WO2019166345A1 - Spannungswandler mit gekoppelter pfc drossel - Google Patents

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Manuel Raimann
Daniel Weida
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Bayerische Motoren Werke AG
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    • Y02B70/10—Technologies improving the efficiency by using switched-mode power supplies [SMPS], i.e. efficient power electronics conversion e.g. power factor correction or reduction of losses in power supplies or efficient standby modes

Definitions

  • the invention relates to a polyphase voltage converter, in particular a rectifier, with a coupled inductor as a power factor correction filter.
  • an AC / DC converter or rectifier e.g. for a charger of an at least partially electrically powered vehicle which is connected to a public power grid, is typically a
  • PLC Power Factor Correction
  • multi-phase PLC voltage converters may be used, such as e.g. a so-called totem-pole converter.
  • the individual chokes of a multi-phase PPC voltage converter can be designed as coupled chokes.
  • a polyphase voltage converter has semiconductor switches (particularly gallium nitride, GaN, transistors) which are switched at a relatively high frequency (e.g., at 1 MHz and above). By switching the
  • CM common mode
  • DM differential mode
  • the present document deals with the technical problem of reducing the common-mode noise of a polyphase voltage converter, in particular to simultaneously reduce the weight, the cost and the installation space for the PPC throttle and thus for a charger of a vehicle.
  • the object is solved by the independent claim.
  • a voltage converter in particular a rectifier, which is set up to convert an AC input voltage into a DC output voltage.
  • the voltage converter may be part of a charger, in particular a charger of a
  • the voltage converter comprises a first sub-converter with a first switch half-bridge, wherein the first switch half-bridge via a first half-bridge
  • the Main coil is coupled to a first pole of the input voltage.
  • the first switch half-bridge may comprise a first switch and a second switch arranged in series between a positive pole and a negative pole of the
  • the first main coil may then couple a mid-point between the first switch and the second switch of the first switch half-bridge to the first pole of the input voltage.
  • the switches of the first switch half-bridge can each be designed as gallium nitride (GaN) transistors.
  • the voltage converter comprises a second sub-converter with a second switch half-bridge, which has a second main coil with the first pole the input voltage is coupled.
  • the second switch half-bridge may also comprise a first switch and a second switch, which are arranged in series between the positive pole and the negative pole of the output voltage.
  • the second main coil may then couple a mid-point between the first switch and the second switch of the second switch half-bridge to the first pole of the input voltage.
  • the switches of the second switch half-bridge can each be designed as gallium nitride (GaN) transistors.
  • the voltage converter includes a diode half-bridge shared by the first sub-converter and the second sub-converter.
  • the diode half-bridge may comprise a first diode and a second diode arranged in series between the positive pole and the negative pole of the output voltage.
  • the voltage converter further includes a first rewind and a second rewind coupling a center of the diode half-bridge to a second pole of the input voltage.
  • a part of the inductance of the first sub-converter and a part of the inductance of the second sub-converter can be laid as rewinding in the return path of the sub-converter. This allows common mode disturbances of the voltage converter to be reduced.
  • the inductance of a main coil may be equal to or greater than the inductance of a corresponding rewind.
  • the ratio between the inductances of the main coil and the rewind can be in a range between 1: 1 and 5: 1.
  • the first and the second part converters can each be designed as rectifiers.
  • a rectification function a
  • the first switch of a sub-converter can be clocked, while the second switch is operated as a diode. Furthermore, during a negative half cycle of the input voltage, the second switch a partial converter clocked and the first switch is operated as a diode.
  • a sub-converter can thus be operated both during a positive half-wave and during a negative half-wave as an outward or boost converter. In this case, by reversing the operation of the switch of the switch half-bridge of a partial converter, the rectification function can be effected.
  • the frequency of the AC input voltage is 50Hz or 60Hz.
  • the clocked operation of a switch can be in a frequency range of lOOkHz, lMHz or more.
  • the first sub-converter and the second sub-converter may be operated out of phase with each other with respect to the timing of the switches of the first and second switch half-bridges.
  • the phase shift may be e.g. at 180 °.
  • the voltage of the voltage converter can be increased.
  • Voltage converter can be reduced.
  • the first main coil and the second main coil may form a common, coupled choke in combination with the first rewind and the second rewind.
  • the coupled throttle has a common
  • the throttle core comprises at least one outer leg and at least one middle leg.
  • the at least one outer leg is enclosed by turns of the first and / or second main coil and / or the first and / or second rewind.
  • Center leg not enclosed by turns of main coils and rewinds.
  • the middle leg can not be enclosed by turns.
  • the material of the outer leg have a permeability greater than a permeability of the material of the center leg.
  • the permeability (in particular the permeability number) of the material of the outer leg may be greater than the permeability (in particular the permeability number) of the middle leg by a factor of 10, 100 or more.
