CN106160521A - 电源供应器 - Google Patents

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林宏盛
陈奉殷
廖泰傑
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Abstract

一种电源供应器，包含一交流转直流单元、一电感、一第一开关、一可产生一维持电流的维持电路，及一输出滤波电路。该交流转直流单元接收一交流电压并将该交流电压进行交流至直流转换以产生一直流的储能电压，该第一开关根据一第一控制信号切换于导通与不导通间，而使该电感的一第二端产生一开关电压。本发明电源供应器主要是通过该第一开关与该维持电路的相配合，使该维持电流可随该第一开关切换于导通与不导通而分别正相关于该储能电压或该开关电压，且该输出滤波电路接收该维持电流以产生一方波且为低涟波的输出电压。

Description

电源供应器
技术领域
本发明涉及一种电源供应器，特别是涉及一种可提供低涟波输出电压、电流的电源供应器。
背景技术
一般的方波电源供应器分为两种产生方式，一为脉波形成网络(Pulse Forming Network,PFN)，另一为切换式电源供应器(Switched-Mode Power Supply,SMPS)。该脉波形成网络的电路结构主要是利用多级的被动组件电容和电感彼此串并接组成的，如图1所示，其电路连接方式将导致输出电压会有涟波的问题；而切换式电源供应器则是利用脉宽调变与回授控制机制来完成，并通过将该切换频率提高以达到低涟波的电压、电流波形，但为了能实现提高切换频率必须使用大功率的切换开关来达成，但由于适合做高频切换的大功率开关组件都较无法耐高电压及耐高电流，因此，使得切换式电源供应器无法达到高功率的输出。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能以低切换频率产生低涟波及高功率的输出电压的电源供应器。
本发明的电源供应器，包含一交流转直流单元、一电感、一第一开关、一维持电路，及一输出滤波电路。
该交流转直流单元接收一交流电压，并将该交流电压进行交流至直流转换以产生一直流的储能电压。
该电感具有一电连接该交流转直流单元以接收该储能电压的第一端，及一第二端。
该第一开关包括一第一端、一第二端，及一控制端，该第一端电连接该电感的第二端、该第二端电连接该交流转直流单元，而该控制端接收一第一控制信号，并根据该第一控制信号切换于导通与不导通间，而于该电感的第二端产生一开关电压。
该维持电路电连接该电感的第一端和第二端，以分别接收该储能电压及该开关电压，且提供一维持电流，当该第一开关导通时，该维持电流正相关于该储能电压，当该第一开关不导通时，该维持电流正相关于该开关电压。
该输出滤波电路电连接于该维持电路以接收该维持电流，且滤除该维持电流的噪声成份以产生一低涟波的输出电压。
本发明的电源供应器，该交流转直流单元包括一输入滤波电路、一整流电路、一输入开关组，及一储能电容。
该输入滤波电路接收该交流电压，并将该交流电压进行滤波以提供一交流的滤波电压。
该整流电路电连接该输入滤波电路以接收该滤波电压进行整流，而得到一整流电压。
该输入开关组电连接该整流电路以接收该整流电压，且切换于导通与不导通间。
该储能电容电连接该输入开关组，且提供该储能电压。
本发明的电源供应器，该滤波电路具有一输入电感，及一输入电容。
该输入电感具有一电连接该交流电压的第一端，及一第二端。
该输入电容具有一电连接该输入电感的第二端的第一端，及一第二端。
本发明的电源供应器，该整流电路具有一第三二极管、一第四二极管、一第五二极管，及一第六二极管。
该第三二极管具有一电连接该输入电感的第二端的阳极，及一阴极。
该第四二极管具有一电连接该第三二极管的阳极的阴极，及一阳极。
