專利名稱：開(kāi)關(guān)電源電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種包括電壓諧振型變換器的開(kāi)關(guān)電源電路。
背景技術(shù)：
電流諧振型開(kāi)關(guān)電源和電壓諧振型開(kāi)關(guān)電源作為所謂的采用諧振類型的軟開(kāi)關(guān)電源已經(jīng)是公知的。在現(xiàn)有的環(huán)境下，采用具有兩個(gè)開(kāi)關(guān)元件的半橋耦合系統(tǒng)的電流諧振型變換器已經(jīng)被廣泛地使用，這是因?yàn)樗鳛楸尘?background)的實(shí)際應(yīng)用簡(jiǎn)單。
然而，目前，例如，已經(jīng)提高了耐高壓開(kāi)關(guān)元件的特性。因此，當(dāng)將電壓諧振型變換器應(yīng)用于實(shí)際中時(shí)已經(jīng)解決了與耐壓相關(guān)的問(wèn)題。另外，我們也知道，與包括一個(gè)開(kāi)關(guān)元件的電流諧振型正向變換器相比，采用具有一個(gè)開(kāi)關(guān)元件的單端系統(tǒng)所構(gòu)成的電壓諧振型變換器在輸入反饋噪聲，DC輸出電壓線路上的噪聲分量等上面是及其有利的。
圖21示出了包括采用單端系統(tǒng)的電壓諧振型變換器的開(kāi)關(guān)電源電路的一個(gè)結(jié)構(gòu)實(shí)例。該開(kāi)關(guān)電源電路在日本未審專利公開(kāi)2000-134925中披露。
在圖21中所示的開(kāi)關(guān)電源電路中，將來(lái)自商用AC電源AC的AC電壓通過(guò)整流和平滑電路進(jìn)行整流和平滑，其中該整流和平滑電路包括橋式整流電路Di以及平滑電容器Ci。結(jié)果是，經(jīng)過(guò)整流和平滑的電壓Ei作為平滑電容器Ci兩端的電壓而產(chǎn)生。
而且，還為商用AC電源AC的線路提供噪聲濾波器。該噪聲濾波器包括一組共模扼流圈CMC，以及兩個(gè)交叉電容器(across capacitor)CL，用于去掉共模噪聲。
將經(jīng)過(guò)整流和平滑的電壓Ei作為DC輸入電壓輸入到電壓諧振型變換器中。如上所述，該電壓諧振型變換器采用包括一個(gè)開(kāi)關(guān)元件Q1的單端系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。此外，此時(shí)電壓諧振型變換器是采用獨(dú)立的激勵(lì)系統(tǒng)的一種類型，在該激勵(lì)系統(tǒng)中，用振蕩/驅(qū)動(dòng)電路2開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)由MOS-FET構(gòu)成的開(kāi)關(guān)元件Q1。
MOS-FET的體二極管DD與開(kāi)關(guān)元件Q1并聯(lián)。此外，將初級(jí)側(cè)并聯(lián)諧振電容器Cr并聯(lián)連接在開(kāi)關(guān)元件Q1的漏極和源極之間。
初級(jí)側(cè)并聯(lián)諧振電容器Cr與絕緣變換器變壓器PIT的初級(jí)繞組N1的漏電感L1一起形成初級(jí)側(cè)并聯(lián)諧振電路(電壓諧振電路)。作為開(kāi)關(guān)元件Q1的開(kāi)關(guān)動(dòng)作的電壓諧振型操作由該初級(jí)側(cè)并聯(lián)諧振電路得到。
振蕩/驅(qū)動(dòng)電路2將柵極電壓作為驅(qū)動(dòng)信號(hào)施加到開(kāi)關(guān)元件Q1的柵極，以開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)元件Q1。結(jié)果是，開(kāi)關(guān)元件Q1以與驅(qū)動(dòng)信號(hào)的周期對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)頻率執(zhí)行開(kāi)關(guān)操作。
絕緣轉(zhuǎn)換變壓器PIT將開(kāi)關(guān)輸出從開(kāi)關(guān)元件Q1傳輸?shù)狡浯渭?jí)側(cè)。
例如，該絕緣轉(zhuǎn)換變壓器PIT包括EE字狀鐵心，其中由鐵氧體材料形成的兩個(gè)E字狀鐵心根據(jù)其結(jié)構(gòu)互相組合。在將繞組部分在初級(jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)之間劃分后，將初級(jí)繞組N1和次級(jí)繞組N2纏繞在EE字狀鐵心的中心磁腿上。
在這種情況下，氣隙長(zhǎng)度約為1.0毫米的氣隙在絕緣轉(zhuǎn)換變壓器PIT的EE字狀鐵心的中心磁腿中形成。結(jié)果是，在初級(jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)之間得到約0.8到約0.85的耦合系數(shù)k。飽和狀態(tài)更加難于得到，這是因?yàn)楦鶕?jù)耦合度，這種程度的耦合系數(shù)k被認(rèn)為是松弛耦合。此外，耦合系數(shù)k的值成為漏電感(L1)的一個(gè)設(shè)定因素。
絕緣轉(zhuǎn)換變壓器PIT初級(jí)繞組N1的一端插在開(kāi)關(guān)元件Q1和平滑電容器C1的正極端之間，使得開(kāi)關(guān)元件Q1的開(kāi)關(guān)輸出可以被傳送。由初級(jí)繞組N1感應(yīng)的交流電壓在絕緣轉(zhuǎn)換變壓器PIT的次級(jí)繞組N2中產(chǎn)生。
在這種情況下，次級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電容器C2與次級(jí)繞組N2的一端串聯(lián)連接，由此，次級(jí)繞組N2的漏電感L2與次級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電容器C2的電容形成次級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電路(電流諧振電路)。
此外，整流二極管Do1和Do2，以及平滑電容器Co連接到次級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電路上，如圖21所示，因此，構(gòu)成電壓倍增器半波整流電路。該電壓倍增器半波整流電路產(chǎn)生次級(jí)側(cè)直流輸出電壓Eo，就平滑電容器Co兩端形成的電壓而言，其值是次級(jí)繞組N2中感應(yīng)的交流電壓的二倍大。將次級(jí)側(cè)直流輸出電壓Eo提供給負(fù)載，并且作為恒壓控制的檢測(cè)電壓輸入到控制電路1。
控制電路1輸入作為檢測(cè)電壓的檢測(cè)輸出到振蕩/驅(qū)動(dòng)電路2，該檢測(cè)輸出通過(guò)檢測(cè)輸入到其的次級(jí)側(cè)直流輸出電壓Eo的值而得到。
振蕩/驅(qū)動(dòng)電路2輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，其頻率可根據(jù)由輸入到其的檢測(cè)信號(hào)所表示的次級(jí)側(cè)直流輸出電壓Eo的值而變化。因此，振蕩/驅(qū)動(dòng)電路2控制開(kāi)關(guān)元件Q1的開(kāi)關(guān)操作，這樣使得次級(jí)側(cè)直流輸出電壓Eo在預(yù)定值上恒定。結(jié)果是，實(shí)現(xiàn)了次級(jí)側(cè)直流輸出電壓Eo的穩(wěn)定控制。
圖22A，22B和22C，以及圖23示出具有圖21所示結(jié)構(gòu)的電源電路的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。然而，當(dāng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，對(duì)圖21所示的電源電路的主要部分設(shè)定如下。
在絕緣轉(zhuǎn)換變壓器PIT中，鐵心選擇EER-35，在中心磁腿中設(shè)定氣隙長(zhǎng)度為1毫米的氣隙。此外，初級(jí)繞組N1的匝數(shù)T，以及次級(jí)繞組N2的匝數(shù)T分別設(shè)定為39T和23T。同樣，次級(jí)繞組N2每一匝(T)的感應(yīng)電壓值設(shè)定為3V/T。絕緣轉(zhuǎn)換變壓器PIT的耦合系數(shù)k設(shè)定為0.81。
此外，初級(jí)側(cè)并聯(lián)諧振電容器Cr的電容選擇為3900pF，次級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電容器C2的電容選擇為0.1μF。結(jié)果是，初級(jí)側(cè)并聯(lián)諧振電路的諧振頻率fo1以及次級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電路的諧振頻率fo2分別設(shè)定為230kHz以及82kHz。在這種情況下，諧振頻率fo1和fo2之間的相對(duì)關(guān)系可用fo12.8×fo2表示。
次級(jí)側(cè)直流輸出電壓Eo的額定值為135V。相應(yīng)的負(fù)載功率在最大負(fù)載功率Pomax＝200W到最小負(fù)載功率Pomin＝0W之間的范圍內(nèi)。
圖22A，22B和22C是示出圖21所示的電源電路中的主要部分基于開(kāi)關(guān)元件Q1的開(kāi)關(guān)周期工作的波形圖。也就是說(shuō)，圖22A示出電壓V1，開(kāi)關(guān)電流IQ1，初級(jí)繞組電流I1，次級(jí)繞組電流I2以及次級(jí)側(cè)整流電流ID1和ID2在最大負(fù)載功率Pomax＝200W階段期間的波形。圖22B示出電壓V1，開(kāi)關(guān)電流IQ1，初級(jí)繞組電流I1以及次級(jí)繞組電流I2在中間負(fù)載功率Po＝120W階段期間的波形。同樣，圖22C示出電壓V1以及開(kāi)關(guān)電流IQ1在最小負(fù)載功率Pomin＝0W階段期間的波形。
電壓V1是開(kāi)關(guān)元件Q1兩端形成的電壓。也就是說(shuō)，電壓V1具有這樣的波形，其中在開(kāi)關(guān)元件Q1處于導(dǎo)通狀態(tài)的導(dǎo)通時(shí)間周期TON期間，電壓V1設(shè)定為0電平，并且在開(kāi)關(guān)元件Q1處于截至狀態(tài)的截至?xí)r間周期TOFF期間轉(zhuǎn)為正弦波諧振脈沖。因此，電壓V1的諧振脈沖波形示出初級(jí)側(cè)開(kāi)關(guān)變換器的操作是電壓諧振型的。
開(kāi)關(guān)電流IQ1是流過(guò)開(kāi)關(guān)元件Q1(以及體二極管DD)的電流。也就是說(shuō)，開(kāi)關(guān)電流IQ1在導(dǎo)通時(shí)間周期TON期間開(kāi)始流動(dòng)，從而示出例如圖22A的波形，并且在截至?xí)r間周期TOFF期間為0值。
流過(guò)初級(jí)繞組N1的初級(jí)繞組電流I1通過(guò)將導(dǎo)通時(shí)間周期TON期間的作為上述開(kāi)關(guān)電流IQ1流過(guò)的電流分量以及截至?xí)r間周期TOFF期間流過(guò)初級(jí)側(cè)并聯(lián)諧振電容器Cr的電流彼此進(jìn)行合成而得到。
此外，盡管僅在圖22A中示出，但是示出次級(jí)側(cè)整流電路操作以及流過(guò)整流二極管Do1和Do2的整流電流ID1以及ID2分別具有如圖所示的正弦波波形。在這種情況下，次級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電路的諧振操作主要出現(xiàn)在整流電流ID1的波形中，而不是在整流電流ID2的波形中。
流過(guò)次級(jí)繞組N2的次級(jí)繞組電流I2通過(guò)將整流電流ID1和ID2彼此進(jìn)行合成而得到。
圖23示出圖21所示的電源電路中相對(duì)于負(fù)載波動(dòng)的開(kāi)關(guān)頻率fs，開(kāi)關(guān)元件Q1的導(dǎo)通時(shí)間周期TON以及截至?xí)r間周期TOFF，以及將交流功率轉(zhuǎn)換成直流功率的效率ηAC→DC。
首先，觀察將交流功率轉(zhuǎn)換成直流功率的效率ηAC→DC，我們知道在負(fù)載功率Po在50W到200W的寬范圍內(nèi)可得到90％或者更大的高效率。本申請(qǐng)的發(fā)明人以前從這些實(shí)驗(yàn)中已經(jīng)確定，當(dāng)采用單端系統(tǒng)的電壓諧振型變換器與次級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電路組合時(shí)可得到這種特性。
此外，基于圖23的開(kāi)關(guān)頻率fs，導(dǎo)通時(shí)間周期TON，以及截至?xí)r間周期TOFF示出了表示相對(duì)于圖21所示的電源電路中的負(fù)載波動(dòng)的恒壓控制特性的開(kāi)關(guān)操作。在這種情況下，開(kāi)關(guān)頻率fs相對(duì)于負(fù)載波動(dòng)幾乎恒定。另一方面，導(dǎo)通時(shí)間周期TON和截至?xí)r間周期TOFF線性變化，這樣示出了彼此之間的趨勢(shì)圖，如圖23所示。這種事實(shí)示出了在開(kāi)關(guān)頻率(開(kāi)關(guān)周期)被設(shè)置得相對(duì)于次級(jí)側(cè)直流輸出電壓Eo的波動(dòng)幾乎恒定之后，控制了開(kāi)關(guān)操作以便改變導(dǎo)通時(shí)間周期和截至?xí)r間周期的時(shí)間周期比。這種控制可被認(rèn)為是使導(dǎo)通/截至?xí)r間周期在一個(gè)周期內(nèi)可變的脈寬調(diào)制(PWM)控制。在圖21所示的電源電路中，通過(guò)PWM控制使得次級(jí)側(cè)直流輸出電壓Eo穩(wěn)定。
圖24示意性地示出基于開(kāi)關(guān)頻率fs(kHz)和次級(jí)側(cè)直流輸出電壓Eo之間的關(guān)系的圖21所示的電源電路的恒壓控制特性。
圖21所示的電源電路包括初級(jí)側(cè)并聯(lián)諧振電路以及次級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電路。因此，圖21中示出的電源電路復(fù)合地具有兩種諧振阻抗特性，即，與初級(jí)側(cè)并聯(lián)諧振電路的諧振頻率fo1對(duì)應(yīng)的諧振阻抗特性，以及與次級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電路的諧振頻率fo2對(duì)應(yīng)的諧振阻抗特性。此外，圖21中示出的電源電路具有fo12.8×fo2的關(guān)系。因此，同樣如圖24所示，次級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振頻率fo2低于初級(jí)側(cè)并聯(lián)諧振頻率fo1。
然后，建議在特定交流輸入電壓VAC的情形下開(kāi)關(guān)頻率fs的恒壓控制特性。如圖所示，在這種情形下，在與初級(jí)側(cè)并聯(lián)諧振電路的諧振頻率fo1對(duì)應(yīng)的諧振阻抗下的最大負(fù)載功率Pomax階段以及最小負(fù)載功率Pomin階段期間的恒壓控制特性分別由特性曲線A和B表示。同樣，在與次級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電路的諧振頻率fo2對(duì)應(yīng)的諧振阻抗下的最大負(fù)載功率Pomax階段以及最小負(fù)載功率Pomin階段期間的恒壓控制特性分別由特性曲線C和D表示。當(dāng)將要基于圖24中所示的特性下的次級(jí)側(cè)直流輸出電壓Eo的恒定值tg進(jìn)行恒壓控制時(shí)，恒壓控制所要求的開(kāi)關(guān)頻率fs的可變范圍(必要控制范圍)可用Δfs表示的部分來(lái)表示。
圖24所示的必要控制范圍Δfs在與次級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電路的諧振頻率fo2對(duì)應(yīng)的最大負(fù)載功率Pomax階段期間的特性曲線C到與初級(jí)側(cè)并聯(lián)諧振電路的諧振頻率fo1對(duì)應(yīng)的最小負(fù)載功率Pomin階段期間的特性曲線B之間的范圍內(nèi)。因此，必要控制范圍Δfs跨越與次級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電路的諧振頻率fo2對(duì)應(yīng)的最小負(fù)載Pomin階段期間的特性曲線D以及與初級(jí)側(cè)并聯(lián)諧振電路的諧振頻率fo1對(duì)應(yīng)的最大負(fù)載Pomax階段期間的特性曲線A。
為此，對(duì)于圖21所示的電源電路的恒壓控制操作，基于PWM控制的狀態(tài)進(jìn)行開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)控制，在PWM控制中，一個(gè)開(kāi)關(guān)周期中的導(dǎo)通時(shí)間周期與截至?xí)r間周期的時(shí)間周期比在開(kāi)關(guān)頻率fs幾乎固定后變化。然而，其也同樣基于其中截至?xí)r間周期TOFF和導(dǎo)通時(shí)間周期TON的寬度在圖22A，22B和22C中示出的最大負(fù)載功率Pomax＝200W的階段，負(fù)載功率Po＝100W的階段以及最小負(fù)載功率Pomin＝0W階段中示出的一個(gè)開(kāi)關(guān)周期(TOFF+TON)的時(shí)間周期長(zhǎng)度分別近乎恒定的情況下變化的情形示出。
我們認(rèn)為這種操作通過(guò)使得第一狀態(tài)和第二狀態(tài)之間的變化處于開(kāi)關(guān)頻率的窄的可變范圍(Δfs)下而得到。在第一狀態(tài)中，根據(jù)與電源電路中的負(fù)載波動(dòng)對(duì)應(yīng)的諧振阻抗特性，具有初級(jí)側(cè)并聯(lián)諧振電路的諧振頻率fo1的諧振阻抗(容性阻抗)成為主要的。同樣，在第二狀態(tài)中，根據(jù)這些諧振阻抗特性，次級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電路的諧振頻率fo2(感性阻抗)成為主要的。

發(fā)明內(nèi)容
然而，圖21中所示的電源電路具有如下所述的問(wèn)題。
也就是說(shuō)，前述的圖22A中所示的最大負(fù)載功率Pomax階段期間的開(kāi)關(guān)電流IQ1保持在0值，直到當(dāng)導(dǎo)通時(shí)間達(dá)到時(shí)的截至?xí)r間周期TOFF的終點(diǎn)為止。首先，當(dāng)達(dá)到導(dǎo)通時(shí)間周期TON時(shí)，負(fù)極性電流流過(guò)體二極管DD，此后極性被反向以流過(guò)開(kāi)關(guān)元件Q1的漏極和源極。以這種方式，開(kāi)關(guān)電源電路工作。這種操作示出了其中正確執(zhí)行零電壓開(kāi)關(guān)(ZVS)的狀態(tài)。
另一方面，對(duì)于與中間負(fù)載對(duì)應(yīng)的負(fù)載功率Po＝120W階段期間的開(kāi)關(guān)電流IQ1，得到了這樣的操作，其中在導(dǎo)通時(shí)間到達(dá)時(shí)的截至?xí)r間周期的終點(diǎn)時(shí)刻以及這之前，使得開(kāi)關(guān)電流IQ1以噪聲形式流動(dòng)。這種操作是其中不能正確執(zhí)行ZVS的異常操作。
也就是說(shuō)，我們發(fā)現(xiàn)，如圖21所示，包括次級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電路的電壓諧振型變換器執(zhí)行其中在中等負(fù)載階段期間不能正確執(zhí)行ZVS的異常操作。我們確定，例如，圖21所示的電源電路實(shí)際上執(zhí)行如圖23中所示的部分A的負(fù)載波動(dòng)范圍區(qū)域中的這種異常操作。
如前所述，包括次級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電路的電壓諧振型變換器基本上具有趨于示出其中相對(duì)負(fù)載波動(dòng)可以令人滿意地維持高效率的特性。然而，如示處的根據(jù)圖22B的開(kāi)關(guān)電流IQ1，在開(kāi)關(guān)元件Q1的導(dǎo)通階段使得足夠的峰值電流流過(guò)。因此，使得開(kāi)關(guān)損耗增加，這將使電壓諧振型變換器承載著減小功率變換效果的因素。
此外，在任何情況下，例如，出現(xiàn)如上所述的異常操作將使得恒壓控制電路系統(tǒng)的相位增益特性變化，并且因此在異常振蕩狀態(tài)中執(zhí)行開(kāi)關(guān)操作。為此，可以強(qiáng)烈地認(rèn)識(shí)到現(xiàn)有環(huán)境下實(shí)際上難于將包括次級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電路的電壓諧振型變換器應(yīng)用到實(shí)際應(yīng)用中。
