DE102018206388A1

DE102018206388A1 - DC/DC-Wandler

Info

Publication number: DE102018206388A1
Application number: DE102018206388.5A
Authority: DE
Inventors: Michael Finkenzeller; Thomas Komma; Monika Poebl
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2018-04-25
Filing date: 2018-04-25
Publication date: 2019-10-31
Also published as: WO2019206612A1

Abstract

DC/DC-Wandler (200) für den resonanten Betrieb mit Potentialtrennung, umfassend
- einen Transformator (230) mit einer primärseitigen und einer sekundärseitigen Induktivität (231, 232),
- eine Wechselrichteranordnung (110), die mit der primärseitigen Induktivität (231) des Transformators (230) verbunden ist,
- eine Gleichrichteranordnung (150), die mit der sekundärseitigen Induktivität (232) des Transformators (230) verbunden ist,
- eine Kapazität (121), die in Serie zur primärseitigen Induktivität (231) des Transformators (230) geschaltet ist und zusammen mit dieser einen Schwingkreis ausbildet, dadurch gekennzeichnet, dass
- die primärseitige und sekundärseitige Induktivität (231, 232) jeweils eine zirkulare Wicklung (301) umfassen, die auf einer Ferritplatte (302) aufgebracht ist,
- die Ferritplatten (302) so angeordnet sind, dass die Wicklungen (301) einander zugewandt sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen DC/DC-Wandler für den resonanten Betrieb mit Potentialtrennung.
DC-DC-Wandler-Topologien, die im voll resonanten Modus betrieben werden, umfassen einen Schwingkreis, einen Transformator und eine den Schwingkreis anregenden Halb- oder Vollbrückenschaltung. 1 zeigt einen beispielhaften Halbbrücken-Resonanzwandler nach dem Stand der Technik. Der Schwingkreis besteht hier aus einem Serienkondensator (Resonanzkondensator) und einer Serieninduktivität (Resonanzdrossel). Die Potenzialtrennung wird mit dem Transformator und dessen Übersetzungsverhältnis realisiert. Ein Vorteil dieser Resonanzwandler ist die Möglichkeit, diese nahezu schaltverlustfrei im Zero-Voltage-Switching-Modus (ZVS-Modus) betreiben zu können. Der ZVS-Betrieb ist bekannt und wird hier nicht weiter erläutert. Die Steuerung der Ausgangsspannung erfolgt beispielsweise über eine Änderung der Schaltfrequenz der Brückenschaltung. Arbeitet diese genau auf der Resonanzfrequenz des Serienschwingkreises, dann wird die Grundschwingung der rechteckförmigen Spannung der Brückenschaltung über den Transformator auf die Sekundärseite übertragen. Eine sekundärseitige Spannungsstellung wird durch Erhöhung der Schaltfrequenz über die Resonanzfrequenz des Serienschwingkreises erreicht. Dadurch ergibt sich ein Spannungsabfall über dem induktiven Blindwiderstand der Serieninduktivität, der die Ausgangsspannung reduziert. Die Serieninduktivität ist somit eine für diese Form der Spannungsstellung notwendige Komponente eines Resonanzwandlers.
Zur Sicherstellung des ZVS-Betriebes ist ein gegenüber der Grundschwingung nacheilender Strom im Resonanzkreis notwendig. Dieser ist zur Umladung der parasitären Schalterkapazitäten notwendig. Die Sicherstellung dieses Stromes ist bei Volllast durch den fließenden Laststrom unproblematisch. Bei Leerlaufnähe muss jedoch durch zusätzliche Maßnahmen ein nacheilender Strom zur Umladung der Schalterkapazitäten bereitgestellt werden. Dies erfolgt über eine Parallelinduktivität.
Sowohl die Serieninduktivität als auch die Parallelinduktivität sind typischerweise groß und vergleichsweise schwer und benötigen einen für den gesamten DC/DC-Wandler nicht vernachlässigbaren Bauraum.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten DC/DC-Wandler anzugeben, der verringerte Anforderungen an den Bauraum aufweist, also kleiner aufgebaut werden kann.
Diese Aufgabe wird durch einen DC/DC-Wandler mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Ausgestaltungen für den DC/DC-Wandler.
Der erfindungsgemäße DC/DC-Wandler für den resonanten Betrieb mit Potentialtrennung umfasst einen Transformator mit einer primärseitigen und einer sekundärseitigen Induktivität, eine Wechselrichteranordnung, die mit der primärseitigen Induktivität des Transformators verbunden ist und eine Gleichrichteranordnung, die mit der sekundärseitigen Induktivität des Transformators verbunden ist. Weiterhin umfasst der DC/DC-Wandler eine Kapazität, die in Serie zur primärseitigen Induktivität des Transformators geschaltet ist und zusammen mit dieser einen Schwingkreis ausbildet.
Dabei umfassen die primärseitige und sekundärseitige Induktivität jeweils eine zirkulare Wicklung, die auf einer Ferritplatte aufgebracht ist, wobei die Ferritplatten so angeordnet sind, dass die Wicklungen einander zugewandt sind.
Durch Anwendung dieses für DC-DC-Wandler-Transformatoren neuartigen Aufbaukonzeptes werden die Parallelinduktivität sowie die Serieninduktivität unnötig und können vorteilhafterweise entfallen. Durch die Wicklungskonfiguration wird die für die Topologie wichtige große Serieninduktivität in Form einer großen Streuung durch den Transformator selbst bereitgestellt. Weiterhin wird auch die für den ZVS-Betrieb in Leerlaufnähe geringe Parallelinduktivität durch den Transformator selbst erreicht. Die Kopplung einer solchen Wicklungskonfiguration ist deutlich kleiner als bei herkömmlichen Transformatoren. Für die Erfindung wurde aber erkannt, dass diese Eigenschaft in Verbindung mit der Resonanzwandlertopologie gezielt genutzt werden kann.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen DC/DC-Wandlers gehen aus den von Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen hervor. Dabei kann die Ausführungsform nach Anspruch 1 mit den Merkmalen eines der Unteransprüche oder vorzugsweise auch mit denen aus mehreren Unteransprüchen kombiniert werden. Demgemäß können für den DC/DC-Wandler noch zusätzlich folgende Merkmale vorgesehen werden:

