CN101373929A - 开关电源装置及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

一种开关电源装置包括：存储单元，存储从提供给该存储单元的输入电源中获得的能量，并输出所存储的能量的至少一些作为输出电源；第一开关；与该第一开关串联连接的第二开关，该第一开关和该第二开关的串联连接连接到该存储单元；以及电压箝位单元，将施加到该第一开关和该第二开关的串联连接两端的电压的电平箝位在预定电压或更小。该第一开关被导通而该第二开关仍然被关断，然后在该第一开关被导通之后该第二开关被导通，以将输入电源从该第一开关和该第二开关的串联连接提供给存储单元。

Description

开关电源装置及其控制方法
技术领域
本发明的各方面涉及开关电源装置及其控制方法，更具体地，涉及零电压开关电源装置及其控制方法。
背景技术
电源装置根据DC电压转换方法可以被分成开关式电源装置或非开关式电源装置(例如线性电源装置)。非开关式电源装置具有低电源效率，但是具有高稳定性。相反，开关式电源装置具有较高的电源效率，却具有较低的稳定性。即使开关式电源装置具有比非开关式电源装置低的稳定性，它的较高的电源效率与近来稳定性方面的改进相结合，也已经导致了开关式电源装置在电路中的使用的增加。
开关式电源装置可以以零电压开关模式工作，在零电压开关模式中，仅在开关两端的电压为零时才执行开关操作，从而最小化了开关损失。
图1是根据现有技术的零电压开关式电源装置的详细电路图。如图中所示，根据现有技术的零电压开关式电源装置1包括MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)，其具有快的开关速度，并且具有与该MOSFET并联连接以将MOSFET两端的电压箝位在基本为零的二极管。该MOSFET具有源极端S、漏极端D和栅极端G。
MOSFET的二极管通过由电感器L和与该MOSFET和二极管并联连接的电容器C形成的谐振电路的谐振操作来导通。当在谐振操作期间电流开始从电感器L流进电容器C时，电容器两端的电压为零，并且二极管不导电。随着电流继续流进电容器，电容器充电直到其两端的电压超过二极管的正向电压，使得二极管导电。尽管二极管导电，但是二极管两端的压降保持在二极管的正向电压，对于硅二极管来说该电压大约为0.7V，对于锗二极管来说该电压大约为0.3V，以使得MOSFET两端的电压变为基本为零，从而使得驱动电路能够执行零电压开关操作，该驱动电路向MOSFET的栅极端G施加控制信号以导通或截止MOSFET。MOSFET两端的电压保持在基本为零直到在谐振操作期间检测到电流反向，使得二极管停止导电。
然而，尽管MOSFET具有快的开关速度，但是图1中的电路设计需要MOSFET具有耐压，从而增加了MOSFET的成本。因而，MOSFET不适于作为需要高的耐压的开关元件。尽管具有高的耐压的双极型结型晶体管(BJT)比具有高的耐压的MOSFET要便宜，但是BJT具有较慢的开关速度，因而不适于作为需要高的开关速度的开关元件。
发明内容
因而，本发明的一方面提供一种具有高的耐压和较低成本的开关电源装置及其控制方法。
本发明的另一方面提供一种与根据现有技术的零电压开关装置相比降低了对驱动电路的负担的开关电源装置及其控制方法。
本发明的另一方面提供一种与仅具有双极型结型晶体管(BJT)的开关装置相比具有较快关断速度的开关电源装置及其控制方法。
根据本发明的一方面，一种开关电源装置包括:存储单元，存储从提供给该存储单元的输入电源中获得的能量，并输出所存储的能量的至少一些作为输出电源；第一开关；与该第一开关串联连接的第二开关，该第一开关和该第二开关的串联连接连接到该存储单元；以及电压箝位单元，将施加到该第一开关和该第二开关的串联连接两端的电压的电平箝位在预定电压或更小；其中，为了将输入电源提供给存储单元，该第一开关被导通而该第二开关仍然被关断，然后在该第一开关被导通之后该第二开关被导通，以将输入电源从该第一开关和该第二开关的串联连接提供给存储单元。
