Инверторный преобразователь
Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в высокочастотных преобразователях напряжения и токов широкого спектра применений. Технический результат состоит в упрощении изготовления одного из элементов преобразователей, их импульсных трансформаторов, упрощении обслуживания и ремонта за счет возможности замены поврежденных секций без замены всего прибора, возможности унификации. Одна из наиболее трудоемких частей преобразователей - обмотки высокочастотных импульсных трансформаторов и дросселей с ферритовыми магнитопроводами, выполнены на базе двухсторонних печатных плат в виде спиралей, согласного соединения проводящими перемычками внутренних концов витков спиралей каждой из двухсторонних печатных плат. Внешние выводы соседних печатных спиралей соседних плат соединены согласно через окна в промежуточных изоляторах, собраны в пакеты, внешние выводы пакетов каждой из обмоток выводятся для соединения с элементами электроники управления, коммутации и защиты. Для мощных высокочастотных преобразователей, их трансформаторов и дросселей, спирали обмоток выполнены на основе вырубок из листового материала с внешними и внутренними каналами для охлаждения. 4 ил.
Аналоги:
В известных решениях импульсные трансформаторы и дроссели преобразователей с ферритовыми сердечниками изготавливаются так, что их обмотки выполнены на основе провода круглого или прямоугольного профиля, покрытого эмалью и (или) обмотанного изоляционным материалом.
В качестве аналогов к настоящему изобретению могут быть взяты преобразователи инверторных аппаратов для сварки типов: ПДГ-201, VD-315, САИ-180АД, Wert MIG-200, Aurora OVERMAN-160, RECAHTA CAU-200, или источники питания для гальванических ванн типов ИПГ-12/100-220, ИПГ-12/600-3 80, другие, в том числе иностранных фирм, в которых импульсные трансформаторы и дроссели, выполнены на базе ферритовых сердечников, обмотки которых выполнены, в основном, "вручную". То же относится к маломощным источникам питания ~(220-230)v/(6-12)v для дисплеев, телевизоров, различного типа гаджетов: смартфонов, вычислителей и ноутбуков. Большинство устройств выполнено на базе патентов: класса Н02М и H01F.
ПРОТОТИП.
Основным элементом любого импульсного преобразователя, определяющего его основные свойства, является импульсный трансформатор, выполненный на ферритовом сердечнике. К нему следует "присоединить", аналогичной конструкции дроссель. Поэтому в качестве прототипа, для преобразователя, выберем его основной элемент - импульсный высокочастотный трансформатор по патенту России РФ 2547809, выполненный на базе ферритового магнитопровода. К нему можно "присоединить" импульсные трансформаторы для инверторных преобразователей США: US 7164584 и US 4092621, другие.
КРИТИКА И НЕДОСТАТКИ АНАЛОГОВ И ПРОТОТИПА.
Производство инверторных преобразователей энергии и их импульсных трансформаторов, их намотка "ручным" способом, не поддается крупномасштабному интегральному производству, оно индивидуально, намотка "ручная". Использование проводов круглого сечения увеличивает суммарное сечение обмоток, в результате увеличиваются размеры магнитопровода и общие потери импульсного трансформатора и, как следствие, преобразователя в целом. Выходные обмотки большого тока, чаще всего, намотаны шиной, изолированной специальной изоляционной лентой. Импульсные трансформаторы, используемые в известных преобразователях практически не подлежат ремонту и, при неисправности, целиком заменяются, далее утилизируются. В отдельных случаях выполняется их перемотка, что требует дополнительного труда и затрат времени на демонтаж, перемотку и накладку изоляционных слоев.
ИСПРАВЛЕНИЕ НЕДОСТАТКОВ АНАЛОГОВ НАСТОЯЩИМ ИЗОБРЕТЕНИЕМ.
Указанные недостатки исправляются тем, что обмотки ферритовых импульсных трансформаторов и дросселей инверторных преобразователей выполняются методами интегральных технологий - на базе печатных плат, сбор их в компактные пакеты каждой из "обмоток" с возможностью изъятия и замены любого из "печатных" пакетов. Для преобразователей большой мощности обмотки выполняются парами путем "вырубки" из проводящих, не магнитных листов с последующим закреплением их на изоляционных платах пакетов.
СОСТАВ ИЗОБРЕТЕНИЯ И ВЗАИМОСВЯЗЬ КОМПАНЕНТОВ.
