扼流器和扼流器铁芯的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种具有铁芯和两个线圈的扼流器，优化为用于交替型配置的升压或降压电路或者功率因数补偿(PFC)滤波器中。进一步的，本发明涉及一种用于升压和降压或功率因数补偿(PFC)电路中的交替型应用的优化的双线圈铁芯。
【背景技术】
[0002]下面，术语“扼流器”涉及设置于共用铁芯上的一个或数个线圈的配置。
[0003]升压或降压电路指的是一种电路，其能够升高或降低直流电压。升压和降压电路根据与功率因数补偿滤波器类似的原则来操作，并部分地使用相同的部件。
[0004]根据电磁兼容标准(EMC)，功率因数校正从2001年I月I日起在德国被强制性地用于75瓦以上的电气负载中。功率因数描述的是有效功率值和视在功率值之间的比率。小于I的值意味着从电网获得的视在功率大于有效功率，从而使得电网被视在功率额外地负载，该视在功率需要被提供和传输并且需要部分地通过电网流回。从而，在电网中产生了更大的损耗，以及电网需要被设计为比实际需要的更大。功率因数校正滤波器保证功率因数尽可能地接近1，即仅从电网获取纯有效功率。在有源功率因数校正(PFC)中，获取的电流被重新调整为电网的时变正弦波形电压。
[0005]升压、降压和PFC的核心部件是扼流器，其大体上被用于暂时存储能量并按照需求释放。下面的解释局限于在PFC滤波器中使用的扼流器。然而，类似的推理对于升压和降压电路也是成立的。
[0006]连接到扼流器下游的开关由控制器件实现断开和闭合，该开关能够调整线圈输出为参考电压，从而一方面传输足够的功率到电气负载，然而另一方面使得从电网获取的电网电压曲线的电流同相。
[0007]在进一步的发展中，输入功率电压在彼此之间能够相互独立地操作的两个线圈之间分割。一般地，这些开关彼此之间相反地操作，即，如果一个开关断开，则另一个开关闭合。在这种“交替型”操作模式下，扼流器支路(主)直接地由调节电路控制，即，该扼流器的开关时刻直接地由该调节来控制。第二扼流器支路(从)一般以180度的相移来跟随主支路。这种交替型工作设置具有这样的优点，即能够实现更加有效的功率因数校正。由于每个扼流器仅需要处理输出功率的一半，可使用更小尺寸的部件，从而改善功率损耗和发热并能使用更小的PFC电路。需要注意的是，校正功能在小于180度的其它相移处也是可以的。也就是说，一般地，相位可以变化。然而，绝大多数的应用使用180度的相移来进行操作。
[0008]有源PFC电路通常由具有直接与线圈和开关的下游连接的升压变换器的整流器组成，其对大电容充电使其电压超过电网交流电压的峰值电压。图1a示意性地示出了交替型技术中升压电路的原理。在输入处，输入电压Vin施加到两个扼流器线圈LI和L2并且输入电流Iin在两个扼流器之间分割。在每个线圈或扼流器LI或L2的输出处，开关SI或S2分别能够将由调节电路(未示出)控制的输出LI或L2设置到参考电压。线圈LI和L2的输出通过二极管连接到电容Cott，其与线圈LI和L2相互作用以升高电压(升压电路)并平滑电压，从而使得其能够被传输到负载电阻
[0009]开关SI (主)的断开和闭合时刻由控制器设置，这保证了一方面负载Rumd被提供足够的电流Iqut，以及另一方面输入电流Iin与输入电压Vin同相。开关S2(从)以180度的相移跟随开关SI。这在原理上导致了对输入电流的脉冲宽度调制，其中脉冲宽度由控制器控制。图1b示出了开关SI和S2的开关特性。开关SI被闭合的时刻被标识为TM，并且其根据该控制器可变。在开关SI闭合时，开关S2被断开(180度相移)。由其中开关SI被闭合的时间I?和其中该开关被打开的时间Ttw之和构成的总时间被标识为周期T，并且其是恒定的。占空比D = TM/T是可变的并且其取决于该控制器。在图1b中，示出了为0.5的恒定占空比D。
[0010]图1c示出了流过线圈LI和L2的电流Il和12。流过线圈LI的电流Il包括直流分量Idcl和由开关过程产生的纹波分量Iacl。相应地，流过线圈L2的电流12包括直流分量Idc2和由开关过程产生的纹波分量Iac2(由开关过程产生的交流分量)。由于这些开关以180度的相移连接，Iacl和Iac2之间的相移是180度。电流Il和12被加到电容Cqut上。即，整个直流分量为Idc = Idcl+Idc2o由于Idcl = Idc2 = IIN/2，对Idc来说，Idc=IINo对于整个纹波电流分量(交流分量)来说，Iac = Iacl-1ac2,因为Iacl和Iac2相移180度。然而，这仅是对于占空比D = 0.5来说的，即对于U=Lff来说。即，对于占空比D = 0.5，纹波电流分量互相抵消。在不同的占空比时，纹波电流分量并不会精确地彼此抵消。在任何情况下，整体上而言，在这种交替型设计中，纹波电流分量被减小，以获得更加平滑的电流曲线。
