DE102014202179A1 - High voltage transformer arrangement with high, adjustable stray inductance, inverter circuit with a high voltage transformer arrangement and use of a high voltage transformer arrangement - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung gibt eine Hochspannungstransformatoranordnung (11) mit einem Transformatorkern (1), einer Sekundärwicklung (6) und einer unter der Sekundärwicklung (6) angeordneten ersten Primärwicklung (4) an. Die Anordnung umfasst des Weiteren eine von der ersten Primärwicklung (4) räumlich getrennte zweite Primärwicklung (5), wobei die erste und die zweite Primärwicklung (4, 5) elektrisch in Reihe geschaltet sind und wobei der Wicklungssinn der ersten und der zweiten Primärwicklung (4, 5) derart ausgebildet ist, dass sich ein die erste Primärwicklung (4) durchfließender magnetischer Teilfluss (Φ23) der zweiten Primärwicklung (5) mit einem ersten magnetischen Fluss (Φ1) der ersten Primärwicklung (4) konstruktiv überlagert. Die Erfindung gibt auch eine Wechselrichterschaltung (13) mit einer derartigen Hochspannungstransformatoranordnung (11) und eine Verwendung einer derartigen Hochspannungstransformatoranordnung (11) an. Durch die erfindungsgemäße räumliche Aufteilung der Primärwicklung wird gezielt die magnetische Streuung der Transformatoranordnung vergrößert. Insbesondere lassen sich so sehr hohe Werte der magnetischen Streuung realisieren, die mit einem herkömmlichen Transformator-Design nicht erreicht werden können.The invention provides a high-voltage transformer arrangement (11) with a transformer core (1), a secondary winding (6) and a first primary winding (4) arranged below the secondary winding (6). The arrangement further comprises a second primary winding (5) spatially separated from the first primary winding (4), wherein the first and the second primary windings (4, 5) are electrically connected in series and wherein the winding sense of the first and the second primary winding (4 , 5) is designed such that a magnetic partial flux (Φ23) of the second primary winding (5) flowing through the first primary winding (4) is structurally superposed with a first magnetic flux (Φ1) of the first primary winding (4). The invention also provides an inverter circuit (13) having such a high voltage transformer arrangement (11) and a use of such a high voltage transformer arrangement (11). The spatial division of the primary winding according to the invention selectively increases the magnetic dispersion of the transformer arrangement. In particular, very high levels of magnetic scattering can be achieved that can not be achieved with a conventional transformer design.
Description
Gebiet der Erfindung Field of the invention
Die Erfindung betrifft eine Hochspannungstransformatoranordnung mit einer hohen, einstellbaren Streuinduktivität, eine Wechselrichterschaltung mit einer derartigen Hochspannungstransformatoranordnung zur Erzeugung einer Hochspannung beispielsweise für Röntgenröhren. Die Erfindung betrifft auch eine Verwendung einer derartigen Hochspannungstransformatoranordnung zur Bildung einer Induktivität eines Schwingkreises einer Wechselrichterschaltung. The invention relates to a high-voltage transformer arrangement with a high, adjustable stray inductance, an inverter circuit comprising such a high-voltage transformer arrangement for generating a high voltage, for example for X-ray tubes. The invention also relates to a use of such a high-voltage transformer arrangement for forming an inductance of a resonant circuit of an inverter circuit.
Hintergrund der Erfindung Background of the invention
Hochspannungstransformatoren für den Betrieb mit Wechselrichtern, bei denen die Streuung des Transformators als Induktivität oder als Schwingkreisbauelement genutzt wird, kommen u.a. für die Erzeugung der für den Betrieb einer Röntgenröhre erforderlichen Hochspannung zum Einsatz. Beispielsweise sind für die Bildgebung in der medizinischen Diagnostik derartige Wechselrichteranordnungen von Bedeutung. High-voltage transformers for operation with inverters, in which the scatter of the transformer is used as an inductance or as a resonant circuit component, u.a. used to generate the high voltage required to operate an X-ray tube. For example, such inverter arrangements are important for imaging in medical diagnostics.
Bei Wechselrichtern eingesetzte Hochspannungstransformatoren sind oft so ausgelegt, dass die Streuung des Transformators möglichst klein ist. Dies trifft beispielsweise auf Sperrwandler zu. Hier würde eine zu große Streuung zum Zeitpunkt des Ausschaltens der Halbleiterschalter zu unerwünschten Überspannungen führen. High-voltage transformers used in inverters are often designed so that the spread of the transformer is as small as possible. This applies, for example, to flyback converters. In this case too large a spread at the time of switching off the semiconductor switches would lead to undesired overvoltages.
