开关电源装置制造方法
【专利摘要】由初级侧谐振电感器(Lr)和初级侧谐振电容器(Cr)构成初级侧谐振电路，由次级侧谐振电感器(Ls1，Ls2)和次级侧谐振电容器(Cs1，Cs2)构成次级侧谐振电路。在初级绕组(np)和次级绕组(ns1，ns2)之间，通过磁场共振耦合而等效地形成互感(Lms1，Lms2)，由初级侧电路以及次级侧电路来构成具备两个以上的LC皆振电路的多谐振电路。从初级侧电路向次级侧电路输送电力，从初级绕组未被送电的谐振能量以及次级绕组所受电的能量之中未提供给输出的谐振能量将分别被保存于多谐振电路中，尤其是在次级侧，谐振能量被保存于整流元件非串联地构成的电流路径。
【专利说明】开关电源装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及开关电源装置，尤其涉及通过多谐振电路进行电力输送的开关电源装置。
【背景技术】
[0002]近年，电子设备的小型轻量化不断进步，对于开关电源的高效率化、小型轻量化的市场需求愈发高涨。例如关于利用LC谐振现象在变压器中流动正弦波状的谐振电流使其动作的电流谐振型半桥式转换器，其在输出电流脉动的特性被相对缓和的薄型电视等的市场中，灵活利用其高效率的特长，来推进其实用化。
[0003]专利文献I公开了诸如LC串联谐振型DC-DC转换器。图13是专利文献I的开关电源装置的基本电路图。该开关电源装置是电流谐振型的半桥式DC-DC转换器，在变压器T的初级绕组np连接着由电感器Lr和电容器Cr所构成的LC谐振电路以及两个开关元件Q1、Q2。在变压器T的次级绕组nsl、ns2，构成了由二极管Dsl、Ds2以及电容器Co所构成的整流平滑电路。
[0004]通过这样的构成，开关元件Ql、Q2夹着死区时间互补地接通(on)、断开(of f)，从而变压器T中流动的电流波形成为正弦波状的谐振波形。另外，该两个开关元件Ql、Q2的接通期间/断开期间的两个期间均从初级侧向次级侧输送电力。
[0005]在先技术文献
[0006]专利文献
[0007]专利文献I JP特开平9-308243号公报
【发明内容】
[0008]发明要解决的课题
[0009]但是，在专利文献I的开关电源装置中，存在以下应解决的课题。
[0010](I)仅在初级侧(或者次级侧)构成LC谐振电路，通过初级绕组和次级绕组的磁耦合，等效地形成互感Lm，通过电磁感应来输送电力。但是，不参与磁耦合的漏磁通将形成等效的漏电感，次级侧漏电感的磁能作为整流二极管的开关损耗而成为电力损耗。尤其是在磁耦合小的情况下，次级绕组的漏电感变大，电力损耗增大。
[0011](2)在初级绕组和次级绕组的磁耦合小的情况下，由于在次级侧电路未构成谐振电路，因而阻抗大，从而无法高效地从初级侧向次级侧输送电力。
[0012](3)输出电力的控制可以根据开关频率fs的变化而进行。例如，将开关频率fs控制为轻负载时升高、重负载时降低。但是，在轻负载、无负载时，将产生开关频率fs过高而无法完全控制输出电力，成为间歇振荡动作，进而存在输出电压急剧升高等的问题。
[0013]因而，本发明的目的在于，提供一利提高输出稳定性且提高电力变换效率的开关电源装置。
[0014]用于解决课题的手段[0015]本发明的开关电源装置的构成如下。
[0016](I)特征在于，具备:
[0017]变压器，其至少具备初级绕组和次级绕组；
[0018]初级侧电路，其具备相对于所述初级绕组而等效地串联构成的初级侧谐振电感器Lr、与所述初级侧谐振电感器Lr 一起构成初级侧谐振电路的初级侧谐振电容器Cr、以及初级侧交流电压产生电路，该初级侧交流电压产生电路至少具备两个开关元件，且根据输入直流电源电压来生成梯形波的交流电压，并提供给所述初级侧谐振电路；
[0019]次级侧电路，其具备相对于所述次级绕组而等效地串联构成的次级侧谐振电感器Ls、与所述次级侧谐振电感器Ls —起构成次级侧谐振电路的次级侧谐振电容器Cs、以及次级侧整流电路，该次级侧整流电路具有整流元件，且对从所述次级侧谐振电路输出的交流电流进行整流，来得到直流电压，
[0020]其中，
