專利名稱：開關電源裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及基于交流電源而將直流電力供給負載用的開關電源裝置。
如

圖1所示，現有的典型開關電源裝置由整流電路1、輸入平滑用電容器2、變壓器3、由晶體管構成的半導體開關元件4、輸出整流平滑電路5、開關控制電路6以及電壓檢測電路7構成。
整流電路1是橋型連接4個二極管D1、D2、D3和D4的眾所周知的單相全波整流電路，具有一對交流輸入端子8、9和一對直流輸出端子10、11。輸入平滑用電容器2連接在整流電路1的一對直流輸出端子10、11間。變壓器3由磁芯12和纏繞在該磁芯12上并且相互進行電磁耦合的初級線圈13及次級線圈14構成。把初級線圈13的一端連接在輸入平滑用電容器2的一端上，其另一端通過開關元件4連接在輸入平滑用電容器2的另一端上。輸出整流平滑電路5由輸出整流用二極管15和輸出平滑用電容器16構成。輸出平滑用電容器16通過輸出整流用二極管15與次級線圈14并聯連接。設定初級線圈13和次級線圈14的極性如圖1中的黑圓點所示。因此，連接在次級線圈14上的二極管15在開關元件4的導通期間保持非導通狀態、在關斷期間呈導通狀態。將負載19連接在連接輸出平滑用電容器16的一對輸出端子17、18間。電壓檢測電路7檢測一對輸出端子17、18間的電壓，并輸送給控制電路6。一般情況下，電壓檢測電路7由檢測輸出電壓用的分壓電阻、基準電壓電源以及誤差放大器構成，把由分壓電阻獲得的輸出電壓的檢測值和基準電壓電源的基準電壓輸入給誤差放大器，誤差放大器的輸出成為電壓檢測信號或電壓反饋控制信號。控制電路6形成使輸出端子17、18間的電壓一定用的由PWM脈沖構成的控制信號，由此，對開關元件4進行導通·關斷控制。從簡略地表示圖1的控制電路6的圖2可知，該控制電路6由鋸齒波發生器6a、比較器6b以及驅動電路6c構成，對頻率為例如20～150kHz左右的鋸齒波電壓與供給線7a的圖1的電壓檢測電路7的電壓輸出進行比較，作成方型波脈沖，通過驅動電路6把包含該脈沖的控制信號輸送給作為開關元件4的控制元件的基極。另外，一般情況下電壓檢測電路7與控制電路6進行光耦合。
在利用該開關電源裝置向負載19供給電力時，根據從控制電路6輸出的控制信號，使開關元件4導通·關斷。在開關元件4的導通期間Ton內，電流流過由平滑用電容器2、初級線圈13和開關元件4構成的閉合電路。在該導通期間內，因為輸出整流平滑用二極管15不導通，所以磁能蓄積在變壓器3的鐵心12中。在開關元件4關斷期間Toff內，由于變壓器3蓄積的能量的釋放，由次級線圈14中感應的電壓使整流平滑用二極管15導通，將電力供給輸出平滑用電容器16及負載19。
可是，輸入平滑用電容器2的充電電流只在圖3所示的交流輸入端子8、9間的例如50Hz的交流電源電壓Vin的整流輸出電壓比電容器2的電壓Vcl高的峰值時刻t1、t2及其附近流過。因此，流過交流輸入端子8及9的交流輸入電流Iin呈圖3所示的脈沖波形，含有高頻分量。另外，交流輸入端子8、9中的功率因數變壞。
另外，如圖3中用虛線所示，為了對輸入平滑用電容器2間歇地充電，該電壓Vcl呈周期性變化。其結果，如圖3中用虛線所示，開關元件4的集電極·發射極間的電壓Vs及開關元件4的電流Is的峰值隨著輸入平滑用電容器2的電壓Vcl的變化而變化。
本發明的目的在于提供一種能利用比較簡單的電路改善交流輸入端子中的功率因數及波形的開關電源裝置。
