CN106160455A - 静态磁阻式磁电放大装置 - Google Patents

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Abstract

一种静态磁阻式磁电放大装置，包括三个开关磁阻式变压器、三个阻尼电路及一驱动电路，每一开关磁阻式变压器包含一概呈「日」形且具有至少一硅钢片组及一非晶质铁芯的铁芯单元，一松散耦合地绕设在铁芯单元的一第一侧边的第一线圈，及一松散耦合地绕设在铁芯单元的与该第一侧边相反的第二侧边的串并联谐振电路；每一阻尼电路电耦接在相对应的串并联谐振电路与一直流电源之间；该驱动电路包含三个与该直流电源并联的开关电路，每一开关电路与相对应的第一线圈电耦接，以控制第一线圈与直流电源导接与否，借此使得开关磁阻式变压器的输出能量大于输入能量，并提升直流电源的电力及续航力，达到本发明兼具省电及高效能的功效与目的。

Description

静态磁阻式磁电放大装置
技术领域
本发明涉及一种电能放大装置，特别是涉及一种静态磁阻式磁电放大装置。
背景技术
如图1所示，现有的变压器，例如一种由E型铁芯及I型铁芯组成的变压器1，其上的初级线圈11与次级线圈12是以紧实耦合(tightcoupling)方式绕设于铁芯上，且由于现有的铁芯通常由单一材料制成，先天的材料特性限制使得铁芯之间需保留气隙以避免磁饱和，但也因此产生负磁性阻尼效应，使得其输出能量小于输入能量，即增益值永远小于1，且输出端OUT的反电动势会直接冲击输入端IN，涡电流损失大，因此即使变压器1的转换效率再高，亦只能做电能的传递或转移。
发明内容
本发明的目的在于提供一种静态磁阻式磁电放大装置，其借由切换开关控制具有正磁性阻尼效应的开关磁阻式变压器，使得其输出能量大于输入能量。
本发明一种静态磁阻式磁电放大装置，接受一直流电源输入，并包括：三个开关磁阻式变压器，每一开关磁阻式变压器包含一铁芯单元，该铁芯单元具有一中柱而概呈「日」形，并包含具有电容性的至少一硅钢片组，以及与该硅钢片组重叠并具有电感性的一非晶质铁芯，且每一开关磁阻式变压器还包含一松散耦合地绕设在该铁芯单元的与该中柱概呈平行的一第一侧边的第一线圈，以及一串并联谐振电路，其包括松散耦合地绕设在该铁芯单元的与该第一侧边相反的第二侧边的一第二线圈及一第三线圈，一与该第二线圈串联的第一电容，以及一与该第一电容串联且与该第三线圈并联的第二电容；三个阻尼电路，每一阻尼电路电耦接在相对应的该开关磁阻式变压器的该串并联谐振电路与该直流电源之间，且各该阻尼电路用以吸收相对应的该串并联谐振电路产生的一交流讯号的电能，再分别对该直流电源释放电能；及一驱动电路，包含三个与该直流电源并联的开关电路，每一个开关电路与相对应的该开关磁阻式变压器的该第一线圈电耦接，以控制该第一线圈与该直流电源导接与否。
且在本发明的一实施例中，每一个开关电路包括两个桥臂，每一桥臂具有一上开关、一下开关以及两个与该上开关及该下开关对应且反向并联的飞轮二极管，而且该第一线圈电耦接在两个桥臂的上开关与下开关的一接点之间，且所述开关电路受控制使所述第一线圈分别与该直流电源导接，让该直流电源输出的电流从该第一线圈的一端或另一端输入。
且在本发明的一实施例中，该铁芯单元包含两个硅钢片组，其分别固定在该非晶质铁芯的相反两面并与该非晶质铁芯重叠。
且在本发明的一实施例中，该静态磁阻式磁电放大装置还包括一与所述开关电路电耦接的控制器，其产生三个控制讯号分别控制相对应的该开关电路导通与否，且所述控制讯号相位相差120度。
且在本发明的一实施例中，该阻尼电路的一输入端与相对应的该串并联谐振电路电耦接，而其一输出端与该直流电源电耦接，且该直流电源是一可充电电池；该阻尼电路包括顺向串联并与该直流电源并联的两个二极管，两个串联并与该直流电源并联的无极性电容，及一与该直流电源并联的有极性电容，且该输入端其中一接点与该第二线圈的未与该第一电容连接的一端电耦接，而该输入端的其中另一接点与该第二电容的未与该第一电容连接的一端电耦接。
