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Title:
DC/DC CONVERTER
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2019/206612
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a DC/DC converter (200) for resonant operation with potential separation, comprising: a transformer (230) having a primary-side and a secondary-side inductance (231, 232); an inverter arrangement (110) that is connected to the primary-side inductance (231) of the transformer (230); a rectifier arrangement (150) that is connected to the secondary-side inductance (232) of the transformer (230); a capacitance (121) that is connected in series to the primary-side inductance (231) of the transformer (230), and together with the latter, forms an oscillating circuit. The invention is characterized in that both the primary-side and the secondary-side inductances (231, 232) each comprise a circular winding (301) that is applied to a ferrite plate (302). The ferrite plates (302) are arranged such that the windings (301) face each other.

Inventors:
FINKENZELLER, Michael (Fürstenrieder Str. 12, München, 80687, DE)
KOMMA, Thomas (Seumestraße 162, Leipzig, 04249, DE)
POEBL, Monika (Weißenburger Str. 23, München, 81667, DE)
Application Number:
EP2019/058860
Publication Date:
October 31, 2019
Filing Date:
April 09, 2019
Export Citation:
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Assignee:
SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT (Werner-von-Siemens-Straße 1, München, 80333, DE)
International Classes:
H02M3/335; H01F27/36; H01F38/14; H02J50/12; H02M1/00; H02M7/00; H04B5/00
Foreign References:
KR20170088610A2017-08-02
US20090290332A12009-11-26
CN203588822U2014-05-07
JP2017168522A2017-09-21
US20120234457A12012-09-20
Other References:
None
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Claims:
Patentansprüche

1. DC/DC-Wandler (200) für den resonanten Betrieb mit Poten tialtrennung, umfassend

- einen Transformator (230) mit einer primärseitigen und ei ner sekundärseitigen Induktivität (231, 232),

- eine Wechselrichteranordnung (110), die mit der primärsei tigen Induktivität (231) des Transformators (230) verbunden ist,

- eine Gleichrichteranordnung (150), die mit der sekundärsei tigen Induktivität (232) des Transformators (230) verbunden ist,

- eine Kapazität (121), die in Serie zur primärseitigen In duktivität (231) des Transformators (230) geschaltet ist und zusammen mit dieser einen Schwingkreis ausbildet,

dadurch gekennzeichnet, dass

- die primärseitige und sekundärseitige Induktivität (231, 232) jeweils eine zirkulare Wicklung (301) umfassen, die auf einer Ferritplatte (302) aufgebracht ist,

- die Ferritplatten (302) so angeordnet sind, dass die Wick lungen (301) einander zugewandt sind.

2. DC/DC-Wandler (200) nach Anspruch 1, bei dem die Ferrit platten (302) so angeordnet sind, dass die Wicklungsachsen übereinstimmen .

3. DC/DC-Wandler (200) nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die zirkularen Wicklungen (301) denselben Durchmesser haben.

4. DC/DC-Wandler (200) nach einem der vorangehenden Ansprü che, bei dem die Ferritplatten (302) jeweils auf einem

Schirmblech (303) , insbesondere einem Schirmblech (303) aus Aluminium oder Kupfer, angeordnet sind.

5. DC/DC-Wandler (200) nach einem der vorangehenden Ansprü- che, bei dem die Kopplung der Wicklungen (301) zwischen 60% und 80% beträgt.

6. DC/DC-Wandler (200) nach einem der vorangehenden Ansprü che, bei dem das Schirmblech (303) ein Kühlkörper ist.

7. DC/DC-Wandler (200) nach einem der vorangehenden Ansprü che, bei dem auf einer von der Wicklung (301) abgewandten Seite eines der Schirmbleche (303) ein Schaltungsträger, ins besondere eine Leiterplatte oder ein IMS, angeordnet ist mit einem oder mehreren leistungselektronischen Bauelementen.

Description:
Beschreibung

DC/DC-Wandler

Die Erfindung betrifft einen DC/DC-Wandler für den resonanten Betrieb mit Potentialtrennung .

