CN110460226A - 开关电源装置 - Google Patents

Abstract

本申请涉及开关电源装置，其包括：逆变电路，该逆变电路包括串联连接的上侧第一开关元件和下侧第二开关元件；控制单元；以及自举电容，在第二开关元件导通的时段期间对该自举电容进行充电，并且在第二开关元件关断的时段期间，该自举电容用作以下电源，该电源被配置为使第一开关元件导通。在轻载的突发模式中，控制单元仅向第一开关元件提供暂停时段，其中，开关元件的状态在一定时间内变为关断状态，以便第一开关元件间歇地执行开关操作。

Description

开关电源装置

相关申请的交叉引用

本申请基于并要求于2018年5月7日提交的日本专利申请No.2018-089093的优先权；其全部内容以引用的方式并入本文。

技术领域

本发明的一个或更多个实施方式涉及开关电源装置，该开关电源装置包括逆变电路，该逆变电路用于切换直流(DC)电源的电压，并且将该电压供应至负载侧。

背景技术

例如，车辆装备有诸如DC-DC转换器这样的开关电源装置，该DC-DC转换器将高压电池(DC电源)的DC电压转换为低电压，并且将该低电压供应给车载设备等。通常，DC-DC转换器包括：逆变电路，其具有串联连接在电池的正极与负极之间的一对开关元件；驱动电路，其用于驱动逆变电路；以及控制单元，其用于控制驱动电路。

驱动电路基于由控制单元给出的脉冲宽度调制(PWM：pulse width modulation)信号来驱动逆变电路的各个开关元件。各个开关元件通过PWM信号以互补的方式导通/关断(on/off)，以执行开关操作。当上侧开关元件导通时，下侧开关元件关断，而当下侧开关元件导通时，上侧开关元件关断。通过各个开关元件的开关操作，将电池的DC电压转换为交流(AC)电压。该AC电压通过变压器和整流/平滑电路，并且被转换成预定电平的DC电压。此后，将该DC电压供应给负载。

在上述DC-DC转换器中，由于上侧开关元件与下侧开关元件串联连接，所以在下侧开关元件关断的状态下，上侧开关元件的一端(与下侧开关元件的连接点)的电位相对于地面浮动，并且上侧开关元件不能导通。因此，提供在下侧开关元件导通的时段期间进行充电的自举电容，并且当下侧开关元件关断时，上侧开关元件通过自举电容中充电的电压而导通。在例如在JP-A-2000-92822、日本专利No.5750799和JP-A-2003-61363中公开了包括这种自举电容的开关电源装置。

除了连续执行开关操作的正常模式之外，DC-DC转换器还包括突发模式(burstmode)，在突发模式中，在具有小负载电流的轻载下间歇地执行开关操作。在突发模式中，暂停时段与开关时段交替重复，在暂停时段内，开关元件在一定时间内保持关断状态，在开关时段内，开关元件在一定时间内执行导通/关断的开关操作。通过提供开关的暂停时段，可以降低在轻载下的开关损耗并且可以提高电压转换效率。例如在JP-A-2017-192210中公开了具有这种突发模式的开关电源装置。

发明内容

在具有上述自举电容的开关电源装置中，在突发模式的暂停时段，上侧开关元件和下侧开关元件都变为关断状态，使得自举电容的电荷在该时段减少。因此，当暂停时段结束并且执行到开关时段的转换时，电容器的电压可能变得不足，并且上侧开关元件可能不导通。

本发明的一个或更多个实施方式的目的是，提供一种开关电源装置，其中，在突发模式中确保自举电容的电压，以避免开关操作中的故障。

根据本发明的一个或多个实施方式的开关电源装置包括：逆变电路，其具有串联连接的上侧第一开关元件和下侧第二开关元件；控制单元，其被配置为控制第一开关元件和第二开关元件的导通/关断操作；以及自举电容，在第二开关元件导通的时段期间对该自举电容进行充电，并且在第二开关元件关断的时段期间，该自举电容用作以下电源，该电源被配置为使第一开关元件导通。逆变电路设置在直流电源的正极与负极之间。第一开关元件和第二开关元件以互补的方式导通/关断以执行开关操作，并且通过开关操作，切换直流电源的电压，并且将该电压供应给负载。在轻载的突发模式中，控制单元仅向第一开关元件提供暂停时段，其中，开关元件的状态在一定时间内变为关断状态，以便得第一开关元件间歇地执行开关操作。

