开关电源设备及其隔离方法技术

一种开关电源设备包括由来自直流电源（Ｅ）的直流电压供电的高频开关电源电路（１）。包括在高频开关电源电路中的开关元件（Ｓ１，Ｓ２），响应控制信号而交替导通，由此产生高频功率。该高频功率经由电容器（Ｃ１，Ｃ２）形成的隔离层（４５）传输至频率变换电路（７），在该电路中，高频功率变换成直流电后提供给负载电路（４）。于是，不需要通常使用的变压器，在隔离电路（２０）中不产生铁损和铜损，因此允许设备制得更小型而轻巧。（*该技术在2010年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术一般地涉及。更具体地，本专利技术涉及一种其中输出声频段以上高频(HF)功率的高频开关电源电路经一隔离电路连接到负载的。通常，对于一个使用HF开关电源电路的开关电源设备，为了不产生刺耳的声音噪声，它的工作频率(开关频率)通常选择成高于声频频段，即，高于20KHZ。近年来，由于功率固态器件已经大大改进，工作频率增加到几MHZ。这种在工作频率上的改进可以使开关电源设备制作得更小型和轻型，这有利于减少用于隔离的HF变压器的绕组和减小磁和电抗元件的尺寸。因而，使得工作频率更高的技术对于制作更小型和轻型的开关电源设备是必不可少的。附图说明图1是表示常规的开关电源设备的示意图。参见图1，直流(DC)电源E连接到HF开关电源电路1。HF开关电源电路1包括串联的第一和第二电容器C S1和C S2以及一与该串联电容器C S1和C S2并联的串联高速开关元件S1和S2。每个开关元件S1和S2由包含续流二极管的功率MO SFET组成。控制脉冲由控制电路(未图示)提供给开关元件S1和S2的每个控制端(栅极)。隔离电路2的初级端A和B分别连到电容器C S1和C S2间的节点A1和HF开关电源电路1的开关元件S1和S2之间的节点B1。隔离电路2例如包括HF变压器T。隔离电路2的次级侧的端子C和D连接到包括高速二极管的频率变换电路7，然后，负载电路4连到频率变换电路7的输出侧。上述HF变压器在初级端A和B及次级端C和D之间形成一隔离层(isolation barrier)44。下面，叙述示于图1的常规开关电源设备的工作。当控制脉冲交替提供给开关元件S1和S2的控制端时，这些开关元件S1和S2依次导通，使得隔离电路2的初级端A和B之间的电压相应反相，由此产生HF功率。通过磁场的媒介，该HF功率经隔离电路2的HF变压器T传输给次级端C和D。即，借助于磁场，HF功率经隔离层44传输给频率变换电路7侧。这个HF功率由频率变换电路7频率变换成DC功率并提供给负载电路4。如上所述，常规的开关电源设备的隔离电路用的是HF变压器T。但是，当变压器由HF电流激励时，变压器损失增加。这个变压器损失包括由于磁性材料带来的铁损和由于绕组等带来的铜损。这种随工作频率的增加而增加的损失不仅降低了开关电源设备的功率转换效率，而且还产生了对于损失产生的热辐射要采取相应措施等问题。另外要指出的是关于电磁干扰问题，例如，由于来自HF变压器T的辐射电磁场，其它电子设备受到噪声的干扰。因此，为了消除由HF变压器产生的干扰噪声，要提供一个磁屏蔽。但是与静电屏蔽相比较，要获得较高的对磁场的屏蔽效果通常是困难的，因而原来，通过屏蔽消除来自HF变压器T的辐射噪声常常是根据经验的技术诀窍来进行的，这是要解决的最困难的问题之一。而且理论上，HF变压器要求象铜线制的绕组和磁性材料如铁氧体或非晶钴制的芯这样一些苯重的部件，它妨碍制造更小型和轻型的开关电源设备。因此，本专利技术的主要目的是提供一种损耗能够减少的。本专利技术的另一个目的是提供一种由于没有来自HF变压器对其它电子设备的干扰辐射噪声、从而改善电磁干扰问题的。本专利技术的进一步目的是提供一种适于制得更小型和轻型的。简单地说，本专利技术是具有经包括一对电容器的隔离电路将输出高于声频的HF功率的HF开关电源电路连接到负载的开关电源设备。因而，按照本专利技术，与由磁性材料和绕组形成的常规的隔离电路相比，HF交变磁场产生的可能性大为减少，从而，铁损和铜损难于产生。进而，实际上可以避免使用形成HF磁通的绕组，从而HF漏磁通难以产生。按照本专利技术的较佳实施例，转换HF功率频率的频率转换电路连接在负载和隔离电路之间。