直流电源的制作方法

本实用新型涉及电路技术，具体地，涉及一种直流电源，其可用于向电梯的制动器线圈供电。

背景技术：

传统上，使用机电开关(接触器)来控制电梯中的机械制动器。然而，这种接触器在操作中噪音较大，给电梯的使用者带来不好的体验。此外，例如由于电梯运行中的振动等原因，可能导致制动器线圈(即，在制动器中产生磁力的螺线管)出现接地故障，或者电路中可能出现短路故障，在这些故障情况下，现有的机电开关的响应速度/切断速度较慢，容易导致保险丝被烧毁。

图1A示出了一种用于制动器线圈的直流(DC)电源。如图1A所示，该DC电源可以包括整流器G1。整流器G1可以从交流(AC)供电端子101a、101b处接收AC输入，例如来自AC供电网络的AC电力，对接收到的AC电力进行整流，然后通过DC输出端子将整流后的DC电压施加到制动线圈109两端。这种整流器G1可以是全波整流器，例如包括四个二极管G1a-G1b的桥式整流器。另外，为了抑制AC输入中的谐波等因素以满足电磁兼容性(EMC)要求，还可以在AC输入处设置EMC滤波网络103(例如，图1A中所示的电感L1和电容C1构成的滤波网络)。在图1A的电路中，为了应对接地故障，可以设置开关111(上述接触器)。当出现接地故障时，可以通过关断开关111来截断制动器线圈109低电压侧的接地故障电流。接地故障可以通过监测制动器线圈109两端处的电流I1、I2来检测(例如，在接地故障的情况下，I1和I2可能不相等)。可以通过控制器115来进行接地故障检测和开关控制。另外，由于制动器线圈109是感性元件，其电流并不能立即终止。为了在开关111关断时为制动器线圈109中的电流提供备选通路，可以为制动器线圈109反向并联一续流二极管113。然而，由于制动器线圈109的高电压侧不存在开关，因而无法截断制动线圈高电压侧的接地故障电流。

作为一种改进，图1B示出了另一种用于制动器线圈的DC电源。图1B所示的DC电源与图1A所示的DC电源在电路拓扑方面基本上相同，但是另外在制动器线圈109的高电压侧引入另一个开关117。相应地，控制器115还具有控制该开关117的控制端口。当出现接地故障时，除了同样可以通过关断开关111来截断制动器线圈109低电压侧的接地故障电流，还可以通过关断开关117来截断制动器线圈109高电压侧的接地故障电流。然而，由于需要更多的开关元件以及相应的控制，会导致图1B的电路变得更加复杂和昂贵。

作为另一种改进，可以利用变压器实现反激式开关电源。由于变压器的存在，可以为制动器线圈实现隔离供电。由于这种隔离，即便在制动器线圈的一端出现接地故障，电路也能继续工作。然而，这种方案需要额外的大且昂贵的变压器，而且需要用于直流支撑电容器的充电电路。因此，增加了额外的成本。

可见，现有技术的上述方案均存在着这样或那样的问题，例如触器在操作中噪音较大、故障时切断速度慢从而导致保险丝被烧毁、电路成本较高等。有鉴于此，需要能够至少部分地避免上述缺点的DC电源。

技术实现要素：

根据本公开的一方面，提供了一种直流(DC)电源，例如可以用于向电梯的制动器线圈供电。该DC电源包括第一整流器和第二整流器。第一整流器的第一交流(AC)端子可以耦接到供电AC网络的第一端子，且第二AC端子耦接到第二整流器的第一AC端子。第二整流器的第二AC端子可以耦接到供电AC网络的第二端子。第二整流器的第一DC端子和第二DC端子可以向负载提供DC供电。另外，该DC电源还包括耦接在第一整流器的第一DC端子和第二DC端子之间的可控功率半导体开关。

在说明书及权利要求书中，“耦接”和“连接”既包括直接耦接/连接，也包括间接耦接/连接，即，在相互耦接/连接的部件之间还可能连接有其它未描述的附加部件，只要未违背本公开的精神和范围，则所有这些变型都落入本实用新型的范围内。

由于采用了半导体开关，所以可以避免机械开关(触发器)的缺点。例如，可以降低噪声，并可以更加迅速地关断从而可以降低保险丝被烧毁的风险。

在一些实施例中，第一整流器和第二整流器可以均是全波整流器，例如，二极管形成的桥式整流器。例如，各整流器可以包括按如下方式耦接的第一至第四二极管：第一二极管正向耦接在相应整流器的第一AC端子与第一DC端子之间，第二二极管正向耦接在相应整流器的第二AC端子与第一DC端子之间，第三二极管正向耦接在相应整流器的第二DC端子与第一AC端子之间，以及第四二极管正向耦接在相应整流器的第二DC端子与第二AC端子之间。

