本發(fā)明涉及共振電路，特別是用于磁組件、共振電路、電氣轉(zhuǎn)換器及其電氣系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

作為“電力電子學、電氣驅(qū)動、自動化及運動(2008)(speedam2008)(powerelectronics，electricaldrives，automationandmotion，2008.speedam2008)”會議的一部分，由德·西蒙等人于2008年發(fā)表的文章“l(fā)lc共振轉(zhuǎn)換器中的磁集成設計指南(designguidelineformagneticintegrationinllcresonantconverters)”闡述一種磁組件，所述磁組件包括：

-磁芯，包括第一分支、第二分支、及第三分支，所述第一分支、第二分支、及第三分支在其兩端處交匯于一起且各自具有磁阻(reluctance)，

-第一線圈及第二線圈，圍繞所述第一分支纏繞以彼此耦合。

此文章中提出形成一種llc型共振電路，所述llc型共振電路會增加電感的串聯(lián)電容且自發(fā)地減少所述兩個線圈之間的耦合以除磁化電感l(wèi)m以外還形成串聯(lián)電感l(wèi)r。此種不完全耦合是通過將各線圈彼此分離而獲得。因此，共振電路的體積可減小。

然而，難以在不增大磁芯的大小且不因傅科電流(foucaultcurrent)而造成損失的條件下實現(xiàn)大的串聯(lián)電感值lr。此外，由于串聯(lián)電感l(wèi)r的值取決于線圈的位置，因此難以精確地且可靠地(即，可再生地(reproducibly))對其進行設定。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明旨在提出一種在具有減小的體積的同時使得可精確地且可靠地對串聯(lián)電感的值進行設定的磁組件。

為此，提出一種磁組件，所述磁組件包括：

-磁芯，包括e形下部部分、e形上部部分、及i形中央部分，所述i形中央部分封閉所述下部部分與所述上部部分二者，以使得所述下部部分及所述中央部分界定兩個下部磁路且所述上部部分及所述中央部分界定兩個上部磁路，

-第一線圈及第二線圈，圍繞所述下部部分的中央分支纏繞以彼此耦合，

-第三線圈，圍繞所述上部部分的中央分支纏繞，所述第三線圈與所述第二線圈串聯(lián)連接，

所述中央部分所具有的磁阻低于沿每一所述下部磁路的所述下部部分的磁阻與沿每一所述上部磁路的所述上部部分的磁阻二者。

可選地，所述上部部分包括第一氣隙。

還可選地，所述上部部分的所述中央分支包括所述第一氣隙。

還可選地，所述上部部分的所述中央分支包括桿，所述桿的一端在與所述中央部分相距一距離處終止以形成所述第一氣隙。

還可選地，所述下部部分包括第二氣隙。

還可選地，所述下部部分的所述中央分支包括所述第二氣隙。

還可選地，所述下部部分的所述中央分支包括兩個對齊桿，所述兩個對齊桿具有彼此相對、彼此分離的端部以形成所述第二氣隙。

還可選地，所述下部部分的所述中央分支及所述上部部分的所述中央分支不具有氣隙。

還可選地，所述磁芯的所述下部部分及所述上部部分是由最大相對磁導率低于100的材料制成，而所述中央部分是由最大相對磁導率高于100、優(yōu)選地高于1000的材料制成。

還可選地，所述第一線圈及所述第二線圈各自具有自感l(wèi)1、l2且彼此耦合以具有非零互感m，所述非零互感m通過耦合系數(shù)k而連接至所述自感l(wèi)1及l(fā)2：

所述耦合系數(shù)k大于或等于0.9、優(yōu)選地大于或等于0.95、還優(yōu)選地大于或等于0.99。

還可選地，所述磁芯相對于以所述上部部分及所述下部部分的所述中央分支為中心的垂直軸線軸對稱。

還可選地，所述磁組件包括三個e形機械零件，所述三個e形機械零件各自具有派生出兩個側(cè)桿(sidebar)及一個中央桿(centralbar)的橫桿(transversebar)，兩個所述第一機械零件被組裝成彼此面對以使得其側(cè)桿及中央桿分別對齊，所述兩個第一機械零件形成所述磁芯的所述下部部分及所述中央部分，所述中央部分是由所述兩個機械零件中的一者的所述橫桿形成，且所述第三機械零件抵靠形成所述中央部分的所述橫桿進行組裝以形成所述磁芯的所述上部部分。

