Title:
MAGNETKOMPONENTEN-ANORDNUNG UND ENERGIE-UMWANDLUNGSEINRICHTUNG, DIE DIE MAGNETKOMPONENTEN-ANORDNUNG VERWENDET
Kind Code:
T5


Abstract:

Eine erste Wicklung (3a), eine zweite Wicklung (3b), eine vierte Wicklung (3e) und eine fünfte Wicklung (3f), die als Transformator wirken, sind um die jeweiligen Seitenschenkel (13i, 13j) eines dreischenkligen Kerns gewickelt. Dritte Wicklungen (3c und 3d), die als DC-Drosselspule wirken, sind um einen Mittelschenkel (13h) gewickelt. Die Wicklungsrichtungen der ersten Wicklung (3a), der zweiten Wicklung (3b) und der dritten Wicklungen (3c und 3d) sind so vorgegeben, dass sich die magnetischen Flüsse, die von den DC-Strömen erzeugt werden, die durch die jeweiligen Wicklungen fließen, in der gleichen Richtung am Mittelschenkel (13h) vereinigen, und die Wicklungsrichtungen der vierten Wicklung (3e) und der fünften Wicklung (3f) sind so vorgegeben, dass die magnetischen Flüsse, die von den AC-Strömen erzeugt werden, die durch die jeweiligen Wicklungen fließen, einander am Mittelschenkel (13h) aufheben. Demzufolge sind der Transformator und die DC-Drosselspule unter Verwendung des dreischenkligen Kerns integriert, so dass eine Größenverringerung und eine Verringerung der Verluste der integrierten Magnet-komponente (3) erzielt werden. embedded image




Inventors:
Murakami, Satoshi (Tokyo, JP)
Yamada, Masaki (Tokyo, JP)
Kondo, Ryota (Tokyo, JP)
Takahara, Takaaki (Tokyo, JP)
Komatsu, Yuta (Tokyo, JP)
Application Number:
DE112016005167T
Publication Date:
07/19/2018
Filing Date:
10/11/2016
Assignee:
Mitsubishi Electric Corporation (Tokyo, JP)
International Classes:



Attorney, Agent or Firm:
Meissner Bolte Patentanwälte Rechtsanwälte Partnerschaft mbB, 80538, München, DE
Claims:
Magnetkomponenten-Anordnung, die Folgendes aufweist:
einen wicklungsgekoppelten Körper, der aus einer Anzahl von n Wicklungen gebildet ist, die miteinander magnetisch gekoppelt sind, wobei n eine Ganzzahl ist, die gleich groß wie oder größer als 2 ist, wobei das eine Ende jeder Wicklung über eine DC-Drosselspule in Reihe mit einer DC-Spannungsquelle geschaltet ist, wobei andere Enden der Wicklungen mit nichtlinearen Elementen verbunden sind, die zu Zeitpunkten leitend werden, die voneinander verschieden sind; und
einen mehrschenkligen Kern, der aus einer Anzahl von n Seitenschenkeln und einem Mittelschenkel mit einem Spaltbereich gebildet ist, wobei die Anzahl n von Wicklungen des wicklungsgekoppelten Körpers um die jeweiligen Seitenschenkel des mehrschenkligen Kerns gewickelt sind, eine Wicklung der DC-Drosselspule um den Mittelschenkel des mehrschenkligen Kerns gewickelt ist, und Wicklungsrichtungen der Wicklungen des wicklungsgekoppelten Körpers und der Wicklung der DC-Drosselspule so vorgegeben sind, dass sich die magnetischen Flüsse, die von DC-Strömen erzeugt werden, die durch die Wicklungen des wicklungsgekoppelten Körpers und die Wicklung der DC-Drosselspule fließen, in der gleichen Richtung am Mittelschenkel des mehrschenkligen Kerns vereinigen, so dass die DC-Drosselspule und der wicklungsgekoppelte Körper unter Verwendung des mehrschenkligen Kerns integriert werden.

Energie-Umwandlungseinrichtung, die die Magnetkomponenten-Anordnung nach Anspruch 1 verwendet, wobei die Energie-Umwandlungseinrichtung eine AC-Spannung an AC-Anschlüssen in eine DC-Spannung umwandelt und die DC-Spannung an den DC-Anschlüssen der DC-Spannungsquelle ausgibt, wobei die Energie-Umwandlungseinrichtung Folgendes aufweist:
einen Transformator, der eine primärseitige Wicklung aufweist, die mit den AC-Anschlüssen verbunden ist, und der eine sekundärseitige Wicklung aufweist, die der wicklungsgekoppelte Körper ist und die mit den DC-Anschlüssen verbunden ist, und zwar über Gleichrichterelemente als nichtlineare Elemente sowie die DC-Drosselspule,
wobei
die sekundärseitige Wicklung des Transformators aus einer ersten Wicklung und einer zweiten Wicklung gebildet ist, deren jeweilige Enden an einem Zwischenpunkt in Reihe miteinander geschaltet sind, und deren andere Enden mit dem Zwischenpunkt über die Gleichrichterelemente, die DC-Drosselspule und die DC-Anschlüsse verbunden sind,
die DC-Drosselspule aus einer dritten Wicklung gebildet ist,
die primärseitige Wicklung des Transformators aus einer vierten Wicklung und einer fünften Wicklung gebildet ist, deren jeweilige Enden in Reihe miteinander verbunden sind und deren andere Enden mit den AC-Anschlüssen verbunden sind,
die Energie-Umwandlungseinrichtung einen dreischenkligen Kern aufweist, in welchem die Anzahl n für den mehrschenkligen Kern 2 beträgt, so dass der dreischenklige Kern aus zwei Seitenschenkeln und einem Mittelschenkel mit einem Spaltbereich gebildet ist, wobei die erste Wicklung und die zweite Wicklung um die jeweiligen Seitenschenkel gewickelt sind, die dritte Wicklung um den Mittelschenkel gewickelt ist, die vierte Wicklung und die fünfte Wicklung um die jeweiligen Seitenschenkel gewickelt sind,
wobei die Wicklungsrichtungen der ersten Wicklung, der zweiten Wicklung und der dritten Wicklung so vorgegeben sind, dass sich die magnetischen Flüsse, die durch die DC-Ströme erzeugt werden, die durch die erste Wicklung, die zweite Wicklung und die dritte Wicklung fließen, in der gleichen Richtung am Mittelschenkel vereinigen, und die Wicklungsrichtungen der vierten Wicklung und der fünften Wicklung so vorgegeben sind, dass die magnetischen Flüsse, die durch die AC-Ströme erzeugt werden, die durch die vierte Wicklung und die fünfte Wicklung fließen, einander am Mittelschenkel aufheben, so dass der Transformator und die DC-Drosselspule unter Verwendung des dreischenkligen Kerns integriert sind.

Energie-Umwandlungseinrichtung nach Anspruch 2, wobei die Streuinduktivität des Transformators durch Verändern der Windungszahl der dritten Wicklung einstellbar ist.

Energie-Umwandlungseinrichtung nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Induktivität der DC-Drosselspule durch Verändern der Windungszahlen der ersten Wicklung und der zweiten Wicklung einstellbar ist.

Energie-Umwandlungseinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei die Streuinduktivität des Transformators durch Verändern eines Magnetwiderstands des Mittelschenkels einstellbar ist.

Energie-Umwandlungseinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, die ferner einen Filterkondensator parallel zu den DC-Anschlüssen aufweist, wobei die Streuinduktivität des Transformators und der DC-Drosselspule eine Filter-Drosselspule bilden, die mit dem Filterkondensator in Resonanz ist.

Energie-Umwandlungseinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, die ferner eine Schalt-Schaltung aufweist, die Schaltelemente aufweist und die die DC-Spannung der DC-Spannungsquelle in eine AC-Spannung umsetzt und die AC-Spannung an den AC-Anschlüssen ausgibt, wobei die DC-Spannung der DC-Spannungsquelle umgesetzt wird und die sich ergebende Spannung an den DC-Anschlüssen ausgegeben wird.

Energie-Umwandlungseinrichtung nach Anspruch 7, wobei Resonanzkondensatoren, die mit einer Streuinduktivität des Transformators in Resonanz sind, zwischen die beiden Pole der Schaltelemente geschaltet sind, so dass das Schalten der Schaltelemente bei Nullspannung durchgeführt wird.

Energie-Umwandlungseinrichtung nach Anspruch 7, wobei der Strom, wenn die Schaltelemente eingeschaltet werden, durch eine Streuinduktivität des Transformators verringert wird, so dass die Schaltverluste der Schalt-Schaltung verringert werden.

Energie-Umwandlungseinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 9, wobei die dritte Wicklung aus zwei geteilten Wicklungen gebildet ist, die um den Mittelschenkel gewickelt sind, wobei die eine der zwei geteilten Wicklungen auf der Seite eines positiven Pols der DC-Anschlüsse ausgebildet ist und die andere auf der Seite eines negativen Pols der DC-Anschlüsse ausgebildet ist.

Energie-Umwandlungseinrichtung, die die Magnetkomponenten-Anordnung nach Anspruch 1 verwendet, wobei die Energie-Umwandlungseinrichtung die DC-Spannung der DC-Spannungsquelle aufwärts wandelt und die aufwärtsgewandelte Spannung an DC-Anschlüssen ausgibt, wobei die Energie-Umwandlungseinrichtung Folgendes aufweist:
die DC-Drosselspule, die eine DC-Wicklung aufweist, deren eines Ende mit der DC-Spannungsquelle verbunden ist;
eine gekoppelte Drosselspule, die der wicklungsgekoppelte Körper ist und die gekoppelte Wicklungen aufweist, die aus der Anzahl n von Wicklungen gebildet ist, wobei die jeweiligen Enden der gekoppelten Wicklungen mit einem anderen Ende der DC-Drosselspule verbunden sind;
eine Schalt-Schaltung, die eine Anzahl n von oberen Zweigen und eine Anzahl n von unteren Zweigen aufweist, die Schaltelemente als nichtlineare Elemente haben und jeweils parallel zwischen die beiden Pole der DC-Anschlüsse geschaltet sind, wobei Zwischenverbindungspunkte zwischen den oberen Zweigen und den unteren Zweigen jeweils mit den anderen Enden der gekoppelten Wicklungen verbunden sind; und
den mehrschenkligen Kern, wobei die gekoppelten Wicklungen jeweils um die Seitenschenkel gewickelt sind und wobei die DC-Wicklung um den Mittelschenkel gewickelt ist,
wobei die Wicklungsrichtungen der DC-Wicklung und der gekoppelten Wicklungen so eingestellt sind, dass sich die magnetischen Flüsse, die von den DC-Strömen erzeugt werden, die durch die DC-Wicklung und die gekoppelten Wicklungen fließen, in der gleichen Richtung am Mittelschenkel vereinigen, so dass die gekoppelte Drosselspule und die DC-Drosselspule unter Verwendung des mehrschenkligen Kerns integriert sind.