[0021]在所述初级绕组和所述次级绕组之间，通过磁场共振耦合而等效地形成互感Lm，至少由所述初级侧电路以及所述次级侧电路来构成具备多个LC谐振电路的多谐振电路，
[0022]通过所述多谐振电路，
[0023]所述初级侧谐振电路和所述次级侧谐振电路产生共振，基于所述互感Lm中流动电流的磁场共振耦合，从所述初级侧电路向所述次级侧电路输送电力，
[0024]从所述初级绕组未被送电的能量通过谐振现象而作为谐振能量被保存于所述初级侧谐振电路，
[0025]所述次级绕组所受电的能量之中未提供给输出的能量通过谐振现象而作为谐振能量被保存于所述次级侧谐振电路，
[0026]所述次级侧谐振电路构成了与所述整流元件被串联构成的电流路径不同的电流路径(nsl (Lmsl) -Lsl-Csl的路径以及ns2 (Lms2) -Ls2_Cs2的路径)，从所述初级绕组向所述次级绕组输送电力。
[0027]根据上述的构成，在初级绕组和次级绕组之间通过相互感应而形成等效的互感，通过多谐振电路使初级侧谐振电路和次级侧谐振电路产生共振，通过磁场谐振耦合，从初级侧电路向次级侧电路高效率地输送电力。另外，在整流元件成为非导通时，通过电感器Ls和电容器Cs进行谐振而作为谐振能量被保存，可以降低电力损耗。
[0028](2)优选的是:当以fs表示开关频率，以fa表示在所述次级侧电路的输出连接了负载的状态下从与所述初级侧交流电压产生电路相连接的所述多谐振电路的输入来观察得到的输入阻抗为极小的谐振频率时，所述初级侧交流电压产生电路在fa ( fs的范围内进行动作，来控制输送电力。
[0029]根据上述的构成，在任何负载的状态下，因为从初级侧交流电压产生电路所观察得到的多谐振电路的输入阻抗成为感应性阻抗，所以在构成初级侧交流电压产生电路的开关元件中，能够实现零电压开关动作的同时，相对于负载的状态变化，能控制成所希望的输出电力。另外，整流元件的两端电压或者电流波形为正弦波的一部分，使成为导通状态或者非导通状态的广义的零电压开关(以下称作“ZVS”)，或者零电流开关(以下称作“ZCS”)动作成为可能，降低开关损耗。能够实现高效率化。
[0030](3)优选的是:通过具备所述次级侧谐振电路，来设定即使在输出未连接负载的无负载状态下也维持谐振动作地进行动作的规定的频率fc，在fa < fs< fc的范围内进行动作，来控制输送电力。
[0031]根据上述构成，能在所希望的动作频率的范围内控制输出电力。
[0032](4)优选构成为:所述次级侧谐振电容器Cs相对于所述次级绕组而并联地连接，所述次级侧整流电路对所述次级侧谐振电容器Cs的电压进行整流。
[0033]根据上述的构成，能够进行整流元件的ZVS、ZCS动作，降低开关损耗，实现高效率化。另外，通过将绕组的杂散电容作为谐振电容器来使用，能够削减部件数，实现电源装置的小型轻量化。
[0034](5)优选构成为:所述次级侧谐振电容器Cs与所述次级绕组串联地连接，所述次级侧整流电路对次级侧谐振电容器Cs的电流进行整流。
[0035]根据上述的构成，能够进行整流元件的ZVS、ZCS动作，能降低开关损耗，能够实现
高效率化。
[0036](6)优选的是:所述次级侧谐振电容器Cs相对于构成所述次级侧整流电路的整流元件而并联地连接。
[0037]根据上述的构成，能够进行整流元件的ZVS、ZCS动作，降低开关损耗，能够实现高效率化。另外，通过将整流元件的结电容作为谐振电容器来利用，能够削减部件数，实现电源装置的小型轻量化。
[0038](7)所述次级侧整流电路例如是桥式整流电路。
[0039]根据上述的构成，能够降低整流元件所需的耐压。
[0040](8)所述次级侧整流电路例如是中心抽头式整流电路。
[0041]根据上述的构成，能够以两个整流元件、两个次级绕组来供给输出电流，在输出电流较大的用途上能够实现高效率化。
[0042](9)所述次级侧整流电路例如是倍压整流电路。
[0043]根据上述的构成，能够以一个次级绕组来供给高电压，在输出电压高的用途上能够实现高效率化。
[0044](10)优选的是:所述开关元件在两端电压降低至零电压时开启，进行零电压开关动作。
[0045]根据上述的构成，不需要谐振电感器的部件，能够实现开关电源装置的小型轻量化。
