CN1054948C - 转换电源装置 - Google Patents

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Abstract

以简单的电路结构提供具有高功率因数和高效率并能抑制高次谐波电流产生的转换电源装置。备有一电极连接于交流输入电源整流器输出端的电感元件、连接在上述电感元件另一个电极与接地电压之间的开关器件、一个电极连接于上述电感线圈的上述另一个电极的电容元件、初级绕组连接于上述电容元件另一个电极的变压器。

Description

转换电源装置
本发明涉及转换电源装置，详细地说是涉及将输入交流电源(以下简称″AC″)变换为直流电源(以下简称″DC″)的转换电源装置。
电视机或个人计算机等电子设备基本上都备有将外部施加的交流电源变换为直流电源的转换电源装置。近来对这种转换电源装置提出了限制高次谐波电流和降低耗电量的要求。高次谐波电流是使转换电源装置电源线路的电流波形发生畸变的原因。为防止这种畸变必需附加其他电路和部件。有关高次谐波电流的限制，虽然各国根据国际电子技术委员会(IEC)制定的标准(IEC100-3-2)，也制定了内容相同的标准值，但是为了符合这样的标准值，通常必须追加其他电路和部件，因此使电子设备的成本增加，而且由于追加电路造成的损耗更会使变换效率降低。为抑制由转换电源装置产生的二氧化碳的排放量，对各种电气产品等有强制要求削减耗电量的趋势。
图1所示为迄今使用的转换电源装置的电路。
图1(A)为最一般的正向型转换电源电路，AC输入由整流器R1变换成DC并用扼流圈L1和电容器C1平滑纹波电压。扼流圈L1还具有改善功率因数的功能。电容器C1当常用电源瞬间断路时具有保持能力。
当开关器件M1导通时，施加在变压器T1上的电压感应到次级绕组并通过整流二极管D6变换为含有纹波的DC，再用滤波扼流圈L2和滤波电容器C2变换成直流。续流二极管D7用于使滤波扼流圈L2的电流能连续流动。
图1(B)由于***了由扼流圈L1、升压开关晶体管M2、升压整流二极管D8和电容器C1组成的升压型变换器，所以通过升压开关晶体管M2在高频下的开关动作，所以所用的扼流圈L1与图1(A)中的相比非常之小，并能充分地限制相应的高次谐波电流。
图1(C)是奥利琴(Origin)电气公司在电子情报通信学会的新学技报第92卷第48期及第94卷第63期上发表的，该电路省掉了图1(B)的升压开关晶体管M2，而以开关晶体管M1兼起同样作用。该电路只有一个开关器件M1(开关晶体管M1)，因而具有开关器件驱动控制电路简单的优点。
但是，如按照图1(A)的电路，则因纹波电压出现在常用频率下，所以存在着扼流圈L1必须具有很大电感值的缺点。
如按照图1(B)的电路，由于需追加升压开关晶体管M2、升压整流二极管D3，所以其缺点是效率降低。
另外，如按照图1(C)的电路，与图1(B)的电路相同需追加升压整流二极管D8，所以缺点也是效率降低。
因此，本发明的目的是用简单的电路结构提供高功率因数的开关电源装置。
本发明的另一目的是用简单的电路结构提供能够抑制高次谐波电流发生的转换电源装置。
本发明更进一步的目的是用简单的电路结构提供具有高效率的转换电源装置。
为达到本发明的上述目的，本发明提供一种转换电源装置，包括：一个整流器，它具有输入端和输出端，其中一个交流(AC)电压施加于所述输入端，根据该交流电压从所述输出端输出一个直流(DC)电压；第一电感元件，具有连接到所述整流器的输出端的第一电极，还具有第二电极，其中所述第一电感元件根据所述整流器输出的DC电压感应出一个电流；第一开关器件，连接在所述第一电感元件的第二电极和地电位之间；第一电容元件，具有第一电极和第二电极，所述第一电极与所述第一电感元件的所述第二电极连接；一个变压器，其初级绕组连接在所述第一电容元件的所述第二电极和地电位之间，其第一次级绕组连接在一个第二开关器件的第一端和地电位之间；一个第二电容元件，连接在所述第二开关器件的第二端和地电位之间。
图1为迄今使用的转换电源装置的电路图。
图2所示为基于本发明的转换电源装置一个实施例的电路图。
图3所示为图2的可能变形例子的电路图。
图4所示为基于本发明的转换电源装置另一个实施例的电路图。
图5所示为图4的可能变形例子的电路图。
图6为与基于本发明的转换电源装置主要部件有关的电压及电流波形图。
图中符号说明：
1、3、5、7二极管
9扼流图
10一次整流器
11开关晶体管
13电容器
15变压器
17整流二极管
18整流晶体管
19滤波电容器
23变压器
25第1整流二极管
26第1整流晶体管
27续流二极管
28续流晶体管
29滤波扼流圈
31第1滤波电容器
33第2整流二极管
34第2整流晶体管
35第2滤波电容器
n1初级绕组
n2次级绕组
n2第2次级绕组
以下，根据附图详细说明基于本发明的最佳实施例。
图2为基于本发明的转换电源装置一个实施例中的阻尼振荡扼流型转换电源装置。如图2所示，交流电源(AC)施加在由二极管(1、3、5、7)构成的一次整流器(10)上。扼流圈(9)的一个电极连接于整流器(10)的输出端而另一电极连接在开关晶体管(11)的漏极上。开关晶体管(11)为N型沟道结型场效应晶体管，其源极接地，栅极连接于输出规定间隔脉冲信号的脉宽调制器(图中未画出)。扼流圈(9)通过电容器(13)连接在变压器(15)的初级绕组(n1)的一端。变压器(15)初级绕组(n1)的另一端接地。变压器(15)的次级绕组(n2)连接在整流二极管(17)的正极与接地之间。滤波电容器(19)连接在整流二极管(17)的负极与接地之间。直流电压(DC)从滤波电容器(19)的两端检出。
