專利名稱：電源裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電源裝置，具體而言，涉及一種用于點亮DC(直流)工作高壓放電燈的電源裝置。
背景技術(shù)：
例如，通過加給DC電壓被點亮，且用作投影儀的燈的高壓放電燈是可供利用的。盡管當燈未被點亮時(處于室溫)，高壓放電燈內(nèi)部的空氣壓力相對較低，但在放電開始之后，隨溫度的升高，空氣壓力也升高。由于當放電燈內(nèi)部的空氣壓力較低時更容易發(fā)生放電，當放電開始時更易于發(fā)生放電，而且放電燈作為負載，其電阻較低。相反，在由于放電燈被點亮導致溫度升高之后，相對而言則不容易發(fā)生放電，且放電燈作為負載，其電阻較高。不過，由于負載的大小并非總是不變的，高壓放電燈使用將負載功率控制為不變的電源裝置。
可以使用專利文獻1中披露的電源裝置。使用專利文獻1中描述的電源裝置實現(xiàn)降壓或升壓型斬波電路中開關(guān)元件的零電壓切換(ZVS)，并且所述電源裝置除了構(gòu)成斬波電路的基本部件，比如第一開關(guān)元件、扼流圈和整流二極管之外，還包括諧振線圈、起恒壓源作用的電容以及第二開關(guān)元件。不過，專利文獻1中所披露的電源設備沒有特別指出用于點亮放電燈。
圖3為按照專利文獻1的第一實施例電源裝置的電路圖。在圖3中，電源裝置10基于降壓型斬波電路，包括直流電源Vin、整流二極管D1、扼流圈L1、作為第一開關(guān)元件的MOSFET Q1，以及作為斬波電路的基本元件的平滑電容C1。電源裝置10還包括作為第一二極管的二極管D2，以及電容C2和C4。二極管D2為MOSFET Q1的體二極管(body diode)，電容C2限定為結(jié)電容，即MOSFET Q1的漏極與源極之間的并聯(lián)電容。電容C4限定為結(jié)電容，即整流二極管D1的陽極與陰極之間的并聯(lián)電容。
電源裝置10還包括作為第二開關(guān)元件的MOSFET Q2、作為第二二極管的二極管D3、電容C3、諧振線圈L2、作為第一電容的電容C5(為一恒壓源)、作為第三二極管的二極管D4、用于電流檢測的電阻R1，以及控制電路11。二極管D3為MOSFET Q2的體二極管，電容C3限定為結(jié)電容，即MOSFET Q2的漏極與源極之間的并聯(lián)電容。
作為MOSFET Q1第一端的漏極，與直流電源Vin的第一端相連，作為MOSFET Q1第二端的MOSFET Q1的源極通過諧振線圈L2與扼流圈L1的第一端相連。直流電源Vin的第二端接地。扼流圈L1的第二端與第一輸出端Po相連。整流二極管D1的陰極用作整流二極管D1的第一端，它與扼流圈L1的第一端相連；整流二極管D1的陽極用作整流二極管D1的第二端，與直流電源Vin的第二端相連。平滑電容C1連接在第一輸出端Po與第二輸出端Po之間。包包電容C5和MOSFET Q2的串聯(lián)電路的第一端與連接MOSFET Q1與諧振線圈L2的節(jié)點相連，并且，該串聯(lián)電路的第二端與直流電源Vin的第二端相連。電阻R1連接在平滑電容C1的第一端(即第二輸出端Po)與直流電源Vin的第二端之間。二極管D4與包含MOSFET Q1和諧振線圈L2的串聯(lián)電路并聯(lián)連接。控制電路11與第一和第二輸出端Po、電阻R1的兩端、作為MOSFET Q1的控制端的柵極，以及作為MOSFETQ2的控制端的柵極相連。電容C5與MOSFET Q2的連接順序可以顛倒，只要它們是串聯(lián)連接即可。
