DE102013202712A1 - Multi-phase transformer for use as power converter e.g. direct current (DC)-DC converter in motor vehicle electrical system, has coupling elements that are provided for coupling phases with each other - Google Patents

Multi-phase transformer for use as power converter e.g. direct current (DC)-DC converter in motor vehicle electrical system, has coupling elements that are provided for coupling phases with each other

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DE102013202712A1
DE102013202712A1 DE201310202712 DE102013202712A DE102013202712A1 DE 102013202712 A1 DE102013202712 A1 DE 102013202712A1 DE 201310202712 DE201310202712 DE 201310202712 DE 102013202712 A DE102013202712 A DE 102013202712A DE 102013202712 A1 DE102013202712 A1 DE 102013202712A1
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Robert Bosch GmbH
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Abstract

The transformer comprises multiple electrical phases that are controlled in each case by multiple switching elements. Multiple coupling elements (100,102,104,106) are provided for coupling the phases with each other. Each phase is comprised of multiple windings (110,112,114,116). Each coupling element has a magnetic flux leakage interference element for influencing the magnetic flux leakage either on one side or from two sides of the coupling elements. A gap is provided between the magnetic flux leakage interference element and the coupling element.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Multiphasenwandler The invention relates to a multi-phase converter
  • Stand der Technik State of the art
  • Ein Leistungswandler, der auch als Gleichspannungswandler oder DC/DC-Wandler bezeichnet werden kann, ist dazu ausgebildet, eine Gleichspannung am Eingang in eine Gleichspannung mit anderem Spannungsniveau umzuwandeln. A power converter, which can also be referred to as a DC-DC converter or DC / DC converter is configured to convert a DC voltage at the input to a DC voltage with a different voltage level. Ein derartiger Leistungswandler kann auch als Multiphasenwandler mit verkoppelten Induktivitäten ausgebildet sein. Such a power converter can be designed as a multi-phase converters with coupled inductors. Verkoppelte Multiphasenwandler umfassen mehrere Phasen, wobei jede Phase durch einen stromdurchflossenen Leiter geführt ist, die durch magnetische Kopplungsmittel miteinander verkoppelt sind. Coupled multi-phase converters comprise a plurality of phases, each phase being passed through a current-carrying conductor, which are coupled to each other by magnetic coupling means. Eine durch jede Phase erzeugte Stromwelligkeit durch die magnetische Kopplung kann jedoch den Betrieb des Multiphasenwandlers beeinträchtigen, weshalb Abschnitte der einzelnen Leiter zueinander geeignet anzuordnen sind, um bspw. Nachteile einer elektromagnetischen Verträglichkeit zu vermeiden. However, a ripple current generated by each phase by the magnetic coupling can affect the operation of the multi-phase converter, and therefore portions of the individual conductors are each adapted to be arranged in order to avoid for example. disadvantages of electromagnetic compatibility.
  • Die Druckschrift The publication WO 2012/028558 A1 WO 2012/028558 A1 beschreibt einen Multiphasenwandler, bei dem durch die magnetisch gegensinnige Kopplung einer Phase von zumindest sechs Phasen mit zumindest drei weiteren Phasen eine störende gegenseitige Beeinflussung der Phasen minimiert und ein großer Teil des magnetischen Flusses kompensiert wird. describes a multi-phase converter in which minimizes the magnetic coupling in opposite directions a phase of at least six phases with at least three other phases a disturbing mutual influencing of the phases and a large part of the magnetic flux is compensated. Die zu verkoppelnden Phasen werden dabei so ausgewählt, dass eine optimale Kompensation erreicht werden kann. The phases are to be coupled thereby selected so that optimum compensation can be achieved. Dies erfolgt durch ein gegenläufiges Stromprofil der Phasen. This is carried out by an opposing current profile of the phases. Ziel ist es hierbei, dass die Phasen magnetisch so gekoppelt werden, dass das resultierende Magnetfeld aufgrund der verkoppelten Phasen minimiert wird. The goal here is that the phases are magnetically coupled so that the resulting magnetic field due to the coupled phases is minimized. Dabei wird ein Ferritkern zur Kopplung der magnetischen Flüsse verwendet, um von der hohen Permeabilität des Materials zu profitieren. In this case, a ferrite core is used for coupling of the magnetic fluxes in order to benefit from the high permeability of the material. Bei der hier vorgeschlagenen Kopplung können die Phasen der Reihe nach und voneinander unabhängig angesteuert werden. In the proposed herein coupling the phases of the row can be driven independently of each other and after.
  • Aus der Druckschrift From document DE 10 2010 040 202 A1 DE 10 2010 040 202 A1 ist ein Multiphasenwandler mit mehreren Phasen bekannt, die jeweils durch ein Schaltmittel ansteuerbar sind. discloses a multi-phase converter with several stages, which are controllable in each case by a switching means. Dabei ist das Kopplungsmittel vorgesehen, zumindest eine der Phasen mit zumindest drei weiteren Phasen magnetisch zu koppeln. In this case the coupling means is provided to couple magnetically at least one of the phases with at least three other phases.
  • Die Druckschrift The publication DE 10 2010 040 222 A1 DE 10 2010 040 222 A1 beschreibt einen Multiphasenwandler für mehrere elektrische Phasen, die jeweils durch Schaltmittel ansteuerbar sind. describes a multi-phase converter for a plurality of electrical phases, which can each be controlled by switching means. Dabei sind Kopplungsmittel vorgesehen, die zumindest eine erste Phase mit zumindest einer zweiten Phase magnetisch koppeln, wobei mindestens zwei Phasen räumlich in einer Ebene verlaufen. In this case, coupling means are provided, which connect at least a first phase with at least one second phase magnetically, wherein at least two phases extend spatially in one plane.
  • Ein ähnliche Multiphasenwandler ist in der Druckschrift A similar multi-phase converter is in the publication DE 10 2010 040 205 A1 DE 10 2010 040 205 A1 beschrieben. described. Bei diesem sind mindestens zwei Kopplungsmittel vorgesehen, wobei zumindest eines der beiden Kopplungsmittel eine geringere Induktivität als das andere Kopplungsmittel aufweist. With this at least two coupling means are provided, wherein at least one of the two coupling means has a lower inductance than the other coupling means.
  • Es sind somit verschiedene Konzepte mit verkoppelten Induktivitäten bekannt, die jedoch, zumindest zum Teil, verschiedene Nachteile haben, von denen nachfolgend exemplarisch einige genannt sind. Thus, there are different concepts with coupled inductors known, but, at least, have various disadvantages in part, are below of which examples mentioned some. So führt eine zu hohe Verkopplung zu EMV Probleme. So too high a coupling to EMC causes problems. Ein zu komplexer Aufbau bedingt hohe Fertigungskosten. Too complex structure due to high production costs. Liegen der Phasenanfang und das Phasenende räumlich getrennt vor, so führt dies zu EMV- und Wirkungsgradnachteilen durch Leiterschleifen. the phase beginning and the end are spatially separated phase before, so this leads to EMC and efficiency disadvantages by conductor loops. Weiterhin verursachen hohe Kernverluste im Leerlauf einen schlechten Wirkungsgrad bei Minderlast. Continue to cause high core losses in the idle poor efficiency at reduced load. Ein zu flächiger Aufbau benötigt einen zu großen Bauraum. Too flat design requires too much space. Zudem verursacht ein hoher Volumenbedarf an Weichmagnetmaterial hohe Kosten. In addition, a high volume demand for soft magnetic material is costly.
  • Zu beachten ist, dass es in der Leistungselektronik DC/DC-Wandlertopologien gibt, in denen ein Streufluss explizit für die Funktion benötigt wird. It should be noted that there are in power electronics DC / DC converter topologies where leakage flux is explicitly required for the function. Dazu zählen ua Wandler mit gekoppelten Induktivitäten. These include converters with coupled inductors. In speziellen Streufeldtransformatoren, wie bspw. Klingeltrafos, Schweisstrafos, Vorschalttrafos usw., wird der Streufluss zur Kurzschlussfestigkeit und damit zur Stromregulierung verwendet. In particular reactance transformers, such as. Doorbell transformers, welding transformers, etc. Vorschalttrafos, the leakage flux is used to short-circuit resistance and thus used for current regulation. Dieser zusätzliche Streufluss kann in geringem Umfang durch die Art und/oder Ausführung der Kupferwicklung in dem Ferritkern beeinflusst werden. This additional leakage flux can be influenced to a limited extent by the nature and / or execution of the copper coil in the ferrite core.
  • In den Fällen, in denen diese geringe, zusätzlich machbare Streuinduktivität nicht ausreicht, müssen zusätzliche Induktivitäten, bspw. mit Bauteilen, in den Strompfad eingestaltet werden. In cases where this low, in addition feasible leakage inductance is not sufficient need additional inductors, for example. With components are eingestaltet in the current path. Dies führt neben zusätzlichem Bauraum auch zu zusätzlichen Bauteilkosten und Verlustleistungen. besides additional space, this also leads to additional component costs and power losses.
  • Ein weiterer Multiphasenwandler ist beispielsweise aus der Another multi-phase converter, for example, from the WO 2009/114873 A1 WO 2009/114873 A1 bekannt. known. Der darin beschriebene DC/DC-Wandler umfasst eine Spule mit nicht linearem induktivem Widerstand, ein Schaltsystem und einen Ausgangsfilter. The therein described DC / DC converter comprises a coil having a non-linear inductive resistor, a switching system and an output filter. Dabei werden benachbarte Phasen miteinander gekoppelt. In this case, adjacent phases are coupled together.
  • Aus der From the EP 1 145 416 B1 EP 1145416 B1 ist bereits ein Umrichter für die Umformung von elektrischer Energie bekannt. a converter for the transformation of electrical energy is already known. So wird hier vorgeschlagen, dass die Drosselgröße durch die Verwendung von gekoppelten Induktivitäten reduziert werden kann. So it is suggested here that the choke size can be reduced through the use of coupled inductors. Hierbei sollen die gekoppelten Drosseln so dimensioniert werden, dass die Lastströme der Teilzweige sich gegenseitig kompensieren und zu keiner magnetischen Belastung der Drossel führen. Here, the coupled inductors are to be dimensioned so that the load currents of the sub-sectors compensate each other and lead to no magnetic stress on the throttle. Nur der Differenzstrom zwischen den einzelnen Teilzweigen führt dann zu einem magnetischen Feld. Only the differential current between the individual branches leads to a magnetic field.
  • Aus der From the US 2009/0179723 A1 US 2009/0179723 A1 ist bereits ein DC/DC-Wandler gekannt, bei dem über einen gezielt gewählten Abstand zweier magnetisch zu koppelnder Phasen die Streuinduktivität eingestellt werden kann. a DC / DC converter is already known, in which the leakage inductance can be adjusted over a specific distance between two magnetically selected to be coupled phases.
  • Offenbarung der Erfindung Disclosure of the Invention
  • Vor diesem Hintergrund werden ein Multiphasenwandler mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verkopplungskonzept vorgestellt. Against this background, a multi-phase converter with the features of claim 1 and a Verkopplungskonzept are presented. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und der Beschreibung. Further embodiments of the invention emerge from the dependent claims and the description.
  • Es wird somit ein Verkopplungskonzept vorgestellt, das hinsichtlich der Anforderungen für automotive Hochleistungswandler in Bezug auf Bauraum, Kosten und Wirkungsgrad optimiert ist. It is presented thus a Verkopplungskonzept that is optimized in terms of installation space, cost and efficiency in terms of requirements for automotive high-power converter.
