DE112010001533T5

DE112010001533T5 - Reihenresonanzleistungswandler einschliesslich eines verbundinduktors/ -kondensators

Info

Publication number: DE112010001533T5
Application number: DE112010001533.3T
Authority: DE
Inventors: Michael John Harrison
Original assignee: Eaton Industries Co
Current assignee: Eaton Industries Co
Priority date: 2009-03-03
Filing date: 2010-02-17
Publication date: 2014-08-07
Also published as: NZ575304A; WO2010101479A3; CN102341874A; GB2481742A; US20120038434A1; WO2010101479A2; GB201116250D0

Abstract

Ein Verbundinduktor/-kondensator, der voneinander beabstandete Platten von leitendem Material umfasst, die zu einer Spirale geformt sind, wobei die Platten durch ein dielektrisches Material voneinander beabstandet sind, wobei Anschlüsse auf gegenüberliegenden Platten an gegenüberliegenden Enden vorgesehen sind. Ein Ferritkern mit Spalt oder ohne Spalt kann einen Magnetschleifenpfad um die Komponente bilden. Mehrere leitende Schichten können verwendet werden, um die Kapazität, Induktanz und Lasthandhabung zu variieren. Die Komponente kann Anwendung in Hochfrequenz-(über 20 kHz)Leistungswandlern finden (wie beispielsweise Reihenresonanzleistungswandlern, phasenversetzten, nullspannungsschaltenden Vallbrückenwandlern, asymmetrischen, nullspannungsschaltenden Halbbrückenwandlern oder Parallelresonanzwandlern oder Hochfrequenzinduktionserwärmungsschaltungen oder Hochfrequenzschweißschaltungen oder Ähnlichem).

