開關電源裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種開關電源裝置，能夠與負載的輕重無關地高效率且降低損耗來進行電力變換。半橋式轉(zhuǎn)換器電路（20）通過FET（21、22）的切換，根據(jù)輸入電壓（Vi）產(chǎn)生輸出電壓（Vo），后級SW控制電路（40）以固定導通占空比、并且以與負載輕重相應的開關頻率，夾著空載時間交替地對半橋式轉(zhuǎn)換器電路（20）的FET（21、22）進行導通/截止控制。升壓轉(zhuǎn)換器電路（10）具有電感器（L1）以及平滑電容器（C1）、和切換對電感器（L1）的通電的FET（11）。前級SW控制電路（30）以控制的導通占空比，對升壓轉(zhuǎn)換器電路（10）的FET（11）進行導通/截止控制，來調(diào)整半橋式轉(zhuǎn)換器電路（20）的輸出電壓。
【專利說明】開關電源裝置【技術(shù)領域】
[0001] 本發(fā)明涉及將轉(zhuǎn)換器形成為二級結(jié)構(gòu)的開關電源裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]專利文獻I中公開了在前級具備電流輸入波形轉(zhuǎn)換器且在后級具備串聯(lián)共振型轉(zhuǎn)換器這樣的結(jié)構(gòu)的DC-DC轉(zhuǎn)換器。前級的電流輸入波形轉(zhuǎn)換器例如是升壓轉(zhuǎn)換器，檢測輸出電壓，從而進行控制使得對后級的串聯(lián)共振型轉(zhuǎn)換器輸入的輸入電壓為一定。后級的串聯(lián)共振型轉(zhuǎn)換器以固定頻率進行動作，使得輸入電壓直接成為負載電壓。
[0003]【在先技術(shù)文獻】
[0004]【專利文獻】
[0005]【專利文獻I】JP特開昭64-43062號公報
[0006]【發(fā)明的概要】
[0007]【發(fā)明要解決的課題】
[0008]專利文獻I所記載的DC-DC轉(zhuǎn)換器與負載的輕重無關地將串聯(lián)共振型轉(zhuǎn)換器的開關頻率設為固定共振頻率，控制開關元件的導通占空比。具體而言，在輕負載的情況下，使脈沖寬度變窄，在重負載的情況下，使脈沖寬度展寬。但是，在開關頻率固定而使得脈沖寬度變窄的情況下、即減小導通占空比的情況下，存在開關元件的截止期間較長、開關損耗變大的這種問題。此外，在重負載時使脈沖寬度展寬，從而增大開關元件的導通占空比的情況下，各元件中流過的電流的振幅變大，存在導通損耗(RI2)增加的這種問題。這樣一來，專利文獻I所記載的DC-DC轉(zhuǎn)換器因負載的輕重而存在效率下降或者損耗增加的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]為此，本發(fā)明的目的在于提供一種與負載的輕重無關地能夠高效率且降低損耗來進行電力變換的開關電源裝置。
[0010]【用于解決課題的技術(shù)方案】
[0011]本發(fā)明涉及的開關電源裝置具備:非絕緣型轉(zhuǎn)換器，其對輸入的輸入電源電壓進行升壓從而輸出直流電壓；和絕緣型橋式轉(zhuǎn)換器，其被輸入從所述非絕緣型轉(zhuǎn)換器輸出的直流電壓，向負載輸出直流電壓，所述絕緣型橋式轉(zhuǎn)換器具有:變壓器，其具備初級繞組以及次級繞組；交流電壓發(fā)生電路，其與所述初級繞組連接，具有第I開關元件和第2開關元件，通過所述第I開關元件以及所述第2開關元件的切換，從所輸入的直流電壓產(chǎn)生交流電壓，并施加于所述初級繞組；和整流電路，其與所述次級繞組連接，對通過與所述初級繞組之間的磁耦合而在所述次級繞組中感應出的電壓進行整流，并輸出至負載，所述非絕緣型轉(zhuǎn)換器具有:電感器以及電容器；第3開關元件，其切換對所述電感器的通電，所述開關電源裝置還具備:開關頻率控制電路，其以固定導通占空比、并且以與所述負載的輕重相應的開關頻率，針對所述第I開關元件以及所述第2開關元件，夾著空載時間交替地進行導通/截止控制；和PWM控制電路，其對所述第3開關元件進行導通/截止控制，并且控制所述第3開關元件的導通占空比來調(diào)整所述絕緣型橋式轉(zhuǎn)換器的輸出電壓。
