DE102010040202A1

DE102010040202A1 - Multiphasenwandler

Info

Publication number: DE102010040202A1
Application number: DE102010040202A
Authority: DE
Inventors: Nils Draese; Mirko Schinzel
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2010-09-03
Filing date: 2010-09-03
Publication date: 2012-03-08
Also published as: JP2013537026A; BR112013005148A2; US20130162225A1; EP2612428A1; WO2012028558A1; KR20130103714A; CN103069702A; RU2013114727A

Abstract

Multiphasenwandler, umfassend mehrere Phasen (11 bis 16), die jeweils durch Schaltmittel (21 bis 26) ansteuerbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Phase (11) mit zumindest drei weiteren Phasen (12, 14, 16) durch entsprechende Kopplungsmittel (31, 36, 37) magnetisch gekoppelt ist.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Multiphasenwandler nach der Gattung des unabhängigen Anspruchs. Ein gattungsgemäßer Multiphasenwandler ist beispielsweise aus der WO 2009/114873 A1 bekannt. Der darin beschriebene DC/DC-Wandler umfasst eine Spule mit nicht linearem induktiven Widerstand, ein Schaltsystem und einen Ausgangsfilter. Dabei werden benachbarte Phasen miteinander gekoppelt.
Aus der EP 1145416 B1 ist bereits ein Umrichter für die Umformung von elektrischer Energie bekannt. So wird hier vorgeschlagen, dass die Drosselgröße durch die Verwendung von gekoppelten Induktivitäten reduziert werden kann. Hierbei sollen die gekoppelten Drosseln so dimensioniert werden, dass die Lastströme der Teilzweige sich gegenseitig kompensieren und zu keiner magnetischen Belastung der Drossel führen. Nur der Differenzstrom zwischen den einzelnen Teilzweigen führt dann zu einem magnetischen Feld.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Multiphasenwandler anzugeben, der sich durch einfache Fertigbarkeit und weitere Reduzierung des Bauraums, insbesondere durch geringeres Volumen des Kopplungsmittels, sowie einfache Regelbarkeit auszeichnet. Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs.
Vorteile der Erfindung
Der erfindungsgemäße Multiphasenwandler mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, dass durch die magnetische Kopplung einer Phase mit zumindest drei weiteren Phasen eine störende gegenseitige Beeinflussung der Phasen minimiert wird. Die zu verkoppelnden Phasen werden dabei so ausgewählt, dass eine optimale Kompensation erreicht werden kann. Dies erfolgt insbesondere durch ein gegenläufiges Stromprofil. Ziel ist es hierbei, dass die Phasen magnetisch so gekoppelt werden, dass sich das resultierende Magnetfeld aufgrund der verkoppelten Phasen minimiert. Dadurch lässt sich auf ein vom Bauraum her kleines Kopplungsmittel wie beispielsweise ein Ferritkern zur Kopplung der magnetischen Flüsse zurückgreifen. Durch eine entsprechende Kopplung konnte das Magnetfeld stark reduziert werden, sodass auch das entsprechende Kopplungsmittel, beispielsweise ein Ferritkern, in entsprechender Weise in seiner Masse reduziert werden kann. Bei der vorgeschlagenen Kopplung können die Phasen der Reihe nach angesteuert werden. Hierbei entstehen relativ einfache und somit leicht regelbare Stromverläufe. In besonders zweckmäßiger Weise wird eine Phase – bei einer Anordnung mit sechs Phasen – mit den beiden jeweils benachbarten Phasen und auch mit einer um 180 Grad verschobenen Phase verkoppelt. Als benachbarte Phase wird eine solche verstanden, die unmittelbar vorausgehend oder nachfolgend angesteuert wird. Bei der vorgeschlagenen magnetischen Kopplung ist darüber hinaus eine unabhängige Ansteuerung der einzelnen Phasen voneinander möglich.
Mit dem entsprechenden Multiphasenwandler gemäß den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs kann auch ein komplexer dreidimensionaler Aufbau vermieden werden und stattdessen auf einen im Wesentlichen zweidimensionalen Aufbau zurückgegriffen werden.
Dadurch, dass Kopplungsmittel vorgesehen sind, die zumindest eine Phase mit zumindest drei weiteren Phasen magnetisch koppeln, lässt sich auch die Ausfallsicherheit erhöhen, da durch die zumindest dreifache Verkopplung eine höhere Vernetzung der Phasen erzielt wird, sodass der Ausfall einer Phase noch nicht zu unsicheren Betriebszuständen führen kann.
In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist vorgesehen, dass solche Phasen miteinander verkoppelt werden, die näherungsweise gegenphasige Stromverläufe aufweisen. Dadurch ergibt sich eine starke Kompensation der Gleichfelder, sodass die magnetische Aussteuerung weiter reduziert werden kann. Als weitere Folge können die Kopplungsmittel kleiner werden bzw. es kann auf einen Luftspalt verzichtet werden.
In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist vorgesehen, dass eine erste Phase im Wesentlichen einen ebenen, U-förmigen Verlauf aufweist, während eine zweite Phase einen im Wesentlichen rechteckförmigen, ebenen Verlauf aufweist. Diese so ausgebildeten Phasen lassen sich von Kopplungsmitteln, vorzugsweise handelsübliche Ferritkerne, umschließen. Dadurch wird in sehr einfacher Art und Weise unter Rückgriff eines matrizenförmigen Aufbaus die gewünschte Verkopplung von zumindest drei Phasen erreicht.
In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Phasen als Stanzgitter ausgebildet sind. Diese Art der Herstellung zeichnet sich durch günstige Herstellkosten aus. Bei einem sechsphasigen System können hierbei drei Phasen rechteckförmig und drei Phasen U-förmig ausgebildet werden. Im Wesentlichen können die selben geometrischen Formen verwendet werden, sodass sich die Herstellung weiter vergünstigt.
In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Phasen Teil einer mehrlagigen Leiterplatte sind. So können die miteinander zu verkoppelnden Phasen auf zumindest zwei Ebenen voneinander elektrisch isoliert eingebracht werden. Eine Leiterplatte weist vorzugsweise entsprechende Ausnehmungen auf, in die die Schenkel der jeweiligen Kopplungsmittel eingebracht werden zur magnetischen Kopplung der jeweiligen Phasen. Zweckmäßigerweise können die Phasen bei einer Leiterplatte auch mehrlagig mit entsprechender Parallelschaltung ausgeführt sein.
In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist vorgesehen, dass eine Phase mit einer weiteren Phase gekoppelt ist zur zumindest teilweisen Kompensation des Gleichanteils des Stromverlaufs. In einer besonders zweckmäßigen Weiterbildung ist vorgesehen, dass eine Phase mit zumindest einer weiteren Phase magnetisch gekoppelt ist, die im Wesentlichen um etwa 180° phasenverschoben angesteuert ist. Dadurch ergibt sich eine besonders starke Kompensation der Gleichfelder, sodass die magnetische Aussteuerung weiter reduziert werden kann. Als weitere Folge können die Kopplungsmittel kleiner werden bzw. es kann auf einen Luftspalt verzichtet werden. Durch diese Art der Kopplung der Phasen können die Kopplungsmittel in einer geometrisch. vorteilhaften Matrixanordnung vorgesehen werden. Diese zeichnet sich durch einfachen Aufbau, die Verwendung einfacher Kopplungsmittel wie planare Ferritkerne und geringe räumliche Ausdehnung aus. Außerdem können Filter geringer dimensioniert werden.