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf einen Verbundinduktor/-kondensator. Die Komponente kann Anwendung in Hochfrequenz-(höher als 20 kHz)Leistungswandlern, wie beispielsweise Reihenresonanzleistungswandlern, phasenversetzten, nullspannungsschaltenden Vollbrückenwandlern, asymmetrischen, nullspannungsschaltenden Halbbrückenwandlern oder Parallelresonanzwandlern oder Hochfrequenzinduktionserwärmungsschaltungen oder Hochfrequenzschweißschaltungen oder Ähnlichem finden.
Hintergrund der Erfindung
Konzentrierte LC-Komponenten werden in einer Reihe von Leistungsanwendungen, wie beispielsweise Wandlern, verwendet, um die Steuerung (Spannung oder Strom) über die Schaltfrequenz zu übermöglichen und um einen Anlauf- und Überstromschutz vorzusehen.
Ein herkömmlicher Kondensator besteht aus einem Paar spiralförmig gewickelter, paralleler Platten, die durch ein dielektrisches Element beabstandet sind, in dem Anschlüsse mit jeder Platte an dem gleichen Ende der Spiralwindung verbunden sind. Dies resultiert in einer Komponente, die im Wesentlichen kapazitiv mit minimaler Induktanz ist.
Ein herkömmlicher Hochfrequenzinduktor wird durch Wickeln eines Drahts um einen Ferritkern gebildet, wobei die Enden des Drahts die Anschlüsse bilden. Derartige Induktoren sind im Wesentlichen induktiv mit minimaler Kapazität. Für Hochleistungs-/Hochfrequenzanwendungen kann teure Litze verwendet werden, um Verluste bei hoher Frequenz zu verringern.
In Liangs Abhandlung mit dem Titel „Integrated LC Series Resonator for a High Voltage Application” (integrierter LC-Reihenresonator für eine Hochspannungsanwendung) ist ein integriertes, planares LC-Element offenbart. Die Anordnung ist komplex und teuer zu konstruieren und sieht ein LC-Resonanznetzwerk erster Ordnung vor.
Resonanzwandler, die Resonanznetzwerke höherer Ordnung einsetzen, sehen eine verbesserte Steuerbarkeit und Effizienz des Wandlers vor (z. B. LCLC-Resonanznetzwerke zweiter Ordnung besitzen Vorzüge gegenüber einem LC-Resonanznetzwerk erster Ordnung). Bei einem LC-Resonanznetzwerkwandler erster Ordnung ist die Übertragungsfunktion inhärenter Weise nicht-linear, so dass die Steuerung der Ausgabespannung (oder des Stroms) unterschiedliche Steuer-„Verstärkungen” (Betrag der Frequenzvariation) erfordert, und zwar abhängig von den Betriebsbedingungen (Eingabespannung, Ausgabespannung, Ausgabelast). Ein LCLC...-Resonanznetzwerk unendlicher Ordnung besitzt eine lineare Übertragungsfunktion, die eine bequeme Steuerung vorsieht.
Es besteht ebenfalls ein Bedarf die Kosten, Verluste und die Komponentengrundfläche durch Verringern der erforderlichen Komponenten zu reduzieren.
Es ist ein Ziel der Erfindung eine Komponente vorzusehen, die zumindest einige dieser Ziele erfüllt oder die zumindest die Öffentlichkeit mit einer nützlichen Wahlmöglichkeit versieht.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß einem beispielhaften Ausführungsbeispiel ist ein Verbundinduktor/-kondensator vorgesehen, der voneinander beabstandete Platten bzw. Bleche eines leitenden Materials umfasst, die in eine Spirale geformt sind, wobei die Platten voneinander durch ein dielektrisches Material beabstandet sind, wobei eine Platte einen Anschluss an einem äußeren Ende der Spirale besitzt und eine weitere Platte einen Anschluss an einem inneren Ende der Spirale besitzt.
Gemäß einem anderen beispielhaften Ausführungsbeispiel ist ein Hochfrequenz-Leistungswandler einschließlich eines Verbundinduktors/-kondensators vorgesehen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die begleitenden Zeichnungen, die in der Beschreibung enthalten sind und einen Teil dieser bilden, stellen beispielhaft Ausführungsbeispiele der Erfindung dar, und gemeinsam mit der allgemeinen Beschreibung der Erfindung, die oben erfolgt ist, und der detaillierten Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die nachfolgend erfolgt, dienen der Erläuterung der Prinzipien der Erfindung.
1 zeigt eine Draufsicht der leitenden Plätten vor dem Zusammenbau.
2 zeigt eine perspektivische Ansicht einer teilweise zusammengebauten Komponente.
3 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Hälfte eines Ferritkerns.
4 zeigt ein Ausführungsbeispiel, in dem 4 leitende Platten verwendet werden.
5 zeigt eine äquivalente Schaltung der Komponenten, die in 2 gezeigt sind.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE DER ERFINDUNG
Bezug nehmend auf 1–3 wird der Aufbau des Verbundinduktors/-kondensators gemäß einem Ausführungsbeispiel beschrieben. Leitende Platten 1 und 2 sind auf dielektrischen Isolationsschichten 3 und 4 vorgesehen. Ein erster Anschluss 5 ist an einem Ende der leitenden Platte 1 vorgesehen und ein zweiter Anschluss 6 ist an dem gegenüberliegenden Ende der leitenden Platte 2 vorgesehen.
