Новая конструкция преобразователя электрической энергии обеспечивает гораздо более высокий КПД при меньших затратах и ​​меньших затратах на обслуживание, чем раньше. Повышающий преобразователь напряжения постоянного тока, разработанный Университетом Кобе, призван внести значительный вклад в дальнейшее развитие электрических и электронных компонентов в сфере производства электроэнергии, здравоохранения, мобильности и информационных технологий.

Устройства, которые собирают энергию солнечного света или вибраций, приводят в действие медицинские устройства или автомобили, работающие на водороде, имеют один общий ключевой компонент. Этот так называемый «повышающий преобразователь» преобразует входной постоянный ток низкого напряжения в выходной постоянный ток высокого напряжения. Поскольку это столь вездесущий и ключевой компонент, желательно, чтобы в нем использовалось как можно меньше деталей для снижения затрат на техническое обслуживание и в то же время, чтобы он работал с максимально возможной эффективностью, не создавая электромагнитного шума или тепла.

Основной принцип работы повышающих преобразователей заключается в быстром переключении между двумя состояниями в цепи: одно сохраняет энергию, а другое ее высвобождает. Чем быстрее происходит переключение, тем меньше могут быть компоненты и, следовательно, можно уменьшить размеры всего устройства. Однако это также увеличивает электромагнитный шум и выделение тепла, что ухудшает характеристики преобразователя мощности.

Команда силовой электроники Университета Кобе под руководством исследователя Мисимы Томокадзу добилась значительного прогресса в разработке новой схемы преобразования энергии постоянного тока. Им удалось объединить высокочастотное переключение (примерно в 10 раз выше, чем раньше) с технологией, снижающей электромагнитные шумы и потери мощности из-за рассеивания тепла , называемой «мягкой коммутацией», одновременно уменьшая количество компонентов и, следовательно, сохраняя стоимость. и сложность низкая.

«Когда цепь переключается между двумя состояниями, существует короткий период, когда переключатель не полностью закрыт, и в этот момент на переключателе присутствует как напряжение, так и ток. Это означает, что в течение этого времени переключатель действует как резистор. и, таким образом, рассеивает тепло. Чем чаще меняется состояние переключателя, тем больше происходит это рассеивание. Мягкое переключение — это метод, который гарантирует, что переходы переключателя происходят при нулевом напряжении, что минимизирует потери тепла», — объясняет доктор Мисима.

Традиционно этого достигали с помощью «демпферов» — компонентов, которые предлагают альтернативные поглотители энергии в переходный период, что впоследствии приводит к потерям энергии.

Команда Университета Кобе представила свою новую схему и ее оценку в журнале IEEE Transactions on Power Electronics . Ключом к их достижению является использование схем «резонансного резервуара», которые могут накапливать энергию в течение периода переключения и, следовательно, иметь гораздо меньшие потери.

Кроме того, они используют конструкцию, экономящую компоненты, с плоскими компонентами, напечатанными на печатной плате, называемую «планарным трансформатором», которая очень компактна и имеет хороший КПД и тепловые характеристики.

Мисима и его коллеги также построили прототип схемы и измерили ее производительность. «Мы подтвердили, что наша конструкция без демпфера значительно снижает электромагнитный шум и обеспечивает высокую энергоэффективность до 91,3%, что является беспрецедентным показателем для привода МГц с высоким коэффициентом преобразования напряжения. Этот коэффициент также более чем в 1,5 раза выше, чем у существующих конструкций». Однако они хотят еще больше повысить эффективность за счет уменьшения рассеиваемой мощности используемых магнитных компонентов.

Учитывая повсеместное распространение электрических устройств в нашем обществе, чрезвычайно важна высокоэффективная и малошумная работа источников питания постоянного тока с высоким коэффициентом умножения напряжения.

Эта разработка Университета Кобе будет иметь большое значение для применения в электроэнергетике, возобновляемых источниках энергии, транспорте, информации, телекоммуникациях и здравоохранении. Мисима объясняет их планы на будущее: «Текущая разработка представляет собой прототип малой мощности класса 100 Вт, но в будущем мы стремимся расширить мощность до более высокого класса за счет улучшения электронной платы и других компонентов».

Исследование было проведено в сотрудничестве с исследователями из Национального университета Чунг Син.