且在本发明的一实施例中，所述无极性电容是一高频电容。
且在本发明的一实施例中，该阻尼电路的一输入端与相对应的该串并联谐振电路电耦接，而其一输出端与该直流电源电耦接，且该直流电源是一可充电电池；该阻尼电路包括顺向串联的一第一电感及一第二电感，并联的一第三电感及一第四电感，以及与该第三电感电耦接的一第一二极管和与该第四电感电耦接的一第二二极管，其中该第一二极管的阳极与该第三电感和该第四电感的一接点电耦接，且其阴极与该直流电源的一端电耦接，而该第二二极管的阳极与该第三电感和该第四电感的另一接点电耦接，且其阴极与该直流电源的另一端电耦接，而且该第二电感的未与该第一电感连接的一端还与该第三电感和该第四电感的另一接点电耦接。
本发明的有益效果在于：本发明借由持续控制所述开关电路作动，使开关磁阻式变压器的第一线圈各别与直流电源导接，让直流电源输出的电流对第一线圈激磁，使其所绕设的铁芯单元瞬间磁饱和再瞬间消磁，以借由铁芯单元不断地磁场换相，而产生一涡电流耦合至第二线圈及第三线圈，并使开关磁阻式变压器的谐振电路与控制讯号产生谐振，而持续地产生交流弦波讯号，并由相对应的阻尼电路吸收交流弦波讯号的能量，再由各阻尼电路分别对直流电源充电，借此将具有正磁性阻尼效应的铁芯单元内蕴藏的磁能转换成电能输出，使得开关磁阻式变压器的输出能量大于输入能量，并提升直流电源的电力及续航力，达到本发明兼具省电及高效能的功效与目的。
附图说明
图1是现有一种变压器的构造示意图。
图2至图4是本发明静态磁阻式磁电放大装置的一实施例所包含的三个开关磁阻式变压器的构造及电路示意图。
图5是本实施例所包含的一驱动电路的电路示意图。
图6是本实施例的开关磁阻式变压器的铁芯单元的立体分解图。
图7是本实施例的开关磁阻式变压器的铁芯单元的立体组合图。
图8是本实施例的开关磁阻式变压器的铁芯单元之另一种实施态样的立体组合图。
图9是本实施例的阻尼电路的一种实施例的详细电路图。
图10是本实施例的阻尼电路的另一种实施例的详细电路图。
图11是本实施例的控制器产生的三个控制讯号的波形示意图。
图12是本实施例的驱动电路其中一个开关电路作动示意图。
图13是本实施例的三个开关磁阻式变压器分别输出的三个交流弦波讯号的波形示意图。
图14是本实施例的驱动电路其中两个开关电路作动示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明。
如图2至图5所示，是本发明静态磁阻式磁电放大装置的一实施例，其接受一直流电源Vdc输入，并包括三个开关磁阻式变压器R、S、T，三个对应电耦接在各该开关磁阻式变压器R、S、T与直流电源Vdc间的阻尼电路2，以及一驱动电路5，其与直流电源Vdc并联且与所述开关磁阻式变压器R、S、T电耦接，以驱动所述开关磁阻式变压器R、S、T。
其中，如图2至图4所示，所述开关磁阻式变压器R、S、T的构造完全相同，每一开关磁阻式变压器R、S、T皆包含一铁芯单元6，且如图6和图7所示，铁芯单元6具有一中柱61而概呈「日」形，并包含具有电容性的一硅钢片组62以及与硅钢片组62重叠并具有电感性的一非晶质铁芯63；此外，如图8所示，铁芯单元6还可包含另一硅钢片组64，且两个硅钢片组62、64分别固定在非晶质铁芯63的相反两面并与非晶质铁芯63重叠。
再者，如图2至图4所示，每一开关磁阻式变压器R、S、T还包含一松散耦合地绕设在铁芯单元6的与中柱61概呈平行的一第一侧边65的第一线圈L1，以及一串并联谐振电路7，其包括松散耦合地绕设在铁芯单元6的与第一侧边65相反的第二侧边67的一第二线圈L2及一第三线圈L3，一与第二线圈L2串联的第一电容C1，以及一与第一电容C1串联并与第三线圈L3并联的第二电容C2。借此，第二线圈L2与第一电容C1构成一串联谐振电路，且第三线圈L3与第二电容C2构成一并联谐振电路。
