专利名称：用于运行开关电源的方法
用于运行开关电源的方法本发明涉及一种用于运行工业用途的空气冷却式开关电源的方 法，其中，借助热电偶测量由布置在开关电源中的热源所影响的温度 并且向控制设备报告。此外，本发明涉及一种用于执行本方法的开关 电源。开关电源(Schaltnetzteil)—般是公知的。在此涉及用于将负载连 接到电网上的时钟式变换器。在此，时钟频率远在电网频率之上，从 中产生相对于具有整流器的电源变压器显著较小的结构大小。开关电 源在输出侧提供直流电压用于供应最大不同的设备。开关电源通常以脉宽调制(PWM)和受调节的恒定输出电压来工 作。可传输的功率在此与开关电源的结构形式和使用条件有关。这里 首先要注意热学条件，因为只准在确定的温度范围之内运行布置在开 关电源中的构件。对于可传输的额定功率，开关电源的制造商因此在 数据页中说明了最大环境温度。对于更高的环境温度通常规定所谓的 降额(Derating)。在此，制造商在数据页中说明，必须使最大可传输 的功率降低多少，以便在更高的环境温度下避免组件的损坏。除了高的环境温度之外，另外的原因也可能导致开关电源过热。 其实例是缺乏散热、或由于短路引起的过载。为了保护组件在过热时免受损坏，因此按照现有技术，知道装置 和方法，其中热学情况被监控并且在超过极限值时实现开关电源的暂 时或完全关断。例如JP 7015953-A1说明了 一种开关电源，该开关电源拥有用于在 输出侧短路时关断的温控保护回路。利用温度传感器在开关元件附近 测量温度，并且在模/数转换器中将该温度转换成数字信号。于是利用 计时器，在出现短路之后根据所测量的温度来确定用于关断开关元件 的时刻，其中数字温度信号被输送给所述计时器。JP 2004297886-A1说明了在开关电源中温度传感器的中央布置， 用以能够利用该一个传感器测量像开关元件、变压器和整流器之类的 多个器件的温度。制造商Power Integration公司的TOPS witch产品系列拥有温度监控式PWM控制装置。在此， 一旦阻挡层温度超过了预先规定的值， 模拟开关回路就导致关断PWM控制装置的开关元件。在不超过下阈 值之后，开关元件重新开始提供时钟(takten)，并且开关电源在正常 运行下工作。除此之外，为了在开关电源中使用而设置的晶体管是公知的，所 述晶体管拥有嵌入的热传感器。在此，热传感器芯片布置在晶体管上， 并且与其栅极和源极端子相连接。在热过载时，热传感器芯片短接栅 极和源极端子。控制电压通过连接在栅极端子前面的电阻下降到阈值 之下，并且负载开关回路被关断。因此，开关电源的温度监控的按照现有技术的特征(Auspr3gung) 涉及开关电源本身的器件的保护。这基本上是PWM控制装置和开关 元件。热过栽于是总是导致开关电源关断，并且不再提供时钟，直至 温度下降之后识别出重新的运行准备为止，或直至操作人员重新接通 开关电源为止。本发明所基于的任务在于，说明使现有技术改善所利用的方法和 装置。根据本发明，这利用一种开始时所述类型的方法来实现，其中， 把由至少两个布置在不同测量点上的热电偶所测量的温度向控制设备 报告，并且其中，将所测量的温度与温度模式进行比较。在用于执行本方法的开关电源中，设置至少两个布置在不同测量 点上的热电偶和控制设备，其中，该控制设备包括用于将所测量的温 度与温度模式相比较的装置。以此方式不仅仅针对一个组件或针对一组元件检验温度。通过与 已知的温度模式的比较，创造以下可能性，即持续地检测热学总情形 并且从中推导出控制设备用的预先规定。热电偶在此提供测量值，所 述测量值分配给温度模式(Temperaturmuster )中的相应点。因此，不仅检测通过开关电源本身的组件的放热，而且检测通过 外部源的放热。相应地也可以对由于环境空气的温度变化或由于相邻 机器或设备的改变了的幅射情况而引起的热学情形变化作出反应。本发明的简单特征规定，预先规定至少两种温度模式，并且在所 测量的温度接近温度模式之一时，触发开关电源的状态改变。因此可 以以微小的耗费给操作人员显示临界的运行状态，或预先规定改变了的调节值。在此，如果根据温度模式确定可传输的功率的高度，和如果在所 测量的温度接近温度模式之一时，对于可传输的功率预先规定为该温 度模式所确定的该值，则是有利的。因此使可传输的功率持续地与瞬 时热学总情况相匹配，并且不仅仅与各个组件的热学状态有关。这导 致对效率和失效安全性的改善。如果把由空气冷却所引起的自身温度分布作为温度模式分配给开 关电源的可能的装入位置，和如果通过将所测量的温度与所述温度模 式相比较来确定开关电源的装入位置，则也是有利的。于是可以向运 行人员显示不利的装入位置，或使最大可传输的功率与所产生的空气 流动情况相匹配。有利地把由热电偶所测量的温度存储为温度特性曲线。