МАГНИТНЫЙ ИНТЕГРАЛЬНЫЙ СИММЕТРИЧНЫЙ КОНВЕРТЕР Российский патент 2014 года по МПК H02M7/48 H02M3/335 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Настоящее изобретение относится к магнитному интегральному симметричному конвертеру с интегральной функцией трансформатора и индуктора.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

В сценарии заявки о конвертере постоянного тока с входным напряжением широкого диапазона согласно требованиям по уровню электропитания несимметричный конвертер (такой как конвертер обратного хода или прямой конвертер) или симметричный конвертер (такой как полумостовой конвертер, полномостовой конвертер или двухтактный конвертер) можно использовать в качестве основной топологии электропитания.

ФИГ. 1 показывает существующий магнитный интегральный полумостовой конвертер, где интегральный магнитный элемент представляет собой магнитный сердечник EE-типа, обмотку N_p и намотку N_S, намотанные вокруг центральной колонны магнитного сердечника EE-типа, с образованием трансформатора, а обмотка N_L1 и обмотка N_L2 намотаны вокруг боковых колонн магнитного сердечника EE-типа с образованием индуктора.

В ходе внедрения настоящего изобретения авторы обнаружили, что в соответствии с уровнем техники имеются проблемы, связанные, по меньшей мере, со значительными потерями в обмотках и с большой индукцией рассеяния.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Варианты воплощения настоящего изобретения обеспечивают магнитный интегральный симметричный конвертер, способный снижать потери от обмоток и индукции рассеяния на стороне первичной обмотки и на стороне вторичной обмотки и позволяющий осуществлять высокоэффективное преобразование энергии.

Вариант воплощения настоящего изобретения обеспечивает магнитный интегральный симметричный конвертер, который включает в себя:

- симметрично работающую инвертирующую схему с двумя выводами, воздействующую на первичную обмотку;

- интегральный магнитный элемент, имеющий магнитный сердечник с тремя магнитными колоннами, включающий в себя, по меньшей мере, три обмотки и, по меньшей мере, один воздушный зазор для аккумулирования энергии, где первичная обмотка и первая вторичная обмотка обе намотаны вокруг первой магнитной колонны, вторая вторичная обмотка намотана вокруг второй магнитной колонны, и полный выходной ток течет по второй вторичной обмотке; и

- группу синхронных выпрямителей, управляющие сигналы электродов затвора которых и управляющие сигналы электродов затвора группы транзисторов, переключающих электропитание симметрично работающей инвертирующей схемы с двумя выводами, дополняют друг друга.

Вариант воплощения настоящего изобретения обеспечивает другой магнитный интегральный симметричный конвертер, который включает в себя:

- симметрично работающую инвертирующую схему с двумя выводами, воздействующую на первичную обмотку;

- интегральный магнитный элемент, имеющий магнитный сердечник с тремя магнитными колоннами, включающий в себя, по меньшей мере, три обмотки и, по меньшей мере, один воздушный зазор для накопления энергии, где первичная намотка и первая вторичная обмотка обе намотаны вокруг второй магнитной колонны и третьей магнитной колонны, вторая вторичная обмотка намотана вокруг второй магнитной колонны, а полный выходной ток течет по второй вторичной обмотке; и

- группу синхронных выпрямителей, управляющие сигналы электродов затвора которых и управляющие сигналы электродов затвора группы транзисторов, переключающих электропитание симметрично работающей инвертирующей схемы с двумя выводами, дополняют друг друга.

Из технических решений, обеспеченных настоящим изобретением, может быть известно, что первичную обмотку и первую вторичную обмотку наматывают вокруг одной и той же магнитной колонны, а синхронный выпрямитель заменяет выпрямляющий диод согласно уровню техники, снижая, таким образом, потери на включение переключающего устройства и внося вклад в падение напряжения смещения нуля на вторичной обмотке. Таким образом, для осуществления переноса энергии от стороны первичной обмотки к стороне вторичной обмотки может быть приспособлено минимальное количество первичных обмоток со снижением, таким образом, потерь в обмотках и индуктивности рассеяния на стороне первичной обмотки и на стороне вторичной обмотки и осуществлением высокоэффективного преобразования энергии.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Для более точной иллюстрации технических решений согласно вариантам воплощения настоящего изобретения далее кратко представлены прилагаемые чертежи для описания уровня техники и вариантов воплощения настоящего изобретения.

