DE10331866B4

DE10331866B4 - Einrichtung zur Steuerung einer Spulenanordnung mit elektrisch variierbarer Induktivität, sowie Schaltnetzteil

Info

Publication number: DE10331866B4
Application number: DE10331866A
Authority: DE
Inventors: Robert Dr. Weger
Original assignee: Minebea Co Ltd
Current assignee: Minebea Co Ltd
Priority date: 2003-07-14
Filing date: 2003-07-14
Publication date: 2008-11-13
Anticipated expiration: 2023-07-15
Also published as: DE10331866A1; US20050013084A1; JP4519545B2; US7382598B2; JP2005039266A

Abstract

Spuleneinrichtung umfassend
eine Spulenanordnung (10) mit variabler stromsteuerbarer Induktivität, die wenigstens eine Steuerwicklung (12) und zwei parallel geschaltete Arbeitswicklungen (14, 16) aufweist, die auf ein Kernmaterial aufgebracht sind, und
einen Steuerschaltkreis (18), der einen Steuerstrom in die Steuerwicklung (12) speist, um die Induktivität der Spulenanordnung (10) zu verändern, und
einen Demagnetisierungsschaltkreis (22), der einen inversen Spannungsimpuls erzeugt und an die Steuerwicklung (12) anlegt, um die Änderung der Induktivität der Spulenanordnung (10) zu beschleunigen, wobei der Demagnetisierungsschaltkreis (22) Mittel (R1) zum Erfassen des Steuerstroms unmittelbar vor dem Anlegen des inversen Spannungsimpulses an die Steuerwicklung (12) und Mittel zum Einstellen (24; R2, R3) der Dauer und/oder des Betrags des inversen Spannungsimpulses abhängig davon aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Spuleneinrichtung umfassend eine Spulenanordnung mit variabler stromsteuerbarer Induktivität, ein Verfahren zur Ansteuerung einer derartigen Spulenanordnung und ein Schaltnetzteil.
Die Erfindung betrifft spezieller eine Einrichtung zur Ansteuerung einer Spulenanordnung mit veränderbarer Induktivität, welche besonders rasche Änderungsraten der Induktivität ermöglicht. Sie ist immer dann anwendbar, wenn die Induktivitätsänderung der Spulenanordnung mittels einer strominduzierten Vormagnetisierung erzielt wird und wenn mindestens zwei Arbeitswicklungen vorhanden sind, welche parallel geschaltet sind.
Die Erfindung ist anwendbar auf stromsteuerbare, variable Induktivitäten, die eine Steuerwicklung und zwei parallel geschaltete Arbeitswicklungen aufweisen, wie beispielsweise in 2 dargestellt. Eine praktische Realisierung einer solchen Spulenanordnung ist in der US 6 317 021 B1 gezeigt.
Spulenanordnungen mit veränderbarer Induktivität werden in energietechnischen und nachrichtentechnischen Anwendungen eingesetzt. Eine erfindungsrelevante Anwendung von Spulen mit veränderlicher Induktivität liegt im Bereich von Schaltnetzteilen, um die im Hochfrequenzbereich stattfindende Energieübertragung den schwankenden Lastanforderungen anzupassen.
Beispiele solcher Schaltnetzteile sind beschrieben in "High Power Densities at High Power Levels" von A. Jansen et al. in CIPS 2002, 2^nd International Conference an Integrated Power Systems", 11.–12. Juni 2002, Bremen, DE und in der DE 103 21 234 A1 (nachveröffentlicht), auf die Bezug genommen wird.
DE 36 33 663 A1 beschreibt eine Stromversorgungseinrichtung mit einem Transformator, der eine Steuerwicklung, eine Sekundärwicklung und eine Primärwicklung aufweist. Durch Anlegen eines Steuersignals an die Steuerwicklung kann die Kopplung zwischen der Primärwicklung und der Sekundärwicklung verändert werden. Das Steuersignal wird abhängig von einer Soll-Ist-Wert-Differenz des Ausgangssignals erzeugt. Dadurch wird ein symmetrisches Verhalten für Stromzunahme und Stromabnahme sichergestellt. Die DE 36 33 663 A1 befaßt sich nicht mit Induktivitäten, welche zwei parallel geschaltete Arbeitswicklungen aufweisen.
