本發(fā)明涉及具有中頻變壓器(Mittelfrequenztransformator)的半導體變換器(Halbleiterumrichter)、尤其中壓-半導體變換器。

背景技術：

在中壓變換器中的變壓器被設置用于傳輸高功率并且還須滿足高的絕緣要求。為了減小變壓器的結構尺寸，以數(shù)千赫茲的相對高的工作頻率使其運行。對于這樣的變換器的常見運用是例如牽引運用或電網(wǎng)，在其中以在100kW與1000kW之間的功率、在例如20kV的電壓下并且以在5kHz與15kHz之間的變壓器頻率來使這樣的中頻變壓器運行。

雖然通過中頻變壓器的較高的工作頻率可減小其尺寸，但是結構尺寸減小受對于中壓運用所要求的隔離距離和必需的冷卻措施限制。

由于高工作頻率，通常使用多芯的線用于中頻變壓器的線圈繞組(Spulenwicklung)，因為由于否則必需的高的線圈導體橫截面明顯妨礙可機械卷繞性并且此外通過相鄰的繞組產生集膚效應(Stromverdraengungseffekt)，其可導致高損耗。在應用該線圈繞組時將各個芯線并聯(lián)在變壓器的接口之間。

由于應用多芯線圈繞組用于中頻變壓器，然而在變壓器芯或變壓器軛之外的漏損場(Streufeld)導致在線圈繞組中的感應電壓，其引起寄生電流。漏磁場大致平行于變壓器芯或軛的取向伸延。由于各個芯線與變壓器軛的不同距離，在芯線中產生彼此反向的寄生電流，其由于由芯線形成的線圈繞組的并聯(lián)可導致環(huán)形電流(Ringstrom)。這些環(huán)形電流可導致在數(shù)百安培范圍中的高電流，因為芯線具有低歐姆電阻并且這些環(huán)形電流僅受寄生電流的電流路徑的內部電感限制。

寄生環(huán)形電流與通過中頻變壓器的線圈繞組的工作電流疊加，從而造成在線圈繞組的芯線內不平衡的電流分布。當寄生環(huán)形電流非常高時，芯線中的一個可引導多于總公稱電流而芯線中的另一個可引導相應負的、也就是說相移了180°的電流。由此不僅使銅填充系數(shù)(Kupferfuellfaktor)減小了50%，而且產生附加的損失，并且中頻變壓器的最大功率輸出減少至二分之一或更少。

補償該效應的傳統(tǒng)的解決方案在于使線圈繞組的芯線扭絞，以便如此減少電流不平衡(Stromungleichgewicht)。然而對于較高的芯線橫截面，在制造中芯線的扭絞困難并且導致扭絞的芯線的提高的空間需求，這與意圖減小結構尺寸相悖。附加地由于芯線的扭絞在橫截面面積較大的情況下高彎曲壓力被施加到芯線上，由此會使其受機械損傷并且會損害其導電能力。

由文件US 2015/114676 A1已知以可簡單制造的方式減小由于芯線的扭絞的集膚效應。

由文件US 2003/141829 A1和US6,323,602 B1已知設置過濾線圈以平衡負載電流。

技術實現(xiàn)要素：

因此本發(fā)明的目的是減少在用于中壓運用的中頻變壓器中環(huán)形電流的產生并且避免上面所提及的可由較高橫截面面積的芯線的扭絞而產生的問題。

上述目的通過根據(jù)權利要求1的中頻變壓器以及通過根據(jù)并列權利要求的帶有中頻變壓器的半導體變換器來實現(xiàn)。

另外的設計方案在從屬權利要求中來說明。

根據(jù)第一方面，變壓器、尤其中頻變壓器設置用于應用在變換器中，其包括：

-變壓器芯，

-帶有多個芯線的多芯繞組，芯線圍繞變壓器芯卷繞，其中，芯線中的每個形成線圈支路(Spulenzweig);

-接口，在接口處芯線的相應的端部分別相互電連接;

