DE60109205T2

DE60109205T2 - Verfahren und vorrichtung zum übertragen eines signals durch eine leistungsmagnetische struktur

Info

Publication number: DE60109205T2
Application number: DE60109205T
Authority: DE
Inventors: Dan Ionel JITARU
Original assignee: Delta Energy Systems Switzerland AG
Current assignee: DET International Holding Ltd
Priority date: 2000-12-18
Filing date: 2001-12-17
Publication date: 2006-02-16
Anticipated expiration: 2021-12-18
Also published as: WO2002051026A3; AU2002220432A1; US20020075113A1; DE60109205D1; US6414578B1; EP1348260B1; EP1348260A2; WO2002051026A2

Description

Hintergrund der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Übertragen eines Signals mittels eines Leistungsmagneten, wie beispielsweise eines Netztransformators in einem Gleichspannungs-Wandler.
Bei Leistungsschaltkreisen ist es oft erwünscht, sowohl Steuersignale zu isolieren als auch die Ausgangsleistung von der Eingangsleistung zu isolieren. Der Netztransformator, der sich in vielen Leistungsschaltkreisen befindet, erfüllt das letztgenannte Anliegen. Jedoch bedurfte es für die Isolierung des Steuersignals generell eines zusätzlichen Isolierbauteils, wie beispielsweise einer optischen Kopplung oder eines Signalwandlers, womit unerwünschte Kosten und Kompliziertheit des Leistungsschaltkreises verbunden sind.
Die DE 33 11 535 A betrifft einen Schaltkreis mit einem Transformator zur Übertragung und galvanischen Isolierung eines Gleichstromsignals. Der Transformator weist eine Primärwicklung auf, die dadurch betrieben wird, daß periodisch eine Gleichspannung durch Ansteuern eines Transistors mit einem Pulsgenerator ein- und ausgeschaltet wird. Das Gleichstromsignal wird durch Steuern des Arbeitszyklus dieses Pulsgenerators in Abhängigkeit von der Signalspannung übertragen.
Daher besteht ein Bedarf an einem Verfahren und einer Vorrichtung zum Übertragen eines Signals mittels eines Leistungsmagneten, das bzw. die eine Isolierung von Steuer- oder anderen Signalen in Leistungsmagnet-Schaltkreisen ermöglichen, ohne die Kosten und Komplexität, die mit der Verwendung einer zusätzlichen Isoliereinrichtung verbunden sind.
Zusammenfassung der Erfindung
Das Verfahren und die Vorrichtung zur Übertragung eines Signals mittels eines Leistungsmagneten gemäß der vorliegenden Erfindung löst die erwähnten Probleme und erfüllt die genannten Bedürfnisse dadurch, daß ein Leistungsmagnetkern vorgesehen ist, der eine oder mehrere Wicklungen zur Leistungsübertragung und zwei Wicklungen zur Übermittlung eines Signals oder einer Hilfsleistung besitzt. Die Signal- oder Hilfsleistungswicklungen sind derart um Teile des Kerns gewickelt, daß der Effekt von im Kern zirkulierendem magnetischem Fluß als Ergebnis des Fließens von Strömen durch die eine oder mehrere Leistungswicklungen gelöscht wird.
Vorzugsweise besitzt der Magnetkern zwei Öffnungen, die ein Mittelteil zwischen sich und zwei Schenkelteile definieren. Der Kern besitzt Primär- und Sekundärwicklungen, wie dies typisch beim Stand der Technik der Fall ist. Magnetfluß, der im Kern durch die Primärwicklung zur Verbindung der Sekundärwicklung erzeugt wird, zirkuliert durch einen der Schenkelteile entweder rechts- oder linksherum und durch den anderen Schenkelteil in entgegengesetzter Richtung.
Um ein Signal zu übertragen, besitzt eine Eingangssignalwicklung einen um einen der Schenkel derart gewickelten ersten Bereich, daß ein Eingangssignalstrom, der durch die erste Wicklung fließt, einen Magnetfluß in diesem Schenkel erzeugt, der entweder rechts- oder linksherum dreht. Ein zweiter Teil der Eingangssignalwicklung ist um den anderen Schenkel im entgegengesetzten Sinn gewickelt.