DC-DC-Wandler-Topologien, die im voll resonanten Modus be trieben werden, umfassen einen Schwingkreis, einen Transfor mator und eine den Schwingkreis anregenden Halb- oder Voll brückenschaltung. Figur 1 zeigt einen beispielhaften Halbbrü- cken-Resonanzwandler nach dem Stand der Technik. Der Schwing kreis besteht hier aus einem Serienkondensator (Resonanzkon densator) und einer Serieninduktivität (Resonanzdrossel) . Die Potenzialtrennung wird mit dem Transformator und dessen Über setzungsverhältnis realisiert. Ein Vorteil dieser Resonanz wandler ist die Möglichkeit, diese nahezu schaltverlustfrei im Zero-Voltage-Switching-Modus (ZVS-Modus) betreiben zu kön nen. Der ZVS-Betrieb ist bekannt und wird hier nicht weiter erläutert. Die Steuerung der Ausgangsspannung erfolgt bei spielsweise über eine Änderung der Schaltfrequenz der Brü ckenschaltung. Arbeitet diese genau auf der Resonanzfrequenz des Serienschwingkreises, dann wird die Grundschwingung der rechteckförmigen Spannung der Brückenschaltung über den

Transformator auf die Sekundärseite übertragen. Eine sekun därseitige Spannungsstellung wird durch Erhöhung der Schalt frequenz über die Resonanzfrequenz des Serienschwingkreises erreicht. Dadurch ergibt sich ein Spannungsabfall über dem induktiven Blindwiderstand der Serieninduktivität, der die Ausgangsspannung reduziert. Die Serieninduktivität ist somit eine für diese Form der Spannungsstellung notwendige Kompo nente eines Resonanzwandlers. Zur Sicherstellung des ZVS-Betriebes ist ein gegenüber der Grundschwingung nacheilender Strom im Resonanzkreis notwen dig. Dieser ist zur Umladung der parasitären Schalterkapazi täten notwendig. Die Sicherstellung dieses Stromes ist bei Volllast durch den fließenden Laststrom unproblematisch. Bei Leerlaufnähe muss jedoch durch zusätzliche Maßnahmen ein nacheilender Strom zur Umladung der Schalterkapazitäten be reitgestellt werden. Dies erfolgt über eine Parallelindukti vität .

Sowohl die Serieninduktivität als auch die Parallelinduktivi tät sind typischerweise groß und vergleichsweise schwer und benötigen einen für den gesamten DC/DC-Wandler nicht vernach lässigbaren Bauraum.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten DC/DC-Wandler anzugeben, der verringerte Anforderungen an den Bauraum aufweist, also kleiner aufgebaut werden kann.

Diese Aufgabe wird durch einen DC/DC-Wandler mit den Merkma len von Anspruch 1 gelöst. Die Unteransprüche betreffen vor teilhafte Ausgestaltungen für den DC/DC-Wandler.

Der erfindungsgemäße DC/DC-Wandler für den resonanten Betrieb mit Potentialtrennung umfasst einen Transformator mit einer primärseitigen und einer sekundärseitigen Induktivität, eine Wechselrichteranordnung, die mit der primärseitigen Indukti vität des Transformators verbunden ist und eine Gleichrich teranordnung, die mit der sekundärseitigen Induktivität des Transformators verbunden ist. Weiterhin umfasst der DC/DC- Wandler eine Kapazität, die in Serie zur primärseitigen In duktivität des Transformators geschaltet ist und zusammen mit dieser einen Schwingkreis ausbildet. Dabei umfassen die primärseitige und sekundärseitige Indukti vität jeweils eine zirkulare Wicklung, die auf einer Ferrit platte aufgebracht ist, wobei die Ferritplatten so angeordnet sind, dass die Wicklungen einander zugewandt sind.

Durch Anwendung dieses für DC-DC-Wandler-Transformatoren neu artigen Aufbaukonzeptes werden die Parallelinduktivität sowie die Serieninduktivität unnötig und können vorteilhafterweise entfallen. Durch die Wicklungskonfiguration wird die für die Topologie wichtige große Serieninduktivität in Form einer großen Streuung durch den Transformator selbst bereitge stellt. Weiterhin wird auch die für den ZVS-Betrieb in Leer laufnähe geringe Parallelinduktivität durch den Transformator selbst erreicht. Die Kopplung einer solchen Wicklungskonfigu ration ist deutlich kleiner als bei herkömmlichen Transforma toren. Für die Erfindung wurde aber erkannt, dass diese Ei genschaft in Verbindung mit der Resonanzwandlertopologie ge zielt genutzt werden kann.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen DC/DC- Wandlers gehen aus den von Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen hervor. Dabei kann die Ausführungsform nach Anspruch 1 mit den Merkmalen eines der Unteransprüche oder vorzugsweise auch mit denen aus mehreren Unteransprüchen kombiniert werden. Demgemäß können für den DC/DC-Wandler noch zusätzlich folgen de Merkmale vorgesehen werden:

