CN107210675A - 开关电源 - Google Patents

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Abstract

一种开关电源包括：多个并联支路，每个并联支路包括两个串联连接的可控开关(111、112)和连接在两个开关(111、112)与输出节点(150)之间的线圈(141)；电容器(152)，连接在并联支路的输出节点与接地(154)之间；以及控制器(160)，该控制器(160)被配置为切换每个并联支路(401、402、403)的两个串联连接的可控开关(111、112)使得当流过并联支路的线圈(141)的电流(I1)达到大于5A的第一电流值时，将并联支路的第一开关(111)从导通状态切换至非导通状态，并且使得当流过并联支路的线圈的电流达到小于0A的第二电流值时，将第二开关(S2)从导通状态切换至非导通状态。

Description

开关电源
技术领域
本发明涉及电子电路并且尤其涉及用于提供千瓦范围内的功率的开关电源。
背景技术
开关电源是已知的。具体地，存在所谓的降压转换器，或者降压转换器。所谓的多相降压转换器已知专门用于在计算机板上供给CPU。这种多相开关电源包括其中降压转换器电路在输入和负载之间并联连接的电路拓扑。n个“相”中的每一个在切换周期内以均匀隔开的间隔接通。这种所谓的多相降压转换器是已知的，例如，从专业出版物“使用耦合电感器增强多相降压转换器的瞬态性能(Using Coupled Inductors to Enhance TransientPerformance of Multi-Phase Buck Converters)”，J.Li等人，IBM Symposium，2004年9月14-15日，第1-25页中。
特别是对于必须切换相对高功率的开关电源，关于电磁兼容性是非常重要的，一方面关于功率消耗和整体性能，即也关于效率，另一方面，关于实现了大程度的电磁兼容性和高效率，或低功耗。由于在开关电源中发生的固有瞬态过程，非常重要的是不仅要思考输出电压或输出电流，在设计开关电源及其部件时还要考虑电荷反转过程和相关磁场。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于开关电源和/或可用于开关电源中的元件的改进概念。
该目的通过根据权利要求1所述的开关电源和根据权利要求12所述的运行开关电源的方法实现。
本发明基于以下发现：如果开关电源是多相开关电源，并且还包括特定类型的依赖于电流的切换，特别是负电流，则开关电源可以满足这样要求。开关电源包括多个并联支路，每个并联支路包括两个串联连接的可控开关和连接在两个开关和输出节点之间的线圈。此外，设置连接在并联支路的输出节点和接地之间的电容器。控制器被配置为将每个并联支路的两个开关以以下这种方式切换：当流过该并联支路的线圈的电流达到大于5A的第一电流值时将并联支路的第一开关从导通状态切换为非导通(阻塞)状态，并且当流过该并联支路的线圈的电流达到小于0A的第二电流值时将第二开关从导通状态切换为非导通状态。
以这种方式，确保流过线圈的电流在其再次切换之前通过地线，并且其甚至略微为负。这确保了例如在开关或者另外设置在开关上的续流二极管中的半导体元件中的自由电荷载体尽可能地耗尽。以这种方式，一方面可以实现快速切换，另一方面可以实现不需要与强磁场或电场相抗衡的切换。因此，使功率损耗显著地减小或者最小化。
根据本发明的另一方面，采用晶体管堆叠电路，其包括第一晶体管元件，第一晶体管元件包括第一半导体区域，第一半导体区域包括第一前侧，第一源极或发射极敷金属布置在第一前侧上，并且包括后侧，第一漏极或集电极接触形成在后侧上，并且包括第一栅极或基极接触。因此设置有第二晶体管元件。第二晶体管元件堆叠在第一晶体管元件上，第二漏极或集电极接触布置成堆叠在第一源极或发射极敷金属上并以传导方式连接。此外，输出接触连接至第二漏极或集电极接触并且连接至第一源极或者发射极敷金属。
不管两个堆叠晶体管元件中的哪一个是有源的，电流的传输仍然相对于整个晶体管堆叠在相同的方向上发生，使得磁场不会由于电流流过晶体管而干扰彼此，其可能采用相当大的值，因为需要切换相当大的功率。以这种方式，消除了损耗并实现了快速的切换行为。
根据本发明的另一方面，提供了一种电容器，其不仅包括用于连接正电位的第一端子引线和用于连接负电位的第二端子引线，第一端子引线和第二端子引线具有介于其间的电介质，但是另外包括连接至第二端子引线并沿着第一端子引线延伸并与第一端子引线绝缘的第三端子引线。所述第三端子引线被优选采用用于接触从并联支路连接至“地”的开关，而电容器的正常第二端子用于接触整个电路的实际电路接地。以这种方式，还确保在电路的所有空间区域中，相应的电流流动，在某些情况下，不需要相互抗衡，因此不需要对不同的磁场进行放电或充电。