在一些实施例中，可控功率半导体开关可以被控制为按照一定的触发角而接通和关断，以在第二整流器的第一DC端子与第二DC端子之间获得期望的电压。

通过控制可控功率半导体开关的触发角，可以控制该DC电源的DC输出电压。

进一步地，直流电源具有向负载供电的供电状态和不向负载供电的断电状态。在将直流电源从断电状态切换为供电状态的过程中，可控功率半导体开关可以被控制为按照变化的触发角接通和关断，使得第二整流器的第一DC端子和第二DC端子之间的电压以斜坡状上升，并且/或者在将直流电源从供电状态切换为断电状态的过程中，可控功率半导体开关被控制为按照变化的触发角接通和关断，使得第二整流器的第一DC端子和第二DC端子之间的电压以斜坡状下降。例如，可以在AC供电网络的电压过零点之后经过预定的时间接通可控功率半导体开关，且可以在接近AC供电网络的下一次电压过零点处关断可控功率半导体开关。

这在应用于电梯制动器线圈时特别有用，因为通过这种斜坡式的供电和断电，可以降低制动器在开启和关闭时的噪声。

在一个实施例中，负载可以是电梯制动器线圈。第二整流器的第一DC端子和第二DC端子可以分别连接到制动器线圈的第一端子和第二端子。

在电梯制动器线圈的情况下，该DC电源还可以包括电流感测器，用于感测制动器线圈的第一端子和第二端子处的电流。可控功率半导体开关可以被控制为在所感测到的任一电流指示接地故障时关断。

通过可控功率半导体开关，可以截断制动器线圈的高电压侧和地电压侧两侧的接地故障电流，而无需设置更多的开关。

这种电流感测器可以是同时感测制动器线圈两端处的电流的单独电流感测器，或者可以是分别感测制动器线圈两端处的电流的两个电流感测器。

另外，电流感测器还感测电流中的抖动。这种抖动可以指示制动闸皮的磨损程度。

在一个实施例中，该DC电源还可以包括电感器，该电感器与可控功率半导体开关串联连接在第一整流器的第一直流端子和第二直流端子之间。这能够避免发生接地故障时电流变得过大从而损坏电路器件如开关和二极管。

在一个实施例中，可控功率半导体开关可以包括以下任意一种：金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)、以及双极型晶体管(BIS)。

附图说明

图1A是示出了一种已有的用于制动器线圈的直流电源的电路图；

图1B是示出了另一种已有的用于制动器线圈的直流电源的电路图；

图2是示出了根据本公开实施例的直流电源的电路图；

图3是示出了根据本公开实施例的电流抖动的示意图；

图4是示出了根据本公开实施例的开关控制时序的示意图；

图5是示出了根据本公开实施例的以变化触发角控制开关的示意图；

图6是示出了根据本公开另一实施例的直流电源的电路图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本公开进行详细阐述。应当注意，本公开不应局限于下文所述的具体实施方式。另外，为了简便起见，省略了对与本公开没有直接关联的公知技术的详细描述，以防止对本公开的理解造成混淆。

图2是示出了根据本公开实施例的直流(DC)电源的电路图。

如图2所示，根据该实施例的DC电源200可以包括两级整流器：G1和G2。整流器可以将其交流(AC)输入侧的AC电力整流成DC电力，并在其DC输出侧输出。相应地，各整流器可以具有AC(输入)端子和DC(输出)端子。如下所述，其中一级(G1)可以用作电压调整级，而另一级(G2)可以用作整流级。

各整流器G1、G2均可以是全波整流器，例如二极管形成的桥式整流器。在图2所示的示例中，整流器G1包括第一至第四二极管G1a-G1d。第一二极管G1a正向耦接在整流器G1的第一AC端子G1_{AC_a}与整流器G1的第一DC端子G1_{DC_a}之间，第二二极管G1b正向耦接在整流器G1的第二AC端子G1_{AC_b}与整流器G1的第一DC端子G1_{DC_a}之间，第三二极管G1c正向耦接在整流器G1的第二DC端子G1_{DC_b}与整流器G1的第一AC端子G1_{AC_a}之间，且第四二极管G1d正向耦接在整流器G1的第二DC端子G1_{DC_b}与整流器G1的第二AC端子G1_{AC_b}之间。同样地，整流器G2可以包括第一至第四二极管G2a-G2d。第一二极管G2a正向耦接在整流器G2的第一AC端子G2_{AC_a}与整流器G2的第一DC端子G2_{DC_a}之间，第二二极管G2b正向耦接在整流器G2的第二AC端子G2_{AC_b}与整流器G2的第一DC端子G2_{DC_a}之间，第三二极管G2c正向耦接在整流器G2的第二DC端子G2_{DC_b}与整流器G2的第一AC端子G2_{AC_a}之间，且第四二极管G2d正向耦接在整流器G2的第二DC端子G2_{DC_b}与整流器G2的第二AC端子G2_{AC_b}之间。

