Частотно-импульсный преобразователь и способ преобразования электрической энергии

Частотно-импульсный преобразователь и способ преобразования электрической энергии

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники

Настоящее изобретение относится, в общем, к частотно-импульсным преобразователям электрической энергии. В частности, настоящее изобретение относится к объекту, раскрытому в ограничительной части независимых пунктов формулы. Настоящее изобретение имеет преимущественные области применения, в частности - в источниках питания электрических устройств.

Уровень техники

Источники питания, например, источники питания с частотно-импульсным преобразованием, используются для обеспечения питания постоянным током различных электронных устройств. Такие источники питания могут быть соединены с входом электропитания устройства, или они могут, например, преобразовывать энергию для конкретной части устройства. Современные источники питания, как правило, реализованы посредством частотно-импульсных преобразователей. На входе частотно-импульсного преобразователя может быть постоянный ток или переменный ток, при этом напряжение на входе/выходе может меняться в зависимости от реализации. Поскольку большинство электронных устройств имеют источники питания с частотно-импульсным преобразованием для обеспечения рабочей мощности, важно, чтобы частотно-импульсные преобразователи обладали высоким КПД.

Частотно-импульсные преобразователи используют входной ток для подачи энергии в индукционную катушку в одной фазе, при этом в другой фазе подаваемая энергия направляется к нагрузке. Эти рабочие фазы переключаются на высокой частоте. Базовые конструкции источников питания с частотно-импульсным преобразованием включают в себя преобразователи повышающего типа, которые увеличивают напряжение, и преобразователи понижающего типа, которые уменьшают напряжение. В источниках питания повышающего типа входная мощность подается на нагрузку с индукционной катушкой, причем транзистор соединяет индукционную катушку напрямую с входным напряжением в первой фазе для передачи энергии в индукционную катушку, при этом во второй фазе заряженная индукционная катушка соединена с нагрузкой для подачи энергии высокого напряжения. В преобразователях понижающего типа ток протекает непрерывно в контуре индукционной катушки, а транзистор с нагрузкой А последовательно соединяет входное напряжение с контуром, тем самым, увеличивая энергию индукционной катушки в первой фазе, для возможности использования в нагрузке во второй фазе.

Кроме того, для увеличения напряжения возможны комбинации базовых типов частотно-импульсных преобразователей, например, преобразователей, основанных на резонансе, и каскадных преобразователей. Простые источники питания с частотно-импульсным преобразованием, как правило, имеют КПД в диапазоне от 70% до 90%. Например, номинальная КПД источника питания повышающего типа, как правило, составляет 70%, а КПД источника питания понижающего типа, как правило, составляет 80-90%. Существуют также источники питания с более высокими значениями КПД, например, источники питания с частотно-импульсным преобразованием типа «split-pi», в которых использовано несколько транзисторов для соединения входного источника энергии для подачи питания последовательно к нескольким индукционным катушкам так, что ток из источника входного напряжения является практически равномерным. Это сводит к минимуму потери, возникающие в результате изменений и выбросов тока, при этом возможно обеспечение КПД выше 90%. Однако данное техническое решение приводит к усложнению конструкции и, соответственно, к повышению производственных затрат.

В приведенных ниже документах описаны преобразователи смешанного типа с двумя последовательно переключаемыми, параллельными индукционными катушками: «Проектирование и анализ двухфазного повышающего DC/DC-преобразователя» (Design and analysis of two-phase boost DC-DC converter), авторы Taufik Taufik, Tadeus Gunawan, Dale Dolan and Makbul Anwari, Всемирная академия наук, Техника и Технологии (World Academy of Science, Engineering and Technology), выпуск 43, 2010 г., и «Простая и эффективная реализация двухфазного повышающего преобразователя смешанного типа для возобновляемого источника питания» (Efficient Implementation of Two-Phase interleaved Boost Converter for Renewable Energy Source), авторы Mounica Ganta, Pallam Reddy Nirupa, Thimmadi Akshitha, Dr.R.Seyezhai, Международный журнал инновационной технологии и перспективного проектирования (International Journal of Emerging Technology and Advanced Engineering), том 2, выпуск 4, апрель 2012 г. Такое техническое решение основано на использовании заданного количества повышающих преобразователей, соединенных параллельно. Данное техническое решение целесообразно применять в случаях с очень небольшой мощностью, при этом данная технология непригодна для использования в других случаях.