根据本发明的一方面，该第二开关具有等于或大于预定值的、高到足以在该开关电源装置的操作期间经受得住施加到该第一开关和该第二开关的串联连接两端的最大电压。
根据本发明的一方面，该第一开关包括金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。
根据本发明的一方面，该第二开关包括双极型结型晶体管(BJT)。
根据本发明的一方面，该MOSFET包括漏极端；该BJT包括发射极端；并且该MOSFET的漏极端连接到该BJT的发射极端。
根据本发明的一方面，该电压箝位单元包括二极管，其连接到该第一开关和该第二开关的串联连接，以在第一开关和第二开关被导通时，传导与从该第一开关和该第二开关的串联连接流到存储单元的电流的方向相反的方向上的电流。
根据本发明的一方面，该二极管与该第一开关和该第二开关的串联连接并联连接。
根据本发明的一方面，关断该第一开关或第二开关来关断该开关电源装置。
根据本发明的一方面，该第一开关包括第一电容器；该第二开关包括第二电容器；并且该第一电容器和第二电容器与该存储单元形成谐振电路。
根据本发明的一方面，提供了一种控制开关电源装置的方法，该开关电源装置包括:存储单元，存储从提供给该存储单元的输入电源中获得的能量，并输出所存储的能量的至少一些作为输出电源；第一开关；与该第一开关串联连接的第二开关，该第一开关和该第二开关的串联连接连接到该存储单元；以及电压箝位单元，将施加到该第一开关和该第二开关的串联连接两端的电压的电平箝位在预定电压或更小，该方法包括:利用该电压箝位单元将施加到该第一开关和该第二开关的串联连接两端的电压的电平箝位在预定电压或更小；导通该第一开关而该第二开关仍然被关断；以及在该第一开关被导通之后导通该第二开关，以将输入电源从该第一开关和该第二开关的串联连接提供给存储单元。
根据本发明的一方面，一种开关电源装置包括:存储单元，存储能量，并输出所存储的能量的至少一些；第一开关，具有第一耐压；第二开关，具有高于第一耐压的第二耐压，该第二开关与该第一开关串联连接，该第一开关和该第二开关的串联连接连接到该存储单元；其中，为了将能量提供给存储单元，该第一开关被导通而该第二开关仍然被关断，并且施加到该第一开关和该第二开关的串联连接两端的电压基本为零，然后在该第一开关被导通之后该第二开关被导通，同时施加到该第一开关和该第二开关的串联连接两端的电压仍然基本为零，以将能量从该第一开关和该第二开关的串联连接提供给存储单元。
本发明的另外方面和/或优点将在以下的描述中被部分地阐明，通过此描述将变得明显，或者可以通过实践本发明而学习到。
附图说明
通过下面结合附图对本发明的实施例的描述，本发明的上述和/或其它方面将变得更清楚且更易理解，其中:
图1是根据现有技术的开关电源装置的详细电路图；
图2是根据本发明的一方面的开关电源装置的框图；
图3是根据本发明的一方面的图2的开关电源装置的详细电路图；以及
图4是根据本发明的一方面的开关电源装置的控制方法的流程图。
具体实施方式
下面将详细描述本发明的实施例的参考，附图中示出了其示例，其中相似的参考数字始终指代相似的元件。下面参照附图描述这些实施例以便于说明本发明。
图2是根据本发明的一方面的开关电源装置的框图。图3是根据本发明的一方面的图2的开关电源装置的详细电路图。如图2所示，根据本发明的一方面的开关电源装置100包括存储单元10、第一开关20、第二开关30和电压箝位单元40。优选地，根据本发明的一方面的开关电源装置100是执行DC/DC转换的开关式电源(SMPS)。但是，应当理解，可以使用其它类型的开关电源装置作为开关电源装置100，以及开关电源装置100可以执行其它类型的转换，如AC/DC转换、DC/AC转换或AC/AC转换。