-感應耦合部(Kopplung)，以便將線圈支路成對地相互感應耦合成使得補償在線圈支路中的寄生支路電流。

對于用于應用在變換器中的中頻變壓器，由于數(shù)千赫茲的高工作頻率使用多芯導體，其在卷繞變壓器芯時形成兩個或多于兩個線圈繞組，線圈繞組在其接口處并聯(lián)。通常將芯線鋪設成使得其構造在多層繞組組件的不同層中。根據(jù)隨著與變壓器芯的距離增加而減少的漏損通量(Streufluss)，在變壓器的運行中在芯線中感應出不同電壓，其導致在由芯線形成的線圈支路的繞組中不同的寄生電流。由于芯線的多層布置造成在線圈支路中引起的環(huán)繞的電流彼此反向。因為線圈支路在其接口處相連接，由此可產生環(huán)形電流，其由于芯線的較小的歐姆電阻可達到較高的電流強度。

對于上述中頻變壓器，將經(jīng)由其接口并行相互連接的芯線中的至少兩個變壓器式地耦合，使得在芯線中的一個中的寄生分支電流導致在芯線中的另一個中的相應同向的寄生補償電流。由此，在如此耦合的芯線中的每個中支路電流的電流分量相互補償并且如此可完全或部分地消除。

以該方式可實現(xiàn)變壓器的部分繞組的芯線的感應耦合以便使在其中流過的寄生電流相互補償，而不需芯線的扭絞或者在線圈支路內的其他措施。由此即使在帶有較大橫截面芯線的線圈繞組中也能夠最佳地充分利用變壓器中的結構空間并且顯著減小繞組損耗。此外可應用感應的、作為共模過濾器(Gleichtaktfilter)起作用的感應耦合部的較小的漏電感(Streuinduktivitaet)，以調諧變壓器的漏電感。尤其不給變壓器-漏電感附加顯著的電感。

此外，感應耦合部可相應在兩個芯線之間具有環(huán)芯(Ringkern)，交叉地引導不同的線圈支路穿過該環(huán)芯，使得其在線圈支路的卷繞方向方面在彼此相反的方向上伸延通過環(huán)芯。環(huán)芯是由可導磁的材料構成的閉合的圓形元件。其可構造成環(huán)形或者具有其他的閉合的形狀。

根據(jù)一實施形式，感應耦合部可相應在兩個芯線之間具有兩個環(huán)芯，其經(jīng)由單獨的交叉引導的導體環(huán)相互耦合，其中，芯線以在接口中的一個與線圈支路之間的區(qū)段被引導穿過環(huán)芯中的一個并且如此引導導體環(huán)穿過環(huán)芯使得在其中流動的環(huán)形電流在支路電流方面同向地流過環(huán)芯

此外，感應耦合部可相應在兩個芯線之間具有環(huán)芯，其中，線圈支路中的第一線圈支路的芯線在位于該部分繞組與接口中的第二接口之間的區(qū)段處被引導穿過環(huán)芯而線圈支路中的第二線圈支路的第二芯線以位于該部分繞組與接口中的第一接口之間的區(qū)段被引導穿過環(huán)芯。

根據(jù)一實施形式，在多于兩個芯線的情況下為了實現(xiàn)多于兩個部分繞組可在線圈支路中的相應兩個的任何可能的配對之間設置感應耦合部。

可設置成，多芯繞組被扭絞、尤其被扭絞剛好一次。

根據(jù)一實施形式，多芯繞組的芯線可圍繞變壓器芯成層布置。

根據(jù)另一方面，設置有一種變換器，其包括上述變壓器和一個或多個逆變器(Wechselrichter)。

此外，該一個或多個逆變器可構造成以在300Hz到30kHz之間、尤其在1kHz到20kHz之間的頻率來運行變壓器。

附圖說明

接下來根據(jù)附圖來詳細闡述實施形式。其中：

圖1示出了帶有中頻變壓器的中壓變換器的示意圖；

圖2示出了中頻變壓器的雙芯的線圈繞組的示意性橫截面圖示;

圖3示出了帶有線圈支路的感應耦合部的第一變體的中壓變壓器的電路圖；并且

圖4示出了帶有線圈支路的感應耦合部的另一變體的中壓變壓器的電路圖。

圖5示出了帶有線圈支路的感應耦合部的另一變體的中壓變壓器的電路圖。

具體實施方式

中頻變壓器通常應用在用于在10kV與100kV之間的范圍中的中壓的半導體變換器中。中頻變壓器的已知的布置方式在于將其布置在半導體逆變器之間。這樣的半導體變換器可被用于牽引運用或電網(wǎng)運用。

