CN1260083A - 自振荡的复合变压器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及使用其开关装置的周期性导通由一个控制变压器保证实现的一种自激振荡器的变换器。该控制变压器的初级和保证向输出负载传递转换能量的电感作串联连接。按照本发明的该装置包含有在同一磁路(7)或各个耦合磁路上集中了电感(7d)和上述的集中了各该线圈绕组(7a、7b、7c)的控制变压器,使得所述的该电感所产生的磁场和所述的该控制变压器的初级所产生的磁场沿几乎垂直的方向移动。这样的结构可以使电感(7d)保持出色的过电压系数。它在串联或并联的振荡电路中可以得到利用。这种价廉的装置适用于使用自激振荡器的所有类型的变换器。

Description

自振荡的复合变压器

本发明涉及能保证在电子变换器结构中使用的自激振荡器的工作以保持所使用的一个或几个开关装置周期地导通，或是为了实现在输入端电位和输出端电位之间寻求的适合于所述的变换器的调整。

大多数按现有技术使用的这类装置分别如所附的附图1和图2所示。

此处的附图1表示最早使用的实现方式。

所谓的“阻塞振荡器”类的此种实现方式要使用半导体器件4，在其负载电极4a与其公共电极4c之间存在的间隔被使用作为开关装置，能够通过绕在磁路2上的初级2a保证断开由连接在公共端子1a和1b之间的供电电源供给的电流。

半导体器件4的周期性导通通过所谓“反应”的次级2b得到保证。该次级相对于初级2a同轴地绕制，向所述的半导体器件的控制电极4b送出一个能保证负载电极4a和公共电极4c之间存在的间隔的周期性导通的幅度和相位适当的信号。

相对于初级2a同样地同轴绕制的次级2c向输出负载3供电，并以负载3所要求的电压实现对公共端子1a和1b间的适当电位的调整。

特别是和次级2c的端子并联安装的电容器5能够纠正磁路2的漏电感的有害作用。

对于某些应用来说，适当选择电容器5的大小，在半导体器件4进行电流断开的频率和初级2a的电感和电容器5的电容联合组成的振荡电路的固有频率之间谐振时形成的过电压下运行可能是很有好处的。

使用现有装置，想要利用这样一种谐振的作用，无论是所谓“串联”的或是所谓“并联”的，都是不现实的。

事实上，控制的次级2b吸收的能量被强耦合到初级2a和次级2c，引起很大的衰减，结果造成谐振时过电压系数Q的突降。

在这些情况下，次级2b的能量吸收阻止在负载3的端子间建立任何引人注意的过电压。

为此原因，在需要使用串联或并联谐振的各种应用中，必须要有另外一种装置。

此处的附图2表示出了这另一种装置，它的某些改进之处已在特别是Nilssen的各项专利中作了说明。

在这种型号的装置中，控制次级2b被一个电流变换器所代替。该变换器被绕在一个独立磁路6上，而其初级6a和绕在主磁路2上的初级2a作串联安装。

相对于初级6a同轴绕制的次级6b，代替次级2b送出一个幅度和相位适当的、能够保证控制半导体器件4的周期性导通的信号。

此装置通过将主变压器2的磁路和控制变压器6的磁路隔离开来，阻止为控制开关装置4而提取的能量对绕制在磁路2上的各个线圈绕组的过压系数的任何影响。

因而这样使得可以适当利用其磁路2可能是底座的串联谐振或并联谐振。

这样一个装置的缺点是它牵扯到要添加一个补充磁路6和与其相联的变压器，这大大加重了其成本并显著增大了这样装配的变换器的体积。

按照本发明的该装置可以免除在按照附图1和附图2建造的装置的使用中所遇到的缺点。

此处的附图3表示所述的装置的一般实现方式。

如果这种实现方式初看似乎是附图2表示的装置的复制品的话，那么这仅是表面现象，因为二者在本质上是不同的。

事实上，如果此装置的各基本功能继续如上面所述，这就是说，绕制在磁路2’上的主变压器能保证很好地传送被转换到输出负载3的能量，而绕制在磁路6’上的附属变压器则始终控制着半导体器件4周期性地导通，相反，在这里表示出的按照本发明的装置中，电路2’和6’不再是磁性无关的。