Большинство источников питания реализованы с использованием одной из двух базовых конструкций. Таким образом, потери мощности составляют значительную часть расхода электроэнергии. Кроме того, потери мощности известных из уровня техники источников питания приводят к нагреванию устройств и снижают их срок службы.

Сущность изобретения

Цель настоящего изобретения состоит в обеспечении частотно-импульсного преобразователя энергии для применения в различных сферах, который позволяет устранить или снизить раскрытые выше недостатки известных технических решений. Таким образом, цель настоящего изобретения заключается в том, чтобы повысить КПД подачи мощности и при этом обеспечить относительно простую конструкцию.

Цель настоящего изобретения достигнута за счет использования вторичной обмотки на ферромагнитном сердечнике преобразователя и управления вторичной обмоткой в двух фазах для повышенного выделения энергии из магнитного потока в нагрузку, через первичную и вторичную обмотки.

В частности, цель настоящего изобретения достигнута за счет обеспечения частотно-импульсного преобразователя для преобразования электрической энергии, содержащего:

- ферромагнитный сердечник;

- первичную обмотку на ферромагнитном сердечнике;

- первый управляемый первичный переключатель, подключающий первичную обмотку к входной мощности, когда переключатель находится в состоянии включения;

- второй первичный переключатель, подключающий первичную обмотку к нагрузке;

причем первым управляемым первичным переключателем управляют посредством первичных управляющих импульсов для возбуждения первичной обмотки путем увеличения ее тока во время первичного импульса для создания магнитного потока в сердечнике, и

причем между первичными импульсами первичная обмотка выделяет энергию магнитного потока в нагрузку, в результате чего происходит уменьшение тока в первичной обмотке;

который отличается тем, что для повышения КПД указанный преобразователь дополнительно содержит вторичный контур с вторичной обмоткой на ферромагнитном сердечнике, причем вторичный контур выполнен с возможностью передачи энергии вторичной обмотки и/или другого источника энергии в первичную обмотку во время указанного уменьшения тока первичной обмотки. Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения, это происходит в ситуации, когда магнитный поток в месте расположения вторичной обмотки меньше магнитного потока в месте расположения первичной обмотки, и/или общий ток вторичной обмотки меньше общего потока первичной обмотки.

Настоящее изобретение также относится к способу преобразования электрической энергии, в котором:

- управляют первым первичным переключателем для подключения импульса входного напряжения к первичной обмотке ферромагнитного сердечника на первой фазе;

- затем выделяемую энергию из первичной обмотки направляют к нагрузке через второй первичный переключатель на второй фазе, причем происходит уменьшение тока первичной обмотки,

причем указанный способ отличается тем, что для повышения КПД преобразования энергию вторичной обмотки и/или другого источника питания передают на первичную обмотку во время указанного уменьшения тока первичной обмотки.

Согласно настоящему изобретению, частотно-импульсный преобразователь для преобразования электрической энергии в первой фазе и во второй фазе содержит в своем соединении:

- ферромагнитный сердечник;

- первичную обмотку на ферромагнитном сердечнике;

- вторичную обмотку на ферромагнитном сердечнике;

- первый управляемый первичный переключатель, на указанной первой фазе, присоединенный с возможностью находиться в состоянии включения и состоянии выключения, управляемо связанный с первичными управляющими импульсами, имеющими состояния, соответствующие указанным состояниям включения и выключения указанного первичного переключателя, для подключения первичной обмотки к входной мощности, когда переключатель находится в состоянии включения, для возбуждения первичной обмотки для увеличения ее тока для создания магнитного потока в сердечнике, до тех пор, пока первичный переключатель не будет установлен в состояние выключения, посредством состояния выключения управляющего импульса, так что увеличение магнитного потока также приводит к увеличению вторичного тока во вторичной обмотке;

