EP3961660A1 - Induktives bauelement für einen wechselrichter und wechselrichter - Google Patents

Induktives bauelement für einen wechselrichter und wechselrichter Download PDF

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EP3961660A1
EP3961660A1 EP20193287.8A EP20193287A EP3961660A1 EP 3961660 A1 EP3961660 A1 EP 3961660A1 EP 20193287 A EP20193287 A EP 20193287A EP 3961660 A1 EP3961660 A1 EP 3961660A1
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EP
European Patent Office
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inductance
core
inductive component
component according
core material
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP20193287.8A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Henrik Krupp
Michael Kopf
Markus Pfeifer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
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Priority to PCT/EP2021/068441 priority patent/WO2022042913A1/de
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
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    • H01F3/10—Composite arrangements of magnetic circuits
    • H—ELECTRICITY
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    • H01F17/00—Fixed inductances of the signal type 
    • H01F17/04—Fixed inductances of the signal type  with magnetic core
    • H01F17/06—Fixed inductances of the signal type  with magnetic core with core substantially closed in itself, e.g. toroid
    • H01F17/062—Toroidal core with turns of coil around it
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    • H01F38/02—Adaptations of transformers or inductances for specific applications or functions for non-linear operation
    • H01F38/023—Adaptations of transformers or inductances for specific applications or functions for non-linear operation of inductances
    • H01F2038/026—Adaptations of transformers or inductances for specific applications or functions for non-linear operation of inductances non-linear inductive arrangements for converters, e.g. with additional windings

Definitions

  • inductances are often used that are magnetically designed in such a way that they either have an almost constant inductance up to the maximum permissible load current or one already at show a steady decrease in inductance that begins with a lower load current.
  • the magnetic core of the coil is made, for example, from an electrical steel sheet or a ferrite, which have a flat permeability profile up to the saturation limit.
  • metal-powder composite materials are predominantly used.
  • the standard electrical sheets described are not well suited as core material for inductor coils.
  • the ratio between the current in the S1 continuous operating state and the respective special load operating state, for example S6 operation is approx. 1:2 to 1:5 Overload operation, for example S6, only a smaller inductance value is sufficient. It is advantageous, in particular for control engineering reasons and for EMC reasons, if this transition takes place evenly, i.e. as linearly as possible.
  • the object of the invention is to provide an inductive component for an inverter and an inverter which can always provide sufficient commutation inductance at high switching frequencies, even in the overload range.
  • Claim 1 comprises an inductive component, for example a choke coil for an inverter with a first partial magnetic core made from a first core material and with a second partial magnetic core made from a second core material.
  • a partial core can consist of one solid piece or composed of several segments of identical material.
  • the second core material differs from the first core material in particular in its magnetic properties.
  • the first partial core and the second partial core form a magnetic core, also referred to below as a core assembly, which is surrounded by at least one circumferential winding of an electrical conductor. This also includes multi-phase coils, which are encircled by a plurality of separate electrical conductors.
  • the core assembly can also have three or more sub-cores, which in turn comprise magnetic materials that differ in their magnetic properties from the first and second core materials.
  • the described inductive component according to patent claim 1 has the advantage that due to the different magnetic properties of the individual sub-cores, they can react differently in changing their inductance when the current strength through the electrical conductor changes.
  • the core material can thus be selected during construction in such a way that, if there is a significant change in the current flowing through the winding, the second core, for example, has a corrective effect on the desired course of the inductance.
  • the combination of the partial cores is selected in such a way that the inductance-current curve runs in such a way that a declining range occurs in which the inductance increases with the Current, starting from a maximum inductance and assumes a minimum inductance value at a maximum permissible current for the component, which is at least 30% of the maximum inductance.
  • the minimum inductance is preferably in a range of 40% and 70% of the maximum inductance.
  • the maximum inductance L max is present at a current that is designed for continuous operation of the component.
  • the continuous operating state also referred to as S1 according to the nomenclature of the nominal operating modes, is the operating state in which an electrical machine can be operated in continuous operation without being damaged.
  • This continuous operating state is defined according to the international standard IEC60034-1 and the European standard EN60034-1.
  • the inductive component described is usually part of a higher-level device, for example the inverter already described.
  • the permissible continuous operating state means the continuous operating state of the superordinate device, ie the inverter, which is therefore also the continuous operating state of the inductive component.
  • the minimum inductance L min is present at the maximum current I max permissible for the component and for the superordinate device according to the standards mentioned above.
  • the declining range has a linearity that deviates from the linear interpolation between the maximum inductance and the minimum inductance by no more than 30%.
  • a curve according to these criteria is equally advantageous for the stability of the converter control, the EMC behavior and the economic possibilities of realizing the inductance.
  • the linearity of the declining range is particularly preferably even more intense and it deviates from the linear interpolation between the maximum inductance and the minimum inductance by no more than 20% and very preferably no more than 10%.
  • the inductance-current profile runs in such a way that a horizontal area occurs in which the inductance runs essentially constant with increasing current intensity.
  • the horizontal range of the inductance runs up to a certain current (for example and preferably the peak current in S1 operation), the inductance in the horizontal range having little or no current dependence.
  • the horizontal range can be very narrow and already transition to the declining range at a current close to 0 amperes.
  • the maximum inductance is at the transition between the horizontal area and the degressive area. Above this current, there is a drop in the inductance of the exciting current, which preferably decreases linearly up to at least one current value, preferably the peak current of the highest permissible operating mode (degressive range).
  • a third partial core which is also designed in such a way that its core material differs from the core material of the first and second core .
  • the third partial core it is possible to increase the current intensity even further, with the minimum inductance and the desired course being ensured by the third partial core.
  • the first core material is an electrical steel sheet or comprises a ferrite.
