CN105099212A - 升压装置及串联型变压器装置 - Google Patents
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Abstract
一种升压装置及串联型变压器装置。串联型变压器装置包含有多个变压器。这些变压器中的第一个变压器的初级侧绕组的第一端与第二端分别耦接至所述串联型变压器装置的第一输入端与第二输入端。第一个变压器的第一次级侧绕组的第一端耦接至所述串联型变压器装置的第一输出端。这些变压器中的第i个变压器的第一次级侧绕组的第一端耦接至这些变压器中的第i-1个变压器的第一次级侧绕组的第二端，其中i为大于1的整数。第i个变压器的初级侧绕组的第一端与第二端分别耦接至第i-1个变压器的第二次级侧绕组的第一端与第二端。
Description
技术领域
本发明涉及一种电力供应装置，且特别涉及一种升压装置及串联型变压器装置。
背景技术
在一些机电装置中，需要配置升压装置以便提供高压电。举例来说，介电质放电系统(DielectricDischargeSystem)中可能会配置有升压装置。此介电质放电系统为大气等离子(plasma)应用之一，而大气等离子产生器的开发趋势朝向大面积且高功率发展。目前介电质放电技术已被广泛使用于各产业上，包含：光电与半导体产业、汽车零组件、粘着之前处理产业等，其优势为大型化与可快速量产。此介电质放电系统可以应用于臭氧产生器、表面改质或等离子干蚀刻等。因介电质放电系统点燃需要较高电压(约20k～30kVp-p)，因此需要利用升压装置将换流器的输出电压提升。
升压装置的常见实施方式是利用单一个高压变压器将换流器的输出电压提升。图1是说明利用单一个高压变压器110实现升压装置100的电路示意图。高压变压器110的初级侧绕组(primary-sidewinding)的第一端与第二端分别耦接至交流电源10的第一输出端与第二输出端。高压变压器110的次级侧绕组(secondary-sidewinding)的第一端与第二端分别耦接至负载20的第一电源端与第二电源端。在此假设高压变压器110的初级侧绕组匝数N1为50，而高压变压器110的次级侧绕组匝数N2为1250。因此，升压装置100形成了单一级25倍高压变压器电路，而将输入电压V1(即交流电源10的输出电压)直接升压到所需要的输出电压V2＝24kVp-p，其中Vp-p表示峰对峰电压值。
图2是说明图1所示升压装置100的输入电压V1与输出电压V2的波形示意图。在图2所示波形图中，横轴表示时间，而纵轴表示电压。请参照图1与图2，由于高压变压器110的漏感、高压变压器110的初级侧绕组的寄生电容CA与高压变压器110的次级侧绕组的寄生电容CB的关系，图1所示升压装置100的输入电压V1与输出电压V2的波形如图2所示，其中输入电压V1与输出电压V2均为交流电。单级高压变压器110所构成的升压装置100主要因为变压器次级侧线匝圈数过高的关系，使得变压器寄生元件效应变得显著而无法容忍，进而造成输出失真情况。
变压器110的能量消耗原因为变压器寄生元件(例如寄生电容和/或感应电感)所造成。如果利用单一个高压变压器110执行升压功能，容易因单一个高压变压器110里面线圈间的跨压过大关系，使得寄生电容与感应电感的影响/效应变得显著而无法容忍。所述寄生电容与感应电感会影响高压变压器次级侧(secondary-side)的输出波形失真。
发明内容
本发明提供一种升压装置及串联型变压器装置，可有效降低变压器里面线圈间的跨压。