In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Schaltmittel bis die Phasen sequentiell ansteuern und dass eine Phase mit zumindest einer weiteren Phase magnetisch gekoppelt ist, die unmittelbar vorher und/oder nachher angesteuert ist. In einer besonders zweckmäßigen Weiterbildung ist vorgesehen, dass eine Phase mit zumindest einer weiteren Phase magnetisch gekoppelt ist, deren Einschalt- oder Ausschaltzeitpunkt unmittelbar vorher und/oder nachher liegt. In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist vorgesehen, dass eine Phase mit zumindest zwei weiteren Phasen magnetisch gekoppelt ist, die jeweils unmittelbar vorher und nachher angesteuert sind. Durch diese Ansteuerungen ergeben sich relativ einfache Stromverläufe, die sich damit auch relativ einfach regeln lassen.
In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist vorgesehen, dass drei Kopplungsmittel vorgesehen sind, um eine der Phasen mit drei weiteren Phasenmagnetisch zu koppeln. In einer besonders zweckmäßigen Weiterbildung ist vorgesehen, dass genau sechs Phasen vorgesehen sind, wobei die Kopplungsmittel jede der sechs Phasen mit drei weiteren der sechs Phasen magnetisch koppeln. Bei dieser Art der Verkopplung ist einerseits gewährleistet, dass sich die einzelnen Phasen noch unabhängig voneinander gesteuert werden können. Außerdem Isst sich die Ausfallsicherheit des Multiphasenwandlers erhöhen aufgrund der stärkeren Vernetzung der Phasen.
In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Phasen räumlich im Wesentlichen auf parallelen Ebenen verlaufen. In einer besonders zweckmäßigen Weiterbildung ist vorgesehen, dass zumindest drei Phasen räumlich in einer ersten Ebene verlaufen und dass zumindest drei weitere Phasen räumlich in einer zweiten Ebene verlaufen, die zu der ersten Ebene parallel und beabstandet ist. Dies ermöglicht einen kostengünstigen und fertigungstechnisch einfachen Aufbau des Multiphasenwandlers, da insbesondere zweidimensionale Phasenformen verwendet werden können. In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist hierzu vorgesehen, dass zumindest eine Phase U-förmig, rechteckförmig und/oder mäanderförmig ausgebildet ist. Durch diese Geometrien können mit lediglich zwei Phasenformen, nämlich U-förmig und rechteckförmig und/oder mäanderförmig sämtliche Verkopplungen der vorzugsweise sechs Phasen vorgenommen werden. Durch den Rückgriff auf nur zwei unterschiedliche Formen bei vorzugsweise sechs Phasen wird der Gleichteile-Anteil der Anordnung erhöht, wodurch sich die Herstellkosten weiter reduzieren. In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Phasen als Stanzgitter und/oder als Teil einer Leiterplatte aufgebaut sind. Diese Art der Herstellung ist besonders kostengünstig. Bei der der Integration zumindest eines Teils der Phasen in einer Leiterplatte können weitere elektronische Komponenten wie die Schaltmittel dort angeordnet werden. In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Leiterplatte zumindest zwei, vorzugsweise drei Ausnehmungen umfasst zur Aufnahme des Kopplungsmittels. Dies vereinfacht die lagerichtige Anordnung der Kopplungsmittel relativ zu den zumindest teilweise in der Leiterplatte integrierten Phasen.
In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist vorgesehen, dass die rechteckförmig und/oder mäanderförmig ausgebildete Phase im Bereich Ecke zumindest eine Anschrägung aufweist. In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist vorgesehen, dass bei zumindest eine der Phasen außerhalb des vom Kopplungsmittels umschlossenen Bereichs ein Abklappungsbereich vorgesehen ist. Durch die vorgesehenen Maßnahmen wird erreicht, dass benachbarte Kopplungsmittel räumlich näher zusammenrücken können. Dies macht sich in einer Bauraumreduzierung bemerkbar.
In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist vorgesehen, dass zumindest zwei zu koppelnde Phasen zumindest teilweise von einem Kopplungsmittel umschlossen sind, wobei die zu koppelnden Phasen vorzugsweise mit unterschiedlicher Stromrichtung ansteuerbar sind. Vorzugsweise verlaufen die zu koppelnden Phasen in dem vom Kopplungsmittel umschlossenen Bereich zumindest teilweise annähernd parallel verlaufen. In einer besonders zweckmäßigen Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Kopplungsmittel zumindest zwei magnetisch zu koppelnde Phasen jeweils in einem ersten Bereich und in einem zweiten Bereich umschließt. Durch diese gewählte. Art der Kopplung können Standardteile wie beispielsweise planare Ferritkerne als Kopplungsmittel eingesetzt werden. Diese könnten einen rechteckförmigen bzw. doppelrechteckförmigen Querschnitt aufweisen. In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Kopplungsmittel matrixförmig angeordnet sind. Insbesondere bei einer recheckförmigen Außenkontur der Kopplungsmittel können bei der vorgeschlagenen Verkopplung bei sechs Phasen die erforderlichen neuen Kopplungsmittel matrixförmig (3×3) und somit platzsparend und planar angeordnet werden. In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Kopplungsmittel zumindest zwei Teile umfasst, wobei eines der Teile einen U-, O-, I- oder E-förmigen Querschnitt aufweist. Durch diesen Aufbau lassen sich besonders einfach die zu koppelnden Phasen durch das Kopplungsmittel umgeben. In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist vorgesehen, dass zwischen zwei Teilen ein Spalt, vorzugsweise ein Luftspalt vorgesehen ist. Auf diese Art und Weise lässt sich besonders einfach die Induktivität beeinflussen. In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist vorgesehen, dass mehrere, aus zumindest zwei Teilen bestehende Kopplungsmittel zumindest ein gemeinsames Teil aufweisen, vorzugsweise eine Metallplatte. Damit könnte sich die Montage erleichtern, da sämtliche Kopplungsmittel in nur einem Schritt durch das Aufsetzen der Platte geschlossen werden könnten.
In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist vorgesehen, dass zumindest zwei, insbesondere drei Kopplungsmittel vorgesehen sind, um eine der Phasen mit zwei weiteren Phasen magnetisch zu koppeln, wobei zumindest eines der beiden Kopplungsmittel eine geringere Induktivität als das andere Kopplungsmittel, aufweist. Durch gezielte Wahl der Induktivität des Kopplungsmittels können verschiedene Aspekte beeinflusst und optimiert werden. Zum einen beeinflusst die Induktivität die Verlustleistung und damit auch die Wärmeentwicklung in den Kopplungsmitteln. Eine Reduzierung der Induktivität reduziert auch die Verlustleistung. Außerdem kann eine geringere Induktivität als Sättigungsschutz dienen. Dadurch sättigen Kopplungsmittel mit geringerer Induktivität erst später bei höheren Strömen, so dass sich der Multiphasenwandler im Fehlerfall noch länger in einem stabilen Betriebszustand betrieben werden kann. Andererseits reduziert eine hohe Induktivität den Stromripple, also die Welligkeit des Stroms. Damit kann mit der Wahl der geeigneten Induktivität die Verlustverteilung, Sättigungsverhalten und Stromwelligkeit optimiert werden.
