專利名稱：一種工頻變壓器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電源變壓器，即工頻變壓器，具體的是涉及輸入與輸出端在電氣方 面是完全隔離，輸入與輸出端電源頻率相同，傳遞功率的變壓器裝置。
背景技術(shù)：
電源變壓器是一常見(jiàn)的、應(yīng)用廣泛的電氣設(shè)備。又稱其為工頻變壓器。其主要特征有 四個(gè)方面(1)輸入端與輸出端不直接連接，在電氣方面是完全隔離的，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)電源與 用電設(shè)備之間的電氣安全隔離；(2)將電網(wǎng)電壓轉(zhuǎn)換成用電設(shè)備所需的電壓值；(3)輸入 端和輸出端的電流、電壓的乘積基本不變，即傳遞功率；(4)它還應(yīng)該具有輸入端和輸出 端的頻率是一致的特性。本領(lǐng)域已知的工頻變壓器是直接依據(jù)法拉第電磁感應(yīng)原理來(lái)運(yùn)行 的。它由初級(jí)線圈、次級(jí)線圈和硅鋼鐵心構(gòu)成。對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員，工頻變壓器工作 原理應(yīng)該是了解和熟悉的，在這里不再詳細(xì)描述其工作過(guò)程。這種傳統(tǒng)變壓器需要大量的 銅線和硅鋼鐵心，功率愈大其所消耗的原材料越多，體積大，質(zhì)量大，原材料成本高，不 能小型化等。在許多的電子電器產(chǎn)品中，工頻變壓器已經(jīng)占據(jù)其整個(gè)產(chǎn)品大部分的成本、 體積和重量。正因?yàn)槿绱耍行╇娖鳟a(chǎn)品，譬如電熱水器、電熱毯等對(duì)用電的安全要求很 高，也沒(méi)有采用工頻變壓器來(lái)實(shí)現(xiàn)電氣安全隔離。其應(yīng)用范圍因成本、體積和重量而受到 制約。
本領(lǐng)域已知的還有一種稱為開(kāi)關(guān)電源的裝置，它是利用半導(dǎo)體功率器件作為開(kāi)關(guān)，將 一種電源形態(tài)轉(zhuǎn)換成另一種電源形態(tài)的電路。這種開(kāi)關(guān)電源裝置存在如下問(wèn)題(1)這種 現(xiàn)行的開(kāi)關(guān)變換電路還沒(méi)有實(shí)現(xiàn)工頻變壓器的功能。譬如，其輸入端和輸出端的頻率是不 一致的，即電源的形態(tài)發(fā)生了變化?，F(xiàn)有開(kāi)關(guān)電源輸入端需要有整流電路和平滑濾波電路, 需要平滑用高壓電解電容，所述整流和濾波是現(xiàn)有技術(shù)中所必需的；且在現(xiàn)行的開(kāi)關(guān)電源 中，輸入電源經(jīng)整流和平滑濾波電路后，其電源性質(zhì)發(fā)生了變化，由輸入時(shí)的交流變成了 直流；(2)現(xiàn)有開(kāi)關(guān)電源需要使用功率因數(shù)校正電路才能保證輸入功率因數(shù)較大。(3)現(xiàn) 行的開(kāi)關(guān)電源裝置，其輸出端的基本形式為整流電路和平滑濾波電路構(gòu)成，將高頻電源變 成了直流電源。由上述可知，現(xiàn)有開(kāi)關(guān)電源的裝置，不構(gòu)成本發(fā)明所討論的范疇。因此，希望提供一種輸入與輸出端在電氣方面是完全隔離，輸入與輸出端電源頻率相 同，傳遞功率，且能夠完全取消硅鋼鐵心，減少銅線使用量，體積小，重量輕，小型化， 低成本的新型工頻變壓器裝置。

發(fā)明內(nèi)容
為克服現(xiàn)有工頻變壓器的不足，本發(fā)明提供了一種能實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)工頻變壓器的全部功 能，同時(shí)又取消了硅鋼鐵心，銅線使用量極少，縮小了體積，減輕了重量，實(shí)現(xiàn)了小型化， 低成本的目標(biāo)。其應(yīng)用范圍愈加廣泛，為社會(huì)節(jié)約了大量的自然資源。
本發(fā)明是利用半導(dǎo)體器件、電容和電感元件所構(gòu)成的變換電路來(lái)實(shí)現(xiàn)的上述目標(biāo)的。 首先將網(wǎng)電源轉(zhuǎn)換、調(diào)制為高頻電波，利用高頻變壓器實(shí)現(xiàn)電氣隔離、電壓轉(zhuǎn)換和能量傳 遞。然后將經(jīng)隔離后的高頻電波恢復(fù)為與輸入網(wǎng)電源頻率一致的同態(tài)電源。
本發(fā)明由三部分組成，包括網(wǎng)電源輸入部分、電源變換部分、工頻恢復(fù)電路。 所述的網(wǎng)電源輸入部份，即網(wǎng)電源輸入部份變道開(kāi)關(guān)101，能根據(jù)網(wǎng)電源所在的周期
單獨(dú)為其中某一電源變換器供電；其網(wǎng)電源輸入部份變道開(kāi)關(guān)101輸入端IOIA、輸入端 IOIB與網(wǎng)電源N、 L連接，輸入端101A、輸入端101B能同步轉(zhuǎn)換到對(duì)應(yīng)輸出端，輸入端 101A連接輸出端101C或輸出端101D,且隨網(wǎng)電源周期性轉(zhuǎn)換單獨(dú)連接輸出端101C或輸 出端101D;輸入端101B連接輸出端101E或輸出端101F,且隨網(wǎng)電源周期性轉(zhuǎn)換單獨(dú)連 接輸出端101E或輸出端101F;變道開(kāi)關(guān)101 —組輸出端IOIC、 101E與第一電源變換器 連接，另一組輸出端101D、 IOIF與第二電源變換器連接；
變道開(kāi)關(guān)101包括由兩只二極管提供的二極管232、 二極管233組合而成單刀式變道 開(kāi)關(guān)；二極管232的P端與二極管233的N端連接，并被連接到網(wǎng)電源的L端，二極管 232的N端與第一電源變換器的電源端210C連接，二極管233的P端與第二電源變換器 的電源端20D連接,第一電源變換器的電源端20N與第二電源變換器的電源端211C連接， 并被連接到網(wǎng)電源的N端。
