DE202004021669U1 - DC/DC Konverter mit einem Hochfrequenz-Zickzack-Umformer - Google Patents

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Abstract

Multiphasen-DC/DC Verstärkungs-Konverter, aufweisend:
eine Zickzack-Vorrichtung mit mindestens einem Kern mit N Beinen, wobei N die Anzahl der Phasen ist, welche entweder größer oder gleich 2 ist, und der mindestens eine Kern mit N Beinen der Zickzack-Vorrichtung frei von Lufteinschlüssen ist, so dass ein Zickzack-Umformer gebildet wird;
wobei jede Phase der Zickzack-Vorrichtung eine Wicklung mit zwei Abschnitten aufweist, wobei der erste Abschnitt um einen ausgewählten Schenkel des mindestens einen Kerns gewickelt ist und der zweite Abschnitt um einen weiteren Schenkel gewickelt ist, der zu dem ausgewählten Schenkel des mindestens einen Kerns benachbart ist;
eine Mehrzahl an Dioden, wobei jede P-Seite der Dioden an jeweils einen Schenkel der Kerne der Vorrichtung angeschlossen ist; und
eine Mehrzahl an Transistoren, wobei jeder Drain-Anschluss der Transistoren an jeweils einen Schenkel der Kerne der Vorrichtung angeschlossen ist.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf einen DC/DC-Konverter, und insbesondere auf einen DC/DC-Konverter mit einem Hochfrequenz-Zickzack-Umformer.
  • DC/DC-Konverter werden weitgehend in batteriebetriebene Elektronik-Vorrichtungen, in Systemen für erneuerbare Energien, und in Spannungs-Regulatormodulen (VMR) verwendet, um eine regulierte Spannung oder einen regulierten Strom zu erzeugen, welche von einem nicht regulierten Netzteil erhalten werden. Die meisten Konverter benötigen eine höhere Schaltfrequenz, um das Einschwingverhalten zu verbessern und um die Größe von passiven Bauelementen zu reduzieren. Jedoch ist heutzutage solch eine hohe Schaltfrequenz über 1 MHz hinaus bei einem schwer schaltenden Konverter nicht erhältlich. Deshalb werden für Konverter mit einer geringen Spannung und einem hohen Strom, mehrere Verfahren mit einer verschachtelten schaltenden An-Aus Steuerung bevorzugt. Das parallelisierte verschachtelte Verfahren des schaltenden Konverters gewinnt, da es effizienter ist, zunehmend an Popularität. Der I2R-Leitungsverlust, welcher mit Leistungs-Bauteilen jedes Moduls in Verbindung gebracht wird, wird bedeutend reduziert. Der verschachtelte Konverter stellt ebenfalls eine Wellenauslöschung und ein verbessertes Einschwingverhalten bereit. Jedoch müssen parallele Module den Strom gleichmäßig verteilen. Abhängig von Bauteiltoleranzen und/oder Parameterabweichungen kann ein Ungleichgewicht des Stroms hervorgerufen werden.
  • Die 1 und 2 zeigen Verstärkungs- und Gegenschaltungs-Konverter-Topologien mit jeweils einer 3-phasigen Verschachtelung. In der 1, weist der Verstärkungs-Konverter, welcher die Stromquelle 10 zum Verbraucher 20 hin verstärkt, eine erste Induktivität L1, welche mit einer ersten Diode verbunden ist, eine zweite Induktivität L2, welche mit einer zweiten Diode verbunden ist, und eine dritte Induktivität L3, welche mit einer dritten Diode D3 verbunden ist, auf. Die weiteren Anschlüsse der Dioden D1, D2 und D3 sind mit einem Anschluss des Verbrauchers 20 verbunden. Ein erster Transistor T1, ein zweiter Transistor T2 und ein dritter Transistor T3 werden ebenfalls aufgewiesen. Der Drain-Anschluss des ersten Transistors T1 ist zwischen der dritten Induktivität L3 und der dritten Diode D3 angeschlossen, während der Source-Anschluss des ersten Transistors T1 mit dem anderen Ende des Verbrauchers 20 verbunden ist. Die Verschaltung des zweiten Transistors T2 und des dritten Transistors T3 sind ähnlich der Verschaltung des ersten Transistors T1. Eine Kapazität C ist parallel zu dem Verbraucher 20 geschaltet.
  • Der Gegenschaltungs-Konverter in 2, von welchem die Stromquelle 10 der Last 20 entgegengeschaltet ist, weist einen ersten Transistor T1, welcher an eine erste Induktivität L1 angeschlossen ist, einen zweiten Transistor T2, welcher an eine zweite Induktivität L2 angeschlossen ist, und einen dritten Transistor T3, welcher an eine dritte Induktivität L3 angeschlossen ist auf. Die weiteren Anschlüsse der Induktivitäten L1, L2 und L3 sind mit einem Anschluss des Verbrauchers 20 angeschlossen. Ein vierter Transistor T4, ein fünfter Transistor T5 und ein sechster Transistor T6 werden ebenfalls aufgewiesen. Der Drain-Anschluss des vierten Transistors T4 ist zwischen dem ersten Transistor T1 und der ersten Induktivität L1 angeschlossen, während der Source-Anschluss des vierten Transistors T4 mit dem anderen Ende des Verbrauchers 20 angeschlossen ist. Die Anschlüsse des fünften Transistors T5 und des sechsten Transistors T6 sind ähnlich denen des vierten Transistors T4. Eine Kapazität C ist parallel zu dem Verbraucher 20 geschaltet.
