DE102022125323A1

DE102022125323A1 - Elektrische Schaltung und Gekoppelte-Spuleneinheit

Info

Publication number: DE102022125323A1
Application number: DE102022125323.6A
Authority: DE
Inventors: Martin Dierkes; Lukas Keuck
Original assignee: Hella GmbH and Co KGaA
Current assignee: Hella GmbH and Co KGaA
Priority date: 2022-09-30
Filing date: 2022-09-30
Publication date: 2024-04-04

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrische Schaltung (100) umfassend: eine Halbleiterschalteranordnung (3) mit vier Halbleiterschaltern (4a-4d), die in Form einer Brückenschaltung mit zwei Halbbrücken (5a,5b) verschaltet sind, eine erste Induktivität (L1), die mit einer ersten Halbbrücke (5a) der Halbleiterschalteranordnung (3) verschaltet ist, eine zweite Induktivität (L2), die mit einer zweiten Halbbrücke (5b) der Halbleiterschalteranordnung (3) verschaltet ist, und einer Steuereinheit (6) zur Steuerung der Halbleiterschalter (4a-4d) der Halbleiterschalteranordnung (3), wobei die Steuereinheit (6) eingerichtet ist, ein spannungsloses Schalten der Halbleiterschalter (4a-4d) auszuführen, wobei die erste Induktivität (L1) und die zweite Induktivität (L2) durch eine Gekoppelte-Spuleneinheit (10) gebildet sind, die eine erste Spule (11) und eine zweite Spule (12) aufweist, die auf einem gemeinsamen Kern (13) angeordnet sind, wobei die erste Induktivität (L1) durch die erste Spule (11) gebildet ist und die zweite Induktivität (L2) durch die zweite Spule (12) gebildet ist. Die Erfindung betrifft ferner eine Gekoppelte-Spuleneinheit (10).

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Schaltung, insbesondere eine elektrische Schaltung einer bordeigenen Batterieladeelektronik (engl.: on-board charger, OBC), auch bekannt als Ladewandler, zum Laden einer Traktionsbatterie eines Fahrzeugs mit elektrischem Antriebsmotor, umfassend: eine Halbleiterschalteranordnung mit vier Halbleiterschaltern, die in Form einer Brückenschaltung mit zwei Halbbrücken verschaltet sind, eine erste Induktivität, die mit einer ersten Halbbrücke der Halbleiterschalteranordnung verschaltet ist, eine zweite Induktivität die mit einer zweiten Halbbrücke der Halbleiterschalteranordnung verschaltet ist, und eine Steuereinheit zur Steuerung der Halbleiterschalter der Halbleiterschalteranordnung, wobei die Steuereinheit eingerichtet ist, ein spannungsloses Schalten der Halbleiterschalter auszuführen. Die Erfindung betrifft ferner eine Gekoppelte-Spuleneinheit, also eine Spuleneinheit mit zwei Spulen, die auf einem gemeinsamen Kern angeordnet sind.
Elektrische Schaltungen der eingangs genannten Art werden beispielsweise zur Gleichspannungswandlung in der bordeigenen Batterieladeelektronik von Fahrzeugen mit elektrischem Antriebsmotor verwendet. Wie im Allgemeinen für alle Komponenten eines Fahrzeugs steht auch für die bordeigene Batterieladeelektronik nur ein sehr begrenzter Bauraum zur Verfügung.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Realisierung einer relativ kompakten elektrischen Schaltung der eingangs genannten Art zu ermöglichen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine elektrische Schaltung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch eine Gekoppelte-Spuleneinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 13 gelöst.
Die erfindungsgemäße elektrische Schaltung umfasst eine Halbleiterschalteranordnung mit vier Halbleiterschaltern, die in Form einer Brückenschaltung mit zwei Halbbrücken, auch bekannt als H-Schaltung, H-Brücke oder Vollbrücke, verschaltet sind. Im Speziellen umfasst jede der beiden Halbbrücken zwei elektrisch in Reihe geschaltete Halbleiterschalter, wobei die beiden Halbbrücken elektrisch parallel zueinander verschaltet sind. Derartige Halbleiterschalteranordnungen sind im Stand der Technik hinlänglich bekannt, sodass auf den exakten Aufbau und die Funktionsweise der Halbleiterschalteranordnung hier nicht näher eingegangen wird. Die Halbleiterschalter sind vorzugsweise sogenannte Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (engl.: metaloxide-semiconductor field-effect transistor, MOSFET). Die erfindungsgemäße elektrische Schaltung kann insbesondere in einer Batterieladeelektronik verwendet werden, wobei der Halbleiterschalteranordnung beispielsweise eine Leistungsfaktorkompensationsschaltung (engl.: Power Factor Compensation, PFC) vorgeschaltet sein kann.
Die erfindungsgemäße elektrische Schaltung umfasst ferner eine erste Induktivität, die mit der ersten Halbbrücke der Halbleiterschalteranordnung verschaltet ist, und eine zweite Induktivität, die mit einer zweiten Halbbrücke der Halbleiterschalteranordnung verschaltet ist. Im Speziellen sind die beiden Induktivitäten jeweils über einen ersten Anschluss elektrisch mit einem Mittelpunkt der jeweiligen Halbbrücke verbunden, der zwischen den beiden Halbleiterschaltern der jeweiligen Halbbrücke liegt.
