greater than 5 A. and that the second switch is switched from a conducting to a blocking state when the current through the coil of the parallel branch reaches a second current value which is less than 0 A. Thus, in one embodiment of the invention, the controller has one input for each current I 1 , I 2 , I n and has for each switch S 1 to S 6 at the in 1 embodiment shown an output.
Insbesondere umfasst bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel der erste Parallelzweig die beiden ersten Schalter 110, 112. Über die beiden Schalter ist jeweils eine Freilaufdiode 111 bzw. 113 geschaltet. An dem Knoten OUT1, an dem der erste Schalter und der zweite Schalter S1, S2 parallel geschaltet sind, ist eine erste Spule 141 angebracht.In particular, in the 1 the embodiment shown, the first parallel branch, the two first switch 110 . 112 , About the two switches each have a freewheeling diode 111 respectively. 113 connected. At the node OUT 1 , at which the first switch and the second switch S 1 , S 2 are connected in parallel, is a first coil 141 appropriate.
Der zweite Parallelzweig besteht aus dem ersten Schalter 120 und dem zweiten Schalter 122, die mit S3 und S4 ebenfalls in 1 bezeichnet sind, sowie entsprechend geschalteten Dioden 121 und 123. Insbesondere sind die Dioden über die Schalter so geschaltet, dass in der Gegenrichtung, also wenn ein Strom zurückfließt, ein Stromfluss über die Diode stattfinden kann. Wenn also ein Stromfluss vom Knoten OUT1 am Eingangsknoten 108 fließen soll, so wird dieser Stromfluss durch die Diode D1 ermöglicht, selbst wenn der Schalter S1 offen ist. Entsprechende Verhältnisse hegen bei den anderen Dioden vor. Wenn also beispielsweise ein Stromfluss von der Schaltungsmasse 154, mit der der Schalter S2 112 verbunden ist, zum Knoten OUT1 erfolgen soll, so wird dieser Stromfluss zugelassen, und zwar aufgrund der Diode D2 113, selbst wenn der Schalter S2 112 offen ist. Dieses Verhalten ist besonders dahin gehend von Vorteil, dass damit ein negativer Strom durch die Spule L1 ermöglicht wird, der von erheblicher Bedeutung ist, um einen verlustarmen Betrieb des Schaltnetzteils zu erreichen, wie es noch anhand von 2 dargestellt wird.The second parallel branch consists of the first switch 120 and the second switch 122 with S 3 and S 4 also in 1 are designated, and correspondingly connected diodes 121 and 123 , In particular, the diodes are connected via the switches so that in the opposite direction, ie when a current flows back, a current flow can take place via the diode. So if a current flow from the node OUT 1 at the input node 108 flow, so this current flow is enabled by the diode D 1 , even if the switch S 1 is open. Corresponding conditions prevail in the other diodes. So if, for example, a current flow from the circuit ground 154 , with which the switch S 2 112 is connected to the node OUT 1 , so this current flow is allowed, due to the diode D 2 113 even if the switch S 2 112 is open. This behavior is particularly advantageous in that it allows a negative current through the coil L 1 , which is of considerable importance to achieve a low-loss operation of the switching power supply, as still based on 2 is pictured.
Vorzugsweise umfasst die Steuerung 160 Stromsensoren 146, 147, 148. Die Stromsensoren können entweder an der in 1 dargestellten Position zwischen den jeweiligen Spulen 141, 142, 143 und dem Ausgangsknoten 150 angeordnet sein. Alternativ können die Stromsensoren auch zwischen den Zwischenknoten OUT1, OUT2, OUT3 und den Spulen L1, L2, Ln angeordnet sind, oder aber auch an anderer Stelle, also dem einen oder anderen Schalter nachgeschaltet, um irgendwie einen Hinweis auf einen Strom durch eine entsprechende Spule zu liefern. Abhängig von diesen Stromsignalen, die über die Eingänge I1, I2, In in die Steuerung 160 eingespeist werden, werden dann die Schaltsignale S1 bis S6 bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel vorgenommen. Die Stromsensoren können auf beliebigen Art uns Weise ausgeführt sein, wie beispielsweise als Hall-Sensoren in einer mit der Transistorstapelschalten integrierten Ausführung oder als diskrete Elemente.Preferably, the controller comprises 160 current sensors 146 . 147 . 148 , The current sensors can either be connected to the in 1 shown position between the respective coils 141 . 142 . 143 and the parent node 150 be arranged. Alternatively, the current sensors can also be arranged between the intermediate nodes OUT 1 , OUT 2 , OUT 3 and the coils L 1 , L 2 , L n , or else at a different location, that is, downstream of the one or other switch, to somehow provide an indication to provide a current through a corresponding coil. Depending on these current signals via the inputs I 1 , I 2 , I n in the controller 160 are fed, then the switching signals S 1 to S 6 at the in 1 made embodiment shown. The current sensors may be implemented in any manner such as, for example, as Hall sensors in an embodiment integrated with the transistor stack switching or as discrete elements.
Obgleich in 1 beispielhaft drei Parallelzweige dargestellt sind, kann je nach Implementierung das Schaltnetzteil auch mit lediglich zwei Parallelzweigen oder mehr als drei Parallelzweigen, wie beispielsweise vier, fünf oder sechs Parallelzweigen ausgeführt werden.Although in 1 By way of example, three parallel branches are shown, depending on the implementation of the switching power supply with only two parallel branches or more than three parallel branches, such as For example, four, five or six parallel branches are executed.
Ein Stromverlaufsdiagramm der Spulenströme I1 I2, In zueinander als Funktion der Zeit t ist in 2 im oberen Diagramm dargestellt. Im unteren Diagramm finden sich die entsprechenden Steuersignale an die Schalter S1, S2 des ersten Parallelzweiges, wobei im ersten Parallelzweig der in 2 im oberen Diagramm durchgezogene Strom I1 fließt. Dem zweiten Parallelzweig ist der gestrichelte Strom I2 im oberen Diagramm von 2 zugeordnet, und dem dritten Parallelzweig ist der Strom In, der im oberen Diagramm in 2 strichpunktiert gezeichnet ist, zugeordnet. Daraus ergibt sich, dass die Schaltsignale für die beiden Schalter im zweiten Zweig und im dritten Zweig analog zu den Schaltsignalen S1, S2 im ersten Zweig ausgebildet sind, jedoch über eine Schaltungsperiode zeitversetzt.A current flow diagram of the coil currents I 1 I 2 , I n to each other as a function of time t is in 2 shown in the upper diagram. The lower diagram shows the corresponding control signals to the switches S 1 , S 2 of the first parallel branch, wherein in the first parallel branch of the in 2 in the upper diagram, continuous current I 1 flows. The second parallel branch is the dashed current I 2 in the upper diagram of 2 associated with the third parallel branch is the current I n , which in the upper diagram in 2 dash-dotted line is assigned. It follows that the switching signals for the two switches in the second branch and the third branch are analogous to the switching signals S 1 , S 2 are formed in the first branch, but time-offset over a circuit period.
Ferner ist in 2 im oberen Diagramm gezeigt, dass vorzugsweise bei einem Wert von –0,5 A der zweite Schalter S2 gesperrt wird. Diese Sperrung wird für einen entsprechenden Stromwert vorgenommen, der bei anderen Ausführungsbeispielen auch zwischen, –0,1 A und –1 A sein kann.Furthermore, in 2 shown in the upper diagram that preferably at a value of -0.5 A, the second switch S 2 is disabled. This inhibit is made for a corresponding current value which, in other embodiments, may also be between -0.1A and -1A.
Darüber hinaus wird es bevorzugt, den ersten Transistor S1 dann auszuschalten, wenn der Maximalwert des Stroms 10 A hat bzw. zwischen 8 und 12 A liegt. Bevorzugte Werte sind für den maximalen Stromwert zwischen 9 und 12 A und für den minimalen Stromwert zwischen –0,2 und –2 A.Moreover, it is preferable to switch off the first transistor S 1 when the maximum value of the current has 10 A or lies between 8 and 12 A. Preferred values are between 9 and 12 A for the maximum current value and between -0.2 and -2 A for the minimum current value.
Wie es ausgeführt worden ist, ist vorzugsweise jeder Schalter mit einer parallel geschalteten Diode versehen, die so gepolt ist, dass ein Strom kleiner 0 A durch die Diode fließen kann, wie es erforderlich ist, um die negativen Stromwerte, wie sie in 2 im oberen Diagramm gezeigt sind, zu erreichen.As has been pointed out, preferably each switch is provided with a diode connected in parallel, which is poled so that a current smaller than 0 A can flow through the diode, as required, to obtain the negative current values as shown in FIG 2 shown in the upper diagram.
