具有串联电容的开关电源制造技术

一种开关电源设备可以减小开关损耗以获得高效率。另外，通过把变压器制得紧凑和轻便，可以减少控制电路的部件数目以及开关元件的成本。在该开关电源设备中，由变压器的初级线圈、电感器和电容器所形成的串联电路的一端连接到第一开关电路和第二开关电路的连接点。该串联电路的另一端连接到一个输入电源。该变压器的次级线圈连接到包括整流元件的整流和平滑电路。另外，为了执行自激振荡，设置第一和第二控制电路。该第一控制电路控制从该变压器的第一驱动线圈中产生电压之后到第一开关电路导通的时间段，以及到第一开关电路截止的时间段。类似地，该第二控制电路控制从该变压器的第二驱动线圈中产生电压之后到第二开关电路导通的时间段，以及到第二开关电路截止的时间段。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种用于提供直流稳定电压的开关电源。更加具体来说，本专利技术涉及一种开关电源，它在开关元件的导通周期中在变压器的初级线圈和电容器中存储能量，并且在开关元件的截止周期中把所存储的能量从变压器的次级线圈提供到一个负载。在该开关电源设备中，一个输入电源E、一个电感器L和第一开关电路S1串联到变压器T的初级线圈T1。另外，包括初级线圈T1和电感器L的串联电路与包括电容器C和第二开关电路S2的串联电路相并联。第一驱动线圈T3产生基本上与初级线圈T1的电压成比例的一个电压。第一驱动线圈T3的电压被输入到一个控制电路11。类似地，第二驱动线圈T4产生基本上与初级线圈T1的电压成比例的一个电压。第二驱动线圈T4的电压被输入到一个控制电路12。控制电路11的电压被输入到第一开关电路S1的第一开关元件Q1的一个控制端。第二控制电路12的电压被输入到第二开关电路S2的第二开关元件Q2的一个控制端。第一开关电路S1由包括第一开关元件Q1、第一二极管D1以及第一电容器C1的并联电路所形成。第二开关电路S2由包括第二开关元件Q2、第二二极管D2以及第二电容器C2的并联电路所形成。一个整流元件Ds与变压器T的次级线圈T2相串联。整流和平滑电路包括整流元件Ds和连接到整流元件Ds的一个输出端的电容器Co。整流元件Ds与电容器(电容阻抗)Cs相并联，检测负载电压的检测电路14连接在整流和平滑电路的一个输出端与该负载之间。检测电路14的输出反馈被发送到第一控制电路11。另外，美国专利第3,596,165号中提供一种开关电源设备，其中两个开关电路在变压器的初级线圈侧相连接，以形成分别激励的振荡，并且一个全波整流器连接到该次级线圈。另外，在日本未审查专利申请公告5-328719和日本未审查专利申请公告11-136940中提供开关电源设备。在每种设备中，两个开关电路在变压器的初级线圈上相互连接，并且次级线圈由附图说明图1中所示的电路结构所形成。在这种情况下，电感器和电容器串联到初级线圈。第二开关元件并联到该串联电路。但是，在上述的每个开关电源设备中，存在如下问题(1)美国专利3,596,165该开关电源设备被称为谐振型半桥式电路(ON-ON型)。在这种电路中，当每个开关元件导通时，能量被从初级线圈发送到次级线圈。每个开关元件的导通时间基本上固定，并且开关频率被改变，以改变串联在初级线圈上LC谐振电路的阻抗，以控制输出功率。换句话说，当LC谐振频率和开关频率相互接近时，LC谐振电路的阻抗变得更小，从而大电流流过该变压器，因此获得大输出功率。相反，当LC谐振频率远离开关频率时，可以获得小的输出功率。在这种方案中，开关频率根据输出功率而明显改变。当频率大大改变时，输出平滑电路和滤波器电路的尺寸也增加。结果，存在电子元件干扰和控制电路功耗增加这样的问题。另外，由于开关电源设备是一种分离激励振荡型的设备，元件数目的增加有碍于该设备的小型化和成本的降低。另外，为了进行全波整流，在变压器的次级侧至少需要两个二极管。(2)日本未审查专利申请公告5-328719和日本未审查专利公告11-136940在该公告中提供的每个开关电源设备是一个ON-OFF型开关电源设备，其中在开关元件的导通时间中，能量存储在初级线圈内，并且在开关元件的截止时间中，所存储能量被从次级线圈释放。但是，每个设备不是自激励振荡型而是分离激励振荡型或同步振荡型的。因此，由于该设备需要一个振荡器、驱动电路等等，所以元件的数目增加，从而妨碍设备的小型化和成本的降低。在日本未审查专利申请公告5-328719中，由于使用同步振荡电路，因此不需要振荡器。但是，该电源设备需要包含具有高电压击穿特性的MOS-FET的集成电路来驱动高端开关元件、用于隔离的脉冲变换器和驱动器等等。结果，即使在该开关电源设备中，开关控制电路的尺寸和制造成本增加。(3)日本专利申请9-352696在该公告中提供的开关电源设备是自激励振荡型的，它是一种ON-OFF型开关电源设备，在第一开关电路的导通时间中在初级线圈内存储能量，并且在第一开关电路的截止时间中从次级线圈释放所存储的能量。