CN1162956C - 开关电源装置 - Google Patents

Abstract

通过整流平滑电路将DC-DC变换器连接到交流电源的结构的开关电源装置有交流输入电流的波形恶化，而且功率下降的技术问题。能够解决该技术问题的开关电源装置具有与交流电源连接的整流电路，通过电抗线圈(20)和逆流阻止用二极管(21)与该整流电路(1)连接的输入平滑用电容器(2)，与该输入平滑用电容器(2)并联连接的变压器(3)的初级线圈(13)和开关元件(4)的串联电路，与变压器(3)的次级线圈(14)连接的输出整流平滑电路(5)，和连接在初级线圈(13)的抽头(23)和电抗线圈(20)之间的开压电路形成用电容器(22)。该开关电源装置可以作为电子设备的直流电源使用。

Description

开关电源装置

本发明涉及基于交流电源而将直流电力供给负载用的开关电源装置。

如图1所示，现有的典型开关电源装置由整流电路1、输入平滑用电容器2、变压器3、由晶体管构成的半导体开关元件4、输出整流平滑电路5、开关控制电路6以及电压检测电路7构成。

整流电路1是桥型连接4个二极管D1、D2、D3和D4的众所周知的单相全波整流电路，具有一对交流输入端子8、9和一对直流输出端子10、11。输入平滑用电容器2连接在整流电路1的一对直流输出端子10、11间。变压器3由磁芯12和缠绕在该磁芯12上并且相互进行电磁耦合的初级线圈13及次级线圈14构成。把初级线圈13的一端连接在输入平滑用电容器2的一端上，其另一端通过开关元件4连接在输入平滑用电容器2的另一端上。输出整流平滑电路5由输出整流用二极管15和输出平滑用电容器16构成。输出平滑用电容器16通过输出整流用二极管15与次级线圈14并联连接。设定初级线圈13和次级线圈14的极性如图1中的黑圆点所示。因此，连接在次级线圈14上的二极管15在开关元件4的导通期间保持非导通状态、在关断期间呈导通状态。将负载19连接在连接输出平滑用电容器16的一对输出端子17、18间。电压检测电路7检测一对输出端子17、18间的电压，并输送给控制电路6。一般情况下，电压检测电路7由检测输出电压用的分压电阻、基准电压电源以及误差放大器构成，把由分压电阻获得的输出电压的检测值和基准电压电源的基准电压输入给误差放大器，误差放大器的输出成为电压检测信号或电压反馈控制信号。控制电路6形成使输出端子17、18间的电压一定用的由PWM脉冲构成的控制信号，由此，对开关元件4进行导通·关断控制。从简略地表示图1的控制电路6的图2可知，该控制电路6由锯齿波发生器6a、比较器6b以及驱动电路6c构成，对频率为例如20～150kHz左右的锯齿波电压与供给线7a的图1的电压检测电路7的电压输出进行比较，作成方型波脉冲，通过驱动电路6把包含该脉冲的控制信号输送给作为开关元件4的控制元件的基极。另外，一般情况下电压检测电路7与控制电路6进行光耦合。

在利用该开关电源装置向负载19供给电力时，根据从控制电路6输出的控制信号，使开关元件4导通·关断。在开关元件4的导通期间Ton内，电流流过由平滑用电容器2、初级线圈13和开关元件4构成的闭合电路。在该导通期间内，因为输出整流平滑用二极管15不导通，所以磁能蓄积在变压器3的铁心12中。在开关元件4关断期间Toff内，由于变压器3蓄积的能量的释放，由次级线圈14中感应的电压使整流平滑用二极管15导通，将电力供给输出平滑用电容器16及负载19。

可是，输入平滑用电容器2的充电电流只在图3所示的交流输入端子8、9间的例如50Hz的交流电源电压Vin的整流输出电压比电容器2的电压Vc1高的峰值时刻t1、t2及其附近流过。因此，流过交流输入端子8及9的交流输入电流Iin呈图3所示的脉冲波形，含有高频分量。另外，交流输入端子8、9中的功率因数变坏。