因此，由于电路2’和6’不再是磁性无关的，它们或者被耦合，或者完全合在一起。

在外观上这时可以想象此装置又回复到了附图1所表示的装置。在这种情况下，又重新面对前面提到过的缺点。

事实上，这时可以认为初级2’a和6’a是合在一起而次级6’b和次级2b相对应。

并不如此，因为要使按照本发明的装置工作，关键是要使主变压器的初级2a产生的磁力线沿着和附加变压器的初级6’b产生的磁力线所沿轨迹几乎垂直的轨迹移动。

这意味着，一方面，两相比较，线圈绕组2’a和2’c是同轴地绕制在磁路2’上，而另一方面，两相比较，线圈绕组6’a和6’b是同轴地绕制在同一个磁路2’上，或者在被耦合到磁路2’的附加磁路6’上，使如此构成的各个变压器中的每一个发出的磁通量沿几乎垂直的方向相交。

这样，与附图1表示的装置中所产生的不同，如果组成磁路2’的材料的分子和组成磁路6’的分子同时被初级2’a和6’a的合并磁场所激励，这两个磁场之间的磁相互作用仍然可以忽略，因为理论上由于和它们相对的角度的正常状态使它们相互抵消。

在这些情况下很明显，所述的控制变压器的次级6’b不再能减小可被绕在磁路2’上的任何一个线圈绕组的电感，这由利用能够提供这种例如和电容器5相联的电感的串联或并联谐振的可能性表现出来。

附图4表示按照本发明的装置的实际实现的第二种方式。

按照此实现方式，作为本发明的目的的该装置，被应用于一种使用所述的“电容半桥式”的结构的变换器，这种结构的有源分支由串联安装的两个半导体器件4’和4”构成，而其无源分支则由两个串联安装的电容器8a和8b构成。

分别属于桥电路的每个所述的分支的中心点1c和1d借助于在从其上取出能量加到与其并联连接的输出负载3上的各个端子之间包含有上述控制变压器的初级7a、电感7d、和电容器5’的串联电路相互进行连接。

电感7d的值被计算得使在此电感和电容器5’之间构成一个其谐振频率接近于半导体器件4’和4”所达到的电流的开关频率的串联振荡电路。

此开关由耦合到初级7a的次级7b和7c分别向控制电极4’b和控制电极4”b送出一个适当幅度和相位的信号、交替周期地进行控制。

如果分别由初级7a和电感7d产生的磁力线沿几乎垂直的方向，从对端子1a和1b加上电压开始，以及在由一个这里未图示画出的装置启动振荡之后，该电路可以进入运行，并按照所谓的“能量传递”方式向负载3送出如此转换的能量。

此处的附图4a表示前面的装置的一个方案。其中的电感7d被连接在端子1e和1d之间，被耦合到次级7e，并按照所述的“电压传递”方式向负载3送去转换的能量。

一个和次级7e并联安装的电容器5”可以在连接到负载3的各端于间和次级7e构成一个并联振荡电路。

此处的附图5表示杯体9a被连结到第二个一样的杯体而能构成磁路7的从上面看的视图。

此视图的剖面线区可以看见两个杯体处的公共接合平面。在安装杯体时，这些杯体在为此预先规定的环形槽中可以装插一个绕线骨架。

杯体9a和它的对应物一样，被配备有一个中心圆柱形洞12。

此处的附图6表示被安装的杯体9a和9b的剖面图，其各剖面线区使接合的部分和平面显露出来。

在这些杯体的边上有一个材料缺口，它可以构成一个大的气隙11，能改善适合于电感7d的过电压系数Q。

电感7d被绕制在安装于杯体9a和9b之间的骨架10上。

在特别情况下，气隙11可以用一个紧贴上述接合平面的薄垫片来代替。

这样，如此制造的电感7d可以和电容器5’或5”联合组成一个串联或并联的振荡电路，在谐振时表现出优异的过电压性能。

按照此种实现方式，上述的控制变压器及其各绕组7a、7b和7c适合用一种环形绕制法，仅需一次或数次将绝缘线在横穿过构成杯体9a和9b的材料的圆柱形细长孔12中通过。

