专利名称：Lc组合变量器的实现方法与电路结构及其铁芯的有效利用的制作方法
技术领域：
本发明采用少数的电感、电容与一个具有电隔离功能的互感器(即传统变压器) 组合构成LC组合变量器。本发明LC组合变量器的实现按其功能侧重分为三种基本类型电流变换型(理想变流器)，电压变换型(理想变压器)，和电压电流变换型(理想变量器)； 而且它们都不同程度地具有方波_准正弦波波形变换功能。由本发明方法设计的理想变流器适合于正弦波电流检测；设计的理想变压器适用于正弦波电压测量；进一步升级可设计成理想变量器，既实现理想变压又实现理想变流。本发明在设计中还引入了方波_准正弦波波形变换的新特性，可以设计出用于方波-准正弦波之间的波形变换(或波形隔离)及功率传输的变量器，适合于电力电子技术方面的应用(譬如直流输电和正弦电压电流的无源滤波等)。在波形变换中还提出了推挽电感器的使用方法与适用于双端变换器的双周期分时驱动技术，消除了双端电路的铁芯在交替驱动下的偏磁问题并使共态导通得到改善。
背景技术：
众所周知，电气工程中广泛使用的电气变量器(俗称变压器)其实质是一个耦合系数k小于1但接近于1的互感器。为了能更清楚地定性认识问题，我们暂时在忽略它的有功损耗的情况下来回顾它的电特性方程。由电路理论，设互感器的各端口变量对应于图 1(a)，则它的电特性方程在正弦稳态电路的表现形式为
权利要求
1.一种电气变量器，称LC组合变量器，用于传输正弦周期波或至少是周期波的电信号或电能、并线性改变其电压或/和电流的幅值，其特征为由若干线性电容、线性电感与一个线性互感器即传统变压器组合构成；所说的互感器的漏电感与磁化电感组合所说的电容或/和电感构成至少一级全耦合互容器；所说的互容器是一个总数至少为三个所说的电容或/和电感构成的△形或T形或者它们的变异等效形状的二端口网络；所说的全耦合Δ 形(或η形)互容器若忽略损耗其二端口间呈纯电流变换特性，所说的全耦合T形(或Y 形)互容器若忽略损耗其二端口间呈纯电压变换特性；所说的至少一级全耦合互容器之间与所说的互感器抽去所说的漏电感与磁化电感后余下的理想变量器之间是逐级级联的连接关系。
2.根据权利要求1定义的LC组合变量器，一个实用的一般化的电路结构设计方案(图 2)表述为包括一级或两级所说的全耦合互容器级联到所说的互感器的理想变量器，由两个线性电感、三个线性电容与一个线性互感器构成，及其电气连接特征如下表述；第一电感的一端为输入端，另一端连接第二电感的一端与第一电容的一端，第二电感的另一端连第二电容的一端与第三电容的一端，第二电容的另一端连所说的互感器原边绕组的高电位端，第一电容的另一端、第三电容的另一端与互感器原边绕组的低电位端连接在一起作公共端，定义所说的输入端与所说的公共端之间为输入端口，定义所说的互感器副边绕组的两端为输出端口 ；第三电容的位置在必要时可以移到所说的输入端口或所说的输出端口相并联；当第三电容不与第二电感和第二电容之间的节点相连时，第二电感与第二电容的位置可以互换；所说的输入端口与输出端口的指定根据需要可以互换；所说的两级全耦合互容器级联到所说的理想变量器的次序可以变更，只要电路理论允许其变更与这里表述的电路等效。
3.在权利要求2定义的LC组合变量器中，所说的线性电感、线性电容与线性互感器都是有损耗的实际器件(如图2(c))，尽管它们各自的量值可以是一个或多个元器件根据串并联等效的原则产生；其量值的范围与特征为所说的第一电感与第二电感各自可为有限值(大于零与小于无穷值)或零值即短路，所说的第一电容为有限值，所说的第二电容为有限值或无穷值即短路，所说的第三电容为有限值或零值即开路，所说的互感器的原边绕组自电感与副边绕组自电感均为有限值；所说的线性的实际器件指拥有满足变量器变换精度要求的近似线性；所说的互感器可以是多绕组的只要它能从电路理论上等效为双绕组互感器并采用本发明的方法。
