专利名称：用于运行具有初级端泄漏能量反馈的开关电源部件的方法
技术领域：
本发明涉及一种用于运行作为反向变流器的开关电源部件的方 法，其中在储能阶段通过在级间耦合电路电压下的初级绕组把磁能存 储在变压器的磁芯中，并且在后面的转储阶段已存储的磁能大部分通 过次级绕组输出给负载，而一'J、部分磁能在初级端输出。此外本发明 涉及一种用于实施该方法的装置。
背景技术：
开关电源部件是普遍已知的。对此了解按照流量变换器原理工作 的开关电源部件和作为反向变流器工作的开关电源部件。在后者的情 况下在储能阶段通过流经变压器初级绕组的电流存储磁能。在接下来 的转储阶段在整流和滤波之后将该磁能输出给次级端连接的负载。由 一个控制设备根据负载地接通和断开与变压器的初级绕组串联的开关 元件。通常应用开关电源部件来将直流负载到交流电网上。对此开关电 源部件在输入端与交流电源连接，第一步通过整流和滤波在级间耦合 电路中提供直流电压。在接通开关元件的情况下通过初级绕组连接该 级间耦合电路，并且在变压器的磁芯中引起磁通量的电流流过该级间 耦合电路。在储能阶段供给的电能作为磁能存储在变压器的磁芯中。 对此必须注意变压器的所谓漏感，其不能用于能量转移。漏感表示在 初级和次级绕组之间的非理想耦合。随着转储阶段的开始，也就是说 如果断开开关元件，初级端的泄漏能量在开关元件上引起较高的反馈 电压，其可能损坏开关元件。特别是在具有较大变压器的大功率开关 电源部件中这种特性是关键的。在此在緩冲网络中不再简单地热消除 初级端泄漏能量，而是泄漏能量必须反馈给初级耦合电路，也是为了 提高效率。为了限制反馈电压，例如在DE 35 37 536 Al中初级绕组配备有 一个抽头，其大约相当于最大占空因数。该抽头与一个电容连接，该
电容又经过一个二极管与参考电位连接。因此开关电源部件的每个半 波被固定箝位在零或参考电位，由此不可能产生较高的反馈电压。Young R. : Stromversorgungen fuer SLICs, In: Teleco咖 & Elektronik, 2001， Heft 1， 27-32页描述了通过应用緩沖电路避免较 大反馈电压的解决方案，该緩冲电路布置在初级绕组和开关元件之 间。对此通过一个緩冲电阻和一个緩冲电容消耗一部分初级端的泄漏 能量，以限制最大反馈电压并且不损坏开关元件。可是因此也降低了 电源的效率。JP 11098832 A描述了一个反向变流器，其包含一个具有一个电 容器、 一个二极管和一个辅助绕组的緩冲电路。在此虽然损耗较低，可是对于大功率的开关电源部件来说不能忽略。因此，按照现有技术为大功率开关电源部件设置一个初级端的卸 载电路，该卸载电路导致初级端的泄漏能量经过初级端的卸载绕组可 以反馈到级间耦合电路中，而在此期间开关元件不会过载。在卸载电 路中布置一个二极管，其在储能阶段防止反向电流流过。Dixon L.的 Transformer and Inductor Design for Optimum Circuit Performance, Dallas,TeXas 2003，Texas Instruments Incorporated, 2-3页描述了一种方法，在该方法中为了把初级端泄漏 能量反馈到级间耦合电路中而将初级绕组用作卸载绕组。在该布置(参 见图1 )中具有两个附加端子的初级绕组处于级间耦合电路电压和级间 耦合电路的参考电位下，其中在该端子连接线路中布置一个二极管， 其仅仅在转储阶段允许电流回流。在储能阶段通过两个开关元件实现 初级绕组与级间耦合电路电压和参考电位的连接，该开关元件由控制 装置同步接通和断开。US 4 754 385也描述了这样的一种电路。