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WO2019174916A1 - Transformer, voltage converter and method for transmitting electric power - Google Patents

Transformer, voltage converter and method for transmitting electric power Download PDF

Info

Publication number
WO2019174916A1
WO2019174916A1 PCT/EP2019/054874 EP2019054874W WO2019174916A1 WO 2019174916 A1 WO2019174916 A1 WO 2019174916A1 EP 2019054874 W EP2019054874 W EP 2019054874W WO 2019174916 A1 WO2019174916 A1 WO 2019174916A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
transformer
secondary winding
winding
terminal
transformer core
Prior art date
Application number
PCT/EP2019/054874
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Johann W. Kolar
Dominik Bortis
Jannik Robin SCHAEFER
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch Gmbh filed Critical Robert Bosch Gmbh
Publication of WO2019174916A1 publication Critical patent/WO2019174916A1/en

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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01FMAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F27/00Details of transformers or inductances, in general
    • H01F27/34Special means for preventing or reducing unwanted electric or magnetic effects, e.g. no-load losses, reactive currents, harmonics, oscillations, leakage fields
    • H01F27/38Auxiliary core members; Auxiliary coils or windings
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60VEHICLES IN GENERAL
    • B60LPROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L50/00Electric propulsion with power supplied within the vehicle
    • B60L50/50Electric propulsion with power supplied within the vehicle using propulsion power supplied by batteries or fuel cells
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B60L58/18Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling batteries of two or more battery modules
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    • H01F27/2804Printed windings
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01F2027/2819Planar transformers with printed windings, e.g. surrounded by two cores and to be mounted on printed circuit
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    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02MAPPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
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    • Y02T90/10Technologies relating to charging of electric vehicles
    • Y02T90/14Plug-in electric vehicles

Definitions

  • the present invention relates to a transformer, a voltage converter with a transformer and a method for transmitting electrical energy by means of such a transformer.
  • the present invention relates to the transmission of electrical energy by means of a three-port voltage converter.
  • Electric and hybrid vehicles usually have two different electrical systems.
  • a low-voltage network which is buffered by an accumulator
  • all low-voltage consumers such as on-board computers, lighting units and consumer electronics are usually supplied.
  • a high-voltage network which is powered by a high-voltage accumulator, provides electrical energy for the drive.
  • High voltage side can be provided. You can do this
  • DC-DC converter are used, which must have a galvanic isolation between the high-voltage network and the low-voltage network for safety reasons.
  • Document DE 10 2017 222 087 A1 discloses a transformer structure for a three-port resonant converter for transmitting electrical energy between three voltage systems.
  • a transformer with a total of five windings is provided.
  • the present invention provides a transformer with the features of claim 1, a three-port voltage converter with the features of claim 8 and a method for transmitting electrical energy with the features of claim 9.
  • a transformer for a three-port voltage converter having a first annular transformer core and a second annular one
  • the transformer also includes a first one
  • the transformer core comprises a first secondary winding, which is arranged on the first transformer core, a second secondary winding, which is arranged on the second transformer core, and a third
  • the transformer includes a tertiary winding disposed on the first transformer core and on the second transformer core.
  • the first secondary winding, the second secondary winding and the third secondary winding each have a first terminal and a second terminal.
  • the first terminal of the first secondary winding, the first terminal of the second secondary winding and the first terminal of the third secondary winding are electrically connected to one another at a common node.
  • a three-port voltage converter with a transformer according to the invention, a first drive circuit, a second drive circuit and a rectifier circuit.
  • the first drive circuit is designed to provide a first AC voltage to the first primary winding and to provide a second AC voltage to the second primary winding.
  • the second drive circuit is designed to rectify an electrical alternating voltage applied between the second terminal of the first secondary winding and the second terminal of the second secondary winding.
  • the second drive circuit is further configured to provide an AC voltage between the second terminal of the first secondary winding and the second terminal of the third secondary winding and also to provide an AC voltage between the second terminal of the second secondary winding and the second terminal of the third secondary winding.
  • the rectifier circuit is designed to rectify a voltage applied to the tertiary winding AC voltage.
  • a method for transmitting electrical energy by means of a transformer includes a step of providing a first AC voltage between the second terminal of the first secondary winding and the second terminal of the third one
  • the method comprises a step for
  • the method includes a step of rectifying an electrical induced at the tertiary winding
  • the present invention is based on the knowledge that the
  • Transformers as used in conventional voltage transformers be, usually have fixed voltage transfer ratios.
  • These voltage transfer ratios can be optimized, for example, for a selected operating mode. In such a case, however, the efficiency or the efficiency drops in the other operating modes.
  • an additional winding is provided according to the invention, which can be included depending on the selected operating mode in the energy transfer or not.
  • different voltage transmission ratios can be set in each case for a plurality of operating modes.
  • the efficiency of such a three-port voltage converter can be increased.
  • Transformer for such a three-port voltage transformer allows a very efficient, PCB-integrated design. This is advantageous, for example, for industrial applications since, from a production engineering point of view, integration of the inductive components into a printed circuit board can lead to a considerable cost reduction.
  • the two transformer cores of the transformer are, for example, annular transformer cores. As a ring-shaped
  • Transformer core can, for example, a torroidförmige
  • Transformer core structure are considered.
  • annular is not explicitly limited to circular or possibly oval. Rather, as a ring-shaped transformer core structure, it is also possible to consider a closed structure made up of a plurality of straightly extending transformer core elements which, for example, form a rectangular or square structure.
  • such an annular transformer core structure can be formed from a U-shaped transformer core and a yoke arranged above it.
  • annular transformer cores Of course, any other transformer core structures possible, which form a self-contained transformer core.
  • the first transformer core and the second transformer core may include a common leg.
  • the third secondary winding and the tertiary winding may be arranged on this common leg.
  • a transformer core arrangement can be realized in this way, in which both
  • Transformer cores are realized as a common transformer core structure. This allows a particularly efficient and compact
  • Secondary winding be arranged komplanar.
  • Tertiary winding may also be arranged as a coplanar winding. Under a coplanar arrangement of the windings is to be understood that all turns of a winding, for example, all turns of
  • Secondary windings are located in a common plane. If both the turns of the secondary winding and the turns of the tertiary winding are disposed coplanar, then the turns of the secondary winding can be arranged in a plane parallel to the plane in which the turns of the tertiary winding are located. In particular, in this case, the turns of the secondary winding and the turns of the tertiary winding can be arranged at least approximately congruent.
  • Such a coplanar arrangement allows for increased efficiency of the transformer. In particular, by a coplanar arrangement, a homogeneous current distribution within the
  • the coplanar windings are disposed on a printed circuit board substrate.
  • the transformer may comprise a printed circuit board substrate having two opposite sides. On one of these pages, for example, the turns of the first secondary winding, the second secondary winding and the third Be arranged secondary winding. Furthermore, the windings of the
  • Windings may for example be designed as a printed circuit trace structure.
  • the turns of the first primary winding and the second primary winding are arranged coplanar.
  • Windings of the first and second primary windings are designed as printed circuit traces on a printed circuit board substrate.
  • the coplanar windings of the primary winding, the secondary winding and the tertiary winding can be arranged at least approximately congruent in different planes.
  • the tertiary winding comprises exactly one turn. In this way, a minimum number of turns for both the tertiary winding and thus corresponding to the primary and
  • the first transformer core and / or the second transformer core comprise at least one discrete air gap.
  • a transformer core which represents the combination of the first and second transformer core, may also have a discrete air gap.
  • first and / or second transformer core or a combination of first and second transformer core made of a material with ferromagnetic powder particles.
  • Ferromagnetic powder particle transformer cores are also referred to as "powder cores" or cores with a distributed air gap. This makes it possible, for example, to influence the magnetic flux in the respective transformer cores.
  • Figure 1 a schematic representation of a transformer for a
  • Three-port voltage converter according to an embodiment
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a three-port voltage converter with a transformer according to an embodiment
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a three-port voltage converter with a transformer according to a further embodiment
  • Figure 4 a schematic representation of a cross section through a
  • Figure 5 a schematic representation of a plan view of a
  • FIG. 6 shows a schematic representation of a flow diagram on which a method for the transmission of electrical energy according to an embodiment is based.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a transformer 1, as it is based, for example, a three-port voltage converter according to one embodiment.
  • the transformer 1 comprises a first transformer core 41 and a second transformer core 42.
  • the two transformer cores 41 and 42 are, for example, annular transformer cores.
  • a torroid-shaped transformer core structure can be regarded as an annular transformer core, for example.
