CN216959661U - 开关电源电路、多电平变流电路及家用电器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种开关电源电路、多电平变流电路及家用电器，其中开关电源电路包括：开关控制电路和至少两个电源支路，每个电源支路均包括吸收电路、保护电路、变压器和输出电路，吸收电路的一端和保护电路的一端相连后与开关控制电路相连，吸收电路的另一端与变压器的初级绕组的一端相连，保护电路的另一端与初级绕组的另一端相连，变压器的次级绕组与输出电路的输入端相连，输出电路的输出端与负载相连，吸收电路用以吸收开关控制电路和变压器产生的尖峰电压，保护电路用以对负载进行过流保护。由此，能够有效吸收尖峰电压，且在负载发生短路时，保护电路能够及时响应，对负载进行过流保护，提高了电路的安全性。

Description

开关电源电路、多电平变流电路及家用电器

技术领域

本实用新型涉及电源技术领域，尤其涉及一种开关电源电路、一种多电平变流电路和一种家用电器。

背景技术

相关技术中，采用RCD(Resistance Capacitance Diode，电阻电容二极管)吸收电路吸收开关电源电路中的尖峰电压，存在尖峰电压吸收效果不好的问题。

实用新型内容

本实用新型旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本实用新型的第一个目的在于提出一种开关电源电路，通过在每个电源支路上设置一个吸收电路和保护电路，能够有效改善尖峰电压的吸收效果，降低尖峰电压，同时实现对负载的过流保护，提高了电路的安全性。

本实用新型的第二个目的在于提出一种多电平变流电路。

本实用新型的第三个目的在于提出一种家用电器。

为达上述目的，本实用新型第一方面实施例提出了一种开关电源电路，该电路包括：开关控制电路和至少两个电源支路，每个电源支路均包括吸收电路、保护电路、变压器和输出电路，吸收电路的一端和保护电路的一端相连后与开关控制电路相连，吸收电路的另一端与变压器的初级绕组的一端相连，保护电路的另一端与初级绕组的另一端相连，变压器的次级绕组与输出电路的输入端相连，输出电路的输出端与负载相连，其中，吸收电路用以吸收开关控制电路和变压器产生的尖峰电压，保护电路用以对负载进行过流保护。

根据本实用新型实施例的开关电源电路，每个电源支路均包括吸收电路和保护电路，通过吸收电路能够有效吸收开关控制电路和变压器产生的尖峰电压，降低尖峰电压，且在负载发生短路时，保护电路能够及时响应，对负载进行过流保护，提高了电路的安全性。

另外，根据本实用新型上述实施例的开关电源电路，还可以具有如下附加特征：

根据本实用新型的一个实施例，吸收电路包括：钳位二极管，钳位二极管的阳极与开关控制电路相连；吸收电阻，吸收电阻的一端与钳位二极管的阴极相连，吸收电阻的另一端与初级绕组的一端相连；吸收电容，吸收电容与吸收电阻并联。

根据本实用新型的一个实施例，保护电路包括：至少一个保护电阻，至少一个保护电阻并联在开关控制电路与初级绕组的另一端之间。

根据本实用新型的一个实施例，保护电阻为脉冲型电阻，或者保护电阻的功率大于预设功率阈值。

根据本实用新型的一个实施例，保护电路包括：保险丝，保险丝串联在开关控制电路与初级绕组的另一端之间。

根据本实用新型的一个实施例，输出电路包括：整流二极管，整流二极管的阳极与次级绕组的一端相连，整流二极管的阴极与负载的一端相连，次级绕组的另一端与负载的另一端相连；滤波电容，滤波电容的一端与整流二极管的阴极相连，滤波电容的另一端与次级绕组的另一端相连。

根据本实用新型的一个实施例，开关控制电路包括：开关管，开关管的第一端分别与吸收电路的一端和保护电路的一端相连，开关管的第二端接地；驱动电阻，驱动电阻的一端与开关管的控制端相连；偏置电阻，偏置电阻连接在开关管的控制端与地之间；驱动芯片，驱动芯片的信号输入端与主控制器相连，驱动芯片的信号输出端与驱动电阻的另一端相连，用以根据主控制器输出的控制信号驱动开关管导通或关断。

