CN105144562B - 开关电源装置 - Google Patents

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Abstract

一种开关电源装置，具备：连接在正的输出端子Po(+)与负的输出端子Po(‑)之间，由第3整流元件(D3)以及第4整流元件(D4)形成的第1串联电路；和第1端与第3整流元件(D3)以及第4整流元件(D4)的连接点连接，第2端与第1整流元件(Q1)或者第2整流元件(Q2)的端部之中不与第1串联电路相连的一个端部连接的第1电容(C1)，由第1串联电路以及第1电容(C1)构成缓冲电路(11)。

Description

开关电源装置
技术领域
本发明涉及在变压器的初级侧具备开关元件，在次级侧具备电感器以及整流元件的开关电源装置。
背景技术
以往，在开关电源装置中，为了抑制整流元件的开/关切换时产生的浪涌电压的峰值，因此对开关元件并联连接缓冲(snubber)电路。例如专利文献1中表示了在换流用二极管设置缓冲电路的例子。
图11是表示专利文献1所示的包含缓冲电路的开关电源装置的次级侧电路的例子的图。在图11所示的例子中，在变压器T的次级侧，构成包含整流用二极管Da、换流用二极管Db、电感器Lo以及输出电容器Co的次级侧电路。并且，在换流用二极管Db的两端，连接由电容器C以及电阻R的串联电路形成的RC缓冲电路。
通过这样的结构，在换流用二极管Db的断开时，在该换流用二极管Db的两端之间产生的浪涌的能量被上述RC缓冲电路消耗，浪涌电压的峰值被抑制。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开平1-202161号公报
发明内容
-发明要解决的课题-
在图11所示的RC缓冲电路中，浪涌电压能量被电阻R消耗，因此当然在RC缓冲电路产生损失。因此，由于设置RC缓冲电路，导致开关电源装置的效率降低。
在专利文献1中，为了解决上述RC缓冲电路的问题点，还表示了如下的有源缓冲电路：不使用电阻R，而在整流电路产生浪涌电压的定时接通晶体管，将浪涌电压的能量储蓄在电容器中之后进行释放。但是，在这种有源缓冲电路中，虽然能够再生浪涌电压能量，但整体的电路结构复杂，其结果，产生基板上的占有面积变大的问题。
本发明的目的在于，提供一种具有简单的电路结构，并且避免缓冲电路中的浪涌电压能量的消耗所导致的损失，提高电力变换效率的开关电源装置。
-解决课题的手段-
本发明的开关电源装置如下构成。另外，带括号的符号与后面所示的实施方式的说明中使用的符号对应。
本发明的开关电源装置具备：变压器，其具有初级绕组以及次级绕组；初级侧电路，其与初级绕组连接，包含断续地向初级绕组提供直流电压的开关元件；次级侧电路，其包含：与正的输出端子或者负的输出端子和次级绕组之间的电流路径串联连接的电感器、和对流过所述次级绕组以及所述电感器的电流进行整流的第1整流元件(Q1)以及第2整流元件(Q2)；第1串联电路，其连接在正的输出端子与负的输出端子之间，由第3整流元件(D3)以及第4整流元件(D4)形成；和第1电容(C1)，其第1端与所述第3整流元件(D3)以及第4整流元件(D4)的连接点连接，第2端与所述第1整流元件(Q1)或者所述第2整流元件(Q2)的端部之中不与所述第1串联电路相连的一个端部连接，
由所述第1串联电路以及所述第1电容构成缓冲电路。
通过上述结构，通过由电容和整流元件形成的缓冲电路，将在第1、第2整流元件(Q1、Q2)的两端之间产生的浪涌电压作为电能来蓄积，蓄积在该电容的能量在整流元件(Q1、Q2)的接通时被再生，因此能够减少由于设置缓冲电路而导致的损失。