  • the material of the at least one outer limb and the material of the at least one center limb may each have a permeability number of 10, 20 or more (eg in each case at least be ferromagnetic).
  • the material of the outer leg may comprise nanocrystalline and / or ferrite.
  • the material of the center leg may include ferromagnetic Metallkömer and / or a ferromagnetic powder.
  • Permeability numbers of the different regions of the throttle body are selected (e.g., in the course of experiments) to reduce the common mode noise, in particular to minimize and / or to reduce the packaging space of the throttle core.
  • the complexity of a line filter to meet EMC requirements can be reduced, so that the size, space and weight of a charger that includes the voltage converter, can be reduced.
  • the permeability of the at least one outer limb and / or the at least one center limb is preferably substantially homogeneous over the entire spatial extent of the outer limb and / or the middle limb.
  • the throttle core can only have two different regions (the region of the one or more outer limbs and the region of the one or more middle limbs), each of which has a substantially homogeneous permeability.
  • the throttle core may have a first outer leg and a second outer leg
  • Exterior leg include, wherein the first outer leg through the
  • the first outer leg may pass through the first main coil and through the first rewind.
  • the second outer leg may pass through the first main coil and through the first rewind.
  • the first outer leg and the second outer leg can one
  • first outer leg and the second outer leg can each be C-shaped and together form a magnetic circuit for the
  • the center leg may form a magnetic path for a magnetic flux passing through only a part of the turns of the first and second main coils and the first and second rewinds.
  • the middle leg can run at least partially parallel to the first and second outer leg.
  • both ends of the center leg may be in direct contact with the circuit formed by the outer legs.
  • a substantially homogeneous magnetic path may be formed by the center leg from a first point to a second point of the magnetic circuit (as a kind of short circuit of the magnetic circuit for the main magnetic flux), e.g. to further reduce the degree of common mode noise.
  • a charger in another aspect, includes the voltage converter described in this document.
  • a road vehicle especially a passenger car or a truck or a bus or motorcycle
  • the voltage converter described in this document and / or the charger described in that document.
  • FIG. 1 shows an exemplary multiphase voltage converter with a coupled PFC choke
  • FIG. 2 shows an exemplary multi-part coil core for a coupled PFC throttle.
  • FIG. 1 shows an exemplary two-phase rectifier 100 having a first transistor half-bridge 110 for a first partial rectifier and a second transistor half-bridge 120 for a second partial rectifier.
  • the two partial rectifiers are operated, for example, with a phase shift of 180 ° (with respect to the clock cycle of the switches Sn, Si 2 , S21, S22 of the transistor half-bridges 110, 120).
  • the rectifier 100 has a diode half-bridge 130 (with the diodes S NI and S N 2) and a coupled inductor 140 with partial coils 141, 142, 143, 144.
  • the rectifier 100 is set up an AC (Altemating Current)
  • the first partial rectifier forms a positive half-wave of the input voltage via the first main coil Li 141 with the clocked first switch Sn and operated as a diode second switch Si 2 a
  • the common mode noise can be reduced by routing a portion of the inductors of the sub-rectifiers into the return path of the sub-rectifiers, with the return path extending from the midpoint of diode half bridge 130 to the second pole of the input voltage.
  • the rectifier 100 may have a rewinding L 3 143 and a rewinding L 4 143, the main reels 141, 142 and the rewinds 143, 144 being magnetically coupled together.
  • Rectifier 100 includes, can be reduced.
  • FIG. 2 shows an exemplary coupled throttle 140 for a rectifier 100.
  • the throttle 140 has a multipart coil or throttle core 200.
  • the choke core 200 has outer legs 201, wherein a first outer leg 201 is enclosed by the turns of the first main coil 141 and the first rewind 143, and a second outer leg 201 of the turns of the second main coil 142 and the second rewind
  • the outer legs 202 are magnetically connected to each other to conduct a main magnetic flux 211, which turns all the turns the coils 141, 142, 143, 144 passes.
  • a main magnetic flux 211 which turns all the turns the coils 141, 142, 143, 144 passes.
  • Outer leg 202 may be C-shaped, and connected to each other so that there is a homogeneous magnetic circuit for the main magnetic flux 211.
  • the throttle core 200 includes a center leg 202 which is the two
  • External limb 201 short-circuits and is enclosed by none of the turns of the coils 141, 142, 143, 144.
  • the center leg 202 conducts a magnetic (stray) flux 212, which does not pass all the turns of the coils 141, 142, 143, 144 of the coupled inductor 140.
  • the outer legs 201 and the middle leg 202 of the throttle body 200 may have different materials with different properties.
  • the outer magnetic path i.e., in the outer magnetic path
  • Outer legs 201) a highly permeable core material (e.g.
  • Nanocrystalline and / or ferrite since this is advantageous for the coupling of the windings of the coils 141, 142, 143, 144 and thus for the reduction of the current ripple in the inductor 140 and thus for the reduction of the losses in the inductor 140.
