DE102011056667A1 - Electric circuit i.e. power factor controller circuit, for use in inverter to supply electrical power from photovoltaic direct current generator into alternating current network, has storage throttle energized to produce magnetic flux - Google Patents

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Prof. Dr. Zacharias Peter
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Abstract

The circuit has a throttling device (1) whose outer windings (8-10) are arranged on a common core (2) that comprises multiple middle and outer wound legs (3-5) running next to each other, where the legs are connected at two ends. Two storage throttles (11, 12) of a transducer are arranged with the windings on the legs. The outer windings include equal number of turns on the legs, and are connected with one another such that one of the storage throttles is energized to produce magnetic flux that is oriented relative to circumference of the core in same direction. The core is selected from EI-core, EE-core or M-core.

Description

TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNGTECHNICAL FIELD OF THE INVENTION

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.The invention relates to an electrical circuit having a two converter operated in time-shifted mode converter stage, wherein the two converters each comprise a storage choke to provide an inductance, wherein the two storage chokes are part of a throttle device having a plurality of windings, and to an inverter for feeding of electrical energy from a photovoltaic DC generator in an AC network with such an electrical circuit.

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.Under operated in time-shifted mode converters of a converter stage are those converters that are operated alternately, for example, each during a half-wave of an output alternating current or even with the frequency of a clock signal for switches of the converter alternately. Ie. the transducers are activated in rapid succession in very frequent repetition. Such transducers include u. a. so-called interleaving converter.

STAND DER TECHNIKSTATE OF THE ART

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.There are various electrical circuits in which two or more magnetic memories, referred to as storage chokes in this application, are provided for alternate use. These known electrical circuits include those of so-called Power Factor Controllers (PFC) for the network connection of electrical equipment and systems, those of inverters for feeding electrical energy and those of converter stages with operated in time-shifted mode converters. Each storage choke takes up a considerable amount of space and has a considerable mass. In particular, the magnetic circuit of each storage choke is always designed so that the storage of the maximum amount of energy required is possible. This sets the magnetic circuit fixed framework for the interpretation. In the conceivable use of the same magnetic circuit for two storage chokes, the problem arises that this results in a magnetic coupling which causes at least additional stress in the respective non-active circuit parts via the induction in the winding of the respective other storage choke. From the use of the same magnetic circuit for a plurality of storage chokes is therefore taken distance so far.

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.From the DE 100 42 283 A1 For example, a throttle device having a plurality of windings on a common core is known, wherein the core has three side by side wound legs, which are connected to each other at its two ends and wherein the two windings on the two outer legs have the same number of turns. In this case, the windings on the two outer limbs are connected to the winding on the middle limb in such a way that the windings on the outer limbs of the current fed by the energized winding on the middle limb increase magnetic flux through the core. In this case, the windings on the two outer legs opposite winding directions relative to the circumference of the core. The windings on all three legs are thus part of a single storage choke. The core of the known throttle device has two laterally without air gap juxtaposed partial cores, which in turn are each formed as a UU core, wherein the two U-elements in the two sub-cores are each opposite an air gap, the same gap width in the outer leg and the middle leg of the core.

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.From the US 5,600,293 A An electric circuit for a magnetic explosive device is known. This magnetic explosive device has two transformers whose windings are arranged on a common core. The core has three juxtaposed wound legs, which are interconnected at both ends. The windings of the first transformer are arranged on the middle leg, and the windings of the second transformer are respectively arranged on both outer legs, wherein both windings of the second transformer on both outer legs each have the same number of turns and are connected to one another at a Applying current generate a magnetic flux, which is oriented in the same direction relative to the circumference of the core. The primary windings of the two transformers also serve as inductors of DC / DC converters. The two transformers are never operated simultaneously. It is emphasized that an inductive interference between the two transformers is minimized by the construction of their windings. Preferably, the core of the transformer is a planar magnetic device and the windings are printed circuit traces. Alternate operation of the two transformers is in the US 5,600,293 A as well as an application of the two transformers in a different technical field than with a magnetic explosive device.

