CN111727551B - 具有经耦合的pfc扼流器的电压变换器 - Google Patents

具有经耦合的pfc扼流器的电压变换器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种电压变换器(100)，该电压变换器设置用于将交流输入电压变换成直流输出电压。电压变换器(100)包括：具有第一开关半桥(110)的第一子变换器，第一开关半桥经由第一主线圈(141)与输入电压的第一电极耦合；以及具有第二开关半桥(120)的第二子变换器，第二开关半桥经由第二主线圈(142)与输入电压的第一电极耦合。此外，电压变换器(100)包括由第一子变换器和第二子变换器共同使用的二极管半桥。此外，电压变换器(100)包括第一返回线圈(143)和第二返回线圈(144)，所述第一返回线圈和第二返回线圈将二极管半桥的中点与输入电压的第二电极耦合。在此，第一和第二主线圈(141、142)以及第一和第二返回线圈(143、143)形成经耦合的扼流器(140)，其中，经耦合的扼流器(140)具有扼流器芯(200)。扼流器芯(200)具有至少一个外边部(201)，该外边部由第一和/或第二主线圈(141、142)的绕组和/或第一和/或第二返回线圈(143、143)的绕组包围，并且扼流器芯具有至少一个中间边部(202)，该中间边部不被主线圈(141、142)的绕组和返回线圈(143、143)的绕组包围。在此，外边部(201)和中间边部(202)分别具有带有不同导磁性的材料。

Description

具有经耦合的PFC扼流器的电压变换器
技术领域
本发明涉及一种多相电压变换器、尤其是整流器，具有经耦合的扼流器作为功率因数修正滤波器。
背景技术
在AC/DC变换器或整流器中(所述变换器或整流器例如用于至少部分地电驱动的运输工具的充电器，该充电器连接到公共的电网上)，典型地使用功率因数修正级(PLC)，以便满足(尤其是关于电网电流中受限的高次谐波份额的)电网连接条件。尤其是，可使用多相PLC电压变换器，如所谓的图腾柱转换器。多相PLC电压变换器的各个扼流器可构造为经耦合的扼流器。通过使用具有经耦合的扼流器的多相电压变换器可减少纹波电流。
多相电压变换器具有半导体开关(尤其是镓氮化物，GaN，晶体管)，所述半导体开关以相对高的频率切换(例如以1MHz及更多)。由于半导体开关的切换可产生共模(共模CM)干扰和推挽(差模DM)干扰，所述共模干扰和推挽干扰典型地必须经由多级的电网滤波器补偿，以便满足电网侧的EMV(电磁兼容性)要求。
发明内容
当前的文件致力于如下任务：减少多相电压变换器的共模干扰，尤其是以便同时减少针对PLC扼流器且因此针对运输工具的充电器的重量、成本和结构空间。
根据一方面，描述了一种电压变换器、尤其是整流器，该电压变换器设置用于将交流或AC输入电压变换成直流或DC输出电压。电压变换器可以是充电器的、尤其是道路机动车充电器的一部分。
电压变换器包括具有第一开关半桥的第一子变换器，其中，第一开关半桥经由第一主线圈与输入电压的第一电极耦合。第一开关半桥可包括第一开关和第二开关，所述第一开关和第二开关成排地布置在输出电压的正电极与负电极之间。第一主线圈则可将第一开关半桥的第一开关与第二开关之间的中点与输入电压的第一电极耦合。第一开关半桥的开关可分别构造为镓氮化物(GaN)晶体管。
此外，电压变换器包括具有第二开关半桥的第二子变换器，该第二开关半桥经由第二主线圈与输入电压的第一电极耦合。类似于第一开关半桥，第二开关半桥也可包括第一开关和第二开关，所述第一开关和第二开关成排地布置在输出电压的正电极与负电极之间。第二主线圈则可将第二开关半桥的第一开关与第二开关之间的中点与输入电压的第一电极耦合。第二开关半桥的开关可分别构造为镓氮化物(GaN)晶体管。
此外，电压变换器包括由第一子变换器和第二子变换器共同使用的二极管半桥。二极管半桥可包括第一二极管和第二二极管，所述第一二极管和第二二极管成排地布置在输出电压的正电极与负电极之间。
此外，电压变换器包括第一返回线圈和第二返回线圈，所述第一返回线圈和第二返回线圈将二极管半桥的中点与输入电压的第二电极耦合。换言之，第一子变换器的电感的一部分和第二子变换器的电感的一部分可作为返回线圈设置到子变换器的返回路径中。因此，可减少电压变换器的共模干扰。主线圈的电感可等于或大于相应的返回线圈的电感。例如，主线圈的电感与返回线圈的电感之间的比率可处于1:1与5:1之间的范围内。
