DE102013202712A1 - Multi-phase transformer for use as power converter e.g. direct current (DC)-DC converter in motor vehicle electrical system, has coupling elements that are provided for coupling phases with each other - Google Patents

Multi-phase transformer for use as power converter e.g. direct current (DC)-DC converter in motor vehicle electrical system, has coupling elements that are provided for coupling phases with each other Download PDF

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DE102013202712A1
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Nils Draese
Richard Schoettle
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Robert Bosch GmbH
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Abstract

The transformer comprises multiple electrical phases that are controlled in each case by multiple switching elements. Multiple coupling elements (100,102,104,106) are provided for coupling the phases with each other. Each phase is comprised of multiple windings (110,112,114,116). Each coupling element has a magnetic flux leakage interference element for influencing the magnetic flux leakage either on one side or from two sides of the coupling elements. A gap is provided between the magnetic flux leakage interference element and the coupling element.

Description

Die Erfindung betrifft einen Multiphasenwandler The invention relates to a multi-phase converter

Stand der TechnikState of the art

Ein Leistungswandler, der auch als Gleichspannungswandler oder DC/DC-Wandler bezeichnet werden kann, ist dazu ausgebildet, eine Gleichspannung am Eingang in eine Gleichspannung mit anderem Spannungsniveau umzuwandeln. Ein derartiger Leistungswandler kann auch als Multiphasenwandler mit verkoppelten Induktivitäten ausgebildet sein. Verkoppelte Multiphasenwandler umfassen mehrere Phasen, wobei jede Phase durch einen stromdurchflossenen Leiter geführt ist, die durch magnetische Kopplungsmittel miteinander verkoppelt sind. Eine durch jede Phase erzeugte Stromwelligkeit durch die magnetische Kopplung kann jedoch den Betrieb des Multiphasenwandlers beeinträchtigen, weshalb Abschnitte der einzelnen Leiter zueinander geeignet anzuordnen sind, um bspw. Nachteile einer elektromagnetischen Verträglichkeit zu vermeiden.A power converter, which may also be referred to as a DC-DC converter or DC / DC converter, is designed to convert a DC voltage at the input into a DC voltage with a different voltage level. Such a power converter can also be designed as a multi-phase converter with coupled inductances. Coupled multiphase transducers comprise a plurality of phases, each phase being guided by a current-carrying conductor which is coupled to one another by magnetic coupling means. However, a current ripple generated by each phase by the magnetic coupling may affect the operation of the multi-phase converter, so sections of the individual conductors are mutually suitable to be arranged, for example, to avoid disadvantages of electromagnetic compatibility.

Die Druckschrift WO 2012/028558 A1 beschreibt einen Multiphasenwandler, bei dem durch die magnetisch gegensinnige Kopplung einer Phase von zumindest sechs Phasen mit zumindest drei weiteren Phasen eine störende gegenseitige Beeinflussung der Phasen minimiert und ein großer Teil des magnetischen Flusses kompensiert wird. Die zu verkoppelnden Phasen werden dabei so ausgewählt, dass eine optimale Kompensation erreicht werden kann. Dies erfolgt durch ein gegenläufiges Stromprofil der Phasen. Ziel ist es hierbei, dass die Phasen magnetisch so gekoppelt werden, dass das resultierende Magnetfeld aufgrund der verkoppelten Phasen minimiert wird. Dabei wird ein Ferritkern zur Kopplung der magnetischen Flüsse verwendet, um von der hohen Permeabilität des Materials zu profitieren. Bei der hier vorgeschlagenen Kopplung können die Phasen der Reihe nach und voneinander unabhängig angesteuert werden.The publication WO 2012/028558 A1 describes a multi-phase converter in which the magnetically opposing coupling of a phase of at least six phases with at least three further phases minimizes disruptive interference of the phases and compensates for a large part of the magnetic flux. The phases to be coupled are selected so that an optimal compensation can be achieved. This is done by an opposite current profile of the phases. The goal here is that the phases are magnetically coupled so that the resulting magnetic field is minimized due to the coupled phases. A ferrite core is used to couple the magnetic fluxes to benefit from the high permeability of the material. In the coupling proposed here, the phases can be controlled in series and independently of each other.

Aus der Druckschrift DE 10 2010 040 202 A1 ist ein Multiphasenwandler mit mehreren Phasen bekannt, die jeweils durch ein Schaltmittel ansteuerbar sind. Dabei ist das Kopplungsmittel vorgesehen, zumindest eine der Phasen mit zumindest drei weiteren Phasen magnetisch zu koppeln.From the publication DE 10 2010 040 202 A1 is a multiphase converter with multiple phases known, which are each controlled by a switching means. In this case, the coupling means is provided to magnetically couple at least one of the phases with at least three further phases.

Die Druckschrift DE 10 2010 040 222 A1 beschreibt einen Multiphasenwandler für mehrere elektrische Phasen, die jeweils durch Schaltmittel ansteuerbar sind. Dabei sind Kopplungsmittel vorgesehen, die zumindest eine erste Phase mit zumindest einer zweiten Phase magnetisch koppeln, wobei mindestens zwei Phasen räumlich in einer Ebene verlaufen.The publication DE 10 2010 040 222 A1 describes a multi-phase converter for a plurality of electrical phases, which are each controlled by switching means. Coupling means are provided which couple at least a first phase with at least one second phase magnetically, wherein at least two phases extend spatially in a plane.

Ein ähnliche Multiphasenwandler ist in der Druckschrift DE 10 2010 040 205 A1 beschrieben. Bei diesem sind mindestens zwei Kopplungsmittel vorgesehen, wobei zumindest eines der beiden Kopplungsmittel eine geringere Induktivität als das andere Kopplungsmittel aufweist.A similar multi-phase converter is in the document DE 10 2010 040 205 A1 described. In this at least two coupling means are provided, wherein at least one of the two coupling means has a lower inductance than the other coupling means.

Es sind somit verschiedene Konzepte mit verkoppelten Induktivitäten bekannt, die jedoch, zumindest zum Teil, verschiedene Nachteile haben, von denen nachfolgend exemplarisch einige genannt sind. So führt eine zu hohe Verkopplung zu EMV Probleme. Ein zu komplexer Aufbau bedingt hohe Fertigungskosten. Liegen der Phasenanfang und das Phasenende räumlich getrennt vor, so führt dies zu EMV- und Wirkungsgradnachteilen durch Leiterschleifen. Weiterhin verursachen hohe Kernverluste im Leerlauf einen schlechten Wirkungsgrad bei Minderlast. Ein zu flächiger Aufbau benötigt einen zu großen Bauraum. Zudem verursacht ein hoher Volumenbedarf an Weichmagnetmaterial hohe Kosten.Thus, various concepts with coupled inductances are known, which however, at least in part, have various disadvantages, of which a few are mentioned below by way of example. For example, excessive coupling leads to EMC problems. Too complex construction requires high production costs. If the phase beginning and the phase end are spatially separated, this leads to EMC and efficiency disadvantages due to conductor loops. Furthermore, high core losses during idling cause poor efficiency under reduced load. Too large a structure requires too much space. In addition, a high volume requirement of soft magnetic material causes high costs.

Zu beachten ist, dass es in der Leistungselektronik DC/DC-Wandlertopologien gibt, in denen ein Streufluss explizit für die Funktion benötigt wird. Dazu zählen u. a. Wandler mit gekoppelten Induktivitäten. In speziellen Streufeldtransformatoren, wie bspw. Klingeltrafos, Schweisstrafos, Vorschalttrafos usw., wird der Streufluss zur Kurzschlussfestigkeit und damit zur Stromregulierung verwendet. Dieser zusätzliche Streufluss kann in geringem Umfang durch die Art und/oder Ausführung der Kupferwicklung in dem Ferritkern beeinflusst werden.It should be noted that there are DC / DC converter topologies in power electronics in which stray flux is explicitly required for the function. These include u. a. Transducer with coupled inductances. In special stray field transformers, such as bell transformers, welding transformers, ballasts, etc., the leakage flux is used for short-circuit resistance and thus for current regulation. This additional leakage flux can be influenced to a limited extent by the type and / or design of the copper winding in the ferrite core.

In den Fällen, in denen diese geringe, zusätzlich machbare Streuinduktivität nicht ausreicht, müssen zusätzliche Induktivitäten, bspw. mit Bauteilen, in den Strompfad eingestaltet werden. Dies führt neben zusätzlichem Bauraum auch zu zusätzlichen Bauteilkosten und Verlustleistungen.In cases where this small, additionally feasible leakage inductance is not sufficient, additional inductances, for example with components, must be arranged in the current path. In addition to additional installation space, this also leads to additional component costs and power losses.

Ein weiterer Multiphasenwandler ist beispielsweise aus der WO 2009/114873 A1 bekannt. Der darin beschriebene DC/DC-Wandler umfasst eine Spule mit nicht linearem induktivem Widerstand, ein Schaltsystem und einen Ausgangsfilter. Dabei werden benachbarte Phasen miteinander gekoppelt.Another multi-phase converter is for example from the WO 2009/114873 A1 known. The DC / DC converter described therein comprises a non-linear inductive resistor coil, a switching system and an output filter. In the process, adjacent phases are coupled with each other.

Aus der EP 1 145 416 B1 ist bereits ein Umrichter für die Umformung von elektrischer Energie bekannt. So wird hier vorgeschlagen, dass die Drosselgröße durch die Verwendung von gekoppelten Induktivitäten reduziert werden kann. Hierbei sollen die gekoppelten Drosseln so dimensioniert werden, dass die Lastströme der Teilzweige sich gegenseitig kompensieren und zu keiner magnetischen Belastung der Drossel führen. Nur der Differenzstrom zwischen den einzelnen Teilzweigen führt dann zu einem magnetischen Feld.From the EP 1 145 416 B1 Already a converter for the transformation of electrical energy is known. Thus, it is proposed here that the throttle size can be reduced by the use of coupled inductors. Here, the coupled reactors are to be dimensioned so that the load currents of the sub-branches compensate each other and do not lead to any magnetic load on the throttle. Only the differential current between the individual sub-branches then leads to a magnetic field.

Aus der US 2009/0179723 A1 ist bereits ein DC/DC-Wandler gekannt, bei dem über einen gezielt gewählten Abstand zweier magnetisch zu koppelnder Phasen die Streuinduktivität eingestellt werden kann. From the US 2009/0179723 A1 A DC / DC converter is already known in which the leakage inductance can be set via a specifically selected distance between two phases to be magnetically coupled.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Vor diesem Hintergrund werden ein Multiphasenwandler mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verkopplungskonzept vorgestellt. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und der Beschreibung.Against this background, a multi-phase converter with the features of claim 1 and a coupling concept are presented. Further embodiments of the invention will become apparent from the dependent claims and the description.

Es wird somit ein Verkopplungskonzept vorgestellt, das hinsichtlich der Anforderungen für automotive Hochleistungswandler in Bezug auf Bauraum, Kosten und Wirkungsgrad optimiert ist.Thus, a coupling concept is presented that is optimized with regard to the requirements for automotive high-performance converters in terms of space, cost and efficiency.

Von Bedeutung ist, dass Phasen mit Kopplungsmitteln magnetisch gekoppelt werden, wobei jedes Kopplungsmittel jeweils mindestens zwei Phasen koppelt, wobei jede Phase jeweils mindestens zwei Windungen umfasst.Of importance is that phases are magnetically coupled to coupling means, each coupling means coupling at least two phases each, each phase comprising at least two turns.

