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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft Wechselstrom-Leistungsversorgungseinrichtungen.
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Hintergrund
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Schalt-Leistungsversorgungseinrichtungen bzw. Schaltnetzteile, die ein Schaltbauteil und einen Filter haben, wie Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler und Gleichstrom-Wechselstrom-Wandler, werden heutzutage in einem großen Bereich von Anwendungsgebieten verwendet, wie in Konsumgütern und in industrieller Ausrüstung. Bei diesen Schalt-Leistungsversorgungseinrichtungen sind Kompaktheit, geringes Gewicht und ein hoher Wirkungsgrad von hohem Wert, und je höher die Leistung ist, für die sie ausgelegt sind, desto größer sind die Anforderungen an derartige Qualitäten.
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Gleichstrom-Wechselstrom-Wandler, wie sie in unterbrechungsfreien Spannungsversorgungen (UPS, „uninterruptible power supplies“) und Invertern („power conditioners“) verwendet werden, sind unter anderem beispielsweise selbst dann, wenn sie mit dem gleichen Ausgangsstrom hinsichtlich einer Effektivwertbasis wie Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler betrieben werden, wie es in der Beschreibung einer herkömmlichen Technologie im Patentdokument 1 und in dem Nicht-Patentdokument 1 erwähnt ist, tendenziell einem übermäßigen Strom unterworfen, der momentan hierdurch fließt. Demzufolge haben herkömmliche Gleichstrom-Wechselstrom-Wandler einen Crest-Faktor bzw. Scheitelfaktor (ein Wellenhöhenverhältnis: das Verhältnis des Spitzenstromwertes zu dem effektiven Stromwert) von zwei bis drei oder höher und erfordern folglich eine Filterschaltung, die einen sehr hohen Spitzenstrom handhaben kann. Verglichen mit Gleichstrom-Gleichstrom-Wandlern, sind Gleichstrom-Wechselstrom-Wandler daher strikteren Bedingungen hinsichtlich der Materialeigenschaften oder elektrischen Charakteristika einer Drosselspule („choke coil“) und eines Kondensators unterworfen.
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Wenn man ein Schaltbauteil in einem Gleichstrom-Wechselstrom-Wandler, der eine Filterschaltung beinhaltet, mit einer höheren Frequenz als sonst ansteuert, ist es andererseits möglich, den Induktivitätswert einer Drosselspule zu verringern, und den Kapazitätswert eines Kondensators, die die Filterschaltung bilden; selbst dann ist es möglich, den bzw. die gleiche(n) Ausgangs-Rippel-Strom und -Spannung zu erzeugen wie zuvor. Dies trägt dazu bei, die Größe und das Gewicht der gesamten Leistungsversorgungseinrichtung zu reduzieren.
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Liste von Literaturstellen
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Patentliteratur
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Patentdokument 1: Japanische geprüfte Patentanmeldung mit der Nr. H7-86784
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Nicht-Patentliteratur
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Nicht-Patentdokument 1: Tektronix, Inc. Fundamentals of power measurement - voltage, current, point of power measurement (insbesondere 2.5 Crest-Faktor) [online], February 2011 [heruntergeladen am 2013-12-03]. Erhalten von <URL: jp.tek.com /dl/55Z_29828_0_3.pdf>
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Überblick über die Erfindung
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Technisches Problem
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Ein Reduzieren der Größe der Leistungsversorgungseinrichtung, indem man das Schaltbauteil mit einer höheren Frequenz ansteuert, hat jedoch auch negative Seiten wie einen erhöhten Schaltverlust, einen erhöhten Leistungsverbrauch in einer Gate-Ansteuerschaltung und einen erhöhten Kernverlust in der Drosselspule. Es ist daher nicht ratsam, die Konstruktion ohne sorgfältige Überlegung zu ändern, und in Gleichstrom-Wechselstrom-Wandlern, die einen hohen Scheitelfaktor („crest factor“) haben, gilt insbesondere, dass eine Filterschaltung in ungelegener Art und Weise größer ausgebildet werden muss, um eine magnetische Sättigung zu unterdrücken.
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Um die obigen von den vorliegenden Erfindern erfahrenen Probleme zu lösen, stellt die vorliegende Erfindung drauf ab, eine kompakte und hocheffiziente Wechselstrom-Leistungsversorgungseinrichtung bereitzustellen, die weniger anfällig ist für Fehlfunktionen.
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Mittel zum Lösen des Problems
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung beinhaltet eine Wechselstrom-Leistungsversorgungseinrichtung Folgendes: eine Wechselstrom-Erzeugungsbrücke zum Erzeugen eines Wechselstrom-Ausgangs; eine erste und eine zweite Pulsbreitenmodulations (PBM)-Steuerbrücke, die jeweils zwei Schaltbauteile beinhalten; und einen Koppelreaktor bzw. Koppelinduktor („coupling reactor“), der mit der ersten und der zweiten PBM-Steuerbrücke verbunden ist. Der Koppelreaktor beinhaltet: einen Kern sowie eine erste und eine zweite Wicklung, von denen jeweils ein Ende mit jeweiligen Ausgangsanschlüssen der ersten und der zweiten PBM-Steuerbrücke verbunden ist, wobei die erste und die zweite Wicklung über den Kern miteinander gekoppelt sind. Die erste und die zweite Wicklung sind in solchen Richtungen gewickelt, dass magnetische Flüsse, die sie im Inneren des Kerns erzeugen, einander auslöschen (eine erste Konfiguration).
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Bei der Wechselstrom-Leistungsversorgungseinrichtung gemäß der ersten Konfiguration werden in der ersten und der zweiten PBM-Steuerbrücke die Schaltbauteile vorzugsweise mit einer Phasendifferenz von einem halben Zyklus voneinander ein- und ausgeschaltet (eine zweite Konfiguration).
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Bei der Wechselstrom-Leistungsversorgungseinrichtung gemäß der ersten oder der zweiten Konfiguration ist es bevorzugt, wenn der Kern wenigstens aus einem ersten Kern und einem zweiten Kern in Kombination aufgebaut ist, wobei der erste Kern ein Bauelement ist, das von dem zweiten Kern separat ausgebildet ist. Vorzugsweise sind die erste und die zweite Wicklung um den ersten Kern in derartigen Richtungen gewickelt, dass magnetische Flüsse, die sie im Inneren des ersten Kerns erzeugen, einander auslöschen, wobei weder die erste Wicklung noch die zweite Wicklung um den zweiten Kern herum gewickelt ist. Vorzugsweise ist der zweite Kern so angeordnet, dass magnetische Flüsse, die durch den zweiten Kern verlaufen, in dem Koppelreaktor eine Leckageinduktanz bzw. Leckage-Induktivität erzeugen (eine dritte Konfiguration).
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Bei der Wechselstrom-Leistungsversorgungseinrichtung gemäß der dritten Konfiguration ist es bevorzugt, wenn die Änderungsfrequenz eines magnetischen Flusses, der in dem zweiten Kern erzeugt wird, höher ist als eine Ansteuerfrequenz der Schaltbauteile (eine vierte Konfiguration).
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Bei der Wechselstrom-Leistungsversorgungseinrichtung gemäß der dritten oder der vierten Konfiguration ist es bevorzugt, wenn der erste Kern aus einem Material mit einem isotropen Isolationswiderstand gebildet ist (eine fünfte Konfiguration).