- управляемый вторичный переключатель, присоединенный с возможностью находиться в состоянии включения и в состоянии выключения, управляемым образом соединенный с вторичными управляющими импульсами, имеющими фазы, соответствующие указанным состояниям включения и выключения, присоединенный для подключения вторичной обмотки к входной мощности, когда переключатель находится в состоянии включения, для возбуждения вторичной обмотки к нагрузке,

причем в указанной второй фазе, указанная вторичная обмотка присоединена с возможностью ее возбуждения указанными вторичными управляющими импульсами входной мощности посредством вторичного переключателя, устанавливаемого в состояние включения непосредственно тогда, когда состояние первичного импульса соответствует состоянию выключения указанного первичного переключателя, когда в указанной второй фазе первичная обмотка выделяет магнитную энергию в ферромагнитный сердечник,

причем для обеспечения функционирования преобразователя с повышенным КПД, указанная вторичная обмотка расположена на определенном расстоянии от первичной обмотки для обеспечения возможности создания неравномерного магнитного потока в ферромагнитном сердечнике, и/или по меньшей мере одна из указанных первичной и вторичной обмоток имеет такую форму или диаметр, что магнитный поток ферромагнитного сердечника является неравномерным, при этом он меньше в месте расположения вторичной обмотки в результате противоположного направления тока вторичной обмотки, что уменьшает рост магнитного потока.

Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения, частотно-импульсный преобразователь содержит соединительные средства для создания противодействующего напряжения при соединении с противоположной полярностью относительно вторичного тока, выполненные с возможностью создания противодействующего напряжения во вторичном контуре, причем средства противодействующего напряжения содержат по меньшей мере одно из следующего: индукционную катушку вторичного контура и конденсатор, и аккумулятор.

Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения, частотно-импульсный преобразователь содержит в соединении вторичный переключатель для того, чтобы управляемым образом устанавливать вторичную обмотку в состояние, при котором отсутствует возбуждение импульсами входной мощности, причем вторичная сторона присоединения содержит индукционную катушку, имеющую собственную индуктивность, которая создает напряжение, пропорциональное изменению вторичного тока, причем указанная индукционная катушка представляет собой дополнительную индукционную катушку или индукционную катушку согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения.

Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения в частотно-импульсном преобразователе присоединение со стороны вторичной обмотки содержит дополнительный источник напряжения, то есть по меньшей мере одно из следующего: индукционную катушку, конденсатор и аккумулятор.

Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения в частотно-импульсном преобразователе индуктивность вторичного контура превышает индуктивность первичного контура.

Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения в частотно-импульсном преобразователе вторичная обмотка непрерывно присоединена к нагрузке с переключающим компонентом, при этом, соответственно, присоединена так, что во время уменьшающей фазы первичного и вторичного тока эти токи выделяют энергию в нагрузку, при этом присоединение реализовано без вторичного переключателя.

Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения в частотно-импульсном преобразователе расстояние между внутренним диаметром вторичной обмотки и наружным диаметром сердечника превышает расстояние между внутренним диаметром первичной обмотки и наружным диаметром сердечника.

Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения в частотно-импульсном преобразователе предусмотрена индукционная катушка, последовательно соединенная с вторичной обмоткой, причем указанная индукционная катушка выполнена отдельно от указанного сердечника.

Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения частотно-импульсный преобразователь имеет ферромагнитный сердечник замкнутой формы. Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения указанный ферромагнитный сердечник имеет торообразную, многоугольную форму или выполнен в виде броневого сердечника.

Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения в частотно-импульсном преобразователе первичная обмотка и вторичная обмотка занимают положения отдельно друг от друга на сердечнике, предпочтительно -расположены с противоположных сторон сердечника.

Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения в частотно-импульсном преобразователе первичная и вторичная обмотки расположены на магнитном сердечнике так, что магнитный поток ферромагнитного сердечника является неравномерным вдоль траектории магнитного сердечника, будучи меньше в месте расположения вторичной обмотки.

Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения в частотно-импульсном преобразователе обмотки из указанных первичной и вторичной обмоток выполнены так, что во вторичной обмотке возникает ток противоположного направления для уменьшения роста магнитного потока.

Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения в частотно-импульсном преобразователе обмотки из указанных первичной и вторичной обмоток выполнены так, что меньший магнитный поток в месте расположения вторичной обмотки возбуждает меньшее противодействующее напряжение во вторичной обмотке во время второй фазы, вследствие чего потребляется меньше входной мощности вторичной обмоткой во второй фазе во время снижения первичного и вторичного токов.

Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения в частотно-импульсном преобразователе дополнительно предусмотрен вторичный контур с вторичной обмоткой на ферромагнитном сердечнике, причем вторичный контур выполнен с возможностью передачи энергии вторичной обмотки и/или другого источника энергии в первичную обмотку во время указанного уменьшения тока первичной обмотки.

Способ согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения для преобразования электрической энергии, содержащий следующее:

- на первой фазе управляют первым первичным переключателем так, чтобы подключить импульс входного напряжения к первичной обмотке ферромагнитного сердечника,

- затем на второй фазе выделяемую энергию из первичной обмотки направляют к нагрузке через второй первичный переключатель, при этом происходит уменьшение тока первичной обмотки,

причем указанный способ отличается тем, что:

передают энергию в первичную обмотку во время указанного уменьшения тока первичной обмотки и/или другого источника энергии для повышения КПД преобразования энергии вторичной обмотки.

Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения способ преобразования электрической энергии содержит следующее:

- во время второй фазы, управляют первым вторичным переключателем для подключения импульса входного напряжения к вторичной обмотке ферромагнитного сердечника для увеличения выделения энергии из первичной обмотки в нагрузку, и

- во время первой фазы направляют выделяемую энергию из вторичной обмотки сердечника к нагрузке через второй вторичный переключатель.

Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения предложен способ преобразования электрической энергии посредством предлагаемого в настоящем изобретении частотно-импульсного преобразователя, присоединенного с возможностью преобразования электрической энергии за счет использования неравномерного магнитного потока в сердечнике, причем присоединение имеет по меньшей мере одну из указанных первичной и вторичной обмоток, расположено так и/или имеет такую форму или диаметр на определенном расстоянии от вторичной и первичной обмоток, соответственно, чтобы обеспечивать неравномерный магнитный поток, причем указанный способ содержит следующее:

- управляют в первой фазе, первым управляемым переключателем посредством первичных управляющих импульсов для возбуждения первичной обмотки для увеличения ее тока для создания магнитного потока в сердечнике,

- переключают посредством указанных первичных управляющих импульсов первый управляемый первичный переключатель в состояние включения для подключения первичной обмотки к входной мощности во время указанного управляющего импульса,

- возбуждают во второй фазе, сразу после первичного импульса, вторичную обмотку посредством вторичных импульсов входной мощности с помощью второго переключателя, находящегося в состоянии включения, во время указанных вторичных импульсов,

- побуждают, путем установки указанного первого управляемого первичного переключателя в состояние выключения, первичную обмотку выделять магнитную энергию магнитного потока в нагрузку между состояниями включения первичных импульсов, при этом происходит уменьшение тока первичной обмотки.

Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения индуктивность вторичного контура превышает индуктивность первичного контура. Существует два основных подхода для увеличения индуктивности вторичного контура. Согласно одному из подходов расстояние между внутренним диаметром вторичной обмотки и наружным диаметром сердечника превышает расстояние между внутренним диаметром первичной обмотки и наружным диаметром сердечника. Таким образом, индуктивность вторичной обмотки увеличивается при увеличении внутреннего диаметра обмотки. Согласно другому подходу предусмотрена индукционная катушка, соединенная последовательно с вторичной обмоткой, причем указанная индукционная катушка отделена от указанного сердечника. Если используют отдельную индукционную катушку, то нет необходимости увеличивать внутренний диаметр вторичной обмотки. Однако также возможно скомбинировать эти два подхода и предусмотреть как увеличенный диаметр вторичной обмотки, так и использовать отдельную последовательно соединенную катушку во вторичном контуре.