Weitere Verfahren zur Steuerung des Energietransfers in Transformatoren sind in der DE 691 22 442 und in der US 5,034,873 beschrieben.
Die DE 199 24 937 A1 zeigt ein Beispiel einer elektrisch steuerbaren Induktivität mit einer Steuerwicklung und einer Hauptwicklung. Der Induktivitätswert der Hauptwicklung wird abhängig von einem Steuerstrom verändert, der in der Steuerwicklung fließt. Die Hauptwicklung kann durch zwei parallel geschaltete Arbeitswicklungen realisiert werden.
Für die Realisierung einer solchen elektrisch steuerbaren Induktivität kann der Effekt ausgenutzt werden, daß die relative magnetische Permeabilität von ferro- und ferrimagnetischen Werkstoffen mit der magnetischen Flußdichte im Material sinkt. Aufbauend auf diesem Wirkungsprinzip wurden in der Vergangenheit zahlreiche Spulenanordnungen vorgeschlagen, die mittels eines Stroms in einer Steuerspule eine Vormagnetisierung eines magnetisch hoch permeablen Spulenkerns bewirken und so die Induktivität der Arbeitswicklung, die ebenfalls auf dem Spulenkern aufgebracht ist, steuern.
In dem U. S. Patent 6,317,021 wird vorgeschlagen, eine Parallelschaltung von zwei Arbeitswicklungen derart vorzusehen, daß sich die durch diese Wicklungen erzeugten magnetischen Flüsse für die Steuerwicklung aufheben.
Die DE 102 60 246 A1 (nachveröffentlicht) schlägt eine Spulenanordnung mit veränderbarer Induktivität vor, die zwei getrennte Ringkernspulen aufweist, welche Arbeitswicklungen tragen, sowie eine Steuerwicklung, die zur Vormagnetisierung des Kernmaterials der Ringkernspulen die beiden bewickelten Ringkernspulen umgreift.
In Spulenanordnungen gemäß der US 6,317,021 B1 bewirkt ein Gleichstrom in der Steuerwicklung eine Gleichstrom-Vormagnetisierung des gesamten Kernmaterials und verändert damit die Induktivität der Arbeitswicklungen. Es ist offensichtlich, daß die Richtung des Gleichstroms für die Vormagnetisierung beliebig ist.
Der Hauptnachteil dieser stromsteuerbaren, variablen Induktivitäten ist die relativ lange Demagnetisierungszeit des Kernmaterials, woraus sich eine langsame Induktivitätsänderung von niedriger zu hoher Induktivität ergibt. Wenn die variable Induktivität beispielsweise als ein Wechselstrom-Leistungsventil in der Sekundärregelschleife eines Schaltnetzteils verwendet wird, führt diese Trägheit zu erheblichem Überschwingen nach dem Auftreten von Lastsprüngen, die von einer hohen Last auf eine niedrige Last gehen. Dieses Überschwingen der Spannung wird im Stand der Technik durch Klemm-Schaltkreise aufgefangen. Diese Klemm-Schaltkreise setzen eine Vielzahl von Komponenten jedoch hohen Belastungen aufgrund von Kurzschlußströmen aus.
In der Vergangenheit bestand somit das Problem, daß die stromsteuerbaren, variablen Induktivitäten der beschriebenen Art nur sehr langsame Induktionsänderungen durchlaufen können, das heißt nur innerhalb von mehreren Millisekunden ihre Induktivität vom Minimalwert zum Maximalwert verändern können.
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, diesen Prozeß der Induktivitätsänderung zu beschleunigen und dadurch Klemmschaltungen überflüssig zu machen und den damit verbundenen hohen Bauteilstreß zu vermeiden.
