CN110707934B - 开关电源电路及电源设备 - Google Patents

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Abstract

本申请提供一种开关电源电路及电源设备，涉及电源技术领域。其中，所述开关电源电路通过在变压器的副边并联一谐振电容，使得该谐振电容与开关电源电路中的第二功率转换单元和滤波单元构成谐振回路，从而在该谐振回路产生高压尖峰时通过回路的谐振效果降低尖峰脉冲对电子开关器件的影响。同时，由于该谐振电容不会给开关电源电路带来额外的电源损耗，因此，本申请实施例提供的开关电源电路还可以在不增加电源损耗的前提下实现对电子开关器件进行保护。

Description

开关电源电路及电源设备
技术领域
本申请涉及电源技术领域，具体而言，涉及一种开关电源电路及电源设备。
背景技术
高功率密度，高可靠性的电源设备一直深受人们的青睐，而对于电源的可靠性而言，开关电源电路中各电子开关器件的电气耐压特性起着决定性的影响。
为了解决开关电源电路中电子开关器件上的高压尖峰问题，减小电源的应力特性，本领域技术人员做了大量研究，得到解决方法如下：
1.选择性能优良的电子开关器件；
2.增加有源吸收电路，将尖峰电压吸收。
通过以上方法虽然可以明显改善开关电源电路中产生的电压尖峰对电子开关器件的影响，但是，电子开关器件存在电气耐压等级越高，则其导通电阻也越大的特性。因此，以上两种方法在解决电压尖峰对电子开关器件的影响的同时，均会增加电源的损耗，降低电源效率。
发明内容
有鉴于此，本申请提供一种开关电源电路及电源设备，以实现在不增加电源损耗的前提下对电子开关器件进行保护。
为了实现上述目的，本申请较佳实施例采用的技术方案如下：
第一方面，本申请提供一种开关电源电路，该电路包括电源输入端、第一功率转换单元、变压器、第二功率转换单元、滤波单元及电源输出端；
所述第一功率转换单元连接在所述电源输入端与所述变压器之间，用于将经所述电源输入端输入的直流电压转换为交流电压并作用到所述变压器的原边；
所述第二功率转换单元与所述变压器的副边连接，用于将所述变压器副边产生的感应电压转换为直流电压并提供给所述滤波单元，其中，所述滤波单元与所述电源输出端连接；
所述变压器的副边并联有一谐振电容，所述谐振电容与所述第二功率转换单元及所述滤波单元构成谐振回路。本申请实施例中，通过该谐振回路的谐振效果可以削弱回路中的产生的高压尖峰，降低电子开关器件的电压应力，进而实现对电子开关器件的保护。
可选地，在本申请实施例中，所述第一功率转换单元及所述第二功率转换单元包括全桥电路或半桥电路。
可选地，在一种实施例中，所述第一功率转换单元包括全桥电路，所述全桥电路包括第一开关管、第二开关管、第三开关管及第四开关管，所述电源输入端包括电源正极及电源负极；其中，
所述第一开关管连接在所述电源正极与所述变压器的原边的非同名端之间，所述第二开关管连接在所述电源负极与所述变压器的原边的非同名端之间；
所述第三开关管连接在所述电源正极与所述变压器的原边的同名端之间，所述第四开关管连接在所述电源负极与所述变压器的原边的同名端之间。
具体地，在本实施例中，所述第一开关管、第二开关管、第三开关管及第四开关管为全控型开关器件；
所述全控型开关器件包括绝缘栅双极型晶体管及金属氧化物半导体场效应晶体管。
可选地，在一种实施例中，所述第二功率转换单元包括第一输出端、第二输出端及全桥电路，所述全桥电路包括第五开关管、第六开关管、第七开关管及第八开关管；其中，
所述第五开关管连接在所述变压器的副边的同名端与所述第一输出端之间，所述第六开关管连接在所述变压器的副边的同名端与所述第二输出端之间，所述第七开关管连接在所述变压器的副边的非同名端与所述第一输出端之间，所述第八开关管连接在所述变压器的副边的非同名端与所述第二输出端之间。
具体地，在本实施例中，所述第五开关管、第六开关管、第七开关管及第八开关管为全控型开关器件；
所述全控型开关器件包括绝缘栅双极型晶体管及金属氧化物半导体场效应晶体管。
可选地，在本申请实施例中，所述滤波单元包括滤波电感及滤波电容；其中，