Die leitenden Platten 1 und 2 sind vorzugsweise aus einem leitenden Metall, wie beispielsweise Kupfer oder Aluminium gebildet. Die leitenden Platten 1 und 2 sind viel breiter als sie dick sind, vorzugsweise zumindest zehn Mal breiter als die Dicke, um eine geeignete Kapazitanz bzw. Kapazität vorzusehen. Die dielektrischen Isolationsschichten 3 und 4 können aus einem dielektrischen Material mit einer dielektrischen Konstante gebildet sein, die für die Verwendung in einem Kondensator geeignet ist, wie beispielsweise Polypropylen, Polystyren oder Polyester.
Die leitende Platte 1 und der dielektrische Isolator 3 können nach rechts versetzt sein und auf der leitenden Platte 2 und dem dielektrischen Isolator 4 angeordnet sein, um eine gestapelte Anordnung von leitenden Platten 1 und 2 und isolierenden Schichten 3 und 4 zu bilden, in der der Anschluss 5 an einem Ende der Anordnung vorgesehen ist und der Anschluss 6 an dem anderen Ende vorgesehen ist. Diese Anordnung kann dann in eine Spirale der Form gewickelt werden, die in 2 gezeigt ist, und innerhalb einer Hälfte eines Ferritkerns 7 angeordnet werden. Eine identische Ferritkernhälfte ist in 3 gezeigt, die mit dem Ferritkern 7 zusammengepasst werden kann, um einen Magnetschleifenpfad durch die Mitte der Spirale und um die spiralförmig gewundene Anordnung zu bilden. Der Ferritkern kann mit Spalt oder ohne Spalt sein. Für extrem hochfrequente Anwendungen kann ein physischer Kern nicht erforderlich sein (ein „Luftkern”-Aufbau). In anderen Anwendungen könnte mu-Metall, pulverförmiges Eisen oder pulverisiertes Ferrit eingesetzt werden.
Da die Anschlüsse 5 und 6 an gegenüberliegenden Enden der Spirale vorgesehen sind, sieht die Komponente eine signifikante Induktanz ebenso wie eine kapazitative Kopplung vor. Dies ermöglicht es einer Komponente, kapazitative und leitende Komponenten zu ersetzen.
4 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel, in dem vier leitende Platten 9 bis 12 voneinander durch dielektrische Isolationsschichten 13 bis 16 beabstandet sind. Die leitenden Platten 9 und 11 sind und 10 und 12 überlappen sich vorzugsweise. Eine Komponente, die vier leitende Platten verwendet, wird ein Viertel der Induktanz eines Aufbaus mit zwei leitenden Platten haben und wird imstande sein, das doppelte des Stroms eines Aufbaus mit zwei Platten zu tragen. Es wird erkannt werden, dass weitere leitende Schichten verwendet werden können, wenn eine hohe Kapazität und niedrige Induktanz erforderlich ist. Während Paare von zusätzlichen Platten zu Ausgleichszwecken bevorzugt sind, könnte ebenfalls eine ungerade Anzahl von leitenden Platten eingesetzt werden.
5 zeigt eine äquivalente Schaltung zu der Komponente, die in 2 gezeigt ist. Es wird erkannt werden, dass die Komponente ein Äquivalent zu einem LC-Netzwerk unendlicher Ordnung ist. Dies ermöglicht es, dass eine einzelne Komponente eingesetzt wird, wo mehrere Kondensatoren und Induktoren erforderlich wären, um aquivalente Ergebnisse zu erzielen.
Der Verbundinduktor/-kondensator der Erfindung ist insbesondere für Hochfrequenz-Leistungsanwendungen mit Schaltfrequenzen oberhalb von 20 kHz und Leistungsbereichen im Bereich von 10 W–10 kW geeignet. Während Werte der Kapazität und Induktanz durch Materialabmessungen, -eigenschaften und Anordnung für eine bestimmte Anwendung variiert werden können, liegen die Kapazitätswerte typischerweise in dem Bereich von 1 nF bis 100 nF und die Induktanzwerte können typischerweise in dem Bereich von 1 uH bis 100 uH liegen.
Die Komponente kann Anwendung in Hochfrequenz-(über 20 kHz)Leistungswandlern, wie beispielsweise Reihenresonanzleistungswandlern, phasenversetzten, nullspannungsschaltenden Vollbrückenwandlern, asymmetrischen, nullspannungsschaltenden Halbbrückenwandlern oder Parallelresonanzwandlern oder Hochfrequenzinduktionserwärmungsschaftungen oder Hochfrequenzschweißschaltungen oder Ähnlichem finden.
Es ist daher ein Verbundinduktor/-kondensator vorgesehen, der es ermöglicht, dass eine einzelne Komponente anstelle von zwei oder mehr kapazitativen oder induktiven Komponenten verwendet wird, wodurch die Kosten, Verluste und der Komponentengrundriss reduziert werden. Bei der Verwendung von Leistungswandlern sieht die Tatsache, dass eine Komponente durch eine LC-Schaltung unendlicher Ordnung modelliert wird, eine lineare Übertragungsfunktion vor, was die Steuerung des Wandlers erheblich vereinfacht.
Während die vorliegende Erfindung durch die Beschreibung der Ausführungsbeispiele dieser dargestellt wurde, und während die Ausführungsbeispiele im Detail beschrieben wurden, ist es nicht die Intention der Anmelderin, den Rahmen der beigefügten Ansprüche auf ebendiese Details zu beschränken oder in irgendeiner Weise einzuschränken. Zusätzliche Vorteile und Modifikationen werden Fachleuten des Gebiets offensichtlich sein. Daher ist die Erfindung in ihren breitesten Aspekten nicht auf die spezifischen Details, die dargestellte Vorrichtung und das dargestellte Verfahren und die veranschaulichenden Beispiele, die gezeigt und beschrieben wurden, beschränkt. Demgemäß können Abweichungen von diesen Details vorgenommen werden, ohne den Rahmen und Umfang des allgemeinen, erfinderischen Konzepts der Anmelderin zu verlassen.