ФИГ. 1 показывает магнитный интегральный полумостовой конвертер согласно уровню техники;

ФИГ. 2 показывает магнитный интегральный полумостовой конвертер, обеспеченный в варианте воплощения 1 настоящего изобретения;

ФИГ. 3 представляет собой схематическую аналитическую диаграмму интегрального магнитного элемента, имеющего магнитный интегральный симметричный конвертер, обеспеченный в варианте воплощения 1 настоящего изобретения;

ФИГ. 4 представляет собой схематическую диаграмму рабочей формы волны магнитного интегрального полумостового конвертера, обеспеченного в варианте воплощения 1 настоящего изобретения;

ФИГ. 5 показывает магнитный интегральный полумостовой конвертер, обеспеченный в варианте воплощения 2 настоящего изобретения;

ФИГ. 6 представляет собой схематическую диаграмму рабочей формы волны магнитного интегрального полумостового конвертера, обеспеченного в варианте воплощения 2 настоящего изобретения;

ФИГ. 7 показывает магнитный интегральный полумостовой конвертер, обеспеченный в варианте воплощения 3 настоящего изобретения;

ФИГ. 8 показывает магнитный интегральный полномостовой инвертер, обеспеченный в варианте воплощения настоящего изобретения;

ФИГ. 9 показывает магнитный интегральный двухтактный конвертер, обеспеченный в варианте воплощения настоящего изобретения;

ФИГ. 10 представляет собой принципиальную схему магнитного интегрального симметричного конвертера, обеспеченного в варианте воплощения настоящего изобретения, когда каждая из вторичных обмоток имеет один виток;

ФИГ. 11 представляет собой принципиальную схему другой магнитный интегральный симметричный конвертер, обеспеченный в варианте воплощения настоящего изобретения, когда каждая из вторичных обмоток имеет один виток; и

ФИГ. 12 показывает магнитный интегральный полумостовой конвертер, обеспеченный в варианте воплощения 4 настоящего изобретения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ВОПЛОЩЕНИЯ

Чтобы сделать задачи, технические решения и преимущества настоящего изобретения более понимаемыми, технические решения, обеспеченные в настоящем изобретении, более подробно описаны ниже со ссылкой на варианты воплощения и прилагаемые чертежи.

Вариант воплощения настоящего изобретения обеспечивает магнитный интегральный симметричный конвертер, который включает в себя:

- симметрично работающую инвертирующую схему с двумя выводами, воздействующую на первичную обмотку;

- интегральный магнитный элемент, имеющий магнитный сердечник с тремя магнитными колоннами, включающий в себя, по меньшей мере, три обмотки и, по меньшей мере, один воздушный зазор для накопления энергии, где первичная обмотка и первая вторичная обмотка намотаны вокруг первой магнитной колонны, вторая вторичная обмотка намотана вокруг второй магнитной колонны, а полный выходной ток течет по второй вторичной обмотке; и

- группа синхронных выпрямителей, управляющие сигналы электродов затвора которых и управляющие сигналы электродов затвора группы транзисторов, переключающих электропитание симметрично работающей инвертирующей схемы с двумя выводами, дополняют друг друга.

Симметрично работающая инвертирующая схема с двумя выводами может представлять собой любую из следующих схем: полумостовую инвертирующую схему, полномостовую инвертирующую схему и двухтактную схему. Когда симметрично работающая инвертирующая схема с двумя выводами представляет собой полумостовую инвертирующую схему, магнитный интегральный симметричный конвертер, обеспеченный в варианте воплощения настоящего изобретения, также может быть назван магнитным интегральным полумостовым инвертером; аналогично, когда симметрично работающая инвертирующая схема с двумя выводами представляет собой полномостовую инвертирующую схему или двухтактную схему, магнитный интегральный симметричный конвертер, обеспеченный в варианте воплощения настоящего изобретения, также может быть назван, соответственно, магнитным интегральным полномостовым инвертером или интегральным магнитным двухтактным инвертером.

В примере, в котором симметрично работающая инвертирующая схема с двумя выводами представляет собой полномостовую инвертирующую схему, магнитный интегральный симметричный конвертер, обеспеченный в варианте воплощения настоящего изобретения, может иметь следующую специфическую структуру.

Вариант воплощения 1

ФИГ.2 показывает магнитный интегральный полумостовой конвертер в варианте воплощения 1, где полумостовая инвертирующая схема на стороне первичной обмотки включает в себя емкостные делители напряжения С1 и С2 и транзисторы, переключающие электропитание S1 и S2. Интегральный магнитный элемент магнитного интегрального полумостового конвертера включает в себя магнитный стержень EE-типа. Магнитный стержень EE-типа включает в себя три обмотки и два воздушных зазора для накопления энергии. Первичную обмотку N_P и первую вторичную обмотку N_S1 наматывают вокруг первой магнитной колонны 1, вторую вторичную обмотку N_S2 наматывают вокруг второй магнитной колонны 2, воздушный зазор для накопления энергии 1 помещают на вторую магнитную колонну 2, а воздушный зазор для накопления энергии 2 помещают на третью магнитную колонну 3. Два вывода первичной обмотки N_P соответственно соединяют с точками соединения плеча моста транзисторов, переключающих электропитание S1 и S2 полумостовой инвертирующей схемы, и с соединительными точками В емкостных делителей напряжения С1 и С2 полумостовой инвертирующей схемы.

