CN1747301A - Dc电源装置 - Google Patents

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Abstract

一DC电源装置，其具有用于提供DC电压的DC电源，变压器，和连接于变压器的初级线圈的开关元件。开关元件执行开/关操作，从而将来自DC电源的DC电压转换为高频电力，该高频电力转移到变压器的次级线圈且转换为DC输出电压。变压器的初级线圈包括多个线圈层制成的第一初级线圈和多个线圈层制成的第二初级线圈。第一和第二初级线圈并联。第一初级线圈安置在次级线圈的内侧，且第二初级线圈安置在次级线圈的外侧。每一第一和第二初级线圈的线圈层中最远离次级线圈的线圈层的端子连接于开关元件。

Description

DC电源装置
技术领域
本发明涉及DC电源装置，尤其涉及用于DC电源装置的电力转换变压器。
背景技术
图1是显示依照相关技术的DC电源装置的电路图。在图1的装置中，DC电源E提供DC电压。开关元件Q1是例如MOSFET，且执行开/关操作从而将来自DC电源E的DC电压转换为高频电力。变压器1a连接在开关元件Q1和DC电源E的正极之间，从而高频电力从变压器1a的初级侧传输到次级侧。变压器1a的次级侧的高频电力通过由二极管D1和平滑电容器C1构成的整流/平滑电路转换为DC输出电压。DC输出电压被提供到负载上。输出电压检测器3检测DC输出电压，将检测的电压和参考电压进行比较，并且提供代表比较结果的误差信号。依照误差信号，控制电路(控制器)5控制开关元件Q1的开/关间隔，从而预定的输出电压提供到负载。
变压器1a的第三线圈D感生电压，该电压由二极管D2和电容器C2整流和平滑。整流且平滑后的电压提供作为到控制器5的源电压。
图2是图1的DC电源装置中变压器1a的剖视图。图3显示变压器的线圈的示图，且图4是显示变压器1a和变压器1a的线圈中形成的寄生电容的示图。
图2中，变压器1a具有插入线轴13中的磁性材料制成的芯体11。线轴13中，依次安置第一初级线圈P1，次级线圈S，第二初级线圈P2，和第三线圈D。第一次级线圈P1包括两线圈层P1-1和P1-2。第二初级线圈P2包括两线圈层P2-1和P2-2。
将说明线轴13中的线圈的形成。从线轴13的右末端以垂直向下的方向缠线，从而形成线圈层P1-1。在线轴13的左末端扭转线且缠线，从而形成线圈层P1-1上的线圈层P1-2，由此完成第一初级线圈P1。在线圈层P1-2上，缠绕次级线圈S。之后，以与线圈层P1-1和P1-2相同的方向缠绕线圈层P2-1和P2-2。
为提高可制造性，通常以相同的方向缠绕变压器1a的线圈。图1中，第一和第二初级线圈P1和P2并联。图2和4中，在第一和第二初级线圈P1和P2之间安置次级线圈S，以增加这些线圈P1，P2和S的耦合度。在该情况下，在线圈层P1-1和P1-2之间具有寄生电容C112，在线圈层P1-2和次级线圈S之间具有寄生电容C12S，在次级线圈S和P2-1之间具有寄生电容C21S，在线圈层P2-1和P2-2之间具有寄生电容C212。
在图1和2中，第一初级线圈P1的线圈层P1-1和与次级线圈S相邻的第二初级线圈P2的线圈层P2-1都在开关元件Q1侧。
开关元件Q1持续的导通和切断，因而对于开/关操作，电势变化极大。开关元件Q1的电势变化施加到变压器1a的初级和次级线圈P1和P2。结果，高频电流经过第一初级线圈P1的线圈层P1-2和次级线圈S之间的寄生电容C12S，且经过第二初级线圈P2的线圈层P2-1和次级线圈S之间的寄生电容C21S，而到变压器1a的次级侧。