  • Von Bedeutung ist, dass Phasen mit Kopplungsmitteln magnetisch gekoppelt werden, wobei jedes Kopplungsmittel jeweils mindestens zwei Phasen koppelt, wobei jede Phase jeweils mindestens zwei Windungen umfasst. Is that phases with coupling means are magnetically coupled, each coupling means couples each of at least two phases, wherein each phase comprises at least two turns, each of importance.
  • Der Multiphasenwandler kann derart ausgestaltet sein, dass durch das gezielte Einbringen eines magnetischen Streufluss die Kopplung der Phasen etwas verringert wird, wodurch eine Reduzierung der Verlustleistung und damit eine Steigerung des Wirkungsgrades erreicht werden kann. The multi-phase converter may be configured such that the coupling of the phases is somewhat reduced by the deliberate introduction of a magnetic leakage flux, thereby reducing the power loss and thus an increase in efficiency can be achieved. Dadurch konnten auch Störungen weiter reduziert werden. This also faults could be further reduced. Dies wird erreicht durch ein Mittel zur Beeinflussung eines magnetischen Streuflusses, das zwischen zumindest zwei der zu koppelnden Phasen angeordnet ist. This is achieved by a means for influencing a magnetic flux leakage that is disposed between at least two of the to be coupled phases. Diese Lösung kommt ohne zusätzlichen Bauraum aus und ist damit platzsparend. This solution does not require additional space, making it compact.
  • Zu beachten ist, dass der vorgestellte Multiphasenwandler für eine Anzahl an Phasen ausgebildet sein kann. It should be noted that the presented multi-phase converter may be designed for a number of phases. So können zwei, drei, vier, fünf, sechs oder mehr Phasen vorgesehen sein. For example, two, three, four, five, six or more phases may be provided. Jeder Phase sind dabei mindestens zwei Windungen zugeordnet. Each stage are assigned at least two turns.
  • Besonders zweckmäßig ist das Mittel zur Beeinflussung eines magnetischen Streuflusses Magnetfluss leitend mit dem Kopplungsmittel verbunden. Particularly useful, the means for influencing a magnetic flux leakage magnetic flux is conductively connected with the coupling agent. Damit könnte diese Funktionalität schon bei der Herstellung des Kopplungsmittels integriert werden, beispielsweise durch Pressen der Ferritkerne als Kopplungsmittel direkt im Herstellprozess. In order for this functionality could be integrated during production of the coupling means, for example by pressing the ferrite cores as a coupling agent directly in the manufacturing process.
  • In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Mittel zur Beeinflussung eines magnetischen Streuflusses mittig zwischen den zwei zu koppelnden Phasen angeordnet ist. In an expedient refinement, it is provided that the means for influencing a magnetic flux leakage is disposed centrally between the two to be coupled phases. Besonders zweckmäßig ist das Mittel zur Beeinflussung des Streuflusses rechteckförmig oder domförmig ausgebildet. Particularly useful, the means for influencing the leakage flux is rectangular or dome shaped. In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Mittel zur Beeinflussung des Streuflusses nur auf einer Seite mit dem Kopplungsmittel verbunden ist. In an expedient refinement, it is provided that the means for influencing the leakage flux is linked only on one side with the coupling agent. Diese Variante lässt sich besonders einfach fertigen, da das Mittel zur Beeinflussung des Streuflusses Teil des Kopplungsmittels ist und aus demselben Material besteht. This variant is particularly easy to manufacture, as the means for influencing the leakage flux is part of the coupling agent and consists of the same material.
  • In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist vorgesehen, dass zwischen dem Mittel zur Beeinflussung des Streuflusses und dem Kopplungsmittel ein Spalt, vorzugsweise ein Luftspalt, vorgesehen ist, bevorzugt in der Größenordnung von 1 mm, besonders bevorzugt zwischen 0,3 bis 0,5 mm. In an expedient refinement, it is provided that a gap between the means for influencing the leakage flux and the coupling agent, preferably, there is provided an air gap, preferably in the order of 1 mm, particularly preferably between 0.3 to 0.5 mm. Diese Größe vermeidet unerwünschte Sättigungseffekte über ein gewisses Toleranzband hinweg. This size prevents undesirable saturation effects of time on a certain tolerance band.
  • In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist vorgesehen, dass die zumindest eine Phase als Runddraht ausgeführt ist. In an expedient refinement, it is provided that the at least one phase is configured as a round wire. Dadurch erhöhen sich die Streuflüsse und die Störungen können weiter reduziert werden. Thus, the stray flux and the noise can be reduced further increase.
  • In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist vorgesehen, dass eine erste Phase im Wesentlichen einen ebenen, U-förmigen Verlauf aufweist, während eine zweite Phase einen im Wesentlichen rechteckförmigen, ebenen Verlauf aufweist. In an expedient refinement, it is provided that the first phase has a substantially flat, U-shaped course, during a second phase having a rectangular substantially planar development. Diese so ausgebildeten Phasen lassen sich von Kopplungsmitteln, vorzugsweise handelsübliche Ferritkerne, umschließen. These phases can be thus formed of coupling agents, preferably commercially available ferrite cores enclose. Dadurch wird in sehr einfacher Art und Weise unter Rückgriff eines matrizenförmigen Aufbaus die gewünschte Verkopplung der Phasen erreicht. This achieves the desired coupling of the phases in a very simple way by resorting a matrix-shaped structure.
  • Es können eine Anzahl von Phasen, bspw. zwei bis fünf, vorgesehen sein. It can have a number of phases, for example. Be two to five, is provided. Dabei koppeln die Kopplungsmittel jeweils eine Phase mit genau einer anderen Phase, mit zwei Phasen, mit drei oder mehr Phasen. The coupling means each coupling one phase with exactly one other phase, with two stages, with three or more phases. Zweckmäßig ist, wenn die einzelnen Phasen noch unabhängig voneinander gesteuert werden können. It is expedient if the individual phases can not be independently controlled. Jeder Phase sind dabei mindestens zwei Windungen zugeordnet. Each stage are assigned at least two turns.
  • In einer besonders zweckmäßigen Weiterbildung ist vorgesehen, dass genau sechs Phasen vorgesehen sind, wobei die Kopplungsmittel jede der sechs Phasen mit drei weiteren der sechs Phasen magnetisch koppeln. In a particularly advantageous further development, it is provided that six stages are provided exactly the coupling means, each of the six phases couple magnetically with another three of the six phases. Bei dieser Art der Verkopplung ist einerseits gewährleistet, dass die einzelnen Phasen noch unabhängig voneinander gesteuert werden können. With this type of coupling is the one hand ensures that the individual phases can be controlled even independently of each other. Außerdem lässt sich die Ausfallsicherheit des Multiphasenwandlers erhöhen aufgrund der stärkeren Vernetzung der Phasen. In addition, the reliability of the multiphase converter can be increased due to the increased networking of the phases.
  • In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Kopplungsmittel zumindest zwei Teile umfasst, wobei eines der Teile einen U-, O-, I- oder E-förmigen Querschnitt aufweist. In an expedient refinement, it is provided that the coupling means comprises at least two parts, wherein one of the parts having a U, O, I or E-shaped cross section. Durch diesen Aufbau lassen sich besonders einfach die zu koppelnden Phasen durch das Kopplungsmittel umgeben. By this construction to be coupled phases are particularly easy surrounded by the coupling agent. In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist vorgesehen, dass zwischen zwei Teilen ein Spalt, vorzugsweise ein Luftspalt vorgesehen ist. In an expedient refinement, it is provided that a gap between two parts, preferably an air gap is provided. Auf diese Art und Weise lässt sich besonders einfach die Induktivität beeinflussen. In this manner, the inductance is particularly easy to influence. In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist vorgesehen, dass mehrere, aus zumindest zwei Teilen bestehende Kopplungsmittel zumindest ein gemeinsames Teil aufweisen, vorzugsweise eine Metallplatte. In an expedient refinement, it is provided that a plurality of at least two parts existing coupling means comprise at least one common part, preferably a metal plate. Damit könnte sich die Montage erleichtern, da sämtliche Kopplungsmittel in nur einem Schritt durch das Aufsetzen der Platte geschlossen werden könnten. Thus, the assembly could ease because all coupling agent could be closed in a single step by placing the plate.
  • In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist vorgesehen, dass zumindest zwei, insbesondere drei Kopplungsmittel vorgesehen sind, um eine der Phasen mit zwei weiteren Phasen magnetisch zu koppeln, wobei zumindest eines der beiden Kopplungsmittel eine geringere Induktivität als das andere Kopplungsmittel, aufweist. In an expedient refinement, it is provided that two, in particular three coupling means are provided at least to couple one of the phases with two other phases magnetically, wherein at least one of the two coupling means has a lower inductance than the other coupling means. Durch gezielte Wahl der Induktivität des Kopplungsmittels können verschiedene Aspekte beeinflusst und optimiert werden. Through optimization of the inductance of the coupling agent, various aspects can be influenced and optimized. Zum einen beeinflusst die Induktivität die Verlustleistung und damit auch die Wärmeentwicklung in den Kopplungsmitteln. First, the inductance influences the power loss and hence the heat generation in the coupling means. Eine Reduzierung der Induktivität reduziert auch die Verlustleistung. A reduction in the inductance reduces the power dissipation. Außerdem kann eine geringere Induktivität als Sättigungsschutz dienen. Also, can serve as saturation protection lower inductance. Dadurch sättigen Kopplungsmittel mit geringerer Induktivität erst später bei höheren Strömen, so dass sich der Multiphasenwandler im Fehlerfall noch länger in einem stabilen Betriebszustand betrieben werden kann. This saturate coupling means lower inductance later at higher currents, so that the multi-phase converter in case of failure can be operated in a stable operating condition any longer. Andererseits reduziert eine hohe Induktivität den Stromripple, also die Welligkeit des Stroms. On the other hand, a high inductance reduces the current ripple, so the ripple current. Damit kann mit der Wahl der geeigneten Induktivität die Verlustverteilung, Sättigungsverhalten und Stromwelligkeit optimiert werden. Thus the loss distribution, saturation behavior and current ripple can be optimized by choosing the appropriate inductance.
  • In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Kopplungsmittel, das eine Phase mit einer Phase koppelt, die im Wesentlichen um etwa 180° phasenverschoben angesteuert ist, eine geringere Induktivität als zumindest eines der anderen Kopplungsmittel aufweist. In an expedient refinement, it is provided that the coupling means that couples a phase of a phase that is controlled substantially phase shifted by approximately 180 °, has a lower inductance than at least one of the other coupling means. Dadurch können diese in der Regel stärker belasteten Kopplungsmittel hinsichtlich der Verluste reduziert werden, so dass auch eine geringere Wärmeentwicklung erzielt wird. Thus, these heavily loaded usually coupling agents can be reduced in losses, so even a lower heat generation is achieved.
  • Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung den beigefügten Zeichnungen. Further advantages and embodiments of the invention will become apparent from the description of the accompanying drawings.
  • Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen. It is understood that the features mentioned above and useful features to be explained not only in the respectively specified combination but also in other combinations or even alone, without departing from the scope of the present invention.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen Brief Description of Drawings
  • 1 1 zeigt Kopplungselemente, die Phasen miteinander verkoppeln. shows coupling elements couple the phases together.
  • 2 2 zeigt ein Kopplungselement in einer Seitenansicht. shows a coupling member in a side view.
  • 3 3 zeigt das Verkopplungskonzept. shows the Verkopplungskonzept.
  • 4 4 zeigt weitere Kopplungselemente. shows further coupling elements.
  • 5 5 zeigt eine Schaltungsanordnung. shows a circuit arrangement.
  • 6 6 zeigt eine schematische Darstellung der jeweiligen Verkopplung der Phasen. shows a schematic representation of the respective coupling of the phases.