于是在损 坏情况下或在检查或保养工作中，可以分析经过一段已经历的时间间 隔的热学情形。由此可以推断出等效设备的选择、或运行条件的变化。用于执行本方法的开关电源的有利扩展方案包括装置，用于预先 规定至少两种温度模式、和用于检测所测量的温度向温度模式之一的 接近、和用于改变开关电源的状态。这种装置能够，根据所预先规定 的温度模式，使开关元件的运行状态与热学条件相匹配，或通过改变 显示状态来给操作人员显示热学极限值。如果此外设置用于预先规定可传输的功率的设备，则是有利的。如果通过将所测量的温度与温度模式的相应点相比较来识别出实现 了向温度模式的接近，则预先规定分配给该温度模式的最大可传输的 功率。于是可以越过广泛的温度范围，利用最大可能的、对于组件恰 好还在热学方面相兼容(vertr3glich)的功率来运行开关电源。这引起 相对于常规开关电源对充分利用的优化，其中所述常规开关电源从固 定预先规定的热学负荷开始关断。对于称为本发明有利特征的位置确定，可以通过以下方式在开关电源中布置至少两个热电偶，即由开关电源的位置变化得出所测量的 温度的改变。在此，利用由空气冷却所给定的效应，使得在下侧通过 外壳中的通风缝隙流入的空气比上方逸出的空气凉，并且因此能够以 简单的方式实现了位置确定。以下以示范性方式参照附图来阐述本发明。在示意图中图l展示了开关电源的结构。在
图1中示出了从上方看的开关电源。在此，画出了外壳1,没有 前方的护板，以便自由地观看部件。各个部件的布置和开关电源的所 示装入位置符合现有技术。但是另外的布置或装入位置也是可能的。在印刷电路板2上在左下方示出了输入端7。开关电源通过所述输 入端7连接到电网电压上。通常被构成为电解质电容器的输入电容器9 位于其旁。以垂直于印刷电路板2的方式布置初级冷却体3，在所述初级冷却 体上安装有两个开关元件5。在其右侧，变压器4在外壳1的上方区域 中。在其下方布置有被构成为电解质电容器的输出电容器10。在外壳1的右边缘上示出了同样配备有冷却体16的次级二极管6， 该次级二极管6与输出电容器IO共同形成了次级部分的整流器电路。在右下方布置了负栽可连接到其上的输出端8。外壳1通常在下侧 和在上侧拥有通风缝隙，使得具有环境温度的冷空气从下方到达外壳 内部，在那里通过放出热量的部件^^加热，并且然后以提高的温度向 上逸出。根据本发明，在开关电源中布置有所示出的五个热电偶11至15 中的至少两个。在此，测量点的选择与对开关电源的要求有关。在外壳1的下和上边缘处的两个热电偶11和12对于检测一般的 冷却特性是有利的。在此，下方的热电偶11测量从下方流入的环境空 气的温度，并且上方的热电偶12测量所加热的排出空气的温度。在此， 在开关电源的开发过程中，通过试验确定至少两种温度模式。把在确 定的运行状态下在相同时间在各个测量点上所得出的 一组温度理解为 温度模式。例如在所推荐的装入位置和最大允许环境温度下对于完全的功率 传输得出最佳的温度模式。在改变的装入位置下或在高的环境温度下， 得出第二温度模式。除此之外，有利地确定在不同的装入位置和不同 运行条件下所得出的多种温度模式。有利地借助直接布置在其旁的热电偶13来测量通常被构成为场效 应晶体管(FET)的开关元件5的温度。除此之外有利的是，在变压器 4旁边布置热电偶14和在次级二极管6旁边布置热电偶15，以^便测量 该两个部件的温度。在所示出的实施例中因此设有五个热电偶11至15，从中得出五个 温度的各个组作为温度模式。在试验中所所确定的温度模式可供开关电源的控制设备使用用于 与在运行期间所测量的温度进行比较。对此例如存储器元件和微控制 器或数字式信号处理器是适用的装置。在将所测量的温度与温度模式进行比较时，确定最可能对应所测 量的温度的该温度模式。例如这如此来实现，使得首先为每一个测量 点确定在测量点的所测量的温度和各个温度模式的相应温度之间的各 个差值。差值的总和对于确定的温度模式的差值组是最小值。如果对 于开关电源由于临界的使用条件或由于特别温度敏感的部件而要求加 强监控一个或多个测量点，则有利的是对分配给所述测量点的所述差 值更高地加权。对于开关电源的运行，给每一种温度模式分配确定的额定状态。 在此，合理的是预先规定确定的最大可传输的功率。开关电源的控制 设备因此根据瞬时最可能对应的温度模式来控制开关元件。以此方式 也可以持久地在热过负荷下运行开关电源，其方式是在较高的温度时 预先规定较小的可传输的功率。在此，有利地定义一种临界温度模式， 在所述临界温度模式时开关电源完全关断。例如这在输出侧短路时可 能是必要的，在所述输出侧短路时，所测量的温度接近该临界温度模 式。因此相对于现有技术的优点在于，在不利的热学情况下的自动降 额。