CN102710144B

CN102710144B - 一种调整变压器运行频率的方法及系统

Info

Publication number: CN102710144B
Application number: CN201210190542.0A
Authority: CN
Inventors: 高向辉; 冉宏宇
Original assignee: Suzhou Bei'ang Technology Co Ltd
Current assignee: Suzhou Beiang Intelligent Technology Co ltd
Priority date: 2012-06-11
Filing date: 2012-06-11
Publication date: 2014-09-10
Anticipated expiration: 2032-06-11
Also published as: CN102710144A

Abstract

本发明提供了一种调整变压器运行频率的方法，该方法包括：在预设范围内选取包括所述初始频率、小于初始频率的频率和大于初始频率的频率在内的至少三个频率；分别将所述选取的频率的驱动电压输入至变压器并运行相同的预设时间，分别记录与所述选取的频率的驱动电压相对应的变压器的输出电压；确定输出电压最小时对应的频率，作为调整后的变压器驱动电压频率；将调整后的频率的驱动电压输入至所述变压器。通过本发明的方法，使得变压器的运行频率尽可能的接近最佳运行频率，并且如果预设范围选取得当，则能够确定变压器的最佳运行频率，从而保证了变压器性能的最大发挥，也消除了频率偏移造成的影响。本发明还提供了一种调整变压器运行频率的系统。

Description

一种调整变压器运行频率的方法及系统

技术领域

本发明涉及变压器控制领域，尤其是涉及一种调整变压器运行频率的方法及系统。

背景技术

变压器是利用电磁感应的原理来改变电压的装置，主要构件是初级线圈、次级线圈和磁芯。其中，高频变压器凭借其运行频率在10kHz以上、转换效率高、体积小巧等特点广泛的应用于开关电源系统或大功率高频逆变变压器系统中。

在变压器的工作参数中，变压器运行时的运行频率对变压器的工作性能起到了很重要的作用。变压器只有处于最佳运行频率时，才能保证其工作处于最优状态，尤其对于高频变压器来说，即使运行频率相对于最佳运行频率相差很小，也会对高频变压器的工作状态产生很大的影响。如果不及时校正运行频率，使高频变压器长时间工作在非最佳运行频率，则会导致高频变压器的消耗功率加大、能效比变低、变压器本身加速发热，如果长时间运行在这种环境下甚至会导致变压器烧坏，影响到系统的正常运行。

目前在高频变压器应用中，通常是用固定的振荡芯片产生一固有频率，经过变压器振荡，在次级产生相对应的电压。理论上来说，该固有频率为变压器的最佳运行频率，因此使变压器运行在该固有频率上。但是，在变压器生产的过程中，不可避免会产生一定的生产误差，并且这种误差在生产的时候一般难以检测出来，却会造成最佳运行频率的偏移，为系统的正常使用带来了较大的隐患。并且在实际运行过程中，受到温度、湿度和气压等环境因素的影响，高频变压器的最佳运行频率也会出现偏移的现象。但是，这种应用中并没有考虑生产过程中产生的误差以及环境因素造成的高频变压器的固有频率与最佳运行频率的偏差，而使高频变压器运行在固有频率进而造成对高频变压器消耗功率加大、能效比变低、变压器本身温度过高甚至烧坏高频变压器的情况。

发明内容

本发明解决的技术问题在于提供一种调整变压器运行频率的方法及系统，可以将变压器的运行频率尽可能的接近最佳运行频率，避免了变压器运行在与最佳运行频率有一定偏差的固有频率而造成的有效比降低、温度过高等问题。

