CN112636602A - 开关电源装置 - Google Patents

Abstract

开关电源装置。一种开关电源装置包括：转换器；输入电压检测单元，其被配置为检测转换器的输入电压；电流检测单元，其被配置为检测转换器的输入电流和输出电流中的至少一个；死寂时间设置单元，其被配置为设置转换器的开关元件的通/断操作中的死寂时间；以及死寂时间表，在该死寂时间表中在由输入电压值和输出电流值形成的矩阵上记录针对每个输入电压值和每个输出电流值的死寂时间。死寂时间设置单元基于由输入电压检测单元检测到的输入电压和由电流检测单元检测到的电流，参考死寂时间表设置死寂时间。

Description

开关电源装置

技术领域

本发明的一个或更多个实施方式涉及具有用于将输入电压转换为预定电压的转换器的开关电源装置，尤其涉及用于减少开关损耗的技术。

背景技术

例如，电动车辆或混合动力汽车装配有用于驱动行驶电动机的高压电池和用于降低电池的电压以供给每个单元的电源装置。作为电源装置，通常使用具有DC-DC转换器的开关电源装置，该DC-DC转换器用于切换DC电压以将其转换为AC电压，并且对该AC电压进行整流以将其转换为预定电压值的DC电压。典型的DC-DC转换器配置有具有四个开关元件的全桥型开关电路、具有连接到初级侧的开关电路的变压器、以及连接到变压器的次级侧的整流器电路等。

在DC-DC转换器中，当在开关元件的接通/断开操作期间发生开关损耗时，功率转换效率降低。开关损耗是由于在开关元件从接通到断开或从断开到接通的过渡状态下存在开关元件的电流和电压二者不变为零的时段而引起的损耗。作为减小开关损耗的有效手段，已知有称为软开关(Soft Switching)的驱动方法，作为驱动方法之一，提供称为零伏开关(Zero Volt Switching)的方法。零伏开关是一种控制方法，使得例如在开关元件是场效应晶体管(FET)的情况下，当漏极和源极之间的电压变为零伏时FET导通并且电流流过FFT。

另一方面，在全桥型开关电路的情况下，当串联连接的一对上下开关元件在通/断开关时同时接通时，在输入端子之间发生电路短路，并且流过大电流。因此，为了避免这种情况，在一个开关元件被断开与另一开关元件被接通之间设置两个开关元件都断开的时段。该时段被称为“死寂时间”。为了使以上软开关有效，需要将死寂时间设定为最佳值。当死寂时间太短或太长时，开关元件的电流或电压在死寂时间段中都不会变为零，并且发生开关损耗。

日本专利No.3706852号公开了一种能够设置最佳死寂时间的开关电源装置。在该开关电源装置中，通过在输入电流和输出电流减小、或输入电压增加时延长死寂时间段，以及在输入电流和输出电流增大、或输入电压减小时缩短死寂时间段，将死寂时间设定为最佳值。

发明内容

在日本专利No.3706852的开关电源装置中，死寂时间根据电流或电压的波动而实时地改变。因此，例如，当输入电压和输出电流同时波动时，变得难以将死寂时间设置为最佳值。

本发明的一个或更多个实施方式的目的是提供一种即使在电压和电流同时波动的情况下也能够设置最佳死寂时间的开关电源装置。

在本发明的一个或更多个实施方式中，提供了一种开关电源装置，其包括：转换器，其被配置为对从电源输入的输入电压进行切换，以将输入电压转换为预定电压，并将经转换的电压提供给负载，该转换器包括：一对输入端子，其连接到电源；一对输出端子，其连接到负载；开关电路，其包括串联连接在输入端子之间的一对开关元件，该开关电路被配置为通过该开关元件的通/断操作来切换输入电压；整流器电路，其被配置为对开关电路所切换的电压进行整流；以及变压器，其设置在开关电路和整流器电路之间，该变压器包括连接到开关电路的初级绕组和连接到整流器电路的次级绕组；输入电压检测单元，其被配置为检测转换器的输入电压；电流检测单元，其被配置为检测转换器的输入电流和输出电流中的至少一个；死寂时间设置单元，其被配置为设置一对开关元件的通/断操作中的死寂时间；以及死寂时间表，在该死寂时间表中在由多个输入电压值和多个输出电流值形成的矩阵上记录针对多个输入电压值中的每一个和多个输出电流值中的每一个的死寂时间；其中，死寂时间设置单元基于由输入电压检测单元检测到的输入电压和由电流检测单元检测到的电流，参考死寂时间表设置死寂时间。

