CN1053154A - 开关电源设备及其隔离方法 - Google Patents

Abstract

一种开关电源设备包括由来自直流电源(E)的 直流电压供电的高频开关电源电路(1)。包括在高频 开关电源电路中的开关元件(S1，S2)，响应控制信号 而交替导通，由此产生高频功率。该高频功率经由电 容器(C1，C2)形成的隔离层(45)传输至频率变换电 路(7)，在该电路中，高频功率变换成直流电后提供给 负载电路(4)。于是，不需要通常使用的变压器，在隔 离电路(20)中不产生铁损和铜损，因此允许设备制得 更小型而轻巧。

Description

本发明一般地涉及开关电源设备及其隔离方法。更具体地，本发明涉及一种其中输出声频段以上高频（HF）功率的高频开关电源电路经一隔离电路连接到负载的开关电源设备及其隔离方法。

通常，对于一个使用HF开关电源电路的开关电源设备，为了不产生刺耳的声音噪声，它的工作频率（开关频率）通常选择成高于声频频段，即，高于20KHZ。近年来，由于功率固态器件已经大大改进，工作频率增加到几MHZ。这种在工作频率上的改进可以使开关电源设备制作得更小型和轻型，这有利于减少用于隔离的HF变压器的绕组和减小磁和电抗元件的尺寸。因而，使得工作频率更高的技术对于制作更小型和轻型的开关电源设备是必不可少的。

图1是表示常规的开关电源设备的示意图。参见图1，直流（DC）电源E连接到HF开关电源电路1。HF开关电源电路1包括串联的第一和第二电容器C  S1和C  S2以及一与该串联电容器C  S1和C  S2并联的串联高速开关元件S1和S2。每个开关元件S1和S2由包含续流二极管的功率MO  SFET组成。控制脉冲由控制电路（未图示）提供给开关元件S1和S2的每个控制端（栅极）。

隔离电路2的初级端A和B分别连到电容器C  S1和C  S2间的节点A1和HF开关电源电路1的开关元件S1和S2之间的节点B1。隔离电路2例如包括HF变压器T。隔离电路2的次级侧的端子C和D连接到包括高速二极管的频率变换电路7，然后，负载电路4连到频率变换电路7的输出侧。上述HF变压器在初级端A和B及次级端C和D之间形成一隔离层（isolation  barrier）44。

下面，叙述示于图1的常规开关电源设备的工作。当控制脉冲交替提供给开关元件S1和S2的控制端时，这些开关元件S1和S2依次导通，使得隔离电路2的初级端A和B之间的电压相应反相，由此产生HF功率。通过磁场的媒介，该HF功率经隔离电路2的HF变压器T传输给次级端C和D。即，借助于磁场，HF功率经隔离层44传输给频率变换电路7侧。这个HF功率由频率变换电路7频率变换成DC功率并提供给负载电路4。

如上所述，常规的开关电源设备的隔离电路用的是HF变压器T。但是，当变压器由HF电流激励时，变压器损失增加。这个变压器损失包括由于磁性材料带来的铁损和由于绕组等带来的铜损。这种随工作频率的增加而增加的损失不仅降低了开关电源设备的功率转换效率，而且还产生了对于损失产生的热辐射要采取相应措施等问题。

另外要指出的是关于电磁干扰问题，例如，由于来自HF变压器T的辐射电磁场，其它电子设备受到噪声的干扰。因此，为了消除由HF变压器产生的干扰噪声，要提供一个磁屏蔽。但是与静电屏蔽相比较，要获得较高的对磁场的屏蔽效果通常是困难的，因而原来，通过屏蔽消除来自HF变压器T的辐射噪声常常是根据经验的技术诀窍来进行的，这是要解决的最困难的问题之一。

而且理论上，HF变压器要求象铜线制的绕组和磁性材料如铁氧体或非晶钴制的芯这样一些苯重的部件，它妨碍制造更小型和轻型的开关电源设备。

因此，本发明的主要目的是提供一种损耗能够减少的开关电源设备及其隔离方法。

本发明的另一个目的是提供一种由于没有来自HF变压器对其它电子设备的干扰辐射噪声、从而改善电磁干扰问题的开关电源设备及其隔离方法。

本发明的进一步目的是提供一种适于制得更小型和轻型的开关电源设备及其隔离方法。

简单地说，本发明是具有经包括一对电容器的隔离电路将输出高于声频的HF功率的HF开关电源电路连接到负载的开关电源设备。

因而，按照本发明，与由磁性材料和绕组形成的常规的隔离电路相比，HF交变磁场产生的可能性大为减少，从而，铁损和铜损难于产生。进而，实际上可以避免使用形成HF磁通的绕组，从而HF漏磁通难以产生。