Diese Aufgabe wird durch eine Spuleneinrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 1 und durch ein Verfahren zur Ansteuerung einer Spulenanordnung gemäß Anspruch 6 gelöst. Die Erfindung sieht auch ein Schaltnetzteil gemäß Anspruch 5 vor.
Kurz zusammengefaßt betrifft die Erfindung eine spezielle Ansteuerung für stromsteuerbare Induktivitäten, die eine gegenüber dem Stand der Technik erheblich beschleunigte Induktivitätsänderung ermöglicht. Die erfindungsgemäße Ansteuerung ist auf Spulenanordnungen anwendbar, die wenigstens eine Steuerwicklung und mindestens zwei Arbeitswicklungen auf einem ferro- oder ferrimagnetischen Kernmaterial tragen. Die beschleunigte Induktivitätsänderung wird durch einen demagnetisierenden inversen Spannungsimpuls erzielt, der von einem speziellen Schaltungsteil generiert wird.
Erfindungsgemäß ist ein Schaltkreis vorgesehen, der einen Steuerstrom in die Steuerwicklung speist, um die Induktivität der Spulenanordnung zu verändern. Zusätzlich ist ein Demagnetisierungsschaltkreis vorgesehen, der einen inversen Spannungsimpuls erzeugt und an die Steu erwicklung anlegt, um die Änderung und insbesondere Vergrößerung der Induktivität der Spulenanordnung zu beschleunigen. Mit inverser Spannungsimpuls wird ein Impuls bezeichnet, dessen Vorzeichen invers zum Vorzeichen des Steuerstrom ist. Ist z. B. der Steuerstrom in einer definierten Richtung positiv, dann ist der Spannungsimpuls in dieser definierten Richtung negativ, und umgekehrt. Im folgenden wird daher auch von einem negativen Spannungsimpuls gesprochen. Durch das Anlegen eines Spannungsimpulses mit inverser Polarität (in bezug auf den Steuerstrom) wird der Eisenkern der Spulenanordnung mit einem höheren Spannungsbetrag demagnetisiert. Da die Demagnetisierungszeit umgekehrt proportional zu dem Betrag des Spannungsimpulses ist, kann theoretisch eine beliebig kurze Abschaltzeit realisiert werden. Die Dauer und der Betrag des inversen Spannungsimpulses sind jedoch insofern kritisch, als ein zu kurzer Impuls den Abschaltprozeß nicht vollständig beenden würde, während ein zu langer Impuls ein unerwünschtes Neu-Einschalten auslösen würde.
Erfindungsgemäß sind daher die Dauer und/oder der Betrag des inversen Spannungsimpulses einstellbar. Die Dauer und/oder der Betrag des inversen Spannungsimpulses werden abhängig von dem Steuerstrom eingestellt, der unmittelbar vor dem Anlegen des inversen Spannungsimpulses in die Steuerwicklung gespeist wurde. Die richtige Impulsdauer kann somit durch kontinuierliches Überwachen des Steuerstroms, welcher an die variable Induktivität angelegt war, abgeleitet werden, wobei die Dauer oder Breite des inversen Spannungsimpulses durch den aktuellen Strompegel bestimmt wird. In einigen Anwendungen kann jedoch auch eine feste Impulsbreite wünschenswert sein.