  • These are common materials for core materials, which have corresponding inductive properties under continuous load operation at conventional frequencies. It is also expedient to use an iron powder for the second core material
  • first and the second partial core are designed as ring cores or E-cores, since the partial cores can be optimally combined magnetically with this geometric design.
  • first and the second ring, and possibly also the third ring are designed to be geometrically congruent.
  • first sub-core and the second sub-core can be placed in parallel and surrounded by the winding.
  • a further embodiment of the invention consists in an inverter which comprises an inductive component according to one of the preceding claims.
  • An inverter configured in this way has the same advantageous properties that are determined by the inductive component and that have already been discussed in this regard.
  • Such an inverter is preferably designed in such a way that it is suitable for switching frequencies above 30 kHz. This also applies to inverters that contain semiconductor switches that are based on so-called wide band gap semiconductors, for example silicon carbide or gallium nitride.
  • FIG. 1 - 3 shows the assembly of an inductive component 2 in the form of a choke coil for an inverter.
  • two ring-shaped part-cores, a first magnetic part-core 4 and a second magnetic part-core 8 are placed one on top of the other.
  • These two sub-cores 4, 8 basically represent the simplest form of the inductive component described.
  • Both cores 4, 8 each have a core material 6, 10, which both differ from one another in terms of their magnetic properties.
  • a third ring 16 and a fourth ring 18 are also provided, which are inserted concentrically into the rings 4, 8 and can either consist of the material 6 or 10 or of a third and/or fourth material.
  • FIG. 14 This gives a core in the form of a core package 14, which is figure 2 is shown.
  • Alternative core packages 14' and 14'' are described in Figs figures 4 and 5 shown.
  • the core package 14 will, as in figure 3 shown, surrounded by a circumferential winding 12 of an electrical conductor.
  • the number of windings 12 surrounding the core assembly 14 is denoted by N.
  • this inductive component in the form of a choke coil for an inverter is in the figures 4 and 5 given where in the figure 4 the partial cores 4' and 8' are designed in the form of E-shaped partial cores and in figure 5 in the form of U-shaped partial cores (4'' and 8'' and 16'' and 18'').
  • the inductive component 2 shown in this way in the form of a choke can be designed with this construction such that in S1 operation the material of the first partial core 4, for example in the form of a ferrite partial core, produces the magnetically dominant path and brings about the desired uniform inductance profile.
  • the partial cores 4 and 8 can be designed in such a way that in overload operation the permeability of the first partial core 4 collapses and the second partial core 8, which is based on an inorganically bound iron powder, for example, corrects the permeability to the desired course.
  • This arrangement can be extended to any number of different sub-cores, for example including the third core 16, 16' or 16'' and also the fourth core 18, 18' and 18'' for different load cases.
  • the cores can be geometrically congruent and, like the partial cores 16 and 18, they can also be arranged concentrically to the partial cores 4 and 8.
  • all the partial cores 4′, 4′′, 8′, 8′′, 16′, 16′′ and 18′ and 18′′ used are designed to be geometrically congruent.
  • FIG. 6 and 7 is schematically illustrated by diagrams how the effect of in the Figures 1 - 5 described inductive components is carried out magnetically.
  • the first curve I S1 is a basic current wave in continuous operation, which is essentially and ideally sinusoidal.
  • the current intensity passing through the winding 12 can look similar to the second curve, labeled I Sn . From this it can be seen that the sinusoidal wave I Sn has a significantly higher amplitude than the wave I s1 .
  • any load case of a nominal operating mode for example load case S6, is designated by the index Sn, which designates the current profile of the second current wave. It can be seen that, despite the schematic representation of the graph, the amplitude of the I Sn curve is significantly higher, in particular more than 100% higher than the amplitude of the I S1 curve in continuous operation. This means that, depending on the load, the current strength increases by more than 100%, which has a significant impact on the inductance of the inductive component 2 .
  • N L / A l 1 / 2
  • the core must carry 20 turns to generate an inductance of 100 ⁇ H.
  • the inductance LL A l N 2 be determined.
  • the inductance of the core or, in the described application, of the partial core in general can thus be determined by a person skilled in the art via the geometry-related A L value.
  • a relationship is usually shown that relates the A L value to a quantity that is at least proportional to the current I.
  • Such a representation is very schematic in figure 7 pictured.
  • a given ring can be assumed to have an A Lmax at a specific current intensity I.
  • the A L value and thus the inductance decrease proportionally; in the figure 7 the limits for 80% and for 50% with increasing current intensity I are given schematically.
  • the A L value and with it the inductance tend to 0.
  • the course of the A L value is very different for each core. This depends on its material and its geometry.
  • the geometry remains as for the Figures 1 - 3 described, is the same at least for the partial cores 4 and 8, the change in the A L value is achieved by using different magnetic materials, for example ferrites or iron composites.
  • the A L value can be calculated from the given number of turns at a given current using a graph that is generally based on the figure 7 based, the inductance of the partial core 4, 8 can be determined as a function of the current strength. It is expedient here to select at least two as partial cores from a large number of commercially available and well-defined cores, so that the relationship of the most linear possible inductance curve is fulfilled.
  • this choke coil described is to find a cost-effective arrangement in order to be able to specifically adapt the inductance profile of the choke to the application and thereby reduce the use of expensive core materials to a minimum amount.
  • the choke coils can be flexibly designed in modular design and the corresponding technical requirements can be met.
