專利名稱：開關(guān)電源電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及能夠減少開關(guān)元件的開關(guān)損失的開關(guān)電源電路。
背景技術(shù)：
以往，公知有升壓型的開關(guān)電源電路。圖9表示以往的升壓型的開關(guān)電源電路的一例。在圖9中，在直流電源Vin的兩端上連接有由電抗器LlO和MOSFET構(gòu)成的開關(guān)元件Ql與電流檢測(cè)電阻Rl的串聯(lián)電路。在開關(guān)元件Ql的漏極-源極間連接有ニ極管Da和電容器Ca的并聯(lián)電路。ニ極管Da也可以是開關(guān)元件Ql的寄生ニ極管，電容器Ca也可以是開關(guān)元件Ql的寄生電容器。在開關(guān)元件Ql和電流檢測(cè)電阻Rl的串聯(lián)電路的兩端上連接有電抗器L20、ニ極管Dl和電容器Cl的串聯(lián)電路。在電抗器L20的兩端上連接有由MOSFET構(gòu)成的開關(guān)元件Q2與電容器C2的串聯(lián)電路。開關(guān)元件Q2和電容器C2構(gòu)成了有源鉗位電路。在開關(guān)元件Q2的漏極-源極間連接有ニ極管Db和電容器Cb的并聯(lián)電路。ニ極管Db也可以是開關(guān)元件Q2的寄生ニ極管，電容器Cb也可以是開關(guān)元件Q2的寄生電容器?？刂齐娐?00進(jìn)行如下所述的控制根據(jù)來自電容器Cl的電壓和來自電流檢測(cè)電阻Rl的電壓，使開關(guān)元件Ql和開關(guān)元件Q2交替地接通/斷開，輸出比輸入電壓(直流電源Vin的電壓)高的恒壓的輸出電壓Vo。接著，說明圖9所示的以往的升壓型的開關(guān)電源電路的動(dòng)作。首先，當(dāng)將開關(guān)元件Ql從接通切換到斷開時(shí)，在開關(guān)元件Ql接通期間在電抗器LlO上勵(lì)磁的能量伴隨開關(guān)元件Ql的斷開，分為經(jīng)由開關(guān)元件Q2、電容器C2、ニ極管Dl的路徑向電容器Cl放出能量的第I路徑、經(jīng)由電抗器L20、ニ極管Dl的第2路徑。在第2路徑中，放出電抗器LlO的能量，對(duì)電抗器L20進(jìn)行勵(lì)磁。在第I路徑中，電容器C2被充電，電容器C2的電壓上升。在電容器Cb放電、ニ極管Db接通之后，接通開關(guān)元件Q2時(shí)，通過諧振動(dòng)作，在流過開關(guān)元件Q2、電容器C2的電流的極性反轉(zhuǎn)。并且，當(dāng)斷開開關(guān)元件Q2時(shí)，在電抗器L20上勵(lì)磁的能量被放出，在通過電抗器L20、ニ極管Dl、電容器Cl、電流檢測(cè)電阻R1、電容器Ca的路徑抽出電容器Ca的電荷，接通了ニ極管Da之后，通過導(dǎo)通開關(guān)元件Ql而能夠?qū)崿F(xiàn)開關(guān)元件Ql的零電壓開關(guān)(ZVS)。專利文獻(xiàn)I日本特開2004-201373號(hào)公報(bào)但是，記載于專利文獻(xiàn)I的以往的開關(guān)電源電路，應(yīng)用了使開關(guān)元件Ql和開關(guān)元件Q2交替地接通/斷開，使電抗器L20的能量在電容器C2上再生，產(chǎn)生如極性反轉(zhuǎn)的諧振電流的有源鉗位電路，但是由于電容器C2的充電電壓會(huì)加到輸出電壓(電容器Cl的電壓)，因此開關(guān)元件Ql、Q2的漏極-源極間電壓變得比電容器Cl的電壓大，有時(shí)會(huì)超過開關(guān)元件Q1、Q2的耐壓。