本发明的实施例提出一种串联型变压器装置。串联型变压器装置包含有多个变压器。这些变压器中的第一个变压器的初级侧绕组(primary-sidewinding)的第一端与第二端分别耦接至所述串联型变压器装置的第一输入端与第二输入端。第一个变压器的第一次级侧绕组(firstsecondary-sidewinding)的第一端耦接至所述串联型变压器装置的第一输出端。这些变压器中的第i个变压器的第一次级侧绕组的第一端耦接至这些变压器中的第i-1个变压器的第一次级侧绕组的第二端，其中i为大于1的整数。第i个变压器的初级侧绕组的第一端与第二端分别耦接至第i-1个变压器的第二次级侧绕组(secondsecondary-sidewinding)的第一端与第二端。
本发明的实施例提出一种升压装置，其包含有换流器以及串联型变压器装置。串联型变压器装置包括多个变压器。这些变压器中的第一个变压器的初级侧绕组的第一端与第二端分别耦接至所述换流器的第一输出端与第二输出端。第一个变压器的第一次级侧绕组的第一端耦接至所述串联型变压器装置的第一输出端。这些变压器中的第i个变压器的第一次级侧绕组的第一端耦接至这些变压器中的第i-1个变压器的第一次级侧绕组的第二端，其中i为大于1的整数。第i个变压器的初级侧绕组的第一端与第二端分别耦接至第i-1个变压器的第二次级侧绕组的第一端与第二端。
在本发明公开的一实施例中，上述变压器的数量为N。这些变压器中的第N个变压器的初级侧绕组的第一端与第二端分别耦接至这些变压器中的第N-1个变压器的第二次级侧绕组的第一端与第二端。第N个变压器的第一次级侧绕组的第一端耦接至第N-1个变压器的第一次级侧绕组的第二端。第N个变压器的第一次级侧绕组的第二端耦接至所述串联型变压器装置的第二输出端。
在本发明公开的一实施例中，上述的串联型变压器装置还包括谐振电感。谐振电感耦接于所述串联型变压器装置的第一输入端与第一个变压器的初级侧绕组的第一端之间。
在本发明公开的一实施例中，上述的串联型变压器装置还包括谐振电感。谐振电感耦接于第i-1个变压器的第二次级侧绕组的第一端与第i个变压器的初级侧绕组的第一端之间。
在本发明的一实施例中，上述的第i个变压器中，初级侧绕组与第二次级侧绕组的线圈圈数比例为1：1。
基于上述，本发明实施例所述串联型变压器装置将多个变压器的次级侧绕组相互串联来提供高电压。因此，每一个变压器各自内部线圈间的跨压/电压差可以被有效降低。
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图作详细说明如下。
附图说明
图1是说明利用单一个高压变压器实现升压装置的电路示意图。
图2是说明图1所示升压装置的输入电压V1与输出电压V2的波形示意图。
图3是依照本发明一实施例说明一种升压装置的电路示意图。
图4是依照本发明一实施例说明图3所示升压装置的电路示意图。
图5是说明图4所示升压装置的输入电压Vin与输出电压Vout的波形示意图。
图6是依照本发明另一实施例说明图3所示升压装置的电路示意图。
图7至图10是说明图6所示电路的电压波形模拟结果的示意图。
【符号说明】
10：交流电源
20：负载
30：直流电源
100：升压装置
110：高压变压器
300：升压装置
310：换流器
320：串联型变压器装置
321、322、323：谐振电感
341、351、361：初级侧绕组
342、352：第二次级侧绕组
343、353、362：第一次级侧绕组
C1、C2、C3、C4、CA、CB：寄生电容
Cair、Cd：电容
D1、D2、D3、D4：本体二极管
NP1、NP2、N1：初级侧绕组匝数
N2：次级侧绕组匝数
NSA1、NSA2：第一次级侧绕组匝数
NSB1：第二次级侧绕组匝数
S1、S2、S3、S4：功率开关
T1、T2、T3、T(i-1)、T(i)、T(N-1)、T(N)：变压器
V1、Vin：输入电压
V2、Vo1、Vo2、Vo3、Vout：输出电压
Vin1：电压
具体实施方式