[0046](11)所述初级侧谐振电感器Lr或者所述次级侧谐振电感器Ls优选是所述初级绕组或者次级绕组的漏电感。
[0047]根据上述的构成，能够削减部件数，能够实现电源装置的小型轻量化。
[0048](12)优选的是:所述初级绕组的杂散电容与所述初级侧谐振电容器Cr 一起构成所述初级侧谐振电路，或者所述次级绕组的杂散电容与所述次级侧谐振电容器Cs —起构成所述次级侧谐振电路。
[0049]根据上述的构成，能够削减部件数，实现电源装置的小型轻量化。
[0050](13)对于所述次级侧谐振电容器Cs优选利用所述整流元件的结电容。
[0051]根据上述的构成，能够削减部件数，实现电源装置的小型轻量化。
[0052](14)优选具有相对于所述开关元件而并联地连接的二极管。[0053](15)优选的是:所述开关元件是FET，所述并联地连接的二极管是FET的寄生二极管，将FET的寄生电容作为并联电容器来使用。
[0054]根据上述的构成，能够削减部件数，实现电源装置的小型轻量化。
[0055](16)优选的是:使所述初级侧谐振电路的谐振频率和所述次级侧谐振电路的谐振频率大致相等。
[0056]根据上述的构成，电力输送效率更为升高。并且能够扩大磁场共振耦合的共振频率的频带。
[0057](17)所述初级侧交流电压产生电路优选是四个开关元件被全桥式连接而得到的电路。
[0058]根据上述的构成，能够降低开关元件所必需的耐压。
[0059](18)所述次级侧整流电路优选是与所述初级侧交流电压产生电路的开关电路的动作同步地进行整流的同步整流电路。
[0060]根据上述的构成，通过使构成同步整流电路的开关元件进行开关动作，能够进行受电侧的能量的送电，能够将受电侧电路作为送电电路来使用。如此，例如能够进行双向的电力输送。
[0061]发明效果
[0062]根据本发明，能达到如下的效果。
[0063](a)在初级绕组np和次级绕组ns、nsl、ns2之间，通过磁场共振耦合而形成等效的互感，通过多谐振电路，初级侧谐振电路和次级侧谐振电路产生共振，能够从初级侧电路向次级侧电路高效率地输送电力。
[0064](b)在整流二极管成为非导通时，通过谐振电感器Ls、Lsl、Ls2和电容器Cs、Csl、Cs2进行谐振，能够作为谐振能量进行保存，降低电力损耗。
[0065](C)通过将多谐振电路的阻抗作为相对于初级侧交流电压产生电路的电压的相位而言电流的相位滞后的感应性阻抗，由此能够在整个负载范围内进行开关元件Ql、Q2的ZVS动作，能够大幅降低开关损耗，实现高效率化。
[0066](d)能够进行整流元件的ZVS、ZCS动作，能降低开关损耗，能够实现高效率化。
【专利附图】
【附图说明】
[0067]图1是第I实施方式的开关电源装置101的电路图。
[0068]图2是图1所示的开关电源装置101的各部的波形图。
[0069]图3是第2实施方式的开关电源装置102的电路图。
[0070]图4是第3实施方式的开关电源装置103的电路图。
[0071]图5是第4实施方式的开关电源装置104的电路图。
[0072]图6是第5实施方式的开关电源装置105的电路图。
[0073]图7是第6实施方式的开关电源装置106的电路图。
[0074]图8是第7实施方式的开关电源装置107的电路图。
[0075]图9是第8实施方式的开关电源装置108的电路图。
[0076]图10是第9实施方式的开关电源装置109的电路图。
[0077]图11是第10实施方式的开关电源装置110的电路图。[0078]图12是第11实施方式的开关电源装置111的电路图。
[0079]图13是专利文献I的开关电源装置的基本电路图。
【具体实施方式】
[0080]《第I实施方式》
[0081]图1是第I实施方式的开关电源装置101的电路图。
[0082]开关电源装置101是向输入部输入输入电源Vi,从输出部向负载Ro提供稳定的直流电压的电路。开关电源装置101具备以下的各部。
[0083].具备初级绕组np以及次级绕组nsl、ns2的变压器T
[0084].相对于初级绕组np而等效地串联构成的初级侧谐振电感器Lr
[0085].与谐振电感器Lr 一起构成初级侧谐振电路的至少一个初级侧谐振电容器Cr