Energie-Umwandlungseinrichtung nach Anspruch 11,
wobei die Anzahl n einen Wert von 2 besitzt, die gekoppelte Drosselspule eine erste Wicklung und eine zweite Wicklung als gekoppelte Wicklungen aufweist, die DC-Drosselspule eine dritte Wicklung als DC-Wicklung aufweist und der mehrschenklige Kern als ein dreischenkliger Kern ausgebildet ist, der zwei der Seitenschenkel und den Mittelschenkel aufweist, wobei die erste Wicklung und die zweite Wicklung um die jeweiligen Seitenschenkel gewickelt sind, wobei die dritte Wicklung um den Mittelschenkel gewickelt ist, und
wobei die Wicklungsrichtungen der ersten Wicklung, der zweiten Wicklung und der dritten Wicklung so vorgegeben sind, dass sich die magnetischen Flüsse, die von DC-Strömen erzeugt werden, die durch die erste Wicklung, die zweite Wicklung und die dritte Wicklung fließen, in der gleichen Richtung am Mittelschenkel vereinigen, so dass die gekoppelte Drosselspule und die DC-Drosselspule unter Verwendung des dreischenkligen Kerns integriert sind.

Energie-Umwandlungseinrichtung nach Anspruch 12, wobei die Induktivität der DC-Drosselspule durch Verändern der Windungszahlen der ersten Wicklung und der zweiten Wicklung einstellbar ist.

Energie-Umwandlungseinrichtung nach Anspruch 12 oder 13, wobei der Kopplungsgrad zwischen der ersten Wicklung und der zweiten Wicklung durch Verändern des Magnetwiderstands des Mittelschenkels einstellbar ist.

Energie-Umwandlungseinrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei in einem Fall, in welchem die DC-Spannung der DC-Spannungsquelle so aufwärts gewandelt wird, dass sie gleich groß wie oder größer als das Doppelte der ursprünglichen Spannung ist und die sich ergebende Spannung an die DC-Anschlüsse ausgegeben wird, während eines Zeitraums, während dessen die DC-Spannung der DC-Spannungsquelle an die erste Wicklung und die zweite Wicklung gleichzeitig angelegt wird, der Strom, der durch die erste Wicklung und die zweite Wicklung während des Zeitraums fließt, durch die Induktivität der DC-Drosselspule und die Streuinduktivität der gekoppelten Drosselspule begrenzt wird.

Energie-Umwandlungseinrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 15, wobei die dritte Wicklung aus zwei geteilten Wicklungen gebildet ist, die um den Mittelschenkel gewickelt sind, wobei die eine der zwei geteilten Wicklungen auf der Seite eines positiven Pols der DC-Spannungsquelle ausgebildet ist und die andere auf der Seite eines negativen Pols der DC-Spannungsquelle ausgebildet ist.

Energie-Umwandlungseinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 10 und 12 bis 16, wobei die Querschnittsfläche des Mittelschenkels doppelt so groß ist wie die Querschnittsfläche jedes Seitenschenkels.

Description:
Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Energie-Umwandlungseinrichtung und dergleichen, die eine Energie-Umwandlung zwischen einer AC-Spannung und einer DC-Spannung oder zwischen einer DC-Spannung und einer DC-Spannung durchführen. Sie betrifft auch eine Magnetkomponenten-Anordnung, die in einer solchen Einrichtung verwendet wird, und sie betrifft insbesondere eine Technologie zum Erzielen einer Größenverringerung und einer Verringerung der Verluste der Einrichtung, indem eine Mehrzahl von Magnetkomponenten integriert wird, die einen Kern und eine Wicklung aufweisen.

Stand der Technik

Hinsichtlich solcher Magnetkomponenten einer Energie-Umwandlungseinrichtung offenbart beispielsweise das Patentdokument 1, dass eine Mehrzahl von Drosselspulen an einer Magnetschaltung entsprechend einer Mehrzahl von Zerhackern zur Verfügung gestellt wird, und dass Rippel-Komponenten der magnetischen Flüsse, die von der Mehrzahl von Drosselspulen erzeugt werden, in solchen Richtungen erzeugt werden, dass sie einander aufheben, wenn sie durch einen Spalt der Magnetschaltung gehen.

Außerdem offenbart beispielsweise das Patentdokument 2, dass ein Transformator zur Verfügung gestellt wird, bei welchem mindestens drei parallel geschaltete Wicklungen um einen Kern gewickelt sind, wobei diese mindestens drei parallel geschalteten Wicklungen um Magnetschenkelbereiche gewickelt werden, so dass die jeweiligen Kombination der Magnetflussrichtungen der magnetischen Flüsse, die in den jeweiligen Wicklungen erzeugt werden, Richtungen ergeben, die einander aufheben, und dass alle Magnetwiderstände in zumindest dem kleinsten geschlossenen Magnetpfad unter mindestens drei geschlossenen Magnetpfaden so eingestellt sind, dass sie gleich sind.

Ferner offenbart beispielsweise das Patentdokument 3 einen DC/DC-Umsetzer mit einer Aufwärtswandlungsschaltung und einer Halbbrücke, die miteinander integriert sind, wobei eine Eingangs-Drosselspule, primäre und sekundäre Spulen eines Trenntransformators und eine Ausgangs-Drosselspule um denselben Kern gewickelt sind, und wobei DC-Magnetflüsse, die von den Wicklungen dieser Spulen erzeugt werden, in solchen Richtungen vorgegeben sind, dass sie einander aufheben.

LiteraturverzeichnisPatentdokumente

  • Patentdokument 1: Japanische Patentanmeldung-Veröffentlichung JP 2003-304681 A (siehe Anspruch 1, Abs. [0017] bis [0019] der Beschreibung usw.)
  • Patentdokument 2: Japanisches Patent JP 5 144 284 B2 (siehe Anspruch 1, Abs. [0007] der Beschreibung usw.)
  • Patentdokument 3: Japanisches Patent JP 4 151 014 B2 (siehe Anspruch 1, Abs. [0006] der Beschreibung usw.)

Zusammenfassung der ErfindungMit der Erfindung zu lösende Probleme

Bei der in dem obigen Patentdokument 1 offenbarten DC-Spannungs-Umwandlungseinrichtung werden Rippel-Komponenten der magnetischen Flüsse, die in der Mehrzahl von Drosselspulen erzeugt werden, in solchen Richtungen erzeugt, dass sie einander aufheben, wenn sie durch den Spalt der Magnetschaltung gehen, so dass die erzeugten Störungen verringert werden.

In dem Patentdokument 1 bilden jedoch die Mehrzahl von Drosselspulen eine gekoppelte Drosselspule, die im Wesentlichen eine einzelne Magnetkomponente ist, so dass sie für eine Mehrzahl von Aufwärtswandlungsschaltungen arbeitet. Daher ist dort ein Konzept zum Integrieren verschiedener Typen von Magnetkomponenten nicht beschrieben.

Bei der in dem Patentdokument 2 offenbarten Energie-Umwandlungsschaltung sind mindestens drei Wicklungen, die parallel geschaltet sind, um Magnetschenkelbereiche eines Kerns gewickelt, so dass jegliche Kombination der Magnetflussrichtungen der magnetischen Flüsse, die in den jeweiligen Wicklungen erzeugt werden, solche Richtungen ergeben, dass sie einander aufheben, und alle Magnetwiderstände in zumindest dem kleinsten geschlossenen Magnetpfad unter den mindestens drei geschlossenen Magnetpfaden sind so vorgegeben, dass sie gleich sind. Demzufolge werden eine Größenverringerung des Transformators und eine Verringerung von dessen Eisenverlusten erzielt.

In dem Patentdokument 2 arbeitet der Transformator, der die Mehrzahl von parallelen Wicklungen hat, die eine gekoppelte Drosselspule bilden, die im Wesentlichen eine einzelne Magnetkomponente ist, für eine Mehrzahl von Aufwärtswandlungsschaltungen, und Patentdokument 2 beschreibt nicht die Integration mit einer DC-Drosselspule, die in dem Dokument mit L1 angegeben ist und die eine Magnetkomponente ist, die einen von der gekoppelten Drosselspule unterschiedlichen Typ hat.

In dem DC/DC-Schaltumsetzer vom Trenntyp, der in dem Patentdokument 3 erläutert ist, sind die Eingangs-Drosselspule, die primären und sekundären Spulen des Trenntransformators und die Ausgangs-Drosselspule um denselben Kern gewickelt, und DC-Magnetflüsse, die von den Wicklungen dieser Spulen erzeugt werden, sind in solchen Richtungen vorgegeben, dass sie einander aufheben. Demzufolge werden eine Verringerung des Kernvolumens einer Magnetkomponente und eine Verringerung der Kernverluste erzielt.

In dem Patentdokument 3 gilt jedoch Folgendes: Obwohl DC-Magnetflüsse von den Wicklungen, die um denselben Schenkel des Kerns gewickelt sind, aufgehoben werden, wird ein Austreten eines AC-Magnetflusses am Spalt nicht beseitigt, was zu einem Problem, wie etwa einem Auftreten von Verlusten infolge des Austretens führt.

Die vorliegende Erfindung wurde konzipiert, um die obigen herkömmlichen Probleme zu lösen. Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Magnetkomponenten-Anordnung und eine Energie-Umwandlungseinrichtung unter Verwendung der Magnetkomponenten-Anordnung anzugeben, wobei die angeordneten Magnetkomponenten in zweckmäßiger Weise integriert sind, so dass eine Verringerung der Größe und der Verluste erzielt wird.

Lösung der Probleme

Eine Magnetkomponenten-Anordnung gemäß der vorliegenden Erfindung weist Folgendes auf:

  • einen wicklungsgekoppelten Körper, der aus einer Anzahl von n Wicklungen gebildet ist, die miteinander magnetisch gekoppelt sind, wobei n eine Ganzzahl ist, die gleich groß wie oder größer als 2 ist, wobei das eine Ende jeder Wicklung über eine DC-Drosselspule in Reihe mit einer DC-Spannungsquelle geschaltet ist, wobei andere Enden der Wicklungen mit nichtlinearen Elementen verbunden sind, die zu Zeitpunkten leitend werden, die voneinander verschieden sind; und einen mehrschenkligen Kern, der aus einer Anzahl von n Seitenschenkeln und einem Mittelschenkel mit einem Spaltbereich gebildet ist, wobei die Anzahl n von Wicklungen des wicklungsgekoppelten Körpers um die jeweiligen Seitenschenkel des mehrschenkligen Kerns gewickelt sind, eine Wicklung der DC-Drosselspule um den Mittelschenkel des mehrschenkligen Kerns gewickelt ist, und Wicklungsrichtungen der Wicklungen des wicklungsgekoppelten Körpers und der Wicklung der DC-Drosselspule so vorgegeben sind, dass sich die magnetischen Flüsse, die von DC-Strömen erzeugt werden, die durch die Wicklungen des wicklungsgekoppelten Körpers und die Wicklung der DC-Drosselspule fließen, in der gleichen Richtung am Mittelschenkel des mehrschenkligen Kerns vereinigen, so dass die DC-Drosselspule und der wicklungsgekoppelte Körper unter Verwendung des mehrschenkligen Kerns integriert werden. Eine erste Energie-Umwandlungseinrichtung, die eine Magnetkomponenten-Anordnung gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet, wandelt eine AC-Spannung an den AC-Anschlüssen in eine DC-Spannung um und gibt die DC-Spannung an den DC-Anschlüssen der DC-Spannungsquelle aus.

Die Energie-Umwandlungseinrichtung weist Folgendes auf: einen Transformator, der eine primärseitige Wicklung aufweist, die mit den AC-Anschlüssen verbunden ist, und eine sekundärseitige Wicklung aufweist, die der wicklungsgekoppelte Körper ist und die mit den DC-Anschlüssen verbunden ist, und zwar über Gleichrichterelemente als nichtlineare Elemente, sowie die DC-Drosselspule. Die sekundärseitige Wicklung des Transformators ist aus einer ersten Wicklung und einer zweiten Wicklung gebildet, deren jeweilige Enden an einem Zwischenpunkt in Reihe miteinander geschaltet sind, und deren andere Enden mit dem Zwischenpunkt über die Gleichrichterelemente, die DC-Drosselspule und die DC-Anschlüsse verbunden sind.

