电源的制作方法
【专利摘要】本发明涉及具有至少一个用于输出输出直流电压的输出端和用于不中断地供应电流的电路的电源，其中在输入侧的直流-直流转换器（8）和至少一个用于调节至少一个输出直流电压的输出侧的输出开关调节器（91、92、93、9n）之间布置有中间电路（10），并且其中在所述中间电路（10）上连接有蓄能器模块（11、11′、15、15′）。因此不需要附加的具有充电电路或充电监控装置和切换供电支路的装置的设备。
【专利说明】电源
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种具有至少一个用于输出输出直流电压的输出端和用于不中断地 供应电流的电路的电源。
【背景技术】
[0002] 电源用于将供电网电压转换为用于向至少一个连接的负载供电的经调节的输出 直流电压。很多应用领域在此要求跨接电网失效。例如在供电网短时间失效的情况下应该 继续向工业设备的控制装置供应电能。为此必需的是，暂存能量并且在需要时向要供电的 负载输出能量。
[0003] 根据现有技术，用于不中断地供应电流的电路（USV)被布置在电源的输出端处。例 如具有例如24V的输出直流电压的标准电源与直流USV联接。或者电容器（图1)或者蓄电 池（图2)用作直流USV的蓄能器。直流USV从标准电源得到用于给蓄能器充电的能量。
[0004] 在电容器解决方案的情况下，由于电网失效，从标准电源到负载的电流路径被切 换到从已充电的电容器到负载的电流路径。在此下行或上行开关调节器负责将下降的电容 器电压转换为预先给定的输出直流电压。
[0005] 蓄电池的使用不需要下行开关调节器，因为相当恒定的蓄电池电压可适配于输出 直流电压。为了借助标准电源给蓄电池充电，仅仅需要一个充电电路。在电网失效的情况 下，通过另外的开关借助蓄电池向负载供电。
[0006] 缺点是在两个解决方案下的实现花费，因为使用了两个被控制的单元、即一方面 标准电源和另一方面直流USV。
【发明内容】
[0007] 本发明所基于的任务是，针对开头所述方式的电源说明相对于现有技术的改进。
[0008] 根据本发明，该任务通过根据权利要求1的装置来解决。改进方案在从属权利要 求中被说明。
[0009] 在此，在输入侧的直流一直流转换器和至少一个用于调节至少一个输出直流电压 的输出侧的输出开关调节器之间布置有中间电路。蓄能器模块被直接连接到该具有可变电 压的中间电路上。
[0010] 因此不需要附加的具有充电电路或充电监控装置和切换供电支路的装置的设备。 直流-直流转换器和后置的输出开关调节器的两级性使得蓄能器能够直接连接到中间电 路上。该中间电路有利地被构造为具有直至例如45V的电压的低电压中间电路，由此通过 使用者的操作变得更简单和更安全。此外，在使用蓄电池的情况下更少的电池数量就足以。 [0011] 作为直流-直流转换器例如设置具有固定的变换比的谐振转换器。
[0012] 因为根据本发明的电源已经包括输出开关调节器，所以电网失效跨接时间的提高 以简单的方式通过接通另外的蓄能器模块来实现，而无需电路结构的附加的改变。此外，多 个输出开关调节器可连接到中间电路上，使得电源拥有多个、必要时也不同的输出直流电 压。
[0013] 在一种有利的构造中，一个输出开关调节器或多个输出开关调节器被构造为下行 开关调节器。以该方式可以将中间电路电压调节为低电压，该低电压允许组件的无危险的 接通和断开。由这样的低电压中间电路借助下行开关调节器实现24伏特范围内的常见的 输出电压。在下行开关调节器的输入和输出电压之间的小的水平差在此能够实现高的效 率。
[0014] 在此有利的是，蓄能器模块被布置在单独的壳体中并且可借助插头接触部与该中 间电路连接。为了连接多个蓄能器模块，中间电路具有多个接触部。替代于此，电网失效跨 接时间的简单改变可通过更换不同容量的蓄能器模块来执行。