利用这种配置，在突发模式中仅向上侧第一开关元件提供暂停时段。由于未向下侧第二开关元件提供暂停时段，所以可以通过在第一开关元件的暂停时段期间工作的第二开关元件，对自举电容充电。因此，当确保自举电容的充电电压，并且从暂停时段转换到开关时段时，可以可靠地使上侧第一开关元件导通并且避免开关操作中的故障。

在本发明的一个或更多个实施方式中，控制单元可以使第二开关元件在第一开关元件的暂停时段期间执行开关操作。或者，控制单元可以在第一开关元件的暂停时段期间将第二开关元件设置为导通状态。

在本发明的一个或更多个实施方式中，可以提供第一开关元件的多个暂停时段，并且控制单元可以使第二开关元件在一些暂停时段中执行开关操作，并且在其它暂停时段中将第二开关元件设置为导通状态。

根据本发明的一个或更多个实施方式，可以提供一种开关电源装置，其中，在突发模式中确保自举电容的电压，以避免开关操作中的故障。

附图说明

图1是根据本发明实施方式的DC-DC转换器的电路图。

图2是例示自举电容的工作的电路图。

图3是例示自举电容的工作的电路图。

图4是例示自举电容的工作的电路图。

图5是DC-DC转换器工作开始时以及处于正常模式时的时间图。

图6是根据现有技术的突发模式的时间图。

图7是根据本发明实施方式的突发模式的时间图。

图8是突发模式下的时间图的另一示例。

图9是突发模式下的时间图的又一示例。

图10是根据本发明另一实施方式的DC-DC转换器的电路图。

具体实施方式

在本发明的实施方式中，阐述了多个具体细节以提供对本发明的透彻理解。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下实践本发明。在其它情况下，没有详细描述公知的特征以避免模糊本发明。

将参照附图来描述本发明的一个或更多个实施方式。在各个图中，相同的附图标记附于相同的部件或相应的部件。

首先，将参照图1来描述本发明的一个或更多个实施方式的开关电源装置的配置。在下文中，作为开关电源装置的示例，以安装在车辆的DC-DC转换器为例。

在图1中，DC-DC转换器100被设置在DC电源Vd与负载Z之间，将DC电源Vd的电压转换为预定电平的电压，并且将该电压供应给负载Z。在该示例中，DC电源Vd是安装在车辆中的高压电池，并且负载Z是车载设备、低压电池等。DC电源Vd的正极(+)连接至电源线W，并且DC电源Vd的负极(-)接地(GND)。

DC-DC转换器100包括控制单元10、驱动电路11、驱动电路12、逆变电路13、变压器14和整流/平滑电路15。

逆变电路13被设置在DC电源Vd的正极(电源线W)与负极(地GND)之间，并且包括开关元件Q1至Q4、二极管Da和Db、电阻器Ra和Rb以及自举电容Ca和Cb。

在该示例中，开关元件Q1至Q4由MOS型FET构成，并且寄生二极管D1至D4连接在MOS型FET的相应源极与漏极之间。开关元件Q1和Q2串联连接在电源线W与地GND之间。上侧开关元件Q1的漏极连接至电源线W。开关元件Q1的源极连接至下侧开关元件Q2的漏极。开关元件Q2的源极连接至地GND。

开关元件Q3和Q4也串联连接在电源线W与地GND之间。上侧开关元件Q3的漏极连接至电源线W。开关元件Q3的源极连接至下侧开关元件Q4的漏极。开关元件Q4的源极连接至地GND。