為了解決上述課題、達到上述目的的本發明是把直流電力供給負載用的開關電源裝置，其特征在于具備具有連接在正弦波交流電源上的交流輸入端子和一對直流輸出端子的整流電路；其一端連接在上述一對直流輸出端子的一方的電抗線圈；其一端連接在上述電抗線圈的另一端上，并且具有由上述整流電路的輸出電壓進行正向偏置的方向性的二極管；連接在上述二極管的另一端與上述一對直流輸出端子的另一方之間的輸入平滑用電容器；其一端連接在上述輸入平滑用電容器的一端上，并且具備有帶抽頭的線圈的變壓器；連接在上述線圈的另一端與上述另一直流輸出端子之間的開關元件；連接在上述電抗線圈的另一端與上述線圈的抽頭之間的升壓電路形成用電容器；連接在上述變壓器上的輸出整流平滑電路以及用比供給上述交流輸入端子的交流電壓的頻率高的重復頻率對上述開關元件進行導通·關斷控制用的控制電路。
另外，如發明的第2方面所示，最好在變壓器中設置次級線圈。
另外，如發明的第3方面所示，輸出整流用二極管最好具有在開關元件導通期間內呈導通狀態的方向性。
另外，如發明的第4方面所示，將輸出整流平滑電路與開關元件并聯連接，能形成開關式調節器。
在發明的各方面中，不僅流過輸入平滑用電容器的電流流過電抗線圈，而且通過升壓電路形成用電容器至開關元件的電路的電流也流過電抗線圈。另外，因為輸入平滑用電容器利用由電抗線圈升壓的電壓進行充電，所以不僅輸入交流電壓Vin的峰值及其附近而且在大角度范圍內流過輸入平滑用電容器的充電電流。另外，電抗線圈的輸出級的電壓與交流電源的正弦波電壓同步進行正弦波狀變化。因此，流過開關元件的電流的振幅值及輸入平滑用電容器的充電電流的振幅值的包絡線進行正弦波狀變化。因此，交流輸入端子的電流包絡線也進行正弦波狀變化，能實現電波波形的改善及功率因數的改善。
另外，因為開關元件能用于DC-DC變換及波形的改善這兩個方面，所以利用簡單的電路就能達到波形的改善及功率因數的改善。
圖1是表示現有的開關電源裝置的電路圖。
圖2是簡略地表示圖1的控制電路的框圖。
圖3是簡略地表示圖1的各部分狀態的波形圖。
圖4是表示第1實施例的開關電源裝置的電路圖。
圖5是簡略地表示圖4的各部分狀態的波形圖。
圖6是表示第2實施例的開關電源裝置的電路圖。
圖7是表示第3實施例的開關電源裝置的電路圖。
其次，參照圖4～圖7說明本發明的實施形態及實施例。但是，在圖4～圖7中，實際上與圖1～圖3相同的部分標以相同的符號，其說明從略。另外，在圖4～圖7中彼此共同的部分標以相同的符號，用具有代表性的1個圖對共同的部分進行說明，省略其它圖中的說明。
[第1實施例］圖4所示的第1實施例的開關電源裝置是把電抗線圈20、逆流阻止用二極管21和升壓電路形成用的電容器22附加在圖1的電路中，其它結構與圖1相同。
即，圖4的開關電源裝置具有與圖1結構相同的整流電路1、輸入平滑用電容器2、變壓器3、開關元件4、輸出整流平滑電路5、控制電路6以及電壓檢測電路7。可是，在變壓器3的初級線圈13中設置抽頭23，將初級線圈13分割成第1部分13a和第2部分13b。由線圈和鐵心構成的升壓用電抗線圈20的一端連接在整流電路1的一個直流輸出端子10上。逆流阻止用二極管21的一端即陽極連接在電抗線圈20的另一端上，其另一端即陰極連接在輸入平滑用電容器2的一端上。二極管21具有由整流電路1的輸出電壓進行正向偏置的方向性。升壓電路形成用電容器22連接在電抗線圈20的另一端與初級線圈13的抽頭23之間。開關元件4和初級線圈13的串聯電路與輸入平滑用電容器2并聯連接。
其次，參照表示圖4的各部分狀態的圖5說明圖4的開關電源裝置的工作。如果利用控制電路6的控制，開關元件4用比交流輸入端子8、9間的交流輸入電壓Vin的頻率(例如50Hz)高的頻率(例如100Hz)進行導通·關斷，則變壓器3中能量的蓄積及釋放與圖1的電路同樣地發生，通過次級線圈14和輸出平滑用電路5將電力供給負載19。可是，如果輸出端子17、18的電壓比目標值高，則開關元件4的導通期間Ton變短，由于在該導通期間Ton內蓄積在變壓器2中的能量降低，所以輸出端子17、18的電壓返回目標值。反之，在輸出端子17、18的電壓比目標值低時，發生與上述相反的工作。
