專利名稱：高頻化的工頻變壓器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是有關(guān)高頻化的工頻變壓器的發(fā)明，該種變壓器可替換現(xiàn)有設(shè)備中以及市場上的工頻變壓器，屬于電源技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
通常使用的交流工頻變壓器如圖17所示，是傳統(tǒng)的工頻變壓器。但是，由于這種變壓器以鐵芯和銅為主要材料，體積大且非常笨重；因?yàn)橹饕蠟殂~，功率較大時(shí)造價(jià)很高；加之，由于這種形式的變壓器的輸出電壓是由初級線圈和次級線圈匝數(shù)比來決定，所以難以得到任意的電壓值。由于其工作在低頻的條件下，所以音頻噪聲比較嚴(yán)重；整個(gè)變壓器的效率也相當(dāng)?shù)汀?br>
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種效率高、體積小、重量輕、成本低廉且可靠性高的工頻變壓器。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案在交流輸入端串聯(lián)交流開關(guān)(SWl)和變壓器(Tl)。由相應(yīng)控制信號(PWM)控制交流開關(guān)(SWl)以比輸入頻率高數(shù)倍的頻率動(dòng)作，由此加在變壓器(Tl)上的工頻信號便變成了高頻信號。變壓器(Tl)次級通過相應(yīng)的濾波電路便可使輸出端得到與輸入同頻、同相的正弦電壓。通過改變變壓器(Tl)的匝比或者改變控制信號(PWM)的占空比便可改變輸出電壓值。這樣，由于變壓器(Tl)上作用信號是高頻信號，所以可使變壓器(Tl)由高頻變壓器來制作以實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的小型化和高效率化。交流開關(guān)(SWl)由兩個(gè)半導(dǎo)體器件構(gòu)成，通過相應(yīng)聯(lián)接。便可通過控制其控制端從而控制交流信號的通斷。如果將上述系統(tǒng)的交流輸出和交流輸入組合起來，可得到不同的交流輸出電壓。


圖1是本發(fā)明總體結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是隔離電源部分結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是隔離電源部分輸入交流電壓波形圖；圖4是隔離電源部分整流輸出正半周電壓波形圖；圖5是隔離電源部分整流輸出負(fù)半周電壓波形圖；圖6是隔離電源部分全波整流輸出電壓波形圖；圖7是隔離電源部分輸出電壓波形圖；圖8是控制信號單元的總體結(jié)構(gòu)示意圖；圖9是控制信號單元部分內(nèi)部三角波波形圖；圖10是控制信號單元部分內(nèi)部基準(zhǔn)電壓波形圖11是控制信號單元部分反饋信號波形圖；圖12是控制信號單元部分反饋信號與基準(zhǔn)信號作差后的電壓波形圖；圖13是控制信號單元部分比較器輸出的PWM波形圖；圖14是控制信號單元部分經(jīng)功率放大后輸出的PWM波形圖；圖15是N溝道增強(qiáng)型MOS管結(jié)構(gòu)示意圖；圖16是由兩個(gè)N溝道增強(qiáng)型MOS管構(gòu)成的交流開關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖；圖17是變壓器結(jié)構(gòu)示意圖；圖18是變壓器(Tl)初級兩端的電壓波形圖；圖19是輸出濾波器結(jié)構(gòu)示意圖；圖20是PWM波波形圖；圖21是系統(tǒng)輸出電壓波形圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。高頻化的工頻變壓器，相應(yīng)結(jié)構(gòu)為在交流輸入端串聯(lián)交流開關(guān)(SWl)和變壓器 (Tl)。其中，交流輸入端一端(L)接變壓器初級的一端，變壓器初級的另一端接交流開關(guān)的一端(1)，交流開關(guān)的另一端(4)接交流輸入另一端(N)。其中交流開關(guān)的控制端(2、3)兩端分別接到控制信號單元(PWM)，控制信號單元(PWM)的供電電源為隔離電源。