[0012]在該結(jié)構(gòu)中，由于諸如以大致50%的導通占空比對第I開關元件以及第2開關元件進行導通/截止控制，因此能夠降低第I開關元件以及第2開關元件的開關損耗，從而可有效地進行電力變換。此外，導通占空比為固定，并且根據(jù)負載的輕重來控制第I開關元件以及第2開關元件的開關頻率，從而能夠減少因開關頻率而變化的損耗。例如，在重負載時通過將開關頻率設定得較高從而脈沖寬度變窄，能夠減少電流波紋，降低導通損耗。此外，在輕負載時通過將開關頻率設定得較低，從而能夠降低鐵損。
[0013]優(yōu)選所述開關頻率控制電路的構(gòu)成為:將所述負載為輕負載時的所述第I開關元件以及所述第2開關元件的開關頻率設定得比所述負載為重負載時的開關頻率低。
[0014]在該結(jié)構(gòu)中，在重負載時通過將開關頻率設定得較高，從而脈沖寬度變窄，由此能夠減少電流波紋，降低導通損耗。此外，在輕負載時通過將開關頻率設定得較低，從而能夠降低鐵損。
[0015]也可以構(gòu)成為:所述開關頻率控制電路檢測向所述負載的輸出電流并根據(jù)所述輸出電流來控制所述開關頻率。
[0016]在該結(jié)構(gòu)中，通過根據(jù)負載的輕重來控制開關頻率，從而能夠與負載的輕重無關地進行高效率的電力變換。
[0017]也可以構(gòu)成為:所述開關頻率控制電路對所述變壓器的初級側(cè)設置的元件中流過的初級側(cè)電流進行檢測，并根據(jù)所述初級側(cè)電流來控制所述開關頻率。
[0018]在該結(jié)構(gòu)中，在變壓器的次級側(cè)檢測到電流的情況下，為了從次級側(cè)向初級側(cè)傳送檢測信號而需要絕緣結(jié)構(gòu)(光耦合器等)，但是在初級側(cè)進行電流檢測的情況下則不需要絕緣結(jié)構(gòu)。
[0019]也可以構(gòu)成為:所述開關頻率控制電路對所述變壓器的初級側(cè)或者次級側(cè)所設置的元件的溫度進行檢測，并根據(jù)所述溫度來控制所述開關頻率。
[0020]在該結(jié)構(gòu)中，通過伴隨著溫度變化的開關控制，能夠有效地進行電力變換。
[0021]【發(fā)明的效果】
[0022]根據(jù)本發(fā)明，由于例如能夠以大致50%的導通占空比，對第I開關元件以及第2開關元件進行導通/截止控制，因此能夠降低第I開關元件以及第2開關元件的開關損耗，可有效地進行電力變換。此外，通過導通占空比固定、且根據(jù)負載的輕重來控制第I開關元件以及第2開關元件的開關頻率，從而能夠降低因開關頻率而變化的損耗。例如，在重負載時，通過將開關頻率設定得較高從而脈沖寬度變窄，能夠減少電流波紋，進而能夠降低導通損耗。此外，在輕負載時，通過將開關頻率設定得較低，從而能夠減少鐵損。
【專利附圖】

【附圖說明】[0023]圖1是實施方式I涉及的開關電源裝置的電路圖。[0024]圖2是實施方式2涉及的開關電源裝置的電路圖。[0025]圖3是實施方式3涉及的開關電源裝置的電路圖。[0026]【符號說明】[0027]10-升壓轉(zhuǎn)換器電路[0028]20-半橋式轉(zhuǎn)換器電路[0029]30-前級SW控制電路(PWM控制電路)
[0030]40-后級SW控制電路(開關頻率控制電路)
[0031 ]50-全橋式轉(zhuǎn)換器電路
[0032]Il-FET (第3開關元件)
[0033]21-FET (第I開關元件)
[0034]22-FET (第2開關元件)
[0035]C1、Cl、Co-平滑電容器