  • Jedoch gibt es einige technische Probleme innerhalb dieser konventionellen Konverter. Zum Beispiel benötigen sie drei Ströme, welche für Stromteilungszwecke gedacht sind, und folglich unter einem hohen Wellenstrom (ripple current) auf Halbleiter-Vorrichtungen leiden. Außerdem benötigen konventionelle Konverter viele magnetische Kerne. Aus den vorangegangenen Gründen, gibt es einen Bedarf für einen Konverter mit einer einfacheren Schaltanordnung und höherer Effizienz.
  • Durch die Erfindung ist ein DC/DC-Konverter mit einem Hochfrequenz-Zickzack-Umformer geschaffen, um die Nachteile der konventionellen Topologie weitgehend zu vermeiden. Der erläuterte DC/DC-Konverter mit einem Hochfrequenz-Zickzack-Umformer ist für das Reduzieren des Wellenstroms, zur Vereinfachung der Stromsteuerung und das Erzielen eines besseren Einschwingverhaltens geeignet. Die Wellenströme aller schaltenden Vorrichtungen und passiven Komponenten, werden durch das Einstellen des Arbeitspunktes nahe an die Grenzbedingungen reduziert. Folglich werden die Leitungsverluste bei den nahe der Grenzbedingungen liegenden Arbeitspunkten minimiert. Eine Stromteilungssteuerung ist nicht erforderlich und das Einschwingverhalten ist schneller, da alle Ströme der Phasen gleichmäßig durch die Umformer-Wicklungen fließen. Die phasenverschobenen PWM-Schaltsignale ermöglichen ausgeglichene Spannungen in den Umformer-Wicklungen.
  • Gemäß einem Aspekt der Erfindung, weist der Verstärkungs-DC/DC-Konverter mit einem Hochfrequenz-Zickzack-Umformer der Erfindung einen Umformer mit einem Kern mit mehreren Schenkeln, eine Mehrzahl von Dioden, wobei jede P-Seite der Dioden mit jeweils einem Schenkel des Kerns des Umformers verbunden ist und eine Mehrzahl von Transistoren auf, wobei jeder Drain-Anschluss der Transistoren mit jeweils einer Wicklung der Schenkel des Kerns des Umformers verbunden ist.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung, wird ebenfalls der Gegenschaltungs-DC/DC-Konverter mit einem Hochfrequenz-Zickzack-Umformer geschaffen. Der Gegenschaltungs-DC/DC-Konverter weist einen Umformer mit einem Kern mit mehreren Schenkeln und eine Mehrzahl an paarweise angeordneten Transistoren auf, wobei die Transistoren jedes Paares in Serie geschaltet sind und jeder Schenkel des Umformers jeweils zwischen die in Serie geschalteten Transistoren angeschlossen ist.
  • Der offenbarte DC/DC-Konverter gemäß der Erfindung weist den Vorteil auf, dass er keine Stromteilungstechnik benötigt.
  • Der offenbarte DC/DC-Konverter gemäß der Erfindung weist den weiteren Vorteil auf, dass er keine Wellenströme bei passiven und schaltenden Komponenten auftreten.
  • Der offenbarte DC/DC-Konverter gemäß der Erfindung weist den weiteren Vorteil geringer Leitungsverluste auf.
  • Der offenbarte DC/DC-Konverter gemäß der Erfindung weist den weiteren Vorteil eines schnellen Einschwingverhaltens sogar bei niedriger Schaltfrequenz auf.
  • Die Erfindung wird in der Beschreibung weiter erläutert.
  • Die Zeichnungen dienen zur zusätzlichen Beschreibung und zusätzlichen Erläuterung der Erfindung, und stellen Ausführungsformen der Erfindung dar.
