CN1076317A - 直流分压器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用电容器、二极管和开关组成的电能变换器——直流分压器，它是一个单向传输的器件，它在输入、输出交替进行的工作条件下，能够将输入的高电压实行分压，以直流低电压输出，它的输入、输出阻抗传输比为N²，“N”表示它包含电容的个数。本发明和传统的交流变压器相比，在特性上呈现互补对应的关系，在电源设备中可以替代变压器的降压功用。

Description

本发明涉及电能变换器，尤其涉及一种由电容器、二极管和开关组成的、用以将输入的高电压变换成直流低电压输出的直流分压器。

交流变压器是用电感线圈和铁芯组成的电能变换器，自它被发明以来的一百几十年时间里，在电力、电子工程中得到广泛的应用，几乎独立担当着电能变换的任务。然而，由于受到其本身性能、特点的限制，它已不能完全适应现代电气设备的小型化、省材料、能耗低的发展要求。

交流变压器是双向传输的器件，它的输入、输出都是交流，这一特性决定了绝大多数电力输电线都是以交流电方式供电的，交流供电方式虽然为动力系统的用电带来了许多方便，但同时也产生了交流电网并网困难，输电线路利用率不高，损耗大，以及制式不统一的问题;另外还在用电系统中造成了相位损耗和交、直流的变换损耗等。

长期以来，寻求一种新的，能够在性能、体积、效率等综合指标上优于变压器的电能变换器一向是人们在努力探索的课题。

在用电系统中，随着现代微电子技术的发展，迫切需要为计算机、现代通信设备及其它自动化设备解决低电压、大电流、小体积、高可靠电源设备，为此，人们采用高频控制技术对变压器进行了改造，产生了开关电源，经过多年的努力，伴随着高频功率器件的发展，终于使几瓦、几十瓦乃至数千瓦功率的开关电源得到日益广泛的应用。

但是，目前的开关电源仍须依靠变压器进行电压变换，在高频状态下工作的变压器又带来了反峰电压高、存在辐射干扰、大功率制作困难等问题。

尤其是高频变压器还存在一个功率极限问题。

用提高变压器工作频率的办法可以减少变压器初、次级线圈的匝数，从而达到缩小变压器体积的目的，但是，随着变压器工作频率的提高它的感抗也随之增大，这又限制了它的输出功率，也就是说，提高变压器的工作频率和增大变压器的输出功率之间是矛盾的，两者难以兼顾，这就是开关电源发展了二三十年而其实用功率只能局限在几瓦至几千瓦范围内的原因。

开关电源技术可以提高设备的效率，是节约电能的有效途径，但是在一些用电量大、效率低的低压大电流设备如：电解、电镀、电焊等电源设备上实际应用开关电源仍存在一定困难，而这一部分设备所消耗的电能占工业用电的比例极大，对这些设备进行技术改造，达到大幅度节能的目的，是电力电子工程技术亟待突破的应用领域。

电源技术革命的关键在于解决电能变换器问题。

我们知道，电感和电容是电工学中两个基本的储能元件，它们的电特性呈完全对应的关系，变压器是用电感做成的电能变换器，那么，是否可以用电容做出电能变换器呢？它的性能又会是怎样的呢？先请对比两组公式：

电感中储存的能量＝LI²/2（J）

电容中储存的能量＝CV²/2（J）

令两式相等并代入一定的量：

1mH×100²A/2（J）

＝100μf×100²V/2（J）

上式表明1毫亨的电感通过100安电流所储存的能量与1000微法的电容充电至100伏电压所储存的能量相等。经验告诉我们，在工程实践中以上电感和电容的体积会有相当的悬殊，后者的体积可以做得很小，且很容易实现，而前者只要看通过100安电流的导线的截面积就能想像出它所需要的体积了。毫无疑问，就储能的性能来说，电容要比电感优越得多，这一优势在用电容做成的电能变换器上也会得到肯定的体现。再如：

