CN103378739B - 开关电源装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种开关电源装置，能在降低功率损耗的同时抑制浪涌电压。开关电源装置的变压器(12)由一次绕组(Np)和二次绕组(Ns)形成。控制电路(18)为了使施加于一次绕组的电压反复翻转，使开关元件(Q1)以及(Q2)互补地导通/关断。导通路(CL1)将在二次绕组激励的电压提供给与二次绕组的高电位侧和接地侧连接的负载(R)。整流二极管(Ds)将与从负载(R)的高电位侧向接地侧的方向相同的方向作为整流方向而设于导通路(CL1)。整流二极管(D10)以及电容器(CL0)以相互串联连接的状态与二次绕组并联连接。电感器(L10)与整流二极管(D10)并联连接。整流二极管(D10)的朝向与将从高电位侧向接地侧的方向作为整流方向的朝向一致。

Description

开关电源装置
技术领域
本发明涉及开关电源装置，特别涉及通过开关元件使施加在变压器的一次侧的电压反复翻转，将由此在变压器的二次侧激励的电压经由整流二极管提供给负载的开关电源装置。
背景技术
在专利文献1中公开这种装置的一例。根据该背景技术，相互串联连接的二极管以及电容器与变压器的反馈绕组并联连接，电阻与电容器并联连接。在此，二极管的阴极与反馈绕组的一端连接，二极管的阳极与电容器连接。如此连接的二极管、电容器以及电阻形成缓冲电路，通过该缓冲电路来抑制由于铃振而出现在反馈绕组上的浪涌电压。
专利文献
专利文献1：JP特开平8-51777号公报
但是，在背景技术中，由于为了浪涌电压的抑制而吸收的能量作为电荷被积蓄，并被电阻消耗，因此存在功率损耗较大的问题。
发明内容
为此，本发明的主要目的在于提供能在降低功率损耗的同时抑制浪涌电压的开关电源装置。
按照本发明的开关电源装置(10：与实施例中相当的参照符号。下面相同)具备：变压器(12)，其具有一次绕组(Np)和二次绕组(Ns)；开关单元(Q1、Q2、18)，其使施加于一次绕组的电压反复翻转；导通路(CL1)，其将因开关单元的动作而在二次绕组激励的电压提供给与二次绕组的高电位侧和接地侧连接的负载(R)；以及第1整流元件(Ds)，其将与从负载的高电位侧向接地侧的方向相同的方向作为整流方向而设于导通路，开关电源装置使相互串联连接的第2整流元件(D10)以及第1电容器(C10)与二次绕组并联连接，第2整流元件将从高电位侧向接地侧的方向作为整流方向，将电阻(R10)以及/或者感性阻抗(L10)与第2整流元件并联连接，第1电容器中蓄积的电荷，在第1整流元件刚从导通状态过渡至非导通状态之后的期间被放出，放出的电荷的一部分为了抑制浪涌电压而被电阻以及/或者感性阻抗消耗，将从第1电容器放出的电荷的另一部分，以极性翻转的状态再次蓄积在第1电容器。
优选地，开关单元包含：与一次绕组串联连接的第1开关元件(Q1)；构成与二次绕组并联连接的串联电路的第2开关元件(Q2)和第1电容器(Cr)；以及使第1开关元件和第2开关元件隔着死区时间互补地导通/关断的控制单元(18)。
优选地，开关单元包含：与一次绕组串联连接的第1开关元件(Q1)；与一次绕组并联连接的第2开关元件(Q2)；以及使第1开关元件和第2开关元件隔着死区时间互补地导通/关断的控制单元(18)。
优选地，控制单元以ZVS方式使第1开关元件以及/或者的第2开关元件导通/关断。
优选地，控制单元采用在所述变压器中流过的电流成为连续的电流连续模式。
优选地，作为感性阻抗采用铁氧体磁环(ferritebead)或非晶体磁环(amorphousbead)。
优选地，电容器采用回扫方式(flybackscheme)或顺向方式(forwardscheme)。
优选地，第1整流元件使用FET。
发明的效果
根据本发明，通过在第1电容器积蓄以及放出电荷，能在降低功率损耗的同时抑制浪涌电压。
本发明的上述目的、其它的目的、特征以及优点从参照附图而进行的以下的实施例的详细的说明会变得更明了。
附图说明
图1是表示本发明的一个实施例的构成的框图。
图2(A)是表示开关元件Q1的控制信号的变化的一例的定时图。
