本發(fā)明涉及一種變壓器。

背景技術(shù)：

在商用ac傳輸和分布系統(tǒng)中使用變壓器。在消費(fèi)者的房屋附近，使用桿式變壓器，其例如將6600v(50hz或60hz)轉(zhuǎn)換為200v(參見(jiàn)非專利文獻(xiàn)1)。這種桿式變壓器具有纏繞在鐵芯周圍的作為導(dǎo)電線的厚線圈，且因此具有很大重量。例如，具有40cm直徑以及80cm高度的桿式變壓器具有約200kg的重量，包括絕緣油和外殼。

另一方面，為了實(shí)現(xiàn)作為下一代電力系統(tǒng)的智能電網(wǎng)，已經(jīng)開(kāi)展對(duì)sst(固態(tài)變壓器)的研究。對(duì)于sst來(lái)說(shuō)，使用高頻變壓器(例如，參見(jiàn)非專利文獻(xiàn)2)。

近年來(lái)，存在例如將光伏發(fā)電的輸出電壓(dc)降壓以用于針對(duì)測(cè)量而供應(yīng)的低壓電源的需求。存在光伏發(fā)電的輸出電壓高達(dá)1000v的情況。為了將這種高壓降壓至約100至200v，在ac電路中需要諸如降壓變壓器的中介裝置。

引用列表

[非專利文獻(xiàn)]

非專利文獻(xiàn)1：初布電力有限公司主頁(yè)，[桿式變壓器]，[在線]，[2014年9月12日搜索]，因特網(wǎng)<url:http://www.chuden.co.jp/kids/kids_denki/home/hom_kaku/index.html>

非專利文獻(xiàn)2：falcones,s.等人，電力和能源社團(tuán)大會(huì)，2010ieee，pp.1-8，明尼阿波利斯，2010年7月。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

[技術(shù)問(wèn)題]

常規(guī)的桿式變壓器很重，且因此不容易搬運(yùn)。此外，在桿上需要足夠大以容納變壓器的外部尺寸的安裝空間。

另一方面，高頻變壓器不能防止寄生電容的影響，且在設(shè)計(jì)上有難度。

考慮到這些常規(guī)問(wèn)題，本發(fā)明的目的是提供一種具有較小尺寸和較輕重量的革新的下一代變壓器，其不需要常規(guī)變壓器中使用的用于磁耦合，電磁感應(yīng)或互感的線圈，鐵芯等。ac電源或dc電源均可用。

[問(wèn)題的解決方案]

根據(jù)本發(fā)明的變壓器提供在電源和負(fù)載之間，且由前級(jí)電路和后級(jí)電路構(gòu)成。

前級(jí)電路包括：(a)數(shù)量為2的倍數(shù)的彼此串聯(lián)的多個(gè)開(kāi)關(guān)組成的開(kāi)關(guān)串聯(lián)單元，多個(gè)開(kāi)關(guān)包括從開(kāi)關(guān)串聯(lián)單元的兩端中的一端觀察到的奇數(shù)開(kāi)關(guān)和偶數(shù)開(kāi)關(guān)，奇數(shù)開(kāi)關(guān)和偶數(shù)開(kāi)關(guān)被配置為交替導(dǎo)通，開(kāi)關(guān)串聯(lián)單元作為整體并聯(lián)至電源；(b)假設(shè)相應(yīng)開(kāi)關(guān)的互連點(diǎn)以及開(kāi)關(guān)串聯(lián)單元兩端的點(diǎn)被認(rèn)為是總計(jì)m個(gè)節(jié)點(diǎn)，則兩端的點(diǎn)中的一個(gè)被認(rèn)為是接地節(jié)點(diǎn)，且從開(kāi)關(guān)串聯(lián)單元的兩端中的一端按1至m的順序觀察這些節(jié)點(diǎn)，電容器設(shè)置在第一電路徑和第二電路徑的至少一個(gè)電路徑上，第一電路徑被配置為合并奇數(shù)節(jié)點(diǎn)并將奇數(shù)節(jié)點(diǎn)引導(dǎo)至第一輸出端口，第二電路徑被配置為合并偶數(shù)節(jié)點(diǎn)并將偶數(shù)節(jié)點(diǎn)引導(dǎo)至第二輸出端口，存在電容器以便對(duì)應(yīng)于除接地節(jié)點(diǎn)之外的至少(m-1)個(gè)節(jié)點(diǎn)；以及(c)接地電路徑，其被配置為在將接地節(jié)點(diǎn)直接連接至第一輸出端口而無(wú)需插入的電容器。

后級(jí)電路包括：(d)由彼此串聯(lián)并進(jìn)行互相相反極性的傳導(dǎo)操作的一對(duì)半導(dǎo)體元件組成的元件串聯(lián)單元，元件串聯(lián)單元的兩端中的一端連接至第一輸出端口以及負(fù)載的接地端，同時(shí)元件串聯(lián)單元的另一端連接至第二輸出端口；以及(e)分別設(shè)置在第三電路徑和第四電路徑上的電感器，第三電路徑被配置為將元件串聯(lián)單元的非接地端引導(dǎo)至負(fù)載的接地端，第四電路徑被配置為將該對(duì)半導(dǎo)體元件的互連點(diǎn)引導(dǎo)至負(fù)載的非接地端。

變壓器還包括設(shè)置為控制開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通/斷開(kāi)操作的控制部。

[發(fā)明的有益效果]

根據(jù)本發(fā)明的變壓器，能提供一種具有較小尺寸和較輕重量的革新的下一代變壓器，其不需要常規(guī)變壓器中使用的用于磁耦合，電磁感應(yīng)或互感的線圈，鐵芯等。此外，這種變壓器能夠輸入/輸出共同接地。

附圖說(shuō)明

圖1是示出作為根據(jù)實(shí)施例的變壓器的原始形式的變壓器的電路圖。

圖2是電路圖，其中(a)示出當(dāng)圖1中所示的四個(gè)開(kāi)關(guān)中的上側(cè)的兩個(gè)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通且下側(cè)的兩個(gè)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)的實(shí)際連接狀態(tài)，以及(b)以階梯形式示出與(a)中相同的電路圖。

圖3是電路圖，其中(a)示出當(dāng)圖1中所示的四個(gè)開(kāi)關(guān)中的下側(cè)的兩個(gè)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通且上側(cè)的兩個(gè)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)的實(shí)際連接狀態(tài)，以及(b)以階梯形式示出與(a)中相同的電路圖。

圖4是波形圖，其中上部曲線圖示出輸入到變壓器的輸入電壓并且下部曲線圖示出輸入到變壓器的輸入電流。

圖5是示出變壓的中間級(jí)的電壓vm和電流im的波形。

圖6是波形圖，其中上部曲線圖示出變壓器的輸出電壓并且下部曲線圖示出變壓器的輸出電流。

圖7是示出開(kāi)發(fā)得更為實(shí)際的變壓器的一個(gè)示例的電路圖。

圖8是示出“2c2l”變壓器中的前級(jí)電路的主要部分的拓?fù)渥冃偷碾娐穲D。

圖9是示出后級(jí)電路的主要部分的拓?fù)渥冃偷碾娐穲D。

圖10是示出“4c2l”變壓器中的前級(jí)電路的主要部分的示意圖。

圖11是示出在第一電路徑(實(shí)線)中電容器的總數(shù)沒(méi)有減少的情況下的第一電路徑的電路變型的示意圖。

圖12是示出在第一電路徑(實(shí)線)中電容器的總數(shù)沒(méi)有減少的情況下的第一電路徑的另一電路變型的示意圖。

圖13是示出在圖10中所示的第一電路徑(實(shí)線)中電容器的總數(shù)減少一個(gè)的情況下的第一電路徑的電路變型的示意圖。

圖14是示出圖10中所示的第二電路徑(虛線)的電路變型的示意圖。

圖15是示出“6c2l”變壓器中的前級(jí)電路的主要部分的示意圖。

圖16是示出在圖15中所示的第一電路徑(實(shí)線)或第二電路徑(虛線)中電容器的總數(shù)減少一個(gè)的情況下的電路變型的示意圖。

圖17是示出將前級(jí)電路修改為輸入/輸出共同接地型的方式的電路圖。

圖18是示出將連接至負(fù)載的后級(jí)電路修改為輸入/輸出共同接地型的方式的電路圖。

圖19是示出輸入/輸出共同接地型變壓器的電路圖。

圖20是示出當(dāng)奇數(shù)開(kāi)關(guān)或偶數(shù)開(kāi)關(guān)從導(dǎo)通改變?yōu)閿嚅_(kāi)且隨后再次改變?yōu)閷?dǎo)通時(shí)，開(kāi)關(guān)電壓(漏源電壓)的改變的曲線圖。

圖21是示出zvt以及從斷開(kāi)至導(dǎo)通的死區(qū)時(shí)間(deadtime)長(zhǎng)度(其被設(shè)定為“長(zhǎng)”，“中”和“短”)之間關(guān)系的曲線圖。

圖22是示出當(dāng)開(kāi)關(guān)跨越死區(qū)時(shí)間x從斷開(kāi)改變至導(dǎo)通時(shí)隨水平軸的時(shí)間比例增大的變化量改變的曲線圖。

圖23是示出開(kāi)關(guān)之后的級(jí)中的電路中的第一半時(shí)間期間流動(dòng)的電流的示意圖，其中示出了圖19中所示的相應(yīng)開(kāi)關(guān)的浮動(dòng)電容。

圖24是示出開(kāi)關(guān)之后的級(jí)中的電路中的第二半時(shí)間期間流動(dòng)的電流的示意圖，其中示出了圖19中所示的相應(yīng)開(kāi)關(guān)的浮動(dòng)電容。