  • a low permeability core material e.g., a powder core
  • a powder core may be used to optimize this portion of the magnetic energy storage choke 200.
  • Throttle parameters are used to further reduce common mode transients.
  • a line filter for filtering common-mode currents can be further reduced to reduce the cost, space and weight of chargers.

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  • Power Engineering (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Dc-Dc Converters (AREA)
  • Rectifiers (AREA)

Abstract

Es wird ein Spannungswandler (100) beschrieben, der eingerichtet ist, eine Wechsel-Eingangsspannung in eine Gleich-Ausgangsspannung zu wandeln. Der Spannungswandler (100) umfasst einen ersten Teil-Wandler mit einer ersten Schalter-Halbbrücke (110), die über eine erste Hauptspule (141) mit einem ersten Pol der Eingangsspannung gekoppelt ist, sowie einen zweiten Teil-Wandler mit einer zweiten Schalter-Halbbrücke (120), die über eine zweite Hauptspule (142) mit dem ersten Pol der Eingangsspannung gekoppelt ist. Außerdem umfasst der Spannungswandler (100) eine gemeinsam von dem ersten Teil-Wandler und dem zweiten Teil-Wandler genutzte Dioden-Halbbrücke. Ferner umfasst der Spannungswandler (100) eine erste Rückspule (143) und eine zweite Rückspule (144), die einen Mittelpunkt der Dioden-Halbbrücke mit einem zweiten Pol der Eingangsspannung koppeln. Die erste und zweite Hauptspule (141, 142) und die erste und zweite Rückspule (143, 143) bilden dabei eine gekoppelte Drossel (140), wobei die gekoppelte Drossel (140) einen Drosselkern (200) aufweist. Der Drosselkern (200) weist zumindest einen Außenschenkel (201) auf, der von Windungen der ersten und/oder zweiten Hauptspule (141, 142) und/oder der ersten und/oder zweiten Rückspule (143, 143) umschlossen ist, und zumindest einen Mittelschenkel (202) auf, der nicht von Windungen der Hauptspulen (141, 42) und der Rückspulen (143, 143) umschlossen ist. Dabei weisen der Außenschenkel (201) und der Mittelschenkel (202) Materialien mit jeweils unterschiedlichen Permeabilitäten auf.

Description

Spannungswandler mit gekoppelter PFC Drossel
Die Erfindung betrifft einen mehrphasigen Spannungswandler, insbesondere einen Gleichrichter, mit einer gekoppelten Drossel als Leistungsfaktorkorrekturfilter.
Bei einem AC/DC Wandler bzw. Gleichrichter, z.B. für ein Ladegerät eines zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Lahrzeugs, der an ein öffentliches Stromnetz angeschlossen wird, wird typischerweise eine
Leistungsfaktorkorrekturstufe (Power Lactor Correction / PLC) verwendet, um Netzanschlussbedingungen (insbesondere in Bezug auf begrenzte
Oberwellenanteile im Netzstrom) zu erfüllen. Insbesondere können mehrphasige PLC Spannungswandler verwendet werden, wie z.B. ein sogenannter Totem-Pole Konverter. Die einzelnen Drosseln eines mehrphasigen PPC Spannungswandlers können als gekoppelte Drosseln ausgeführt werden. Durch die Verwendung eines mehrphasigen Spannungswandlers mit gekoppelten Drosseln kann der
Rippelstrom reduziert werden.
Ein mehrphasiger Spannungswandler weist Halbleiterschalter (insbesondere Galliumnitrid, GaN, Transistoren) auf, die mit einer relativ hohen Prequenz geschaltet werden (z.B. mit lMHz und mehr). Durch das Schalten der
Halbleiterschalter können Gleichtakt (Common Mode - CM) und Gegentakt (Differential Mode - DM) Störungen entstehen, welche typischerweise über ein mehrstufiges Netzfilter kompensiert werden müssen, um die netzseitigen EMV- (elektromagnetische Verträglichkeit) Anforderungen zu erfüllen.
Das vorliegende Dokument befasst sich mit der technischen Aufgabe, die Gleichtakt- Störungen eines mehrphasigen Spannungswandlers zu reduzieren, insbesondere um gleichzeitig das Gewicht, die Kosten und den Bauraum für die PPC Drossel und damit für ein Ladegerät eines Pahrzeugs zu reduzieren. Die Aufgabe wird durch den unabhängigen Anspruch gelöst. Vorteilhafte
Ausführungsformen werden u.a. in den abhängigen Ansprüchen beschrieben. Es wird daraufhingewiesen, dass zusätzliche Merkmale eines von einem
unabhängigen Patentanspruch abhängigen Patentanspruchs ohne die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs oder nur in Kombination mit einer Teilmenge der Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs eine eigene und von der Kombination sämtlicher Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs
unabhängige Erfindung bilden können, die zum Gegenstand eines unabhängigen Anspruchs, einer Teilungsanmeldung oder einer Nachanmeldung gemacht werden kann. Dies gilt in gleicher Weise für in der Beschreibung beschriebene technische Lehren, die eine von den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche unabhängige Erfindung bilden können.