按照本发明的较佳实施例，转换HF功率频率的频率转换电路连接在负载和隔离电路之间。

另外，按照本发明的最佳实施例，一个共模扼流圈（common  modechoke）连接在隔离电路和频率转换电路之间或隔离电路与负载之间。

当本发明参照附图作详细说明后，本发明的上述及其它目的、特点、情况和优点将变得更为清楚。

图1是表示常规的开关电源设备一个例子的电路图。

图2是表示本发明的第一个实施例的电路图。

图3是表示本发明的第二个实施例的电路图。

图4是表示本发明的第三个实施例的电路图。

图5是表示本发明的第四个实施例的电路图。

图6是表示本发明的第五个实施例的电路图。

图7是表示本发明的第六个实施例的电路图。

图8是表示本发明的第七个实施例的电路图。

图9是表示本发明的第八个实施例的电路图。

图10是表示本发明的第九个实施例的电路图。

图2是表示本发明的第一个实施例的电路图。参见图2，直流电源E，HF开关电源电路1，负载电路4和频率变换电路7与上述图1所示相似。隔离电路20包括一对电容C1和C2及初级端A和B与次级端C和D之间形成的隔离层45。该隔离层45使次级端C和D对于初级端A和B电悬浮。初级端A连接到HF开关电源电路1中的电容C  S1和C  S2间的节点A1，而初级端B连到开关元件间的节点B1。次级端C和D连到频率变换电路7。然后，输入隔离电路20初级侧的HF功率使用作为媒介的电场，经隔离层45传输至次级侧。即，HF功率借助于电场经隔离层45传输到频率变换电路7侧。该HF功率由频率变换电路7频率变换成DC功率，然后提供给负载电路4。

下面叙述示于图2的实施例的工作。现在，为了提供HF功率给频率换电路7，具有例如开关频率为400KHZ的控制脉冲交替提供给第一和第二开关元件S1和S2的控制端。响应该控制脉冲，开关元件S1和S2交替导电或导通，使得400KHZ的近似于方波或完全的方波交流电压提供给隔离电路20的初级端A和B。

下面，更详细叙述HF开关电源1的逆变器的工作。首先，在1μs的时间中，开关元件S1的控制端导通而开关元件S2的控制端关闭。当响应控制端的控制脉冲，确立开关元件S1的导通状态和开关元件S2的截止状态时，电容C  S1的电压在节点A1和B1间输出。

然后，当开关元件S1的控制端关闭而开关元件S2的控制端导通时，输出电压的极性相反。但是，在此以前，提供一个停滞时间（dead  time）用于关闭开关元件S1和S2所有的控制端0.25μs，以防止分路（支路）短路。这是为了防止由于开关元件S1和S2的贮存时间而引起的开关元件S1和S2的同时导通，而不管控制端的控制脉冲信号的存在，这样支路短路被防止。于是，在停滞期间，所有控制元件S1和S2的控制端关闭。当然，这个停滞时间应该比所使用的开关元件的开关时间长。在本实施例中，开关元件S1和S2从导通状态进入截止状态或相反所需的时间，即所谓开关时间置为大约0.15μs。在停滞时间期间，输出电压是在非控制期间，输出电压的极性取决于开关元件S1和S2的开关特性和负载电流等，它们是不确定的。这个停滞时间是低频分量电压产生的原因之一。

在停滞时间结束后的1  μs时间，开关元件S1的控制端关闭而开关元件S2的控制端导通。当开关元件S1截止和开关元件S2的导通状态确定时，电容C  S2的电压提供到节点A1和B1之间且节点A1相对于节点B1变成负。此后，再次提供0.25μs停滞时间。