Darüber hinaus ist bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung die Steuerung 160 ausgebildet, um den ersten Schalter eines Parallelzweiges von einem sperrenden in einen leitenden Zustand um eine Totzeit verzögert nach dem Schalten des zweiten Schalters von dem leitenden in den sperrenden Zustand zu schalten, wobei diese Totzeit, die bei 200 in 2 gezeigt ist, vorzugsweise größer als 100 ns und kleiner als 1 μs ist. Ferner ist, wie ebenfalls in 2 zu sehen ist, die Steuerung ausgebildet, um den zweiten Schalter des Parallelzweiges von dem sperrenden in den leitenden Zustand, um die Totzeit 200 verzögert, nach dem Schalten des ersten Schalters von dem leitenden in den sperrenden Zustand zu schalten, wobei diese Totzeit ebenfalls größer als 100 ns und kleiner als 1 μs ist. Die Totzeiten zwischen dem Schalten von S2 und S1 ist vorzugsweise die Zeit zwischen dem Schalten von S1 und S2 in der Mitte von 2, obgleich dies jedoch nicht unbedingt der Fall sein muss, die Totzeiten können also unterschiedlich sein sollten aber beide in dem genannten Rahmen liegen.Moreover, in another embodiment of the present invention, the controller is 160 configured to switch the first switch of a parallel branch from a blocking to a conductive state delayed by a dead time after switching the second switch from the conductive to the blocking state, wherein this dead time, at 200 in 2 is preferably greater than 100 ns and less than 1 μs. Further, as also in 2 As can be seen, the controller is configured to apply the second switch of the parallel branch from the blocking to the conducting state to the dead time 200 delayed to switch from the conductive to the blocking state after switching of the first switch, this dead time is also greater than 100 ns and less than 1 microseconds. The dead times between the switching of S 2 and S 1 is preferably the time between the switching of S 1 and S 2 in the middle of 2 although this may not necessarily be the case, the dead times may be different, but both should fall within the stated range.
Wie es ausgeführt worden ist, ist die Steuerung 160 von 1 ferner ausgebildet, um die Schalter eines weiteren Parallelzweiges zeitlich versetzt zu den Schaltern des Parallelzweiges zu schalten, so dass Ströme durch die Spulen des Parallelzweiges und des weiteren Parallelzweiges unterschiedlich sind. Allgemein gesagt umfasst das Schaltnetzteil eine Anzahl k von Parallelzweigen, wobei k größer oder gleich 2 ist, und wobei die Steuerung ausgebildet ist, um die Schalter der k Parallelzweige so zeitlich versetzt anzusteuern, dass in einem Zyklus Ausschaltzeitpunkte der Schalter gleichmäßig verteilt sind, wobei ein Zyklus beispielsweise bei dem ersten Stromwert wie beispielsweise bei 210 für den ersten Parallelzweig startet und bei einem zeitlich darauffolgenden nächsten Erreichen dieses Stromwerts, also bei 212 endet.As it has been stated, the control is 160 from 1 further configured to switch the switches of a further parallel branch offset in time to the switches of the parallel branch, so that currents through the coils of the parallel branch and the further parallel branch are different. Generally speaking, the switching power supply comprises a number k of parallel branches, where k is greater than or equal to 2, and wherein the controller is designed to control the switches of the k parallel branches in a time offset so that the switches are evenly distributed in one cycle off times, wherein a For example, cycle at the first current value such as at 210 for the first parallel branch starts and at a time subsequent next reaching this current value, ie at 212 ends.
Daraus ist ersichtlich, dass in diesem Zyklus sowohl der Strom I2 und der Strom In einen Minimalwert und einen Maximalwert haben. Ferner wird es bevorzugt, dass die Schaltphasen der einzelnen Parallelzweige gleichmäßig verteilt sind, dass also zeitlich gesehen die Periode zwischen dem Punkt 210 und dem Punkt 212 in k Teile aufgeteilt wird, wobei in 2 k gleich 3 ist, und dass die einzelnen Parallelzweige ihren Maximalstrom und damit den Ausschaltzeitpunkt des ersten Schalters immer um den Zeitraum 1/k mal der Schaltperiode plus/minus einer Toleranz von 10 Prozent von diesem Wert, also dem Zeitraum zwischen 210 und 212 versetzt bezüglich eines anderen Parallelzweiges erreicht. Ist eine Periode z. B. 4 Mikrosekunden lang, und werden k = 4 Zweige verwendet, so sind die Maximalwerte bzw. Minimalwert bzw. Nulldurchgänge etc. der Stromverläufe um 1 Mikrosekunde plus/minus 10%, also um 0,9 Mikrosekunden bis 1,1 Mikrosekunden voneinander zeitlich beabstandet.It can be seen that in this cycle both the current I 2 and the current I n have a minimum value and a maximum value. Furthermore, it is preferred that the switching phases of the individual parallel branches are distributed uniformly, that is, in terms of time, the period between the point 210 and the point 212 is divided into k parts, where in 2 k is equal to 3, and that the individual parallel branches always their maximum current and thus the switch-off of the first switch by the period 1 / k times the switching period plus / minus a tolerance of 10 percent of this value, ie the period between 210 and 212 offset with respect to another parallel branch achieved. Is a period z. For example, for 4 microseconds, and k = 4 branches are used, the maximum values, minimum value, zero crossings, etc. of the current waveforms are 1 microsecond plus / minus 10%, ie 0.9 microseconds to 1.1 microseconds apart spaced.
Wie bereits ausgeführt ist das in 1 gezeigte Schaltnetzteil, dessen Schaltverhalten in 2 dargestellt ist, dafür vorgesehen, Ausgangsleistungen zu liefern, die höher als 2 kW und vorzugsweise höher als 5 kW sind. Die bevorzugte Last ist ein Drehfeldgenerator, wie er verwendet wird, um einen Turbokompressor einer Wärmepumpe mit hohen Drehzahlen anzusteuern.As already stated, this is in 1 shown switching power supply whose switching behavior in 2 is intended to provide output powers which are higher than 2 kW and preferably higher than 5 kW. The preferred load is a rotating field generator as used to drive a turbocharger of a heat pump at high speeds.
Daher sind die Schalter in den Parallelzweigen als Leistungstransistoren ausgebildet. 3a zeigt eine Implementierung der beiden Schalter als IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistor) oder als MOS-Leistungstransistoren. Insbesondere wird es bevorzugt, dass jeder Schalter S1 bis S6 durch einen entsprechenden IGBT oder MOS-Transistor mit entsprechender zugeordneter Diode ausgeführt wird, wie er schematisch in 3a dargestellt ist.Therefore, the switches in the parallel branches are designed as power transistors. 3a shows an implementation of the two switches as IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistor) or as MOS power transistors. In particular, it is preferred that each switch S 1 to S 6 by a corresponding IGBT or MOS transistor with corresponding associated diode is executed, as shown schematically in FIG 3a is shown.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfasst das Netzteil ferner eine LC-Filterstufe, wie sie in 4 dargestellt ist. 4 zeigt insbesondere den Eingangsknoten 108, Parallelzweige 401, 402, 403 sowie den Ausgangsknoten 152. Das LC-Filter umfasst die Induktivität 410, die mit Lf bezeichnet ist und eine Kapazität 412, die mit Cf bezeichnet ist. An einem Eingangsknoten der Induktivität 410, der mit 420 bezeichnet ist, kann ein Netz-Drehstrom angeschlossen werden, wobei es insbesondere bevorzugt wird, eine Phase der drei Phasen des Netz-Drehstroms zwischen den Knoten 420 und den Masseknoten 422 einzuspeisen. Es ist in 4 somit ersichtlich, dass die drei Parallelzweige des Schaltnetzteils 401, 402, 403 zwischen die beiden Kondensatoren 412, 152 geschaltet sind.In a preferred embodiment of the present invention, the power supply further comprises an LC filter stage as described in US Pat 4 is shown. 4 shows in particular the entrance node 108 , Parallel branches 401 . 402 . 403 and the parent node 152 , The LC filter includes the inductance 410 , which is denoted by L f and a capacity 412 , which is denoted by C f . At an input node of the inductance 410 , the one with 420 is designated, a mains three-phase current can be connected, wherein it is particularly preferred, a phase of the three phases of the mains three-phase current between the nodes 420 and the ground node 422 feed. It is in 4 Thus it can be seen that the three parallel branches of the switching power supply 401 . 402 . 403 between the two capacitors 412 . 152 are switched.
Die Funktionalität des Schaltnetzteils in 1 oder 4 ist insbesondere dahin gehend vorteilhaft, dass sich ausgangsseitig die Ströme überlagern, so dass ein geringer Ripple erhalten wird. Damit wird der hierbei scheinbare ”Nachteil” des starken Stromhubs wettgemacht, da sich die Ströme und damit die entsprechenden Magnetfelder in dem Schaltungsvolumen überlagern. Ferner führt das Ausschalten der jeweils zweiten Transistoren, also das Schalten der zweiten Transistoren vom eingeschalteten Zustand in den gesperrten Zustand zu dem Zeitpunkt, zu dem der Strom in der entsprechenden Spule bereits negativ ist, dazu, dass die Verluste aufgrund des Schaltens minimal sind.The functionality of the switching power supply in 1 or 4 In particular, it is advantageous that the currents are superimposed on the output side so that a small ripple is obtained. This makes up for the apparent "disadvantage" of the strong current lift, since the currents and thus the corresponding magnetic fields are superposed in the circuit volume. Further, turning off each of the second transistors, that is, switching the second transistors from the on-state to the off-state at the time the current in the corresponding coil is already negative, causes the losses due to the switching to be minimal.
