分布式变压器及其应用电路

1.本发明涉及变压器技术领域，尤其涉及一种分布式变压器及其应用电路。


背景技术：

2.集中式变压器主要由磁芯和绕组构成，结构简单，应用广泛。但是，在某些高频、高压、大电流的特殊应用场合，集中式变压器即要克服寄生电感和寄生电容的影响又要满足绝缘耐压和散热的要求，导致其制造难度大。发展分布式变压器，在特殊应用场合使用分布式变压器代替集中式变压器，可克服现有集中式变压器制造难度大的缺陷。
3.针对在某些高频、高压、大电流的特殊应用场合，现有技术中集中式变压器制造难度大且结构复杂，需要改进。


技术实现要素：

4.本发明提出的一种分布式变压器，包括原边2个端口、副边2个端口、n个变压器、n+1个电流流入支路和n+1个电流流出支路，n为大于1的整数，第j变压器原边的一端与第j变压器副边的一端为同名端，j的取值范围为1至n
‑
1，第n变压器原边的一端与第n变压器副边的一端为同名端，所述分布式变压器原边的第1端口与第1变压器原边的一端相连，所述分布式变压器原边的第2端口与第n变压器原边的另一端相连，所述分布式变压器副边的第1端口同时与第1电流流入支路至第n+1电流流入支路的电流输入端相连，所述分布式变压器副边的第2端口同时与第1电流流出支路至第n+1电流流出支路的电流输出端相连，第j变压器原边的另一端与第j+1变压器原边的一端相连，第j变压器副边的另一端与第j+1变压器副边的一端相连，第j变压器副边的一端同时与第j电流流入支路的电流输出端以及第j电流流出支路的电流输入端相连，第j变压器副边的另一端同时与第j+1电流流入支路的电流输出端以及第j+1电流流出支路的电流输入端相连，第n变压器副边的一端同时与第n电流流入支路的电流输出端以及第n电流流出支路的电流输入端相连，第n变压器副边的另一端同时与第n+1电流流入支路的电流输出端以及第n+1电流流出支路的电流输入端相连。
5.第1电流流入支路至第n+1电流流入支路和第1电流流出支路至第n+1电流流出支路均具有单向导电性。
6.进一步，所述第1电流流入支路至第n+1电流流入支路之一包括二极管，或者二极管和电阻的串联组合，或者二极管和电感的串联组合；所述第1电流流出支路至第n+1电流流出支路之一包括二极管，或者二极管和电阻的串联组合，或者二极管和电感的串联组合。
7.本发明提出的一种分布式变压器的应用电路，包括所述分布式变压器、缓冲支路、开关器件和电容，所述分布式变压器原边的第1端口同时与直流电压源的正端以及缓冲电路的一端相连，所述分布式变压器原边的第2端口同时与缓冲电路的另一端以及开关器件的一端相连，开关器件的另一端与直流电压源的负端相连，所述分布式变压器副边的第1端口同时与电容的一端以及负载的一端相连，所述分布式变压器副边的第2端口同时与电容的另一端以及负载的另一端相连。
8.所述缓冲支路的作用是抑制因变压器漏感产生的过电压，保护开关器件。
9.在一个实施例中，第1电流流入支路至第n电流流入支路之一包括二极管，第n+1电流流入支路包括二极管和电阻的串联组合，第1电流流出支路包括二极管和电阻的串联组合，第2电流流出支路至第n+1电流流出支路之一包括二极管。
10.在一个实施例中，第1电流流入支路至第n电流流入支路之一包括二极管，第n+1电流流入支路包括二极管和电感的串联组合，第1电流流出支路包括二极管和电感的串联组合，第2电流流出支路至第n+1电流流出支路之一包括二极管。
11.上述2实施例中，第1电流流入支路至第n电流流入支路和第2电流流出支路至第n+1电流流出支路中的二极管除了具有单向导电功能外，还具有电压钳位功能。
12.本发明提出的另一种分布式变压器的应用电路，包括所述分布式变压器、限流支路和电容，所述分布式变压器原边的第1端口与交流电压源的一端相连，所述分布式变压器原边的第2端口与限流支路的一端相连，限流支路的另一端与交流电压源的另一端相连，所述分布式变压器副边的第1端口同时与电容的一端以及负载的一端相连，所述分布式变压器副边的第2端口同时与电容的另一端以及负载的另一端相连。
