開(kāi)關(guān)電源以及開(kāi)關(guān)方法

專利名稱：開(kāi)關(guān)電源以及開(kāi)關(guān)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及開(kāi)關(guān)電源以及開(kāi)關(guān)方法的技術(shù)。
背景技術(shù)：
為了從商用交流電源進(jìn)行整流、平滑而得到直流，使用二極管橋和平滑電容器的 結(jié)構(gòu)是最簡(jiǎn)單的。但是，根據(jù)該結(jié)構(gòu)，成為輸入電流僅在電源電壓的峰值附近流通的、所謂 電容器輸入型的整流電路，造成功率因數(shù)降低、輸入諧波增大。在國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了輸入 諧波的問(wèn)題，需要與輸入電力對(duì)應(yīng)的對(duì)策。相對(duì)于其動(dòng)作，提出了各種稱為功率因數(shù)改善 (PFC :Power Factor Correction)轉(zhuǎn)換器或者高功率因數(shù)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換器。其中最一般的電路是非專利文獻(xiàn)1記載那樣的稱為升壓型PFC轉(zhuǎn)換器的電路方 式。圖11示出一般的開(kāi)關(guān)電源的電路圖。圖11所示的開(kāi)關(guān)電源lb具備前級(jí)的升壓型PFC轉(zhuǎn)換器41和后級(jí)的絕緣型 DC (Direct Current，直流)-DC 轉(zhuǎn)換器 42。升壓型PFC轉(zhuǎn)換器41 (以下記載為PFC轉(zhuǎn)換器41)是如下結(jié)構(gòu)的電路在連接于 交流電源2的整流二極管橋3的正極側(cè)與負(fù)極側(cè)之間連接線圈21和開(kāi)關(guān)元件22的串聯(lián)電 路，在線圈21和開(kāi)關(guān)元件22的連接點(diǎn)上連接升壓二極管23的陽(yáng)極側(cè)，將升壓二極管23的 陰極側(cè)與輸出平滑電容器24的高電壓側(cè)連接，并連接了輸出平滑電容器24的低電壓側(cè)與 二極管橋3的負(fù)極側(cè)。于是，通過(guò)對(duì)PFC控制用的開(kāi)關(guān)元件22的導(dǎo)通期間的時(shí)間比率進(jìn)行控制，來(lái)控制 輸入電流波形，通過(guò)升壓二極管23向輸出平滑電容器24積蓄電荷，將升壓后的電壓保持在 輸出平滑電容器24中。另外，后級(jí)的絕緣型DC-DC轉(zhuǎn)換器42雖然是電流諧振型的轉(zhuǎn)換器，但將保持在該 輸出平滑電容器24中的電壓作為輸入，對(duì)兩個(gè)開(kāi)關(guān)元件25、26進(jìn)行導(dǎo)通/截止控制以使時(shí) 間比率分別成為大致50%并且使定時(shí)相輔。于是，其結(jié)果，通過(guò)次級(jí)側(cè)的二極管29、30和輸 出電容器31對(duì)由諧振電容器27和變壓器28構(gòu)成的諧振電路中發(fā)生的諧振電流進(jìn)行整流、 平滑，向負(fù)載32輸出期望的直流輸出電壓。非專利文獻(xiàn)1 :「L6599」數(shù)據(jù)表(尹一夕* 一卜)、p. 6、「在線」、2009年2月11 日、ST微電子學(xué)(ST74夕口工 卜口二夕7)，「2009年2月17日檢索」、網(wǎng)絡(luò)<URL http://www. st. com/stonline/products/literature/ds/12337/16599. pdf>但是，圖11所示的PFC轉(zhuǎn)換器41不具有絕緣功能，并且是升壓型的，所以為了得 到直流24V、12V這樣的電壓，通過(guò)在PFC轉(zhuǎn)換器41的后級(jí)連接具有絕緣變壓器的絕緣型 DC-DC轉(zhuǎn)換器42，并利用該絕緣型DC-DC轉(zhuǎn)換器42進(jìn)行降壓，由此得到期望的直流電壓。根 據(jù)這樣的結(jié)構(gòu)，需要直到得到直流電壓為止通過(guò)變換電路，所以綜合變換效率低，且在節(jié)能 的觀點(diǎn)上存在課題。另外，在圖11那樣的開(kāi)關(guān)電源lb的情況下，對(duì)于在PFC轉(zhuǎn)換器41中使用的開(kāi)關(guān)元件22、和在絕緣型DC-DC轉(zhuǎn)換器42中使用的開(kāi)關(guān)元件25、26的控制信號(hào)，如非專利文獻(xiàn) 1所述，一般分別使用各自的控制ICdntegrated Circuit，集成電路)，所以在通過(guò)對(duì)控制 IC、其他部件件數(shù)進(jìn)行削減等來(lái)降低整體的成本時(shí)存在界限。進(jìn)而，圖11所示那樣的開(kāi)關(guān)電源lb成為兩級(jí)的轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)，所以存在如下課題 例如，即使各轉(zhuǎn)換器41,42實(shí)現(xiàn)90%的效率，但綜合效率求積成為81% (0.9X0.9X100)， 即使使各轉(zhuǎn)換器41、42高效化，其結(jié)果整體效率也會(huì)降低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是鑒于這樣的背景而完成的，本發(fā)明的目的在于提供一種效率良好的開(kāi)關(guān) 電源以及開(kāi)關(guān)方法。