Согласно еще одному варианту осуществления настоящего изобретения, ферромагнитный сердечник имеет замкнутую форму, например торообразную или многоугольную форму. Первичная и вторичная обмотки предпочтительно расположены в отдельных местах на сердечнике. Это целесообразно с точки зрения обеспечения неравномерного магнитного потока в сердечнике в заданных местах обмоток. Первичная и вторичная обмотки предпочтительно расположены на противоположных сторонах сердечника для обеспечения большей разницы между значениями магнитного потока в заданных местах обмоток.

Некоторые предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения раскрыты в зависимых пунктах формулы.

Настоящее изобретение имеет существенные преимущества по сравнению с известными из уровня техники решениями. КПД преобразователя энергии значительно повышается, что позволяет сэкономить потребляемую энергию. Это является преимуществом как для отдельных пользователей, так и в глобальном масштабе.

Частотно-импульсный преобразователь согласно настоящему изобретению может быть реализован посредством небольшого количества компонентов питания и компонентов управления, в результате чего контур можно изготовить с меньшими затратами.

Термин «импульс», используемый в настоящем документе, обозначает предпочтительно по существу импульс прямоугольной формы, но, как альтернатива, может обозначать импульс другой формы, например, синусоидальной формы.

Краткое описание чертежей

Раскрытые выше, а также другие преимущества настоящего изобретения станут понятнее из приведенного далее подробного описания со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых изображено следующее.

На фиг. 1 показана принципиальная схема типового источника питания с частотно-импульсным преобразованием повышающего/понижающего типа, известного из уровня техники.

На фиг. 2А представлена принципиальная схема примерного частотно-импульсного преобразователя энергии в соответствии с настоящим изобретением, в котором индуктивность вторичного контура увеличивается за счет использования увеличенного внутреннего диаметра вторичной обмотки.

На фиг. 2В представлена принципиальная схема примерного частотно-импульсного преобразователя энергии в соответствии с настоящим изобретением, в котором индуктивность вторичного контура увеличивается за счет использования отдельной последовательно соединенной индукционной катушки.

На фиг. 2С представлена принципиальная схема примерного частотно-импульсного преобразователя энергии в соответствии с настоящим изобретением, в котором вторичный контур не имеет активно управляемого переключателя для соединения вторичного контура с источником питания.

На фиг. 3 представлена принципиальная схема примерного частотно-импульсного преобразователя энергии в соответствии с настоящим изобретением, в котором нагрузка связана с таким же фиксированным потенциалом, как и управляемые переключатели.

На фиг. 4 показана схема примерной управляющей последовательности для контуров с фиг. 2 и 3.

На фиг. 5 показан примерный ферромагнитный сердечник с первичной и вторичной обмотками согласно настоящему изобретению, причем внутренний диаметр вторичной обмотки превышает внутренний диаметр вторичной обмотки.

На фиг. 6А и 6В проиллюстрированы различные варианты осуществления способа преобразования электрической энергии.

Подробное раскрытие некоторых вариантов осуществления изобретения

Для того чтобы понять новые признаки настоящего изобретения, сначала раскрыты функциональные возможности известного источника энергии с частотно-импульсным преобразованием со ссылкой на фиг. 1, а функциональные возможности различных примерных вариантов осуществления настоящего изобретения подробно раскрыты со ссылкой на фиг. 2-6В.

На фиг. 1 представлена принципиальная схема известного базового источника питания с частотно-импульсным преобразованием понижающего/повышающего типа. Схема содержит обмотку индукционной катушки L, намотанную вокруг ферромагнитного сердечника. На конденсатор CP подается входное напряжение U входного источника Р питания. Конденсатор CP соединен с индукционной катушкой L с переключаемым транзистором Т. Транзистором управляют так, чтобы он находился в состоянии включения, посредством коротких импульсов, например, длиной 10 мкс, обеспеченных импульсным генератором G. Таким образом, транзистор подключает короткие импульсы тока из конденсатора CP к индукционной катушке L. При состоянии выключения транзистора Т энергия индукционной катушки L направляется через диодный переключатель D1 в конденсатор С нагрузки и на нагрузку R. Диодные переключатели предотвращают выделение энергии, подаваемой в конденсатор С, в индукционную катушку или входной источник питания.