在本发明说明书全文(包括权利要求书)中所使用的「耦接」一词可指任何直接或间接的连接手段。举例而言，若文中描述第一装置耦接于第二装置，则应该被解释成该第一装置可以直接连接于该第二装置，或者该第一装置可以通过其他装置或某种连接手段而间接地连接至该第二装置。另外，凡可能之处，在附图及实施方式中使用相同标号的元件/构件/步骤代表相同或类似部分。不同实施例中使用相同标号或使用相同用语的元件/构件/步骤可以相互参照相关说明。
图3是依照本发明一实施例说明一种升压装置300的电路示意图。升压装置300包括换流器(inverter)310以及串联型变压器装置320。依据设计需求，换流器310可以是任何类型换流器电路，例如全桥换流器(full-bridgeinverter)、半桥换流器(half-bridgeinverter)或是其他换流器电路。换流器310可以将直流电源30所提供的直流电转换为交流电。直流电源30可以是降压转换器(buckconverter)、升压转换器(boostconverter)、桥式整流电路和/或其他直流电源供应电路。举例来说，直流电源30可以将市电(例如三相交流电)整流为单相直流电。
串联型变压器装置320的第一输入端与第二输入端分别耦接至换流器310的第一输出端与第二输出端以接收所述交流电。串联型变压器装置320的第一输出端与第二输出端分别耦接至负载20的第一电源端与第二电源端。串联型变压器装置320可以将换流器310所提供的交流电(即输入电压Vin)进行升压而对应提供输出电压Vout给负载20。在本实施例中不限制所述负载20的特性。在一些应用范例中，负载20可能是电容性负载、电感性负载和/或其他负载。所述电容性负载可能是介电质放电系统(DielectricBarrierDischargeSystem)等。所述电感性负载可能是电动马达等。
串联型变压器装置320包括多个变压器，例如图3所示变压器T1、T2、…、T(i-1)、T(i)、…、T(N-1)、T(N)，其中N为整数，而i为在1至N范围内的整数。这些变压器中第一个变压器T1的初级侧绕组(primary-sidewinding)的第一端与第二端分别耦接至串联型变压器装置320的第一输入端与第二输入端，即分别耦接至换流器310的第一输出端与第二输出端。第一个变压器T1的第一次级侧绕组(firstsecondary-sidewinding)的第一端耦接至串联型变压器装置320的第一输出端，即耦接至负载20的第一电源端。
这些变压器中的第i个变压器T(i)的第一次级侧绕组的第一端耦接至这些变压器中的第i-1个变压器T(i-1)的第一次级侧绕组的第二端。举例来说，第二个变压器T2的第一次级侧绕组的第一端耦接至第一个变压器T1的第一次级侧绕组的第二端。第i个变压器T(i)的初级侧绕组的第一端与第二端分别耦接至第i-1个变压器T(i-1)的第二次级侧绕组(secondsecondary-sidewinding)的第一端与第二端。举例来说，第二个变压器T2的初级侧绕组的第一端与第二端分别耦接至第一个变压器T1的第二次级侧绕组的第一端与第二端。
在此假设这些变压器的数量为N。这些变压器中的第N个变压器T(N)的初级侧绕组的第一端与第二端分别耦接至这些变压器中的第N-1个变压器T(N-1)的第二次级侧绕组的第一端与第二端。第N个变压器T(N)的第一次级侧绕组的第一端耦接至第N-1个变压器T(N-1)的第一次级侧绕组的第二端。第N个变压器T(N)的第一次级侧绕组的第二端耦接至串联型变压器装置320的第二输出端，即耦接至负载20的第二电源端。
本实施例利用多组变压器T1～T(N)的输出绕组(第一次级侧绕组)串接后形成串联型变压器装置320拓扑。利用串联型变压器装置320可降低线圈间的漏感以及寄生电容效应，进而提升变压器效率且降低热能消耗。