為了解決上述課題，本發(fā)明提供一種開(kāi)關(guān)電源，將交流電壓作為輸入，輸出直流電 壓，其特征在于，具備對(duì)上述交流進(jìn)行整流的整流部、第一電容器、第一電路、以及第二電路，對(duì)于上述整流部并聯(lián)連接了上述第一電容器、上述第一電路、以及上述第二電路，在上述第一電容器的輸入側(cè)端子與上述第二電路的輸入側(cè)端子之間，對(duì)于上述整 流部串聯(lián)連接了第一電感器，在上述第一電路中，串聯(lián)連接有第一開(kāi)關(guān)元件和第二開(kāi)關(guān)元件，進(jìn)而，在上述第一電路中，對(duì)于上述第二開(kāi)關(guān)元件并聯(lián)連接了第三電路，其中，在 上述第三電路中，串聯(lián)連接有變壓器的初級(jí)繞組和第三電容器，上述變壓器的初級(jí)繞組對(duì)應(yīng)于平滑電路中的變壓器的次級(jí)繞組，在上述第二電路中，串聯(lián)連接有上述第三開(kāi)關(guān)元件和第二電容器。對(duì)于其他單元，在實(shí)施方式中適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行描述。根據(jù)本發(fā)明，可以提供一種效率良好的開(kāi)關(guān)電源以及開(kāi)關(guān)方法。


圖1是第一實(shí)施方式的開(kāi)關(guān)電源的電路圖。圖2是示出通過(guò)本實(shí)施方式的開(kāi)關(guān)電源進(jìn)行了控制時(shí)的輸入電壓、輸入電流、 Cdc2電壓以及輸出電壓的關(guān)系的圖。圖3是示出在圖2的期間T1進(jìn)行的控制動(dòng)作的時(shí)序圖。圖4是示出在圖2的期間T2進(jìn)行的控制動(dòng)作的時(shí)序圖。圖5A是示出各時(shí)刻下的電路與電流的狀態(tài)的圖(其1)。圖5B是示出各時(shí)刻下的電路與電流的狀態(tài)的圖(其2)。圖6是用于進(jìn)行開(kāi)關(guān)電源的動(dòng)作的比較的時(shí)序圖。圖7是示出向用于控制本實(shí)施方式的開(kāi)關(guān)電源的控制器的輸入輸出信息的圖。圖8是示出圖2中的期間T2中的其他動(dòng)作控制的時(shí)序圖。圖9是示出用于使電容器Cdc2的兩端電壓上升時(shí)的輸入電壓、輸入電流、電容器 Cdc2以及輸出電壓的關(guān)系的圖。圖10是第三實(shí)施方式的開(kāi)關(guān)電源的電路圖。圖11是一般的開(kāi)關(guān)電源的電路圖。
標(biāo)號(hào)說(shuō)明1、la、lb 開(kāi)關(guān)電源2交流電源3 二極管橋(整流部)5 負(fù)載20控制器Cdcl電容器(第一電容器)Cdc2電容器(第二電容器)Cr電容器(諧振電容器第三電容器)D1、D2 二極管Lin 電感器(inductor)(第一電感器)Lr電感器(第二電感器)Q1開(kāi)關(guān)元件(第一開(kāi)關(guān)元件)Q2開(kāi)關(guān)元件(第二開(kāi)關(guān)元件)Q3開(kāi)關(guān)元件(第三開(kāi)關(guān)元件)Tr變壓器
具體實(shí)施例方式接下來(lái)，適當(dāng)?shù)貐⒄崭綀D，詳細(xì)說(shuō)明用于實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的方式(稱為“實(shí)施方式”)。 另外，在本實(shí)施方式中參照的附圖中，對(duì)同樣的結(jié)構(gòu)附加同一標(biāo)號(hào)并省略說(shuō)明。本實(shí)施方式的開(kāi)關(guān)電源在具有功率因數(shù)改善控制和絕緣功能、輸出電壓穩(wěn)定化控 制功能的一級(jí)方式開(kāi)關(guān)電源中，能提供高效且適用于小型薄型化的方式，可以對(duì)液晶電視、 等離子電視的設(shè)置厚度的薄型化作出貢獻(xiàn)。(第一實(shí)施方式)首先，使用圖1 圖7，說(shuō)明本發(fā)明的第一實(shí)施方式。(電路結(jié)構(gòu))圖1是第一實(shí)施方式的開(kāi)關(guān)電源的電路圖。在開(kāi)關(guān)電源1中，首先，來(lái)自交流電源2的輸入電壓經(jīng)由作為整流部的二極管橋3 成為輸入電壓波形的全波整流波形。將來(lái)自二極管橋3的輸入電流記載為Iin，將來(lái)自二極 管橋3的輸入電壓記載為Vin。另外，交流電源2以及二極管橋3的結(jié)構(gòu)與圖11所示的交 流電源2以及整流二極管橋3相同，所以附加了同一標(biāo)號(hào)。在二極管橋3的直流側(cè)(輸出側(cè))的正側(cè)端子N1、負(fù)側(cè)端子N2之間，并聯(lián)連接了 作為第一電容器的電容器Cdcl。另外，與該電容器Cdcl并聯(lián)連接了第二電路。第二電路 是串聯(lián)連接了作為第三開(kāi)關(guān)元件的開(kāi)關(guān)元件Q3、和作為第二電容器的電容器Cdc2的電路。 另外，在第二電路的正側(cè)端子N3與端子m之間，串聯(lián)連接了電感器Lin。進(jìn)而，在第二電路的正側(cè)端子N3與負(fù)側(cè)端子N4之間，并聯(lián)連接了第一電路。第一 電路是串聯(lián)連接了作為第一開(kāi)關(guān)元件的開(kāi)關(guān)元件Q1和作為第二開(kāi)關(guān)元件的開(kāi)關(guān)元件Q2的 電路。另外，對(duì)開(kāi)關(guān)元件Q2，并聯(lián)連接了第三電路。第三電路是串聯(lián)連接了變壓器Tr的
