CN101272105A - 具零电压切换的推挽式换流器及其驱动方法 - Google Patents

具零电压切换的推挽式换流器及其驱动方法 Download PDF

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CN101272105A CNA2007100878726A CN200710087872A CN101272105A CN 101272105 A CN101272105 A CN 101272105A CN A2007100878726 A CNA2007100878726 A CN A2007100878726A CN 200710087872 A CN200710087872 A CN 200710087872A CN 101272105 A CN101272105 A CN 101272105A
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陈世明
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Abstract

一种推挽式换流器及其驱动方法。推挽式换流器包括变压器、第一电感、第二电感、第一开关及第二开关。变压器的一次侧具有第一绕组及第二绕组。第一开关与第二开关依据第一控制信号及第二控制信号交替地被导通，第一开关在导通后，第一电感、第一开关、第一绕组与直流电源形成第一串联回路，而第二开关在导通后，第二电感、第二开关、第二绕组与直流电源形成第二串联回路。当第一控制信号由使能电平改变为非使能电平后，第一电感耦合能量至第二电感，使得第二控制信号达使能电平前，第二开关两端的电压由第一电压降低至第二电压。

Description

具零电压切换的推挽式换流器及其驱动方法
技术领域
本发明涉及一种推挽式换流器，且特别涉及一种具零电压切换的推挽式换流器。
背景技术
请参照图1，其示出了传统背光模块的电路图。传统背光模块10包括传统推挽式换流器110(Push-Pull Inverter)及冷阴极荧光灯管120(ColdCathode Fluorescent Lamp，CCFL)。传统推挽式换流器110用以驱动冷阴极荧光灯管120。传统推挽式换流器110包括变压器T、开关M1、开关M2及谐振电容Cr。
变压器T具有一次侧及二次侧。变压器T的一次侧具有绕组N1及N2，且绕组N1及N2耦接至直流电源VDC的正端。开关M1及M2耦接至直流电源VDC的负端。且开关M1及M2分别与绕组N1及N2耦接。直流电源VDC经由开关M1及M2高频地被切换，形成交流电压输入至变压器T。
变压器T的二次侧耦接谐振电容Cr，谐振电容Cr与漏电感形成高通滤波器(High Pass Filter)。因此，交流电压经高通滤波器滤除低频信号后，输出灯管电压驱动冷阴极荧光灯管120。
然而，由于传统推挽式换流器110在切换瞬时时，开关M1及M2非工作在零电压切换(Zero Voltage Switching)状态，因此，当传统推挽式换流器110在切换瞬时时，将造成额外的切换损失，而使得传统推挽式换流器110的转换效率无法有效地提升。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的就是在提供一种具零电压切换的推挽式换流器及其驱动方法以及应用其的背光模块与液晶显示器。本发明利用电感的充放电特性以及能量耦合的特性，使得推挽式换流器的开关工作在零电压切换(Zero Voltage Switching)状态，以减少切换损失，增加转换效率。
根据本发明的目的，提出一种推挽式换流器。推挽式换流器包括变压器、第一电感、第二电感、第一开关及第二开关。变压器的一次侧具有第一绕组及第二绕组，第一绕组及第二绕组耦接至一直流电源，变压器的二次侧耦接至发光组件。
第一开关与第二开关依据一第一控制信号及一第二控制信号交替地被导通，第一开关在导通后，第一电感、第一开关、第一绕组与直流电源形成一第一串联回路，第二开关在导通后，第二电感、第二开关、第二绕组与直流电源形成一第二串联回路，以使变压器据以驱动发光组件。