另一方面，创造以下可能性，即在特别好的冷却情况时(例如在 低的环境温度时)预先规定较高的可传输功率。为了使开关电源与改变的条件更快速匹配，除了最可能对应于瞬 时所测量的温度的温度模式之外，各个测量点的温度特性曲线发展所 朝向的该温度模式也是决定性的。在此持续地检验，温度是否向更高 或更低水平的温度模式移动。因此例如可以还在达到临界的温度模式 之前降低功率，由此也许可以避免开关电源的完全关断。除了预先规定最大可传输的功率之外，也合理的是，通过适当的 光学或声学信号向工作人员显示，达到或已达到临界的热学状态。因 此例如可以向工作人员显示，开关元件已被装入不利的位置，或外壳l 的排气缝隙被遮盖。在颠倒装入的开关电源中，调换两个处于边缘上 的热电偶11和12的所测量的温度值。也就是i兌，本来应在上侧测量较热的排出空气的热电偶12对凉的流入的环境空气的温度进行测量， 而另一热电偶U对热的排出空气进行测量。因此，热学情形最可能对 应于在开发阶段期间在试验中用颠倒装入的开关电源所确定的该温度 模式。给该温度模式分配相应的报告信号(Meldesignal)，由此所测 量的温度向该温度模式的接近是信号触发的。基于各个部件的布置， 装入位置是重要的。因此例如输出电容器IO应位于变压器4之下的较 凉区域中。对于热学情况的不同分析有利的是，将现有的测量点划分成多个 组，其中给每一个组分配自身的温度模式。于是在试验中，附加地为 处于内部的热电偶13至15确定温度模式，例如用于评价一般的冷却 特性和用于为位于边缘上的热电偶11和12的多种温度模式确定装入 位置和用于监控构件。开关电源的运行于是取决于在测量点的各个组 中的热学条件。经常在环境空气的非恒定温度下运行开关电源。在此如果设置存 储器装置，则是有利的，其中所述存储器装置存储所测量的温度的特 性曲线用于稍后分析。如果开关电源例如不提供所希望的功率，则维 修人员可以通过分析借助布置在下边缘的热电偶ll所测量的温度特性 曲线来确定，这是否可归因于流入冷空气的过高温度。于是可以通过 像附加的开关拒通风那样的相应措施来冷却冷空气。
权利要求
1.用于运行工业用途的空气冷却式开关电源的方法，其中，借助热电偶(11，12，13，14，15)测量由布置在开关电源中的热源所影响的温度并且向控制设备报告，其特征在于，把由至少两个布置在不同测量点上的热电偶(11，12，13，14，15)所测量的温度向所述控制设备报告，和将所测量的温度与温度模式进行比较。
2. 按权利要求1的方法，其特征在于，预先规定至少两种温度模式， 和在所测量的温度接近温度模式之一时，触发开关电源的状态变化。
3. 按权利要求1或2的方法，其特征在于，根据温度模式来确定可 传输的功率的高度，和在所测量的温度接近温度模式之一时，对于可 传输的功率预先规定为该温度模式所确定的该值。
4. 按权利要求1至3之一的方法，其特征在于，把由空气冷却所引 起的自身的温度分布作为温度模式分配给开关电源的可能的装入位 置，和通过将所测量的温度与所述温度模式进行比较来确定开关电源 的装入位置。
5. 按权利要求1至4之一的方法，其特征在于，把由热电偶(ll， 12， 13， 14， 15)所测量的温度存储为温度特性曲线。
6. 用于执行按权利要求1至5之一的方法的开关电源，其特征在于， i殳置至少两个布置在不同测量点上的热电偶(11， 12， 13， 14， 15) 和控制设备，和所述控制设备包括用于将所测量的温度与温度模式进 行比较的装置。
7. 按权利要求6的开关电源，其特征在于，设置装置，用于预先规 定至少两种温度模式和用于检测所测量的温度向温度模式之一的接近 和用于改变开关电源的状态。
8. 按权利要求6或7的开关电源，其特征在于，设置用于预先规定 可传输的功率的装置。
9. 按权利要求6至8之一的开关电源，其特征在于，以以下方式布 置至少两个热电偶(ll， 12, 13, 14， 15)，即通过开关电源的位置 变化得出所测量的温度的改变。
全文摘要
本发明涉及一种用于运行工业用途的空气冷却式开关电源的方法，其中，借助热电偶(11，12，13，14，15)测量由外部热源以及由布置在开关电源中的热源所影响的温度并且向控制设备报告，其中把由至少两个布置在不同测量点上的热电偶(11，12，13，14，15)所测量的温度向控制设备报告，和其中将所测量的温度与温度模式进行比较。通过与已知的温度模式相比较，创造以下可能性，即持续地检测热学总情形和从中推导出控制设备用的预先规定。
文档编号H05K7/20GK101263755SQ200680033832
公开日2008年9月10日 申请日期2006年7月14日 优先权日2005年9月14日
发明者A·肖恩莱特纳, W·佩普尔尼, W·阿佩尔 申请人:奥地利西门子公司