所述的電源變換部份，由參數(shù)相同的兩組電源變換器組成，包括第一電源變換器和第 二電源變換器；電源變換器包括轉(zhuǎn)換調(diào)制部份及能量傳遞部份，所述的能量傳遞部份為高 頻變壓器；電源變換器將其轉(zhuǎn)換、調(diào)制為高頻波，利用高頻變壓器實(shí)現(xiàn)電氣隔離、電壓轉(zhuǎn) 換和能量傳遞；第一電源變換器的電源端102A、電源端104B與變道開(kāi)關(guān)101的一組輸出 端連接，第二電源變換器的電源端103A、電源端105B與網(wǎng)電源輸入部份變道開(kāi)關(guān)101的另一組輸出端連接。
所述的第一電源變換器，包括開(kāi)關(guān)體216、開(kāi)關(guān)體217，電容器212、電容器214， 二 極管230、 二極管201和高頻變壓器210，組成的自激式離線變換器；
所述的開(kāi)關(guān)體216、開(kāi)關(guān)體217至少有三個(gè)連接端子；包括第一端子，第二端子、第三 端子，其中第一端子為開(kāi)關(guān)體控制端，第二端子和第三端子之間的導(dǎo)通或斷開(kāi)由第一端子 控制。
高頻變壓器210的初級(jí)線圈被中心抽頭210C分為2101和2102兩段，共有連接端 210A、連接端210B、連接端210C三個(gè)連接端；電容器212、 二極管230被串聯(lián)在初級(jí)線 圈連接端210A端和第一變換器的公共端20N之間，電容器212、 二極管230之間中點(diǎn)被 連接到開(kāi)關(guān)體216的第一端子，開(kāi)關(guān)體216的第三端子連接到公共端20N， 二極管230反 向連接在開(kāi)關(guān)體216第一端子、第三端子之間，即二極管230P端連接216第三端子，230N 端連接開(kāi)關(guān)體216第一端子；開(kāi)關(guān)體216的第二端子被連接到初級(jí)線圈的210B端；電容 器214、 二極管201被串聯(lián)在初級(jí)線圈的210B端和第一變換器的公共端20N之間，電容 器214、 二極管201之間中點(diǎn)被連接到開(kāi)關(guān)體217的第一端子，開(kāi)關(guān)體217的第三端子連 接到公共端20N, 二極管201反向連接在217第一端子、第三端子之間，即二極管201P 端連接開(kāi)關(guān)體217第三端子，230N端連接開(kāi)關(guān)體217第一端子；開(kāi)關(guān)體217的第二端子被 連接到初級(jí)線圈的210A端；初級(jí)線圈中心抽頭210C與變道開(kāi)關(guān)部份的二極管232 N端連 接；公共端20N與網(wǎng)電源的N端直接連接。
所述的第二電源變換器，開(kāi)關(guān)體218、開(kāi)關(guān)體219，電容器213、電容器215， 二極管 231、 二極管202和高頻變壓器2n，組成的自激式離線變換器；高頻變壓器211的初級(jí)線 圈被中心抽頭211C分為2111和2112兩段，共有連接端211A、連接端211B、連接端211C 三個(gè)連接端；其連接方式和各元件器的電器參數(shù)均與第一 電源變換器相同。
在的第一電源變換器中，有電容227與二極管201并聯(lián)，有電容226與二極管230并聯(lián)； 在第二電源變換器中，有電容229與二極管202并聯(lián)，有電容228與二極管231并聯(lián)。
所述的工頻恢復(fù)部份，由工頻恢復(fù)部份變道開(kāi)關(guān)106及高頻濾波電路組成，將經(jīng)高頻 變壓器隔離后的高頻電波恢復(fù)為網(wǎng)電源頻率；工頻恢復(fù)部份變道開(kāi)關(guān)106輸出端106A、 輸出端106B能同步轉(zhuǎn)換到對(duì)應(yīng)輸入端，輸出端106A連接輸入端106C或輸入端106D， 且隨網(wǎng)電源周期性轉(zhuǎn)換單獨(dú)連接輸入端106C或輸入端106D;輸出端106B連接輸入端106E 或輸入端106F,且隨網(wǎng)電源周期性轉(zhuǎn)換單獨(dú)連接輸入端106E或輸入端106F;變道開(kāi)關(guān)第一組輸入端106C、 106E與第一電源變換器輸出端104D、輸出端104E連接，第二組輸入 端106D、 106F與第二電源變換器輸出端105D、輸出端105E連接；變道開(kāi)關(guān)106的輸出 端106A、輸出端106B與高頻濾波電路107并聯(lián)，形成工頻恢復(fù)電路輸出端，工頻恢復(fù)電 路輸出端與負(fù)載108并聯(lián)連接；所述高頻濾波電路107具有低通濾波的性質(zhì)。
工頻恢復(fù)部份變道開(kāi)關(guān)106，由開(kāi)關(guān)體220、開(kāi)關(guān)體221，以及二極管204、 二極管205、 二極管206、 二極管207組成組合而成單刀式變道開(kāi)關(guān)；
所述的開(kāi)關(guān)體220、開(kāi)關(guān)體221至少有三個(gè)連接端子；包括第一端子，第二端子、第三端 子，其中第一端子為開(kāi)關(guān)體控制端，第二端子和第三端子之間的導(dǎo)通或斷開(kāi)由第一端子控 制；
其中，二極管204、 二極管205和高頻變壓器210的帶中心抽頭的次級(jí)線圈2103構(gòu)成 了第一全波整流電路；2103的中心抽頭成為第一全波整流電路的輸出負(fù)端，二極管204、 二極管205N極被連接在一起，形成第一全波整流電路的輸出正端；二極管206、 二極管 207和變壓器211的帶中心抽頭的次級(jí)線圈2113構(gòu)成了第二全波整流電路；2113的中心抽 頭成為第二全波整流電路的輸出負(fù)端，二極管206、 二極管207N極被連接在一起，形成第 二全波整流電路的輸出正端；兩個(gè)整流電路的負(fù)端被連接在一起，形成公共端20G;開(kāi)關(guān) 體220、開(kāi)關(guān)體221的第三端子被連接到公共端20G;第一整流電路的輸出正端被連接到 開(kāi)關(guān)體221的第一端子，第二整流電路的輸出正端被連接到開(kāi)關(guān)體220的第一端子，開(kāi)關(guān) 體220的第二端子和開(kāi)關(guān)體221的第二端子之間被并聯(lián)有高頻濾波電容203;在其兩端之 間并聯(lián)負(fù)載234。