该第五二极管具有一电连接该输入电容的第二端的阳极，及一电连接该第三二极管的阴极的阴极。
该第六二极管具有一电连接该第四二极管的阳极的阳极，及一电连接该第五二极管的阳极的阴极。
本发明的电源供应器，该输入开关组具有一开关，及一电阻。
该开关具有一电连接该第三二极管的阴极的第一端、一第二端，及一接收一第三控制信号的控制端，且根据该第三控制信号切换于导通与不导通间。
该电阻具有一电连接该开关的第二端的第一端，及一第二端。
本发明的电源供应器，该维持电路具有一第一二极管，及一第二二极管。
该第一二极管具有一电连接该储能电容的阳极，及一电连接该输出滤波电路的阴极。
该第二二极管具有一电连接该电感的第二端的阳极，及一电连接该第一二极管的阴极的阴极。
本发明的电源供应器，该输出滤波电路包括一输出电感，及一输出电容。
该输出电感具有一电连接该第一二极管的阴极的第一端，及一第二端。
该输出电容具有一电连接该输出电感的第二端的第一端，及一第二端，且该输出电容的跨压为该输出电压。
本发明的电源供应器，还包含一分压电路，该分压电路并联于该输出电容，且将该输出电压分压以产生一回授电压。
本发明的电源供应器，该分压电路包括一第一参考电阻，及一第二参考电阻。
该第一参考电阻具有一电连接该输出电容的第一端，及一第二端。
该第二参考电阻具有一电连接该第一参考电阻的第二端的第一端，及一电连接该输出电容的第二端。
本发明的电源供应器，还包含一第二开关，该第二开关具有一电连接该输出电容的第一端、一电连接该第一开关的第二端的第二端，及一接收一第二控制信号的控制端，且根据该第二控制信号切换于导通与不导通间。
本发明的有益效果在于利用该维持电路与该第一开关相配合，使该维持电路能持续提供该维持电流至该输出滤波电路以产生该低涟波的输出电压。
附图说明
本发明的其他的特征及功效，将于参照图式的实施方式中清楚地呈现，其中：
图1是一电路图，说明一现有的电源供应器的电路图；
图2是一电路图，说明本发明电源供应器的一实施例；
图3是一时序图，说明本发明电源供应器的该实施例的模式图；
图4是一电路图，说明本发明电源供应器的该实施例的模式一；
图5是一电路图，说明本发明电源供应器的该实施例的模式二；
图6是一波形图，说明本发明电源供应器的该实施例的输出电压；及
图7是一波形图，说明本发明电源供应器的该实施例的输出电压和输出电流。
具体实施方式
在本发明被详细描述前，应当注意在以下的说明内容中，类似的组件是以相同的编号来表示。
参阅图2，本发明电源供应器的一实施例适用于将一外部电源1所提供的一交流电压转换成一呈方波且为高功率低涟波的输出电压Vo，该电源供应器包含一交流转直流单元2、一电感L、一第一开关S1、一维持电路3、一输出滤波电路4、一分压电路5、一控制电路6，及一第二开关S2。
该交流转直流单元2电连接该外部电源1的一第一端及一第二端，并包括一输入滤波电路21、一整流电路22、一输入开关组Sin，及一储能电容C。
该输入滤波电路21接收该交流电压，并将该交流电压进行滤波以提供一交流的滤波电压，该输入滤波电路21具有一输入电感Li，及一输入电容Ci。该输入电感Li具有一电连接该外部电源1的第一端以接收该交流电压的第一端，及一第二端，而该输入电容Ci具有一电连接该输入电感Li的第二端的第一端，及一电连接该外部电源1的第二端的第二端。
该整流电路22电连接该输入滤波电路21，并接收该滤波电压以进行整流，而得到一整流电压和一整流电流，该整流电路22具有一第三二极管D3、一第四二极管D4、一第五二极管D5，及一第六二极管D6。
该第三二极管D3具有一电连接该输入电感Li的第二端的阳极，及一阴极。
该第四二极管D4具有一阳极，及一电连接该第三二极管D3的阳极的阴极。
该第五二极管D5具有一电连接该输入电容Ci的第二端的阳极，及一电连接该第三二极管D3的阴极的阴极。