  • 1 ist ein Schaltdiagramm des Verstärkungs-Konverters gemäß dem Stand der Technik;
  • 2 ist ein Schaltdiagramm des Gegenschaltungs-Konverters gemäß dem Stand der Technik;
  • 3 ist ein Schaltdiagramm des Verstärkungs-Konverters gemäß der Erfindung;
  • 4 ist ein Schaltdiagramm des Gegenschaltungs-Konverters gemäß der Erfindung;
  • 5A zeigt das Spannungsvektor-Diagramm des Zickzack-Umformers, welcher in der Erfindung verwendet wird;
  • 5B zeigt die Wicklungsanschlüsse des Zickzack-Umformers, welcher in der Erfindung verwendet wird;
  • 6A bis 6D zeigen die betriebsbedingten Wellenformen des Verstärkungs-Konverters mit drei Phasen gemäß der Erfindung;
  • 7 zeigt die betriebsbedingten Wellenformen des Gegenschaltungs-Konverters mit drei Phasen gemäß der Erfindung;
  • 8A und 8B zeigen normierte Wellenströme der Induktivität in den Konvertern gemäß der Erfindung;
  • 9 zeigt einen entkoppelten DC/DC-Konverter mit einem Zickzack-Umformer gemäß der Erfindung;
  • 10A zeigt einen Strom-Doppelgleichrichter mit einem Zickzack-Umformer mit zwei Phasen gemäß der Erfindung;
  • 10B zeigt gemäß der Erfindung die Wicklungsanschlüsse des Zickzack-Umformers mit zwei Phasen, welcher in den Strom-Doppelgleichrichter integriert ist;
  • 11 zeigt die Struktur des Kerns mit N Beinen mehrerer Zickzack-Umformer für einen Multiphasen-DC/DC-Konverter gemäß der Erfindung;
  • 12A und 12B zeigen die Spannungsvektoren für den Konverter mit vier und fünf Phasen gemäß der Erfindung;
  • 13 zeigt die betriebsbedingten Wellenformen des Konverters mit vier Phasen gemäß der Erfindung;
  • 14A zeigt die Stromwellenformen der experimentellen Ergebnisse, wobei Vs = 36 V und Vo = 48 V ist;
  • 14B zeigt die Wicklungsspannungen der experimentellen Ergebnisse des Umformers, wobei Vs = 36 V und Vo = 48 V ist; und
  • 15 zeigt die experimentellen Ergebnisse bei D = 33%, wobei Vs = 32 V und Vo = 48 V ist.
  • Es wird Bezug genommen auf 3, welche das Schaltdiagramm eines Verstärkungs-Konverters gemäß der vorliegenden Erfindung erläutert. Der Verstärkungs-Konverter, welcher die Stromquelle 10 zur Last 20 verstärkt, weist einen Umformer 30, eine Eingangsinduktivität LS, eine erste Diode D1, eine zweite Diode D2, eine dritte Diode D3, einen ersten Transistor T1, einen zweiten Transistor T2 und einen dritten Transistor T3 auf. Eine Kapazität C ist parallel zu dem Verbraucher 20 geschaltet.
  • Der Umformer 30 ist eine Art Auto-Umformer und stellt keine Entkopplung bereit. Zum Beispiel kann ein Zickzack-Umformer, welcher drei Anschlüsse aufweist, als Umformer 30 eingesetzt werden. Das Kernmaterial des Umformers 30 sollte aus Ferritmaterial ohne wesentliche Lufteinschlüsse sein. Die Eingangsinduktivität LS ist an dem Haupt-Anschluss des Umformers 30 angeschlossen. Jede P-Seite der Dioden D1, D2, und D3 ist jeweils mit einem der drei Anschlüsse des Umformers 30 verbunden. Die Drain-Anschlüsse der Transistoren T1, T2, und T3 sind jeweils mit einem der drei Anschlüsse des Umformers verbunden, während die Source-Anschlüsse der Transistoren T1, T2, und T3 mit dem Erdungsanschluss der Stromquelle 10 verbunden sind. Die Gate-Anschlüsse der Transistoren T1, T2, und T3 erhalten die PWM-Signale, welche entsprechend phasenverschoben werden.
  • Es wird Bezug genommen auf 4, welche das Schaltdiagramm eines Gegenschaltungs-Konverters gemäß der Erfindung erläutert. Der Gegenschaltungs-Konverter, welcher dem Verbraucher 20 die Stromquelle 10 entgegenschaltet, weist einen Umformer 30, eine Ausgangsinduktivität LO, einen ersten Transistor T1, einen zweiten Transistor T2, einen dritten Transistor T3, einen vierten Transistor T4, einen fünften Transistor T5 und einen sechsten Transistor T6, auf. Eine Kapazität C ist parallel zu dem Verbraucher 20 geschaltet.
  • Gleichermaßen ist der Umformer 30 eine Art Auto-Umformer, welcher keine Entkopplung bereitstellt. Zum Beispiel kann ein Zickzack-Umformer als der Umformer 30 eingesetzt werden. Das Kernmaterial des Umformers 30 sollte aus Ferritmaterial ohne wesentliche Lufteinschlüsse sein. Die Ausgangsinduktivität LO ist an den Haupt-Anschluss des Umformers 30 angeschlossen. Die Drain-Anschlüsse der Transistoren T1, T2, und T3 sind jeweils mit einem der drei Anschlüsse des Umformers verbunden, während die Source-Anschlüsse der Transistoren T1, T2, und T3 mit dem Erdungsanschluss der Stromquelle 10 verbunden sind. Die Drain-Anschlüsse der Transistoren T4, T5, und T6 sind mit der Stromquelle 10 verbunden, während die Source-Anschlüsse der Transistoren T4, T5, und T6 jeweils mit einem der drei Anschlüsse des Umformers 30 verbunden sind. Die Gate-Anschlüsse der Transistoren T1, T2, und T3 erhalten die PWM-Signale, welche entsprechend phasenverschoben werden.
