CN100456613C - 开关电源装置 - Google Patents

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Abstract

本发明具有第一开关元件和第二开关元件串联连接在用于整流交流电源交流电压的输入整流器电路的输出的两端的串联电路；变压器的初级线圈和电流谐振电容串联连接在第一开关元件或第二开关元件的两端的谐振电路；整流和平滑电路，整流和平滑在第一开关元件或第二开关元件的导通期间在变压器次级线圈上产生的电压；控制电路，根据来自整流和平滑电路的电压交替导通/断开第一开关元件和第二开关元件；和电压检测电路，用于在传输电能至所述至少一对整流和平滑电路时为导通的一个开关元件两端的电压变得等于或大于预定电压时输出电压检测信号。控制电路基于来自电压检测电路的电压检测信号导通第一开关元件和第二开关元件中的另一个开关元件。

Description

开关电源装置
技术领域
本发明涉及一种谐振型开关电源装置。具体地，本发明涉及开关电源装置中直通电流(through current)的防止。
背景技术
图1是传统谐振型开关电源装置的电路结构图。在图1中，全波整流电路2(对应于输入整流电路)将用于工业应用的交流电源1的交流电流整流，以输出全波整流电压至平滑电容3。该平滑电容3通过平滑全波整流电路2的全波整流电压获得直流电源Vin。
在平滑电容3的两端，连接有串联电路，该串联电路包括：开关元件Q1，其包含MOSFET或类似物；和开关元件Q2，其包含MOSFET或类似物。
开关元件Q2并联连接到包含电抗器Lr，变压器T1的初级线圈P1(匝数N1)和电流谐振电容Cri的串联谐振电路，以及电压谐振电容Crv。电抗器Lr可以为变压器T1的初级线圈P1和次级线圈S之间的漏电电感。
这样缠绕变压器T1的初级线圈P1和次级线圈S(匝数N2)以产生彼此反相的电压。包含整流器D0和平滑电容C0的整流和平滑电路连接到变压器T1的次级线圈S。该整流和平滑电路将变压器T1的次级线圈S上感应产生的电压(控制为开/关的脉冲电压)整流和平滑以输出直流电流输出V0至未示出的负载。
反馈电路5连接到平滑电容C0和整流器D0的连接点，并检测平滑电容C0的输出电压以输出检测信号至控制电路7。控制电路7通过利用基于反馈电路5检测的电压的脉冲宽度调制(PWM)控制，交替导通/关闭前述开关元件Q1和开关元件Q2来控制负载的电压恒定。在此情况下，具有空载时间的电压施加到开关元件Q1和开关元件Q2的每一栅极，以交替导通/关闭开关元件Q1和开关元件Q2。
接下来，参照图2的时序图描述上述配置的传统谐振型开关电源装置的工作。图2是传统开关电源装置处于稳态时的每一部分中的信号的时序图。
应当注意图2到图4中，VQ1gs是开关元件Q1的栅极和源极之间的栅极信号，VQ2gs是开关元件Q2的栅极和源极之间的栅极信号。VQ2ds是开关元件Q2的漏极和源极之间的电压。IQ2是流经开关元件Q2的漏极的电流。IQ1是流经开关元件Q1的漏极的电流。ILri是流经电抗器Lr的电流。Vcri是电流谐振电容Cri两端的电压。ID0是流经整流器D0的电流。另外，开关元件Q1和开关元件Q2由栅极信号VQ1gs和VQ2gs以大约几个100ns的空载时间，交替导通/关闭。
首先，在开关元件Q1的导通期内(例如，时间t11到t12)，能量通过变压器T1的初级线圈P1和电抗器Lr(变压器T1的初级线圈P1和次级线圈S之间的漏电电感)的激励感应，储存在电流谐振电容Cri中。
接着，在开关元件Q2的导通期内(例如，时间t12到t14)，储存在电流谐振电容Cri中的能量传输到变压器T1的次级端，并将初级线圈P1的激励感应的激励能复位。
在开关元件Q2的导通期内，已由初级线圈P1和电抗器Lr的激励感应分配的电流谐振电容Cri的电压施加到初级线圈P1上。当Vf为整流器D0的正向电压降且初级线圈P1的电压变为(V0+Vf)×N1/N2时，电压被箝位。然后，电流谐振电容Cri和电抗器Lr产生的谐振电流传输到变压器T1的次级端，以使电流ID0流经整流器D0。当初级线圈P1的电压小于(V0+Vf)×N1/N2时，能量不传输到变压器T1的次级端，且谐振操作只在变压器T1的初级端进行。
在该开关电源装置中，控制电路7通过改变开关元件Q1的导通期而改变电流谐振电容Cri的电压来控制传输至变压器T1的次级端的能量大小。当固定地控制频率时，开关元件Q2的导通期通常通过由开关元件Q1的PWM控制确定的时间或者用于传输电流至变压器T1次级端的谐振时间来设定。
此外，紧接在开关元件Q1关闭之后(例如，紧接在时间t12之后)，由初级线圈P1和电抗器Lr的激励感应产生的激励电流流经开关元件Q2的体二极管。由于开关元件Q2在该期间内导通，可以执行开关元件Q2的零电压开关和零电流开关。因此，不会引起开关损失。
当开关元件Q2关闭(例如，时间t14)时，此期间内至变压器T1次级端的能量传输完成且只有一个循环电流在变压器T1的初级端流动。因此，电流的峰值很低，且因为电压谐振电容Crv进行了电压准谐振操作，开关损失非常小。紧接着开关元件Q2关闭之后，循环电流通过开关元件Q1的体二极管流再生为直流电源Vin。由于在此期间内开关元件Q1导通，可以进行开关元件Q1的零电压开关和零电流开关。因此，不会引起开关损失。
同时，在该开关电源装置中，输出电压在起始时仍然很低。另外，当输出电流过载时，因为电能由于过电流保护受到限制，输出电压通常降低。