Первая вторичная обмотка N_S1, вторая вторичная обмотка N_S2, выходной фильтрующий конденсатор С₀ и первый синхронный выпрямитель SR₁ образуют цепь электропитания на стороне вторичной обмотки; вторая вторичная обмотка N_S2, выходной фильтрующий конденсатор С₀ и второй синхронный выпрямитель SR₂ образует другую цепь электропитания на стороне вторичной обмотки. Последовательная ветвь первого синхронного выпрямителя SR₁ и первой вторичной обмотки N_S1 подключена ко второму синхронному выпрямителю SR₂ параллельно. Ток, текущий по второй вторичной обмотке N_S2, представляет собой сумму токов синхронных выпрямителей SR₁ и SR₂.

Обратимся к ФИГ.3 и ФИГ.4, где согласно работающему принципу симметричного полумоста транзисторы, переключающие электропитание S₁ и S₂ на стороне первичной обмотки, претерпевают напряжения возбуждения V_g1 и V_g2, имеющие разность фаз 1800, с образованием квадратно-волнового инвертирующего напряжения V_AB на двух выводах первичной обмотки N. Напряжения возбуждения синхронных выпрямителей SR₁ и SR₂ на стороне вторичной обмотки составляют, соответственно, V_gs1 и V_gs2, где V_gs1 и V_gs2 дополняют друг друга, и V_gs2 и V_gs1 дополняют друг друга. Поэтому рабочий процесс цепи можно разделить на четыре стадии.

Стадия 1 [t₀-t₁]: транзистор, переключающий электропитание S₁ на стороне первичной обмотки, включают, a S₂ отключают, а также включают синхронный выпрямитель SR₁ на стороне вторичной обмотки, a SR₂ отключают. Напряжение, прикладываемое к двум выводам первичной обмотки N_p, составляет V_in/2, а Ф₁ первой магнитной колонны 1, где расположена первичная обмотка, повышается линейно, и, соответственно, усиливаются магнитные потоки Ф₂ и Ф₃ других двух магнитных колонн. Ток i_SR1 первой вторичной обмотки N1 равен току i_out второй вторичной обмотки N_S2.

Стадия 2 [t₁-t₂]: оба транзистора, переключающих электропитание S₁ и S₂ на стороне первичной обмотки, отключают, а оба синхронных выпрямителя SR₁ и SR₂ на стороне вторичной обмотки включают. Ток i первичной обмотки равен нулю. Первую вторичную обмотку N_S1 закорачивают посредством SR₁ и SR₂ таким образом, чтобы напряжения на обмотках N_p и N_S1, намотанных вокруг первой магнитной колонны 1, были равны нулю, причем магнитный поток Ф₁ остается неизмененным, а ослабление магнитного потока на второй магнитной колонне 2 становится равным приращению магнитного потока на третьей магнитной колонне 3. Оба синхронных выпрямителя на стороне вторичной обмотки включают, часть тока i_SR1, текущего через SR₁, передается на SR₂, а сумма токов становится равной i_out.

Стадия 3 [t₂-t₃]: транзистор, переключающий электропитание S₂ на стороне первичной обмотки, включают, S₁ отключают, синхронный выпрямитель SR₂ на стороне вторичной обмотки включают, a SR₁ отключают. Напряжение, прикладываемое к первичной обмотке N_p, составляет - V_in/2, Ф₁ на первой магнитной колонне 1, где расположена первичная обмотка, понижается линейно, и, следовательно, магнитные потоки Ф₂ и Ф₃ на других двух магнитных колоннах понижаются. Ток i_out второй вторичной обмотки N_S2 целиком течет через синхронный выпрямитель SR₂.

Стадия 4 [t₃-t₄]: оба транзистора, переключающих электропитание S1 и S2 на стороне первичной обмотки, отключают, а синхронные выпрямители SR₁ и SR₂ на стороне вторичной обмотки включают. Ток i_p первичной обмотки равен нулю. Первую вторичную обмотку N_S1 закорачивают посредством SR₁ и SR₂ таким образом, чтобы напряжения на обмотках N_p и N_S1, намотанных вокруг первой магнитной колонны 1, были равны нулю, магнитный поток Ф₁ оставался неизмененным, а уменьшение магнитного потока на второй магнитной колонне 2 было равно приращению магнитного потока на третьей магнитной колонне 3. Оба синхронных выпрямителя на стороне вторичной обмотки включают, тогда часть тока i_SR2, текущего через SR₂, передается на SR₁, и сумма токов становится равной i_out.

Из-за непрерывности магнитного потока коэффициент преобразования напряжения вход/выход может быть выведен из следующего соотношения:

,

где D относится к рабочему циклу, который получается путем деления времени, затрачиваемого на включение транзистора, переключающего электропитание S₁, на период переключения.