In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Kopplungsmittel, das eine Phase mit einer Phase koppelt, die im Wesentlichen um etwa 180° phasenverschoben angesteuert ist, eine geringere Induktivität als zumindest eines der anderen Kopplungsmittel aufweist. Dadurch können diese in der Regel stärker belasteten Kopplungsmittel hinsichtlich der Verluste reduziert werden, so dass auch eine geringere Wärmeentwicklung erzielt wird.
In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist vorgesehen, dass drei Kopplungsmittel vorgesehen sind, um eine der Phasen mit drei weiteren Phasen magnetisch zu koppeln, wobei zumindest eines der drei Kopplungsmittel eine geringere Induktivität als die beiden anderen Kopplungsmittel aufweist. Damit wird für eine Phase ein Sättigungsschutz realisiert, der sich positiv auf die Systemstabilität auswirkt. Zweckmäßiger Weise sollte für jede der vorzugsweise sechs Phasen ein Kopplungsmittel mit geringerer Induktivität vorgesehen sein. In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Kopplungsmittel mit einem Luftspalt versehen ist. In besonders einfacher Weise kann dadurch die Induktivität des Kopplungsmittels beeinflusst werden. Wird bei sonst gleicher Bauweise des Kopplungsmittels ein Luftspalt vorgesehen, wird die Induktivität gegenüber der Version ohne Luftspalt verringert. Dies kann besonders zweckmäßig dadurch erfolgen, indem der mittlere der drei Schenkel des Kopplungsmittels gegenüber den beiden äußeren verkürzt wird, so dass sich dort ein Luftspalt ausbildet.
Weitere zweckmäßige Weiterbildungen ergeben sich aus weiteren abhängigen Ansprüchen und aus der Beschreibung.
Zeichnung
Mehrere Ausführungsbeispiele sind in den Figuren dargestellt und werden nachfolgend näher beschrieben.
Es zeigen:
1 eine Schaltungsanordnung,
die 2 eine schematische Darstellung der jeweiligen Verkopplung der Phasen,
die 3 die räumliche Anordnung der verschiedenen Phasen und Kopplungsmittel,
die 4 einen Schnitt durch ein Kopplungsmittel mit zwei verkoppelten Phasen,
die 5 zwei typische Ausgestaltungen der Phasen gemäß dem Ausführungsbeispiel nach 3,
die 6 ein weiteres Ausführungsbeispiel mit sieben Phasen,
die 7 Ansteuerung und Stromverläufe beim Ausführungsbeispiel gemäß 1,
die 8 die zeitlichen Stromverläufe der ersten Phase 11 und vierten Phase 14 sowie darunter die Differenz der beiden Ströme,
die 9 eine prinzipielle Möglichkeit der Kopplung dreier Phasen,
die 10 ein alternatives Ausführungsbeispiel mit abgeklappten Phasen und unten die zugehörige Draufsicht,
die 11 ein weiteres alternatives Ausführungsbeispiel mit angeschrägten mäanderförmigen Phasen,
die 12 ein alternatives Ausführungsbeispiel eines Kopplungsmittels mit einem Luftspalt sowie
die 13 eine mögliche Realisierung des Ausführungsbeispiels nach 3 mit einer Leiterplatte.
Der Aufbau eines Multiphasenwandlers 10 ist gemäß 1 schaltungstechnisch dargestellt. Der hier beispielhaft beschriebene Multiphasenwandler 10 besteht aus sechs Phasen 11 bis 16. Jede der Phasen 11 bis 16 lässt sich einzeln über entsprechende Schaltmittel 21 bis 26 ansteuern, jeweils bestehend aus einem Highside-Schalter und einem Lowside-Schalter. Jeder Strom der Phasen 11 bis 16 fließt aufgrund magnetischer Kopplung mit drei weiteren Phasen durch drei Induktivitäten Lxx, die die entsprechenden Kopplungsmittel 31 bis 39 bewirken. Ein erstes Kopplungsmittel 31 koppelt die erste Phase 11 mit der zweiten Phase 12 magnetisch, so dass sich für die erste Phase 11 eine Induktivität L12, für die zweite Phase 12 eine Induktivität L21 ergibt. Ein sechstes Kopplungsmittel 36 koppelt die erste Phase 11 mit der sechsten Phase 16 magnetisch, so dass sich für die erste Phase 11 eine Induktivität L16, für die sechste Phase 16 eine Induktivität L61 ergibt. Ein siebtes Kopplungsmittel 37 koppelt die erste Phase 11 mit der vierten Phase 14 magnetisch, so dass sich für die erste Phase 11 eine Induktivität L14, für die sechste Phase 16 eine Induktivität L41 ergibt. Ein zweites Kopplungsmittel 32 koppelt die zweite Phase 12 mit der dritten Phase 13 magnetisch, so dass sich für die zweite Phase 12 eine Induktivität L23, für die dritte Phase 13 eine Induktivität L32 ergibt. Ein neuntes Kopplungsmittel 39 koppelt die zweite Phase 12 mit der fünften Phase 15 magnetisch, so dass sich für die zweite Phase 12 eine Induktivität L25, für die fünfte Phase 15 eine Induktivität L52 ergibt. Ein drittes Kopplungsmittel 33 koppelt die dritte Phase 13 mit der vierten Phase 14 magnetisch, so dass sich für die dritte Phase 13 eine Induktivität L34, für die vierte Phase 14 eine Induktivität L43 ergibt. Ein achtes Kopplungsmittel 38 koppelt die dritte Phase 13 mit der sechsten Phase 16 magnetisch, so dass sich für die dritte Phase 13 eine Induktivität L36, für die sechste Phase 16 eine Induktivität L63 ergibt. Ein viertes Kopplungsmittel 34 koppelt die vierte Phase 14 mit der fünften Phase 15 magnetisch, so dass sich für die vierte Phase 14 eine Induktivität L45, für die fünfte Phase 15 eine Induktivität L54 ergibt. Ein fünftes Kopplungsmittel 35 koppelt die fünfte Phase 15 mit der sechsten Phase 16 magnetisch, so dass sich für die fünfte Phase 15 eine Induktivität L56, für die sechste Phase 16 eine Induktivität L65 ergibt.
Ein Eingangsstrom I_E verteilt sich auf die sechs Phasen 11 bis 16. Am Eingang ist ein Kondensator als Filtermittel gegen Masse geschaltet. Die Ausgänge der Phasen 11 bis 16 sind an einem gemeinsamen Summationspunkt zusammengeführt und mittels einem nicht näher bezeichneten Kondensator als Filtermittel gegen Masse geschaltet. An dem gemeinsamen ausgangsseitigen Summationspunkt liegt dann der Ausgangsstrom I_A an. Die jeweils miteinander gekoppelten Induktivitäten Lxx sind mit unterschiedlichem Wicklungssinn zueinander orientiert wie durch die entsprechenden Punkte in 1 angedeutet.
