专利名称：开关电源的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种开关电源，尤其涉及一种可用于直流输入电压1000V以上的
开关电源。
背景技术：
在一些特殊的应用场合，例如电力系统电能计量系统，其开关电源以交流380V作 为输入。某些电力信息采集装置的开关电源甚至要求可以在输入电压1000V以上的条件下工作。 对于小功率开关电源，反激变换器应用较为广泛。 反激变换器具有电路拓扑简单、输入输出电气隔离、电压升降范围宽、易于多路输 出等优点，是小功率开关电源的理想选择。 图l是一种单端反激变换器，其具有一个变压器l，初级匝数是nl，次级匝数是n2， 匝比n = nl/n2，变压器初级有一个晶体管3、漏感能量吸收网络2，次级有整流二极管4和 输出滤波电容5。当晶体管3开通时，变压器初级线圈存储能量，次级的整流二极管4截止， 输出能量由滤波电容5提供；当晶体管3关断后，次级整流二极管导通，储存在变压器线圈 中的能量向输出端传递。 图2和图3分别显示了单端反激变换器工作波形图以及tl至t2时刻的等效电路 图。如图2所示，当晶体管3在tl时刻关断，在t2时刻变压器1的初级电流和次级电流完 成换流。在换流过程中，如图3所示，变压器1的次级整流二极管4导通，变压器1的初级 的励磁电感20被次级折射过来的电压源nVo所钳位，变压器1的初级漏感19与晶体管3 的结电容22以及漏感能量吸收网络2中的电容21谐振，漏感19中的能量转移至结电容22 和吸收电容21，致使晶体管3承受的峰值电压为Vin+nVo+Vclamp。 在输入电压不是很高的需求下，通常采取单端反激变换器，但输入电压较高时并 不适用。如三相输入交流380V，经桥式整流后为峰值电压537V，晶体管上承受的峰值电压 将非常大，而目前市场上适合于这种高压的场效应管非常少，换言之，单端反激变换器在高 压要求下的应用很难实现。 为了解决这一问题，双管反激变换器得到了广泛的应用。图4是双管反激变换器 的原理图，双管反激变换器有一个变压器10，初级匝数是nl，次级匝数是n2，匝比n = nl/ n2，变压器初级有20个晶体管30和60，两个钳位二极管80和90，次级有整流二极管40和 输出滤波电容50。两个晶体管30和60同开同关，晶体管60位于变压器10上方，因此需 要驱动高端线路70。当晶体管30和60开通时，变压器初级线圈存储能量，次级的整流二 极管40截止，输出能量由滤波电容50提供；当晶体管30和60关断后，次级整流二极管40 导通，储存在变压器线圈中的能量向输出端传递。 图5与图6分别是双管反激变换器工作波形图及tl至t2时刻的等效电路图。 如图5所示，当晶体管30和60在tl时刻关断，在t2时刻变压器10的初级电流 和次级电流完成换流。在换流过程中，如图6所示，变压器10次级整流二极管40导通，变压器10初级的励磁电感200被次级折射过来的电压源nVo所钳位，变压器1初级漏感190 与晶体管30、60的结电容220、230谐振，漏感190中的能量转移至结电容220和230，但是 由于钳位二极管80和90构成的回路，晶体管30和60承受的峰值电压仅为Vin。 然而，双管反激变换器有三个缺点一是需要高端驱动线路，例如自举驱动线路或 驱动变压器，这将带来成本的上升；二是晶体管耐压需要满足输入峰值电压的要求，在输 入电压更高的应用场合双管反激变换器并不适用；三是双管激变换器的占空比不能大于 50 % ，输入输出范围小于传统的反激变换器。 1997年2月11日公告的美国专利US5602724提供了一种新的用于高压输入的反 激变换器。图7是US5602724的电路示意图，由图可知，该电路实际上是在传统单管反激变 换器的基础上演变而来。在传统反激变换器电路中增加晶体管6'、稳压管13'、电容12'、 电阻网络10'、串联稳压管组件11'。晶体管6'位于晶体管3'的上方，两者以串联形式连 接。晶体管6'、稳压管13'、电阻12'、电阻网络10'，串联稳压管组件11'组成源(射)极 跟随器的形式嵌入电路。晶体管3'和6'以串联方式实现高耐压，晶体管3'工作于高频开 关方式，晶体管4'的工作取决于电阻网络10'、晶体管6'的输入电容以及电容12'的参数。 