  • annular is not explicitly limited to circular or possibly oval. Rather, as a ring-shaped transformer core structure, it is also possible to consider a closed structure made up of a plurality of straightly extending transformer core elements which, for example, form a rectangular or square structure.
  • such an annular transformer core structure can be formed from a U-shaped transformer core and a yoke arranged above it.
  • any other transformer core structures are possible as annular transformer cores, which form a self-contained transformer core.
  • the annular transformer cores 41 and 42 may optionally have one or more discrete air gaps.
  • one or more air gaps may be provided between a leg and a yoke of a transformer core 41, 42.
  • the annular transformer cores 41 and 42 may optionally have one or more discrete air gaps.
  • one or more air gaps may be provided between a leg and a yoke of a transformer core 41, 42.
  • Transformer cores 41 and 42 also include ferromagnetic powder particles.
  • Transformer cores with ferromagnetic powder particles are also referred to as so-called powder cores or as cores with a distributed air gap. This makes it possible, for example, to influence the magnetic flux in the respective transformer cores 41, 42.
  • the transformer 1 comprises six windings 11, 12, 21, 22, 23, 31.
  • the first primary winding 11 and the second primary winding 12 are a first
  • the first secondary winding 21 and the second secondary winding 22 and the third secondary winding 23 are associated with a second voltage system.
  • the tertiary winding 31 is a third one Assigned voltage system.
  • the first primary winding 11 is disposed on a first transformer core 41, that is, the first primary winding 11 is wound around the first transformer core 41 at a predetermined area.
  • the second primary winding 12 is arranged on the second transformer core 42.
  • the first primary winding 11 and the second primary winding 12 may be the same or at least approximately the same.
  • the first secondary winding 21 is disposed on the first transformer core 41, and the second secondary winding 22 is on the second
  • Transformer core 42 arranged. The first secondary winding 21 and the second
  • Secondary winding 22 may be formed at least approximately the same and in particular have an equal number of turns. Furthermore, a third secondary winding 23 is provided which is connected both to the first
  • Transformer core 41 and on the second transformer core 42 is arranged.
  • the third secondary winding 23 encloses both the first transformer core 41 and the second transformer core 42 at a predetermined area.
  • the first secondary winding 21, the second secondary winding 22, and the third secondary winding 23 each have a first terminal 211, 221, 231 on, which are electrically connected to each other at a node K.
  • the first terminal 211, 221, 231 on which are electrically connected to each other at a node K.
  • Secondary winding 23 each have a second terminal 212, 222 and 232.
  • the transformer 1 comprises a tertiary winding 31, which - analogous to the third secondary winding 23 - both on the first transformer core
  • Transformer cores 41 and 42 corresponds.
  • FIG 2 shows a schematic representation of a three-port voltage converter with a transformer 1 according to one embodiment.
  • the transformer 1 in this embodiment corresponds largely to the transformer 1 of Figure 1. Therefore, the made in connection with Figure 1 apply
  • the transformer 1 FIG. 2 differs from the previously described transformer in FIG. 1 only in that the first transformer core 41 and the second transformer core 42 are formed by a common transformer core.
  • Such a transformer core can be formed, for example, by an E-shaped structure with a yoke arranged above it. But there are others too
  • a first drive circuit 10 For electrical energy transmission from the primary windings 11, 12 to the secondary windings 21, 22 and optionally to the tertiary winding 31, a first drive circuit 10 to the first primary winding 11, a first
  • a second drive circuit 20 can rectify the sum of these two induced voltages, that is, the electrical voltage between the second terminal 212 of the first secondary winding 21 and the second terminal 222 of the second secondary winding 22.
  • the rectified voltage for example, to charge an electrical energy storage such as
  • Example of the traction battery of an electric vehicle can be used.
  • the magnetic flux caused by the first primary winding 11 differs from the magnetic flux passing through the second
  • Primary winding 12 is caused, so also in the tertiary winding 31, an electrical voltage is induced by a connected
  • Rectifier circuit 30 can be rectified. This voltage can be used for example for charging an electrical energy storage, such as the energy storage of a low-voltage electrical system of a vehicle.
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a transformer 1 for a three-port voltage converter in a further operating mode.
  • the transformer core 1 according to FIG. 3 is largely identical to the previously described transformer core from FIG. 2.
  • the second drive circuit 20 can be connected between the second terminal 212 of the first secondary winding 21 and the second terminal 232 of the third secondary winding 23 apply an alternating electrical voltage U3.
  • the second drive circuit 20 can apply an alternating electrical voltage U4 between the second terminal 222 of the second secondary winding 22 and the second terminal 232 of the third secondary winding 23.
  • the two applied alternating voltages U3 and U4 can be the same or at least approximately the same.
  • Flier trim are caused magnetic fluxes in the transformer cores 41, 42, which induce an alternating electrical voltage in the tertiary winding 31. This induced AC voltage can be from the
  • Rectifier circuit 30 are rectified.
  • Tertiärwicklung 31 for example, each be executed coplanar.
  • Figure 4 shows a schematic representation of a cross section through a transformer 1 according to one embodiment. As can be seen, the turns of the first primary winding 11 and the windings of the second primary winding 12 can be arranged in a first plane.
  • the turns of the first and second primary windings 11, 12 may be arranged as printed conductor tracks on a printed circuit board substrate 51.
  • the turns of the first, second and third secondary windings 21, 22, 23 may be arranged in a plane.
  • Windings can be realized as printed conductors on a printed circuit board substrate.
  • the windings of the first, second and third secondary windings 21, 22, 23 may be arranged on a further printed circuit board substrate 52.
  • the turns of the first and second primary windings 11, 12 and the windings of the first, second and third secondary winding 21, 22, 23 are arranged on opposite sides of a common printed circuit board substrate.
  • windings of the tertiary winding 31 can also be designed coplanar. These turns of the tertiary winding 31 can also be printed
  • Conductor tracks may be arranged on a printed circuit board substrate.
  • the tertiary winding 31 can be arranged between two printed circuit board substrates 51, 52, on which the primary and secondary windings are arranged.
  • any other order for the primary, secondary and tertiary windings is possible.
  • FIG. 5 shows a schematic representation of a plan view of a coplanar conductor track structure for the first, second and third secondary windings 21, 22, 23.
  • the first secondary winding 21 encloses an outer leg of the first transformer core 41.
  • the second secondary winding encloses
  • the tertiary winding 31 may be arranged below the coplanar arrangement of the secondary windings. However, this is not shown in FIG. In one embodiment, the tertiary winding 31 can be at least approximately congruent with the dimensions of the
  • Secondary windings in particular the third secondary winding 23 to be executed.
  • FIG. 6 shows a schematic representation of a flowchart as it can be carried out for a method for transmitting electrical energy by means of a previously described transformer 1.
  • a first AC voltage U3 may be provided between a second terminal 212 of the first secondary winding 21 and a second terminal 232 of the third secondary winding.
  • a second alternating voltage U4 can be provided in step Sil between a second terminal 222 of the second secondary winding 22 and a second terminal 232 of the third secondary winding 23.
  • An adjoining one induced voltage at the tertiary winding 31 can be rectified in step S12.
  • the present invention relates to the transmission of electrical energy by means of a transformer for a three-port voltage converter.
  • an additional winding is provided in particular, which can be included in the energy transfer depending on the operating mode of the voltage transformer or not.

Landscapes

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  • Sustainable Energy (AREA)
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  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Coils Of Transformers For General Uses (AREA)
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Abstract

The present invention relates to the transmission of electric power by means of a transformer for a three-port voltage converter. For this purpose, there is in particular provision for an additional winding that can be included in the power transmission or not, depending on the mode of operation of the voltage converter.

Description

Beschreibung  description
Titel title
Transformator, Spannungswandler und Verfahren zum Übertragen von elektrischer Energie  Transformer, voltage converter and method for transmitting electrical energy
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Transformator, einen Spannungswandler mit einem Transformator sowie ein Verfahren zum Übertragen elektrische Energie mittels eines solchen Transformators. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung die Übertragung elektrischer Energie mittels eines Dreiport-Spannungswandlers. The present invention relates to a transformer, a voltage converter with a transformer and a method for transmitting electrical energy by means of such a transformer. In particular, the present invention relates to the transmission of electrical energy by means of a three-port voltage converter.
