DE102010045826A1 - Current distribution device for e.g. providing galvanically separated charge currents to battery units, has control unit attached to primary-sided winding, and secondary-sided windings galvanically separated on outer sides of core unit - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Transformatorvorrichtung aufweisende Stromaufteilungsvorrichtung sowie eine Verwendung einer solchen Stromaufteilungsvorrichtung.The present invention relates to a power distribution device having a transformer device, and to a use of such a current dividing device.
Gattungsgemäß sind Transformatorvorrichtungen mit einer Primärwicklung (primärseitiger Wicklung) und einer Mehrzahl von Sekundärwicklungen (sekundärseitigen Wicklungen) aus dem Stand der Technik allgemein bekannt. Zum allgemeinen, generischen Stand der Technik wird dabei zur weiteren Erläuterung auf die
Beim primärseitigen Anliegen einer Primärspannung Ue (und in der Wicklung N1 fließendem Primärstrom Ie) ermöglicht es eine solche Transformatorgestaltung, dass jede der Sekundärwicklungen N2, N3 für sich allein den vollen, primärseitig eingespeisten Summenstrom (bzw. die dort eingespeiste elektrische Leistung) liefert, wenn die jeweils anderen sekundärseitigen Ausgänge unbelastet sind; dies liegt daran, dass in idealisierter Sicht die sekundärseitigen Ausgänge Spannungsquellen darstellen.In the case of primary-side voltage Ue (and primary current Ie flowing in winding N1), such a transformer design makes it possible for each of the secondary windings N2, N3 to supply the full, primary-side injected summation current (or the electric power fed in) on its own if the other secondary side outputs are unloaded; This is because, in an idealized view, the secondary-side outputs represent voltage sources.
Ist es jedoch aufgrund der Anforderungen einer (sekundärseitigen) Beschaltung einer solchen Transformatorvorrichtung etwa notwendig, individuell den sekundärseitigen Strom I1 bzw. I2 zu begrenzen, ist zusätzlicher sekundärseitiger Schaltungsaufwand notwendig. Ein derartiger Fall tritt beispielsweise bei der Beschaltung mit einem elektrischen Verbraucher ein, der statt einer Spannungsquelle sekundärseitig eine Stromquelle benötigt (konkret etwa im Fall von LED-Leuchtmitteln, die typischerweise in Reihe zu LED-Beleuchtungssträngen verschaltet sind). Hier wäre dann für jeden (jeweils an einem sekundärseitigen Ausgang vorgesehenen) Strang eine gesonderte strombegrenzende bzw. stromregelnde Schaltung notwendig, die, insbesondere im Falle einer Mehrzahl von vorzusehenden Ausgängen, den Schaltungsaufwand beträchtlich erhöhen kann (es muss für jeden Ausgang eine gesonderte strombegrenzende bzw. stromregelnde Schaltung vorgesehen sein).However, if it is necessary because of the requirements of a (secondary side) wiring of such a transformer device, individually to limit the secondary side current I1 or I2, additional secondary-sided circuit complexity is necessary. Such a case occurs, for example, in the wiring with an electrical load, the secondary side instead of a power source requires a power source (specifically, for example, in the case of LED bulbs, which are typically connected in series with LED lighting strands). Here then a separate current-limiting or current-regulating circuit would be necessary for each (each provided at a secondary side output), which, in particular in the case of a plurality of outputs to be provided, can increase the circuit complexity considerably (there must be a separate current-limiting or current regulating circuit be provided).
Die zum Zeitpunkt der Anmeldung der vorliegenden Erfindung unveröffentlichte
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Stromaufteilungsvorrichtung nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs zu schaffen, welche auf schaltungstechnisch einfache Weise eine Mehrzahl von sekundärseitig strombegrenzten bzw. stromgeregelten Ausgängen (Kanälen) bereitstellt, wobei diese Kanäle jeweils galvanisch voneinander getrennt sein sollen (um insoweit eine gegenseitige Isolation der Kanäle zu ermöglichen).Object of the present invention is therefore to provide a power distribution device according to the preamble of the main claim, which provides a circuitically simple manner a plurality of secondary side current-limited or current-controlled outputs (channels), these channels should each be galvanically separated from each other (so far a allow mutual isolation of the channels).
