CN101901670A - 高频互感器以及带有高频互感器的多路输出恒流源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高频互感器以及带有高频互感器的多路输出恒流源，该高频互感器包括磁芯(C)、初级绕组(Np)和多个次级绕组(Ns1，Ns2)，其中所述多个次级绕组与初级绕组(Np)分开设置，每一个次级绕组与初级绕组(Np)形成寄生电流互感器。寄生电流互感器保证了流经所述多个次级绕组(Ns1，Ns2)的电流大小保持所需的比例关系。

Description

高频互感器以及带有高频互感器的多路输出恒流源

技术领域

本发明涉及一种高频互感器，尤其是一种用于多路输出恒流源的高频互感器。此外，本发明还涉及具有这种高频互感器的多路输出恒流源。

背景技术

图1示出了目前普遍使用的一种用于多路输出恒流源的高频互感器的示意图。该互感器具有第一次级绕组Ns1、第二次级绕组Ns2以及初级绕组Np。从图1可以看到，次级绕组Ns1、Ns2以及初级绕组Np相互紧密地缠绕在磁芯C上。由于三个绕组的磁通几乎完全一致，即相互之间没有漏电感，并且三个绕组的导线在空间上紧密相邻，因此理想情况下可以视为它们相互之间的耦合系数K＝1。在这种情况下，这三个绕组沿共同的磁路Le_M_AB形成了理想变压器T。在高频领域中(在本申请中，高频是相对于市电频率而言的，其中高频的范围在20kHz以上的范围中)，通常使用变压器的这种设计，即通常将变压器设计为尽可能没有漏电感，因为具有漏电感的高频变压器会降低系统的效率，产生额外损耗。

图2示出了一种带有图1所示的互感器L1的多路输出恒流源。通过高频驱动信号对开关M1和M2的控制由直流电源Vdc产生流经互感器L1的初级绕组Np的变化电流，其中Le表示初级回路与两个次级回路间的总漏电感。在互感器L1的次级绕组侧存在并列的第一输出通道和第二输出通道，这些输出通道分别连接在次级绕组上，各负载(未示出)分别连接在第一输出通道和第二输出通道的输出端Vo1和Vo2上。第一输出通道中，次级绕组Ns1_1和二极管D1_1形成的支路与次级绕组Ns1_2和二极管D1_2构成全波整流电路，使得保证了输出所需的直流电流。第二输出通道具有与第一输出通道相同的结构。在这种电路拓扑结构中，为了保证第一输出通道和第二输出通道的输出电流平衡，需要使用电流互感器Lo来将第一输出通道和第二输出通道耦合，从而实现所要求的两路输出电流平衡的恒流源。在本申请中，平衡的含义是：各个通道的输出电流保持彼此间的一定比例关系，例如但不限于保持大小相等，即1比1。

上述系统的缺点在于，由于互感器的初级绕组Np、次级绕组Ns1_1、Ns1_2、Ns2_1和Ns2_2形成了耦合系数K接近于1的理想变压器，因此需要设置额外的电流互感器Lo以保证第一输出通道和第二输出通道中的电流平衡。然而这种分立元件导致系统的结构复杂，降低了系统效率并且不利于集成，系统的制造成本较为高昂。

发明内容

本发明的目的是，提供一种高频互感器，借助该高频互感器可以实现在多个输出通道上的平衡的输出电流。此外，本发明还要提供一种具有根据本发明的互感器的多路输出恒流源。

根据本发明，提供了一种高频互感器，包括磁芯C、初级绕组Np、多个次级绕组Ns1、Ns2，其中所述多个次级绕组Ns1、Ns2设置在初级绕组Np两侧，所述多个次级绕组通过初级绕组Np而在相互之间形成寄生电流互感器。

此外，根据本发明还提供了一种恒流源，所述多路输出恒流源包括：至少一个根据上述权利要求中的任一项所述的高频互感器；多个输出通路，其中所述输出通路分别连接到高频互感器的次级绕组上，使得通过互感器的寄生电流互感器保证了恒流源的各输出通道中的输出电流平衡。