Die erfindungsgemäße elektrische Schaltung umfasst ferner eine Steuereinheit zur Steuerung der Halbleiterschalter der Halbleiterschalteranordnung. Die Steuereinheit ist hierbei eingerichtet, auf bekannte Art und Weise, insbesondere auch im Nennbetrieb, also im Betrieb der Halbleiterschalteranordnung mit einer Nennleistung, ein im Wesentlichen spannungsloses Schalten (engl.: Zero Voltage Switching, ZVS) der Halbleiterschalter auszuführen. Die Steuereinheit umfasst typischerweise einen Mikrocontroller und/oder eine integrierte elektrische Schaltung, um eine digitale Programmierung der Steuereinheit zu ermöglichen.
Erfindungsgemäß sind die erste Induktivität und die zweite Induktivität durch eine Gekoppelte-Spuleneinheit gebildet, die eine erste Spule und eine zweite Spule aufweist, die auf einem gemeinsamen Kern angeordnet sind, wobei die erste Induktivität durch die erste Spule gebildet ist und die zweite Induktivität durch die zweite Spule gebildet ist. Derartige Gekoppelte-Spuleneinheiten werden auch als gekoppelte Spulen oder gekoppelte Induktivitäten bezeichnet. Die beiden Spulen sind vorzugsweise jeweils als Drahtwicklung oder Litzenwicklung ausgebildet, können jedoch grundsätzlich auf jede beliebige Art und Weise ausgebildet sein. Vorzugsweise weisen die beiden Spulen einen näherungsweise gleichen Induktivitätswert auf. Insbesondere weisen die beiden Spulen vorzugsweise einen im Wesentlichen gleichen Durchmesser sowie eine gleiche Wicklungszahl auf. Ferner sind die beiden Spulen vorzugsweise aus einem gleichen Draht gebildet. Die beiden Spulen sind vorzugsweise radial nebeneinanderliegend und achsparallel zueinander angeordnet.
Es sei explizit angemerkt, dass die Halbleiterschalteranordnung auch mehr als zwei Halbbrücken aufweisen kann, wobei pro zusätzlicher Halbbrücke jeweils auch zwei zusätzliche Halbleiterschalter vorhanden sind. In diesem Fall ist pro zusätzlicher Halbbrücke ferner auch eine zusätzliche Induktivität vorhanden, die mit der zusätzlichen Halbbrücke verschaltet ist. Ferner weist die erfindungsgemäße Gekoppelte-Spuleneinheit pro zusätzlicher Induktivität eine zusätzliche Spule auf, die auf dem gemeinsamen Kern angeordnet ist und die zusätzliche Induktivität bildet. Beispielsweise kann die Halbleiterschalteranordnung sechs Halbleiterschalter umfassen, die auf bekannte Art und Weise in Form einer Brückenschaltung mit drei Halbbrücken angeordnet sind. In diesem Fall sind drei Induktivitäten vorhanden, die jeweils mit einer der Halbbrücken verschaltet sind, und weist die erfindungsgemäße Gekoppelte-Spuleneinheit drei Spulen auf, die alle auf einem gemeinsamen Kern angeordnet sind und jeweils eine der Induktivitäten bilden.
Wenn nicht anders definiert, ist im Folgenden eine axiale Richtung parallel zu einer axialen Richtung der Spulen, eine radiale Richtung senkrecht zu der axialen Richtung, und eine Querebene quer zu der axialen Richtung.
Der Kern besteht aus einem ferromagnetischen Material, beispielsweise aus Eisen, Eisenpulver, oder einer Ferrit-Keramik, und ist vorzugsweise aus mehreren Kernteilen zusammengesetzt. Beispielsweise kann der Kern aus zwei im Wesentlichen identischen Kernhälften bestehen, die um 180° verdreht zueinander axial aufeinander aufgesetzt sind. Vorzugsweise weist der Kern innerhalb der Spulen jeweils einen sogenannten Luftspalt, also einen Bereich mit einer deutlich geringeren Permeabilität als die des Kernmaterials, auf. Die Luftspalte können beispielsweise durch gasgefüllte Freiräume oder durch spezielle Einlegeteile aus einem Material mit einer relativ geringen Permeabilität gebildet sein. Die Luftspalte sind vorzugsweise jeweils als sogenannter verteilter Luftspalt ausgebildet.
Durch die Verwendung der Gekoppelte-Spuleneinheit kann der für die beiden Induktivitäten benötigte Bauraum gegenüber einer vergleichbaren elektrischen Schaltung, bei der die beiden Induktivitäten durch zwei separate Spuleneinheiten gebildet sind, signifikant reduziert werden. Die erfindungsgemäße elektrische Schaltung kann daher besonders kompakt ausgeführt werden.
