CN104600988A - 电源设备 - Google Patents

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Abstract

一种电源设备，可包括：电源单元，对输入的电力进行切换并提供驱动电力；控制单元，在电源单元的负载状态等于或高于预设的负载状态的情况下，通过将电力开关相位和占空比固定到预设值并改变其开关频率来控制由电源单元进行的电力的供应，并且在电源单元的负载状态是或低于预设的负载状态的情况下，通过改变电源单元的电力开关相位和开关频率来控制由电源单元进行的电力的供应。

Description

电源设备
本申请要求于2013年10月31日提交到韩国知识产权局的第10-2013-0131558号韩国专利申请的权益，所述韩国专利申请的公开内容通过引用被包含于此。
技术领域
本公开涉及一种利用移相全桥机制的电源设备。
背景技术
最近，满足各种用户需求的若干种电子设备(诸如计算机、显示装置、多种控制器等)已经在诸如家庭空间、商业空间和工业空间等的各种空间中使用。
这样的电子设备必然需要向其提供驱动电力并设置在电子设备的内部或外部的电源设备，以执行满足不同用户需求的各种操作。
具体地，诸如连续地运行并使用大容量电力的服务器的电子设备必然需要电源设备。
同时，在轻载条件下已经需要高效率。这是因为用于服务器的电源设备的并行驱动结构以及用于服务器的电源设备的操作特性。
即，为了满足高可靠性的需求，用于服务器的这样的电源设备使用并行驱动结构，以在由多个电源设备中的一个电源设备进行的电力供应被停用时平稳地输出电力。由于数据中心的用户的数量在一天的某些时间(诸如黎明)急剧减小，所以用于服务器的电源设备可运行于轻载区域。
通常，作为服务器的电源设备的DC/DC转换单元，根据用于高功率规格的需求来广泛地使用全桥转换器。在这种情况下，通过使用相移控制，零电压开关是可能的，从而可减小开关损耗。
这是由于这样的事实：在移相全桥转换器的情况下，半导体装置具有低水平的应力，可执行零电压开关，并且适合于大容量应用。
另外，在具有如在用于服务器的电源设备中的高电流输出状态的情况下，用于服务器的电源设备可通过在次级侧整流级(secondary side rectifyingstage)使用同步整流器(SR)开关来显著地减小传导损耗。
在通常的情况下，使用初级侧控制信号来控制SR开关。在这种情况下，由于电源设备在轻载区域失去了零电压开关特性并且在连续电流模式下操作输出电感器，所以导致预定量的磁性损耗，从而会使效率降低。
因此，已经需要能够显著减小开关损耗和磁损耗的移相全桥转换器，所述移相全桥转换器能够避免在轻载区域效率降低。
专利文献1涉及移相全桥(PSFB)转换器但是没有公开用于在轻载区域显著减小开关损耗和磁损耗的具体构造。
【现有技术文献】
(专利文献1)日本专利特许公开：JP2005-348567。
发明内容
本发明的一方面在于提供一种使用移相全桥机制的电源设备，所述电源设备在轻载情况下具有改善的电力变换效率。
根据本公开的一方面，电源设备可包括：电源单元，对输入的电力进行切换并提供驱动电力；控制单元，在电源单元的负载状态等于或大于预设的负载状态的情况下，通过将电源单元的电力开关相位和电力开关占空比固定到预设值并改变电源单元的开关频率来控制由电源单元进行的电力供应，以及在电源单元的负载状态等于或低于预设的负载状态的情况下，通过改变电源单元的电力开关相位和开关频率来控制由电源单元进行的电力的供应。
电源单元可包括：开关单元，根据控制单元的控制对输入电力进行切换；变换单元，对由开关单元切换的电力进行变换；输出单元，对由变换单元变换的电力进行稳定和输出。
开关单元可以以移相全桥构造执行所述切换。