  • Der Umformer 30 ist eine Art Auto-Umformer, welcher keine Entkopplung bereitstellt. Die Spannungsvektoren und die Wicklungsverbindungen auf dem Kern mit drei Schenkeln des Zickzack-Umformers sind jeweils in den 5A und 5B gezeigt. Jeder Schenkel des Umformers 30 weist zwei Wicklungen auf. Die Wicklungsverbindung wird gemäß dem Spannungsvektor, welcher in der 5A gezeigt ist, ausgelegt. Die Konverter in den 3 und 4 können für weitere Anwendungen mit einer zickzackgekoppelten Induktivität betrieben werden. Die zickzackgekoppelte Induktivität weist den gleichen Kern und die gleichen Wicklungsverbindungen wie der Zickzack-Umformer auf, benötigt aber Lufteinschlüsse im Kern. Mit anderen Worten, kann der Umformer 30 durch eine zickzackgekoppelte Induktivität ersetzt werden. In der vorliegenden Erfindung sind der Umformer 30 und die zickzackgekoppelte Induktivität als Zickzack-Vorrichtung definiert.
  • Der offenbarte Konverter weist drei Gate-Eingänge für PWM-Signale auf, welche entsprechend mit 120° gegeneinander phasenverschoben werden, um die Spannungen der drei Phasen (Vza + Vzb + Vzc = 0) quer durch die Umformer-Wicklungen auszugleichen. Die drei Gate-Eingänge sind die Gate-Anschlüsse der Transistoren T1, T2, T3. Die Eingangsinduktivität LS und die Ausgangsinduktivität LO werden dazu verwendet, um den Wellenstrom zu reduzieren, da die Leckageinduktivität des Umformers 30 nicht ausreichen mag oder eine höhere Streuinduktivität nicht günstig sein mag.
  • Basierend auf den ausgeglichenen Spannungen der Wicklungen, müssen alle Wicklungsströme, um den Stromfluss-Anforderungen in einem Umformer mit drei Phasen gerecht zu werden, gleichmäßig gemäß iza = izb = izc = –i *za = –i *zb = –i*zc verteilt werden, wobei izj(j = a, b, c) den Wicklungsstrom des Umformers darstellt und * die zweite Wicklung bezeichnet. Der Strom der Stromquelle 10 ist ein DC-Strom, welcher dreimal so hoch wie die Schaltfrequenz ist, und welcher dreimal so hoch wie die Wicklungsströme gemäß is = 3iza ist.
  • Die Wicklungsspannung νza, welche Widerstände und Leckageinduktivitäten vernachlässigt, wird durch
    Figure 00090001
    beschrieben, wobei Lza und Lzb jeweils selbst Induktivitäten der Phasen a und b sind, und Mab die gemeinsame Induktivität zwischen den Phasen a und b ist. Für die gleichen Ströme wird die Impedanz ZAN zu ZAN = 2ω(Lza – M) ≈ 0, wobei Lza = Lzb ≈ M ist, ω = 2πf und f ist die Schaltfrequenz ist.
  • Da der Leckage-Koeffizient klein ist, liefert der Umformer beträchtlich weniger an Impedanz, wenn die gleichen Ström durch alle Umformer-Wicklungen fließen. Auf der anderen Seite wird die Impedanz in Anbetracht der ausgeglichenen Ströme der drei Phasen bei der Schaltfrequenz durch ZAN = 3ωLza erhalten.
  • Deshalb wird die Stromkomponente der Schaltfrequenz, welche in den Zickzack-Umformer fliest, infolge eines höheren Impedanzpfades vernachlässigt. Die Summe aller identischen Flüsse in drei Schenkeln ist nicht gleich null, so dass der Fluss durch einen kleinen Impedanzpfad fließen kann. Jedoch gibt es in allen drei Schenkeln keine magnetische Spannung (MMF), da die Ströme, welche in den Umformer eintreten in Phase sind. Als Ergebnis tritt kein Fluss außer einem Leckagefluss auf, ohne, dass es zu übermäßigen Verlusten kommt.
  • Das Betreiben des Verstärkungs-DC/DC-Konverters und des Gegenschaltungs-DC/DC-Konverters gemäß der Erfindung wird in den folgenden Abschnitten im Detail erläutert. Der Verstärkungs-Konverter mit einem Hochfrequenz-Zickzack-Umformer wird als erstes erläutert.
  • Abhängig von Überlappungs-Perioden zwischen den phasenverschobenen Signalen, wird das Betreiben des Verstärkungs-DC/DC-Konverters in drei unterschiedliche Modi unterteilt: (1) D < 33,3%; (2) 33,3% < D < 66,7%; und 66,7% < D < 100%. Ähnlich dem konventionellen Konverter, wird die Übertragungsfunktion des offengelegten Verstärkungstyps durch das definieren einer Umformungsrate M als das Verhältnis der Ausgangsspannung zur Eingangspannung,
    Figure 00100001
    ausgedrückt, wobei D die relative Einschaltdauer des Verstärkungsschalters ist, Vs die DC Eingangsspannung der Stromquelle 10 ist, und Vo die Ausgangsspannung ist. Die relative Einschaltdauer ist die Rate der Ein-Aus-Zeit der Verstärkungs-Umschaltung. Alle Ströme der Wicklungen des Umformers sind identisch, falls die Magnetisierungsinduktivität groß genug ist. Betriebsbedingte Schlüsselwellenformen sind in den 6A bis 6C entsprechend der drei unterschiedlichen Modi gezeigt.
