CN1051180C - 功率调整器的零电流切换电路 - Google Patents

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Abstract

一种功率调整器的零电流切换电路，包括一切换电路和一耗能回路。耗能回路设置在切换电路的桥式整流器的输出端与零电流切换电路的电源输出端之间，它包括电感、饱和电感、电阻以及电容。其中，电感的一端与电阻的一端连接形成串联连接，电感的另一端与饱和电感的一端连接；电阻的另一端与电容的一端连接，串联连接的电阻和电感与两个背对背串联连接的二极管并联连接，二极管相互连接的接点连接到所述零电流切换电路的电源输出端。

Description

功率调整器的零电流切换电路
本发明涉及一种功率调整器的零电流切换电路，尤指一种以耗能方式消除逆向恢复电流以改善电力功率因素及提高用电效率的切换式电源供应器，其具体作法是在切换电路上设一由电容、电感、饱和电感及电阻等组成的耗能回路，借以吸收消耗触发时产生的逆向恢复电流，进而避免电磁于扰及尖锐电流通过动态元件。
一般为改善用电效率，多半采用具调整功率因素功能的交换式电源供应器来解决，其中一种构造是如图4所示，其主要是以一功率因素控制器70(P.F.C)输出的正电压触发一场效应晶体管71，并配合与整流后直流电源连接的电感72及二极管73进行切换并供电。
此种交换式电源供应器的最大优点在于使用元件数量少，故生产成本较低，然而其改善效率也是最差的一种，其效率约在85％左右，且因二极管73的恢复电流相当大，将提高切换损失，所造成的电磁干扰(EMI)也十分可观，又因其切换时有尖锐的逆向恢复电流通过动态元件，容易损坏元件，故其元件的可靠性最差。
又如图5所示，是另一种交换式电源供应器，其是以数个串接的肖特基二极管74(ShockleyDiode)及电阻、电容取代前述的二极管73，此一构造仍具有前一电路利用元件较少的优点，除此之外，因肖特基二极管74的逆向恢复电流较小，故其可能引起的电磁干扰也小；但此种构造仍不免有效率较低的缺点，其效率约仅87％，又因多个二极管串接使顺向压降提高，造成切换损失大，其耐压不容易平衡，而易造成损坏，故其元件可靠性差，制造成本高。
至于图6所示的零电压切换式电源供应器，其效率可达92％，且因其逆向恢复电流经由零电压切换电路回收，故电磁干扰较小，然而其零电压切换电路将产生较大于输入电流的尖锐切换动作，故无法将电磁干扰减至最低。此外，此种零电压切换式电源供应器所使用的零件数最多，且因控制复杂，也有尖锐电流经过主动元件，故元件的可靠性较差。
由上述可知，现有的交换式电源供应器均存在效率不佳、元件可靠性低及电磁干扰等缺点，而有进一步改进的必要。
为此，发明人经多方研究试验，终于成功发明出一种零电流切换式功率调整器，其通过零电流切换方式而可有效避免尖锐电流产生，并将电磁干扰减至最低，有效提高用电效率。
因此，本发明的主要目的在于提供一种功率调整器的零电流切换电路，其主要是通过储能、释能及耗能等将功率调整器切换电路触发时所产生的逆向恢复电流消除，以构成零电流切换，并提高电源效率。
本发明另一目的在于以一耗能电路达到零电流切换目的，其主要是在切换电路的电源输出端，该耗能回路是由电容、电感、饱和电感及电阻等组成，其可在逆向恢复电流产生时，利用电容储存其能量，并在电容放电时，由电感及电阻消耗其能量，以达到零电流切换目的。
根据本发明，提供一种功率调整器的零电流切换电路，它包括一切换电路和一耗能回路，所述耗能回路设置在切换电路的桥式整流器(10)的输出端与零电流切换电路的电源输出端之间，它包括电感(22)、饱和电感(23)、电阻(21)以及电容(24)，其中：
电感(22)的一端与电阻(21)的一端连接形成串联连接，电感(22)的另一端与饱和电感(23)的一端连接；
电阻(21)的另一端与电容(24)的一端连接，所述串联连接的电阻(21)和电感(22)与两个背对背串联连接的二极管(27)、(28)并联连接，该两个二极管(27)、(28)相互连接的接点连接到所述零电流切换电路的电源输出端；
所述饱和电感(23)的另一端与所述桥式整流器(10)的输出端连接；
所述电容(24)的另一端与桥式整流器(10)的输出端连接。
根据上述功率调整器的零电流切换电路，所述耗能回路的饱和电感两端并接一串联连接的二极管和齐纳二极管，其中，该二极管和齐纳二极管的负极相互连接，该二极管和齐纳二极管的正极分别连接到所述饱和电感的两端。
根据上述功率调整器的零电流切换电路，所述切换电路的桥式整流器(10)的输出端还连接电容(11)、电感(12)以及一功率因素控制器(30)，该功率因素控制器(30)的电压输出端连接到一场效应晶体管(31)的栅极，该场效应晶体管(31)的漏极连接到电感(12)与耗能回路(20)的相互连接接点。
本发明通过一耗能回路的设置，可有效消除逆向恢复电流，借此不仅可构成一零电流切换形式，而无恢复电流损失，且由于几乎可完全忽略逆向恢复电流，故可将电磁干扰降至最低，也不会产生尖锐电流。既然无尖锐电流通过动态元件，自然可使元件不受损坏，而确保元件的可靠性，进而可降低生产成本。