这样的高频电流经过一环路，该环路包括第一和第二初级线圈P1和P2，次级线圈S，次级侧上的电路，接地(地线)，接地和初级侧上的电路之间的寄生电容，初级侧上的电路，和第一、第二初级线圈P1和P2。通过接地，高频电流引起共模噪声。共模噪声泄漏到DC电源侧，且散发到空间，从而严重影响其他设备。
当开关元件Q1导通时，来自DC电源E的DC电压施加到变压器1a的第一和第二初级线圈P1和P2的负极侧。当开关元件Q1切断时，逆程电压出现在第一和第二初级线圈P1和P2的正极侧。也就是，连接于开关元件Q1的第一和第二初级线圈P1和P2的第一端经受较大的电势变化，连接于DC输入电压的第一和第二初级线圈P1和P2的第二端不经受电势变化。
第一、第二初级线圈P1、P2和次级线圈S之间的寄生电容随着它们之间的距离的缩短而增加。因此，如果连接于开关元件Q1的第一和第二初级线圈P1和P2的第一端临近于次级线圈S，则经过第一、第二初级线圈P1、P2和次级线圈S之间的寄生电容的高频电流将很大。
图4中，第一、第二初级线圈P1、P2的起始连接于开关元件Q1。在第一初级线圈P1的起始的线圈层P1-1远离次级线圈S，且在第二初级线圈P2的起始的线圈层P2-1临近于次级线圈S。因此，较大的高频电流经由寄生电容C21S经过第二初级线圈P2到次级线圈S。在图1和4中，箭头表示高频电流，该箭头宽度表示电流的幅值。
为减少由高频电流引起的共模噪声，图5-7显示了依照另一相关技术的变压器1b。图5是显示变压器1b的结构的剖视图，图6是显示变压器1b的线圈中寄生电容的剖视图，且图7是显示采用变压器1b的DC电源装置的电路图。
图5-7中显示的变压器1b具有在第二初级线圈P2的线圈层P2-1和次级线圈S之间的屏蔽板17，从而减小线圈层P2-1和次级线圈S之间的寄生电容C21S。寄生电容C21S的减小造成从变压器的初级侧流到次级侧的高频电流的减少，由此降低了共模噪声。
发明内容
用于减小第一和第二初级线圈的寄生电容的图5中的屏蔽板17使得变压器1b的结构变得复杂，并且由屏蔽板17的厚度增加了初级和次级线圈之间的距离。这造成初级和次级线圈之间的漏电感增加。因此，图5的相关技术不合适于形成部分电压谐振转换器(parital voltage resonance converter)，该转换器使用在次级线圈上产生的逆程电压(flyback voltage)，实现零交叉开关(零伏开关ZVS)。
依照本发明，可以提供一具有变压器的DC电源装置，该变压器结构简单且可以不增加漏电感而减小共模噪声。
为实现该目的，本发明的第一方面提供DC电源装置，包括：变压器；开关元件，其连接于变压器的初级线圈且配置为执行开/关操作，从而将DC电源提供的DC电压转换为高频电力；整流/平滑电路，配置为将从变压器的初级线圈传输到次级线圈的高频电力转换为DC输出电压；以及控制器，配置为依照DC输出电压控制开关元件的开/关间隔，从而预定的输出电压被提供到负载，其中，变压器的初级线圈包括具有多个线圈层的第一初级线圈和具有多个线圈层的第二初级线圈；第一初级线圈安置在次级线圈的内侧；第二初级线圈安置在次级线圈的外侧；每一第一和第二初级线圈的线圈层中的最远离次级线圈的线圈层的端子连接于开关元件。
依照本发明的第二方面，第二初级线圈的线圈方向和第一初级线圈的线圈方向相反。
依照本发明的第二方面，每一第一和第二初级线圈的线圈层中的最临近次级线圈的线圈层的端子连接于DC电源。
