DE102019123167A1 - DC-DC converter - Google Patents

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Abstract

In einem Gleichspannungswandler (1) mit mindestens zwei Phasen (41, 42) wird ein den Phasen (41, 42) gemeinsamer Drosselkern (2) eingesetzt. In einem Luftspalt (22) des Drosselkerns (2) ist ein Magnetfeldsensor (3) angeordnet. Eine Regeleinrichtung (5) ist vorgesehen, um die Ströme in den Phasen (41, 42) so zu regeln, dass der vom Magnetfeldsensor (3) gemessene magnetische Fluss (6) Null ist.A choke core (2) common to the phases (41, 42) is used in a DC voltage converter (1) with at least two phases (41, 42). A magnetic field sensor (3) is arranged in an air gap (22) of the throttle core (2). A control device (5) is provided to control the currents in the phases (41, 42) so that the magnetic flux (6) measured by the magnetic field sensor (3) is zero.

Description

Die Erfindung betrifft einen mehrphasigen Gleichspannungswandler mit einem den Phasen gemeinsamen Drosselkern.The invention relates to a multiphase DC / DC converter with an inductor core common to the phases.

Gleichspannungswandler finden vielfältige Anwendungen in der Elektronik und elektrischen Schaltungstechnik. Ein spezifisches Einsatzgebiet, auf das die Erfindung nicht beschränkt sein soll, ist der Bereich der Elektromobilität. Dort werden Gleichspannungswandler häufig zwischen Batterie und Leistungselektronik verwendet, um manche Leistungspunkte zu erreichen und die Effizienz des Antriebssystems zu optimieren. Aus Bauraumgründen ist es vorteilhaft, oftmals notwendig, bei der Gleichspannungswandlung mehrerer Phasen einen den Phasen gemeinsamen Drosselkern zu verwenden. Hierzu werden die elektrischen Leiter der Phasen auf einen gemeinsamen Drosselkern gewickelt; unter einem gemeinsamen Drosselkern wird hier in weitestem Sinn eine Anordnung von Kernmaterial verstanden, die zu einem den Phasen gemeinsamen magnetischen Kreis führt. Für den Betrieb ist es dabei erforderlich, dass der magnetische Fluss in dem Kernmaterial des Drosselkerns in der Nähe von Null bleibt. Andernfalls kann der Drosselkern in Sättigung gehen und/oder überhitzen, in jedem Fall ist der Drosselkern dann nicht mehr in der Lage, seine Funktion im Gleichspannungswandler korrekt zu erfüllen. Um den magnetischen Fluss in dem Drosselkern in der Nähe von Null zu halten, etwa dem Betrage nach unter einem vordefinierten Schwellwert, ist es bekannt, den Strom in jeder der Phasen zu messen und den magnetischen Fluss auf Grundlage dieser Messwerte für den Strom zu regeln. Dies erfordert einen Stromsensor für jede Phase, von denen jeder wiederum Bauraum und Montageaufwand benötigt, sowie komplexe Regelungsalgorithmen.DC voltage converters are used in a variety of applications in electronics and electrical circuit technology. A specific area of application to which the invention is not to be restricted is the area of electromobility. DC voltage converters are often used there between the battery and power electronics in order to achieve certain performance points and to optimize the efficiency of the drive system. For reasons of installation space, it is advantageous, often necessary, to use a choke core common to the phases when converting several phases into DC voltage. For this purpose, the electrical conductors of the phases are wound onto a common choke core; A common throttle core is understood here in the broadest sense to mean an arrangement of core material which leads to a magnetic circuit common to the phases. For operation, it is necessary that the magnetic flux in the core material of the throttle core remains close to zero. Otherwise the choke core can go into saturation and / or overheat, in any case the choke core is then no longer able to correctly fulfill its function in the DC / DC converter. In order to keep the magnetic flux in the reactor core close to zero, for example below a predefined threshold value, it is known to measure the current in each of the phases and to regulate the magnetic flux for the current on the basis of these measured values. This requires a current sensor for each phase, each of which in turn requires space and installation effort, as well as complex control algorithms.