在圖25中，(a)是示出變壓器的輸出電壓的曲線圖，并且(b)是示出電感器兩端之間的電壓的曲線圖。

圖26是示出開(kāi)關(guān)電壓vsw(實(shí)線)以及電流iq(虛線)的波形的曲線圖。

圖27是通過(guò)按比例放大由圖26中矩形包圍的右上部而獲得的示意圖。

圖28是示出線性接近電流iq的峰值附近的區(qū)域的示意圖。

圖29是示出圖28中所示的波形在時(shí)間軸方向上(向右的方向)延伸的示意圖。

圖30是示出條件1的情況下死區(qū)時(shí)間τ[ns]和效率[％]之間的關(guān)系的曲線圖。

圖31是示出條件1的情況下變壓器的死區(qū)時(shí)間τ[ns]和輸出功率[w]之間的關(guān)系的曲線圖。

圖32是示出條件2的情況下死區(qū)時(shí)間τ[ns]和效率[％]之間的關(guān)系的曲線圖。

圖33是示出條件2的情況下死區(qū)時(shí)間τ[ns]和效率[％]之間的關(guān)系的曲線圖。

圖34示出τ為200ns的情況下的開(kāi)關(guān)電壓的實(shí)際測(cè)量波形。

圖35示出τ為500ns的情況下的開(kāi)關(guān)電壓的實(shí)際測(cè)量波形。

圖36示出τ為1000ns的情況下的開(kāi)關(guān)電壓的實(shí)際測(cè)量波形。

圖37示出τ為2000ns的情況下的開(kāi)關(guān)電壓的實(shí)際測(cè)量波形。

圖38示出τ為200ns的情況下的開(kāi)關(guān)電壓的實(shí)際測(cè)量波形。

圖39示出τ為3000ns的情況下的開(kāi)關(guān)電壓的實(shí)際測(cè)量波形。

圖40是示出輸入/輸出共同接地型“2c2l”變壓器的電路圖。

圖41是示出在圖40中所示的變壓器中的條件1的情況下死區(qū)時(shí)間τ[ns]和效率[％]之間的關(guān)系的曲線圖。

圖42是示出在圖40中所示的變壓器中的條件1的情況下死區(qū)時(shí)間τ[ns]和輸出功率[w]之間的關(guān)系的曲線圖。

圖43是示出在圖40中所示的變壓器中的條件2的情況下死區(qū)時(shí)間τ[ns]和效率[％]之間的關(guān)系的曲線圖。

圖44是示出在圖40中所示的變壓器中的條件2的情況下死區(qū)時(shí)間τ[ns]和輸出功率[w]之間的關(guān)系的曲線圖。

圖45是示出輸入/輸出共同接地型“4c2l”變壓器的電路圖。

圖46是示出在圖45中所示的變壓器中的條件1的情況下死區(qū)時(shí)間τ[ns]和效率[％]之間的關(guān)系的曲線圖。

圖47是示出在圖45中所示的變壓器中的條件1的情況下死區(qū)時(shí)間τ[ns]和輸出功率[w]之間的關(guān)系的曲線圖。

圖48是示出在圖45中所示的變壓器中的條件2的情況下死區(qū)時(shí)間τ[ns]和效率[％]之間的關(guān)系的曲線圖。

圖49是示出在圖45中所示的變壓器中的條件2的情況下死區(qū)時(shí)間τ[ns]和輸出功率[w]之間的關(guān)系的曲線圖。

圖50是示出輸入/輸出共同接地型“6c2l”變壓器的電路圖。

圖51是示出在圖50中所示的變壓器中的條件1的情況下死區(qū)時(shí)間τ[ns]和效率[％]之間的關(guān)系的曲線圖。

圖52是示出在圖50中所示的變壓器中的條件1的情況下死區(qū)時(shí)間τ[ns]和輸出功率[w]之間的關(guān)系的曲線圖。

圖53是示出在圖50中所示的變壓器中的條件2的情況下死區(qū)時(shí)間τ[ns]和效率[％]之間的關(guān)系的曲線圖。

圖54是示出在圖50中所示的變壓器中的條件2的情況下死區(qū)時(shí)間τ[ns]和輸出功率[w]之間的關(guān)系的曲線圖。

具體實(shí)施方式

[實(shí)施例的概述]

本發(fā)明實(shí)施例的概述至少包括以下內(nèi)容。

(1)提供在電源和負(fù)載之間的變壓器由前級(jí)電路和后級(jí)電路構(gòu)成。

前級(jí)電路包括：(a)由數(shù)量為2的倍數(shù)的彼此串聯(lián)的多個(gè)開(kāi)關(guān)組成的開(kāi)關(guān)串聯(lián)單元，多個(gè)開(kāi)關(guān)包括從開(kāi)關(guān)串聯(lián)單元的兩端中的一端觀察到的奇數(shù)開(kāi)關(guān)和偶數(shù)開(kāi)關(guān)，奇數(shù)開(kāi)關(guān)和偶數(shù)開(kāi)關(guān)被配置為交替導(dǎo)通，開(kāi)關(guān)串聯(lián)單元作為整體并聯(lián)至電源；(b)假設(shè)相應(yīng)開(kāi)關(guān)的互連點(diǎn)以及開(kāi)關(guān)串聯(lián)單元兩端的點(diǎn)被認(rèn)為是總計(jì)m個(gè)節(jié)點(diǎn)，則兩端的點(diǎn)中的一個(gè)被認(rèn)為是接地節(jié)點(diǎn)，且從開(kāi)關(guān)串聯(lián)單元的兩端中的一端按1至m的順序觀察這些節(jié)點(diǎn)，電容器設(shè)置在第一電路徑和第二電路徑的至少一個(gè)電路徑上，第一電路徑被配置為合并奇數(shù)節(jié)點(diǎn)并將奇數(shù)節(jié)點(diǎn)引導(dǎo)至第一輸出端口，第二電路徑被配置為合并偶數(shù)節(jié)點(diǎn)并將偶數(shù)節(jié)點(diǎn)引導(dǎo)至第二輸出端口，存在電容器以便對(duì)應(yīng)于除接地節(jié)點(diǎn)之外的至少(m-1)個(gè)節(jié)點(diǎn)；以及(c)接地電路徑被配置為將接地節(jié)點(diǎn)直接連接至第一輸出端口而無(wú)需插入的電容器。

后級(jí)電路包括：(d)由彼此串聯(lián)并進(jìn)行互相相反極性的傳導(dǎo)操作的一對(duì)半導(dǎo)體元件組成的元件串聯(lián)單元，元件串聯(lián)單元的兩端中的一端連接至第一輸出端口以及負(fù)載的接地端，同時(shí)元件串聯(lián)單元的另一端連接至第二輸出端口；以及(e)分別提供在第三電路徑和第四電路徑上的電感器，第三電路徑被配置為將元件串聯(lián)單元的非接地端引導(dǎo)至負(fù)載的接地端，第四電路徑被配置為將該對(duì)半導(dǎo)體元件的互連點(diǎn)引導(dǎo)至負(fù)載的非接地端。

變壓器還包括設(shè)置為控制開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通/斷開(kāi)操作的控制部。

如上述(1)中所述設(shè)置的變壓器可通過(guò)包括前級(jí)電路和后級(jí)電路的電路構(gòu)造以及通過(guò)開(kāi)關(guān)進(jìn)行變壓。利用這種變壓器作為電力變壓器無(wú)需采用包括線圈，鐵芯等的傳統(tǒng)變壓器。因此，能實(shí)現(xiàn)變壓器的尺寸的大幅降低以及重量減輕，且由此實(shí)現(xiàn)由此產(chǎn)生的成本降低。此外，也解決了高頻變壓器中出現(xiàn)的寄生電容問(wèn)題以及磁場(chǎng)泄漏的發(fā)生，且因此可實(shí)現(xiàn)具備低損耗的變壓器。對(duì)于電源來(lái)說(shuō)，ac電源或dc電源是適用的。

這種變壓器能實(shí)現(xiàn)從電源至負(fù)載的輸入/輸出共同接地。這在可共享接地線方面是有利的。

(2)此外，在上述(1)中所述的變壓器中，假設(shè)從死區(qū)時(shí)間開(kāi)始時(shí)刻至死區(qū)時(shí)間結(jié)束時(shí)刻的時(shí)間周期是死區(qū)時(shí)間τ，則死區(qū)時(shí)間開(kāi)始時(shí)刻是用于奇數(shù)開(kāi)關(guān)的控制以及用于偶數(shù)開(kāi)關(guān)的控制都斷開(kāi)的時(shí)刻，死區(qū)時(shí)間結(jié)束時(shí)刻是用于奇數(shù)開(kāi)關(guān)或偶數(shù)開(kāi)關(guān)的控制導(dǎo)通的時(shí)刻。在這種情況下，控制部在死區(qū)時(shí)間開(kāi)始時(shí)間之后計(jì)算第一半時(shí)間τ1和第二半時(shí)間τ2，在一個(gè)半導(dǎo)體元件處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)基于從第三電路徑的電感器移動(dòng)至開(kāi)關(guān)的浮動(dòng)電容的電荷來(lái)計(jì)算第一半時(shí)間τ1，在另一半導(dǎo)體元件處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)基于從第三電路徑的電感器移動(dòng)至開(kāi)關(guān)的浮動(dòng)電容的電荷來(lái)計(jì)算第二半時(shí)間τ2?？刂撇靠苫诘谝话霑r(shí)間τ1和第二半時(shí)間τ2來(lái)確定死區(qū)時(shí)間τ。

在這種情況下，可基于集中于死區(qū)時(shí)間期間的電荷移動(dòng)來(lái)計(jì)算的時(shí)間τ1和τ2以確定適當(dāng)?shù)乃绤^(qū)時(shí)間τ，由此實(shí)現(xiàn)零伏特轉(zhuǎn)換(zvt)。

(3)此外，在上述(2)中所述的變壓器中，控制部?jī)?yōu)選地在已經(jīng)移動(dòng)到浮動(dòng)電容的電荷返回第三電路徑的電感器之前終止死區(qū)時(shí)間τ。

當(dāng)已經(jīng)移動(dòng)到浮動(dòng)電容的電荷返回時(shí)，開(kāi)關(guān)電壓再次升高。但是，通過(guò)在電荷返回之前終止死區(qū)時(shí)間τ，可防止開(kāi)關(guān)電壓再次升高。

(4)在上述(3)中所述的變壓器中，假設(shè)開(kāi)關(guān)的切換周期是t，第三電路徑的電感器的電感是l1，且負(fù)載的電阻值是r3，死區(qū)時(shí)間τ滿足如下關(guān)系：

τ1+τ2≤τ≤τ0+τ1

其中

其中n表示浮動(dòng)電容cds的數(shù)目，cnds表示第n個(gè)浮動(dòng)電容，各個(gè)根號(hào)中的數(shù)值的符號(hào)是正號(hào)，且滿足τ1<τ2。

在這種情況下，可精確確定死區(qū)時(shí)間τ的最優(yōu)范圍，由此可靠地實(shí)現(xiàn)零電壓轉(zhuǎn)換。而且，因?yàn)樽鳛榇_定τ的范圍的因子的電感僅為電感器l1的電感，因此本發(fā)明的變壓器的優(yōu)點(diǎn)在于具有精確電感的低損耗電感器可僅為電感器l1。

[實(shí)施例的細(xì)節(jié)]

在下文中，將參考附圖詳細(xì)說(shuō)明實(shí)施例。

<<原始電路的實(shí)例>>

圖1是示出作為根據(jù)本實(shí)施例的變壓器的原始形式的變壓器1的電路圖。在圖1中，變壓器1設(shè)置在ac電源2和負(fù)載r(r也表示電阻值)之間。變壓器1包括一對(duì)電容器c1和c2，一對(duì)電感器l1和l2，四個(gè)開(kāi)關(guān)sr1，sr2，sb1和sb2，以及進(jìn)行開(kāi)關(guān)sr1，sr2，sb1和sb2的導(dǎo)通/斷開(kāi)控制的控制部3?？刂撇?的開(kāi)關(guān)頻率例如約為1mhz。

一對(duì)電容器c1和c2可具有相同電容值或可具有不同電容值。這同樣適用于一對(duì)電感器l1和l2的電感值。

開(kāi)關(guān)sr1，sr2，sb1和sb2以及控制部3構(gòu)成切換變壓器1的電路連接狀態(tài)的開(kāi)關(guān)裝置4。開(kāi)關(guān)sr1和sr2彼此同步操作，且開(kāi)關(guān)sb1和sb2彼此同步操作。操作開(kāi)關(guān)sr1和sr2以及開(kāi)關(guān)sb1和sb2以便彼此互斥的交替導(dǎo)通。開(kāi)關(guān)sr1，sr2，sb1和sb2例如是由sic元件或gan元件形成的開(kāi)關(guān)元件。sic元件或gan元件允許例如比si元件更快的切換。此外，在不連接這種元件的多級(jí)的情況下能夠獲得足夠的耐壓(其例如甚至是6kv/元件)。