- Die Ferritplatten können so angeordnet sein, dass die Wick lungsachsen übereinstimmen.

- Die zirkularen Wicklungen haben bevorzugt denselben Durch messer . - Die Ferritplatten können jeweils auf einem Schirmblech, insbesondere einem Schirmblech aus Aluminium oder Kupfer, an geordnet sein. Die Ferritplatten dienen der Flussführung auf der Rückseite der Wicklungen, um in eventuell dahinter be findlichen Schaltungsteilen Spannungsinduktionen zu vermei den. Das Schirmblech wiederum hält den magnetischen Restfluss innerhalb der Anordnung hält.

- Die Kopplung der Wicklungen kann zwischen 60% und 80% be tragen. Dies kann insbesondere durch die Wahl des Luftspaltes erreicht werden, über den die Streuinduktivität der Anordnung als auch die Kopplung des Systems eingestellt werden. Eine Erhöhung des Luftspalts bedeutet eine Erhöhung des Streuflus ses verbunden mit einer Erhöhung der Streuinduktivität sowie einer Reduzierung der Kopplungsinduktivität. Der Kopplungs faktor ist günstig realisierbar mit einem Verhältnis

Induktorquerschnitt / Luftspalt von 10 bis 20. Damit ist ein ausreichender Magnetisierungsstrom in Leerlaufnähe der Schal tung gewährleistet und die zur Spannungssteuerung notwendige Streuinduktivität wird ausreichend groß.

- Das Schirmblech kann als Kühlkörper ausgestaltet sein. Vor teilhaft wird dadurch weiterer Aufwand zur Kühlung vermieden.

- Auf einer von der Wicklung abgewandten Seite eines der Schirmbleche kann ein Schaltungsträger angeordnet sein, ins besondere eine Leiterplatte oder ein IMS. Auf dem Schaltungs träger befinden sich ein oder mehrere leistungselektronische Bauelemente. Hierdurch wird vorteilhaft Bauraum gespart, spe ziell wenn das Schirmblech ausgestaltet ist als Kühlkörper und somit eine Entwärmung der Bauelemente bereits gewährleis tet ist. Ein bevorzugtes, jedoch keinesfalls einschränkendes Ausfüh rungsbeispiel für die Erfindung wird nunmehr anhand der Figu ren der Zeichnung näher erläutert. Dabei sind die Merkmale schematisiert dargestellt. Es zeigen

Figur 1 ein Schaltbild eines Resonanzwandlers mit einem

Transformator nach dem Stand der Technik;

Figur 2 ein Schaltbild eines Resonanzwandlers mit einem

Transformator;

Figur 3 eine Wicklung des Transformators in Draufsicht;

Figur 4 den Transformator in Seitenansicht.

Figur 1 zeigt ein elektrisches Schaltbild eines Resonanzwand lers 100 nach dem Stand der Technik. Der Resonanzwandler 100 der Figur 1 umfasst eingangsseitig Anschlüsse 102, 104 für eine Gleichspannung. Die Anschlüsse 102, 104 sind mit einer Wechselrichteranordnung 110 verbunden. Die Wechselrichteran ordnung 110 ist mit der Primärseite eines Transformators 130 verbunden. Die Sekundärseite des Transformators 130 ist mit einer Gleichrichteranordnung 150 verbunden, deren Ausgänge den Ausgang des Resonanzwandlers 100 bilden.

