CN102882381B - 谐振转换器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供能够得到适合于音频用途的负载调节率的谐振转换器。该谐振转换器构成为，将开关元件(Q1)和开关元件(Q2)与直流电源(Vin)串联连接，在开关元件(Q2)上并联连接具有漏电感的变压器(T)的1次绕组(Np)与电流谐振电容器(Cri)的串联谐振电路，在变压器(T)的2次绕组(NS1、NS2)上连接整流平滑电路，通过交替地对开关元件(Q1)和开关元件(Q2)进行接通/断开控制，将在整流平滑电路中产生的输出电压(Vo)提供到负载，该谐振转换器还具有将电流谐振电容器(Cri)的两端电压钳位在规定电压值的钳位电路(二极管(D1)、二极管(D2))，在从整流平滑电路提供到负载的输出电流(Io)比规定的电流值大的区域中具有随着输出电流(Io)增加而输出电压(Vo)下降的输出特性。

Description

谐振转换器
技术领域
本发明涉及谐振转换器的输出特性。
背景技术
在谐振转换器中，公知有半桥型LLC谐振转换器。
图10示出现有的半桥型LLC谐振转换器的电路结构，图11示出现有的半桥型LLC谐振转换器的输出特性。现有的半桥型LLC谐振转换器在直流电源Vin的两端串联连接有高压侧的开关元件Q1和低压侧的开关元件Q2。开关元件Q1、Q2由MOSFET构成，分别具有反向并联连接的寄生二极管元件(未图示)。另外，由变压器T的一次绕组Np和电流谐振电容器Cri构成的串联谐振电路与低压侧的开关元件Q2并联连接。另外，变压器T的一次绕组Np具有漏电感Lr和励磁电感。变压器T的二次侧通过中间抽头被分割为两个二次绕组NS1、NS2，由二极管D10、D11和输出用电容器C10来构成整流平滑电路。即、不是中间抽头侧的二次绕组NS1的端部与二极管D10的阳极连接，并且不是中间抽头侧的二次绕组NS2的端部与二极管D11的阳极连接，二极管D10、D11的阴极与输出用电容器C10的正极端子连接。该输出用电容器C10的正极端子成为输出直流输出电压Vo的直流输出端子。另外，输出用电容器C10的负极端子与二次绕组NS1、NS2间的中间抽头连接，成为2次侧接地端子GND。
【专利文献1】日本特开2006-101683号
但是，在现有的半桥型LLC谐振转换器中，存在不能以音频用途来使用的问题。在以音频用途来使用时，电源装置需要在范围很广的负载(负载量)下动作，需要具有适当的负载调节率(例如，参照专利文献1)。具体地讲，在使负载变大时，电源装置的输出电压需要很小以使不会过度获取电力，负载调节率必须很大。相对于此，如图11(X)所示，由于在现有的半桥型LLC谐振转换器的输出特性、即输出电流Io―输出电压Vo特性中，即使输出电流Io变化，输出电压Vo的变化也小，负载调节率小，因此很难以音频用途来应用。
发明内容
本发明是鉴于上述问题而完成的，其目的在于，解决现有技术的问题，提供能够得到适合于音频用途的负载调节率的谐振转换器。
本发明的谐振转换器，其将第1开关元件和第2开关元件与直流电源串联连接，在所述第1开关元件或所述第2开关元件上并联连接具有漏电感的变压器的1次绕组和电流谐振电容器的串联谐振电路，在所述变压器的2次绕组上连接整流平滑电路，交替地对所述第1开关元件和所述第2开关元件进行接通/断开控制，从而将在所述整流平滑电路中产生的输出电压提供给负载，该谐振转换器的特征在于，该谐振转换器还具有钳位电路，该钳位电路将所述电流谐振电容器的两端电压钳位为规定电压值，在从所述整流平滑电路提供给所述负载的输出电流比规定电流值大的区域中具有随着所述输出电流增加而所述输出电压下降的输出特性。
而且，在本发明的谐振转换器中，其特征在于，所述钳位电路由在所述直流电源的一端与所述电流谐振电容器的一端之间连接的第1二极管、和在所述直流电源的另一端与所述电流谐振电容器的一端之间连接的第2二极管双方或者其中的任意一方构成。
而且，在本发明的谐振转换器中，其特征在于，该谐振转换器还具有第1电容器，该第1电容器连接在所述钳位电路与所述电流谐振电容器的一端之间，该谐振转换器对所述输出特性进行调整。
而且，在本发明的谐振转换器中，其特征在于，在所述串联谐振电路内还具有第2电容器，该第2电容器与所述电流谐振电容器串联连接，该谐振转换器对所述输出特性进行调整。