而且，由于第一线圈L1、第二线圈L2及第三线圈L3与铁芯单元6是松散耦合而呈电性绝缘，且硅钢片组62(及硅钢片组64)与非晶质铁芯63之间没有气隙，使得由第一线圈L1输入电流对铁芯单元6充磁时，铁芯单元6会迅速达到磁饱和，并于停止输入电流至第一线圈L1时，铁芯单元6会瞬间消磁并产生正磁性阻尼效应(磁场换相)，同时释放磁能产生的涡电流耦合至第二线圈L2及第三线圈L3，使第二线圈L2及第三线圈L3的输出能量大于第一线圈L1的输入能量。
且如图2至图4所示，阻尼电路2电耦接在相对应的开关磁阻式变压器R、S、T的串并联谐振电路7与直流电源Vdc之间，亦即阻尼电路2的输入端IN与串并联谐振电路7电耦接，而其输出端OUT与直流电源Vdc电耦接，其中直流电源Vdc是一可充电电池(或称蓄电池)。而且如图9所示，阻尼电路2的一种实施例包括顺向串联并与直流电源Vdc并联的两个二极管D1、D2，两个串联并与直流电源Vdc并联的无极性电容Cs1、Cs2，及一与直流电源Vdc并联的有极性电容Cp，例如超级电容、电解电容等，其中无极性电容Cs1、Cs2为一高频电容，因此无极性电容Cs1、Cs2与有极性电容Cp共同组成一能够吸取大量电能的阻尼电容器。而且，阻尼电路2的输入端IN其中一接点21与第二线圈L2的未与第一电容C1连接的一端电耦接，且输入端IN的其中另一接点22与第二电容C2的未与第一电容C1连接的一端电耦接。此外，有关上述阻尼电容器的特性及其功能的详细说明可以参见中国台湾第M477033号专利。
再者，如图10所示，阻尼电路2的另一种实施例包括顺向串联的第一电感Ls1及第二电感Ls2，并联的第三电感Lp1及第四电感Lp2，以及与第三电感Lp1电耦接的第一二极管D3和与第四电感Lp2电耦接的第二二极管D4，其中第一电感Ls1的一端(即阻尼电路2的输入端IN的一接点21与第二线圈L2电耦接，且第二电感Ls2的未与第一电感Ls1连接的一端(即阻尼电路2的输入端IN的另一接点22)与第二电容C2的未与第一电容C1连接的一端电耦接，并且该另一接点22还与第三电感Lp1和第四电感Lp2的另一接点电耦接。第一二极管D3的阳极(P)与第三电感Lp1和第四电感Lp2的一接点电耦接，且其阴极(N)与直流电源Vdc的一端电耦接，而第二二极管D4的阴极(N)与第三电感Lp1和第四电感Lp2的另一接点电耦接，且其阳极(P)与直流电源Vdc的另一端电耦接。而且第一电感Ls1、第二电感Ls2、第三电感Lp1和第四电感Lp2共同组成一能够吸取电能的阻尼电感器，此外，有关前述阻尼电感器的特性及功能的详细说明可以参见中国台湾第M470365号专利。
如图5所示，驱动电路5包含三个与直流电源Vdc并联的开关电路51、52、53。所述开关电路51-53完全相同，且每一个开关电路51-53与相对应的开关磁阻式变压器R、S、T的第一线圈L1电耦接，以控制该第一线圈L1与直流电源Vdc导接与否。更确切地说，开关电路51包含两个与直流电源Vdc并联的桥臂，每一桥臂具有一上开关S1、S3、一下开关S2、S4，以及各别与上开关S1、S3及下开关S2、S4反向并联的飞轮二极管D，且开关磁阻式变压器R的第一线圈L1电耦接在两个桥臂之间，亦即第一线圈L1的一端R+与其中一桥臂的上开关S1及下开关S2的接点电耦接，第一线圈L1的另一端R-与其中另一桥臂的上开关S3及下开关S4的接点电耦接。同理，如图5所示，开关磁阻式变压器S的第一线圈L1的两端S+、S-电耦接在开关电路52的两个桥臂之间，且开关磁阻式变压器T的第一线圈L1的两端T+、T-电耦接在开关电路53的两个桥臂之间。
另外，本实施例还包括一与所述开关电路51-53电耦接的控制器8，且如图11所示，控制器8产生三个控制讯号(PWM讯号)81、82、83用以分别控制相对应的开关电路51、52、53导通与否，且所述控制讯号81-83相位相差120度。亦即所述控制讯号81-83会被以120度的相位差依序输出至相对应的开关电路51-53，使开关电路51-53能够在控制讯号81-83的一个周期内分别作动。