根据本实用新型的一个实施例，开关控制电路还包括：限流电阻，限流电阻串联在主控制器与驱动芯片的信号输入端之间。

为达上述目的，本实用新型第二方面实施例提出一种多电平变流电路。该电路包括上述实施例描述的开关电源电路。

根据本实用新型实施例的多电平变流电路，通过上述实施例描述的开关电源电路，每个电源支路均包括吸收电路和保护电路，通过吸收电路能够有效吸收开关控制电路和变压器产生的尖峰电压，降低尖峰电压，且在负载发生短路时，保护电路能够及时响应，对负载进行过流保护，提高了电路的安全性。

为达上述目的，本实用新型第三方面实施例提出了一种家用电器，该家用电器包括上述实施例描述的多电平变流电路。

根据本实用新型实施例的家用电器，通过上述实施例描述的多电平变流电路，每个电源支路均包括吸收电路和保护电路，通过吸收电路能够有效吸收开关控制电路和变压器产生的尖峰电压，降低尖峰电压，且在负载发生短路时，保护电路能够及时响应，对负载进行过流保护，提高了电路的安全性。

本实用新型附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。

附图说明

图1为根据本实用新型一个实施例的开关电源电路的结构示意图；

图2为根据本实用新型一个实施例的开关电源电路的电路图；

图3为根据本实用新型一个实施例的多电平变流电路的电路图；

图4为根据本实用新型一个实施例的家用电器的方框示意图。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

图1为根据本实用新型一个实施例的开关电源电路的结构示意图。参考图1所示，该开关电源电路10包括：开关控制电路20和至少两个电源支路30。

其中，每个电源支路30均包括吸收电路31、保护电路32、变压器33和输出电路34。吸收电路31的一端和保护电路32的一端相连后与开关控制电路20相连，吸收电路31的另一端与变压器33的初级绕组LP1的一端相连，保护电路32的另一端与初级绕组LP1的另一端相连，变压器33的次级绕组LM2与输出电路34的输入端相连，输出电路34的输出端与负载相连，其中，吸收电路31用以吸收开关控制电路20和变压器33产生的尖峰电压，保护电路32用以对负载进行过流保护。

具体而言，开关控制电路20可以接收MCU发送的控制信号(例如：PWM(Pulse-WidthModulation，脉宽调制)控制信号)，并对接收到的控制信号进行增强，以及基于增强后的控制信号控制开关控制电路20中电子元器件的通断状态，使得外部电源输入变压器33，并通过变压器33进行变压处理，得到目标电压；吸收电路31(例如，拓扑吸收电路、RC吸收电路、无损吸收电路等)吸收开关控制电路20和变压器33处于工作状态时产生的尖峰电压，以保护电路安全；在负载发生短路时，保护电路32将断开，切断故障，以对负载进行过流保护，输出电路34将目标电压提供给负载，为维持负载正常运作。

在上述实施例中，通过在每个电源支路中的变压器的初级绕组连接一吸收电路，相较于所有电源支路中的变压器的初级绕组连接至同一吸收电路的方案而言，能够有效提高尖峰电压的吸收效果，降低尖峰电压，增强了电路的可靠性，提高了EMC效果，同时可延长开关控制电路的使用寿命；同时，通过在每个电源支路中的变压器的初级绕组连接一保护电阻，能够在负载发生短路时及时响应，以对负载进行过流保护，提高了电路的安全性。

在本实用新型的一些实施例中，参考图2所示，开关控制电路20包括：开关管Q1、驱动电阻R1、偏置电阻R2和驱动芯片U2。其中，开关管Q1(例如：MOS(Metal OxideSemiconductor，金属氧化物半导体)管)的第一端(例如：漏极)分别与吸收电路31的一端和保护电路32的一端相连，开关管Q1的第二端(例如：源极)接地；驱动电阻R1的一端与开关管Q1的控制端(例如，栅极)相连；偏置电阻R2连接在开关管Q1的控制端与地之间；驱动芯片U2的信号输入端与主控制器U1(例如，MCU)相连，驱动芯片U2的信号输出端与驱动电阻R1的另一端相连，用以根据主控制器U1输出的控制信号(例如：PWM控制信号)驱动开关管Q1导通或关断。

需要说明的是，可以根据电源输出的电压值和稳定性提前确定控制信号的占空比和频率，并将该占空比和频率存储在存储介质中，以便主控制器U1获取。在一些应用场景中，控制信号的频率和占空比也可以仅由电源输出的电压值来决定，例如，仅要求目标电压的最大值不损害负载、最小值大于负载开启电压，即对电源稳定性没有要求。