通过重复上述动作，400KHZ  HF电压输出至节点A1和B1，HF电压通过隔离层45提供给频率转换电路7，通过频率变换电路7，输入到频率转换电路7的HF功率变换成DC功率。这里电容C1和C2相对于在节点A1和B1间输出的400KHZ  HF电压是低阻抗，因而，电容C1和C2几乎不妨碍HF功率的传输。

但是，电容C1和C2形成的隔离层45对DC提供的是基本上无限大的阻抗。而且，电容C1和C2每个都对于市电频率（50HZ或60HZ）产生高阻抗。即，由于电容的阻抗值反比于频率，电容C1和C2的阻抗值在50HZ时变得很大，是400KHZ时的8000倍（400KHZ/50HZ＝8000）。因此，电能的小量泄漏例如一信号相对于低频的少量泄漏在开关电源设备中可以忽略。所以，通过采用HF操作，按照本发明的隔离电路20可以用作DC电源和市电电源的隔离电路。但是，如果HF开关电源电路1的输出频率与市电频率相比不太高或等于或小于声频，例如大约400HZ，则输出频率与市电频率的频率比低至400HZ/50HZ＝8∶1，则形成层45的电容C1和C2不可避免地具有大的容量，由此，不可能把这个隔离电路用作市电电源的隔离电路。

如上所述，通过使负载电路4电悬浮的隔离层45，HF功率很容易地传输到频率转换电路7。

另一方面，隔离层45很难允许DC或低频功率通过。

图3是表示本发明的第二个实施例的电路图。在示于图3的实施例中，示于图2输入侧的直流电源E由一个相当于市电频率的交流（AC）电源EAC代替，一个用于整流交流电EAC的整流电路8设置在HF开关电源电路1的输入侧，而其它部分与图2所示相同。这个实施例的工作除在输入侧的交流电源EAC被全波整流外，其余均与上述图2的相同，因此，不作详细说明。

在图2所示的实施例中，HF开关电源电路1包括电容C1和C2及开关元件S1和S2，HF开关电源电路不限于此，其它的HF开关电源电路也可应用。相似地，频率转换电路7和负载电路4也不限于图2所示的。

如上所述，按照本发明的实施例，由于在HF开关电源电路中产生的HF功率经包括电容器的隔离电路提供给负载，因而几乎不发生铁损或铜损。另外，在隔离电路上的主要损耗仅是介电损耗，理论上损耗能有效减少，尤其是使用具有极小介质损耗正切的电容器例如聚丙烯薄膜电容器。而且，由于不使用高频变压器，不产生辐射噪声，由此，能获得所希望的电磁环境。另外，由于不使用像HF变压器那样的苯重部件，设置能做得小而轻。

图4是本发明第三个实施例的电路图。示于图4的实施例除了在隔离电路20和频率转换电路7之间的功率线上提供包括共模扼流圈的滤波电路5外，示于图4的实施例与上述图2的实施例结构相同。在电源输入侧地与输出负载侧地之间阻抗是无限大，即输入/输出的地是彼此完全电独立的，滤波电路5基本上是不必要的。但是，如果输入和输出地间的阻抗对于HF开关电源电路1的开关频率不高，则滤波电路5起重要作用。例如，在输入和输出地之间的阻抗对于HF开关电源电路1的开关频率是低阻抗时，如不用滤波电路5，则响应HF开关电源电路1的开关动作，一个大的脉动共模电流将经输入和输出地流到隔离电路20。结果，形成隔离层的电容C1和C2的电荷量突然波动。因而，大的脉冲电流流至开关元件S1和S2，引起这些开关元件S1和S2的击穿。

但是，如图4所示，上述问题可以通过提供滤波电路5而加以解决。具体地说，如果形成滤波电路5的共模扼流圈的电感值对于HF开关电源电路1的开关频率是高阻抗，则在HF开关电源电路每次被开关时经隔离电路20流过输入和输出地之间的HF共模电流能被滤波电路5有效地抑制。

因而，由于滤波电路5，电容C1和C2的电压不会由于共模的HF电流而突然波动，使得形成隔离层45的电容C1和C2的电压稳定。在共模扼流圈是完全紧耦合时，理论上，滤波器5不起正常模式（the  normal  mode）中的阻抗作用。即，在正常模式中，共模扼流圈是零阻抗。因此，由HF开关电源电路1至频率转换电路7的正常模式的HF功率的传输基本上不会被滤波电路所阻断。