  • the inductance is to be, for example, 100 ⁇ H at zero current and maintain this value, for example, up to the peak current I D in S1 operation of, for example, 50 A, then according to the invention, for example in S4 operation, it has a peak current of 200 A, for example, about 70 % of 100 ⁇ H shall be equal to 70 ⁇ H with a deviation of not more than 10%. From the requirement that the drop is largely linear, it follows in this example that at a current of 150 A the inductance may have dropped by approx. 20% from 100 ⁇ H (equal to 80 ⁇ H) with a maximum deviation of ⁇ 10% (80 ⁇ H ⁇ 10% corresponds to 72 ⁇ H to 88 ⁇ H). Due to the variety of core sizes and materials available, the desired behavior can often be achieved through different combinations of cores, materials and windings.
  • the first sub-core consists of four segments listed by the manufacturer "Magnetics-Incorporation" under the part numbers "0058737A2" and "0058339A2".
  • the other partial cores consist of only one segment each. All segments that have identical dimensions are preferably stacked one on top of the other, resulting in two stacks of six segments each; the two stacks can be placed one inside the other to reduce the winding length (similar to, but not identical to, the partial cores 4, 6, 16 for the Figures 1 to 3 , therefore in this example reference numerals for partial cores are omitted).
  • the resulting core package 14 is wrapped with the winding 12 consisting of 10 turns.
  • the inductance formed in this way shows the course of a total inductance 22 in figure 8 compared to the desired linear progression of the linear interpolation 30.
  • the individual partial cores should preferably be selected in such a way that the winding length remains minimal. It can be seen that partial cores with the induction curve 24 cause the main part of the inductance, the partial cores with the curves 26 and 28 have a correcting effect in order to bring about the desired linear behavior of the interpolation 30 .
  • the partial cores have been selected in such a way that the corresponding inductance curves 24, 26, 28 result in the overall inductance curve 28.
  • the overall inductance curve 28 has a quasi-linear range between the current I D , the maximum permissible continuous current in S1 operation and the current I max , the maximum current permissible for the component (this can, for example, be in S4 operation or in S6 -operation occur) runs.
  • This profile is largely described by the linear interpolation 30, with the profile 22 having, if possible, less than a 30% deviation from the linear interpolation in the current interval described. The deviation is particularly preferably less than 20% and less than 10%, as stated in figure 8 is shown.
  • the course 22 has a horizontal course 32, which is between 0 A and the continuous operating current I D at a current intensity, which is 50 A in the present example.
  • Table 1 Composition of the core according to the invention with a winding of 13 turns partial core I partial core II partial core III core size "740"&"337" "740" "337” Dimensions ( ⁇ outside x ⁇ inside x height) 75 x 44.5 x 36 mm 3 or 75 x 44.5 x 36 mm 3 or 134x77x27mm 3 134x77x27mm 3 material "High Flux 60" "Kool M ⁇ 60" "Kool M ⁇ 40" number of segments 2 x 740 1 1 2 x 337 manufacturer Magnetics Incorporation 110 Delta Drive Pittsburgh PA 15238 Magnetics Incorporation 110 Delta Drive Pittsburgh PA 15238 Magnetics Incorporation 110 Delta DrivePittsburghPA 15238 Manufacturer number of the segments "740”: 0058737A2 0077737A7 0077
  • the described inductive component 2 in the form of a choke coil is part of an inverter, which is not shown here.
  • the arrangement described is particularly useful for inverters with a high switching frequency of >30 kHz.
  • Such a switching frequency is used in particular in the so-called wide band gap semiconductors, in particular semiconductor switches based on silicon carbide and aluminum nitride.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein induktives Bauelement (2) für einen Wechselrichter mit- einem ersten magnetischen Teilkern (4) aus einem ersten Kernmaterial (6),- einem zweiten magnetischen Teilkern (8) aus einem zweiten Kernmaterial (10), wobei das zweite Kernmaterial (10) vom ersten Kernmaterial (6) verschieden ist,und der erste Teilkern und der zweite Teilkern einen magnetischen Kern bilden, der von einer umlaufenden Wicklung (12) eines elektrischen Leiters umgeben ist.

Description

  • In Wechselrichtern, die für Überlastbetriebsarten außerhalb der sogenannten Dauerbetriebsart S1, also den Betriebsarten S2 - S9, ausgelegt sind, werden häufig Induktivitäten eingesetzt, die magnetisch so ausgelegt sind, dass sie entweder bis zum maximal zulässigen Laststrom eine nahezu konstante Induktivität aufweisen oder eine schon bei geringerem Laststrom beginnende, stetige Abnahme der Induktivität zeigen. Im ersten Fall wird der magnetische Kern der Spule beispielsweise aus einem Elektroblech oder einem Ferrit hergestellt, die einen flachen Permeabilitätsverlauf bis zur Sättigungsgrenze aufweisen. Im zweiten Fall verwendet man überwiegend Metallpulver-Kompositmaterialien. Insbesondere bei Wechselrichtern mit sehr hohen Schaltfrequenzen, beispielsweise > 25 kHz, sind die beschriebenen Standard-Elektrobleche als Kernmaterial für Drosselspulen nicht gut geeignet. In vielen Anwendungsfällen beträgt das Verhältnis zwischen dem Strom im Dauerbetriebszustand S1 und dem jeweiligen Sonderlast-Betriebszustand, beispielsweise S6-Betrieb, ca. 1 : 2 bis 1 : 5. Oft ist im S1-Betriebsbereich ein nahezu konstanter Induktivitätsverlauf der Drossel gewünscht, während im Überlastbetrieb, beispielsweise S6, nur ein kleinerer Induktivitätswert ausreichend ist. Es ist insbesondere aus regelungstechnischen Gründen, und aus EMV-Gründen vorteilhaft, wenn dieser Übergang gleichmäßig, d.h. möglichst linear, erfolgt.
  • Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein induktives Bauelement für einen Wechselrichter sowie einen Wechselrichter bereitzustellen, die bei hohen Schaltfrequenzen auch im Überlastbereich stets eine ausreichende Kommutierungs-Induktivität zur Verfügung stellen können.
