CN112041949A - 感应器装配件 - Google Patents

Abstract

一种用于单个或多个相位和/或交错转换器的感应器装配件(100)，包括：‑多个第一导体(112、114、116)，其安排在第一磁性核心(110)的各个腿上，‑第二核心(120)，包括一个或更多腿(128)，所述第二核心通过气隙磁性耦合到第一核心，并且安排以提供用于第一导体的共模磁通量的路径。

Description

感应器装配件

技术领域

本发明涉及感应器装配件，具体地，用于包括多个导体的单个或多个相位和/或交错转换器。

背景技术

许多种类的转换器(例如，具有以脉宽调制供应DC输入电压以生成AC输出的半桥(half-bridge)的典型的DC/AC转换器)产生电子噪声，其传递到负载或网格并且减少其电压质量，从而可以减少性能或可以甚至对机器有害。

感应元件(即导体)可以在转换器中使用，用于对AC电压信号进行滤波。当建立了用于转换器的感应器时，从环路电流创建的差模噪声和共模噪声是考虑的点。当感应元件和电容元件的体积和重量取决于特定的转换器参数时，典型地，这些元件组成转换器的整体重量和尺寸的相当大的部分。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有减少的尺寸的感应器装配件。

根据本发明的一种用于单个或多个相位和/或交错转换器的感应器包括：多个第一导体，安排在第一磁性核心的各个腿上，其中第一导体对是反向耦合的，即它们具有相同的缠绕方向；以及第二核心，包括一个或更多的腿，所述第二核心通过气隙磁性耦合到第一核心，并且安排以提供用于共模磁通量的路径。

在交错转换器中，共模磁通量可以包括基础负载电流通量和由于在切换频率的N倍处的噪声电流的通量，其中N是并行交错模块的数量。

第一导体可以通过以相似的方式安排，尤其地，以相同的方式缠绕，在第一磁性核心的并行腿上反向耦合。当所有第一导体以相似方式安排在第一核心的各个腿上时，第一导体的每个对反向耦合。第一和第二磁性核心的每个可以包括分离核心的独立部分的一个或更多气隙或低渗透材料。

感应器装配件包括用于每个第一导体的第二导体，对应的第一和第二线圈串联电连接，第二导体安排在第二核心的单个腿上，并且相互正耦合。

可以单独或一起添加到本发明的示例性实施例中的进一步的特征包括：

－第一核心可以是EE形状的(双E形状的)。换句话说，第一核心可以包括由气隙或低渗透材料分离的两个部分，其中两个部分以大写字母E的形式相同成形，所述大小字母E具有背面杆，相等间隔的臂从所述背面杆扩展，以及其中将各部分定向为使得两个E形状的臂互相朝向。EE形状表示刚好三个臂，并且因此刚好三个相位，但是该形状可以具有比三个臂更少或更多，并且因此具有用于多于三个相位的空间。每个臂对形成第一核心的一条腿。

－对应的第一和第二线圈可以正耦合。在该具体设置中，第二核心刚好具有一条腿是可能的。第二核心可以是例如LL形状的，这意味着以与EE形状相似的形式，第二核心具有由气隙和低渗透材料分离的两个部分，其中每个部分如同大写字母L成形，并且其中两个部分的臂互相面对，两个组成单个腿。在该设置中，共模磁通量可以或必须通过保持第二导体的腿返回。

-第二核心上的导体的匝数可以比相关联的第一导体的匝数更低。

-可选地，第二核心可以包括至少两条腿或刚好两条腿。对应的第一和第二线圈可以反向耦合。在该情况中，共模磁通量可以通过可能不具有任何安排其上的导体的第二核心的附加的腿返回。与EE形状的核心相似，第二核心可以是具有通过气隙或低渗透材料分离的两个部分的FF形状，其中两个大写字母F形状的背面杆的开放末端指向第一核心。