- Die Ferritplatten können so angeordnet sein, dass die Wicklungsachsen übereinstimmen.
- Die zirkularen Wicklungen haben bevorzugt denselben Durchmesser.
- Die Ferritplatten können jeweils auf einem Schirmblech, insbesondere einem Schirmblech aus Aluminium oder Kupfer, angeordnet sein. Die Ferritplatten dienen der Flussführung auf der Rückseite der Wicklungen, um in eventuell dahinter befindlichen Schaltungsteilen Spannungsinduktionen zu vermeiden. Das Schirmblech wiederum hält den magnetischen Restfluss innerhalb der Anordnung hält.
- Die Kopplung der Wicklungen kann zwischen 60% und 80% betragen. Dies kann insbesondere durch die Wahl des Luftspaltes erreicht werden, über den die Streuinduktivität der Anordnung als auch die Kopplung des Systems eingestellt werden. Eine Erhöhung des Luftspalts bedeutet eine Erhöhung des Streuflusses verbunden mit einer Erhöhung der Streuinduktivität sowie einer Reduzierung der Kopplungsinduktivität. Der Kopplungsfaktor ist günstig realisierbar mit einem Verhältnis Induktorquerschnitt / Luftspalt von 10 bis 20. Damit ist ein ausreichender Magnetisierungsstrom in Leerlaufnähe der Schaltung gewährleistet und die zur Spannungssteuerung notwendige Streuinduktivität wird ausreichend groß.
- Das Schirmblech kann als Kühlkörper ausgestaltet sein. Vorteilhaft wird dadurch weiterer Aufwand zur Kühlung vermieden.
- Auf einer von der Wicklung abgewandten Seite eines der Schirmbleche kann ein Schaltungsträger angeordnet sein, insbesondere eine Leiterplatte oder ein IMS. Auf dem Schaltungsträger befinden sich ein oder mehrere leistungselektronische Bauelemente. Hierdurch wird vorteilhaft Bauraum gespart, speziell wenn das Schirmblech ausgestaltet ist als Kühlkörper und somit eine Entwärmung der Bauelemente bereits gewährleistet ist.