该第六二极管D6具有一电连接该第四二极管D4的阳极的阳极，及一电连接该第五二极管D5的阳极的阴极。
该输入开关组Sin电连接该整流电路22以接收该整流电压，该输入开关组Sin具有一开关S3，及一电阻R。
该开关S3具有一电连接该第三二极管D3的阴极的第一端、一第二端，及一接收一第三控制信号的控制端。
该电阻R具有一电连接该开关S3的第二端的第一端，及一第二端。
该储能电容C电连接该输入开关组Sin，该储能电容C具有一第一端，及一第二端，该第一端电连接该输入开关组Sin的电阻R的第二端，而该第二端电连接该第六二极管D6的阳极。
其中，当该输入开关组Sin的开关S3导通时，该整流电流即会经该输入开关组Sin而对该储能电容C进行储能，以使该储能电容C的第一端产生一充电模式的储能电压V1；而当该储能电压V1为一高电位时，该输入开关组Sin的开关S3即不导通，此时的该储能电容C则可进行放电，因此，可通过该开关S3切换于导通与不导通间，以对该储能电容C进行储能而得到该直流储能电压V1。
该电感L具有一电连接该交流转直流单元2以接收该储能电压V1的第一端，及一第二端。
该第一开关S1包括一第一端、一第二端，及一控制端。该第一端电连接该电感L的第二端，该第二端电连接该交流转直流单元2的储能电容C的第二端，及该控制端接收一第一控制信号，并根据该第一控制信号切换于导通与不导通间，而于该电感L的第二端产生一开关电压V2，该电感L的跨压VL为该储能电压V1与该开关电压V2的压差。
在本实施例该第一开关S1为一双载子接面晶体管，且该第一开关S1的该第一端为一集极、该第二端为一射极、该控制端为一基极，且该第一开关S1的该第一端与该第二端间具有一谐振电容Cr。
该维持电路3电连接该电感L的该第一端和该第二端，以分别接收该储能电压V1和该开关电压V2，而提供一维持电流I，该维持电路3具有一第一二极管D1，及一第二二极管D2，该第一二极管D1具有一电连接该储能电容C的第一端的阳极，及一电连接该输出滤波电路4的阴极；而该第二二极管D2具有一电连接该电感L的第二端的阳极，及一电连接该第一二极管D1的阴极的阴极。
该输出滤波电路4电连接该维持电路3以接收该维持电流I，且滤除该维持电流I的噪声成份以产生一低涟波的输出电压Vo。该输出滤波电路4包括一输出电感Lo，及一输出电容Co，该输出电感Lo具有一电连接该第一二极管D1的阴极的第一端，及一第二端；而该输出电容Co具有一电连接该输出电感Lo的第二端的第一端，及一第二端，且该输出电容Co的跨压为该输出电压Vo。
该分压电路5并联于该输出电容Co，且将该输出电压Vo分压以产生一回授电压Vf，而该分压电路5包括一第一参考电阻R1f及一第二参考电阻R2f。
该第一参考电阻R1f具有一第一端，及一第二端，该第一端电连接该输出电容Co的第一端。
该第二参考电阻R2f具有一第一端，及一第二端，该第一端电连接该第一参考电阻R1f的第二端的第一端，而该第二端电连接该输出电容Co的第二端。
该第二开关S2具有一第一端、一第二端，及一控制端，该第一端电连接该输出电容Co的第二端的第一端，该第二端电连接该第一开关S1的第二端，及该控制端接收一第二控制信号。
在本实施例该第二开关S2为一双载子接面晶体管，且该第二开关S2的该第一端为一集极、该第二端为一射极、该控制端为一基极。
该控制电路6电连接该储能电容C的第一端以侦测该储能电压V1、电连接该分压电路5的该第一参考电阻R1f的第二端以侦测该回授电压Vf，及电连接该分压电路5的该第二参考电阻R2f的第二端以侦测一相关于该回授电压Vf的回授电流If，而该控制电路6即通过侦测到的该储能电压V1、该回授电压Vf，和该回授电流If来比较并产生供该第一开关S1的该控制端接收的该第一控制信号、该第二控制信号，及该第三控制信号。