AUFGABE DER ERFINDUNG OBJECT OF THE INVENTION

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.The invention has for its object to provide an electrical circuit with two operated in time-shifted mode converters whose inductances are provided by a throttle device with a small space and small mass.

LÖSUNGSOLUTION

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.The object of the invention is achieved by an electrical circuit with the features of independent claim 1. Preferred embodiments of the new throttle device are defined in the dependent claims 2 to 12. Dependent claim 13 is directed to an inverter for feeding electrical energy into an AC mains with the new electrical circuit.

BESCHREIBUNG DER ERFINDUNGDESCRIPTION OF THE INVENTION

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.In the throttle device of the electrical circuit according to the invention, a first storage choke comprises only the winding on the middle leg, while a second storage choke comprises the windings on the two outer limbs. The two windings on the two outer legs, which have the same number of turns, are connected to one another in such a way that they have the same effective winding direction around the circumference of the core, ie. h., When energizing the second storage throttle produce a magnetic flux, which is oriented in relation to the circumference of the core in the same direction.

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.This construction has the consequence that a current supply of the respective one of the two storage chokes does not result in the induction of voltages across the respective other storage choke. When the first storage choke is energized, the magnetic flux caused by the central leg of the core for the return flow divides on the two outer legs. Thus, in the two windings belonging to the second storage choke, although voltages are induced on the outer limbs which, because of the same number of turns of these windings, are equally large, they are opposite because of the winding direction reversed in relation to the magnetic flux from the middle leg Signs have and therefore cancel. Conversely, energization of the second storage choke causes magnetic flux to be caused either only by the circumference of the core, that is to say by the outer limbs and by the connections of the ends of the limbs, and thus no magnetic flux passes through the middle limb. the changes of which could cause stresses across the winding on that leg, or equal large opposite magnetic fluxes caused by the central leg, canceling out their effects on the winding on the middle leg. Thus, the core of the new throttle device is used by both storage chokes without inducing voltages in the other storage choke. The double use of the core saves volume and mass.

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.In the electrical circuit according to the invention, the two storage inductors are alternately charged with a current. That is, while one storage choke is active, the other storage choke is inactive. The common use of the same core of the throttle device leads to no problems, since it is excluded by the arrangement and design of the windings on the individual legs of the core that alternating voltages are induced by the one storage inductor in the other, inactive storage inductor. At the same time, saturation of the core is avoided since the maximum magnetization through the two storage chokes occurs at different times.

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.Since the two storage throttles of the throttle device are associated with two transiently operated transducers of a converter stage, the change between the energization of the respective inductors with each change between the two converters, so for example between the two half-waves of an output by the converter stage alternating current. This can be in an inverter for feeding electrical power into an AC mains z. B. be achieved in that the two storage chokes of the new electrical circuit, the inductances of two alternately operated buck converters of the inverter and are operated according to an interleaving method, that are alternately energized with the half-waves of the output AC. Each buck converter in each case forms the half-waves of a sign or a direction of current flow. In principle, in the case of the throttle device of the electrical circuit according to the invention, it is conceivable that each of the outer legs has an equally large cross-sectional area as the middle leg of the core. With regard to the saving of space and mass, however, it is preferred if the middle leg has a cross-sectional area twice as large as each of the two outer legs, or in other words, the two outer legs together have the same cross-sectional area as the middle leg.

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 one embodiment of the throttle device of the electrical circuit according to the invention, which is also referred to here as variant A, the core is an EI, EE or M core; that is, it has a transverse undivided central leg.

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 an embodiment of variant A, each winding on the two outer legs has half the number of turns of the winding on the middle leg, or in other words, the total number of turns of the windings on the two outer legs is the same as the number of turns of the windings on the middle leg. In this case, an equal inductance is achieved under the further condition that an air gap in the middle leg is three times as large as an air gap in the outer legs.

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.In another embodiment of variant A, the two outer legs have air gaps of the same width, while the middle leg has no air gap. In this embodiment, a same inductance of the two inductors results, provided that each winding on the two outer legs has the same number of turns as the winding on the middle leg. The width of the air gaps is considered to be the same here, if their dimensions at most differ so little from each other that there are no differences that are critical for the purposes of the invention. In particular, production-related tolerances of the width of the air gaps do not eliminate their equality.