这种结构使得即使输入电压和输出电流同时波动也能够通过参考死寂时间表将死寂时间实时地设置为最佳值。此外，对死寂时间表的矩阵进行细分使得能够根据输入电压和输出电流的波动来高分辨率地切换死寂时间。

在本发明的一个或更多个实施方式中，死寂时间表中记录的死寂时间随着输入电压值越大以及输出电流值越小而变长，并且随着输入电压值越小以及输出电流值越大而变短。

在本发明的一个或更多个实施方式中，死寂时间表中记录的死寂时间是从一对开关元件中的一个开关元件断开的时间点到一对开关元件中的另一个开关元件两端的电压变为零伏的时间点的时间段。

根据本发明的一个或更多个实施方式，可以提供一种即使在电压和电流同时波动的情况下也能够设置最佳死寂时间的开关电源装置。

附图说明

图1是例示了根据本发明的实施方式的开关电源装置的示例的图；

图2是示出死寂时间表的示例的图；

图3是用于说明死寂时间的时间图；

图4是用于说明开关元件的详细情况的电路图；

图5是示出开关元件的电压变化与死寂时间之间的关系的图；

图6是用于说明根据输入电压和输出电流的死寂时间的设置的时间图；

图7是用于说明根据输入电压和输出电流的死寂时间的设置的时间图；

图8是用于说明根据输入电压和输出电流的死寂时间的设置的时间图；

图9是用于说明根据输入电压和输出电流的死寂时间的设置的时间图；

图10是示出了从数学式计算出的FET电压的时间变化的图；

图11是示出死寂时间表的另一示例的图；

图12是示出死寂时间表的另一示例的图；

图13是示出本发明的实施方式的应用示例的图；以及

图14是示出开关频率表的示例的图。

具体实施方式

在本发明的实施方式中，阐述了大量具体细节以便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，没有详细描述众所周知的特征，以避免使本发明不清楚。

参照附图描述本发明的实施方式。在附图中，相同或相应的部分由相同的附图标记表示。

首先，参照图1说明开关电源装置的结构。在图1中，开关电源装置100配置有DC-DC转换器10(以下简称为“转换器”)、控制单元20、FET驱动电路30和储存单元40。

转换器10包括连接到DC电源B的一对输入端子a、b以及连接到负载Z的一对输出端子c、d，并且对从DC电源B输入的输入电压Vi进行切换，以将输入电压Vi转换成预定电压，并将转换后的电压作为输出电压Vo提供给负载Z。转换器10包括开关电路11、变压器TS、整流器电路12、电容器C1、电容器C2、电感器L2、电感器Lx和分流电阻器R。

电容器C1用于去除输入电压Vi中包括的纹波分量，并且连接在输入端子a、b之间。开关电路11是具有四个开关元件Q1至Q4的全桥型开关电路。一对开关元件Q1、Q2串联连接在输入端子a、b之间。另一对开关元件Q3、Q4也串联在输入端子a、b之间。在本实施方式中，这些开关元件Q1至Q4由场效应晶体管(FET)配置。如图4所示，寄生二极管Ds和寄生电容Cs并联连接在各开关元件Q1至Q4的漏极和源极之间。

变压器TS具有励磁电感器L1、初级绕组W1和次级绕组W2a、W2b。初级绕组W1的一端通过用于谐振的电感器Lx连接到开关元件Q1、Q2的连接点m，并且初级绕组W1的另一端连接到开关元件Q3、Q4的连接点n。励磁电感器L1内置在变压器TS中，并且与初级绕组W1并联连接。次级绕组W2a和W2b连接到由二极管D1和二极管D2配置的整流器电路12。电感器L2和电容器C2构成平滑电路。