考慮到上述問(wèn)題，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種開(kāi)關(guān)電源電路，包括整流和平滑電路，該整流和平滑電路包括至少一個(gè)整流元件和一個(gè)平滑電容器，用于從商用交流電源接收交流電壓作為其輸入，以整流和平滑因此輸入的電壓，從而產(chǎn)生經(jīng)整流和平滑的電壓作為平滑電容器兩端的電壓；開(kāi)關(guān)元件，用于接收上述經(jīng)整流和平滑的電壓作為進(jìn)行開(kāi)關(guān)的直流輸入電壓；用于開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)該開(kāi)關(guān)元件的開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)部；插在將經(jīng)整流和平滑的電壓輸入到開(kāi)關(guān)元件的路徑中的第一電感器；第一初級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電路，用于對(duì)應(yīng)于開(kāi)關(guān)元件進(jìn)行的開(kāi)關(guān)來(lái)進(jìn)行諧振操作，該第一初級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電路至少由第二電感器的電感以及與第二電感器的電感串聯(lián)連接的初級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電容器的電容構(gòu)成；第二初級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電路，用于對(duì)應(yīng)于開(kāi)關(guān)元件進(jìn)行的開(kāi)關(guān)來(lái)進(jìn)行諧振操作，該第二初級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電路至少由第一電感器的電感和與該第一電感器的電感串聯(lián)連接的初級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電容器的電容構(gòu)成；第一初級(jí)側(cè)并聯(lián)諧振電路，用于對(duì)應(yīng)于開(kāi)關(guān)元件進(jìn)行的開(kāi)關(guān)而進(jìn)行諧振操作，該第一初級(jí)側(cè)并聯(lián)諧振電路至少由第一電感器的電感、與第一電感器的電感串聯(lián)連接的第二電感器的電感和與由第一電感器和第二電感器構(gòu)成的串聯(lián)電路并聯(lián)連接的初級(jí)側(cè)并聯(lián)諧振電容器的電容構(gòu)成；轉(zhuǎn)換變壓器，該轉(zhuǎn)換變壓器通過(guò)纏繞第二電感器作為初級(jí)繞組并且纏繞次級(jí)繞組而構(gòu)成，通過(guò)在初級(jí)繞組中得到的開(kāi)關(guān)輸出而將交流電壓感應(yīng)到次級(jí)繞組中，該轉(zhuǎn)換變壓器用于在初級(jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)之間得到必要的耦合系數(shù)，初級(jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)之間的耦合被認(rèn)為是松弛耦合；以及次級(jí)側(cè)直流輸出電壓產(chǎn)生部，用于接收在轉(zhuǎn)換變壓器的次級(jí)繞組中感應(yīng)的交流電壓作為其輸入，以整流因此輸入的交流電壓，從而產(chǎn)生次級(jí)側(cè)直流輸出電壓。
而且，在本發(fā)明中，“耦合系數(shù)”代表電磁耦合的程度。數(shù)值1代表最高程度的耦合，數(shù)值0代表最低程度的耦合(無(wú)耦合)。
在如上所構(gòu)造的電源電路中，將E類開(kāi)關(guān)變換器的電路形式形成在初級(jí)側(cè)。作為基本結(jié)構(gòu)，該E類開(kāi)關(guān)變換器在初級(jí)側(cè)上包括，第一電感器，第二電感器，初級(jí)側(cè)并聯(lián)諧振電容器，以及初級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電容器。因此，該E類開(kāi)關(guān)變換器是軟開(kāi)關(guān)變換器的一種形式，其被稱作復(fù)合諧振型一，并且包括并聯(lián)諧振電路(初級(jí)側(cè)并聯(lián)諧振電路)以及串聯(lián)諧振電路(初級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電路)。接著，將形成串聯(lián)諧振電路(初級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電路)的電感器(第二電感器)用作轉(zhuǎn)換變壓器的初級(jí)繞組，由此構(gòu)成能執(zhí)行直流-直流功率變換的電源電路。
以這種方式，基本構(gòu)成具有應(yīng)用到其的E類開(kāi)關(guān)變換器的電源電路。結(jié)果是，伴隨電壓諧振型變換器并且造成其中在中等負(fù)載的負(fù)載狀態(tài)范圍下不能得到零電壓開(kāi)關(guān)(ZVS)操作的異常操作的問(wèn)題的因素被排除在外，由此得到了正確的ZVS操作。
此外，在本發(fā)明中，初級(jí)側(cè)上的E類開(kāi)關(guān)變換器接收經(jīng)整流和平滑的電壓作為其輸入并且進(jìn)行開(kāi)關(guān)，其中該經(jīng)整流和平滑的電壓作為形成用于整流和平滑來(lái)自商用交流電源的交流電壓的整流和平滑電路的平滑電容器兩端生成的電壓。此時(shí)，從平滑電容器流進(jìn)E類開(kāi)關(guān)變換器的電流可通過(guò)構(gòu)成初級(jí)側(cè)并聯(lián)諧振電路的第一電感器流過(guò)開(kāi)關(guān)元件側(cè)，從而變?yōu)橹绷麟娏鳌?br> 此外，在本發(fā)明中，該電源電路至少包括第一初級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電路，第二初級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電路，以及第一初級(jí)側(cè)并聯(lián)諧振電路作為上述的組成元件。由于具有這種結(jié)構(gòu)，首先，當(dāng)基于第一初級(jí)側(cè)并聯(lián)諧振電路的諧振操作而在第一電感器中產(chǎn)生諧振脈沖電壓時(shí)，將該諧振脈沖電壓疊加到初級(jí)繞組中產(chǎn)生的交流電壓上。結(jié)果是，初級(jí)繞組電壓的值增加。此外，同樣基于第一和第二初級(jí)側(cè)并聯(lián)諧振電路的諧振操作，流過(guò)轉(zhuǎn)換變壓器初級(jí)繞組(第二電感器)的諧振電流可以單獨(dú)流過(guò)第一電感器。結(jié)果是，流過(guò)初級(jí)繞組的電流量減小。
由于初級(jí)繞組電壓值增加并且初級(jí)繞組的電流量以這種方式減小，因此更加減小了流過(guò)初級(jí)側(cè)開(kāi)關(guān)變換器的電流。電流量的這種減小結(jié)果使得電源電路中的功耗減小。
根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例，提供一種開(kāi)關(guān)電源電路，包括用于對(duì)直流輸入電壓進(jìn)行開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)元件；用于開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)該開(kāi)關(guān)元件的開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)部；串聯(lián)插入在將直流輸入電壓輸入到開(kāi)關(guān)元件的路徑中的第一電感器和第二電感器；與第一電感器和第二電感器串聯(lián)連接的初級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電容器，初級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電容器構(gòu)成第一初級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電路和第二初級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電路，用于分別對(duì)應(yīng)于開(kāi)關(guān)元件進(jìn)行的開(kāi)關(guān)而進(jìn)行諧振操作；與第二電感器或者開(kāi)關(guān)元件并聯(lián)連接的初級(jí)側(cè)并聯(lián)諧振電容器，該初級(jí)側(cè)并聯(lián)諧振電容器構(gòu)成初級(jí)側(cè)并聯(lián)諧振電路，用于對(duì)應(yīng)于開(kāi)關(guān)元件進(jìn)行的開(kāi)關(guān)而進(jìn)行諧振操作；通過(guò)纏繞第二電感器作為初級(jí)繞組并且纏繞次級(jí)繞組構(gòu)成的轉(zhuǎn)換變壓器，通過(guò)在初級(jí)繞組中得到的開(kāi)關(guān)輸出而將交流電壓感應(yīng)在次級(jí)繞組中，該轉(zhuǎn)換變壓器用于在初級(jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)之間得到必要的耦合系數(shù)，初級(jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)之間的耦合被認(rèn)為是松弛耦合；以及次級(jí)側(cè)直流輸出電壓產(chǎn)生部，用于接收在轉(zhuǎn)換變壓器的次級(jí)繞組中感應(yīng)的交流電壓作為其輸入，以整流因此輸入的交流電壓，從而產(chǎn)生次級(jí)側(cè)直流輸出電壓。
在本發(fā)明中，以上述方式在初級(jí)側(cè)上包括并聯(lián)諧振電路的開(kāi)關(guān)電源電路中解決了其中在例如中等負(fù)載的負(fù)載狀態(tài)范圍下不能得到ZVS操作的異常操作。結(jié)果是，容易實(shí)現(xiàn)包括次級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電路的電壓諧振型變換器的實(shí)際應(yīng)用。
此外，從整流和平滑電路的平滑電容器流到開(kāi)關(guān)變換器的用于從商用交流電源產(chǎn)生經(jīng)整流和平滑的電壓(直流輸入電壓)的電流變?yōu)橹绷麟娏?。結(jié)果是，可以為如上所述的平滑電容器的組成元件的電容選擇較小的值，并且也可以為上述平滑電容器選擇通常應(yīng)用的產(chǎn)品。因此，例如，可以得到諸如低成本推銷以及使開(kāi)關(guān)電容器最小化的效果。
此外，對(duì)應(yīng)于流過(guò)電源電路的電流量減小而實(shí)現(xiàn)的功耗減小使得整個(gè)功率轉(zhuǎn)換效率特性極大地提高。


圖1是示出根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的電源電路的結(jié)構(gòu)實(shí)例的電路圖；圖2A和2B分別是示出根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的電源電路的主要部分基于開(kāi)關(guān)周期的操作的波形圖；圖3是示出根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的電源電路的結(jié)構(gòu)實(shí)例的電路圖；圖4是示出根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的電源電路的主要部分基于開(kāi)關(guān)周期的操作的波形圖；圖5是示出根據(jù)本發(fā)明第一和第二實(shí)施例的每個(gè)電源電路所對(duì)應(yīng)的次級(jí)側(cè)的改進(jìn)的結(jié)構(gòu)實(shí)例的電路圖；圖6是示出根據(jù)本發(fā)明第一和第二實(shí)施例的每個(gè)電源電路所對(duì)應(yīng)的次級(jí)側(cè)的另一改進(jìn)的結(jié)構(gòu)實(shí)例的電路圖；圖7是示出根據(jù)本發(fā)明第一和第二實(shí)施例的每個(gè)電源電路所對(duì)應(yīng)的次級(jí)側(cè)的又一改進(jìn)的結(jié)構(gòu)實(shí)例的電路圖；圖8是示出根據(jù)本發(fā)明第一和第二實(shí)施例的每個(gè)電源電路所對(duì)應(yīng)的次級(jí)側(cè)的再一改進(jìn)的結(jié)構(gòu)實(shí)例的電路圖；圖9是示出根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的電源電路所對(duì)應(yīng)的改進(jìn)的結(jié)構(gòu)實(shí)例的電路圖；
圖10是示出根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的電源電路所對(duì)應(yīng)的另一改進(jìn)的結(jié)構(gòu)實(shí)例的電路圖；圖11是示出設(shè)置在根據(jù)本發(fā)明第一和第二實(shí)施例的每個(gè)電源電路中的絕緣轉(zhuǎn)換變壓器的構(gòu)造實(shí)例的視圖；圖12是示出設(shè)置在根據(jù)本發(fā)明第一和第二實(shí)施例的每個(gè)電源電路中的復(fù)合絕緣轉(zhuǎn)換變壓器的構(gòu)造實(shí)例的視圖；圖13是示出設(shè)置在根據(jù)本發(fā)明第一和第二實(shí)施例的每個(gè)電源電路中的復(fù)合絕緣轉(zhuǎn)換變壓器的另一構(gòu)造實(shí)例的視圖；圖14是示出設(shè)置在根據(jù)本發(fā)明第一和第二實(shí)施例的每個(gè)電源電路中的復(fù)合絕緣轉(zhuǎn)換變壓器的又一構(gòu)造實(shí)例的視圖；圖15是示出設(shè)置在根據(jù)本發(fā)明第一和第二實(shí)施例的每個(gè)電源電路中的復(fù)合絕緣轉(zhuǎn)換變壓器的再一構(gòu)造實(shí)例的透視圖；圖16是示出設(shè)置在根據(jù)本發(fā)明第一和第二實(shí)施例的每個(gè)電源電路中的復(fù)合絕緣轉(zhuǎn)換變壓器的又一構(gòu)造實(shí)例的透視圖；圖17是示出設(shè)置在根據(jù)本發(fā)明第一和第二實(shí)施例的每個(gè)電源電路中的復(fù)合絕緣轉(zhuǎn)換變壓器的再一構(gòu)造實(shí)例的透視圖；圖18是示出E類開(kāi)關(guān)變換器的基本結(jié)構(gòu)實(shí)例的電路圖；圖19是示出圖18所示的E類開(kāi)關(guān)變換器的操作的波形圖；圖20是示出其上應(yīng)用有圖18所示的E類開(kāi)關(guān)變換器的開(kāi)關(guān)電源電路的結(jié)構(gòu)實(shí)例的電路圖；圖21是示出傳統(tǒng)電源電路的結(jié)構(gòu)實(shí)例的電路圖；圖22A，22B和22C分別是示出圖21所示的傳統(tǒng)電源電路的主要部分的操作的波形圖；圖23是示出圖21所示的傳統(tǒng)電源電路中相對(duì)于負(fù)載波動(dòng)交流→直流功率變換效率，開(kāi)關(guān)頻率，以及開(kāi)關(guān)元件的導(dǎo)通時(shí)間周期的波動(dòng)特性的示意圖；以及圖24是概念性地示出圖21所示的傳統(tǒng)電源電路的恒壓控制特性的示意圖。
具體實(shí)施例方式
在對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行描述之前，現(xiàn)在參考圖18和19描述作為優(yōu)選實(shí)施例的背景的用于執(zhí)行開(kāi)關(guān)操作的E類諧振型開(kāi)關(guān)變換器(下文中也稱作“E類開(kāi)關(guān)變換器”)的基本結(jié)構(gòu)。
圖18示出了E類開(kāi)關(guān)變換器的基本結(jié)構(gòu)。該圖中示出的E類開(kāi)關(guān)變換器采用以E類諧振型工作的直流-交流變換器結(jié)構(gòu)。
該圖中所示的E類開(kāi)關(guān)變換器包括一個(gè)開(kāi)關(guān)元件Q1。此時(shí)該開(kāi)關(guān)元件Q1是MOS-FET。體二極管DD并聯(lián)連接在作為MOS-FET的開(kāi)關(guān)元件Q1的漏極和源極之間。此時(shí)體二極管DD的正方向是指著從MOS-FET的源極向漏極的方向。
此外，初級(jí)側(cè)并聯(lián)諧振電容器Cr同樣并聯(lián)連接在開(kāi)關(guān)元件Q1的漏極和源極之間。
開(kāi)關(guān)元件Q1的漏極通過(guò)與開(kāi)關(guān)元件Q1串聯(lián)連接的扼流線圈L10連接到直流輸入電壓源Ein的正極端。開(kāi)關(guān)元件Q1的源極連接到直流輸入電壓Ein的負(fù)極。
此外，扼流線圈L11的一端連接到開(kāi)關(guān)元件Q1的漏極，串聯(lián)諧振電容器C11與扼流線圈L11的另一端串聯(lián)連接。作為負(fù)載的阻抗Z插在串聯(lián)諧振電容器C11和直流輸入電壓源Ein的負(fù)極端之間。此時(shí)，壓電變壓器，以高頻工作的熒光燈等等作為阻抗Z的具體實(shí)例。
如上構(gòu)成的E類開(kāi)關(guān)變換器可被認(rèn)為是一種形式的復(fù)合諧振型變換器，其包括由扼流線圈L10的電感和初級(jí)側(cè)并聯(lián)諧振電容器Cr的電容構(gòu)成的并聯(lián)諧振電路，以及由扼流線圈L11的電感和串聯(lián)諧振電容器C11的電容構(gòu)成的串聯(lián)諧振電路。此外，從在開(kāi)關(guān)元件方面僅包括一個(gè)開(kāi)關(guān)元件的角度來(lái)看，如上構(gòu)成的E類開(kāi)關(guān)變換器被稱作與采用單端系統(tǒng)的電壓諧振型變換器相同。
圖19示出具有圖18所示的結(jié)構(gòu)的E類開(kāi)關(guān)變換器的主要部分的操作。
開(kāi)關(guān)電壓V1是開(kāi)關(guān)元件Q1兩端形成的電壓。因此，開(kāi)關(guān)電壓V1示出了其中在開(kāi)關(guān)元件Q1處于導(dǎo)通狀態(tài)的導(dǎo)通時(shí)間周期TON期間保持為0值的波形，并且在其中開(kāi)關(guān)元件Q1處于截至狀態(tài)的截至?xí)r間周期TOFF期間變?yōu)檎也蠲}沖。該開(kāi)關(guān)脈沖波形基于上述并聯(lián)諧振電路的諧振操作(電壓諧振操作)得到。
開(kāi)關(guān)電流IQ1是流過(guò)開(kāi)關(guān)元件Q1(以及體二極管DD)的電流。在截至?xí)r間周期TOFF期間，開(kāi)關(guān)電流IQ1保持為0值，并且首先在導(dǎo)通時(shí)間周期TON期間，從再次變?yōu)樨?fù)極性開(kāi)關(guān)電流的起始點(diǎn)開(kāi)始流過(guò)體二極管DD給定時(shí)間周期。此后，將負(fù)極性開(kāi)關(guān)電流極性反向從而變?yōu)檎龢O性開(kāi)關(guān)電流，并且從開(kāi)關(guān)元件Q1的漏極流到源極。
此外，作為輸出通過(guò)上述串聯(lián)諧振電路從E類開(kāi)關(guān)變換器流出的電流I2通過(guò)將流過(guò)開(kāi)關(guān)元件Q1(以及體二極管DD)的開(kāi)關(guān)電流IQ1與流過(guò)初級(jí)側(cè)并聯(lián)諧振電容器Cr的電流疊加而得到。因此，電流I2示出了其中其包含正弦波成分的波形。
此外，同樣示出了在開(kāi)關(guān)元件Q1的截至?xí)r得到的ZVS操作，并且基于開(kāi)關(guān)電流IQ1和開(kāi)關(guān)電壓V1之間的關(guān)系可在其導(dǎo)通時(shí)可得到ZVS和零電流開(kāi)關(guān)(ZCS)操作。
同樣，流進(jìn)E類開(kāi)關(guān)變換器從而從直流輸入電壓Ein的正極端流到扼流線圈L10的電流I1示出了其中電流I1位于圖19所示的預(yù)定平均值上的脈動(dòng)波形，這是因?yàn)闉槎罅骶€圈L10和L11的電感設(shè)定有L10＞L11的關(guān)系。這種脈動(dòng)波形可被認(rèn)為是接近直流電流的波形。
本申請(qǐng)的發(fā)明人通過(guò)基于上述基本結(jié)構(gòu)應(yīng)用E類開(kāi)關(guān)變換器而構(gòu)成電源電路，并且在因此構(gòu)成的電源電路上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。圖20示出了那種電源電路的結(jié)構(gòu)實(shí)例的電路圖。