Die DC-Drosselspule ist aus einer dritten Wicklung gebildet. Die primärseitige Wicklung des Transformators ist aus einer vierten Wicklung und einer fünften Wicklung gebildet, deren jeweilige Enden in Reihe miteinander verbunden sind und deren andere Enden mit den AC-Anschlüssen verbunden sind.

Die Energie-Umwandlungseinrichtung weist einen dreischenkligen Kern auf, in welchem die Anzahl n für den mehrschenkligen Kern 2 beträgt, so dass der dreischenklige Kern aus zwei Seitenschenkeln und einem Mittelschenkel mit einem Spaltbereich gebildet ist, wobei die erste Wicklung und die zweite Wicklung um die jeweiligen Seitenschenkel gewickelt sind, die dritte Wicklung um den Mittelschenkel gewickelt ist, und die vierte Wicklung und die fünfte Wicklung um die jeweiligen Seitenschenkel gewickelt sind.

Die Wicklungsrichtungen der ersten Wicklung, der zweiten Wicklung und der dritten Wicklung sind so vorgegeben, dass sich die magnetischen Flüsse, die durch die DC-Ströme erzeugt werden, die durch die erste Wicklung, die zweite Wicklung und die dritte Wicklung fließen, in der gleichen Richtung am Mittelschenkel vereinigen, und die Wicklungsrichtungen der vierten Wicklung und der fünften Wicklung sind so vorgegeben, dass die magnetischen Flüsse, die durch die AC-Ströme erzeugt werden, die durch die vierte Wicklung und die fünfte Wicklung fließen, einander am Mittelschenkel aufheben, so dass der Transformator und die DC-Drosselspule unter Verwendung des dreischenkligen Kerns integriert sind. Eine zweite Energie-Umwandlungseinrichtung, die eine Magnetkomponenten-Anordnung gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet, wandelt eine DC-Spannung der DC-Spannungsquelle aufwärts und gibt die aufwärtsgewandelte Spannung an den DC-Anschlüssen aus.

Die Energie-Umwandlungseinrichtung weist Folgendes auf: die DC-Drosselspule, die eine DC-Wicklung aufweist, deren eines Ende mit der DC-Spannungsquelle verbunden ist; eine gekoppelte Drosselspule, die der wicklungsgekoppelte Körper ist und die gekoppelte Wicklungen aufweist, die aus der Anzahl n von Wicklungen gebildet ist, wobei die jeweiligen Enden der gekoppelten Wicklungen mit einem anderen Ende der DC-Drosselspule verbunden sind; eine Schalt-Schaltung, die eine Anzahl n von oberen Zweigen und eine Anzahl n von unteren Zweigen aufweist, die Schaltelemente als nichtlineare Elemente haben und jeweils parallel zwischen die beiden Pole der DC-Anschlüsse geschaltet sind, wobei Zwischenverbindungspunkte zwischen den oberen Zweigen und den unteren Zweigen jeweils mit den anderen Enden der gekoppelten Wicklungen verbunden sind; und den mehrschenkligen Kern, wobei die gekoppelten Wicklungen jeweils um die Seitenschenkel gewickelt sind und wobei die DC-Wicklung um den Mittelschenkel gewickelt ist.

Die Wicklungsrichtungen der DC-Wicklung und der gekoppelten Wicklungen sind so eingestellt, dass sich die magnetischen Flüsse, die von den DC-Strömen erzeugt werden, die durch die DC-Wicklung und die gekoppelten Wicklungen fließen, in der gleichen Richtung am Mittelschenkel vereinigen, so dass die gekoppelte Drosselspule und die DC-Drosselspule unter Verwendung des mehrschenkligen Kerns integriert sind.

Wirkung der Erfindung

Bei der Magnetkomponenten-Anordnung gemäß der vorliegenden Erfindung sind, wie oben beschrieben, die Wicklungsrichtungen der Wicklungen so eingestellt, dass sich die magnetischen Flüsse, die von den DC-Strömen erzeugt werden, die durch die Wicklungen des wicklungsgekoppelten Körpers und die Wicklung der DC-Drosselspule fließen, in der gleichen Richtung am Mittelschenkel des mehrschenkligen Kerns vereinigen. Daher kann nicht bloß die Anzahl von Windungen der Wicklung, die die DC-Drosselspule bildet, sondern auch die Anzahl von Windungen des wicklungsgekoppelten Körpers, der ursprünglich eine verschiedene Art von Magnetkomponente ist, die eine verschiedene Funktion von derjenigen der DC-Drosselspule ist, zur Induktivität der DC-Drosselspule beitragen, so dass eine Größenverringerung erzielt wird.

Bei der ersten Energie-Umwandlungseinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung sind, wie oben beschrieben, die Wicklungsrichtungen der ersten Wicklung, der zweiten Wicklung und der dritten Wicklung so vorgegeben, dass sich die magnetischen Flüsse, die von den DC-Strömen erzeugt werden, die durch die jeweiligen Wicklungen fließen, in der gleichen Richtung am Mittelschenkel vereinigen.

Daher können nicht nur die Anzahl von Windungen der dritten Wicklung, die die DC-Drosselspule bildet, sondern auch die Anzahl von Windungen der ersten und zweiten Wicklung des Transformators, der ursprünglich eine verschiedene Art von Magnetkomponente mit einer verschiedenen Funktion von derjenigen der DC-Drosselspule ist, zur Induktivität der DC-Drosselspule beitragen, so dass eine Größenverringerung erzielt wird. Ferner sind die Wicklungsrichtungen der vierten Wicklung und der fünften Wicklung so vorgegeben, dass die magnetischen Flüsse, die von den AC-Strömen erzeugt werden, die durch die jeweiligen Wicklungen fließen, einander am Mittelschenkel aufheben.

Daher tritt ein magnetischer Streufluss ausgehend vom Spaltbereich im Mittelschenkel nicht auf, und es treten keine Wirbelstromverluste in der dritten Wicklung auf, die um den Mittelschenkel gewickelt ist, so dass eine Verlust-Verringerung erzielt wird. Bei der zweiten Energie-Umwandlungseinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung sind, wie oben beschrieben, die Wicklungsrichtungen der DC-Wicklung und der gekoppelten Wicklungen so vorgegeben, dass sich die magnetischen Flüsse, die von den DC-Strömen erzeugt werden, die durch die jeweiligen Wicklungen fließen, in der gleichen Richtung am Mittelschenkel vereinigen.

Daher kann nicht bloß die Anzahl von Windungen der DC-Wicklung, die die DC-Drosselspule bildet, sondern auch die Anzahl von Windungen der gekoppelten Wicklungen der gekoppelten Drosselspule, die ursprünglich eine verschiedene Art von Magnetkomponente ist, die eine verschiedene Funktion von derjenigen der DC-Drosselspule hat, zur Induktivität der DC-Drosselspule beitragen, so dass eine Größenverringerung erzielt wird. Ferner tritt ein magnetischer AC--Streufluss im Spaltbereich des Mittelschenkels nicht auf, und es treten keine Wirbelstromverluste in der dritten Wicklung auf, die um den Mittelschenkel gewickelt ist, so dass eine Verlust-Verringerung erzielt wird.

Figurenliste

  • 1 ist ein Diagramm, das die Gesamtkonfiguration einer Energie-Umwandlungseinrichtung gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • 2 ist ein Diagramm, das den Verlauf eines DC-Magnetflusses und einer magnetischen Durchflutung (MMF) in einer integrierten Magnetkomponente 3 darstellt, die in 1 gezeigt ist.
  • 3 ist ein Diagramm, das den Verlauf eines AC-Magnetflusses in der integrierten Magnetkomponente 3 darstellt, die in 1 gezeigt ist.
  • 4 ist ein Diagramm, das die Gesamtkonfiguration einer Energie-Umwandlungseinrichtung zeigt, die von 1 verschieden ist, gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung.
  • 5 ist ein Diagramm, das die Gesamtkonfiguration einer Energie-Umwandlungseinrichtung gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • 6 ist ein Diagramm, das die Gesamtkonfiguration einer Energie-Umwandlungseinrichtung zeigt, die von 5 verschieden ist, gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung.
  • 7 veranschaulicht den Betrieb zum Verringern von Schaltverlusten in der Schalt-Schaltung 2, die in 5 und 6 gezeigt ist.
  • 8 ist ein Diagramm, das die Gesamtkonfiguration einer Energie-Umwandlungseinrichtung gemäß Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • 9 veranschaulicht den Aufwärtswandlungsbetrieb der Energie-Umwandlungseinrichtung gemäß Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung.
  • 10 ist ein Wellenform-Diagramm des in 9 dargestellten Betriebs.
  • 11 ist ein Diagramm, das den Verlauf eines DC-Magnetflusses und einer magnetischen Durchflutung (MMF) in einer integrierten Magnetkomponente 13 darstellt, die in 8 gezeigt ist.
  • 12 ist ein Diagramm, das den Verlauf eines AC-Magnetflusses in der integrierten Magnetkomponente 13 darstellt, die in 8 gezeigt ist.
  • 13 ist ein Diagramm, das die Gesamtkonfiguration einer Energie-Umwandlungseinrichtung gemäß Ausführungsform 4 der vorliegenden Erfindung zeigt.

Beschreibung von AusführungsformenAusführungsform 1

1 ist ein Diagramm, das die Gesamtkonfiguration einer Energie-Umwandlungseinrichtung gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung zeigt. Die Energie-Umwandlungseinrichtung in 1 weist insgesamt Folgendes auf: eine Schalt-Schaltung 2, bei welcher die DC-Eingangsseite mit einer DC-Spannungsquelle 1 verbunden ist; eine integrierte Magnetkomponente 3, bei welcher die AC-Eingangsseite mit der AC-Ausgangsseite der Schalt-Schaltung 2 verbunden ist und die derart ausgebildet ist, dass ein Transformator und eine DC-Drosselspule integriert sind, die herkömmlich als verschiedene Typen von Magnetkomponenten behandelt werden; eine Gleichrichterschaltung 7, die zwischen die DC-Ausgangsseite der integrierten Magnetkomponente 3 und eine DC-Spannungsquelle (oder Last) 5 geschaltet ist; einen Filterkondensator 4; und eine Steuerungseinheit 20 zum Steuern der Schalt-Schaltung 2.

Nachfolgend werden die Einzelheiten der obigen Komponenten beschrieben.

Die Schalt-Schaltung 2 ist in einer Brückenform konfiguriert, wobei die Zweige, die die Schaltelemente Sa, Sb, Sc und Sd aufweisen, in Zweiergruppen parallel an den oberen und unteren Seiten geschaltet sind, und die eine DC-Spannung der DC-Spannungsquelle 1 in eine AC-Spannung umwandelt und die AC-Spannung an die AC-Anschlüsse G und I der integrierten Magnetkomponente 3 ausgibt. Resonanzkondensatoren Ca, Cb, Cc, Cd zum Erzielen eines Schaltens bei Nullspannung, was als sogenanntes sanftes Schalten bezeichnet wird, wie später noch beschrieben, sind zwischen die beiden Pole, d. h. die Drains und Sources, der jeweiligen Schaltelemente Sa, Sb, Sc, Sd geschaltet.

