CN1175184A - 电源设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种电源设备,它包括:高频电源,它包含一对串联在一起并将直流电压转换为交流高频电压的交流高频电源;驱动变压器,它包括初级绕组、一对分别与开关元件对各控制接线端串联的次级绕组以及缠绕上初级绕组和一对次级绕组的磁铁芯;以及通过将电压施加在驱动变压器的初级绕组上来驱动开关元件对的驱动装置;其中驱动变压器的次级绕组沿某一方向缠绕,使开关元件开启时间的变化程度小于施加在驱动变压器初级绕组上电压的变化程度。

Description

电源设备
本发明涉及电源设备，特别是涉及其中有两个开关元件串联在一起以将直流电压转换为供负载使用的交流电压的电源设备。
这种类型的电源可以用于放电灯照明等设备。
以下描述已经公开过的这种类型电源设备。
例如在授权给E1 Hamamsy等人的美国专利No.5,023,566中，该种设备包括由所谓D类放大电路(包括场效应晶体管型开关元件以及电感线圈和电容)构成的主放大器和将驱动装置的输出传送至主放大器的驱动变压器(包括初级和次级绕组以及磁铁心)。在该发明中，电阻作为负载连接至主放大器的输出端，高频电源由驱动装置、驱动变压器和作为负载的主放大器组成，从而可以将高频电能由高频电源输送至电阻负载。
授权给Reijnaerts的美国专利No.5,414,327揭示了另一种将无电极放电灯作为负载的电源设备，它包括无电极放电灯(球状透明玻璃灯泡或者在内壁上涂覆一层荧光材料并密封有作为放电气体的汞等金属蒸气和稀有气体)、放置在灯边上的高频电源供电线圈以及向高频电源供电线圈输送高频电能的高频电源。通过将高频电源的高频电流输送至高频电源供电线圈，用高频电源供电线圈产生强磁场，并且高频电能被送至无电极放电灯，从而在无电极放电灯内产生高频等离子体进而发射紫外线和可见光。
在授权给E1 Hamamsy等人的美国专利No.5,030,889中揭示了另一种电源设备，其中驱动变压器的初级绕组分为串联的两部分并分别缠绕在两个磁铁心上以驱动开关元件，这样就可以减少次级绕组之间的干扰以利于最大程度地减小电流波形失真，或者对栅极驱动信号的相位和振幅实行严格的控制以及避免所需正弦波形的失真。但是这种将驱动变压器一分为二的设备需要两个磁铁心，由此增加了成本并增加了电源设备的重量。而且存在要将初级绕组侧的电路样式做得更长的问题，从而当电路工作在例如13.56MHz的高频下时，电路运行受这种电路样式中所产生寄生电感的影响。
现进一步考察在前述美国专利No.5,023,566中应用的具体驱动装置实例。高频电源构成带振荡电路(采用晶体振荡器)和前置放大器(包括用于放大振荡电路输出的所谓C类放大电路)的驱动装置。在驱动变压器初级绕组两端并联有可变电容器，从而可以通过控制可变电容器来调节开关元件对(构成主放大器)栅极和源极上的电压VGS，并且可以控制高频电源的输出。例如当采用IR的产品IRF710作为开关元件时，栅极和源极上的控制电压VGS基本上为正弦波，峰值设定在10-15V。这里采用直流电流源作为主放大器的电源，而另一个直流电源被用作驱动装置的电源。
而且，在另一种已知的驱动变压器中，采用环形磁铁心作为磁铁心，初级绕组和一对次级绕组缠绕在环形磁铁心上，并且次级绕组相互靠近但不交叉地缠绕从而形成双线绕组。
在前述技术中，电路效率η相对可变电容值的变化率也得到了放大。因此存在这样一个问题，即使最初设定的可变电容数值使电路效率η最大，但是当组成部件的特性随时间或温度变化引起次级绕组电压变化时，电路效率η显著降低。
电路效率n因次级绕组处电压幅度变化而显著改变的原因是特定的电压与开关元件栅-源电压VGS相等。假定电压超出D类放大电路的开关元件对的栅极阈值电压VT的周期为TA和TB，则TA＝TB。
此时，次级绕组处的电压幅度被放大并且TA和TB的状态持续较长时间，时间(开关元件对同时关闭的时间)也是如此，所以开关元件的开关损耗增大，并且电路损耗也增大。
因此当栅-源电压VSG的振幅随可变电容的增大而保持增大时，电路效率η就会变差。
因此本发明的主要目标是提供一种成本更低的电源设备，它能够克服前述难题，即使构成部件特性变化引起驱动变压器初级侧上施加的电压变化也能使电路效率η的变化率最小，并且还使设备的尺寸最小。
