CN102290987A - 开关电源电路 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种不设置谐振用电抗器、而可使用现有的电抗器在大的输入电压范围和负载区域内实现谐振动作的高效率的开关电源电路。该开关电源电路具有：第1串联电路，其连接在直流电源(Vin)的一端和另一端之间，由电抗器(L1)、第1二极管(D1)和第1电容器(C1)串联连接而成；第1开关元件(Q1)，其连接在电抗器与第1二极管之间的连接点与直流电源的一端之间；第2串联电路，其与第1二极管并联连接，由第2开关元件(Q2)和第2电容器(C2)串联连接而成；以及控制电路(10)，其控制第2开关元件的接通断开，使得第1开关元件的接通成为零电压开关动作。

Description

开关电源电路
技术领域
本发明涉及可减少开关元件的开关损失的开关电源电路。
背景技术
以往，公知有升压型的开关电源电路。图11示出现有的升压型的开关电源电路的一例。在图11中，在直流电源Vin的两端连接有电抗器L1的主绕组1a、由MOSFET构成的开关元件Q1以及电流检测电阻R1的串联电路。
在开关元件Q1的漏极-源极间连接有二极管Da和电容器Ca的并联电路。二极管Da可以是开关元件Q1的寄生二极管，电容器Ca可以是开关元件Q1的寄生电容器。
开关元件Q1和电流检测电阻R1的串联电路与整流二极管D1和平滑电容器C1的串联电路连接。控制电路100根据来自电抗器L1的临界检测用绕组1b的电压、来自平滑电容器C1的电压以及来自电流检测电阻R1的电压使开关元件Q1接通断开，进行输出比输入电压(直流电源Vin的电压)高的恒定电压的输出电压Vo的控制。
然后，参照图12，说明现有的升压型的开关电源电路的各部的动作。首先，在由栅极信号Q1g接通开关元件Q1的期间(T2～T3)中，开关元件Q1的电流Q1i和电抗器L1的电流L1i按Vin的正极→L1→Q1→R1→Vin的负极的路径流动，逐渐线性增加。
在期间T4中，当开关元件Q1断开时，开关元件Q1的漏极-源极间的电压Q1v增加，电抗器L1的电流L1i减少。然后，在期间T5中，整流二极管D1的电流D1i和电抗器L1的电流L1i按Vin的正极→L1→D1→C1→Vin的负极的路径流动并逐渐减少。
在期间T6～T2中，在电抗器L1的励磁能量放出后，通过电抗器L1和与开关元件Q1并联连接的电容器Ca，产生电压伪谐振。通过在开关元件Q1的电压Q1v下降到零电压后接通开关元件Q1，可实现零电压开关动作(ZVS)。
然而，在轻负载时或者输入电压(直流电源Vin的电压)高的情况下，如图13的期间T6所示，开关元件Q1的电压Q1v(伪谐振电压)不能下降到零电压，导致开关元件Q1接通。因此，导致使电容器Ca短路，成为硬开关动作，开关损失增大。即，不能实现高效率的开关电源电路。
并且，专利文献1记载的现有的开关电源电路在图11所示的现有的开关电源电路的机构中还设有：连接在电抗器L1和整流二极管D1之间的谐振用电抗器L2(未图示)，以及与谐振用电抗器L2的两端连接的开关元件Q2和电容器C2的串联电路(未图示)。
根据该开关电源电路，通过开关元件Q1、Q2的接通时的零电压开关动作和开关元件Q1、Q2的断开时的电压的缓慢上升，减少了开关元件Q1、Q2的吉通和断开时的开关损失。
【专利文献1】日本特开2004-327152号公报
然而，专利文献1记载的现有的开关电源电路由于与开关元件Q2并联设有谐振用电抗器L2，因而开关元件Q2的漏极-源极间的电压大于平滑电容器C1的电压，有时超过开关元件Q2的耐压。
发明内容
本发明的课题是提供一种不设置谐振用电抗器、而可使用现有的电抗器在大的输入电压范围和负载区域内实现谐振动作的高效率的开关电源电路。