所述的第一整流電路的輸出正端與開(kāi)關(guān)體220的第二端子之間正向跨接一個(gè)二極管 208;第二整流電路的輸出正端與開(kāi)關(guān)體221的第二端子之間正向跨接一個(gè)二極管209。
所述開(kāi)關(guān)體可以由MOSFET提供，MOSFET柵極、漏極、源極分別對(duì)應(yīng)開(kāi)關(guān)體第一端 子、第二端子、第三端子；所述的開(kāi)關(guān)體也可以使用其它元件提供，包括SCR、 GTO、 IGBT、 晶體管類，實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)體功能。
網(wǎng)電源輸入部份變道開(kāi)關(guān)101和工頻恢復(fù)部份變道開(kāi)關(guān)106，其轉(zhuǎn)換頻率為網(wǎng)電源頻 的兩倍。
由于本發(fā)明采用了高頻變壓器實(shí)現(xiàn)電氣隔離、電壓轉(zhuǎn)換和能量傳遞，且實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)工 頻變壓器的全部功能。
高頻變壓器中通過(guò)的是頻率超過(guò)lOKHz的電源，不必采用硅鋼鐵心，銅線使用量極少，因而大大縮小了體積，減輕了重量。
本發(fā)明成功利用高頻變壓器作為能量傳遞，因而工頻變壓器能夠?qū)崿F(xiàn)小型化，低成本。 其應(yīng)用范圍愈加廣泛，為社會(huì)節(jié)約了大量的自然資源。
附困說(shuō)明
圖l是本發(fā)明各部分聯(lián)接關(guān)系及工作原理圖； 圖2是本發(fā)明各元器件聯(lián)接關(guān)系及工作原理圖； 圖3是本發(fā)明龜路主體結(jié)構(gòu)圖示意具體實(shí)施例方式
將參考附圖詳細(xì)描述本發(fā)明。 本發(fā)明由三部分組成，包括網(wǎng)電源輸入部分、電源變換部分、工頻恢復(fù)電路。下面 結(jié)合

圖1來(lái)描述本發(fā)明是如何實(shí)現(xiàn)工頻變壓器的全部功能的。
1、網(wǎng)電源輸入部分。主要由變道開(kāi)關(guān)101構(gòu)成。變道開(kāi)關(guān)101有兩個(gè)輸入端101A 和101B,四個(gè)輸出端101C、 IOID、 101E和101F。輸入端101A和101B分別與網(wǎng)電源的 L端子和N端子連接；輸出端101C與高頻變壓器104的初級(jí)線圈中心抽頭104B連接，輸 出端101D與變換電路103的103A連接。輸出端101E與變換電路102的102A連接，輸 出端101F與高頻變壓器105的初級(jí)線圈中心抽頭105B連接。
變道開(kāi)關(guān)101實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)是，根據(jù)網(wǎng)電源所在周期，控制第一電源變換器和第二電源 變換器與網(wǎng)電源之間的連接狀態(tài)。也就是，當(dāng)輸入電壓在上半周時(shí)，變道開(kāi)關(guān)101的輸入 端101A和101B分別與其輸出端101C和101E導(dǎo)通。此時(shí)，網(wǎng)電源只為第一電源變換器 供電，有且只有第一電源變換器工作；當(dāng)輸入電壓在下半周時(shí)，變道開(kāi)關(guān)101的輸入端與 分別與其輸出端101D和101F導(dǎo)通。此時(shí)，網(wǎng)電源只為第二電源變換器供電，有且只有第 二電源變換器工作。變道開(kāi)關(guān)101的交替變換電路通道的作用，可以被外部信號(hào)所控，也 可依賴自身自動(dòng)完成。本發(fā)明的實(shí)施例子20中，變道開(kāi)關(guān)101是由二極管232和233實(shí)現(xiàn) 的，并且是自動(dòng)完成的。2、電源變換部分。主要由兩個(gè)變換電路和兩個(gè)高頻變壓器組成。其中變換電路102和 高頻變壓器104構(gòu)成第一電源變換器，變換電路103和高頻變壓器105構(gòu)成第二電源變換 器，兩個(gè)電源變換器的電氣參數(shù)是完全一樣的。
電源變換部分實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)是，將網(wǎng)電源直接轉(zhuǎn)換為高頻電波，利用高頻變壓器實(shí)現(xiàn)電 氣隔離、電壓轉(zhuǎn)換和能量傳遞。更具體的是，變道開(kāi)關(guān)101的作用下，變換電路102將網(wǎng) 電源上半周轉(zhuǎn)換為高頻電源，利用高頻變壓器104實(shí)現(xiàn)電氣隔離、電壓轉(zhuǎn)換和能量傳遞； 而在網(wǎng)電源下半周時(shí)，變換電路103開(kāi)始工作，將網(wǎng)電源轉(zhuǎn)換為高頻電源，利用高頻變壓 器105實(shí)現(xiàn)電氣隔離、電壓轉(zhuǎn)換和能量傳遞。當(dāng)網(wǎng)電源又進(jìn)入上半周時(shí)，變換電路102 又開(kāi)始工作，而變換電路102停止工作。如此交替循環(huán)，實(shí)現(xiàn)電氣隔離、電壓轉(zhuǎn)換和能量 傳遞。
3、工頻恢復(fù)電路。由圖1可知， 一個(gè)基本的工頻恢復(fù)電路是由變道開(kāi)關(guān)106和高頻濾 波器107構(gòu)成。而負(fù)載108與濾波器107并聯(lián)連接。變道開(kāi)關(guān)106的輸出端106A和106B 分別與高頻濾波器107的兩端連接，其輸入端106C、 106E分別與高頻變壓器104次級(jí)線 圈的104D、 104E連接，而輸入端106D、 106F分別與高頻變壓器105次級(jí)線圈的105D、 105E連接。