而且，在本发明的谐振转换器中，其特征在于，该谐振转换器还具有：第1电容器，其连接在所述钳位电路与所述电流谐振电容器的一端之间；第2电容器，其在所述串联谐振电路内与所述电流谐振电容器串联连接；以及第3电容器，其通过所述电流谐振电容器与所述直流电源串联连接，该谐振转换器对所述输出特性进行调整。
另外，本发明的谐振转换器，其将第1开关元件和第2开关元件与直流电源串联连接，在所述第1开关元件或所述第2开关元件上并联连接电流谐振电抗器、变压器的1次绕组和电流谐振电容器的串联谐振电路，在所述变压器的2次绕组上连接整流平滑电路，交替地对所述第1开关元件和所述第2开关元件进行接通/断开控制，从而将在所述整流平滑电路中产生的输出电压提供给负载，该谐振转换器的特征在于，该谐振转换器还具有钳位电路，该钳位电路将所述电流谐振电容器的两端电压钳位为规定电压值，在从所述整流平滑电路提供给所述负载的输出电流比规定的电流值大的区域中具有随着所述输出电流增加而所述输出电压下降的输出特性。
根据本发明，还具有将电流谐振电容器的两端电压钳位为规定的电压值的钳位电路，在从整流平滑电路提供给负载的输出电流比规定的电流值大的区域中，具有随着输出电流增加而输出电压下降的输出特性，因此具有能够得到适合于音频用途的负载调节率的效果。
附图说明
图1是示出本发明的谐振转换器的第1实施方式的电路结构的电路结构图。
图2是图1所示的谐振转换器的各部的动作波形图。
图3是示出图1所示的谐振转换器的输出特性的曲线图。
图4是示出本发明的谐振转换器的第1实施方式的变形例的电路结构图。
图5是示出本发明的谐振转换器的第2实施方式的电路结构的电路结构图。
图6是示出图5所示的谐振转换器的输出特性的曲线图。
图7是示出本发明的谐振转换器的第3实施方式的电路结构的电路结构图。
图8是示出图7所示的谐振转换器的输出特性的曲线图。
图9是示出本发明的谐振转换器的第2及第3实施方式的变形例的电路结构图。
图10是示出现有的谐振转换器的电路结构的电路结构图。
图11是示出图10所示的现有的谐振转换器的输出特性的曲线图。
符号说明
Vin直流电源
Q1、Q2开关元件
Cri电流谐振电容器
Lr漏电感
T变压器
Np一次绕组
NS1、NS2二次绕组
D1二极管
D2二极管
C1、C2输出特性调整用电容器
C10、C11电容器
D10、D11、D12、D13二极管
具体实施方式
接着，参照附图具体地说明本发明的实施方式。
(第1实施方式)
当参照图1时，第1实施方式的谐振转换器是在图10所示的现有的半桥型LLC谐振转换器的电路结构的基础上，具有将电流谐振电容器Cri的两端电压VCri钳位为规定的电压值的钳位电路。
当参照图1时，钳位电路由二极管D1(第1二极管)、二极管D2(第2二极管)构成。二极管D1在高压侧的开关元件Q1(第1开关元件)的漏极与如下连接点之间反方向连接，该连接点为一次绕组Np与电流谐振电容器Cri之间的连接点。即、在高压侧的开关元件Q1的漏极连接有二极管D1的阴极，二极管D1的阳极连接在一次绕组Np与电流谐振电容器Cri的连接点上。
二极管D2与电流谐振电容器Cri的两端反方向连接。即、在一次绕组Np、电流谐振电容器Cri和二极管D1的阳极的连接点上连接有二极管D2的阴极，二极管D2的阳极连接在低压侧的开关元件Q2(第2开关元件)的源极与电流谐振电容器Cri之间的连接点上。
在图2中示出第1实施方式的谐振转换器的各部的动作波形，(a)表示开关元件Q1的漏极/源极间电压VDS1，(b)表示开关元件Q2的漏极/源极间电压VDS2，(c)表示从开关元件Q1、Q2的连接点向变压器T的一次侧的电流ILr，(d)表示电流谐振电容器Cri的两端电压VCri，(e)表示流过二极管D1的电流ID1，(f)表示流过二极管D2的电流ID2。
当使第1实施方式的谐振转换器以恒定的开关频率来动作时，在开关元件Q1接通时，如图2(d)所示，当电流谐振电容器Cri的两端电压上升而达到直流电源Vin的电压Vin时，如图2(e)所示，二极管D1导通，电流谐振电容器Cri的两端电压VCri被钳位在电压Vin上。另外，在开关元件Q2接通时，如图2(d)所示，当电流谐振电容器Cri的两端电压VCri下降而达到零电压时，如图2(f)所示，二极管D2导通，电流谐振电容器Cri的两端电压VCri被钳位在零电压上。
如上所述，通过将电流谐振电容器Cri的两端电压VCri钳位在电压Vin和零电压，如图3(A)所示，当输出电流Io取规定电流值(例如，10A)以上时，能够降低输出电压Vo，与图3(X)所示的以往例相比较，负载调节率变大。
