CN101114541B - 电源转换装置 - Google Patents

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Abstract

一种变压器，包括一磁性组件、一第一绕组、一第二绕组以及一屏蔽组件。该第一绕组绕设在该磁性组件之外，该第二绕组绕设在该第一绕组之外，该屏蔽组件设置在该第一绕组与该第二绕组之间。

Description

电源转换装置
技术领域
本发明关于一种电源转换装置及其变压器。 
背景技术
近年来电子电路应用于电子装置，例如电源转换装置，即电源供应器或电能转换器愈渐广泛。然而，由于此类的电路常操作于高频切换，因此容易产生电磁干扰(Electro-Magnetic Interference，EMI)，进而影响电子装置，其中依据传递方式的不同，电磁干扰可区分为辐射性(Radianted)与传导性(Conducted)两类，辐射性电磁干扰系直接由开放空间传递，传导性电磁干扰经由导线来传递。 
传导性电磁干扰依据噪声电流传导路径的不同，又可区分为共模噪声(Common-mode noise)与差模噪声(Differential-mode noise)，其中差模噪声是当两条导线的电流方向互为相反时发生的；而共模噪声是当所有的导线的电流方向相同时发生的。 
为了有效消除电磁干扰，通常依据需要消除的噪声种类，而在电子装置中对应装设消除此种噪声的电感器，例如欲消除共模噪声，则是在电子装置中设置一共模电感器及一电容器，以消除共模噪声，若欲同时消除差模噪声，则需再于电子装置中，增设一差模电感器及另一电容器，以消除差模噪声。然而，随着电子技术发展，各种电子装置的功能要求越来越高，且功率密度越来越大，相对的则要求电感器的体积尽可能的小，而减少电感器的体积及成本最有效的方法即为减少电子装置的原始噪声。就共模电感器而言，因市面上的共模电感器的制作工艺复杂且体积大，故目前则以减少共模噪声为提升电源转换装置的重要项目之一。 
请参照图1所示，为一种传统的电源转换装置1的等效电路图，该电源转换装置1包括一变压器11、一桥式整流器12、一电容器13以及一晶体管14，并相互电性连接，而该变压器11的结构为一次侧绕组111绕设于一磁性组件(图未显示)的外侧，而二次侧绕组112绕设在于一次侧绕组111的外侧所构成；该电源转换装置1接收外部输入的交流电压V1至该桥式整流器12，并经由整流后的整流电压送至该晶体管14，该晶体管14借由一外部输入的脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation，PWM)信号P1以作切换开关的动作，将该整流电压送至该变压器11，以产生一直流电压V2输出。就共模噪声而言，通常由该变压器11的该二次侧绕组112或该一次侧绕组111产生的电压跳变或寄生参数的耦合造成。 
请参照图2所示，是自该电源转换装置1取得的共模噪声测量结果，目前标准电磁干扰的频率范围为0.15MHz至30MHz之间，而由图中所示系可得知该电源转换装置1的共模噪声值约为76dB。 
传统技术主要是以下列二种方式消除共模噪声。请参照图3所示，一种消除共模噪声的方式是在该变压器11中增加一绕组113于该一次侧绕组111与该二次侧绕组112之间，且该绕组113并与一电容器15电性连接，以于该一次侧绕组111与该二次侧绕组112之间产生一相位互补电压，并利用该相位互补电压产生一共模电流，以抵消该变压器11的共模电流。然而，此种方式不仅该变压器11的设计亦因增设该绕组113而更加复杂，同时亦提升制作成本。 
