DE102011012199A1 - High current transformer for use in high power application such as electric welding process, has semiconductor switch e.g. MOSFET is provided at downstream of secondary winding for synchronous rectification of output voltage - Google Patents

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Abstract

The high current transformer (2) has a primary winding, a secondary winding (3) and a ferromagnetic material core. A semiconductor switch (5) e.g. MOSFET is provided at downstream of secondary winding for synchronous rectification of output voltage (1) with respect to input voltage applied to primary winding.

Description

Stand der TechnikState of the art

Für die Erzeugung eines hohen Gleichstroms bei einer kleinen Ausgangsspannung werden Transformatoren mit einem hohen Übersetzungsverhältnis eingesetzt. Dabei wird mit Hilfe eines Inverters aus einer hohen Gleichspannung eine Wechselspannung mit hoher Frequenz erzeugt. Diese wird durch den Transformator herunter transformiert und auf der Sekundärseite gleichgerichtet.For the generation of a high DC current at a low output voltage transformers are used with a high transmission ratio. In this case, an alternating voltage with high frequency is generated by means of an inverter from a high DC voltage. This is transformed down by the transformer and rectified on the secondary side.

Die Sekundärspannung des Transformators wird mit Dioden in Form von Presspack-Dioden oder Diodenmodulen gleichgerichtet. Da diese Dioden einen stromabhängigen Spannungsabfall von 1 bis 2 Volt verursachen, fallen bei der Gleichrichtung erhebliche Verluste an, die in vielen Fällen nur durch eine Wasserkühlung abgeführt werden können. Bei einer sehr kleinen Ausgangsspannung, von z. B. 2 Volt für Mikroschweißungen, ist dem erreichbaren Wirkungsgrad eine, Grenze gesetzt. Die Speicherladung der Dioden verursacht zusätzliche Verluste.The secondary voltage of the transformer is rectified with diodes in the form of press pack diodes or diode modules. Since these diodes cause a current-dependent voltage drop of 1 to 2 volts, fall in the rectification significant losses, which can be dissipated in many cases only by a water cooling. At a very low output voltage, z. B. 2 volts for microwelding, the achievable efficiency is a limit set. The storage charge of the diodes causes additional losses.

Der Transformator besteht aus einem mit Primär- und Sekundärwicklung bewickelten Kern. Die hohe Streuinduktivität des mit Litzen oder Kupferbändern bewickelten Kerns verursacht einen induktiven Spannungsabfall, der die zur Verfügung stehende Ausgangsspannung reduziert und induktive Blindleistung verursacht. Dadurch werden die Effizienz von Transformator und Gleichrichtung und die maximale Arbeitsfrequenz reduziert. Eine niedrige Arbeitsfrequenz ist verantwortlich für das große Volumen von Transformator und Gleichrichter. Durch die geringe Arbeitsfrequenz und die hohe Streuinduktivität sind der Regeldynamik Grenzen gesetzt.The transformer consists of a wound with primary and secondary winding core. The high leakage inductance of the core wound with strands or copper tapes causes an inductive voltage drop, which reduces the available output voltage and causes inductive reactive power. This reduces the efficiency of the transformer and rectification and the maximum operating frequency. A low operating frequency is responsible for the large volume of transformer and rectifier. Due to the low operating frequency and the high stray inductance, the control dynamics are limited.

Die konventionelle Bauweise ist somit verantwortlich für einen schlechten Wirkungsgrad, ein großes Einbauvolumen und erfordert in vielen Fällen eine Wasserkühlung.The conventional design is thus responsible for a poor efficiency, a large installation volume and in many cases requires water cooling.

Die im Folgenden beschriebene Erfindung erreicht einen deutlich höheren Wirkungsgrad und ermöglicht die Erhöhung der Arbeitsfrequenz. Auf eine Wasserkühlung kann verzichtet werden. Ein geringeres Gewicht und Bauvolumen ermöglichen z. B. die Integration in einen Roboterarm oder in ein Handschweißgerät. Die höhere Arbeitsfrequenz und die geringere Streuinduktivität erlauben eine höhere Regeldynamik und reduzieren die Anregelzeiten.The invention described below achieves a significantly higher efficiency and makes it possible to increase the operating frequency. On a water cooling can be omitted. A lower weight and volume allow z. As the integration in a robotic arm or in a hand welder. The higher operating frequency and the lower stray inductance allow a higher control dynamics and reduce the settling times.

