專利名稱：開關(guān)電源裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種開關(guān)電源裝置，其用于提供和中斷來自輸入電源的電能以及利用電感器轉(zhuǎn)換該電能以便輸出預(yù)定的直流電壓。
背景技術(shù)：
美國(guó)專利No.5,736,842(專利文獻(xiàn)1)和國(guó)際公布No.95/22092小冊(cè)子(專利文獻(xiàn)2)公開了用于減少損耗的開關(guān)電源裝置，其中開關(guān)元件是在外加電壓幾乎是零時(shí)才轉(zhuǎn)換。
圖11是根據(jù)專利文件1的開關(guān)電源裝置電路圖。在這個(gè)裝置中，包括開關(guān)元件S1和電容器Cc的串聯(lián)電路(鉗位電路)連接到電感器Ls與開關(guān)元件S的連接點(diǎn)以及二極管D與濾波電容器CF的連接點(diǎn)。還有，該鉗位電路與包括電感器Ls和二極管D的串聯(lián)電路并聯(lián)連接。
在圖11所示的開關(guān)電源裝置中，當(dāng)開關(guān)元件S導(dǎo)通時(shí)，能量是在接通期間在電感器Ls中積累，電容器Cc在開關(guān)元件S斷開期間充電，然后進(jìn)行放電。通過在放電期間斷開開關(guān)元件S1，開關(guān)元件S的寄生電容積累的電荷放電，致使該開關(guān)元件接通以至于開關(guān)元件兩端的電壓是零(在下文中，這種操作稱為零電壓轉(zhuǎn)換)。
圖12是根據(jù)專利文件2的開關(guān)電源裝置電路圖。在這個(gè)電路中，電感器L2連接在電感器L2與開關(guān)元件S1的連接點(diǎn)和第五二極管D5之間。利用這種結(jié)構(gòu)，包括開關(guān)元件S2和電容器C3的串聯(lián)電路(鉗位電路)跨接在電感器L2兩端，在開關(guān)元件S1斷開期間在電感器L2中積累能量，以便于實(shí)現(xiàn)開關(guān)元件S1的零電壓轉(zhuǎn)換。
在圖11所示的根據(jù)專利文件1的開關(guān)電源裝置中，當(dāng)輸入電壓和輸出電流顯著地變化時(shí)，電感器Ls中積累的轉(zhuǎn)換能量改變，因此在輸入電壓與負(fù)載電流的很寬范圍內(nèi)難以實(shí)現(xiàn)零電壓轉(zhuǎn)換。尤其是，在具有諧波電流調(diào)節(jié)功能的開關(guān)電源裝置中，在沒有整流/平滑輸入直流電源的情況下進(jìn)行轉(zhuǎn)換，因此輸入電壓變化很大。例如，當(dāng)商用交流電源電壓是AC 264V時(shí)，在商用交流電源的頻率上，輸入電壓在0到373V的很寬的范圍內(nèi)變化。因此，當(dāng)沒有可靠地執(zhí)行零電壓轉(zhuǎn)換時(shí)，損耗顯著地增加。
還有，經(jīng)由電感器Ls的峰值電流和有效電流隨著輸入電源電壓的變化而顯著地改變。因此，通過電感器Ls減少傳導(dǎo)損耗的同時(shí)，難以積累零電壓轉(zhuǎn)換所需要的整流能量。
另外，當(dāng)電感器Ls和開關(guān)元件S的連接點(diǎn)和一個(gè)穩(wěn)定電位(例如，跨越濾波電容器CF的電位)通過鉗位電路連接時(shí)，在輕負(fù)載情況下電流連續(xù)流過電感器L，因此電流反饋模式發(fā)生，其中電流被反饋到輸入端。因此，電感器L和開關(guān)元件S的傳導(dǎo)損耗增加，而在輕負(fù)載情況下的效率顯著地變壞。
在圖12所示的根據(jù)專利文件2的開關(guān)電源裝置中，當(dāng)輸入電源電壓和輸出電流相對(duì)負(fù)載顯著地變化時(shí)，電感器L2中積累的整流能量變化。所以，在輸入電源電壓和輸出電流的很寬的范圍內(nèi)難以執(zhí)行零電壓轉(zhuǎn)換。還有，在通過電感器L2減少傳導(dǎo)損耗的同時(shí)，難以積累零電壓轉(zhuǎn)換需要的整流能量。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服上述問題，本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方案提供低損耗的開關(guān)電源裝置，其用于可靠地執(zhí)行零電壓轉(zhuǎn)換而不管輸入電源電壓和輸出電流之一的變化范圍大。
此外，本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案提供一種開關(guān)電源裝置，其中功率因數(shù)通過執(zhí)行零電壓轉(zhuǎn)換而顯著地改善，不管輸入電源電壓的變化范圍大。