Bei anderen Schaltungskonzepten hingegen, beispielsweise bei einem Serienresonanzwandler mit Transformator, bei dem ein Serienschwingkreis in Reihe zum Transformator ausgebildet ist, kann die Streuinduktivität gezielt als Seriendrossel des Schwingkreises genutzt werden. Durch ein entsprechendes Design des Transformators ist die Streuinduktivität in der Regel einstellbar, so dass sie gleich der für den Serienschwingkreis erforderlichen Induktivität ist. In contrast, in other circuit concepts, for example, in a series resonant converter with transformer, in which a series resonant circuit is formed in series with the transformer, the leakage inductance can be used selectively as a series reactor of the resonant circuit. By a corresponding design of the transformer, the leakage inductance is usually adjustable so that it is equal to the inductance required for the series resonant circuit.
Eine Möglichkeit zur Einstellung der Streuinduktivität besteht darin, die Windungszahlen der Wicklungen des Transformators zu verändern. Die Streuinduktivität ist proportional zum Quadrat der Windungszahl. One way to set the leakage inductance is to change the numbers of turns of the windings of the transformer. The leakage inductance is proportional to the square of the number of turns.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die geometrischen Verhältnisse im Transformator anzupassen. Beispielsweise kann die Streuinduktivität eines Transformators, bei dem Primär- und Sekundärwicklung in zwei übereinander angeordneten Wicklungspaketen realisiert sind, erhöht werden, indem ein größerer Abstand zwischen den Wicklungspaketen gewählt wird. Dadurch verringert sich die magnetische Kopplung zwischen der Primär- und Sekundärwicklung. Der Fluss in der Primärwicklung ist nicht mehr vollständig magnetisch mit der Sekundärwicklung gekoppelt. Ein Teil des Flusses schließt sich als Streufluss im Zwischenraum der Wicklungspakete. Die Streuinduktivität ist dabei proportional zum Streufluss. Another possibility is to adapt the geometric conditions in the transformer. For example, the leakage inductance of a transformer in which primary and secondary windings are realized in two stacked winding packages can be increased by choosing a greater distance between the winding packages. This reduces the magnetic coupling between the primary and secondary windings. The flux in the primary winding is no longer completely magnetically coupled to the secondary winding. Part of the river closes as stray flux in the space between the winding packages. The leakage inductance is proportional to the leakage flux.
Sollen hohe Werte der Streuinduktivität erzielt werden, ist es nicht mehr möglich oder sinnvoll die Streuinduktivität auf die vorgenannten Arten einzustellen. Denn die Wicklungsverluste bei Vergrößerung der Windungszahl steigen an, oder das Vergrößern des Abstands zwischen Primär- und Sekundärwicklung würde zu einer unerwünschten Vergrößerung des Transformators führen. Für hohe Induktivitäten wird daher für gewöhnlich eine zusätzliche Seriendrossel in Reihe zu dem Transformator geschaltet. If high values of the leakage inductance are to be achieved, it is no longer possible or advisable to adjust the leakage inductance to the aforementioned types. Because the winding losses increase as the number of turns increase, or increasing the distance between the primary and secondary windings would lead to an undesirable increase in the transformer. For high inductances, therefore, an additional series reactor is usually connected in series with the transformer.
Eine derartige Wechselrichterschaltung mit einem Hochspannungstransformator mit einer Streuinduktivität ist beispielsweise in der Offenlegungsschrift
Zusammenfassung der Erfindung Summary of the invention
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Hochspannungstransformatoranordnung mit einer hohen, einstellbaren Streuinduktivität, eine Wechselrichterschaltung mit einer derartigen Hochspannungstransformatoranordnung und eine Verwendung einer derartigen Hochspannungstransformatoranordnung zur Bildung einer Schwingkreisinduktivität bei einer Wechselrichterschaltung anzugeben. It is an object of the invention to provide a high voltage transformer arrangement having a high, adjustable stray inductance, an inverter circuit having such a high voltage transformer arrangement, and a use of such a high voltage transformer arrangement for forming a resonant circuit inductor in an inverter circuit.