根据本发明的另一方面，提供一种线圈阵列，其包括第一棒(杆)，该第一棒(杆)包括第一间隙和第一杆周围的第一绕组，第二杆包括第二间隙和第二杆周围的第二绕组，以及盖元件和底板元件，线圈阵列的绕组能够在开关电源的并联支路内部形成相应的线圈。通过将所述线圈相应地耦合为它们配置在具有共享底板和盖元件的单个线圈阵列内，可以实现在线圈阵列的体积内存在几乎类似尺寸的磁场，即使电流连续地完全接通，达到最大值，然后完全减小到等于0或甚至小于0的值。
尽管这种非常大的电流摆动，但是通过本发明的线圈阵列布置获得了尽管具有相应大的电感值，但仅具有最小损耗和优异的切换行为的系统。
应当注意，开关电源以及电容器、晶体管堆叠电路和线圈阵列的各个方面优选地一起使用。然而，开关电源也可以有利地用可替代部件来运行。上述情况也适用于电容器、晶体管堆叠电路和/或线圈阵列。所述单独方面也可以彼此独立地用于开关电源以外的应用中，然而，将所述元件一起使用是特别有利的，因为在这种情况下将实现特别有利的低损耗性能。类似地，也可以在开关电源内或者不同的电子电路内仅实现提到的方面的两个或三个，而没有剩余的方面。
附图说明
下文将参考附图详细地说明本发明的优选实施方式，其中：
图1示出根据本发明的实施方式的开关电源；
图2示出了用于示出并联支路内的开关的切换以及其他并联支路的其他电流流动的电路图；
图3a示出并联支路内的串联连接的可控开关的优选表示；
图3b示出根据实施方式的晶体管堆叠电路；
图3c示出包括几对可控开关的晶体管堆叠电路；
图4示出图1的包括上游LC滤波器的开关电源；
图5a示出了根据本发明的实施方式的包括第三端子引线的电容器的实现(实现方式)；
图5b示出由第一端子引线和第三端子引线组成的对的优选实现的俯视图；
图5c示出关于平面电路上的第一端子的第三端子的替代实现；
图5d示出了电容器安装在电路板上的剖视图，其中第一端子引线穿过该电路板；
图5e示出了通过电路板的截面表示，该电路板具有布置在电路板上的电容器并且具有布置在电路板背面的晶体管堆叠电路和电感器；
图6a示出了包括例如图5a的电容器的开关电源的优选实现；
图6b示出来自具有图3b的晶体管堆叠电路的图5a的电容器的电路；
图7a示出根据示意性俯视图中的实施方式的线圈阵列；
图7b示出图7a的以示意性截面表示的线圈阵列；
图8a示出根据另一实施方式的线圈阵列；
图8b示出通过图8a的以示意性表示的线圈阵列的横截面；并且
图8c示出了图8a的实施方式的详细表示，具有两个线圈截面L1a和L1b以及它们的布线。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的实施方式的开关电源。具体地，设置多个并联支路，每个并联支路分别包括两个串联连接的可控开关S1、S2和S3，S4和S5和S6，分别包括线圈L1和L2、Ln，连接在两个开关之间，即，分别连接至各自的中间节点OUT1、OUT2和OUT3，以及输出节点150。此外，设置由152表示的电容器COUT，所述电容器152连接在并联支路的输出节点150和电路接地154之间。此外，设置控制器160，其被配置为切换每个并联支路的两个开关，使得当流过对应的并联支路的线圈的电流到达大于5A的第一电流值时，第一开关从导通状态切换到非导通状态，并且当流过并联支路的线圈的电流达到小于0A的第二电流值时，第二开关从导通状态切换到非导通状态。因此，在本发明的实施方式中，控制器具有针对每个电流I1、I2、In的输入，并且在图1所示的实施方式中，其具有针对每个开关S1至S6的输出。
具体地，在图1所示的实施方式中，第一并联支路包括两个第一开关110、112。续流二极管111和113分别连接在两个开关的两端。第一线圈141安装在节点OUT1上，第一开关S1和第二开关S2在节点OUT1处并联连接。
第二并联支路由第一开关120和第二开关122，以及因此连接的二极管121和123组成，第一开关120和第二开关122在图1中由S3和S4表示。具体地，二极管连接在开关两端，使得在相反的方向，即当电流流回时，可能发生通过二极管的电流流动。因此，当来自节点OUT1的电流流动流向输入节点108时，即使当开关S1断开时，所述电流也能流动通过二极管D1。类似条件存在于其他二极管中。例如，当电流从开关S2112连接的电路接地154流至节点OUT1时，允许所述电流流动，也就是由于二极管D2113，即使当开关S2112断开时。这种行为特别有利的是，由此可以实现流过线圈L1的负电流，在实现开关电源的低损耗运行方面，所述电流是相当重要的，将在下面参考图2说明。
优选地，控制器160包括电流传感器146、147、148。电流传感器可以布置在图1所示的各个线圈141、142、143与输出节点150之间的位置处。可替代地，电流传感器还可以布置在中间节点OUT1、OUT2、OUT3和线圈L1、L2、Ln之间，或者在不同的位置，即，一个或另一个开关的下游，以便以某种方式提供电流流过相应线圈的指示。根据通过输入I1、I2、In馈入控制器160的这些电流信号，在图1所示的实施方式中将设置切换信号S1至S6。电流传感器可以以任何所期望的方式例如配置为在它们与晶体管堆叠电路集成的实现中的霍尔传感器，或者配置为离散元件。