5初級(jí)側(cè)(初級(jí)繞組)和作為第三電容器的電容器Cr (諧振電容器)的電路。接下來(lái)，說(shuō)明平滑電路。在平滑電路中，變壓器Tr的次級(jí)側(cè)(次級(jí)繞組)將中點(diǎn)接地而二分割之后，各自 的另一端上連接了二極管D1、D2的陽(yáng)極，二極管D1、D2的陰極與電容器4的正極側(cè)共同連 接。另外，輸出電容器4的負(fù)極側(cè)被接地，該輸出電容器4與負(fù)載5并聯(lián)連接而得到輸出。 將輸出給負(fù)載5的電流設(shè)為lout，將輸出的電壓設(shè)為Vout。另外，在圖1中，采用了變壓器Tr是一個(gè)的結(jié)構(gòu)，但還可以采用如下結(jié)構(gòu)，S卩，使用 多個(gè)小型、薄型的變壓器，將初級(jí)側(cè)串聯(lián)連接，將次級(jí)側(cè)分別并聯(lián)連接。通過(guò)做成這樣的結(jié) 構(gòu)，可以降低變壓器Tr部分中的厚度，電源整體的厚度也薄型化，例如可以組裝到以薄型 為特長(zhǎng)的液晶電視等中。(動(dòng)作)接下來(lái)，參照?qǐng)D2 圖5，說(shuō)明本實(shí)施方式的開(kāi)關(guān)電源1的動(dòng)作。首先，參照?qǐng)D2，說(shuō)明交流周期中的本實(shí)施方式的開(kāi)關(guān)電源1的動(dòng)作的概要。圖2是示出通過(guò)本實(shí)施方式的開(kāi)關(guān)電源進(jìn)行了控制時(shí)的輸入電壓、輸入電流、電 容器Cdc2以及輸出電壓的關(guān)系的圖。g卩，圖2是在曲線圖中示出了經(jīng)由二極管橋3全波整流后的輸入電壓Vin(141V)、 來(lái)自二極管橋3的輸入電流Iin以及與開(kāi)關(guān)元件Q3連接的電容器Cdc2的電壓(Cdc2電 壓)、輸出電壓Vout隨著時(shí)間經(jīng)過(guò)的變化的圖。全波整流后的電壓Vin總是呈現(xiàn)正的符號(hào)的正弦波形，由于控制成與該電壓波形 匹配地成為輸入，即如后所述輸入電流Iin按照電容器Cdcl的施加電壓而變化，所以輸入 電流Iin成為圖2所示的曲線圖那樣的波形。其中，在輸入電壓Vin接近“0”的點(diǎn)處，由于 如后說(shuō)明的通過(guò)使開(kāi)關(guān)元件Q1、Q2同時(shí)成為導(dǎo)通狀態(tài)而導(dǎo)入輸入電流Iin的功能消失，所 以在其附近輸入電流Iin的值(絕對(duì)值)也成為大致零。另一方面，Cdc2電壓與輸入電壓Vin的關(guān)系成為圖2的第三個(gè)曲線圖。從曲線 圖可知，相對(duì)于用實(shí)線表示的Cdc2的電壓，用虛線表示了輸入電壓Vin，且部分地重疊的情 形。在兩個(gè)線重疊的期間(時(shí)間T1)，由于輸入電流Iin不被切斷，所以按照后述的圖 3所示的控制、即通常的電流諧振模式動(dòng)作。另一方面，在輸入電壓Vin比實(shí)線的Cdc2電壓值低的期間(期間T2)，由于輸入電 流Iin被切斷，所以如用圖4后述那樣進(jìn)行使開(kāi)關(guān)元件Ql、Q2同時(shí)導(dǎo)通的控制，并且，與其 關(guān)聯(lián)地對(duì)開(kāi)關(guān)元件Q3也進(jìn)行開(kāi)關(guān)，從而控制輸入電流Iin。由于這樣在輸入電壓Vin的寬 的范圍內(nèi)得到輸入電流Iin，所以雖然在最下段示出的輸出電壓Vout (24V)根據(jù)輸入電流 Iin而呈現(xiàn)若干的變動(dòng)(包括波動(dòng))，但可以得到穩(wěn)定的輸出。另外，針對(duì)輸出電壓Vout的變動(dòng)，通過(guò)加進(jìn)負(fù)載的特性來(lái)進(jìn)行極其細(xì)微的控制， 由此可以設(shè)為更穩(wěn)定的輸出。接下來(lái)，參照?qǐng)D1，同時(shí)參照?qǐng)D3 圖5B，詳細(xì)說(shuō)明本實(shí)施方式的開(kāi)關(guān)電源的控制動(dòng)作。圖3是示出在圖2的期間T1進(jìn)行的控制動(dòng)作的時(shí)序圖。對(duì)電流諧振進(jìn)行控制的兩個(gè)開(kāi)關(guān)元件Q1、Q2按照大致50%的時(shí)間比率進(jìn)行動(dòng)作。在該情況下，在開(kāi)關(guān)元件Ql和開(kāi)關(guān)元件Q2的導(dǎo)通期間，不相互重疊而(相輔地)動(dòng)作，開(kāi) 關(guān)元件Q3進(jìn)行總是導(dǎo)通的控制。
在開(kāi)關(guān)元件Ql、Q2中，在各自的導(dǎo)通期間內(nèi)流通相互相似的波形的電流(IQ1、 IQ2)，從次級(jí)側(cè)通過(guò)整流二極管D1、D2 (電流波形ID1、ID2)供給輸出電流。另外，開(kāi)關(guān)元件 Q3中流過(guò)的電流(IQ3)與開(kāi)關(guān)元件Ql中流過(guò)的電流(IQl)大致相同。另外，圖3所示的控制動(dòng)作，除了不進(jìn)行升壓以外，與圖11所示的在開(kāi)關(guān)電源Ib 等中一般進(jìn)行的控制動(dòng)作大致相同。接下來(lái)，參照?qǐng)D4、圖5A、以及圖5B，說(shuō)明在圖2的期間T2，進(jìn)行使開(kāi)關(guān)元件Ql與 開(kāi)關(guān)元件Q2同時(shí)導(dǎo)通的控制時(shí)的開(kāi)關(guān)動(dòng)作。圖4是示出在圖2的期間T2進(jìn)行的控制動(dòng)作的時(shí)序圖，圖5A、圖5B是示出各時(shí)刻 下的電路與電流的狀態(tài)的圖。另外，在圖4中，在最下段的ID2的曲線圖中示出了時(shí)刻tl