借助本发明的高频互感器，可以实现高效率并且构造简单的多路输出电流源，该电流源在多路输出上的电流基本平衡。由于根据本发明的多路输出电流源无须使用外部的电流互感器来使得各输出支路的电流平衡，所以容易集成，提高了系统效率并且具有低的制造成本。

附图说明

本发明可以通过参考下文中结合附图所给出的描述而得到更好的理解，其中在所有附图中使用了相同或相似的附图标记来表示相同或者相似的部件。所述附图连同下面的详细说明一起包含在本说明书中并且形成本说明书的一部分，而且用来进一步举例说明本发明的优选实施例和解释本发明的原理和优点。在附图中：

图1示出了现有技术中的一种用于多路输出恒流源的高频互感器的原理性示意图；

图2示出了使用了图1所示的高频互感器的多路输出恒流源的电路图；

图3示出了根据本发明的一个实施例的用于多路输出恒流源的高频互感器的原理性示意图；

图4示出了根据本发明的一个实施例的用于多路输出恒流源的高频互感器绕线轴的示意性结构图；

图5示出了根据本发明的另一实施例的用于多路输出恒流源的高频互感器的原理性示意图；

图6示出了根据本发明的实施例的高频互感器的原理性等效电路图；

图7示出了根据本发明的一个实施例的多路输出恒流源的电路图，其中使用了根据本发明的高频互感器；

图8示出了根据本发明的另一实施例的多路输出恒流源的电路图，其中使用了根据本发明的高频互感器。

在附图中，相同或者相应的部件使用了相同的参考标记。

具体实施方式

在下文中将结合附图对本发明的示范性实施例进行描述。为了清楚和简明起见，在说明书中并未描述实际实施方式的所有特征。然而，应该了解，在开发任何这种实际实施例的过程中必须做出很多特定于实施方式的决定，以便实现开发人员的具体目标，并且这些决定可能会随着实施方式的不同而有所改变。此外，还应该了解，虽然开发工作有可能是非常复杂和费时的，但对得益于本公开内容的本领域技术人员来说，这种开发工作仅仅是例行的任务。

在此，还需要说明的一点是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的装置结构，而省略了与本发明关系不大的其他细节。

在类似50Hz或60Hz的低频领域中，由于在互感器中漏电感的影响并不显著，因此在互感器中不会关于漏电感提出过多要求。与此相对，在大于20kHz的高频领域中，通常需要尽可能避免漏电感，因为漏电感会明显影响电路特性，造成额外的损耗。因此，如上文中针对图1所描述的那样，在高频领域中通常采用初级和次级绕组紧密绕制的方式，以避免漏电感。然而，与现有技术不同，本发明正是希望利用高频领域中的互感器的漏电感来形成所需的电流互感器，从而实现互感器的多个次级绕组所在电路的电流平衡。本发明通过初级绕组与次级绕组的相互位置关系以及/或者磁芯的设计来实现发明目的。下面将借助实施例对本发明进行进一步描述。

图3示出了根据本发明一个实施例的用于多路输出恒流源的高频互感器的原理性示意图。需要说明的是，在图中为了说明互感器的原理而将相关要素示意性地示出，例如为了方便理解而将磁路示出为矩形，然而这对于本发明的实质并没有影响。

从图3可以看到的是，第一次级绕组Ns1、初级绕组Np以及第二次级绕组Ns2依次缠绕在磁芯C上。与图1中所示的现有技术的结构不同之处在于，这里的三个绕组Ns1、Np和Ns2并非相互紧密地缠绕，而是分开设置，也即每个次级绕组和初级绕组之间的耦合系数K小于1。从图中可以看到，绕组的这种设置使得产生三个磁路：三个绕组的共同磁路Le_M_AB、第一漏磁路Le_A和第二漏磁路Le_B。其中初级绕组Np和两个次级绕组Ns1、Ns2借助于共同磁路Le_M_AB形成了变压器T，此外由于漏磁路的存在，使得初级绕组Np与第一次级绕组Ns1在第一漏磁路Le_A上形成了寄生的第一电流互感器LA，并且初级绕组Np与第二次级绕组Ns2在第二漏磁路Le_B上形成了寄生的第二电流互感器LB。通过第一电流互感器LA和第二电流互感器LB以初级线圈为中介的相互作用，通过调整互感器参数(包括绕组的高度、厚度、间距、匝数)可以有利地使得两个次级绕组Ns1和Ns2中的电流保持平衡，而它们之间的电压相互影响忽略不计。