为此，本发明提供的一种调整变压器运行频率的方法包括步骤：

A、在包含初始频率的预设范围内选取包括所述初始频率、小于初始频率的频率和大于初始频率的频率在内的至少三个频率。

B、分别将所述选取的频率的驱动电压输入至所述变压器的输入端并运行相同的预设时间，分别记录与所述选取的频率的驱动电压相对应的变压器的输出电压。

C、根据步骤B的记录结果确定输出电压最小时对应的频率，作为调整后的变压器驱动电压频率。

D、将步骤C中调整后的频率的驱动电压输入至所述变压器的输入端。

优选地，步骤D之后进一步包括将变压器的初始频率替换成步骤C中的调整后的频率。

优选地，步骤C和D之间进一步包括：存储步骤C中的调整后的频率。

步骤A之前进一步包括：判断是否存储了所述调整后的频率，如果否，执行步骤A，如果是，将存储的所述调整后的频率的驱动电压输出至所述变压器的输入端。

优选地，所述步骤A中的选取为均匀选取。

优选地，步骤B和步骤D中的所述驱动电压为矩形波驱动电压。

优选地，所述初始频率为变压器的固有频率。

优选地，所述变压器为高频变压器。

本发明还提供了一种调整变压器运行频率的系统，所述变压器具有初始频率，所述系统包括：频率存储单元(1001)、控制模块(1002)和驱动模块(1003)。

所述控制模块(1002)用于从频率存储单元(1001)中读取在包含初始频率的预设范围内选取的包括所述初始频率、小于初始频率的频率和大于初始频率的频率在内的至少三个频率，并控制所述驱动模块(1003)向变压器(1004)输入具有所述读取的频率的驱动电压并分别运行相同的预设时间，接收所述变压器(1004)在各个频率的驱动电压下的输出电压值，将变压器输出电压值最小时对应的驱动电压频率作为调整后的变压器驱动电压频率，并控制驱动模块(1003)向所述变压器(1004)输入具有调整后的驱动电压频率的驱动电压。

优选地，所述系统还包括：与所述变压器输出端相连的电压测量单元(1101)，所述变压器在各个频率的驱动电压下的输出电压值是通过所述电压测量单元(1101)测量得到的。

优选地，所述控制模块(1002)包括：

读取子模块(1102)，用于从频率存储单元(1001)中读取在包含初始频率的预设范围内选取的包括所述初始频率、小于初始频率的频率和大于初始频率的频率在内的至少三个频率，并将读取的频率发送至控制子模块(1103)；

控制子模块(1103)，用于接收读取子模块(1102)读取的频率，控制驱动模块(1003)向变压器(1004)输入具有所述读取的频率的驱动电压并运行相同的预设时间，以及通知所述电压测量单元(1101)以所述相同的预设时间为间隔测量变压器(1004)的输出电压值，接收所述电压测量单元(1101)测量的输出电压值，将所述输出电压值最小时对应的驱动电压频率作为调整后的变压器驱动电压频率，并控制驱动模块(1003)向所述变压器(1004)输入具有调整后的驱动电压频率的驱动电压。

优选地，所述系统进一步包括MOS管，所述MOS管的栅极接驱动模块，所述MOS管的源极接地电压，所述MOS管的漏极接所述变压器的输入端。

优选地，所述变压器为高频变压器。

经由上述技术方案可知，本发明在包括初始频率的预设范围内选取了包括变压器的初始频率、小于初始频率的频率和大于初始频率的频率在内的至少三个频率，并使变压器在选取的频率上分别运行相同的时间，通过比较变压器的输出电压确定在该预设范围内变压器最接近最佳运行频率的运行频率，并将变压器的运行频率调整为上述调整后的运行频率。使得变压器的运行频率尽可能的接近最佳运行频率，并且如果预设范围选取得当，则能够确定变压器的最佳运行频率，并将最佳运行频率作为变压器的运行频率，从而保证了变压器性能的最大发挥，也消除了频率偏移对变压器运行频率的影响。

附图说明

图1为开关电源电路的结构示意图；

图2运行频率为64.62kHz的高频变压器的相关波形图；

图3运行频率为70.17kHz的高频变压器的相关波形图

图4运行频率为77.35kHz的高频变压器的相关波形图

图5为实现本发明方法的流程示意图；

图6为实现本发明方法的具体实施例流程示意图；

图7为实现本发明方法的另一具体实施例流程示意图；

图8为实现本发明方法的另一具体实施例流程示意图；

图9为实现本发明方法的另一具体实施例流程示意图；

图10为实现本发明系统的结构示意图；

图11为实现本发明系统的具体实施例的结构示意图；

图12为实现本发明系统的具体实施例的结构示意图。

具体实施方式

对于变压器来说，尤其是高频变压器，运行在更接近最佳运行频率的频率是保证变压器得到有效发挥的重要因素。如果不及时校正运行频率，使高频变压器工作在与最佳运行频率偏差较大的频率，则会导致高频变压器的消耗功率加大、能效比变低、变压器本身加速发热，如果长时间在这种环境下运行则甚至会导致高频变压器烧坏，影响到系统的正常运行。

发明人基于图1中的开关电源电路进行了多次实现，总结出如何测量变压器的最佳运行频率的方案。

请参阅图1，开关电源电路包括驱动电路101、MO S管102以及变压器103。变压器对接收到的电源电压进行相应的转化后输出。

图2、图3以及图4分别为变压器运行在不同频率时，通过采用500MHz的Tektronix公司的TDS5054示波器对驱动电路输出的电压的频率以及变压器与MOS管连接端的电压的频率测得的波形图。

