WO2020001760A1 - Power converter - Google Patents

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WO2020001760A1
WO2020001760A1 PCT/EP2018/067245 EP2018067245W WO2020001760A1 WO 2020001760 A1 WO2020001760 A1 WO 2020001760A1 EP 2018067245 W EP2018067245 W EP 2018067245W WO 2020001760 A1 WO2020001760 A1 WO 2020001760A1
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converter
subcircuits
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PCT/EP2018/067245
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Thomas Komma
Monika POEBL
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Siemens Aktiengesellschaft
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Definitions

  • the invention relates to a power converter with a plurality of subcircuits of identical construction, designed for operation in the interleaved mode.
  • Power electronic circuits such as step-up converters or step-down converters can be divided into several identical sub-circuits and operated in parallel. The control then takes place in the so-called interleaved mode.
  • the active switches are clocked with the same duty cycle, but by the number of sub-circuits. With two subcircuits, the transistors are clocked with an offset of 50%, with three subcircuits with an offset of 33%.
  • a known form for such a coupled inductor comprises a U-core configuration in which a winding is arranged on each leg.
  • a limitation for the use of the coupled inductance results from the current carrying capacity of each individual winding.
  • the converter according to the invention has a plurality N of subcircuits of identical construction.
  • the partial circuits are designed for operation in interleaved mode.
  • the subcircuits each have an inductance, where the inductivities of the subcircuits are arranged coupled on a common core.
  • Each of the inductors comprises a plurality M of windings which are electrically connected in parallel and are arranged on the common core.
  • the core has a plurality of segments separated by air gaps or low-permeability material.
  • the current carrying capacity for the inductors is advantageously increased by dividing the inductors into the parallel windings.
  • the advantage of the coupled inductance - the smaller design by compensating for the direct component of the magnetic flux in the core - is retained.
  • the number M of windings per inductor is the same for all inductors. It can be, for example, two, three, four or more. This is the easiest way to compensate for the direct component of the magnetic flux in the core and the current carrying capacity of all subcircuits is the same.
  • the segments can be rod-shaped. It is a common and available form for magnetic cores.
  • the segments can in particular be of the same length.
  • the core can comprise exactly N * M segments. If the converter has, for example, three subcircuits and each inductance has four windings, there are 12 individual windings.
  • the core then expediently comprises at least 12 segments, in particular exactly 12 segments. Then each of the segments can carry one of the windings.
  • the core can comprise exactly N * 2 segments. In this case, there are segments for two windings per inductance, that is to say per subcircuit. In particular, the core can comprise 4 segments. In this case there are two windings for exactly two inductances, ie two sub-circuits.
  • the core can have the shape of a rectangle or a square.
  • rod-shaped segments can be assembled into a rectangle or square. If the core comprises exactly four or exactly eight segments, these can, for example, form a square with a side length of one segment or two segments. If the core comprises six segments, these can be connected to form a rectangle with side lengths of one segment and two segments.
  • rod-shaped segments for composition as a square or rectangle do not have to be changed mechanically, for example by chamfering.
  • each inductor comprises exactly two windings and these windings are arranged on one another in the core against opposite segments. It is for example two inductors, each with two windings and a square core, the sides of which by four rod-shaped segments on an upper, lower, left and Right position are formed, then the two windings gene a first of the inductors on the upper and lower Ren segment and the two windings of the other inductivity are arranged on the left and right segments.
  • the windings can be arranged in such a way that windings arranged on adjacent segments are negatively coupled, that is, the DC component of their magnetic flux is canceled. It is assumed that the inductors, to which the windings belong, are arranged equiva lent in the subcircuits and therefore during operation in the
  • the ratio of winding length to segment length can be between 0.3 and 0.7, in particular between 0.4 and 0.6. As a result, it is achieved that the leakage inductance becomes large enough for a low ripple current.
  • the resulting leakage inductance can be greater than about a third of the self-inductance and is therefore sufficient for the boost or buck function of the subcircuit.
  • the windings can have multiple layers. It is useful if the inner and outer layers are evenly distributed.
  • the windings belonging to a single inductance can be coupled. In other words, they can be arranged so that their magnetic flux adds up in the core.
  • the subcircuits can be constructed identically. This makes sense for operation in interleaved mode so that all sub-circuits work under the same conditions.
  • the subcircuits can each comprise a half-bridge with two power semiconductors, the middle connection of which Inductance is connected.
  • the converter can be a step-up converter or step-down divider.
  • FIG. 1 shows an inverse converter (buck boost converter) consisting of two identical stages
  • FIG. 2 shows a coupled inductance for the inverse converter
  • FIG. 3 shows an inverse converter consisting of three identical stages
  • Figure 4 shows a coupled inductor for the three-stage inverse converter.
  • FIG. 1 shows an inverse converter 10 consisting of two identical stages.
  • the inverse converter 10 comprises input connections 12 and output connections 14, each with an intermediate smoothing capacitor 16, 18.
  • the inverse converter 10 comprises two identical sub-circuits 20, 30 which are connected in parallel.
  • Each of the subcircuits 20, 30 comprises an inductor 22, 32 which is connected to one of the input terminals.
  • the inductors are each connected to the center connection of a half bridge 24, 34.
  • the half bridges 24, 34 each comprise two power semiconductors 26, 28, 36, 38, for example MOSFETs.
  • the external connections of the half bridges 24, 34 are connected to the output connections 14.
  • this inverse converter uses the interleaved mode.
  • the active power semiconductors 26, 28, 36, 38 are clocked with the same duty cycle, but offset by the number of stages. With the two sub-circuits of the inverse converter 10, the power semiconductors 26, 28, 36, 38 are clocked with an offset of 50%.