根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的開關(guān)電源裝置包括用于提供和中斷來自電源輸入單元的電能的第一開關(guān)電路；用于積累經(jīng)由第一開關(guān)電路輸入的電能以及釋放電能給電源輸出單元的電感器；用于對(duì)流到輸出單元的電流進(jìn)行整流的整流二極管；用于平滑輸出單元的電壓的濾波電容器。第一整流電感器設(shè)置在當(dāng)?shù)谝婚_關(guān)電路接通期間，從電源輸入單元流經(jīng)第一開關(guān)電路和電感器的電流路徑上。第二整流電感器設(shè)置在當(dāng)?shù)谝婚_關(guān)電路斷開期間，流經(jīng)電感器的電流路徑上。該電感器和第一、第二整流電感器連接到第一連接點(diǎn)。鉗位串聯(lián)電路，其包含以串聯(lián)的形式連接的第二開關(guān)電路和串聯(lián)電容器，鉗位串聯(lián)電路的一端連接到第二連接點(diǎn)，第二連接點(diǎn)連接第一整流感應(yīng)器和第一開關(guān)電路，以致于第一和第二整流感應(yīng)器和串聯(lián)電容器組成一個(gè)諧振電路。第一開關(guān)電路包括第一開關(guān)元件、第一二極管和第一電容器的并聯(lián)電路。第二開關(guān)電路包括第二開關(guān)元件、第二二極管和第二電容器的并聯(lián)電路。設(shè)置開關(guān)控制電路，用于在第一和第二開關(guān)元件兩者斷開的一周期內(nèi)，交替地接通/斷開第一和第二開關(guān)元件。
利用這種結(jié)構(gòu)，能量是在第一和第二開關(guān)電路接通與斷開循環(huán)期間，在第一和第二整流感應(yīng)器中積累，以致于能夠?qū)崿F(xiàn)零電壓轉(zhuǎn)換。此外，即使輸入電源電壓和輸出電流之一顯著地變化，也能夠?qū)崿F(xiàn)零電壓轉(zhuǎn)換而且可以顯著地降低開關(guān)損耗。
更可取地，該鉗位串聯(lián)電路可以并聯(lián)連接到第一和第二整流感應(yīng)器的串聯(lián)電路。
利用這種唯一的結(jié)構(gòu)，當(dāng)輸出負(fù)載較輕時(shí)以及當(dāng)流過第一和第二整流電感器的電流較小時(shí)，該裝置以所謂的電流間斷模式工作，其中電流間斷地流過串聯(lián)的電感器，以致可以減少由于反饋電流引起的傳導(dǎo)損耗。
還有，包括串聯(lián)連接的第二開關(guān)電路和串聯(lián)電容器的鉗位串聯(lián)電路的一端可以連接到第二連接點(diǎn)，而鉗位串聯(lián)電路的另一端可以連接到電源輸入裝置、電源輸出裝置和地線中的任何一端。
利用這種結(jié)構(gòu)，當(dāng)加到輸出的負(fù)載較輕時(shí)，該裝置以反饋的方式工作，其中電源是通過串聯(lián)的電感器提供給電源輸入裝置，致使預(yù)定電流持續(xù)流過串聯(lián)的電感器。因此，在輕負(fù)載情況下輸出電壓的穩(wěn)定性和開關(guān)電源裝置的響應(yīng)特性大大地改善。
第一和第二整流電感器可以是磁耦合的。
從而，第一和第二整流電感器的總電感變得大于第一和第二整流電感器單獨(dú)安排情況下的電感。還有，可以減少磁芯上導(dǎo)線的圈數(shù)，致使該電感器可以小型化而且能夠減少由導(dǎo)線所引起的傳導(dǎo)損耗。
還有，一過電流保護(hù)電路與第二開關(guān)元件串聯(lián)連接，所述過電流保護(hù)電路用于檢測(cè)流過第二開關(guān)元件的電流、當(dāng)該電流達(dá)到預(yù)定值時(shí)關(guān)斷第二開關(guān)元件以致于抑制流過第二開關(guān)元件的電流峰值，而且抑制第一和第二整流電感器的磁飽和。
利用這種結(jié)構(gòu)，能夠抑制流過第二開關(guān)元件電流的峰值，可以防止第一和第二整流電感器的磁飽和，而且可以避免由磁飽和所引起的過電流導(dǎo)致第二開關(guān)元件的擊穿。
此外，在鉗位串聯(lián)電路中設(shè)置第三二極管，第三二極管具有比第二開關(guān)元件短的反向恢復(fù)時(shí)間并且防止反向電流到第二開關(guān)元件。具有比與第二開關(guān)元件并聯(lián)的第二二極管更短的反向恢復(fù)時(shí)間的第四二極管按照與第二開關(guān)元件導(dǎo)通方向相反的方向與包括第二開關(guān)電路的串聯(lián)電路連接。
通過提供第三和第四二極管，可以減少由第二開關(guān)元件的寄生二極管的反向恢復(fù)時(shí)間所引起的第一開關(guān)元件的開關(guān)損耗。此外，通過提供第四二極管，可以減少用于檢測(cè)流過第二開關(guān)元件電流的電路所引起的損耗。
第五二極管可以按照防止反向電壓施加到串聯(lián)電容器的方向并聯(lián)連接到串聯(lián)電容器。
利用這種結(jié)構(gòu)，可以防止反向電壓施加到串聯(lián)電容器，而且當(dāng)一個(gè)過電壓施加時(shí)則第五二極管短路，因此避免該串聯(lián)電容器擊穿。
此外，提供用于對(duì)商業(yè)交流電源的輸入實(shí)現(xiàn)全波整流的全波整流電路；以及設(shè)置在全波整流電路和電源輸入裝置之間的低通濾波器，低通濾波器用于允許商業(yè)交流電源的頻率分量通過，并且阻斷第一和第二開關(guān)元件的轉(zhuǎn)換頻率的分量和它們的諧波分量。
利用這種結(jié)構(gòu)，由轉(zhuǎn)換第一和第二開關(guān)元件所產(chǎn)生的脈沖電流被低通濾波器阻斷，而該脈沖電流沒有施加到全波整流電路。從而，可以減少全波整流電路中的損耗。