  • Die Wellenströme treten bei der dreifachen Schaltfrequenz auf und das Ausgleichen der Spannung der drei Phasen wird durch Überlagerung von drei Gate-Signalen erreicht. Die Grundgleichungen werden wie folgt abgeleitet: D < 33,3%: (1)
  • In diesem Modus existiert keine Überlappung zwischen den Gate-Signalen. Um einen Wellenstrom bei der Eingangsinduktivität zu erhalten, ist die Spannung durch die Induktivität VLs,neg = Vs – Vo, wobei VLs,neg der Betrag der negative Spannung durch die Induktivität ist, wie es in der 5A definiert wurde. Also bezeichnet VLs,pos die positive Spannung der Induktivität. Die Bereiche A und B der Spannung der Induktivität müssen gleich sein, deshalb ist
    Figure 00110001
  • Letztlich wird der Wellenstrom erhalten zu
    Figure 00110002
    33,3 < D < 66,7%: (2)
  • Wie in der 6B gezeigt wurde, tritt eine Überlappung nur zwischen zwei Gate-Signalen auf. Die positiven und negativen Beträge der Induktivität werden jeweils mit
    Figure 00120001
    beschrieben.
  • Der Wellenstrom in diesem Modus ist
    Figure 00120002
  • Wie in der 6C gezeigt wurde, existiert in diesem Modus eine Überlappung zwischen drei Schaltsignalen. Die Spannung durch die Induktivität ist gleich der Eingangsspannung, wenn alle drei Schalter eingeschaltet sind. In diesem Modus ist VLs,pos = Vs.
  • Der Wellenstrom wird linear durch
    Figure 00120003
    erhöht.
  • Die 6D zeigt den Verstärkungs-Konverter-Betrieb bei D = 33,3%. Der Eingangsstrom und die Summe der drei Diodenströme weisen nur DC-Anteile auf. Diese Ströme sorgen jeweils für eine geringere Belastung des Eingangsfilter und der Ausgangs-DC-Kapazität. In dem konventionellen Ansatz in der 1 und in der 2, weist jeder Phasenstrom seine eigene Welligkeit am Grenzpunkt auf. Nach einer Überlagerung, löschen sich die Wellen des gesamten Eingangsstroms gegenseitig aus. Der Wellenstrom tritt bei allen schaltenden Vorrichtungen auf. Jedoch, zeigt die Topologie mit einem Zickzack-Umformer bei den Grenzbedingungen keinerlei Wellenstrom bei allen schaltenden Vorrichtungen und passiven Bauteilen. Alle Phasenströme sind DC-Konstanten, wie in der 6D gezeigt wurde. Deshalb können die Leistungsverluste der schaltenden und passiven Komponenten geringer als bei dem konventionellen Ansatz sein. Außerdem, ist ein Strom-Teilungs-Schema nicht notwendig und das Einschwingverhalten am Ausgang ist schneller erreicht als bei dem konventionellen Schema, da die Ströme in drei Wicklungen gleichmäßig fließen.
  • Die mehrfach verschachtelten synchronen Gegenschaltungs-Topologien mit einem Zickzack-Umformer werden im Folgenden eingeführt.
  • Ähnlich dem obigen Verstärkungs-Konverter, wird das Betreiben des Gegenschaltungs-Konverters in drei unterschiedliche Modi aufgeteilt: (1) D < 33,3%, (2) 33,3% < D < 66,7%, (3) 66,7% < D < 100%. Die Beziehung zwischen den Eingangs- und Ausgangsspannungen ist Vo = DVs.
  • Die Grundgleichungen für Wellenströme in der Induktivität Lo sind wie folgt gegeben. Betriebsbedingte Schlüsselwellenformen sind in der 7 gezeigt. D < 33,3% (1) VLo,neg = DVs.
    Figure 00140001
  • Die Wellenströme der Induktivität des Verstärkungs-Konverters werden gemäß der Erfindung durch TsVs/Ls normiert und entsprechend einem Arbeitszyklus (duty cycle) wie in der 8A gezeigt, gezeichnet. Ein nahezu Wellen freier Betrieb kann in einem dreifach verschachtelten Konverter bei den Grenzbedingungen wie D = 33,3% und D = 66,7% erreicht werden. Deshalb müssen die Arbeitspunkte des Verstärkungs-Konverter-Entwurfs nahe diesen Grenzen gesetzt werden, um den Wellenstrom zu minimieren.
  • Die normierten Wellenströme des Gegenschaltungs-Konverters sind in der 8B gezeigt. Der Gegenschaltungs-Konverter stellt gemäß der Erfindung ebenfalls Wellen freie Ströme nahe den Grenzpunkten bereit. Solche Gegenschaltungs-Konverter können weitgehend für Spannungs-Stellvorrichtungs- Module (VRMs) mit einem hohen Strom und einer niedrigen Spannung verwendet werden.
  • Ein Stromverdreifacher, ist, wie in der 9 gezeigt, ist die entkoppelte Version mit einem Zickzack-Umformer gemäß der Erfindung. Diese Topologie benötigt zwei Magnetkerne mit jeweils drei Phasen.
