CN1128429A - 具有附加输出回路的导通型变流器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及的电流变换器在初级一侧的主电流回路中有一个电子开关，并且有一个附加的输出回路，此回路在电流变换器的阻塞相积蓄能量。为了以较输出电压(U₂)大的辅助电压(U₄)为某一电子电路提供电源，在变压器(6)的次级绕组(7)上连接了一个由两个二极管和两个电容器组成的装置。本电流变换器特别适于作ASIC使用的电源。

Description

具有附加输出回路的导通型变流器

本发明涉及的是一种导通型变流器((Durchfluβumrichter)，其在本文里称电流变换器或变流器。

一种这样的电流变换器已经在Joachim Wüstehube所著“电路网络部件：基础、设计、电路实例”一书中论述过。Expert-Verlag出版社出版，1982年，第474-483页。

已知的电流变换器是一个开关调整器的一部分，这个调整器具有三个阻塞变换器输出回路和一个电流变换器输出回路。在初级一侧主电流回路中安装了一个功率开关，此功率开关按照一个恒定阻塞变换器输出电压的要求用阻塞变换器输出回路之一进行控制。这个电流变换器输出回路包括一个微调器。此微调器需要一个供电电压，该电压大于电流变换器输出回路的输出电压，此供电电压借助阻塞变换器输出回路之一来产生。有关的输出回路与自己的次级绕组连接，以便供电电压依所希望的极性与电流变换器输出回路连接。

此外，由专利DE4021385C2的图3已知一种阻塞变换器，该变换器具有一个附加的电流变换器输出回路。阻塞变换器的输出电压则借助一个在初级一侧主电流回路中安装的功率开关调至某个恒定值。在电流变换器输出回路中安装了一个微调器。微调器所需要的供电电压借助一个整流器电路获得。此整流器电路对在电流变换器输出回路的阻塞相中加在整流二极管上的电压进行整流。由此所获得的供电电压与电流变换器输出回路的输出电压方向相反。

此外，由Roland Kstner和Albrecht Mschwitzer所著“电子电路技术”，Dr.Alfred Hüthig Verlag出版社出版Heidelberg，1987年第42-45页已经知道一种倍压电路，借助这种倍压电路可以由交流电压获得直流电压，此直流电压等于交流电压峰值的两倍。在此单级串联电路中一个电容器经二极管与交流电源连接。在二极管和电容器之间的连接点经另一个二极管与另外一个电容器连接，在此电容器上可提供二倍的峰值电压。

本发明的任务是，制造一种具有可调输出电压的初级脉动电流变换器，该变换器是这样构成的，即可提供一种与输出电压具有相同极性的辅助电压，而在此不需要在变压器上增加一个次级绕组。特别是辅助电压应尽可能不受输入电压变化的影响。

根据本发明的设计思想提出，在一个具有去磁振荡回路的电流变换器中，在阻塞相期间在输出一侧主电流回路的输入端可提供一个半波正弦电压，其幅度实际上与输入电压无关，而且这个电压可以以较少的损耗加到电流变换器的输出电压上。

按照本发明解决所提出的任务，所述本发明制成的电流变换器。附加的输出回路形式上与已知的倍压电路相似。然而次级一侧主电流回路的整流二极管却能够在整流二极管导通的情况下把在此之前在去磁相期间获得的直流电压叠加在电流变换器的输出电压上。

采用本发明的技术措施可得到优良的电流变换器，这种变换器以特别少的费用和优异的可靠性，由变压器的同一个次级电压不仅可以产生用于较大负载电流的较少的调整输出电压，而且也可以为满足较少电流的需要而产生一个与此相比较大的、与输入电压不相关的辅助电压。

借助在附图中示出的实施例将进一步阐述本发明。

这些附图是，

图1.产生调整电路供电电压的、具有阻塞变换器输出回路的电流变换器，

图2.在阻塞变换器输出回路中具有稳定电路的电流变换器，

图3.一个常规电流变换器电压波形图和，

图4.图1或图2所示电流变换器的电压波形图。

在图1示出的电路装置中，用电器20位于初级脉动单端-电流变换器的b、c输出端。这种用电器20主要为ASIC，这是一种专用集成电路，此种电路需要一个低于5V的供电电压。