開關(guān)控制電路可以包括一個(gè)單元，該單元用于將與通過整流商業(yè)交流電源電壓獲得的全波整流電壓信號(hào)成比例的電壓乘以一直流輸出電壓或通過分割輸出電壓而獲得的一直流輸出電壓，以便為控制輸入電流和輸出電壓兩者的電流誤差放大器獲得基準(zhǔn)信號(hào)，而且根據(jù)該基準(zhǔn)信號(hào)來控制第一和第二開關(guān)元件的控制信號(hào)的脈沖寬度。
按照這種方法，通過控制來自輸入電源的輸入電流波形，可以抑制輸入電流中的諧波電流。
此外，第一和第二開關(guān)電路中的至少一個(gè)可以是場(chǎng)效應(yīng)晶體管。
利用這種結(jié)構(gòu)，場(chǎng)效應(yīng)晶體管的寄生二極管和電容可以作為電路元件，因此可以減少元件的數(shù)量以及可以減少設(shè)備的尺寸和重量。
開關(guān)控制電路可以包括定時(shí)控制單元，其用于當(dāng)施加在第一或第二開關(guān)元件上的電壓下降到零或者幾乎是零以后，接通第一或第二開關(guān)元件。
按照這種方法，通過進(jìn)行第一和第二開關(guān)元件的零電壓轉(zhuǎn)換，可以顯著地減少開關(guān)損耗，可以抑制開關(guān)浪涌，因此開關(guān)電源設(shè)備的效率可以增加同時(shí)開關(guān)電源設(shè)備的尺寸和重量可以減小。
從下面參考附圖優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)描述中，本發(fā)明的其它特點(diǎn)、元件、步驟、特征和優(yōu)點(diǎn)將變得更明顯。


圖1是根據(jù)本發(fā)明第一優(yōu)選實(shí)施例的開關(guān)電源裝置的電路圖；圖2顯示圖1電路中的波形成分；圖3顯示輸入電流Iin和流過電感器L的電流IL的波形；圖4是根據(jù)本發(fā)明第二優(yōu)選實(shí)施例的開關(guān)電源裝置的電路圖；圖5是根據(jù)本發(fā)明第三優(yōu)選實(shí)施例的開關(guān)電源裝置的電路圖；圖6是根據(jù)本發(fā)明第三優(yōu)選實(shí)施例的開關(guān)電源裝置的電路圖；圖7A到7C是電路圖，其中每個(gè)電路圖顯示根據(jù)本發(fā)明第四優(yōu)選實(shí)施例的開關(guān)電源裝置的一關(guān)鍵部分；圖8A到8C是電路圖，其中每個(gè)電路圖顯示根據(jù)本發(fā)明第四優(yōu)選實(shí)施例的開關(guān)電源裝置的一關(guān)鍵部分；圖9A到9C是電路圖，其中每個(gè)電路圖顯示根據(jù)本發(fā)明第四優(yōu)選實(shí)施例的開關(guān)電源裝置的一關(guān)鍵部分；圖10A和10B顯示在輕負(fù)載情況下當(dāng)工作方式轉(zhuǎn)入間斷方式和反饋方式時(shí)，第一開關(guān)元件Q1的漏極電流波形；圖11是已有技術(shù)開關(guān)電源裝置的電路圖；圖12是另一個(gè)已有技術(shù)開關(guān)電源裝置的電路圖。
具體實(shí)施例方式
在下文中，將參考圖1到圖3描述根據(jù)第一優(yōu)選實(shí)施例的開關(guān)電源裝置。圖1是該開關(guān)電源裝置的電路圖，而圖2和圖3顯示其中元件的波形。
在圖1中，電路包括商業(yè)交流電源Vin和用于實(shí)現(xiàn)電流全波整流的二極管電橋DB。低通濾波器LPF允許商業(yè)交流電源的頻率(大約50Hz到60Hz)通過它而阻斷開關(guān)頻率(例如，大約100kHz)。低通濾波器LPF包括電感器Lf和電容器Cf1與Cf2。電感器L是能量-轉(zhuǎn)換電感器而電感器L1與L2是第一和第二整流電感器。第一開關(guān)電路S1包括第一開關(guān)元件Q1、第一二極管D1和第一電容器C1的并聯(lián)電路。通過使用金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管作為第一個(gè)開關(guān)電路S1，它的寄生二極管與寄生電容可以分別用作為第一二極管D1與第一電容器C1。第一整流電感器L1設(shè)置在當(dāng)?shù)谝婚_關(guān)電路S1導(dǎo)通期間，從電源輸入單元Pin經(jīng)過第一開關(guān)電路S1與電感器L的電流流過的路徑上。
第二整流電感器L2設(shè)置在當(dāng)?shù)谝婚_關(guān)電路S1斷開期間，流過電感器L的電流的路徑上。此外，電感器L和第一和第二整流電感器L1和L2連接到第一連接點(diǎn)P1。
該電路的輸出單元包括整流二極管Ds和用于平滑輸出單元的電壓的電容器Co。電容器Cs是整流二極管Ds的寄生電容。
第二開關(guān)電路S2包括第二開關(guān)元件Q2、第二二極管D2和第二電容器C2的并聯(lián)電路。如第一開關(guān)電路S1中一樣，通過使用金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管作為第二開關(guān)電路S2，它的寄生二極管和寄生電容可以分別用作為第二二極管D2和第二電容器C2。第二開關(guān)電路S2與串聯(lián)電容器Cr串聯(lián)連接，而且這個(gè)串聯(lián)電路起著鉗位串聯(lián)電路的作用并且定義為鉗位串聯(lián)電路10。