КПД контура вычисляют путем деления энергии, прилагаемой к нагрузке R, на энергию, подаваемую входным источником Р питания, в течение конкретного периода времени. КПД такого базового контура составляет примерно 80% для сердечника средней длины, равной примерно 200 мм. Заявитель настоящей заявки протестировал контур с фиг. 1 с получением следующих данных:

U = 30 В

Iu = 0,038…0,040 А

Pвx = U*Iвx = 1,17 +/- 0,03 Вт

Uc = 30,11 В

Ic = 0,030 A

Рвых = Uc*Ic = 0,903 Вт

η = Рвых/Рвх = 77,2%

Указанные термины обозначают следующее:

U = входное напряжение

Iu = первичный ток

Рвх = мощность, подаваемая из источника питания в преобразователь

Uc = напряжение, подаваемое первичной обмоткой

Ic = ток нагрузки

Рвых = мощность на нагрузке

η = КПД преобразователя

Таким образом, измерения указывают на то, что КПД данного известного из уровня техники контура составляет 77,2%.

На фиг. 2А представлен примерный контур частотно-импульсного преобразователя согласно настоящему изобретению. Первичный контур преобразователя похож на контур, известный из уровня техники. Первичный контур имеет обмотку индукционной катушки L, намотанную вокруг ферромагнитного сердечника. На конденсатор CP подается входное напряжение U входного источника Р питания. Конденсатор CP связан с индукционной катушкой L1 с переключаемым транзистором Т1. Транзистором управляют так, чтобы он находился в состоянии включения, посредством коротких импульсов G1, например, длиной 10 мкс, обеспечиваемых импульсным генератором G. Таким образом, транзистор соединяет короткие импульсы тока от конденсатора CP с индукционной катушкой L. При состоянии выключения транзистора Т энергия индукционной катушки L направляется через диодный переключатель D1 в конденсатор С нагрузки и в нагрузку R. Диодный переключатель предотвращает выделение энергии, подаваемой в конденсатор С, в индукционную катушку или входной источник питания.

Ферромагнитный сердечник имеет вторичную обмотку L2 индукционной катушки. Вторичная обмотка намотана вокруг сердечника не плотно, при этом внутренний диаметр обмотки превышает наружный диаметр сердечника, вследствие чего между сердечником и вторичной обмоткой остается неферромагнитное пространство. Вторичная обмотка соединена с нагрузкой с диодами D2, что позволяет электрической энергии протекать из вторичной обмотки к нагрузке, но не наоборот. Контур имеет другие переключающие транзисторы Т2 для переключения одного конца вторичной обмотки L2 на входной источник питания. Второй конец вторичной обмотки соединен с входным источником питания. Таким образом, первичный и вторичный контуры являются симметричными.

Переключающие транзисторы Т1 и Т2 управляются последовательными импульсами, которые сначала переключают транзистор Т1 в состояние включения за короткий период времени в первой фазе. После переключения первичного транзистора Т1 обратно в состояние выключения, второй транзистор Т2 переключается в состояние включения за короткий период времени, например, 10-13 мкс во второй фазе. В первой фазе вторичная обмотка выделяет электрическую энергию в нагрузку через диодный переключатель D2. Во второй фазе вторичная обмотка соединена с входным напряжением, что увеличивает выделение энергии из первой обмотки в нагрузку.

На фиг. 4 представлена примерная управляющая последовательность. G1 представляет собой управляющий импульс первичного переключателя, a G2 представляет собой управляющий сигнал вторичного переключателя. И представляет собой ток первичной обмотки. В первой фазе, когда первичный переключатель переведен в состояние включения посредством управляющего сигнала G1, ток первичной обмотки увеличивается в соответствии с входным напряжением и индуктивностью первичной обмотки. Во время первой фазы энергия частично протекает к нагрузке через вторичную обмотку L2.