13.所述限流支路的作用是限制流入所述分布式变压器原边的第1端口或第2端口的电流。
14.在一个实施例中，第1电流流入支路至第n+1电流流入支路之一包括二极管，第1电流流出支路至第n+1电流流出支路之一包括二极管。
15.第1电流流入支路至第n+1电流流入支路和第1电流流出支路至第n+1电流流出支路中的二极管除了具有单向导电功能外，还具有电压钳位功能。
16.在一个实施例中，限流支路包括电感或电阻。
17.本发明的有益效果主要表现在：
18.以分布的方式，采用多个独立“小”变压器构成1个集中“大”变压器。为解决多个“小”变压器之间的不一致问题，再引入若干具有单向导电性的电流流入支路和电流流出支路，对各“小”变压器间的不一致电流进行“疏导”。由多个独立“小”变压器与若干具有单向导电性的电流流入支路和电流流出支路共同构成的分布式变压器，具有制造难度低的特点。此外，该分布式变压器适应性好，应用电路种类多。
附图说明
19.图1是本发明提出的分布式变压器的电路图；
20.图2是本发明提出的第1种电流流入支路的电路图(1≤k≤n+1)；
21.图3是本发明提出的第2种电流流入支路的电路图(1≤k≤n+1)；
22.图4是本发明提出的第3种电流流入支路的电路图(1≤k≤n+1)；
23.图5是本发明提出的第1种电流流出支路的电路图(1≤k≤n+1)；
24.图6是本发明提出的第2种电流流出支路的电路图(1≤k≤n+1)；
25.图7是本发明提出的第3种电流流出支路的电路图(1≤k≤n+1)；
26.图8是本发明提出的第1种分布式变压器应用电路的电路图；
27.图9是本发明提出的第1种分布式变压器应用电路的稳态仿真波形图(n＝2，is1≤is2)；
28.图10是本发明提出的第1种分布式变压器应用电路的稳态仿真波形图(n＝2，is2≤is1)；
29.图11是本发明提出的第2种分布式变压器应用电路的电路图；
30.图12是本发明提出的第2种分布式变压器应用电路的稳态仿真波形图(n＝2，|is1|≤|is2|)；
31.图13是本发明提出的第2种分布式变压器应用电路的稳态仿真波形图(n＝2，|is2|≤|is1|)；
32.图14是本发明提出的第3种分布式变压器应用电路的电路图；
33.图15是本发明提出的第3种分布式变压器应用电路的稳态仿真波形图(n＝2)。
具体实施方式
34.下面结合附图对本发明作进一步描述。应当注意，这里描述的实施例只用于举例说明，并不用于限制本发明。在以下描述中，为了便于对本发明的透彻理解，阐述了大量特定细节。然而，本领域普通技术人员可以理解，这些特定细节并非为实施本发明所必需。此外，在一些实施例中，为了避免混淆本发明，未对公知的电路、材料或方法做具体描述。
35.在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“在一个实施例中”、“在实施例中”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和/或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图均是为了说明的目的，其中相同的附图标记指示相同的元件。应当理解，当称元件“连接到”或“耦接”到另一元件时，它可以是直接连接或耦接到另一元件，或者可以存在中间元件。
36.实施例1
37.参考图1，一种分布式变压器包括原边2个端口、副边2个端口、n个变压器、n+1个电流流入支路和n+1个电流流出支路，n为大于1的整数。第j变压器原边的一端与第j变压器副边的一端为同名端，j的取值范围为1至n
‑