鉗位串聯(lián)電路10的一端連接到第二連接點(diǎn)P2，第二連接點(diǎn)P2連接第一整流電感器L1和第一開關(guān)電路S1，而該鉗位串聯(lián)電路10的另一端連接到第三連接點(diǎn)P3，第三連接點(diǎn)P3連接第二整流感應(yīng)器L2和第二整流二極管Ds，因此第一和第二整流感應(yīng)器L1和L2和串聯(lián)電容器Cr構(gòu)成一個(gè)諧振電路。此外，在這個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，該鉗位串聯(lián)電路10并聯(lián)連接到第一和第二整流感應(yīng)器L1和L2的串聯(lián)電路。
第一和第二整流電感器L1和L2更可取地是通過在磁芯上繞制導(dǎo)線而形成，而且兩個(gè)電感器是磁耦合。通常，電感器的電感量與導(dǎo)線圈數(shù)的平方成正比。例如，當(dāng)?shù)谝缓偷诙麟姼衅鱈1和L2是通過分別在磁芯上卷繞導(dǎo)線5圈形成在相同的磁芯上時(shí)，當(dāng)這兩個(gè)電感器沒有磁耦合時(shí)，總電感是(52)×A+(52)×A＝50A。另一方面，當(dāng)兩個(gè)電感器是磁耦合時(shí)，總電感是((5+5)2)×A＝100A，因此總電感可以加倍。這里，A通常是一個(gè)稱作AI-值(感應(yīng)系數(shù))的特征值，其取決于磁芯的材料、有效橫截面、磁路長(zhǎng)度等等。所以，用較少的導(dǎo)線圈數(shù)可以獲得相同的電感，因此可以減少第一與第二整流電感器的尺寸與重量同時(shí)也可以減少導(dǎo)線的傳導(dǎo)損耗。
用于檢測(cè)流過第二開關(guān)元件Q2電流的電阻R2與第二開關(guān)元件Q2串聯(lián)連接。還有，晶體管Tr1與第二開關(guān)元件Q2連接以致于電阻R2的電壓降施加在基極與發(fā)射極之間，而第二開關(guān)元件Q2的柵極-源極由于集電極與發(fā)射極之間的導(dǎo)通而短路。
電阻R3與R4構(gòu)成電阻分壓器，用于以一定的比例分壓輸出電壓Vo。電阻R1提取流過第一開關(guān)電路S1的電流Id1作為一個(gè)電壓信號(hào)。
在開關(guān)控制電路11中，電壓誤差放大器A1將由電阻分壓器中電阻R3與R4分壓的電壓與一個(gè)參考電壓Vr進(jìn)行比較，以致于輸出一個(gè)直流電壓信號(hào)。乘法器MUL將電壓誤差放大器A1的輸出與電源輸入單元Pin的全波整流電壓信號(hào)相乘，以致輸出一個(gè)具有全波整流電壓波形的信號(hào)。電流誤差放大器A2利用乘法器MUL的輸出電壓作為參考信號(hào)，并且進(jìn)行這個(gè)基準(zhǔn)信號(hào)與電阻R1的電壓降信號(hào)的誤差放大(即，與流過第一開關(guān)電路S1的電流Id1成正比的電壓信號(hào))，然后降該信號(hào)施加到脈寬調(diào)制振蕩器PWMOSC。脈寬調(diào)制振蕩器PWMOSC根據(jù)電流誤差放大器A2的輸出電壓將開關(guān)控制信號(hào)施加到第一與第二開關(guān)元件Q1與Q2的柵極。脈寬調(diào)制振蕩器PWMOSC控制在轉(zhuǎn)換周期內(nèi)第一開關(guān)元件Q1的導(dǎo)通時(shí)間比例(時(shí)間比)。此時(shí)，第一和第二開關(guān)元件Q1和Q2按照其間兩個(gè)元件都斷開的一個(gè)周期，交替地導(dǎo)通/斷開，如下所述。
圖2顯示圖1中所示元件中的波形。在此，Vgs1是第一開關(guān)元件Q1的柵-源電壓，Vgs2是第二開關(guān)元件Q2的柵-源電壓。Vds1是第一開關(guān)元件Q1的漏-源電壓，Vds2是第二開關(guān)元件Q2的漏-源電壓。Id1是第一開關(guān)元件Q1的漏極電流，Id2是第二開關(guān)元件Q2的漏極電流。Is是流過整流二極管Ds的電流。該電路的每個(gè)狀態(tài)的工作將描述如下。
狀態(tài)1t1-t2第一開關(guān)元件Q1處于導(dǎo)通狀態(tài)，而第二開關(guān)元件Q2和整流二極管Ds處于斷開狀態(tài)。
輸入電壓Vin施加到電感器L與整流電感器L1的串聯(lián)電路，以至于漏極電流Id1流過第一開關(guān)元件Q1。漏極電流Id1隨時(shí)間線性地增加。串聯(lián)電容器Cr的電壓Vc施加在第二開關(guān)元件Q2的漏極與源極之間，而輸出電壓Vo施加在整流二極管Ds兩端。然后，第一開關(guān)元件Q1在時(shí)間t2斷開以致于轉(zhuǎn)變到狀態(tài)2。
狀態(tài)2t2-t3當(dāng)?shù)谝婚_關(guān)元件Q1斷開時(shí)，第一電容器C1利用流過電感器L與整流電感器L1的電流充電而第二電容器C2與電容器Cs放電。在時(shí)間t2，當(dāng)?shù)诙_關(guān)元件Q2的漏-源電壓Vds2和整流二極管Ds的電壓Vs達(dá)到零時(shí)，第二開關(guān)元件Q2的第二二極管D2和整流二極管Ds進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)。