Gemäß einem Aspekt wird ein Spannungswandler, insbesondere ein Gleichrichter, beschrieben, der eingerichtet ist, eine Wechsel- bzw. AC -Eingangsspannung in eine Gleich- bzw. DC-Ausgangsspannung zu wandeln. Der Spannungswandler kann Teil eines Ladegeräts sein, insbesondere eines Ladegeräts eines
Straßenkraftfahrzeugs . Der Spannungswandler umfasst einen ersten Teil- Wandler mit einer ersten Schalter-Halbbrücke, wobei die erste Schalter-Halbbrücke über eine erste
Hauptspule mit einem ersten Pol der Eingangsspannung gekoppelt ist. Die erste Schalter-Halbbrücke kann einen ersten Schalter und einen zweiten Schalter umfassen, die in Reihe zwischen einem Pluspol und einem Minuspol der
Ausgangsspannung angeordnet sind. Die erste Hauptspule kann dann einen Mittelpunkt zwischen dem ersten Schalter und dem zweiten Schalter der ersten Schalter-Halbbrücke mit dem ersten Pol der Eingangsspannung koppeln. Die Schalter der ersten Schalter-Halbbrücke können jeweils als Galliumnitrid (GaN) Transistoren ausgebildet sein.
Ferner umfasst der Spannungswandler einen zweiten Teil- Wandler mit einer zweiten Schalter-Halbbrücke, die über eine zweite Hauptspule mit dem ersten Pol der Eingangsspannung gekoppelt ist. Analog zu der ersten Schalter-Halbbrücke kann auch die zweite Schalter-Halbbrücke einen ersten Schalter und einen zweiten Schalter umfassen, die in Reihe zwischen dem Pluspol und dem Minuspol der Ausgangsspannung angeordnet sind. Die zweite Hauptspule kann dann einen Mittelpunkt zwischen dem ersten Schalter und dem zweiten Schalter der zweiten Schalter-Halbbrücke mit dem ersten Pol der Eingangsspannung koppeln. Die Schalter der zweiten Schalter-Halbbrücke können jeweils als Galliumnitrid (GaN) Transistoren ausgebildet sein. Außerdem umfasst der Spannungswandler eine gemeinsam von dem ersten Teil- Wandler und dem zweiten Teil-Wandler genutzte Dioden-Halbbrücke. Die Dioden-Halbbrücke kann eine erste Diode und eine zweite Diode umfassen, die in Reihe zwischen dem Pluspol und dem Minuspol der Ausgangsspannung angeordnet sind.
Der Spannungswandler umfasst ferner eine erste Rückspule und eine zweite Rückspule, die einen Mittelpunkt der Dioden-Halbbrücke mit einem zweiten Pol der Eingangsspannung koppeln. Mit anderen Worten, ein Teil der Induktivität des ersten Teil-Wandlers und ein Teil der Induktivität des zweiten Teil-Wandlers kann als Rückspulen in den Rückpfad der Teil-Wandler verlegt werden. So können Gleichtakt- Störungen des Spannungswandlers reduziert werden. Die Induktivität einer Hauptspule kann gleich wie oder größer als die Induktivität einer entsprechenden Rückspule sein. Beispielsweise kann das Verhältnis zwischen den Induktivitäten der Hauptspule und der Rückspule in einem Bereich zwischen 1 : 1 und 5 : 1 liegen.
Der erste und der zweite Teil -Wandler können jeweils als Gleichrichter ausgebildet sein. Dabei kann im Rahmen der Gleichricht-Funktion eine
Spannungsaufwärtswandlung erfolgen. Während einer positiven Halbwelle der Eingangsspannung kann der erste Schalter eines Teil- Wandlers getaktet werden, während der zweite Schalter als Diode betrieben wird. Des Weiteren können während einer negativen Halbwelle der Eingangsspannung der zweite Schalter eines Teil- Wandlers getaktet und der erste Schalter als Diode betrieben wird. Ein Teil- Wandler kann somit sowohl während einer positiven Halbwelle als auch während einer negativen Halbwelle als Auswärts- bzw. Boost-Wandler betrieben werden. Dabei kann durch Umkehr des Betriebs der Schalter der Schalter- Halbbrücke eines Teil- Wandlers die Gleichricht-Funktion bewirkt werden.
Typischerweise liegt die Frequenz der Wechsel-Eingangsspannung bei 50Hz oder 60Hz. Der getaktete Betrieb eines Schalters kann in einem Frequenzbereich von lOOkHz, lMHz oder mehr liegen.
