ИМПУЛЬСНЫЙ ТРАНСФОРМАТОР
PULSE TRANSFORMER

Изобретение относится к импульсным трансформаторам, а именно - к конструктивным элементам трансформаторов и индуктивностей, включающим магнитопровод, катушки, обмотки, токопроводящие соединения, элементы охлаждения и может быть использовано для создания мощного импульсного источника питания с высокой удельной мощностью.
В настоящее время широко распространены и динамично развиваются мощные импульсные преобразователи напряжения (тока), мощность на выходе которых может достигать несколько сотен киловатт, а основным элементом обеспечивающего гальваническую развязку между входом и выходом устройства является импульсный трансформатор. И именно трансформатор в большинстве случаев определяет габариты и стоимость устройства, что является существенным недостатком.
Для решения этой проблемы необходимо создать такую конструкцию трансформатора, которая обеспечивала максимальный КПД устройства, и была способна эффективно отводить тепло, во избежание недопустимого перегрева, и при этом обладала минимальными габаритами и ценой.
Известен способ изготовления импульсного трансформатора, содержащего магнитопровод, охлаждающие элементы и катушки из фольги с межслоевой и межвитковой изоляцией, в котором для намотки катушек используют тонкую медную фольгу в виде ленты (US 4092621).
Недостатком импульсного трансформатора, выполненного по известному способу, является недостаточный коэффициент использования окна магнитопровода и малоэффективная система охлаждения, и, как следствие, малая удельная мощность.
Известен импульсный трансформатор, содержащий магнитопровод, охлаждающие элементы, теплоотводящие шины и катушки из фольги с межслоевой и межвитковой изоляцией, для обмотки катушек используется пленка из фольги с изоляцией независимых слоев обмотки (US 7164584) - ПРОТОТИП.
Недостатком известного импульсного трансформатора является дополнительное увеличение габарита за счет использования в составе обмотки элементов теплоотвода. Добавочные потери от вихревых токов в теплоотводах. Увеличение длины витка. Сложность в обеспечении необходимого уровня изоляции, нетехнологичность. Как следствие - недостаточная удельная мощность при высокой трудоемкости.
Технической задачей изобретения является повышение удельной мощности импульсного трансформатора за счет минимизации добавочных потерь в обмотках на высоких частотах, обеспечения высокого коэффициента использования окна магнитопровода при минимальной длине витка, а также за счет обеспечения эффективного охлаждения импульсного трансформатора.
Для решения поставленной задачи предлагается импульсный трансформатор, содержащий магнитопровод, охлаждающие элементы, теплоотводящие шины и катушки, например, из фольги с межслоевой и межвитковой изоляцией, отличающийся тем, что в нем магнитопровод выполнен разборным, квадратного сечения и разделен на две U-образные половинки, при этом магнитопровод выполнен из магнитомягкого материала с высокой магнитной проницаемостью и малыми удельными потерями, в качестве охлаждающих элементов в трансформаторе использованы охлаждающие плиты, с двух сторон трансформатор жестко зажат между двумя охлаждающими плитами, в местах тепловых контактов, таких как магнитопровод-обмотка, обмотка-охладитель установлены пластичные электроизоляционные теплопроводящие прокладки, к выступающим частям сердечника трансформатора через теплопроводящие прокладки прижаты теплоотводящие шины, соединенные с охлаждающими плитами, образованный плитами и дополнительными стенками резервуар заполнен теплопроводящим компаундом, каждая катушка содержит, по крайней мере, одну первичную обмотку, и, по крайней мере, одну вторичную обмотку, с гальванической развязкой между ними, к обмоткам присоединены токопроводящие шины, для обеспечения внешних подключений, межвитковая и межобмоточная изоляции выполнены выходящими за края металлической ленты, а ее ширина выбрана с возможностью обеспечения пути утечки тока на торцах катушки.
Импульсный трансформатор, отличающийся также тем, что магнитопровод выполнен, например, из феррита, или из нанокристаллической ленты.
Импульсный трансформатор, отличающийся также тем, что охлаждающие плиты выполнены, например, с возможностью жидкостного или воздушного охлаждения.
Импульсный трансформатор, отличающийся также тем, что обмотки катушек выполнены из металлической фольги с малыми омическими потерями, например медной или алюминиевой фольги, с шириной фольги во всю ширину обмотки, либо из нескольких более узких секций
Импульсный трансформатор, отличающийся также тем, что межвитковая и межслоевая изоляции выполнены из тонкой теплопроводной пленки с высокими электроизоляционными свойствами, например, из полиимида толщиной 25 мкм.
Импульсный трансформатор, отличающийся также тем, что межобмоточная изоляция выполнена в несколько слоев.
Доказательство существенности отличий.
