CN1428924A - 开关电源装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及开关电源装置。目的是避免装置的大型化和高价化，同时为了在大输入电压范围的情况下扩展输入电流的通流动角，改善功率因数。还为了能够充分消除输入电流的高次谐波成分，使其达到实用上要求的电平，并且改善开关损耗，提高效率。达到上述目的的手段是，本发明的开关电源装置在输入侧具有共态噪声滤波器的桥式整流电路(5)的一输出端子与平滑电容器(6)的一端之间依序串联连接第(1)电抗器(19)和第1二极管(21)。在第1电抗器(19)及第1二极管(21)的相连接点与变压器(7)的初级绕组(7a)及开关元件(8)的相连接点之间串联连接第2二极管(22)和第2电抗器(20)。

Description

开关电源装置

技术领域

本发明涉及从对桥式整流电路的输出进行平滑处理的直流电压源经变压器和开关元件向负载提供直流电力的绝缘型开关电源装置，详细地说，涉及改善开关电源装置的输入功率因数，减少开关损耗和常规损耗的技术。

背景技术

图5表示采用通常的扼流圈(choke)输入型平滑电路来改善功率因数的开关电源装置的结构(例如，参照专利文献1，即日本特开平9-131055号公报)。

图5中，1是交流电源、2，4为电容器、3是以相同极性在同一芯子上绕两个线圈的同相电抗器(common mode reactor)、5是桥式整流电路、6是平滑电容器、7是变压器、7a为初级绕组、7b为次级绕组、8是开关元件、9是二极管、10是平滑电容器、11是负载、12是对开关元件8进行开、关控制的控制电路、13为扼流线圈。

这里，电容器2、4及同相电抗器3构成噪声滤波器，作为滤波器的结构，通常省去电容器2或省去电容器4，这样的构造称为标准型(normal mode)噪声滤波器，用来滤去流入桥式整流电路5正负输出线的标准型噪声电流。在只构成标准型噪声滤波器的情况下，用单绕组的电抗器代替同相电抗器3即可。

另外，(在图中未予表示，)也可用将同相电抗器3的各绕组分别经电容器接地，以构成除去随着开关元件的开、关，在桥式整流电路5的正负输出线与接地之间流动的共态噪声电流用的同相噪声滤波器(共态噪声滤波器)。

在上述结构中，从桥式整流电路5输出的全波整流的直流电压利用由扼流线圈13及平滑电容器6组成的扼流圈输入型平滑电路进行平滑处理，再利用开关元件8的开、关动作，通过变压器7、二极管9、平滑电容器10向负载11提供大致一定的直流电压，又，控制电路12是为了将上述直流电压保持在所希望的一定值上对开关元件8进行开、关控制的电路。检测通过二极管9、平滑电容器10得到的直流电压，将该检测值与所希望的值(电压设定值等)相比较，为消除二者的差值，通过脉宽调制(PWM)等控制所述开关元件8的开、关占空度(dutycycle)。

又，从交流电源1经噪声滤波器、桥式整流电路5及扼流线圈13向平滑电容器6提供充电电流，该充电电流的峰值相应于扼流线圈13的电感量受到抑制，同时流通时间变长，也就是说流到平滑电容器6的充电电流由于扼流线圈的作用而变得平滑，功率因数得到改善。

但是，本开关电源装置使用的开关频率是商用频率或其2倍的频率，扼流线圈13必须具有数mH以上的大电感，外形大，重量也重，不便于实用。

另外，存在由于电感大，线圈的匝数多，绕组的电阻上的电压降也增大，直流中间电压变低，因此流经开关元件的有效电流变大，由此而使开关损耗增大，或作为电流装置的效率降低等问题。

另一方面，如图6所示，有一种已知的开关电源装置，采用了被称为功率因数补偿(PFC)方法的方法，使输入电流变换为近似正弦波，从而使功率因数大致接近为1，并除去了输入电流中的高频成分。

图6中，14为第2开关元件，15为二极管，16为电流检测电阻，17为电感器，18为第2控制电路，其他电路结构元件同图5，这里，平滑电容器6的电压和用电流检测电阻16测出的电流检测值被输入第2控制电路18，根据这些输入信号，对第2开关元件14进行开、关控制。