Um ein Ausgangssignal bereitzustellen, ist eine Ausgangssignalwicklung mit einem ersten Bereich um einen der Schenkel entweder rechts- oder linksherum gewickelt und ein zweiter Bereich um den anderen Schenkel in entgegengesetzter Richtung. Ein Signal oder auch ein Leistungsstrom kann durch den Leistungsmagneten gleichzeitig mit seinem Gebrauch als Komponente in einem Hauptleistungsübertragungssystem übermittelt werden.
Es ist daher ein generelles Anliegen der vorliegenden Erfindung, ein neues Verfahren und eine neue Vorrichtung zum Übertragen eines Signals durch einen Leistungsmagneten vorzuschlagen.
Ein anderes Anliegen der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Übertragen eines Signals durch einen Leistungsmagneten vorzuschlagen, die die Isolierung des Ausgangs des Signals vom Eingang des Signals schaffen.
Es ist ein weiteres Anliegen der vorliegenden Erfindung, solch ein Verfahren und solch eine Vorrichtung zum Übertragen eines Signals durch einen Leistungsmagneten vorzuschlagen, die kostengünstiger auszulegen sind.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Übertragen eines Signals durch einen Lei stungsmagneten zu schaffen, die geringere Schaltungskomplexität besitzten.
Diese und andere Anliegen, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der nachfolgenden, detaillierten Beschreibung der Erfindung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen 101–107.
101 zeigt eine perspektivische Darstellung eines bekannten Leistungstransformators;
102 zeigt eine schematische Darstellung des Transformators gemäß 101 mit der Darstellung der Richtung der durch den Strom hervorgerufenen magnetischen Flußlinien, der durch die Primärwicklung des Transformators fließt;
103 zeigt eine schematische Darstellung des Transformators gemäß 101 mit zwei Eingangssignalwicklungen gemäß der Erfindung;
104 zeigt eine schematische Darstellung der Konstellation gemäß 103 mit der Darstellung der Flußlinien nach 102;
105 zeigt eine schematische Darstellung des Transformators gemäß 101 oder gemäß 103 mit zwei Ausgangssignalwicklungen gemäß der Erfindung;
106 zeigt eine schematische Darstellung eines Schaltungsausführungsbeispiels, bei dem ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Übertragen eines Signals durch einen Leistungsmagnet gemäß der Erfindung zum Einsatz gelangt; und
107 zeigt eine Blockdiagramm-Darstellung eines anderen Schaltungsbeispiels, bei dem ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Übertragen eines Signals durch einen Leistungsmagneten gemäß der Erfindung eingesetzt werden.
Ausführliche Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
In 101 ist eine Vorrichtung zum Übertragen eines Signals mittels eines bzw. durch einen Leistungsmagneten dargestellt. Der Leistungsmagnet ist typischerweise ein Transformator mit einem Kern 113, der ein Mittelteil 114 und zwei Schwenkelteile 116a und 116b besitzt. Der Kern 113 besteht aus einem Material, das relativ zur Luft magnetisch permeabel ist, wie beispielsweise Ferrit.
Zum Übertragen von Energie ist eine Primärwicklung 118 um das Mittelteil 114 des Kerns gewickelt und eine Sekundärwicklung 120 ebenso um das Mittelteil des Kerns oder um einen der beiden Schenkelteile 116, wie es beim Stand der Technik üblich ist. Eine "Windung" be deutet im vorliegenden Zusammenhang das Umwickeln des Mittelteils oder der Schenkelteile einmal, mehr als einmal oder weniger als einmal. So kann zum Beispiel für Anwendungen mit niedriger Ausgangsspannung eine "Windung" um das Mittelteil oder einen Schenkel nur aus einer Teilumwindung bestehen.