工頻恢復(fù)電路實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)是，將經(jīng)高頻變壓器隔離后的高頻電波恢復(fù)為網(wǎng)電源頻率。 更具體的是，當(dāng)網(wǎng)電源處在上半周時(shí)，第一電源變換器開(kāi)始工作，并將其轉(zhuǎn)換為髙頻波， 并且被耦合到高頻變壓器104次級(jí)線圈的104D、 104E兩端；此時(shí)，變道開(kāi)關(guān)106的輸出 端106A、 106B與其輸入端106C、 106E導(dǎo)通，濾波器107、負(fù)載108與高頻變壓器104 次級(jí)線圈的兩端104D、 104E導(dǎo)通，濾波器107將高頻成分濾掉(其本質(zhì)是平滑高頻脈沖 波)。經(jīng)濾波器107平滑濾波后的電壓施加在負(fù)載108兩端，其電流流動(dòng)方向?yàn)橛韶?fù)載 108A端流向108B端。而當(dāng)網(wǎng)電源處在下半周時(shí)，第二電源變換器開(kāi)始工作，并將其轉(zhuǎn)換 為高頻波，并且被耦合到高頻變壓器105次級(jí)線圈的105D、 105E兩端；此時(shí)，變道開(kāi)關(guān) 106的輸出端106A、 106B與其輸入端106D、 106F導(dǎo)通，濾波器107、負(fù)載108與高頻變 壓器105次級(jí)線圈的兩端105D、 105E導(dǎo)通，濾波器107將高頻成分濾掉(其本質(zhì)是平滑 高頻脈沖波)。經(jīng)濾波器107平滑濾波后的電壓施加在負(fù)載108兩端，其電流流動(dòng)方向?yàn)?由負(fù)載108B端流向108A端。如此周而復(fù)始，在負(fù)載108兩端產(chǎn)生與輸入網(wǎng)電源頻率一致 的交流電壓，實(shí)現(xiàn)輸出電壓的頻率恢復(fù)到工頻的目的。實(shí)施例二、
圖2圖解了工頻變壓器20的例子。工頻變壓器包括網(wǎng)電源輸入部分、電源變換部分和 工頻恢復(fù)電路，共計(jì)三大部分。
1、網(wǎng)電源輸入部分，變道開(kāi)關(guān)IOI由二極管器件提供的開(kāi)關(guān)232和233組成。然而 應(yīng)當(dāng)理解，也可以使用其它的元器件或手段實(shí)現(xiàn)變道開(kāi)關(guān)101的功能或預(yù)期目標(biāo)。開(kāi)關(guān)232 的P端與開(kāi)關(guān)233的N端被共同連接在網(wǎng)電源的L端，232的N端與高頻變壓器210的初 級(jí)線圈的中心抽頭210C連接，233的P端與變換電路的20D端連接。網(wǎng)電源的N端與變 換電路的20N端和高頻變壓器211的初級(jí)線圈的中心抽頭211C連接。
在網(wǎng)電源上半周期內(nèi)，開(kāi)關(guān)232導(dǎo)通，網(wǎng)電源向第一電源變換器提供電壓；在此期間， 開(kāi)關(guān)233截止，第二電源變換器停止工作。在網(wǎng)電源下半周期內(nèi)，開(kāi)關(guān)233導(dǎo)通，網(wǎng)電源 轉(zhuǎn)向第二電源變換器提供電壓；在此期間，開(kāi)關(guān)232截止，第一電源變換器停止工作。
由開(kāi)關(guān)232和233構(gòu)成的變道開(kāi)關(guān)，起著交替變換電路通道的作用，其導(dǎo)通與截止可 以被外部信號(hào)所控，也可依賴自身自動(dòng)完成。本發(fā)明的實(shí)施例子20中，開(kāi)關(guān)232和233 的導(dǎo)通與截止的交替輪回，是網(wǎng)電源自動(dòng)完成的。
2、電源變換部分。主要由兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的自激式離線變換器電路組成，其電氣參數(shù)是 完全一樣的。為了便于理解和描述，下面只對(duì)單個(gè)變換器電路進(jìn)行較為詳細(xì)地描述。參照 圖2,第一示例性自激式離線變換器電路包括由MOSFET器件提供的開(kāi)關(guān)體216、開(kāi)關(guān)體 217，電容器212、 214、 226、 227， 二極管230、 201和變壓器210。變壓器210帶中心抽 頭的初級(jí)線圈被分為2101和2102兩段，共有210A、 210B、 210C三個(gè)連接端。電容器212、 226被串聯(lián)在初級(jí)線圈210A端和第一變換器的公共端20N之間，兩個(gè)電容器之間中點(diǎn)被 連接到216的柵極，開(kāi)關(guān)體216的源極連接到公共端20N，柵、源之間反向連接二極管230。 開(kāi)關(guān)體216的漏極被連接到初級(jí)線圈210B端。電容器2M、 227被串聯(lián)在初級(jí)線圈210C 端和第一變換器的公共端20N之間，兩個(gè)電容器之間中點(diǎn)被連接到217的柵極，217的源 極連接到公共端20N，柵、源之間反向連接二極管201。 217的漏極被連接到初級(jí)線圈210A 端。初級(jí)線圈中心抽頭210C與開(kāi)關(guān)232的N極連接。公共端20N與網(wǎng)電源的N端直接連 接。(第二示例性自激式離線變換器電路包括由MOSFET器件提供的開(kāi)關(guān)體218、 219，電 容器213、 215、 228、 229, 二極管231、 202和變壓器211。其相互之間的連接，請(qǐng)參閱圖 2)。