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供一種高效的開關(guān)電源電路，其抑制有源鉗位電路的電容器的電壓上升，以不超過開關(guān)元件的耐壓，并實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)。為了解決上述問題，本發(fā)明的開關(guān)電源電路，其特征在于具有電抗器，其由第I電抗器和與所述第I電抗器串聯(lián)連接的第2電抗器構(gòu)成，該第I電抗器是由第I繞組和與該第I繞組磁耦合的第2繞組串聯(lián)連接而成的；第I串聯(lián)電路，其連接在直流電源的一端與另一端之間，由所述第I電抗器、所述第2電抗器、第I ニ極管和第I電容器串聯(lián)連接而成；第I開關(guān)元件，其連接在所述第I繞組與所述第2繞組之間的連接點(diǎn)、與所述直流電源的一端之間；第2串聯(lián)電路，其一端連接在所述第I繞組與所述第2繞組之間的連接點(diǎn)上，且另一端連接在所述第I ニ極管與所述第I電容器之間的連接點(diǎn)或所述第2電抗器與所述第Iニ極管之間的連接點(diǎn)上，由第2開關(guān)元件和第2電容器串聯(lián)連接而成；以及控制電路，其以所述第I開關(guān)元件的導(dǎo)通成為零電壓開關(guān)的方式，對(duì)所述第2開關(guān)元件的接通斷開進(jìn)行控制。根據(jù)本發(fā)明，當(dāng)斷開第I開關(guān)元件時(shí)，第I電抗器的勵(lì)磁能量從第I繞組通過第2開關(guān)元件和第2電容器而放出到第I電容器，第2電容器雖然被充電，但是同時(shí)從第2繞組也放出能量，第2電容器通過第2繞組、第2電抗器、第I ニ極管、第2電容器、第2開關(guān)元件的路徑或第2繞組、第2電抗器、第2電容器、第2開關(guān)元件的路徑放電，因此第2電容器的充電電壓被抑制得低，不會(huì)超過第I及第2開關(guān)元件的耐壓，實(shí)現(xiàn)第I及第2開關(guān)元件的零電壓開關(guān)，能夠提供聞效的開關(guān)電源電路。


圖I是本發(fā)明的實(shí)施例I的開關(guān)電源電路的結(jié)構(gòu)圖。圖2是表示本發(fā)明的實(shí)施例I的開關(guān)電源電路的各部分的動(dòng)作的波形圖。圖3是表示本發(fā)明的實(shí)施例I的開關(guān)電源電路的各部分的動(dòng)作的波形圖。圖4是用粗線表示了本發(fā)明的實(shí)施例I的開關(guān)電源電路的各部分在每個(gè)期間動(dòng)作時(shí)的電流路徑的圖。圖5是用粗線表示了本發(fā)明的實(shí)施例I的開關(guān)電源電路的各部分在每個(gè)期間動(dòng)作時(shí)的電流路徑的圖。圖6是本發(fā)明的實(shí)施例2的開關(guān)電源電路的結(jié)構(gòu)圖。圖7是本發(fā)明的實(shí)施例3的開關(guān)電源電路的結(jié)構(gòu)圖。圖8是本發(fā)明的實(shí)施例4的開關(guān)電源電路的結(jié)構(gòu)圖。圖9是表示以往的升壓型的開關(guān)電源電路的一例的圖。符號(hào)說明Vin :直流電源；Vac :交流電源；L1 :電抗器;L1_1 :第I電抗器的第I繞組;L1_2 第I電抗器的第2繞組；Lr :第2電抗器；Q1、Q2 :開關(guān)元件；D1 :ニ極管；RC1 :整流電路；Rl R3 :電阻；C1 C3 :電容器;10、IOa :控制電路。