例如，所述第1整流元件(Q1)是相对于变压器的次级绕组串联连接的整流元件(整流侧整流元件)，所述第2整流元件(Q2)是相对于次级绕组并联连接的整流元件(换流侧整流元件)，所述第1电容(C1)的第2端与第1整流元件(Q1)和次级绕组的连接点连接。通过该结构，从而在变压器的次级侧构成正向电路，能够再生第1整流元件(Q1)的断开时产生的浪涌电压能量。
例如，所述第1整流元件(Q1)是相对于变压器的次级绕组串联连接的整流元件，所述第2整流元件(Q2)是相对于次级绕组并联连接的整流元件，所述第1电容(C1)的第2端与第2整流元件(Q2)和所述电感器的连接点连接。通过该结构，从而在变压器的次级侧构成正向电路，能够再生第2整流元件(Q2)的断开时产生的浪涌电压能量。
优选上述开关元件由交替地接通/断开的低电平侧开关元件以及高电平侧开关元件构成，次级绕组包含：串联连接的第1次级绕组以及第2次级绕组，电感器连接在第1次级绕组以及第2次级绕组的连接点和正的输出端子或者负的输出端子之间，第1整流元件(Q1)与第1次级绕组串联连接，第2整流元件(Q2)与第2次级绕组串联连接，具备：连接在正的输出端子与负的输出端子之间的、由第5整流元件(D5)以及第6整流元件(D6)形成的第2串联电路；和第1端与第2串联电路的第5整流元件(D5)和第6整流元件(D6)的连接点连接，第2端与第2整流元件(Q2)和第2次级绕组的连接点连接的第2电容(C2)，由第2串联电路以及第2电容构成又一个缓冲电路。
通过上述结构，在变压器的次级侧构成所谓的中心抽头(center tap)次级侧电路。该次级侧电路与上述(2)(3)所述的正向电路相比，变压器的漏电感器成分变大，因此产生的浪涌电压的能量较高，基于缓冲电路中的能量再生的损失减少效果较高。
上述第1整流元件(Q1)以及第2整流元件(Q2)例如是具备体二极管的MOS-FET或者具有相当于MOS-FET的特性的整流元件。
-发明效果-
根据本发明，在由电容和整流元件形成的缓冲电路，将在第1、第2整流元件的两端间产生的浪涌电压作为电能来蓄积，蓄积在该电容的能量在整流元件的接通时被再生，因此能够避免浪涌电压能量的消耗，其结果，能够减少损失。
附图说明
图1是第1实施方式所涉及的开关电源装置101的电路图。
图2是通过开关符号来表示图1的电路内的开关元件的电路图。
图3是是表示开关电源装置101的在各状态下流过的电流等的图。
图4是第2实施方式所涉及的开关电源装置102的电路图。
图5是通过开关符号来表示图4的电路内的开关元件的电路图。
图6是表示开关电源装置102的在各状态下流过的电流等的图。
图7是第3实施方式所涉及的开关电源装置103的电路图。
图8是通过开关符号来表示图7的电路内的开关元件的电路图。
图9是图7、图8所示的开关电源装置103的各部的波形图。
图10是表示开关电源装置103的在各状态下流过的电流等的图。
图11是表示专利文献1所示的包含缓冲电路的开关电源装置的次级侧电路的例子的图。
具体实施方式
以下，举出几个具体的例子，来表示用于实施本发明的方式。各实施方式是示例，当然也可以通过不同的实施方式所示的结构的部分置换或者组合来得到进一步其他的实施方式。
《第1实施方式》
图1是第1实施方式所涉及的开关电源装置101的电路图。图2是通过开关符号来表示图1的电路内的开关元件的电路图。该开关电源装置101具备：具有初级绕组n1以及次级绕组n2的变压器T；与初级绕组n1连接，并包含断续地向初级绕组n1提供直流电压的开关元件Qa的初级侧电路；和包含连接在次级绕组n2与输出端子Po(+)之间的电感器(扼流线圈(choke coil))Lo、对流过次级绕组n2以及电感器Lo的电流进行整流的第1整流元件Q1以及第2整流元件Q2的次级侧电路。第1整流元件Q1是整流侧的整流元件，第2整流元件Q2是换流侧的整流元件。这样构成正向转换器(forward converter)电路。另外，在正的输入端子Pi(+)与负的输入端子Pi(-)连接直流电源。电感器(扼流线圈)Lo与正的输出端子Po(+)或者负的输出端子Po(-)与次级绕组n2之间的电流路径串联连接即可。因此，也可以连接在第1整流元件Q1的源极与输出端子Po(-)之间。这对之后所示的其他实施方式也是同样的。