Die Erfindung basiert auf folgenden Überlegungen und Erkenntnissen. Bei der in Rede stehenden Spulenanordnung, welche zwei parallel geschaltete Arbeitswicklungen aufweist, verhalten sich die Arbeitswicklungen wie parallel geschaltete Drosseln, weil das Magnetfeld der einen Arbeitswicklung die andere Arbeitswicklung nicht durchdringt. Der Magnetfluß jeder Drossel (Arbeitswicklung) geht durch die Steuerwicklung. Die Magnetflüsse durchdringen diese jedoch in entgegengesetzte Richtungen. Da beide Arbeitswicklungen dieselbe Windungsanzahl haben und mit derselben Spannung gespeist werden, ist der Betrag der Magnet flösse gleich, so daß der Netto-Magnetfluß in der Steuerwicklung Null ist. Die Steuerwicklung ist somit für elektrische Signale, die an den Arbeitswicklungen anliegen, elektrisch neutral, das heißt elektrisch nicht wechselwirkend. Die parallel geschalteten Arbeitswicklungen wirken dagegen für jedes Wechselstromsignal an der Steuerwicklung wie eine kurzgeschlossene Sekundärwicklung.
1 zeigt ein Ersatzschaltbild für die stromsteuerbare, variable Induktivität, das zur Erläuterung der Parameter dient, welche für ein Einschalt- und Abschaltgeschwindigkeit relevant sind. In 1 bezeichnet R den Widerstand der Steuerwicklung und R_S den Serienwiderstand der zwei Arbeitswicklungen (oder Sekundärwicklungen), der gleich vier mal dem Meßwert der parallel geschalteten Arbeitswicklungen ist. Das Symbol n ist das Wicklungsverhältnis der Steuerwicklung zu einer Arbeitswicklung. L_c bezeichnet die Induktivität der Steuerwicklung. Wenn der Schalter S geschlossen ist, ergibt sich die Gleichung für die Zunahme des Magnetisierungsstroms wie folgt:
Von besonderem Interesse ist hierbei die Änderungsrate des Stromes, weil diese auch die Änderungsrate des Magnetfeldes definiert:
Der Fachmann erkennt, daß niedrige Werte von R_S den Einschaltprozess, das heißt die Induktivitätsänderung vom Maximalwert auf den Minimalwert, langsam machen. Im Hinblick auf einen hohen Wirkungsgrad sollte R_S andererseits klein sein. Um den Einschaltvorgang zu beschleunigen, kann somit entweder R_p reduziert oder V_c erhöht werden. Die zuerstgenannte Strategie wird aber unwirksam, sobald R_p kleiner wird als n^2· R_S. Die effektivste Art und Weise zum Beschleunigen der Einschaltgeschwindigkeit ist jedoch die Erhöhung von V.
Bei einem Abschalten bleibt der Schalter S normalerweise offen (oder hochohmig). Das Magnetfeld nimmt mit derselben Geschwindigkeit ab, wie der Strom durch n^2· R_S abnimmt:
Der Fachmann wird verstehen, daß die Änderungsgeschwindigkeit oder -rate klein ist, weil R_S mit Rücksicht auf den Wirkungsgrad klein gehalten werden muß.
Gleichung (2) eröffnet eine weitere Möglichkeit für das schnelle Abschalten (Erhöhen der Induktivität), die in der Erfindung genutzt wird. Durch Anlegen einer negativen Spannung V_c kann die Demagnetisierung der variablen Induktivität mit nahezu beliebiger Geschwindigkeit erzwungen werden. In der Praxis ist es wichtig, den inversen Spannungsimpuls zu unterbrechen, sobald der Magnetisierungsstrom i_L Null ist.