感抗＝2πfL（Ω）

容抗＝1/2πfC（Ω）

感抗是电感量与频率的乘积，它随频率的提高而增大;容抗是电容量与频率的乘积的倒数，它随频率的提高而减小。电容的这一特性恰恰是我们所需要的，它意味着人们可以采取改变电容工作频率的办法，得到不同的输出功率;用提高工作频率的办法得到大的功率输出。

本发明的目的在于提供一种输出功率大、效率高、节能的直流分压器;

本发明的另一目的在于提供一种体积小、造价低且适合于集成化和系列化生产的直流分压器;

本发明的又一目的在于提供一种对其输出适用调频控制的直流分压器。

根据本发明的一个方面，提供一种直流分压器，它包括由多个串联连接的储能电路与一隔离二极管串联组成的输入回路，以及由多个释能电路并联组成且与所述输入回路交替工作的输出回路;所述储能电路包括一输入二极管以及连接在该输入二极管负极的电容器，所述释能电路包括所述电容器以及与所述电容器串联连接的第一和第二输出二极管;所述第一输出二极管的正极连接到所述电容器的一个与所述输入二极管负极相连接的端点上，所述第二输出二极管的负极连接到所述电容器的另一端点上。

根据本发明的另一方面，提供一种直流分压器，它包括由多个串联连接的储能电路与连接在各储能电路之间的隔离二极管组成的输入回路，以及由多个释能电路并联组成且与所述输入回路交替工作的输出回路;所述储能电路包括一电容器，所述释能电路包括所述电容器以及与所述电容器串联连接的至少一个输出二极管。

根据本发明的直流分压器，由于它在输入、输出交替进行的工作条件下，可以对输入的高电压实行分压，变换成直流低电压输出，故在电气设备中可以替代变压器降压的功用，具有体积小、造价低、适合于集成化和系列化生产的特点。此外，本发明的直流分压器采用电容器作为基本储能元件，实现了低损耗、高效率的电能转换。而且，本发明的直流分压器，由于其工作频率与输出功率成正比关系，故其工作频率不受限制，可以采取调频的方式控制其输出功率，并可以调频方式得到稳定的功率输出。

以下将结合附图和实施例对本发明的直流分压器作进一步的详细描述。

图1是本发明直流分压器第一个实施例的电原理图;

图2是本发明直流分压器第二个实施例的电原理图;

图3是图1虚线内部所示一个直流分压器的简图;

图4表示图3所示的直流分压器当用工频电源直接输入时的连接示意图;

图5是表示图3所示的直流分压器当用工频电源经全波整流滤波后输入时的连接示意图;

图6表示图3所示的直流分压器组合用于三相电源输入时的连接示意图;

图7表示图3所示的直流分压器串联连接的示意图;

图8表示图3所示的直流分压器用于多个电压输出的示意图。

参见图1，本发明直流分压器（以下简称分压器）的第一个实施例包括多个电容器和二极管，其中，D₁、C₁;D₂、C₂;……D_N、C_N以及D_D顺序串联组成输入回路;D_1-2、C₁、D_1-1、D_2-2、C₂、D_2-1……D_N-2、C_N、D_N-1分别先串联后并联组成输出回路。其中，C₁、C₂……C_N为输入输出回路所共有，且C₁＝C₂……C_N，D_D为隔离二极管。

在分压器的输入、输出回路里各设置一只控制开关K₁和K₂，K₁、K₂交替地打开和闭合，以满足分压器的工作条件，这样就形成了分压器的工作电路。

当一足够高的电源电压通过K₁正向加于分压器的输入端时，电容被串联充电，同时将电源电压分为N个相等的电压，由于各电容上相对应的二极管的反向阻断作用，随在各电容上形成并保持住一个独立的具有一定能量的电场，这时分压器完成了储能和分压的过程;接下来，打开K₁闭合输出开关K₂，电容就以并联的形式放电输出，放电起始电压是各电容上的充电电压，即充电电源峰值电压的分压，以上是分压器实行电能变换的过程。

