CN105229926A - 具有共射共基放大器电路的开关电源 - Google Patents

具有共射共基放大器电路的开关电源 Download PDF

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CN105229926A CN201380066095.0A CN201380066095A CN105229926A CN 105229926 A CN105229926 A CN 105229926A CN 201380066095 A CN201380066095 A CN 201380066095A CN 105229926 A CN105229926 A CN 105229926A
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迈克尔·海涅曼
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Phoenix Electric Manufacturing Co
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Phoenix Electric Manufacturing Co
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Abstract

本发明涉及一种开关电源(202)，包括：一开关元件(308)，具有NPN双极晶体管(402)和自导通场效应晶体管(404)，所述双极晶体管(402)及场效应晶体管(404)相互连接，从而形成一共射共基放大器(400)。所述双极晶体管(402)电连接至变压器(504)的一线圈(502)，所述变压器(504)的另一线圈(508)电连接至所述双极晶体管(402)的基极连线(408)。

Description

具有共射共基放大器电路的开关电源
技术领域
本发明涉及一种开关电源。
背景技术
开关电源具有开关元件，用于对变压前的已整流且或许已经经过平滑处理的电压斩波。斩波后的电压在变压后被进一步整流，且还可进一步接受平滑处理。
用作100～1000V范围内直流电压的电压开关元件的单个开关或多个并联开关为高压开关。所有种类的金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)以及双极晶体管均可用于此目的。然而，现代高压MOSFET在20～200kHz的开关频率范围内工作时，其开关损耗及线路损耗随频率升高而显著增大。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种开关损耗较小的开关电源。
所述目的可由具有本发明独立权利要求所述特征的技术方案实现。其优选实施方式见于从属权利要求的技术方案、说明书及附图。
本发明基于如下认识：通过将不同类型的晶体管结合，可在不显著增大导电损耗的同时，使得开关损耗最小化。
根据第一方面，所述目的由一种开关电源实现。所述开关电源包括一开关元件。其中，所述开关元件具有一双极晶体管和一场效应晶体管，所述双极晶体管及场效应晶体管相互连接，从而形成一共射共基放大器。其所实现的技术优点在于，可将所述场效应晶体管的优点，尤其是开关速度较快的优点与所述双极晶体管的优点，尤其是反向电压较高的优点相结合，从而使得开关损耗最小化。
在一优选实施方式中，所述双极晶体管为NPN晶体管。其所实现的技术优点在于，所使用电子元件的高质量产品货源较为充足。
在一优选实施方式中，所述场效应晶体管为自导通场效应晶体管，其所实现的技术优点同样在于，所使用电子元件的高质量产品货源较为充足。
在一优选实施方式中，所述双极晶体管的发射极连线以可导电方式与所述场效应晶体管的漏极连线相连接。其所实现的技术优点在于，可使得所述场效应晶体管与所述双极晶体管相互串联连接。由于所述场效应晶体管的内部电阻(Rdson)较小，例如，小于1mΩ，所实现的共射共基放大器的内部电阻只略微有所增大。
在一优选实施方式中，所述共射共基放大器在导通时处于自保持状态。其所实现的技术优点在于，控制系统只需提供一短暂交流信号，便可使所述共射共基放大器从未导通状态转变为导通状态。
在一优选实施方式中，为了实现所述自保持，所述双极晶体管的发射极连线以可导电方式与一辅助变压器的一线圈相连接，所述辅助变压器的另一线圈以可导电方式与所述双极晶体管的基极连线相连接。其所实现的技术优点在于，可从所述辅助变压器获得用于驱动所述双极晶体管的电压，从而无需另外配备用于提供此电压的能量源。
在一优选实施方式中，在所述另一线圈与基极连线之间以可导电方式绕接有一转换器单元。其所实现的技术优点在于，可实现与所述双极晶体管相匹配的电压，该电压可以为已经经过平滑处理和/或已经经过缓冲处理的电压。如此，可使得所述开关电源获得极其可靠的工作性能。
在一优选实施方式中，为了实现所述自保持，提供一开关电源变压器，所述开关电源变压器具有可导电方式连接于所述转换器单元上的中心抽头。其所实现的技术优点在于，只需对变压器进行改造，而无需额外配备变压器，从而达到进一步简化设计的效果。