如以上说明，根据第1实施方式，构成为通过二极管D1，将电流谐振电容器Cri的两端电压VCri钳位在电压Vin，通过二极管D2，将电流谐振电容器Cri的两端电压VCri钳位在零电压，从而当输出电流Io取规定电流值以上时，能够降低输出电压Vo，起到能够得到适合于音频用途的负载调节率的效果。
另外，在第1实施方式中，虽然构成为作为钳位电路设置二极管D1及二极管D2双方，但是如图4(a)所示，也可以仅设置二极管D1，将电流谐振电容器Cri的两端电压VCri仅钳位在电压Vin，另外，如图4(b)所示，也可以仅设置二极管D2，将电流谐振电容器Cri的两端电压VCri仅钳位在零电压。在设置了二极管D1或二极管D2中的任意一个时，如图3(B)、(C)所示，当输出电流Io取10A以上时能够降低输出电压Vo，负载调节率变大。另外，如图3所示，在设置了二极管D1或二极管D2中的任意一个时，与设置了二极管D1及二极管D2双方的情况相比，负载调节率变小。因此，能够根据期望的输出特性，确定是设置二极管D1及二极管D2双方，还是设置二极管D1或二极管D2中的任意一个。
(第2实施方式)
当参照图5时，第2实施方式的谐振转换器是在第1实施方式的谐振转换器的结构的基础上，在如下两个连接点之间连接有输出特性调整用电容器C1(第1电容器)，其中一个连接点是二极管D1的阳极与二极管D2的阴极之间的连接点，另一个连接点是一次绕组Np与电流谐振电容器Cri之间的连接点。
在第2实施方式的谐振转换器中，通过构成钳位电路的二极管D1、D2，电流谐振电容器Cri的两端电压VCri通过输出特性调整用电容器C1而被钳位。即、当串联连接的输出特性调整用电容器C1及电流谐振电容器Cri的两端电压VCri上升达到电压Vin时，二极管D1导通，将串联连接的输出特性调整用电容器C1与电流谐振电容器Cri的合成电压钳位在电压Vin。另外，当串联连接的输出特性调整用电容器C1及电流谐振电容器Cri的两端电压VCri下降而达到零电压时，二极管D2导通，将串联连接的输出特性调整用电容器C1及电流谐振电容器Cri的两端电压VCri钳位在零电压。由此，除了基于第1实施方式的作用以外，能够根据输出特性调整用电容器C1相对于电流谐振电容器Cri的电容的电容比来使输出特性(输出电流-输出电压特性)变化。即、通过变更输出特性调整用电容器C1相对于电流谐振电容器Cri的电容的电容比，如图6(D)~(F)所示，输出特性变化。在图6中，(D)示出将C1/Cri设定为1倍的例子，(E)示出将C1/Cri设定为2倍的例子，(F)示出将C1/Cri设定为10倍的例子，可知输出特性调整用电容器C1相对于电流谐振电容器Cri的电容的电容比越大，负载调节率越大。
如以上说明，根据第2实施方式，构成为具有一端连接在变压器T的一次绕组Np与电流谐振电容器Cri之间的连接点上的输出特性调整用电容器C1，通过二极管D1，将串联连接的输出特性调整用电容器C1与电流谐振电容器Cri的合成电压钳位在电压Vin，通过二极管D2，将串联连接的输出特性调整用电容器C1及电流谐振电容器Cri的两端电压VCri钳位在零电压，从而除了第1实施方式的效果以外，通过改变输出特性调整用电容器C1和电流谐振电容器Cri的电容，能够得到任意的输出特性，起到能够得到适合于音频用途的负载调节率的效果。
(第3实施方式)
当参照图7时，第3实施方式的谐振转换器在第1实施方式的谐振转换器的结构的基础上，在变压器T的一次绕组Np与电流谐振电容器Cri之间连接有输出特性调整用电容器C2(第2电容器)。并且，电流谐振电容器Cri与输出特性调整用电容器C2之间的连接点被连接在二极管D1的阳极与输出特性调整用二极管D2的阴极之间的连接点上。
在第3实施方式的谐振转换器中，在由变压器T的一次绕组Np和电流谐振电容器Cri构成的串联谐振电路内插入输出特性调整用电容器C2，通过构成钳位电路的二极管D1、D2，对电流谐振电容器Cri的两端电压VCri进行钳位。由此，能够使输出特性根据插入到串联谐振电路内的输出特性调整用电容器C2相对于电流谐振电容器Cri的电容的电容比来变化。即、通过变更输出特性调整用电容器C2相对于电流谐振电容器Cri的电容的电容比，如图8(G)~(K)所示，输出特性变化。