在具有上述結(jié)構(gòu)的電源裝置10中，控制電路11檢測輸出電壓Vout。由于輸出電流流經(jīng)電阻R1，控制電路11由電阻R1上的電壓檢測輸出電流。MOSFET Q1與Q2交替地導通和截止，其間存在兩個MOSFET都截止的停滯時間，從而輸出電壓或輸出功率是恒定的。MOSFET的切換頻率隨控制電路11中包含的振蕩電路的頻率而定，通過改變每個開關(guān)元件的ON-OFF比，即通過PWM控制，實現(xiàn)輸出電壓或輸出功率的穩(wěn)定性。
控制電路11具有過流保護電路，它通過暫時停止切換來阻止振蕩(防止MOSFET Q1被導通)，從而解決輸出電流成為過電流時的問題。
下面將考慮使用電源裝置10點亮高壓放電燈的情形。假設扼流圈L1具有1mH的電感值，諧振線圈L2具有30μH的電感值，平滑電容C1具有0.47μH的電容值，電容C5具有0.47μF的電容值。還假設電容C2，C3和C4具有的電容值處于數(shù)十到數(shù)百pF的范圍內(nèi)。假設輸入電壓Vin為370V，電源裝置10啟動時的預定輸出電壓Vout假設為280V。假設隨控制電路11中包含的振蕩器電路而定的開關(guān)元件的切換頻率為100kHz。
在這種電源裝置10中，控制電路11工作，使得在電源裝置啟動時輸出電壓是恒定的。當點亮高壓放電燈時，利用設置在電源裝置與高壓放電燈之間的點火器，使280V的輸出電壓增加17kV；通過向高壓放電燈加給該組合電壓開始放電。電源裝置工作在輕載狀態(tài)下，因為在放電開始之前的數(shù)百毫秒時間內(nèi)沒有電流流過高壓放電燈。
一旦高壓放電燈開始放電，電源裝置10的輸出被直接加給高壓放電燈。由于在放電開始之后溫度較低時，高壓放電燈作為負載，它的電阻較低，會有較大電流企圖流動。然而，實際上，過流保護電路被啟動，將電流限制為例如大約4A。此時，高壓放電燈上的電壓為大約10V。
之后，在幾十秒時間內(nèi)，高壓放電燈的溫度升高，放電燈作為負載，它的電阻變得較高，放電狀態(tài)穩(wěn)定。不過，即使放電穩(wěn)定，高壓放電燈的負載值也并非總是穩(wěn)定的。于是，電源裝置10進行恒壓控制，使負載功率恒定，比如恒定在200W。從而，電源裝置10的輸出電壓在比如大約幾十伏到一百幾十伏的范圍內(nèi)改變。
專利文獻1日本未審專利申請公開No.2003-189602。

發(fā)明內(nèi)容
如上所述，在使用電源裝置10點亮高壓放電燈的情形中，電源裝置10以輕的負載工作，因為當電源裝置10啟動時，負載電流的流動可以被忽略。在專利文獻1所披露的電源裝置中，由于在描述電路的工作時假設具有正常的負載，因而看不出有明顯的問題。然后，由于在高壓放電燈開始放電時，當負載較輕時，電路的工作與正常工作并不相同，因而是存在問題的。
首先，電容C5被電源電壓Vin充電，從而當負載較輕時，使MOSFETQ2側(cè)成為負的。此時電容C5的充電電壓Vx最大能夠達到輸出電壓(Vx＝-280V)。相反，當采用常規(guī)的負載值時，電容C5以基本恒定的電壓Vx充電，從而使MOSFET Q2側(cè)成為正的。在這種情況下，Vx處于10V-20V的范圍內(nèi)。以預定電壓Vx使電容C5被充電，從而使得當MOSFET Q2導通時，MOSFET Q1與諧振線圈L2的節(jié)點處的電壓Va為-Vx，并使流過諧振線圈L2的電流ib的方向被反向。結(jié)果，二極管D2變成導電性的，從而可以實現(xiàn)MOSFET Q1的零電壓切換。
此時，有如上面所述那樣，在高壓放電燈被點亮時，電容C5被暫時充電到接近啟動時輸出電壓的電壓值。這就導致必須使用具有高耐壓性的部件，盡管在正常工作時并不需要高耐壓部件。