狀態(tài)3t3-t4當(dāng)?shù)诙_關(guān)元件Q2的第二二極管D2進(jìn)入導(dǎo)通時(shí)，串聯(lián)電容器Cr的電壓Vc施加到第一和第二整流電感器L1和L2的串聯(lián)電路。串聯(lián)電容器Cr具有足夠大的電容量，電容器Cr的充電電壓Vc基本上是恒定的，而第二開關(guān)元件Q2的漏極電流Id2實(shí)質(zhì)上隨時(shí)間而增加。在此，當(dāng)流過第二二極管D2的電流達(dá)到零之前，通過接通第二開關(guān)元件Q2可以進(jìn)行第二開關(guān)元件Q2的零電壓轉(zhuǎn)換。也就是說，因?yàn)楫?dāng)電流流過第二二極管D2時(shí)(圖2中的周期T2期間)第二開關(guān)元件Q2的漏-源電壓是零，所以可以通過在那個(gè)周期期間產(chǎn)生Vgs2高電平來實(shí)現(xiàn)第二開關(guān)元件Q2的零電壓轉(zhuǎn)換。然后，第二開關(guān)元件Q2在時(shí)間t4斷開以致于進(jìn)入狀態(tài)4。
狀態(tài)4t4-t5當(dāng)?shù)谝婚_關(guān)元件Q2斷開時(shí)，第一電容器C1利用流過電感器L與整流電感器L2的電流放電而第二電容器C2充電。還有，當(dāng)?shù)谝婚_關(guān)元件Q1的漏-源電壓Vds1達(dá)到零時(shí)，第一開關(guān)元件Q1的第一二極管D1進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)，以致達(dá)到狀態(tài)5。
狀態(tài)5t5-t6
當(dāng)?shù)谝欢O管D1進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，輸出電壓Vo施加到第一和第二整流感應(yīng)器L1和L2的串聯(lián)電路。漏極電流Id1隨時(shí)間線性地增加。在此，在第一開關(guān)元件Q1的漏極電流Id1達(dá)到零之前的期間，就是說，在第一二極管D1處于導(dǎo)通周期期間(圖2中T1期間)，Vgs1達(dá)到高電平而第一開關(guān)元件Q1導(dǎo)通，因此可以實(shí)現(xiàn)第一開關(guān)元件Q1的零電壓轉(zhuǎn)換。然后，在時(shí)間t6，漏極電流Id1變得等于流過電感器L的電流而整流二極管Ds的電流Is達(dá)到零，以至于達(dá)到狀態(tài)6，狀態(tài)6是整流二極管Ds的反向恢復(fù)時(shí)間。
狀態(tài)6t6-t7在整流二極管Ds的反向恢復(fù)時(shí)間期間，整流二極管Ds的電壓Vs是零而電流Is以相反的方向流動(dòng)。然后，在整流二極管Ds的過渡時(shí)間，跨越整流二極管Ds兩端的電壓Vs開始增加，而同時(shí)，第二開關(guān)元件Q2的漏-源電壓Vds2減小。因此，串聯(lián)電容器Cr的電壓Vc變得等于包括第一和第二整流電感器L1和L2的串聯(lián)電路的外加電壓。
重復(fù)上面所描述的狀態(tài)1到6。
圖3顯示圖1中所示的輸入電流Iin與流過電感器L的電流IL之間的關(guān)系。輸入電流Iin等效于利用圖1中所示的低通濾波器LPF濾除流過電感器L的電流IL的電流信號(hào)而獲得的分量。即使電源輸入單元Pin處的電壓從0V到全波整流電壓波形的峰值電壓顯著地變化，也可以在寬范圍內(nèi)進(jìn)行第一和第二開關(guān)元件Q1和Q2的零電壓轉(zhuǎn)換，而且輸入電流Iin具有與商業(yè)交流電源電壓幾乎相同的波形。這相當(dāng)于這樣一種操作，其中包含連接到其輸出單元的負(fù)載的整個(gè)開關(guān)電源裝置作為商業(yè)交流電源的電阻負(fù)載，而且它是作為具有功率因數(shù)大約是1.0的負(fù)載。因此，功率因數(shù)可以顯著地改善。
在這個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，并聯(lián)連接到第一和第二開關(guān)元件Q1和Q2的第一和第二二極管D1和D2以及第一和第二電容器C1和C2，分別是金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管的寄生二極管和寄生電容，而且并聯(lián)連接到整流二極管Ds的電容器Cs也是寄生電容。然而，可以根據(jù)所需要的每個(gè)二極管的載流容量以及所需要的每個(gè)電容器的電容量來添加獨(dú)立的(非寄生的)二極管和電容器。
接下來，將參考圖4中所示電路圖描述根據(jù)第二優(yōu)選實(shí)施例的開關(guān)電源裝置。這個(gè)開關(guān)電源裝置是通過在圖1所示的開關(guān)電源裝置中增加第三二極管D3到第五二極管D5構(gòu)成的。
在這個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，第三二極管D3是按照防止第二開關(guān)元件Q2的反向電流的方向，與包含第二開關(guān)電路S2和串聯(lián)電容器Cr的串聯(lián)電路連接的。
還有，第四二極管D4是按照與第二開關(guān)元件Q2的導(dǎo)通方向相反的方向，與包括第二開關(guān)電路S2的串聯(lián)電路并聯(lián)連接的。第四二極管D4以相反方向旁路流過電阻R2的電流以致于減少由電阻R2等引起的傳導(dǎo)損耗。再者，第四二極管D4的反向恢復(fù)時(shí)間比第二二極管D2的反向恢復(fù)時(shí)間短。因此，第二二極管D2不起作用，以致由第四二極管D4減小了反向恢復(fù)電流。