由于各元器件的參數(shù)是有差異的，接通電源Vi時(shí)，總有一個(gè)開(kāi)關(guān)體先導(dǎo)通，假設(shè)開(kāi)關(guān)體216先導(dǎo)通的，其工作過(guò)程如下接通電源Vi時(shí)，Vi通過(guò)初級(jí)線圈2101，電容器212、 226以及216柵極和源極之間的輸入電容，即第一LC被Vi充電，產(chǎn)生電流lA。當(dāng)216的 柵極電壓被充至開(kāi)啟電壓值時(shí)，開(kāi)關(guān)體216導(dǎo)通，Vi對(duì)初級(jí)線圈2102充電，產(chǎn)生電流lB。 初級(jí)線圈中有凈電流(lB-k)X)，初級(jí)線圈產(chǎn)生自感電勢(shì)V"有210A為正極，210B為負(fù) 極。經(jīng)過(guò)T-2n VLC的時(shí)間后，第一LC中的電流下降，216的柵極電壓下降，當(dāng)?shù)陀陂_(kāi) 啟電壓值時(shí)，開(kāi)關(guān)體216截止。自感電勢(shì)V^極性反向，有210B為正極，210A為負(fù)極。 此時(shí)，第一LC中的能量和線圈2102中的能量被迅速釋放到負(fù)載。電容器214、 227以及 217柵極和源極之間的輸入電容被電壓Vi充電，即第二LC被Vi充電，產(chǎn)生電流lB。開(kāi)關(guān) 體217導(dǎo)通，Vi對(duì)初級(jí)線圈2101充電，產(chǎn)生電流IA。初級(jí)線圈中有凈電流(lA-lB)X)。經(jīng) 過(guò)T-2Ji VLC的時(shí)間后，第二LC中的電流下降，217的柵極電壓下降，當(dāng)?shù)陀陂_(kāi)啟電壓 值時(shí)，開(kāi)關(guān)體217截止。自感電勢(shì)V^極性再次反向，即210A為正極，210B為負(fù)極。第 二 LC中的能量和線圈2101中的能量被迅速釋放到負(fù)載。電容器212、 226以及216柵極 和源極之間的輸入電容被電壓Vi充電，即第一LC被Vi再次充電，產(chǎn)生電流k。開(kāi)關(guān)體 216又導(dǎo)通。Vi對(duì)初級(jí)線圈2102又開(kāi)始充電，產(chǎn)生電流fe。初級(jí)線圈中有凈電流(lB-lA)X)。 于是，在經(jīng)歷與上述完全一樣的過(guò)程以后，開(kāi)關(guān)體216再次進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)，而開(kāi)關(guān)體217 卻再次進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)。如此周而復(fù)始，在變壓器210初級(jí)線圈中產(chǎn)生交變凈電流，次極線 圈兩端獲得交流電壓，實(shí)現(xiàn)電壓變換、功率傳輸和電氣隔離。
第二示例性自激式離線變換器電路的工作過(guò)程，與上述第一示例變換器完全一樣的。在 這里不再贅述。
3、工頻恢復(fù)電路，變道開(kāi)關(guān)106由MOSFET提供的開(kāi)關(guān)220、 221，以及二極管器件 204、 205、 208、 206、 207、 209組成。其中，二極管204、 205和變壓器210的帶中心抽 頭的次級(jí)線圈2103構(gòu)成了第一全波整流電路。2103的中心抽頭成為第一全波整流電路的 輸出負(fù)端，二極管204、 205的N極被連接在一起，形成第一全波整流電路的輸出正端。 二極管206、 207和變壓器211的帶中心抽頭的次級(jí)線圈2113構(gòu)成了第二全波整流電路。 2113的中心抽頭成為第二全波整流電路的輸出負(fù)端，二極管206、 207的N極被連接在一 起，形成第二全波整流電路的輸出正端。兩個(gè)整流電路的負(fù)端被連接在一起，形成公共端 20G。開(kāi)關(guān)體220、 221的源極被連接到公共端20G。第一整流電路的輸出正端被連接到開(kāi) 關(guān)體221的柵極，該輸出正端還與開(kāi)關(guān)體220的漏極之間正向跨接一個(gè)二極管208。第二 整流電路的輸出正端被連接到開(kāi)關(guān)體220的柵極，該輸出正端與開(kāi)關(guān)體221的漏極之間正向跨接一個(gè)二極管209。開(kāi)關(guān)體220的漏極和221的漏極之間被并聯(lián)有高頻濾波電容203。 在其兩端之間并聯(lián)負(fù)載234，可以獲得所預(yù)期的工頻交流電壓(Vo)。當(dāng)負(fù)載很輕或開(kāi)路時(shí)， 二極管208、 209可以有效防止開(kāi)關(guān)體220和221同時(shí)被導(dǎo)通。
工頻恢復(fù)電路的目標(biāo)實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下當(dāng)網(wǎng)電源處在上半周時(shí)，第一變換器工作，將其轉(zhuǎn) 換、調(diào)制成頻率為f的高頻波，通過(guò)高頻變壓器210傳遞到第一全波整流電路，在其輸出 正端和公共端20G之間獲得與網(wǎng)電源頻率一致的脈沖電壓(包絡(luò)線)。開(kāi)關(guān)體221導(dǎo)通。 該脈沖電壓通過(guò)正向連接的二極管208和處于導(dǎo)通狀態(tài)的開(kāi)關(guān)221施加于高頻電容器203 和負(fù)載234兩端。平滑用濾波器203將其中2f的高頻脈沖電壓濾除掉。負(fù)載234兩端獲得 與網(wǎng)電源同步的、干凈的脈沖電壓。其電流流動(dòng)方向?yàn)橛韶?fù)載234A端流向234B端(在 此期間，由于第二變換器的工作被禁止，第二全波整流電路獲得的能量為零，開(kāi)關(guān)體220 處于截止?fàn)顟B(tài))。
