СИСТЕМА LC - КОНТУРОВ С РАСПРЕДЕЛЕННЫМИ ПАРАМЕТРАМИ И МАГНИТНО-СВЯЗАННЫМИ ИНДУКТИВНОСТЯМИ

Полезная модель относится к силовой электронике, в частности к конструированию гибридных силовых модулей и может быть использована при разработке преобразователей с энергетически эффективными методами резонансной коммутации.
Известна конструкция, состоящая из трех колебательных LC - контуров, выполненная на дискретных пассивных компонентах и используемая в шести ключевом блоке инвертора напряжения с резонансной коммутацией (Li Y. Unified Zero-Current-Transition Techniques for High-Power Three-Phase PWM. Ph. D. Dissertation. - Blacksburg, Virginia, 2002, Fig. 5.29, p. 141.). Недостатком данного решения являются повышенные габариты и большое количество паразитных компонентов конструкции, ограничивающих область допустимых резонансных частот.
Наиболее близким по технической сути к заявляемому решению является система LC - контуров с распределенными параметрами и магнитно-связанными индуктивностями (Zhao L. Generalized Frequency Plane Model of Integrated Electromagnetic Power Passives. Ph. D. Dissertation. - Blacksburg, Virginia, 2004, Fig. 5.2, p. 95.), выполненными на керамической плате с двусторонней металлизированной поверхностью, помещенной в окно магнитного сердечника, при этом роль распределенных индуктивностей выполняют металлизированные поверхности платы, являющиеся обкладками распределенных емкостей, диэлектриком которых является материал керамической платы. Недостатком данного решения является то, что керамическая плата является общей для всех контуров системы. При этом между металлизированными дорожками LC - контуров возникают дополнительные паразитные емкостные связи, причем величина паразитной емкости увеличивается пропорционально значению диэлектрической проницаемости материала керамической платы. Это не позволяет использовать раздельное подключение LC - контуров системы в схемах, поскольку наличие паразитных емкостных связей влияет на стабильность резонансных частот.
Задача предлагаемого устройства заключается в реализации системы LC - контуров с магнитно-связанными индуктивностями и стабильным значением их резонансных частот.
Техническим результатом является возможность использовать раздельное подключение колебательных контуров в схемах преобразователей с резонансной коммутацией.
Указанный технический результат достигается благодаря тому, что система LC - контуров с распределенными параметрами и магнитно-связанными индуктивностями, выполненными на керамической плате с двусторонней металлизированной поверхностью, помещенной в окно магнитного сердечника, при этом роль распределенных индуктивностей выполняют металлизированные поверхности платы, являющиеся обкладками распределенных емкостей, диэлектриком которых является материал керамической платы, каждый из LC - контуров системы выполнен на отдельной керамической плате.
Сущность предложенного решения и его технический результат поясняются соответствующими чертежами.
На Фиг. 1 представлена система двух LC - контуров с распределенными параметрами и магнитно-связанными индуктивностями в соответствии с предложенным решением.
На Фиг. 2 представлен вид спереди системы двух LC - контуров с распределенными параметрами и магнитно-связанными индуктивностями.
На Фиг. 3 представлен вид сверху системы двух LC - контуров с распределенными параметрами и магнитно-связанными индуктивностями.
На Фиг. 4 представлена эквивалентная схема системы двух LC -контуров с распределенными параметрами и с магнитно-связанными индуктивностями.
На Фиг. 5 представлена система двух Г-образных LC - контуров с магнитно-связанными индуктивностями.
На Фиг. 6 представлен вариант раздельного подключения двух LC -контуров системы с распределенными параметрами и магнитно-связанными индуктивностями к схеме резонансного ключа.
Система двух LC - контуров с распределенными параметрами и магнитно-связанными индуктивностями (Фиг. 1) содержит: керамическую плату 1, на которой выполнен первый LC - контур; верхнюю металлизированную поверхность 2 керамической платы 1; нижнюю металлизированную поверхность 3 керамической платы 1; окно 4 магнитного сердечника 5; отдельную керамическую плату 6 с двусторонней металлизированной поверхностью, на которой выполнен второй LC - контур.
Та же система обозначений элементов сохранена на Фиг. 2, где показан вид спереди, и на Фиг. 3, где показан вид сверху системы двух LC - контуров с распределенными параметрами и магнитно-связанными индуктивностями.
Преимущества предложенного решения в сравнении с прототипом поясняется Фиг. 4 и Фиг. 5, где система двух LC - контуров с распределенными параметрами и с магнитно-связанными индуктивностями представлена в виде эквивалентных схем, с обозначением электромагнитных связей между компонентами системы.
1
2
11
12
22
1
2
Распределенные индуктивности верхних 2 и нижних 3 металлизированных поверхностей керамических плат 1 и 6, представлены в эквивалентной схеме (Фиг. 4) в виде приведенных сосредоточенных индуктивностей L и L для первого и второго LC - контуров соответственно. Магнитные связи между индуктивностями обусловлены общим для обоих LC - контуров магнитным сердечником 5 и отражаются на эквивалентной схеме соответствующими коэффициентами взаимных индуктивностей: M, M и М. Распределенные емкости, обкладками которых выступают верхние 2 и нижние 3 металлизированные поверхности керамических плат 1 и 6, в качестве диэлектрика которых используются материалы указанных керамических плат, представлены в эквивалентной схеме в виде приведенных сосредоточенных емкостей со стороны входа и выхода как C/2 и С/2 для первого и второго LC - контуров, соответственно.
1
2
11
12
22
При одинаковом размере длины раздельных керамических плат 1 и 6, помещенных в окно одного и того же магнитного сердечника, выполняется условие L=L=L. Поскольку толщина керамических плат 1 и 6, как правило, не превышает нескольких миллиметров, верхние 2 и нижние 3 металлизированные поверхности данных плат могут рассматриваться как близко расположенные проводники, коэффициенты взаимной индуктивности M, M и М которых одинаковы и равны индуктивности их металлизированной поверхности L. При данных условиях эквивалентная схема системы двух контуров (Фиг. 4) преобразуется в систему двух Г-образных LC - контуров с магнитно-связанными индуктивностями L (Фиг. 5), которые могут быть применены в качестве отдельных элементов при подключении к схемам преобразователей.
Пример конкретного применения предложенного устройства.
На Фиг. 6 представлен вариант раздельного подключения двух LC - контуров системы с распределенными параметрами и магнитно-связанными индуктивностями к схеме резонансного ключа. Схема резонансного ключа состоит из основного ключа S, противофазного диода D, вспомогательного ключа Sa, вспомогательного диода Da и двух LC - контуров с магнитно-связанными индуктивностями. Резонансный ключ с двумя LC - контурами, индуктивности которых являются магнитно-связанными, осуществляет энергетически эффективную коммутацию тока нагрузки практически без динамических потерь мощности (патент РФ 169427 U1, 16.03.2017, МПК - Н02М 1/06).
Представленный вариант технического решения минимизирует количество внешних дополнительных элементов схемы, что позволяет разработать конструкцию резонансного ключа в виде гибридного силового модуля с интегрированной системой LC - контуров с магнитно-связанными индуктивностями.