专利名称：开关电源装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种特别适用于为所谓的门极单元供电的开关电源装置，即在高电压开关或变流器中用于控制功率半导体开关的控制单元，在该开关电源装置中，多个半导体开关串联着。除变流器技术之外，另外的可能的应用领域是例如食品业和医药业中用于废气净化的集尘器或高电压脉冲运用。在这样的高电压装置中，代表性使用的串联着的半导体开关是IGCT、GTO、半导体闸流管、MOSFET和IGBT，在大电位差的情况下为门极单元供电时要求电气绝缘。
从现有技术已知，使用各个单独的拥有高电气绝缘度的电源装置通过以下任一方法为门极单元供电，a)借助高绝缘变压器，该变压器与一个低电压交流电总线并联，通常使用50Hz技术，或者b)借助分离的高绝缘直流/直流变流器，该变流器与一个直流电源连接并且与电压输入端并联。
已知装置的缺点是，在变型方案a)中，使用典型的50Hz技术的变压器体积大、重量重而且昂贵，而且装配相当复杂。
在变型方案a)和b)中，绝缘/漏电路径方面存在问题，因为交流或直流总线必须达到每一个开关接口并在那里被分接。
在大功率变流器技术中，特别地如果使用了一个线开关元件串联电路，就对用于各个门极控制系统的变压器的绝缘度特别也对它们在初级和次级电路间的寄生电容性耦合提出更多的要求。该耦合必须非常低以防止电子系统由于寄生耦合电容的充/放电电流对门极单元有影响。依照现有技术，封装式变压器因而被用来满足对于绝缘度提出的要求。然而，这些变压器通常拥有一个不合乎要求的大寄生耦合电容，特别是使用基于50Hz技术的变压器的时候。
因此本发明的任务是提出一种适用于为处于不同高电压电势的负载供电的装置，并且依靠该装置可以满足对电气绝缘和小耦合电容的高要求。
一个具有权利要求1中描述的特征的开关电源装置完成该任务。有利的改进方案在其他的权利要求中进行描述。
因此本发明建议了一种开关电源装置，该装置包含多个开关电源变压器，开关电源变压器的初级线圈电串联。开关电源变压器的每一个次级线圈都连接有一个输出电压调节器。初级线圈的串联电路与一个交流电源的输出端相连。
每一个开关电源变压器最好包含一个铁氧体环形磁心，该磁心带有各自的次级线圈，其中初级线圈的串联电路为一个高电压绝缘导线回路形式，该回路经过所有的铁氧体螺旋管形磁心。
为了实现该开关电源装置而要求的低复杂性是有利的。因此，由于开关电源装置中与单独的门极单元相应的组件数量最少，该开关电源装置特别适用于拥有大量串联连接的独立元件的高电压变流器。变压器在体积上很小而且可以直接安装在门极单元的传统印刷电路板上。
此外，优点之一是由于初级电路不需要断开和分接，漏电路径的问题不再发生。通过一个特别好的初级电路和变压器的实施例也实现了一个非常小的寄生耦合电容。
给起动电路供电通常要求稳定的正负电压。用建议的装置，就可以以一种特别简单的方式提供这样的电压。这种基本上没有损失的调节方式也使得可以很容易地将每个变压器几百瓦的相对较高的功率进行转换。也可以通过改变次级线圈匝数或通过使用附加的线圈产生高低不同的输出电压。
下面使用附图中图解的一个典型实施例对本发明作进一步的说明，附图中
图1展示了开关电源装置的一个电路图。
图2展示了开关电源变压器的一个优选方案，它带有环形磁心和一个初级端的导线回路，以及图3展示了开关电源装置的电路细节。
图1展示了建议的开关电源装置的一个原理电路图。该装置包含多个开关电源变压器T1、T2至TN，每个变压器都有初级线圈P1、P2至PN，次级线圈S1、S2至SN和变压器铁心UK1、UK2至UKN。初级线圈P1、P2至PN的一个串联电路形成了初级电路，在该初级电路中流通着一个由具有交流电压VAC的交流电源WQ提供的初级电流ipri。提供的电流可以是例如方波电流，但是也可能有其他有利的电流波形，特别是一个正弦波形。
每一个次级线圈S1、S2至SN分别连接有一个整流器G1、G2至GN，在各整流器G1、G2至GN上分别后接一个单极电子转换开关U1、U2至UN。依靠转换开关U1、U2至UN，受各自的稳压器R1、R2至RN控制的整流器输出端要么(在开关位置A)分别与各自的输出电容器C1、C2至CN连接，要么(在开关位置K)将电路短路。每一个次级端的装置都构成输出电压调节器AR1、AR2至ARN。
使用图示的装置，可以在每一级1至N耦合输出各自需要的功率，即通过输出电压调节器AR1、AR2至ARN实现。作为例子，不同的输出功率的一个极端情况这样被描述这里，假设全部的功率只在唯一的一级获得，例如级1，而其他所有的级都不带负载。那么，级2至N中的转换开关U2至UN将在大部分时间内处于位置“K”，然而有着高功率需求的级1中的转换开关将处于位置“A”。在这种情况下，交流电源WQ上的电压幅值是VAC=1u··Vout,1]]>这表示，当认为组件没有损失时，电源WQ所提供的功率与级1输出端的功率有精确相同的值。ü为变压器的匝数比；Vout，1为输出电压调节器AR1的输出电压。
