DE102011056667A1 - Elektrische Schaltung mit einer zwei im zeitversetzten Modus betriebene Wandler aufweisenden Wandlerstufe - Google Patents

Elektrische Schaltung mit einer zwei im zeitversetzten Modus betriebene Wandler aufweisenden Wandlerstufe Download PDF

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Abstract

Bei einer elektrischen Schaltung mit zwei im zeitversetzten Modus betriebenen Wandlern, die jeweils eine Speicherdrossel (11, 12) zur Bereitstellung einer Induktivität umfassen, wobei die Speicherdrosseln (11, 12) Teil einer Drosselvorrichtung (1) mit mehreren Wicklungen (8–10) sind, sind die Wicklungen der Drosselvorrichtung (1) auf einem gemeinsamen Kern (2) angeordnet, wobei der Kern (2) drei nebeneinander verlaufende bewickelte Schenkel (3–5) aufweist, die an ihren beiden Enden miteinander verbunden sind, wobei die Speicherdrossel (11) des einen Wandlers die Wicklung (8) auf dem mittleren Schenkel (3) umfasst und wobei die Speicherdrossel (12) des anderen Wandlers die Wicklungen (9 und 10) auf den beiden äußeren Schenkeln (4 und 5) umfasst, wobei die beiden Wicklungen (9 und 10) auf den beiden äußeren Schenkeln (4 und 5) gleiche Windungszahlen aufweisen und so miteinander verbunden sind, dass sie bei einer Bestromung der zweiten Speicherdrossel (12) einen magnetischen Fluss erzeugen, der bezogen auf den Umfang des Kerns (2) in gleicher Richtung orientiert ist.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Schaltung mit einer zwei im zeitversetzten Modus betriebene Wandler aufweisenden Wandlerstufe, wobei die beiden Wandler jeweils eine Speicherdrossel zur Bereitstellung einer Induktivität umfassen, wobei die beiden Speicherdrosseln Teil einer Drosselvorrichtung mit mehreren Wicklungen sind, sowie auf einen Wechselrichter zur Einspeisung von elektrischer Energie von einem photovoltaischen Gleichstromgenerator in ein Wechselstromnetz mit einer solchen elektrischen Schaltung.
  • Unter im zeitversetzten Modus betriebenen Wandlern einer Wandlerstufe sind solche Wandler zu verstehen, die wechselweise, beispielsweise jeweils während einer Halbwelle eines ausgegebenen Wechselstroms oder sogar mit der Frequenz eines Taktsignals für Schalter der Wandler abwechselnd betrieben werden. D. h. die Wandler werden in sehr häufiger Wiederholung schnell aufeinander folgend aktiviert Zu derartigen Wandlern zählen u. a. sogenannte Interleavingwandler.
  • STAND DER TECHNIK
  • Es gibt verschiedene elektrische Schaltungen, in denen zwei oder mehr magnetische Speicher, die in dieser Anmeldung als Speicherdrosseln bezeichnet werden, zur wechselweisen Benutzung vorgesehen sind. Zu diesen bekannten elektrischen Schaltungen zählen solche von sogenannten Power Factor Controllern (PFC) für den Netzanschluss von elektrischen Geräten und Anlagen, solche von Wechselrichtern zur Netzeinspeisung von elektrischer Energie und solche von Wandlerstufen mit im zeitversetzten Modus betriebenen Wandlern. Jede Speicherdrossel beansprucht einen erheblichen Bauraum und weist eine erhebliche Masse auf. Insbesondere ist der magnetische Kreis jeder Speicherdrossel immer so auszulegen, dass das Speichern der maximal erforderlichen Energiemenge möglich ist. Damit setzt der magnetische Kreis feste Rahmenbedingungen für die Auslegung. Bei der grundsätzlich denkbaren Verwendung desselben magnetischen Kreises für zwei Speicherdrosseln begegnet man dem Problem, dass hieraus eine magnetische Kopplung resultiert, die über die Induktion in der Wicklung der jeweils anderen Speicherdrossel zumindest zusätzliche Spannungsbelastungen in den jeweils nicht aktiven Schaltungsteilen hervorruft. Von der Verwendung desselben magnetischen Kreises für mehrere Speicherdrosseln wird daher bislang Abstand genommen.
  • Aus der DE 100 42 283 A1 ist eine Drosselvorrichtung mit mehreren Wicklungen auf einem gemeinsamen Kern bekannt, wobei der Kern drei nebeneinander verlaufende bewickelte Schenkel aufweist, die an ihren beiden Enden miteinander verbunden sind und wobei die beiden Wicklungen auf den beiden äußeren Schenkeln gleiche Windungszahlen aufweisen. Dabei sind die Wicklungen auf den beiden äußeren Schenkeln mit der Wicklung auf dem mittleren Schenkel verbunden, und zwar derart, dass mit den Wicklungen auf den äußeren Schenkeln der von der bestromten Wicklung auf dem mittleren Schenkel hervorgerufene magnetische Fluss durch den Kern erhöht wird. Dabei weisen die Wicklungen auf den beiden äußeren Schenkeln entgegengesetzte Wickelrichtungen bezogen auf den Umfang des Kerns auf. Die Wicklungen auf allen drei Schenkeln sind so Teil einer einzigen Speicherdrossel. Der Kern der bekannten Drosselvorrichtung weist zwei seitlich ohne Luftspalt aneinander gefügte Teilkerne auf, die ihrerseits jeweils als UU-Kern ausgebildet sind, wobei sich die beiden U-Elemente bei den beiden Teilkernen jeweils über einen Luftspalt gegenüber liegen, der eine gleiche Spaltweite im Bereich der äußeren Schenkel und des mittleren Schenkels des Kerns aufweist.