在表示出图2的可能变形例子的图3中，使用由N型沟道结型场效应晶体管构成的整流晶体管(18)代替整流二极管(17)。整流晶体管(18)的漏极连接在变压器(15)次级绕组(n2)的一端，源极与滤波电容器(19)的一端连接，而栅极和变压器(15)次级绕组(n2)的另一端一起接地。
在图2中，通过开关晶体管(11)在高频下的开关动作，扼流圈(9)可以在与图1(A)和(E)相同的电感下具有相同的功率因数。另外，图2的开关晶体管(11)由于和图1(A)和(B)的开关晶体管(M1)动作相同，所以可进行改善功率因数的运作和变换器的运作。在图2中以整流二极管(17)进行整流运作，而图3中则以整流晶体管(18)进行整流运作。
与图2及图3电路有关的运作和后面所述的图4及图5的电路基本相同，所以与图4及图5合并在一起说明。
图4为基于本发明的转换电源装置的另一个实施例中的正向型转换电源装置。在图4中，变压器(23)由初级绕组(n1)、第1次级绕组(n2)和第2次级绕组(n2′)构成。应用于变压器(23)初级绕组(n1)的电路结构与图2及图3的相同。变压器(23)第1次级绕组(n2)的一端连接于第1整流二极管(25)的正极，第1次级绕组(n2)的另一端与续流二极管(27)的正极连接。第1整流二极管(25)和续流二极管(27)的负极共同连接于滤波扼流圈(29)的一个电极。第1滤波电容器(31)连接在滤波扼流圈(29)的另一电极与接地之间。第1直流电压(DC1)从第1滤波电容器(31)两端检出。另一方面，变压器(23)第2次级绕组的一端连接于第2整流二极管(33)的正极，另一端接地。第2滤波电容器(35)连接在第2整流二极管(33)的负极与接地之间。第2直流电压(DC2)从第2滤波电容器(35)两端检出。
在表示出图4的可能变形例子的图5中，使用N型沟道结型场效应晶体管代替二极管，用作二次整流和续流整流。代替图4中第1整流二极管(25)所采用的第1整流晶体管(26)的漏极连接于第1次级绕组(n2)的一端，源极与滤波扼流圈(29)的一个电极连接，而栅极和第1次级绕组(n2)的另一端一起接地。代替图4中续流二极管(27)所采用的续流晶体管(28)的漏极接地，源极与第1整流晶体管(26)的源极与滤波扼流圈(29)的一个电极连接，而栅极在第1次级绕组(n2)的一端连接于第1整流晶体管(26)的漏极。另外，代替图4中第2整流管(33)所采用的第2整流晶体管(34)的漏极连接于变压器(23)第2次级绕组(n2′)的一端，栅极和第2次级绕组(n2′)的另一端一起接地，而源极与第2滤波电容器(35)的电极连接。与图4的情况相同，第1和第2直流电压(DC1和DC2)分别从第1和第2滤波电容器(31和35)的两端检出。在图4和图5中，变压器(23)的第2次级绕组(n2′)一边所构成的整流电路用于将变压器(23)的励磁电流产生的回扫电压箝位。
下面参照图6说明基于本发明的转换电源装置的运作。在上述图2～图5中示出的基于本发明的各种转换电源装置，其运作过程和结果是相同的，因此为便于理解，根据图5说明其运作。开关(11)为N型沟道结型场效应晶体管，因其栅极连接于脉宽调制器(图中未画出)，当脉宽调制器(图中未画出)输出″高″状态的脉冲信号，则漏与源之间的电压差超过门限电压而导通。因此，如图6所示，开关晶体管(11)的漏-源之间的电压将按照脉宽调制器(图中未画出)输出的脉冲信号波形从高电平(电源电压电平)到低电平(接地电压电平)、再从低电平到高电平，如此反复变化，呈现为数字脉冲。因而当开关晶体管(11)导通，而在漏-源之间流过电流的t1～t2期间(开关晶体管导通期间)，扼流圈(9)的电流增加。通过扼流圈(9)的电流，在开始流过开关晶体管(11)之后，随着开关晶体管(11)的导电沟道趋向夹断状态，变成向电容器(13)充电的方向流动。通过电容器(13)的电压施加在变压器(23)的初级绕组(n1)上，因而变压器(23)第1次级绕组(n2)和第2次级绕组(n2′)在t1～t2之间产生正电压。该正电压的电平位于电源电压与接地电压之间，其电平值达到能使第1和第2整流晶体管(26和34)导通的程度。即开关晶体管(11)导通时流过扼流圈(9)的电流与开关晶体管(11)截止时流过电容器(13)的电流是相等的。
因此，随着整流晶体管(26和34)在如图6所示的栅极电压下导通，可获得第1和第2直流电压(DC1、DC2)。这时，续流晶体管(28)与第1整流管(26)互补运作。
另一方面，当开关晶体管(11)到达夹断状态而截止时，就是说在图6的t2～t3期间，扼流圈(9)的电流减少。这时在变压器(23)的初级绕组(n1)一侧形成负电压，所以在整流晶体管(26和34)的栅极上施加了″低″状态电压。相反，由于在续流晶体管(28)的栅极上施加″高″状态电压，因而续流晶体管(28)导通。
在图6的波形图上表示出扼流圈(9)的电流随着开关晶体管(11)的导通和截止而增加和减少，但如适当选择扼流圈(9)的电感值，则尽管开关晶体管(11)反复导通和截止，仍可得到恒定的扼流圈(9)的电流。由此可知，由于对连续输入的交流电流可以获得恒定流通的扼流圈(9)的电流，因此功率因数提高。
如按照本发明，则不需要使用如现有转换电源装置的图1(B)电路那样的升压整流二极管等部件，因而功率损耗降低、变换效率提高。另外，如上所述，由于本发明可使用场效应晶体管代替二极管，用作二次整流，所以能够实现效率更高的转换电源装置。
如上所述，本发明可用简单的电路改善功率因数、适应对高次谐波电流的限制，并能提高效率。同时，因电路简单，所以具有能够供给低廉转换电源的效果。另外，必须注意到，除已介绍的实施例以外，凡具有本发明领域一般知识的人都可以对按照本发明可能实施的方式进行变更。