In 2 ist systematisch dargestellt, wie die sechs Phasen 11 bis 16 durch entsprechende Kopplungsmittel 31 bis 39 miteinander verkoppelt sind. Wie bereits in Verbindung mit 1 beschrieben, werden sowohl benachbarte Phasen miteinander verkoppelt wie auch zusätzlich die um 180 Grad versetzte Phase. Als benachbarte Phase wird eine solche verstanden, die zeitlich unmittelbar vorausgehend oder nachfolgend angesteuert wird, das heißt deren Einschaltzeitpunkte zeitlich unmittelbar vorher oder nachher liegen. Im Ausführungsbeispiel wird die Bezeichnung der Phasen 11 bis 16 so gewählt, dass die Phasen 11 bis 16 entsprechend der Nummerierung nacheinander angesteuert werden, das heißt in der Reihenfolge (Angaben entsprechen den Bezugszeichen der Phasen): 11–12–13–14–15–16–11 usw., jeweils um 60 Grad bzw. um T/6 (360 Grad/Anzahl der Phasen) phasenverschoben, wobei T die Periodendauer eines Ansteuerzyklus darstellt. Diese Reihenfolge ist auch in 2 und 7 gezeigt. Das heißt die Startzeitpunkte für die verschiedenen Phasen 11 bis 16 sind um jeweils 60 Grad phasenverschoben bzw. um jeweils T/6 zeitlich verschoben. In 7 wird zwar die jeweilige Phase nach der zeitlichen Dauer T/6 wieder ausgeschaltet (PWM-Verhältnis 1/6). Je nach gewünschtem Spannungsverhältnis könnte die Abschaltung früher oder später, bis hin zu Dauer-Ein Te, erfolgen, je nach gewünschtem PWM-Signal (zwischen 0% (Dauer-Aus, Te = 0) und 100% (Dauer-Ein, Te = T), bezogen auf eine Periodendauer T).
In 3 ist nun schematisch der matrizenhafte räumliche Aufbau des in 2 gezeigten Konzepts abgebildet. Hierbei sind die Kopplungsmittel 31 bis 39 vorzugsweise als planare Spulenkerne, beispielsweise Ferritkerne, ausgebildet, die jeweils zwei Hohlräume aufweisen. In diesen Hohlräumen des Kopplungsmittels 31 bis 39 sind jeweils zwei Leiter bzw. Phasenabschnitte zweier zu verkoppelnder Phasen umschlossen, die in diesen Abschnitten unterschiedliche Stromrichtungen aufweisen wie durch die Pfeile angedeutet.
Unter Verweis auch auf 5 lassen sich zwei geometrische Formen der Phasen 11 bis 16 bzw. Stromschienen oder Leitern der Phasen 11 bis 16 ausmachen. Die erste Phase 11, dritte Phase 13 sowie fünfte Phase 15 sind U-förmig ausgebildet. Diese drei Phasen 11, 13, 15 verlaufen vorzugsweise alle in derselben Ebene. In einer weiteren hierzu beabstandeten und parallelen Ebene – im Ausführungsbeispiel gemäß 3 oberhalb – verlaufen die zweite, vierte und sechste Phase 12, 14, 16. Zweite, vierte sowie sechste Phase 12, 14, 16 sind rechteckförmig bzw. mäanderförmig ausgebildet. Sie sind hierbei so angeordnet, dass sie mit der jeweils zu verkoppelnden Phase U-förmigen Phase 11, 13, 15 in dem jeweiligen Kopplungsmittel 31 bis 39 umschlossen werden bei unterschiedlicher Stromrichtung.
Unter Bezugnahme auf die Schnittdarstellung in 4 wird die in 3 dargestellte Kopplung beispielhaft anhand der ersten Phase 11 und der zweiten Phase 12 erläutert. Das erste Kopplungsmittel 31 besteht aus einem E-förmigen ersten Teil 44 und einem plattenförmigen zweiten Teil 43, die die Spulenkerne bilden. Die Schenkel des ersten Teils 44 mit E-förmigen Querschnitt sind alle gleich lang, sodass sie durch das plattenförmige (I-förmiger Querschnitt) zweite Teil 43 ohne Luftspalt geschlossen werden können. Der vorzugsweise bandförmige Abschnitt der ersten Phase 11 ist jeweils in dem unteren Bereich des Kopplungsmittels 31 eingebracht. Diese gezeigten Abschnitte der ersten Phase 11 liegen in derselben Ebene, sind zueinander also planar. Die Stromrichtung entspricht derjenigen durch Pfeile angedeuteten Stromrichtung gemäß 3. Im jeweils darüberliegendem Bereich des ersten Kopplungsmittels 31 kommt nun die zweite Phase 12, vorzugsweise ebenfalls bandförmig ausgebildet, zu liegen. Auf der anderen Seite des ersten Kopplungsmittels 31 werden in dessen weiterem Hohlraum erste und zweite Phase 11, 12 in jeweils gegenüber der Stromrichtung im anderem Hohlraum entgegen gesetzter Stromrichtung durchgeführt. Dies erfolgt im Fall des ersten Kopplungsmittels 31 dadurch, dass sowohl die erste Phase 11 als auch die zweite Phase 12 an der oberen Stirnseite des ersten Kopplungsmittels 11 in einer 180 Grad-Biegung wieder durch den anderen Hohlraum zurückgeführt werden. Auch die beiden Abschnitte der zweiten Phase 12, die vom ersten Kopplungsmittel 31 umschlossen werden, befinden sich in derselben Ebene, sind also planar ausgebildet. Die Ebene der ersten Phase 11 und die Ebene der zweiten Phase 12 sind zumindest im inneren Bereich des ersten Kopplungsmittels 31 parallel und beabstandet zueinander ausgebildet.
Durch das erste Kopplungsmittel 31 sind nun die erste Phase 11 und die zweite Phase 12 miteinander magnetisch verkoppelt. Durch die angedeutete antiparallele Stromführung wird erreicht, das resultierende Magnetfeld möglichst gering zu halten, sodass die Größe des Kopplungsmittels 31 minimiert werden kann. Außerdem ist zwischen der ersten Phase 11 und der zweiten Phase 12 jeweils eine Isolierung 45 vorgesehen zur elektrischen Trennung der beiden Phasen 11, 12 voneinander und jeweils zum Kopplungsmittel 31.
In gleicher Weise ist die zweite Phase 12 über das zweite Kopplungsmittel 32 mit der dritten Phase 13 gekoppelt. Außerdem ist die zweite Phase 12 mittels des neunten Kopplungsmittels 39 mit der fünften Phase 15 verkoppelt. Die weiteren entsprechenden Kopplungen lassen sich der 3 entnehmen und werden nicht nochmals eigens beschrieben.
Das Ausführungsbeispiel gemäß 6 unterscheidet sich von demjenigen nach 3 lediglich darin, dass noch eine weitere siebte Phase 17 vorgesehen ist. Diese siebte Phase 17 wird durch das zehnte Kopplungsmittel 40 mit der ersten Phase 11, mit dem elften Kopplungsmittel 41 mit der dritten Phase 13 und mit dem zwölften Kopplungsmittel 42 mit der fünften Phase 15 jeweils magnetisch gekoppelt. Dieses Ausführungsbeispiel soll verdeutlichen, dass auch andere mehrphasige Systeme mit einer anderen Phasenzahl als n = 6 verwendet werden können, ohne auf das prinzipielle Konzept der Mindest-Dreifachverkopplung zu verzichten bei Beibehaltung einer geeigneten matrixförmigen, im Wesentlichen zweidimensionalen Anordnung.
