相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用

本申請(qǐng)要求2014年11月3日提交的、名稱為“本質(zhì)安全變壓器”的、共同未決的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)no.62/074,501的優(yōu)先權(quán)，其全部?jī)?nèi)容在此以引用方式并入本文。

本公開一般涉及變壓器，更具體地涉及適合在危險(xiǎn)環(huán)境中使用的本質(zhì)(intrinsically)安全變壓器。本公開還一般涉及結(jié)合有這種本質(zhì)安全變壓器的本質(zhì)安全電源。

背景技術(shù)：

危險(xiǎn)的環(huán)境，例如地下礦井、以及化學(xué)與石油加工設(shè)施，可能非常容易遭受火災(zāi)、爆炸和沖擊。在這種環(huán)境中，不受控制的火焰、爆炸或沖擊，可能導(dǎo)致死亡、財(cái)產(chǎn)損失以及其它嚴(yán)重?fù)p害。因此，在這些環(huán)境中使用的電子設(shè)備，期待其滿足所謂的本質(zhì)安全標(biāo)準(zhǔn)。這些標(biāo)準(zhǔn)旨在減少可能導(dǎo)致火災(zāi)、爆炸或沖擊的電氣故障的風(fēng)險(xiǎn)。本質(zhì)安全標(biāo)準(zhǔn)的例子包括as/nzs60079標(biāo)準(zhǔn)和iec60079標(biāo)準(zhǔn)。

這些標(biāo)準(zhǔn)覆蓋了與本質(zhì)安全電路設(shè)計(jì)有關(guān)的許多領(lǐng)域、以及這些電路中所使用的部件。這些標(biāo)準(zhǔn)所覆蓋的一個(gè)具體主題涉及電路內(nèi)的導(dǎo)電路徑之間的間隙與隔離(segregation)，包括向電路供電的任何電源的電網(wǎng)輸入(maininput)與直流輸出之間的間隙與隔離。在電源中實(shí)現(xiàn)這種間隙與隔離，涉及物理上分隔電源內(nèi)的導(dǎo)電路徑，以及使用隔離技術(shù)，諸如光耦合器及變壓器，來隔離電網(wǎng)輸入與直流輸出。

任何電源，包括符合本質(zhì)安全標(biāo)準(zhǔn)的電源的一個(gè)共同部件，是用于升高或降低至電源的輸入電壓以滿足設(shè)計(jì)輸出規(guī)格的變壓器。滿足有關(guān)間隙與隔離本質(zhì)安全標(biāo)準(zhǔn)的常規(guī)變壓器，可以使用分裂線軸(splitbobbin)，其在變壓器的初級(jí)與次級(jí)繞組之間提供足夠的絕緣厚度。分裂線軸的使用，需要線軸滿足以下要求：固體絕緣間距為1.0mm；爬電距離為10.0mm。這意味著線軸材料厚度必須為1.0mm厚，而中心擋板必須提供10.0mm的爬電距離。由于分裂線軸變壓器中的鐵氧體也被視為導(dǎo)電路徑，因此從初級(jí)繞組到鐵氧體的距離也必須滿足間隙與隔離本質(zhì)安全標(biāo)準(zhǔn)。然而，使用分裂線軸減少了初級(jí)繞組與次級(jí)繞組之間的磁通耦合，導(dǎo)致變壓器性能和效率的降低，從而降低了電源性能和效率。此外，可用的具有必要物理尺寸以滿足間隙與隔離本質(zhì)安全標(biāo)準(zhǔn)的分裂線軸也難以獲得、或者可能需要制造，因此使得這種變壓器更加昂貴。

使用分裂線軸以滿足間隙與隔離本質(zhì)安全標(biāo)準(zhǔn)的替代方案是提供一種變壓器，其在初級(jí)繞組與次級(jí)繞組之間帶有固體絕緣層。根據(jù)間隙與隔離本質(zhì)安全標(biāo)準(zhǔn)，這樣的固體層必須是牢固結(jié)合層，此處使得用來形成該層的絕緣材料結(jié)合在一起。常規(guī)變壓器那樣簡(jiǎn)單施用絕緣膠帶層即可有效的方法，并不符合間隙與隔離本質(zhì)安全標(biāo)準(zhǔn)。制造這種絕緣材料結(jié)合層需要額外的處理。因此，變壓器的成本較高。

平面變壓器也可以構(gòu)造成滿足間隙與隔離本質(zhì)安全標(biāo)準(zhǔn)。采用平面變壓器，在多層印刷電路板上蝕刻螺旋圖案，以在安置于印刷電路板上的鐵氧體平面磁芯周圍形成變壓器的繞組。印刷電路板上的蝕刻圖案費(fèi)用高昂，并且初級(jí)繞組與次級(jí)繞組之間的磁通耦合不夠理想。