在工作过程中，主控制器U1(根据存储器存储的控制信号的占空比和频率)通过I/O(Input/Output，输入输出)口输出PWM控制信号，PWM控制信号经过驱动芯片U2增强，得到增强后的PWM控制信号，增强后的PWM控制信号经过驱动电阻R1驱动开关管Q1的导通或者关断，以便外部电源E1(例如，直流电源)输入变压器33，使得变压器33的初级绕组LP1的磁通量发生变化，变压器33的次级绕组LM2根据初级绕组LP1磁通量的变化产生相应的感应电流，最终得到目标电压。其中，通过偏置电阻R2向开关管Q1提供导通电压。

需要说明的是，在该示例中，驱动芯片U2主要用于将主控制器U1输出的控制信号进行驱动能力增强，相较于电源芯片而言，能够降低电路成本。

进一步地，在本实用新型的一些实施例中，继续参考图2所示，开关控制电路20还包括：限流电阻R3。限流电阻R3串联在主控制器U1与驱动芯片U2的信号输入端之间。通过设置限流电阻R3能够减小输入驱动芯片U2的电流，防止驱动芯片U2烧坏。

在本实用新型的一些实施例中，参考图2所示，吸收电路31包括：钳位二极管D1、吸收电阻R4和吸收电容C1。其中，钳位二极管D1的阳极与开关控制电路20相连；吸收电阻R4的一端与钳位二极管D1的阴极相连，吸收电阻R4的另一端与初级绕组LP1的一端相连；吸收电容C1与吸收电阻R4并联。

需要说明的是，在实际应用中，在开关管Q1的关断瞬间造成变压器33漏感，从而产生尖峰电压，而吸收电路31基于钳位二极管D1的非线性开关特性、吸收电容的储能特性和电阻的发热特性能够有效吸收尖峰电压，降低尖峰电压，避免开关管Q1发生损坏。

具体而言，当开关控制电路20中的开关管Q1处于导通状态时，外部电源E1的能量存储在变压器33的初级绕组LP1的电感和漏感中，当开关管Q1关断时，初级绕组LP1的电感能量将转移至次级绕组LM2，但是初级绕组LP1的漏感能量将不会传递至次级绕组LM2。如果没有吸收电路31，漏感能量将会在开关管Q1的关断瞬间转移至开关管Q1的第一端与第二端之间的极间电容和电路中的其它杂散电容中，导致开关管Q1的第一端承受较高的开关应力，进而可能损坏开关管Q1。而若具有吸收电路31，则漏感能量将在开关管Q1关断瞬间通过钳位二极管D1转移至吸收电路31的吸收电容C1上，然后该部分能量最终被吸收电阻R4消耗掉，从而对尖峰电压进行了吸收，保护了开关管Q1的安全，实现了对开关控制电路20的保护，提高了电路的可靠性。

可选地，在本实用新型的一些实施例中，保护电路32包括：至少一个保护电阻R5。至少一个保护电阻R5并联在开关控制电路20与初级绕组LP1的另一端之间。

参考图2所示，以两个保护电阻R5为例进行说明，每个保护电阻R5的一端与钳位二极管D1的阳极相连，每个保护电阻R5的另一端与初级绕组LP1的另一端相连。当负载发生短路时，变压器33的次级绕组LM2的电流增加，变压器33的初级绕组LP1的电流随之增加，流经保护电阻R5的电流增加并超过保护电阻R5能够承受的最大电流值，保护电阻R5烧断，切断电路故障，以保护负载。

需要说明的是，保护电阻R5可通过实验检测开关电源电路的脉冲功率与实测保护效果确定。可选的，保护电阻R5为脉冲型电阻，该脉冲型电阻由于具有特殊导电膜，增加了保护电阻R5的耐脉冲负载性能，能够承受开关电源电路实际的脉冲功率。考虑到电路成本，保护电阻R5也可以选用大功率的电阻，即保护电阻R5的功率大于预设功率阈值。最终确定的保护电阻R5既要保证正常工作时，不会因脉冲功率而损坏，又要保证在负载短路时能够烧断，从而切断故障负载对应的电源支路，以对负载进行保护。