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Bei der Wechselstrom-Leistungsversorgungseinrichtung gemäß einer beliebigen der dritten bis fünften Konfiguration ist es bevorzugt, wenn der erste Kern aus einem Material mit einem anisotropen Isolationswiderstand gebildet ist. Vorzugsweise ist der zweite Kern so angeordnet, dass er wenigstens einen Teil einer seitlichen Fläche des ersten Kerns abdeckt bzw. bedeckt (eine sechste Konfiguration)
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Bei der Wechselstrom-Leistungsversorgungseinrichtung gemäß der sechsten Konfiguration ist es bevorzugt, wenn der Kern ferner ein magnetisches Abschirmelement zum Beschränken des Pfades eines magnetischen Flusses, der zwischen dem ersten Kern und dem zweiten Kern verläuft bzw. hindurchgeht, auf die seitliche Richtung in Bezug auf den ersten Kern beinhaltet (eine siebte Konfiguration).
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Bei der Wechselstrom-Leistungsversorgungseinrichtung gemäß der sechsten oder der siebten Konfiguration ist es bevorzugt, wenn die Querschnittsfläche des zweiten Kerns in einem Teil hiervon, ausschließlich einem Teil hiervon, der mit dem ersten Kern gekoppelt ist, größer ist als die Querschnittsfläche des Teils des zweiten Kerns, der mit dem ersten Kern gekoppelt ist (eine achte Konfiguration).
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Bei der Wechselstrom-Leistungsversorgungseinrichtung gemäß einer beliebigen der dritten bis achten Konfiguration ist es bevorzugt, wenn die Dichte eines gesättigten Magnetflusses in dem zweiten Kern größer gleich der Dichte eines gesättigten Magnetflusses in dem ersten Kern ist (neunte Konfiguration).
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung beinhaltet eine Wechselstrom-Leistungsversorgungseinrichtung: eine Wechselstrom-Erzeugungsbrücke zum Erzeugen eines Wechselstrom-Ausgangs; eine erste und eine zweite PBM-Steuerbrücke, die jeweils zwei Schaltbauteile beinhalten; und einen Koppelreaktor, der mit der ersten und der zweiten PBM-Steuerbrücke verbunden ist. Der Koppelreaktor beinhaltet: einen Kern; und eine erste und eine zweite Wicklung, von denen jeweils ein Ende mit jeweiligen Ausgangsanschlüssen der ersten und der zweiten PBM-Steuerbrücke verbunden ist, wobei die erste und die zweite Wicklung über den Kern miteinander gekoppelt sind. Der Kern ist aus wenigstens einem ersten Kern und einem zweiten Kern in Kombination aufgebaut. Der erste und der zweite Kern sind beide aus dem gleichen Material mit einem anisotropen Isolationswiderstand hergestellt und sind derart ausgebildet, dass der Isolationswiderstand entlang der Richtung eines magnetischen Flusses, der durch den ersten und den zweiten Kern verläuft, nicht variiert. Die erste und die zweite Wicklung sind um den ersten Kern herum in solchen Richtungen gewickelt, dass magnetische Flüsse, die sie im Inneren des ersten Kerns erzeugen, einander auslöschen, und weder die erste Wicklung noch die zweite Wicklung ist um den zweiten Kern herum gewickelt. Der zweite Kern ist so angeordnet, dass die magnetischen Flüsse, die durch den zweiten Kern verlaufen, in dem Koppelreaktor eine Leckageinduktanz erzeugen (eine zehnte Konfiguration).
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Bei der Wechselstrom-Leistungsversorgungseinrichtung gemäß einer beliebigen ersten bis zur zehnten Konfiguration ist es bevorzugt, wenn die Ansteuerfrequenz der Schaltbauteile gemäß einem Ausgangsstrom variiert (eine elfte Konfiguration).
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Bei der Wechselstrom-Leistungsversorgungseinrichtung gemäß einer beliebigen der ersten bis elften Konfiguration ist es bevorzugt, wenn wenigstens eines der Schaltbauteile einen SiC-Halbleiter oder einen GaN-Halbleiter beinhaltet (eine zwölfte Konfiguration).
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Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
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Gemäß der vorliegenden Erfindung, die hier offenbart ist, ist es möglich, eine kompakte und hocheffiziente Wechselstrom-Leistungsversorgungseinrichtung bereitzustellen, die für Fehlfunktionen weniger anfällig ist.
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Figurenliste
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- 1 ist ein Schaltungsdiagramm, das eine Gesamtkonfiguration einer Wechselstrom-Leistungsversorgungseinrichtung zeigt;
- 2 ist ein Zeitablaufdiagramm, das den grundlegenden Betrieb einer Wechselstrom-Leistungsversorgungseinrichtung darstellt;
- 3 ist ein schematisches Diagramm, das einen Koppelreaktor gemäß einer ersten Ausführungsform zeigt;
- 4 ist ein Ersatzschaltbild eines Koppelreaktors;
- 5 ist ein schematisches Diagramm eines Beispiels eines Kernmaterials mit einem anisotropen Isolationswiderstand;
- 6 ist ein schematisches Diagramm eines Koppelreaktors gemäß einer zweiten Ausführungsform;
- 7 ist eine Schnittansicht entlang einer Linie X1-X2;
- 8A ist eine Schnittansicht eines ersten modifizierten Beispiels entlang einer Linie X1-X2;
- 8B ist eine Schnittansicht eines zweiten modifizierten Beispiels entlang einer Linie X1-X2;
- 8C ist eine Schnittansicht eines dritten modifizierten Beispiels entlang einer Linie X1-X2;
- 8D ist eine Schnittansicht eines vierten modifizierten Beispiels entlang einer Linie X1-X2; und
- 9 ist ein schematisches Diagramm eines Koppelreaktors gemäß einer dritten Ausführungsform.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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<Wechselstrom-Leistungsversorgungseinrichtung (Gesamtkonfiguration)>
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1 ist ein Schaltungs- bzw. Schaltdiagramm, das eine Gesamtkonfiguration einer Wechselstrom-Leistungsversorgungseinrichtung zeigt. Die Wechselstrom-Leistungsversorgungseinrichtung 1 gemäß dem Konfigurationsbeispiel ist ein Gleichstrom-Wechselstrom-Wandler (Inverter), der eine Gleichspannung Vdc (zum Beispiel 320 V Gleichspannung), die von einer Gleichstrom-Leistungsquelle E1 bereitgestellt wird, in eine gewünschte Wechselstrom-Spannung Vac (zum Beispiel 200 V Wechselstrom) wandelt, um diese einer Last RL zuzuführen. Die Wechselstrom-Leistungsversorgungseinrichtung 1 beinhaltet eine Wechselstrom-Erzeugungsbrücke 10, Pulsbreitenmodulations- bzw. PBM-Steuerbrücken 20 und 30, einen Koppelreaktor („coupling reactor“) 40, einen Eingangskondensator 50 und einen Ausgangskondensator 60.
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Die Wechselstrom-Erzeugungsbrücke 10 beinhaltet Schaltbauteile 11 und 12 (in dem dargestellten Beispiel N-Kanal-MISFETs („metal-insulator-semiconductor fieldeffect transistors“), die seriell zwischen einem positiven Anschluss und einem negativen Anschluss der Gleichstrom-Leistungsquelle E1 angeschlossen sind, und schaltet die Schaltbauteile 11 und 12 komplementär mit einer vorbestimmten Wechselstrom-Frequenz (zum Beispiel 60 Hz) ein und aus, um einen Wechselstrom-Ausgang zu erzeugen.
