專利名稱：諧振型開關(guān)電源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種開關(guān)電源電路，特別是，涉及一種在電流諧振型開關(guān)電源中對(duì)降低功率損耗有用的開關(guān)電源。
圖4示出了半橋電路構(gòu)成的開關(guān)電源的一個(gè)原理圖。標(biāo)號(hào)Q1和Q2表示串聯(lián)連接的MOSFET構(gòu)成的開關(guān)元件。標(biāo)號(hào)T表示一個(gè)把初級(jí)側(cè)上的切換功率轉(zhuǎn)換到次級(jí)側(cè)的隔離變壓器。
IC表示交替開/關(guān)開關(guān)元件Q1和Q2的電源控制電路，并且通常被構(gòu)造成使開關(guān)元件Q1和Q2的切換頻率可變，同時(shí)，通過(guò)電壓檢測(cè)裝置(未圖示)把一個(gè)輸出電壓V0與一個(gè)參考電壓比較并由電路控制將輸出電壓V0設(shè)置到一個(gè)恒定值。
開關(guān)元件Q1和Q2的輸出被提供到隔離變壓器T的初級(jí)繞組L1和一個(gè)諧振電容器C1。如果開關(guān)元件Q1和Q2交替開/關(guān)，變壓器的初級(jí)繞組L1被對(duì)諧振電容器C1充/放電的電流驅(qū)動(dòng)，諧振電容器C1諧振到變壓器T的一個(gè)漏電感。
如果，在流到開關(guān)元件的一個(gè)電流被設(shè)置到0的一個(gè)時(shí)限，開關(guān)元件的一個(gè)開關(guān)操作通過(guò)諧振電流被執(zhí)行，開關(guān)元件的損耗電流能夠被降低。
全波整流二極管D1和D2與濾波電容器C0被連接到隔離變壓器T的次級(jí)繞組L2，并獲得輸出電壓V0。
但是，在這樣一個(gè)開關(guān)電源電路中，如圖5所示的電壓V1和電流I通過(guò)開關(guān)元件Q1和Q2的開/關(guān)流出，在開關(guān)元件Q1接通時(shí)，流向晶體管的電流開始從諧振狀況測(cè)定的傾斜處的負(fù)方向流出，實(shí)現(xiàn)一個(gè)過(guò)零(zero-cross)。至于電流I，如圖5所示，與諧振電路一樣多的諧振電流IR被多路傳輸?shù)胶凸β兽D(zhuǎn)換一樣多的電流I1。因此，漏電流值增加。
因此，問(wèn)題在于，開關(guān)元件Q1和Q2處的飽和電壓和電流的乘積的功率損耗增加。
尤其是，關(guān)于普通電流諧振型開關(guān)電源，隔離變壓器T的漏電感被利用，從而產(chǎn)生一個(gè)由漏電感和諧振電容C1設(shè)定的諧振頻率，因此難以設(shè)計(jì)隔離變壓器T。另外，為了產(chǎn)生一個(gè)到隔離變壓器T的漏磁通，例如，設(shè)計(jì)使得初級(jí)繞組L1和次級(jí)繞組L2大致耦合。從而產(chǎn)生一個(gè)問(wèn)題，功率的轉(zhuǎn)換效率降低并產(chǎn)生一個(gè)漏磁場(chǎng)。
根據(jù)本發(fā)明，為了解決上述問(wèn)題，在用于以預(yù)定切換頻率切換供電電壓并用于經(jīng)變壓器輸出一個(gè)由切換操作產(chǎn)生的交變功率的開關(guān)電源中，設(shè)置一個(gè)包括以預(yù)定頻率諧振的諧振元件的三級(jí)繞細(xì)用作變壓器繞組，并通過(guò)諧振元件確定開關(guān)電源的一個(gè)諧振頻率。
在半橋型開關(guān)電源的情況下，通常，變壓器包括一個(gè)初級(jí)繞組和一個(gè)次級(jí)繞組，以及一個(gè)第三線圈被設(shè)置為三級(jí)繞組。通過(guò)把諧振元件連接到三級(jí)繞組，構(gòu)成一個(gè)電流諧振型開關(guān)電源。
由于電流諧振電路被添加到變壓器的三級(jí)繞組以及開關(guān)電源的諧振頻率被確定，諧振電流不直接被開關(guān)元件通/斷，開關(guān)損耗能夠被減少。
在隔離變壓器的情況下，初級(jí)繞組和次級(jí)繞組能夠被緊密地耦合，從而，與普通電流諧振型開關(guān)電源相比，被傳輸?shù)墓β实霓D(zhuǎn)換效率能夠被提高。
而且，與繞組數(shù)量比相當(dāng)，諧振電流的被施加的電壓能夠被任意地設(shè)置，并且能夠執(zhí)行諧振電路的最優(yōu)設(shè)計(jì)(實(shí)現(xiàn)小損耗)。


圖1是一個(gè)電路方框圖，示出了本發(fā)明開關(guān)電源電路的一個(gè)實(shí)施例。
圖2是一個(gè)波形圖，示出了在圖1中的開關(guān)操作時(shí)間的每一個(gè)位置的信號(hào)。