Die Wechelrichteranordnung 110 umfasst eine erste Serie aus zwei Kondensatoren 111, 112, die zwischen die Anschlüsse 102, 104 geschaltet ist. Parallel zu der ersten Serie ist eine Halbbrücke 113 mit zwei Leistungshalbleiten, hier MOSFETS 114, 115 geschaltet. Der Potentialpunkt zwischen den Konden satoren 111, 112 bildet einen ersten Ausgang der

Wechelrichteranordnung 110. Der Potentialpunkt zwischen den MOSFETs 114, 115 bildet einen zweiten Ausgang der

Wechelrichteranordnung 110.

Zwischen die beiden Ausgänge der Wechelrichteranordnung 110 ist eine zweite Serie 120 geschaltet, die eine Resonanzkapa- zität 121, eine Serieninduktivität 122 und eine Parallel schaltung aus der primärseitigen Induktivität 131 des Trans formators 130 und einer Parallelinduktivität 123 umfasst. Die sekundärseitige Induktivität 132 des Transformators 130 ist mit den Eingängen der Gleichrichteranordnung 150 verbunden, die durch eine Diodenbrücke gebildet wird. Für die Spannungs stabilisierung kann ausgangsseitig noch ein Stabilisierungs kondensator 152 vorgesehen sein.

Der Resonanzwandler 100 gemäß dem Stand der Technik umfasst also eine als eigenes Bauteil ausgeführte Parallelinduktivi tät 123, die dazu dient, einen nacheilenden Strom zur Verfü gung zu stellen, um das weiche Schalten des Leistungshalblei ter, also einen Zero-Voltage-Switching-Betrieb, sicherzustel len. Weiterhin umfasst der Resonanzwandler 100 die Serienin duktivität 122, die zusammen mit der Resonanzkapazität 121 einen Schwingkreis bildet, als eigenes Bauteil.

Figur 2 zeigt ein elektrisches Schaltbild eines Ausführungs beispiels für die Erfindung. Der DC/DC-Wandler 200 der Figur 2 ist zum Teil aufgebaut wie der Resonanzwandler 100 der Fi gur 1 und es werden dieselben Bezugszeichen für analoge Bau teile verwendet. Die Wechselrichteranordnung 110 und die Gleichrichteranordnung 150 finden sich unverändert auch im DC/DC-Wandler 200. Der DC/DC-Wandler 200 umfasst aber eine veränderte zweite Serie 220 und einen veränderten Transforma tor 230.

Die zweite Serie 220 des DC/DC-Wandlers 200 umfasst im Gegen satz zu der zweiten Serie 120 des Resonanzwandlers 100 ledig lich die Resonanzkapazität 121 und die primärseitige Indukti vität 231 des Transformators 230, während die Parallelinduk tivität 123 und die Serieninduktivität 122 entfallen. Der Zweck dieser Bauelemente wird im DC/DC-Wandler 200 von der primärseitigen Induktivität 231 des Transformators 230 miterfüllt .

Dazu ist der Transformator 230 physisch anders gestaltet als ein Transformator 130 aus einem Resonanzwandler 100 gemäß dem Stand der Technik. Der Aufbau des Transformators 230 ist in zwei Ansichten in den Figuren 3 und 4 dargestellt. Figur 3 zeigt eine Draufsicht für eine Wicklung des Transformators, wobei der gezeigte Aufbau sowohl für die Primärseite als auch für die Sekundärseite des Transformators 230 gilt. Die Induk tivität 231, 232 wird dabei durch eine zirkulare Wicklung 301 (Scheibenwicklung) gebildet. Diese zirkulare Wicklung 301 ist über einen Spulenkörper auf eine in diesem Beispiel quadrati sche Ferritplatte 302 aufgebracht. Die Ferritplatte 302 ist ihrerseits auf einem ebenfalls quadratischen, aber etwas grö ßeren Schirmblech 303 aufgebracht.

In Figur 4 sind beide Induktivitäten 231, 232 in Seitenan sicht dargestellt. Dabei sind die Aufbauten entsprechend der Figur 3 so angeordnet, dass die zirkularen Wicklungen 301 ei nander zugewandt sind und koaxial angeordnet sind, d.h. die zentralen Achsen der Wicklungen 301 stimmen überein. Der Luftspalt 304 zwischen den Wicklungen 301 wird etwa 1/10 bis 1/20 mal so groß wie der Induktorquerschnitt gewählt, um ei nen gewünschten Kopplungsfaktor von 60 % bis 80 % einzustel len .