Eine Vorrichtung zur integrierten Strommessung innerhalb einer Hochvolt-Kontaktierung ist aus der internationalen Veröffentlichung WO 2016/131455 A1 bekannt.A device for integrated current measurement within a high-voltage contact is from the international publication WO 2016/131455 A1 known.

Aufgabe der Erfindung ist, einen Gleichspannungswandler anzugeben, der weniger Bauraum und Montageaufwand benötigt, sowie einfacher zu regeln ist.The object of the invention is to specify a DC / DC converter which requires less installation space and installation effort and is easier to regulate.

Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Gleichspannungswandler gemäß Anspruch 1. Die Unteransprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen. Anspruch 7 betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Gleichspannungswandlers.This object is achieved by a DC voltage converter according to claim 1. The subclaims contain advantageous embodiments. Claim 7 relates to a method for operating a DC voltage converter.

Der erfindungsgemäße Gleichspannungswandler umfasst mindestens zwei Phasen und einen den Phasen gemeinsamen Drosselkern. Erfindungsgemäß ist in einem Luftspalt des gemeinsamen Drosselkerns ein Magnetfeldsensor vorgesehen. Der Magnetfeldsensor erlaubt es, die für den Betrieb des Gleichspannungswandlers unmittelbar relevante Größe, den magnetischen Fluss im Drosselkern, zu messen, anstatt aus einer Reihe von Strommessungen indirekt auf diesen Fluss zu schließen; dadurch ist die Regelung des magnetischen Flusses einfacher. Ferner erfordert ein einziger Magnetfeldsensor weniger Bauraum und Montageaufwand als ein Stromsensor für jede Phase.The DC / DC converter according to the invention comprises at least two phases and an inductor core common to the phases. According to the invention, a magnetic field sensor is provided in an air gap of the common throttle core. The magnetic field sensor makes it possible to measure the variable that is directly relevant for the operation of the DC / DC converter, the magnetic flux in the choke core, instead of inferring this flow indirectly from a series of current measurements; this makes it easier to regulate the magnetic flux. Furthermore, a single magnetic field sensor requires less installation space and installation effort than a current sensor for each phase.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht in der vereinfachten Kalibrierung des Magnetfeldsensors. Solange kein Strom in den Phasen fließt, sollte der magnetische Fluss im Drosselkern Null sein. Ein vom Magnetfeldsensor dabei gelieferter, von Null verschiedener Messwert kann als Versatz von später, bei Stromfluss in den Phasen, gelieferten Messwerten abgezogen werden. Strommessungen nach dem Stand der Technik hingegen benötigen eine End-of-Line-Kalibrierung, die überwacht werden muss.Another advantage of the invention is the simplified calibration of the magnetic field sensor. As long as no current flows in the phases, the magnetic flux in the reactor core should be zero. A measured value supplied by the magnetic field sensor that is different from zero can be deducted as an offset from measured values supplied later when current flows in the phases. Current measurements according to the state of the art, on the other hand, require an end-of-line calibration, which must be monitored.

In einer Ausführungsform umfasst der Gleichspannungswandler eine Regeleinrichtung, die dazu ausgebildet ist, Signale von dem Magnetfeldsensor zu empfangen und in Abhängigkeit von den empfangenen Signalen eine jeweilige Stromstärke in den mindestens zwei Phasen des Gleichspannungswandlers zu regeln. Die Signale von dem Magnetfeldsensor übermitteln dabei einen oder mehrere Messwerte für den durch den Magnetfeldsensor gemessenen magnetischen Fluss. Die Regeleinrichtung ist in einer Weiterbildung dazu ausgebildet, einen magnetischen Fluss in dem Drosselkern so zu regeln, dass der magnetische Fluss dem Betrage nach unter einem vorgegebenen Schwellwert bleibt. Im Idealfall wird angestrebt, den magnetischen Fluss im Drosselkern auf Null zu regeln. Der vorgegebene Schwellwert ist dabei Teil der Konfiguration der Regeleinrichtung.In one embodiment, the DC voltage converter comprises a control device which is designed to receive signals from the magnetic field sensor and to regulate a respective current intensity in the at least two phases of the DC voltage converter as a function of the received signals. The signals from the magnetic field sensor transmit one or more measured values for the magnetic flux measured by the magnetic field sensor. In one development, the regulating device is designed to regulate a magnetic flux in the throttle core in such a way that the amount of the magnetic flux remains below a predetermined threshold value. Ideally, the aim is to regulate the magnetic flux in the choke core to zero. The specified threshold value is part of the configuration of the control device.