t5o在該控制中，對(duì)于開(kāi)關(guān)元件Ql，與圖3同樣地進(jìn)行時(shí)間比率大致50%下的控制，對(duì) 于開(kāi)關(guān)元件Q2，將導(dǎo)通期間延長(zhǎng)10%左右，設(shè)置了開(kāi)關(guān)元件Ql和開(kāi)關(guān)元件Q2同時(shí)成為導(dǎo) 通的期間(時(shí)刻tl t2)。此時(shí)，由于開(kāi)關(guān)元件Q3成為截止，所以如圖5A(a)所示，從電容 器Cdcl供給的電流經(jīng)由電感器Lin流通到開(kāi)關(guān)元件Ql和開(kāi)關(guān)元件Q2，如圖4所示大致單 調(diào)地增加。此時(shí)的電流由電容器Cdcl的靜電電容、電感器Lin的值、以及電容器Cdcl的電位 來(lái)決定。另外，為了將來(lái)自作為在后述的時(shí)刻t2中說(shuō)明的輸入電源的二極管橋3的電流 導(dǎo)入到電容器Cdcl，電容器Cdcl的電位需要低于商用電源1的整流后的輸入電壓Vin，所 以需要設(shè)定在開(kāi)關(guān)周期內(nèi)導(dǎo)入到電容器Cdcl中的能量、和用于在開(kāi)關(guān)元件Ql、Q2同時(shí)導(dǎo) 通的期間內(nèi)使電容器Cdcl的電壓變化(降低)的值。為了減少在開(kāi)關(guān)周期內(nèi)導(dǎo)入到電容 器Cdcl中的能量，并且在短期間內(nèi)使電容器Cdcl的電壓變動(dòng)(降低)，也優(yōu)選利用電容器 Cdcl和電感器Lin的值分別小至電容器Cdcl為幾IOnF 幾10 μ F左右、電感器Lin為幾 10 100 μ F左右的小型的元件。于是，電容器Cdcl的電壓通過(guò)圖5(a)所示的放電而低于輸入電壓Vin，釋放充分 的能量，在該釋放的能量被積蓄到電感器Lin中時(shí)，如果斷開(kāi)開(kāi)關(guān)元件Q2 (時(shí)刻t2)，則如 圖5 (b)所示，在電容器Cdc 1中流入來(lái)自二極管橋3的輸入電流，能量被積蓄到電容器Cdc 1 中。另外，由于開(kāi)關(guān)元件Q2的斷開(kāi)而喪失了去處的來(lái)自電感器Lin的輸出電流的大部分通 過(guò)開(kāi)關(guān)元件Q3的寄生二極管而流入到電容器Cdc2。此時(shí)，最初，開(kāi)關(guān)元件Q3的電流的符號(hào) 成為負(fù)(開(kāi)關(guān)元件Q3 —電容器Cdc2)，但不久，如果充分的能量被積蓄到電容器Cdc2中，則 轉(zhuǎn)移到正向(電容器Cdc2—開(kāi)關(guān)元件Q3)的電流被釋放的狀態(tài)，所以在開(kāi)關(guān)元件Q3的電流 成為零時(shí)，接通開(kāi)關(guān)元件Q3 (時(shí)刻t3)，從而可以如圖5B (c)所示那樣將積蓄在電容器Cdc2 中的能量供給到變壓器Tr，可以進(jìn)行ZCS (Zero Current Switching，零電流開(kāi)關(guān))。由此， 可以進(jìn)一步低損耗地進(jìn)行開(kāi)關(guān)。接下來(lái)，在開(kāi)關(guān)元件Ql的導(dǎo)通期間結(jié)束時(shí)，斷開(kāi)開(kāi)關(guān)元件Ql、Q3，接通開(kāi)關(guān)元件 Q2(時(shí)刻t4)。此時(shí)，雖然通過(guò)開(kāi)關(guān)元件Ql對(duì)電容器Cr (諧振電容器)進(jìn)行充電的電流殘 留若干，但如圖5B(d)所示，該電流轉(zhuǎn)化為開(kāi)關(guān)元件Q2的負(fù)的電流、即流過(guò)開(kāi)關(guān)元件Q2的 寄生二極管的電流，所以該方向上的電容器Cr的充電不久就會(huì)結(jié)束。
接下來(lái)，開(kāi)關(guān)元件Q2是導(dǎo)通狀態(tài)，所以積蓄在電容器Cr中的電荷作為逆向的電 流，發(fā)生流過(guò)開(kāi)關(guān)元件Q2以及變壓器Tr的電流。在此，次級(jí)側(cè)的電流也如時(shí)刻tl t4 所示，從通過(guò)二極管Dl而送出到負(fù)載側(cè)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移到通過(guò)二極管D2送出到負(fù)載側(cè)的狀態(tài) (時(shí)刻t5)。之后，再次迎來(lái)開(kāi)關(guān)元件Ql的接通定時(shí)而重復(fù)一連串的操作，從而在各開(kāi)關(guān)循環(huán) 內(nèi)，通過(guò)由電容器Cr和變壓器Tr構(gòu)成的部分，維持諧振，向次級(jí)側(cè)交替經(jīng)由二極管Dl、D2 送出電流即電力。接下來(lái)，用圖6，對(duì)圖3的控制與圖4的控制中的開(kāi)關(guān)電源1的動(dòng)作進(jìn)行比較。
圖6是用于進(jìn)行開(kāi)關(guān)電源的動(dòng)作的比較的時(shí)序圖。圖6(a)示出圖3中的控制的 時(shí)序圖，圖6(b)示出圖4中的控制的時(shí)序圖。在此，為說(shuō)明效果，在圖6(a)、圖6(b)中，都 示出在圖2的期間T2動(dòng)作時(shí)的狀態(tài)。另外，在圖6中，將圖3、圖4中的必要的元件中的時(shí)序圖記載了三個(gè)循環(huán)。如圖6(a)所示，在進(jìn)行了不使開(kāi)關(guān)元件Ql、Q2同時(shí)成為導(dǎo)通狀態(tài)的控制時(shí)，二極 管D1、D2的電流(即開(kāi)關(guān)電源的輸出電流)逐漸衰減。這是因?yàn)?，在圖2的期間T2，電容 器Cdcl的電位高于輸入電壓Vin，能量不被供給，所以能量一直被釋放到諧振系統(tǒng)(電容器 Cr、變壓器Tr)。