專利名稱：一種使用電場耦合變壓器構成的直流變換器的制作方法
技術領域：
本實用新型電場耦合變壓器構成的直流變換器屬電學，特別是基本電子電路。
背景技術：
開關電源是調整元件工作在開關狀態(tài)的一類電源，它與線性電源相比，具有體積小和效率高的優(yōu)點。開關電源已經應用到所有的電子設備上，逐步取代連續(xù)控制方式的電源。直流變換器是開關電源的核心部分，隔離型變換器使用了高頻變壓器，隔離型變換器又有反激式，正激式，半橋式，橋式，推挽式等等各式電路，還有隔離型的電流、電壓諧振等工作方式電路。隨著電子信息產業(yè)的飛速發(fā)展，電源技術發(fā)展也很快，開關電源也采用了很多新技術，比如輕、薄、小型化技術，諧波電流抑制技術，軟開關技術以及采用新型的元器件，使得開關電源的性能指標愈加優(yōu)良完善。目前，世界各國正在大力研制開發(fā)新型開關電源，包括新理論，新型電路方案與新型功率器件等，以適應各種電子設備小型化，高效率化等要求，但到目前為止，帶鐵芯線圈的電感或變壓器仍然是開關電源小型化，高效率化的重要障礙。

發(fā)明內容
本實用新型的目的是提出一種使用電場耦合變壓器構成的直流變換器，取消隔離型開關電源中的鐵芯線圈磁耦合變壓器。
本實用新型由直流電源Vi，電容C′1、C′2和兩只開關器件Q1、Q2組成半橋式電路，Q1、Q2受驅動電路控制，半橋式電路可輸出正負交替的高頻脈沖電壓，將電場耦合變壓器EFCT兩個輸入端與半橋電路兩個輸出端相連接，電場耦合變壓器EFCT的兩個輸出端與橋式整流電路的兩個輸入端相連接，橋式整流電路的輸出端再接濾波電路，就可得到受控的穩(wěn)定直流電壓，實現(xiàn)開關電源中的直流變換。如圖1所示，這是使用電場耦合變壓器構成的新型半橋雙端直流變換器的基本電路。該電場耦合變壓器構成的新型半橋雙端直流變換器的特征是，電場耦合變壓器與半橋電路高頻脈沖電壓輸出端口相連接變壓輸出再接橋式整流電路。
電場耦合變壓器EFCT也可以通過耦合電容CO再與半橋電路輸出端口相連接，如圖2所示。耦合電容CO是容量比電場耦合變壓器等效電容容量大得多的電容，它的存在不影響EFCT變壓傳輸特性。該新型半橋雙端直流變換器的特征是，電場耦合變壓器通過耦合電容與半橋電路高頻脈沖電壓輸出端口相連接變壓輸出再接橋式整流電路。
圖3所示為電場耦合變壓器EFCT的符號圖及其等效電路，因為EFCT的等效電路為電容串聯(lián)，所以用電容串聯(lián)電路代替圖1、圖2中的電場耦合變壓器EFCT，仍然構成同樣性能的半橋雙端直流變換器，如圖4、圖5所示。圖中等效的兩個電容C1、C2可以由多個電容器通過串并聯(lián)構成，甚至耦合電容也可以歸并到串聯(lián)的兩個電容之中，最后成為兩個電容串聯(lián)分壓輸出形式，因此，圖4所示新型雙端直流變換器的特征是，兩個電容串聯(lián)以后與半橋電路高頻脈沖電壓輸出端口相連接分壓輸出再接橋式整流電路；圖5所示新型雙端直流變換器的特征是，兩個電容串聯(lián)以后通過耦合電容與半橋電路高頻脈沖電壓輸出端口相連接分壓輸出再接橋式整流電路。