如以上说明，根据第3实施方式，通过具备在变压器T的一次绕组Np与电流谐振电容器Cri之间连接的输出特性调整用电容器C2，从而除了第1实施方式的效果以外，通过改变输出特性调整用电容器C2和电流谐振电容器Cri的电容而能够得到任意的输出特性，起到能够得到适合于音频用途的负载调节率的效果。
另外，也可以组合第2及第3实施方式，设置输出特性调整用电容器C1、C2双方。
而且，如图9所示，也可以将电流谐振电容器Cri二分割为Cri1及Cri2(第3电容器)，分为电压Vin的正负。
而且，在本实施方式中，虽然说明了作为2次侧整流方式采用了全波整流电路的例子，但是例如也可以采用半波整流电路或桥式整流电路。另外，在图9中，作为2次侧整流方式例示了新设置了二极管D12、D13、电容器C11的倍电压全波整流电路的正负电源电路例。
另外，在本实施方式中，虽然构成为串联谐振电路与低压侧的开关元件Q2并联连接，但是也可以构成为与高压侧的开关元件Q1并联连接。
另外，在本实施方式中，虽然变压器T是松耦合变压器(漏磁通变压器)，图1的Lr为与松耦合变压器的1次绕组一体形成的电感(漏电感)，但是对于变压器T，也可以使用紧耦合变压器。此时，对于图1的Lr，不使用变压器一体型的电感而需要使用独立的电感(电流谐振电抗器)。
另外，在本实施方式中，虽然具有将电流谐振电容器Cri的两端电压VCri钳位在直流电源Vin的电压Vin或零电压的钳位电路，但是也可以准备与直流电源Vin不同的任意的电压源，具有钳位在其任意的电压源的钳位电路。
另外，本发明不限定于上述各实施方式，可知在本发明的技术思想的范围内，能够对各实施方式进行适当变更。另外，上述构成部件的数量、位置、形状等不限定于上述实施方式，在实施本发明的基础上可以是适合的数量、位置、形状等。另外，在各图中，对相同结构要素附上相同符号。

Claims (3)

1.一种谐振转换器，其将第1开关元件和第2开关元件与直流电源串联连接，在所述第1开关元件或所述第2开关元件上并联连接具有漏电感的变压器的1次绕组和电流谐振电容器的串联谐振电路，在所述变压器的2次绕组上连接整流平滑电路，交替地对所述第1开关元件和所述第2开关元件进行接通/断开控制，从而将在所述整流平滑电路中产生的输出电压提供给负载，
该谐振转换器的特征在于，
该谐振转换器还具有钳位电路，该钳位电路将由第1二极管和第1电容器构成的串联电路与所述电流谐振电容器并联连接，所述第1二极管连接在所述直流电源的一端与所述第1电容器的一端之间，利用第2二极管来连接所述第1二极管与所述第1电容器之间的连接点和所述直流电源的另一端，将所述电流谐振电容器的两端电压钳位到规定电压值，
所述第1电容器的另一端连接到所述变压器的1次绕组与所述电流谐振电容器之间的连接点，当所述第2二极管导通时，将所述第1电容器与所述电流谐振电容器的合成电压钳位在所述直流电源的电压，
以在从所述整流平滑电路提供给所述负载的输出电流比规定电流值大的区域中具有随着所述输出电流增加而所述输出电压下降的输出特性的方式调整所述第1电容器和所述电流谐振电容器的电容。
2.一种谐振转换器，其将第1开关元件和第2开关元件与直流电源串联连接，在所述第1开关元件或所述第2开关元件上并联连接具有漏电感的变压器的1次绕组、第1电流谐振电容器和第2电流谐振电容器的串联谐振电路，在所述变压器的2次绕组上连接整流平滑电路，交替地对所述第1开关元件和所述第2开关元件进行接通/断开控制，从而将在所述整流平滑电路中产生的输出电压提供给负载，
该谐振转换器的特征在于，
该谐振转换器还具有钳位电路，该钳位电路连接了第1二极管和第2二极管，将所述第1电流谐振电容器的两端电压钳位到规定电压值，其中，该第1二极管连接在所述第1电流谐振电容器与所述第2电流谐振电容器之间的连接点和所述直流电源的一端之间，该第2二极管连接在所述第1电流谐振电容器与所述第2电流谐振电容器之间的连接点和所述直流电源的另一端之间，
以在从所述整流平滑电路提供给所述负载的输出电流比规定电流值大的区域中具有随着所述输出电流增加而所述输出电压下降的输出特性的方式调整所述第1电流谐振电容器和所述第2电流谐振电容器的电容。
3.根据权利要求2所述的谐振转换器，其特征在于，在所述第1电流谐振电容器与所述第2电流谐振电容器之间的连接点和所述直流电源的另一端之间连接了第3电容器。
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