详细地，二极管D1和电感器L2串联连接在次级绕组W2a的一端与输出端子c之间，并且次级绕组W2a的另一端连接到次级绕组W2b的一端。次级绕组W2b的另一端通过二极管D2连接到二极管D1和电感器L2之间的连接点j。电容器C2与次级绕组W2a、二极管D1和电感器L2并联连接。分流电阻器R连接在次级绕组W2a、W2b的连接点p与输出端子d之间。

控制单元20由CPU等配置，并且具有输入电压检测单元21、输出电流检测单元22和死寂时间设置单元23。输入电压检测单元21检测输入端子a、b之间的电压，即，转换器10的输入电压Vi。输出电流检测单元22基于分流电阻器R的电压降检测转换器10的输出电流Io。死寂时间设置单元23设置开关元件Q1至Q4的通/断操作中的死寂时间。死寂时间的设置将在后面详细说明。外部信号例如从车载电子控制单元(ECU)输入到控制单元20，并且控制单元20根据该信号执行预定控制。

FET驱动电路30是用于驱动开关电路11的电路，并且通过向开关元件Q1至Q4的每个栅极提供选通信号S1至S4来接通和关断开关元件Q1至Q4。选通信号S1至S4例如是脉冲宽度调制(PWM)信号。FET驱动电路30基于来自控制单元20的命令生成具有预定占空比的PWM信号，并且将所生成的信号作为选通信号S1至S4输出到开关电路11。

如上所述，在开关元件Q1至Q4通过选通信号S1至S4执行通/断操作的情况下，当上下开关元件(Q1和Q2、Q3和Q4)均接通时，输入端子a、b短路。为了避免这种情况，如图3所示，在一个开关元件被断开的时间点与另一开关元件被接通的时间点之间设置两个开关元件都被断开的死寂时间ΔT。

储存单元40配置有半导体存储器。在该储存单元40中，除了用于操作控制单元20的软件程序(未示出)之外，还存储了死寂时间表41。

图2示意性地示出了死寂时间表41的示例。死寂时间表41在配置有多个输入电压值(Vi)和多个输出电流值(Io)的矩阵上记录了针对每个输入电压值和每个输出电流值的死寂时间。在此，为简化起见，例示了按照五个输入电压值和五个输出电流值而组合的25个死寂时间。在表中的死寂时间当中，实际上使用了由粗线框围绕的范围内的值。

从图2可以看出，记录在死寂时间表41中的死寂时间随着输入电压Vi的值越大以及输出电流Io的值越小(即，电压越高，负载越轻)而越长，并且随着输入电压Vi的值越小以及输出电流Io的值越大(即，电压越低，负载越重)而越短。

死寂时间设置单元23基于由输入电压检测单元21检测到的输入电压Vi和由输出电流检测单元22检测到的输出电流Io，参照死寂时间表41来设置死寂时间ΔT。例如，当输入电压为Vi＝150V并且输出电流为Io＝50A时，上下开关元件之间的死寂时间设置为ΔT＝48ns。当输入电压为Vi＝200V且输出电流为Io＝100A时，上下开关元件之间的死寂时间设置为ΔT＝33ns。

FET驱动电路30根据死寂时间设置单元23设置的死寂时间ΔT生成以预定定时接通和断开的选通信号S1至S4(PWM信号)，并驱动开关元件Q1至Q4。

另外，如图4所示，由于寄生电容Cs的充电而引起的电压V_Q被施加到开关元件Q1至Q4的两端(在漏极和源极之间)。然后，电压V_Q由于寄生电容Cs的放电而逐渐降低。这在图5中示出。

在图5中，当上FET(例如，Q3)导通而下FET(例如，Q4)截止时，电流流向下FET的寄生电容Cs，并且寄生电容Cs被充电，使得V_Q＝Vs的电压被施加到下FET的两端。当上FET截止时，下FET的寄生电容Cs开始放电，并且下FET两端的电压V_Q从Vs逐渐减小。当下FET两端的电压变为V_Q＝0时，下FET导通。即，在图5中，从上FET截止的时间点到下FET两端的电压变为零伏的时间点的时间段是死寂时间ΔT。以这种方式确定的死寂时间ΔT被记录在图2的死寂时间表41中。