在图6上又发现，为了画图清晰绕组7a、7b和7c只需在细长孔12中通过一次，再分别通到在附图4上被指出的各输出端子4’b和1c、1e和1c、1b和4”b即可。

同样此处的附图5在中心细长孔12的右部显露出了对应于线圈绕组7a、7b和7c的导线的部分。

这样组成的变压器和上面说明的完全一致。

事实上，如果应用安培定律，可以确认，电感7d产生的磁场和初级7a产生的磁场明显地是垂直的，并且在如此组成的磁路7未达严重饱和时上述两个磁场间的相互作用是最小的。

在磁路7饱和的情况下，也就是说，当表现出上述的串联或并联谐振时，记录下的磁现象表现出对开关装置4’和4”的控制有利的一种特性。

事实上，磁性材料饱和时的这种特性会使分别周期性地加到控制电极4’b和4”b上的脉冲宽度下降。

在这种极端情况下，这会导致半导体器件4’和4”的自动保护，因为在电极4’a和4’c之间以及电极4”a和4”c之间在向关闭和开启转换时，观察到电压/电流恢复的最小区域，这使得所述的“交叉导通”现象造成破坏的危险变得极不可能。

此外，如果要求杯体9a和9b的接合平面适当磨光，可以考虑将构成上述控制变压器的各线圈绕组7a、7b和7c那时实际上绕到一个没有泄漏的磁芯上这一还可以改善半导体器件4’和4”的交替的周期转换和排除所述的“交叉导通”的危险的解决办法。

此处的附图7表示本发明的目标装置的另一种实现方式。

按照此种实现方式，磁路2可简化为单独一个杯体9a，由于其大的空气隙能进一步改善电感7d的品质因数并排除其饱和限制。

至于上述的控制变压器，除了构成它的磁路和表现出最少漏磁的ABCD部分的单块磁芯要符合之外没有什么变化。

附图8表示出实现本发明的目的的装置的第三种实现方式。

按照此种实现方式，磁路7由一个中空的铁氧体管构成，其中心的圆柱形开孔12’准许线圈绕组7a、7b和7c通过。

在此情况下，其纵向截面用点线标出的电感7d被成层地绕到铁氧体圆柱的外表面上成为紧密相连的圈。

这一解决办法在如此构成的电感7b产生一个和线圈绕组7a产生的场明显垂直的场这一意义上，和以前的解决办法是完全一样的。

另一方面，如此构成的电感7b具有一个几乎无限大的气隙，能保证高的品质因数，而上述的控制变压器及其线圈绕组7a、7b和7c被绕在一个有着用剖面线表示的矩形A’B’C’D’截面的磁芯上。