因此，在僅繼續(xù)圖6(a)(即圖3的控制)時(shí)，如圖2的期間T2那樣，在電容器Cdcl 的電位高于輸入電壓Vin時(shí)，能量一直被釋放，所以如圖6(a)所示，二極管Dl、D2的電流 (ID1、ID2)會(huì)衰減下去。因此，在本實(shí)施方式中，如圖6(b)所示，設(shè)置使開(kāi)關(guān)元件Q1、Q2同時(shí)為導(dǎo)通狀態(tài)的 期間，從而使電容器Cdcl的施加電壓低于輸入電壓Vin，供給輸入電流Iiru即從電源供給 能量。由此，如圖6(b)所示可以防止二極管D1、D2的衰減。S卩，在供給來(lái)自電源(二極管橋3)的能量的期間Tl (圖2)，進(jìn)行圖6 (a)所示的控 制，在不供給來(lái)自電源(二極管橋3)的能量的期間T2(圖2)，進(jìn)行圖6(b)所示的控制，從 而如圖2的Vout的曲線圖所示那樣可以得到穩(wěn)定的輸出電壓Vout。通常，在使開(kāi)關(guān)元件Q1、Q2同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，電流一下子會(huì)流通，所以并非優(yōu)選。因此， 在本實(shí)施方式中，通過(guò)設(shè)置阻止電流的急劇變化的電感器Lin，由此即使使開(kāi)關(guān)元件Ql、Q2 同時(shí)導(dǎo)通，也可以防止電流一下子流通的現(xiàn)象。另外，在圖4中，將開(kāi)關(guān)元件Ql、Q3中的斷開(kāi)定時(shí)設(shè)為同時(shí)而進(jìn)行了說(shuō)明，但例如 在負(fù)載較輕且希望減小向次級(jí)側(cè)(圖1的二極管D1、D2側(cè))的送出電力的情況下，即使將 開(kāi)關(guān)元件Q3的斷開(kāi)定時(shí)提前也沒(méi)有問(wèn)題。作為開(kāi)關(guān)元件Q3的斷開(kāi)定時(shí)的目標(biāo)，如果從開(kāi) 關(guān)元件Q2的斷開(kāi)到接通開(kāi)關(guān)元件Q3為止的期間、與從接通開(kāi)關(guān)元件Q3到斷開(kāi)開(kāi)關(guān)元件Q3 為止的期間大致相同，則在該期間向電容器Cdc2輸入輸出的電荷(能量)的總量大致恒 定，電容器Cdc2的電壓不會(huì)大幅變動(dòng)，所以可以說(shuō)是對(duì)于前后的控制也是優(yōu)選的。接下來(lái)，使用圖7，說(shuō)明本實(shí)施方式的開(kāi)關(guān)電源的控制方法。圖7是示出向用于控制本實(shí)施方式的開(kāi)關(guān)電源的控制器的輸入輸出信息的圖。在作為運(yùn)算器的控制器20中，將輸入電壓(Vin)、輸入電流(lin)、輸出電壓 (Vout)、輸出電流(Iout)、電容器Cdc2的電壓(Cdc2電壓)、以及開(kāi)關(guān)元件Q3的電流(Q3 電流)作為輸入信息實(shí)時(shí)地進(jìn)行監(jiān)視。然后，根據(jù)它們的輸入輸出狀態(tài)，運(yùn)算出所需的輸入電流Iin，從而決定成為基本的開(kāi)關(guān)頻率，并且根據(jù)Cdc2電壓與輸入電壓Vin的電位差，運(yùn)算出將開(kāi)關(guān)元件Ql、Q2同時(shí)設(shè)為導(dǎo)通狀態(tài)的時(shí)間寬度，決定開(kāi)關(guān)元件Ql、Q2各自的脈沖寬 度(Ql脈沖寬度、Q2脈沖寬度)。另外，雖然在這樣的控制中并非必須，但控制器20同時(shí)對(duì)電容器Cdcl的電壓 (Cdcl電壓)進(jìn)行監(jiān)視，從而可以更詳細(xì)地運(yùn)算開(kāi)關(guān)元件Q1、Q2的導(dǎo)通狀態(tài)的時(shí)間寬度，能 夠精度良好地控制要導(dǎo)入的輸入電流。這是因?yàn)椋谡麄€(gè)圖4的時(shí)刻tl t2，釋放積蓄在 電容器Cdcl中的能量。另外，作為輸入電壓，對(duì)經(jīng)由二極管橋3之后的輸入電壓Vin進(jìn)行了檢測(cè)，但換過(guò) 來(lái)也可以對(duì)商用電源1的輸出Vac (未圖示)進(jìn)行檢測(cè)，并進(jìn)行同樣的控制。另外，在進(jìn)行使開(kāi)關(guān)元件Ql、Q2同時(shí)成為導(dǎo)通狀態(tài)的控制、即圖4所示那樣的控制 的情況下，將開(kāi)關(guān)元件Q3設(shè)為斷開(kāi)狀態(tài)，控制器20如圖6所示對(duì)開(kāi)關(guān)元件Q3的電流(Q3 電流)進(jìn)行監(jiān)視，在開(kāi)關(guān)元件Q2的斷開(kāi)之后，開(kāi)關(guān)元件Q3的電流從負(fù)轉(zhuǎn)移到正時(shí)，進(jìn)行接 通開(kāi)關(guān)元件Q3的控制。另一方面，在進(jìn)行不使開(kāi)關(guān)元件Ql、Q2同時(shí)導(dǎo)通、即圖3所示那樣的控制的情況 下，控制器20將開(kāi)關(guān)元件Q3設(shè)為總是接通狀態(tài)而進(jìn)行控制。即，決定開(kāi)關(guān)元件Q3的脈沖 寬度(Q3脈沖寬度)。換言之，控制器20將開(kāi)關(guān)元件Ql、Q2的開(kāi)關(guān)頻率作為輸入，決定并輸出開(kāi)關(guān)元件 Q3的開(kāi)關(guān)頻率。由此，只要有一個(gè)控制器20就可以進(jìn)行開(kāi)關(guān)電源1的控制。作為控制器20，通過(guò)使用近年來(lái)正在快速普及的FPGA(FieldProgrammable Gate Array，現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列)等，就可以進(jìn)行這樣的實(shí)時(shí)的狀態(tài)判定、各動(dòng)作模式的選定、以 及脈沖寬度和定時(shí)的決定。