在圖1中，一對(duì)電容器c1和c2經(jīng)由連接點(diǎn)m1彼此串聯(lián)。ac電源2連接在該串聯(lián)單元的兩端之間。輸入電壓vm施加至一對(duì)電容器c1和c2的串聯(lián)單元，使得輸入電流iin流動(dòng)。

一對(duì)電感器l1和l2經(jīng)由連接點(diǎn)m2彼此串聯(lián)。在該串聯(lián)單元的兩端之間，經(jīng)由電容器c1和c2施加輸入電壓vm，使得電流im流動(dòng)。當(dāng)開(kāi)關(guān)sr2和sb2中的一個(gè)導(dǎo)通時(shí)，電流在負(fù)載r中流動(dòng)。此處，施加至負(fù)載r的電壓是vout，且從變壓器1流至負(fù)載r的輸出電流是iout。

在圖2中，(a)是示出當(dāng)圖1中的四個(gè)開(kāi)關(guān)sr1，sr2，sb1和sb2之中的上側(cè)的兩個(gè)開(kāi)關(guān)sr1和sr2導(dǎo)通，且下側(cè)的兩個(gè)開(kāi)關(guān)sb1和sb2斷開(kāi)時(shí)的實(shí)質(zhì)連接狀態(tài)的電路圖。在附圖中，未示出圖1中的開(kāi)關(guān)裝置4。在圖2中，(b)是以階梯形式示出與(a)中相同的電路圖的電路圖。

另一方面，在圖3中，(a)是示出當(dāng)四個(gè)開(kāi)關(guān)sr1，sr2，sb1和sb2之中的下側(cè)的兩個(gè)開(kāi)關(guān)sb1和sb2導(dǎo)通，且上側(cè)的兩個(gè)開(kāi)關(guān)sr1和sr2斷開(kāi)時(shí)的實(shí)質(zhì)連接狀態(tài)的電路圖。在圖3中，(b)是以階梯形式示出與(a)中相同的電路圖的電路圖。

隨著圖2和圖3中示出的狀態(tài)交替重復(fù)，經(jīng)由電容器c1和c2的串聯(lián)單元的連接點(diǎn)m1獲得的電壓變成經(jīng)由電感器l1和l2的串聯(lián)單元的連接點(diǎn)m2獲得的電壓。即，電路構(gòu)造由包括一對(duì)電容器c1和c2的前級(jí)電路以及包括一對(duì)電感器l1和l2的后級(jí)電路構(gòu)成，且在各級(jí)處，輸出相對(duì)于輸入的極性通過(guò)開(kāi)關(guān)反轉(zhuǎn)。對(duì)于電容器c1和c2來(lái)說(shuō)，其電流方向通過(guò)切換交替反轉(zhuǎn)。對(duì)于電感器l1和l2來(lái)說(shuō)，其電壓方向通過(guò)切換交替反轉(zhuǎn)。

此處，能夠估計(jì)當(dāng)輸出時(shí)，輸入電壓變成1/4。這將在下文進(jìn)行邏輯上的證明。

在圖2中，vin是來(lái)自ac電源2的輸出電壓，vout是施加至負(fù)載r的電壓，v1是施加至電容器c1的電壓，v2是施加至電容器c2的電壓，i1是流過(guò)電感器l1的電流，且i2是流過(guò)電感器l2的電流。在這種情況下，滿足以下表達(dá)式。

為了簡(jiǎn)化計(jì)算，假設(shè)電容器c1和c2具有相同電容值c，且電感器l1和l2具有相同電感值l。

-vin＝v1-v2

上述表達(dá)式轉(zhuǎn)換成v1，i1和i2的表達(dá)式，如下。

此處，如果設(shè)定ri1＝v3且ri2＝v4，則獲得以下方程式1。

(方程式1)

在圖3中，如圖2中那樣，vin是來(lái)自ac電源2的輸出電壓，vout是施加至負(fù)載r的電壓，v1是施加至電容器c1的電壓，v2是施加至電容器c2的電壓，i1是流過(guò)電感器l1的電流，且i2是流過(guò)電感器l2的電流。在這種情況下，滿足以下表達(dá)式。

-vin＝v1-v2

上述表達(dá)式轉(zhuǎn)換成v1，i1和i2的表達(dá)式，如下。

此處，如果設(shè)定ri1＝v3且ri2＝v4，則獲得以下方程式2。

(方程式2)

此處，難以從上述兩個(gè)狀態(tài)導(dǎo)出精確解。因此，在被認(rèn)為沒(méi)有引起實(shí)際問(wèn)題的范圍內(nèi)設(shè)定以下條件。

(1)在輸入電壓的頻率f0，l的阻抗(電抗)遠(yuǎn)小于電阻值。即，滿足2πfol＜＜r。優(yōu)選地，由不等號(hào)代表的差例如是一位差以上，或更優(yōu)選地，兩位差以上。因此可獲得具有較小失真的更穩(wěn)定的轉(zhuǎn)換操作。

(2)在開(kāi)關(guān)頻率fs，c的阻抗(電抗)遠(yuǎn)小于電阻值r，但是在輸入電壓的頻率f0，c的阻抗(電抗)遠(yuǎn)大于電阻值。即，滿足1/(2πfsc)＜＜r＜＜1/(2πfoc)。優(yōu)選地，由不等號(hào)代表的差例如是一位差以上，或更優(yōu)選地，兩位差以上。因此可獲得具有較小失真的更穩(wěn)定的轉(zhuǎn)換操作。

(3)在切換的一個(gè)周期內(nèi)，輸入電壓很難改變。因此，vin(t+δt)＝vin(t)(0≤δt≤1/fs)

(4)系統(tǒng)平穩(wěn)，且以周期(1/fs)返回相同狀態(tài)。

因此，vx(t+(1/fs))≈vx(t)(x＝1，2，3，4)。

如果開(kāi)關(guān)sr1和sr2在0≤t≤(l/2fs)的周期期間變成導(dǎo)通且開(kāi)關(guān)sb1和sb2在(l/2fs)≤t≤(1/fs)的周期期間變成導(dǎo)通。則在約t＝0時(shí)，通過(guò)方程式1的初級(jí)近似獲得以下方程式3。此外，在約t＝(l/2fs)時(shí)，通過(guò)方程式2的初級(jí)近似獲得以下方程式4。

(方程式3)

在上述方程式3中，第三級(jí)的表達(dá)式的右手側(cè)上的第三項(xiàng)，即-(1/2){vin(1/2fs)-vin(0)}充分接近于零。

(方程式4)

在上述方程式4中，第三級(jí)的表達(dá)式的右手側(cè)上的第三項(xiàng)，即-(1/2){vin(1/fs)-vin(1/2fs)}充分接近于零。

此處，如果方程式3和4中的v1，v3和v4各被耦合，即，使用v1(0)＝v1(l/fs)，v3(0)＝v3(l/fs)且v4(0)＝v4(l/fs)，且此外，如果設(shè)定δt＝l/(2fs)，則滿足以下表達(dá)式。

-v3(0)-v4(0)≈v1(δt)+v3(δt)+v4(δt)+vin(δt)

v1(0)-v3(0)-v4(0)≈v3(δt)+v4(δt)

v4(0)≈v3(δt)

如果取在上面(僅在上面)所示的第一和第二級(jí)的表達(dá)式之和，則獲得以下表達(dá)式。

vin＝-2{v3(0)+v4(0)+v3(δt)+v4(δt)}+v1(0)-v1(δt)

此處，從方程式3中的第三級(jí)的表達(dá)式獲得v1(0)-v1(δt)＝(l/(4fscr))v4(0)。

此外，獲得-vout＝r(i1+i2)＝v3+v4，且始終滿足這個(gè)表達(dá)式。因此，獲得以下結(jié)論性的表達(dá)式。

此處，為了簡(jiǎn)化，已經(jīng)假設(shè)值c是相同值并且值l是相同值。但是，即使這些值是不同的值，也可通過(guò)類似的表達(dá)式推導(dǎo)而導(dǎo)出相同結(jié)果。

在結(jié)論性的表達(dá)式中，最低級(jí)的表達(dá)式的右手側(cè)的第二項(xiàng)遠(yuǎn)小于第一項(xiàng)，且因此可被忽略。因此，無(wú)論負(fù)載變化(r的值的變化)如何，始終滿足vin≈4vout，且輸出電壓變成輸入電壓的約1/4。因?yàn)槌?fù)載r之外未發(fā)生損耗，因此輸出電流約為輸入電流的四倍，且輸入阻抗為電阻值r的十六倍。

對(duì)于電路參數(shù)條件來(lái)說(shuō)，關(guān)于電感，都滿足2πf0l＜＜r。此外，關(guān)于電容，都滿足l/(2πfsc)＜＜r＜＜l/(2πf0c)。如果滿足此電路參數(shù)條件，則無(wú)論負(fù)載如何變化，都可以可靠地實(shí)現(xiàn)電壓變壓比恒定，并且獲得具有較少失真的更穩(wěn)定的變壓操作。優(yōu)選地，由不等號(hào)代表的差例如是一位差以上，或更優(yōu)選地，兩位差以上。

圖4是波形圖，其中上部曲線圖示出輸入到變壓器1的輸入電壓以及下部曲線圖示出輸入到變壓器1的輸入電流。

圖5是示出變壓的中間級(jí)的電壓vm和電流im的波形。實(shí)際上，這些由基于切換的脈沖串構(gòu)成，且作為整體具有如圖5中所示的這種波形。

圖6是波形圖，其中上部曲線圖示出變壓器1的輸出電壓且下部曲線圖示出變壓器1的輸出電流。如從圖4和圖6之間的比較顯而易見(jiàn)的，電壓將被變壓至1/4，且伴隨與此的，電流為四倍。

圖1中所示的變壓器1由包括開(kāi)關(guān)sr1和sb1以及電容器c1和c2的前級(jí)電路1f、以及包括開(kāi)關(guān)sr2和sb2以及電感器l1和l2的后級(jí)電路1r構(gòu)成。前級(jí)電路1f以及后級(jí)電極1r的電路構(gòu)造可如下拓?fù)涞乇磉_(dá)。

即，前級(jí)電路1f包括下述的“開(kāi)關(guān)串聯(lián)單元”以及“電容器”。

“開(kāi)關(guān)串聯(lián)單元”由彼此串聯(lián)的兩個(gè)開(kāi)關(guān)(sr1和sb1)溝槽。從串聯(lián)單元的兩端中的一端(例如上端)觀察，奇數(shù)開(kāi)關(guān)(sr1)和偶數(shù)開(kāi)關(guān)(sb1)被配置為交替導(dǎo)通，且開(kāi)關(guān)串聯(lián)單元作為整體并聯(lián)連接至電源2。

當(dāng)相應(yīng)開(kāi)關(guān)的互連點(diǎn)(n2)以及開(kāi)關(guān)串聯(lián)單元的兩端的點(diǎn)(n1和n3)被認(rèn)為是總計(jì)三個(gè)節(jié)點(diǎn)，且這三個(gè)節(jié)點(diǎn)從開(kāi)關(guān)串聯(lián)單元的兩端中的一端按照1至3排列時(shí)，“電容器(c1和c2)”設(shè)置在第一電路徑和第二電路徑中的至少一個(gè)電路徑上。第一電路徑合并奇數(shù)節(jié)點(diǎn)(n1和n3)且將奇數(shù)節(jié)點(diǎn)引導(dǎo)至第一輸出端口px，而第二電路徑將偶數(shù)節(jié)點(diǎn)(n2)引導(dǎo)至第二輸出端口py。存在“電容器(c1和c2)”以便對(duì)應(yīng)于兩個(gè)節(jié)點(diǎn)。