Der erste Teil- Wandler und der zweite Teil-Wandler können phasenverschoben zueinander in Bezug auf den Takt der Schalter der ersten und zweiten Schalter- Halbbrücken betrieben werden. Dabei kann die Phasenverschiebung z.B. bei 180° liegen. Durch die Verwendung von mehreren (ggf. phasenverschobenen) Teil- Wandlern kann die Feistung des Spannungswandlers erhöht werden. Des Weiteren können Rippel der Ausgangsspannung und/oder des Ausgangsstroms des
Spannungswandlers reduziert werden.
Die erste Hauptspule und die zweite Hauptspule können in Kombination mit der ersten Rückspule und der zweiten Rückspule eine gemeinsame, gekoppelte Drossel bilden. Dabei weist die gekoppelte Drossel einen gemeinsamen
Drosselkem auf. Der Drosselkem umfasst zumindest einen Außenschenkel und zumindest einen Mittelschenkel. Der zumindest eine Außenschenkel ist von Windungen der ersten und/oder zweiten Hauptspule und/oder der ersten und/oder zweiten Rückspule umschlossen. Andererseits ist der zumindest eine
Mittelschenkel nicht von Windungen der Hauptspulen und der Rückspulen umschlossen. Insbesondere kann der Mittelschenkel von keinen Windungen umschlossen sein. Dabei weisen der zumindest eine Außenschenkel und der zumindest eine
Mittelschenkel Materialien mit jeweils unterschiedlichen Permeabilitäten bzw. Permeabilitätszahlen auf. Insbesondere kann das Material des Außenschenkels eine Permeabilität aufweisen, die größer als eine Permeabilität des Materials des Mittelschenkels ist. Beispielsweise kann die Permeabilität (insbesondere die Permeabilitätszahl) des Materials des Außenschenkels um einen Faktor 10, 100 oder mehr größer als die Permeabilität (insbesondere die Permeabilitätszahl) des Mittelschenkels sein. Des Weiteren kann das Material des zumindest einen Außenschenkels und das Material des zumindest einen Mittelschenkels jeweils eine Permeabilitätszahl von 10, 20 oder mehr aufweisen (z.B. jeweils zumindest ferromagnetisch sein). Beispielsweise kann das Material des Außenschenkels Nanokristallin und/oder Ferrit umfassen. Das Material des Mittelschenkels kann ferromagnetische Metallkömer und/oder ein ferromagnetisches Pulver umfassen.
Es wird somit ein (mehrphasiger) Spannungswandler beschrieben, der eine gemeinsame, magnetisch gekoppelte Drossel, mit einem Drosselkem mit unterschiedlich permeablen Bereichen aufweist. So können Gleichtakt- Störungen des Spannungswandlers reduziert werden. Insbesondere können die
Permeabilitätszahlen der unterschiedlichen Bereiche des Drosselkems derart ausgewählt werden (z.B. im Rahmen von Versuchen), um die Gleichtakt- Störungen zu reduzieren, insbesondere zu minimieren und/oder um den Bauraum des Drosselkems zu reduzieren. So kann die Komplexität eines Netzfilters zur Einhaltung von EMV- Anforderungen reduziert werden, so dass die Größe, der Bauraum und das Gewicht eines Ladegeräts, das den Spannungswandler umfasst, reduziert werden können.
Die Permeabilität des zumindest einen Außenschenkels und/oder des zumindest einen Mittelschenkels ist bevorzugt im Wesentlichen homogen über die gesamte räumliche Ausdehnung des Außenschenkels und/oder des Mittelschenkels.
Insbesondere kann der Drosselkem nur zwei unterschiedliche Bereiche (den Bereich der ein oder mehreren Außenschenkel und den Bereich der ein oder mehreren Mitte lschenkel) aufweisen, die jeweils eine im Wesentlichen homogene Permeabilität aufweisen. So kann die Effizienz des Drosselkems weiter erhöht werden. Der Drosselkem kann einen ersten Außenschenkel und einen zweiten
Außenschenkel umfassen, wobei sich der erste Außenschenkel durch die
Windungen der ersten Hauptspule und durch die Windungen der ersten Rückspule erstreckt, und wobei sich der zweite Außenschenkel durch die Windungen der zweiten Hauptspule und durch die Windungen der zweiten Rückspule erstreckt. Mit anderen Worten, der erste Außenschenkel kann durch die erste Hauptspule und durch die erste Rückspule verlaufen. Andererseits kann der zweite
Außenschenkel durch die zweite Hauptspule und durch die zweite Hauptspule verlaufen.
Der erste Außenschenkel und der zweite Außenschenkel können einen
zusammenhängenden, im Wesentlichen homogenen, magnetischen Pfad für einen magnetischen Hauptfluss bilden, der alle Windungen der ersten und zweiten Hauptspule und der ersten und zweiten Rückspule durchläuft. Insbesondere können der erste Außenschenkel und der zweite Außenschenkel jeweils C-förmig ausgebildet sein und zusammen einen magnetischen Kreislauf für den
magnetischen Hauptfluss bilden.