例如，通過(guò)由控制器20內(nèi)的未圖示的CPU (Central ProcessingUnit，中央處理單 元)等執(zhí)行存儲(chǔ)在控制器20內(nèi)的未圖示的ROM (Read Only Memory，只讀存儲(chǔ)器)等中的程 序，來(lái)執(zhí)行這樣的開(kāi)關(guān)電源的控制。另外，作為開(kāi)關(guān)元件Ql、Q2，在本實(shí)施方式中使用了功率_M0SFET(Metal Oxide Semiconductor Field Efect Transistor，金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管)，但也可以根據(jù)電 流容量、電壓的條件來(lái)使用IGBT (Indulated Gate Bipolar Transistor，絕緣柵雙極型晶 體管)。另外，包括二極管，也可以使用以SiC(SiliCOn Carbide，碳化硅)為材料的功率器 件。另外，在圖1中，用負(fù)載5表示了本實(shí)施方式的開(kāi)關(guān)電源1的輸出，但例如在液晶 電視等中，由背光源驅(qū)動(dòng)用的逆變器電路來(lái)消耗其輸出電力的大部分。即，作為負(fù)載5的一 個(gè)例子，考慮逆變器電路。當(dāng)前，雖然通常分離了開(kāi)關(guān)電源1與逆變器電路(負(fù)載5)，但也 可以將它們一體化。(第一實(shí)施方式的效果)根據(jù)第一實(shí)施方式，為了從商用交流電源得到絕緣的直流輸出，減少通過(guò)變換電 路的次數(shù)，所以可以提高電源效率。即，由于無(wú)需分成升壓部、降壓部，所以可以防止開(kāi)關(guān)電 源1的效率損耗。而且，根據(jù)第一實(shí)施方式，在輸入電壓Vin是低相位時(shí)，釋放電容器Cdcl的能量，從而通過(guò)降低電容器Cdcl的施加電壓，并引入輸入電壓Vin，由此可以提供效率良好且穩(wěn) 定的輸出電壓。進(jìn)而，由于可以通過(guò)一個(gè)控制器20進(jìn)行控制，所以可以降低在控制IC等中使用的 成本。(第二實(shí)施方式)
接下來(lái)，參照?qǐng)D8和圖9，說(shuō)明本發(fā)明的第二實(shí)施方式。在第二實(shí)施方式中，進(jìn)行與 圖4相比延長(zhǎng)使開(kāi)關(guān)元件Q1、Q2同時(shí)導(dǎo)通的期間的控制，從而可以提高積蓄在電容器Cdc2 中的電壓，應(yīng)對(duì)于交流電源2的瞬停。圖8是示出圖2中的期間T2中的其他動(dòng)作控制的時(shí)序圖。另外，開(kāi)關(guān)電源1的電 路結(jié)構(gòu)與圖1所示的結(jié)構(gòu)相同即可，所以參照?qǐng)D1，同時(shí)按照?qǐng)D2，說(shuō)明第二實(shí)施方式中的動(dòng) 作。另外，在圖2的期間Tl，進(jìn)行圖3中示出的控制動(dòng)作即可，所以其說(shuō)明也省略。在圖8所示的例子中，開(kāi)關(guān)元件Q2按照時(shí)間比率大致50%進(jìn)行接通、斷開(kāi)。另一 方面，對(duì)于開(kāi)關(guān)元件Q1，在圖2的期間Tl，進(jìn)行圖3所示那樣的與開(kāi)關(guān)元件Q2相輔的定時(shí) 下的時(shí)間比率50%控制，但根據(jù)輸入電流Iin，將接通的定時(shí)提前，在圖2的期間T2中，如 圖8所示，在開(kāi)關(guān)元件Q2是導(dǎo)通狀態(tài)的期間內(nèi)進(jìn)行接通(時(shí)刻t6)。此時(shí)，在圖3所示那 樣的通常的電流之外，在開(kāi)關(guān)元件Ql、Q2中還由于電感器Lin的作用而電流按照大致一定 的趨勢(shì)增加下去。另一方面，雖然在電感器Lin中積蓄著能量，但這現(xiàn)象在開(kāi)關(guān)元件Q1、Q2 同時(shí)為導(dǎo)通的期間越長(zhǎng)，越多的能量被積蓄到Lin中(但是，開(kāi)關(guān)元件Q1、Q2同時(shí)成為導(dǎo)通 的時(shí)間希望止于以開(kāi)關(guān)周期內(nèi)的時(shí)間比率為25%左右)。不久之后，當(dāng)在開(kāi)關(guān)元件Q2被斷開(kāi)的同時(shí)接通開(kāi)關(guān)元件Q3時(shí)(時(shí)刻t7)，在開(kāi)關(guān) 元件Q2中流過(guò)的電流通過(guò)開(kāi)關(guān)元件Q1、Q3的寄生二極管，暫時(shí)流入電容器Cdc2。此時(shí)，如 果開(kāi)關(guān)元件Ql、Q2的同時(shí)導(dǎo)通的時(shí)間長(zhǎng)(以開(kāi)關(guān)周期內(nèi)的時(shí)間比率為25%以內(nèi))，則積蓄 在電感器Lin中的能量也變大，流入到電容器Cdc2中的電流也變大。但是，由于接通了開(kāi)關(guān)元件Q3，所以諧振電流從電容器Cdc2通過(guò)開(kāi)關(guān)元件Q3、Ql 被供給到變壓器Tr的初級(jí)側(cè)，充電電流被流入諧振電容器Cr，并且電流通過(guò)二極管Dl被送 到變壓器Tr的次級(jí)側(cè)。不久，如果與圖5B (c)同樣地電荷被充分施加到電容器Cdc2中，則開(kāi)關(guān)元件Q3的 電流的方向變成電容器Cdc2 —開(kāi)關(guān)元件Q3的方向，電容器Cdc2的能量被釋放到諧振系統(tǒng) (電容器Cr、變壓器Tr)。但是，在方向改變的電流沒(méi)有變太大的期間內(nèi)、即能量沒(méi)有怎么從 電容器Cdc2中釋放出來(lái)的期間內(nèi)，如果斷開(kāi)開(kāi)關(guān)元件Q3 (時(shí)刻t8)，則成為能量殘留在電容 器Cdc2中的狀態(tài)。