專利名稱：直流分壓器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及電能變換器，尤其涉及一種由電容器、二極管和開關組成的、用以將輸入的高電壓變換成直流低電壓輸出的直流分壓器。
交流變壓器是用電感線圈和鐵芯組成的電能變換器，自它被發(fā)明以來的一百幾十年時間里，在電力、電子工程中得到廣泛的應用，幾乎獨立擔當著電能變換的任務。然而，由于受到其本身性能、特點的限制，它已不能完全適應現(xiàn)代電氣設備的小型化、省材料、能耗低的發(fā)展要求。
交流變壓器是雙向傳輸?shù)钠骷?，它的輸入、輸出都是交流，這一特性決定了絕大多數(shù)電力輸電線都是以交流電方式供電的，交流供電方式雖然為動力系統(tǒng)的用電帶來了許多方便，但同時也產(chǎn)生了交流電網(wǎng)并網(wǎng)困難，輸電線路利用率不高，損耗大，以及制式不統(tǒng)一的問題;另外還在用電系統(tǒng)中造成了相位損耗和交、直流的變換損耗等。
長期以來，尋求一種新的，能夠在性能、體積、效率等綜合指標上優(yōu)于變壓器的電能變換器一向是人們在努力探索的課題。
在用電系統(tǒng)中，隨著現(xiàn)代微電子技術的發(fā)展，迫切需要為計算機、現(xiàn)代通信設備及其它自動化設備解決低電壓、大電流、小體積、高可靠電源設備，為此，人們采用高頻控制技術對變壓器進行了改造，產(chǎn)生了開關電源，經(jīng)過多年的努力，伴隨著高頻功率器件的發(fā)展，終于使幾瓦、幾十瓦乃至數(shù)千瓦功率的開關電源得到日益廣泛的應用。
但是，目前的開關電源仍須依靠變壓器進行電壓變換，在高頻狀態(tài)下工作的變壓器又帶來了反峰電壓高、存在輻射干擾、大功率制作困難等問題。
尤其是高頻變壓器還存在一個功率極限問題。
用提高變壓器工作頻率的辦法可以減少變壓器初、次級線圈的匝數(shù)，從而達到縮小變壓器體積的目的，但是，隨著變壓器工作頻率的提高它的感抗也隨之增大，這又限制了它的輸出功率，也就是說，提高變壓器的工作頻率和增大變壓器的輸出功率之間是矛盾的，兩者難以兼顧，這就是開關電源發(fā)展了二三十年而其實用功率只能局限在幾瓦至幾千瓦范圍內(nèi)的原因。
開關電源技術可以提高設備的效率，是節(jié)約電能的有效途徑，但是在一些用電量大、效率低的低壓大電流設備如電解、電鍍、電焊等電源設備上實際應用開關電源仍存在一定困難，而這一部分設備所消耗的電能占工業(yè)用電的比例極大，對這些設備進行技術改造，達到大幅度節(jié)能的目的，是電力電子工程技術亟待突破的應用領域。
電源技術革命的關鍵在于解決電能變換器問題。
我們知道，電感和電容是電工學中兩個基本的儲能元件，它們的電特性呈完全對應的關系，變壓器是用電感做成的電能變換器，那么，是否可以用電容做出電能變換器呢？它的性能又會是怎樣的呢？先請對比兩組公式電感中儲存的能量＝LI2/2(J)電容中儲存的能量＝CV2/2(J)令兩式相等并代入一定的量1mH×1002A/2(J)＝100μf×1002V/2(J)上式表明1毫亨的電感通過100安電流所儲存的能量與1000微法的電容充電至100伏電壓所儲存的能量相等。經(jīng)驗告訴我們，在工程實踐中以上電感和電容的體積會有相當?shù)膽沂?，后者的體積可以做得很小，且很容易實現(xiàn)，而前者只要看通過100安電流的導線的截面積就能想像出它所需要的體積了。毫無疑問，就儲能的性能來說，電容要比電感優(yōu)越得多，這一優(yōu)勢在用電容做成的電能變換器上也會得到肯定的體現(xiàn)。再如感抗＝2πfL(Ω)容抗＝1/2πfC(Ω)感抗是電感量與頻率的乘積，它隨頻率的提高而增大;容抗是電容量與頻率的乘積的倒數(shù)，它隨頻率的提高而減小。電容的這一特性恰恰是我們所需要的，它意味著人們可以采取改變電容工作頻率的辦法，得到不同的輸出功率;用提高工作頻率的辦法得到大的功率輸出。