Вариант воплощения 2

ФИГ.5 показывает магнитный интегральный полумостовой конвертер согласно варианту воплощения 2. Разница между магнитным интегральным полумостовым конвертером согласно варианту воплощения 2 и магнитным интегральным полумостовым конвертером согласно варианту воплощения 1 состоит в том, что магнитный сердечник EE-типа согласно варианту воплощения 2 включает в себя три обмотки и один воздушный зазор для накопления энергии. Первичную обмотку N_p и первую вторичную обмотку N_S1 наматывают вокруг первой магнитной колонны 1, вторую вторичную обмотку N_S2 наматывают вокруг второй магнитной колонны 2, воздушный зазор для накопления энергии 1 устанавливают на третьей магнитной колонне 3, а количество витков первой вторичной обмотки N_S1 в два раза превышает количество витков второй вторичной обмотки N_S2.

Из рассмотрения ФИГ.5 видно, что рабочий процесс цепи согласно варианту воплощения 2 также можно разделить на четыре стадии:

Стадия 1 [t₀-t₁]: транзистор, переключающий электропитание S₁ на стороне первичной обмотки, включают, S₂ отключают, синхронный выпрямитель SR₁ на стороне вторичной обмотки включают, a SR₂ отключают. Напряжение, приложенное к двум выводам первичной обмотки N_p, составляет V_in/2, Ф₁ на первой магнитной колонне 1, где расположена первичная обмотка, повышается линейно, магнитный поток Ф₂ на второй магнитной колонне 2, повышается линейно, а магнитный поток Ф₃ на третьей магнитной колонне 3 линейно понижается. Ток i_SR1 на первой вторичной обмотке N_S1 равен току i_out на второй вторичной обмотке N_S2.

Стадия 2 [t₁-t₂]: оба транзистора, переключающих электропитание S₁ и S₂ на стороне первичной обмотки, отключают, а оба синхронных выпрямителя SR₁ и SR₂ на стороне вторичной обмотки включают. Ток i_p первичной обмотки равен нулю. Первую вторичную обмотку N_S1 закорачивают посредством SR₁ и SR₂ таким образом, чтобы напряжения на обмотках N_p и N_S1, намотанных вокруг первой магнитной колонны 1, были равны нулю, магнитный поток Ф₁ оставался неизмененным, а понижение магнитного потока на второй магнитной колонне 2 было равно приращению магнитного потока на третьей магнитной колонне 3. При включении обоих синхронных выпрямителей на стороне вторичной обмотки ток i_SR1, текущий через SR₁, становится равным току i_SR2, текущему через SR₂, и сумма двух токов становится равной i_out.

Стадия 3 [t₂-t₃]: транзистор, переключающий электропитание S₂ на стороне первичной обмотки, включают, S₁ отключают, синхронный выпрямитель SR₂ на стороне вторичной обмотки включают, a SR₁ отключают. Напряжение, приложенное к двум выводам первичной обмотки N_p, составляет - V_in/2, Ф₁ на первой магнитной колонне 1, где расположена первичная обмотка, понижается линейно, и магнитные потоки Ф₂ и Ф₃ на двух других магнитных колоннах понижаются линейно. Ток i_out на второй вторичной обмотке Ns2 целиком течет через синхронный выпрямитель SR₂.

Стадия 4 [t₃-t₄]: оба транзистора, переключающих электропитание S1 и S2 на стороне первичной обмотки, отключают, а оба синхронных выпрямителя SR₁ и SR₂ на стороне вторичной обмотки отключают. Ток i_p первичной обмотки становится равным нулю. Первую вторичную обмотку N_S1 закорачивают посредством SR₁ и SR₂ таким образом, чтобы напряжения на обмотках N_p и N_S1, намотанных вокруг первой магнитной колонны 1, были равны нулю, магнитный поток Ф₁ оставался неизмененным, а понижение магнитного потока на второй магнитной колонне 2 было равно приращению магнитного потока на третьей магнитной колонне 3. При включении обоих синхронных выпрямителей на стороне вторичной обмотки ток SR₁, текущий через SR₁, становится равным току i_SR2, текущему через SR₂, а сумма двух токов становится равной i_out.

Вследствие непрерывности магнитного потока соотношение преобразования напряжения вход/выход можно вывести следующим образом:

,

где D относится к рабочему циклу, который получается путем деления времени включения транзистора, переключающего электропитание S₁ на период переключения.

На первой магнитной колонне 1 и на второй магнитной колонне 2 не устанавливают никакого воздушного зазора для накопления энергии, и, таким образом, можно считать, что эквивалентное магнитное сопротивление магнитных колонн равно нулю. Поэтому эквивалентная выходная фильтрующая индуктивности L_out согласно варианту воплощения 2 может быть представлена следующим образом:

,

где R_m3 эквивалентно магнитному сопротивлению третьей магнитной колонне 3.

Вариант воплощения 3

ФИГ.7 показывает магнитный интегральный полумостовой конвертер согласно варианту воплощения 3. Исходя из варианта воплощения 2 третью вторичную обмотку N_S3 добавляют на третью магнитную колонну 3. В частности, магнитный сердечник ЕЕ-типа согласно варианту воплощения 3 включает в себя четыре обмотки и один воздушный зазор для накопления энергии. Первичную обмотку N_p и первую вторичную обмотку N_S1 наматывают вокруг первой магнитной колонны 2, третью обмотку N_S3 наматывают вокруг третьей магнитной колонны 3, воздушный зазор для накопления энергии 1 создают в третьей магнитной колонне 3, а количество витков первой вторичной обмотки N_S1 вдвое превышает число витков второй вторичной обмотки N_S2.