当开关元件Q2导通时，循环电流通常在传输能量至变压器T1次级端的期间完成时设定为正值(图2中ILri的虚线部分，和时间t12及t13)。然而，当输出电压在起始时刻降低或者过载时，在开关元件Q2的导通期内施加到初级线圈P1的电压被箝位在低于通常电压的电压。因此，将激励能复位所需的时间变长，循环电流在完成至变压器T1次级端的能量传输时(图3中ILri的虚线部分，及时间t22和t23)保持负值。
另外，即使在不设置过电流保护电路并且输出电压在过载时不降低的电源中，当频率恒定或者开关元件Q2的导通期由至变压器T1次级端的能量传输时间决定时，负向地叠加循环电流以向电流谐振电容Cri储存更大的能量，因而该循环电流在至变压器T1次级端的能量传输完成时保持负值。
在该情形下，变压器T1的初级线圈P1的激励能还没有复位。此时，循环电流以反方向流动通过开关元件Q2的体二极管，这称作谐振反常(resonance deviation)。在该状态中当开关元件Q1导通时，直流电源的电压Vin以反方向施加到体二极管，并且反向恢复电流流动。通常，寄生形成在开关元件中的体二极管需要较长时间来反向恢复，并因此大电流在其中流动。在最坏的情况下，可能损坏电路。
为了避免该问题，只需要在电流不流经体二极管时反向施加一个电压。可以得到一种方法，在能量传输至变压器T1的次级端的同时(当开关元件Q2的电流为正值的时候)，关闭开关元件Q2而导通开关元件Q1。该方法的信号时序图在图4中示出。
然而，当在能量传输至变压器T1的次级端的过程中开关元件Q2关闭时(例如，时间t33)，紧接其后，由电抗器Lr的激励能以高频率引起电抗器Lr和电压谐振电容Crv的谐振操作，电流ILri形成尖锐下降至循环电流的幅度(例如，时间t33和t34)。
由于此时的循环电流为负值(例如，时间t34)，电流也流经体二极管。因此，当开关元件Q1导通时，大的反向电流流动。只需要在开关元件Q2关闭并且电流朝循环电流降低的期间内电流为正值的时候导通开关元件Q1。然而，为了阻止两个开关元件都导通，从开关元件Q2关闭直到开关元件Q1导通设置了空载时间。结果，在此快速电流改变期间，开关元件Q2关闭之后开关元件Q1很难导通。
此外，在能量传输至变压器T1的次级端期间当开关元件Q2关闭时，整流器D0的恢复电流引起了损失。另外，由于产生了冲击电流(surge current)，必须通过使用高电压整流器增加缓冲器电路。
另外，在日本专利特开申请号No.2005-51918中公开了解决这些问题的一种方法。日本专利特开申请号No.2005-51918公开的开关电源装置配置成由电流状态检测电路检测体二极管的电流，以使开关元件Q1和Q2不会在电流流经体二极管时导通/关闭。
然而，在日本专利特开申请号No.2005-51918公开的开关电源装置中，电流状态检测电路中产生了损失，从而降低了效率。
发明内容
本发明的目的是提供一种开关电源装置，其中即使它们在过载或起始时进入谐振反常状态的情况下，也可以防止第一开关元件和第二开关元件处于短路状态。
在本发明的第一方面，提供串联电路，其中第一开关元件和第二开关元件串联连接在用于整流交流电源交流电压的输入整流器电路的输出的两端或者直流电源的两端，谐振电路，其中变压器的初级线圈和电流谐振电容串联连接在第一开关元件或第二开关元件的两端，至少一对整流和平滑电路，用于对在第一开关元件和第二开关元件中任一个的导通期间内在变压器次级线圈上产生的电压进行整流和平滑，控制电路，用于根据来自该至少一对整流和平滑电路的电压交替导通/关闭第一开关元件和第二开关元件，和电压检测电路，用于在传输电能至上述至少一对整流和平滑电路时导通的第一开关元件和第二开关元件中的一个开关元件两端的电压交得等于或大于预定电压时输出电压检测信号。控制电路基于来自电压检测电路的电压检测信号导通第一开关元件和第二开关元件中的另一个开关元件。
根据本发明的第一方面，即使当一个开关元件关闭时，在该开关元件两端产生的电压也为电流流经体二极管时二极管的正向电压降。该电压相对于电路的参考电压的变为负电压。因此，电压检测电路确定在上述一个开关元件两端检测的电压等于或大于预定电压时电流不流经体二极管，并且控制电路导通另一个开关元件。此时，电流不流经体二极管，并且反向恢复电流非常小。
也就是，即使在循环电流在一个开关元件关闭时变为负值时，输出电压也变小以复位激励能，且另一个开关元件直到上述一个开关元件的电流关闭时才导通。因此，可在另一个开关元件导通时防止上述一个开关元件的体二极管的反向恢复时间引起的直通电流。
在本发明的第二方面中，提供了串联电路，其中第一开关元件和第二开关元件串联连接在用于整流交流电源交流电压的输入整流器电路的输出的两端或者直流电源的两端，谐振电路，其中变压器的初级线圈和电流谐振电容串联连接在第一开关元件或第二开关元件的两端，至少一对整流和平滑电路，用于对在第一开关元件和第二开关元件中任一个的导通期间内在变压器次级线圈上产生的电压进行整流和平滑，控制电路，用于根据来自该至少一对整流和平滑电路的电压交替导通/关闭第一开关元件和第二开关元件，和电压检测电路，用于在传输电能至上述至少一对整流和平滑电路时关闭的第一开关元件和第二开关元件中的一个开关元件两端的电压变得等于或小于预定电压时输出电压检测信号。该控制电路基于来自电压检测电路的电压检测信号导通上述一个开关元件。根据本发明的第二方面，可以获得与本发明的第一方面的效果类似的效果。
在本发明的第三方面中，电压检测电路检测上述一个开关元件两端电压的改变以输出电压检测信号。