在滿足間隙與隔離本質(zhì)安全標(biāo)準(zhǔn)的電路中使用上述變壓器結(jié)構(gòu)的一種，常常導(dǎo)致這樣的變壓器，其對(duì)于設(shè)計(jì)應(yīng)用而言并非最佳，和/或制造困難且成本高。

開關(guān)電源通常用于許多應(yīng)用，包括上述危險(xiǎn)環(huán)境。開關(guān)電源是優(yōu)選的，因?yàn)樗鼈儽绕渌娫葱〉枚?、輕得多，卻提供相同的輸出功率。開關(guān)電源還能夠在較寬輸入電壓范圍內(nèi)調(diào)節(jié)輸出電壓。例如，在這種環(huán)境中，隔離的90vac至250vac、與隔離的9vdc至35vdc輸出開關(guān)電源很常見。然而，這種開關(guān)電源包括如上所述的變壓器配置，以滿足間隙與隔離本質(zhì)安全標(biāo)準(zhǔn)。因此，目前的開關(guān)電源與變壓器承受著相同的問題。例如，它們的制造成本高，以及，由于變壓器的效率降低而降低了電源的效率。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本公開提供了一種本質(zhì)安全變壓器，其可以在許多危險(xiǎn)環(huán)境中使用，這些危險(xiǎn)環(huán)境包括但并不局限于地下采礦環(huán)境、以及化學(xué)和石油加工環(huán)境。在一種實(shí)施方式中，本質(zhì)安全變壓器包括具有磁芯線圈架筒部的磁芯線圈架、以及鐵氧體磁芯組件。磁芯線圈架可以是豎向磁芯線圈架或水平磁芯線圈架。磁芯組件具有纏繞于磁芯線圈架筒部周圍的第一繞組、以及纏繞于第一繞組周圍的第二繞組。第一繞組或第二繞組可以是絕緣繞組。鐵氧體磁芯固定至磁芯線圈架。在一些情況下，第一繞組可以是初級(jí)繞組，而第二繞組可以是次級(jí)繞組，以及，在另一些情況下，第二繞組可以是初級(jí)繞組，而第一繞組可以是次級(jí)繞組。如上所述，第一繞組或第二繞組、或者二者可以是絕緣繞組。

在另一實(shí)施方式中，本質(zhì)安全變壓器包括具有磁芯線圈架筒部的磁芯線圈架、以及鐵氧體磁芯組件。磁芯線圈架可以是豎向磁芯線圈架或水平磁芯線圈架。在此實(shí)施方式中，磁芯組件具有纏繞于磁芯線圈架筒部周圍的第一繞組。然后，將偏置繞組纏繞于第一繞組周圍，并且，在偏置繞組周圍纏繞絕緣層。絕緣層可以置于第一繞組與偏置繞組之間。然后，將第二繞組纏繞于絕緣層周圍。第一繞組或第二繞組可以是絕緣繞組。將鐵氧體磁芯固定至磁芯線圈架。在一些情況下，第一繞組可以是初級(jí)繞組，而第二繞組可以是次級(jí)繞組，以及，在另一些情況下，第二繞組可以是初級(jí)繞組，而第一繞組可以是次級(jí)繞組。如上所述，第一繞組或第二繞組、或者兩者可以是絕緣繞組。因此，在一種實(shí)施方式中，第一繞組是絕緣繞組，而在另一個(gè)實(shí)施方式中，第二繞組是絕緣繞組。

在另一實(shí)施方式中，本質(zhì)安全變壓器包括具有磁芯線圈架筒部的磁芯線圈架、以及鐵氧體磁芯組件。磁性線圈架可以是豎向磁芯線圈架或水平磁芯線圈架。在此實(shí)施方式中，磁芯組件具有纏繞于磁芯線圈架筒部周圍的第一繞組的第一部分，以及纏繞于第一繞組的第一部分周圍的第一絕緣層。然后，將偏置繞組纏繞于第一絕緣層周圍，并且，將第一屏蔽置于偏置繞組周圍。將第二繞組纏繞于第一屏蔽周圍，并且，將第二屏蔽置于第二繞組周圍。然后，將第一繞組的第二部分纏繞于第二屏蔽周圍。第一繞組或第二繞組可以是絕緣繞組。將鐵氧體磁芯固定至磁芯線圈架。在一些情況下，第一繞組可以是初級(jí)繞組，而第二繞組可以是次級(jí)繞組，以及，在另一些情況下，第二繞組可以是初級(jí)繞組，而第一繞組可以是次級(jí)繞組。如上所述，第一繞組或第二繞組、或者兩者可以是絕緣繞組。因此，在一種實(shí)施方式中，第一繞組是絕緣繞組，而在另一實(shí)施方式中，第二繞組是絕緣繞組。