  • Die Lösung der Aufgabe besteht in einem induktiven Bauelement nach Patentanspruch 1 sowie in einem Wechselrichter nach Patentanspruch 12.
  • Der Patentanspruch 1 umfasst ein induktives Bauelement, beispielsweise eine Drosselspule für einen Wechselrichter mit einem ersten magnetischen Teilkern aus einem ersten Kernmaterial und mit einem zweiten magnetischen Teilkern aus einem zweiten Kernmaterial. Ein Teilkern kann aus einem soliden Stück bestehen oder aus mehreren Segmenten aus identischem Material zusammengesetzt sein. Dabei unterscheidet sich das zweite Kernmaterial insbesondere in seinen magnetischen Eigenschaften vom ersten Kernmaterial. Der erste Teilkern und der zweite Teilkern bilden einen magnetischen Kern im Weiteren auch Kernpaket genannt, der/das von mindestens einer umlaufenden Wicklung eines elektrischen Leiters umgeben ist. Somit sind auch mehrphasige Spulen, die von mehreren getrennten elektrischen Leitern umlaufen werden, mit umfasst. Das Kernpaket kann auch drei oder mehrere Teilkerne aufweisen, die wiederum magnetische Materialien umfassen, die sich in ihren magnetischen Eigenschaften vom ersten und vom zweiten Kernmaterial unterscheiden.
  • Das beschriebene induktive Bauelement gemäß Patentanspruch 1 weist dabei den Vorteil auf, dass durch die unterschiedlichen magnetischen Eigenschaften der einzelnen Teilkerne diese bei Veränderung der Stromstärke durch den elektrischen Leiter unterschiedlich in der Änderung ihrer Induktivität reagieren können. Somit ist das Kernmaterial während der Konstruktion derart auswählbar, dass bei einer signifikanten Änderung des durch die Wicklung fließenden Stromes beispielsweise der zweite Kern korrigierend auf den gewünschten Verlauf der Induktivität wirkt.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltungsform der Erfindung ist die Kombination der Teilkerne so gewählt, dass der Induktivität-Strom-Verlauf in der Art verläuft, dass ein degressiver Bereich auftritt, in dem die Induktivität mit Erhöhung des Stroms, ausgehend von einer Maximalinduktivität abfällt und bei einer maximalen für das Bauelement zulässigen Stromstärke einen Minimalinduktivitätswert annimmt, der mindestens 30 % der Maximalinduktivität beträgt. Bevorzugt liegt die Minimalinduktivität in einem Bereich von 40 % und 70 % der Maximalinduktivität.
  • Die Maximalinduktivität Lmax liegt dabei bei einem Strom vor, der für den Dauerbetrieb des Bauelements ausgelegt ist. Der Dauerbetriebszustand, nach der Nomenklatur der Nennbetriebsarten auch als S1 bezeichnet, ist der Betriebszustand, in dem eine elektrische Maschine in Dauerbetrieb betrieben werden kann, ohne dabei Schaden zu nehmen. Dieser Dauerbetriebszustand ist nach der internationalen Norm IEC60034-1 und nach der europäischen Norm EN60034-1 definiert. Das beschriebene induktive Bauelement ist in der Regel Bestandteil eines übergeordneten Gerätes, beispielsweise des bereits beschriebenen Wechselrichters. Dabei ist mit dem zulässigen Dauerbetriebszustand der Dauerbetriebszustand des übergeordneten Geräts, also des Wechselrichters gemeint, der damit auch der Dauerbetriebszustand des induktiven Bauelementes ist. Die Minimalinduktivität Lmin liegt bei dem für das Bauelement und für das übergeordnete Gerät nach den oben genannten Normen zulässigen Maximalstrom Imax vor.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der degressive Bereich eine Linearität auf, die nicht mehr als 30 % von der linearen Interpolation zwischen der Maximalinduktivität und der Minimalinduktivität abweicht. Ein Verlauf nach diesen Kriterien ist für die Stabilität der Regelung des Umrichters, das EMV-Verhalten und die wirtschaftlichen Realisierungsmöglichkeiten der Induktivität gleichermaßen vorteilhaft. Besonders bevorzugt ist die Linearität des degressiven Bereiches noch intensiver und sie weicht nicht mehr als 20 % und ganz bevorzugt nicht mehr als 10 % von der linearen Interpolation zwischen der Maximalinduktivität und der Minimalinduktivität ab.
  • Ferner ist es vorteilhaft, dass der Induktivität-Strom-Verlauf in der Art verläuft, dass ein horizontaler Bereich auftritt, in dem die Induktivität bei steigender Stromstärke im Wesentlichen konstant verläuft. Der horizontale Bereich der Induktivität verläuft bis zu einem gewissen Strom (beispielsweise und bevorzugt der Spitzenstrom im S1-Betrieb), wobei die Induktivität im horizontalen Bereich keine oder nur eine geringe Stromabhängigkeit aufweist. Der horizontale Bereich kann sehr eng ausfallen und bereits bei einem Strom nahe 0 Ampere in den degressiven Bereich übergehen. Am Übergang zwischen dem horizontalen Bereich und dem degressiven Bereich liegt die Maximalinduktivität vor. Oberhalb dieses Stromes ergibt sich ein Abfall der Induktivität vom erregenden Strom, der bis mindestens zu einem Stromwert, vorzugsweise dem Spitzenstrom der höchst-zulässigen Betriebsart, bevorzugt linear abnimmt (degressiver Bereich).