Vorzugsweise umfasst der Kern der Gekoppelte-Spuleneinheit einen ersten Innenschenkelabschnitt, der sich axial durch die erste Spule hindurch erstreckt, einen zweiten Innenschenkelabschnitt, der sich axial durch die zweite Spule hindurch erstreckt, einen ersten Verbindungsabschnitt, der ein erstes axiales Ende des ersten Innenschenkelabschnitts mit einem ersten axialen Ende des zweiten Innenschenkelabschnitts verbindet, einen zweiten Verbindungsabschnitt, der ein zweites axiales Ende des ersten Innenschenkelabschnitts mit einem zweiten axialen Ende des zweiten Innenschenkelabschnitts verbindet, und mindestens einen Außenschenkelabschnitt, der außerhalb der ersten Spule und außerhalb der zweiten Spule angeordnet ist und den ersten Verbindungsabschnitt mit dem zweiten Verbindungsabschnitt verbindet. Der mindestens eine Außenschenkelabschnitt schafft einen Rückflusspfad für die durch das Bestromen der beiden Spulen in dem jeweiligen Innenschenkelabschnitt erzeugten magnetischen Flüsse vorbei an dem jeweils anderen Innenschenkel. Dadurch kann eine relativ geringe magnetische Kopplung zwischen den beiden Spulen realisiert werden, sodass sich die beiden Spulen trotz der kompakten Bauweise nicht oder nur geringfügig gegenseitig beeinflussen. Dies ermöglicht die Realisierung einer relativ kompakten und gleichzeitig relativ effizienten elektrischen Schaltung.
Vorzugsweise ist eine Gesamtaußenschenkelquerschnittsfläche aller Außenschenkelabschnitte, also die Summe der Querschnittsflächen aller Außenschenkel, größer als eine Innenschenkelquerschnittsfläche jedes einzelnen der beiden Innenschenkelabschnitte, um einen im Vergleich zum magnetischen Widerstand der beiden Innenschenkelabschnitte relativ geringen magnetischen Gesamtwiderstand für den mindestens einen Außenschenkelabschnitt zu realisieren und folglich eine relativ geringe magnetische Kopplung zwischen den beiden Spulen zu schaffen.
Um einen möglichst geringen magnetischen Gesamtwiderstand für den mindestens einen Außenschenkelabschnitt zu realisieren, sind ferner vorzugsweise alle Außenschenkelabschnitte luftspaltfrei ausgebildet. Hierbei sei explizit angemerkt, dass mikroskopische Spalte, insbesondere zwischen Kontaktflächen von zwei aneinander anliegenden Kernteilen zwangsweise vorhandene mikroskopische Spalte, keinesfalls als Luftspalt im Sinne der vorliegenden Patentanmeldung verstanden werden können.
Ein durch den mindestens einen Außenschenkelabschnitt des Kerns fließender magnetischer Außenschenkelfluss ergibt sich aus der Summe eines durch den ersten Innenschenkelabschnitt fließenden ersten magnetischen Innenschenkelflusses und eines durch den zweiten Innenschenkelabschnitt fließenden zweiten magnetischen Innenschenkelflusses. Insbesondere wenn die erste Spule und die zweite Spule vorteilhafterweise im Wesentlichen identisch ausgebildet sind, ist die Steuereinheit daher vorzugsweise eingerichtet, die Halbleiterschalter der Halbleiterschalteranordnung derart zu steuern, dass ein in die erste Induktivität, also in die erste Spule, eingeprägter elektrischer Strom und ein in die zweite Induktivität, also in die zweite Spule, eingeprägter elektrischer Strom gegenphasig sind, sodass der erste magnetische Innenschenkelfluss und der zweite magnetische Innenschenkelfluss idealerweise betragsgleich sind und in jedem Fall gegensätzliche Vorzeichen aufweisen. Hieraus resultiert, dass durch den mindestens einen Außenschenkelabschnitt nur ein relativ geringer magnetischer Außenschenkelfluss fließt, sodass der mindestens eine Außenschenkelabschnitt relativ kompakt dimensioniert werden kann.
Vorzugsweise umfasst der Kern der Gekoppelte-Spuleneinheit einen ersten Außenschenkelabschnitt und einen zweiten Außenschenkelabschnitt, wobei der erste Außenschenkelabschnitt und der zweite Außenschenkelabschnitt auf gegenüberliegenden Seiten einer eine Mittelachse des ersten Innenschenkelabschnitts und eine Mittelachse des zweiten Innenschenkelabschnitts umfassenden Innenschenkelmittelebene angeordnet sind. Dadurch, dass die beiden Außenschenkelabschnitte außerhalb der Innenschenkelmittelebene angeordnet sind, können die beiden Spulen in einem relativ geringen Abstand zueinander angeordnet werden, wodurch die Gekoppelte-Spuleneinheit und folglich auch die erfindungsgemäße elektrische Schaltung besonders kompakt ausgeführt werden können.