Ein bevorzugtes, jedoch keinesfalls einschränkendes Ausführungsbeispiel für die Erfindung wird nunmehr anhand der Figuren der Zeichnung näher erläutert. Dabei sind die Merkmale schematisiert dargestellt. Es zeigen

1 ein Schaltbild eines Resonanzwandlers mit einem Transformator nach dem Stand der Technik;
2 ein Schaltbild eines Resonanzwandlers mit einem Transformator; 3 eine Wicklung des Transformators in Draufsicht; 4 den Transformator in Seitenansicht.

1 zeigt ein elektrisches Schaltbild eines Resonanzwandlers 100 nach dem Stand der Technik. Der Resonanzwandler 100 der 1 umfasst eingangsseitig Anschlüsse 102, 104 für eine Gleichspannung. Die Anschlüsse 102, 104 sind mit einer Wechselrichteranordnung 110 verbunden. Die Wechselrichteranordnung 110 ist mit der Primärseite eines Transformators 130 verbunden. Die Sekundärseite des Transformators 130 ist mit einer Gleichrichteranordnung 150 verbunden, deren Ausgänge den Ausgang des Resonanzwandlers 100 bilden.
Die Wechelrichteranordnung 110 umfasst eine erste Serie aus zwei Kondensatoren 111, 112, die zwischen die Anschlüsse 102, 104 geschaltet ist. Parallel zu der ersten Serie ist eine Halbbrücke 113 mit zwei Leistungshalbleiten, hier MOSFETS 114, 115 geschaltet. Der Potentialpunkt zwischen den Kondensatoren 111, 112 bildet einen ersten Ausgang der Wechelrichteranordnung 110. Der Potentialpunkt zwischen den MOSFETs 114, 115 bildet einen zweiten Ausgang der Wechelrichteranordnung 110.
Zwischen die beiden Ausgänge der Wechelrichteranordnung 110 ist eine zweite Serie 120 geschaltet, die eine Resonanzkapazität 121, eine Serieninduktivität 122 und eine Parallelschaltung aus der primärseitigen Induktivität 131 des Transformators 130 und einer Parallelinduktivität 123 umfasst. Die sekundärseitige Induktivität 132 des Transformators 130 ist mit den Eingängen der Gleichrichteranordnung 150 verbunden, die durch eine Diodenbrücke gebildet wird. Für die Spannungsstabilisierung kann ausgangsseitig noch ein Stabilisierungskondensator 152 vorgesehen sein.
Der Resonanzwandler 100 gemäß dem Stand der Technik umfasst also eine als eigenes Bauteil ausgeführte Parallelinduktivität 123, die dazu dient, einen nacheilenden Strom zur Verfügung zu stellen, um das weiche Schalten des Leistungshalbleiter, also einen Zero-Voltage-Switching-Betrieb, sicherzustellen. Weiterhin umfasst der Resonanzwandler 100 die Serieninduktivität 122, die zusammen mit der Resonanzkapazität 121 einen Schwingkreis bildet, als eigenes Bauteil.
2 zeigt ein elektrisches Schaltbild eines Ausführungsbeispiels für die Erfindung. Der DC/DC-Wandler 200 der 2 ist zum Teil aufgebaut wie der Resonanzwandler 100 der 1 und es werden dieselben Bezugszeichen für analoge Bauteile verwendet. Die Wechselrichteranordnung 110 und die Gleichrichteranordnung 150 finden sich unverändert auch im DC/DC-Wandler 200. Der DC/DC-Wandler 200 umfasst aber eine veränderte zweite Serie 220 und einen veränderten Transformator 230.
Die zweite Serie 220 des DC/DC-Wandlers 200 umfasst im Gegensatz zu der zweiten Serie 120 des Resonanzwandlers 100 lediglich die Resonanzkapazität 121 und die primärseitige Induktivität 231 des Transformators 230, während die Parallelinduktivität 123 und die Serieninduktivität 122 entfallen. Der Zweck dieser Bauelemente wird im DC/DC-Wandler 200 von der primärseitigen Induktivität 231 des Transformators 230 miterfüllt.
Dazu ist der Transformator 230 physisch anders gestaltet als ein Transformator 130 aus einem Resonanzwandler 100 gemäß dem Stand der Technik. Der Aufbau des Transformators 230 ist in zwei Ansichten in den 3 und 4 dargestellt. 3 zeigt eine Draufsicht für eine Wicklung des Transformators, wobei der gezeigte Aufbau sowohl für die Primärseite als auch für die Sekundärseite des Transformators 230 gilt. Die Induktivität 231, 232 wird dabei durch eine zirkulare Wicklung 301 (Scheibenwicklung) gebildet. Diese zirkulare Wicklung 301 ist über einen Spulenkörper auf eine in diesem Beispiel quadratische Ferritplatte 302 aufgebracht. Die Ferritplatte 302 ist ihrerseits auf einem ebenfalls quadratischen, aber etwas größeren Schirmblech 303 aufgebracht.
In 4 sind beide Induktivitäten 231, 232 in Seitenansicht dargestellt. Dabei sind die Aufbauten entsprechend der 3 so angeordnet, dass die zirkularen Wicklungen 301 einander zugewandt sind und koaxial angeordnet sind, d.h. die zentralen Achsen der Wicklungen 301 stimmen überein. Der Luftspalt 304 zwischen den Wicklungen 301 wird etwa 1/10 bis 1/20 mal so groß wie der Induktorquerschnitt gewählt, um einen gewünschten Kopplungsfaktor von 60 % bis 80 % einzustellen.