后級(jí)電路1r包括上述“元件串聯(lián)單元”和“電感器”。

“元件串聯(lián)單元”由彼此串聯(lián)并進(jìn)行相互相反極性的導(dǎo)通操作的一對(duì)開(kāi)關(guān)(sr2和sb2)構(gòu)成，且串聯(lián)單元的兩端中的一端連接至第一輸出端口px，同時(shí)其另一端連接至第二輸出端口py。

“電感器(l1和l2)”設(shè)置在第三電路徑和第四電路徑中的至少一個(gè)電路徑上。第三電路徑合并作為元件串聯(lián)單元的兩端的點(diǎn)的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)(n11和n13)，且將節(jié)點(diǎn)引導(dǎo)至負(fù)載r的兩端中的一端。第四電路徑將作為一對(duì)開(kāi)關(guān)的互連點(diǎn)的一個(gè)節(jié)點(diǎn)(n12)引導(dǎo)至負(fù)載r的另一端。存在“電感器(l1和l2)”以便對(duì)應(yīng)于總計(jì)三個(gè)節(jié)點(diǎn)中的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)(n11和n13)。

<<原始電路2的實(shí)例>>

以下將基于基礎(chǔ)電路描述通過(guò)實(shí)際研發(fā)上述原始電路而獲得的變壓器的一個(gè)實(shí)例。

圖7是這種變壓器1的電路圖。此變壓器1設(shè)置在電源2和負(fù)載r之間，且由前級(jí)電路1f，后級(jí)電路1r以及控制部3構(gòu)成。例如，電源2是dc電源，且電壓是1kv。負(fù)載r包括作為等效電路元件的電阻r3和電容c6。

前級(jí)電路1f包括泄流電阻器r1和r2，開(kāi)關(guān)sw1至sw4，開(kāi)關(guān)sw1至sw4固有的二極管d1至d4，以及電容器c1至c5，且這些元件如圖7中所示地連接。

后級(jí)電路1r包括二極管d11和d12以及電感器l1和l2，且這些元件如圖7中所示地連接。

此外，設(shè)置進(jìn)行開(kāi)關(guān)sw1至sw4的導(dǎo)通/斷開(kāi)控制的控制部3。

雖然圖7中示出五個(gè)電容器c1至c5，但是如下所述可省略這些電容器中的一個(gè)。因此，使用等于開(kāi)關(guān)數(shù)量的“4”，圖7中所示的電路被稱為“4c2l”電路，其在前級(jí)具有4c且在后級(jí)具有2l。相反，圖1中所示的電路為“2c2l”。

二極管d1至d4可以是開(kāi)關(guān)sw1至sw4固有的主體二極管，或可以是取決于開(kāi)關(guān)sw1至sw4的類型，從sw1至sw4單獨(dú)設(shè)置的外部二極管。這些二極管d1至d4用作續(xù)流二極管，且可降低切換損耗，且進(jìn)一步可最終降低電感器l1和l2的電感，且因此有助于小型化。

當(dāng)圖7中所示的變壓器1的電路構(gòu)造類似于圖1進(jìn)行拓?fù)涞乇磉_(dá)時(shí)，變壓器1包括作為前級(jí)電路1f的“開(kāi)關(guān)串聯(lián)單元”和“電容器(c1至c5)”。

“開(kāi)關(guān)串聯(lián)單元”由彼此串聯(lián)的開(kāi)關(guān)(sw1至sw4)組成。，如從串聯(lián)單元的兩端中的一端(例如上端)觀察到的，奇數(shù)開(kāi)關(guān)(sw1和sw3)以及偶數(shù)開(kāi)關(guān)(sw2和sw4)交替導(dǎo)通，且開(kāi)關(guān)串聯(lián)單元作為整體并聯(lián)至電源2。

當(dāng)相應(yīng)開(kāi)關(guān)的互連點(diǎn)(n2，n3和n4)以及開(kāi)關(guān)串聯(lián)單元的兩端的點(diǎn)(n1和n5)被認(rèn)為是總計(jì)五個(gè)節(jié)點(diǎn)，且這五個(gè)節(jié)點(diǎn)從開(kāi)關(guān)串聯(lián)單元的兩端中的一端按照1至5的順序排列時(shí)，“電容器(c1至c5)”設(shè)置在第一電路徑和第二電路徑中的至少一個(gè)電路徑上。第一電路徑合并奇數(shù)節(jié)點(diǎn)(n1，n3和n5)并將奇數(shù)節(jié)點(diǎn)引導(dǎo)至第一輸出端口px，且第二電路徑合并偶數(shù)節(jié)點(diǎn)(n2和n4)并將偶數(shù)節(jié)點(diǎn)引導(dǎo)至第二輸出端口py。存在“電容器(c1至c5)”以便對(duì)應(yīng)于五個(gè)節(jié)點(diǎn)。

此外，變壓器1包括作為后級(jí)電路1r的“元件串聯(lián)單元”和“電感器(l1和l2)”。

“元件串聯(lián)單元”由彼此串聯(lián)并進(jìn)行相互相反極性的導(dǎo)通操作的一對(duì)半導(dǎo)體元件(d11和d12)組成，且串聯(lián)單元的兩端中的一端連接至第一輸出端口px，而另一端連接至第二輸出端口py。

“電感器(l1和l2)”設(shè)置在第三電路徑和第四電路徑中至少一個(gè)電路徑上。第三電路徑合并作為元件串聯(lián)單元的兩端的點(diǎn)的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)(n11和n13)，且將兩個(gè)節(jié)點(diǎn)引導(dǎo)至負(fù)載r的兩端中的一端。第四電路徑將作為一對(duì)半導(dǎo)體元件的互連點(diǎn)的一個(gè)節(jié)點(diǎn)(n12)引導(dǎo)至負(fù)載r的另一端。存在“電感器(l1和l2)”以便對(duì)應(yīng)于總計(jì)三個(gè)節(jié)點(diǎn)之中的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)(n11和n13)。

確認(rèn)圖7中所示的變壓器進(jìn)行切換以便開(kāi)關(guān)sw1和sw3以及開(kāi)關(guān)sw2和sw4在與用于圖1中所示的變壓器1相同的條件下交替導(dǎo)通，且因此變壓器操作為具有1/8的電壓變壓比的降壓電路。即，1kv的輸入電壓可被降壓至125v的dc電壓。

<<拓?fù)渥冃?gt;>

以下將說(shuō)明變壓器1(圖1，圖7等)的電路構(gòu)造的拓?fù)渥冃汀?/p>

(2c前級(jí)電路的拓?fù)?

圖8是示出“2c2l”變壓器1中的前級(jí)電路1f的主要部分的拓?fù)渥冃偷碾娐穲D。圖9的(a)至(e)中所示的電路各由一對(duì)開(kāi)關(guān)和一對(duì)電容器構(gòu)成(省略其參考數(shù)字)。

在圖8的(a)中，存在電容器以便對(duì)應(yīng)于開(kāi)關(guān)串聯(lián)單元的節(jié)點(diǎn)n3以及一對(duì)開(kāi)關(guān)的互連點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)n2。在圖8的(b)中，示出圖1的拓?fù)?。在圖8的(c)中，存在電容器以便對(duì)應(yīng)于開(kāi)關(guān)串聯(lián)單元的節(jié)點(diǎn)n1以及該對(duì)開(kāi)關(guān)的互連點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)n2。在圖8的(d)中，存在兩個(gè)電容器以便對(duì)應(yīng)于開(kāi)關(guān)串聯(lián)單元的節(jié)點(diǎn)n3，且在輸出方向存在一個(gè)電容器以便對(duì)應(yīng)于節(jié)點(diǎn)n1。在圖8的(e)中，存在兩個(gè)電容器以便對(duì)應(yīng)于開(kāi)關(guān)串聯(lián)單元的節(jié)點(diǎn)n1，且在輸出方向存在一個(gè)電容器以便對(duì)應(yīng)于節(jié)點(diǎn)n3。

雖然在任一上述電路中存在兩個(gè)電容器，但是可存在電容器以便對(duì)應(yīng)于所有節(jié)點(diǎn)n1至n3。

(2l后級(jí)電路的拓?fù)?

圖9是示出后級(jí)電路1r的主要部分的拓?fù)渥冃偷碾娐穲D。在圖9的(a)至(e)中所示的各個(gè)電路中，連接至負(fù)載的后級(jí)電路1r由一對(duì)開(kāi)關(guān)和一對(duì)電感器構(gòu)成(省略其參考數(shù)字)。替代開(kāi)關(guān)，可使用如圖7中所示的二極管。

在圖9的(a)中，存在電感器以便對(duì)應(yīng)于開(kāi)關(guān)串聯(lián)單元的節(jié)點(diǎn)n13以及一對(duì)開(kāi)關(guān)的互連點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)n12。在圖9的(b)中，示出圖1的拓?fù)?。在圖9的(c)中，存在電感器以便對(duì)應(yīng)于開(kāi)關(guān)串聯(lián)單元的節(jié)點(diǎn)n11以及一對(duì)開(kāi)關(guān)的互連點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)n12。在圖9的(d)中，存在兩個(gè)電感器以便對(duì)應(yīng)于開(kāi)關(guān)串聯(lián)單元的節(jié)點(diǎn)n13，且在輸出方向上存在一個(gè)電感器以便對(duì)應(yīng)于節(jié)點(diǎn)n11。在圖9的(e)中，存在兩個(gè)電感器以便對(duì)應(yīng)于開(kāi)關(guān)串聯(lián)單元的節(jié)點(diǎn)n11，且在輸出方向上存在一個(gè)電感器以便對(duì)應(yīng)于節(jié)點(diǎn)n13。

雖然在任意上述電路中存在兩個(gè)電感器，但是可存在電感器以便對(duì)應(yīng)于所有節(jié)點(diǎn)n11至n13。

(4c前級(jí)電路的拓?fù)?

