[发明专利]本质安全变压器

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2014年11月3日提交的、名称为“本质安全变压器”的、共同未决的美国临时申请No.62/074,501的优先权，其全部内容在此以引用方式并入本文。

技术领域

本公开一般涉及变压器，更具体地涉及适合在危险环境中使用的本质(intrinsically)安全变压器。本公开还一般涉及结合有这种本质安全变压器的本质安全电源。

背景技术

危险的环境，例如地下矿井、以及化学与石油加工设施，可能非常容易遭受火灾、爆炸和冲击。在这种环境中，不受控制的火焰、爆炸或冲击，可能导致死亡、财产损失以及其它严重损害。因此，在这些环境中使用的电子设备，期待其满足所谓的本质安全标准。这些标准旨在减少可能导致火灾、爆炸或冲击的电气故障的风险。本质安全标准的例子包括AS/NZS 60079标准和IEC 60079标准。

这些标准覆盖了与本质安全电路设计有关的许多领域、以及这些电路中所使用的部件。这些标准所覆盖的一个具体主题涉及电路内的导电路径之间的间隙与隔离(segregation)，包括向电路供电的任何电源的电网输入(main input)与直流输出之间的间隙与隔离。在电源中实现这种间隙与隔离，涉及物理上分隔电源内的导电路径，以及使用隔离技术，诸如光耦合器及变压器，来隔离电网输入与直流输出。

任何电源，包括符合本质安全标准的电源的一个共同部件，是用于升高或降低至电源的输入电压以满足设计输出规格的变压器。满足有关间隙与隔离本质安全标准的常规变压器，可以使用分裂线轴(split bobbin)，其在变压器的初级与次级绕组之间提供足够的绝缘厚度。分裂线轴的使用，需要线轴满足以下要求：固体绝缘间距为1.0mm；爬电距离为10.0mm。这意味着线轴材料厚度必须为1.0mm厚，而中心挡板必须提供10.0mm的爬电距离。由于分裂线轴变压器中的铁氧体也被视为导电路径，因此从初级绕组到铁氧体的距离也必须满足间隙与隔离本质安全标准。然而，使用分裂线轴减少了初级绕组与次级绕组之间的磁通耦合，导致变压器性能和效率的降低，从而降低了电源性能和效率。此外，可用的具有必要物理尺寸以满足间隙与隔离本质安全标准的分裂线轴也难以获得、或者可能需要制造，因此使得这种变压器更加昂贵。

使用分裂线轴以满足间隙与隔离本质安全标准的替代方案是提供一种变压器，其在初级绕组与次级绕组之间带有固体绝缘层。根据间隙与隔离本质安全标准，这样的固体层必须是牢固结合层，此处使得用来形成该层的绝缘材料结合在一起。常规变压器那样简单施用绝缘胶带层即可有效的方法，并不符合间隙与隔离本质安全标准。制造这种绝缘材料结合层需要额外的处理。因此，变压器的成本较高。

平面变压器也可以构造成满足间隙与隔离本质安全标准。采用平面变压器，在多层印刷电路板上蚀刻螺旋图案，以在安置于印刷电路板上的铁氧体平面磁芯周围形成变压器的绕组。印刷电路板上的蚀刻图案费用高昂，并且初级绕组与次级绕组之间的磁通耦合不够理想。

在满足间隙与隔离本质安全标准的电路中使用上述变压器结构的一种，常常导致这样的变压器，其对于设计应用而言并非最佳，和/或制造困难且成本高。

开关电源通常用于许多应用，包括上述危险环境。开关电源是优选的，因为它们比其它电源小得多、轻得多，却提供相同的输出功率。开关电源还能够在较宽输入电压范围内调节输出电压。例如，在这种环境中，隔离的90Vac至250Vac、与隔离的9Vdc至35Vdc输出开关电源很常见。然而，这种开关电源包括如上所述的变压器配置，以满足间隙与隔离本质安全标准。因此，目前的开关电源与变压器承受着相同的问题。例如，它们的制造成本高，以及，由于变压器的效率降低而降低了电源的效率。

发明内容

本公开提供了一种本质安全变压器，其可以在许多危险环境中使用，这些危险环境包括但并不局限于地下采矿环境、以及化学和石油加工环境。在一种实施方式中，本质安全变压器包括具有磁芯线圈架筒部的磁芯线圈架、以及铁氧体磁芯组件。磁芯线圈架可以是竖向磁芯线圈架或水平磁芯线圈架。磁芯组件具有缠绕于磁芯线圈架筒部周围的第一绕组、以及缠绕于第一绕组周围的第二绕组。第一绕组或第二绕组可以是绝缘绕组。铁氧体磁芯固定至磁芯线圈架。在一些情况下，第一绕组可以是初级绕组，而第二绕组可以是次级绕组，以及，在另一些情况下，第二绕组可以是初级绕组，而第一绕组可以是次级绕组。如上所述，第一绕组或第二绕组、或者二者可以是绝缘绕组。