開關電源單元的製作方法
2023-06-30 17:42:16 2
專利名稱：開關電源單元的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種控制包括多個開關元件的開關電源的方法，更具體地，涉及一種不需要振蕩電路的控制方法。
背景技術：
通常可以將被稱為PWM(脈衝寬度調製)系統和PFM(脈衝頻率調製)系統的控制過程用作控制開關電源中的開關元件的方法(參見非專利文件1)。
PWM系統是用於控制開關元件的導通周期與開關周期的比率的系統，並且通常，開關周期是恆定的。在設置了多個開關元件的情況下，開關元件的導通周期比率彼此相等或者相對於彼此互逆。
PFM系統是用於控制開關頻率的比率的系統，並且通常，元件的導通周期比率是恆定的。在設置了多個開關元件的情況下，開關元件的導通周期比率和開關頻率之間的關係彼此相等。
非專利文件1日本電氣工程師協會的電子工程手冊(第六版)，2001年2月20日，第20卷，第9章，第2節，開關調節器，第851到852頁。
發明內容
本發明所要解決的問題在公知技術中，當設置了多個開關元件時，還設置振蕩電路。根據振蕩電路的振蕩信號來產生多個驅動信號，並且將驅動信號傳送到開關元件的控制端子。因此，如果在用於傳送驅動信號的路徑中或驅動電路中產生了時延或超前時間，則會出現其中多個開關元件同時處於導通狀態的現象，儘管必須依次來驅動彼此串聯的多個開關元件。該現象不僅可能會阻止正常操作，而且還可以由於過電流等而毀壞電源單元，從而顯著地降低了可靠性。
因此，為了避免多個開關元件同時處於導通狀態的現象，設置了其中多個開關元件同時處於截止狀態的停滯時間(dead time)。然而，由於該停滯時間無助於電壓轉換，因此提供其長度不必要地那樣長的停滯時間構成了減小能量轉換效率的一個因素。另外，由於導通周期比率和開關頻率在PWM系統和PFM系統中分別發生改變，因此非常難以適當地設置停滯時間，並且需要複雜的配置。
另外，在公知技術中，明顯地，需要充當標準的振蕩電路。
另外，在公知技術中，執行通過改變充當標準的開關元件的導通周期來穩定輸出電壓的控制。例如，保持輸出電壓恆定是用於控制的一個唯一條件。
本發明的目的是解決由於多個開關元件同時處於導通狀態而引起的問題，以便能夠設置多個控制條件以滿足預定條件，並且提供無需充當標準的振蕩電路的開關電源單元。
解決問題的方式(1)根據本發明，提出了一種包括電感器或變壓器和多個開關元件的開關電源單元，通過使所述開關元件導通和截止來切換電感器或變壓器中流動的電流且對能量進行轉換，其特徵在於所述開關電源單元包括開關控制電路，用於根據由於處於導通狀態的開關元件的截止而產生的電壓或電流變化，使下一開關元件導通；彼此關聯地使開關元件順序導通和截止；周期性地重複開關元件的一系列導通-截止操作；根據針對每一個開關元件獨立設置的條件來確定每一個開關元件的導通周期；以及控制每一個開關元件的導通周期。
(2)根據本發明的(1)所述的開關電源單元特徵在於將使多個開關元件中的兩個連續開關元件截止的停滯時間設置在所述兩個開關元件的導通周期之間，並且從使處於導通狀態的開關元件截止且使下一開關元件導通開始的時延來排列所述停滯時間。
(3)根據本發明的(2)所述的開關電源單元特徵在於設置所述停滯時間，從而當所述開關元件兩端的電壓變為零或減小到零附近時，使所述開關元件導通。