在電源裝置10中，由于負載較輕，并且在點亮高壓放電燈時(點亮前)輸出電流Iout較小，所以，流過諧振線圈L2的電流ib較小。從而，沿正常工作的反方向充電到電容C5上的電荷沒有被放電，并保持這樣的狀態(tài)。在這種情況下，由于電壓Va并不變?yōu)樨摚?，流過諧振線圈L2的電流ib的方向不變成相反的方向。從而，不能實現(xiàn)MOSFET Q1的零電壓切換。
此外，由于在點亮高壓放電燈時阻抗較高，則有如上述，負載電流的流動就可以被忽略不計。在這種情況下，控制電路11使非MOSFET Q1為ON的周期較短，防止輸出電壓大于或者等于預定值。然而，不能無限制地縮短ON周期。當開關(guān)元件被導通時，開關(guān)元件不能立即被截止。從而，確定最小的ON周期。這樣導致電力供給過剩，并使輸出電源電壓增大。為了防止電力供給過剩和輸出電源電壓增大，控制電路11進入阻止振蕩模式，這當中，一次或多次地使MOSFET Q1停止被導通，以抑制輸出電壓的升高。
不過，由于切換的頻率和周期都是固定的，所以，即使在阻止振蕩模式下，當MOSFET Q1被截止時，會使負載突然從輕變?yōu)橹?，MOSFET Q1也不能隨著負載的改變而被立即導通。結(jié)果，就存在輸出電壓減小的問題。這意味著需要較長的時間才能變換到穩(wěn)定的導通狀態(tài)，因為有如上面所述那樣，在用于高壓放電燈的電源裝置開始放電時，負載電阻會突然變小，并且動作跟不上負載的改變。
此外，如上所述，在啟動時負載較輕，電容C5沿著正常工作的反方向被充電的狀態(tài)得以被保持。在這種情況下，在MOSFET Q2側(cè)成為負的方向，電容C5的充電電壓為比如280V。在高壓放電燈被點亮之后負載具有低電阻時，以280V充電到電容C1上的電荷被朝向負載放電，以280V沿正常工作的反方向充電到電容C5上的電荷也被朝向負載放電。這被稱為二次沖擊電流。
在這種情況下，電容C5的放電電流流過電阻R1，過流保護電路工作。然而，在過流保護電路工作時，電源裝置10的切換是間歇的，這樣的工作與具有輕負載時的工作相同，其中的不利之處在于動作跟不上之后負載的改變。
本發(fā)明的目的在于解決上述缺點，并提供一種電源裝置，即使在負載較輕時也能實現(xiàn)零電壓切換，而不進到阻止振蕩模式，并且不產(chǎn)生二次沖擊電流。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的電源裝置包括第一端彼此相連的整流二極管(D1)和扼流圈(L1)；第一開關(guān)元件(Q1)，它的第一端通過諧振線圈(L2)與整流二極管(D1)和扼流圈(L1)的節(jié)點相連；與第一開關(guān)元件(Q1)并聯(lián)連接的第一二極管(D2)；包含第一電容(C5)和第二開關(guān)元件(Q2)的串聯(lián)電路，所述串聯(lián)電路與包含諧振線圈(L2)和整流二極管(D1)的串聯(lián)電路并聯(lián)連接；以及與第二開關(guān)元件(Q2)并聯(lián)連接的第二二極管(D3)。其中，第一開關(guān)元件(Q1)、第二開關(guān)元件(Q2)和整流二極管(D1)當中每一個的端點之間都有并聯(lián)電容(分別為C2，C3和C4)，并包含與第一電容(C5)并聯(lián)連接的第一電阻(R2)。此外，所述電源裝置還可以包括與包含第一開關(guān)元件(Q1)和諧振線圈(L2)的串聯(lián)電路并聯(lián)連接的第三二極管(D4)。
按照本發(fā)明，所述電源裝置還包括與第一電阻(R2)串聯(lián)設置的第四二極管(D5)。
在本發(fā)明的電源裝置中，第一開關(guān)元件(Q1)的第二端與直流電源(Vin)的第一端相連，扼流圈(L1)的第二端與輸出端相連，整流二極管(D1)的第二端與直流電源(Vin)的第二端相連，從而實現(xiàn)降壓操作。