圖10示出“4c2l”變壓器1中的前級(jí)電路1f的主要部分。在圖10中，合并從開(kāi)關(guān)串聯(lián)單元的兩端中的一端觀察到的奇數(shù)節(jié)點(diǎn)n1，n3和n5并將奇數(shù)節(jié)點(diǎn)引導(dǎo)至第一輸出端口px的第一電路徑由實(shí)線表示，且合并偶數(shù)節(jié)點(diǎn)n2和n4并將偶數(shù)節(jié)點(diǎn)引導(dǎo)至第二輸出端口py的第二電路徑由虛線表示。由虛線表示第二電路徑僅僅是出于方便說(shuō)明的目的，且第二電路徑與第一電路徑同時(shí)存在。

這種拓?fù)渑c圖7中所示的前級(jí)電路1f一致。

在圖10中，可省略五個(gè)電容器中的一個(gè)以提供“4c”。假設(shè)節(jié)點(diǎn)數(shù)目是m(＝5)，則需要對(duì)應(yīng)的電容器的數(shù)量至少為四個(gè)。

至少一個(gè)電容器需要插入到五個(gè)節(jié)點(diǎn)n1至n5之中的互相合并并且由第一電路徑(實(shí)線)或第二電路徑(虛線)連接的節(jié)點(diǎn)之間，以便實(shí)現(xiàn)其間的dc絕緣。

圖11和圖12各示出在圖10中所示的第一電路徑(實(shí)線)中電容器的總數(shù)沒(méi)有減少的情況下的第一電路徑的電路變型。

在圖11的(a)中所示的電路中，在合并成單一路徑之前的三個(gè)電路徑各設(shè)置有電容器(類似于圖10)。在圖11的(b)，(c)和(d)中所示的電路中，在合并成單一路徑之前的三個(gè)電路徑中的兩個(gè)各設(shè)置有電容器，且通過(guò)合并三個(gè)電路徑獲得的單一電路徑也設(shè)置有電容器。

在圖12的(a)，(b)，(c)和(d)中所示的電路中，電路徑合并成兩級(jí)，且一個(gè)或多個(gè)電容器在電路徑合并之前和/或之后設(shè)置。

圖13是示出在圖10中所示的第一電路徑(實(shí)線)中電容器的總數(shù)減少一個(gè)的情況下的第一電路徑的電路變型的示意圖。

在圖13的(a)至(e)中所示的電路中，節(jié)點(diǎn)nl，n3和n5之中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)直接連接至第一輸出端口px。另外的節(jié)點(diǎn)經(jīng)由一個(gè)電容器或兩個(gè)電容器各連接至第一輸出端口px。

圖14是示出圖10中所示的第二電路徑(虛線)的電路變型的示意圖。在圖14中，(a)和(b)是在第二電路徑中減少一個(gè)電容器，而第一電路徑中未減少電容器的情況下的電路圖。在(a)的情況下，節(jié)點(diǎn)n2直接連接至第二輸出端口py。節(jié)點(diǎn)n4經(jīng)由電容器連接至第二輸出端口py。在(b)的情況下，節(jié)點(diǎn)n4直接連接至第二輸出端口py。節(jié)點(diǎn)n2經(jīng)由電容器連接至第二輸出端口py。

在圖14中，(c)，(d)和(e)是在第一電路徑中減少一個(gè)電容器，而第二電路徑中未減少電容器的情況下的電路圖。在(c)(與圖10一致)，(d)和(e)的任意情況下，節(jié)點(diǎn)n2和n4經(jīng)由一個(gè)電容器或兩個(gè)電容器各連接至第二輸出端口py。

(6c前級(jí)電路的拓?fù)?

作為旨在提高降壓比的變型例，“6c2l”也是可能的。

圖15示出“6c2l”變壓器1的前級(jí)電路1f的主要部分。

在圖15中，合并從開(kāi)關(guān)串聯(lián)單元的兩端中的一端觀察到的奇數(shù)節(jié)點(diǎn)nl，n3，n5和n7并將奇數(shù)節(jié)點(diǎn)引導(dǎo)至第一輸出端口px的第一電路徑由實(shí)線表示，且合并偶數(shù)節(jié)點(diǎn)n2，n4和n6并將偶數(shù)節(jié)點(diǎn)引導(dǎo)至第二輸出端口py的第二電路徑由虛線表示。由虛線表示第二電路徑僅僅是出于說(shuō)明的方便性，且第二電路徑與第一電路徑同時(shí)存在。

在圖15中所示的“6c2l”中，從七個(gè)電容器之中可以僅省略一個(gè)電容器以提供“6c”。假設(shè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)量為m(＝7)，則對(duì)應(yīng)的電容器的數(shù)量需要至少為六個(gè)。

至少一個(gè)電容器需要插入到七個(gè)節(jié)點(diǎn)n1至n7之中的互相合并并且由第一電路徑(實(shí)線)或第二電路徑(虛線)連接的節(jié)點(diǎn)之間，以便實(shí)現(xiàn)其間的dc絕緣。

圖16示出在圖15中所示的第一電路徑(實(shí)線)或第二電路徑(虛線)中減少一個(gè)電容器的情況下的電路變型。在圖16的(a)中所示的電路中，節(jié)點(diǎn)n3直接連接至第一輸出端口px而無(wú)需插入的電容器。在(b)中所示的電路中，節(jié)點(diǎn)n7直接連接至第一輸出端口px而無(wú)需插入的電容器。在(e)中所示的電路中，節(jié)點(diǎn)n4直接連接至第二輸出端口py而無(wú)需插入的電容器。

<<拓?fù)涞母攀?gt;>

此外，前級(jí)電路1f可以類似地?cái)U(kuò)展至“8c”以上。

基于上述示例的各種電路，前級(jí)電路1f可拓?fù)涞乇硎救缦隆?/p>

前級(jí)電路1f(參見(jiàn)圖1，圖8以及圖10至16)包括：(a)由數(shù)量為2的倍數(shù)的彼此串聯(lián)的多個(gè)開(kāi)關(guān)組成的開(kāi)關(guān)串聯(lián)單元，多個(gè)開(kāi)關(guān)包括從串聯(lián)單元的兩端中的一端觀察到的奇數(shù)開(kāi)關(guān)和偶數(shù)開(kāi)關(guān)，奇數(shù)開(kāi)關(guān)和偶數(shù)開(kāi)關(guān)被配置為交替導(dǎo)通，開(kāi)關(guān)串聯(lián)單元作為整體并聯(lián)至電源；以及(b)假設(shè)相應(yīng)開(kāi)關(guān)的互連點(diǎn)以及開(kāi)關(guān)串聯(lián)單元的兩端的點(diǎn)被認(rèn)為是總計(jì)m個(gè)節(jié)點(diǎn)，并且從開(kāi)關(guān)串聯(lián)單元的兩端中的一端按照1至m的順序觀察這些節(jié)點(diǎn)，電容器被設(shè)置在第一電路徑和第二電路徑的至少一個(gè)電路徑上，第一電路徑被配置為合并奇數(shù)節(jié)點(diǎn)且將奇數(shù)節(jié)點(diǎn)引導(dǎo)至第一輸出端口，第二電路徑被配置為合并偶數(shù)節(jié)點(diǎn)且將偶數(shù)節(jié)點(diǎn)引導(dǎo)至第二輸出端口，存在電容器以便對(duì)應(yīng)于至少(m-1)個(gè)節(jié)點(diǎn)。

另一方面，后級(jí)電路1r(參見(jiàn)圖1，圖7和圖9)包括：(c)由彼此串聯(lián)并進(jìn)行相互相反極性的傳導(dǎo)操作的一對(duì)半導(dǎo)體元件組成的元件串聯(lián)單元，串聯(lián)單元的兩端中的一端連接至第一輸出端口，同時(shí)另一端連接至第二輸出端口；以及(d)設(shè)置在第三電路徑和第四電路徑中的至少一個(gè)電路徑上的電感器，第三電路徑被配置為合并作為元件串聯(lián)單元的兩端的點(diǎn)的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)并將兩個(gè)節(jié)點(diǎn)引導(dǎo)至負(fù)載的一端，第四電路徑被配置為將作為一對(duì)半導(dǎo)體元件的互連點(diǎn)的一個(gè)節(jié)點(diǎn)引導(dǎo)至負(fù)載的另一端，存在電感器以便對(duì)應(yīng)于總計(jì)三個(gè)節(jié)點(diǎn)中的至少兩個(gè)節(jié)點(diǎn)。

如果后級(jí)電路1r的半導(dǎo)體元件是二極管，則可通過(guò)以其傳導(dǎo)方向彼此相反地串聯(lián)連接二極管來(lái)構(gòu)造元件串聯(lián)單元。如果半導(dǎo)體元件是開(kāi)關(guān)，則可通過(guò)串聯(lián)連接一對(duì)開(kāi)關(guān)來(lái)構(gòu)造元件串聯(lián)單元，且該一對(duì)開(kāi)關(guān)交替導(dǎo)通。

如上所述的變壓器1可通過(guò)包括前級(jí)電路1f和后級(jí)電路1r的電路構(gòu)造以及通過(guò)切換來(lái)進(jìn)行變壓。使用變壓器1作為電力變壓器使得無(wú)需使用包括線圈，鐵芯等的傳統(tǒng)變壓器。因此，能實(shí)現(xiàn)變壓器尺寸的大幅降低以及重量減輕，且由此實(shí)現(xiàn)成本降低。此外，也解決了高頻變壓器中出現(xiàn)的寄生電容問(wèn)題以及磁場(chǎng)泄漏的發(fā)生，且因此可實(shí)現(xiàn)具有低損耗的變壓器。對(duì)于電源來(lái)說(shuō)，ac電源或dc電源是可用的。

<<輸入/輸出共同接地型變壓器>>

以下，將說(shuō)明可以說(shuō)作為本發(fā)明的主體的輸入/輸出共同接地型變壓器。圖1和圖7中所示的變壓器1不能實(shí)現(xiàn)從電源2至負(fù)載r的輸入/輸出共同接地。如果能實(shí)現(xiàn)輸入/輸出共同接地，則接地是容易實(shí)現(xiàn)的。因此，考慮輸入/輸出共同接地型變壓器的變型。

圖17是示出前級(jí)電路1f變型成輸入/輸出共同接地型的方式的電路圖。在圖17中，(a)示出類似于圖7和圖10中所示的前級(jí)電路1f，且(b)示出進(jìn)行等效于圖17的(a)中所示的前級(jí)電路1f的輸入/輸出操作的前級(jí)電路1f。此處，采用圖13的(e)中所示的拓?fù)湟约皥D14的(d)中所示的拓?fù)?。根?jù)圖17的(b)中所示的前級(jí)電路1f，節(jié)點(diǎn)n5可直接連接至第一輸出端口px而無(wú)需插入的電容器。因此，圖17的(b)中所示的前級(jí)電路1f適于輸入/輸出共同接地。

圖18是示出連接至負(fù)載r的后級(jí)電路1r變型成輸入/輸出共同接地型的方式的電路圖。在圖18中，(a)示出使用三個(gè)電感器l1至l3的電路，其也可以被稱為后級(jí)電路1r的原始形式。這種電路可通過(guò)省略電感器l2而變型為圖18的(b)中所示的電路。但是，(b)中所示的電路不適于期望位于電路底部的電路徑接地的情況。因此，從(a)中省略電感器l3且反轉(zhuǎn)二極管d11和d12的極性以制成圖18的(c)中所示的電路。(c)中所示的電路在位于電路底部的電路徑中不具有電路元件，且因此適于輸入/輸出共同接地。當(dāng)以電感器l1的位置改變來(lái)表示時(shí)，(c)中所示的電路變成圖18的(d)中所示的電路。(c)中所示的電路以及(d)中所示的電路在電路連接方面是相同的。

圖19是示出輸入/輸出共同接地型變壓器1的電路圖。通過(guò)將圖17和圖18中所示的變型的方式應(yīng)用至圖7中所示的電路來(lái)獲得這種變壓器1。

在圖19中，變壓器1設(shè)置在電源2和負(fù)載r之間，且由前級(jí)電路1f和后級(jí)電路1r構(gòu)成。

前級(jí)電路1f包括下述“開(kāi)關(guān)串聯(lián)單元”，“電容器”以及“接地電路徑”。“開(kāi)關(guān)串聯(lián)單元”由彼此串聯(lián)的四個(gè)開(kāi)關(guān)sw1至sw4組成。從例如串聯(lián)單元的上端觀察，奇數(shù)開(kāi)關(guān)sw1和sw3以及偶數(shù)開(kāi)關(guān)sw2和sw4交替導(dǎo)通，且開(kāi)關(guān)串聯(lián)單元作為整體并聯(lián)至電源2。