(4)根據本發明的(1)到(3)所述的開關電源單元特徵在於所述開關控制電路利用在電感器或變壓器處由於多個開關元件中處於導通狀態的開關元件的截止而產生的電壓，使下一開關元件導通。
(5)根據本發明的(1)到(4)所述的開關電源單元特徵在於所述開關控制電路檢測去往負載的輸出電壓，以便根據所述輸出電壓來確定導通周期。
(6)根據本發明的(1)到(4)所述的開關電源單元特徵在於所述開關控制電路檢測在電感器或變壓器處所產生的電壓的變化或極性以便確定導通周期。
(7)根據本發明的(1)到(4)所述的開關電源單元特徵在於所述開關控制電路檢測在電感器或變壓器中所流動的電流以確定導通周期。
(8)根據本發明的(1)到(4)所述的開關電源單元特徵在於所述開關控制電路檢測開關元件兩端的電壓以確定導通周期。
(9)根據本發明的(1)到(4)所述的開關電源單元特徵在於所述開關控制電路檢測在開關元件中流動的電流以確定導通周期。
(10)根據本發明的(9)所述的開關電源單元特徵在於所述開關控制電路確定開關元件的導通周期，從而當在開關元件中流動的電流變為零或達到零附近時，使所述開關元件截止。
本發明的效果(1)根據本發明，由於處於導通狀態的開關元件的截止使下一開關元件導通，基本上不會出現兩個開關元件同時處於導通狀態的不便，從而提高了開關電源單元的可靠性。
另外，在公知技術中，執行通過改變充當標準的開關元件的導通周期來穩定輸出的控制，並且僅提供一個條件來控制輸出電壓。然而，在本發明中，可以建立兩個或多個條件，即，至少其數量對應於開關元件的數量的條件。
此外，根據開關元件的導通脈衝的積累來確定開關頻率，並且設置每一個開關元件的導通周期。因此，不需要振蕩電路。
(2)根據本發明，將基於開關元件的導通和截止的時延的停滯時間排列在多個開關元件中的兩個連續開關元件的導通周期之間，並且改善了由於多個開關元件同時導通而引起的開關電源單元的可靠性。另外，由於根據導通之前的時延來設置停滯時間，因此可以容易地適當設置該停滯時間，並且停滯時間不會不必要地增加或減小，即使開關頻率和導通周期比率由於每一個開關元件的導通周期的變化而發生改變。因此，可以使能量轉換效率保持為較高。
(3)根據本發明，由於當開關元件兩端的電壓變為零或減小為零附近時使開關元件導通，因此可以顯著地減小開關損耗，並且由於在零電壓處導通的零電壓開關操作，可以實現高效率。
(4)根據本發明，由於提供了利用在電感器或變壓器處由於多個開關元件中處於導通狀態的開關元件的截止而產生的電壓、使下一開關元件導通的開關控制電路，因此，可以容易地將電感器或變壓器處所產生的電壓信號捕獲為觸發信號，並且可以將開關元件用作驅動電壓。因此，可以實現簡單的電路結構。
(5)根據本發明，由於檢測去往負載的輸出電壓以便根據所述輸出電壓來確定導通周期，可以容易地配置恆壓電源單元。
(6)根據本發明，由於檢測在變壓器處所產生的電壓的變化(下降或上升)或極性以便確定開關元件的導通周期，因此可以容易地將在變壓器處所產生的電壓信號用作觸發信號。因此，可以實現簡單的電路結構。
(7)根據本發明，由於檢測在變壓器中所流動的電流以確定導通周期，例如，可以將整流二極體的導電周期和開關元件的導通周期設置為彼此相等。因此，可以減小在整流二極體和變壓器中流動的電流的有效電流和峰值，並且因而減小了導通損耗。
(8)根據本發明，由於檢測開關元件兩端的電壓以確定導通周期，因此可以精確地確定開關元件的導通狀態和截止狀態，並且這可以容易地用作觸發信號。