驱动信号仅作用于低端的晶体管3'，工作原理如下当外部的驱动信号使晶体管3'饱和开 通，晶体管6'的源(射)极电位为晶体管3'的饱和压降，电容12'中存储的电荷提供给晶 体管6'的栅(基)极，使晶体管6'开通，稳压管13'防止晶体管6'的栅源(基射)极过 压失效。 —般而言，晶体管6'的等效输入电容典型值是800pF。设晶体管6'的输入电容 ciss = 800pF， Vz = 400V，稳压管13'的导通电压Vz13 = 15V，为保证电容12'存储的电 荷使晶体管6'的输入电容ciss充电至Vzl3，为了保持电路的高效率，电阻网络10'的阻值 很大，设1 = 1M ，则C的充电时间和高频变换器的晶体管关断时间远远小于这一时间，也 就是说，电容12'存储的电荷不足以使晶体管6'饱和开通，晶体管6'处于线性放大状态， 这将导致该电路的导通损耗过大。 晶体管3'关断时，晶体管3'的漏(集)极电位跟随于晶体管6'的栅(基)极电 压，也就是晶体管3'被钳位于Vz，晶体管3'承受的峰值电压为Vz。由于两个晶体管串联， 所以晶体管6'承受的峰值电压为Vin+nVo+Vclamp-Vz。 该电路的缺点是不能保证两只串联的晶体管在开通时都工作在饱和导通状态，导
通损耗大，效率低，不适合应用于较大功率的高压输入电源。 本实用新型则提供一种新的开关电源用以改善或解决上述的问题。
发明内容本实用要解决的技术问题在于提供一种适用于高压输入、可靠高效的开关电源。 本实用新型通过这样的技术方案解决上述的技术问题 —种开关电源，其包括至少两个晶体管、电容、电阻网络以及串联稳压管组件，至 少两个晶体管之间以串联形式连接，该两个晶体管分别为第一晶体管和第二晶体管，该开 关电源还包括电阻和二极管，电阻网络一端接输入正端，一端接串联稳压管组件，串联稳压 管组件的另外一端接输入负端，电阻网络和串联稳压管组件的连接点经过电阻接到第一晶 体管的栅极，二极管的正端接外加电源，负端接电阻网络和串联稳压管组件的连接点。[0020] 作为一种改进，串联稳压管组件为多个面接触型晶体二极管串连而成。 作为一种改进，该开关电源还包括正端接第一晶体管的源极，负端接第一晶体管
的栅极的稳压管。 本实用新型另提供一种开关电源，其包括至少三个晶体管、电容、电阻网络以及串 联稳压管组件，至少三个晶体管之间以串联形式连接，该三个晶体管分别为第一晶体管、第 二晶体管、第三晶体管，该开关电源另还包括第一稳压管、第二稳压管、第一电阻、第一电阻 网络、第二电阻网络、第一串联稳压管组件、第二串联稳压管组件、第一二极管，第一电阻网 络一端接输入正端，一端接第一串联稳压管组件，第一串联稳压管组件的另外一端接输入 负端，第一电阻网络和第一串联稳压管组件的连接点经过第一电阻接到第一晶体管的栅 极，第一稳压管正端接第一晶体管的源极，负端接第一晶体管栅极，第一二极管的正端接外 加电源VCC，负端接第一电阻网络和第一串联稳压管组件的连接点。 作为一种改进，该开关电源还包括正端接外加电源、负端接第二电阻网络和第二 串联稳压管组件的连接点的第二二极管。 作为一种改进，该开关电源还包括第二电阻，该第二电阻一端连接第二晶体管的 栅极，另一端连接到第二串联稳压管组件。 与现有技术相比较，本实用新型具有以下优点适用于高输入电压，即使在数千伏 的高压下仍可安全可靠的工作，电路中虽然用2只或多只晶体管串联工作，但是不必使用 高端驱动电路，成本低，电路中的所有晶体管都工作于高频开关方式，效率高。
图1是一种与本实用新型相关的单端反激变换器原理图。图2是图1中单端反激变换器工作波形图。图3是单端反激变换器在图2中tl至t2时刻的等效电路图。图4是一种与本实用新型相关的双管反激变换器原理图。图5是图4中双管反激变换器工作波形图。图6是双管反激变换器在图5中tl至t2时刻的等效电路图。图7是美国专利US5602724的电路图。图8是本实用新型第一实施方式的开关电源的电路图。图9是本实用新型开关电源的工作波形图。图10是本实用新型在图8中tl至t2时刻的等效电路图。图11是本实用新型第二实施方式，即多只晶体管串联反激变换器的电路图。图12是本实用新型的第二实施方式的工作波形图。