Beschreibung der ErfindungDescription of the invention

Die Erfindung betrifft einen Hochstromtransformator mit synchroner Gleichrichtung, wie im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 beschrieben. Durch den Einsatz der im Folgenden beschriebenen synchronen Gleichrichtung können die Verluste gegenüber der Gleichrichtung mit konventionellen Dioden deutlich reduziert werden. Der Transformator kann als gewickelter Transformator ausgeführt werden, für den z. B. zwei E-Kerne oder eine Kombination aus U- und I-Kern eingesetzt werden können. Die mögliche Konstruktion des Transformators in Planartechnik eliminiert nahezu die negativen Effekte der Streuinduktivität. Dadurch kann die Arbeitsfrequenz erhöht und das Kernvolumen reduziert werden. Außerdem wird durch die Verkleinerung der Streuinduktivität die induktive Blindleistung minimiert, wodurch sich die Verluste im Transformator weiter verringern. Durch eine deutliche Reduzierung der Verluste kann auf eine Wasserkühlung verzichtet werden. Eine weitere Optimierung des Transformators ist durch die Verringerung der Wicklungszahl möglich. Bei gleichem Wicklungsverhältnis wird ein Minimum der im Wicklungsraum untergebrachten Wicklungen erreicht, wenn die Sekundärwicklung als halbe Wicklung realisiert wird.The invention relates to a high-current transformer with synchronous rectification, as described in the preamble of patent claim 1. By using the synchronous rectification described below, the losses compared to the rectification with conventional diodes can be significantly reduced. The transformer can be designed as a wound transformer for the z. B. two E cores or a combination of U and I core can be used. The potential design of the transformer in planar technology virtually eliminates the negative effects of stray inductance. This can increase the working frequency and reduce the core volume. In addition, reducing the leakage inductance minimizes inductive reactive power, further reducing losses in the transformer. By a significant reduction in losses can be dispensed with a water cooling. Further optimization of the transformer is possible by reducing the number of turns. At the same winding ratio, a minimum of housed in the winding space windings is achieved when the secondary winding is realized as a half winding.

Die Vorteile der Erfindung kommen insbesondere in Anwendungsfällen mit keinen Ausgangsspannungen und höhen Strömen zum Tragen. Dies sind insbesondere die Anwendungen als Schweißtransformator für das Widerstandschweißen, als Gleichstromquelle für die Galvanik und als Gleichstromquelle für die Batterieladung.The advantages of the invention are particularly useful in applications with no output voltages and high currents to bear. These are in particular the applications as a welding transformer for resistance welding, as a DC power source for electroplating and as a DC power source for battery charging.