在初级侧电路的正的输入端子Pi(+)与负的输入端子Pi(-)之间连接输入电容器Ci。此外，在次级侧电路的正的输出端子Po(+)与负的输出端子Po(-)之间连接输出电容器Co。
在次级侧电路的正的输出端子Po(+)与负的输出端子Po(-)之间连接由第3整流元件D3以及第4整流元件D4形成的第1串联电路。在第3整流元件D3以及第4整流元件D4的连接点连接第1电容C1的第1端，在第1整流元件Q1与次级绕组n2的连接点连接第1电容C1的第2端。由上述第1电容C1、第3整流元件D3以及第4整流元件D4构成缓冲电路11。
开关元件Qa、第1整流元件Q1、第2整流元件Q2均为MOS-FET，分别在漏极/源极之间具备体二极管(寄生二极管)。在开关元件Qa的栅极/源极之间连接图外的开关控制电路。第1整流元件Q1在初级侧的开关元件Qa的接通时接通。此外，第2整流元件Q2在初级侧的开关元件Qa的断开时接通。为此，例如，第1整流元件Q1的栅极与次级绕组n2连接，第2整流元件Q2的栅极与次级绕组n2连接。
图3是表示开关电源装置101的在各状态下流过的电流等的图。开关电源装置101的动作如下。
(1)首先，若开关元件Qa以及第1整流元件Q1接通，则如图3的状态(1)所示，电流I1f流过变压器T的初级绕组n1，电流I2f流过次级绕组n2。通过该电流I2f，能量被蓄积在电感器Lo。
然后，如后面所述，由于浪涌电压能量被蓄积在第1电容C1，因此电流I2r按照第1电容C1→次级绕组n2→电感器Lo→负载→第4整流元件D4→第1电容C1的路径流动。由此，暂时蓄积在第1电容C1的浪涌电压能量被再生。
(2)接下来，若开关元件Qa以及第1整流元件Q1断开，则如图3的状态(2)所示，产生由电路的寄生电感的反电动势导致的浪涌。详细来讲，仅在Q1的体二极管的反向恢复时间时间(recovery时间)，电流向相反方向流动，在该反向恢复时间时间的结束之后立刻产生浪涌。通过该浪涌电压，导致电流I2b按照次级绕组n2→第1电容C1→第3整流元件D3→电感器Lo→次级绕组n2的路径流动。由此，浪涌电压能量被蓄积在第1电容C1。
此外，若第2整流元件Q2接通，则如图3的状态(2)所示，通过电感器Lo的蓄积能量，电流I2c经由第2整流元件Q2流动(被换流)。
然后，根据需要，经过开关元件Qa、第1整流元件Q1以及第2整流元件Q2全部断开的死区时间(dead time)之后，返回到状态(1)。
以下，反复上述(1)、(2)的状态。
这样，在第1整流元件Q1的断开时在次级绕组n2产生的浪涌能量被缓冲电路11吸收，其能量之后被再生。
《第2实施方式》
图4是第2实施方式所涉及的开关电源装置102的电路图。图5是通过开关符号来表示图4的电路内的开关元件的电路图。该开关电源装置102具备：具有初级绕组n1以及次级绕组n2的变压器T；与初级绕组n1连接，并包含断续地向初级绕组n1提供直流电压的开关元件Qa的初级侧电路；和包含连接在次级绕组n2与输出端子Po(+)之间的电感器(扼流线圈)Lo、对流过次级绕组n2以及电感器Lo的电流进行整流的第1整流元件Q1以及第2整流元件Q2的次级侧电路。第1整流元件Q1是整流侧的整流元件，第2整流元件Q2是换流侧的整流元件。