在該圖中示出的電源電路中，首先，一組共模扼流線圈CMC和兩個(gè)交叉電容器CL以該如圖所示的方式插在傳統(tǒng)交流電源AC的線路中。共模扼流線圈CMC和交叉電容器CL形成噪聲濾波器，用于去掉疊加到商用交流電源AC的線路上的交流電壓上的共模噪聲。
來(lái)自商用交流電源AC的交流輸入電壓VAC由橋式整流電路Di進(jìn)行整流，并且將所得的整流輸出在平滑電容器Ci中充電。也就是說(shuō)，包括橋式整流電路Di和平滑電容器Ci的整流和平滑電路將來(lái)自商用交流電源AC的交流輸入電壓VAC進(jìn)行整流和平滑。結(jié)果是，得到了經(jīng)整流和平滑的電壓Ei，其在平滑電容器Ci的兩端形成。經(jīng)整流和平滑的電壓Ei變?yōu)橄乱患?jí)開(kāi)關(guān)變換器的直流輸入電壓。
在圖20中，將用于接收經(jīng)整流和平滑的電壓Ei作為直流輸入電壓并且執(zhí)行開(kāi)關(guān)操作的開(kāi)關(guān)變換器形成為基于圖18所示的基本結(jié)構(gòu)的E類開(kāi)關(guān)變換器。
此時(shí)，將耐高壓MOS-FET選為開(kāi)關(guān)元件Q1。此外，這種情況下的E類開(kāi)關(guān)變換器的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是采用振蕩/驅(qū)動(dòng)電路2進(jìn)行開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)元件的獨(dú)立的激勵(lì)系統(tǒng)。
開(kāi)關(guān)元件Q1的漏極通過(guò)與該開(kāi)關(guān)元件Q1串聯(lián)連接的扼流線圈L10連接到平滑電容器Ci的正極端。因此，此時(shí)，將直流輸出電壓Ei通過(guò)與開(kāi)關(guān)元件Q1串聯(lián)連接的扼流線圈L10提供給開(kāi)關(guān)元件Q1。開(kāi)關(guān)元件Q1的源極連接到初級(jí)側(cè)地上。作為扼流線圈L10的電感器(第一電感器)是對(duì)應(yīng)于圖18所示的E類開(kāi)關(guān)變換器中的扼流線圈L10的功能部分。
將振蕩/驅(qū)動(dòng)電路2輸出的開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)(電壓)施加到開(kāi)關(guān)元件Q1的柵極。
此時(shí)選擇MOS-FET作為開(kāi)關(guān)元件Q1。因此，如圖20所示，體二極管DD內(nèi)置于開(kāi)關(guān)元件Q1中，從而并聯(lián)連接在開(kāi)關(guān)元件Q1的源極和漏極之間。這樣形成體二極管DD，以便其陽(yáng)極連接到開(kāi)關(guān)元件Q1的源極，其陰極連接到開(kāi)關(guān)元件Q1的漏極。體二極管DD形成了基于開(kāi)關(guān)元件Q1的導(dǎo)通/截至操作(開(kāi)關(guān)操作)而產(chǎn)生的反向開(kāi)關(guān)電流流過(guò)的路徑。
此外，初級(jí)側(cè)并聯(lián)諧振電容器Cr并聯(lián)連接在開(kāi)關(guān)元件Q1的漏極和源極之間。
初級(jí)側(cè)并聯(lián)諧振電容器Cr形成初級(jí)側(cè)并聯(lián)諧振電路(電壓諧振電路)，用于通過(guò)采用其電容和絕緣轉(zhuǎn)換變壓器PIT初級(jí)繞組N1的漏電感L1而使得開(kāi)關(guān)電流流過(guò)開(kāi)關(guān)元件Q1。初級(jí)側(cè)并聯(lián)諧振電路進(jìn)行諧振操作，由此當(dāng)開(kāi)關(guān)元件Q1進(jìn)行開(kāi)關(guān)操作時(shí)得到一個(gè)電壓諧振型操作。對(duì)應(yīng)于此，在開(kāi)關(guān)元件Q1的截至?xí)r間周期期間得到正弦波狀諧振脈沖波形作為開(kāi)關(guān)元件Q1兩端形成的電壓(漏源電壓)V1的波形。
此外，包括下文中將要描述的絕緣轉(zhuǎn)換變壓器PIT的初級(jí)繞組N1和初級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電容器C11的串聯(lián)電路連接在開(kāi)關(guān)元件Q1的源極和漏極之間。此時(shí)，初級(jí)繞組N1的繞組結(jié)束端部分連接到開(kāi)關(guān)元件Q1的漏極，其繞組開(kāi)始端部分連接到初級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電容器C11。未與初級(jí)繞組N1連接的初級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電容器C11的極性端連接到處于地電位的開(kāi)關(guān)元件Q1的源極上。
振蕩/驅(qū)動(dòng)電路2包括振蕩電路，以便例如通過(guò)采用單獨(dú)的激勵(lì)系統(tǒng)來(lái)驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)元件Q1。同樣，振蕩/驅(qū)動(dòng)電路2產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)作為用于基于從該振蕩電路得到的振蕩信號(hào)開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)MOS-FET的柵極電壓，并且將由此產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)信號(hào)施加到開(kāi)關(guān)元件Q1的柵極。結(jié)果是，開(kāi)關(guān)元件Q1響應(yīng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形連續(xù)執(zhí)行導(dǎo)通/截至操作，即，執(zhí)行開(kāi)關(guān)操作。
絕緣轉(zhuǎn)換變壓器PIT用于從初級(jí)側(cè)開(kāi)關(guān)變換器發(fā)送開(kāi)關(guān)輸出到次級(jí)側(cè)，同時(shí)初級(jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)以直流形式互相絕緣。為此，初級(jí)繞組N1和次級(jí)繞組N2纏繞在絕緣轉(zhuǎn)換變壓器PIT中。
作為一個(gè)實(shí)施例，此時(shí)的絕緣轉(zhuǎn)換變壓器PIT包括EE字狀鐵心，其中鐵氧體端的兩個(gè)E字狀鐵心模式在結(jié)構(gòu)上彼此組合在一起。然后，在初級(jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)之間劃分繞組部分之后，初級(jí)繞組N1和次級(jí)繞組N2纏繞在EE字狀鐵心的中心磁腿上。
此外氣隙長(zhǎng)度約為1.6毫米的氣隙形成在絕緣轉(zhuǎn)換變壓器PIT的EE字狀鐵心的中心磁腿中。結(jié)果是，在初級(jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)之間得到了約0.75的耦合系數(shù)k。由于具有這種程度的耦合系數(shù)k的耦合在耦合度上被認(rèn)為是松弛耦合，因此更加難于得到飽和狀態(tài)。
絕緣轉(zhuǎn)換變壓器PIT的初級(jí)繞組N1用于在以下文中將要描述的方式形成在初級(jí)側(cè)上的E類開(kāi)關(guān)變換器中形成初級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電路的元件。因此，得到了與開(kāi)關(guān)元件Q1的開(kāi)關(guān)輸出對(duì)應(yīng)的交流輸出。
在絕緣轉(zhuǎn)換變壓器PIT的次級(jí)側(cè)，由初級(jí)繞組N1感應(yīng)的交流電壓產(chǎn)生在次級(jí)繞組N2中。
次級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電容器C2與次級(jí)繞組N2串聯(lián)連接。結(jié)果是，次級(jí)繞組N2的漏電感L2和次級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電容器C2的電容形成次級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電路。該次級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電路響應(yīng)下文中將要描述的次級(jí)側(cè)整流電路的整流操作而進(jìn)行諧振操作。結(jié)果是，流過(guò)次級(jí)繞組N2的次級(jí)繞組電流示出正弦波波形。也就是說(shuō)，在次級(jí)側(cè)上得到電流諧振操作。
兩個(gè)整流二極管Do1，Do2，以及一個(gè)平滑電容器Co連接到次級(jí)繞組N2上，其中次級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電容器C2以上述方式與次級(jí)繞組N2串聯(lián)連接。結(jié)果是，此時(shí)的次級(jí)側(cè)整流電路構(gòu)成電壓倍增器半波整流電路。關(guān)于該電壓倍增器半波整流電路的連接形式，首先，整流二極管Do1的陽(yáng)極，以及整流二極管Do2的陰極通過(guò)次級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電容器C2連接到次級(jí)繞組N2的繞組結(jié)束端部分側(cè)。同樣，整流二極管Do1的陰極連接到平滑電容器Co的正極端。次級(jí)繞組N2的繞組開(kāi)始端部分和整流二極管Do2的陽(yáng)極連接到次級(jí)側(cè)地電位的平滑電容器Co的負(fù)極端。
由此形成的該電壓倍增器半波整流電路的整流操作如下。
首先，在與作為次級(jí)繞組N2中感應(yīng)的交流電壓的次級(jí)繞組N2兩端形成的電壓(次級(jí)繞組電壓)的一個(gè)極性對(duì)應(yīng)的半個(gè)周期期間，將正向電壓施加到整流二極管Do2上。結(jié)果是，整流二極管Do2導(dǎo)通，由此得到用所整流的電流對(duì)次級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電容器C2充電的操作。結(jié)果是，與次級(jí)繞組N2中感應(yīng)的交流電壓值等倍數(shù)對(duì)應(yīng)的值的跨電壓產(chǎn)生在次級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電容器C2上。在與另一極性的次級(jí)繞組電壓V3對(duì)應(yīng)的下一個(gè)半個(gè)周期期間，將正向電壓施加到整流二極管Do1上，使得整流二極管Do1導(dǎo)通。此時(shí)，平滑電容器Co用通過(guò)將次級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電容器C2兩端生成的電壓與次級(jí)繞組電壓V3的電位疊加而得到的電位的電進(jìn)行充電。
結(jié)果是，得到了其值為次級(jí)繞組N2中感應(yīng)的交流電壓的兩倍的次級(jí)側(cè)直流輸出電壓Eo作為平滑電容器Co兩端的電壓。
在該整流操作中，平滑電容器Co僅在次級(jí)繞組N2中感應(yīng)的交流電壓的半個(gè)周期期間充電。也就是說(shuō)，得到了電壓倍增器半波整流操作。此外，在這種整流操作中，該整流操作被認(rèn)為是為由次級(jí)繞組N2和次級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電容器C2的串聯(lián)組合形成的次級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電路的諧振輸出而進(jìn)行的。
將由此產(chǎn)生的次級(jí)側(cè)直流輸出電壓Eo提供給負(fù)載。同樣，該次級(jí)側(cè)直流輸出電壓Eo分叉(bifurcates)以作為控制電路1的檢測(cè)電壓輸出。
輸出電路1提供檢測(cè)輸出到振蕩/驅(qū)動(dòng)電路2上，其中檢測(cè)輸出對(duì)應(yīng)于輸入到其上的次級(jí)側(cè)直流輸出電壓Eo的值的變化。振蕩/驅(qū)動(dòng)電路2根據(jù)控制電路1被輸入的檢測(cè)輸出而使得開(kāi)關(guān)頻率可變。同樣，伴隨著該操作，振蕩/驅(qū)動(dòng)電路2驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)元件Q1，從而使得一個(gè)開(kāi)關(guān)周期的導(dǎo)通時(shí)間周期TON與截至?xí)r間周期TOFF的時(shí)間周期比(導(dǎo)通角)可變。該操作成為了次級(jí)側(cè)直流輸出電壓的恒壓控制操作。
開(kāi)關(guān)元件Q1的開(kāi)關(guān)頻率和導(dǎo)通角以上述方式進(jìn)行可變控制。結(jié)果是，初級(jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)上的諧振阻抗，以及電源電路中的功率傳送有效時(shí)間周期改變。這使得從絕緣轉(zhuǎn)換變壓器PIT的初級(jí)繞組N1傳送到次級(jí)繞組N2側(cè)的功率量變化，并且從次級(jí)側(cè)整流電路提供給負(fù)載的功率量變化。結(jié)果是，得到了控制次級(jí)側(cè)直流輸出電壓Eo的值的操作，從而取消了次級(jí)側(cè)直流輸出電壓Eo中的電平波動(dòng)。也就是說(shuō)，穩(wěn)定了次級(jí)側(cè)直流輸出電壓Eo。
讓我們來(lái)比較一下如上述構(gòu)成的圖20的電源電路的初級(jí)側(cè)上形成的開(kāi)關(guān)變換器(Q1，Cr，L10，N1，C11)的電路結(jié)構(gòu)和先前圖18所示的E類變換器。因此，圖20所示的開(kāi)關(guān)變換器被認(rèn)為是這樣一種變換器，其中作為負(fù)載的阻抗Z從圖18所示的電路省略，并且扼流線圈L11的繞組用絕緣轉(zhuǎn)換變壓器PIT的初級(jí)繞組N1(漏電感L1)代替。此外，在圖20所示的初級(jí)側(cè)開(kāi)關(guān)變換器中，扼流線圈L10的電感和初級(jí)側(cè)并聯(lián)諧振電容器Cr的電容形成初級(jí)側(cè)并聯(lián)諧振電路。同樣，絕緣轉(zhuǎn)換變壓器PIT的初級(jí)繞組N1的漏電感L1和初級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電容器C11的電容形成初級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電路。
因此，圖20所示的初級(jí)側(cè)開(kāi)關(guān)變換器被稱作形成為執(zhí)行E類諧振型開(kāi)關(guān)操作的E類開(kāi)關(guān)變換器。將從初級(jí)側(cè)開(kāi)關(guān)變換器的開(kāi)關(guān)操作得到的開(kāi)關(guān)輸出(交流輸出)通過(guò)絕緣轉(zhuǎn)換變壓器PIT中的磁耦合從對(duì)應(yīng)于扼流線圈L11的初級(jí)繞組N1傳送到次級(jí)繞組。然后將該開(kāi)關(guān)輸出在次級(jí)側(cè)上進(jìn)行整流以得到直流輸出電壓Eo。也就是說(shuō)，圖20所示的電源電路以在初級(jí)側(cè)上包括E類開(kāi)關(guān)變換器的直流-直流變換器的形式構(gòu)成。
此外，由此構(gòu)成的初級(jí)側(cè)E類開(kāi)關(guān)變換器同樣被認(rèn)為構(gòu)造為復(fù)合諧振型變換器或者軟開(kāi)關(guān)電源。此時(shí)，在該復(fù)合諧振型變換器或者軟開(kāi)關(guān)電源中，形成初級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電路的初級(jí)繞組N1和初級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電容器C11的串聯(lián)電路與開(kāi)關(guān)元件Q1(以及體二極管DD)并聯(lián)連接，其與扼流線圈L10和初級(jí)側(cè)并聯(lián)諧振電容器Cr一起形成電壓諧振型變換器。
現(xiàn)在，總的來(lái)說(shuō)，認(rèn)為當(dāng)其電路結(jié)構(gòu)象它本來(lái)那樣保持時(shí)，在初級(jí)側(cè)包括電壓諧振型變換器的電源電路不能應(yīng)用到實(shí)際應(yīng)用中，這是因?yàn)樗呢?fù)載功率控制范圍較窄，并且不能保持輕載階段的ZVS。因此，本申請(qǐng)的發(fā)明人在電源電路上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，其中該電源電路被形成為在初級(jí)側(cè)電壓諧振型變換器中設(shè)置次級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電路，并且電壓倍增器半波整流電路象傳統(tǒng)實(shí)施例那樣以圖21先前所示的方式作為次級(jí)側(cè)整流電路形成。結(jié)果是，我們確定，得到了到那時(shí)為止比包括電壓諧振型變換器的電源電路更多的實(shí)際應(yīng)用的特性。
然而，在圖21所示的電源電路中，正如參考圖22A，22B和22C所述，出現(xiàn)了異常操作，其中，在中等負(fù)載階段期間，在開(kāi)關(guān)元件Q1的截至?xí)r間周期(TOFF)完成之前，電流以正極性方向(此種情況下從漏極到源極的方向)流過(guò)開(kāi)關(guān)元件，因此不能得到ZVS操作。為此，仍然難于將圖21所示的電源電路結(jié)構(gòu)應(yīng)用到實(shí)際應(yīng)用中。
如上所述，參考圖20所述的電源電路稱作采用與圖21所示的傳統(tǒng)電源電路共同的結(jié)構(gòu)，其中在初級(jí)側(cè)是具有電壓諧振型變換器的電路結(jié)構(gòu)的復(fù)合諧振型開(kāi)關(guān)變換器。
然而，作為在圖20所示的電源電路上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，我們確定在中等負(fù)載階段期間不能得到ZVS的異常操作被解決，并且在預(yù)定的相應(yīng)負(fù)載功率的全部范圍內(nèi)得到了正常開(kāi)關(guān)操作。
已經(jīng)確定當(dāng)在電壓諧振型變換器中構(gòu)造包括次級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電路的復(fù)合諧振型變換器時(shí)容易出現(xiàn)圖21所示的電源電路的中等負(fù)載階段期間的異常操作。也就是說(shuō)，中等負(fù)載階段期間的異常操作主要是由形成電壓諧振型變換器的初級(jí)側(cè)并聯(lián)諧振電路和次級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電路(整流電路)同時(shí)工作所得到的交互引起的。換句話說(shuō)，我們可以理解在中等負(fù)載階段期間的上述異常操作的第一主要原因是由其中初級(jí)側(cè)電壓諧振型變換器和次級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電路彼此組合的電路結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的?；谶@種啟示，首先，圖20所示的電源電路這樣構(gòu)成以便關(guān)于初級(jí)側(cè)開(kāi)關(guān)變換器，應(yīng)用E類開(kāi)關(guān)變換器，而不是電壓諧振型變換器。
在圖20中所示的電源電路中，由于采用這種結(jié)構(gòu)作為主要因素，在中等負(fù)載階段期間不能得到ZVS的異常操作可被解決，而不管串聯(lián)諧振電路是否設(shè)置在次級(jí)側(cè)上。
如上所述，在圖20所示的電源電路中，解決了中等負(fù)載階段期間的異常操作，其在圖21中的傳統(tǒng)實(shí)施例所示的電源電路中是個(gè)問(wèn)題。
然而，在圖20所示的電源電路中，將在圖21中所示的電源電路中未設(shè)置的扼流線圈L10插入到將直流輸入電壓施加到開(kāi)關(guān)變換器的線路中。為用于構(gòu)成扼流線圈L10的鐵心選擇相對(duì)大的元件，例如從在扼流線圈L10中設(shè)定約1mH的電感的必要性考慮。這種選擇成為防止促進(jìn)成本降低，電路的最小化等等的主要原因。
然而，在這個(gè)實(shí)施方式中，本申請(qǐng)的發(fā)明人還抓緊處理圖20所示的電源電路，并且通過(guò)應(yīng)用E類開(kāi)關(guān)變換器作為電源電路到電源電路上而解決了在中等負(fù)載階段期間的異常操作。此后，本申請(qǐng)的發(fā)明人提議用于補(bǔ)償上述功率變換效率的減小以增強(qiáng)功率變換效率并且最小化對(duì)應(yīng)于扼流線圈L10的元件的電路結(jié)構(gòu)。