Claims

Verbundinduktor/-kondensator, der voneinander beabstandete Platten leitenden Materials umfasst, die in eine Spirale geformt sind, wobei die Platten durch ein dielektrisches Material voneinander beabstandet sind, wobei eine Platte einen Anschluss an einem äußeren Ende der Spirale besitzt und eine andere Platte einen Anschluss an einem inneren Ende der Spirale besitzt.
Verbundinduktor/-kondensator gemäß Anspruch 1, der einen Ferritkern umfasst, der einen Magnetschleifenpfad durch die Mitte der Spirale und um das Äußere der Platten bildet.
Verbundinduktor/-kondensator gemäß Anspruch 2, wobei der Ferritkern einen Spalt besitzt.
Verbundinduktor/-kondensator gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, der ein Paar von leitenden Platten, die miteinander verbundene Anschlüsse an einem äußeren Ende der Spirale besitzen, und ein Paar von leitenden Platten, die miteinander verbundene Anschlüsse an einem äußeren Ende der Spirale besitzen, umfasst.
Verbundinduktor/-kondensator gemäß einem der vorangehenden Ansprüche der drei oder mehr leitende Platten umfasst, die miteinander verbundene Anschlüsse an einem äußeren Ende der Spirale besitzen, sowie drei oder mehr leitende Platten, die miteinander verbundene Anschlüsse an einem äußeren Ende der Spirale besitzen.
Verbundinduktor/-kondensator gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die leitenden Platten viel breiter in einer Richtung entlang der Achse der Spirale sind als senkrecht zu der Achse der Spirale.
Verbundinduktor/-kondensator gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die leitenden Platten mehr als 10-fach so breit in einer Richtung entlang der Achse der Spirale sind als senkrecht zu der Achse der Spirale.
Verbundinduktor/-kondensator gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, der für den Betrieb oberhalb von 20 kHz konfiguriert und angeordnet ist.
Verbundinduktor/-kondensator gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, der eine Kapazitanz bzw. Kapazität von ungefähr 1 nF bis 100 nF besitzt.
Verbundinduktor/-kondensator gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, der eine Induktanz von ungefähr 1 uH bis 100 uH besitzt.
Verbundinduktor/-kondensator gemäß einem der vorangehenden Ansprüche mit einer Nennleistung von 10 W bis 10 kW.
Verbundinduktor/-kondensator gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die leitenden Platten aus Kupfer gebildet sind.
Verbundinduktor/-kondensator gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die leitenden Platten aus Aluminium gebildet sind.
Hochfrequenzleistungswandler, der einen Verbundinduktor/-kondensator gemäß einem der vorangehenden Ansprüche umfasst.
Hochfrequenzleistungswandler gemäß Anspruch 14, der reihenresonant ist.