Die integrierte Magnetkomponente 3 weist Folgendes auf: eine erste Wicklung 3a und eine zweite Wicklung 3b, die eine sekundärseitige Wicklung eines Teils bilden, der als ein Transformator in der integrierten Magnetkomponente 3 fungiert; eine vierte Wicklung 3e und eine fünfte Wicklung 3f, die eine primärseitige Wicklung davon bilden; und dritte Wicklungen 3c und 3d, die als DC-Drosselspule der integrierten Magnetkomponente 3 fungieren.

Die jeweiligen Enden der ersten Wicklung 3a und der zweiten Wicklung 3b sind miteinander an einem Zwischenpunkt B verbunden, und der Zwischenpunkt B ist mit einem positiven Pol A der DC-Anschlüsse über die dritte Wicklung 3c verbunden, die als DC-Drosselspule fungiert. Ein weiteres Ende E der ersten Wicklung 3a ist mit einem negativen Pol C der DC-Anschlüsse über ein Gleichrichterelement 7a verbunden, das die Gleichrichterschaltung 7 bildet, und die dritte Wicklung 3d, die als DC-Drosselspule fungiert. Ein weiteres Ende F der zweiten Wicklung 3b ist mit dem negativen Pol C der DC-Anschlüsse über ein Gleichrichterelement 7b verbunden, das die Gleichrichterschaltung 7 bildet, und die dritte Wicklung 3d, die als DC-Drosselspule fungiert.

Die Steuerungseinheit 20 erzeugt ein Treibersignal 20a zum Treiben der Schalt-Schaltung 2 auf der Basis von Spannungsinformationen 20b aus der DC-Spannungsquelle 1, Strominformationen 20c von einem Stromsensor 6 und Spannungsinformationen 20d aus der DC-Spannungsquelle 5, die eine DC-Ausgangsspannung ist, so dass eine Einschalt-/Ausschaltsteuerung der Schaltelemente Sa, Sb, Sc, Sd durchgeführt wird, um eine Soll-Ausgangsspannung zu erzielen.

Es sei angemerkt, dass in 1 die dritte Wicklung in zwei Wicklungen 3c und 3d aufgeteilt ist, und dass eine Wicklung 3c auf Seiten des positiven Pols A der DC-Anschlüsse ausgebildet ist und die andere Wicklung 3d auf Seiten des negativen Pols der DC-Anschlüsse ausgebildet ist. Dies dient dazu, ein solchen Störungsfilterkonzept zu ermöglichen, dass der Störungsausbreitungsmodus in den sogenannten Differenzmodus (DM) und den Gleichtaktmodus (CM) aufgeteilt wird, indem die Impedanzen der Vorwärts- und Rückführungspfade eines Stromverlaufs angepasst werden. Wenn eine solche Konfiguration nicht gewünscht ist, kann die dritte Wicklung auch aus einer Wicklung gebildet werden.

Als nächstes werden die detaillierte Konfiguration der integrierten Magnetkomponente 3 und deren Betrieb unter Bezugnahme auf 2 beschrieben. 2 ist ein Diagramm, das den Verlauf eines DC-Magnetflusses (FIG. 2(1)) und einer magnetischen Durchflutung (MMF) (FIG. 2(2)) in der integrierten Magnetkomponente 3 darstellt, die in 1 gezeigt ist.

In FIG. 2(1) ist der Kern ein dreischenkliger Kern, der aus zwei Seitenschenkeln, d. h. einem ersten Seitenschenkel 3i und einem zweiten Seitenschenkel 3j sowie einem Mittelschenkel 3h mit einem Spaltbereich 3k gebildet ist, und er ist allgemein - wie in FIG. 2(1) gezeigt - durch Kombinieren von sogenannten EE-Typ-Kernen gebildet, die zwischen der Oberseite und der Unterseite symmetrisch sind, oder von sogenannten EI-Typ-Kernen, die zwischen der Oberseite und der Unterseite asymmetrisch sind. Es sei angemerkt, dass am Mittelschenkel 3h der Spaltbereich 3k zum Verhindern einer DC-Magnetfluss-Sättigung ausgebildet ist.

Es sei angemerkt, dass ein DC-Magnetfluss, der durch den Mittelschenkel 3h strömt, doppelt so groß ist wie die DC-Magnetflüsse, die durch die Seitenschenkel 3i, 3j strömen. Falls die Querschnittsfläche des Mittelschenkels 3h so entworfen ist, dass sie doppelt so groß wie die Querschnittsflächen der Seitenschenkel 3i, 3j ist, kann daher das Phänomen der Kernsättigung infolge einer DC-Überlagerung vermieden werden.

Die Bezugszeichen in 2 bezeichnen die folgenden Komponenten:

Np:
Anzahl der Windungen der vierten Wicklung 3e und der fünften Wicklung 3f
Ns:
Anzahl der Windungen der ersten Wicklung 3a und der zweiten Wicklung 3b
Nc:
Summe der Anzahl der Windungen der dritten Wicklungen 3c und 3d
ip:
Strom, der durch die vierte Wicklung 3e und die fünfte Wicklung 3f fließt
i1:
Strom, der durch die zweite Wicklung 3b fließt
i2:
Strom, der durch die erste Wicklung 3a fließt
Ro:
Magnetwiderstand des ersten Seitenschenkels 3i und des zweiten Seitenschenkels 3j
Rc:
Magnetwiderstand des Mittelschenkels 3h
φ1:
magnetischer Fluss, der durch den ersten Seitenschenkel 3i strömt
φ2:
magnetischer Fluss, der durch den zweiten Seitenschenkel 3j strömt
φc:
magnetischer Fluss, der durch den Mittelschenkel 3h strömt

Wie in FIG. 2(1) gezeigt, gilt Folgendes: Die erste Wicklung 3a ist um den zweiten Seitenschenkel 3j gewickelt. Die zweite Wicklung 3b ist um den ersten Seitenschenkel 3i gewickelt. Die dritten Wicklungen 3c und 3d sind um den Mittelschenkel 3h gewickelt. Die vierte Wicklung 3e ist um den ersten Seitenschenkel 3i gewickelt. Die fünfte Wicklung 3f ist um den zweiten Seitenschenkel 3j gewickelt.

Die Wicklungsrichtungen der ersten Wicklung 3a, der zweiten Wicklung 3b und der dritten Wicklungen 3c und 3d sind so vorgegeben, dass sich die magnetischen Flüsse (in der Zeichnung mit Pfeilen angezeigt), die von den DC-Strömen erzeugt werden, die durch diese Wicklungen fließen, in der gleichen Richtung (in der Zeichnung nach unten) am Mittelschenkel 3h vereinigen.

Die Wicklungsrichtungen der vierten Wicklung 3e und der fünften Wicklung 3f sind so vorgegeben, dass die magnetischen Flüsse, die von den AC-Strömen erzeugt werden, die durch die jeweiligen Wicklungen fließen, einander am Mittelschenkel 3h aufheben.

In FIG. 2(1) sind die erste Wicklung 3a und die zweite Wicklung 3b um den zweiten Seitenschenkel 3j bzw. den ersten Seitenschenkel 3i gewickelt. Solange die obige Wicklungsrichtungs-Bedingung erfüllt ist, können umgekehrt die erste Wicklung 3a und die zweite Wicklung 3b jedoch auch um den ersten Seitenschenkel 3i bzw. den zweiten Seitenschenkel 3j gewickelt sein. Ähnlich sind die vierte Wicklung 3e und die fünfte Wicklung 3f um den ersten Seitenschenkel 3i bzw. den zweiten Seitenschenkel 3j gewickelt, aber es können umgekehrt auch die vierte Wicklung 3e und die fünfte Wicklung 3f um den zweiten Seitenschenkel 3j bzw. den ersten Seitenschenkel 3i gewickelt sein.

FIG. 2(2) zeigt die magnetische Durchflutung in einer Magnetschaltung, die von der integrierten Magnetkomponente 3 gebildet ist. Beispielsweise wird die magnetische Durchflutung (Ampere-Windungszahl), wenn der Strom i1 durch die zweite Wicklung 3b fließt, die um den ersten Seitenschenkel 3i gewickelt ist, mit Nsi 1 bezeichnet.

In 1 und 2 entsprechen die erste Wicklung 3a und die zweite Wicklung 3b, die die sekundärseitige Wicklung des Transformators bilden, einem wicklungsgekoppelten Körper, der in Anspruch 1 der vorliegenden Anmeldung beschrieben ist, und die dritten Wicklungen 3c und 3d entsprechen einer DC-Drosselspule, die dort beschrieben ist.

Ähnlich entsprechen die Gleichrichterelemente 7a, 7b, die die Gleichrichterschaltung 7 bilden, einem nichtlinearen Element, das dort beschrieben ist. Ferner entspricht der dreischenklige Kern, der aus den zwei Seitenschenkeln 3i, 3j und dem Mittelschenkel 3h gebildet ist, der den Spaltbereich 3k aufweist, wie in 2 gezeigt, dem dort beschriebenen mehrschenkligen Kern.

Hier ist die Eingangsspannung an die integrierte Magnetkomponente 3 mit VGI bezeichnet, und die Ausgangsspannung ist mit Vo bezeichnet, und wenn beispielsweise die Pfeilrichtung in 1 als positiv angenommen wird, so wird der Betriebszustand der integrierten Magnetkomponente 3 im Fall von VGI > 0 (daher: i2 = 0) unter Verwendung mathematischer Ausdrücke beschrieben.

Zunächst wird beschrieben, dass bei der vorliegenden Anmeldung das Integrieren der DC-Drosselspule und des Transformators, die ursprünglich verschiedene Arten von Magnetkomponenten sind, es ermöglicht, dass die Anzahl von Windungen des Transformators zur Bildung der Induktivität der DC-Drosselspule beiträgt.

Bei der Magnetschaltung in FIG. 2(2) werden aus der Relation, nach welcher die magnetischen Potentiale (d. h. Strom × Windungszahl (magnetische Durchflutung)-magnetischer Fluss × Magnetwiderstand) der drei Schenkel zueinander gleich sind, und der Relation φ1 + φ2 = cpc die folgenden Ausdrücke (1) bis (3) hergeleitet.
[Mathematischer Ausdruck 1] ϕ1=i12Rc+Ro[Ns(1+RcRo)+Nc]NpipRoembedded imageϕ2=i12Rc+Ro[NsRcRo+Nc]+NpipRoembedded imageϕc=ϕ1+ϕ2=2Nc+Ns2Rc+Roi1embedded image

Hinsichtlich der Spannungs-Relation sind die folgenden Ausdrücke (4) und (5) erfüllt.
[Mathematischer Ausdruck 2] Npdϕ2dtNpdϕ1dt=VGIembedded imageNsdϕ1dt+Ncdϕcdt=Voembedded image

Wenn die Ausdrücke (1), (2) in die Ausdrücke (4), (5) eingesetzt werden und dann zum Zweck der Berechnung der Induktivität die sich ergebenden Ausdrücke zur Veränderung eines Stroms pro Zeiteinheit angeordnet werden, werden die Ausdrücke (6), (7) erhalten.
[Mathematischer Ausdruck 3] di1dt=NsVGI2NpVoNp(2Nc+Ns)2(2Rc+Ro)embedded imagedipdt=2Nc2Ro+2NcNsRo+Ns2(Rc+Ro)Np(2Nc+Ns)2VGINs(2Rc+Ro)Np(2Nc+Ns)2Voembedded image

Der Ausdruck (6) wird in den Ausdruck (8) umgeformt. Wenn dann die Gesamtinduktivität der dritten Wicklungen 3c und 3d mit L bezeichnet wird, ergibt sich aus der Relation L × di/dt = V die Induktivität der dritten Wicklungen 3c und 3d, d. h. die Induktivität L der DC-Drosselspule wird durch Ausdruck (9) ausgedrückt.
[Mathematischer Ausdruck 4] (2Nc+Ns)22Rc+Ro×di1dt=NsNpVGI2Voembedded imageL=(2Nc+Ns)22Rc+Roembedded image

Das heißt, der Wert, der als Induktivität L der DC-Drosselspule fungiert, verändert sich und nimmt zu, und zwar nicht bloß in Abhängigkeit der Windungszahl Nc der dritten Wicklungen 3c und 3d, sondern auch der Windungszahl Ns der ersten Wicklung 3a und der zweiten Wicklung 3b, die ursprünglich den Transformator bilden. Daher kann beispielsweise in dem Fall, in welchem der gleiche Induktivitätswert vonnöten ist, die Windungszahl der dritten Wicklungen 3c und 3d verringert werden, und demzufolge ergibt sich eine Größenverringerung.