第一和第二子变换器可分别构造为整流器。在此，在整流功能的范围内可进行升压变换。在输入电压的正的半波期间，子变换器的第一开关可被调节拍，而第二开关可作为二极管运行。此外，在输入电压的负的半波期间，子变换器的第二开关可被调节拍，而第一开关可作为二极管运行。因此，子变换器不仅可在正的半波期间而且可在负的半波期间作为升压(Boost)变换器来运行。在此，可通过子变换器的开关半桥的各开关的运行翻转来引起整流功能。
典型地，交流输入电压的频率处于50Hz或60Hz。开关的调过节拍的运行可处于100kHz、1MHz或更多的频率范围内。
第一子变换器和第二子变换器可在第一和第二开关半桥的开关的节拍方面彼此相移地运行。在此，相移例如可处于180°。通过使用多个(必要时经相移的)子变换器可提高电压变换器的功率。此外，可减少电压变换器的输出电压和/或输出电流的纹波。
第一主线圈和第二主线圈可与第一返回线圈和第二返回线圈相结合地形成共同的经耦合的扼流器。在此，经耦合的扼流器具有共同的扼流器芯。扼流器芯包括至少一个外边部和至少一个中间边部。所述至少一个外边部由第一和/或第二主线圈的绕组和/或第一和/或第二返回线圈的绕组包围。另一方面，所述至少一个中间边部不被主线圈的绕组和返回线圈的绕组包围。尤其是，中间边部可不被任一绕组包围。
在此，所述至少一个外边部和所述至少一个中间边部分别具有带有不同导磁性或导磁系数的材料。尤其是，外边部的材料可具有大于中间边部的材料导磁性的导磁性。例如外边部的材料的导磁性(尤其是导磁系数)能以10倍、100倍或更多倍大于中间边部的导磁性(尤其是导磁系数)。此外，所述至少一个外边部的材料和所述至少一个中间边部的材料可分别具有10、20或更多的导磁系数(例如分别是至少铁磁的)。例如外边部的材料可包括纳米晶体和/或铁氧体。中间边部的材料可包括铁磁的金属颗粒和/或铁磁的粉末。
因此描述了一种(多相)电压变换器，该电压变换器具有共同的经磁耦合的扼流器，该扼流器具有带有不同导磁率的区域的扼流器芯。因此，可减少电压变换器的共模干扰。尤其是，扼流器芯的不同区域的导磁系数可选取为(例如在试验范围内)用以减少共模干扰，尤其使共模干扰最小化和/或减小扼流器芯的结构空间。因此，可降低电网滤波器的用以维持EMV要求的复杂性，从而能够减小包括电压变换器的充电器的尺寸、结构空间和重量。
所述至少一个外边部的导磁性和/或所述至少一个中间边部的导磁性优选在外边部和/或中间边部的整个空间延展尺寸上是基本上均匀的。尤其是，扼流器芯可仅具有两个不同区域(一个或多个外边部的区域和一个或多个中间边部的区域)，这些区域分别具有基本上均匀的导磁性。因此，可进一步提高扼流器芯的效率。
扼流器芯可包括第一外边部和第二外边部，其中，第一外边部延伸穿过第一主线圈的绕组并且穿过第一返回线圈的绕组，并且第二外边部延伸穿过第二主线圈的绕组并且穿过第二返回线圈的绕组。换言之，第一外边部可延伸穿过第一主线圈并且穿过第一返回线圈。另一方面，第二外边部可延伸穿过第二主线圈并且穿过第二返回线圈。
第一外边部和第二外边部可形成针对磁的主流的连贯的基本上均匀的磁路径，所述磁的主流穿过第一和第二主线圈以及第一和第二返回线圈的所有绕组。尤其是，第一外边部和第二外边部可分别构造成C形的并且可一起形成针对磁的主流的磁回路。
另一方面，中间边部可形成针对如下磁流的磁路径，该磁流仅穿过第一和第二主线圈以及第一和第二返回线圈的绕组的一部分。中间边部可至少部分地平行于第一和第二外边部延伸。此外，中间边部的两个端部可与通过外边部形成的回路直接接触。尤其是，可通过中间边部形成从磁回路的第一点至第二点的基本上均匀的磁路径(作为一类针对磁的主流的磁回路的短路)，例如以便进一步降低共模干扰度。
根据另一方面，描述了一种充电器，该充电器包括在本文件中描述的电压变换器。
根据另一方面，描述了一种道路机动车(尤其是乘用车或载重车或客车或摩托车)，该道路机动车包括在本文件中描述的电压变换器和/或在本文件中描述的充电器。
要注意的是，在本文件中描述的装置和***不仅能够单独地使用，而且能够与其他在本文件中描述的装置和***组合地使用。此外，可将在本文件中描述的装置和***的每个方面以各种方式相互进行组合。