在这种已有的技术中，电感器17、第2开关元件14、二极管15、平滑电容器6、电流检测电阻16以及第2控制电路18构成升压变换器，由控制电路18对开关元件14进行PWM控制使输入电流的波形成为正弦波状，除去高次谐波成分，同时使输入功率因数改善。

在图6所示的开关电源装置中，需要2个控制电路12、18，因此电路结构复杂化，价格升高。另外，由于有必要保持功率因数大致为1同时将输入电流内含有的高次谐波成分全部去除，用途就不那么多，高次谐波成分如能降低到按标准的设定值以下，则能够使用的用途就很多，因此其功能和价格方面浪费也更多。

因此，本发明想要提供避免装置大型化和高价化，同时在宽广的输入电压范围内拓宽输入电流的通流角，改善功率因数，并使输入电流的高次谐波成分去除到充分满足实用的水平，并且能够减小开关损耗，提高效率的开关电源装置。

发明内容

为了解决上述课题，权利要求1所述的发明是一种开关电源装置，具有：通过噪声滤波器连接于交流电源的桥式整流电路、连接于该桥式整流电路的输出侧，将该桥式整流电路输出的电压平滑处理的平滑电容器、串联连接在该平滑电容器两端的变压器的初级绕组及开关元件、为了依据所述变压器的次级绕组侧发生的电压整流、平滑处理后得到的直流电压的检测值将该直流电压调成所需的电压值，对所述开关元件进行开、关控制的控制电路，

在所述桥式整流电路的一输出端子与所述平滑电容器的一端之间依序串联连接第1电抗器和第1二极管，同时在该第1电抗器及第1二极管的相连接点与所述初级绕组及开关元件的相连接点之间串联连接第2二极管和第2电抗器。

权利要求2所述的发明是一种开关电源装置，具有：通过噪声滤波器连接于交流电流的桥式整流电路、连接于该桥式整流电路的输出侧，将该桥式整流电路输出的电压平滑处理的平滑电容器、串联连接在该平滑电容器两端的变压器的初级绕组及开关元件、为了依据所述变压器的次级绕组侧发生的电压整流、平滑处理后得到的直流电压的检测值将该直流电压调成所需的电压值，对所述开关元件进行开、关控制的控制电路，

将第1电抗器连接在所述桥式整流电路的前段，同时分别将二极管的阳极接到所述桥式整流电路的两个输入端子上，这些二极管的阴极和所述初级绕组与开关元件的相连接点之间连接第2电抗器。

权利要求3所述的发明是一种开关电源装置，具有：通过噪声滤波器连接交流电源的桥式整流电路、与该桥式整流电路的输出侧连接，并将该桥式整流电路输出的电压平滑处理的平滑电容器、串联连接到该平滑电容器两端的变压器的初级绕组及主开关元件、为了依据所述变压器的次级绕组侧发生的电压整流、平滑处理后得到的直流电压的检测值将该直流电压调成所需的电压值，对所述主开关元件进行开、关控制的控制电路；

将第1电抗器和第1二极管依序串联连接在所述桥式整流电路的一输出端子与所述平滑电容器的一端之间，同时该第1电抗器与第1二极管的相连接点和所述初级绕组与所述主开关元件的相连接点之间串联连接第2二极管和第2电抗器；

与所述主开关元件并列地分别连接缓冲电容器及第1环流二极管，并且为使所述缓冲电容器的电荷放电，形成由该缓冲电容器、所述变压器的三次绕组、二极管、辅助开关元件组成的闭回路，与所述辅助开关元件并联地连接第2环流二极管。

权利要求4所述的发明是一种开关电源装置，具有：通过噪声滤波器连接交流电源的桥式整流电路、与该桥式整流电路的输出侧连接并将该桥式整流电路输出的电压平滑处理的平滑电容器、串联连接到该平滑电容器两端的变压器的初级绕组及主开关元件、为了根据所述变压器的次级绕组侧发生的电压整流、平滑处理后得到的直流电压的检测值将该直流电压调到所需的电压值，对所述主开关元件进行开、关控制的控制电路；