Als nächstes wird beschrieben, dass es bei der vorliegenden Anmeldung ein Integrieren der DC-Drosselspule und des Transformators, die ursprünglich verschiedene Arten von Magnetkomponenten sind, ermöglicht, dass die Streuinduktivität des Transformators durch die Windungszahl der DC-Drosselspule eingestellt wird.

Zunächst wird eine Summe Lm der Induktivitäten der vierten Wicklung 3e und der fünften Wicklung 3f berechnet, die eine Erregungs-Induktivität des Transformators ist.

Der Strom ip fließt durch die vierte Wicklung 3e und die fünfte Wicklung 3f. Wenn der Ausdruck (7) so umgeformt wird, dass er - aus Gründen der Einfachheit - das Symbol Lm' verwendet, das von dem folgenden Ausdruck (10) und L in dem Ausdruck (9) dargestellt wird, wird Ausdruck (11) erhalten.
[Mathematischer Ausdruck 5] Lm=2Np2Roembedded imagedipdt=[1Lm+12L(NsNp)2]VGINsNpVoLembedded image

Auch hier wird ähnlich aus der Relation L × di/dt = V auf der Basis von dem Ausdruck (11) die Erregungs-Induktivität Lm durch den folgenden Ausdruck (12) dargestellt.
[Mathematischer Ausdruck 6] 1Lm=1Lm+(NsNp)2×12Lembedded image

Wenn der Ausdruck (12) unter Verwendung von dem Ausdruck (8) und dem Ausdruck (9) umgeformt wird, wird die Erregungs-Induktivität Lm durch den folgenden Ausdruck (13) dargestellt.
[Mathematischer Ausdruck 7] Lm=2Np2(2Nc+Ns)2Ns2(2Rc+Ro)+Ro(2Nc+Ns)2embedded image

Wenn die Streuinduktivität des Transformators mit Lr bezeichnet wird und der Kopplungskoeffizient des Transformators mit k bezeichnet wird, wird die Streuinduktivität Lr des Transformators durch den folgenden Ausdruck (14) dargestellt, und zwar unter Verwendung der Erregungs-Induktivität Lm und des Kopplungskoeffizienten k.
[Mathematischer Ausdruck 8] Lr=(1k)×Lmembedded image

Hier ist der Kopplungskoeffizient k ein konstanter Wert, da die Wicklungsstruktur und die Kernform nicht verändert werden. Die Erregungs-Induktivität Lm des Transformators kann durch die Windungszahl der DC-Drosselspule eingestellt werden. Das heißt, die Erregungs-Induktivität Lm kann durch die Windungszahl Nc der dritten Wicklungen 3c und 3d verändert werden.

Wie sich aus Ausdruck (13) und Ausdruck (14) ergibt, kann die Streuinduktivität Lr des Transformators auch durch den Magnetwiderstand Ro des Mittelschenkels 3h eingestellt werden, der ursprünglich die Eigenschaften der DC-Drosselspule bestimmt, d. h. durch die Länge des Spaltbereichs 3k.

Der transformator-primärseitige Äquivalenzwert der Streuinduktivität Lr aus Ausdruck (14) ist als Streuinduktivität 3g in 1 dargestellt. Der Wert der Streuinduktivität Lr wird so eingestellt, dass er einen Resonanzzustand mit den Kondensatoren Ca, Cb, Cc, Cd erfüllt, die zwischen beide Pole, d. h. die Drains und Sources, der jeweiligen Schaltelemente Sa, Sb, Sc, Sd geschaltet sind, so dass ein Schalten bei Nullspannung, d. h. ein sogenanntes sanftes Schalten erzielt wird und demzufolge die Schaltverluste stark verringert werden können.

Als nächstes wird beschrieben, dass sich die AC-Magnetflüsse im Spaltbereich 3k aufheben, der am Mittelschenkel 3h des Kerns ausgebildet ist.

3 zeigt die Strömung der magnetischen Flüsse infolge von AC-Komponentenströmen (Rippelströmen), die durch die vierte Wicklung 3e und die fünfte Wicklung 3f fließen. FIG. 3(2) zeigt den Fall, in welchem die Eingangsspannung VGI > 0 und i2 = 0 erfüllt sind und daher der Strom i1 durch die zweite Wicklung 3b fließt, und damit einhergehend fließt der Strom ip durch die vierte Wicklung 3e und die fünfte Wicklung 3f in der in der Zeichnung gezeigten Richtung. FIG. 3(3) zeigt den Fall, in welchem die Eingangsspannung VGI < 0 und i1 = 0 erfüllt sind und daher der Strom i2 durch die erste Wicklung 3a fließt, und damit einhergehend fließt der Strom ip durch die vierte Wicklung 3e und die fünfte Wicklung 3f in der in der Zeichnung gezeigten Richtung.

Die Wicklungsrichtungen der vierten Wicklung 3e und der fünften Wicklung 3f sind so vorgegeben, dass die magnetischen Flüsse, die von den AC-Strömen erzeugt werden, die durch die jeweiligen Wicklungen fließen, einander am Mittelschenkel 3h aufheben, wie oben beschrieben.

Wie in 3 gezeigt, verlaufen daher am Mittelschenkel 3h die AC-Magnetflüsse in solchen Richtungen, dass sie einander aufheben, so dass sie folglich ausgelöscht werden. Daher gibt es kein Streuen des AC-Magnetflusses vom Spaltbereich 3k, und selbst wenn Wicklungen um den Mittelschenkel 3h ausgebildet sind, kann eine Erwärmung der Windungen infolge der Wirbelströme und eine Zunahme des Hochfrequenz-Widerstands infolge von magnetischen Interferenzen unterbunden werden.

In 4 gilt Folgendes: Während die gleichen Komponenten wie in 1 verwendet werden, kann die Energie-Umwandlungseinrichtung auch als sogenannte Stromverdoppler-Konfiguration bezeichnet werden, da die DC-Drosselspule durch die Windungszahl Ns der ersten Wicklung 3a und der zweiten Wicklung 3b konfiguriert werden kann, wie in dem Ausdruck (9) gezeigt.

In diesem Fall bilden die erste Wicklung 3a, die zweite Wicklung 3b, die vierte Wicklung 3e und die fünfte Wicklung 3f den Transformator, die erste Wicklung 3a und die zweite Wicklung 3b dienen auch als Wicklung für den Stromverdoppler, und die dritten Wicklungen 3c und 3d bilden die DC-Drosselspule.

Ströme, die Phasen aufweisen, welche voneinander invertiert sind, fließen durch die erste Wicklung 3a und die zweite Wicklung 3b. Daher stellt ein Einsetzen einer Stromverdoppler-Schaltung das Merkmal zur Verfügung, dass Rippel im Strom verringert werden, der durch die dritten Wicklungen 3c und 3d fließt, zu welchen eine Summe von Strömen fließt, die durch die erste Wicklung 3a und die zweite Wicklung 3b fließen.

In 1 wird die AC-Spannung, die erhalten wird, indem die DC-Spannung der DC-Spannungsquelle 1 durch die Schalt-Schaltung 2 konvertiert wird, an die Eingangsanschlüsse G, I auf der Eingangsseite der integrierten Magnetkomponente 3 angelegt. In Anbetracht der Idee der Erfindung der vorliegenden Anmeldung, dass ein herkömmlicher Transformator und eine DC-Drosselspule integriert werden, um die integrierte Magnetkomponente 3 zu verwirklichen, versteht es sich, dass die Konfiguration in 1 nicht notwendigerweise verwendet zu werden braucht, sondern dass die AC-Spannung einer separaten AC-Spannungsquelle direkt an die Eingangsanschlüsse G, I angelegt werden kann.

Wie oben beschrieben, weist die Energie-Umwandlungseinrichtung gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung Folgendes auf: die erste Wicklung 3a, die zweite Wicklung 3b, die vierte Wicklung 3e und die fünfte Wicklung 3f, die als der Transformator dienen; die dritten Wicklungen 3c und 3d, die als DC-Drosselspule dienen; und den dreischenkligen Kern, wobei die erste Wicklung 3a und die zweite Wicklung 3b um die jeweiligen Seitenschenkel gewickelt sind, wobei die dritten Wicklungen 3c und 3d um den Mittelschenkel gewickelt sind, und wobei die vierte Wicklung 3e und die fünfte Wicklung 3f um die jeweiligen Seitenschenkel gewickelt sind, wobei die Wicklungsrichtungen der ersten Richtung 3a, der zweiten Wicklung 3b und der dritten Wicklungen 3c und 3d so eingestellt sind, dass sich die magnetischen Flüsse, die von den DC-Strömen erzeugt werden, die durch die jeweiligen Wicklungen fließen, in der gleichen Richtung am Mittelschenkel vereinigen und die Wicklungsrichtungen der vierten Wicklung 3e und der fünften Wicklung 3f so eingestellt sind, dass sich die magnetischen Flüsse, die von den AC-Strömen erzeugt werden, die durch die jeweiligen Wicklungen fließen, einander am Mittelschenkel aufheben.

Demzufolge sind unter Verwendung des dreischenkligen Kerns der Transformator und die DC-Drosselspule integriert, so dass sie die integrierte Magnetkomponente 3 bilden. Daher kann nicht nur die Windungszahl der dritten Wicklungen 3c und 3d, die die DC-Drosselspule bilden, sondern auch die Windungen der ersten Wicklung 3a und der zweiten Wicklung 3b des Transformators, der ursprünglich eine verschiedene Art von Magnetkomponente ist, die eine verschiedene Funktion von derjenigen der DC-Drosselspule hat, zur Induktivität der DC-Drosselspule beitragen, so dass eine Größenverringerung erzielt wird.

Ferner sind die Wicklungsrichtungen der vierten Wicklung 3e und der fünften Wicklung 3f so vorgegeben, dass die magnetischen Flüsse, die von den AC-Strömen erzeugt werden, die durch diese jeweiligen Wicklungen fließen, einander am Mittelschenkel 3h aufheben. Daher tritt ein magnetischer Streufluss ausgehend vom Spaltbereich 3k im Mittelschenkel 3h nicht auf, und es treten keine Wirbelstromverluste in den dritten Wicklungen 3c und 3d auf, die um den Mittelschenkel 3h gewickelt sind, so dass eine Verlust-Verringerung erzielt wird.