  • the two inductors 22, 32 of the subcircuits 20, 30 are shown in FIG. 1 as separate inductors. In this embodiment, however, they are constructed as coupled inductance, as is shown schematically in FIG. 2.
  • Figure 2 shows a core 40.
  • the core 40 is composed of four identical segments 42, 44, 46, 48.
  • the four segments 42, 44, 46, 48 are rod-shaped and arranged in a square, with the segments 42, 44 , 46, 48 are separated from one another by an air gap 41.
  • first windings 50, 52 are arranged on the first and third segments 42, 46, which lie opposite one another in the square formed.
  • the first windings 50, 52 together form the inductance 22 of the first subcircuit 20 of the inverse converter 10. They are switched electrically in parallel.
  • the two windings 50, 52 are arranged on the segments 42, 46 in such a way that they are also coupled, so that their magnetic flux is added in the core. Both the DC and AC components of the current add up, since the two windings 50, 52 are connected in parallel and correspond to the same inductor 22 in the inverse converter 10.
  • second windings 54, 56 are arranged on the second and fourth segments 44, 48, which also lie opposite one another in the square formed.
  • the second windings 54, 56 together form the inductance of the second subcircuit 30 of the inverse converter 10. They are connected electrically in parallel to this.
  • the windings 54, 56 are arranged on the segments 44, 48 in such a way that they are also coupled, that is, their magnetic flux is added in the core.
  • both add up in the second windings 54, 56 The same as the alternating component of the current, since they are connected in parallel and correspond to the same inductor 32 in the inverse converter 10.
  • the pairs of first and second windings 50, 52, 54, 56 are arranged with negative feedback on the segments 42, 44, 46, 48.
  • the DC component of the magnetic flux in the core 40 is therefore canceled out overall.
  • the alternating components are out of phase between the sub-circuits 20, 30 and therefore do not cancel each other out.
  • the core therefore does not have to be designed for a current flow of 120 A, but only for a maximum current flow of 40 A, as a result of which the core and thus the coupled inductance overall smaller who can.
  • the load on the inductors 22, 32 which still have to carry the maximum current of 120 A, is also reduced, since the current is now divided into two windings 50, 52, 54, 56.
  • the windings 50, 52, 54, 56 therefore only have to be designed for a maximum current of approx. 60 A or, if the design remains unchanged, can enable twice the current for the subcircuit 20, 30.
  • the inductance required to implement the boost or buck function is established by the leakage inductance resulting from leakage flux in the leakage path. If a suitable ratio of the length of the windings 50, 52, 54, 56 to the length of the respective segment 42, 44, 46, 48 is observed, for example a ratio of approx. 1 to 2, a leakage can flow and the resulting one for Configuration useful larger leakage inductance in the range of 30% of the self-inductance of each individual winding 50, 52, 54, 56 can be realized. This leakage inductance is then sufficiently large for a reduced ripple current in the boost stage. The parallel connection of the windings increases the current carrying capacity of the entire arrangement.
  • FIG. 3 shows an inverse converter 70 consisting of three identical stages.
  • the inverse converter 70 is constructed very similarly to the inverse converter 10.
  • the inverse converter 70 now comprises three identical sub-circuits 20, 30, 80, which are connected in parallel.
  • the three sub-circuits 20, 30, 80 are like the part ⁇ circuits 20, 30 of the inverse converter 10 of FIG 1 builds up ⁇ .
  • the inductors 22, 32, 82 of the subcircuits 20, 30, 80 are constructed as a coupled inductor, which is shown schematically in FIG. 4.
  • Figure 4 shows a core 90.
  • the core 90 is composed of six identical segments 92 ... 97.
  • the six segments 92 ... 97 are rod-shaped and arranged to form a rectangle, the segments 92 ... 97 being separated from one another by an air gap.
  • inductors 22, 32, 82 which are each divided into two windings 100 ... 105.
  • the two windings 100 ... 105 which form one of the inductors 22, 32,
  • the arrangement of the windings 100 ... 105 is such that the windings 100, 101 belonging to the first inductor 22 are arranged on the short sides of the rectangle and the windings 102, 103 belonging to the second inductance 32 are mutually related with respect to the center point of the rectangle are arranged opposite one another on the long sides of the rectangle.
  • the arrangements shown can also be used in circuits with a different number of sub-circuits 20, 30, 80.
  • the core can be constructed in the manner of a square with a side length of 2 segments.
  • the windings belonging to an inductor can also be arranged coupled, which is only the case with an even number of inductors.

Abstract

A power converter (10, 70) having a plurality N of identically constructed subcircuits (20, 30, 80), designed for operation in interleaved mode, in which the subcircuits (20, 30 80) each have an inductance (22, 32, 82), wherein the inductances (22, 32, 82) are arranged coupled on a common core (40, 90), wherein each of the inductances (22, 32, 82) comprises a plurality M of windings (50, 52, 54, 56, 100 … 105), which are electrically connected in parallel and are arranged on the common core (40, 90), wherein a first half of the N*M windings (50, 52, 54, 56, 100 … 105) and the second half of the N*M windings (50, 52, 54, 56, 100 … 105) are arranged on the core (40, 90) in a manner coupled with negative feedback to one another and wherein the core (40, 90) has a plurality of segments (42, 44, 46, 48, 92...97) separated by air gaps or low-permeable material.

Description

Beschreibung description
Stromrichter power converters
Die Erfindung betrifft einen Stromrichter mit einer Mehrzahl von gleichartig aufgebauten Teilschaltungen, ausgestaltet zum Betrieb im interleaved-Modus . The invention relates to a power converter with a plurality of subcircuits of identical construction, designed for operation in the interleaved mode.
