ЧАСТОТНО-ИМПУЛЬСНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ И СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ Российский патент 2018 года по МПК H02M3/158 

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 увеличивается за счет отдельной индукционной катушки L3, соединенной последовательно с вторичной обмоткой L2. В данном варианте вторичная обмотка L2 может иметь такую же индуктивность и такой же внутренний диаметр, что и первичная обмотка L1, поскольку индуктивность вторичного контура увеличивается за счет отдельной индукционной катушки L3. Индуктивность вторичного контура представляет собой сумму индуктивностей вторичной обмотки L2 и отдельной индукционной катушки L3, причем эта суммарная индуктивность вторичного контура должна превышать индуктивность первичного контура. КПД данного варианта осуществления настоящего изобретения можно определить аналогичным образом, что и в варианте с фиг. 2А, но вместо использования значения индуктивности вторичной обмотки необходимо использовать суммарную величину индуктивностей вторичной обмотки и отдельной индукционной катушки.

Таким образом, существуют два способа увеличить индуктивность вторичного контура: за счет увеличения диаметра вторичной обмотки, как реализовано в варианте с фиг. 2А, и за счет использования отдельной индукционной катушки, как реализовано в варианте с фиг. 2В. Однако также возможно комбинирование этих двух способов для увеличения индуктивности вторичного контура, то есть использование и вторичной обмотки L2 с увеличенным диаметром, и отдельной соединенной последовательно индукционной катушки.

Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения, дополнительный источник напряжения расположен в месте расположения индукционной катушки L3 в компонентной топологии. Согласно комбинации вариантов источник напряжения может содержать по меньшей мере одно из следующего: индукционную катушку L3, конденсатор С3 и аккумулятор A3. Пунктирными линиями продемонстрирована опциональность между комбинациями в различных вариантах осуществления. Согласно еще одному варианту осуществления дополнительный источник напряжения, обозначенный на фиг. 2В, может быть реализован также как и в варианте с фиг. 2С, как указанно на фиг. 2В, и в соответствующем описании. Хотя в описании был представлен пример с группой, имеющей множество параллельно соединенных компонентов, специалист в данной области техники, на основании проиллюстрированных примеров, может предложить другие топологии этих компонентов (L3, С3, A3), содержащие последовательно соединенные компоненты. Кроме того, возможно использование дополнительных резистивных компонентов для соответствия сопротивлению в соединение для заданного места.

На фиг. 2С показана принципиальная схема другого примерного частотно-импульсного преобразователя энергии. Данный вариант аналогичен варианту с фиг. 2А, за исключением того, что вторичная обмотка не соединена с источником питания с управляемым переключателем. Вместо этого, вторичная обмотка соединена только с нагрузкой через диод D2. Повышение КПД является не настолько существенным, как в варианте с фиг. 2А, но данный контур имеет меньше компонентов и может быть пригодным в некоторых случаях применения источников питания. Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения, дополнительный источник напряжения, содержащий по меньшей мере одну группу, включающую в себя индукционную катушку L3, конденсатор С3 и аккумулятор A3, может быть добавлен в рассматриваемый примерный контур в качестве альтернативы для вторичного переключателя Т2 или в виде дополнительного компонента. Возможные места расположения таких дополнительных источников напряжения проиллюстрированы в виде примерных альтернатив для единственных дополнительных источников напряжения, или для их комбинаций. Альтернативный вариант соединений на фиг. 2С обозначен пунктирной линией. Хотя для обозначения альтернативных компонентов в различных местах используются одинаковые номера позиций, данный пример не ограничивает значения компонентов только одинаковыми значениями.

На фиг. 3 показана принципиальная схема еще одного примерного частотно-импульсного преобразователя энергии в соответствии с настоящим изобретением. В данном варианте один из двух терминалов нагрузки соединен с той же самой фиксированной полярностью, как и управляемые переключатели Т1 и 12. В варианте с фиг. 2А и 2В нагрузочный терминал соединен с той же самой фиксированной полярностью, что обмотки L1 и L2. В варианте с фиг. 3 входное напряжение U добавляется к напряжениям обмоток L1 и L2, когда энергия передается нагрузке. Таким образом, энергия также передается нагрузке от входного источника во время первой и второй фаз преобразователя.