与第1实施方式中图1、图2所示的开关电源装置101不同的是第1电容C1的连接位置。在该第2实施方式的开关电源装置102中，在第3整流元件D3以及第4整流元件D4的连接点连接第1电容C1的第1端，在第2整流元件Q2与次级绕组n2的连接点连接第1电容C1的第2端。对于其它部分的结构，与图1、图2所示的开关电源装置101相同。
图6是表示开关电源装置102的在各状态下流过的电流等的图。开关电源装置102的动作如下。
(1)首先，若开关元件Qa以及第1整流元件Q1接通，则如图6的状态(1)所示，电流I1f流过变压器T的初级绕组n1，电流I2f流过次级绕组n2。通过该电流I2f，能够被蓄积在电感器Lo。
此外，通过第2整流元件Q2断开，从而由于电路的寄生电感以及第2整流元件Q2的体二极管的反向恢复时间特性导致产生浪涌。因此，电流I2b按照电感器Lo→第1电容C1→第3整流元件D3→电感器Lo的路径流动。由此，浪涌电压能量被蓄积在第1电容C1。
(2)然后，若开关元件Qa以及第1整流元件Q1断开，则如图6的状态(2)所示，电流I2r按照第1电容C1→电感器Lo→负载→第4整流元件D4→第1电容C1，的路径流动。由此，暂时蓄积在第1电容C1的浪涌电压能量被再生。此外，通过第2整流元件Q2的接通，通过电感器Lo的蓄积能量，电流I2c经由第2整流元件Q2流动(被换流)。
然后，根据需要，在经过开关元件Qa、第1整流元件Q1以及第2整流元件Q2全部断开的死区时间之后，返回到状态(1)。
以下，反复上述(1)、(2)的状态。
这样，在第2整流元件Q2的断开时产生的浪涌能量被缓冲电路12，其能量之后被再生。
《第3实施方式》
图7是第3实施方式所涉及的开关电源装置103的电路图。图8是通过开关符号来表示图7的电路内的开关元件的电路图。该开关电源装置103具备：具有初级绕组n1以及次级绕组n21、n22的变压器T、与初级绕组n1连接的初级侧电路、和与次级绕组n21、n22连接的次级侧电路。
初级侧电路具备：高电平侧(high side)开关元件Qa以及低电平侧(low side)开关元件Qb的串联电路、和电容器Ca、Cb的串联电路，其连接在输入端子Pi(+)-Pi(-)之间。在开关元件Qa、Qb的连接点与电容器Ca、Cb的连接点之间连接变压器T的初级绕组n1。
次级侧电路具备：第1整流元件Q1、第2整流元件Q2、电感器Lo、第3整流元件D3、第4整流元件D4、第5整流元件D5、第6整流元件D6、第1电容C1、第2电容C2。
电感器Lo连接在第1次级绕组n21以及第2次级绕组n22的连接点与输出端子Po(+)之间。第1整流元件Q1与第1次级绕组n21串联连接，第2整流元件Q2与第2次级绕组n22串联连接。这样，构成半桥转换器电路。
由第3整流元件D3以及第4整流元件D4构成第1串联电路，该第1串联电路连接在正的输出端子Po(+)与负的输出端子Po(-)之间。同样地，由第5整流元件D5以及第6整流元件D6构成第2串联电路，该第2串联电路连接在正的输出端子Po(+)与负的输出端子Po(-)之间。
在第5整流元件D5与第6整流元件D6的连接点连接第1电容C1的第1端，在第1整流元件Q1与第1次级绕组n21的连接点连接第1电容C1的第2端。此外，在第3整流元件D3与第4整流元件D4的连接点连接第2电容C2的第1端，在第2整流元件Q2与第2次级绕组n22的连接点连接第2电容C2的第2端。
图9是图7、图8所示的开关电源装置103的各部的波形图。图10是表示开关电源装置103的在各状态下流过的电流等的图。开关电源装置103的动作如下。