圖1示出了根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的電源電路的結(jié)構(gòu)實(shí)例作為該實(shí)施方式的電源電路。然而，在圖1中，與圖20的那些構(gòu)成元件相同的構(gòu)成元件分別用相同的附圖標(biāo)記表述，并且在此省略其描述。
首先，在圖1所示的電源電路中，扼流線圈繞組N10的繞組結(jié)束端部分連接到平滑電容器Ci的正極端。同樣，扼流線圈繞組N10的繞組開(kāi)始端部分連接到初級(jí)繞組N1的繞組開(kāi)始端部分。此外，此時(shí)初級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電容器C11的一個(gè)極性端部分連接到初級(jí)繞組N1的繞組開(kāi)始端部分和扼流線圈繞組N10之間的節(jié)點(diǎn)上。同樣，初級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電容器C11的另一極性端部分連接到位于初級(jí)側(cè)地電位的初級(jí)側(cè)并聯(lián)諧振電容器Cr的一個(gè)極性端和開(kāi)關(guān)元件Q1的漏極之間的節(jié)點(diǎn)上。結(jié)果是，得到了初級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電容器C11和初級(jí)繞組N1的串聯(lián)組合的關(guān)系。
然而，同樣在這種情況下，初級(jí)側(cè)并聯(lián)諧振電容器Cr并聯(lián)連接在開(kāi)關(guān)元件Q1的源極和漏極之間。
在該實(shí)施例中，以上述方式插入的扼流線圈繞組N10對(duì)應(yīng)于如圖18或圖20所示的扼流線圈L10的繞組。在該實(shí)施例中，扼流線圈繞組N10纏繞在具有預(yù)定形狀和大小的鐵心上，由此構(gòu)成作為扼流線圈PCC的組成元件?？商鎿Q地，還可纏繞扼流線圈N10從而被包括在絕緣轉(zhuǎn)換變壓器的構(gòu)造中。在這種情況下，將絕緣轉(zhuǎn)換變壓器PIT構(gòu)造成復(fù)合絕緣轉(zhuǎn)換變壓器C-PIT。
在上述電路結(jié)構(gòu)中，初級(jí)側(cè)并聯(lián)諧振電路(第一初級(jí)側(cè)并聯(lián)諧振電路)可被認(rèn)為由基于扼流線圈繞組N10和初級(jí)繞組N1的串聯(lián)電路的合成電感和初級(jí)側(cè)并聯(lián)諧振電容器Cr的電容，以及與該串聯(lián)電路并聯(lián)連接的初級(jí)側(cè)并聯(lián)諧振電容器Cr構(gòu)成。在這種情況下，通過(guò)將扼流線圈繞組N10(扼流線圈PCC)的電感L10和初級(jí)繞組N1的漏電感L1彼此疊加而得到合成電感。
此外，該初級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電路包括第一初級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電路，該第一初級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電路由基于初級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電容器C11和初級(jí)繞組N1的串聯(lián)組合的初級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電容器C11的電容和初級(jí)繞組N1的漏電感L1而構(gòu)成。同樣，該初級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電路包括第二初級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電路，該第二初級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電路由基于扼流線圈繞組N10和初級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電容器C11的串聯(lián)組合的扼流線圈繞組N10的電感L10和初級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電容器C11的電容而構(gòu)成。
根據(jù)開(kāi)關(guān)元件Q1進(jìn)行的開(kāi)關(guān)操作，充電放電電流基于上述初級(jí)側(cè)并聯(lián)諧振電路的電壓諧振操作而在開(kāi)關(guān)元件Q1的截至?xí)r間周期期間流過(guò)初級(jí)側(cè)并聯(lián)諧振電容器Cr。由充電/放電電流產(chǎn)生幾乎半正弦波狀的諧振脈沖電壓作為初級(jí)側(cè)并聯(lián)諧振電容器Cr兩端的電壓。在圖1所示的電路中，將初級(jí)繞組N1插入到初級(jí)側(cè)并聯(lián)諧振電路中。因此，將諧振脈沖電壓疊加到根據(jù)開(kāi)關(guān)電流所產(chǎn)生的交流電壓的操作發(fā)生在初級(jí)繞組N1中。
此外，第一初級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電路進(jìn)行諧振操作，使得諧振電流在開(kāi)關(guān)元件Q1的導(dǎo)通時(shí)間周期期間流過(guò)具有初級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電容器C11，初級(jí)繞組N1以及開(kāi)關(guān)元件Q1的路徑。
同樣，第二初級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電路進(jìn)行諧振操作，使得諧振電流根據(jù)開(kāi)關(guān)元件Q1的開(kāi)關(guān)操作而流過(guò)具有初級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電容器C11，扼流線圈繞組N10以及平滑電容器Ci的路徑。
第一初級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電路以及第二初級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電路以上述方式復(fù)合工作，因此例如，流過(guò)初級(jí)繞組N1的串聯(lián)諧振電流同樣單獨(dú)流過(guò)扼流線圈繞組N10。
讓我們來(lái)考慮一下這樣的情況，其中根據(jù)開(kāi)關(guān)周期上的交流形式可以看到具有初級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電容器C11，初級(jí)繞組N1以及開(kāi)關(guān)元件Q1并且對(duì)應(yīng)于第一初級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電路的電流路徑，以及具有初級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電容器C11，扼流線圈N10以及平滑電容器Ci并且對(duì)應(yīng)于第二初級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電路的電流路徑。在這種情況下，兩條電流路徑均可被認(rèn)為是示出并聯(lián)關(guān)系，其中初級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電容器C11作為共同的組成元件。
然而，圖1所示的次級(jí)側(cè)電路結(jié)構(gòu)，類似于圖20所示的那樣，具有包括次級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電路的電壓倍增器半波整流電路。然而，參考圖1，次級(jí)繞組N2的繞組開(kāi)始端部分側(cè)連接到次級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電容器C2，并且其繞組結(jié)束端部分連接到處于次級(jí)側(cè)地電位的平滑電容器Co的負(fù)極端。
首先，圖11示出了絕緣轉(zhuǎn)換變壓器PIT的結(jié)構(gòu)實(shí)例，根據(jù)具有圖1所示的結(jié)構(gòu)的電源電路中包括的絕緣轉(zhuǎn)換變壓器的結(jié)構(gòu)，其不包括扼流線圈繞組N10，并且其是與扼流線圈PCC隔開(kāi)的元件。
如該圖所示，絕緣轉(zhuǎn)換變壓器PIT包括EE型鐵心(EE字狀鐵心)，其中由鐵氧體材料形成的兩個(gè)E字狀鐵心CR1和CR2彼此進(jìn)行組合，從而使得它們的磁腿彼此相對(duì)。
絕緣轉(zhuǎn)換變壓器PIT設(shè)有繞線筒B，其由例如樹(shù)脂構(gòu)成，其具有在初級(jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)繞組部分之間分割的形狀，這樣使得它們彼此獨(dú)立地提供。初級(jí)繞組N1纏繞在繞線筒B的一個(gè)鐵心繞組部分。同樣，次級(jí)繞組N2纏繞在繞線筒B的另一繞組部分。
以這種方式分別將初級(jí)側(cè)繞組和次級(jí)側(cè)繞組纏繞其的繞線筒B安裝到EE字狀鐵心(CR1，CR2)上。結(jié)果是，設(shè)置成這樣的狀態(tài)，其中，初級(jí)側(cè)繞組和次級(jí)側(cè)繞組分別纏繞在EE字狀鐵心的中心磁腿周圍的不同繞組區(qū)內(nèi)。以這種方式得到了整個(gè)絕緣轉(zhuǎn)換變壓器PIT的結(jié)構(gòu)。
此外，氣隙長(zhǎng)度例如約為1.6毫米或者更多的氣隙G以該圖所示的方式形成在EE字狀鐵心的中心磁腿中。結(jié)果是，得到了具有例如耦合系數(shù)k約為0.75的松弛耦合狀態(tài)。也就是說(shuō)，該絕緣轉(zhuǎn)換變壓器PIT的耦合狀態(tài)比圖21中的傳統(tǒng)實(shí)施例所示出的絕緣轉(zhuǎn)換變壓器PIT的耦合狀態(tài)更加松弛。應(yīng)該注意到，通過(guò)使E字狀鐵心CR1和CR2的每個(gè)中心磁腿比相應(yīng)的兩個(gè)外磁腿短而形成氣隙G。
此外，當(dāng)以這種方式采用不包括扼流線圈繞組N10的絕緣轉(zhuǎn)換變壓器PIT的這種結(jié)構(gòu)時(shí)，包括扼流線圈N10的扼流線圈PCC作為單獨(dú)形成并且與絕緣轉(zhuǎn)換變壓器PIT獨(dú)立的元件構(gòu)成。這種情況下的扼流線圈PCC采用這樣的結(jié)構(gòu)，其中例如，扼流線圈繞組N10纏繞ER型鐵心等從而得到必要的電感值。
此外，圖12示出了其中包括在具有圖1所示的結(jié)構(gòu)的電源電路中的絕緣轉(zhuǎn)換變壓器PIT以復(fù)合絕緣轉(zhuǎn)換變壓器C-PIT的形式構(gòu)成的結(jié)構(gòu)實(shí)例，該復(fù)合絕緣轉(zhuǎn)換變壓器C-PIT中包括扼流線圈繞組N10(扼流線圈PCC)。
首先，圖12所示的復(fù)合絕緣轉(zhuǎn)換變壓器C-PIT包括EE字狀鐵心，其中由例如鐵氧體材料形成的兩個(gè)E字狀鐵心CR1和CR2彼此進(jìn)行組合，從而使得它們的磁腿彼此相對(duì)。
此外，該復(fù)合絕緣轉(zhuǎn)換變壓器C-PIT還包括繞線筒Bb1，該繞線筒Bb1由例如樹(shù)脂形成，具有在初級(jí)和次級(jí)側(cè)繞組部分之間進(jìn)行分割的形狀，從而使得它們彼此獨(dú)立設(shè)置。初級(jí)繞組N1纏繞在繞線筒Bb1的一個(gè)繞組部分。此外，次級(jí)繞組N2纏繞在另一個(gè)繞組部分。
以這種方式在其上纏繞初級(jí)側(cè)繞組和次級(jí)側(cè)繞組的繞線筒Bb1被這樣安裝使得具有E字狀鐵心CR1和CR2的EE字狀鐵心的中心磁腿完全延伸通過(guò)該繞線筒Bb1，其中。結(jié)果是，設(shè)置成這樣的狀態(tài)，其中初級(jí)側(cè)繞組和次級(jí)側(cè)繞組分別纏繞在EE字狀鐵心部分的中心磁腿周圍的不同繞組區(qū)內(nèi)。
此外，還將該EE字狀鐵心(CR1，CR2)與E字狀鐵心CR3以該圖所示的方式進(jìn)行組合。在這種情況下，形成這種組合，使得E字狀鐵心CR3的腿部端面與EE字狀鐵心(CR1，CR2)中的E字狀鐵心CR1的側(cè)面相對(duì)。
將具有一個(gè)繞組區(qū)的繞線筒Bb2安裝到E字狀鐵心CR3上，并且將扼流線圈繞組N10纏繞在一個(gè)繞組區(qū)。結(jié)果是，設(shè)有這樣的狀態(tài)，其中扼流線圈繞組N10纏繞E字狀鐵心CR3的中心磁腿。
此外，具有預(yù)定長(zhǎng)度的氣隙G1以該圖所示的方式形成在EE字狀鐵心(CR1，CR2)的中心磁腿中。結(jié)果是，在復(fù)合絕緣轉(zhuǎn)換變壓器C-PIT中的初級(jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)之間的耦合系數(shù)k本身的值約為0.75。因此，得到了松弛耦合狀態(tài)，其中耦合系數(shù)k等于或者小于0.8。也就是說(shuō)，這種復(fù)合絕緣轉(zhuǎn)換變壓器C-PIT的耦合狀態(tài)比圖21的傳統(tǒng)實(shí)施例示出的電源電路的復(fù)合絕緣轉(zhuǎn)換變壓器C-PIT的耦合狀態(tài)松弛。應(yīng)該注意到，可通過(guò)使E字狀鐵心CR1和CR2的每個(gè)中心磁腿比相應(yīng)的兩個(gè)中心磁腿短而形成氣隙G。
此外，例如，將E字狀鐵心CR3的中心磁腿形成為比其每個(gè)外部磁腿短，由此在E字狀鐵心CR3的中心磁腿端部和EE字狀鐵心CR1的側(cè)面部分之間形成氣隙G2。這種情況下氣隙G2的氣隙長(zhǎng)度設(shè)定約為上述氣隙G1的一半。
如上所述，圖12所示的絕緣轉(zhuǎn)換變壓器采用了與復(fù)合變壓器相同的結(jié)構(gòu)。也就是說(shuō)，這種結(jié)構(gòu)是這樣的，作為以直流形式而彼此絕緣的狀態(tài)的基本結(jié)構(gòu)而纏繞初級(jí)繞組N1和次級(jí)繞組N2，此外，還纏繞包括在初級(jí)側(cè)的扼流線圈繞組N10。由于具有圖12所示的結(jié)構(gòu)，首先，電流分別流過(guò)初級(jí)繞組N1和次級(jí)繞組N2，因此在包括E字狀鐵心CR1和CR2的EE字狀鐵心中形成主磁路徑(磁電路)。然而，電流流過(guò)扼流線圈繞組N10，由此僅在E字狀鐵心CR3側(cè)中形成主磁路徑。以這種方式形成磁路，借此，由初級(jí)繞組N1和次級(jí)繞組N2形成的磁路的磁通量與由扼流線圈繞組N10形成的磁路的磁通量相互關(guān)聯(lián)的程度變得非常小。結(jié)果是，例如，扼流線圈繞組N10具有與繞組數(shù)量，氣隙G2的氣隙長(zhǎng)度等對(duì)應(yīng)的預(yù)定電感。同樣，扼流線圈繞組N10和每個(gè)初級(jí)繞組N1和次級(jí)繞組N2之間的磁耦合度(耦合系數(shù))減小到等于或者小于這種預(yù)定值的值上，以便被認(rèn)為是零。也就是說(shuō)，出現(xiàn)其中在扼流線圈繞組N10和每個(gè)初級(jí)繞組N1和次級(jí)繞組N2之間被認(rèn)為不存在變壓器耦合的狀態(tài)。結(jié)果是，將初級(jí)繞組N1和次級(jí)繞組N2彼此耦合的轉(zhuǎn)換變壓器功能，以及扼流線圈繞組N10作為扼流線圈的功能彼此相互無(wú)影響的獨(dú)立操作。因此，盡管初級(jí)繞組N1，次級(jí)繞組N2以及扼流線圈繞組N10包括在一個(gè)變壓器結(jié)構(gòu)中，在初級(jí)側(cè)上得到了E類開(kāi)關(guān)變換器的正確操作。
然而，在本發(fā)明中，同樣如前所述，具有其中纏繞初級(jí)繞組N1和次級(jí)繞組N2的結(jié)構(gòu)的絕緣轉(zhuǎn)換變壓器PIT，和其中纏繞扼流線圈繞組N10的扼流線圈PCC可以被分別構(gòu)造為獨(dú)立的元件。例如，在這種情況下，將絕緣轉(zhuǎn)換變壓器PIT形成具有這樣的結(jié)構(gòu)，初級(jí)繞組N1和次級(jí)繞組N2纏繞在具有預(yù)定形狀和大小的EE字狀鐵心，并且將扼流線圈PCC同樣形成為具有這種結(jié)構(gòu)，其中繞組纏繞具有預(yù)定形狀和大小的EE字狀鐵心。因此，得到獨(dú)立的結(jié)構(gòu)。然而，由于具有這種結(jié)構(gòu)，為絕緣轉(zhuǎn)換變壓器PIT和扼流線圈PCC要求兩個(gè)獨(dú)立的元件。另一方面，當(dāng)采用該實(shí)施例的絕緣轉(zhuǎn)換變壓器PIT的結(jié)構(gòu)時(shí)，這兩個(gè)元件可被設(shè)置在一個(gè)元件中。結(jié)果是，例如，在電路板上的元件排列比以前更加有效。因此，例如，電路板變得更容易小型化。
如上所述，在本發(fā)明中，可采用與其中絕緣轉(zhuǎn)換變壓器包括扼流線圈PCC的繞組的復(fù)合變壓器相同的結(jié)構(gòu)，或者采用其中初級(jí)繞組N1和次級(jí)繞組N2與扼流線圈PCC獨(dú)立纏繞的結(jié)構(gòu)?？紤]到這種情形，當(dāng)在下文描述中的結(jié)構(gòu)之間不必特別清楚區(qū)分時(shí)，在一些情況下變壓器的描述與絕緣轉(zhuǎn)換變壓器PIT相同。
圖13和14示出了復(fù)合絕緣轉(zhuǎn)換變壓器C-PIT的其他結(jié)構(gòu)實(shí)施例。
圖13所示的復(fù)合絕緣轉(zhuǎn)換變壓器C-PIT包括EE字狀鐵心，其中兩個(gè)E字狀鐵心CR11和CR12彼此進(jìn)行組合，使得它們的磁腿彼此相對(duì)。而且，兩個(gè)外部磁腿中的每個(gè)，以及EE字狀鐵心中的一個(gè)中心磁腿形成為橫截面大小彼此相同。
此外，初級(jí)繞組N1和次級(jí)繞組N2分別纏繞在繞線筒Bb11中形成的兩個(gè)分割纏繞部分。同樣，將繞線筒Bb11安裝到EE字狀鐵心的一個(gè)外部磁腿上。結(jié)果是，將初級(jí)繞組N1和次級(jí)繞組N2纏繞在相同外部磁腿周圍的不同繞組區(qū)中。在以這種方式纏繞初級(jí)繞組N1和次級(jí)繞組N2之后，在EE字狀鐵心的中心磁腿中形成具有預(yù)定氣隙長(zhǎng)度的氣隙G11。結(jié)果是，在初級(jí)繞組N1和次級(jí)繞組N2之間得到了預(yù)定的耦合系數(shù)k，這導(dǎo)致得到了由于預(yù)定耦合系數(shù)k而被認(rèn)為是松弛耦合的耦合度。
此外，扼流線圈繞組N10纏繞在繞線筒Bb12的繞組部分，然后將繞線筒Bb12安裝到EE字狀鐵心的一個(gè)外部磁腿上。結(jié)果是，將扼流線圈繞組N10纏繞在與其中纏繞初級(jí)繞組N1和次級(jí)繞組N2的外部磁腿相對(duì)的外部磁腿上。在這種情況下，這兩個(gè)外部磁腿關(guān)于中心磁腿對(duì)稱。
由于具有這種結(jié)構(gòu)，形成由于初級(jí)繞組N1和次級(jí)繞組N2的主磁路徑從而將纏繞初級(jí)繞組N1和次級(jí)繞組N2的外部磁腿和中心磁腿彼此連接。形成由于扼流線圈繞組N10的主磁路徑，從而將纏繞扼流線圈繞組N10的外部磁腿和中心磁腿彼此進(jìn)行連接。因此，同樣在這種情況下，兩種磁路的磁通量彼此相互關(guān)聯(lián)變得非常小。結(jié)果是，扼流線圈繞組N10和每個(gè)初級(jí)繞組N1以及次級(jí)繞組N2之間的耦合度(耦合系數(shù))被認(rèn)為是約為零。因此，得到了與圖12所示的情況相似的不存在傳送耦合的狀態(tài)。
此外，例如，在圖14的復(fù)合絕緣轉(zhuǎn)換變壓器C-PIT的情況下，首先，形成UU字狀鐵心，其中有鐵氧體材料形成的兩個(gè)U字狀鐵心CR21和CR22彼此進(jìn)行組合使得它們的磁腿彼此面對(duì)。另外，所得的UU字狀鐵心與U字狀鐵心CR23進(jìn)行組合。
如該圖所示，每個(gè)具有預(yù)定氣隙長(zhǎng)度的氣隙G21和G22形成在其中UU字狀鐵心側(cè)上U字狀鐵心CR21的兩個(gè)磁腿和U字狀鐵心CR22的兩個(gè)磁腿彼此分別面對(duì)的部分中。此外，每個(gè)具有預(yù)定氣隙長(zhǎng)度的氣隙G23和G24形成在其中U字狀鐵心CR23的兩個(gè)磁腿端部面對(duì)UU字狀鐵心(CR21，CR22)中的U字狀鐵心CR22的側(cè)面的部分上。
此外，初級(jí)繞組N1和次級(jí)繞組N2分別纏繞在繞線筒Bb21中形成的兩個(gè)分割繞組部分上。然后將繞線筒Bb21安裝到UU字狀鐵心(CR21，CR22)的一個(gè)磁腿上。結(jié)果是，將初級(jí)繞組N1和次級(jí)繞組N2纏繞在UU字狀鐵心(CR21，CR22)的一個(gè)磁腿周圍的不同繞組區(qū)內(nèi)。因此，通過(guò)設(shè)定氣隙G21和G22的氣隙長(zhǎng)度而對(duì)初級(jí)繞組N1和次級(jí)繞組N2得到了由于初級(jí)繞組N1和次級(jí)繞組N2之間的預(yù)定耦合系數(shù)k而被認(rèn)為是松弛耦合的耦合度。
