CN100466436C - 电源装置 - Google Patents

Abstract

一种电源装置中，MOSFET(Q1)的源极通过谐振线圈(L2)与整流二极管(D1)和扼流圈(L1)的节点相连；谐振线圈(L2)和整流二极管(D1)的串联电路与电容(C5)和MOSFET(Q2)的串联电路并联；并且通过PWM控制来驱动MOSFET(Q1)和MOSFET(Q2)，从而使MOSFET(Q1)与MOSFET(Q2)交替导通，而在某一周期内两个MOSFET都被截止。该电源装置中的电阻(R2)与电容(C5)并联。

Description

电源装置

技术领域

本发明涉及电源装置，具体而言，涉及一种用于点亮DC(直流)工作高压放电灯的电源装置。

背景技术

例如，通过加给DC电压被点亮，且用作投影仪的灯的高压放电灯是可供利用的。尽管当灯未被点亮时(处于室温)，高压放电灯内部的空气压力相对较低，但在放电开始之后，随温度的升高，空气压力也升高。由于当放电灯内部的空气压力较低时更容易发生放电，当放电开始时更易于发生放电，而且放电灯作为负载，其电阻较低。相反，在由于放电灯被点亮导致温度升高之后，相对而言则不容易发生放电，且放电灯作为负载，其电阻较高。不过，由于负载的大小并非总是不变的，高压放电灯使用将负载功率控制为不变的电源装置。

可以使用专利文献1中披露的电源装置。使用专利文献1中描述的电源装置实现降压或升压型斩波电路中开关元件的零电压切换(ZVS)，并且所述电源装置除了构成斩波电路的基本部件，比如第一开关元件、扼流圈和整流二极管之外，还包括谐振线圈、起恒压源作用的电容以及第二开关元件。不过，专利文献1中所披露的电源设备没有特别指出用于点亮放电灯。

图3为按照专利文献1的第一实施例电源装置的电路图。在图3中，电源装置10基于降压型斩波电路，包括直流电源Vin、整流二极管D1、扼流圈L1、作为第一开关元件的MOSFET Q1，以及作为斩波电路的基本元件的平滑电容C1。电源装置10还包括作为第一二极管的二极管D2，以及电容C2和C4。二极管D2为MOSFET Q1的体二极管(body diode)，电容C2限定为结电容，即MOSFET Q1的漏极与源极之间的并联电容。电容C4限定为结电容，即整流二极管D1的阳极与阴极之间的并联电容。

电源装置10还包括作为第二开关元件的MOSFET Q2、作为第二二极管的二极管D3、电容C3、谐振线圈L2、作为第一电容的电容C5(为一恒压源)、作为第三二极管的二极管D4、用于电流检测的电阻R1，以及控制电路11。二极管D3为MOSFET Q2的体二极管，电容C3限定为结电容，即MOSFET Q2的漏极与源极之间的并联电容。

作为MOSFET Q1第一端的漏极，与直流电源Vin的第一端相连，作为MOSFET Q1第二端的MOSFET Q1的源极通过谐振线圈L2与扼流圈L1的第一端相连。直流电源Vin的第二端接地。扼流圈L1的第二端与第一输出端Po相连。整流二极管D1的阴极用作整流二极管D1的第一端，它与扼流圈L1的第一端相连；整流二极管D1的阳极用作整流二极管D1的第二端，与直流电源Vin的第二端相连。平滑电容C1连接在第一输出端Po与第二输出端Po之间。包包电容C5和MOSFET Q2的串联电路的第一端与连接MOSFET Q1与谐振线圈L2的节点相连，并且，该串联电路的第二端与直流电源Vin的第二端相连。电阻R1连接在平滑电容C1的第一端(即第二输出端Po)与直流电源Vin的第二端之间。二极管D4与包含MOSFET Q1和谐振线圈L2的串联电路并联连接。控制电路11与第一和第二输出端Po、电阻R1的两端、作为MOSFET Q1的控制端的栅极，以及作为MOSFETQ2的控制端的栅极相连。电容C5与MOSFET Q2的连接顺序可以颠倒，只要它们是串联连接即可。

在具有上述结构的电源装置10中，控制电路11检测输出电压Vout。由于输出电流流经电阻R1，控制电路11由电阻R1上的电压检测输出电流。MOSFET Q1与Q2交替地导通和截止，其间存在两个MOSFET都截止的停滞时间，从而输出电压或输出功率是恒定的。MOSFET的切换频率随控制电路11中包含的振荡电路的频率而定，通过改变每个开关元件的ON-OFF比，即通过PWM控制，实现输出电压或输出功率的稳定性。