[0086].由开关元件Ql、Q2、反并联二极管Ddsl、Dds2以及并联电容器Cdsl、Cds2分别构成的两个开关电路
[0087]?通过所述开关电路，由输入直流电源电压来产生梯形波(方形波)的交流电压并向初级侧谐振电路供给的初级侧交流电压产生电路
[0088].相对于次级绕组nsl、ns2而等效地串联构成的次级侧谐振电感器Lsl、Ls2
[0089].与谐振电感器Lsl、Ls2 —起构成次级侧谐振电路的次级侧谐振电容器Csl、Cs2
[0090].具有二极管Dsl、Ds2且对从次级侧谐振电路输出的交流电流进行整流来得到直流电压的次级侧整流电路
[0091 ].在初级绕组np和次级绕组ns 1、ns2之间，通过相互感应而形成等效的互感Lms 1、Lms2，且由初级侧电路以及次级侧电路构成了具备多个LC谐振电路的多谐振电路
[0092]如对该开关电源装置的成为特征的构成进行直接表示，则如下所述。
[0093].在初级侧和次级侧的双方具备LC谐振电路，通过磁场共振耦合，高效率地输送电力。
[0094]?在次级侧具备由Csl、Lsl、Lmsl构成的LC谐振电路、以及由Cs2、Ls2、Lms2构成的LC谐振电路。
[0095].在初级侧具备由Lr、Cr、Lm构成的LC谐振电路。
[0096].由 Cr、Lm、Lr、Csl、Lrl、Lmsl、Cs2、Lr2、Lms2 构成多谐振电路。
[0097]该开关电源装置101的作用如下。
[0098](I)在初级绕组np和次级绕组nsl、ns2之间，通过相互感应而形成等效的互感Lm、Lmsl、Lms2,通过由 Cr、Lr、Lm、Cs I > Lsl > Lmsl> Cs2、Ls2、Lms2 构成的多谐振电路，初级侧谐振电路和次级侧谐振电路产生共振，通过在互感Lm、LmU Lm2中流动谐振电流的磁场共振耦合，从初级侧电路向次级侧电路输送电力。
[0099](2)在二极管Dsl变为非导通或者导通时，电感器Lsl和电容器Csl进行谐振。
[0100](3)在二极管Ds2变为非导通或者导通时，电感器Ls2和电容器Cs2进行谐振。
[0101](4)开关元件Ql和Q2通过夹着死区时间交替地接通/断开，从而根据直流电压Vi来生成梯形波交流电压波形。该梯形波交流电压波形通过由Cr、Lm、Lr、Csl、L;rl、Lmsl、Cs2、Lr2、Lms2构成的多谐振电路的谐振现象，成为正弦波波形或者作为正弦波波形的一部分的交流电流波形。进而，通过整流元件Ds 1、Ds2进行整流来生成直流电压。[0102](5)在次级侧电路的输出连接着负载的状态下，若以fa表示从与初级侧交流电压产生电路相连接的多谐振电路的输入所观察得到的输入阻抗为极小的谐振频率，
[0103]则在fa ( fs的范围内进行动作，来控制输出电力。
[0104]图2是图1所示的开关电源装置101的各部的波形图。参照图1以及图2，对开关电源装置101的动作进行论述。
[0105]这里，以vgsl、vgs2表示开关元件Q1、Q2的栅极-源极间电压，分别以vdsl、vds2表示漏极-源极间电压，分别以vrsl、vrs2表示二极管Dsl、Ds2的两端电压，以is表示在次级绕组nsl、ns2的公共地线上流动的电流。
[0106]开关元件Ql、Q2夹着两个开关元件均为断开的短的死区时间而交替地接通/断开，在死区时间的期间，在Ql、Q2中流动的电流分别逆流，进行ZVS动作。一个开关周期中的各期间的动作如下。
[0107][I]状态(state) I 时刻 tl ?t2
[0108]首先，二极管Ddsl导通。在二极管Ddsl的导通期间，通过开启开关元件Ql来进行ZVS动作，开关元件Ql导通。在初级绕组np和次级绕组nsl、ns2之间，通过相互感应而形成等效的互感 Lm、Lmsl、Lms2,在由 Cr、Lr、Lm、Csl、Lsl、Lmsl、Cs2、Ls2、Lms2 构成的多谐振电路中，初级侧谐振电路和次级侧谐振电路产生共振,通过在互感Lm、Lms 1、Lms2中流动谐振电流的磁场共振耦合，从初级侧电路向次级侧电路输送电力。初级侧在电容器Cr、电感器Lr、Lm中流动谐振电流。次级侧在电容器Csl、电感器Lsl、Lmsl、以及电容器Cs2、电感器Ls2、Lms2中流动谐振电流。电容器Csl被充电，电容器Cs2被放电。从电容器Co向负载Ro提供电流。电压vsl和输出电压to变为相等，电压vs2成为OV时，二极管Dsl导通，成为状态2。