从图3可见，由于次级绕组与初级绕组分开设置，这种布置使得更容易产生漏磁路。特别地，次级绕组也并非必须与初级绕组间隔一定距离地设置，例如也可以分别和次级绕组有一定的交叠，本申请中所使用的术语“分开设置”应理解为包括部分交叠的情形。图3仅仅示出了一种优选的方案。在另一优选方案中，为了方便达到两个次级绕组电流相同的目的，可以使次级绕组关于初级绕组对称布置。当然，也可以不对称布置而通过调整绕组的各项参数来实现所需的电流比例。

为了有利于产生漏磁路，还可以将磁芯进行相应的设计。优选的是，所述磁芯被设计为适于针对每一个次级绕组产生同时通过该次级绕组和初级绕组、但是不通过其它次级绕组的漏磁路，以形成所述寄生电流互感器。特别优选的是，磁芯在初级绕组位置设计有间隙。

特别地，如图3中可以看到的那样，磁芯C由两个E型的磁芯部分组成，这两个E型的磁芯部分的中央横臂相对于上下横臂而言较短。E型的磁芯部分的这种构型使得它们组合在一起时中间横臂之间彼此留有一定间隙，从而在将绕组绕制于其上时更容易产生所需的漏磁路。

替选地，两个次级绕组Ns1和Ns2也可以绕制在E型的磁芯部分的较长的上横臂或下横臂上并相隔一定距离，以使得两个次级绕组之间的耦合系数小于1，优选小于0.9，而初级绕组Np仍然绕制在中央横臂上。这种布置同样可以实现本发明的目的，然而由于Ns1和Ns2的一部分磁路未经过Np，会导致系统效率的降低。

替选地，也可以设置4个次级绕组，分别对称地绕制在两个E型的磁芯部分的上下横臂上。本领域技术人员容易想到的是，也可能不仅仅设置两个次级绕组，而是设置多个次级绕组，使得它们利用漏磁路与初级绕组形成电流互感器，使得与相应次级绕组连接的输出通路中的电流保持平衡。

图4示出了根据本发明的一个实施例的用于多路输出恒流源的互感器绕线轴的示意性结构图。该绕线轴中心具有穿通孔，在利用该绕线轴将初级和次级绕组绕制之后再将磁芯穿过上述穿通孔，例如将两个E型的磁芯部分的中央横臂穿过穿通孔，从而形成完整的变压器。在图中可以看到的是，绕线轴被分为三个槽C1、C2和C3，初级绕组Np绕制在中间的槽C2中，而第一和第二次级绕组Ns1、Ns2分别绕制在两边的槽C1和C3中。优选的是，两个次级绕组关于初级绕组Np尽可能对称地构建，例如两个次级绕组距初级绕组Np之间的距离相同，使得初级绕组Np对两个次级绕组产生的影响相同。

图5示出了根据本发明的另一实施例的用于多路输出恒流源的互感器的原理性示意图。从图5中可以看出，这里的磁芯由两个C型的磁芯部分组成。这两个C型的磁芯部分的下横臂相对于上横臂而言较短。C型的磁芯部分的这种构型使得它们组合在一起时下横臂之间彼此留有一定间隙，从而在将绕组绕制于其上时更容易产生所需的漏磁路。并且在这种设计中，两个次级绕组Ns1和Ns2设置在初级绕组Np的两侧并设置在上横臂上，使得它们之间的耦合系数小于1，优选小于0.9。同样地，绕组的这种设置使得产生三个磁路：三个绕组的共同磁路Le_M_AB、第一漏磁路Le_A和第二漏磁路Le_B。其中初级绕组Np和两个次级绕组Ns1、Ns2形成了变压器T，此外由于漏磁路的存在，使得初级绕组Np与第一次级绕组Ns1在第一漏磁路Le_A上形成了寄生的第一电流互感器LA，并且初级绕组Np与第二次级绕组Ns2在第二漏磁路Le_B上形成了寄生的第二电流互感器LB。通过第一电流互感器LA和第二电流互感器LB的相互作用，通过调整互感器参数(包括绕组的高度、厚度、间距、匝数)可以有利地使得两个次级绕组Ns1和Ns2中的电流保持平衡，而它们之间的电压相互影响忽略不计。由于在C型磁芯中次级绕组Ns1和Ns2的磁路几乎都经过初级绕组Np，因此避免了在E型磁芯中当Ns1和Ns2与Np未设置在同一横臂上时效率降低的问题。

