DK173534B1 - Strømforsyningskredsløb med integrerede magnetiske komponenter - Google Patents

Description

i DK 173534 B1

Strømforsyningskredsløb med integrerede magnetiske komponenter

Opfindelsen angår et strømforsyningskredsløb af den art, 5 som er angivet i krav l’s indledende del, og som kendes fra ansøgerens amerikanske patentskrift nr. US 4 899 271.

Det kendte strømforsyningskredsløb omfatter en transformer, to ensretterdioder samt to induktive komponenter, 10 f.eks. drosselspoler. Hver ende af transformerens sekundærvikling er forbundet via en af drosselspolerne til kredsløbets ene udgangsterminal og via en af dioderne til kredsløbets anden terminal. Samtidigt med at transformerens sekundærvikling trækker strøm gennem én af dioderne, 15 kan den ene drosselspole sende strøm gennem samme diode, idet den virker som friløbsdiode.

De tre magnetiske komponenter er relativt dyre at fremstille, ligesom der kræves en uforholdsmæssig stor mængde 20 kernemateriale, når de tre magnetiske komponenter fremstilles hver for sig.

Det har længe været et ønske at kunne spare på omkostninger og kernemateriale ved at integrere de tre magnetiske 25 komponenter på en fælles magnetkerne; men dette har hidtil ikke været muligt, da spændings-kurveformerne ikke svarer til hinanden, og fluxregnskabet derfor ikke umiddelbart går op. Endvidere skaber en transformers magnetiseringsstrøm normalt visse problemer, idet den foruden at 30 medføre øgede tab også kan vekselvirke med belastningsstrømmen ved lave belastninger og derved skabe uheldige ubalanceforhold i strømforsyningskredsløbet.

2 DK 173534 B1

En vis besparelse har dog kunnet opnås ved, som det er angivet i ovennævnte patentskrift, at integrere de to drosselspoler på samme kerne, f.eks. ved at placere hver af drosselspolerne på yderbenene af en E-kerne. Hvert af 5 disse yderben må dog i så fald indrettes med ‘én luftspalte for at undgå mætning af kernematerialet, medens midterbenet må være uden luftspalte for at undgå kobling mellem de to drosselspolekredsløb.

10 Et andet eksempel, hvor to induktorer integreres på en fælles kerne, kendes fra US patentskrift nr. 3 340 458, hvor de to komponenters fluxbidrag ophæver hinanden. Der er dog her tale om en drosselspole, som blot er opsplit-tet i to halvdele, der så vikles således på kernen, at 15 deres fluxbidrag ophæver hinanden.

Fra US patentskrift nr. 3 231 841 er det kendt at integrere en transformer og en drosselspole på en fælles kerne. Det magnetiske kredsløb er ved hjælp af en luftspalte 20 indrettet således, at fluxen hidrørende fra henholdsvis transformeren og drosselspolen ikke interfererer med hinanden. Der er altså tale om to adskilte kredsløb, der hver især udnytter kernen som om, at det andet kredsløb ikke var til stede.

25

Det samme kendes fra den såkaldte "transduktor"-kobling.

Det er en kobling, hvor der er viklet på alle tre ben af en E-kerne, og hvor viklingerne på yderbenene har lige mange vindinger og er serieforbundne. Yderbenenes viklin-30 ger er polariseret således, at deres fluxbidrag ophæver hinanden i midterbenet. Midterbenets flux - hidrørende fra midterbenets vikling - deler sig ligeligt mellem yderbenene og inducerer ensartede spændinger med modsat polaritet over yderbenenes viklinger. Da disse viklinger DK 173534 B1 3 er serieforbundne, bliver slutresultatet nul, altså at midterbenets flux ikke inducerer nogen spænding i det serieforbundne yderbens kredsløb.

5 Et eksempel på dette kendes fra JP 61-32506, hvor en drosselspole og en transformer integreres sammen på en fælles kerne. Drosselspolen er delt op i to halvdele, som er serieforbundne og placeret på E-kernens yderben, som så er forsynede med luftspalte, medens transformerviklin-10 gen er placeret på midterbenet. I denne kobling bliver transformerens magnetiseringsstrøm uhensigtsmæssigt stor, idet transformerens flux gennemløber luftspalter i begge yderben.