  • 7 7 zeigt eine Ansteuerung und Stromverläufe beim Ausführungsbeispiel gemäß shows a control and current waveforms in the embodiment of 5 5 . ,
  • 8 8th zeigt einen Schnitt durch ein Kopplungsmittel mit zwei verkoppelten Phasen. shows a section through a coupling agent having two coupled phases.
  • 9 9 zeigt einen Schnitt entlang der in shows a section along the in 4 4 angedeuteten Linie A bei einem matrixförmigen Aufbau mit neun Kopplungsmitteln in der Draufsicht. indicated line A in a matrix-shaped structure with nine coupling means in the top view.
  • 10 10 zeigt einen Schnitt durch ein Kopplungsmittel mit Mitteln zur Beeinflussung des Streuflusses mit zwei verkoppelten Phasen in einem alternativen Ausführungsbeispiel. shows a section through a coupling agent having means for influencing the leakage flux coupled with two phases in an alternative embodiment.
  • 11 11 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel eines Kopplungsmittels mit einem Luftspalt und Mitteln zur Beeinflussung des Streuflusses. shows an alternative embodiment of a coupling means with an air gap, and means for influencing the leakage flux.
  • 12 12 zeigt einen Schnitt durch ein Kopplungsmittel mit domförmigen Mitteln zur Beeinflussung des Streuflusses mit zwei verkoppelten Phasen in einem weiteren alternativen Ausführungsbeispiel. shows a section through a coupling agent having dome-shaped means for influencing the leakage flux coupled with two stages in a further alternative embodiment.
  • 13 13 zeigt einen Schnitt durch ein Kopplungsmittel mit rechteckförmigen Mitteln zur Beeinflussung des Streuflusses mit zwei verkoppelten Phasen in einem weiteren alternativen Ausführungsbeispiel. shows a section through a coupling agent having rectangular means for influencing the leakage flux coupled with two stages in a further alternative embodiment.
  • 14 14 zeigt einen Schnitt durch ein Kopplungsmittel mit rechteckförmigen Mitteln zur Beeinflussung des Streuflusses mit zwei verkoppelten Phasen in einem weiteren alternativen Ausführungsbeispiel, bei dem erste und zweite Phase immer abwechselnd angeordnet sind. shows a section through a coupling agent having rectangular means for influencing the leakage flux coupled with two stages in a further alternative embodiment, are arranged alternately in the first and second phases.
  • 15 15 zeigt einen Schnitt durch ein Kopplungsmittel mit Mitteln zur Beeinflussung des Streuflusses mit zwei als Runddrähte ausgeführten verkoppelten Phasen in einem weiteren alternativen Ausführungsbeispiel. shows a section through a coupling agent having means for influencing the leakage flux with two embodied as round wires coupled stages in a further alternative embodiment.
  • Ausführungsformen der Erfindung Embodiments of the invention
  • Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben. The invention is illustrated schematically in the drawings by means of embodiments and will be described below in detail with reference to the drawings.
  • Die Figuren zeigen den kompakten und flachen Aufbau des 4-phasigen Systems gekoppelter Induktivitäten mit einstellbarem Streufluss. The figures show the compact and flat construction of the 4-phase system of coupled inductors with adjustable leakage flux.
  • In diesem System sind pro Kopplungselement bzw. Kern jeweils zwei Phasen miteinander verkoppelt. In this system two phases are coupled to each other per coupling element or core. In den vier Kernen ist somit jede Phase mit ihrem (zeitlichen) Vorgänger und Nachfolger magnetisch verkoppelt. In the four cores each phase is thus coupled magnetically with their (temporal) predecessors and successors. Durch die Ausführung mit jeweils zwei Windungen pro Phase wird die magnetische Aussteuerung des Kernquerschnitts deutlich reduziert. By executing each having two turns per phase, the magnetic modulation of the core cross-section is significantly reduced. Dies führt wiederum zu deutlich kleineren Kernverlusten und damit zu einem geringeren Kühlaufwand. This in turn results in significantly smaller core loss and thus to a lower cooling requirements.
  • Aufgrund der Tatsache, dass in gekoppelten Systemen kein Luftspalt im Hauptflusspfad notwendig ist, können mit den zwei Windungen auch große Induktivitätswerte realisiert werden. Due to the fact that in coupled systems is no air gap in the main flow path is necessary, even large inductance can be realized with the two turns. Durch die gesteigerte Induktivität kann jeder Kern mit einem Luftspalt als Sättigungsschutz versehen werden. The increased inductance of each core may be provided as saturation protection with an air gap.
  • Gegenüber Ausführungen mit nur einer Windung verdoppelt sich der Strom, der als Unsymmetrie/Lastaufteilung zwischen den Phasen toleriert werden kann. Compared to designs with only one turn of the current which can be tolerated as an unbalanced / load distribution between the phases doubled. Die zusätzlichen Stege dienen dem Einbringen des erwünschten Streuflusses. The additional webs serve the introduction of the desired flux leakage. Dies kann in der Fertigung durch Schleifen des Luftspaltes erfolgen. This can be done in production by grinding the air gap. Der Aufbau ist einfach gestaltet, so daß Stanz- oder Biegeteile in die untere Kernhälfte eingelegt werden können und mit einer identischen zweiten Kernhälfe von oben geschlossen wird. The structure is simply designed so that punching or bent parts can be inserted in the lower core half, and is closed with an identical second Kernhälfe from above. Zusätzliche Wickeltechniken entfallen. Additional winding techniques omitted.
  • Wenn der zur Verfügung stehende Bauraum keine flächige Ausdehnung zulässt, kann die 2 × 2-Matrix auch zu einem schmalen und noch kompakteren Aufbau geklappt werden. If the available space does not allow for areal extent, the 2 × 2 matrix may also be folded into a narrow and even more compact construction.
  • Dadurch ergeben sich mehrere Vorteile für automotive Niederspannungswandler mit hohen Leistungen und Wirkungsgraden: This results in several advantages for automotive low-voltage transformers with high capacity and efficiency:
    • 1) Hoher Wirkungsgrad durch geringen Kupferwiderstand, 1) High efficiency due to low copper resistance,
    • 2) Geringe Ruheverluste und dadurch hoher Wirkungsgrad bei Minderlast, 2) Low induced losses and therefore high efficiency at reduced load,
    • 3) Hohe Dynamik durch Verkopplung, 3) High dynamics by coupling,
    • 4) Einfach anpassbarer Streufluss und dadurch optimierbares EMV-Verhalten an die Lastforderungen, 4) Easy customizable flux leakage and thereby optimizable level of performance to the load requirements,
    • 5) Kleine Leiterschleife, da jede Phase direkt dort aus dem Kern herausgeführt werden kann, wo sie auch rein geführt wird. 5) Small conductor loop, since each phase can be led out of the core, directly where it is also out pure. Dadurch kann sie direkt an der Schaltzelle mit einem Kondensator abgeschlossen werden, was für die EMV Vorteilhaft ist. Thus, it can be concluded directly from the control cell with a capacitor, which is advantageous for EMC.
  • 1 1 zeigt Kopplungsmittel shows coupling agent 100 100 , . 102 102 , . 104 104 und and 106 106 , die jeweils zwei Phasen miteinander koppeln, wobei jede Phase zwei Windungen umfasst. That couple two phases with each other, wherein each phase comprises two windings.
  • 2 2 zeigt das Kopplungsmittel shows the coupling agent 102 102 mit einer ersten Windung with a first turn 110 110 , einer zweiten Windung , A second coil 112 112 , einer dritten Windung , A third turn 114 114 und einer vierten Windung and a fourth coil 116 116 . , Die erste Windung The first winding 110 110 und die zweite Windung and the second winding 112 112 bilden eine ersten Phase, die dritte Windung forming a first phase, the third winding 114 114 und die vierte Windung and the fourth winding 116 116 bilden eine zweite Phase. form a second phase. Diese beiden Phasen werden in dem Kopplungsmittel These two phases are in the coupling means 104 104 miteinander magnetisch gekoppelt. magnetically coupled together.
  • Diese Verkopplung ist in This coupling is in 3 3 nochmals verdeutlicht. again illustrates. Wichtig ist, dass die Windungen der Phasen nebeneinander und übereinander angeordnet sein können. It is important that the windings of the phases can be arranged side by side and one above the other. Zu erkennen sind weiterhin Windungen Evident are still turns 120 120 und and 122 122 , die eine Phase bilden und Windungen Forming a phase and windings 130 130 und and 132 132 , die eine Phase bilden. Which form one phase.
  • 4 4 zeigt eine weitere Darstellung von Kopplungsmitteln is a further illustration of coupling agents 150 150 , . 152 152 , . 154 154 und and 156 156 , die jeweils zwei Phasen, die jeweils zwei Windungen umfassen, koppeln. , Which each couple two phases, which each comprise two turns.
  • Der Aufbau eines Multiphasenwandlers The structure of a multiphase converter 10 10 ist gemäß according to 5 5 schaltungstechnisch dargestellt. illustrated circuitry. Der hier beispielhaft beschriebene Multiphasenwandler The multi-phase converter example described here 10 10 besteht aus sechs Phasen consists of six phases 11 11 bis to 16 16 . , Jede der Phasen Each of the phases 11 11 bis to 16 16 lässt sich einzeln über entsprechende Schaltmittel can be individually via respective switching means 21 21 bis to 26 26 ansteuern, jeweils bestehend aus einem Highside-Schalter und einem Lowside-Schalter. drive, each consisting of a high-side switch and a low-side switch. Jeder Strom der Phasen Each stream of the phases 11 11 bis to 16 16 fließt aufgrund magnetischer Kopplung mit drei weiteren Phasen durch drei Induktivitäten Lxx, die die entsprechenden Kopplungsmittel flows due to magnetic coupling with a further three-phase by three inductors Lxx that the corresponding coupling means 31 31 bis to 39 39 bewirken. effect. Ein erstes Kopplungsmittel A first coupling means 31 31 koppelt die erste Phase couples the first phase 11 11 mit der zweiten Phase with the second phase 12 12 magnetisch, so dass sich für die erste Phase magnetically, so that for the first phase 11 11 eine Induktivität L12, für die zweite Phase an inductor L12 for the second phase 12 12 eine Induktivität L21 ergibt. an inductor L21 is obtained. Ein sechstes Kopplungsmittel A sixth coupling agent 36 36 koppelt die erste Phase couples the first phase 11 11 mit der sechsten Phase with the sixth phase 16 16 magnetisch, so dass sich für die erste Phase magnetically, so that for the first phase 11 11 eine Induktivität L16, für die sechste Phase an inductance L16, the sixth phase 16 16 eine Induktivität L61 ergibt. an inductor L61 is obtained. Ein siebtes Kopplungsmittel A seventh coupling agent 37 37 koppelt die erste Phase couples the first phase 11 11 mit der vierten Phase with the fourth phase, 14 14 magnetisch, so dass sich für die erste Phase magnetically, so that for the first phase 11 11 eine Induktivität L14, für die sechste Phase an inductance L14, the sixth phase 16 16 eine Induktivität L41 ergibt. an inductor L41 is obtained. Ein zweites Kopplungsmittel A second coupling means 32 32 koppelt die zweite Phase couples the second phase 12 12 mit der dritten Phase with the third phase, 13 13 magnetisch, so dass sich für die zweite Phase magnetically, so that for the second phase 12 12 eine Induktivität L23, für die dritte Phase an inductor L23 for the third phase 13 13 eine Induktivität L32 ergibt. an inductor L32 is obtained. Ein neuntes Kopplungsmittel A ninth coupling agent 39 39 koppelt die zweite Phase couples the second phase 12 12 mit der fünften Phase with the fifth phase 15 15 magnetisch, so dass sich für die zweite Phase magnetically, so that for the second phase 12 12 eine Induktivität L25, für die fünfte Phase an inductance L25, the fifth phase 15 15 eine Induktivität L52 ergibt. an inductor L52 is obtained. Ein drittes Kopplungsmittel A third coupling means 33 33 koppelt die dritte Phase couples the third phase 13 13 mit der vierten Phase with the fourth phase, 14 14 magnetisch, so dass sich für die dritte Phase magnetically, so that for the third phase 13 13 eine Induktivität L34, für die vierte Phase an inductor L34 for the fourth phase 14 14 eine Induktivität L43 ergibt. an inductor L43 is obtained. Ein achtes Kopplungsmittel An eighth coupling agent 38 38 koppelt die dritte Phase couples the third phase 13 13 mit der sechsten Phase with the sixth phase 16 16 magnetisch, so dass sich für die dritte Phase magnetically, so that for the third phase 13 13 eine Induktivität L36, für die sechste Phase an inductance L36, the sixth phase 16 16 eine Induktivität L63 ergibt. an inductor L63 is obtained. Ein viertes Kopplungsmittel A fourth coupling means 34 34 koppelt die vierte Phase couples the fourth phase 14 14 mit der fünften Phase with the fifth phase 15 15 magnetisch, so dass sich für die vierte Phase magnetically, so that for the fourth phase, 14 14 eine Induktivität L45, für die fünfte Phase an inductance L45, the fifth phase 15 15 eine Induktivität L54 ergibt. an inductor L54 is obtained. Ein fünftes Kopplungsmittel A fifth coupling means 35 35 koppelt die fünfte Phase couples the fifth phase 15 15 mit der sechsten Phase with the sixth phase 16 16 magnetisch, so dass sich für die fünfte Phase magnetically, so that for the fifth phase 15 15 eine Induktivität L56, für die sechste Phase an inductance L56, the sixth phase 16 16 eine Induktivität L65 ergibt. an inductor L65 is obtained.