[0109][2]状态2时刻t2?t3
[0110]在初级绕组np和次级绕组nsl之间，通过相互感应而形成等效的互感LnuLmsl，通过磁场耦合从初级侧电路向次级侧电路输送电力。初级侧在电容器Cr和电感器Lr、Lm中流动谐振电流。次级侧在电感器Lsl、Lmsl中流动谐振电流,通过二极管Dsl而向负载Ro提供电流。开关兀件Ql为关断时，成为状态3。
[0111][3]状态3时刻t3?t4
[0112]在初级侧，通过在电感器Lr中流动的电流ir，电容器Cdsl被充电，电容器Cds2被放电。在次级侧，通过电感器Lsl的电流，通过二极管Dsl而向负载Ro提供电流。电压vdsl成为电压Vi,电压vds2成为OV时,二极管Dds2导通,成为状态4。
[0113][4]状态4时刻t4?t5
[0114]首先，二极管Dds2导通。在二极管Dds2的导通期间，通过开启开关元件Q2来进行ZVS动作，开关元件Q2导通。在初级绕组np和次级绕组nsl之间，通过相互感应而形成等效的互感 Lm、Lmsl、Lms2,在由 Cr、Lr、Lm、Csl、Lsl、Lmsl、Cs2、Ls2、Lms2 构成的多谐振电路中，初级侧谐振电路和次级侧谐振电路产生共振，通过在互感Lm、LmsU Lms2中流动谐振电流的磁场共振耦合，从初级侧电路向次级侧电路输送电力。初级侧在电容器Cr、电感器Lr、Lm中流动谐振电流。次级侧在电容器Csl、电感器Lsl、Lmsl、以及在电容器Cs2、电感器Ls2、Lms2中流动谐振电流。电容器Csl被放电，电容器Cs2被充电。从电容器Co向负载Ro提供电流。电压vsl成为0V，电压vs2与输出电压no变得相等时，二极管Ds2导通，成为状态5。
[0115][5]状态5时刻t5?t6
[0116]在初级绕组np和次级绕组ns2之间，通过相互感应而形成等效的互感Lm、Lms2,通过磁场稱合，从初级侧电路向次级侧电路输送电力。初级侧在电容器Cr和电感器Lr、Lm中流动谐振电流。次级侧在电感器Ls2、Lms2中流动谐振电流,通过二极管Ds2而向负载Ro提供电流。开关兀件Q2为关断时，成为状态6。
[0117][6]状态6时刻t6?tl
[0118]在初级侧，通过在电感器Lr中流动的电流ir，电容器Cdsl被放电，电容器Cds2被充电。在次级侧，通过电感器Ls2的电流，通过二极管Ds2而向负载Ro提供电流。电压vdsl成为OV,电压vds2成为电压Vi时,二极管Ddsl导通,再次成为状态I。
[0119]以后，周期性地重复状态I?6。
[0120]根据第I实施方式，能够达到以下的效果。
[0121](a)在初级绕组np和次级绕组nsl之间，通过相互感应而形成等效的互感，且通过多谐振电路，初级侧谐振电路和次级侧谐振电路产生共振，通过磁场共振耦合而能够从初级侧电路向次级侧电路高效率地输送电力。
[0122](b)当二极管Dsl成为非导通时，通过电感器Lsl和电容器Csl进行谐振，作为谐振能量而被保存，能够降低电力损耗。
[0123](c)当二极管Ds2成为非导通时，通过电感器Ls2和电容器Cs2进行谐振，作为谐振能量而被保存，能够降低电力损耗。
[0124](d)通过将多谐振电路的阻抗设为相对于初级侧交流电压产生电路的电压的相位而言电流的相位滞后的感应性阻抗，从而在整个负载范围均能进行开关元件Ql、Q2的ZvS动作。因而，能够大幅降低开关损耗，实现高效率化。
[0125](e)能进行整流二极管的ZvS、ZCS动作，能够降低开关损耗，实现高效率化。
[0126](f)通过在次级侧具备由Csl、Lsl、Lmsl、Cs2、Ls2、Lms2构成的LC谐振电路，来设定成为无负载电力的频率fc，通过使开关频率fs在fs < fc的范围内动作，能够控制成所希望的输出电力。
[0127](g)通过将MOS-FET作为开关元件Ql、Q2进行使用，能够使用寄生电容、反并联二极管来构成开关电路，能够削减部件数，实现电源装置的小型轻量化。
