CN100420134C - 电容器绝缘电源装置 - Google Patents

Abstract

在引导从交流电源(1)通过整流电路(2)所供应的直流或者从直流电源所直接供应的直流的线路正侧和负侧，串联连接开关元件(M1、M2、M3)，用高频信号对上述开关元件(M1、M2、M3)进行开关控制，在连接点(a)和负载端子(c)之间插入电感器(L1)、电容器(C1)，在连接点(b)和负载端子(d)之间插入电感器(L2)、电容器(C2)。对开关元件(M1、M3)进行开关的相位相同，并且对开关元件(M2)进行开关的相位成为反相。即使不使用变压器，不仅仅是对直流的绝缘，也可以充分确保对交流的绝缘。

Description

电容器绝缘电源装置

技术领域

本发明涉及一种可以对电源和负载之间进行绝缘的电容器绝缘电源装置。

背景技术

在电源装置中，为了获得希望大小的电压，有一种内置变压器的装置。该变压器还起到对初级方和次级方进行绝缘这样的作用。

另一方面，因为变压器较重且较大，所以有时为了小型化·轻质化的目的，要寻求一种可以不使用变压器的电源装置。

该没有变压器的电源装置和使用变压器的电源装置有所不同，一般情况下难以保持电源侧和负载侧之间的绝缘。

在以往，为了保持该绝缘，人们提出了在电源侧和负载侧之间使电容器串联耦合之类型的电源装置(参见美国专利第4,635,175号说明书、美国专利第6,144,565号说明书、特开平2003-116268号公报)。

但是，此类型的电源装置即使能做到对直流的绝缘，但实际状况却是，对交流也就是工业电频率和开关频率之交流电压和交流电流的充分绝缘，未被确保。

发明内容

因此，本发明的目的为实现一种电源装置，该电源装置不仅仅是对直流的绝缘，还可以充分确保对交流的绝缘。

本发明的电源装置其特征为，具有：第一、第二及第三开关元件，在下述线路的正极和负极之间串联连接，该线路用来引导从交流电源通过整流电路所供应的直流，或者从直流电源所直接供应的直流；开关控制电路，用来以规定频率的信号对上述第一、第二及第三开关元件进行开关控制；第一电容器，插入上述第一开关元件和第二开关元件的连接点与一个负载端子之间；第二电容器，插入上述第二开关元件和第三开关元件的连接点与另一负载端子之间；上述第一电容器和第二电容器的电容值相等，上述开关控制电路其对上述第一及第三开关元件进行开关的相位相同，并且对该第一及第三开关元件进行开关的相位和对上述第二开关元件进行开关的相位相互成为反相。

根据该电桥结构，由于上述第一电容器和第二电容器的电容值相等，并且可以确保电路的对称性，因而电源和负载之间的绝缘对于直流和交流，都能达到。

优选的是，在上述第一开关元件和第二开关元件的连接点与上述一个负载端子之间，再串联插入第一电感器，并且在上述第二开关元件和第三开关元件的连接点和上述另一负载端子之间，再串联插入第二电感器。

这种情况下，如果上述第一电感器和第二电感器的电感值相等，则可以确保电路的对称性，因此为了交流的绝缘，是更为优选的。

由于将上述第一及第三开关元件导通的期间包含于将上述第二开关元件关闭的期间之中，并且如果前者的期间比后者的期间短，则存在第一到第三开关元件全都关闭的期间，因此在实现零开关这样的意义上是优选的。

如上所述，根据本发明的电容器绝缘电源装置，电源侧和负载侧在直流和交流上都能被绝缘。因而，不使用变压器，就可以保证输入输出间的绝缘。因此，可以给计算机、各种通信设备等提供最佳的电源装置。