(9)根據本發明，由於開關控制電路檢測在開關元件中流動的電流以確定導通周期，因此可以精確地確定開關元件的狀態，並且可以控制開關元件。因此，可以提供所需和適當的停滯時間。
(10)根據本發明，由於當在開關元件中流動的電流變為零或達到零附近時，開關控制電路使所述開關元件截止，因此開關損耗會由於在零電流導通的零電流開關操作而得到顯著地減小。因此，可以實現高效率。
圖1包括根據第一實施例的開關電源單元的電路圖和波形圖；圖2包括根據第二實施例的開關電源單元的電路圖和波形圖；圖3包括根據第三實施例的開關電源單元的電路圖和波形圖；圖4包括根據第四實施例的開關電源單元的電路圖和波形圖；圖5包括根據第五實施例的開關電源單元的電路圖和波形圖。
參考符號T-變壓器Lp-初級繞組Ls-次級繞組Vi-輸入電源Q1-第一開關元件Q2-第二開關元件Q3-第三開關元件Ds1到Ds3-整流二極體C1-第一平滑電容器C2-第二平滑電容器C3-第三平滑電容器CNT1-第一開關控制電路CNT2-第二開關控制電路CNT3-第三開關控制電路Vo1-第一輸出電壓Vo2-第二輸出電壓
Vo3-第三輸出電壓OUT1-第一輸出端子OUT2-第二輸出端子OUT3-第三輸出端子Lr-電感器Cr-電容器具體實施方式
將參考圖1來描述根據第一實施例的開關電源單元。圖1的部分(A)是開關電源單元的電路圖，而部分(B)是示出了開關電源單元的每個部分的波形和時間之間的關係的圖示。
在圖1的部分(A)中，Vi表示輸入電源而T表示變壓器。第一開關元件Q1與變壓器T的初級繞組Lp相連。對於變壓器T的次級繞組Ls，設置了由整流二極體Ds1和平滑電容器C1構成的第一整流和平滑電路。此外，設置了由整流二極體Ds2、第二開關元件Q2和第二平滑電容器C2構成的第二整流和平滑電路。另外，設置了由整流二極體Ds3、第三開關元件Q3和第三平滑電容器C3構成的第三整流和平滑電路。
第一開關控制電路CNT1對第一開關元件Q1進行導通/截止控制，第二開關控制電路CNT2對第二開關元件Q2進行導通/截止控制，而第三開關控制電路CNT3對第三開關元件Q3進行導通/截止控制。在附圖中，進入每一個開關控制電路CNT1、CNT2和CNT3的虛線示意地表示觸發路徑，並且進入每一個開關控制電路CNT1、CNT2和CNT3的實線示意地表示反饋路徑。
這些開關控制電路中的第一開關控制電路CNT1接收變壓器T的電壓(變壓器電壓Vt)作為觸發，並且在Q1的漏極電壓下降時使Q1導通。第一開關控制電路CNT1還檢測第一輸出端子OUT1的輸出電壓Vo1，並且確定第一開關元件Q1的導通周期，從而將Vo1設置為預定電壓。換句話說，在已經過去了所需的Q1的導通周期時，第一開關控制電路CNT1使Q1截止。
第二開關控制電路CNT2接收變壓器T的電壓(變壓器電壓)Vt作為觸發，並且在變壓器T的電壓(變壓器電壓Vt)反相時使第二開關元件Q2導通。然後，第二開關控制電路CNT2檢測第二輸出端子OUT2的電壓Vo2，並且確定第二開關元件Q2的導通周期，從而將Vo2設置為預定電壓。換句話說，在已經過去了所需的Q2的導通周期時，第二開關控制電路CNT2使Q2截止。
第三開關控制電路CNT3接收第二開關元件Q2的漏極電壓作為觸發，並且在Q2的漏極電壓上升時使Q3導通。然後，第三開關控制電路CNT3檢測第三輸出端子OUT3的電壓Vo3，並且確定第三開關元件Q3的導通周期，從而將Vo3設置為預定電壓。換句話說，在已經過去了所需的Q3的導通周期時，第三開關控制電路CNT3使Q3截止。