同樣，扼流線圈繞組N10纏繞在繞線筒Bb22上。然后將繞線筒Bb22安裝到U字狀鐵心CR23的一個(gè)腿上，由此提供了將扼流線圈N10纏繞在U字狀鐵心CR23的一個(gè)腿上的狀態(tài)。此時(shí)，由于初級(jí)繞組N1和次級(jí)繞組N2的主磁路徑形成在UU狀字鐵心(CR21，CR22)中。同樣，由于扼流線圈繞組N10的主磁路徑形成在U字狀鐵心CR23側(cè)。因此，得到了其中兩個(gè)磁路的磁通量幾乎彼此不相互關(guān)聯(lián)的狀態(tài)。結(jié)果是，扼流線圈繞組N10和每個(gè)初級(jí)繞組N1和次級(jí)繞組N2之間的磁耦合度(耦合系數(shù))被認(rèn)為是與圖12和13類似約等于零。因此，可以得到被認(rèn)為是甚至不存在變壓器耦合的狀態(tài)。
同樣，除采用上述的E字狀鐵心或者U字狀鐵心的結(jié)構(gòu)以外，例如，圖15，16或17所示的結(jié)構(gòu)同樣可用作與本實(shí)施例中的復(fù)合變壓器相同的絕緣轉(zhuǎn)換變壓器的結(jié)構(gòu)。
圖15所示的復(fù)合絕緣轉(zhuǎn)換變壓器C-PIT包括每個(gè)具有四個(gè)磁腿的雙U字狀鐵心CR51，CR52。然后，形成固態(tài)鐵心使得這些雙U字狀鐵心CR51和CR52的磁腿端部彼此連接。然而，在這種情況下，尺寸和形狀彼此相同的鐵心分別用作雙U字狀鐵心CR51和CR52。
當(dāng)以上述方式形成固態(tài)鐵心時(shí)，根據(jù)四組磁腿而出現(xiàn)雙U字狀鐵心CR51和CR52的四個(gè)連接部。在這種情況下，為這四個(gè)連接部形成每個(gè)具有預(yù)定氣隙長(zhǎng)度的氣隙G50。應(yīng)該注意到，以多個(gè)氣隙G50設(shè)定的氣隙長(zhǎng)度彼此相同，或者可以彼此不同，如果必要的話。這同樣應(yīng)用于圖16和17所示的復(fù)合絕緣轉(zhuǎn)換變壓器C-PIT的每個(gè)結(jié)構(gòu)，其將在下文中描述。
例如，在以這種方式形成的固態(tài)鐵心中，首先，將扼流線圈N10纏繞在雙U字狀鐵心CR51上的相鄰兩個(gè)磁腿上預(yù)定匝數(shù)。
另一方面，如該圖所示，將初級(jí)繞組N1和次級(jí)繞組N2纏繞在雙U字狀鐵心CR52側(cè)的相鄰兩個(gè)磁腿上預(yù)定匝數(shù)，這樣使得它的繞組方向與扼流線圈繞組N10的繞組方向正好垂直相交。
由于具有上述結(jié)構(gòu)，扼流線圈繞組N10的繞組方向與初級(jí)繞組N1和次級(jí)繞組N2的繞組方向垂直相交。也就是說(shuō)，關(guān)于作為復(fù)合變壓器的絕緣轉(zhuǎn)換變壓器PIT，得到了與所謂的正交變壓器相同的結(jié)構(gòu)。
以這種方式纏繞初級(jí)繞組N1，次級(jí)繞組N2和扼流線圈繞組N10，借此，首先，提供了這樣的狀態(tài)，在該狀態(tài)中，基于根據(jù)鐵心尺寸，氣隙長(zhǎng)度等設(shè)定的預(yù)定耦合系數(shù)，將初級(jí)繞組N1和次級(jí)繞組N2彼此磁耦合。此外，基于例如鐵心尺寸和匝數(shù)的常數(shù)而使扼流線圈N10具有預(yù)定電感。同樣，使扼流線圈繞組N10的繞組方向與初級(jí)繞組N1和次級(jí)繞組N2的繞組方向垂直相交，借此，將由于初級(jí)繞組N1和次級(jí)繞組N2側(cè)的磁路形成為與纏繞扼流線圈繞組N10的兩個(gè)磁腿中的磁路相對(duì)。結(jié)果是，這些相對(duì)的磁路的磁通量彼此抵消。因此，扼流線圈N10和每個(gè)初級(jí)繞組N1以及次級(jí)繞組N2之間的磁耦合度可形成為被認(rèn)為是約為零的磁耦合度。
在圖16所示的復(fù)合絕緣轉(zhuǎn)換變壓器C-PIT中，具有四個(gè)磁腿的雙U字狀鐵心CR51仍然用作固態(tài)鐵心中的一個(gè)鐵心。然而，在任何橫截面具有U字狀結(jié)構(gòu)的單個(gè)U字狀鐵心CR60可用作代替與一個(gè)鐵心組合的雙U字狀鐵心CR52的另一個(gè)鐵心。而且，由于同樣具有這種鐵心結(jié)構(gòu)，氣隙G60分別形成在其中雙U字狀鐵心CR51的四個(gè)磁腿的端面與單個(gè)U字狀鐵心CR60彼此面對(duì)的部分中。
在該鐵心結(jié)構(gòu)中，基于雙U字狀鐵心CR51的位置關(guān)系以及繞組方向的關(guān)系纏繞扼流線圈繞組N10，以及初級(jí)繞組N1和次級(jí)繞組N2。在這種情況下，位置關(guān)系和繞組方向的關(guān)系與圖15類似。即使當(dāng)采用這種結(jié)構(gòu)時(shí)，為正交變壓器得到這種結(jié)構(gòu)，其中扼流線圈繞組N10，以及一組初級(jí)繞組N1和次級(jí)繞組N2的繞組方向彼此垂直相交。因此，類似于圖15所示的情況，可以得到這種狀態(tài)，其中扼流線圈繞組N10具有預(yù)定電感，并且初級(jí)繞組N1和次級(jí)繞組N2之間的磁耦合度可被認(rèn)為是零。
此外，在圖17所示的復(fù)合絕緣轉(zhuǎn)換變壓器C-PIT中，制備了兩個(gè)半梯形鐵心CR71和CR72，并且然后將它們彼此進(jìn)行組合，使得它們的磁腿彼此相對(duì)，由此形成一個(gè)扁平型梯形鐵心。同樣，在梯形鐵心中，外部的兩個(gè)磁腿和內(nèi)部的兩個(gè)磁腿，即，總體來(lái)說(shuō)的四個(gè)磁腿分別面對(duì)對(duì)應(yīng)的一個(gè)。在這種情況下，每個(gè)具有預(yù)定氣隙長(zhǎng)度的氣隙G70分別形成在這四個(gè)磁腿面對(duì)對(duì)應(yīng)的一個(gè)的部分中。
初級(jí)繞組N1和次級(jí)繞組N2分別纏繞在一個(gè)半梯形鐵心CR71的內(nèi)部?jī)蓚€(gè)磁腿上，使得跨過(guò)(straddle)它們預(yù)定匝數(shù)。
另一方面，將扼流線圈繞組N10纏繞在另一個(gè)半梯形鐵心CR72中的外部一個(gè)磁腿和與該外部一個(gè)磁腿相鄰的內(nèi)部一個(gè)磁腿上，從而使得跨過(guò)它們預(yù)定的匝數(shù)。
在這種復(fù)合絕緣轉(zhuǎn)換變壓器C-PIT的結(jié)構(gòu)中，纏繞扼流線圈繞組N10的磁腿位置，以及分別纏繞有初級(jí)繞組N1和次級(jí)繞組N2的磁腿位置彼此不同。然而，這種位置關(guān)系等于其中圖15和圖16所示的繞組方向彼此垂直相交的位置關(guān)系。因此，即使具有圖17所示的結(jié)構(gòu)，絕緣轉(zhuǎn)換變壓器PIT提供了這樣的狀態(tài)，其中扼流線圈繞組N10和每個(gè)初級(jí)繞組N1和次級(jí)繞組N2之間的耦合度被認(rèn)為是零，并且扼流線圈繞組N10具有必要的電感。
針對(duì)具有圖1所示的電路結(jié)構(gòu)的電源電路得到當(dāng)下文將要描述的實(shí)驗(yàn)結(jié)果時(shí)，主要部分選擇如下。
首先，單獨(dú)的元件分別用作絕緣轉(zhuǎn)換變壓器PIT和扼流線圈PCC。圖11所示的EE字狀結(jié)構(gòu)用于絕緣轉(zhuǎn)換變壓器PIT。同樣，為EE字狀鐵心(CR1，CR2)選擇EER-35，并且在氣隙G中設(shè)定氣隙長(zhǎng)度為1.6毫米。將初級(jí)繞組N1的匝數(shù)T和次級(jí)繞組N2的匝數(shù)T分別選擇為N1＝60T，N2＝31T。
此外，選擇ER-28用于扼流線圈PCC，在中心磁腿部分形成氣隙長(zhǎng)度為1.2毫米的氣隙。這樣纏繞扼流線圈繞組N10使得它的電感L10為360μH。扼流將線圈繞組N10纏繞成50T的匝數(shù)。
由于具有上述的絕緣轉(zhuǎn)換變壓器PIT，在絕緣轉(zhuǎn)換變壓器PIT本身中的初級(jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)之間的耦合系數(shù)k設(shè)定為等于或者小于0.8例如約0.75的值。
然而，如我們所公知，添加到鐵心上的EER或者ER是作為產(chǎn)品的鐵心的一種類型和標(biāo)準(zhǔn)。我們知道這種類型具有EE。當(dāng)對(duì)本說(shuō)明書(shū)中的鐵心規(guī)定為E字狀結(jié)構(gòu)，EE字狀結(jié)構(gòu)等時(shí)，即使根據(jù)其橫截面具有E字狀結(jié)構(gòu)或EE字狀結(jié)構(gòu)而在即使任何類型的EER，ER或者EE的情況下將鐵心當(dāng)作是具有E字狀結(jié)構(gòu)或者EE字狀結(jié)構(gòu)的鐵心。
此外，初級(jí)側(cè)并聯(lián)諧振電容器Cr，初級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電容器C11以及次級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電容器C2的電容選擇如下Cr＝3,900pFC11＝0.039μFC2＝0.068μF對(duì)于相應(yīng)的負(fù)載功率，設(shè)定最大負(fù)載功率Pomax＝300W，最小負(fù)載功率Pomin＝0W(無(wú)負(fù)載)，并且次級(jí)側(cè)直流輸出電壓Eo的額定值被設(shè)定為175V。
圖2A所示的波形圖作為圖1所示的電源電路的實(shí)驗(yàn)結(jié)果給出。圖2A示出了在其中最大負(fù)載功率Pomax＝300W，交流輸入電壓VAC＝100V的情況下開(kāi)關(guān)電壓V1，開(kāi)關(guān)電流IQ1，電容器電流Icr，輸入電流I1，初級(jí)繞組電壓V2，初級(jí)繞組電流I2，以及次級(jí)側(cè)交流電壓V3的波形。此外，為了與圖2A相比，圖2B示出了在具有與圖20所示的電路結(jié)構(gòu)的電源電路相同的組成元件中得到的波形。
下文中將參考圖2A所示的波形圖描述圖1所示的電源電路的基本操作。
輸入電流I1是將要從平滑電容器Ci流進(jìn)初級(jí)側(cè)開(kāi)關(guān)變換器的電流。在本實(shí)施例中，扼流線圈繞組N10和絕緣轉(zhuǎn)換變壓器PIT的初級(jí)繞組N1的串聯(lián)組合被認(rèn)為是插在平滑電容器Ci的正極端和開(kāi)關(guān)元件Q1的漏極側(cè)之間的線路上，如同輸入電流流進(jìn)開(kāi)關(guān)元件Q1側(cè)的路徑。也就是說(shuō)，輸入電流I1流過(guò)扼流線圈繞組N10的電感L10以及初級(jí)繞組N1的漏電感L1的合成電感。為此，輸入電流I1變?yōu)槊}動(dòng)電流。示出這種波形的輸入電流I1被認(rèn)為是直流電流。也就是說(shuō)，從平滑電容器Ci流進(jìn)開(kāi)關(guān)變換器的電流變?yōu)橹绷麟娏鳌?br> 開(kāi)關(guān)元件Q1通過(guò)接收平滑電容器Ci兩端的電壓Ei作為直流輸入電壓而進(jìn)行開(kāi)關(guān)操作。開(kāi)關(guān)電壓V1是開(kāi)關(guān)元件Q1的漏源電壓。
開(kāi)關(guān)電流IQ1是從漏極側(cè)流進(jìn)開(kāi)關(guān)元件Q1(以及體二極管DD)的電流?；陂_(kāi)關(guān)電壓V1和開(kāi)關(guān)電流IQ1示出開(kāi)關(guān)元件Q1的導(dǎo)通/截至?xí)r間。將一個(gè)開(kāi)關(guān)周期分成開(kāi)關(guān)元件Q1的導(dǎo)通時(shí)間周期TON和截至?xí)r間周期TOFF。開(kāi)關(guān)電壓V1示出了其中在導(dǎo)通時(shí)間周期TON期間保持為0值并在截至狀態(tài)周期TOFF期間變?yōu)橹C振脈沖的波形。開(kāi)關(guān)電壓V1的電壓諧振脈沖被獲得為基于初級(jí)側(cè)并聯(lián)諧振電路的諧振操作示出正弦波諧振波形。
開(kāi)關(guān)電流IQ1在截至?xí)r間周期TOFF期間保持為0值。首先，在完成截至?xí)r間周期TOFF之后到達(dá)導(dǎo)通時(shí)間以開(kāi)始導(dǎo)通時(shí)間周期TON時(shí)，開(kāi)關(guān)電流IQ1流過(guò)體二極管DD以示出負(fù)極性波形，并且然后變成從漏極流進(jìn)源極以示出正極性波形。
初級(jí)繞組電流I2是根據(jù)開(kāi)關(guān)元件Q1的開(kāi)關(guān)操作流過(guò)初級(jí)繞組N1的電流。此時(shí)，初級(jí)繞組電流I2示出了通過(guò)將開(kāi)關(guān)電流IQ1和電容器電流Icr彼此實(shí)際合成所得到的波形。開(kāi)關(guān)元件Q1執(zhí)行導(dǎo)通/截至操作，由此，在截至?xí)r間周期TOFF期間作為開(kāi)關(guān)電壓V1的諧振脈沖電壓施加到形成第一初級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電路的初級(jí)繞組N1以及初級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電容器C11的串聯(lián)電路上。結(jié)果是，初級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電路執(zhí)行諧振操作，初級(jí)繞組電流I2示出了基于正弦波成分對(duì)應(yīng)于開(kāi)關(guān)周期的交流波形。此外。初級(jí)繞組電壓V2是初級(jí)繞組N1兩端形成的電壓。初級(jí)繞組電壓V2還示出了基于該圖示出的正弦波而對(duì)應(yīng)于開(kāi)關(guān)周期的交流波形。
在導(dǎo)通時(shí)間周期完成之后截至開(kāi)關(guān)元件Q1以達(dá)到截至?xí)r間周期TOFF的時(shí)刻，初級(jí)繞組電流I2作為正極性的電容器電流Icr流過(guò)初級(jí)側(cè)并聯(lián)諧振電容器Cr。結(jié)果是，對(duì)初級(jí)側(cè)并聯(lián)諧振電容器Cr充電的操作開(kāi)始。響應(yīng)該操作，開(kāi)關(guān)電壓V1開(kāi)始從0值增加，從而示出正弦波，并且因此電壓諧振脈沖增加。當(dāng)電容器電流Icr的正極性反向?yàn)樨?fù)極性時(shí)，初級(jí)側(cè)并聯(lián)諧振電容器Cr繼續(xù)其中放電隨著充電的狀態(tài)。因此，電壓諧振脈沖從其峰值下降從而隨著該正弦波。
當(dāng)作為開(kāi)關(guān)電壓V1的電壓諧振脈沖下降為0值時(shí)，開(kāi)始導(dǎo)通時(shí)間周期TON，其中開(kāi)關(guān)元件Q1(以及體二極管DD)處于導(dǎo)通狀態(tài)。首先，當(dāng)達(dá)到導(dǎo)通時(shí)間周期TON時(shí)，體二極管DD導(dǎo)通，使得負(fù)極性繞組電流I2流過(guò)體二極管DD。此時(shí)，開(kāi)關(guān)電壓V1處于0電平。當(dāng)初級(jí)繞組電流I2流過(guò)體二極管DD給定時(shí)間周期時(shí)，在開(kāi)關(guān)元件Q1的漏極和源極之間開(kāi)始導(dǎo)通，使得正極性初級(jí)繞組電流I2流過(guò)開(kāi)關(guān)元件Q1。初級(jí)繞組電流I2在導(dǎo)通時(shí)間周期以這種方式流過(guò)開(kāi)關(guān)元件Q1(以及體二極管DD)，從而得到開(kāi)關(guān)電流IQ1的波形。這種操作代表在開(kāi)關(guān)元件Q1的導(dǎo)通階段和截至階段期間，可由初級(jí)側(cè)并聯(lián)諧振電路得到ZVS操作，并由初級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電路得到ZCS操作。
此外，基于次級(jí)側(cè)交流電壓V3示出次級(jí)側(cè)整流電路的操作。
次級(jí)側(cè)交流電壓V3是次級(jí)繞組N2和次級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電容器C2的串聯(lián)電路兩端形成的電壓，并且被輸入到次級(jí)側(cè)整流電路中。每隔次級(jí)側(cè)交流電壓V3的半周期的時(shí)間周期將次級(jí)側(cè)交流電壓V3的正向電壓施加到整流二極管Do1和Do2，因此響應(yīng)其交替導(dǎo)通整流二極管Do1和Do2。結(jié)果是，觀察到這樣的交流波形，其中基于根據(jù)整流二極管Do1的導(dǎo)通時(shí)間周期與次級(jí)側(cè)直流輸出電壓Eo對(duì)應(yīng)的絕對(duì)值而將次級(jí)側(cè)交流電壓V3進(jìn)行箝位，并且根據(jù)整流二極管Do2的導(dǎo)通時(shí)間周期變?yōu)?電平(地電位)。
此外，得到這樣的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，其中在根據(jù)交流輸入電壓VAC＝100V的輸入條件下的恒壓控制特性，相對(duì)從最大負(fù)載功率Pomax＝300W到最小負(fù)載功率Pomin＝0W的負(fù)載波動(dòng)的開(kāi)關(guān)頻率的可變范圍Δfs變?yōu)?6.2kHz。
同樣，得到這樣的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，其中在最大負(fù)載功率Pomax＝300W的階段期間交流→直流功率變換效率ηAC→DC為91.9％，在負(fù)載功率Po＝75W的階段期間為94.0％。
將圖2A所示的波形圖與圖19中先前示出的進(jìn)行比較，從對(duì)這些情況共有的組成元件示出幾乎相同的操作波形的事實(shí)可以看出，圖1所示的電源電路的基本操作也是E類諧振型。
因此，同樣在該實(shí)施例的電源電路中，與圖20所示的電源電路類似，將E類開(kāi)關(guān)變換器應(yīng)用到初級(jí)側(cè)開(kāi)關(guān)變換器，由此，解決了在中等負(fù)載階段期間不能得到ZVS操作的異常操作，在相應(yīng)的負(fù)載功率(Po＝300W到0W)的整個(gè)范圍上得到了ZVS操作。該E類開(kāi)關(guān)變換器在其基本結(jié)構(gòu)上包括一個(gè)開(kāi)關(guān)元件和并聯(lián)諧振電路。因此，就具有采用單端系統(tǒng)的電壓諧振型變換器的電路結(jié)構(gòu)的開(kāi)關(guān)變換器來(lái)說(shuō)，我們稱作該實(shí)施例的電源電路的實(shí)際應(yīng)用容易被進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用。
然而，如上所述，在圖1或圖20所示的電源電路中，其中將E類開(kāi)關(guān)變換器應(yīng)用到初級(jí)側(cè)開(kāi)關(guān)變換器上，解決了在中等負(fù)載階段期間的異常操作，而不管是否存在次級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電路。然而，當(dāng)電壓倍增型半波整流設(shè)置成圖1或圖20所示的電源電路中的次級(jí)側(cè)整流電路時(shí)，電流在感應(yīng)電壓是正極性/負(fù)極性的每個(gè)時(shí)間周期期間流過(guò)次級(jí)繞組N2。在整流電路進(jìn)行這種整流操作時(shí)，次級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電容器連接成構(gòu)成次級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電路。結(jié)果是，得到了由于次級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電路的諧振操作而導(dǎo)致的功率增加的操作，使得功率變換效率增加。
此外，在作為圖21中的傳統(tǒng)實(shí)施例在前示出的電源電路中，從平滑電容器Ci流進(jìn)開(kāi)關(guān)變換器的電流通過(guò)絕緣轉(zhuǎn)換變壓器PIT的初級(jí)繞組N1流過(guò)開(kāi)關(guān)元件Q1和初級(jí)側(cè)并聯(lián)諧振電容器Cr。此時(shí)，從平滑電容器Ci流進(jìn)開(kāi)關(guān)變換器的電流變成初級(jí)繞組電流I1，并且由于開(kāi)關(guān)周期而具有相對(duì)高的頻率。也就是說(shuō)，充電/放電電流以商用交流電源周期的高頻流過(guò)平滑電容器Ci。
為了滿足作為平滑電容器Ci的組成元件的耐高壓要求，經(jīng)常采用鋁電解電容器作為平滑電容器Ci。鋁電解電容器具有這樣的特性，其中當(dāng)其以高頻工作時(shí)，與其他種類的電容器相比，其電容值容易減小，并且損耗角的正切容易增加。為此，其中等效串聯(lián)電阻(ESR)很小，并且允許的紋波電流大的特定元件必須被選為用作平滑電容器Ci的鋁電解電容器。此外，必須將足夠大的值選為作為開(kāi)關(guān)電容器Ci的元件的電容。例如，為了使圖21所示的電源電路的結(jié)構(gòu)與等于本實(shí)施例中的最大負(fù)載功率Pomax＝300W一致，選擇電容約為1000μF。這種鋁電解電容器比通用的任何鋁電解電容器更昂貴，其在成本方面是不利的，包括與電容增加對(duì)應(yīng)的元件價(jià)格的增加。