Leistungselektronische Schaltungen wie beispielsweise Hoch setzsteller oder Tiefsetzsteiler lassen sich auf mehrere identische Teilschaltungen aufteilen und parallel betreiben. Die Ansteuerung erfolgt dann im sogenannten interleaved- Modus. Dabei werden die aktiven Schalter mit dem gleichen Tastverhältnis, jedoch um die Anzahl der Teilschaltungen ver setzt getaktet. Bei zwei Teilschaltungen werden die Transis toren also mit einem Versatz von 50% getaktet, bei drei Teil schaltungen mit einem Versatz von 33%. Power electronic circuits such as step-up converters or step-down converters can be divided into several identical sub-circuits and operated in parallel. The control then takes place in the so-called interleaved mode. The active switches are clocked with the same duty cycle, but by the number of sub-circuits. With two subcircuits, the transistors are clocked with an offset of 50%, with three subcircuits with an offset of 33%.
Dabei ist es möglich, die separaten Induktivitäten der Teil schaltungen durch eine einzige, durch einen gemeinsamen Kern verkoppelte Induktivität zu ersetzen. Vorteil dieser Konfigu ration ist das geringere Bauvolumen, da durch diese Anordnung der Gleichanteil des magnetischen Flusses im Kern kompensiert und dadurch der Kernquerschnitt deutlich reduziert werden kann . It is possible to replace the separate inductances of the sub-circuits with a single inductor coupled by a common core. The advantage of this configuration is the lower construction volume, since this arrangement compensates for the DC component of the magnetic flux in the core, thereby significantly reducing the core cross-section.
Eine bekannte Form für eine solche verkoppelte Induktivität umfasst eine U-Kern-Konfiguration, bei der auf jedem Schenkel eine Wicklung angeordnet ist. Eine Begrenzung für den Einsatz der verkoppelten Induktivität ergibt sich aus der Stromtrag fähigkeit jeder einzelnen Wicklung. A known form for such a coupled inductor comprises a U-core configuration in which a winding is arranged on each leg. A limitation for the use of the coupled inductance results from the current carrying capacity of each individual winding.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten Stromrichter für den Betrieb im interleaved-Modus anzugeben, bei dem eine verkoppelte Induktivität mit erhöhter Stromtrag fähigkeit vorhanden ist. Diese Aufgabe wird durch einen Stromrichter mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. It is an object of the present invention to provide an improved converter for operation in interleaved mode, in which a coupled inductance with increased current carrying capacity is available. This object is achieved by a converter with the features of claim 1.
Der erfindungsgemäße Stromrichter weist eine Mehrzahl N von gleichartig aufgebauten Teilschaltungen auf. Die Teilschal tungen sind ausgestaltet zum Betrieb im interleaved-Modus . The converter according to the invention has a plurality N of subcircuits of identical construction. The partial circuits are designed for operation in interleaved mode.
Die Teilschaltungen weisen jeweils eine Induktivität auf, wo bei die Induktivitäten der Teilschaltungen verkoppelt auf ei nem gemeinsamen Kern angeordnet sind. Dabei umfasst jede der Induktivitäten eine Mehrzahl M von Wicklungen, die elektrisch parallel geschaltet sind und auf dem gemeinsamen Kern ange ordnet sind. The subcircuits each have an inductance, where the inductivities of the subcircuits are arranged coupled on a common core. Each of the inductors comprises a plurality M of windings which are electrically connected in parallel and are arranged on the common core.
Weiterhin sind eine erste Hälfte der N*M Wicklungen und die verbleibende, zweite Hälfte der N*M Wicklungen zueinander ge gengekoppelt auf dem Kern angeordnet. Schließlich weist der Kern eine Mehrzahl von durch Luftspalte oder niedrigpermeab les Material getrennten Segmenten auf. Furthermore, a first half of the N * M windings and the remaining, second half of the N * M windings are arranged against one another on the core. Finally, the core has a plurality of segments separated by air gaps or low-permeability material.
Vorteilhaft wird durch die Aufteilung der Induktivitäten in die parallelen Wicklungen die Stromtragfähigkeit für die Induktivitäten erhöht. Gleichzeitig bleibt dabei der Vorteil der verkoppelten Induktivität - die kleinere Bauform durch Kompensierung des Gleichanteils des magnetischen Flusses im Kern - erhalten. The current carrying capacity for the inductors is advantageously increased by dividing the inductors into the parallel windings. At the same time, the advantage of the coupled inductance - the smaller design by compensating for the direct component of the magnetic flux in the core - is retained.
Dabei ist es zweckmäßig, wenn die Zahl M der Wicklungen pro Induktivität für alle Induktivitäten gleich ist. Sie kann beispielsweise zwei, drei, vier oder mehr betragen. Damit ist am einfachsten eine Kompensierung des Gleichanteils des mag netischen Flusses im Kern erreichbar und die Stromtragfähig keit aller Teilschaltungen ist gleich. It is useful if the number M of windings per inductor is the same for all inductors. It can be, for example, two, three, four or more. This is the easiest way to compensate for the direct component of the magnetic flux in the core and the current carrying capacity of all subcircuits is the same.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Stromrich ters gehen aus den abhängigen Ansprüchen hervor. Dabei kann die Ausführungsform nach Anspruch 1 mit den Merkmalen eines der Unteransprüche oder vorzugsweise auch mit denen aus meh- reren Unteransprüchen kombiniert werden. Demgemäß können noch zusätzlich folgende Merkmale vorgesehen sein: Advantageous embodiments of the converter according to the invention emerge from the dependent claims. The embodiment according to claim 1 can have the features of one of the subclaims or preferably also those of several other subclaims can be combined. Accordingly, the following features can also be provided:
- Die Segmente können stabförmig sein. Dabei handelt es sich um eine verbreitete und verfügbare Form für magnetische Ker ne. Die Segmente können insbesondere gleich lang sein. - The segments can be rod-shaped. It is a common and available form for magnetic cores. The segments can in particular be of the same length.