在圖1的部分(B)中，Vt表示變壓器T的電壓(變壓器電壓)，並且Q1、Q2、Q3和Ds分別表示第一到第三開關元件Q1到Q3和第一整流二極體Ds1的狀態。這裡，高電平表示導通狀態而低電平表示截止狀態。
(1)狀態1[t0-t1]首先，當變壓器T的電壓(變壓器電壓Vt)在時間t0處反相時，在從時間t0經過時延Δtd1之後，由第一開關控制電路CNT1使第一開關元件Q1的柵極電壓變為高電平，並因而使Q1導通。根據基於變壓器T的初級電感、Q1的漏極和源極之間的寄生電容等確定的諧振周期來設置時延Δtd1，從而在Q1的漏極和源極之間的電壓變為零時使Q1導通。因此，執行Q1的零電壓開關操作，並且顯著地降低了開關損耗。
然後，第一開關控制電路CNT1確定Q1的導通周期ton1，從而將第一輸出端子OUT1的電壓Vo1的電壓設置為預定值。換句話說，在時間t1，即在從時間t0經過了Δtd1+ton1之後，第一開關控制電路CNT1將Q1的柵極電壓變為低電平。因此，使Q1截止。變壓器T的激勵能量根據Q1的導通周期ton1來確定。結果，確定了Vo1的電壓。
(2)狀態2[t1-t2]當Q1截止時，變壓器電壓Vt反相。第二開關控制電路CNT2接收變壓器T的次級繞組Ls的電壓作為觸發信號，並且在變壓器電壓Vt的時間t1處，將第二開關元件Q2的柵極電壓變為高電平。因此，在從時間t1經過時延Δtd2之後，使Q2導通。根據基於變壓器T的次級電感、Q2的漏極和源極之間的寄生電容等確定的諧振周期來設置時延Δtd2，從而在Q2的漏極和源極之間的電壓變為零時使Q2導通。因此，執行Q2的零電壓開關操作。
第二開關控制電路CNT2確定Q2的導通周期ton2，從而將第一輸出端子OUT2的電壓Vo2的電壓設置為預定值。換句話說，在時間t2，即在從時間t1經過了Δtd2+ton2之後，第二開關控制電路CNT2將Q2的柵極電壓變為低電平。
(2)狀態3[t2-t3]由於第三開關控制電路CNT3接收Q2的漏極電壓作為觸發信號，當Q2在t2處截止時，在從時間t2經過時延Δtd3之後，使第三開關元件Q3導通。根據基於變壓器T的次級電感、Q3的漏極和源極之間的寄生電容等確定的諧振周期來設置時延Δtd3，從而在Q3的漏極和源極之間的電壓變為零時使Q3導通。因此，執行Q3的零電壓開關操作。
第三開關控制電路CNT3確定Q3的導通周期ton3，從而將第三輸出端子OUT3的電壓Vo3的電壓設置為預定值。換句話說，在時間t3，即在從時間t2經過了Δtd3+ton3之後，第三開關控制電路CNT3將Q2的柵極電壓變為低電平。
(4)狀態4[t3-t0]當Q3截止時，在從使Q3截止的時間處經過時延Δtd4之後，第一整流二極體Ds1導通。這是因為當利用關係Vo1＞Vo3＞Vo2，Q2和Q3均處於截止狀態時，由於將正向電壓施加到Ds1上而使Ds1導通。
然後，第一開關元件Q1確定整流二極體Ds1的導通周期tond，從而將第一輸出端子OUT1的電壓Vo1的電壓設置為預定值。當Ds1的電流變為零並施加反相電流時，變壓器的電壓在時間t0處發生反相。換句話說，在從時間t3經過時延Δtd4+tond之後的時間處使Ds1截止，並且在從時間t0經過時延Δtd1之後，第一開關控制電路CNT1將第一開關元件Q1的柵極電壓變為高電平。這裡，時間T0等於初始時間t0。