  • Aus der US 5,600,293 A ist eine elektrische Schaltung für eine magnetische Sprengvorrichtung bekannt. Diese magnetische Sprengvorrichtung weist zwei Transformatoren auf, deren Wicklungen auf einem gemeinsamen Kern angeordnet sind. Der Kern weist drei nebeneinander verlaufende gewickelte Schenkel auf, die an ihren beiden Enden miteinander verbunden sind. Die Wicklungen des ersten Transformators sind auf dem mittleren Schenkel angeordnet, und die Wicklungen des zweiten Transformators sind jeweils auf beiden äußeren Schenkeln angeordnet, wobei beide Wicklungen des zweiten Transformators auf beiden äußeren Schenkeln jeweils gleiche Windungszahlen aufweisen und so miteinander verbunden sind, dass sie bei einer Bestromung einen magnetischen Fluss erzeugen, der bezogen auf den Umfang des Kerns in gleicher Richtung orientiert ist. Die Primärwicklungen der beiden Transformatoren dienen zugleich als Induktivitäten von DC/DC-Wandlern. Die beiden Transformatoren werden niemals gleichzeitig betrieben. Hervorgehoben ist, dass eine induktive Interferenz zwischen den beiden Transformatoren durch den Aufbau ihrer Wicklungen minimiert ist. Vorzugsweise ist der Kern des Transformators eine ebene magnetische Einrichtung, und die Wicklungen bestehen aus gedruckten Leiterbahnen. Ein wechselweiser Betrieb der beiden Transformatoren ist in der US 5,600,293 A ebenso wenig angesprochen wie eine Anwendung der beiden Transformatoren auf einem anderen technischen Gebiet als bei einer magnetischen Sprengvorrichtung.
  • AUFGABE DER ERFINDUNG
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Schaltung mit zwei im zeitversetzten Modus betriebenen Wandlern aufzuzeigen, deren Induktivitäten von einer Drosselvorrichtung mit kleinem Bauraum und kleiner Masse bereitgestellt werden.
  • LÖSUNG
  • Die Aufgabe der Erfindung wird durch eine elektrische Schaltung mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der neuen Drosselvorrichtung sind in den abhängigen Patentansprüchen 2 bis 12 definiert. Der abhängige Patentanspruch 13 ist auf einen Wechselrichter zur Einspeisung von elektrischer Energie in ein Wechselstromnetz mit der neuen elektrischen Schaltung gerichtet.
  • BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Bei der Drosselvorrichtung der erfindungsgemäßen elektrischen Schaltung umfasst eine erste Speicherdrossel nur die Wicklung auf dem mittleren Schenkel, während eine zweite Speicherdrossel die Wicklungen auf den beiden äußeren Schenkeln umfasst. Dabei sind die beiden Wicklungen auf den beiden äußeren Schenkeln, die gleiche Windungszahlen aufweisen, so miteinander verbunden, dass sie eine gleiche wirksame Wickelrichtung um den Umfang des Kerns haben, d. h., bei einer Bestromung der zweiten Speicherdrossel einen magnetischen Fluss erzeugen, der bezogen auf den Umfang des Kerns in gleicher Richtung orientiert ist.
  • Dieser Aufbau hat zur Folge, dass eine Bestromung der jeweils einen der beiden Speicherdrosseln keine Induktion von Spannungen über der jeweils anderen Speicherdrossel zur Folge hat. Wenn die erste Speicherdrossel bestromt wird, teilt sich der durch den mittleren Schenkel des Kerns hervorgerufene magnetische Fluss für den Rückfluss auf die beiden äußeren Schenkel auf. So werden in den beiden zu der zweiten Speicherdrossel gehörigen Wicklungen auf den äußeren Schenkeln zwar Spannungen induziert, die aufgrund der gleichen Wicklungszahlen dieser Wicklungen auch gleich groß sind, die aber wegen der in Bezug auf den magnetischen Fluss aus dem mittleren Schenkel umgekehrten Wicklungsrichtung dieser Wicklungen entgegengesetzte Vorzeichen haben und sich von daher aufheben. Umgekehrt führt eine Bestromung der zweiten Speicherdrossel dazu, dass ein magnetischer Fluss entweder nur durch den Umfang des Kern, das heißt durch die äußeren Schenkel und durch die Verbindungen der Enden der Schenkel, hervorgerufen wird, und damit kein magnetischer Fluss durch den mittleren Schenkel erfolgt, dessen Änderungen Spannungen über der Wicklung auf diesem Schenkel hervorrufen könnten, oder gleich große einander entgegengesetzte magnetische Flüsse durch den mittleren Schenkel hervorgerufen werden, die sich in ihren Auswirkungen auf die Wicklung auf dem mittleren Schenkel aufheben. So wird der Kern der neuen Drosselvorrichtung von beiden Speicherdrosseln genutzt, ohne in der jeweils anderen Speicherdrossel Spannungen zu induzieren. Durch die Doppelnutzung des Kerns werden Bauvolumen und Masse eingespart.
