一種工頻變壓器的製作方法

2023-05-30 20:34:41 2

專利名稱：一種工頻變壓器的製作方法
技術領域：
本發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：
電源變壓器是一常見的、應用廣泛的電氣設備。又稱其為工頻變壓器。其主要特徵有 四個方面(1)輸入端與輸出端不直接連接，在電氣方面是完全隔離的，實現電網電源與 用電設備之間的電氣安全隔離；(2)將電網電壓轉換成用電設備所需的電壓值；(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)它還應該具有輸入端和輸出 端的頻率是一致的特性。本領域已知的工頻變壓器是直接依據法拉第電磁感應原理來運行 的。它由初級線圈、次級線圈和矽鋼鐵心構成。對於本領域的技術人員，工頻變壓器工作 原理應該是了解和熟悉的，在這裡不再詳細描述其工作過程。這種傳統變壓器需要大量的 銅線和矽鋼鐵心，功率愈大其所消耗的原材料越多，體積大，質量大，原材料成本高，不 能小型化等。在許多的電子電器產品中，工頻變壓器已經佔據其整個產品大部分的成本、 體積和重量。正因為如此，有些電器產品，譬如電熱水器、電熱毯等對用電的安全要求很 高，也沒有採用工頻變壓器來實現電氣安全隔離。其應用範圍因成本、體積和重量而受到 制約。
本領域已知的還有一種稱為開關電源的裝置，它是利用半導體功率器件作為開關，將 一種電源形態轉換成另一種電源形態的電路。這種開關電源裝置存在如下問題(1)這種 現行的開關變換電路還沒有實現工頻變壓器的功能。譬如，其輸入端和輸出端的頻率是不 一致的，即電源的形態發生了變化。現有開關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有技術中所必需的；且在現行的開關電源 中，輸入電源經整流和平滑濾波電路後，其電源性質發生了變化，由輸入時的交流變成了 直流；(2)現有開關電源需要使用功率因數校正電路才能保證輸入功率因數較大。(3)現 行的開關電源裝置，其輸出端的基本形式為整流電路和平滑濾波電路構成，將高頻電源變 成了直流電源。由上述可知，現有開關電源的裝置，不構成本發明所討論的範疇。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，且能夠完全取消矽鋼鐵心，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。

發明內容
為克服現有工頻變壓器的不足，本發明提供了一種能實現了傳統工頻變壓器的全部功 能，同時又取消了矽鋼鐵心，銅線使用量極少，縮小了體積，減輕了重量，實現了小型化， 低成本的目標。其應用範圍愈加廣泛，為社會節約了大量的自然資源。
本發明是利用半導體器件、電容和電感元件所構成的變換電路來實現的上述目標的。 首先將網電源轉換、調製為高頻電波，利用高頻變壓器實現電氣隔離、電壓轉換和能量傳 遞。然後將經隔離後的高頻電波恢復為與輸入網電源頻率一致的同態電源。
本發明由三部分組成，包括網電源輸入部分、電源變換部分、工頻恢復電路。 所述的網電源輸入部份，即網電源輸入部份變道開關101，能根據網電源所在的周期
單獨為其中某一電源變換器供電；其網電源輸入部份變道開關101輸入端IOIA、輸入端 IOIB與網電源N、 L連接，輸入端101A、輸入端101B能同步轉換到對應輸出端，輸入端 101A連接輸出端101C或輸出端101D,且隨網電源周期性轉換單獨連接輸出端101C或輸 出端101D;輸入端101B連接輸出端101E或輸出端101F,且隨網電源周期性轉換單獨連 接輸出端101E或輸出端101F;變道開關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；
變道開關101包括由兩隻二極體提供的二極體232、 二極體233組合而成單刀式變道 開關；二極體232的P端與二極體233的N端連接，並被連接到網電源的L端，二極體 232的N端與第一電源變換器的電源端210C連接，二極體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， 並被連接到網電源的N端。
所述的電源變換部份，由參數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；電源變換器包括轉換調製部份及能量傳遞部份，所述的能量傳遞部份為高 頻變壓器；電源變換器將其轉換、調製為高頻波，利用高頻變壓器實現電氣隔離、電壓轉 換和能量傳遞；第一電源變換器的電源端102A、電源端104B與變道開關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與網電源輸入部份變道開關101的另一組輸出端連接。