Der Multiphasenwandler kann derart ausgestaltet sein, dass durch das gezielte Einbringen eines magnetischen Streufluss die Kopplung der Phasen etwas verringert wird, wodurch eine Reduzierung der Verlustleistung und damit eine Steigerung des Wirkungsgrades erreicht werden kann. Dadurch konnten auch Störungen weiter reduziert werden. Dies wird erreicht durch ein Mittel zur Beeinflussung eines magnetischen Streuflusses, das zwischen zumindest zwei der zu koppelnden Phasen angeordnet ist. Diese Lösung kommt ohne zusätzlichen Bauraum aus und ist damit platzsparend.The multi-phase converter can be designed such that the coupling of the phases is somewhat reduced by the targeted introduction of a magnetic leakage flux, whereby a reduction of the power loss and thus an increase in the efficiency can be achieved. This also made it possible to further reduce disruptions. This is achieved by a means for influencing a magnetic leakage flux, which is arranged between at least two of the phases to be coupled. This solution does not require additional space and is therefore space-saving.

Zu beachten ist, dass der vorgestellte Multiphasenwandler für eine Anzahl an Phasen ausgebildet sein kann. So können zwei, drei, vier, fünf, sechs oder mehr Phasen vorgesehen sein. Jeder Phase sind dabei mindestens zwei Windungen zugeordnet.It should be noted that the presented multi-phase converter can be designed for a number of phases. Thus, two, three, four, five, six or more phases may be provided. Each phase is assigned at least two turns.

Besonders zweckmäßig ist das Mittel zur Beeinflussung eines magnetischen Streuflusses Magnetfluss leitend mit dem Kopplungsmittel verbunden. Damit könnte diese Funktionalität schon bei der Herstellung des Kopplungsmittels integriert werden, beispielsweise durch Pressen der Ferritkerne als Kopplungsmittel direkt im Herstellprozess.Particularly suitably, the means for influencing a magnetic flux leakage magnetic flux is conductively connected to the coupling means. Thus, this functionality could already be integrated in the production of the coupling agent, for example by pressing the ferrite cores as a coupling agent directly in the manufacturing process.

In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Mittel zur Beeinflussung eines magnetischen Streuflusses mittig zwischen den zwei zu koppelnden Phasen angeordnet ist. Besonders zweckmäßig ist das Mittel zur Beeinflussung des Streuflusses rechteckförmig oder domförmig ausgebildet. In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Mittel zur Beeinflussung des Streuflusses nur auf einer Seite mit dem Kopplungsmittel verbunden ist. Diese Variante lässt sich besonders einfach fertigen, da das Mittel zur Beeinflussung des Streuflusses Teil des Kopplungsmittels ist und aus demselben Material besteht.In an expedient development it is provided that the means for influencing a magnetic leakage flux is arranged centrally between the two phases to be coupled. Particularly suitably, the means for influencing the leakage flux is rectangular or dome-shaped. In an expedient development it is provided that the means for influencing the leakage flux is connected to the coupling means only on one side. This variant is particularly easy to manufacture, since the means for influencing the leakage flux is part of the coupling means and consists of the same material.

In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist vorgesehen, dass zwischen dem Mittel zur Beeinflussung des Streuflusses und dem Kopplungsmittel ein Spalt, vorzugsweise ein Luftspalt, vorgesehen ist, bevorzugt in der Größenordnung von 1 mm, besonders bevorzugt zwischen 0,3 bis 0,5 mm. Diese Größe vermeidet unerwünschte Sättigungseffekte über ein gewisses Toleranzband hinweg.In an expedient development, it is provided that a gap, preferably an air gap, is provided between the means for influencing the leakage flux and the coupling means, preferably in the order of magnitude of 1 mm, particularly preferably between 0.3 to 0.5 mm. This size avoids unwanted saturation effects over a certain tolerance band.

In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist vorgesehen, dass die zumindest eine Phase als Runddraht ausgeführt ist. Dadurch erhöhen sich die Streuflüsse und die Störungen können weiter reduziert werden.In an expedient development it is provided that the at least one phase is designed as a round wire. This increases the leakage flux and the interference can be further reduced.

In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist vorgesehen, dass eine erste Phase im Wesentlichen einen ebenen, U-förmigen Verlauf aufweist, während eine zweite Phase einen im Wesentlichen rechteckförmigen, ebenen Verlauf aufweist. Diese so ausgebildeten Phasen lassen sich von Kopplungsmitteln, vorzugsweise handelsübliche Ferritkerne, umschließen. Dadurch wird in sehr einfacher Art und Weise unter Rückgriff eines matrizenförmigen Aufbaus die gewünschte Verkopplung der Phasen erreicht.In an expedient development, it is provided that a first phase essentially has a flat, U-shaped profile, while a second phase has a substantially rectangular, planar course. These phases thus formed can be enclosed by coupling agents, preferably commercially available ferrite cores. As a result, the desired coupling of the phases is achieved in a very simple manner by resorting to a matrix-shaped structure.

Es können eine Anzahl von Phasen, bspw. zwei bis fünf, vorgesehen sein. Dabei koppeln die Kopplungsmittel jeweils eine Phase mit genau einer anderen Phase, mit zwei Phasen, mit drei oder mehr Phasen. Zweckmäßig ist, wenn die einzelnen Phasen noch unabhängig voneinander gesteuert werden können. Jeder Phase sind dabei mindestens zwei Windungen zugeordnet.There may be a number of phases, for example two to five. The coupling agents each couple a phase with exactly one other phase, with two phases, with three or more phases. It is expedient if the individual phases can still be controlled independently of each other. Each phase is assigned at least two turns.

In einer besonders zweckmäßigen Weiterbildung ist vorgesehen, dass genau sechs Phasen vorgesehen sind, wobei die Kopplungsmittel jede der sechs Phasen mit drei weiteren der sechs Phasen magnetisch koppeln. Bei dieser Art der Verkopplung ist einerseits gewährleistet, dass die einzelnen Phasen noch unabhängig voneinander gesteuert werden können. Außerdem lässt sich die Ausfallsicherheit des Multiphasenwandlers erhöhen aufgrund der stärkeren Vernetzung der Phasen.In a particularly expedient development it is provided that exactly six phases are provided, wherein the coupling means magnetically couple each of the six phases with three other of the six phases. This type of coupling on the one hand ensures that the individual phases can still be controlled independently of each other. In addition, the reliability of the multi-phase converter can be increased due to the stronger networking of the phases.

In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Kopplungsmittel zumindest zwei Teile umfasst, wobei eines der Teile einen U-, O-, I- oder E-förmigen Querschnitt aufweist. Durch diesen Aufbau lassen sich besonders einfach die zu koppelnden Phasen durch das Kopplungsmittel umgeben. In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist vorgesehen, dass zwischen zwei Teilen ein Spalt, vorzugsweise ein Luftspalt vorgesehen ist. Auf diese Art und Weise lässt sich besonders einfach die Induktivität beeinflussen. In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist vorgesehen, dass mehrere, aus zumindest zwei Teilen bestehende Kopplungsmittel zumindest ein gemeinsames Teil aufweisen, vorzugsweise eine Metallplatte. Damit könnte sich die Montage erleichtern, da sämtliche Kopplungsmittel in nur einem Schritt durch das Aufsetzen der Platte geschlossen werden könnten.In an expedient development it is provided that the coupling means comprises at least two parts, wherein one of the parts has a U, O, I or E-shaped cross section. With this structure, it is particularly easy to surround the phases to be coupled by the coupling means. In an expedient development it is provided that between two parts, a gap, preferably an air gap is provided. In this manner and manner, it is particularly easy to influence the inductance. In an expedient development it is provided that a plurality of coupling means consisting of at least two parts have at least one common part, preferably a metal plate. This could facilitate assembly, since all coupling means could be closed in just one step by placing the plate.

In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist vorgesehen, dass zumindest zwei, insbesondere drei Kopplungsmittel vorgesehen sind, um eine der Phasen mit zwei weiteren Phasen magnetisch zu koppeln, wobei zumindest eines der beiden Kopplungsmittel eine geringere Induktivität als das andere Kopplungsmittel, aufweist. Durch gezielte Wahl der Induktivität des Kopplungsmittels können verschiedene Aspekte beeinflusst und optimiert werden. Zum einen beeinflusst die Induktivität die Verlustleistung und damit auch die Wärmeentwicklung in den Kopplungsmitteln. Eine Reduzierung der Induktivität reduziert auch die Verlustleistung. Außerdem kann eine geringere Induktivität als Sättigungsschutz dienen. Dadurch sättigen Kopplungsmittel mit geringerer Induktivität erst später bei höheren Strömen, so dass sich der Multiphasenwandler im Fehlerfall noch länger in einem stabilen Betriebszustand betrieben werden kann. Andererseits reduziert eine hohe Induktivität den Stromripple, also die Welligkeit des Stroms. Damit kann mit der Wahl der geeigneten Induktivität die Verlustverteilung, Sättigungsverhalten und Stromwelligkeit optimiert werden.In an expedient development it is provided that at least two, in particular three coupling means are provided to magnetically couple one of the phases with two further phases, wherein at least one of the two coupling means has a lower inductance than the other coupling means. By selective choice of the inductance of the coupling agent, various aspects can be influenced and optimized. On the one hand, the inductance influences the power loss and thus also the heat development in the coupling means. A reduction of the inductance also reduces the power loss. In addition, a lower inductance can serve as saturation protection. As a result, coupling means with a lower inductance only saturate later at higher currents, so that the multiphase converter can be operated even longer in a stable operating state in the event of a fault. On the other hand, a high inductance reduces the current ripple, ie the ripple of the current. Thus, with the choice of suitable inductance, the loss distribution, saturation behavior and current ripple can be optimized.

In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Kopplungsmittel, das eine Phase mit einer Phase koppelt, die im Wesentlichen um etwa 180° phasenverschoben angesteuert ist, eine geringere Induktivität als zumindest eines der anderen Kopplungsmittel aufweist. Dadurch können diese in der Regel stärker belasteten Kopplungsmittel hinsichtlich der Verluste reduziert werden, so dass auch eine geringere Wärmeentwicklung erzielt wird.In an expedient refinement, it is provided that the coupling means which couples a phase with a phase which is driven substantially phase-shifted by approximately 180 ° has a lower inductance than at least one of the other coupling means. As a result, these usually more heavily loaded coupling means can be reduced in terms of losses, so that a lower heat generation is achieved.

Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung den beigefügten Zeichnungen.Further advantages and embodiments of the invention will become apparent from the description of the accompanying drawings.

Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.It is understood that the features mentioned above and those yet to be explained below can be used not only in the particular combination indicated, but also in other combinations or in isolation, without departing from the scope of the present invention.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

1 zeigt Kopplungselemente, die Phasen miteinander verkoppeln. 1 shows coupling elements that couple phases together.

2 zeigt ein Kopplungselement in einer Seitenansicht. 2 shows a coupling element in a side view.

3 zeigt das Verkopplungskonzept. 3 shows the coupling concept.

4 zeigt weitere Kopplungselemente. 4 shows further coupling elements.

5 zeigt eine Schaltungsanordnung. 5 shows a circuit arrangement.

6 zeigt eine schematische Darstellung der jeweiligen Verkopplung der Phasen. 6 shows a schematic representation of the respective coupling of the phases.

7 zeigt eine Ansteuerung und Stromverläufe beim Ausführungsbeispiel gemäß 5. 7 shows a control and current waveforms in the embodiment according to 5 ,

8 zeigt einen Schnitt durch ein Kopplungsmittel mit zwei verkoppelten Phasen. 8th shows a section through a coupling means with two coupled phases.