Synchrone GleichrichtungSynchronous rectification

Bei der Gleichrichtung einer Wechselspannung mit Dioden fällt je nach Amplitude des Stroms an den Dioden eine Spannung ab. Das Produkt aus Strom und Spannung ist die Verlustleistung, die aus der Diode abgeführt werden muss. Der Spannungsabfall von z. B. Silizium-Dioden beträgt ca. 0,7 bis 2 Volt. Bei einer Spannungsamplitude von 5 V wird der erreichbare Wirkungsgrad stark reduziert. Um die Verluste durch die Diodenflussspannung zu reduzieren, kann den Dioden ein geeigneter Halbleiterschalter parallel geschaltet werden. Dieser Halbleiterschalter muss in der gleichen Richtung wie die Diode Spannung übernehmen können und in der gleichen Richtung wie die Diode den Strom führen können. Mögliche Halbleiterschalter, die verwendet werden können, sind z. B. MOSFETs. Damit in dieser Konfiguration geringere Verluste anfallen, muss bei dem gleichen Strom durch den Halbleiterschalter oder einer Parallelschaltung mehrerer dieser Halbleiter eine geringere Spannung über diesen abfallen. Der Halbleiterschalter oder die Parallelschaltung mehrerer Halbleiterschalter wird eingeschaltet, wenn die Diode Strom führt und wird ausgeschaltet, wenn die Diode Spannung übernimmt. Der Zeitpunkt, an dem der Halbleiterschalter geschaltet wird, kann durch Messung der Dioden bzw. Schalterspannung bestimmt werden oder von der Eingangsspannung abgeleitet werden.When rectifying an alternating voltage with diodes, a voltage drops depending on the amplitude of the current at the diodes. The product of current and voltage is the power dissipation that must be dissipated from the diode. The voltage drop of z. B. silicon diodes is about 0.7 to 2 volts. At a voltage amplitude of 5 V, the achievable efficiency is greatly reduced. In order to reduce the losses due to the diode forward voltage, a suitable semiconductor switch can be connected in parallel with the diodes. This semiconductor switch must be able to take over voltage in the same direction as the diode and be able to carry the current in the same direction as the diode. Possible semiconductor switches that can be used are, for. B. MOSFETs. In order for lower losses to occur in this configuration, a lower voltage must drop across the same current through the semiconductor switch or a parallel connection of several of these semiconductors. The semiconductor switch or the parallel connection of a plurality of semiconductor switches is turned on when the diode is live and is turned off when the diode takes over. The time at which the semiconductor switch is switched can be determined by measuring the diodes or switch voltage or derived from the input voltage.

Planarer TransformatorPlanar transformer

Ein planarer Transformator unterscheidet sich gegenüber einem konventionell gewickelten Transformator nur durch die Geometrie der Wicklung. Während in einem konventionellen Transformator überwiegend Litzen, Kupferbänder oder Hohlleiter zum Einsatz kommen, besteht ein planarer Transformator aus flächigen Leitern. Durch die Verwendung von flächigen Leitern und Verschachtelung von Primär- und Sekundärwicklung in einem planaren Transformator kann eine sehr geringe Streuung erreicht werden. Diese Bauform ermöglicht die Integration der Gleichrichter in den Transformator, da einzelne oder parallel geschaltete Halbleiterschalter auf die flächigen Leiter der Sekundärwicklung aufgebracht werden können.A planar transformer differs from a conventionally wound transformer only by the geometry of the winding. Whereas in a conventional transformer mainly strands, copper strips or waveguides are used, a planar transformer consists of planar conductors. By using planar conductors and nesting of primary and secondary windings in a planar transformer, very little scattering can be achieved. This design allows the integration of the rectifier in the transformer, since individual or parallel-connected semiconductor switches can be applied to the planar conductors of the secondary winding.

Halbe WicklungHalf winding

Um die Gesamtverluste des Hochstromtransformators mit synchroner Gleichrichtung gering zu halten, ist ein minimaler Wicklungswiderstand nötig. Eine Möglichkeit einen geringen Wicklungswiderstand zu erhalten ist es, die Wicklungszahl bei gleich bleibendem Übersetzungsverhältnis zu minimieren. Ein Minimum des Wicklungswiderstands kann erreicht werden, indem die Sekundärwicklung als halbe Wicklung ausgeführt wird. Eine Wicklungsanordnung, die eine symmetrische Aussteuerung des Kerns gewährleisten kann, ist in 6 schematisch dargestellt. In jedem Wicklungsraum des Kerns sind zwei antiparallele Sekundärwicklungen untergebracht.In order to keep the overall losses of the high-current transformer with synchronous rectification low, a minimum winding resistance is necessary. One way to obtain a low winding resistance is to minimize the number of turns while maintaining the same ratio. A minimum of the winding resistance can be achieved by making the secondary winding as a half winding. A winding arrangement which can ensure a symmetrical modulation of the core is known in 6 shown schematically. In each winding space of the core, two antiparallel secondary windings are housed.