本發(fā)明的目的在于提供一種輸出功率大、效率高、節(jié)能的直流分壓器;
本發(fā)明的另一目的在于提供一種體積小、造價低且適合于集成化和系列化生產(chǎn)的直流分壓器;
本發(fā)明的又一目的在于提供一種對其輸出適用調(diào)頻控制的直流分壓器。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一種直流分壓器，它包括由多個串聯(lián)連接的儲能電路與一隔離二極管串聯(lián)組成的輸入回路，以及由多個釋能電路并聯(lián)組成且與所述輸入回路交替工作的輸出回路;所述儲能電路包括一輸入二極管以及連接在該輸入二極管負極的電容器，所述釋能電路包括所述電容器以及與所述電容器串聯(lián)連接的第一和第二輸出二極管;所述第一輸出二極管的正極連接到所述電容器的一個與所述輸入二極管負極相連接的端點上，所述第二輸出二極管的負極連接到所述電容器的另一端點上。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種直流分壓器，它包括由多個串聯(lián)連接的儲能電路與連接在各儲能電路之間的隔離二極管組成的輸入回路，以及由多個釋能電路并聯(lián)組成且與所述輸入回路交替工作的輸出回路;所述儲能電路包括一電容器，所述釋能電路包括所述電容器以及與所述電容器串聯(lián)連接的至少一個輸出二極管。
根據(jù)本發(fā)明的直流分壓器，由于它在輸入、輸出交替進行的工作條件下，可以對輸入的高電壓實行分壓，變換成直流低電壓輸出，故在電氣設備中可以替代變壓器降壓的功用，具有體積小、造價低、適合于集成化和系列化生產(chǎn)的特點。此外，本發(fā)明的直流分壓器采用電容器作為基本儲能元件，實現(xiàn)了低損耗、高效率的電能轉(zhuǎn)換。而且，本發(fā)明的直流分壓器，由于其工作頻率與輸出功率成正比關系，故其工作頻率不受限制，可以采取調(diào)頻的方式控制其輸出功率，并可以調(diào)頻方式得到穩(wěn)定的功率輸出。
以下將結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明的直流分壓器作進一步的詳細描述。


圖1是本發(fā)明直流分壓器第一個實施例的電原理圖;
圖2是本發(fā)明直流分壓器第二個實施例的電原理圖;
圖3是圖1虛線內(nèi)部所示一個直流分壓器的簡圖;
圖4表示圖3所示的直流分壓器當用工頻電源直接輸入時的連接示意圖;
圖5是表示圖3所示的直流分壓器當用工頻電源經(jīng)全波整流濾波后輸入時的連接示意圖;
圖6表示圖3所示的直流分壓器組合用于三相電源輸入時的連接示意圖;
圖7表示圖3所示的直流分壓器串聯(lián)連接的示意圖;
圖8表示圖3所示的直流分壓器用于多個電壓輸出的示意圖。
