Stromrichter

Die Erfindung betrifft einen Stromrichter mit einer Mehrzahl von gleichartig aufgebauten Teilschaltungen, ausgestaltet zum Betrieb im interleaved-Modus .

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%.

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 .

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.

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.

Der erfindungsgemäße Stromrichter weist eine Mehrzahl N von gleichartig aufgebauten Teilschaltungen auf. Die Teilschal tungen sind ausgestaltet zum Betrieb im interleaved-Modus .

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.

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.

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.

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.

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:

- 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.

- 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.

- 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.

- 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.

- 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.

- 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

interleaved-Modus der Gleichanteil des in ihnen fließenden Stroms stets gleich ist.

- 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.

- Die Wicklungen können mehrlagig ausgeführt sein. Dabei ist es zweckmäßig, wenn Innen- und Außenlage gleichmäßig verteilt sind .

- 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.

- Die Teilschaltungen können identisch aufgebaut sein. Das ist für den Betrieb im interleaved-Modus sinnvoll, damit alle Teilschaltungen unter denselben Bedingungen arbeiten.

- 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.

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.

Es zeigen:

Figur 1 einen aus zwei identischen Stufen bestehenden Invers- wandler (Buck-Boost-Converter) ,

Figur 2 eine verkoppelte Induktivität für den Inverswandler, Figur 3 einen aus drei identischen Stufen bestehenden Invers- wandler,

Figur 4 eine verkoppelte Induktivität für den dreistufigen Inverswandler .

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.

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.

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.

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.

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.

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 .

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.

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.

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 .

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.

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 .

Die Induktivitäten 22, 32, 82 der Teilschaltungen 20, 30, 80 sind als verkoppelte Induktivität aufgebaut, die in Figur 4 schematisch dargestellt ist.

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.

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,

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.

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.