JP7448746B2 - 平行な巻線を有する中周波変圧器 - Google Patents
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Description
本発明は、パワーエレクトロニクスの分野に関する。それは、独立特許請求項による変圧器、特に共振DC/DCコンバータまたはデュアルアクティブブリッジDC/DCコンバータのための中周波変圧器に関する。
数キロヘルツの高周波数(特に3kHz以上)で大電流(数百アンペア以上、特に200Aを超える)に対処する変圧器は、より低い周波数、特に1kHz未満の周波数において、および/または低電流、特に100A未満の電流については無視できるいくつかの影響のため、低コストおよび/または既製の構成要素によって構築することが非常に困難である。そのような高い周波数および/または電流を伴う典型的な用途は、ソリッドステート変圧器(SST)において、特に以下などにおいて中電圧(MV)グリッドに分散電力を接続するためのAC/DCコンバータとして構成されたSSTについて、頻繁に使用される中周波変圧器(MFT)である。
・光起電(PV)太陽電池
・電池エネルギー貯蔵システム(BESS)
・陸上および海上の風力
・データセンター
ただし、EV高速充電器の充電極で必要とされるガルバニック絶縁を備えた高出力低電圧DC/DCコンバータに頻繁に使用されるMV絶縁要件のない変圧器も含まれる。そのようなDC/DCコンバータの2つの特定の例が、両方とも参照によりその全体が本明細書に含まれるスイス特許出願公開第707 533号明細書または米国特許出願公開第2018/0159435号明細書に例示的に記載されているようなデュアルアクティブブリッジコンバータ、および、同じく参照によりその全体が本明細書に含まれる国際公開第2018/141092号に例示的に記載されているような共振DC/DCコンバータである。
この目的は、独立特許請求項による変圧器によって達成される。さらなる例示的な実施形態は、添付の図面と併せて、従属請求項および以下の説明から明らかである。
a)好ましくは空隙を有するコアと、
b)上記コアの第1の区画を囲む第1のコイルと、
c)上記第1のコイルを囲む電気絶縁体、好ましくは中電圧絶縁体とを備え、
d)上記第1のコイルは、複数M>1個の巻線を備え、
e)上記複数M個の巻線の各々は、
i)第1の終端部および第2の終端部と、
ii)上記第1の終端部と上記第2の終端部との間に少なくとも1つのターンで上記コアの上記第1の部分の周りに巻かれた導体とを備え、上記変圧器はさらに、
f)上記絶縁体の外側に設けられた複数M個の第1の端子を備え、上記第1の端子の各々は、複数M個の第1のコネクタのうちの1つによって上記第1の終端部のうちの異なる1つに接続されており、その結果、各第1の端子をそれぞれの第1の終端部に接続しており、上記変圧器はさらに、
g)上記電気絶縁体の外側から上記電気絶縁体の中に延在して少なくとも部分的に上記電気絶縁体を通って延在する第1のチャネルを備え、上記複数M個の第1のコネクタは、上記第1のチャネルを通って延在しており、
h)上記複数M個の第1のコネクタは、上記チャネル内の低電圧絶縁体によって互いに絶縁され、好ましくは上記第1のコネクタのうちのいずれか2つの間には中電圧および/または高電圧絶縁体は存在しない。
本発明の主題は、添付の図面に例示される例示的な実施形態を参照して、以下の本文においてより詳細に説明される。
例示的な実施形態の詳細な説明