分压器实行电能的变换由储能和释能两个过程组成，这两个过程不能在同一时间里进行，必须借助控制开关K₁和K₂来分开输入、输出的时间，分压器才能正常工作，这是分压器的工作条件。K₁和K₂不能同时处于闭合的状态，不然会使输入、输出短路，从而形成破坏性的后果，这是不允许的，我们把它称为“禁止状态”;只要避免禁止状态，则分压器的工作频率不受限制，可以是极低频，可以是高频，也可以根据需要随机调整它的工作频率。

图2是本发明的分压器第二个实施例的电原理图，参见图2，它在图1所示的分压器中省略了二极管D₁、D_D、D_1-1以及D_N-2。这种电路结构适用于输入的电源电压自始至终保证正向联接，且不含交流成分以及忽略输出二极管管压降的影响的情况。在进行具体的电路设计时可根据不同的应用场合和条件，结合图1和图2的分压器结构对二极管加以增减，以不破坏分压器组成以电容的串联输入、并联输出的结构为限。

图3是图1虚线内部所示一个分压器的简图。一只具体的分压器的参数可标于简图内如：C＝…、N＝…等。

以下的说明附图均采用图3的简图，对内部结构，不再作进一步的说明。

电容是组成分压器的核心元件，分压器对电容材料的取用范围很宽，电解电容也可以用来制造分压器，对电容的选择除要考虑耐压、电流、损耗、频率特性等因素外，分压器对电容的一致性有较高的要求，希望组合电容的容量都是相等的，在目前的工艺条件下一般难以做到，可以通过筛选手段尽可能使电容容量均衡一致。

分压器所用二极管较多，除按常规进行一般选择外，对二极管的开关特性、反向漏电流、正向峰值电流等参数应当着重进行选择。

分压器的控制开关通常由电子开关担任，如可控硅、三极管、场效应管等，也可以是电磁开关，机械开关，甚至手动开关。用分压器设计的电源设备对控制开关的耐压一般要求不高，只要在输入电源电压的基础上留有一定的余量就可以了;但对控制开关的耐流量却有较高的要求，控制开关的耐受峰值电流的能力应是着重选择的参数;另外，分压器的输出能力很大，一般不需要过高地提高它的工作频率，但在必要时可以采取提高工作频率的办法来均衡控制开关的峰值电流。

分压器的损耗主要由电容的漏电流和高频损耗，二极管的管压降和开关损耗形成，应根据不同的使用要求，选择合适的电容和二极管来制造分压器。

分压器控制开关的工作损耗视选用何种开关器件而有所不同，当选用电子开关时它的损耗不能忽视，尤其工作在高频状态时，电子开关损耗可能成为整个电路损耗的主项，除对器件的开关参数进行选择外，降低它的工作频率不失为减少损耗的有效方法之一。

用分压器设计的电源设备可以达到很高的效率，计算和实践经验均已表明，将它的总体损耗控制在百分之十之内是完全可以做到的。

一个包含N只电容的分压器，且各电容容量相等时，它的：输入电容＝1/（1/C₁+1/C₂+……1/C_N）＝C/N

输出电容＝C₁+C₂+…C_N＝NC

在忽略它的输入、输出电阻的情况下，它的：

输入阻抗＝1/（2πfC/N）

输出阻抗＝1/（2πfNC）

输入阻抗、输出阻抗之比等于：N²

我们把N²称为分压器的阻抗传输比，这是全功率电能变换器共同具有的一个参量。

N²表明分压器的阻抗转换与电容的容量大小无关，而仅与电容的数量多少有关，分压器包含的电容数量愈多则阻抗传输比愈大，反之则愈小，这就是说，我们需要变换输出的电压愈低则所需电容数量愈多，反之则愈少。

分压器是用“除法”进行电压变换的，输入电源电压是被除数，N是除数;当N等于1时，即分压器只包含一只电容时，阻抗传输比为1，输入电源电压与输出电压的峰值相等，电压变换比也为1，此种情况可被作为分压器的特例。以往，人们往往习惯于用输入输出电压来对待一只电能变换器、即用电压源的衡量标准来看待一只电能变换器，而分压器恰恰是“电流源”，更进一步说，它是一只功率变换器，即当它的电压变换比为1时它仍然保持着一个电流源的全部特征和一个功率变换器的内涵，而不能把它简单地当作一个电压变换器来对待。