Gemäß der Erfindung wird die gestellte Aufgabe mit der Anordnung, der Wechselrichterschaltung und der Verwendung der Anordnung der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. According to the invention, the stated object is achieved with the arrangement, the inverter circuit and the use of the arrangement of the independent claims. Advantageous developments are specified in the dependent claims.
Die grundlegende Idee der Erfindung besteht darin, auf einen Transformatorkern zwei voneinander räumlich getrennte Primärwicklungen aufzubringen, wobei die Primärwicklungen zueinander elektrisch in Reihe geschaltet sind und ihr Wicklungssinn so gewählt ist, dass die magnetischen Flüsse gleichsinnig sind, d.h. sich im Transformatorkern konstruktiv überlagern. Die Sekundärwicklung ist über oder unter einer der beiden Primärwicklungen aufgebracht. Bevorzugt ist der Transformatorkern geschlossen und besitzt zwei Schenkel, auf denen die Wicklungen sitzen. The basic idea of the invention is to apply to a transformer core two spatially separate primary windings, the primary windings being electrically connected in series with each other and their sense of winding being chosen so that the magnetic fluxes are in the same direction, ie. superimpose constructively in the transformer core. The secondary winding is applied above or below one of the two primary windings. Preferably, the transformer core is closed and has two legs, on which sit the windings.
Die Erfindung beansprucht eine Hochspannungstransformatoranordnung mit einem Transformatorkern, einer Sekundärwicklung und einer unter und/oder über der Sekundärwicklung angeordneten ersten Primärwicklung. Die Anordnung umfasst des Weiteren eine von der ersten Primärwicklung räumlich getrennte zweite Primärwicklung, wobei die erste und die zweite Primärwicklung elektrisch in Reihe geschaltet sind und wobei der Wicklungssinn der ersten und der zweiten Primärwicklung derart ausgebildet ist, dass sich ein die erste Primärwicklung durchflutender magnetischer Teilfluss der zweiten Primärwicklung mit einem ersten magnetischen Fluss der ersten Primärwicklung konstruktiv überlagert. The invention claims a high voltage transformer arrangement comprising a transformer core, a secondary winding and a first primary winding arranged below and / or above the secondary winding. The arrangement comprises the Furthermore, one of the first primary winding spatially separated second primary winding, wherein the first and the second primary winding are electrically connected in series and wherein the winding sense of the first and the second primary winding is formed such that a first primary winding flowing through the magnetic partial flux of the second primary winding a first magnetic flux of the first primary winding constructively superimposed.
Durch die erfindungsgemäße räumliche Aufteilung der Primärwicklung wird gezielt die magnetische Streuung der Transformatoranordnung vergrößert. Insbesondere lassen sich so sehr hohe Werte der magnetischen Streuung realisieren, die mit einem herkömmlichen Transformator-Design nicht erzielt werden können. The spatial division of the primary winding according to the invention selectively increases the magnetic dispersion of the transformer arrangement. In particular, very high levels of magnetic scattering can be achieved that can not be achieved with a conventional transformer design.
In einer Weiterbildung kann die Hochspannungstransformatoranordnung einen mantelförmigen Transformatorkern, einen ersten Schenkel des Transformatorkerns, auf dem die erste Primärwicklung sitzt, und einen zweiten Schenkel des Transformatorkerns, auf dem die zweite Primärwicklung sitzt, umfassen. In a further development, the high-voltage transformer arrangement may comprise a jacket-shaped transformer core, a first leg of the transformer core, on which the first primary winding sits, and a second leg of the transformer core, on which the second primary winding is seated.
Dadurch ist eine einfache räumliche Trennung der ersten Primärwicklung von der zweiten Primärwicklung möglich. As a result, a simple spatial separation of the first primary winding of the second primary winding is possible.
In einer weiteren Ausführungsform kann der Transformatorkern zweiteilig und spaltlos sein und die beiden Teile können jeweils C-förmig ausgebildet sein. In a further embodiment, the transformer core may be in two parts and without gaps, and the two parts may each be C-shaped.
Des Weiteren können die erste und die zweite Primärwicklung gegensinnig gewickelt sein. Furthermore, the first and second primary windings can be wound in opposite directions.
Bevorzugt kann der Transformatorkern aus einem Ferrit gebildet sein. Dadurch bleiben die Kernverluste gering. Preferably, the transformer core may be formed of a ferrite. As a result, the core losses remain low.