- Der Kern kann genau N*M Segmente umfassen. Weist der Strom richter beispielsweise drei Teilschaltungen auf und jede In duktivität vier Wicklungen, liegen 12 einzelne Wicklungen vor. Der Kern umfasst dann zweckmäßig wenigstens 12 Segmente, insbesondere genau 12 Segmente. Dann kann jedes der Segmente eine der Wicklungen tragen. - The core can comprise exactly N * M segments. If the converter has, for example, three subcircuits and each inductance has four windings, there are 12 individual windings. The core then expediently comprises at least 12 segments, in particular exactly 12 segments. Then each of the segments can carry one of the windings.
- Der Kern kann genau N*2 Segmente umfassen. In diesem Fall liegen also Segmente für zwei Wicklungen pro Induktivität, also pro Teilschaltung vor. Insbesondere kann der Kern 4 Seg mente umfassen. In diesem Fall liegen jeweils zwei Wicklungen für genau zwei Induktivitäten, also zwei Teilschaltungen vor. - The core can comprise exactly N * 2 segments. In this case, there are segments for two windings per inductance, that is to say per subcircuit. In particular, the core can comprise 4 segments. In this case there are two windings for exactly two inductances, ie two sub-circuits.
- Der Kern kann die Form eines Rechtecks oder eines Quadrat aufweisen. Beispielsweise können stabförmige Segmente zu ei nem Rechteck oder Quadrat zusammengesetzt sein. Umfasst der Kern genau vier oder genau acht Segmente, können diese bei spielsweise ein Quadrat mit einer Seitenlänge von einem Seg ment bzw. zwei Segmenten bilden. Umfasst der Kern sechs Seg mente, können diese zu einem Rechteck mit Seitenlängen von einem Segment und zwei Segmenten verbunden sein. Vorteilhaft müssen stabförmige Segmente zur Zusammensetzung als Quadrat oder Rechteck nicht mechanisch verändert werden, beispiels weise durch Abschrägung. - The core can have the shape of a rectangle or a square. For example, rod-shaped segments can be assembled into a rectangle or square. If the core comprises exactly four or exactly eight segments, these can, for example, form a square with a side length of one segment or two segments. If the core comprises six segments, these can be connected to form a rectangle with side lengths of one segment and two segments. Advantageously, rod-shaped segments for composition as a square or rectangle do not have to be changed mechanically, for example by chamfering.
- Es ist möglich, dass jede Induktivität genau zwei Wicklun gen umfasst und diese Wicklungen auf einander im Kern gegen überliegenden Segmenten angeordnet sind. Handelt es sich bei spielsweise um zwei Induktivitäten mit jeweils zwei Wicklun gen und einen quadratischen Kern, dessen Seiten durch vier stabförmige Segmente an einer oberen, unteren, linken und rechten Position gebildet sind, dann sind die beiden Wicklun gen einer ersten der Induktivitäten auf dem oberen und unte ren Segment und die beiden Wicklungen der anderen Induktivi tät auf dem linken und rechten Segment angeordnet. - It is possible that each inductor comprises exactly two windings and these windings are arranged on one another in the core against opposite segments. It is for example two inductors, each with two windings and a square core, the sides of which by four rod-shaped segments on an upper, lower, left and Right position are formed, then the two windings gene a first of the inductors on the upper and lower Ren segment and the two windings of the other inductivity are arranged on the left and right segments.
- Die Wicklungen können so angeordnet sein, dass auf benach barten Segmenten angeordnete Wicklungen gegengekoppelt sind, also der Gleichanteil ihres magnetischen Flusses sich auf hebt. Dabei wird vorausgesetzt, dass die Induktivitäten, zu denen die Wicklungen gehören, in den Teilschaltungen äquiva lent angeordnet sind und daher bei einem Betrieb im - The windings can be arranged in such a way that windings arranged on adjacent segments are negatively coupled, that is, the DC component of their magnetic flux is canceled. It is assumed that the inductors, to which the windings belong, are arranged equiva lent in the subcircuits and therefore during operation in the
interleaved-Modus der Gleichanteil des in ihnen fließenden Stroms stets gleich ist. interleaved mode the DC component of the current flowing in them is always the same.
- Das Verhältnis von Wicklungslänge zu Segmentlänge kann zwi schen 0,3 und 0,7, insbesondere zwischen 0,4 und 0,6 betra gen. Dadurch wird voreilhaft erreicht, dass die Streuindukti vität groß genug wird für einen niedrigen Rippelstrom. Die resultierende Streuinduktivität kann größer als etwa ein Drittel der Eigeninduktivität werden und reicht damit für die Boost- oder Buck-Funktion der Teilschaltung aus. - The ratio of winding length to segment length can be between 0.3 and 0.7, in particular between 0.4 and 0.6. As a result, it is achieved that the leakage inductance becomes large enough for a low ripple current. The resulting leakage inductance can be greater than about a third of the self-inductance and is therefore sufficient for the boost or buck function of the subcircuit.
- Die Wicklungen können mehrlagig ausgeführt sein. Dabei ist es zweckmäßig, wenn Innen- und Außenlage gleichmäßig verteilt sind . - The windings can have multiple layers. It is useful if the inner and outer layers are evenly distributed.