在本发明的第四方面中，在传输电能至上述至少一对整流和平滑电路时导通的上述一个开关元件关闭时，没有来自电压检测电路的电压检测信号情形下，控制电路从上述一个开关元件关闭起过了预定时间之后，导通另一个开关元件。因此，可以在过了足够复位变压器的激励能的预定时间之后导通另一个开关元件。
在本发明的第五方面中，在传输电能至上述至少一对整流和平滑电路时导通的上述第一开关元件和第二开关元件中的另一个开关元件关闭时，没有来自电压检测电路的电压检测信号情形下，控制电路从上述另一个开关元件关闭起过了预定时间之后，导通上述一个开关元件。因此，可以在过了足够复位变压器的激励能的预定时间之后导通上述一个开关元件。
在本发明的第六方面中，设置了用于检测输出电压的输出电压检测电路，替代电压检测电路。当在传输电能至上述至少一对整流和平滑电路时导通的上述第一开关元件和第二开关元件中一个开关元件关闭时，来自输出电压检测电路的输出电压等于或小于预定电压的情形下，从上述一个开关元件关闭起过了预定时间之后，控制电路导通第一开关元件和第二开关元件中的另一个开关元件，并且根据输出电压改变上述预定时间。因此，另一个开关元件可以在变压器的激励能充分复位之后导通。由此，可在另一个开关元件导通时防止上述一个开关元件的体二极管的反向恢复时间引起的循环电流。
在本发明的第七方面中，输出电压检测电路具有缠绕在变压器上的辅助线圈，并输出辅助线圈上产生的电压至控制电路作为输出电压。因此，控制电路可以根据输出电压改变上述预定时间。
附图说明
图1是示出了传统的开关电源装置的电路结构图；
图2是传统的开关电源装置处于稳态时每一部分的信号时序图；
图3是传统的开关电源装置过载时每一部分的信号时序图；
图4是传统的开关电源装置过载时每一部分的信号时序图；
图5是示出了根据本发明第一实施例的开关电源装置的电路结构图；
图6是示出了根据本发明第一实施例的开关电源装置的电压检测电路和控制电路的细节的电路结构图；
图7是示出了电压检测电路的另一结构示例的示图；
图8是根据本发明第一实施例的开关电源装置每一部分的信号时序图；
图9是示出了根据本发明第二实施例的开关电源装置的电压检测电路和控制电路的细节的电路结构图；
图10是根据本发明第二实施例的开关电源装置每一部分的信号时序图；
图11是示出了根据本发明第三实施例的开关电源装置的电压检测电路和控制电路的细节的电路结构图；
图12是示出了根据本发明第四实施例的开关电源装置的电路结构图；
图13是示出了根据本发明第四实施例的开关电源装置的电压检测电路和控制电路的细节的电路结构图；
图14是根据本发明第四实施例的开关电源装置每一部分的信号时序图；
图15是示出根据本发明第五实施例的开关电源装置的电路结构图；
图16是示出根据本发明第六实施例的开关电源装置的电路结构图；
图17示出电压检测电路的另一结构示例的示图。
具体实施方式
现在将通过参考附图详细描述根据本发明的开关电源装置的优选实施例。
(第一实施例)
图5是示出了根据本发明第一实施例的开关电源装置的电路结构图。与图1所示的传统开关电源装置相比，图5所示的第一实施例的开关电源装置特征在于包括连接到开关元件Q1和开关元件Q2的连接点的电压检测电路12，以及控制电路10。
图5中，全波整流电路2(对应于输入整流电路)将用于工业应用的交流电源1的交流电压整流，以输出全波整流电压至平滑电容3。该平滑电容3通过平滑全波整流电路2的全波整流电压而获得直流电源Vin。
在平滑电容3的两端连接有串联电路，该串联电路包括：开关元件Q1，其包含MOSFET或类似物；和开关元件Q2，其包含MOSFET或类似物。
该开关元件Q2并联连接到包含电抗器Lr，变压器T1的初级线圈P1(匝数N1)和电流谐振电容Cri的串联谐振电路，以及电压谐振电容Crv。
这样缠绕变压器T1的初级线圈P1和次级线圈S(匝数N2)以产生彼此反相的电压。包含整流器D0和平滑电容C0的整流和平滑电路连接到变压器T1的次级线圈S。该整流和平滑电路将变压器T1的次级线圈上感应产生的电压(控制为开/关的脉冲电压)整流和平滑以输出直流输出V0至未示出的负载。
反馈电路5连接到平滑电容C0和整流器D0的连接点，并检测平滑电容C0的输出电压以输出检测信号至控制电路10。该控制电路10通过利用基于反馈电路5的检测信号的PWM控制，交替导通/关闭开关元件Q1和开关元件Q2，从而控制负载的电压恒定。在此情况下，将具有空载时间的电压施加到开关元件Q1和开关元件Q2的每个栅极，以交替导通/关闭开关元件Q1和开关元件Q2。
当开关元件Q2漏极和源极之间的电压在开关元件Q2关闭之后等于或大于一预定电压时，电压检测电路12输出电压检测信号至控制电路10。
当电压检测信号从电压检测电路12输入时，控制电路10输出用于导通开关元件Q1的导通信号至开关元件Q1的栅极。
根据如上所述配置的第一实施例的开关电源装置，在稳态负载状态下，电压谐振电容Crv在开关元件Q2关闭之后由循环电流充电，以使开关元件Q2漏极和源极之间的电压等于或大于预定电压。因此，电压检测信号由电压检测电路12输出至控制电路10，并且控制电路10基于来自电压检测电路12的电压检测信号施加导通信号至开关元件Q1的栅极。
另一方面，在过载状态下导致谐振反常时，即使开关元件Q2关闭之后，循环电流保持流经开关元件Q2的体二极管。此时，由于开关元件Q2漏极和源极之间的电压不升高至预定电压，保持了开关元件Q1和开关元件Q2两个的关闭时间。
此时，当复位了初级线圈P1激励感应的激励能时，循环电流由于初级线圈P1，电抗器Lr和电流谐振电容Cri的激励感应的谐振操作，倾向于反向流动。