(1)首先，通过第1整流元件Q1断开，开关元件Qa以及第2整流元件Q2接通，从而如图10的状态(1)所示，电流I1f流过变压器T的初级绕组n1，电流I2f流过次级绕组n22。通过该电流I2f，从而能量被蓄积在电感器Lo。此外，如后面所述，通过从状态(4)向状态(1)的转移，第1整流元件Q1断开，导致产生基于电路的寄生电感的反电动势的浪涌。因此，电流I2b按照次级绕组n21→第1电容C1→第5整流元件D5→电感器Lo→次级绕组n21的路径流动。由此，浪涌电压能量被蓄积在第1电容C1。
(2)接下来，若开关元件Qa断开，第1整流元件Q1接通，则如图10的状态(2)所示，通过电感器Lo的蓄积能量，电流I2c经由第1整流元件Q1、第2整流元件Q2向次级绕组n21、n22流动。此外，电流I2r按照第1电容C1→次级绕组n21→电感器Lo→负载→第6整流元件D6→第1电容C1的路径流动。由此，暂时被蓄积在第1电容C1的浪涌电压能量被再生。
(3)然后，若开关元件Qb接通，第2整流元件Q2断开，则如图10的状态(3)所示，电流I1f流过变压器T的初级绕组n1，电流I2f流过次级绕组n21。通过该电流I2f，能量被蓄积在电感器Lo。此外，由于第2整流元件Q2的断开，导致产生基于次级绕组n22的反电动势的浪涌。因此，电流I2b按照次级绕组n22→第2电容C2→第3整流元件D3→电感器Lo→次级绕组n22的路径流动。由此，浪涌电压能量被蓄积在第2电容C2。
(4)接着，若开关元件Qb断开，第2整流元件Q2接通，则如图10的状态(4)所示，通过电感器Lo的蓄积能量，电流I2c经由第1整流元件Q1、第2整流元件Q2流向次级绕组n21、n22。此外，电流I2r按照第2电容C2→次级绕组n22→电感器Lo→负载→第4整流元件D4→第2电容C2的路径流动。由此，暂时蓄积在第2电容C2的浪涌电压能量被再生。
以下，反复上述(1)～(4)的状态。
这样，在第1整流元件Q1的断开时在次级绕组n21产生的浪涌能量被缓冲电路11吸收，其能量之后被再生。此外，在第2整流元件Q2的断开时产生的浪涌能量被缓冲电路12吸收，其能量之后被再生。
如以上的3个实施方式所示，根据开关电源装置的变压器的次级侧电路的连接形态(拓扑)，缓冲电路的结构不同，但以下两个方面是共通的：具备在正的输出端子与负的输出端子之间连接的、由2个整流元件D3、D4或者D5、D6形成的串联电路；具备第1端与该2个整流元件的连接点连接，第2端与第1整流元件Q1或者第2整流元件Q2的端部之中不与上述串联电路连接的一个端部连接的电容C1或者C2。
另外，在以上所示的实施方式中，分别由二极管构成第3整流元件D3、第4整流元件D4、第5整流元件D5以及第6整流元件D6，但也可以由MOS-FET等开关元件构成这些。
此外，在以上所示的实施方式中，由MOS-FET构成第1整流元件Q1以及第2整流元件Q2，构成为通过与初级侧电路的开关同步地开关来同步整流，但也可以使用具有相当于MOS-FET的特性的整流元件来构成这些。
-符号说明-
C1…第1电容
C2…第2电容
Ca、Cb…电容器
Ci…输入电容器
Co…输出电容器
D3…第3整流元件
D4…第4整流元件
D5…第5整流元件
D6…第6整流元件
Da…整流用二极管
Db…换流用二极管
Lo…电感器
n1…初级绕组
n2…次级绕组
n21…第1次级绕组
n22…第2次级绕组
Pi(+)…正的输入端子
Pi(-)…负的输入端子
Po(+)…正的输出端子
Po(-)…负的输出端子
Q1…第1整流元件
Q2…第2整流元件
Qa、Qb…开关元件
T…变压器
11、12…缓冲电路
101、102、103…开关电源装置

Claims (7)

1.一种开关电源装置，具备：
变压器，其具有初级绕组以及次级绕组；
初级侧电路，其与所述初级绕组连接，包含断续地向所述初级绕组提供直流电压的开关元件；和
次级侧电路，其包含：与正的输出端子或者负的输出端子和所述次级绕组之间的电流路径串联连接的电感器、和对流过所述次级绕组以及所述电感器的电流进行整流的第1整流元件以及第2整流元件，