所述的第一電源變換器，包括開關體216、開關體217，電容器212、電容器214， 二 極管230、 二極體201和高頻變壓器210，組成的自激式離線變換器；
所述的開關體216、開關體217至少有三個連接端子；包括第一端子，第二端子、第三 端子，其中第一端子為開關體控制端，第二端子和第三端子之間的導通或斷開由第一端子 控制。
高頻變壓器210的初級線圈被中心抽頭210C分為2101和2102兩段，共有連接端 210A、連接端210B、連接端210C三個連接端；電容器212、 二極體230被串聯在初級線 圈連接端210A端和第一變換器的公共端20N之間，電容器212、 二極體230之間中點被 連接到開關體216的第一端子，開關體216的第三端子連接到公共端20N， 二極體230反 向連接在開關體216第一端子、第三端子之間，即二極體230P端連接216第三端子，230N 端連接開關體216第一端子；開關體216的第二端子被連接到初級線圈的210B端；電容 器214、 二極體201被串聯在初級線圈的210B端和第一變換器的公共端20N之間，電容 器214、 二極體201之間中點被連接到開關體217的第一端子，開關體217的第三端子連 接到公共端20N, 二極體201反向連接在217第一端子、第三端子之間，即二極體201P 端連接開關體217第三端子，230N端連接開關體217第一端子；開關體217的第二端子被 連接到初級線圈的210A端；初級線圈中心抽頭210C與變道開關部份的二極體232 N端連 接；公共端20N與網電源的N端直接連接。
所述的第二電源變換器，開關體218、開關體219，電容器213、電容器215， 二極體 231、 二極體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 三個連接端；其連接方式和各元件器的電器參數均與第一 電源變換器相同。
在的第一電源變換器中，有電容227與二極體201並聯，有電容226與二極體230並聯； 在第二電源變換器中，有電容229與二極體202並聯，有電容228與二極體231並聯。
所述的工頻恢復部份，由工頻恢復部份變道開關106及高頻濾波電路組成，將經高頻 變壓器隔離後的高頻電波恢復為網電源頻率；工頻恢復部份變道開關106輸出端106A、 輸出端106B能同步轉換到對應輸入端，輸出端106A連接輸入端106C或輸入端106D， 且隨網電源周期性轉換單獨連接輸入端106C或輸入端106D;輸出端106B連接輸入端106E 或輸入端106F,且隨網電源周期性轉換單獨連接輸入端106E或輸入端106F;變道開關第一組輸入端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；變道開關106的輸出 端106A、輸出端106B與高頻濾波電路107並聯，形成工頻恢復電路輸出端，工頻恢復電 路輸出端與負載108並聯連接；所述高頻濾波電路107具有低通濾波的性質。
工頻恢復部份變道開關106，由開關體220、開關體221，以及二極體204、 二極體205、 二極體206、 二極體207組成組合而成單刀式變道開關；
所述的開關體220、開關體221至少有三個連接端子；包括第一端子，第二端子、第三端 子，其中第一端子為開關體控制端，第二端子和第三端子之間的導通或斷開由第一端子控 制；
其中，二極體204、 二極體205和高頻變壓器210的帶中心抽頭的次級線圈2103構成 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端，二極體204、 二極體205N極被連接在一起，形成第一全波整流電路的輸出正端；二極體206、 二極體 207和變壓器211的帶中心抽頭的次級線圈2113構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端，二極體206、 二極體207N極被連接在一起，形成第 二全波整流電路的輸出正端；兩個整流電路的負端被連接在一起，形成公共端20G;開關 體220、開關體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 開關體221的第一端子，第二整流電路的輸出正端被連接到開關體220的第一端子，開關 體220的第二端子和開關體221的第二端子之間被並聯有高頻濾波電容203;在其兩端之 間並聯負載234。
所述的第一整流電路的輸出正端與開關體220的第二端子之間正向跨接一個二極體 208;第二整流電路的輸出正端與開關體221的第二端子之間正向跨接一個二極體209。
所述開關體可以由MOSFET提供，MOSFET柵極、漏極、源極分別對應開關體第一端 子、第二端子、第三端子；所述的開關體也可以使用其它元件提供，包括SCR、 GTO、 IGBT、 電晶體類，實現開關體功能。