该控制电路6通过该储能电压V1与一相关于该输出电压Vo的大小需求设定的第一设定值(图未示)比较以控制该第一控制信号的输出，当该储能电压V1小于该第一设定值，则该控制电路6的该第一控制信号会使该第一开关S1导通；相反地，当该储能电压V1大于等于该第一设定值，则该控制电路6的该第一控制信号会使该第一开关S1不导通。
该控制电路6通过该输出电压Vo的一方波宽度与一相关于该输出电压Vo的该方波宽度的需求所设定的第二设定值(图未示)来比较控制该第二控制信号的输出，当该输出电压Vo的该方波宽度小于该第二设定值，则该控制电路6的该第二控制信号会使该第二开关S2导通；相反地，当该输出电压Vo的该方波宽度大于等于该第二设定值，则该控制电路6的该第二控制信号和该第一控制信号会使该第一开关S1和该第二开关S2同时不导通。
当该储能电压V1小于一第三设定值，则该控制电路6的该第三控制信号会使该输入开关组Sin的开关S3导通；相反地，当该储能电压V1大于等于该第三设定值，则该控制电路6的该第三控制信号会使该输入开关组Sin的开关S3不导通。
由于该输入开关组Sin的开关S3导通至该储能电容C的该储能电压V1为高电位时即断路，所以该下文中为了单纯化电路分析，则忽略该输入滤波电路21、该整流电路22，及该输入开关组Sin，以下就该储能电压V1的操作以两个模式讨论。
模式一：
参阅图3和图4，此时该第一开关S1和该第二开关S2导通，且该第一二极管D1导通，而该第二二极管D2不导通，该储能电压V1经由导通的该第一开关S1对该电感L进行储能。
该储能电容C所提供的该储能电压V1经由该第一二极管D1而形成该维持电流I并输出至该输出电容Co和一负载RL，所以此时的该维持电流I即正相关于该储能电压V1。当该第一开关S1由导通转为不导通时，模式一结束。
模式二：
同时参阅图5，在此模式下该第一开关S1不导通，该第二开关S2导通，且该第一二极管D1不导通，而该第二二极管D2导通，更由于流经该电感L的一电感电流IL不能立即改变方向，所以该电感L的该电感电流IL则持续续流以形成该维持电流I，此时，该储能电压V1与该电感L则对该第一开关S1的谐振电容Cr进行储能而形成一流经该谐振电容Cr的充电电流ICr，并于该电感L的该第二端形成该开关电压V2。
该开关电压V2经由该第二二极管D2而形成该维持电流I并输出至该输出电容Co和该负载RL，并于该负载RL的两端形成该输出电压Vo，因此，该输出电压Vo和该维持电流I皆正相关于该开关电压V2。当该第一开关S1由不导通转为导通时，模式二结束。
综上所述，本发明电源供应器的该输出电压Vo和一输出电流IRL具有以下优点：
低涟波：该维持电路3的存在可使该维持电流I能不间断地供该输出滤波电路4接收，而同时产生低涟波的输出电压Vo和输出电流IRL，如图6及图7所示。
高功率：由于本发明是通过切换于10KHz工作频率的绝缘闸双极晶体管切换开关来达成，以使本发明能达到输出电压Vo为424V，输出电流IRL为1296A的高瞬时功率550KW，如图7所示，所以本发明确实能达到高输出功率。
方波：利用该控制电路6控制该第一开关S1和该第二开关S2，使该输出电压Vo和该输出电流IRL维持为一方波。
功率开关组件：该第一开关S1和该第二开关S2为由双极性接面型晶体管(Bipolar Junction Transistor,BJT)、金属氧化物半导体场效晶体管(Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor,MOSFET)、可关断晶闸管(Gate Turn-Off thyristor,GTO)等所构成的主动功率开关，但不以此为限，其切换频率可工作于1000Hz以下，所以本发明电源供应器确实能达成本发明的目的。
以上所述者，仅为本发明的实施例而已，当不能以此限定本发明实施的范围，即凡依本发明权利要求书及说明书内容所作的简单的等效变化与修饰，皆仍属本发明的范围。