如上所述，通過將圖1的部分(B)中所表示的循環T作為一個循環來重複，可以分別在第一到第三輸出端子OUT1到OUT3處獲得預定電壓Vo1、Vo2和Vo3。
利用該結構，與使處於導通狀態的一個開關元件截止相關聯地使下一開關元件截止。因此，換句話說，每一個開關元件的導通/截止狀態按照基於因果關係的時間過去的順序來發生改變。由於在處於導通狀態的一個開關元件的截止和下一開關元件的導通之間不可避免地需要時延，因此該時延構成了停滯時間。因此兩個開關元件同時處於導通狀態的不便基本上不會發生，因而提高了開關電源單元的可靠性。另外，適當地設置停滯時間實現了零電壓開關操作等，並且在沒有提供不必要的長停滯時間的情況下，可以使能量轉換效率保持為較高。
另外，由於開關元件的導通脈衝的積累充當開關頻率，不需要振蕩電路。另外，可以單獨地穩定其數量等於開關元件的數量的多個輸出(在本實施例中為三個輸出)的電壓。儘管將多個輸出端子的電壓設置為各個預定值作為該示例中的條件來提供，作為電壓的替代，可以控制電流等，只要其可以由開關元件的導通周期來控制。換句話說，可以滿足其數量等於開關元件的數量的獨立條件。
儘管在上述示例中基於Q2和Q3的漏極電壓來檢測第一和第二開關元件Q2和Q3的截止，但是可以通過檢測在開關元件中所流過的電流來檢測開關元件的截止。另外，儘管在上述示例中根據變壓器T的次級繞組Ls的電壓來檢測變壓器電壓作為Q2的觸發，但是可以根據初級繞組Lp的電壓來檢測變壓器電壓的變化。另外，作為檢測變壓器電壓的下降的替代，可以檢測變壓器電壓的極性的變化。
另外，儘管在上述示例中描述了在穩態下將輸出電壓設置為預定值的操作，但是，例如，通過在瞬變時間處設置每一個開關元件的最大導通周期直到輸出電壓達到預定值為止，諸如起始時間，周期性地重複一系列的開關操作並達到穩態。
將參考圖2來描述根據第二實施例的開關電源單元。圖2的部分(A)是開關電源單元的電路圖，而部分(B)是示出了開關電源單元的每個部分的波形和時間之間的關係的圖示。
在圖2的部分(A)中，電感器Lr與變壓器T的初級繞組Lp相連。設置了第二開關元件Q2和電容器Cr，從而與電感器Lr和初級繞組Lp一起形成閉環。由整流二極體Ds和平滑電容器Co構成的整流和平滑電路與變壓器T的次級繞組Ls相連。
第一開關控制電路CNT1對第一開關元件Q1進行導通/截止控制，第二開關控制電路CNT2對第二開關元件Q2進行導通/截止控制。在附圖中，進入每一個開關控制電路CNT1和CNT2虛線示意地表示觸發路徑，並且進入每一個開關控制電路CNT1和CNT2的實線示意地表示反饋路徑。
第一開關控制電路CNT1接收當變壓器T的電壓(變壓器電壓)上升時的反相時間作為觸發。第一開關控制電路CNT1還檢測輸出電壓Vo，並且控制第一開關元件Q1的導通周期，從而將Vo設置為預定電壓。
第二開關控制電路CNT2接收當變壓器T的變壓器電壓下降時的反相時間作為觸發。第二開關控制電路CNT2還檢測電容器Cr兩端的電壓Vc，並且控制Q2的導通周期，從而將Vc設置為預定電壓或使Vc不超過預定電壓。
在圖2的部分(B)中，Vt表示變壓器電壓的波形，而Q1和Q2分別表示第一和第二開關元件Q1和Q2的狀態。這裡，高電平表示導通狀態而低電平表示截止狀態。
(1)狀態1[t0-t1]第一開關控制電路CNT1在時間t0處接收觸發信號，並且在經過了預定時延Δt1之後，第一開關控制電路CNT1將Q1的柵極電壓變為高電平。因此，Q1導通。由於輸出電壓Vo根據第一開關元件Q1的導通周期ton1而改變，確定ton1，從而可以獲得預定輸出電壓Vo。換句話說，在從時間t0經過了Δt1+ton1之後的時間處，將第一開關元件Q1的柵極電壓變為低電平，並因而使Q1截止。