电压谐振电容Crv通过该循环电流充电以增大开关元件Q2漏极和源极之间的电压。当电压检测电路12检测到该增大的电压等于或大于预定电压时，电压检测电路12输出电压检测信号至控制电路10。控制电路10基于来自电压检测电路12的电压检测信号施加导通信号至开关元件Q1的栅极。因此，可以不受体二极管反向恢复时间的影响防止短路电流。
以此方式，电流流经体二极管时，即使在开关元件Q2关闭的情形下，开关元件Q2两端产生的电压也为二极管的正向电压降。因此，该电压相对于电路参考电压变为负电压。然后，电压检测电路12检测开关元件Q2两端的电压以确定上述检测电压等于或大于预定电压且控制电路10导通开关元件Q2时电流不流经体二极管。此时，由于电流不流经体二极管，反向恢复电流非常小。
也就是，即使在循环电流在开关元件Q2关闭时变为负值的情况下，输出电压也变小以复位激励能，且开关元件Q1直到开关元件Q1体二极管的电流关闭时才导通。因此，在开关元件Q2导通时可防止开关元件Q2的体二极管的反向恢复时间引起的循环电流。
接着，将描述电压检测电路和控制电路的操作的具体实例。图6是示出根据本发明第一实施例的开关电源装置的电压检测电路和控制电路的细节的电路结构图。
图6中，电压检测电路12a包括其一端连接到开关元件Q2的漏极的电容C1，其一端连接到电容C1的一端而另一端接地的电容C2，和用于比较输入到正极端子的参考电压和输入到负极端子的电容C1及电容C2的分压的比较器21。反馈电路5获得未示出的平滑电容C0的输出电压和参考电压之间的误差电压，并输出该误差电压作为误差信号。
接着，将详细描述控制电路10的结构。比较器22比较输入到正极端子的参考电压Vrc和输入到负极端子的电容C4的电压。参考电压Vrc是与反馈电路5的误差信号成比例产生的电压。触发器23将比较器21的比较输出输入至置位端S，将比较器22的比较输出输入至复位端R，并且由输出端Q输出一输出。
电阻R1的一端和二极管D1的阴极连接到触发器23的输出端Q，电阻R1的另一端、二极管D1的阳极、电容C3的一端和缓冲器24的输入端连接在一起。电容C3的另一端接地，缓冲器24的输出端通过未示出的电平移动电路(例如高压半桥驱动器(high side driver)和驱动式变压器)连接到开关元件Q1的栅极。
另外，电阻R2的一端和二极管D2的阴极连接到触发器23的输出端Q。电阻R2的另一端，二极管D2的阳极，和电容C4的一端连接到比较器22的负极端子，电容C4的另一端接地。
进一步的，反相器25的输入端，电阻R3的一端，和二极管D3的阳极连接到触发器23的输出端Q。反相器25的输出端连接到与门电路26的一个输入端。电阻R3的另一端，二极管D3的阴极，和电容C5的一端连接到与门电路26的输入端的另一端，电容C5的另一端接地。电阻R4的一端和二极管D4的阴极连接到与门电路26的输出端。电阻R4的另一端，二极管D4的阳极，和电容C6的一端连接到缓冲器27的输入端，缓冲器27的输出端连接到开关元件Q2的栅极。电容C6的另一端接地。
接着，将参考图8所示的时序图，描述上述配置的图6所示的电压检测电路12a和控制电路10的工作。应当注意图8所示的输出Va到Ve示出了图6所示点a到e的电压。
首先，在时间t1，当开关元件Q2的电压VQ2ds开始向上且电容C1和电容C2分配的电压变得等于或大于参考电压Vr时，比较器21的输出，即在点e的输出Ve和触发器23置位端S的输入电平变为低(L)电平。
触发器23的输出，即点a的输出Va变为高(H)电平。然后，输出Va以电阻R1和电容C3的时间常数延迟，延迟的输出Va通过进行波形整形的缓冲器24输出至开关元件Q1的栅极作为开关元件Q1的栅信号VQ1gs。此时，电容C4由输出Va通过电阻R2充电，电容C4的电压，即点c的电压Vc在时间t1至时间t2以电阻R2和电容C3的时间常数来增大。
此外，输出Va的高电平由反相器25反相为低电平，电容C5由于通过二极管D3由输出Va的高电平快速充电而变为高电平。因此，与门电路26的输出处于低电平状态且缓冲器27的输出也处于低电平状态，因而栅极信号VQ2gs不输出至开关元件Q2。
接着，在时间t2，当点c的电压达到Vrc时，比较器22的输出，即点d的输出Vd变为低电平。因此，触发器23的输出复位以反相为低电平。然后，电容C3的电压通过二极管D1迅速放电，缓冲器24的输出变为低电平。因此，不输出至开关元件Q1的栅信号VQ1gs，从而开关元件Q1关闭。
也就是，时间t1和时间t2之间的时间根据电压Vrc的幅度改变。另外，时间t1和时间t2之间的时间，即开关元件Q1导通的时间，通过来自反馈电路5的信号调整，以便可以控制输出电压V0。
当开关元件Q1导通时，以此顺序流过Vin，Q1，Lr，P1，Cri，和Vin的路径的电流，在开关元件Q1关闭时开始以此顺序流过Lr，P1，Cri，Q2的寄生二极管和Lr的路径。因此，不能得到施加到开关元件Q2的电压。因此，也不能得到电容C1和电容C2分配的电压，比较器21的输出变为高电平。
此外，电容C4的电压Vc通过二极管D2迅速放电至变为低电平。因此，比较器22的输出从低电平反相为高电平。
当触发器23点a处的输出Va变为低电平时，反相器25的输出变为高电平。由于与门电路26的输入也由充了电的电容C5的电压Vb变为高电平，与门电路26的输出变为高电平。通过该高电平，电容C6通过电阻R4充电。微小地延迟电容C6的电压以防止误操作，并且延迟的电压作为栅信号VQ2gs通过缓冲器27输出至开关元件Q2。另外，电容C5的电压Vb开始通过电阻R3逐渐放电。