当第一控制信号由使能电平改变为非使能电平后，第一电感耦合一能量至第二电感，使得第二控制信号达使能电平前，第二开关两端的电压由第一电压降低至一第二电压。
根据本发明的另一目的，提出一种背光模块。背光模块包括发光组件及推挽式换流器。推挽式换流器包括变压器、第一电感、第二电感、第一开关及第二开关。变压器的一次侧具有第一绕组及第二绕组，第一绕组及第二绕组耦接至一直流电源，变压器的二次侧耦接至发光组件。
第一开关与第二开关依据一第一控制信号及一第二控制信号交替地被导通，第一开关在导通后，第一电感、第一开关、第一绕组与直流电源形成一第一串联回路，第二开关在导通后，第二电感、第二开关、第二绕组与直流电源形成一第二串联回路，以使变压器据以驱动发光组件。
当第一控制信号由使能电平改变为非使能电平后，第一电感耦合一能量至第二电感，使得第二控制信号达使能电平前，第二开关两端的电压由第一电压降低至一第二电压。
根据本发明的再一目的，提出一种液晶显示器。液晶显示器包括面板及背光模块，且背光模块用以提供光线至面板。背光模块包括发光组件及推挽式换流器，且推挽式换流器包括变压器、第一电感、第二电感、第一开关及第二开关。变压器的一次侧具有第一绕组及第二绕组，第一绕组及第二绕组耦接至一直流电源，变压器的二次侧耦接至发光组件。
第一开关与第二开关依据一第一控制信号及一第二控制信号交替地被导通，第一开关在导通后，第一电感、第一开关、第一绕组与直流电源形成一第一串联回路，第二开关在导通后，第二电感、第二开关、第二绕组与直流电源形成一第二串联回路，以使变压器据以驱动发光组件。
当第一控制信号由使能电平改变为非使能电平后，第一电感耦合一能量至第二电感，使得第二控制信号达使能电平前，第二开关两端的电压由第一电压降低至一第二电压。
根据本发明的再一目的，提出一种推挽式换流器的驱动方法。推挽式换流器包括变压器、第一开关及第二开关，且变压器的一次侧具有第一绕组及第二绕组，第一绕组及第二绕组耦接至一直流电源，直流电源耦接至第一开关及第二开关，且第一开关及第二开关依据第一控制信号及第二控制信号交替地被导通。
驱动方法包括如下步骤：首先，串接一第一电感在第一绕组与第一开关之间，且串接一第二电感在第二绕组与第二开关之间。接着，根据第一控制信号导通第一开关使第一绕组、第一电感与直流电源形成第一串联回路，以存储一能量于第一电感。跟着，耦合能量至第二电感，使得第二控制信号达使能电平前，第二开关两端的电压由第一电压降低至第二电压。然后，当第二控制信号由非使能电平改变为使能电平，第二开关被导通使第二绕组、第二电感与直流电源形成一第二串联回路，而第二开关两端的电压维持在第二电压。
根据本发明的再一目的，提出一种背光模块的驱动方法。背光模块包括发光组件及推挽式换流器，推挽式换流器包括变压器、第一开关及第二开关，且发光组件耦接于变压器的二次侧，变压器的一次侧具有一第一绕组及一第二绕组，第一绕组及第二绕组耦接至一直流电源，直流电源耦接至第一开关及第二开关，且第一开关及第二开关依据一第一控制信号及一第二控制信号交替地被导通。
驱动方法包括如下步骤：首先，串接一第一电感在第一绕组与第一开关之间，且串接一第二电感在第二绕组与第二开关之间。接着，根据第一控制信号导通第一开关使第一绕组、第一电感与直流电源形成第一串联回路，以存储一能量在第一电感。跟着，耦合能量至第二电感，使得第二控制信号达使能电平前，第二开关两端的电压由第一电压降低至第二电压。然后，当第二控制信号由非使能电平改变为使能电平，第二开关被导通使第二绕组、第二电感与直流电源形成一第二串联回路，而第二开关两端的电压维持在第二电压。
根据本发明的再一目的，提出一种液晶显示器的驱动方法。液晶显示器包括背光模块及面板，且背光模块用以提供光线至面板。背光模块包括发光组件及推挽式换流器，且推挽式换流器包括变压器、第一开关及第二开关。发光组件耦接于变压器的二次侧，且变压器的一次侧具有一第一绕组及一第二绕组。第一绕组及第二绕组耦接至一直流电源，而直流电源耦接至第一开关及第二开关，且第一开关及第二开关依据一第一控制信号及一第二控制信号交替地被导通。