當(dāng)網(wǎng)電源處在下半周時(shí)，第二變換器工作，將其轉(zhuǎn)換、調(diào)制成頻率為f的高頻波，通 過(guò)高頻變壓器211傳遞到第二全波整流電路，在其輸出正端和公共端20G之間獲得與網(wǎng)電 源頻率一致的脈沖電壓(包絡(luò)線)。開(kāi)關(guān)體220導(dǎo)通。該脈沖電壓通過(guò)正向連接的二極管 209和處于導(dǎo)通狀態(tài)的開(kāi)關(guān)220施加于高頻電容器203和負(fù)載234兩端。平滑用濾波器203 將其中2f的高頻脈沖電壓濾除掉。負(fù)載234兩端獲得與網(wǎng)電源同步的、干凈的脈沖電壓。 其電流流動(dòng)方向?yàn)橛韶?fù)載234B端流向234A端(在此期間，由于第一變換器的工作被禁 止，第一全波整流電路獲得的能量為0，開(kāi)關(guān)體221處于截止?fàn)顟B(tài))。如此周而復(fù)始，在負(fù) 載234兩端產(chǎn)生與輸入網(wǎng)電源頻率一致的交流電壓，實(shí)現(xiàn)輸出電壓的頻率恢復(fù)到工頻的目 的。
上述工頻恢復(fù)電路的優(yōu)選實(shí)施事例中需要補(bǔ)充說(shuō)明的問(wèn)題(1)帶中心抽頭的次級(jí)線圈 與兩個(gè)二極管構(gòu)成了高頻用全波整流電路。然而應(yīng)當(dāng)理解，整流形式的多樣性并不被限制， 也可以采用其它方式實(shí)現(xiàn)全波整流或半波整流，從而達(dá)到有意的效果。(2)開(kāi)關(guān)體220、 221是有MOSFET器件提供的，然而應(yīng)當(dāng)理解，也可以使用其它的元器件，包括SCR、IGBT、 晶體管等，實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)體216、 217的功能。(3)電容器203實(shí)現(xiàn)高頻濾波功能，然而應(yīng)當(dāng)理 解，其他形式的濾波是不被限制的。
前面描述了電源變壓器的優(yōu)選實(shí)施事例，本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了工 頻變壓器的全部功能以及額外優(yōu)點(diǎn)。然而還應(yīng)當(dāng)理解(1)正如前面"發(fā)明內(nèi)容"中講述
的一樣，只需要有網(wǎng)電源變道開(kāi)關(guān)、電源變換器、工頻恢復(fù)電路，便可以實(shí)現(xiàn)工頻變壓器的預(yù)期目標(biāo)。對(duì)其類型的多樣性并不被限制。譬如，網(wǎng)電源變道開(kāi)關(guān)，也可以采用優(yōu)選實(shí) 施事例以外的其它類型的開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)變道目標(biāo)；電源變換器，也可以采用優(yōu)選實(shí)施事例以 外的其它類型的變換器來(lái)實(shí)現(xiàn)電源形態(tài)轉(zhuǎn)變；工頻恢復(fù)電路，也可以采用優(yōu)選實(shí)施事例以 外的其它類型的開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)高頻電波恢復(fù)為網(wǎng)電源頻率的目標(biāo)。(2)在不超出本發(fā)明范圍 和目的的前提下可以得出本發(fā)明的各種修改、改進(jìn)和可選實(shí)施事例。(3)在不超出本發(fā)明 范圍的前提下可以得出本發(fā)明的各種其它用途、目的。(4)優(yōu)選實(shí)施事例中的某些電路可 以被分離出來(lái)，獨(dú)立使用或與其他電路組合使用。
權(quán)利要求
1.一種工頻變壓器，其特征在于，它主要由網(wǎng)電源輸入部份，電源變換部份，工頻恢復(fù)部份聯(lián)接構(gòu)成；由網(wǎng)電源輸入部份為電源變換部份提供電源，再由電源變換部份將電源轉(zhuǎn)換調(diào)制為高頻波和實(shí)現(xiàn)電氣隔離、電壓轉(zhuǎn)換和能量傳遞，再由工頻恢復(fù)部份將經(jīng)高頻變壓器隔離后的高頻電波恢復(fù)為網(wǎng)電源頻率；所述的網(wǎng)電源輸入部份，即網(wǎng)電源輸入部份變道開(kāi)關(guān)(101)，能根據(jù)網(wǎng)電源所在的周期單獨(dú)為其中某一電源變換器供電；其網(wǎng)電源輸入部份變道開(kāi)關(guān)(101)輸入端(101A)、輸入端(101B)與網(wǎng)電源(N、L)連接，輸入端(101A)、輸入端(101B)能同步轉(zhuǎn)換到對(duì)應(yīng)輸出端，輸入端(101A)連接輸出端(101C)或輸出端(101D)，且隨網(wǎng)電源周期性轉(zhuǎn)換單獨(dú)連接輸出端(101C)或輸出端(101D)；輸入端(101B)連接輸出端(101E)或輸出端(101F)，且隨網(wǎng)電源周期性轉(zhuǎn)換單獨(dú)連接輸出端(101E)或輸出端(101F)；變道開(kāi)關(guān)(101)一組輸出端(101C)、(101E)與第一電源變換器連接，另一組輸出端(101D)、(101F)與第二電源變換器連接；所述的電源變換部份，由參數(shù)相同的電源變換器組成，包括第一電源變換器和第二電源變換器；電源變換器包括轉(zhuǎn)換調(diào)制部份及能量傳遞部份，所述的能量傳遞部份為高頻變壓器；電源變換器將其轉(zhuǎn)換、調(diào)制為高頻波，利用高頻變壓器實(shí)現(xiàn)電氣隔離、電壓轉(zhuǎn)換和能量傳遞；第一電源變換器的電源端(102A)、電源端(104B)與變道開(kāi)關(guān)(101)的一組輸出端連接，第二電源變換器的電源端(103A)、電源端(105B)與網(wǎng)電源輸入部份變道開(kāi)關(guān)(101)的另一組輸出端連接；所述的工頻恢復(fù)部份，由工頻恢復(fù)部份變道開(kāi)關(guān)(106)及高頻濾波電路組成，將經(jīng)高頻變壓器隔離后的高頻電波恢復(fù)為網(wǎng)電源頻率；工頻恢復(fù)部份變道開(kāi)關(guān)(106)輸出端(106A)、輸出端(106B)能同步