Stand der Technik State of the art
Elektro- und Hybridfahrzeuge weisen in der Regel zwei verschiedene Bordnetze auf. In einem Niederspannungsnetz, welches durch einen Akkumulator gepuffert wird, werden in der Regel alle Niederspannungsverbraucher, wie zum Beispiel Bordcomputer, Lichteinheiten und Unterhaltungselektronik versorgt. Darüber hinaus liefert ein Hochspannungsnetz, welches durch einen Hochvolt- Akkumulator gespeist wird, elektrische Energie für den Antrieb. Insbesondere kann die elektrische Energie für das Niederspannungsnetz von der Electric and hybrid vehicles usually have two different electrical systems. In a low-voltage network, which is buffered by an accumulator, all low-voltage consumers, such as on-board computers, lighting units and consumer electronics are usually supplied. In addition, a high-voltage network, which is powered by a high-voltage accumulator, provides electrical energy for the drive. In particular, the electrical energy for the low voltage network of the
Hochspannungsseite bereitgestellt werden. Hierzu können  High voltage side can be provided. You can do this
Gleichspannungswandler eingesetzt werden, welche aus sicherheitstechnischen Gründen eine galvanische Trennung zwischen dem Hochspannungsnetz und dem Niederspannungsnetz aufweisen müssen. DC-DC converter are used, which must have a galvanic isolation between the high-voltage network and the low-voltage network for safety reasons.
Darüber hinaus können die Akkumulatoren eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs über eine externe Spannungsversorgung geladen werden. Auch hierzu ist aus sicherheitstechnischen Gründen eine galvanische Trennung vorzusehen, so dass in der Summe drei voneinander jeweils galvanisch getrennte Spannungssysteme existieren. Die Druckschrift DE 10 2017 222 087 Al offenbart eine Transformatorstruktur für einen Dreiport- Resonanzkonverter zur Übertragung elektrischer Energie zwischen drei Spannungssystemen. Insbesondere ist dabei ein Transformator mit insgesamt fünf Wicklungen vorgesehen. Durch gezieltes Ansteuern der einzelnen Wicklungen kann die Übertragung zwischen den einzelnen In addition, the accumulators of an electric or hybrid vehicle can be charged via an external power supply. For this purpose, too, a galvanic isolation is to be provided for safety reasons, so that there exist in total three mutually galvanically isolated voltage systems. Document DE 10 2017 222 087 A1 discloses a transformer structure for a three-port resonant converter for transmitting electrical energy between three voltage systems. In particular, a transformer with a total of five windings is provided. By selective control of the individual windings, the transmission between the individual
Spannungssystemen gesteuert werden. Voltage systems are controlled.
Offenbarung der Erfindung Disclosure of the invention
Die vorliegende Erfindung schafft einen Transformator mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, einen Dreiport-Spannungswandler mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8 sowie ein Verfahren zur Übertragung von elektrischer Energie mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9. The present invention provides a transformer with the features of claim 1, a three-port voltage converter with the features of claim 8 and a method for transmitting electrical energy with the features of claim 9.
Demgemäß ist vorgesehen: Accordingly, it is provided:
Ein Transformator für einen Dreiport-Spannungswandler mit einem ersten ringförmigen Transformatorkern und einem zweiten ringförmigen A transformer for a three-port voltage converter having a first annular transformer core and a second annular one
Transformatorkern. Der Transformator umfasst darüber hinaus eine ersteTransformer core. The transformer also includes a first one
Primärwicklung, die an dem ersten Transformatorkern angeordnet ist und eine zweite Primärwicklung, die an dem zweiten Transformatorkern angeordnet ist. Weiterhin umfasst der Transformatorkern eine erste Sekundärwicklung, die an dem ersten Transformatorkern angeordnet ist, eine zweite Sekundärwicklung, die an dem zweiten Transformatorkern angeordnet ist sowie eine dritte Primary winding disposed on the first transformer core and a second primary winding disposed on the second transformer core. Furthermore, the transformer core comprises a first secondary winding, which is arranged on the first transformer core, a second secondary winding, which is arranged on the second transformer core, and a third
Sekundärwicklung, die sowohl an dem ersten Transformatorkern wie auch an dem zweiten Transformatorkern angeordnet ist. Schließlich umfasst der Transformator eine Tertiärwicklung, die an dem ersten Transformatorkern und an dem zweiten Transformatorkern angeordnet ist. Die erste Sekundärwicklung, die zweite Sekundärwicklung und die dritte Sekundärwicklung weisen jeweils einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss auf. Insbesondere ist jeweils der erste Anschluss der ersten Sekundärwicklung, der erste Anschluss der zweiten Sekundärwicklung und der erste Anschluss der dritten Sekundärwicklung an einem gemeinsamen Knotenpunkt elektrisch miteinander verbunden. Weiterhin ist vorgesehen: Secondary winding, which is arranged both on the first transformer core as well as on the second transformer core. Finally, the transformer includes a tertiary winding disposed on the first transformer core and on the second transformer core. The first secondary winding, the second secondary winding and the third secondary winding each have a first terminal and a second terminal. In particular, in each case the first terminal of the first secondary winding, the first terminal of the second secondary winding and the first terminal of the third secondary winding are electrically connected to one another at a common node. Furthermore, it is provided:
Ein Dreiport-Spannungswandler mit einem erfindungsgemäßen Transformator, einer ersten Ansteuerschaltung, einer zweiten Ansteuerschaltung und einer Gleichrichterschaltung. Die erste Ansteuerschaltung ist dazu ausgelegt, an der ersten Primärwicklung eine erste Wechselspannung bereitzustellen und an der zweiten Primärwicklung eine zweite Wechselspannung bereitzustellen. Die zweite Ansteuerschaltung ist dazu ausgelegt, eine zwischen dem zweiten Anschluss der ersten Sekundärwicklung und dem zweiten Anschluss der zweiten Sekundärwicklung anliegende elektrische Wechselspannung gleichzurichten. Die zweite Ansteuerschaltung ist ferner dazu ausgelegt, zwischen dem zweiten Anschluss der ersten Sekundärwicklung und dem zweiten Anschluss der dritten Sekundärwicklung eine Wechselspannung bereitzustellen und zwischen dem zweiten Anschluss der zweiten Sekundärwicklung und dem zweiten Anschluss der dritten Sekundärwicklung ebenfalls eine Wechselspannung bereitzustellen.A three-port voltage converter with a transformer according to the invention, a first drive circuit, a second drive circuit and a rectifier circuit. The first drive circuit is designed to provide a first AC voltage to the first primary winding and to provide a second AC voltage to the second primary winding. The second drive circuit is designed to rectify an electrical alternating voltage applied between the second terminal of the first secondary winding and the second terminal of the second secondary winding. The second drive circuit is further configured to provide an AC voltage between the second terminal of the first secondary winding and the second terminal of the third secondary winding and also to provide an AC voltage between the second terminal of the second secondary winding and the second terminal of the third secondary winding.
Die Gleichrichterschaltung ist dazu ausgelegt, eine an der Tertiärwicklung anliegende Wechselspannung gleichzurichten. The rectifier circuit is designed to rectify a voltage applied to the tertiary winding AC voltage.
Schließlich ist vorgesehen: Finally, it is planned:
Ein Verfahren zum Übertragen von elektrischer Energie mittels eines erfindungsgemäßen Transformators. Das Verfahren umfasst einen Schritt zum Bereitstellen einer ersten Wechselspannung zwischen dem zweiten Anschluss der ersten Sekundärwicklung und dem zweiten Anschluss der dritten A method for transmitting electrical energy by means of a transformer according to the invention. The method includes a step of providing a first AC voltage between the second terminal of the first secondary winding and the second terminal of the third one
Sekundärwicklung. Weiterhin umfasst das Verfahren einen Schritt zum Secondary winding. Furthermore, the method comprises a step for
Bereitstellen einer zweiten Wechselspannung zwischen dem zweiten Anschluss der zweiten Sekundärwicklung und dem zweiten Anschluss der dritten  Providing a second AC voltage between the second terminal of the second secondary winding and the second terminal of the third one
Sekundärwicklung. Schließlich umfasst das Verfahren einen Schritt zum Gleichrichten einer an der Tertiärwicklung induzierten elektrischen Secondary winding. Finally, the method includes a step of rectifying an electrical induced at the tertiary winding
Wechselspannung. AC voltage.
Vorteile der Erfindung Advantages of the invention
Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrund, dass die The present invention is based on the knowledge that the
Transformatoren, wie sie in konventionellen Spannungswandlern eingesetzt werden, in der Regel feste Spannungsübertragungsverhältnisse aufweisen.Transformers as used in conventional voltage transformers be, usually have fixed voltage transfer ratios.
Diese Spannungsübertragungsverhältnisse können beispielsweise für einen ausgewählten Betriebsmodus hin optimiert werden. In einem solchen Fall sinkt dabei jedoch die Effizienz bzw. der Wirkungsgrad in den übrigen Betriebsmodi. These voltage transfer ratios can be optimized, for example, for a selected operating mode. In such a case, however, the efficiency or the efficiency drops in the other operating modes.
