Вчені представили надефективний електричний перетворювач

Нова конструкція перетворювача електричної енергії, розроблена Університетом Кобе, забезпечує значно підвищену ефективність за меншої вартості та меншого обслуговування. Цей підвищувальний перетворювач напруги постійного струму має істотно вплинути на розвиток електричних і електронних компонентів у різних секторах, включаючи виробництво електроенергії, охорону здоров’я, мобільність та інформаційні технології.

Пристрої, які збирають енергію від сонячного світла чи вібрації, або живлять медичні пристрої чи автомобілі, що працюють на водневому паливі, мають один спільний ключовий компонент. Цей так званий «підвищувальний перетворювач» перетворює вхідний постійний струм низької напруги у вихідний постійний струм високої напруги. Оскільки це такий всюдисущий і ключовий компонент, бажано, щоб він використовував якомога менше деталей для зниження технічного обслуговування та витрат і в той самий час, щоб він працював з найвищою можливою ефективністю, не виробляючи електромагнітного шуму або тепла. Основний принцип роботи підвищувальних перетворювачів полягає в швидкому перемиканні між двома станами в ланцюзі, один, який накопичує енергію, а інший, який її вивільняє. Чим швидше відбувається перемикання, тим меншими можуть бути компоненти, а отже, можна зменшити розміри всього пристрою. Однак це також збільшує електромагнітний шум і виробництво тепла, що погіршує продуктивність перетворювача електроенергії.

Команда дослідника силової електроніки Університету Кобе Мішіми Томокадзу досягла значного прогресу в розробці нової схеми перетворення електроенергії постійного струму. Їм вдалося поєднати високочастотне перемикання (приблизно в 10 разів вище, ніж раніше) з технікою, яка зменшує електромагнітний шум і втрати потужності через розсіювання тепла, що називається «м’яким перемиканням», одночасно зменшуючи кількість компонентів і, отже, зберігаючи вартість і низька складність.

«Коли схема переходить між двома станами, є короткий період, коли перемикач не повністю замкнутий, і в цей момент на перемикачі є і напруга, і струм. Це означає, що протягом цього часу перемикач діє як резистор і таким чином розсіює тепло. Чим частіше змінюється стан перемикача, тим більше відбувається це розсіювання. М’яке перемикання — це техніка, яка гарантує, що перемикання відбувається за нульової напруги, таким чином мінімізуючи втрати тепла», — пояснює доктор Місіма. Традиційно це досягалося за допомогою «демпферів», компонентів, які пропонують альтернативні поглиначі енергії протягом перехідного періоду, що згодом призводить до втрат енергії.

Публікація та розробка прототипу

Команда Університету Кобе представила свій новий дизайн схеми та її оцінку в журналі IEEE Transactions on Power Electronics. Ключем до їх досягнення є використання контурів «резонансного бака», які можуть накопичувати енергію під час періоду перемикання і, отже, мають набагато менші втрати. Крім того, вони використовують конструкцію з економією компонентів із плоскими компонентами, надрукованими на друкованій платі, що називається «площинним трансформатором», який є дуже компактним і має як хороший ККД, так і теплові характеристики.

Місіма та його колеги також створили прототип схеми та виміряли її продуктивність. «Ми підтвердили, що наша безамортизаційна конструкція має значно знижений електромагнітний шум і високу енергоефективність до 91,3 відсотка, що є безпрецедентним для приводу МГц з високим коефіцієнтом перетворення напруги. Це співвідношення також більш ніж у 1,5 раза вище, ніж в існуючих дизайнах». Однак вони хочуть ще більше підвищити ефективність за рахунок зменшення розсіюваної потужності використовуваних магнітних компонентів.

Враховуючи, наскільки електричні пристрої поширені в нашому суспільстві, високоефективна та малошумна робота джерел живлення постійного струму з високим коефіцієнтом множення напруги є надзвичайно важливою. Ця розробка Університету Кобе матиме велике значення для застосування в електроенергетиці, відновлюваних джерелах енергії, транспорті, інформації та телекомунікаціях та медичному обслуговуванні. Місіма пояснює свої подальші плани, кажучи: «Поточна розробка — це прототип малої потужності класу 100 Вт, але ми прагнемо збільшити потужність до більшої потужності класу кВт у майбутньому шляхом вдосконалення електронної плати та інших компонентів.»