Das Diagramm gemäß 7 zeigt die zeitlichen Verläufe der Ansteuersignale 52 für die jeweiligen Schaltmittel 21 bis 26 der entsprechenden Phasen 11 bis 16 sowie die Stromverläufe in den Phasen 11 bis 16. Die Schaltmittel 21 bis 26 bestromen die zugehörigen Phasen 11 bis 16 nacheinander für jeweils ein Sechstel einer Periodendauer T, beispielsweise durch ein PWM-Signal, und sind anschließend im Freilauf. Die hieraus resultierenden Stromverläufe der einzelnen Phasen 11 bis 16 sind darunter beispielhaft gezeigt. Die. Periodendauer T der Ansteuersignale 52 liegt beispielsweise in der Größenordnung von 0,01 ms. Die Startzeitpunkte für die verschiedenen Phasen 11 bis 16 sind um jeweils 60 Grad phasenverschoben bzw. zeitlich um T/6 versetzt. Der Startzeitpunkt der zweiten Phase 12 mit dem entsprechenden Ansteuersignal 52 des zweiten Schaltmittels 22 liegt bei t = 0 und wird nach 1/6 T wieder (abhängig vom gewünschten PWM-Verhältnis) ausgeschaltet. Der Startzeitpunkt der zur zweiten Phase 12 benachbarten dritten Phase 13 liegt bei T/6, der Startzeitpunkt der vierten Phase 14 bei 2T/6 und so fort. Zwar wird in 7 die jeweilige Phase nach T/6 wieder ausgeschaltet (PWM-Verhältnis 1/6). Je nach gewünschtem Spannungsverhältnis könnte die Abschaltung jedoch früher oder später, bis hin zu Dauer-Ein, erfolgen, je nach gewünschtem PWM-Signal (zwischen 0% (Dauer-Aus) und 100% (Dauer-Ein)). Das heißt es könnten zu einem bestimmten Zeitpunkt auch mehrere Phasen 11 bis 16 gleichzeitig bestromt werden, wenn dies die gewünschten Spannungsverhältnisse erfordern. Die Startzeitpunkte sind jedoch zeitlich versetzt.
Die 8 zeigt die zeitlichen Stromverläufe der ersten Phase 11 und der vierten Phase 14 sowie darunter die Differenz der beiden Ströme I res. Hierbei ist ersichtlich, dass sich gegenüber der ersten Phase 11 der Stromverlauf der vierten Phase 14 durch weitgehende Gegenläufigkeit der Gleichanteile auszeichnet. Die Gleichfelder heben sich größtenteils auf wie der unteren Kurve 1 res der 8 zu entnehmen ist. Deshalb ist eine Kopplung der ersten Phase 11 – neben einer Kopplung mit den benachbarten Phasen 12, 16 – mit der vierten Phase besonders vorteilhaft.
Eine weitere grundsätzliche Kopplungsmöglichkeit dreier Phasen 11, 14, 16 zeigt 9. Hierbei wird die erste Phase 11 und die gegenläufig bestromte sechste Phase 16 durch ein diese beiden Leiterabschnitte umschließendes sechstes Kopplungsmittel 36' umschlossen. Die erste Phase 11 und die gegenläufig bestromte vierte Phase 14 werden durch ein siebtes Kopplungsmittel 37' umschlossen. Die Kopplungsmittel 36', 37' weisen einen O- bzw. rechteckförmigen Querschnitt auf.
Das Ausführungsbeispiel nach 10 unterscheidet sich gegenüber demjenigen nach 3 darin, dass die Enden der Stromschienen der Phasen 11 bis 16 abgeklappt sind in durch Pfeile angedeuteten Abklappungsbereichen 60, sobald sie aus dem Inneren der Kopplungsmittel 31 bis 39 herausgeführt werden. Dadurch können die Kopplungsmittel, in 10 jeweils diejenigen mit den Bezugszeichen 39, 35; 35, 34; 32, 38; 38, 33 näher zusammen rücken. Hierbei können die mäanderförmigen Stromschienen der jeweiligen Phasen 11 bis 16 auch an den Seiten hochgebogen werden. Dadurch lassen sich die Mäander auch ineinander schieben wie in der linken seitlichen Skizze in der Draufsicht dargestellt. Die U-förmigen Stanzgitter der dritten und fünften Phase 13, 15 müssten dann aber in verschiedene Ebenen verlaufen, beispielsweise durch entsprechendes Biegen.
Beim Ausführungsbeispiel gemäß 11 sind die mäanderförmig verlaufenden Phasen 12, 14, 16 an den Ecken mit Anschrägungsbereichen 62 versehen, so dass vorzugsweise gerade Abschnitte entstehen, um benachbarte Phasen 12, 16 in diesen Anschrägungsbereichen 62 parallel in geringem Abstand zueinander zu führen. Dadurch lassen sich die Kopplungsmittel 32, 38 bzw. 39, 35 ebenfalls enger zusammen schieben.
Das Ausführungsbeispiel nach 12 unterscheidet sich von demjenigen nach 4 darin, dass der mittlere Schenkel des E-förmigen ersten Teils 44 einen Luftspalt 64 in Richtung zum zweiten Teil 43 aufweist.
Das Ausführungsbeispiel nach 13 offenbart eine mögliche Realisierung des Ausführungsbeispiels nach 3. In einer Leiterplatte 70 sind erste, dritte und fünfte Phase 11, 13, 15 integriert, die im Wesentlichen in Übereinstimmung mit 5 U-förmig verlaufen. Auf der Oberfläche der Leiterplatte 70 sind die mäanderförmigen Phasen 12, 14, 16 angeordnet. Die Leiterplatte 70 weist eine Vielzahl von rechteckförmigen Ausnehmungen 72 auf. Drei Ausnehmungen 72 sind jeweils auf die Geometrie der drei Schenkel des Kopplungsmittels 31 bis 42 abgestimmt. Für das zweite Kopplungsmittel 32' sind bereits die drei Schenkel des ersten Teils 44 mit E-förmigen Querschnitt von unten durch die drei Ausnehmungen 72 gesteckt und ragen über die Leiterplattenebene nach oben hinaus. Um den mittleren Schenkel wird der Mäander der zweiten Phase 12 zur magnetischen Kopplung mit der in der Leiterplatte 70 befindlichen U-förmigen dritten Phase 13 geführt. Der magnetische Kreis des Kopplungsmittels 31 wird durch Aufsetzen des zweiten Teils 43 geschlossen. Dies ist exemplarisch für das erste Kopplungsmittel 31 gezeigt, bei dem bereits auf die drei Schenkel des ersten Teils 44 das plattenförmige zweite Teil 43 aufgesetzt ist.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Die beschriebenen Ausführungsbeispiele arbeiten wie nachfolgend näher erläutert. Multiphasenwandlern 10 bzw. DC/DC-Wandler mit hohen Leistungen ohne besondere Isolationsanforderungen können bevorzugt in mehrphasigen Anordnungen realisiert werden. Dadurch verteilt sich der hohe Eingangstrom I_E beispielsweise in Höhe von 300 A auf die verschiedenen sechs Phasen 11 bis 16 in Höhe von jeweils 50 A. Durch die anschließende Überlagerung der einzelnen Ströme zu einem Ausgangsstrom I_A kann ein geringerer Wechselstromanteil erzielt werden. Dann können die entsprechenden Eingangs- bzw. Ausgangsfilter gemäß 1, beispielhaft als Kondensatoren eingezeichnet, entsprechend klein ausfallen. Die Ansteuerung der Phasen 11 bis 16 erfolgt sequentiell, das heißt nacheinander, so dass die Einschaltzeitpunkte jeweils 60 Grad (bzw. zeitlich um T/6) phasenverschoben sind (bei dem beschriebenen Sechs-Phasen-System), wie dies in 7 bereits näher gezeigt wurde. Abhängig von den gewünschten Spannungsverhältnissen werden die jeweiligen Phasen 11 bis 16 mit unterschiedlicher Dauer bestromt. Der entsprechende High-Side-Schalter des Schaltmittels 21 bis 26 wird hierzu geschlossen. Die Phase 11 bis 16 wird nicht bestromt, wenn der entsprechende Low-Side-Schalter des Schaltmittels 21 bis 26 geschlossen ist. Alternativ könnten auch solche Phasen 11 bis 16 als benachbart angesehen werden, deren Ausschaltzeitpunkte unmittelbar vorher oder nachher liegen. Dann würden die entsprechenden Einschaltpunkte variabel in Abhängigkeit vom gewünschten PWM-Signal gewählt werden.