變壓器次級的濾波電路由電感Li、L2和電容Cl、C2構(gòu)成低通濾波器，最主要的目的是讓輸出端得到與輸入同頻、同相的正弦電壓，濾掉其中的高頻諧波分量。由相應(yīng)控制信號單元(PWM)控制交流開關(guān)(SWl)以比輸入頻率高數(shù)倍的頻率動(dòng)作，由此加在變壓器(Tl)上的工頻信號便變成了高頻信號。變壓器(Tl)次級通過相應(yīng)的濾波電路便可使輸出端得到與輸入同頻、同相的正弦電壓。通過改變變壓器(Tl)的匝比或者改變控制信號單元(PWM)輸出信號的占空比便可改變輸出電壓值。上述系統(tǒng)主要由隔離電源單元、控制信號單元(PWM)、交流開關(guān)(SW1)、變壓器 (Tl)和輸出低通濾波器構(gòu)成。隔離電源單元一、相應(yīng)電路原理圖如圖2所示，主要由輸入隔離變壓器部分、全波整流部分、輸出濾波部分構(gòu)成。二、輸入隔離變壓器部分市電( )從變壓器(Tl)輸入后，通過相應(yīng)匝比(N)在次級得到對應(yīng)的輸出電壓 (Uab)。相應(yīng)計(jì)算公式為UM = N*Uab。由于工頻變壓器的設(shè)計(jì)較為復(fù)雜在此不作過深度的討論。在選擇時(shí)只需選擇好匝比、輸出電壓及功率即可。市電(Um)相應(yīng)波形如圖3所示， 得到的同頻、同相的輸出電壓(Uab)相應(yīng)波形如圖3所示。三、全波整流部分此部分由四個(gè)二極管相聯(lián)接構(gòu)成全橋整流，整流二極管因?yàn)楣ぷ饔诠ゎl狀態(tài)所以不需要考慮其頻率范圍，但是要考慮其極限電流、電壓值。其相應(yīng)工作原理為當(dāng)輸入電壓為正半周時(shí)，即由a流向b時(shí)，二極管D1、D4導(dǎo)通，二極管D2、D3截止，電流流向?yàn)?a-Dl-Rl-e-d-D4-b，其相應(yīng)輸出電壓波形如圖4所示；當(dāng)輸入電壓為負(fù)半周時(shí)，即由b流向a時(shí)，二極管D2、D3導(dǎo)通，二極管D1、D4截止，電流流向?yàn)閎-D2-Rl-e-d_D3-a，其相應(yīng)輸出電壓波形如圖5所示。輸出脈動(dòng)直流Ucd相應(yīng)波形如圖6所示。四、輸出濾波部分濾波電路由一階RC電路來構(gòu)成。相應(yīng)截止頻率計(jì)算公式為fs = 1Λ2 π RC).此式表明，RC決定著截止頻率。因此，適當(dāng)改變RC數(shù)值時(shí)，就可以改變?yōu)V波器的截止頻率，從而輸出平滑的直流電壓。經(jīng)過濾波后的電壓VO的波形如圖7所示?？刂菩盘枂卧?PWM)圖8是產(chǎn)生上述PWM信號的控制信號單元的總體結(jié)構(gòu)示意圖。其中，Vl是三角波所發(fā)生器所產(chǎn)生的波形，輸出波形如圖9所示Vref是基準(zhǔn)電路產(chǎn)生的基準(zhǔn)電壓，輸出波形如圖10所示；Vfb是取樣信號，相應(yīng)波形如圖11所示；V2是取樣信號Vfb與基準(zhǔn)Vref作差后的電壓值，輸出波形如圖12所示；V3是三角波與V2比較的結(jié)果，得到的相應(yīng)波形如圖13 所示；將得到的PWM波再送往驅(qū)動(dòng)部分，增大帶負(fù)載的能力后輸出給交流開關(guān)的控制端O、 3)，相應(yīng)波形如圖14所示。圖20是PWM波的示意圖，其中PWM波的占空比⑶理論上計(jì)算公式為D = Ton/(Ton+Toff) = Ton/T。該控制信號單元中通過取樣信號Vfb來改變輸出信號PWM波的占空比，當(dāng)取樣信號Vfb為OV時(shí)，PWM波的占空比⑶達(dá)到最大值；當(dāng)取樣信號 VFB與基準(zhǔn)信號相等時(shí)，PWM波的占空比⑶達(dá)到最小值；此系統(tǒng)中可以通過用分壓電阻來對已有基準(zhǔn)電壓分壓從而得到反饋電壓Vfb，從而對PWM波的占空比進(jìn)行調(diào)節(jié)。通過這種調(diào)節(jié)方式從而改變變壓器(Tl)次級的輸出電壓。控制信號單元除了用分立器件構(gòu)成外也可以用專用的IC來制作。交流開關(guān)(SWl)上述交流開關(guān)(SWl)的總體結(jié)構(gòu)如圖16所示。該圖中，Q1、Q2是為N溝道增強(qiáng)型 MOS管，D1、D2是其體二極管。