1，第n变压器原边的一端与第n变压器副边的一端为同名端。所述分布式变压器原边的第1端口与第1变压器原边的一端相连，所述分布式变压器原边的第2端口与第n变压器原边的另一端相连，所述分布式变压器副边的第1端口同时与第1电流流入支路至第n+1电流流入支路的电流输入端相连，所述分布式变压器的副边第2端口同时与第1电流流出支路至第n+1电流流出支路的电流输出端相连。第j变压器原边的另一端与第j+1变压器原边的一端相连，第j变压器副边的另一端与第j+1变压器副边的一端相连，第j变压器副边的一端同时与第j电流流入支路的电流输出端以及第j电流流出支路的电流输入端相连，第j变压器副边的另一端同时与第j+1电流流入支路的电流输出端以及第j+1电流流出支路的电流输入端相连，第n变压器副边的一端同时与第n电流流入支路的电流输出端以及第n电流流出支路的电流输入端相连，第n变压器副边的另一端同时与第n+1电流流入支路的电流输出端以及第n+1电流流出支路的电流输入端相连。
38.第1电流流入支路至第n+1电流流入支路和第1电流流出支路至第n+1电流流出支路均具有单向导电性。
39.其工作原理如下：
40.实施例1中的第1变压器tr1至第n变压器trn的原边和副边均以串联的形式相连。相同制造工艺下，该串联结构可提高实施例1的整体耐压能力并且减小寄生电容。
41.单向导电的电流流入支路和电流流出支路使得分布式变压器的输出端呈单极性。即所述分布式变压器副边的第2端口为正，所述分布式变压器副边的第1端口为负。
42.参考图1，假设流入各变压器原边一端的电流同为ip，而流入第1变压器tr1至第n变压器trn副边一端的电流分别为is1至isn。当is1<0时，第1电流流出支路导通；当is1>0时，第1电流流入支路导通。当isn<0时，第n+1电流流入支路导通；当isn>0时，第n+1电流流出支路导通。
43.进一步，当tr1至trn存在不一致时，is1至isn则不完全相同。以相邻的变压器trj和trj+1为例，若isj>isj+1，则第j+1电流流出支路导通，电流isj
‑
isj+1从导通的第j+1电流流出支路流出，实现节点处的电流平衡；若isj<isj+1，则第j+1电流流入支路导通，电流isj+1
‑
isj从导通第j+1电流流入支路流入，实现节点处的电流平衡。
44.参考图2，第1种适用的电流流入支路包括二极管，即第k电流流入支路包括二极管dak，二极管dak的阳极与第k电流流入支路的电流输入端相连，二极管dak的阴极与第k电流流入支路的电流输出端相连，k的取值范围为1至n+1。
45.参考图3，第2种适用的电流流入支路包括二极管和电阻的串联组合，即第k电流流入支路包括二极管dbk和电阻rbk的串联组合，二极管dbk的阳极与电阻rbk的一端相连，电阻rbk的另一端与第k电流流入支路的电流输入端相连，二极管dbk的阴极与第k电流流入支路的电流输出端相连，k的取值范围为1至n+1。
46.参考图4，第3种适用的电流流入支路包括二极管和电感的串联组合，即第k电流流入支路包括二极管dck和电感lck的串联组合，二极管dck的阳极与电感lck的一端相连，电感lck的另一端与第k电流流入支路的电流输入端相连，二极管dck的阴极与第k电流流入支路的电流输出端相连，k的取值范围为1至n+1。
47.参考图5，第1种适用的电流流出支路包括二极管，即第k电流流出支路包括二极管ddk，二极管ddk的阳极与第k电流流出支路的电流输入端相连，二极管ddk的阴极与第k电流流出支路的电流输出端相连，k的取值范围为1至n+1。
48.参考图6，第2种适用的电流流出支路包括二极管和电阻的串联组合，即第k电流流出支路包括二极管dek和电阻rek的串联组合，二极管dek的阳极与第k电流流出支路的电流输入端相连，二极管dek的阴极与电阻rek的一端相连，电阻rek的另一端与第k电流流出支路的电流输出端相连，k的取值范围为1至n+1。