In einer Ausführungsform ist der Magnetfeldsensor ein Hall-Sensor.In one embodiment, the magnetic field sensor is a Hall sensor.

Die elektrischen Leiter für die einzelnen Phasen verlaufen in Form von Wicklungen um den gemeinsamen Drosselkern. In einer Ausgestaltung des Gleichspannungswandlers umschließen Wicklungen für mindestens eine Phase den Luftspalt. In einer anderen Ausgestaltung wird der Luftspalt von keiner Wicklung einer Phase umschlossen, d.h. die Wicklungen verlaufen abseits des Luftspalts um den Drosselkern.The electrical conductors for the individual phases run in the form of windings around the common choke core. In one embodiment of the DC / DC converter, windings for at least one phase enclose the air gap. In another embodiment, the air gap is not enclosed by any winding of a phase, i.e. the windings run away from the air gap around the choke core.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betrieb eines Gleichspannungswandlers mit mindestens zwei Phasen und einem den Phasen gemeinsamen Drosselkern wird ein magnetischer Fluss im Drosselkern gemessen. Auf Grundlage der Messwerte für den magnetischen Fluss werden Ströme in den mindestens zwei Phasen derart geregelt, dass der magnetische Fluss im Drosselkern den Wert Null anstrebt oder annimmt, oder derart, dass der magnetische Fluss im Drosselkern dem Betrage nach unter einem vordefinierten Schwellwert bleibt. Das Verfahren kann insbesondere auf einen Gleichspannungswandler der vorstehend beschriebenen Art angewendet werden. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es insbesondere nicht erforderlich, Ströme in den einzelnen Phasen des Gleichspannungswandlers zu messen und die Regelung des magnetischen Flusses dann auf Grundlage dieser Strommesswerte durch vergleichsweise komplexe Algorithmen durchzuführen.In the method according to the invention for operating a DC / DC converter with at least two phases and an inductor core common to the phases, a magnetic flux is measured in the inductor core. Based on the measured values for the magnetic flux, currents in the at least two phases are regulated in such a way that the magnetic flux in the choke core strives for or assumes the value zero, or in such a way that the amount of the magnetic flux in the choke core remains below a predefined threshold value. The method can in particular be applied to a DC voltage converter of the type described above. In the method according to the invention, it is in particular not necessary to measure currents in the individual phases of the DC-DC converter and then to regulate the magnetic flux on the basis of these current measured values using comparatively complex algorithms.

Nachfolgend werden die Erfindung und ihre Vorteile an Hand der beigefügten schematischen Zeichnungen näher beschrieben.

  • 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Gleichspannungswandlers.
  • 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Gleichspannungswandlers.
  • 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Gleichspannungswandlers in Verbindung mit einer Last.
The invention and its advantages are described in more detail below with reference to the accompanying schematic drawings.
  • 1 shows an embodiment of a DC voltage converter according to the invention.
  • 2 shows a further embodiment of a DC voltage converter according to the invention.
  • 3rd shows a further embodiment of a DC voltage converter according to the invention in connection with a load.

Die Figuren stellen lediglich Ausführungsbeispiele der Erfindung dar. Keinesfalls sind die Figuren als Beschränkung der Erfindung auf die gezeigten konkreten Ausführungsbeispiele aufzufassen.The figures merely represent exemplary embodiments of the invention. The figures are in no way to be interpreted as limiting the invention to the specific exemplary embodiments shown.