由于在半導(dǎo)體元件中使用了 N溝道的金屬氧化物場效應(yīng)管。 因?yàn)榇税雽?dǎo)體器件為雙向器件，所以當(dāng)其一側(cè)被控端子即源極相連在一起，另一側(cè)被控端子即漏極間可加有交流電壓。另外，在上述半導(dǎo)體元件Ql、Q2即N溝道場效應(yīng)管的被控端子(D、S)之間分別連接了與其導(dǎo)通方向(漏-源方向)相反的體二極管D1、D2，也就是說， 在各個(gè)場效應(yīng)管漏極一側(cè)的負(fù)極和源極一側(cè)的正極分別相連。當(dāng)控制信號加到到各個(gè)半導(dǎo)體元件Ql、Q2的控制端即柵極與源極時(shí)，就可以控制交流信號。當(dāng)各場效應(yīng)管接通時(shí)，在交流信號的正半周時(shí)，電流由Ql的D-S-Q2的S-D的方向流動(dòng)；而在交流信號的負(fù)半周時(shí)，電流由Q2的D-S-Ql的S-D的方向流動(dòng)。當(dāng)然，并非只有上述結(jié)構(gòu)才能達(dá)到交流開關(guān)的效果，在N溝道增強(qiáng)型MOS管的制造工藝中，為了封裝以及使用方便便把其襯底(B)與其源極( 接在一起。要是其襯底(B)單獨(dú)引出來，如圖15所示，通過控制柵極與襯底⑶間的電壓即(Vffl)便可控制漏極⑶和源極⑶的導(dǎo)通與截止，從而成為一個(gè)交流開關(guān)并可得到與上述相同的效果。變壓器(Tl)其結(jié)構(gòu)如圖17所示，其初級端的相應(yīng)波形如圖18所示。下面，就上述控制信號單元的時(shí)鐘頻率與變壓器(Tl)的關(guān)系加以說明。由于交流開關(guān)(SWl)，輸入交流工頻信號被變換為交流高頻信號，而用在變壓器(T)上的電壓V、頻度f、線圈匝數(shù)N、鐵芯的截面積A以及最大磁通密度ail之間有如下關(guān)系v = 4*f*N*A*aii.如果同一外加電壓下，頻率提高2000倍的話(例如50HZ提高到100KHZ)線圈匝數(shù)、鐵芯的截面積A以及最大磁通密度ail分別可成為原來的二十分之一。由于此處的工作頻率很高，鐵芯會(huì)發(fā)熱同時(shí)也會(huì)由于渦流等效應(yīng)增大功率損耗，所以此處的鐵芯變壓器就改為磁芯變壓器。這樣，就有可使變壓器(Tl)實(shí)現(xiàn)最大限度的小型、輕型化、且功率損耗很小。此外，由于可根據(jù)匝數(shù)比變換輸出電壓值，所以能夠?qū)⒔涣麟娔茏儞Q為任意想要的電壓值。輸出低通濾波器該濾波器采用無源濾波器，其結(jié)構(gòu)如圖19所示。因?yàn)闊o源濾波器具有結(jié)構(gòu)簡單、 成本低廉、運(yùn)行可靠性較高、運(yùn)行費(fèi)用較低等優(yōu)點(diǎn)，至今仍是應(yīng)用廣泛的被動(dòng)諧波治理方法。無源濾波器又稱LC濾波器，是利用電感、電容和電阻的組合設(shè)計(jì)構(gòu)成的濾波電路，可濾除某一次或多次諧波。在本實(shí)施例中主要為了濾掉變壓器(Tl)次級輸出側(cè)的高頻分量，得到一個(gè)與輸入同頻、同相的正弦信號。相應(yīng)截止頻率計(jì)算公式為fs= Λ2πΙΧ).此式表明，LC決定著截止頻率。因此，適當(dāng)改變LC的數(shù)值，就可以改變?yōu)V波器的截止頻率。經(jīng)過濾波后的電壓VO的波形如圖21所示。根據(jù)上面記述的本發(fā)明，由于使用了半導(dǎo)體元件(N溝道路增強(qiáng)型MOS管)組成了交流開關(guān)，使輸入交流電源被變換為高頻后通過高頻變壓器再經(jīng)相應(yīng)濾波電路調(diào)整為與輸入同頻、同相的波形。所以具有如下結(jié)果①由于變壓器(Tl)在高頻模式下工作，可以將原來傳統(tǒng)工頻變壓器的鐵芯換成更小體積的磁芯，并可以減小相應(yīng)初級次級的繞線匝數(shù)，即實(shí)現(xiàn)整體裝置的小型化、輕型化。②輸出波形隨輸入波形同步變化且與輸入波形類似或相近，幾乎不發(fā)生高頻畸變，即實(shí)現(xiàn)輸入與輸出同頻、同相。③與傳統(tǒng)的工頻變壓器相比較，其電路結(jié)構(gòu)新穎、且提高了功率密度。④輸出電壓可從零電壓值附近連續(xù)變化到設(shè)定電壓的最大值。⑤用本發(fā)明進(jìn)行相應(yīng)聯(lián)接可以用于三相交流電路中。上面已結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實(shí)施方式