即使图1以示例的方式示出了三个并联支路，开关电源也可以根据实现仅配置有两个并联支路或多于三个并联支路，例如四个、五个或六个并联支路。
在图2的上图中示出线圈电流I1、I2、In根据时间t关于彼此的电流流动图。下图示出了发送到第一并联支路的开关S1、S2的相应控制信号；电流I1是图2上图中的实线，在第一并联支路内流动。第二并联支路具有与之相关联的图2的上图中的虚线电流I2，并且第三并联支路具有与其相关联的电流In，其由图2中的上图中的点划线表示。这导致用于第二支路和第三支路内的两个开关的切换信号被类似于第一支路内的切换信号S1、S2配置，但是在切换周期内以时间偏移的方式配置。另外，图2的上图示出第二开关S2优选阻塞在-0.5A的值处。针对相应的电流值执行所述阻塞，在其他实施方式中电流值也可以在-0.1A至-1A的范围内。
此外，当电流的最大值为10A或8至12A之间时，优选关闭第一晶体管S1。最大电流值的优选值在9与12A之间，并且最小电流值的优选值在-0.2与-2A之间。
如上所述，每个开关优选设置有并联连接并被极化的二极管，使得小于0A的电流可以流过二极管，如实现负电流值所需的，如图2的上图所示。
另外，在本发明的另一个实施方式中，控制器160被配置为在将第二开关从导通状态切换至非导通状态之后，以延迟一死区时间的方式将并联支路的第一开关从非导通状态切换到导通状态；在图2中的200处示出的所述死区时间优选大于100ns并且小于1μs。此外，如可以在图2中看到，控制器被配置为在将第一开关从导通状态切换到非导通状态之后，以延迟死区时间200的方式将并联支路的第二开关从非导通状态切换到导通状态，所述死区时间也大于100ns且小于1μs。S2和S1的切换之间的死区时间优选是在图2的中心的S1和S2的切换之间的时间，尽管这不需要一定是这样；因此，死区时间可能不同，但都应在所提到的范围内。
如所说明的，图1的控制器160还被配置成以在时间上偏移的方式将另外的并联支路的开关切换至并联支路的开关，使得流过并联支路线圈和另外的并联支路的线圈的电流不同。一般来说，开关电源包括k个并联支路，k大于或等于2，并且控制器被配置为以时间上偏移的方式驱动k个并联支路的开关，使得在一个周期，开关的关断时间均等地分布，例如在第一并联支路的第一电流值(诸如210)处开始，并且在时间上随后的下一个实现所述电流值的实例，即在212处结束的周期。
这表明在该周期内，电流I2和In中的每一个具有最小值和最大值。另外，优选单个并联支路的切换相位均匀分布，即，从时间角度将点210和点212之间的周期细分为k个部分，在图2中k等于3，并且单个并联支路始终达到它们各自的最大电流，并且，因此，第一开关的关断时间相对于另一并联支路偏移切换周期(即210和212之间的时间段)的1/k倍加上/减去所述值的10％的公差的时间段。如果周期的长度为例如4微秒并且如果使用k＝4支路，那么电流流动的最大值和/或最小值和/或零相交等时间上彼此间隔开1微秒加上/减去10％，即，0.9微秒至1.1微秒。
如已经说明的，图1所示的开关电源和图2所示的其切换行为旨在提供高于2kW且优选高于5kW的输出功率。优选的负载是用于驱动具有高转速的热泵的涡轮压缩机的旋转场发电机。
因此，并联支路内设置的开关配置为功率晶体管。图3a示出两个开关实现为IGBT(绝缘栅双极晶体管)或者为MOS功率晶体管。特别优选的是，每个开关S1至S6由具有对应的关联二极管的对应的IGBT或MOS晶体管实现，如图3a中示意性所示。
在本发明的优选实施方式中，电源进一步包括LC滤波器级，如图4所示。具体地，图4示出输入节点108、并联支路401、402、403以及输出节点152。LC滤波器包括Lf表示的电感410和Cf表示的电容412。干线的三相电流可以连接在电感410的输入节点处，所述节点由420表示，特别优选的是馈送干线的三相电流的三相的一相在节点420和接地节点422之间。因此，图4中明显的是开关电源401、402、403的三个并联支路连接在两个电容器412、152之间。
图1或图4中的开关电源的功能特别有利之处在于电流相互叠加在输出侧，从而获得小的纹波。因此，由于电流和因此相应的磁场相互叠加在电路容量内，因此补偿了看似“缺点”的大电流摆动。另外，在相应的线圈内流动的电流已经为负时的时间点，各个第二晶体管的关断，即将第二晶体管从接通状态切换到阻塞状态，导致由切换造成的损失是最小的。
另外，特别有利的是，通过相对长的死区时间，一旦第二开关被切断，相应的第一开关可以接通。死区时间(可能高达1微秒)足够大，因此不需要特定的同步阶段等。在所述死区时间内接通功率晶体管并不困难。因此，施加在控制器160上的要求相对减少，从而也可以以低成本提供所述实现，并且在劳动方面几乎没有费用。