为了从原理上进行说明，图6示出了根据本发明的一个实施例的互感器的原理性等效电路图。如针对图3所阐述的那样，根据本发明的互感器在等效电路图中包含变压器T以及两个寄生电流互感器LA和LB。通常，次级绕组Ns1和Ns2所在的输出通道的电路结构相同，因此次级绕组Ns1及Ns2在完全相同的负载条件下，其输出电流是相等的，即I1＝I2。当例如次级绕组Ns1所在的输出通道连接的负载出现某种情况(例如老化)时，可能会使两次级绕组的输出电流不相等。假设I1＜I2，则当输出电流I1减小时，由于寄生电流互感器LA使得初级绕组中的电流Ip也减小。从互感器的等效结构图我们可看到，绕组Np_A与Np_B是串联的，因此流过寄生电流互感器LB的绕组Np_B的电流减小，从而导致次级绕组Ns2所在的输出通道的输出电流I2也减小，最终使I1＝I2。换言之，通过本发明的互感器的这种特殊设计，相当于使得两个次级绕组之间产生了一个电流互感器，该电流互感器使得两个次级绕组的电流保持平衡。另外，由于两个次级绕组设置在初级绕组两侧，使得次级绕组彼此之间的耦合系数K远小于1，优选的是K小于0.9，从而很大程度上避免了各次级绕组支路之间的电压直接相互影响。由于根据本发明的互感器的这种特性，使得可以省去现有技术中所需要的额外的电流互感器Lo。

图7示出了根据本发明的一个实施例的多路输出恒流源的电路图，其中使用了根据本发明的互感器。互感器的次级绕组Ns1、Ns2分别连接到相应的输出通路中。对于图7中与图2中的相同部分在此不再赘述，其中D是整流电路。从该电路图中可以看到的是，由于形成了寄生电流互感器Les_1-Les_3，使得第一输出通道和第二输出通道中的电流能够保持平衡，从而能够省去现有技术中所需要的额外的电流互感器Lo。换言之，利用根据本发明的互感器，等效于将原来所需的额外的电流互感器集成到了原来的变压器中，从而提高了系统的效率，并且降低了成本。

图8示出了根据本发明的另一实施例的多路输出恒流源的电路图，其中使用了根据本发明的互感器。如从图中可以看到的那样，图8的电路中使用了与图2中相同的“谐振LLC拓扑结构”。在图8的实施例中，第一输出通路具有绕组Ns1_1和Ns1_2，第二输出通路具有绕组Ns2_1和Ns2_2。它们形成类似于图2所示的电路结构。由于二极管D1_1、D1_2、D2_1和D2_2的单向导通特性，在第一输出通路的电流路径Ns1_1-Les_1-D1_1导通时，另一电流路径Ns1_2-Les_2-D1_2阻断。同理，第二输出通路的电流路径Ns2_1-Les_3-D2_1导通，而另一电流路径Ns2_2-Les_4-D2_2阻断。因此，相当于Les_1和Les_3形成了寄生电流互感器，而Les_2和Les_4形成了另一寄生电流互感器。并且该电路已具有整流功能。与上面针对图7所阐述的同样的原理，使得保证了第一输出通路和第二输出通路中的输出电流平衡，并且无需额外的电流互感器，使得提高了系统效率，并且降低了成本。