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.Same number of turns of the windings on all three legs and a corresponding double the total winding number of the second storage throttle as the first storage throttle are also preferred in one embodiment of the new throttle device, which is also referred to as variant B. In this variant B, the core is divided between its two outer legs by a lateral air gap in two sub-cores, wherein the lateral air gap passes through the middle leg and this quasi in one to the winding on the one outer leg and another to the winding on divided into the other outer leg belonging half. Also, overall, the two partial cores of the core of the new throttle device in variant B are preferably the same. They can each be constructed as a UI or UU core.

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.In variant B, it is preferred if all legs of the core have the same, that is to say air gaps of the same width, in order to achieve identical inductances of the two storage chokes.

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.Advantageous developments of the invention will become apparent from the claims, the description and the drawings. The advantages of features and of combinations of several features mentioned in the description are merely exemplary and can take effect alternatively or cumulatively, without the advantages of embodiments according to the invention necessarily having to be achieved. Further features are the drawings - in particular the illustrated geometries and the relative dimensions of several components to each other and their relative arrangement and operative connection - refer. The combination of features of different embodiments of the invention or of features of different claims is also possible deviating from the chosen relationships of the claims and is hereby stimulated. This also applies to those features which are shown in separate drawings or are mentioned in their description. These features can also be combined with features of different claims.

KURZBESCHREIBUNG DER FIGURENBRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert und beschrieben.In the following the invention with reference to preferred embodiments with reference to the accompanying drawings is explained and described in detail.

1 zeigt den Aufbau einer ersten Ausführungsform einer Drosselvorrichtung der erfindungsgemäßen elektrischen Schaltung, die hier als Variante A bezeichnet wird. 1 shows the structure of a first embodiment of a throttle device of the electrical circuit according to the invention, which is referred to here as variant A.

2 zeigt ein magnetisches Ersatzschaltbild der Variante A der Drosselvorrichtung gemäß 1. 2 shows a magnetic equivalent circuit diagram of the variant A of the throttle device according to 1 ,

3 zeigt eine zweite Ausführungsform der Drosselvorrichtung der erfindungsgemäßen elektrischen Schaltung, die hier als Variante B bezeichnet wird. 3 shows a second embodiment of the throttle device of the electrical circuit according to the invention, which is referred to here as variant B.

4 zeigt ein magnetisches Ersatzschaltbild der Variante B der Drosselvorrichtung gemäß 3. 4 shows a magnetic equivalent circuit diagram of the variant B of the throttle device according to 3 ,

5 zeigt ein vollständiges magnetisches Ersatzschaltbild der Variante B der Drosselvorrichtung gemäß 3. 5 shows a complete magnetic equivalent circuit diagram of the variant B of the throttle device according to 3 ,

6 zeigt ein magnetisches Ersatzschaltbild der Variante B der Drosselvorrichtung gemäß 3 bei Annahme einer Entkopplung zwischen zwei Teilkernen des Kerns dieser Drosselvorrichtung. 6 shows a magnetic equivalent circuit diagram of the variant B of the throttle device according to 3 assuming a decoupling between two sub-cores of the core of this throttle device.

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. 7 outlines the winding window of a memory choke according to the prior art with a core having two split cores, wherein the split cores are each formed of UU cores.

8 illustriert das Wicklungsfenster einer Drosselvorrichtung in der Variante B. 8th illustrates the winding window of a throttle device in variant 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. 9 is a plot of the normalized copper volume versus the ratio between the width of the winding window according to FIG 8th and the width of the core of the new throttle device.

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. 10 is a plot of the normalized core volume for different winding window heights and different core thicknesses with constant width and wrap window height of 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 11 is a plot of the normalized core volume for different winding window heights and different core thicknesses with constant width and wrap window height of 30; and

12 ist ein Schaltplan einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektrischen Schaltung mit zwei Speicherdrosseln, die durch die neue Drosselvorrichtung implementiert sein können. 12 FIG. 12 is a circuit diagram of one embodiment of the electrical circuit with two storage chokes according to the invention, which may be implemented by the new throttle device.