换句话说，滤波电路5相对于在节点A1和B1间输出的400KHZ正常模式的HF电压理论上呈现零阻抗，因而提供滤波电路5不会妨碍HF功率的传输。另外，即使在共模扼流圈中存在一些正常模式的阻抗，也不会对HF功率的传输产生严重的问题。

滤波电路5可以与图4的第三实施例类似连接在电流电源E和HF开关电源电路1之间或连接在HF开关电源电路1和隔离电路2之间。

图5是表示本发明的第四个实施例的电路图。示于图5的实施例与图4的差别在于，图4中的频率变换电路省略且输入电源侧即直流电源E连到地G1而输出负载侧即负载电路4连至地G2以及地G1和地G2经阻抗Z相互连接。在本实施例的滤波电路5中，共模电感值相对于HF开关电源电路1的开关频率是高阻抗，这与图4相似。这样，形成隔离层45的电容器的电压不会响应HF开关电源电路1的开关而突然变化，使得即使输入和输出地G1和G2之间的阻抗Z是低阻或零阻抗，流经隔离层45和阻抗Z的HF共模电流能由滤波电路5有效阻断。因而，由于滤波电路5，电容器C2的电压不会突然波动，使得形成隔离层45的电容器C1和C2的电压是稳定的。

图6是表示本发明的第五个实施例的电路图。在示于图6的实施例中，滤波电路5和频率转换电路7与示于图4的实施例的连接颠倒。与示于图4的实施例相似，本实施例的滤波电路5中，共模扼流圈电感值相对于HF开关电源电路1的开关频率是高的。结果，在HF开关电源电路1每次开关时，流经隔离层45的共模电流被形成滤波电路5的共模扼流圈有效阻断。因而，由于有滤波电路5，电容器C1和C2的电压不会突然波动，使得形成隔离层45的电容C1和C2的电源是稳定的。

图7是表示本发明的第六个实施例的电路图。在示于图7的实施例中，图6的滤波电路5由包括电抗器L1和L2的滤波电路50所代替。滤波电路50用于抑制共模电流，这与示于图4至图6的实施例的滤波电路5相似。即，如果形成滤波电路50的电抗器L1和L2的电感值相对于HF开关电源电路1的开关频率是高阻抗，则经隔离电路20在输入和输出地间流过的HF共模电流被滤波电路50有效抑制。

因而，由于滤波电路50，电容器C1和C2的电压不会由于HF共模电流而突然波动，因而使形成隔离层45的电容C1和C2的电压稳定。另外，由于滤波电路50理论上在正常模式中起阻抗作用，它也起使从HF开关电源电路1输出并传输到频率转换电路7的正常模式的HF功率平滑的滤波器作用。

图8是表示本发明的第七个实施例的电路图。示于图8的实施例与图3不同在于，包括共模扼流圈的滤波电路5连接示于图3的AC电源EAC和HF开关电源电路10之间的AC电源线上。也是在这个实施例中，共模扼流圈的值对于HF开关电源电路1的开关频率是高阻抗。结果，电容器C1和C2的电压不会突然波动，使得形成隔离层45的电容器的电压稳定。不限于图8的实施例，电路5可以连接到HF开关电源电路10和隔离电路20之间、隔离电路20和频率转换电路7之间或频率转换电路7和负载4之间。

图9是表示本发明第八个实施例的电路图。在图9的实施例中，上述示于图8的包括共模扼流圈的滤波电路5由包括一对电抗器L1和L2的滤波电路50所代替。这个滤波电路50用作扼制共模电流，这与示于图8的滤波电路5相似。

不限于图9的实施例，电路50能够连接在频率转换电路7和负载4之间。

图10是表示本发明的第九个实施例的电路图。示于图10的实施例的结构和工作除了示于图9的频率转换电路没有提供外其余均与图9的相同，因此，将不作详细说明。

如上所述，根据示于图4至图10的实施例，通过连接滤波电路，有可能有效防止响应开关电源设备的开关元件的开关动作而产生的、经输入和输出地流动的共模HF电流。结果，即使输入和输出地间的阻抗为零，即，输入和输出接地相同，滤波电路也对HF开关电源的开关频率呈现高阻抗，由此，流经输入和输出接地的HF共模电流不能通过隔离电路。因此，由于滤波电路，隔离电路的电容器的电压不会因为共模HF电流而突然波动，从而形成隔离层的电容的电压是稳定的。另外，滤波电路防止脉动共模电流，使得开关元件的击穿得以避免。