另外，如图3中用虚线所示，为了对输入平滑用电容器2间歇地充电，该电压Vc1呈周期性变化。其结果，如图3中用虚线所示，开关元件4的集电极·发射极间的电压Vs及开关元件4的电流Is的峰值随着输入平滑用电容器2的电压Vc1的变化而变化。

本发明的目的在于提供一种能利用比较简单的电路改善交流输入端子中的功率因数及波形的开关电源装置。

为了解决上述课题、达到上述目的的本发明是把直流电力供给负载用的开关电源装置，其特征在于具备：具有连接在正弦波交流电源上的交流输入端子和一对直流输出端子的整流电路；其一端连接在上述一对直流输出端子的一个的电抗线圈；其一端连接在上述电抗线圈的另一端上，并且具有由上述整流电路的输出电压进行正向偏置的方向性的二极管；连接在上述二极管的另一端与上述一对直流输出端子的另一个之间的输入平滑用电容器；其一端连接在上述输入平滑用电容器的一端上，并且具备有带抽头的线圈的变压器；连接在上述带抽头的线圈的另一端与上述另一直流输出端子之间的开关元件；连接在上述电抗线圈的另一端与上述带抽头的线圈的抽头之间的升压电路形成用电容器；连接在上述变压器上的输出整流平滑电路以及用比供给上述交流输入端子的交流电压的频率高的频率对上述开关元件进行导通-关断控制用的控制电路。

另外，如发明的第2方面所示，最好在变压器中设置次级线圈。

另外，如发明的第3方面所示，输出整流用二极管最好具有在开关元件导通期间内呈导通状态的方向性。

另外，如发明的第4方面所示，将输出整流平滑电路与开关元件并联连接，能形成开关式调节器。

在发明的各方面中，不仅流过输入平滑用电容器的电流流过电抗线圈，而且通过升压电路形成用电容器至开关元件的电路的电流也流过电抗线圈。另外，因为输入平滑用电容器利用由电抗线圈升压的电压进行充电，所以不仅输入交流电压Vin的峰值及其附近而且在大角度范围内流过输入平滑用电容器的充电电流。另外，电抗线圈的输出级的电压与交流电源的正弦波电压同步进行正弦波状变化。因此，流过开关元件的电流的振幅值及输入平滑用电容器的充电电流的振幅值的包络线进行正弦波状变化。因此，交流输入端子的电流包络线也进行正弦波状变化，能实现电波波形的改善及功率因数的改善。

另外，因为开关元件能用于DC-DC变换及波形的改善这两个方面，所以利用简单的电路就能达到波形的改善及功率因数的改善。

图1是表示现有的开关电源装置的电路图。

图2是简略地表示图1的控制电路的框图。

图3是简略地表示图1的各部分状态的波形图。

图4是表示第1实施例的开关电源装置的电路图。

图5是简略地表示图4的各部分状态的波形图。

图6是表示第2实施例的开关电源装置的电路图。

图7是表示第3实施例的开关电源装置的电路图。

其次，参照图4～图7说明本发明的实施形态及实施例。但是，在图4～图7中，实际上与图1～图3相同的部分标以相同的符号，其说明从略。另外，在图4～图7中彼此共同的部分标以相同的符号，用具有代表性的1个图对共同的部分进行说明，省略其它图中的说明。

[第1实施例]

图4所示的第1实施例的开关电源装置是把电抗线圈20、逆流阻止用二极管21和升压电路形成用的电容器22附加在图1的电路中，其它结构与图1相同。

即，图4的开关电源装置具有与图1结构相同的整流电路1、输入平滑用电容器2、变压器3、开关元件4、输出整流平滑电路5、控制电路6以及电压检测电路7。可是，在变压器3的初级线圈13中设置抽头23，将初级线圈13分割成第1部分13a和第2部分13b。由线圈和铁心构成的升压用电抗线圈20的一端连接在整流电路1的一个直流输出端子10上。逆流阻止用二极管21的一端即阳极连接在电抗线圈20的另一端上，其另一端即阴极连接在输入平滑用电容器2的一端上。二极管21具有由整流电路1的输出电压进行正向偏置的方向性。升压电路形成用电容器22连接在电抗线圈20的另一端与初级线圈13的抽头23之间。开关元件4和初级线圈13的串联电路与输入平滑用电容器2并联连接。