Es ist daher eine Idee der vorliegenden Erfindung, dieser Erkenntnis Rechnung zu tragen und eine Konfiguration eines Dreiport-Spannungswandlers mit einem Transformator vorzusehen, welche für mehrere Betriebsmodi jeweils optimierte Betriebsbedingungen schaffen kann. It is therefore an idea of the present invention to take this knowledge into account and provide a configuration of a three-port voltage converter with a transformer, which can provide optimized operating conditions for each of several operating modes.
Hierzu ist erfindungsgemäß eine zusätzliche Wicklung vorgesehen, welche je nach gewähltem Betriebsmodus mit in die Energieübertragung einbezogen werden kann oder nicht. Auf diese Weise können für mehrere Betriebsmodi jeweils unterschiedliche Spannungsübertragungsverhältnisse eingestellt werden. Hierdurch kann die Effizienz eines solchen Dreiport-Spannungswandlers gesteigert werden. For this purpose, an additional winding is provided according to the invention, which can be included depending on the selected operating mode in the energy transfer or not. In this way, different voltage transmission ratios can be set in each case for a plurality of operating modes. As a result, the efficiency of such a three-port voltage converter can be increased.
Die erfindungsgemäße Konfiguration der einzelnen Wicklungen eines The configuration of the individual windings of a
Transformators für einen solchen Dreiport-Spannungswandler ermöglicht dabei ein sehr effizientes, Leiterplatten-integriertes Design. Dies ist beispielsweise für industrielle Anwendungen von Vorteil, da aus fertigungstechnischer Sicht eine Integration der induktiven Bauelemente in eine Leiterplatte zu einer erheblichen Kostenreduktion führen kann. Bei den beiden Transformatorkernen des Transformators handelt es sich beispielsweise um ringförmige Transformatorkerne. Als ringförmiger Transformer for such a three-port voltage transformer allows a very efficient, PCB-integrated design. This is advantageous, for example, for industrial applications since, from a production engineering point of view, integration of the inductive components into a printed circuit board can lead to a considerable cost reduction. The two transformer cores of the transformer are, for example, annular transformer cores. As a ring-shaped
Transformatorkern kann dabei beispielsweise eine torroidförmige Transformer core can, for example, a torroidförmige
Transformatorkernstruktur angesehen werden. Ringförmig ist jedoch nicht explizit auf kreisförmig oder gegebenenfalls oval beschränkt. Vielmehr kann als ringförmige Transformatorkernstruktur auch eine geschlossene Struktur aus mehreren gerade verlaufenden Transformatorkernelementen angesehen werden, die beispielsweise eine rechteckförmige oder quadratische Struktur ausbilden. Beispielsweise kann eine solche ringförmige Transformatorkernstruktur aus einem U-förmigen Transformatorkern und einem darüber angeordneten Joch gebildet werden. Darüber hinaus sind als ringförmige Transformatorkerne selbstverständlich auch beliebige andere Transformatorkernstrukturen möglich, welche einen in sich geschlossenen Transformatorkern bilden. Transformer core structure are considered. However, annular is not explicitly limited to circular or possibly oval. Rather, as a ring-shaped transformer core structure, it is also possible to consider a closed structure made up of a plurality of straightly extending transformer core elements which, for example, form a rectangular or square structure. For example, such an annular transformer core structure can be formed from a U-shaped transformer core and a yoke arranged above it. In addition, as annular transformer cores Of course, any other transformer core structures possible, which form a self-contained transformer core.
Gemäß einer Ausführungsform können der erste Transformatorkern und der zweite Transformatorkern einen gemeinsamen Schenkel umfassen. In diesemIn one embodiment, the first transformer core and the second transformer core may include a common leg. In this
Fall kann die dritte Sekundärwicklung und die Tertiärwicklung an diesem gemeinsamen Schenkel angeordnet sein. Insbesondere kann auf diese Weise eine Transformatorkernanordnung realisiert werden, bei der beide Case, the third secondary winding and the tertiary winding may be arranged on this common leg. In particular, a transformer core arrangement can be realized in this way, in which both
Transformatorkerne als gemeinsame Transformatorkernstruktur realisiert werden. Dies ermöglicht eine besonders effiziente und kompakte Transformer cores are realized as a common transformer core structure. This allows a particularly efficient and compact
Transformatoranordnung.  Transformer assembly.
Gemäß einer Ausführungsform können die Windungen der ersten According to one embodiment, the windings of the first
Sekundärwicklung, der zweiten Sekundärwicklung und der dritten Secondary winding, the second secondary winding and the third
Sekundärwicklung komplanar angeordnet sein. Darüber hinaus kann auch dieSecondary winding be arranged komplanar. In addition, the
Tertiärwicklung ebenfalls als komplanare Wicklung angeordnet sein. Unter einer komplanaren Anordnung der Wicklungen ist zu verstehen, dass sich alle Windungen einer Wicklung, beispielsweise alle Windungen der Tertiary winding may also be arranged as a coplanar winding. Under a coplanar arrangement of the windings is to be understood that all turns of a winding, for example, all turns of
Sekundärwicklungen in einer gemeinsamen Ebene befinden. Sind sowohl die Windungen der Sekundärwicklung als auch die Windungen der Tertiärwicklung komplanar angeordnet, so können dabei die Windungen der Sekundärwicklung in einer Ebene parallel zu der Ebene angeordnet sein, in der sich die Windungen der Tertiärwicklung befinden. Insbesondere können hierbei die Windungen der Sekundärwicklung und die Windungen der Tertiärwicklung zumindest annähernd deckungsgleich angeordnet sein. Eine solche komplanare Anordnung ermöglicht eine gesteigerte Effizienz des Transformators. Insbesondere kann durch eine komplanare Anordnung eine homogene Stromverteilung innerhalb der Secondary windings are located in a common plane. If both the turns of the secondary winding and the turns of the tertiary winding are disposed coplanar, then the turns of the secondary winding can be arranged in a plane parallel to the plane in which the turns of the tertiary winding are located. In particular, in this case, the turns of the secondary winding and the turns of the tertiary winding can be arranged at least approximately congruent. Such a coplanar arrangement allows for increased efficiency of the transformer. In particular, by a coplanar arrangement, a homogeneous current distribution within the
Wicklungen erreicht werden, was somit auch zu geringeren Leitungsverlusten führt. Windings are achieved, which thus also leads to lower line losses.
Gemäß einer Ausführungsform sind die komplanar angeordneten Windungen auf einem Leiterplattensubstrat angeordnet. Insbesondere kann der Transformator ein Leiterplattensubstrat umfassen, welches zwei gegenüberliegende Seiten aufweist. Auf einer dieser Seiten können beispielsweise die Windungen der ersten Sekundärwicklung, der zweiten Sekundärwicklung und der dritten Sekundärwicklung angeordnet sein. Ferner können die Wicklungen der In one embodiment, the coplanar windings are disposed on a printed circuit board substrate. In particular, the transformer may comprise a printed circuit board substrate having two opposite sides. On one of these pages, for example, the turns of the first secondary winding, the second secondary winding and the third Be arranged secondary winding. Furthermore, the windings of the
Tertiärwicklung auf der anderen, das heißt der gegenüberliegenden Seite des Leiterplattensubstrats angeordnet sein. Die Windungen der jeweiligen Tertiärwicklung on the other, that is, the opposite side of the printed circuit board substrate to be arranged. The turns of each
Wicklungen können beispielsweise als eine gedruckte Leiterbahnstruktur ausgeführt sein. Windings may for example be designed as a printed circuit trace structure.
Gemäß einer Ausführungsform sind die Windungen der ersten Primärwicklung und der zweiten Primärwicklung komplanar angeordnet. Insbesondere können auch die Windungen der ersten und zweiten Primärwicklung auf einem According to one embodiment, the turns of the first primary winding and the second primary winding are arranged coplanar. In particular, the turns of the first and second primary windings on a
Leiterplattensubstrat angeordnet sein. In diesem Fall können auch die PCB substrate to be arranged. In this case also the
Windungen der ersten und zweiten Primärwicklung als gedruckte Leiterbahnen auf einem Leiterplattensubstrat ausgeführt sein. Beispielsweise können die komplanaren Windungen der Primärwicklung, der Sekundärwicklung und der Tertiärwicklung zumindest annähernd deckungsgleich in verschiedenen Ebenen angeordnet sein.  Windings of the first and second primary windings are designed as printed circuit traces on a printed circuit board substrate. For example, the coplanar windings of the primary winding, the secondary winding and the tertiary winding can be arranged at least approximately congruent in different planes.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Tertiärwicklung genau eine Windung. Auf diese Weise ist eine minimale Anzahl von Windungen sowohl für die Tertiärwicklung als auch damit korrespondierend für die Primär- und According to one embodiment, the tertiary winding comprises exactly one turn. In this way, a minimum number of turns for both the tertiary winding and thus corresponding to the primary and
Sekundärwicklungen möglich. Secondary windings possible.