參見圖1，本發(fā)明直流分壓器(以下簡稱分壓器)的第一個實施例包括多個電容器和二極管，其中，D1、C1;D2、C2;……DN、CN以及DD順序串聯(lián)組成輸入回路;D1-2、C1、D1-1、D2-2、C2、D2-1……DN-2、CN、DN-1分別先串聯(lián)后并聯(lián)組成輸出回路。其中，C1、C2……CN為輸入輸出回路所共有，且C1＝C2……CN，DD為隔離二極管。
在分壓器的輸入、輸出回路里各設置一只控制開關K1和K2，K1、K2交替地打開和閉合，以滿足分壓器的工作條件，這樣就形成了分壓器的工作電路。
當一足夠高的電源電壓通過K1正向加于分壓器的輸入端時，電容被串聯(lián)充電，同時將電源電壓分為N個相等的電壓，由于各電容上相對應的二極管的反向阻斷作用，隨在各電容上形成并保持住一個獨立的具有一定能量的電場，這時分壓器完成了儲能和分壓的過程;接下來，打開K1閉合輸出開關K2，電容就以并聯(lián)的形式放電輸出，放電起始電壓是各電容上的充電電壓，即充電電源峰值電壓的分壓，以上是分壓器實行電能變換的過程。
分壓器實行電能的變換由儲能和釋能兩個過程組成，這兩個過程不能在同一時間里進行，必須借助控制開關K1和K2來分開輸入、輸出的時間，分壓器才能正常工作，這是分壓器的工作條件。K1和K2不能同時處于閉合的狀態(tài)，不然會使輸入、輸出短路，從而形成破壞性的后果，這是不允許的，我們把它稱為“禁止狀態(tài)”;只要避免禁止狀態(tài)，則分壓器的工作頻率不受限制，可以是極低頻，可以是高頻，也可以根據(jù)需要隨機調(diào)整它的工作頻率。
圖2是本發(fā)明的分壓器第二個實施例的電原理圖，參見圖2，它在圖1所示的分壓器中省略了二極管D1、DD、D1-1以及DN-2。這種電路結(jié)構(gòu)適用于輸入的電源電壓自始至終保證正向聯(lián)接，且不含交流成分以及忽略輸出二極管管壓降的影響的情況。在進行具體的電路設計時可根據(jù)不同的應用場合和條件，結(jié)合圖1和圖2的分壓器結(jié)構(gòu)對二極管加以增減，以不破壞分壓器組成以電容的串聯(lián)輸入、并聯(lián)輸出的結(jié)構(gòu)為限。
圖3是圖1虛線內(nèi)部所示一個分壓器的簡圖。一只具體的分壓器的參數(shù)可標于簡圖內(nèi)如C＝…、N＝…等。
以下的說明附圖均采用圖3的簡圖，對內(nèi)部結(jié)構(gòu)，不再作進一步的說明。
電容是組成分壓器的核心元件，分壓器對電容材料的取用范圍很寬，電解電容也可以用來制造分壓器，對電容的選擇除要考慮耐壓、電流、損耗、頻率特性等因素外，分壓器對電容的一致性有較高的要求，希望組合電容的容量都是相等的，在目前的工藝條件下一般難以做到，可以通過篩選手段盡可能使電容容量均衡一致。
分壓器所用二極管較多，除按常規(guī)進行一般選擇外，對二極管的開關特性、反向漏電流、正向峰值電流等參數(shù)應當著重進行選擇。
分壓器的控制開關通常由電子開關擔任，如可控硅、三極管、場效應管等，也可以是電磁開關，機械開關，甚至手動開關。用分壓器設計的電源設備對控制開關的耐壓一般要求不高，只要在輸入電源電壓的基礎上留有一定的余量就可以了;但對控制開關的耐流量卻有較高的要求，控制開關的耐受峰值電流的能力應是著重選擇的參數(shù);另外，分壓器的輸出能力很大，一般不需要過高地提高它的工作頻率，但在必要時可以采取提高工作頻率的辦法來均衡控制開關的峰值電流。