[0011]应当注意的是，在180度相移时，在占空比D = 0.5时中间支路的纹波电流达到最大值。然而，交替型扼流器也可工作于小于180度的其它相位。从而，仅产生交流纹波的最大值的占空比D被移位。即，一般来说相位是可变的。然而，绝大多数应用是在180度的相移下操作的。
[0012]用于交替型升压电路和PFC装置的扼流器在现有技术中是已知的。在最简单的情况下，两个线圈被缠绕在共用铁芯上，如Volterra公司的美国专利US6362986B1中示出的例子。图2示意性地示出了该专利的线圈结构，其具有用于交替工作模式的开关40。两个线圈20和30被设置在共用环状铁芯10上，即，这对线圈20、30通过强磁场耦合来工作，与变压器类似。由于线圈的磁通相加，铁芯的几何尺寸相应地很大，以达到高导磁率并且同时不会使铁芯达到饱和磁化。
[0013]美国专利8217746B2描述了用于交替型PVC电路的扼流器线圈的进一步发展，其中，两个线圈的线圈铁芯被设计为使得这两个线圈仅轻微地磁性耦合。图3示出了US8217746B2的线圈和铁芯结构的示意图。该铁芯由两个E形部分110和120形成，它们彼此之间通过I形部分130分开。线圈20和30缠绕在E形部分110和120的中间芯柱上。由于线圈20和30中来自E形部分的中间芯柱的磁通Φ I和Φ2在E形部分的侧芯柱之间分割，侧芯柱的横截面A2可以是中间芯柱横截面Al尺寸的一半。由于线圈20和30反相地缠绕或连接，I形部分130中线圈20和30的磁通Φ1或Φ2的直流分量彼此之间在很大程度上互相补偿，从而使得I形部分130的横截面可被设计得比E形部分110和120的中间芯柱的横截面Al更小一些。通过连接两个E形部分110和120以及I形部分130，在它们的连接处形成气隙140。
【发明内容】
[0014]从新能源安全技术的角度来看，如混合动力和电动汽车领域中的汽车工程中，对用于交替型PFC电路的具有低重量和高效率的扼流器具有持续增长的需求，以一方面保证能源安全(重量)以及另一方面有效地传输能量，例如，设想电动或混合动力汽车中的动能被发电机回收并提供给车载电网。因此，本发明的任务是为用于交替型PFC应用中的扼流器线圈对提供一种具有最优化铁芯几何结构的扼流器，其结构紧凑并具有小损耗和低重量。
[0015]该任务是通过根据本专利的权利要求1的具有铁芯和两个线圈的扼流器来解决的。
[0016]特别地，这个任务通过具有铁芯和两个线圈的扼流器来解决，其中，该铁芯包括中间芯柱和数个侧芯柱这数个铁芯段，其中该铁芯被设计为使得所述铁芯段以所述中间芯柱形为共用段而形成两个环路，其中这两个线圈中的每个位于不同环路的该共用段之外的部分上，从而使得所述侧芯柱具有横截面Al，以及用于该共用段的中间芯柱具有横截面A2，并且 A2 < 2XA1。
[0017]通过这个结构，可实现两个线圈的耦合因数小于5 %、优选地小于3 %、以及更加优选地小于1%，从而使得该铁芯横截面能够保持为小于侧芯柱的横截面，因为这些线圈的磁场在侧芯柱中不再重叠。进一步的，与直流分量对应的磁通在该共用段中抵消，从而使得该共用段的横截面可被设计得小一些以节省材料。由于这些线圈不像在US8217746B2中那样同轴地布置，而是布置在侧芯柱上，因此该铁芯需要更少的材料，这节省了重量。例如，这可通过将两个线圈布置在两个相对的侧芯柱上来实现。
[0018]在其它实施例中，横截面Al处于0.5A1和0.2A1之间的范围内，从而使得能够节约更多的重量。
[0019]为了达到小于5%、3%或1%的耦合因数，该铁芯被设计为使得至少一个侧芯柱中的磁阻Rma大于中间芯柱的磁阻R MI，其中Rm> 20R MI (5 % )、Rma> 33R MI (3 % )或Rma>10Rmi (I % )。
[0020]在另一实施例中，对于中间部分的铁芯段来说，使用具有高透磁性的材料来保持两个绕组或它们磁通之间的低耦合。