Gemäß einer Ausführungsform umfassen der erste Transformatorkern und/oder der zweite Transformatorkern mindestens einen diskreten Luftspalt. According to one embodiment, the first transformer core and / or the second transformer core comprise at least one discrete air gap.
Insbesondere kann auch ein Transformatorkern, der die Kombination des ersten und zweiten Transformatorkerns darstellt, einen diskreten Luftspalt aufweisen. In particular, a transformer core, which represents the combination of the first and second transformer core, may also have a discrete air gap.
Alternativ ist es auch möglich, den ersten und/oder zweiten Transformatorkern bzw. eine Kombination aus erstem und zweitem Transformatorkern aus einem Material mit ferromagnetischen Pulverteilchen zu realisieren. Derartige Alternatively, it is also possible to realize the first and / or second transformer core or a combination of first and second transformer core made of a material with ferromagnetic powder particles. such
Transformatorkerne mit ferromagnetischen Pulverteilchen werden auch als „Pulverkerne“ oder als Kerne mit einem verteilten Luftspalt bezeichnet. Hierdurch ist es beispielsweise möglich, den magnetischen Fluss in den jeweiligen Transformatorkernen zu beeinflussen. Ferromagnetic powder particle transformer cores are also referred to as "powder cores" or cores with a distributed air gap. This makes it possible, for example, to influence the magnetic flux in the respective transformer cores.
Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, soweit sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich den The above embodiments and developments can, as far as appropriate, combine arbitrarily. Further refinements, developments and implementations of the invention also include not explicitly mentioned combinations of before or hereinafter with respect to
Ausführungsbeispielen beschriebenen Merkmalen der Erfindung. Insbesondere wird der Fachmann dabei auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu den jeweiligen Grundformen der Erfindung hinzufügen. Embodiments described features of the invention. In particular, the person skilled in the art will also add individual aspects as improvements or additions to the respective basic forms of the invention.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Brief description of the drawings
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnungen angeführten Ausführungsformen näher erläutert. The present invention will be explained in more detail with reference to the embodiments given in the schematic figures of the drawings.
Dabei zeigen:  Showing:
Figur 1: eine schematische Darstellung eines Transformators für einen Figure 1: a schematic representation of a transformer for a
Dreiport-Spannungswandler gemäß einer Ausführungsform;  Three-port voltage converter according to an embodiment;
Figur 2: eine schematische Darstellung eines Dreiport-Spannungswandlers mit einem Transformators gemäß einer Ausführungsform; FIG. 2 shows a schematic representation of a three-port voltage converter with a transformer according to an embodiment;
Figur 3: eine schematische Darstellung eines Dreiport-Spannungswandlers mit einem Transformators gemäß einer weiteren Ausführungsform; FIG. 3 shows a schematic representation of a three-port voltage converter with a transformer according to a further embodiment;
Figur 4: eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch einen Figure 4: a schematic representation of a cross section through a
Dreiport-Spannungswandler gemäß einer Ausführungsform; Figur 5: eine schematische Darstellung einer Draufsicht auf eine  Three-port voltage converter according to an embodiment; Figure 5: a schematic representation of a plan view of a
komplanare Anordnung der Sekundärwicklungen eines Transformators gemäß einer Ausführungsform; und  coplanar arrangement of the secondary windings of a transformer according to an embodiment; and
Figur 6: eine schematische Darstellung eines Ablaufdiagramms, wie es einem Verfahren zur Übertragung von elektrischer Energie gemäß einer Ausführungsform zugrunde liegt. FIG. 6 shows a schematic representation of a flow diagram on which a method for the transmission of electrical energy according to an embodiment is based.
Beschreibung von Ausführungsformen In der folgenden Beschreibung bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder gleichartige Elemente. Description of embodiments In the following description, like reference characters designate like or similar elements.
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Transformators 1, wie er beispielsweise einem Dreiport-Spannungswandler gemäß einer Ausführungsform zugrunde liegt. Der Transformator 1 umfasst einen ersten Transformatorkern 41 und einen zweiten Transformatorkern 42. Bei den beiden Transformatorkernen 41 und 42 handelt es sich beispielsweise um ringförmige Transformatorkernen. Als ringförmiger Transformatorkern kann dabei beispielsweise eine torroidförmige Transformatorkernstruktur angesehen werden. Ringförmig ist jedoch nicht explizit auf kreisförmig oder gegebenenfalls oval beschränkt. Vielmehr kann als ringförmige Transformatorkernstruktur auch eine geschlossene Struktur aus mehreren gerade verlaufenden Transformatorkernelementen angesehen werden, die beispielsweise eine rechteckförmige oder quadratische Struktur ausbilden. Beispielsweise kann eine solche ringförmige Transformatorkernstruktur aus einem U-förmigen Transformatorkern und einem darüber angeordneten Joch gebildet werden. Darüber hinaus sind als ringförmige Transformatorkerne selbstverständlich auch beliebige andere Transformatorkernstrukturen möglich, welche einen in sich geschlossenen Transformatorkern bilden. Figure 1 shows a schematic representation of a transformer 1, as it is based, for example, a three-port voltage converter according to one embodiment. The transformer 1 comprises a first transformer core 41 and a second transformer core 42. The two transformer cores 41 and 42 are, for example, annular transformer cores. In this case, a torroid-shaped transformer core structure can be regarded as an annular transformer core, for example. However, annular is not explicitly limited to circular or possibly oval. Rather, as a ring-shaped transformer core structure, it is also possible to consider a closed structure made up of a plurality of straightly extending transformer core elements which, for example, form a rectangular or square structure. For example, such an annular transformer core structure can be formed from a U-shaped transformer core and a yoke arranged above it. In addition, of course any other transformer core structures are possible as annular transformer cores, which form a self-contained transformer core.
Die ringförmigen Transformatorkerne 41 und 42 können gegebenenfalls einen oder mehrere diskrete Luftspalte aufweisen. Beispielsweise können zwischen einem Schenkel und einem Joch eines Transformatorkerns 41, 42 ein oder auch mehrere Luftspalte vorgesehen sein. Darüber hinaus können die The annular transformer cores 41 and 42 may optionally have one or more discrete air gaps. For example, one or more air gaps may be provided between a leg and a yoke of a transformer core 41, 42. In addition, the
Transformatorkerne 41 und 42 auch ferromagnetische Pulverteilchen umfassen.Transformer cores 41 and 42 also include ferromagnetic powder particles.
Transformatorkerne mit ferromagnetischen Pulverteilchen werden auch als sogenannte Pulverkerne oder als Kerne mit einem verteilten Luftspalt bezeichnet. Hierdurch ist es beispielsweise möglich, den magnetischen Fluss in den jeweiligen Transformatorkernen 41, 42 zu beeinflussen. Transformer cores with ferromagnetic powder particles are also referred to as so-called powder cores or as cores with a distributed air gap. This makes it possible, for example, to influence the magnetic flux in the respective transformer cores 41, 42.
Der Transformator 1 umfasst sechs Wicklungen 11, 12, 21, 22, 23, 31. Die erste Primärwicklung 11 und die zweite Primärwicklung 12 sind einem ersten The transformer 1 comprises six windings 11, 12, 21, 22, 23, 31. The first primary winding 11 and the second primary winding 12 are a first
Spannungssystem zugeordnet. Die erste Sekundärwicklung 21 und die zweite Sekundärwicklung 22 sowie die dritte Sekundärwicklung 23 sind einem zweiten Spannungssystem zugeordnet. Die Tertiärwicklung 31 ist einem dritten Spannungssystem zugeordnet. Die erste Primärwicklung 11 ist an einem ersten Transformatorkern 41 angeordnet, das heißt die erste Primärwicklung 11 ist an einem vorbestimmten Bereich um den ersten Transformatorkern 41 herum gewickelt. Die zweite Primärwicklung 12 ist an dem zweiten Transformatorkern 42 angeordnet. Die erste Primärwicklung 11 und die zweite Primärwicklung 12 können dabei gleich oder zumindest annähernd gleich ausgebildet sein. Assigned voltage system. The first secondary winding 21 and the second secondary winding 22 and the third secondary winding 23 are associated with a second voltage system. The tertiary winding 31 is a third one Assigned voltage system. The first primary winding 11 is disposed on a first transformer core 41, that is, the first primary winding 11 is wound around the first transformer core 41 at a predetermined area. The second primary winding 12 is arranged on the second transformer core 42. The first primary winding 11 and the second primary winding 12 may be the same or at least approximately the same.