[0128](h)通过将绕组的漏电感作为谐振电感器Lr、LsU Ls2来使用，能够削减部件数，实现电源装置的小型轻量化。
[0129](i)通过将变压器T的互感作为谐振电感器Lm、LmSl、LmS2来使用，能够削减部件数，实现电源装置的小型轻量化。
[0130](j)通过将绕组的杂散电容作为谐振电容器Csl、Cs2来使用，能够削减部件数，实现电源装置的小型轻量化。
[0131](k)通过将整流二极管Dsl、Ds2的结电容作为谐振电容器来利用，能够削减部件数，实现电源装置的小型轻量化。
[0132]《第2实施方式》
[0133]图3是第2实施方式的开关电源装置102的电路图。在该例中，与第I实施方式的开关电源装置101不同，使次级侧谐振电容器Csl、Cs2相对于二极管Dsl、Ds2而并联连接。另外，图1所示的反并联二极管Ddsl、Dds2将由开关元件Q1、Q2的寄生二极管构成。
[0134]作用效果与第I实施方式所示的效果相同。尤其是在第2实施方式中，能够将二极管Dsl、Ds2的结电容作为次级侧谐振电容器Csl、Cs2来使用。
[0135]《第3实施方式》
[0136]图4是第3实施方式的开关电源装置103的电路图。在该例中，与第I实施方式的开关电源装置101不同，次级侧谐振电容器将由一个电容器Cs构成。
[0137]作用效果与第I实施方式所示的效果相同。尤其是在该第3实施方式中，次级侧谐振电容器Cs能够由一个构成，能够削减部件数。
[0138]《第4实施方式》
[0139]图5是第4实施方式的开关电源装置104的电路图。在该例中，与第I实施方式的开关电源装置101不同，对于电感器Lr、Lsl、Ls2，利用了绕组的漏电感，对于电感器Lm、Lml、Lm2，利用了变压器T的互感。
[0140]作用效果与第I实施方式所示的效果相同。尤其是在该第4实施方式中，能够削减部件数。
[0141]《第5实施方式》
[0142]图6是第5实施方式的开关电源装置105的电路图。在该例中，与第I实施方式的开关电源装置101不同，电容器Csl和Cs2相对于电感器Lsl和Ls2而分别串联地构成，电容器Cs3和Cs4相对于输出而并联地连接。
[0143]作用效果与第I实施方式所示的效果相同。尤其是在该第5实施方式中，通过适当设定电容器Csl?Cs4的值，能够将频率fc设定为所希望的值。
[0144]《第6实施方式》
[0145]图7是第6实施方式的开关电源装置106的电路图。在该例中，与第I实施方式的开关电源装置101不同，作为整流电路而构成了桥式整流电路。
[0146]作用效果与第I实施方式所示的效果相同。尤其是在该第6实施方式中，次级绕组能够由一个来构成，另外电容器Cs能够由一个构成。
[0147]《第7实施方式》
[0148]图8是第7实施方式的开关电源装置107的电路图。在该例中，与第I实施方式的开关电源装置101不同，作为整流电路而构成了桥式整流电路，相对于整流二极管Dsl、Ds2、Ds3、Ds4而并联地构成了谐振电容器Csl、Cs2、Cs3、Cs4。
[0149]作用效果与第I实施方式所示的效果相同。尤其是在该第7实施方式中，因为能够将二极管Dsl、Ds2、Ds3、Ds4的结电容作为谐振电容器Csl、Cs2、Cs3、Cs4来使用，因此能够削减部件数。
[0150]《第8实施方式》
[0151]图9是第8实施方式的开关电源装置108的电路图。在该例中，与第I实施方式的开关电源装置101不同，电容器Csl相对于电感器Ls而串联地连接，电容器Cs2相对于输出而并联地连接。
[0152]作用效果与第I实施方式所示的效果相同。尤其是在该第8实施方式中，能够将频率fc设为所希望的值，另外能够降低整流元件(二极管DS1、DS2、DS3、DS4)所要求的耐压。因而，能够使用导通损耗少的整流元件，因此能够实现低损耗化。[0153]《第9实施方式》
[0154]图10是第9实施方式的开关电源装置109的电路图。在该例中，与第I实施方式的开关电源装置101不同，将整流电路设为倍压整流电路，相对于电感器Ls而串联地连接电容器Cs，相对于整流二极管Dsl、Ds2而并联地构成了谐振电容器Csl、Cs2。