按照本发明，上述目标可以借助这样的一种电源设备来实现，它包括：包括一对串联在一起并将直流电压转换为供负载使用的交流高频电压的高频电源；驱动变压器，它包括初级绕组、一对分别与开关元件对各控制接线端相串联的次级绕组以及缠绕上初级绕组和一对次级绕组的磁铁心；以及通过将电压施加在驱动变压器的初级绕组上来驱动开关元件对的装置；其中驱动变压器的次级绕组沿着某一方向缠绕，使得开关元件开启时间的变化程度小于施加在驱动变压器初级绕组上电压的变化程度。
通过以下接合附图对本发明的描述可以进一步理解本发明的目标和优点。
图1为应用了按照本发明的电源设备第一实施例的驱动变压器的示意图；
图2为表示第一实施例电源设备的电路图；
图3A为第一实施例中开关元件栅极和源极之间电压的波形图；
图3B为第一实施例中电路效率相对可变电容器数值的特性图；
图4为应用了按照本发明的电源设备第二实施例使用的驱动变压器的示意图；
图5为第二实施例电路效率的特性图；
图6为应用了按照本发明的电源设备第五实施例使用的驱动变压器的示意图；
图7为第六实施例中栅极和源极之间电压相对于可变电容器值的特性图；
图8为第六实施例中相对可变电容器值的相位特性图；
图9和10分别为电压和电流相位差的波形图；
图11为第六实施例电路效率的特性图；以及
图12为第六实施例输出功率变化的特性图。
虽然以下接合附图中的诸实施例对本发明进行了描述，但是本发明并不是由下述实施例限定的，本发明的范围和精神由后面所附权利要求限定。
实施例1：
图1示出在按照本发明的第一实施例中采用的驱动变压器T，其中驱动变压器T采用例如环形铁心作为磁铁心10，初级绕组n1和一对次级绕组n21和n22缠绕在磁铁心10上，并且这些靠近的次级绕组n21和n22缠绕成双线绕组从而不相互交叉。此时，特别是次级绕组n21和n22互相隔开一定的距离缠绕从而不会靠得太近而是在每匝互相远离。
接下来简单描述操作。图3A示出了当图2电路中两直流电源E1和E2处于开启状态时一只开关元件Q2栅-源极电压VGS的波形图，图3B示出了高频电源3的电路效率η相对可变电容器数值的特性图。由图3b可见，即使当可变电容VC(或者栅-源极电压VGS)变化时，电路效率也保持在84％左右，并且如同在已知的设备中看到的那样，电路效率η没有明显变差。即，即使施加在驱动变压器T初级绕组n1上的电压因为可变电容值的变化而变化，其电路效率η也不会显著变化。
由于电路效率η没有显著变化，从图3A可以看到，栅-源极电压VGS的波形由于负电压的上升而在零伏附近有波形失真。这是因为如图1所示次级绕组n21和n22的每匝相距较远而使它们各自的线路容量减小的缘故以及因为初级绕组与次级绕组n21和n22间距减小而使初级绕组n1与次级绕组n21和n22之间线路容量增加的缘故。随着波形失真的产生，开关元件Q1和Q2的开启宽度或死时间并没有显著变化，即使当可变电容VC改变时。因此，考虑到开关元件Q1和Q2的死时间和损耗是相关的，则开关元件Q1和Q2的开启宽度不会显著变化而电路效率η也不会显著变化，即使当施加在驱动变压器T初级绕组n1上的电压因可变电容VC的变化而引起次级绕组电压幅度(开关元件Q1和Q2的栅-源电压)的变化。
实施例2：
图4示出了本发明的第二实施例，其中与图1所述第一实施例的差别在于次级绕组n21和n22互相靠近地缠绕但是不接触，其它的布局和功能与第一实施例的相同。接下来简单描述操作，图5示出了当直流电源E1和E2处于开启状态时电路效率相对可变电容VC值的特性图，如图5所示，虽然与图3B所示的第一实施例相比电路效率有所下降(最小值为82％)，但是下降不多。
这是因为次级绕组n21和n22的间距减小而线路容量增加的缘故。
实施例3：
在第三实施例中，采用了如下的布局。即在前述第一和第二实施例的驱动变压器T中，如图6所示次级绕组n21和n22在环形铁心10上互相缠绕成双线绕组并相互靠近，从而进一步加强次级绕组n21和n22的磁耦合，将开关元件Q1和Q2之间的栅极-源极电压VGS的相位差大体校正为180度，并降低开关损耗。
实施例4：
本发明的第四实施例如下布局。即在本实施例中，初级绕组n1和次级绕组n21和n22以环形铁心10为轴对称地放置。这可以加强驱动变压器T的初级绕组n1和次级绕组n21和n22的磁耦合。