(2)狀態2[t1-t0]當Q1截止時，變壓器電壓Vt反相。在經過了時延Δt2之後，第二開關控制電路CNT2利用變壓器電壓Vt的反相時間作為觸發，將Q2的柵極電壓變為高電平。因此，使第二開關元件Q2導通。
由於電容器Cr兩端的電壓Vc根據Q2的導通周期ton2而改變，確定ton2，從而將Vc設置為預定電壓。換句話說，在從時間t1經過了Δt2+ton2之後的時間處，第二開關控制電路CNT2將Q2的柵極電壓變為低電平。因此，使Q2截止。
由於當Q2截止時變壓器電壓Vt再次反相，因此在從時間t0經過了時延Δt1之後，第一開關控制電路CNT1利用變壓器電壓Vt的再次反相，將第一開關元件Q1的柵極電壓變為高電平。這裡，時間t0等於初始時間t0。
如上所述，通過將圖2的部分(B)中所示的循環T作為一個循環來重複，可以實現作為箝壓回掃轉換器的操作。在該示例中，對其進行控制，從而使去往負載的輸出電壓Vo保持恆定，並且將電容器Cr兩端的電壓Vc設置為穩定的電壓。另外，適當地設置時延Δt1和Δt2實現了Q1和Q2的零電壓開關操作，因此顯著地降低了開關損耗。
儘管在上述示例中描述了作為恆壓電源單元的操作，但是由於分別檢測Vo和Vc以確定開關元件Q1和Q2的導通周期ton1和ton2，可以控制電壓Vo和Vc以便通過分別控制ton1和ton2來滿足預定條件。
第一和第二開關控制電路CNT1和CNT2可以檢測在電感器Lr處根據Q1和Q2的截止而產生的電壓。
將參考圖3來描述根據第三實施例的開關電源單元。圖3的部分(A)是開關電源單元的電路圖，而部分(B)是示出了開關電源單元的每個部分的波形和時間之間的關係的圖示。
不同於圖2所示的情況，設置了變壓器T的第三第三繞組(tertiary winding)Lt，並且由整流二極體Ds2和平滑電容器C2構成的整流和平滑電路在該示例中與第三繞組Lt相連。第二開關控制電路CNT2檢測第二輸出端子OUT2的輸出電壓Vo2並執行反饋控制。其他結構與第二實施例類似。該開關電源單元作為箝壓回掃轉換器來操作。
因此，通過由第一和第二開關控制電路CNT1和CNT2來控制第一和第二開關元件Q1和Q2的導通周期ton1和ton2，可以將輸出電壓Vo1和Vo2保持在預定電壓處，而與輸入電源Vi的電壓和負載電流無關。
將參考圖4來描述根據第四實施例的開關電源單元。圖4的部分(A)是開關電源單元的電路圖，而部分(B)是示出了開關電源單元的每個部分的波形和時間之間的關係的圖示。
如圖4的部分(A)所示，第一開關元件Q1和電容器Cr1彼此相連以便與電感器Lr和變壓器T的初級繞組Lp一起形成閉環。第一和第二開關元件Q1和Q2彼此串聯，並且第二開關元件Q2和電容器Cr2彼此相連以便與Lr和Lp一起形成另一閉環。整流二極體Ds1和Ds2分別與變壓器T的次級繞組Ls1和Ls2相連，並且它們與平滑電容器Co一起形成了整流和平滑電路。
第一開關控制電路CNT1接收當變壓器T的電壓(變壓器電壓)上升時的時間作為觸發。第一開關控制電路CNT1還檢測輸出電壓Vo，並且控制第一開關元件Q1的導通周期，從而將Vo設置為預定電壓。
第二開關控制電路CNT2接收當變壓器T的變壓器電壓下降時的時間作為觸發。第二開關控制電路CNT2還檢測變壓器T的變壓器電壓Vt，並且當Vt變為零時使Q2截止。