附圖說明

圖1是根據(jù)本公開的本質(zhì)安全豎向變壓器的示例性實(shí)施方式的正視圖；

圖2是圖1的變壓器的仰視圖；

圖3是圖1的變壓器的側(cè)視圖；

圖4是圖3的變壓器沿a-a線的剖視圖；

圖5是根據(jù)本公開的本質(zhì)安全變壓器的一部分的示例性實(shí)施方式的正視圖，示出了豎向變壓器殼體、以及纏繞于鐵氧體磁芯周圍的初級(jí)繞組；

圖6是根據(jù)本公開的本質(zhì)安全變壓器的示例性實(shí)施方式的正視圖，示出了纏繞于圖5的初級(jí)繞組上的次級(jí)繞組；

圖7是根據(jù)本公開的本質(zhì)安全水平變壓器的示例性實(shí)施方式的正視圖；

圖8是圖7的變壓器的側(cè)視圖；

圖9是圖8的變壓器沿b-b線的局部剖視圖；

圖10是圖7的變壓器的磁芯線圈架的示例性實(shí)施方式的軸測(cè)圖；

圖11是圖7的變壓器的底部軸測(cè)圖；

圖12是處在制造順序中第一階段的本質(zhì)安全水平變壓器的第一實(shí)施方式的仰視圖；

圖13是處在制造順序中第二階段的本質(zhì)安全水平變壓器的第一實(shí)施方式的仰視圖；

圖14是處在制造順序中第三階段的本質(zhì)安全水平變壓器的第一實(shí)施方式的仰視圖；

圖15是處在制造順序中第四階段的本質(zhì)安全水平變壓器的第一實(shí)施方式的仰視圖；

圖16是處在制造順序中第五階段的本質(zhì)安全水平變壓器的第一實(shí)施方式的仰視圖；

圖17是處在制造順序中第六階段的本質(zhì)安全水平變壓器的第一實(shí)施方式的仰視圖；

圖18是處在制造順序中第一階段的本質(zhì)安全水平變壓器的第二實(shí)施方式的仰視圖；

圖19是處在制造順序中第二階段的本質(zhì)安全水平變壓器的第二實(shí)施方式的仰視圖；

圖20是處在制造順序中第三階段的本質(zhì)安全水平變壓器的第二實(shí)施方式的仰視圖；

圖21是處在制造順序中第四階段的本質(zhì)安全水平變壓器的第二實(shí)施方式的仰視圖；

圖22是處在制造順序中第五階段的本質(zhì)安全水平變壓器的第二實(shí)施方式的仰視圖；

圖23是處在制造順序中第六階段的本質(zhì)安全水平變壓器的第二實(shí)施方式的仰視圖；

圖24是處在制造順序中第七階段的本質(zhì)安全水平變壓器的第二實(shí)施方式的仰視圖；

圖25是處在制造順序中第八階段的本質(zhì)安全水平變壓器的第二實(shí)施方式的仰視圖；

圖26是用于根據(jù)本公開的本質(zhì)安全變壓器的、作為次級(jí)繞組的絕緣護(hù)套內(nèi)的絞合線的示例性實(shí)施方式的截面圖；

圖27是用于根據(jù)本公開的本質(zhì)安全變壓器的、作為次級(jí)繞組的絕緣護(hù)套內(nèi)的單股線的示例性實(shí)施方式的截面圖；

圖28是于根據(jù)本公開的本質(zhì)安全變壓器的、作為次級(jí)繞組的絕緣護(hù)套內(nèi)的絞合線的示例性實(shí)施方式的截面圖；

圖29是采用本公開變壓器的本質(zhì)安全線性電源的實(shí)施方式的方框圖；

圖30是采用本公開變壓器的本質(zhì)安全開關(guān)模式電源的實(shí)施方式的方框圖；

圖31是采用本公開變壓器的本質(zhì)安全開關(guān)模式電源的另一實(shí)施方式的方框圖；以及

圖32-38是采用本公開變壓器的本質(zhì)安全開關(guān)模式電源中所使用電路的實(shí)施方式的方框圖。

具體實(shí)施方式

參見圖1-6，示出了一種本質(zhì)安全豎向變壓器10的實(shí)施方式。

圖1示出了變壓器10的正視圖。

變壓器10包括磁芯線圈架12和磁芯組件18。磁芯線圈架12具有頂部14、底部16、以及安裝在頂部14與底部16之間的筒部32。底部16具有引腳組26和引腳組28，其中引腳組26是位于磁芯線圈架12一側(cè)的一排引腳，而引腳組28是位于磁芯線圈架12另一側(cè)的一排引腳(如圖2中所示)。

鐵氧體磁芯組件34安裝于磁芯線圈架12，以及，在頂部用卡子20固定，并且在底部用卡子22固定(如圖3和圖4中所示)。初級(jí)繞組36纏繞于筒部32周圍，筒部32至少部分地包圍鐵氧體磁芯組件34。次級(jí)繞組38纏繞于初級(jí)繞組36周圍。