Die Aufgabe wird durch die Stromaufteilungsvorrichtung mit den Merkmalen des Hauptanspruchs sowie die Verwendung einer solchen Stromaufteilungsvorrichtung nach den unabhängigen Patentansprüchen 11, 12 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.The object is achieved by the current splitting device having the features of the main claim and the use of such a current splitting device according to
In erfindungsgemäß vorteilhafter Weise ist damit eine Stromaufteilungsvorrichtung mit einer Transformatorvorrichtung als wesentliche Funktionseinheit geschaffen, wobei die Funktionsvorrichtung eine primärseitige Wicklung sowie eine Mehrzahl von sekundärseitigen Wicklungen aufweist, die auf einer gemeinsamen Kerneinheit (welche eine Mehrzahl von Außenschenkeln sowie einen Mittelschenkel aufweist) gebildet sind. Erfindungsgemäß ist der primärseitigen Wicklung eine Ansteuereinheit zugeordnet (vorgeschaltet), welche primärseitig in eine Stromregelung (auch davon umfasst eine Strombegrenzung) bewirkt. Durch das Vorsehen der sekundärseitigen Wicklungen auf den Außenschenkeln der Kerneinheit wird eine galvanische Trennung der sekundärseitigen Wicklungen voneinander ermöglicht. Die ferner erfindungsgemäß primär- oder sekundärseitig vorgesehenen Mittel zur Begrenzung einer Primärspannung sorgen dann im stromgeregelten Kontext dafür, dass sekundärseitig bei offenem Ausgang einer Wicklung (d. h. keinem Stromfluss) die Spannung an diesem offenem Ausgang nicht unkontrolliert ansteigt.In an advantageous manner according to the invention, a current-splitting device with a transformer device is thus created as an essential functional unit, wherein the functional device has a primary-side winding and a plurality of secondary-side windings which are formed on a common core unit (which has a plurality of outer legs and a center leg). According to the invention, the primary-side winding is assigned (upstream) a drive unit, which on the primary side causes a current control (also including a current limitation). By providing the secondary-side windings on the outer legs of the core unit, a galvanic separation of the secondary-side windings from each other is made possible. Furthermore, in the current-controlled context, the means according to the invention for limiting a primary voltage, which are provided on the primary or secondary sides, ensure that the voltage at this open output does not rise uncontrollably on the secondary side with an open output of a winding (ie no current flow).
Eine so realisierte Stromaufteilungsvorrichtung bringt damit den Vorteil, dass die beabsichtigte sekundärseitige und mehrkanalige Stromsteuerung lediglich durch die (einzelne) primärseitige Ansteuereinheit realisierbar ist, mit den entsprechenden hardware- bzw. schaltungstechnischen Vorteilen. Vorteilhaft und bevorzugt ist damit sogar eine Stromaufteilungsvorrichtung realisierbar, welche sekundärseitig keine (zusätzliche oder gesonderte) Stromregelung bzw. Strombegrenzung benötigt, so dass gerade bei mehrkanaligen Systemen beträchtliche schaltungstechnische Vereinfachungen bzw. Hardware-Ersparnisse realisierbar sind.A power split device realized in this way thus has the advantage that the intended secondary-side and multi-channel current control can only be realized by the (individual) primary-side drive unit, with the corresponding hardware or circuit-technical advantages. Advantageously and preferably even a power split device can be realized, which secondary side no (additional or separate) current control or current limiting needed, so that especially in multi-channel systems considerable circuitry simplifications and hardware savings can be realized.