另外，根据该电容器绝缘电源装置，由于可以简单实现零开关，因而可以提供噪声较少的电源装置。

附图说明

图1是本发明电容器绝缘电源装置的电路图。

图2是开关控制电路3的控制信号波形图。

图3是开关控制电路3的控制信号波形图。

图4是为了验证本发明的效果所使用的电容器绝缘电源装置的模拟用电路图。

图5是表示图4的电路中输入导通后电阻R7之两端电压V7的电压波形变化的曲线图。

图6是省略了第三开关元件M3的比较示例所涉及的电容器绝缘电源装置电路图。

图7是表示在图6的电路中输入导通后电阻R7之两端电压V7的电压波形变化的曲线图。

图8是表示将电感器L1、L2的值设定为非对称时输入导通后电阻R7之两端电压V7的电压波形变化的曲线图。

图9是表示将电容器C1、C2的值设定为非对称时输入导通后电阻R7之两端电压V7的电压波形变化的曲线图。

图10是表示不满足谐振条件时直流输入导通后电阻R7之两端电压V7的电压波形变化的曲线图。

图11是没有电感器L1、L2时电容器绝缘电源装置的电路图。

图12是没有电感器L1、L2时输入导通后电阻R7之两端电压V7的电压波形变化的曲线图。

具体实施方式

下面，一边参照附图，一边详细说明本发明的实施方式。

图1是本发明电容器绝缘电源装置的电路图。

工业电交流电源1的交流电压通过整流电路2转换成直流电压。在图1中，虽然整流电路2是全波整流电路，但也可以采用半波整流电路。

在直流转换后的正侧及负侧上，串联连接第一、第二及第三开关晶体管M1、M2、M3。

而且，具备开关控制电路3，用来以规定频率如100kHz的信号，对上述第一、第二及第三开关晶体管M1、M2、M3进行开关控制。开关控制电路3给开关晶体管M1、M2、M3的栅电极施加电压信号，对开关晶体管M1、M2、M3进行开关。

将上述第一开关晶体管M1和第二开关晶体管M2的连接点表示为a，将上述第二开关晶体管M2和第三开关晶体管M3的连接点表示为b。另外，将负载端子表示为c、d。

在连接点a和负载端子c之间，串联插入第一电感器L1和第一电容器C1，在连接点b和负载端子d之间，串联插入第二电感器L2和第二电容器C2，并且在负载端子c和负载端子d上连接负载电阻R。

图2是开关控制电路3的控制信号波形图。如图2所示，使开关晶体管M1、M3导通的电压信号V1、V3是同相位，使开关晶体管M2导通的电压信号V2是反相位。

若说明上面电容器绝缘电源装置的动作，就是在导通了开关晶体管M1、M3时，电容器C1、C2进行充电。在导通了开关晶体管M2时，在上述电容器C1、C2中所充的电荷进行放电，向负载R流动电流i。借此，可以给负载R供应直流电流。

还有，若瞬间改变了开关晶体管M1、M3的导通状态和开关晶体管M2的导通状态，则给开关晶体管施加过大的负载。因此，优选的是，对转换的期间双方都设置非导通的期间。例如图3所示，可以缩短使开关晶体管M1、M3导通的电压信号V1、V3的导通期间，设置电压信号V1、V2、V3为非导通的期间。

图3是开关控制电路3的控制信号波形图。和电压V1、V2、V3的波形一起，还描绘出开关晶体管M1、M2、M3漏-源极间的电压E1、E2、E3的波形。如图3所示，由于在电压V1、V2、V3为非导通的期间中，电压E1、E2、E3成为零之后开关晶体管导通，因而没有给开关晶体管施加过大的负载。

这样，采用本发明的电容器绝缘电源装置，不言而喻，可以在直流上对负载R和工业电交流电源1进行绝缘，并且在工业电交流电源1的频率、开关频率等上，也可以对负载R和工业电交流电源1进行绝缘。也就是说，在电源和负载之间能达到直流绝缘及交流绝缘。

这种效果如下面的实施示例所示，通过在负载R和接地之间连接电阻，确认对该电阻既不流动直流电流也不流动交流电流，或者即使流动该电流也是不给人体带来影响的微小电流，就可以证明。

上面，虽然说明了本发明的实施方式，但是本发明的实施并不限定为上述方式。例如，本发明也可以使用于图1中没有交流电源1、整流电路2的直流输入式电源装置。并且本发明也可以使用于没有整流电路2且直接与交流电源1结合的交流输入式电源装置。此外，在本发明的范围内，可以施以各种变更。

<实施示例1>

图4是为了验证本发明的效果所使用的电路图。已将该电路结构、电路常数输入计算机，使用电路分析软件，计算出各单元的电压·电流波形。

该电路为交流输入·直流输出的类型，并且和图1的电容器绝缘电源装置相同。虽然加入了整流电路2和开关晶体管M1之间的电阻R1、R2，但是可忽视的相当小的值。另外，虽然在电感器L1和电容器C1上分别加入了并联电阻R3、R4，但它是为电路分析软件的设定所需要的常数，并且是可忽视的相当大的值。并联电阻R5、R6也同样是可忽视的相当大的值。

交流电源1的电压设为峰值350V、频率50Hz。

负载电阻R设为1Ω。但是，为了检测在负载电阻R和接地之间流动的电流，在负载电阻R的两端和接地之间，分别连接了模拟人体的10kHz电阻R7、R8。将电阻R7的电压设为V7。

电感器L1、L2分别使用250μH的电感器，并且电容器C1、C2分别使用0.01μF的电容器。开关控制电路的开关频率f是100kHz。它们的常数满足条件

$f>1/2\mathrm{\&pi;}\sqrt{\left(\mathrm{LC}\right)}.$

但是，根据该公式，表述为L1＝L2＝L、C1＝C2＝C。

图5是将交流输入导通后电阻R7之两端电压V7的电压波形与时间经过一起制成曲线图后的附图。

图5纵轴电压的单位是伏特，横轴时间的单位是msec。

根据图5的曲线图，虽然在从电源上升经2msec后，电压V7不断上升，但是该电压V7至多是10V以下。因而，可以认为，人没有触电感，确保了输入输出间的绝缘。

这样，电感器L1、L2、电容器C1、C2全都具有对称性，几乎完全能达到电源和负载之间的绝缘。还有，即便在不满足该关系时，如下面的实施示例所示，电源和负载之间的绝缘在实用上也能以足够的等级来达到。