可以看出，图3的输出负载电压是最小的，并且都运行了2小时后发现，图2的变压器发热量是最小的。从而图2中的变压器的运行状态更佳。并通过类似的实验能够总结出，在相同条件下，输出电压越小的变压器的运行状态越佳，此时对应的运行频率更接近变压器的最佳运行频率。

根据以上结论，本发明提供了一种调整变压器运行频率的方法。

请参阅图5，变压器具有初始频率，所述方法包括：

S501：在包含初始频率的预设范围内选取包括所述初始频率、小于初始频率的频率和大于初始频率的频率在内的至少三个频率。

S502：分别将所述选取的频率的驱动电压输入至所述变压器的输入端并运行相同的预设时间，分别记录与所述选取的频率的驱动电压相对应的变压器的输出电压。

S503：根据步骤S502的记录结果确定输出电压最小时对应的频率，作为调整后的变压器驱动电压频率。

S504：将步骤S503中调整后的频率的驱动电压输入至所述变压器的输入端。

S504之后可以进一步包括：将变压器的初始频率替换成S503中调整后的频率。这样在循环执行本发明实现的方法时，就可以使用上次调整后的频率作为本次执行的初始频率。保证每次循环都在更接近最佳运行频率的范围内寻找新的最接近最佳运行频率的频率。

S503和S504之间可以进一步包括：存储S503中的调整后的频率。S501之前进一步包括：判断是否存储了所述调整后的频率，如果否，执行S501，如果是，将存储的调整后的频率的驱动电压发送至所述变压器的输入端。

S501中的选取可以为均匀选取，也可以为按照预定规则的选取。

所述驱动电压可以为矩形波驱动电压，也可以为正弦波驱动电压。

所述变压器可以为高频变压器。由于高频变压器来说，即使运行频率相对于最佳运行频率相差很小，也会对高频变压器的工作状态产生很大的影响，而对于其他变压器来说，运行频率对其影响相对较小，因此本发明的方法主要用于对高频变压器的运行频率的调整。

所述初始频率可以为固有频率。一般在变压器第一次调整运行频率时，将初始频率设定为固有频率。在循环执行本发明的方法时，将初始频率设定为上次调整后的频率。

其中，固有频率是变压器生产过程中设定的最佳运行频率。

图6为本发明提供的一具体实施例。一高频变压器的固有频率为70kHz。该实施例为第一次调整该高频变压器运行频率的具体过程。由于是第一次调整运行频率，故选择该高频变压器的固有频率作为该次调整的初始频率。

具体步骤如下：

S 601：在65kHz到75kHz之间均匀选取20个频率。在该具体实施例中，预设的频率范围在变压器的固有频率为中心的正负5kHz区间内。通过这种设定预设频率的方式保证了选取的频率中能够包括变压器的固有频率。并且由于变压器的固有频率通常较接近变压器的最佳运行频率，因此在变压器的固有频率附近选取频率能够更接近变压器的最佳运行频率。在该实施例中，20个频率点是均匀选取的。在其他实施例中，也可以为其他方式选取。

S602：设置变压器的起始运行频率f＝65kHz。在该实施例中，变压器的起始运行频率为65kHz，此后以0.5kHz为单位逐步增加运行频率。在其他实施例中，也可以以其他的顺序运行S602中选取的20个频率，并不影响本发明的实现。

S603：将频率为f的矩形波驱动电压输入至变压器的输入端，并运行时间t。变压器的输入端的驱动电压的频率为变压器的工作频率。运行时间t保证了变压器在该频率下相对稳定的工作。

S604：记录与该频率f对应的变压器的输出电压。

S605：频率f增加0.5kHz，即f＝f+0.5kHz。

S606：判断频率f是否大于75kHz。也就是判断频率f是否超出了原来的预设频率范围。如果否，返回至S 603，次数变压器未运行完选取的20个频率。如果是，执行S607，此时变压器已经在选取的20个频率上运行完毕。

S608：比较之前记录的变压器的输出电压，确定该输出电压的最小值对应的频率，并将确定的频率作为调整后的变压器驱动电压频率。输出电压值最小时，表明变压器处于最佳的运行状态，上述调整后的频率为预设范围内最接近变压器最佳运行频率的频率。