接着，当通过逐渐减小电容C5的电压Vb使得电压Vb变为阈值Vth(与门电路26的阈值)时(时间t3)，与门电路26的输入变为低电平。因此，与门电路26的输出反相为低电平。然后，电容C6的电压通过二极管D4放电，缓冲器27的输出变为低电平，因此停止输出至开关元件Q2的栅极信号VQ2gs。
在图8所示的示例中，即使在时间t3开关元件Q2关闭时，流经电抗器Lr的电流ILri也为负电流。因此，开关元件Q2的电压不开始向上且维持该状态。
接着，流经电抗器Lr的电流ILri在时间t4变为正电流，开关元件Q2的电压VQ2ds开始向上。然后，当电容C1和电容C2分配的电压变为等于或大于作为预定电压的参考电压Vr时，比较器21的输出，即点e处的输出Ve和触发器23置位端S的输入电平，变为低电平。因此，时间t4处的操作返回到与时间t1处的操作类似的操作。将重复上述工作过程。
此外，在图2示例所示的稳态负载状态下，当在时间t14处开关元件Q2关闭时，流经电抗器Lr的电流ILri为正电流。因此，开关元件Q2的电压VQ2ds开始向上，开关元件Q1立即导通。
应当注意例如如图7所示，通过将电阻R11和电阻R12的分压输入至比较器21的负极端子和将参考电压Vr输入至比较器21的正极端子，电压检测电路12b可以检测到，开关元件Q2变为等于或大于预定电压。
(第二实施例)
根据第二实施例的开关电源装置，监视紧接开关元件Q2关闭之后的开关元件Q2两端的电压，并在预定时间内防止开关元件Q1导通，以便在紧接在开关元件Q2关闭之后电压不增大时，也就是开关元件Q2关闭时循环电流流经体二极管的情况下，充分复位初级线圈P1的激励感应的激励电流。
第二实施例具有与图5所示第一实施例的电路基本上类似的电路结构，不同在于图9所示的电压检测电路12c和控制电路10a的结构。此处，只描述图9所示结构中相对于图6所示结构的不同部分。
在图9所示的电压检测电路12c中，参考电压Vr输入至比较器21的负极端子，电容C1和电容C2的分压输入至比较器21的正极端子。
在开关元件Q2关闭时开关元件Q2两端的电压不能达到预定电压的情况下，控制电路10a在从开关元件Q2关闭起过了预定时间之后导通开关元件Q1。
控制电路10a进一步在图6所示的控制电路10的结构上增加了与非门电路28，与门电路29，反相器30，或非门电路31，反相器32，电阻R5至R7，电容C7至C9，和二极管D5和D6。
与非门电路28将比较器21的输出和电阻R7的电压(点f处的电压Vf)进行与非运算。与门电路29将反相器30的输出和与非门电路28的输出进行与运算，并输出其输出至触发器23的置位端S。
反相器32的输入端连接至与门电路26的输出端，电阻R4的一端和二极管D4的阳极。反相器32的输出端通过电容C9和电阻R7的串联电路接地。电阻R7和电容C9的连接点连接至与非门电路28的输入端。
电阻R6的一端和二极管D6的阳极连接至缓冲器27的输出端。电阻R6的另一端和二极管D6的阴极连接至电容C8的一端和或非门电路31的一个输入端，电容C8的另一端接地。或非门电路31的另一个输入端连接至触发器23的输出端Q，或非门电路31的输出连接至电阻R5的一端和二极管D5的阴极。电阻R5的另一端和二极管D5的阳极连接至电容C7的一端和反相器30的输入端，反相器30的输出端连接至与门电路29的一个输入端。电容C7的另一端接地。
在第二实施例中，与第一实施例相比，对触发器23置位的时序不同。电压检测电路12c，与非门电路28，与门电路29，反相器32，及其外围电路检测在开关元件Q2的栅信号VQ2gs变为低电平时，开关元件Q2的电压VQ2ds是否开始向上，并且当电压VQ2ds开始向上时对触发器23置位。
在当开关元件Q2的栅信号VQ2gs变为低电平且电压检测电路12c，与非门电路28，与门电路29，反相器32，及其外围电路中没有输出置位信号时，开关元件Q2的电压VQ2ds没有开始向上的情况下，反相器30，或非门电路31及其外围电路在由电阻R5和电容C7的时间常数产生的时间延迟之后，对触发器23置位。
现在将参考图10所示的信号时序图，描述上述配置的图9所示的电压检测电路12c和控制电路10a的工作。应当注意图10中的输出Va到Vi示出了图9中点a到i的电压。此处，主要描述反相器32及其外围电路的工作，以及反相器30，或非门电路31，及其外围电路的工作。
首先，描述反相器32及其外围电路的工作。当开关元件Q2的栅信号VQ2gs变为低电平，开关元件Q2的电压VQ2ds立刻开始向上时，也就是在正常工作状态下，比较器21的输出和与非门电路28的一个输入变为高电平。
另外，当开关元件Q2的栅信号VQ2gs变为低电平，也就是，当与门电路26的输出变为低电平时，反相器32的输出变为高电平。由于点f的电压Vf由电阻R7和电容C9的时间常数决定，与非门电路28的一个输入在由该时间常数决定的一段时间中变为高电平。因此，与非门电路28的输出在由电阻R7和电容C9的时间常数决定的一段时间中变为低电平，以便只在紧接开关元件Q2的栅信号VQ2gs变为低电平之后开关元件Q2的电压VQ2ds开始向上时，对触发器23置位。
另一方面，当在时间t3开关元件Q2的栅信号VQ2gs变为低电平，开关元件Q2的电压VQ2ds不立刻开始向上时(当直至电压VQ2ds开始向上的时间长于电阻R7和电容C9的时间常数及与非门电路28的阈值决定的时间)，低电平信号由比较器21输入至与非门电路28。因此，与非门电路28的输出保持高电平。