变换单元可包括：谐振槽，执行电感器-电感器-电容器(LLC)谐振；变压器，根据各自具有预定量的匝数的初级绕组与次级绕组之间的匝数比来对由开关单元切换的电力进行变换。
控制单元可包括：占空比控制单元，检测来自电源单元的驱动电力的电流并控制电力的开关占空比；频率控制单元，检测来自电源单元的驱动电力的电压，并控制电源单元的开关频率；驱动控制单元，根据占空比控制单元和频率控制单元的控制来产生驱动信号；栅极驱动器，根据来自驱动控制单元的驱动信号来提供允许电力的开关的栅极信号。
占空比控制单元和频率控制单元可形成在具有预设的地的次级侧，驱动控制单元和栅极驱动器可形成在具有地的初级侧，初级侧的地具有与次级侧的地的电学特性不同的电学特性，控制单元还可包括传输单元，传输单元将来自次级侧的占空比控制单元和频率控制单元的控制信号传输到初级侧的驱动控制单元。
根据本公开的另一方面，一种电源设备可包括：电源单元，以移相全桥机制对输入的电力进行切换并提供驱动电力；控制单元，在电源单元的负载状态等于或大于预设的负载状态的情况下，通过将电源单元的电力开关相位固定到预设值并改变电源单元的开关频率来控制由电源单元进行的电力供应，以及在电源单元的负载状态等于或低于预设的负载状态的情况下，通过改变电源单元的电力开关相位和开关频率来控制由电源单元进行的电力的供应。
在电源单元的负载状态等于或大于预设负载状态的情况下，控制单元可将电源单元的开关占空比固定到预设值。
附图说明
通过下面结合附图进行的详细描述，本公开的上述和其他方面、特点和其他优点将会被更加清楚地理解，附图中：
图1是根据本公开的示例性实施例的电源设备的示意性电路图；
图2A和图2B是示出根据本公开的示例性实施例的依赖于电源设备的负载状态的开关机制的曲线图；
图3A和图3B是示出根据本公开的示例性实施例的根据电源设备的开关机制的主要组件的工作波形的曲线图。
具体实施方式
现在将参照附图来详细描述本公开的示例性实施例。
然而，本公开可以以许多不同的形式来进行举例说明，并且不应被解释为局限于这里阐述的特定实施例。相反，提供这些实施例以使本公开将是彻底和完全的，并且将把本公开的范围充分地传递到本领域技术人员。
在附图中，为了清楚起见，可以夸大元件的形状和尺寸，将始终使用相同的附图标记来指定相同或相似的元件。
图1是根据本公开的示例性实施例的电源设备的示意性电路图。
参照图1，根据本公开的示例性实施例的电源设备100可包括电源单元110和控制单元120。
电源单元110可包括开关单元111、变换单元112和输出单元113。
开关单元111可包括移相全桥。
移相全桥可包括第一领先腿开关(leading leg switch)Q1和第二领先腿开关Q2，第一滞后腿开关(lagging leg switch)Q3和第二滞后腿开关Q4。第一领先腿开关Q1和第二领先腿开关Q2以及第一滞后腿开关Q3和第二滞后腿开关Q4可分别执行接通或断开，可以以移相机制来控制它们的开关。
变换单元112可包括LLC谐振槽(resonance tank)RTa和变压器T。
LLC谐振槽RTa可执行电感器LR-电感器LM-电容器CR(LLC)谐振，电感器LM可以是变压器T的磁化的电感器。
变压器T可具有设置在初级侧并具有预设的地的初级绕组Np以及设置在次级侧与初级绕组Np绝缘并且磁性耦合到初级绕组Np的次级绕组Ns，次级绕组Ns具有与初级侧的地在电学上不同的地，初级绕组Np和次级绕组Ns彼此电气隔离。
初级绕组Np和次级绕组Ns中的每一个可具有预定量的匝数，初级绕组Np和次级绕组Ns可形成预设的匝数比，以根据匝数比变换并输出由开关单元111切换的电力。
输出单元113可包括第一二极管Ds1、第二二极管Ds2和电容器C0，第一二极管Ds1和第二二极管Ds2均对从次级绕组Ns提供的变换的电力进行整流，电容器C0对由第一二极管Ds1和第二二极管Ds2整流的电力进行稳定(stabilizing)。