此种实现方式极为省钱，特别是对可喷型(jetables)小型变换器的制造有利。

附图8表示一种与前面的大体相同的实现方式，差别只是加有第二根中空的或实心的和管7相连接的铁氧体管7’，对于某些应用，这管有再将磁通量关闭而避免散布到空间的优点。

按照此种实现方式，关系到电感7d的气隙这时由其线圈绕组的厚度本身决定。

按照此种实现方式，假定管子7’是中空的，很明显此管能容纳该控制变压器及其绕组7a、7b和7c。

另一方面，也有可能利用管子7和7’中的一根或另一根的圆柱形细长孔，以便构成一个或几个使用按照本发明的装置的变换器而可能需要的辅助电感。

附图9表示一种和前一种接近的实现方式。

按照此种实现方式，电感7d的一部分绕在管7上，一部分绕在管7’上。

在此情况下，构成所述的控制变压器的各个导体7a、7b和7c同时在管7的中心开孔和管7’的中心开口中通过，使得这些线圈绕组的各输入端和各输出端能设置于同一侧。

很明显，这种解决办法可以任意延伸，并且为了增大转换功率可以添加一些铁氧体管，直至将其连接成某种截面的一束。

附图10表示实现本发明的目的的装置的最后一个例子。

此图用剖面线表示出对应于磁路7的一个铁氧体圆柱形管的右边部分。

此部分显示出有两个沿所述的管的轴线平行延伸的细长孔14a和14b。

和前面一样，相应于上述的控制变压器的各个导线7a、7b和7c穿过这些腔进行缠绕。

至于电感7d则和前面一样被绕到所述的铁氧体管的外周表面，并且让其右边部分显露出来，在此该右边部分被表示为一个点线标志的环形区。

以上被说明的按照本发明的该装置可以纠正按照以往技术建造的各种装置的缺点。

事实上，此装置以低廉的成本而能给予电感器7d以很好的品质因数，无需为此添加能维持开关装置4’和4”交替地周期性导通的控制变压器。

另一方面，它可以被集成在所有的变换器上，这需要有一个或几个半导体器件。

此装置这样可以完全集成在所谓的“完全去磁积累”和“不完全去磁积累”类型的一个半导体器件的、所谓的“推挽”、“不对称半桥式”和“电容半桥式”类型的两个半导体器件类型的、所谓的“完全桥式”的四个半导体器件的类型的，等等的各种结构中。

这样，按照本发明的该装置可以使用在一种至少需要四个按照所谓的“完全桥式”的方式作两相运用或三相运用而使用的交换机装置的变换器的结构中。

此装置可以使用于所有型号的半导体器件，不管它们属于按照所谓的“共发射极”方式安装的或按照所谓的“共基极”方式安装的所谓的双极的晶体管、所谓的“MOSFET”晶体管、闸流晶体管、所谓的“IGBT”混合式晶体管。

此装置同样可以使把不同性能的半导体器件组合起来的一种混合变换器结构正常工作。

如所当然以及由前结果可知，本发明绝不限于已经较为详细地考察过的应用方式和实现方式。相反，它包括所有各种变动形式。

Claims (25)

1.至少要求有一个开关装置4’的能量转换装置，该开关装置4’能够通过一个串联电路保证切断由连接在公共端子1a和1b之间的供电电源产生的电流，该串联电路一方面包含有一个电感7d，从电感7d取出的转换能量加到一个输出负载3，另一方面包含有一个控制变压器的初级7a，而该控制变压器的一个或几个次级向该所述的一个或几个开关装置的该控制电极输送能保证其交替的周期性导通的信号，其特征在于，电感7d和初级7a分别被绕在同一个磁路或独立但有磁耦合的几个磁路上，使得电感7d产生的场和初级7a产生的场沿明显垂直的方向在磁性材料中相遇。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，磁路7由两个磁性材料杯体9a和9b构成，它们形成一个凹槽，可以装插骨架10，其上再绕上电感7d，而初级7a及其一个或几个相关的次级被进行环形缠绕穿过被安排贯穿该各所述的杯体的圆柱形开口12。

3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，在杯体9a和9b之间安置有一道空气隙。

4.如权利要求2所述的装置，其特征在于，空气隙11仅被安置在杯体9a和9b的周边上。

5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，磁路7只由一个杯体9a构成，杯体9a能容纳电感7d，而初级7a及其一个或几个相关的次级被进行环形缠绕穿过被安排贯穿该所述的杯体的圆柱形开口12。

6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，磁路7由一个中空管构成，在其周边处绕有电感7d，而初级7a及其一个或几个相关的次级被进行环形缠绕穿过贯穿该所述的管子的该圆柱形细长孔12。