二极管Da的阳极连接至从DC电源Vd获得的辅助电源Vx。二极管Da的阴极连接至电阻器Ra的一端。电阻器Ra的另一端连接至自举电容Ca的一端。自举电容Ca的另一端连接至开关元件Q1的源极。

二极管Db的阳极连接至辅助电源Vx。二极管Db的阴极连接至电阻器Rb的一端。电阻器Rb的另一端连接至自举电容Cb的一端。自举电容Cb的另一端连接至开关元件Q3的源极。

开关元件Q1和Q2的连接点m连接至变压器14的初级绕组的一端。开关元件Q3和Q4的连接点n连接至变压器14的初级绕组的另一端。变压器14的次级绕组经由整流/平滑电路15连接至输出端子T1和T2。整流/平滑电路15配置有二极管、电感、电容器等(未示出)。负载Z连接至输出端子T1和T2。

驱动电路11是用于导通/关断开关元件Q1和Q2的电路，并且具有开关SW1和SW2。为方便起见，开关SW1和SW2由接触式开关的符号表示，但是这些开关实际上由半导体元件构成的(这同样适用于稍后描述的开关SW3和SW4)。开关SW1的一端连接至电阻器Ra与自举电容Ca之间的连接点。开关SW1的另一端连接至开关元件Q1的栅极。开关SW2的一端连接至辅助电源Vx。开关SW2的另一端连接至开关元件Q2的栅极。

驱动电路12是用于导通/关断开关元件Q3和Q4的电路，并且具有开关SW3和SW4。开关SW3的一端连接至电阻器Rb与自举电容Cb之间的连接点。开关SW3的另一端连接至开关元件Q3的栅极。开关SW4的一端连接至辅助电源Vx。开关SW4的另一端连接至开关元件Q4的栅极。

控制单元10被配置为微计算机，并且经由驱动电路11和12控制开关元件Q1至Q4的导通/关断操作。更具体地，由控制单元10将用于控制开关SW1操作的控制信号U1和用于控制开关SW2操作的控制信号U2给予驱动电路11。在本示例中，这些控制信号U1和U2是脉冲宽度调制(PWM)信号。当PWM信号为“H”(高)时，开关SW1和SW2导通，而当PWM信号为“L”(低)时，开关SW1和SW2关断。当开关SW1导通时，辅助电源Vx的电压经由二极管Da和电阻器Ra施加至开关元件Q1的栅极，并且开关元件Q1导通。当开关SW2导通时，辅助电源Vx的电压施加至开关元件Q2的栅极，并且开关元件Q2导通。

由控制单元10将用于控制开关SW3的操作的控制信号U3和用于控制开关SW4的操作的控制信号U4给予驱动电路12。这些控制信号U3和U4也是PWM信号。当PWM信号为“H”时，开关SW3和SW4导通，而当PWM信号为“L”时，开关SW3和SW4关断。当开关SW3导通时，辅助电源Vx的电压经由二极管Db和电阻器Rb施加至开关元件Q3的栅极，并且开关元件Q3导通。当开关SW4导通时，辅助电源Vx的电压施加至开关Q4的栅极，并且开关元件Q4导通。

自举电容Ca是在下侧开关元件Q2导通的时段期间进行充电的电容器，并且在开关元件Q2关断的时段期间，作为用于导通上侧开关元件Q1的电源。自举电容Cb是在下侧开关元件Q4导通的时段期间进行充电的电容器，并且在开关元件Q4被关断的时段期间，用作导通上侧开关元件Q3的电源。

在上述配置中，上侧开关元件Q1和Q3是本发明实施方式中的“第一开关元件”的示例，而下侧开关元件Q2和Q4是本发明实施方式中的“第二开关元件”的示例。

接下来，将描述图1的DC-DC转换器100的工作。

如图5所示，在逆变电路13的切换开始时，上侧开关元件Q1和Q3保持在关断状态，而下侧开关元件Q2和Q4导通/关断。在这种情况下，在图1中，来自控制单元10的控制信号U1和U3保持为“L”，并且控制信号U2和U4变为切换“H”和“L”的PWM信号。

