CN102832819A - 开关电源装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供开关电源装置，其具有：脉冲产生电路，其输出与开关元件(Q11、Q12)的开关状态对应的第1(第2)脉冲信号，在施加有第1脉冲信号的第1串联谐振电路(L1、C1)上流过相对于第1脉冲信号延迟了90°相位的电流，通过第1串联谐振电路的电流来使开关元件(Q21)接通/断开，在施加有第2脉冲信号的第2串联谐振电路(L2、C2)上流过相对于第2脉冲信号延迟了90°相位的电流，通过第2串联谐振电路的电流来使开关元件(Q22)接通/断开，因此第2转换器(4)进行相对于第1转换器3错开了90°相位的工作，脉冲产生电路具有输出第1脉冲信号的二次绕组(Na3)和输出第2脉冲信号的二次绕组(Na4)，具有施加有与开关元件(Q11、Q12)的驱动信号同步的电压的第3变压器(T3)。

Description

开关电源装置

技术领域

本发明涉及简单且价廉的开关电源装置。

背景技术

图4是示出以往的开关电源装置的结构的电路图。图4所示的开关电源装置以称为电流谐振型开关电源装置的方式，例如将对来自商用电源的交流电压进行了整流平滑的直流电压作为直流输入电压Vin来输入。在供给直流输入电压Vin的直流电源Vin的两端上串联连接有由MOSFET构成的开关元件Q11(第1开关元件)和由MOSFET构成的开关元件Q12(第2开关元件)。

在开关元件Q12的漏极-源极之间(或者也可以是开关元件Q11的漏极-源极之间)连接有电压谐振电容器Cv1，并且连接有由谐振电抗器Lr1、变压器T1的一次绕组Np1和电流谐振电容器Ci1构成的第1谐振电路。谐振电抗器Lr1是例如由变压器T1的漏电感来代用。

在开关元件Q12的漏极-源极之间连接有二极管D1，在开关元件Q11的漏极-源极之间连接有二极管D2。二极管D1、D2也可以是开关元件Q11、Q12的寄生二极管。

另外，在变压器T1的二次侧串联连接有以分别成为逆相的方式卷绕的二次绕组Ns11、Ns12。在二次绕组Ns11、Ns12上产生的电压通过二极管D11、D12而被整流，通过输出平滑电容器Co1平滑而作为输出电压Vo1来输出。

设置了防止开关元件Q11、Q12同时接通的死时间的栅极信号，从控制电路10交替地以相同的接通宽度输入到开关元件Q11、Q12的栅极。

当开关元件Q11、Q12交替地接通/断开时，在开关元件Q11、Q12上流过如图5所示的谐振电流Q11i、Q12i，在变压器T1的二次侧通过二极管D11、D12而放出正弦波状的谐振电流D11i、D12i。

输出电压Vo1经过未图示的光电耦合器等绝缘单元而返回到一次侧的控制电路10，通过控制电路10以输出电压Vo1成为规定值的方式控制开关元件Q11、Q12的开关频率。

在该电流谐振型开关电源装置中，如图5所示，在接通各个开关元件Q11、Q12时，由于电流向负方向(在二极管D2、D1上流过的电流)流过，因此不产生开关损失。另外，由于进行了谐振工作，因此也不会产生断开开关元件Q11、Q12时的浪涌电压。因此，能够使用低耐压的开关元件，是对构成高效率电源极有效的方式。

但是，在图4所示的电流谐振型开关电源装置中，由于在二次侧交替地流过正弦波状的电流D11i、D12i，因此电流D11i、D12i进行不连续工作。因此，在输出平滑电容器Co1上流过的纹波电流Co1i成为输出电流的大约5~7成左右，较电流连续流过的正向转换器等大。在输出平滑电容器Co1中一般使用的电解电容器中存在允许纹波电流的规定，为了满足该规定不得不并联连接几个电解电容器。因此，存在成本及安装面积增加的问题。