[0155]作用效果与第I实施方式所示的效果相同。尤其是在该第9实施方式中，能够通过倍压整流得到高的输出电压，另外能够将二极管Dsl、Ds2的结电容作为谐振电容器Csl、Cs2来使用。
[0156]《第10实施方式》
[0157]图11是第10实施方式的开关电源装置110的电路图。在该例中，与第I实施方式的开关电源装置101不同，使谐振电容器Cr、Cs、互感(Lm，Lms)、初级绕组np以及次级绕组ns构成在与第9实施方式不同的位置。另外，将绕组的漏电感设为电感器Lr、Ls，且将次级侧整流电路设为同步整流电路。
[0158]作用效果与第I实施方式所示的效果相同。尤其是在该第10实施方式中，能够达到如下的效果。
[0159].通过适当配置谐振电容器Cr、Cs、初级绕组np、次级绕组ns，能够有效活用部件安装面积。
[0160]?通过将谐振电容器Cr设为输入侧的接地电位，谐振电容器Cr的电压或者电流的检测将变得容易，通过检测该电压并控制开关元件，能够控制电力。检测电流时，通过将小电容的电容器与谐振电容器Cr并联连接，检测在该小电容的电容器中流动的电流，由此能够以相应于电容比的比率来检测谐振电容器Cr的电流。
[0161].通过将绕组的漏电感作为谐振电感器Lr、Ls来使用，能够削减部件数，实现电源装置的小型轻量化。另外，通过将绕组间的互感作为谐振电感器(Lm，Lms)使用，能够削减部件数，实现电源装置的小型轻量化。
[0162].通过将次级侧的整流电路设为同步整流电路，能够降低整流损耗。另外，通过使构成同步整流电路的开关元件进行开关动作，能够对受电侧的能量进行送电，能够将受电侧电路作为送电电路来使用。如此，例如能够进行双向的电力输送。
[0163]《第11实施方式》
[0164]图12是第11实施方式的开关电源装置111的电路图。该例在以下点上与第I实施方式的开关电源装置101不同。
[0165].将初级绕组np的漏电感设为电感器Lr，将互感设为电感器Lm，将绕组电容设为电容器Crl，将次级绕组ns的漏电感设为电感器Ls，将互感设为电感器Lms，将绕组电容设为电容器Csl。
[0166].以全桥式电路构成初级侧交流电压产生电路。
[0167].对于初级绕组np、次级绕组ns，使用自谐振线圈。
[0168].在初级绕组np和次级绕组ns的耦合中不使用磁心，而设为空心。
[0169].将次级侧的整流电路设为同步整流桥式整流电路。
[0170]作用效果与第I实施方式所示的效果相同。尤其是在该第11实施方式中，通过对于初级绕组、次级绕组使用自谐振线圈，能够简单地构成电力输送系统。另外，通过以全桥式电路来构成初级侧交流电压产生电路或整流电路，能够降低开关元件所需的耐压，能够使用导通损耗少的开关元件。因而，能够使用导通损耗少的开关元件，由此实现低损耗化。
[0171]标号说明
[0172]Cdsl、Cds2…并联电容器
[0173]Cr…初级侧谐振电容器
[0174]Cs…次级侧谐振电容器
[0175]Csl、Cs2…次级侧谐振电容器
[0176]Ddsl、Dds2…反并联二极管
[0177]Lm…互感
[0178]Lmsl、Lms2…互感
[0179]Lr…初级侧谐振电感器
[0180]Ls…次级侧谐振电感器
[0181]Ls 1、Ls2…次级侧谐振电感器
[0182]np…初级绕组
[0183]ns…次级绕组
[0184]nsl、ns2…次级绕组
[0185]Q1、Q2…开关元件
[0186]Ro…负载
[0187]T…变压器
[0188]101~ 111…开关电源装置。
【权利要求】