如上所述，通过提供死寂时间ΔT，使得能够实现以上描述的软开关操作并减少开关损耗，这是因为从下FET两端的电压V_Q变为零伏的时间点开始，电流在漏极和源极之间流动。

接下来，说明死寂时间ΔT的具体计算方法的示例。

例如，能够通过下式来近似开关元件Q1至Q4两端的电压V_Q(寄生电容Cs的电压)的瞬态特性。

这里，Vi是输入电压，Lx是电感器Lx的电感值，Cs是寄生电容Cs的电容值，Ix是流过电感器Lx的电流，并且t是时间。如上所述，当V_Q＝0时的时间t是死寂时间ΔT。上式(1)是近似式的示例，并且可以使用其它近似式。

假设时间t足够小于电压V_Q的振动周期，能够从以下近似式获得死寂时间ΔT。

图6至图9示出了根据输入电压Vi和输出电流Io来设置死寂时间ΔT的示例。每个图示出了输入电压Vi、输出电压Vo、输出电流Io、电感器电流Ix、开关元件Q4两端的电压(寄生电容电压)以及选通信号S1至S4。在此，以开关元件Q3与Q4之间的死寂时间ΔT为例。在图6中，由于开关元件Q4的寄生电容Cs(图2)从开关元件Q3截止时的时间t1开始放电，因此开关元件Q4两端的电压V_Q降低，并且开关元件Q4在V_Q＝0的时间t2接通，如图5的情况。从t1到t2的时段是死寂时间ΔT。图7至图9同样如此。

图6示出了输入电压Vi为200V并且输出电流Io为50A的情况。根据图2的死寂时间表41，Vi＝200V且Io＝50A时的死寂时间ΔT为ΔT＝60ns。图6示出了输入电压Vi高且输出电流Io小的“高电压轻负载”的情况，并且死寂时间ΔT相对长。当死寂时间ΔT变长时，开关元件Q4的接通时段变短，并且变得可以应对轻负载。

图7示出了输入电压Vi为200V并且输出电流Io为100A的情况。根据图2的死寂时间表41，Vi＝200V且Io＝100A时的死寂时间ΔT为ΔT＝33ns。在图7中，输出电流Io的值大于图6中输出电流Io的值。即，图7示出了输入电压Vi高且输出电流Io大的“高电压重负载”的情况，并且死寂时间ΔT的值比图6中的死寂时间ΔT的值短。死寂时间ΔT越短，开关元件Q4的接通时段越长，从而变得可以应对重负载。

图8示出了输入电压Vi为150V且输出电流Io为50A的情况。根据图2的死寂时间表41，Vi＝150V且Io＝50A时的死寂时间ΔT为ΔT＝48ns。在图8中，输入电压Vi和输出电流Io二者小于图7中的二者。即，图8示出了“低电压轻负载”的情况，并且死寂时间ΔT的值比图7中死寂时间ΔT的值长。当死寂时间ΔT变长时，开关元件Q4的接通时段变短，并且变得可以应对轻负载。

图9示出了输入电压Vi为150V且输出电流Io为100A的情况。根据图2的死寂时间表41，Vi＝150V且Io＝100A时的死寂时间ΔT为ΔT＝28ns。在图9中，输出电流Io的值大于图8中输出电流Io的值。即，图9示出了“低电压重负载”的情况，并且死寂时间ΔT的值比图8中死寂时间ΔT的值短。当死寂时间ΔT变短时，开关元件Q4的接通时段变长，并且变得可以应付重负载。

图10是示出根据上式(1)计算出的开关元件Q4两端的电压V_Q的时间变化的曲线图。在此，针对以上描述的图6至图9的每种情况，示出了V_Q的变化状态。从图10可以看出，死寂时间(直到变为V_Q＝0为止的时间t)随着变为“高电压轻负载”(图6)而变长，并且随着变为“低电压重负载”(图9)而变短。此外，在“高电压重负载”(图7)的情况下的死寂时间变得比在“低电压轻负载”(图8)的情况下的死寂时间短。