驱动方法包括如下步骤：首先，串接一第一电感在第一绕组与第一开关之间，且串接一第二电感在第二绕组与第二开关之间。接着，根据第一控制信号导通第一开关使第一绕组、第一电感与直流电源形成第一串联回路，以存储一能量在第一电感。跟着，耦合能量至第二电感，使得第二控制信号达使能电平前，第二开关两端的电压由第一电压降低至第二电压。然后，当第二控制信号由非使能电平改变为使能电平，第二开关被导通使第二绕组、第二电感与直流电源形成一第二串联回路，而第二开关两端的电压维持在第二电压。
为让本发明的上述目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特举一较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下。
附图说明
图1示出了传统推挽式换流器的电路图。
图2示出了液晶显示器的示意图。
图3示出了依照本发明一较佳实施例的背光模块的电路图。
图4示出了推挽式换流器310的电压及电流的波形图。
附图符号说明
10：传统背光模块
20：液晶显示器
30：依照本发明一较佳实施例的背光模块
40：面板
110：传统推挽式换流器
120：冷阴极荧光灯管
310：依照本发明一较佳实施例的推挽式换流器
320：发光组件
T：变压器
N1、N2：绕组
M1、M2：开关
Cr：谐振电容
Q1、Q2：晶体管
L1、L2：电感
D1、D2：本体二极管
C1、C2：寄生电容
具体实施方式
推挽式换流器依据一第一控制信号及一第二控制信号分别交替地切换第一开关及第二开关，以产生交流电压至变压器，使变压器根据交流电压驱动发光组件。下述实施例为了改善传统推挽式换流器的切换损失，是利用电感的充放电特性以及能量耦合的特性，使得推挽式换流器的第一开关与第二开关工作在零电压切换(Zero Voltage Switching)状态。
换言之，下述实施例利用电感的充放电特性以及能量耦合的特性，使得第一开关与第二开关由截止(Off)改变为导通(On)前，第一开关与第二开关两端的电压即降低为零电压，以减少切换损失，增加推挽式换流器的转换效率。
请参照图2，其示出了液晶显示器的示意图。液晶显示器20包括背光模块30及面板40，背光模块30用以提供光线至面板40。
请参照图3，其示出了依照本发明一较佳实施例的背光模块的电路图。背光模块30包括推挽式换流器310及发光组件320，推挽式换流器310用以驱动发光组件320，且发光组件320例如为冷阴极荧光灯管(Cold CathodeFluorescent Lamp，CCFL)。
推挽式换流器310包括变压器T、电感L1、电感L2、开关M1、开关M2及谐振电容Cr。变压器T的一次侧具有绕组N1及N2，且绕组N1的第一端与绕组N2的第二端耦接至直流电源VDC的正端。绕组N1、电感L1及直流电源VDC在开关M1导通后形成一串联回路，而绕组N2、电感L2及直流电源VDC在开关M2导通后形成另一串联回路。且开关M1与开关M2根据一第一控制信号及一第二控制信号交替地被导通，以产生交流电压至变压器T。
变压器T的二次侧例如为串联谐振并联负载架构，变压器T的二次侧与谐振电容Cr耦接，以形成高通滤波器(High Pass Filter)，高通滤波器滤除交流电压的低频信号后，输出灯管电压驱动发光组件320。
电感L1及L2例如为共铁心的耦合电感，电感L1及L2分别具有第一端a1及第二端b1，且电感L1中第一端a 1的极性与电感L2的第一端a2相同。电感L1的第二端b1耦接至绕组N1的第二端，而电感L2的第一端a2耦接至绕组N2的第一端。
开关M1包括晶体管Q1、本体二极管D1(body diode)及寄生电容C1，而开关M2包括晶体管Q2、本体二极管D2及寄生电容C2。晶体管Q1及Q2例如为N型金属氧化物半导体场效应晶体管(Mental Oxide Semiconductor Fieldeffect Transistor，MOSFET)。