9 zeigt einen Schnitt entlang der in 4 angedeuteten Linie A bei einem matrixförmigen Aufbau mit neun Kopplungsmitteln in der Draufsicht. 9 shows a section along the in 4 indicated line A in a matrix structure with nine coupling means in plan view.

10 zeigt einen Schnitt durch ein Kopplungsmittel mit Mitteln zur Beeinflussung des Streuflusses mit zwei verkoppelten Phasen in einem alternativen Ausführungsbeispiel. 10 shows a section through a coupling means with means for influencing the leakage flux with two coupled phases in an alternative embodiment.

11 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel eines Kopplungsmittels mit einem Luftspalt und Mitteln zur Beeinflussung des Streuflusses. 11 shows an alternative embodiment of a coupling means with an air gap and means for influencing the leakage flux.

12 zeigt einen Schnitt durch ein Kopplungsmittel mit domförmigen Mitteln zur Beeinflussung des Streuflusses mit zwei verkoppelten Phasen in einem weiteren alternativen Ausführungsbeispiel. 12 shows a section through a coupling means with dome-shaped means for influencing the leakage flux with two coupled phases in a further alternative embodiment.

13 zeigt einen Schnitt durch ein Kopplungsmittel mit rechteckförmigen Mitteln zur Beeinflussung des Streuflusses mit zwei verkoppelten Phasen in einem weiteren alternativen Ausführungsbeispiel. 13 shows a section through a coupling means with rectangular means for influencing the leakage flux with two coupled phases in a further alternative embodiment.

14 zeigt einen Schnitt durch ein Kopplungsmittel mit rechteckförmigen Mitteln zur Beeinflussung des Streuflusses mit zwei verkoppelten Phasen in einem weiteren alternativen Ausführungsbeispiel, bei dem erste und zweite Phase immer abwechselnd angeordnet sind. 14 shows a section through a coupling means with rectangular means for influencing the leakage flux with two coupled phases in a further alternative embodiment in which the first and second phases are always arranged alternately.

15 zeigt einen Schnitt durch ein Kopplungsmittel mit Mitteln zur Beeinflussung des Streuflusses mit zwei als Runddrähte ausgeführten verkoppelten Phasen in einem weiteren alternativen Ausführungsbeispiel. 15 shows a section through a coupling means with means for influencing the leakage flux with two executed as round wires coupled phases in a further alternative embodiment.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben.The invention is schematically illustrated by embodiments in the drawings and will be described below in detail with reference to the drawings.

Die Figuren zeigen den kompakten und flachen Aufbau des 4-phasigen Systems gekoppelter Induktivitäten mit einstellbarem Streufluss.The figures show the compact and flat design of the 4-phase system of coupled inductors with adjustable leakage flux.

In diesem System sind pro Kopplungselement bzw. Kern jeweils zwei Phasen miteinander verkoppelt. In den vier Kernen ist somit jede Phase mit ihrem (zeitlichen) Vorgänger und Nachfolger magnetisch verkoppelt. Durch die Ausführung mit jeweils zwei Windungen pro Phase wird die magnetische Aussteuerung des Kernquerschnitts deutlich reduziert. Dies führt wiederum zu deutlich kleineren Kernverlusten und damit zu einem geringeren Kühlaufwand.In this system, two phases are coupled together per coupling element or core. In the four nuclei, each phase is thus magnetically coupled with its (temporal) predecessor and successor. Due to the design with two turns per phase, the magnetic modulation of the core cross-section is significantly reduced. This in turn leads to significantly smaller core losses and thus to a lower cooling effort.

Aufgrund der Tatsache, dass in gekoppelten Systemen kein Luftspalt im Hauptflusspfad notwendig ist, können mit den zwei Windungen auch große Induktivitätswerte realisiert werden. Durch die gesteigerte Induktivität kann jeder Kern mit einem Luftspalt als Sättigungsschutz versehen werden.Due to the fact that in coupled systems no air gap in the main flow path is necessary, with the two windings also large inductance values can be realized. Due to the increased inductance, each core can be provided with an air gap as saturation protection.

Gegenüber Ausführungen mit nur einer Windung verdoppelt sich der Strom, der als Unsymmetrie/Lastaufteilung zwischen den Phasen toleriert werden kann. Die zusätzlichen Stege dienen dem Einbringen des erwünschten Streuflusses. Dies kann in der Fertigung durch Schleifen des Luftspaltes erfolgen. Der Aufbau ist einfach gestaltet, so daß Stanz- oder Biegeteile in die untere Kernhälfte eingelegt werden können und mit einer identischen zweiten Kernhälfe von oben geschlossen wird. Zusätzliche Wickeltechniken entfallen.Compared to versions with only one turn, the current doubles, which can be tolerated as unbalance / load sharing between the phases. The additional webs are used to introduce the desired leakage flux. This can be done in manufacturing by grinding the air gap. The structure is simple, so that stamped or bent parts can be inserted into the lower core half and closed with an identical second core halves from above. Additional winding techniques are eliminated.

Wenn der zur Verfügung stehende Bauraum keine flächige Ausdehnung zulässt, kann die 2 × 2-Matrix auch zu einem schmalen und noch kompakteren Aufbau geklappt werden.If the space available does not permit extensive expansion, the 2 × 2 matrix can also be folded into a narrower and more compact construction.

Dadurch ergeben sich mehrere Vorteile für automotive Niederspannungswandler mit hohen Leistungen und Wirkungsgraden:

  • 1) Hoher Wirkungsgrad durch geringen Kupferwiderstand,
  • 2) Geringe Ruheverluste und dadurch hoher Wirkungsgrad bei Minderlast,
  • 3) Hohe Dynamik durch Verkopplung,
  • 4) Einfach anpassbarer Streufluss und dadurch optimierbares EMV-Verhalten an die Lastforderungen,
  • 5) Kleine Leiterschleife, da jede Phase direkt dort aus dem Kern herausgeführt werden kann, wo sie auch rein geführt wird. Dadurch kann sie direkt an der Schaltzelle mit einem Kondensator abgeschlossen werden, was für die EMV Vorteilhaft ist.
This results in several advantages for automotive low-voltage converters with high powers and efficiencies:
  • 1) high efficiency due to low copper resistance,
  • 2) Low resting losses and thus high efficiency at reduced load,
  • 3) High dynamics through coupling,
  • 4) Easily adjustable leakage flux and thus optimized EMC behavior to the load requirements,
  • 5) Small conductor loop, since each phase can be led out of the core directly there, where it is also purely led. As a result, it can be terminated directly at the switch cell with a capacitor, which is advantageous for the EMC.

1 zeigt Kopplungsmittel 100, 102, 104 und 106, die jeweils zwei Phasen miteinander koppeln, wobei jede Phase zwei Windungen umfasst. 1 shows coupling agent 100 . 102 . 104 and 106 each coupling two phases together, each phase comprising two turns.

2 zeigt das Kopplungsmittel 102 mit einer ersten Windung 110, einer zweiten Windung 112, einer dritten Windung 114 und einer vierten Windung 116. Die erste Windung 110 und die zweite Windung 112 bilden eine ersten Phase, die dritte Windung 114 und die vierte Windung 116 bilden eine zweite Phase. Diese beiden Phasen werden in dem Kopplungsmittel 104 miteinander magnetisch gekoppelt. 2 shows the coupling agent 102 with a first turn 110 , a second turn 112 , a third turn 114 and a fourth turn 116 , The first turn 110 and the second turn 112 form a first phase, the third turn 114 and the fourth turn 116 form a second phase. These two phases are in the coupling agent 104 magnetically coupled together.

Diese Verkopplung ist in 3 nochmals verdeutlicht. Wichtig ist, dass die Windungen der Phasen nebeneinander und übereinander angeordnet sein können. Zu erkennen sind weiterhin Windungen 120 und 122, die eine Phase bilden und Windungen 130 und 132, die eine Phase bilden.This coupling is in 3 again clarified. It is important that the turns of the phases can be arranged side by side and one above the other. You can still see turns 120 and 122 that form a phase and turns 130 and 132 that form a phase.

4 zeigt eine weitere Darstellung von Kopplungsmitteln 150, 152, 154 und 156, die jeweils zwei Phasen, die jeweils zwei Windungen umfassen, koppeln. 4 shows a further illustration of coupling means 150 . 152 . 154 and 156 each coupling two phases, each comprising two turns.

Der Aufbau eines Multiphasenwandlers 10 ist gemäß 5 schaltungstechnisch dargestellt. Der hier beispielhaft beschriebene Multiphasenwandler 10 besteht aus sechs Phasen 11 bis 16. Jede der Phasen 11 bis 16 lässt sich einzeln über entsprechende Schaltmittel 21 bis 26 ansteuern, jeweils bestehend aus einem Highside-Schalter und einem Lowside-Schalter. Jeder Strom der Phasen 11 bis 16 fließt aufgrund magnetischer Kopplung mit drei weiteren Phasen durch drei Induktivitäten Lxx, die die entsprechenden Kopplungsmittel 31 bis 39 bewirken. Ein erstes Kopplungsmittel 31 koppelt die erste Phase 11 mit der zweiten Phase 12 magnetisch, so dass sich für die erste Phase 11 eine Induktivität L12, für die zweite Phase 12 eine Induktivität L21 ergibt. Ein sechstes Kopplungsmittel 36 koppelt die erste Phase 11 mit der sechsten Phase 16 magnetisch, so dass sich für die erste Phase 11 eine Induktivität L16, für die sechste Phase 16 eine Induktivität L61 ergibt. Ein siebtes Kopplungsmittel 37 koppelt die erste Phase 11 mit der vierten Phase 14 magnetisch, so dass sich für die erste Phase 11 eine Induktivität L14, für die sechste Phase 16 eine Induktivität L41 ergibt. Ein zweites Kopplungsmittel 32 koppelt die zweite Phase 12 mit der dritten Phase 13 magnetisch, so dass sich für die zweite Phase 12 eine Induktivität L23, für die dritte Phase 13 eine Induktivität L32 ergibt. Ein neuntes Kopplungsmittel 39 koppelt die zweite Phase 12 mit der fünften Phase 15 magnetisch, so dass sich für die zweite Phase 12 eine Induktivität L25, für die fünfte Phase 15 eine Induktivität L52 ergibt. Ein drittes Kopplungsmittel 33 koppelt die dritte Phase 13 mit der vierten Phase 14 magnetisch, so dass sich für die dritte Phase 13 eine Induktivität L34, für die vierte Phase 14 eine Induktivität L43 ergibt. Ein achtes Kopplungsmittel 38 koppelt die dritte Phase 13 mit der sechsten Phase 16 magnetisch, so dass sich für die dritte Phase 13 eine Induktivität L36, für die sechste Phase 16 eine Induktivität L63 ergibt. Ein viertes Kopplungsmittel 34 koppelt die vierte Phase 14 mit der fünften Phase 15 magnetisch, so dass sich für die vierte Phase 14 eine Induktivität L45, für die fünfte Phase 15 eine Induktivität L54 ergibt. Ein fünftes Kopplungsmittel 35 koppelt die fünfte Phase 15 mit der sechsten Phase 16 magnetisch, so dass sich für die fünfte Phase 15 eine Induktivität L56, für die sechste Phase 16 eine Induktivität L65 ergibt.The construction of a multi-phase converter 10 is according to 5 shown in circuit technology. The multiphase converter described here by way of example 10 consists of six phases 11 to 16 , Each of the phases 11 to 16 can be individually via appropriate switching means 21 to 26 each consisting of a high-side switch and a low-side switch. Every stream of phases 11 to 16 due to magnetic coupling with three further phases, it flows through three inductors Lxx which supply the corresponding coupling means 31 to 39 cause. A first coupling agent 31 couples the first phase 11 with the second phase 12 magnetic, so for the first phase 11 an inductance L12, for the second phase 12 an inductance L21 results. A sixth coupling agent 36 couples the first phase 11 with the sixth phase 16 magnetic, so for the first phase 11 an inductance L16, for the sixth phase 16 an inductance L61 results. A seventh coupling agent 37 couples the first phase 11 with the fourth phase 14 magnetic, so for the first phase 11 an inductance L14, for the sixth phase 16 an inductance L41 results. A second coupling agent 32 couples the second phase 12 with the third phase 13 magnetic, so for the second phase 12 an inductance L23, for the third phase 13 an inductance L32 results. A ninth coupling agent 39 couples the second phase 12 with the fifth phase 15 magnetic, so for the second phase 12 an inductor L25, for the fifth phase 15 an inductance L52 results. A third coupling agent 33 couples the third phase 13 with the fourth phase 14 magnetic, allowing for the third phase 13 an inductance L34, for the fourth phase 14 an inductance L43 results. One eighth coupling agent 38 couples the third phase 13 with the sixth phase 16 magnetic, allowing for the third phase 13 an inductor L36, for the sixth phase 16 gives an inductance L63. A fourth coupling agent 34 Couples the fourth phase 14 with the fifth phase 15 magnetic, so for the fourth phase 14 an inductor L45, for the fifth phase 15 gives an inductance L54. A fifth coupling agent 35 couples the fifth phase 15 with the sixth phase 16 magnetic, so for the fifth phase 15 an inductance L56, for the sixth phase 16 an inductance L65 results.