另一方面，在圖1所示的該實(shí)施例的電源電路中，從平滑電容器Ci流進(jìn)開(kāi)關(guān)變換器的電流通過(guò)扼流線圈繞組N10和初級(jí)繞組N1的串聯(lián)組合流過(guò)開(kāi)關(guān)元件Q1。為此，從平滑電容器Ci流進(jìn)開(kāi)關(guān)變換器的電流變?yōu)橹绷麟娏鳎瑯尤鐖D2A的輸入電流I1所示。從平滑電容器Ci流進(jìn)開(kāi)關(guān)變換器的電流變?yōu)橹绷麟娏?，由此，該?shí)施例的電源電路免于減小了電容并且增加了損耗角的正切值的問(wèn)題。此外，與此同時(shí)，還減小了商用交流電源周期的直流電壓Ei的紋波。例如圖21所示的電源電路結(jié)構(gòu)中紋波是7.5Vp-p，而在圖1所示的電源電路結(jié)構(gòu)中其是5Vp-p。對(duì)此，在本實(shí)施例中，通用的鋁電解電容器被選為平滑電容器Ci。此外，比圖21所示的電路更小的值被選為平滑電容器Ci的組成的電容。在圖1所示的電源電路中，可實(shí)際選擇680μF的電容。在該實(shí)施例中，對(duì)平滑電容器Ci實(shí)現(xiàn)了成本降低。
此外，在本實(shí)施例中，也得到了這樣的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，其中功率變換效率特性在幾乎相應(yīng)的負(fù)載功率的整個(gè)范圍上被認(rèn)為是令人滿意的。
基于下面的結(jié)構(gòu)在該實(shí)施例中得到了高功率變換效率。
首先，我們已經(jīng)知道，包括用于電壓諧振型變換器的次級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電路的電源電路結(jié)構(gòu)在功率變換效率方面是實(shí)質(zhì)有利的。特別是，該結(jié)構(gòu)具有其中當(dāng)負(fù)載從最大負(fù)載功率減小到輕載功率時(shí)功率變換效率增加的特性。因此，將電壓諧振型變換器與在負(fù)載減小時(shí)具有減小功率變換效率趨勢(shì)的電流諧振型變換器進(jìn)行比較時(shí)，相對(duì)負(fù)載波動(dòng)的功率變換效率特性被稱作是非常令人滿意的。此外，為電壓諧振型變換器采用單端系統(tǒng)要求必要的最小的一個(gè)開(kāi)關(guān)元件。結(jié)果是，與包括例如半橋耦合系統(tǒng)，全橋耦合系統(tǒng)，推挽系統(tǒng)等的多個(gè)開(kāi)關(guān)元件的結(jié)構(gòu)相比，減小了開(kāi)關(guān)損耗。這變成了增加功率變換效率的因素。
由于本實(shí)施例的E類開(kāi)關(guān)變換器包括初級(jí)側(cè)并聯(lián)諧振電路和一個(gè)開(kāi)關(guān)元件的組合的結(jié)構(gòu)，其同樣被稱作包括采用單端系統(tǒng)的電壓諧振型變換器結(jié)構(gòu)。因此，其交接了上述的電壓諧振型變換器的令人滿意的功率變換效率。
因此，同樣在該實(shí)施例中，如上所述，解決了中等負(fù)載階段期間的異常操作，從而得到了正確的ZVS操作。如圖22B所示，就異常操作現(xiàn)象來(lái)說(shuō)，得到了這樣的操作，其中在導(dǎo)通之前(導(dǎo)通時(shí)間周期TON開(kāi)始)的時(shí)刻開(kāi)關(guān)元件Q1導(dǎo)通，并且因此正極性開(kāi)關(guān)電流IQ1流過(guò)開(kāi)關(guān)元件Q1的源極和漏極。然而，基于開(kāi)關(guān)電流IQ1的這種操作可增加開(kāi)關(guān)損耗。在該實(shí)施例中，不發(fā)生基于對(duì)應(yīng)于異常操作的開(kāi)關(guān)電流IQ1的操作防止了開(kāi)關(guān)損耗增加。這變成了增加功率變換效率的一個(gè)因素。
此外，將圖2A所示的開(kāi)關(guān)電流IQ1與圖22A比較所看出，圖2A中示出的對(duì)應(yīng)于該實(shí)施例的開(kāi)關(guān)電流IQ1的波形是其中在導(dǎo)通時(shí)間周期TON完成時(shí)以及之前得到峰值的一種。圖2A所示的開(kāi)關(guān)電流IQ1的波形表示截至階段期間開(kāi)關(guān)電流IQ1的電平被抑制。當(dāng)截至階段期間開(kāi)關(guān)電流IQ1的電平被抑制時(shí)，截至階段期間的開(kāi)關(guān)損耗減小，并且功率變換效率更加增加。
開(kāi)關(guān)電流IQ1的這種波形從初級(jí)側(cè)開(kāi)關(guān)變換器的E類開(kāi)關(guān)操作中得到。
此外，隨后的事實(shí)極大地有助于增加本實(shí)施例的電源電路的功率變換效率特性。
在此，為了與該實(shí)施例相比，參考示出圖20所示的電源電路操作的圖2B。在圖2B所示的波形中，設(shè)定了與獲得圖2A所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果的情況中的那些條件相同的負(fù)載功率狀況，交流輸入電壓狀況，以及次級(jí)側(cè)直流輸出電壓Eo，在圖20所示的電源電路中選擇和設(shè)定主要部分的元件常數(shù)，從而得到與圖1所示的電源電路幾乎相同的操作條件。
由于具有圖20所示的電源電路的初級(jí)側(cè)開(kāi)關(guān)變換器的電路結(jié)構(gòu)，由初級(jí)側(cè)并聯(lián)諧振電容器Cr的電容和扼流線圈L10的電感構(gòu)成的初級(jí)側(cè)并聯(lián)諧振電路在截至?xí)r間周期TOFF期間進(jìn)行諧振操作(電壓諧振操作)。因此，如該圖所示，電容器電流Icr流過(guò)初級(jí)側(cè)并聯(lián)諧振電容器Cr。結(jié)果是，對(duì)于開(kāi)關(guān)電壓V1，在截至?xí)r間周期TOFF階段期間產(chǎn)生了諧振脈沖電壓。
在此，在圖20所示的電源電路的電路結(jié)構(gòu)中，不象本實(shí)施例，初級(jí)側(cè)并聯(lián)諧振電路不包括初級(jí)繞組N1的電感L1。
另一方面，在圖1所示的本實(shí)施例的電源電路中，插入初級(jí)繞組N1使得其與初級(jí)側(cè)并聯(lián)諧振電路中的扼流線圈繞組N10串聯(lián)連接。為此，將扼流線圈繞組N10中產(chǎn)生的諧振脈沖電壓疊加到初級(jí)繞組N1中產(chǎn)生的交流電壓上，以增加初級(jí)繞組電壓V2的值。對(duì)于實(shí)際測(cè)量結(jié)果，圖20所示的電源電路的初級(jí)繞組電壓V2的值是700Vp，如圖2B所示，而圖1所示的電源電路的初級(jí)繞組電壓V2的值是820Vp，如圖2A所示。注意，盡管當(dāng)其為正極性時(shí)得到這些電平值，但是即使其是負(fù)極性時(shí)，同樣，與初級(jí)繞組電壓V2相比，圖1所示的電源電路中的初級(jí)繞組電壓V2的電平也進(jìn)一步增加。
此外，盡管本實(shí)施例中的第一初級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電路(N10(L10)，C11)基于圖20所示的電源電路中的初級(jí)側(cè)連接形式構(gòu)成，但不必基于其構(gòu)成第二初級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電路。此時(shí)，流過(guò)初級(jí)側(cè)的串聯(lián)諧振電流實(shí)際上以初級(jí)繞組電流I2的形式流過(guò)。
另一方面，在本實(shí)施例中，一組第一初級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電路和第二初級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電路被設(shè)置成初級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電路。結(jié)果是，如上所述，流過(guò)初級(jí)側(cè)的串聯(lián)諧振電流分支以獨(dú)立地流過(guò)初級(jí)繞組N1和扼流線圈繞組N10。這種操作首先以輸入電流I1的波形的形式示出。例如，圖2B示出的圖20的電源電路的輸入電流I1是具有電平波動(dòng)寬度為1A的脈動(dòng)電流。此外，該脈動(dòng)電流的波形示出了直線附近增加或者減小的變化。另一方面，圖2A示出的圖1的電源電路的輸入電流I1的電平波動(dòng)寬度為1.5A，與圖2B所示相比有所增加。此外，圖2A所示的輸入電流I1的脈動(dòng)電流波形示出為正弦波。也就是說(shuō)，串聯(lián)諧振電流流過(guò)扼流線圈繞組N10，由此，輸入電流I1的幅值寬度增加，其波形以正弦波的形式出現(xiàn)，這是因?yàn)檩斎腚娏鱅1包含了串聯(lián)諧振電流成分。并且，我們判定圖2A所示的輸入電流I1的平均值近乎等于圖2B所示的，或者小于圖2B所示的。
在該實(shí)施例中，如上所述，初級(jí)繞組電壓V2的值(幅值)增加，初級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電流分支以單獨(dú)流過(guò)，由此極大地減小了初級(jí)繞組電流I2。關(guān)于這點(diǎn)，對(duì)應(yīng)于圖1所示的電源電路的圖2A與對(duì)應(yīng)于圖20所示的電源電路的圖2B進(jìn)行的實(shí)際比較示出了初級(jí)繞組電流I2在圖2B中是4.2Ap，而在圖2A中初級(jí)繞組電流I2是3.5Ap。因此，初級(jí)繞組電流I2減小了0.7A。
此外，與此同時(shí)，開(kāi)關(guān)電流IQ1的量也因此減小。圖2A和2B示出的開(kāi)關(guān)電流IQ1的最大峰值取了相同的值5.2Ap。然而，在圖2B中示出的截至階段期間的開(kāi)關(guān)電流IQ1的峰值是4.8Ap，而在圖2A所示的截至階段期間的開(kāi)關(guān)電流IQ1的峰值是4.0Ap。因此，開(kāi)關(guān)電流IQ1減小了0.8A。此外，在圖1所示的電源電路中在截至?xí)r間周期TOFF期間流過(guò)初級(jí)側(cè)并聯(lián)諧振電容器Cr的電容器電流Icr小于圖20所示的電源電路。從這些事實(shí)，與例如圖20所示的電源電路相比較，在給定負(fù)載狀況下流過(guò)初級(jí)側(cè)的電流稱作作為整體在本實(shí)施例中的電源電路中減小。
圖1所示的電源電路還包括對(duì)應(yīng)于扼流線圈L10的扼流線圈繞組N10，由此，存在了由于扼流線圈繞組N10而出現(xiàn)的功耗。然而，對(duì)應(yīng)于開(kāi)關(guān)周期流過(guò)初級(jí)側(cè)開(kāi)關(guān)變換器的電流減小，如上所述，由此減小了開(kāi)關(guān)元件Q1中的開(kāi)關(guān)損耗，絕緣轉(zhuǎn)換變壓器PIT中的鐵耗或者銅耗，初級(jí)側(cè)并聯(lián)諧振電容器中的損耗，等等。由此減小的功耗總和比由于扼流線圈繞組N10引起的功耗大得多。結(jié)果是，對(duì)于圖20所示的電源電路極大地并且綜合地增強(qiáng)了功率變換效率。其可以從本申請(qǐng)的發(fā)明人所進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)中證實(shí)，圖1中所示的電源電路的功率變換效率特性比作為傳統(tǒng)實(shí)施例的圖21所示的電源電路更令人滿意。
如前所述，當(dāng)最大負(fù)載功率Pomax＝100W時(shí)，圖1所示的本實(shí)施例的電源電路的交流→直流功率變換效率ηAC→DC是91.9％，當(dāng)負(fù)載功率Po＝75W時(shí)，為94.0％。另一方面，當(dāng)最大負(fù)載功率Pomax＝300W時(shí)，圖21所示的電源電路的交流→直流功率變換效率ηAC→DC是91.7％，在負(fù)載功率Po＝75W時(shí)是93.8％。當(dāng)以相應(yīng)的負(fù)載功率范圍(從Pomax＝300W到Pomin＝0W)來(lái)看示出這種特性時(shí)，我們知道，與圖21所示的電源電路相比，圖1所示的電源電路具有足夠令人滿意的功率變換效率特性。
而且，對(duì)于圖21所示的電源電路的恒壓控制特性，可在交流輸入電壓VAC＝100V的輸入狀態(tài)下得到相對(duì)于從最大負(fù)載功率Pomax＝300W到最小負(fù)載功率Pomin＝0W的負(fù)載波動(dòng)的Δfs＝20.8kHz。因此，與圖21所示的電源電路相比，在圖1所示的電源電路中進(jìn)一步減小了控制范圍(Δfs＝16.2kHz)。
此外，例如，如上所述的流過(guò)初級(jí)側(cè)的電流(主要是，初級(jí)繞組電流I2)的減小使得同樣扼流線圈PCC中產(chǎn)生的磁通量減小，在扼流線圈PCC中纏繞有扼流繞組N10。此外，在本實(shí)施例中的連接形式上，扼流線圈繞組N10和初級(jí)繞組N1的串聯(lián)連接電路還形成在輸入電流I1流進(jìn)開(kāi)關(guān)變換器側(cè)的路徑中。結(jié)果是，將輸入電流I1變?yōu)橹绷麟娏鞯碾姼锌赏ㄟ^(guò)將扼流線圈繞組N10的電感L10和初級(jí)繞組N1的漏電感L1彼此疊加而得到。為此，本實(shí)施例中扼流線圈繞組N10本身所要求的電感可被設(shè)定為小于例如圖20所示的扼流線圈繞組所要求的電感。
將L10＝1mH的電感設(shè)定為例如圖20所示的電源電路中的扼流線圈繞組N10的電感L10的具體值，而將L10＝0.36mH(360μH)的電感設(shè)定為圖1所示的電源電路中的扼流線圈繞組N10的電感L10的具體值。電感L10的值可被認(rèn)為是等于在初級(jí)繞組N1的漏電感L1中設(shè)定的值。
比直到現(xiàn)在為止更小的值可以上述方式設(shè)定到扼流線圈繞組N10的電感L10，因此當(dāng)例如扼流線圈PCC設(shè)置為與絕緣轉(zhuǎn)換變壓器PIT獨(dú)立設(shè)置的單個(gè)元件時(shí)，可使扼流線圈PCC小型化并且輕型化。更具體的來(lái)說(shuō)，在圖20所示的電源電路中，為了得到L10＝1mH的電感，將扼流線圈繞組N10纏繞在EER-28鐵氧體鐵心80T的匝數(shù)，由此構(gòu)成扼流線圈PCC。另一方面，在圖1所示的電源電路中，采用扼流線圈PCC，其中扼流線圈PCC通過(guò)將扼流線圈繞組N10纏繞在ER-28鐵氧體鐵心50T的匝數(shù)而構(gòu)成。
此外，即使當(dāng)構(gòu)成在其結(jié)構(gòu)中包括扼流線圈繞組N10的復(fù)合絕緣轉(zhuǎn)換變壓器C-PIT時(shí)，扼流線圈繞組N10的電感L10的值減小變得非常有利。該復(fù)合絕緣轉(zhuǎn)換變壓器C-PIT的結(jié)構(gòu)實(shí)例示于圖12到17中。
例如，當(dāng)扼流線圈繞組N10具有等于圖20所示的適當(dāng)?shù)拇蟮碾姼蠰10時(shí)而將要構(gòu)造復(fù)合絕緣轉(zhuǎn)換變壓器C-PIT的情況下，會(huì)出現(xiàn)如下的問(wèn)題。也就是說(shuō)，依據(jù)初級(jí)繞組N1和次級(jí)繞組N2的每個(gè)電感(L1，L2)以及扼流線圈繞組N10的電感L10之間的平衡，扼流線圈繞組N10所要求的電感L10難于基于必要的絕緣轉(zhuǎn)換變壓器所要求的電感所對(duì)應(yīng)的鐵心尺寸(橫截面)而得到，其中該必要的絕緣轉(zhuǎn)換變壓器包括第一繞組N1和第二繞組N2。結(jié)果是，根據(jù)電感L10的尺寸選擇大尺寸的鐵心。或者，存在復(fù)合絕緣轉(zhuǎn)換變壓器C-PIT變得難于設(shè)計(jì)的可能性。
另一方面，如果扼流線圈繞組N10的電感L10小到其中本實(shí)施例所要求的電感L10的程度，可解決上述問(wèn)題。因此，例如，可以必要的最小鐵心尺寸容易設(shè)計(jì)和制造復(fù)合絕緣轉(zhuǎn)換變壓器C-PIT。
如上所述，在本實(shí)施例中，可以容易地實(shí)現(xiàn)其中纏繞扼流線圈繞組N10的扼流線圈PCC或者復(fù)合絕緣轉(zhuǎn)換變壓器C-PIT的小型化和重量輕型化。此外，還有望實(shí)現(xiàn)隨著這種小型化和重量輕型化而帶來(lái)的成本降低。
此外，在本實(shí)施例中，輸入電流I1的波形是正弦波波形。因此，也可得到由于這種波形可減小高頻噪聲的效果。
圖3示出了根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的電源電路的結(jié)構(gòu)實(shí)例。而且，在該圖中，與圖20和1所示相同的組成元件分別用相同的附圖標(biāo)記表示，并且在此省略其描述。
同樣在圖3所示的電源電路中，將扼流線圈繞組N10纏繞在扼流線圈PCC中。
此外，絕緣轉(zhuǎn)換變壓器PIT采用與第一實(shí)施例所述相同的結(jié)構(gòu)。也就是說(shuō)，，絕緣轉(zhuǎn)換變壓器PIT可以獨(dú)立于扼流線圈PCC提供的變壓器元件的形式構(gòu)成，或者可以包括扼流線圈PCC結(jié)構(gòu)的集成復(fù)合變壓器(復(fù)合絕緣轉(zhuǎn)換變壓器C-PIT)的形式構(gòu)成。此外，同樣在第二實(shí)施例中，將等于或者小于0.8的例如約為0.75的值設(shè)定為絕緣轉(zhuǎn)換變壓器PIT本身初級(jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)之間的耦合系數(shù)k。
因此，在圖3所示的電源電路中，將初級(jí)側(cè)開(kāi)關(guān)變換器構(gòu)成如下。
也就是說(shuō)，初級(jí)側(cè)并聯(lián)諧振電容器Cr的一端連接到開(kāi)關(guān)元件Q1的漏極和初級(jí)繞組N1的繞組結(jié)束端部分之間的節(jié)點(diǎn)上。同樣，初級(jí)側(cè)并聯(lián)諧振電容器Cr的另一端連接到初級(jí)繞組N1的繞組開(kāi)始端部分和初級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電容器C11的一端之間的節(jié)點(diǎn)上。初級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電容器C11的另一端連接到處于初級(jí)側(cè)地電位的開(kāi)關(guān)元件Q1的源極上。
以這種連接方式，初級(jí)側(cè)并聯(lián)諧振電容器Cr與初級(jí)繞組N1并聯(lián)連接。同樣，初級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電容器C11與初級(jí)側(cè)并聯(lián)諧振電容器Cr和初級(jí)繞組N1的并聯(lián)電路串聯(lián)連接。
由于具有這種結(jié)構(gòu)，首先，在初級(jí)側(cè)并聯(lián)諧振電路中，第一初級(jí)側(cè)并聯(lián)諧振電路由從扼流線圈繞組N10(扼流線圈PCC)的電感L10和初級(jí)繞組N1的漏電感L1的串聯(lián)組合得到的合成電感，以及從初級(jí)側(cè)并聯(lián)諧振電容器Cr和初級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電容器C11的串聯(lián)電路得到的電容構(gòu)成。此外，第二并聯(lián)諧振電路也由初級(jí)繞組N1的漏電感L1和初級(jí)側(cè)并聯(lián)諧振電容器Cr的電容構(gòu)成。
此外，初級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電路包括由扼流線圈繞組N10的電感L10和初級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電容器C11的電容構(gòu)成第一初級(jí)串聯(lián)諧振電路，和由初級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電容器C11的電容以及初級(jí)繞組N1的漏電感L1構(gòu)成的第二初級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電路。
當(dāng)在圖3所示的第二實(shí)施例的電源電路上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，將主要部分選擇如下。
首先，同樣在這種情況下，采用單個(gè)元件分別作為絕緣轉(zhuǎn)換變壓器和扼流線圈PCC。采用EE字狀結(jié)構(gòu)作為絕緣轉(zhuǎn)換變壓器PIT。選擇EER-35作為EE字狀鐵心(CR1，CR2)，在氣隙G中設(shè)定1.6mm的氣隙長(zhǎng)度。同樣，選擇N1＝55T和N2＝31T分別作為初級(jí)繞組N1的匝數(shù)T和次級(jí)繞組N2的匝數(shù)T。
