AT501425A1 - Übertrager für ein schaltnetzteil - Google Patents

Description

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Beschreibung

Die Erfindung bezieht sich auf einen Übertrager für ein Schaltnetzteil zur Umwandlung einer netzfrequenten Eingangswechselspannung in eine Gleich- oder Wechsel-Ausgangsspannung, wobei der Übertrager einen Kern mit einem Luftspalt besitzt, die Takt-und Übertragungsfrequenz die Netzfrequenz erheblich übersteigt und zumindest ein der Netzfrequenz angepasstes Energiespeichermittel vorgesehen ist.

Schaltnetzteile sind in einer Vielzahl von Ausführungsformen bekannt geworden, beispielsweise aus dem folgenden Patenten der Anmelderin: EP 0 698 959 Al US 5,936,852 US 6,141,232

Die Energiespeicherung bezogen auf die Netzfrequenz, meist 50 Hz, ist vor allem im Hinblick auf die Forderung nach sinusförmiger Stromaufnahme von großer Bedeutung. Daraus resultieren auch aufwändige zweistufige Konzepte, welche z.B. einen Hochsetzsteller vorsehen, in welchem die Eingangswechselspannung unter Verwendung zumindest eines mit hoher Frequenz gesteuerten Schalters, einer Ferritdrossel und eines Elektrolytkondensators in eine Zwischenkreisspannung gewandelt wird und diese in einer zweiten Stufe unter Verwendung zumindest eines, gleichfalls mit hoher Frequenz angesteuerten Schalters, eines Übertragers und eines Kondensators am Ausgang in eine Ausgangs-Gleich- oder Wechselspannung gewandelt wird.

Eine weitere Möglichkeit der Realisierung besteht durch Vorschalten einer Eisendrossel zur „langsamen" - auf Netzfrequenz bezogenen - Energiespeicherung (Forderung nach hoher Energiedichte) und anschließend hochfrequenter Übertragung mittels bekannter Schaltnetzteiltopologien, (z.B. 50 - 200 kHz) mittels z.B. Ferritübertragem oder -drosseln und Kondensatoren erforderlich, wobei es hier um einen raschen Austausch verhältnismäßig kleiner Energiemengen geht, entsprechend einer Forderung nach hoher Leistungsdichte.

In der Praxis müssen bei einer Nennleistung des Schaltnetzteils von 1kW in Elektrolytkondensatoren und/oder Eisendrosseln Energien in der Größenordnung von etwa 1 Joule im Netzfrequenzbereich „zwischengespeichert" werden, wogegen der entsprechende Wert der hochfrequenten Energieübertragung in der Größenordnung von 50pJ liegt.

Bei den bekannten Lösungen sind somit, insbesondere dann, wenn die Forderung nach weitgehend sinusförmiger Stromaufnahme erfüllt wird, mehrere Energiespeicher notwendig, deren Realisierung einen Raum- und Kostenfaktor erheblichen Ausmaßes darstellt.

Eine Aufgabe der Erfindung liegt in der Schaffung eines Übertragers für ein Schaltnetzteil, welcher beide genannten Funktionen erfüllt und somit der Aufwand für weitere Energiespeicher, wie insbesondere Elektrolytkondensatoren, möglichst gering ist. I ·

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Kern sowohl aus Ferritmaterial als auch aus weichmagnetischem Material besteht, wobei dem Übertragerkomplex mit dem weichmagnetischen Material zumindest ein (Groß)teil der Energiespeicherfunktion zukommt, dem Übertragerkomplex mit dem Ferritmaterial hingegen im wesentlichen die Übertragerfunktion.

Die Erfindung kombiniert demnach in einem Übertrager, somit in einem einzigen Bauteil, unterschiedliche Energiespeicher, wodurch eine Reduktion der Baugröße und der Kosten möglich wird.