В этом случае первая вторичная обмотка N_S1, вторая вторичная обмотка N_S2, третья вторичная обмотка N_S3, выходной фильтрующий конденсатор C_o и первый синхронный выпрямитель SR₁ образуют силовую цепь на стороне вторичной обмотки; вторая вторичная обмотка N_S2, третья вторичная обмотка N_S3, выходной фильтрующий конденсатор C_o и второй синхронный выпрямитель SR₂ образуют другую силовую цепь на стороне вторичной обмотки. Последовательная ветвь первого синхронного выпрямителя SR₁ и первой вторичной обмотки N_S1 подключены ко второму синхронному выпрямителю SR₂ параллельно. Вторая вторичная обмотка N_S2 и третья вторичная обмотка N_S3 соединены параллельно для повышения выходной фильтрующей индуктивности. Ток, текущий по второй вторичной обмотке N_S2 и третьей вторичной обмотке N_S3, представляет собой сумму токов синхронных выпрямителей SR₁ и SR₂.

По сравнению с вариантом воплощения 2, в варианте воплощения 3 третья вторичная обмотка N_S3 добавлена на третью магнитную колонну 3 для повышения выходной фильтрующей индуктивности цепи, без влияния на рабочий режим цепи. Поэтому для синхронизации работы цепи синхронного выпрямителя и выходной цепи можно также обратиться к ФИГ. 6. В этом случае эквивалентная выходная фильтрующая индуктивность L_out согласно варианту воплощения 3 может быть представлена как:

$$L_{out}=\frac{{(N_{s2}+N_{s3})}^2}{R_{m3}}$$ ,

где R_m3 представляет собой эквивалентное магнитное сопротивление третьей магнитной колонны 3.

Вариант воплощения 4

ФИГ. 12 показывает магнитный интегральный полумостовой конвертер согласно варианту воплощения 4. Разница между магнитным интегральным полумостовым конвертером согласно варианту воплощения 4 и магнитным интегральным полумостовым конвертером согласно варианту воплощения 1 состоит в том, что магнитный сердечник EE-типа согласно варианту воплощения 4 включает в себя три обмотки и один воздушный зазор для накопления энергии. Первичная обмотка N_p и первая вторичная обмотка намотаны вокруг первой магнитной колонны 1, вторая вторичная обмотка N_S2 намотана вокруг третьей магнитной колонны 3, воздушный зазор для накопления энергии 1 расположен на третьей магнитной колонне 3, количество витков первой вторичной обмотки N_S1 вдвое превышает количество витков второй вторичной обмотки N_S2, а первая вторичная обмотка N_S1 выведена из второй вторичной обмотки N_S2.

Рабочий процесс в цепи согласно варианту воплощения 4 тот же, что и в варианте воплощения 2.

Короче говоря, в примере, где инвертирующая схема с двумя симметрично работающими выводами представляет собой полумостовую инвертирующую схему, в магнитном интегральном симметричном конвертере, обеспеченном в варианте воплощения настоящего изобретения, первичную обмотку и первую вторичную обмотку наматывают вокруг одной и той же магнитной колонны, а синхронный выпрямитель заменяет выпрямительный диод из уровня техники, снижая, таким образом, потери на витки переключающего устройства и смещая напряжение на первой вторичной обмотке N_S1 к 0 на стадиях 2 и 4, что играет свою роль в падении напряжения смещения нуля на вторичной обмотке. Таким образом, для осуществления переноса энергии от стороны первичной обмотки к стороне вторичной обмотки может быть приспособлено минимальное количество первичных обмоток со снижением, таким образом, потерь в обмотках и индуктивности рассеяния на стороне первичной обмотки и стороне вторичной обмотки и осуществлением высокоэффективного преобразования энергии.

Следует понимать, что сообразно с различными топологическими структурами инвертирующих схем симметрично работающая инвертирующая схема с двумя выводами также может представлять собой полномостовую инвертирующую схему и двухтактную схему, например магнитный интегральный полномостовой инвертер, представленный на ФИГ. 8, и магнитный интегральный двухтактный конвертер, представленный на ФИГ. 9.

