CN1407705A - 开关电源电路 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示一种开关电源电路，包括具有相互串联连接的二极管D1和D2的第1串联电路，具有相互串联连接的MOSFET Q1和Q2的第2串联电路，具有相互串联连接的第1电容器C1和第2电容器C2的第3串联电路，并联连接第1到第3串联电路的缓冲电容器Cs，使MOSFET Q1和Q2执行零电压开关的电容器C3和C4，电容器C3和C4分别并联地连接到MOSFET Q1和Q2，AC输入端U连接到第1串联电路的共同连接点，变压器T1包括初级线圈P，初级线圈P的一端连接到第2串联电路的相互连接点，另一端连接到第3串联电路的相互连接点，初级线圈P具有连接到另一个AC输入端V的中心抽头。

Description

开关电源电路
技术领域
本发明涉及开关电源电路，这种开关电源电路将单相AC电压输入到开关器件以便产生高频AC电压，通过变压器隔离高频AC电压，以及对隔离的AC电压进行整流以便对负载提供DC电源。
背景技术
图5表示记载在“High-Frequency Isolation UPS with Novel SMR”(IECOM’93，pp.1258-1263(1993))中的常规的开关电源电路图。
参照图5，常规的开关电源电路包括具有相互串联连接的二极管D1和D2的第1串联电路，具有相互串联连接的MOSFET Q1和Q2的第2串联电路，具有相互串联连接的MOSFET Q3和Q4的第3串联电路。常规的开关电源电路还包括并联连接第1到第3串联电路的缓冲(snubber)电路SN。
第1AC输入端U连接到二极管D1和D2的共同连接点。变压器T1的初级线圈部分P1具有连接到MOSFET Q1和Q2的共同连接点。变压器T1的初级线圈部分P2具有连接到MOSFET Q3和Q4的共同连接点。初级线圈部分P1和P2之间的中心抽头连接到第2AC输入端V。
变压器T1的次级线圈部分S1和S2分别通过二极管D3和D4连接到电容器C5的一端。次级线圈部分S1和S2之间的中心抽头连接到电容器C5的另一端。
如图5所示，DC输出端P和N连接到电容器C5。
当变压器T1通过同时导通MOSFET Q1和Q3(初级线圈部分P1和P2)短路时，如果AC输入电压为正，则电抗L1的电流增加。当MOSFET Q3在前述的状态断开时，电抗电流从MOSFET Q1流过初级线圈部分P1，并通过次级线圈部分S1和二极管D3将电源馈送给电容器C5。
当变压器通过导通MOSFET Q3再次短路时，电抗电流增加。当MOSFET Q1接着断开时，电抗电流流过MOSFET Q3。电抗电流流过MOSFET Q3激励变压器T1的初级线圈部分P2，并通过次级线圈部分S2和二极管D4将电源馈送给电容器C5。
通过高频重复前述的动作，AC输入电压被隔离，并由变压器T1转换成DC电源。通过二极管D3，D4和电容器C5，输出被隔离和转换的DC电源。
当AC输入电压为负时，通过导通和断开MOSFET Q2和Q4，以前述的常规开关电源电路相同的方法进行动作。
常规的开关电源电路使用4个MOSFET Q1-Q4、电抗器L1和缓冲电路SN。因为常规的开关电源电路必须结合4个驱动电路，每个驱动MOSFET Q1-Q4中的1个，所以常规的开关电源电路尺寸大，并且常规的开关电源电路的成本高。
因为存在一定的时间点，在这些点上单相AC输入电压是零，馈送到负载的能量中断，在负载上引起大的波纹电压。为避免前述问题，在负载上的电容器C5必须具有足够大的电容。因此，常规的开关电源电路的尺寸进一步增大，并且常规的开关电源电路的成本进一步增加。
发明内容
由前述可见，本发明要解决的技术问题是提供一种开关电源电路，这种开关电源电路能容易地减少构成元件数、减小负载侧的电容器的电容，以及减小开关电源电路的尺寸、重量和成本。
根据本发明的一个方面，提供一种开关电源电路，包括