Im Rahmen bevorzugter Realisierungsformen der Erfindung ist es dabei möglich, etwa in der Art einer primärseitigen Konfiguration eines Schaltnetzteils, verschiedene, die Stromregelungsfunktionalität ermöglichenden Topologien einzusetzen, etwa die Ansteuereinheit als Gegentaktwandlerschaltung zu realisieren, als Resonanzwandlerschaltung oder als Eintaktflusswandlerschaltung. Möglich ist es ferner auch, bei der Realisierung einer Gegentaktwandlertopologie in M-Schaltung die Primärwicklung mit einer Mittenanzapfung zu versehen. Vergleichbare Konfigurationen sind auch auf der Sekundärseite möglich, etwa mit dem Ziel, eine Zweiwegegleichrichtung zu realisieren.Within the scope of preferred embodiments of the invention, it is possible, for example in the manner of a primary-side configuration of a switched-mode power supply, to use different topologies enabling the current regulation functionality, for example to realize the drive unit as a push-pull converter circuit, as a resonant converter circuit or as a single-ended flux converter circuit. It is also possible, in the realization of a push-pull converter topology in M-circuit to provide the primary winding with a center tap. Comparable configurations are also possible on the secondary side, for example with the aim of realizing a two-way rectification.
Gemäß einer bevorzugten Realisierungsform werden die erfindungsgemäßen Mittel zur Begrenzung der Primärspannung primärseitig realisiert, wobei, etwa in Form der erwähnten Topologien, die Ansteuereinheit diese Funktionalität übernimmt. Alternativ und im Rahmen weiterer bevorzugter Realisierungsformen der Erfindung ist es dagegen auch möglich, die Mittel zur Begrenzung der Primärspannung sekundärseitig zu realisieren. Dies geschieht im Rahmen der bevorzugten Weiterbildungen durch Kurzschlussmittel, insbesondere durch einen jeder sekundärseitigen Wicklung zugeordneten Kurzschlussschalter, welcher dann (durch einen entsprechend bewirkten Kurzschluss) einen (erfindungsgemäß begrenzten) Stromfluss im jeweiligen sekundärseitigen Zweig ermöglicht, wiederum mit dem vorteilhaften Ergebnis, dass ein jeweils anderer sekundärseitiger Zweig (Ausgang) unbeeinflusst bleibt.According to a preferred embodiment, the inventive means for limiting the primary voltage are realized on the primary side, wherein, for example in the form of the mentioned topologies, the drive unit assumes this functionality. Alternatively and within the scope of further preferred embodiments of the invention, on the other hand, it is also possible to realize the means for limiting the primary voltage on the secondary side. This is done within the scope of the preferred developments by short-circuiting means, in particular by a short-circuit switch assigned to each secondary-side winding, which then enables current flow in the respective secondary-side branch (by a correspondingly limited short-circuit), again with the advantageous result that one each other Secondary branch (output) remains unaffected.
Zur Optimierung der magnetischen Flussführung in der Kerneinheit hat es sich im Rahmen bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung als günstig herausgestellt, die Kerneinheit mit ihren Außenschenkeln sowie dem Mittelschenkel geometrisch so auszugestalten, dass eine Summe der Querschnittsflächen der Außenschenkel einer Querschnittsfläche des mit der primärseitigen Wicklung versehenen Mittelschenkels entspricht.To optimize the magnetic flux guidance in the core unit, it has been found within the scope of preferred embodiments of the invention to design the core unit with its outer limbs and the center leg geometrically such that a sum of the cross-sectional areas of the outer limb corresponds to a cross-sectional area of the central limb provided with the primary-side winding ,