为了解决上述课题，本发明的开关电源电路，其特征在于，该开关电源电路具有：第1串联电路，其连接在直流电源的一端与另一端之间，由电抗器、第1二极管和第1电容器串联连接而成；第1开关元件，其连接在所述电抗器与所述第1二极管之间的连接点与所述直流电源的一端之间；第2串联电路，其与所述第1二极管并联连接，由第2开关元件和第2电容器串联连接而成；以及控制电路，其控制所述第2开关元件的接通断开，使得所述第1开关元件的接通成为零电压开关动作。
根据本发明，当附加了第2开关元件和第2电容器时，不产生使能量从负载侧返还到输入侧的期间，因而在输入侧对电抗器进行励磁的能量，即流到输入侧的循环能量增加，使用该循环能量将第1开关元件的电压降低到零电压，因而当第1开关元件接通时，可实现零电压开关动作。
因此，由于不设置谐振用电抗器，而可使用现有的电抗器在大的输入电压范围和负载区域内实现谐振动作，因而可提供高效率的开关电源电路。
附图说明
图1是本发明的实施例1的开关电源电路的结构图。
图2是示出本发明的实施例1的开关电源电路的各部的动作的波形图。
图3是用粗线示出本发明的实施例1的开关电源电路的各部在各期间进行了动作时的电流路径的图。
图4是用粗线示出本发明的实施例1的开关电源电路的各部在各期间进行了动作时的电流路径的图。
图5是示出本发明的实施例1的开关电源电路的控制电路的详细电路例的图。
图6是示出图5所示的控制电路根据负载状态控制开关元件Q2的接通断开的状况的图。
图7是示出设置在本发明的实施例2的开关电源电路内的控制电路的图。
图8是本发明的实施例3的开关电源电路的结构图。
图9是示出设置在本发明的实施例3的开关电源电路内的控制电路的图。
图10是示出设置在本发明的实施例4的开关电源电路内的控制电路的图。
图11是示出现有的升压型的开关电源电路的一例的图。
图12是示出图11所示的现有的升压型的开关电源电路进行伪谐振时的各部的波形的图。
图13是示出图11所示的现有的升压型的开关电源电路在轻负载时产生浪涌电流时的波形的图。
标号说明
Vin：直流电源；Vac：交流电源；RC1：整流电路；L1：电抗器；Q1，Q2：开关元件；D1：整流二极管；R1～R5，R51～R54：电阻；C1～C4：电容器；10，10a，10b，10c：控制电路；11：误差放大器；12：乘法器；13，16，20：比较器；14：单稳态多谐振荡器；15：触发器电路；17：死时间生成电路；18：逆变器；19：驱动器；21：“与”电路。
具体实施方式
以下，参照附图详细说明本发明的实施方式的开关电源电路。
【实施例1】
图1是本发明的实施例1的开关电源电路的结构图。图1所示的实施例1的开关电源电路是流入电抗器L1内的电流为零后接通开关元件Q1的电流不连续模式(临界型)的升压斩波电路，其特征在于，不仅具有图11所示的现有的开关电源电路的结构，而且由MOSFET构成的开关元件Q2(第2开关元件)和电容器C2(第2电容器)的串联电路(第2串联电路)与整流二极管D1(第1二极管)并联连接。
在开关元件Q2的漏极-源极之间连接有二极管Db和电容器Cb的并联电路。二极管Db可以是开关元件Q2的寄生二极管，电容器Cb可以是开关元件Q2的寄生电容器。
控制电路10根据来自电抗器L1的临界检测用绕组1b的电压、来自平滑电容器C1的电压以及来自电流检测电阻R1的电压生成栅极信号Q1g，将其输出到开关元件Q1的栅极，使开关元件Q1(第1开关元件)接通断开。
控制电路10生成反转了使开关元件Q1接通断开的栅极信号Q1g的栅极信号Q2g，将其输出到开关元件Q2(第2开关元件)的栅极，使开关元件Q2接通断开。
图2是示出本发明的实施例1的开关电源电路的各部的动作的波形图。图3和图4是用粗线示出本发明的实施例1的开关电源电路的各部在各期间进行了动作时的电流路径的图。
然后，参照图1至图4，说明实施例1的临界型的开关电源电路的各部的动作。
首先，在图3(a)的期间T1中，电流L1i按L1→Vin→R1→Da→L1的路径流入电抗器L1。负电流Q1i表示电流流入与开关元件Q1并联连接的二极管Da。在开关元件Q2上则不流入电流Q2i。
然后，在图3(b)的期间T2中，当电流流入二极管Da时，由栅极信号Q1g接通开关元件Q1。