将第1电抗器连接到所述桥式整流电路的前段，同时所述桥式整流电路的两个输入端子上分别连接二极管的阳极，并把第2电抗器连接到这些二极管的阴极与所述初级绕组和所述主开关元件的相连接点之间，

在所述主开关元件上并列地分别连接缓冲电容器及第1环流二极管，并且为使所述缓冲电容器的电荷放电，形成电该缓冲电容器、所述变压器的三次绕组、二极管、以及辅助开关元件组成的闭回路，在所述辅助开关元件上并列连接第2环流二极管。

权利要求5所述的发明是根据权利要求2或4所述的开关电源装置，所述噪声滤波器含有同相电抗器，用所述同相电抗器的漏(leakage)电感代替所述第1电抗器。

附图说明

图1为本发明第1实施形态的电路图。

图2为本发明第2实施形态的电路图。

图3为本发明第3实施形态的电路图。

图4为本发明第4实施形态的电路图。

图5是表示已有技术的电路图。

图6是表示已有技术的电路图。

具体实施形态

以下，根据附图说明本发明的具体实施形态。

图1为本发明第1实施形态的电路图，与图5和图6相同的结构元件标以相同的符号，省略其说明，下面以不同的部分为中心进行说明。关于噪声滤波器也有可以有各种使用。

图1中，第1电抗器19的一端接在桥式整流器5的正侧输出端子上，另一端通过第1二极管21接到平滑电容器6的一端。还有，所述电抗器19的另一端通过第2二极管22及第2电抗器20连接于变压器7的初级绕组7a和开关元件8的连接点上。下面对伴随开关元件8的开、关的动作按历经时段加以说明。

时段1

开关元件8一旦导通，平滑化电容器6的放电电流经变压器7的初级绕组7a→开关元件8→平滑电容器6的路径流动，因此在此导通期间变压器7中存储了励磁能量。

从交流电源1经由电容器2、4及同相电抗器3所组成的噪声滤波器通过桥式整流器5流动的电抗器19的电流分为，电抗器19→二极管22→电抗器20→开关元件8→桥式整流器5→交流电源1(以下称为“流路1”)，对电抗器20进行励磁的电流；以及电抗器19→二极管21→平滑电容器6→桥式整流器5→交流电源1(以下称为“流路2”)的电流，而在开关元件8导通期间，流路2的电流为零。

时段2

在开关元件8导通的期间一旦流路2的电流为零，其后，电流只流过流路1，这时的电流以交流电源1为电源对电抗器19及20双方进行励磁。另外，施加在电抗器19、20上的电压是根据各电感值将交流电源电压加以分压得到的值。

控制电路12为了用可变占空度(dutycycle)对导通时间进行控制，以使施加于负载11的电压保持在所希望的值，对开关元件8的开、关进行控制。

时段3

利用控制电路12的指令，一旦使开关元件8断开，在该断开期间，变压器7内积贮的能量将循次级绕组7b→二极管9→平滑电容器10的流路进行放电，变为对负载11的直流电力。

利用开关元件8的断开，从交流电源1经噪声滤波器，通过桥式整流器5流动的电抗器19的电流分流为，循电抗器19→二极管22→电抗器20→变压器7的初级绕组7a→平滑电容器6→桥式整流电路5→交流电源1的流路(后称为“流路3”)流动，使电抗器3放电的电流；循电抗器19→二极管21→平滑电容器6→桥式整流电路5→交流电源1的路径(流路2)的电流。

这时施加于电抗器20上的电压与施加于变压器7的初级绕组7a上的电压大小相同(极性相反)。又，平滑电容器6以交流电源1的电压及电抗器19的电压作为电源充电，而流路3的电流为零。

时段4

上述的流路3的电流一旦为零，其后电流只有流路2的电流，电容器6以交流电源1的电压和电抗器19的电压作为电源电压充电。

这样，利用开关元件8的开、关动作，将能量提供给变压器7的次级侧的负载11，同时，即使在交流电源1的电压比平滑电压器6的电压低时，仍能由交流电源1输出交流电流；因此能够扩大输入电流的通流角，改善输入侧的功率因数。