[0015] 根据本发明的装置的另外的优点在于，蓄能器模块附加地可用于满足在特别不稳 定的负载情况下的功率尖锋，例如在起动直流发动机的情况下。蓄能器模块不必额外地被 接通，因为该蓄能器模块被永久地连接在中间电路上。
[0016] 在本发明的一种改进方案中，直流-直流转换器通过所谓的有源功率因数校正电 路（PFC电路)被连接到输入侧的供电电压上。这样的装置应该在单相供电网的情况下被设 置并且减少具有高次谐波的电网的负荷。此外，因此更宽的输入电压范围是可能的。
[0017] 在最简单的情况下，蓄能器模块包括电容器、例如铝电解质电容器或所谓的超级 电容器（Ultra - Cap)。电容器在此被直接连接到中间电路上。
[0018] 为了在电源的接通过程期间限制电容器的充电电流，适宜的是将电容器通过充电 电阻连接到中间电路上。于是电容器的充电时间不限制电源的起动时间。输出直流电压在 电容器的完全充电之前就已经可供使用。
[0019] 在一种有利的改进方案中，开关元件与该充电电阻并联。因此一旦电容器被充满， 充电电阻就可被跨接。出于该目的，该开关元件与电源的控制装置连接。
[0020] 在本发明的另一种构型中，蓄能器模块包括蓄电池，由此可实现更长的电网失效 跨接时间。如果在直流-直流转换器的输出端上的中间电路电压高于蓄电池的充电终止电 压，那么只需要简单的开关、诸如二极管来用于反向馈电到中间电路中。任何其它的附加电 子设备可以不用考虑。
[0021] 在其它的情况下合适的是，蓄电池通过充电电路被连接到中间电路上。这样的充 电电路在最简单的情况下由具有蓄电池模块中的串联开关的电阻和去耦二极管组成。
[0022] 另一种变型规定，电源包括至少两个输出侧的输出开关调节器并且蓄电池通过被 构型为充电电路的输出开关调节器被连接到中间电路上。输出开关调节器在此无论如何都 拥有可调节的电压和电流限制。
[0023] 在电网失效的情况下，蓄电池通过开关调节器反向馈电到中间电路中。于是开关 调节器在相反的方向上作为上行开关调节器工作并且将蓄电池电压水平提高到更高的中 间电路电压水平上。一个输出直流电压或多个输出直流电压保持完全可调节。因此蓄电池 的电池数量也不依赖于各个负载输出端的输出直流电压。
[0024] 替代于此，蓄电池附加地通过去耦元件被连接到中间电路上。在该情况下，输出开 关调节器不必被设计为反馈蓄电池电流。输出开关调节器只须管理蓄电池的明显更小的充 电电流。
[0025] 此外有利的是，充电电路或蓄能器模块通过附加的连接与电源的控制装置连接， 以便确定蓄电池的充电状态。
[0026] -般有利的是，输出开关调节器具有运行电压下限，该运行电压下限位于蓄能器 模块的放电电压之下。蓄电池的放电终止电压经常明显地位于空转电压之下。于是该低的 放电终止电压对于输出开关调节器来说也可用作输入侧的运行电压。
[0027] 本发明的另一种构型规定，设置另外的中间电路与该中间电路并联，该另外的中 间电路被通过另外的直流-直流转换器馈电。输出开关调节器于是又被连接到该另外的中 间电路上。
[0028] 在此有利的是，在每个中间电路上连接有自身的蓄能器模块。因此说明了一种将 总功率分配到两个中间电路上的简单的结构。
[0029] 替代于此地规定，共同的蓄能器模块通过相应的开关单元被连接到两个中间电路 上。有利地，相应的开关单元包括作为去耦元件的二极管。
[0030] 有利地，设置保险装置与至少一个开关单元串联。该保险装置被设计为在触发时 另外的中间电路还可以被供电。以该方式，被保险的中间电路可以在干扰情况下与蓄能器 模块分开，而不影响该另外的中间电路的运行。此外，借助蓄能器模块也可以缓冲所述另外 的中间电路。
[0031] 在一种根据本发明的用于运行上面所述的电源的方法中规定，在正常的运行中蓄 能器模块被用来自中间电路的能量充电并且在需要时将能量放电到中间电路中。必要时， 在蓄能器模块连接到中间电路上之前或在电源的开动过程期间设置对蓄能器模块的另外 的充电。