控制单元120可根据负载状态提供控制开关单元111的第一领先腿开关Q1和第二领先腿开关Q2以及第一滞后腿开关Q3和第二滞后腿开关Q4的开关的栅极信号Q1、Q2、Q3和Q4。
控制单元120可包括占空比控制单元121、频率控制单元122、传输单元123、驱动控制单元124和栅极驱动器125。
占空比控制单元121可根据通过检测电源单元110的驱动电力的电流获得的检测值来控制开关单元111的开关占空比。
频率控制单元122可根据通过检测电源单元110的驱动电力的电压获得的检测值来控制开关单元111的开关频率。
驱动控制单元124可产生能够根据占空比控制单元121和频率控制单元122的控制信号来控制开关单元111的移相全桥中包括的各个开关的开关的驱动信号。
驱动信号可以是调制脉冲宽度和相位的脉宽和相位调制PW&PM信号。
栅极驱动器125可基于来自驱动控制单元124的驱动信号向开关单元111的第一领先腿开关Q1和第二领先腿开关Q2以及第一滞后腿开关Q3和第二滞后腿开关Q4的栅极提供能够驱动开关单元111的移相全桥的各个开关的栅极信号Q1、Q2、Q3和Q4。
同时，占空比控制单元121和频率控制单元122可以形成在次级侧，驱动控制单元124和栅极驱动器125可以形成在与次级侧绝缘的初级侧。
因此，传输单元123可将来自与初级侧电绝缘的次级侧的占空比控制单元121和频率控制单元122的控制信号传输到初级侧的驱动控制单元124。
为此，传输单元123可包括分别将来自次级侧的占空比控制单元121和频率控制单元122的控制信号传输到初级侧的驱动控制单元124的第一光耦合器OP1和第二光耦合器OP2。
图2A和图2B是示出根据本公开的示例性实施例的根据电源设备的负载状态的开关机制的曲线图。图3A和图3B是示出根据本公开的示例性实施例的根据电源设备的开关机制的主要组件的工作波形的曲线图。
参照图1和图2A，根据本公开的示例性实施例的电源设备100的控制单元120可根据电源单元110的负载状态来控制开关单元111的开关。
首先，在电源单元110的负载状态大于等于预设的负载状态的情况下(即在重载状态的情况下)，可通过将电源单元110的开关单元111的电力开关相位和电力开关占空比固定到预设值并改变开关单元111的开关频率来控制电力转换开关操作。
另一方面，在电源单元110的负载状态低于等于预设的负载状态的情况下(即在轻载状态的情况下)，可通过改变电源单元110的开关单元111的电力开关相位和开关频率来控制电力开关转换操作。
例如，如图2A和3A中所示，控制单元120可在电源单元110的负载状态为重载状态的情况下通过将相位固定到“0”以及将占空比固定到“0.5”并改变开关频率来控制电源单元110的驱动电力的电压调节。
另外，如图2B和图3B中所示，控制单元120可在电源单元110的负载状态为轻载状态的情况下通过将占空比固定到“0.5”并改变相位和开关频率来控制电源单元110的驱动电力的电压调节，并可控制变压器T的磁化电流iLM的最大值。
即，在轻载状态的情况下，当相位增加时，磁化电流iLM的最大值减小，磁化电流iLM总是保持在续流段(0.5-DeffTs)，从而在开关单元111的开关Q1到Q4中的关断电流可显著降低。因此，在轻载状态的情况下，关断开关损耗可显著降低，磁化电流iLM的最大值可降低，从而铁芯损耗也可显著降低。
如上所阐述的，根据本公开的示例性实施例，可通过改变在轻载状态下的移相全桥的开关的电力开关相位和开关频率来控制电力转换操作。
虽然上面已经示出并描述了示例性实施例，但是对于本领域技术人员显而易见的是，在不脱离由权利要求限定的本公开的精神和范围的情况下，可以做出修改和变形。

Claims (12)

1.一种电源设备，包括：