因此，如图12所示，当控制器8输出控制讯号81时，在控制讯号81的正半周期间，开关电路51的上开关S1及下开关S4被导通，直流电源Vdc经由上开关S1及下开关S4与开关磁阻式变压器R的第一线圈L1导接，而输出电流对第一线圈L1激磁，使铁芯单元6因受到第一线圈L1的磁场充磁而迅速达到磁饱和并瞬间变成磁铁，然后，当控制讯号81的正半周结束时，上开关S1与下开关S4被由导通状态切换至不导通，铁芯单元6因磁场换相瞬间消磁而产生的一涡电流将耦合至第二线圈L2及第三线圈L3，此时，控制讯号81的一默认频率将会使串并联谐振电路7产生谐振而输出一交流弦波讯号A1，如图13所示，同时，阻尼电路2与串并联谐振电路7产生谐振，使该交流弦波讯号A1(正半周)的能量传递至阻尼电路2，例如图9所示，该交流弦波讯号A1(正半周)会经由二极管D1整流并对阻尼电路2的无极性电容Cs1充电；或者，例如图10所示，该交流弦波讯号A1(正半周)会经由阻尼电路2的第一电感Ls1及第二电感Ls2耦合至第三电感Lp1及第四电感Lp2，并经过二极管D3整流后，对直流电源Vdc充电。
接着，在控制讯号81的负半周期间，如图14所示，其控制下开关S2及上开关S3导通，使直流电源Vdc经由上开关S3及下开关S2与第一线圈L1导接，而输出电流对第一线圈L1激磁，再次使铁芯单元6迅速达到磁饱和而瞬间变成磁铁，然后，当控制讯号81的负半周结束时，下开关S2与上开关S3被切换至不导通，铁芯单元6因磁场换相瞬间消磁而产生的涡电流耦合至第二线圈L2及第三线圈L3，同时，如同上述，控制讯号81会使串并联谐振电路7产生谐振而持续输出交流弦波讯号A1，如图13所示，同时，阻尼电路2与串并联谐振电路7产生谐振，使该交流弦波讯号A1(负半周)的能量传递至阻尼电路2，例如图9所示，该交流弦波讯号A1(负半周)会经由二极管D2整流并对阻尼电路2的无极性电容Cs2充电，且因为无极性电容Cs1、Cs2串联的电压与有极性电容Cp相同，且无极性电容Cs1、Cs2本身无极性，故当直流电源Vdc的电位低于有极性电容Cp时，有极性电容Cp能对直流电源Vdc充电而顺利释放电能。又或者，例如图10所示，该交流弦波讯号A1(负半周)会经由阻尼电路2的第一电感Ls1及第二电感Ls2耦合至第三电感Lp1及第四电感Lp2，并经过二极管D4整流后，对直流电源Vdc充电。由此可知，交流弦波讯号A1的频率与控制讯号81相同。
而且，如图11所示，在输出控制讯号81之后，控制器8接着输出与控制讯号81相位差120度的控制讯号82至开关电路52，并控制开关电路52作动，如同上述的开关电路51，使开关磁阻式变压器S的铁芯单元6因充磁而瞬间变成磁铁，并因磁场换相瞬间消磁而产生一涡电流耦合至第二线圈L2及第三线圈L3，同时，如同上述，控制讯号82会使开关磁阻式变压器S的串并联谐振电路7产生谐振而输出一交流弦波讯号A2，如图13所示，且该交流弦波讯号A2的能量会被上述阻尼电路2吸收，并经由阻尼电路2对直流电源Vdc充电。且交流弦波讯号A2的频率与控制讯号82相同，并与交流弦波讯号A1相位相差120度。
同理，如图11所示，在输出控制讯号82之后，控制器8接着输出与控制讯号82相位差120度的控制讯号83至开关电路53，并控制开关电路53作动，如同上述的开关电路51，使得开关磁阻式变压器T的铁芯单元6因充磁而瞬间变成磁铁，并因磁场换相瞬间消磁而产生一涡电流耦合至第二线圈L2及第三线圈L3，同时，如同上述，控制讯号83会使开关磁阻式变压器T的串并联谐振电路7产生谐振而输出一交流弦波讯号A3，如图13所示，且该交流弦波讯号A3的能量会被上述阻尼电路2吸收，并经由阻尼电路2对直流电源Vdc充电。且交流弦波讯号A3的频率与控制讯号83相同，并与交流弦波讯号A2相位相差120度。