Die erste Sekundärwicklung 21 ist an dem ersten Transformatorkem 41 angeordnet, und die zweite Sekundärwicklung 22 ist an dem zweiten The first secondary winding 21 is disposed on the first transformer core 41, and the second secondary winding 22 is on the second
Transformatorkern 42 angeordnet. Die erste Sekundärwicklung 21 und die zweiteTransformer core 42 arranged. The first secondary winding 21 and the second
Sekundärwicklung 22 können zumindest annähernd gleich ausgebildet sein und insbesondere eine gleiche Anzahl von Windungen aufweisen. Weiterhin ist eine dritte Sekundärwicklung 23 vorgesehen, welche sowohl an dem ersten Secondary winding 22 may be formed at least approximately the same and in particular have an equal number of turns. Furthermore, a third secondary winding 23 is provided which is connected both to the first
Transformatorkern 41 als auch an dem zweiten Transformatorkern 42 angeordnet ist. Mit anderen Worten, die dritte Sekundärwicklung 23 umschließt jeweils an einem vorbestimmten Bereich sowohl den ersten Transformatorkern 41 als auch den zweiten Transformatorkern 42. Die erste Sekundärwicklung 21, die zweite Sekundärwicklung 22 und die dritte Sekundärwicklung 23 weisen jeweils einen ersten Anschluss 211, 221, 231 auf, die an einem Knotenpunkt K elektrisch miteinander verbunden sind. Darüber hinaus weisen die ersteTransformer core 41 and on the second transformer core 42 is arranged. In other words, the third secondary winding 23 encloses both the first transformer core 41 and the second transformer core 42 at a predetermined area. The first secondary winding 21, the second secondary winding 22, and the third secondary winding 23 each have a first terminal 211, 221, 231 on, which are electrically connected to each other at a node K. In addition, the first
Sekundärwicklung 21, die zweite Sekundärwicklung 22 und die dritte Secondary winding 21, the second secondary winding 22 and the third
Sekundärwicklung 23 jeweils einen zweiten Anschluss 212, 222 und 232 auf. Secondary winding 23 each have a second terminal 212, 222 and 232.
Weiterhin umfasst der Transformator 1 eine Tertiärwicklung 31, welche - analog zu der dritten Sekundärwicklung 23 - sowohl an dem ersten TransformatorkernFurthermore, the transformer 1 comprises a tertiary winding 31, which - analogous to the third secondary winding 23 - both on the first transformer core
41 als auch an dem zweiten Transformatorkern 42 angeordnet ist. Auf diese Weise kann in der Tertiärwicklung 31 eine elektrische Spannung induziert werden, welche zu der Summe der magnetischen Flüsse in den beiden 41 as well as on the second transformer core 42 is arranged. In this way, in the tertiary winding 31, an electrical voltage can be induced, which is the sum of the magnetic fluxes in the two
Transformatorkernen 41 und 42 korrespondiert. Transformer cores 41 and 42 corresponds.
Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Dreiport-Spannungswandlers mit einem Transformator 1 gemäß einer Ausführungsform. Der Transformator 1 in dieser Ausführungsform entspricht weitestgehend dem Transformator 1 aus Figur 1. Daher gelten die im Zusammenhang mit Figur 1 gemachten Figure 2 shows a schematic representation of a three-port voltage converter with a transformer 1 according to one embodiment. The transformer 1 in this embodiment corresponds largely to the transformer 1 of Figure 1. Therefore, the made in connection with Figure 1 apply
Ausführungsformen auch für den Transformator 1 in Figur 2. Der Transformator 1 in Figur 2 unterscheidet sich von dem zuvor beschriebenen Transformator in Figur 1 lediglich darin, dass der erste Transformatorkern 41 und der zweite Transformatorkern 42 durch einen gemeinsamen Transformatorkern gebildet werden. Insbesondere sind die beiden Schenkel des ersten Transformatorkerns 41 und des zweiten Transformatorkerns 42, welche von der dritten Embodiments also for the transformer 1 in Figure 2. The transformer 1 FIG. 2 differs from the previously described transformer in FIG. 1 only in that the first transformer core 41 and the second transformer core 42 are formed by a common transformer core. In particular, the two legs of the first transformer core 41 and the second transformer core 42, which of the third
Sekundärwicklung 23 und der Tertiärwicklung 31 umschlossen werden, zu einem einzelnen Schenkel 40 zusammengefasst. Ein solcher Transformatorkern kann beispielsweise durch eine E-förmige Struktur mit einem darüber angeordneten gerade verlaufenden Joch gebildet werden. Jedoch sind auch andere  Secondary winding 23 and the tertiary winding 31 are enclosed, combined into a single leg 40. Such a transformer core can be formed, for example, by an E-shaped structure with a yoke arranged above it. But there are others too
Möglichkeiten zur Bildung eines kombinierten Transformatorkerns gemäß Figur 2 möglich. Possibilities for forming a combined transformer core according to Figure 2 possible.
Zur elektrischen Energieübertragung von den Primärwicklungen 11, 12 zu den Sekundärwicklungen 21, 22 und gegebenenfalls zur Tertiärwicklung 31 kann eine erste Ansteuerschaltung 10 an der ersten Primärwicklung 11 eine erste For electrical energy transmission from the primary windings 11, 12 to the secondary windings 21, 22 and optionally to the tertiary winding 31, a first drive circuit 10 to the first primary winding 11, a first
Wechselspannung Ul bereitstellen, und an der zweiten Primärwicklung 12 eine zweite Wechselspannung U2 bereitstellen. Hierdurch werden in dem ersten Transformatorkern 41 und dem zweiten Transformator ern 42 magnetische Flüsse hervorgerufen, welche in der ersten Sekundärwicklung 21 und der zweiten Sekundärwicklung 22 eine elektrische Spannung induzieren. Somit kann eine zweite Ansteuerschaltung 20 die Summe dieser beiden induzierten Spannungen, das heißt die elektrische Spannung zwischen dem zweiten Anschluss 212 der ersten Sekundärwicklung 21 und dem zweiten Anschluss 222 der zweiten Sekundärwicklung 22 gleichrichten. Die gleichgerichtete Spannung kann beispielsweise zum Aufladen eines elektrischen Energiespeichers wie zum Provide AC voltage Ul, and provide a second AC voltage U2 to the second primary winding 12. As a result, 42 magnetic fluxes are caused in the first transformer core 41 and the second transformer, which induce an electrical voltage in the first secondary winding 21 and the second secondary winding 22. Thus, a second drive circuit 20 can rectify the sum of these two induced voltages, that is, the electrical voltage between the second terminal 212 of the first secondary winding 21 and the second terminal 222 of the second secondary winding 22. The rectified voltage, for example, to charge an electrical energy storage such as
Beispiel der Traktionsbatterie eines Elektrofahrzeugs verwendet werden. Example of the traction battery of an electric vehicle can be used.