假設(shè)相應(yīng)開(kāi)關(guān)的互連點(diǎn)n2，n3和n4以及開(kāi)關(guān)串聯(lián)單元的兩端的點(diǎn)nl和n5被認(rèn)為是總計(jì)五個(gè)節(jié)點(diǎn)，且兩端的點(diǎn)中的一個(gè)被認(rèn)為是接地節(jié)點(diǎn)n5，則存在第一電路徑，其合并從開(kāi)關(guān)串聯(lián)單元的上端觀察的奇數(shù)節(jié)點(diǎn)nl，n3和n5，且將奇數(shù)節(jié)點(diǎn)引導(dǎo)至第一輸出端口px，以及第二電路徑，其合并從開(kāi)關(guān)串聯(lián)單元的上端觀察的偶數(shù)節(jié)點(diǎn)n2和n4，且將偶數(shù)節(jié)點(diǎn)引導(dǎo)至第二輸出端口py。

第一電路徑設(shè)置有電容器c1和c3，且第二電路徑設(shè)置有電容器c2和c4。在輸出方向上存在這些電容器以便對(duì)應(yīng)于除接地節(jié)點(diǎn)n5之外的四個(gè)節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)和電容器之間的對(duì)應(yīng)如下：

nl：c1，c3

n2：c2，c4

n3：c3

n4：c4

接地電路徑g將接地節(jié)點(diǎn)n5直接連接至第一輸出端口px而無(wú)需插入的電容器。

當(dāng)以各種假設(shè)的拓?fù)湟员惚硎觥伴_(kāi)關(guān)串聯(lián)單元”時(shí)，開(kāi)關(guān)串聯(lián)單元由數(shù)量為2的倍數(shù)的彼此串聯(lián)的多個(gè)開(kāi)關(guān)組成，如從串聯(lián)單元的兩端中的一端觀察，奇數(shù)開(kāi)關(guān)以及偶數(shù)開(kāi)關(guān)交替導(dǎo)通，且開(kāi)關(guān)串聯(lián)單元作為整體并聯(lián)至電源。

當(dāng)相應(yīng)開(kāi)關(guān)的互連點(diǎn)以及開(kāi)關(guān)串聯(lián)單元的兩端的點(diǎn)被認(rèn)為是總計(jì)m個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)，兩端的點(diǎn)中的一個(gè)被認(rèn)為是接地節(jié)點(diǎn)，且從開(kāi)關(guān)串聯(lián)單元的兩端中的一端按1至m的順序觀察這些節(jié)點(diǎn)，“電容器”設(shè)置在合并奇數(shù)節(jié)點(diǎn)并將奇數(shù)節(jié)點(diǎn)引導(dǎo)至第一輸出端口的第一電路徑以及合并偶數(shù)節(jié)點(diǎn)并將偶數(shù)節(jié)點(diǎn)引導(dǎo)至第二輸出端口的第二電路徑中的至少一個(gè)電路徑上，且存在“電容器”以便對(duì)應(yīng)于除接地節(jié)點(diǎn)之外的(m-1)個(gè)節(jié)點(diǎn)。

同時(shí)，后級(jí)電路1r包括“二極管串聯(lián)單元”和“電感器”。

“二極管串聯(lián)單元”由彼此串聯(lián)并進(jìn)行相互相反極性的傳導(dǎo)操作的一對(duì)二極管d11和d12組成，且串聯(lián)單元的兩端中的一端(節(jié)點(diǎn)n13)連接至第一輸出端口px以及連接至負(fù)載r的接地端，同時(shí)串聯(lián)單元的另一端(節(jié)點(diǎn)n11)連接至第二輸出端口py。

電感器l1設(shè)置在將二極管串聯(lián)單元的非接地端(節(jié)點(diǎn)n11)引導(dǎo)至負(fù)載r的接地端的第三電路徑中。電感器l2設(shè)置在將一對(duì)二極管d11和d12的互連點(diǎn)(節(jié)點(diǎn)n12)引導(dǎo)至負(fù)載r的非接地端的第四電路徑中。

二極管d11和d12可被開(kāi)關(guān)控制以便進(jìn)行類似操作。因此，在更一般的表述中，后級(jí)電路1r包括“元件串聯(lián)單元”和“電感器”。

元件串聯(lián)單元由彼此串聯(lián)并進(jìn)行相互相反極性的傳導(dǎo)操作的一對(duì)半導(dǎo)體元件組成，串聯(lián)單元的兩端中的一端連接至第一輸出端口且連接至負(fù)載的接地端，同時(shí)另一端連接至第二輸出端口。

“電感器”分別設(shè)置在將元件串聯(lián)單元的非接地端引導(dǎo)至負(fù)載的接地端的第三電路徑中以及將一對(duì)半導(dǎo)體元件的互連點(diǎn)引導(dǎo)至負(fù)載的非接地端的第四電路徑中。

如上所述構(gòu)造的輸入/輸出共同接地型變壓器1可通過(guò)如圖7中包括前級(jí)電路1f和后級(jí)電路1r的電路構(gòu)造以及通過(guò)切換來(lái)進(jìn)行變壓。使用這種變壓器1作為電力變壓器使得無(wú)需使用包括線圈，鐵芯等的傳統(tǒng)變壓器。因此，能實(shí)現(xiàn)變壓器的尺寸的大幅降低以及重量減輕，且由此實(shí)現(xiàn)成本降低。此外，也解決了高頻變壓器中出現(xiàn)的寄生電容的問(wèn)題以及磁場(chǎng)泄漏的發(fā)生，且因此可實(shí)現(xiàn)具有低損耗的變壓器。對(duì)于電源來(lái)說(shuō)，ac電源或dc電源是可用的。

這種變壓器1能實(shí)現(xiàn)從電源2至負(fù)載r的輸入/輸出共同接地。這在共享接地線方面是有利的。此外可實(shí)現(xiàn)零件數(shù)目的減少。

<<死區(qū)時(shí)間的設(shè)計(jì)>>

接下來(lái)將說(shuō)明圖19中所示的變壓器1中的死區(qū)時(shí)間的設(shè)計(jì)。死區(qū)時(shí)間是當(dāng)圖19中所示的奇數(shù)開(kāi)關(guān)sw1和sw3和偶數(shù)開(kāi)關(guān)sw2和sw4交替導(dǎo)通時(shí)，從用于所有開(kāi)關(guān)的控制斷開(kāi)時(shí)的瞬間至用于任一開(kāi)關(guān)的控制導(dǎo)通時(shí)的過(guò)渡時(shí)間。

圖20是示出當(dāng)奇數(shù)開(kāi)關(guān)或偶數(shù)開(kāi)關(guān)從導(dǎo)通變?yōu)閿嚅_(kāi)且隨后再次變?yōu)閷?dǎo)通時(shí)開(kāi)關(guān)電壓(漏源電壓)改變的曲線圖。當(dāng)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)，開(kāi)關(guān)電壓為0v。當(dāng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，開(kāi)關(guān)電壓例如是500v。在開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通至斷開(kāi)的改變期間或斷開(kāi)至導(dǎo)通的改變期間，在死區(qū)時(shí)間τ中存在過(guò)渡電壓變化。當(dāng)開(kāi)關(guān)從斷開(kāi)至導(dǎo)通改變時(shí)，希望開(kāi)關(guān)電壓降至0v且隨后開(kāi)關(guān)改變至導(dǎo)通的零電壓過(guò)渡(zvt)以便最小化開(kāi)關(guān)損耗。

圖21是示出zvt和從斷開(kāi)至導(dǎo)通的死區(qū)時(shí)間的長(zhǎng)度之間關(guān)系的曲線圖，其被設(shè)定為“長(zhǎng)”，“中”和“短”。在圖21中，當(dāng)死區(qū)時(shí)間τ短于適當(dāng)值(中)時(shí)，會(huì)發(fā)生由長(zhǎng)短交替虛線表示的電壓改變，且在電壓達(dá)到0v之前下一導(dǎo)通開(kāi)始。即，沒(méi)有zvt。另一方面，當(dāng)死區(qū)時(shí)間τ長(zhǎng)于適當(dāng)值(中)時(shí)，發(fā)生由實(shí)線表示的電壓變化且電壓一度達(dá)到0v，但是隨后電壓再次增大，且最終，伴隨著電壓保持增大的下一導(dǎo)通開(kāi)始。即，也沒(méi)有zvt。因此，存在由虛線表示的“τ”的適當(dāng)范圍(不是太長(zhǎng)也不是太短)。

圖22是示出當(dāng)開(kāi)關(guān)跨越死區(qū)時(shí)間τ隨著水平軸的時(shí)間等比例增大而從斷開(kāi)至導(dǎo)通改變時(shí)各個(gè)量的改變的曲線圖。在圖22中，示出下述的量的改變：任一開(kāi)關(guān)電壓vsw(實(shí)線)；流入電感器l1中的電流il1(虛線)；流入二極管d11中的電流id11；以及流入二極管d12中的電流id12。

發(fā)現(xiàn)在圖22中，死區(qū)時(shí)間τ包括從500v至250v的第一半時(shí)間τ1以及從250v至0v的后續(xù)的第二半時(shí)間τ2。即滿足以下關(guān)系：

τ≥τ1+τ2…(1)

第一半時(shí)間τ1的梯度以及第二半時(shí)間τ2的梯度彼此略微不同，且滿足τ1<τ2。因此，死區(qū)時(shí)間τ可被認(rèn)為對(duì)于第一半時(shí)間τ1以及第二半時(shí)間τ2來(lái)說(shuō)是獨(dú)立的。假設(shè)來(lái)自變壓器1的125v的輸出電壓是vout，

τ1：其中電壓從4vout至2vout的時(shí)段

τ2：其中電壓從2vout至0的時(shí)段

在第一半時(shí)間τ1期間，二極管d12處于導(dǎo)通態(tài)，且電流id12流動(dòng)。在第二半時(shí)間τ2期間，二極管d11處于導(dǎo)通態(tài)，且電流id11流動(dòng)。

圖23示出在第一半時(shí)間τ1期間，后級(jí)電路中相對(duì)于開(kāi)關(guān)sw1至sw4流動(dòng)的電流，其中示出圖19中所示的開(kāi)關(guān)sw1至sw4所具有的浮動(dòng)電容c11至c14。浮動(dòng)電容c11至c14具有公共電容cds。

在第一半時(shí)間τ1期間，二極管d12處于導(dǎo)通態(tài)，而二極管d11不處于導(dǎo)通態(tài)。在這種狀態(tài)下，從后級(jí)電路1r流入前級(jí)電路1f的浮動(dòng)電容c11至c14的電流iq等于流入電感器l1的電流，且滿足以下關(guān)系：

iq＝il1

同樣，圖24示出在第二半時(shí)間τ2期間，后級(jí)電路中相對(duì)于開(kāi)關(guān)sw1至sw4流動(dòng)的電流，其中示出圖19中所示的開(kāi)關(guān)sw1至sw4所具有的浮動(dòng)電容c11至c14。

在第二半時(shí)間τ2期間，二極管d11處于導(dǎo)通態(tài)，而二極管d12不處于導(dǎo)通態(tài)。在這種狀態(tài)下，通過(guò)從流入電感器l1的電流減去流入負(fù)載的電阻r3的電流ir來(lái)計(jì)算從后級(jí)電路1r流入前級(jí)電路1f的浮動(dòng)電容c11至c14的電流iq，且滿足以下關(guān)系：

iq＝il1-ir

此處，采用用于分析的以下近似條件

(近似條件1)