晶体管Q1的漏极端耦接至电感L1的第一端a1，而晶体管Q2的漏极端耦接至电感L2的第二端b2。晶体管Q1及Q2的源极端耦接至直流电源VDC的负端。
本体二极管D1及寄生电容C1并联于晶体管Q1的源极端与漏极端之间，而本体二极管D2及寄生电容C2并联于晶体管Q2的源极端与漏极端之间。
推挽式换流器310根据第一控制信号及第二控制信号交替地导通晶体管Q1及Q2，以产生交流电压至变压器T驱动发光组件320。第一控制信号在此实施例中是晶体管Q1的栅极端电压VG1，而第二控制信号在此实施例中是晶体管Q2的栅极端电压VG2。栅极端电压VG1及VG2例如由一外部控制器所提供。
当栅极端电压VG1为使能电平，使得晶体管Q1导通时，绕组N1、电感L1及直流电源VDC形成串联回路，能量WL被存储在电感L1中。而栅极端电压VG1由使能电平改变为非使能电平后，晶体管Q1截止，能量WL被耦合至电感L2以改变寄生电容C2两端电压。当寄生电容C2持续放电至导通本体二极管D2后，晶体管Q2的漏-源极端电压VDS2即视为零电压。
之后，当栅极端电压VG2由非使能电平改变为使能电平，使得晶体管Q2由截止改变为导通时，由于晶体管Q2的漏-源极端电压VDS2已维持在零电压，因此，将避免晶体管Q2由截止改变为导通时，所造成的切换损失。
基于上述的相同工作原理，当晶体管Q1由截止改变为导通时，由于晶体管Q1的漏-源极电压VDS1在导通前即维持在零电压，因此，晶体管Q1由截止改变为导通时，即工作在零电压切换状态，而达到零电压切换的效果。
请参照图4，其示出了推挽式换流器310的电压及电流的波形图。进一步来说，推挽式换流器310在时间0-t0，栅极端电压VG1是使能电平，而开关Q2的栅极端电压VG2是非使能电平，使得晶体管Q1处于导通(ON)状态，而晶体管Q2处于截止(OFF)状态。
由于晶体管Q1处于导通状态，直流电源VDC、绕组N1及电感L1形成串联回路。电流IDS1由电感L1的第二端b1流向第一端a1，电感L1在此期间将存储一能量WL。
当时间t0-t1时，开关Q1的栅极端电压VG1以及开关Q2的栅极端电压VG2皆为非使能电平，使得晶体管Q1及Q2皆处于截止状态。
电感L1所存储的能量WL使得寄生电容C1两端由零充电至2VDC，且能量WL被耦合至电感L2，使得寄生电容C2两端电压由2VDC被持续放电。当寄生电容C2两端电压被放电至恰使本体二极管D2导通时，晶体管Q2的漏-源极端电压VDS2接近于零。
换言之，由于电感维持电流连续的特性，且电感L1与L2的电流流出方向不同，因此，能量WL使得晶体管Q1在截止后，电流IDS1的电流方向由电感L1的第二端b1流向第一端a1，且电流IDS1由正电流峰值IP改变为零。而能量WL被耦合至电感L2，使得电流IDS2的电流方向由电感L2的第二端b2流向第一端a2，且电流IDS2由零改变为负电流峰值-IP。寄生电容C2两端电压将随电流IDS2改变，当寄生电容C2两端电压足以导通本体二极管D2时，晶体管Q2的漏-源极端电压VDS2即接近于零。
当时间t1-t2时，晶体管Q1的栅极端电压VG1以及晶体管Q2的栅极端电压VG2仍为非使能电平，使得晶体管Q1及Q2皆处于截止状态。电流IDS1是零，而电流IDS2自负电流峰值-IP开始改变。在此状态中，开关Q2的漏-源极端电压VDS2仍维持在零电压。
当时间t2-t3时，晶体管Q2的栅极端电压VG2由非使能电平改变为使能电平，而晶体管Q1的栅极端电压VG1为非使能电平，使得晶体管Q2处于导通状态，而晶体管Q1处于截止状态。由于晶体管Q2的漏-源极电压VDS2在时间t1时即维持在零电压，因此，当晶体管Q2由截止改变为导通时，是工作在零电压切换状态，所以推挽式换流器310能有效地降低晶体管Q2的切换损失，进而提高推挽式换流器310的转换效率。
同样地，基于上述的相同工作原理，当晶体管Q1由截止改变为导通时，由于晶体管Q1的漏-源极电压VDS1在导通前即维持在零电压，因此，晶体管Q1由截止改变为导通时，即工作在零电压切换状态，而达到零电压切换的效果。