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Die PBM-Steuerbrücken 20 und 30 beinhalten Schaltbauteile 21 und 22 bzw. Schaltbauteile 31 und 32 (in dem dargestellten Beispiel sämtlich N-Kanal-MISFETs), die seriell zwischen dem positiven Anschluss und dem negativen Anschluss der Gleichstrom-Leistungsquelle E1 angeschlossen sind. Die PBM-Steuerbrücken 20 und 30 schalten die Schaltbauteile auf komplementäre Art und Weise mit einer vorbestimmten Phasendifferenz voneinander ein und aus (zum Beispiel eine Phasendifferenz von einem halben Zyklus), um einen verschachtelten („interleaved“) Betrieb durchzuführen. Der Einschalt-Anteil („ON-duty“) (der Anteil der Einschalt-Periode in einem Zyklus) der Schaltbauteile ist einer geeigneten PBM-Steuerung unterzogen, so dass eine gewünschte Wechselstrom-Wellenform bzw. ein gewünschter Wechselstrom-Signalverlauf erzeugt wird.
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Der Koppelreaktor 40 ist zwischen jeweiligen Ausgangsanschlüssen der PBM-Steuerbrücken 20 und 30 und der Last RL angeschlossen. Der Koppelreaktor 40 beinhaltet eine erste Wicklung 41, eine zweite Wicklung 42 und einen Kern 43. Ein erster Anschluss der ersten Wicklung 41 ist mit dem Ausgangsanschluss der PBM-Steuerbrücke 20 verbunden (dem Verbindungsknoten zwischen den Schaltbauteilen 21 und 22). Ein erster Anschluss der zweiten Wicklung 42 ist mit dem Ausgangsanschluss der PBM-Steuerbrücke 30 verbunden (dem Verbindungsknoten zwischen den Schaltbauteilen 31 und 32). Ein zweiter Anschluss der ersten Wicklung 41 und ein zweiter Anschluss der zweiten Wicklung 42 sind beide mit einem ersten Anschluss der Last RL verbunden. Die erste Wicklung 41 und die zweite Wicklung 42 sind über den Kern 43 magnetisch miteinander gekoppelt.
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Der Eingangskondensator 50 ist seriell zwischen dem positiven Anschluss und dem negativen Anschluss der Gleichstrom-Leistungsquelle E1 angeschlossen und glättet die Gleichspannung Vdc.
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Ein erster Anschluss des Ausgangskondensators 60 ist mit dem ersten Anschluss der Last RL verbunden. Ein zweiter Anschluss des Ausgangskondensators 60 ist mit einem zweiten Anschluss der Last RL und mit einem Ausgangsanschluss der Wechselstrom-Erzeugungsbrücke 10 verbunden (dem Verbindungsknoten zwischen den Schaltbauteilen 11 und 12). So angeschlossen bildet der Ausgangskondensator 60 zusammen mit der Leckageinduktanz bzw. -Induktivität (deren Details nachstehend beschrieben werden) des Koppelreaktors 40 ein LC-Filter und glättet die Wechselstrom-Spannung Vac.
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2 ist ein Zeitablaufdiagramm, das den grundlegenden Betrieb der Wechselstrom-Leistungsversorgungseinrichtung 1 darstellt, wobei, von oben nach unten, in jeweiligen Phasen Folgendes gezeigt ist: die Gate-Source-Spannungen Vgs (11) und Vgs (12) der Schaltbauteile 11 bzw. 12, die Gate-Source-Spannungen Vgs (21) und Vgs (22) der Schaltbauteile 21 bzw. 22, die Gate-Source-Spannungen Vgs (31) und Vgs (32) der Schaltbauteile 31 bzw. 32, der Drain-Strom Id (21) des Schaltbauteils 21, der Drain-Strom Id (31) des Schaltbauteils 31 und die Induktorströme IL1 und IL2. 2 zeigt ein Beispiel des Verhaltens von Ausgängen, wie es sich beobachten lässt, wenn das Schaltbauteil 11 eingeschaltet ist und das Schaltbauteil 12 ausgeschaltet ist.
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Wie es dort gezeigt ist, sind die Schaltbauteile 21 und 22 und die Schaltbauteile 31 und 32 auf komplementäre Art und Weise mit einer vorbestimmten Ansteuerfrequenz fx (zum Beispiel fx = 20 kHz) in jeweiligen Phasen eingeschaltet und ausgeschaltet. Die Ansteuerphase der Schaltbauteile 21 und 22 und die Ansteuerphase der Schaltbauteile 31 und 32 haben eine Phasendifferenz von einem halben Zyklus bzw. einer halben Periode.
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Vorliegend sind die erste Wicklung 41 und die zweite Wicklung 42 des Koppelreaktors 40 magnetisch miteinander gekoppelt; folglich fließt dann, wenn ein Strom durch eine von diesen fließt, ein Strom auch durch die andere, und zwar in der gleichen Richtung. Im Ergebnis zeigen die Induktorströme IL1 und IL2, die durch die erste Wicklung 41 und die zweite Wicklung 42 fließen, ein ähnliches Verhalten. Das heißt, durch die erste Wicklung 41 bzw. die zweite Wicklung 42 fließen Induktorströme IL1 und IL2, die mit dem doppelten der Ansteuerfrequenz fx moduliert sind.
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In der Wechselstrom-Leistungsversorgungseinrichtung 1 des Konfigurationsbeispiels ist es bevorzugt, wenn der Koppelreaktor 40, der darin aufgenommen ist, ein solcher ist, der weniger wahrscheinlich magnetisch gesättigt wird, und zwar selbst dann, wenn der Ausgang einen hohen Scheitelfaktor („crestfactor“) hat, und der eine Leckageinduktanz bzw. -Induktivität hat, die hinreichend ist für einen kontinuierlichen Betrieb über einen weiten Ansteuerbereich. Nachstehend werden neue Koppelreaktoren 40 (insbesondere Kerne 43 mit neuen Konfigurationen) vorgeschlagen, die derartige Anforderungen erfüllen.
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<Koppelreaktor (erste Ausführungsform)>
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3 ist ein schematisches Diagramm, das einen Koppelreaktor 40 gemäß einer ersten Ausführungsform zeigt. Der Koppelreaktor 40 gemäß dieser Ausführungsform beinhaltet, wie oben erwähnt, eine erste Wicklung 41, eine zweite Wicklung 42 und einen Kern 43. Insbesondere ist der Kern 43 aus einem ersten Kern 43a und einem zweiten Kern 43b in Kombination aufgebaut, wobei der zweite Kern 43b ein Element ist, das von dem ersten Kern 43a getrennt ist bzw. ein separates Bauteil ist.
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Der erste Kern 43a ist eine ringförmiges Element, um das herum die erste Wicklung 41 und die zweite Wicklung 42 separat gewickelt sind, und funktioniert als ein magnetisches Bein bzw. Joch. Vorliegend sind die erste Wicklung 41 und die zweite Wicklung 42 um den ersten Kern 43a herum derartigen Richtungen gewickelt, dass magnetische Flüsse MF1 und MF2, die diese im Inneren des ersten Kerns 43a erzeugen, einander auslöschen.
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Wenn eine derartige Konfiguration verwendet wird, wird innerhalb des ersten Kerns 43a nur ein magnetischer Fluss ΔMF (MF1 - MF2) erzeugt, und zwar aufgrund der Differenz zwischen dem Induktorstrom IL1, der durch die erste Wicklung 41 fließt, und dem Induktorstrom IL2, der durch die zweite Wicklung 42 fließt; folglich ist es weniger wahrscheinlich, dass eine magnetische Sättigung auftritt.