  • Um noch stärkere Anstiege der Stromstärke I zu kompensieren und gleichzeitig dabei eine minimale Induktivität bereitzustellen, ist es zweckmäßig, dass ein dritter Teilkern vorgesehen ist, der ebenfalls derart ausgestaltet ist, dass er sich in seinem Kernmaterial von dem Kernmaterial des ersten und des zweiten Kernes unterscheidet. Mit dem dritten Teilkern ist es möglich, die Stromstärke noch weiter zu erhöhen, wobei die Mindestinduktivität und der gewünschte Verlauf durch den dritten Teilkern gewährleistet ist.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltungsform der Erfindung ist das erste Kernmaterial ein Elektroblech oder umfasst ein Ferrit. Dabei handelt es sich um übliche Materialien für Kernwerkstoffe, die bei Dauerlastbetrieb bei herkömmlichen Frequenzen entsprechende induktive Eigenschaften aufweisen. Dabei ist es ebenfalls zweckmäßig, für das zweite Kernmaterial ein Eisenpulver zu verwenden,
  • Ebenfalls ist es zweckmäßig, dass der erste und der zweite Teilkern als Ringkerne oder E-Kerne ausgestaltet sind, da sich bei dieser geometrischen Ausgestaltung die Teilkerne magnetisch optimal kombinieren lassen.
  • Grundsätzlich ist es auch zweckmäßig, wenn der erste und der zweite, ggf. auch der dritte Ring geometrisch kongruent ausgestaltet sind. Auf diese Art und Weise können der erste Teilkern und der zweite Teilkern parallel aneinandergelegt werden und von der Wicklung umgeben werden.
  • Eine weitere Ausgestaltungsform der Erfindung besteht in einem Wechselrichter, der ein induktives Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche umfasst. Ein derart ausgestalteter Wechselrichter weist dieselben vorteilhaften Eigenschaften auf, die durch das induktive Bauelement bestimmt werden und die bereits diesbezüglich erörtert sind.
  • Ein derartiger Wechselrichter ist bevorzugt in der Art ausgestaltet, dass er für Schaltfrequenzen über 30 kHz geeignet ist. Dies gilt auch für Wechselrichter, die Halbleiterschalter enthalten, die auf sogenannten Wide Band Gap-Halbleiter, beispielsweise Siliciumcarbid oder Galliumnitrid basieren.
  • Weitere Ausgestaltungsformen und weitere Merkmale der Erfindung werden anhand der folgenden Figuren näher erläutert. Merkmale mit derselben Bezeichnung in unterschiedlicher Ausgestaltungsform werden dabei mit einem Aufstrich bezeichnet. Bei den Figuren handelt es sich um rein schematische Ausgestaltungsformen, die keine Einschränkung des Schutzbereichs darstellen.
  • Dabei zeigen:
    • Figur 1
    mehrere magnetische Ringteilkerne für eine Drosselspule mit unterschiedlichen magnetischen Eigenschaften,
    Figur 2
    wobei die Teilkerne aus Figur 1 geometrisch zusammengesetzt sind,
    Figur 3
    eine Drosselspule für einen Wechselrichter mit Teilkernen gemäß Figur 1 und 2 und einer Wicklung,
    Figur 4
    ein induktives Bauelement in Form einer Drosselspule mit E-förmigen Teilkernen und
    Figur 5
    ein induktives Bauelement in Form einer Drosselspule mit U-förmigen Teilkernen,
    Figur 6
    eine schematische Darstellung des Stromverlaufes durch das induktive Bauelement und
    Figur 7
    eine beispielhafte Darstellung des Abfalles eines geometrischen Wertes der Drosselspule mit dem Stromverlauf.
    Figur 8
    ein beispielhafter Verlauf der Induktivitäten mehrerer Teilkerne und die daraus resultierende Gesamtinduktivität.
  • In den Figuren 1 - 3 ist der Zusammenbau eines induktiven Bauelementes 2 in Form einer Drosselspule für einen Wechselrichter dargestellt. Zunächst werden zwei ringförmige Teilkerne, ein erster magnetischer Teilkern 4 und ein zweiter magnetischer Teilkern 8 aufeinandergelegt. Diese beiden Teilkerne 4, 8 stellen grundsätzlich die einfachste Form des beschriebenen induktiven Bauelementes dar. Beide Kerne 4, 8 weisen jeweils ein Kernmaterial 6, 10 auf, die beide in ihren magnetischen Eigenschaften voneinander verschieden sind. Im Weiteren sind, in einer bereits spezielleren Ausgestaltung gemäß Figur 2 noch ein dritter Ring 16 und ein vierter Ring 18 vorgesehen, die konzentrisch in die Ringe 4, 8 eingesetzt werden und entweder auch aus dem Material 6 oder 10 bestehen können oder aus einem dritten und/oder vierten Material. Somit erhält man ein Kern in Form eines Kernpakets 14, das in Figur 2 dargestellt ist. Alternative Kernpakete 14' und 14'' sind in den Figuren 4 und 5 dargestellt. Das Kernpaket 14 wird, wie in Figur 3 dargestellt, mit einer umlaufenden Wicklung 12 eines elektrischen Leiters umgeben. Dabei ist die Anzahl der Wicklungen 12, die das Kernpaket 14 umgeben, mit N bezeichnet.
  • Alternative Ausgestaltungsformen dieses induktiven Bauelementes in Form einer Drosselspule für einen Wechselrichter sind in den Figuren 4 und 5 gegeben, wobei in der Figur 4 die Teilkerne 4' und 8' in Form von E-förmigen Teilkernen ausgestaltet sind und in Figur 5 in Form von U-förmigen Teilkernen (4'' und 8'' sowie 16'' und 18'') ausgestaltet sind.