В магнитном интегральном полномостовом инвертере на ФИГ. 8, за исключением того, что структура топологии инвертирующей схемы на стороне первичной обмотки отличается от структуры топологии магнитного интегрального полумостового конвертера на ФИГ. 2, ФИГ. 5 или ФИГ. 7, обмотки на стороне первичной обмотки и на стороне вторичной обмотки являются такими же, что и в магнитном интегральном полумостовом конвертере на ФИГ. 2, ФИГ. 5 или ФИГ. 7. Магнитный интегральный двухтактный конвертер на ФИГ. 9 имеет две первичные обмотки, соответственно N_p1 и N_p2, то есть имеет больше первичных обмоток, чем полномостовой и полумостовой конвертер, но первичные обмотки N_p1 и N_p2 намотаны вокруг одной и той же магнитной колонны, и в то же время структура обмотки на стороне вторичной обмотки является той же, что и для магнитного интегрального полумостового инвертера. Поэтому рабочее время и внутренние магнитные потоки Φ₁, Φ₂ и Φ₃ формирующихся магнитных сердечников магнитного интегрального полномостового инвертера на ФИГ. 8 и магнитного интегрального двухтактного конвертера на ФИГ. 9, соответственно, являются такими же, что и для магнитного интегрального полумостового конвертера согласно настоящему изобретению.

Когда первичная обмотка N_p и первая вторичная обмотка N_S1 намотаны вокруг первой магнитной колонны 1, а вторая вторичная обмотка N_S2 намотана вокруг второй магнитной колонны 2 (см. ФИГ. 10), если каждая из вторичных обмоток N_S1 и N_S2 имеет один виток, область тени на ФИГ. 10 отображает E-образный медный лист силового контура вторичной обмотки с направленным вверх отверстием и включающий в себя три части, где две части медного листа проходят сквозь окно магнитного сердечника и представляют собой соответствующие обмотки N_S1 и N_S2, третья часть соединена с вторичным синхронным выпрямителем SR₂ снаружи от магнитного сердечника и представляет собой трассировочную часть. Первичная обмотка N_p намотана вокруг первой магнитной колонны 1. Часть первичной обмотки N_p находится в том же окне для обмотки, что и N_S1; а часть первичной обмотки N_p выступает наружу из окна магнитного сердечника для обеспечения хорошего соотношения связывания между частью первичной обмотки N_p и трассировочной частью. Таким образом, можно осуществлять высокоэффективное переключение энергии от первичной обмотки N_p к вторичным обмоткам N_S1 и N_S2, и можно обеспечить эффективную функцию падения напряжения смещения нуля для SR₁ и SR₂ на вторичных обмотках.

Воздушный зазор для накопления энергии E-образного магнитного сердечника расположен на второй магнитной колонне 2 и третьей магнитной колонне 3 или расположен только на третьей магнитной колонне 3, и поэтому для более эффективного контроля распределения магнитного поля снаружи от интегрального магнитного элемента в магнитном интегральном симметричном конвертере, обеспеченном в варианте воплощения настоящего изобретения, первичную обмотку N_p и первую вторичную обмотку N_S1 также можно одновременно наматывать вокруг второй магнитной колонны 2 и третьей магнитной колонны 3, а другие структуры сохранять в таком же виде.

Когда первичная обмотка N_p и первая вторичная обмотка N_S1 одновременно намотаны вокруг второй магнитной колонны 2 и третьей магнитной колонны 3, а вторая вторичная обмотка N_S2 намотана вокруг второй магнитной колонны 2 (см. ФИГ. 11), если каждая из вторичных обмоток N_S1 и N_S2 имеет один виток, область тени на ФИГ. 11 отображает E-образный медный лист силового контура вторичной обмотки с направленным вверх отверстием и включающий в себя три части, где две части медного листа проходят сквозь окно магнитного сердечника и представляют собой соответствующие обмотки N_S1 и N_S2, третья часть соединена с вторичным синхронным выпрямителем SR₂ снаружи от магнитного сердечника и представляет собой трассировочную часть. Первичная обмотка N_p намотана вокруг второй магнитной колонны 2 и третьей магнитной колонны 3. Часть первичной обмотки N_p находится в том же окне для обмотки, что и N_S1, а часть первичной обмотки N_p выступает наружу из окна для магнитного сердечника для обеспечения хорошего соотношения связывания между частью первичной обмотки N_p и трассировочной частью. Разница между ФИГ. 11 и ФИГ. 10 состоит в том, что трассировочная часть проходит по внешней стороне первичной обмотки N_p, намотанной вокруг второй магнитной колонны 2, для обеспечения хорошего связывания с частью первичной обмотки.

Исходя из вышеприведенного описания вариант воплощения настоящего изобретения обеспечивает другой магнитный интегральный симметричный конвертер, который включает в себя:

- симметрично работающую инвертирующую схему с двумя выводами, воздействующую на первичную обмотку;

- интегральный магнитный элемент, имеющий магнитный сердечник с тремя магнитными колоннами, включающий в себя, по меньшей мере, три обмотки и, по меньшей мере, один воздушный зазор для накопления энергии, где первичная обмотка и первая вторичная обмотка намотаны вокруг второй магнитной колонны и третьей магнитной колонны, вторая вторичная обмотка намотана вокруг второй магнитной колонны, а полный выходной ток течет по второй вторичной обмотке; и

- группу синхронных выпрямителей, управляющие сигналы электродов затвора которых и управляющие сигналы электродов затвора группы транзисторов, переключающих электропитание симметрично работающей инвертирующей схемы с двумя выводами, дополняют друг друга.