又，时段2的流路1的电流在电抗器19中蓄积的能量在时段3、4及时段1向平滑电容器6放电，平滑电容器6升压，该升高的电压一旦超过平滑电容器6的电压，交流电流从交流电源流出，因此扩大了通流期，功率因数得到改善。

还有，由于平滑电容器6的电压上升，用来供给负荷11电力的变压器7的初级绕组7a的有效电流变小，因而串连于初级线圈7a上的开关元件8的损耗也减低。

设交流电源1的电压峰值为Vac、电抗器19的电感为L₁₉、电抗器20的电感为L₂₀、开关元件8开关周期为T，所述时段2的时间为T₂，则平滑电容器6的升压电压Vs可以下式(1)表示。 $\mathrm{Vs}=\mathrm{Vac}\×\[\frac{L_{19}}{L_{19}+L_{20}}\]\×\[\frac{T}{T-T_2}-1\]\…\left(1\right)$

也就是，平滑电容器6的升压电压Vs，可以根据电抗器19、20的电感值之比，可以独立于开关元件8的开、关时间分别设定。因此，虽然采用单一的控制电路，还是能在广范围内使平滑电容器6的电压升压，改善功率因数，同时，即使在输入电压(交流电压)高的情况下，也能够根据电抗器19、20的电感值之比将平滑电容器6的升压电压设定为适当的值，因此可选择耐压低的平滑电抗器作为平滑电容器6，从而可抑制价格。

又，电抗器19、20可使用对应于开关元件的开关频率(例如100千赫左右)的高频用的数十～数百μH的产品，能实现小型而廉价的开关电源装置。

下面，图2是表示本发明的第2实施形态的电路图，对应请求项2的发明。

在该实施形态中，将图1中的第1电抗器19插入桥式电流电路的前段，并将阳极分别与桥式整流电路5的两输入端子连接的二极管22、23的阴极通过电抗器20与初级绕组7a和开关元件8的连接点相连接。

又，在图2中将第1电抗器19插入到同相电抗器3与电容器4之间。这部分的结构随噪声滤波器的结构的不同而可有种种变更。例如也可将第1电抗器19插入电容器4与桥式整流器5之间。又，电容器2、4的任意一个可以省去，在图2中也可以在同相电抗器3和第1电抗器19之间增加电容器。

在本实施形态中中，也对开关元件8的开、关动作按时间经过进行说明。

时段1

开关元件8一旦导通，平滑电容器就放电，从励磁能量蓄积在变压器7内的交流电源1，经噪声滤波器通过桥式整流电路5流动的电抗器19的电流分成循电抗器19→二极管23→电抗器20→开关元件8→桥式整流电路5→交流电源1的流路(以下称为“流路1’”)使电抗器20励磁的电流以及循电抗器19→桥式整流电路5→平滑电容器6→桥式整流电路5→交流电源1的流路(以下称为“流路2’”)的电流，而开关元件8导通期间流路2’的电流为零。

时段2

在开关元件8导通期间，一旦流路2’的电流为零，其后，电流只是流路1’的电流，这时的电流以交流电源1为电源对电抗器19及20双双励磁，另外，施加在电抗器19、20上的电压是根据各电感值将交流电源电压分压得到的值。

其后，根据为使负荷电压维持一定而工作的控制电路12的指令，开关元件8一旦断开，在该断开期间蓄积在变压器7内的能量循次级绕组7b→二极管9→平滑电容器10进行放电，变换成对负荷11的直流电力。

时段3

由于开关元件8断开，来自交流电源1、经噪声滤波器，通过桥式整流电路5流动的电抗器19的电流分流为，通过电抗器19→二极管23→电抗器20→初级绕组7a→平滑电容器6→桥式整流电路5→交流电源1的流路(以下称为“流路3’”)使电抗器20放电的电流以及所述流路2’的电流，并且流路3’的电流为零。