初级一侧的主电流回路与直流电压源1连接，并且此回路由电压源U1的输入端开始经变压器6的初级绕组3和与此串联的电子开关4。此电子开关4是由一个场效应晶体管组成的功率开关。电容器5与场效应晶体管4的源-漏-电路段并联。

次级一侧主电流回路由变压器6的次级绕组7的一端开始经整流二极管8到达输出接线端b。在整流二极管8后面的横向分支电路中安装了续流二极管9。扼流圈10位于次级绕组7的另一端与输出接线端c之间。在扼流圈10后面的横向分支电路中有存储电容器11，在此电容器上出现直流电压U₂。

借助用开启脉冲脉动控制的控制装置2控制电子开关4周期性导通，并且构成调节电路的调整元件。用于控制电子开关4的控制电压脉动率被限制在一个予先设定的上限范围内。控制电压脉动率的上限最好约0.5。此处脉动率可理解为脉冲宽度与周期之比。

输出电压U₂可借助调整装置17调到某个恒定值。调整装置17用一个实际值输入端与电流变换器的输出端b、c连接。控制装置2经光电耦合器21、22由调整装置17控制。

鉴于在光电耦合器21、22的发光二极管22上具有一定量的、不可忽略的电压降和考虑到由主要是用运算放大器组成的调整装置所需要的供电电压，电流变换器的输出电压U₂达不到调整装置17所需的辅助电压。

在变压器6的次级绕组7上连接了一个整流器电路附加在次级一侧的主电流回路上。此整流器电路包括作为半波整流器的整流二极管13和滤波电容器12。电容器12的接线端之一与次级绕组的接线端连接，在这个接线端上连接着次级一铡主电流回路的整流二极管8。电容器12的另一个接线端经整流二极管14通向相对于参考电位引入电压的辅助电压输出端a的接线端a、c。

辅助电压U₄是在待调整的输出电压U₂的协同作用下形成的，更确切地说是电压U₃与输出电压U₂相加而产生的。电容器15上的电压是经过整流的次级电压扣除了扼流圈10、整流二极管13和14上的电压。从而得到去磁电压减去二极管电压作为电容器15上的电压。

电容器15位于接线端a和具有参考电位的接线端c之间。电容器15的电容量远小于电容器11的电容量是适宜的。在此得出辅助电压U₄比需要调整的输出电压U₂形成的早。从而可以保证在调整过程开始时给调整装置17提前供电以及保证用于调整的足够的电压余量。此外，比较大的辅助电压U₄使调整器有可能具有独立的和确定的特性。

辅助电压能够在某些情况下附加的或者有选择的为其它类型的电子电路特别是为监控装置提供电源。

介于接线端a和b之间的电容器16在某些情况下可取代电容器15。其中的优点是次级一侧主电流回路的存储电容器11被用作位于整流器电路输出端的电容的一部分使用。这样，辅助电压U₄的交流分量就可经电容器16和11的串联电路导向参考电位。

调整装置17的辅助电压输入端d、e位于整流器电路的输出端a、c。

图2中示出的电流变换器与图1的基本相同。不同之处是给整流器电路增加了一个稳压电路。

图2示出一种电流变换器，在此变换器中，根据图1在变压器6的次级绕组7上为次级一侧主电流回路附加了一个产生辅助电压U₄的装置。整流二极管8的阳极位于次级绕组7的起点。在整流二极管8的阴极与次级绕组7的末端之间有续流二极管9。在续流二极管9的阳极与参考电位的接线端c之间有扼流圈10。有些情况下可以与此不同，扼流圈可以位于次级一侧主电流回路的其它纵向分支中。