存储单元10存储从连接到在图2和3的左侧示出的第二开关30的输入端的输入电源(未示出)提供的能量，并输出所存储的能量的至少一些作为到连接到在图2和3的右侧示出的存储单元10的输出端的负载(未示出)的输出电源。根据本发明的一方面的存储单元10包括电感器L以存储能量，但是本发明不限于这样的存储单元10。可替换地，存储单元10可以包括转换电源的电压电平的转换器，如变压器。这样的变压器也充当存储能量的电感器L。
如图3所示，根据本发明的一方面的第一开关20优选地包括MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)，其具有快的开关速度，并且具有与该MOSFET并联连接以将MOSFET两端的电压箝位至基本为零的集成二极管D1。MOSFET具有源极端S、漏极端D和栅极端G。
第二开关30与第一开关20串联连接。根据本发明的一方面的第二开关30优选地包括BJT(双极型结型晶体管)，其具有等于或大于预定值的、高到足以在该开关电源装置100的操作期间经受得住施加到该第一开关20和该第二开关30的串联连接两端的最大电压的耐压。BJT具有发射极端E、集电极端C和基极端B。
如图3所示，第一开关20和第二开关30连接成级连电路，其中，第一开关20的漏极端D连接第二开关30的发射极端E。
第一开关20包括与MOSFET并联连接的电容器C1，第二开关30包括与BJT并联连接的电容器C2。从图3中可以看出，第一电容器C1和第二电容器C2串联连接。第一开关20和该第二开关30的串联连接与存储单元10的电感器L形成谐振电路。
在向存储单元10提供电源之前，第一开关20和第二开关30都处于关断状态。为了向存储单元10提供电源，驱动电路向第一开关20的MOSFET的栅极端G施加信号以导通第一开关20，而第二开关30仍然被关断。然后，在第一开关20被导通之后，驱动电路向第二开关30的BJT的基极端B施加信号以导通第二开关30，从而从第一开关20和该第二开关30的串联连接向存储单元10提供电源。
根据本发明的一方面的开关电源装置100具有由第二开关30提供的高的耐压，该耐压高到足以在该开关电源装置100的操作期间经受得住施加到该第一开关20和该第二开关30的串联连接两端的最大电压。这使得第一开关20的MOSFET能够具有如下所述的耐压:该耐压没有高到可以在该开关电源装置100的操作期间经受得住施加到该第一开关20和该第二开关30的串联连接两端的最大电压，从而降低了MOSFET的成本。
因而，开关电源装置100不仅减小了连接到第二开关30的基极端B的驱动电路的负担，而且由于由电感器L、第一开关20的电容器C1和第二开关30的电容器C2形成的谐振电路的谐振操作，使得即使第二开关30的开关频率相对较低，开关电源装置100也工作在大约100kHz的频率，即在典型开关电源装置的频带内。
仅需要关断第一开关20和第二开关30中的一个来关断开关电源装置100，从而提供可比得上根据具有单独第一开关20的现有技术的开关电源装置的关断速度。
电压箝位单元40将施加到第一开关20和该第二开关30的串联连接两端的电压箝位在预定电压或更小。如图3所示，根据本发明的一方面的的电压箝位单元40可以包括二极管D2，其传导与从第一开关20和第二开关30的串联连接流到存储单元10的电流的方向相反的方向上的电流。优选地，二极管D2与第一开关20和该第二开关30的串联连接并联连接。如果二极管D2是硅二极管，则该预定电压将会是硅二极管的正向电压，其大约为0.7V。如果二极管D2是锗二极管，则该预定电压将会是锗二极管的正向电压，其大约为0.3V。
因而，与根据现有技术的零电压开关装置相比，根据本发明的一方面的开关电源装置100可以具有高的耐压和较低的成本，并且可以减小驱动电路的负担。
现在将参照图4描述根据本发明的一方面的开关电源装置100的控制方法。
