ИНДУКТИВНОЕ УСТРОЙСТВО

Полезная модель относится к электротехнике - к силовым импульсным трансформаторам, применяемым в источниках вторичного электропитания (далее ИВЭ), а именно, к конструкции обмоток.
В основе работы ИВЭ лежит принцип передачи или накопления энергии во время работы силового ключа с помощью силового импульсного трансформатора.
В случае обратноходовой топологии передача этой энергии на выход происходит во время закрытого состояния ключа. В случае прямоходовой топологии передача энергии происходит во время открытого состояния ключа. Силовой трансформатор состоит из двух или более связанных обмоток на сердечнике, через который передается энергия во вторичную цепь или накапливается перед ее передачей во вторичную обмотку. Однако на практике невозможно достичь идеальной согласованности обмоток. Часть энергии из-за индукции рассеяния трансформатора не передается во вторичную обмотку. При закрытии силового ключа возникают высоковольтные выбросы на первичной обмотке трансформатора и силовом ключе. Это также приводит к высокочастотным колебаниям, создающим помехи с участием эффективных эквивалентных емкостей открытого ключа, первичной обмотки трансформатора и индукции рассеяния трансформатора.
При существующей тенденции уменьшения габаритов ИВЭ одним из основных направлений является уменьшение размеров трансформатора, оказывающего существенное влияние на габариты ИВЭ. Одним из способов уменьшения размеров является повышение рабочей частоты ИВЭ.
Использование трансформаторов на высоких частотах представляет собой определенные проблемы из-за повышенного значения потерь в сердечнике, в обмотках, скин-эффекта, индуктивности рассеяния и паразитной емкости обмоток.
Индуктивность рассеяния и паразитная емкость трансформатора имеют обратную зависимость: если уменьшается индуктивность рассеяния, то увеличивается паразитная емкость; если уменьшается паразитная емкость, то увеличивается индуктивность рассеяния.
Конструкция обмотки оказывает большое влияние на индуктивность рассеяния. Чтобы свести к минимуму индуктивность рассеяния, первичная и вторичная обмотки должны быть намотаны на магнитный сердечник как можно ближе, используя минимум изоляции.
Для уменьшения скин-эффекта необходимо уменьшать толщину проводников обмотки и увеличивать количество параллельных проводников.
Одним из способов сведения к минимуму индуктивности рассеяния является использование бифилярной обмотки, представляющей собой пару близко расположенных изолированных проводов, намотанных параллельно.
Еще одним способом снижения потерь, при необходимости пропускания по обмоткам большой плотности тока, является использование большого количества параллельных тонких проводников (литцендрат).
При использовании литцендрата неэффективно используется окно трансформатора из-за возникновения пустот между проводниками и изоляцией.
Кроме того, выполнение обмотки проводом требует применение каркаса для намотки, что еще больше снижает эффективность использования окна сердечника.
Еще одним способом снижения индуктивности рассеяния при работе на высоких частотах является исполнение конструкции с чередованием слоев первичной и вторичной обмоток.
В связи с этим на высоких частотах и при больших значениях тока наиболее часто используются обмотки трансформатора, выполненные из фольги. В этом случае достаточно просто реализуется чередование обмоток. Еще одним ее преимуществом является то, что она легко может заполнять окно сердечника по всей длине почти непрерывным проводящим листом, что обеспечивает равномерное распределение электрического поля. Тем самым уменьшается индуктивность рассеяния.
Известна конструкция обмоток из патента US 6087922 «Folded foil transformer construction», в котором для получения низкопрофильного трансформатора одна обмотка выполнена из фольги в виде ленты с изоляцией. Для получения необходимой конфигурации лента сворачивается под углом с множественными повторами. Другая обмотка выполнена сегментами. Выполнение обмоток плоскими позволяет повысить проводимость. Непрерывная обмотка перемежается сегментами другой обмотки для снижения потерь на вихревые токи. Недостатком такой конструкции является сложность изготовления обмотки и возможность деформаций и разрушений в многочисленных местах перегиба.
Известна конструкция обмоток трансформатора из патента US 5206621 «Barrel-wound conductive film transformer», которая позволяет одновременно формировать первичную и вторичную обмотку, улучшить исполнение концевых выводов обмоток и увеличить площадь сечения проводника обмотки. Недостатком такой реализации конструкции является сложность исполнения обмоток.