在本實(shí)施方式中，初級(jí)繞組36由傳統(tǒng)的漆包變壓器線制成。初級(jí)繞組的規(guī)格取決于變壓器的電流額定值，如本領(lǐng)域所周知的，對(duì)于不同的應(yīng)用而言是不同的。初級(jí)繞組36的端部36a連接至引腳組26中的引腳，而初級(jí)繞組36的端部36b則連接至引腳組26中的另一引腳。

圖2示出了變壓器10的仰視圖。

初級(jí)繞組36的端部36a連接至引腳組26中的一引腳，而初級(jí)繞組36的端部36b則連接至引腳組26中的另一引腳。

次級(jí)繞組38的端部38a連接至引腳組28中的一引腳，而次級(jí)繞組38的端部38b則連接至引腳組28中的另一引腳。

卡子22連接至底部16，以將其固定至鐵氧體磁芯組件34。

圖3示出了帶有橫截面基準(zhǔn)a的變壓器10的側(cè)視圖。

卡子20將磁芯線圈架12的頂部14固定至鐵氧體磁芯組件34，而卡子22將磁芯線圈架12的底部16固定至鐵氧體磁芯組件34。

初級(jí)繞組36的端部36a連接至引腳組26中的一引腳，而次級(jí)繞組38的端部38b連接至引腳組28中的一引腳。

圖4示出了變壓器10如圖3中截面基準(zhǔn)a-a所示的橫截面圖。

初級(jí)繞組36纏繞于筒部32周圍。次級(jí)繞組38纏繞于初級(jí)繞組36周圍。卡子20和22將鐵氧體磁芯組件34的頂部14和底部16保持在一起。

圖5示出了部分組裝的本質(zhì)安全變壓器10的實(shí)施方式的正視圖。

筒部32連接至變壓器10的頂部14和底部16。初級(jí)繞組36的端部36a連接至引腳組26中的一引腳。初級(jí)繞組36纏繞于筒部32周圍，而初級(jí)繞組36的另一端部36b連接至引腳組26中的另一引腳。次級(jí)繞組38尚未裝上。

圖6示出了部分組裝的本質(zhì)安全變壓器10的實(shí)施方式的后視圖。

次級(jí)繞組38的端部38a連接至引腳組28中的一引腳。次級(jí)繞組38纏繞于初級(jí)繞組36周圍，以及，將次級(jí)繞組38的另一端部38b連接至引腳組28中的另一引腳。

圖7-11示出了本質(zhì)安全水平變壓器50。

圖7是本質(zhì)安全水平變壓器50的實(shí)施方式的正視圖。

變壓器50包括磁芯線圈架52和鐵氧體磁芯組件74。磁芯線圈架52具有由筒部58分開的一組引腳54和一組引腳56。

將鐵氧體磁芯組件74安裝至磁芯線圈架52，并且用卡子62和64固定。

圖8是本質(zhì)安全水平變壓器50的實(shí)施方式的側(cè)視圖，包括指示圖9中橫截面視圖取向的線b-b。

圖9是本質(zhì)安全水平變壓器50的實(shí)施方式的局部剖視圖。

初級(jí)繞組76纏繞于磁芯線圈架筒部58周圍，而次級(jí)繞組78纏繞于初級(jí)繞組76周圍。在本實(shí)施方式中，初級(jí)繞組76由傳統(tǒng)的漆包變壓器線制成。初級(jí)繞組的規(guī)格取決于變壓器的電流額定值，對(duì)于不同應(yīng)用而言是不同的，如本領(lǐng)域所周知的那樣。

圖10是本質(zhì)安全水平變壓器50的實(shí)施方式的軸測(cè)圖。

圖11是本質(zhì)安全水平變壓器50的實(shí)施方式的底部軸測(cè)圖。

為了進(jìn)一步提高變壓器的效率，可以實(shí)現(xiàn)變壓器的其它繞組布置。例如，圖12-17示出了本質(zhì)安全水平變壓器的制造順序的示例性實(shí)施方式，該變壓器包括偏置繞組。作為另一示例，圖18-25示出了本質(zhì)安全水平變壓器的制造順序的示例性實(shí)施方式，該變壓器包括偏置繞組和屏蔽。

圖12是處于制造順序中第一階段的本質(zhì)安全水平變壓器的第一實(shí)施方式的側(cè)視圖。

以變壓器磁芯線圈架諸如磁芯線圈架52(如圖10中所示)開始，具有初級(jí)繞組510的第一半部510a的變壓器組件500，具有一個(gè)端部連接至引腳組502中的一引腳，然后，纏繞于磁芯線圈架筒部(如磁芯線圈架52的磁芯線圈架筒部58)周圍。