这里需要指出的是，本领域技术人员知道整流器的其他配置，在此的配置仅作为示例提供。

整流器G1的第二AC端子G1_{AC_b}可以耦接到整流器G2的第一AC端子G2_{AC_a}。另外，整流器G1的第一AC端子G1_{AC_a}以及整流器G2的第二AC端子G2_{AC_b}可以耦接到AC供电网络，具体地分别连接到AC供电网络的第一端子201a和201b，用于接收AC供电。AC供电网络例如商用电网。在三相或更多相AC供电的情况下，第一端子201a和201b可以表示其中的一相。

另外，整流器G2的第一DC端子G2_{DC_a}和第二DC端子G2_{DC_b}可以用于向负载提供DC供电(例如，DC电压或DC电流)。在该示例中，以电梯制动器线圈209作为负载的示例。例如，整流器G2的第一DC端子G2_{DC_a}和第二DC端子G2_{DC_b}可以分别连接到制动器线圈209的第一端子(高电压侧端子)和第二端子(低电压侧端子)。但是，本公开不限于此。在此描述的DC电源200可以适用于其他需要直流供电的部件。

在电梯制动器线圈的情形下，在DC输出侧，可以不设置平滑电容器，这是因为制动器线圈的大电感导致直流电流容易维持(不易突变)。由此，可以降低电路的成本。另外，在该示例中，不需要为制动器线圈209额外反向并联续流二极管，整流器G2中的二极管可以起到相同的作用。

另外，为了抑制AC输入中的谐波等因素以满足电磁兼容性(EMC)要求，还可以在AC输入处设置EMC滤波网络203(例如，图2中所示的电感L和电容C构成的滤波网络)。

在该DC电源中，第一整流器G1的第一DC端子G1_{DC_a}与第二DC端子G1_{DC_b}之间通过可控功率半导体开关211相连接。由于第一整流器G1的整流作用，故而在此可以使用可控功率半导体开关211，因为通过其的电流方向在工作过程中保持一致(在该示例中，图2中从上至下的方向)。例如，可控公开半导体开关211可以是任何门控制(gate-controlled)开关，包括金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)、双极型晶体管(BIS)等。通过使用半导体开关，相比于机械开关，可以降低开关动作时的噪声。

为了应对故障如接地故障或短路故障，可以通过电流感测器(例如，霍尔元件等)来感测制动器线圈209两端的电流。电流感测器的感测结果可以输入到控制器215。控制器215可以根据电流感测器的感测结果，例如在感测结果指示故障(例如，制动器线圈209第一端子处的电流不等于第二端子处的电流)时，控制可控功率半导体开关211关断。

通过控制(例如通过控制器215)可控功率半导体开关211的接通/关断，可以控制向制动器线圈209的供电/断电。由于采用了半导体开关，这种接通/关断是相对快速的。根据本实施例，切断时间能够做到小于20微秒，甚至小于10微秒，并因此可以降低保险丝被烧毁的风险。

由于线圈上的电流是感性电流，不会立即变为零。当检测到故障时，需要备用路径释放该电流。例如，在图2的实施例中，如果可控功率半导体开关211断开，则线圈上的电流可以沿着第二整流器G2中的第一至第四二极管G2a-G2d流动并因此释放。

为了避免在接地或短路故障时的电流(例如，流过可控功率半导体开关211和各二极管的电流)过大，在第一整流器G1的第一直流端子与第二直流端子之间可以与可控功率半导体开关211串联连接一电感器205。例如，电感器205可以连接至可控功率半导体开关211与整流器G1的第一DC端子G1_{DC_a}之间。

参见图3，横轴表示时间，纵轴表示电流。当制动闸皮工作时，制动器线圈的电流中会出现小的抖动(见箭头所指处)。根据本公开的实施例，可以通过电流感测器监测这个电流抖动，并由此可以计算制动闸皮与制动盘之间的距离。这种抖动可以指示制动闸皮的磨损程度。控制器215根据监测结果，可以发信号通知更换闸皮。

除了发生故障时对可控功率半导体开关211的控制，还可以控制可控功率半导体开关211按照一定的触发角而接通和关断，以在第二整流器的第一DC端子与第二DC端子之间获得期望的电压。这类似于调光器电路中双向可控硅元件的控制。