控制电路11具有过流保护电路，它通过暂时停止切换来阻止振荡(防止MOSFET Q1被导通)，从而解决输出电流成为过电流时的问题。

下面将考虑使用电源装置10点亮高压放电灯的情形。假设扼流圈L1具有1mH的电感值，谐振线圈L2具有30μH的电感值，平滑电容C1具有0.47μF的电容值，电容C5具有0.47μF的电容值。还假设电容C2，C3和C4具有的电容值处于数十到数百pF的范围内。假设输入电压Vin为370V，电源装置10启动时的预定输出电压Vout假设为280V。假设随控制电路11中包含的振荡器电路而定的开关元件的切换频率为100kHz。

在这种电源装置10中，控制电路11工作，使得在电源装置启动时输出电压是恒定的。当点亮高压放电灯时，利用设置在电源装置与高压放电灯之间的点火器，使280V的输出电压增加17kV；通过向高压放电灯加给该组合电压开始放电。电源装置工作在轻载状态下，因为在放电开始之前的数百毫秒时间内没有电流流过高压放电灯。

一旦高压放电灯开始放电，电源装置10的输出被直接加给高压放电灯。由于在放电开始之后温度较低时，高压放电灯作为负载，它的电阻较低，会有较大电流企图流动。然而，实际上，过流保护电路被启动，将电流限制为例如大约4A。此时，高压放电灯上的电压为大约10V。

之后，在几十秒时间内，高压放电灯的温度升高，放电灯作为负载，它的电阻变得较高，放电状态稳定。不过，即使放电稳定，高压放电灯的负载值也并非总是稳定的。于是，电源装置10进行恒压控制，使负载功率恒定，比如恒定在200W。从而，电源装置10的输出电压在比如大约几十伏到一百几十伏的范围内改变。

专利文献1：日本未审专利申请公开No.2003-189602。

发明内容

如上所述，在使用电源装置10点亮高压放电灯的情形中，电源装置10以轻的负载工作，因为当电源装置10启动时，负载电流的流动可以被忽略。在专利文献1所披露的电源装置中，由于在描述电路的工作时假设具有正常的负载，因而看不出有明显的问题。然后，由于在高压放电灯开始放电时，当负载较轻时，电路的工作与正常工作并不相同，因而是存在问题的。

首先，电容C5被电源电压Vin充电，从而当负载较轻时，使MOSFETQ2侧成为负的。此时电容C5的充电电压Vx最大能够达到输出电压(Vx＝-280V)。相反，当采用常规的负载值时，电容C5以基本恒定的电压Vx充电，从而使MOSFET Q2侧成为正的。在这种情况下，Vx处于10V-20V的范围内。以预定电压Vx使电容C5被充电，从而使得当MOSFET Q2导通时，MOSFET Q1与谐振线圈L2的节点处的电压Va为-Vx，并使流过谐振线圈L2的电流ib的方向被反向。结果，二极管D2变成导电性的，从而可以实现MOSFET Q1的零电压切换。

此时，有如上面所述那样，在高压放电灯被点亮时，电容C5被暂时充电到接近启动时输出电压的电压值。这就导致必须使用具有高耐压性的部件，尽管在正常工作时并不需要高耐压部件。

在电源装置10中，由于负载较轻，并且在点亮高压放电灯时(点亮前)输出电流Iout较小，所以，流过谐振线圈L2的电流ib较小。从而，沿正常工作的反方向充电到电容C5上的电荷没有被放电，并保持这样的状态。在这种情况下，由于电压Va并不变为负，所以，流过谐振线圈L2的电流ib的方向不变成相反的方向。从而，不能实现MOSFET Q1的零电压切换。

此外，由于在点亮高压放电灯时阻抗较高，则有如上述，负载电流的流动就可以被忽略不计。在这种情况下，控制电路11使非MOSFET Q1为ON的周期较短，防止输出电压大于或者等于预定值。然而，不能无限制地缩短ON周期。当开关元件被导通时，开关元件不能立即被截止。从而，确定最小的ON周期。这样导致电力供给过剩，并使输出电源电压增大。为了防止电力供给过剩和输出电源电压增大，控制电路11进入阻止振荡模式，这当中，一次或多次地使MOSFET Q1停止被导通，以抑制输出电压的升高。