附图说明
图1是具有依照相关技术的变压器的DC电源装置的电路图；
图2是显示图1的变压器的结构的剖视图；
图3视显示图1的变压器的线圈的示图；
图4视显示图1的变压器的线圈中的寄生电容的剖视图；
图5显示依照另一相关技术的变压器的结构的剖视图；
图6是显示图5的变压器的线圈中的寄生电容的剖视图；
图7是显示采用图5的变压器的DC电源装置的电路图；
图8是显示为依照本发明的实施例的DC电源装置提供的变压器的剖视图；
图9是显示图8的变压器的线圈的示图；
图10是显示图8的变压器的线圈中的寄生电容的剖视图；
图11是显示采用图8的变压器的DC电源装置的电路图；
图12是显示当图11的开关元件为切断时变压器的线圈上生成的电压的示图；
图13A是显示依照相关技术的变压器的线圈上的电压的示图；
图13B是显示依照本发明的实施例的变压器的线圈上的电压的示图。
具体实施方式
将参照附图具体说明依照本发明的实施例的DC电源装置。
图8是显示安置在依照实施例的DC电源装置中的变压器的剖视图。图9是显示图8的变压器的线圈的示图。图10是显示图8的变压器的线圈中的寄生电容的剖视图。图11是显示采用图8的变压器的DC电源装置的电路图。
图8中，变压器1具有磁性材料制成的芯体11。芯体11插入线轴13中。在线轴13中，依次安置第一初级线圈P1，次级线圈S，第二初级线圈P2a，和第三线圈D。第一初级线圈P1具有线圈层P1-1和P1-2。第二初级线圈P2a具有线圈层P2-2和P2-1。
将说明线轴13中的线圈的形成。从线轴13的右末端以垂直向下的方向缠线从而形成线圈层P1-1。在线轴13的左末端扭转线且缠绕形成线圈层P1-1上的线圈层P1-2，由此形成第一初级线圈P1。在线圈层P1-2上，缠绕次级线圈S。这些处理和相关技术的处理相同。
在次级线圈S上，在线轴13的垂直向上的方向缠线而形成线圈层P2-2。在线轴13的左末端扭转线且缠绕，形成线圈层P2-2上的线圈层P2-1，由此形成第二初级线圈P2a。
图11中，第一初级线圈P1和第二初级线圈P2a并联。图10中，线圈层P1-1和线圈层P1-2之间存在寄生电容C112，线圈层P1-2和次级线圈S之间存在寄生电容C12S，次级线圈S和线圈层P2-2之间存在寄生电容C22S，线圈层P2-1和线圈层P2-2之间存在寄生电容C212。
图10和11中，线圈层P1-1的起始(以大黑点描绘)和线圈层P2-1的末端连接于开关元件Q1。线圈层P1-2的末端和线圈层P2-2的起始(以大黑点描绘)连接于稳定电势，即DC输入电压(DC电源E的正极侧上)。
第一初级线圈P1和第二初级线圈P2a以相反的方向缠绕，且因此在电流经过线圈时生成同相的磁通量。也就是，第一和第二初级线圈P1和P2并联。依照实施例，第二初级线圈P2a的起始位置和线圈方向以第二初级线圈P2a的稳定电势侧相邻于次级线圈S的方式而反转。
依照图8中显示的变压器1，线圈层P1-1和P2-1最远离次级线圈S而安置，因为这些线圈层P1-1和P2-1连接于开关元件Q1所以减小了相应于次级线圈的寄生电容，且因此线圈层P1-1和P2-1经受大的电压变化。线圈层P2-2和P1-2最临近次级线圈S而安置，因为这些线圈层P2-2和P1-2连接于稳定电势所以寄生电容很大，且因此线圈层P2-2和P1-2经受小的电压变化。该配置减小了由经由第一和第二初级线圈P1和P2a的电流感生的经过次级线圈S的高频电流。