Bei einer zweckmäßigen Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Kern eine innere Lage aus weichmagnetischem Material besitzt, welche von einer äußeren Schale aus Ferritmaterial umgeben ist. Dadurch kann die hochfrequente Energieübertragung kleinerer Energiemengen in den Randzonen stattfinden, wogegen die Speicherung größerer Energiemengen im Netzfrequenzbereich in einer inneren Zone erfolgt. In diesem Fall zeichnet sich eine leicht realisierbare Ausführung dadurch aus, dass die äußere Schale durch Aufwickeln einer Ferritfolie hergestellt ist.

Eine weiter zweckmäßige Variante zeichnet sich dadurch aus, dass der Übergang von weichmagnetischem Material zu Ferritmaterial in dem Kemquerschnitt allmählich verlaufend ist.

Es kann auch vorteilhaft sein, wenn zumindest ein Teil des Kerns ein Pulverkem ist.

Im Zusammenhang mit der Erfindung ist es oft zweckmäßig, wenn der Luftspalt ein verteilter Luftspalt ist, d.h. der Luftspalt ist nicht diskret ausgebildet, sondern im gesamten Kem-material verteilt.

Es hat sich auch als vorteilhaft erwiesen, wenn der Kern ein Ringkem ist. P9097 ·· ·· ···· • · • · • • · • • • · • • • · • • · ·· ···· ·· ·· ··· ·· » · ··# ··· · · -3-

Die Aufgabe wird naturgemäß auch mit einem Schaltnetzteil gelöst, welches einen Übertrager nach der Erfindung und ihrer Varianten besitzt.

Die Erfindung samt weiteren Vorteilen ist im folgenden an Hand beispielsweiser Ausführungsformen näher erläutert, die in der Zeichnung veranschaulicht sind. In dieser zeigen

Fig. 1 +1 a eine mögliche, prinzipielle Schaltung eines Schaltwandlers zur Wandlung einer Eingangswechselspannung in eine Ausgangsgleichspannung.

Fig. lb eine Variante des Eingangsteils, der ein Hochsetzsteller ist,

Fig. 2 in einer schaubildlichen geschnittenen Darstellung einen erfindungsgemäß ausgeführten Übertrager für ein Schaltnetzteil beispielsweise nach Fig. Ϊ, la, lb,

Fig. 3 ein Simulationsmodell eines Übertragers,

Fig. 4 das Ergebnis einer Simulation an dem Modell nach Fig. 3 bei 50 Hz und

Fig. 5 das Ergebnis einer Simulation an dem Modell nach Fig. 3 bei 100 kHz.

Fig. 1 zeigt ein herkömmliches Schaltnetzteil, bei welchem eine Netzwechselspannung Ue der Frequenz fN, z. B. 50 Hz, zunächst mittels eines Gleichrichters Dl und eines Elektrolytkondensators Ci in eine Gleichspannung Uzk, oft Zwischenkreisspannung genannt, übergeführt wird. Gegebenenfalls kann im Eingangskreis noch eine Eisendrossel LI vorgesehen sein. Über einen gesteuerten Schalter S wird diese Zwischenkreisspannung Uzk periodisch mit einer Frequenz fr von z. B. 20 bis 500 kHz an die Primärwicklung W1 eines Übertragers UET gelegt. Der Schalter S wird von einer Ansteuerschaltung AST gesteuert.

Sekundärseitig wird die Spannung an der Sekundärwicklung W2 des Übertragers mit Hilfe einer Gleichrichterdiode D2 und eines Kondensators C2 in eine Ausgangsgleichspannung Ua gewandelt. Eine Sensor- oder Regelschaltung SEN kann die Ausgangsspannung und/oder den Ausgangsstrom betreffende Werte über einen Optokoppler OKO an die Ansteuerschaltung AST liefern, um im Sinne einer Regelung das Tastverhältnis und/oder die Frequenz des Ansteuerpulses für den gesteuerten Schalter S zu beeinflussen. Andere Schaltungskonzepte ermöglichen es sekundärseitig auch eine Wechselspannung, z. B. mit Netzfrequenz abzugeben.