如图2所示，当控制信号U2和U4为“H”时，开关SW2和SW4导通，并且下侧开关元件Q2和Q4导通。在该导通时段期间，自举电容Ca和Cb在由虚线表示的路径中进行充电。如图3所示，当控制信号U2和U4为“L”时，开关SW2和SW4关断，并且下侧开关元件Q2和Q4关断。在该关断时段期间，自举电容Ca和Cb不进行充电。如图5所示，当开关元件Q2和Q4重复导通/关断时，自举电容Ca和Cb两端的电压逐渐上升。

以这种方式，当在切换开始对自举电容Ca和Cb充电时，下侧开关元件Q2和Q4进行切换(导通/关断)而不是被固定在导通状态，以抑制到自举电容Ca和Cb的涌入电流(inrushcurrent)。如图5所示，在自举电容Ca和Cb两端的电压达到一定水平之后，上侧开关元件Q1和Q3开始开关操作，并且将模式转换到正常模式。

在正常模式中，当上侧开关元件Q1导通时，下侧开关元件Q2关断，而当上侧开关元件Q1关断时，下侧开关元件Q2导通。也就是说，上侧开关元件Q1和下侧开关元件Q2以互补的方式导通/关断以执行开关操作。类似地，当上侧开关元件Q3导通时，下侧开关元件Q4关断，而当上侧开关元件Q3关断时，下侧开关元件Q4导通。也就是说，上侧开关元件Q3和下侧开关元件Q4也以互补的方式导通/关断，以执行开关操作。

在这种情况下，如图4所示，在下侧开关元件Q2关断的时段期间，自举电容Ca的电压经由驱动电路11的处于导通状态的开关SW1施加至开关元件Q1的栅极与源极之间，并且通过使用电容器Ca的电压作为电源导通开关元件Q1。类似地，在下侧开关元件Q4关断的时段期间，自举电容Cb的电压经由驱动电路12的处于导通状态的开关SW3施加至开关元件Q3的栅极与源极之间，并且通过使用电容器Cb的电压作为电源导通开关元件Q3。

通过如上所述的开关元件Q1至Q4的开关操作，将DC电源Vd的DC电压切换为AC电压。通过变压器14和整流/平滑电路15将该AC电压转换为低压DC电压，并且将该低压DC电压供应给与输出端子T1和T2相连接的负载Z。

接下来，将描述突发模式下的工作。如上所述，突发模式是在轻载(即，当流至负载Z的电流小时)下，间歇地执行逆变电路13的开关操作的模式。通过减小由控制单元10给予驱动电路11和12的PWM信号(控制信号U1至U4)的占空比，缩短开关元件Q1至Q4的导通时段，并且降低流至负载Z的电流。因此，当PWM信号的占空比变得等于或小于预定值时，控制单元10将工作模式从正常模式切换到突发模式。

图6是表示根据现有技术的突发模式下的开关操作的时间图。在正常模式中，通过使开关元件Q1至Q4导通/关断而连续地执行开关操作。然而，当转换到突发模式时，暂停时段α与开关时段β交替重复，其中，在暂停时段α内，各个开关元件Q1至Q4在一定时间内处于关断状态，在开关时段β内，各个开关元件Q1至Q4在一定时间内执行开关操作。

如图6所示，在现有技术中，在突发模式中为所有四个开关元件Q1至Q4都提供暂停时段α。在暂停时段α中，当上侧开关元件Q1和Q3关断时，下侧开关元件Q2和Q4也关断，并且不对自举电容Ca和Cb进行充电。因此，自举电容Ca和Cb的电荷由于放电而降低，并且电容器的电压降低。结果，当从暂停时段α转换到开关时段β时，自举电容Ca和Cb的电压可能不足并且上侧开关元件Q1和Q3可能不导通。