  • Das so dargestellte induktive Bauelement 2 in Form einer Drossel kann mit dieser Konstruktion so ausgelegt werden, dass im S1-Betrieb das Material des ersten Teilkernes 4, beispielsweise in Form eines Ferrit-Teilkernes, den magnetisch dominanten Pfad herstellt und den gewünschten gleichmäßigen Induktivitätsverlauf herbeiführt. Die Auslegung der Teilkerne 4 und 8 kann so erfolgen, dass im Überlastbetrieb die Permeabilität des ersten Teilkerns 4 einbricht, und der zweite Teilkern 8, der beispielsweise auf Basis eines anorganisch gebundenen Eisenpulvers ausgebildet ist, die Permeabilität auf den gewünschten Verlauf korrigiert. Diese Anordnung kann auf eine beliebige Anzahl an unterschiedlichen Teilkernen, zum Beispiel unter Einschluss des dritten Kernes 16, 16' bzw. 16'' und auch des vierten Kernes 18, 18' und 18'' für verschiedene Lastfälle erweitert werden. Dabei können die Kerne wie der erste Teilkern 4 und der zweite Teilkern 8 geometrisch kongruent sein und sie können auch wie die Teilkerne 16 und 18 konzentrisch zu den Teilkernen 4 und 8 angeordnet sein. In den Ausführungsbeispielen der Figuren 4 und 5 sind alle verwendeten Teilkerne 4', 4'', 8', 8'', 16', 16'' und 18' sowie 18'' geometrisch kongruent ausgestaltet.
  • In den Figuren 6 und 7 wird durch Diagramme schematisch veranschaulicht, wie die Wirkung der in den Figuren 1 - 5 beschriebenen induktiven Bauelemente magnetisch erfolgt. Hierbei ist in Figur 6 zunächst ein I-t-Diagramm aufgeführt, das den Stromverlauf des elektrischen Stromes, der durch die Spule 12 erfolgt, geglättet wiederspiegelt. Dabei ist die erste Kurve IS1 eine Grundstromwelle im Dauerbetrieb, die im Wesentlichen und im Idealfall sinusförmig verläuft. Im Lastfall kann die Stromstärke, die durch die Wicklung 12 verläuft, ähnlich wie in der zweiten Kurve, die mit ISn bezeichnet ist, aussehen. Hieraus ist zu erkennen, dass die sinusförmige Welle ISn eine deutlich höhere Amplitude aufweist als die Welle Is1. Mit dem Index Sn, der den Stromverlauf der zweiten Stromwelle bezeichnet, wird ein beliebiger Lastfall einer Nennbetriebsart, beispielsweise der Lastfall S6, bezeichnet. Man kann erkennen, dass trotz der schematischen Darstellung der Grafik die Amplitude der ISn-Kurve deutlich höher ist, insbesondere um mehr als 100 % höher ist als die Amplitude der IS1-Kurve in Dauerbetrieb. Das bedeutet, dass je nach Lastfall die Stromstärke um mehr als 100 % ansteigt, was erhebliche Auswirkungen auf die Induktivität des induktiven Bauelementes 2 hat.
  • Diese Auswirkung auf die Induktivität wird mithilfe der Figur 7 erläutert.
  • Da die erzielte Induktivität der Spule neben der Stromstärke und der Anzahl N der Wicklungen 12 und neben den magnetischen Eigenschaften des Teilkernes 4, 8, 16, 18 auch von dessen geometrischen Werten abhängig ist, wird bei handelsüblichen magnetischen Kernen ein sogenannter AL-Wert, insbesondere für Ringkerne und Hülsen angegeben. Dieser repräsentiert die wirksame Induktivität bezogen auf eine Windung und muss zur Berechnung der tatsächlichen Induktivität L mit dem Quadrat der Windungszahl N multipliziert werden: A L = L / N 2
    Figure imgb0001
  • Der AL-Wert ist die auf die Windungszahl N = 1 bezogene Induktivität L. Somit kann z. B. bei gegebenem AL-Wert ohne Umweg über die geometrischen Daten des Kernes, direkt die gesuchte Windungszahl der Spule ermittelt werden: N = L / A l 1 / 2
    Figure imgb0002
  • Beispiel: Gesuchte Induktivität 100 µH; der Kern hat einen AL-Wert von 250 nH
    N= (L/Al)1/2 = (100000/250)1/2 = 20
    Der Kern muss 20 Windungen tragen, um eine Induktivität von 100 µH zu erzeugen. Umgekehrt kann mit derselben Beziehung bei einer festgelegten Windungszahl die Induktivität L L=Al N2
    ermittelt werden.
  • Über den geometriebezogenen AL-Wert kann somit vom Fachmann die Induktivität des Kernes bzw. im beschriebenen Anwendungsfalls des Teilkernes im Allgemeinen bestimmt werden. Bei handelsüblichen Kernen wird dabei üblicherweise eine Beziehung dargestellt, die den AL-Wert in Relation zu einer Größe stellt, die zumindest proportional zur Stromstärke I ist. Eine derartige Darstellung ist sehr schematisch in Figur 7 abgebildet. Dabei kann man von einem gegebenen Ring ausgehen, der bei einer bestimmten Stromstärke I einen ALmax aufweist. Mit steigender Stromstärke fällt der AL-Wert und somit proportional die Induktivität stetig ab; in der Figur 7 sind die Grenzen für 80 % und für 50 % mit steigender Stromstärke I schematisch angegeben. Mit steigender Stromstärke I geht der AL-Wert und mit ihm die Induktivität gegen 0.