不过，由于切换的频率和周期都是固定的，所以，即使在阻止振荡模式下，当MOSFET Q1被截止时，会使负载突然从轻变为重，MOSFET Q1也不能随着负载的改变而被立即导通。结果，就存在输出电压减小的问题。这意味着需要较长的时间才能变换到稳定的导通状态，因为有如上面所述那样，在用于高压放电灯的电源装置开始放电时，负载电阻会突然变小，并且动作跟不上负载的改变。

此外，如上所述，在启动时负载较轻，电容C5沿着正常工作的反方向被充电的状态得以被保持。在这种情况下，在MOSFET Q2侧成为负的方向，电容C5的充电电压为比如280V。在高压放电灯被点亮之后负载具有低电阻时，以280V充电到电容C1上的电荷被朝向负载放电，以280V沿正常工作的反方向充电到电容C5上的电荷也被朝向负载放电。这被称为二次冲击电流。

在这种情况下，电容C5的放电电流流过电阻R1，过流保护电路工作。然而，在过流保护电路工作时，电源装置10的切换是间歇的，这样的工作与具有轻负载时的工作相同，其中的不利之处在于动作跟不上之后负载的改变。

本发明的目的在于解决上述缺点，并提供一种电源装置，即使在负载较轻时也能实现零电压切换，而不进到阻止振荡模式，并且不产生二次冲击电流。

为实现上述目的，本发明的电源装置包括：第一端彼此相连的整流二极管(D1)和扼流圈(L1)；第一开关元件(Q1)，它的第一端通过谐振线圈(L2)连到整流二极管(D1)和扼流圈(L1)的节点；并且该第一开关元件(Q1)的第二端与输入电压接线端的第二端相连，以及输出电压接线端与扼流圈(L1)的第二端相连；与第一开关元件(Q1)并联连接的第一二极管(D2)；包含第一电容(C5)和第二开关元件(Q2)的串联电路，所述串联电路与包含谐振线圈(L2)和整流二极管(D1)的串联电路并联连接；以及与第二开关元件(Q2)并联连接的第二二极管(D3)。其中，第一开关元件(Q1)、第二开关元件(Q2)和整流二极管(D1)当中每一个的端点之间都有并联电容(分别为C2，C3和C4)，并包含与第一电容(C5)并联连接的第一电阻(R2)。此外，所述电源装置还可以包括与包含第一开关元件(Q1)和谐振线圈(L2)的串联电路并联连接的第三二极管(D4)。

按照本发明，所述电源装置还包括与第一电阻(R2)串联设置的第四二极管(D5)。

在本发明的电源装置中，第一开关元件(Q1)的第二端与直流电源(Vin)的第一端相连，扼流圈(L1)的第二端与输出端相连，整流二极管(D1)的第二端与直流电源(Vin)的第二端相连，从而实现降压操作。

在本发明的电源装置中，当使用该电源装置点亮高压放电灯时，即使负载较高，也能实现零电压切换，工作并不进到阻止振荡模式，并且不会产生二次冲击电流。

附图说明

图1为本发明第一实施例电源装置的电路图；

图2为本发明第二实施例电源装置的电路图；

图3为现有技术电源装置的电路图。

附图标记

20，30：电源装置

Q1：MOSFET(第一开关元件)

Q2：MOSFET(第二开关元件)

D1：整流二极管

D2：第一二极管(MOSFET Q1的体二极管)

D3：第二二极管(MOSFET Q2的体二极管)

D4：第三二极管

D5：第四二极管

L1：扼流圈

L2：谐振线圈

C1：平滑电容

C2，C3，C4：电容(MOSFET Q1和Q2及二极管D1的并联电容)

C5：第一电容

R1：电流检测用的电阻

R2：第一电阻

Vin：直流电源

Po：输出端

具体实施方式

(第一实施例)

图1为按照本发明第一实施例电源装置的电路图。在图1中，使用相同附图标记表示与图3中的元件相同或相似的元件，并省略对它们的描述。

在图1所示的电源装置中，作为第一电阻的电阻R2与作为第一电容的电容C5并联连接，在图3的电源装置10中也设有第一电容。本结构的其余部分与电源装置10相同。在本实施例中将电阻R2的电阻值设定为2.4kΩ。

在具有上述结构的电源装置20中，即使在负载较轻时试着沿正常工作的反方向对电容C5充电时，但由于电荷通过电阻R2被放电，电容C5在反方向的充电可以被忽略。从而，防止产生二次冲击电流。此外，过流保护电路不工作，这是因为不产生二次冲击电流，因而动作不会进到间歇切换模式。从而，不会发生动作跟不上后面的负载改变的问题。

