CN104600990B - 电源装置和控制电源装置的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了电源装置和控制电源装置的方法。该电源装置包括：DC/AC转换单元；变压器；AC/DC转换单元；以及损耗补偿单元，该损耗补偿单元布置在变压器的次级侧输出级的电感器的前面并且补偿在轻负载条件下由电感器导致的电力损耗。损耗补偿单元是由串联连接的电容器及半导体开关元件组成的电路。根据外部控制单元的控制指令，半导体开关元件在大于轻负载的负载条件下被关断，并且在轻负载的条件下被闭合。

Description

电源装置和控制电源装置的方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2013年10月31日提交的韩国专利申请序列号10-2013-0131195题为“Power Supply Apparatus and Method of Controlling the Same”的外国优先权权益，通过引用将其全部内容结合到本申请中。
技术领域
本发明涉及用于供应电力至PC的服务器的电源装置以及控制电源装置的方法，更具体地，涉及能够在轻负载条件下提高效率的电源装置及其控制方法。
背景技术
通常，具有输出电感器的转换器通常用于需要高输出电流的服务器电源和PC电源。然而，这样的转换器具有以下问题，在轻负载条件下，由于输出电感器导致在初级侧的开关中或者在次级侧的同步整流器中的关断损耗的部分以及发生在次级侧的缓冲器损耗的部分变大，从而降低效率。换言之，如从图1中所示的特性波形中可以看出，根据现有的转换器，当开关关断时，由于在轻负载条件下的输出电感器导致流入初级侧的开关中的电流和流入次级侧的开关(同步整流器)中的电流增大，使得关断损耗和缓冲器损耗变大。因此，降低了效率。
【现有技术文献】
【专利文献】
(专利文献1)日本专利特开第2012-249415号
(专利文献2)美国专利申请公开第2007/0297199号
发明内容
本发明的目标是提供一种在轻负载条件下能够提高效率的电源装置以及控制电源装置的方法。
根据本发明的示例性实施方式，提供一种电源装置，包括：DC/AC转换单元，将从DC电压源供应的DC电压转换成AC电压；变压器，接收由DC/AC转换单元转换的AC电压以根据其初级绕组和次级绕组之间的匝数比生成具有不同幅度的AC电压；AC/DC转换单元，将变压器的次级绕组处的AC电压转换成DC电压；以及损耗补偿单元，布置在变压器的次级侧输出级中的电感器前面并且补偿由于在轻负载条件下的电感器导致的电力损耗。
损耗补偿单元可以是由串联连接的电容器及半导体开关元件组成的电路。
半导体开关元件可以是MOSFET。
根据外部控制单元的控制指令，损耗补偿单元的半导体开关元件在大于轻负载的负载条件下可被关断，并且在轻负载的条件下可被闭合。
根据本发明的另一个示例性实施方式，提供一种控制电源装置的方法，其中，电源装置包括DC/AC转换单元、变压器、AC/DC转换单元以及损耗补偿单元，该方法包括：(a)通过AC/DC转换单元的输出级将电流供应至负载；(b)检测负载两端的电压以确定负载是否是轻负载；(c)如果确定负载大于轻负载，在关断损耗补偿单元的半导体开关元件的情况下，将电力供应至负载；以及(d)如果确定负载时轻负载，在损耗补偿元件的半导体开关闭合的情况下，将电力供应至负载。
该方法还包括，如果在确定环节(c)中确定负载大于轻负载，则将关断损耗补偿单元的半导体开关元件的控制指令从外部控制单元传输至损耗补偿单元的半导体开关元件。
该方法还包括，如果在确定环节(d)中确定负载是轻负载，则将闭合损耗补偿单元的半导体开关元件的控制指令从外部控制单元传输至损耗补偿单元的半导体开关元件。
附图说明
图1是示出了在重负载条件下常规的转换器的不同的操作模式中流入初级侧和次级侧的开关的电流特性的曲线图；
图2是根据本发明的示例性实施方式的电源装置的电路图；
图3A是根据操作在重负载条件下的示例性实施方式的电源装置的电路图；