В первой фазе напряжение нагрузки -Uc = - 57 В, а входное напряжение U = 30 В, при этом они оба воздействуют на вторичную обмотку. Разность этих напряжений составляет 27 В, при этом эффективное противодействующее напряжение в данном примере равно -27 В, что примерно идентично предыдущему примеру, то есть -Uc = -29 В. В первой фазе первичная обмотка соединена с входным напряжением U = 30 В, что приводит к возникновению напряжения во вторичной обмотке, а также вызывает повышение токов во вторичной обмотке в соответствии со вторичным напряжением, -Uc, и индуктивностями во вторичной обмотке, и в первичной обмотке аналогичным образом, что и в предыдущих примерах.

Во второй фазе и входное напряжение U и напряжение -Uc нагрузки воздействуют на первичную обмотку. В данном примере противодействующее напряжение составляет -27 В, причем, учитывая уменьшенные прямые напряжения из вторичного контура в первичный контур, противодействующее напряжение меньше на 2 В по сравнению с ранее рассмотренным примером, где оно составляло 29 В. В данной ситуации заданное уравнение обеспечивает более длительный период второй фазы преобразователя.

Вычисляемый временной промежуток для второй фазы можно получить, используя данную формулу dt = (Ne/Nt) * L2 * dle / (Uc - (Ne/Nt) * U). В рассматриваемом варианте остальные значения в формуле такие же, как в варианте с фиг. 2А, за исключением напряжения Uc, которое теперь имеет следующее значение Uc = U-56,5 В - 0,5 В = 27 В. В данном случае из формулы получаем dt = 16,3 мкс, что сопоставимо с результатами измерений.

В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения меньший магнитный поток в месте расположения вторичной обмотки возбуждает меньшее противодействующее напряжение во вторичной обмотке во время второй фазы, что требует, соответственно, меньшей входной мощности для вторичной обмотки во второй фазе во время уменьшения первичного и вторичного токов.

Таким образом, выходная мощность преобразователя увеличивается по сравнению с вариантом с фиг. 2А, при этом КПД также увеличивается на 3-4%.

На фиг. 4 показан график примерной управляющей последовательности для контуров с фиг. 2 и 3. Хотя на фиг. 4 проиллюстрированы примеры с нарастанием и разрядом тока I1, относительно импульсов G1 и G2, имеющих состояние включения, как указано выше, а также с промежуточным временем между двумя последовательными нарастаниями одной и той же фазы, настоящее изобретение не ограничивается только проиллюстрированными примерами. На практике значения компонентов в комбинации с импульсами G импульсного генератора определяют продолжительность нарастания и разряда, а также промежуточное время между треугольными импульсами I1, что реализовано на фиг. 4, то есть подробности геометрии импульса I1.

На фиг. 5 проиллюстрирован примерный ферромагнитный сердечник F согласно настоящему изобретению, который имеет первичную обмотку L1 и вторичную обмотку L2. Внутренний диаметр d2 вторичной обмотки превышает внутренний диаметр d1 первичной обмотки.

В настоящем описании конструкция остальных различных компонентов частотно-импульсного преобразователя энергии подробно не раскрыта, поскольку они могут быть реализованы с использованием раскрытых выше и общедоступных сведений в данной области техники. Каждый из элементов, таких как переключающие транзисторы, сердечник, обмотки и отдельная индукционная катушка, может включать в себя один компонент или он может состоять из двух или нескольких компонентов. Типы компонентов были упомянуты выше в качестве примеров, при этом специалист в данной области техники может придумать несколько альтернативных типов компонентов, обеспечивающих раскрытые выше функциональные возможности.

Переключающий элемент Т1 и Т2 контура преобразователя может представлять собой силовой полупроводник, например, МОП-транзистор или транзистор БПТИЗ. Затворы переключающих транзисторов управляются посредством выходных сигналов импульсного генератора G.