Ausführungsform 2

5 und 6 sind Diagramme, die die Gesamtkonfiguration einer Energie-Umwandlungseinrichtung gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung zeigen.

In den Konfigurationen in 5 und 6 gilt im Vergleich zu 1 und 3 bei der obigen Ausführungsform 1 Folgendes: Die Resonanzkondensatoren Ca bis Cd zwischen den Drains und den Sources der Schaltelemente Sa bis Sd, die die Schalt-Schaltung 2 bilden, sind nicht vorgesehen, und die Schaltelemente Sa bis Sd sind einem sogenannten harten Schalten unterworfen.

Wie bei der obigen Ausführungsform 1 beschrieben, gilt Folgendes: Falls die Resonanzkondensatoren Ca bis Cd verbunden sind, kann ein Schalten bei Nullspannung durchgeführt werden, was der Resonanz mit der Streuinduktivität 3g geschuldet ist, aber in 5 und 6 bei der vorliegenden Ausführungsform 2 sind die Kondensatoren Ca bis Cd nicht vorhanden, und daher bestehen Bedenken hinsichtlich einer Zunahme der Schaltverluste.

Demzufolge kann hier, wie bei der Ausführungsform 1 beschrieben, die Streuinduktivität 3g des Transformators durch eine Einstellung der Windungszahl der dritten Wicklungen 3c und 3d der integrierten Magnetkomponente 3 eingestellt werden, und wie in 7 gezeigt, gilt Folgendes: Falls die Streuinduktivität erhöht wird, ist der Strom, wenn jedes Schaltelement Sa bis Sd eingeschaltet wird, begrenzt, so dass die Wirkung erzielt wird, dass die Schaltverluste verringert werden können.

Ausführungsform 3

8 ist ein Diagramm, das die Gesamtkonfiguration einer Energie-Umwandlungseinrichtung gemäß Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung zeigt. Die Energie-Umwandlungseinrichtung in 8 weist insgesamt Folgendes auf: eine integrierte Magnetkomponente 13, deren Eingangsseite mit einer DC-Spannungsquelle 1 verbunden ist und die gebildet wird, indem eine DC-Drosselspule und eine gekoppelte Drosselspule integriert werden, die ursprünglich als verschiedene Typen von Magnetkomponenten behandelt werden; eine Schalt-Schaltung 2, die mit der Ausgangsseite der integrierten Magnetkomponente 13 verbunden ist; einen Filterkondensator 4, der mit der Ausgangsseite der Schalt-Schaltung 2 parallel zu einer DC-Spannungsquelle (oder Last) 5 verbunden ist; und eine Steuerungseinheit 20 zum Steuern der Schalt-Schaltung 2. Die Energie-Umwandlungseinrichtung wandelt eine DC-Spannung der DC-Spannungsquelle 1 aufwärts und gibt die aufwärtsgewandelte DC-Spannung an DC-Anschlüsse G und D aus.

Nachfolgend werden die Einzelheiten der obigen Komponenten beschrieben.

Die integrierte Magnetkomponente 13 weist Folgendes auf: eine dritte Wicklung 13c, deren eines Ende A mit einem positiven Pol der DC-Spannungsquelle 1 verbunden ist und die eine DC-Wicklung ist, die als DC-Drosselspule wirkt; und eine erste Wicklung 13a und eine zweite Wicklung 13b, deren jeweilige Enden mit einem anderen Ende B der dritten Wicklung 13c verbunden sind und die eine gekoppelte Wicklung bilden, die als gekoppelte Drosselspule wirkt.

Die Schalt-Schaltung 2 ist in einer Brückenform konfiguriert, wobei die Zweige, die die Schaltelemente Sa, Sb, Sc und Sd aufweisen, in Zweiergruppen parallel an den oberen und unteren Seiten geschaltet sind. Der Zwischenverbindungspunkt zwischen den oberen und unteren Zweigen, die die Schaltelemente Sa und Sb haben, ist mit einem anderen Ende E der ersten Wicklung 13a verbunden, und der Zwischenverbindungspunkt zwischen den oberen und unteren Zweigen, die die Schaltelemente Sd, Sc haben, ist mit einem anderen Ende F der zweiten Wicklung 3b verbunden. Ein negativer Pol C der DC-Spannungsquelle 1 ist mit einem negativen Pol D der DC-Anschlüsse verbunden.

Die Steuerungseinheit 20 erzeugt ein Treibersignal 20a zum Treiben der Schalt-Schaltung 2 auf der Basis von Spannungsinformationen 20b aus der DC-Spannungsquelle 1, Strominformationen 20c von dem Stromsensor 6 und Spannungsinformationen 20d aus der DC-Spannungsquelle 5, die eine DC-Ausgangsspannung ist, so dass die Schaltelemente Sa, Sb, Sc, Sd gesteuert werden, um eine Soll-Ausgangsspannung zu erhalten.

In 8 ist eine Konfiguration gezeigt, bei welcher eine dritte Wicklung 13c ausgebildet ist, und zwar aus Gründen der Einfachheit zur Erläuterung des Schaltungsbetriebs. Wie bei den dritten Wicklungen 3c und 3d bei der obigen Ausführungsform 1 kann unter Berücksichtigung des Störungsfilter-Entwurfs die dritte Wicklung auch in zwei Wicklungen mit der DC-Spannungsquelle 1 dazwischen unterteilt werden.

Als nächstes werden die Einzelheiten der integrierten Magnetkomponente 13 beschrieben. Zunächst wird als deren Prämisse der Aufwärtswandlungsbetrieb in 8 unter Bezugnahme auf 9 und 10 beschrieben, die die entsprechenden Betriebs-Wellenformen zeigen.

Es gibt vier Arten von Betriebsmodi (a), (b), (c), (d) in Abhängigkeit von den Betriebszuständen der Schaltelemente Sb, Sc. Die Schaltelemente Sa, Sd arbeiten zur Synchrongleichrichtung komplementär in Bezug auf die Schaltelemente Sb, Sc.

Außerdem unterscheidet sich der Betrieb zwischen dem Fall, in welchem die Ausgangsspannung Vout gleich groß wie oder kleiner ist als das Doppelte der Eingangsspannung Vin, und dem Fall, in welchem die Ausgangsspannung Vout gleich groß wie oder größer ist als das Doppelte der Eingangsspannung Vin. Für den Fall, dass die Ausgangsspannung Vout gleich groß wie oder kleiner ist als das Doppelte der Eingangsspannung Vin, wird der Betrieb in der Reihenfolge (a), (c), (b), (c), dann (a) wiederholt (FIG. 10(1)), und für den Fall, dass die Ausgangsspannung Vout gleich groß wie oder größer ist als das Doppelte der Eingangsspannung Vin, wird der Betrieb in der Reihenfolge (a), (d), (b), (d), dann (a) wiederholt (FIG. 10(2)).

Im Zustand von Betriebsmodus (a) ist Sb eingeschaltet und Sc ist ausgeschaltet, und die folgenden Stromschleifen werden gebildet: Der Strom fließt von der DC-Spannungsquelle 1 durch die dritte Wicklung 13c, die erste Wicklung 13a und dann das Schaltelement Sb, um zur DC-Spannungsquelle 1 zurückzukehren; und der Strom fließt von der DC-Spannungsquelle 1 durch die dritte Wicklung 13c, die zweite Wicklung 13b, das Schaltelement Sd und dann die DC-Spannungsquelle 5 als Last, um zur DC-Spannungsquelle 1 zurückzukehren (FIG. 9(1)).

Zu dieser Zeit sind die erste Wicklung 13a und die zweite Wicklung 13b magnetisch gekoppelt, so dass sie eine gekoppelte Drosselspule bilden, und daher nimmt der Strom i2 zur Last infolge der Induktion durch i1 zu.

Im Zustand von Betriebsmodus (b) ist Sb ausgeschaltet und Sc ist eingeschaltet, und es werden die folgenden Stromschleifen gebildet: Der Strom fließt von der DC-Spannungsquelle 1 durch die dritte Wicklung 13c, die zweite Wicklung 13b und dann das Schaltelement Sc, um zur DC-Spannungsquelle 1 zurückzukehren; und der Strom fließt von der DC-Spannungsquelle 1 durch die dritte Wicklung 13c, die erste Wicklung 13a, das Schaltelement Sa und dann die DC-Spannungsquelle 5 als Last, um zur DC-Spannungsquelle 1 zurückzukehren (FIG. 9(2)).

Zu dieser Zeit sind die erste Wicklung 13a und die zweite Wicklung 13b magnetisch gekoppelt, so dass sie eine gekoppelte Drosselspule bilden, und daher nimmt der Strom i1 zur Last infolge der Induktion durch i2 zu.

Im Zustand von Betriebsmodus (c) ist Sb ausgeschaltet und Sc ist ausgeschaltet, und es werden die folgenden Stromschleifen gebildet: der Strom fließt von der DC-Spannungsquelle 1 durch die dritte Wicklung 13c, die erste Wicklung 13a, das Schaltelement Sa und dann die DC-Spannungsquelle 5 als Last, um zur DC-Spannungsquelle 1 zurückzukehren; und der Strom fließt von der DC-Spannungsquelle 1 durch die dritte Wicklung 13c, die zweite Wicklung 13b, das Schaltelement Sd und dann die DC-Spannungsquelle 5 als Last, um zur DC-Spannungsquelle 1 zurückzukehren (FIG. 9(3)).

Zu dieser Zeit werden die Steigungen der Ströme il, i2 zueinander gleich groß, und die erste Wicklung 13a und die zweite Wicklung 13b werden nicht erregt und wirken daher nicht als gekoppelte Drosselspule. Im Zustand von Betriebsmodus (d) ist Sb eingeschaltet und Sc ist eingeschaltet, und die folgenden Stromschleifen werden gebildet:

Der Strom fließt von der DC-Spannungsquelle 1 durch die dritte Wicklung 13c, die erste Wicklung 13a und dann das Schaltelement Sb, um zur DC-Spannungsquelle 1 zurückzukehren; und der Strom fließt von der DC-Spannungsquelle 1 durch die dritte Wicklung 13c, die zweite Wicklung 13b und dann das Schaltelement Sc, um zur DC-Spannungsquelle 1 zurückzukehren (FIG. 9(4)).

Zu dieser Zeit werden die Steigungen der Ströme i1, i2 zueinander gleich groß, und die erste Wicklung 13a und die zweite Wicklung 13b werden nicht erregt und wirken daher nicht als gekoppelte Drosselspule.

Als nächstes werden die detaillierte Konfiguration der integrierten Magnetkomponente 13 und deren Betrieb unter Bezugnahme auf 11 beschrieben. 11 ist ein Diagramm, das den Verlauf eines DC-Magnetflusses (FIG. 11(1)) und einer magnetischen Durchflutung (MMF) (FIG. 11(2)) in einer integrierten Magnetkomponente 13 in 8 darstellt.

In FIG. 11(1) ist der Kern ein dreischenkliger Kern, der aus zwei Seitenschenkeln, d. h. einem ersten Seitenschenkel 13i und einem zweiten Seitenschenkel 13j sowie einem Mittelschenkel 13h mit einem Spaltbereich 13k gebildet ist, und er ist allgemein - wie in FIG. 11(1) gezeigt - durch Kombinieren von sogenannten EE-Typ-Kernen gebildet, die zwischen der Oberseite und der Unterseite symmetrisch sind, oder von sogenannten EI-Typ-Kernen, die zwischen der Oberseite und der Unterseite asymmetrisch sind. Es sei angemerkt, dass am Mittelschenkel 13h der Spaltbereich 13k zum Verhindern einer DC-Magnetfluss-Sättigung ausgebildet ist.