FIGURENBESCHREIBUNGDESCRIPTION OF THE FIGURES

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. 1 shows a throttle device 1 with a core 2 , The core 2 has a middle leg 3 and two outer thighs 4 and 5 on. The thigh 3 to 5 run parallel side by side and are at both ends by connections 6 and 7 connected with each other. The structure of the core is three times mirror-symmetrical with a first mirror symmetry plane parallel to the plane of the drawing, a second mirror symmetry plane perpendicular to the plane of the drawing, and a third mirror symmetry plane perpendicular to the plane of the drawing. The core 2 is here designed as EE core, with an air gap 42 the width δ2 between the two E elements in the region of the middle leg 3 is greater than air gaps 41 of substantially equal width δ1 between the two E-elements in the region of the outer legs 4 and 5 , On the middle thigh 3 is a winding 8th a first storage throttle 11 arranged with a number of turns N2. On the two outer thighs 4 and 5 are each windings 9 and 10 arranged with the same number of turns N1 / 2, which together to form a second storage choke 12 belong, with the windings 9 and 10 a same winding direction around a circumference of the core 2 that is, around the core 2 without the middle thigh 3 and wherein the windings 9 and 10 as a series connection along the circumference of the core 2 connected to each other. Accordingly, energization of the storage throttle calls 12 with a current I1, a magnetic flux φ1 through the circumference of the core 2 that is through the outer thighs 4 and 5 and the connections 6 and 7 , showing the middle leg 3 spares and so no influence on the storage throttle 11 takes. Conversely, an energization of the storage throttle leads 11 with a current I2 that is in the core 2 two magnetic fluxes φ21 and φ22 are created in the area of the middle leg 3 fall in the same direction, but in relation to the windings 9 and 10 the storage throttle 12 on the outer thighs 4 and 5 have different directions and so no voltage across the storage choke 12 can induce as a whole.

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.It is also possible the mutual induction between the storage chokes 11 and 12 thereby avoiding that the winding direction of the windings 9 and 10 Power inductor 12 on the two outer thighs 4 and 5 based on the circumference of the core 2 is chosen in opposite directions, and the windings 9 and 10 be connected together so that when energized the storage throttle 12 with a current I1 the current flow directions through the windings 9 and 10 based on the circumference of the core 2 run in opposite directions and thus the in 1 shown configuration of the magnetic flux φ1 is generated. Due to the simultaneous antisense of the winding directions and the current flow directions when energizing the windings 9 and 10 results in a same effective winding direction of the interconnected windings 9 and 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. In the magnetic equivalent circuit according to 2 besides the windings, the magnetic reluctances R m11 , R m2 and R m12 connected in series with them are due to the air gaps 41 and 42 in the thighs 4 and 5 respectively. 3 played.

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. 3 shows an embodiment of the throttle device 1 in which the core 2 along the plane perpendicular to the plane of the drawing and vertically extending mirror symmetry plane in two sub-nuclei 14 and 15 divided, which are each formed as UU cores. Between the two sub-nuclei 14 and 15 runs one the middle leg 3 halving lateral air gap 16 , This lateral air gap has a decoupling of the two partial cores 14 and 15 of the core 2 result. This results from the energization of the storage throttle 12 with the current I1 here two separate magnetic fluxes φ11 and φ12 with the same direction of rotation through the two partial cores 14 and 15 , Due to their identical direction of rotation, the magnetic fluxes φ11 and φ12 pass through the two halves of the middle leg 3 but in the opposite direction and compensate each other in the winding 8th the storage throttle 11 , In terms of by the energization of the storage choke 11 with the current I2 caused magnetic fluxes φ21 and φ22 corresponds to the embodiment of the throttle device 1 according to 3 according to those 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.The equivalent circuit of the throttle device 1 according to 3 , this in 4 shown, takes into account the additional lateral air gap 16 only by dividing the two reluctances R m21 and R m22 and their series connection with the reluctances R m11 and R m12 .