- Die zu einer einzelnen Induktivität, also Teilschaltung ge hörenden Wicklungen können mitgekoppelt sein. Sie können mit anderen Worten so angeordnet sein, dass ihr magnetischer Fluss im Kern sich addiert. - The windings belonging to a single inductance, i.e. partial circuit, can be coupled. In other words, they can be arranged so that their magnetic flux adds up in the core.
- Die Teilschaltungen können identisch aufgebaut sein. Das ist für den Betrieb im interleaved-Modus sinnvoll, damit alle Teilschaltungen unter denselben Bedingungen arbeiten. - The subcircuits can be constructed identically. This makes sense for operation in interleaved mode so that all sub-circuits work under the same conditions.
- Die Teilschaltungen können jeweils eine Halbbrücke mit zwei Leistungshalbleitern umfassen, an deren Mittelanschluss die Induktivität angeschlossen ist. Insbesondere kann der Strom richter ein Hochsetzsteller oder Tiefsetzsteiler sein. - The subcircuits can each comprise a half-bridge with two power semiconductors, the middle connection of which Inductance is connected. In particular, the converter can be a step-up converter or step-down divider.
Weitere Vorteile und Merkmale sind der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Figuren zu entnehmen. In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Bauteile und Funktionen. Further advantages and features can be found in the following description of exemplary embodiments with reference to the figures. In the figures, the same reference symbols denote the same components and functions.
Es zeigen: Show it:
Figur 1 einen aus zwei identischen Stufen bestehenden Invers- wandler (Buck-Boost-Converter) , FIG. 1 shows an inverse converter (buck boost converter) consisting of two identical stages,
Figur 2 eine verkoppelte Induktivität für den Inverswandler, Figur 3 einen aus drei identischen Stufen bestehenden Invers- wandler,  FIG. 2 shows a coupled inductance for the inverse converter, FIG. 3 shows an inverse converter consisting of three identical stages,
Figur 4 eine verkoppelte Induktivität für den dreistufigen Inverswandler .  Figure 4 shows a coupled inductor for the three-stage inverse converter.
In Figur 1 ist ein aus zwei identischen Stufen bestehender Inverswandler 10 dargestellt. Der Inverswandler 10 umfasst Eingangsanschlüsse 12 und Ausgangsanschlüsse 14 mit einem je weiligen zwischengeschalteten Glättungskondensator 16, 18. FIG. 1 shows an inverse converter 10 consisting of two identical stages. The inverse converter 10 comprises input connections 12 and output connections 14, each with an intermediate smoothing capacitor 16, 18.
Weiterhin umfasst der Inverswandler 10 zwei identische Teil schaltungen 20, 30, die parallel geschaltet sind. Jede der Teilschaltungen 20, 30 umfasst eine Induktivität 22, 32, die mit einem der Eingangsanschlüsse verbunden ist. Ferner sind die Induktivitäten jeweils an den Mittelanschluss einer Halb brücke 24, 34 angeschlossen. Die Halbbrücken 24, 34 umfassen jeweils zwei Leistungshalbleiter 26, 28, 36, 38, beispiels weise MOSFETs. Die Außenanschlüsse der Halbbrücken 24, 34 sind mit den Ausgangsanschlüssen 14 verbunden. Furthermore, the inverse converter 10 comprises two identical sub-circuits 20, 30 which are connected in parallel. Each of the subcircuits 20, 30 comprises an inductor 22, 32 which is connected to one of the input terminals. Furthermore, the inductors are each connected to the center connection of a half bridge 24, 34. The half bridges 24, 34 each comprise two power semiconductors 26, 28, 36, 38, for example MOSFETs. The external connections of the half bridges 24, 34 are connected to the output connections 14.
Im Betrieb verwendet dieser Inverswandler den interleaved- Modus . Dabei werden die aktiven Leistungshalbleiter 26, 28, 36, 38 mit dem gleichen Tastverhältnis, jedoch um die Anzahl der Stufen versetzt getaktet. Bei den zwei Teilschaltungen des Inverswandlers 10 werden die Leistungshalbleiter 26, 28, 36, 38 also mit einem Versatz von 50% getaktet. In operation, this inverse converter uses the interleaved mode. The active power semiconductors 26, 28, 36, 38 are clocked with the same duty cycle, but offset by the number of stages. With the two sub-circuits of the inverse converter 10, the power semiconductors 26, 28, 36, 38 are clocked with an offset of 50%.
Die beiden Induktivitäten 22, 32 der Teilschaltungen 20, 30 sind in Figur 1 als separate Induktivitäten dargestellt. Sie sind aber in diesem Ausführungsbeispiel als verkoppelte In duktivität aufgebaut, wie sie in Figur 2 schematisch darge stellt ist. The two inductors 22, 32 of the subcircuits 20, 30 are shown in FIG. 1 as separate inductors. In this embodiment, however, they are constructed as coupled inductance, as is shown schematically in FIG. 2.
Figur 2 zeigt einen Kern 40. Der Kern 40 ist zusammengesetzt aus vier identischen Segmenten 42, 44, 46, 48. Die vier Seg mente 42, 44, 46, 48 sind stabförmig und zu einem Quadrat an geordnet, wobei die Segmente 42, 44, 46, 48 untereinander durch einen Luftspalt 41 getrennt sind. Figure 2 shows a core 40. The core 40 is composed of four identical segments 42, 44, 46, 48. The four segments 42, 44, 46, 48 are rod-shaped and arranged in a square, with the segments 42, 44 , 46, 48 are separated from one another by an air gap 41.