  • Der entkoppelte DC/DC-Konverter mit einem Zickzack-Uriformer in 9 weist einen integrierten Zickzack-Umformer 30 auf, welcher einen Kern mit drei Schenkeln aufweist. Die Anschlüsse, Funktion und Betriebsart des Umformers 30, und dem ersten Transistor T1, dem zweiten Transistor T2 und dem dritten Transistor T3 sind ähnlich der oben erwähnten Ausführungsform. Außerdem weist der Konverter einen Umformer 40 mit drei Phasen auf, welcher eine Primärwicklung und eine Sekundärwicklung aufweist, wobei die Sekundärwicklung an den integrierten Zickzack-Umformer angeschlossen ist. Sechs Transistoren 51–56 werden ebenfalls von dem in 9 gezeigten Konverter aufgewiesen. Die sechs Transistoren 51–56 bilden drei Paare, wobei jedes Paar aus zwei in Serie geschalteten Transistoren besteht. Jede Phase der Primärwicklung des Umformers 40 ist zwischen den beiden Transistoren in jedem Paar angeschlossen.
  • 10A zeigt einen Strom-Dopplergleichrichter mit einem integrierten Magnetkern gemäß der Erfindung. Ein Zickzack-Umformer mit zwei Phasen ohne wesentliche Lufteinschlüsse wird im Strom-Verdoppler aufgewiesen. Der Wicklungs-Anschluss des Umformers ist in 10B dargestellt. Der Strom-Verdoppler weist einen Umformer 70 auf, welcher eine Primärwicklung und eine Sekundärwicklung, und einen Zickzack-Umformer mit zwei Phasen 60 aufweist. Diese Zweiphasen-Wicklungen sind an die zweiten Wicklungen des Umformers 70 angeschlossen.
  • Außerdem ist eine Ausgangsinduktivität LO an den Hauptanschluss des Umformers 60 angeschlossen. Eine Kapazität C ist parallel zu dem Verbraucher 20 geschaltet. Zwei Transistoren 57–58 sind an jede Wicklung des Umformers 60 angeschlossen.
  • In der vorhergehenden Darstellung wurden nur dreifach verschachtelte Konverter-Topologien gezeigt. Jedoch kann die Version mit drei Phasen durch das Weglassen eines Schenkels oder das Hinzufügen von Schenkeln zu dem magnetischen Kern, zu einer Mehrfach-Phasenstruktur mit mehr als zwei Phasen weiterentwickelt werden, wie es beispielsweise in der 11 mit vier Schenkeln gezeigt ist. Das Kernmaterial sollte Ferritmaterial ohne wesentliche Lufteinschlüsse sein. Erhältliche Topologien weisen Verstärkungs-Konverter, Gegenschaltungs-Konverter, Cuk-Konverter, Sepic-Konverter, und entkoppelten Konverter auf. Eine zickzackgekoppelte Induktivität kann ebenfalls im Konverter eingesetzt werden. Ebenfalls können beliebige Stormglättungs-Induktivitäten in anderen DC/DC-Konvertern durch Zickzack-Umformer ersetzt werden. Mit dem Ausgleichen der Wicklungsspannungen werden alle Wicklungsströme gleichmäßig gemäß i1 = i2 = ... = in-1, (n ≥ 2) verteilt, wobei n die Anzahl der Phasen ist. Die Gesamte Eingangs-/Ausgangsfrequenz tritt zu n Zeiten der Schaltfrequenz auf. Die Arbeitszyklen Dn an den Grenzen werden entsprechend der Anzahl an verschachtelten Phasen gemäß Dn = 100 / nh[%], (h = 1, 2, ...., n – 1) erhalten.
  • Die 12A und 12B zeigen die Spannungsvektoren für die Konverter mit vier und fünf Phasen. Aus den Vektordiagrammen, welche in der 3 und der 12 gezeigt sind, wird das Rating der Wicklungsspannungen berechnet zu,
    Figure 00170001
  • Die Wicklungsspannungen hängen vom Winkel zwischen zwei Wicklungen des Umformers ab. 13 zeigt die betriebsbedingten Wellenformen für ein Beispiel mit vier Phasen.
  • Der vorgeschlagene Verstärkungs-Konverter mit drei Phasen wird mit 200 W bei 48 V Ausgangsspannung implementiert.
  • Die Schaltfrequenz wird auf 167 kHz gesetzt. Verglichen mit dem konventionellen Ansatz wird eine sehr kleine Eingangsinduktivität verwendet. Lediglich ein einzelner Strom wird anstelle von drei unterschiedlichen Signalen abgetastet. Die experimentellen Ergebnisse sind in den 14 und 15 gezeigt. 14A zeigt die drei identischen Ströme ohne Stromteilung. Der Arbeitszyklus liegt bei ungefähr 25%. Die Frequenz des Eingangsstroms und die Summe der Diodenströme ist dreimal die Schaltfrequenz (500 kHz). 14B zeigt jeweils die primären und sekundären Wicklungsspannungen. 15 zeigt die Wellenformen, wenn der Arbeitspunkt des Konverters auf die Grenzbedingung nahe D = 33,3% eingestellt ist. Die Eingangsspannung von 32 V wird in eine 48 V Gleichspannung ungeformt. Alle drei Eingangsströme sind DC-Konstanten ohne Welligkeit (klein). Nach wie vor fließen alle gleichen Ströme durch die Wicklungen des Umformers. Auch fließen keine Wellenströme durch andere schaltende Bauteile.