第五二極管D5是按照防止反向電壓施加到電容器Cr的方向，與串聯(lián)電容器Cr并聯(lián)連接的。因此，可以使用有極性的電容元件作為串聯(lián)電容器Cr。此外，通過使用齊納二極管作為第五二極管D5，當(dāng)施加在串聯(lián)電容器Cr的電壓超過齊納擊穿電壓時(shí)，該電壓被鉗位或短路，因此可以防止由于串聯(lián)電容器Cr擊穿而引起的故障的擴(kuò)大。
接下來，將參考圖5和圖6描述根據(jù)第三優(yōu)選實(shí)施例的開關(guān)電源裝置。
在第一和第二優(yōu)選實(shí)施例中使用了升壓的變換器方案，然而也可以采用降壓的變換器方案或采用升壓/降壓的變換器方案。圖5顯示采用降壓的變換器方案的例子，圖6顯示采用升壓/降壓的變換器方案的例子。在圖5和圖6中，沒有顯示與第一和第二開關(guān)元件Q1和Q2并聯(lián)連接的電容器和二極管以及整流二極管Ds的寄生電容。還有，用于施加開關(guān)控制信號(hào)到第一和第二開關(guān)元件Q1和Q2的開關(guān)控制電路也沒有顯示。
在圖5中，第一開關(guān)元件Q1設(shè)置在電源輸入單元Pin與第二連接點(diǎn)P2之間，整流二極管Ds設(shè)置在第三連接點(diǎn)P3與地線GND之間，而電感器L設(shè)置在第一連接點(diǎn)P1與輸出單元Vout之間。
在圖6中，第一開關(guān)元件Q1設(shè)置在電源輸入單元Pin與第二連接點(diǎn)P2之間，電感器L設(shè)置在第一連接點(diǎn)P1與地線GND之間，而整流二極管Ds設(shè)置在第三連接點(diǎn)P3與輸出單元Vout之間。
在圖5和圖6中，第一整流電感器L1設(shè)置在第一開關(guān)元件Q1導(dǎo)通期間流過第一開關(guān)元件Q1和電感器L的電流路徑上，而第二整流電感器L2設(shè)置在第一開關(guān)元件Q1斷開期間流過電感器L的電流路徑上。還有，設(shè)置有鉗位串聯(lián)電路10，其包括具有串聯(lián)連接的第二開關(guān)元件Q2和串聯(lián)電容器Cr的第二開關(guān)電路，而且鉗位串聯(lián)電路10連接到第二和第三連接點(diǎn)P2和P3，以致于第一和第二整流感應(yīng)器L1和L2與串聯(lián)電容器Cr構(gòu)成一個(gè)諧振電路。此外，鉗位串聯(lián)電路10與包括第一和第二整流感應(yīng)器L1和L2的串聯(lián)電路并聯(lián)連接。這種結(jié)構(gòu)與圖1和4中顯示的升壓變換器的結(jié)構(gòu)相同。
利用這種結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)第一和第二開關(guān)元件Q1和Q2的零電壓轉(zhuǎn)換，輸入到電源輸入單元Pin的寬范圍的電壓可以作為一穩(wěn)定的直流電壓輸出。
接下來，將參考圖7A到10B描述根據(jù)第四優(yōu)選實(shí)施例的開關(guān)電源裝置。
圖7A到7C顯示升壓的變換器的三種結(jié)構(gòu)。圖8A到8C顯示降壓的變換器的三種結(jié)構(gòu)。圖9A到9C顯示升壓/降壓變換器的三種結(jié)構(gòu)。
在圖7A到9C中，Vi是來自電源輸入單元Pin的與電源輸入側(cè)電路相對(duì)應(yīng)的輸入電源。在圖7A和圖9C中，沒有顯示并聯(lián)連接到第一和第二開關(guān)元件Q1和Q2的電容器和二極管以及整流二極管Ds的寄生電容。還有，用于施加開關(guān)控制信號(hào)到第一和第二開關(guān)元件Q1和Q2的開關(guān)控制電路也沒有顯示。
在圖7A到9C的每幅圖中，第一整流電感器L1設(shè)置在第一開關(guān)元件Q1的導(dǎo)通期間從電源輸入單元Pin經(jīng)由第一開關(guān)元件Q1和電感器L的電流流過的路徑上，而第二整流電感器L2設(shè)置在第一開關(guān)元件Q1斷開期間流過第一整流電感器L1的電流路徑上。還有，電感器L和第一和第二整流電感器L1和L2與第一連接點(diǎn)P1連接，并設(shè)置包括串聯(lián)連接的第二開關(guān)元件Q2和串聯(lián)電容器Cr的鉗位串聯(lián)電路10。此外，鉗位串聯(lián)電路10的一端與第二連接點(diǎn)P2連接，第二連接點(diǎn)P2與第一整流電感器L1和第一開關(guān)元件Q1連接，以致于第一和第二整流電感器L1和L2和串聯(lián)電容器Cr構(gòu)成一個(gè)諧振電路。
在圖7A、8A和9A中，鉗位串聯(lián)電路10的另一端連接到輸出單元Vout。在圖7B、8B、和9B中，鉗位串聯(lián)電路10的另一端連接到地線GND。在圖7C、8C、和9C中，鉗位串聯(lián)電路10的另一端連接到電源輸入單元Pin。
在圖7A到9C中，在包括第一和第二整流電感器L1和L2和串聯(lián)電容器Cr的諧振電路中的諧振電流流過下面的路徑。
