WO2022042913A1 - Induktives bauelement für einen wechselrichter und wechselrichter - Google Patents

Induktives bauelement für einen wechselrichter und wechselrichter Download PDF

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WO2022042913A1
WO2022042913A1 PCT/EP2021/068441 EP2021068441W WO2022042913A1 WO 2022042913 A1 WO2022042913 A1 WO 2022042913A1 EP 2021068441 W EP2021068441 W EP 2021068441W WO 2022042913 A1 WO2022042913 A1 WO 2022042913A1
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core
inductive component
core material
cores
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Henrik Krupp
Michael Kopf
Markus Pfeifer
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • 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 a show a steady decrease in inductance that begins even at lower load currents.
  • 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 continuous operating state S l and the respective special load operating state, for example S 6 operation is approx. 1:2 to 1:5.
  • S 1 operating range an almost constant inductance curve of the choke is often desired, while in overload operation, for example S 6 , only a smaller inductance value is sufficient. It is particularly advantageous for control engineering reasons and for EMC reasons if this transition occurs evenly, d. H . as linear as possible, takes place.
  • the object of the invention is to provide an inductive component for an inverter and an inverter that can always provide sufficient commutation inductance at high switching frequencies, even in the overload range.
  • the solution to the problem consists in an inductive component according to patent claim 1 and in an inverter according to patent claim 12 .
  • Patent claim 1 comprises an inductive component, for example a choke coil for an inverter with a first partial magnetic core made of a first core material and with a second partial magnetic core made of 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 package, 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 chosen so 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 at a maximum permissible current for the component assumes a minimum inductance value 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 S 1 according to the nomenclature of the nominal operating modes, is the operating state in which an electrical machine can be operated continuously 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 higher-level device, ie the inverter, which is therefore also the continuous operating state of the inductive component.
  • the minimum inductance Lmin is present at the maximum current I max permissible for the component and for the higher-order 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%.
  • the linearity of the declining range is particularly preferably even more intensive 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 dependency.
  • the horizontal range can be very narrow and already transition to the degressive range at a current of almost 0 amperes.
  • the maximum inductance is present 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 linearly decreases 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 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 the usual materials for core materials that 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 configuration.
  • the third ring are also designed to be geometrically congruent. In this way, the first partial core and the second partial core can be placed next to one another 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 designed 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 based on so-called wide band gap semiconductors, for example silicon carbide or gallium nitride.
  • Figure 1 several magnetic toroidal cores for a choke coil with different magnetic properties
  • FIG. 2 with the partial cores from FIG. 1 being assembled geometrically
  • 3 shows a choke coil for an inverter with partial cores according to FIGS. 1 and 2 and a winding
  • Figure 4 shows an inductive component in the form of a choke coil with E-shaped partial cores
  • FIG. 5 shows an inductive component in the form of a choke coil with U-shaped partial cores
  • Figure 6 is a schematic representation of the current flow through the inductive component
  • FIG. 7 shows an exemplary representation of the drop in a geometric value of the inductor with the course of the current.
  • FIG. 8 shows an exemplary course of the inductances of a number of partial cores and the total inductance resulting therefrom.
  • FIGS. 1-3 show 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 partial cores 4 , 8 basically represent the simplest form of the inductive component described.
  • Both cores 4 , 8 each have a core material 6 , 10 , both of which differ from one another in terms of their magnetic properties.
  • a third ring 16 and a fourth ring 18 are also provided in an already more specific embodiment according to FIG /or fourth material .
  • a core is thus obtained in the form of a core package 14 which is illustrated in FIG.
  • Alternative core packages 14' and 14'' are shown in FIGS. 4 and 5.
  • the core package 14 is, as shown in Figure 3, surrounded by a circumferential winding 12 of an electrical conductor.
  • the number of windings 12 surrounding the core assembly 14 is denoted by N.
  • the inductive component 2 shown in the form of a choke can be designed with this construction so that in SI 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 curve.
  • 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'' are designed to be geometrically congruent.
  • FIGS. 6 and 7 Diagrams in FIGS. 6 and 7 illustrate schematically how the effect of the inductive components described in FIGS. 1-5 takes place magnetically.
  • an It diagram is shown in Figure 6 reflects the course of the electric current, which takes place through the coil 12, in a smoothed manner.
  • the first curve I si 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 Isi.
  • 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 Isi curve in continuous operation. This means that, depending on the load, the current intensity increases by more than 100%, which has a significant impact on the inductance of the inductive component 2 .
  • the achieved inductance of the coil depends not only on the amperage and the number N of windings 12 and on the magnetic properties of the partial core 4, 8, 16, 18 but also on its geometric values. specified especially for toroidal cores and sleeves. This represents the effective inductance related to one winding and must be multiplied by the square of the number of windings N to calculate the actual inductance L:
  • N ( L/Ai ) 1/2
  • the core must carry 20 turns to produce an inductance of 100pH.
  • the specialist can use the geometry-related A L value to determine the inductance of the core or be determined in general in the described application of the partial core.
  • a relationship is usually shown which places the A L value in relation to a variable which is at least proportional to the current strength I.
  • Such a representation is shown very schematically in FIG.
  • a given ring can be assumed to have an A Lmax at a specific current intensity I .
  • the limits for 80% and for 50% with increasing current intensity I are indicated schematically. With increasing current intensity I, 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. If the geometry remains the same as described with reference to FIGS. 1-3, 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 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 adapt the inductance curve of the choke specifically to the application and thereby reduce the use of expensive core materials to a minimum amount.
  • the choke coils can be designed flexibly in a modular design and the corresponding technical requirements can be met.
  • the inductance is to be, for example, 100 pH at zero current and maintain this value, for example, up to the peak current I D in S l operation of, for example, 50 A
  • a peak current of 200 A for example, approx. 70% of 100 pH shall be equal to 70 pH to within 10%. From the requirement that the drop is largely linear, it follows in this example that at a current of 150 A the inductance increases by approx. 20% of 100 pH (equal to 80 pH) may have dropped with a maximum deviation of ⁇ 10% (80 pH ⁇ 10% corresponds to 72 pH to 88 pH). 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 partial core consists of four segments, which are listed by the manufacturer "Magnetics Incorporation” under the part numbers "0058737A2" and "0058339A2".
  • the other partial cores each consist of only one segment.
  • all segments that have identical dimensions stacked on top of each other, this results in two stacks of six segments each; the two stacks can be placed one inside the other to reduce the winding length (analogous, but not identical to the partial cores 4, 6, 16 in Figures 1 to 3, therefore in this example there are no reference symbols for partial cores.)
  • the resulting core package 14 is wrapped with the winding 12 consisting of 10 turns.
  • the inductance formed in this way shows the progression of an overall inductance 22 in FIG. 8 in comparison to the desired linear progression of the linear interpolation 30.
  • the 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 . In the example according to FIG. 8, the partial cores are 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 S 1 operation and the current Imaxz, the maximum current permissible for the component (this can, for example, be in S4 operation or in S 6 -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 shown in FIG.
  • the course 22 has a horizontal course 32 which lies at a current strength between 0 A and the continuous operating current I D , which is 50 A in the present example.
  • 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