此外，应注意，单个支路中的晶体管对不需要以在时间上精确偏移的方式操作，而是仅以在时间上大致偏移的方式操作。如果时间上的偏移在一个周期内没有被最佳地扩展，其唯一的结果将是稍大的纹波，然而，无论如何将被线圈和滤波电容器152滤波。
本发明的另一方面涉及如图3a和图3b的实现中示意性所示的晶体管堆叠电路。具体地，晶体管堆叠电路包括第一晶体管元件300和第二晶体管元件320。第一晶体管元件300包括例如第一半导体区域301，该第一半导体区域301包括具有形成于其上的第一源极或者发射极敷金属302的前侧。此外，第一半导体区域301包括具有形成于其上的第一漏极或集电极接触303的后侧。另外，第一晶体管元件包括第一栅极或者基极接触304。
第二晶体管元件320包括第二半导体区域321，该第二半导体区域321包括其上形成有第二源极或发射极敷金属322的第二前侧，并且包括其上形成有第二漏极或集电极接触322的后侧，第二晶体管元件进一步包括第二栅极或基极接触324。第二漏极或集电极接触322以堆叠的方式布置在第一源极或发射极敷金属302上，并以导通方式与其连接。此外，输出接触330(也由图3b或图1中的OUT1、OUT2、OUT3指示)连接到第二漏极或集电极接触和第一源极或发射极敷金属302。
如已经通过图1描述的，晶体管堆叠电路优选地还包括控制器160，第一栅极或基极接触304以及第二栅极或基极接触324连接到控制器160，并且控制器被配置为操作第一栅极或基极接触304和第二栅极或基极接触324，使得当第二晶体管元件不导通时第一晶体管元件导通，反之亦然。
如已经说明的那样，第一晶体管元件和第二晶体管元件被配置为功率元件，即作为IGBT或MOS功率晶体管。在MOS功率晶体管的情况下，晶体管包括源极接触，漏极接触和栅极接触，而在IGBT功率晶体管的情况下，开关包括发射极接触，基极接触和集电极接触。
发射极、或源极、敷金属322优选地被配置为包括以阵列的方式布置的多个源极或发射极区域，而第一半导体区域301或第二半导体区域321的后侧整个敷金属为后侧敷金属。
图3b示出包括上下叠置的两个开关的晶体管堆叠。另外，图3c示出包括例如在图1所示的实现中可能采用的三对开关的晶体管堆叠电路。除了一对开关S1和S2之外，还设置了另一对开关S3120和S4122，并且还设置了另一对开关S5130和S6132，所以优选的是在晶体管实现中，二极管也分别形成在源极和漏极，或发射极和集电极之间。
此外，晶体管堆叠电路包括六个栅极端子G1至G6和三个相互独立的输出端子OUT1、2、3，其优选以横向方式单个出现。此外，即使如图1所示，所述漏极/集电极端子彼此短路，单个电路的漏极或集电极分别显示在341、342、343。上述情况也适用于也单独示出的三个接地端子351、352、353，即使所述接地端子也可能短路，也如图1中看到的。
优选地，开关对S3、S4以图3b所示的方式精确形成。上述情况也适用于这对开关S5和S6。另外，图3c所示的开关对优选在每种情况下以横向方式彼此绝缘，即例如在S1和S3之间，或S2和S4或S3和S5或S6和S4之间，即在接口361、362处存在绝缘。例如，这种绝缘可以通过在芯片切块中出现的锯切边缘产生，并且可以或可以不填充电介质。
特别优选地在相同的平面基板如S2、S4、S6上形成晶体管，例如，S1、S3、S5。随后，切块边缘设置在各个晶体管之间，即在连接线361、362处；然而，例如，诸如S1、S3、S5的三个相邻的晶体管不是完全切块的。接下来，由一方面S1、S3、S5和另一方面S2、S4和S6组成的单个晶体管组彼此堆叠在其上，如图3b中的对示出的。由于上半导体元件321的后侧敷金属仅以导通方式连接到下晶体管的发射极/源极敷金属，例如这可能通过合金化或导电粘附而发生，因此附接是不重要的。图3b还示出了绝缘层305或325，以便表示发射极/源极敷金属明显地与相应的基极或相应的栅极区域绝缘。
通过控制器160，在图3b中彼此堆叠的两个晶体管以这种方式驱动，使得它们在不同的时间点导通。因此，电流仅在不同的平面内流动，而不是流向相同的方向。这意味着当晶体管的切换发生时，由电流而存在的磁场不会相互干扰。相反，磁场，特别是电流周围的磁场的方向不会改变，因为当实施切换时，电流仅以不同的“层(stories)”而不是在不同的方向流动。
这个原理也可以在图6b中看到，其示意性地示出了不同层中的电流，如图3b或图3c的晶体管堆叠布置所实现的。图6b中的上开关601表示包括半导体元件301的晶体管，并且图6b的下开关602表示包括图3b的半导体元件321的晶体管。
图5a表示根据本发明的另一方面的电容器。电容器包括用于连接正电位的第一端子引线500，其在图5a中由“+”示意性地示出。电容器还包括用于连接负电位的第二端子引线502，其在图5a中通过“-”描述。此外，设置有电介质501，其布置在连接到第一端子引线500的正极504和连接到第二端子引线502的负极505之间。此外，提供第三端子引线503，其在支路506处连接到第二端子引线502，并且在区域507内还沿着第一端子引线500延伸，但是与第一端子引线绝缘。