具體實(shí)施例方式以下，參照附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的實(shí)施方式的開關(guān)電源電路。實(shí)施例I圖I是本發(fā)明的實(shí)施例I的開關(guān)電源電路的結(jié)構(gòu)圖。圖I所示的實(shí)施例I的開關(guān)電源電路是流過電抗器LI的電流連續(xù)地流過的電流連續(xù)模式的升壓斬波電路，其特征在干，對(duì)于圖9所示的以往的開關(guān)電源電路的結(jié)構(gòu)，設(shè)置有電抗器LI，該電抗器LI由如下部分構(gòu)成第I電抗器，其具有第I繞組Ll-I和與該第I繞組Ll-I磁耦合的第2繞組L1-2 ；以及由第2電抗器Lr。另外，在圖I中，使電抗器LI代替了圖9的電抗器L10、L20。由于其他的結(jié)構(gòu)與圖9的結(jié)構(gòu)相同，因此在相同部分上附上相同的符號(hào)。第2電抗器Lr由基于第I電抗器的第I繞組Ll-I與第2繞組Ll_2之間的漏磁通量的漏電感構(gòu)成。另外，第2電抗器Lr只要具有電感成分即可，也可以不是上述漏電感，單獨(dú)設(shè)置電抗器或飽和電抗器。另外，第I繞組Ll-I與第2繞組L1-2的匝數(shù)比可以是10 I
左右。 控制電路10根據(jù)來自電容器Cl的電壓和來自電流檢測(cè)電阻Rl的電壓，生成柵極信號(hào)Qlg而輸出到開關(guān)元件Ql的柵極，使開關(guān)元件Ql (第I開關(guān)元件)接通斷開。控制電路10生成使對(duì)開關(guān)元件Ql進(jìn)行接通斷開的柵極信號(hào)Qlg反轉(zhuǎn)的柵極信號(hào)Q2g，輸出到開關(guān)元件Q2(第2開關(guān)元件)的柵極，使開關(guān)元件Q2接通斷開。另外，控制電路10控制開關(guān)元件Q2的接通斷開，以使開關(guān)元件Ql的導(dǎo)通成為零電壓開關(guān)。另外，施加在開關(guān)元件Ql、Q2的電壓是電容器Cl的兩端電壓與電容器C2的兩端電壓之和。圖2及圖3是表示本發(fā)明的實(shí)施例I的開關(guān)電源電路的各部分的動(dòng)作的波形圖。圖4及圖5是用粗線表示了本發(fā)明的實(shí)施例I的開關(guān)電源電路的各部分在每個(gè)期間動(dòng)作時(shí)的電流路徑的圖。另外，在圖4及圖5中，電容器C2的電壓C2v將開關(guān)元件Q2的漏極側(cè)電位定義為正，將+Vo側(cè)電位定義為0伏特。接著，參照?qǐng)DI至圖5，說明實(shí)施例I的開關(guān)電源電路的各部分的動(dòng)作。另外，開關(guān)元件Ql和開關(guān)元件Q2具有規(guī)定的空載時(shí)間td，被交替地接通/斷開。圖4 (a)表示了初始狀態(tài)。首先，在圖4(b)的期間t3中，通過由直流電源Vin的電壓勵(lì)磁的電抗器LI的能量，通過Ll-I — Ql (Ca) — Rl — Vin的負(fù)極的路徑，對(duì)開關(guān)元件Ql的漏極-源極間的電容器Ca進(jìn)行充電。因此，開關(guān)元件Ql的漏扱-源極間的電壓Qlv上升。另外，與此同時(shí)，由于電抗器LI的能量還在Ll-I - Q2 (Cb) — C2 — Cl — Vin的負(fù)極的路徑上流過，因此開關(guān)元件Q2的漏極-源極間的電壓Q2v也開始下降。電容器Ca、Cb的電壓變化率dv/dt以由第I繞組Ll-I和電容器Ca、Cb的時(shí)間常數(shù)構(gòu)成的傾斜度變化。在圖4 (C)的期間t4中，在開關(guān)元件Q2的ニ極管Db上開始流過第I繞組Ll-I的放出能量。圖2及圖3所示的負(fù)電流Q2i表示在ニ極管Db上流過電流。在該負(fù)電流Q2i流過的期間，通過柵極信號(hào)Q2g使開關(guān)元件Q2接通，能夠?qū)崿F(xiàn)開關(guān)元件Q2的零電壓開關(guān)。另外,通過Vin的正極一Ll-I — L1-2 — Lr — Dl — Cl — Vin的負(fù)極的第I路徑和Vin的正極一Ll-I — Q2 — C2 — Cl — Vin的負(fù)極的第2路徑，向電容器Cl放出能量。