Unterscheidet sich der durch die erste Primärwicklung 11 hervorgerufene magnetische Fluss von dem magnetischen Fluss, der durch die zweite The magnetic flux caused by the first primary winding 11 differs from the magnetic flux passing through the second
Primärwicklung 12 hervorgerufen wird, so wird auch in der Tertiärwicklung 31 eine elektrische Spannung induziert, die von einer angeschlossenen Primary winding 12 is caused, so also in the tertiary winding 31, an electrical voltage is induced by a connected
Gleichrichterschaltung 30 gleichgerichtet werden kann. Diese Spannung kann beispielsweise zum Aufladen eines elektrischen Energiespeichers, wie zum Beispiel dem Energiespeicher eines Niedervolt-Bordnetzes eines Fahrzeuges verwendet werden. Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Transformators 1 für einen Dreiport-Spannungswandler in einem weiteren Betriebsmodus. Der Rectifier circuit 30 can be rectified. This voltage can be used for example for charging an electrical energy storage, such as the energy storage of a low-voltage electrical system of a vehicle. FIG. 3 shows a schematic representation of a transformer 1 for a three-port voltage converter in a further operating mode. Of the
Transformatorkern 1 gemäß Figur 3 ist weitestgehend identisch mit dem zuvor beschriebenen Transformatorkern aus Figur 2. Daher gelten auch für den Transformatorkern gemäß Figur 3 sämtliche zuvor gemachte Ausführungen ln dem Betriebsmodus gemäß Figur 3 kann die zweite Ansteuerschaltung 20 zwischen dem zweiten Anschluss 212 der ersten Sekundärwicklung 21 und dem zweiten Anschlusst 232 der dritten Sekundärwicklung 23 eine elektrische Wechselspannung U3 anlegen. Ferner kann die zweite Ansteuerschaltung 20 zwischen dem zweiten Anschluss 222 der zweiten Sekundärwicklung 22 und dem zweiten Anschluss 232 der dritten Sekundärwicklung 23 eine elektrische Wechselspannung U4 anlegen. Insbesondere können die beiden angelegten Wechselspannungen U3 und U4 gleich oder zumindest annähernd gleich sein. Flierdurch werden magnetische Flüsse in den Transformatorkernen 41, 42 hervorgerufen, die in der Tertiärwicklung 31 eine elektrische Wechselspannung induzieren. Diese induzierte Wechselspannung kann von der The transformer core 1 according to FIG. 3 is largely identical to the previously described transformer core from FIG. 2. For the transformer core according to FIG. 3, all previous embodiments apply. In the operating mode according to FIG. 3, the second drive circuit 20 can be connected between the second terminal 212 of the first secondary winding 21 and the second terminal 232 of the third secondary winding 23 apply an alternating electrical voltage U3. Furthermore, the second drive circuit 20 can apply an alternating electrical voltage U4 between the second terminal 222 of the second secondary winding 22 and the second terminal 232 of the third secondary winding 23. In particular, the two applied alternating voltages U3 and U4 can be the same or at least approximately the same. Flierdurch are caused magnetic fluxes in the transformer cores 41, 42, which induce an alternating electrical voltage in the tertiary winding 31. This induced AC voltage can be from the
Gleichrichterschaltung 30 gleichgerichtet werden. Rectifier circuit 30 are rectified.
Die Wicklungen der ersten und zweiten Primärwicklung 11, 12, der ersten, zweiten und dritten Sekundärwicklung 21, 22, 23 sowie die Wicklung derThe windings of the first and second primary windings 11, 12, the first, second and third secondary windings 21, 22, 23 and the winding of
Tertiärwicklung 31 können beispielsweise jeweils komplanar ausgeführt sein. Tertiärwicklung 31, for example, each be executed coplanar.
Figur 4 zeigt eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch einen Transformator 1 gemäß einer Ausführungsform. Wie hieraus zu erkennen ist, können die Windungen der ersten Primärwicklung 11 und die Windungen der zweiten Primärwicklung 12 in einer ersten Ebene angeordnet werden. Figure 4 shows a schematic representation of a cross section through a transformer 1 according to one embodiment. As can be seen, the turns of the first primary winding 11 and the windings of the second primary winding 12 can be arranged in a first plane.
Beispielsweise können die Windungen der ersten und zweiten Primärwicklung 11, 12 als gedruckte Leiterbahnen auf einem Leiterplattensubstrat 51 angeordnet sein. Analog können auch die Windungen der ersten, zweiten und dritten Sekundärwicklung 21, 22, 23 in einer Ebene angeordnet sein. Auch dieseFor example, the turns of the first and second primary windings 11, 12 may be arranged as printed conductor tracks on a printed circuit board substrate 51. Similarly, the turns of the first, second and third secondary windings 21, 22, 23 may be arranged in a plane. These too
Windungen können als gedruckte Leiterbahnen auf einem Leiterplattensubstrat realisiert werden. Beispielsweise können die Windungen der ersten, zweiten und dritten Sekundärwicklung 21, 22, 23 auf einem weiteren Leiterplattensubstrat 52 angeordnet sein. Alternativ ist es auch möglich, dass die Windungen der ersten und zweiten Primärwicklung 11, 12 und die Windungen der ersten, zweiten und dritten Sekundärwicklung 21, 22, 23 auf gegenüberliegenden Seiten eines gemeinsamen Leiterplattensubstrats angeordnet sind. Windings can be realized as printed conductors on a printed circuit board substrate. For example, the windings of the first, second and third secondary windings 21, 22, 23 may be arranged on a further printed circuit board substrate 52. Alternatively, it is also possible that the turns of the first and second primary windings 11, 12 and the windings of the first, second and third secondary winding 21, 22, 23 are arranged on opposite sides of a common printed circuit board substrate.
Ferner können auch die Windungen der Tertiärwicklung 31 komplanar ausgeführt sein. Auch diese Windungen der Tertiärwicklung 31 können als gedruckteFurthermore, the windings of the tertiary winding 31 can also be designed coplanar. These turns of the tertiary winding 31 can also be printed
Leiterbahnen auf einem Leiterplattensubstrat angeordnet sein. Beispielsweise kann die Tertiärwicklung 31 zwischen zwei Leiterplattensubstraten 51, 52 angeordnet sein, auf denen die Primär- bzw. Sekundärwicklungen angeordnet sind. Selbstverständlich ist auch eine beliebige andere Reihenfolge für die Primär-, Sekundär- und Tertiärwicklungen möglich. Conductor tracks may be arranged on a printed circuit board substrate. For example, the tertiary winding 31 can be arranged between two printed circuit board substrates 51, 52, on which the primary and secondary windings are arranged. Of course, any other order for the primary, secondary and tertiary windings is possible.
Figur 5 zeigt eine schematische Darstellung einer Draufsicht auf eine komplanare Leiterbahnstruktur für die erste, zweite und dritte Sekundärwicklung 21, 22, 23. Die erste Sekundärwicklung 21 umschließt dabei einen äußeren Schenkel des ersten Transformatorkerns 41. Analog umschließt die zweite Sekundärwicklung5 shows a schematic representation of a plan view of a coplanar conductor track structure for the first, second and third secondary windings 21, 22, 23. The first secondary winding 21 encloses an outer leg of the first transformer core 41. Analogously, the second secondary winding encloses
22 einen äußeren Schenkel des zweiten Transformatorkerns 42. Die dritte Sekundärwicklung 23 umschließt einen mittleren Schenkel 40, der sowohl dem ersten als auch dem zweiten Transformatorkern 41, 42 zugeordnet ist. Unterhalb der komplanaren Anordnung der Sekundärwicklungen kann beispielsweise die Tertiärwicklung 31 angeordnet sein. Dies ist in Figur 5 jedoch nicht dargestellt. In einer Ausführungsform kann die Tertiärwicklung 31 dabei zumindest annähernd deckungsgleich mit den Ausdehnungen der 22 an outer leg of the second transformer core 42. The third secondary winding 23 encloses a middle leg 40 which is associated with both the first and the second transformer core 41, 42. Below the coplanar arrangement of the secondary windings, for example, the tertiary winding 31 may be arranged. However, this is not shown in FIG. In one embodiment, the tertiary winding 31 can be at least approximately congruent with the dimensions of the
Sekundärwicklungen, insbesondere der dritten Sekundärwicklung 23 ausgeführt sein. Secondary windings, in particular the third secondary winding 23 to be executed.
Figur 6 zeigt eine schematische Darstellung eines Ablaufdiagramms, wie es einem Verfahren zum Übertragen elektrischer Energie mittels eines zuvor beschriebenen Transformators 1 ausgeführt werden kann. In einem Schritt S10 kann eine erste Wechselspannung U3 zwischen einem zweiten Anschluss 212 der ersten Sekundärwicklung 21 und einem zweiten Anschluss 232 der dritten Sekundärwicklung bereitgestellt werden. Gleichzeitig kann in Schritt Sil zwischen einem zweiten Anschluss 222 der zweiten Sekundärwicklung 22 und einem zweiten Anschluss 232 der dritten Sekundärwicklung 23 eine zweite Wechselspannung U4 bereitgestellt werden. Eine sich hierauf einstellende induzierte elektrische Spannung an der Tertiärwicklung 31 kann in Schritt S12 gleichgerichtet werden. FIG. 6 shows a schematic representation of a flowchart as it can be carried out for a method for transmitting electrical energy by means of a previously described transformer 1. In a step S10, a first AC voltage U3 may be provided between a second terminal 212 of the first secondary winding 21 and a second terminal 232 of the third secondary winding. At the same time, a second alternating voltage U4 can be provided in step Sil between a second terminal 222 of the second secondary winding 22 and a second terminal 232 of the third secondary winding 23. An adjoining one induced voltage at the tertiary winding 31 can be rectified in step S12.
Zusam menfassend betrifft die vorliegende Erfindung die Übertragung elektrischer Energie mittels eines Transformators für einen Dreiport-Spannungswandler.To summarize, the present invention relates to the transmission of electrical energy by means of a transformer for a three-port voltage converter.