虽然本发明已经详细叙述和说明，容易理解，所举的例子仅仅为了说明而不是限制，本发明的精神和范围仅受所附权项的限制。

Claims (21)

1、一种提供功率至负载的开关电源设备，负载经隔离装置连接到高频开关电源装置输出端，所述高频开关电源装置用于把电源的功率进行频率转换，输出比所述电源频率高的高频功率，其特征在于，所述的隔离装置包括在所述高频开关电源装置的输出和所述负载之间形成隔离层(45)的电容器。

2、一种用于提供功率至负载的开关电源设备包括：

一直流电源（E）;

响应具有高于声频频率的脉冲信号，把从来自所述直流电源的直流电功率变换成高频功率输出的高频开关电源装置（1）;以及，

隔离装置（20），它包括由连接在所述高频开关电源装置的输出和所述负载之间的电容器形成的隔离层。

3、如权利要求2所述的开关电源设备，其特征在于进一步包括，连接在所述负载和所述隔离装置之间、用于转换所述高频功率的频率转换装置（7）。

4、如权利要求3所述开关电源设备，其特征在于进一步包括，用于抑制或阻断流经所述隔离层的共模电流的滤波装置（5、50）。

5、如权利要求4所述的开关电源设备，其特征在于，所述的滤波装置包括用于增加共模阻抗的共模扼流圈（5）。

6、如权利要求5所述的开关电源设备，其特征在于，所述的共模扼流圈连接在所述隔离装置和所述频率转换装置之间。

7、如权利要求5所述的开关电源设备，其特征在于，所述共模扼流圈连接在所述隔离装置和所述负载之间。

8、如权利要求4所述的开关电源设备，其特征在于所述的滤波装置包括一对用于阻止共模电流流动的电抗器（50）。

9、如权利要求8所述的开关电源设备，其特征在于，所述的电抗器连接在所述频率转换装置和所述负载之间。

10、一种用于提供功率至负载的开关电源设备，其特征在于包括：

一交流电源（EAC），

响应具有声频以上频率的脉冲信号、把所述交流电源的交流功率变成高频功率输出的高频开关电源装置（10），和

隔离装置（20），它包括连接在所述高频开关电源装置的输出和所述负载间、形成隔离层的电容器。

11、如权利要求10所述的开关电源设备，其特征在于进一步包括，连接在所述负载和所述隔离装置之间、用于变换所述高频功率的频率变换装置（7）。

12、如权利要求11所述的开关电源设备，其特征在于进一步包括，用于抑制或阻断流经所述隔离层的共模电流的滤波装置（5，50）。

13、如权利要求12所述的开关电源设备，其特征在于，所述滤波装置包括用于增加共模阻抗的共模扼流圈（5）。

14、如权利要求13所述的开关电源设备，其特征在于所述的共模扼流圈连接在所述交流电电源和所述高频开关电源装置之间。

15、如权利要求12所述的开关电源设备，其特征在于，所述滤波装置包括一对用于抑止共模电流流动的电抗器（50）。

16、如权利要求15所述的开关电源设备，其特征在于，所述电抗器连接在所述交流电源和所述高频开关电源装置之间。

17、一种开关电源设备的隔离方法，其特征在于包括下述步骤：

把来自电源的功率变换成高于该电源频率的高频功率;和

经由电容器形成的隔离层传输所述高频功率。

18、一种开关电源设备的隔离方法，其特征在于包括下述步骤：

把来自电源的功率变换成声频以上的高频功率;

经由电容器形成的隔离层传输所述高频功率;和

把经所述隔离层传输的所述高频功率变换成低频功率。

19、如权利要求17或18所述的隔离方法，其特征在于进一步包括，抑制流经所述隔离层的共模电流。

20、如权利要求19所述的隔离方法，其特征在于，所述的抑制步骤是使用共模扼流圈进行的。

21、如权利要求19所述的隔离方法，其特征在于，所述抑制步骤是使用一对电抗器进行的。

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