In einer Weiterbildung der Erfindung können die erste und die zweite Primärwicklung als mehrlagige Folienwicklungen ausgebildet sein. In one development of the invention, the first and the second primary winding may be formed as multi-layer film windings.
In einer weiteren Ausführungsform kann die Hochspannungstransformatoranordnung einen auf dem Transformatorkern sitzenden ersten Primärspulenkörper, in dem die erste Primärwicklung angeordnet ist, und einen auf dem Transformatorkern sitzenden zweiten Primärspulenkörper, in dem die zweite Primärwicklung angeordnet ist, umfassen. In a further embodiment, the high-voltage transformer arrangement may comprise a first primary coil body sitting on the transformer core, in which the first primary winding is arranged, and a second primary coil body sitting on the transformer core, in which the second primary winding is arranged.
In einer Weiterbildung kann die Sekundärwicklung aus Kupferlackdraht gebildet sein. In a further development, the secondary winding can be formed from enameled copper wire.
Des Weiteren kann die Hochspannungstransformatoranordnung einen auf der ersten Primärwicklung angeordneten mehrkammrigen Sekundärspulenkörper, in dem die Sekundwicklung angeordnet ist, umfassen. Furthermore, the high-voltage transformer arrangement may comprise a multi-chamber secondary coil body arranged on the first primary winding and in which the secondary winding is arranged.
Durch die Verteilung der Sekundärwicklung auf mehrere Kammern kann sowohl die parasitäre Wicklungskapazität als auch die Lage-zu-Lage-Spannung der Lagen der Wicklungen in den einzelnen Kammern gering gehalten werden. By distributing the secondary winding over a plurality of chambers, both the parasitic winding capacitance and the position-to-position voltage of the layers of the windings in the individual chambers can be kept small.
Außerdem kann die Hochspannungstransformatoranordnung eine Isolationsabdeckung umfassen, die oberhalb der Sekundärwicklung angeordnet und ausgebildet ist, die Sekundärwicklung von dem Transformatorkern und der zweiten Primärwicklung elektrisch zu isolieren. In addition, the high voltage transformer assembly may include an insulating cover disposed above the secondary winding and configured to electrically isolate the secondary winding from the transformer core and the second primary winding.
Die Erfindung beansprucht auch eine Wechselrichterschaltung mit einer erfindungsgemäßen Hochspannungstransformatoranordnung, wobei die Schaltung einen Schwingkreis mit einer Induktivität aufweist, die teilweise durch den Streufluss der zweiten Primärspule gebildet wird. The invention also claims an inverter circuit having a high-voltage transformer arrangement according to the invention, wherein the circuit has a resonant circuit with an inductance, which is formed in part by the leakage flux of the second primary coil.
Der Vorteil im Vergleich zu einer Realisierung durch eine Schaltung mit einem Transformator bekannter Bauart und einer vorgeschalteten Seriendrossel besteht darin, dass die Seriendrossel magnetisch in den Transformator integriert werden kann. The advantage compared to a realization by a circuit with a transformer of known type and an upstream series reactor is that the series reactor can be magnetically integrated into the transformer.
Die Primärwicklungen des Transformators erfüllen gleichzeitig die Funktion der Wicklung der Seriendrossel. Auch der Transformatorkern trägt sowohl zur Funktion der Seriendrossel als auch zur Funktion des Transformators bei. The primary windings of the transformer simultaneously fulfill the function of winding the series choke. The transformer core also contributes both to the function of the series choke and to the function of the transformer.
Dadurch, dass die Baugruppen der Transformatoranordnung mehrere Aufgaben erfüllen und die Anzahl der nötigen Komponenten von zwei (Seriendrossel und Transformator) auf eine Komponente (Transformator mit magnetisch integrierter Seriendrossel) gesenkt werden kann, ist sowohl eine Kostenersparnis als auch eine Reduktion des Gesamtbauraums möglich. Due to the fact that the assemblies of the transformer arrangement fulfill several tasks and the number of required components of two (series reactor and transformer) can be reduced to one component (transformer with magnetically integrated series choke), both a cost saving and a reduction of the total installation space is possible.