除了以上提到的优点外，建议的装置具有非常高的固有鲁棒性的特征变压器铁心K1、tK2至KN可能发生的磁饱和现象对装置的工作或工作的可靠性没有影响。饱和可以发生在当交流电源WQ或整流器G1、G2至GN和转换开关U1、U2至UN具有非理想的特性时，而实际中这种情况经常发生。因此，如果在初级电流ipri的正半周期，变压器T1、T2至TN之一或更多变为饱和，则这些变压器上没有电压。因而，该效果与开关S1至SN处于位置“K”时是一样的，这对应于一个正常工作的状态。
如果次级端之一或更多发生一个错误，而其他的级继续毫无问题地被供电并且保持全功能。在这种情况下，该错误是否导致短路、无负载工作或任何有载的状态是不明显的
a)可能的极端情况“短路”对应于转换开关Sx处于位置“K”时的正常工作状态。
b)其他可能的极端情况发生于当错误导致变压器输出端无负载工作时。这也不是一个问题，因为受到影响的级的变压器铁心只在ipri的每个半周期期间变为饱和。提供给其他级的功率并没有被削弱。这是因为无载的变压器在初级端有一个很高的阻抗。电源WQ上的电压因此在一段很短的时间内非常高，从而相关的铁心在一段很短的时间后变为饱和。这样在转换周期的大部分时间内，正常的工作要被确保以保持未受影响的级。
特别简单的是，可以通过给单独的变压器装配附加的线圈来产生多个正/负输出电压。由于输出电容器Cx在转换开关Sx处于位置“A”时直接与变压器Tx相连，它们有效并联着。在这种情况下，每一个变压器Tx中的单个线圈上只需要一个稳压器Rx和一个转换开关Ux。
变压器Tx可以特别优选以一个堆栈形式实现，如图2中示意性所示。在这种情况下，变压器铁心K1、K2至KN为铁氧体环形磁心RK1至RKN的形式，每一个铁心都带有一个次级线圈S1至SN。所需的初级线圈的串联电路为一个导线回路SL的形式，该回路经过所有的铁心开孔并通过一个交流电源(图2中未示)相连接。所需的电气绝缘度可以通过环形磁心的内径和绝缘特性来调整，例如通过对用于构成初级线圈的导线回路SL形式的电缆的材料、厚度和半导体表层进行选择。
一个可能的优选的开关电源装置实施例作为例子在图3中图解。交流电源WQ在这种情况下为一个降阶式整流变流器的形式。例如可以是一个谐振开关电源。所示的交流电源WQ由一个直流电源GQ(具有一个直流电压VDC)供电。该交流电源WQ包含一个电子开关Q，在这儿该电子开关例如为一个MOSFET，装置中的所有其他开关同样。降阶式变流器的其他元件有一个二级管D，一个感应线圈L和一个用于开关Q的可脉宽调制驱动的PWM调节系统，在这种情况下，该系统通过例如一个电位计P来输入想要的电流值。一个带有小交流分量的直流电从而首先产生于该直流输入电压。后续的带有开关Qa…Qd的一个H桥从该直流电产生出需要提供给初级电路的交流电ipri。该H桥被控制，以至于总是提供了流经感应线圈L的一个电流路径，也就是导致所谓的“重叠控制”。
在图1中示出的各个次级端单极转换开关U1至UN在图3所示的装置中以半导体开关Q1至QN例如MOSFET的形式结合二极管D1至DN实现。各个整流器G1至GN为一个桥电路的形式；根据要求，一个星形电路也可能被使用。次极端稳压器R1至RN通过脉宽调制PWM来起动开关Q1至QN；例如，该PWM可通过一个双点控制器(迟滞控制器)来实现。
权利要求
1.一种包含多个开关电源变压器(T1至TN)的开关电源装置，其中开关电源变压器(T1至TN)的初级线圈(P1至PN)电串联，开关电源变压器(T1至TN)的每一个次级线圈(S1至SN)分别连接有一个输出电压调节器(AR1至ARN)，初级线圈(P1至PN)的串联电路与一个交流电源(WQ)的输出端相连。
2.根据权利要求1所述的开关电源装置，其特征在于，每一个开关电源变压器(T1至TN)分别有一个铁氧体环形磁心(RK1至RKN)，该磁心带有各自的次级线圈(S1至SN)，初级线圈(P1至PN)的串联电路为一个高电压绝缘导线回路(SL)，该回路经过所有的铁氧体环形磁心(RK1至RKN)。
3.根据权利要求2所述的开关电源装置，其特征在于，至少一个铁氧体环形磁心(RK1至RKN)带有至少一个附加线圈。
4.根据前述权利要求中任一项所述的开关电源装置，其特征在于，该装置用于为串联的功率半导体组件的驱动装置进行电气绝缘供电。
5.根据前述权利要求中任一项所述的开关电源装置，其特征在于，交流电源(WQ)包含一个降阶式变流器。
全文摘要
本发明涉及一种包含多个开关电源变压器(T1至TN)的开关电源装置，开关电源变压器(T1至TN)的初级线圈(P1至PN)电串联着，开关电源变压器(T1至TN)上的每一个次级线圈(S1至SN)分别连接有一个输出电压调节器(AR1至AR2)，初级线圈(P1至PN)的串联电路与一个交流电源(WQ)的输出端相连。每一个开关电源变压器(T1至TN)最好有一个铁氧体环形磁心(RK1至RKN)，该磁心带有各自的次级线圈(S1至SN)，初级线圈(P1至PN)的串联电路为一个高电压绝缘导线回路(SL)的形式，该回路经过所有的铁氧体环形磁心(RK1至RKN)。
文档编号H03K17/00GK1650504SQ03809198
公开日2005年8月3日 申请日期2003年4月15日 优先权日2002年4月25日
发明者A·纳格尔, J·马斯特 申请人:Abb专利有限公司