接着，描述反相器30，或非门电路31，及其外围电路的工作。或非门电路31将触发器23的输出和开关元件Q2的栅信号VQ2gs进行或非运算。当紧接开关元件Q2的栅信号VQ2gs变为低电平之后置位了触发器23时，也就是正常工作状况下，开关元件Q2栅信号VQ2gs的低电平信号在由电阻R6和电容C8延迟的同时，输入至或非门电路31。因此，没有或非门电路31的全部输入变为低电平的定时，或非门电路31的输出保持低电平并且反相器30的输出保持高电平。
另一方面，在时间t3，开关元件Q2的栅信号VQ2gs变为低电平。当开关元件Q2的电压VQ2ds不立刻开始向上时，即使开关元件Q2的栅信号VQ2gs变为低电平时，触发器23的输出Va在时间t3和t4保持低电平。或非门电路31的输出Vh变为高电平。由该高电平，电容C7通过电阻R5充电。
接着，当在时间t4电容C7的电压Vi达到反相器30的阈值Vth时，反相器30的输出反相为低电平。该低电平输入至与门电路29，并且触发器23的输出Va变为高电平。因此，输出开关元件Q1的栅信号VQ1gs。
此外，从或非门电路31的输出变为低电平，并且电容C7通过二极管D5迅速放电开始，反相器30的输入变为低电平，反相器30的输出返回高电平。
以此方式，在第二实施例中，监测了紧接在开关元件Q2关闭之后的开关元件Q2两端的电压。然后，当开关元件Q2关闭之后电压不增大时，也就是在开关元件Q2关闭时循环电流流经体二极管时，在预定时间内防止了开关元件Q1导通以充分复位初级线圈P1的激励感应的激励能。因此，可在开关元件Q1导通时阻止开关元件Q2的体二极管的反向恢复时间引起的直通电流。
(第三实施例)
图11是示出根据第三实施例的开关电源的电压检测电路和控制电路的细节的电路结构图。
对比图9所示第二实施例的电路结构，第三实施例的不同在于去除了电压检测电路12c，设置了辅助线圈P2，并且图11所示的控制电路10b的结构不同。此处，只描述相比于图9所示的结构的图11所示结构的不同部分。
在开关元件Q2关闭时开关元件Q2两端的电压没有达到预定电压的情况下，控制电路10b在从开关元件Q2关闭起过了预定时间之后导通开关元件Q1，并根据来自辅助线圈P2的输出电压改变该预定时间。
辅助线圈P2(匝数N3)与变压器T1的次级线圈S紧密耦合，并获得次级线圈S产生的电压，即根据输出电压V0的电压，并输出经过二极管D7和电容C10整流和平滑的电压至与非门电路28的一个输入端。辅助线圈P2，二极管D7，和电容C10对应于本发明的输出电压检测电路。
对比图9所示的控制电路10a的结构，在控制电路10b中，去除了反相器32，电容C9，和电阻R7。控制电路10b的特征在于提供了连接至缓冲器27的输出和与非门电路28的输入的反相器33，并且提供了包含辅助线圈P2，二极管D7，和电容C10的输出电压检测电路。
也就是，在第二实施例中，反相器32的外围电路确定是否置位了触发器23。当触发器23没有置位时(也就是，即使开关元件Q2的栅信号VQ2gs变为低电平时，开关元件Q2的电压VQ2ds也没有开始向上)，触发器23在以电阻R5和电容C7的时间常数延迟了时间之后置位。
与此对比，在第三实施例中，去除了反相器32的外围电路，并且触发器23由来自变压器T1的辅助线圈P2的电压和来自反相器33的电压交替置位。
在正常工作中，即使开关元件Q2的栅信号VQ2gs变为低电平时，开关元件Q2的电压VQ2ds也不开始向上的现象不发生。该现象在当启动时和过电流保护电路工作时输出电压低于预定电压时发生。
因此，在第三实施例中，辅助线圈P2上产生的电压由二极管D7和电容C10整流和平滑以输入至与非门电路28。当该电压高于预定电压时，确定在开关元件Q2的栅信号VQ2gs变为低电平时，开关元件Q2的电压VQ2ds开始向上。也就是，检测开关元件Q2的电压VQ2ds，并置位触发器23。在此情况下，由于与非门电路28的输出变为低电平，并且与门电路29的输出变为低电平，置位了触发器23。
另一方面，在辅助线圈P2上产生的电压由二极管D7和电容C10整流和平滑以输入至与非门电路28。当该电压低于预定电压时，确定即使在开关元件Q2的栅信号VQ2gs变为低电平时，开关元件Q2的电压VQ2ds也不开始向上。在此情况下，在过了预定时间之后由控制电路10a的反相器30和或非门电路31的外围电路置位触发器23。
以此方式，通过检测辅助线圈P2的输出电压以根据该输出电压改变预定时间，在充分复位变压器T1的激励能之后导通了开关元件Q1。因此，可在开关元件Q1导通时防止第二开关元件的体二极管的反向恢复时间引起的直通电流。
(第四实施例)
图12是示出根据本发明第四实施例的开关电源装置的电路结构图。与图5所示第一实施例的开关电源装置不同，其中变压器T2的初级线圈P1和次级线圈S设置为同极的图12中所示第四实施例的开关电源装置，在开关元件Q1导通时将变压器T1初级端的能量传输至次级端上的整流和平滑电路。
另外，当在传输能量至变压器T2次级端时关闭的开关元件Q2的两端的电压等于或小于预定电压时，电压检测电路12d输出电压检测信号。控制电路10c通过来自电压检测电路12d的电压检测信号导通开关元件Q2。
图13是示出根据本发明第四实施例的开关电源装置的电压检测电路和控制电路的细节的电路结构图。
图13中，电压检测电路12d具有一端连接至开关元件Q2的漏极的电阻R11，一端连接至电阻R11的一端而另一端接地的电阻R12，和用于比较输入到负极端子的参考电压Vr和输入到正极端子的电阻R11和电阻R12的分压的比较器21。
图6所示的控制电路10中，触发器23的输出端Q和开关元件Q1的栅极之间设置了电阻R1，二极管D1，电容C3，和缓冲器24。相反，图13所示的控制电路10c中，这些设置在触发器23的输出端Q和开关元件Q2的栅极之间。