背景情報について、図1a)は、本発明をその一部分として使用することができる基本的、一般的な従来技術のDC/DCコンバータ1を示す。DC/ACコンバータ11は、その入力に接続された好ましくはDCリンクキャパシタを含むDC源からのDC電圧および/または電流を、中周波数、すなわち好ましくは500Hz~500kHzの周波数範囲内のAC電圧および/または電流に変換するように構成されている。上記AC電圧および/または電流は、変圧器141、特に中周波変圧器(MFT)を備えるAC中間回路12に供給され、上記変圧器は一次側および二次側を備え、上記側の間にガルバニック絶縁を提供する。変圧器は、とりわけ、結合インダクタンスLmおよびLm’ならびに漂遊インダクタンスLsによって特徴付けることができ、1つまたは複数のその一次側巻線は、特にワイヤまたは他の接続の寄生インダクタンスでもあり得るインピーダンスZ 1 を有するインダクタンス素子を介してDC/ACコンバータに接続される。変圧器は、その一次側の電圧および/または電流を既知の方法で二次側電圧および/または電流に変換する。上記二次側電圧および/または電流は、その後、AC/DCコンバータ16、特に整流器によって、上記AC/DCコンバータ16の出力におけるDC電圧および/または電流に変換される。DC/ACコンバータ12は、特に、図1aに示すようにハーフブリッジ構成に配置構成された、または図1b)に示すようにフルブリッジ構成に配置構成された複数の半導体スイッチを備えることができる。同様に、AC/DCコンバータ16は、特に、図1aに示すものに対応するハーフブリッジ構成に配置構成された、または図1c)に示すものに対応するフルブリッジ構成に配置構成された複数の半導体スイッチを備えることができる。
1)変圧器、特に共振DC/DCコンバータ(1’’)またはデュアルアクティブブリッジDC/DCコンバータ(1’)のための中周波変圧器であって、
a)コア、特に空隙を有するコアと、
b)上記コアの第1の区画を囲む第1のコイル(100)と、
c)上記第1のコイルを囲む電気絶縁体、特に中電圧電気絶縁体(40)とを備え、
d)上記第1のコイルは、複数M個の第1の巻線(101,102)を備え、
e)上記複数M個の第1の巻線の各々は、
i)第1の終端部および第2の終端部と、
ii)上記第1の終端部と上記第2の終端部との間に少なくとも1つのターンで上記コアの上記第1の部分の周りに巻かれた導体とを備え、上記変圧器はさらに、
f)上記絶縁体の外側に設けられた複数M個の第1の端子(411,412)を備え、上記第1の端子の各々は、複数M個の第1のコネクタ(413,414)のうちの1つによって上記第1の終端部のうちの異なる1つに接続されており、その結果、各第1の端子をそれぞれの第1の終端部に接続しており、上記変圧器はさらに、
g)上記電気絶縁体の外側から上記電気絶縁体の中に延在して少なくとも部分的に上記電気絶縁体を通って延在する第1のチャネル(410)を備え、上記複数M個の第1のコネクタは、上記第1のチャネルを通って延在しており、
h)上記複数M個の第1のコネクタは、上記チャネル内の低電圧絶縁体(415)によって互いに絶縁され、好ましくは上記第1のコネクタのうちのいずれか2つの間には中電圧および/または高電圧絶縁体は存在しない、変圧器。
b)第2の端子(421)は、上記電気絶縁体の外側に設けられ、第2のコネクタ(423)によって上記第2の終端部に接続されている、態様1に記載の変圧器。
b)上記電気絶縁体の外側から上記電気絶縁体の中に延在して少なくとも部分的に上記電気絶縁体を通って延在する第2のチャネルを備え、上記複数M個の第2のコネクタは、上記第2のチャネルを通って延在しており、
c)上記複数M個の第2のコネクタは、上記チャネル内の低電圧絶縁体によって互いに絶縁され、好ましくは上記第2のコネクタのうちのいずれかの間には中電圧および/または高電圧絶縁体は存在しない、態様1に記載の変圧器。
b)上記第2のコイルを囲む電気絶縁体、特に中電圧電気絶縁体(40)とをさらに備え、
c)上記第2のコイルは、複数M’個の第2の巻線(201,202)を備え、
d)上記複数M’個の第2の巻線の各々は、
i)第3の終端部および第4の終端部と、
ii)上記第3の終端部と上記第4の終端部との間に少なくとも1つのターンで上記コアの上記第1または上記第2の部分の周りに巻かれた導体とを備え、上記変圧器はさらに、