根据上述实施方式，提供了死寂时间表41，其中在输入电压和输出电流的矩阵上记录了针对每个电压和每个电流的死寂时间，并且死寂时间设置单元23基于由输入电压检测单元21检测到的输入电压Vi和由输出电流检测单元22检测到的输出电流Io，参考死寂时间表41设置死寂时间ΔT。因此，参考死寂时间表41使得即使输入电压Vi和输出电流Io同时波动，也能够将死寂时间ΔT实时地设置为最佳值。此外，对死寂时间表41的矩阵进行细分使得能够根据输入电压Vi和输出电流Io的波动来高分辨率地切换死寂时间ΔT。

死寂时间表41中记录的死寂时间随着输入电压Vi越大以及输出电流Io越小而变长，并且随着输入电压Vi越小以及输出电流Io越大而变短。因此，可以适当地应对高电压轻负载或低电压重负载的情况。

此外，使用在漏极和源极之间具有寄生电容Cs的FET作为开关元件Q1至Q4的、死寂时间表41中记录的死寂时间是从一对开关元件中的一个被断开的时间点到另一开关元件两端的电压V_Q(寄生电容Cs的电压)变为零伏的时间点的时间段(参见图5)。如上所述提供死寂时间，使得能够实现在电压V_Q变为零伏之后接通开关元件的软开关操作，并且减小开关损耗。

在本发明中，除了上述实施方式之外，还能够采用各种实施方式。

例如，在图2的死寂时间表41中，粗线框外侧的死寂时间的值可以被设置为固定值，如图11的虚线框所示。在这种情况下，从防止输入端子a、b之间短路等的观点出发，固定值优选地设置为安全侧(大的值)。另外，在图2的死寂时间表41中，粗线框外侧的死寂时间的值可以设置为饱和值(与相邻值相同的值)，如图12的虚线框所示。

在以上实施方式中，描述了根据输入电压Vi和输出电流Io的死寂时间的切换，并且本发明的原理也能够应用于根据输入电压Vi和输出电流Io的开关频率的切换。图13示出了这种情况下的配置示例。在图13中，提供了开关频率设置单元24代替图1的死寂时间设置单元23，并且提供了开关频率表42代替图1的死寂时间表41。其它配置与图1所示的相同。

图14示出了开关频率表42的示例。开关频率随着电压变得越高(Vi越大)以及负载变得越轻(Io越小)而被设置为更低的值。在表中的开关频率当中，实际上使用由粗线框围绕的范围内的值。开关频率设置单元24基于由输入电压检测单元21检测到的输入电压Vi和由输出电流检测单元22检测出的输出电流Io，参照开关频率表42来设置最佳的开关频率。

在图14中，粗线框外侧的开关频率的值可以如图11所示而设置为固定值。在这种情况下，从防止变压器TS的磁饱和等的观点出发，固定值优选地设置为安全侧(大的值)。另外，粗线框外侧的死寂时间的值可以如图12所示而设置为饱和值(与相邻值相同的值)。

尽管在图13中采用了提供开关频率表42代替图1的死寂时间表41的示例，但是除了图1的死寂时间表41之外，还可以提供开关频率表42。即，提供死寂时间表41和开关频率表42两者可以使得能够将死寂时间和开关频率分别设置为最佳值。

尽管在以上实施方式中采用了提供用于检测输出电流Io的输出电流检测单元22的示例，但是由于能够从输入电流计算输出电流Io，因此可以提供用于检测输入电流的输入电流检测单元(未示出)，并且可以通过从检测出的电流值进行计算来计算输出电流Io。例如，可以检测流过图1中的电感器Lx的电流Ix作为输入电流。在这种情况下，当变压器TS的匝数比为γ时，输出电流Io能够计算为Io≈Ix·γ。因此，可以提供用于检测输入电流和输出电流中的至少一个的电流检测单元。