可选地，在本实用新型的一些实施例中，保护电路32包括：保险丝。保险丝串联在开关控制电路20与初级绕组LP1的另一端之间。

具体地，当负载发生短路时，变压器33的次级绕组LM2的电流增加，变压器33的初级绕组LP1的电流随之增加，保险丝熔断，以保护负载。

在本实用新型的一些实施例中，继续参考图2所示，输出电路34包括：整流二极管D2和滤波电容C2。其中，整流二极管D2的阳极与次级绕组LM2的一端相连，整流二极管D2的阴极与负载的一端相连，次级绕组LM2的另一端与负载的另一端相连；滤波电容C2的一端与整流二极管D2的阴极相连，滤波电容C2的另一端与次级绕组的另一端相连。

具体来说，当开关管Q1导通时，外部电源E1、变压器33的初级绕组LP1、保护电路32和开关管Q1形成闭合回路，外部电源E1的能量存储在变压器33的初级绕组LP1的电感和漏感中。当开关管Q1关断时，初级绕组LP1的电感能量将转移至次级绕组LM2，次级绕组LM2的电感能量经整流二极管D2输出，同时滤波电容C2对整流二极管D2的输出进行滤波处理，以得到较为稳定的目标电压；同时，初级绕组LP1的漏感能量将在开关管Q1关断瞬间通过钳位二极管D1转移至吸收电路31的吸收电容C1上，然后该部分能量最终被吸收电阻R4消耗掉，从而对尖峰电压进行了吸收，保护了开关管Q1的安全，实现了对开关控制电路20的保护，提高了电路的可靠性。在此过程中，若负载发生短路，变压器33的次级绕组LM2的电流增加，变压器33的初级绕组LP1的电流随之增加，当其超过保护电路32中的保护电阻R5的承受能力时，保护电阻R5烧断，从而切断相应的电源支路，实现了对负载的保护。

需要说明的是，在图2所示示例中，变压器33的初级绕组LP1的一端和次级绕组LM2的一端为同名端，当开关管Q1导通时，次级绕组LM2充当介质直接耦合磁场能量，电能与磁能相互转化，初级绕组LP1和次级绕组LM2同时工作，此时整个开关电源电路为正激式开关电源电路，而在其它一些实施例中，变压器33的初级绕组LP1的一端和次级绕组LM2的另一端为同名端，开关管导通时，初级绕组LP1的电感电流上升，变压器33储存能量，可由输出电路34(发生相应变化)中的储能元器件提供目标电压，当开关管截止时，初级绕组LP1的感应电压反向，次级绕组LM2通过输出电路34提供目标电压，此时整个开关电源电路为反激式开关电源电路，也就是说，本申请的开关电源电路可以是正激式开关电源电路，也可以是反激式开关电源电路，区别在于变压器33的同名端以及输出电路34会有所不同，但均处于本申请的保护范围内。

综上所述，根据本实用新型提出的开关电源电路，通过与每个变压器相连的吸收电路，在开关控制电路和变压器产生尖峰电压时，吸收尖峰电压，以保护开关控制电路中的开关管的安全，提高了吸收尖峰电压的效果和抗干扰能力，延长了开关管的使用寿命；同时通过与每个变压器相连的保护电路，当开关电源电路的负载发生短路时，能够及时断开电路，从而对负载进行保护；同时每个电源支路相互隔离，因此各个电源支路之间具有较高的绝缘等级。

对应上述实施例，本实用新型的实施例还提出了一种多电平变流电路，该电路包括上述实施例描述的开关电源电路。

举例来说，图3给出了一种三电平变流电路。需要说明的是，图2中的变压器33的次级绕组LM2和相对应的输出电路34构成了图3中的次级电源1、次级电源2和次级电源3，以给各自对应的负载，即驱动单元1、驱动单元2和驱动电压3供电，从而实现对三电平变流电路中的变流开关管T1至T6的通断控制，进而实现三电平变换。变换后的三电平经过滤波电容C10和C11滤波后，向负载提供工作电压，以维持负载正常运作。

需要说明的是，当多电平变流电路发生短路时，图2中的变压器33的次级绕组LM2的电流增加，变压器33的初级绕组LP1的电流随之增加，流经保护电阻R5的电流增加并超过保护电阻R5能够承受的最大电流值，保护电阻R5烧断，切断电路故障，以保护多电平变流电路。

根据本实用新型实施例的多电平变流电路，通过上述的开关电源电路，每个电源支路均包括吸收电路和保护电路，通过吸收电路能够有效吸收开关控制电路和变压器产生的尖峰电压，降低尖峰电压，且在负载发生短路时，保护电路能够及时响应，对负载进行过流保护，提高了电路的安全性。