此外，為扼流線圈PCC選擇ER-28，并且在中心磁部中形成氣隙長(zhǎng)度為1.2mm的氣隙。纏繞扼流線圈繞組N10，從而得到電感L10＝360μH。接著，將扼流線圈繞組N10纏繞50T。
由于具有絕緣轉(zhuǎn)換變壓器PIT的上述結(jié)構(gòu)，同樣在這種情況下，例如，小于0.8的約為0.75的值設(shè)定為絕緣轉(zhuǎn)換變壓器PIT本身的初級(jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)之間的耦合系數(shù)k。
此外，初級(jí)側(cè)并聯(lián)諧振電容器Cr，初級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電容器C11，以及次級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電容器C2的電容選擇如下Cr＝3900pFC11＝0.033μFC2＝0.068μF相對(duì)對(duì)應(yīng)的負(fù)載功率，設(shè)定最大負(fù)載功率Pomax＝300W和最小負(fù)載功率Pomin＝0W(無(wú)負(fù)載)。次級(jí)側(cè)直流輸出電壓Eo的額定電平為175V。
給定圖4所示的波形圖作為圖3所示的電源電路上的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。圖4示出了最大負(fù)載功率Pomax＝300W和交流輸入電壓VAC＝100V的情況下的開(kāi)關(guān)電壓V1，開(kāi)關(guān)電流IQ1，電容器電流Icr，輸入電流I1，初級(jí)繞組電壓V2，初級(jí)繞組電流I2，以及次級(jí)側(cè)交流電壓V3。
由于圖4所示的基本操作與圖2的波形圖形式在前示出的第一實(shí)施例的電源電路的操作相同，因此在此省略其描述。此外，圖4所示的第二實(shí)施例的電源電路中的操作波形與第一實(shí)施例的電源電路的操作波形基本相同的事實(shí)表示在第二實(shí)施例中，根據(jù)初級(jí)側(cè)并聯(lián)諧振電路的諧振操作產(chǎn)生的諧振脈沖電壓疊加到初級(jí)繞組N1中的交流電壓上，從而增加了初級(jí)繞組電壓V2的值。同樣，該事實(shí)表明初級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電流還根據(jù)第二初級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電路的諧振操作單獨(dú)流過(guò)扼流線圈繞組N10側(cè)。結(jié)果是，同樣在第二實(shí)施例中，可以得到由于流過(guò)初級(jí)側(cè)開(kāi)關(guān)變換器的電流量減小而減小功耗的效果。此外，由于例如約360μH的小電感值可被設(shè)定為扼流線圈繞組N10的電感L10，因此可實(shí)現(xiàn)扼流線圈PCC和復(fù)合絕緣轉(zhuǎn)換變壓器C-PIT的小型化，重量輕型化以及設(shè)計(jì)容易度。
此外，如前所述，第二實(shí)施例的電源電路包括由初級(jí)繞組N1的漏電感L1和初級(jí)側(cè)并聯(lián)諧振電容器Cr的電容構(gòu)成的第二初級(jí)側(cè)并聯(lián)諧振電路。在開(kāi)關(guān)元件Q1的導(dǎo)通時(shí)間周期期間第二初級(jí)側(cè)并聯(lián)諧振電路的諧振操作有效。第二初級(jí)側(cè)并聯(lián)諧振電路執(zhí)行諧振操作，由此，同樣在導(dǎo)通時(shí)間周期TON期間，示出圖4的其正極性正弦波成分的波形的電容器電流Icr流過(guò)初級(jí)側(cè)并聯(lián)諧振電容器Cr。該事實(shí)表示在導(dǎo)通時(shí)間周期TON期間，來(lái)源于輸入電路的電流I1不僅單獨(dú)流過(guò)初級(jí)繞組N1和開(kāi)關(guān)元件Q1，而且流過(guò)初級(jí)側(cè)并聯(lián)諧振電容器Cr。據(jù)此，在導(dǎo)通時(shí)間周期TON期間，初級(jí)繞組電壓V2示出了其中將正極性反向成負(fù)極性的波形。
因此，同樣在第二實(shí)施例的電源電路中，可得到這樣的效果，其中根據(jù)流過(guò)初級(jí)側(cè)開(kāi)關(guān)變換器的電流還單獨(dú)流過(guò)初級(jí)側(cè)并聯(lián)諧振電容器Cr，流過(guò)初級(jí)側(cè)的合成電流進(jìn)一步減小。
對(duì)于圖4所示的測(cè)量結(jié)果，在導(dǎo)通時(shí)間周期TON期間的電容器電流Icr的峰值是1Ap，與電容器電流Icr對(duì)應(yīng)的絕緣電流IQ1的峰值是5.0Ap，其比圖20所示的電源電路的絕緣電流(圖2B)小0.2A。此外，在正極性和負(fù)極性中的每個(gè)極性中初級(jí)繞組電流I2是3.8Ap。因此，與圖20所示的電源電路相比，初級(jí)繞組電流I2減小4.2A。在這種情況下，流過(guò)初級(jí)側(cè)的電流減小可被認(rèn)為是以開(kāi)關(guān)電流IQ1的峰值減小的形式明顯出現(xiàn)。
因此，在第二實(shí)施例的電源電路中，首先，與第一實(shí)施例的電源電路類似，初級(jí)繞組電壓V2的幅值基于將諧振脈沖電壓疊加到初級(jí)繞組N1中的交流電壓上而增加，流過(guò)初級(jí)側(cè)開(kāi)關(guān)變換器的電流隨著該增加而減小，由此減小了功耗。
此外，即使在開(kāi)關(guān)元件Q1處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，得到了使得流過(guò)初級(jí)側(cè)開(kāi)關(guān)變換器的電流的一部分單獨(dú)流過(guò)初級(jí)側(cè)并聯(lián)諧振電容器Cr的操作。結(jié)果是，流過(guò)初級(jí)側(cè)開(kāi)關(guān)變換器的電流(開(kāi)關(guān)電流IQ1)進(jìn)一步減小，由此進(jìn)一步減小了功耗。
因此，從該實(shí)驗(yàn)中我們可以確定，與第一實(shí)施例的電源電路相比，在第二實(shí)施例的電源電路中可得到更令人滿意的功率校正效率特性。更具體地是，當(dāng)最大負(fù)載功率Pomax＝300W時(shí)交流→直流功率變換效率ηAC→DC是92.4％，當(dāng)負(fù)載功率Po＝75W時(shí)是94.5％。此外，對(duì)于第二實(shí)施例的電源電路的恒壓控制特性，在交流輸入電壓VAC＝100V的輸入條件下，相對(duì)于從最大負(fù)載功率Pomax＝300W到最小負(fù)載功率Pomin＝0W的負(fù)載波動(dòng)可得到Δfs＝12.9kHz。
此外，對(duì)于所確定的事實(shí)，同樣在圖3所示的第二實(shí)施例的電源電路的情況下，從圖4所示的波形圖與先前圖19所示的波形圖相比可以看出，第二實(shí)施例的電源電路的基本操作是E類諧振型。從這個(gè)事實(shí)，解決了在中等負(fù)載階段期間不能得到ZVS的異常操作，因此在對(duì)應(yīng)負(fù)載功率的整個(gè)范圍內(nèi)(Po＝300W到0W)得到了ZVS操作。此外，例如，將等于或者小于給定值的值設(shè)定為絕緣轉(zhuǎn)換變壓器PIT初級(jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)之間的耦合度(耦合系數(shù)k)，由此提供了減小初級(jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)之間的相互影響的操作。這種操作還可作為通過(guò)解決上述異常操作而得到更穩(wěn)定的開(kāi)關(guān)操作的一個(gè)因素給定。
此外，第二實(shí)施例的電源電路執(zhí)行E類操作，其使得從平滑電容器Ci流進(jìn)開(kāi)關(guān)變換器的輸入電流I1變?yōu)橹绷麟娏?。結(jié)果是，將通用產(chǎn)品選擇為平滑電容器Ci，并且對(duì)于開(kāi)關(guān)電容器Ci也可以選擇更小的電容值。
隨后，當(dāng)本發(fā)明的第一和第二實(shí)施例變化時(shí)在圖5到8中示出了次級(jí)側(cè)整流電路的變化。
應(yīng)該注意到，盡管僅在圖5到8中選取并且示出了次級(jí)繞組N2和次級(jí)側(cè)整流電路的結(jié)構(gòu)，但是未在該圖中示出的其他組成元件可采用與包括絕緣轉(zhuǎn)換變壓器PIT的結(jié)構(gòu)的前述第一和第二實(shí)施例相同的結(jié)構(gòu)。也就是說(shuō)，扼流線圈PCC和絕緣轉(zhuǎn)換變壓器PIT可以是彼此獨(dú)立設(shè)置的元件，或者可由復(fù)合絕緣轉(zhuǎn)換變壓器C-PIT構(gòu)成，在該復(fù)合絕緣轉(zhuǎn)換變壓器C-PIT中，將纏繞在扼流線圈PCC中的扼流線圈繞組N10包括在絕緣轉(zhuǎn)換變壓器的結(jié)構(gòu)中。
首先，圖5所示的電源電路包括橋式全波整流電路，其由具有四個(gè)整流二極管Do1，Do2，Do3和Do4以及一個(gè)平滑電容器Co的橋式整流電路構(gòu)成。該橋式全波整流電路作為連接到次級(jí)繞組N2和次級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電容器C2的串聯(lián)電路(次級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電路)的次級(jí)側(cè)整流電路設(shè)置。
在這種情況下，次級(jí)繞組N2的繞組結(jié)束端部分通過(guò)次級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電容器C2連接到整流二極管Do1的陽(yáng)極和整流二極管Do2的陰極之間的節(jié)點(diǎn)上。此外，次級(jí)繞組N2的繞組開(kāi)始端部分連接到整流二極管Do3的陽(yáng)極和整流二極管Do4的陰極之間的節(jié)點(diǎn)上。整流二極管Do1的陰極和整流二極管Do3的陰極連接到平滑電容器Co的正極端上。平滑電容器Co的負(fù)極端連接到位于次級(jí)側(cè)地電位的整流二極管Do2的陽(yáng)極和整流二極管Do4的陽(yáng)極之間的節(jié)點(diǎn)上。
在以上述方式構(gòu)成的全波整流電路中，橋式整流電路的一組整流二極管Do1和Do4在次級(jí)繞組N2中感應(yīng)(激勵(lì))的交流電壓的半個(gè)周期期間導(dǎo)通。因此，得到了用經(jīng)整流的電流充電平滑電容器Co的操作。此外，一組整流二極管Do2和Do3在在次級(jí)繞組N2中感應(yīng)的交流電壓的另一個(gè)半周期期間導(dǎo)通。因此，得到了用經(jīng)整流的電流充電平滑電容器Co的操作。
結(jié)果是，其值與感應(yīng)在次級(jí)繞組N2中的交流電壓的值等倍數(shù)的次級(jí)側(cè)直流輸出電壓Eo作為平滑電容器Co兩端生成的電壓產(chǎn)生。
圖6所示的電源電路包括電壓倍增型全波整流電路作為次級(jí)側(cè)整流電路。
在這種情況下的電壓倍增型全波整流電路中，首先，在次級(jí)繞組N2中設(shè)置中心抽頭，由此將次級(jí)繞組N2用中心抽頭作為邊界分成次級(jí)繞組部分N2A和N2B。次級(jí)繞組部分N2A和N2B具有設(shè)置其上的相同預(yù)定匝數(shù)。次級(jí)繞組N2的中心抽頭連接到次級(jí)側(cè)地上。
此外，次級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電容器C2A與次級(jí)繞組N2的端部在次級(jí)繞組部分N2A側(cè)串聯(lián)連接，次級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電容器C2B與次級(jí)繞組N2的端部在次級(jí)繞組部分N2B側(cè)串聯(lián)連接。結(jié)果是，形成了由次級(jí)繞組部分N2A的漏電感分量和次級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電容器C2A的電容構(gòu)成的第一次級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電路。同樣，形成了由次級(jí)繞組部分N2B的漏電感分量和次級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電容器C2B的電容構(gòu)成的第二次級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電路。
次級(jí)繞組部分N2A側(cè)上的次級(jí)繞組N2的端部通過(guò)與次級(jí)繞組部分N2A串聯(lián)連接的次級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電容器C2A連接到整流二極管Do1的陽(yáng)極和整流二極管Do2的陰極之間的節(jié)點(diǎn)上。同樣，次級(jí)繞組部分N2B側(cè)上的次級(jí)繞組N2的端部通過(guò)與次級(jí)繞組部分N2B串聯(lián)的次級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電容器C2B連接到整流二極管Do3的陽(yáng)極和整流二極管Do4的陰極之間的節(jié)點(diǎn)上。
整流二極管Do1和Do3的陰極連接到平滑電容器Co的正極端上。平滑電容器Co的負(fù)極端連接到次級(jí)側(cè)地上。同樣，整流二極管Do2和Do4的陽(yáng)極連接到次級(jí)側(cè)地上。
以上述的連接方式，構(gòu)成第一電壓倍增器半波平滑電路，其包括第一次級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電路，并且由次級(jí)繞組部分N2A，次級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電容器C2A，整流二極管Do1和Do2以及平滑電容器Co構(gòu)成。同樣，形成第二電壓倍增器半波整流電路，其包括第二次級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電路，并且由次級(jí)繞組部分N2B，第二次級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電容器C2B，整流二極管Do1和Do2，以及平滑電容器Co構(gòu)成。
第一電壓倍增器半波整流電路通過(guò)在次級(jí)繞組N2中感應(yīng)的交流電壓的一個(gè)極性半周期的時(shí)間周期期間采用整流電流路徑執(zhí)行整流操作，由此，基于次級(jí)繞組部分N2A的交流電壓的電位來(lái)用經(jīng)整流的電流對(duì)次級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電容器C2A進(jìn)行充電。此時(shí)，整流電流路徑如下“次級(jí)繞組部分N2A→整流二極管Do2→次級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電容器C2A→次級(jí)繞組部分N2A”。另一方面，第一電壓倍增器半波整流電路通過(guò)在其中感應(yīng)的交流電壓的另一極性的半個(gè)周期的時(shí)間周期期間采用整流電流路徑而進(jìn)行整流操作，由此，基于將次級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電容器C2A兩端的電壓疊加到次級(jí)繞組N2A中的交流電壓所得到的電位而用經(jīng)整流的電流對(duì)平滑電容器Co進(jìn)行充電。此時(shí)，整流電流路徑如下“次級(jí)繞組部分N2A→次級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電容器C2A→整流二極管Do1→平滑電容器Co→次級(jí)繞組部分N2A”。
此外，第二電壓倍增器半波整流電路在另一極性的半周期的時(shí)間周期期間采用整流電流路徑而進(jìn)行整流操作，由此基于次級(jí)繞組部分N2A中的交流電壓的電位而用經(jīng)整流的電流對(duì)次級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電容器C2B進(jìn)行充電。此時(shí)，整流電流路徑如下“次級(jí)繞組部分N2B→整流二極管Do4→次級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電容器C2B→次級(jí)繞組部分N2B”。另一方面，第二電壓倍增器半波整流電路在一個(gè)極性的半周期的時(shí)間周期期間中采用整流電流路徑而進(jìn)行整流操作，由此基于將次級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電容器C2B兩端的電壓疊加到次級(jí)繞組N2B中的交流電壓而得到的電位而用經(jīng)整流的電流對(duì)平滑電容器Co進(jìn)行充電。此時(shí)，整流電流路徑如下“次級(jí)繞組部分N2B→次級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電容器C2B→整流二極管Do3→平滑電容器Co→次級(jí)繞組部分N2B”。
根據(jù)次級(jí)繞組N2的交流電壓的一個(gè)極性的半周期期間的上述整流操作，基于將次級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電容器C2B兩端的電壓疊加到次級(jí)繞組部分N2B中感應(yīng)的電壓而得到的電位，用經(jīng)整流的電流對(duì)平滑電容器Co進(jìn)行充電。另一方面，在次級(jí)繞組N2的交流電壓的另一極性的半周期期間，基于將次級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電容器C2A兩端的電壓疊加到次級(jí)繞組部分N2A中感應(yīng)的電壓而得到的電位，用經(jīng)整流的電流對(duì)平滑電容器Co進(jìn)行充電。結(jié)果是，得到對(duì)應(yīng)于在次級(jí)繞組部分N2A或者N2B的感應(yīng)的電壓的兩倍的值作為平滑電容器Co兩端的電壓的次級(jí)側(cè)直流輸出電壓Eo。也就是說(shuō)，得到了電壓倍增型全波整流電路。
圖7所示的電路包括倍波整流電路作為次級(jí)側(cè)整流電路。此時(shí)的倍波整流電路構(gòu)成如下。
首先，在次級(jí)繞組N2中設(shè)置中心抽頭，由此將次級(jí)繞組N2用中心抽頭作為邊界分成次級(jí)繞組部分N2A和N2B。中心抽頭連接到次級(jí)側(cè)地上。
此外，此時(shí)，該電路包括兩個(gè)整流二極管Do1和Do2，以及一個(gè)平滑電容器Co作為形成倍波整流電路的組成元件。整流二極管Do1的陽(yáng)極在次級(jí)繞組部分N2A側(cè)上連接到次級(jí)繞組N2的端部。整流二極管Do2的陽(yáng)極在次級(jí)繞組部分N2B側(cè)上連接到次級(jí)繞組N2的端部上。整流二極管Do1和Do2的陰極連接到平滑電容器Co的正極端。平滑電容器Co的負(fù)極端連接到處于次級(jí)側(cè)地電位的次級(jí)繞組N2的中心抽頭上。
在如此構(gòu)成的次級(jí)側(cè)倍波整流電路中，在次級(jí)繞組N2中感應(yīng)的次級(jí)繞組電壓V3的一個(gè)極性的半周期期間，經(jīng)整流的電流流過(guò)這樣的路徑次級(jí)繞組部分N2A→整流二極管Do1→平滑電容器Co，由此用經(jīng)整流的電流對(duì)平滑電容器Co進(jìn)行充電。另一方面，在次級(jí)繞組電壓V3另一極性的半周期期間，經(jīng)整流的電流流過(guò)這樣的路徑次級(jí)繞組部分N2B→整流二極管Do2→平滑電容器Co，由此用經(jīng)整流的電流對(duì)平滑電容器Co進(jìn)行充電。以這種方式，根據(jù)次級(jí)繞組電壓的正負(fù)半周期執(zhí)行用經(jīng)整流的電流對(duì)平滑電容器Co進(jìn)行充電的倍波整流操作。結(jié)果是，得到其值對(duì)應(yīng)于次級(jí)繞組部分N2A或者N2B中感應(yīng)的電壓的等倍值的次級(jí)側(cè)直流輸出電壓Eo作為平滑電容器Co兩端的電壓。
圖7的變化示出根據(jù)倍波整流電路構(gòu)成次級(jí)側(cè)整流電路而沒(méi)有設(shè)置次級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電容器的結(jié)構(gòu)。然而，為確保起見(jiàn)，從直到現(xiàn)在的描述可以導(dǎo)出，即使當(dāng)構(gòu)成的電源電路不包括次級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電路，如圖7和8所示，也解決了中等負(fù)載階段期間不能得到ZVS的異常操作，根據(jù)該實(shí)施例在對(duì)應(yīng)的負(fù)載功率的整個(gè)范圍上得到了正常開(kāi)關(guān)操作。