电源单元，对输入的电力进行切换并提供驱动电力；
控制单元，被构造为在电源单元的负载状态等于或大于预设的负载状态时，通过将电源单元的电力开关相位和电力开关占空比固定到预设值并改变电源单元的开关频率来控制由电源单元进行的电力供应，以及在电源单元的负载状态等于或低于预设的负载状态时，通过改变电源单元的电力开关相位和开关频率来控制由电源单元进行的电力的供应。
2.根据权利要求1所述的电源设备，其中，电源单元包括：
开关单元，根据控制单元的控制对输入电力进行切换；
变换单元，对由开关单元切换的电力进行变换；
输出单元，对由变换单元变换的电力进行稳定和输出。
3.根据权利要求2所述的电源设备，其中，开关单元以移相全桥机制执行所述切换。
4.根据权利要求2所述的电源设备，其中，变换单元包括：
谐振槽，执行电感器-电感器-电容器LLC谐振；
变压器，根据各自具有预定量的匝数的初级绕组与次级绕组之间的匝数比来对由开关单元切换的电力进行变换。
5.根据权利要求1所述的电源设备，其中，控制单元包括：
占空比控制单元，检测来自电源单元的驱动电力的电流并控制电力的开关占空比；
频率控制单元，检测来自电源单元的驱动电力的电压，并控制电源单元的开关频率；
驱动控制单元，根据占空比控制单元和频率控制单元的控制来产生驱动信号；
栅极驱动器，根据来自驱动控制单元的驱动信号来提供栅极信号，所述栅极信号控制电力的开关。
6.根据权利要求5所述的电源设备，其中，占空比控制单元和频率控制单元形成在具有预设的地的次级侧，
驱动控制单元和栅极驱动器形成在具有地的初级侧，初级侧的地具有与次级侧的地的电学特性不同的电学特性，
控制单元还包括传输单元，传输单元将来自次级侧的占空比控制单元和频率控制单元的控制信号传输到初级侧的驱动控制单元。
7.一种电源设备，包括：
电源单元，以移相全桥机制对输入的电力进行切换并提供驱动电力；
控制单元，在电源单元的负载状态等于或大于预设的负载状态的情况下，通过将电源单元的电力开关相位固定到预设值并改变电源单元的开关频率来控制由电源单元进行的电力供应，以及在电源单元的负载状态等于或低于预设的负载状态的情况下，通过改变电源单元的电力开关相位和开关频率来控制由电源单元进行的电力的供应。
8.根据权利要求7所述的电源设备，其中，电源单元包括：
开关单元，根据控制单元的控制对输入电力进行切换；
变换单元，对由开关单元切换的电力进行变换；
输出单元，对由变换单元变换的电力进行稳定和输出。
9.根据权利要求8所述的电源设备，其中，变换单元包括：
谐振槽，执行电感器-电感器-电容器LLC谐振；
变压器，根据各自具有预定量的匝数的初级绕组与次级绕组之间的匝数比来对由开关单元切换的电力进行变换。
10.根据权利要求7所述的电源设备，其中，在电源单元的负载状态等于或大于预设负载状态的情况下，控制单元将电源单元的开关占空比固定到预设值。
11.根据权利要求7所述的电源设备，其中，控制单元包括：
占空比控制单元，检测来自电源单元的驱动电力的电流并控制电源单元的开关占空比；
频率控制单元，检测来自电源单元的驱动电力的电压，并控制电源单元的开关频率；
驱动控制单元，根据占空比控制单元和频率控制单元的控制来产生驱动信号；
栅极驱动器，根据来自驱动控制单元的驱动信号来提供控制电力的开关的栅极信号。
12.根据权利要求11所述的电源设备，其中，占空比控制单元和频率控制单元形成在具有预设的地的次级侧，
驱动控制单元和栅极驱动器形成在具有地的初级侧，初级侧的地具有与次级侧的地的电学特性不同的电学特性，
控制单元还包括传输单元，传输单元将来自次级侧的占空比控制单元和频率控制单元的控制信号传输到初级侧的驱动控制单元。
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