Изобретение состоит из блока электроники инверторного преобразователя энергии, его импульсного трансформатора и дросселя, которые подвергается основным изменениям, является технологически совместимыми с интегральными технологиями печатных плат электроники самого преобразователя.
ДЕТАЛИЗАЦИЯ РИСУНКОВ К ИЗОБРЕТЕНИЮ:
На рисунке Фиг. 1:
1. - "верхняя" часть П/Ш-образного ферритового магнитопровода, выполненного, например, на основе П-образных магнитомягких ферро материалов,
2. - двухсторонняя печатная плата со спиральными "обмотками",
3. - переходное соединение концов внешних витков спиралей соседних печатных плат,
4. - изолятор между "соседними" печатными платами,
5. - внутреннее переходное соединение сторон концов спиралей единой печатной платы,
6. - пакеты С, и D плат спиральных печатных "обмоток",
7. - "вырубки" из листового проводящего, не магнитного материала Е "печатной обмотки",
8. - изоляторы между спиралями пар "вырубок" из листового материала "обмоток",
9. - переходное соединение между "вырубками" пар спиралей внутренних витков "обмоток",
10. - соединение внешних концов витков "вырубных" спиральных "обмоток",
11. - пакет Е "вырубных" спиралей "обмоток", из листового материала,,
12. - изоляционные слои между С, D и Е пакетами спиральных "обмоток".
13. - изолятор фиксации пакетов "обмоток" в магнитопроводе.
14. - "нижняя" часть ферритового магнитопровода.
На рисунке Фиг. 2:
Представлено сечение трансформатора преобразователя по линиям А-А и В-В Фиг. 1. На рисунке показано сечение ферритового магнитопровода - 1, одна из двухсторонних печатных плат - 2, спирали соответственно "верхней" - 15. и "нижней" - 17 стороны единой печатной платы - 2, внутренние переходные соединения концов спиралей "обмоток" печатной платы - 5, переходные соединения внешних концов соседних спиралей печатных плат - 3, вывод спирали "обмотки" на верхней печатной плате первого пакета - 16, изоляционная обойма, стягивающая магнитопроводы - 18.
На рисунке Фиг. 3:
Представлен тот же высокочастотный импульсный ферритовый трансформатор преобразователя Фиг. 1 с полостями охлаждения - 19, изоляционными слоями между пакетами С, D, Е и F с окнами охлаждения - 20, изоляторами фиксации пакетов с окнами охлаждения в магнитопроводе - 21,
На рисунке Фиг. 4, сечения А-А и В-В Фиг. 3:
На рисунке представлены окна, проходящие через пакеты внутри печатных "обмоток", охлаждения - 23, и окна, проходящие через пакеты, охватывающие спирали печатных "обмоток" - 24, другие элементы, отмеченные на предыдущих рисунках.
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ.
Пример вариантов изобретения представлен на рисунках Фиг. 1 - Фиг. 4. Это типовой высокочастотный импульсный трансформатор с тремя обмотками и наборным П-образным ферритовым сердечником.
На Фиг. 1 представлен П/Ш образный ферритовый магнитопровод - 1, центральный сердечник которого охвачен двухсторонними печатными платами с согласными спиралями "обмоток" - 2 с переходными соединениями внешних концов витков близлежащих спиралей соседних согласных печатных плат - 3 через изолятор - 4, внутренние концы витков спиралей каждой печатной платы вида - 2 соединены проводящим переходом - 5, печатные платы каждой "обмотки" образуют компактные пакеты печатных плат С и D с номером - 6, сильноточные "обмотки" выполнены на базе необходимого числа пар F спиральных "вырубок" или вырезанных, например лазерным лучом, из листового материала - 11, согласные пары спиралей изолированы между собой изоляционными прокладками вида - 4 и - 8, внутренние витки согласных пар вырубленных спиралей соединены между собой переходными соединениями - 9, внешние витки согласных пар объединены переходными соединениями вида - 10, все вырубленные "обмотки" образуют компактный пакет Е с номером - 11. Каждая из "вырубок" спиралей закреплена на своем или объединенном плоском изоляторе - 8. Пакеты зафиксированы в ферритовом магнитопроводе - 1 изоляционными прокладками - 13.