另外，按照本专利技术的最佳实施例，一个共模扼流圈(common modechoke)连接在隔离电路和频率转换电路之间或隔离电路与负载之间。当本专利技术参照附图作详细说明后，本专利技术的上述及其它目的、特点、情况和优点将变得更为清楚。图1是表示常规的开关电源设备一个例子的电路图。图2是表示本专利技术的第一个实施例的电路图。图3是表示本专利技术的第二个实施例的电路图。图4是表示本专利技术的第三个实施例的电路图。图5是表示本专利技术的第四个实施例的电路图。图6是表示本专利技术的第五个实施例的电路图。图7是表示本专利技术的第六个实施例的电路图。图8是表示本专利技术的第七个实施例的电路图。图9是表示本专利技术的第八个实施例的电路图。图10是表示本专利技术的第九个实施例的电路图。图2是表示本专利技术的第一个实施例的电路图。参见图2，直流电源E，HF开关电源电路1，负载电路4和频率变换电路7与上述图1所示相似。隔离电路20包括一对电容C1和C2及初级端A和B与次级端C和D之间形成的隔离层45。该隔离层45使次级端C和D对于初级端A和B电悬浮。初级端A连接到HF开关电源电路1中的电容C S1和C S2间的节点A1，而初级端B连到开关元件间的节点B1。次级端C和D连到频率变换电路7。然后，输入隔离电路20初级侧的HF功率使用作为媒介的电场，经隔离层45传输至次级侧。即，HF功率借助于电场经隔离层45传输到频率变换电路7侧。该HF功率由频率变换电路7频率变换成DC功率，然后提供给负载电路4。下面叙述示于图2的实施例的工作。现在，为了提供HF功率给频率换电路7，具有例如开关频率为400KHZ的控制脉冲交替提供给第一和第二开关元件S1和S2的控制端。响应该控制脉冲，开关元件S1和S2交替导电或导通，使得400KHZ的近似于方波或完全的方波交流电压提供给隔离电路20的初级端A和B。下面，更详细叙述HF开关电源1的逆变器的工作。首先，在1μs的时间中，开关元件S1的控制端导通而开关元件S2的控制端关闭。当响应控制端的控制脉冲，确立开关元件S1的导通状态和开关元件S2的截止状态时，电容C S1的电压在节点A1和B1间输出。然后，当开关元件S1的控制端关闭而开关元件S2的控制端导通时，输出电压的极性相反。但是，在此以前，提供一个停滞时间(dead time)用于关闭开关元件S1和S2所有的控制端0.25μs，以防止分路(支路)短路。这是为了防止由于开关元件S1和S2的贮存时间而引起的开关元件S1和S2的同时导通，而不管控制端的控制脉冲信号的存在，这样支路短路被防止。于是，在停滞期间，所有控制元件S1和S2的控制端关闭。当然，这个停滞时间应该比所使用的开关元件的开关时间长。在本实施例中，开关元件S1和S2从导通状态进入截止状态或相反所需的时间，即所谓开关时间置为大约0.15μs。在停滞时间期间，输出电压是在非控制期间，输出电压的极性取决于开关元件S1和S2的开关特性和负载电流等，它们是不确定的。这个停滞时间是低频分量电压产生的原因之一。在停滞时间结束后的1 μs时间，开关元件S1的控制端关闭而开关元件S2的控制端导通。当开关元件S1截止和开关元件S2的导通状态确定时，电容C S2的电压提供到节点A1和B1之间且节点A1相对于节点B1变成负。此后，再次提供0.25μs停滞时间。通过重复上述动作，400KHZ HF电压输出至节点A1和B1，HF电压通过隔离层45提供给频率转换电路7，通过频率变换电路7，输入到频率转换电路7的HF功率变换成DC功率。这里电容C1和C2相对于在节点A1和B本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种提供功率至负载的开关电源设备，负载经隔离装置连接到高频开关电源装置输出端，所述高频开关电源装置用于把电源的功率进行频率转换，输出比所述电源频率高的高频功率，其特征在于，所述的隔离装置包括在所述高频开关电源装置的输出和所述负载之间形成隔离层（４５）的电容器。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：中野博民，
申请(专利权)人：中野博民，
类型：发明
国别省市：JP[日本]