Flussauslöschung im magnetischen KreisRiver extinction in the magnetic circuit

Umschließen eine oder mehrere Windungen den Mittelschenkel eines E-Kerns aus hochpermeablen Material und werden diese von Strom durchflossen, bildet sich im Kern ein magnetisches Feld aus. Die Feldlinien, die sich bei so einer Anordnung im Kern ausbilden, sind in 5 skizziert. Ist der Strom, der die Wicklung durchfließt, zeitlich veränderlich, so ändert sich auch das Magnetfeld. Durch die Änderung des Magnetfelds im Kern entstehen Ummagnetisierungsverluste, die proportional zum Volumen des Kernmaterials sind, das vom Magnetfeld durchsetzt wird. Werden mehrere gleiche Kerne von demselben Strom durchflossen, bildet sich in den Kernen auch ein ähnliches Magnetfeld aus. Werden diese Kerne in der richtigen Orientierung miteinander magnetisch verkoppelt, kommt es in dem entstehenden gemeinsamen Querschenkel zu einer Flussauslöschung, die in 5 skizziert wurde. Durch diese Auslöschung verringert sich das magnetisch aktive Kernvolumen, da im Idealfall der innere Querschenkel nicht mehr von einem Magnetfeld durchsetzt ist und die Ummagnetisierungsverluste werden verringert.If one or more windings surround the center leg of an E-core made of highly permeable material and if current flows through it, a magnetic field is formed in the core. The field lines that form in such an arrangement in the core are in 5 outlined. If the current flowing through the winding varies with time, the magnetic field also changes. The change in the magnetic field in the core causes re-magnetization losses, which are proportional to the volume of the core material, which is penetrated by the magnetic field. If the same current flows through several identical cores, a similar magnetic field is also formed in the cores. If these cores are magnetically coupled to one another in the correct orientation, a flux quenching occurs in the resulting common transverse limb 5 was sketched. This extinction reduces the magnetically active core volume, since in the ideal case the inner transverse limb is no longer permeated by a magnetic field and the magnetization losses are reduced.

Beschreibung von AusführungformenDescription of embodiments

Eine mögliche Ausführungsform des Hochstromtransformators mit synchroner Gleichrichtung ist in 1 schematisch dargestellt: die Sekundärspannung (1) eines Hochstromtransformators (2), dessen Sekundärwicklung (3) mit einer Mittelanzapfung (4) versehen ist, wird mit Hilfe von MOSFETs (5) synchron gleichgerichtet.A possible embodiment of the high-current transformer with synchronous rectification is in 1 shown schematically: the secondary voltage ( 1 ) of a high current transformer ( 2 ), whose secondary winding ( 3 ) with a center tap ( 4 ), with the aid of MOSFETs ( 5 ) synchronously rectified.

Der in 1 dargestellte Hochstromtransformator kann z. B. in Planartechnik ausgeführt werden. Diese Ausführungsform ist in 2 dargestellt. Durch die Verwendung der Planartechnik ist es z. B. möglich, die Halbleiterschalter auf die Sekundärwicklung des Transformators und somit in den Transformator zu integrieren. Der in 2 dargestellte Transformator besteht aus 2 Planarkernen (6), den Sekundärwicklungen (7) mit den Halbleiterschaltern (9) zur synchronen Gleichrichtung, einer planaren Primärwicklung (8) und Kontaktierungsmöglichkeiten für die Eingangsspannung (11) und die gleichgerichtete Ausgangsspannung (10).The in 1 shown high-current transformer can z. B. be executed in planar technology. This embodiment is in 2 shown. By using the planar technology, it is z. B. possible to integrate the semiconductor switches on the secondary winding of the transformer and thus in the transformer. The in 2 illustrated transformer consists of 2 planar cores ( 6 ), the secondary windings ( 7 ) with the semiconductor switches ( 9 ) for synchronous rectification, a planar primary winding ( 8th ) and contacting possibilities for the input voltage ( 11 ) and the rectified output voltage ( 10 ).

