開關電源設備及其隔離方法

專利名稱：開關電源設備及其隔離方法
技術領域：
本發明一般地涉及開關電源設備及其隔離方法。更具體地，本發明涉及一種其中輸出聲頻段以上高頻(HF)功率的高頻開關電源電路經一隔離電路連接到負載的開關電源設備及其隔離方法。
通常，對于一個使用HF開關電源電路的開關電源設備，為了不產生刺耳的聲音噪聲，它的工作頻率(開關頻率)通常選擇成高于聲頻頻段，即，高于20KHZ。近年來，由于功率固態器件已經大大改進，工作頻率增加到幾MHZ。這種在工作頻率上的改進可以使開關電源設備制作得更小型和輕型，這有利于減少用于隔離的HF變壓器的繞組和減小磁和電抗元件的尺寸。因而，使得工作頻率更高的技術對于制作更小型和輕型的開關電源設備是必不可少的。


圖1是表示常規的開關電源設備的示意圖。參見圖1，直流(DC)電源E連接到HF開關電源電路1。HF開關電源電路1包括串聯的第一和第二電容器C S1和C S2以及一與該串聯電容器C S1和C S2并聯的串聯高速開關元件S1和S2。每個開關元件S1和S2由包含續流二極管的功率MO SFET組成。控制脈沖由控制電路(未圖示)提供給開關元件S1和S2的每個控制端(柵極)。
隔離電路2的初級端A和B分別連到電容器C S1和C S2間的節點A1和HF開關電源電路1的開關元件S1和S2之間的節點B1。隔離電路2例如包括HF變壓器T。隔離電路2的次級側的端子C和D連接到包括高速二極管的頻率變換電路7，然后，負載電路4連到頻率變換電路7的輸出側。上述HF變壓器在初級端A和B及次級端C和D之間形成一隔離層(isolation barrier)44。
下面，敘述示于圖1的常規開關電源設備的工作。當控制脈沖交替提供給開關元件S1和S2的控制端時，這些開關元件S1和S2依次導通，使得隔離電路2的初級端A和B之間的電壓相應反相，由此產生HF功率。通過磁場的媒介，該HF功率經隔離電路2的HF變壓器T傳輸給次級端C和D。即，借助于磁場，HF功率經隔離層44傳輸給頻率變換電路7側。這個HF功率由頻率變換電路7頻率變換成DC功率并提供給負載電路4。
如上所述，常規的開關電源設備的隔離電路用的是HF變壓器T。但是，當變壓器由HF電流激勵時，變壓器損失增加。這個變壓器損失包括由于磁性材料帶來的鐵損和由于繞組等帶來的銅損。這種隨工作頻率的增加而增加的損失不僅降低了開關電源設備的功率轉換效率，而且還產生了對于損失產生的熱輻射要采取相應措施等問題。
另外要指出的是關于電磁干擾問題，例如，由于來自HF變壓器T的輻射電磁場，其它電子設備受到噪聲的干擾。因此，為了消除由HF變壓器產生的干擾噪聲，要提供一個磁屏蔽。但是與靜電屏蔽相比較，要獲得較高的對磁場的屏蔽效果通常是困難的，因而原來，通過屏蔽消除來自HF變壓器T的輻射噪聲常常是根據經驗的技術訣竅來進行的，這是要解決的最困難的問題之一。
而且理論上，HF變壓器要求象銅線制的繞組和磁性材料如鐵氧體或非晶鈷制的芯這樣一些苯重的部件，它妨礙制造更小型和輕型的開關電源設備。
因此，本發明的主要目的是提供一種損耗能夠減少的開關電源設備及其隔離方法。
本發明的另一個目的是提供一種由于沒有來自HF變壓器對其它電子設備的干擾輻射噪聲、從而改善電磁干擾問題的開關電源設備及其隔離方法。
本發明的進一步目的是提供一種適于制得更小型和輕型的開關電源設備及其隔離方法。
簡單地說，本發明是具有經包括一對電容器的隔離電路將輸出高于聲頻的HF功率的HF開關電源電路連接到負載的開關電源設備。
因而，按照本發明，與由磁性材料和繞組形成的常規的隔離電路相比，HF交變磁場產生的可能性大為減少，從而，鐵損和銅損難于產生。進而，實際上可以避免使用形成HF磁通的繞組，從而HF漏磁通難以產生。
按照本發明的較佳實施例，轉換HF功率頻率的頻率轉換電路連接在負載和隔離電路之間。