请参照图4所示，另一种消除共模噪声的方式是在该电源转换装置1的该变压器11中增加一法拉第屏蔽层M，其包覆于该二次侧绕组112外且电性连接至该一次侧绕组111，以减少该一次侧绕组111流向该二次侧绕组112的共模电流。然而，此种方式却增加该二次侧绕组112对该一次侧绕组111的电容值，故对于抑制共模噪音还是十分困难。 
因此，如何提供一种能够消除共模噪声，以减少体积及制作成本，并同时提升功率密度的电源转换装置及其变压器，已成为重要课题之一。 
发明内容
有鉴于上述课题，本发明的目的为提供一种能够消除共模噪声，以减少体积及制作成本，并同时提升功率密度的电源转换装置及其变压器。 
缘是，为达上述目的，依据本发明的一种变压器包括一磁性组件、一第一绕组、一第二绕组以及一屏蔽组件。该第一绕组绕设在该磁性组件之外，该第二绕组绕设在该第一绕组之外，该屏蔽组件设置在该第一绕组与该第二绕组之间。 
为达上述目的，依据本发明的一种电源转换装置包括一变压器以及一第一电容器。该变压器系包括一磁性组件、一第一绕组、一第二绕组及一屏蔽组件；该第一绕组绕设该磁性组件之外，该第二绕组绕设该第一绕组之外，该屏蔽组件设置在该第一绕组与该第二绕组之间，该第一电容器与该屏蔽组件电性连接。 
承上所述，因依据本发明的一种变压器是借由一屏蔽组件设置在一第一绕组与一第二绕组之间，而依据本发明的一种电源转换装置更借由该屏蔽组件与该第一绕组之间串接一第一电容器，且该第一电容器并与该第一绕组电性连接。与传统技术相较，本发明借由该屏蔽组件与该第一电容器相配合，以平衡该第一绕组及该第二绕组之间的共模电流，以降低共模噪声，更能够减少该电源转换装置中所需额外加入的共模滤波器的体积及成本，以改善损耗并同时提升功率密度，进而达到提升使用效能的功效。 
附图说明
图1为一种传统的电源转换装置的等效电路图； 
图2为图1的电源转换装置的共模噪声及标准电磁干扰的频率范围关系的示意图； 
图3为一种传统消除共模噪声的电源转换装置的示意图； 
图4为另一种传统消除共模噪声的电源转换装置的示意图； 
图5为依据本发明优选实施例的一种变压器的示意图； 
图6为图5的变压器沿着A-A′线段的剖面图； 
图7为依据本发明优选实施例的一种电源转换装置的等效电路图； 
图8为图7的电源转换装置连接一电源传输阻抗稳定网络的示意图；以及 
图9为图7的电源转换装置的共模噪声及标准电磁干扰的频率范围关系的示意图。 
组件符号说明： 
1、3    电源转换装置     11、2、31  变压器 
111     一次侧绕组       112        二次侧绕组 
113     绕组             12         桥式整流器 
13、15  电容器           14、Q      晶体管 
21       磁性组件      22、311  第一绕组 
23、312  第二绕组      24、313  屏蔽组件 
32       整流器 
A-A′    线段          C1       第一电容器 
C2       第二电容器    C3       第三电容器 
D        漏极          D1       二极管 
G        栅极          S        源极 
VI       输入电压      VO       输出电压 
V1       交流电压      V2       直流电压 
M        法拉第屏蔽层 
L        电源传输阻抗稳定网络 
P1、P2   脉冲宽度调制信号 
具体实施方式
以下将参照相关附图，说明依据本发明优选实施例的一种电源转换装置及其变压器，其中相同的组件将以相同的参照符号加以说明。 