在圖4(d)的期間t5中，開關(guān)元件Ql斷開，開關(guān)元件Q2接通。此時(shí)，通過電抗器LI的能量，經(jīng)由開關(guān)元件Q2對(duì)電容器C2進(jìn)行充電。與此同時(shí)，開始放出第2繞組L1-2的能量，電容器C2通過L1-2 — Lr — Dl — C2 — Q2 — L1-2的路徑放電。在ニ極管Dl上連接有第2繞組L1-2和第2電抗器Lr，因此第2繞組Ll_2的放出能量在對(duì)第2電抗器Lr進(jìn)行勵(lì)磁的同時(shí)輸出到電容器Cl。隨之，當(dāng)電容器C2的充電電壓C2v逐漸上升時(shí)，這一次電容器C2放電而通過C2 — Q2 — L1-2 — Lr — Dl — C2的路徑流出電流。這也可以從開關(guān)元件Q2的電流Q2i極性反轉(zhuǎn)為正的情況來獲知。在圖5 (a)的期間t6中，開關(guān)元件Q2通過柵極信號(hào)Q2g而斷開，與此同時(shí)，第2電抗器Lr開始放出勵(lì)磁能量。在Lr — Dl — C2 — Q2 (Cb) — L1-2 — Lr的路徑上流過電流，電容器Cb以基于第2電抗器Lr和電容器Cb的時(shí)間常數(shù)的傾斜度dv/dt逐漸被充電，電容器Cb的電壓、即開關(guān)元件Q2的漏扱-源極間的電壓Q2v上升。進(jìn)而，通過Lr — Dl — Cl — Rl — Ql (Ca) — L1-2 — Lr的路徑，開始放出第2電抗器Lr的勵(lì)磁能量。此時(shí)，開關(guān)元件Ql的電容器Ca的電荷被抽出，開關(guān)元件Ql的電壓Qlv下降。在圖5(b)的期間t7中，通過與期間t6相同的電流路徑流過電流，因此在開關(guān)元件Ql的ニ極管Da上流過第2電抗器Lr的放出能量。圖2及圖3所示的負(fù)電流Qli表示在ニ極管Da上流過電流。在流過負(fù)電流Qli的期間，通過柵極信號(hào)Qlg來使開關(guān)元件Ql接通，從而能夠?qū)崿F(xiàn)開關(guān)元件Ql的零電壓開關(guān)。在圖5(c)的期間tl中，開關(guān)元件Ql接通，在開關(guān)元件Ql上，流過通過直流電源Vin而在第I繞組Ll-I上流過的勵(lì)磁電流、與通過第2電抗器Lr的能量放出而流過的電流之間的差分電流。在圖5(d)的期間t2中，第2電抗器Lr的能量放出結(jié)束，開關(guān)元件Ql的電流Qli以通過直流電源Vin而被勵(lì)磁的電流的傾斜度來流過。另外，當(dāng)逐漸增加第2繞組L1-2的匝數(shù)吋，如圖3所示，電容器C2的電壓C2v有時(shí)也成為負(fù)電壓，也能夠使開關(guān)元件Ql、Q2的電壓Qlv、Q2v比輸出電壓(電容器Cl的電壓)低。如上所述，根據(jù)實(shí)施例I的開關(guān)電源電路，通過斷開開關(guān)元件Q1，電抗器LI的勵(lì)磁能量首先從第I繞組Ll-I通過開關(guān)元件Q2和電容器C2放出到電容器Cl或負(fù)載，電容器C2被充電，但是同時(shí)從第2繞組L1-2也放出能量，電容器C2通過第2繞組L1-2、第2電抗器Lr、ニ極管Dl、電容器C2、開關(guān)元件Q2的路徑來放電。因此，電容器C2的充電電壓被抑制得低，開關(guān)元件Q1、Q2的漏扱-源極間電壓Vds不會(huì)超過耐壓。即、通過設(shè)置第2繞組L1-2，積極地進(jìn)行電容器C2的放電，不會(huì)出現(xiàn)由電容器C2的電壓的上升而引起的超過開關(guān)元件耐壓的情況，并且能夠?qū)崿F(xiàn)開關(guān)元件Q1、Q2的零電壓開關(guān)，提供聞效的開關(guān)電源電路。實(shí)施例2