在忽略分压器的变换损耗时，它的：

输入能量＝（C/N×V²）/2

＝CV²/2N（J）

输出能量＝NC×（V/N）²/2

＝NCV²/2N²

＝CV²/2N（J）

以上两式相等，它表明了分压器的功率变换关系。

从式NC×（V/N）²/2中可以看出，当分压器输出电容增加了N倍时，输出电压也降低了N倍，一增一减，倍率相同，增加在电容上、降低在电压上，进一步分析不难得出：即使一只分压器的电容数量有所增减，而只要电容容量和输入电源电压为一定值时，虽然它的输出电压会不相同，而它的输出电流却不会因此而改变，这正是电流源的特征。

决定分压器输出功率大小的是输入电压、输入电容和工作频率三个要素，通常输入电压的数值是给定的，以下，我们按照公式：

CV²/2S＝W

（式中：C的单位是法拉，V的单位是伏特，W的单位是瓦特，S的单位是秒）

计算得出几组分析分压器输出能力的数据：

1、V＝300V、C＝1μf、S＝20ms;W＝2.25

2、V＝300V、C＝1μf、S＝50μs;W＝900

3、V＝300V、C＝1μf、S＝10μs;W＝4500

4、V＝300V、C＝100μf、S＝20ms;W＝225

5、V＝300V、C＝0.01μf、S＝10μs;W＝45

以上数据表明，分压器不仅具有极大的输出能力而且与工作频率有密切的关系，当用50赫兹工频电源输入时，输入电容从1微法变化到100微法时，就可以得到2·25瓦至225瓦的功率输出;当把频率提高到100千赫时，1微法的输入电容，就可以得到4500瓦的功率输出了。

在同一只分压器上，我们不仅可以用改变工作频率的办法得到不同的功率输出;还可以通过输出端的反馈信号来控制它的工作频率，用调频控制的办法做出恒压恒流电源。

分压器的结构决定了它将来进行集成化、系列化、标准化生产的前景，采取最优化选择的方法，将它按功率的大小和阻抗传输比等参数分为若干个系列，设计制造出功耗低、体积小、价格低、方便实用的产品。

为什么变压器可以无条件地工作，而分压器则必须借助控制开关而有条件地工作呢？

须知，变压器的工作并非是无条件的，交流电就是它的工作条件！交流电本身是在时间上分为正负两个半周的电源，它在客观上为变压器提供了将储能和释能两个过程在时间上分开的先决条件。作为一个电能变换器必须兼备储能和释能的本领，分压器在本质上是个直流电能变换器，它凭借电场进行电能变换。要想在同一电容上完成储能和释能两种功能，目前的简单办方法是用二极管的反向阻断特性和用开关进行“转换”。

分压器不能如变压器那样实现输入、输出间的完全隔离，它依靠二极管的反向阻断特性和控制开关的关断特性来进行隔离，这些器件本身又都不可避免的存在着漏电流，因此必须区别不同的应用场合在电路设计时采取必要的措施。

当用直流高电压正向输入分压器时，可在输出端并联一稳压值略高于输出电压的稳压二极管，用以释放通过控制开关的泄漏电流;输出端可再并联一只变阻晶体二极管以避免出现禁止状态造成的毁坏。

当用工频电源经半波整流、滤波后输入分压器而又“零”线接在“地”端时，可以等同用直流高电压正向输入的情况，这是设计中小功率电源简便实用的输入方式。

当用工频电源直接输入分压器时，只能输入在工频电源的正半周或者负半周的前半波，此时控制开关K₁往往可以省略，为了在输出端实现对正负半周的隔离，可在输出端增加一只控制开关，并使两只控制开关同时受与输入相反的半周控制如附图4所示。

当用工频电源经全波整流滤波后再输入分压器时，为实现隔离，可采用在输入、输出端各增加一只控制开关的形式如附图5所示，此时控制开关的频率即分压器的工作频率可以根据设计要求而设定。