尽管在以上实施方式中采用了在控制单元20中设置输入电压检测单元21、输出电流检测单元22和死寂时间设置单元23的示例，但是这些单元中的每个可以与控制单元20分开设置。另外，尽管在以上实施方式中采用了将死寂时间表41设置于储存单元40中的示例，但是死寂时间表41可以设置于控制单元20中。FET驱动电路30可以设置在控制单元20中。

尽管在以上实施方式中以DC-DC转换器10作为转换器的示例，但是转换器不限于DC-DC转换器，并且可以是例如AC-DC转换器。在这种情况下，执行处理，使得输入的AC电压被转换为DC电压，经转换的DC电压被切换并转换为AC电压，并且AC电压被进一步整流并转换为DC电压。

尽管在以上实施方式中采用了将具有四个开关元件Q1至Q4的全桥型开关电路作为开关电路11的示例，但是开关电路可以是具有两个开关元件的半桥型开关电路。

尽管在以上实施方式中采用了将FET作为开关元件Q1至Q4的示例，但是双极型通用晶体管也可以用于开关元件Q1至Q4。在这种情况下，代替寄生二极管Ds和寄生电容Cs，作为电路组件的二极管和电容器可以与晶体管并联连接。IGBT等可以用作开关元件Q1至Q4。

尽管在以上实施方式中采用了设置分流电阻器R以检测输出电流Io的示例，但是也可以设置霍尔元件等来代替分流电阻器R。

尽管在以上实施方式中采用了由PWM信号驱动开关元件Q1至Q4的示例，但是也可以由除PWM信号以外的驱动信号来驱动开关元件Q1至Q4。

尽管在以上实施方式中采用了安装在车辆上的开关电源装置的示例，但是本发明也能够应用于在除车辆以外的领域中使用的开关电源装置。

尽管已经参照有限数量的实施方式描述了本发明，但是受益于本公开的领域中的技术人员将理解，能够设计出不脱离如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书限制。

相关申请的交叉引用

本申请基于2019年10月8日提交的日本专利申请No.2019-185140并要求其优先权，该日本专利申请的全部内容通过引用合并于本文中。

Claims (3)

1.一种开关电源装置，该开关电源装置包括：

转换器，该转换器被配置为对从电源输入的输入电压进行切换，以将所述输入电压转换为预定电压，并将经转换的电压提供给负载，该转换器包括：

一对输入端子，所述一对输入端子连接到所述电源；

一对输出端子，所述一对输出端子连接到所述负载；

开关电路，该开关电路包括串联连接在所述输入端子之间的一对开关元件，该开关电路被配置为通过所述开关元件的通/断操作来切换所述输入电压；

整流器电路，该整流器电路被配置为对所述开关电路所切换的电压进行整流；以及

变压器，该变压器设置在所述开关电路和所述整流器电路之间，该变压器包括连接到所述开关电路的初级绕组和连接到所述整流器电路的次级绕组；

输入电压检测单元，该输入电压检测单元被配置为检测所述转换器的所述输入电压；

电流检测单元，该电流检测单元被配置为检测所述转换器的输入电流和输出电流中的至少一个；

死寂时间设置单元，该死寂时间设置单元被配置为设置所述一对开关元件的通/断操作中的死寂时间；以及

死寂时间表，在该死寂时间表中在由多个输入电压值和多个输出电流值形成的矩阵上记录针对所述多个输入电压值中的每一个和所述多个输出电流值中的每一个的死寂时间；

其中，所述死寂时间设置单元基于由所述输入电压检测单元检测到的输入电压和由所述电流检测单元检测到的电流，参考所述死寂时间表来设置所述死寂时间。

2.根据权利要求1所述的开关电源装置，

其中，记录在所述死寂时间表中的所述死寂时间随着所述输入电压值越大以及所述输出电流值越小而变长，并且随着所述输入电压值越小以及所述输出电流值越大而变短。

3.根据权利要求1或2所述的开关电源装置，

其中，记录在所述死寂时间表中的所述死寂时间是从所述一对开关元件中的一个开关元件断开的时间点到所述一对开关元件中的另一个开关元件两端的电压变为零伏的时间点的时间段。

Images