Eine besonders bevorzugte und großserientechnisch günstige Realisierungsform der Erfindung sieht zudem vor, dass die Kerneinheit in Planartechnik zum Zusammenwirken mit mindestens einer die (primärseitige sowie sekundärseitigen) Wicklung(en) tragenden Leiterplatte ausgebildet ist. Eine solche Kerneinheit besitzt vorteilhaft einen entsprechend zum planen Zusammenwirken mit der Leiterplatte plan ausgebildeten Flächenabschnitt, von dem sich mindestens eine Erhebung einstückig angeformt erstreckt, welche den Mittelschenkel oder einen der Außenschenkel realisieren kann; in bevorzugter Weiterbildung sind dann sämtliche der Schenkel in Form derartiger einstückiger Erhebungen von dem Flächenabschnitt realisiert. Im Rahmen einer ersten bevorzugten Ausführungsform beträgt die Mehrzahl der sekundärseitigen Wicklungen 2, so dass eine Kerneinheit mit drei Schenkeln (zwei Außenschenkel sowie ein Mittelschenkel) die Realisierung einer solchen Variante ermöglicht. Im Rahmen der Erfindung kann die Mehrzahl der sekundärseitigen Wicklungen auch größer als 2 sein, wobei dann entweder durch das Vorsehen einer Mehrzahl von Transformatorvorrichtungen (die selbst dann etwa jeweils zwei sekundärseitige Wicklungen besitzen und primärseitig in Reihe geschaltet sind), eine solche Gesamtanzahl von sekundärseitigen Wicklungen erreicht werden kann. Alternativ kann mit einer Transformatorvorrichtung, welche mehr als zwei Außenschenkel der Kerneinheit ausbildet, eine Mehrzahl von sekundärseitigen Wicklungen größer als 2 realisiert werden, wobei sich insbesondere die vorbeschriebene Planartechnik mit einer Zahl der Schenkel entsprechenden Erhebungen bzw. Vorsprüngen besonders günstig zur Realisierung einer solchen Weiterbildung eignet.A particularly preferred embodiment of the invention, which is advantageous for large-scale production, also provides for the core unit to be designed in planar technology for interaction with at least one printed circuit board carrying the (primary-side and secondary-side) winding (s). Such a core unit advantageously has a surface section which is plan-shaped corresponding to the plan cooperation with the printed circuit board and from which at least one projection extends in one piece, which can realize the center leg or one of the outer legs; In a preferred development then all the legs are realized in the form of such one-piece elevations of the surface portion. In a first preferred embodiment, the plurality of
Die vorliegende Erfindung ist besonders günstig im Zusammenhang mit Anwendungen einzusetzen, welche eine Mehrzahl getrennt voneinander vorgesehenen, stromgeregelten bzw. strombegrenzten Zweigen aufweist. Dies ist etwa im bereits eingangs erwähnten Gebiet der Beleuchtungstechnik der Fall, wo sich die vorliegende Erfindung günstig als Verwendung eignet, jeweiligen sekundärseitigen Wicklungen (Ausgängen) einen eine Mehrzahl von LED aufweisenden Leuchtmittelstrang zuzuordnen.The present invention is to be used particularly advantageously in connection with applications which have a plurality of separately provided, current-controlled or current-limited branches. This is the case, for example, in the field of illumination technology already mentioned above, where the present invention is favorably suitable for use, in that respective secondary-side windings (outputs) are assigned a light-emitting diode strand having a plurality of LEDs.
Besonders günstig ist die vorliegende Erfindung auch nutzbar im Bereitstellen von galvanisch getrennten Ladeströmen für eine Mehrzahl von jeweils den sekundärseitigen Wicklungen zugeordneten (und damit voneinander getrennten) Batterieeinheiten od. dgl. Ladestromempfängern.The present invention can also be used particularly advantageously in the provision of galvanically separated charging currents for a plurality of battery units respectively associated with the secondary-side windings (and thus separate from each other). Like. Charging current receivers.