图2(B)是表示开关元件Q2的控制信号的变化的一例的定时图。
图2(C)是表示开关元件Q1的漏极-源极间电压的变化的一例的波形图。
图2(D)是表示开关元件Q2的漏极-源极间电压的变化的一例的波形图。
图2(E)是表示在开关元件Q1中导通的漏极电流的变化的一例的波形图。
图2(F)是表示在开关元件Q2中导通的漏极电流的变化的一例的波形图。
图2(G)是表示导通整流二极管Ds的电流的变化的一例的波形图。
图2(H)是表示整流二极管Ds的端子电压的变化的一例的波形图。
图3(A)是表示整流二极管Ds即将过渡到导通状态前的电流的流动的一例的图解图。
图3(B)是表示整流二极管Ds刚过渡到非导通状态后的电流的流动的一例的图解图。
图4(A)是表示在图1的实施例中应用的缓冲电路的构成的其它一例的电路图。
图4(B)是表示在图1的实施例中应用的合成单元的构成的再其它一例的电路图。
图4(C)是表示在图1的实施例中应用的缓冲电路的构成的再其它一例的电路图。
图5是表示本发明的本发明的其它的实施例的构成的框图。
图6是表示本发明的再其它的实施例的构成的框图。
图7是表示本发明的再其它的实施例的构成的框图。
符号的说明
10开关电源装置
12回扫变压器
14缓冲电路
18控制电路
Ds、D10整流二极管
Cr、C10电容器
L10电感器
Q1～Q2开关元件
具体实施方式
参照图1，该实施例的开关电源装置10包含具有磁耦合的一次绕组Np以及二次绕组Ns的变压器12。一次绕组Np的一端与直流电源Vin的正端子Vin(+)连接，一次绕组Np的另一端经由开关元件Q1与直流电源Vin的负端子Vin(-)连接。具体地，开关元件Q1是FET，一次绕组Np的另一端与开关元件Q1的漏极连接，直流电源Vin的负端子Vin(-)与开关元件Q1的源极连接。
在一次绕组Np，还并联连接相互串联连接的电容器Cr以及开关元件Q2。具体地，开关元件Q2也是FET，一次绕组Np的一端与电容器Cr的一端连接，电容器Cr的另一端与开关元件Q2的漏极连接，并且，开关元件Q2的源极与一次绕组Np的另一端连接。
二次绕组Ns的一端是高电位侧，经由整流二极管Ds与平滑电容器Co的一端以及输出端子Vout(+)连接。输出端子Vout(+)与负载R的一端连接。与此相对，二次绕组Ns的另一端是接地侧，与平滑电容器Co的另一端以及输出端子Vout(-)连接。输出端子Vout(-)与负载R的另一端连接。负载R的一端是高电位侧，负载R的另一端是接地侧。另外，若将连结二次绕组Ns的一端和输出端子Vout(+)的路径定义为导通路CL1，则整流二极管Ds将与从负载R的高电位侧向接地侧的方向相同的方向作为整流方向而设于导通路CL1。换言之，整流二极管Ds的阳极与二次绕组Ns的一端连接，整流二极管Ds的阳极与输出端子Vout(+)连接。
在二次绕组Ns，还并联连接相互串联连接的整流二极管D10以及电容器C10。具体地，二次绕组Ns的一端与整流二极管D10的阳极连接，整流二极管D10的阴极与电容器C10的一端连接，电容器C10的另一端与二次绕组Ns的另一端连接。即，整流二极管D10的朝向将从高电位侧向接地侧的方向设为整流方向。另外，在整流二极管D10并联连接电感器L10。通过如此连接的整流二极管D10、电容器C10以及电感器L10来形成缓冲电路14。
控制电路18基于输出的反馈来控制开关元件Q1以及开关元件Q2。在输出端子Vout(+)、Vout(-)与控制电路18之间设有反馈电路16。在反馈电路16设有绝缘单元，例如，能使用光电耦合器或脉冲变压器。具体地，通过输出端子Vout(+)-Vout(-)间的直流电源Vo的分压值、和基准电压的比较，来产生反馈信号，在绝缘状态下将反馈电压输入到控制电路18。直流电压Vo越低，则该反馈电压越高。
开关元件Q1以及Q2分别以时间T作为1个开关周期，以图2(A)以及图2(B)所示的要领来导通/关断。根据图2(A)以及图2(B)，开关元件Q1以及Q2隔着死区时间互补地导通/关断。
如图2(A)～图2(H)所示，设控制信号为Vgs1、Vgs2，设漏极-源极间电压为Vds1、Vds2，设漏极电流为id1、id2，设二次侧的二极管Ds的电流为is，设二极管Ds的电压为Vs，由此来表示各状态的动作。