[0036]C21-電容器
[0037]D21、D22-二極管
[0038]T-變壓器
[0039]np-初級繞組
[0040]ns-次級繞組
【具體實施方式】
[0041](實施方式I)
[0042]圖1是實施方式I涉及的開關電源裝置的電路圖。開關電源裝置101構(gòu)成為前級具備非絕緣型轉(zhuǎn)換器，后級具備絕緣型橋式轉(zhuǎn)換器。本實施方式中，非絕緣型轉(zhuǎn)換器是升壓轉(zhuǎn)換器電路10，絕緣型橋式轉(zhuǎn)換器是半橋式轉(zhuǎn)換器電路20。開關電源裝置101將從輸入端子Pi ( + )、Pi (_)輸入的直流輸入電壓Vi變換為輸出電壓Vo，提供給與輸出端子Po ( + )、Po (-)連接的負載(未圖示)。在輸入端子Pi (+)、Pi (-)連接平滑電容器Ci以及升壓轉(zhuǎn)換器電路10。
[0043]升壓轉(zhuǎn)換器電路10由電感器L1、η型MOSFET (以下稱為FET) 11、二極管Dl以及平滑電容器Cl構(gòu)成。電感器LI的第I端與升壓轉(zhuǎn)換器電路10的輸入部連接，第2端經(jīng)由二極管Dl而與升壓轉(zhuǎn)換器電路10的輸出部連接。二極管Dl的正極端子與電感器LI連接，負極端子與升壓轉(zhuǎn)換器電路10的輸出部連接。二極管Dl的負極端子連接著平滑電容器Cl。FET (本發(fā)明的第3開關元件)11的漏極端子連接于電感器LI與二極管Dl之間的連接點，源極端子連接于地線。此外，F(xiàn)ETll的柵極端子與前級開關控制電路(以下稱為前級SW控制電路。)30連接，由前級SW控制電路30進行導通/截止控制。該前級SW控制電路30相當于本發(fā)明的PWM控制電路。
[0044]升壓轉(zhuǎn)換器電路10通過由前級SW控制電路30進行FETll的導通/截止，從而將輸入電壓Vi升壓至輸出電壓Va。具體而言，在FETll導通時電感器LI中蓄積能量。并且，在FETll截止時，對輸入電壓Vi相加電感器LI的感應電壓，從而輸出電壓Va被輸出。
[0045]前級SW控制電路30中輸入與在后述的變壓器的次級側(cè)檢測出的輸出電壓Vo相應的反饋電壓Vfbl。再者，圖1中為了方便，僅以一根線表示反饋的路徑。例如，能夠使用光耦合器、脈沖變壓器等的絕緣單元進行反饋。具體而言，在輸出端子Po ( + )-Po (-)間連接反饋電路，反饋電路通過比較輸出端子Po ( + )-Po (-)的電壓的分壓值與基準電壓從而產(chǎn)生反饋信號，以絕緣狀態(tài)向前級SW控制電路30輸出反饋電壓VfbI。
[0046]前級SW控制電路30具備振蕩器31、比較器32以及驅(qū)動器(Drv) 33，以基于反饋電壓Vfbl所決定的導通占空比來對FETll進行導通/截止控制。振蕩器31與比較器32的非反轉(zhuǎn)輸入端子(+ )連接，將基準三角波電壓(斜坡波電壓)向比較器32輸出。比較器32的反轉(zhuǎn)輸入端(_)中被輸入反饋電壓Vfbl。比較器32對輸入的三角波電壓和反饋電壓Vfbl進行比較，生成與比較結(jié)果相應的占空(duty)的PWM信號。驅(qū)動器33基于來自比較器32的PWM信號，進行FETll的導通/截止控制。
[0047]這樣，在本實施方式涉及的開關電源裝置101的前級SW控制電路30中，F(xiàn)ETll的導通占空比是通過反饋電壓Vfb I進行控制的。換言之，通過前級SW控制電路30控制FET11的導通占空比，來控制開關電源裝置101的輸出電壓No。
[0048]在升壓轉(zhuǎn)換器電路10的后級連接具備變壓器的半橋式轉(zhuǎn)換器電路20。半橋式轉(zhuǎn)換器電路20在變壓器的初級側(cè)具備FET (本發(fā)明的第I開關元件)21、FET (本發(fā)明的第2開關元件)22以及電容器C21。由FET21、22以及電容器C21形成本發(fā)明涉及的交流電壓發(fā)生電路。