由直流電源Vi，四只開關器件Q1、Q2、Q3、Q4組成全橋電路，也可以提供正負交替的高頻脈沖電壓，如圖6所示。將全橋電路的正負交替高頻脈沖電壓輸出代替半橋電路的正負交替高頻脈沖電壓輸出，相應地就組成了使用電場耦合變壓器構成的新型全橋雙端直流變換器，其特征與電場耦合變壓器構成的新型半橋雙端直流變換器的特征相同；組成了電場耦合變壓器帶耦合電容的新型全橋雙端直流變換器，其特征與電場耦合變壓器帶耦合電容的新型半橋雙端直流變換器的特征相同；組成了兩個電容串聯(lián)構成的新型全橋雙端直流變換器，其特征與兩個電容串聯(lián)構成的新型半橋雙端直流變換器的特征相同；組成了兩個電容串聯(lián)帶耦合電容的新型全橋雙端直流變換器，其特征與兩個電容串聯(lián)帶耦合電容的新型半橋雙端直流變換器的特征相同。
將直流電源Vi與電感L和開關器件Q串聯(lián)，開關器件Q受驅動電路控制，電場耦合變壓器EFCT與電感L并聯(lián)，EFCT的輸出端與橋式整流電路的輸入端相連接，橋式整流電路的輸出端再接濾波電路，也可以得到受控的穩(wěn)定直流電壓，實現(xiàn)開關電源中直流轉換，如圖7所示，這是由電場耦合變壓器構成的新型單端直流變換器的基本電路。該新型單端直流變換器的特征是，電場耦合變壓器與產生高頻脈沖電壓的電感L并聯(lián)變壓輸出再接橋式整流電路。
電場耦合變壓器EFCT可以通過耦合電容CO再與電感L并聯(lián)，耦合電容CO是容量比電場耦合變壓器等效電容容量大得多的電容，它的存在不影響EFCT變壓傳輸特性。該新型單端直流變換器的特征是，電場耦合變壓器通過耦合電容與產生高頻脈沖電壓的電感L并聯(lián)變壓輸出再接橋式整流電路。用電場耦合變壓器EFCT等效的兩個電容串聯(lián)取代圖7中的EFCT，仍然構成同樣性能的新型單端直流變換器，等效的兩個電容也可以由多個電容器通過串并聯(lián)構成，最后仍成為兩個電容串聯(lián)分壓輸出形式。兩個電容串聯(lián)構成的新型單端直流變換器的特征是，兩個電容串聯(lián)以后與產生高頻脈沖電壓的電感L并聯(lián)分壓輸出再接橋式整流電路；兩個電容串聯(lián)帶耦合電容構成的新型單端直流變換器的特征是，兩個電容串聯(lián)通過耦合電容與產生高頻脈沖電壓的電感L并聯(lián)分壓輸出再接橋式整流電路。
本實用新型設計合理，結構簡單，能大幅度減小變換器的體積，更好地實現(xiàn)開關電源小型化和高效化。


圖1是EFCT構成的半橋雙端直流變換器基本電路圖2是EFCT帶耦合電容構成的半橋雙端直流變換器基本電路圖3是電場耦合變壓器的符號圖及等效電路圖4是電容串聯(lián)構成的半橋雙端直流變換器基本電路圖5是電容串聯(lián)帶耦合電容構成的半橋雙端直流變換器基本電路圖6是全橋電路輸出高頻脈沖電壓圖7是EFCT構成的單端直流變換器基本電路具體實施方式
如圖1所示，這是使用電場耦合變壓器構成的新型半橋雙端直流變換器基本電路。
基本電場耦合變壓器EFCT的結構是，兩個接電源或信號源的平行導體極板之間插入一個平行導體極板。每兩個導體極板之間的電場空間都充有絕緣介質，插入的平行導體極板是懸空的。利用插入的導體極板對原電場分割取出電場能量應該是電流能量形式才有實用意義，傳導電流是實體帶電粒子的定向移動形成，在一定時間里，有某種帶電粒子從插入的導體極板流出，形成了電流，也一定要有時間使等量的帶電粒子流入這個插入的導體極板，才會有下一時刻同樣大小電流從導體極板的流出，保證電場能量傳輸連續(xù)，這種現(xiàn)象不妨稱之為插入導體極板的電荷恢復。插入導體極板電荷恢復是電場耦合變壓器能夠向外傳輸電流能量的重要條件，由此推知，按插入導體極板電荷恢復的條件要求，電場耦合變壓器EFCT兩端的電壓或信號源就必須是正負交變的，才能以電流形式輸送電場能量。