Andererseits kann der Mittelschenkel einen magnetischen Pfad für einen magnetischen Fluss bilden, der nur einen Teil der Windungen der ersten und zweiten Hauptspule und der ersten und zweiten Rückspule durchläuft. Der Mittelschenkel kann zumindest teilweise parallel zu dem ersten und zweiten Außenschenkel verlaufen. Des Weiteren können beide Enden des Mittelschenkels in direktem Kontakt mit dem durch die Außenschenkel gebildeten Kreislauf stehen. Insbesondere kann durch den Mittelschenkel ein im Wesentlichen homogener magnetischer Pfad von einem ersten Punkt zu einem zweiten Punkt des magnetischen Kreislaufs gebildet werden (als eine Art Kurzschluss des magnetischen Kreislaufs für den magnetischen Hauptfluss), z.B. um den Grad der Gleichtakt- Störungen weiter zu reduzieren.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Ladegerät beschrieben, das den in diesem Dokument beschriebenen Spannungswandler umfasst. Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Straßenkraftfahrzeug (insbesondere ein Personenkraftwagen oder ein Lastkraftwagen oder ein Bus oder ein Motorrad) beschrieben, das den in diesem Dokument beschriebenen Spannungswandler und/oder das in diesem Dokument beschriebene Ladegerät umfasst.
Es ist zu beachten, dass die in diesem Dokument beschriebenen Vorrichtungen und Systeme sowohl alleine, als auch in Kombination mit anderen in diesem Dokument beschriebenen Vorrichtungen und Systemen verwendet werden können. Des Weiteren können jegliche Aspekte der in diesem Dokument beschriebenen Vorrichtungen und Systemen in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden. Insbesondere können die Merkmale der Ansprüche in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden. Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Dabei zeigen
Figur 1 einen beispielhaften mehrphasigen Spannungswandler mit einer gekoppelten PFC Drossel; und
Figur 2 einen beispielhaften mehrteiligen Spulenkern für eine gekoppelte PFC Drossel.
Wie eingangs dargelegt, befasst sich das vorliegende Dokument mit der
Reduzierung von CM- bzw. Gleichtakt-Störungen bei einem mehrphasigen Spannungswandler. Fig. 1 zeigt einen beispielhaften zweiphasigen Gleichrichter 100, mit einer ersten Transistorhalbbrücke 110 für einen ersten Teil-Gleichrichter und einer zweiten Transistorhalbbrücke 120 für einen zweiten Teil-Gleichrichter. Die beiden Teil-Gleichrichter werden z.B. mit einem Phasenversatz von 180° betrieben (in Bezug auf die den Takt-Zyklus der Schalter Sn, Si2, S21, S22 der Transistorhalbbrücken 110, 120). Des Weiteren weist der Gleichrichter 100 eine Diodenhalbbrücke 130 (mit den Dioden SNI und SN2) sowie einen gekoppelte Drossel 140 mit Teilspulen 141, 142, 143, 144 auf. Der Gleichrichter 100 ist eingerichtet eine AC- (Altemating Current)
Eingangsspannung VIN in eine DC- (Direct Current) Ausgangsspannung Vo zu wandeln. Dabei bildet der erste Teil-Gleichrichter bei einer positiven Halbwelle der Eingangsspannung über die erste Hauptspule Li 141 mit dem getakteten ersten Schalter Sn und dem als Diode betriebenen zweiten Schalter Si2 einen
Aufwärtswandler. Dies gilt in entsprechender Weise für den zweiten Teil- Gleichrichter mit der zweiten Hauptspule L2 142. Bei einer negativen Halb welle der Eingangsspannung bildet der erste Teil-Gleichrichter über die erste
Hauptspule Li 141 mit dem getakteten zweiten Schalter Si2 und dem als Diode betriebenen ersten Schalter Sn einen Aufwärtswandler. Dies gilt in entsprechender Weise für den zweiten Teil-Gleichrichter. So kann eine effiziente Gleichrichtung mit aktiver Leistungsfaktorkorrektur erfolgen.