对此另外有一个电容与 一个二级管串联并且一个电阻与该二极管并联。该电容对于以下情况 在转储阶段緩冲回流的能量，即级间耦合电路电压有波动，其中级间的电压。在JP 60148374 A中同样描述了 一个具有初级绕组的反向变流 器，该初级绕组另外还经过二极管处于级间耦合电路电压和参考电位 上。在此有一个电容与一个二极管串联，在短时的回流阶段在该电容 上緩冲能量。用于把初级端的泄漏能量反馈到耦合电路中的另一种公知方法使 用一个附加的初级端辅助绕组作为卸栽绕组。该辅助绕组靠近初级绕 组缠绕，其中最佳耦合的缠绕方向与初级绕组的缠绕方向相同，可是接线与初级绕组相反(参见图3)。在转储阶段初级端的泄漏能量经过 辅助绕组和一个二极管反馈到级间耦合电路中。在开关电源部件中可能发生这样的运行状态，在该运行状态下输 入电压下降并因此导致级间耦合电路电压也下降(例如在短时停电的 情况下)。对此出现这样的问题，即如果级间耦合电路电压低于在去 磁绕组中根据匝数比变换的次级电压，则次级端可使用的能量反馈到 耦合电路中。因此在输入电压较低的情况下根据现有技术独立于热特 性地应用所谓的功率降低。对此较低地定义对于较低输入电压可获得 的功率。也已知开关电源部件的功能普遍局限于较高的最低输入电压。因 此不能完全使用较低输入电压的范围，因为这可能导致迅速损坏卸载 电路。发明内容方法提供相对于现有技术的改善。根据本发明通过根据权利要求1的方法解决该任务。对此不直接 在耦合电路中而是在一个专有的卸载电路中实现去磁。对此使用在初 级端输出的能量在卸载电路中经过一个二极管对一个电容器充电，并 且从而在卸载电路中的电压高于在耦合电路中的电压；而且施加在电 容器上的卸载电路电压高于从根据绕组比转换的次级电压中得出的参 考电压。这带来的优点是，在转储阶段仅仅初级端的泄漏能量被引导 经过卸载电路，即使在耦合电路中的电压低于已变换的次级电压或者 参考电压。因此在较低级间耦合电压的情况下也能运行开关电源部件 并且可能的功率减少值仅仅取决于在开关电源部件中的剩余的热特性 (Gegebenheiten)。因此可使用的输入电压范围较大。此外在级间耦 合电路电容中存储的能量得到更好的利用，这导致在网络故障时的緩 冲时间明显增大。对于相同的緩冲时间可以在级间耦合电路中相应布
置较小的并因此更便宜的电解电容器(Elko)，这导致生产费用下降 并减小结构尺寸。与现有技术相比的另一个优点在于，在较低输入电压的情况下不 会通过可在次级端使用的能量部分使经过其反馈初级泄漏能量的元件 承受附加负荷。因此该元件可以选择较小参数，这再度导致费用和结 构尺寸的降低。此外在较低输入电压的情况下提高开关电源部件的效率，并且通 过本发明对于变压器的匝数比的参数选择提供了更大的自由度。在本发明的一个有益形成中，在初级端输出的能量经过初级端的 辅助绕组和一个二极管对电容器充电。在转储阶段初级端的泄漏能量 经过附加的、在初级绕组附近缠绕的辅助绕组反馈到卸载电路中。对 此辅助绕组例如具有与初级绕组相同的匝数。在断开开关元件的时刻 在初级绕组上存在级间耦合电路电压(例如300V)。通过反馈初级端 的泄漏能量同时在辅助绕组中感应出一个电压，该电压在初级绕组和 辅助绕组的匝数相同的情况下与级间耦合电路电压一致(例如300V)。 然后在开关元件上加上该电压，由此在开关元件上的反馈电压最大相 当于二倍的级间耦合电路电压。因此该开关元件此外不需要设计用于 更高的电压。本发明的另一个有益形成规定，在初级端输出的能量经过初级绕 组和一个二极管对电容器充电。对此相应的装置包含两个同步开关的 开关元件，其中在断开开关元件的情况下经过初级绕组的附加级间耦 合电路端子反馈初级端的泄漏能量。