  • In der erfindungsgemäßen elektrischen Schaltung werden die beiden Speicherdrosseln wechselweise mit einem Strom beaufschlagt. Das heißt, während die eine Speicherdrossel aktiv ist, ist die andere Speicherdrossel inaktiv. Die gemeinsame Verwendung desselben Kerns der Drosselvorrichtung führt dabei zu keinen Problemen, da durch die Anordnung und Ausbildung der Wicklungen auf den einzelnen Schenkeln des Kerns ausgeschlossen ist, dass wechselweise Spannungen von der einen Speicherdrossel in der anderen, inaktiven Speicherdrossel induziert werden. Gleichzeitig wird eine Sättigung des Kernes vermieden, da die maximale Magnetisierung durch die beiden Speicherdrosseln zu unterschiedlichen Zeitpunkten erfolgt.
  • Da die beiden Speicherdrosseln der Drosselvorrichtung zwei zeitversetzt betriebenen Wandlern einer Wandlerstufe zugeordnet sind, erfolgt der Wechsel zwischen der Bestromung der jeweiligen Drosselspulen mit jedem Wechsel zwischen den beiden Wandlern, also beispielsweise zwischen den beiden Halbwellen eines von der Wandlerstufe ausgegebenen Wechselstroms. Dies kann in einem Wechselrichter zur Einspeisung elektrischer Leistung in ein Wechselstromnetz z. B. dadurch erreicht werden, dass die beiden Speicherdrosseln der neuen elektrischen Schaltung die Induktivitäten von zwei wechselweise betriebenen Tiefsetzstellern des Wechselrichters sind und nach einem Interleaving-Verfahren betrieben werden, d. h. wechselweise mit den Halbwellen des ausgegebenen Wechselstroms bestromt werden. Jeder Tiefsetzsteller formt dabei jeweils die Halbwellen eines Vorzeichens bzw. einer Stromflussrichtung. Grundsätzlich ist es bei der Drosselvorrichtung der erfindungsgemäßen elektrischen Schaltung denkbar, dass jeder der äußeren Schenkel eine genauso große Querschnittsfläche wie der mittlere Schenkel des Kerns aufweist. Im Hinblick auf die Einsparung von Bauraum und Masse ist es jedoch bevorzugt, wenn der mittlere Schenkel eine doppelt so große Querschnittsfläche wie jeder der beiden äußeren Schenkel aufweist, oder anders gesagt die beiden äußeren Schenkel zusammen dieselbe Querschnittsfläche wie der mittlere Schenkel aufweisen.
  • In einer Ausführungsform der Drosselvorrichtung der erfindungsgemäßen elektrischen Schaltung, die hier auch als Variante A bezeichnet wird, ist der Kern ein EI-, EE- oder M-Kern; das heißt er weist einen in Querrichtung ungeteilten mittleren Schenkel auf.
  • In einer Ausführungsform der Variante A weist jede Wicklung auf den beiden äußeren Schenkeln die halbe Windungszahl der Wicklung auf dem mittleren Schenkel auf, oder anders gesagt ist die Gesamtwindungszahl der Wicklungen auf den beiden äußeren Schenkeln genauso groß wie die Windungszahl der Wicklungen auf dem mittleren Schenkel. In diesem Fall wird eine gleiche Induktivität unter der weiteren Bedingung erreicht, dass ein Luftspalt im mittleren Schenkel dreimal so groß ist wie ein Luftspalt in den äußeren Schenkeln.
  • In einer anderen Ausführungsform der Variante A weisen die beiden äußeren Schenkel Luftspalte von gleicher Breite auf, während der mittlere Schenkel keinen Luftspalt hat. In dieser Ausführungsform ergibt sich eine gleiche Induktivität der beiden Drosselspulen unter der Voraussetzung, dass jede Wicklung auf den beiden äußeren Schenkeln dieselbe Windungszahl wie die Wicklung auf dem mittleren Schenkel aufweist. Die Breite der Luftspalte wird hier als gleich angesehen, wenn ihre Abmessungen allenfalls so wenig voneinander abweichen, dass hieraus keine Unterschiede resultieren, die für die Belange der Erfindung kritisch sind. Insbesondere beseitigen fertigungsbedingte Toleranzen der Breite der Luftspalte ihre Gleichheit nicht.
  • Gleiche Wicklungszahlen der Wicklungen auf allen drei Schenkeln und eine entsprechend doppelt so große Gesamtwicklungszahl der zweiten Speicherdrossel wie der ersten Speicherdrossel sind ebenfalls bei einer Ausführungsform der neuen Drosselvorrichtung bevorzugt, die hier auch als Variante B bezeichnet wird. Bei dieser Variante B ist der Kern zwischen seinen beiden äußeren Schenkeln durch einen seitlichen Luftspalt in zwei Teilkerne geteilt, wobei der seitliche Luftspalt durch den mittleren Schenkel verläuft und diesen quasi in eine zu der Wicklung auf dem einen äußeren Schenkel und eine andere zu der Wicklung auf dem anderen äußeren Schenkel gehörige Hälfte unterteilt. Auch insgesamt sind die beiden Teilkerne des Kerns der neuen Drosselvorrichtung in der Variante B vorzugsweise gleich. Sie können dabei jeweils als UI- oder UU-Kern aufgebaut sein.