-第二核心可以在第一方向上成形为多个腿核心。附加地，安排多个第一核心以在第二方向上扩展以磁性耦合到第二核心的腿。具体而言，第二方向可以与第一方向正交并且两者可以与腿扩展的方向正交。换句话说，与具有诸如LL形状或FF形状的二维形式和相关联的整体厚度的第二核心相反，该实施例的第二核心具有完整三维结构。在由腿的方向和第一方向形成的第一平面中，第二核心具有多个腿核心的形状(诸如EE形状)，再次不限定于三个臂。该形状不必需存在于所有这样的平面中，而只在其部分中。在由腿的方向和第二方向形成的第二平面中，第二核心可能具有LL形状或FF形状。再次该形状不对通过第二核心分割的所有平面存在。其可以对于通过第二核心的腿之一分割的所有平面呈现。优选地，第一核心沿着第二方向定向，使得其多个腿形式(诸如EE形状)在第二平面中扩展。优选地，第一核心互相并行安排。

在腿的位置，第二核心可以是LL形状的，其中L形状的臂在第二方向扩展。接着第一核心相邻于LL形状的臂进行安排。因此感应器装配件和包括第二核心的腿之一的第二平面的交点可以具有与感应器装配件相同的形状，而不需要三维第二核心。

感应器装配件可以包括第三核心，其如同第二核心成形并且在与第一核心相反的一侧以第二方向相邻于第二核心进行安排。该设置与LL形状的第二核心到FF形状的第二核心的转换相似，其中添加第二条腿，在该情况下对于每第一条腿添加第二条腿。

-典型地，第一核心将具有用于每个相位的腿以及每个对应于相位之一的第一导体。

-感应器装配件可以有利地用在具有多个模块的多个相位交错转换器中。在该情况中，感应器装配件将包括用于每个模块的第一核心，其中每个第一核心上的第一导体每个对应于各个模块的相位。第二核心包括用于每个模块的腿，并且每条腿上的第二导体对应于各个模块。

-第一磁性核心可以包括第一核心材料，并且第二核心可以包括与第一核心材料不同的第二核心材料。例如，第一核心可以由低损耗材料制成，具体地，铁氧体或无定形核心材料，而第二核心可以由高通量密度材料(诸如Si-Fe或粉末的核心材料)制成。有利地，高通量密度材料允许第二核心更小以减少缠绕损失并且增强整体效率。

－具体地，当使用高通量密度材料用于第二核心时，典型地，这些材料更强并且能够制造以支持整体感应器装配件。第二核心可以接着安排为大体上围绕第一磁性核心。以该方式，第二核心将提供减少杂散电感并且因此减少附加损耗和外部组件的问题的磁性防护。

附图说明

现在通过引用附图描述本发明的实施例，其中本发明不限于所述附图。

图1说明了感应器装配件的实施例；

图2说明了图1的感应器装配件的等效电路；

图3和4说明了感应器装配件的进一步的实施例；

图5说明了交错转换器的示意性设置；

图6说明了用于图5的交错转换器的组合的共模感应器的实施例；

图7和8说明了用于图5的交错转换器的组合的共模感应器的进一步的实施例；

附图说明是以示意形式的。注意在不同途中，相似或相同元件使用相同的引用标志。

具体实施方式

图1说明了本发明的第一实施例。感应器装配件100包括第一核心110和第二核心120。第一核心是EE形状的三腿核心。众所周知，EE形状的核心包括由气隙或低渗透材料分离的两个部分，其中两个部分以大写字母E的形式相同成形，所述大小字母E具有背面杆，相等间隔的臂从所述背面杆扩展，以及其中将各部分定向为使得两个E形状的臂互相朝向。本文将所述E形状的背面杆扩展的方向称作x方向，而将第一核心的腿扩展的方向称作y方向。因此E形状在假想xy平面中扩展。在正交于E形状的xy平面的空间方向，其被称作z方向，第一核心具有统一厚度。