Wie 102 zeigt, führt ein Anbringen der Primärwicklung um das Mittelteil des Kerns 113 dazu, daß die magnetischen Flußlinien durch einen der Schenkel 116a entweder rechts- oder linksherum (in 102 entweder im Uhrzeigersinn oder entgegen dem Uhrzeigersinn gesehen, und zwar in Abhängigkeit von der Polarität des durch die Primärwicklung fließenden Stroms "i") und durch den anderen Schenkel 116b im entgegensetzten Sinne zirkulieren. Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung sind "rechtsherum" und "linksherum" bei der Beschreibung entweder einer Umwicklung oder eines Flußweges in ihrer Definition in Übereinstimmung mit der bekannten Rechte-Hand-Regel zu verstehen.
Gemäß der Erfindung kann der Kern 113 auch dazu verwendet werden, ein Signal zu übertragen, wobei es erwünscht ist, den Ausgang des Signals vom Eingang des Signals zu isolieren. Dies führt zu dem außerordentlichen Vorteil, daß die Kosten und die Schaltungskomplexität durch Vermeiden eines getrennten optischen Kopplers, Transformators oder anderen Isolierbauteils reduziert werden können.
Zu diesem Zweck sind zwei zusätzliche Wicklungen vorgesehen. 103 zeigt zwei Bereiche einer Eingangssignalwicklung, wobei ein erster Eingangssignalwicklungsbereich 124 um einen Schenkel 116a gewickelt ist, so daß ein Eingangssignalstrom "i_ein", der durch den ersten Wicklungsbereich 124 fließt, einen magnetischen Fluß 121a im Schenkel 116 erzeugt, der entweder rechts- oder linksherum zirkuliert, was von der Polarität des Eingangssignalstromes abhängt. Der Eingangssignalstrom fließt durch den ersten Wicklungsbereich von einem ersten Anschluß 124a des Wicklungsbereichs zu einem zweiten Anschluß 124b des Wicklungsbereichs.
Ein zweiter Eingangssignalwicklungsbereich 126 ist um den anderen Schenkel 116b gewickelt und hat einen ersten Anschluß 126a und einen zweiten Anschluß 126b. Der Wicklungsbereich 126 ist um den Schenkel 116b gewickelt und die Anschlüsse 126a und 126b sind mit den Anschlüssen 124a und 124b verbunden, so daß der Eingangssignalstrom "i_ein", der durch den zweiten Wickelbereich 126 fließt, einen magnetischen Fluß 121b im Schenkel 116b erzeugt, der in derselben Richtung zirkuliert wie der durch den ersten Wicklungsbereich erzeugte Magnetfluß. Der Magnetfluß 121a ist daher derselbe wie der Magnetfluß 121b.
Gemäß 104 sind erfindungsgemäß zwei Ausgangssignalwicklungsbereiche 128 und 130 vorgesehen, die elektrisch von den Eingangswicklungsbereichen 124 und 126 isoliert sind. Die Wicklungsbereiche 128 und 130 sind analog den Wicklungsbereichen 124 und 126 angeordnet. Demnach ist der erste Ausgangssignalwicklungsbereich 128 um einen der Schenkel gewickelt, so daß ein Ausgangsstrom "i_aus" durch den Wicklungsbereich 128 als Ergebnis des magnetischen Flusses 121 im Schenkel 116 fließen wird. Der Ausgangssignalstrom fließt durch den ersten Ausgangssignalwicklungsbereich 128 von einem ersten Anschluß 128a des Wicklungsbereiches zu einem zweiten Anschluß 128b des Wicklungsbereiches.
Ein zweiter Ausgangssignalwicklungsbereich 130 ist um den anderen Schenkel 116b gewickelt und besitzt einen ersten Anschluß 130a und einen zweiten Anschluß 130b. Der Wicklungsbereich 130 ist um den Schenkel 116b gewickelt und die Anschlüsse 130a und 130b sind mit den Anschlüssen 128a und 128b verbunden, so daß derselbe Ausgangssignalstrom "i_aus" durch den zweiten Ausgangssignalwicklungsbereich 130 als Ergebnis des magnetischen Flusses 121b im Schenkel 116b fließt.