Hierzu ist insbesondere eine zusätzliche Wicklung vorgesehen, welche je nach Betriebsmodus des Spannungswandlers mit in die Energieübertragung einbezogen werden kann oder nicht. For this purpose, an additional winding is provided in particular, which can be included in the energy transfer depending on the operating mode of the voltage transformer or not.

Claims

Ansprüche claims
1. Transformator (1) für einen Dreiport-Spannungswandler, mit: einem ersten ringförmigen Transformatorkern (41); einem zweiten ringförmigen Transformatorkern (42); einer ersten Primärwicklung (11), die an dem ersten TransformatorkernA transformer (1) for a three-port voltage converter, comprising: a first annular transformer core (41); a second annular transformer core (42); a first primary winding (11) attached to the first transformer core
(41) angeordnet ist; einer zweiten Primärwicklung (12), die an dem zweiten Transformatorkern(41) is arranged; a second primary winding (12) attached to the second transformer core
(42) angeordnet ist; einer ersten Sekundärwicklung (21), die an dem ersten Transformatorkern (41) angeordnet ist, und die einen ersten Anschluss (211) und einen zweiten Anschluss (212) umfasst; einer zweiten Sekundärwicklung (22), die an dem zweiten (42) is arranged; a first secondary winding (21) disposed on the first transformer core (41) and including a first terminal (211) and a second terminal (212); a second secondary winding (22) connected to the second
Transformatorkern (42) angeordnet ist, und die einen ersten Anschluss (221) und einen zweiten Anschluss (222) umfasst; einer dritten Sekundärwicklung (23), die an dem ersten Transformatorkern (41) und dem zweiten Transformatorkern (42) angeordnet ist, und die einen ersten Anschluss (231) und einen zweiten Anschluss (232) umfasst; und einer Tertiärwicklung (31), die an dem ersten Transformatorkern (41) und dem zweiten Transformatorkern (42) angeordnet ist, wobei jeweils der erste Anschluss (211) der ersten Sekundärwicklung (21), der erste Anschluss (221) der zweiten Sekundärwicklung (22) und der erste Anschluss (231) der dritten Sekundärwicklung (23) an einem gemeinsamen Knotenpunkt (K) elektrisch miteinander verbunden sind. Transformer core (42) is arranged, and which comprises a first terminal (221) and a second terminal (222); a third secondary winding (23) disposed on the first transformer core (41) and the second transformer core (42) and including a first terminal (231) and a second terminal (232); and a tertiary winding (31) which is arranged on the first transformer core (41) and the second transformer core (42), wherein in each case the first terminal (211) of the first secondary winding (21), the first terminal (221) of the second secondary winding ( 22) and the first Terminal (231) of the third secondary winding (23) at a common node (K) are electrically connected together.
2. Transformator (1) nach Anspruch 1, wobei der erste Transformatorkern (41) und der zwei Transformatorkern (42) einen gemeinsamen Schenkel2. Transformer (1) according to claim 1, wherein the first transformer core (41) and the two transformer core (42) has a common leg
(40) umfassen, an dem die dritte Sekundärwicklung (23) und die (40) on which the third secondary winding (23) and the
Tertiärwicklung (31) angeordnet sind.  Tertiary winding (31) are arranged.
3. Transformator (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Windungen der ersten Sekundärwicklung (21), der zweiten Sekundärwicklung (22) und der dritten Sekundärwicklung (23) komplanar angeordnet sind, und wobei die Tertiärwicklung (31) als eine komplanare Wicklung angeordnet ist. The transformer (1) according to claim 1 or 2, wherein the turns of the first secondary winding (21), the second secondary winding (22) and the third secondary winding (23) are arranged coplanar, and wherein the tertiary winding (31) is a coplanar winding is arranged.
4. Transformator (1) nach Anspruch 3, mit einem Leiterplattensubstrat (52), wobei die Windungen der ersten Sekundärwicklung (21), der zweiten4. Transformer (1) according to claim 3, comprising a printed circuit board substrate (52), wherein the turns of the first secondary winding (21), the second
Sekundärwicklung (22) und der dritten Sekundärwicklung (23) auf einer ersten Seite des Leiterplattensubstrats (52) angeordnet sind, und die Tertiärwicklung (31) auf einer zweiten Seite des Leiterplattensubstrat (52) angeordnet ist, die der ersten Seite des Leiterplattensubstrats (52) gegenüber liegt. The secondary winding (22) and the third secondary winding (23) are arranged on a first side of the printed circuit board substrate (52), and the tertiary winding (31) is arranged on a second side of the printed circuit substrate (52) that corresponds to the first side of the printed circuit board substrate (52). is opposite.
5. Transformator (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Windungen der ersten Primärwicklung (11) und der zweiten Primärwicklung (12) komplanar angeordnet sind. 5. Transformer (1) according to one of claims 1 to 4, wherein the windings of the first primary winding (11) and the second primary winding (12) are arranged komplanar.
6. Transformator (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die 6. Transformer (1) according to one of claims 1 to 5, wherein the
Tertiärwicklung (31) eine Windung umfasst.  Tertiary winding (31) comprises a winding.
7. Transformator (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der erste Transformatorkern (41) und/oder der zweite Transformatorkern (42) mindestens einen diskreten Luftspalt umfassen, oder als 7. The transformer according to claim 1, wherein the first transformer core and / or the second transformer core comprise at least one discrete air gap, or as
Transformatorkerne mit einem verteilten Luftspalt ausgeführt sind.  Transformer cores are designed with a distributed air gap.
8. Dreiport-Spannungswandler, mit: einem Transformator (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 7; einer ersten Ansteuerschaltung (10), die dazu ausgelegt ist, an der ersten Primärwicklung (11) eine erste Wechselspannung (Ul) bereitzustellen und an der zweiten Primärwicklung (12) eine zweite Wechselspannung (U2) bereitzustellen; einer zweiten Ansteuerschaltung (20), die dazu ausgelegt ist, eine zwischen dem zweiten Anschluss (212) der ersten Sekundärwicklung (21) und dem zweiten Anschluss (222) der an der zweiten Sekundärwicklung (22) anliegende Wechselspannung gleichzurichten, oder zwischen dem zweiten Anschluss (212) der ersten Sekundärwicklung (21) und dem zweiten Anschluss (232) der dritten Sekundärwicklung (23) eine 8. Three-port voltage transformer, with: a transformer (1) according to one of the preceding claims 1 to 7; a first drive circuit (10) which is designed to provide a first AC voltage (U1) to the first primary winding (11) and to provide a second AC voltage (U2) to the second primary winding (12); a second drive circuit (20) configured to rectify an AC voltage applied between the second terminal (212) of the first secondary winding (21) and the second terminal (222) of the second secondary winding (22) or between the second terminal (212) of the first secondary winding (21) and the second terminal (232) of the third secondary winding (23)
Wechselspannung (U3) bereitzustellen und zwischen dem zweiten Anschluss (222) der zweiten Sekundärwicklung (22) und dem zweiten Anschluss (232) der dritten Sekundärwicklung (23) eine weitere  AC voltage (U3) and between the second terminal (222) of the second secondary winding (22) and the second terminal (232) of the third secondary winding (23) another
Wechselspannung (U4) bereitzustellen; und einer Gleichrichterschaltung (30), die dazu ausgelegt ist, eine an der Tertiärwicklung (31) anliegende Wechselspannung gleichzurichten.  To provide AC voltage (U4); and a rectifier circuit (30) configured to rectify an AC voltage applied to the tertiary winding (31).
9. Verfahren zum Übertragen von elektrischer Energie mit einem 9. A method for transmitting electrical energy with a
Transformator (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, mit den Schritten:  Transformer (1) according to one of claims 1 to 7, comprising the steps:
Bereitstellen (S10) einer ersten Wechselspannung (U3) zwischen dem zweiten Anschluss (212) der ersten Sekundärwicklung (21) und dem zweiten Anschluss (232) der dritten Sekundärwicklung (23); Providing (S10) a first AC voltage (U3) between the second terminal (212) of the first secondary winding (21) and the second terminal (232) of the third secondary winding (23);
Bereitstellen (Sil) einer zweiten Wechselspannung (U4) zwischen dem zweiten Anschluss (222) der zweiten Sekundärwicklung (22) und dem zweiten Anschluss (232) der dritten Sekundärwicklung (23); und Providing (Sil) a second AC voltage (U4) between the second terminal (222) of the second secondary winding (22) and the second terminal (232) of the third secondary winding (23); and
Gleichrichten (S12) einer in der Tertiärwicklung (31) induzierten elektrischen Wechselspannung. Rectifying (S12) an alternating electrical voltage induced in the tertiary winding (31).
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