作为解决该问题的方法，在专利文献1中公开有如下所述的方法：并联连接多个电路，通过使各个电路的相位错开来工作，从而减轻电解电容器的纹波电流。

但是，在专利文献1的方式中，需要对控制电路内的高频振荡电路输出的脉冲信号进行分频的电路等，在控制电路变复杂化的同时变得昂贵。

作为解决该问题的装置，在专利文献2中公开了如下所述的装置：其具有：第1转换器，其具有第1开关元件与第2开关元件的串联电路和第1变压器；第2转换器，其具有第3开关元件与第4开关元件的串联电路和第2变压器；与第2开关元件的两端连接的具有彼此反极性卷绕的第1二次绕组及第2二次绕组的第3变压器的一次绕组与第3电容器的串联电路；第1串联谐振电路，其与第3变压器的第1二次绕组串联连接，由第1谐振电抗器和第1谐振电容器构成；第1控制电路，其根据第1串联谐振电路的电流而使所述第3开关元件接通/断开；第2串联谐振电路，其与第3变压器的第2二次绕组串联连接，由第2谐振电抗器和第2谐振电容器构成；以及第2控制电路，其根据所述第2串联谐振电路的电流而使所述第4开关元件接通/断开，在第1串联谐振电路上流过相对于在第3变压器的第1二次绕组上产生的电压延迟了90°相位的电流，通过在第1串联谐振电路上流过的电流，使第3开关元件接通/断开，在第2串联谐振电路上流过相对于在第3变压器的第2二次绕组上产生的电压延迟了90°相位的电流，通过在第2串联谐振电路上流过的电流，使第4开关元件接通/断开(公报的图9)，因此第2转换器进行相对于第1转换器错开90°相位的工作。因此，仅通过增加简单的电路，就能够实现使相位偏移的并联工作，能够大幅减轻输出平滑电容器的纹波电流。

【专利文献1】日本特开平4-105552号公报

【专利文献2】日本特开2010-110114号公报

但是，在专利文献2的方式中，在直流电源Vin的输入直流电压为例如400V左右时，由于在第3变压器的一次绕组上施加有高电压，因此需要对第3变压器进行考虑了饱和的设计。因此，需要增加第3变压器的一次绕组的匝数以使其不饱和，伴随于此，二次绕组的匝数也增加。其结果，第3变压器在变得大型化的同时变得昂贵。

另外，在输入直流电压为高电压时，当以第3及第4开关元件工作的方式决定第3变压器的一次绕组、第1二次绕组和第2二次绕组的匝数比时，在输入直流电压成为低电压时，在第1二次绕组和第2二次绕组上产生的电压成为非常低的电压，存在第3及第4开关元件不能工作的问题。

发明内容

本发明提供开关电源装置，其通过使用小型且价廉的低压用的变压器，能够与输入直流电压的大小无关地使各开关元件工作。

为了解决上述问题，本发明提供开关电源装置，其特征在于具有：第1转换器，其在直流电源的两端串联连接第1开关元件和第2开关元件，在所述第1开关元件或所述第2开关元件的两端串联连接第1变压器的一次绕组和第1电容器，且该第1转换器具有对所述第1变压器的二次绕组所产生的电压进行整流的第1整流电路；第2转换器，其在所述直流电源的两端串联连接第3开关元件和第4开关元件，在所述第3开关元件或所述第4开关元件的两端串联连接第2变压器的一次绕组和第2电容器，且该第2转换器具有对所述第2变压器的二次绕组所产生的电压进行整流的第2整流电路；平滑电路，其对从所述第1整流电路和所述第2整流电路输出的电流进行平滑；脉冲产生电路，其输出与所述第1开关元件的开关状态对应的第1脉冲信号和与所述第2开关元件的开关状态对应的第2脉冲信号；第1串联谐振电路，其由施加所述第1脉冲信号的第1谐振电抗器和第1谐振电容器构成；第1控制电路，其根据所述第1串联谐振电路的电流使所述第3开关元件接通/断开；第2串联谐振电路，其由施加所述第2脉冲信号的第2谐振电抗器和第2谐振电容器构成；以及第2控制电路，其根据所述第2串联谐振电路的电流使所述第4开关元件接通/断开，在所述第1串联谐振电路上流过相对于所述第1脉冲信号延迟了90°相位的电流，通过该第1串联谐振电路的电流使所述第3开关元件接通/断开，在所述第2串联谐振电路上流过相对于所述第2脉冲信号延迟了90°相位的电流，通过该第2串联谐振电路的电流使所述第4开关元件接通/断开，因此所述第2转换器进行相对于所述第1转换器错开了90°相位的工作，所述脉冲产生电路具有输出所述第1脉冲信号的第1二次绕组和输出所述第2脉冲信号的第2二次绕组，该脉冲产生电路具有第3变压器，该第3变压器施加与所述第1开关元件和所述第2开关元件的驱动信号同步的电压。