此外，为了使开关Q1及Q2正确地工作在零电压切换状态，需适当地选择电感L1及电感L2的电感值L。例如，为了使电感L1的所存储的能量WL，足以使寄生电容C1两端电压由零充电至2VDC，以及使寄生电容C2两端电压由2VDC被持续放电至零电压，需使得 1 2 LI P 2 ≥ 4 C V DC 2 . 换言之，即最小电感值实质上等于
Figure A20071008787200132
而且，为了避免晶体管Q2导通后，电感L1耦合至电感L2的能量WL不为零所造成电路的能量抵销。电感L1及电感L2的电感值L需使得晶体管Q2导通后，电感L1耦合至电感L2的能量WL恰为零，以避免能量WL所产生的电流与晶体管Q2导通后的电流相互抵销。
本发明上述实施例所揭露的推挽式换流器及其驱动方法，是使推挽式换流器的开关工作在零电压切换状态下，因此将避免额外的切换损失，进而提高推挽式换流器的转换效率。
综上所述，虽然本发明已以一较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视本发明申请专利范围所界定者为准。

Claims (20)

1. 一种背光模块，包括：
一发光组件；以及
一推挽式换流器，包括：
一变压器，该变压器的一次侧具有一第一绕组及一第二绕组，该第一绕组及该第二绕组耦接至一直流电源，该变压器的二次侧耦接至该发光组件；
一第一电感及一第二电感；以及
一第一开关及一第二开关，该第一开关与该第二开关依据一第一控制信号及一第二控制信号交替地被导通，该第一开关在导通后，该第一电感、该第一开关、该第一绕组与该直流电源形成一第一串联回路，该第二开关在导通后，该第二电感、该第二开关、该第二绕组与该直流电源形成一第二串联回路，以使该变压器据以驱动该发光组件；
其中，当该第一控制信号由使能电平改变为非使能电平后，该第一电感耦合一能量至该第二电感，使得该第二控制信号达使能电平前，该第二开关两端的电压由一第一电压改变至一第二电压，且该第一电压大于该第二电压。
2. 如权利要求1所述的背光模块，其中，当该第二控制信号由使能电平改变为非使能电平后，该第二电感耦合该能量至该第一电感，使得该第一控制信号达使能电平前，该第一开关两端的电压由该第一电压改变至该第二电压，该第一电压大于该第二电压。
3. 如权利要求1所述的背光模块，其中，该第二电压实质上接近于零，该第一开关与该第二开关工作在零电压切换状态。
4. 如权利要求1所述的背光模块，其中，该第一绕组的第一端耦接至该第二绕组的第一端，该第一电感的第二端耦接至该第一绕组的第二端，该第二电感的第一端耦接至该第二绕组的第一端，且该第一电感及该第二电感的第一端极性相同，使得该第一电感与该第二电感的电流流出方向不相同。
5. 如权利要求1所述的背光模块，其中，该第一电感及该第二电感是共铁心的耦合电感。
6. 如权利要求1所述的背光模块，其中，该第一开关具有一第一本体二极管、一第一寄生电容及一第一场效应晶体管，该第二开关具有一第二本体二极管、一第二寄生电容及一第二场效应晶体管，该第一本体二极管及该第一寄生电容并联于该第一场效应晶体管的漏极端与源极端，该第二本体二极管及该第二寄生电容并联于该第二场效应晶体管的漏极端与源极端，该能量改变该第二寄生电容的电压以导通该第二本体二极管，使得该第二控制信号达使能电平前，该第二场效应晶体管的漏-源极端电压由该第一电压改变至该第二电压。
7. 如权利要求6所述的背光模块，其中，该第一绕组的第一端及该第二绕组的第一端耦接至该直流电源的正端，该直流电源的负端耦接至该第一场效应晶体管与该第二场效应晶体管的源极端，该变压器的二次侧与一谐振电容及该发光组件耦接。
8. 如权利要求1所述的背光模块，其中，该直流电源的电压是一直流电压值，当该第一控制信号由使能电平转为非使能电平后，该第一电感及该第二电感的电感值使该第一寄生电容的电压值由零上升至两倍的该直流电压值，且该第二寄生电容的电压值由两倍的该直流电压值下降至零。