另外，按照本發明的最佳實施例，一個共模扼流圈(common modechoke)連接在隔離電路和頻率轉換電路之間或隔離電路與負載之間。
當本發明參照附圖作詳細說明后，本發明的上述及其它目的、特點、情況和優點將變得更為清楚。
圖1是表示常規的開關電源設備一個例子的電路圖。
圖2是表示本發明的第一個實施例的電路圖。
圖3是表示本發明的第二個實施例的電路圖。
圖4是表示本發明的第三個實施例的電路圖。
圖5是表示本發明的第四個實施例的電路圖。
圖6是表示本發明的第五個實施例的電路圖。
圖7是表示本發明的第六個實施例的電路圖。
圖8是表示本發明的第七個實施例的電路圖。
圖9是表示本發明的第八個實施例的電路圖。
圖10是表示本發明的第九個實施例的電路圖。
圖2是表示本發明的第一個實施例的電路圖。參見圖2，直流電源E，HF開關電源電路1，負載電路4和頻率變換電路7與上述圖1所示相似。隔離電路20包括一對電容C1和C2及初級端A和B與次級端C和D之間形成的隔離層45。該隔離層45使次級端C和D對于初級端A和B電懸浮。初級端A連接到HF開關電源電路1中的電容C S1和C S2間的節點A1，而初級端B連到開關元件間的節點B1。次級端C和D連到頻率變換電路7。然后，輸入隔離電路20初級側的HF功率使用作為媒介的電場，經隔離層45傳輸至次級側。即，HF功率借助于電場經隔離層45傳輸到頻率變換電路7側。該HF功率由頻率變換電路7頻率變換成DC功率，然后提供給負載電路4。
下面敘述示于圖2的實施例的工作。現在，為了提供HF功率給頻率換電路7，具有例如開關頻率為400KHZ的控制脈沖交替提供給第一和第二開關元件S1和S2的控制端。響應該控制脈沖，開關元件S1和S2交替導電或導通，使得400KHZ的近似于方波或完全的方波交流電壓提供給隔離電路20的初級端A和B。
下面，更詳細敘述HF開關電源1的逆變器的工作。首先，在1μs的時間中，開關元件S1的控制端導通而開關元件S2的控制端關閉。當響應控制端的控制脈沖，確立開關元件S1的導通狀態和開關元件S2的截止狀態時，電容C S1的電壓在節點A1和B1間輸出。
然后，當開關元件S1的控制端關閉而開關元件S2的控制端導通時，輸出電壓的極性相反。但是，在此以前，提供一個停滯時間(dead time)用于關閉開關元件S1和S2所有的控制端0.25μs，以防止分路(支路)短路。這是為了防止由于開關元件S1和S2的貯存時間而引起的開關元件S1和S2的同時導通，而不管控制端的控制脈沖信號的存在，這樣支路短路被防止。于是，在停滯期間，所有控制元件S1和S2的控制端關閉。當然，這個停滯時間應該比所使用的開關元件的開關時間長。在本實施例中，開關元件S1和S2從導通狀態進入截止狀態或相反所需的時間，即所謂開關時間置為大約0.15μs。在停滯時間期間，輸出電壓是在非控制期間，輸出電壓的極性取決于開關元件S1和S2的開關特性和負載電流等，它們是不確定的。這個停滯時間是低頻分量電壓產生的原因之一。
在停滯時間結束后的1 μs時間，開關元件S1的控制端關閉而開關元件S2的控制端導通。當開關元件S1截止和開關元件S2的導通狀態確定時，電容C S2的電壓提供到節點A1和B1之間且節點A1相對于節點B1變成負。此后，再次提供0.25μs停滯時間。
通過重復上述動作，400KHZ HF電壓輸出至節點A1和B1，HF電壓通過隔離層45提供給頻率轉換電路7，通過頻率變換電路7，輸入到頻率轉換電路7的HF功率變換成DC功率。這里電容C1和C2相對于在節點A1和B1間輸出的400KHZ HF電壓是低阻抗，因而，電容C1和C2幾乎不妨礙HF功率的傳輸。