  • Gemäß den mehrfach DC/DC-Konvertern mit Hochfrequenz-Zickzack-Umformern gemäß der Erfindung, formt der Umformer automatisch alle Mehrphasen-Ströme zu identischen Strömen um. Deshalb kann die Stromsteuerung durch das Abtasten eines einzigen Stroms für mehrere Konverter ohne Stromteilung vereinfacht werden. Außerdem werden die Wellenströme nahe den Grenzbedingungen, bei welchen der Konverter-Arbeitspunkt gesetzt wurde, eliminiert. Außerdem wird das Einschwingverhalten des Konverters verbessert.

Claims (25)

  1. Multiphasen-DC/DC Verstärkungs-Konverter, aufweisend: eine Zickzack-Vorrichtung mit mindestens einem Kern mit N Beinen, wobei N die Anzahl der Phasen ist, welche entweder größer oder gleich 2 ist, und der mindestens eine Kern mit N Beinen der Zickzack-Vorrichtung frei von Lufteinschlüssen ist, so dass ein Zickzack-Umformer gebildet wird; wobei jede Phase der Zickzack-Vorrichtung eine Wicklung mit zwei Abschnitten aufweist, wobei der erste Abschnitt um einen ausgewählten Schenkel des mindestens einen Kerns gewickelt ist und der zweite Abschnitt um einen weiteren Schenkel gewickelt ist, der zu dem ausgewählten Schenkel des mindestens einen Kerns benachbart ist; eine Mehrzahl an Dioden, wobei jede P-Seite der Dioden an jeweils einen Schenkel der Kerne der Vorrichtung angeschlossen ist; und eine Mehrzahl an Transistoren, wobei jeder Drain-Anschluss der Transistoren an jeweils einen Schenkel der Kerne der Vorrichtung angeschlossen ist.
  2. Konverter gemäß Anspruch 1, wobei die Zickzack-Vorrichtung ein Auto-Umformer ohne Entkopplung ist.
  3. Multiphasen-DC/DC Verstärkungs-Konverter, aufweisend: eine Zickzack-Vorrichtung mit mindestens einem Kern mit N Beinen, wobei N die Anzahl der Phasen ist, welche entweder größer oder gleich 2 ist, und der mindestens eine Kern mit N Beinen der Zickzack-Vorrichtung Lufteinschlüsse aufweist, so dass ein Zickzack-Umformer gebildet wird; wobei jede Phase der Zickzack-Vorrichtung eine Wicklung mit zwei Abschnitten aufweist, wobei der erste Abschnitt um einen ausgewählten Schenkel des mindestens einen Kerns gewickelt ist und der zweite Abschnitt um einen weiteren Schenkel gewickelt ist, der zu dem ausgewählten Schenkel des mindestens einen Kerns benachbart ist.
  4. Konverter gemäß Anspruch 1, wobei jeder Schenkel des Kerns der Zickzack-Vorrichtung zwei Wicklungen aufweist.
  5. Konverter gemäß Anspruch 1, welcher ferner eine Eingangsinduktivität aufweist, welche an den Hauptanschluss der Zickzack-Vorrichtung angeschlossen ist, um die Wellenströme des Konverters zu reduzieren.
  6. Konverter gemäß Anspruch 5, wobei die Wellenströme bei einem Betrieb bei den Grenzbedingungen eliminiert sind.
  7. Konverter gemäß Anspruch 6, wobei der Arbeitszyklus bei den Grenzbedingungen h/N ist, wobei h = 1, 2, 3, ..., N – 1 ist.
  8. Konverter gemäß Anspruch 1, wobei die Gate-Anschlüsse der Transistoren entsprechend phasenverschobene Signale empfangen.
  9. Multiphasen-DC/DC-Gegenschaltungs-Konverter, aufweisend: eine Zickzack-Vorrichtung mit einem Kern mit N Beinen, wobei N die Anzahl der Phasen ist, welche entweder größer oder gleich 2 ist, und wobei der mindestens eine N Beine aufweisende Kern der Zickzack-Vorrichtung frei von Lufteinschlüssen ist, so dass ein Zickzack-Umformer gebildet wird; wobei jede Phase der Zickzack-Vorrichtung eine Wicklung mit zwei Abschnitten aufweist, wobei der erste Abschnitt um einen ausgewählten Schenkel des mindestens einen Kerns gewickelt ist, und der zweite Abschnitt um einen weiteren Schenkel gewickelt ist, der zu dem ausgewählten Schenkel des mindestens einen Kerns benachbart ist; eine Mehrzahl an Paaren von Transistoren, wobei die Transistoren jedes Paars in Serie geschaltet sind und die Schenkel der Zickzack-Vorrichtung jeweils zwischen den jeweiligen in Serie geschalteten Transistoren der Paare angeschlossen sind.