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.The table at the end of the description summarizes preferred embodiments of the two variants A and B of the new throttle device, which are explained in more detail below.

Variante Aoption 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
In variant A of the new throttle device 1 according to 1 are the two windings 9 and 10 the storage throttle 12 arranged so that the resulting magnetic flux in the middle leg 3 becomes zero. This will cause no voltage in the other storage choke 11 with the winding 8th induced. Accordingly, no energy in the air gap 42 saved. The middle leg 3 of the core 2 in this case does not contribute to energy storage at all. Therefore, for the flux density:
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.In this case, the current I by series connection of the two windings 9 and 10 the storage throttle 12 with the total number of turns N 1 = 2 · N 1/2 . The two air gaps 41 add up by their series connection to an air gap of the effective width 2δ 1 on.

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
If, however, the storage throttle 11 with the winding 8th is energized with the number of turns N 2 , which is in the storage throttle 12 induced voltage to zero, since the magnetic flux in the outer legs through both windings 9 and 10 has different signs. However, the magnetic flux is nowhere zero and so energy is stored distributed to all air gaps:
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.If the flux densities are to be the same, one can calculate from the above equation the ratio between the air gaps and the numbers of turns to be set.

Figure 00110001
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
The inductance L of each storage choke can be derived directly from the equations for the flux density. In the inductance L 1 of the storage throttle 12 with the windings 9 and 10 It should be noted that only half of the cross-sectional area of the middle leg 3 per winding is active. In the following, let A Fe be the cross-sectional area of the middle leg 3 :
Figure 00110002

Die Induktivität L2 der Speicherdrossel 11 mit der Wicklung 8 ist:

Figure 00110003
The inductance L 2 of the storage throttle 11 with the winding 8th is:
Figure 00110003

Wenn L1 = L2 gelten soll, dann folgt aus (4) und (5):

Figure 00110004
und damitIf L 1 = L 2 , then (4) and (5) follow:
Figure 00110004
and thus

Figure 00110005
Figure 00110005

Unter der Bedingung gleicher (maximaler) Flussdichte folgt aus (1) und (2) bzw. aus (3):

Figure 00110006
Under the condition of equal (maximum) flux density, it follows from (1) and (2) or from (3):
Figure 00110006

So ergibt sich aus den Bedingungen gleicher Induktivität und gleicher Flussdichte:

Figure 00120001
bzw. δ1 = (δ1 + δ2) (10) This results from the conditions of the same inductance and the same flux density:
Figure 00120001
respectively. δ 1 = (δ 1 + δ 2 ) (10)

Dies gilt nur wenn δ2 = 0 ist.This only applies if δ 2 = 0.

Wird nur gleiche Induktivität gefordert, lässt sich aus (7) ableiten:

Figure 00120002
If only the same inductance is required, it can be deduced from (7):
Figure 00120002

Bei gleicher Windungszahl N1 = N2 ist dann δ2 = 3δ1 (12) For the same number of turns N1 = N2 is then δ 2 = 3δ 1 (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.Now consider the ratio of the flux densities
Figure 00120003
then leads in the case according to (12), the energization of the storage throttle 12 to twice the flux density as the current supply of the storage choke 11 ,

Wählt man jedoch δ2 = 0, dann folgt aus Gl. (11):

Figure 00130001
bzw. N1 = 2·N2 (15) However, if one chooses δ 2 = 0, then Eq. (11):
Figure 00130001
respectively. N 1 = 2 · N 2 (15)

Die Energiespeicherung erfolgt nur in den beiden äußeren Luftspalten 41 und die maximale Flussdichte ist in beiden Fällen gleich groß.The energy storage takes place only in the two outer air gaps 41 and the maximum flux density is the same in both cases.

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.By dimensioning the storage chokes 11 and 12 in a manner such that both the flux produced by the chokes and the inductance of the two storage chokes are the same, it is achieved that the storage chokes 11 and 12 behave electrically largely identically, with a common core 2 use and at the same time are decoupled from each other and do not affect each other.