在該狀態(tài)下如果再次進(jìn)行一連串的控制，則能量被積蓄到電容器Cdc2中，結(jié)果， 電容器Cdc2的電壓上升。另外，與第一實(shí)施方式同樣地，通過(guò)調(diào)整接通開(kāi)關(guān)元件Ql的定時(shí)，來(lái)控制輸入電 流Iin。為了維持穩(wěn)定的諧振動(dòng)作，也優(yōu)選將開(kāi)關(guān)元件Q1、Q2同時(shí)成為導(dǎo)通狀態(tài)的期間止 于以開(kāi)關(guān)周期內(nèi)的時(shí)間比率為25%左右。另外，作為使開(kāi)關(guān)元件Q3導(dǎo)通的定時(shí)，可以是如上所述斷開(kāi)開(kāi)關(guān)元件Q2的定時(shí)， 但還可以采用ZCS，在該ZCS中，在電流流過(guò)開(kāi)關(guān)元件Q3的寄生二極管、S卩開(kāi)關(guān)元件Q3的電 流是負(fù)的情況下，保持?jǐn)嚅_(kāi)，在從負(fù)變?yōu)檎亩〞r(shí)進(jìn)行接通。
進(jìn)而，還可以根據(jù)輸出的狀態(tài)，用使開(kāi)關(guān)元件Q3導(dǎo)通的時(shí)間比率來(lái)調(diào)整向次級(jí)側(cè) 的送出電流的量，最小可以設(shè)為0，即在開(kāi)關(guān)周期內(nèi)開(kāi)關(guān)元件Q3可以保持截止。這樣，在第二實(shí)施方式中，通過(guò)一邊向電容器Cdc2積蓄能量，一邊控制開(kāi)關(guān)元件 Q3的導(dǎo)通期間，由此可以對(duì)從電容器Cdc2供給的能量進(jìn)行控制。因此，通過(guò)向電容器Cdc2 積蓄電荷，例如使電容器Cdc2的兩端電壓上升至380V左右，從而可以模擬地如 使用圖11 說(shuō)明的兩級(jí)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換器那樣動(dòng)作。圖9示出此時(shí)的各部的波形。圖9是示出使電容器Cdc2的兩端電壓上升時(shí)的輸入電壓、輸入電流、電容器Cdc2 以及輸出電壓的關(guān)系的圖。在圖9中，示出了針對(duì)商用交流電源的輸入電壓141V(最大值)，向電容器Cdc2積 蓄電荷，從而使電容器Cdc2的兩端電壓上升至380V左右的情形。電容器Cdc2的兩端電壓 是如上所述那樣通過(guò)延長(zhǎng)圖2中的使開(kāi)關(guān)元件Ql、Q2同時(shí)導(dǎo)通的期間來(lái)增大積蓄在線圈 Lin中的能量得以實(shí)現(xiàn)的。但是，不希望如上所述那樣將使開(kāi)關(guān)元件Ql、Q2同時(shí)導(dǎo)通的期 間以開(kāi)關(guān)周期內(nèi)的時(shí)間比率設(shè)為25%左右以上。另外，380V僅為一個(gè)例子，只要是比商用 交流電源的輸入電壓高的電壓即可。在此，例如如圖9所示，當(dāng)發(fā)生了瞬間的停電的情況下，在該期間，來(lái)自商用交流 電源的輸入電流被切斷，但通過(guò)釋放電容器Cdc2的電荷，由此，輸出電壓Vout (24V)可以被 抑制在一定的范圍內(nèi)而輸出。如果在短時(shí)間內(nèi)輸入電源恢復(fù)通電，則之后可以進(jìn)行一邊維 持輸出一邊再次向電容器Cdc2積蓄電荷這樣的控制。這樣，在第二實(shí)施方式中，在電容器Cdc2中積蓄較大的能量，所以例如在瞬停等 非常時(shí)候也可以向次級(jí)側(cè)供給電力。另外，在輸入電壓Vin比較高的相位下，可以將開(kāi)關(guān)元件Q3的導(dǎo)通期間設(shè)為0，與 圖11的開(kāi)關(guān)電源Ib相比，可以降低開(kāi)關(guān)元件Q3的開(kāi)關(guān)次數(shù)，降低損耗。另外，對(duì)于此時(shí)的控制器20的輸入輸出信息，可以通過(guò)與圖7所示同樣的輸入輸 出信息來(lái)實(shí)現(xiàn)。對(duì)于停電，可以通過(guò)輸入電壓Vin的監(jiān)視來(lái)檢測(cè)。(第二實(shí)施方式的效果)根據(jù)第二實(shí)施方式，通過(guò)使電容器Cdc2的施加電位升壓，由此即使產(chǎn)生了瞬間的 停電，也可以向次級(jí)側(cè)供給電力(能量)。(第三實(shí)施方式)接下來(lái)，參照?qǐng)D10，說(shuō)明本發(fā)明的第三實(shí)施方式。(電路結(jié)構(gòu))圖10是第三實(shí)施方式的開(kāi)關(guān)電源的電路圖。圖10所示的開(kāi)關(guān)電源Ia與圖1所示的開(kāi)關(guān)電源1的不同點(diǎn)在于，在第三電路中， 串聯(lián)連接了作為第二電感器的電感器Lr。例如，在使開(kāi)關(guān)電源小型化時(shí)，有時(shí)不得不采用金屬部件或布線等接近變壓器Tr 周邊的結(jié)構(gòu)。此時(shí)，如果在變壓器Tr的繞組結(jié)構(gòu)中存在漏電感，則有時(shí)與周邊的金屬部件 引起相互作用，在金屬部件中發(fā)生渦電流等，所以開(kāi)關(guān)電源的動(dòng)作容易出現(xiàn)不穩(wěn)定。為了回 避這樣的事態(tài)，需要安裝漏電感盡可能小的變壓器Tr，但由此有時(shí)在電流諧振中需要的期 望的電感的值的設(shè)定中出現(xiàn)制約，有時(shí)作為輔助而需要電感器Lr。S卩，通常，以還可以利用漏電感來(lái)進(jìn)行電流諧振的方式設(shè)計(jì)了電路，但由于安裝漏電感盡可能小的變壓器Tr，有時(shí)連帶地會(huì)喪失掉必要的漏電感。為了回避這樣的事態(tài)，安裝電感器Lr，來(lái)調(diào)整電流諧振中所 需的電感。另外，圖10的開(kāi)關(guān)電源Ia可以實(shí)現(xiàn)上述實(shí)施方式中的任一動(dòng)作。(第三實(shí)施方式的效果)根據(jù)第三實(shí)施方式，在安裝了漏電感盡可能小的變壓器Tr的情況下，也可以提供 電流諧振中所需的電感。