Es sei angemerkt, dass ein DC-Magnetfluss, der durch den Mittelschenkel 13h strömt, doppelt so groß ist wie die DC-Magnetflüsse, die durch die Seitenschenkel 13i, 13j strömen. Falls die Querschnittsfläche des Mittelschenkels 13h so konzipiert ist, dass sie doppelt so groß wie die Querschnittsflächen der Seitenschenkel 13i, 13j ist, kann daher das Phänomen der Kernsättigung infolge einer DC-Überlagerung vermieden werden.

Die Bezugszeichen in 11 bezeichnen die folgenden Komponenten.

No:
Windungszahl der ersten Wicklung 13a und der zweiten Wicklung 13b
Nc:
Windungszahl der dritten Wicklung 13c
i1:
Strom, der durch die erste Wicklung 13a fließt
i2:
Strom, der durch die zweite Wicklung 13b fließt
Ro:
Magnetwiderstand des ersten Seitenschenkels 13i und des zweiten Seitenschenkels 13j
Rc:
Magnetwiderstand des Mittelschenkels 13h
φ1:
magnetischer Fluss, der durch den ersten Seitenschenkel 13i strömt
φ2:
magnetischer Fluss, der durch den zweiten Seitenschenkel 13j strömt
φc:
magnetischer Fluss, der durch den Mittelschenkel 13h strömt

Wie in FIG. 11(1) gezeigt, ist die erste Wicklung 13a um den ersten Seitenschenkel 3i gewickelt, die zweite Wicklung 13b ist um den zweiten Seitenschenkel 3j gewickelt, und die dritte Wicklung 13c ist um den Mittelschenkel 13h gewickelt. Die Wicklungsrichtungen der ersten Wicklung 13a, der zweiten Wicklung 13b und der dritten Wicklung 13c sind so vorgegeben, dass sich die magnetischen Flüsse (in der Zeichnung mit Pfeilen angezeigt), die von den DC-Strömen erzeugt werden, die durch diese jeweiligen Wicklungen fließen, in der gleichen Richtung (in der Zeichnung nach oben) am Mittelschenkel 13h vereinigen.

In FIG. 11(1) sind die erste Wicklung 13a und die zweite Wicklung 13b um den ersten Seitenschenkel 13i bzw. den zweiten Seitenschenkel 13j gewickelt. Solange die obige Wicklungsrichtungs-Bedingung erfüllt ist, können umgekehrt die erste Wicklung 13a und die zweite Wicklung 13b jedoch auch um den zweiten Seitenschenkel 13j bzw. den ersten Seitenschenkel 3i gewickelt sein.

FIG. 11(2) zeigt die magnetische Durchflutung in einer Magnetschaltung, die von der integrierten Magnetkomponente 13 gebildet ist. Beispielsweise wird die magnetische Durchflutung (Ampere-Windungszahl), wenn der Strom i1 durch die erste Wicklung 13a fließt, die um den ersten Seitenschenkel 13i gewickelt ist, mit Noi 1 bezeichnet.

In 8 und 11 entsprechen die erste Wicklung 13a und die zweite Wicklung 13b, die als gekoppelte Drosselspule wirken, einem wicklungsgekoppelten Körper, der in Anspruch 1 der vorliegenden Anmeldung beschrieben ist, und die dritte Wicklung 13c entspricht einer DC-Drosselspule, die dort beschrieben ist. Ähnlich entsprechen die Schaltelemente Sa bis Sd, die die Schalt-Schaltung 2 bilden, einem nichtlinearen Element, das dort beschrieben ist. Ferner entspricht der dreischenklige Kern, der aus den zwei Seitenschenkeln 13i, 13j und dem Mittelschenkel 13h gebildet ist, der den Spaltbereich 13k aufweist, wie in 11 gezeigt, dem dort beschriebenen mehrschenkligen Kern.

Als nächstes wird beschrieben, dass es in der vorliegenden Anmeldung das Integrieren der DC-Drosselspule mit der gekoppelten Drosselspule, die ursprünglich verschiedene Arten von Magnetkomponenten sind, ermöglicht, dass die Windungszahl der gekoppelten Drosselspule zur Bildung der Induktivität der DC-Drosselspule beiträgt, und weiter, dass der Kopplungsgrad zwischen der ersten Wicklung 13a und der zweiten Wicklung 13b durch Verändern des Magnetwiderstands Rc des Mittelschenkels 13h eingestellt werden kann.

Bei der Magnetschaltung in FIG. 11(2) wird aus der Relation, nach welcher die magnetischen Potentiale (d. h. Strom × Windungszahl (magnetische Durchflutung) - magnetischer Fluss × Magnetwiderstand) der drei Schenkel zueinander gleich sind, und der Relation φ1 + φ2 = cpc der folgende Ausdruck (15) hergeleitet.
[Mathematischer Ausdruck 9] (ϕ1ϕ2ϕc)=(Ro+RcRo2+2Ro×RcRcRo2+2Ro×RcRoRo2+2Ro×RcRcRo2+2Ro×RcRo+RcRo2+2Ro×RcRoRo2+2Ro×RcRoRo2+2Ro×RcRoRo2+2Ro×Rc2RoRo2+2Ro×Rc)(No×i1No×i2Nc×ic)embedded image

Wenn die Spannung, die in der ersten Wicklung 13a erzeugt wird, mit V1 bezeichnet wird, die Spannung, die in der zweiten Wicklung 13b erzeugt wird, mit V2 bezeichnet wird, und die Spannung, die in der dritten Wicklung 13c erzeugt wird, mit Vc bezeichnet wird, sind die Relationen V1 = No × dcpl/dt, V2 = No × dcp2/dt und Vc = Nc × dcpc/dt erfüllt. Wenn der Ausdruck (15) unter Verwendung dieser Relationen umgeformt wird, werden V1, V2 und Vc durch den Ausdruck (16) und den Ausdruck (17) dargestellt.
[Mathematischer Ausdruck 10] (V1V2Vc)=A(ddti1ddti2ddtic)embedded imageA=(No2×(Ro+Rc)Ro2+2Ro×RcNo2×(Rc)Ro2+2Ro×RcNoNc×(Ro)Ro2+2Ro×RcNo2×(Rc)Ro2+2Ro×RcNo2×(Ro+Rc)Ro2+2Ro×RcNoNc×(Ro)Ro2+2Ro×RcNoNc×(Ro)Ro2+2Ro×RcNoNc×(Ro)Ro2+2Ro×RcNc2×(2Ro)Ro2+2Ro×Rc)embedded image

Da die magnetische Kopplung zwischen der ersten Wicklung 13a und der zweiten Wicklung 13b reversibel ist, gilt Folgendes: Wenn die Selbstinduktivität der ersten Wicklung 13a, die um den ersten Seitenschenkel 13i gewickelt ist, und die Selbstinduktivität der zweiten Wicklung 13b, die um den zweiten Seitenschenkel 13j gewickelt ist, mit Lo bezeichnet ist, die Selbstinduktivität der dritten Wicklung 13c, die um den Mittelschenkel 13h gewickelt ist, mit Lc bezeichnet ist, die Gegeninduktivität zwischen der ersten Wicklung 13a und der zweiten Wicklung 13b mit Mo bezeichnet ist und die Gegeninduktivität zwischen der dritten Wicklung 13c und der ersten Wicklung 13a, der zweiten Wicklung 13b mit Mc bezeichnet ist, wird Ausdruck (16) als Ausdruck (18) ausgedrückt.
[Mathematischer Ausdruck 11] (V1V2Vc)=(LoMoMcMoLoMcMcMcLc)(ddti1ddti2ddtic)embedded image

Aus der Relation ic = i1 + i2 wird der Ausdruck (18) umgeformt, so dass der Ausdruck (19) erhalten wird.
[Mathematischer Ausdruck 12] (V1V2Vc)=(Lo+McMo+McMo+McLo+McLc+McLc+Mc)(ddti1ddti2)embedded image

Wenn außerdem der Ausdruck (17) und der Ausdruck (18) miteinander in Beziehung gesetzt werden, dann werden Lo, Lc, Mo und Mc jeweils durch die folgenden Ausdrücke (20) bis (23) dargestellt.
[Mathematischer Ausdruck 13] Lo=No2Ro+RcRo2+2Ro×Rcembedded imageLc=Nc22RoRo2+2Ro×Rcembedded imageMo=No2RcRo2+2Ro×Rcembedded imageMc=NoNcRoRo2+2Ro×Rcembedded image

Wenn der Kopplungsgrad zwischen der ersten Wicklung 13a und der zweiten Wicklung 13b mit ko bezeichnet wird und der Kopplungsgrad zwischen der dritten Wicklung 13c und der ersten Wicklung 13a, der zweiten Wicklung 13b mit kc bezeichnet wird, werden ko und kc jeweils durch die folgenden Ausdrücke (24) und (25) dargestellt.
[Mathematischer Ausdruck 14] ko=MoLoLo=RcRo+Rcembedded imagekc=McLoLc=Ro2Ro(Ro+Rc)embedded image

Wenn die Spannung zwischen der dritten Wicklung 13c und der ersten Wicklung 13a mit V1e(A-E) bezeichnet wird und die Spannung zwischen der dritten Wicklung 13c und der zweiten Wicklung 13b mit V2e(A-F) bezeichnet wird, sind die folgenden Ausdrücke (26) und (27) erfüllt.
[Mathematischer Ausdruck 15] V1e=V1+Vcembedded imageV2e=V2+Vcembedded image

Wenn der Ausdruck (19) in den Ausdruck (26) und den Ausdruck (27) eingesetzt wird, werden die Spannungen V1e, V2e durch den folgenden Ausdruck (28) dargestellt.
[Mathematischer Ausdruck 16] (V1eV2e)=(Lo+Lc+2McLcMo+2McLcMo+2McLcMo+2Mc)(ddti1ddti2)embedded image

Wenn die DC-Induktivität der dritten Wicklung 13c mit L bezeichnet wird und die Erregungs-Induktivität der ersten Wicklung 13a und der zweiten Wicklung 13b mit Lm bezeichnet wird, ergeben sich aus den Spannungsgleichungen die Spannungen V1e, V2e durch die folgenden Ausdrücke (29) und (30).
[Mathematischer Ausdruck 17] V1e=Lm(ddti2ddti1)+Lddti1embedded imageV2e=Lm(ddti2ddti1)+Lddti2embedded image

Aus einem Vergleich der Strom-Ableitungsterme zwischen dem Ausdruck (28) und den Ausdrücken (29) und (30) werden die DC-Induktivität L der dritten Wicklung 13c und die Erregungs-Induktivität Lm der ersten Wicklung 13a und der zweiten Wicklung 13b erhalten, und ferner werden unter Verwendung von dem Ausdruck (24) und dem Ausdruck (25) die DC-Induktivität L und die Erregungs-Induktivität Lm durch die folgenden Ausdrücke (31) und (32) dargestellt.
[Mathematischer Ausdruck 18] L=Lo+2Lc+4McMo=No2+4Nc2+4NoNcRo+2Rc=(1ko)Lo+4kcLoLc+2Lcembedded imageLm=MoLc2Mc=No2Rc2Nc2Ro2NoNcRoRo2+2RoRc=Lc+koLo2kcLoLcembedded image

Aus dem Ausdruck (31) wird erhalten, dass als ein Ergebnis der magnetischen Integration die Windungszahlen No der ersten Wicklung 13a und der zweiten Wicklung 13b, die irrelevant wären, wenn sie separate Körper wären, zur Ausbildung der Induktivität der dritten Wicklung 13c beitragen und demzufolge die DC-Induktivität mit einer geringeren Windungszahl gebildet werden kann als in dem Fall, in welchem die magnetische Integration nicht durchgeführt wird.