请参照图5与图6所示，依据本发明优选实施例的一种变压器2包括一磁性组件21、一第一绕组22、一第二绕组23以及一屏蔽组件24，该变压器2可应用于一开关电源装置或一逆变器。在本实施例中，该磁性组件21的材质并无限制，例如磁铁、磁石或磁带，而该磁性组件21形状亦无限制，在此是以一圆柱形为例。 
该第一绕组22绕设在该磁性组件21之外，而该第二绕组23绕设在该第一绕组22之外；该第一绕组22及该第二绕组23可以单一导电线材绕设而成，或分别以一导电线材绕设而成。在此是以该第一绕组22为一次侧绕组，而该第二绕组23则为二次侧绕组为例；该第二绕组23亦可为一次侧绕组，而该第一绕组22则为二次侧绕组。 
该屏蔽组件24设置在该第一绕组22与该第二绕组23之间，并使该第一绕组22与该第二绕组23并不互相接触，而该屏蔽组件24的材质并无限制，但须为导电材质，例如为铜。 
以下将以该变压器2应用于电源转换装置为例加以说明。请参照图7所示，为依据本发明优选实施例的一种电源转换装置3的等效电路图，该电源 转换装置3包括一变压器31以及一第一电容器C1。本实施例的该电源转换装置3的应用并无限制，在实施上可应用在电路拓扑(Topology)，例如一正激变换器、一半桥变换器或一全桥变换器。 
于本实施例中，该变压器31包括一磁性组件(未示出)、一第一绕组311、一第二绕组312以及一屏蔽组件313，而本实施例的该变压器31与上述实施例中的该变压器2(如图5及图6所示)具有相同构成、特征、功能及态样，故在此不再赘述。 
该第一电容器C1的一端与该屏蔽组件313电性连接，而该第一电容器C1的另一端与该第一绕组311电性连接。另外，该第一电容器C1亦可与该第二绕组312电性连接(未示出)。 
该电源转换装置3还包括一整流器32、一第二电容器C2及一晶体管Q。该整流器32的二端分别与该第一绕组22的一端及该第一电容器C1的该另端电性连接，而该整流器32接收外部的一输入电压VI，该输入电压VI在此是以一交流电压为例；本实施例的该整流器32为桥式整流器，而该桥式整流器可为全桥式电路或一半桥式电路，在此是以一全桥式电路为例。 
该第二电容器C2的一端与该第一绕组311的该端电性连接，该第二电容器C2的另一端与该第一电容器C1的该另端电性连接，本实施例的该第二电容器C2在此具有滤波及稳定该直流电压的功效。 
另外，该晶体管Q设置在该第一绕组311及该第一电容器C1之间，即该晶体管Q的漏极D与该第一绕组311的该另端电性连接，该晶体管Q的源极S与该第一电容器C1的该另端电性连接，该晶体管Q的栅极G接收外部的一脉冲宽度调制信号P2；本实施例的该晶体管Q并无限制，在实施上可为金属氧化物半导体场效晶体管(MOSFET)。 
当该脉冲宽度调制信号P2控制该晶体管Q作切换开关的动作时，则该直流电压借由该晶体管Q的导通及不导通，而转变为一串电压脉波并输出至该第一绕组311；此时，该第一绕组311接收该电压脉波，并利用该磁性组件产生电流磁效应，使该第二绕组312产生感应，再借由电磁感应原理及电流磁效应，而输出一感应电压。故本实施例中的该变压器31，在实施上具有借由该脉波宽度调制信号P2以调整输入的功率大小，进而达到供应适当的负载所需的功效。 
该电源转换装置3还包括一二极管D1及一第三电容器C3。该二极管 D1设置在该第二绕组312与该第三电容器C3之间，即该二极管D1的一端与该第三电容器C3的一端电性连接，该二极管D1的另一端与该第二绕组312的一端电性连接；在本实施例中，该二极管D1并无限制，在实施上为整流二极管或一快速二极管。而该第三电容器C3的另一端与该第二绕组312的另一端电性连接，本实施例的该第三电容器C3用以滤除该转换直流电压的纹波成分，以输出一直流输出电压VO。 