1.一种开关电源装置，其特征在于，具备: 变压器，其至少具备初级绕组和次级绕组； 初级侧电路，其具备相对于所述初级绕组而等效地串联构成的初级侧谐振电感器、与所述初级侧谐振电感器一起构成初级侧谐振电路的初级侧谐振电容器、以及初级侧交流电压产生电路，该初级侧交流电压产生电路至少具备两个开关元件，且根据输入直流电源电压来生成梯形波的交流电压，并提供给所述初级侧谐振电路； 次级侧电路，其具备相对于所述次级绕组而等效地串联构成的次级侧谐振电感器、与所述次级侧谐振电感器一起构成次级侧谐振电路的次级侧谐振电容器、以及次级侧整流电路，该次级侧整流电路具有整流元件，且对从所述次级侧谐振电路输出的交流电流进行整流，来得到直流电压， 其中， 在所述初级绕组和所述次级绕组之间，通过相互感应而等效地形成互感，至少由所述初级侧电路以及所述次级侧电路来构成具备多个LC谐振电路的多谐振电路， 通过所述多谐振电路， 所述初级侧谐振电路和所述次级侧谐振电路产生共振，基于所述互感中流动电流的磁场共振耦合，从所述初级侧电路向所述次级侧电路输送电力， 从所述初级绕组未被送电的能量通过谐振现象而作为谐振能量被保存于所述初级侧谐振电路， 所述次级绕组所受电的能量之中未提供给输出的能量通过谐振现象而作为谐振能量被保存于所述次级侧谐振电路， 所述次级侧谐振电路构成了与所述整流元件被串联构成的电流路径不同的电流路径，从所述初级绕组向所述次级绕组输送`电力。
2.根据权利要求1所述的开关电源装置，其中， 当以fs表示开关频率， 以fa表示在所述次级侧电路的输出连接了负载的状态下从与所述初级侧交流电压产生电路相连接的所述多谐振电路的输入来观察得到的输入阻抗为极小的谐振频率时， 所述初级侧交流电压产生电路在fa ( fs的范围内进行动作，来控制输送电力。
3.根据权利要求2所述的开关电源装置，其中， 通过具备所述次级侧谐振电路，来设定即使在输出未连接负载的无负载状态下也维持谐振动作地进行动作的规定的频率fc， 在fa < fs < fc的范围内进行动作，来控制输送电力。
4.根据权利要求1~3中任一项所述的开关电源装置，其中， 所述次级侧谐振电容器相对于所述次级绕组而并联地连接， 所述次级侧整流电路对所述次级侧谐振电容器的电压进行整流。
5.根据权利要求1~3中任一项所述的开关电源装置，其中， 所述次级侧谐振电容器与所述次级绕组串联地连接， 所述次级侧整流电路对次级侧谐振电容器的电流进行整流。
6.根据权利要求1~5中任一项所述的开关电源装置，其中， 所述次级侧谐振电容器相对于构成所述次级侧整流电路的整流元件而并联地连接。
7.根据权利要求1~6中任一项所述的开关电源装置，其中， 所述次级侧整流电路是桥式整流电路。
8.根据权利要求1~6中任一项所述的开关电源装置，其中， 所述次级侧整流电路是中心抽头式整流电路。
9.根据权利要求1~6中任一项所述的开关电源装置，其中， 所述次级侧整流电路是倍压整流电路。
10.根据权利要求1~9中任一项所述的开关电源装置，其中， 所述开关元件在两端电压降低至零电压时开启，进行零电压开关动作。
11.根据权利要求1~10中任一项所述的开关电源装置，其中， 所述初级侧谐振电感器或者所述次级侧谐振电感器是所述初级绕组或者次级绕组的漏电感。
12.根据权利要求1~11中任一项所述的开关电源装置，其中， 所述初级绕组的杂散电容与所述初级侧谐振电容器一起构成所述初级侧谐振电路，或者所述次级绕组的杂散电容与所述次级侧谐振电容器一起构成所述次级侧谐振电路。
13.根据权利要求1~12中任一项所述的开关电源装置，其中， 对于所述次级侧谐振电容器，利用所述整流元件的结电容。
14.根据权利要求1~13中任一项所述的开关电源装置，其中， 具有相对于所述开关元件而并联地连接的二极管。
15.根据权利要求1~14中任一项所述的开关电源装置，其中， 所述开关元件是FET, 所述并联地连接的二极管是FET的寄生二极管， 将FET的寄生电容作为并联电容器来使用。
16.根据权利要求1~15中任一项所述的开关电源装置，其中， 使所述初级侧谐振电路的谐振频率和所述次级侧谐振电路的谐振频率大致相等。
17.根据权利要求1~16中任一项所述的开关电源装置，其中， 所述初级侧交流电压产生电路是四个开关元件被全桥式连接而得到的电路。
18.根据权利要求1~17中任一项所述的开关电源装置，其中， 所述次级侧整流电路是与所述初级侧交流电压产生电路的开关动作同步地进行整流的同步整流电路。
【文档编号】H02M3/28GK103891120SQ201280051372
【公开日】2014年6月25日 申请日期:2012年10月12日 优先权日:2011年10月21日
【发明者】细谷达也 申请人:株式会社村田制作所