所述滤波电感连接在所述第一输出端与所述滤波电容的一端之间；
所述滤波电容的另一端与所述第二输出端连接，且所述滤波电容与所述电源输出端并联。
可选地，在本申请实施例中，所述变压器为高频变压器，所述高频变压器包括包括升压变压器及降压变压器。
可选地，在本申请实施例中，所述谐振电容为无极性电容，所述无极性电容包括陶瓷电容及薄膜电容。
第二方面，本申请还提供一种电源设备，所述电源设备包括如上所述的开关电源电路。
相对于现有技术而言，本申请具有以下有益效果：
本申请实施例提供的开关电源电路，通过在变压器的副边并联一谐振电容，使得该谐振电容与开关电源电路中的第二功率转换单元和滤波单元构成谐振回路，从而在该谐振回路产生高压尖峰时通过回路的谐振效果降低尖峰脉冲对电子开关器件的影响。同时，由于该谐振电容不会给开关电源电路带来额外的电源损耗，因此，本申请实施例提供的开关电源电路可以在不增加电源损耗的前提下实现对电子开关器件进行保护。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本申请实施例提供的开关电源电路的第一电路结构图；
图2为本申请实施例提供的开关电源电路的第二电路结构图；
图3为本申请实施例提供的开关电源电路的第三电路结构图；
图4为本申请实施例提供的开关电源电路的第四电路结构图。
图标：10-电源输入单元；20-第一功率转换单元；30-变压器；40-第二功率转换单元；50-滤波单元；60-电源输出单元；Q1-第一开关管；Q2-第二开关管；Q3-第三开关管；Q4-第四开关管；Q5-第五开关管；Q6-第六开关管；Q7-第七开关管；Q8-第八开关管；C1-第一电容；C2-第二电容；C3-第三电容；Cs-谐振电容；L0-滤波电感；C0-滤波电容。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本申请的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”、“第三”等命名方式仅是为了区分本申请的不同特征，简化描述，而不是指示或暗示其相对重要性，因此不能理解为对本申请的限制。
在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
下面结合附图，对本申请的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
开关电源(英文：Switching Mode Power Supply)，又称交换式电源、开关变换器，是一种高频化电能转换装置。其功能是将一个位准的电压，通过不同形式的架构转换为用户端所需求的电压或电流。
参照图1，为本申请实施例提供的开关电源电路的电路结构示意图，该电路包括电源输入端、第一功率转换单元20、变压器30、第二功率转换单元40、滤波单元50及电源输出端。
其中，所述第一功率转换单元20连接在所述电源输入端与所述变压器30之间，用于将经所述电源输入端输入的直流电压转换为交流电压并作用到所述变压器30的原边进行变压处理。
进一步地，继续参照图1，所述第二功率转换单元40连接在所述变压器30的副边与所述滤波单元50之间，用于将所述变压器30副边产生的感应电压转换为直流电压，然后作用到所述滤波单元50进行滤波处理。
所述滤波单元50与所述电源输出端连接，经过所述滤波单元50进行滤波处理后的电压从所述电源输出端输出，为负载供电。
进一步地，继续参照图1，在本申请实施例中，所述变压器30的副边还并联有一谐振电容Cs，所述谐振电容Cs与所述第二功率转换单元40及所述滤波单元50构成谐振回路。当该回路中因电子开关器件突然断开而产生电压尖峰脉冲时，可以通过该谐振电容Cs将其吸收，从而削弱回路中高压尖峰，降低高压尖峰对电路中的电子开关器件造成的损害。
参照图1，在本申请的一种实施例中，所述第一功率转换单元20可以为一全桥逆变电路，所述第二功率转换单元40可以为一全桥整流电路。其中，所述全桥逆变电路包括第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3及第四开关管Q4，所述全桥整流电路包括第五开关管Q5、第六开关管Q6、第七开关管Q7及第八开关管Q8。