S608：将该调整后的频率的矩形波驱动电压输入至所述变压器的输入端，即将该调整后的频率作为变压器的运行频率。

该具体实施例中，也可以用正弦波驱动电压代替矩形波驱动电压，并不影响本发明的实现。

图7为本发明提供的另一具体实施例。一高频变压器的固有频率为70kHz。具体过程如下：

S701：判断是否存储了运行频率，如果是，则，执行S710，如果否，执行S702。

S702至S708与S601至S607步骤相同，故不再赘述。

S709：存储该调整后的频率以及令f＝该调整后的频率。之后执行S711。

S710：读取已存储的运行频率，令f＝该运行频率。

S711：输入频率为f的矩形波驱动电压至变压器的输入端。

可以看出，该实施例与图6提供的实施例的区别在于，该实施例中对在S708中得到的调整后的频率进行存储，这样在运行该实施例的开始阶段，首先执行S701，即判断该高频变压器是否之前已调整过运行频率并将调整后的运行频率进行存储，如果是，则直接读取存储的运行频率并使得该高频变压器在存储的运行频率上运行，如果否，则调整该高频变压器的运行频率，并且初始频率仍为高频变压器的固有频率。

图8为本发明提供的另一具体实施例。一高频变压器的固有频率为70kHz。该实施例为第一次调整该高频变压器运行频率的具体过程。由于是第一次调整运行频率，故选择该高频变压器的固有频率作为该次调整的初始频率。具体过程如下：

S801至S807与S601至S607相同，故不再赘述。

S808：输入调整后的频率的矩形波驱动电压至变压器的输入端，用该调整后的频率替换该高频变压器的初始频率。

可以看出，该实施例与图6提供的实施例的区别在于，该实施例将调整后的频率作为初始频率，因此之后可以循环执行对高频变压器的运行频率的调整。并且此后循环执行时，可以将该实施例中的调整后的频率作为下次调整的初始频率。

图9提供另一实施例，具体说明在图8提供的实施例之后执行本发明方法的具体过程。图8提供的实施例中确定的调整后的频率为69kHz。

S901：在67Hz到71kHz之间均匀选取8个频率。在循环执行的过程中，初始频率可以为上一次调整过程中的调整后的频率，因此，该实施例的高频变压器的初始频率为69kHz。在第一次调整变压器运行频率之后的循环执行的过程中，预设范围的宽度可以相对于第一次调整的过程中的预设范围的宽度更窄。因此，在该具体实施例中，预设的频率范围在变压器的初始频率为中心的正负2kHz区间内，相比于图8提供的实施例中的+5kHz，范围更小。在该实施例中，8个频率点是均匀选取的。在其他实施例中，也可以为其他方式选取。

S902：设置变压器的起始运行频率f＝67kHz。在该实施例中，变压器的起始运行频率为67kHz，此后以0.5kHz为单位逐步增加运行频率。在其他实施例中，也可以以其他的顺序运行S 902中选取的8个频率，并不影响本发明的实现。

S903：将频率为f的矩形波驱动电压输入至变压器的输入端，并运行时间t。变压器的输入端的驱动电压的频率为变压器的工作频率。运行时间t保证了变压器在该频率下相对稳定的工作。

S904：记录与该频率f对应的变压器的输出电压。

S905：频率f增加0.5kHz，即f＝f+0.5kHz。

S906：判断频率f是否大于71kHz。也就是判断频率f是否超出了原来的预设频率范围。如果否，返回至S903，次数变压器未运行完选取的8个频率。如果是，执行S907，此时变压器已经在选取的8个频率上运行完毕。

S907：比较之前记录的变压器的输出电压，确定该输出电压的最小值对应的频率，并将确定的频率作为调整后的变压器驱动电压频率。

S908：将该调整后的频率的矩形波驱动电压输入至所述变压器的输入端，即将该调整后的频率作为变压器的运行频率。

S909：用调整后的频率替换初始频率。在下一次循环执行时，可以用本次得到的调整后的频率作为下次调整的初始频率。

本发明还提供了一种调整变压器运行频率的系统，所述变压器具有初始频率，请参阅图10，所述系统包括：频率存储单元1001、控制模块1002和驱动模块1003。

其中，所述控制模块1002用于从频率存储单元1001中读取在包含初始频率的预设范围内选取的包括所述初始频率、小于初始频率的频率和大于初始频率的频率在内的至少三个频率，并控制所述驱动模块1003向变压器1004输入具有所述读取的频率的驱动电压并分别运行相同的预设时间，接收所述变压器1004在各个频率的驱动电压下的输出电压值，将变压器输出电压值最小时对应的驱动电压频率作为调整后的变压器驱动电压频率，并控制驱动模块1003向所述变压器1004输入具有调整后的驱动电压频率的驱动电压。