轉(zhuǎn)換到對(duì)應(yīng)輸入端，輸出端(106A)連接輸入端(106C)或輸入端(106D)，且隨網(wǎng)電源周期性轉(zhuǎn)換單獨(dú)連接輸入端(106C)或輸入端(106D)；輸出端(106B)連接輸入端(106E)或輸入端(106F)，且隨網(wǎng)電源周期性轉(zhuǎn)換單獨(dú)連接輸入端(106E)或輸入端(106F)；變道開(kāi)關(guān)第一組輸入端(106C)、(106E)與第一電源變換器輸出端(104D)、輸出端(104E)連接，第二組輸入端(106D)、(106F)與第二電源變換器輸出端(105D)、輸出端(105E)連接；變道開(kāi)關(guān)(106)的輸出端(106A)、輸出端(106B)與高頻濾波電路(107)并聯(lián)，形成工頻恢復(fù)電路輸出端，工頻恢復(fù)電路輸出端與負(fù)載(108)并聯(lián)連接；所述高頻濾波電路(107)具有低通濾波的性質(zhì)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種工頻變壓器，其特征在于，所述的網(wǎng)電源輸入部份變道開(kāi)關(guān)(101)包括由兩只二極管提供的二極管(232)、 二極管(233)組合而成單刀式變道開(kāi) 關(guān)；二極管(232)的P端與二極管(233)的N端連接，并被連接到網(wǎng)電源的L端， 二極管(232)的N端與第一電源變換器的電源端(210C)連接，二極管(233)的P 端與第二電源變換器的電源端(20D)連接，第一電源變換器的電源端(20N)與第二 電源變換器的電源端(211C)連接，并被連接到網(wǎng)電源的N端。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種工頻變壓器，其特征在于，所述的第一電源變換器，包括開(kāi)關(guān) 體(216)、開(kāi)關(guān)體(217)，電容器(212)、電容器(214)， 二極管(230)、 二極管(201) 和高頻變壓器(210)，組成的自激式離線變換器；所述的開(kāi)關(guān)體216、開(kāi)關(guān)體217至少有三個(gè)連接端子；包括第一端子，第二端子、第 三端子，其中第一端子為開(kāi)關(guān)體控制端，第二端子和第三端子之間的導(dǎo)通或斷開(kāi)由第一 端子控制；高頻變壓器210的初級(jí)線圈被中心抽頭(210C)分為2101和2102兩段，共有連 接端(210A)、連接端(210B)、連接端(210C)三個(gè)連接端；電容器(212)、 二極管(230)被串聯(lián)在初級(jí)線圈連接端(210A)端和第一變換器的公共端(20N)之間，電 容器(212)、 二極管(230)之間中點(diǎn)被連接到開(kāi)關(guān)體(216)的第一端子，開(kāi)關(guān)體(216) 的第三端子連接到公共端(20N), 二極管(230)反向連接在開(kāi)關(guān)體(216)第一端子、 第三端子之間，即二極管(230) P端連接開(kāi)關(guān)體(216)第三端子，二極管(230) N 端連接開(kāi)關(guān)體(216)第一端子；開(kāi)關(guān)體(216)的第二端子被連接到初級(jí)線圈連接端(210B)端；電容器(214)、 二極管(201)被串聯(lián)在初級(jí)線圈連接端(210B)端和第 一變換器的公共端(20N)之間，電容器(214)、 二極管(201)之間中點(diǎn)被連接到開(kāi) 關(guān)體(217)的第一端子，開(kāi)關(guān)體(217)的第三端子連接到公共端(20N), 二極管(201) 反向連接在開(kāi)關(guān)體(217)第一端子、第三端子之間，即二極管(201) P端連接開(kāi)關(guān)體(217)第三端子，二極管(201) N端連接開(kāi)關(guān)體(217)第一端子；開(kāi)關(guān)體(217)的 第二端子被連接到初級(jí)線圈連接端(210A)端；初級(jí)線圈中心抽頭(210C)與變道開(kāi) 關(guān)部份二極管(232 ) N端連接；公共端(20N)與網(wǎng)電源的N端直接連接；所述的第二電源變換器，開(kāi)關(guān)體(218)、開(kāi)關(guān)體(219)，電容器(213)、電容器(215)，二極管(231)、 二極管(202)和高頻變壓器(211)，組成的自激式離線變換器；高頻變 壓器(211)的初級(jí)線圈被中心抽頭(211C)分為(2111)和(2112)兩段，共有連接端 (211A)、連接端(211B)、連接端(211C)三個(gè)連接端；電容器(213)、 二極管(231) 被串聯(lián)在初級(jí)線圈連接端(211A)端和第二變換器的公共端(20D)之間，電容器(213)、 二極管(231)之間中點(diǎn)被連接到開(kāi)關(guān)體(218)的第一端子，開(kāi)關(guān)體(218)的第三端子 連接到公共端(20D)， 二極管(231)反向連接在(218)第一端子、第三端子之間，即 二極管(231) P端連接(218)第三端子，二極管(231) N端連接開(kāi)關(guān)體(218)第一 端子；開(kāi)關(guān)體(218)的第二端子被連接到初級(jí)線圈連接端(211B)端；電容器(215)、 二極管(202)被串聯(lián)在初級(jí)線圈連接端(211B)端和第二變換器的公共端(20D)之間， 電容器(215)、 二極管(202)之間中點(diǎn)被連接到開(kāi)關(guān)體(219)的第一端子，開(kāi)關(guān)體(219) 的第三端子連接到公共端(20D), 二極管(202)反向連接在(219)第一端子、第三端 子之間，即二極管(202)P端連接(219第三端子，二極管(202)N端連接開(kāi)關(guān)體(219) 第一端子；開(kāi)關(guān)體(219)的第二端子被連接到初級(jí)線圈連接端(211A)端；初級(jí)線圈 中心抽頭(211C)與網(wǎng)電源N端連接；二極管(233) P極與公共端(20D)連接。