圖13是處在制造順序中第二階段的本質(zhì)安全水平變壓器的第一實(shí)施方式的側(cè)視圖。

將一層絕緣帶512纏繞在初級(jí)繞組510的第一半部510a上，然后，將具有一個(gè)端部連接至引腳組502中一引腳的偏置繞組514纏繞在絕緣帶512周圍，并且將另一端連接至引腳組502中的另一引腳。

圖14是處于制造順序中第三階段的本質(zhì)安全水平變壓器的第一實(shí)施方式的側(cè)視圖。

次級(jí)繞組516具有絞合線芯或單股線芯和絕緣護(hù)套或套管，如本文所述，將次級(jí)繞組516纏繞于偏置繞組514周圍，并且，將次級(jí)繞組的端部連接至引腳組502中的引腳。

圖15是處于制造順序中第四階段的本質(zhì)安全水平變壓器的第一實(shí)施方式的側(cè)視圖。

將一層絕緣帶517纏繞在次級(jí)繞組516上，然后，將初級(jí)繞組510的第二半部510b纏繞在該層絕緣帶517上，并且，將端部連接至引腳組502中的一引腳。

圖16是處于制造順序中第五階段的本質(zhì)安全水平變壓器的第一實(shí)施方式的仰視圖。

將一層絕緣帶518纏繞在初級(jí)繞組510的第二半部510b周圍。優(yōu)選地，該層絕緣帶518的厚度為1mm。

圖17是處于制造順序中第六階段的本質(zhì)安全水平變壓器的第一實(shí)施方式的仰視圖。

將鐵氧體磁芯74加入變壓器組件500，以及，類似于卡子62、64(見圖11)的卡子，將鐵氧體磁芯組件固定至磁芯線圈架52。

圖18是處于制造順序中第一階段的本質(zhì)安全水平變壓器的第二實(shí)施方式的仰視圖。

以變壓器磁芯線圈架(如變壓器磁芯線圈架52)(圖10中所示)開始，具有初級(jí)繞組610的第一半部610a的變壓器組件600，有一個(gè)端部連接至引腳組602中的引腳，然后，將其纏繞在磁芯線圈架筒部(如磁芯線圈架52的磁芯線圈架筒部58)周圍。

圖19是處于制造順序中第二階段的本質(zhì)安全水平變壓器的第二實(shí)施方式的仰視圖。

然后，將一層絕緣帶612層纏繞在初級(jí)繞組610的第一半部分610a上，接著，將具有一個(gè)端部連接至引腳組602中一引腳的偏置繞組614纏繞于絕緣帶612周圍，并且將另一端部連接至引腳組602中的另一(不同的)引腳。

圖20是處于制造順序中第三階段的本質(zhì)安全水平變壓器的第二實(shí)施方式的仰視圖。

第一屏蔽616具有焊接至屏蔽616上的導(dǎo)線，將第一屏蔽616置于偏置繞組614周圍，并且，將屏蔽導(dǎo)線連接至引腳組602中的一引腳。

圖21是處于制造順序中第四階段的本質(zhì)安全水平變壓器的第二實(shí)施方式的仰視圖。

次級(jí)繞組618具有絞合線芯或單股線芯和絕緣護(hù)套或套管，如本文所述，將次級(jí)繞組618纏繞于第一屏蔽616周圍，并且，將次級(jí)繞組的端部連接至引腳組602中的引腳上。

圖22是處于制造順序中第五階段的本質(zhì)安全水平變壓器的第二實(shí)施方式的仰視圖。

第二屏蔽620具有焊接至屏蔽620上的導(dǎo)線，將第二屏蔽620置于次級(jí)繞組618周圍，并且，將屏蔽導(dǎo)線連接至引腳602中的一引腳。

圖23是處于制造順序中第六階段的本質(zhì)安全水平變壓器的第二實(shí)施方式的仰視圖。

然后，將初級(jí)繞組610的第二半部610b纏繞于第二屏蔽620周圍，并且將該端部連接至引腳組602中的一個(gè)引腳。

圖24是處于制造順序中第七階段的本質(zhì)安全水平變壓器的第二實(shí)施方式的仰視圖。

然后，將一層絕緣帶622纏繞在初級(jí)然繞組610的第二半部610b周圍。優(yōu)選地，該層絕緣帶622的厚度為1mm。

圖25是處于制造順序中第八階段的本質(zhì)安全水平變壓器的第二實(shí)施方式的仰視圖。

為了完成該順序，將鐵氧體磁芯74加到變壓器組件600上，類似于卡子62和64(見圖11)的卡子，將鐵氧體磁芯組件固定到磁芯線圈架52上。

圖26示出了次級(jí)繞組(38、78、516、或618)的一個(gè)實(shí)施方式，對(duì)于本文所述的變壓器實(shí)施方式，將這些次級(jí)繞組統(tǒng)稱為次級(jí)繞組80，其由用絕緣套管92包裹的絞合線90制成。