進(jìn)行了示例性的描述，顯然本發(fā)明不限于此，在本發(fā)明范圍內(nèi)進(jìn)行的各種改型均沒有超出本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種高頻化的工頻變壓器，其特征在于在交流輸入端串聯(lián)交流開關(guān)(SWl)和變壓器(Tl)。由相應(yīng)控制信號(PWM)控制交流開關(guān)(SWl)以比輸入頻率高數(shù)倍的頻率動(dòng)作，由此加在變壓器(Tl)上的工頻信號便變成了高頻信號。高頻變壓器(Tl)次級通過相應(yīng)的濾波電路便可使輸出端得到與輸入同頻、同相的正弦電壓。通過改變變壓器(Tl)的匝比或者改變控制信號(PWM)的占空比便可改變輸出電壓值。由于作用在變壓器(Tl)上的信號為高頻信號，所以可以將傳統(tǒng)的鐵芯變壓器換成高頻磁芯變壓器.
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高頻化的工頻變壓器，其特征在于交流輸入端一端(L)接變壓器(Tl)初級一端，變壓器(Tl)初級另一端接交流開關(guān)(SWl) —端，交流開關(guān)(SWl)另一端接到交流輸入端的另一端(N)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高頻化的工頻變壓器，其特征在于輸出端通過電感(Li)、電感(Li)、電感(Cl)和電感(C2)構(gòu)成低通濾波器，使輸出得到與輸入同頻、同相的正弦波。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高頻化的工頻變壓器，其特征在于交流開關(guān)(SWl)由兩個(gè)N 溝道的增強(qiáng)型MOS管構(gòu)成，二極管(D1、D2)為N溝道的增強(qiáng)型MOS管內(nèi)部的體二極管。將兩管的控制端柵接在一起，Ql管的源極與Q2管的漏極接在一起并與接在一起的柵構(gòu)成交流開關(guān)控制信號的輸入端。這樣便可以做到在Ql管的漏極和Q2管的源極間進(jìn)行交流開、 關(guān)動(dòng)作。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高頻化的工頻變壓器，其特征在于上述控制單元(PWM)對交流開關(guān)(SWl)進(jìn)行脈寬調(diào)制(PWM)控制。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高頻化的工頻變壓器，其特征在于將權(quán)利要求1所記述的高頻化的工頻變壓器的交流輸出與交流輸入合成作為復(fù)合交流輸出。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高頻化的工頻變壓器，其特征在于用多個(gè)如權(quán)利要求1所記述的高頻化的工頻變壓器可用于三相以及多相電路。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高頻化的工頻變壓器，屬于電源技術(shù)領(lǐng)域。其相應(yīng)原理是在交流輸入端串聯(lián)交流開關(guān)(SW1)和變壓器(T1)。由相應(yīng)控制信號(PWM)控制交流開關(guān)(SW1)以比輸入頻率高數(shù)倍的頻率動(dòng)作，由此加在變壓器(T1)上的工頻信號便變成了高頻信號。變壓器(T1)次級通過相應(yīng)的濾波電路便可使輸出端得到與輸入同頻、同相的正弦電壓。通過改變變壓器(T1)的匝比或者改變控制信號(PWM)的占空比便可改變輸出電壓值。由于作用在變壓器(T1)上的信號為高頻信號，所以可以將傳統(tǒng)的鐵芯變壓器換成高頻磁芯變壓器，從而使傳統(tǒng)的工頻變壓器實(shí)現(xiàn)小體積和高效率以及低成本。
文檔編號H02M5/16GK102468765SQ201010547439
公開日2012年5月23日 申請日期2010年11月17日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月17日
發(fā)明者王賢江 申請人:王賢江