e)上記絶縁体の外側に設けられた複数M’個の第3の端子を備え、上記第3の端子の各々は、複数M’個の第3のコネクタのうちの1つによって上記第3の終端部のうちの異なる1つに接続されており、その結果、各第3の端子をそれぞれの第3の終端部に接続しており、上記変圧器はさらに、
f)上記電気絶縁体の外側から上記電気絶縁体の中に延在して少なくとも部分的に上記電気絶縁体を通って延在する第3のチャネルを備え、上記複数M’個の第3のコネクタは、上記第3のチャネルを通って延在しており、
g)上記複数M’個の第3のコネクタは、上記第3のチャネル内の低電圧絶縁体によって互いに絶縁され、好ましくは上記第3のコネクタのうちのいずれか2つの間には中電圧および/または高電圧絶縁体は存在しない、先行する態様のいずれか1つに記載の変圧器。
a)巻線(101,102)の対を備え、上記巻線の対は、
i)第1の導電性箔帯(111,111’,111’’)から作製され、互いを囲む第1の複数のターンを備える第1の巻線(101)と、
ii)第2の導電性箔帯(112,112’,112’’)から作製され、互いを囲む第2の複数のターンを備える第2の巻線(102)とを備え、上記第1の複数のターンの各ターンは、上記第2の複数のターンの1つのターンによって隣接して囲まれ、
iii)上記第1および第2の巻線の最内端は、上記それぞれの巻線の上記第2の終端部を形成し、
iv)上記第1および第2の巻線の最外端は、上記それぞれの巻線の上記第1の終端部を形成する、先行する態様のいずれか1つに記載の変圧器。
Claims (14)
- 変圧器であって、
a)コアと、
b)前記コアの第1の区画を囲む第1のコイル(100)と、
c)前記第1のコイルを囲む第1の電気絶縁体とを備え、
d)前記第1のコイルは、複数M個の第1の巻線(101,102)を備え、
e)前記複数M個の第1の巻線の各々は、
i)第1の終端部および第2の終端部と、
ii)前記第1の終端部と前記第2の終端部との間に少なくとも1つのターンで前記コアの前記第1の区画の周りに巻かれた導体とを備え、前記変圧器はさらに、
f)前記第1の電気絶縁体の外側に設けられた複数M個の第1の端子(411,412)を備え、前記第1の端子の各々は、複数M個の第1のコネクタ(413,414)のうちの1つによって前記第1の終端部のうちの異なる1つに接続されており、その結果、各第1の端子をそれぞれの第1の終端部に接続しており、前記変圧器はさらに、
g)前記第1の電気絶縁体の外側から前記第1の電気絶縁体の中に延在して少なくとも部分的に前記第1の電気絶縁体を通って延在する第1のチャネル(410)を備え、前記複数M個の第1のコネクタは、前記第1のチャネルを通って延在しており、
h)前記複数M個の第1のコネクタは、前記第1のチャネル内の第2の電気絶縁体(415)によって互いに絶縁され、
i)前記第2の終端部は、前記第1の電気絶縁体内で互いに接続されており、
j)第2の端子(421)は、前記第1の電気絶縁体の外側に設けられ、第2のコネクタ(423)によって前記第2の終端部に接続されている、変圧器。 - a)前記第1の電気絶縁体の外側に設けられた複数M個の第2の端子をさらに備え、前記第2の端子の各々は、複数M個の第2のコネクタのうちの1つによって前記第2の終端部のうちの異なる1つに接続されており、その結果、各第2の端子をそれぞれの第2の終端部に接続しており、前記変圧器はさらに、
b)前記第1の電気絶縁体の外側から前記第1の電気絶縁体の中に延在して少なくとも部分的に前記第1の電気絶縁体を通って延在する第2のチャネルを備え、前記複数M個の第2のコネクタは、前記第2のチャネルを通って延在しており、
c)前記複数M個の第2のコネクタは、前記第2のチャネル内の電気絶縁体によって互いに絶縁される、請求項1に記載の変圧器。 - 前記第1および/または第2のチャネルを囲む壁は、前記第1の電気絶縁体に対する第1および/または第2のコネクタ(413,414,423)の電気絶縁体を提供する、請求項1または2のいずれか1項に記載の変圧器。