然后，在图3(c)的期间T3中，与在期间T1流动的电流方向相反方向的电流(正电流Q1i)开始流入开关元件Q1。即，电流Q1i、L1i按Vin的正极→L1→Q1→R1→Vin的负极的路径流动，电抗器L1被励磁。
然后，在图3(d)的期间T4中，当由栅极信号Q1g断开开关元件Q1时，开始放出电抗器L1的励磁能量，因而放出能量对与开关元件Q1并联连接的电容器Ca进行充电。因此，开关元件Q1的电压Q1v上升，开关元件Q2的漏极-源极间的电压Q2v减少而成为零电压。此时，电抗器L1的电流L1i逐渐减少。
然后，在对电容器Ca进行了充电后，在图3(e)的期间T5中，对于电抗器L1的放出能量，电流L1i按L1→Db→C2→C1→Vin→L1的路径流动。负电流Q2i表示电流流入与开关元件Q2并联连接的二极管Db。
然后，在图3(f)的期间T6中，当电流流入二极管Db时，由栅极信号Q2g接通开关元件Q2。因此，可实现开关元件Q2的零电压开关动作。
然后，在图4(a)的期间T7中，电容器C2被充电，电抗器L1的放出能量分流为流经Q2→C2的路径的电流Q2i、和流经整流二极管D1的电流D1i。
然后，在图4(b)的期间T8中，当电容器C2被完全充电且电流Q2i不流动时，电抗器L1的放出能量经由整流二极管D1放出。
然后，在图4(c)的期间T9中，在电抗器L1的励磁能量放出完后，电流Q2i、L1i按C1→C2→Q2→L1→Vin→C1的路径流动。并且，电抗器L1在上述路径方向被励磁。
然后，在图4(d)的期间T10中，当由栅极信号Q2g断开开关元件Q2时，开关元件Q2的电压Q2v上升。并且，在期间T9被励磁的电抗器L1的能量按L1→Vin→R1→Da→L1的路径被放出，电容器Ca的电荷放电，电流流入二极管Da。开关元件Q1的漏极-源极间的电压Q1v为零电压。
另外，在期间T10后，重复期间T1、T2...的处理。在期间T2中，如上所述开关元件Q1接通，而此时，可实现开关元件Q1的零电压开关动作。
这样，根据实施例1的开关电源电路，当附加了由开关元件Q2和电容器C2构成的串联电路(有源箝位电路)时，产生从负载侧(C1)向输入侧(Vin)返回能量的期间，因而在输入侧对电抗器L1进行励磁的能量，即流到输入侧的循环能量增加，使用循环能量抽出电容器Ca的电荷，开关元件Q1的电压被降低到零电压，因而当开关元件Q1接通时，可实现零电压开关动作。
因此，由于不设置谐振用电抗器，而可使用现有的电抗器在大的输入电压范围和负载区域内实现谐振动作，因而可提供高效率的开关电源电路。
并且，开关元件Q1的接通时间增加，将增加的励磁能量经由整流二极管D1放出的时间(开关元件Q1的断开时间)也增加。即，开关元件Q1的开关频率朝下降方向。
然后，说明根据负载状态(负载量)使开关元件Q2接通断开的动作。图5是示出本发明的实施例1的开关电源电路的控制电路的详细电路例的图。图5所示的控制电路10是根据负载状态控制开关元件Q2的接通断开的电路。
控制电路10具有：误差放大器11，比较器13，单稳态多谐振荡器14，触发器电路15，比较器16，死时间生成电路17，逆变器18，驱动器19，比较器20，以及“与”电路21。
比较器13将经由电阻R2的临界检测用绕组1b的电压与基准电压Vref2进行比较。单稳态多谐振荡器14当从比较器13输入低电平信号时，以1脉冲作为设置信号输出到触发器电路15的设置端子。
触发器电路15根据设置信号被设置，从Q输出端子输出高电平信号，经由死时间生成电路17、驱动器19和电阻R4接通开关元件Q1。当开关元件Q1接通时，电流按Vin的正极→1a→Q1→R1→Vin的负极的路径流动，能量被蓄积在电抗器L1内。电流检测电阻R1将流入开关元件Q1的电流变换为电压，将其经由电阻R3输出到比较器16的非反转输入端子。
误差放大器11将平滑电容器C1的电压在电阻R53和电阻R54分压后的分压电压与基准电压Vref3之间的误差电压进行放大，将其输出到比较器16、20和电容器C3。