就該次級(jí)側(cè)整流電路來(lái)說(shuō)，將次級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電容器C2在圖8所示的電路中省略，圖8所示的電路包括橋式全波整流電路。由于橋式全波整流電路的電路結(jié)構(gòu)本身與圖5所示的相同，因此在此省略了其描述。
隨后，圖9和10分別示出了第二實(shí)施例的電源電路中的初級(jí)和次級(jí)側(cè)功率傳輸部分的變化。注意，盡管在這些附圖中省略示出了商用交流電源AC的噪聲濾波器(CMC，CL，CL)，對(duì)來(lái)自商用交流電源AC的交流電壓進(jìn)行整流和平滑的整流和平滑電路(Di，Ei)，開(kāi)關(guān)元件Q1，控制電路1，以及振蕩/驅(qū)動(dòng)電路2，但是根據(jù)圖3所示的電路結(jié)構(gòu)，這些組成元件被連接到圖9和10中所示的預(yù)定電路組成元件上。
圖9所示的電路設(shè)置有絕緣轉(zhuǎn)換變壓器PIT和絕緣轉(zhuǎn)換變壓器PIT-1，在絕緣轉(zhuǎn)換變壓器PIT中，分別纏繞有初級(jí)繞組N1和次級(jí)繞組N2。在絕緣轉(zhuǎn)換變壓器PIT中以直流形式彼此絕緣的狀態(tài)纏繞初級(jí)繞組N1和次級(jí)繞組N2。在絕緣轉(zhuǎn)換變壓器PIT-1中，將扼流線圈繞組N10以預(yù)定匝數(shù)纏繞在初級(jí)側(cè)，并且將次級(jí)側(cè)疊加繞組N13以預(yù)定匝數(shù)纏繞在次級(jí)側(cè)。此外，將扼流線圈繞組N10和次級(jí)側(cè)疊加繞組N13以直流形式彼此絕緣的狀態(tài)纏繞。
扼流線圈繞組N10的繞組結(jié)束端部分連接到平滑電容器Ci的正極端(未示出)。扼流線圈繞組N10的繞組開(kāi)始端部分連接到初級(jí)繞組N1的繞組開(kāi)始端部分、初級(jí)側(cè)并聯(lián)諧振電容器Cr的一個(gè)極性端部分，以及初級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電容器C11的一個(gè)極性端部分之間的節(jié)點(diǎn)上。
次級(jí)側(cè)疊加繞組N13的繞組開(kāi)始端部分連接到次級(jí)繞組N2的繞組開(kāi)始端部分，其繞組結(jié)束端部分連接到次級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電容器C2的一個(gè)極性端部分。也就是說(shuō)，在此時(shí)的電源電路的次級(jí)側(cè)上，該次級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電容器C2還與次級(jí)側(cè)疊加繞組N13和次級(jí)繞組N2的串聯(lián)組合串聯(lián)連接。然后，次級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電路由次級(jí)側(cè)疊加繞組N13和次級(jí)繞組N2的電感的合成電感以及次級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電容器C2的電容構(gòu)成。此外，設(shè)置電壓倍增器半波整流電路使得其包括次級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電路的次級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電容器C2。
由于具有這種結(jié)構(gòu)，在扼流線圈繞組N10中產(chǎn)生的諧振脈沖電壓同樣通過(guò)絕緣轉(zhuǎn)換變壓器PIT-1中的磁耦合感應(yīng)在次級(jí)側(cè)疊加繞組N13中。所得的感應(yīng)電壓疊加到次級(jí)繞組N2中的交流電壓上，其中次級(jí)繞組N2與次級(jí)疊加繞組N13串聯(lián)連接。結(jié)果是，在次級(jí)繞組N2中產(chǎn)生的交流電壓值增加，以根據(jù)次級(jí)側(cè)整流操作提供減小流過(guò)的電流的操作。結(jié)果是，減小了次級(jí)側(cè)上的整流二極管和其他元件中的開(kāi)關(guān)損耗，導(dǎo)通損耗等，其有助于提高功率變換效率。
接著，在圖10所示的電路結(jié)構(gòu)中，還為圖9所示的電路結(jié)構(gòu)提供初級(jí)側(cè)疊加繞組N3。設(shè)置初級(jí)側(cè)疊加繞組N3從而可以另外纏繞扼流線圈繞組N10的繞組開(kāi)始端部分側(cè)。此時(shí)，連接到初級(jí)疊加繞組N3上的一側(cè)上扼流線圈繞組N10的端部連接到初級(jí)側(cè)并聯(lián)諧振電容器Cr的一個(gè)極性端部分以及初級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電容器C11的一個(gè)極性端部之間的節(jié)點(diǎn)上。初級(jí)側(cè)疊加繞組N3中未連接到扼流線圈繞組N10的一側(cè)上的端部連接到初級(jí)繞組N1的繞組開(kāi)始端部分上。例如，扼流線圈N10和初級(jí)側(cè)疊加繞組N3之間的耦合度由約0.99的耦合系數(shù)k表示。因此，得到了密磁耦合的狀態(tài)。
由于具有這種結(jié)構(gòu)，在絕緣轉(zhuǎn)換變壓器PIT-1中，在扼流線圈繞組N10中產(chǎn)生的諧振脈沖電壓感應(yīng)到初級(jí)側(cè)疊加繞組N3中。同樣，在初級(jí)側(cè)疊加繞組N3中感應(yīng)的諧振脈沖電壓疊加到初級(jí)繞組電壓V2上。結(jié)果是，首先，從初級(jí)繞組電壓V2的值增加得到的初級(jí)側(cè)減小功耗的效果產(chǎn)生在初級(jí)繞組電壓V2中，與參考圖1描述的情況類似。此時(shí)，產(chǎn)生了由于提供次級(jí)側(cè)疊加繞組N13從次級(jí)繞組電壓電平增加得到的次級(jí)側(cè)上功耗減小的效果。這個(gè)效果同樣參考圖9進(jìn)行描述。因此，在與圖10所示的電路相同的情況下，增加了功率變換效率。
此外，當(dāng)采用圖10所示的電路結(jié)構(gòu)時(shí)，第一初級(jí)側(cè)并聯(lián)諧振電路被認(rèn)為是基于扼流線圈繞組N10，初級(jí)側(cè)疊加繞組N3以及初級(jí)繞組N1的串聯(lián)電路以及初級(jí)側(cè)并聯(lián)諧振電容器Cr和初級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電容器C11的串聯(lián)電路的并聯(lián)組合而構(gòu)成。為此，初級(jí)側(cè)疊加繞組N3被認(rèn)為是扼流線圈繞組N10的延伸，并且被看作本發(fā)明的第一電感器。
此外，基于初級(jí)繞組N1和初級(jí)側(cè)疊加繞組N3的串聯(lián)電路以及初級(jí)側(cè)并聯(lián)諧振電容器Cr的并聯(lián)組合而構(gòu)成第二初級(jí)側(cè)并聯(lián)諧振電路。
此外，基于初級(jí)繞組N1，初級(jí)側(cè)疊加繞組N3以及初級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電容器C11的串聯(lián)組合構(gòu)成第一串聯(lián)諧振電路?；诙罅骶€圈繞組N10和初級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電容器C11的串聯(lián)組合構(gòu)成第二串聯(lián)諧振電路。
然而，盡管在此省略了基于演示的描述，但是該電源電路包括部分電壓諧振電容器，從而根據(jù)本實(shí)施例在次級(jí)側(cè)上至少構(gòu)成部分電壓諧振電路。此時(shí)，至少由次級(jí)繞組N2的漏電感L2和部分電壓諧振電容器的電容構(gòu)成次級(jí)側(cè)部分電壓諧振電路。同樣，在次級(jí)側(cè)整流二極管的導(dǎo)通/截至?xí)r次級(jí)側(cè)部分電壓諧振電路進(jìn)行部分電壓諧振操作?；诓糠蛛妷褐C振操作，將要流過(guò)次級(jí)側(cè)整流二極管的電流流過(guò)次級(jí)側(cè)部分電壓諧振電容器。結(jié)果是，減小了整流二極管中的導(dǎo)通損耗和開(kāi)關(guān)損耗。
此外，本發(fā)明并不局限于以第一和第二實(shí)施例形式示出的結(jié)構(gòu)。例如，初級(jí)側(cè)開(kāi)關(guān)變換器的具體電路結(jié)構(gòu)，次級(jí)側(cè)整流電路的結(jié)構(gòu)等可以其他結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)。
此外，除MOS-FET以外的例如絕緣柵雙極晶體管(IGBT)或者雙極晶體管的器件可被選為主開(kāi)關(guān)元件(以及輔助開(kāi)關(guān)元件)。同樣，盡管在第一和第二實(shí)施例中給出了單獨(dú)的激勵(lì)型開(kāi)關(guān)變換器，但是在構(gòu)成自激型開(kāi)關(guān)變換器時(shí)可應(yīng)用本發(fā)明。
權(quán)利要求
1.一種開(kāi)關(guān)電源電路，包括整流和平滑電路，該整流和平滑電路至少包括整流元件和平滑電容器，用于從商用交流電源接收交流電壓作為其輸入以將這樣輸入的交流電壓整流和平滑，從而產(chǎn)生經(jīng)整流和平滑的電壓作為所述平滑電容器兩端的電壓；開(kāi)關(guān)元件，用于接收經(jīng)整流和平滑的電壓作為實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)的直流輸入電壓；開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)裝置，用于開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)所述開(kāi)關(guān)元件；第一電感器，插入到通過(guò)其將經(jīng)整流和平滑的電壓輸入到所述開(kāi)關(guān)元件的路徑中；第一初級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電路，用于對(duì)應(yīng)于所述開(kāi)關(guān)元件進(jìn)行的開(kāi)關(guān)而執(zhí)行諧振操作，所述第一初級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電路至少由第二電感器的電感和與所述第二電感器的電感串聯(lián)連接的初級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電容器的電容構(gòu)成；第二初級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電路，用于對(duì)應(yīng)于所述開(kāi)關(guān)元件進(jìn)行的開(kāi)關(guān)而執(zhí)行諧振操作，所述第二初級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電路至少由所述第一電感器的電感和與所述第一電感器的電感串聯(lián)連接的所述初級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電容器的電容構(gòu)成；第一初級(jí)側(cè)并聯(lián)諧振電路，用于對(duì)應(yīng)于所述開(kāi)關(guān)元件進(jìn)行的開(kāi)關(guān)而執(zhí)行諧振操作，所述第一初級(jí)側(cè)并聯(lián)諧振電路至少由所述第一電感器的電感，與第一電感器的電感串聯(lián)連接的第二電感器的電感，以及與由第一電感器和第二電感器構(gòu)成的串聯(lián)電路并聯(lián)連接的初級(jí)側(cè)并聯(lián)諧振電容器的電容構(gòu)成；轉(zhuǎn)換變壓器，該轉(zhuǎn)換變壓器通過(guò)纏繞所述第二電感器作為初級(jí)繞組并且纏繞次級(jí)繞組而構(gòu)成，通過(guò)在所述初級(jí)繞組中得到的開(kāi)關(guān)輸出而使得在所述次級(jí)繞組中感應(yīng)交流電壓，所述轉(zhuǎn)換變壓器用于在初級(jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)之間得到必要的耦合系數(shù)，在初級(jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)之間的耦合被認(rèn)為是松弛耦合；以及次級(jí)側(cè)直流輸出電壓產(chǎn)生裝置，用于接收在所述轉(zhuǎn)換變壓器的所述次級(jí)繞組中感應(yīng)的交流電壓作為其輸入，以整流這樣輸入的交流電壓，從而產(chǎn)生次級(jí)側(cè)直流輸出電壓。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的開(kāi)關(guān)電源電路，還包括恒壓控制裝置，用于對(duì)應(yīng)于次級(jí)側(cè)直流輸出電壓的值來(lái)控制所述開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)裝置，使得所述開(kāi)關(guān)裝置的開(kāi)關(guān)頻率可變，從而執(zhí)行次級(jí)側(cè)直流輸出電壓的恒壓控制。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的開(kāi)關(guān)電源電路，還包括與所述轉(zhuǎn)換變壓器的所述次級(jí)繞組串聯(lián)連接的次級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電容器，所述次級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電容器構(gòu)成對(duì)應(yīng)于整流操作而執(zhí)行諧振的次級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電路。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的開(kāi)關(guān)電源電路，其中具有在其中復(fù)合所述第一電感器的復(fù)合變壓器用作所述轉(zhuǎn)換變壓器。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的開(kāi)關(guān)電源電路，其中所述復(fù)合變壓器還包括EE型鐵芯，其中兩個(gè)E字狀鐵芯彼此進(jìn)行組合使得它們的磁腿彼此相對(duì)，所述EE型鐵芯形成所述轉(zhuǎn)換變壓器，所述初級(jí)側(cè)繞組和所述次級(jí)側(cè)繞組分別纏繞所述兩個(gè)E字狀鐵芯；以及另一個(gè)E字狀鐵芯，構(gòu)成所述第一電感器，具有面向所述EE字狀鐵芯的磁腿端面，一個(gè)繞組纏繞所述另一個(gè)E字狀鐵芯。
6.一種開(kāi)關(guān)電源電路，包括開(kāi)關(guān)元件，用于對(duì)直流輸入電壓進(jìn)行開(kāi)關(guān)；開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)裝置，用于開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)所述開(kāi)關(guān)元件；串聯(lián)插入在通過(guò)其將直流輸入電壓輸入到所述開(kāi)關(guān)元件的路徑的第一電感器和第二電感器；與所述第一電感器和所述第二電感器串聯(lián)連接的初級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電容器，所述初級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電容器構(gòu)成第一初級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電路以及第二初級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電路，用于分別對(duì)應(yīng)于所述開(kāi)關(guān)元件進(jìn)行的開(kāi)關(guān)而執(zhí)行諧振操作；與所述第二電感器或者所述開(kāi)關(guān)元件并聯(lián)連接的初級(jí)側(cè)并聯(lián)諧振電容器，所述初級(jí)側(cè)并聯(lián)諧振電容器構(gòu)成初級(jí)側(cè)并聯(lián)諧振電路，用于對(duì)應(yīng)于所述開(kāi)關(guān)元件進(jìn)行的開(kāi)關(guān)而執(zhí)行諧振操作；通過(guò)纏繞所述第二電感器作為初級(jí)繞組并纏繞次級(jí)繞組而構(gòu)成的轉(zhuǎn)換變壓器，通過(guò)在所述初級(jí)繞組中得到的開(kāi)關(guān)輸出而在所述次級(jí)繞組中感應(yīng)出交流電壓，所述轉(zhuǎn)換變壓器用于在初級(jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)之間得到必要的耦合系數(shù)，在初級(jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)之間的耦合被認(rèn)為是松弛耦合；以及次級(jí)側(cè)直流輸出電壓產(chǎn)生裝置，用于接收在所述轉(zhuǎn)換變壓器的所述次級(jí)繞組中感應(yīng)的交流電壓作為其輸入，用以整流這樣輸入的交流電壓，從而產(chǎn)生次級(jí)側(cè)直流輸出電壓。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的開(kāi)關(guān)電源電路，還包括恒壓控制裝置，用于對(duì)應(yīng)于次級(jí)側(cè)直流輸出電壓的值來(lái)控制所述開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)裝置，使得所述開(kāi)關(guān)裝置的開(kāi)關(guān)頻率可變，從而執(zhí)行次級(jí)側(cè)直流輸出電壓的恒壓控制。
8.根據(jù)權(quán)利要求6的開(kāi)關(guān)電源電路，還包括與所述轉(zhuǎn)換變壓器的所述次級(jí)繞組串聯(lián)連接的次級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電容器，所述次級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電容器構(gòu)成對(duì)應(yīng)于整流操作而執(zhí)行諧振的次級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電路。
9.根據(jù)權(quán)利要求6的開(kāi)關(guān)電源電路，其中具有復(fù)合到其中的所述第一電感器的復(fù)合變壓器用作所述轉(zhuǎn)換變壓器。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的開(kāi)關(guān)電源電路，其中所述復(fù)合變壓器還包括EE型鐵芯，其中兩個(gè)E字狀鐵芯彼此進(jìn)行組合使得它們的磁腿彼此相對(duì)，所述EE型鐵芯形成所述轉(zhuǎn)換變壓器，所述初級(jí)側(cè)繞組和所述次級(jí)側(cè)繞組分別纏繞所述兩個(gè)E字狀鐵芯；以及另一個(gè)E字狀鐵芯，構(gòu)成所述第一電感器，具有面向所述EE字狀鐵芯的磁腿端面，一個(gè)繞組纏繞所述另一個(gè)E字狀鐵芯。
全文摘要
本發(fā)明旨在將能在整個(gè)對(duì)應(yīng)的負(fù)載區(qū)上得到ZVS操作的單端諧振型變換器投入到實(shí)際應(yīng)用中去。這樣構(gòu)造開(kāi)關(guān)電源電路，其中初級(jí)側(cè)開(kāi)關(guān)變換器構(gòu)造成E類諧振型，該E類諧振型變換器的初級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電路的扼流線圈用作絕緣轉(zhuǎn)換變壓器的初級(jí)繞組。由于具有這種結(jié)構(gòu)，插入到直流輸入電壓的輸入線中的扼流線圈繞組被插在平滑電容器的正極端部以及初級(jí)繞組和初級(jí)側(cè)串聯(lián)諧振電容器之間的節(jié)點(diǎn)之間。因此，將扼流線圈繞組中產(chǎn)生的諧振脈沖電壓疊加到初級(jí)繞組中的交流電壓上。同樣，使得初級(jí)串聯(lián)諧振電流單獨(dú)流過(guò)該扼流線圈繞組。該開(kāi)關(guān)電源電路以這種方式進(jìn)行工作。
文檔編號(hào)H02M3/28GK1881771SQ20061010646
公開(kāi)日2006年12月20日 申請(qǐng)日期2006年6月8日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月8日
發(fā)明者安村昌之 申請(qǐng)人:索尼株式會(huì)社