  10. Konverter gemäß Anspruch 9, wobei die Zickzack-Vorrichtung ein Auto-Umformer ohne Entkopplung ist.
  11. Multiphasen-DC/DC-Gegenschaltungs-Konverter, aufweisend: eine Zickzack-Vorrichtung mit mindestens einem Kern mit N Beinen, wobei N die Anzahl der Phasen ist, welche entweder größer oder gleich 2 ist, und wobei der mindestens eine N Beine aufweisende Kern der Zickzack-Vorrichtung Lufteinschlüsse aufweist, so dass eine Induktivität in Zickzack-Schaltung gebildet wird; wobei jede Phase der Zickzack-Vorrichtung eine Wicklung mit zwei Abschnitten aufweist, wobei der erste Abschnitt um einen ausgewählten Schenkel des mindestens einen Kerns gewickelt ist, und der zweite Abschnitt um einen weiteren Schenkel gewickelt ist, der zu dem ausgewählten Schenkel des mindestens einen Kerns benachbart ist; eine Mehrzahl an Paaren von Transistoren, wobei die Transistoren jedes Paars in Serie geschaltet sind und die Schenkel der Zickzack-Vorrichtung jeweils zwischen den jeweiligen in Serie geschalteten Transistoren der Paare angeschlossen sind.
  12. Konverter gemäß Anspruch 9, wobei jeder Schenkel des Kerns der Zickzack-Vorrichtung zwei Wicklungen aufweist.
  13. Konverter gemäß Anspruch 9, welcher ferner eine Ausgangsinduktivität aufweist, welche an den Hauptanschluss der Zickzack-Vorrichtung angeschlossen ist, um die Wellenströme des Konverters zu reduzieren.
  14. Konverter gemäß Anspruch 13, wobei die Wellenströme bei einem Betrieb bei den Grenzbedingungen eliminiert sind.
  15. Konverter gemäß Anspruch 14, wobei der Arbeitszyklus bei den Grenzbedingungen h/N ist, wobei h = 1, 2, 3, ..., N – 1 ist.
  16. Konverter gemäß Anspruch 9, wobei die Gate-Anschlüsse der Transistoren entsprechend phasenverschobene Signale empfangen.
  17. DC/DC-Strom-Verdreifachungs-Konverter, aufweisend: einen integrierten Zickzack-Umformer mit mindestens einem Kern mit drei Schenkeln; wobei jede Phase des Zickzack-Umformers eine Wicklung mit zwei Abschnitten aufweist, wobei der erste Abschnitt um einen ausgewählten Schenkel des mindestens einen Kerns gewickelt ist und der zweite Abschnitt um einen weiteren Schenkel gewickelt ist, der zu dem ausgewählten Schenkel des mindestens einen Kerns benachbart ist; einen Umformer mit drei Phasen, welcher eine Primärwicklung und eine Sekundärwicklung aufweist, wobei die Sekundärwicklung an den integrierten Zickzack-Umformer angeschlossen ist; drei Paare an Transistoren, wobei die zwei Transistoren in jedem Paar in Serie geschaltet sind, und jede Phase der Primärwicklung zwischen den beiden Transistoren in jedem ersten Paar angeschlossen ist; und einen ersten, einen zweiten und einen dritten Transistor, wobei jeder Drain-Anschluss der Transistoren mit jeweils einem Schenkel der Kerne des Umformers angeschlossen ist.
  18. Konverter gemäß Anspruch 17, wobei jeder Schenkel des Kerns des Umformers zwei Wicklungen aufweist.
  19. Konverter gemäß Anspruch 17, welcher ferner eine Ausgangsinduktivität aufweist, welche an den Hauptanschluss des Umformers angeschlossen ist, um die Wellenströme des Konverters zu reduzieren.
  20. Konverter gemäß Anspruch 19, wobei die Wellenströme bei einem Betrieb bei den Grenzbedingungen eliminiert sind.
  21. Konverter gemäß Anspruch 20, wobei der Arbeitszyklus bei den Grenzbedingungen 1/3 oder 2/3 ist.
  22. Konverter gemäß Anspruch 17, wobei die Gate-Anschlüsse des ersten, zweiten und dritten Transistors entsprechend phasenverschobene Signale empfangen.
  23. Strom-Doppelgleichrichter, aufweisend: einen integrierten Zickzack-Umformer mit zwei Phasen und mindestens einem Kern; wobei jede Phase des Zickzack-Umformers eine Wicklung mit zwei Abschnitten aufweist, wobei der erste Abschnitt um einen ausgewählten Schenkel des mindestens einen Kerns gewickelt ist und der zweite Abschnitt um einen weiteren Schenkel gewickelt ist, der dem ausgewählten Schenkel des mindestens einen Kerns benachbart ist; und einen Umformer, welcher eine Primärwicklung und eine Sekundärwicklung aufweist, wobei die Sekundärwicklung an den integrierten Zickzack-Umformer angeschlossen ist.
  24. Strom-Doppelgleichrichter gemäß Anspruch 23, welcher ferner eine Ausgangsinduktivität aufweist, welche an den Hauptanschluss des Umformers angeschlossen ist, um die Wellenströme des Konverters zu reduzieren.
  25. Strom-Doppelgleichrichter gemäß Anspruch 23, welcher ferner zwei Transistoren aufweist, welche an die Wicklungen der zwei Phasen des integrierten Zickzack-Umformers angeschlossen sind.
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