В варианте воплощения интегральный магнитный элемент, имеющий магнитный сердечник с тремя магнитными колоннами, включает в себя три обмотки и два воздушных зазора для накопления энергии, где первичная обмотка и первая вторичная обмотка намотаны вокруг второй магнитной колонны и третьей магнитной колонны, вторая вторичная обмотка намотана вокруг второй магнитной колонны, полный выходной ток течет по второй вторичной обмотке, и воздушные зазоры для накопления энергии соответственно расположены на второй магнитной колонне и третьей магнитной колонне. В этом варианте воплощения количество витков первой вторичной обмотки и количество витков второй вторичной обмотки ничем не ограничено и может быть одинаковым или различным.

В другом варианте воплощения интегральный магнитный элемент, имеющий магнитный сердечник с тремя магнитными колоннами, включает в себя три обмотки и один воздушный зазор для накопления энергии, где обе обмотки, первичная и первая вторичная, намотаны вокруг второй магнитной колонны и третьей магнитной колонны, вторая вторичная обмотка намотана вокруг второй магнитной колонны, полный выходной ток течет по второй вторичной обмотке, а воздушный зазор для накопления энергии расположен только на третьей магнитной колонне. В этом варианте воплощения требуется, чтобы количество витков первой вторичной обмотки было вдвое больше количества витков второй вторичной обмотки.

В еще одном варианте воплощения интегральный магнитный элемент, имеющий магнитный сердечник с тремя магнитными колоннами, включает в себя четыре обмотки и один воздушный зазор для накопления энергии, где обе обмотки, первичная и первая вторичная, намотаны вокруг второй магнитной колонны и третьей магнитной колонны, вторая вторичная обмотка намотана вокруг второй магнитной колонны, третья вторичная обмотка намотана вокруг третьей магнитной колонны, третья вторичная обмотка соединена со второй вторичной обмоткой последовательно, полный выходной ток течет по третьей вторичной обмотке и второй вторичной обмотке, а воздушный зазор для накопления энергии расположен только на третьей магнитной колонне. В этом варианте воплощения требуется, чтобы количество витков первой вторичной обмотки также было вдвое больше количества витков второй вторичной обмотки.

Также следует понимать, что симметрично работающая инвертирующая схема с двумя выводами, задействованная в магнитном интегральном симметричном конвертере, может представлять собой любую одну из следующих схем: полумостовую инвертирующую схему, полномостовую инвертирующую схему или двухтактную схему, и может генерировать квадратно-волновой сигнал напряжения, действующий на первичную обмотку.

Следует отметить, что независимо от того, намотаны ли обе обмотки, первичная и первая вторичная, вокруг первой магнитной колонны без воздушного зазора для накопления энергии, или обе обмотки намотаны вокруг второй магнитной колонны и третьей магнитной колонны, по меньшей мере, с одним созданным на ней воздушным зазором для накопления энергии, когда первая вторичная обмотка и/или вторая вторичная обмотка имеет один виток, длина обмотки снижается, и, таким образом, удовлетворяется настоящее требование, и при этом потери на обмотку могут быть снижены.

Наконец, следует отметить, что магнитный интегральный симметричный конвертер, обеспеченный в варианте воплощения настоящего изобретения, может быть применим для модуля вторичного источника электропитания типа «прямой ток - прямой ток» (DC/DC) в качестве устройства связи.

Вышеупомянутые варианты воплощения не следует рассматривать как ограничивающие настоящее изобретение. Для специалистов в данной области техники должно быть известно, что любые модификации, эквивалентные замены и усовершенствования, осуществляемые без отступления от принципов настоящего изобретения, будут попадать в охраняемый объем настоящего изобретения.

Изобретение относится к области электротехники. Магнитный интегральный симметричный конвертер с интегральной функцией трансформатора и индуктора включает в себя: интегральный магнитный элемент, имеющий магнитный сердечник с тремя магнитными колоннами, включающий в себя, по меньшей мере, три обмотки (N_p, N_S1, N_S2) и, по меньшей мере, один воздушный зазор для накопления энергии, где первичная (N_p) обмотка и первая вторичная (N_S1) обмотка - обе намотаны вокруг первой магнитной колонны или обе намотаны вокруг второй магнитной колонны и третьей магнитной колонны, а вторая вторичная обмотка (N_S2) намотана вокруг второй магнитной колонны, и полный выходной ток течет по второй вторичной обмотке (N_S2); симметрично работающая инвертирующая схема с двумя выводами, воздействующая на первичную обмотку (N_p); и группа синхронных выпрямителей (SR₁, SR₂), управляющие сигналы электродов затвора которых и управляющие сигналы электродов затвора группы диодов переключателя электропитания (S₁, S₂) симметрично работающей инвертирующей схемы с двумя выводами дополняют друг друга. Магнитный интегральный симметричный конвертер может снижать потери на обмотки и индуктивность рассеяния стороны первичной обмотки и стороны вторичной обмотки с достижением таким образом технического результата - высокоэффективного преобразования энергии. 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 12 ил.