網電源輸入部份變道開關101和工頻恢復部份變道開關106，其轉換頻率為網電源頻 的兩倍。
由於本發明採用了高頻變壓器實現電氣隔離、電壓轉換和能量傳遞，且實現了傳統工 頻變壓器的全部功能。
高頻變壓器中通過的是頻率超過lOKHz的電源，不必採用矽鋼鐵心，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實現小型化，低成本。 其應用範圍愈加廣泛，為社會節約了大量的自然資源。
附困說明
圖l是本發明各部分聯接關係及工作原理圖； 圖2是本發明各元器件聯接關係及工作原理圖； 圖3是本發明龜路主體結構圖示意具體實施例方式
將參考附圖詳細描述本發明。 本發明由三部分組成，包括網電源輸入部分、電源變換部分、工頻恢復電路。下面 結合

圖1來描述本發明是如何實現工頻變壓器的全部功能的。
1、網電源輸入部分。主要由變道開關101構成。變道開關101有兩個輸入端101A 和101B,四個輸出端101C、 IOID、 101E和101F。輸入端101A和101B分別與網電源的 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的初級線圈中心抽頭105B連接。
變道開關101實現的目標是，根據網電源所在周期，控制第一電源變換器和第二電源 變換器與網電源之間的連接狀態。也就是，當輸入電壓在上半周時，變道開關101的輸入 端101A和101B分別與其輸出端101C和101E導通。此時，網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；當輸入電壓在下半周時，變道開關101的輸入端與 分別與其輸出端101D和101F導通。此時，網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。變道開關101的交替變換電路通道的作用，可以被外部信號所控，也 可依賴自身自動完成。本發明的實施例子20中，變道開關101是由二極體232和233實現 的，並且是自動完成的。2、電源變換部分。主要由兩個變換電路和兩個高頻變壓器組成。其中變換電路102和 高頻變壓器104構成第一電源變換器，變換電路103和高頻變壓器105構成第二電源變換 器，兩個電源變換器的電氣參數是完全一樣的。
電源變換部分實現的目標是，將網電源直接轉換為高頻電波，利用高頻變壓器實現電 氣隔離、電壓轉換和能量傳遞。更具體的是，變道開關101的作用下，變換電路102將網 電源上半周轉換為高頻電源，利用高頻變壓器104實現電氣隔離、電壓轉換和能量傳遞； 而在網電源下半周時，變換電路103開始工作，將網電源轉換為高頻電源，利用高頻變壓 器105實現電氣隔離、電壓轉換和能量傳遞。當網電源又進入上半周時，變換電路102 又開始工作，而變換電路102停止工作。如此交替循環，實現電氣隔離、電壓轉換和能量 傳遞。
3、工頻恢復電路。由圖1可知， 一個基本的工頻恢復電路是由變道開關106和高頻濾 波器107構成。而負載108與濾波器107並聯連接。變道開關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次級線 圈的104D、 104E連接，而輸入端106D、 106F分別與高頻變壓器105次級線圈的105D、 105E連接。
工頻恢復電路實現的目標是，將經高頻變壓器隔離後的高頻電波恢復為網電源頻率。 更具體的是，當網電源處在上半周時，第一電源變換器開始工作，並將其轉換為髙頻波， 並且被耦合到高頻變壓器104次級線圈的104D、 104E兩端；此時，變道開關106的輸出 端106A、 106B與其輸入端106C、 106E導通，濾波器107、負載108與高頻變壓器104 次級線圈的兩端104D、 104E導通，濾波器107將高頻成分濾掉(其本質是平滑高頻脈衝 波)。經濾波器107平滑濾波後的電壓施加在負載108兩端，其電流流動方向為由負載 108A端流向108B端。而當網電源處在下半周時，第二電源變換器開始工作，並將其轉換 為高頻波，並且被耦合到高頻變壓器105次級線圈的105D、 105E兩端；此時，變道開關 106的輸出端106A、 106B與其輸入端106D、 106F導通，濾波器107、負載108與高頻變 壓器105次級線圈的兩端105D、 105E導通，濾波器107將高頻成分濾掉(其本質是平滑 高頻脈衝波)。經濾波器107平滑濾波後的電壓施加在負載108兩端，其電流流動方向為 由負載108B端流向108A端。如此周而復始，在負載108兩端產生與輸入網電源頻率一致 的交流電壓，實現輸出電壓的頻率恢復到工頻的目的。實施例二、
圖2圖解了工頻變壓器20的例子。工頻變壓器包括網電源輸入部分、電源變換部分和 工頻恢復電路，共計三大部分。