圖7A Cr→Q2→L1→L2→Ds→Cr圖7B Cr→Q2→L1→L2→Ds→Co→Cr圖7C Cr→Q2→L1→L2→Ds→Co→Vi→Cr圖8A Cr→Co→Ds→L2→L1→Q2→Cr圖8B Cr→Ds→L2→L1→Q2→Cr圖8C Cr→Vi→Ds→L2→L1→Q2→Cr圖9A Cr→Ds→L2→L1→Q2→Cr圖9B Cr→Co→Ds→L2→L1→Q2→Cr圖9C Cr→Vi→Co→Ds→L2→L1→Q2→Cr在圖1、4、5和6顯示的每個(gè)電路中，鉗位串聯(lián)電路10的兩端連接到第二和第三連接點(diǎn)P2和P3，而第三連接點(diǎn)P3確定為第二整流電感器L2與整流二極管Ds的連接點(diǎn)。利用這種結(jié)構(gòu)，在輕負(fù)載情況下，操作模式從連續(xù)模式轉(zhuǎn)移到所謂的間斷模式。另一方面，在圖7A到9C所示的開關(guān)電源裝置中，鉗位串聯(lián)電路10的一端連接到第二連接點(diǎn)P2而它的另一端連接到電源輸入單元Pin、輸出單元Vout和地線GND中的任何一個(gè)。利用這種結(jié)構(gòu)，在輕負(fù)載情況下，操作模式轉(zhuǎn)變到所謂的反饋模式。
圖10A和10B顯示這些狀態(tài)。圖10A顯示當(dāng)模式轉(zhuǎn)變到間斷模式時(shí)第一開關(guān)元件Q1的漏極電流Id1的波形，而圖10B顯示當(dāng)模式轉(zhuǎn)變到反饋模式時(shí)第一開關(guān)元件Q1的漏極電流Id1的波形。當(dāng)輸入與輸出電壓是常數(shù)時(shí)，第一開關(guān)元件Q1的漏極電流Id1隨著輸出電流的增加而增加。
在圖10A與10B中，a是在一定負(fù)載下第一開關(guān)元件Q1的漏極電流。當(dāng)負(fù)載變得較輕而漏極電流Id1變得較小時(shí)，Id1波形的高度變的較低而其斜度保持不變。在轉(zhuǎn)變到間斷模式的開關(guān)電源裝置中，當(dāng)輸出功率從b所示的狀態(tài)(臨界模式)進(jìn)一步減少時(shí)，在第一開關(guān)元件Q1導(dǎo)通周期內(nèi)，第一開關(guān)元件Q1斷開以致于轉(zhuǎn)變到間斷模式，如圖中c所顯示。也就是說，當(dāng)流過電感器L的電流達(dá)到0時(shí)，產(chǎn)生周期TL。
另一方面，在轉(zhuǎn)變到反饋模式的開關(guān)電源裝置中，當(dāng)負(fù)載變得比臨界模式b中的負(fù)載輕時(shí)，模式轉(zhuǎn)變到反饋模式，其中電流Id1從負(fù)電平開始，如圖10B所示。結(jié)果，即使在輕負(fù)載情況下電流也繼續(xù)流過電感器L。
在間斷模式中，電感器L和第一整流電感器L1中的傳導(dǎo)損耗可以抑制，而且開關(guān)電源裝置在輕負(fù)載情況下的損耗也可以減少。另一方面，在反饋模式中，即使在輕負(fù)載情況下預(yù)定的電流也流過電感器L，因此可以改善輸出電壓的穩(wěn)定性和相對(duì)輸出變化的響應(yīng)特性。
在圖1和4所示的優(yōu)選實(shí)施例中，在二極管電橋DB和電源輸入單元Pin之間設(shè)置低通濾波器LPF。另外，低通濾波器LPF可以設(shè)置在用于執(zhí)行全波整流的二極管電橋DB輸入一側(cè)。在這種情況下，開關(guān)操作產(chǎn)生的脈沖電流流過二極管電橋DB。因?yàn)槎O管電橋DB具有濾波效應(yīng)，所以低通濾波器LPF可以有利于小型化。
雖然已經(jīng)參考優(yōu)選實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了描述，顯然對(duì)于那些技術(shù)上熟知的人來說，在此所公開的發(fā)明可以在多方面修改，以及除了上面特別陳述內(nèi)容之外還可以設(shè)想出許多實(shí)施例。因此，這意味著本發(fā)明所附的權(quán)利要求覆蓋落在本發(fā)明的真正精神和范圍內(nèi)的所有的修改和變化。
權(quán)利要求
1.一種開關(guān)電源裝置，其中包括用于提供和中斷來自電源輸入單元的電能的第一開關(guān)電路；用于積累經(jīng)由第一開關(guān)電路輸入的電能以及釋放電能給電源輸出單元的電感器；用于對(duì)流到輸出單元的電流進(jìn)行整流的整流二極管；用于平滑輸出單元的電壓的濾波電容器；其中第一整流電感器，設(shè)置在當(dāng)?shù)谝婚_關(guān)電路接通期間從電源輸入單元流經(jīng)第一開關(guān)電路和電感器的電流路徑上；第二整流電感器，設(shè)置在當(dāng)?shù)谝婚_關(guān)電路斷開期間流經(jīng)電感器的電流路徑上；該電感器和第一、第二整流電感器連接到第一連接點(diǎn)；鉗位串聯(lián)電路，其包括以串聯(lián)的形式連接的第二開關(guān)電路和串聯(lián)電容器，鉗位串聯(lián)電路的一端連接到第二連接點(diǎn)，第二連接點(diǎn)連接第一整流感應(yīng)器和第一開關(guān)電路，以致于第一和第二整流感應(yīng)器和串聯(lián)電容器組成一個(gè)諧振電路；第一開關(guān)電路包括第一開關(guān)元件、第一二極管和第一電容器的并聯(lián)電路；第二開關(guān)電路包括第二開關(guān)元件、第二二極管和第二電容器的并聯(lián)電路；和開關(guān)控制電路，用于在第一和第二開關(guān)元件兩者斷開的周期內(nèi)，交替地接通/斷開第一和第二開關(guān)元件。