所述开关电源装置的特征在于，还具备：
第1串联电路，其连接在正的输出端子与负的输出端子之间，由第3整流元件以及第4整流元件形成；和
第1电容，其第1端与所述第3整流元件以及第4整流元件的连接点连接，第2端与所述第1整流元件或者所述第2整流元件的端部之中不与所述第1串联电路相连的一个端部连接，
所述第1整流元件是相对于所述次级绕组串联连接的整流元件，所述第2整流元件是相对于所述次级绕组并联连接的整流元件，
所述第1电容的第2端与所述第1整流元件和所述次级绕组的连接点连接，
由所述第1串联电路以及所述第1电容构成缓冲电路。
2.一种开关电源装置，具备：
变压器，其具有初级绕组以及被串联连接的第1次级绕组与第2次级绕组；
初级侧电路，其与所述初级绕组连接，包含断续地向所述初级绕组提供直流电压且交替地接通/断开的低电平侧开关元件以及高电平侧开关元件；和
次级侧电路，其包含：与正的输出端子或者负的输出端子和所述第1次级绕组及所述第2次级绕组之间的电流路径串联连接的电感器、对流过所述第1次级绕组以及所述电感器的电流进行整流且与所述第1次级绕组串联连接的第1整流元件、和对流过所述第2次级绕组以及所述电感器的电流进行整流且与所述第2次级绕组串联连接的第2整流元件，
所述开关电源装置的特征在于，还具备：
第1串联电路，其连接在正的输出端子与负的输出端子之间，由第3整流元件以及第4整流元件形成；
第2串联电路，其连接在所述正的输出端子与所述负的输出端子之间，由第5整流元件以及第6整流元件形成；
第1电容，其第1端与所述第3整流元件以及第4整流元件的连接点连接，第2端与所述第1整流元件或者所述第2整流元件的端部之中不与所述第1串联电路相连的一个端部连接；和
第2电容，其第1端与所述第5整流元件和第6整流元件的连接点连接，第2端与所述第2整流元件和所述第2次级绕组的连接点连接，
由所述第1串联电路以及所述第1电容构成第1缓冲电路，由所述第2串联电路以及所述第2电容构成第2缓冲电路。
3.根据权利要求2所述的开关电源装置，其特征在于，
所述第5整流元件以及第6整流元件是二极管元件。
4.一种开关电源装置，具备：
变压器，其具有初级绕组以及次级绕组；
初级侧电路，其与所述初级绕组连接，包含断续地向所述初级绕组提供直流电压的开关元件；和
次级侧电路，其包含：与正的输出端子或者负的输出端子和所述次级绕组之间的电流路径串联连接的电感器、和对流过所述次级绕组以及所述电感器的电流进行整流的第1整流元件以及第2整流元件，
所述开关电源装置的特征在于，还具备：
第1串联电路，其连接在正的输出端子与负的输出端子之间，由第3整流元件以及第4整流元件形成；和
第1电容，其第1端与所述第3整流元件以及第4整流元件的连接点连接，第2端与所述第1整流元件或者所述第2整流元件的端部之中不与所述第1串联电路相连的一个端部连接，
所述第1整流元件是相对于所述次级绕组串联连接的同步整流元件，所述第2整流元件是相对于所述次级绕组并联连接的同步整流元件，
所述第1电容的第2端与所述第2整流元件和所述电感器的连接点连接，
由所述第1串联电路以及所述第1电容构成缓冲电路。
5.根据权利要求1、2、4的任意一项所述的开关电源装置，其特征在于，
所述第1整流元件以及所述第2整流元件是具备体二极管的MOS-FET。
6.根据权利要求1、2、4的任意一项所述的开关电源装置，其特征在于，
所述第3整流元件以及所述第4整流元件是二极管元件。
7.根据权利要求5所述的开关电源装置，其特征在于，
所述第3整流元件以及所述第4整流元件是二极管元件。
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