Vorzugsweise sind der erste Außenschenkelabschnitt und der zweite Außenschenkelabschnitt hierbei jeweils zumindest teilweise innerhalb eines zwischen den beiden typischerweise im Wesentlichen kreiszylinderförmigen Spulen auch bei relativ kompakter Anordnung auf beiden Seiten der Innenschenkelmittelebene immer noch vorhandenen Zwischenraums angeordnet. Dies ermöglicht die Realisierung einer besonders kompakten Gekoppelte-Spuleneinheit und folglich auch einer besonders kompakten elektrischen Schaltung.
Da die erste Spule und die zweite Spule vorteilhafterweise jeweils im Wesentlichen kreiszylinderförmig ausgebildet sind, sind der erste Außenschenkelabschnitt und der zweite Außenschenkelabschnitt vorzugsweise jeweils im Wesentlichen Dreiecksprisma-förmig ausgebildet, weisen also jeweils drei Seitenkanten und drei Seitenflächen auf, sodass jeweils eine Seitenkante des ersten Außenschenkelabschnitts und eine Seitenkante des zweiten Außenschenkelabschnitts innerhalb des zwischen der ersten Spule und der zweiten Spule auch bei relativ kompakter Anordnung der beiden Spulen auf beiden Seiten der Innenschenkelmittelebene immer noch vorhandenen Zwischenraums angeordnet werden können. Im Wesentlichen kreiszylinderförmig meint hierbei, dass die beiden Spulen jeweils eine signifikante axiale Ausdehnung aufweisen und senkrecht zur axialen Richtung einen im Wesentlichen kreisförmigen, im Speziellen kreisringförmigen, Querschnitt aufweisen. Da die beiden Spulen im Allgemeinen als Drahtwicklung ausgebildet sind, weicht ihr Querschnitt typischerweise von der idealen Kreisform ab und schwankt typischerweise entlang der axialen Ausdehnung der Spule in einem gewissen Maß. Der Begriff kreiszylinderförmige Spule ist daher entsprechend weit auszulegen und soll insbesondere alle Spulen mit um einen kreiszylinderförmigen beziehungsweise trommelförmigen Wicklungsträger gewickelten Drahtwicklungen umfassen.
Besonders bevorzugt weisen der erste Außenschenkelabschnitt und der zweite Außenschenkelabschnitt jeweils zwei konkave Seitenflächen auf, deren Krümmung vorteilhafterweise jeweils an den Außenumfang der kreiszylinderförmigen Spulen angepasst ist, sodass die beiden Außenschenkelabschnitte den zwischen den beiden kreiszylinderförmigen Spulen zwangsweise vorhandenen Zwischenraum besonders effizient ausfüllen können und daher zu einem großen Teil oder sogar vollständig innerhalb des Zwischenraums angeordnet werden können. Dies schafft eine ganz besonders kompakte Gekoppelte-Spuleneinheit und folglich auch eine ganz besonders kompakte elektrische Schaltung.
Vorzugsweise weisen der erste Außenschenkelabschnitt und der zweite Außenschenkelabschnitt jeweils mindestens eine, besonders bevorzugt jeweils drei, abgerundete Seitenkanten auf, um eine einfache Nachbearbeitung des Kerns, beispielsweise mittels einer automatisierten Poliervorrichtung, zu ermöglichen.
Da in einem äußeren Randbereich der beiden Außenschenkelabschnitte des Kerns unabhängig von den magnetischen Flüssen in den beiden Innenschenkelabschnitten typischerweise kein signifikanter magnetischer Fluss auftritt, weisen der erste Außenschenkelabschnitt und/oder der zweite Außenschenkelabschnitt auf einer von der Innenschenkelmittelebene abgewandten Seitenfläche vorzugsweise eine axiale Nut, also eine parallel zu einer axialen Richtung der beiden Spulen verlaufende Nut, auf, um ein Volumen des Kerns zu reduzieren. Vorzugsweise weisen beide Außenschenkelabschnitte jeweils eine axiale Nut auf. Vorzugsweise erstreckt sich jede axiale Nut über die gesamte axiale Ausdehnung des Kerns. Durch die mindestens eine axiale Nut werden die zur Herstellung des Kerns benötigte Materialmenge und folglich sowohl das Gewicht als auch die Herstellungskosten des Kerns verringert, ohne dass hierdurch die magnetischen Eigenschaften des Kerns signifikant beeinflusst werden. Dies schafft eine relativ leichtgewichtige und relativ kostengünstige Gekoppelte-Spuleneinheit und somit eine relativ leichtgewichtige und relativ kostengünstige elektrische Schaltung.
Da auch in einem zentralen Bereich der beiden Verbindungsabschnitte des Kerns unabhängig von den magnetischen Flüssen in den beiden Innenschenkelabschnitten typischerweise kein signifikanter magnetischer Fluss auftritt, weisen vorzugsweise der erste Verbindungsabschnitt und/oder der zweite Verbindungsabschnitt eine zentrale Ausnehmung auf, um das Kernvolumen und somit die zur Herstellung des Kerns benötigte Materialmenge zu verringern, ohne dass hierdurch die magnetischen Eigenschaften des Kerns signifikant beeinflusst werden. Vorzugsweise ist die zentrale Ausnehmung als axiale Durchgangsbohrung ausgeführt. Dies schafft eine relativ leichtgewichtige und relativ kostengünstige Gekoppelte-Spuleneinheit und somit eine relativ leichtgewichtige und relativ kostengünstige elektrische Schaltung.