Die Induktivität L, die von der dritten Wicklung 13c erhalten wird, kann erhöht werden, indem die Windungszahl No der ersten Wicklung 13a und der zweiten Wicklung 13b erhöht wird, und der Magnetwiderstand Rc des Mittelschenkels 13h verringert wird, so dass der Kopplungsgrad ko verringert wird. Demzufolge kann die Streuinduktivität der gekoppelten Drosselspule als DC-Drosselspule verwendet werden.

Außerdem kann die Induktivität L, die von der dritten Wicklung 13c erhalten wird, erhöht werden, indem der Magnetwiderstand Rc des Mittelschenkels 13h verringert wird, so dass der Kopplungsgrad kc zwischen der dritten Wicklung 13c und der ersten Wicklung 13a, der zweiten Wicklung 13b erhöht wird.

Auf diese Weise gilt Folgendes: Wenn die magnetische Integrations-Konfiguration verwendet wird und dadurch die DC-Induktivität L erhöht wird, so wird eine Veränderung während eines Zeitraums unterbunden, während dessen die erste Wicklung 13a und die zweite Wicklung 13b nicht als gekoppelte Drosselspule in den oben in 9 und 10 beschriebenen Betriebsmodi (c) und (d) wirken, und demzufolge kann der Stromrippel verringert werden.

Außerdem wird aus dem Ausdruck (32) erhalten, dass die Erregungs-Induktivität Lm der ersten Wicklung 13a und der zweiten Wicklung 13b, die die gekoppelte Drosselspule bilden, durch die Windungszahl Nc der dritten Wicklung 13c eingestellt werden kann.

Lm, das die Erregungs-Induktivität darstellt, kann erhöht werden, indem die Windungszahlen No der ersten Wicklung 13a und der zweiten Wicklung 13b erhöht werden, was die Windungszahlen Nc der dritten Wicklung 13c verringert, den Kopplungsgrad ko erhöht und den Kopplungsgrad kc zwischen der ersten Wicklung 13a und der zweiten Wicklung 13b, der dritten Wicklung 13c verringert.

Auf diese Weise gilt Folgendes: Wenn die magnetische Integrations-Konfiguration verwendet wird und dadurch die Erregungs-Induktivität Lm erhöht wird, kann der Stromgradient in den oben in 9 und 10 beschriebenen Betriebsmodi (a) und (b) verringert werden.

Als ein Weg zum Verändern des Magnetwiderstands Rc des Mittelschenkels 13h gilt Folgendes: Da der Magnetwiderstand Rc der Magnetwiderstand des Mittelschenkels 13h ist, können die Dimension des Spaltbereichs 13k, der am Mittelschenkel 13h ausgebildet ist, der Querschnittsfläche des Mittelschenkels 13h oder die magnetische Permeabilität des Kernmaterials verändert werden.

Als nächstes wird beschrieben, dass sich die AC-Magnetflüsse im Spaltbereich 13k aufheben, der an dem Mittelschenkel 13h des Kerns ausgebildet ist.

12 zeigt die Strömung der magnetischen Flüsse infolge von AC-Komponentenströmen (Rippelströmen), die durch die erste Wicklung 13a und die zweite Wicklung 13b fließen. In FIG. 12(2) und FIG. 12(3) sind, was die Ströme anbelangt, die durch die erste Wicklung 13a und die zweite Wicklung 13b fließen, bestimmte Richtungen der DC-Stromkomponenten gezeigt, aber die Richtungen der magnetischen Flüsse sind, wie in der Zeichnung gezeigt, gemäß den Polaritäten der beiden Wicklungen, die die gekoppelte Drosselspule bilden, und am Mittelschenkel 13h haben die AC-Magnetflüsse solche Richtungen, dass sie einander aufheben und demzufolge ausgelöscht werden.

Daher gibt es kein Streuen des AC-Magnetflusses vom Spaltbereich 13k, und selbst wenn Wicklungen an dem Mittelschenkel 13h ausgebildet sind, kann eine Erwärmung der Windungen infolge der Wirbelströme und eine Zunahme des Hochfrequenz-Widerstands infolge von magnetischen Interferenzen unterbunden werden.

Es sei angemerkt, dass - wie oben erwähnt - in 12 die dritte Wicklung in zwei Wicklungen 13c und 13d geteilt ist und die Wicklungen 13c und 13d an beiden Polseiten der DC-Spannungsquelle 1 ausgebildet sind.

In der obigen Beschreibung in 8 usw. ist die Energie-Umwandlungseinrichtung so konfiguriert, dass ein dreischenkliger Kern ausgebildet ist, eine DC-Wicklung als DC-Drosselspule um dessen Mittelschenkel gewickelt ist, zwei gekoppelte Wicklungen als gekoppelte Drosselspule um dessen beide Seitenschenkel gewickelt sind und zwei obere Zweige und zwei untere Zweige jeweils parallel als Schalt-Schaltung 2 verbunden sind.

In Hinblick auf die technische Idee der Erfindung der vorliegenden Anmeldung, dass die DC-Drosselspule und die gekoppelte Drosselspule, die ursprünglich verschiedene Typen von Magnetkomponenten sind, integriert sind, ist die vorliegende Erfindung selbstverständlich auch direkt auf eine Energie-Umwandlungseinrichtung anwendbar, bei welcher ein mehrschenkliger Kern mit n (n ist eine Ganzzahl gleich groß wie oder größer als 2) Seitenschenkeln und einem Mittelschenkel ausgebildet ist, eine DC-Wicklung als DC-Drosselspule um den Mittelschenkel gewickelt ist, n gekoppelte Wicklungen als gekoppelte Drosselspule um die n Seitenschenkel gewickelt sind und n obere Zweige und n untere Zeige jeweils parallel als Schalt-Schaltung verbunden sind.

Wie oben beschrieben, ist bei der Energie-Umwandlungseinrichtung gemäß Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung die dritte Wicklung 13c, die als DC-Drosselspule fungiert, um den Mittelschenkel 13h des dreischenkligen Kerns gewickelt, die erste Wicklung 13a und die zweite Wicklung 13b, die als gekoppelte Drosselspule fungieren, sind um beide Seitenschenkel 13i, 13j gewickelt, die Wicklungsrichtungen der Wicklungen 13a bis 13c sind so eingestellt, dass sich die magnetischen Flüsse, die von den DC-Strömen erzeugt werden, die durch diese jeweiligen Wicklungen fließen, in der gleichen Richtung am Mittelschenkel 13h vereinigen, so dass unter Verwendung des dreischenkligen Kerns die gekoppelte Drosselspule und die DC-Drosselspule integriert werden, so dass die integrierte Magnetkomponente 13 gebildet wird.

Im Ergebnis können nicht nur die Windungszahl der dritte Wicklung 13c, die die DC-Drosselspule bildet, sondern auch Windungszahl der ersten Wicklung 13a und der zweiten Wicklung 13b, die die gekoppelte Drosselspule bilden, die ursprünglich eine verschiedene Art von Magnetkomponente mit einer verschiedenen Funktion von derjenigen der DC-Drosselspule ist, zur Induktivität der DC-Drosselspule beitragen, so dass eine Größenverringerung erzielt wird.

Ferner tritt ein magnetischer AC-Streufluss im Spaltbereich 13k des Mittelschenkels 13h nicht auf, und es treten keine Wirbelstromverluste in der dritten Wicklung 13c auf, die um den Mittelschenkel 13h gewickelt ist, so dass eine Verlust-Verringerung erzielt wird.

Ausführungsform 4

13 ist ein Diagramm, das die Gesamtkonfiguration einer Energie-Umwandlungseinrichtung gemäß Ausführungsform 4 der vorliegenden Erfindung zeigt.

Bei der obigen Ausführungsform 3 ist der Fall gezeigt, in welchem die integrierte Magnetkomponente 13 auf den DC/DC-Umsetzer angewendet wird, der die Energie-Umwandlungseinrichtung ist. In 13 jedoch wird die integrierte Magnetkomponente 13 auf einen AC/DC-Umsetzer angewendet.

Hier ist die DC-Spannungsquelle 1 in 8 durch eine AC-Spannungsquelle 10 ersetzt, und eine Gleichrichterschaltung 8 vom Brückentyp ist zwischen der AC-Spannungsquelle 10 und der dritten Wicklung 13c ausgebildet.

Die Schaltmodi im Aufwärtswandlungsbetrieb sind die gleichen wie diejenigen, die in 9 und 10 gezeigt sind, und die Schalt-Schaltung 2 wird so betrieben, dass sie einen Betrieb mit hohem Leistungsfaktor durchführt, in welchem der Eingangsstrom die gleiche Phase hat wie die Eingangsspannung, so dass die gleiche Wirkung wie bei der Ausführungsform 3 erzielt werden kann.

Bei der obigen Beschreibung ist der Fall, in welchem die Erfindung der vorliegenden Anmeldung auf eine Energie-Umwandlungseinrichtung angewendet wird, die eine AC-Spannung in eine DC-Spannung konvertiert, in den obigen Ausführungsformen 1 und 2 beschrieben, und der Fall, in welchem die Erfindung der vorliegenden Anmeldung auf eine Energie-Umwandlungseinrichtung angewendet wird, die eine DC-Spannung aufwärts wandelt, ist in den obigen Ausführungsformen 3 und 4 beschrieben.

Es versteht sich jedoch aus der Beschreibung bei den obigen Ausführungsformen 1 und 3 hinsichtlich der Relationen zwischen den Komponenten in diesen Ausführungsformen und den Komponenten, die im Anspruch 1 der vorliegenden Anmeldung angegeben sind, dass die Erfindung nicht auf die oben beschriebenen Energie-Umwandlungseinrichtungen beschränkt ist.

Das bedeutet, dass die Erfindung der vorliegenden Anmeldung - ähnlich wie oben beschrieben - auch auf Folgendes anwendbar ist: eine Magnetkomponenten-Anordnung, die eine DC-Drosselspule, einen wicklungsgekoppelten Körper, ein nichtlineares Element und einen mehrschenkligen Kern aufweist, wie in Anspruch 1 der vorliegenden Anmeldung beschrieben, wobei die Wicklungsrichtungen der Wicklungen so eingestellt sind, dass sich die magnetischen Flüsse, die von den DC-Strömen erzeugt werden, die durch die Wicklungen des wicklungsgekoppelten Körpers und die Wicklung der DC-Drosselspule fließen, in der gleichen Richtung am Mittelschenkel des mehrschenkligen Kerns vereinigen, so dass die DC-Drosselspule und der wicklungsgekoppelte Körper integriert werden; und verschiedenartige Typen von Energie-Umwandlungseinrichtungen und dergleichen, die die Magnetkomponenten-Anordnung verwenden. Folglich wird die gleiche Wirkung erzielt.

Es sei angemerkt, dass innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung die obigen Ausführungsformen frei miteinander kombiniert werden können, oder dass jede der obigen Ausführungsformen geeignet modifiziert oder vereinfacht werden kann.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG

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Zitierte Patentliteratur

  • JP 2003304681 A [0004]
  • JP 5144284 B2 [0004]
  • JP 4151014 B2 [0004]