在圖4的部分(B)中，Vt表示變壓器電壓的波形，並且it表示變壓器T的初級繞組Lp中所流過的電流的波形。此外，Q1和Q2分別表示第一和第二開關元件Q1和Q2的狀態。這裡，高電平表示導通狀態而低電平表示截止狀態。
(1)狀態1[t0-t1]如圖4的部分(B)所示，在從當變壓器電壓Vt上升時的時間t0經過了時延Δt1之後，第一開關控制電路CNT1將Q1的柵極電壓變為高電平，並因而使Q1導通。
在Q1導通之後，確定Q1的導通周期ton1，從而將輸出電壓Vo設置為預定電壓。換句話說，在從時間t0經過了Δt1+ton1之後的時間處，將第一開關元件Q1的柵極電壓變為低電平。因此，使Q1截止。
(2)狀態2[t1-t0]當Q1截止時，變壓器電壓Vt下降。在經過了時延Δt2之後，第二開關控制電路CNT2利用當變壓器電壓Vt下降時的時間作為觸發，將Q2的柵極電壓變為高電平。因此，使第二開關元件Q2導通。
當變壓器電壓Vt變為零時，第二開關控制電路CNT2將Q2的柵極電壓變為低電平。因此，使Q2截止。
當Q2截止時，由於變壓器電壓Vt重新上升，在經過了時延Δt1之後，第一開關控制電路CNT1利用變壓器電壓Vt的重新上升作為觸發，將第一開關元件Q1的柵極電壓變為高電平。這裡的時間t0等於初始時間t0。
如上所述，通過將圖4的部分(B)中所示的循環T作為一個循環來重複，可以實現作為電流諧振半橋轉換器的操作。
根據該實施例，當變壓器電壓Vt變為零時，由於第二開關元件Q2截止，因此其相位相對於變壓器電壓Vt發生延遲的變壓器電流(在變壓器T的初級繞組Lp中流過的電流it)允許對Q1和Q2的寄生電容進行充電和放電，從而實現了Q1的零電壓開關操作。結果，可以顯著地降低Q1和Q2的開關損耗。儘管在圖4中同時使用了電容器Cr1和Cr2，通過去除電容器Cr1和Cr2之一，可以實現類似的優點。
將參考圖5來描述根據第五實施例的開關電源單元。圖5的部分(A)是開關電源單元的電路圖，而部分(B)是示出了開關電源單元的每個部分的波形和時間之間的關係的圖示。
與圖2所示的情況不同，第二開關控制電路CNT2檢測在變壓器T的次級繞組Ls中流過的電流is以確定第二開關元件Q2的導通周期ton2。
在圖5的部分(B)中，Vt表示變壓器電壓的波形，並且is表示在變壓器T的次級繞組Ls中流過的電流的波形。Q1和Q2分別表示第一和第二開關元件Q1和Q2的狀態。這裡，高電平表示導通狀態而低電平表示截止狀態。
(1)狀態1[t0-t1]在電流變為零且經過了時延Δt1之後，第一開關控制電路CNT1將第一開關元件Q1的柵極電壓變為高電平，並因而使Q1導通。第一開關控制電路CNT1確定Q1的導通周期ton1，從而將輸出電壓Vo設置為預定電壓，並且在時間t1處使Q1截止。
(2)狀態2[t1-t0]因此，變壓器電壓Vt反相，並且第二開關控制電路CNT2使用該反相作為觸發。在經過了Δt2之後，第二開關控制電路CNT2將第二開關元件Q2的柵極電壓變為高電平。因此，使Q2導通。當次級繞組Ls的電流is變為零時，第二開關控制電路CNT2利用變為零的電流作為觸發，將Q2的柵極電壓變為低電平，並使Q2截止。因此，確定了Q2的導通周期ton2。該時間等於如上所述的初始時間t0。
通過重複上述操作，可以實現作為恆壓電源單元的操作。