时段4

上述的流路3’的电流一旦为零，其后电流只有流路2’的电流，平滑电容器6以交流电源1的电压和电抗器19的电压作为电源电压充电。

采用这一实施形态，可得到与第1实施形态同样的效果。并且由于将电抗器19兼用作噪声滤波器的构成要素，可以有效利用标准型噪声滤波器的电路构件。

图3为本发明第3实施形态的电路图，相当于权利要求3的发明。下面着重说明本实施形态与第1实施形态不同的地方。首先，缓冲电容器26及第1环境二极管25与开关元件8并联连接。为使缓冲电容器26的电荷放电，将缓冲电容器26、变压器7的三次绕组7c(与初级绕组7a串联连接)、二极管27及开关元件28组成闭回路，并与所述开关元件28并联连接第2环流二极管29。其他结构均与图1相同。

又，为了方便，将开关元件8称为主开关元件，开关元件28称为辅助开关元件。

下面对本实施形态的动作进行说明。利用主开关元件8的开、关向负荷提供直流电压的开关电流装置本来的动作与第1实施形态相同，因此以下对与第1实施形态电路结构不同而引起的动作上的不同点加以说明。

在主开关元件8导通前如果先使辅助开关元件28导通，则缓冲电容器26蓄积的电荷循缓冲电容器26→变压器7的3次绕组7c→二极管27→辅助开关元件28的流路放电，该放电电流将3次绕组7c励磁，励磁能量在变压器7内蓄积，同时在缓冲电容器26→初级绕组7a→平滑电容器6的流路上流动，该放电终止后，使主开关元件8导通，因而主开关元件8成为在其两端电压为零的状态下接通的零电压开关，不发生开关损耗。

又，在主开关元件8断开时缓冲电容器26为零电压，导通时流经开关元件8的电流改向缓冲电容器26流动，使该电容器26充电，并向主开关元件8施加电压。因此，主开关元件8断开时电压为零，成为零电压开关，因此没有开关损耗发生。

这样，在主开关元件8在接通时和断开时的动作成为软开关动作，并使缓冲电容器26的能量在平滑电容器6再生，能减少主开关元件8的开关损耗并提高开关电源装置的效率。

图4为本发明的第4实施形态电路图，相当于权利要求4的发明。

本实施形态相当于以第2实施形态为基础，附加第3实施形态中的主开关元件8、辅助开关元件28、环流二极管25、29、缓冲电容器26及三次绕组7c组成的连接结构而形成的实施形态。其他结构与第2实施形态相同。

作为开关电源装置的基本动作与第2实施形态相同，另外，主开关元件8的软开关引起的开关损耗的减低以及缓冲电容器26的能量再生动作都与第3实施形态相同。

还有，本实施形态中也和第2实施形态一样将电抗器19设置在桥式整流电路5的前段，这样可以起到减少标准型(normal mode)噪声的作用。

又，如所述第2、第4实施形态那样，在桥式整流电路的前段插入第1电抗器的结构中，如果噪声滤波器使用同相电抗器，可将同相电抗器3的漏电感作为第1电抗器19使用。以此减少零件数，降低制造成本，并谋求整机小型化、轻量化。

具体地说，将同相电抗器3的漏电感设计为与第1电抗器19同值即可。

下面举一具体的设计方法的例子进行简单说明。在与世界范围的输入电压(100～240V)对应的情况下，设计为输入电压即使为上述电压范围的最大值也能够使用耐压450V的电容器作为平滑电容器6。450V耐压的电容器可以使用低价而广泛应用的电容器。对于平滑电容器6，也使其具有10％左右的裕度，施加的电压设计为420V以下即可。

如果考虑上述电压范围的交流电流有10％左右的变动，则输入电压(有效值)的最大值为264V。设计得使这样的输入电压的峰值与升压电压V_s的和小于420V即可，因此将升压电压Vs设计为不超过45V即可。

另外，输入电压为264V，在设计变压器7，使在最大负荷时的时段2的时间T₂相对于主开关元件8的开关周期T约为20％左右的情况下，上述升压电压V_S的式(1)中，电抗器L₁₉(400μH)与电抗器L₂₀之比选为0.938以下，事实上电抗器L₁₉的值是以作为噪音滤波器有效的止决定的，因此将电抗器L₂₀的值选定为0.938以下。