Die erfindungsgemäße Gekoppelte-Spuleneinheit weist die Merkmale der Gekoppelte-Spuleneinheit einer zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen elektrischen Schaltung auf. Im Speziellen umfasst die erfindungsgemäße Gekoppelte-Spuleneinheit eine erste Spule und eine zweite Spule, die auf einem gemeinsamen Kern angeordnet sind. Der Kern umfasst hierbei erfindungsgemäß einen ersten Innenschenkelabschnitt, der sich axial durch die erste Spule hindurch erstreckt, einen zweiten Innenschenkelabschnitt, der sich axial durch die zweite Spule hindurch erstreckt, einen ersten Verbindungsabschnitt, der ein erstes axiales Ende des ersten Innenschenkelabschnitts mit einem ersten axialen Ende des zweiten Innenschenkelabschnitts verbindet, einen zweiten Verbindungsabschnitt, der ein zweites axiales Ende des ersten Innenschenkelabschnitts mit einem zweiten axialen Ende des zweiten Innenschenkelabschnitts verbindet, und mindestens einen Außenschenkelabschnitt, der außerhalb der ersten Spule und außerhalb der zweiten Spule angeordnet ist und den ersten Verbindungsabschnitt mit dem zweiten Verbindungsabschnitt verbindet. Die erfindungsgemäße Spule ermöglicht, wie zuvor beschrieben, die Realisierung einer relativ kompakten und gleichzeitig relativ effizienten gattungsgemäßen elektrischen Schaltung.
Bevorzugte Ausführungen der erfindungsgemäßen Gekoppelte-Spuleneinheit ergeben sich aus den zuvor beschriebenen bevorzugten Ausführungen der erfindungsgemäßen elektrischen Schaltung.
Anhand der beigefügten Zeichnungen wird die Erfindung nachfolgend näher erläutert. Dabei zeigt:

1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen elektrischen Schaltung mit einer erfindungsgemäßen Gekoppelte-Spuleneinheit;
2 eine Draufsicht auf eine Oberseite der Gekoppelte-Spuleneinheit aus 1;
3 eine Seitenansicht der Gekoppelte-Spuleneinheit aus 1, wobei diese entlang einer in 2 eingezeichneten Schnittebene III-III geschnitten ist;
4 eine weitere Seitenansicht der Gekoppelte-Spuleneinheit aus 1, wobei diese entlang einer in 2 eingezeichneten Schnittebene IV-IV geschnitten ist;
5 eine Draufsicht der Gekoppelte-Spuleneinheit aus 1, wobei diese entlang einer in 3 und 4 jeweils eingezeichneten Schnittebene V-V geschnitten ist;

1 zeigt einen schematischen Schaltplan einer erfindungsgemäßen elektrischen Schaltung 100, die Bestandteil einer nicht näher dargestellten bordeigenen Batterieladeelektronik eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs ist.
Die elektrische Schaltung 100 umfasst zwei Eingangsanschlüsse 1a, 1b, an denen der elektrischen Schaltung 100 von einer nicht dargestellten vorgeschalteten Schaltung eine Eingangsspannung bereitgestellt wird, und zwei Ausgangsanschlüsse 2a,2b an denen die elektrische Schaltung 100 eine Ausgangsspannung an eine nicht dargestellte nachgeschaltete Schaltung bereitstellt.
Die elektrische Schaltung 100 umfasst eine Halbleiterschalteranordnung 3 mit vier Halbleiterschaltern 4a-4d, die auf bekannte Art und Weise in Form einer Brückenschaltung angeordnet sind. Hierbei bilden der erste Halbleiterschalter 4a sowie der zweite Halbleiterschalter 4b eine erste Halbbrücke 5a und der dritte Halbleiterschalter 4c sowie der vierte Halbleiterschalter 4d eine zweite Halbbrücke 5b.
Die elektrische Schaltung umfasst zwei Induktivitäten L1 ,L2, die mit der Halbleiterschalteranordnung 3 verschaltet sind. Im Speziellen ist eine erste Induktivität L1 mit einem Mittelpunkt M1 der ersten Halbbrücke 5a, der sich zwischen dem ersten Halbleiterschalter 4a und dem zweiten Halbleiterschalter 4b befindet, und mit dem ersten Ausgangsanschluss 2a der elektrischen Schaltung 100 elektrisch verbunden, und ist eine zweite Induktivität L2 mit einem Mittelpunkt M2 der zweiten Halbbrücke 5a, der sich zwischen dem dritten Halbleiterschalter 4c und dem vierten Halbleiterschalter 4d befindet, und mit dem ersten Ausgangsanschluss 2a der elektrischen Schaltung 100 elektrisch verbunden.