  • Ein Eingangsstrom I E verteilt sich auf die sechs Phasen An input current I E is distributed among the six phases 11 11 bis to 16 16 . , Am Eingang ist ein Kondensator als Filtermittel gegen Masse geschaltet. At the entrance is a capacitor as a filter medium to ground. Die Ausgänge der Phasen The outputs of the stages 11 11 bis to 16 16 sind an einem gemeinsamen Summationspunkt zusammengeführt und mittels einem nicht näher bezeichneten Kondensator als Filtermittel gegen Masse geschaltet. are brought together to a common summation point and connected as a filter means to ground by means of an unspecified capacitor. An dem gemeinsamen ausgangsseitigen Summationspunkt liegt dann der Ausgangsstrom I A an. The output current I A is then present at the common output-side summation point. Die jeweils miteinander gekoppelten Induktivitäten Lxx sind mit unterschiedlichem Wicklungssinn zueinander orientiert wie durch die entsprechenden Punkte in The mutually coupled inductors each Lxx are oriented with different winding directions to each other as indicated by the corresponding points in 1 1 angedeutet. indicated.
  • Hierbei können für jede Phase mindestens zwei Windungen bzw. Wicklungen vorgesehen sein. In this case, may be provided for each phase at least two turns or windings.
  • In In 6 6 ist systematisch dargestellt, wie die sechs Phasen is shown systematically as the six phases 11 11 bis to 16 16 durch entsprechende Kopplungsmittel by appropriate coupling means 31 31 bis to 39 39 miteinander verkoppelt sind. are coupled together. Wie bereits in Verbindung mit As in connection with 1 1 beschrieben, werden sowohl benachbarte Phasen miteinander verkoppelt wie auch zusätzlich die um 180 Grad versetzte Phase. describes both adjacent phases are coupled to each other as well as the additional offset by 180 degrees phase. Als benachbarte Phase wird eine solche verstanden, die zeitlich unmittelbar vorausgehend oder nachfolgend angesteuert wird, das heißt deren Einschaltzeitpunkte zeitlich unmittelbar vorher oder nachher liegen. As adjacent phase, such is understood, which is driven in time immediately preceding or subsequently, that is the switch-on times are time immediately before or after. Im Ausführungsbeispiel wird die Bezeichnung der Phasen In the exemplary embodiment, the designation of the phases 11 11 bis to 16 16 so gewählt, dass die Phasen chosen so that the phases 11 11 bis to 16 16 entsprechend der Nummerierung nacheinander angesteuert werden, das heißt in der Reihenfolge (Angaben entsprechen den Bezugszeichen der Phasen): be controlled according to the numbering sequence, i.e., in the order (data correspond to the reference numerals of the phases): 11 11 - - 12 12 - - 13 13 - - 14 14 - - 15 15 - - 16 16 - - 11 11 usw., jeweils um 60 Grad bzw. um T/6 (360 Grad/Anzahl der Phasen) phasenverschoben, wobei T die Periodendauer eines Ansteuerzyklus darstellt. etc., each phase-shifted by 60 degrees or about T / 6 (360 degrees / number of phases), where T is the period duration of a drive. Diese Reihenfolge ist auch in This order is also in 2 2 und and 7 7 gezeigt. shown. Das heißt die Startzeitpunkte für die verschiedenen Phasen That is the start times for the various phases 11 11 bis to 16 16 sind um jeweils 60 Grad phasenverschoben bzw. um jeweils T/6 zeitlich verschoben. are phase-shifted by 60 degrees or shifted in time by each T /. 6 In In 7 7 wird zwar die jeweilige Phase nach der zeitlichen Dauer T/6 wieder ausgeschaltet (PWM-Verhältnis 1/6). Although the respective phase is switched off again after the temporal duration of T / 6 (PWM ratio 1/6). Je nach gewünschtem Spannungsverhältnis könnte die Abschaltung früher oder später, bis hin zu Dauer-Ein Te, erfolgen, je nach gewünschtem PWM-Signal (zwischen 0 % (Dauer-Aus, Te = 0) und 100 % (Dauer-Ein, Te = T), bezogen auf eine Periodendauer T). Depending on the desired voltage ratio shutdown could sooner or later, to continuous ON Te, carried out depending on the desired PWM signal ((between 0% Continuous off, Te = 0) and 100% (continuous ON, Te = T), based on a period T).
  • Das Diagramm gemäß The diagram according to 7 7 zeigt die zeitlichen Verläufe der Ansteuersignale shows the time profiles of the drive signals 52 52 für die jeweiligen Schaltmittel for the respective switching means 21 21 bis to 26 26 der entsprechenden Phasen of the respective phases 11 11 bis to 16 16 sowie die Stromverläufe in den Phasen and the current waveforms in the phases 11 11 bis to 16 16 . , Die Schaltmittel The switch means 21 21 bis to 26 26 bestromen die zugehörigen Phasen energizing the associated phases 11 11 bis to 16 16 nacheinander für jeweils ein Sechstel einer Periodendauer T, beispielsweise durch ein PWM-Signal, und sind anschließend im Freilauf. successively for each one sixth of a period duration T, for example, by a PWM signal, and then the free-running. Die hieraus resultierenden Stromverläufe der einzelnen Phasen The resulting current waveforms of each phase 11 11 bis to 16 16 sind darunter beispielhaft gezeigt. are below exemplified. Die Periodendauer T der Ansteuersignale The period T of the drive signals 52 52 liegt beispielsweise in der Größenordnung von 0,01 ms. is, for example in the order of 0.01 ms. Die Startzeitpunkte für die verschiedenen Phasen The start times for the various phases 11 11 bis to 16 16 sind um jeweils 60 Grad phasenverschoben bzw. zeitlich um T/6 versetzt. are phase-shifted by 60 degrees respectively in time by T / 6 was added. Der Startzeitpunkt der zweiten Phase The start time of the second phase 12 12 mit dem entsprechenden Ansteuersignal with the corresponding drive signal 52 52 des zweiten Schaltmittels the second switching means 22 22 liegt bei t = 0 und wird nach 1/6 T wieder (abhängig vom gewünschten PWM-Verhältnis) ausgeschaltet. is located at t = 0 and is switched off (depending on the desired PWM ratio) to 1/6 T again. Der Startzeitpunkt der zur zweiten Phase The start time of the second phase 12 12 benachbarten dritten Phase adjacent third phase 13 13 liegt bei T/6, der Startzeitpunkt der vierten Phase is T / 6, the start time of the fourth phase, 14 14 bei 2T/6 und so fort. at 2T / 6 and so forth. Zwar wird in Namely, in 7 7 die jeweilige Phase nach T/6 wieder ausgeschaltet (PWM-Verhältnis 1/6). the respective phase by T / 6 switched off again (PWM ratio 1/6). Je nach gewünschtem Spannungsverhältnis könnte die Abschaltung jedoch früher oder später, bis hin zu Dauer-Ein, erfolgen, je nach gewünschtem PWM-Signal (zwischen 0 % (Dauer-Aus) und 100 % (Dauer-Ein)). However, depending on the desired tension between the switch-off could, to a continuous take place sooner or later, depending on the desired PWM signal ((between 0% Continuous off) and 100% (continuous-A)). Das heißt, es könnten zu einem bestimmten Zeitpunkt auch mehrere Phasen That is, it could at some point several phases 11 11 bis to 16 16 gleichzeitig bestromt werden, wenn dies die gewünschten Spannungsverhältnisse erfordern. are energized simultaneously, especially where the desired voltage conditions. Die Startzeitpunkte sind jedoch zeitlich versetzt. The start times are offset in time.