Ein Eingangsstrom IE verteilt sich auf die sechs Phasen 11 bis 16. Am Eingang ist ein Kondensator als Filtermittel gegen Masse geschaltet. Die Ausgänge der Phasen 11 bis 16 sind an einem gemeinsamen Summationspunkt zusammengeführt und mittels einem nicht näher bezeichneten Kondensator als Filtermittel gegen Masse geschaltet. An dem gemeinsamen ausgangsseitigen Summationspunkt liegt dann der Ausgangsstrom IA an. Die jeweils miteinander gekoppelten Induktivitäten Lxx sind mit unterschiedlichem Wicklungssinn zueinander orientiert wie durch die entsprechenden Punkte in 1 angedeutet.An input current I E is distributed over the six phases 11 to 16 , At the input, a capacitor is connected as a filter means to ground. The outputs of the phases 11 to 16 are brought together at a common summation point and connected by means of a capacitor not shown in detail as a filter means to ground. The output current I A is then applied to the common output-side summation point. The respective inductors Lxx coupled to one another are oriented with different winding senses to one another as through the corresponding points in FIG 1 indicated.

Hierbei können für jede Phase mindestens zwei Windungen bzw. Wicklungen vorgesehen sein.In this case, at least two windings or windings can be provided for each phase.

In 6 ist systematisch dargestellt, wie die sechs Phasen 11 bis 16 durch entsprechende Kopplungsmittel 31 bis 39 miteinander verkoppelt sind. Wie bereits in Verbindung mit 1 beschrieben, werden sowohl benachbarte Phasen miteinander verkoppelt wie auch zusätzlich die um 180 Grad versetzte Phase. Als benachbarte Phase wird eine solche verstanden, die zeitlich unmittelbar vorausgehend oder nachfolgend angesteuert wird, das heißt deren Einschaltzeitpunkte zeitlich unmittelbar vorher oder nachher liegen. Im Ausführungsbeispiel wird die Bezeichnung der Phasen 11 bis 16 so gewählt, dass die Phasen 11 bis 16 entsprechend der Nummerierung nacheinander angesteuert werden, das heißt in der Reihenfolge (Angaben entsprechen den Bezugszeichen der Phasen): 11-12-13-14-15-16-11 usw., jeweils um 60 Grad bzw. um T/6 (360 Grad/Anzahl der Phasen) phasenverschoben, wobei T die Periodendauer eines Ansteuerzyklus darstellt. Diese Reihenfolge ist auch in 2 und 7 gezeigt. Das heißt die Startzeitpunkte für die verschiedenen Phasen 11 bis 16 sind um jeweils 60 Grad phasenverschoben bzw. um jeweils T/6 zeitlich verschoben. In 7 wird zwar die jeweilige Phase nach der zeitlichen Dauer T/6 wieder ausgeschaltet (PWM-Verhältnis 1/6). Je nach gewünschtem Spannungsverhältnis könnte die Abschaltung früher oder später, bis hin zu Dauer-Ein Te, erfolgen, je nach gewünschtem PWM-Signal (zwischen 0 % (Dauer-Aus, Te = 0) und 100 % (Dauer-Ein, Te = T), bezogen auf eine Periodendauer T).In 6 is represented systematically, like the six phases 11 to 16 by appropriate coupling agents 31 to 39 are coupled together. As already in connection with 1 described, both adjacent phases are coupled together as well as in addition the phase offset by 180 degrees. An adjacent phase is understood to be one which is actuated chronologically immediately preceding or following, that is to say whose turn-on times are immediately before or after it. In the embodiment, the name of the phases 11 to 16 chosen so that the phases 11 to 16 be controlled sequentially according to the numbering, that is in the order (details correspond to the reference numerals of the phases): 11 - 12 - 13 - 14 - 15 - 16 - 11 etc. are phase shifted by 60 degrees and by T / 6 (360 degrees / number of phases, respectively), where T represents the period of a drive cycle. This order is also in 2 and 7 shown. That means the start times for the different phases 11 to 16 are phase-shifted by 60 degrees and shifted in time by T / 6, respectively. In 7 If the respective phase is switched off again after the time duration T / 6 (PWM ratio 1/6). Depending on the desired voltage ratio, the shutdown could take place sooner or later, up to continuous On, depending on the desired PWM signal (between 0% (continuous off, Te = 0) and 100% (continuous on, Te = T), based on a period T).

Das Diagramm gemäß 7 zeigt die zeitlichen Verläufe der Ansteuersignale 52 für die jeweiligen Schaltmittel 21 bis 26 der entsprechenden Phasen 11 bis 16 sowie die Stromverläufe in den Phasen 11 bis 16. Die Schaltmittel 21 bis 26 bestromen die zugehörigen Phasen 11 bis 16 nacheinander für jeweils ein Sechstel einer Periodendauer T, beispielsweise durch ein PWM-Signal, und sind anschließend im Freilauf. Die hieraus resultierenden Stromverläufe der einzelnen Phasen 11 bis 16 sind darunter beispielhaft gezeigt. Die Periodendauer T der Ansteuersignale 52 liegt beispielsweise in der Größenordnung von 0,01 ms. Die Startzeitpunkte für die verschiedenen Phasen 11 bis 16 sind um jeweils 60 Grad phasenverschoben bzw. zeitlich um T/6 versetzt. Der Startzeitpunkt der zweiten Phase 12 mit dem entsprechenden Ansteuersignal 52 des zweiten Schaltmittels 22 liegt bei t = 0 und wird nach 1/6 T wieder (abhängig vom gewünschten PWM-Verhältnis) ausgeschaltet. Der Startzeitpunkt der zur zweiten Phase 12 benachbarten dritten Phase 13 liegt bei T/6, der Startzeitpunkt der vierten Phase 14 bei 2T/6 und so fort. Zwar wird in 7 die jeweilige Phase nach T/6 wieder ausgeschaltet (PWM-Verhältnis 1/6). Je nach gewünschtem Spannungsverhältnis könnte die Abschaltung jedoch früher oder später, bis hin zu Dauer-Ein, erfolgen, je nach gewünschtem PWM-Signal (zwischen 0 % (Dauer-Aus) und 100 % (Dauer-Ein)). Das heißt, es könnten zu einem bestimmten Zeitpunkt auch mehrere Phasen 11 bis 16 gleichzeitig bestromt werden, wenn dies die gewünschten Spannungsverhältnisse erfordern. Die Startzeitpunkte sind jedoch zeitlich versetzt.The diagram according to 7 shows the timing of the drive signals 52 for the respective switching means 21 to 26 the corresponding phases 11 to 16 as well as the current courses in the phases 11 to 16 , The switching means 21 to 26 energize the associated phases 11 to 16 successively for each one sixth of a period T, for example by a PWM signal, and are then in the freewheel. The resulting current waveforms of the individual phases 11 to 16 are shown below by way of example. The period T of the drive signals 52 is, for example, on the order of 0.01 ms. The starting times for the different phases 11 to 16 are phase-shifted by 60 degrees or offset by T / 6 in time. The start time of the second phase 12 with the corresponding drive signal 52 the second switching means 22 is at t = 0 and is switched off again after 1/6 T (depending on the desired PWM ratio). The start time of the second phase 12 adjacent third phase 13 is at T / 6, the start time of the fourth phase 14 at 2T / 6 and so on. True, in 7 the respective phase switched off again after T / 6 (PWM ratio 1/6). However, depending on the desired voltage ratio, the shutdown could occur sooner or later, up to continuous on, depending on the desired PWM signal (between 0% (continuous off) and 100% (continuous on)). This means that there could be several phases at a given time 11 to 16 be energized simultaneously, if required by the desired voltage conditions. However, the start times are offset in time.