Auf dem ersten und dritten Segment 42, 46, die einander in dem gebildeten Quadrat gegenüber liegen, sind erste Wicklun gen 50, 52 angeordnet. Die ersten Wicklungen 50, 52 bilden zusammen die Induktivität 22 der ersten Teilschaltung 20 des Inverswandlers 10. Sie sind dazu elektrisch parallel geschal tet. Weiterhin sind die beiden Wicklungen 50, 52 so auf den Segmenten 42, 46 angeordnet, dass sie mit-gekoppelt sind, al so sich ihr magnetischer Fluss im Kern addiert. Dabei addie ren sich sowohl der Gleich- als auch der Wechselanteil des Stroms, da die beiden Wicklungen 50, 52 parallel geschaltet sind und derselben Induktivität 22 im Inverswandler 10 ent sprechen . On the first and third segments 42, 46, which lie opposite one another in the square formed, first windings 50, 52 are arranged. The first windings 50, 52 together form the inductance 22 of the first subcircuit 20 of the inverse converter 10. They are switched electrically in parallel. Furthermore, the two windings 50, 52 are arranged on the segments 42, 46 in such a way that they are also coupled, so that their magnetic flux is added in the core. Both the DC and AC components of the current add up, since the two windings 50, 52 are connected in parallel and correspond to the same inductor 22 in the inverse converter 10.
In analoger Weise sind auf dem zweiten und vierten Segment 44, 48, die einander in dem gebildeten Quadrat ebenfalls ge genüber liegen, zweite Wicklungen 54, 56 angeordnet. Die zweiten Wicklungen 54, 56 bilden zusammen die Induktivität der zweiten Teilschaltung 30 des Inverswandlers 10. Sie sind dazu elektrisch parallel geschaltet. Weiterhin sind die bei den Wicklungen 54, 56 so auf den Segmenten 44, 48 angeordnet, dass sie mit-gekoppelt sind, also sich ihr magnetischer Fluss im Kern addiert. Ebenso wie bei den ersten Wicklungen 50, 52 addieren sich bei den zweiten Wicklungen 54, 56 sowohl der Gleich- als auch der Wechselanteil des Stroms, da sie paral lel geschaltet sind und derselben Induktivität 32 im Invers wandler 10 entsprechen. In an analogous manner, second windings 54, 56 are arranged on the second and fourth segments 44, 48, which also lie opposite one another in the square formed. The second windings 54, 56 together form the inductance of the second subcircuit 30 of the inverse converter 10. They are connected electrically in parallel to this. Furthermore, the windings 54, 56 are arranged on the segments 44, 48 in such a way that they are also coupled, that is, their magnetic flux is added in the core. As with the first windings 50, 52, both add up in the second windings 54, 56 The same as the alternating component of the current, since they are connected in parallel and correspond to the same inductor 32 in the inverse converter 10.
Die Paare aus ersten und zweiten Wicklungen 50, 52, 54, 56 sind dabei gegengekoppelt auf den Segmenten 42, 44, 46, 48 angeordnet. Der Gleichanteil des magnetischen Flusses im Kern 40 hebt sich daher insgesamt auf. Die Wechselanteile sind zwischen den Teilschaltungen 20, 30 phasenverschoben und he ben sich daher nicht gegenseitig auf. Bei einem beispielhaf ten Stromfluss-Gleichanteil von 100 A pro Teilschaltung und einem Wechselanteil von 20 A muss daher der Kern nicht für einen Stromfluss von 120 A ausgelegt werden, sondern nur für einen Stromfluss von maximal 40 A, wodurch der Kern und damit die verkoppelte Induktivität insgesamt kleiner aufgebaut wer den kann. The pairs of first and second windings 50, 52, 54, 56 are arranged with negative feedback on the segments 42, 44, 46, 48. The DC component of the magnetic flux in the core 40 is therefore canceled out overall. The alternating components are out of phase between the sub-circuits 20, 30 and therefore do not cancel each other out. With an exemplary direct current flow component of 100 A per subcircuit and an alternating component of 20 A, the core therefore does not have to be designed for a current flow of 120 A, but only for a maximum current flow of 40 A, as a result of which the core and thus the coupled inductance overall smaller who can.
Die Belastung der Induktivitäten 22, 32, die nach wie vor den maximalen Strom von 120 A tragen müssen, wird ebenfalls redu ziert, da der Strom sich nun auf die jeweils zwei Wicklungen 50, 52, 54, 56 aufteilt. Die Wicklungen 50, 52, 54, 56 müssen also in diesem Beispiel jeweils nur für einen maximalen Strom von ca. 60 A ausgelegt werden oder können bei unveränderter Auslegung den doppelten Strom für die Teilschaltung 20, 30 ermöglichen . The load on the inductors 22, 32, which still have to carry the maximum current of 120 A, is also reduced, since the current is now divided into two windings 50, 52, 54, 56. In this example, the windings 50, 52, 54, 56 therefore only have to be designed for a maximum current of approx. 60 A or, if the design remains unchanged, can enable twice the current for the subcircuit 20, 30.
Die notwendige Induktivität zur Realisierung der Boost- bzw. Buck-Funktion stellt sich durch die Streuinduktivität resul tierend aus Streufluss im Streupfad ein. Wird ein passendes Verhältnis der Länge der Wicklungen 50, 52, 54, 56 zur Länge des jeweiligen Segments 42, 44, 46, 48 eingehalten, bei spielsweise ein Verhältnis von ca. 1 zu 2, kann ein Streu fluss und daraus resultierend eine für die Konfiguration nützliche größere Streuinduktivität im Bereich von 30% der Eigeninduktivität jeder einzelnen Wicklung 50, 52, 54, 56 re alisiert werden. Diese Streuinduktivität ist dann für einen reduzierten Rippelstrom in der Booststufe ausreichend groß. Die Parallelschaltung der Wicklungen sorgt für eine Erhöhung der Stromtragfähigkeit der gesamten Anordnung. The inductance required to implement the boost or buck function is established by the leakage inductance resulting from leakage flux in the leakage path. If a suitable ratio of the length of the windings 50, 52, 54, 56 to the length of the respective segment 42, 44, 46, 48 is observed, for example a ratio of approx. 1 to 2, a leakage can flow and the resulting one for Configuration useful larger leakage inductance in the range of 30% of the self-inductance of each individual winding 50, 52, 54, 56 can be realized. This leakage inductance is then sufficiently large for a reduced ripple current in the boost stage. The parallel connection of the windings increases the current carrying capacity of the entire arrangement.