如上所述，本发明在输入电压的广范围拓展输入电流的通流角，改善功率因数，同时可以将输入电流中含有的高次谐波减少到标准等的设定值以下，不妨碍实用的程度，并且减少主开关元件的损耗和电容器的耐压，能够提供高效、低价的开关电源装置。

Claims (5)

1.一种开关电源装置，具有：通过噪声滤波器连接于交流电源的桥式整流电路、连接于该桥式整流电路的输出侧，将该桥式整流电路输出的电压平滑处理的平滑电容器、串联连接在该平滑电容器两端的变压器的初级绕组及开关元件、为了依据所述变压器的次级绕组侧发生的电压整流、平滑处理后得到的直流电压的检测值将该直流电压调成所需的电压值，对所述开关元件进行开、关控制的控制电路，

其特征在于，在所述桥式整流电路的一输出端子与所述平滑电容器的一端之间依序串联连接第1电抗器和第1二极管，同时在该第1电抗器及第1二极管的相连接点与所述初级绕组及开关元件的相连接点之间串联连接第2二极管和第2电抗器。

2.一种开关电源装置，具有：通过噪声滤波器连接于交流电流的桥式整流电路、连接于该桥式整流电路的输出侧，将该桥式整流电路输出的电压平滑处理的平滑电容器、串联连接在该平滑电容器两端的变压器的初级绕组及开关元件、为了依据所述变压器的次级绕组侧发生的电压整流、平滑处理后得到的直流电压的检测值将该直流电压调成所需的电压值，对所述开关元件进行开、关控制的控制电路，

其特征在于，将第1电抗器连接在所述桥式整流电路的前段，同时分别将二极管的阳极接到所述桥式整流电路的两个输入端子上，这些二极管的阴极和所述初级绕组与开关元件的相连接点之间连接第2电抗器。

3.一种开关电源装置，具有：通过噪声滤波器连接交流电源的桥式整流电路、与该桥式整流电路的输出侧连接，并将该桥式整流电路输出的电压平滑处理的平滑电容器、串联连接到该平滑电容器两端的变压器的初级绕组及主开关元件、为了依据所述变压器的次级绕组侧发生的电压整流、平滑处理后得到的直流电压的检测值将该直流电压调成所需的电压值，对所述主开关元件进行开、关控制的控制电路；

其特征在于，将第1电抗器和第1二极管依序串联连接在所述桥式整流电路的一输出端子与所述平滑电容器的一端之间，同时该第1电抗器与第1二极管的相连接点和所述初级绕组与所述主开关元件的相连接点之间串联连接第2二极管和第2电抗器；

与所述主开关元件并列地分别连接缓冲电容器及第1环流二极管，并且为使所述缓冲电容器的电荷放电，形成由该缓冲电容器、所述变压器的三次绕组、二极管、辅助开关元件组成的闭回路，与所述辅助开关元件并联地连接第2环流二极管。

4.一种开关电源装置，具有：通过噪声滤波器连接交流电源的桥式整流电路、与该桥式整流电路的输出侧连接并将该桥式整流电路输出的电压平滑处理的平滑电容器、串联连接到该平滑电容器两端的变压器的初级绕组及主开关元件、为了根据所述变压器的次级绕组侧发生的电压整流、平滑处理后得到的直流电压的检测值将该直流电压调到所需的电压值，对所述主开关元件进行开、关控制的控制电路；

其特征在于，将第1电抗器连接到所述桥式整流电路的前段，同时所述桥式整流电路的两个输入端子上分别连接二极管的阳极，并把第2电抗器连接到这些二极管的阴极与所述初级绕组和所述主开关元件的相连接点之间，

在所述主开关元件上并列地分别连接缓冲电容器及第1环流二极管，并且为使所述缓冲电容器的电荷放电，形成电该缓冲电容器、所述变压器的三次绕组、二极管、以及辅助开关元件组成的闭回路，在所述辅助开关元件上并列连接第2环流二极管。

5.根据权利要求2或4所述的开关电源装置，其特征在于，

所述噪声滤波器含有同相电抗器，用所述同相电抗器的漏(leakage)电感代替所述第1电抗器。

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