8 zeigt den Aufbau der Kopplungsmittel 31–39 beispielhaft anhand dem ersten Kopplungsmittel 31, das die erste Phase 11 und der zweite Phase 12 magnetisch koppelt. Das erste Kopplungsmittel 31 besteht aus einem im Wesentlichen E-förmigen ersten Teil 44 und einem plattenförmigen zweiten Teil 43, die die Spulenkerne bilden. Die äußeren Schenkel des ersten Teils 44 mit E-förmigem Querschnitt sind alle gleich lang, sodass sie durch das plattenförmige (I-förmiger Querschnitt) zweite Teil 43 ohne Luftspalt geschlossen, beispielsweise durch Kleben, werden können. Zwischen dem mittleren Schenkel und dem äußeren Schenkel des E-förmigen Teils 44 des Kopplungsmittels 31 ist jeweils ein Mittel 81 zur Beeinflussung des Streuflusses angeordnet. Dieses ist Teil des ersten Teils 44 und ist ebenfalls rechteckförmig ausgebildet und in derselben Weise wie die äußeren Schenkel orientiert. Allerdings ist das Mittel 81 zur Beeinflussung des Streuflusses etwas kürzer als die äußeren Schenkel, so dass sich ein Luftspalt 96 gegenüber dem zweiten Teil 43 im aufgesetzten Zustand bildet. Zwischen dem linken äußeren Schenkel des ersten Teils 44 und dem Mittel 81 zur Beeinflussung des Streuflusses ist die zweite Phase 12, zwischen dem Mittel 81 und dem mittleren Schenkel die erste Phase 11 mit entgegen gesetztem Stromfluss angeordnet. Zwischen der anderen Seite des mittleren Schenkels zu dem weiteren Mittel 81 zur Beeinflussung des Streuflusses befindet sich die erste Phase 11. Zwischen dem weiteren Mittel 81 und dem rechten äußeren Schenkel des ersten Teils 44 ist die zweite Phase 12 mit entgegen gesetztem Stromfluss angeordnet. Die äußeren Schenkel des ersten Teils 44 weisen in der Draufsicht eine Fläche Al auf. Der mittlere Schenkel des ersten Teils 44 weist in der Draufsicht bevorzugt eine Fläche 2·A1 auf. Die Schenkel der Mittel 81 zur Beeinflussung des Streuflusses 81 weisen eine Fläche A2 auf. Aus Gründen einer einfachen Fertigung werden die Kopplungsmittel 31 bis 39 jeweils aus den zwei Teilen 43, 44 wie beschrieben aufgebaut. Die äußeren und der mittlere Schenkel sind mit dem zweiten Teil 43 so verbunden, dass ein Magnetkreis geschlossen wird. Somit sind nur kleine Spalte, beispielsweise in der Größenordnung von ca. 10 µm, zugelassen. Damit die Mittel 81 den gewünschten Streufluss aufbauen, ist im Ausführungsbeispiel der Luftspalt 96 zwischen den Enden der Mittel und dem zweiten Teil 43 im aufgesetzten Zustand in der Größenordnung von 1 mm, bevorzugt zwischen 0,3 und 0,5 mm gewählt. Der Luftspalt 96 hängt auch von der Geometrie der Mittel 81 zur Beeinflussung des Streuflusses ab, insbesondere von der Fläche A2. Bei einer Fläche A1 von ca. 100 mm2 und einer Fläche A2 von ebenfalls 100 mm2 hat sich der oben angegebene Bereich des Luftspalts 96 bewährt. 8th shows the structure of the coupling means 31 - 39 by way of example with reference to the first coupling means 31 that's the first phase 11 and the second phase 12 magnetically coupled. The first coupling agent 31 consists of a substantially E-shaped first part 44 and a plate-shaped second part 43 that form the coil cores. The outer legs of the first part 44 with E-shaped cross-section are all the same length, so they through the plate-shaped (I-shaped cross section) second part 43 closed without air gap, for example by gluing, can be. Between the middle leg and the outer leg of the E-shaped part 44 of the coupling agent 31 is each a means 81 arranged to influence the leakage flux. This is part of the first part 44 and is also rectangular in shape and oriented in the same way as the outer legs. However, that is the remedy 81 to influence the stray flux slightly shorter than the outer leg, leaving an air gap 96 opposite the second part 43 in the attached state forms. Between the left outer leg of the first part 44 and the agent 81 influencing the leakage flux is the second phase 12 , between the mean 81 and the middle leg the first phase 11 with contrary set current flow arranged. Between the other side of the middle thigh to the other means 81 to influence the stray flux is the first phase 11 , Between the other means 81 and the right outer leg of the first part 44 is the second phase 12 arranged with opposite current flow. The outer legs of the first part 44 have an area Al in plan view. The middle leg of the first part 44 In plan view, preferably has an area 2 * A1. The thighs of the means 81 for influencing the leakage flux 81 have an area A2. For reasons of ease of manufacture, the coupling agents become 31 to 39 each from the two parts 43 . 44 constructed as described. The outer and the middle leg are with the second part 43 connected so that a magnetic circuit is closed. Thus, only small gaps, for example in the order of about 10 microns, allowed. So the funds 81 build the desired leakage flux is in the embodiment of the air gap 96 between the ends of the means and the second part 43 in the mounted state in the order of 1 mm, preferably chosen between 0.3 and 0.5 mm. The air gap 96 also depends on the geometry of the means 81 for influencing the leakage flux, in particular from the surface A2. With an area A1 of about 100 mm 2 and an area A2 of likewise 100 mm 2 , the above-mentioned area of the air gap has 96 proven.

In 9 ist nun schematisch der matrixförmige räumliche Aufbau des in 6 gezeigten Konzepts abgebildet. Wie bereits in Verbindung mit 1 beschrieben wird jede Phase 11 bis 16 mit drei weiteren Phasen magnetisch gekoppelt. Hierzu sind – beispielhaft für die erste Phase 11 – drei separate Kopplungsmittel 31, 36, 37 vorgesehen. Das erste Kopplungsmittel 31 koppelt die erste Phase 11 magnetisch mit der zweiten Phase 12. Das sechste Kopplungsmittel 36 koppelt die erste Phase 11 mit der sechsten Phase 16. Das siebte Kopplungsmittel 37 koppelt die erste Phase 11 mit der vierten Phase 14. Das bevorzugte Kopplungsprinzip und Kopplungsmittel 31 wurde bereits in Verbindung mit 4 beschrieben. Die neun separaten Kopplungsmittel 31 bis 39 vorzugsweise als planare Spulenkerne, beispielsweise Ferritkerne, ausgebildet, die jeweils zwei Hohlräume aufweisen. In diesen Hohlräumen des Kopplungsmittels 31 bis 39 sind jeweils zwei Leiter bzw. Phasenabschnitte – von Mitteln 81 bis 89 zur Beeinflussung des Streuflusses räumlich getrennt – zweier zu verkoppelnder Phasen umschlossen, die in diesen Abschnitten unterschiedliche Stromrichtungen aufweisen. Die Hohlräume nehmen die zu koppelnden zwei Phasen (11, 12) auf. Sie könnten jedoch auch mit einem nicht ferromagnetischem Material zumindest teilweise gefüllt sein.In 9 is now schematically the matrix-shaped spatial structure of in 6 shown concept. As already in connection with 1 every phase is described 11 to 16 magnetically coupled with three further phases. These are - exemplary for the first phase 11 - three separate coupling agents 31 . 36 . 37 intended. The first coupling agent 31 couples the first phase 11 magnetic with the second phase 12 , The sixth coupling agent 36 couples the first phase 11 with the sixth phase 16 , The seventh coupling agent 37 couples the first phase 11 with the fourth phase 14 , The preferred coupling principle and coupling agent 31 has already been in connection with 4 described. The nine separate coupling agents 31 to 39 preferably as planar coil cores, for example ferrite cores, each having two cavities. In these cavities of the coupling agent 31 to 39 are each two conductors or phase sections - of funds 81 to 89 spatially separated to influence the leakage flux - two phases to be coupled enclosed, which have different current directions in these sections. The cavities occupy the two phases to be coupled ( 11 . 12 ) on. However, they could also be at least partially filled with a non-ferromagnetic material.

In der Draufsicht nach 9 ist zu sehen, dass die Phasen 11 bis 16 nur zwei Formen aufweisen. Die erste, dritte und fünfte Phase 11, 13, 15 ist U-förmig ausgebildet. Die zweite, vierte und sechste Phase 12, 14, 16 ist mäanderförmig ausgebildet. Im Ausführungsbeispiel könnten die Phasen als isolierte flexible Rundleiter ausgeführt sein, die innerhalb der Kopplungsmitteln 31 bis 39 in derselben Ebene angeordnet sind. In the plan view 9 you can see that the phases 11 to 16 only have two forms. The first, third and fifth phases 11 . 13 . 15 is U-shaped. The second, fourth and sixth phases 12 . 14 . 16 is meandering. In the exemplary embodiment, the phases could be embodied as insulated flexible round conductors that are inside the coupling means 31 to 39 are arranged in the same plane.

Exemplarisch weisen die Mittel 80 bis 89 zur Beeinflussung des Streuflusses unterschiedliche Formen auf. Die in 10 links gezeigte Ausführung weist zwei domförmige Strukturen auf, die zwischen den Phasen 11, 12 angeordnet sind. Die domförmigen Strukturen 80 ragen von beiden Seiten zwischen den Phasen 11 und 12, ohne sich jedoch zu berühren. Die Enden der Mittel 80 zur Beeinflussung des Streuflusses sind beabstandet voneinander angeordnet, so dass sich der magnetische Kreis zwar nicht schließt, der Streufluss jedoch hin zu den Enden gelenkt wird. Die domförmigen Strukturen sind Bestandteil des zweiten Teils 44. The funds are exemplary 80 to 89 to influence the stray flux different forms. In the 10 The left-hand embodiment has two dome-shaped structures that are located between the phases 11 . 12 are arranged. The dome-shaped structures 80 protrude from both sides between the phases 11 and 12 without touching. The ends of the media 80 for influencing the leakage flux are spaced from each other, so that although the magnetic circuit does not close, the leakage flux is directed towards the ends. The dome-shaped structures are part of the second part 44 ,

Die rechte Struktur des Mittels 80 zur Beeinflussung des Streuflusses gemäß 10 weist einen rechteckförmigen Querschnitt auf, ist zwischen den beiden Phasen 11, 12 angeordnet und Bestandteil des zweiten Teils 44. Das Ende des Mittels 80 zur Beeinflussung des Streuflusses ist in Richtung zum mittleren Schenkel des zweiten Teils 44 orientiert, ohne diesen jedoch zu berühren. Dadurch entsteht kein magnetischer Hauptfluss. Vielmehr wird der Streufluss gezielt durch das Mittel 80 geführt und kann über den Abstand bzw. Luftspalt zu dem mittleren Schenkel des zweiten Teils 44 gezielt beeinflusst werden.The right structure of the agent 80 for influencing the leakage flux according to 10 has a rectangular cross section, is between the two phases 11 . 12 arranged and part of the second part 44 , The end of the remedy 80 for influencing the stray flux is in the direction of the middle leg of the second part 44 oriented, but without touching it. This does not create a magnetic main flow. Rather, the leakage flux is targeted by the means 80 guided and can over the distance or air gap to the middle leg of the second part 44 be specifically influenced.

Durch das erste Kopplungsmittel 31 sind nun die erste Phase 11 und die zweite Phase 12 miteinander magnetisch verkoppelt. Durch die angedeutete antiparallele Stromführung wird erreicht, das resultierende Magnetfeld möglichst gering zu halten, sodass die Größe des Kopplungsmittels 31 minimiert werden kann. Außerdem ist zwischen der ersten Phase 11 und der zweiten Phase 12 jeweils eine Isolierung 45 vorgesehen zur elektrischen Trennung der beiden Phasen 11, 12 voneinander und jeweils zum Kopplungsmittel 31. By the first coupling agent 31 are now the first phase 11 and the second phase 12 coupled together magnetically. By the indicated antiparallel current flow is achieved to keep the resulting magnetic field as low as possible, so that the size of the coupling agent 31 can be minimized. It is also between the first phase 11 and the second phase 12 one insulation each 45 provided for the electrical separation of the two phases 11 . 12 from each other and each to the coupling agent 31 ,

Das Ausführungsbeispiel nach 11 unterscheidet sich von demjenigen nach 10 darin, dass der mittlere Schenkel des E-förmigen ersten Teils 44 einen Luftspalt 64 in Richtung zum zweiten Teil 43 aufweist. Die Mittel 80 zur Beeinflussung des Streuflusses sind plattenförmig ausgeführt und zwischen den Phasen 11, 12 angeordnet. Im Ausführungsbeispiel sind die Enden der Mittel 80 zur Beeinflussung des Streuflusses jeweils in Richtung des mittleren Schenkels des zweiten Teils 44 orientiert, ohne diesen zu berühren.The embodiment according to 11 differs from the one after 10 in that the middle leg of the E-shaped first part 44 an air gap 64 towards the second part 43 having. The means 80 to influence the leakage flux are made plate-shaped and between the phases 11 . 12 arranged. In the embodiment, the ends of the means 80 for influencing the leakage flux respectively in the direction of the middle leg of the second part 44 oriented without touching it.

Die Ausführungsbeispiele nach den 12 bis 14 unterscheiden sich von den vorhergehenden insbesondere in der Anordnung der Phasen 11, 12. Die zu koppelnden Phasen 11, 12 sind jeweils nebeneinander angeordnet und bandförmig ausgebildet. Bei 12 sind die Mittel 80 zur Beeinflussung des Streuflusses domförmig ausgebildet. Weiterhin werden die zwei Abschnitte der ersten Phase 11 durch den mittleren Schenkel des zweiten Teils 44 getrennt, sind also benachbart zueinander angeordnet. The embodiments of the 12 to 14 differ from the previous ones, especially in the arrangement of the phases 11 . 12 , The phases to be coupled 11 . 12 are each arranged side by side and formed band-shaped. at 12 are the means 80 designed to influence the leakage flux dome-shaped. Furthermore, the two sections become the first phase 11 through the middle leg of the second part 44 separated, are thus arranged adjacent to each other.