Der Ausgangsstrom des in 2 dargestellten Transformators kann erhöht werden, indem z. B. mehrere dieser Transformatoren primärseitig in Reihe geschaltet und die Sekundärseiten parallel geschaltet werden. Diese Anordnung ist in 3 isometrisch und in 4 im Aufriss dargestellt. Dieser Transformator entsteht durch die Verschaltung von 3 einzelnen Transformatoren aus 2 Durch die Anordnung der einzelnen Teiltransformatoren in einem Stapel kommt es in den eingeschlossenen Querschenkeln (12) der Kerne zu Flussauslöschung und in Folge dessen sind die gesamten Kernverluste geringer als die Summe der Einzelkernverluste.The output current of in 2 represented transformer can be increased by z. B. several of these transformers primary side connected in series and the secondary sides are connected in parallel. This arrangement is in 3 isometric and in 4 shown in elevation. This transformer is created by the interconnection of 3 individual transformers 2 The arrangement of the individual partial transformers in a stack occurs in the trapped transverse limbs ( 12 ) of the cores to flux extinction and as a result the total core losses are less than the sum of the single core losses.

Claims (10)

Ein Hochstromtransformator, mit mindestens einer Primärwicklung, mindestens einer Sekundärwicklung und mindestens einem Kern aus einem ferromagnetischen Material, dadurch gekennzeichnet, dass der Sekundärwicklung eine oder mehrere Halbleiterschaltern nachgeschaltet sind, die ausgebildet und angeordnet sind, eine Sekundärspannung synchron gleichzurichten.A high current transformer, comprising at least one primary winding, at least one secondary winding and at least one core made of a ferromagnetic material, characterized in that the secondary winding, one or more semiconductor switches are connected downstream, which are designed and arranged synchronously rectify a secondary voltage. Hochstromtransformator nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Hochstromtransformator in Planartechnik ausgeführt ist.High-current transformer according to claim 1, characterized in that the high-current transformer is designed in planar technology. Hochstromtransformator nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Halbleiterschalter zur synchronen Gleichrichtung in den Transformator integriert ist. High-current transformer according to one of claims 1 to 2, characterized in that at least one semiconductor switch for synchronous rectification is integrated in the transformer. Hochstromtransformator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch die Ausführung der Sekundärwicklung als halbe Wicklung.High current transformer according to one of claims 1 to 3, characterized by the design of the secondary winding as a half winding. Hochstromtransformator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine primärseitige Reihenschaltung und sekundärseitige Parallelschaltung von einzelnen Transformatoren gemäß einer der Ansprüche 1 bis 4.High-current transformer according to one of Claims 1 to 4, characterized by a primary-side series connection and secondary-side parallel connection of individual transformers according to one of Claims 1 to 4. Hochstromtransformator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch einen konstruktiven Aufbau, der zur Flussauslöschung in Teilen des magnetisch aktiven Materials führt.High-current transformer according to one of claims 1 to 5, characterized by a structural design, which leads to the flow extinction in parts of the magnetically active material. Hochstromtransformator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung der synchronen Gleichrichtung in Abhängigkeit einer auf der Sekundärseite gemessenen Spannung der leitenden Halbleiterschalters ausgebildet ist.High-current transformer according to one of claims 1 to 6, characterized in that the control of the synchronous rectification in response to a voltage measured on the secondary side of the semiconductor switch is formed. Hochstromtransformator nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochstromtransformator zur synchronen Gleichrichtung in Abhängigkeit der primärseitigen Steuerelektronik ausgebildet ist.High-current transformer according to claim 1 to 6, characterized in that the high-current transformer is designed for synchronous rectification in dependence of the primary-side control electronics. Verwendung eines Hochstromtransformators nach einem der Ansprüche 1 bis 8 in einem elektrischen Schweißprozess.Use of a high-current transformer according to one of Claims 1 to 8 in an electrical welding process. Verwendung eines Hochstromtransformators nach einem der Ansprüche 1 bis 8, für den Einsatz in Prozessen der Galvanik oder Batterieladung.Use of a high current transformer according to one of claims 1 to 8, for use in processes of electroplating or battery charging.
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