圖27示出了次級(jí)繞組80的另一實(shí)施方式，其由用絕緣套管92包裹的單股線90a制成。

圖28示出了次級(jí)繞組80的另一實(shí)施方式，其由絕緣套筒92a內(nèi)的絞合線90(或單股線90a)制成。

形成次級(jí)繞組80的絞合線或單股線的規(guī)格取決于變壓器的電流額定值，其對(duì)于不同的應(yīng)用而不同，如本領(lǐng)域所周知的。絕緣護(hù)套92或絕緣套管92a的徑向厚度可以在約0.8mm至約1.0mm之間的范圍內(nèi)。優(yōu)選地，絕緣護(hù)套或套管的徑向厚度為1.0mm。絕緣護(hù)套或套管可以由諸如pvc或pe的熱塑性材料制成，或者由硅樹脂材料制成，以及，優(yōu)選地，由硅樹脂制成，以滿足或超過烘培磁漆(enameled)初級(jí)繞組的額定溫度。

應(yīng)當(dāng)注意到，在一些實(shí)施方式中，次級(jí)繞組由比單股線更撓性的絞合線制成。此外，在諸如開關(guān)模式電源的高頻應(yīng)用中為次級(jí)繞組使用絞合線，導(dǎo)致在外層線股上的有效電流路徑。外層線股上具有有效電流路徑，這被稱為“皮膚效應(yīng)”，由于來自負(fù)載側(cè)功率的較少損失，而提高了變壓器的效率。

如本領(lǐng)域中所周知的，變壓器次級(jí)繞組中感應(yīng)的總電壓主要由初級(jí)繞組中的匝數(shù)與次級(jí)繞組中的匝數(shù)之比(即，變壓器的匝數(shù)比)、以及由施加到初級(jí)繞組的電壓量確定。因此，如果給變壓器初級(jí)側(cè)的額定輸入電壓已知，并且來自變壓器次級(jí)側(cè)的額定輸出電壓已知，則可以確定初級(jí)和次級(jí)繞組的匝數(shù)。換而言之說，變壓器將具有初級(jí)繞組與次級(jí)繞組之間的匝數(shù)比，其為變壓器的輸入與輸出電壓額定值的比值(vp/vs，其中vp是初級(jí)電壓，而vs是次級(jí)電壓)。例如，240vac至12vac額定降壓變壓器將具有20的匝數(shù)比(或20：1)，其中對(duì)應(yīng)于次級(jí)繞組上的每1匝，初級(jí)繞組將是20匝。如果匝數(shù)比小于1，使得次級(jí)電壓vs大于初級(jí)電壓vp，則變壓器將是升壓變壓器。

上述變壓器配置提供了許多優(yōu)點(diǎn)。例如，由于絕緣護(hù)套或套管完全圍繞形成次級(jí)繞組的絞合線或單股線，所以初級(jí)繞組和次級(jí)繞組可以以各種構(gòu)造布置。例如，在圖1至圖6的實(shí)施方式中，初級(jí)繞組36首先纏繞在鐵氧體磁芯34周圍，而次級(jí)繞組38直接纏繞在初級(jí)繞組36上。作為另一示例，在圖7至圖11的實(shí)施方式中，初級(jí)繞組76首先纏繞在鐵氧體磁芯58周圍，而次級(jí)繞組78直接纏繞在初級(jí)繞組76上。這可以實(shí)現(xiàn)而無需位于初級(jí)繞組與次級(jí)繞組之間的絕緣層，也不需要初級(jí)繞組與次級(jí)繞組之間的分裂線軸。結(jié)果，本公開的變壓器可以使用已知技術(shù)來構(gòu)造。此外，通過將繞組彼此疊置，初級(jí)繞組與次級(jí)繞組之間的磁通耦合效率超過了分裂線軸架構(gòu)中的磁通耦合效率。此外，如上所述，在高頻應(yīng)用中將絞合線用于次級(jí)繞組，允許皮膚效應(yīng)來改進(jìn)變壓器的磁通耦合效率。

在變壓器繞組的另一配置中，通過使用雙線繞組技術(shù)，可以進(jìn)一步改進(jìn)初級(jí)和次級(jí)繞組之間的效率。在雙線繞組技術(shù)中，初級(jí)繞組和次級(jí)繞組在纏繞于線圈架之上、以及纏繞于鐵氧體磁芯周圍之前，將它們扭絞在一起。

圖29示出了結(jié)合有變壓器10(或50)的線性電源100的示例性實(shí)施方式。

在本實(shí)施方式中，電網(wǎng)輸入電源110首先通過瞬態(tài)抑制電路112，其配置為防止尖峰和瞬變影響電路。瞬態(tài)抑制電路是本領(lǐng)域周知的。