根据本发明的互感器不仅可以单独使用，在需要更多个输出通路时也可以将多个互感器并联地使用。例如，使用N个根据本发明的图3所示的互感器可以实现2N个输出通路。

目前在一般照明应用中希望高的电光转换效率的发光装置。为了使得应用设计简单，一种方式是使用独立的电源(insulated power supply)，这种电源的特点是，其具有多个输出通道，各个通道的输出电流保持平衡，而电压是彼此独立的。特别是在LED照明应用中情况如此。为了得到大的照明强度，通常将多个发光装置彼此并联。这种系统的重要的方面在于整个照明系统的效率和成本，而电源拓扑结构的选择对于该效率及成本具有显著影响。

根据本发明的多路输出恒流源可以应用在LED照明中。在LED照明中或者在LED显示器中为了达到高的亮度常常使用多个LED串，而需要流经这些LED串的电流大小相同，以便实现均匀的照明。通过使用根据本发明的多路输出恒流源，可以将上述多个LED串分别连接在多路输出恒流源的各输出通道中，该多路输出恒流源可以自动地将各个输出通路的输出电流保持平衡，特别是保持相同。

最后，还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。此外，在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上虽然结合附图详细描述了本发明的实施例，但是应当明白，上面所描述的实施方式只是用于说明本发明，而并不构成对本发明的限制。对于本领域的技术人员来说，可以对上述实施方式作出各种修改和变更而没有背离本发明的实质和范围。因此，本发明的范围仅由所附的权利要求及其等效含义来限定。

Claims (16)

1.一种高频互感器，包括磁芯(C)、初级绕组(Np)和多个次级绕组(Ns1，Ns2)，其中所述多个次级绕组(Ns1，Ns2)与初级绕组(Np)分开设置，每一个次级绕组与初级绕组(Np)形成寄生电流互感器。

2.根据权利要求1所述的高频互感器，其中所述多个次级绕组(Ns1，Ns2)关于初级绕组(Np)对称地设置。

3.根据上述权利要求中的任一项所述的高频互感器，其中所述磁芯(C)被设计为适于针对每一个次级绕组产生同时通过该次级绕组和初级绕组，但是不通过其它次级绕组的漏磁路，以形成所述寄生电流互感器。

4.根据上述权利要求中的任一项所述的高频互感器，其中所述磁芯(C)在初级绕组位置设计有间隙。

5.根据上述权利要求中的任一项所述的高频互感器，其中所述磁芯(C)由两个C或者E型的磁芯部分组成，这两个磁芯部分的初级绕组所在的横臂相对于其它横臂而言较短。

6.根据上述权利要求中的任一项所述的高频互感器，包括两个次级绕组，并包括绕线轴，其中在绕线轴上设置有三个槽(C1，C2，C3)，第一次级绕组(Ns1)、初级绕组(Np)和第二次级绕组(Ns2)依次分别设置在所述三个槽(C1，C2，C3)中。

7.根据权利要求6所述的高频互感器，其中第一次级绕组(Ns1)距初级绕组(Np)的距离与第二次级绕组(Ns2)距初级绕组(Np)的距离相同。

8.根据权利要求5所述的高频互感器，其中次级绕组设置在与初级绕组相同的横臂上。

9.根据权利要求5所述的高频互感器，其中次级绕组设置在与初级绕组不同的横臂上。

10.根据权利要求5所述的高频互感器，其中在两个E型的磁芯部分构成的磁芯的上下横臂上设置多个次级绕组。

11.根据上述权利要求中的任一项所述的高频互感器，其中每一个次级绕组又分别包括两个绕组，从而在每一个次级绕组与初级绕组之间形成两个寄生电流互感器。

12.根据上述权利要求中的任一项所述的高频互感器，其中次级绕组之间的耦合系数K小于0.9。

13.一种多路输出恒流源，所述多路输出恒流源包括：至少一个根据上述权利要求中的任一项所述的高频互感器；多个输出通路，其中所述输出通路分别连接到高频互感器的次级绕组上。

14.根据权利要求13所述的多路输出恒流源，其中所述多路输出恒流源的输出通道是对称的。

15.根据权利要求13或14所述的多路输出恒流源，其中所述多路输出恒流源的各个输出通道的电压彼此无关。

16.根据权利要求13至15中的任一项所述的多路输出恒流源，其中所述多路输出恒流源用于发光二极管照明模块。

Images