产生辅助电压U₄的装置有一个稳压装置。此稳压装置中有一个配置有双极型晶体管18的电路。该npn-晶体管18的集电极与二极管14的阴极连接，其发射极与电容器15连接，基极与Z-二极管19的阴极连接。Z-二极管19的阳极位于参考电位的接线端c。在晶体管18的基极与集电极主间有电阻17。电容器15远离晶体管18发射极的一端与地连接。

有时可以用电容器16代替电容器15，在这种情况下电容器16位于晶体管18的发射极与输出电压U₂的接线端b之间。

在电流变换器的阻塞相期间，在次级绕组7上出现的峰值电压与直流电压U₁无关，电容器12在整流二极管8处于反相期间充电达到此峰值电压。借助稳压电路17、18、19由电容器12上的电压获得恒定的辅助电压U₄。辅助电压U₄是恒定输出电压U₃、Z-二极管19的齐纳电压和晶体管18的基极-发射极阈值电压的总和。

在图2示出的电流变换器的另一种结构中，有时可以用Z-二极管190取代Z-二极管19。在这种情况下Z-二极管190位于晶体管18的基极和输出电压U₂的接线端b之间，而且有一与输出电压U₂相对应的、比Z-二极管19小的齐纳电压。

在图2示出的电流变换器中，输出电压U₃的接线端b对地有正电位。产生辅助电压U₄的电流变换器以这样的方式产生负的输出电压U₃，即所有二极管包括Z-二极管19和190在内选择相反的极性并且选择PNP型晶体管18。

电容器5保证了变压器的去磁，该电容器与初级绕组的电感组成一个振荡回路。变压器6不具有附加的去磁绕组。电容器5最好是电子开关4旁一个常规RCD电路的一个组成部分。另一种办法变压器可以在次级一侧最好借助一个与整流二极管并联的电容去磁。实现去磁的另一种可能性在于，不仅初级一侧而且次级一侧实现去磁。用在输入电压端连接的附加绕组去磁可能防止去磁弧线的形成，此弧线对附加输出回路的功能是个前题条件。

在图3中示出了变压器次级一侧次级绕组7上的电压波形。在电子开关4的导通相期间被变换的输入电压出现在次级绕组7上，在阻塞相期间出现被变换的去磁电压UM。

控制电路2用宽度调制的触发脉冲控制电子开关4。借助这种脉宽调制改变触发脉冲的脉宽t₁，触发脉宽t₁最好在0…0.5×T之间，其中T是触发脉冲的周期。

电流变换器的输出电压U₂近似满足下式：

U₂＝t₁×US＝t₁×U×UE，

其中U是变压比，等于次级线圈数与初级线圈数之比，US是经变压器变换后的输入电压。

为产生辅助电压U₄，利用了经变换的去磁电压。变压器初级绕组3的电压和电容器5的电容组成一个振荡回路。此震荡回路产生一个正弦波形的去磁电压。

去磁电压满足下式： ${\∫}_0^{t1}{U}_1{\left(t\right)}^{*}\mathrm{dt}={\∫}_{t1}^T\mathrm{UM}{\left(t\right)}^{*}\mathrm{dt}$

因此，去磁弧线的高度与输入电压U₁无关，因为电压-时间面积保持不变。在较高的输入电压U₁时触发脉宽t₁变小。去磁弧线的宽度由振荡回路常数L₃×C₅给出，其中L₃是变压器初级电感，C₅是电容器5的电容。