实施例5：
本发明第五实施例的布局如下。即在本实施例中，第一到第四实施例的初级绕组n1以高密度缠绕在环形铁心10上，从而在铁心中所占体积最小。由于初级绕组n1以高密度缠绕，所以可以使初级绕组n1处磁通量的泄漏减小至最低程度，功率可以有效地传送至次级绕组n21和n22。当采用放电灯1作为负载时，启动无电极放电灯1时需要向高频供电线圈2提供大量的高频功率，与此同时使前置放大器6的输出有效地送至主放大器7，从而可以提高象无电极放电灯1之类负载的启动能力。
而且，虽然前述第一到第五实施例中栅极-源极电压VGS属于开关元件Q2，但是可以用另一个开关元件Q1的栅极-源极电压代替。而且，可以采用环形铁心以外的磁铁心，采用羰基铁粉或Ni-Zn铁氧体铁心作磁铁心的效果不错。
实施例6：
本发明第六实施例的电路与图2所示的相同，但是操作不同，以下借助图7-12简要论述。
图7-12所示特性图是在采用上述电阻负载Ro情况下得到的，电压Vp指与前置放大器6输出端并联的电容Cp上的电压，即前置放大器6的输出电压，而电流Ip表示前置放大器的输出电流。而且，当只连接直流电源E2时获得了图7所示栅极-源极电压VGS，这是因为在连接直流电源E1之后，高频纹波叠加在栅极-源极电压VGS上，从而在可变电容VC变化时栅极-源极电压VGS的幅度变化难以读取。
以下借助图7-12简要论述操作。
如图7所示，栅极-源极电压VGS相对于可变电容器VC值的改变而变化，变化曲线呈抛物线，峰值为VGSp。这表明在可变电容VC和驱动变压器T之间已经发生了共振。假定使栅极-源极电压VGS达到峰值VGSp的可变电容值为VCp，并且可变电容的VC在a侧小于VCp，而在b侧大于VCP，则在图7所示的a侧和b侧都呈现可以获得整个栅极-源极电压VGS范围的可变电容VC值。而且，如图8所示，以VCP为边界，电压Vp和电流Ip的相位差在可变电容VC值小于Vcp时基本上等相地变化(图9)或者当可变电容VC值大于VCp时偏离90度(图10)。如图11所示，高频电源3的电路效率在a侧和b侧上都有峰值。如图12所示，在图12的a侧和b侧存在可以获得高频电源3输出电压的可变电容VC值。这里假定使电源3的效率最大的高频电源3的输出电压为Wo。而且，没有画出的是流向驱动装置9的输入电流12在a侧随可变电容VC值的增加而增加，在b侧随VC值的增加而减小。
由图11和12可见，使高频电源3的输出功率为Wo的可变电容VC的值存在于图12的a侧和b侧，并且可变电容VC值定为VC1和VC2(VC1＜VC2)。与VC1和VC2值对应的栅极-源极电压VGS值位于图7中的a侧和b侧，并且栅极-源极电压VGS相应的值为VGS1和VGS2。
虽然图7-12的特性图是采用电阻负载Ro的结果，但是也可以用无电极放电灯1和匹配电路4来代替电阻负载Ro以启动无电极放电灯1，其中可以在图7-12的a侧启动灯1，但是很难在b侧启动。
这是因为比较下面两种情况下的栅极-源极电压VGS的幅度，一种情况是只有直流电源E2在非负载状态(没有无电极放电灯1)开启，而另一种情况是直流电源E1和E2都开启，在图7-12中电压VGS的幅度在b侧下降得比在a侧要多得多。例如，如果只有直流电源E2开启，则栅极-源极电压为15伏，而当只有直流电源E2开启时如果在开关元件Q1和Q2的栅极和源极上连接47欧姆的电阻，则电压VGS在a侧降至12伏而在b侧降至7伏。
应该看到，无电极放电灯在图7-12中a侧和b侧之间启动的差异起因于从直流电源E1的关闭和开启状态之间启动装置9看过去的负载阻抗的差别。
由于在图7-12中的b侧栅极-源极电压VGS相对负载的涨落较弱，所以难以获得启动无电极放电灯1所需的电压VGS，因此难以通过匹配电路4和高频供电线圈2从主放大器7向无电极放电灯1输送足以启动灯1的功率。另一方面，由于在图7-12中的a侧栅极-源极电压VGS相对负载的涨落较强，所以可以获得启动无电极放电灯1所需的电压VGS，因此可以通过匹配电路4和高频供电线圈2从主放大器7向无电极放电灯1输送足以启动灯1的功率。
这是因为电压Vp和电流Ip如图8所示在a侧等相地变化，所以足以从驱动装置9向主放大器7提供有效功率，而电压Vp和电流Ip在b侧偏离约90度，所以许多无功功率从驱动电路9输送至主放大器7。