Die Erfindung beansprucht auch eine Verwendung einer erfindungsgemäßen Hochspannungstransformatoranordnung zur Bildung einer Induktivität (Seriendrossel) eines Schwingkreises einer Wechselrichterschaltung, wobei durch eine Änderung der Windungszahl der zweiten Primärwicklung die Induktivität des Schwingkreises veränderbar ist. The invention also claims a use of a high-voltage transformer arrangement according to the invention for forming an inductance (series reactor) of a resonant circuit of an inverter circuit, wherein the inductance of the resonant circuit can be changed by changing the number of turns of the second primary winding.
Durch die Verteilung der Gesamtanzahl der Primärwindungen auf zwei räumlich getrennte Wicklungen kann die für die Bildung der Induktivität verantwortliche magnetische Streuung der Transformatoranordnung sehr einfach eingestellt werden. Dabei sind die Streuung und damit die Induktivität des Schwingkreises umso höher, je mehr Windungen die zweite Primärwicklung aufweist. By distributing the total number of primary windings to two spatially separated windings, the magnetic dispersion of the transformer arrangement responsible for the formation of the inductance can be set very easily. The scattering and thus the inductance of the Oscillating circuit, the higher, the more turns the second primary winding has.
Weitere Besonderheiten und Vorteile der Erfindung werden aus den nachfolgenden Erläuterungen eines Ausführungsbeispiels anhand von schematischen Zeichnungen ersichtlich. Other features and advantages of the invention will become apparent from the following explanations of an embodiment with reference to schematic drawings.
Es zeigen: Show it:
Detaillierte Beschreibung eines Ausführungsbeispiels Detailed description of an embodiment
Die
Auf dem ersten Schenkel
Die erste und die zweite Primärwicklung
Die Sekundärwicklung
Alternativ können auch andere Transformatorkernformen, beispielsweise Ringkerne, zum Einsatz kommen. Die Kerne können mit oder ohne Spalt ausgebildet sein. Alternatively, other transformer core forms, such as toroidal cores, are used. The cores may be formed with or without a gap.
Durch die erfindungsgemäße Verschachtelung der ersten Primärwicklung
Durch die erste und zweite Primärwicklung
Zwischen dem ersten magnetischen Fluss Φ1 der ersten Primärwicklung
Der erste Anschluss P1 der ersten Primärwicklung
Wenn bei gleicher Gesamtwindungszahl der in Serie geschalteten ersten und zweiten Primärwicklung
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1 1
- Transformatorkern transformer core
- 2 2
- erster Schenkel first leg
- 3 3
- zweiter Schenkel second leg
- 4 4
- erste Primärwicklung first primary winding
- 5 5
- zweite Primärwicklung second primary winding
- 6 6
- Sekundärwicklung secondary winding
- 7 7
- erster Primärspulenkörper first primary coil body
- 8 8th
- zweiter Primärspulenkörper second primary coil body
- 9 9
- Sekundärspulenkörper Secondary bobbin
- 10 10
- Isolationsabdeckung insulating cover
- 11 11
- Hochspannungstransformatoranordnung High voltage transformer assembly
- 12 12
- Schwingkreiskondensator Resonant circuit capacitor
- 13 13
- Wechselrichter inverter
- 14 14
- Schwingkreis resonant circuit
- A, B A, B
- Schnittachse section axis
- I1 I 1
- Primärstrom primary current
- I2 I 2
- Sekundärstrom secondary current
- P1 P1
-
erster Anschluss der ersten Primärwicklung
4 first connection of the first primary winding4 - P2 P2
-
zweiter Anschluss der ersten Primärwicklung
4 second terminal of the first primary winding4 - P3 P3
-
erster Anschluss der zweiten Primärwicklung
5 first connection of the second primary winding5 - P4 P4
-
zweiter Anschluss der zweiten Primärwicklung
5 second terminal of the second primary winding5 - S1 S1
-
erster Anschluss der Sekundärwicklung
6 first connection of the secondary winding6 - S2 S2
-
zweiter Anschluss der Sekundärwicklung
6 second connection of the secondary winding6 - Φ1 Φ 1
- erster magnetischer Fluss first magnetic flux
- Φ2 2
- zweiter magnetischer Fluss second magnetic flux
- Φ23 Φ 23
- magnetischer Teilfluss partial magnetic flux
- Φ2σ Φ 2σ
- magnetischer Streufluss magnetic leakage flux
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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DE952726C (en) | Magnetically coupled coils with low leakage inductance |
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Date | Code | Title | Description |
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R003 | Refusal decision now final |
Effective date: 20150303 |