Das Ausführungsbeispiel gemäß 9 unterscheidet sich von demjenigen nach 8 nur in der plattenförmigen Ausgestaltung der Mittel 80 zur Beeinflussung des Streuflusses.The embodiment according to 9 differs from the one after 8th only in the plate-like configuration of the means 80 for influencing the leakage flux.

Das Ausführungsbeispiel gemäß 9 unterscheidet sich von demjenigen nach 8 darin, dass nun erste und zweite Phase 11, 12 immer abwechselnd angeordnet sind.The embodiment according to 9 differs from the one after 8th in that now first and second phase 11 . 12 always arranged alternately.

Das Ausführungsbeispiel gemäß 11 unterscheidet sich von demjenigen nach 9 darin, dass die Phasen 11, 12 als Rundleiter ausgeführt sind.The embodiment according to 11 differs from the one after 9 in that the phases 11 . 12 are designed as round conductors.

Beschreibung der AusführungsbeispieleDescription of the embodiments

Die beschriebenen Ausführungsbeispiele arbeiten wie nachfolgend näher erläutert. Multiphasenwandlern 10 bzw. DC/DC-Wandler mit hohen Leistungen ohne besondere Isolationsanforderungen können bevorzugt in mehrphasigen Anordnungen realisiert werden. Dadurch verteilt sich der hohe Eingangsstrom IE beispielsweise in Höhe von 300A auf die verschiedenen sechs Phasen 11 bis 16 in Höhe von jeweils 50A. Durch die anschließende Überlagerung der einzelnen Ströme zu einem Ausgangsstrom IA kann ein geringerer Wechselstromanteil erzielt werden. Dann können die entsprechenden Eingangs- bzw. Ausgangsfilter gemäß 5, beispielhaft als Kondensatoren eingezeichnet, entsprechend klein ausfallen. Die Ansteuerung der Phasen 11 bis 16 erfolgt sequentiell, das heißt nacheinander, so dass die Einschaltzeitpunkte jeweils 60 Grad (bzw. zeitlich um T/6) phasenverschoben sind (bei dem beschriebenen Sechs-Phasen-System), wie dies in 11 bereits näher gezeigt wurde. Abhängig von den gewünschten Spannungsverhältnissen werden die jeweiligen Phasen 11 bis 16 mit unterschiedlicher Dauer bestromt. Der entsprechende High-Side-Schalter des Schaltmittels 21 bis 26 wird hierzu geschlossen. Die Phase 11 bis 16 wird nicht bestromt, wenn der entsprechende Low-Side-Schalter des Schaltmittels 21 bis 26 geschlossen ist. Alternativ könnten auch solche Phasen 11 bis 16 als benachbart angesehen werden, deren Ausschaltzeitpunkte unmittelbar vorher oder nachher liegen. Dann würden die entsprechenden Einschaltpunkte variabel in Abhängigkeit vom gewünschten PWM-Signal gewählt werden.The described embodiments work as explained in more detail below. Multiphase converters 10 or DC / DC converter with high performance without special isolation requirements can be preferably realized in multi-phase arrangements. As a result, the high input current I E, for example in the amount of 300 A, is distributed among the various six phases 11 to 16 in the amount of 50A each. By the subsequent superimposition of the individual currents to an output current I A , a smaller alternating current component can be achieved. Then, the corresponding input and output filters according to 5 , shown by way of example as capacitors, correspondingly small. The control of the phases 11 to 16 is carried out sequentially, that is to say one after the other, so that the switch-on times are in each case 60 degrees (or time-wise by T / 6) phase-shifted (in the described six-phase system), as described in US Pat 11 has already been shown in detail. Depending on the desired voltage conditions, the respective phases 11 to 16 energized with different duration. The corresponding high-side switch of the switching means 21 to 26 will be closed. The phase 11 to 16 is not energized when the corresponding low-side switch of the switching means 21 to 26 closed is. Alternatively, such phases could be used 11 to 16 are considered to be adjacent whose turn-off times are immediately before or after. Then the corresponding switch-on points would be variable depending on the desired PWM signal.

Es wird nun jeweils eine Phase 11 mit zumindest drei weiteren Phasen 12, 14, 16 miteinander magnetisch gekoppelt, und zwar in der Weise, dass die Gleichanteile der einzelnen Phasen jeweils durch andere Phasen möglichst stark kompensiert werden. Dadurch reduziert sich das resultierende Magnetfeld, so dass die Auslegung der Kopplungsmittel 31 bis 39 bzw. des magnetischen Kreises nur noch im Wesentlichen auf das vom Wechselanteil erzeugte Magnetfeld erfolgen muss. Dadurch können die Kopplungsmittel 31 bis 39, wie beispielsweise Spulenkerne, entsprechend klein dimensioniert werden, was zu erheblichen Ersparnissen an Kopplungsmaterial, Masse und Kosten führt. Insbesondere der Bauraum lässt sich dadurch stark reduzieren.There will be one phase each 11 with at least three other phases 12 . 14 . 16 magnetically coupled to each other in such a way that the DC components of the individual phases are compensated as much as possible by other phases. This reduces the resulting magnetic field, allowing the design of the coupling agent 31 to 39 or the magnetic circuit only has to be made substantially to the magnetic field generated by the alternating component. This allows the coupling agents 31 to 39 , Such as cores, are correspondingly small dimensions, which leads to significant savings in coupling material, mass and cost. In particular, the space can be greatly reduced.

Neben den beiden mit Blick auf die Ansteuerung (Einschalt- bzw. Ausschaltzeitpunkte) benachbarten Phasen wird nun vorzugsweise die dritte zu verkoppelnde Phase derart ausgewählt, dass eine störende gegenseitige Beeinflussung der Phasen minimiert wird. Die Auswahl erfolgt so, dass eine optimale Kompensation des Gleichstromanteils erzielt wird. Hierbei hat sich ergeben, dass sich neben den benachbarten Phasen (+/–60 Grad Phasenverschiebung der Einschaltzeitpunkte bei sechs Phasen, für die erste Phase 11 wären die benachbarten Phasen somit die zweite Phase 12 und die sechste Phase 16) auch die Phase mit einem Phasenversatz von 180 Grad (für die erste Phase 11 wäre dies die vierte Phase 14) besonders eignet, da sich dort eine sehr hohe Auslöschung des Gleichanteils ergibt. Die beiden Ströme durch die gekoppelten Phasen 11, 14 fließen entgegengesetzt im siebten Kopplungsmittel 37. Der resultierende Strom I res für die Magnetisierung des Kopplungsmittels 37 wird dabei nur durch die Differenz der Ströme I res ausgelöst. Die Gleichfelder heben sich größtenteils auf. Der reduzierte Gleichanteil macht sich positiv bemerkbar für die Geometrie des Kopplungsmittels 31 bis 39, welches nun mit einem geringeren Volumen auskommen kann. Bei sechs Phasen 11 bis 16 hat sich die in 5 gezeigte Kopplung als besonders geeignet herausgestellt.In addition to the two adjacent phases with regard to the activation (switch-on or switch-off times), the third phase to be coupled is now preferably selected in such a way that a disturbing mutual influence of the phases is minimized. The selection is made so that an optimal compensation of the DC component is achieved. It has been shown that in addition to the adjacent phases (+/- 60 degrees phase shift of the switch-on at six phases, for the first phase 11 Thus, the adjacent phases would be the second phase 12 and the sixth phase 16 ) also the phase with a phase shift of 180 degrees (for the first phase 11 this would be the fourth phase 14 ) is particularly suitable because there is a very high extinction of the DC component. The two streams through the coupled phases 11 . 14 flow in the opposite direction in the seventh coupling agent 37 , The resulting current I res for the magnetization of the coupling agent 37 is triggered only by the difference of the currents I res. The dc fields mostly cancel each other out. The reduced DC component has a positive effect on the geometry of the coupling agent 31 to 39 which can now manage with a smaller volume. At six phases 11 to 16 has the in 5 shown coupling proved to be particularly suitable.

Magnetische KopplungMagnetic coupling

Prinzipiell lassen sich zwei Phasen magnetisch koppeln, indem die beiden Phasen mit antiparalleler Stromführung durch ein rechteckförmiges oder ringförmiges Kopplungsmittel 31 bis 39 geführt werden. Wesentlich ist, dass das Kopplungsmittel 31 bis 39 in der Lage ist, einen magnetischen Kreis auszubilden.In principle, two phases can be magnetically coupled by the two phases with antiparallel current conduction through a rectangular or annular coupling agent 31 to 39 be guided. It is essential that the coupling agent 31 to 39 is able to form a magnetic circuit.

Dies ist bei einer im Wesentlichen geschlossenen Struktur möglich, die auch einen Luftspalt umfassen kann. Weiterhin besteht das Kopplungsmittel 31 bis 39 aus einem Magnetfeld leitenden Material mit geeigneter Permeabilität.This is possible with a substantially closed structure, which may also include an air gap. Furthermore, there is the coupling agent 31 to 39 from a magnetic field conductive material with suitable permeability.

Das der 6 zu Grunde liegende Kopplungskonzept lässt sich exemplarisch anhand der 9 erläutern. Wesentlich ist, dass die zu verkoppelnden Phasen – gemäß 8 sind es erste Phase 11 und zweite Phase 12 – mit gegenläufigem Stromfluss angesteuert werden. Die jeweils entsprechenden magnetischen Felder heben sich im Wesentlichen betreffend ihres Gleichanteils auf, so dass überwiegend nur noch der Wechselanteil zur Magnetfelderzeugung beiträgt. In der Folge können die entsprechenden Kopplungsmittel 31 bis 39 kleiner werden bzw. es kann auf einen Luftspalt verzichtet werden.That the 6 underlying coupling concept can be exemplified by the 9 explain. It is essential that the phases to be coupled - according to 8th It is the first phase 11 and second phase 12 - be controlled with opposite current flow. The respectively corresponding magnetic fields cancel each other essentially in terms of their DC component, so that predominantly only the AC component contributes to the magnetic field generation. As a result, the corresponding coupling agents 31 to 39 become smaller or it can be dispensed with an air gap.