这种形式的反馈对于具有较高级 间耦合电路电压的开关电源部件是特别有益的，因为在断开时刻在开 关元件上的电压仅仅相当于一倍的级间耦合电路电压。也就是可以应 用两个仅仅设计用于最大级间耦合电路电压的开关元件。这两个开关 元件通常在较高电压情况下比一个设计用于双倍级间耦合电路电压的 开关元件更便宜。此外有益的是电容器的电压在调节器中与一个定义的最大电压比 较，该最大电压稍高于以绕组比变换的次级电压。当在卸载电路上达 到最大电压时在卸载电路和级间耦合电路之间建立连接，并且初级端 经过卸载电路给出的能量直接供给级间耦合电路。因此确保在卸载电 路中的电压始终高于以绕组比变换的电压。由此不会对在卸载电路中 的电容过分高地充电。在调节器中一部分在卸栽电路中暂时存储的能量必然转换为热 能。可是这种损耗热显著低于在公知方法中产生的损耗热。通过应用 冷却的调节器得出这样的优点，在大功率开关电源部件中以较小的输 入电压也可以持久运4亍。用于实施该方法的一个有益装置规定，以这种方式布置电容器， 即通过在初级端输出的能量对电容器充电，使得施加在电容器上的电 压始终高于施加在次级端的电压乘以变压器的变压比。为了经过初级绕组反馈初级端的泄漏能量，初级绕组具有第一绕 组端子，其经过一个开关元件连接到级间耦合电路电压并且经过一个 二极管与参考电位连接。初级绕组具有第二绕组端子，其经过另一个 开关元件连接到参考电位并且经过另一个二极管与级间耦合电路电压 连接。然后在初级端输出的能量经过二极管之一对电容器充电。另一个有益装置规定，以这种方式布置初级端的辅助绕组，即通 过该辅助绕组在初级端输出的能量经过二极管对电容器充电。对此在 闭合的卸载电路中辅助绕组、二极管和电容器串联。在二极管和电容 器之间并且在电容器和辅助绕组之间存在端子，通过该端子卸载电路 经过调节器与级间耦合电路连接。为了限制在卸载电路中的电压，优选在初级端设置一个调节器， 经过该调节器电容器的一个端子与级间耦合电路连接。对此该调节器可以实施为纵向调节器(Laengsregler )，可是也可以实施为开关调 节器并且可以筒单地如此选择参数，即任何时候都在卸载电路中达到 所希望的最小反电压。
下面以示例方式参考附图阐述本发明。在示意图中示出 图1:按照现有技术的、具有经过初级绕组反馈泄漏能量的开关电 源部件图2:具有经过初级绕组反馈泄漏能量的本发明开关电源部件 图3:按照现有技术的、具有卸载绕组或辅助绕组的开关电源部件 图4:具有卸载绕组或者辅助绕组和电压端连接的调节器的本发明 开关电源部件 图5:具有辅助绕组和接地端连接的调节器的本发明开关电源部件 图6:具有晶体管和二极管的调节器 图7:具有FET的调节器具体实施方式
在图1中简化示出了一个作为反向变流器的开关电源部件。对此 变压器1具有一个初级绕组2和一个次级绕组3， 二者反向相同缠绕。 次级端在借助于整流二极管9和滤波电容10整流后提供输出电压U2。 该输出电压U2施加在一个输出电压调节器12上，后者经过光电耦合 器11把调节信号传输给用于根据负载地接通和断开两个开关元件4和 6的控制装置5。对此该控制装置5通常使用脉宽调制(PWM)工作， 在这种情况下通过接通时间的长短在时钟频率通常保持相同的情况下 确定经过变压器1传输的功率。在此该时钟频率显著高于市电频率。初级绕组2的绕组端子与开关元件4和6并联地经过二极管7和8 与级间耦合电路电压Ul的端子或者级间耦合电路的参考电位连接。在 此二极管7和8以这种方式确定在级间耦合电路中流过的电流，即在 接通开关元件4和6的情况下通过级间耦合电路电压Ul引起的电流流 经初级绕组2，并且在断开开关元件4和6的情况下通过初级端的泄漏 能量引起的电流经过二极管而反馈到级间耦合电路。