На фиг. 6А проиллюстрирован способ преобразования электрической энергии, причем для реализации указанного способа использован преобразователь электрической энергии переключающего типа. В одном из вариантов осуществления способа, транзистором Т1 управляют на этапе 601 для обеспечения его открытия посредством соответствующего уровня импульсов G1. Энергию сохраняют на этапе 602 в L1, L2 и нагрузке. Транзистором Т1 управляют на этапе 603 для обеспечения его закрытия посредством соответствующей фазы G1, и одновременно управляют транзистором Т2 посредством G2 для обеспечения его открытия в тех вариантах осуществления настоящего изобретения, в которых используется Т2. На этапе 604 выделяют энергию из L1 и L2, добавляют энергию от U в L2. Далее, транзистором Т2 управляют на этапе 605 для обеспечения его закрытия посредством G2 в тех вариантах осуществления настоящего изобретения, в которых используется Т2. Цикл начинается заново с этапа 601, как показано стрелками. В первой фазе способа первым первичным переключателем Т1 контура преобразователя управляют посредством импульсов импульсного генератора так, что первый первичный переключатель Т1 соединяется в соответствии с импульсами G1 входного напряжения U с первичной обмоткой L1 ферромагнитного сердечника F. Импульсный генератор G скомпонован и/или соединен для обеспечения импульсов, соответствующих состоянию включения транзистора Т1, и между двумя мгновенными такими импульсами существует импульсный уровень, называемый в данном случае «шаг», соответствующий состоянию выключения транзистора Т1. Энергия сохраняется в L1, L2 и нагрузке.

Транзистором Т1 управляют посредством G1 для его закрытия и одновременно открывают Т2 посредством G2. Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения, во второй фазе после этого энергия выделяется, из первичной обмотки L1, причем энергия направляется в нагрузку через второй переключатель Т2, причем ток I1 первичной обмотки L1 уменьшается. Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения эта энергия передается в первичную обмотку L1 во время указанного уменьшения тока I1 первичной обмотки L1 в первичную обмотку и/или другой источник энергии для повышения КПД преобразования энергии вторичной обмотки L2.

Согласно одному из вариантов в качестве альтернативы или в дополнение, во время второй фазы управление вторичным переключателем Т2 состоит в том, чтобы соединить в зависимости от импульса G2 входное напряжение U с вторичной обмоткой L2 ферромагнитного сердечника F для увеличения выделения энергии из первичной обмотки L1 в нагрузку «НАГРУЗКА», С, R, для направления во время первой фазы выделенной энергии из вторичной обмотки L2 сердечника F в нагрузку через второй вторичный переключатель Т2. Переключателем Т2 управляют для обеспечения его закрытия перед тем, как произойдет открытие переключателя Т1 на этапе 601 следующего цикла. В данных вариантах, в которых используется другой компонент направления энергии, отличный от Т2, функционирование контура повторяет вариант с фиг. 2С, и энергия направляется к нагрузке в соответствии с реализованной топологией контура.

Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения, шаг устанавливают так, что он имеет постоянную продолжительность, но в другом варианте он может быть переменным. Согласно одному из вариантов осуществления продолжительность состояния включения задают так, что она представляет собой постоянную величину, но в другом варианте она может быть переменной. Согласно одному из вариантов продолжительность импульса и/или шаг определен геометрий импульса импульсного генератора, но в другом варианте он задан промежуточной триггерной схемой, настраиваемой в зависимости от геометрии импульса, и его значений в отношении амплитуды, шага и/или длины пульса.

Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения, импульсный генератор можно настраивать для изменения от первой продолжительности импульса до другой продолжительности импульса. Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения, импульсный генератор можно использовать для настройки в зависимости от изменений от первой продолжительности шага до второй продолжительности шага.

Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения импульсы G2 могут быть отрегулированы, по аналогии с тем, как раскрыто выше для G1. Согласно одному из вариантов G1 выполнен регулируемым независимо от G2. В качестве альтернативы или в дополнение, согласно одному из вариантов G2 выполнен регулируемым независимо от G1. Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения по меньшей мере регулирование по продолжительности шага или импульса по меньшей мере одного из G1 и G2 является ступенчатым, но согласно другому варианту регулирование является плавным. Таким образом, характеристики импульса G1 можно менять от первого набора параметров пульсации до второго набора параметров пульсации, тем самым, обеспечивая возможность использования преобразователя для различных типов нагрузки. Согласно ступенчатому изменению переключение между различными типами нагрузок может быть осуществлено мгновенно, как только позволит время ответа электроники.

Хотя в различных вариантах осуществления настоящего изобретения, импульсы G1 и/или G2 рассматриваются в качестве генерируемых в виде квадратных импульсов, проиллюстрированных в примере с фиг. 4, то есть импульсов с резким нарастанием и падением с, по существу, постоянным значением между ними, то есть рассматриваются с точки зрения геометрии аналогового квадратного импульса, согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения импульсный генератор G или сопряженная триггерная схема, запускающая Т1 и/или 12 в проводимость G (триггер может быть включен в состав генератора G в одном из вариантов), может быть отрегулирована в цифровой форме для создания импульсов G1 и/или G2. В некоторых вариантах по меньшей мере один из Т1 и 12 может быть запущен непосредственно с помощью цифрового сигнала или двух образующих подходящих импульсных цепочек для комбинации соответствующих G1 и G2, как показано на фиг. 4. Таким образом, нагрузка может быть возбуждена в соответствии с цифровым управляющим сигналом.

На фиг. 6В проиллюстрирован вариант осуществления способа преобразования электрической энергии, посредством импульсного преобразователя, выполненного согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения. Такой преобразователь соединен с возможностью преобразования электрической энергии путем использования неравномерного магнитного потока в сердечнике F, причем такое соединение имеет по меньшей мере одну из указанных первичной и вторичной обмоток L1, L2, расположено так и/или имеет такую форму или диаметр d1, d2, на заданном расстоянии от вторичной и первичной обмотки L2, L1, соответственно, чтобы обеспечивать неравномерный магнитный поток.

Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения указанный способ содержит следующие этапы: на этапе 611 управляют в первой фазе первым управляемым переключателем Т1 с помощью первичных управляющих импульсов G1 для возбуждения первичной обмотки L1 и увеличения ее тока I1 для создания магнитного потока в сердечнике F. Указанный способ предусматривает переключение на этапе 612 посредством указанных первичных управляющих импульсов G1 первого управляемого первичного переключателя G1 в положение включения для соединения первичной обмотки L1 с входной мощностью во время указанного управляющего импульса G1. Указанный способ также предусматривает возбуждение на этапе 613 во второй фазе, сразу после первичных импульсов G1, каждой вторичной обмотки L2 посредством вторичных импульсов G2 входной мощности Р посредством второго первичного переключателя 12, находящегося в состоянии включения, во время указанных вторичных импульсов G2. В рассматриваемом варианте осуществления способа также предусмотрен контроль на этапе 614, путем установки указанного первого управляемого первичного переключателя Т1 в состояние выключения, первичной обмотки L1 для освобождения магнитной энергии магнитного потока в нагрузку «НАГРУЗКА», R, С, между состояниями включения первичных импульсов G1, причем ток I1 первичной обмотки L уменьшается. Период G2 в состоянии включения переключателя 12 может быть реализован в соответствии с вариантами, раскрытыми со ссылками на фиг. 4. Следующий цикл начинается на этапе 615, когда переключателем Т1 управляют для обеспечения его открытия, как на этапе 611.

Управляющие функции частотно-импульсного преобразователя могут быть реализованы с помощью аналоговых схем, например, специализированных интегральных схем, при этом будет обеспечена простая реализация. Однако для обеспечения улучшенных функциональных возможностей, предпочтительной является реализация с помощью цифровых средств. При использовании микроконтроллера/процессора контур требует подходящих обрабатывающих программ, исполняемых в устройстве. Для преобразования известного устройства или системы в оборудование согласно настоящему изобретению необходимо, в дополнении к модификациям программного обеспечения, сохранение в памяти набора машиночитаемых инструкций, которые дают команду микропроцессору (или микропроцессорам) на осуществление раскрытых выше функций. Составление и сохранение в памяти таких инструкций предусматривает применение известной технологии, которая в совокупности с информацией, изложенной в настоящем документе, находится в пределах способностей специалиста в данной области техники.