去磁电压UM的峰值UMS由下式计算：

$\mathrm{UMS}=U_1/(4\×\underset{-}{f}\×\sqrt{L_3\×C_3})$ ，其中f是开关频率。

在去磁相期间从变压器6取出电量。在变压器6中存储的电磁能量EM以最大初级电流I表示。

EM＝1/2×L₃×I²

以l=(UE/L)×d×T代入，得到

$\mathrm{EM}=1/2(U_1^2/L)\×d^2\×T^2$ ，其中d与脉冲宽度的关系是d×T=t₁，T是周期，U₁是输入电压。

如果EM除以周期得到功率PM： $\mathrm{PM}=\mathrm{EM}/T=1/2\×(U_1^2/L)\×d^2\×T$

一个优先采用的设计示例为

U₁=40V，d=0.4，L₃=1mH和T=16.6μs。

由此得到P=2.1W。

如果还考虑到内部损耗，那么就可以从附加输出回路的输出端a、c取得大约此能量的70-80％。在空载的情况下典型的还可提供最大能量的25％。

如果辅助电压U₄需要更多的能量，那么在变压器中存锗的电磁能量就要增加，这种增加可以用并入一个相应尺寸的空气隙线圈来实现，因而初级电感L₃缩小。

如果在阻塞相期间从变压器取出能量，那么图3的去磁弧线就要被截断。图4的上部示出附加输出回路无负载情况下的去磁弧线，在图4的下部示出附加输出回路有负载的情况下被截断的去磁弧线。从而减少了晶体管18的电压负荷。

当输出电压U₂=5V时，辅助电压U₄约为17V，当输出电压U₂=3V时，辅助电压约为10V。

在图1和图2中示出的电流变换器最好如下设计，即输出电压U₃总是小于5V并且辅助电压U₄总是至少为5V。

Claims (9)

1.电流变换器具有一个位于初级一侧主电流回路中与变压器(6)的一个初级绕组(3)串联的、可以借助控制装置(2)控制的电子开关(4)，具有一个与变压器(6)的次级绕组(7)连接的次级一侧主电流回路，此回路包括一个在纵向分支电路中连接的整流二极管(8)，一个在横向分支电路中连接的续流二极管(9)，一个在纵向分支电路中安装的扼流圈10和一个与输出端并联的电容器(11)，其中，在变压器(6)的次级绕组(7)上为次级一侧主电流回路另外连接一个附加输出回路，此回路包括一个经整流二极管(13)与次级绕组(7)连接的初始电容器(12)和一个与其输出端并联的电容器(15)，并且此回路在电流变换器阻塞相由变压器(6)获取能量，

其特征在于，

附加输出回路的第一个电容器(12)于次级绕组(7)和次级一侧主电流回路的整流二极管(8)的连接点处连接，并且在辅加输出回路中在一侧为整流二极管(13)与电容器(12)的连接点与另一侧为输出端(a)之间安置了参照电容器(12)上的电压按导通方向的极性连接的第二个二极管(14)。

2.根据权利要求1所述电流变换器，

其特征在于，

借助可以由控制装置(2)控制的电子开关4把电流变换器的输出电压调到某一恒定值。

3.根据权利要求1或2所述电流变换器，

其特征在于，

于电流变换器的输出端(b、c)串联一个电容器(16)，其一个接线端与电流变换器输出端(b、c)中对参考电位具有电压(U₃)的接线端(b)连接，而其另一接线端与第二个二极管(14)远离第一个二极管(13)的一端连接。

4.根据权利要求1至3其中之一所述电流变换器，

其特征在于，

在电流变换器的输出端(b、c)有电容器(16)，其一个接线端与参考电位连接，而其另一个接线端与第二个二极管(14)远离第一个二极管(13)的一端连接。

5.根据权利要求1至4其中之一所述电流变换器，

其特征在于，

在第二个二极管(14)与附加输出回路的输出端之间有晶体管(18)的集电极-发射极电路段，并且在晶体管基极与参考电位之间安装一个Z-二极管(19)。

6.根据权利要求5所述电流变换器，

其特征在于，

在晶体管(18)的集电极与基极之间有电阻(17)。

7.根据权利要求1至6其中之一所述电流变换器，

其特征在于，

电流变换器的输出电压少于5V，而辅助电压至少为5V。

8.根据权利要求1至7其中之一所述电流变换器，

其特征在于，

电流变换器包括一个与次级回路连接的电子电路(16)，其供电电压输入端与附加输出回路的输出端连接。

9.根据上述权利要求其中之一所述电流变换器，

其特征在于，

变压器(6)的铁芯具有一个空气隙。

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