- 前記第1の電気絶縁体は、タンク(4)の中の電気絶縁流体を備え、前記電気絶縁流体の中に前記変圧器の少なくとも前記第1のコイル(100)が浸漬され、前記第1のチャネルは、前記タンク(4)の壁を通って少なくとも部分的に前記電気絶縁流体の中に延在するブッシング内に設けられる、請求項1~3のいずれか1項に記載の変圧器。
- 前記第1の電気絶縁体は、前記コイル(100)の周りに鋳造される、請求項1~3のいずれか1項に記載の変圧器。
- 前記第1および/または第2のコネクタ(413,414,423)の各々は、リッツ線を備える、請求項1~5のいずれか1項に記載の変圧器。
- 各巻線(101,102)の前記導体は、リッツ線によって形成され、前記第1および/または第2のコネクタ(413,414,423)の各々は、それが接続する前記導体と一体に、同一のリッツ線によって形成される、請求項1~6のいずれか1項に記載の変圧器。
- 前記リッツ線は、少なくとも本質的にその全長に沿って延在する絶縁被覆またはクラッドを備え、前記絶縁被覆またはクラッドは、電気絶縁体を提供し、前記絶縁被覆またはクラッドの厚さは、5mm未満である、請求項6または7に記載の変圧器。
- 前記第1のチャネル(410)は、少なくとも前記コアの前記第1の区画に対して垂直な方向に、および/または、少なくとも前記巻線(101,102)および/または前記第1のコイル(100)によって規定される長手方向に対して垂直な方向に延在している、請求項1~8のいずれか1項に記載の変圧器。
- a)前記コアの前記第1の区画または第2の区画を囲む第2のコイル(200)と、
b)前記第2のコイルを囲む電気絶縁体とをさらに備え、
c)前記第2のコイルは、複数M’個の第2の巻線(201,202)を備え、
d)前記複数M’個の第2の巻線の各々は、
i)第3の終端部および第4の終端部と、
ii)前記第3の終端部と前記第4の終端部との間に少なくとも1つのターンで前記コアの前記第1または前記第2の区画の周りに巻かれた導体とを備え、前記変圧器はさらに、
e)前記絶縁体の外側に設けられた複数M’個の第3の端子を備え、前記第3の端子の各々は、複数M’個の第3のコネクタのうちの1つによって前記第3の終端部のうちの異なる1つに接続されており、その結果、各第3の端子をそれぞれの第3の終端部に接続しており、前記変圧器はさらに、
f)前記電気絶縁体の外側から前記電気絶縁体の中に延在して少なくとも部分的に前記電気絶縁体を通って延在する第3のチャネルを備え、前記複数M’個の第3のコネクタは、前記第3のチャネルを通って延在しており、
g)前記複数M’個の第3のコネクタは、前記第3のチャネル内の電気絶縁体によって互いに絶縁される、請求項1~9のいずれか1項に記載の変圧器。 - 前記第1の巻線(101,102)は、前記変圧器の一次巻線を形成し、前記第2の巻線(201,202)は、前記変圧器の二次巻線を形成する、請求項10に記載の変圧器。
- 前記第1のコイル(100)も前記第2のコイル(200)も、少なくとも本質的に同軸配置で前記コアの前記第1の区画を囲んでいる、請求項10または11に記載の変圧器。
- 前記第1のコイルは前記第2のコイルを囲み、またはその逆である、請求項10~12のいずれか1項に記載の変圧器。
- 前記複数M個の第1の巻線は、
a)巻線(101,102)の対を備え、前記巻線の対は、
i)第1の導電性箔帯(111,111’,111’’)から作製され、互いを囲む第1の複数のターンを備える第1の巻線(101)と、
ii)第2の導電性箔帯(112,112’,112’’)から作製され、互いを囲む第2の複数のターンを備える第2の巻線(102)とを備え、前記第1の複数のターンの各ターンは、前記第2の複数のターンの1つのターンによって隣接して囲まれ、
iii)前記第1および第2の巻線の最内端は、前記それぞれの巻線の前記第2の終端部を形成し、
iv)前記第1および第2の巻線の最外端は、前記それぞれの巻線の前記第1の終端部を形成する、請求項1~13のいずれか1項に記載の変圧器。
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