此外，由于电容C5并不沿者反方向被充电，所以，电容C5的充电电压总被保持在较低值，因而，不会发生必须使用具有高耐压性部件的问题。

另外，由于电阻R2的存在引起放电的缘故，使电容C5沿着反方向充电可以被忽略，以实际上为恒定的电压Vx对电容C5充电，从而，即使当负载较轻时，MOSFET Q2侧也为正，以及即使当负载较轻时，也能实现零电压切换。

此外，由于电流从MOSFET Q1的漏极侧流到源极侧，在进行零电压切换时，执行从输出侧到输入侧的再生操作，当负载较轻时，不会由于过大的电供给而使输出电压增大。从而，动作不会进到阻止振荡模式，不会发生动作跟不上负载从轻变重的问题。

如果电阻R2的电阻值过大，则可防止电容C5沿反方向被充电；如果电阻过小，则在正常工作时，流过电阻R2的电流所引起的损失量较大。在上述条件下，例如，最好使电阻R2的阻值上限为10kΩ，电阻的阻值下限为1kΩ。

(第二实施例)

图2是按照本发明第二实施例电源装置的电路图。在图2中，使用相同附图标记表示与图1中的元件相同或相似的元件，并省略对它们的描述。

在图2所示的电源装置30中，设有与作为第一电阻的电阻R2串联连接的二极管D5作为第四二极管，在图1的电源装置20中也设有第一电阻。即包含电阻R2和二极管D5的串联电路与电容C5并联连接。将二极管D5设置成使它的阴极与MOSFET Q2相连。本结构的其余部分与电源装置20相同。

在具有上述结构的电源装置30中，即使在启动时试着沿反方向对电容C5进行充电，但由于电荷通过电阻R2和二极管D5放电，电容C5沿反方向的充电可以被忽略。从而，如同电源装置20那样，可以防止产生二次冲击电流。此外，即使在负载较轻时，动作也不会进到间歇切换模式，不会发生动作跟不上后面的负载改变的问题。另外，电容C5的充电电压总保持在较低值，因而不会发生必须使用具有高耐压性部件的问题。

此外，由于设有二极管D5，以实际上为恒定的电压Vx对电容C5充电，从而使MOSFET Q2侧为正电荷，正常工作时并不通过电阻R2放电，因此，在正常工作的情况下，不会发生因流过电阻R2的电流所引起的损失。

当设有二极管D5时，即使电阻R2的阻值较小，也不会发生问题。不过，如果电阻R2的阻值较小，通过将电容C5充电而正常再生的能量也被放掉，这导致放电能量的损失。这种能量的损失有可能大于因零电压切换所减少的损失。从而，最好应当将电阻R2的电阻值设定在第一实施例所述的范围之内。

在上述实施例的电源装置20和30中，作为第三二极管的二极管D4与包含MOSFET Q1和谐振线圈L2的串联电路并联。设置二极管D4，用于防止当流过整流二极管D1的电流为零时，发生在谐振线圈L2与电容C4之间的电压谐振产生不需要的噪声。因而，如果整流二极管D1的耐压性足以忍受这种电压谐振，并且如果不存在由于所不需要的噪声的缘故而引发问题的可能性，就可以不设置二极管D4。

Claims (5)

1.一种电源装置，包括第一端彼此相连的整流二极管和扼流圈；第一开关元件，它的第一端通过谐振线圈连到整流二极管和扼流圈的节点，并且该第一开关元件(Q1)的第二端与输入电压接线端的第二端相连，以及输出电压接线端与扼流圈(L1)的第二端相连；与第一开关元件并联连接的第一二极管；包含第一电容和第二开关元件的串联电路，该串联电路与包括谐振线圈和整流二极管的串联电路并联连接；以及与第二开关元件并联连接的第二二极管，其中，

所述第一开关元件、第二开关元件和整流二极管当中每一个的端部之间具有并联电容，所述电源装置包括：

与第一电容并联连接的第一电阻。

2.根据权利要求1所述的电源装置，其中，还包括与包含第一开关元件和谐振线圈的串联电路并联连接的第三二极管。

3.根据权利要求1或2所述的电源装置，其中，还包括与第一电阻串联设置的第四二极管。

4.根据权利要求1或2所述的电源装置，其中，所述第一开关元件的第二端与直流电源的第一端相连；扼流圈的第二端与输出端相连；整流二极管的第二端与直流电源的第二端相连，从而实现降压操作。

5.根据权利要求3所述的电源装置，其中，所述第一开关元件的第二端与直流电源的第一端相连；扼流圈的第二端与输出端相连；整流二极管的第二端与直流电源的第二端相连，从而实现降压操作。

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