当用三相四线制电源输入分压器时，因为电源的A、B、C三相与零线是相对确定的，可以采用附图6所示的输入方式。图中分压器采用了并联工作的形式，一组控制开关的位置也作了变动。

分压器可以并联使用，这是设计“积木”式电源的条件，附图6即为方案的一种。“积木”式电源的突出优点是可以降低对元器件的选用要求，为设计大功率或超大功率电源提供了方便。

分压器用“除法”实行输入电压的变换，当将分压器串联连接成多级使用时，前级的输出是后级的输入，此时对输入电压进行的是“连除”的降压变换。另外，多级分压器的后级的输入开关这时可以省略，同时各级控制必须遵守交替打开和闭合的原则。以避免禁止状态的出现，如附图7所示。

一只分压器通常只有一个电压输出。当需要有多个电压输出时，可在输出端并联抽头电感Ls，从中取出所需要的电压，如附图8所示。

直流分压器和交流变压器它们有共同的变换电能的功用，然而两者之间的关系往往是互补的、是一一对应的，试作以下比较：

直流分压器    交流变压器

主要由电容组成，主要由电感组成;

是单向传输的器件，是双向传输的器件;

换能的媒介是电场，换能的媒介是磁场;

本质上是个直流变换器，本质上是个交流变换器;

用除法进行降压变换，用减法进行降压变换;

对高频呈现低阻抗，对高频呈现高阻抗;

对输出适用调频控制，对输出适用调宽控制;

输入在工频电源的一、三象限    以工频电源的全输入方式工作;

它是一个电流源    它是一个电压源;

……，……。

如果把用变压器设计的电源看作“感性电源”，则分压器为“容性电源”，两者的分析方法和设计观念存在着明显的区别，两者的应用形式和解决问题的方式也是不同的，对它们各自特性的深入理解和灵活应用是我们面临的新课题。分压器的出现为大幅度地节约能源创造了条件，从而为进一步改善地球的生态环境和造福人类开辟了新途径。

Claims (10)

1、一种直流分压器，其特征在于包括由多个串联连接的储能电路与一隔离二极管串联组成的输入回路，以及由多个释能电路并联组成且与所述输入回路交替工作的输出回路；所述储能电路包括一输入二极管以及连接在该输入二极管负极的电容器；所述释能电路包括所述电容器以及与所述电容器串联连接的第一和第二输出二极管；所述第一输出二极管的正极连接到所述电容器的一个与所述输入二极管负极相连接的端点上，所述第二输出二极管的负极连接到所述电容器的另一端点上。

2、如权利要求1所述的直流分压器，其特征在于进一步包括设置在所述直流分压器至少一个输出端的输出开关装置。

3、如权利要求2所述的直流分压器，其特征在于进一步包括设置在所述直流分压器至少一个输入端且与所述输出开关装置交替闭合的输入开关装置。

4、如权利要求2或3所述的直流分压器，其特征在于，所述开关装置为电子开关装置或机械开关装置或手动开关。

5、如权利要求1或2或3所述的直流分压器，其特征在于进一步包括并联在所述输出回路两输出端，且具有至少一个中心抽头的电感器件。

6、一种直流分压器，其特征在于包括由多个串联连接的储能电路与连接在各储能电路之间的隔离二极管组成的输入回路，以及由多个释能电路并联组成且与所述输入回路交替工作的输出回路;所述储能电路包括一电容器，所述释能电路包括所述电容器以及与所述电容器串联连接的至少一个输出二极管。

7、如权利要求6所述的直流分压器，其特征在于进一步包括设置在所述直流分压器至少一个输出端的输出开关装置。

8、如权利要求7所述的直流分压器，其特征在于进一步包括设置在所述直流分压器至少一个输入端且与所述输出开关装置交替闭合的输入开关装置。

9、如权利要求7或8所述的直流分压器，其特征在于，所述开关装置为电子开关装置或机械开关装置或手动开关。

10、如权利要求6或7或8所述的直流分压器，其特征在于进一步包括并联在所述输出回路两输出端，且具有至少一个中心抽头的电感器件。

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