Darüber hinaus ist besonders vorteilhaft, dass mit relativ großen Totzeiten der jeweils erste Schalter nach dem Ausschalten des zweiten Schalters eingeschaltet werden kann. Die Totzeit, die bis zu eine Mikrosekunde groß sein kann, ist so groß, dass keine besonderen Synchronisationsstufen etc. nötig sind. Es stellt keine Schwierigkeit dar, in dieser Totzeit einen Leistungstransistor einzuschalten. Damit sind die Anforderungen an die Steuerung 160 relativ reduziert, so dass auch die Implementierung preisgünstig und aufwandsarm geschaffen werden kann.Moreover, it is particularly advantageous that, with relatively large dead times, the respective first switch can be switched on after switching off the second switch. The dead time, which can be up to a microsecond in size, is so great that no special synchronization stages etc. are needed. There is no difficulty in turning on a power transistor in this dead time. This is the requirements for the controller 160 Relatively reduced, so that the implementation can be created inexpensively and with little effort.
Darüber hinaus sei darauf hingewiesen, dass die Transistorpaare in den einzelnen Zweigen nicht genau zeitversetzt arbeiten müssen, sondern nur in etwa zeitversetzt. Sollte der Zeitversatz nicht optimal über einen Zyklus verteilt sein, so ist die einzige Folge hiervon ein etwas größerer Ripple, der jedoch durch die Spulen und den Siebkondensator 152 ohnehin gefiltert wird.In addition, it should be noted that the transistor pairs in the individual branches do not have to work exactly time-delayed, but only in about time delay. If the skew is not optimally distributed over a cycle, the only consequence of this is a slightly larger ripple, but through the coils and filter capacitor 152 filtered anyway.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Transistorstapelschaltung, wie sie schematisch in 3a und in einer Implementierung in 3b gezeigt ist. Insbesondere umfasst eine Transistorstapelschaltung ein erstes Transistorelement 300 und ein zweites Transistorelement 320. Das erste Transistorelement 300 umfasst beispielsweise einen ersten Halbleiterbereich 301, der eine Vorderseite aufweist, auf der eine erste Source- oder Emitter-Metallisierung 302 ausgebildet ist. Ferner umfasst der erste Halbleiterbereich 301 eine Rückseite, an der ein erster Drain- oder Kollektorkontakt 303 ausgebildet ist. Ferner umfasst das erste Transistorelement einen ersten Gate- oder Basiskontakt 304.Another aspect of the present invention relates to a transistor stack circuit as shown schematically in FIG 3a and in an implementation in 3b is shown. In particular, a transistor stack circuit comprises a first transistor element 300 and a second transistor element 320 , The first transistor element 300 includes, for example, a first semiconductor region 301 having a front surface on which a first source or emitter metallization 302 is trained. Furthermore, the first semiconductor region comprises 301 a back, at which a first drain or collector contact 303 is trained. Furthermore, the first transistor element comprises a first gate or base contact 304 ,
Das zweite Transistorelement 320 umfasst einen zweiten Halbleiterbereich 321 mit einer zweiten Vorderseite, auf der eine zweite Source- oder Emitter-Metallisierung 322 ausgebildet ist, und mit einer Rückseite, auf der ein zweiter Drain- oder zweiter Kollektorkontakt 322 ausgebildet ist, wobei das zweite Transistorelement ferner einen zweiten Gate- oder einen zweiten Basiskontakt 324 aufweist. Der zweite Drain- oder der zweite Kollektorkontakt 322 ist auf der ersten Source- oder der ersten Emitter-Metallisierung 302 gestapelt angeordnet und mit dieser leitend verbunden. Ferner ist ein Ausgangskontakt 330, der auch mit OUT1, OUT2, OUT3 in 3b oder in 1 bezeichnet ist, mit dem zweiten Drain- oder dem zweiten Kollektorkontakt und der ersten Source- oder der ersten Emitter-Metallisierung 302 verbunden.The second transistor element 320 includes a second semiconductor region 321 with a second front side on which a second source or emitter metallization 322 is formed, and with a backside, on which a second drain or second collector contact 322 is formed, wherein the second transistor element further comprises a second gate or a second base contact 324 having. The second drain or the second collector contact 322 is on the first source or first emitter metallization 302 stacked and connected to this conductive. Furthermore, an output contact 330 also with OUT 1 , OUT 2 , OUT 3 in 3b or in 1 with the second drain or second collector contact and the first source or first emitter metallization 302 connected.
Wie es bereits anhand von 1 dargestellt worden ist, umfasst die Transistorstapelschaltung vorzugsweise ferner die Steuerung 160, wobei der erste Gate- oder der erste Basiskontakt 304 und der zweite Gate- oder der zweite Basiskontakt 324 mit der Steuerung 160 verbunden sind, und wobei die Steuerung ausgebildet ist, um den ersten Gate- oder den ersten Basiskontakt 304 und den zweiten Gate- oder den zweiten Basiskontakt 324 so zu betreiben, dass das erste Transistorelement leitet, wenn das zweite Transistorelement sperrt und umgekehrt.As already stated by 1 The transistor stack circuit preferably further comprises the controller 160 wherein the first gate or the first base contact 304 and the second gate or second base contact 324 with the controller 160 and wherein the controller is configured to connect the first gate or the first base contact 304 and the second gate or the second base contact 324 to operate so that the first transistor element conducts when the second transistor element blocks and vice versa.
Wie bereits ausgeführt, sind das erste Transistorelement und das zweite Transistorelement als Leistungselemente ausgeführt, also als IGBT- oder MOS-Leistungstransistor. Im Falle eines MOS-Leistungstransistors umfasst der Transistor einen Sourcekontakt, einen Drainkontakt und einen Gatekontakt, während der Schalter im Falle eines IGBT-Leistungstransistors einen Emitterkontakt, einen Basiskontakt und einen Kollektorkontakt aufweist.As already stated, the first transistor element and the second transistor element are designed as power elements, that is, as an IGBT or MOS power transistor. In the case of a MOS power transistor, the transistor comprises a source contact, a drain contact and a gate contact, while in the case of an IGBT power transistor, the switch has an emitter contact, a base contact and a collector contact.
Vorzugsweise ist die Emitter- bzw. Source-Metallisierung 322 so ausgebildet, dass diese eine Vielzahl von arraymäßig angeordneten Source- oder Emitter-Gebieten aufweist, während die Rückseite des ersten Halbleiterbereichs 301 oder des zweiten Halbleiterbereichs 321 als Rückseiten-Metallisierung durchgehend metallisiert ist.Preferably, the emitter or source metallization 322 is formed so that it has a plurality of arraymäßig arranged source or emitter regions, while the back of the first semiconductor region 301 or the second semiconductor region 321 is continuously metallized as backside metallization.
3b zeigt einen Transistorstapel mit zwei übereinander angeordneten Schaltern. Darüber hinaus zeigt 3c eine Transistorstapelschaltung mit drei Paaren von Schaltern, wie sie z. B. in der Ausführung in 1 eingesetzt werden könnte. Neben dem Schalterpaar S1 und S2 ist ein weiteres Schalterpaar S3 120 und S4 122 vorgesehen, und ist noch ein weiteres Schalterpaar S5 130 und S6 132 vorgesehen, wobei vorzugsweise in den Transistorimplementierungen die Dioden ebenfalls zwischen Source und Drain bzw. Emitter und Kollektor ausgebildet sind. 3b shows a transistor stack with two superimposed switches. In addition, shows 3c a transistor stack circuit with three pairs of switches, as z. B. in the embodiment in 1 could be used. In addition to the pair of switches S 1 and S 2 , another pair of switches S 3 120 and S 4 122 provided, and is still another pair of switches S. 5 130 and S 6 132 provided, wherein preferably in the transistor implementations, the diodes are also formed between the source and drain or emitter and collector.