4.由权利要求3定义的LC组合变量器的第一个具体实现，称电流变换A型LC组合变量器，或简称变换A型理想变流器或理想变流器A (图3)，被描述为包括所说的互感器有两个绕组各自取有限值自电感、所说的第一电容取有限值、所说的第二电感取有限值、所说的第一电感和第二电容短路、以及所说的第三电容开路，指定所说的互感器与所说的电感、 电容相连的绕组为所说的互感器的副边绕组，指定所说的互感器的另一个绕组为原边绕组并为本具体实现的变量器的输入端口，并指定所说的第一电容的两端为输出端口。
5.由权利要求4定义的电流变换A型LC组合变量器，由所说的互感器的理想变量器与一级全耦合η形互容器级联实施共两级电流变换，其特征为若忽略损耗所说的互容器其二端口间呈纯电流变换特性、设计为符合条件《2Cm(L2+Lb) = 1，致使此变量器的端口电流变换的比值为
6.对权利要求4定义的电流变换A型LC组合变量器实施电感互感器集成设计方法将得到一个多用途的集成电感互感器(见图3(c)和(d))，其特征为它具有互感器铁芯磁路，电感器铁芯磁路，互感器原边绕组，和兼互感器副边绕组与电感器绕组合二为一的共用绕组，以及应需要设置的辅助绕组；所说的互感器原边绕组仅绕制在所说的互感器铁芯磁路上并用其两端作输入端口，所说的共用绕组绕制在位置上靠近的所说的互感器铁芯磁路与所说的电感器铁芯磁路的并行路段上，所说的辅助绕组仅绕制在所说的电感器铁芯磁路上，所说的共用绕组与所说的辅助绕组同向串联并用其两端作输出端口 ；所说的互感器的铁芯与所说的电感器铁芯可以采用任何磁性材料、可以是任意可能的形状、其各自的横截面积可以不相等、铁芯磁路长度可以不相等；所说的输入端口与输出端口的指定根据需要可以互换；所说的互感器的变比、耦合系数、原边自电感、副边自电感以及电流和功率关系均按常规互感器关系进行确定，所说的集成电感互感器的输出端总电感在磁路线性度良好的情况下大致为按常规互感器关系所确定的互感器副边自电感加上由所说的共用绕组、辅助绕组和所说的电感器铁芯磁路所决定的电感值之和。
7.由权利要求3定义的LC组合变量器的第二个具体实现，称电流变换B型LC组合变量器，或简称变换B型理想变流器或理想变流器B (图4)，被描述为包括所说的互感器有两个绕组各自取有限值自电感、所说的第一电容和第二电容都取有限值、所说的第一电感和第二电感都为短路、以及所说的第三电容开路，指定所说的互感器与所说的电容相连的绕组为所说的互感器的副边绕组，指定所说的互感器的另一个绕组为原边绕组并为本具体实现的变量器的输入端口，并指定所说的第一电容的两端为输出端口。
8.由权利要求7定义的电流变换B型LC组合变量器，由所说的互感器的理想变量器与一级全耦合η形互容器级联实施共两级电流变换，其特征为若忽略损耗所说的互容器其二端口间呈纯电流变换特性、设计为符合条件
9.由权利要求3定义的LC组合变量器的第三个具体实现，称同相模式电压变换型LC 组合变量器，或简称同相理想变压器(图5)，被描述为包括所说的互感器有原边绕组与副边绕组各自取有限值自电感、所说的第一电感取有限值、所说的第一电容和第二电容取有限值、所说的第二电感短路、所说的第三电容开路。
10.由权利要求9定义的同相模式电压变换型LC组合变量器，由两级全耦合T形互容器与所说的互感器的理想变量器级联实施共三级电压变换，其特征为若忽略损耗所说的两级互容器其各自二端口间呈纯电压变换特性、设计为分别符合条件《2La(Cbl+Cm) = 1与 W2(^k2)L1Cb2 = 1，致使此变量器端口电压变换的比值为
11.由权利要求3定义的LC组合变量器的第四个具体实现，称反相模式电压变换型LC 组合变量器，或简称反相理想变压器(图6)，被描述为包括所说的互感器有原边绕组与副边绕组各自取有限值自电感、所说的第一电感取有限值、第二电感取有限值但不排除短路、 所说的第一电容取有限值、所说的第二电容取有限值不排除短路、所说的第三电容开路但不排除需要时取有限值。