具体实施方式
以下结合附图详细说明本发明的具体实施方式
。 如图8所示(请一同参照图7)，本实用新型是在美国专利US5602724的电路的基 础上改进而来。在电路中增加二极管126、电阻125，并且外加电源VCC。第一晶体管16位 于第二晶体管13的上方，两者以串联形式连接。电阻网络110 —端接输入正端，一端接串 联稳压管组件lll，串联稳压管组件lll的另外一端接输入负端。电阻网络110和串联稳压管组件111的连接点经过电阻125接到第一晶体管16的栅(基)极，稳压管113正端接第 一晶体管16的源(射)极，负端接第一晶体管16的栅(基)极，二极管126的正端接外加 电源VCC，负端接电阻网络IIO和串联稳压管组件111的连接点。 外加VCC和二极管126的作用是保证第二晶体管13开通时使第一晶体管16也饱 和开通，电阻125是为了提高第一晶体管16栅(基)极的抗干扰性能。 第一晶体管16和第二晶体管13以串联方式实现高耐压，两者都工作于高频开关 方式，驱动信号制作用于低端的第二晶体管13，工作原理如下当外部的驱动信号使第二 晶体管13饱和开通，第一晶体管16的源(射)极电位为第二晶体管13的饱和压降，第一 晶体管16栅(基)极的VCC使第一晶体管16饱和开通，稳压管113防止第一晶体管16的 栅源(基射)极过压失效。第二晶体管13关断时，第二晶体管13的漏(集)极电位跟随 于第一晶体管16的栅(基)极电压，也就第二是晶体管13被钳位于Vz。稳压管根据其PN 结的接触方式，包括点接触型(PN结之间通过金属针接触)以及面接触型(PN结之间通过 金属沉积方式接触)，于本实施方式中，稳压管为面接触型晶体二极管。 图9和图IO说明了本实用新型实现可以承受较高输入电压的原理。如图9所示， 当第二晶体管13在tl时刻关断，在t2时刻变压器11的初级电流和次级电流完成换流。 在换流过程中，如图9所示，变压器11次级整流二极管14导通，变压器11初级的励磁电感 120被次级折射过来的电压源nVo所钳位，变压器11初级漏感119与第一、第二晶体管16、 13的结电容122、 124以及漏感能量吸收网络12中的电容121谐振，漏感119中的能量转移 至结电容122、124和吸收电容121，第二晶体管13的漏源(集射)极电压被外部电压源Vz 钳位，第二晶体管13承受的峰值电压为Vz。由于两个晶体管串联，所以第一晶体管16承受 的峰值电压为Vin+nVo+Vclamp-Vz。 与美国专利US5602724相比，本实用新型可以保证两只串联的晶体管在开通驱动 信号下都处于饱和导通状态，开通损耗小，效率高，可以应用于更大功率要求的场合。 图11是本实用新型的多只晶体管串联反激变换器电路图。如图11所示，一并参 照图8，多只晶体管串联反激变换器是由双管串联反激变换器的基础上进化而来。在双管串 联反激变换器电路中增加多个晶体管，分别为第一晶体管214、第二晶体管226、第三晶体 管223，另还包括稳压管215、第一电阻216、第二电阻212、第一电阻网络218、第二电阻网络 210、第一串联稳压管组件217、第二串联稳压管组件211、第一二极管227、第二二极管260。 第一晶体管214位于第二晶体管226的上方，第二晶体管226位于第三晶体管223的上方， 三者以串联形式连接。第一电阻网络218 —端接输入正端，一端接串联稳压管组件217，串 联稳压管组件217的另外一端接输入负端。第一电阻网络218和串联稳压管组件217的连 接点经过第一电阻216接到第一晶体管214的栅(基)极，稳压管215正端接第一晶体管 214的源(射)极，负端接第一晶体管14的栅(基)极。第一二极管227的正端接外加电 源VCC，负端接电阻网络218和串联稳压管组件217的连接点，第二二极管260的正端接外 加电源VCC，负端接电阻网络210和串联稳压管组件211的连接点。第二电阻网络210和第 二串联稳压管组件211的连接点经过第二电阻212接到第二晶体管226的栅(基)极， 请参图12，第一晶体管214、稳压管215、第一电阻216、第一电阻网络218、第一串 联稳压管组件217组成一级源(射)极跟随器嵌入电路。第一至第三晶体管以串联方式实 现更高耐压，三者都工作于高频开关方式，驱动信号制作用于低端的第三晶体管223，工作