Выше были раскрыты только некоторые из предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения. Принципы настоящего изобретения могут быть естественным образом модифицированы в рамках объема, заданного прилагаемой формулой изобретения, например, путем модификации признаков вариантов реализаций и диапазонов применения.

Настоящее изобретение может быть применено во внешних и внутренних источниках питания постоянного тока для различных целей и для различных электронных устройств.

Изобретение относится к области электротехники, конкретно к частотно-импульсным преобразователям электрической энергии. Предлагаемый частотно-импульсный преобразователь имеет вторичную обмотку во вторичном контуре, которая в первой фазе как аккумулирует, так и выделяет энергию в нагрузку или только аккумулирует энергию. Во второй фазе вторичная обмотка соединена с входным напряжением и/или выделяет аккумулированную энергию во вторичный контур для повышения выделения энергии первичной обмотки в нагрузку. Данное техническое решение увеличивает как мощность на выходе, так и КПД преобразователя. 5 н. и 17 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Частотно-импульсный преобразователь для преобразования электрической энергии, содержащий в своем соединении:

- ферромагнитный сердечник (F);

- первичную обмотку (L1) на ферромагнитном сердечнике (F);

- вторичную обмотку (L2) на ферромагнитном сердечнике (F);

- первый управляемый первичный переключатель (Т1), управляемым образом связанный с первичными управляющими импульсами (G1), для подключения первичной обмотки (L1) к входной мощности (Р), когда управляемый первичный переключатель (Т1) находится в состоянии включения для возбуждения первичной обмотки (L1) для увеличения ее тока (I1) для создания магнитного потока в сердечнике (F) так, чтобы увеличение магнитного потока также приводило к увеличению вторичного тока (I2) во вторичной обмотке (L2);

- второй первичный переключатель (D1), присоединенный для подключения первичной обмотки (L1) к нагрузке,

причем указанная вторичная обмотка (L2) присоединена управляемым образом (G2) для ее возбуждения вторичными импульсами входной мощности (Р) посредством управления переключателем (Т2), непосредственно после первичных импульсов (G1), при выделении магнитной энергии первичной обмоткой (L1),

причем для обеспечения функционирования частотно-импульсного преобразователя с повышенным КПД

- указанная вторичная обмотка (L2) расположена на определенном расстоянии от первичной обмотки (L1), что обеспечивает создание неравномерного магнитного потока в ферромагнитном сердечнике (F), и/или

- по меньшей мере одна из указанных первичной обмотки (L1) и вторичной обмотки (L2) имеет такую форму или диаметр, что магнитный поток ферромагнитного сердечника (F) является неравномерным, при этом он будет меньше в месте расположения вторичной обмотки (L2) в результате противоположного направления тока вторичной обмотки (L2), что уменьшает рост магнитного потока.

2. Частотно-импульсный преобразователь по п. 1, причем указанный частотно-импульсный преобразователь присоединен для преобразования электрической энергии в первой фазе и во второй фазе, причем указанный преобразователь содержит в своем соединении:

- первый управляемый первичный переключатель (Т1), в указанной первой фазе присоединенный с возможностью находиться в состоянии включения и состоянии выключения, управляемо связанный с первичными управляющими импульсами (G1), имеющими состояния, соответствующие указанным состояниям включения и выключения указанного первичного переключателя (Т1), для подключения первичной обмотки (L1) к входной мощности (Р), когда переключатель (N1) находится в состоянии включения, для возбуждения первичной обмотки (L1) для увеличения ее тока (I1) для создания магнитного потока в сердечнике (F), до тех пор, пока первичный переключатель (Т1) не будет установлен в состояние выключения за счет состояния выключения управляющего импульса (G1) так, чтобы увеличение магнитного потока также приводило к увеличению вторичного тока (I2) во вторичной обмотке (L2);