  • Abhängig von der Kerngeometrie und dem Kernmaterial sind die Verläufe des AL-Wertes für jeden Kern sehr unterschiedlich. Dies hängt von dessen Material und dessen Geometrie ab. Bleibt die Geometrie wie bezüglich der Figuren 1 - 3 beschrieben, zumindest für die Teilkerne 4 und 8 die gleiche, so wird die Änderung des AL-Wertes durch die Verwendung unterschiedlicher magnetischer Materialien, beispielsweise Ferrite oder Eisen-Komposits, erzielt. Mithilfe des AL-Wertes kann anhand der gegebenen Anzahl von Windungen bei einer bestimmten Stromstärke mittels einer Grafik, die grundsätzlich auf der Figur 7 basiert, die Induktivität des Teilkernes 4, 8 in Abhängigkeit von der Stromstärke bestimmt werden. Dabei ist es zweckmäßig, aus einer Vielzahl von marktüblich erhältlichen und wohldefinierten Kernen mindestens zwei als Teilkerne auszuwählen, sodass die Beziehung des möglichst linearen Induktivitätsverlaufes erfüllt ist.
  • Da es hierfür eine Vielzahl von möglichen geometrischen magnetischen Anwendungsfällen gibt, ist es möglich, aus diesen Bedingungen und mithilfe der handelsüblichen technischen Spezifikationen von magnetischen Kernen diese Bedingung in einem dem Lastfall entsprechenden Anwendungsfall gezielt einzustellen. Ein wichtiger Vorteil dieser beschriebenen Drosselspule besteht darin, eine kostengünstige Anordnung zu finden, um den Induktivitätsverlauf der Drossel gezielt auf den Anwendungsfall anpassen zu können und dabei den Einsatz von kostenintensiven Kernmaterialien auf eine minimale Menge zu reduzieren. Je nach spezieller Anforderung können hierbei und durch die beschriebene Vorgabe die Drosselspulen in Modulbauweise flexibel dargestellt werden und die entsprechenden technischen Voraussetzungen erfüllt werden.
    • Ausführungsbeispiel:
  • Soll die Induktivität beispielsweise 100 µH bei Nullstrom betragen, und diesen Wert beispielsweise bis zum Spitzenstrom ID im S1-Betrieb von beispielsweise 50 A beibehalten, so hat sie erfindungsgemäß, beispielsweise im S4-Betrieb, bei einem Spitzenstrom von 200 A beispielsweise ca. 70 % von 100 µH gleich 70 µH mit einer Abweichung von nicht mehr als 10 % zu betragen. Aus der Forderung, dass der Abfall weitgehend linear erfolgt, ergibt sich in diesem Beispiel, dass bei einem Strom von 150 A die Induktivität um ca. 20 % von 100 µH (gleich 80 µH) abgefallen sein darf mit einer maximalen Abweichung vom ±10 % (80 µH ±10 % entspricht 72 µH bis 88 µH). Aufgrund der Vielzahl an erhältlichen Kerngrößen und Materialien, kann das gewünschte Verhalten häufig durch verschiedene Kombinationen an Kernen, Materialien und Windungen realisiert werden.
  • Eine Realisierung des Ausführungsbeispiels ist in Tabelle 1 und in Figur 8 dargestellt. Der erste Teilkern besteht aus vier Segmenten, die von dem Hersteller "Magnetics-Incorporation" unter den Teilenummern "0058737A2" und "0058339A2" gelistet sind. Die anderen Teilkerne bestehen aus jeweils nur einem Segment. Vorzugsweise werden alle Segmente, die identische Abmessungen haben, aufeinander gestapelt, es ergeben sich hier zwei Stapel aus je sechs Segmenten; die beiden Stapel können hier zur Reduktion der Wicklungslänge ineinander gestellt werden (analog, allerdings nicht identisch mit den Teilkernen 4, 6, 16 zu den Figuren 1 bis 3, daher wird in diesem Beispiel auf Bezugszeichen für Teilkerne verzichtet). Das so entstandene Kernpaket 14 wird mit der Wicklung 12 bestehend aus 10 Windungen umschlungen.
  • Die so gebildete Induktivität zeigt den Verlauf einer Gesamt-Induktivität 22 in Figur 8 im Vergleich zu dem gewünschten linearen Verlauf der linearen Interpolation 30.
  • Zum besseren Verständnis sind die Beiträge der drei Teilkerne der beispielhaften Ausführung aus Tabelle 1 zur Gesamtinduktivität in die Grafik übernommen worden und durch die Kurven 24, 26 und 28 veranschaulicht.
  • Für die beschriebene Ausführung ist es nicht erheblich, welchen Verlauf 24, 26, 28 die einzelnen Teilkerne aufweisen, solange die Summe ihrer Beiträge eine Gesamt-Induktivität 22, die das genannte im Idealfall lineare Verhalten der linearen Interpolation 30 über den gewünschten Bereich im festgelegten Toleranzbereich zeigt, ergibt. Die Wahl der Teilkerne ist vorzugsweise so vorzunehmen, dass die Wicklungslänge minimal bleibt. Es ist zu erkennen, dass Teilkerne mit dem Induktionsverlauf 24 den Hauptteil der Induktivität bewirkt, die Teilkerne mit den Verläufen 26 und 28 wirken korrigierend, um das gewünschte lineare Verhalten der Interpolation 30 herbeizuführen.