分壓器的損耗主要由電容的漏電流和高頻損耗，二極管的管壓降和開關損耗形成，應根據(jù)不同的使用要求，選擇合適的電容和二極管來制造分壓器。
分壓器控制開關的工作損耗視選用何種開關器件而有所不同，當選用電子開關時它的損耗不能忽視，尤其工作在高頻狀態(tài)時，電子開關損耗可能成為整個電路損耗的主項，除對器件的開關參數(shù)進行選擇外，降低它的工作頻率不失為減少損耗的有效方法之一。
用分壓器設計的電源設備可以達到很高的效率，計算和實踐經(jīng)驗均已表明，將它的總體損耗控制在百分之十之內(nèi)是完全可以做到的。
一個包含N只電容的分壓器，且各電容容量相等時，它的輸入電容＝1/(1/C1+1/C2+……1/CN)＝C/N輸出電容＝C1+C2+…CN＝NC在忽略它的輸入、輸出電阻的情況下，它的輸入阻抗＝1/(2πfC/N)輸出阻抗＝1/(2πfNC)輸入阻抗、輸出阻抗之比等于N2我們把N2稱為分壓器的阻抗傳輸比，這是全功率電能變換器共同具有的一個參量。
N2表明分壓器的阻抗轉(zhuǎn)換與電容的容量大小無關，而僅與電容的數(shù)量多少有關，分壓器包含的電容數(shù)量愈多則阻抗傳輸比愈大，反之則愈小，這就是說，我們需要變換輸出的電壓愈低則所需電容數(shù)量愈多，反之則愈少。
分壓器是用“除法”進行電壓變換的，輸入電源電壓是被除數(shù)，N是除數(shù);當N等于1時，即分壓器只包含一只電容時，阻抗傳輸比為1，輸入電源電壓與輸出電壓的峰值相等，電壓變換比也為1，此種情況可被作為分壓器的特例。以往，人們往往習慣于用輸入輸出電壓來對待一只電能變換器、即用電壓源的衡量標準來看待一只電能變換器，而分壓器恰恰是“電流源”，更進一步說，它是一只功率變換器，即當它的電壓變換比為1時它仍然保持著一個電流源的全部特征和一個功率變換器的內(nèi)涵，而不能把它簡單地當作一個電壓變換器來對待。
在忽略分壓器的變換損耗時，它的輸入能量＝(C/N×V2)/2＝CV2/2N(J)輸出能量＝NC×(V/N)2/2
＝NCV2/2N2＝CV2/2N(J)以上兩式相等，它表明了分壓器的功率變換關系。
從式NC×(V/N)2/2中可以看出，當分壓器輸出電容增加了N倍時，輸出電壓也降低了N倍，一增一減，倍率相同，增加在電容上、降低在電壓上，進一步分析不難得出即使一只分壓器的電容數(shù)量有所增減，而只要電容容量和輸入電源電壓為一定值時，雖然它的輸出電壓會不相同，而它的輸出電流卻不會因此而改變，這正是電流源的特征。
決定分壓器輸出功率大小的是輸入電壓、輸入電容和工作頻率三個要素，通常輸入電壓的數(shù)值是給定的，以下，我們按照公式CV2/2S＝W(式中C的單位是法拉，V的單位是伏特，W的單位是瓦特，S的單位是秒)計算得出幾組分析分壓器輸出能力的數(shù)據(jù)1、V＝300V、C＝1μf、S＝20ms;W＝2.252、V＝300V、C＝1μf、S＝50μs;W＝9003、V＝300V、C＝1μf、S＝10μs;W＝45004、V＝300V、C＝100μf、S＝20ms;W＝2255、V＝300V、C＝0.01μf、S＝10μs;W＝45以上數(shù)據(jù)表明，分壓器不僅具有極大的輸出能力而且與工作頻率有密切的關系，當用50赫茲工頻電源輸入時，輸入電容從1微法變化到100微法時，就可以得到2·25瓦至225瓦的功率輸出;當把頻率提高到100千赫時，1微法的輸入電容，就可以得到4500瓦的功率輸出了。