12.由权利要求11定义的反相模式电压变换型LC组合变量器，由两级全耦合T形互容器与所说的互感器的理想变量器级联实施共三级电压变换，其特征为若忽略损耗所说的两级互容器其各自二端口间呈纯电压变换特性、设计为分别符合条件co2Cm(La//Lb) = 1与 W2(^k2)L1Cb = 1，致使此变量器端口电压变换的比值为
13.由权利要求9定义的同相模式电压变换型LC组合变量器的应用改进提出、并可以应用于其他电路如有源功率因数校正(APFC)等的推挽电感器方法(参见
图11(b))包括 ①两路对称的驱动开关(各自含二极管反向并联)譬如晶体管31、33[注例图电路为正逻辑且均使用ηρη双结型晶体管(BJTs)，尽管本应用并不仅限于正逻辑与采用双结型晶体管]，两路对称的开关32、34(这里采用可控硅整流器，在某些情况下可采用二极管代替)；②电感器Ia的一端电连接到开关31的集电极和32的阳极，电感器Ia的另一端电连接到开关33的集电极和34的阳极[注这里的“连接”可以是直接连接，也可以是通过变压器的间接连接]，开关31和33的发射极电连接在一起到参考电位，32和34的阴极电连接在一起到一个高电位，电感Ia的中心抽头接到另一个高电位，开关31和33的基极分别连接到各自的控制驱动信号譬如Pl和P2 (图11 (c))，可控硅整流器32,34分别采用Pl和P2的下降沿触发；③推挽电感器采用双周期分时驱动技术。
14.在权利要求13中叙述的双周期分时驱动技术，用于驱动一个双端变换器两路对称的驱动开关(譬如图11(b)中的31和33)，两路开关的基极或控制极分别施加如图11(c) 中Pl和P2的控制驱动信号，可以被描述为以双开关周期为一个循环的PWM控制与驱动， 并具有其工作时序叙述如下；第一周期开关33截止、31导通不超过时间T/2然后截止，第二周期开关31截止、33导通不超过时间T/2然后截止，第二周期结束为双周期分时驱动的一个循环结束；其中，T为电路的开关工作周期时间(全电路宏观观察效果)。
15.在权利要求1中叙述的全耦合Δ形(或π形)互容器是一个多用途的交流电路二端口网络元件，又称全耦合电流型互容器，其特征为它的最简单的等效电路结构由三个电容呈电路Δ形或π形联接(参见图12-3)；当忽略其损耗时它的二端口之间呈纯电流变换特性；并满足全耦合实现条件即所说的三个等效电容值的倒数和等于零，或
16.在权利要求1中叙述的全耦合T形(或Y形)互容器是一个多用途的交流电路二端口网络元件，又称全耦合电压型互容器，其特征为它的最简单的等效电路结构由三个电容呈电路T形或Y形联接(参见图12-4)；当忽略其损耗时它的二端口之间呈纯电压变换特性；并满足全耦合实现条件即所说的三个等效电容值的和等于零，或Ca+Cb+Cm = 0 ；其中需要的负值电容可通过负阻抗转换器实现或在恒频条件下采用电感实现。
全文摘要
本发明提出了由电感、电容与具有电隔离功能的互感器或传统变压器组合构成的LC组合变量器。本发明旨在对工程中普遍使用的变压器在实际工作中的不完善性提出改进，将互容器与互感器完美搭配，采用最简单的无源电路设计方法实现最佳的变流变压特性，并引入方波准正弦波变换的新特性。采用本方法设计的理想变流器适合于正弦波电流检测；设计的理想变压器适合于正弦波电压测量；并可以升级实现理想变量器，同时实现正弦波电压电流变换；还可以设计出用于方波准正弦波波形变换及功率传输的变量器，适用于电力电子技术。本发明在实现中还提出了电感互感器的集成设计方法和推挽电感器方法，充分的利用了材料与最大限度的缩小了体积。
文档编号H01F27/28GK102176641SQ20091030033
公开日2011年9月7日 申请日期2009年1月24日 优先权日2009年1月24日
发明者李建豪, 李然然, 李纯 申请人:李建豪, 李然然, 李纯