[0049]FET21的漏極端子與升壓轉(zhuǎn)換器電路10的輸出部連接，源極端子與變壓器的初級繞組np的第I端連接。初級繞組np的第2端與電容器21連接，由FET21、初級繞組np以及電容器C21形成串聯(lián)電路。
[0050]FET22的漏極端子與初級繞組np的第I端連接，源極端子經(jīng)由電容器C21而與初級繞組np的第2端連接。由這些的FET22、電容器C21以及初級繞組np形成閉環(huán)的電路。
[0051]FET2U22各自的柵極端子與后級開關控制電路(以下稱為后級SW控制電路)40連接，由后級SW控制電路40進行導通/截止控制。詳細而言，F(xiàn)ET21、22夾著空載時間以大致50%的占空比交替被導通。該后級SW控制電路40相當于本發(fā)明的開關頻率控制電路。
[0052]半橋式轉(zhuǎn)換器電路20在變壓器的次級側(cè)具備二極管D21、D22、扼流圈L2以及平滑電容器Co。由二極管D21、D22、扼流圈L2以及平滑電容器Co構(gòu)成本發(fā)明的整流電路。變壓器的次級繞組ns的第I端與二極管D21的正極端子連接，第2端與二極管D22的正極端子連接。二極管D21、D22各自的負極端子經(jīng)由扼流圈L2以及平滑電容器Co而與輸出端子Po ( + )連接。此外，變壓器的次級繞組ns具有中間抽頭，中間抽頭與輸出端子Po (-)連接。以下，為了說明方便，將第I端與中間抽頭之間的次級繞組ns稱為第I次級繞組nsl，將第2端與中間抽頭之間的次級繞組ns稱為第2次級繞組ns2。
[0053]在半橋式轉(zhuǎn)換器電路20中，通過后級SW控制電路40，夾著空載時間以50%的導通占空比交替使FET21、22導通。在FET21導通、FET22截止時，在FET21、變壓器的初級繞組np以及電容器C21的路徑中流過電流IA。在該電流流過初級繞組np時，電容器C21被充電，并且通過磁耦合在變壓器的次級繞組ns感應出電壓。并且，在變壓器的次級側(cè)，在第I次級繞組nsl、二極管D21以及電感器L2的路徑中流過電流Ic。
[0054]在夾著空載時間使FET21截止、FET22導通時，被充電之后的電容器C21進行放電，在初級繞組np以及FET22的路徑中流過電流IB。在該電流流過初級繞組np時,通過磁率禹合在變壓器的次級繞組ns感應出FET21導通的情況下的逆電壓。并且，在變壓器的次級側(cè)在第2次級繞組ns2、二極管D22以及電感器L2的路徑中流過電流ID。
[0055]后級SW控制電路40中輸入與檢測流向負載的電流而得到的檢測結(jié)果相應的反饋電壓Vfb2。例如，經(jīng)由在輸出端子Po (_)的連接線上所設置的電流檢測變壓器以及電阻等來檢測出反饋電壓Vfb2。由電流檢測變壓器對流向負載的電流進行電壓變換，被變換之后的電壓經(jīng)由電阻進行反饋，輸入至后級SW控制電路40。而且，與反饋電壓Vfbl同樣，反饋電壓Vfb2例如能夠利用光耦合器或脈沖變壓器等的絕緣單元進行反饋。
[0056]后級SW控制電路40由振蕩器(0SC)41、驅(qū)動器(Drv)42構(gòu)成。振蕩器41生成導通占空比大致為50%、且與輸入的反饋電壓Vfb2相應的頻率的脈沖波，并輸出至驅(qū)動器42。具體而言，振蕩器41在負載為輕負載、且所輸入的反饋電壓Vfb2較大的情況下，生成頻率比負載為重負載時低的脈沖波。驅(qū)動器42基于脈沖波來夾著空載時間地使FET21、22交替地進行導通/截止。因此，F(xiàn)ET21、22在負載為輕負載時以低的開關頻率、且夾著空載時間的大致50%的導通占空比，交替進行導通。此外，F(xiàn)ET21、22在負載為重負載時以高的開關頻率、且夾著空載時間的大致50%的導通占空比，交替進行導通。