Beschreibung
Induktives Bauelement für einen Wechselrichter und Wechselrichter
In Wechselrichtern, die für Überlastbetriebsarten außerhalb der sogenannten Dauerbetriebsart S l , also den Betriebsarten S2 - S 9 , 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 Metall- pulver-Kompositmaterialien . Insbesondere bei Wechselrichtern mit sehr hohen Schalt frequenzen, beispielsweise > 25 kHz , sind die beschriebenen Standard-Elektrobleche als Kernmaterial für Drosselspulen nicht gut geeignet . In vielen Anwendungs fällen beträgt das Verhältnis zwischen dem Strom im Dauerbetriebs zustand S l und dem j eweiligen Sonderlast-Betriebszustand, beispielsweise S 6-Betrieb, ca . 1 : 2 bis 1 : 5 . Oft ist im S l-Betriebsbereich ein nahezu konstanter Induktivitätsverlauf der Drossel gewünscht , während im Überlastbetrieb, beispielsweise S 6 , 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 Schalt frequenzen 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 signi fikanten Änderung des durch die Wicklung fließenden Stromes beispielsweise der zweite Kern korrigierend auf den gewünschten Verlauf der Induktivität wirkt .
In einer bevorzugten Ausgestaltungs form 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 Dauerbetriebs zustand, nach der Nomenklatur der Nennbetriebsarten auch als S 1 bezeichnet , ist der Betriebs zustand, in dem eine elektrische Maschine in Dauerbetrieb betrieben werden kann, ohne dabei Schaden zu nehmen . Dieser Dauerbetriebs zustand 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 Dauerbetriebs zustand des übergeordneten Geräts , also des Wechselrichters gemeint , der damit auch der Dauerbetriebs zustand 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 hori zontaler Bereich auftritt , in dem die Induktivität bei steigender Stromstärke im Wesentlichen konstant verläuft . Der hori zontale Bereich der Induktivität verläuft bis zu einem gewissen Strom (beispielsweise und bevorzugt der Spitzenstrom im S l-Betrieb ) , wobei die Induktivität im hori zontalen Bereich keine oder nur eine geringe Stromabhängigkeit aufweist . Der hori zontale Bereich kann sehr eng aus fallen und bereits bei einem Strom nahe 0 Ampere in den degressiven Bereich übergehen . Am Übergang zwischen dem hori zontalen 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 Ausgestaltungs form der Erfindung ist das erste Kernmaterial ein Elektroblech oder umfasst ein Ferrit . Dabei handelt es sich um übliche Materialien für Kernwerkstof fe , 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 Ausgestaltungs form 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 Schalt frequenzen 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 Ausgestaltungs formen und weitere Merkmale der Erfindung werden anhand der folgenden Figuren näher erläutert . Merkmale mit derselben Bezeichnung in unterschiedlicher Ausgestaltungs form werden dabei mit einem Aufstrich bezeichnet . Bei den Figuren handelt es sich um rein schematische Ausgestaltungs formen, 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 j eweils 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 Sl-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 Uberlastbetrieb 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 Isi 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 I sn eine deutlich höhere Amplitude aufweist als die Welle Isi. 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 Isi-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:
AL=L/N2
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/Ai ) 1/2
Beispiel : Gesuchte Induktivität 100 pH; der Kern hat einen AL-Wert von 250 nH
N= ( L/Ai ) 1/2 = ( 100000/250 ) 1/2 = 20
Der Kern muss 20 Windungen tragen, um eine Induktivität von 100 pH zu erzeugen . Umgekehrt kann mit derselben Beziehung bei einer festgelegten Windungs zahl die Induktivität L L=Ai N2 ermittelt werden .
Uber 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 j eden 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 . Mithil fe 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 Viel zahl von marktüblich erhältlichen und wohldefinierten Kernen mindestens zwei als Teilkerne aus zuwählen, sodass die Beziehung des möglichst linearen Induktivitätsverlaufes erfüllt ist .
Da es hierfür eine Viel zahl von möglichen geometrischen magnetischen Anwendungs fällen gibt , ist es möglich, aus diesen Bedingungen und mithil fe der handelsüblichen technischen Spezi fikationen von magnetischen Kernen diese Bedingung in einem dem Lastfall entsprechenden Anwendungs fall gezielt einzustellen . Ein wichtiger Vorteil dieser beschriebenen Drosselspule besteht darin, eine kostengünstige Anordnung zu finden, um den Induktivitätsverlauf der Drossel gezielt auf den Anwendungs fall 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 .
Aus führungsbeispiel :
Soll die Induktivität beispielsweise 100 pH bei Nullstrom betragen, und diesen Wert beispielsweise bis zum Spitzenstrom ID im S l-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 pH gleich 70 pH 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 pH ( gleich 80 pH) abgefallen sein darf mit einer maximalen Abweichung vom ± 10 % ( 80 pH ± 10 % entspricht 72 pH bis 88 pH) . Aufgrund der Viel zahl an erhältlichen Kerngrößen und Materialien, kann das gewünschte Verhalten häufig durch verschiedene Kombinationen an Kernen, Materialien und Windungen realisiert werden . Eine Realisierung des Aus führungsbeispiels 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 j eweils nur einem Segment . Vorzugsweise werden alle Segmente , die identische Abmessungen haben, aufeinander gestapelt , es ergeben sich hier zwei Stapel aus j e 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 Bezugs zeichen 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 Aus führung aus Tabelle 1 zur Gesamtinduktivität in die Grafik übernommen worden und durch die Kurven 24 , 26 und 28 veranschaulicht .
Für die beschriebene Aus führung 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 Ideal fall 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 S l-Betrieb und dem Strom Imaxz dem für das Bauteil maximal zulässigen Strom ( dieser kann beispielsweise im S4-Betrieb oder im S 6-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 hori zontalen 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
Figure imgf000014_0001
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 Schalt frequenz von > 30 kHz zweckmäßig . Eine derartige Schalt frequenz wird insbesondere bei den sogenannten Wide Band Gap-Halbleitern, insbesondere Halbleiterschaltern auf Siliciumcarbid- und Aluminiumnitrid-Basis angewandt .
Bezugs zeichenliste
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 hori zontaler Bereich
Lmax Maximalinduktivität
Lmin Minimalinduktivität
ID Dauerbetriebsstrom
Imax Maximalstrom