另外，该电源转换装置3中的共模噪声由该晶体管Q、该二极管D1及该变压器31上的寄生电容和杂散电容所造成。故请参照图8所示，是在该电源转换装置3的该输入电压VI与该整流器32之间电性连接一电源传输阻抗稳定网络(LISN)L，以作为传导性电磁干扰的测量工具，并可借由该电源传输阻抗稳定网络L取得该电源转换装置3的共模噪声值与频率的关系。 
请参照图9所示，当利用该电源传输阻抗稳定网络L测量该电源转换装置3时，可测量得知该电源转换装置3的共模噪声测量结果，并取得该电源转换装置3的共模噪声值约为60dB。与传统的该电源转换装置1(如图1所示)的共模噪声测量结果(如图2所示)比较，本实施例的该电源转换装置3能够有效减少共模噪声值约16dB。 
综上所述，因依据本发明的一种变压器是借由一屏蔽组件设置在一第一绕组与一第二绕组之间，而依据本发明的一种电源转换装置是更借由该屏蔽组件与该第一绕组之间串接一第一电容器，且该第一电容器并与该第一绕组电性连接。与传统技术相较，本发明借由该屏蔽组件与该第一电容器相配合，以平衡该第一绕组及该第二绕组之间的共模电流，以降低共模噪声，更能够减少该电源转换装置中所需额外加入的共模滤波器的体积及成本，以改善损耗并同时提升功率密度，进而达到提升使用效能的功效。 
以上所述仅为举例性，而非为限制性者。任何未脱离本发明的精神与范畴，而对其进行的等效修改或变更，均应包括在本发明范围中。 

Claims (16)

1.一种电源转换装置，包括：
一变压器，包括一磁性组件、一第一绕组、一第二绕组及一屏蔽组件，该第一绕组绕设在该磁性组件之外，该第二绕组绕设在该第一绕组之外，该屏蔽组件设置在该第一绕组与该第二绕组之间；以及
一第一电容器，与该屏蔽组件电性连接。
2.根据权利要求1所述的电源转换装置，其特征在于，该第一绕组为一次侧绕组，该第二绕组为二次侧绕组，或者该第一绕组为二次侧绕组而该第二绕组为一次侧绕组。
3.根据权利要求2所述的电源转换装置，其特征在于，该第一电容器与该第一绕组电性连接。
4.根据权利要求1所述的电源转换装置，其特征在于，该屏蔽组件的材质为导电材质或为铜。
5.根据权利要求1所述的电源转换装置，其特征在于，还包括一整流器，该整流器的二端分别与该第一电容器及该第一绕组电性连接。
6.根据权利要求5所述的电源转换装置，其特征在于，还包括一电源传输阻抗稳定网络(LISN)，该电源传输阻抗稳定网络电性连接于一输入电压与该整流器之间。
7.根据权利要求5所述的电源转换装置，其特征在于，该整流器为桥式整流器、一全桥式电路或一半桥式电路。
8.根据权利要求1所述的电源转换装置，其特征在于，还包括一第二电容器，该第二电容器的二端与该第一绕组及第一电容器电性连接。
9.根据权利要求2所述的电源转换装置，其特征在于，还包括一晶体管或一金属氧化物半导体场效晶体管(MOSFET)，设置在该第一绕组与该第一电容器之间。
10.根据权利要求1所述的电源转换装置，其特征在于，还包括一第三电容器，与该第二绕组的二端电性连接。
11.根据权利要求10所述的电源转换装置，其特征在于，还包括一二极管、一整流二极管或一快速二极管，设置在该第二绕组其中一端与该第三电容器一端之间。
12.根据权利要求1所述的电源转换装置，其特征在于，该变压器应用于一开关电源装置或一逆变器。
13.根据权利要求1所述的电源转换装置，其特征在于，应用于一正激变换器、一半桥变换器或一全桥变换器。
14.根据权利要求1所述的电源转换装置，其特征在于，该第一电容器与该第二绕组电性连接。
15.根据权利要求1所述的电源转换装置，其特征在于，该磁性组件的材质为磁铁、磁石或磁带。
16.根据权利要求1所述的电源转换装置，其特征在于，该磁性组件的形状为圆柱形。
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