На Фиг. 2 представлены два сечения одной из печатных плат А-А и В-В, по Фиг. 1, на которых дана одна из возможных конфигураций печатных спиралей соответственно "верхней" - 15 и согласная с ней "нижней" - 17 сторон одной двухсторонней печатной платы - 2. Вновь представлены переходные соединения - 3 и - 5; вывод крайней, внешней печатной платы - 16 для соединения его с электроникой преобразователя. Позицией - 18 представлена обойма, стягивающая П/Ш образные ферритовые структуры, или разделенного тора, части магнитопровода.
На Фиг. 3 представлен пример импульсного трансформатора преобразователя большой мощности, когда он требует дополнительного охлаждения. В этом случае во всех изоляционных слоях предусматриваются, соединенные между, собой, сквозные окна охлаждения, соответственно, в печатных платах - 2 и в изоляционных слоях - 4, 19, 20 и 21.
На Фиг. 4 представлен пример ферритового импульсного трансформатора преобразователя с со сквозными полостями - 23, проходящими внутри спиральных обмоток печатных и "вырубных" обмоток плат, и вне их - 24.
По пункту 2 изобретения.
Двухсторонние печатные платы пакетов могут быть замещены парами односторонних печатных плат в последовательности: изолятор - проводящая спираль, изолятор -проводящая спираль. В этом случае потребуются два типа односторонних печатных плат с разным направлением согласных спиралей. Преимуществом является отсутствие промежуточных слоев изоляции между печатными платами и удешевление конструкции.
По пункту 3 изобретения.
Для преобразователей большой выходной мощности обмотки импульсных ферритовых трансформаторов могут формироваться на базе пар "вырубок" или лазерных вырезок из листового, не магнитного проводящего материала. При этом, эти "обмотки", вновь собираются в пакеты согласными парами с изоляционными прокладками или специальной заливкой изоляционным теплопроводящим материалом. Одновременно могут формироваться две вырубки с последующим, при монтаже трансформатора, переворотом одной из них на 180° относительно любой из ее диагоналей. Попарно вырубки соединяются согласными концами своих внутренних витков спиралей. Соседние пары соединяются концами своих внешних витков, вновь согласно. Вырубки закрепляются на изоляционных плоскостях.
По пункту 4 изобретения. При многослойной (двухсторонней) печатной плате электроники преобразователя будет естественным на той же плате формирование печатных "обмоток" импульсного трансформатора с формированием окон для установки и закрепления ферритовых сердечников.
ПОЛОЖИТЕЛЬНЫЕ ЭФФЕКТЫ ОТ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ
За счет, практически, независимых конструкций пакетов каждой из обмоток, обеспечивается их монтаж и индивидуальная замена без отправки в утиль на переработку всего поврежденного импульсного трансформатора, как это чаще всего, имеет место при "проволочной" намотке. Печатные платы пакетов могут производиться интегрально, большими плоскостями печатных плат с дальнейшим групповым формированием отверстий для переходных соединением и ферритовых сердечников, металлизацией переходных соединений и последующей резкой пакетов любой, пригодной для данного случая, технологией. Технология совместима с интегральной технологией производства печатных плат электроники. Пакеты печатных и вырубленных "обмоток" могут легко меняться местами в зависимости от электронной схемы преобразователя. Число "печатных" и "вырубленных" обмоток определяется схемой преобразователя.
ОТДЕЛЬНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ПРОИЗВОДСТВА И ЭКСПЛУАТАЦИИ ИМПУЛЬСНЫХ И ДРОССЕЛЕЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ЭНЕРГИИ.
Печатные платы, каждой из обмоток, могут изготавливаться интегрально большими массивами плоскостей с последующей разрезкой или вырубкой окон под ферритовые сердечники и переходные соединения. Возможно формирование массивов пакетов с межсоединениями и последующей их разрезкой по пакетам для каждого импульсного трансформатора.
За счет прямоугольной конфигурации сечений каждого из печатных проводников спиралей, обеспечивается боле плотное наполнение каждого из пактов. В результате сокращается сечение каждого и всех печатных пакетов "обмоток", в результате могут быть сокращены магнитные пути ферритовых магнитопроводов, увеличено КПД импульсных трансформаторов за счет сокращения потерь, сокращен расход материалов, увеличена компактность трансформаторов и конструкций в целом.
Сечение печатных проводников может регулироваться как толщиной проводящего слоя, его шириной, так и последующим гальваническим их наращиванием.
Выбор толщины изоляционных слоев, подложки и исходного проводящего слоя обеспечат необходимую изоляцию и, соответственно, надежность импульсного трансформатора, преобразователя в целом.