圖6是本發(fā)明的實(shí)施例2的開關(guān)電源電路的結(jié)構(gòu)圖。在圖6所示的實(shí)施例2中，其特征在于，將第2繞組L1-2、第2電抗器Lr、電容器C2和開關(guān)元件Q2連接成閉路來構(gòu)成。另外，圖6改變了圖I的電容器C2的連接。由于其他的結(jié)構(gòu)與圖I的結(jié)構(gòu)相同，因此對(duì)相同部分附上了相同符號(hào)。
即使是如上所述的結(jié)構(gòu)，也能夠得到與圖I所示的實(shí)施例I的開關(guān)電源電路的動(dòng)作及效果相同的動(dòng)作及效果。實(shí)施例3圖7是本發(fā)明的實(shí)施例3的開關(guān)電源電路的結(jié)構(gòu)圖。在圖7所示的實(shí)施例3中，其特征在于，設(shè)置有由ニ極管D2、D3和電容器C3構(gòu)成的緩沖電路。另外，圖7中，對(duì)于圖I增加了ニ極管D2、D3、電容器C3。由于其他的結(jié)構(gòu)與圖I的結(jié)構(gòu)相同，因此對(duì)相同部分附上了相同符號(hào)。在ニ極管Dl的陽極上連接有電容器C3的一端，在電容器C3的另一端上連接有ニ極管D2的陽極和ニ極管D3的陰極。ニ極管D3的陽極連接在直流電源Vin的負(fù)極、電容器Cl的一端、輸出端子(-Vo)和電流檢測(cè)電阻Rl的一端。ニ極管D2的陰極連接在電容器Cl的另一端、ニ極管Dl的陰極和電容器C2的一端。 根據(jù)以上的結(jié)構(gòu)，當(dāng)接通開關(guān)元件Ql時(shí)，在第I繞組Ll-I上施加有直流電源Vin的電壓，第I繞組Ll-I和第2繞組L1-2磁耦合，因此在第2繞組L1-2上產(chǎn)生VinX (L1-2的匝數(shù))/(L1-1的匝數(shù))的電壓，將相加了該電壓和輸出電壓Vo的電壓施加到ニ極管Dl上。此時(shí)，通過抽出ニ極管Dl的積累電荷，有時(shí)在ニ極管Dl上產(chǎn)生浪涌電壓。此時(shí)，在第2繞組L1-2上產(chǎn)生的電壓通過電容器C3、ニ極管D2而對(duì)電容器Cl進(jìn)行充電。另外，ニ極管D3是在負(fù)電壓時(shí)使用的。因此，施加在ニ極管Dl的電壓降低，在ニ極管Dl上不會(huì)產(chǎn)生浪涌電壓。即、由于增加了ニ極管D2、D3和電容器C3的無損失緩沖電路，能夠抑制ニ極管Dl的耐壓。實(shí)施例4圖8所示的實(shí)施例4的開關(guān)電源電路的特征在于，代替圖I所示的開關(guān)電源電路的直流電源Vin設(shè)置了交流電源Vac和整流電路RCl的PFC電路(功率因數(shù)改善電路)。交流電源Vac將交流電壓供給到整流電路RCl。整流電路RCl對(duì)來自交流電源Vac的交流電壓進(jìn)行整流。圖8所示的控制電路IOa的特征在于，對(duì)圖I所示的控制電路10，進(jìn)ー步輸入與整流電路RCl的輸出兩端串聯(lián)連接的電阻R2與電阻R3之間的連接點(diǎn)的電壓，將電阻R2與電阻R3之間的連接點(diǎn)的輸入交流電壓和電容器Cl的輸出誤差電壓相乘，根據(jù)所得到的乘算輸出和電流檢測(cè)電阻Rl的電壓，以輸入交流電流波形與輸入交流電壓波形一致的方式進(jìn)行控制，從而改善功率因數(shù)。根據(jù)如上所述的實(shí)施例4的開關(guān)電源電路，在改善功率因數(shù)的同時(shí)進(jìn)行與實(shí)施例I的開關(guān)電源電路的動(dòng)作相同的動(dòng)作，能夠得到相同的效果。本發(fā)明能夠在DC-DC轉(zhuǎn)換器、功率因數(shù)改善電路和AC-DC轉(zhuǎn)換器中應(yīng)用。