Variante BVariant 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) The complete equivalent circuit of variant B of the throttle device 1 according to 3 is in 5 shown. The reluctances R m01 and R m02 represent the lateral air gap 16 between the 4 U cores. If the distance between the sub-cores 14 and 15 of the core 2 is very small, the reluctance of this air gap 16 also small. R m = 1 / 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.If the lateral air gap 16 but not neglected, but assumed with a certain size, then it can be seen as a decoupling of the two built-up of each 2 U-cores sub-nuclei 14 and 15 look at. This is in 6 illustrated.

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
In comparison with variant A, the magnetic fluxes are through the middle leg 3 from both sub-nuclei 14 and 15 of the core 2 (assuming that only the storage choke 12 is active) separated from each other. As a result, energy can also be in the air gap 42 get saved. The flux density in each sub-core 14 and 15 of the core 2 is so:
Figure 00140001

Wenn nur die Speicherdrossel 11 mit der Wicklung 8 aktiv ist, dann gilt für die Flussdichte:

Figure 00140002
If only the storage throttle 11 with the winding 8th is active, then the following applies to the flux density:
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
If the flux densities are to be equal, one can directly derive from the equations above the ratio of the widths of the air gaps 41 . 42 to calculate:
Figure 00140003

Hieraus ergibt sich:

Figure 00140004
It follows:
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.The inductance of each winding 9 respectively. 10 the storage throttle 12 can be derived directly from the equations for the flux density. Again, for each half, only half of the cross-sectional area of the middle leg is again 3 active.

Figure 00140005
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).Because the two windings 9 and 10 the storage throttle 12 are connected in series, the resulting primary inductance is the sum of the values according to (21).

Figure 00140006
Figure 00140006

Die Induktivität der Speicherdrossel 11 mit der Wicklung 8 ist:

Figure 00150001
The inductance of the storage choke 11 with the winding 8th is:
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.From (22) it can be concluded that
Figure 00150002
is. The inductances L1 and L2 are thus the same. Because of the separation of the two magnetic circuits, the energy storage is also in the air gaps 42 of the middle thigh 3 possible if the storage choke 12 is active. Thus, it is also possible in this variant, the storage chokes 11 and 12 to be dimensioned so that these have a common core 2 use and at the same time have largely identical electrical properties, without a magnetic coupling between the storage chokes 11 and 12 occurs.

Betrachtungen zum BauvolumenConsiderations on the volume of construction

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.Given a storage choke, which is to be able to store a specific energy content E at a maximum current I max , with a saturation induction B SAT and a predetermined iron cross section A FE .

Figure 00150003
Figure 00150003

Die zur Speicherung der Energie E notwendige Breite δ des Luftspalts und das Produkt N·Imax liegen damit fest.The necessary for storing the energy E width δ of the air gap and the product N · I max are thus fixed.

Der Strom Imax erfordert bei einer maximalen Stromdichte Jmax und einem Füllfaktor kf ein Wickelfenster von

Figure 00160001
The current I max requires at a maximum current density J max and a filling factor k f a winding window of
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) Exemplary of a core structure according to 7 from, wherein the height of the winding window with h and the width or depth of a leg is denoted by a, the magnetization cross section A FE is equal to: A Fe = 2a 2 (27)

Wird das Wickelfenster durch eine Wicklung auf dem mittleren Schenkel optimal ausgefüllt, dann ist das Wicklungsvolumen:

Figure 00160002
If the winding window is optimally filled by a winding on the middle leg, then the winding volume is:
Figure 00160002

Für den Kern erhält ergibt sich das Mindestvolumen:

Figure 00160003
For the core receives the minimum volume:
Figure 00160003

Für zwei einzelne Speicherdrosseln ergeben sich somit ein Wicklungs- und Kernvolumen als Referenzen zu:

Figure 00160004
For two individual storage chokes, this results in a winding and core volume as references to:
Figure 00160004

Das Brutto-Bauvolumen beträgt dann:

Figure 00160005
The gross construction volume is then:
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).At the in 8th illustrated embodiment, the situation is similar to the reference situation in 7 , However, that is too 7 Corresponding winding window is occupied almost twice, through the windings 8th and 9 respectively. 10 , Because of the relationship
Figure 00170001
is therefore preferably made a doubling of the height of the winding window, which is easy to perform by using additional I-cores. This in 8th illustrated embodiment is preferred in comparison with the increase of the width of the winding window not only because of the simpler structure but also because of the reduced AC and DC winding losses (windings with fewer layers and also less total line length).