Die vorliegende Erfindung ist jedoch auf diese Verwendungen bzw. Einsetzfälle nicht beschränkt, vielmehr eignet sich die vorliegende Erfindung für jeglichen Einsatzfall, bei welchem eine Mehrzahl von Verbrauchern – galvanisch voneinander getrennt – mit jeweils einem strombegrenzten bzw. stromgeregelten Signal versehen werden müssen, und insbesondere der zusätzliche Aufwand jeweiliger zusätzlicher Strombegrenzer bzw. Regelschaltungen für einen jeweiligen Zweig vermieden werden soll.However, the present invention is not limited to these uses or Einsetzfälle, but the present invention is suitable for any application in which a plurality of consumers - must be provided - each electrically isolated from each other - each with a current-limited or current-controlled signal, and in particular the additional effort of respective additional current limiter or control circuits for a particular branch to be avoided.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen; diese zeigen inFurther advantages, features and details of the invention will become apparent from the following description of preferred embodiments and from the drawings; these show in
Zur erfindungsgemäßen Realisierung eines von einer primärseitigen (geregelten) Quelle gelieferten Stroms mittels einer Transformatoreneinheit in mehrere Kanäle (die jeweils voneinander galvanisch getrennt sind) zeigt
In nicht weiter im Detail gezeigter Weise speisen die Sekundärwicklungen N2, N3 jeweils eine Last (wobei typischerweise sekundärseitig jeweils ein Gleichrichter mit Siebkondensator, nicht gezeigt, vorgesehen ist).In a manner not shown in detail, the secondary windings N2, N3 each feed a load (with a rectifier with filter capacitor, not shown, typically being provided on the secondary side).
Durch eine solche Realisierungsform wird im Rahmen der Erfindung vorteilhaft erreicht, dass beide Ausgänge (der sekundärseitigen Wicklungen N2, N3) bei der Stromspeisung auf der Primärseite auch individuell voneinander entkoppelte Stromquellen bilden. Dabei kann der Ausgangsstrom einer Sekundärwicklung über das jeweilige Übersetzungsverhältnis zur Primärwicklung eingestellt werden. Exemplarisch gelten etwa für das gezeigte Ausführungsbeispiel der
Sind, wie im Beispiel von
Umgeformt weisen dabei die beiden sekundärseitigen Ströme (Ausgangsströme) folgendes Verhältnis zueinander auf:
Wie erwähnt erreicht man durch die primärseitige Stromspeisung zwei Ausgangskreise mit durch die Übersetzungsverhältnisse festgelegten Ausgangsströmen auf der Sekundärseite.As mentioned, two output circuits with output currents fixed on the secondary side are achieved by the primary-side current supply.
Zur weiteren Illustration der Spannungsverhältnisse an den Wicklungen sowie der Wicklungskonfiguration wird die Kerneinheit
Ein im (geteilt dargestellten) Kerninnenschenkel von der Eingangsspannung Ue in N1 erzeugte magnetische Fluss Phi I teilt sich bei gleicher Querschnittsfläche der beiden Hälften auch in zwei gleichgroße Teile, Phi Ia und Phi Ib, auf. Durch die gemeinsame Wicklung (welche für jeden Innenschenkel gleiche Windungszahl bedeutet) liegt an jeder Kernhälfte auch nur die halbe Eingangsspannung an der Wicklung an; somit kann auch auf jeder Kernhälfte eine Teilwicklung mit gleicher Windungszahl wie ursprünglich N1 angenommen werden. Die entsprechende äquivalente Darstellung der
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung bei primärseitiger Stromregelung und damit sekundärseitiger Wirkung als Stromquellen verursacht der Ausgangsstrom (I1, I2) an seiner jeweiligen Last eine Spannung U1 bzw. U2. Auf den Eingang transformiert werden diese Ausgangsspannungen nach den folgenden Zusammenhängen:
Da wie oben ausgeführt N1a = N1 und bei einer Reihenschaltung Ue = Ue1 + Ue2 ist, gilt dann:
Für die Dimensionierung der Wicklung N1 ist dabei die maximal auftretende Spannung Ue, die Arbeitsfrequenz, eine magnetische Aussteuerbarkeit des Kernmaterials sowie eine Geometrie der Kerneinheit zu berücksichtigen. N2 und N3 ergeben sich dann aus den gewünschten Stromverhältnissen, wie oben dargelegt.For the dimensioning of the winding N1, the maximum occurring voltage Ue, the operating frequency, a magnetic controllability of the core material and a geometry of the core unit must be taken into account. N2 and N3 then result from the desired current ratios, as stated above.