49.参考图7，第3种适用的电流流出支路包括二极管和电感的串联组合，即第k电流流出支路包括二极管dfk和电感lfk的串联组合，二极管dfk的阳极与第k电流流出支路的电流输入端相连，二极管dfk的阴极与电感lfk的一端相连，电感lfk的另一端与第k电流流出支路的电流输出端相连，k的取值范围为1至n+1。
50.图2至图7中的二极管令电流流入支路和电流流出支路具有单向导电性。图3和图6中的电阻以及图4和图7中的电感令电流流入支路和电流流出支路具有限流功能。
51.实施例2
52.参考图8，一种分布式变压器的应用电路，包括实施例1所述的分布式变压器、缓冲
支路、开关器件和电容，所述分布式变压器原边的第1端口同时与直流电压源的正端以及缓冲电路的一端相连，所述分布式变压器原边的第2端口同时与缓冲电路的另一端以及开关器件的一端相连，开关器件的另一端与直流电压源的负端相连，所述分布式变压器副边的第1端口同时与电容的一端以及负载的一端相连，所述分布式变压器副边的第2端口同时与电容的另一端以及负载的另一端相连。
53.所述第1电流流入支路至第n电流流入支路分别包括二极管da1至dan，第n+1电流流入支路包括二极管dbn+1和电阻rbn+1的串联组合，第1电流流出支路包括二极管de1和电阻re1的串联组合，第2电流流出支路至第n+1电流流出支路分别包括二极管dd2至ddn+1。
54.所述第1电流流入支路至第n电流流入支路和第2电流流出支路至第n+1电流流出支路中的二极管除了具有单向导电功能外，还具有电压钳位功能。
55.所述缓冲支路包括电阻、二极管和电容的组合，或者二极管和瞬态二极管(tvs)的组合，或者压敏电阻。缓冲支路的作用是防止因变压器漏感造成的过电压，保护开关器件。
56.所述开关器件包括半导体可控器件，如：bjt管、mos管、igbt管等。
57.以n＝2为例，阐述其工作原理。参考图8，假设tr1和tr2的匝比分别是n1和n2，tr1和tr2的原边励磁电感分别为lmp1和lmp2，tr1和tr2的副边励磁电感分别为lms1和lms2，直流电压源电压为vi，流入tr1和tr2原边一端的电流同为ip，而流入变压器tr1和tr2副边一端的电流分别为is1和is2。
58.当输出电压vo足够高时，第1电流流出支路截止，第3电流流入支路也截止，实施例2的工作状态类似于一种反激的状态。
59.当开关器件导通时，lmp1和lmp2充磁，电流ip增加，各电流流入支路和各电流流出支路均截止，由电容为负载提供电能。
60.当开关器件截止时，tr1和tr2的副边励磁电感lms1和lms2放磁，电流is1和is2均减小，为电容和负载提供电能，第1电流流入支路、第2电流流入支路、第2电流流出支路和第3电流流出支路的导通/截止状态具体视电流is1和is2的大小而定。
61.若is1>0，第1电流流入支路导通；若is1＝0，第1电流流入支路截止。若is2>0，第3电流流出支路导通；若is2＝0，第3电流流出支路截止。若is1>is2，第2电流流出支路导通，第2电流流入支路截止。若is2>is1，第2电流流入支路导通，第2电流流出支路截止。若is1＝is2，第2电流流入支路和第2电流流出支路均截止。
62.第1电流流出支路和第3电流流入支路中的电阻re1和rb3在实施例2的启动过程中可限制电容的充电电流。
63.取n＝2、vi＝100v、lmp1＝150μh、lms1＝150mh、lmp2＝300μh、lms2＝100mh，tr1和tr2的耦合系数均为0.98，开关器件的工作频率为50khz和占空比为0.5，负载为50kω。仿真可得如图9所示的稳态仿真波形图。由图8和图9可知，仿真结果和工作原理分析一致。当is2>is1>0时，电流is2
‑
is1会通过导通的第2电流流入支路流入；当is2＝is1>0时，第2电流流入支路截止。
64.取n＝2、vi＝100v、lmp1＝300μh、lms1＝100mh、lmp2＝150μh、lms2＝150mh，tr1和tr2的耦合系数均为0.98，开关器件的工作频率为50khz和占空比为0.5，负载为50kω。仿真可得如图10所示的稳态仿真波形图。由图8和图10可知，仿真结果和工作原理分析一致。当is1>is2>0时，电流is1