(1)状态1[t1～t2]
开关元件Q1导通，输入单元Vi施加于一次绕组Np，从而变压器12被励磁。在时刻t2，将开关元件Q1关断。
(2)状态2[t2～t3]
在一次侧，通过在变压器12的励磁电感L和漏电感Lr1流动的电流，电容器Cds1被充电，电容器Cds2放电。在时刻t3电压Vds2成为零电压时，二极管D2导通。在二次侧，电容器Cs放电，在电压Vs成为零时，二极管Ds导通。
(3)状态3[t3～t4]
在二极管D2的导通时，导通开关元件Q2来进行ZVS动作。由漏电感Lr1以及Lr2和电容器Cr构成的谐振电路的特性阻抗被设定得充分小，电流id2成为大致直线增加的谐振电流。从二次侧放出励磁能量，在二极管Ds流过的电流is，成为与对直线减少的励磁电流im加上谐振电路id2而得到的波形相似的形状。在时刻t4，谐振电流id2成为峰值附近，关断开关元件Q2。
(4)状态4[r4～t5]
在开关元件Q2关断后，谐振电流id2突然被阻断。通过在漏电感Lr1流动的电流，电容器Cds1放电，电容器Cds2被充电。在时刻t5，在电压Vds1成为零时，二极管D1导通。
(5)状态5[t5～t6]
在二极管D1的导通时，导通开关元件Q1来进行ZVS动作。急增的电流id1在时刻t6变得与励磁电流相等。
(6)状态6[t6～t7]
在电流id1与励磁电流相等时，成为二极管Ds的逆恢复时间。在积蓄时间中反向电流增加，在过渡时间中电容器Cs被充电从而反向电流减少。二极管Ds在逆恢复时间后成为非导通，再度成为状态1。
以后，周期性地反复状态1～6。
参照图3(A)，在二极管Ds即将导通前的时刻t2到时刻t3为止的期间中，通过二次绕组Ns、整流二极管D10以及电容器C10建立导通路。基于积蓄在变压器12的励磁能量的电荷，经由整流二极管D10而积蓄在电容器C10。由此，电容器C10的一端带正电，电容器C10的另一端带负电。
参照图3(B)，在二极管Ds刚成为非导通后的时刻t6到时刻t7为止的期间中，通过二次绕组Ns、电感器L10以及电容器C10建立导通路。由此，积蓄在电容器C10中的电荷被放出，进而在反向上积蓄电荷。换言之，电容器C10的一端带负电，电容器C10的另一端带正电。
如在图2(H)的二极管Ds的电压Vs上的虚线所示那样，在没有整流二极管D10、电容器C10以及电感器L10的情况下，在整流二极管Ds的两端，在时刻t1以及时刻t7以后的期间发生浪涌电压。该浪涌电压如图3(B)所示那样，通过电容器C10在二次绕组Ns、电感器L10的闭环路反向积蓄电荷而受到抑制。另外，电容器C10所积蓄的电荷如图3(A)所示，通过二次绕组Ns、二极管D10的闭环路在时刻t2～t3的期间被放出，进而在电容器C10的一端带正电，在电容器C10的另一端带负电。由此，能在降低功率损耗的同时抑制浪涌电压。
根据本实施例，在二次绕组Ns激励的电压的极性从负极性翻转为正极性时，整流二极管Ds从非导通状态过渡到导通状态。与此相对，在二次绕组Ns激励的电压的极性从正极性翻转为负进行时，整流二极管Ds从导通状态过渡到非导通状态。此时，漏电感Lr2与电容器Cs谐振，在整流二极管Ds的两端，在整流二极管Ds刚从导通状态过渡到非导通状态后的期间出现浪涌电压。
据此，在整流二极管Ds从非导通状态向导通状态过渡时，通过二次绕组Ns、整流二极管D10和电容器C10闭环路来形成导通路。其结果，在整流二极管Ds即将过渡到导通状态前的期间，电荷积蓄在电容器C10。
另外，在整流二极管Ds从导通状态过渡到非导通状态时，通过二次绕组Ns、电阻以及/或者感性阻抗和电容器C10形成导通路。积蓄在电容器C10的电荷在整流二极管Ds刚过渡到非导通状态后的期间被放出，为了抑制浪涌电压，放出的电荷的一部分被电阻以及/或者感性阻抗消耗，进而，电荷反向积蓄在电容器C10。
通过电荷被积蓄在电容器C10中来抑制浪涌电压，通过在死区时间的期间从电容器C10放出电荷来降低功率损耗。