首先，电压箝位单元40将施加到第一开关20和该第二开关30的串联连接两端的电压箝位到预定电压或更小(S10)。第一开关20被导通而第二开关30仍然被关断(S20)。
在第一开关20被导通之后，与第一开关20串联连接的第二开关30被导通，以向存储单元10提供电源(S30)。
在操作S10中，二极管D2优选地传导与从第一开关20和第二开关30的串联连接提供到存储单元10的电流的方向相反的方向上的电流。操作S10可以包括通过关断第一开关20或第二开关30来关断开关电源装置100的操作。
因而，与根据现有技术的零电压开关装置相比，根据本发明的一方面的开关电源装置可以具有高的耐压和较低的成本，并且可以减小驱动电路的负担。
如上所述，本发明的各方面涉及具有高耐压和较低成本的开关电源装置及其控制方法。
而且，本发明的各方面涉及与根据现有技术的零电压开关装置相比，减小驱动电路的负担的开关电源装置及其控制方法。
而且，本发明的各方面涉及与根据仅有BJT(双极型结型晶体管)的现有技术的零电压开关装置相比，具有提高的关断速度的开关电源装置及其控制方法。
尽管图示和描述了本发明的几个实施例，但本领域技术人员应当理解，在不脱离本发明的原理和精神的情况下，可以对这些实施例进行各种改变，其中本发明的范围由权利要求书及其等同物来限定。

Claims (27)

1.一种开关电源装置，包括:
存储单元，存储从提供给该存储单元的输入电源中获得的能量，并输出所存储的能量的至少一些作为输出电源；
第一开关；
与该第一开关串联连接的第二开关，该第一开关和该第二开关的串联连接连接到该存储单元；以及
电压箝位单元，将施加到该第一开关和该第二开关的串联连接两端的电压的电平箝位在预定电压或更小；
其中，为了将输入电源提供给存储单元，该第一开关被导通而该第二开关仍然被关断，然后在该第一开关被导通之后该第二开关被导通，以将输入电源从该第一开关和该第二开关的串联连接提供给存储单元。
2.如权利要求1所述的开关电源装置，其中，该第二开关具有等于或大于预定值的、高到足以在该开关电源装置的操作期间经受得住施加到该第一开关和该第二开关的串联连接两端的最大电压的耐压。
3.如权利要求2所述的开关电源装置，其中，该第一开关包括金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET。
4.如权利要求3所述的开关电源装置，其中，该第二开关包括双极型结型晶体管BJT。
5.如权利要求4所述的开关电源装置，其中:
该MOSFET包括漏极端；
该BJT包括发射极端；并且
该MOSFET的漏极端连接到该BJT的发射极端。
6.如权利要求1所述的开关电源装置，其中，该电压箝位单元包括二极管，其连接到该第一开关和该第二开关的串联连接，以在第一开关和第二开关被导通时，传导与从该第一开关和该第二开关的串联连接流到存储单元的电流的方向相反的方向上的电流。
7.如权利要求6所述的开关电源装置，其中，该二极管与该第一开关和该第二开关的串联连接并联连接。
8.如权利要求1所述的开关电源装置，其中，关断该第一开关或第二开关来关断该开关电源装置。
9.如权利要求1所述的开关电源装置，其中:
该第一开关包括第一电容器；
该第二开关包括第二电容器；并且
该第一电容器和第二电容器与该存储单元形成谐振电路。
10.一种控制开关电源装置的方法，该开关电源装置包括:存储单元，存储从提供给该存储单元的输入电源中获得的能量，并输出所存储的能量的至少一些作为输出电源；第一开关；与该第一开关串联连接的第二开关，该第一开关和该第二开关的串联连接连接到该存储单元；以及电压箝位单元，将施加到该第一开关和该第二开关的串联连接两端的电压的电平箝位在预定电压或更小，该方法包括:
利用该电压箝位单元将施加到该第一开关和该第二开关的串联连接两端的电压的电平箝位在预定电压或更小；
导通该第一开关而该第二开关仍然被关断；以及
在该第一开关被导通之后导通该第二开关，以将输入电源从该第一开关和该第二开关的串联连接提供给存储单元。