還提出一種共振電路，所述共振電路包括：

-根據(jù)本發(fā)明的磁組件，

-電容，與所述第二線圈及所述第三線圈串聯(lián)連接。

還提出一種電氣轉(zhuǎn)換器，所述電氣轉(zhuǎn)換器包括：

-電壓產(chǎn)生器，被設計成從直流電壓提供可變電壓，

-根據(jù)本發(fā)明的共振電路，從所述可變電壓提供交流電流，

-整流器，被設計成從所述交流電流向電負荷提供直流電壓。

可選地，所述整流器包括：

-平滑電容，與所述電負荷并聯(lián)連接，

-二極管橋，連接在所述第一線圈的端部處作為輸入且連接在所述平滑電容器的端子處作為輸出。

還可選地，所述整流器包括：

-平滑電容，與所述電負荷并聯(lián)連接，所述平滑電容的一個端子連接至所述第一線圈的中點，

-兩個二極管，所述平滑電容的另一端子經(jīng)由所述兩個二極管分別連接至所述第一線圈的兩個端部。

還提出一種電氣系統(tǒng)，所述電氣系統(tǒng)包括：電壓源，例如機動車電池；電負荷，例如電動車配件；以及根據(jù)本發(fā)明的電氣轉(zhuǎn)換器，位于所述電壓源與所述電負荷之間。

附圖說明

圖1是根據(jù)本發(fā)明的包括電氣轉(zhuǎn)換器的電氣系統(tǒng)的電氣圖。

圖2是圖1所示電氣轉(zhuǎn)換器的磁芯的前視圖。

圖3是圖1所示電氣轉(zhuǎn)換器的共振電路的等效電氣圖。

圖4是磁芯及圍繞所述磁芯纏繞的線圈、圖1及圖2所示共振電路的一部分的剖視圖。

圖5是穿過圖3所示磁芯行進的磁通量的時序圖。

圖6是根據(jù)本發(fā)明的替代性磁芯的剖視圖。

圖7是根據(jù)本發(fā)明的替代性共振電路的電氣圖。

附圖標記說明

100：電氣系統(tǒng)

102：電氣轉(zhuǎn)換器

104：電壓源

106：電負荷

108：電壓產(chǎn)生器

110、112：開關(guān)

114：控制裝置

116：共振電路

118：磁芯

120：部分/下部部分/e形下部部分/分支/零件

120c、122c：垂直分支/中央分支/中央垂直分支

120d、122d：垂直分支/右分支/右垂直分支

120g、122g：垂直分支/左分支/左垂直分支

120t、122t、124t：水平分支

122：部分/上部部分/e形上部部分/零件

124：部分/中央部分/i形中央部分/分支/中央部分分支/零件

126d、126g：下部磁路

128d、128g：上部磁路

130：線圈/第一線圈

132：線圈/第二線圈

134：線圈/第三線圈

136：電容

138：整流器

140：二極管橋

142：平滑電容

302、304、306：磁通量

402、404：零件/e形機械零件/機械零件/第一機械零件

406：零件/e形機械零件/第三機械零件

602、604：二極管

e1：氣隙/第一氣隙

e2：氣隙/第二氣隙

lm：磁化電感

lr：串聯(lián)電感/串聯(lián)電感值

ia：交流電流

t：理想變壓器

v：可變電壓/平方可變電壓

ve：直流電壓/輸入電壓

vs：直流電壓/輸出電壓

具體實施方式

現(xiàn)將參照圖1來闡述包括用于實作本發(fā)明的電氣轉(zhuǎn)換器102的電氣系統(tǒng)100。此種電氣系統(tǒng)100可例如用于機動車中。