Im Rahmen bevorzugter Weiterbildungen ist dabei die Kerngeometrie bevorzugt so auszugestalten, dass die Summe der Querschnittsflächen aller Außenschenkel der Querschnittsfläche des Innenschenkels entsprechen sollte; dies lässt sich mit handelsüblichen E-Kernen erreichen.In the context of preferred developments, the core geometry is preferably to be designed such that the sum of the cross-sectional areas of all outer legs should correspond to the cross-sectional area of the inner leg; This can be achieved with commercially available E cores.
Die vorliegende Erfindung erreicht vorteilhaft, dass bei einem kurzgeschlossenen Ausgang der Strom im betreffenden sekundärseitigen Zweig nicht größer wird, wenn sich der primärseitige Speisestrom nicht ändert. Dagegen würde sich jedoch beim Ausführungsbeispiel der
Weist, wie weiterbildungsgemäß im Rahmen der Erfindung vorgesehen, die primärseitig die Transformatoreinheit speisende Ansteuerschaltung eine Ausgangsspannungsbegrenzung auf, so stellt sich im Fall eines offenen Ausgangs an diesem im Beispiel der
Um eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit mehr als zwei sekundärseitigen Wicklungen und damit mehr als zwei Ausgängen zu realisieren, besteht eine erste weiterbildende Lösungsvariante darin, mehrere Transformatoreinheiten (etwa das Ausführungsbeispiel der
Bei n-Ausgängen werden bei dieser Lösungsvariante n/2 Transformatoreinheiten (als ganze Zahl) benötigt. Ist n eine ungerade Zahl, würde ein zusätzlicher Transformator nach
Ausgangsseitig ist es im Rahmen bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung möglich, zum Erreichen eines erhöhten, resultierenden Ausgangsstromes zwei oder mehr Ausgänge durch Parallelschaltung miteinander zu verbinden. Würden etwa in diesem Sinne die sekundärseitigen Wicklungen N2, N3 aus
Für die Spannungsverhältnisse an einer so beschalteten Transformatoreinheit gilt dann wie folgt:
Auch können zwei Ausgänge zur Erhöhung der maximalen Ausgangsspannung in Reihe geschaltet werden, hierfür ist es jedoch zwingend erforderlich, dass die beiden Übersetzungsverhältnisse (und damit die jeweiligen Ströme) gleich sind. Entsprechend muss hier gelten:
Entsprechend sind damit die Bedingungen für eine Parallel- und Reihenschaltung von Ausgängen entgegengesetzt als bei einem im Zusammenhang mit
Unter nochmaligem Bezug auf das Ersatzschaltbild der Transformatoreinheit der
Anhand der
Das Kernelement der
So verdeutlicht zunächst, zur Realisierung des ersten Ausführungsbeispiels der
Über die Realisierung der
Nach wie vor ist dabei N1 die primäre Windungszahl auf dem Mittelschenkel und Ie der eingespeiste Strom an der Primärwicklung. Die resultierende Spannung über der Primärwicklung Ue ergibt sich dann wie folgt:
Auch diese Realisierungsform ermöglicht wieder eine weitere Erhöhung der Anzahl der Ausgänge durch primärseitige Reihenschaltung der Primärwicklungen.Again, this realization form again allows a further increase in the number of outputs by primary-side series connection of the primary windings.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr ergeben sich, wie dargelegt, beliebige Möglichkeiten zur Konfiguration und Anpassung an die primär- und sekundärseitigen Erfordernisse, wobei stets der Vorteil einer Vermeidung gesonderter, kanalweiser sekundärer Stromregelungen realisiert werden kann.The present invention is not limited to the described embodiments. Rather, as explained above, there are any possibilities for configuration and adaptation to the primary and secondary requirements, whereby the advantage of avoiding separate, channel-wise secondary flow controls can always be realized.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R120 | Application withdrawn or ip right abandoned | ||
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Effective date: 20120413 |