【专利附图】
【附图说明】
[0032] 下面以示例的方式参考附图解释本发明。其中以示意图： 图1示出根据现有技术的具有电容器的USV ; 图2示出根据现有技术的具有蓄电池的USV ; 图3示出具有电容器的电路装置； 图4示出具有电容器和充电电路的电路装置； 图5示出具有蓄电池和充电电路的电路装置； 图6示出具有蓄电池和开关调节器的电路装置，该开关调节器被用作充电电路； 图7示出根据图6的具有双向工作方式的开关调节器； 图8示出具有两个路径和两个蓄能器模块的电源； 图9示出具有两个路径和一个蓄能器模块的电源。
【具体实施方式】
[0033] 第一个已知的解决方案设置借助电容器5的USV(图1)。在正常运行中，负载3通 过开关2被连接到电源1上。该电源1被连接到单相或三相供电网上并且在其输出端提供 输出直流电压。通过双向的升降压（Buck/Boost)转换器4,电容器5被连接到该输出直流 电压上。该升降压转换器4在此具有输出端，该输出端可通过开关2与负载3连接。
[0034] 如果供电网失效，那么开关2将电流路径从电源1切换到升降压转换器4的输出 端上。存储在电容器5中的能量借助升降压转换器4被输出给负载3,直至或者供电网又提 供能量或者电容器5中的电压下降到升降压转换器4的最小输入电压之下。在后一种情况 下，电容器5的跨接容量不足。
[0035] 为了延长电网失效跨接时间，根据现有技术使用蓄电池。相应的已知的电路在图2 中被示出。负载3又通过开关2被连接到电源1上。此外，用于蓄电池7的充电电路6被 连接到该电源1上。此外，负载通过作为去耦元件的另外的开关2a与该蓄电池7连接。
[0036] 如果电网供电失效，那么负载3通过另外的开关2a直接从该蓄电池7得到其能 量。
[0037] 两个已知的解决方案除了标准电源之外还需要单独的具有自身的电路和控制装 置的USV设备。
[0038] 根据本发明的简化在图3中被示出。在此电源被构造为具有直流-直流转换器7 和至少一个后置的输出开关调节器91的开关电源设备。在本示例中，四个输出开关调节器 91、92、93、9n被连接到直流-直流转换器8的输出端上。直流-直流转换器8和输出开关 调节器91、92、93、9n之间的连接形成中间电路10,可变电压被施加在该中间电路上。该直 流-直流转换器8例如被构造为具有固定变换比的谐振转换器。如果单相交流电压网用作 供电网，那么有源PFC电路12有利地被连接在该直流-直流转换器8之前，以便将供电网 中的高次谐波减至最少。这样的电源特别适合于向多个负载供应相同或不同的输出直流电 压。每个单独的输出开关调节器91、92、93、9n将可变中间电路电压转换为相应的输出直流 电压并且将该输出直流电压调节到分别预先给定的值。中间电路10有利被设计为具有30 伏特和60伏特之间的电压的低电压中间电路。输出直流电压在使用下行开关调节器的情 况下位于该电压水平(例如24V)之下。
[0039] 电容器5作为蓄能器模块11直接被连接到中间电路10上。在此蓄能器模块11 例如被布置在自身的壳体中并且可通过连接接触部与该中间电路10连接。
[0040] 为了蓄能器模块11的受控的充电，在图4中在电容器5和中间电路10之间设置 充电电阻13以及并联的开关14。该电路防止在电源的接通过程期间在直流-直流转换器 8的输出端上的整个能量被用于给电容器5充电。代替于此，在电容器充电期间中间电路电 压被保持得高到使得输出开关调节器91、92、93、9n已经提供相应的输出直流电压。
[0041] 电阻13和开关14或者共同与电容器5被组合在修改的蓄能器模块11'中或者被 集成在修改的中间电路电路中。
[0042] 一种简单的蓄电池解决方案在图5中被示出。中间电路10通过充电电路16与蓄 电池7连接。该充电电路16在此除了充电调节器之外还包括用于给中间电路10输出蓄电 池能量的输出开关调节器或至少一个去耦元件。蓄电池7和充电电路16例如在共同的壳 体中被组合成蓄能器模块15并且通过连接接触部与中间电路10连接。替代于此，充电电 路16可以被布置在中间电路电路中。