图4是依照本发明一实施例说明图3所示升压装置300的电路示意图。在图4所示实施例中，串联型变压器装置320包含两组变压器，即变压器T1与T2。变压器T1的初级侧绕组的第一端与第二端分别耦接至串联型变压器装置320的第一输入端与第二输入端，即分别耦接至换流器310的第一输出端与第二输出端。变压器T1的第一次级侧绕组的第一端耦接至串联型变压器装置320的第一输出端，即耦接至负载20的第一电源端。变压器T2的初级侧绕组的第一端与第二端分别耦接至变压器T1的第二次级侧绕组的第一端与第二端。变压器T2的第一次级侧绕组的第一端耦接至变压器T1的第一次级侧绕组的第二端。变压器T2的第一次级侧绕组的第二端耦接至串联型变压器装置320的第二输出端，即耦接至负载20的第二电源端。
在同一个变压器中，初级侧绕组与第二次级侧绕组的线圈圈数比例为1：1。在其他应用需求下，初级侧绕组与第二次级侧绕组的线圈圈数比例不限于1：1。在此假设(但不限于此)，图4所示变压器T1的初级侧绕组匝数NP1为10，变压器T1的第一次级侧绕组匝数NSA1为150，而变压器T1的第二次级侧绕组匝数NSB1为10。图4所示变压器T2的初级侧绕组匝数NP2为10，而变压器T2的第一次级侧绕组匝数NSA2为100。因输出电压Vout被分压的关系，使变压器T1的第一次级侧绕组两端跨压(电压差)与变压器T2的第一次级侧绕组两端跨压皆可以降低。第一次级侧绕组两端跨压降低的情况下，变压器内部寄生元件(例如寄生电容和/或感应电感)所造成的损耗也可以降低。
图5是说明图4所示升压装置300的输入电压Vin与输出电压Vout的波形示意图。在图5所示波形图中，横轴表示时间，而纵轴表示电压。请参照图4与图5，在此假设输入电压Vin的均方根值为100V，而换流器310的输出电流的均方根值为0.8A，则升压装置300的输入功率为80W。若负载20的阻值为36.75Kohm，则输出电压Vout的均方根值为1.64KV，升压装置300的输出功率为73W。
在此以图1所示电路相较于图4所示电路。假设图1所示输入电压V1的均方根值为100V，而交流电源10的输出电流的均方根值为0.8A，则升压装置100的输入功率为80W。若负载20的阻值为36.75Kohm，则图1所示输出电压V2的均方根值为1.33KV，升压装置100的输出功率为48W。比较图4所示串联型变压器装置320的输出功率与图1所示单一个高压变压器110的输出功率，二者相差25W。也就是说，图4所示串联型变压器装置320的输出功率提升31％。
图6是依照本发明另一实施例说明图3所示升压装置300的电路示意图。图6所示负载20是以电容性负载(例如介电质放电系统)为应用范例，其等效电路包括电容Cair、电容Cd与齐纳二极管(Zenerdiode)。换流器310将直流电源30所提供电能转换为交流电。串联型变压器装置320的变压器T1～T3将换流器310所提供的交流电升压为输出电压Vout，以驱动负载20。在图6所示实施例中，换流器310可以是全桥换流器，其包括功率开关S1、S2、S3与S4。功率开关S1～S4可以是金属氧化物半导体场效应晶体管(Metal-Oxide-Semiconductorfield-effecttransistor，MOSFET)或是其他开关元件。图6所示二极管D1、D2、D3与D4分别表示功率开关S1～S4的本体二极管，而电容C1、C2、C3与C4分别表示功率开关S1～S4的寄生电容。功率开关S1的两端分别耦接至换流器310的第一输入端与第一输出端。功率开关S2的两端分别耦接至换流器310的第二输入端与第一输出端。功率开关S3的两端分别耦接至换流器310的第一输入端与第二输出端。功率开关S4的两端分别耦接至换流器310的第二输入端与第二输出端。