具体地，继续参照图1，在本实施例中，所述电源输入端包括电源正极及电源负极。所述第一开关管Q1连接在所述电源正极与所述变压器30的原边的非同名端之间，所述第四开关管Q4连接在所述电源负极与所述变压器30的原边的同名端之间；所述第二开关管Q2连接在所述电源负极与所述变压器30的原边的非同名端之间，所述第三开关管Q3连接在所述电源正极与所述变压器30的原边的同名端之间。
当所述第一开关管Q1和第四开关管Q4同时闭合时，所述变压器30的非同名端输入正电压，所述变压器30的同名端输入负电压；当所述第二开关管Q2和第三开关管Q3同时闭合时，所述变压器30的非同名端输入负电压，所述变压器30的同名端输入正电压。
在本实施例中，所述第一开关管Q1和第四开关管Q4的相位与所述第二开关管Q2和第三开关管Q3的时序相位相差180°，从而使得经所述电源输入端输入的直流电压转换为交流电压，并作用到变压器30进行变压。
进一步地，继续参照图1，在本实施例中，所述全桥整流电路包括第一输出端及第二输出端。所述第五开关管Q5连接在所述变压器30的副边的同名端与所述第一输出端之间，所述第八开关管Q8连接在所述变压器30的副边的非同名端与所述第二输出端之间；所述第六开关管Q6连接在所述变压器30的副边的同名端与所述第二输出端之间，所述第七开关管Q7连接在所述变压器30的副边的非同名端与所述第一输出端之间。
当所述变压器30副边的同名端产生正电压，所述变压器30副边的非同名端产生负电压时，所述第五开关管Q5和第八开关管Q8闭合，使得所述第一输出端输出正电压，所述第二输出端输出负电压。而当所述变压器30副边的同名端产生负电压，所述变压器30的非同名端产生正电压时，所述第六开关管Q6和第七开关管Q7闭合，同样使得所述第一输出端输出正电压，所述第二输出端输出负电压，从而实现将所述变压器30副边产生的交流电压转换为直流电压。
在本实施例中，所述第一开关管Q1、第四开关管Q4、第六开关管Q6及第七开关管Q7的通断状态同步，所述第二开关管Q2、第三开关管Q3、第五开关管Q5及第八开关管Q8的通断状态同步。并且，该两组开关管之间的时序相位差为180°，通过周期性地控制该两组开关管的通断，即可实现直流-直流转换。
除此之外，在本实施例中，还可以通过控制各个开关管的占空比来调整电源的输入功率和输出功率，从而得到所需要的目标电压或电流。
进一步地，继续参照图1，在本实施例中，所述滤波单元50包括滤波电感L0及滤波电容C0。所述滤波电感L0连接在所述第一输出端与所述滤波电容C0的一端之间，所述滤波电容C0的另一端与所述第二输出端连接，并且所述滤波电容C0与所述电源输出端并联。经所述第二功率转换单元40整流得到的直流电压再经所述滤波单元50滤波后，可以去除其纹波，得到稳定的直流输出。
继续参照图1，在本实施例中，所述电源输入端还并联有第一电容C1，通过所述第一电容C1，可以吸收所述电源输入端输入的突变电压，达到稳压的效果，同时还可以对所述电源输入端输入的直流电压进行滤波。
下面对本申请实施例中部分元器件的选型进行说明：
在本申请实施例中，所述第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3、第四开关管Q4、第五开关管Q5、第六开关管Q6、第七开关管Q7及第八开关管Q8均为全控型开关器件，如绝缘栅双极型晶体管IGBT(英文：insulated-gate-bipolar transistor)及金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET(英文：Metal-Oxide-Semiconductor Field-EffectTransistor)等。
具体地，在一种可能的实施方式中，所述第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3、第四开关管Q4、第五开关管Q5、第六开关管Q6、第七开关管Q7及第八开关管Q8均采用绝缘栅双极型晶体管IGBT(英文：insulated-gate-bipolar transistor)，然后通过PWM控制IC对其通断状态进行控制，实现电源功率的转换及同步整流。