<比较示例1>

作为比较示例，如图6所示，假定出第三开关晶体管M3出现短路的电路。电路常数和图4的电路常数相同。

图7表示交流输入导通后电阻R7之两端电压V7的电压波形曲线图。颜色深的部分表示时间占有率较高的部分，颜色淡的部分表示时间占有率较低的浪涌电压部分。

根据图7的曲线图，在电源上升后，电压V7急速上升，并且表示较大的电压值。不能认为，确保了输入输出间的绝缘，而若接触到负载R，则存在触电的危险。

<比较示例2>

假定将电感器L1、L2的值设定成非对称的电容器绝缘电源装置，并且计算出电阻R7之两端电压V7的电压波形。

电容器C1、C2分别设为0.01μF，并且将电感器L1设为350μH，将L2设为150μH，将和(L1+L2)设为和上面的示例相同的值。

图8表示该电路电压V7的曲线图。如同由该曲线图所明确的那样，和图5的实施示例1相比，由于将电感器L1、L2的值设定为非对称，因而电压V7表示超过150V的较大电压值。不能认为，确保了输入输出间的绝缘，而若接触到负载R，则存在触电的危险。

<比较示例3>

假定将电容器C1、C2的值设定为非对称的电容器绝缘电源装置，计算出电阻R7之两端电压V7的电压波形。

图9表示，将电感器L1、L2设为250μH并将电容器C1、C2分别设为0.013μF、0.008μF时电压V7的曲线图。还有，电容器C1、C2的串联合成电容与图2电容器C1、C2的串联合成电容相等。

如同由图9的曲线图所明确的那样，和实施示例1相比，由于将电容器C1、C2设定为非对称，因而电压V7表示接近90V的较大电压值。不能认为，确保了输入输出间的绝缘，而若接触到负载R，则存在触电的危险。

<实施示例2>

下面，表示 $f>>1/2\mathrm{\&pi;}\sqrt{\left(\mathrm{LC}\right)}$ 时的模拟示例(＞＞是非常大的意思)。

将电感器L1、L2分别设为50μH，并将电容器C1、C2分别设为0.01μF。开关控制电路的开关频率f是和此前相同的100kHz。

图10表示此时交流输入导通后电压V7的电压波形。

根据图10的曲线图，在电源上升后，电压V7是30V以下。因而，和图5相比，虽然电压值较大，但是比较安全的值。特别是颜色深的部分(时间占有率较高的部分)的电压值较低，可以认为，确保了输入输出间的绝缘。

<实施示例3>

图11表示卸下电感器L1、L2并且只有电容器C1、C2的电路。

图12表示此时的计算结果。C1、C2的值分别设为0.01μF。

图12是表示直流输入导通后电压V7的电压波形时间经过的曲线图。根据该图12的曲线图，表示和图10相同的趋势，在电源上升后，电压V7是50V以下。因而，和图10相比，虽然电压值较大，但是比较安全的值。特别是颜色深的部分(时间占有率较高的部分)的电压值较低，可以认为，确保了输入输出间的绝缘。

Claims (4)

1. 一种电容器绝缘电源装置，其特征为，

具有：

第一、第二及第三开关元件，在线路的正极和负极之间串联连接，该线路引导从交流电源通过整流电路所供应的直流，或者从直流电源所直接供应的直流；

开关控制电路，用于以规定频率的信号对上述第一、第二及第三开关元件进行开关控制；

第一电容器，插入上述第一开关元件和第二开关元件的连接点与一个负载端子之间；

第二电容器，插入上述第二开关元件和第三开关元件的连接点与另一负载端子之间；

上述第一电容器和第二电容器的电容值相等，

上述开关控制电路对上述第一及第三开关元件进行开关的相位相同，

对该第一及第三开关元件进行开关的相位和对上述第二开关元件进行开关的相位相互成为反相。

2. 根据权利要求1所述的电容器绝缘电源装置，其特征为：

在上述第一开关元件和第二开关元件的连接点与上述一个负载端子之间，再串联插入第一电感器，并且在上述第二开关元件和第三开关元件的连接点和上述另一负载端子之间，再串联插入第二电感器。

3. 根据权利要求2所述的电容器绝缘电源装置，其特征为：

上述第一电感器和第二电感器的电感值相等。

4. 根据权利要求1到3任一项所述的电容器绝缘电源装置，其特征为，

将上述第一及第三开关元件导通的期间包含于将上述第二开关元件关闭的期间之中，并且前者的期间比后者的期间短。

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