要得到正負交變的高頻脈沖電壓，可以用包括半橋、全橋的橋電路。由直流電源Vi，電容C′1、C′2和兩只開關器件Q1、Q2組成半橋式電路，Q1、Q2受驅動電路控制交替導通截止，半橋式電路即可輸出正負雙端交變的高頻脈沖電壓，將電場耦合變壓器EFCT兩個輸入端與半橋電路兩個輸出端相連接，EFCT即變壓輸出。再接入橋式整流和濾波電路，就可以得到受控的穩(wěn)定直流電壓輸出，如圖1所示。
由直流電源Vi，四只開關器件Q1、Q2、Q3、Q4組成全橋電路，兩組對臂器件Q1、Q4和Q2、Q3受驅動電路控制交替導通截止，全橋電路也可輸出正負交替的高頻脈沖電壓，使用電場耦合變壓器EFCT及橋式整流和濾波電路，與半橋構成電路工作方式一樣，同樣可以得到受控的穩(wěn)定直流電壓輸出。
輸出正電壓或負電壓，由整流電橋的連接方式決定。
整流電橋對臂兩個二極管分別構成EFCT插入導體極板流出和流入的電流通路，實現(xiàn)插入導體極板的電荷恢復。
電場耦合變壓器EFCT是容性器件，開關器件不會承受關斷尖峰電壓，但存在器件開通時的尖峰電流，可在開關器件串聯(lián)抑制尖峰電流的非晶磁珠，或納米晶材磁芯等構成的可飽和電感，以減小開關損耗。
開關器件如MOSFET，有了反型層就把S極和D極連了起來，將這種開關器件與EFCT串聯(lián)，直流電源的一極就能夠通過S和D極與EFCT等效電容的一個極板連通，也就能夠通過它的柵極控制EFCT等效電容的充放電，組成新型開關直流變換器，而普通晶體三極管便不具有這個性質。
這種由電場耦合變壓器構成的新型雙端直流變換器主要由三部分組成，其一是取得正負交變高頻脈沖電壓的半橋或全橋電路，其二是進行變壓傳輸?shù)碾妶鲴詈献儔浩?，第三是橋式整流電路。這種由電場耦合變壓器組成的新型雙端直流變換器已經完全革除了鐵芯線圈磁場耦合變壓器，甚至鐵芯線圈電感器，也就免除了這種變壓器帶來的諸多麻煩。
前面實用新型內容已經指出，電場耦合變壓器EFCT通過耦合電路與橋電路輸出端口相連接，或者用電容串聯(lián)電路取代EFCT，仍然構成同樣性能的雙端直流變換器，這些變換器的具體實施方式
和這里討論的具體實施方式
相同。
要得到正負交變的高頻脈沖電壓，還可以將直流電源Vi，電感L和開關器件Q串聯(lián)，Q受驅動電路控制工作在開關狀態(tài)，Q導通時，L兩端電壓為上高下低，Q截止時，電感關斷尖峰電壓使L兩端電壓變?yōu)橄赂呱系?，電感L兩端電壓這種變化相當于產生了正負交變高頻脈沖電壓，用電場耦合變壓器EFCT與電感L并聯(lián)，通過EFCT將高頻脈沖電壓變壓輸出，再經橋式整流和濾波電路，也可以得到受控的穩(wěn)定直流電壓，如圖7所示，可稱之為EFCT構成的新型單端直流變換器。之所以稱之為單端電路，是因為L并接EFCT以后，電感L的關斷電壓尖峰被EFCT抑制了，但電壓尖峰被抑制的過程中，推動反向電流流過EFCT，實現(xiàn)EFCT插入導體極板電荷恢復的特性保留了下來。
同樣，整流電橋對臂兩個二極管分別構成EFCT插入導體極板流出、流入的電流通路，實現(xiàn)插入導體極板的電荷恢復。EFCT構成的新型單端直流變換器也可使用普通晶體三極管作開關器件。
EFCT構成的新型單端直流變換器使用橋式整流，沒有反激工作方式。
EFCT構成的新型單端直流變換器中有電感L，電感L中的電流方向始終如一，L中鐵芯的磁感強度始終都處在磁化曲線的第一象限，要考慮電感磁芯的磁通復位，應設置輕載阻尼或箝位電路。
同樣，電容耦合變壓器EFCT是容性器件，存在開通時的電流尖峰，為了減小開關損耗，可以在開關器件Q串聯(lián)抑制電流尖峰的可飽和電感器。