15 Samme princip benyttes i US patentskrift nr. 4 766 365 til at frembringe en selvregulerende transformerenhed.

De ovennævnte kredsløb tilhører en klasse af magnetisk integration, hvor man ved hjælp af diverse viklingsmæssi-20 ge og andre arrangementer opnår, at de magnetiske komponenter isoleres fra hinanden og derfor optræder som individuelle ikke koblede komponenter.

Fra US patentskrift nr. 4 914 561 kendes desuden et 25 kredsløb, hvis virkemåde i mange henseender svarer til det fra US 4 899 271 kendte. I dette kredsløb anvendes to transformere med indbygget luftspalte, og som derfor også fungerer som drosselspoler.

30 Der kendes andre eksempler, hvor flere magnetiske komponenter er integrerede på en fælles kerne, som det f.eks. er tilfældet med en 3-fasetransformer; men i disse tilfælde er kurveformerne for komponenternes flux ens, men faseforskudt, således at fluxregnskabet går op.

4 DK 173534 B1

Formålet med opfindelsen er at angive en konstruktion, som tillader, at de tre magnetiske komponenter i det fra amerikansk patentskrift nr. US 4 899 271 kendte strømfor-5 syningskredsløb kan anbringes på en eller flere fælles magnetkerner for derved at opnå besparelser i fremstillingspris og den mængde kernemateriale, som benyttes.

Dette formål opnås ifølge opfindelsen ved at integrere de 10 tre magnetiske komponenter på en eller flere magnetkerner med to fluxveje, hvoraf en del er fælles for begge, men hvori der er tilvejebragt en flux-adskillelse for flux fra de to fluxveje, at vælge de to drosselspolers vindingstal, så det i hovedsagen er lig med transformerens 15 sekundære vindingstal, og at de to drosselspoler er anbragt på hver sin kernedel på en sådan måde, at den resulterende magnetiske flux i en fælles kernedel, hvorpå transformerens viklinger er anbragt, i hovedsagen er lig med differensen mellem de to kernedeles magnetiske flux.

20

Det viser sig nemlig, at transformerens flux herved kan udgøres af fluxen fra de integrerede drosselspoler, der således bestemmer den fælles magnetkernes magnetiske tværsnitsareal, hvorimod transformeren ikke kræver yder-25 ligere magnetisk materiale.

Som angivet i krav 2 kan med fordel benyttes en såkaldt E-kerne, hvor drosselspolerne anbringes på yderbenene og transformeren på midterbenet.

30

En E-kerne kan som angivet i krav 3 være opbygget af en kombination af ferrit og amorft materiale, hvilket kan muliggøre større DC-flux i yderbenene og større AC-flux i midterbenet.

5 DK 173534 B1

Der kan også, som angivet i krav 4, benyttes to ringkerner, hvor de to drosselspoler vikles på hver sin ringkerne, medens transformeren vikles gennem begge kerner.

5

Ved anvendelse af et sådant magnetisk kredsløb med flere magnetiske komponenter integreret på en eller flere magnetkerner med to fluxveje til de kendte kredsløb opnås, at der ved fremstillingen af det kendte sti øm For"synings -10 kredsløb kan spares både pris og kernemateriale, lige som kredsløbets volumen kan mindskes væsentligt.

Opfindelsen vil blive beskrevet nærmere i det følgende under henvisning til tegningen, hvor 15 fig. 1 viser en variant af strømforsyningskredsløbet fra amerikansk patentskrift nr. US 4 899 271 samt de tilhørende magnetiske kredsløb for transformeren og de to drosselspoler, 20 fig. 2 viser de magnetiske kredsløb for henholdsvis transformeren og de to drosselspoler, hvor sidstnævnte er sammenkoblede på en fælles kerne, 25 fig. 3 viser det integrerede magnetiske kredsløb ifølge opfindelsen, og fig. 4 viser en udførelsesform, hvor kernen er opbygget af en kombination af ferrit og amorft, båndviklet magne-30 tisk materiale.

Det fra US 4 899 271 kendte strømforsyning'skrédsløb er vist på fig. 1, og dets virkemåde vil indledningsvis blive beskrevet.

6 DK 173534 B1

Kredsløbet omfatter en transformer T, to drosselspoler LI, L2, to ensretterdioder Dl, D2 samt en positiv og en negativ udgangsterminal.

5 Når sekundær spænd ingen VT fra transformeren T er positiv, vil denne spænding tvinge ensretteren Dl til at lede. Der vil følgeligt løbe en strøm fra den negative udgangsklemme gennem L2, transformerens sekundære vikling,' éris'rétte-10 ren Dl og frem til den positive udgangsklemme.