9. 如权利要求8所述的背光模块，其中，流经该第一电感及该第二电感的最大电流是一电流峰值，该第一寄生电容与该第二寄生电容的电容值是一寄生电容值，该直流电压值与该电流峰值的比值平方是一定值，该第一电感及该第二电感的电感值实质上皆大于八倍的该定值与该寄生电容值的乘积。
10. 如权利要求1所述的背光模块，其中，当该第二控制信号由非使能电平转为使能电平时，该第一电感及该第二电感的电感值使耦合至该第二电感的该能量恰为零。
11. 一种液晶显示器，包括：
一面板；以及
一背光模块，该背光模块用以提供光线至该面板，该背光模块包括：
一发光组件；及
一推挽式换流器，包括：
一变压器，该变压器的一次侧具有一第一绕组及一第二绕组，该第一绕组及该第二绕组耦接至一直流电源，该变压器的二次侧耦接至该发光组件；
一第一电感及一第二电感；以及
一第一开关及一第二开关，该第一开关与该第二开关依据一第一控制信号及一第二控制信号交替地被导通，该第一开关在导通后，该第一电感、该第一开关、该第一绕组与该直流电源形成一第一串联回路，该第二开关在导通后，该第二电感、该第二开关、该第二绕组与该直流电源形成一第二串联回路，以使该变压器据以驱动该发光组件；
其中，当该第一控制信号由使能电平改变为非使能电平后，该第一电感耦合一能量至该第二电感，使得该第二控制信号达使能电平前，该第二开关两端的电压由一第一电压改变至一第二电压，且该第一电压大于该第二电压。
12. 如权利要求11所述的液晶显示器，其中，当该第二控制信号由使能电平改变为非使能电平后，该第二电感耦合该能量至该第一电感，使得该第一控制信号达使能电平前，该第一开关两端的电压由该第一电压改变至该第二电压，该第一电压大于该第二电压。
13. 如权利要求11所述的液晶显示器，其中，该第二电压实质上接近于零，该第一开关与该第二开关工作在零电压切换状态。
14. 如权利要求11所述的液晶显示器，其中，该第一绕组的第一端耦接至该第二绕组的第一端，该第一电感的第二端耦接至该第一绕组的第二端，该第二电感的第一端耦接至该第二绕组的第一端，且该第一电感及该第二电感的第一端极性相同，使得该第一电感与该第二电感的电流流出方向不相同。
15. 如权利要求11所述的液晶显示器，其中，该第一电感及该第二电感是共铁心的耦合电感。
16. 如权利要求11所述的液晶显示器，其中，该第一开关具有一第一本体二极管、一第一寄生电容及一第一场效应晶体管，该第二开关具有一第二本体二极管、一第二寄生电容及一第二场效应晶体管，该第一本体二极管及该第一寄生电容并联于该第一场效应晶体管的漏极端与源极端，该第二本体二极管及该第二寄生电容并联于该第二场效应晶体管的漏极端与源极端，该能量改变该第二寄生电容的电压以导通该第二本体二极管，使得该第二控制信号达使能电平前，该第二场效应晶体管的漏-源极端电压由该第一电压改变至该第二电压。
17. 如权利要求16所述的液晶显示器，其中，该第一绕组的第一端及该第二绕组的第一端耦接至该直流电源的正端，该直流电源的负端耦接至该第一场效应晶体管与该第二场效应晶体管的源极端，该变压器的二次侧与一谐振电容及该发光组件耦接。
18. 如权利要求11所述的液晶显示器，其中，该直流电源的电压是一直流电压值，当该第一控制信号由使能电平转为非使能电平后，该第一电感及该第二电感的电感值使该第一寄生电容的电压值由零上升至两倍的该直流电压值，且该第二寄生电容的电压值由两倍的该直流电压值下降至零。
19. 如权利要求18所述的液晶显示器，其中，流经该第一电感及该第二电感的最大电流是一电流峰值，该第一寄生电容与该第二寄生电容的电容值是一寄生电容值，该直流电压值与该电流峰值的比值平方是一定值，该第一电感及该第二电感的电感值实质上皆大于八倍的该定值与该寄生电容值的乘积。
20. 如权利要求11所述的液晶显示器，其中，当该第二控制信号由非使能电平转为使能电平时，该第一电感及该第二电感的电感值使耦合至该第二电感的该能量恰为零。
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