圖3是一個(gè)電路方框圖，相當(dāng)于三級(jí)繞組的諧振阻抗。
圖4是一個(gè)電路方框圖，示出了電流諧振型開關(guān)電源的一個(gè)輪廓。
圖5是開關(guān)電壓和諧振電流的波形圖。
圖1所示為半橋型電流諧振型開關(guān)電源電路，它示出了本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例。如圖4所示，標(biāo)號(hào)E表示一個(gè)電源，Q1和Q2表示形成一個(gè)半橋連接的開關(guān)電路的開關(guān)元件。它們由MOS晶體管構(gòu)成。
輸出端經(jīng)隔離變壓器T的初級(jí)繞組L1被連接到兩個(gè)整流電容C1和C2之間的中點(diǎn)，以具有一個(gè)半橋結(jié)構(gòu)。
一個(gè)全波整流電路被構(gòu)成，從而一個(gè)由隔離變壓器T的次級(jí)繞組L2感應(yīng)的感應(yīng)電壓經(jīng)二極管D1和D2為一個(gè)平滑電容C0充電。
此外，在本發(fā)明的實(shí)施例中，作為一個(gè)第三線圈，一個(gè)三級(jí)繞組L2被用于隔離變壓器T。一個(gè)用于諧振的電容Cr和一個(gè)用于諧振的線圈Lr被連接到三級(jí)繞組L3，諧振電路被添加。
也就是說(shuō)，如圖3所示，耦合到三級(jí)繞組L3的諧振元件(Cr，Lr)經(jīng)隔離變壓器T通過(guò)一個(gè)N1/N3＝a的繞組比等效地連接初級(jí)側(cè)上的開關(guān)電路。
在這種情況下，R1和(1-K)L1分別表示初級(jí)繞組的一個(gè)阻抗分量和一個(gè)漏電感分量。標(biāo)號(hào)K表示初級(jí)和三級(jí)繞組的耦合系數(shù)。
如果在繞組比等于“a”的情況下假定一個(gè)緊密耦合K＝1，諧振元件Cr和Lr的阻抗等于被a2乘獲得的一個(gè)值。
由等效諧振元件阻抗設(shè)置的一個(gè)諧振頻率包括一個(gè)電流IR，當(dāng)開關(guān)元件Q1和Q2接通/斷開三級(jí)繞組L3時(shí)用作一個(gè)諧振波形。
IC是用于控制驅(qū)動(dòng)開關(guān)元件Q1和Q2的IC電路。IC電路通?？刂魄袚Q頻率，從而把輸出電壓V0保持在一個(gè)恒定電壓，并檢測(cè)開關(guān)電源溫度的不規(guī)則增加，從而它能夠具有一個(gè)保護(hù)功能，用于停止一個(gè)開關(guān)操作。
下面將描述本發(fā)明的開關(guān)電源的操作。
例如，如果MOS晶體管Q1被驅(qū)動(dòng)接通，MOS晶體管Q2被驅(qū)動(dòng)斷開，電壓V1被施加并且其電流從電源E經(jīng)MOS晶體管Q1和變壓器的初級(jí)繞組L1流到整流電容C1。整流電容C1被充電，并且同時(shí)，如圖2所示，電流I1流到變壓器的初級(jí)繞組L1。
然后，與諧振頻率相當(dāng)，MOS晶體管Q1被驅(qū)動(dòng)斷開，MOS晶體管Q2被驅(qū)動(dòng)接通，從而電壓V1等于晶體管的飽和電壓。相反方向上的電流I1經(jīng)整流電容C2和變壓器的初級(jí)繞組L1被提供到隔離變壓器T的初級(jí)繞組L1。交變電壓被感應(yīng)到次級(jí)繞組L2。
如果切換頻率的負(fù)載等于50％，整流電容C1和C2分別以電源電壓的一半被充電，作為一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)。
雖然，施加到隔離變壓器T的交變電壓甚至被感應(yīng)到三級(jí)繞組L3，三級(jí)繞組被形成從而通過(guò)諧振元件(Ir，Cr)產(chǎn)生一個(gè)連續(xù)的諧振。因此，如圖2中的電流波形IR所示，由于諧振元件的影響，初級(jí)側(cè)驅(qū)動(dòng)電流I的波形也變成諧振波形。
也就是說(shuō)，通過(guò)隔離變壓器中初級(jí)繞組和三級(jí)繞組之間的等效電路，如圖3所示，它等效于，通過(guò)繞組比a2乘以諧振元件的阻抗ωL1/ωC的諧振阻抗所獲得的阻抗被插入到初級(jí)側(cè)電路。與普通電流諧振型電路類似，切換頻率被適當(dāng)?shù)販y(cè)定，從而使接通和斷開時(shí)開關(guān)損耗被降低。
在本發(fā)明的情況下，以及在MOS晶體管接通時(shí)，諧振電流組分不直接被開關(guān)元件接通/斷開，從而由于FET的on-阻抗造成的損耗能夠被降低。