以下结合附图进一步说明本发明的具体结构特征及目的。
图1是本发明的电路图。
图2是本发明触发动作时的时间轴示意图。
图3是本发明饱和电感的特性曲线图。
图4是一种传统交换式电源供应器的电路图。
图5是另一种传统交换式电源供应器的电路图。
图6是又一种传统交换式电源供应器的电路图。
本发明主要是在功率调整器的切换电路触发并产生逆向恢复电流时，在不同的时间轴依序经过储存、释能及耗能等步骤，借此可将逆向恢复电流完全自切换电路上消除，以达到零电流切换目的，并借此提高电流效率。
上述的能量储存、放电及耗能等步骤可由一具体的耗能回路来实现，其与功率调整器切换电路的组合关系，请参阅图1所示。其主要是使交流电源AC经一桥式整流器10连接一电容11与电感12，再经由耗能回路20连接至电源输出端Vo，桥式整流器10的直流电源输出端也连接至一功率因素控制器30上，该功率因素控制器30的电压输出端连接至一场效应晶体管31的栅极，该场效应晶体管31的漏极则连接至电感12与耗能回路20间；前述电源输出端Vo经一分压电路32连接至功率因素控制器30，以调整其输出电压；
该耗能回路20由电感22、饱和电感23、电阻21及一电容24所组成，其中饱和电感23两端跨接有背对背连接的二极管25及齐纳二极管26，电感22与电阻21两端也跨接有两背对背连接的二极管27、28，两二极管27、28的接线端则连接至电源输出端Vo。
该功率因素控制器30与桥式整流器10的直流电源输出端可分别连接至一外加电源40上，以便在交流电源AC中断时，利用外加电源40维持正常工作。
上述电路可通过耗能回路20消除逆向恢复电流及其造成的电磁干扰，至于其达到上述目的的实际工作原理，则以时间轴划分为五个区间一一详述如下。
如图2所示，以时间轴T1～T5涵盖全部的工作状态：
(1)首先在T1～T2区间的工作原理：
当时间轴到达T1时，功率因素控制器30开始输出正电压到场效应晶体管31的栅极使其导通，并同时产生两路电流通过场效应晶体管31，其一是由交流电流AC经桥式整流器10、电感12送至场效应晶体管31的电流I8，使电感12开始储能，直至功率因素控制器30输出正电压消失为止(即T4)，另一路电流为二极管27的逆向恢复电流I6，当逆向恢复电流I6到达图1的B点时，即分为两组电流I1、I5，且最后会合成为I9，并流经场效应晶体管31，其中，电流I5经饱和电感23，同时将磁通B由饱和区推向动作区，即由低阻抗转向高阻抗。
请参照图3所示，由逆向恢复电流I6分流的I1流经电感22、电阻21及电容24时，电感22将会储存大部份的逆向恢复电流，同时电容24也将吸收储存电流I1，借此我们几乎可完全忽略逆向恢复电流，而以下的计算式，可证明此一事实：
在电阻21为100Ω，T1～2为1μS，饱和电感23为20mH、另一电感22为3mH的设计条件下：
I5＝(Vo*T1～2)/L(23)≈19μA
I1＝(Vo*V(C22))/L(22)≈0.13A
I6＝I5+I1＝19μA+0.13A＝0.1
上述约0.15A的逆向恢复电流是显然可被忽略的，上述的设计条件可配合不同机种作适当的修正。
(2)在T2～T3区间的工作原理：
在时间轴到达T2时，也就是二极管27逆向恢复电流降为零的点，I6消失，电感22产生反磁现象，其反磁电流I1由B点开始，经电感22、电阻21、电容24和饱和电感23回到原点B，而将能量充回电容24储存，同时把饱和电感23由动作区推回到饱和区，此时跨接在饱和电感23两端的二极管25及齐纳二极管26是用以限制峰值电压，且在T2～3的工作区间时，电阻21可用以消除共振及噪声。
(3)在T3～T4区间的工作原理：
等到时间轴到达T3时，饱和电感23开始进入饱和区，且电压急骤地趋近于零，此时电容24将经由饱和电感23、电感22及电阻21放电而产生电流I1，并使饱和电感23更往饱和区推进(如图3所示)，而在T3至T4的区间中，电容24则将少部份能量送至电感22储存，大部份能量则在电阻21上消耗掉。
(4)在T4～T5区间的工作原理：
当时间轴到达T4，即功率因素控制器30停止输出正电压，而场效应晶体管31截止时，电感12在T1至T4期间储存的能量将经由二条路径取道电源输出端Vo输出，其中一路电流I3经由电容24、二极管28送至电源输出端Vo，该I3电流量变化是由大至小，在T4时最大(约等于I9)，至T5时，电流I3趋近于零；另一路电流I6经由饱和电感23、二极管27取道电源输出端Vo输出，其电流量变化是由小到大，在T4时最小(约为零)，至T5时最大，趋近于I9，同时电流I6也将饱和电感23推向完全饱和区，换言之，即令该饱和电感23完全短路；参阅图2、3所示，在T4～T5期间，电容24的电位因电流I3充电而少量提升，同时电感22与电阻21持续消耗电容24的能量。
(5)在T5～T6区间的工作原理：
当时间轴到达T5时，饱和电感23完全饱和而相当于短路，所有电流完全经由饱和电感23、二极管27取道电源输出端Vo输出，在此同时，另一二极管28也被截止，而相当于开路；而在T5～T6的区间，电容24的能量一直为电感22及电阻21所消耗掉。