在一优选实施方式中，所述开关电源变压器具有一线圈以可导电方式与所述开关元件相连接，所述中心抽头属于该线圈。其所实现的技术优点在于，可将所述转换器改造得极其简单，从而达到更进一步简化设计的效果。
在一优选实施方式中，所述开关电源为初级开关电源。其所实现的技术优点在于，可使得所述开关电源工作频率较高且结构小巧。
在一优选实施方式中，所述开关电源具有一输入整流器，该输入整流器具有一电源连线，用于以可导电方式与一电源相连接。其所实现的技术优点在于，可将所述开关电源连接至用于提供电能的电源，而不产生任何问题。其中，所述电源提供交流电压。
在一优选实施方式中，所述开关元件具有一输入端，该输入端以可导电方式与所述输入整流器的一输出端相连接。其所实现的技术优点在于，使得所述开关元件可对由所述输入整流器整流后的电压进行斩波，从而形成斩波后电压。
在一优选实施方式中，所述开关电源具有一转换器，该转换器具有以可导电方式与所述开关元件的一输出端相连接的一输入端。其所实现的技术优点在于，可将所述斩波后电压升压或降压至另一电平。
在一优选实施方式中，所述开关电源具有一输出整流器，该输出整流器具有一输入端(342)以可导电方式与所述转换器的一输出端相连接。其所实现的技术优点在于，可使所述开关电源可提供整流后电压。
根据第二方面，所述目的由具有此种开关电源的电气组件实现。其所实现的技术优点在于，可将场效应晶体管的优点，尤其是开关速度较快的优点以及双极晶体管的优点，尤其是反向电压较高的优点相结合，从而使得开关损耗最小化。
根据第三方面，所述目的通过使用一种共射共基放大器电路实现。其所实现的技术优点在于，可将场效应晶体管的优点，尤其是开关速度较快的优点以及双极晶体管的优点，尤其是反向电压较高的优点相结合，从而使得开关损耗最小化。
根据第四方面，所述目的由一种共射共基放大器电路驱动方法实现。其所实现的技术优点在于，可将场效应晶体管的优点，尤其是开关速度较快的优点以及双极晶体管的优点，尤其是反向电压较高的优点相结合，从而使得开关损耗最小化。
附图说明
以下通过参考附图，对其他例示性实施方式进行描述。所述附图中：
图1为电气组件立体图；
图2为带有供电元件的载体的立体图；
图3为开关电源示意图；
图4为图3中开关电源的共射共基放大器的电路图；
图5为另一共射共基放大器电路图；
图6为另一开关电源示意图；
参考符号列表
100电气组件
102外壳
104后侧面
106卡锁装置
108顶帽式导轨
200供电元件
202开关电源
204电气元件
206多层载体
300输入整流器
302电源滤波器
304二极管
306平滑电容器
308开关元件
310输出端
312转换器
314铁氧体磁芯变压器
316输出整流器
318二极管
320平滑电容器
322控制器
324控制回路
326光电耦合器
328控制系统
330电源连线
332输出端连线
334输入端
336输出端
338输入端
340输出端
342输入端
400共射共基放大器
402双极晶体管
404场效应晶体管
406集电极连线
408基极连线
410发射极连线
412漏极连线
414栅极连线
416源极连线
500输入端
502线圈
504辅助变压器
506输出端
508线圈
510转换器单元
512输出端
600开关电源变压器
602线圈
604线圈
606中心抽头
具体实施方式
图1所示为作为电气组件100的例示性实施例的开关电源。电气组件100具有外壳102。在本例示性实施例中，所述外壳102具有设于其后侧面104的卡锁装置106。所述外壳通过该卡锁装置卡锁于顶帽式导轨108上。
图2所示为电气组件100的供电元件200的例示性实施例。在本例示性实施例中，供电元件200为开关电源202。
在本例示性实施例中，供电元件200包括设置于一载体206上的多个电气元件204。在本例示性实施例中，所述多个电气元件204以相应方式相互连接。
图3所示为开关电源202设计原理的例示性实施例。开关电源202具有用于和电源电压连接的电源连线330。所述电源电压例如为频率50Hz的230V电压。开关电源202还具有可与电气负载(未图示)连接的输出端连线332。
在本例示性实施例中，开关电源202具有输入整流器300，用于对所述供电电压进行整流及平滑处理。为实现此目的，输入整流器300具有：电源滤波器302，二极管304或桥式整流器，以及平滑电容器306，在本例示性实施例中，该平滑电容器例如为电解电容器。
所述电压经过整流及平滑处理后被斩波。为实现此目的，在本例示性实施例中，开关电源202具有开关元件308，所述开关元件具有与输入整流器300的输出端336以可导电方式连接的输入端334。
所述被斩波的电压随后由转换器312进行变压。为实现此目的，在本例示性实施例中，转换器312具有与开关元件308的输出端340以可导电方式连接的输入端338。此外，在本例示性实施例中，所述转换器312还具有铁氧体磁芯变压器314，从而实现所述开关电源202的输出端和输入端之间的电流隔离(galvanicisolation)。
所述变压后的电压，由输出整流器316对其再次实施整流及平滑处理。输出整流器316具有与转换器312的输出端310以可导电方式连接的输入端342。为了实现此目的，输出整流器316具有：二极管318或桥式整流器，以及第二平滑电容器320，在本例示性实施例中，该第二平滑电容器例如为电解电容器。