三腿第一核心通常与三个并行交错相位设置相关联。由此感应器装配件100包括三个第一导体112、114、116。第一导体112、114、116每个安排在第一核心的自己的腿上。第一导体112、114、116的每个对应于三个并行交错相位之一。第一导体112、114、116全部以相同定向缠绕并且因此反向耦合。

以FF形状形成感应器装配件100的第二核心120，其与EE形状相似意味着其包括由气隙或低渗透材料分离的大写字母F形状的两个部分。第二核心120因此具有两条腿。与EE形状相反，FF形状具有开放末端的背面杆。第二核心和第一核心110、120在x方向上互相相邻安排，使得背面杆的开放末端指向第一核心110但留出气隙。

感应器装配件100包括安排在第二核心120上的第二导体122、124、126。与分散到单独的腿的第一导体112、114、116相反，第二导体122、124、126全部以堆叠方式安排在第二核心120的单个腿上。再次，第二导体122、124、126的每个与相位之一相关联，并且与对应于相同相位的第一导体112、114、116串联电连接。第二导体112、114、126以相同于第一导体112、114、116的方式缠绕，并且因此反向耦合到第一导体112、114、116。在其中，第二导体122、124、126正耦合。

第一导体112、114、116产生相等的基础电压和高频环路电流。环路电流在第一导体112、114、116之间相移120度。生成的分布模式通量能够通过感应器装配件100的磁性结构流动，产生差模感应器。通过第一导体112、114、116在第一核心110中生成的共模通量在核心120空缺时不具有路径(只通过空气)在第一核心110内流动。

在第二核心120存在的情况下，由三个相位产生的共模通量能够通过其上没有安排导体的第二条腿128流动，这意味着第二核心120用作共模感应器。来自环路电流的差模通量132在来自交错相位的导体之间相移120度。其能够在第一核心110内流动并且典型地将在第一核心110内抵消自身。因此，典型地，其在第二核心120中不具有影响。

在组合感应器装配件100中，来自第一核心110的共模通量130接收路径以在第二核心120内流动。这增加了感应器装配件的共模感应系数，超过单独的第一核心110的共模感应系数。这意味着在保持相同的感应系数的同时，对于共模滤波器，线圈匝数能够减少。减少导体的线圈减少了感应器装配件100的整体体积。第一核心110和第二核心120之间的气隙的长度能够调整以避免由于基础通量的核心饱和。

图2示出了图1的感应器装配件100的等效电路200以及只是第二核心120的等效电路210。等效电路200表示每个相位的安培匝数(NxIx)以及磁阻(Rmag)以及气隙(Rair)路径。与第二核心120的等效电路210单独比较，感应器装配件的等效电路200具有由于第一和第二核心110、120的组合的附加并行磁阻。通过附加并行磁阻减少整体电路的有效磁阻，对于相同的安培匝数这增加了共模通量130(通量＝安培匝数/磁阻或phi＝NI/R)。结果是对于组合的感应器装配件100中的相同匝数，增加了共模感应系数(感应系数＝通量*匝数/电流，L＝phi*N/I)，超过单独的第二核心120。

图3说明了本发明的第二可能实施例。图3的感应器装配件300包括等同于图1的感应器装配件100的第一核心110的第一核心110。其是EE形状的并且三个第一导体112、114、116如在感应器装配件100中安排在其三条腿上。由于在感应器装配件100中，三个导体112、114、116安排以相互反向耦合，即以相似方式缠绕。感应器装配件300进一步包括第二核心320。感应器装配件300的第二核心320以LL形状形成，其与EE形状相似，意味着其包括由气隙或低渗透材料分离的大写字母L的两个部分。第二核心320因此具有单个腿328。与FF形状很像，LL形状具有开放末端背面杆。第二核心和第一核心110、320在x方向上互相相邻安排，使得背面杆的开放末端指向第一核心110但留出了气隙。

正如感应器装配件100，感应器装配件300包括第二导体122、124、126，其安排在第二核心320的单个腿328上。与分散到单独的腿的第一导体112、114、116相反，第二导体122、124、126全部以堆叠形式安排。再次，第二导体122、114、116的每个与相位之一相关联，并且与对应相同相位的第一导体112、114、116串联电连接。