Aufbau KopplungsmittelConstruction coupling agent

Bei den Kopplungsmitteln 31 bis 39 handelt es sich um Mittel einer induktiven Kopplung, wie beispielsweise ein Eisen- oder Ferritkern eines Transformators, auf dem die zu verkoppelnden Phasen 11 bis 16 ein Magnetfeld erzeugen. Das Kopplungsmittel 31 bis 39 schließt den magnetischen Kreis der jeweils zwei verkoppelten Phasen 11 bis 16.With the coupling agents 31 to 39 it is a means of inductive coupling, such as an iron or ferrite core of a transformer, on which the phases to be coupled 11 to 16 generate a magnetic field. The coupling agent 31 to 39 closes the magnetic circuit of the two coupled phases 11 to 16 ,

Die Wahl des Materials des Kopplungsmittels 31 bis 39 und der Permeabilität spielt für die Kopplung keine so große Rolle. Wird kein Luftspalt verwendet, steigt die Permeabilität des magnetischen Kreises, wodurch die Induktivität der Spule größer wird. Dadurch wird der Stromanstieg flacher und die Stromformen nähern sich mehr dem idealen Gleichstrom an. Je näher die Kurvenformen einem Gleichstrom kommen, desto geringer ist die resultierende Stromdifferenz zwischen den beiden Phasen, die (entgegengesetzt) durch einen Kern als Kopplungsmittel 31 bis 39 geführt werden. Der Aufwand für Filter wird dadurch reduziert. Auf der anderen Seite reagiert ein System ohne Luftspalt sehr sensibel auf unterschiedliche Ströme zwischen den Phasen 11 bis 16. Obwohl das System dazu neigt, bei geringeren Stromfehlern in Sättigung zu gehen, ist es durch die Mehrfachverkopplung aber immer noch recht stabil. Grundsätzlich können Luftspalte mit unterschiedlicher Abmessung so gewählt werden, um die Verluste gleichmäßig auf die Kopplungsmittel 31 bis 39 zu verteilen. Kopplungsmittel 31 bis 39 mit geringerer Induktivität L weisen auch prinzipiell geringere Verlustleistung auf.The choice of the material of the coupling agent 31 to 39 and the permeability does not play such a big role in the coupling. If no air gap is used, the permeability of the magnetic circuit increases, which increases the inductance of the coil. As a result, the current increase is flatter and the current forms approach more to the ideal direct current. The closer the waveforms are to a DC current, the lower the resulting current difference between the two phases that is (opposite) through a core as a coupling agent 31 to 39 be guided. The effort for filters is thereby reduced. On the other hand, a system without an air gap reacts very sensitively to different currents between the phases 11 to 16 , Although the system tends to saturate with lower current errors, it is still quite stable due to the multiple coupling. Basically, air gaps with different dimensions can be chosen so as to evenly distribute the losses to the coupling means 31 to 39 to distribute. coupling agent 31 to 39 with lower inductance L also have in principle lower power dissipation.

Um einen guten Kompromiss aus hoher Permeabilität (Kein Luftspalt -> geringer Stromripple) und hoher Robustheit (mit Luftspalt -> hoher Stromripple) zu bekommen, können unterschiedliche Luftspalte vorgesehen werden. Auf diese Weise können auch die Verlustleistungen der Kopplungsmittel 31 bis 39 so beeinflusst werden, dass gewünschte Kriterien, beispielsweise gleichmäßige Verteilung der Verlustleistung, erfüllt werden. To get a good compromise between high permeability (no air gap -> low current ripple) and high robustness (with air gap -> high current ripple), different air gaps can be provided. In this way, the power losses of the coupling agent can 31 to 39 be influenced so that desired criteria, such as uniform distribution of power dissipation, are met.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 9 werden die Kopplungsmittel in einer der Diagonalen (entweder Kopplungsmittel 31, 38, 34 bzw. 37, 38, 39) mit einem Luftspalt zu versehen. Dadurch ergibt sich mit nur drei Kopplungsmitteln 31, 38, 34 bzw. 37, 38, 39 mit Luftspalt (was zu einem höheren Stromripple führt) auf allen Phasen 11 bis 16 ein hoher Schutz gegen Sättigung und damit verbundenen ein Schutz gegen unkontrolliertem Stromanstieg. Im Falle einer großen Unsymmetrie zwischen den Phasen 11 bis 16 oder auch beim Ausfall von mehreren Phasen 11 bis 16 würden nur einzelne Kopplungsmittel 31 bis 42 in Sättigung gehen, aber bei gegebenen Strom nicht alle Kopplungsmittel 31 bis 39 einer Phase. In the embodiment according to 9 the coupling agents are in one of the diagonals (either coupling agent 31 . 38 . 34 respectively. 37 . 38 . 39 ) provided with an air gap. This results in only three coupling agents 31 . 38 . 34 respectively. 37 . 38 . 39 with air gap (which leads to a higher current ripple) on all phases 11 to 16 a high protection against saturation and thus a protection against uncontrolled current increase. In the case of a large asymmetry between the phases 11 to 16 or even if several phases fail 11 to 16 would only be single coupling agents 31 to 42 go into saturation, but at given current not all coupling agents 31 to 39 a phase.

Eine weitere Variante wäre, die Kopplungsmittel 31 bis 39 innerhalb des Aufbaus mit unterschiedlichen Luftspalten auszubilden. Die Kopplungsmittel (im Ausführungsbeispiel nach den 1, 3, 5 sind dies die Kopplungsmittel mit den Bezugszeichen 37, 38, 39), die auf Grund der 180 Grad phasenversetzten Ansteuerung (wie sie durch Verkopplung der ersten Phase 11 mit der vierten Phase 14 durch das siebte Kopplungsmittel 37; Verkopplung der zweiten Phase 12 mit der fünften Phase 15 durch das neunte Kopplungsmittel 39; Verkopplung der dritten Phase 13 mit der sechsten Phase 16 durch das achte Kopplungsmittel 38 entsteht) mit einer größeren erhöhten Magnetisierung belastet werden, könnten zum Beispiel durch Anpassung bzw. Vorsehen eines Luftspalts in ihrer Belastung reduziert werden. Dies würde die Gesamtkernverluste reduzieren.Another variant would be the coupling agent 31 to 39 form within the structure with different air gaps. The coupling means (in the embodiment of the 1 . 3 . 5 these are the coupling means with the reference numerals 37 . 38 . 39 ) due to the 180 degree out of phase control (as done by coupling the first phase 11 with the fourth phase 14 through the seventh coupling agent 37 ; Coupling of the second phase 12 with the fifth phase 15 through the ninth coupling agent 39 ; Coupling of the third phase 13 with the sixth phase 16 through the eighth coupling agent 38 arises) are loaded with a greater increased magnetization could be reduced, for example, by adjusting or providing an air gap in their load. This would reduce the total core losses.

Ferner wäre es möglich, bei dem Matrixkonzept in jeder Zeile/Spalte ein Kopplungsmittel 31 bis 39 mit einem größeren Luftspalt bzw. Spalt zu versehen. Dadurch würde dieses mit einem Luftspalt versehene Kopplungsmittel 31 bis 39 erst bei höheren Strömen sättigen, so dass sich eine weiter verbesserte Stabilität im Fehlerfall ergibt. Aus Stabilitätsgründen wäre es vorteilhaft, jede Phase 11 bis 16 durch zumindest ein Kopplungsmittel 31 bis 39 zu führen, das später als die anderen Kopplungsmittel 31 bis 39 in dieser Phase in Sättigung geht durch Vorsehen einer geringeren Induktivität L, was durch das Vorsehen eines Luftspalts erreicht werden könnte.Furthermore, it would be possible in the matrix concept in each row / column, a coupling means 31 to 39 to be provided with a larger air gap or gap. This would make this provided with an air gap coupling agent 31 to 39 only saturate at higher currents, resulting in a further improved stability in case of failure. For stability reasons, it would be beneficial to each phase 11 to 16 by at least one coupling agent 31 to 39 to lead that later than the other coupling agents 31 to 39 saturates in this phase by providing a lower inductance L, which could be achieved by providing an air gap.

In dem Ausführungsbeispiel nach 11 ist ein Beispiel eines mit einem Luftspalt 64 versehen Kopplungsmittels 31 gezeigt. Hierzu ist der mittlere Schenkel des E-förmigen ersten Teils 44 gegenüber den äußeren Schenkel etwas verkürzt ausgebildet, so dass ein Luftspalt 64 in Richtung zum zweiten Teil 43 entsteht. Alternativ könnte vorgesehen sein, die Schenkel des E-förmigen ersten Teils 44 gleich groß auszuführen, jedoch zwischen den Enden der Schenkel und dem zweiten Teil 43 einen Luftspalt beispielsweise durch eine nichtmagnetischen Folie vorzusehen. Dem Fachmann sind Maßnahmen geläufig, wie die gewünschte Induktivität L des jeweiligen Kopplungsmittels 31 bis 39 erzielt werden kann, beispielsweise durch Vorsehen geeigneter Luftspalt(e) an den geeigneten Stellen.In the embodiment according to 11 is an example of one with an air gap 64 provide coupling agent 31 shown. For this purpose, the middle leg of the E-shaped first part 44 formed somewhat shortened with respect to the outer limbs, so that an air gap 64 towards the second part 43 arises. Alternatively it could be provided, the legs of the E-shaped first part 44 the same size, but between the ends of the legs and the second part 43 an air gap, for example by a non-magnetic foil provided. The skilled worker is familiar with measures such as the desired inductance L of the respective coupling agent 31 to 39 can be achieved, for example, by providing appropriate air gap (s) at the appropriate locations.

Aufbau der PhasenConstruction of the phases

Fertigungstechnisch besonders vorteilhaft ist die Verwendung lediglich zweier geometrischer Formen der Phasen 11 bis 16 wie in 5 in der Draufsicht dargestellt. Die eine Grundform weist hierbei einen U-förmigen Verlauf auf. Die zweite Grundform ist im Wesentlichen rechteck- bzw. mäanderförmig. Die gezeigten Abschnitte können als Bandleiter in Form von Stanzgittern, in entsprechenden Leiterbahnen in einer Platine integriert oder als Rundleiter ausgeführt sein.Particularly advantageous in terms of manufacturing technology is the use of only two geometric shapes of the phases 11 to 16 as in 5 shown in plan view. The one basic form in this case has a U-shaped course. The second basic shape is substantially rectangular or meandering. The sections shown can be implemented as strip conductors in the form of stamped gratings, in corresponding printed conductors in a printed circuit board or as round conductors.

Eine weitere magnetische Kopplung der einzelnen Kerne der Kopplungsmittel 31 bis 39 zu einem großen Gesamtkern kann zu weiteren Ersparnissen führen, indem beispielsweise eine einzige Abdeckplatte 43 für alle Unterteile 44 der neun Kopplungsmittel 31 bis 39 vorgesehen ist. Another magnetic coupling of the individual nuclei of the coupling agent 31 to 39 to a large overall core can lead to further savings, for example by a single cover plate 43 for all parts 44 the nine coupling agents 31 to 39 is provided.

Mittel 80 bis 89 zur Beeinflussung des Streuflussesmedium 80 to 89 for influencing the leakage flux

In 12 ist mit durchgängigen Pfeilen 92 der magnetische Hauptfluss angedeutet, der durch jeweils um zwei magnetisch zu koppelnde Phasen 11, 12 durch das ferromagnetische Kopplungsmittel 43, 44 verläuft. Mit gestrichelten Pfeilen 94 ist der magentische Streufluss angedeutet. Der magnetische Streufluss verläuft durch nicht ferromagnetisches Material, beispielsweise durch Luft oder einen die Phasen 11, 12 umgebenden Kunststoff bzw. Isolator. Die Mittel 80 zur Beeinflussung des Streuflusses sind nun so aufgebaut, dass sie den Streufluss gezielt zwischen zwei zu koppelnden Phasen 11, 12 lenken. Dies erfolgt durch Vorsprünge aus ferromagnetischem Material, die räumlich zwischen den Phasen 11, 12 angeordnet sind. Diese Vorsprünge sind mit den eigentlichen ferromagnetischen Kopplungsmitteln 43, 44 magnetflussleitend verbunden. Die Vorsprünge können Bestandteile des Kopplungsmittels 43, 44 sein. Es könnten jedoch auch separate ferromagnetische Teile vorgesehen werden.In 12 is with continuous arrows 92 the magnetic main flux indicated by the two phases to be magnetically coupled in each case 11 . 12 through the ferromagnetic coupling agent 43 . 44 runs. With dashed arrows 94 is the magentic leakage flux indicated. The magnetic leakage flux passes through non-ferromagnetic material, for example by air or one of the phases 11 . 12 surrounding plastic or insulator. The means 80 to influence the leakage flux are now constructed so that they targeted the leakage flux between two phases to be coupled 11 . 12 to steer. This is done by protrusions of ferromagnetic material, spatially between the phases 11 . 12 are arranged. These projections are with the actual ferromagnetic coupling agents 43 . 44 connected in a magnetic flux conducting manner. The protrusions may be components of the coupling agent 43 . 44 be. However, separate ferromagnetic parts could be provided.