根据本发明，不使用直流电源的输入直流电压，通过来自第3变压器的第1二次绕组及第2二次绕组的第1及第2脉冲信号来驱动第3及第4开关元件。因此，能够与输入直流电压的大小无关地使各开关元件工作。另外，能够使用小型且价廉的低压用的变压器。

附图说明

图1是示出本发明的实施例1的开关电源装置的结构的电路图。

图2是示出实施例1的开关电源装置的工作的波形图。

图3是示出本发明的实施例2的开关电源装置的结构的电路图。

图4是示出以往的开关电源装置的结构的电路图。

图5是示出以往的开关电源装置的工作的波形图。

符号说明

1、2  串联谐振电路

3  第1转换器

4  第2转换器

10、10a    控制电路

Vin  直流电源

Q11、Q12、Q21、Q22  开关元件

Q1~Q4  晶体管

D1~D4、D11、D12、D21、D22  二极管

T1、T2、T3、T4  变压器

Np1、Np2、Np3、Np4  一次绕组

Ns11、Ns12、Ns21、Ns22、Na1、Na2、Na3、Na4  二次绕组

Co1  输出平滑电容器

Lr1、Lr2、L1、L2  谐振电抗器

C1、C2  谐振电容器

Ci1、Ci2  电流谐振电容器

Cv1、Cv2  电压谐振电容器

R1、R2  电阻

具体实施方式

以下，参照附图详细说明本发明的开关电源装置的实施方式。

(实施例1)

图1是示出本发明的实施例1的开关电源装置的结构的电路图。图1所示的开关电源装置具有直流电源Vin、第1转换器3、第2转换器4、输出平滑电容器Co1。

第1转换器3相对于图4所示的以往的开关电源装置，除了脉冲变压器3、控制电路10a以外，具有相同结构，因此省略其说明。

脉冲变压器T3(第3变压器)具有一次绕组Np3、二次绕组Na1(第3二次绕组)、二次绕组Na2(第4二次绕组)、二次绕组Na3(第1二次绕组)、二次绕组Na4(第2二次绕组)。一次绕组Np3的两端与控制电路10a的输出端子连接。二次绕组Na1的一端与开关元件Q11的栅极连接，二次绕组Na1的另一端连接于开关元件Q11与开关元件Q12之间的连接点上。二次绕组Na2的一端与开关元件Q12的栅极连接，二次绕组Na2的另一端与直流电源Vin的负极连接。

控制电路10a在脉冲变压器T3的一次绕组Np3上施加方形波状的交流电压(开关元件Q11、Q12的驱动信号)。

第2转换器4与第1转换器3同样，在直流电源Vin的两端上串联连接有由MOSFET构成的开关元件Q21(第3开关元件)和由MOSFET构成的开关元件Q22(第4开关元件)。