7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，在构成磁路7的上述管子处连接有第二根磁性管7’。

8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，穿过第二管7’的该中心细长孔12”被用作进行和初级7a及其一个或几个次级有关的环形缠绕的通道。

9.如权利要求7所述的装置，其特征在于，该第二管7’中能装插相应于电感7d的线圈绕组的一部分。

10.如权利要求7、8和9所述的装置，其特征在于，磁路2由一束和第二管7’类似的磁性管构成。

11.如权利要求6、7、8、9和10所述的装置，其特征在于，该初级7a及其一个或几个相关次级被进行一次环形缠绕，至少穿过两个细长孔12’和12”。

12.如权利要求6、7、8、9和10所述的装置，其特征在于，构成磁路7的该磁性材料管至少配置有两个沿平行于该所述的管子的轴线的轴线设置的细长孔14a和14b，该所述的细长孔能保证初级7a的环形缠绕以及与其相关的一个或几个次级的环形缠绕。

13.如权利要求1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11和12的装置其特征在于此一事实，即按照本发明的该装置被使用在一种只需要一个开关装置4的变换器结构中。

14.如权利要求1、2、3、4、5、6、7、9、10、11和12所述的装置，其特征在于，按照本发明的该装置被使用在一种需要两个按照所谓的“推-挽”的方面、或者按照所谓的“不对称半桥式”的方式、或者再有按照所谓的“电容半桥式”的方式使用的开关装置的变换器结构中。

15.如权利要求1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11和12所述的装置，其特征在于，按照本发明的该装置被使用在一种至少需要四个在二相用法或三相用法下按照所谓的“完全桥式”的方式使用的开关装置的变换器结构中。

16.如权利要求13、14和15所述的装置，其特征在于，该或该各开关装置4’和4”为按照所谓的“共发射极”方式安装的所谓的“双极”晶体管。

17.如权利要求13、14和15所述的装置，其特征在于，该或该各开关装置4’和4”为按照所谓的“共基极”方式安装的所谓的“双极”晶体管。

18.如权利要求13、14和15所述的装置，其特征在于，该或该各开关装置4’和4”为所谓的“MOSFET”晶体管。

19.如权利要求13、14和15所述的装置，其特征在于，该或该各开关装置4’和4”为闸流晶体管。

20.如权利要求13、14和15所述的装置，其特征在于，该或该各开关装置4’和4”为所谓的“IGBT”半导体器件。

21 如权利要求13、14和15所述的装置，其特征在于，该或该各开关装置4’和4”适宜于各种不同的类型。

22 如权利要求1至21的各权利要求所述的装置，其特征在于，电感7d联结电容器5’形成一个串联振荡电路，在其端子之间按照所谓的“能量传递”方式取出转换的能量，该能量被送到输出负载3。

23 如权利要求1至21的各权利要求所述的装置，其特征在于，按照所谓的“电压传递”方式向输出负载3供电的一个线圈绕组7e被耦合到电感7d。

24 如权利要求23所述的装置，其特征在于，线圈绕组7e和电容器5”相联而在从其取出转换能量送至输出负载3的端子间形成有一个并联振荡电路。

25 通过将从直流源到具有一个控制电极(4b)的至少一个开关(4)的电流断开的用于能量转换器的控制变压器，被转换的能量被通过与一个负载(3)相连的电感(2′a)传送给一个负载(3)，其特征在于它包括：

-在开关装置(4)与电感(2′a)之间串联连接的初级绕组(6′a)；

-与所述初级绕组相磁性耦合的次级绕组(6′b)，该次级绕组(6′b)连接在所述控制电极(4b)上并向所述开关装置(4)提供周期性导通的控制信号，所述电感(2′b)与所述控制变压器的初级线路(6′a)被绕在被磁性耦合的磁路上，在所述磁路中的所述电感(2′a)和所述初级绕组(6′a)产生的磁场(2′c，6)基本上是互相垂直的。

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