在本發(fā)明的電源裝置中，當使用該電源裝置點亮高壓放電燈時，即使負載較高，也能實現(xiàn)零電壓切換，工作并不進到阻止振蕩模式，并且不會產(chǎn)生二次沖擊電流。


圖1為本發(fā)明第一實施例電源裝置的電路圖；圖2為本發(fā)明第二實施例電源裝置的電路圖；圖3為現(xiàn)有技術(shù)電源裝置的電路圖。
附圖標記20，30電源裝置Q1MOSFET(第一開關(guān)元件)Q2MOSFET(第二開關(guān)元件)D1整流二極管D2第一二極管(MOSFET Q1的體二極管)D3第二二極管(MOSFET Q2的體二極管)D4第三二極管D5第四二極管L1扼流圈L2諧振線圈C1平滑電容C2，C3，C4電容(MOSFET Q1和Q2及二極管D1的并聯(lián)電容)C5第一電容R1電流檢測用的電阻R2第一電阻Vin直流電源Po輸出端具體實施方式
(第一實施例)圖1為按照本發(fā)明第一實施例電源裝置的電路圖。在圖1中，使用相同附圖標記表示與圖3中的元件相同或相似的元件，并省略對它們的描述。
在圖1所示的電源裝置中，作為第一電阻的電阻R2與作為第一電容的電容C5并聯(lián)連接，在圖3的電源裝置10中也設有第一電容。本結(jié)構(gòu)的其余部分與電源裝置10相同。在本實施例中將電阻R2的電阻值設定為2.4kΩ。
在具有上述結(jié)構(gòu)的電源裝置20中，即使在負載較輕時試著沿正常工作的反方向?qū)﹄娙軨5充電時，但由于電荷通過電阻R2被放電，電容C5在反方向的充電可以被忽略。從而，防止產(chǎn)生二次沖擊電流。此外，過流保護電路不工作，這是因為不產(chǎn)生二次沖擊電流，因而動作不會進到間歇切換模式。從而，不會發(fā)生動作跟不上后面的負載改變的問題。
此外，由于電容C5并不沿者反方向被充電，所以，電容C5的充電電壓總被保持在較低值，因而，不會發(fā)生必須使用具有高耐壓性部件的問題。
另外，由于電阻R2的存在引起放電的緣故，使電容C5沿著反方向充電可以被忽略，以實際上為恒定的電壓Vx對電容C5充電，從而，即使當負載較輕時，MOSFET Q2側(cè)也為正，以及即使當負載較輕時，也能實現(xiàn)零電壓切換。
此外，由于電流從MOSFET Q1的漏極側(cè)流到源極側(cè)，在進行零電壓切換時，執(zhí)行從輸出側(cè)到輸入側(cè)的再生操作，當負載較輕時，不會由于過大的電供給而使輸出電壓增大。從而，動作不會進到阻止振蕩模式，不會發(fā)生動作跟不上負載從輕變重的問題。
如果電阻R2的電阻值過大，則可防止電容C5沿反方向被充電；如果電阻過小，則在正常工作時，流過電阻R2的電流所引起的損失量較大。在上述條件下，例如，最好使電阻R2的阻值上限為10kΩ，電阻的阻值下限為1kΩ。
(第二實施例)圖2是按照本發(fā)明第二實施例電源裝置的電路圖。在圖2中，使用相同附圖標記表示與圖1中的元件相同或相似的元件，并省略對它們的描述。
在圖2所示的電源裝置30中，設有與作為第一電阻的電阻R2串聯(lián)連接的二極管D5作為第四二極管，在圖1的電源裝置20中也設有第一電阻。即包含電阻R2和二極管D5的串聯(lián)電路與電容C5并聯(lián)連接。將二極管D5設置成使它的陰極與MOSFET Q2相連。本結(jié)構(gòu)的其余部分與電源裝置20相同。
在具有上述結(jié)構(gòu)的電源裝置30中，即使在啟動時試著沿反方向?qū)﹄娙軨5進行充電，但由于電荷通過電阻R2和二極管D5放電，電容C5沿反方向的充電可以被忽略。從而，如同電源裝置20那樣，可以防止產(chǎn)生二次沖擊電流。此外，即使在負載較輕時，動作也不會進到間歇切換模式，不會發(fā)生動作跟不上后面的負載改變的問題。另外，電容C5的充電電壓總保持在較低值，因而不會發(fā)生必須使用具有高耐壓性部件的問題。