電氣系統(tǒng)100首先包括被設計成提供為直流的輸入電壓ve的電壓源104。電壓源104例如包括機動車電池。

電氣系統(tǒng)100進一步包括電負荷106(例如，電動車配件)。

電氣轉(zhuǎn)換器102被設計成接收輸入電壓ve并向電負荷106提供輸出電壓vs。

在所述實例中，電氣轉(zhuǎn)換器102為直流-直流型(dc-dctype)，以使得輸出電壓vs為直流的。更具體來說，在所述實例中，電氣轉(zhuǎn)換器102為llc共振轉(zhuǎn)換器。

電氣轉(zhuǎn)換器102包括電壓產(chǎn)生器108，電壓產(chǎn)生器108被設計成以所期望頻率從輸入電壓ve提供可變電壓v。

優(yōu)選地，可變電壓v為直流電壓(即，不改變符號)。在所述實例中，可變電壓v為平方電壓(squaredvoltage)。為此，電壓產(chǎn)生器108包括兩個開關(guān)110、112及開關(guān)110、112的控制裝置114，以使得可變電壓交替地采用輸入電壓ve的值與零值。

電氣轉(zhuǎn)換器102進一步包括共振電路116，共振電路116被設計成以與可變電壓v相同的頻率從所述可變電壓提供交流電流ia。

共振電路116首先包括磁芯118。

在圖1所示實例中，磁芯是例如由鐵氧體材料制成。

磁芯118包括e形下部部分120、e形上部部分122、及i形中央部分124。

將參照圖2來更詳細地闡述磁芯118的形狀。

下部部分120首先包括左垂直分支120g、中央垂直分支120c、及右垂直分支120d，所述三者皆為直線性的且彼此平行。下部部分120進一步包括水平分支120t，水平分支120t為直線性的且垂直于所述三個垂直分支120g、120c、120d。所述三個垂直分支120g、120c、120d的三個相應第一端部與水平分支120t進行重接(rejoin)。

上部部分122首先包括左垂直分支122g、中央垂直分支122c、及右垂直分支122d，所述三者皆為直線性的且彼此平行。上部部分122進一步包括水平分支122t，水平分支122t為直線性的且垂直于所述三個垂直分支122g、122c、122d。所述三個垂直分支122g、122c、122d的三個相應第一端部與水平分支122t進行重接。

中央部分124包括水平分支124t，水平分支124t為直線性的且垂直于下部部分120的所述三個垂直分支120g、120c、120d及上部部分122的所述三個垂直分支122g、122c、122d。下部部分120的所述三個垂直分支120g、120c、120d的三個相應第二端部及上部部分122的所述三個垂直分支122g、122c、122d的三個相應第二端部與水平分支124t進行重接。因此，中央部分124封閉磁芯的上部部分122及下部部分120。

左垂直分支120g、122g彼此連續(xù)。中央垂直分支120c、122c彼此連續(xù)。右垂直分支120d、122d彼此連續(xù)。

此外，磁芯118相對于以中央垂直分支120c、122c為中心的垂直軸線軸對稱。

因此，下部部分120及中央部分124以回路形式界定兩個封閉的下部磁路126g、126d。中央部分124所具有的磁阻比沿每一下部磁路126g、126d的下部部分120的磁阻低、優(yōu)選地低至少十倍、還優(yōu)選地低至少一百倍。

相同地，上部部分122及中央部分124以回路形式界定兩個封閉的上部磁路128g、128d。中央部分124所具有的磁阻比沿每一上部磁路128g、128d的上部部分122的磁阻低、優(yōu)選地低至少十倍、還優(yōu)選地低至少一百倍。

返回至圖1，共振電路116進一步包括圍繞下部部分120的中央垂直分支120c纏繞的第一線圈130及第二線圈132。線圈130、132各自具有自感l(wèi)1、l2且彼此耦合以具有非零互感m，所述非零互感m通過耦合系數(shù)k而連接至自感l(wèi)1及l(fā)2：