根據(jù)所期望的應(yīng)用，通過改變變壓器10的輸出電壓，變壓器10提供電壓變換功能。例如，120v輸入和12v直流輸出可以使用10：1匝比變壓器。

變壓器的輸出將為12v交流，然后由橋式整流器電路114將其整流，并在電容器116處轉(zhuǎn)換成12v直流電平，電容器116消除了橋式整流器電路輸出上的尖峰和瞬變。

此12v直流電平然后可以由直流調(diào)節(jié)器電路118調(diào)節(jié)至12v。因此，直流調(diào)節(jié)器電路118調(diào)節(jié)來自橋式整流器電路114的直流電壓，以提供所需的直流輸出電壓，然后，在提供作為直流輸出電源130之前，由直流濾波器電路120對(duì)其濾波。

橋式整流器電路114、直流調(diào)節(jié)器電路118、以及直流濾波器電路120，其實(shí)現(xiàn)可以使用線性電源中的已知電路，或者滿足間隙與隔離本質(zhì)安全標(biāo)準(zhǔn)的線性電源中所使用的已知電路。在這種電源中使用本公開的變壓器10，允許電網(wǎng)輸入電源110與直流輸出電源130的安全隔離。

圖30示出結(jié)合有變壓器10(或50)的開關(guān)模式電源200的示例性實(shí)施方式。

在本實(shí)施方式中，電網(wǎng)輸入電源210，其為例如110伏、220伏特或230伏特的交流電源，通過瞬態(tài)抑制電路212，以防止尖峰和瞬變影響電路。

使用emc(或emi)濾波器電路214，以抑制由開關(guān)模式電源200產(chǎn)生的高電壓開關(guān)噪聲返回進(jìn)入電網(wǎng)輸入電源210。

emc濾波器214的輸出通過橋式整流電路216和電容器217，以向變壓器10提供高壓直流輸出。瞬態(tài)抑制電路212、emc濾波電路214、以及橋式整流電路216，其實(shí)現(xiàn)可以使用開關(guān)模式電源中的已知電路，或者滿足間隙與隔離本質(zhì)安全標(biāo)準(zhǔn)的開關(guān)模式電源中所使用的已知電路。

來自橋式整流電路216的高壓直流信號(hào)，由開關(guān)控制器電路218以高頻切換通過變壓器10(或50)。在一些實(shí)施方式中，切換處在66khz和132khz之間的頻率范圍內(nèi)。通過改變至變壓器10的切換占空比，可以控制來自變壓器的輸出電壓。

經(jīng)由光耦合器226到開關(guān)控制器218的直流調(diào)節(jié)器電路224，調(diào)節(jié)來自變壓器10的直流電壓，以提供期望的直流輸出電壓，然后在將該直流輸出電壓作為直流輸出電源230提供之前，由直流濾波器電路222進(jìn)行濾波。光隔離器電路226用來隔離電路的電網(wǎng)引用側(cè)與隔離的直流輸出。為了控制光偶隔離器226的輸出側(cè)，將來自變壓器10的偏置繞組和偏置功率整流器電路228的偏置功率饋送至光偶隔離器226。來自光偶隔離器電路226的輸出由開關(guān)控制器218使用，以調(diào)整變壓器10的占空比和輸出電壓。

直流調(diào)節(jié)器電路224和直流濾波器電路222，其實(shí)現(xiàn)可以使用開關(guān)模式電源中的已知電路，或者滿足間隙與隔離本質(zhì)安全標(biāo)準(zhǔn)的開關(guān)模式電源中所使用的已知電路。在這種電源中使用本公開的變壓器10，允許電網(wǎng)輸入電源210與直流輸出電源230的安全隔離。

圖31示出了結(jié)合有變壓器10(或50)的另一開關(guān)模式電源300的示例性實(shí)施方式。

在本實(shí)施方式中，電網(wǎng)輸入310(交流電源或直流電源)，通過瞬態(tài)抑制電路312，以防止尖峰和瞬變影響開關(guān)模式電源300。

使用emc濾波器電路314，以抑制由開關(guān)模式電源300產(chǎn)生的高壓開關(guān)噪聲返回進(jìn)入電網(wǎng)輸入電源。

然后，將電網(wǎng)輸入電源電壓通過橋式整流器電路316饋送，以提供高壓直流輸出。

來自橋式整流器電路316的高壓直流，由開關(guān)控制器電路318以高頻率切換通過變壓器10。在一些實(shí)施方式中，切換以等于或大于42khz的頻率進(jìn)行。

通過改變切換至變壓器10的占空比，可以控制變壓器10的輸出電壓。直流調(diào)節(jié)器電路320對(duì)來自變壓器10的直流電壓進(jìn)行整流，以提供期望的直流輸出電壓，然后，在作為直流輸出電源330提供之前，由直流濾波器電路322對(duì)其進(jìn)行濾波。