1、網電源輸入部分，變道開關IOI由二極體器件提供的開關232和233組成。然而 應當理解，也可以使用其它的元器件或手段實現變道開關101的功能或預期目標。開關232 的P端與開關233的N端被共同連接在網電源的L端，232的N端與高頻變壓器210的初 級線圈的中心抽頭210C連接，233的P端與變換電路的20D端連接。網電源的N端與變 換電路的20N端和高頻變壓器211的初級線圈的中心抽頭211C連接。
在網電源上半周期內，開關232導通，網電源向第一電源變換器提供電壓；在此期間， 開關233截止，第二電源變換器停止工作。在網電源下半周期內，開關233導通，網電源 轉向第二電源變換器提供電壓；在此期間，開關232截止，第一電源變換器停止工作。
由開關232和233構成的變道開關，起著交替變換電路通道的作用，其導通與截止可 以被外部信號所控，也可依賴自身自動完成。本發明的實施例子20中，開關232和233 的導通與截止的交替輪迴，是網電源自動完成的。
2、電源變換部分。主要由兩個相對獨立的自激式離線變換器電路組成，其電氣參數是 完全一樣的。為了便於理解和描述，下面只對單個變換器電路進行較為詳細地描述。參照 圖2,第一示例性自激式離線變換器電路包括由MOSFET器件提供的開關體216、開關體 217，電容器212、 214、 226、 227， 二極體230、 201和變壓器210。變壓器210帶中心抽 頭的初級線圈被分為2101和2102兩段，共有210A、 210B、 210C三個連接端。電容器212、 226被串聯在初級線圈210A端和第一變換器的公共端20N之間，兩個電容器之間中點被 連接到216的柵極，開關體216的源極連接到公共端20N，柵、源之間反向連接二極體230。 開關體216的漏極被連接到初級線圈210B端。電容器2M、 227被串聯在初級線圈210C 端和第一變換器的公共端20N之間，兩個電容器之間中點被連接到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體201。 217的漏極被連接到初級線圈210A 端。初級線圈中心抽頭210C與開關232的N極連接。公共端20N與網電源的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器件提供的開關體218、 219，電 容器213、 215、 228、 229, 二極體231、 202和變壓器211。其相互之間的連接，請參閱圖 2)。
由於各元器件的參數是有差異的，接通電源Vi時，總有一個開關體先導通，假設開關體216先導通的，其工作過程如下接通電源Vi時，Vi通過初級線圈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，產生電流lA。當216的 柵極電壓被充至開啟電壓值時，開關體216導通，Vi對初級線圈2102充電，產生電流lB。 初級線圈中有淨電流(lB-k)X)，初級線圈產生自感電勢V"有210A為正極，210B為負 極。經過T-2n VLC的時間後，第一LC中的電流下降，216的柵極電壓下降，當低於開 啟電壓值時，開關體216截止。自感電勢V^極性反向，有210B為正極，210A為負極。 此時，第一LC中的能量和線圈2102中的能量被迅速釋放到負載。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，產生電流lB。開關 體217導通，Vi對初級線圈2101充電，產生電流IA。初級線圈中有淨電流(lA-lB)X)。經 過T-2Ji VLC的時間後，第二LC中的電流下降，217的柵極電壓下降，當低於開啟電壓 值時，開關體217截止。自感電勢V^極性再次反向，即210A為正極，210B為負極。第 二 LC中的能量和線圈2101中的能量被迅速釋放到負載。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，產生電流k。開關體 216又導通。Vi對初級線圈2102又開始充電，產生電流fe。初級線圈中有淨電流(lB-lA)X)。 於是，在經歷與上述完全一樣的過程以後，開關體216再次進入截止狀態，而開關體217 卻再次進入導通狀態。如此周而復始，在變壓器210初級線圈中產生交變淨電流，次極線 圈兩端獲得交流電壓，實現電壓變換、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程，與上述第一示例變換器完全一樣的。在 這裡不再贅述。