因此，通过使可变电容VC的值位于图7-12的a侧可以提高无电极放电灯1的启动性能，并且可以通过VC＝VC1改善灯1的效率。
应该看到，在上述情况下，可以采用可变电感来代替可变电容VC，其中通过使电感值位于图7-12的a侧也可以提高无电极放电灯1的启动性能和效率。

Claims (18)

1.一种电源设备，其特征在于包括：
高频电源，它包括一对串联在一起并将直流电压转换为供负载使用的交流高频电压的开关元件；
驱动变压器，它包括初级绕组、一对分别与开关元件对各控制接线端相连的次级绕组以及缠绕上初级绕组和一对次级绕组的磁铁心；以及
通过将电压施加在所述驱动变压器的所述初级绕组上来驱动所述开关元件对的装置；
其中所述驱动变压器的所述次级绕组沿着某一方向缠绕，使得所述开关元件开启时间的变化程度小于施加在所述驱动变压器初级绕组上电压的变化程度。
2.如权利要求1所述的设备，其特征在于所述驱动变压器的所述次级绕组缠绕在所述铁心上，从而即使施加在变压器初级绕组上的电压有效值发生涨落也能使所述开关元件的开启时间基本上处在固定的方向上。
3.如权利要求1所述的设备，其特征在于所述次级绕组对以一定间距缠绕在绕组的每匝上。
4.如权利要求1所述的设备，其特征在于所述次级绕组对以一定间距通过绕组所有的匝缠绕。
5.如权利要求1所述的设备，其特征在于所述次级绕组对互相不接触地缠绕。
6.如权利要求1所述的设备，其特征在于所述次级绕组对缠绕成双线绕组，在相邻的绕组匝之间插入间隙。
7.如权利要求1所述的设备，其特征在于驱动变压器的所述初级绕组和次级绕组互相对称地缠绕。
8.如权利要求1所述的设备，其特征在于驱动变压器的所述初级绕组至少在所述磁铁心的内周边缠绕成每匝相互靠近。
9.如权利要求1所述的设备，其特征在于驱动变压器的所述磁铁心为环形铁心。
10.如权利要求1所述的设备，其特征在于驱动变压器的所述磁铁心为羰基铁粉铁心。
11.如权利要求1所述的设备，其特征在于驱动变压器的所述磁铁心为Ni-Zn铁氧体铁心。
12.如权利要求1所述的设备，其特征在于所述驱动装置驱动所述开关元件以分别激发。
13.如权利要求1所述的设备，其特征在于所述高频电源为D类放大电路。
14.如权利要求1所述的设备，其特征在于所述高频电源的操作频率在0.5MHz以上。
15.如权利要求1所述的设备，其特征在于所述负载包括至少一个无电极放电灯。
16.如权利要求1所述的设备，其特征在于所述次级绕组对缠绕成在所述磁铁心上扭在一起的双线绕组。
17.一种电源设备，其特征在于包括：
靠近至少密封有惰性气体和金属蒸气的放电灯放置的高频供电线圈；
包括D类放大电路的高频电源，它包括一对串联在一起的开关元件并将直流电压转换为0.5MHz～100MHz的高频电压，通过高频对电线圈供所述无电极放电灯提供高频功率；
驱动变压器，它包括初级绕组、一对分别与开关元件对各控制接线端串联的次级绕组以及缠绕上初级绕组和次级绕组的Ni-Zn铁氧体环形磁铁心；以及
通过将电压施加给所述驱动变压器的所述初级绕组上来分别激发所述开关元件的驱动电路；
其中所述次级绕组对在所述环形铁心上缠绕成各相邻匝之间有间距的双线绕组并沿着某一方向缠绕，使得所述开关元件开启时间的变化程度小于施加在所述驱动变压器初级绕组上电压的变化程度。
18.一种用于点亮无电极放电灯的电源设备，其特征在于包括：
密封有放电气体的灯泡型无电极放电灯；
靠近放电灯放置的高频供电线圈；
接收来自直流电源的功率并向所述高频供电线圈输送高频功率的高频电源；以及
与所述高频供电线圈和高频电源阻抗匹配的匹配电路；
所述高频电源包括D类放大电路，它包含一对向高频供电线圈输送高频功率的开关元件；驱动变压器，它包括初级绕组和次级绕组，并把所述次级绕组跨接于所述开关元件的控制接线端；通过将电压施加在所述驱动变压器的所述初级绕组上来驱动所述开关元件的装置；以及与驱动变压器的初级绕组并联并且与驱动装置的输出端并联并具有改变开关元件控制端上电压的电容值的可变电容，可变电容的电容值小于使开关元件控制端的电压取最大值的数值。
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