  • In der Variante B ist es bevorzugt, wenn alle Schenkel des Kerns gleiche, das heißt Luftspalte von gleicher Breite aufweisen, um gleiche Induktivitäten der beiden Speicherdrosseln zu erreichen.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Die in der Beschreibung genannten Vorteile von Merkmalen und von Kombinationen mehrerer Merkmale sind lediglich beispielhaft und können alternativ oder kumulativ zur Wirkung kommen, ohne dass die Vorteile von erfindungsgemäßen Ausführungsformen zwingend erzielt werden müssen. Weitere Merkmale sind den Zeichnungen – insbesondere den dargestellten Geometrien und den relativen Abmessungen mehrerer Bauteile zueinander sowie deren relativer Anordnung und Wirkverbindung – zu entnehmen. Die Kombination von Merkmalen unterschiedlicher Ausführungsformen der Erfindung oder von Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche ist ebenfalls abweichend von den gewählten Rückbeziehungen der Patentansprüche möglich und wird hiermit angeregt. Dies betrifft auch solche Merkmale, die in separaten Zeichnungen dargestellt sind oder bei deren Beschreibung genannt werden. Diese Merkmale können auch mit Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche kombiniert werden.
  • KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert und beschrieben.
  • 1 zeigt den Aufbau einer ersten Ausführungsform einer Drosselvorrichtung der erfindungsgemäßen elektrischen Schaltung, die hier als Variante A bezeichnet wird.
  • 2 zeigt ein magnetisches Ersatzschaltbild der Variante A der Drosselvorrichtung gemäß 1.
  • 3 zeigt eine zweite Ausführungsform der Drosselvorrichtung der erfindungsgemäßen elektrischen Schaltung, die hier als Variante B bezeichnet wird.
  • 4 zeigt ein magnetisches Ersatzschaltbild der Variante B der Drosselvorrichtung gemäß 3.
  • 5 zeigt ein vollständiges magnetisches Ersatzschaltbild der Variante B der Drosselvorrichtung gemäß 3.
  • 6 zeigt ein magnetisches Ersatzschaltbild der Variante B der Drosselvorrichtung gemäß 3 bei Annahme einer Entkopplung zwischen zwei Teilkernen des Kerns dieser Drosselvorrichtung.
  • 7 skizziert das Wicklungsfenster einer Speicherdrossel nach dem Stand der Technik mit einem zwei Teilkerne aufweisenden Kern, wobei die Teilkerne jeweils aus UU-Kernen ausgebildet sind.
  • 8 illustriert das Wicklungsfenster einer Drosselvorrichtung in der Variante B.
  • 9 ist eine Auftragung des normierten Kupfervolumens über dem Verhältnis zwischen der Breite des Wickelfensters gemäß 8 und der Breite des Kerns der neuen Drosselvorrichtung.
  • 10 ist eine Auftragung des normierten Kernvolumens für verschiedene Höhen des Wickelfensters und verschiedene Kerndicken bei konstantem Verhältnis der Breite und der Höhe des Wickelfensters von 20.
  • 11 ist eine Auftragung des normierten Kernvolumens für verschiedene Höhen des Wickelfensters und verschiedene Kerndicken bei konstantem Verhältnis der Breite und der Höhe des Wickelfensters von 30; und
  • 12 ist ein Schaltplan einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektrischen Schaltung mit zwei Speicherdrosseln, die durch die neue Drosselvorrichtung implementiert sein können.
  • FIGURENBESCHREIBUNG
  • 1 zeigt eine Drosselvorrichtung 1 mit einem Kern 2. Der Kern 2 weist einen mittleren Schenkel 3 und zwei äußere Schenkel 4 und 5 auf. Die Schenkel 3 bis 5 verlaufen parallel seitlich nebeneinander und sind an ihren beiden Enden durch Verbindungen 6 und 7 miteinander verbunden. Dabei ist der Aufbau des Kerns dreifach spiegelsymmetrisch mit einer ersten Spiegelsymmetrieebene, die parallel versetzt zur Zeichenebene verläuft, einer zweiten Spiegelsymmetrieebene, die senkrecht zur Zeichenebene horizontal verläuft, und einer dritten Spiegelsymmetrieebene, die senkrecht zur Zeichenebene vertikal verläuft. Der Kern 2 ist hier als EE-Kern ausgebildet, wobei ein Luftspalt 42 der Breite δ2 zwischen den beiden E-Elementen im Bereich des mittleren Schenkels 3 größer ist als Luftspalte 41 von im Wesentlichen gleicher Breite δ1 zwischen den beiden E-Elementen im Bereich der äußeren Schenkel 4 und 5. Auf dem mittleren Schenkel 3 ist eine Wicklung 8 einer ersten Speicherdrossel 11 mit einer Windungszahl N2 angeordnet. Auf den beiden äußeren Schenkeln 4 und 5 sind jeweils Wicklungen 9 und 10 mit gleichen Windungszahlen N1/2 angeordnet, die zusammen zu einer zweiten Speicherdrossel 12 gehören, wobei die Wicklungen 9 und 10 eine gleiche Wickelrichtung um einen Umfang des Kerns 2, das heißt um den Kern 2 ohne den mittleren Schenkel 3 aufweisen, und wobei die Wicklungen 9 und 10 als Reihenschaltung entlang des Umfangs des Kerns 2 miteinander verbunden sind. Entsprechend ruft eine Bestromung der Speicherdrossel 12 mit einem Strom I1 einen magnetischen Fluss ϕ1 durch den Umfang des Kerns 2, das heißt durch die äußeren Schenkel 4 und 5 und die Verbindungen 6 und 7, hervor, der den mittleren Schenkel 3 ausspart und so keinen Einfluss auf die Speicherdrossel 11 nimmt. Umgekehrt führt eine Bestromung der Speicherdrossel 11 mit einem Strom I2 dazu, dass in dem Kern 2 zwei magnetische Flüsse ϕ21 und ϕ22 hervorgerufen werden, die im Bereich des mittleren Schenkels 3 gleichsinnig zusammen fallen, aber in Bezug auf die Wicklungen 9 und 10 der Speicherdrossel 12 auf den äußeren Schenkeln 4 und 5 unterschiedliche Richtungen aufweisen und so keine Spannung über der Speicherdrossel 12 als Ganzes induzieren können.