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Andererseits ist der zweite Kern 43b beispielsweise ein stabartiges Element, um das herum weder eine erste Wicklung 41 noch eine zweite Wicklung 42 gewickelt ist, und funktioniert als das, was man auch als Pfad-Kern („path-core“) bezeichnet. Der zweite Kern 43b ist so angeordnet, dass die magnetischen Flüsse MF1 und MF2, die durch den zweiten Kern 43b verlaufen, in dem Koppelreaktor eine Leckageinduktanz bzw. -induktivität erzeugen 40. Beispielsweise kann, wie es in der Darstellung gezeigt ist, der zweite Kern 43b so angeordnet sein, dass gekoppelte Teile α1 und β1 des ersten Kerns 43a miteinander gekoppelt werden.
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Der gekoppelte Teil α1 ist ein Teil, bei dem die magnetischen Flüsse MF1 und MF2 von dem ersten Kern 43a zu dem zweiten Kern 43b verzweigen („diverge“), und entspricht in dem dargestellten Beispiel der bodenseitigen Stirnfläche eines oberen Stegteils des ersten Kerns 43a. Andererseits ist der gekoppelte Teil β1 ein Teil, an dem die magnetischen Flüsse MF1 und MF2 aus dem zweiten Kern 43b zu dem ersten Kern 43a konvergieren, und entspricht in dem dargestellten Beispiel der oberen Stirnseite eines unteren Stegteils des ersten Kerns 43a.
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4 ist ein äquivalentes Schaltungsdiagramm bzw. ein Ersatzschaltbild des Koppelreaktors 40. Wie es dort gezeigt ist, werden in dem Koppelreaktor 40 außer den Anregungsinduktivitäten Lp1 und Lp2, die magnetisch miteinander gekoppelt sind, Leckageinduktivitäten Ls1 und Ls2 erzeugt, die sich aus den magnetischen Flüssen ergeben, die von dem ersten Kern 43a zu dem zweiten Kern 43b divergieren.
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Diese Leckageinduktivitäten Ls1 und Ls2 können zusammen mit dem Ausgangskondensator 60 als ein Glättungsreaktor zum Bilden eines LC-Filters verwendet werden. Wenn folglich der erste Kern 43a und der zweite Kern 43b separate Bauelemente sind, ist es durch geeignetes Konstruieren bzw. Auslegen der physikalischen Eigenschaften des ersten Kerns 43a und der physikalischen Eigenschaften und der Form des zweiten Kerns 43b möglich, die Charakteristika des Glättungsreaktors nach Notwendigkeit einzustellen. Im Ergebnis ist es möglich, einen kompakten Koppelreaktor 40 zu erhalten, der gewünschte Leckageinduktivitäten Ls1 und Ls2 besitzt, und folglich dazu beiträgt, Größe der gesamten Wechselstrom-Leistungsversorgungseinrichtung 1 zu reduzieren.
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Folglich besteht ein Merkmal des Koppelreaktors 40 gemäß dieser Ausführungsform darin, dass der erste Kern 43a und der zweite Kern 43b als separate Bauelemente bereitgestellt werden. Hierbei ist es nicht immer notwendig, dass der erste Kern 43a und der zweite Kern 43b aus unterschiedlichen Materialien gebildet sind. Beispielsweise ist es selbst dann, wenn der erste Kern 43a und der zweite Kern 43b aus dem gleichen Material gebildet sind und solange es sich hierbei um separate Bauelemente handelt, verglichen mit einem Fall, bei dem diese einstückig miteinander gegossen bzw. ausgebildet sind, leicht, die die Form und die Querschnittsfläche des zweiten Kerns 43b (die Querschnittsfläche des zweiten Kerns 43b senkrecht zu der Richtung des magnetischen Flusses, der den zweiten Kern 43b durchdringt) zu verändern; es ist folglich möglich, die Charakteristika des Glättungsreaktors nach Notwendigkeit einzustellen.
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Das Erzeugen einer Leckageinduktivität ähnlich jener, die oben beschrieben ist, und zwar durch die Verwendung des herkömmlichen Kerns (was auch als ein E-förmiger Kern bezeichnet wird), mit einem magnetischen Joch und einem Pfad-Kern, der einstückig hiermit ausgebildet ist, erfordert, dass in dem Pfad-Kern ein großer Spalt bereitgestellt wird; dies erhöht auf ungelegene Art und Weise den magnetischen Fluss, der an die Luft abgegeben wird.
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Andererseits ist es bei dem Koppelreaktor 40 gemäß dieser Ausführungsform nicht immer notwendig, einen Spalt bzw. Luftspalt in dem zweiten Kern 43b bereitzustellen; dies trägt signifikant dazu bei, den magnetischen Fluss zu reduzieren, der in die Luft abgegeben wird. Folglich ist es auch möglich, die Fehlfunktionen der Steuerschaltungskomponenten zu verhindern, die um den Koppelreaktor 40 herum bereitgestellt sind, und die Wirbelstromverluste in einem Schaltungsmuster zu reduzieren, und es ist folglich möglich, eine Wechselstrom-Leistungsversorgungseinrichtung 1 zu erhalten, die weniger anfällig ist für Fehlfunktionen und Leistungsverluste.
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Der erste Kern 43a kann separat konstruiert bzw. ausgelegt werden, ohne dass man der oben beschriebenen Erzeugung einer Leckageinduktivität Berücksichtigung schenkt. Dies trägt dazu bei, die Flexibilität des Designs zu verbessern, und es ist folglich beispielsweise möglich, eine Kostenreduktion bei der Materialauswahl zu erreichen.
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Unter erneute Bezugnahme auf 3 wird der Koppelreaktor 40 weiter beschrieben. Bei dem Koppelreaktor 40 dieser Ausführungsform dient der zweite Kern 43b dazu, eine Leckageinduktivität zu erzeugen, die so ausgelegt ist, dass dann, wenn die PBM-Steuerbrücken 20 und 30 mit einer Phasendifferenz von einem halben Zyklus voneinander angesteuert werden, die Änderungsfrequenz fy des magnetischen Flusses , der durch den zweiten Kern 43b verläuft, höher ist (zum Beispiel 40 kHz (2 × fx)) als die Ansteuerfrequenz fx (zum Beispiel 20 kHz) der PBM-Steuerbrücken 20 und 30.
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Bei einer derartigen Konfiguration können die zum Bilden eines LC-Filters erforderlichen Induktivitätswerte der Leckageinduktivitäten Ls1 und Ls2 reduziert werden. Insbesondere ist es verglichen mit einem Fall, bei dem eine einzelne PBM-Steuerbrücke und ein Reaktor verwendet werden, möglich, die Induktivitätswerte zu reduzieren, die erforderlich sind zum Erzeugen des gleichen Ausgangsstromes, und zwar auf etwa ein Viertel, was einer Reduktion der notwendigen Leckageinduktivität geschuldet ist, die sich aus einer Stromoszillation mit dem Zweifachen der Ansteuerfrequenz fx ergibt, und einer Reduktion in der notwendigen Leckageinduktivität, die sich aus einer Reduktion der Spannungen ergibt, die an die jeweiligen Leckageinduktivitätsteile angelegt werden (Werte, die erhalten werden durch Subtrahieren der Spannungen, die an die Reaktor-gekoppelten Teile angelegt werden, von der Differenz zwischen der Eingangs- und der Ausgangsspannung). Es ist folglich möglich, eine Kompaktheit und Kostenreduktion zu erreichen, und zwar durch Reduzieren der Querschnittsfläche des zweiten Kerns 43b, und eine Größenreduzierung des Eingangskondensators 50 und des Ausgangskondensators 60 zu erreichen. Wenn man annimmt, dass die Querschnittsfläche des Kerns die gleiche ist wie in dem Fall, bei dem eine einzelne PBM-Steuerbrücke verwendet wird, ist es im Gegensatz hierzu möglich, etwa einen vier-fach so großen elektrischen Strom zuzulassen. Es lässt sich feststellen, dass die Wechselstrom-Leistungsversorgungseinrichtung 1 mit einem hohen Scheitelfaktor bei der oben genannten Größenreduzierung merklich wirksam bzw. effektiv ist.