Во второй фазе первичным переключателем управляют для переключения его в состояние выключения посредством сигнала G1, а вторичным переключателем управляют для переключения в состояние включения посредством сигнала G2 за короткий период времени. Таким образом, вторичная обмотка соединена с входным напряжением. Ток первичной обмотки уменьшается, но медленнее из-за эффекта напряжения во вторичной обмотке. Во время такого более медленного уменьшения тока первичной обмотки, энергия протекает к нагрузке из первичной обмотки за более длинный период времени, при этом большее количество энергии протекает к нагрузке. Благодаря этому удается обеспечить увеличенную мощность на выходе, а также повысить КПД. Далее, импульсы G1 и G2, а также первые и вторые фазы, повторяются с заданным интервалом.

При этом измерения показали, что оригинальное применение вторичного контура увеличивает как мощность на выходе преобразователя, так и его КПД. При измерении примерного контура были получены следующие значения:

U = Ut = 30 В

Ne = 25

Nt = 38

Iвх = 0,105 А

Рвх = Ue*Iвх = 3,15 Вт

Uc = 28,03…28,22 В

Ic = 0,104 A

Рвых = Uc*Iвx = 2,925 Вт +/- 0,01 Вт

η = Рвых/Рвх = 92,8%

Указанные термины обозначают следующее:

U = входное напряжение

Ut = напряжение вторичной обмотки

Ne и Nt представляют собой количество витков в первичной и вторичной обмотках соответственно

Iвх = ток, подаваемый от источника питания в преобразователь

Рвх = мощность, подаваемая от источника питания в преобразователь

Uc = напряжение, подаваемой первичной обмоткой

Ic = ток нагрузки

Рвых = мощность на нагрузке

η = КПД преобразователя

Таким образом, измерения демонстрируют, что КПД составляет 98,2%, что значительно выше КПД известного из уровня техники контура, представленного на фиг. 1.

Далее раскрыт принцип функционирования настоящего изобретения путем более подробного изучения представленного выше примера. В данном примере ферромагнитный сердечник изготовлен из двух U-образных половин, закрепленных с формированием замкнутого магнитного контура. Диаметр сердечника составляет 17 мм, а средняя длина сердечника равна 200 мм. Сердечник имеет первичную обмотку L1, количество витков в которой равно 25, Ne = 25. Вторичная обмотка расположена на сердечнике, напротив указанной первичной обмотки. Вторичная обмотка имеет 38 витков, Nt = 38, при этом диаметр d2 вторичной обмотки составляет 100 мм, а цилиндрическая длина обмотки может составлять, например, от 25 мм до 35 мм. При длине 25 мм, индуктивность обмотки равна L2 = 200 мкГн, а при длине в 35 мм ее индуктивность составляет L2 = 170 мкГн. В рассмотренном выше примере используют обмотку с индуктивностью 170 мкГн, при этом в нижеследующем примере используют обмотку с индуктивность 200 мкГн. Значение dl/dt в первой фазе немного ниже, но они обе обеспечивают одинаковое повышение КПД.

В первой фазе в первичную обмотку подают импульс 10 мкс, в результате чего вторичная обмотка начинает подавать ток к нагрузке. Во второй фазе ток первичной обмотки подается к нагрузке, при этом вторичная обмотка соединена с входным напряжением U. Если бы переключатели, магнитный сердечник и обмотки работали без потерь и U = Uc, то первая и вторая фазы имели бы одинаковую продолжительность, а энергия, отбираемая от входного напряжения первичной обмоткой в первой фазе, была равна энергии, подаваемой к нагрузке во время второй фазы. При этом вторичная обмотка подает во время второй фазы такой же ток к нагрузке, какой она отбирает во время второй фазы. На практике, компоненты имеют потери, поэтому вторая фаза короче первой.

Однако поскольку в идеальном трансформаторе произведения Ne*Ie и Nt*It почти одинаковы, в приведенной выше компоновке может быть определено, что между данными произведениями существует большая разница: Ne*Ie значительно выше Nt*It. Измерения показывают, что обычно Ne*Ie = 25*0,9 А = 22,5 А и Nt*It = 38*0,45 А = 17,1 А, при этом отношение Ne*Ie/Nt*It = 1,32 или Ne*Ie = 1,32 Nt*It.