首先，假設(shè)降壓比恒定在1/8。即，假設(shè)變壓器1的輸入電壓是vin且其輸出電壓為vout，則滿足以下關(guān)系：

vout≈vin/8＝125[v]

(近似條件2)

電感器l1和l2中的每一個(gè)的兩端的電壓波形是具有50％占空比的矩形波。

(近似條件3)

電感器l1的兩端之間的電壓vl的絕對(duì)值是輸出電壓的兩倍。即，假設(shè)電壓vl的最大值是vlmax且電壓vl的最小值是vlmin，則滿足以下關(guān)系：

vlmax≈2vout

vlmin≈-2vout

在圖25中，(a)是示出變壓器1的輸出電壓的曲線圖。輸出電壓vout是輸入電壓vin(＝1kv)的1/8，且為125v。在圖25中，(b)是示出電感器l1兩端之間的電壓vl1的曲線圖。電壓vl1是±250v，且滿足以下關(guān)系：

|vl1|≈2vout

因此，在以下計(jì)算中，

vl1≈±2vout

圖26是示出開(kāi)關(guān)電壓vsw(實(shí)線)以及電流iq(虛線)的波形的曲線圖。

電感器l1的兩端之間的電壓vl1表示為

vl1＝l1(dil(t)/dt)＝l1·a

其中a是電流iq的近似直線的傾斜角。

因此，滿足以下關(guān)系：

a＝2vout/l1…(2)

此外，流入負(fù)載的電流ir表示為

ir＝vout/r3…(3)

按比例放大圖26的被矩形包圍的右上部，以獲得圖27。在死區(qū)時(shí)間τ期間，電流iq的變化特性在第一半時(shí)間τ1與第二半時(shí)間τ2之間的邊界改變，在該位置開(kāi)關(guān)電壓(實(shí)線)的梯度改變。因此，電流iq的變化被認(rèn)為對(duì)于第一半時(shí)間τ1和第二半時(shí)間τ2來(lái)說(shuō)是獨(dú)立的。

圖28示出線性近似的電流iq的峰值周圍的部分。

在圖28中，在第一半時(shí)間τ1期間流入浮動(dòng)電容cds(c11至c14的通稱)的電荷q1由圖23中的左側(cè)的陰影區(qū)域表示。電荷q1如下表示，同時(shí)省略得到以下結(jié)果的計(jì)算。

q1＝(vout·τ1/2){(t/l1)+(1/r3)}-(vout·τ1²/l1)…(4)

此外，在第二半時(shí)間τ2期間流入浮動(dòng)電容cds的電荷q2由圖23中的右側(cè)的陰影區(qū)域表示。即，電荷q1如下表示：

q2＝(vout·τ2/2){(t/l1)-(1/r3)}-(vout·τ2²/l1)…(5)

因?yàn)殡姾蓂1，所以電荷等于移動(dòng)至四個(gè)浮動(dòng)電容cds(c11至c14)的vin(＝1kv)/4，即250v(＝2vout)，且因此獲得以下表達(dá)式：

q1＝4cds·2vout＝8cds·vout…(6)

當(dāng)相對(duì)于τ1解從表達(dá)式(4)和(6)獲得的二次方程時(shí)，獲得以下表達(dá)式：

τ1＝(t/4)+(l1/4r3)-(1/4)[{t+(l1/r3)}²-128l1cds]^1/2…(7)

同樣，因?yàn)殡姾蓂2，所以電荷等于移動(dòng)至四個(gè)浮動(dòng)電容cds(c11至c14)的vin(＝1kv)/4，即250v(＝2vout)，且因此獲得以下表達(dá)式：

q2＝4cds·2vout＝8cds·vout…(8)

當(dāng)相對(duì)于τ2解從表達(dá)式(5)和(8)獲得的二次方程時(shí)，獲得以下表達(dá)式：

τ2＝(t/4)-(l1/4r3)-(1/4)[{t-(l1/r3)}²-128l1cds]^1/2…(9)

此外，死區(qū)時(shí)間τ的最小值τmin如下表達(dá)：

τmin＝τ1+τ2…(10)

接下來(lái)，將考慮死區(qū)時(shí)間τ的最大值。

圖29是示出在時(shí)間軸方向上(向右的方向)延伸的圖28中所示的波形的示意圖。在第二半時(shí)間τ2的第二半?yún)^(qū)中，電流梯度變成(-a)。因此，存在從峰值至iq＝0的時(shí)間τ0。在經(jīng)過(guò)時(shí)間τ0之后，負(fù)的電流流動(dòng)。這意味著電荷從浮動(dòng)電容cds返回至電感器l1。如果這樣，則開(kāi)關(guān)電壓再次增大。因此，必須設(shè)定死區(qū)時(shí)間τ以便不超過(guò)時(shí)間τ0。當(dāng)沒(méi)有超過(guò)時(shí)間τ0的死區(qū)時(shí)間的最大值是τmax時(shí)，如下表達(dá)τmax：

τmax＝τ1+τ0…(11)

毋容質(zhì)疑的是τmax必須滿足τmax<(t/2)以便確保開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間。

在圖29中，“電流iq＝0”如下表達(dá)：

{(at/4)-(vout/2r3)}-aτ0＝0…(12)

且表達(dá)式(12)進(jìn)一步轉(zhuǎn)換成

τ0＝(t/4)-(l1/4r3)…(13)

結(jié)果，死區(qū)時(shí)間τ的范圍應(yīng)如下設(shè)定：

τ1+τ2≤τ≤τ0+τ1…(14)

其中τ0，τ1和τ2如下。

其中各個(gè)根號(hào)中的值的符號(hào)都為正，且滿足τ1<τ2。

考慮前級(jí)電路的多級(jí)構(gòu)造，如下概括τ0，τ1和τ2。即使當(dāng)考慮前級(jí)電路的多級(jí)構(gòu)造時(shí)表達(dá)式(14)也不改變。

假設(shè)浮動(dòng)電容cds(等于構(gòu)成開(kāi)關(guān)串聯(lián)單元的開(kāi)關(guān)的數(shù)量)的數(shù)量是n，且從1開(kāi)始按順序計(jì)數(shù)的第n個(gè)浮動(dòng)電容是cnds，則如下概括τ0，τ1和τ2：

其中各個(gè)根號(hào)中的值的符號(hào)都為正，且滿足τ1<τ2。

(結(jié)論)

如上詳細(xì)所述，例如，在圖19中，變壓器1的控制部3在死區(qū)時(shí)間已經(jīng)開(kāi)始的時(shí)間之后獲得：可基于二極管d11和d12中的一個(gè)(d12)處于導(dǎo)通態(tài)時(shí)從電感器l1移動(dòng)至開(kāi)關(guān)的浮動(dòng)電容cds的電荷來(lái)計(jì)算的第一半時(shí)間τ1；以及基于二極管d11和d12中的一個(gè)(d11)處于導(dǎo)通態(tài)時(shí)從電感器l1移動(dòng)至開(kāi)關(guān)的浮動(dòng)電容cds的電荷計(jì)算的第二半時(shí)間τ2，且隨后控制部3可基于第一半時(shí)間τ1和第二半時(shí)間τ2來(lái)確定死區(qū)時(shí)間τ。

因此，基于集中在死區(qū)時(shí)間期間的電荷移動(dòng)來(lái)計(jì)算的時(shí)間τ1和τ2，可確定適當(dāng)?shù)乃绤^(qū)時(shí)間τ以實(shí)現(xiàn)零電壓過(guò)渡(zvt)。

此外，控制部3在已經(jīng)移動(dòng)至浮動(dòng)電容cds的電荷返回至電感器l1之前終止死區(qū)時(shí)間τ，由此避免開(kāi)關(guān)電壓再次增大。

此外，可基于上述表達(dá)式(7)，(9)，(13)和(14)來(lái)精確地確定死區(qū)時(shí)間τ的適當(dāng)范圍，由此可靠地實(shí)現(xiàn)零電壓過(guò)渡。

此外，因?yàn)樽鳛榇_定死區(qū)時(shí)間τ的范圍的一個(gè)因素的電感僅為電感器l1的電感，因此本實(shí)施例的變壓器1的優(yōu)點(diǎn)在于具有精確電感的低損耗電感器可以僅為電感器l1。

<<死區(qū)時(shí)間τ的效果的檢驗(yàn)>>

關(guān)于其中在上述范圍內(nèi)設(shè)計(jì)死區(qū)時(shí)間τ的各種輸入/輸出共同接地型變壓器，已經(jīng)檢驗(yàn)了其性能。檢驗(yàn)結(jié)果如下所述。

<條件1>

電路構(gòu)造：“輸入/輸出共同接地型(圖19)”

電感器l1的電感l(wèi)1＝15[mh]

負(fù)載的電阻r3＝15625[ω]

浮動(dòng)電容cds＝5[pf]

在上述條件1的情況下，死區(qū)時(shí)間τ的最小值和最大值基于上述表達(dá)式(14)如下計(jì)算。

最小值τmin＝249[ns]

最大值τmax＝2372[ns]

圖30是示出在條件1的情況下的死區(qū)時(shí)間τ[ns]和效率[％]之間關(guān)系的曲線圖。當(dāng)在曲線圖上繪制所計(jì)算的τmin和τmax時(shí)，發(fā)現(xiàn)這些值對(duì)應(yīng)于效率在曲線圖中所示的特性上優(yōu)良的范圍。

圖31是示出在條件1的情況下的死區(qū)時(shí)間τ[ns]和輸出功率[w]之間關(guān)系的曲線圖。當(dāng)在曲線圖上繪制所計(jì)算的τmin和τmax時(shí)，發(fā)現(xiàn)這些值對(duì)應(yīng)于在曲線圖中所示的特性上實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的高輸出的范圍。

<條件2>

電路構(gòu)造：“輸入/輸出共同接地型”

電感器l1的電感l(wèi)1＝15[mh]

負(fù)載的電阻r3＝15625[ω]

浮動(dòng)電容cds＝10[pf]

在上述條件2的情況下，死區(qū)時(shí)間τ的最小值和最大值基于上述表達(dá)式(14)如下計(jì)算。

最小值τmin＝512[ns]

最大值τmax＝2489[ns]

圖32是示出在條件2的情況下的死區(qū)時(shí)間τ[ns]和效率[％]之間關(guān)系的曲線圖。當(dāng)在曲線圖上繪制所計(jì)算的τmin和τmax時(shí)，發(fā)現(xiàn)這些值對(duì)應(yīng)于效率在曲線圖中所示的特性上優(yōu)良的范圍。

圖33是示出在條件2的情況下的死區(qū)時(shí)間τ[ns]和輸出功率[w]之間關(guān)系的曲線圖。當(dāng)在曲線圖上繪制所計(jì)算的τmin和τmax時(shí)，發(fā)現(xiàn)這些值對(duì)應(yīng)于在曲線圖中所示的特性上實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的高輸出的范圍。

如上所述，因?yàn)榛谟杀磉_(dá)式(14)示出的關(guān)系來(lái)確定死區(qū)時(shí)間τ，所以變壓器可具有優(yōu)良的效率以及穩(wěn)定的高輸出。