‑
is2会通过导通的第2电流流出支路流出；当is1＝is2>0时，第2电流
流出支路截止。
65.实施例3
66.参考图11，一种分布式变压器的应用电路，包括实施例1所述的分布式变压器、缓冲支路、开关器件和电容。
67.所述分布式变压器中的第1电流流入支路至第n电流流入支路分别包括二极管da1至dan，第n+1电流流入支路包括二极管dcn+1和电感lcn+1的串联组合，第1电流流出支路包括二极管df1和电感lf1的串联组合，第2电流流出支路至第n+1电流流出支路分别包括二极管dd2至ddn+1。
68.实施例3的其余部分与实施例2相同。
69.仍以n＝2为例，阐述其工作原理。参考图11，假设tr1和tr2的匝比分别是n1和n2，tr1和tr2的原边励磁电感分别为lmp1和lmp2，tr1和tr2的副边励磁电感分别为lms1和lms2，直流电压源电压为vi，流入tr1和tr2原边一端的电流同为ip，流入tr1和tr2副边一端的电流分别为is1和is2，流过电感lf1和lc3的电流分别为ilf1和ilc3。
70.当输出电压vo不足够高时，将不满足第1电流流出支路和第3电流流入支路长时间截止的要求，实施例3的工作状态类似于一种正反激的状态。
71.当开关器件导通时，tr1和tr2的原边励磁电感lmp1和lmp2充磁，电流ip增加，第1电流流出支路和第3电流流入支路均导通，第1电流流入支路和第3电流流出支路均截止，电感lf1和lc3充磁，电流ilf1和ilc3均增加，为电容和负载提供电能，第2电流流入支路和第2电流流出支路的导通/截止状态具体视电流is1和is2的大小而定。若is2<is1<0，第2电流流出支路导通，第2电流流入支路截止。若is1<is2<0，第2电流流入支路导通，第2电流流出支路截止。若is1＝is2<0，第2电流流入支路和第2电流流出支路均截止。
72.当开关器件截止时，lms1和lms2放磁，电流is1和is2均减小，lf1和lc3也放磁，电流ilf1和ilc3也均减小，共同为电容和负载提供电能，第1电流流出支路的导通/截止状态具体视电流ilf1的大小而定，第3电流流入支路的导通/截止状态具体视电流ilc3的大小而定，第1电流流入支路、第2电流流入支路、第2电流流出支路和第3电流流出支路的导通/截止状态具体视电流is1、is2、ilf1和ilc3的大小而定。
73.若ilf1>0，第1电流流出支路导通；若ilf1＝0，第1电流流出支路截止。若ilc3>0，第3电流流入支路导通；若ilc3＝0，第3电流流入支路截止。若is1>0或ilf1>0，第1电流流入支路导通；当is1＝0且ilf1＝0，第1电流流入支路截止。当is2>0或ilf2>0，第3电流流出支路导通；当is2＝0且ilf2＝0，第3电流流出支路截止。若is1>is2，第2电流流出支路导通，第2电流流入支路截止。若is2>is1，第2电流流入支路导通，第2电流流出支路截止。若is1＝is2，第2电流流入支路和第2电流流出支路均截止。
74.取n＝2、vi＝100v、lmp1＝150μh、lms1＝150mh、lmp2＝300μh、lms2＝100mh、lf1＝lc3＝10mh，tr1和tr2的耦合系数均为0.98，开关器件的工作频率为50khz和占空比为0.3，负载为10kω。仿真可得如图12所示的稳态仿真波形图。由图11和图12可知，仿真结果和工作原理分析一致。当is2<is1<0时，电流|is2
‑
is1|会通过导通的第2电流流出支路流出；当is2>is1>0时，电流is2
‑
is1会通过导通的第2电流流入支路流入。