При необходимости, каждый из пакетов вида С, D и F могут быть разделены на под пакеты и скомбинирован с другими пакетами на стержне магнитопровода.
Витки "вырубных" обмоток закрепляются на плоском диэлектрике без дополнительной их изоляции. Каждая вторая "вырубная" обмотка пары вида F (Фиг. 1) трансформатора может устанавливаться с ее поворотом на 180° относительно первой по любому из ее диаметральных сечений.
Пакет "вырубных" обмоток - 11 может быть пропитан и покрыт стеклом, фарфором или другим изоляционным, хорошо теплопроводящим компаундом с окнами вида - 23 и - 24, соответствующими окнам "печатных" обмоток трансформатора преобразователя.
Полости в пакетах и средства вентиляции каждый из разработчиков выбирает в зависимости от конструкции преобразователя и условий его эксплуатации.
За счет дополнительных "крыльев" любой из печатных плат или пакетов печатных "обмоток" в целом, высокочастотные трансформаторы или дроссели могут быть закреплены на корпусе преобразователя или объединены с его электроникой в виде единой печатной платы.
При необходимости, для принудительного охлаждения импульсного трансформатора, может быть применен низкоскоростной вентилятор или другие средства принудительного охлаждение, включая внешние ребра на его корпусе.
Аналогичным образом изготавливаются дроссели с единой печатной или "вырубной" спиралью "обмотки", входящие в состав каждого преобразователя.
В импульсных трансформаторах и дросселях может быть сформирован зазор между магнитопроводами в месте соединения их частей.
Крупносерийное и массовое производство преобразователя или дросселя, по предложенному изобретению, должно дать значительный экономический эффект.
Следует предположить, что производство, сами параметры, обслуживание и ремонт импульсных трансформаторов в составе преобразователей по настоящему изобретению, при массовом и крупносерийном производстве, окажется значительно более дешевым, чем при технологиях ручной намотки круглым, изолированным проводом или изолированными шинами, используемыми в настоящее время. Следует не упускать из вида современную технологию изготовления круглого проводника или его протяжку через фильеры, его очистку и, часто, многослойную изоляцию эмалью, намотку на катушки транспортировки, многое другое.
ПРИМЕНИМОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ.
Настоящее изобретение может быть использовано во всех инверторных преобразователях, которые, в настоящее время используются для зарядки источников питания смартфонов, зарядки и питания ноутбуков, в инверторных сварочных аппаратах, источниках питания гальванических ванн, питания дисплеев, современных жидкокристаллических телевизоров, любой другой промышленной и бытовой техники.
ВОЗМОЖНЫЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ К НАСТОЯЩЕМУ ИЗОБРЕТЕНИЮ.
Электронные системы управления преобразователей могут быть разнообразны, как это имеет место по известным изобретениям и применениям в реальных технических устройствах. Число и вид печатных и "вырубных" "обмоток" может быть разнообразно, в зависимости от идеологии схемы электроники, принятых разработчиками преобразователя.
Замечание.
Слово "обмотка" в тексте взято в кавычки, ибо реальное решение вопроса по настоящему изобретению не предполагает обмотки или "намотки" катушек трансформаторов, как это имеет место в настоящее время. В данном случае, это уже жаргон.
Инверторный преобразователь энергии, содержащий высокочастотный трансформатор и дроссель с ферритовыми магнитопроводами, первичную и вторичные обмотки, полупроводниковые приборы, резисторы и емкости, отличающийся тем, что каждая из обмоток выполнена спиральной в виде набора спиральных вырубок или вырезок из листового проводящего немагнитного материала, каждая из которых закреплена на изоляционной пластине с окнами под сечение ферритового магнитопровода и внутренний или внешний их конец; внутренние концы соседних спиральных вырубок или вырезок через внутренние или соответственно внешние концы спиралей через окна изоляционной пластины соединены между собой проводящими переходами, все соединенные спиральные вырубки или вырезки выполнены согласно; внешние выводы крайних спиральных вырубок или вырезов на своих изоляционных пластинах выведены для соединения с элементами преобразователя; каждая из сформированных таким образом спиральных обмоток выполнена в виде пакета с возможностью его замены; между пакетами, а также между крайними пакетами и ферритовым магнитопроводом установлены дополнительные изоляционные пластины с окнами под сечение магнитопровода для фиксации относительно друг друга и ферритового магнитопровода, который выполнен на базе сборных П/Ш-образных ферритовых элементов.