Es wird nun jeweils eine Phase 11 mit zumindest drei weiteren Phasen 12, 14, 16 miteinander magnetisch gekoppelt, und zwar in der Weise, dass die Gleichanteile der einzelnen Phasen jeweils durch andere Phasen möglichst stark kompensiert werden. Dadurch reduziert sich das resultierende Magnetfeld, so dass die Auslegung der Kopplungsmittel 31 bis 39 bzw. des magnetischen Kreises nur noch im Wesentlichen auf das vom Wechselanteil erzeugte Magnetfeld erfolgen muss. Dadurch können die Kopplungsmittel 31 bis 39 wie beispielsweise Spulenkerne entsprechend klein dimensioniert werden, was zu erheblichen Ersparnissen an Kopplungsmaterial, Masse und Kosten führt. Insbesondere der Bauraum lässt sich dadurch stark reduzieren.
Neben den beiden mit Blick auf die Ansteuerung (Einschalt- bzw. Ausschaltzeitpunkte) benachbarten Phasen wird nun vorzugsweise die dritte zu verkoppelnde Phase derart ausgewählt, dass eine störende gegenseitige Beeinflussung der Phasen minimiert wird. Die Auswahl erfolgt so, dass eine optimale Kompensation des Gleichstromanteils erzielt wird. Hierbei hat sich ergeben, dass sich neben den benachbarten Phasen (+/– 60 Grad Phasenverschiebung der Einschaltzeitpunkte bei sechs Phasen, für die erste Phase 11 wären die benachbarten Phasen somit die zweite Phase 12 und die sechste Phase 16) auch die Phase mit einem Phasenversatz von 180 Grad (für die erste Phase 11 wäre dies die vierte Phase 14) besonders eignet, da sich dort eine sehr hohe Auslöschung des Gleichanteils ergibt. Die 8 zeigt die zeitlichen Stromverläufe der ersten Phase 11 und vierten Phase 14 sowie darunter die Differenz I res der beiden Ströme. Hierbei ist ersichtlich, dass sich gegenüber der ersten Phase 11 der Stromverlauf der vierten Phase 14 durch weitgehende Gegenläufigkeit des Gleichanteils auszeichnet. Deshalb eignet sich eine entsprechende weitere magnetische Kopplung der ersten Phase 11 mit der vierten Phase 14. Die beiden Ströme durch die gekoppelten Phasen 11, 14 fließen entgegengesetzt im siebten Kopplungsmittel 37. Der resultierende Strom I res für die Magnetisierung des Kopplungsmittels 37 wird dabei nur durch die Differenz der Ströme I res ausgelöst. Die Gleichfelder heben sich größtenteils auf. Der reduzierte Gleichanteil macht sich positiv bemerkbar für die Geometrie des Kopplungsmittels 31 bis 39, welches nun mit einem geringeren Volumen auskommen kann. Bei sechs Phasen 11 bis 16 hat sich die in den 1 bis 3 gezeigte Kopplung als besonders geeignet herausgestellt.
Magnetische Kopplung
Prinzipiell lassen sich zwei Phasen magnetisch koppeln, indem die beiden Phasen mit antiparalleler Stromführung durch ein rechteckförmiges oder ringförmiges Kopplungsmittel 31 bis 41 geführt werden. Wesentlich ist, dass das Kopplungsmittel 31 bis 41 in der Lage ist, einen magnetischen Kreis auszubilden.
Dies ist bei einer im Wesentlichen geschlossenen Struktur möglich, die auch einen Luftspalt umfassen kann. Weiterhin besteht das Kopplungsmittel 31 bis 41 aus einem Magnetfeld leitenden Material mit geeigneter Permeabilität.
Eine grundsätzliche Kopplungsmöglichkeit dreier Phasen 11, 14, 16 zeigt 9. Hierbei wird die erste Phase 11 und die gegenläufig bestromte sechste Phase 16 durch ein diese beiden Leiterabschnitte umgebendes sechstes Kopplungsmittel 36' umschlossen. Die erste Phase 11 und die gegenläufig bestromte vierte Phase 14 werden durch ein siebtes Kopplungsmittel 37' umschlossen. Bei dieser Kopplungsmöglichkeit werden jeweils eine halbe Windung zweier Phasen 11, 16; 11, 14 miteinander gekoppelt. Die Kopplungsmittel 36', 37' können beispielsweise aus einem Teil mit U- und I-förmigen Querschnitt oder aus zwei Teilen U-förmigen Querschnitts entsprechend zusammengesetzt werden. Wie jedoch in Verbindung mit den 3 und 4 gezeigt ist bei der Verwendung von Kopplungsmitteln mit E- und I- bzw. E- und E-förmigen Querschnitten mit jeweils einer ganzen Windung eine geometrisch besonders vorteilhafte Anordnung möglich.
Das der 3 zu Grunde liegende Kopplungskonzept lässt sich exemplarisch anhand der 4 erläutern. Wesentlich ist, dass die zu verkoppelnden Phasen – gemäß 4 sind es erste Phase 11 und zweite Phase 12 – mit gegenläufigem Stromfluss angesteuert werden. Die jeweils entsprechenden magnetischen Felder heben sich im Wesentlichen betreffend ihres Gleichanteils auf, so dass überwiegend nur noch der Wechselanteil zur Magnetfelderzeugung beiträgt. In der Folge können die entsprechenden Kopplungsmittel 31 bis 41 kleiner werden bzw. es kann auf einen Luftspalt verzichtet werden.
Ein mögliches Realisierungskonzept des Ausführungsbeispiels gemäß 3 könnte aus einer Leiterplatte 70 bestehen, in die die neun Kopplungsmittel 31 bis 39, hier vorzugsweise Planarkerne, eingebettet sind wie in 13 gezeigt. Auf dieser Leiterplatte 70 können alle Schaltmittel 21 bis 26, jeweils bestehend aus Highside- bzw. Lowside-MOSFETS als mögliche Ausführungsbeispiele integriert werden. Auch die Wicklungen für die erste, dritte und fünfte Phase 11, 13, 15 können in diese Leiterplatte 70 integriert werden. Die anderen Wicklungen der zweiten, vierten und sechsten Phase 12, 14, 16 könnten über ein kostengünstigeres Kupferstanzgitter realisiert werden. Alternativ könnten auch die weiteren Wicklungen der zweiten, vierten und sechsten Phase 12, 14, 16 in der Leiterplatte 70 integriert sein.