Ferner umfasst die Transistorstapelschaltung sechs Gateanschlüsse G1 bis G6 und drei voneinander getrennte Ausgangsanschlüsse OUT1,2,3, die separat vorzugsweise seitlich herausgeführt sind. Darüber hinaus sind die Drains bzw. Kollektoren der einzelnen Schaltungen separat bei 341, 342, 343 gezeigt, obgleich, wie es in 1 gezeigt ist, diese Drain/Kollektoranschlüsse miteinander kurzgeschlossen sind. Dasselbe gilt für die drei Masseanschlüsse 351, 352, 353, die ebenfalls separat gezeigt sind, obgleich diese Masseanschlüsse ebenfalls kurzgeschlossen sein können, wie es auch aus 1 ersichtlich ist.Furthermore, the transistor stack circuit comprises six gate terminals G 1 to G 6 and three mutually separate output terminals OUT 1,2,3 , which are preferably led out laterally separately. In addition, the drains or collectors of the individual circuits are included separately 341 . 342 . 343 shown, though, as it is in 1 is shown, these drain / collector terminals are shorted together. The same applies to the three ground connections 351 . 352 . 353 , which are also shown separately, although these ground connections can also be short-circuited, as well as out 1 is apparent.
Vorzugsweise sind die Schalterpaare S3, S4 genauso wie in 3b gezeigt, ausgebildet. Dasselbe gilt auch für die Schalterpaare S5 und S6. Darüber hinaus wird es bevorzugt, dass die Schalterpaare, wie sie in 3c gezeigt sind, jeweils voneinander seitlich isoliert sind, dass also eine Isolation zwischen S1 und S3 beispielsweise oder S2 und S4 oder S3 und S5 oder S6 und S4, also an den Grenzflächen 361, 362, vorhanden ist. Eine solche Isolation kann beispielsweise durch eine Sägekante, wie sie beim Chipvereinzeln auftritt, geschaffen werden, die mit Dielektrikum gefüllt sein kann oder nicht.Preferably, the switch pairs S 3 , S 4 are the same as in 3b shown, trained. The same applies to the switch pairs S 5 and S 6 . In addition, it is preferred that the pairs of switches as shown in FIG 3c are each insulated from each other laterally, that is, an insulation between S 1 and S 3, for example, or S 2 and S 4 or S 3 and S 5 or S 6 and S 4 , ie at the interfaces 361 . 362 , is available. Such insulation can be provided, for example, by a saw edge, as occurs in chip dicing, which may or may not be filled with dielectric.
Es wird insbesondere bevorzugt, Transistoren, z. B. S1, S3, S5 und auf demselben flächigen Substrat wie S2, S4, S6 auszubilden. Dann werden jeweils die Vereinzelungs-Kanten zwischen den einzelnen Transistoren, also an den Verbindungslinien 361, 362 vorgenommen, wobei jedoch die drei benachbarten Transistoren, wie beispielsweise S1, S3, S5 nicht komplett vereinzelt werden. Hierauf werden die einzelnen Transistorgruppen aus S1, S3, S5 einerseits und S2, S4 und S6 aufeinandergestapelt, wie es in 3b anhand eines Paars gezeigt ist. Die Befestigung ist insoweit unkritisch, weil die Rückseitenmetallisierung des oberen Halbleiterelements 321 einfach mit der Emitter/Source-Metallisierung des unteren Transistors leitfähig verbunden wird, was z. B. durch Legieren oder leitfähiges Kleben geschehen kann. In 3b ist ferner eine Isolationsschicht 305 bzw. 325 gezeigt, um anzudeuten, dass die Emitter/Source-Metallisierung selbstverständlich von der jeweiligen Basis bzw. dem jeweiligen Gatebereich isoliert ist.It is especially preferred to use transistors, e.g. B. S 1 , S 3 , S 5 and on the same sheet-like substrate as S 2 , S 4 , S 6 form . Then in each case the separating edges between the individual transistors, ie at the connecting lines 361 . 362 made, but the three adjacent transistors, such as S 1 , S 3 , S 5 are not completely isolated. Then the individual transistor groups of S 1 , S 3 , S 5 on the one hand and S 2 , S 4 and S 6 are stacked on each other, as in 3b shown by a pair. The attachment is not critical insofar as the backside metallization of the upper semiconductor element 321 simply conductively connected to the emitter / source metallization of the lower transistor, which z. B. can be done by alloying or conductive bonding. In 3b is also an insulation layer 305 respectively. 325 to indicate that the emitter / source metallization is, of course, isolated from the respective base or gate region.
Durch die Steuerung 160 werden die beiden Transistoren, die in 3b aufeinandergestapelt sind, so getrieben, dass sie zu unterschiedlichen Zeitpunkten leiten. Der Strom fließt daher lediglich in unterschiedlichen Ebenen, aber ansonsten in der gleichen Richtung. Dies bedeutet, dass Magnetfelder, die aufgrund des Stroms vorhanden sind, sich nicht gegenseitig behindern, wenn die Umschaltung der Transistoren stattfindet. Stattdessen ändert sich das Magnetfeld und insbesondere die Richtung des Magnetfelds um den Strom herum nicht, da der Strom lediglich in unterschiedlichen „Etagen”, jedoch nicht in unterschiedlichen Richtungen fließt, wenn umgeschaltet wird.Through the controller 160 be the two transistors in 3b piled on top of each other, so driven that they lead at different times. The current therefore flows only in different planes, but otherwise in the same direction. This means that magnetic fields that are present due to the current, do not interfere with each other when the switching of the transistors takes place. Instead, the magnetic field and especially the direction of the magnetic field does not change around the current, because the current flows only in different "floors" but not in different directions when switching.
Dieses Prinzip ist auch in 6b ersichtlich, die schematisch den Stromfluss in unterschiedlichen Etagen darlegt, wie er durch die Transistorstapelanordnung von 3b oder 3c erreicht wird. Der obere Schalter 601 in 6b stellt den Transistor mit dem Halbleiterelement 301 dar, und der untere Schalter 602 von 6b stellt den Transistor mit dem Halbleiterelement 321 von 3b dar.This principle is also in 6b which schematically illustrates the current flow in different stages, as represented by the transistor stack arrangement of FIG 3b or 3c is reached. The upper switch 601 in 6b represents the transistor with the semiconductor element 301 and the bottom switch 602 from 6b represents the transistor with the semiconductor element 321 from 3b represents.
5a stellt einen Kondensator gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung dar. Der Kondensator umfasst einen ersten Anschlussleiter 500 zum Anschließen eines positiven Potenzials, was mit einem „+” in 1a schematisch dargestellt ist. Der Kondensator umfasst ferner einen zweiten Anschlussleiter 502 zum Anschließen eines negativen Potenzials, was mit einem „–„ in 5a dargestellt ist. Ferner ist ein Dielektrikum 501 vorgesehen, das zwischen einer positiven Elektrode 504, die mit dem ersten Anschlussleiter 500 verbunden ist, und einer negativen Elektrode 505, die mit dem zweiten Anschlussleiter 502 verbunden ist, angeordnet ist. Darüber hinaus ist ein dritter Anschlussleiter 503 vorgesehen, der mit dem zweiten Anschlussleiter 502 an einer Abzweigung 506 verbunden ist und sich ferner entlang des ersten Anschlussleiters 500 in einem Bereich 507 erstreckt, aber von dem ersten Anschlussleiter isoliert ist. 5a illustrates a capacitor according to another aspect of the present invention. The capacitor comprises a first connection conductor 500 to connect a positive potential, what with a "+" in 1a is shown schematically. The capacitor further includes a second connection conductor 502 to connect a negative potential, what with a "-" in 5a is shown. Further, a dielectric 501 provided that between a positive electrode 504 connected to the first connection conductor 500 is connected, and a negative electrode 505 connected to the second connection conductor 502 is connected, is arranged. In addition, a third connection conductor 503 provided with the second connection conductor 502 at a junction 506 is connected and further along the first connection conductor 500 in one area 507 extends, but is isolated from the first lead.
Eine gewissermaßen „koaxiale Ausführung” zwischen dem ersten Anschlussleiter 500 und dem dritten Anschlussleiter 503 in dem Bereich 507 ist in 5b gezeigt, wobei der erste Anschlussleiter 500 von dem dritten Anschlussleiter vollständig umgeben ist und ein Zwischenbereich vorzugsweise mit einem Dielektrikum 508 versehen ist, wobei dieses Dielektrikum aber auch einfach Luft sein kann, je nach Ausführung und Länge des Bereichs 507. Eine alternative form ist eine Streifenleiterausführung. Wie es in 5c gezeigt ist, ist der erste Anschlussleiter 500 als Streifenleitung auf einem Substrat ausgeführt, während auf vorzugsweisen beiden Seiten der dritte Anschluss 503 ausgebildet ist, um nahe an dem ersten Anschlussleiter 500 angeordnet zu sein.A kind of "coaxial design" between the first connection conductor 500 and the third connection conductor 503 in that area 507 is in 5b shown, wherein the first connection conductor 500 is completely surrounded by the third connection conductor and an intermediate region, preferably with a dielectric 508 but this dielectric can also simply be air, depending on the design and length of the area 507 , An alternative form is a stripline design. As it is in 5c is shown is the first connection conductor 500 designed as a stripline on a substrate, while preferably on both sides of the third terminal 503 is designed to be close to the first connection conductor 500 to be arranged.