与此相反，在本发明的实施方式中，如图7所示，对于突发模式，仅在上侧开关元件Q1和Q3中提供暂停时段α，并且元件Q1和Q3间歇地执行开关操作。此外，下侧开关元件Q2和Q4连续地执行开关操作而不提供暂停时段α。也就是说，即使在上侧开关元件Q1和Q3的暂停时段α期间，下侧开关元件Q2和Q4也继续开关操作。

为了执行这种操作，控制单元10(图1)在暂停时段α期间将控制信号U1和U3设置为“L”，以关断驱动电路11的开关SW1和驱动电路12的开关SW3，并保持上侧开关元件Q1和Q3处于关断状态。另外，控制单元10在暂停时段α期间将控制信号U2和U4设置为“H”和“L”的PWM信号，以导通/关断驱动电路11的开关SW2和驱动电路12的开关SW4，并且下侧开关元件Q2和Q4执行开关操作。

以上述方式，在突发模式中，上侧开关元件Q1和Q3间歇地执行具有暂停时段α(关断时段)的开关操作，而下侧开关元件Q2和Q4连续地执行没有暂停时段α的开关操作。因此，在暂停时段α中，自举电容Ca和Cb可以通过下侧开关元件Q2和Q4的开关操作，而在元件Q2和Q4导通的区段中充电。以这种方式，自举电容Ca和Cb的电压保持在一定水平或更高水平，使得当从暂停时段α转换到开关时段β时，也可以可靠地导通上侧开关元件Q1和Q3。

在暂停时段α中，下侧开关元件Q2和Q4执行开关操作而不是被固定为导通状态。因此，通过调节导通/关断定时，可以避免上侧开关元件Q1和Q3以及下侧开关元件Q2和Q4同时处于导通状态的短路故障。

图8是表明根据本发明另一实施方式的突发模式下的开关操作的时间图。在上述图7的情况下，在上侧开关元件Q1和Q3的暂停时段α期间，下侧开关元件Q2和Q4执行导通/关断开关操作。与此相反，在图8的情况下，在上侧开关元件Q1和Q3的暂停时段α期间，下侧开关元件Q2和Q4保持导通状态。

为了执行这种操作，控制单元10(图1)在暂停时段α期间将控制信号U1和U3设置为“L”，以关断驱动电路11的开关SW1和驱动电路12的开关SW3，并保持上侧开关元件Q1和Q3处于关断状态。另外，控制单元10在暂停时段α期间将控制信号U2和U4设置为“H”以导通驱动电路11的开关SW2和驱动电路12的开关SW4，并且保持下侧开关元件Q2和Q4处于导通状态。

以上述方式，在突发模式中，由于在上侧开关元件Q1和Q3的暂停时段α期间，下侧开关元件Q2和Q4处于导通状态，所以在这个时段期间，对自举电容Ca和Cb进行充电。因此，与图7的情况一样，自举电容Ca和Cb的电压保持在一定水平或更高水平，使得当从暂停时段α转换到开关时段β时，可以可靠地导通上侧开关元件Q1和Q3。

注意，当在暂停时段α的整个区段上将下侧开关元件Q2和Q4固定在导通状态时，在暂停时段α的开始和结束时，上侧和下侧开关元件同时导通，并且可能发生短路。因此，优选在暂停时段α的开始和结束处提供死区时间(dead time)区段，以避免上侧和下侧开关元件的同时导通。

如上所述，在本发明的实施方式中，在突发模式中仅向上侧开关元件Q1和Q3提供有暂停时段α。由于未向下侧开关元件Q2和Q4提供暂停时段α，所以自举电容Ca和Cb可以由在开关元件Q1和Q3的暂停时段期间工作的下侧开关元件Q2和Q4进行充电。因此，当确保自举电容Ca和Cb的充电电压并且从暂停时段α转换到开关时段β时，可以可靠地导通上侧开关元件Q1和Q3并且避免开关操作中的故障。