[0057]由于導通占空比大致為50%，因此能夠使FET21、22高效率地進行動作，能夠?qū)崿F(xiàn)高效率的電力變換。此外，在重負載時通過提高FET21、22的開關頻率，從而能夠降低各元件中流過的電流的振幅，能夠降低各元件中的導通損耗。此外，在輕負載時通過降低FET21、22的開關頻率，從而能夠降低鐵損。
[0058]如以上所述，本實施方式涉及的開關電源裝置101將半橋式轉(zhuǎn)換器電路20的FET2U22的導通占空比固定為大致50%，從而通過升壓轉(zhuǎn)換器電路10的FETll的導通占空比Da的調(diào)整來進行輸出電壓No的控制。由此，開關電源裝置101可進行高效率的電力變換。
[0059]以下，說明通過FETll的導通占空比Da的調(diào)整來控制輸出電壓Vo的情況。
[0060]在升壓轉(zhuǎn)換器電路10中，在將FETll的導通占空比設為Da時，輸入電壓Vi與輸出電壓Va的關系滿足以下的(I)式。
[0061]Va/Vi=Da/ (l_Da)...(I)
[0062]升壓轉(zhuǎn)換器電路10的輸出電壓Va是與升壓轉(zhuǎn)換器電路10的后級連接的半橋式轉(zhuǎn)換器電路20的輸入電壓。關于電壓Va，如以所述(I)式表示電壓Va時，成為:
[0063]Va=Vi.Da/ (1-Da)...(2)。
[0064]在半橋式轉(zhuǎn)換器電路20中，在設變壓器的繞組比為η、設FET21、22的導通占空比為Db時，成為:
[0065]Vo/Va=Db/ (2η)..*(3)。
[0066]在此，在將初級繞組np的繞組設為nl、將次級繞組np的繞組設為n2的情況下，n=nl/n2。再者，由于次級繞組np的繞組n2包含第I次級繞組nsl和第2次級繞組ns2，因此(3)式中設定為1/2倍。因此，在次級繞組ns不具有中間抽頭的情況下，在(3)式的右邊不設定1/2倍。在(3)式中代入(2)式時，滿足以下的(4)式的輸出電壓Vo成為:
[0067]Vo= {Vi.Da/ (l_Da)}.{Db/ (2n) }...(4)。
[0068]FET21、22的導通占空比Db大致固定為50%。S卩、由于上述(4)式中導通占空比Db是固定的，因此輸出電壓Vo能夠通過FETll的導通占空比Da進行控制。
[0069](實施方式2)
[0070]圖2是實施方式2涉及的開關電源裝置102的電路圖。實施方式I中，在變壓器的次級側(cè)，檢測負載中流過的電流，向后級SW控制電路40輸入反饋電壓Vfb2，相對于此，實施方式2中的不同點在于:對變壓器的初級側(cè)流過的電流進行檢測。另外，也可適當變更變壓器的初級側(cè)檢測電流的場所。例如，既可以檢測FET21或者FET22中流過的電流，也可以檢測初級繞組np中流過的電流。此外，既可以檢測FETll中流過的電流，還可以檢測電感器LI中流過的電流。
[0071]本實施方式中，由于在變壓器的初級側(cè)檢測電流，因此不需要光耦合器或脈沖變壓器等的絕緣單元。
[0072](實施方式3)
[0073]圖3是實施方式3涉及的開關電源裝置103的電路圖。開關電源裝置103取代實施方式1、2的半橋式轉(zhuǎn)換器電路20而具備全橋式轉(zhuǎn)換器電路50。
[0074]全橋式轉(zhuǎn)換器電路50具備FET51、52、53、54。FET51、52、53、54進行橋式配置，在FET5U52的連接點、以及FET53、54的連接點連接初級繞組np。詳細而言，由FET51、初級繞組np以及FET54形成串聯(lián)電路，連接于全橋式轉(zhuǎn)換器電路50的輸入部。此外，由FET53、初級繞組np以及FET52形成串聯(lián)電路，連接于全橋式轉(zhuǎn)換器電路50的輸入部。
[0075]在全橋式轉(zhuǎn)換器電路50中，后級SW控制電路40使FET51、54同時進行導通/截止，使FET52、53同時進行導通/截止。此外，后級SW控制電路40以大致50%的固定導通占空比、且根據(jù)反饋電壓Vfb2所控制的開關頻率，使FET51、54、和FET52、53交替導通。