3、工頻恢復電路，變道開關106由MOSFET提供的開關220、 221，以及二極體器件 204、 205、 208、 206、 207、 209組成。其中，二極體204、 205和變壓器210的帶中心抽 頭的次級線圈2103構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 輸出負端，二極體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。 二極體206、 207和變壓器211的帶中心抽頭的次級線圈2113構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端，二極體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。兩個整流電路的負端被連接在一起，形成公共端 20G。開關體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 關體221的柵極，該輸出正端還與開關體220的漏極之間正向跨接一個二極體208。第二 整流電路的輸出正端被連接到開關體220的柵極，該輸出正端與開關體221的漏極之間正向跨接一個二極體209。開關體220的漏極和221的漏極之間被並聯有高頻濾波電容203。 在其兩端之間並聯負載234，可以獲得所預期的工頻交流電壓(Vo)。當負載很輕或開路時， 二極體208、 209可以有效防止開關體220和221同時被導通。
工頻恢復電路的目標實現過程如下當網電源處在上半周時，第一變換器工作，將其轉 換、調製成頻率為f的高頻波，通過高頻變壓器210傳遞到第一全波整流電路，在其輸出 正端和公共端20G之間獲得與網電源頻率一致的脈衝電壓(包絡線)。開關體221導通。 該脈衝電壓通過正向連接的二極體208和處於導通狀態的開關221施加於高頻電容器203 和負載234兩端。平滑用濾波器203將其中2f的高頻脈衝電壓濾除掉。負載234兩端獲得 與網電源同步的、乾淨的脈衝電壓。其電流流動方向為由負載234A端流向234B端(在 此期間，由於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，開關體220 處於截止狀態)。
當網電源處在下半周時，第二變換器工作，將其轉換、調製成頻率為f的高頻波，通 過高頻變壓器211傳遞到第二全波整流電路，在其輸出正端和公共端20G之間獲得與網電 源頻率一致的脈衝電壓(包絡線)。開關體220導通。該脈衝電壓通過正向連接的二極體 209和處於導通狀態的開關220施加於高頻電容器203和負載234兩端。平滑用濾波器203 將其中2f的高頻脈衝電壓濾除掉。負載234兩端獲得與網電源同步的、乾淨的脈衝電壓。 其電流流動方向為由負載234B端流向234A端(在此期間，由於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，開關體221處於截止狀態)。如此周而復始，在負 載234兩端產生與輸入網電源頻率一致的交流電壓，實現輸出電壓的頻率恢復到工頻的目 的。
上述工頻恢復電路的優選實施事例中需要補充說明的問題(1)帶中心抽頭的次級線圈 與兩個二極體構成了高頻用全波整流電路。然而應當理解，整流形式的多樣性並不被限制， 也可以採用其它方式實現全波整流或半波整流，從而達到有意的效果。(2)開關體220、 221是有MOSFET器件提供的，然而應當理解，也可以使用其它的元器件，包括SCR、IGBT、 電晶體等，實現開關體216、 217的功能。(3)電容器203實現高頻濾波功能，然而應當理 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選實施事例，本領域的技術人員應當理解，已經實現了工 頻變壓器的全部功能以及額外優點。然而還應當理解(1)正如前面"發明內容"中講述
的一樣，只需要有網電源變道開關、電源變換器、工頻恢復電路，便可以實現工頻變壓器的預期目標。對其類型的多樣性並不被限制。譬如，網電源變道開關，也可以採用優選實 施事例以外的其它類型的開關來實現變道目標；電源變換器，也可以採用優選實施事例以 外的其它類型的變換器來實現電源形態轉變；工頻恢復電路，也可以採用優選實施事例以 外的其它類型的開關來實現高頻電波恢復為網電源頻率的目標。(2)在不超出本發明範圍 和目的的前提下可以得出本發明的各種修改、改進和可選實施事例。(3)在不超出本發明 範圍的前提下可以得出本發明的各種其它用途、目的。(4)優選實施事例中的某些電路可 以被分離出來，獨立使用或與其他電路組合使用。
權利要求