  • Es ist auch möglich, die wechselseitige Induktion zwischen den Speicherdrosseln 11 und 12 dadurch zu vermeiden, dass die Wickelrichtung der Wicklungen 9 und 10 Speicherdrossel 12 auf den beiden äußeren Schenkeln 4 und 5 bezogen auf den Umfang des Kerns 2 gegensinnig gewählt wird, und die Wicklungen 9 und 10 so miteinander verbunden werden, dass bei Bestromung der Speicherdrossel 12 mit einem Strom I1 die Stromflussrichtungen durch die Wicklungen 9 und 10 bezogen auf den Umfang des Kerns 2 gegensinnig verlaufen und dadurch die in 1 gezeigte Konfiguration des magnetischen Flusses ϕ1 erzeugt wird. Durch den gleichzeitigen Gegensinn der Wickelrichtungen und der Stromflussrichtungen bei der Bestromung der Wicklungen 9 und 10 ergibt sich eine gleiche effektive Wickelrichtung der miteinander verbundenen Wicklungen 9 und 10.
  • In dem magnetischen Ersatzschaltbild gemäß 2 sind neben den Wicklungen die mit diesen in Reihe geschalteten magnetischen Reluktanzen Rm11, Rm2 und Rm12 aufgrund der Luftspalte 41 und 42 in den Schenkeln 4 und 5 bzw. 3 wiedergegeben.
  • 3 zeigt eine Ausführungsform der Drosselvorrichtung 1, bei der der Kern 2 längs der senkrecht zur Zeichenebene und vertikal verlaufenden Spiegelsymmetrieebene in zwei Teilkerne 14 und 15 geteilt ist, die jeweils als UU-Kerne ausgebildet sind. Zwischen den beiden Teilkernen 14 und 15 verläuft ein den mittleren Schenkel 3 halbierender seitlicher Luftspalt 16. Dieser seitliche Luftspalt hat eine Entkopplung der beiden Teilkerne 14 und 15 des Kerns 2 zur Folge. So resultieren aus der Bestromung der Speicherdrossel 12 mit dem Strom I1 hier zwei getrennte magnetische Flüsse ϕ11 und ϕ12 mit gleichem Drehsinn durch die beiden Teilkerne 14 und 15. Aufgrund ihres gleichen Drehsinns verlaufen die magnetischen Flüsse ϕ11 und ϕ12 durch die beiden Hälften des mittleren Schenkels 3 jedoch in entgegengesetzter Richtung und kompensieren sich so in der Wicklung 8 der Speicherdrossel 11. In Bezug auf die durch die Bestromung der Speicherdrossel 11 mit dem Strom I2 hervorgerufenen magnetischen Flüsse ϕ21 und ϕ22 entspricht die Ausführungsform der Drosselvorrichtung 1 gemäß 3 derjenigen gemäß 1.
  • Das Ersatzschaltbild der Drosselvorrichtung 1 gemäß 3, das in 4 gezeigt ist, berücksichtigt den zusätzlichen seitlichen Luftspalt 16 nur durch Aufteilung der beiden Reluktanzen Rm21 und Rm22 und deren Reihenschaltung mit den Reluktanzen Rm11 und Rm12.
  • Die Tabelle am Ende der Beschreibung stellt bevorzugte Ausführungsformen der beiden Varianten A und B der neuen Drosselvorrichtung zusammen, die im folgenden näher erläutert werden.
  • Variante A
  • In Variante A der neuen Drosselvorrichtung 1 gemäß 1 sind die beiden Wicklungen 9 und 10 der Speicherdrossel 12 so angeordnet, dass der resultierende magnetische Fluss im mittleren Schenkel 3 zu null wird. Dadurch wird keine Spannung in der anderen Speicherdrossel 11 mit der Wicklung 8 induziert. Entsprechend wird auch keine Energie in dem Luftspalt 42 gespeichert. Der mittlere Schenkel 3 des Kerns 2 trägt in diesem Fall überhaupt nicht zur Energiespeicherung bei. Daher gilt für die Flussdichte:
    Figure 00100001
  • Hierbei wird der Strom I durch Reihenschaltung der beiden Wicklungen 9 und 10 der Speicherdrossel 12 mit der Gesamtwindungszahl N1 = 2·N1/2 betrachtet. Die beiden Luftspalte 41 summieren sich durch ihre Reihenschaltung zu einem Luftspalt der effektiven Breite 2δ1 auf.