Die Gleichtakt-Störungen können dadurch reduziert werden, dass ein Teil der Induktivitäten der Teil-Gleichrichter in den Rückpfad der Teil-Gleichrichter verlegt werden, wobei der Rückpfad von dem Mittelpunkt der Diodenhalbbrücke 130 zu dem zweiten Pol der Eingangsspannung verläuft. Insbesondere kann der Gleichrichter 100 eine Rückspule L3 143 und eine Rückspule L4 143 aufweisen, wobei die Hauptspulen 141, 142 und die Rückspulen 143, 144 magnetisch miteinander gekoppelt sind. Durch die Reduzierung der Gleichtakt- Störungen kann ein Netzfilter zur Filterung dieser Störungen kleiner dimensioniert werden, so dass die Größe, die Kosten und das Gewicht eines Ladegeräts, das den
Gleichrichter 100 umfasst, reduziert werden können. Fig. 2 zeigt eine beispielhafte gekoppelte Drossel 140 für einen Gleichrichter 100. Dabei weist die Drossel 140 einen mehrteiligen Spulen- bzw. Drosselkem 200 auf. Insbesondere weist der Drosselkem 200 Außenschenkel 201 auf, wobei ein erster Außenschenkel 201 von den Windungen der ersten Hauptspule 141 und der ersten Rückspule 143 umschlossen wird, und wobei ein zweiter Außenschenkel 201 von den Windungen der zweiten Hauptspule 142 und der zweiten Rückspule
144 umschlossen wird. Die Außenschenkel 202 sind miteinander magnetisch verbunden, um einen magnetischen Hauptfluss 211 zu leiten, der alle Windungen der Spulen 141, 142, 143, 144 durchläuft. Zu diesem Zweck können die
Außenschenkel 202 C-förmig ausgebildet sein, und derart miteinander verbunden sein, dass sich ein homogener magnetischer Kreislauf für den magnetischen Hauptfluss 211 ergibt.
Der Drosselkem 200 umfasst einen Mittelschenkel 202, der die beiden
Außenschenkel 201 kurzschließt und dabei von keiner der Windungen der Spulen 141, 142, 143, 144 umschlossen wird. Der Mittelschenkel 202 leitet einen magnetischen (Streu-) Fluss 212, der nicht alle Windungen der Spulen 141, 142, 143, 144 der gekoppelten Drossel 140 durchläuft. Die Enden des Mittelschenkels
202 können direkt mit jeweils einem Außenschenkel 201 verbunden sein, so dass der magnetische Pfad für den (Streu-) Fluss 212 nur an den (zwei) Übergängen zwischen einem Außenschenkel 201 und dem Mittelschenkel 202 eine
Inhomogenität in Bezug auf die Permeabilität aufweist.
Die Außenschenkel 201 und der Mittelschenkel 202 des Drosselkems 200 können unterschiedliche Materialien mit unterschiedlichen Eigenschaften aufweisen. Insbesondere kann in dem äußeren magnetischen Pfad (d.h. in den
Außenschenkeln 201) ein möglichst hochpermeables Kemmaterial (z.B.
Nanokristallin und/oder Ferrit) einzusetzen werden, da dies vorteilhaft für die Kopplung der Wicklungen der Spulen 141, 142, 143, 144 und somit für die Reduzierung des Stromrippels in der Drossel 140 und damit für die Reduzierung der Verluste in der Drossel 140 ist. Für den inneren magnetischen Pfad (d.h. für den Mittelschenkel 202) kann ein niederpermeables Kemmaterial (z.B. ein Pulverkem) verwendet werden, um diesen Teil des Drosselkems 200 für die Speicherung magnetischer Energie zu optimieren.
Durch die Verwendung von unterschiedlichen Materialien für unterschiedliche Bereiche des Drosselkems 200 kann eine unabhängige Optimiemng der
Drosselparameter erfolgen, um Gleichtakt- Stömngen weiter zu reduzieren. So kann ein Netzfilter zur Filterung von Gleichtakt- Stömngen weiter verkleinert werden, um die Kosten, den Bauraum und das Gewicht von Ladegeräten zu reduzieren.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt. Insbesondere ist zu beachten, dass die Beschreibung und die Figuren nur das Prinzip der vorgeschlagenen Vorrichtungen und Systeme veranschaulichen sollen.

Claims

Ansprüche
1) Spannungswandler (100), der eingerichtet ist, eine Wechsel- Eingangsspannung in eine Gleich- Ausgangsspannung zu wandeln; wobei der Spannungswandler (100) umfasst,
- einen ersten Teil -Wandler mit einer ersten Schalter-Halbbrücke (110), die über eine erste Hauptspule (141) mit einem ersten Pol der Eingangsspannung gekoppelt ist;
- einen zweiten Teil-Wandler mit einer zweiten Schalter-Halbbrücke (120), die über eine zweite Hauptspule (142) mit dem ersten Pol der Eingangsspannung gekoppelt ist;
- eine gemeinsam von dem ersten Teil-Wandler und dem zweiten Teil- Wandler genutzte Dioden-Halbbrücke;
- eine erste Rückspule (143) und eine zweite Rückspule (144), die einen Mittelpunkt der Dioden-Halbbrücke mit einem zweiten Pol der Eingangsspannung koppeln; wobei die erste und zweite Hauptspule (141, 142) und die erste und zweite Rückspule (143, 143) eine gekoppelte Drossel (140) bilden; wobei die gekoppelte Drossel (140) einen Drosselkem (200) aufweist; wobei der Drosselkem (200) zumindest einen Außenschenkel (201) aufweist, der von Windungen der ersten und/oder zweiten Hauptspule (141, 142) und/oder der ersten und/oder zweiten Rückspule (143, 143) umschlossen ist, und zumindest einen Mittelschenkel (202) aufweist, der nicht von Windungen der Hauptspulen (141, 142) und der Rückspulen (143, 143) umschlossen ist; wobei der Außenschenkel (201) und der
Mittelschenkel (202) Materialien mit jeweils unterschiedlichen Permeabilitäten aufweisen.