- второй первичный переключатель (D1), присоединенный для подключения первичной обмотки (L1) к нагрузке,

- управляемый вторичный переключатель (Т2), присоединенный с возможностью находиться в состоянии включения и в состоянии выключения, управляемо связанный с вторичными управляемыми импульсами (G2), имеющими состояния, соответствующие указанным состояниям включения и выключения указанного вторичного переключателя (Т2), присоединенный для соединения вторичной обмотки (L2) с входной мощностью (Р), когда вторичный переключатель (Т2) находится в состоянии включения, для возбуждения вторичной обмотки (L2),

причем в указанной второй фазе указанная вторичная обмотка (L2) присоединена для ее возбуждения указанными вторичными управляющими импульсами (G2) входной мощности (Р) посредством вторичного переключателя (Т2), устанавливаемого в состояние включения непосредственно тогда, когда состояние первичного импульса (G1) соответствует состоянию выключения указанного первичного переключателя (Т1), при выделении первичной обмоткой (L1) в указанной второй фазе магнитной энергии в ферромагнитный сердечник,

причем для обеспечения функционирования преобразователя с повышенным КПД указанная вторичная обмотка (L2) расположена на определенном расстоянии от первичной обмотки (L1), обеспечивая создание неравномерного магнитного потока в ферромагнитном сердечнике (F); и/или по меньшей мере одна из указанных первичной (L1) и вторичной (L2) обмоток имеет такую форму или диаметр, что магнитный поток ферромагнитного сердечника (F) является неравномерным, при этом он меньше в месте расположения вторичной обмотки (L2), в результате противоположного направления тока вторичной обмотки (L2), что уменьшает рост магнитного потока.

3. Частотно-импульсный преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что он содержит средства противодействующего напряжения в соединительных средствах (L3, С3, F3), чтобы создавать противодействующее напряжение относительно вторичного тока (I2), причем средства противодействующего напряжения содержат по меньшей мере одно из следующего: индукционную катушку (L3) вторичного контура, и конденсатор (С, С3), и аккумулятор.

4. Частотно-импульсный преобразователь по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что содержит в соединении вторичный переключатель (Т2) для того, чтобы управляемым образом (G2) устанавливать вторичную обмотку (L2) в состояние, при котором отсутствует возбуждение импульсами входной мощности (Р), причем вторичная сторона присоединения содержит индукционную катушку (L2), имеющую собственную индуктивность, которая создает напряжение, пропорциональное изменению вторичного тока (I2), причем указанная индукционная катушка представляет собой дополнительную индукционную катушку или индукционную катушку (L3).

5. Частотно-импульсный преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что содержит схему (фиг. 2С), присоединенную так, что во второй фазе вторичная обмотка (L2) находится в состоянии, при котором отсутствует возбуждение импульсами входной мощности (Р), причем в указанной схеме вторичный контур имеет такую собственную индуктивность Ls (L2), которая создает напряжение, пропорциональное изменению (Us=Ls×dls/dt) вторичного тока (I2) в направлении тока, которое затем воздействует так же, как вторичные импульсы отдельной входной мощности, причем указанная индуктивность представляет собой индуктивность, указанную в п. 3.

6. Частотно-импульсный преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что присоединение на стороне вторичной обмотки (L2) содержит дополнительный источник напряжения, например по меньшей мере одно из следующего: индукционную катушку (L3), конденсатор (С, С3), аккумулятор (A3).

7. Частотно-импульсный преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что индуктивность вторичного контура (L2) превышает индуктивность первичного контура (L1).

8. Частотно-импульсный преобразователь по п. 6 или 7, отличающийся тем, что вторичная обмотка непрерывно подключена к нагрузке через переключатель (D2), при этом соответственно во время уменьшающей фазы первичных (I1) и вторичных (I2) токов обеспечено выделение этими токами энергии в нагрузку, при этом соединение опционально реализовано без вторичного переключателя (Т2).

9. Частотно-импульсный преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что сторона вторичной обмотки (L2) содержит дополнительный источник напряжения, то есть по меньшей мере одно из следующего: индукционную катушку и конденсатор (С).