  • Wenn hingegen die Speicherdrossel 11 mit der Wicklung 8 mit der Windungszahl N2 bestromt wird, wird die in der Speicherdrossel 12 induzierte Spannung zu null, da der magnetische Fluss in den äußeren Schenkeln durch beiden Wicklungen 9 und 10 unterschiedliche Vorzeichen hat. Der magnetische Fluss ist dabei jedoch nirgends null und so wird Energie auf alle Luftspalte verteilt gespeichert:
    Figure 00100002
  • Wenn die Flussdichten gleich sein sollen, kann man aus der obigen Gleichung das dazu einzustellende Verhältnis zwischen den Luftspalten bzw. den Windungszahlen berechnen.
  • Figure 00110001
  • Die Induktivität L jeder Speicherdrossel kann direkt aus den Gleichungen für die Flussdichte abgeleitet werden. Bei der Induktivität L1 der Speicherdrossel 12 mit den Wicklungen 9 und 10 ist zu beachten, dass nur die Hälfte der Querschnittsfläche des mittleren Schenkels 3 pro Wicklung aktiv ist. Im Folgenden sei AFe die Querschnittsfläche des mittleren Schenkels 3:
    Figure 00110002
  • Die Induktivität L2 der Speicherdrossel 11 mit der Wicklung 8 ist:
    Figure 00110003
  • Wenn L1 = L2 gelten soll, dann folgt aus (4) und (5):
    Figure 00110004
    und damit
  • Figure 00110005
  • Unter der Bedingung gleicher (maximaler) Flussdichte folgt aus (1) und (2) bzw. aus (3):
    Figure 00110006
  • So ergibt sich aus den Bedingungen gleicher Induktivität und gleicher Flussdichte:
    Figure 00120001
    bzw. δ1 = (δ1 + δ2) (10)
  • Dies gilt nur wenn δ2 = 0 ist.
  • Wird nur gleiche Induktivität gefordert, lässt sich aus (7) ableiten:
    Figure 00120002
  • Bei gleicher Windungszahl N1 = N2 ist dann δ2 = 3δ1 (12)
  • Betrachtet man nun das Verhältnis der Flussdichten
    Figure 00120003
    dann führt im Fall gemäß (12) die Bestromung der Speicherdrossel 12 zur doppelten Flussdichte wie die Bestromung der Speicherdrossel 11.
  • Wählt man jedoch δ2 = 0, dann folgt aus Gl. (11):
    Figure 00130001
    bzw. N1 = 2·N2 (15)
  • Die Energiespeicherung erfolgt nur in den beiden äußeren Luftspalten 41 und die maximale Flussdichte ist in beiden Fällen gleich groß.
  • Durch eine Dimensionierung der Speicherdrosseln 11 und 12 in einer Art, so dass sowohl der durch die Drosseln erzeugte Fluss als auch die Induktivität der beiden Speicherdrosseln gleich sind, wird erreicht, dass die Speicherdrosseln 11 und 12 sich elektrisch weitgehend identisch verhalten, wobei sie einen gemeinsamen Kern 2 verwenden und gleichzeitig voneinander entkoppelt sind und sich nicht gegenseitig beeinflussen.
  • Variante B
  • Das vollständige Ersatzschaltbild der Variante B der Drosselvorrichtung 1 gemäß 3 ist in 5 dargestellt. Die Reluktanzen Rm01 und Rm02 repräsentieren den seitlichen Luftspalt 16 zwischen den 4 U-Kernen. Wenn der Abstand zwischen den Teilkernen 14 und 15 des Kerns 2 sehr klein ist, wird die Reluktanz dieses Luftspalts 16 auch klein. Rm = l / μ·A (16)
  • Wenn der seitliche Luftspalt 16 jedoch nicht vernachlässigt, sondern mit einer gewissen Größe angenommen wird, dann kann man ihn als Entkopplung der beiden aus jeweils 2 U-Kernen aufgebauten Teilkerne 14 und 15 ansehen. Dies ist in 6 illustriert.
  • Im Vergleich mit der Variante A sind die magnetischen Flüsse durch den mittleren Schenkel 3 von beiden Teilkernen 14 und 15 des Kerns 2 (angenommen, dass nur die Speicherdrossel 12 aktiv ist) von einander getrennt. Als Folge kann Energie auch in dem Luftspalt 42 gespeichert werden. Die Flussdichte in jedem Teilkern 14 und 15 des Kerns 2 ist also:
    Figure 00140001
  • Wenn nur die Speicherdrossel 11 mit der Wicklung 8 aktiv ist, dann gilt für die Flussdichte:
    Figure 00140002
  • Wenn die Flussdichten gleich sein sollen, kann man direkt aus den obigen Gleichungen das Verhältnis der Breiten der Luftspalte 41, 42 berechnen:
    Figure 00140003
  • Hieraus ergibt sich:
    Figure 00140004
  • Die Induktivität jeder Wicklung 9 bzw. 10 der Speicherdrossel 12 kann direkt aus den Gleichungen für die Flussdichte abgeleitet werden. Für jede Hälfte ist auch wieder nur die Hälfte der Querschnittsfläche des mittleren Schenkels 3 aktiv.
  • Figure 00140005
  • Da die beiden Wicklungen 9 und 10 der Speicherdrossel 12 in Reihe geschaltet sind, ist die resultierende primäre Induktivität die Summe der Werte gemäß (21).