此外，在本例示性实施例中，开关电源202还具有控制器322。在本例示性实施例中，控制器322通过实施脉冲宽度调制或脉冲相位控制，从而保证除了开关电源202自身的损耗之外，所有流入开关电源202的能量均被传送至电气负载。
所述控制器322设置于控制回路324中。在本例示性实施例中，控制回路324连接开关电源202的输入和输出两端。在本例示性实施例中，所述开关电源还包括光电耦合器326，用于将控制回路324与所述电源进行电流隔离。
最后，开关电源202具有控制系统328，用于驱动开关元件308，使开关元件308从导通状态进入未导通状态，或从未导通状态进入导通状态。
在本例示性实施例中，开关元件308设于铁氧体磁芯变压器314的初级电路内，从而使得开关电源202在本例示性实施例中为初级开关电源。或者，也可将开关元件308设于铁氧体磁芯变压器314的次级电路内，从而使所述开关电源成为次级开关电源。
图4所示为本例示性实施例中具有共射共基放大器400的开关元件308。
在本例示性实施例中，共射共基放大器400具有相互串联的双极晶体管402以及场效应晶体管404。双极晶体管402具有集电极连线406，基极连线408，以及发射极连线410。场效应晶体管404具有漏极连线412，栅极连线414，以及源极连线416。在本例示性实施例中，双极晶体管402为NPN晶体管。此外，在本例示性实施例中，双极晶体管402具有400～1000V的直流反向电压。在本例示性实施例中，场效应晶体管404为N型场效应晶体管，例如为MOSFET。在本例示性实施例中，场效应晶体管404具有10～30V的直流反向电压。此外，在本例示性实施例中，场效应晶体管404为自导通场效应晶体管。
在本例示性实施例中，为使双极晶体管402与场效应晶体管404相互串联，双极晶体管402的发射极连线410直接与场效应晶体管404的漏极连线412以可导电方式相互连接。
此外，集电极连线406以可导电方式连接于第一整流器300的输出端336，源极连线416以可导电方式连接于转换器312的铁氧体磁芯变压器314的输入端342。
此外，在本例示性实施例中，双极晶体管402的基极连线408以及场效应晶体管404的栅极连线414以可导电方式连接于控制系统328。
在操作过程中，双极晶体管402被控制系统328驱动而进入导通状态。由于场效应晶体管404为自导通场效应晶体管，此时共射共基放大器400自导通。为了使共射共基放大器400进入未导通状态，控制系统328驱动场效应晶体管404，使其漏极电压进而双极晶体管402的发射极电压升至超出基极连线408上所施加的电压(相对于地)。从而使双极晶体管402基极内的载流子耗尽，双极晶体管402进入高反向电压的未导通状态。
图5所示为共射共基放大器400的另一例示性实施例。
图5所示共射共基放大器400除了其双极晶体管402的发射极连线410以可导电方式连接至辅助变压器504的线圈502的输入端500上，而且漏极连线412以可导电方式连接至辅助变压器504的线圈502的输出端506上之外，其设计与图4所示共射共基放大器400完全相同。在本例示性实施例中，辅助变压器504还具有与第一线圈502磁耦合的第二线圈508。第二线圈508以可导电方式连接至转换器单元510，该转换器单元510对第二线圈508的感应电压进行变压，并可选对其进行平滑处理。转换器单元510具有以可导电方式与双极晶体管402的基极连线408相连接的输入端512。
在操作过程中，当共射共基放大器400处于导通状态时，所述变压器的第一线圈502内有电流流过，从而使得变压器504的第二线圈508内产生感应电压。该电压经转换器单元510变压后，作为驱动信号施加至双极晶体管402的基极连线408上，使得双极晶体管402保持导通状态，从而使共射共基放大器400工作于自保持状态下。此自保持使得共射共基放大器400保持导通，因此控制系统328只需提供一短暂致变信号便可使共射共基放大器400从未导通状态转变为导通状态。本例示性实施例中将共射共基放大器400从导通状态转变为未导通状态的方式与图4所示例示性实施例中的方式相同。
图6所示为开关电源202的另一例示性实施例。
图6所示开关电源202除了转换器312具有开关电源变压器600之外，其设计与图3所示开关电源202完全相同。所述电源变压器600具有第一线圈602及第二线圈604。其中，在本例示性实施例中，第一线圈602还具有以可导电方式与转换器单元510相连接的中心抽头606，而且所述转换器单元的输出端512也以可导电方式连接。因此，相比于图5所示上述例示性实施例，本例示性实施例不具有辅助变压器504。
在操作过程中，当共射共基放大器400处于导通状态时，所述变压器的第一线圈602内有电流流过，从而使得开关电源变压器600的第二线圈604内产生感应电压。该电压经转换器单元510变压后，作为驱动信号施加至双极晶体管402的基极连线408上，使得双极晶体管402保持导通状态，从而同样使共射共基放大器400工作于自保持状态下。本例示性实施例中将共射共基放大器400从导通状态转变为未导通状态的方式与图4所示例示性实施例中的方式相同。