In Figur 3 ist ein aus drei identischen Stufen bestehender Inverswandler 70 dargestellt. Der Inverswandler 70 ist sehr ähnlich wie der Inverswandler 10 aufgebaut. Im Unterschied zu Inverswandler 10 umfasst der Inverswandler 70 nun drei iden tische Teilschaltungen 20, 30, 80, die parallel geschaltet sind. Die drei Teilschaltungen 20, 30, 80 sind wie die Teil¬ schaltungen 20, 30 des Inverswandlers 10 der Figur 1 aufge¬ baut . FIG. 3 shows an inverse converter 70 consisting of three identical stages. The inverse converter 70 is constructed very similarly to the inverse converter 10. In contrast to inverse converter 10, the inverse converter 70 now comprises three identical sub-circuits 20, 30, 80, which are connected in parallel. The three sub-circuits 20, 30, 80 are like the part ¬ circuits 20, 30 of the inverse converter 10 of FIG 1 builds up ¬.
Die Induktivitäten 22, 32, 82 der Teilschaltungen 20, 30, 80 sind als verkoppelte Induktivität aufgebaut, die in Figur 4 schematisch dargestellt ist. The inductors 22, 32, 82 of the subcircuits 20, 30, 80 are constructed as a coupled inductor, which is shown schematically in FIG. 4.
Figur 4 zeigt einen Kern 90. Der Kern 90 ist zusammengesetzt aus sechs identischen Segmenten 92...97. Die sechs Segmente 92...97 sind stabförmig und zu einem Rechteck angeordnet, wobei die Segmente 92...97 untereinander durch einen Luftspalt ge trennt sind. Figure 4 shows a core 90. The core 90 is composed of six identical segments 92 ... 97. The six segments 92 ... 97 are rod-shaped and arranged to form a rectangle, the segments 92 ... 97 being separated from one another by an air gap.
In diesem Beispiel liegen drei Induktivitäten 22, 32, 82 vor, die auf jeweils zwei Wicklungen 100...105 aufgeteilt sind. Im Gegensatz zu der Anordnung gemäß der Figur 2 sind die zwei Wicklungen 100...105, die zu einer der Induktivitäten 22, 32,In this example there are three inductors 22, 32, 82 which are each divided into two windings 100 ... 105. In contrast to the arrangement according to FIG. 2, the two windings 100 ... 105, which form one of the inductors 22, 32,
82 gehören, nicht mit-gekoppelt , sondern müssen gegengekop¬ pelt sein, damit insgesamt eine Kompensierung des Gleichan¬ teils des Stroms durch die Induktivitäten 22, 32, 82 erreich bar ist. 82 are not coupled to-, but must be pelt gegengekop ¬, so that a compensation of the slip of the current is Chan ¬ Reach bar total part by the inductors 22, 32, 82nd
Die Anordnung der Wicklungen 100...105 ist dergestalt, dass die zu der ersten Induktivität 22 gehörigen Wicklungen 100, 101 auf den kurzen Seiten des Rechtecks angeordnet sind und die zu der zweiten Induktivität 32 gehörigen Wicklungen 102, 103 einander mit Bezug auf den Mittelpunkt des Rechtecks gegen¬ überliegend auf den langen Seiten des Rechtecks angeordnet sind . Die gezeigten Anordnungen können auch bei Schaltungen mit ei ner anderen Zahl von Teilschaltungen 20, 30, 80 verwendet werden. Beispielsweise kann bei einer Schaltung mit vier Teilschaltungen der Kern nach Art eines Quadrats mit einer Seitenlange von 2 Segmenten aufgebaut werden. In diesem Fall können auch die Wicklungen, die zu einer Induktivität gehö ren, mitgekoppelt angeordnet werden, was nur bei einer gera den Anzahl von Induktivitäten der Fall ist. The arrangement of the windings 100 ... 105 is such that the windings 100, 101 belonging to the first inductor 22 are arranged on the short sides of the rectangle and the windings 102, 103 belonging to the second inductance 32 are mutually related with respect to the center point of the rectangle are arranged opposite one another on the long sides of the rectangle. The arrangements shown can also be used in circuits with a different number of sub-circuits 20, 30, 80. For example, in a circuit with four subcircuits, the core can be constructed in the manner of a square with a side length of 2 segments. In this case, the windings belonging to an inductor can also be arranged coupled, which is only the case with an even number of inductors.