優(yōu)選地，線圈130、132彼此緊密耦合，此使得耦合系數(shù)k大于或等于0.9、優(yōu)選地大于或等于0.95、還優(yōu)選地大于或等于0.99。

共振電路116進一步包括圍繞上部部分122的中央垂直分支122c纏繞的第三線圈134。

共振電路116進一步包括與線圈132、134串聯(lián)連接的電容136。

由于線圈132、134串聯(lián)，因此可以單條導線來制成線圈132、134，此使得可避免導線端部損失(wireendloss)。

電氣轉(zhuǎn)換器102進一步包括被設計成從交流電流ia供應輸出電壓vs的整流器138。

在所述實例中，整流器138包括二極管橋140、及平滑電容142。二極管橋140連接在線圈130的兩個端部處作為輸入且連接在平滑電容142的及電負荷106的端子處作為輸出。

參照圖3，以等效電氣圖示出位于磁芯118及線圈130、132、134處的共振電路116。

線圈130、132形成理想變壓器t及位于理想變壓器t的一次線圈(primary)處的磁化電感l(wèi)m。磁化電感l(wèi)m的值具體來說是由氣隙e2的寬度定義。第三線圈134形成串聯(lián)電感l(wèi)r。串聯(lián)電感l(wèi)r的值具體來說是由氣隙e1的寬度定義。

參照圖4示出磁芯118及線圈130、132、134的纏繞的示例性實施例。

盡管已通過將圖2分成三個部分120、122、124而在圖1及圖2中闡述了磁芯118的形式，然而此并不意味著磁芯118總是通過組裝與所述三個部分120、122、124對應的三個零件而獲得。在所述實例中，磁芯118是通過組裝各自具有派生出兩個側(cè)桿及一個中央桿的橫桿的三個e形機械零件402、404、406而獲得。

零件402、404被組裝成彼此面對，以使得其側(cè)桿及中央桿分別對齊。此外，其側(cè)桿的自由端交匯于一起。零件402、404中的至少一者的中央桿沒有環(huán)繞所述中央桿的側(cè)桿長，以使得零件402、404的中央桿具有彼此相對、彼此分離的端部以形成氣隙e2。

零件406抵靠零件404的橫桿進行組裝，以使得零件406的側(cè)桿與零件404的橫桿重接。零件406的中央桿沒有環(huán)繞所述中央桿的側(cè)桿長，以使得零件406的中央桿的自由端在與零件404的橫桿相距一距離處終止以形成氣隙e1。

因此，在所述實例中，磁芯118的上部部分122是由零件406及氣隙e1形成。此外，磁芯118的中央部分124是由零件404的橫桿形成。此外，磁芯118的下部部分120是由零件402、零件404的側(cè)桿及中央桿、以及氣隙e2形成。

氣隙e1、e2中的每一者可被空氣填充，或者其可被具有低磁導率(最大相對磁導率低于100)的材料填充。

具體來說，氣隙e1所具有的長度(也表示為e1)被選擇成例如利用以下公式來獲得串聯(lián)電感l(wèi)r：

e1＝n²·μ0·se1/lr

其中n代表線圈134的匝數(shù)，μ0代表真空的磁導率，且se1代表分支124的橫截面。

此外，氣隙e2所具有的長度(也表示為e2)被選擇成例如利用以下公式來獲得磁化電感l(wèi)m：

e2＝n1²·μ0·se2/lm

其中n1代表線圈132的匝數(shù)，μ0代表真空的磁導率，且se2代表分支120的橫截面。

此外，線圈130可圍繞線圈132纏繞以提高線圈130與線圈132之間的耦合。

線圈132在磁芯118的下部部分120及中央部分124中產(chǎn)生磁通量302，而線圈134在所述磁芯的上部部分122及中央部分124中產(chǎn)生磁通量304。

由于磁芯118的中央部分124具有低磁阻，因此磁通量302、304通過此中央部分分支124回環(huán)返回。通過此種方式，線圈134會與線圈130、132磁性隔離，以使得由線圈130、132形成的變壓器與由線圈134形成的串聯(lián)電感l(wèi)r彼此獨立地工作。