Når sekundærspænding VT forsvinder {VT =0) i dødperioderne, vil strømmen i L2 fortsætte med at løbe (friløb), nu fra den negative udgangsklemme gennem D2 og frem til 15 den positive udgangsklemme.

Bliver sekundaerspændingen VT negativ, tvinger denne spænding en strøm til at løbe fra den negative udgangsklemme gennem LI, sekundærviklingen og ensretteren D2, som alle-20 rede leder på grund af friløbsstrømmen fra L2. Der vil altså nu både løbe en friløbsstrøm fra L2 og en strøm gennem sekundærviklingen og LI frem til den positive udgangsklemme .

25 Når sekundær spænd ingen VT igen forsvinder (VT = 0), vil både strømmen fra LI og L2 fortsætte med at friløbe gennem henholdsvis Dl og D2, som altså begge vil være ledende.

30 Kredsløbet vil med andre ord opretholde en kontinuert (ikke pulserende) strøm, som løber fra den negative til den positive udgangsklemme uanset transformer-sekundærspændingens øjebliksværdi.

7 DK 173534 B1

Nederst på figuren er vist de magnetiske kredsløb for hver af de tre magnetiske komponenter T, LI, L2.

Da de to drosselspoler sidder i serie direkte hen over 5 sekundærviklingens klemmer, følger, at summen af øjebliksspændingerne over disse drosselspoler må være lig øjebliksværdien af sekundærspændingen, det vil altså sige: 10 VT(t) = Vi (t) - V2(t) (1) med de på fig. 1 viste polaritetsforhold.

Nedenfor betragtes den magnetiske flux i de forskellige 15 dele af transformeren og drosselspolerne. Fra Faraday's lov vides, at: V = N d$/dt 20 hvor φ betegner fluxen, N vindingstallet og V spændingen.

For transformeren med sekundærvindingstallet NT gælder således: VT = NT d<j>T/dt 25

For drosselspolen LI med vindingstallet Ni gælder tilsvarende:

Vi = Ni d<J>i/dt 30 og endelig gælder for L2 med vindingstallet N2: V2 = N2 d<h/dt 8 DK 173534 B1

Formel (1) kan altså nu skrives: NT άφτ/dt - Ni. dφl/dt - N: dφ2/dt 5 Hvis LI og L2 indrettes til at have samme vindingstal (Ni= N2 * N), fås: NT dφτ/dt = N (άφι-άφ;)/dt = N d (φι - φ;)/άί 10 Som det er nævnt i amerikansk patentskrift US nr. 4 899 271, kan de to drosselspoler integreres sammen ved f.eks. at placere hver af dem på yderbenene af en E-kerne.

Afhængigt af, hvordan de integrerede drosselspoler ind-15 byrdes polariseres, kan det opnås, at fluxen i midterbenet enten bliver summen af eller differensen mellem yderbenenes flux. Med den på fig. 2 viste polarisering opnås, at midterbenets flux bliver φ = Φι - φ:, og der vil derfor gælde: 20 άφ/dt = d (φι—φο) /<dt -» NT άφτ/dt = N άφ/dt Vælges vindingstallene nu således, at N = Nt, fås 25 άφχ/dt = άφ/dt — d (φι-φ2) /dt

Det ses altså, at når vindingstallene vælges som ovenfor, og drosselspolerne polariseres som beskrevet, vil transformerens flux være lig med den flux, som allerede er 30 tilvejebragt i midterbenet af drosselspolerne. Dette betyder, at transformeren nu kan integreres ind på midterbenet af den kombinerede L1-L2 drosselspole, uden at der derved kræves nogen forøgelse af kernens tværsnit eller magnetiseringsstrøm i transformeren.

9 DK 173534 B1 På fig. 3 er dette realiseret på en E-kerne. Viklingernes indbyrdes polaritet er angivet på figuren med sorte prikker. Transformerens primærvikling, som er vist punkteret, 5 kræver ikke polarisering i forhold til de øvrige viklinger .

Det kan dog i nogle tilfælde vise sig ønskeligt at anvende et lidt mindre vindingstal på midterbenet for derved -10 med vilje - at skabe en vis ubalance i det magnetiske kredsløb. En sådan ubalance kan i visse tilfælde reducere ripplekomponenten i drosselspolerne. Der er dog kun tale om ubetydelige forskelle i vindingstal.