可替换地，在另一种可能的实施方式中，所述第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3、第四开关管Q4、第五开关管Q5、第六开关管Q6、第七开关管Q7及第八开关管Q8均采用金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET(英文：Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)，然后同样在PWM控制IC的控制下完成电源功率的转换及同步整流。
需要说明的是，在本申请实施例中，所述开关管可以采用，但不限于上述的绝缘栅双极型晶体管IGBT及金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET，任何满足所需频率的电子开关器件均可以替换上述的绝缘栅双极型晶体管IGBT及金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET。
同时，在本申请实施例中，所述绝缘栅双极型晶体管IGBT与金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET之间也可以进行相互替换。例如，在一种可能的实施方式中，所述第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3、第四开关管Q4、第五开关管Q5、第六开关管Q6、第七开关管Q7及第八开关管Q8既可以包括绝缘栅双极型晶体管IGBT，也可以包括金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET。
进一步地，在本申请实施例中，为了满足开关电源所需的高频率转换要求，可以采用高频变压器30对电路中的输入电压进行变压。具体地，所述高频变压器30可以是升压变压器30，也可以是降压变压器30。
进一步地，考虑到所述变压器30副边产生的感应电压的极性会随变压器30原边的输入电压的极性而改变，因此，在本申请实施例中，所述谐振电容Cs采用无极性电容，例如陶瓷电容、薄膜电容等。
参照图2，可替换地，在本申请的另一种实施例中，所述第一功率转换单元20也可以为半桥逆变电路，所述第二功率转换单元40可以为半桥整流电路。
参照图3，可替换地，在本申请的另一种实施例中，所述第一功率转换单元20可以为半桥逆变电路，所述第二功率转换单元40可以为全桥整流电路。
参照图4，可替换地，在本申请的另一种实施例中，所述第一功率转换单元20可以为全桥逆变电路，所述第二功率转换单元40可以为半桥整流电路。
具体地，当所述第一功率转换单元20为半桥逆变电路时，所述第一功率转换单元20可以包括第一开关管Q1、第二开关管Q2、第二电容C2及第三电容C3。其中，第一开关管Q1连接在电源正极与变压器30原边的非同名端之间，第二开关管Q2连接在电源负极与变压器30原边的非同名端之间，第二电容C2连接在电源正极与变压器30原边的同名端之间，第三电容C3连接在电源负极与变压器30原边的同名端之间。
当所述第二功率转换单元40为半桥整流电路时，所述第二功率转换单元40可以包括第五开关管Q5及第六开关管Q6。其中，所述第五开关管Q5连接在滤波电感L0与变压器30副边的同名端之间，第六开关管Q6连接在滤波电感L0与变压器30副边的非同名端之间；滤波电容C0一端与滤波电感L0连接，另一端端与变压器30副边中心抽头连接。此时，可以使用两个谐振电容Cs来吸收回路中的尖峰电压，其中一个并联在变压器30副边的同名端与变压器30副边的中心抽头之间，另一个并联在变压器30副边的非同名端与变压器30副边的中心抽头之间。
应当理解的是，上述图2-图4中各元器件的选型可以参照上文，因此此处不再进行赘述。
本申请实施例还提供一种电源设备，所述电源设备采用上述的开关电源电路对电路中的开关器件进行保护，降低了各个电子开关器件的电压应力，进而提高了电源的可靠性。