Unter Bezugnahme auf 105 ist zu erwähnen, daß die Linien des Magnetflusses 121, die durch den Energie- bzw. Leistungsstrom i_Energie erzeugt werden, der durch die Primärwicklung 118 fließt, die Wicklungsbereiche 128 und 130 verbinden und darin gleiche und entgegengesetzte Ströme "i^a _induziert" und "i^b _induziert" erzeugen so daß die Spannung "V" gemessen über die Anschlüsse 128b und 130b, die durch Energieübertragung induziert wird, Null betragen wird. Demzufolge bleibt der Ausgangssignalstrom durch die Energiezufuhr unbeeinflußt. Entsprechend werden Ströme, die in den Eingangswicklungsbereichen 124 und 126 durch magnetische Flußlinienverbindung mit der Primärwicklung erzeugt werden, ebenfalls zu Null.
In 106 ist ein Ausführungsbeispiel eines Schaltkreises dargestellt, bei dem die zuvor beschriebene Vorrichtung 110 zum Einsatz gelangt. Der Schaltkreis ist Teil eines Gleichspannungswandlers, mit dem ein Schaltsignal V_S als Eingabe für einen Schaltstromkreis 129 erzeugt wird. Es ist erwünscht, V_S vom Eingangssteuersignal V_i zu isolieren, das im dargestellten Beispiel durch Differenzierung einer Rechteckspannungsquelle V erhalten wird. Dargestellt sind der Mittelteil 114 für die Primärwicklung 118, die Eingangssignalwicklungsbereiche 124 und 126 und die Ausgangssignalwicklungsbereiche 128 und 130.
Gemäß 107 kann ein Eingangssignal, das durch die Vorrichtung 110 übertragen wird, moduliert werden und das Ausgangssignal demoduliert werden, um zusätzliche Integrität zu erhalten.
Wie bereits erwähnt, gehört zu den hervorragenden Vorteilen der Erfindung die Fähigkeit, unter Verwendung eines bereits vorhandenen Leistungstransformators ein Ausgangssignal von einem Eingangssignal elektrisch zu isolieren. Wie des weiteren gezeigt wurde, schafft die Erfindung eine magnetische Isolierung der Eingangs- und Ausgangssignale von der Eingangs- und Ausgangsenergie, die durch den Transformator ebenfalls zu übertragen ist, so daß die Signale und die Energie übertragen werden können, ohne sich gegenseitig zu beeinflussen. Weiterhin kann die Primärwicklung dazu verwendet werden, eines der Signaleingangs- und oder -ausgangs-Ströme mit einer Sekundärwicklung (die nicht dargestellt ist) zu übertragen, die verwendet wird, um den anderen Signalstrom zu übertragen, während die Signaleingangs- und -ausgangswicklungen als primäre und sekundäre Energieübertragungsteile genutzt werden können, ohne vom Prinzip der Erfindung abzuweichen, wie es in der Parallelanmeldung desselben Erfinders mit dem Titel "Niedrige Ausgangsspannung erzeugender Transformator" dargestellt und erläutert wird, die am selben Tag hinterlegt wurde.
Obwohl beim bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung der Kern 113 zur Übertragung eines Signals durch die Eingangs- und Ausgangs-Signalwicklungen verwendet wird, können diese auch als anderes Energieübertragungsteil (Primärwicklung und Sekundärwicklung) zur Übertragung von Energie auch unabhängig von dem Hauptenergieübertragungsteil eingesetzt werden. In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, daß der magnetische Fluß durch die Schenkel des Kerns 113 die Überlagerung des magnetischen Flusses aufgrund der Primärwicklung und dem durch die Eingangssignalwicklung erzeugten ist. Jedoch führt der totale Magnetfluß, der aus der Überlagerung resultiert, in jedem Fall zu magnetischem Kernverlust und daher zu erhöhter Wärmeabgabe im Transformator, was generell unerwünscht ist. Wenn die Eingangssignalwicklung dazu verwendet wird, im Vergleich zur Primärwicklung relativ niedrige Energie zu übertragen, kann der zusätzliche Kernverlust vernachlässigt werden. Auf der anderen Seite kann dieser zusätzliche Verlust unannehmbar sein, wenn es gewünscht wird, beachtliche Energie durch die Eingangssignalwicklung zu übertragen. Dann kann die Frequenz und die Phase eines oder beider durch die Primärwicklung und die Eingangssignalwicklungen fließenden Ströme justiert werden, um diesen Verlust zu minimieren, was dem Fachmann auf diesem Gebiet geläufig ist.