在同一只分壓器上，我們不僅可以用改變工作頻率的辦法得到不同的功率輸出;還可以通過輸出端的反饋信號來控制它的工作頻率，用調(diào)頻控制的辦法做出恒壓恒流電源。
分壓器的結(jié)構(gòu)決定了它將來進行集成化、系列化、標準化生產(chǎn)的前景，采取最優(yōu)化選擇的方法，將它按功率的大小和阻抗傳輸比等參數(shù)分為若干個系列，設計制造出功耗低、體積小、價格低、方便實用的產(chǎn)品。
為什么變壓器可以無條件地工作，而分壓器則必須借助控制開關而有條件地工作呢？須知，變壓器的工作并非是無條件的，交流電就是它的工作條件！交流電本身是在時間上分為正負兩個半周的電源，它在客觀上為變壓器提供了將儲能和釋能兩個過程在時間上分開的先決條件。作為一個電能變換器必須兼?zhèn)鋬δ芎歪屇艿谋绢I，分壓器在本質(zhì)上是個直流電能變換器，它憑借電場進行電能變換。要想在同一電容上完成儲能和釋能兩種功能，目前的簡單辦方法是用二極管的反向阻斷特性和用開關進行“轉(zhuǎn)換”。
分壓器不能如變壓器那樣實現(xiàn)輸入、輸出間的完全隔離，它依靠二極管的反向阻斷特性和控制開關的關斷特性來進行隔離，這些器件本身又都不可避免的存在著漏電流，因此必須區(qū)別不同的應用場合在電路設計時采取必要的措施。
當用直流高電壓正向輸入分壓器時，可在輸出端并聯(lián)一穩(wěn)壓值略高于輸出電壓的穩(wěn)壓二極管，用以釋放通過控制開關的泄漏電流;輸出端可再并聯(lián)一只變阻晶體二極管以避免出現(xiàn)禁止狀態(tài)造成的毀壞。
當用工頻電源經(jīng)半波整流、濾波后輸入分壓器而又“零”線接在“地”端時，可以等同用直流高電壓正向輸入的情況，這是設計中小功率電源簡便實用的輸入方式。
當用工頻電源直接輸入分壓器時，只能輸入在工頻電源的正半周或者負半周的前半波，此時控制開關K1往往可以省略，為了在輸出端實現(xiàn)對正負半周的隔離，可在輸出端增加一只控制開關，并使兩只控制開關同時受與輸入相反的半周控制如附圖4所示。
當用工頻電源經(jīng)全波整流濾波后再輸入分壓器時，為實現(xiàn)隔離，可采用在輸入、輸出端各增加一只控制開關的形式如附圖5所示，此時控制開關的頻率即分壓器的工作頻率可以根據(jù)設計要求而設定。
當用三相四線制電源輸入分壓器時，因為電源的A、B、C三相與零線是相對確定的，可以采用附圖6所示的輸入方式。圖中分壓器采用了并聯(lián)工作的形式，一組控制開關的位置也作了變動。
分壓器可以并聯(lián)使用，這是設計“積木”式電源的條件，附圖6即為方案的一種?！胺e木”式電源的突出優(yōu)點是可以降低對元器件的選用要求，為設計大功率或超大功率電源提供了方便。
分壓器用“除法”實行輸入電壓的變換，當將分壓器串聯(lián)連接成多級使用時，前級的輸出是后級的輸入，此時對輸入電壓進行的是“連除”的降壓變換。另外，多級分壓器的后級的輸入開關這時可以省略，同時各級控制必須遵守交替打開和閉合的原則。以避免禁止狀態(tài)的出現(xiàn)，如附圖7所示。
一只分壓器通常只有一個電壓輸出。當需要有多個電壓輸出時，可在輸出端并聯(lián)抽頭電感Ls，從中取出所需要的電壓，如附圖8所示。
直流分壓器和交流變壓器它們有共同的變換電能的功用，然而兩者之間的關系往往是互補的、是一一對應的，試作以下比較直流分壓器交流變壓器主要由電容組成，主要由電感組成;
是單向傳輸?shù)钠骷?，是雙向傳輸?shù)钠骷?