權(quán)利要求
1.ー種開關(guān)電源電路，其特征在于具有 電抗器，其由第I電抗器和與所述第I電抗器串聯(lián)連接的第2電抗器構(gòu)成，其中，該第I電抗器是由第I繞組和與該第I繞組磁耦合的第2繞組串聯(lián)連接而成的； 第I串聯(lián)電路，其連接在直流電源的一端與另一端之間，由所述第I電抗器、所述第2電抗器、第I ニ極管和第I電容器串聯(lián)連接而成； 第I開關(guān)元件，其連接在所述第I繞組與所述第2繞組之間的連接點(diǎn)、與所述直流電源的一端之間； 第2串聯(lián)電路，其一端連接在所述第I繞組與所述第2繞組之間的連接點(diǎn)上，且另一端連接在所述第Iニ極管與所述第I電容器之間的連接點(diǎn)或所述第2電抗器與所述第Iニ極管之間的連接點(diǎn)上，由第2開關(guān)元件和第2電容器串聯(lián)連接而成；以及 控制電路，其以所述第I開關(guān)元件的導(dǎo)通成為零電壓開關(guān)的方式，對(duì)所述第2開關(guān)元件的接通斷開進(jìn)行控制。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的開關(guān)電源電路，其特征在干， 所述第2電抗器是所述第I電抗器的所述第I繞組與所述第2繞組之間的漏電感。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的開關(guān)電源電路，其特征在干， 所述第2電抗器是飽和電抗器。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的開關(guān)電源電路，其特征在干， 在所述第Iニ極管上連接有緩沖電路。
5.根據(jù)權(quán)利要求I至4中的任意一項(xiàng)所述的開關(guān)電源電路，其特征在干， 所述直流電源由交流電源和整流電路構(gòu)成，所述控制電路執(zhí)行改善功率因數(shù)的控制。
全文摘要
本發(fā)明的開關(guān)電源電路具有第2電抗器(Lr)，其與第1電抗器串聯(lián)連接；連接在直流電源(Vin)的一端與另一端之間，由第1電抗器、第2電抗器、第1二極管(D1)和第1電容器(C1)串聯(lián)連接而成的串聯(lián)電路；開關(guān)元件(Q1)，其連接在第1繞組與第2繞組之間的連接點(diǎn)、與直流電源的一端之間；一端連接在第1繞組與第2繞組之間的連接點(diǎn)上，另一端連接在第1二極管與第1電容器之間的連接點(diǎn)或第2電抗器與第1二極管之間的連接點(diǎn)上，由開關(guān)元件(Q2)和第2電容器(C2)串聯(lián)連接而成的串聯(lián)電路；以及控制電路(10)，其以開關(guān)元件(Q1)的導(dǎo)通成為零電壓開關(guān)的方式，對(duì)開關(guān)元件(Q2)的接通斷開進(jìn)行控制。
文檔編號(hào)H02M3/155GK102651610SQ20121003994
公開日2012年8月29日 申請(qǐng)日期2012年2月20日 優(yōu)先權(quán)日2011年2月28日
發(fā)明者千葉明輝 申請(qǐng)人:三墾電氣株式會(huì)社