可以说第一端子引线500和区域507内的第三端子引线503之间的“同轴实现”在图5b中示出，第一端子引线500被第三端子引线完全包围，并且中间区域优选地设置有电介质508，然而，根据区域507的配置和长度，可以使所述电介质简单地为空气。替代形式是带状线配置。如图5c所示，第一端子引线500被配置为基板上的带状线，而第三端子503优选地形成在两侧以便布置成靠近第一端子引线500。
将第三端子引线布置为紧挨着第一端子引线确保了在低损耗的情况下也可能再次发生切换，因为-无论大电流是否在第一端子引线或第三端子引线内流动-由该电流引起的磁场是相同，因为电流在第三端子引线或第一端子引线中流动，但是除此之外，它流向相同的方向。
优选地，电容器包括树脂壳体，其在图5a中未示出，但其围绕电介质、两个电极501、505和支路506。三个端子引线，即第一端子引线500、第二端子引线502和第三端子引线503延伸出树脂外壳，第三端子引线在树脂外壳处位于第一端子引线附近，然而，与第一端子引线501相比，它清楚定位成更远离第二端子引线502。此外，如图5a所示，第三端子引线包括在区域507内延伸，即紧挨着第一端子引线延伸的部分，而另外，第三端子引线包括紧挨着电介质501延伸的另外的区域510。因此，第三端子引线由支路506、紧挨着电介质501延伸的第二部分510、及沿着第一端子引线延伸出树脂外壳、或者通常延伸出壳体的第一部分507组成。
另外，在一实施方式中，第三端子引线配置有一定厚度，第三端子引线与第一端子引线的距离小于第三端子引线的厚度。图5d示出电路板560上的电容器的实现或布置。特别地，示出了电容器的树脂壳体561以及第一端子引线500、第二端子引线502和第三端子引线503。特别地，在图5d所示的实施方式中，用于连接正电位的第一端子引线500通过通孔562延伸穿过基板560，并且连接到位于电路板560的下侧或后侧上的导线563，而顶侧也具有设置在其上的与第三端子503连接的导线。第二连接器502也连接到导线，然而该导线不连接到与第三端子503连接的导线。
图6a示出图1的开关电源的示意性表示。图6a特别阐明了电容器Cf的第一端子引线500将连接到并联支路中的晶体管对的相应第一晶体管的漏极/集电极端子，然而，第二端子引线502将连接至电路接地422。另外，第三端子503将连接至晶体管对的相应第二晶体管或下晶体管的发射极端子。在观察图6b时，图6b示意性地描绘了图3b的晶体管堆叠电路，可以看出，由于第三端子的布置或实际上存在第三端子，第三端子最适合于允许切换的低损耗操作，导致最佳电流分布关于堆叠的晶体管发生，使得电流传导604或605始终发生在上“支路”或者以交替的方式发生在下“支路”，但是在相同的方向上，使得产生的磁场从外部看来通过电流流动的“层的变化”几乎保持不变，如图3b所描述。这导致不需要再磁化，因此不会发生与再磁化有关的损耗。
图5e通过例如已经在图5d中示出的电路板560的电路板示出了开关电源的优选实现。特别地，如图5a所示的Cf布置在电路板的一侧，而由S1至S6示意性描绘的线圈Lf以及晶体管堆叠电路安装在电路板的另一侧上。即使图5e示出三个通孔从相应的开关对延伸到第三端子或延伸到与第三端子连接的导线，应当注意，单个通孔或仅两个通孔也足够，因为这三条线无论如何是短路。另外，图5e示出了由线圈L1、L2、L3组成的线圈阵列也布置在电路板560的下侧，即使线圈阵列或同样电容器C可以布置在顶侧，电容器C对应于图6a的输出电容器COUT，或者对应于图1的电容器152。电路板560关于图5e中的表示的布置还可以改变，使得电容器Cf布置在电路板的下侧上而且至少晶体管堆叠电路布置在顶侧上。
图7a至8c示出了根据另一方面的线圈阵列的特征。具体地，线圈阵列包括第一杆701，该第一杆701包括第一间隙702和优选在第一间隙702上延伸的第一绕组703。另外，设置了第二杆711，该第二杆711包括第二间隙712和第二绕组713，第二绕组713优选在第二间隙712上延伸。同时图7b示出横截面，图7a示出元件的顶视图，然而去除了盖元件720。因此，图7a是杆701、711和721以及底板元件730的顶视图，底板元件730连接到第一杆和第二杆的每个的不同端，而盖元件连接到第一杆和第二杆的每个的一端，如图7b的横截面中最好看出的。图7b中的横截面进一步示意性地示出了环回杆或回流路径杆740，其由铁磁材料制成，正如杆701、711、721，但没有设置间隙或气隙。环回杆740设置用于闭合磁场回路。在图7a中，磁场线的方向在750处被拉入，使得磁场线从图平面出来并通过环回杆740延伸到图平面中，如751处所示。因此，所有三个线圈L1、L2和L3的磁路都关闭。如图7a所示，线圈阵列通常可以包括两个、三个，四个或甚至更多单个的线圈，其绕组全部配置成使得杆内的场线具有气隙并且设置有沿相同方向进行并且通过环形元件740在另一方向上进行的绕组。