[0043] 充电电路的充电信号通过单独的连接17被输送给电源的控制装置18。例如作为 微控制器来实施的控制装置18出于该目的拥有串行接口。蓄电池7的充电状态可以以该 方式被显示在电源设备上或借助合适的设备接口将信息转发到外部的设备控制装置。
[0044] 如果电源包括多个输出开关调节器91、92、93、9n，那么这些开关调节器中的一个 9n如在图6中所示的那样有利地被用作蓄电池7的充电电路。蓄能器模块15'在此情况 下直接被连接到开关调节器9n的输出端上。此外，出于发信号通知充电状态的目的存在与 控制装置18的连接17。
[0045] 如果开关调节器9η仅被用作蓄电池7的充电调节器，那么蓄电池7附加地通过去 耦元件19与中间电路10连接。作为去耦元件19可以考虑例如二极管、晶体管或继电器接 触部。在这些布线变型中，可以以以下方式选择尺寸，即蓄电池7的充电只在确定的输入电 压范围内是可以的(例如360VAC到550VAC)。在供电网电压处于该范围之外(例如320 - 359VAC)的情况下不执行充电。因此一方面实现直流-直流转换器8的有利的变换比。另 一方面，直流-直流转换器8在以下情况下不附加地被施加充电电流，即本来已经提高的电 流由于高的输出功率与伴随的供电电压扰动而导致直流-直流转换器8的热负荷。
[0046] 替代于借助去耦元件19来反向馈电，被构造为充电电路的开关调节器9η被双向 地构造。在此，如在图7中所示的那样设置第一开关20代替接地侧的空转二极管。开关调 节器9η包括电抗器21。该电抗器的第一端子与蓄电池7连接并且通过电容器22与地连 接。电抗器21的第二端子通过第一开关21与地连接并且通过第二开关23被连接到中间 电路10上，其中第二开关23与中间电路10的连接通过另外的电容器24与地连接。
[0047] 双向升降压开关调节器9η的该电路在此作为用于蓄电池7的充电电路和作为在 电网失效情况下的缓冲运行中的反馈转换器来工作。该升降压开关调节器9η被设计用于 整个电流，该整个电流在缓冲运行中流回到中间电路10中。在此存在以下可能性，即在缓 冲运行中减小电源的输出功率，以便在真正的紧急运行中延长跨接时间并且减小开关调节 器9η的负荷。
[0048] 在图8中示出具有两个路径的电源。每个路径包括自身的直流-直流转换器8或 8a和自身的中间电路10或10a。在每个中间电路10、10a上连接有输出开关调节器91、92 或93、9n和分别连接有一个蓄能器模块11。在所示出的情况下，每个蓄能器模块11简单地 包括作为存储元件的电容器。但是，也可以设置蓄能器模块11'、15、15'的所有其它的构 型。
[0049] 图9同样示出具有两个路径的电源。两个中间电路10、10a具有共同的地，由此通 过相应的开关单元25、25a可以连接共同的蓄能器模块15。例如该蓄能器模块包括蓄电池 和充电电路，该充电电路从两个中间电路10、l〇a之一获得能量。蓄能器模块11、11 '、15' 的所有其它的构型也可以通过相应受控制的开关单元25、25a与两个中间电路10、10a连 接。在一种改进方案中，布置保险装置26、26a与每个开关单元25、25a串联。该保险装置 在干扰的情况下将有缺陷的路径从该蓄能器模块15上分开，由此第二路径的缓冲运行继 续可行。保险装置26、26a在此被设计为，使得该保险装置在有缺陷的路径的未被示出的内 部保险之后才触发。
[0050] 具有两个路径的构型的实施以相似的方式适用于具有多于两个路径的电源。
[0051] 利用所介绍的本发明获得用于具有灵活可变的蓄能器模块的电源的简单构建的 设备解决方案。在没有结构上的附加花费的情况下，根据应用情况其它的蓄能器模块11、 1Γ、15、15'或补充的蓄能器模块11、11'、15、15'可被连接到中间电路10上。每个蓄能 器模块11、1Ρ、15、15<在此被构建为电容器单元或蓄电池单元而无需耗费的USV电路。