1. Магнитный интегральный симметричный конвертер, содержащий:
- симметрично работающую инвертирующую схему с двумя выводами, воздействующую на первичную обмотку;
- интегральный магнитный элемент, имеющий магнитный стержень EE-типа с тремя магнитными колоннами, содержащий, по меньшей мере, три обмотки и, по меньшей мере, один воздушный зазор для накопления энергии, причем первичная обмотка и первая вторичная обмотка - обе намотаны вокруг первой магнитной колонны, вторая вторичная обмотка намотана вокруг второй магнитной колонны, а полный выходной ток течет по второй вторичной обмотке, при этом в первой магнитной колонне воздушный зазор для накопления энергии отсутствует; и
- группу синхронных выпрямителей, управляющие сигналы электродов затвора которых и управляющие сигналы электродов затвора группы транзисторов, переключающих электропитание симметрично работающей инвертирующей схемы с двумя выводами, дополняют друг друга.

2. Магнитный интегральный симметричный конвертер по п.1, в котором в каждой из второй магнитной колонны и третьей магнитной колонны образован, по меньшей мере, один воздушный зазор для накопления энергии.

3. Магнитный интегральный симметричный конвертер по п.2, в котором первая вторичная обмотка и/или вторая вторичная обмотка имеет один виток.

4. Магнитный интегральный симметричный конвертер по п.1, в котором воздушный зазор для накопления энергии расположен только на третьей магнитной колонне, а количество витков первой вторичной обмотки вдвое превышает количество витков второй вторичной обмотки.

5. Магнитный интегральный симметричный конвертер по п.4, в котором третья вторичная обмотка добавлена на третью магнитную колонну, третья вторичная обмотка последовательно соединена со второй вторичной обмоткой, а полный выходной ток течет по третьей вторичной обмотке и второй вторичной обмотке.

6. Магнитный интегральный симметричный конвертер по п.1, в котором воздушный зазор для накопления энергии расположен только на второй магнитной колонне, а количество витков первой вторичной обмотки вдвое превышает количество витков второй вторичной обмотки.

7. Магнитный интегральный симметричный конвертер по п.6, в котором третья вторичная обмотка добавлена на вторую магнитную колонну, третья вторичная обмотка последовательно соединена со второй вторичной обмоткой, а полный выходной ток течет по третьей вторичной обмотке и второй вторичной обмотке.

8. Магнитный интегральный симметричный конвертер по п.1, в котором симметрично работающая инвертирующая схема с двумя выводами представляет собой любую из полумостовой инвертирующей схемы, полномостовой инвертирующей схемы и двухтактной схемы.

9. Магнитный интегральный симметричный конвертер, содержащий:
- симметрично работающую инвертирующую схему с двумя выводами, воздействующую на первичную обмотку;
- интегральный магнитный элемент, имеющий магнитный стержень EE-типа с тремя магнитными колоннами, содержащий, по меньшей мере, три обмотки и, по меньшей мере, один воздушный зазор для накопления энергии, причем первичная обмотка и первая вторичная обмотка - обе намотаны вокруг второй магнитной колонны и третьей магнитной колонны, вторая вторичная обмотка намотана вокруг второй магнитной колонны, а полный выходной ток течет по второй вторичной обмотке, при этом в первой магнитной колонне воздушный зазор для накопления энергии отсутствует; и
- группу синхронных выпрямителей, управляющие сигналы электродов затвора которых и управляющие сигналы электродов затвора группы транзисторов, переключающих электропитание симметрично работающей инвертирующей схемы с двумя выводами, дополняют друг друга.

10. Магнитный интегральный симметричный конвертер по п.9, в котором в каждой из второй магнитной колонны и третьей магнитной колонны образован, по меньшей мере, один воздушный зазор для накопления энергии.

11. Магнитный интегральный симметричный конвертер по п.10, в котором первая вторичная обмотка и/или вторая вторичная обмотка имеет один виток.

12. Магнитный интегральный симметричный конвертер по п.9, в котором воздушный зазор для накопления энергии расположен только на третьей магнитной колонне, а количество витков первой вторичной обмотки вдвое превышает количество витков второй вторичной обмотки.

13. Магнитный интегральный симметричный конвертер по п.12, в котором третья вторичная обмотка добавлена на третью магнитную колонну, третья вторичная обмотка последовательно соединена со второй вторичной обмоткой, а полный выходной ток течет по третьей вторичной обмотке и второй вторичной обмотке.

14. Магнитный интегральный симметричный конвертер по п.9, в котором симметрично работающая инвертирующая схема с двумя выводами представляет собой любую из полумостовой инвертирующей схемы, полномостовой инвертирующей схемы и двухтактной схемы.