  • 8 8th zeigt den Aufbau der Kopplungsmittel shows the structure of the coupling means 31 31 - 39 39 beispielhaft anhand dem ersten Kopplungsmittel by way of example with reference to the first coupling means 31 31 , das die erste Phase That the first phase 11 11 und der zweite Phase and second phase 12 12 magnetisch koppelt. magnetically coupled. Das erste Kopplungsmittel The first coupling means 31 31 besteht aus einem im Wesentlichen E-förmigen ersten Teil consists of a substantially E-shaped first part 44 44 und einem plattenförmigen zweiten Teil and a plate-shaped second part 43 43 , die die Spulenkerne bilden. Forming the coil cores. Die äußeren Schenkel des ersten Teils The outer legs of the first part 44 44 mit E-förmigem Querschnitt sind alle gleich lang, sodass sie durch das plattenförmige (I-förmiger Querschnitt) zweite Teil with E-shaped cross-section are all of equal length, so that they in part by the second plate-shaped (I-shaped cross section) 43 43 ohne Luftspalt geschlossen, beispielsweise durch Kleben, werden können. closed without an air gap, for example by gluing, can be. Zwischen dem mittleren Schenkel und dem äußeren Schenkel des E-förmigen Teils Between the center leg and the outer legs of the E-shaped part 44 44 des Kopplungsmittels the coupling agent 31 31 ist jeweils ein Mittel is in each case means 81 81 zur Beeinflussung des Streuflusses angeordnet. arranged for influencing the leakage flux. Dieses ist Teil des ersten Teils This is part of the first part 44 44 und ist ebenfalls rechteckförmig ausgebildet und in derselben Weise wie die äußeren Schenkel orientiert. and is also rectangular in shape and is oriented in the same manner as the outer legs. Allerdings ist das Mittel However, the means 81 81 zur Beeinflussung des Streuflusses etwas kürzer als die äußeren Schenkel, so dass sich ein Luftspalt for influencing the leakage flux somewhat shorter than the outer leg, so that an air gap 96 96 gegenüber dem zweiten Teil relative to the second part 43 43 im aufgesetzten Zustand bildet. forming, in the mounted state. Zwischen dem linken äußeren Schenkel des ersten Teils Between the left outer leg of the first part 44 44 und dem Mittel and the center 81 81 zur Beeinflussung des Streuflusses ist die zweite Phase for influencing the leakage flux is the second phase 12 12 , zwischen dem Mittel , Between the center 81 81 und dem mittleren Schenkel die erste Phase and the middle leg of the first phase 11 11 mit entgegen gesetztem Stromfluss angeordnet. disposed of opposite current flow. Zwischen der anderen Seite des mittleren Schenkels zu dem weiteren Mittel Between the other side of the center leg to the further means 81 81 zur Beeinflussung des Streuflusses befindet sich die erste Phase for influencing the leakage flux, the first phase is 11 11 . , Zwischen dem weiteren Mittel Between the further means 81 81 und dem rechten äußeren Schenkel des ersten Teils and the right outer leg of the first part 44 44 ist die zweite Phase is the second phase 12 12 mit entgegen gesetztem Stromfluss angeordnet. disposed of opposite current flow. Die äußeren Schenkel des ersten Teils The outer legs of the first part 44 44 weisen in der Draufsicht eine Fläche Al auf. point in the plan view of an area Al. Der mittlere Schenkel des ersten Teils The center leg of the first part 44 44 weist in der Draufsicht bevorzugt eine Fläche 2·A1 auf. has in plan view preferably has a surface 2 · A1. Die Schenkel der Mittel The legs of the means 81 81 zur Beeinflussung des Streuflusses for influencing the leakage flux 81 81 weisen eine Fläche A2 auf. have an area A2. Aus Gründen einer einfachen Fertigung werden die Kopplungsmittel For ease of manufacture, the coupling agents are 31 31 bis to 39 39 jeweils aus den zwei Teilen each of the two parts 43 43 , . 44 44 wie beschrieben aufgebaut. constructed as described. Die äußeren und der mittlere Schenkel sind mit dem zweiten Teil The outer and the center leg are connected to the second part 43 43 so verbunden, dass ein Magnetkreis geschlossen wird. connected such that a magnetic circuit is closed. Somit sind nur kleine Spalte, beispielsweise in der Größenordnung von ca. 10 µm, zugelassen. Thus, only small gaps, for example in the order of about 10 microns, admitted. Damit die Mittel So that funds 81 81 den gewünschten Streufluss aufbauen, ist im Ausführungsbeispiel der Luftspalt build the desired flux leakage, in the exemplary embodiment, the air gap 96 96 zwischen den Enden der Mittel und dem zweiten Teil between the ends of the center and the second part 43 43 im aufgesetzten Zustand in der Größenordnung von 1 mm, bevorzugt zwischen 0,3 und 0,5 mm gewählt. preferably selected between 0.3 and 0.5 mm in the mounted state in the order of 1 mm. Der Luftspalt The air gap 96 96 hängt auch von der Geometrie der Mittel also depends on the geometry of the means 81 81 zur Beeinflussung des Streuflusses ab, insbesondere von der Fläche A2. to influence of leakage flux, in particular on the surface A2. Bei einer Fläche A1 von ca. 100 mm 2 und einer Fläche A2 von ebenfalls 100 mm 2 hat sich der oben angegebene Bereich des Luftspalts In an area A1 of approximately 100 mm 2 and a surface area A2, also of 100 mm 2, the above range of the air gap has 96 96 bewährt. proven.
  • In In 9 9 ist nun schematisch der matrixförmige räumliche Aufbau des in is now schematically the matrix-like spatial structure of the in 6 6 gezeigten Konzepts abgebildet. Concept shown displayed. Wie bereits in Verbindung mit As in connection with 1 1 beschrieben wird jede Phase describes each phase 11 11 bis to 16 16 mit drei weiteren Phasen magnetisch gekoppelt. magnetically coupled with three other phases. Hierzu sind – beispielhaft für die erste Phase For this purpose - an example for the first phase 11 11 – drei separate Kopplungsmittel - Three separate coupling means 31 31 , . 36 36 , . 37 37 vorgesehen. intended. Das erste Kopplungsmittel The first coupling means 31 31 koppelt die erste Phase couples the first phase 11 11 magnetisch mit der zweiten Phase magnetically with the second phase 12 12 . , Das sechste Kopplungsmittel The sixth coupling agent 36 36 koppelt die erste Phase couples the first phase 11 11 mit der sechsten Phase with the sixth phase 16 16 . , Das siebte Kopplungsmittel The seventh coupling agent 37 37 koppelt die erste Phase couples the first phase 11 11 mit der vierten Phase with the fourth phase, 14 14 . , Das bevorzugte Kopplungsprinzip und Kopplungsmittel The preferred coupling principle and coupling agent 31 31 wurde bereits in Verbindung mit has been associated with 4 4 beschrieben. described. Die neun separaten Kopplungsmittel The nine separate coupling means 31 31 bis to 39 39 vorzugsweise als planare Spulenkerne, beispielsweise Ferritkerne, ausgebildet, die jeweils zwei Hohlräume aufweisen. preferably as a planar coil cores such as ferrite cores are formed, each having two cavities. In diesen Hohlräumen des Kopplungsmittels In these cavities of the coupling agent 31 31 bis to 39 39 sind jeweils zwei Leiter bzw. Phasenabschnitte – von Mitteln in each case two conductor or phase portions - by means 81 81 bis to 89 89 zur Beeinflussung des Streuflusses räumlich getrennt – zweier zu verkoppelnder Phasen umschlossen, die in diesen Abschnitten unterschiedliche Stromrichtungen aufweisen. spatially separated for influencing the leakage flux - two enclosed to verkoppelnder phases, which have different flow directions in these sections. Die Hohlräume nehmen die zu koppelnden zwei Phasen ( The cavities take to be coupled to two phases ( 11 11 , . 12 12 ) auf. ) on. Sie könnten jedoch auch mit einem nicht ferromagnetischem Material zumindest teilweise gefüllt sein. However, you might be filled with a non-ferromagnetic material at least partially.
  • In der Draufsicht nach In the plan view of 9 9 ist zu sehen, dass die Phasen It can be seen that the phases 11 11 bis to 16 16 nur zwei Formen aufweisen. have only two forms. Die erste, dritte und fünfte Phase The first, third and fifth phase 11 11 , . 13 13 , . 15 15 ist U-förmig ausgebildet. U-shaped. Die zweite, vierte und sechste Phase The second, fourth, and sixth phase 12 12 , . 14 14 , . 16 16 ist mäanderförmig ausgebildet. is meander-shaped. Im Ausführungsbeispiel könnten die Phasen als isolierte flexible Rundleiter ausgeführt sein, die innerhalb der Kopplungsmitteln In the embodiment, the phases could be implemented as insulated flexible circular conductors within the coupling means 31 31 bis to 39 39 in derselben Ebene angeordnet sind. are arranged in the same plane.
  • Exemplarisch weisen die Mittel As an example, the means 80 80 bis to 89 89 zur Beeinflussung des Streuflusses unterschiedliche Formen auf. for influencing the leakage flux different shapes. Die in In the 10 10 links gezeigte Ausführung weist zwei domförmige Strukturen auf, die zwischen den Phasen Embodiment shown on the left has two dome-shaped structures between the phases 11 11 , . 12 12 angeordnet sind. are arranged. Die domförmigen Strukturen The dome-shaped structures 80 80 ragen von beiden Seiten zwischen den Phasen protrude from both sides between the phases 11 11 und and 12 12 , ohne sich jedoch zu berühren. But without touching. Die Enden der Mittel The ends of the central 80 80 zur Beeinflussung des Streuflusses sind beabstandet voneinander angeordnet, so dass sich der magnetische Kreis zwar nicht schließt, der Streufluss jedoch hin zu den Enden gelenkt wird. for influencing the leakage flux are spaced from each other so that the magnetic circuit is not closed, the leakage flux is, however, directed toward the ends. Die domförmigen Strukturen sind Bestandteil des zweiten Teils The dome-shaped structures are part of the second part 44 44 . ,
  • Die rechte Struktur des Mittels The right-hand structure of the agent 80 80 zur Beeinflussung des Streuflusses gemäß for influencing the leakage flux according to 10 10 weist einen rechteckförmigen Querschnitt auf, ist zwischen den beiden Phasen has a rectangular cross-section, is between the two phases 11 11 , . 12 12 angeordnet und Bestandteil des zweiten Teils arranged and part of the second part 44 44 . , Das Ende des Mittels The end of the agent 80 80 zur Beeinflussung des Streuflusses ist in Richtung zum mittleren Schenkel des zweiten Teils for influencing the leakage flux is in the direction of the central leg of the second part 44 44 orientiert, ohne diesen jedoch zu berühren. oriented, but without touching it. Dadurch entsteht kein magnetischer Hauptfluss. This creates no magnetic main flux. Vielmehr wird der Streufluss gezielt durch das Mittel Rather, the flux leakage is deliberately by the means 80 80 geführt und kann über den Abstand bzw. Luftspalt zu dem mittleren Schenkel des zweiten Teils out and can over the distance or air gap to the center leg of the second part 44 44 gezielt beeinflusst werden. be influenced.
  • Durch das erste Kopplungsmittel Through the first coupling means 31 31 sind nun die erste Phase are now the first phase 11 11 und die zweite Phase and the second phase 12 12 miteinander magnetisch verkoppelt. magnetically coupled together. Durch die angedeutete antiparallele Stromführung wird erreicht, das resultierende Magnetfeld möglichst gering zu halten, sodass die Größe des Kopplungsmittels Due to the indicated anti-parallel current guidance is achieved to maintain the resulting magnetic field as low as possible, so that the size of the coupling agent 31 31 minimiert werden kann. can be minimized. Außerdem ist zwischen der ersten Phase In addition, between the first phase 11 11 und der zweiten Phase and second phase 12 12 jeweils eine Isolierung each insulation 45 45 vorgesehen zur elektrischen Trennung der beiden Phasen provided for electrical separation of the two phases 11 11 , . 12 12 voneinander und jeweils zum Kopplungsmittel each other and each means for coupling 31 31 . ,
  • Das Ausführungsbeispiel nach The embodiment of 11 11 unterscheidet sich von demjenigen nach differs from that according to 10 10 darin, dass der mittlere Schenkel des E-förmigen ersten Teils in that the central leg of the E-shaped first part 44 44 einen Luftspalt an air gap 64 64 in Richtung zum zweiten Teil in the direction of the second part 43 43 aufweist. having. Die Mittel The means 80 80 zur Beeinflussung des Streuflusses sind plattenförmig ausgeführt und zwischen den Phasen for influencing the leakage flux are plate-shaped and between the phases 11 11 , . 12 12 angeordnet. arranged. Im Ausführungsbeispiel sind die Enden der Mittel In the exemplary embodiment, the ends of the central 80 80 zur Beeinflussung des Streuflusses jeweils in Richtung des mittleren Schenkels des zweiten Teils for influencing the leakage flux in each case in the direction of the central leg of the second part 44 44 orientiert, ohne diesen zu berühren. oriented, without touching it.
  • Die Ausführungsbeispiele nach den The embodiments of the 12 12 bis to 14 14 unterscheiden sich von den vorhergehenden insbesondere in der Anordnung der Phasen are different from the preceding in particular in the arrangement of the phases 11 11 , . 12 12 . , Die zu koppelnden Phasen The phases to be coupled 11 11 , . 12 12 sind jeweils nebeneinander angeordnet und bandförmig ausgebildet. are each arranged side by side and band-shaped. Bei at 12 12 sind die Mittel the means 80 80 zur Beeinflussung des Streuflusses domförmig ausgebildet. formed in a dome shape for influencing the leakage flux. Weiterhin werden die zwei Abschnitte der ersten Phase Further, the two portions of the first phase 11 11 durch den mittleren Schenkel des zweiten Teils through the middle leg of the second part 44 44 getrennt, sind also benachbart zueinander angeordnet. separated, and are therefore arranged adjacent to each other.