另外，开关元件Q11和开关元件Q12构成第1开关电路，开关元件Q21和开关元件Q22构成第2开关电路。

在开关元件Q22的漏极-源极之间(或者也可以是开关元件Q21的漏极-源极之间)连接有电压谐振电容器Cv2，并且连接有由谐振电抗器Lr2、变压器T2(第2变压器)的一次绕组Np2和电流谐振电容器Ci2构成的第2谐振电路。谐振电抗器Lr2例如由变压器T2的漏电感来代用。

在开关元件Q22的漏极-源极之间连接有二极管D3，在开关元件Q21的漏极-源极之间连接有二极管D4。二极管D3、D4也可以是开关元件Q21、Q22的寄生二极管。

另外，在变压器T2的二次侧连接有以彼此成为逆相(反极性)的方式卷绕的二次绕组Ns21、Ns22。在二次绕组Ns21、Ns22上产生的电压通过二极管D21、D22而被整流，通过输出平滑电容器Co1平滑而作为输出电压Vo1来输出。

另外，二极管D11、D12、D21、D22和输出平滑电容器Co1构成整流平滑电路。

在开关元件Q21、Q22的栅极分别连接有栅极驱动电路20及30。

在栅极驱动电路20(第1控制电路)上连接有由与脉冲变压器T3的二次绕组Na3的一端连接的谐振电抗器L1和谐振电容器C1构成的串联谐振电路1(第1串联谐振电路)的一端。串联谐振电路1的一端与图腾柱式连接的晶体管Q1、Q2的基极连接，晶体管Q1的集电极与驱动用电源Vcc1连接，晶体管Q2的集电极与开关元件Q21的源极连接。晶体管Q1、Q2的发射极与开关元件Q21的栅极及脉冲变压器T3的二次绕组Na3的另一端连接。

在栅极驱动电路30(第2控制电路)上连接有由与脉冲变压器T3的二次绕组Na4的一端连接的谐振电抗器L2和谐振电容器C2构成的串联谐振电路2(第2串联谐振电路)的一端。串联谐振电路2的一端与推拉式连接的晶体管Q3、Q4的基极连接，晶体管Q3的集电极与驱动用电源Vcc2连接，晶体管Q4的集电极与开关元件Q22的源极连接。晶体管Q3、Q4的发射极与开关元件Q22的栅极及脉冲变压器T3的二次绕组Na4的另一端连接。

脉冲变压器T3的二次绕组Na3与二次绕组Na4的极性相反，二次绕组Na1与二次绕组Na2的极性相反。在该例子中，二次绕组Na1与二次绕组Na3的极性相同，二次绕组Na2与二次绕组Na4的极性相同。

参照图2所示的工作波形图对如下所述构成的实施例1的开关电源装置的工作进行说明。

首先，在第1转换器3中，通过控制电路10a向脉冲变压器T3的一次绕组Np3施加占空比50%的方形波状的交流电压，从而从脉冲变压器T3的二次绕组Na1、Na2向开关元件Q11和开关元件Q12的栅极交替地施加交流电压。

即、与图4所示的以往例相同，由于开关元件Q11和开关元件Q12交替地以接通宽度重复接通/断开，因此在变压器T1的二次侧放出正弦波状的谐振电流D11i、D12i。

通过控制电路10a向脉冲变压器T3的一次绕组Np3施加交流电压，在脉冲变压器T3的二次绕组Na3上也产生正负对称的方形波状的交流电压Na3v(第1脉冲信号)。通过将该交流电压Na3v施加到谐振电抗器L1与谐振电容器C1的串联谐振电路1，三角波状的交流电流L1i通过晶体管Q1、Q2的基极-发射极之间而流到串联谐振电路1。

当在如上所述的谐振电抗器L1与谐振电容器C1的串联谐振电路1上施加了交流电压Na3v时，电流相对于电压延迟90°相位。因此，在串联谐振电路1上流过的电流L1i在开关元件Q11、Q12的接通期间的中间点(例如时刻t2)上切换正负。