【权利要求】
1. 具有至少一个用于输出输出直流电压的输出端和用于不中断地供应电流的电路的 电源，其特征在于，在输入侧的直流-直流转换器（8)和至少一个用于调节至少一个输出直 流电压的输出侧的输出开关调节器（91、92、93、91〇之间布置有中间电路（10)，并且在所述 中间电路（10)上连接有蓄能器模块（11、11'、15、15')。
2. 根据权利要求1所述的电源，其特征在于，所述输出开关调节器（91、92、93、91〇被构 造为下行开关调节器。
3. 根据权利要求1或2所述的电源，其特征在于，所述蓄能器模块（11、11'、15、15') 被布置在单独的壳体中并且可借助插头接触部与所述中间电路（10)连接。
4. 根据权利要求1到3之一所述的电源，其特征在于，所述直流-直流转换器（8)通过 所谓的有源功率因数校正电路（12)被连接到输入侧的供电电压上。
5. 根据权利要求1到4之一所述的电源，其特征在于，所述蓄能器模块（11、11')包括 电容器（5)。
6. 根据权利要求5所述的电源，其特征在于，所述电容器（5)通过充电电阻（13)被连 接到所述中间电路（10)上。
7. 根据权利要求6所述的电源，其特征在于，布置开关元件（14)与所述充电电阻（13) 并联。
8. 根据权利要求1到4之一所述的电源，其特征在于，所述蓄能器模块（15、15')包括 蓄电池（7)。
9. 根据权利要求8所述的电源，其特征在于，所述蓄电池（7)通过充电电路（16)被连 接到所述中间电路（10)上。
10. 根据权利要求8所述的电源，其特征在于，所述电源包括至少两个输出侧的输出开 关调节器（91、92、93、91〇，并且所述蓄电池（7)通过被构型为充电电路的输出开关调节器 (9η)被连接到所述中间电路（10)上。
11. 根据权利要求10所述的电源，其特征在于，所述蓄电池（7)附加地通过去耦元件 (19)被连接到所述中间电路（10)上。
12. 根据权利要求9到11之一所述的电源，其特征在于，所述充电电路（16)或所述蓄 能器模块（15')通过附加的连接（17)与电源的控制装置（18)连接，以便确定蓄电池（7) 的充电状态。
13. 根据权利要求1到12之一所述的电源，其特征在于，所述输出开关调节器（91、92、 93、9η)具有运行电压下限，所述运行电压下限位于所述蓄能器模块（11、11'、15、15')的 放电电压之下。
14. 根据权利要求1到13之一所述的电源，其特征在于，设置另外的中间电路（10a)与 所述中间电路（10)并联，所述另外的中间电路通过另外的直流-直流转换器（8a)被馈电。
15. 根据权利要求14所述的电源，其特征在于，在每个中间电路（10、10a)上连接有自 身的蓄能器模块、15、15')。
16. 根据权利要求14所述的电源，其特征在于，共同的蓄能器模块（11、11'、15、15') 通过相应的开关单元（25、25a)被连接到两个中间电路（10、10a)上。
17. 根据权利要求16所述的电源，其特征在于，所述相应的开关单元（25、25a)包括二 极管。
18. 根据权利要求16或17所述的电源，其特征在于，设置保险装置（26、26a)与至少一 个开关单元（25、25a)串联。
19. 用于运行根据权利要求1到18之一所述的电源的方法，其特征在于，所述蓄能器模 块（11、1Γ、15、15')被用来自所述中间电路（10、10a)的能量充电并且在需要时将能量 放电到所述中间电路（10、l〇a)中。
【文档编号】H02J9/06GK104106195SQ201380008268
【公开日】2014年10月15日 申请日期:2013年1月15日 优先权日:2012年2月6日
【发明者】C.奥格斯基, H.施魏格特 申请人:西门子公司