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Bei dem Koppelreaktor 40 gemäß dieser Ausführungsform durchdringt der gesamte magnetische Fluss, der erhalten wird durch Aufaddieren des magnetischen Flusses MF1 von der ersten Wicklung 41 und des magnetischen Flusses MF2 von der zweiten Wicklung 42, den zweiten Kern 43b. Das heißt, in dem zweiten Kern 43b ergibt sich ein magnetischer Fluss, der eine höhere Dichte hat als in dem ersten Kern 43a. Im Hinblick hierauf ist die Dichte des gesättigten Magnetflusses in dem zweiten Kern 43b vorzugsweise größer gleich der Dichte des gesättigten Magnetflusses in dem ersten Kern 43a. Mit einem derartigen Kern-Design ist es möglich, einen zweiten Kern 43b zu verwenden, der sogar eine noch kleinere Querschnittsfläche hat, und folglich eine Größenreduzierung in dem Koppelreaktor 40 zu erreichen (folglich eine Größenreduzierung in der Wechselstrom-Leistungsversorgungseinrichtung 1).
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Wenn die Menge bzw. Größe des magnetischen Flusses, die aus dem ersten Kern 43a zu dem zweiten Kern 43b leckt, zu groß ist, sind die Anregungsinduktivitäten Lp1 und Lp2 so niedrig, dass es bedeutungslos ist, um den Koppelreaktor 40 bereitzustellen. Wenn die relative Permeabilität des zweiten Kerns 43b hoch ist, ist es folglich vernünftig, einen notwendigen minimalen Spalt in dem zweiten Kern 43b bereitzustellen (innerhalb eines erlaubten Bereiches, in dem ein magnetischer Fluss in die Luft abgegeben wird), und die Balance bzw. das Gleichgewicht zwischen der gesättigt magnetischen Flussdichte und der relativen Permeabilität einzustellen.
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Bei dem Koppelreaktor 40 gemäß dieser Ausführungsform ist der erste Kern 43a vorzugsweise aus einem Material mit einem isotropen Isolationswiderstand hergestellt (wie ein Ferrit- oder Presspulvermetall). Mit einem derartigen Material hat ein Wirbelstrom, der in dem ersten Kern 43a erzeugt wird, keine Abhängigkeit von der Richtung des magnetischen Flusses. Demzufolge erfolgt keine Änderung der Größe bzw. Amplitude des Wirbelstromes in dem gekoppelten Teil α1, bei dem die magnetischen Flüsse MF1 und MF2 von dem ersten Kern 43a zu dem zweiten Kern 43b divergieren, und dem gekoppelten Teil β1, bei dem die magnetischen Flüsse MF1 und MF2 von dem zweiten Kern 43b zu dem ersten Kern 43a konvergieren, obgleich sich die Richtungen der magnetischen Flüsse MF1 und MF2 ändern; es ist folglich möglich, ein Erreichen der Curie-Temperatur zu verhindern und eine Zunahme der Verluste aufgrund einer lokalen Erwärmung zu verhindern.
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Wie oben beschrieben, ist es mit dem Koppelreaktor 40 gemäß dieser Ausführungsform möglich, einen kompakten Glättungsreaktor zu erhalten, der eine magnetische Sättigung unterdrückt, wenn der Ausgang einen hohen Scheitelfaktor hat, und der Leckageinduktivitäten Ls1 und Ls 2 hat, die hinreichend sind für einen Betrieb, der über einen weiten Ansteuerbereich kontinuierlich ist. Es ist folglich möglich, eine kompakte und hocheffiziente Wechselstrom-Leistungsversorgungseinrichtung bereitzustellen, die weniger anfällig ist für Fehlfunktionen.
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<Kernmaterial mit anisotropem Isolationswiderstand>
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Bei der ersten Ausführungsform ist es, wie im Verlauf von deren Beschreibung erwähnt, aus strukturellen Gründen bevorzugt, wenn der erste Kern 43a aus einem Material mit einem isotropen Isolationswiderstand gebildet ist. Als das Material, das den ersten Kern 43a bildet, wird jedoch auch ein Material häufig verwendet, das einen anisotropen Isolationswiderstand besitzt.
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5 ist ein schematisches Diagramm eines Beispiels eines Kernmaterials mit anisotropem Isolationswiderstand. Der erste Kern 43a, der in dem Diagramm gezeigt ist, ist gebildet durch Wickeln eines Dünngurtelementes („thin-belt member“) a10 eine Anzahl von Malen um eine Metallform („metal die“), wobei das Dünngurtelement a10 ein magnetisches Element a11 (zum Beispiel eine amorphe Legierung) und ein Isolationselement a12 besitzt, die übereinander gelegt sind. Folglich sind bei dem ersten Kern 43a, und zwar gesehen in einer Schnittansicht oder einer Seitenansicht, das magnetische Element a11 und das Isolationselement a12 übereinander gelegt, und zwar in vielen Schichten in der Richtung von oben nach unten.
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Wenn der erste Kern 43a aus der Richtung A1 oder der Richtung A2 (der Richtung senkrecht zu der Schnittebene oder einer Seitenfläche bzw. Stirnseite) betrachtet wird, ist die Querschnittsfläche des magnetischen Elementes a11 klein und folglich ist der Isolationswiderstand bzw. die Isolationswiderstandsfähigkeit („isolation resistance“) hoch. Wenn andererseits der erste Kern 43a aus der Richtung B (der Richtung senkrecht zu einer oberen Stirnseite) betrachtet ist, ist die Querschnittsfläche des magnetischen Elementes a11 groß, und folglich ist der Isolationswiderstand niedrig. Demzufolge ist das Dünngurtelement a10 ein Material mit einem anisotropen Isolationswiderstand (ein Material, das unterschiedliche Isolationswiderstände besitzt, und zwar einen in den Richtungen A1 und A2 und einem anderen in der Richtung B). Demzufolge besitzt in dem ersten Kern 43a, der mit einem solchen Material gebildet ist, der dort erzeugte Wirbelstrom eine Abhängigkeit von der Richtung des magnetischen Flusses.
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Bei der ersten Ausführungsform wird in den gekoppelten Teilen α1 und β1 in 3 ein magnetischer Fluss in der Richtung B erzeugt, in der der Isolationswiderstand niedrig ist, und folglich ist der Wirbelstrom hoch; dies kann in ungelegener Art und Weise eine lokale Erwärmung hervorrufen.
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Um dies zu überwinden, wird nachstehend ein neuer Koppelreaktor 40 vorgeschlagen (insbesondere ein Kern 43 mit einer neuen Konfiguration), der selbst dann, wenn ein Material mit einem anisotropen Isolationswiderstand als das Material zum Bilden des ersten Kerns 43a verwendet wird, ähnliche Wirkungen bereitstellen kann wie jene, die bei der ersten Ausführungsform erhalten werden, während das Problem einer lokalen Erwärmung minimiert wird.