另外，图6所示的控制电路10中，触发器23的输出端Q和开关元件Q2的栅极之间设置了反相器25，电阻R3，二极管D3，电容C5，与门电路26，电阻R4，二极管D4，电容C6，和缓冲器27。相反，图13所示的控制电路10c中，这些设置在触发器23的输出端Q和开关元件Q1的栅极之间。
接下来，参考图14所示的信号时序图，描述上述配置的图13所示的电压检测电路12d和控制电路10c的工作。
首先，当开关元件Q2的电压VQ2ds在时间t1开始向下且电阻R11和电阻R12分配的电压变得等于或小于参考电压Vr时，比较器21的输出，即在点e的输出Ve和触发器23的置位端S的输入电平变为低电平。
当触发器23的输出，即点a的输出Va变为高电平时，以电阻R1和电容C3的时间常数延迟了输出Va。延迟的输出Va通过进行波形整形的缓冲器24输出至开关元件Q2的栅极作为开关元件Q2的栅信号VQ2gs。此时，电容C4由输出Va通过电阻R2充电，并且电容C4的电压，即点c的电压Vc，在时间t1至时间t2之间以电阻R2和电容C3的时间常数增大。
此外，输出Va的高电平由反相器25反相为低电平，电容C5由输出Va的高电平通过二极管D3快速充电为高电平。因此，与门电路26的输出处于低电平态且缓冲器27的输出也处于低电平态。因而，不输出至开关元件Q1的栅信号VQ1gs。
接着，当点c的电压在时间t2达到Vrc时，比较器22的输出，即点d的输出Vd变为低电平，触发器23的输出复位而反相为低电平。然后，电容C3的电压通过二极管D1迅速放电，并且缓冲器24的输出变为低电平。不输出至开关元件Q2的栅信号VQ2gs，从而开关元件Q2关闭。
也就是，时间t1和时间t2之间的时间根据电压Vrc的幅度改变。另外，时间t1和时间t2之间的时间，即开关元件Q2导通的时间，通过来自反馈电路5的信号调节，以便可以控制输出电压V0。
此外，电容C4的电压Vc通过二极管D2迅速放电至交为低电平。因此，比较器22的输出从低电平反相为高电平。
当点a处的触发器23的输出Va变为低电平时，反相器25的输出变为高电平。由于与门电路26的输入也由充电的电容C5的电压Vb变为高电平，与门电路26的输出也变为高电平。通过该高电平，电容C6通过电阻R4充电。栅信号VQ1gs以微小延迟通过缓冲器27输出至开关元件Q1以防止故障。另外，电容C5的电压Vb通过电阻R3逐渐开始放电。
其次，当电容C5的电压Vb逐渐减小为阈值Vth(与门电路26的阈值)时(时间t3)，与门电路26的输入变为低电平。与门电路26的输出反相为低电平。然后，电容C6的电压通过二极管D4放电，并且缓冲器27的输出变为低电平。因此，防止了栅信号VQ1gs输出至开关元件Q1。
在图14所示的示例中，即使开关元件Q1在时间t3关闭时，流经电抗器Lr的电流ILri也为负电流。因此，开关元件Q2的电压VQ2ds不开始向下，从而维持了该状态。
接着，在时间t4，流经电抗器Lr的电流ILri变为正电流，开关元件Q2的电压VQ2ds开始向下。然后，当电阻R11和电阻R12分配的电压变为等于或小于作为预定电压的参考电压Vr时，比较器21的输出，即点e处的输出Ve和触发器23置位端S的输入电平，变为低电平。因此，时间t4处的操作返回到与时间t1处的操作类似的操作。将重复进行上述工作过程。
以此方式，根据第四实施例的开关电源装置，当开关元件Q2两端的电压等于或小于预定电压时，电压检测电路12d输出电压检测信号。控制电路10c通过来自电压检测电路12d的电压检测信号导通开关元件Q2。因此，即使在过载状态下引起谐振反常状态时，也可以不受体二极管反向恢复时间的影响而防止止短路电流。
(第五实施例)
图15是示出根据本发明第五实施例的开关电源装置的电路结构图。与图5所示第一实施例的开关电源装置配置相比，图15所示第五实施例的开关电源装置中，开关元件Q1与包括电抗器Lr，变压器T1的初级线圈P1(匝数N1)和电流谐振电容Cri的串联谐振电路，以及电压谐振电容Crv并联连接。
此外，这样缠绕变压器T1的初级线圈P1和次级线圈S(匝数N2)以产生彼此反相的电压。包含整流器D0和平滑电容C0的整流和平滑电路连接到变压器T1的次级线圈S。
另外，在传输能量至变压器次级端时关闭的开关元件Q2两端的电压变得等于或小于预定电压时，电压检测电路12d输出电压检测信号。控制电路10c通过来自电压检测电路12d的电压检测信号导通开关元件Q2。
上述第五实施例的开关电源装置与第四实施例的开关电源装置类似的工作，并可以获得与第四实施例的开关电源装置的效果类似的效果。
(第六实施例)
图16是示出根据本发明第六实施例的开关电源装置的电路结构图。与图12所示第四实施例的开关电源装置相比，图16所示第六实施例的开关电源装置中，开关元件Q1与包括电抗器Lr，变压器T2的初级线圈P1(匝数N1)，电流谐振电容Cri的串联谐振电路，以及电压谐振电容Crv并联连接。
此外，这样缠绕变压器T2的初级线圈P1和次级线圈S(匝数N2)以产生彼此共模的电压。包含整流器D0和平滑电容C0的整流和平滑电路连接到变压器T2的次级线圈S。
另外，当在传输能量至变压器次级端时导通的开关元件Q2两端的电压等于或大于预定电压时，电压检测电路12输出电压检测信号。控制电路10通过来自电压检测电路12的电压检测信号导通开关元件Q1。
上述第六实施例的开关电源装置与第一实施例的开关电源装置类似的工作，并可以获得与第一实施例的开关电源装置的效果类似的效果。