1.一種工頻變壓器，其特徵在於，它主要由網電源輸入部份，電源變換部份，工頻恢復部份聯接構成；由網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換調製為高頻波和實現電氣隔離、電壓轉換和能量傳遞，再由工頻恢復部份將經高頻變壓器隔離後的高頻電波恢復為網電源頻率；所述的網電源輸入部份，即網電源輸入部份變道開關(101)，能根據網電源所在的周期單獨為其中某一電源變換器供電；其網電源輸入部份變道開關(101)輸入端(101A)、輸入端(101B)與網電源(N、L)連接，輸入端(101A)、輸入端(101B)能同步轉換到對應輸出端，輸入端(101A)連接輸出端(101C)或輸出端(101D)，且隨網電源周期性轉換單獨連接輸出端(101C)或輸出端(101D)；輸入端(101B)連接輸出端(101E)或輸出端(101F)，且隨網電源周期性轉換單獨連接輸出端(101E)或輸出端(101F)；變道開關(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；電源變換器包括轉換調製部份及能量傳遞部份，所述的能量傳遞部份為高頻變壓器；電源變換器將其轉換、調製為高頻波，利用高頻變壓器實現電氣隔離、電壓轉換和能量傳遞；第一電源變換器的電源端(102A)、電源端(104B)與變道開關(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)與網電源輸入部份變道開關(101)的另一組輸出端連接；所述的工頻恢復部份，由工頻恢復部份變道開關(106)及高頻濾波電路組成，將經高頻變壓器隔離後的高頻電波恢復為網電源頻率；工頻恢復部份變道開關(106)輸出端(106A)、輸出端(106B)能同步轉換到對應輸入端，輸出端(106A)連接輸入端(106C)或輸入端(106D)，且隨網電源周期性轉換單獨連接輸入端(106C)或輸入端(106D)；輸出端(106B)連接輸入端(106E)或輸入端(106F)，且隨網電源周期性轉換單獨連接輸入端(106E)或輸入端(106F)；變道開關第一組輸入端(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；變道開關(106)的輸出端(106A)、輸出端(106B)與高頻濾波電路(107)並聯，形成工頻恢復電路輸出端，工頻恢復電路輸出端與負載(108)並聯連接；所述高頻濾波電路(107)具有低通濾波的性質。
2. 根據權利要求1所述的一種工頻變壓器，其特徵在於，所述的網電源輸入部份變道開關(101)包括由兩隻二極體提供的二極體(232)、 二極體(233)組合而成單刀式變道開 關；二極體(232)的P端與二極體(233)的N端連接，並被連接到網電源的L端， 二極體(232)的N端與第一電源變換器的電源端(210C)連接，二極體(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，並被連接到網電源的N端。
3. 根據權利要求1所述一種工頻變壓器，其特徵在於，所述的第一電源變換器，包括開關 體(216)、開關體(217)，電容器(212)、電容器(214)， 二極體(230)、 二極體(201) 和高頻變壓器(210)，組成的自激式離線變換器；所述的開關體216、開關體217至少有三個連接端子；包括第一端子，第二端子、第 三端子，其中第一端子為開關體控制端，第二端子和第三端子之間的導通或斷開由第一 端子控制；高頻變壓器210的初級線圈被中心抽頭(210C)分為2101和2102兩段，共有連 接端(210A)、連接端(210B)、連接端(210C)三個連接端；電容器(212)、 二極體(230)被串聯在初級線圈連接端(210A)端和第一變換器的公共端(20N)之間，電 容器(212)、 二極體(230)之間中點被連接到開關體(216)的第一端子，開關體(216) 的第三端子連接到公共端(20N), 二極體(230)反向連接在開關體(216)第一端子、 第三端子之間，即二極體(230) P端連接開關體(216)第三端子，二極體(230) N 端連接開關體(216)第一端子；開關體(216)的第二端子被連接到初級線圈連接端(210B)端；電容器(214)、 二極體(201)被串聯在初級線圈連接端(210B)端和第 一變換器的公共端(20N)之間，電容器(214)、 二極體(201)之間中點被連接到開 關體(217)的第一端子，開關體(217)的第三端子連接到公共端(20N), 二極體(201) 反向連接在開關體(217)第一端子、第三端子之間，即二極體(201) P端連接開關體(217)第三端子，二極體(201) N端連接開關體(217)第一端子；開關體(217)的 第二端子被連接到初級線圈連接端(210A)端；初級線圈中心抽頭(210C)與變道開 關部份二極體(232 ) N端連接；公共端(20N)與網電源的N端直接連接；所述的第二電源變換器，開關體(218)、開關體(219)，電容器(213)、電容器(215)，二極體(231)、 二極體(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)三個連接端；電容器(213)、 二極體(231) 被串聯在初級線圈連接端(211A)端和第二變換器的公共端(20D)之間，電容器(213)、 二極體(231)之間中點被連接到開關體(218)的第一端子，開關體(218)的第三端子 