Diese Anordnung des dritten Anschlussleiters neben dem ersten Anschlussleiter stellt sicher, dass ebenfalls wieder verlustarm umgeschaltet werden kann, da nämlich unabhängig davon, ob ein großer Strom in dem ersten Anschlussleiter oder dem dritten Anschlussleiter fließt, das Magnetfeld, das dieser Strom mit sich führt, dasselbe ist, da ein Strom entweder über den dritten Anschlussleiter oder über den ersten Anschlussleiter fließt, jedoch ansonsten in der gleichen Richtung. This arrangement of the third connection conductor next to the first connection conductor ensures that it is also possible to switch back to low-loss because, irrespective of whether a large current flows in the first connection conductor or the third connection conductor, the magnetic field that this current entails is the same is because a current flows through either the third lead or the first lead, but otherwise in the same direction.
Vorzugsweise umfasst der Kondensator ein Harzgehäuse, das in 5a nicht dargestellt ist, das jedoch das Dielektrikum, die beiden Elektroden 501, 505 und die Abzweigung 506 umgibt. Aus dem Harzgehäuse erstrecken sich drei Anschlussleiter, nämlich der erste Anschlussleiter 500, der zweite Anschlussleiter 502 und der dritte Anschlussleiter 503, wobei sich jedoch der dritte Anschlussleiter in der Nähe des ersten Anschlussleiters an dem Harzgehäuse befindet und daher deutlich weiter von dem zweiten Anschlussleiter 502 als von dem ersten Anschlussleiter 501 entfernt ist. Ferner umfasst der dritte Anschlussleiter, wie es in 5a ebenfalls gezeigt ist, einen Teil, der sich in dem Bereich 507 erstreckt, also der sich neben dem ersten Anschlussleiter erstreckt, während ferner der dritte Anschlussleiter einen weiteren Bereich 510 aufweist, der sich neben dem Dielektrikum 501 erstreckt. Der dritte Anschlussleiter besteht somit aus der Verzweigung 506, aus dem zweiten Abschnitt 510, der sich neben dem Dielektrikum 501 erstreckt und aus dem ersten Abschnitt 507, der sich entlang des ersten Anschlussleiters und aus dem Harzgehäuse bzw. allgemein aus dem Gehäuse heraus erstreckt.Preferably, the capacitor comprises a resinous housing, which in 5a not shown, but the dielectric, the two electrodes 501 . 505 and the turnoff 506 surrounds. From the resin case, three connection conductors extend, namely the first connection conductor 500 , the second connection conductor 502 and the third connection conductor 503 However, wherein the third terminal conductor is in the vicinity of the first terminal conductor to the resin housing and therefore significantly farther from the second terminal conductor 502 as from the first connection conductor 501 is removed. Furthermore, the third connection conductor, as shown in FIG 5a Also shown is a part that is in the area 507 extends, that extends adjacent to the first terminal conductor, while further the third terminal conductor a further area 510 which is adjacent to the dielectric 501 extends. The third connection conductor thus consists of the branching 506 , from the second section 510 that is next to the dielectric 501 extends and from the first section 507 which extends along the first lead and out of the resin housing or generally out of the housing.
Darüber hinaus ist bei einem Ausführungsbeispiel der dritte Anschlussleiter mit einer gewissen Dicke ausgebildet, wobei ein Abstand des dritten Anschlussleiters zu dem ersten Anschlussleiter kleiner als eine Dicke des dritten Anschlussleiters ist. 5d zeigt eine Implementierung bzw. Anordnung des Kondensators auf einer Platine 560. Insbesondere sind das Harzgehäuse 561 des Kondensators sowie der erste Anschlussleiter 500, der zweite Anschlussleiter 502 und der dritte Anschlussleiter 503 gezeigt. Insbesondere erstreckt sich bei dem in 5d gezeigten Ausführungsbeispiel der erste Anschlussleiter 500 zum Anschließen des positiven Potenzials durch das Substrat 560 mittels einer Durchgangsbohrung 562 hindurch und ist mit einer Leiterbahn 563 an der Unterseite oder Rückseite der Platine 560 verbunden, während auf der Oberseite ebenfalls eine Leiterbahn vorgesehen ist, die mit dem dritten Anschluss 503 verbunden ist. Der zweite Anschluss 502 ist ebenfalls mit einer Leiterbahn verbunden, die jedoch mit der Leiterbahn, mit der der dritte Anschluss 503 verbunden ist, nicht verbunden ist.Moreover, in one embodiment, the third connection conductor is formed with a certain thickness, wherein a distance of the third connection conductor to the first connection conductor is smaller than a thickness of the third connection conductor. 5d shows an implementation or arrangement of the capacitor on a circuit board 560 , In particular, the resin case 561 of the capacitor and the first connection conductor 500 , the second connection conductor 502 and the third connection conductor 503 shown. In particular, in the case of 5d the embodiment shown, the first connection conductor 500 for connecting the positive potential through the substrate 560 by means of a through hole 562 through and is with a trace 563 at the bottom or back of the board 560 connected, while on the top also a conductor path is provided, which is connected to the third terminal 503 connected is. The second connection 502 is also connected to a track, but with the track, with the third port 503 connected, not connected.
6a zeigt eine schematische Darstellung des Schaltnetzteils von 1. 16a führt insbesondere aus, dass der erste Anschlussleiter 500 des Kondensators Cf mit den Drain/Kollektoranschlüssen der jeweils ersten Transistoren der Transistorpaare in den Parallelzweigen zu verbinden ist, während der zweite Anschlussleiter 502 mit der Schaltungsmasse 422 zu verbinden ist. Darüber hinaus ist der dritte Anschluss 503 mit den Emitter-Anschlüssen der jeweils zweiten oder unteren Transistoren der Transistorpaare zu verbinden. Wenn 6b betrachtet wird, die schematisch die Transistorstapelschaltung von 3b wiedergibt, ist ersichtlich, dass der dritte Anschluss optimal dafür geeignet ist, einen verlustarmen Betrieb des Umschalten zu ermöglichen, weil die Anordnung des dritten Anschlusses bzw. überhaupt das Vorhandensein des dritten Anschlusses dazu führt, dass eine optimale Stromverteilung bezüglich der gestapelten Transistoren stattfindet, derart, dass eine Stromführung 604 bzw. 605 immer in dem oberen oder, abwechselnd, dem unteren „Zweig” stattfindet, jedoch in derselben Richtung, so dass das resultierende Magnetfeld nach außen betrachtet, sich durch den „Etagenwechsel” des Stromflusses, wie er in 3b dargestellt worden ist, nahezu nicht ändert. Dies führt dazu, dass keine Ummagnetisierungen erforderlich sind und damit auch keine mit Ummagnetisierungen zusammenhängenden Verluste. 6a shows a schematic representation of the switching power supply of 1 , 16a in particular, states that the first connection conductor 500 of the capacitor Cf is to be connected to the drain / collector terminals of the respective first transistors of the transistor pairs in the parallel branches, while the second connection conductor 502 with the circuit ground 422 to connect. In addition, the third connection 503 to connect to the emitter terminals of the respective second or lower transistors of the transistor pairs. If 6b which schematically illustrates the transistor stack circuit of FIG 3b It can be seen that the third terminal is optimally suited for enabling a low-loss operation of switching, because the arrangement of the third terminal or even the presence of the third terminal results in an optimal current distribution with respect to the stacked transistors that a current guide 604 respectively. 605 always takes place in the upper or, alternately, the lower "branch", but in the same direction, so that the resulting magnetic field is viewed outwardly, due to the "level change" of the current flow, as shown in FIG 3b has been shown, almost does not change. This leads to the fact that no magnetization reversals are required and thus no losses associated with magnetic reversal.
5e zeigt eine bevorzugte Implementierung des Schaltnetzteils an einer Platine, wie beispielsweise der Platine 560, die bereits in 5d dargestellt worden ist. Insbesondere wurde Cf, wie er in 5a dargestellt worden ist, auf der einen Seite der Platine angeordnet, während die Spule Lf sowie die Transistorstapelschaltung, wie sie durch S1 bis S6 schematisch dargestellt ist, auf der anderen Seite der Platine angebracht sind. Obgleich in 5e gezeigt ist, dass drei Durchgangslöcher von den jeweiligen Schalterpaaren zum dritten Anschluss bzw. zu der Leiterbahn, die mit dem dritten Anschluss verbunden ist, verlaufen, sei darauf hingewiesen, dass ein einziges Durchgangsloch oder nur zwei Durchgangslöcher ebenfalls ausreichend sind, weil diese drei Leitungen ohnehin kurzgeschlossen sind. Darüber hinaus ist in 5e dargestellt, dass ein Spulenarray aus Spulen L1, L2, L3 ebenfalls auf der Unterseite der Platine 560 angeordnet ist, obgleich das Spulenarray oder auch der Kondensator C, der dem Ausgangskondensator COUT von 6a beispielsweise oder dem Kondensator 152 von 1 entspricht, ebenfalls auf der Oberseite angeordnet sein könnte. Die Anordnung auf der Platine 560 bezüglich der Darstellung in 5e kann auch verändert sein, so dass der Kondensator Cf an der Unterseite der Platine angeordnet ist und wenigstens die Transistorstapelschaltung an der Oberseite angeordnet ist. 5e shows a preferred implementation of the switching power supply to a circuit board, such as the board 560 already in 5d has been shown. In particular, C f , as in 5a has been shown, arranged on the one side of the board, while the coil L f and the transistor stack circuit, as shown schematically by S 1 to S 6 , are mounted on the other side of the board. Although in 5e It should be noted that a single through-hole or only two through-holes are also sufficient because these three lines are anyway are shorted. In addition, in 5e shown that a coil array of coils L 1 , L 2 , L 3 also on the underside of the board 560 is arranged, although the coil array or the capacitor C, the output capacitor C OUT of 6a for example, or the capacitor 152 from 1 equivalent, could also be arranged on top. The arrangement on the board 560 regarding the representation in 5e may also be changed, so that the capacitor C f is arranged at the bottom of the board and at least the transistor stack circuit is arranged at the top.