Realisierungen, bei denen alle Wicklungen in Form von Kupferschienen bzw. Leiterplatten ausgeführt sind, wären ebenfalls möglich. Ein weiterer Vorteil des Aufbaus gemäß 3 besteht in den kurzen Wegen der Phasen 11 bis 16 durch alle Kopplungsmittel 31 bis 39 sowie der einfache Aufbau ohne Überkreuzungen.
Aufbau Kopplungsmittel
Bei den Kopplungsmitteln 31 bis 41 handelt es sich um Mittel einer induktiven Kopplung wie beispielsweise ein Eisen- oder Ferritkern eines Transformators, auf dem die zu verkoppelnden Phasen 11 bis 16 ein Magnetfeld erzeugen. Das Kopplungsmittel 31 bis 42 schließt den magnetischen Kreis der zwei verkoppelten Phasen 11 bis 16.
Die Wahl des Materials des Kopplungsmittels 31 bis 38 und der Permeabilität spielt für die Kopplung keine so große Rolle. Wird kein Luftspalt verwendet, steigt die Permeabilität des magnetischen Kreises, wodurch die Induktivität der Spule größer wird. Dadurch wird der Stromanstieg flacher und die Stromformen nähern sich mehr dem idealen Gleichstrom an. Je näher die Kurvenformen einem Gleichstrom kommen, je geringer ist die resultierende Stromdifferenz zwischen den beiden Phasen, die (entgegengesetzt) durch einen Kern als Kopplungsmittel 31 bis 42 geführt werden. Der Aufwand für Filter wird dadurch reduziert. Auf der anderen Seite reagiert ein System ohne Luftspalt sehr sensibel auf unterschiedlichen Ströme zwischen den Phasen 11 bis 16. Obwohl das System dazu neigt, bei geringeren Stromfehlern in Sättigung zu gehen, ist es durch die Mehrfachverkopplung aber immer noch recht stabil.
Grundsätzlich können Luftspalte mit unterschiedlicher Abmessung so gewählt werden, um die Verluste gleichmäßig auf die Kopplungsmittel 31 bis 42 zu verteilen. Kopplungsmittel 31 bis 42 mit geringerer Induktivität L weisen auch prinzipiell geringere Verlustleistung auf.
Um einen guten Kompromiss aus hoher Permeabilität (Kein Luftspalt -> geringer Stromripple) und hoher Robustheit (mit Luftspalt -> hoher Stromripple) zu bekommen, können unterschiedliche Luftspalte vorgesehen werden. Auf diese Weise können auch die Verlustleistungen der Kopplungsmittel 31 bis 42 so beeinflusst werden, dass gewünschte Kriterien (beispielsweise gleichmäßige Verteilung der Verlustleistung) erfüllt werden. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 werden die Kopplungsmittel in einer der Diagonalen (entweder Kopplungmittel 31, 38, 34 bzw. 37, 38, 39) mit einem Luftspalt zu versehen. Dadurch ergibt sich mit nur drei Kopplungsmitteln 31, 38, 34 bzw. 37, 38, 39 mit Luftspalt (was zu einem höheren Stromripple führt) auf allen Phasen 11 bis 16 ein hoher Schutz gegen Sättigung und damit verbundenen ein Schutz gegen unkontrolliertem Stromanstieg. Im Falle einer großen Unsymmetrie zwischen den Phasen 11 bis 16 oder auch beim Ausfall von mehreren Phasen 11 bis 16 würden nur einzelne Kopplungsmittel 31 bis 42 in Sättigung gehen, aber bei gegebenen Strom nicht alle Kopplungsmittel 31 bis 42 einer Phase.
Eine weitere Variante wäre, die Kopplungsmittel 31 bis 42 innerhalb des Aufbaus mit unterschiedlichen Luftspalten auszubilden. Die Kopplungsmittel (im Ausführungsbeispiel nach den 1–3 sind dies die Kopplungsmittel mit den Bezugszeichen 37, 38, 39), die auf Grund der 180 Grad phasenversetzten Ansteuerung (wie sie beim Ausführungsbeispiel nach den 1–3 durch Verkopplung der ersten Phase 11 mit der vierten Phase 14 durch das siebte Kopplungsmittel 37; Verkopplung der zweiten Phase 12 mit der fünften Phase 15 durch das neunte Kopplungsmittel 39; Verkopplung der dritten Phase 13 mit der sechsten Phase 16 durch das achte Kopplungsmittel 38 entsteht) mit einer größeren erhöhten Magnetisierung belastet werden, könnten zum Beispiel durch Anpassung bzw. Vorsehen eines Luftspalts in ihrer Belastung reduziert werden. Dies würde die Gesamtkernverluste reduzieren.
Ferner wäre es möglich, bei dem Matrixkonzept in jeder Zeile/Spalte ein Kopplungsmittel 31 bis 42 mit einem größeren Luftspalt bzw. Spalt zu versehen. Dadurch würde dieses mit einem Luftspalt versehene Kopplungsmittel 31 bis 42 erst bei höheren Strömen sättigen, so dass sich eine weiter verbesserte Stabilität im Fehlerfall ergibt. Aus Stabilitätsgründen wäre es vorteilhaft, jede Phase 11 bis 16 durch zumindest ein Kopplungsmittel 31 bis 42 zu führen, das später als die anderen Kopplungsmittel 31 bis 42 in dieser Phase in Sättigung geht durch Vorsehen einer geringeren Induktivität L, was durch das Vorsehen eines Luftspalts erreicht werden könnte.
In dem Ausführungsbeispiel nach 12 ist ein Beispiel eines mit einem Luftspalt 64 versehen Kopplungsmittels 31 gezeigt. Hierzu ist der mittlere Schenkel des E-förmigen ersten Teils 44 gegenüber den äußeren Schenkel etwas verkürzt ausgebildet, so dass ein Luftspalt 64 in Richtung zum zweiten Teil 43 entsteht. Alternativ könnte vorgesehen sein, die Schenkel des E-förmigen ersten Teils 44 gleich groß auszuführen, jedoch zwischen den Enden der Schenkel und dem zweiten Teil 43 einen Luftspalt beispielsweise durch eine nichtmagnetischen Folie vorzusehen. Dem Fachmann sind Maßnahmen geläufig, wie die gewünschte Induktivität L des jeweiligen Kopplungsmittels 31 bis 42 erzielt werden kann, beispielsweise durch Vorsehen geeigneter Luftspalt(e) an den geeigneten Stellen.