Bei der in Fig. lb gezeigten Variante des Eingangsteils wird die Zwischenkreisspannung Uzk unter Zwischenschaltung eines Hochsetzstellers erzeugt. Die gleichgerichtete Netzspannung, die an dem Elektrolytkondensator CI liegt, wird mittels einer Drossel L2, eines von einer ·· ·· • · · • · ··· ··· · ' P9097 ·· ·· ···· • · • · • • · • r • · • • • · • • · ·· ···· ·· ··· • · ·· ·· -4-

Ansteuerschaltung ANG gesteuerten Schalters Sl, einer Gleichrichterdiode D3 und eines Kondensators C in die Zwischenkreisspannung Uzk gewandelt.

Die Energiespeicher bei diesen Schaltungen sind für die Speicherung größerer Energiemengen die Elektrolytkondensatoren CI und, sofern vorhanden, die Eisendrossel LI. Für die Speicherung kleinerer Energiemengen die (Ferrit)drossel L2, der Übertrager UET und die übrigen Kondensatoren. Die Speicherung „größerer Energiemengen" bezieht sich auf den Netzfrequenzbereich, die Speicherung „kleinerer Energiemengen" auf dem Schaltfrequenzbereich.

Die Erfindung sieht nun vor, den Übertragen UET so auszubilden, dass in ihm mehrere Energiespeicherfunktionen vereint sind. Zu diesem Zweck wird ein Kern für den Übertrager verwendet, der einerseits aus Ferritmaterial - für die hohen Schaltfrequenzen - und andererseits aus nichtmagnetischem Material - für die niedrige Netzfrequenz - besteht.

Das in Fig. 2 gezeigte Ausführungsbeispiel eines Übertragers UET nach der Erfindung zeigt einen Kern KER, der als Ringkem ausgebildet ist und auf diesem das Wickelgut W1G, z. B. bestehend aus den beiden Wicklungen Wl, W2 der Fig. 1. Der Kern KER besitzt eine innere Lage ILA aus weichmagnetischem Material z. B. aus gepresstem Eisenpulver, wobei kein diskreter Luftspalt sondern ein sogenannter verteilter Luftspalt, nämlich in Form von homogen oder inhomogen verteilten Lufteinschlüssen (Poren) im Kemmaterial, vorgesehen ist. Über der inneren Lage ILA ist eine äußere Schale ASA angeordnet, die aus Ferritmaterial besteht und beispielsweise durch Aufwickeln einer Ferritfolie [Folien dieser Art sind im Handel erhältlich, meist unter der Bezeichnung FPC (Ferrite Polymer Composite) Film. Bei einem solchen Film sind in einer Polymermatrix Ferritteilchen eingelagert, wobei sich je nach Füllfaktor Anfangspermeabilitäten in der Größe von 10 bis 30 ergeben. Die Folienstärke liegt typisch zwischen 0,2 bis 0,4 mm. Empfohlene Anwendungen für derartige Folien sind Abschirmungen, Verzerrungskorrektoren bei Ablenkspulen von TV-Monitoren und Abstandshalter zwischen Ferritkemhälften. Näheres über Ferritfolien ist beispielsweise im Internet unter „Siemens Electronic Components", www.ncnwest.com/cii/siemens (im November 2002) oder „Ferrite Polymer Composite (FPC) Film", www.epcos.com (im November 2002) zu finden.] hergestellt wird.

Der Übertragerkomplex, d. h. Kemteil, Wickelgut, Luftspalt, mit dem weichmagnetischen Material übernimmt dabei den Großteil der Energiespeicherfunktion, die gemäß dem Stand der Technik z. B. dem Kondensator CI und/ oder der Drossel LI zukommt. Dieser Übertragerkomplex ist somit in erster Linie für die Netzfrequenz fn, z. B. 50 Hz, „zuständig". P9097

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Demgegenüber kommt dem Übertragerkomplex mit dem Ferritmaterial in erster Linie die Übertragerfunktion zu, welche mit der Taktfrequenz fr erfolgt, welche um 2 bis 3 Größenordnungen über der Netzfrequenz fN liegt.