图3B是根据操作在轻负载条件下的示例性实施方式的电源装置的电路图；
图4是示出了在轻负载条件下在电源装置的不同操作模式中流入初级侧和次级侧的开关中的电流特性的曲线图；以及
图5是示出了控制根据本发明的示例性实施方式的电源装置的方法的流程图。
具体实施方式
在本说明书和权利要求中使用的术语和措辞不应解释为通常或者词典的含义，而是基于发明人为了以最佳方式描述他们自己的发明而可以适当定义术语的概念的原则被解释为符合本发明的技术构思的含义和概念。
贯穿本说明书，除非另有明确说明，否则，“包括”任何组件将理解为旨在包括其他元件而不是排除任何其他元件。在本说明书中使用的术语“部分”、“模块”、“设备”等意指处理至少一个功能或操作的单元，并且可通过硬件或软件或者硬件和软件的组合来实施。
在下文中，将参照附图详细描述本发明的示例性实施方式。
图2是根据本发明的示例性实施方式的电源装置的电路图。
参照图2，根据本发明的示例性实施方式的电源装置包括：DC/AC转换单元110、AC/DC转换单元120、变压器130、以及损耗补偿单元140。
DC/AC转换单元110将DC电压源Vs供应的DC电压转换成AC电压。如示出的，DC/AC转换单元110可被配置为其中两个MOSFET Q1和Q2彼此串联连接，电容器和电感器彼此串联连接在两个MOSFET Q1和Q2之间的共同连接节点处的非对称半桥结构。
变压器130在其初级绕组Np处接收由DC/AC转换单元110转换的AC电压以便根据其初级绕组和次级绕组之间的匝数比在次级绕组处产生具有与初级绕组处的输入电压的幅度不同的幅度的AC电压。
AC/DC转换单元120将变压器130的次级绕组Ns处的AC电压转换成DC电压。
损耗补偿单元140被布置在变压器130的次级输出级的电感器Lo之前并且用来补偿在轻负载条件下由电感器Lo引起的电力损耗。损耗补偿单元140可以由彼此串联连接的电容器Co1和半导体开关元件QA组成。半导体开关元件QA可以是MOSFET。
在下文中，将描述根据示例性实施方式配置的电源装置的控制方法和操作。
图5是示出了控制根据本发明的示例性实施方式的电源装置的方法的步骤的流程图。
参照图5，根据本发明的示例性实施方式，控制包括DC/AC转换单元110、变压器130、AC/DC转换单元120以及损耗补偿单元140的电源装置的方法，包括：通过AC/DC转换单元120的输出级将电流Io供应至负载Ro(S501)。然后，该方法包括检测负载Ro两端的电压Vo(S502)以确定负载是否是轻负载(S503)。负载Ro两端的电压Vo可通过使用单独的电压检测传感器(未示出)或者通过反馈自外部控制单元流入负载中的电流Io以将电流乘以负载来检测。
在确定环节S503中，如果负载大于轻负载，在损耗补偿单元140的半导体开关元件QA关断的情况下将电力供应至负载Ro。优选地，如果负载大于轻负载，该方法可进一步包括将关断损耗补偿单元140的半导体开关元件QA的控制指令从外部控制单元传输至损耗补偿单元140的半导体开关元件QA(S504)。
在确定环节S503中，如果负载是轻负载，在损耗补偿单元140的半导体开关元件QA闭合的情况下将电力供应至负载Ro。优选地，如果负载是轻负载，该方法可进一步包括将闭合损耗补偿单元140的半导体开关元件QA的控制指令从外部控制单元传输至损耗补偿单元140的半导体开关元件QA(S504)。
在下文中，将给出关于控制根据本发明的示例性实施方式的电源装置的方法的更多细节。
如果负载大于轻负载，由于半导体元件的传导损耗部分大于关断损耗和缓冲器损耗部分，利用设置在变压器130的次级侧的损耗补偿单元140的半导体开关元件QA关断，根据现有的方法进行控制，如图3A所示。因此，凭借保持恒定电流量的输出传感器Lo，流入变压器130的初级开关Q1和Q2中的均方根(RMS)电流和流入次级开关SR1和SR2中的RMS电流变小，使得当负载大于轻负载时可提高效率。