为了抑制浪涌电压而消耗从电容器C10放出的电荷的一部分，另一方面，通过使从电容器C10放出的电荷的另外的一部分在极性翻转的状态下再度积蓄到电容器C10中，能在降低功率损耗的同时抑制浪涌电压。
另外，在该实施例中，作为在缓冲电路14与整流二极管D10并联连接的元件设想是电感器L10，但也可以取代电感器L10将电阻R10与整流二极管D10并联连接，或将电阻R10与电感器L10一起与整流二极管D10并联连接(参照图4(A)、图4(B))。
另外，在该实施例中，将整流二极管D10的阳极以及阴极分别与二次绕组Ns的一端以及电容器C10的一端连接，将电容器C10的另一端与二次绕组Ns的另一端连接。但是，也可以将电容器C10的一端与二次绕组Ns的一端连接，将整流二极管D10的阳极以及阴极分别与电容器C10的另一端以及二次绕组Ns的另一端连接(参照图4(C))。
图5是表示本发明的其它的实施例的构成的框图，与开关电源装置10的不同之处在于谐振电容器Cr的位置。谐振电容器Cr插入在即使在开关元件Q1以及开关元件Q2的任一者导通时也流过电流的路径上，也可以是这样的连接。
图6是表示本发明的其它的实施例的构成的框图，与开关电源装置10的不同之处在于，一次侧由半桥电路构成。通过中心抽头从二次绕组以全波整流取出输出。将本发明的缓冲电路与全波整流的各个二极管连接。也可以如此使一次侧为半桥结构。
图7是表示本发明的其它的实施例的构成的框图，与开关电源装置10的不同之处在于，一次侧由全桥电路构成。二次侧与上述板桥电路相同地，通过中心抽头以全波整流取出输出，在平滑电容器Co的前级连接平滑电感器Lf。也可以如此使一次侧为全桥结构。

Claims (10)

1.一种开关电源装置，具备：
变压器，其具有一次绕组和二次绕组；
开关单元，其使施加于所述一次绕组的电压反复翻转；
导通路，其将因所述开关单元的动作而在所述二次绕组激励的电压提供给与所述二次绕组的高电位侧和接地侧连接的负载；以及
第1整流元件，其将与从所述负载的高电位侧向接地侧的方向相同的方向作为整流方向而设于所述导通路，
所述开关电源装置的特征在于，
使相互串联连接的第2整流元件以及第1电容器与所述二次绕组并联连接，
所述第2整流元件将从高电位侧向接地侧的方向作为整流方向，
将电阻以及/或者感性阻抗与所述第2整流元件并联连接，
所述第1电容器中蓄积的电荷，在所述第1整流元件刚从导通状态过渡至非导通状态之后的期间被放出，放出的电荷的一部分为了抑制浪涌电压而被所述电阻以及/或者所述感性阻抗消耗，
将从所述第1电容器放出的电荷的另一部分，以极性翻转的状态再次蓄积在所述第1电容器。
2.根据权利要求1所述的开关电源装置，其特征在于，
所述开关单元包含：
与所述一次绕组串联连接的第1开关元件；
构成与所述一次绕组并联连接的串联电路的第2开关元件和第1电容器；以及
使所述第1开关元件和所述第2开关元件隔着死区时间互补地导通/关断的控制单元。
3.根据权利要求1所述的开关电源装置，其特征在于，
所述开关单元包含：
与所述一次绕组串联连接的第1开关元件；
与所述一次绕组并联连接的第2开关元件；以及
使所述第1开关元件和所述第2开关元件隔着死区时间互补地导通/关断的控制单元。
4.根据权利要求2或3所述的开关电源装置，其特征在于，
所述控制单元以ZVS方式使所述第1开关元件以及/或者所述第2开关元件导通/关断。
5.根据权利要求2或3所述的开关电源装置，其特征在于，
所述控制单元采用在所述变压器中流过的电流成为连续的电流连续模式。
6.根据权利要求1～3中任一项所述的开关电源装置，其特征在于，
作为所述感性阻抗采用铁氧体磁环。
7.根据权利要求1～3中任一项所述的开关电源装置，其特征在于，
作为所述感性阻抗采用非晶体磁环。
8.根据权利要求1～3中任一项所述的开关电源装置，其特征在于，
所述变压器采用回扫方式。
9.根据权利要求1～3中任一项所述的开关电源装置，其特征在于，
所述变压器采用顺向方式。
10.根据权利要求1～3中任一项所述的开关电源装置，其特征在于，
在所述第1整流元件中使用FET。
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