比较器16将从误差放大器11输出的电流目标值Vm和在电流检测电阻R1产生的电压进行比较，当开关元件Q1的电流Q1i到达电流目标值Vm时，将高电平的重置信号输出到触发器电路15。触发器电路15根据来自比较器16的重置信号被重置，将从Q输出端子输出的高电平信号切换到低电平，开关元件Q1断开。
当开关元件Q1断开时，蓄积在电抗器L1内的能量放出，当该能量放出结束时，临界检测用绕组1b的电压反转。该电压通过比较器13与基准电压Vref2进行比较，低电平信号从比较器13被输出到单稳态多谐振荡器14。由于单稳态多谐振荡器14将1脉冲输出到触发器电路15的设置端子，因而开关元件Q1再次接通。
这样，开关元件Q1通过重复以上的接通断开动作，成为图6所示的开关波形Q1E。
然后，说明开关元件Q2的动作。电容器C3由从误差放大器11输出的、平滑电容器C1的电压通过电阻R53和电阻R54分压后的电压，即与跟平滑电容器C1连接的未图示的负载的状态对应的电压充电。
当电容器C3的电压VG是基准电压Vref1以上时(图6的时刻t1～t2)，即，当负载是重负载时，比较器20将低电平输出到“与”电路21。因此，由于“与”电路21将低电平输出到驱动器19，因而开关元件Q2通过驱动器19被断开。
与此相对，当电容器C3的电压VG不到基准电压Vref1时(图6的时刻t1前、时刻t2后)，即，当负载是轻负载时，比较器20将高电平输出到“与”电路21。逆变器18使来自触发器电路15的信号反转来输出到“与”电路21。由于“与”电路21将反转后的信号输出到驱动器19，因而开关元件Q2由驱动器19接通断开。
这样，根据实施例1的开关电源电路，当负载是重负载时，不使开关元件Q2动作(断开状态)，而仅使开关元件Q1动作，从而与现有的开关电源电路一样，可进行开关元件Q1的零电压开关动作。
并且，现有的开关电源电路由于在轻负载时开关频率上升，而且不能进行零电压开关动作，因而效率恶化。与此相对，在实施例1的开关电源电路中，在轻负载时使由开关元件Q2和电容器C2构成的有源箝位电路动作，从而充分进行开关元件Q1、Q2的零电压开关动作，而且开关频率也与现有的开关电源电路的开关频率相比下降，因而可提高效率。
并且，如上所述，在专利文献1记载的开关电源电路中，当开关元件Q2断开时，电流按Q1→谐振用电抗器→D1→C1→R1→Q1的路径流到负载侧，实现了零电压开关动作。
与此相对，在实施例1的开关电源电路中，将输出再生为输入(直流电源Vin)，当开关元件Q2断开时，电流按L1→Vin→R1→Q1→L1的路径流到输入侧，因而结构和作用与专利文献1的结构和作用完全不同。
并且，在专利文献1记载的开关电源电路中，不能降低开关频率，而在实施例1的开关电源电路中，具有可降低开关频率的优点。
【实施例2】
图7是示出设置在本发明的实施例2的开关电源电路内的控制电路的图。实施例2的开关电源电路的控制电路10a的特征在于，根据直流电源Vin的电压(输入电压)控制开关元件Q2的接通断开。
图7所示的实施例2的开关电源电路与图5所示的实施例1的开关电源电路的不同点是，将直流电源Vin通过电阻R51和电阻R52分压后的分压电压VH作为输入电压输入到比较器20的非反转输入端子。
当分压电压VH不到基准电压Vref1时(图6的时刻t1～时刻t2)，比较器20将低电平输出到“与”电路21。因此，由于“与”电路21将低电平输出到驱动器19，因而开关元件Q2由驱动器19断开。
与此相对，当分压电压VH是基准电压Vref1以上时(图6的时刻t1前、时刻t2后)，比较器20将高电平输出到“与”电路21。逆变器18使来自触发器电路15的信号反转来输出到“与”电路21。由于“与”电路21将反转后的信号输出到驱动器19，因而开关元件Q2由驱动器19接通断开。
这样，根据实施例2的开关电源电路，当直流电源Vin的电压高时，使由开关元件Q2和电容器C2构成的有源箝位电路动作，从而充分进行开关元件Q1、Q2的零电压开关动作，而且开关频率也与现有的开关电源电路的开关频率相比下降，因而可提高效率。