Для минимизации добавочных потерь в обмотках на высоких частотах:
- длина L и ширина А обмотки выбраны с отношением L>A;
- при выборе толщины металлической фольги производится расчет, в котором учитывается рабочий ток, рабочая частота, число слоев обмотки, длина катушки, количество обмоток в катушке, взаимное расположение обмоток, форма тока, индуктивность рассеяния между обмотками, скорость изменения тока. Исходя из вышеизложенных параметров, рассчитывается оптимальная толщина фольги.
При невозможности обеспечить оптимальную толщину обмоток из-за высокой скорости изменения тока в обмотках трансформатора на выводы обмоток устанавливаются одновитковые магнитопроводы.
Высокий коэффициент использования окна магнитопровода достигается за счет формы магнитопровода, и тонкой изоляции, благодаря чему коэффициент использования окна может достигать 0,8.
Минимальная длина витка (по сравнению с прямоугольными) достигается за счет использования магнитопровода квадратного сечения.
Эффективное охлаждение осуществляется за счет теплопередачи от обмоток и магнитопровода к охлаждающим плитам с минимальным перепадом температур.
Минимальный перепад температур обеспечивается за счет высокой теплопроводности обмотки и большой площади соприкосновения охлаждающих плит с трансформатором.
Высокая теплопроводность обмоток обеспечивается за счет применения в качестве изолятора тонкой пленки, а хороший тепловой контакт между слоями за счет зажатия между охлаждающими плитами, благодаря чему из межслойного пространства катушек удаляется воздух, и увеличивается площадь контактных поверхностей.
На чертеже показана конструкция импульсного трансформатора.
На чертежах (фиг.1 и фиг.2) показано:
1 - магнитопровод;
2 - первая катушка;
3 - вторая катушка;
4 - металлическая фольга;
5 - изоляционная теплопроводная пленка;
6 - первая охлаждающая плита;
7 - вторая охлаждающая плита;
8 - первая теплопроводящая прокладка;
9 - вторая теплопроводящая прокладка;
10 - теплоотводящие шины;
11 - теплопроводящие прокладки;
12 - первая дополнительная стенка;
13 - вторая дополнительная стенка;
14 - третья дополнительная стенка;
15 - четвертая дополнительная стенка;
16 - теплопроводящий компаунд;
17 - одновитковый дроссель;
18 - токопроводящие шины.
Импульсный трансформатор содержит магнитопровод 1, первую катушку 2, вторую катушку 3.
Магнитопровод 1 импульсного трансформатора выполнен разборным, квадратного сечения и состоит из двух U-образных половинок из магнитомягкого материала с высокой магнитной проницаемостью и малыми удельными потерями, например из феррита или из нанокристаллической ленты.
На магнитопроводе 1 установлена первая и вторая катушки 2 и 3 соответственно. Катушки 1 и 2 содержат, по крайней мере, одну первичную обмотку и, по крайней мере, одну вторичную обмотку, между которыми обеспечивается гальваническая развязка.
Обмотки выполнены, например из металлической фольги 4 с малыми омическими потерями, например медной или алюминиевой, ширина фольги выбраны во всю ширину обмотки. К началу и концу каждой из обмоток жестко присоединены токопроводящие шины 18, для внешнего подключения. Межслоевая изоляция выполнена из тонкой теплопроводной пленки 5 с высокими электроизоляционными свойствами, например из полиимида толщиной 25 мкм. Межобмоточная изоляция выполнена из той же пленки, но в несколько слоев. Межвитковая и межобмоточная изоляции выходит за края металлической ленты, а ее ширина выбирается такой, чтобы обеспечить необходимый путь утечки тока на торцах катушки.
Трансформатор с двух сторон жестко закреплен между первой и второй охлаждающими плитами 6 и 7 соответственно. Охлаждающие плиты 6 и 7 могут быть реализованы с жидкостным, воздушным или другим охлаждением. В местах тепловых контактов: магнитопровод-обмотка, обмотка-охладитель - установлены пластичные электроизоляционные первая и вторая теплопроводящие прокладки 8 и 9 соответственно.
К выступающим частям сердечника через теплопроводящие прокладки 11 прижаты теплоотводящие шины 10, соединенные с охлаждающими плитами 6 и 7. Образованный плитами и дополнительными стенками 12, 13, 14 и 15 резервуар заливается теплопроводящим компаундом 16.
Катушки на стержнях магнитопровода 1 не связаны общей шиной. Для уменьшения добавочных потерь в импульсном трансформаторе вторичная обмотка с двух сторон обхватывает первичную обмотку, либо импульсный трансформатор имеет несколько вторичных обмоток, либо первичная и вторичная обмотки разбиты на группы, которые перемежаются между собой.
Для уменьшения добавочных потерь на выводах импульсного трансформатора в нем предусмотрена возможность установки одновитковых дросселей.
Первичная обмотка намотана в несколько слоев, ширина металлической фольги каждого витка равна длине катушки.