權(quán)利要求
一種開(kāi)關(guān)電源，將交流電壓作為輸入，將直流電壓作為輸出，其特征在于，具備對(duì)上述交流進(jìn)行整流的整流部、第一電容器、第一電路、以及第二電路，對(duì)于上述整流部并聯(lián)連接了上述第一電容器、上述第一電路、以及上述第二電路，在上述第一電容器的輸入側(cè)端子與上述第二電路的輸入側(cè)端子之間，對(duì)于上述整流部串聯(lián)連接了第一電感器，在上述第一電路中，串聯(lián)連接有第一開(kāi)關(guān)元件和第二開(kāi)關(guān)元件，進(jìn)而，在上述第一電路中，對(duì)于上述第二開(kāi)關(guān)元件并聯(lián)連接了第三電路，其中，在上述第三電路中，串聯(lián)連接有變壓器的初級(jí)繞組和第三電容器，上述變壓器的初級(jí)繞組對(duì)應(yīng)于平滑電路中的變壓器的次級(jí)繞組，在上述第二電路中，串聯(lián)連接有第三開(kāi)關(guān)元件和第二電容器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的開(kāi)關(guān)電源，其特征在于，在上述第三電路中，第二電感器串聯(lián) 連接于上述初級(jí)繞組的輸入側(cè)。
3.一種開(kāi)關(guān)方法，是基于將交流電壓作為輸入并將直流電壓作為輸出的開(kāi)關(guān)電源的開(kāi) 關(guān)方法，其特征在于，上述開(kāi)關(guān)電源具備對(duì)上述交流進(jìn)行整流的整流部、第一電容器、第一電路、以及第二電路，對(duì)于上述整流部并聯(lián)連接了上述第一電容器、上述第一電路、以及上述第二電路， 在上述第一電容器的輸入側(cè)端子與上述第二電路的輸入側(cè)端子之間，對(duì)于上述整流部 串聯(lián)連接了第一電感器，在上述第一電路中，串聯(lián)連接有第一開(kāi)關(guān)元件和第二開(kāi)關(guān)元件， 進(jìn)而，在上述第一電路中，對(duì)于上述第二開(kāi)關(guān)元件并聯(lián)連接了第三電路，其中，在上述 第三電路中，串聯(lián)連接有變壓器的初級(jí)繞組和第三電容器，上述變壓器的初級(jí)繞組對(duì)應(yīng)于平滑電路中的變壓器的次級(jí)繞組， 在上述第二電路中，串聯(lián)連接有第三開(kāi)關(guān)元件和第二電容器，上述開(kāi)關(guān)電源使上述第一開(kāi)關(guān)元件以及第二開(kāi)關(guān)元件同時(shí)導(dǎo)通，在上述第一開(kāi)關(guān)元件 以及第二開(kāi)關(guān)元件同時(shí)成為導(dǎo)通的期間，進(jìn)行使上述第三開(kāi)關(guān)元件截止的控制。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的開(kāi)關(guān)方法，其特征在于，在上述整流部的輸出電壓低于積蓄 于上述第一電容器中的電壓時(shí)，進(jìn)行上述控制。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的開(kāi)關(guān)方法，其特征在于，在上述第一開(kāi)關(guān)元件導(dǎo)通、上述第二 開(kāi)關(guān)元件截止的期間，使上述第三開(kāi)關(guān)元件導(dǎo)通。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的開(kāi)關(guān)方法，其特征在于，在積蓄于上述第二電容器中的電荷 沒(méi)有全部流完的期間內(nèi)，通過(guò)使上述第三開(kāi)關(guān)元件截止，使上述第二電容器的施加電壓上 升。
全文摘要
本發(fā)明的目的在于提供一種效率良好的開(kāi)關(guān)電源和開(kāi)關(guān)方法。將交流電壓作為輸入并輸出直流電壓的開(kāi)關(guān)電源(1)，其特征在于，對(duì)于整流交流的整流部(3)并聯(lián)連接了電容器(Cdc1)、第一電路以及第二電路，在電容器(Cdc1)的輸入側(cè)端子(N1)與第二電路的輸入側(cè)端子(N3)之間，對(duì)于整流部串聯(lián)連接了電感器(Lin)，在第一電路中，串聯(lián)連接有開(kāi)關(guān)元件(Q1)和開(kāi)關(guān)元件(Q2)，進(jìn)而，在第一電路中，對(duì)于開(kāi)關(guān)元件(Q2)并聯(lián)連接了第三電路，在該第三電路中，串聯(lián)連接有變壓器(Tr)的初級(jí)繞組和電容器(Cr)，變壓器(Tr)的初級(jí)繞組對(duì)應(yīng)于平滑電路中的變壓器的次級(jí)繞組，在第二電路中，串聯(lián)連接有開(kāi)關(guān)元件(Q3)和電容器(Cdc2)。
文檔編號(hào)H02M7/04GK101847938SQ20101011652
公開(kāi)日2010年9月29日 申請(qǐng)日期2010年2月10日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月27日
發(fā)明者葉田玲彥, 大內(nèi)貴之 申請(qǐng)人:株式會(huì)社日立媒介電子