  • In dem Beispiel gemäß Figur 8 ist die Wahl der Teilkerne in der Art erfolgt, dass die korrespondierenden Induktivitätsverläufe 24, 26, 28 in dem Gesamtinduktivitätsverlauf 28 resultieren. Der Gesamtinduktivitätsverlauf 28 weist dabei einen quasi linearen Bereich auf, der zwischen dem Strom ID, dem maximal zulässigen Dauerstrom im S1-Betrieb und dem Strom Imax, dem für das Bauteil maximal zulässigen Strom (dieser kann beispielsweise im S4-Betrieb oder im S6-Betrieb auftreten) verläuft. Dieser Verlauf wird weitgehend durch die lineare Interpolation 30 beschrieben, wobei der Verlauf 22 in dem beschriebenen Stromintervall möglichst weniger als eine 30%ige Abweichung von der linearen Interpolation aufweist. Besonders bevorzugt ist die Abweichung geringer als 20 % und geringer als 10 %, wie dies in Figur 8 dargestellt ist. Zudem weist der Verlauf 22 einen horizontalen Verlauf 32 auf, der bei einer Stromstärke zwischen 0 A und dem Dauerbetriebsstrom ID liegt, der im vorliegenden Beispiel 50 A beträgt. Tabelle 1: Erfindungsgemäße Zusammenstellung des Kerns mit einer Wicklung aus 13 Windungen
    Teilkern I Teilkern II Teilkern III
    Kerngröße "740" & "337" "740" "337"
    Abmessungen (Øaussen x Øin-nen x Höhe) 75 x 44,5 x 36 mm3 bzw. 75 x 44,5 x 36 mm3 bzw. 134 x 77 x 27 mm3
    134 x 77 x 27 mm3
    Material "High-Flux 60" "Kool-Mµ 60" "Kool-Mµ 40"
    Anzahl Segmente 2x 740 1 1
    2x 337
    Hersteller Magnetics-Incorporation 110 Delta DrivePittsburgh PA 15238 Magnetics-Incorporation 110 Delta DrivePittsburgh PA 15238 Magnetics-Incorporation 110 Delta DrivePittsburghPA 15238
    Herstellernummer der Segmente "740": 0058737A2 0077737A7 0077339A7
    "337": 0058339A2
  • Des Weiteren ist das beschriebene induktive Bauelement 2 in Form einer Drosselspule Bestandteil eines Wechselrichters, der hier nicht dargestellt ist. Hierbei ist die beschriebene Anordnung insbesondere für Wechselrichter mit einer hohen Schaltfrequenz von > 30 kHz zweckmäßig. Eine derartige Schaltfrequenz wird insbesondere bei den sogenannten Wide Band Gap-Halbleitern, insbesondere Halbleiterschaltern auf Siliciumcarbid- und Aluminiumnitrid-Basis angewandt.
    • Bezugszeichenliste
    • 2
    induktives Bauelement
    4
    erster magnetischer Teilkern
    6
    erstes Kernmaterial
    8
    zweiter magnetischer Teilkern
    10
    zweites Kernmaterial
    12
    Wicklung
    14
    Kernpaket
    16
    dritter magnetischer Kern
    18
    vierter magnetischer Kern
    20
    drittes Kernmaterial
    22
    Gesamtinduktivität
    24
    Induktivität erster Teilkern
    26
    Induktivität zweiter Teilkern
    28
    Induktivität dritter Teilkern
    30
    lineare Interpolation
    32
    horizontaler Bereich
    Lmax
    Maximalinduktivität
    Lmin
    Minimalinduktivität
    ID
    Dauerbetriebsstrom
    Imax
    Maximalstrom

Claims (15)

  1. Induktives Bauelement (2) für einen Wechselrichter mit
    - einem ersten magnetischen Teilkern (4) aus einem ersten Kernmaterial (6),
    - einem zweiten magnetischen Teilkern (8) aus einem zweiten Kernmaterial (10), wobei das zweite Kernmaterial (10) vom ersten Kernmaterial (6) verschieden ist,
    und mindestens der erste Teilkern und der zweite Teilkern einen magnetischen Kern bilden, der von einer umlaufenden Wicklung (12) eines elektrischen Leiters umgeben ist.
  2. Induktives Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kombination der Teilkerne so gewählt ist, dass der Induktivität-Strom-Verlauf in der Art verläuft, dass ein degressiver Bereich auftritt, in dem die Induktivität mit Erhöhung des Stroms ausgehend von einer Maximalinduktivität abfällt und bei einer maximalen für das Bauelement zulässigen Stromstärke einen Minimalinduktivitätswert annimmt, der mindestens 30 % der Maximalinduktivität beträgt.
  3. Induktives Bauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der degressive Bereich eine Linearität aufweist, die nicht mehr als 30 % von der linearen Interpolation zwischen der Maximalinduktivität und der Minimalinduktivität abweicht.
  4. Induktives Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Induktivität-Strom-Verlauf in der Art verläuft, dass ein horizontaler Bereich auftritt, in dem die Induktivität bei steigender Stromstärke im Wesentlichen konstant verläuft.
  5. Induktives Bauelement nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Minimalinduktivität einen Wert aufweist, der zwischen 40 % und 70 % der Maximalinduktivität liegt.
  6. Induktives Bauelement nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Linearität nicht mehr als 20 %, bevorzugt nicht mehr als 10 % von der linearen Interpolation zwischen der Maximalinduktivität und der Minimalinduktivität abweicht.
  7. Induktives Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das erste Kernmaterial (6) ein Elektroblech oder ein Ferrit umfasst.
  8. Induktives Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das zweite Kernmaterial (10) ein Eisenpulver umfasst.
  9. Induktives Bauelement nach Anspruch 8, bei dem das zweite Kernmaterial (10) ein Eisenpulver in einem anorganischen Komposit umfasst.
  10. Induktives Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der erste und zweite Kern (4, 8) Ringkerne sind.
  11. Induktives Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein dritter magnetischer Teilkern (16) vorgesehen ist, der ein drittes Kernmaterial umfasst, das von dem zweiten Kernmaterial und dem ersten Kernmaterial verschieden ist.
  12. Induktives Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der erste und zweite Kern (4', 8') E-förmige Kerne oder U-förmige Kerne sind.
  13. Wechselrichter mit einem induktiven Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 12.
  14. Wechselrichter nach Anspruch 13, ausgelegt für eine Schaltfrequenz über 30 kHz.
  15. Wechselrichter nach Anspruch 13 oder 14 umfassend Halbleiterschalter auf Basis von Siliziumcarbid oder Galliumnitrid.
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