2) Spannungswandler ( 100) gemäß Anspruch 1 , wobei
- das Material des Außenschenkels (201) eine Permeabilität aufweist, die größer als eine Permeabilität des Materials des Mittelschenkels (202) ist; und - die Permeabilität des Materials des Außenschenkels (201)
insbesondere um einen Faktor 10, 100 oder mehr größer als die Permeabilität des Mittelschenkels (202) ist, 3) Spannungswandler (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei
- das Material des Außenschenkels (201) und das Material des
Mittelschenkels (202) jeweils eine Permeabilitätszahl von 10, 20 oder mehr aufweisen; und/oder
- eine Permeabilität des Außenschenkels (201) und/oder des
Mittelschenkels (202) im Wesentlichen homogen über die gesamte räumliche Ausdehnung des Außenschenkels (201) und/oder des Mittelschenkels (202) ist.
4) Spannungswandler (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei - das Material des Außenschenkels (201) Nanokristallin und/oder Ferrit umfasst; und/oder
- das Material des Mittelschenkels (202) ferromagnetische Metallkömer und/oder ein ferromagnetisches Pulver umfasst. 5) Spannungswandler (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei
- der Drosselkem (200) einen ersten Außenschenkel (201) und einen zweiten Außenschenkel (201) umfasst;
- sich der erste Außenschenkel (201) durch Windungen der ersten
Hauptspule (141) und der ersten Rückspule (143) erstreckt; - sich der zweite Außenschenkel (202) durch Windungen der zweiten
Hauptspule (142) und der zweiten Rückspule (144) erstreckt; und
- der erste Außenschenkel (201 ) und der zweite Außenschenkel (201 ) einen zusammenhängenden, im Wesentlichen homogenen, magnetischen Pfad für einen magnetischen Hauptfluss (211) bilden, der alle Windungen der ersten und zweiten Hauptspule (141, 142) und der ersten und zweiten Rückspule (143, 143) durchläuft.
6) Spannungswandler (100) gemäß Anspruch 5, wobei der Mittelschenkel (202) einen magnetischen Pfad für einen magnetischen Fluss (212) bildet, der nur einen Teil der Windungen der ersten und zweiten Hauptspule (141, 142) und der ersten und zweiten Rückspule (143, 143) durchläuft.
7) Spannungswandler (100) gemäß einem der Ansprüche 5 bis 6, wobei
- der Mittelschenkel (202) zumindest teilweise parallel zu dem ersten und zweiten Außenschenkel (201) verläuft; und/oder
- der erste Außenschenkel (201 ) und der zweite Außenschenkel (201 ) jeweils C-förmig ausgebildet sind und zusammen einen magnetischen Kreislauf bilden; und
- beide Enden des Mittelschenkels (202) in direktem Kontakt mit dem durch die Außenschenkel (201) gebildeten Kreislauf stehen, und einen im Wesentlichen homogenen magnetischen Pfad von einem ersten Bereich zu einem zweiten Bereich des magnetischen Kreislaufs bilden.
8) Spannungswandler (100) gemäß einem der Ansprüche, wobei
- die Schalter-Halbbrücke (110, 120) eines Teil- Wandlers einen ersten Schalter (Sn, S21) und einen zweiten Schalter (S12, S22) umfasst, die in Reihe zwischen einem Pluspol und einem Minuspol der
Ausgangsspannung angeordnet sind; und
- die Hauptspule (141, 142) eines Teil-Wandlers einen Mittelpunkt
zwischen dem ersten Schalter (S11, S21) und dem zweiten Schalter (S12, S22) mit dem ersten Pol der Eingangsspannung koppelt.
9) Spannungswandler (100) gemäß Anspruch 8, wobei
- während einer positiven Halbwelle der Eingangsspannung der erste Schalter (S11, S21) eines Teil-Wandlers getaktet und der zweite Schalter (S12, S22) als Diode betrieben wird; und - während einer negativen Halbwelle der Eingangsspannung der zweite Schalter (S12, S22) eines Teil- Wandlers getaktet und der erste Schalter (S11, S21) als Diode betrieben wird. 10) Spannungswandler (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Teil- Wandler und der zweite Teil- Wandler phasenverschoben zueinander in Bezug auf einen Takt von Schaltern (S11, S21, S12, S22) der ersten und zweiten Schalter-Halbbrücken (110, 120) betrieben werden.
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