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的開關(guān)電源裝置，其特征在于所述鉗位串聯(lián)電路并聯(lián)連接到第一和第二整流感應(yīng)器的串聯(lián)電路。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的開關(guān)電源裝置，其特征在于包括串行連接的第二開關(guān)電路和串聯(lián)電容器的鉗位串聯(lián)電路的一端連接到第二連接點(diǎn)，而鉗位串聯(lián)電路的另一端連接到電源輸入單元、電源輸出單元和地線中的至少一端。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的開關(guān)電源裝置，其特征在于所述第一和第二整流電感器是磁耦合的。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的開關(guān)電源裝置，其特征在于一過電流保護(hù)電路與第二開關(guān)元件串聯(lián)連接，所述過電流保護(hù)電路用于檢測(cè)流過第二開關(guān)元件的電流、當(dāng)該電流達(dá)到預(yù)定值時(shí)關(guān)斷第二開關(guān)元件以致于抑制流過第二開關(guān)元件的電流峰值，而且抑制第一和第二整流電感器的磁飽和。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的開關(guān)電源裝置，其特征在于在鉗位串聯(lián)電路中設(shè)置第三二極管，第三二極管具有比第二開關(guān)元件短的反向恢復(fù)時(shí)間并且防止反向電流到第二開關(guān)元件，以及第四二極管按照與第二開關(guān)元件導(dǎo)通方向相反的方向與包括第二開關(guān)電路的串聯(lián)電路并聯(lián)連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的開關(guān)電源裝置，其特征在于第三二極管按照防止反向電壓施加到串聯(lián)電容器的方向并聯(lián)連接到串聯(lián)電容器。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的開關(guān)電源裝置，其特征在于包括用于對(duì)商業(yè)交流電源的輸入實(shí)現(xiàn)全波整流的全波整流電路；以及設(shè)置在全波整流電路和電源輸入裝置之間的低通濾波器，低通濾波器用于允許商業(yè)交流電源的頻率分量通過，并且阻斷第一和第二開關(guān)元件轉(zhuǎn)換頻率的分量和它們的諧波分量。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的開關(guān)電源裝置，其特征在于開關(guān)控制電路包括一個(gè)單元，其用于將與通過整流商業(yè)交流電源電壓獲得的全波整流電壓信號(hào)成比例的電壓乘以一直流輸出電壓或通過分割輸出電壓而獲得的一直流輸出電壓，以便為控制輸入電流和輸出電壓兩者的電流誤差放大器獲得基準(zhǔn)信號(hào)，而且根據(jù)該基準(zhǔn)信號(hào)來控制第一和第二開關(guān)元件的控制信號(hào)的脈沖寬度。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的開關(guān)電源裝置，其特征在于第一和第二開關(guān)電路中至少一個(gè)是場(chǎng)效應(yīng)晶體管。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的開關(guān)電源裝置，其特征在于所述開關(guān)控制電路包括定時(shí)控制單元，其用于當(dāng)施加在第一或第二開關(guān)元件上的電壓下降到零或者幾乎是零以后接通第一或第二開關(guān)元件。
全文摘要
一種開關(guān)電源裝置，包括第一整流電感器，第一整流電感器設(shè)置在當(dāng)?shù)谝婚_關(guān)電路接通期間，從電源輸入裝置經(jīng)由第一開關(guān)電路和電感器的電流路徑上；和第二整流電感器，其設(shè)置在當(dāng)?shù)谝婚_關(guān)電路斷開期間，經(jīng)由電感器的電流的路徑上。第一與第二整流電感器和該電感器連接到第一連接點(diǎn)。包含第二開關(guān)電路和串聯(lián)電容器的鉗位串聯(lián)電路的一端連接到第二連接點(diǎn)，第二連接點(diǎn)連接第一整流感應(yīng)器和第一開關(guān)電路，而它的另一端被連接成致使第一和第二整流感應(yīng)器和串聯(lián)電容器組成一個(gè)諧振電路。因此，第一和第二開關(guān)元件能夠以零電壓接通。
文檔編號(hào)H02M3/04GK1551470SQ20041003537
公開日2004年12月1日 申請(qǐng)日期2004年4月22日 優(yōu)先權(quán)日2003年5月16日
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