其次，参照表示图4的各部分状态的图5说明图4的开关电源装置的工作。如果利用控制电路6的控制，开关元件4用比交流输入端子8、9间的交流输入电压Vin的频率(例如50Hz)高的频率(例如100Hz)进行导通·关断，则变压器3中能量的蓄积及释放与图1的电路同样地发生，通过次级线圈14和输出平滑用电路5将电力供给负载19。可是，如果输出端子17、18的电压比目标值高，则开关元件4的导通期间Ton变短，由于在该导通期间Ton内蓄积在变压器2中的能量降低，所以输出端子17、18的电压返回目标值。反之，在输出端子17、18的电压比目标值低时，发生与上述相反的工作。

在开关元件4导通期间Ton内，与图1的电路相同，输出整流平滑用二极管15保持非导通状态，能量被蓄积在变压器3中。在开关元件4关断期间Toff内，输出整流平滑用二极管15通过变压器3的蓄积能量的释放呈导通状态，能量被供给电容器16。另外，在开关元件4关断期间内，由初级线圈13的第1部分13a、升压电路形成用电容器22和逆流阻止用二极管21构成的电路成立，利用初级线圈13的第1部分13a的电压，将升压电路形成用电容器22充电成图4所示的极性。因为在图5中的t1～t2所示的导通期间Ton内，利用控制电路6的控制脉冲(PWM脉冲)控制开关元件4呈导通状态，所以与图1的电路相同，第1电流I1流过由输入平滑用电容器2、初级线圈13、以及开关元件4构成的电路，同时通过由整流电路1、电抗线圈20、形成升压用电容器22、初级线圈13的第2部分13b以及开关元件4构成的电路的第2电流I2流动。因此，流过开关元件4的电流Is为第1及第2电流I1和I2的和。图5所示的电抗线圈20的电流IL在导通期间Ton内的电流与第2电流I2一致。如果第2电流I2在导通期间Ton内流过电抗线圈20，能量便蓄积在这里。如图5所示，因为在该导通期间Ton内，逆流阻止用二极管21的阳极侧的点P1的电位V2相对变低，所以二极管21呈反向偏置状态，保持非导通状态。另外，在图5中的电抗线圈20的端子间的电压VL与整流电路1的输出电压V1和P1点的电位V2之间，式VL＝V1-V2成立。

如果设关断期间Toff内初级线圈13的电压为Vp、第1部分13a的匝数为Na、第2部分13b的匝数为Nb，则在关断期间Toff内第1部分13a的电压Va为Vp Na/(Na+Nb)，由该电压Va对电容器22进行充电。另外，在导通期间Ton内第2部分13b的电压Vb为Vc1 Nb/(Na+Nb)。在导通期间Ton内上述电压Vb与V3相同。因此，在导通期间Ton内，施加在电抗线圈20上的电压VL能用下式表示：

VL＝V1+Va-Vb。

因为在图5的t2～t3区间所示的关断期间Toff内，开关元件4呈关断状态，所以不能流过由第1及第2电流I1、I2的和构成的电流Is。已经说明过，在该关断期间Toff内，变压器3的蓄积能量发生释放，同时，电抗线圈20的蓄积能量发生释放，得到电抗线圈20的电抗电压与整流电路1的输出电压V1相加后的电压，因为它比输入平滑用电容器2的电压Vc1高，所以逆流阻止用二极管21导通，流过如图5所示的电流Id，因此电容器2被充电。已经说明过，在该开关元件4关断期间Toff内，还流过将升压电路形成用电容器22充电成图4所示的极性的电流。