6原理如下当外部的驱动信号使第三晶体管223饱和开通，第二晶体管226的源(射)极电 位为第三晶体管223的饱和压降，第二晶体管226栅(基)极的VCC使第二晶体管226饱 和开通，第一晶体管214的源(射)极电位为第三晶体管223叠加第二晶体管226的饱和 压降，同理，第一晶体管214栅(基)极的VCC使第一晶体管214饱和开通，稳压管213、215 分别防止晶体管226、214的栅源(基射)极过压失效。第三晶体管223关断时，第三晶体 管223的漏(集)极电位跟随于第二晶体管226的栅(基)极电压，也就是晶体管承受的 峰值电压为Vzl，而第二晶体管226的漏(集)极电位跟随于第一晶体管214的栅(基)极 电压，也就是第二晶体管226承受的峰值电压为Vz2-Vzl，所以第一晶体管214承受的峰值 电压为Vin+nVo+Vcl卿-Vz2。 以上所述仅为本实用新型的较佳实施方式，本实用新型的保护范围并不以上述实 施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本实用新型所揭示内容所作的等效修饰或变 化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。
权利要求一种开关电源，其包括至少两个晶体管、电容、电阻网络以及串联稳压管组件，至少两个晶体管之间以串联形式连接，该两个晶体管分别为第一晶体管和第二晶体管，其特征在于该开关电源还包括电阻和二极管，电阻网络一端接输入正端，一端接串联稳压管组件，串联稳压管组件的另外一端接输入负端，电阻网络和串联稳压管组件的连接点经过电阻接到第一晶体管的栅极，二极管的正端接外加电源，负端接电阻网络和串联稳压管组件的连接点。
2. 根据权利要求1所述的开关电源，其特征在于串联稳压管组件为多个面接触型晶 体二极管串连而成。
3. 根据权利要求1所述的开关电源，其特征在于该开关电源还包括正端接第一晶体 管的源极，负端接第一晶体管的栅极的稳压管。
4. 一种开关电源，其包括至少三个晶体管、电容、电阻网络以及串联稳压管组件，至少 三个晶体管之间以串联形式连接，该三个晶体管分别为第一晶体管、第二晶体管、第三晶体 管，其特征在于该开关电源另还包括第一稳压管、第二稳压管、第一电阻、第一电阻网络、 第二电阻网络、第一串联稳压管组件、第二串联稳压管组件、第一二极管，第一电阻网络一 端接输入正端，一端接第一串联稳压管组件，第一串联稳压管组件的另外一端接输入负端， 第一电阻网络和第一串联稳压管组件的连接点经过第一电阻接到第一晶体管的栅极，第一 稳压管正端接第一晶体管的源极，负端接第一晶体管栅极，第一二极管的正端接外加电源 VCC，负端接第一电阻网络和第一串联稳压管组件的连接点。
5. 根据权利要求4所述的开关电源，其特征在于该开关电源还包括正端接外加电源、 负端接第二电阻网络和第二串联稳压管组件的连接点的第二二极管。
6. 根据权利要求4或5所述的开关电源，其特征在于该开关电源还包括第二电阻，该 第二电阻一端连接第二晶体管的栅极，另一端连接到第二串联稳压管组件。
专利摘要本实用新型为一种开关电源，尤其涉及一种可用于直流输入电压1000V以上的开关电源，该开关电源包括至少两个晶体管、电容、电阻网络以及串联稳压管组件，至少两个晶体管之间以串联形式连接，该两个晶体管分别为第一晶体管和第二晶体管，该开关电源还包括电阻和二极管，电阻网络一端接输入正端，一端接串联稳压管组件，串联稳压管组件的另外一端接输入负端，电阻网络和串联稳压管组件的连接点经过电阻接到第一晶体管的栅(基)极，二极管的正端接外加电源，负端接电阻网络和串联稳压管组件的连接点。本实用新型的开关电源适用于高输入电压，即使在数千伏的高压下仍可安全可靠的工作。
文档编号H02M1/34GK201509153SQ20092020785
公开日2010年6月16日 申请日期2009年8月14日 优先权日2009年8月14日
发明者邓陵泉 申请人:上海鹰泰德创电器电子有限公司