換能的媒介是電場，換能的媒介是磁場;
本質(zhì)上是個直流變換器，本質(zhì)上是個交流變換器;
用除法進行降壓變換，用減法進行降壓變換;
對高頻呈現(xiàn)低阻抗，對高頻呈現(xiàn)高阻抗;
對輸出適用調(diào)頻控制，對輸出適用調(diào)寬控制;
輸入在工頻電源的一、三象限以工頻電源的全輸入方式工作;
它是一個電流源它是一個電壓源;
……，……。
如果把用變壓器設計的電源看作“感性電源”，則分壓器為“容性電源”，兩者的分析方法和設計觀念存在著明顯的區(qū)別，兩者的應用形式和解決問題的方式也是不同的，對它們各自特性的深入理解和靈活應用是我們面臨的新課題。分壓器的出現(xiàn)為大幅度地節(jié)約能源創(chuàng)造了條件，從而為進一步改善地球的生態(tài)環(huán)境和造福人類開辟了新途徑。
權(quán)利要求
1.一種直流分壓器，其特征在于包括由多個串聯(lián)連接的儲能電路與一隔離二極管串聯(lián)組成的輸入回路，以及由多個釋能電路并聯(lián)組成且與所述輸入回路交替工作的輸出回路；所述儲能電路包括一輸入二極管以及連接在該輸入二極管負極的電容器；所述釋能電路包括所述電容器以及與所述電容器串聯(lián)連接的第一和第二輸出二極管；所述第一輸出二極管的正極連接到所述電容器的一個與所述輸入二極管負極相連接的端點上，所述第二輸出二極管的負極連接到所述電容器的另一端點上。
2.如權(quán)利要求1所述的直流分壓器，其特征在于進一步包括設置在所述直流分壓器至少一個輸出端的輸出開關裝置。
3.如權(quán)利要求2所述的直流分壓器，其特征在于進一步包括設置在所述直流分壓器至少一個輸入端且與所述輸出開關裝置交替閉合的輸入開關裝置。
4.如權(quán)利要求2或3所述的直流分壓器，其特征在于，所述開關裝置為電子開關裝置或機械開關裝置或手動開關。
5.如權(quán)利要求1或2或3所述的直流分壓器，其特征在于進一步包括并聯(lián)在所述輸出回路兩輸出端，且具有至少一個中心抽頭的電感器件。
6.一種直流分壓器，其特征在于包括由多個串聯(lián)連接的儲能電路與連接在各儲能電路之間的隔離二極管組成的輸入回路，以及由多個釋能電路并聯(lián)組成且與所述輸入回路交替工作的輸出回路;所述儲能電路包括一電容器，所述釋能電路包括所述電容器以及與所述電容器串聯(lián)連接的至少一個輸出二極管。
7.如權(quán)利要求6所述的直流分壓器，其特征在于進一步包括設置在所述直流分壓器至少一個輸出端的輸出開關裝置。
8.如權(quán)利要求7所述的直流分壓器，其特征在于進一步包括設置在所述直流分壓器至少一個輸入端且與所述輸出開關裝置交替閉合的輸入開關裝置。
9.如權(quán)利要求7或8所述的直流分壓器，其特征在于，所述開關裝置為電子開關裝置或機械開關裝置或手動開關。
10.如權(quán)利要求6或7或8所述的直流分壓器，其特征在于進一步包括并聯(lián)在所述輸出回路兩輸出端，且具有至少一個中心抽頭的電感器件。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用電容器、二極管和開關組成的電能變換器——直流分壓器，它是一個單向傳輸?shù)钠骷?，它在輸入、輸出交替進行的工作條件下，能夠?qū)⑤斎氲母唠妷簩嵭蟹謮?，以直流低電壓輸出，它的輸入、輸出阻抗傳輸比為N
文檔編號H02M3/06GK1076317SQ93102150
公開日1993年9月15日 申請日期1993年3月1日 優(yōu)先權(quán)日1992年3月10日
發(fā)明者周符明 申請人:周符明