Claims

Patentansprüche
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 wobei 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 und der degressive Bereich eine Linearität aufweist, die nicht mehr als 30 % von der linearen Interpolation zwischen der Maximalinduktivität und der Minimalinduktivität abweicht.
2. Induktives Bauelement nach Anspruch 1, 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.
3. Induktives Bauelement nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Minimalinduktivität einen Wert aufweist, der zwischen 40 % und 70 % der Maximalinduktivität liegt.
4. Induktives Bauelement nach einem der Ansprüche 2 oder 3, 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. Induktives Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das erste Kernmaterial (6) ein Elektroblech oder ein Ferrit umfasst. Induktives Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das zweite Kernmaterial (10) ein Eisenpulver umfasst. Induktives Bauelement nach Anspruch 6, bei dem das zweite Kernmaterial (10) ein Eisenpulver in einem anorganischen Komposit umfasst. Induktives Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der erste und zweite Kern (4, 8) Ringkerne sind. 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. Induktives Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der erste und zweite Kern (4', 8') E- förmige Kerne oder U-förmige Kerne sind. Wechselrichter mit einem induktiven Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 10. Wechselrichter nach Anspruch 11, ausgelegt für eine Schalt frequenz über 30 kHz. Wechselrichter nach Anspruch 11 oder 12 umfassend Halbleiterschalter auf Basis von Siliziumcarbid oder Galliumnitrid.
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