由于在该电流L1i为正时会通过晶体管Q1的基极-发射极之间而流过，因此在电流L1i为正的期间晶体管Q1接通，在开关元件Q21的栅极上施加电压。相反，由于在该电流L1i为负时会通过晶体管Q2的基极-发射极之间而流过，因此在电流L1i为负的期间晶体管Q2接通，抽出开关元件Q21的栅极电压。

同样，通过控制电路10a在脉冲变压器T3的一次绕组Np3上施加交流电压，在脉冲变压器T3的二次绕组Na4上也产生正负对称的方形波状的交流电压Na4v(第2脉冲信号)。通过将该交流电压Na4v施加到谐振电抗器L2与谐振电容器C2的串联谐振电路2，从而三角波状的交流电流L2i通过晶体管Q3、Q4的基极-发射极之间而流到串联谐振电路2。

由于脉冲变压器T3的二次绕组Na3、Na4是以相互相反的极性卷绕，因此所产生的电压Na3v、Na4v成为正负对称波形，在串联谐振电路1上流过的电流L1i和在串联谐振电路2上流过的电流L2i也成为正负对称的波形。

因此，在开关元件Q21、Q22的栅极上以相同的接通宽度交替地施加电压。

如上所述的栅极信号Q21vgs、Q22vgs向开关元件Q21、Q22的栅极施加电压，从而第2转换器4进行相对于第1转换器3频率相等、相位错开90°的工作。

在使构成第2谐振电路的谐振电抗器Lr2、变压器T2的一次绕组Np2和电流谐振电容器Ci2的谐振时常数与构成第1谐振电路的谐振电抗器Lr1、变压器T1的一次绕组Np1和电流谐振电容器Ci1的谐振时常数成为相同的值时，从第2转换器4放出的电流D21i、D22i成为相对于从第1转换器3放出的电流D11i、D12i相位错开了90°的电流。因此，在输出平滑电容器Co1上流过的纹波电流Co1i，与图4所示的以往的由1个转换器构成的情况相比较，减轻为大约5分之1左右。

如上所述，根据实施例1的开关电源装置，栅极驱动电路20、30根据谐振电抗器L1与谐振电容器C1的串联谐振电路1的电流L1i及谐振电抗器L2与谐振电容器C2的串联谐振电路2的电流L2i，使第2转换器4的开关元件Q21、Q22接通/断开。即、仅通过增加简单的电路，就能够实现使相位错开的并联工作，能够大幅减少输出平滑电容器Co1的纹波电流Co1i。

另外，在本发明中，不使用施加了如以往那样的高压的脉冲变压器，而使用低压用的脉冲变压器T3，将来自控制电路10a的低压用的脉冲信号施加到一次绕组Np3，从而通过在二次绕组Na1、Na2、Na3、Na4上产生的脉冲信号分别驱动开关元件Q11、Q12、Q21、Q22。

即、由于不使用直流电源Vin的输入直流电压，因此将来自控制电路10a的低压用的脉冲信号施加到低压用的脉冲变压器T3来驱动开关元件Q11、Q12、Q21、Q22。因此，能够与直流电源Vin的输入直流电压的大小无关地使各开关元件Q11、Q12、Q21、Q22工作。另外，能够使用小型且价廉的低压用的变压器。

而且，在以往的电路中，为了驱动开关元件Q11，在控制电路10a的内部需要高压的电平位移电路。该高压的电平位移电路的价格高，在以高频工作时传递驱动信号时的损失有时会成为问题。

相对于此，在本发明中，由于用1个脉冲变压器T3来控制开关元件Q11、Q12、Q21、Q22，因此能够大幅减少成本，而且还能够解决电平位移时的损失的问题。

(实施例2)

图3是示出本发明的实施例2的开关电源装置的结构的电路图。图1所示的实施例1的开关电源装置，使用了具有一次绕组Np3和二次绕组Na1、Na2、Na3、Na4的1个脉冲变压器T3，而图3所示的实施例2的开关电源装置的特征在于，使用了具有一次绕组Np3和二次绕组Na1、Na2的脉冲变压器T3a(第4变压器)，和具有一次绕组Np4和二次绕组Na3、Na4的脉冲变压器T4(第3变压器)。