Aus dieser Erkenntnis kann in der Praxis eine optimale Dauer für den inversen Spannungsimpuls abgeleitet werden, indem die Gleichung (1) für i_L(t) = 0 nach t aufgelöst wird:
In Gleichung (4) muß beachtet werden, daß V_c einen negativen Wert darstellt, weil es durch einen inversen Spannungsimpuls gebildet wird. In der Praxis kann die richtige Dauer für den inversen Spannungsimpuls durch eine kontinuierliche Überwachung des Steuerstroms der variablen Induktivität und durch Erfassung des Steuerstroms unmittelbar vor dem Auslösen des inversen Spannungsimpulses abgeleitet werden.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden detaillierten Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen mit Bezug auf die Zeichnungen. In den Figuren zeigen:
1 ein Ersatzschaltbild einer stromsteuerbaren, variablen Induktivität gemäß dem Stand der Technik;
2 einen Schaltplan für eine Einrichtung zur Ansteuerung einer Spulenanordnung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung; und
3 einen Schaltplan für eine Einrichtung zur Ansteuerung einer Spulenanordnung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
2 zeigt ein Beispiel eines Schaltkreises zur Ansteuerung einer Spulenanordnung mit variabler Induktivität gemäß der Erfindung. Die Spulenanordnung ist in 2 allgemein mit 10 bezeichnet. Sie umfaßt eine Steuerwicklung 12 und zwei parallel geschaltete Arbeitswicklungen 14, 16. Während des Normalbetriebs wird die Spulenanordnung 10 über einen herkömmlichen Steuerschaltkreis 18 angesteuert. Der Steuerschaltkreis 18 ist über einen Schalter S1 mit der Spulenanordnung 10 verbunden. In der Praxis kann die Spulenanordnung 10 mit dem Steuerschaltkreis 18 beispielsweise in einer Sekundärregelschleife eines Schaltnetzteils integriert sein.
Wenn die Schaltung der 2 an einem Eingang 20 ein Signal empfangt, das ein schnelles Abschalten der Induktivität (d. h. eine schnelle Erhöhung der Induktivität) anfordert, wird ein Demagnetisierungsschaltkreis aktiviert, der in 2 allgemein mit 22 bezeichnet ist. Ein schnelles Abschalten der veränderbaren Induktivität kann z. B. notwendig sein, wenn erkannt wird, daß bei Schaltvorgängen ein starkes Überschwingen der Spannung droht.
Der Demagnetisierungsschaltkreis 22 umfaßt einen Einzel-Impuls-Generator 24, der z. B. durch ein Monoflop realisiert ist. Das Ausgangssignal des Einzel-Impuls-Generators 24 ist ein einzelner Impuls, der den Schalter S1 umschaltet und dadurch die Steuerwicklung 12 von dem Steuerschaltkreis 18 trennt und mit einer negativen Spannung –U verbindet. Die negative Spannung –U liegt während der Dauer des einzelnen Impulses an der Steuerwicklung 12 an, um die Demagnetisierung des Kernmaterials der Spulenanordnung zu beschleunigen.
Erfindungsgemäß wird die Dauer dieses Steuerimpulses vorzugsweise abhängig von dem Betrag des Steuerstroms abgeleitet, der unmittelbar vor dem Umschalten an der Steuerwicklung 12 angelegen hat. Dieser Steuerstrom wird über den Widerstand R1 erfaßt und an den Einzel-Impuls-Generator 24 übergeben, damit dieser die Impulslänge einstellt.
Der in 2 gezeigte Widerstand R2 sowie der Kondensator C2 dienen als ein Hochfrequenz-Sperrfilter. Die Arbeitsanschlüsse der Arbeitswicklungen 14 und 16 sind mit P1 und P2 bezeichnet.
3 zeigt einen Schaltplan der Einrichtung zur Ansteuerung einer Spulenanordnung mit variabler Induktivität gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung. Entsprechende Komponenten in 2 sind mit denselben Bezugszeichen bezeichnet und nicht nochmals beschrieben.
Bei der Ausführung der 3 ist die Impulsbreite des von dem Einzel-Impuls-Generator 24 eingestellten inversen Spannungsimpulses fest vorgegeben. Dadurch ist die Spulenanordnung 10 über den Schalter S1 während einer festen vorgegebenen Dauer mit der negativen Spannung –U verbunden. Bei dieser Ausführung wird jedoch der Betrag der negativen Spannung –U abhängig von dem Steuerstrom in der Steuerwicklung 12 unmittelbar vor dem Anlegen des inversen Spannungsimpulses bestimmt. Hierzu wird der Kondensator C1 auf eine Spannung geladen, welche proportional zu dem Steuerstrom ist, der durch die Steuerwicklung 12 der Spulenanordnung fließt. Demzufolge wird der inverse Spannungsimpuls oder Demagnetisierungsimpuls einen höheren Betrag haben, wenn die Vormagnetisierung der Spulenanordnung stärker ist. Die Diode D9 verhindert eine Rückwärtsladung des Kondensators C1. Der durch die Steuerwicklung 12 fließende Strom wird über den Widerstand R1 erfaßt.