  • Das Ausführungsbeispiel gemäß The embodiment of 9 9 unterscheidet sich von demjenigen nach differs from that according to 8 8th nur in der plattenförmigen Ausgestaltung der Mittel only in the plate-shaped embodiment of the means 80 80 zur Beeinflussung des Streuflusses. for influencing the leakage flux.
  • Das Ausführungsbeispiel gemäß The embodiment of 9 9 unterscheidet sich von demjenigen nach differs from that according to 8 8th darin, dass nun erste und zweite Phase is that now the first and second phase 11 11 , . 12 12 immer abwechselnd angeordnet sind. are always arranged alternately.
  • Das Ausführungsbeispiel gemäß The embodiment of 11 11 unterscheidet sich von demjenigen nach differs from that according to 9 9 darin, dass die Phasen that the phase 11 11 , . 12 12 als Rundleiter ausgeführt sind. are designed as round conductors.
  • Beschreibung der Ausführungsbeispiele Description of Embodiments
  • Die beschriebenen Ausführungsbeispiele arbeiten wie nachfolgend näher erläutert. The described embodiments work as explained in detail below. Multiphasenwandlern Multiphase converters 10 10 bzw. DC/DC-Wandler mit hohen Leistungen ohne besondere Isolationsanforderungen können bevorzugt in mehrphasigen Anordnungen realisiert werden. or DC / DC converter with high performance without special insulation requirements can be preferably implemented in multiphase arrangements. Dadurch verteilt sich der hohe Eingangsstrom I E beispielsweise in Höhe von 300A auf die verschiedenen sechs Phasen Characterized the high input current I E, for example, in the amount of 300A is distributed to the various six phases 11 11 bis to 16 16 in Höhe von jeweils 50A. in the amount of 50A. Durch die anschließende Überlagerung der einzelnen Ströme zu einem Ausgangsstrom I A kann ein geringerer Wechselstromanteil erzielt werden. The subsequent superposition of the individual streams to an output current I A is a lower AC component can be obtained. Dann können die entsprechenden Eingangs- bzw. Ausgangsfilter gemäß Then, the respective input and output filters may according 5 5 , beispielhaft als Kondensatoren eingezeichnet, entsprechend klein ausfallen. By way of example shown as capacitors, be correspondingly small. Die Ansteuerung der Phasen The control of the phase 11 11 bis to 16 16 erfolgt sequentiell, das heißt nacheinander, so dass die Einschaltzeitpunkte jeweils 60 Grad (bzw. zeitlich um T/6) phasenverschoben sind (bei dem beschriebenen Sechs-Phasen-System), wie dies in is performed sequentially, i.e. one after the other, so that the switch-on in each case 60 degrees (or in time by T / 6) are phase shifted (in the described six-phase system) as shown in 11 11 bereits näher gezeigt wurde. has already been shown in more detail. Abhängig von den gewünschten Spannungsverhältnissen werden die jeweiligen Phasen Depending on the desired voltage conditions, the respective phases 11 11 bis to 16 16 mit unterschiedlicher Dauer bestromt. energized with varying duration. Der entsprechende High-Side-Schalter des Schaltmittels The corresponding high-side switch of the switching means 21 21 bis to 26 26 wird hierzu geschlossen. is closed for this purpose. Die Phase The phase 11 11 bis to 16 16 wird nicht bestromt, wenn der entsprechende Low-Side-Schalter des Schaltmittels is not energized when the corresponding low-side switch of the switching means 21 21 bis to 26 26 geschlossen ist. closed is. Alternativ könnten auch solche Phasen Alternatively, such phases could 11 11 bis to 16 16 als benachbart angesehen werden, deren Ausschaltzeitpunkte unmittelbar vorher oder nachher liegen. are considered to be adjacent to the turn-off located immediately before or after. Dann würden die entsprechenden Einschaltpunkte variabel in Abhängigkeit vom gewünschten PWM-Signal gewählt werden. Then, the respective switch-on points would be variably selected depending on the desired PWM signal.
  • Es wird nun jeweils eine Phase It is now one phase each 11 11 mit zumindest drei weiteren Phasen with at least three other phases 12 12 , . 14 14 , . 16 16 miteinander magnetisch gekoppelt, und zwar in der Weise, dass die Gleichanteile der einzelnen Phasen jeweils durch andere Phasen möglichst stark kompensiert werden. magnetically coupled to each other, in such a way that the DC components of the individual phases are each compensated as much as possible by other phases. Dadurch reduziert sich das resultierende Magnetfeld, so dass die Auslegung der Kopplungsmittel Thus, the resulting magnetic field is reduced, so that the design of the coupling means 31 31 bis to 39 39 bzw. des magnetischen Kreises nur noch im Wesentlichen auf das vom Wechselanteil erzeugte Magnetfeld erfolgen muss. and the magnetic circuit only has to be done mainly on the generated from the alternating magnetic field portion. Dadurch können die Kopplungsmittel This allows the coupling means 31 31 bis to 39 39 , wie beispielsweise Spulenkerne, entsprechend klein dimensioniert werden, was zu erheblichen Ersparnissen an Kopplungsmaterial, Masse und Kosten führt. Such as cores, are correspondingly small dimensions, resulting in significant savings on coupling material, mass and cost. Insbesondere der Bauraum lässt sich dadurch stark reduzieren. In particular, the space can thereby be greatly reduced.
  • Neben den beiden mit Blick auf die Ansteuerung (Einschalt- bzw. Ausschaltzeitpunkte) benachbarten Phasen wird nun vorzugsweise die dritte zu verkoppelnde Phase derart ausgewählt, dass eine störende gegenseitige Beeinflussung der Phasen minimiert wird. Besides the two facing the control (switch-on or switch-off) adjacent phases to be coupled, the third phase is then preferably selected such that a disturbing mutual influencing of the phases is minimized. Die Auswahl erfolgt so, dass eine optimale Kompensation des Gleichstromanteils erzielt wird. The selection is made so that an optimum compensation of the DC component is achieved. Hierbei hat sich ergeben, dass sich neben den benachbarten Phasen (+/–60 Grad Phasenverschiebung der Einschaltzeitpunkte bei sechs Phasen, für die erste Phase Here, it has been found that in addition to the adjacent phases (+/- 60 degree phase shift of the switch-on at six phases, the first phase 11 11 wären die benachbarten Phasen somit die zweite Phase the adjacent phases would thus be the second phase 12 12 und die sechste Phase and the sixth phase 16 16 ) auch die Phase mit einem Phasenversatz von 180 Grad (für die erste Phase ) And the phase with a phase shift of 180 degrees (for the first phase 11 11 wäre dies die vierte Phase this would be the fourth phase 14 14 ) besonders eignet, da sich dort eine sehr hohe Auslöschung des Gleichanteils ergibt. ) Is particularly useful because there gives a very high extinction of the DC component. Die beiden Ströme durch die gekoppelten Phasen The two streams by the coupled phase 11 11 , . 14 14 fließen entgegengesetzt im siebten Kopplungsmittel flow opposite the seventh coupling agent 37 37 . , Der resultierende Strom I res für die Magnetisierung des Kopplungsmittels The resulting current I res for the magnetization of the coupling agent 37 37 wird dabei nur durch die Differenz der Ströme I res ausgelöst. it is triggered only by the difference of the currents I res. Die Gleichfelder heben sich größtenteils auf. The DC fields cancel each other out for the most part. Der reduzierte Gleichanteil macht sich positiv bemerkbar für die Geometrie des Kopplungsmittels The reduced DC component has a positive effect on the geometry of the coupling agent 31 31 bis to 39 39 , welches nun mit einem geringeren Volumen auskommen kann. Which can now manage with a smaller volume. Bei sechs Phasen With six phases 11 11 bis to 16 16 hat sich die in has in 5 5 gezeigte Kopplung als besonders geeignet herausgestellt. Coupling shown proved to be particularly suitable.
  • Magnetische Kopplung magnetic coupling
  • Prinzipiell lassen sich zwei Phasen magnetisch koppeln, indem die beiden Phasen mit antiparalleler Stromführung durch ein rechteckförmiges oder ringförmiges Kopplungsmittel two phases can basically be magnetically coupled by the two phases with antiparallel current command by a rectangular or annular coupling means 31 31 bis to 39 39 geführt werden. be performed. Wesentlich ist, dass das Kopplungsmittel It is essential that the coupling means 31 31 bis to 39 39 in der Lage ist, einen magnetischen Kreis auszubilden. is able to form a magnetic circuit.
  • Dies ist bei einer im Wesentlichen geschlossenen Struktur möglich, die auch einen Luftspalt umfassen kann. This is possible with a substantially closed structure, which may also include an air gap. Weiterhin besteht das Kopplungsmittel Furthermore, there is the coupling agent 31 31 bis to 39 39 aus einem Magnetfeld leitenden Material mit geeigneter Permeabilität. from a magnetic conductive material having a suitable permeability.
  • Das der That the 6 6 zu Grunde liegende Kopplungskonzept lässt sich exemplarisch anhand der underlying coupling concept can be an example on the basis of 9 9 erläutern. explain. Wesentlich ist, dass die zu verkoppelnden Phasen – gemäß It is essential that the phases to be coupled - in accordance with 8 8th sind es erste Phase it is first phase 11 11 und zweite Phase and second phase 12 12 – mit gegenläufigem Stromfluss angesteuert werden. are driven with opposite current flow -. Die jeweils entsprechenden magnetischen Felder heben sich im Wesentlichen betreffend ihres Gleichanteils auf, so dass überwiegend nur noch der Wechselanteil zur Magnetfelderzeugung beiträgt. Each corresponding magnetic fields cancel mainly concerning its DC component, so that mostly only the AC component contributes to the magnetic field generation. In der Folge können die entsprechenden Kopplungsmittel As a result, the corresponding coupling means may 31 31 bis to 39 39 kleiner werden bzw. es kann auf einen Luftspalt verzichtet werden. be smaller or it can be dispensed with an air gap.