Die elektrische Schaltung 100 umfasst eine Steuereinheit 6 die mit einem Steuereingang jedes der Halbleiterschalter 4a-4d elektrisch verbunden ist. Die Steuereinheit 6 ist auf bekannte Art und Weise eingerichtet, die Halbleiterschalter 4a-4d derart zu steuern, dass an den Ausgangsanschlüssen 2a,2b eine vorgegebene Ausgangsspannung bereitgestellt wird. Die Steuereinheit ist hierbei eingerichtet, auf bekannte Art und Weise ein spannungsloses Schalten der Halbleiterschalter 4a-4d auszuführen. Ferner ist die Steuereinheit 6 auf bekannte Art und Weise eingerichtet, die Halbleiterschalter 4a-4d derart anzusteuern, dass ein in die erste Induktivität L1 eingeprägter Strom und ein in die zweite Induktivität L2 eingeprägter Strom gegenphasig sind.
Die elektrische Schaltung 100 umfasst eine erfindungsgemäße Gekoppelte-Spuleneinheit 10 mit einer ersten Spule 11, die die erste Induktivität L1 der elektrischen Schaltung 100 bildet, und mit einer zweiten Spule 12, die die zweite Induktivität L2 der elektrischen Schaltung 100 bildet. Die erste Spule 11 ist über einen Spuleneingangsanschluss 111 mit dem Mittelpunkt M1 der ersten Halbbrücke 5a und über einen Spulenausgangsanschluss 112 mit dem ersten Ausgangsanschluss 2a der elektrischen Schaltung 100 elektrisch verbunden. Die zweite Spule 12 ist über einen Spuleneingangsanschluss 121 mit dem Mittelpunkt M2 der zweiten Halbbrücke 5b und über einen Spulenausgangsanschluss 122 mit dem ersten Ausgangsanschluss 2a der elektrischen Schaltung 100 elektrisch verbunden.
2 bis 5 zeigen verschiedene Darstellungen der Gekoppelte-Spuleneinheit 10.
Die beiden Spulen 11,12 sind jeweils als im Wesentlichen kreiszylinderförmige Drahtwicklung ausgebildet, wobei ein Wicklungsdraht 113,123 jeweils auf einen trommelförmigen Wicklungsträger 114,124 aufgewickelt ist. Die beiden Spulen 11,12 sind auf einem gemeinsamen Kern 13 angeordnet.
Der Kern 13 besteht aus zwei im Wesentlichen identischen ferromagnetischen Kernteilen 137,138, die axial aufeinander aufgesetzt sind, wobei ein zweites Kernteil 138 gegenüber einem ersten Kernteil 137 um 180° gedreht ist. Der Kern 13 umfasst zwei Innenschenkelabschnitte 131,132, wobei sich ein erster Innenschenkelabschnitt 131 durch die erste Spule 11 erstreckt und ein zweiter Innenschenkelabschnitt 132 durch die zweite Spule 12 erstreckt. In den beiden Innenschenkelabschnitten 131,132 ist jeweils mittels eines Einlegeteils 14 ein verteilter Luftspalt 16 ausgebildet. Die beiden Innenschenkelabschnitte 131,132 sind, abgesehen vom jeweiligen Luftspalt, kreiszylinderförmig ausgebildet, weisen also jeweils einen kreisförmigen Querschnitt auf.
Der Kern 13 umfasst zwei Verbindungsabschnitte 133,134, wobei ein erster Verbindungsabschnitt 133 die beiden Innenschenkelabschnitte 131,132 auf einer ersten axialen Seite verbindet und ein zweiter Verbindungsabschnitt 134 die beiden Innenschenkelabschnitte 131,132 auf einer zweiten axialen Seite verbindet. Der erste Verbindungsabschnitt 133 verbindet also ein erstes axiales Ende des ersten Innenschenkelabschnitts 131 mit einem ersten axialen Ende des zweiten Innenschenkelabschnitts 132, und der zweite Verbindungsabschnitt 134 verbindet also ein zweites axiales Ende des ersten Innenschenkelabschnitts 131 mit einem zweiten axialen Ende des zweiten Innenschenkelabschnitts 132.
Die beiden Verbindungsabschnitte 133,134 sind jeweils im Wesentlichen plattenförmig ausgebildet und weisen in einer Draufsicht die Form eines gestauchten Sechsecks auf, wobei an den beiden Innenschenkelabschnitten 131,132 angeordnete Seitenkanten einem Radius der Innenschenkelabschnitte 131,132 entsprechend abgerundet sind. Die beiden Verbindungsabschnitte 133,134 weisen jeweils eine zentrale Ausnehmung 1331,1341 auf, die jeweils als axiale Durchgangsbohrung ausgeführt ist.
Der Kern 13 umfasst zwei Außenschenkelabschnitte 135,136, die sich jeweils außerhalb der beiden Spulen 11,12 von dem ersten Verbindungsabschnitt 133 zu dem zweiten Verbindungsabschnitt 134 erstrecken und die beiden Verbindungsabschnitte 133,134 miteinander verbinden. Die beiden Außenschenkelabschnitte 135,136 sind auf gegenüberliegenden Seiten einer eine Mittelachse des ersten Innenschenkelabschnitts 131 und eine Mittelachse des zweiten Innenschenkelabschnitts 132 umfassenden Innenschenkelmittelebene E angeordnet.