图4是示出了根据本公开实施例的开关控制时序的示意图，其中横轴表示时间，纵轴表示电压。

如图4所示，在AC输入侧，存在AC供电电压(图4中的灰线所示，例如是正弦波形)。在正常工作时，可控功率半导体开关211可以并不总是接通，而是按照一定的触发角(相对于AC供电电压的一定定时或者说相位，更具体地，例如开关接通时刻相对于AC供电电压过零点的定时/相位关系)接通和关断。例如，可以在AC供电电压的一个过零点之后经过预定的时间接通可控功率半导体开关211，且可以在接近AC供电电压的下一个过零点处关断可控功率半导体开关211，如图4中的黑线所示。根据触发角的不同，可以输出不同的DC电压。上述预定时间可以依据所需的DC输出电压而定。

在该DC电源中，与现有技术中的直流电源不同，不存在任何过高的开关频率。例如，在图4的示例中，开关频率为AC供电的频率(例如，50Hz或60Hz)的两倍(例如，100Hz或120Hz)。而常规斩波器中的开关频率可以高于20kHz。

在一个示例中，可控功率半导体开关211可以按照变化的触发角接通和关断，使得在该DC电源耦接到供电AC网络之后DC输出电压以斜坡状上升，且在该DC电源从供电AC网络断开之前DC输出电压以斜坡状下降。

图5是示出了根据本公开实施例的以变化触发角控制开关的示意图。

图5示出了在时间上连续的若干半周期(未区分正负)，其中横轴表示时间，纵轴表示电压。更具体地，图5示出了开始通电时的情形。如图5所示，在开始通电也即从断电状态切换为供电状态时，可以逐个半周期改变开关的触发角。如图中的阴影部分所示，触发角可以逐渐减小。相应地，DC输出电压(至少部分地基于阴影部分的面积)逐渐增大，直至到达所需的DC输出电压。于是，可以逐渐地向负载通电。

另外，当需要断电也即从供电状态切换为断电状态时，触发角可以逐渐增大，且因此DC输出电压可以逐渐降低，直至变为零，即断电。于是，可以逐渐地对负载断电。

尽管图5示出了每个半周期改变触发角的示例，但是本公开不限于此。例如，触发角的改变可以更慢，例如每两个或更多半周期改变。

这在制动器线圈的情形下特别有利。开关的打开时刻和闭合时刻的相位变化导致电压以斜坡方式上升或下降，使得在关闭或开启机械制动时的噪音降低。

在图2所示的示例中，可以通过两个电流感测器分别感测制动器线圈209两端处的电流I1、I2。但是，本公开不限于此。可以通过电流感测器共同感测制动器线圈209两端处的电流I1、I2。

图6是示出了根据本公开另一实施例的DC电源的电路图。

图6所示的DC电源200’与图2所示的DC电源基本上相同，除了电流感测方式之外。如图6所示，可以仅使用一个电流感测器来测量制动器线圈209两端的电流。为了保证正常情况下的电流在感测器中的方向相同，采用图6所示的布线方式(参见I1处)。这样，所感测的电流I1是通过制动器线圈209的电流的两倍。

如上所述，可以通过控制器215来监测电流并控制开关。这种控制器215可以设置在DC电源内，或者可以设置在DC电源之外。

用在上述实施例中的设备的各种特征或功能模块可以通过电路(例如，单片或多片集成电路)来实现或执行。设计用于执行本说明书所描述的功能的电路可以包括通用处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、或其他可编程逻辑器件、分立的门或晶体管逻辑、分立的硬件组件、或上述豁件的任意组合。通用处理器可以是微处理器，也可以是任何现有的处理器、控制器、微控制器、或状态机。上述电路可以是数字电路，也可以是模拟电路。因半导体技术的进步而出现了替代现有集成电路的新的集成电路技术的情况下，本申请也可以使用这些新的集成电路技术来实现。

如上，已经参考附图对本公开的实施例进行了详细描述。但是，具体的结构并不局限于上述实施例。本公开也包括不偏离本公开主旨的任何设计改动。另外，可以在权利要求的范围内对本公开进行多种改动，通过适当地组合不同实施例所公开的技术手段所得到的实施例也包含在本公开的技术范围内。上述实施例中所描述的具有相同效果的组件可以相互替代。

尽管以上已经结合本公开的优选实施例示出了本申请，但是本领域的技术人员将会理解，在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可以对本公开进行各种修改、替换和改变。因此，本公开不应由上述实施例来限定，而应由所附权利要求及其等价物来限定。