[0076]再者，與實施方式I同樣，通過調(diào)整升壓轉(zhuǎn)換器電路10的FETll的導通占空比來控制輸出電壓Vo。
[0077]如上述結(jié)構(gòu)那樣，即便形成全橋型的DC-DC轉(zhuǎn)換器，也能夠與實施方式I同樣地進行高效率的電力變換。
[0078]以上，說明了本發(fā)明的開關電源裝置，但是該具體結(jié)構(gòu)能可適當進行設計變更，上述實施方式中記載的作用以及效果只不過列舉了根據(jù)本發(fā)明所產(chǎn)生的最佳的作用以及效果，基于本發(fā)明所得到的作用以及效果并不限定于上述實施方式所記載的內(nèi)容。
[0079]例如，各實施方式中，開關電源裝置也可以構(gòu)成為:通過熱敏電阻等來檢測在變壓器的初級側(cè)或者次級側(cè)設置的元件、例如電感器L1、FET21、22、或二極管D21、22等的元件溫度，并檢測后級SW控制電路40中所輸入的反饋電流Vfb2。
【權(quán)利要求】
1.一種開關電源裝置，具備:非絕緣型轉(zhuǎn)換器，其對輸入的輸入電源電壓進行升壓從而輸出直流電壓；和絕緣型橋式轉(zhuǎn)換器，其被輸入從所述非絕緣型轉(zhuǎn)換器輸出的直流電壓，向負載輸出直流電壓，所述絕緣型橋式轉(zhuǎn)換器具有:變壓器，其具備初級繞組以及次級繞組；交流電壓發(fā)生電路，其與所述初級繞組相連接，具有第I開關元件和第2開關元件，通過所述第I開關元件以及所述第2開關元件的切換，由所輸入的直流電壓產(chǎn)生交流電壓，并施加至所述初級繞組；和整流電路，其與所述次級繞組連接，對通過與所述初級繞組之間的磁耦合而在所述次級繞組中感應出的電壓進行整流，并向負載輸出，所述非絕緣型轉(zhuǎn)換器具有:電感器以及電容器；第3開關元件，其切換對所述電感器的通電，所述開關電源裝置還具備:開關頻率控制電路，其以固定導通占空比且以與所述負載的輕重相應的開關頻率，夾著空載時間交替地對所述第I開關元件以及所述第2開關元件進行導通/截止控制；和PWM控制電路，其對所述第3開關元件進行導通/截止控制，并且控制所述第3開關元件的導通占空比來調(diào)整所述絕緣型橋式轉(zhuǎn)換器的輸出電壓。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的開關電源裝置，其特征在于，所述開關頻率控制電路的構(gòu)成是將所述負載為輕負載時的所述第I開關元件以及所述第2開關元件的開關頻率設定得比所述負載為重負載時的開關頻率低。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的開關電源裝置，其特征在于，所述開關頻率控制電路檢測向所述負載輸出的輸出電流，根據(jù)所述輸出電流來控制所述開關頻率。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的開關電源裝置，其特征在于，所述開關頻率控制電路對所述變壓器的初級側(cè)所設置的元件中流過的初級側(cè)電流進行檢測，并根據(jù)所述初級側(cè)電流來控制所述開關頻率。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的開關電源裝置，其特征在于，所述開關頻率控制電路對所述變壓器的初級側(cè)或者次級側(cè)所設置的元件的溫度進行檢測，并根據(jù)所述溫度來控制所述開關頻率。
【文檔編號】H02M1/08GK103516197SQ201310230891
【公開日】2014年1月15日 申請日期:2013年6月9日 優(yōu)先權(quán)日:2012年6月14日
【發(fā)明者】志治肇 申請人:株式會社村田制作所