Die Luftspaltanordnung ist gleich. Die gesamte Wicklung hat dann das Volumen:

Figure 00170002
The air gap arrangement is the same. The entire winding then has the volume:
Figure 00170002

Das Verhältnis zwischen die beiden Wicklungsvolumina ist:

Figure 00170003
The ratio between the two winding volumes is:
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.The factor A w / h · a is a ratio between the width of the winding window and the width of the core. In the case of ferrite U cores, values of A w / h · a are between 1.2 and more than 3.5. Above values of A w / h · a to 5 is in 9 the copper volume normalized to the reference value is plotted. Thereafter, for higher values of A w / h · a from 2.5, a saving of approximately 10% of copper volume is to be expected.

Das Kernvolumen der Variante B ist gleich dem Referenzwert plus die vier zusätzlichen I-Kerne:

Figure 00180001
The core volume of variant B is equal to the reference value plus the four additional I-cores:
Figure 00180001

Daraus folgt für das Verhältnis der Volumina:

Figure 00180002
It follows for the ratio of the volumes:
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.In the 10 and 11 the ratios for A w / h are shown graphically equal to 20 mm and 30 mm. From this it becomes clear that a possible saving in core volume decreases with the enlargement of the winding window and the reduction of the iron cross section of the core. The higher the ratio A w / h, the higher the saving potential.

Das Brutto-Bauvolumen der Variante B beträgt:

Figure 00180003
The gross construction volume of variant B is:
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. 12 outlines an inverter 17 for feeding electrical energy from a photovoltaic DC generator 18 in an AC network 19 as an embodiment of the electrical circuit according to the invention. In this case, the inverter points 17 two half-bridges 20 and 21 on, each with a buck converter 22 respectively. 23 combined. The half bridges 20 and 21 each have switches 24 and 25 respectively. 26 and 27 on, taking the switches 25 and 27 Freewheeling diodes 28 and 29 are connected in parallel. These freewheeling diodes 28 and 29 serve as diodes of the buck converter 22 and 23 , The switches 24 and 26 are the operation of the buck converters 22 and 23 clocked switch. Next include the buck converters 22 and 23 inductors 30 and 31 , Additional switches 32 and 33 serve the current return, bypassing the other buck converter 23 respectively. 22 , The switches 25 and 27 are for a normal half-bridge operation without lowering the voltage at open switches 32 and 33 intended. In this inverter 17 are storage chokes, which are the inductors 30 and 31 provide, used alternately, that is not at the same time. In order to save space and mass in these inductors, a new throttle device with two storage chokes is used to their realization.

Figure 00200001
Figure 00200001

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Drosselvorrichtungthrottling device
22
Kerncore
33
mittlerer Schenkelmiddle thigh
44
äußerer Schenkelouter thigh
55
äußerer Schenkelouter thigh
66
Verbindungconnection
77
Verbindungconnection
88th
Wicklungwinding
99
Wicklungwinding
1010
Wicklungwinding
1111
SpeicherdrosselPower inductor
1212
SpeicherdrosselPower inductor
1414
Teilkernpart core
1515
Teilkernpart core
1616
seitlicher Luftspaltlateral air gap
1717
Wechselrichterinverter
1818
GleichstromgeneratorDC generator
1919
WechselstromnetzAC power
2020
Halbbrückehalf bridge
2121
Halbbrückehalf bridge
2222
TiefsetzstellerBuck converter
2323
TiefsetzstellerBuck converter
2424
Schalterswitch
2525
Schalterswitch
2626
Schalterswitch
2727
Schalterswitch
2828
Diodediode
2929
Diodediode
3030
Induktivitätinductance
3131
Induktivitätinductance
32 32
Schalterswitch
3333
Schalterswitch
4141
Luftspaltair gap
4242
Luftspaltair gap