但是，電容C1和C2形成的隔離層45對DC提供的是基本上無限大的阻抗。而且，電容C1和C2每個都對于市電頻率(50HZ或60HZ)產生高阻抗。即，由于電容的阻抗值反比于頻率，電容C1和C2的阻抗值在50HZ時變得很大，是400KHZ時的8000倍(400KHZ/50HZ＝8000)。因此，電能的小量泄漏例如一信號相對于低頻的少量泄漏在開關電源設備中可以忽略。所以，通過采用HF操作，按照本發明的隔離電路20可以用作DC電源和市電電源的隔離電路。但是，如果HF開關電源電路1的輸出頻率與市電頻率相比不太高或等于或小于聲頻，例如大約400HZ，則輸出頻率與市電頻率的頻率比低至400HZ/50HZ＝8∶1，則形成層45的電容C1和C2不可避免地具有大的容量，由此，不可能把這個隔離電路用作市電電源的隔離電路。
如上所述，通過使負載電路4電懸浮的隔離層45，HF功率很容易地傳輸到頻率轉換電路7。
另一方面，隔離層45很難允許DC或低頻功率通過。
圖3是表示本發明的第二個實施例的電路圖。在示于圖3的實施例中，示于圖2輸入側的直流電源E由一個相當于市電頻率的交流(AC)電源EAC代替，一個用于整流交流電EAC的整流電路8設置在HF開關電源電路1的輸入側，而其它部分與圖2所示相同。這個實施例的工作除在輸入側的交流電源EAC被全波整流外，其余均與上述圖2的相同，因此，不作詳細說明。
在圖2所示的實施例中，HF開關電源電路1包括電容C1和C2及開關元件S1和S2，HF開關電源電路不限于此，其它的HF開關電源電路也可應用。相似地，頻率轉換電路7和負載電路4也不限于圖2所示的。
如上所述，按照本發明的實施例，由于在HF開關電源電路中產生的HF功率經包括電容器的隔離電路提供給負載，因而幾乎不發生鐵損或銅損。另外，在隔離電路上的主要損耗僅是介電損耗，理論上損耗能有效減少，尤其是使用具有極小介質損耗正切的電容器例如聚丙烯薄膜電容器。而且，由于不使用高頻變壓器，不產生輻射噪聲，由此，能獲得所希望的電磁環境。另外，由于不使用像HF變壓器那樣的苯重部件，設置能做得小而輕。
圖4是本發明第三個實施例的電路圖。示于圖4的實施例除了在隔離電路20和頻率轉換電路7之間的功率線上提供包括共模扼流圈的濾波電路5外，示于圖4的實施例與上述圖2的實施例結構相同。在電源輸入側地與輸出負載側地之間阻抗是無限大，即輸入/輸出的地是彼此完全電獨立的，濾波電路5基本上是不必要的。但是，如果輸入和輸出地間的阻抗對于HF開關電源電路1的開關頻率不高，則濾波電路5起重要作用。例如，在輸入和輸出地之間的阻抗對于HF開關電源電路1的開關頻率是低阻抗時，如不用濾波電路5，則響應HF開關電源電路1的開關動作，一個大的脈動共模電流將經輸入和輸出地流到隔離電路20。結果，形成隔離層的電容C1和C2的電荷量突然波動。因而，大的脈沖電流流至開關元件S1和S2，引起這些開關元件S1和S2的擊穿。
但是，如圖4所示，上述問題可以通過提供濾波電路5而加以解決。具體地說，如果形成濾波電路5的共模扼流圈的電感值對于HF開關電源電路1的開關頻率是高阻抗，則在HF開關電源電路每次被開關時經隔離電路20流過輸入和輸出地之間的HF共模電流能被濾波電路5有效地抑制。
因而，由于濾波電路5，電容C1和C2的電壓不會由于共模的HF電流而突然波動，使得形成隔離層45的電容C1和C2的電壓穩定。在共模扼流圈是完全緊耦合時，理論上，濾波器5不起正常模式(the normal mode)中的阻抗作用。即，在正常模式中，共模扼流圈是零阻抗。因此，由HF開關電源電路1至頻率轉換電路7的正常模式的HF功率的傳輸基本上不會被濾波電路所阻斷。
換句話說，濾波電路5相對于在節點A1和B1間輸出的400KHZ正常模式的HF電壓理論上呈現零阻抗，因而提供濾波電路5不會妨礙HF功率的傳輸。另外，即使在共模扼流圈中存在一些正常模式的阻抗，也不會對HF功率的傳輸產生嚴重的問題。
濾波電路5可以與圖4的第三實施例類似連接在電流電源E和HF開關電源電路1之間或連接在HF開關電源電路1和隔離電路2之間。