附图说明
下面依据各实施例详细描述本发明。附图中：
图1示出具有经耦合的PFC扼流器的示例性的多相电压变换器；以及
图2示出用于经耦合的PFC扼流器的示例性的多件式的线圈芯。
具体实施方式
如开头所述，当前的文件致力于在多相电压变换器中减少CM或共模干扰。图1示出示例性的两相整流器100，该两相整流器具有用于第一子整流器的第一晶体管半桥110和用于第二子整流器的第二晶体管半桥120。这两个子整流器例如以180°的相错位运行(关于晶体管半桥110、120的开关S11、S12、S21、S22的节拍循环)。此外，整流器100具有二极管半桥130(带有二极管SN1和SN2)以及经耦合的扼流器140，所述扼流器带有子线圈141、142、143、144。
整流器100设置用于将AC(交流)输入电压VIN变换成DC(直流)输出电压VO。在此，第一子整流器在输入电压的正的半波中经由第一主线圈L1 141连同调过节拍的第一开关S11和作为二极管运行的第二开关S12形成升压变换器。这以相应的方式适用于具有第二主线圈L2 142的第二子整流器。在输入电压的负的半波中，第一子整流器经由第一主线圈L1 141连同调过节拍的第二开关S12和作为二极管运行的第一开关S11形成升压变换器。这以相应的方式适用于第二子整流器。因此，高效的整流能够借助主动的功率因数修正来实现。
共模干扰可通过如下方式减少：将子整流器的电感的一部分设置到子整流器的返回路径中，其中，返回路径从二极管半桥130的中点延伸至输入电压的第二电极。尤其是，整流器100可具有返回线圈L3143和返回线圈L4 144，其中，主线圈141、142和返回线圈143、144相互磁耦合。通过减少共模干扰，用于过滤这些干扰的电网滤波器的尺寸可设计得更小，从而可减小包括整流器100的充电器的尺寸、成本和重量。
图2示出用于整流器100的示例性的经耦合的扼流器140。在此，扼流器140具有多件式的线圈芯或扼流器芯200。尤其是，扼流器芯200具有外边部201，其中，第一外边部201由第一主线圈141的绕组和第一返回线圈143的绕组包围，并且第二外边部201由第二主线圈142的绕组和第二返回线圈144的绕组包围。各外边部201相互磁连接，以便导引磁的主流211，该主流穿过线圈141、142、143、144的所有绕组。为了该目的，外边部201可构造成C形的并且相互连接，使得产生针对磁的主流211的均匀的磁回路。
扼流器芯200包括中间边部202，该中间边部将两个外边部201短接并且在此不被线圈141、142、143、144的绕组之一包围。中间边部202导引磁(杂散)流212，该磁流不穿过经耦合的扼流器140的线圈141、142、143、144的绕组。中间边部202的各端部可分别与外边部201直接连接，从而针对(杂散)流212的磁路径仅在外边部201与中间边部202之间的(两个)过渡部上具有关于导磁性的不均匀性。
扼流器芯200的外边部201和中间边部202可具有带有不同特性的不同材料。尤其是，在外部的磁路径中(即在外边部201中)可使用尽可能高导磁率的芯材料(例如纳米晶体和/或铁氧体)，因为这对于线圈141、142、143、144的卷绕部的耦合是有利的并且因此对于减少扼流器140中的电流纹波是有利的并且因此对于减少扼流器140中的损失是有利的。对于内部的磁路径(即对于中间边部202)，可使用低导磁率的芯材料(例如粉末芯)，以便对于磁能的存储优化扼流器芯200的该部分。
通过对于扼流器芯200的不同区域使用不同材料，可实现对扼流器参数的独立的优化，以便进一步减少共模干扰。因此，可使得用于过滤共模干扰的电网滤波器进一步变小，以便减小充电器的成本、结构空间和重量。
本发明不局限于所示出的实施例。尤其是要注意的是，说明书和附图仅应说明所提出的装置和***的原理。

Claims (11)

1.一种电压变换器(100)，所述电压变换器设置用于将交流输入电压变换成直流输出电压；其中，所述电压变换器(100)包括：
-第一子变换器，该第一子变换器具有第一开关半桥(110)，所述第一开关半桥经由第一主线圈(141)与输入电压的第一电极耦合；