在本发明的实施方式中，除了以上描述之外，可以采用下面描述的各种实施方式。

在图7中，在上侧开关元件Q1和Q3的暂停时段α期间，下侧开关元件Q2和Q4执行开关操作，并且在图8中，在上侧开关元件Q1和Q3的暂停时段α期间，下侧开关元件Q2和Q4保持导通状态，但是本发明不限于此。例如，如图9所示，下侧开关元件Q2和Q4可以在多个暂停时段α中的一些暂停时段α中执行开关操作，而在其它暂停时段α中，下侧开关元件Q2和Q4可能是导通状态。也就是说，作为在暂停时段α中的下侧开关元件Q2和Q4的工作模式，可以将开关操作与导通状态的维持相混合。

在图1中，分别设置用于驱动开关元件Q1和Q2的驱动电路11，以及用于驱动开关元件Q3和Q4的驱动电路12，但是本发明不限于此。例如，如图10所示，可以提供一个用于驱动开关元件Q1至Q4的驱动电路21。

在图1和图10中，驱动电路11、12和21与控制单元10分开设置，但是驱动电路11、12和21可以设置在控制单元10内。

在图1和图10中，在逆变电路13中设置四个开关元件Q1至Q4，并且设置两个二极管Da和Db、两个电阻器Ra和Rb以及两个自举电容Ca和Cb，但是本发明不限于此。例如，可以在逆变电路13中仅设置开关元件Q1和Q2、一个二极管Da、一个电阻器Ra以及一个自举电容Ca。

在上述实施方式中，当PWM信号的占空比变得等于或小于预定值时，控制单元10转换到突发模式，但是本发明不限于此。例如，设置用于检测流过负载Z的电流的电流检测电路，并且当由电流检测电路检测的负载电流的值变成等于或小于预定值时，控制单元10可以转换到突发模式。

在上述实施方式中，将FET用作开关元件Q1至Q4。然而，可以使用诸如晶体管和IGBT这样的开关元件来代替FET。

在上述实施方式中，以安装在车辆上的DC-DC转换器100为例。然而，本发明的一个或更多个实施方式也可以应用至用于除车辆之外的其他应用的DC-DC转换器。此外，本发明的一个或更多个实施方式不仅可以应用于DC-DC转换器，还可以应用于诸如DC-AC转换器这样的开关电源装置。

虽然已经就有限数量的实施方式描述了本发明，但是受益于本公开的本领域技术人员将理解，可以设计出不脱离本文所公开的本发明的范围的其它实施方式。因此，本发明的范围应仅由所附权利要求限定。

Claims (4)

1.一种开关电源装置，所述开关电源装置包括：

逆变电路，所述逆变电路设置在直流电源的正极与负极之间，并且所述逆变电路包括串联连接的上侧第一开关元件和下侧第二开关元件；

控制单元，所述控制单元被配置为，控制所述第一开关元件和所述第二开关元件的导通/关断操作；以及

自举电容，在所述第二开关元件导通的时段期间对所述自举电容进行充电，并且在所述第二开关元件关断的时段期间，所述自举电容用作使所述第一开关元件导通的电源，

其中，所述第一开关元件和所述第二开关元件以互补的方式导通/关断以执行开关操作，并且通过所述开关操作，切换直流电源的电压，并将该电压供应给负载，并且

其中，在轻载的突发模式下，所述控制单元仅向所述第一开关元件提供暂停时段，在该暂停时段中，开关元件的状态在一定时间内变为关断状态，以便所述第一开关元件间歇地执行开关操作。

2.根据权利要求1所述的开关电源装置，

其中，所述控制单元使所述第二开关元件在所述第一开关元件的暂停时段期间执行开关操作。

3.根据权利要求1所述的开关电源装置，

其中，所述控制单元在所述第一开关元件的暂停时段期间将所述第二开关元件设置为导通状态。

4.根据权利要求1所述的开关电源装置，

其中，提供所述第一开关元件的多个暂停时段，并且

其中，所述控制单元使所述第二开关元件在一些暂停时段中执行开关操作，并且在其它暂停时段中将所述第二开关元件设置为导通状态。