Claims

DC/DC-Wandler (200) für den resonanten Betrieb mit Potentialtrennung, umfassend - einen Transformator (230) mit einer primärseitigen und einer sekundärseitigen Induktivität (231, 232), - eine Wechselrichteranordnung (110), die mit der primärseitigen Induktivität (231) des Transformators (230) verbunden ist, - eine Gleichrichteranordnung (150), die mit der sekundärseitigen Induktivität (232) des Transformators (230) verbunden ist, - eine Kapazität (121), die in Serie zur primärseitigen Induktivität (231) des Transformators (230) geschaltet ist und zusammen mit dieser einen Schwingkreis ausbildet, dadurch gekennzeichnet, dass - die primärseitige und sekundärseitige Induktivität (231, 232) jeweils eine zirkulare Wicklung (301) umfassen, die auf einer Ferritplatte (302) aufgebracht ist, - die Ferritplatten (302) so angeordnet sind, dass die Wicklungen (301) einander zugewandt sind.
DC/DC-Wandler (200) nach Anspruch 1, bei dem die Ferritplatten (302) so angeordnet sind, dass die Wicklungsachsen übereinstimmen.
DC/DC-Wandler (200) nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die zirkularen Wicklungen (301) denselben Durchmesser haben.
DC/DC-Wandler (200) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Ferritplatten (302) jeweils auf einem Schirmblech (303), insbesondere einem Schirmblech (303) aus Aluminium oder Kupfer, angeordnet sind.
DC/DC-Wandler (200) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Kopplung der Wicklungen (301) zwischen 60% und 80% beträgt.
DC/DC-Wandler (200) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das Schirmblech (303) ein Kühlkörper ist.
DC/DC-Wandler (200) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem auf einer von der Wicklung (301) abgewandten Seite eines der Schirmbleche (303) ein Schaltungsträger, insbesondere eine Leiterplatte oder ein IMS, angeordnet ist mit einem oder mehreren leistungselektronischen Bauelementen.