与感应器装配件100相反，第二导体122、124、126的缠绕方向与第一导体112、114、116相反。第二导体122、124、126因此正耦合到第一导体112、114、116以及在其自身之间正耦合。这意味着通过第二核心320的腿328，对于共模磁通量130有来自第一导体112、114、116的每个闭合通路。

如果感应器装配件100、300用于交错转换器中，共模噪声在切换频率的三倍处，因此感应器要求的感应系数小。在该情况中，能够增加气隙以减少基础通量(其也是核心110处的共模通量)以最小化用于共模感应器(即第二核心320)的感应器体积。

图4说明了本发明的第三实施例。图4的感应器装配件400包括第一核心110，其等同于图3的感应器装配件300的第一核心110。其是EE形状的并且三个第一导体112、114、116安排在其三条腿上，如在感应器装配件300中。如在感应器装配件300中，安排三个导体112、114、116以互相反向耦合，即其以相同方式缠绕。

感应器装配件400进一步包括第二核心420。感应器装配件400的第二核心420以LL形状形成，如在图3的感应器装配件300中。第二核心和第一核心110、420在x方向上互相相邻安排，使得背后杆的开放末端指向第一核心110但留出了气隙。

与第一和第二实施例相反，感应器装配件400不包括第二导体。三个相位差模感应器(即第一核心110)产生的共模通量130能够提供必需的感应系数。匝数和气隙需要调整以获取必需的感应系数。第一和第二核心110、420的组合结构还将对差模噪声132造成影响并且增加差模感应系数。由于杂散场，三个相位差模感应器腿的磁阻不完全等同。不等同磁阻导致的任何不平衡的差模通量132将流过由共模感应器(即第二核心420)提供的附加腿428，因此增加差模感应系数。

尽管所有实施例以适用于三个相位转换器设置的三腿第一核心110为特征，但是其概念能够推广到任何数量的并行模块或相位。在差模感应器(即第一核心110)中的腿的数量和第一导体112、114、116的数量等同于并行模块或相位的数量。在感应器装配件包括第二导体122、124、126的情况中，第二导体122、124、126的数量也等同于并行模块或相位的数量，其中第二导体122、124、126安排在第二核心120、320的单个腿上。

有利地，感应器装配件100、300、400提供了单个致密设置的差模和共模感应器。将感应器装配件的核心110、120、320、420耦合导致感应系数的增加的值，其能够因此用于减少第一导体112、114、116的线圈数量。减少线圈数量导致磁性路径中的减少的通量，其允许减少体积并且因此感应器装配件的重量和成本。

进一步的优势来源于本发明的以组合设置安排的核心110、120、320、320，而不是仅仅在附近安排。核心的组合设置将从核心110、120、320、420互相感应的杂散通量移除核心饱和的可能性。

本发明进一步的优势实施例能够用于例如在交错转换器中，诸如图5的简化转换器。图5示出了具有每个相位三个并行模块的三个相位交错DC/AC转换器500。

在第一相位中，三个模块换流器504在其输入端子处连接到DC电源502。对于第一相位，三个输出端子每个连接到一个感应器(inductivity)510、512、514，其远侧结合并且连接到AC端子516。以相似的方式，对于第二相位，三个模块换流器506在其输入端子处连接到DC电源502。对于第二相位，三个输出端子每个连接到一个感应器520、522、524，其远侧结合并且连接到AC端子526。对于第三相位，三个模块换流器508在其输入端子处连接到DC电源502，并且对于第三相位，三个输出端子每个连接到一个感应器530、532、534，其远侧结合并且连接到AC端子536。