开关器件，将单相AC输入的电压变换成高频AC电压，
变压器(T1)，对高频AC电压进行隔离，和
整流器电路，对隔离的高频AC电压进行整流，以便对负载提供DC电源，
开关电源电路还包括
第1串联电路，具有2个串联连接的二极管(D1，D2)，
第2串联电路，具有2个串联连接的开关器件(MOSFET Q1，Q2)，
第3串联电路，具有串联连接的第1电容器(C1)和第2电容器(C2)，
缓冲电容器(Cs)，
相互平行地连接所述缓冲电容器、所述第1串联电路、所述第2串联电路和所述第3串联电路，
1个或者2个电容器(C3，C4)平行连接到开关器件(Q1，Q2)之一或者两者，1个或者2个电容器(C3，C4)使得开关器件(Q1，Q2)之一或者两者执行零电压开关，
第1AC输入端(U1)连接到所述第1串联电路中的二极管(D1，D2)的共同连接点，
所述变压器包括具有中心抽头的初级线圈(P)和次级线圈(S)，
初级线圈(P)的一端连接到所述第2串联电路中的开关器件(Q1，Q2)的共同连接点，
初级线圈(P)的另一端连接到所述第3串联电路中的所述第1电容器(C1)和所述第2电容器(C2)的共同连接点，
第2AC输入端(V)连接到所述初级线圈(P)的中心抽头，和
整流电路连接到所述变压器(T1)的次级线圈(S)。
通过导通开关器件之一(例如Q1)，对存储在初级线圈(P)的泄漏电感(LK1)中的能量和存储在缓冲电容器(Cs)中的能量进行释放。利用断开开关器件(Q1)，将能量存储在缓冲电容器(Cs)中。利用导通另一个开关器件(Q2)，将存储在缓冲电容器(Cs)中的能量释放。
因为甚至在AC输入电压为零时也能利用导通另一个开关器件(Q2)来释放存储在缓冲电容器(Cs)中的能量，所以不中断输出电源也能减少波纹电压。因此，在负载侧电容器(C5)不必具有大的电容。
根据本发明的第二个方面，省略传导零电压开关的电容器(C3，C4)。这种开关电源电路不包括电容器(C3，C4)，比本发明的第一个方面的开关电源电路更加简单。
较佳的是，开关电源电路调整开关器件(Q1或者Q2)之一的ON-OFF占空比，以便调节所述AC输入的电流，以及开关电源电路调整另一个开关器件(Q2或者Q1)的工作频率，以便调节输出的DC电源。
附图说明
图1表示与本发明实施形态1相关的开关电源电路图。
图2表示与本发明实施形态2相关的开关电源电路图。
图3(a)-3(d)表示  由图1所示MOSFET的ON和OFF引起的电流通道的电路图。
图4表示图1所示电路的某些点上的电压和电流的波形图。
图5表示常规的开关电源电路图。
具体实施方式
下面，参照附图对实施本发明的最佳实施形态进行说明。
实施形态1
图1表示与本发明实施形态1相关的开关电源电路图。图1中使用的标号和符号与图5中使用的相同结构元件的标号和符号相同。
下面参照图1，本发明第1实施形态的开关电源电路，包括
第1串联电路，具有相互串联连接的二极管D1和D2，
第2串联电路，具有相互串联连接的开关器件MOSFET Q1和Q2，
第3串联电路，具有串联连接的第1电容器C1和第2电容器C2，和
缓冲电容器Cs，
相互平行地连接缓冲电容器、第1串联电路、第2串联电路和第3串联电路。
第3电容器C3与MOSFET Q1并联连接，第4电容器C4与MOSFET Q2并联连接。可以省略第3电容器C3和第4电容器C4。
第1AC输入端U连接到第1串联电路中的二极管D1和D2的共同连接点，
具有中心抽头的变压器T1中的初级线圈P的一端连接到MOSFET Q1和Q2的共同连接点，
变压器T1中的初级线圈P的另一端连接到第1电容器C1和第2电容器C2的共同连接点。
初级线圈P的中心抽头连接到第2AC输入端V。
通过二极管D3和D4变压器T1的次级线圈S的两端连接到电容器C5的一端。电容器C5的另一端连接到变压器T1的次级线圈S的中心抽头。