Anhand der vereinfacht dargestellten Simulation nach den Fig. 3 bis 5 erkennt man, dass sich bei 50 Hz (Netzfrequenz) die Feldlinien im Inneren des Kerns, nämlich im weichmagnetischen Material konzentrieren (Fig. 4), wogegen bei 100 kHz eine Konzentration in der äußeren Lage ASA am Ferritmaterial auf tritt (Fig. 5). Die Basissimulation dieser vereinfacht dargestellten Simulationen wurde mit dem Finite Element Analysis-Tool „Maxwell 2D/3D" der Fa. Ansoft Corp. durchgeführt. Dieses Programm dient zur Lösung der Grundgleichungen der Feldtheorie (Maxwell-Gleichungen) auf numerischer Basis.

Der Übertrager nach der Erfindung vereint somit die Funktionen mehrerer Bauteile herkömmlicher Schaltnetzteile in sich, was zu einer Reduktion der Abmessungen und der Kosten eines Schaltnetzteils führt.

Im Rahmen der Erfindung sind andere Varianten als die gezeigten möglich. Dies betrifft sowohl die Kemausbildung, die ein Schnittbandkern ebenso sein kann, wie alle anderen Kembauarten nach dem Stand der Technik, als auch die verwendeten magnetischen Materialen. Als weichmagnetisches Material kommen neben Eisen-Transformatoren-Blechen auch Eisen-Pulverkeme in Frage, für das Ferritmaterial neben der erwähnten Ferritfolien und Ferrit-Pulvermaterial, wobei sämtliche Kombinationen möglich sind. Durch entsprechende Mischungen in einem Pulverkem kann der Übergang vom inneren weichmagnetischen zum äußeren ferritischen Material auch allmählich erfolgen.

Wien, 10. Juli 2003

Claims (8)

1. Patentansprüche 1. Übertrager (UET) für ein Schaltnetzteil (SNT) zur Umwandlung einer netzfrequenten Eingangswechselspannung in eine Gleich- oder Wechsel-Ausgangsspannung, wobei der Übertrager einen Kern (KER) mit einem Luftspalt besitzt, die Takt- und Übertragungsfrequenz (fr) die Netzfrequenz (ϊν) erheblich übersteigt und zumindest ein der Netzfrequenz angepasstes Energiespeichermittel vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern (KER) sowohl aus Ferritmaterial als auch aus weichmagnetischem Material besteht, wobei dem Übertragerkomplex mit dem weichmagnetischen Material zumindest ein Großteil der Energiespeicherfunktion zukommt, dem Übertragerkomplex mit dem Ferrritmaterial hingegen im wesentlichen die Übertragerfunktion.
2. 2. Übertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern (KER) eine innere Lage (ILA) aus weichmagnetischem Material besitzt, welche von einer äußeren Schale (ASA) aus Ferritmaterial umgeben ist.
3. 3. Übertrager nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die äußere Schale (ASA) durch Aufwickeln einer Ferritfolie hergestellt ist.
4. 4. Übertrager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Übergang von weichmagnetischem Material zu Ferritmaterial in dem Kemquerschnitt allmählich verlaufend ist.
5. 5. Übertrager nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil des Kerns (KER) ein Pulverkern ist.
6. 6. Übertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftspalt ein verteilter Luftspalt ist.
7. 7. Übertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern (KER) ein Ringkem ist.
8. 8. Schaltnetzteil (SNT) mit einem Übertrager (UET) nach einem der Ansprüche 1 bis 7. Wien, 10. Juli 2003