如图10和11清楚显示的，从线圈层P2-1到次级线圈S的高频电流急剧的减小。因此，本实施例的变压器1合适地形成了部分电压谐振转换器，该转换器结构简单且可以减小共模噪声，且变压器1使用次级线圈S上感生的逆程电压实现了零交叉开关。
线圈层P1-2和P2-2的端子连接于DC电源E的正极侧，且因此不经受电压变化。线圈层P1-2和P2-2也同样作用为线圈层P1-1和P2-1的电磁屏蔽，从而基本上没有高频电流从线圈层P1-1和P2-1到次级线圈S。这进一步减小了共模噪声。
共模噪声的主要引起原因是从每一第一和第二初级线圈P1和P2a到次级线圈S的电流。下面将具体说明该电流。
电容器是累积电荷的元件。电容器中的电荷量以电容器的电容C(相应于本实施例的寄生电容)和施加在电容器上的电压V表示：
Q＝CV    ...(1)
电流I相应于在每个单位时间移动的电荷量：
I＝dQ/dt    ...(2)
通过对表达式(1)进行求微分，表达式(1)和(2)提供如下：
dQ/dt＝I＝CdV/dt  ...(3)
依照表达式(3)，可以理解的是电流I比例于电容和每个单位时间的电压变化。也就是，从第一和第二初级线圈P1和P2a的任一个到次级线圈S的电流比例于相应的寄生电容和电压变化。
如果每一线圈层的线圈宽度相同，则图4和和10的变压器基本上提供了相同的寄生电容。因此，在相关技术的变压器1a中，互相临近的线圈层P1-2和次级线圈S之间的寄生电容、和互相临近的线圈层P2-1和次级线圈S之间的寄生电容很大。同样在变压器1a中，互相远离的线圈层P1-1和次级线圈S之间的寄生电容、和互相远离的线圈层P2-2和次级线圈S之间的寄生电容很小。
依照本实施例，当从稳定电势侧测量时，连接于稳定电势侧的线圈层P1-2和P2-2上的电压变化是连接于开关元件Q1的线圈层P1-1和P2-1上的电压变化的一半。
图12显示了当开关元件Q1切断时变压器1的线圈上生成的电压。当第一初级线圈P1感生电压Vp，每一线圈层P1-1和P1-2感生是电压Vp的一半的Vp/2电压。
图13A显示了依照图1和2的相关技术的变压器1a的线圈上的电压，且图13B显示了依照本发明的实施例的变压器1的线圈上的电压。在图13A和13B中，在圆括号中的值是稳定电势侧为参考(零)时线圈上感生的电压。
图13A中，图1和2中显示的、相关技术的变压器1a在临近于次级线圈S的线圈层P1-2上感生0到Vp/2的电压，且在临近于次级线圈S的线圈层P2-1上感生Vp/2到Vp的电压。
另一方面，相应于图8和11中显示的实施例中的第一初级线圈P1反向安置第二初级线圈P2a。结果，如图13B所示，临近于次级线圈S的线圈层P1-2和P2-2感生了0到Vp/2的电压。
将本实施例的变压器1和相关技术的变压器1a进行比较，应注意的是，尽管每一示例的线圈层P1-2感生0到Vp/2的相同电压，但是本实施例的线圈层P2-2感生的0到Vp/2的电压，该电压是与本实施例的线圈层P2-2的相同位置安置的、相关技术中的线圈层P2-1感生的电压Vp/2到Vp的一半。如图10和11清楚的显示，依照本实施例经由寄生电容C22S从线圈层P2-2到次级侧的高频电流是相关技术的变压器1a的高频电流的一半。因而，本实施例的变压器1可以减小共模噪声。
本实施例的第二初级线圈P2a相对于第一初级线圈P1反转，而没有增加导线的长度。因此，临近于次级线圈S的线圈层P1-2和P2-2可以连接于稳定电势侧而不增加漏电感。结果，本实施例可以减小共模噪声。