对应上述实施例，本实用新型的实施例还提出了一种家用电器。参考图4所示，该家用电器50包括上述实施例描述的多电平变流电路51。

根据本实用新型实施例的家用电器，通过上述实施例描述的多电平变流电路，每个电源支路均包括吸收电路和保护电路，通过吸收电路能够有效吸收开关控制电路和变压器产生的尖峰电压，降低尖峰电压，且在负载发生短路时，保护电路能够及时响应，对负载进行过流保护，提高了电路的安全性。

应当理解，本实用新型的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

此外，本实用新型实施例中所使用的“第一”、“第二”等术语，仅用于描述目的，而不可以理解为指示或者暗示相对重要性，或者隐含指明本实施例中所指示的技术特征数量。由此，本实用新型实施例中限定有“第一”、“第二”等术语的特征，可以明确或者隐含地表示该实施例中包括至少一个该特征。在本实用新型的描述中，词语“多个”的含义是至少两个或者两个及以上，例如两个、三个、四个等，除非实施例中另有明确具体的限定。

在本实用新型中，除非实施例中另有明确的相关规定或者限定，否则实施例中出现的术语“安装”、“相连”、“连接”和“固定”等应做广义理解，例如，连接可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体，可以理解的，也可以是机械连接、电连接等；当然，还可以是直接相连，或者通过中间媒介进行间接连接，或者可以是两个元件内部的连通，或者两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，能够根据具体的实施情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

尽管上面已经示出和描述了本实用新型的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员在本实用新型的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种开关电源电路，其特征在于，包括：开关控制电路和至少两个电源支路，每个所述电源支路均包括吸收电路、保护电路、变压器和输出电路，所述吸收电路的一端和所述保护电路的一端相连后与所述开关控制电路相连，所述吸收电路的另一端与所述变压器的初级绕组的一端相连，所述保护电路的另一端与所述初级绕组的另一端相连，所述变压器的次级绕组与所述输出电路的输入端相连，所述输出电路的输出端与负载相连，其中，所述吸收电路用以吸收所述开关控制电路和所述变压器产生的尖峰电压，所述保护电路用以对所述负载进行过流保护。

2.根据权利要求1所述的开关电源电路，其特征在于，所述吸收电路包括：

钳位二极管，所述钳位二极管的阳极与所述开关控制电路相连；

吸收电阻，所述吸收电阻的一端与所述钳位二极管的阴极相连，所述吸收电阻的另一端与所述初级绕组的一端相连；

吸收电容，所述吸收电容与所述吸收电阻并联。

3.根据权利要求1所述的开关电源电路，其特征在于，所述保护电路包括：至少一个保护电阻，所述至少一个保护电阻并联在所述开关控制电路与所述初级绕组的另一端之间。

4.根据权利要求3所述的开关电源电路，其特征在于，所述保护电阻为脉冲型电阻，或者所述保护电阻的功率大于预设功率阈值。

5.根据权利要求1所述的开关电源电路，其特征在于，所述保护电路包括：保险丝，所述保险丝串联在所述开关控制电路与所述初级绕组的另一端之间。

6.根据权利要求1所述的开关电源电路，其特征在于，所述输出电路包括：

整流二极管，所述整流二极管的阳极与所述次级绕组的一端相连，所述整流二极管的阴极与所述负载的一端相连，所述次级绕组的另一端与所述负载的另一端相连；

滤波电容，所述滤波电容的一端与所述整流二极管的阴极相连，所述滤波电容的另一端与所述次级绕组的另一端相连。

7.根据权利要求1所述的开关电源电路，其特征在于，所述开关控制电路包括：

开关管，所述开关管的第一端分别与所述吸收电路的一端和所述保护电路的一端相连，所述开关管的第二端接地；

驱动电阻，所述驱动电阻的一端与所述开关管的控制端相连；

偏置电阻，所述偏置电阻连接在所述开关管的控制端与地之间；

驱动芯片，所述驱动芯片的信号输入端与主控制器相连，所述驱动芯片的信号输出端与所述驱动电阻的另一端相连，用以根据所述主控制器输出的控制信号驱动所述开关管导通或关断。

8.根据权利要求7所述的开关电源电路，其特征在于，所述开关控制电路还包括：

限流电阻，所述限流电阻串联在所述主控制器与所述驱动芯片的信号输入端之间。

9.一种多电平变流电路，其特征在于，包括根据权利要求1-8中任一项所述的开关电源电路。

10.一种家用电器，其特征在于，包括根据权利要求9所述的多电平变流电路。

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