Claims (3)

1.一种功率调整器的零电流切换电路，包括一切换电路和一耗能回路，其特征在于：
所述耗能回路设置在切换电路的桥式整流器(10)的输出端与零电流切换电路的电源输出端之间，它包括电感(22)、饱和电感(23)、电阻(21)以及电容(24)，其中：
电感(22)的一端与电阻(21)的一端连接形成串联连接，电感(22)的另一端与饱和电感(23)的一端连接；
电阻(21)的另一端与电容(24)的一端连接，所述串联连接的电阻(21)和电感(22)与两个背对背串联连接的二极管(27)、(28)并联连接，该两个二极管(27)、(28)相互连接的接点连接到所述零电流切换电路的电源输出端；
所述饱和电感(23)的另一端与所述桥式整流器(10)的输出端连接；
所述电容(24)的另一端与桥式整流器(10)的输出端连接。
2.根据权利要求1所述的功率调整器的零电流切换电路，其特征在于，所述耗能回路的饱和电感两端并接一串联连接的二极管和齐纳二极管，其中，该二极管和齐纳二极管的负极相互连接，该二极管和齐纳二极管的正极分别连接到所述饱和电感的两端。
3.根据权利要求1或2所述的功率调整器的零电流切换电路，其特征在于，所述切换电路的桥式整流器(10)的输出端还连接电容(11)、电感(12)以及一功率因素控制器(30)，该功率因素控制器(30)的电压输出端连接到一场效应晶体管(31)的栅极，该场效应晶体管(31)的漏极连接到电感(12)与耗能回路(20)的相互连接接点。
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