图3的感应器装配件300是用于交错转换器500中的有利设置。感应器装配件300能够用于交错转换器500的任何或全部相位。对于第一相位，第一导体112、114、116表示第一相位的三个模块的感应器510、512、514。所述第二导体122、124、126与第一导体相反地缠绕，允许第二核心320作为共模感应器。以相同的方式，附加的感应器装置300能够用于交错转换器500的第二和第三相位，使得其使用具有三个第一和三个第二核心110、320的全部三个感应器装配件。

用于差模通量和共模通量的路径是那些在图3中示出的。因为第一导体112、114、116的缠绕方向和第二导体122、124、126互相相反，组合通量添加并且因此增加感应系数。第一核心110处理高频环路电流，其由交错转换器500的相移切换策略生成。当差模电流是对称的时(该电流的主幅值的频率等同于单独模块的切换频率)，在第二核心320的腿328中将没有差模通量，因为差模通量以120度相互相移并且这三个通量的总和是零。第二核心320因此形成共模感应器。在交错转换器500中，共模通量包括基础通量和高频通量，其频率是切换频率的N倍，其中N是并行模块的数量。在图5的实施例中，并行模块的数量N＝3。虽然由于基础通量的存在共模通量的幅值更高，但是感应系数需求很低，因为共模感应器设计为只解决在切换频率的N倍的频率处的共模噪声。优势在于大的气隙能够用于避免由于基础通量的核心饱和。

对于交错转换器500，并行模块的组合产生的共模电流相移120度(当使用三个并行模块时)。这意味着其互相用作差模组件。对于交错转换器500的第一相位，该电流是感应器510、512，514中的环路电流。对于其他相位相同的情况成立。交错转换器500的每个相位的输出电流，-流过端子516、526、536的电流是在切换频率的三倍处的频率的基础电流。对于每个相位，模块的总和电流是共模电流。当从所有三个相位的方面一起看的时候，这些单独的相位电流分量也是差模组件，其再次通过120度互相相移。

在图6的优势实施例中，三个感应器装配件300的第二核心320由第二核心600替代，该第二核心600是单个结构并且对于第一核心110作为共模感应器以及对于前第二核心320的导体作为差模感应器。在图6的实施例中，第二核心600的形状为在z方向上的多腿核心，其具有三条腿612、614、616。特定地，第二核心600成形为在z方向上的EE核心。在x方向上，第二核心600保留组成图3的LL形状的突出物630…635。第二核心600具有三对这样的在z方向上的位于三个区域的突出物630…635，其中是其腿612、614、616。在另一个实施例中，突出物630…635能够从第二核心600移除并且添加到相关联的第一核心110。

因此，与感应器的先前实施例相反，第二核心600具有完整的三维结构，其中在yz平面上第二核心600具有多腿核心的形状(诸如EE形状)，不限于三个臂。在xy平面中，在其中腿612、614，616位于的z坐标处，第二核心600具有LL形状。

在第二核心600中，用于每个相位的第二导体122、124、126位于与该相位相关联的腿612、614、616处。在腿612、614、616之一处的第二导体122、124、126表示用于交错转换器500的并行模块的导体。组合差模和共模感应器700的完整结构在图7中示出。除了第二核心600之外，组合感应器700包括用于交错转换器500的每个相位的第一核心110，在该具体实施例中，三个第一核心110。第一核心110沿着x方向定向并且互相并行安排。

组合差模和共模感应器的其他实施例可以以下列方式修改：

当感应器用于具有不同于三的数量N的并行模块的交错转换器中时，第一核心110可以修改以具有N条腿，其中各自的N个第一导体安排在腿上。相同数量的N个第二导体122、124、126接着在第二核心600的每条腿处缠绕。

当交错转换器具有不同数量的相位K时，所用的第一核心110的数量设为K，并且第二核心600的腿612、614、616的数量调整为等同于K。

组合差模和共模感应器可以包括一个或更多附加第二核心810。图8示出了组合差模和共模感应器的实施例，其具有一个附加第二核心810。附加第二核心810位于相邻于第二核心600处，在x方向上平移，使得突出物630…635留出第二核心600的气隙。通过该方式，能够创建相似于图1的设置的用于交错转换器500的设置。在图8的结构中，第二导体122、124、126可以以与第一导体112、114、116相同的方式缠绕，并且附加的第二核心810不具有第二导体，而是用作用于第一导体112、114、116的共模导体。