Claims

Patentansprüche claims
1. Stromrichter (10, 70) mit einer Mehrzahl N von gleichartig aufgebauten Teilschaltungen (20, 30, 80), ausgestaltet zum Betrieb im interleaved-Modus , bei dem die Teilschaltungen (20, 30, 80) jeweils eine Induktivität (22, 32, 82) aufwei¬ sen, wobei die Induktivitäten (22, 32, 82) verkoppelt auf ei nem gemeinsamen Kern (40, 90) angeordnet sind, wobei jede der Induktivitäten (22, 32, 82) eine Mehrzahl M von Wicklungen1. converter (10, 70) with a plurality N of subcircuits (20, 30, 80) of identical construction, designed for operation in interleaved mode, in which the subcircuits (20, 30, 80) each have an inductance (22, 32 , 82) aufwei ¬ sen, wherein the inductors (22, 32, 82) coupled to ei nem common core (40, 90) are arranged, each of said inductors (22, 32, 82) comprises a plurality of windings M
(50, 52, 54, 56, 100...105) umfasst, die elektrisch parallel geschaltet sind und auf dem gemeinsamen Kern (40, 90) ange¬ ordnet sind, wobei eine erste Hälfte der N*M Wicklungen (50, 52, 54, 56, 100...105) und die zweite Hälfte der N*M Wicklungen (50, 52, 54, 56, 100...105) zueinander gegengekoppelt auf dem Kern (40, 90) angeordnet sind und wobei der Kern (40, 90) ei¬ ne Mehrzahl von durch Luftspalte oder niedrigpermeables Mate¬ rial getrennten Segmenten (42, 44, 46, 48, 92...97) aufweist. (50, 52, 54, 56, 100 ... 105) which are electrically connected in parallel and are arranged on the common core (40, 90) being ¬, wherein a first half of the N * M windings (50, 52 , 54, 56, 100 ... 105) and the second half of the N * M windings (50, 52, 54, 56, 100 ... 105) are arranged against each other on the core (40, 90) and the having core (40, 90) ei ¬ ne plurality of rial separated by air gaps or niedrigpermeables Mate ¬ segments (42, 44, 46, 48, 92 ... 97).
2. Stromrichter (10, 70) nach Anspruch 1, bei dem die Segmen te (42, 44, 46, 48, 92...97) stabförmig sind. 2. Power converter (10, 70) according to claim 1, wherein the segments te (42, 44, 46, 48, 92 ... 97) are rod-shaped.
3. Stromrichter (10, 70) nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Kern (40, 90) N*M Segmente (42, 44, 46, 48, 92...97) umfasst. 3. Power converter (10, 70) according to claim 1 or 2, wherein the core (40, 90) comprises N * M segments (42, 44, 46, 48, 92 ... 97).
4. Stromrichter (10, 70) nach einem der vorangehenden Ansprü che, bei dem der Kern (40, 90) N*2 Segmente (42, 44, 46, 48, 92...97) umfasst. 4. Power converter (10, 70) according to one of the preceding claims, in which the core (40, 90) comprises N * 2 segments (42, 44, 46, 48, 92 ... 97).
5. Stromrichter (10, 70) nach einem der vorangehenden Ansprü che, bei dem der Kern (40, 90) vier Segmente (42, 44, 46, 48, 92...97) umfasst. 5. Power converter (10, 70) according to one of the preceding claims, in which the core (40, 90) comprises four segments (42, 44, 46, 48, 92 ... 97).
6. Stromrichter (10, 70) nach einem der vorangehenden Ansprü che, bei dem jedes der Segmente (42, 44, 46, 48, 92...97) eine Wicklung (50, 52, 54, 56, 100...105) trägt. 6. converter (10, 70) according to one of the preceding claims, in which each of the segments (42, 44, 46, 48, 92 ... 97) has a winding (50, 52, 54, 56, 100 ... 105) carries.
7. Stromrichter (10, 70) nach einem der vorangehenden Ansprü che, bei dem die Segmente (42, 44, 46, 48, 92...97) des Kerns (40, 90) zu einem Rechteck oder Quadrat zusammengesetzt sind. 7. Power converter (10, 70) according to one of the preceding claims, in which the segments (42, 44, 46, 48, 92 ... 97) of the core (40, 90) are assembled into a rectangle or square.
8. Stromrichter (10, 70) nach einem der vorangehenden Ansprü che, bei dem jede Induktivität (22, 32, 82) zwei Wicklungen (50, 52, 54, 56, 100...105) umfasst und die Wicklungen (50, 52, 54, 56, 100...105) einer Induktivität (22, 32, 82) auf einander im Kern (40, 90) gegenüberliegenden Segmenten (42, 44, 46,8. converter (10, 70) according to one of the preceding claims, in which each inductor (22, 32, 82) comprises two windings (50, 52, 54, 56, 100 ... 105) and the windings (50, 52, 54, 56, 100 ... 105) of an inductor (22, 32, 82) on segments (42, 44, 46,
48, 92...97) angeordnet sind. 48, 92 ... 97) are arranged.
9. Stromrichter (10, 70) nach einem der vorangehenden Ansprü che, bei dem die Wicklungen (50, 52, 54, 56, 100...105) so an¬ geordnet sind, dass auf benachbarten Segmenten (42, 44, 46,9. converter (10, 70) according to one of the preceding claims, in which the windings (50, 52, 54, 56, 100 ... 105) are arranged in such a manner that on adjacent segments (42, 44, 46 .
48, 92...97) angeordnete Wicklungen (50, 52, 54, 56, 100...105) gegengekoppelt sind. 48, 92 ... 97) arranged windings (50, 52, 54, 56, 100 ... 105) are negatively coupled.
10. Stromrichter (10, 70) nach einem der vorangehenden An sprüche, bei dem das Verhältnis von Wicklungslänge zu Seg¬ mentlänge zwischen 0,3 und 0,7, insbesondere zwischen 0,4 und 0,6 ist . 10. converters (10, 70) according to one of the preceding claims to, wherein the ratio of coil length to Seg ment ¬ length between 0.3 and 0.7, in particular between 0.4 and 0.6 is.
11. Stromrichter (10, 70) nach einem der vorangehenden An sprüche, bei dem die Wicklungen (50, 52, 54, 56, 100...105) mehrlagig ausgeführt sind. 11. converter (10, 70) according to one of the preceding claims, in which the windings (50, 52, 54, 56, 100 ... 105) are designed in multiple layers.
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