1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Gleichspannungswandlers 1 mit gemeinsamem Drosselkern 2. Der Drosselkern 2 ist in diesem Beispiel zweiteilig ausgebildet, er verfügt über zwei Drosselkernstücke 21; die beiden Drosselkernstücke 21 bilden jedoch einen einzigen magnetischen Kreis. In einem Luftspalt 22 im Drosselkern 2 ist ein Magnetfeldsensor 3 vorgesehen. Der Gleichspannungswandler 1 verfügt über zwei Phasen 41, 42, welche in Wicklungen 43, 44 um den Drosselkern 2 laufen. In dem gezeigten Beispiel liegt der Luftspalt 22 abseits der Wicklungen 43, 44, die Wicklungen 43, 44 verlaufen also nicht um den Luftspalt 22. Eine Regeleinrichtung 5 ist vorgesehen, um Signale von dem Magnetfeldsensor 3 zu empfangen und auf Grundlage dieser Signale den Stromfluss in den Phasen 41, 42 zu regeln. Ziel der Regelung ist es, den magnetischen Fluss 6 im Drosselkern 2 dem Betrage nach unter einem vorgegebenen Schwellwert zu halten. Gestrichelt angedeutet sind der Verlauf 45 der Phase 41 und der Verlauf 46 der Phase 42 zu weiteren Komponenten einer Schaltung, in die der Gleichspannungswandler 1 integriert ist. 1 shows an embodiment of a DC voltage converter according to the invention 1 with a common choke core 2 . The choke core 2 In this example it is designed in two parts, it has two throttle core pieces 21 ; the two choke core pieces 21 however, form a single magnetic circuit. In an air gap 22nd in the choke core 2 is a magnetic field sensor 3rd intended. The DC / DC converter 1 has two phases 41 , 42 which in windings 43 , 44 around the choke core 2 to run. In the example shown, the air gap is located 22nd apart from the windings 43 , 44 who have favourited the windings 43 , 44 so do not run around the air gap 22nd . A control device 5 is provided to receive signals from the magnetic field sensor 3rd to receive and on the basis of these signals the current flow in the phases 41 , 42 to regulate. The aim of the scheme is to reduce the magnetic flux 6th in the choke core 2 to keep the amount below a predetermined threshold value. The course is indicated by dashed lines 45 the phase 41 and the course 46 the phase 42 to further components of a circuit in which the DC-DC converter 1 is integrated.

2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Gleichspannungswandlers 1. Dieses Beispiel ist weitgehend ähnlich zu der in 1 gezeigten Ausführungsform; zu 1 wurden die hier gezeigten Elemente bereits erläutert. Im Unterschied zu der in 1 gezeigten Ausführungsform verläuft hier Wicklung 43 der Phase 41 um den Luftspalt 22 mit dem Magnetfeldsensor 3. 2 shows a further embodiment of a DC voltage converter according to the invention 1 . This example is largely similar to the one in 1 embodiment shown; to 1 the elements shown here have already been explained. In contrast to the in 1 The embodiment shown here runs winding 43 the phase 41 around the air gap 22nd with the magnetic field sensor 3rd .

3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Gleichspannungswandlers 1, hier in der Konfiguration eines Buck-Boost-Gleichspannungswandlers. Zum Gleichspannungswandler 1 sind zwei Phasen 41, 42 mit zugehörigen Wicklungen 43, 44 an einem den Phasen 41, 42 gemeinsamen Drosselkern 2 gezeigt. Ebenso sind ein Magnetfeldsensor 3 im Drosselkern 2 und eine Regeleinrichtung 5 gezeigt, welche mit dem Magnetfeldsensor 3 verbunden ist. Diese Elemente sind bereits zu 1 diskutiert worden. Ferner dargestellt sind Hochspannungsanschlüsse 100 sowie elektronische Schaltelemente 9 des Gleichspannungswandlers 1. Über Kapazität 8 ist der Gleichspannungswandler 1 an eine Last 200 gekoppelt. 3rd shows a further embodiment of a DC voltage converter according to the invention 1 , here in the configuration of a buck-boost DC voltage converter. To the DC / DC converter 1 are two phases 41 , 42 with associated windings 43 , 44 at one of the phases 41 , 42 common inductor core 2 shown. Likewise are a magnetic field sensor 3rd in the choke core 2 and a control device 5 shown which with the magnetic field sensor 3rd connected is. These items are already closed 1 been discussed. High-voltage connections are also shown 100 as well as electronic switching elements 9 of the DC / DC converter 1 . Overcapacity 8th is the DC / DC converter 1 to a load 200 coupled.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