【实施例3】
图8是本发明的实施例3的开关电源电路的结构图。图8所示的实施例3的开关电源电路的特征在于，该开关电源电路是取代图1所示的开关电源电路的直流电源Vin而设有交流电源Vac、整流电路RC1以及电容器C4(第3电容器)的PFC电路(功率因数改善电路)。
交流电源Vac将交流电压提供给整流电路RC1。整流电路RC1对来自交流电源Vac的交流电压进行整流。电容器C4形成在输入侧对电抗器L1进行励磁的能量，即流到输入侧的循环能量的路径。
图9是示出设置在本发明的实施例3的开关电源电路内的控制电路的图。图9所示的控制电路10b的特征在于，与图5所示的控制电路10相比，还具有：连接在电容器C4的一端和接地之间的电阻R51和电阻R52的串联电路；以及与电阻R51和电阻R52连接的乘法器12。
乘法器12将通过电阻R51和电阻R52分压后的整流电压与来自误差放大器11的电压相乘，输出到比较器16的反转输入端子。
根据这样的实施例3的开关电源电路，改善了功率因数并与实施例1的开关电源电路的动作一样进行动作，在轻负载时使由开关元件Q2和电容器C2构成的有源箝位电路动作，从而充分进行开关元件Q1、Q2的零电压开关动作，而且开关频率也与现有的开关电源电路的开关频率相比下降，因而可提高效率。
【实施例4】
图10是示出设置在本发明的实施例4的开关电源电路内的控制电路的图。图10所示的实施例4的开关电源电路与图8所示的实施例3的开关电源电路大致相同，然而控制电路10c与控制电路10b不同。
图10所示的控制电路10c的特征在于，与图7所示的控制电路10a相比，还具有与电阻R51和电阻R52连接的乘法器12。
乘法器12将通过电阻R51和电阻R52分压后的整流电压与来自误差放大器11的电压相乘，输出到比较器16的反转输入端子。
根据这样的实施例4的开关电源电路，改善了功率因数并与实施例2的开关电源电路的动作一样进行动作，当交流电源Vac的交流电压高时，使由开关元件Q2和电容器C2构成的有源箝位电路动作，从而充分进行开关元件Q1、Q2的零电压开关动作，而且开关频率也与现有的开关电源电路的开关频率相比下降，因而可提高效率。
另外，本发明不限定于实施例1至实施例4的开关电源电路。例如，可以将图5所示的实施例1的开关电源电路的控制电路10和图7所示的实施例2的开关电源电路的控制电路10a组合来使用。并且，可以将图9所示的开关电源电路的控制电路10b和图10所示的开关电源电路的控制电路10c组合来使用。
本发明能应用于直流-直流变换器、功率因数改善电路和交流-直流变换器。

Claims (4)

1.一种开关电源电路，其特征在于，该开关电源电路具有：
第1串联电路，其连接在直流电源的一端与另一端之间，由电抗器、第1二极管和第1电容器串联连接而成；
第1开关元件，其连接在所述电抗器与所述第1二极管之间的连接点和所述直流电源的一端之间；
第2串联电路，其与所述第1二极管并联连接，由第2开关元件和第2电容器串联连接而成；以及
控制电路，其控制所述第2开关元件的接通断开，使得所述第1开关元件的接通成为零电压开关动作。
2.根据权利要求1所述的开关电源电路，其特征在于，所述控制电路根据来自所述直流电源的电压和来自所述第1电容器的电压中的任一方的电压或者双方的电压，控制所述第2开关元件的接通断开。
3.根据权利要求2所述的开关电源电路，其特征在于，在来自所述直流电源的电压不表示高输入电压时和来自所述第1电容器的电压不表示轻负载时中的任一方时或双方时，所述控制电路将所述第2开关元件控制为断开状态。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的开关电源电路，其特征在于，所述直流电源由交流电源、整流电路以及第3电容器构成，所述控制电路具有改善功率因数的控制。
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