  • Aufbau Kopplungsmittel Structure coupling agent
  • Bei den Kopplungsmitteln When the coupling means 31 31 bis to 39 39 handelt es sich um Mittel einer induktiven Kopplung, wie beispielsweise ein Eisen- oder Ferritkern eines Transformators, auf dem die zu verkoppelnden Phasen If it is an inductive coupling means such as an iron or ferrite core of a transformer, where the phases to be coupled 11 11 bis to 16 16 ein Magnetfeld erzeugen. generating a magnetic field. Das Kopplungsmittel The coupling agent 31 31 bis to 39 39 schließt den magnetischen Kreis der jeweils zwei verkoppelten Phasen closes the magnetic circuit of the two coupled phase 11 11 bis to 16 16 . ,
  • Die Wahl des Materials des Kopplungsmittels The choice of material of the coupling agent 31 31 bis to 39 39 und der Permeabilität spielt für die Kopplung keine so große Rolle. and permeability does not play a great role for coupling. Wird kein Luftspalt verwendet, steigt die Permeabilität des magnetischen Kreises, wodurch die Induktivität der Spule größer wird. If no air gap is used, the permeability of the magnetic circuit, whereby the inductance of the coil becomes larger increases. Dadurch wird der Stromanstieg flacher und die Stromformen nähern sich mehr dem idealen Gleichstrom an. Thus, the current rise is flatter and the current forms of approaching more to the ideal DC to. Je näher die Kurvenformen einem Gleichstrom kommen, desto geringer ist die resultierende Stromdifferenz zwischen den beiden Phasen, die (entgegengesetzt) durch einen Kern als Kopplungsmittel The closer the curve forms are a direct current, the lower the resulting current difference between the two phases (opposite) by a core as a coupling agent 31 31 bis to 39 39 geführt werden. be performed. Der Aufwand für Filter wird dadurch reduziert. The cost of filter is reduced. Auf der anderen Seite reagiert ein System ohne Luftspalt sehr sensibel auf unterschiedliche Ströme zwischen den Phasen On the other hand, a system without an air gap is very sensitive to different currents between the phases 11 11 bis to 16 16 . , Obwohl das System dazu neigt, bei geringeren Stromfehlern in Sättigung zu gehen, ist es durch die Mehrfachverkopplung aber immer noch recht stabil. Although the system tends to go for lower current errors in saturation, it is through the Mehrfachverkopplung but still quite stable. Grundsätzlich können Luftspalte mit unterschiedlicher Abmessung so gewählt werden, um die Verluste gleichmäßig auf die Kopplungsmittel Basically, air gaps can be chosen with different dimensions so the losses evenly on the coupling means 31 31 bis to 39 39 zu verteilen. to distribute. Kopplungsmittel coupling agent 31 31 bis to 39 39 mit geringerer Induktivität L weisen auch prinzipiell geringere Verlustleistung auf. lower inductance L also have in principle lower power dissipation.
  • Um einen guten Kompromiss aus hoher Permeabilität (Kein Luftspalt -> geringer Stromripple) und hoher Robustheit (mit Luftspalt -> hoher Stromripple) zu bekommen, können unterschiedliche Luftspalte vorgesehen werden. A good compromise between high permeability (No air gap -> low current ripple) and high robustness (with air gap -> high current ripple) to get different air gaps can be provided. Auf diese Weise können auch die Verlustleistungen der Kopplungsmittel In this way, the power losses of the coupling agent can 31 31 bis to 39 39 so beeinflusst werden, dass gewünschte Kriterien, beispielsweise gleichmäßige Verteilung der Verlustleistung, erfüllt werden. be influenced so that desired criteria, such as equal distribution of power dissipation, are met.
  • Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß In the embodiment according to 9 9 werden die Kopplungsmittel in einer der Diagonalen (entweder Kopplungsmittel the coupling means are (in one of the diagonals either coupling means 31 31 , . 38 38 , . 34 34 bzw. or. 37 37 , . 38 38 , . 39 39 ) mit einem Luftspalt zu versehen. to be provided) with an air gap. Dadurch ergibt sich mit nur drei Kopplungsmitteln This results in only three coupling agents 31 31 , . 38 38 , . 34 34 bzw. or. 37 37 , . 38 38 , . 39 39 mit Luftspalt (was zu einem höheren Stromripple führt) auf allen Phasen with an air gap (which leads to a higher current ripple) on all phases 11 11 bis to 16 16 ein hoher Schutz gegen Sättigung und damit verbundenen ein Schutz gegen unkontrolliertem Stromanstieg. a high protection against saturation and related protection against uncontrolled increase in current. Im Falle einer großen Unsymmetrie zwischen den Phasen In the case of a large imbalance between the phases 11 11 bis to 16 16 oder auch beim Ausfall von mehreren Phasen or the failure of multiple phases 11 11 bis to 16 16 würden nur einzelne Kopplungsmittel would only individual coupling agent 31 31 bis to 42 42 in Sättigung gehen, aber bei gegebenen Strom nicht alle Kopplungsmittel saturate, but given the current does not all coupling agent 31 31 bis to 39 39 einer Phase. one phase.
  • Eine weitere Variante wäre, die Kopplungsmittel Another variation would be to the coupling means 31 31 bis to 39 39 innerhalb des Aufbaus mit unterschiedlichen Luftspalten auszubilden. form with different air gaps within the structure. Die Kopplungsmittel (im Ausführungsbeispiel nach den The coupling means (in the embodiment of the 1 1 , . 3 3 , . 5 5 sind dies die Kopplungsmittel mit den Bezugszeichen these are the coupling agent with the numerals 37 37 , . 38 38 , . 39 39 ), die auf Grund der 180 Grad phasenversetzten Ansteuerung (wie sie durch Verkopplung der ersten Phase ), Which (due to the 180 degrees phase-shifted triggering as by coupling of the first phase 11 11 mit der vierten Phase with the fourth phase, 14 14 durch das siebte Kopplungsmittel by the seventh coupling agent 37 37 ; ; Verkopplung der zweiten Phase Coupling the second phase 12 12 mit der fünften Phase with the fifth phase 15 15 durch das neunte Kopplungsmittel by the ninth coupling agent 39 39 ; ; Verkopplung der dritten Phase Coupling the third phase 13 13 mit der sechsten Phase with the sixth phase 16 16 durch das achte Kopplungsmittel by the eighth coupling agent 38 38 entsteht) mit einer größeren erhöhten Magnetisierung belastet werden, könnten zum Beispiel durch Anpassung bzw. Vorsehen eines Luftspalts in ihrer Belastung reduziert werden. occurs) is charged with a larger magnetization increased, which might be reduced in load, for example, by adjusting or providing an air gap. Dies würde die Gesamtkernverluste reduzieren. This would reduce the total core loss.
  • Ferner wäre es möglich, bei dem Matrixkonzept in jeder Zeile/Spalte ein Kopplungsmittel Further, in the matrix concept in each row / column would allow a coupling agent 31 31 bis to 39 39 mit einem größeren Luftspalt bzw. Spalt zu versehen. be provided with a larger air gap or nip. Dadurch würde dieses mit einem Luftspalt versehene Kopplungsmittel This would this is provided with an air gap coupling agent 31 31 bis to 39 39 erst bei höheren Strömen sättigen, so dass sich eine weiter verbesserte Stabilität im Fehlerfall ergibt. saturate at higher currents, resulting in a further improved stability in case of error is obtained. Aus Stabilitätsgründen wäre es vorteilhaft, jede Phase For stability reasons, it would be advantageous each phase 11 11 bis to 16 16 durch zumindest ein Kopplungsmittel by at least one coupling agent 31 31 bis to 39 39 zu führen, das später als die anderen Kopplungsmittel to lead the later than the other coupling agent 31 31 bis to 39 39 in dieser Phase in Sättigung geht durch Vorsehen einer geringeren Induktivität L, was durch das Vorsehen eines Luftspalts erreicht werden könnte. in this phase is saturated by providing a lower inductance L, which could be achieved by the provision of an air gap.
  • In dem Ausführungsbeispiel nach In the embodiment of 11 11 ist ein Beispiel eines mit einem Luftspalt is an example of having an air gap 64 64 versehen Kopplungsmittels provided coupling agent 31 31 gezeigt. shown. Hierzu ist der mittlere Schenkel des E-förmigen ersten Teils For this purpose, the center leg is the E-shaped first part 44 44 gegenüber den äußeren Schenkel etwas verkürzt ausgebildet, so dass ein Luftspalt formed slightly shorter than the outer leg, so that an air gap 64 64 in Richtung zum zweiten Teil in the direction of the second part 43 43 entsteht. arises. Alternativ könnte vorgesehen sein, die Schenkel des E-förmigen ersten Teils Alternatively, it could be provided, the legs of the E-shaped first part 44 44 gleich groß auszuführen, jedoch zwischen den Enden der Schenkel und dem zweiten Teil equal to execute, however, between the ends of the limbs and the second part 43 43 einen Luftspalt beispielsweise durch eine nichtmagnetischen Folie vorzusehen. provide an air gap, for example, by a non-magnetic film. Dem Fachmann sind Maßnahmen geläufig, wie die gewünschte Induktivität L des jeweiligen Kopplungsmittels The skilled person is familiar with measures such as the desired inductance L of the respective coupling agent 31 31 bis to 39 39 erzielt werden kann, beispielsweise durch Vorsehen geeigneter Luftspalt(e) an den geeigneten Stellen. can be achieved, for example by providing suitable air gap (s) at the appropriate places.
  • Aufbau der Phasen Structure of the phase
  • Fertigungstechnisch besonders vorteilhaft ist die Verwendung lediglich zweier geometrischer Formen der Phasen Manufacturing technology, particularly advantageous is the use of only two geometric shapes of the phases 11 11 bis to 16 16 wie in as in 5 5 in der Draufsicht dargestellt. shown in the plan view. Die eine Grundform weist hierbei einen U-förmigen Verlauf auf. The one basic shape in this case has a U-shaped course. Die zweite Grundform ist im Wesentlichen rechteck- bzw. mäanderförmig. The second basic form is rectangular or substantially meander shape. Die gezeigten Abschnitte können als Bandleiter in Form von Stanzgittern, in entsprechenden Leiterbahnen in einer Platine integriert oder als Rundleiter ausgeführt sein. The portions shown may be integrated as a band conductor in the form of punched grids, in respective circuit traces in a printed circuit board or as a round conductor.
  • Eine weitere magnetische Kopplung der einzelnen Kerne der Kopplungsmittel Another magnetic coupling of the individual cores of the coupling agent 31 31 bis to 39 39 zu einem großen Gesamtkern kann zu weiteren Ersparnissen führen, indem beispielsweise eine einzige Abdeckplatte to a large total core may lead to further savings, for example by a single cover plate 43 43 für alle Unterteile for all parts 44 44 der neun Kopplungsmittel the nine coupling agent 31 31 bis to 39 39 vorgesehen ist. is provided.
  • Mittel medium 80 80 bis to 89 89 zur Beeinflussung des Streuflusses for influencing the leakage flux
  • In In 12 12 ist mit durchgängigen Pfeilen is consistent with arrows 92 92 der magnetische Hauptfluss angedeutet, der durch jeweils um zwei magnetisch zu koppelnde Phasen of the main magnetic flux indicated by each two magnetic phases to be coupled 11 11 , . 12 12 durch das ferromagnetische Kopplungsmittel by the ferromagnetic coupling agent 43 43 , . 44 44 verläuft. runs. Mit gestrichelten Pfeilen Dashed arrows 94 94 ist der magentische Streufluss angedeutet. the stomach diagram flux leakage is indicated. Der magnetische Streufluss verläuft durch nicht ferromagnetisches Material, beispielsweise durch Luft oder einen die Phasen The magnetic leakage flux passing through non-ferromagnetic material, for example by air, or the phases 11 11 , . 12 12 umgebenden Kunststoff bzw. Isolator. surrounding plastic or insulator. Die Mittel The means 80 80 zur Beeinflussung des Streuflusses sind nun so aufgebaut, dass sie den Streufluss gezielt zwischen zwei zu koppelnden Phasen for influencing the leakage flux are now constructed so that they selectively to be coupled to the leakage flux between two phases 11 11 , . 12 12 lenken. to steer. Dies erfolgt durch Vorsprünge aus ferromagnetischem Material, die räumlich zwischen den Phasen This is done by means of projections made of ferromagnetic material, the space between the phases 11 11 , . 12 12 angeordnet sind. are arranged. Diese Vorsprünge sind mit den eigentlichen ferromagnetischen Kopplungsmitteln These projections are provided with the proper ferromagnetic coupling means 43 43 , . 44 44 magnetflussleitend verbunden. magnetic flux conducting manner. Die Vorsprünge können Bestandteile des Kopplungsmittels The projections may components of the coupling agent 43 43 , . 44 44 sein. his. Es könnten jedoch auch separate ferromagnetische Teile vorgesehen werden. However, it could also be provided separate ferromagnetic parts.