当在开关电源内使用线圈阵列时，单个线圈的一些或者正端子互相分开，然而线圈的其他或负端子或者接地端子可以处于相同的电位，即可能短路。
通常优选使用k个杆，每个具有一个气隙，其中，k≥3。此外，如图7a示意性地所示，在k＝3的情况下，通常在k个杆之间布置环回杆，使得环回杆的轴线形成圆的中心，k个杆的轴线布置在圆的中心上，两个轴线之间的角度在公差范围内分别相同，公差范围为360°除以k的±10％。在图7a所示的实施方式中，杆的两个相邻轴线之间的角度为360°除以3，即120°，使得公差范围为120°的±10％，即两轴线之间的角度优选为108°至132°的范围。当k等于4时，杆具有四个线圈，因此采用四个并联支路时，两个相邻线圈之间的角度将为90°，并且公差范围将为90°±9°。
例如，当使用六个线圈时，两个相邻杆轴线之间的角度将为60°，公差范围将为±6°。优选的是以尽可能均匀的方式将各个线圈分布在圆圈上，因为在这种情况下，通过环回杆751的场线环回以特别平滑和无故障的方式起作用，这又导致线圈阵列在电磁兼容性和损耗方面的良好性能。
图8a至8c示出了线圈阵列的替代实施方式，其中，与图7a不同，没有设置单独的环回元件，但是可以在相邻的线圈中进行场线环回。为此，如图8a中示意性地所示，图1的每个线圈细分成例如两个或更多个部分，从图7a包括三个线圈的线圈阵列的示意性顶视图类推，因此，图8a再次示出六个线圈截面，去除了盖元件720。从图7a类推，在图8a中同样设置包括气隙801的第一杆，此外，也包括气隙和绕组的第二杆803。而且，设置有第三杆802以及，此外第四杆804。第二杆803布置在第一杆801与第三杆802之间。此外，第三杆802布置在第二杆803与第四杆804之间。此外，第四杆804布置在第三杆802与第一杆801之间。
此外，单个杆上的绕组由在其他杆上的绕组串联形成。具体地，第一杆801上的第一绕组与第三杆802上的第三绕组串联连接。因此，例如，第一绕组，即在杆801上的绕组，例如由图8c中的811表示，以及在图8c的第三杆802上串联连接的绕组812形成如图1所示的开关电源的第一线圈L1。设置相应的布线用于形成第二线圈，该线圈由环绕杆803、804的绕组形成，如图8中的L2a和L2b所示。对于图1的第三线圈Ln存在类似的布置，其由环绕杆805、806的两个绕组形成。
在图8b中以示意性形式示出图8a的线圈阵列的侧视图。具体地，图8b示出了一起形成第三线圈并因此由图8a中的L3a和L3b表示的杆805、806。该图还示出了气隙和绕气隙布置的绕组，如例如在820的气隙以及在821的绕组所示。此外，图8b进一步仅以实例的方式示出了形成第一线圈的第二部的杆802(即，L1b)和形成第二线圈的第二部的杆804。
如图8a示意性地所描述，环绕杆的线圈或绕组被连接，使得磁场线以交替的方式在杆内延伸，使得例如在杆801内，磁场线延伸到图平面中，并且在杆806内，磁场线延伸出图平面。因此，在杆801内延伸的磁场线的环回可以跨越两个相邻的杆发生。这由图8a中的环回箭头830所示。然而，应当注意，关于图8c中的表示，L1a的场线的实际回流或环回不在杆802内发生，而是在两个相邻杆803、806内部，在图8a中所示的实施方式中包括三个线圈，即六个绕组，或三对绕组。
通常，图8a的线圈阵列包括，例如，I个杆，每个具有一个气隙，I是偶数并且≥4。此外，优选的是，I个杆的轴线布置在圆圈上，两个相邻轴线之间的角度分别在公差范围内相同，公差范围为360°除以I的±10％。因此，例如，如果I等于6，两个线圈之间的角度，即L1b与L2b之间的角度＝60°±6°的公差。
此外，设置了一个或多个包括相对低的磁导率的紧固元件850，紧固元件布置在底板元件730和盖元件720之间，以将线圈阵列保持在一起。如图8b所示，可以存在中央紧固元件，或者可替代地，可以布置在任何期望的位置分布的紧固元件，并且其放置不是决定性的，因为它们不必提供环回，与图7a中示出的实施方式相比，这是差异，其中，环回通过同时用作紧固元件的元件来操作。
如图8b中示意性所示，每个杆由从盖元件延伸的第一杆部805a和从底板元件延伸的第二杆部805b组成。此外，优选设置镶嵌或衬里、盘820而不是气隙，或者作为间隙的实现，所述镶嵌盘由非铁磁材料形成并且表示间隙。
因此，可以提供线圈阵列的特别有利的实现，因为线圈阵列的重要特性可以通过使用不同厚度的镶嵌盘820来实现。只需要库存具有已连接的杆部的相同的盖和底板元件以及相应的镶嵌盘，因为在这种情况下，通过装配相应的绕组，在插入镶嵌盘之后通过利用安装的杆部装配底板或盖元件，以及随后通过紧固元件850紧固能够容易地组装。
以下将阐述所描述的电路的各个部件的优选种类的尺寸。关于图4，针对线圈Lf410优选小于100μH的电感。具体地，10与小于100μH之间的值提供良好的结果。图4中的电容Cf412优选小于10μF并且具体地，尤其优选1与小于10μF之间的值。