一次绕组Np3的两端和一次绕组Np4的两端与控制电路10a的输出端子连接。由于二次绕组Na1、Na2、Na3、Na4与开关元件Q11、Q12、Q21、Q22的各个连接关系，与图1所示的这些连接关系相同，因此省略其说明。

如上所述，通过实施例2的开关电源装置，也能够与实施例1的开关电源装置同样地工作，得到相同的效果。

另外，本发明不限定于上述的实施例。虽然在实施例1及实施例2中例示了电流谐振型开关电源装置，但是还可以在推挽式开关电源装置等中应用。

Claims (3)

1.一种开关电源装置，其特征在于具有：

第1转换器，其在直流电源的两端串联连接第1开关元件和第2开关元件，在所述第1开关元件或所述第2开关元件的两端串联连接第1变压器的一次绕组和第1电容器，且该第1转换器具有对所述第1变压器的二次绕组所产生的电压进行整流的第1整流电路；

第2转换器，其在所述直流电源的两端串联连接第3开关元件和第4开关元件，在所述第3开关元件或所述第4开关元件的两端串联连接第2变压器的一次绕组和第2电容器，且该第2转换器具有对所述第2变压器的二次绕组所产生的电压进行整流的第2整流电路；

平滑电路，其对从所述第1整流电路和所述第2整流电路输出的电流进行平滑；

脉冲产生电路，其输出与所述第1开关元件的开关状态对应的第1脉冲信号和与所述第2开关元件的开关状态对应的第2脉冲信号；

第1串联谐振电路，其由施加所述第1脉冲信号的第1谐振电抗器和第1谐振电容器构成；

第1控制电路，其根据所述第1串联谐振电路的电流使所述第3开关元件接通/断开；

第2串联谐振电路，其由施加所述第2脉冲信号的第2谐振电抗器和第2谐振电容器构成；以及

第2控制电路，其根据所述第2串联谐振电路的电流使所述第4开关元件接通/断开，

在所述第1串联谐振电路上流过相对于所述第1脉冲信号延迟了90°相位的电流，通过该第1串联谐振电路的电流使所述第3开关元件接通/断开，在所述第2串联谐振电路上流过相对于所述第2脉冲信号延迟了90°相位的电流，通过该第2串联谐振电路的电流使所述第4开关元件接通/断开，因此所述第2转换器进行相对于所述第1转换器错开了90°相位的工作，

所述脉冲产生电路具有输出所述第1脉冲信号的第1二次绕组和输出所述第2脉冲信号的第2二次绕组，该脉冲产生电路具有第3变压器，该第3变压器施加与所述第1开关元件和所述第2开关元件的驱动信号同步的电压。

2.根据权利要求1所述的开关电源装置，其特征在于，

所述第3变压器还具有：

第3二次绕组，其生成所述第1开关元件的栅极信号；以及

第4二次绕组，其与所述第3二次绕组反极性卷绕，生成所述第2开关元件的栅极信号，

所述第1二次绕组与所述第3二次绕组和所述第4二次绕组中的一个同极性卷绕，

所述第2二次绕组与所述第3二次绕组和所述第4二次绕组中的另一个同极性卷绕。

3.根据权利要求1所述的开关电源装置，其特征在于，

所述脉冲产生电路还具有第4变压器，该第4变压器具有：第3二次绕组，其生成所述第1开关元件的栅极信号；以及第4二次绕组，其与所述第3二次绕组反极性卷绕，生成所述第2开关元件的栅极信号，

所述第1二次绕组与所述第3二次绕组和所述第4二次绕组中的一个同极性卷绕，

所述第2二次绕组与所述第3二次绕组和所述第4二次绕组中的另一个同极性卷绕。

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