  • Das Mittel zur Beeinflussung des Streuflusses könnte einen rechteckförmigen Querschnitt aufweisen. The means for influencing the leakage flux may have a rectangular cross-section. Dank der besonders einfachen Geometrie lässt sich eine solche Anordnung einfach und kostengünstig herstellen. Thanks to the particularly simple geometry, such an arrangement can be easily and inexpensively.
  • Alternativ können die Mittel Alternatively, the means 80 80 bis to 89 89 zur Beeinflussung des Streuflusses auch eine domförmige Struktur aufweisen. for influencing the stray flux also include a dome-shaped structure. Hierunter wird im Gegensatz zu einer rechteckförmigen Struktur eine solche verstanden, die sich zum Ende hin verjüngt. This is understood as opposed to a rectangular-shaped structure such that tapers toward the end. Es könnte ein stetiger, beispielsweise parabelförmiger, verrundeter oder kreisförmiger Übergang zum Kopplungsmittel It could be a constant, such as parabolic, concave or circular transition to the coupling means 44 44 erfolgen. respectively. Die Dome können direkt im Herstellungsprozess (Pressen) der Ferritkerne verwirklicht werden. The dome can be implemented directly in the production process (pressing) of the ferrite cores.
  • Das Mittel The middle 80 80 zur Beeinflussung des Streuflusses ist zwischen den zu koppelnden Phasen for influencing the leakage flux between the phases to be coupled 11 11 , . 12 12 angeordnet. arranged. Dabei könnte es nur von einer Seite des Kopplungsmittels This could only from one side of the coupling agent 44 44 zu der gegenüberliegenden Seite des Kopplungsmittels to the opposite side of the coupling agent 43 43 ragen wie in den protrude as in the 9 9 bis to 11 11 gezeigt. shown. Alternativ könnten die Mittel Alternatively, the center could 80 80 von zwei Seiten des Kopplungsmittels from two sides of the coupling agent 43 43 , . 44 44 zwischen die Phasen between the phases 11 11 , . 12 12 hineinragen. protrude. Bevorzugt liegen deren Enden gegenüber wie in Preferably, the ends of which are opposite, as in 8 8th angedeutet. indicated. Die Enden der Mittel zur Beeinflussung des Streuflusses sind beabstandet voneinander angeordnet, so dass sich der magnetische Kreis zwar nicht schließt, der Streufluss jedoch hin zu den Enden gelenkt wird. The ends of the means for influencing the leakage flux are spaced from each other so that the magnetic circuit is not closed, the leakage flux is, however, directed toward the ends.
  • Bevorzugt sind die Mittel Preferably, the means are 80 80 zur Beeinflussung des Streuflusses auf der Symmetrieachse zweier zu koppelnder Leiter angeordnet. for influencing the leakage flux arranged to be coupled between two conductors on the axis of symmetry. Vorzugsweise ist der Querschnitt der Mittel Preferably, the cross-section of the means 80 80 zur Beeinflussung des Streufeldes bezogen auf diese Symmetrieachse auch achssymmetrisch ausgeführt. with respect to influence of the stray field to this symmetry axis also performed axially symmetrical.
  • Der magnetische Streufluss verläuft zwischen den Enden des Mittels The magnetic leakage flux extending between the ends of the agent 80 80 ( ( 12 12 ) bzw. dem Ende des Mittels und dem Kopplungsmittel ) Or the end of the agent and the coupling agent 43 43 , . 44 44 ( ( 13 13 bis to 15 15 ) in einer Spaltlänge ) In a gap length 86 86 in einem nicht ferromagnetischen Medium. in a non-ferromagnetic medium. Über die Geometrie des Mittels About the geometry of the agent 80 80 und die sich daraus ergebende Spaltlänge and the resulting gap length 86 86 lassen sich die Signalverläufe des Multiphasenwandlers weiter optimieren. can be further optimized the waveforms of the multiphase converter.
  • Gemäß According to 15 15 wurden die Phasen the phases were 11 11 , . 12 12 nun statt eines Flachdrahtes (übereinander: now (instead of a flat wire over each other: 10 10 ) als nebeneinander verlegte Runddraht ausgeführt. ) Implemented as laid side by side round wire. Dadurch erhöhen sich die Streuflüsse und die Störungen können weiter reduziert werden. Thus, the stray flux and the noise can be reduced further increase.
  • Kopplungsmittel coupling agent 43 43 , . 44 44 und Mittel and means 80 80 zum Beeinflussen eines Streuflusses wurden aus dem Material 3C95 ausgeführt. for influencing a leakage flux were made of the material 3C95. Weiterhin wurde ein Spalt Further, a gap 96 96 beispielsweise in der Größenordnung von 1mm vorgesehen. provided, for example in the order of 1 mm. Bei dieser Auswahl konnte der Stromripple/Stromsteilheit weiter reduziert werden. With this selection, the current ripple / current rise could be further reduced. Über diesen Spalt About this gap 96 96 können Sättigungseffekte ausgeschlossen werden. Saturation effects can be excluded.
  • Der beschriebene Multiphasenwandler The multi-phase converter described 10 10 eignet sich insbesondere für den Einsatz in einem Kraftfahrzeugbordnetz, bei dem insbesondere dynamische Lastanforderungen von untergeordneter Bedeutung sind. is particularly suitable for use in a motor vehicle electrical system, wherein in particular dynamic load requirements of subordinate importance. Insbesondere für solche vergleichsweise trägen Systeme eignet sich der beschriebene Aufbau. In particular, for such relatively sluggish systems, the structure described is suitable.
  • In dem aktuell eingesetzten Kernmodell wird der Streufluss durch einen zusätzlichen Streuschenkel eingestellt, der zwischen den beiden Windungen eingebracht wird. In the currently used core model of the leakage flux is adjusted by an additional stray leg which is placed between the two windings. Durch den Aufbau des Kernes lässt sich das Verhalten individuell auf die Applikation einstellen. By building the core, the behavior can be adjusted individually to the application. Hauptparameter sind dabei die beiden Luftspalte, die sich applikationsspezifisch festlegen lassen. Main parameters are the two air gaps, which can be defined for specific applications.
  • Durch das Einbringen von mehr als einer Windung pro verkoppelter Phase lassen sich die Kernverluste, die durch das Ummagnetisieren des Kernes entstehen, stark reduzieren. By the introduction of more than one turn per phase of coupled, the core losses caused by the magnetic reversal of the core can be greatly reduced. Sinnvoll sind dabei Windungszahlen von 2 oder 3, zumindest im niedrigen Bereich um die Windungsverluste durch die Wicklungslänge gering zu halten. Useful are numbers of turns of 2 or 3, as low at least in the low range to the Windungsverluste through the winding length.
  • Bei den in den Figuren gezeigten Kopplungsmitteln können mehr als zwei Windungen pro Phase vorgesehen sein. In the examples shown in FIGS coupling agents more than two turns may be provided for each phase.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. This list of references cited by the applicant is generated automatically and is included solely to inform the reader. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. The list is not part of the German patent or utility model application. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen. The DPMA is not liable for any errors or omissions.
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Claims (9)

  1. Multiphasenwandler mit mehreren elektrischen Phasen ( A multi-phase converter comprising a plurality of electrical phases ( 11 11 bis to 16 16 ), die jeweils durch ein Schaltmittel ( ) Respectively (by a switching means 21 21 bis to 26 26 ) ansteuerbar sind, wobei mindestens ein Kopplungsmittel ( can be controlled), wherein at least one coupling agent ( 31 31 bis to 39 39 ; ; 100 100 bis to 106 106 ; ; 150 150 bis to 156 156 ) zum Koppeln einer Phase ( ) (For coupling a phase 11 11 bis to 16 16 ) mit einer weiteren Phase ( ) (With a further phase, 11 11 bis to 16 16 ) vorgesehen ist, wobei pro Phase ( is provided), said (per phase 11 11 bis to 16 16 ) zwei Windungen ( ) Two turns ( 110 110 bis to 116 116 ; ; 120 120 ; ; 122 122 ; ; 130 130 ; ; 132 132 ) vorgesehen sind. are provided).
  2. Multiphasenwandler nach Anspruch 1, der für mindestens zwei Phasen ausgelegt ist. Multi-phase transformer according to claim 1, which is designed for at least two phases.
  3. Multiphasenwandler nach Anspruch 1 oder 2, bei dem zumindest eines des mindestens einen Kopplungsmittels ( Multi-phase transformer according to Claim 1 or 2, in which (at least one of the at least one coupling agent 31 31 bis to 39 39 ; ; 100 100 bis to 106 106 ; ; 150 150 bis to 156 156 ) zumindest ein Mittel ( ) At least one means ( 80 80 bis to 89 89 ) zur Beeinflussung eine magnetischen Streuflusses aufweist. ) For influencing having a magnetic leakage flux.
  4. Multiphasenwandler nach einem der Ansprüche 2 oder 3, bei dem das Mittel ( Multi-phase transformer according to one of claims 2 or 3, in which (the means 80 80 bis to 89 89 ) zur Beeinflussung des Streuflusses entweder nur auf einer Seite oder von zwei Seiten mit dem Kopplungsmittel ( ) (For influencing the leakage flux, either on one side only or from two sides with the coupling agent 31 31 bis to 39 39 ; ; 100 100 bis to 106 106 ; ; 150 150 bis to 156 156 ) verbunden ist. ) connected is.
  5. Multiphasenwandler nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Mittel ( Multi-phase transformer according to one of claims 2 to 4, characterized in that (between the center 80 80 bis to 89 89 ) zur Beeinflussung des Streuflusses und dem Kopplungsmittel ( ) (For influencing the leakage flux and the coupling agent 31 31 bis to 39 39 ; ; 100 100 bis to 106 106 ; ; 150 150 bis to 156 156 ) ein Spalt vorgesehen ist. ) A gap is provided.
  6. Multiphasenwandler nach einem der Ansprüche 2 bis 5, bei dem das Mittel ( Multi-phase transformer according to one of claims 2 to 5, in which (the means 80 80 bis to 89 89 ) zur Beeinflussung des Streuflusses rechteckförmig oder domförmig ausgebildet ist. ) Is rectangular or dome shaped for influencing the leakage flux.
  7. Multiphasenwandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem zumindest eine Phase ( Multi-phase transformer according to one of the preceding claims, wherein the at least one phase ( 11 11 bis to 16 16 ) U-förmig und die damit gekoppelte Phase ( ) U-shaped and the coupled thereto phase ( 11 11 bis to 16 16 ) mäanderförmig ausgebildet ist. ) Is meander-shaped.
  8. Multiphasenwandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Schaltmittel ( Multi-phase transformer according to one of the preceding claims, in which (the switching means 21 21 bis to 26 26 ) die Phasen ( ) The phases ( 11 11 bis to 16 16 ) sequentiell ansteuern und die erste Phase ( drive) sequentially and the first phase ( 11 11 bis to 16 16 ) mit zumindest einer weiteren Phase ( ) (With at least one further phase, 11 11 bis to 16 16 ) magnetisch gekoppelt ist, die unmittelbar vorher und nachher angesteuert ist. ) Is magnetically coupled, which is directly driven before and after.
  9. Multiphasenwandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine Phase ( Multi-phase transformer according to one of the preceding claims, in which (a phase 11 11 bis to 16 16 ) mit zumindest einer weiteren Phase ( ) (With at least one further phase, 11 11 bis to 16 16 ) magnetisch gekoppelt ist, die im Wesentlichen um etwa 180° phasenverschoben angesteuert ist. ) Is magnetically coupled, which is driven by about 180 ° phase shifted substantially.
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