圖5是表示本發明的第四個實施例的電路圖。示于圖5的實施例與圖4的差別在于，圖4中的頻率變換電路省略且輸入電源側即直流電源E連到地G1而輸出負載側即負載電路4連至地G2以及地G1和地G2經阻抗Z相互連接。在本實施例的濾波電路5中，共模電感值相對于HF開關電源電路1的開關頻率是高阻抗，這與圖4相似。這樣，形成隔離層45的電容器的電壓不會響應HF開關電源電路1的開關而突然變化，使得即使輸入和輸出地G1和G2之間的阻抗Z是低阻或零阻抗，流經隔離層45和阻抗Z的HF共模電流能由濾波電路5有效阻斷。因而，由于濾波電路5，電容器C2的電壓不會突然波動，使得形成隔離層45的電容器C1和C2的電壓是穩定的。
圖6是表示本發明的第五個實施例的電路圖。在示于圖6的實施例中，濾波電路5和頻率轉換電路7與示于圖4的實施例的連接顛倒。與示于圖4的實施例相似，本實施例的濾波電路5中，共模扼流圈電感值相對于HF開關電源電路1的開關頻率是高的。結果，在HF開關電源電路1每次開關時，流經隔離層45的共模電流被形成濾波電路5的共模扼流圈有效阻斷。因而，由于有濾波電路5，電容器C1和C2的電壓不會突然波動，使得形成隔離層45的電容C1和C2的電源是穩定的。
圖7是表示本發明的第六個實施例的電路圖。在示于圖7的實施例中，圖6的濾波電路5由包括電抗器L1和L2的濾波電路50所代替。濾波電路50用于抑制共模電流，這與示于圖4至圖6的實施例的濾波電路5相似。即，如果形成濾波電路50的電抗器L1和L2的電感值相對于HF開關電源電路1的開關頻率是高阻抗，則經隔離電路20在輸入和輸出地間流過的HF共模電流被濾波電路50有效抑制。
因而，由于濾波電路50，電容器C1和C2的電壓不會由于HF共模電流而突然波動，因而使形成隔離層45的電容C1和C2的電壓穩定。另外，由于濾波電路50理論上在正常模式中起阻抗作用，它也起使從HF開關電源電路1輸出并傳輸到頻率轉換電路7的正常模式的HF功率平滑的濾波器作用。
圖8是表示本發明的第七個實施例的電路圖。示于圖8的實施例與圖3不同在于，包括共模扼流圈的濾波電路5連接示于圖3的AC電源EAC和HF開關電源電路10之間的AC電源線上。也是在這個實施例中，共模扼流圈的值對于HF開關電源電路1的開關頻率是高阻抗。結果，電容器C1和C2的電壓不會突然波動，使得形成隔離層45的電容器的電壓穩定。不限于圖8的實施例，電路5可以連接到HF開關電源電路10和隔離電路20之間、隔離電路20和頻率轉換電路7之間或頻率轉換電路7和負載4之間。
圖9是表示本發明第八個實施例的電路圖。在圖9的實施例中，上述示于圖8的包括共模扼流圈的濾波電路5由包括一對電抗器L1和L2的濾波電路50所代替。這個濾波電路50用作扼制共模電流，這與示于圖8的濾波電路5相似。
不限于圖9的實施例，電路50能夠連接在頻率轉換電路7和負載4之間。
圖10是表示本發明的第九個實施例的電路圖。示于圖10的實施例的結構和工作除了示于圖9的頻率轉換電路沒有提供外其余均與圖9的相同，因此，將不作詳細說明。
如上所述，根據示于圖4至圖10的實施例，通過連接濾波電路，有可能有效防止響應開關電源設備的開關元件的開關動作而產生的、經輸入和輸出地流動的共模HF電流。結果，即使輸入和輸出地間的阻抗為零，即，輸入和輸出接地相同，濾波電路也對HF開關電源的開關頻率呈現高阻抗，由此，流經輸入和輸出接地的HF共模電流不能通過隔離電路。因此，由于濾波電路，隔離電路的電容器的電壓不會因為共模HF電流而突然波動，從而形成隔離層的電容的電壓是穩定的。另外，濾波電路防止脈動共模電流，使得開關元件的擊穿得以避免。
雖然本發明已經詳細敘述和說明，容易理解，所舉的例子僅僅為了說明而不是限制，本發明的精神和范圍僅受所附權項的限制。
權利要求
1.一種提供功率至負載的開關電源設備，負載經隔離裝置連接到高頻開關電源裝置輸出端，所述高頻開關電源裝置用于把電源的功率進行頻率轉換，輸出比所述電源頻率高的高頻功率，其特征在于，所述的隔離裝置包括在所述高頻開關電源裝置的輸出和所述負載之間形成隔離層(45)的電容器。