線圈132、134的纏繞方向被選擇成使得磁通量302、304在相反的方向上穿過中央部分124行進。因此，中央部分124中的所得磁通量306仍然為弱的。例如，線圈132、134是在相同的旋轉(zhuǎn)方向上進行纏繞。

線圈130、132、134優(yōu)選地由絞合線(litzwire)制成，此使得可降低渦流損失。然而，可使用其他類型的導體，例如圓導體(roundconductor)或銅板(copperplate)。

參照圖5示出磁通量302、304、306隨時間演變的實例。應特別認識到，所得磁通量306弱于其他兩個磁通量302、304。因此，磁芯118的中央部分124中的損失得到降低且出現(xiàn)熱點(hotspot)的風險也得到降低。此外，中央部分124的橫截面減小，此使得可提高共振電路116的緊湊性。此外，由于由線圈130、132、及線圈134形成的變壓器共享相同的磁芯(且具體來說共享中央部分124)，因此所使用的磁芯更少。

現(xiàn)將闡述電氣系統(tǒng)100的運作。

電壓產(chǎn)生器108通過將輸入電壓ve切割成所期望頻率來產(chǎn)生平方可變電壓v。

將可變電壓v施加在電容136的及線圈132、134的端子兩端，電容136的與線圈132、134的端子會因此被可變電壓v的頻率激勵。因應于此種激勵，在線圈130中會出現(xiàn)交流電流ia。

整流器138對交流電流ia進行整流并向電負荷106及平滑電容142提供經(jīng)整流的電流，平滑電容142將輸出電壓vs平滑化以使其為直流的。

因此可選擇性地獲得比輸入電壓ve小或高的輸出電壓vs。

現(xiàn)將參照圖6來闡述磁芯118的替代性實施例。

在此替代形式中，磁芯118不再具有氣隙。部分120、122、124是通過組裝三個對應零件而制成，且因此是由相同的參考符號表示。零件120、122是由例如粉狀金屬等具有低磁導率(最大相對磁導率低于100)的材料制成，而零件124是由具有高磁導率(最大相對磁導率高于100、優(yōu)選地高于1000)的材料制成。

現(xiàn)將參照圖7來闡述共振電路116及整流器138的替代性實施例。

在此替代形式中，整流器138是由中央分接頭(center-tap)連接至線圈130。更具體來說，平滑電容142的及電負荷106的一個端子連接在線圈130的中點處，而平滑電容142的及電負荷106的另一端子分別經(jīng)由兩個二極管602、604連接至線圈130的兩個端部，從而容許來源于線圈130的電流通過。

根據(jù)以上說明，顯而易見，本發(fā)明使得可精確地產(chǎn)生磁化電感l(wèi)m及串聯(lián)電感l(wèi)r，且具有與工業(yè)生產(chǎn)要求兼容的可靠性。

此外，顯然，磁場會在氣隙e1、e2處從磁芯118逸出。由于這些氣隙e1、e2形成在被右分支及左分支120g、122g、120d、122d環(huán)繞的中央分支120c、122c中，因而此逸出的磁場仍留在磁芯118的體積中且因此不會造成擾亂周圍電氣組件的風險。因此，電磁兼容性(electromagneticcompatibility，emc)得到提高。

此外，磁芯118的特定形狀使得可非常容易地以三個e形零件(圖4)或以兩個e形零件及一個i形零件(圖6)來制造磁芯118。

本發(fā)明并非僅限于先前所述的實施例，而是相反是由以上權(quán)利要求定義。對于所屬領(lǐng)域中的技術(shù)人員來說確應顯而易見的是，可對其作出潤飾。

此外，權(quán)利要求中所用用語不應被理解為僅限于上述實施例所示要件，而是相反須被理解為涵蓋所屬領(lǐng)域中的技術(shù)人員可根據(jù)其常識推斷出的所有等效要件。