電路324使用初級(jí)繞組感應(yīng)脈沖來提供反饋。開關(guān)控制器318使用初級(jí)繞組感應(yīng)脈沖的電壓電平來調(diào)節(jié)變壓器10的占空比和輸出電壓。開關(guān)控制器318使用初級(jí)反激電壓來確定電源上的負(fù)載，使用已知的邊界模式控制技術(shù)，無需為反饋電路提供隔離。

圖32-38是帶有本公開變壓器的本質(zhì)安全開關(guān)模式電源中所使用電路的實(shí)施方式的方框圖。

附圖摘自常規(guī)開關(guān)電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，但包括本質(zhì)安全特征。從本質(zhì)安全觀點(diǎn)來看，對(duì)傳統(tǒng)開關(guān)電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的主要改變包括：

使用根據(jù)本公開的本質(zhì)安全變壓器10來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的變壓器。本質(zhì)安全變壓器10具有繞組之間的物理分離，并且在本公開的主體中公開。

圖32示出了帶有本公開的變壓器的本質(zhì)安全開關(guān)模式電源的一種實(shí)施方式，而圖33示出了圖33的局部放大圖。給開關(guān)控制器218的反饋包括光耦合器(oc200)226，以及，根據(jù)本標(biāo)準(zhǔn)，維持光耦合器226的完整性。為了保持光耦合器226的完整性，在光耦合器226的電網(wǎng)側(cè)以及熔絲和電阻器周圍使用限壓齊納二極管，以限制至光耦合器226的功率。光耦合器226的次級(jí)側(cè)也由一組電阻器保護(hù)，并且輸出開關(guān)電源的電壓。

本公開電源的本質(zhì)安全輸出提供良好的負(fù)載調(diào)節(jié)以及明確定義的電壓和電流限幅器。本質(zhì)安全電源通常使用有源元件來限制電壓和電流，從而改善其負(fù)載調(diào)節(jié)。

本質(zhì)安全標(biāo)準(zhǔn)還規(guī)定了冗余電路的使用，以確保一個(gè)或多個(gè)電路出現(xiàn)故障時(shí)電源的安全運(yùn)行。因此，根據(jù)本公開的電源電路可以包括冗余電路。例如，限制電壓和電流的主電路是分流場(chǎng)效應(yīng)管(mosfet)，見圖36。分流mosfet設(shè)計(jì)符合本質(zhì)安全標(biāo)準(zhǔn)，并且由冗余電壓和電流檢測(cè)電路控制。如果電壓或電流超過極限，則激活分流mosfet，從而在輸出線路上產(chǎn)生短路。這有效地鉗位輸出線，使得電壓降低至較小值，并分流電流，使輸出電流較低。這具有優(yōu)點(diǎn)：也分流處于危險(xiǎn)中的線路外部的任何能量，降低了外部電容和電感的影響。可以使用串聯(lián)mosfet來斷開開關(guān)電源與電路，以保護(hù)熔斷器不發(fā)生故障，并且將電流限制在分流mosfet中。

延遲電路允許分流電路在事件之后被復(fù)位。電流限制器電路(參見圖37)也可用來改進(jìn)大容量負(fù)載連接至電源時(shí)的浪涌電流能力。電源的輸出電壓通過本質(zhì)安全電感(參見圖35)，其通過限制輸出電流的轉(zhuǎn)換速率來提供進(jìn)一步的控制。這減慢了電流變化，從而改善了感測(cè)電路的響應(yīng)。

如上所述，變壓器組件的各種實(shí)施方式，包括次級(jí)繞組的各種實(shí)施方式、以及繞組順序可以互換，而不脫離本公開的范圍。本公開還涉及具有的初級(jí)繞組帶絕緣護(hù)套或套管、以及作為標(biāo)準(zhǔn)漆包線而不帶絕緣的次級(jí)繞組。此外，雖然附圖示出了纏繞在鐵氧體磁芯上的初級(jí)繞組，然后將次級(jí)繞組纏繞在初級(jí)繞組周圍，但是本公開完全考慮了將次級(jí)繞組纏繞在鐵氧體磁芯周圍、然后將初級(jí)繞組纏繞于次級(jí)繞組周圍的實(shí)施方式。本文所述的變壓器配置可以用于本文公開的任何電源電路實(shí)施方式中，或者用于本質(zhì)安全環(huán)境中使用的任何其它電源或電路中，例如信號(hào)變壓器中。此外，應(yīng)當(dāng)理解，可以對(duì)本文所披露的各種實(shí)施方式進(jìn)行各種修改而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。因此，以上描述不應(yīng)當(dāng)解釋為限制本公開，而僅僅是其實(shí)施方式。在由所附權(quán)利要求限定的本發(fā)明的范圍和精神內(nèi)，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以想象到其它修改。