Claims (10)

1.一种电源供应器，其特征在于：包含：
一个交流转直流单元，接收一个交流电压，并将该交流电压进行交流至直流转换以产生一个直流的储能电压；
一个电感，具有一端电连接该交流转直流单元以接收该储能电压的第一端，及一端第二端；
一个第一开关，包括一端电连接该电感的第二端的第一端、一端电连接该交流转直流单元的第二端，及一端接收一第一控制信号的控制端，并根据该第一控制信号切换于导通与不导通间，而于该电感的第二端产生一个开关电压；
一个维持电路，电连接该电感的第一端和第二端，以分别接收该储能电压及该开关电压，而提供一个维持电流，当该第一开关导通时，该维持电流正相关于该储能电压，当该第一开关不导通时，该维持电流正相关于该开关电压；及
一个输出滤波电路，电连接于该维持电路以接收该维持电流，且滤除该维持电流的噪声成份以产生一个输出电压。
2.根据权利要求1所述的电源供应器，其特征在于：该交流转直流单元包括：
一个输入滤波电路，接收该交流电压，并将该交流电压进行滤波以提供一个交流的滤波电压；
一个整流电路，电连接该输入滤波电路以接收该滤波电压进行整流，而得到一个整流电压；
一个输入开关组，电连接该整流电路以接收该整流电压，且切换于导通与不导通间；及
一个储能电容，电连接该输入开关组，且提供该储能电压。
3.根据权利要求2所述的电源供应器，其特征在于：该输入滤波电路具有：
一个输入电感，具有一端电连接该交流电压的第一端，及一端第二端；及
一个输入电容，具有一端电连接该输入电感的第二端的第一端，及一端第二端。
4.根据权利要求3所述的电源供应器，其特征在于：该整流电路具有：
一个第三二极管，具有一个电连接该输入电感的第二端的阳极，及一个阴极；
一个第四二极管，具有一个电连接该第三二极管的阳极的阴极，及一个阳极；
一个第五二极管，具有一个电连接该输入电容的第二端的阳极，及一个电连接该第三二极管的阴极的阴极；及
一个第六二极管，具有一个电连接该第四二极管的阳极的阳极，及一个电连接该第五二极管的阳极的阴极。
5.根据权利要求4所述的电源供应器，其特征在于：该输入开关组具有：
一个开关，具有一端电连接该第三二极管的阴极的第一端、一端第二端，及一端接收一第三控制信号的控制端，且根据该第三控制信号切换于导通与不导通间；及
一个电阻，具有一端电连接该开关的第二端的第一端，及一端第二端。
6.根据权利要求5所述的电源供应器，其特征在于：该维持电路具有：
一个第一二极管，具有一个电连接该储能电容的阳极，及一个电连接该输出滤波电路的阴极；及
一个第二二极管，具有一个电连接该电感的第二端的阳极，及一个电连接该第一二极管的阴极的阴极。
7.根据权利要求6所述的电源供应器，其特征在于：该输出滤波电路包括：
一个输出电感，具有一端电连接该第一二极管的阴极的第一端，及一端第二端；及
一个输出电容，具有一端电连接该输出电感的第二端的第一端，及一端第二端，且该输出电容的跨压为该输出电压。
8.根据权利要求7所述的电源供应器，其特征在于：该电源供应器还包含：
一个分压电路，并联于该输出电容，且将该输出电压分压以产生一个回授电压。
9.根据权利要求8所述的电源供应器，其特征在于：该分压电路包括：
一个第一参考电阻，具有一端电连接该输出电容的第一端，及一端第二端；
一个第二参考电阻，具有一端电连接该第一参考电阻的第二端的第一端，及一端电连接该输出电容的第二端。
10.根据权利要求8所述的电源供应器，其特征在于：该电源供应器还包含：
一个第二开关，具有一端电连接该输出电容的第一端、一端电连接该第一开关的第二端的第二端，及一端接收一第二控制信号的控制端，且根据该第二控制信号切换于导通与不导通间。
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