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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  • US 5600293 A [0005, 0005] US 5600293 A [0005, 0005]

Claims (13)

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 (810) 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 (35) 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.Electrical circuit comprising a converter stage having two transducers operated in time-shifted mode, the two transducers each having a storage throttle ( 11 . 12 ) for providing an inductance ( 30 . 31 ), the two storage chokes ( 11 . 12 ) Part of a throttle device ( 1 ) with several windings ( 8th - 10 ), characterized in that the windings of the throttle device ( 1 ) on a common core ( 2 ), the core ( 2 ) three side by side wound legs ( 3 - 5 ), which are connected to each other at its two ends, wherein the storage throttle ( 11 ) of a converter, the winding ( 8th ) on the middle leg ( 3 ), wherein the storage throttle ( 12 ) of the other converter the windings ( 9 and 10 ) on the two outer thighs ( 4 and 5 ), wherein the two windings ( 9 and 10 ) on the two outer thighs ( 4 and 5 ) have the same number of turns and are connected to one another in such a way that they are energized when the second storage choke (FIG. 12 ) generate a magnetic flux related to the circumference of the core ( 2 ) is oriented in the same direction. 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.Electrical circuit according to claim 1, characterized in that the middle leg ( 3 ) has a cross-sectional area twice as large as each of the two outer legs (FIG. 4 and 5 ) having. Elektrische Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern (2) ein EI-, EE- oder M-Kern ist.Electrical circuit according to claim 1 or 2, characterized in that the core ( 2 ) is an EI, EE or M nucleus. 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.Electrical circuit according to claim 3, characterized in that each winding ( 9 . 10 ) on the two outer thighs ( 4 and 5 ) half the number of turns of the winding ( 8th ) on the middle leg ( 3 ) having. 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.Electrical circuit according to claim 3, characterized in that the two outer legs ( 4 and 5 ) Air gaps ( 41 ) of equal width (δ1) and the middle leg has no air gap. 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.Electrical circuit according to one of Claims 1 to 3 and 5, characterized in that each winding ( 9 . 10 ) on the two outer thighs ( 4 and 5 ) the same number of turns as the winding ( 8th ) on the middle leg ( 3 ) having. 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.Electrical circuit according to claim 2 or claim 6, characterized in that a lateral air gap ( 16 ) the core ( 2 ) between its outer thighs ( 4 and 5 ) into two sub-nuclei ( 14 and 15 ), whereby the lateral air gap ( 16 ) longitudinally through the middle leg ( 3 ) runs. Elektrische Schaltung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der seitliche Luftspalt (16) den Kern (2) in zwei gleiche Teilkerne (14 und 15) teilt.Electrical circuit according to claim 7, characterized in that the lateral air gap ( 16 ) the core ( 2 ) into two equal sub-nuclei ( 14 and 15 ) Splits. Elektrische Schaltung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Teilkern (14, 15) ein UI- oder UU-Kern ist.Electrical circuit according to claim 7 or 8, characterized in that each sub-core ( 14 . 15 ) is a UI or UU core. Elektrische Schaltung nach Anspruch 7, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass alle Schenkel (35) Luftspalte (41 und 42) mit gleicher Breite (δ1 und δ2) aufweisen.Electrical circuit according to claim 7, 8 or 9, characterized in that all limbs ( 3 - 5 ) Air gaps ( 41 and 42 ) with the same width (δ1 and δ2). 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.Electrical circuit according to one of the preceding claims, characterized in that the two storage chokes ( 11 and 12 ) the inductances ( 30 and 31 ) of two buck converters ( 22 and 23 ) of an inverter ( 17 ) are. which are set up for alternate operation. Elektrische Schaltung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Tiefsetzstellern (22 und 23) wechselweise jeweils eine Halbwelle eines ausgegebenen Wechselstroms formen.Electrical circuit according to claim 11, characterized in that the two buck converters ( 22 and 23 ) alternately form a half-wave of an output alternating current. 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.Inverter ( 17 ) for the supply of electrical energy from a photovoltaic DC generator ( 18 ) into an AC network ( 19 ) with an electrical circuit according to one of the preceding claims.
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