7a bis 8c zeigen Merkmale eines Spulenarrays gemäß einem weiteren Aspekt. Insbesondere umfasst ein Spulenarray einen ersten Stab 701 mit einem ersten Spalt 702 und einer ersten Wicklung 703, die sich vorzugsweise über den ersten Spalt 702 erstreckt. Darüber hinaus ist ein zweiter Stab 711 mit einem zweiten Spalt 712 und einer zweiten Wicklung 713 vorgesehen, die sich vorzugsweise über den zweiten Spalt 712 erstreckt. Während 7b einen Querschnitt zeigt, zeigt 7a eine Draufsicht auf das Element, jedoch bei abgenommenem Deckelelement 720. Damit ist 7a eine Draufsicht auf die Stäbe 701, 711 und 721 sowie auf das Bodenelement 730, das mit einem anderen Ende des ersten und zweiten Stabs verbunden ist, während das Deckelelement mit dem einen Ende des ersten und des zweiten Stabs verbunden ist, wie es in 7b im Querschnitt am besten ersichtlich ist. Der Querschnitt in 7b zeigt ferner schematisch einen Rückschlussstab 740, der ebenfalls wie die Stäbe 701, 711, 721 aus einem ferromagnetischen Material ist, jedoch keinen Spalt bzw. Luftspalt aufweist. Der Rückschlussstab 740 ist vorgesehen, um die Magnetfeldkreise zu schließen. In 7a ist die Richtung der Magnetfeldlinien bei 750 so eingezeichnet, dass die Magnetfeldlinien aus der Zeichenebene herauskommen und über den Rückschlussstab 740 in die Zeichenebene hineinlaufen, wie es bei 751 skizziert ist. Damit sind die magnetischen Kreise für alle drei Spulen L1, L2 und L3 geschlossen. Generell kann das Spulenarray, wie es in 7a gezeigt ist, zwei, drei, vier oder auch mehr einzelne Spulen haben, deren Wicklungen alle so ausgebildet sind, dass der Feldlinienverlauf innerhalb der Stäbe, die Luftspalte haben und die mit Wicklungen versehen sind, in derselben Richtung verlaufen und über das Rückschlusselement 740 in der anderen Richtung verlaufen. 7a to 8c show features of a coil array according to another aspect. In particular, a coil array comprises a first rod 701 with a first gap 702 and a first winding 703 preferably located above the first gap 702 extends. In addition, a second staff 711 with a second gap 712 and a second winding 713 provided, preferably via the second gap 712 extends. While 7b shows a cross section shows 7a a plan view of the element, but with removed cover element 720 , This is 7a a top view of the bars 701 . 711 and 721 as well as on the floor element 730 which is connected to another end of the first and second bars while the lid member is connected to the one end of the first and second bars as shown in Figs 7b is best seen in cross section. The cross section in 7b also schematically shows a return bar 740 who also like the bars 701 . 711 . 721 is of a ferromagnetic material, but has no gap or air gap. The conclusion bar 740 is provided to close the magnetic field circuits. In 7a is the direction of the magnetic field lines at 750 drawn in such a way that the magnetic field lines come out of the plane of the drawing and over the tie-rod 740 run into the drawing plane, as in 751 outlined. Thus, the magnetic circuits for all three coils L 1 , L 2 and L 3 are closed. In general, the coil array, as it is in 7a is shown to have two, three, four or even more individual coils whose windings are all formed so that the field line course within the bars, which have air gaps and which are provided with windings, run in the same direction and via the return element 740 in the other direction.
Bei einer Verwendung des Spulenarrays innerhalb eines Schaltnetzteils sind die einen oder positiven Anschlüsse der einzelnen Spulen voneinander getrennt, während die anderen bzw. negativen Anschlüsse oder Masseanschlüsse der Spulen auf demselben Potenzial liegen können, also kurzgeschlossen sein können.When using the coil array within a switched-mode power supply, the one or positive terminals of the individual coils are separated from one another, while the other or negative terminals or ground terminals of the coils can be at the same potential, ie can be short-circuited.
Generell wird es bevorzugt, k Stäbe mit je einem Luftspalt zu verwenden, wobei k ≥ 3 ist. Ferner ist allgemein, wie es schematisch in 7a für den Fall k = 3 gezeigt ist, ein Rückschlussstab zwischen den k Stäben angeordnet, so dass eine Achse des Rückschlussstabes einen Mittelpunkt eines Kreises bildet, auf dem die Achsen der k Stäbe angeordnet sind, wobei Winkel zwischen jeweils zwei Achsen innerhalb eines Toleranzbereichs gleich sind, wobei der Toleranzbereich ±10% von 360° geteilt durch k ist. Bei dem in 7a gezeigten Ausführungsbeispiel beträgt ein Winkel zwischen zwei benachbarter Achsen von Stäben 360 geteilt durch 3, also 120°, so dass der Toleranzbereich ±10% von 120° ist, so dass also ein Winkel zwischen zwei Achsen vorzugsweise zwischen 108° und 132° liegt. Wenn k gleich 4 Stäbe mit vier Spulen und damit vier Parallelzweigen eingesetzt wird, beträgt der Winkel zwischen zwei benachbarten Spulen 90° und der Toleranzbereich liegt bei 90° ± 9°.In general, it is preferred to use k bars each with an air gap, where k ≥ 3. Furthermore, in general, as it is schematically in 7a for the case k = 3, a return bar is arranged between the k bars so that an axis of the return bar forms a center of a circle on which the axes of the k bars are located, with angles between each two axes being equal within a tolerance range , where the tolerance range is ± 10% of 360 ° divided by k. At the in 7a shown embodiment is an angle between two adjacent axes of rods 360 divided by 3, ie 120 °, so that the tolerance range is ± 10% of 120 °, so that an angle between two axes is preferably between 108 ° and 132 °. If k equals 4 rods with four coils and thus four parallel branches, the angle between two adjacent coils is 90 ° and the tolerance range is 90 ° ± 9 °.
Wenn beispielsweise sechs Spulen verwendet werden, so beträgt der Winkel zwischen zwei benachbarten Stabachsen 60° und der Toleranzbereich ist ±6°. Eine möglichst gleichmäßige Verteilung der einzelnen Spulen über einen Kreis wird bevorzugt, da dann der Feldlinienrückschluss über den Rückschlussstab 751 besonders reibungslos und störungsfrei funktioniert, was wiederum zu einem guten Verhalten des Spulenarrays im Hinblick auf elektromagnetische Verträglichkeit und Verluste resultiert.For example, if six coils are used, the angle between two adjacent beam axes is 60 ° and the tolerance range is ± 6 °. The most uniform possible distribution of the individual coils over a circle is preferred, since then the field line conclusion about the return bar 751 works very smoothly and trouble-free, which in turn results in a good behavior of the coil array in terms of electromagnetic compatibility and losses.
