-
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.
-
-
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. Ferritübertragern
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 1 kW 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 50 μJ
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.
-
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 Kernquerschnitt allmählich verlaufend
ist.
-
Es
kann auch vorteilhaft sein, wenn zumindest ein Teil des Kerns ein
Pulverkern 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 Kernmaterial verteilt.
-
Es
hat sich auch als vorteilhaft erwiesen, wenn der Kern ein Ringkern
ist.
-
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
-
1 + 1a eine mögliche, prinzipielle Schaltung
eines Schaltwandlers zur Wandlung einer Eingangswechselspannung
in eine Ausgangsgleichspannung.
-
1b eine Variante des Eingangsteils,
der ein Hochsetzsteller ist,
-
2 in einer schaubildlichen
geschnittenen Darstellung einen erfindungsgemäß ausgeführten Übertrager für ein Schaltnetzteil beispielsweise
nach 1, 1a, 1b,
-
3 ein Simulationsmodell
eines Übertragers,
-
4 das Ergebnis einer Simulation
an dem Modell nach 3 bei
50 Hz und
-
5 das Ergebnis einer Simulation
an dem Modell nach 3 bei
100 kHz.
-
1 zeigt ein herkömmliches
Schaltnetzteil, bei welchem eine Netzwechselspannung UE der Frequenz
fN, z. B. 50 Hz, zunächst mittels eines Gleichrichters
D1 und eines Elektrolytkondensators C1 in
eine Gleichspannung UZK, oft Zwischenkreisspannung
genannt, übergeführt wird.
Gegebenenfalls kann im Eingangskreis noch eine Eisendrossel L1 vorgesehen
sein. Über
einen gesteuerten Schalter S wird diese Zwischenkreisspannung UZK periodisch mit einer Frequenz fT 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 1b gezeigten
Variante des Eingangsteils wird die Zwischenkreisspannung UZK unter Zwischenschaltung eines Hochsetzstellers
erzeugt. Die gleichgerichtete Netzspannung, die an dem Elektrolytkondensator
C1 liegt, wird mittels einer Drossel L2, eines von einer Ansteuerschaltung
ANG gesteuerten Schalters S1, 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 C1 und, sofern vorhanden, die Eisendrossel
L1. 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 den 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 2 gezeigte Ausführungsbeispiel eines Übertragers
UET nach der Erfindung zeigt einen Kern KER, der als Ringkern ausgebildet
ist und auf diesem das Wickelgut WIG, z. B. bestehend aus den beiden
Wicklungen W1, W2 der 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
Kernmaterial, 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 Ferritkernhälften. 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. Kernteil, Wickelgut, Luftspalt, mit dem weichmagnetischen
Material übernimmt
dabei den Großteil
der Energiespeicherfunktion, die gemäß dem Stand der Technik z.
B. dem Kondensator C1 und/oder der Drossel L1 zukommt. Dieser Übertragerkomplex
ist somit in erster Linie für
die Netzfrequenz fN, z. B. 50 Hz, „zuständig". Demgegenüber kommt
dem Übertragerkomplex
mit dem Ferritmaterial in erster Linie die Übertragerfunktion zu, welche
mit der Taktfrequenz fT erfolgt, welche um
2 bis 3 Größenordnungen über der
Netzfrequenz fN liegt.
-
Anhand
der vereinfacht dargestellten Simulation nach den 3 bis 5 erkennt
man, dass sich bei 50 Hz (Netzfrequenz) die Feldlinien im Inneren des
Kerns, nämlich
im weichmagnetischen Material konzentrieren (4), wogegen bei 100 kHz eine Konzentration
in der äußeren Lage
ASA am Ferritmaterial auftritt (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 Kernausbildung, die ein Schnittbandkern ebenso sein
kann, wie alle anderen Kernbauarten nach dem Stand der Technik,
als auch die verwendeten magnetischen Materialen. Als weichmagnetisches
Material kommen neben Eisen-Transformatoren-Blechen auch Eisen-Pulverkerne
in Frage, für
das Ferritmaterial neben der erwähnten
Ferritfolien und Ferrit-Pulvermaterial, wobei sämtliche Kombinationen möglich sind.
Durch entsprechende Mischungen in einem Pulverkern kann der Übergang
vom inneren weichmagnetischen zum äußeren ferritischen Material auch
allmählich
erfolgen.