在该实施例中，流过电抗线圈20的电流IL为开关元件4导通期间Ton内的第2电流I2和关断期间内的二极管电流Id的和。由图5中的电抗线圈电流IL在各导通期间Ton内的波形及开关元件4的电流Is的波形可知：第2电流I2的峰值与整流电路1的输出电压V1的正弦波半波的振幅正比例地变化。由图5可知，二极管电流Id的峰值也随着整流输出电压V1的振幅进行变化。因此，由图5可知，电抗线圈电流IL的峰值的用虚线所示的包络线呈正弦波的半波。其结果，交流输入端子8、9的电流Iin的用虚线所示的包络线呈正弦波或近似正弦波。因此，能实现波形的改善及功率因数的改善。另外，根据需要将除去高频分量用的滤波器连接在交流输入端子8、9和交流电源之间。

另外，在图4所示的实施例的电路中，尽管整流电路1的输出电压V1变化，但输入平滑用电容器2的电压Vc1大致保持一定。因此，开关元件4的电压Vs的峰值大致一定。

另外，通过改变初级线圈13的抽头23的连接位置能调整流过电抗线圈20的电流，能最佳地设定电容器2的电压。

[实施例2]

在图6所示的实施例2中，将图4的变压器3变形成不具有次级线圈14的变压器3a，将输出整流平滑电路5相对于开关元件4并联连接，其它结构与图4相同。图6的输入平滑用电容器2、变压器3a、开关元件4以及输出整流平滑电路5构成众所周知的升压型DC-DC变换器。

在该图6中比线圈13更靠近电源侧的电路与图4的电路相同，所以能得到与第1实施例相同的效果。

[实施例3]

图7所示的第3实施例的开关电源装置设有将图5的变压器3变形后的单线圈变压器3b，其它结构与图5相同。图7的变压器是从图4的变压器3中省略了次级线圈14，在线圈13中设有第2抽头30。将输出整流平滑电路5连接在抽头30与线圈13的另一端之间。

采用该第3实施例也能得到与第1实施例相同的效果。

[变形例]

本发明不限于上述实施例，能进行例如以下的变形。

(1)开关元件4不限于晶体管，可以是FET等其它半导体开关。

(2)为了形成控制电源，可以在变压器3中设置第三线圈。

(3)为了进行电流反馈控制，可以将电流检测用电阻与开关元件4串联连接。

(4)将控制电路6变形，可以改变开关元件4的导通·关断控制形态。另外，也能将本发明应用于RCC型等自激式DC-DC变换器。

(5)也能将本发明应用于在开关元件4导通时二极管15导通的正向型DC-DC变换器。

Claims (4)

1.一种开关电源装置，它是把直流电力供给负载用的开关电源装置，其特征在于，具备：

具有连接在正弦波交流电源上的交流输入端子和一对直流输出端子的整流电路；

其一端连接在上述一对直流输出端子的一个的电抗线圈；

其一端连接在上述电抗线圈的另一端上且具有由上述整流电路的输出电压进行正向偏置的方向性的二极管；

连接在上述二极管的另一端与上述一对直流输出端子的另一个之间的输入平滑用电容器；

其一端连接在上述输入平滑用电容器的一端上且具备带抽头的线圈的变压器；

连接在上述带抽头的线圈的另一端与上述另一直流输出端子之间的开关元件；

连接在上述电抗线圈的另一端与上述带抽头的线圈的抽头之间的升压电路形成用电容器；

连接在上述变压器上的输出整流平滑电路；以及

用比供给上述交流输入端子的交流电压的频率高的频率对上述开关元件进行导通-关断控制用的控制电路。

2.根据权利要求1所述的开关电源装置，其特征在于：上述变压器具有与带上述抽头的线圈进行了电磁耦合的次级线圈，

上述输出整流平滑电路被连接在上述次级线圈上。

3.根据权利要求2所述的开关电源装置，其特征在于：上述输出整流平滑电路由具有在上述开关元件关断期间内利用在上述次级线圈上得到的电压进行导通的方向性并与上述次级线圈连接的输出整流用二极管以及通过上述输出整流用二极管与上述次级线圈并联连接的输出平滑用电容器构成。

4.根据权利要求1所述的开关电源装置，其特征在于：上述输出整流平滑电路与上述开关元件并联连接。

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