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種工頻變壓器，其特征在于，所述的工頻恢復(fù)部份變道開(kāi)關(guān)(106)， 由第一整流電路(2103、 204、 205)，開(kāi)關(guān)體(221)，第二整流電路(2113、 206、 207)， 開(kāi)關(guān)體(220)組合而成單刀式變道開(kāi)關(guān)；；所述的開(kāi)關(guān)體(220)、開(kāi)關(guān)體(221)至少有三個(gè)連接端子；包括第一端子，第二子、 第三端子，其中第一端子為開(kāi)關(guān)體控制端，第二端子和第三端子之間的導(dǎo)通或斷開(kāi)由第 一端子控制；所述的第一整流電路和第二整流電路的輸出負(fù)端被連接在一起，形成公共端(20G); 開(kāi)關(guān)體(220)、開(kāi)關(guān)體(221)的第三端子被連接到公共端(20G);第一整流電路的輸 出正端被連接到開(kāi)關(guān)體(221)的第一端子，第二整流電路的輸出正端被連接到開(kāi)關(guān)體 (220)的第一端子，開(kāi)關(guān)體(220)的第二端子和開(kāi)關(guān)體(221)的第二端子之間被并 聯(lián)有高頻濾波電容(203);在其兩端之間并聯(lián)負(fù)載(234)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1或4所述一種工頻變壓器，其特征在于，所述的第一整流電路由二極管 (204)、 二極管(205)和高頻變壓器(210)的帶中心抽頭的次級(jí)線圈(2103)構(gòu)成了第一全波整流電路；次級(jí)線圈(2103)的中心抽頭成為第一全波整流電路的輸出負(fù)端， 二極管(204)、 二極管(205)的N極被連接在一起，形成第一全波整流電路的輸出正端；所述的第二整流電路由二極管(206)、 二極管(207)和變壓器(211)的帶中心抽 頭的次級(jí)線圈(2113)構(gòu)成了第二全波整流電路；次級(jí)線圈(2113)的中心抽頭成為第 二全波整流電路的輸出負(fù)端，二極管(206)、 二極管(207)的N極被連接在一起，形 成第二全波整流電路的輸出正端。
6. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種工頻變壓器，其特征在于，在的第一電源變換器中，有電容(227)與二極管(201)并聯(lián)，有電容(226)與二極管(230)并聯(lián)；在第二電源變換 器中，有電容(229)與二極管(202)并聯(lián)，有電容(228)與二極管(231)并聯(lián)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的一種工頻變壓器，其特征在于，所述的第一整流電路的輸出 正端與開(kāi)關(guān)體(220)的第二端子之間正向跨接一個(gè)二極管(208);第二整流電路的輸 出正端與開(kāi)關(guān)體(221)的第二端子之間正向跨接一個(gè)二極管(209)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的一種工頻變壓器，其特征在于，所述開(kāi)關(guān)體由MOSFET提 供，MOSFET柵極、漏極、源極分別對(duì)應(yīng)開(kāi)關(guān)體第一端子、第二端子、第三端子；所 述的開(kāi)關(guān)體也可以使用其它元件提供，包括SCR、 IGBT、晶體管類，實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)體功能。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種工頻變壓器，其特征在于，所述的電源變換部份，由參數(shù) 相同的兩組電源變換器組成。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種工頻變壓器，其特征在于，所述的網(wǎng)電源輸入部份變道開(kāi) 關(guān)(101)和工頻恢復(fù)部份變道開(kāi)關(guān)(106)，其轉(zhuǎn)換頻率為網(wǎng)電源頻的兩倍。
全文摘要
本發(fā)明涉及到一種工頻變壓器，它由三部分組成，包括網(wǎng)電源輸入部分、電源變換部分、工頻恢復(fù)電路，本發(fā)明是利用半導(dǎo)體器件、電容和電感元件所構(gòu)成的變換電路來(lái)實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)的。首先將網(wǎng)電源轉(zhuǎn)換、調(diào)制為高頻電波，利用高頻變壓器實(shí)現(xiàn)電氣隔離、電壓轉(zhuǎn)換和能量傳遞。然后將經(jīng)隔離后的高頻電波恢復(fù)為與輸入網(wǎng)電源頻率一致的同態(tài)電源。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)工頻變壓器的全部功能，同時(shí)又取消了硅鋼鐵心，銅線使用量極少，縮小了體積，減輕了重量，實(shí)現(xiàn)了小型化，低成本的目標(biāo)。其應(yīng)用范圍愈加廣泛，為社會(huì)節(jié)約了大量的自然資源。
文檔編號(hào)H02M5/16GK101577496SQ20091005868
公開(kāi)日2009年11月11日 申請(qǐng)日期2009年3月24日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月24日
發(fā)明者劉罡麟, 虞茗暢, 富 馬 申請(qǐng)人:成都大殷電器科技有限公司