如果级间耦合电 路电压U2下降到低于以变压器1的变压比变换的次级电压，则在断开 开关元件4和6的情况下在转储阶段除了初级端泄漏能量之外还有一 部分可在次级端使用的能量也错误地反馈到级间耦合电路中。通过在图2中示出的本发明防止这种错误的反馈。在此该装置除 了一个反馈支路外与在图1中示出的装置一致，利用该反馈支路初级 绕组2的绕组端子经过二极管7与调节器14连接。在此二极管7的阳 极与绕组端子连接，并且二极管7的阴极与调节器14并附加地与电容 器13的第一端子连接。电容器13的第二端子与级间耦合电路的参考 电位连接。随着开关电源部件的每个时钟循环，在转储阶段在断开开 关元件4和6的情况下来自变压器1的初级端泄漏能量经过二极管7 对电容器13充电。电容器13上的电压因此升高。只要电容器3上的 电压大于预先确定的参考电压，调节器14就接通并且电容器13 —直 向级间耦合电路放电，直到电容器13上的电压再度小于该参考电压。
在此该参考电压可以定义为在卸载电路中的最小反电压，其中可以简单地通过具有相应击穿电压的z二极管预先确定该最小反电压。在图3中示出一个按照现有技术的、具有用于反馈初级端泄漏能 量的辅助绕组的开关电源部件。在此次级端与图1和2中的图示一样。 可是初级端仅有一个开关元件4与初级绕组2串联。该开关元件4也 经过控制装置5接通和断开。在初级绕组2附近在变压器1中布置一个辅助绕组15，而且类似 于次级绕组3用作反向变流器绕组。在此初级绕组2和辅助绕组15的 匝数典型地是相同的，可是也可以选择为不同。辅助绕组15用一个绕 组端子经过二极管7与级间耦合电路电压连接并且用第二绕组端子与 级间耦合电路的参考电位连接。二极管7防止在储能阶段电流流经辅 助绕组15，在断开开关元件4之后才通过反馈初级端的泄漏能量来反 转电压方向，从而电流可以经过二极管7流入级间耦合电路。如果级 间耦合电路电压Ul下降到低于以变压器1的变压比变换的次级电压， 则再度产生这样的问题，即除了初级端的泄漏能量之外一部分在次级 端可使用的能量也错误地也反馈到级间耦合电路中。在图4中示出了一个本发明的解决方案，该方案借助于辅助绕组 15防止开关电源部件的错误反馈。除了辅助绕组15连接到级间耦合电 路电压Ul以外该装置与在图3中示出的装置一致。辅助绕组15再度 在初级绕组2的附近以相同匝数与该初级绕组反向地相同布置。辅助 绕组15以一个端子与级间耦合电路的参考电位连接，辅助绕组15的 第二端子经过二极管7与调节器14连接。 一个电容器13与由辅助绕 组15和二极管7形成的串联电路并联。在此该工作原理与图2描述的 工作原理一致，只是在此随着每个时钟循环初级端的泄漏能量经过辅 助绕组15馈入包括辅助绕组15、 二极管7和电容器13的卸载电路。在图5中示出的装置基本上与在图4中示出的装置一致，区别在 于，在此调节器14不是在电压端而是在接地端连接级间耦合电路和卸 载电路。在卸载电路中将获得的最小反电压被再度预先确定为调节器 中的参考电压(例如作为Z二极管电压)。图6示出根据图5中示出的装置的调节器14，在电路内部具有三 个端子16、 17和18。该调节器以第一端子18连接到级间耦合电路电 压Ul上，其中从该端子18出发直到端子17之间串联地布置一个Z二