如已经阐述的，图1和/或图4中的整个电路适用于要处理的5kW的功率，其中可以使用5到16A的数量级的电流。从该观点来看，各个电感L1、L2、Ln在小于100μH的范围内，并且优选为1至小于100μH的范围。
控制器160使用的用于控制各个周期的频率为约500kHz；特别地，可以根据需要采用100kHz和1MHz之间的频率。
图7a至8c的线圈阵列的尺寸如下：优选地，图7a或者图8a的线圈阵列的形状是圆柱形并且具有从底板元件的下边缘到盖元件的上边缘5cm的高度，原则上也可以使用2cm和7cm之间的值。对于底板元件或盖元件的圆形形状，直径为5cm，也可以使用3至7cm的其他直径。
作为用于底板和盖元件的材料以及用于包括气隙的杆或者如图7a所示不包括气隙的杆的材料，可采用具有良好铁磁特性的烧结材料，例如可从Ferroxcube公司获得。
在这方面，还应当注意，盖元件或底板元件的形状不需要一定是圆形的，而是可以具有任何期望的形状。由于距离相等的情况，优选包括如图8a、7a所示的绕组的各个棒的圆形布置，即使底板元件和盖元件的形状可以是任意的。然而，圆形布置不是绝对必要的。特别是当观察图7a时，环回杆740的轴线和包括气隙的杆之间的距离可以从杆到杆之间变化，使得包括来自环回杆的气隙的多个杆的距离不相同。此外，角度也不一定必须是均等分布的。然而，优选地，包括气隙的杆与环回杆之间的距离小于包括气隙的两个相邻杆之间的距离。
关于图8a，应当注意，同样地，理想的圆形布置是优选的，但不是绝对必要的。此外，包括气隙的单个杆和紧固元件150和/或线圈阵列的中心轴线之间的距离也不需要一定对于包括气隙的所有杆都是相同的。此外，单个杆与相邻杆的距离不一定必须相同，即使优选尽可能对称地布置，因为在这种情况下，场线将以最佳方式分布在两个相邻线圈之间，以便提供他们的环回。
另外，例如，图8a和图7a中布置在杆上的诸如821的绕组例如跨越气隙，诸如820。在图8c中也示出对应的布置。然而，这不是绝对必要的。例如，杆内的气隙也可以位于绕组上方和绕组下方。
上述实施方式仅表示本发明的原理的说明。应当理解，本文描述的布置及细节的修改和变化对本领域技术人员来说是显而易见的。这是旨在仅由所附专利权利要求的范围，而不是由通过对实施方式的描述和说明而呈现的具体细节来限定本发明的原因。

Claims (13)

1.一种开关电源，包括：
多个并联支路(401、402、403)，每个并联支路包括两个串联连接的可控开关(111、112)和连接在两个所述开关(111、112)与输出节点(150)之间的线圈(141)；
电容器(152)，连接在所述并联支路的输出节点与接地(154)之间，以及
控制器(160)，被配置为切换每个并联支路(401、402、403)的所述两个串联连接的可控开关(111、112)，使得当流过并联支路的线圈(141)的电流(I1)达到大于5A的第一电流值时，将一并联支路的第一开关(111)从导通状态切换至非导通状态，并且使得当流过所述并联支路的线圈的所述电流达到小于0A的第二电流值时，将第二开关(S2)从导通状态切换至非导通状态，
LC滤波器(410、412)，包括滤波电容器和滤波器线圈并且与所述多个并联支路(401、402、403)在上游连接，使得每个并联支路的输入节点(108)连接至滤波电容器的第一端子并且连接至滤波器线圈的第一端子，所述滤波电容器的第二端子连接至接地端子(422)，并且滤波器线圈的第二端子连接至所述开关电源的输入节点(420)，其中，所述滤波电容器(412)包括正端子(500)、负端子(502)、及第三端子(503)，所述第三端子包括连接至所述负端子(502)并且至少部分地(503)布置成紧挨着所述正端子(500)的细长引线，
电路板(560)，所述滤波电容器(412)布置在所述电路板的一侧上并且所述开关和所述线圈布置在所述电路板的另一侧上，所述滤波电容器的正端子延伸通过穿过所述电路板(560)的钻孔(562)，包括接地路径的所述第三端子布置在所述电路板的一侧上，在用于所述正端子的所述电路板内紧挨着所述钻孔(562)，并且所述第二开关(S2、S4、S6)的一个或者若干接地端子延伸通过所述电路板并且连接至所述滤波电容器的第三端子(503)。
2.根据权利要求1所述的开关电源，其中，所述第一电流值在9与12A之间，并且所述第二电流值在-0.2与-2A之间。
3.根据权利要求1或2所述的开关电源，其中，至少每个并联支路的所述第二开关(112)包括并联连接并且极化的二极管(113、123、133)使得小于0A的电流能够流过所述二极管。
4.根据先前的权利要求中任一项所述的开关电源，
其中，所述控制器(160)还被配置为在将所述第二开关从所述导通状态切换至所述非导通状态之后，以延迟死区时间(200)的方式将所述并联支路的第一开关(111)从非导通状态切换到导通状态，所述死区时间大于100ns且小于1μs。
5.根据先前的权利要求中任一项所述的开关电源，