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<Koppelreaktor (zweite Ausführungsform)>
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6 ist ein schematisches Diagramm, das einen Koppelreaktor 40 gemäß einer zweiten Ausführungsform zeigt. 7 ist eine Schnittansicht des Koppelreaktors 40 entlang der Linie X1-X2. Der Koppelreaktor 40 gemäß dieser Ausführungsform ist, während er auf der ersten Ausführungsform basiert, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kern 43a aus einem Material mit einem anisotropen Isolationswiderstand gebildet ist, dass die Form und Anordnung des zweiten Kerns 43b geändert ist, und dass zusätzlich ein magnetisches Abschirmelement 43c bereitgestellt ist. Folglich werden solche Bestandteile, die Entsprechungen in der ersten Ausführungsform finden, durch die gleichen Bezugszeichen wie in 3 identifiziert, und eine überlappende Beschreibung wird nicht vorgenommen bzw. wiederholt. Die folgende Beschreibung fokussiert sich auf Merkmale, die für diese Ausführungsform besonders sind.
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Bei dem Koppelreaktor 40 gemäß dieser Ausführungsform hat der zweite Kern 43b eine Erweiterung bzw. Verlängerung 43b1 und einen Hauptkörper 43b2. Die Verlängerung 43b1 erstreckt sich von dem Hauptkörper 43b2 in der Richtung von oben nach unten, um auf diese Weise wenigstens Teile (entsprechend gekoppelten Teilen a2 und β2) von jeweiligen seitlichen Oberflächen eines oberen Stegteils und eines unteren Stegteils des ersten Kerns 43a zu bedecken bzw. abzudecken.
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Das magnetische Abschirmelement 43c ist ein Element, um in den oben genannten gekoppelten Teilen a2 oder β2 den Pfad des magnetischen Flusses, der zwischen dem ersten Kern 43a und dem zweiten Kern 43b verläuft, in Bezug auf den ersten Kern 43a auf die seitliche Richtung zu beschränken (entsprechend der Richtung A2 in 5). Aus einer anderen Perspektive lässt sich sagen, dass das magnetische Abschirmelement 43c ein Element ist, um zuzulassen, dass in 5 der magnetische Fluss, der dazu tendiert, seine Richtung von der Richtung A1 in die Richtung A2 zu ändern und umgekehrt, durchgelassen wird, ohne den magnetischen Fluss abzuschirmen, während der magnetische Fluss, der dazu tendiert, seine Richtung von der Richtung A1 in die Richtung B zu ändern und umgekehrt abgeschirmt wird. Wie es in dem Diagramm gezeigt ist, kann das magnetische Abschirmelement 43c zwischen dem ersten Kern 43a und dem Hauptkörper 43b2 bereitgestellt werden.
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Bei einer derartigen Konfiguration ändern der magnetische Fluss, der von dem ersten Kern 43a zu dem zweiten Kern 43b divergiert, und der magnetische Fluss, der von dem zweiten Kern 43b zu dem ersten Kern 43a konvergiert, jeweils ihre Richtung durch einen Übergang bzw. eine Passage hindurch, wobei der magnetische Widerstand nicht variiert (ein Übergang, der von der Richtung A1 zu der Richtung A2 führt, oder ein Übergang, der von der Richtung A2 zu der Richtung A1 führt). Folglich ist es selbst dann, wenn ein Material mit einem anisotropen Isolationswiderstand als das Material verwendet wird, das den ersten Kern 43a bildet, möglich, das Auftreten des Wirbelstromes zu unterdrücken; dies ermöglicht es, Arbeitsvorgänge („workings“) und Wirkungen ähnlich jenen zu erhalten, die bei der ersten Ausführungsform erhalten werden, während das Problem der lokalen Erwärmung minimiert wird. Vorliegend kann als das magnetische Abschirmelement 43c eine Kupferplatte oder dergleichen geeignet verwendet werden.
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Der Hauptkörper 43b2 ist so geformt, dass er eine Querschnittsfläche (die Querschnittsfläche senkrecht zu dem magnetischen Fluss, der den zweiten Kern 43b durchdringt) hat, die größer ist jene der Verlängerung 43b1. Genauer gesagt sind die Verlängerung bzw. Verlängerung 43b1 und der Hauptkörper 43b2 so gebildet, dass ihre äußeren Stirnseiten bündig zueinander ausgerichtet sind, wobei der Hauptkörper 43b2 sich in das Innere des ersten Kerns 43a hinein erstreckt bzw. vorsteht, um den Hohlraum im Inneren des ersten Kerns 43a zu füllen. Bei einer derartigen Konfiguration ist es möglich, bei einer Minimierung einer Zunahme der Größe des Koppelreaktors 40 die Querschnittsfläche des zweiten Kerns 43b zu vergrößern und folglich dafür zu sorgen, dass der zweite Kern 43b mit einer geringeren Wahrscheinlichkeit magnetisch gesättigt wird.
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Bei dieser Ausführungsform ist ein Paar von zweiten Kernen 43b vorgesehen, um den ersten Kern 43a dazwischen von gegenüberliegenden Seiten des ersten Kerns 43a zu halten. Hierbei ist es nicht immer notwendig, das Paar von zweiten Kernen 43b vorzusehen; das Bereitstellen von wenigstens einem zweiten Kern 43b ist hinreichend, um die oben genannte Funktion zu erzielen.
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Obgleich bei dieser Ausführungsform ein Paar von Hauptkörpern 43b2 gegenüberliegend zueinander mit einem Zwischenraum dazwischen angeordnet sind, gibt es keine Beschränkung hinsichtlich der Größe des Zwischenraums bzw. Freiraums („clearance“). An erster Stelle ist der oben genannte Zwischenraum selbst kein wesentlicher Bestandteil; stattdessen kann die Dicke der gegenüberliegenden Hauptkörper 43b2 so eingestellt werden, dass sie einander kontaktieren.
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Obgleich bei dieser Ausführungsform die Verlängerung 43b1 eine solche Form hat, dass ein Teil der seitlichen Fläche des ersten Kerns 43a bedeckt wird, und zwar gesehen aus einer Richtung von oben nach unten, kann die Verlängerung 43b 1 stattdessen in einer solchen Form bereitgestellt werden, um die gesamte seitliche Fläche des ersten Kerns 43a zu bedecken.
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8A ist eine Schnittansicht eines ersten modifizierten Beispiels des Koppelreaktors 40 entlang der Linie X1-X2. Bei diesem modifizierten Beispiel kann die Verlängerung 43b1 des zweiten Kerns 43b entlang des Pfades des magnetischen Flusses konisch zulaufen bzw. spitz zulaufen. Dies kann dazu beitragen, die Materialkosten des zweiten Kerns 43b zu reduzieren.
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8B ist eine Schnittansicht eines zweiten modifizierten Beispiels des Koppelreaktors 40 entlang der Linie X1-X2. Bei diesem modifizierten Beispiel kann der zweite Kern 43b ein einfaches plattenförmiges Element ohne Unterscheidung zwischen der Verlängerung 43b1 und dem Hauptkörper 43b2 sein. Wenn diese Konfiguration angewandt wird, gibt es keinen Pfad für entweder einen magnetischen Fluss, der von der Richtung A1 in die Richtung B in 5 wandert, noch für einen magnetischen Fluss, der von der Richtung B in der Richtung A1 wandert; dies ermöglicht es, das magnetische Abschirmelement 43c wegzulassen.
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8C ist eine Schnittansicht eines dritten modifizierten Beispiels des Koppelreaktors 40 entlang der Linie X1-X2. Obgleich dieses modifizierte Beispiel auf dem zweiten modifizierten Beispiel (8B) basiert, sind bei diesem modifizierten Beispiel magnetische Abschirmelemente 43c jeweils zwischen einer Ecke des ersten Kerns 43a und des zweiten Kerns 43b vorgesehen. Bei einer derartigen Konfiguration ist es möglich, eine lokale Erwärmung zu unterdrücken, indem die Konzentration des magnetischen Flusses verringert bzw. gemindert wird und die Richtung des magnetischen Flusses begrenzt wird.