  • Figure 00140006
  • Die Induktivität der Speicherdrossel 11 mit der Wicklung 8 ist:
    Figure 00150001
  • Aus (22) ist zu schließen, dass
    Figure 00150002
    ist. Die Induktivitäten L1 und L2 sind somit gleich. Wegen der Trennung der beiden magnetischen Kreise ist die Energiespeicherung auch in den Luftspalten 42 des mittleren Schenkels 3 möglich, wenn die Speicherdrossel 12 aktiv ist. Somit ist es auch in dieser Variante möglich, die Speicherdrosseln 11 und 12 so zu dimensionieren, dass diese einen gemeinsamen Kern 2 verwenden und gleichzeitig weitgehend identische elektrische Eigenschaften aufweisen, ohne dass eine magnetische Kopplung zwischen den Speicherdrosseln 11 und 12 auftritt.
  • Betrachtungen zum Bauvolumen
  • Gegeben sei eine Speicherdrossel, die einen bestimmten Energieinhalt E bei einem maximalen Strom Imax speichern können soll, mit einer Sättigungsinduktion BSAT und einem vorgegebenen Eisenquerschnitt AFE.
  • Figure 00150003
  • Die zur Speicherung der Energie E notwendige Breite δ des Luftspalts und das Produkt N·Imax liegen damit fest.
  • Der Strom Imax erfordert bei einer maximalen Stromdichte Jmax und einem Füllfaktor kf ein Wickelfenster von
    Figure 00160001
  • Geht beispielhaft von einem Kernaufbau gemäß 7 aus, wobei die Höhe des Wickelfensters mit h sowie die Breite bzw. Tiefe eines Schenkels mit a bezeichnet sei, so ist der Magnetisierungsquerschnitt AFE gleich: AFe = 2a2 (27)
  • Wird das Wickelfenster durch eine Wicklung auf dem mittleren Schenkel optimal ausgefüllt, dann ist das Wicklungsvolumen:
    Figure 00160002
  • Für den Kern erhält ergibt sich das Mindestvolumen:
    Figure 00160003
  • Für zwei einzelne Speicherdrosseln ergeben sich somit ein Wicklungs- und Kernvolumen als Referenzen zu:
    Figure 00160004
  • Das Brutto-Bauvolumen beträgt dann:
    Figure 00160005
  • Bei der in 8 illustrierten Ausführung ist die Situation ähnlich der Referenzsituation in 7. Allerdings ist das zu 7 korrespondierende Wickelfenster wird quasi zweimal belegt, und zwar durch die Wicklungen 8 und 9 bzw. 10. Aufgrund der Beziehung
    Figure 00170001
    wird daher bevorzugt eine Verdoppelung der Höhe des Wickelfensters vorgenommen, was durch den Einsatz zusätzliche I-Kerne einfach auszuführen ist. Diese in 8 illustrierte Ausführung ist im Vergleicht mit der Erhöhung der Breite des Wickelfensters bevorzugt nicht nur wegen der einfacherer Aufbau sondern auch wegen der reduzierten AC und DC Wicklungsverluste (Wicklungen mit weniger Lagen und auch weniger Leitungsgesamtlänge).
  • Die Luftspaltanordnung ist gleich. Die gesamte Wicklung hat dann das Volumen:
    Figure 00170002
  • Das Verhältnis zwischen die beiden Wicklungsvolumina ist:
    Figure 00170003
  • Der Faktor Aw/h·a ist ein Verhältnis zwischen der Breite des Wickelfensters und der Breite des Kerns. Bei Ferrit U-Kernen sind Werte von Aw/h·a zwischen 1,2 bis über 3,5 gegeben. Über Werten von Aw/h·a bis 5 ist in 9 das auf den Referenzwert normierte Kupfervolumen aufgetragen. Danach ist für höhere Werte von Aw/h·a ab 2,5 eine Einsparung von ca. 10% an Kupfervolumen zu erwarten.
  • Das Kernvolumen der Variante B ist gleich dem Referenzwert plus die vier zusätzlichen I-Kerne:
    Figure 00180001
  • Daraus folgt für das Verhältnis der Volumina:
    Figure 00180002
  • In den 10 und 11 sind die Verhältnisse für Aw/h gleich 20 mm und 30 mm graphisch dargestellt. Hieraus wird deutlich, dass eine mögliche Einsparung an Kernvolumen mit der Vergrößerung des Wickelfensters und der Verkleinerung des Eisenquerschnitts des Kerns sinkt. Je höher das Verhältnis Aw/h, desto höher ist auch das Einsparungspotential.
  • Das Brutto-Bauvolumen der Variante B beträgt:
    Figure 00180003
  • 12 skizziert einen Wechselrichter 17 zur Einspeisung von elektrischer Energie von einem photovoltaischen Gleichstromgenerator 18 in ein Wechselstromnetz 19 als Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektrischen Schaltung. Dabei weist der Wechselrichter 17 zwei Halbbrücken 20 und 21 auf, die jeweils mit einem Tiefsetzsteller 22 bzw. 23 kombiniert sind. Die Halbbrücken 20 und 21 weisen jeweils Schalter 24 und 25 bzw. 26 und 27 auf, wobei den Schaltern 25 und 27 Freilaufdioden 28 und 29 parallel geschaltet sind. Diese Freilaufdioden 28 und 29 dienen als Dioden der Tiefsetzsteller 22 und 23. Die Schalter 24 und 26 sind die im Betrieb der Tiefsetzsteller 22 und 23 getakteten Schalter. Weiter umfassen die Tiefsetzsteller 22 und 23 Induktivitäten 30 und 31. Zusätzliche Schalter 32 und 33 dienen dem Stromrückfluss unter Umgehung des jeweils anderen Tiefsetzstellers 23 bzw. 22. Die Schalter 25 und 27 sind für einen normalen Halbbrückenbetrieb ohne Tiefsetzung der Spannung bei offenen Schaltern 32 und 33 vorgesehen. Bei diesem Wechselrichter 17 werden Speicherdrosseln, die die Induktivitäten 30 und 31 bereitstellen, wechselweise benutzt, das heißt nicht gleichzeitig. Um bei diesen Induktivitäten Bauraum und Masse zu sparen, wird zu ihrer Verwirklichung eine neue Drosselvorrichtung mit zwei Speicherdrosseln eingesetzt.