Большая разность токов первичной и вторичной обмоток влияет следующим образом: если напряжение U и Uc равны, то вторичная обмотка подает меньше тока в нагрузку во время первой фазы, но она также отбирает в равной степени меньше мощности во второй фазе, при этом не наблюдается какого-либо повышения КПД. Теперь, если продолжительность второй фазы каким-то образом увеличить, то вторичная обмотка будет сохранять более высокий первичный ток в течение более длительного периода времени, при уменьшении до нуля. В данном случае вторичный ток отбирает мощность в соответствии со следующей формулой: Pt = U*It, при этом первичный ток обеспечивает подачу мощности к нагрузке в соответствии с формулой: Ре = Uc*Ie. В этом случае Nt*It меньше Ne*Ie на коэффициент 1,32. Поскольку в первичной обмотке количество витков равно 25, а во вторичной обмотке количество витков составляет 38, а их отношение равно 0,658, напряжение, прикладываемое ко вторичной обмотке во второй фазе, влияет посредством указанного отношения на первичную обмотку, однако вторичный ток не настолько мал, а меньше на величину 0,658/1,32, то есть вместо 0,6 А он равен 0,45 А из-за разности токов. Соответственно, он отбирает меньше мощности во второй фазе, что улучшает КПД, если вторая фаза длиннее первой фазы. Однако также существует обратный эффект, который способен свести на нет улучшение КПД в течение длительных периодов второй фазы. Как только Т2 переключает напряжение на вторичную обмотку, напряжение во вторичной обмотке начинает снижать разность тока, и чем длиннее вторая фаза, тем больше обратный эффект во второй фазе.

В дополнении к раскрытому выше примеру, в котором Uc меньше U, и вторая фаза длиннее первой фазы, повышение КПД можно обеспечить также, когда Uc равняется или превышает U. В последнем случае, вторая фаза становится короче первой фазы, но также в этом случае общий ток Nt*It во вторичной обмотке меньше, чем Ne*Ie на вышеуказанный коэффициент, что означает, что меньше энергии отбирается от напряжения U конденсатора вторичным током во время короткого периода времени, и, соответственно, КПД повышается. Такой же эффект может быть достигнут посредством другой компоновки. Например, если контур вторичного тока имеет достаточную индуктивность, то энергия этой индуктивности обеспечивает прямое напряжение для вторичной обмотки, аналогичное напряжению U конденсатора, а вторичный ток может быть направлен к конденсатору нагрузки также во второй фазе с повышенным КПД. Данный пример будет более подробно раскрыт в другой части настоящей заявки.

Для иллюстрации указанного выше эффекта, показан практический пример вычисления. Напряжение Uc уменьшается с 30 В до 29 В (что является суммой напряжения Uc конденсатора и падения напряжения переключателя 0,5 В) для того, чтобы сделать вторую фазу длиннее, что составляет 3,3% уменьшения напряжения Uc. Такое уменьшение приводит к незначительному увеличению первичного и вторичного токов, но в большей степени, оно увеличивает продолжительность второй фазы с идеальных 10 мкс до 12,5 мкс в зависимости от других параметров, что означает 25%-ное увеличение выхода мощности во второй фазе.

Когда отношение количества витков первичной и вторичной обмоток равно 25/38 = 0,658, для времени второй фазы можно получить следующую вычислительную формулу: dT2 = 0,658 * L2 * dle / (Uc - 0,658 * U) = 0,658*200*0,9/(28,5+0,5-0,658*30) = 12,8 мкс. Учитывая тот факт, что основные множители в формуле представляют собой отношение витков первичной и вторичной обмоток и индуктивности вторичной обмотки, а также относительно хорошее соответствие с измеренным результатом, такой результат измерения также подтверждает достоверность объяснения указанного эффекта. Следует отметить, что в формулу не были включены многие коэффициенты потерь компоновки, поэтому результат измерения может быть больше измеренного значения.

На фиг. 2В показан другой примерный контур частотно-импульсного преобразователя согласно настоящему изобретению. Данный вариант аналогичен варианту с фиг. 2А, за исключением индуктивных компонентов вторичного контура. В данном варианте индуктивность вторичного контура увелич