Die beiden Außenschenkelabschnitte 135,136 sind jeweils im Wesentlichen Dreiecksprisma-förmig ausgebildet, weisen also jeweils drei Seitenkanten 1351 - 1353,1361 - 1363 und drei Seitenflächen 1354-1356,1364-1366 auf, wobei alle Seitenkanten 1351-1353,1361-1363 abgerundet ausgebildet sind. Die beiden Außenschenkelabschnitte 135,136 weisen jeweils zwei konkave Seitenflächen 1354,1355,1364,1365 auf, deren Krümmung jeweils einem Außenumfang der beiden Spulen 11,12 folgt, und weisen jeweils eine im Wesentlichen planare Seitenfläche 1356,1366 auf, auf der jeweils eine axiale Nut 13561,13661 ausgebildet ist. Die beiden Außenschenkelabschnitte 135,136 sind jeweils derart angeordnet, dass sich ihre innere Seitenkante 1351,1361 sowie ein Großteil ihrer konkaven Seitenflächen 1354,1355,1364,1365 innerhalb eines zwischen den beiden Spulen 11,12 auf beiden Seiten der Innenschenkelmittelebene E vorhandenen Zwischenraums 15 befinden. Die innere Seitenkante 1351,1361 der beiden Außenschenkelabschnitte 135,136 ist hierbei jeweils an einem Rand der beiden axialen Ausnehmung 1331,1341 der Verbindungsabschnitte 133,134 angeordnet.
Die beiden Außenschenkelabschnitte 135,136 weisen jeweils eine Außenschenkelquerschnittsfläche auf, die größer ist als die Hälfte einer Innenschenkelquerschnittsfläche jedes der beiden Innenschenkelabschnitte 131,132, sodass eine Gesamtau-ßenschenkelquerschnittsfläche der beiden Außenschenkelabschnitte 135,136 größer ist als die Innenschenkelquerschnittsfläche jedes der beiden Innenschenkelabschnitte 131,132. Ferner sind die beiden Außenschenkelabschnitte 135,136 luftspaltfrei ausgebildet, weisen also im Gegensatz zu den beiden Innenschenkelabschnitten 131,132 keinen nicht-ferromagnetischen Bereich auf. Hierbei sei explizit angemerkt, dass eine Kontaktfläche zwischen den unmittelbar aneinander anliegenden ferromagnetischen Kernteilen 137,138 nicht als Luftspalt verstanden werden kann.
Bezugszeichenliste

100: elektrische Schaltung
1 a,1 b: Eingangsanschlüsse
2a,2b: Ausgangsanschlüsse
3: Halbleiterschalteranordnung
4a-4d: Halbleiterschalter
5a,5b: Halbbrücken
6: Steuereinheit
10: Gekoppelte-Spuleneinheit
11: erste Spule
111: Spuleneingangsanschluss
112: Spulenausgangsanschluss
113: Wicklungsdraht
114: Wicklungsträger
12: zweite Spule
121: Spuleneingangsanschluss
122: Spulenausgangsanschluss
123: Wicklungsdraht
124: Wicklungsträger
13: Kern
131: erster Innenschenkelabschnitt
132: zweiter Innenschenkelabschnitt
133: erster Verbindungsabschnitt
1331: zentrale Ausnehmung
134: zweiter Verbindungsabschnitt
1341: zentrale Ausnehmung
135: erster Außenschenkelabschnitt
1351: Seitenkante
1352: Seitenkante
1353: Seitenkante
1354: Seitenfläche
1355: Seitenfläche
1356: Seitenfläche
13561: axiale Nut
136: zweiter Außenschenkelabschnitt
1361: Seitenkante
1362: Seitenkante
1363: Seitenkante
1364: Seitenfläche
1365: Seitenfläche
1366: Seitenfläche
13661: axiale Nut
137: erstes Kernteil
138: zweites Kernteil
14: Einlegeteil
15: Zwischenraum
16: verteilter Luftspalt
E: Innenschenkelmittelebene
L1: erste Induktivität
L2: zweite Induktivität
M1: Mittelpunkt
M2: Mittelpunkt

Claims

Elektrische Schaltung (100) umfassend: eine Halbleiterschalteranordnung (3) mit vier Halbleiterschaltern (4a-4d), die in Form einer Brückenschaltung mit zwei Halbbrücken (5a,5b) verschaltet sind, eine erste Induktivität (L1), die mit einer ersten Halbbrücke (5a) der Halbleiterschalteranordnung (3) verschaltet ist, eine zweite Induktivität (L2), die mit einer zweiten Halbbrücke (5b) der Halbleiterschalteranordnung (3) verschaltet ist, und eine Steuereinheit (6) zur Steuerung der Halbleiterschalter (4a-4d) der Halbleiterschalteranordnung (3), wobei die Steuereinheit (6) eingerichtet ist, ein spannungsloses Schalten der Halbleiterschalter (4a-4d) auszuführen, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Induktivität (L1) und die zweite Induktivität (L2) durch eine Gekoppelte-Spuleneinheit (10) gebildet sind, die eine erste Spule (11) und eine zweite Spule (12) aufweist, die auf einem gemeinsamen Kern (13) angeordnet sind, wobei die erste Induktivität (L1) durch die erste Spule (11) gebildet ist und die zweite Induktivität (L2) durch die zweite Spule (12) gebildet ist.