中心抽头将变压器T1中的初级线圈P分开成2部分P1和P2。中心抽头将变压器T1中的次级线圈S分开成2部分S1和S2。如图1所示，在变压器T1的初级线圈侧的泄漏电感LK1和LK2和DC输出端P和N连接到电容器C5。
下面，参照图3(a)-3(d)和图4对本发明第1实施形态的开关电源电路的动作进行说明。图3(a)-3(d)表示  由MOSFET的ON和OFF引起的电流通道的电路图。图4表示图1所示电路的某些点上的电压和电流的波形图。
如图3(a)的实线所示，通过导通MOSFET Q1，如果AC输入电压是正，则通过二极管D1、MOSFET Q1和变压器T1中的初级线圈部分P1，电流i1从AC输入端U流到AC输入端V，并将能量存储在变压器T1中的初级线圈的泄漏电感LK1中。
同时，如图3(a)的虚线所示，通过MOSFET Q1和变压器T1中的初级线圈部分P1、P2，电流i2从电容器Cs流到电容器C2，并通过变压器T1将已存储在电容器Cs中的能量释放到次级线圈侧。
然后，如图3(b)的实线所示，通过断开MOSFET Q1，通过二极管D1、电容器Cs、电容器C4和变压器T1中的初级线圈部分P1，电流i3从AC输入端U流到AC输入端V，并将能量存储在电容器Cs中和释放电容器C4的能量。
同时，通过电容器C3和变压器T1中的初级线圈部分P1和P2，电流i4从电容器Cs流到电容器C2，并对电容器C3进行充电。
当在前述的动作中断开MOSFET Q1时，电容器C3两端的电压都是零。零电压开关有利于减小开关损耗。
接着，如图3(c)所示，导通MOSFET Q2，通过电容器C1、变压器T1中的初级线圈部分P1和P2和MOSFET Q2，电流i5从电容器Cs流到电容器Cs，并通过初级线圈P将存储在电容器Cs中的能量释放到变压器T1的次级线圈侧。
通过断开MOSFET Q2，通过电容器C1和变压器T1中的初级线圈部分P2和P1，电流i6从电容器Cs流到电容器C4，并对电容器C4进行充电，，通过电容器C1和变压器T1中的初级线圈部分P2和P1，电流i7从电容器C3流到电容器C3，并释放电容器C3的能量。
当在前述的动作中断开MOSFET Q2时，电容器C4两端的电压都是零。零电压开关有利于减小开关损耗。
根据第1实施形态的开关电源电路，通过对分别与MOSFET Q1和Q2并联连接的电容器C3和C4进行充放电，有利于MOSFET Q1和Q2的零电压开关动作。在完成参照图3(d)的动作后，重复图3(a)到图3(d)的动作。因此，通过高频地导通和断开MOSFET Q1和Q2，重复激励和停止激励变压器T1中的初级线圈P，具有图4的底部所示的波形的电流，通过变压器T1中的次级线圈S和二极管D3和D4从DC输出端P和N进行输出。
根据第1实施形态，通过调节MOSFET Q1的ON周期，调整AC输入电流的幅度和对电容器C3进行充电的电流。通过调节MOSFET Q1和Q2的ON周期，调整电源馈送到负载。
因此，通过调节MOSFET Q1的ON-OFF占空比，控制AC输入电流。一旦MOSFET Q1的ON周期建立，通过调节MOSFET Q2的ON周期和OFF周期、即工作频率，控制电源馈送到负载或者输出电压。
当AC输入电压为负时，根据第1实施形态，通过相互交换MOSFET Q1的动作和MOSFET Q2的动作，开关电源电路用与前述相同的方法进行动作。也就是说，通过导通图3(a)中的MOSFET Q2、断开图3(b)中的MOSFET Q2、导通图3(c)和断开图3(d)中的MOSFET Q1，能量被存储在泄漏电感KL2中。
因为如图4所示，AC输入电压为低，在T1期间，存储在电容器Cs中的能量被释放到负载，因为当在Th期间电源馈送到负载时，AC输入电压为高，电容器Cs被充电，所以不必中断输出的电源，就能减小波纹电压。
实施形态2
图2表示与本发明实施形态2相关的开关电源电路图。