在開關元件4導通期間Ton內，與圖1的電路相同，輸出整流平滑用二極管15保持非導通狀態，能量被蓄積在變壓器3中。在開關元件4關斷期間Toff內，輸出整流平滑用二極管15通過變壓器3的蓄積能量的釋放呈導通狀態，能量被供給電容器16。另外，在開關元件4關斷期間內，由初級線圈13的第1部分13a、升壓電路形成用電容器22和逆流阻止用二極管21構成的電路成立，利用初級線圈13的第1部分13a的電壓，將升壓電路形成用電容器22充電成圖4所示的極性。因為在圖5中的t1～t2所示的導通期間Ton內，利用控制電路6的控制脈沖(PWM脈沖)控制開關元件4呈導通狀態，所以與圖1的電路相同，第1電流I1流過由輸入平滑用電容器2、初級線圈13、以及開關元件4構成的電路，同時通過由整流電路1、電抗線圈20、形成升壓用電容器22、初級線圈13的第2部分13b以及開關元件4構成的電路的第2電流12流動。因此，流過開關元件4的電流Is為第1及第2電流11和12的和。圖5所示的電抗線圈20的電流IL在導通期間Ton內的電流與第2電流12一致。如果第2電流12在導通期間Ton內流過電抗線圈20，能量便蓄積在這里。如圖5所示，因為在該導通期間Ton內，逆流阻止用二極管21的陽極側的點P1的電位V2相對變低，所以二極管21呈反向偏置狀態，保持非導通狀態。另外，在圖5中的電抗線圈20的端子間的電壓VL與整流電路1的輸出電壓V1和P1點的電位V2之間，式VL＝V1-V2成立。
如果設關斷期間Toff內初級線圈13的電壓為Vp、第1部分13a的匝數為Na、第2部分13b的匝數為Nb，則在關斷期間Toff內第1部分13a的電壓Va為Vp Na/(Na+Nb)，由該電壓Va對電容器22進行充電。另外，在導通期間Ton內第2部分13b的電壓Vb為Vcl Nb/(Na+Nb)。在導通期間Ton內上述電壓Vb與V3相同。因此，在導通期間Ton內，施加在電抗線圈20上的電壓VL能用下式表示VL＝V1+Va-Vb。
因為在圖5的t2～t3區間所示的關斷期間Toff內，開關元件4呈關斷狀態，所以不能流過由第1及第2電流11、12的和構成的電流Is。已經說明過，在該關斷期間Toff內，變壓器3的蓄積能量發生釋放，同時，電抗線圈20的蓄積能量發生釋放，得到電抗線圈20的電抗電壓與整流電路1的輸出電壓V1相加后的電壓，因為它比輸入平滑用電容器2的電壓Vcl高，所以逆流阻止用二極管21導通，流過如圖5所示的電流Id，因此電容器2被充電。已經說明過，在該開關元件4關斷期間Toff內，還流過將升壓電路形成用電容器22充電成圖4所示的極性的電流。
在該實施例中，流過電抗線圈20的電流IL為開關元件4導通期間Ton內的第2電流12和關斷期間內的二極管電流Id的和。由圖5中的電抗線圈電流IL在各導通期間Ton內的波形及開關元件4的電流Is的波形可知第2電流12的峰值與整流電路1的輸出電壓V1的正弦波半波的振幅正比例地變化。由圖5可知，二極管電流Id的峰值也隨著整流輸出電壓V1的振幅進行變化。因此，由圖5可知，電抗線圈電流IL的峰值的用虛線所示的包絡線呈正弦波的半波。其結果，交流輸入端子8、9的電流Iin的用虛線所示的包絡線呈正弦波或近似正弦波。因此，能實現波形的改善及功率因數的改善。另外，根據需要將除去高頻分量用的濾波器連接在交流輸入端子8、9和交流電源之間。
另外，在圖4所示的實施例的電路中，盡管整流電路1的輸出電壓V1變化，但輸入平滑用電容器2的電壓Vcl大致保持一定。因此，開關元件4的電壓Vs的峰值大致一定。