极管20、两个电阻21和22和一个二极管23，调节器14以该端子17 与级间耦合电路的参考电位连接。在第二电阻22和二极管23之间分 出一个端子16，调节器14以该端子与卸栽电路的参考电位连接。此外 在调节器14中设置一个晶体三极管19，其基极与在电阻21和22之间 的抽头连接。晶体三极管19的发射极处于卸载电路的参考电位，并且 集电极与级间耦合电路的参考电位连接。通过作为参考元件的Z 二极管20并且通过用于将电容13连接到 级间耦合电路中的晶体三极管19完成真正的调节器功能。电阻21和 22用作保护元件，以及用于调整晶体三极管19并用于改善调节器性 能。二极管23的设置是用于以下标准情况，即级间耦合电路电压Ul 高于卸载电路电压。然后通过级间耦合电路电压Ul引起的电流通过二 极管23对电容13充电。在这种情况下该特性刚好与在初级端的泄漏 能量直接反馈到级间耦合电路的情况 一样。在图7中也示出了调节器14，在此用场效应晶体三极管(FET) 24 代替晶体三极管19和二极管23。在此作用原理与在图6中示出的调节 器14一致，因为二极管23已经在工艺上嵌入FET中。
权利要求
1.一种用于运行一个作为反向变流器的开关电源部件的方法，其中在储能阶段通过一个处在级间耦合电路电压(U1)下的初级绕组(2)在变压器(1)的磁芯中存储磁能，其中在后面的转储阶段已存储的磁能大部分经过次级绕组(3)输出给负载，而少部分磁能在初级端输出，其特征在于，在初级端输出的能量以这种方式对电容器(13)充电，即电容器的电压始终高于施加在次级端的电压乘以变压器(1)的变压比。
2. 按照权利要求l的方法，其特征在于，所述在初级端输出的能 量经过初级端的辅助绕组(15 )和一个二极管(7 )对电容器(13 )充 电。
3. 按照权利要求l的方法，其特征在于，所述在初级端输出的能 量经过初级绕组(2)和一个二极管(7)对电容器(13)充电。
4. 按照权利要求1至3之一的方法，其特征在于，所述电容器(13 ) 的电压在调节器(14)中与一个定义的最大电压比较，并且在达到该 最大电压的情况下所述在初级端输出的能量直接供给级间耦合电路。
5. 用于实施按照权利要求1至4之一的方法的装置，其特征在于， 以这种方式布置电容器(13)，即通过在初级端输出的能量对该电容 器充电，使得施加在该电容器上的电压始终高于施加在次级端的电压 乘以变压器(1 )的变压比。
6. 按照权利要求5的装置，其特征在于，所述初级绕组(2)具 有第一绕组端子，该笫一绕组端子经过开关元件(6)连接在级间耦合 电路电压上并且经过一个二极管(8)与参考电位连接，所述初级绕组(2)具有第二绕组端子，该第二绕组端子经过另一个开关元件(4) 连接在参考电位上并且经过另一个二极管(7)与级间耦合电路电压连 接，所述在初级端输出的能量经过所述二极管(7、 8)之一对电容器(13)充电。
7. 按照权利要求5的装置，其特征在于，以这种方式布置初级端 的辅助绕组U5)，即在初级端输出的能量经过该绕组通过二极管(7) 对电容器(13)充电。
8. 按照权利要求5至7之一的装置，其特征在于，在初级端设置一个调节器(14)，通过该调节器电容器(13)的一个端子与级间耦 合电路连接。
全文摘要
本发明涉及一种用于运行作为反向变流器的开关电源部件的方法，其中在储能阶段通过一个处在级间耦合电路电压(U1)下的初级绕组(2)在变压器(1)的磁芯中存储磁能，其中在后面的转储阶段已存储的磁能大部分经过次级绕组(3)输出给负载，而少部分磁能在初级端输出，其中在初级端输出的能量以这种方式对电容器(13)充电，即电容器的电压始终高于施加在次级端的电压乘以变压器(1)的变压比。
文档编号H02M3/335GK101156305SQ200680011349
公开日2008年4月2日 申请日期2006年3月21日 优先权日2005年4月8日
发明者A·舍恩莱特纳, W·佩普尔尼, W·阿佩尔 申请人:奥地利西门子公司