此外，由于設有二極管D5，以實際上為恒定的電壓Vx對電容C5充電，從而使MOSFET Q2側(cè)為正電荷，正常工作時并不通過電阻R2放電，因此，在正常工作的情況下，不會發(fā)生因流過電阻R2的電流所引起的損失。
當設有二極管D5時，即使電阻R2的阻值較小，也不會發(fā)生問題。不過，如果電阻R2的阻值較小，通過將電容C5充電而正常再生的能量也被放掉，這導致放電能量的損失。這種能量的損失有可能大于因零電壓切換所減少的損失。從而，最好應當將電阻R2的電阻值設定在第一實施例所述的范圍之內(nèi)。
在上述實施例的電源裝置20和30中，作為第三二極管的二極管D4與包含MOSFET Q1和諧振線圈L2的串聯(lián)電路并聯(lián)。設置二極管D4，用于防止當流過整流二極管D1的電流為零時，發(fā)生在諧振線圈L2與電容C4之間的電壓諧振產(chǎn)生不需要的噪聲。因而，如果整流二極管D1的耐壓性足以忍受這種電壓諧振，并且如果不存在由于所不需要的噪聲的緣故而引發(fā)問題的可能性，就可以不設置二極管D4。
權(quán)利要求
1.一種電源裝置，包括第一端彼此相連的整流二極管和扼流圈；第一開關(guān)元件，它的第一端通過諧振線圈與整流二極管和扼流圈的節(jié)點相連；與第一開關(guān)元件并聯(lián)連接的第一二極管；包含第一電容和第二開關(guān)元件的串聯(lián)電路，該串聯(lián)電路與包括諧振線圈和整流二極管的串聯(lián)電路并聯(lián)連接；以及與第二開關(guān)元件并聯(lián)連接的第二二極管，其中，所述第一開關(guān)元件、第二開關(guān)元件和整流二極管當中每一個的端部之間具有并聯(lián)電容，所述電源裝置包括與第一電容并聯(lián)連接的第一電阻。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電源裝置，其中，還包括與包含第一開關(guān)元件和諧振線圈的串聯(lián)電路并聯(lián)連接的第三二極管。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的電源裝置，其中，還包括與第一電阻串聯(lián)設置的第四二極管。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項所述的電源裝置，其中，所述第一開關(guān)元件的第二端與直流電源的第一端相連；扼流圈的第二端與輸出端相連；整流二極管的第二端與直流電源的第二端相連，從而實現(xiàn)降壓操作。
全文摘要
一種電源裝置中，MOSFET(Q1)的源極通過諧振線圈(L2)與整流二極管(D1)和扼流圈(L1)的節(jié)點相連；諧振振線圈(L2)和整流二極管(D1)的串聯(lián)電路與電容(C5)和MOSFET(Q2)的串聯(lián)電路并聯(lián)；并且通過PWM控制來驅(qū)動MOSFET(Q1)和MOSFET(Q2)，從而使MOSFET(Q1)與MOSFET(Q2)交替導通，而在某一周期內(nèi)兩個MOSFET都被截止。該電源裝置中的電阻(R2)與電容(C5)并聯(lián)。
文檔編號H02M3/04GK1954479SQ20058001556
公開日2007年4月25日 申請日期2005年11月14日 優(yōu)先權(quán)日2005年2月15日
發(fā)明者藤野正人, 渡部聰一 申請人:株式會社村田制作所