Claims (15)

1.一种用于单个或多个相位和/或交错转换器(500)的感应器装配件(100、300、400、700)，包括:

-多个第一导体(112、114、116)，其安排在第一磁性核心(110)的各个腿上，

-第二核心(120、320、420、600)，其包括一个或更多腿(128、328、428、602、604、606)，所述第二核心(120、320、420、600)通过气隙磁性耦合到第一核心(110)，并且安排为提供用于所述第一导体(112、114、116)的共模磁通量的路径，

-第二导体(122、124、126)，用于所述第一导体(112、114、116)的每个，对应的第一和第二导体(112、114、116，122、124、126)串联电连接，第二导体(122、124、126)安排在所述第二核心(120、320、600)的单个腿(328、602、604、606)上并且互相正耦合。

2.根据权利要求1所述的感应器装配件(100、300、400、700)，其中所述第一导体(112、114、116)的对是反向耦合的。

3.根据前述权利要求之一所述的感应器装配件(100、300、400、700)，其中所述对应的第一和第二导体(112、114、116，122、124、126)是正耦合的。

4.根据前述权利要求之一所述的感应器装配件(100、300、400、700)，其中所述第二核心(320，420)是LL形状的。

5.根据权利要求1或2之一所述的感应器装配件(100、300、400、700)，其中所述对应的第一和第二导体(112、114、116，122、124、126)反向耦合，并且其中所述第二核心(120，600)包括至少两条腿。

6.根据权利要求5所述的感应器装配件(100、300、400、700)，其中所述第二核心(120，600)刚好包括两条腿。

7.根据权利要求6所述的感应器装配件(100、300、400、700)，其中所述第二核心(120)是FF形状的。

8.根据前述权利要求之一所述的感应器装配件(100、300、400、700)，其中所述第一磁性核心(110)包括第一核心材料，并且其中所述第二核心(120，600)包括不同于第一核心材料的第二核心材料。

9.根据前述权利要求之一所述的感应器装配件(100、300、400、700)，其中所述第二核心(120，600)安排为大体上围绕所述第一磁性核心(110)。

10.根据权利要求1所述的感应器装配件(100、300、400、700)，其中所述第二核心(600)成形为第一方向上的多腿核心，并且其中多个第一核心(110)安排为在第二方向上扩展以磁性耦合到所述第二核心(600)的腿。

11.根据权利要求10所述的感应器装配件(100、300、400、700)，其中在所述腿(602、604、606)的位置处，所述第二核心(600)利用在第二方向上扩展的LL形状的臂(630…635)成形为LL形状，并且所述第一核心(110)相邻于LL形状的臂(630…635)安排。

12.根据权利要求10或11所述的感应器装配件(100、300、400、700)，包括一个或多个第三核心(810)，其与所述第二核心(600)相同地成形并且在所述第一核心(110)的相反侧的第二方向上相邻于所述第二核心(600)安排。

13.一种具有根据任何前述权利要求所述的感应器装配件(100、300、400、700)的多个相位转换器，其中所述第一核心(110)具有用于每个相位的腿，并且每个所述第一导体(112、114、116)对应于相位之一。

14.根据权利要求13所述的三个相位转换器，其中所述第一核心(110)是具有三条腿的EE形状的。

15.一种具有多个模块和根据权利要求10到12之一所述的感应器装配件(100、300、400、700)的多个相位交错转换器(500)，包括用于每个模块的第一核心(110)，其中每个所述第一核心(110)上的第一导体(112、114、116)对应于各个模块的相位，其中第二核心(600)包括用于每个模块的腿(602、604、606)，并且在每条腿(602、604、606)上的第二导体(122、124、126)对应于各个模块。

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