如图1中所示，由于等于输入电压Vin和电容器电压Vc之和的电压被施加到一个开关元件，该开关元件需要是一个具有高电压击穿特性的元件。另外，由于电源设备具有一种结构，其中输入电压Vin被直接施加到变压器T的初级线圈T1，并且施加到初级线圈T1的电压变高，这妨碍了该设备的小型化。另外，仅仅存储在变压器的初级线圈中的激励能量被输出到该变压器的次级侧。电容器C的能量不被输出到次级侧。结果，初级线圈的电流峰值变大，从而增加传导损耗。为了解决上述问题，根据本专利技术的一个方面，在此提供一种开关电源设备，其中包括由第一开关元件Q1、第一二极管D1和第一电容器C1的并联电路所形成的第一开关电路，由第二开关元件Q2、第二二极管D2和第二电容器C2的并联电路所形成的第二开关电路，该第一和第二开关电路形成一个串联电路，一个连接到该串联电路的输入电源、包括初级线圈和次级线圈的变压器T、该初级线圈、泄漏电感器L和电容器C形成一个串联电路，该串联电路的一端连接到第一开关电路和第二开关电路的连接点，并且另一端连接到输入电源，一个整流和平滑电路包括整流元件Ds，该整流和平滑电路连接到变压器T的次级线圈，在第一开关元件Q1的导通周期中在初级线圈和电容器C中累积能量，并且在第一开关元件Q1的截止周期中从次级线圈获得一个输出，第一开关元件Q1的导通时间被控制，使得输出功率得到控制，第一驱动线圈包含在该变压器T中，以产生基本上与初级线圈的电压成比例的一个电压，用于导通第一开关元件Q1，第二驱动线圈包含在该电压器中，以产生基本上与初级线圈的电压成比例的一个电压，以导通第二开关元件Q2，在开关元件Q1和Q2都截止的时间段之前和之后，该开关控制电路使第一和第二开关元件Q1和Q2交替地导通和截止，在第二开关元件Q2和整流元件Ds都截止之后，使第一开关元件Q1导通，从而执行自激振荡。通过上述结构，获得如下优点(1)由于施加到每个第一和第二开关元件Q1和Q2的电压是输入电压，因此可以使用具有低额定电压的半导体元件作为该开关元件Q1和Q2。例如，典型MOS-FET的导通电阻大约与击穿耐压的平方成比例地增加。但是，当使用具有低额定电压的开关元件时，导通电阻变小，从而可以减小传导损耗。另外，通常具有低额定电压的元件比较便宜。因此，通过减少开关元件的发热，整个开关电源设备可以具有高效率，并且可以低成本地制造该设备，并减少重量和尺寸。(2)施加到变压器T的初级线圈的电压基本上为图1中所示的常规开关电源设备中的电压的一半。结果，可以减小初级线圈的匝数，从而可以减小铁芯间距。另外，能够容易地设计具有所需电压击穿特性的变压器T，从而可以使变压器小型化。(3)由于第一和第二开关电路的开关元件Q1和Q2并联到二极管和电容器，因此开关元件Q1和Q2在零电压导通，并且开关元件Q2在零电流截止。结果，大大减小开关损耗并且避免发热。(4)次级侧的整流元件Ds在零电流导通，并且电流波形在零电平相对陡峭地上升，并且到达一个峰值点，在此电流变化率为零。然后，电流波形再次落回零电平，在此整流元件Ds截止。当与常规的倒本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种开关电源设备，包括：由第一开关元件、第一二极管和第一电容器的并联电路所形成的第一开关电路；由第二开关元件、第二二极管和第二电容器的并联电路所形成的第二开关电路，该第一和第二开关电路形成一个串联电路；一个连接到该串联电路的输入 电源；包括初级线圈和次级线圈的变压器；该初级线圈、泄漏电感器和电容器形成一个串联电路，该串联电路的一端连接到第一开关电路和第二开关电路的连接点，并且另一端连接到输入电源；一个整流和平滑电路包括整流元件，该整流和平滑电路连接到变压 器的次级线圈；在第一开关元件的导通周期中在初级线圈和电容器中累积能量，并且在第一开关元件的截止周期中从次级线圈获得一个输出，第一开关元件的导通时间被控制，使得输出功率得到控制；第一驱动线圈包含在该变压器中，以产生基本上与初级线圈的电 压成比例的一个电压，用于导通第一开关元件；第二驱动线圈包含在该电压器中，以产生基本上与初级线圈的电压成比例的一个电压，以导通第二开关元件；以及开关控制电路交替地导通和截止第一和第二开关元件，在开关元件都截止的时间段之后，该开关控制电 路使第一和第二开关元件交替地导通，在开关元件都截止的时间段之前，开关控制电路交替地截止第一和第二开关元件，在第二开关元件和整流元件都截止之后，使第一开关元件导通，从而执行自激振荡。...

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：细谷达也，竹村博，冈本康司，
申请(专利权)人：株式会社村田制作所，
类型：发明
国别省市：JP[日本]