在图6所示实施例中，串联型变压器装置320包含三组变压器，即变压器T1、T2与T3。在同一个变压器中，初级侧绕组与第二次级侧绕组的线圈圈数比例为1：1。串联型变压器装置320还选择性地包含谐振电感321、322与323。谐振电感321的第一端与第二端分别耦接至换流器310的第一输出端与变压器T1的初级侧绕组341的第一端。变压器T1的初级侧绕组341的第二端耦接至换流器310的第二输出端。变压器T1的第一次级侧绕组343的第一端耦接至串联型变压器装置320的第一输出端，即耦接至负载20的第一电源端。谐振电感322的第一端与第二端分别耦接于变压器T1的第二次级侧绕组342的第一端与变压器T2的初级侧绕组351的第一端。变压器T2的初级侧绕组351的第二端耦接至变压器T1的第二次级侧绕组342的第二端。变压器T2的第一次级侧绕组353的第一端耦接至变压器T1的第一次级侧绕组343的第二端。变压器T2的第一次级侧绕组353的第二端耦接至变压器T3的第一次级侧绕组362的第一端。谐振电感323的第一端与第二端分别耦接于变压器T2的第二次级侧绕组352的第一端与变压器T3的初级侧绕组361的第一端。变压器T2的第二次级侧绕组352的第二端耦接至变压器T3的初级侧绕组361的第二端。变压器T3的第一次级侧绕组362的第二端耦接至串联型变压器装置320的第二输出端，即耦接至负载20的第二电源端。
在本实施例中，谐振电感321、322和/或323可以是实体电感器。在其他实施例中，谐振电感321、322与323中的一或多个可能被省略。举例来说，谐振电感322和/或323可能被省略。
第一级变压器T1的第一次级侧绕组343的跨压是由初级侧绕组341经第一级变压器T1升压后形成。第二级变压器T2的第一次级侧绕组353的跨压是由初级侧绕组351经第二级变压器T2升压形成。第三级变压器T3的第一次级侧绕组362的跨压是由初级侧绕组361经第三级变压器T3升压形成。第一级变压器T3中第一次级侧绕组343串接第二级变压器T2的第一次级侧绕组353，而第二级变压器T2的第一次级侧绕组353串接第三级变压器T3的第一次级侧绕组362。相互串接的第一次级侧绕组343、353与362上的跨压相加总后成为输出电压Vout。输出电压Vout可以驱动负载20(例如介电质放电负载)。因此，介电质放电负载20有足够跨压可产生等离子。
综上所述，图6所示实施例利用三组变压器T1～T3的输出绕组(第一次级侧绕组)相互串接后形成串联型变压器装置320拓扑。本实施例所述串联型变压器装置320将多个变压器T1～T3的第一次级侧绕组相互串联来，以提供高电压给负载20。因此，每一个变压器各自内部线圈间的跨压/电压差可以被有效降低。利用串联型变压器装置320可降低线圈间的漏感以及寄生电容效应，进而提升变压器效率以及降低热能消耗。谐振电感321、322与323可以使换流器310输出阻抗匹配为电感性，降低换流器310的功率晶体管(功率开关)硬切时造成的突波电流，增加功率晶体管寿命。
图7至图10是说明图6所示电路的电压波形模拟结果的示意图。在图7至图10所示波形图中，横轴表示时间，而纵轴表示电压。图7所示电压曲线是换流器30的输出电压(即输入电压Vin)的波形，其均方根值Vin，rms＝300V，而峰对峰值Vin，p-p＝600V(+/-300V)。图8所示电压曲线是第一级变压器T1的初级侧绕组341的电压Vin1的波形。因经由谐振电感321升压的关系，初级侧绕组341的电压Vin1的均方根值Vin1，rms＝680.35V，而电压Vin1的峰对峰值Vin1，p-p＝1.8325kV(+/-916.25V)。图9所示电压曲线分别为第一次级侧绕组343、353与362的输出电压Vo1、Vo2与Vo3的波形，其均方根值均为Vo1，rms＝Vo2，rms＝Vo3，rms＝2.72kV，而峰对峰值为Vo1，p-p＝Vo2，p-p＝Vo3，p-p＝7.33kV(+/-3.66kV)。图10所示电压曲线是负载20上两电源输入端之间的电压(即输出电压Vout)的波形，其均方根值为Vout，rms＝8.16kV，而峰对峰值Vout，p-p＝22kV(+/-11kV)。综合上述模拟结果可知，串联型变压器装置320中各输出绕组(第一次级侧绕组)的电压降成输出电压Vout的1/3，进而改善换流器310的输出电压(即输入电压Vin)因变压器的寄生元件造成电压波形失真的问题。