前面實用新型內容已指出，電場耦合變壓器EFCT通過耦合電容CO與產生高頻脈沖電壓的電感L并聯(lián)，或者用電容串聯(lián)電路取代電場耦合變壓器EFCT，仍然構成同樣性能的單端直流變換器，這些變換器的具體實施方式
也和這里討論的具體實施方式
相同。
由電場耦合變壓器EFCT構成的雙端直流變換器終于摔掉了鐵芯線圈磁場耦合變壓器MFCT這個沉重的包袱，并且在高頻情況下，EFCT體積可以很小，如果能夠將控制保護電路與功率開關集成為復合IC，直接輸出雙端高頻脈沖電壓，將大幅度減小這種變換器的體積，更好地實現(xiàn)開關電源的小型化。
此外，與鐵芯線圈磁場耦合變壓器MFCT構成的直流變換器相比較，電場耦合變壓器EFCT構成的雙端直流變換器還有一種對稱美它沒有感性關斷電壓尖峰，卻有容性開通電流尖峰；它沒有磁通復位平衡問題，卻有電荷恢復平衡問題；它不用容性RDC并聯(lián)的電壓抑峰電路，卻要用感性可飽和電感串聯(lián)的電流抑峰電路；等等。
權利要求1.一種使用電場耦合變壓器構成的直流變換器，包括三個主要組成部分，分別為產生正負交變高頻脈沖電壓的橋電路，電場耦合變壓器和橋式整流電路，其特征是電場耦合變壓器與橋電路高頻脈沖電壓兩個輸出端相連接變壓輸出再接橋式整流電路。
2.據(jù)權利要求1所述的一種使用電場耦合變壓器構成的直流變換器，其特征是兩個電容串聯(lián)以后與橋電路高頻脈沖電壓輸出端口相連接分壓輸出再接橋式整流電路。
3.據(jù)權利要求1所述的一種使用電場耦合變壓器構成的直流變換器，其特征是電場耦合變壓器通過耦合電容與橋電路高頻脈沖電壓輸出端相連接變壓輸出再接橋式整流電路。
4.據(jù)權利要求1所述的一種使用電場耦合變壓器構成的直流變換器，其特征是電容串聯(lián)以后通過耦合電容與橋電路高頻脈沖電壓輸出端口相連接分壓輸出再接橋式整流電路。
5.一種使用電場耦合變壓器構成的直流變換器，包括三個主要組成部分，分別為兩端得到高頻脈沖電壓的電感器，電場耦合變壓器和橋式整流電路，其特征是電場耦合變壓器與產生高頻脈沖電壓的電感器并聯(lián)變壓輸出再接橋式整流電路。
6.據(jù)權利要求5所述的一種使用電場耦合變壓器構成的直流變換器，其特征是兩個電容串聯(lián)發(fā)后與產生高頻脈沖電壓的電感器并聯(lián)分壓輸出再接橋式整流電路。
7.據(jù)權利要求5所述的一種使用電場耦合變壓器構成的直流變換器，其特征是電場耦合變壓器通過耦合電容與產生高頻脈沖電壓的電感器并聯(lián)變壓輸出再接橋式整流電路。
8.據(jù)權利要求5所述的一種使用電場耦合變壓器構成的直流變換器，其特征是兩個電容串聯(lián)通過耦合電容與產生高頻脈沖電壓的電感器并聯(lián)分壓輸出再接橋式整流電路。
專利摘要一種使用電場耦合變壓器構成的直流變換器，包括三個主要組成部分，分別為產生正負交變高頻脈沖電壓的橋電路，電場耦合變壓器和橋式整流電路。電場耦合變壓器兩個輸入端與橋電路高頻脈沖電壓兩個輸出端連接，電場耦合變壓器的兩個輸出端與橋式整流電路兩個輸入端相連接。本實用新型沒有銅損和鐵損，避免了漏磁通干擾，能大幅度減少變換器的體積，更好地實現(xiàn)開關電源的小型化和高效化。
文檔編號H02M7/5387GK2798411SQ20042010233
公開日2006年7月19日 申請日期2004年12月2日 優(yōu)先權日2004年12月2日
發(fā)明者吳小樂, 吳觀暉 申請人:吳觀暉