Claims (15)

1.一种开关电源(202)，其特征在于，包括：
-一开关元件(308)，其中，
-所述开关元件(308)具有一双极晶体管(402)和一场效应晶体管(404)，所述双极晶体管(402)及场效应晶体管(404)相互连接，从而形成一共射共基放大器(400)。
2.如权利要求1所述的开关电源(202)，其特征在于，所述双极晶体管(402)为NPN晶体管。
3.如权利要求1或2所述的开关电源(202)，其特征在于，所述场效应晶体管(404)为自导通场效应晶体管。
4.如上述权利要求中任何一项所述的开关电源(202)，其特征在于，所述双极晶体管(402)的发射极连线(410)以可导电方式与所述场效应晶体管(404)的漏极连线(412)相连接。
5.如上述权利要求中任何一项所述的开关电源(202)，其特征在于，所述共射共基放大器(400)在导通时处于自保持状态。
6.如权利要求5所述的开关电源(202)，其特征在于，为了实现所述自保持，所述双极晶体管(402)的发射极连线(410)以可导电方式与一辅助变压器(504)的一线圈(502)相连接，所述辅助变压器(504)的另一线圈(508)以可导电方式与所述双极晶体管(402)的基极连线(408)相连接。
7.如权利要求6所述的开关电源(202)，其特征在于，在所述另一线圈(508)与基极连线(408)之间以可导电方式绕接有一转换器单元(510)。
8.如权利要求5所述的开关电源(202)，其特征在于，为了实现所述自保持，提供一开关电源变压器(600)，所述开关电源变压器(600)具有可导电方式连接于所述转换器单元(510)上的中心抽头(606)。
9.如权利要求8所述的开关电源(202)，其特征在于，所述开关电源变压器(600)具有一线圈(602)以可导电方式与所述开关元件(308)相连接，所述中心抽头(606)属于该线圈(602)。
10.如上述权利要求中任何一项所述的开关电源(202)，其特征在于，所述开关电源(202)为初级开关电源。
11.如上述权利要求中任何一项所述的开关电源(202)，其特征在于，所述开关电源(202)具有一输入整流器(300)，该输入整流器具有一电源连线(330)，用于以可导电方式与一电源相连接。
12.如权利要求11所述的开关电源(202)，其特征在于，所述开关元件(308)具有一输入端(334)，该输入端以可导电方式与所述输入整流器(300)的一输出端(336)相连接。
13.如权利要求12所述的开关电源(202)，其特征在于，所述开关电源具有一转换器(312)，该转换器具有以可导电方式与所述开关元件(308)的一输出端(340)相连接的一输入端(338)。
14.如权利要求13所述的开关电源(202)，其特征在于，所述开关电源具有一输出整流器(316)，该输出整流器具有一输入端(342)以可导电方式与所述转换器(312)的一输出端(310)相连接。
15.一种具有上述权利要求中任何一项所述的开关电源(202)的电气组件(100)。
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