接下來(lái)，在圖19中所示的電路中，在以下條件下，以被適當(dāng)改變的τ的數(shù)值來(lái)進(jìn)行與zvt有關(guān)的電壓波形的觀察：

c1，c2，c3，c4，c6：10nf

r1，r2：330kω

l1：2.2mh

l2：100mh

r3：15000ω

切換頻率fs：100khz

d1至d4：體二極管

vin：20v

根據(jù)表達(dá)式(14)，在上述條件下τmin和τmax的計(jì)算的值如下：

最小值τmin＝449ns

最大值τmax＝2685ns

圖34示出在τ為200ns的情況下的開(kāi)關(guān)sw4的開(kāi)關(guān)電壓的實(shí)際測(cè)量波形。在這種情況下，在圖34的圓圈標(biāo)記附近的控制被導(dǎo)通。但是，此時(shí)，電壓還未降至0v。因此，在τ＝200ns時(shí)沒(méi)有實(shí)現(xiàn)zvt。

同樣，圖35示出在τ為500ns的情況下的開(kāi)關(guān)電壓的實(shí)際測(cè)量波形。在這種情況下，當(dāng)控制被導(dǎo)通時(shí)，電壓已經(jīng)降至0v。因此，在τ＝500ns時(shí)開(kāi)始出現(xiàn)zvt。τ的這個(gè)值大致與449ns的計(jì)算值一致。

圖36示出τ＝1000ns的情況下的開(kāi)關(guān)電壓的實(shí)際測(cè)量波形。在這種情況下，實(shí)現(xiàn)了zvt。

圖37示出τ＝2000ns的情況下的開(kāi)關(guān)電壓的實(shí)際測(cè)量波形。在這種情況下，實(shí)現(xiàn)了zvt。

即，獲得τ處于449至2685ns范圍內(nèi)時(shí)實(shí)現(xiàn)zvt的理論結(jié)果。

圖38示出τ＝2700ns的情況下的開(kāi)關(guān)電壓的實(shí)際測(cè)量波形。在這種情況下，當(dāng)控制被導(dǎo)通時(shí)，電壓開(kāi)始再次增大。

圖39示出τ＝3000ns的情況下的開(kāi)關(guān)電壓的實(shí)際測(cè)量波形。在這種情況下，當(dāng)控制被導(dǎo)通時(shí)，發(fā)生電壓的再次增大。

即，τmax與2685ns的計(jì)算值良好地相符。

<<死區(qū)時(shí)間τ的效果的驗(yàn)證，以及補(bǔ)充附注>>

作為參考，關(guān)于具有各種拓?fù)涞妮斎?輸出共同接地型變壓器，死區(qū)時(shí)間τ的范圍及其性能的驗(yàn)證結(jié)果如下所述。

圖40是示出輸入/輸出共同接地型“2c2l”變壓器1的電路圖。通過(guò)省略二極管，泄流電阻等來(lái)簡(jiǎn)化這種電路的說(shuō)明。此外，在后級(jí)電路1r中的半導(dǎo)體元件d11和d12是具有相反極性的二極管，或交替導(dǎo)通的開(kāi)關(guān)(同樣適用于下文)。

已經(jīng)檢驗(yàn)了圖40中所示的變壓器1的性能。檢驗(yàn)結(jié)果如下所述。

<條件1>

電感器l1的電感l(wèi)1＝15[mh]

負(fù)載的電阻r3＝7000[ω]

浮動(dòng)電容cds＝10[pf]

在這種情況下，死區(qū)時(shí)間τ的最小值和最大值基于上述表達(dá)式(14)如下計(jì)算。

最小值τmin＝259[ns]

最大值τmax＝2065[ns]

圖41是示出在條件1的情況下的死區(qū)時(shí)間τ[ns]和效率[％]之間關(guān)系的曲線圖。當(dāng)在曲線圖上繪制所計(jì)算的τmin和τmax時(shí)，發(fā)現(xiàn)這些值對(duì)應(yīng)于效率在曲線圖中所示的特性上優(yōu)良的范圍。

圖42是示出在條件1的情況下的死區(qū)時(shí)間τ[ns]和輸出功率[w]之間關(guān)系的曲線圖。當(dāng)在曲線圖上繪制τmin和τmax時(shí)，發(fā)現(xiàn)這些值對(duì)應(yīng)于在曲線圖中所示的特性上實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的高輸出的范圍。

<條件2>

電感器l1的電感l(wèi)1＝30[mh]

負(fù)載的電阻r3＝15625[ω]

浮動(dòng)電容cds＝10[pf]

在這種情況下，死區(qū)時(shí)間τ的最小值和最大值基于上述表達(dá)式(14)如下計(jì)算。

最小值τmin＝531[ns]

最大值τmax＝2229[ns]

圖43是示出在條件2的情況下的死區(qū)時(shí)間τ[ns]和效率[％]之間關(guān)系的曲線圖。當(dāng)在曲線圖上繪制所計(jì)算的τmin和τmax時(shí)，發(fā)現(xiàn)這些值對(duì)應(yīng)于效率在曲線圖中所示的特性上優(yōu)良的范圍。

圖44是示出在條件2的情況下的死區(qū)時(shí)間τ[ns]和輸出功率[w]之間關(guān)系的曲線圖。當(dāng)在曲線圖上繪制所計(jì)算的τmin和τmax時(shí)，發(fā)現(xiàn)這些值對(duì)應(yīng)于在曲線圖中所示的特性上實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的高輸出的范圍。

圖45是示出輸入/輸出共同接地型“4c2l”變壓器1。雖然這種電路類似于圖19中所示的電路，但是電容器c3的位置與圖19略有不同。

已經(jīng)檢驗(yàn)了變壓器1的性能。檢驗(yàn)結(jié)果如下所述。

<條件1>

電感器l1的電感l(wèi)1＝15[mh]

負(fù)載的電阻r3＝15625[ω]

浮動(dòng)電容cds＝5，8，13，14[pf]

在這種情況下，死區(qū)時(shí)間τ的最小值和最大值基于上述表達(dá)式(14)如下計(jì)算。

最小值τmin＝512[ns]

最大值τmax＝2489[ns]

圖46是示出在條件1的情況下的死區(qū)時(shí)間τ[ns]和效率[％]之間關(guān)系的曲線圖。當(dāng)在曲線圖上繪制所計(jì)算的τmin和τmax時(shí)，發(fā)現(xiàn)這些值對(duì)應(yīng)于效率在曲線圖中所示的特性上優(yōu)良的范圍。

圖47是示出在條件1的情況下的死區(qū)時(shí)間τ[ns]和輸出功率[w]之間關(guān)系的曲線圖。當(dāng)在曲線圖上繪制所計(jì)算的τmin和τmax時(shí)，發(fā)現(xiàn)這些值對(duì)應(yīng)于在曲線圖中所示的特性上實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的高輸出的范圍。

<條件2>

電感器l1的電感l(wèi)1＝15[mh]

負(fù)載的電阻r3＝15625[ω]

浮動(dòng)電容cds＝4，7，12，9[pf]

在這種情況下，死區(qū)時(shí)間τ的最小值和最大值基于上述表達(dá)式(14)如下計(jì)算。

最小值τmin＝405[ns]

最大值τmax＝2441[ns]

圖48是示出在條件2的情況下的死區(qū)時(shí)間τ[ns]和效率[％]之間關(guān)系的曲線圖。當(dāng)在曲線圖上繪制所計(jì)算的τmin和τmax時(shí)，發(fā)現(xiàn)這些值對(duì)應(yīng)于效率在曲線圖中所示的特性上優(yōu)良的范圍。

圖49是示出在條件2的情況下的死區(qū)時(shí)間τ[ns]和輸出功率[w]之間關(guān)系的曲線圖。當(dāng)在曲線圖上繪制所計(jì)算的τmin和τmax時(shí)，發(fā)現(xiàn)這些值對(duì)應(yīng)于在曲線圖中所示的特性上實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的高輸出的范圍。

圖50是示出輸入/輸出共同接地型“6c2l”變壓器1的電路圖。

已經(jīng)檢驗(yàn)了這種變壓器1的性能。檢驗(yàn)結(jié)果如下所述。

<條件1>

電感器l1的電感l(wèi)1＝15[mh]

負(fù)載的電阻r3＝15625[ω]

浮動(dòng)電容cds＝10[pf]

在這種情況下，死區(qū)時(shí)間τ的最小值和最大值基于上述表達(dá)式(14)如下計(jì)算。

最小值τmin＝792[ns]

最大值τmax＝2611[ns]

圖51是示出在條件1的情況下的死區(qū)時(shí)間τ[ns]和效率[％]之間關(guān)系的曲線圖。當(dāng)在曲線圖上繪制所計(jì)算的τmin和τmax時(shí)，發(fā)現(xiàn)這些值對(duì)應(yīng)于效率在曲線圖中所示的特性上優(yōu)良的范圍。

圖52是示出在條件1的情況下的死區(qū)時(shí)間τ[ns]和輸出功率[w]之間關(guān)系的曲線圖。當(dāng)在曲線圖上繪制所計(jì)算的τmin和τmax時(shí)，發(fā)現(xiàn)這些值對(duì)應(yīng)于在曲線圖中所示的特性上實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的高輸出的范圍。

<條件2>

電感器l1的電感l(wèi)1＝15[mh]

負(fù)載的電阻r3＝15625[ω]

浮動(dòng)電容cds＝5[pf]

在這種情況下，死區(qū)時(shí)間τ的最小值和最大值基于上述表達(dá)式(14)如下計(jì)算。

最小值τmin＝378[ns]

最大值τmax＝2429[ns]

圖53是示出在條件2的情況下的死區(qū)時(shí)間τ[ns]和效率[％]之間關(guān)系的曲線圖。當(dāng)在曲線圖上繪制所計(jì)算的τmin和τmax時(shí)，發(fā)現(xiàn)這些值對(duì)應(yīng)于效率在曲線圖中所示的特性上優(yōu)良的范圍。

圖54是示出在條件2的情況下的死區(qū)時(shí)間τ[ns]和輸出功率[w]之間關(guān)系的曲線圖。當(dāng)在曲線圖上繪制所計(jì)算的τmin和τmax時(shí)，發(fā)現(xiàn)這些值對(duì)應(yīng)于其中在曲線圖中所示的特性上實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的高輸出的范圍。

如上所述，根據(jù)表達(dá)式(14)適當(dāng)確定的死區(qū)時(shí)間τ的范圍也得到上述補(bǔ)充附注的支持。

<<補(bǔ)充>>

注意，本文公開(kāi)的實(shí)施例在所有方面都是說(shuō)明性的，且不應(yīng)被認(rèn)為是限制性的。本發(fā)明的范圍由權(quán)利要求的范圍定義且旨在涵蓋等效于權(quán)利要求范圍的含義以及該范圍內(nèi)的所有變型。

參考符號(hào)列表

1變壓器

1f前級(jí)電路

1r后級(jí)電路

2ac電源，電源

3控制部

4開(kāi)關(guān)裝置

c1至c6電容器

c6電容

d1至d4，d11，d12二極管

g接地電路徑

l1，l2電感器

m1，m2連接點(diǎn)

n1至n7，n11至n13節(jié)點(diǎn)

px第一輸出端口

py第二輸出端口

r負(fù)載

r1，r2泄流電阻器

r3電阻

sr1，sr2，sb1，sb2開(kāi)關(guān)

sw1至sw6開(kāi)關(guān)