Das Mittel zur Beeinflussung des Streuflusses könnte einen rechteckförmigen Querschnitt aufweisen. Dank der besonders einfachen Geometrie lässt sich eine solche Anordnung einfach und kostengünstig herstellen.The means for influencing the leakage flux could have a rectangular cross-section. Thanks to the particularly simple geometry, such an arrangement can be produced simply and inexpensively.

Alternativ können die Mittel 80 bis 89 zur Beeinflussung des Streuflusses auch eine domförmige Struktur aufweisen. Hierunter wird im Gegensatz zu einer rechteckförmigen Struktur eine solche verstanden, die sich zum Ende hin verjüngt. Es könnte ein stetiger, beispielsweise parabelförmiger, verrundeter oder kreisförmiger Übergang zum Kopplungsmittel 44 erfolgen. Die Dome können direkt im Herstellungsprozess (Pressen) der Ferritkerne verwirklicht werden.Alternatively, the funds can 80 to 89 also have a dome-shaped structure for influencing the leakage flux. This is understood in contrast to a rectangular structure such that tapers towards the end. It could be a continuous, for example, parabolic, rounded or circular transition to the coupling agent 44 respectively. The domes can be realized directly in the manufacturing process (pressing) of the ferrite cores.

Das Mittel 80 zur Beeinflussung des Streuflusses ist zwischen den zu koppelnden Phasen 11, 12 angeordnet. Dabei könnte es nur von einer Seite des Kopplungsmittels 44 zu der gegenüberliegenden Seite des Kopplungsmittels 43 ragen wie in den 9 bis 11 gezeigt. Alternativ könnten die Mittel 80 von zwei Seiten des Kopplungsmittels 43, 44 zwischen die Phasen 11, 12 hineinragen. Bevorzugt liegen deren Enden gegenüber wie in 8 angedeutet. Die Enden der Mittel zur Beeinflussung des Streuflusses sind beabstandet voneinander angeordnet, so dass sich der magnetische Kreis zwar nicht schließt, der Streufluss jedoch hin zu den Enden gelenkt wird.The middle 80 for influencing the leakage flux is between the phases to be coupled 11 . 12 arranged. It could only be from one side of the coupling agent 44 to the opposite side of the coupling means 43 protrude like in the 9 to 11 shown. Alternatively, the funds could 80 from two sides of the coupling agent 43 . 44 between the phases 11 . 12 protrude. Preferably, their ends are opposite as in 8th indicated. The ends of the means for influencing the leakage flux are spaced apart from each other, so that although the magnetic circuit does not close, the leakage flux is directed towards the ends.

Bevorzugt sind die Mittel 80 zur Beeinflussung des Streuflusses auf der Symmetrieachse zweier zu koppelnder Leiter angeordnet. Vorzugsweise ist der Querschnitt der Mittel 80 zur Beeinflussung des Streufeldes bezogen auf diese Symmetrieachse auch achssymmetrisch ausgeführt.The agents are preferred 80 arranged to influence the leakage flux on the symmetry axis of two conductors to be coupled. Preferably, the cross section of the means 80 to influence the stray field with respect to this axis of symmetry also carried out axisymmetric.

Der magnetische Streufluss verläuft zwischen den Enden des Mittels 80 (12) bzw. dem Ende des Mittels und dem Kopplungsmittel 43, 44 (13 bis 15) in einer Spaltlänge 86 in einem nicht ferromagnetischen Medium. Über die Geometrie des Mittels 80 und die sich daraus ergebende Spaltlänge 86 lassen sich die Signalverläufe des Multiphasenwandlers weiter optimieren.The stray magnetic flux passes between the ends of the agent 80 ( 12 ) or the end of the agent and the coupling agent 43 . 44 ( 13 to 15 ) in a gap length 86 in a non-ferromagnetic medium. About the geometry of the agent 80 and the resulting gap length 86 The signal curves of the multiphase converter can be further optimized.

Gemäß 15 wurden die Phasen 11, 12 nun statt eines Flachdrahtes (übereinander: 10) als nebeneinander verlegte Runddraht ausgeführt. Dadurch erhöhen sich die Streuflüsse und die Störungen können weiter reduziert werden.According to 15 became the phases 11 . 12 now instead of a flat wire (on top of each other: 10 ) executed as a side-by-side laid round wire. This increases the leakage flux and the interference can be further reduced.

Kopplungsmittel 43, 44 und Mittel 80 zum Beeinflussen eines Streuflusses wurden aus dem Material 3C95 ausgeführt. Weiterhin wurde ein Spalt 96 beispielsweise in der Größenordnung von 1mm vorgesehen. Bei dieser Auswahl konnte der Stromripple/Stromsteilheit weiter reduziert werden. Über diesen Spalt 96 können Sättigungseffekte ausgeschlossen werden.coupling agent 43 . 44 and means 80 For influencing a leakage flux, 3C95 was used. Furthermore, a gap was 96 for example, on the order of 1mm. With this selection, the current ripple / current gradient could be further reduced. About this gap 96 Saturation effects can be excluded.

Der beschriebene Multiphasenwandler 10 eignet sich insbesondere für den Einsatz in einem Kraftfahrzeugbordnetz, bei dem insbesondere dynamische Lastanforderungen von untergeordneter Bedeutung sind. Insbesondere für solche vergleichsweise trägen Systeme eignet sich der beschriebene Aufbau.The described multiphase converter 10 is particularly suitable for use in a motor vehicle electrical system, in which in particular dynamic load requirements are of minor importance. In particular, for such relatively slow systems, the structure described is suitable.

In dem aktuell eingesetzten Kernmodell wird der Streufluss durch einen zusätzlichen Streuschenkel eingestellt, der zwischen den beiden Windungen eingebracht wird. Durch den Aufbau des Kernes lässt sich das Verhalten individuell auf die Applikation einstellen. Hauptparameter sind dabei die beiden Luftspalte, die sich applikationsspezifisch festlegen lassen. In the currently used core model, the leakage flux is set by means of an additional scattering limb which is introduced between the two windings. Due to the structure of the core, the behavior can be individually adjusted to the application. The main parameters are the two air gaps, which can be specified application-specific.

Durch das Einbringen von mehr als einer Windung pro verkoppelter Phase lassen sich die Kernverluste, die durch das Ummagnetisieren des Kernes entstehen, stark reduzieren. Sinnvoll sind dabei Windungszahlen von 2 oder 3, zumindest im niedrigen Bereich um die Windungsverluste durch die Wicklungslänge gering zu halten.By introducing more than one turn per coupled phase, it is possible to greatly reduce the core losses that result from the remagnetization of the core. It makes sense to turn numbers of 2 or 3, at least in the low range to keep the Windungsverluste by the winding length low.

Bei den in den Figuren gezeigten Kopplungsmitteln können mehr als zwei Windungen pro Phase vorgesehen sein.In the coupling means shown in the figures, more than two turns per phase may be provided.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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Claims (9)

Multiphasenwandler mit mehreren elektrischen Phasen (11 bis 16), die jeweils durch ein Schaltmittel (21 bis 26) ansteuerbar sind, wobei mindestens ein Kopplungsmittel (31 bis 39; 100 bis 106; 150 bis 156) zum Koppeln einer Phase (11 bis 16) mit einer weiteren Phase (11 bis 16) vorgesehen ist, wobei pro Phase (11 bis 16) zwei Windungen (110 bis 116; 120; 122; 130; 132) vorgesehen sind.Multiphase converter with several electrical phases ( 11 to 16 ), each by a switching means ( 21 to 26 ) are controllable, wherein at least one coupling agent ( 31 to 39 ; 100 to 106 ; 150 to 156 ) for coupling a phase ( 11 to 16 ) with another phase ( 11 to 16 ), whereby per phase ( 11 to 16 ) two turns ( 110 to 116 ; 120 ; 122 ; 130 ; 132 ) are provided. Multiphasenwandler nach Anspruch 1, der für mindestens zwei Phasen ausgelegt ist.Multiphase converter according to claim 1, which is designed for at least two phases. Multiphasenwandler nach Anspruch 1 oder 2, bei dem zumindest eines des mindestens einen Kopplungsmittels (31 bis 39; 100 bis 106; 150 bis 156) zumindest ein Mittel (80 bis 89) zur Beeinflussung eine magnetischen Streuflusses aufweist.Multiphase converter according to Claim 1 or 2, in which at least one of the at least one coupling means ( 31 to 39 ; 100 to 106 ; 150 to 156 ) at least one means ( 80 to 89 ) has to influence a magnetic leakage flux. Multiphasenwandler nach einem der Ansprüche 2 oder 3, bei dem das Mittel (80 bis 89) zur Beeinflussung des Streuflusses entweder nur auf einer Seite oder von zwei Seiten mit dem Kopplungsmittel (31 bis 39; 100 bis 106; 150 bis 156) verbunden ist.Multiphase converter according to one of Claims 2 or 3, in which the means ( 80 to 89 ) to influence the leakage flux either only on one side or from two sides with the coupling agent ( 31 to 39 ; 100 to 106 ; 150 to 156 ) connected is. Multiphasenwandler nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Mittel (80 bis 89) zur Beeinflussung des Streuflusses und dem Kopplungsmittel (31 bis 39; 100 bis 106; 150 bis 156) ein Spalt vorgesehen ist.Multiphase converter according to one of claims 2 to 4, characterized in that between the means ( 80 to 89 ) for influencing the leakage flux and the coupling agent ( 31 to 39 ; 100 to 106 ; 150 to 156 ) A gap is provided. Multiphasenwandler nach einem der Ansprüche 2 bis 5, bei dem das Mittel (80 bis 89) zur Beeinflussung des Streuflusses rechteckförmig oder domförmig ausgebildet ist. Multiphase converter according to one of Claims 2 to 5, in which the means ( 80 to 89 ) is designed to influence the leakage flux rectangular or dome-shaped. Multiphasenwandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem zumindest eine Phase (11 bis 16) U-förmig und die damit gekoppelte Phase (11 bis 16) mäanderförmig ausgebildet ist.Multiphase converter according to one of the preceding claims, in which at least one phase ( 11 to 16 ) U-shaped and the coupled phase ( 11 to 16 ) is meander-shaped. Multiphasenwandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Schaltmittel (21 bis 26) die Phasen (11 bis 16) sequentiell ansteuern und die erste Phase (11 bis 16) mit zumindest einer weiteren Phase (11 bis 16) magnetisch gekoppelt ist, die unmittelbar vorher und nachher angesteuert ist.Multiphase converter according to one of the preceding claims, in which the switching means ( 21 to 26 ) the phases ( 11 to 16 ) and the first phase ( 11 to 16 ) with at least one further phase ( 11 to 16 ) is magnetically coupled, which is driven immediately before and after. Multiphasenwandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine Phase (11 bis 16) mit zumindest einer weiteren Phase (11 bis 16) magnetisch gekoppelt ist, die im Wesentlichen um etwa 180° phasenverschoben angesteuert ist.Multiphase converter according to one of the preceding claims, in which a phase ( 11 to 16 ) with at least one further phase ( 11 to 16 ) is magnetically coupled, which is driven substantially phase-shifted by about 180 °.
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