Aufbau der Phasen
Fertigungstechnisch besonders vorteilhaft ist die Verwendung lediglich zweier geometrischer Formen der Phasen 11 bis 16 wie in 5 in der Draufsicht dargestellt. Die eine Grundform weist hierbei einen U-förmigen Verlauf auf und liegen in derselben Ebene. Die zweite Grundform ist im Wesentlichen rechteck- bzw. mäanderförmig, ebenfalls in derselben Ebene liegend. Die gezeigten Abschnitte können als Bandleiter in Form von Stanzgittern oder in entsprechenden Leiterbahnen in einer Platine integriert sein. Wie in Verbindung mit den 3 und 6 beschrieben werden die U-förmigen Phasen 11, 13, 15 so zueinander angeordnet, dass sie auf einer ersten Ebene zu liegen kommen. Entsprechend werden auch die rechteck- bzw. mäanderförmigen Phasen 12, 14, 16, 17 so angeordnet, dass sie auf einer zweiten Ebene zu liegen kommen. Diese beiden Ebenen werden parallel und beabstandet so zueinander angeordnet, dass die jeweils zu koppelnden Phasenabschnitte durch die Kopplungsmittel 31 bis 42 umgeben werden können.
Grundsätzlich wären jedoch auch alternative Ausgestaltungen der Phasenformen denkbar, ohne den Grundgedanken des vorzugsweise planaren Aufbaus zu verlassen.
Insbesondere sind gewisse Anpassungen denkbar, um den Platzbedarf der Gesamtanordnung weiter zu reduzieren. Entsprechende Varianten sind in den 10 und 11 schematisch skizziert. Durch eine entsprechende Ausgestaltung der Geometrie der Phasen 11 bis 17 soll erreicht werden, dass die Kopplungsmittel 31 bis 42 näher an den jeweils benachbarten Kopplungsmitteln 31 bis 42 angeordnet werden können. Dies lässt sich beispielsweise gemäß dem Ausführungsbeispiel nach 10 dadurch erreichen, dass die Enden der Stromschienen der Phasen 11 bis 16 abgeklappt sind in durch Pfeile angedeutete Abklappungsbereichen 60. Sobald die gekoppelten Phasenbereiche (solche Bereiche, die von den Kopplungsmitteln 31 bis 42 umgeben werden) die Kopplungsmittel 31 bis 42 verlassen, ändert sich Richtung gegenüber derjenigen innerhalb des Kopplungsmittels 31 bis 42. Dadurch können die Kopplungsmittel, in 10 diejenigen mit den Bezugszeichen 39, 35; 35, 34; 32, 38; 38, 33 näher zusammen rücken. Dies wird dadurch erreicht, dass die Phasenabschnitte der zweiten Phase 12 und der fünften Phase 15 an der Stirnseite um einen bestimmten Winkel, beispielsweise 45°, abgeklappt werden. Die Abschnitte der fünften Phase 15 und der sechsten Phase 16 vor Eintritt in das fünfte Kopplungsmittel 35 sind ebenfalls um 45° abgeklappt, so dass eine Berührung mit der zweiten Phase 12 vermieden wird. Dadurch können neuntes Kopplungsmittel 39 und fünftes Kopplungsmittel 35 mit geringerem Abstand zueinander angeordnet werden, als wenn die Phasenabschnitte ohne Abklappen herausgeführt werden. Hierbei können die mäanderförmigen Stromschienen der jeweiligen Phasen 11 bis 16 auch an den Seiten hochgebogen werden. Dadurch lassen sich die Mäander auch ineinander schieben wie in der linken seitlichen Skizze mit Draufsicht dargestellt. Die U-förmigen Stanzgitter der dritten und fünften Phase 13, 15 müssten dann aber in verschiedene Ebenen verlegt werden, beispielsweise durch entsprechendes Biegen.
Beim Ausführungsbeispiel gemäß 11 sind die mäanderförmig verlaufenden Phasen 12, 14, 16 an den Kurven bzw. Ecken mit Anschrägungsbereichen 62 versehen, so dass vorzugsweise gerade Abschnitte entstehen, um benachbarte Phasen 12, 16 in diesen Anschrägungsbereichen 62 parallel in geringem Abstand zueinander zu führen. Dadurch lassen sich die Kopplungsmittel 32, 38 bzw. 39, 35 ebenfalls enger zusammen schieben. Jedoch können die benachbarten Phasen (gemäß 11 beispielhaft die Phasenabschnitte 12, 16) auf derselben Ebene angeordnet werden.
Weitere mögliche Ausführungsformen erstrecken sich auf Anordnungen mit mehr als sechs Phasen, wie beispielsweise sieben Phasen mit der in 6 gezeigten exemplarischen Anordnung in Matrixform. Auch acht Phasen wären möglich, verteilt auf 4-mal-4 Kopplungsmittel. Wesentlich jedoch ist, dass die Anzahl der Phasen eine unabhängige Ansteuerung zulässt.
Eine weitere magnetische Kopplung der einzelnen Kerne der Kopplungsmittel 31 bis 39 zu einem großen Gesamtkern kann zu weiteren Ersparnissen führen, indem beispielsweise eine einzige Abdeckplatte 43 für alle Unterteile der neun Kopplungsmittel 31 bis 39 vorgesehen ist.
Der beschriebene Multiphasenwandler 10 eignet sich insbesondere für den Einsatz in einem Kraftfahrzeugbordnetz, bei dem insbesondere dynamische Lastanforderungen von untergeordneter Bedeutung sind. Insbesondere für solche vergleichsweise trägen Systeme eignet sich der beschriebene Aufbau.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2009/114873 A1 [0001]
EP 1145416 B1 [0002]

Claims

Multiphasenwandler, umfassend mehrere Phasen (11 bis 16), die jeweils durch Schaltmittel (21 bis 26) ansteuerbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass Kopplungsmittel (31, 36, 37) vorgesehen sind, die zumindest eine Phase (11) mit zumindest drei weiteren Phasen (12, 14, 16) magnetisch koppeln.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Phase (11) mit einer weiteren Phase (14) gekoppelt ist zur zumindest teilweisen Kompensation des Gleichanteils des Stromverlaufs.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltmittel (21 bis 26) die Phasen (11 bis 16) sequentiell ansteuern und dass eine Phase (11) mit zumindest einer weiteren Phase (12, 16) magnetisch gekoppelt ist, die unmittelbar vorher und/oder nachher angesteuert ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Phase (11) mit zumindest einer weiteren Phase (12, 16) magnetisch gekoppelt ist, deren Einschalt- oder Ausschaltzeitpunkt unmittelbar vorher und/oder nachher liegt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Phase (11) mit zumindest einer weiteren Phase (14) magnetisch gekoppelt ist, die im Wesentlichen um etwa 180° phasenverschoben angesteuert ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass genau sechs Phasen (11 bis 16) vorgesehen sind, wobei die Kopplungsmittel (31 bis 39) jede der sechs Phasen (11 bis 16) mit drei weiteren der sechs Phasen (11 bis 16) magnetisch koppeln.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest drei Phasen (11, 13, 15) räumlich in einer ersten Ebene verlaufen und dass zumindest drei weitere Phasen (12, 14, 16) räumlich in einer zweiten Ebene verlaufen, die zu der ersten Ebene parallel und beabstandet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Phase (11, 13, 15) U-förmig, rechteckförmig und/oder mäanderförmig ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch. gekennzeichnet, dass die Phasen (11 bis 16) als Stanzgitter und/oder als Teil einer Leiterplatte (70) aufgebaut sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei zu koppelnde Phasen (11, 12) zumindest im Bereich, in dem diese vom Kopplungsmittel (31) umschlossen sind, mit unterschiedlicher Stromrichtung ansteuerbar sind.