依照本实施例，每一第一和第二初级线圈P1和P2a具有两线圈层。替代的，每一第一和第二初级线圈P1和P2a可以具有三个或更多的线圈层。
例如，在每一第一和第二初级线圈P1和P2a可以由三个线圈层制成的情况下，每一第一和第二初级线圈P1和P2a的三层中最远离次级线圈S的线圈层的端子连接于开关元件Q1。且每一第一和第二初级线圈P1和P2a的三层中最临近次级线圈S的线圈层的端子连接于DC电源E的正极侧。
第二初级线圈P2a的线圈方向和第一初级线圈P1的线圈方向相反。在这种情况下，每一第一和第二初级线圈P1和P2a中的三线圈层的端子电压是Vp。最临近于次级线圈S的线圈层上的电压变化减小到0到Vp/3。这造成从第一第二初级线圈P1和P2a到次级线圈S的高频电流的进一步减小。以这种方式，三层线圈可以比两层线圈减少更多的高频电流，即共模噪声。
本发明的效果
依照本发明的第一方面，第一初级线圈安置在次级线圈内侧，且第二初级线圈安置在次级线圈的外侧，并且每一第一和第二初级线圈的线圈层中最远离次级线圈的线圈层的端子连接于开关元件。也就是，经受大的电压变化的每一线圈是安置在寄生电容很小的位置，以减小从第一和第二初级线圈到次级线圈的高频电流。该配置合适地形成了部分电压谐振转换器，该转换器具有简单的结构且可以使用在次级线圈上生成的逆程电压实现零交叉开关。
依照本发明的第二方面，第二初级线圈的线圈方向和第一初级线圈的线圈方向相反。如果每一第一和第二初级线圈的线圈层的端子电压是Vp，最临近于次级线圈的线圈层上的电压变化是0到Vp/(线圈层的数目)。由于这样的小电压变化，从第一和第二初级线圈到次级线圈的高频电流很小。这造成了进一步的减小共模噪声。本发明的第二方面不增加导线数目，且因此没有增加漏电感。
依照本发明的第三方面，每一第一和第二初级线圈的线圈层中最临近次级线圈的线圈层的端子连接于DC电源。结果，最临近次级线圈的线圈层不涉及电压变化，且因此作用为对于最远离次级线圈的线圈层的屏蔽，该最远离的线圈层经受较大的电压变化。因而，将没有高频电流从最远的线圈层到次级线圈。
工业应用
本发明可应用于例如DC-DC转换器和AC-DC转换器的电压装置。
尽管本发明是参考本发明的一定实施例而描述，但是本发明并不局限于上述的实施例。在教导的说明之上，对于本技术领域的普通技术人员可以出现该实施例的修改和变换。参考权利要求定义本发明的范围。

Claims (4)

1.一DC电源装置，包括：
开关元件，其连接于变压器的初级线圈且配置为执行开/关操作，从而将DC电源提供的DC电压转换为高频电力；
整流/平滑电路，配置为将从变压器的初级线圈传输到次级线圈的高频电力转换为DC输出电压；以及
控制器，配置为依照DC输出电压控制开关元件的开/关间隔，从而预定的输出电压被提供到负载，其中：
变压器的初级线圈包括具有多个线圈层的第一初级线圈和具有多个线圈层的第二初级线圈；
第一初级线圈安置在次级线圈的内侧；
第二初级线圈安置在次级线圈的外侧；
每一第一和第二初级线圈的线圈层中的最远离次级线圈的线圈层的端子连接于开关元件。
2.如权利要求1所述的DC电源，其中
第二初级线圈的线圈方向和第一初级线圈的线圈方向相反。
3.如权利要求1所述的DC电源，其中
每一第一和第二初级线圈的线圈层中的最临近次级线圈的线圈层的端子连接于DC电源。
4.如权利要求2所述的DC电源，其中
每一第一和第二初级线圈的线圈层中的最临近次级线圈的线圈层的端子连接于DC电源。
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