2.一種用于提供功率至負載的開關電源設備包括一直流電源(E);響應具有高于聲頻頻率的脈沖信號，把從來自所述直流電源的直流電功率變換成高頻功率輸出的高頻開關電源裝置(1);以及，隔離裝置(20)，它包括由連接在所述高頻開關電源裝置的輸出和所述負載之間的電容器形成的隔離層。
3.如權利要求2所述的開關電源設備，其特征在于進一步包括，連接在所述負載和所述隔離裝置之間、用于轉換所述高頻功率的頻率轉換裝置(7)。
4.如權利要求3所述開關電源設備，其特征在于進一步包括，用于抑制或阻斷流經所述隔離層的共模電流的濾波裝置(5、50)。
5.如權利要求4所述的開關電源設備，其特征在于，所述的濾波裝置包括用于增加共模阻抗的共模扼流圈(5)。
6.如權利要求5所述的開關電源設備，其特征在于，所述的共模扼流圈連接在所述隔離裝置和所述頻率轉換裝置之間。
7.如權利要求5所述的開關電源設備，其特征在于，所述共模扼流圈連接在所述隔離裝置和所述負載之間。
8.如權利要求4所述的開關電源設備，其特征在于所述的濾波裝置包括一對用于阻止共模電流流動的電抗器(50)。
9.如權利要求8所述的開關電源設備，其特征在于，所述的電抗器連接在所述頻率轉換裝置和所述負載之間。
10.一種用于提供功率至負載的開關電源設備，其特征在于包括一交流電源(EAC)，響應具有聲頻以上頻率的脈沖信號、把所述交流電源的交流功率變成高頻功率輸出的高頻開關電源裝置(10)，和隔離裝置(20)，它包括連接在所述高頻開關電源裝置的輸出和所述負載間、形成隔離層的電容器。
11.如權利要求10所述的開關電源設備，其特征在于進一步包括，連接在所述負載和所述隔離裝置之間、用于變換所述高頻功率的頻率變換裝置(7)。
12.如權利要求11所述的開關電源設備，其特征在于進一步包括，用于抑制或阻斷流經所述隔離層的共模電流的濾波裝置(5，50)。
13.如權利要求12所述的開關電源設備，其特征在于，所述濾波裝置包括用于增加共模阻抗的共模扼流圈(5)。
14.如權利要求13所述的開關電源設備，其特征在于所述的共模扼流圈連接在所述交流電電源和所述高頻開關電源裝置之間。
15.如權利要求12所述的開關電源設備，其特征在于，所述濾波裝置包括一對用于抑止共模電流流動的電抗器(50)。
16.如權利要求15所述的開關電源設備，其特征在于，所述電抗器連接在所述交流電源和所述高頻開關電源裝置之間。
17.一種開關電源設備的隔離方法，其特征在于包括下述步驟把來自電源的功率變換成高于該電源頻率的高頻功率;和經由電容器形成的隔離層傳輸所述高頻功率。
18.一種開關電源設備的隔離方法，其特征在于包括下述步驟把來自電源的功率變換成聲頻以上的高頻功率;經由電容器形成的隔離層傳輸所述高頻功率;和把經所述隔離層傳輸的所述高頻功率變換成低頻功率。
19.如權利要求17或18所述的隔離方法，其特征在于進一步包括，抑制流經所述隔離層的共模電流。
20.如權利要求19所述的隔離方法，其特征在于，所述的抑制步驟是使用共模扼流圈進行的。
21.如權利要求19所述的隔離方法，其特征在于，所述抑制步驟是使用一對電抗器進行的。
全文摘要
一種開關電源設備包括由來自直流電源(E)的直流電壓供電的高頻開關電源電路(1)。包括在高頻開關電源電路中的開關元件(S1，S2)，響應控制信號而交替導通，由此產生高頻功率。該高頻功率經由電容器(C1，C2)形成的隔離層(45)傳輸至頻率變換電路(7)，在該電路中，高頻功率變換成直流電后提供給負載電路(4)。于是，不需要通常使用的變壓器，在隔離電路(20)中不產生鐵損和銅損，因此允許設備制得更小型而輕巧。
文檔編號H02M3/337GK1053154SQ9010370
公開日1991年7月17日 申請日期1990年5月18日 優先權日1989年5月18日
發明者中野博民 申請人:中野博民