请参阅图11，所述系统还可以包括，与所述变压器输出端相连的电压测量单元1101，所述变压器在各个频率的驱动电压下的输出电压值是通过所述电压测量单元1101测量得到的。

所述控制模块1002可以包括：读取子模块1102以及控制子模块1103。

读取子模块1102，用于从频率存储单元1001中读取在包含初始频率的预设范围内选取的包括所述初始频率、小于初始频率的频率和大于初始频率的频率在内的至少三个频率，并将所述至少三个频率发送至控制子模块1103。

控制子模块1103，用于接收读取子模块1102读取的频率，控制驱动模块1003向变压器1004输入具有所述读取的频率的驱动电压并运行相同的预设时间，以及通知所述电压测量单元1101以所述相同的预设时间为间隔测量变压器1004的输出电压值，接收所述电压测量单元1101测量的输出电压值，将所述输出电压值最小时对应的驱动电压频率作为调整后的变压器驱动电压频率，并控制驱动模块1003向所述变压器1004输入具有调整后的驱动电压频率的驱动电压。

所述系统还可以进一步包括MOS管，所述MOS管的栅极接驱动模块，所述MOS管的源极接地电压，所述MOS管的漏极接所述变压器的输入端。

所述变压器可以为高频变压器。

图12为实现本发明的系统的一具体实施例。在该实施例中，对开关电源电路中的高频变压器的运行频率进行调整。高频变压器的固有频率为105kHz。所述系统包括：电可擦可编程只读存储器(EEPROM)1201、CPU1202、驱动模块1203、电压测量模块1205以及MOS管1206。

CPU1105用于从EEPROM1101中读取65kHz至105kHZ之间均匀分布的20个频率，并控制所述驱动模块1203向MOS管1206的栅极输入具有所述读取的频率的驱动电压并分别运行相同的时间t，通知电压测量模块1205以时间t为间隔测量所述高频变压器1204在各个频率的驱动电压下的输出电压值，并接收所述电压测量模块1205发送的输出电压值，并将接收到的输出电压值与各个频率对应的存储到EEPROM1201，根据EEPROM1201的存储结果，将变压器输出电压值最小时对应的驱动电压频率作为调整后的变压器驱动电压频率，并控制驱动模块1203向所述MOS管1206的栅极输入具有调整后的驱动电压频率的驱动电压。

其中，MOS管1206的栅极与驱动模块1203相连，源极与地电压相连，漏极与高频变压器1204的输入端相连，高频变压器1204的输出端与电压测量单元1205相连。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种调整变压器运行频率的方法，其特征在于，变压器具有初始频率，所述方法包括：

A、在包含初始频率的预设范围内选取包括所述初始频率、小于初始频率的频率和大于初始频率的频率在内的至少三个频率；

B、分别将所述选取的频率的驱动电压输入至所述变压器的输入端并运行相同的预设时间，分别记录与所述选取的频率的驱动电压相对应的变压器的输出电压；

C、根据步骤B的记录结果确定输出电压最小时对应的频率，作为调整后的变压器驱动电压频率；

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤D之后进一步包括将变压器的初始频率替换成步骤C中的调整后的频率。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤C和D之间进一步包括：存储步骤C中的调整后的频率；

同时，在步骤A之前还进一步包括：判断是否存储了所述调整后的频率，如果否，执行步骤A，如果是，直接执行将存储的所述调整后的频率的驱动电压输出至所述变压器的输入端并结束流程。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤A中的选取为均匀选取。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤B和步骤D中的所述驱动电压为矩形波驱动电压。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述初始频率为变压器的固有频率。

7.根据权利要求1至6任意一项所述的方法，其特征在于，所述变压器为高频变压器。

8.一种调整变压器运行频率的系统，其特征在于，所述变压器具有初始频率，所述系统包括：频率存储单元(1001)、控制模块(1002)和驱动模块(1003)；

9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，还包括：与所述变压器输出端相连的电压测量单元(1101)，所述变压器在各个频率的驱动电压下的输出电压值是通过所述电压测量单元(1101)测量得到的。

10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述控制模块(1002)包括：

11.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述系统进一步包括MOS管，所述MOS管的栅极接驱动模块，所述MOS管的源极接地电压，所述MOS管的漏极接所述变压器的输入端。

12.根据权利要求8至11任意一项所述的系统，其特征在于，所述变压器为高频变压器。