实施形态2的开关电源电路不同于实施形态1的开关电源电路的地方，是本发明实施形态2的开关电源电路省略了本发明实施形态1的开关电源电路中的电容器C3和C4。
因为根据本发明的实施形态2，不存在对电容器C3和C4进行充放电，所以MOSFET Q1和Q2不进行零电压开关。但是，MOSFET Q1和Q2的开关动作、例如存储在电容器Cs中的能量释放，用图1所示的实施形态1的开关电源电路的相同的方法进行。
实施形态2的开关电源电路有利于减少构成元件数和简化电路结构。
虽然，实施形态1和实施形态2的开关电源电路为用于变压器T1次级侧整流电路的中心抽头型全波整流电路，但也可以是其它的整流电路，例如半波整流电路、使用4个二极管的全波整流电路和回扫型整流电路。
常规的开关电源电路必须使用4个开关器件，但本发明的开关电源电路只要2个开关器件。本发明的开关电源电路有利于简化驱动电路和使用变压器的泄漏电感代替输入侧电抗。因此，本发明的开关电源电路有利于减少构成元件数、尺寸、重量和成本。
因为本发明的开关电源电路连续地馈送电源，所以本发明的开关电源电路有利于减小由常规的开关电源电路馈送不连续的电源引起的电压波纹，并减小负载侧的电容器的电容。因此，能进一步减小开关电源电路的尺寸、重量和成本。
此外，执行零电压开关的开关电源电路有利于减小开关损耗、改善电源转换效率和减小冷却设备。

Claims (4)

1.一种开关电源电路，包括
开关器件，将单相AC输入的电压变换成高频AC电压，
变压器，对高频AC电压进行隔离，和
整流器电路，对隔离的高频AC电压进行整流，以便对负载提供DC电源，
其特征在于，包括
第1串联电路，具有2个串联连接的二极管，
第2串联电路，具有2个串联连接的开关器件，
第3串联电路，具有串联连接的第1电容器和第2电容器，
缓冲电容器，
相互平行地连接所述缓冲电容器、所述第1串联电路、所述第2串联电路和所述第3串联电路，
1个或者2个电容器平行连接到开关器件之一或者两者，1个或者2个电容器使得开关器件之一或者两者执行零电压开关，
第1AC输入端连接到所述第1串联电路中的二极管的共同连接点，
所述变压器包括具有中心抽头的初级线圈和次级线圈，
初级线圈的一端连接到所述第2串联电路中的开关器件的共同连接点，
初级线圈的另一端连接到所述第3串联电路中的所述第1电容器和所述第2电容器的共同连接点，
第2AC输入端连接到所述初级线圈的中心抽头，和
整流电路连接到所述变压器的次级线圈。
2.一种开关电源电路，包括
开关器件，将单相AC输入的电压变换成高频AC电压，
变压器，对高频AC电压进行隔离，和
整流器电路，对隔离的高频AC电压进行整流，以便对负载提供DC电源，
其特征在于，包括
第1串联电路，具有2个串联连接的二极管，
第2串联电路，具有2个串联连接的开关器件，
第3串联电路，具有串联连接的第1电容器和第2电容器，
缓冲电容器，
相互平行地连接所述缓冲电容器、所述第1串联电路、所述第2串联电路和所述第3串联电路，
第1AC输入端连接到所述第1串联电路中的二极管的共同连接点，
所述变压器包括具有中心抽头的初级线圈和次级线圈，
初级线圈的一端连接到所述第2串联电路中的开关器件的共同连接点，
初级线圈的另一端连接到所述第3串联电路中的所述第1电容器和所述第2电容器的共同连接点，
第2AC输入端连接到所述初级线圈的中心抽头，和
整流电路连接到所述变压器的次级线圈。
3.如权利要求1所述的开关电源电路，其特征在于，
所述开关电源电路调整开关器件之一的ON-OFF占空比，以便调节所述AC输入的电流，以及所述开关电源电路调整另一个开关器件的工作频率，以便调节直流电源。
4.如权利要求2所述的开关电源电路，其特征在于，
所述开关电源电路调整开关器件之一的ON-OFF占空比，以便调节所述AC输入的电流，以及所述开关电源电路调整另一个开关器件的工作频率，以便调节直流电源。
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