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8D ist eine Schnittansicht eines vierten modifizierten Beispiels des Koppelreaktors 40 entlang der Linie X1-X2. Obgleich dieses modifizierte Beispiel ebenfalls auf dem zweiten modifizierten Beispiel (8B) basiert, sind bei diesem modifizierten Beispiel Nuten 43b3 in dem zweiten Kern 43b an solchen Stellen vorgesehen, so dass ein Kontakt zwischen Ecken des ersten Kerns 43a und dem zweiten Kern 43b vermieden wird. Wie bei dem dritten modifizierten Beispiel ( 8C) ist es mittels einer solchen Konfiguration möglich, eine lokale Erwärmung zu unterdrücken, indem die Konzentration des magnetisches Flusses verringert wird und die Richtung des magnetischen Flusses begrenzt wird.
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<Koppelreaktor (dritte Ausführungsform)>
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9 ist ein schematisches Diagramm eines Koppelreaktors 40 gemäß einer dritten Ausführungsform. Bei dem Koppelreaktor 40 gemäß dieser Ausführungsform ist der Kern 43 aus einem ersten ringförmigen Element 43d, einem zweiten ringförmigen Element 43e und einem dritten ringförmigen Element 43f in Kombination aufgebaut. Das erste ringförmige Element 43d, das zweite ringförmige Element 43e und das dritte ringförmige Element 43f sind sämtlich aus dem gleichen Material mit einem anisotropen Isolationswiderstand hergestellt (siehe zum Beispiel 5).
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Das erste ringförmige Element 43d und das zweite ringförmige Element 43e sind so angeordnet, dass sie einander teilweise kontaktieren. Das dritte ringförmige Element 43f ist so angeordnet, dass es das erste ringförmige Element 43d und das zweite ringförmige Element 43e entlang von deren Umfängen umgibt.
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Ein solcher Kern 43 kann über die folgende Prozedur bzw. das folgende Verfahren gebildet werden. Zunächst werden das erste ringförmige Element 43d und das zweite ringförmige Element 43e jeweils separat gebildet, und zwar durch Wickeln bzw. Winden des Dünngurtelementes bzw. Flachgurtelementes a10 in 5 um eine Metallform, und zwar eine Anzahl von Malen, wobei diese benachbart zueinander angeordnet werden. Dann wird mit diesen zwei Elementen als ein Wickelkern das dritte ringförmige Element 43f gebildet, indem das Dünngurtelement a10 weiter um diese herum gewickelt wird.
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Bei dem Kern 43, der wie oben konfiguriert ist, funktioniert das dritte ringförmige Element 43f als der zuvor beschriebene erste Kern 43a. Das erste ringförmige Element 43d und das zweite ringförmige Element 43e funktionieren als der zuvor beschriebene zweite Kern 43b.
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Um den ersten Kern 43a herum sind eine erste Wicklung 41 und eine zweite Wicklung 42 in solchen Richtungen gewickelt, dass die magnetischen Flüsse, die diese im Inneren des ersten Kerns 43a erzeugen, einander auslöschen. Andererseits sind um den zweiten Kern 43b weder eine erste Wicklung 41 noch eine zweite Wicklung 42 gewickelt bzw. gewunden. Der zweite Kern 43b ist so angeordnet, dass die magnetischen Flüsse, die durch den zweiten Kern 43b verlaufen, in dem Koppelreaktor 40 eine Leckageinduktivität erzeugen. Diese Merkmale sind genauso wie bei der zuvor beschriebenen ersten Ausführungsform (3) und der zuvor beschriebenen zweiten Ausführungsform (6).
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Vorliegend lassen sich von dem ersten ringförmigen Element 43d und dem zweiten ringförmigen Element 43e gebogene Teile, die gegenüberliegenden Endteilen des zweiten Kerns 43b entsprechen, als ein gekoppeltes Teil a3 verstehen, bei dem die magnetischen Flüsse von dem ersten Kern 43a zu dem zweiten Kern 43b divergieren, und als ein gekoppeltes Teil β3, bei dem die magnetischen Flüsse von dem zweiten Kern 43b zu dem ersten Kern 43a konvergieren.
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Bei den genannten gekoppelten Teilen α3 und β3 ändern der magnetische Fluss, der von dem ersten Kern 43a zu dem zweiten Kern 43b divergiert, und der magnetische Fluss, der von dem zweiten Kern 43b zu dem ersten Kern 43a konvergiert, ihre Richtung nur entlang der Biegerichtung des ersten ringförmigen Elementes 43d und des zweiten ringförmigen Elementes 43e, und es tritt folglich in dem Isolationswiderstand in Durchdringungsrichtung des magnetischen Flusses (in der Querschnittsfläche des magnetischen Elementes) keine Änderung auf.
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In 5 wandert der magnetische Fluss, der den ersten Kern 43a und den zweiten Kern 43b durchdringt, nur entlang der Richtung A1, in der der Isolationswiderstand hoch ist; in den gekoppelten Teilen α3 und β3 ändert die Richtung A1 selbst ihre Richtung entlang der Biegerichtung des ersten ringförmigen Elementes 43d und des zweiten ringförmigen Elementes 43e. Selbst wenn das Divergieren und Konvergieren der magnetischen Flüsse auftritt, wird wie folgt in der Richtung B kein magnetischer Fluss erzeugt, in dem der Isolationswiderstand niedrig ist.
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Folglich sind bei dem Koppelreaktor 40 gemäß dieser Ausführungsform der erste Kern 43a und der zweite Kern 43b so gebildet, dass der Isolationswiderstand nicht entlang der Richtung des magnetischen Flusses, der durch den ersten Kern 43a und dem zweiten Kern 43b verläuft, variiert (das heißt, der Isolationswiderstand wird auf einem hohen Wert gehalten). Folglich ist es selbst dann, wenn ein Material mit einem anisotropen Isolationswiderstand als das Material verwendet wird, das das erste ringförmige Element 43d, das zweite ringförmige Element 43e und das dritte ringförmige Element 43f bildet (folglich, das Material, das den ersten Kern 43a und den zweiten Kern 43b bildet), möglich, das Auftreten des Wirbelstromes zu unterdrücken; dies ermöglicht es, Arbeitsergebnisse bzw. Arbeitsvorgänge und Wirkungen zu erhalten, die ähnlich jenen sind, die bei der ersten Ausführungsform und der zweiten Ausführungsform erhalten werden, während das Problem der lokalen Erwärmung minimiert wird.
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Wenn es notwendig ist, die Leckageinduktivität einzustellen, und zwar sowohl in dem ersten ringförmigen Element 43d als auch in dem zweiten ringförmigen Element 43e, kann die Anzahl der Schichten reduziert werden, oder es kann in dem zweiten Kern 43b ein geeigneter Spalt bzw. Luftspalt bereitgestellt werden, indem man Luftspalte 43d1 und 43e1 an Positionen bildet, die aufeinander zuweisen.