在圖1中示范性示出帶有中頻變壓器2的DC/DC-變換器1。設置有輸入側的DC/AC-逆變器3，以便將輸入側的直流電壓U_DC1轉換成預設的工作頻率的第一交變-中間回路電壓U_AC1。第一交變-中間回路電壓U_AC1在初級側被與中頻變壓器2連接。在次級側獲得第二交變-中間回路電壓U_AC2。第二交變-中間回路電壓U_AC2被與輸出側的AC/DC-逆變器4連接。預設的工作頻率典型地處于1到20kHz之間。逆變器3、4在此從輸入側的直流電壓U_DC1產生第一交變-中間回路電壓U_AC1而從第二交變-中間回路電壓U_AC2產生輸出側的直流電壓U_AC2。代替輸入側的直流電壓U_DC1和/或輸出側的直流電壓U_DC2，也可在輸入側提供交變電壓或在輸出側提供交變電壓。

在圖2中示例性地在橫截面中示出一種這樣的中壓變壓器。辨識出變壓器芯21，其卷繞有多芯繞組導體22，使得第一芯線22a卷繞內層且形成第一線圈支路，而第二芯線22b卷繞處于其上的第二層且形成第二線圈支路。線圈支路在兩個接口23處相互同向連接，從而其大致并聯(lián)。通過磁性的漏損場(其在繞組頻率變壓器的運行中出現(xiàn)并且伸延通過線圈繞組的區(qū)域)在線圈支路中感應出電壓，其可引導彼此反向的寄生電流。因為線圈支路在其接口處相互連接，寄生電流正地相加并且形成寄生環(huán)流，其由于線圈支路的較低的歐姆電阻可達到高電流強度并且由此導致在線圈支路中不一致的電流分布。這導致銅填充系數(shù)的顯著惡化和附加的電損失，從而可能會使中頻變壓器的最大功率輸出減少至二分之一或更少。

在圖3中示出了帶有在兩個線圈支路24a、24b之間的感應耦合部5的中頻變壓器2的電路圖的示意圖。感應耦合部5布置在接口中的一個23與線圈支路之間并且設計成使得在線圈支路中的第一線圈支路24a中的第一寄生支路電流引起在線圈支路中的第二線圈支路24b中的同向的支路電流。由此在線圈支路中的一個中的寄生支路電流由在線圈支路中的另一個中的寄生支路電流來補償或者完全或部分地消除。以該方式可提供一種共模過濾器，其具有足夠高的環(huán)路電感(Schleifeninduktivitaet)，以便抑制在由線圈支路24a、24b形成的環(huán)路中的寄生支路電流。此外，然而沒有給變壓器-漏電感附加顯著的電感。

在圖3中感應耦合部5借助于環(huán)芯51來實現(xiàn)，交叉地引導不同線圈支路24a、24b的芯線22a、22b穿過該環(huán)芯，使得其在線圈支路24a、24b的卷繞方向方面在彼此相反的方向上伸延穿過環(huán)芯51。

在圖4的圖示中示出了感應耦合部5’的另一可能性。感應耦合部5’具有兩個環(huán)芯52、53，其經(jīng)由單獨的交叉引導的導體環(huán)54相互耦合，從而同樣達到感應耦合的效果。尤其將芯線22a、22b中的每個以在接口23與線圈支路之間的區(qū)段引導穿過環(huán)芯52、53中的一個。此外，如此引導導體環(huán)54穿過環(huán)芯52、53，使得在其中流動的環(huán)形電流在支路電流方面同向地流過環(huán)芯52、53。

圖5的實施形式同樣示出一種感應耦合部5’’，其借助于環(huán)芯55來構造。將第一線圈支路24a的第一芯線22a的位于部分繞組與接口中的第二接口23b之間的區(qū)段引導通過環(huán)芯55。類似地，將第二線圈支路24b的第二芯線22b的位于部分繞組與接口中的第一接口23a之間的區(qū)段引導通過同一環(huán)芯55。由此，線圈支路24a、24b同樣反向耦合，使得寄生支路電流相互補償。該實施變體具有可避免芯線22a、22b的強烈彎曲的優(yōu)點，這尤其對于較大的導體橫截面可在制造時顯現(xiàn)出顯著的簡化。

如果設置有多于兩個芯線以實現(xiàn)多于兩個線圈支路，則可在相應兩個線圈支路的每個可能的配對之間設置感應耦合部，以有效地補償寄生環(huán)流。