由于諧振頻率沒(méi)有通過(guò)使用變壓器的漏電感設(shè)置，繞組被提供，從而初級(jí)、次級(jí)和三級(jí)繞組的耦合可以被盡可能地設(shè)置為緊密耦合。隔離變壓器年被容易地設(shè)計(jì)，特別是次級(jí)繞組的功率轉(zhuǎn)換效率能夠被設(shè)置到較高。
當(dāng)三級(jí)繞組被設(shè)計(jì)從而它被較松散耦合到初級(jí)繞組L1時(shí)，僅在初級(jí)和三級(jí)繞組之間產(chǎn)生漏磁通。漏磁通被用作一個(gè)漏電感，從而圖1中的諧振線圈Lr能夠被省略，一個(gè)諧振頻率能夠通過(guò)電容Cr設(shè)置。
在上述實(shí)施例中，電流諧振型半橋型轉(zhuǎn)換器已經(jīng)作為一個(gè)例子被描述。但是，關(guān)于用于通/斷流經(jīng)變壓器繞組的電流、通過(guò)切換操作產(chǎn)生一個(gè)交變電壓、并利用諧振波形通/斷切換電流的諧振型功率轉(zhuǎn)換裝置，顯然可以理解，本發(fā)明也可以被應(yīng)用到用于通過(guò)一個(gè)繞組僅連接到諧振電路而形成諧振型開關(guān)電源的另一個(gè)系統(tǒng)的諧振型功率轉(zhuǎn)換裝置。
如上所述，本發(fā)明的一個(gè)作用是在一個(gè)功率轉(zhuǎn)換裝置中通過(guò)利用變壓器的一個(gè)漏電感形成一個(gè)諧振型轉(zhuǎn)換器，一個(gè)第三繞組被提供用于變壓器，僅用于形成一個(gè)以預(yù)定諧振頻率諧振的諧振電路，從而諧振電路被切換時(shí)開關(guān)損耗能夠被消除，轉(zhuǎn)換裝置的效率能夠被提高。
尤其是，在絕緣型功率轉(zhuǎn)換裝置的情況下，由于初級(jí)和次級(jí)繞組能夠被緊密地耦合，變壓器能夠被容易地設(shè)計(jì)，并且電流的轉(zhuǎn)換效率能夠被提高。
權(quán)利要求
1.一種諧振型開關(guān)電源，用于執(zhí)行開關(guān)操作，通過(guò)開關(guān)元件以預(yù)定的切換頻率通/斷電源電壓，并用于通過(guò)所說(shuō)的切換操作經(jīng)一個(gè)變壓器輸出一個(gè)交變電源，其中一個(gè)第三繞組被提供，以預(yù)定頻率諧振的諧振元件被連接到第三繞組，從而通過(guò)所說(shuō)的諧振元件確定所說(shuō)的變壓器的繞組和開關(guān)電源的諧振頻率。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的一種諧振型開關(guān)電源，其中所說(shuō)的變壓器包括一個(gè)初級(jí)繞組和次級(jí)繞組，并且所說(shuō)的第三繞組作為一個(gè)三級(jí)繞組被耦合。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的一種諧振型開關(guān)電源，其中所說(shuō)的開關(guān)元件包括兩個(gè)半橋連接的MOS晶體管。
4.根據(jù)權(quán)利要求2的一種諧振型開關(guān)電源，其中所說(shuō)的初級(jí)繞組和次級(jí)繞組被緊密耦合。
5.根據(jù)權(quán)利要求2的一種諧振型開關(guān)電源，其中形成在所說(shuō)的第三繞組中的諧振電路包括諧振線圈和諧振電容的串聯(lián)連接電路。
6.根據(jù)權(quán)利要求2的一種諧振型開關(guān)電源，其中所說(shuō)的第三繞組和所說(shuō)的第一繞組松散耦合，諧振頻率由連接到第三繞組的電容和第一繞組與第三繞組之間的一個(gè)漏電感確定。
全文摘要
在開關(guān)電源中,通過(guò)交替接通第一和第二MOS晶體管,切換電流流到變壓器的初級(jí)繞組,交變電流被傳輸?shù)酱渭?jí)側(cè)。次級(jí)繞組中產(chǎn)生的交變電壓被第一和第二二極管全波整流。諧振元件(電容和線圈)被連接到耦合到隔離變壓器的三級(jí)繞組,從而使初級(jí)側(cè)被設(shè)置到諧振狀態(tài)中,并被設(shè)置到一個(gè)電流諧振型開關(guān)電源。由于變壓器的漏電感沒(méi)有被設(shè)置到諧振元件,隔離變壓器繞組之間的一個(gè)間隙能夠被緊密地耦合。由于諧振電流沒(méi)有被直接通/斷,初級(jí)電流的峰值被削弱,開關(guān)損耗和阻抗造成的損耗能夠被降低。電流諧振型開關(guān)電源的效率因此被提高。
文檔編號(hào)H02M3/24GK1232312SQ99106239
公開日1999年10月20日 申請(qǐng)日期1999年4月10日 優(yōu)先權(quán)日1998年4月10日
發(fā)明者小堀克己, 今村典俊 申請(qǐng)人:索尼公司