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<Ansteuerfrequenz-Steuerung>
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Bei der Wechselstrom-Leistungsversorgungseinrichtung 1, die beschrieben worden ist, ist die Ansteuerfrequenz fx der PBM-Steuerbrücken 20 und 30 vorzugsweise so gewählt, dass sie gemäß einer Wechselstromänderung (periodische Änderung bzw. Variation) in dem Ausgangsstrom oder gemäß einer Spitzenwertänderung (Laständerung bzw. Lastvariation) in dem Ausgangsstrom variiert. Beispielsweise kann die Ansteuerfrequenz fx so gewählt werden, dass sie schrittweise gemäß dem Ausgangsstrom variiert, derart, dass die Ansteuerfrequenz fx niedrig wird, wenn ein hoher Strom ausgegeben wird, wobei die Ansteuerfrequenz fx hoch wird, wenn ein niedriger Strom ausgegeben wird. Das Ausführen einer derartigen Ansteuerfrequenz-Steuerung ermöglicht es, einen kontinuierlichen Modus („continuous mode“) mit hoher Effizienz bzw. hohem Wirkungsgrad über einen weiten Ansteuerbereich aufrechtzuerhalten, und folglich Lasten universell zu handhaben.
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Vorliegend muss der kontinuierliche Modus nicht notwendigerweise vollständig in dem gesamten Ansteuerbereich (gesamten Lastbereich) der Wechselstrom-Leistungsversorgungseinrichtung 1 eingerichtet werden. Beispielsweise ist es in einem Niedriglastbereich („light-load region“) durch Ausführen einer Schaltoperation in einem kritischen Modus (ein Betriebsmodus, bei dem der Ausgangsstrom momentan bzw. sofort zu Null wird) möglich, einen Schaltverlust während des Einschaltens bzw. des Einschalt-Zustandes zu reduzieren.
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Bei einem Design bzw. einer Konstruktion, bei der unter den gleichen Bedingungen der Kernverlust („core loss“) des zweiten Kerns 43b kleiner ist als der Kernverlust des ersten Kerns 43a, ist es selbst dann, wenn die Ansteuerfrequenz fx hoch ist, wenn die Last groß ist, möglich, ein Verringern des Wirkungsgrades aufgrund eines erhöhten Kernverlustes zu verhindern, und folglich kann eine Wechselstrom-Leistungsversorgungseinrichtung 1 mit hohem Wirkungsgrad bzw. hoher Effizienz erhalten werden.
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Der zweite Kern 43b ist vorzugsweise mit einem Material (wie ein Metallglaskern) gebildet, dessen Permeabilität innerhalb des variablen Bereiches der Ansteuerfrequenz fx wenig variiert.
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<Anwendung von SiC und GaN>
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Wenigstens eines der Schaltbauteile 21 und 22, die die PBM-Steuerbrücke 20 bilden, und wenigstens eines der Schaltbauteile 31 und 32, die die PBM-Steuerbrücke 30 bilden, weist vorzugsweise einen SiC-Halbleiter oder einen GaN-Halbleiter auf.
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Folglich ist es mit einem Schaltbauteil, das einen SiC-Halbleiter oder einen GaN-Halbleiter aufweist, verglichen mit einem Schaltbauteil, das einen Si-Halbleiter aufweist, möglich, die parasitäre Kapazität zu reduzieren, und folglich eine Zunahme in dem Schaltverlust zu unterdrücken, wenn die Ansteuerfrequenz hoch ist.
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Bei dem Koppelreaktor 40 ist es durch Adoptieren der oben beschriebenen Ausführungsformen selbst dann, wenn der Strom hoch ist (die elektrische Leistung hoch ist) und die magnetische Sättigung wahrscheinlicher bei Verwendung einer herkömmlichen Drosselspule („common choke coil“) auftritt, möglich, den Koppelreaktor 40 kompakt zu realisieren. Es ist folglich möglich, eine kompakte und hocheffiziente Wechselstrom-Leistungsversorgungseinrichtung 1 mit großer elektrischer Leistung zu erhalten.
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Durch Verwenden eines SiC-MISFET als das oben genannte Schaltbauteil ist es möglich, eine hohe thermische Leitfähigkeit zu erhalten, und zwar aufgrund eines niedrigen Einschalt-Widerstandes und einer vertikalen Struktur. Es ist folglich möglich, eine Wechselstrom-Leistungsversorgungseinrichtung 1 für hohe Ströme und hohe Leistungen zu erhalten.
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Bei dem SiC-MISFET ist der Umkehr-Verzögerungsstrom („reverse recovery current“) der Körperdiode niedrig und die parasitäre Kapazität ist niedrig, und es ist folglich möglich, den effektiven (RMS) Wert bzw. Effektivwert des Stromes zu verringern; dies ermöglicht es, einen Leitungsverlust in einem Schaltbauteil und in einem Muster zu reduzieren, und einen Kupferverlust („coper loss“) in dem Koppelreaktor 40 zu reduzieren.
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<Andere Modifikationen >
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Folglich können verschiedene technische Merkmale, die vorliegend offenbart sind, in beliebigen anderen Formen und Arten und Weisen implementiert werden als in den oben beschriebenen Ausführungsformen, und diese verschiedenen technischen Merkmale ermöglichen viele Modifikationen, ohne von dem Schutzbereich bzw. Grundgedanken der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
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Obgleich die oben beschriebenen Ausführungsformen eine Konfiguration als ein Beispiel behandeln, bei dem PBM-Ausgänge von zwei Phasen durch Verwendung eines Koppelreaktors gekoppelt sind, ist es beispielsweise auch möglich, PBM-Ausgänge von drei oder mehr Phasen mittels einer Vielzahl von Koppelreaktoren miteinander zu koppeln, die jeweils konfiguriert sind, wie oben beschrieben, und die parallel angeschlossen sind.
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Es versteht sich folglich, dass die vorliegend offenbarten Ausführungsformen in jeder Hinsicht illustrativ und nicht einschränkend zu verstehen sind, und dass der technische Schutzbereich der Erfindung nicht durch die Beschreibung von Ausführungsformen, wie oben angegebenen, definiert ist, sondern durch den Schutzbereich der beigefügten Ansprüche, wobei der technische Schutzbereich sämtliche Modifikationen im Sinne und im Schutzbereich äquivalent zu jenem der Ansprüche beinhaltet.
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Gewerbliche Anwendbarkeit
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Die Wechselstrom-Leistungsversorgungseinrichtung, die vorliegend offenbart ist, lässt sich in einem breiten Bereich von Anwendungsgebieten anwenden, wie in Konsumgütern bzw. Konsumentengeräten und in industriellen Geräten bzw. Bauteilen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Wechselstrom-Leistungsversorgungseinrichtung
- 10
- Wechselstrom-Erzeugungsbrücke
- 20, 30
- PBM-Steuerbrücke
- 11, 12, 21, 22, 31, 32
- Schaltbauteil
- 40
- Koppelreaktor
- 41
- erste Wicklung
- 42
- zweite Wicklung
- 43
- Kern
- 43a
- erster Kern
- 43b
- zweiter Kern
- 43b1
- Verlängerung (entsprechend einem gekoppelten Teil)
- 43b2
- Hauptkörper
- 43b3
- Nut
- 43c
- magnetisches Abschirmelement
- 43d
- erstes ringförmiges Element
- 43d1
- Luftspalt
- 43e
- zweites ringförmiges Element
- 43e1
- Luftspalt
- 43f
- drittes ringförmiges Element
- 50
- Eingangskondensator
- 60
- Ausgangskondensator
- E1
- Gleichstrom-Leistungsquelle
- RL
- Last
- Lp1, Lp2
- Anregungsinduktanz bzw. -Induktivität
- Ls1, Ls2
- Leckageinduktanz bzw. -Induktivität (Glättungsinduktivität)
- a10
- Dünngurt- bzw. Flachgurtelement
- a11
- magnetisches Element
- a12
- isolierendes Element bzw. Isolationselement