虽然本发明已以实施例公开如上，然其并非用以限定本发明，本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围当视所附权利要求书界定范围为准。
Claims (10)
1.一种串联型变压器装置，其特征在于该串联型变压器装置包含有：
多个变压器，这些变压器中的第一个变压器的初级侧绕组的第一端与第二端分别耦接至所述串联型变压器装置的第一输入端与第二输入端，该第一个变压器的第一次级侧绕组的第一端耦接至所述串联型变压器装置的第一输出端，这些变压器中的第i个变压器的第一次级侧绕组的第一端耦接至这些变压器中的第i-1个变压器的第一次级侧绕组的第二端，该第i个变压器的初级侧绕组的第一端与第二端分别耦接至该第i-1个变压器的第二次级侧绕组的第一端与第二端，其中i为大于1的整数。
2.如权利要求1所述的串联型变压器装置，其中，这些变压器的数量为N，这些变压器中的第N个变压器的初级侧绕组的第一端与第二端分别耦接至这些变压器中的第N-1个变压器的第二次级侧绕组的第一端与第二端，该第N个变压器的第一次级侧绕组的第一端耦接至该第N-1个变压器的第一次级侧绕组的第二端，该第N个变压器的该第一次级侧绕组的第二端耦接至所述串联型变压器装置的第二输出端。
3.如权利要求1所述的串联型变压器装置，还包括：
谐振电感，耦接于所述串联型变压器装置的该第一输入端与该第一个变压器的该初级侧绕组的该第一端之间。
4.如权利要求1所述的串联型变压器装置，还包括：
谐振电感，耦接于该第i-1个变压器的该第二次级侧绕组的该第一端与该第i个变压器的该初级侧绕组的该第一端之间。
5.如权利要求1所述的串联型变压器装置，其中，在该第i个变压器中，该初级侧绕组与该第二次级侧绕组的线圈圈数比例为1：1。
6.一种升压装置，其特征在于该升压装置包含有：
换流器以及串联型变压器装置，该串联型变压器装置包含有多个变压器，这些变压器中的第一个变压器的初级侧绕组的第一端与第二端分别耦接至所述换流器的第一输出端与第二输出端，该第一个变压器的第一次级侧绕组的第一端耦接至所述串联型变压器装置的第一输出端，这些变压器中的第i个变压器的第一次级侧绕组的第一端耦接至这些变压器中的第i-1个变压器的第一次级侧绕组的第二端，该第i个变压器的初级侧绕组的第一端与第二端分别耦接至该第i-1个变压器的第二次级侧绕组的第一端与第二端，其中i为大于1的整数。
7.如权利要求6所述的升压装置，其中，这些变压器的数量为N，这些变压器中的第N个变压器的初级侧绕组的第一端与第二端分别耦接至这些变压器中的第N-1个变压器的第二次级侧绕组的第一端与第二端，该第N个变压器的第一次级侧绕组的第一端耦接至该第N-1个变压器的第一次级侧绕组的第二端，该第N个变压器的该第一次级侧绕组的第二端耦接至所述串联型变压器装置的第二输出端。
8.如权利要求6所述的升压装置，其中，该串联型变压器装置还包括：
谐振电感，耦接于所述换流器的该第一输出端与该第一个变压器的该初级侧绕组的该第一端之间。
9.如权利要求6所述的升压装置，其中，该串联型变压器装置还包括：
谐振电感，耦接于该第i-1个变压器的该第二次级侧绕组的该第一端与该第i个变压器的该初级侧绕组的该第一端之间。
10.如权利要求6所述的升压装置，其中，在该第i个变压器中，该初级侧绕组与该第二次级侧绕组的线圈圈数比例为1：1。
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