Известна конструкция обмоток из патента US 7477121 «Structure for assembling electrical windings about a central member», в которой целью является создание способа и структуры для сборки электрических обмоток вокруг центрального элемента электромагнитного устройства, не требующее исполнения выводов для коммутации между отдельных слоями соответствующих обмоток. Недостатком такой конструкции является сложность исполнения как самих обмоток, так и последующий процесс их реализации на электромагнитном элементе, в особенности на керне магнитного сердечника с округлым сечением.
Задача полезной модели заключается в увеличении эффективности использования высокочастотного трансформатора.
Техническим результатом, достигаемым в полезной модели, является создание низкопрофильной конструкции высокочастотного трансформатора, позволяющего обеспечить высокую плотность тока в обмотках с одновременным снижением потерь при достаточно простой конструктивной реализации и технологичности монтажа, позволяющей эффективно отводить тепло от сердечника и обмоток трансформатора.
Технический результат достигается тем, что индуктивное устройство (фиг. 1), содержит: магнитный сердечник (1); основную обмотку (2), включающую первичную (2.1) и вторичную (2.2) обмотки; и, по крайней мере, одну дополнительную обмотку (3) расположенные вокруг центрального керна сердечника причем, проводники основной обмотки (2) выполнены металлической тонкой плоской лентой с изолирующим слоем и намотаны парно в виде спирали в одной плоскости, дополнительная обмотка (3) расположена параллельно плоскости основной обмотки.
В преимущественном варианте проводники основной обмотки (2) выполнены медной лентой.
В преимущественном варианте дополнительная обмотка (3) выполнена на полиимидном основании.
В варианте исполнения основная обмотка (2) может быть выполнена на полиимидном основании.
В варианте исполнения дополнительная обмотка (3) может быть выполнена на печатной плате.
В варианте исполнения дополнительная обмотка (3) может быть выполнена металлической пластиной.
В варианте исполнения (фиг. 2) устройство может содержать два слоя дополнительной обмотки (3) и (4), расположенные по обе стороны основной обмотки.
Ниже описывается конструкция трансформатора в соответствии с преимущественном вариантом полезной модели (фиг. 3).
Основная обмотка трансформатора выполняется металлической лентой, например медной. Металлическая лента покрытой слоем изоляции, например полиимидной пленкой для достижения наилучшего соотношения толщина - диэлектрическая прочность.
Дополнительная обмотка выполняется на полиимидном основании по тем же соображениям толщина - диэлектрическая прочность.
Дополнительным преимуществом исполнения дополнительной обмотки на полиимидном основании является то, что существует возможность формирования выводы обмотки с коммутационными площадками при изготовлении обмотки (фиг. 4), что в свою очередь позволяет упростить процесс коммутации, соединять обмотки с основной печатной платой ИВЭ без использования дополнительных элементов.
Концы металлической ленты формуются для получения выводных контактов, например, как показано на фиг. 5.
Далее, любым известным способом, проводится процесс намотки обмоток на вспомогательный элемент идентичный по сечению центральному керну используемого сердечника. Обмотки наматываются парно. После окончания процесса намотки производится закрепление обмоток и удаляется вспомогательный элемент. Затем в магнитный сердечник устанавливается дополнительная обмотка. После этого устанавливается сформированная основная обмотка и формуются ее выводы (фиг. 6). Магнитный сердечник закрывается (фиг. 7).
В варианте исполнения с двумя дополнительными обмотками, сначала устанавливается одна дополнительная обмотка, затем основная, и опять дополнительная.
Для большей эффективности работы трансформатора площадь одной дополнительной обмотки должна быть не меньшей, чем площадь сечения основной обмотки.
Экспериментальные данные показали, что использование такой конструкции обмоток позволяет: оптимально заполнять окно трансформатора, обеспечивать хорошую связь между обмотками и сердечником за счет чередования первичной и вторичной обмотки и использования бескаркасной намотки, экранировать помехи основных обмоток, за счет использования дополнительных обмоток, что в целом позволяет улучшить ЭМС модуля ИВЭ, уменьшить энергию выбросов при работе силового ключа в преобразователе, что, в свою очередь, позволяет уменьшить количество электронных компонентов задействованных на реализацию демпферных цепей, гасящих данные выбросы и количество выделяемой на них энергии, что в свою очередь повышает надежность и эффективность преобразователя.
Также указанная конструкция позволяет повысить технологичность сборки ИВЭ, так как высота трансформатора определяется высотой низкопрофильного сердечника, а выводы формируются до монтажа в ИВЭ.