图17是示出了电压检测电路的另一结构的示图。图17所示的电压检测电路包括其一端连接到开关元件Q2的漏极的电容C11，和晶体管Q11。电容C11的另一端连接至晶体管Q11的基极，晶体管Q11的集电极连接至控制电路10，晶体管Q11的发射极接地。该电压检测电路检测开关元件Q2漏极和源极之间的电压改变以输出电压检测信号至控制电路10。
也就是，电容C11根据开关元件Q2的漏极电压充电，晶体管Q11由电容C11的充电电流导通以输出信号至控制电路10。
应当注意本发明并不局限于第一到第六实施例。可以将第四到第六实施例中的任一个和第二或第三实施例组合来实行本发明。也就是，在第四和第五实施例中，当在传输能量至变压器次级端时导通的开关元件Q1关闭时，没有来自电压检测电路的电压检测信号的情形下，控制电路可以在从开关元件Q1关闭起经过预定时间之后导通开关元件Q2。
此外，在第六实施例中，当在传输能量至变压器次级端时导通的开关元件Q2关闭时，没有来自电压检测电路的电压检测信号的情形下，控制电路可以在从开关元件Q2关闭起经过预定时间之后导通开关元件Q1。
而且，第四到第六实施例中的任一个，通过设置如图11所示的辅助线圈P2，控制电路可以根据辅助线圈P2中检测的输出电压改变预定时间。
进一步，在第一到第六实施例中，只有一对整流器电路D0和平滑电路C0设置在变压器的次级端，但是可以设置两对或者更多的整流和平滑电路。
再进一步，在第一到第六实施例中，使用了交流电源1，全波整流电路2，和平滑电容C3。代替这些，可以将直流电源连接到开关元件Q1和开关元件Q2的串联电路的两端。
本发明可以应用到开关电源装置，例如DC-DC转换器和AC-DC转换器。

Claims (8)

1.一种开关电源装置，包括：
串联电路，其中第一开关元件和第二开关元件串联连接在用于整流交流电源交流电压的输入整流器电路的输出的两端或者直流电源的两端；
谐振电路，其中变压器的初级线圈和电流谐振电容串联连接在第一开关元件和第二开关元件中任一个的两端；
至少一对整流和平滑电路，用于对在第一开关元件和第二开关元件中任一个的导通期间在变压器次级线圈上产生的电压进行整流和平滑；
控制电路，用于根据来自所述至少一对整流和平滑电路的电压交替导通/断开第一开关元件和第二开关元件；以及
电压检测电路，用于在传输电能至所述至少一对整流和平滑电路时为导通的一个开关元件两端的电压变得等于或大于预定电压时输出电压检测信号，所述一个开关元件为第一开关元件和第二开关元件中的一个开关元件，
其中，所述控制电路基于来自电压检测电路的电压检测信号导通第一开关元件和第二开关元件中的另一个开关元件。
2.根据权利要求1所述的开关电源装置，其中电压检测电路通过检测所述一个开关元件两端电压的改变输出电压检测信号。
3.根据权利要求1所述的开关电源装置，其中在传输电能至所述至少一对整流和平滑电路时导通的所述一个开关元件断开时，没有来自电压检测电路的电压检测信号的情形下，控制电路从所述一个开关元件断开起过了预定时间之后，导通另一个开关元件。
4.一种开关电源装置，包括：
串联电路，其中第一开关元件和第二开关元件串联连接在用于整流交流电源交流电压的输入整流器电路的输出的两端或者直流电源的两端；
谐振电路，其中变压器的初级线圈和电流谐振电容串联连接在第一开关元件和第二开关元件中任一个的两端；
至少一对整流和平滑电路，用于对在第一开关元件和第二开关元件中任一个的导通期间在变压器次级线圈上产生的电压进行整流和平滑；
控制电路，用于根据来自所述至少一对整流和平滑电路的电压交替导通/断开第一开关元件和第二开关元件；以及
电压检测电路，用于在传输电能至所述至少一对整流和平滑电路时为断开的一个开关元件两端的电压变得等于或小于预定电压时输出电压检测信号，所述一个开关元件是第一开关元件和第二开关元件中的一个开关元件，
其中，所述控制电路基于来自电压检测电路的电压检测信号导通所述一个开关元件。
5.根据权利要求4所述的开关电源装置，其中电压检测电路通过检测所述一个开关元件两端电压的改变输出电压检测信号。
6.根据权利要求4所述的开关电源装置，其中在传输电能至所述至少一对整流和平滑电路时导通的另一个开关元件断开时，没有来自电压检测电路的电压检测信号情形下，控制电路从所述另一个开关元件断开起过了预定时间之后，导通所述一个开关元件，所述另一个开关元件是第一开关元件和第二开关元件中的另一个开关元件。
7.一种开关电源装置，包括：
串联电路，其中第一开关元件和第二开关元件串联连接在用于整流交流电源交流电压的输入整流器电路的输出的两端或者直流电源的两端；
谐振电路，其中变压器的初级线圈和电流谐振电容串联连接在第一开关元件和第二开关元件中任一个的两端；
至少一对整流和平滑电路，用于对在第一开关元件和第二开关元件中任一个的导通期间在变压器次级线圈上产生的电压进行整流和平滑；
控制电路，用于根据来自所述至少一对整流和平滑电路的电压交替导通/断开第一开关元件和第二开关元件；以及
输出电压检测电路，用于检测输出电压，
其中，在传输电能至所述至少一对整流和平滑电路时导通的一个开关元件断开时，来自输出电压检测电路的输出电压等于或小于预定电压的情形下，控制电路从所述一个开关元件断开起过了预定时间之后，导通第一开关元件和第二开关元件中的另一个开关元件，并且根据输出电压改变所述预定时间，所述一个开关元件是第一开关元件和第二开关元件中的一个开关元件。
8.根据权利要求7所述的开关电源装置，其中输出电压检测电路具有缠绕在变压器上的辅助线圈，并输出在辅助线圈上产生的电压至控制电路作为输出电压。
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