75.取n＝2、vi＝100v、lmp1＝300μh、lms1＝100mh、lmp2＝150μh、lms2＝150mh、lf1＝lc3＝10mh，tr1和tr2的耦合系数均为0.98，开关器件的工作频率为50khz和占空比为0.3，
负载为10kω。仿真可得如图13所示的稳态仿真波形图。由图11和图13可知，仿真结果和工作原理分析一致。当is1<is2<0时，电流|is1
‑
is2|会通过导通的第2电流流入支路流入；当is1>is2>0时，电流is1
‑
is2会通过导通的第2电流流出支路流出。
76.当输出电压vo足够高时，第1电流流出支路和第3电流流入支路截止，实施例3的工作状态类似于一种反激的状态，与实施例2相似。
77.实施例4
78.参考图14，一种分布式变压器的应用电路，包括实施例1所述的分布式变压器、限流支路和电容，所述分布式变压器原边的第1端口与交流电压源的一端相连，所述分布式变压器原边的第2端口与限流支路的一端相连，限流支路的另一端与交流电压源的另一端相连，所述分布式变压器副边的第1端口同时与电容的一端以及负载的一端相连，所述分布式变压器副边的第2端口同时与电容的另一端以及负载的另一端相连。
79.所述第1电流流入支路至第n+1电流流入支路之一包括二极管，第1电流流出支路至第n+1电流流出支路之一包括二极管。第1电流流入支路至第n+1电流流入支路和第1电流流出支路至第n+1电流流出支路中的二极管除了具有单向导电功能外，还具有电压钳位功能。
80.所述限流支路包括电感或电阻，其作用是限制流入所述分布式变压器原边的第1端口或第2端口的电流。
81.所述交流电压源包括正弦交流电压源、正负脉冲电压源或多电平脉冲电压源等。
82.以n＝2为例，阐述其工作原理。参考图14，假设变tr1和tr2的匝比分别是n1和n2，tr1和tr2的原边励磁电感分别为lmp1和lmp2，tr1和tr2的副边励磁电感分别为lms1和lms2，交流电压源采用三电平脉冲电压源vac(包含正电压vi、零电压和负电压
‑
vi)，流入tr1和tr2原边一端的电流同为ip，而流入tr1和tr2副边一端的电流分别为is1和is2。再令限流支路为一电感，实施例4的工作状态将类似于一种整流的状态。
83.当vac＝vi>0时，限流支路中的电感以及lmp1和lmp2充磁，电流ip增加，电流is1和is2反向增加。当vac＝0时，限流支路中的电感以及lmp1和lmp2放磁，电流ip减小或反向减小，电流is1和is2反向减小或减小。当vac＝
‑
vi<0时，限流支路中的电感以及lmp1和lmp2反向充磁，电流ip反向增加，电流is1和is2增加。
84.各电流流入支路和各电流流出支路的导通/截止状态具体视电流is1和is2的大小而定。
85.若is1>0，第1电流流入支路导通；若is1<0，第1电流流出支路导通；若is1＝0，第1电流流入支路和第1电流流出支路均截止。若is2>0，第3电流流出支路导通；若is2<0，第3电流流入支路导通；若is2＝0，第3电流流入支路和第3电流流出支路均截止。若is1>is2，第2电流流出支路导通。若is1<is2，第2电流流入支路导通。
86.取n＝2、vac的工作频率为50khz、vac的零电平占比为0.3、vi＝50v、lmp1＝300μh、lms1＝100mh、lmp2＝150μh、lms2＝150mh，tr1和tr2的耦合系数均为0.98，限流支路中的电感为100μh，负载为10kω。仿真可得如图15所示的稳态仿真波形图。由图14和图15可知，仿真结果和工作原理分析一致。当is1>is2时，电流is1
‑
is2会通过导通的第2电流流出支路流出；当is1<is2时，电流|is1
‑
is2|会通过导通的第2电流流入支路流入。
87.本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护
范围的不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。