8a bis 8c zeigen ein alternatives Ausführungsbeispiel des Spulenarrays, bei dem im Gegensatz zu 7a kein separates Rückschlusselement mehr vorgesehen ist, sondern der Feldlinienrückschluss in einer benachbarten Spule stattfinden kann. Zu diesem Zweck ist jede Spule von 1 beispielsweise in zwei oder auch mehr Teile aufgeteilt, wie es in 8a schematisch ersichtlich ist, wobei 8a wieder in Analogie zu 7a eine schematische Draufsicht auf das Spulenarray mit drei Spulen und damit sechs Teilspulen bei abgenommenem Deckelelement 720 darstellt. In Analogie zu 7a ist in 8a ebenfalls ein erster Stab mit Luftspalt 801 vorgesehen, und ist ferner ein zweiter Stab 803 ebenfalls mit Luftspalt und Wicklung vorgesehen. Darüber hinaus ist ein dritter Stab 802 und ist ferner ein vierter Stab 804 vorgesehen. Der zweite Stab 803 ist dabei zwischen dem ersten Stab 801 und dem dritten Stab 802 angeordnet. Ferner ist der dritte Stab 802 zwischen dem zweiten Stab 803 und dem vierten Stab 804 angeordnet. Ferner ist der vierte Stab 804 zwischen dem dritten Stab 802 und dem ersten Stab 801 angeordnet. 8a to 8c show an alternative embodiment of the coil array in which, in contrast to 7a no separate return element is more provided, but the field line conclusion can take place in an adjacent coil. For this purpose, every coil of 1 for example, divided into two or more parts, as in 8a is schematically apparent, wherein 8a again in analogy to 7a a schematic plan view of the coil array with three coils and thus six sub-coils with removed cover element 720 represents. In analogy to 7a is in 8a also a first bar with air gap 801 provided, and is also a second rod 803 also provided with air gap and winding. In addition, there is a third staff 802 and is also a fourth staff 804 intended. The second staff 803 is between the first staff 801 and the third staff 802 arranged. Further, the third bar 802 between the second rod 803 and the fourth staff 804 arranged. Further, the fourth staff 804 between the third staff 802 and the first staff 801 arranged.
Darüber hinaus sind die Wicklungen auf den einzelnen Stäben in Serie mit Wicklungen auf anderen Stäben ausgebildet. Insbesondere ist die erste Wicklung auf dem ersten Stab 801 in Serie mit der dritten Wicklung auf dem dritten Stab 802 geschaltet. Damit bildet die erste Wicklung, also z. B. die Wicklung an dem Stab 801, die mit 811 in 8c bezeichnet ist, mit der Wicklung 812, die an dem dritten Stab 802 von 8c in Serie geschaltet ist, die erste Spule L1 des Schaltnetzteils, wie sie beispielsweise in 1 dargestellt ist. Entsprechende Verschaltungen sind vorgesehen, um die zweite Spule zu bilden, die durch Wicklungen um die Stäbe 803, 804 gebildet wird, wie es durch L2a und durch L2b in 8 dargestellt ist. Eine ähnliche Anordnung existiert für die dritte Spule Ln von 1, die durch die beiden Wicklungen um die Stäbe 805, 806 gebildet wird.In addition, the windings on the individual bars are formed in series with windings on other bars. In particular, the first winding is on the first rod 801 in series with the third winding on the third rod 802 connected. Thus, the first winding, so z. B. the winding on the rod 801 , with 811 in 8c is designated, with the winding 812 on the third staff 802 from 8c is connected in series, the first coil L 1 of the switching power supply, as described for example in 1 is shown. Corresponding interconnections are provided to form the second coil by windings around the bars 803 . 804 is formed as indicated by L 2a and by L 2b in FIG 8th is shown. A similar arrangement exists for the third coil L n of 1 passing through the two windings around the rods 805 . 806 is formed.
Eine Seitenansicht in schematischer Form auf das Spulenarray von 8a ist in 8b gezeigt. Insbesondere sind in 8b die Stäbe 805, 806 gezeigt, die zusammen die dritte Spule bilden und daher in 8a als L3a und L3b bezeichnet sind. Die Figur zeigt ferner einen Luftspalt und eine Wicklung, die über dem Luftspalt angeordnet ist, wie es z. B. bei 820 für den Luftspalt und 821 für die Wicklung gezeigt ist. Darüber hinaus sind lediglich beispielhaft in 8b noch der Stab 802, der den zweiten Teil der ersten Spule, also L1b bildet, und der Stab 804, der den zweiten Teil der zweiten Spule bildet, dargestellt.A side view in schematic form of the coil array of 8a is in 8b shown. In particular, in 8b The bars 805 . 806 shown, which together form the third coil and therefore in 8a are designated as L 3a and L 3b . The figure also shows an air gap and a winding which is arranged above the air gap, as z. B. at 820 for the air gap and 821 for the winding is shown. In addition, merely exemplary in 8b still the staff 802 which forms the second part of the first coil, ie L 1b , and the rod 804 , which forms the second part of the second coil, shown.
Wie es in 8a schematisch dargestellt ist, sind die Spulen bzw. die Wicklungen um die entsprechenden Stäbe so geschaltet, dass die Magnetfeldlinien abwechselnd in den Stäben verlaufen, so dass beispielsweise im Stab 801 Magnetfeldlinien in die Zeichenebene hinein verlaufen und im Stab 806 Magnetfeldlinien aus der Zeichenebene heraus verlaufen. Damit kann der Rückschluss für die Magnetfeldlinien, die im Stab 801 verlaufen, über die beiden benachbarten Stäbe stattfinden. Dies ist durch Rückschlusspfeile 830 in 8a dargestellt. Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass bezüglich der Darstellung in 8c der tatsächliche Rückfluss bzw. Rückschluss der Feldlinien von L1a nicht im Stab 802 stattfindet, sondern in den beiden benachbarten Stäben 803, 806 bei der in 8a gezeigten Ausführungsform mit drei Spulen, also sechs Wicklungen bzw. drei Wicklungspaaren.As it is in 8a is shown schematically, the coils or the windings are connected to the corresponding bars so that the magnetic field lines run alternately in the bars, so that for example in the rod 801 Magnetic field lines extend into the plane of the drawing and in the rod 806 Magnetic field lines run out of the drawing plane out. Thus, the inference for the magnetic field lines in the rod 801 run, take place over the two adjacent bars. This is by inference arrows 830 in 8a shown. It should be noted, however, that with respect to the illustration in 8c the actual return of the field lines of L 1a not in the bar 802 takes place, but in the two adjacent bars 803 . 806 at the in 8a shown embodiment with three coils, so six windings or three pairs of windings.
Generell umfasst das Spulenarray von 8a beispielsweise l Stäbe mit einem je einem Luftspalt, wobei l geradzahlig und ≥ 4 ist. Darüber hinaus wird es bevorzugt, dass Achsen der l Stäbe auf einem Kreis angeordnet sind, wobei Winkel zwischen jeweils zwei benachbarten Achsen innerhalb eines Toleranzbereichs gleich sind, wobei der Toleranzbereich ±10% von 360° geteilt durch 1 ist. Ist also l beispielsweise gleich 6, dann ist der Winkel zwischen zwei Spulen, also zwischen L1b und L2b = 60° ± einer Toleranz von 6°.Generally, the coil array includes 8a for example, l bars with one air gap each, where l is even and ≥ 4. Moreover, it is preferred that axes of the 1 bars are arranged on a circle, with angles between any two adjacent axes being equal within a tolerance range, the tolerance range being ± 10% of 360 ° divided by 1. If, for example, l equals 6, then the angle between two coils, ie between L 1b and L 2b = 60 ° ± a tolerance of 6 °.
Darüber hinaus ist ferner eines oder mehrere Befestigungselemente 850 mit vergleichsweise geringer Permeabilität vorgesehen, wobei das Befestigungselement zwischen dem Bodenelement 730 und dem Deckelelement 720 angeordnet ist, um das Spulenarray zusammenzuhalten. Es kann, wie es in 8b gezeigt ist, ein zentrales Befestigungselement vorhanden sein oder es können alternativ irgendwo verteilte Befestigungselemente angeordnet sein, deren Platzierung nicht entscheidend ist, weil sie keinen Rückschluss liefern müssen, was ein Unterschied zu dem in 7a gezeigten Ausführungsbeispiel ist, bei dem der Rückschluss über ein gleichzeitig als Befestigungselement zu verwendendes Element funktioniert.In addition, one or more fasteners is further 850 provided with comparatively low permeability, wherein the fastening element between the bottom element 730 and the lid member 720 is arranged to hold the coil array together. It can, as it is in 8b is shown, a central fastener may be present or it may alternatively be arranged anywhere distributed fasteners whose placement is not critical, because they need not provide any inference, which is different from the in 7a shown embodiment, in which the inference about a simultaneously to be used as a fastener element works.
Wie es in 8b schematisch angedeutet ist, besteht jeder Stab aus einem ersten Teilstab 805a, der sich von dem Deckelelement erstreckt, und einen zweiten Teilstab 805b, der sich von dem Bodenelement erstreckt. Ferner ist eine Einlegescheibe 820 vorzugsweise anstatt des Luftspalts bzw. als Implementierung des Spalts vorgesehen, die aus einem nicht-ferromagnetischen Material gebildet ist und den Spalt darstellt.As it is in 8b is schematically indicated, each rod consists of a first partial rod 805a extending from the cover member and a second sub-rod 805b which extends from the floor element. Furthermore, an insert disc 820 is preferably provided instead of the air gap or as an implementation of the gap, which is formed from a non-ferromagnetic material and represents the gap.