15 På fig. 4 er vist en udførelsesform, hvor kernen er opbygget af en kombination af ferrit og amorft båndviklet magnetisk materiale. Det magnetiske system omfatter en kernedel 1 af ferrit, to kernedele 2 af amorf snitbånd-kerne, luftspalter 3, en transformervikling 4 og drossel-20 spoleviklinger 5.

Amorfe magnetiske materialer kan i lighed med laminerede jernkerner tolerere et langt højere DC-magnetiseringsni veau end ferrit. Mætning indtræder først ved 1 til 1,5 25 tesia i modsætning til ferrit, hvor mætning finder sted ved 0,3 til 0,4 tesia.

Det vil derfor være særdeles hensigtsmæssigt at anvende et af de amorfe materialer som yderben i kernen, hvor 30 magnetiseringen fortrinsvis består af DC-flux.

Der er her anvendt en såkaldt snitbåndkerne, altså en kerne, der er viklet af amorft materiale i båndform, og som derefter er skåret over i to halvdele.

DK 173534 B1 10 I kernens midterben vil yderbenenes DC-flux blive udbalanceret, mens fluxvariationerne vil adderes og medføre en højere AC-fluxtæthed end i yderbenene.

5

Det vil derfor være mest fordelagtigt at anvende ferrit her, idet ferrit typisk vil være det mest tabsfri materiale .

10 De på figuren viste luftspalter kan f.eks. realiseres ved indlæg af isolationsmateriale, hvortil de enkelte kernedele eventuelt kan sammenlimes.

Kernedelene kan f.eks. også spændes sammen ved hjælp af 15 et bånd af et ikke-ledende materiale. Et ledende materiale vil kunne medføre hvirvelstrømstab i de områder af spændebåndet, som befinder sig i nærheden af luftspalterne .

20 Det magnetiske kredsløb kan også realiseres med andre kernetyper, end den før omtalte E-kerne. F.eks. kan der anvendes lavpermeable ringkerner (pulverkerner). De to drosselspoler vikles så blot på hver sin ringkerne, medens transformeren vikles gennem begge kerner.

25 30

Claims (4)

11 DK 173534 B1 Patent krav :

1. Strømforsyningskredsløb, hvor der anvendes et kreds-5 løb, som omfatter en transformer (T), hvis sekundærvik-lings ender er forbundet med ensartede, første elektroder af et par ensretterdioder (Dl, D2), hvis andre elektroder er forbundet med strømforsyningskredsløbets ene udgangsklemme, idet diodernes første elektroder endvidere er 10 forbundet med strømforsyningskredsløbets anden udgangsklemme via en respektiv af to induktive komponenter (LI, L2), kendetegnet ved, at alle magnetiske komponenter er integrerede på en eller flere magnetkerner med to fluxveje, hvoraf en del er fælles for begge, men 15 hvori der er tilvejebragt en flux-adskillelse for flux fra de to fluxveje, hvor de to nævnte induktive komponenters (LI, L2) vindingstal (Ni, N^) i hovedsagen er lig med transformerens sekundærvindingstal (Nr), og de to nævnte induktive komponenter (LI, L2) er anbragt på hver 20 sin kernedel på en sådan måde, at den resulterende magnetiske flux i fælles kernedele, hvorpå transformerens viklinger er anbragt, i hovedsagen er lig med differensen mellem de andre kernedeles magnetiske flux.

2. Strømforsyningskredsløb ifølge krav 1, hvor der findes en fælles kernedel, kendetegnet ved, at de magnetiske komponenter er integrerede på en fælles magnetkerne af E-type, hvor de to nævnte induktive komponenter (LI, L2) er anbragt på kernens yderben, og den fælles 30 kernedel udgøres af kernens midterben.

3. Strømforsyningskredsløb ifølge krav 2, kendetegnet ved, at yderbenene er opbyggede af et amorft båndviklet materiale, at midterbenet er opbygget af et 12 DK 173534 B1 ferritmateriale, og at der findes luftspalter, hvor de to materialer støder op til hinanden.

4. Strømforsyningskredsløb ifølge krav 1, hvor der findes 5 to fælles kernedele, kendetegnet ved, at de magnetiske komponenter er anbragt på to fælles ringkerner, hvor de to nævnte induktive komponenter (LI, L2) er anbragt på hver sin ringkerne, og hvor transformerens (T) viklinger er viklet gennem begge kerner. 10