Elektrische Schaltung (100) nach Anspruch 1, wobei der Kern (13) der Gekoppelte-Spuleneinheit (10) aufweist: einen ersten Innenschenkelabschnitt (131), der sich axial durch die erste Spule (11) hindurch erstreckt, einen zweiten Innenschenkelabschnitt (132), der sich axial durch die zweite Spule (12) hindurch erstreckt, einen ersten Verbindungsabschnitt (133), der ein erstes axiales Ende des ersten Innenschenkelabschnitts (131) mit einem ersten axialen Ende des zweiten Innenschenkelabschnitts (132) verbindet, einen zweiten Verbindungsabschnitt (134), der ein zweites axiales Ende des ersten Innenschenkelabschnitts (131) mit einem zweiten axialen Ende des zweiten Innenschenkelabschnitts (132) verbindet, und mindestens einen Außenschenkelabschnitt (135,136), der außerhalb der ersten Spule (11) und außerhalb der zweiten Spule (12) angeordnet ist und den ersten Verbindungsabschnitt (133) mit dem zweiten Verbindungsabschnitt (134) verbindet.
Elektrische Schaltung (100) nach Anspruch 2, wobei eine Gesamtaußenschenkelquerschnittsfläche aller Außenschenkelabschnitte (135,136) größer ist als eine Innenschenkelquerschnittsfläche jedes einzelnen der beiden Innenschenkelabschnitte (131,132).
Elektrische Schaltung nach Anspruch 2 oder 3, wobei alle Außenschenkelabschnitte (135,136) luftspaltfrei ausgebildet sind.
Elektrische Schaltung (100) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei die Steuereinheit (6) eingerichtet ist, die Halbleiterschalter (4a-4d) der Halbleiterschalteranordnung (3) derart zu steuern, dass ein in die erste Induktivität (L1) eingeprägter elektrischer Strom und ein in die zweite Induktivität (L2) eingeprägter elektrischer Strom gegenphasig sind.
Elektrische Schaltung (100) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei der Kern (13) der Gekoppelte-Spuleneinheit (10) aufweist: einen ersten Außenschenkelabschnitt (135), und einen zweiten Außenschenkelabschnitt (136), wobei der erste Außenschenkelabschnitt (135) und der zweite Außenschenkelabschnitt (136) auf gegenüberliegenden Seiten einer eine Mittelachse des ersten Innenschenkelabschnitts (131) und eine Mittelachse des zweiten Innenschenkelabschnitts (132) umfassenden Innenschenkelmittelebene (E) angeordnet sind.
Elektrische Schaltung (100) nach Anspruch 6, wobei der erste Außenschenkelabschnitt (135) und der zweite Außenschenkelabschnitt (136) jeweils zumindest teilweise innerhalb eines zwischen der ersten Spule (11) und der zweiten Spule (12) auf beiden Seiten der Innenschenkelmittelebene (E) vorhandenen Zwischenraums (15) angeordnet sind.
Elektrische Schaltung (100) nach Anspruch 7, wobei die erste Spule (11) und die zweite Spule (12) jeweils im Wesentlichen kreiszylinderförmig ausgebildet sind und der erste Außenschenkelabschnitt (135) und der zweite Außenschenkelabschnitt (136) jeweils im Wesentlichen Dreiecksprisma-förmig ausgebildet sind, wobei jeweils eine Seitenkante (1351) des ersten Außenschenkelabschnitts (135) und eine Seitenkante (1361) des zweiten Außenschenkelabschnitts (136) innerhalb des Zwischenraums (15) angeordnet ist.
Elektrische Schaltung (100) nach Anspruch 8, wobei der erste Außenschenkelabschnitt (135) und der zweite Außenschenkelabschnitt (136) jeweils zwei konkave Seitenflächen (1354,1355,1364,1365) aufweisen.
Elektrische Schaltung (100) nach Anspruch 8 oder 9, wobei der erste Außenschenkelabschnitt (135) und der zweite Außenschenkelabschnitt (136) jeweils mindestens eine abgerundete Seitenkante (1351-1353,1361-1363) aufweisen.
Elektrische Schaltung (100) nach einem der Ansprüche 6 bis 10, wobei der erste Außenschenkelabschnitt (135) und/oder der zweite Außenschenkelabschnitt (136) auf einer von der Innenschenkelmittelebene abgewandten Seitenfläche (1356,1366) eine axiale Nut (13561,13661) aufweisen.
Elektrische Schaltung (100) nach einem der Ansprüche 2 bis 11, wobei der erste Verbindungsabschnitt (133) und/oder der zweite Verbindungsabschnitt (134) eine zentrale Ausnehmung (1331,1341) aufweisen.
Gekoppelte-Spuleneinheit (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 12.