综上所述，本申请实施例提供一种开关电源电路及电源设备，其中，所述开关电源电路通过在变压器的副边并联一谐振电容，使得该谐振电容与开关电源电路中的第二功率转换单元和滤波单元构成谐振回路，从而在该谐振回路产生高压尖峰时通过回路的谐振效果降低尖峰脉冲对电子开关器件的影响。同时，由于该谐振电容不会给开关电源电路带来额外的电源损耗，因此，本申请实施例提供的开关电源电路还可以在不增加电源损耗的前提下实现对电子开关器件进行保护。
以上所述实施例，仅为本申请的具体实施方式，用以说明本申请的技术方案，而非对其限制，本申请的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种开关电源电路，其特征在于，所述电路包括电源输入端、第一功率转换单元、变压器、第二功率转换单元、滤波单元及电源输出端；
所述第一功率转换单元连接在所述电源输入端与所述变压器之间，用于将经所述电源输入端输入的直流电压转换为交流电压并作用到所述变压器的原边；
所述第二功率转换单元与所述变压器的副边连接，用于将所述变压器副边产生的感应电压转换为直流电压并提供给所述滤波单元，其中，所述滤波单元与所述电源输出端连接；
所述变压器的副边并联有一谐振电容，所述谐振电容与所述第二功率转换单元及所述滤波单元构成谐振回路；
其中，所述谐振电容为无极性电容，所述无极性电容包括陶瓷电容或薄膜电容。
2.如权利要求1所述的开关电源电路，其特征在于，所述第一功率转换单元及所述第二功率转换单元分别包括全桥电路或半桥电路。
3.如权利要求2所述的开关电源电路，其特征在于，所述第一功率转换单元中的全桥电路包括第一开关管、第二开关管、第三开关管及第四开关管，所述电源输入端包括电源正极及电源负极；其中，
所述第一开关管连接在所述电源正极与所述变压器的原边的非同名端之间，所述第二开关管连接在所述电源负极与所述变压器的原边的非同名端之间；
所述第三开关管连接在所述电源正极与所述变压器的原边的同名端之间，所述第四开关管连接在所述电源负极与所述变压器的原边的同名端之间。
4.如权利要求3所述的开关电源电路，其特征在于，所述第一开关管、第二开关管、第三开关管及第四开关管为全控型开关器件；
所述全控型开关器件包括绝缘栅双极型晶体管或金属氧化物半导体场效应晶体管。
5.如权利要求2所述的开关电源电路，其特征在于，所述第二功率转换单元包括第一输出端、第二输出端及全桥电路，所述全桥电路包括第五开关管、第六开关管、第七开关管及第八开关管；其中，
所述第五开关管连接在所述变压器的副边的同名端与所述第一输出端之间，所述第六开关管连接在所述变压器的副边的同名端与所述第二输出端之间，所述第七开关管连接在所述变压器的副边的非同名端与所述第一输出端之间，所述第八开关管连接在所述变压器的副边的非同名端与所述第二输出端之间。
6.如权利要求5所述的开关电源电路，其特征在于，所述第五开关管、第六开关管、第七开关管及第八开关管为全控型开关器件；
所述全控型开关器件包括绝缘栅双极型晶体管或金属氧化物半导体场效应晶体管。
7.如权利要求5所述的开关电源电路，其特征在于，所述滤波单元包括滤波电感及滤波电容；其中，
所述滤波电感连接在所述第一输出端与所述滤波电容的一端之间；
所述滤波电容的另一端与所述第二输出端连接，且所述滤波电容与所述电源输出端并联。
8.如权利要求1-7中任一项所述的开关电源电路，其特征在于，所述变压器为高频变压器，所述高频变压器包括升压变压器或降压变压器。
9.一种电源设备，其特征在于，所述电源设备包括如权利要求1-8中任一项所述的开关电源电路。
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CN203039584U (zh) * 2012-10-29 2013-07-03 旭隼科技股份有限公司 可调节输出电压的转换器
CN104092380A (zh) * 2014-07-07 2014-10-08 福州开发区星云电子自动化有限公司 一种双向移相全桥软开关电路

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