10. Частотно-импульсный преобразователь по п. 7, отличающийся тем, что расстояние между внутренним диаметром (d2) вторичной обмотки (L2) и наружным диаметром сердечника (F) превышает расстояние между внутренним диаметром (d1) первичной обмотки (L1) и наружным диаметром сердечника.

11. Частотно-импульсный преобразователь по п. 4, отличающийся тем, что он содержит индукционную катушку (L3), последовательно соединенную с вторичной обмоткой (L2), причем указанная индукционная катушка (L3) выполнена отдельно от указанного сердечника (F).

12. Частотно-импульсный преобразователь по любому из пп. 1-11, отличающийся тем, что ферромагнитный сердечник (F) имеет замкнутую форму, например торообразную или многоугольную.

13. Частотно-импульсный преобразователь по п. 12, отличающийся тем, что первичная обмотка (L1) и вторичная обмотка (L2) занимают положения отдельно друг от друга на сердечнике (F), предпочтительно расположены с противоположных сторон сердечника (F).

14. Частотно-импульсный преобразователь по любому из пп. 1-13, отличающийся тем, что первичная обмотка (L1) и вторичная обмотка (L2) расположены на магнитном сердечнике (F) так, что магнитный поток ферромагнитного сердечника (F) является неравномерным вдоль траектории магнитного сердечника (F), будучи меньше в месте расположения вторичной обмотки (L2).

15. Частотно-импульсный преобразователь по любому из пп. 1-14, отличающийся тем, что обмотки из указанных первичной обмотки (L1) и вторичной обмотки (L2) выполнены так, что во вторичной обмотке (L2) возникает ток противоположного направления для уменьшения роста магнитного потока.

16. Частотно-импульсный преобразователь по любому из пп. 1-15, отличающийся тем, что обмотки из указанных первичной обмотки (L1) и вторичной обмотки (L2) выполнены так, чтобы меньший магнитный поток в месте расположения вторичной обмотки (L2) возбуждал меньшее противодействующее напряжение во вторичной обмотке (L2) во время второй фазы, вследствие чего потребление входной мощности (Р) вторичной обмоткой (L2) будет меньше во второй фазе во время снижения первичного тока (I1) и вторичного тока (I2).

17. Частотно-импульсный преобразователь по любому из пп. 1-16, отличающийся тем, что дополнительно содержит вторичный контур с вторичной обмоткой (L2) на ферромагнитном сердечнике (F), причем вторичный контур выполнен с возможностью передачи энергии вторичной обмотки (L2) и/или другого источника энергии в первичную обмотку (L1) во время указанного уменьшения тока первичной обмотки.

18. Частотно-импульсный преобразователь для преобразования электрической энергии, содержащий:

- ферромагнитный сердечник;

- первичную обмотку на ферромагнитном сердечнике;

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

- второй первичный переключатель, подключающий первичную обмотку к нагрузке;

причем обеспечена возможность управления первым управляемым первичным переключателем (Т1) посредством первичных управляющих импульсов (G1) для возбуждения первичной обмотки (L1) путем увеличения ее тока (I1) во время первичного импульса (G1) и создания магнитного потока в сердечнике;

причем между первичными импульсами (G1) первичная обмотка (L1) обеспечивает выделение энергии магнитного потока в нагрузку, в результате чего происходит уменьшение тока (I1) в первичной обмотке;

отличающийся тем, что для повышения КПД указанный преобразователь дополнительно содержит вторичный контур с вторичной обмоткой (L2) на ферромагнитном сердечнике (F), причем вторичный контур выполнен с возможностью передачи энергии вторичной обмотки (L2) и/или другого источника энергии в первичную обмотку (L1) во время указанного уменьшения тока (I1) первичной обмотки (L1), причем передача энергии вторичного контура обеспечена посредством:

- схемы (фиг. 2С), подключенной так, что во второй фазе вторичная обмотка (L2) находится в состоянии, при котором отсутствует возбуждение импульсами входной мощности (Р), причем в указанной схеме вторичный контур имеет такую собственную индуктивность Ls (L2), которая создает напряжение, пропорциональное изменению (Us=Ls×dls/dt) вторичного тока (I2) в направлении тока, которое затем действует так же, как вторичные импульсы отдельной входной мощности, причем вторичная обмотка (L2) подключена непрерывно через переключатель (D2) с нагрузкой, при этом соответственно во время уменьшающей фазы первичного тока (I1) и вторичного тока (I2) эти токи выделяют энергию в нагрузку (НАГРУЗКА, R, С), при этом соединение опционально реализовано без вторичного переключателя (Т2); или, опционально,

- управляемого вторичного переключателя (Т2), присоединенного с возможностью находиться в состоянии включения и в состоянии выключения, управляемо связанного с вторичными управляемыми импульсами (G2), имеющими состояния, соответствующие указанным состояниям включения и выключения указанного вторичного переключателя (Т), присоединенного для подключения вторичной обмотки (L2) к входной мощности (Р), когда переключатель (T2) находится в состоянии включения, для возбуждения вторичной обмотки (L2) к нагрузке.

19. Способ преобразования электрической энергии, в котором:

- управляют (G1) первым первичным переключателем (T2) для подключения импульса входного напряжения (U) к первичной обмотке ферромагнитного сердечника (F) на первой фазе;

- затем выделенную энергию из первичной обмотки (L1) направляют к нагрузке через второй первичный переключатель (D1) на второй фазе, при этом происходит уменьшение тока первичной обмотки (L1),

отличающийся тем, что для повышения КПД преобразования энергию вторичной обмотки (L2) и/или другого источника питания передают на первичную обмотку (L1) во время указанного уменьшения тока (I1) первичной обмотки (L1).

20. Способ преобразования электрической энергии, в котором:

- на первой фазе управляют первым первичным переключателем (Т1) так, чтобы подключить импульс (G1) входного напряжения к первичной обмотке (L1) ферромагнитного сердечника (F),

- затем на второй фазе выделяют энергию из первичной обмотки (L1) и направляют ее к нагрузке через второй первичный переключатель (Т2), при этом происходит уменьшение тока (I1) первичной обмотки (L1),

отличающийся тем, что

передают энергию в первичную обмотку (L1) во время указанного уменьшения тока (I1) первичной обмотки (L1) и/или другого источника энергии для повышения КПД преобразования энергии вторичной обмотки (L2).

21. Способ по п. 20, отличающийся тем, что:

- во время второй фазы управляют первым вторичным переключателем (Т2) для подключения импульса (G2) входного напряжения (U) к вторичной обмотке (L2) ферромагнитного сердечника (F) для увеличения выделения энергии из первичной обмотки (L1) к нагрузке и

- во время первой фазы направляют выделенную энергию из вторичной обмотки (L2) сердечника (F) к нагрузке через второй вторичный переключатель (D1).

22. Способ преобразования электрической энергии посредством частотно-импульсного преобразователя по любому из пп. 1-15, присоединенного для преобразования электрической энергии, причем указанный способ содержит следующее:

- управляют (515) на первой фазе первым управляемым переключателем (Т1) посредством первичных управляющих импульсов (G1) для возбуждения первичной обмотки (L1) для увеличения ее тока (I1) для создания магнитного потока в сердечнике (F),

- переключают (512) посредством указанных первичных управляющих импульсов (G1) первый управляемый первичный переключатель (Т1) в состояние включения для подключения первичной обмотки (L1) к входной мощности (Р) во время указанного управляющего импульса (G1),

- возбуждают (513) во второй фазе, сразу после первичного импульса (G1), вторичную обмотку (L2) посредством вторичных импульсов (G2) входной мощности (Р) с помощью второго переключателя (Т2), находящегося в состоянии включения во время указанных вторичных импульсов (G2),

- побуждают (514), путем установки указанного первого управляемого первичного переключателя (Т1) в состояние выключения, первичную обмотку (L1) выделять магнитную энергию магнитного потока в нагрузку между состояниями включения первичных импульсов (G1), причем происходит уменьшение тока (I1) первичной обмотки (L1).