  • Figure 00200001
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Drosselvorrichtung
    2
    Kern
    3
    mittlerer Schenkel
    4
    äußerer Schenkel
    5
    äußerer Schenkel
    6
    Verbindung
    7
    Verbindung
    8
    Wicklung
    9
    Wicklung
    10
    Wicklung
    11
    Speicherdrossel
    12
    Speicherdrossel
    14
    Teilkern
    15
    Teilkern
    16
    seitlicher Luftspalt
    17
    Wechselrichter
    18
    Gleichstromgenerator
    19
    Wechselstromnetz
    20
    Halbbrücke
    21
    Halbbrücke
    22
    Tiefsetzsteller
    23
    Tiefsetzsteller
    24
    Schalter
    25
    Schalter
    26
    Schalter
    27
    Schalter
    28
    Diode
    29
    Diode
    30
    Induktivität
    31
    Induktivität
    32
    Schalter
    33
    Schalter
    41
    Luftspalt
    42
    Luftspalt
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 10042283 A1 [0004]
    • US 5600293 A [0005, 0005]

Claims (13)

  1. Elektrische Schaltung mit einer zwei im zeitversetzten Modus betriebene Wandler aufweisenden Wandlerstufe, wobei die beiden Wandler jeweils eine Speicherdrossel (11, 12) zur Bereitstellung einer Induktivität (30, 31) umfassen, wobei die beiden Speicherdrosseln (11, 12) Teil einer Drosselvorrichtung (1) mit mehreren Wicklungen (8–10) sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungen der Drosselvorrichtung (1) auf einem gemeinsamen Kern (2) angeordnet sind, wobei der Kern (2) drei nebeneinander verlaufende bewickelte Schenkel (3–5) aufweist, die an ihren beiden Enden miteinander verbunden sind, wobei die Speicherdrossel (11) des einen Wandlers die Wicklung (8) auf dem mittleren Schenkel (3) umfasst, wobei die Speicherdrossel (12) des anderen Wandlers die Wicklungen (9 und 10) auf den beiden äußeren Schenkeln (4 und 5) umfasst, wobei die beiden Wicklungen (9 und 10) auf den beiden äußeren Schenkeln (4 und 5) gleiche Windungszahlen aufweisen und so miteinander verbunden sind, dass sie bei einer Bestromung der zweiten Speicherdrossel (12) einen magnetischen Fluss erzeugen, der bezogen auf den Umfang des Kerns (2) in gleicher Richtung orientiert ist.
  2. Elektrische Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mittlere Schenkel (3) eine doppelt so große Querschnittsfläche wie jeder der beiden äußeren Schenkel (4 und 5) aufweist.
  3. Elektrische Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern (2) ein EI-, EE- oder M-Kern ist.
  4. Elektrische Schaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass jede Wicklung (9, 10) auf den beiden äußeren Schenkeln (4 und 5) die halbe Windungszahl der Wicklung (8) auf dem mittleren Schenkel (3) aufweist.
  5. Elektrische Schaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden äußeren Schenkel (4 und 5) Luftspalte (41) von gleicher Breite (δ1) aufweisen und der mittlere Schenkel keinen Luftspalt aufweist.
  6. Elektrische Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass jede Wicklung (9, 10) auf den beiden äußeren Schenkeln (4 und 5) dieselbe Windungszahl wie die Wicklung (8) auf dem mittleren Schenkel (3) aufweist.
  7. Elektrische Schaltung nach Anspruch 2 oder Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein seitlicher Luftspalt (16) den Kern (2) zwischen seinen äußeren Schenkeln (4 und 5) in zwei Teilkerne (14 und 15) teilt, wobei der seitliche Luftspalt (16) längs durch den mittleren Schenkel (3) verläuft.
  8. Elektrische Schaltung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der seitliche Luftspalt (16) den Kern (2) in zwei gleiche Teilkerne (14 und 15) teilt.
  9. Elektrische Schaltung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Teilkern (14, 15) ein UI- oder UU-Kern ist.
  10. Elektrische Schaltung nach Anspruch 7, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass alle Schenkel (3–5) Luftspalte (41 und 42) mit gleicher Breite (δ1 und δ2) aufweisen.
  11. Elektrische Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Speicherdrosseln (11 und 12) die Induktivitäten (30 und 31) von zwei Tiefsetzstellern (22 und 23) eines Wechselrichters (17) sind. die für einen wechselweisen Betrieb eingerichtet sind.
  12. Elektrische Schaltung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Tiefsetzstellern (22 und 23) wechselweise jeweils eine Halbwelle eines ausgegebenen Wechselstroms formen.
  13. Wechselrichter (17) zur Einspeisung von elektrischer Energie von einem photovoltaischen Gleichstromgenerator (18) in ein Wechselstromnetz (19) mit einer elektrischen Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
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