根據該實施例，由於當次級繞組電流is變為零時使第二開關元件Q2截止，因此整流二極體D2的導通周期和Q2的導通周期彼此相等。結果，當在Q2中流動的電流變為零時可以使Q2截止，並且可以執行零電流開關操作，從而顯著地降低了開關損耗。此外，減小了在開關元件Q2、整流二極體Ds和變壓器T中流動的電流is的有效電流和峰值，從而降低了導通損耗。
權利要求
1.一種包括電感器或變壓器和多個開關元件的開關電源單元，通過使所述開關元件導通和截止來切換電感器或變壓器中流動的電流且對能量進行轉換，所述開關電源單元包括開關控制電路，用於根據由於處於導通狀態的開關元件的截止而產生的電壓或電流變化，使下一開關元件導通；彼此關聯地使開關元件順序導通和截止；周期性地重複開關元件的一系列導通-截止操作；根據針對每一個開關元件獨立設置的條件來確定每一個開關元件的導通周期；以及控制每一個開關元件的導通周期。
2.根據權利要求1所述的開關電源單元，其特徵在於，將使多個開關元件中的兩個連續開關元件截止的停滯時間設置在所述兩個開關元件的導通周期之間，並且根據從使處於導通狀態的開關元件截止並使下一開關元件導通開始的時延，來排列所述停滯時間。
3.根據權利要求2所述的開關電源單元，其特徵在於，設置所述停滯時間，從而當所述開關元件兩端的電壓變為零或減小到零附近時，使所述開關元件導通。
4.根據權利要求1到3任一個所述的開關電源單元，其特徵在於，所述開關控制電路利用在電感器或變壓器處由於多個開關元件中處於導通狀態的開關元件的截止而產生的電壓，使下一開關元件導通。
5.根據權利要求1到4任一個所述的開關電源單元，其特徵在於所述開關控制電路檢測去往負載的輸出電壓，以便根據所述輸出電壓來確定導通周期。
6.根據權利要求1到4任一個所述的開關電源單元，其特徵在於，所述開關控制電路檢測在電感器或變壓器處所產生的電壓的變化或極性，以便確定導通周期。
7.根據權利要求1到4任一個所述的開關電源單元，其特徵在於，所述開關控制電路檢測在電感器或變壓器中所流動的電流以確定導通周期。
8.根據權利要求1到4任一個所述的開關電源單元，其特徵在於，所述開關控制電路檢測開關元件兩端的電壓以確定導通周期。
9.根據權利要求1到4任一個所述的開關電源單元，其特徵在於，所述開關控制電路檢測在開關元件中流動的電流以確定導通周期。
10.根據權利要求9所述的開關電源單元，其特徵在於，所述開關控制電路確定開關元件的導通周期，從而當在開關元件中流動的電流變為零或達到零附近時，使所述開關元件截止。
全文摘要
利用當變壓器電壓Vt由於整流二極體(Ds1)進入非導電狀態而反相時的時間作為觸發，在經過了預定時延之後，第一開關控制電路(CNT1)使第一開關元件(Q1)導通。第二開關控制電路(CNT2)利用當變壓器電壓Vt由於第一開關元件(Q1)的截止而反相時的時間作為觸發，使第二開關元件(Q2)導通。第三開關控制電路(CNT3)利用第二開關元件(Q2)的截止作為觸發，使第三開關元件(Q3)導通。(CNT1)確定第一開關元件(Q1)的周期ton1，從而將第一輸出電壓Vo1設置為預定值。(CNT2)確定第二開關元件(Q2)的導通周期ton2，從而將第二輸出電壓Vo2設置為預定值。(CNT3)確定第三開關元件(Q3)的導通周期ton3，從而將第三輸出電壓Vo3設置為預定值。
文檔編號H02M3/28GK1742423SQ20048000260
公開日2006年3月1日 申請日期2004年11月8日 優先權日2004年2月3日
發明者細谷達也, 竹村博 申請人:株式會社村田製作所