另外，通過改變初級線圈13的抽頭23的連接位置能調整流過電抗線圈20的電流，能最佳地設定電容器2的電壓。
[實施例2］在圖6所示的實施例2中，將圖4的變壓器3變形成不具有次級線圈14的變壓器3a，將輸出整流平滑電路5相對于開關元件4并聯連接，其它結構與圖4相同。圖6的輸入平滑用電容器2、變壓器3a、開關元件4以及輸出整流平滑電路5構成眾所周知的升壓型DC-DC變換器。
在該圖6中比線圈13更靠近電源側的電路與圖4的電路相同，所以能得到與第1實施例相同的效果。
[實施例3］圖7所示的第3實施例的開關電源裝置設有將圖5的變壓器3變形后的單線圈變壓器3b，其它結構與圖5相同。圖7的變壓器是從圖4的變壓器3中省略了次級線圈14，在線圈13中設有第2抽頭30。將輸出整流平滑電路5連接在抽頭30與線圈13的另一端之間。
采用該第3實施例也能得到與第1實施例相同的效果。
[變形例］本發明不限于上述實施例，能進行例如以下的變形。
(1)開關元件4不限于晶體管，可以是FET等其它半導體開關。
(2)為了形成控制電源，可以在變壓器3中設置第三線圈。
(3)為了進行電流反饋控制，可以將電流檢測用電阻與開關元件4串聯連接。
(4)將控制電路6變形，可以改變開關元件4的導通·關斷控制形態。另外，也能將本發明應用于RCC型等自激式DC-DC變換器。
(5)也能將本發明應用于在開關元件4導通時二極管15導通的正向型DC-DC變換器。
權利要求
1.一種開關電源裝置，它是把直流電力供給負載用的開關電源裝置，其特征在于，具備具有連接在正弦波交流電源上的交流輸入端子和一對直流輸出端子的整流電路；其一端連接在上述一對直流輸出端子的一方的電抗線圈；其一端連接在上述電抗線圈的另一端上且具有由上述整流電路的輸出電壓進行正向偏置的方向性的二極管；連接在上述二極管的另一端與上述一對直流輸出端子的另一方之間的輸入平滑用電容器；其一端連接在上述輸入平滑用電容器的一端上且具備帶抽頭的線圈的變壓器；連接在上述線圈的另一端與上述另一直流輸出端子之間的開關元件；連接在上述電抗線圈的另一端與上述線圈的抽頭之間的升壓電路形成用電容器；連接在上述變壓器上的輸出整流平滑電路；以及用比供給上述交流輸入端子的交流電壓的頻率高的重復頻率對上述開關元件進行導通·關斷控制用的控制電路。
2.根據權利要求1所述的開關電源裝置，其特征在于上述變壓器具有與帶上述抽頭的線圈進行了電磁耦合的次級線圈，上述輸出整流平滑電路被連接在上述次級線圈上。
3.根據權利要求2所述的開關電源裝置，其特征在于上述輸出整流平滑電路由具有在上述開關元件關斷期間內利用在上述次級線圈上得到的電壓進行導通的方向性并與上述次級線圈連接的輸出整流用二極管以及通過上述輸出整流用二極管與上述次級線圈并聯連接的輸出平滑用電容器構成。
4.根據權利要求1所述的開關電源裝置，其特征在于上述輸出整流平滑電路與上述開關元件并聯連接。
全文摘要
如果設置整流平滑電路作為DC—DC變換器的直流電源,則交流輸入電流的波形變壞,并且功率因數降低。將整流電路1連接在交流電源上。將輸入平滑用電容器2通過電抗線圈20和逆流阻止用二極管21連接在整流電路1上。將變壓器3的初級線圈13與開關元件4的串聯電路并聯連接在輸入平滑用電容器2上。將輸出整流平滑電路5連接在變壓器3的次級線圈14上。在初級線圈13中設置抽頭23。將升壓電路形成用電容器22連接在電抗線圈20與抽頭23之間。
文檔編號H02M1/14GK1304205SQ01101239
公開日2001年7月18日 申請日期2001年1月8日 優先權日2000年1月7日
發明者宇津野瑞木, 朱堅, 古越隆一 申請人:三墾電氣株式會社