其中，所述控制器被配置成以在时间上偏移的方式将另一并联支路的开关(121、122)切换至所述并联支路的开关(110、112)，使得流过所述并联支路的线圈和所述另一并联支路的线圈的电流在一个时间点上不同。
6.根据先前的权利要求中任一项所述的开关电源，
其中，配置并联支路的数量k，k大于或等于2，并且所述控制器(160)被配置为以时间上偏移的方式驱动k个所述并联支路的开关使得在一周期内，所述开关的关断时间在公差范围内均等分布，周期开始于所述第一电流值并且终止于相同的并联支路的时间上连续的第一电流值，所述公差范围等于所述周期长度除以k倍±10％。
7.根据先前的权利要求中任一项所述的开关电源，
其中，所述并联支路(401、402、403)和所述电容器(152)尺寸形成为使得大于2kW的功率能够在所述输出节点(150)处输出。
8.根据先前权利要求中任一项所述的开关电源，
其中，每个并联支路的两个所述开关被配置为堆叠晶体管，所述第二开关的发射极或源极敷金属(322)连接到接地节点，集电极或漏极敷金属(323)堆叠在所述第二开关的半导体后侧、在所述第二开关的发射极/源极敷金属(302)上，并且连接到所述并联支路的线圈(141)，并且所述第一开关的半导体后侧上的集电极或漏极敷金属表示输入端子(303)。
9.根据权利要求1所述的开关电源，
其中，所述滤波电容器的第三端子连接至每个并联支路(401、402、403)的第二开关的端子(322)，所述第二开关的另一端子，其不是所述第二开关的控制端子，连接至所述第一开关。
10.根据先前权利要求中任一项所述的开关电源，
其中，所述多个并联支路的线圈(L1、L2、Ln)布置在铁磁体上，使得每个线圈在包括气隙(820、712)的铁磁性杆(701、711、721、801、803、804、805、806)上延伸以便为场线提供入站路径，并且其中，场线的出站路径(740、801、803、805、802、804、806)另外配置为包括：没有气隙的铁磁杆(740)；或者相邻线圈，具有相反的绕组方向或者相反的绕组极性。
11.根据先前权利要求中任一项所述的开关电源，进一步包括：
在每个或者至少两个并联支路(401、402、403)内的电流传感器(146、147、148)，每个电流传感器连接至所述控制器(160)，并且每个电流传感器(146、147、148)被配置为检测所述第一电流值和所述第二电流值。
12.一种运行开关电源的方法，所述开关电源包括：多个并联支路(401、402、403)，每个并联支路包括两个串联连接的可控开关(111、112)和连接在两个所述开关(111、112)与输出节点(150)之间的线圈(141)；以及电容器(152)，连接在所述并联支路的输出节点与接地(154)之间，LC滤波器(410、412)，包括滤波电容器和滤波器线圈并且与所述多个并联支路(401、402、403)在上游连接，使得每个并联支路的输入节点(108)连接至滤波电容器的第一端子并且连接至滤波器线圈的第一端子，所述滤波电容器的第二端子连接至接地端子(422)，并且滤波器线圈的第二端子连接至所述开关电源的输入节点(420)，其中，所述滤波电容器(412)包括正端子(500)、负端子(502)、及第三端子(503)，所述第三端子包括连接至所述负端子(502)的细长引线并且至少部分地(503)布置成紧挨着所述正端子(500)，电路板(560)，所述滤波电容器(412)布置在所述电路板的一侧上并且所述开关和所述线圈布置在所述电路板的另一侧上，所述滤波电容器的正端子延伸通过穿过所述电路板(560)的钻孔(562)，包括接地路径的所述第三端子布置在所述电路板的一侧上，在所述正端子的电路板内紧挨着所述钻孔(562)，以及所述第二开关(S2、S4、S6)的一个或若干接地端子，延伸通过所述电路板并且连接至所述滤波电容器的第三端子(503)，包括：
控制每个并联支路的两个所述开关使得当流过所述并联支路的线圈的电流达到大于5A的第一电流值时将并联支路的第一开关从导通状态切换至非导通状态，并且使得当流过所述并联支路的线圈的电流达到小于0A的第二电流值时，将所述第二开关从导通状态切换至非导通状态。
13.根据权利要求12所述的方法，进一步包括：
在将所述第二开关从所述导通状态切换至所述非导通状态之后，以延迟死区时间(200)的方式将所述并联支路的第一开关从非导通状态切换到导通状态，所述死区时间大于100ns且小于1μs，并且
在将所述第一开关从所述导通状态切换至所述非导通状态之后以延迟死区时间(200)的方式将所述第二开关从非导通状态切换至导通状态，所述第一开关从所述导通状态切换到所述非导通状态之后的所述死区时间等于所述第二开关从所述导通状态切换到所述非导通状态之后的所述死区时间，或者不同于所述死区时间并且在100ns到1μs的范围内。
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