連接到公共端(20D)， 二極體(231)反向連接在(218)第一端子、第三端子之間，即 二極體(231) P端連接(218)第三端子，二極體(231) N端連接開關體(218)第一 端子；開關體(218)的第二端子被連接到初級線圈連接端(211B)端；電容器(215)、 二極體(202)被串聯在初級線圈連接端(211B)端和第二變換器的公共端(20D)之間， 電容器(215)、 二極體(202)之間中點被連接到開關體(219)的第一端子，開關體(219) 的第三端子連接到公共端(20D), 二極體(202)反向連接在(219)第一端子、第三端 子之間，即二極體(202)P端連接(219第三端子，二極體(202)N端連接開關體(219) 第一端子；開關體(219)的第二端子被連接到初級線圈連接端(211A)端；初級線圈 中心抽頭(211C)與網電源N端連接；二極體(233) P極與公共端(20D)連接。
4. 根據權利要求1所述一種工頻變壓器，其特徵在於，所述的工頻恢復部份變道開關(106)， 由第一整流電路(2103、 204、 205)，開關體(221)，第二整流電路(2113、 206、 207)， 開關體(220)組合而成單刀式變道開關；；所述的開關體(220)、開關體(221)至少有三個連接端子；包括第一端子，第二子、 第三端子，其中第一端子為開關體控制端，第二端子和第三端子之間的導通或斷開由第 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端被連接在一起，形成公共端(20G); 開關體(220)、開關體(221)的第三端子被連接到公共端(20G);第一整流電路的輸 出正端被連接到開關體(221)的第一端子，第二整流電路的輸出正端被連接到開關體 (220)的第一端子，開關體(220)的第二端子和開關體(221)的第二端子之間被並 聯有高頻濾波電容(203);在其兩端之間並聯負載(234)。
5. 根據權利要求1或4所述一種工頻變壓器，其特徵在於，所述的第一整流電路由二極體 (204)、 二極體(205)和高頻變壓器(210)的帶中心抽頭的次級線圈(2103)構成了第一全波整流電路；次級線圈(2103)的中心抽頭成為第一全波整流電路的輸出負端， 二極體(204)、 二極體(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體(206)、 二極體(207)和變壓器(211)的帶中心抽 頭的次級線圈(2113)構成了第二全波整流電路；次級線圈(2113)的中心抽頭成為第 二全波整流電路的輸出負端，二極體(206)、 二極體(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. 根據權利要求3所述的一種工頻變壓器，其特徵在於，在的第一電源變換器中，有電容(227)與二極體(201)並聯，有電容(226)與二極體(230)並聯；在第二電源變換 器中，有電容(229)與二極體(202)並聯，有電容(228)與二極體(231)並聯。
7. 根據權利要求4或5所述的一種工頻變壓器，其特徵在於，所述的第一整流電路的輸出 正端與開關體(220)的第二端子之間正向跨接一個二極體(208);第二整流電路的輸 出正端與開關體(221)的第二端子之間正向跨接一個二極體(209)。
8. 根據權利要求3或4所述的一種工頻變壓器，其特徵在於，所述開關體由MOSFET提 供，MOSFET柵極、漏極、源極分別對應開關體第一端子、第二端子、第三端子；所 述的開關體也可以使用其它元件提供，包括SCR、 IGBT、電晶體類，實現開關體功能。
9. 根據權利要求1所述的一種工頻變壓器，其特徵在於，所述的電源變換部份，由參數 相同的兩組電源變換器組成。
10. 根據權利要求1所述的一種工頻變壓器，其特徵在於，所述的網電源輸入部份變道開 關(101)和工頻恢復部份變道開關(106)，其轉換頻率為網電源頻的兩倍。
全文摘要
本發明涉及到一種工頻變壓器，它由三部分組成，包括網電源輸入部分、電源變換部分、工頻恢復電路，本發明是利用半導體器件、電容和電感元件所構成的變換電路來實現上述目標的。首先將網電源轉換、調製為高頻電波，利用高頻變壓器實現電氣隔離、電壓轉換和能量傳遞。然後將經隔離後的高頻電波恢復為與輸入網電源頻率一致的同態電源。本發明實現了傳統工頻變壓器的全部功能，同時又取消了矽鋼鐵心，銅線使用量極少，縮小了體積，減輕了重量，實現了小型化，低成本的目標。其應用範圍愈加廣泛，為社會節約了大量的自然資源。
文檔編號H02M5/16GK101577496SQ20091005868
公開日2009年11月11日 申請日期2009年3月24日 優先權日2009年3月24日
發明者劉罡麟, 虞茗暢, 富 馬 申請人:成都大殷電器科技有限公司