-第二子变换器，该第二子变换器具有第二开关半桥(120)，所述第二开关半桥经由第二主线圈(142)与输入电压的第一电极耦合；
-由所述第一子变换器和所述第二子变换器共同使用的二极管半桥；
-第一返回线圈(143)和第二返回线圈(144)，所述第一返回线圈和第二返回线圈将所述二极管半桥的中点与输入电压的第二电极耦合；其中，第一主线圈(141)和第二主线圈(142)以及第一返回线圈(143)和第二返回线圈(144)形成经耦合的扼流器(140)；其中，所述经耦合的扼流器(140)具有扼流器芯(200)；其中，所述扼流器芯(200)具有至少一个外边部(201)，所述外边部由第一主线圈(141)和/或第二主线圈(142)的绕组和/或第一返回线圈(143)和/或第二返回线圈(144)的绕组包围，并且所述扼流器芯具有至少一个与外边部(201)分开的中间边部(202)，所述中间边部不被主线圈的绕组和返回线圈的绕组包围；其中，所述外边部(201)和所述中间边部(202)分别具有带有不同导磁性的材料，所述中间边部(202)的两个端部与通过所述外边部(201)形成的回路直接接触。
2.根据权利要求1所述的电压变换器(100)，其中，
-所述外边部(201)的材料具有大于所述中间边部(202)的材料导磁性的导磁性。
3.根据权利要求1或2所述的电压变换器(100)，其中，
-所述外边部(201)的材料和所述中间边部(202)的材料分别具有10、20或更多的导磁系数；和/或
-所述外边部(201)的导磁性和/或所述中间边部(202)的导磁性在所述外边部(201)和/或所述中间边部(202)的整个空间延展尺寸上是基本上均匀的。
4.根据权利要求1或2所述的电压变换器(100)，其中，
-所述外边部(201)的材料包括纳米晶体和/或铁氧体；和/或
-所述中间边部(202)的材料包括铁磁的金属颗粒和/或铁磁的粉末。
5.根据权利要求1所述的电压变换器(100)，其中，
-所述扼流器芯(200)包括第一外边部和第二外边部；
-所述第一外边部延伸穿过第一主线圈(141)的绕组和第一返回线圈(143)的绕组；
-所述第二外边部延伸穿过第二主线圈(142)的绕组和第二返回线圈(144)的绕组；并且
-所述第一外边部和所述第二外边部形成针对磁的主流(211)的连贯的基本上均匀的磁路径，所述磁的主流穿过第一主线圈(141)和第二主线圈(142)以及第一返回线圈(143)和第二返回线圈(144)的所有绕组。
6.根据权利要求5所述的电压变换器(100)，其中，所述中间边部(202)形成针对如下磁流(212)的磁路径，所述磁流仅穿过第一主线圈(141)和第二主线圈(142)以及第一返回线圈(143)和第二返回线圈(144)的绕组的一部分。
7.根据权利要求5或6所述的电压变换器(100)，其中，
-所述中间边部(202)至少部分地平行于第一外边部和第二外边部延伸；和/或
-所述第一外边部和所述第二外边部分别构造成C形的并且一起形成磁回路；并且
-所述中间边部(202)的两个端部形成从所述磁回路的第一区域至所述磁回路的第二区域的基本上均匀的磁路径。
8.根据权利要求1所述的电压变换器(100)，其中，
-子变换器的开关半桥包括第一开关(S11、S21)和第二开关(S12、S22)，所述第一开关和第二开关成排地布置在输出电压的正电极与负电极之间；并且
-子变换器的主线圈将所述第一开关(S11、S21)与所述第二开关(S12、S22)之间的中点与输入电压的第一电极耦合。
9.根据权利要求8所述的电压变换器(100)，其中，
-在输入电压的正的半波期间，子变换器的第一开关(S11、S21)被调节拍，而第二开关(S12、S22)作为二极管运行；以及
-在输入电压的负的半波期间，子变换器的第二开关(S12、S22)被调节拍，而第一开关(S11、S21)作为二极管运行。
10.根据权利要求8或9所述的电压变换器(100)，其中，第一子变换器和第二子变换器在第一开关半桥和第二开关半桥的开关的节拍方面彼此相移地运行。
11.根据权利要求2所述的电压变换器(100)，其中，
-所述外边部(201)的材料的导磁性以10倍、100倍或更多倍大于所述中间边部(202)的导磁性。
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