11.如权利要求10所述的方法，其中，该第二开关具有等于或大于预定值的、高到足以在该开关电源装置的操作期间经受得住施加到该第一开关和该第二开关的串联连接两端的最大电压的耐压。
12.如权利要求11所述的方法，其中，该第一开关包括金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET。
13.如权利要求12所述的方法，其中，该第二开关包括双极型结型晶体管BJT。
14.如权利要求13所述的方法，其中:
该MOSFET包括漏极端；
该BJT包括发射极端；并且
该MOSFET的漏极端连接到该BJT的发射极端。
15.如权利要求10所述的方法，其中，该电压箝位单元包括二极管，其连接到该第一开关和该第二开关的串联连接，以在第一开关和第二开关被导通时，传导与从该第一开关和该第二开关的串联连接流到存储单元的电流的方向相反的方向上的电流。
16.如权利要求10所述的方法，还包括关断该第一开关或第二开关来关断该开关电源装置。
17.如权利要求10所述的方法，其中:
该第一开关包括第一电容器；
该第二开关包括第二电容器；并且
该第一电容器和第二电容器与该存储单元形成谐振电路。
18.一种开关电源装置，包括:
存储单元，存储能量，并输出所存储的能量的至少一些；
第一开关，具有第一耐压；以及
第二开关，具有高于第一耐压的第二耐压，该第二开关与该第一开关串联连接，该第一开关和该第二开关的串联连接连接到该存储单元；
其中，为了将能量提供给存储单元，该第一开关被导通而该第二开关仍然被关断，并且施加到该第一开关和该第二开关的串联连接两端的电压基本为零，然后在该第一开关被导通之后该第二开关被导通，同时施加到该第一开关和该第二开关的串联连接两端的电压仍然基本为零，以将能量从该第一开关和该第二开关的串联连接提供给存储单元。
19.如权利要求18所述的开关电源装置，其中，该第一耐压没有高到能在该开关电源装置的操作期间经受得住施加到该第一开关和该第二开关的串联连接两端的最大电压。
20.如权利要求18所述的开关电源装置，其中，该第二耐压高到足以在该开关电源装置的操作期间经受得住施加到该第一开关和该第二开关的串联连接两端的最大电压。
21.如权利要求18所述的开关电源装置，其中:
该第一开关包括金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET；以及
该第二开关包括双极型结型晶体管BJT。
22.如权利要求21所述的开关电源装置，其中:
该第一开关包括第一电容器；
该第二开关包括第二电容器；并且
该第一电容器和第二电容器与该存储单元形成谐振电路。
23.如权利要求22所述的开关电源装置，其中:
该第一开关还包括与该MOSFET并联连接的二极管；以及
该二极管由该谐振电路的谐振操作导通。
24.如权利要求22所述的开关电源装置，其中:
该存储单元包括电感器；
该第一电容器与该MOSFET并联连接；
该第二电容器与该BJT并联连接且与该第一电容器串联连接；以及
该第一电容器和该第一电容器与该存储单元的电感器形成谐振电路。
25.如权利要求24所述的开关电源装置，其中:
该存储单元包括具有电感的变压器；以及
该变压器的电感是与该第一电容器和第二电容器形成谐振电路的该存储单元的电感。
26.如权利要求18所述的开关电源装置，还包括电压箝位单元，将施加到该第一开关和该第二开关的串联连接两端的电压箝位到基本零电压。
27.如权利要求26所述的开关电源装置，其中:
该电压箝位单元包括二极管，其连接在该第一开关和该第二开关的串联连接的两端，以在第一开关和第二开关被导通时，传导与从该第一开关和该第二开关的串联连接流到存储单元的电流的方向相反的方向上的电流；以及
该基本零电压是该二极管的正向电压。
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