然而，根据现有的控制方法，在轻负载条件下，如参照图1描述的，由于输出电感器Lo，当开关关断时，流过初级开关Q1和Q2的电流Ilm和ILlkg与流过次级开关SR1和SR2的电流LSR1和ISR2之间的差变大，使得关断损耗和缓冲器损耗部分变大，从而降低效率。为了克服这个问题，根据本发明，如图3B所示，在轻负载条件下，损耗补偿单元140的半导体开关元件QA被闭合，使得应用具有由电容器Co1、输出电感器Lo和损耗补偿单元140的输出电容器Co2组成的CLC滤波器的控制方案而不是具有电感器Lo1和输出电感器Co2的现有的控制方案。
通过应用CLC滤波器，其操作类似现有的半桥LLC转换器，使得当开关关断时，流入初级开关的电流ILm和ILlkg减小以及流入次级开关SR1和SR2的电流变为零，如图4所示，从而减少变压器130的初级侧和次级侧出现的关断损耗。此外，凭借CLC滤波器，次级开关SR1和SR2两端的电压固定到(clamped)输出电压，使得缓冲器损耗也可以被减少。因此，如果本发明的示例性实施方式被用作服务器或电脑的电源装置，在轻负载条件下，变压器130的初级侧和次级侧中的RMS电流导致传导损耗部分显著变小，同时关断损耗或缓冲器损耗部分变大，使得不仅在重负载条件下可以提高效率而且也可以在轻负载条件下提高效率。
如上所述，根据本发明的电源装置包括通过将电容器布置在变压器的次级侧处的输出传感器前面形成的CLC滤波器，使得当开关关断时发生在变压器的初级侧和次级侧的关断损耗可以减少，从而提高轻负载条件下的效率。
尽管出于说明性的目的，已经公开了本发明的示例性实施方式，但是本发明并不限于此，本领域的技术人员将认识到，在不偏离所附权利要求中公开的本发明的范围和精神的前提下，各种修改、添加和替换是可行的。因此，本发明将要保护的真实范围应当仅由所附权利要求来限定，并且对于本领域技术人员显而易见的是与本发明等同的技术构思均在本发明的范围内。

Claims (6)

1.一种电源装置，包括：
DC/AC转换单元，将从DC电压源供应的DC电压转换成AC电压；
变压器，接收由所述DC/AC转换单元所转换的所述AC电压以根据所述变压器的初级绕组和次级绕组之间的匝数比生成具有不同的幅度的AC电压；
AC/DC转换单元，将所述变压器的所述次级绕组处的所述AC电压转换成DC电压；以及
损耗补偿单元，布置在所述变压器的次级侧输出级的电感器之前并且所述损耗补偿单元补偿在轻负载条件下由所述电感器导致的电力损耗，
其中，根据来自外部控制单元的控制指令，所述损耗补偿单元的半导体开关元件在大于轻负载的负载条件下被关断并且在轻负载的条件下被闭合。
2.根据权利要求1所述的电源装置，其中，所述损耗补偿单元是由串联连接的电容器和半导体开关元件组成的电路。
3.根据权利要求2所述的电源装置，其中，所述半导体开关元件是金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。
4.一种控制电源装置的方法，其中，所述电源装置包括：DC/AC转换单元、变压器、AC/DC转换单元和损耗补偿单元，所述方法包括：
(a)通过所述AC/DC转换单元的输出级将电流供应至负载；
(b)检测所述负载两端的电压以确定所述负载是否是轻负载；
(c)如果确定所述负载大于所述轻负载，则在所述损耗补偿单元的半导体开关元件关断的情况下，将电力供应至所述负载；以及
(d)如果所述负载是所述轻负载，则在所述损耗补偿单元的所述半导体开关元件闭合的情况下，将电力供应至所述负载。
5.根据权利要求4所述的方法，进一步包括：如果在所述确定(c)中确定所述负载大于所述轻负载，则将关断所述损耗补偿单元的所述半导体开关元件的控制指令从外部控制单元传输至所述损耗补偿单元的所述半导体开关元件。
6.根据权利要求4所述的方法，进一步包括：如果在所述确定(d)中确定所述负载是所述轻负载，则将闭合所述损耗补偿单元的所述半导体开关元件的控制指令从外部控制单元传输至所述损耗补偿单元的所述半导体开关元件。
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