10: Spulenanordnung
12: Steuerwicklung
14, 16: Arbeitswicklungen
18: Steuerschaltkreis
20: Eingang
22: Demagnetisierungsschaltkreis
24: Einzel-Impuls-Generator
R_p, R_S: Widerstand
Lc: Induktivität
S, S1: Schalter
R1, R2, R3, R4: Widerstand
C1, C2: Kondensator
P1, P2: Anschlüsse
n: Windungszahlverhältnis (Steuerwicklung zu je einer Arbeitswicklung)
n2·Rs: Auf Primärseite (Steuerwicklungsseite) tranformierter Gesamtwiderstand (Serienwiderstand) der beiden Arbeitswicklungen

Claims

Spuleneinrichtung umfassend eine Spulenanordnung (10) mit variabler stromsteuerbarer Induktivität, die wenigstens eine Steuerwicklung (12) und zwei parallel geschaltete Arbeitswicklungen (14, 16) aufweist, die auf ein Kernmaterial aufgebracht sind, und einen Steuerschaltkreis (18), der einen Steuerstrom in die Steuerwicklung (12) speist, um die Induktivität der Spulenanordnung (10) zu verändern, und einen Demagnetisierungsschaltkreis (22), der einen inversen Spannungsimpuls erzeugt und an die Steuerwicklung (12) anlegt, um die Änderung der Induktivität der Spulenanordnung (10) zu beschleunigen, wobei der Demagnetisierungsschaltkreis (22) Mittel (R1) zum Erfassen des Steuerstroms unmittelbar vor dem Anlegen des inversen Spannungsimpulses an die Steuerwicklung (12) und Mittel zum Einstellen (24; R2, R3) der Dauer und/oder des Betrags des inversen Spannungsimpulses abhängig davon aufweist.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (24) zum Einstellen des inversen Spannungsimpulses die Impulsdauer abhängig von dem Steuerstrom einstellen.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (R2, R3) zum Einstellen des inversen Spannungsimpulses den Betrag des Impulses abhängig von dem Steuerstrom einstellen.
Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Demagnetisierungsschaltkreis (22) einen elektronischen Schalter (S1) umfasst, um während des Anlegens des inversen Spannungsimpulses den Steuerschaltkreis (18) von der Spulenanordnung (10) zu trennen.
Schaltnetzteil mit einer Eingangsschaltstufe auf einer Primärseite und wenigstens einem Ausgangskanal auf einer Sekundärseite, wobei der Ausgangskanal einen Sekundärregelkreis mit einer Spuleneinrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche aufweist.
Verfahren zur Ansteuerung einer Spulenanordnung (10) mit variabler Induktivität, wobei die Spulenanordnung (10) wenigstens eine Steuerwicklung (12) und zwei parallel geschaltete Arbeitswicklungen (14, 16) aufweist, die auf ein Kernmaterial aufgebracht sind, dadurch gekennzeichnet, dass ein Steuerstrom in die Steuerwicklung (12) gespeist wird, um die Induktivität der Spulenanordnung (10) zu verändern, und ein inverser Spannungsimpuls erzeugt und an die Steuerwicklung (12) angelegt wird, um die Änderung der Induktivität der Spulenanordnung (10) zu beschleunigen, wobei die Dauer und/oder der Betrag des inversen Spannungsimpulses abhängig von der Größe des Steuerstroms unmittelbar vor dem Anlegen des inversen Spannungsimpulses eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass während des Anlegens des inversen Spannungsimpulses der Steuerstrom gesperrt wird.