综上所述，当控制器8利用控制讯号81-83持续控制开关电路51-53作动，使开关磁阻式变压器R、S、T的第一线圈L1各别与直流电源Vdc间断地导接，让直流电源Vdc输出的电流对第一线圈L1激磁，使其所绕设的铁芯单元6瞬间磁饱和再瞬间消磁，以借由铁芯单元6不断地磁场换相，而产生一涡电流耦合至第二线圈L2及第三线圈L3，并使开关磁阻式变压器R、S、T的串并联谐振电路7与控制讯号81-83产生谐振，而持续地产生交流弦波讯号A1-A3，并由相对应的阻尼电路2吸收交流弦波讯号的能量，再由各阻尼电路2分别对直流电源Vdc充电，借此将具有正磁性阻尼效应的铁芯单元6内蕴藏的磁能转换成电能输出，使得开关磁阻式变压器R、S、T的输出能量大于输入能量，并提升直流电源Vdc的电力及续航力，达到本发明兼具省电及高效能的功效与目的。

Claims (7)

1.一种静态磁阻式磁电放大装置，接受一直流电源输入，其特征在于：
该静态磁阻式磁电放大装置包括：
三个开关磁阻式变压器，每一开关磁阻式变压器包含一铁芯单元，该铁芯单元具有一中柱而概呈「日」形，并包含具有电容性的至少一硅钢片组，以及与该硅钢片组重叠并具有电感性的一非晶质铁芯，且每一开关磁阻式变压器还包含一松散耦合地绕设在该铁芯单元的与该中柱概呈平行的一第一侧边的第一线圈，以及一串并联谐振电路，其包括松散耦合地绕设在该铁芯单元的与该第一侧边相反的第二侧边的一第二线圈及一第三线圈，一与该第二线圈串联的第一电容，以及一与该第一电容串联且与该第三线圈并联的第二电容；
三个阻尼电路，每一阻尼电路电耦接在相对应的该开关磁阻式变压器的该串并联谐振电路与该直流电源之间，且各该阻尼电路用以吸收相对应的该串并联谐振电路产生的一交流讯号的电能，再分别对该直流电源释放电能；及
一驱动电路，包含三个与该直流电源并联的开关电路，每一个开关电路与相对应的该开关磁阻式变压器的该第一线圈电耦接，以控制该第一线圈与该直流电源导接与否。
2.根据权利要求1所述的静态磁阻式磁电放大装置，其特征在于：每一个开关电路包括两个桥臂，每一桥臂具有一上开关、一下开关以及两个与该上开关及该下开关对应且反向并联的飞轮二极管，而且该第一线圈电耦接在两个桥臂的上开关与下开关的一接点之间，且所述开关电路受控制使所述第一线圈分别与该直流电源导接，让该直流电源输出的电流从该第一线圈的一端或另一端输入。
3.根据权利要求1所述的静态磁阻式磁电放大装置，其特征在于：该铁芯单元包含两个硅钢片组，其分别固定在该非晶质铁芯的相反两面并与该非晶质铁芯重叠。
4.根据权利要求1所述的静态磁阻式磁电放大装置，其特征在于：该静态磁阻式磁电放大装置还包括一与所述开关电路电耦接的控制器，其产生三个控制讯号分别控制相对应的该开关电路导通与否，且所述控制讯号相位相差120度。
5.根据权利要求1所述的静态磁阻式磁电放大装置，其特征在于：该阻尼电路的一输入端与相对应的该串并联谐振电路电耦接，而其一输出端与该直流电源电耦接，且该直流电源是一可充电电池；该阻尼电路包括顺向串联并与该直流电源并联的两个二极管，两个串联并与该直流电源并联的无极性电容，及一与该直流电源并联的有极性电容，且该输入端其中一接点与该第二线圈的未与该第一电容连接的一端电耦接，而该输入端的其中另一接点与该第二电容的未与该第一电容连接的一端电耦接。
6.根据权利要求5所述的静态磁阻式磁电放大装置，其特征在于：所述无极性电容是一高频电容。
7.根据权利要求1所述的静态磁阻式磁电放大装置，其特征在于：该阻尼电路的一输入端与相对应的该串并联谐振电路电耦接，而其一输出端与该直流电源电耦接，且该直流电源是一可充电电池；该阻尼电路包括顺向串联的一第一电感及一第二电感，并联的一第三电感及一第四电感，以及与该第三电感电耦接的一第一二极管和与该第四电感电耦接的一第二二极管，其中该第一二极管的阳极与该第三电感和该第四电感的一接点电耦接，且其阴极与该直流电源的一端电耦接，而该第二二极管的阴极与该第三电感和该第四电感的另一接点电耦接，且其阳极与该直流电源的另一端电耦接，而且该第二电感的未与该第一电感连接的一端还与该第三电感和该第四电感的另一接点电耦接。
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