Damit kann eine besonders günstige Implementierung eines Spulenarrays geschaffen werden, da wichtige Kennwerte des Spulenarrays durch Verwenden von Einlegescheiben 820 unterschiedlicher Dicke erreicht werden können. Es ist lediglich erforderlich, identische Deckel- und Bodenelemente mit bereits angebrachten Teilstäben vorrätig zu halten und entsprechende Einlegescheiben, da dann ein einfacher Zusammenbau durch Aufsetzen der entsprechenden Wicklungen, durch Aufsetzen eines Boden- oder Deckelements mit angebrachten Teilstäben nach dem Einsetzen der Einlegescheiben und ein anschließendes Befestigen durch ein Befestigungselement 850 nötig ist.Thus, a particularly favorable implementation of a coil array can be created, since important characteristics of the coil array by using insertion slices 820 different thickness can be achieved. It is only necessary to keep identical cover and floor elements with already mounted part rods in stock and appropriate insertion slices, since then a simple assembly by placing the corresponding windings, by placing a bottom or cover element with attached part bars after insertion of the insertion slices and a subsequent Attach through a fastener 850 is necessary.
Nachfolgend werden bevorzugte Dimensionierungen für einzelne Bauelemente der beschriebenen Schaltungen dargelegt. Bezüglich 4 werden Induktivitäten für die Spule Lf 410 kleiner 100 μH bevorzugt. Insbesondere Werten zwischen 10 und kleiner 100 μH liefern gute Ergebnisse. Die Kapazität Cf 412 in 4 ist vorzugsweise kleiner als 10 μF und insbesondere Werte zwischen 1 und kleiner 10 μF werden besonders bevorzugt.Hereinafter, preferred dimensions for individual components of the circuits described are set forth. In terms of 4 be inductors for the coil L f 410 less than 100 μH preferred. In particular, values between 10 and less than 100 μH give good results. The capacity C f 412 in 4 is preferably less than 10 μF and in particular values between 1 and less than 10 μF are particularly preferred.
Wie bereits ausgeführt, ist die gesamte Schaltung in 1 bzw. 4 für zu verarbeitende Leistungen von 5 kW, wobei Ströme in der Größenordnung von 5 bis 16 A verwendbar sind. Insofern sind die einzelnen Induktivitäten L1, L2, Ln in Bereichen kleiner 100 μH und vorzugsweise in Bereichen von 1 bis kleiner 100 μH.As stated earlier, the entire circuit is in 1 respectively. 4 for power to be processed of 5 kW, with currents of the order of 5 to 16 A are usable. In this respect, the individual inductances L 1 , L 2 , L n are in ranges of less than 100 μH and preferably in ranges of 1 to less than 100 μH.
Frequenzen zum Steuern der einzelnen Zyklen, wie sie von der Steuerung 160 aufgewendet werden, liegen bei etwa 500 kHz, wobei insbesondere Frequenzen zwischen 100 kHz und 1 MHz je nach Anforderung einsetzbar sind.Frequencies for controlling the individual cycles, as determined by the controller 160 be applied, are at about 500 kHz, in particular frequencies between 100 kHz and 1 MHz can be used depending on the requirement.
Abmessungen für die Spulenarrays der 7a bis 8c sind Folgende: Vorzugsweise ist die Spulenarrayform von 7a oder 8a zylinderförmig und hat eine Höhe von der Unterkante des Bodenelements bis zur Oberkante des Deckelelements von 5 cm, wobei prinzipiell Werte zwischen 2 cm und 7 cm ebenfalls einsetzbar sind. Der Durchmesser bei einer kreisrunden Form des Bodenelements oder des Deckelelements liegt bei 5 cm, wobei andere Durchmesser zwischen 3 und 7 cm ebenfalls verwendet werden können.Dimensions for the coil arrays of the 7a to 8c are the following: Preferably, the coil array shape of 7a or 8a cylindrical and has a height of the lower edge of the bottom element to the top of the cover element of 5 cm, in principle, values between 2 cm and 7 cm are also used. The diameter at a circular shape of the bottom element or the lid element is 5 cm, wherein other diameters between 3 and 7 cm can also be used.
Als Material für die Boden- und Deckelelemente und für die Stäbe mit Luftspalt bzw., wie in 7a gezeigt, ohne Luftspalt wird gesintertes Material mit guten ferromagnetischen Materialien eingesetzt, wie es z. B. von der Firma Ferroxcube erhältlich ist. As material for the bottom and cover elements and for the rods with air gap or, as in 7a shown, without air gap sintered material is used with good ferromagnetic materials, as z. B. from the company Ferroxcube is available.
Ferner sei in diesem Zusammenhang darauf hingewiesen, dass die Form des Deckelelements oder des Bodenelements nicht unbedingt kreisförmig sein muss, sondern jede beliebige Form haben darf. Aufgrund der Verhältnisse mit gleichem Abstand wird eine kreisförmige Anordnung der einzelnen Stäbe mit Wicklungen, wie in den 8a, 7a bevorzugt, obgleich die Form des Bodenelements und des Deckelelements beliebig sein kann. Allerdings ist eine kreisförmige Anordnung nicht unbedingt notwendig Insbesondere wenn 7a betrachtet wird, kann der Abstand zwischen der Achse des Rückschlussstabes 740 und einem Stab mit Luftspalt von Stab zu Stab variieren, so dass die Abstände der Stäbe mit Luftspalt zum Rückschlussstab nicht identisch sind. Darüber hinaus müssen auch die Winkel nicht unbedingt gleich verteilt sein. Es wird jedoch bevorzugt, dass der Abstand zwischen einem Stab mit Luftspalt und dem Rückschlussstab kleiner ist als der Abstand zwischen zwei benachbarten Stäben mit Luftspalt ist.It should also be noted in this context that the shape of the lid member or the bottom element does not necessarily have to be circular, but may have any shape. Due to the conditions with the same distance is a circular arrangement of the individual rods with windings, as in the 8a . 7a preferred, although the shape of the bottom member and the lid member may be arbitrary. However, a circular arrangement is not absolutely necessary. Especially if 7a is considered, the distance between the axis of the return bar 740 and a rod with air gap vary from rod to rod, such that the spacings of the air-gap rods to the tie-rod are not identical. In addition, the angles do not necessarily have to be equally distributed. However, it is preferred that the distance between a bar with air gap and the return bar is smaller than the distance between two adjacent bars with air gap.
Wenn 8a betrachtet wird, so sei darauf hingewiesen, dass ebenfalls eine ideale kreisförmige Anordnung zwar bevorzugt, jedoch nicht unbedingt nötig ist. Darüber hinaus müssen auch die Abstände zwischen den einzelnen Stäben mit Luftspalt und dem Befestigungselement 150 bzw. einer Mittelachse des Spulenarrays für alle Stäbe mit Luftspalt nicht unbedingt gleich sein. Außerdem müssen auch die Abstände der einzelnen Stäbe zu den benachbarten Stäben nicht unbedingt gleich sein, obgleich eine möglichst symmetrische Anordnung bevorzugt wird, da sich dann die Feldlinien optimal auf die beiden benachbarten Spulen verteilen, um ihren Rückschluss zu schaffen.If 8a is considered, it should be noted that although an ideal circular arrangement is preferred, but not essential. In addition, the distances between the individual bars with air gap and the fastening element must also be 150 or a central axis of the coil array for all bars with air gap may not necessarily be the same. In addition, the distances between the individual bars to the adjacent bars need not necessarily be the same, although a possible symmetrical arrangement is preferred because then distribute the field lines optimally to the two adjacent coils to create their inference.
Darüber hinaus sind die Wicklungen, wie beispielsweise 821 auf den Stäben sowohl in 8a und 7a über dem Luftspalt, wie beispielsweise 820 angeordnet. Entsprechen de Anordnungen sind auch in 8c gezeigt. Allerdings ist dies nicht unbedingt nötig. So könnte der Luftspalt in dem Stab auch oberhalb der Wicklung und unterhalb der Wicklung sein.In addition, the windings, such as 821 on the bars both in 8a and 7a above the air gap, such as 820 arranged. Corresponding de arrangements are also in 8c shown. However, this is not necessary. Thus, the air gap in the rod could also be above the winding and below the winding.
Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten einleuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass die Erfindung lediglich durch den Schutzumfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin präsentiert wurden, beschränkt sei.The embodiments described above are merely illustrative of the principles of the present invention. It will be understood that modifications and variations of the arrangements and details described herein will be apparent to others of ordinary skill in the art. Therefore, it is intended that the invention be limited only by the scope of the appended claims and not by the specific details presented in the description and explanation of the embodiments herein.
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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
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”Using Coupled Inductors to Enhance Transient Performance of Multi-Phase Buck Converters”, J. Li, u. a., IBM Symposium, 14.–15. September 2004, Seiten 1–25 [0002] "Using Coupled Inductors to Enhance Transient Performance of Multi-Phase Buck Converters," J. Li, et al., IBM Symposium, 14.-15. September 2004, pages 1-25 [0002]