Es wird darauf hingewiesen, daß zwar eine besondere Vorrichtung und ein besonderes Verfahren zum Übertragen eines Signals durch einen Leistungsmagneten als bevorzugt dargestellt und beschrieben wurden, aber Konfigurationen und Verfahren im Rahmen der Erfindung zusätzlich zu den bereits erwähnten verwendet werden können.
Die Erläuterungen und Ausdrücke, die in der vorstehenden Beschreibung verwendet wurden, sind als Erläuterung und nicht als Beschränkung anzusehen und auf keinen Fall ist beabsichtigt, solche Erläuterungen und Ausdrücke in einer Weise zu benutzen, daß Äquivalente der offenbarten Merkmale oder Teilen von diesen ausgeschlossen wären, wobei zu betonen ist, daß der Umfang der Erfindung nur durch die nachfolgenden Ansprüche definiert und limitiert wird.

Claims

Vorrichtung zum Übertragen eines Signals mittels eines Leistungsmagneten mit mindestens zwei Öffnungen, die zwischen sich ein Mittelteil begrenzen, und mit zwei Schenkelteilen (116a, 116b) sowie: – einer ersten Eingangswicklung um das Mittelteil; – einer ersten Ausgangswicklung um einen oder mehrere des Mittelteils und der Schenkelteile, gekennzeichnet durch – eine zweite Eingangswicklung mit einem ersten Bereich (124) um einen der Schenkel (116a) entweder rechts oder links herum gewickelt und einen zweiten Bereich (126) der zweiten Wicklung um den anderen Schenkel (116b) in entgegengesetztem Sinn gewickelt und durch – eine zweite Ausgangswicklung mit einem ersten Bereich (128) um einen der Schenkel (116a) entweder links oder rechts herum gewickelt und einen zweiten Bereich (130) der zweiten Ausgangswicklung um den anderen Schenkel (116b) im entgegengesetzten Sinn zu dem des ersten Bereichs der zweiten Ausgangswicklung gewickelt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen mit der zweiten Eingangswicklung gekoppelten Signalmodulator und einen mit der zweiten Ausgangswicklung gekoppelten Signal-Demodulator.
Verfahren zum Übertragen eines Signals mittels eines Leistungsmagneten mit mindestens zwei Öffnungen, die ein Mittelteil begrenzen, und mit zwei Schenkeln (116a, 116b), wobei – eine erste Eingangswicklung um das Mittelteil gewickelt wird; – eine erste Ausgangswicklung um einen oder mehrere des Mittelteils und der Schenkel gewickelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß – eine zweite Eingangswicklung mit einem ersten Teilbereich (124) um einen der Schenkel (116a) entweder rechts oder links herum gewickelt wird und ein zweiter Bereich (126) der zweiten Wicklung um den anderen Schenkel (116b) im entgegengesetzten Sinn gewickelt wird; – von einer zweiten Ausgangswicklung ein erster Bereich (128) um einen der Schenkel (116a) entweder links oder rechts herum gewickelt wird und ein zweiter Bereich (130) der zweiten Ausgangswicklung um den anderen Schenkel (116b) im zum ersten Bereich der zweiten Ausgangswicklung entgegengesetzten Sinn gewickelt wird; – ein erster Eingangsstrom mit einer ersten Energie/Leistung durch die erste Eingangswicklung geleitet und dadurch ein erster Ausgangsstrom mit im Wesentlichen der ersten Energie/Leistung durch die erste Ausgangswicklung induziert wird; und – ein zweiter Eingangsstrom mit einer zweiten Energie/Leistung durch die zweite Eingangswicklung geleitet und dadurch ein zweiter Ausgangsstrom mit im Wesentlichen der zweiten Energie/Leistung durch die zweite Ausgangswicklung induziert wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Energie/Leistung unterschiedlich von der zweiten Energie/Leistung ist.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Ausgangsstrom dazu benutzt wird, ein aktives elektrisches Gerät zu betreiben und der zweite Ausgangsstrom dazu benutzt wird, das aktive elektrische Gerät zu steuern.