11
GleichspannungswandlerDC-DC converter
22
Drossel kernChoke core
33
MagnetfeldsensorMagnetic field sensor
55
RegeleinrichtungControl device
66th
magnetischer Flussmagnetic river
88th
Kapazitätcapacity
99
elektronisches Schaltelementelectronic switching element
2121
DrosselkernstückChoke core
2222nd
LuftspaltAir gap
4141
Phasephase
4242
Phasephase
4343
WicklungWinding
4444
WicklungWinding
4545
Verlauf (einer Phase zu weiteren Komponenten)Course (one phase to further components)
4646
Verlauf (einer Phase zu weiteren Komponenten)Course (one phase to further components)
100100
HochspannungsanschlussHigh voltage connection
200200
Lastload

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

  • WO 2016/131455 A1 [0003]WO 2016/131455 A1 [0003]

Claims (7)

Gleichspannungswandler (1) mit mindestens zwei Phasen (41, 42) und einem den Phasen (41, 42) gemeinsamen Drosselkern (2), gekennzeichnet durch einen Magnetfeldsensor (3) in einem Luftspalt (22) des gemeinsamen Drosselkerns (2).DC voltage converter (1) with at least two phases (41, 42) and an inductor core (2) common to the phases (41, 42), characterized by a magnetic field sensor (3) in an air gap (22) of the common inductor core (2). Gleichspannungswandler (1) nach Anspruch 1, mit einer Regeleinrichtung (5), die dazu ausgebildet ist, Signale von dem Magnetfeldsensor (3) zu empfangen und in Abhängigkeit von den empfangenen Signalen eine jeweilige Stromstärke in den mindestens zwei Phasen (41, 42) des Gleichspannungswandlers (1) zu regeln.DC voltage converter (1) according to Claim 1 with a control device (5) which is designed to receive signals from the magnetic field sensor (3) and to regulate a respective current intensity in the at least two phases (41, 42) of the DC voltage converter (1) as a function of the received signals. Gleichspannungswandler (1) nach Anspruch 2, wobei die Regeleinrichtung (5) dazu ausgebildet ist, einen magnetischen Fluss (6) in dem Drosselkern (2) so zu regeln, dass der magnetische Fluss (6) dem Betrage nach unter einem vorgegebenen Schwellwert bleibt.DC voltage converter (1) according to Claim 2 , the regulating device (5) being designed to regulate a magnetic flux (6) in the throttle core (2) in such a way that the amount of the magnetic flux (6) remains below a predetermined threshold value. Gleichspannungswandler (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Magnetfeldsensor (3) ein Hall-Sensor ist.DC voltage converter (1) according to one of the Claims 1 to 3rd , wherein the magnetic field sensor (3) is a Hall sensor. Gleichspannungswandler (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei Wicklungen (43, 44) mindestens einer Phase (41, 42) den Luftspalt (22) umschließen.DC voltage converter (1) according to one of the Claims 1 to 4th , wherein windings (43, 44) of at least one phase (41, 42) enclose the air gap (22). Gleichspannungswandler (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Luftspalt (22) von keiner Wicklung (43, 44) einer Phase (41, 42) umschlossen ist.DC voltage converter (1) according to one of the Claims 1 to 4th wherein the air gap (22) is not enclosed by any winding (43, 44) of a phase (41, 42). Verfahren zum Betrieb eines Gleichspannungswandlers (1) mit mindestens zwei Phasen (41, 42) und einem den Phasen (41, 42) gemeinsamen Drosselkern (2), das Verfahren gekennzeichnet durch: Messen eines magnetischen Flusses (6) in dem Drosselkern (2); Regeln von Strömen in den Phasen (41, 42) derart, dass der magnetische Fluss (6) in dem Drosselkern (2) dem Betrage nach unter einem vorgegebenen Schwellwert bleibt.Method for operating a DC / DC converter (1) with at least two phases (41, 42) and an inductor core (2) common to the phases (41, 42), the method characterized by : measuring a magnetic flux (6) in the inductor core (2) ; Regulation of currents in the phases (41, 42) in such a way that the magnetic flux (6) in the choke core (2) remains below a predetermined threshold value.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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