Claims (9)

1.一种转换电源装置，包括：
一个整流器，它具有输入端和输出端，其中一个交流(AC)电压施加于所述输入端，根据该交流电压从所述输出端输出一个直流(DC)电压；
其特征在于，还包括：
第一电感元件，具有连接到所述整流器的输出端的第一电极，还具有第二电极，其中所述第一电感元件根据所述整流器输出的DC电压感应出一个电流；
第一开关器件，连接在所述第一电感元件的第二电极和地电位之间；
第一电容元件，具有第一电极和第二电极，所述第一电极与所述第一电感元件的所述第二电极连接；
一个变压器，其初级绕组连接在所述第一电容元件的所述第二电极和地电位之间，其第一次级绕组连接在一个第二开关器件的第一端和地电位之间；
一个第二电容元件，连接在所述第二开关器件的第二端和地电位之间。
2.如权利要求1所述的转换电源装置，其特征在于：上述第一电感元件为扼流圈。
3.如权利要求1所述的转换电源装置，其特征在于：上述第一开关器件为导电沟道连接在上述第一电感元件的所述第二电极与接地电位之间的场效应晶体管。
4.如权利要求1所述的转换电源装置，其特征在于：上述第一电容元件为电容器。
5.如权利要求1所述的转换电源装置，其特征在于：上述第二开关器件为二极管。
6.如权利要求1所述的转换电源装置，其特征在于：所述第二开关器件是一个其栅极连接到地电位的场效应晶体管。
7.如权利要求1所述的转换电源装置，其特征在于：它还包括：
一个第二电感元件，连接在所述第二开关器件的所述第二端和所述第二电容元件之间；
一个第三开关器件，连接在所述第二开关器件的所述第二端和地电位之间；
一个第二次级绕组，连接在一个第四开关器件的第一端和地电位之间；以及
一个第三电容元件，连接在所述第四开关器件的第二端和地电位之间。
8.如权利要求7所述的转换电源装置，其特征在于，所述第二、第三和第四开关器件是二极管，所述第二和第四开关器件的第一端为阳极，第三开关器件的阳极连接到所述第二开关器件的所述阳极。
9.如权利要求7所述的转换电源装置，其特征在于，所述第二、第三和第四开关器件是场效应晶体管，所述第二和第四开关器件的栅极连接到地电位，所述第三开关器件的栅极连接到所述变压器的所述第一次级绕组的第一端。
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