CN101228682B

CN101228682B - 具有全桥电路和大调节范围的电源单元

Info

Publication number: CN101228682B
Application number: CN2006800235053A
Authority: CN
Inventors: L·塞斯纳克; M·科加德
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 2005-06-30
Filing date: 2006-05-30
Publication date: 2012-05-02
Anticipated expiration: 2026-05-30
Also published as: CN101228682A; EP1897213B1; RU2008103344A; ATE506736T1; JP2008545359A; RU2391763C2; US20090213622A1; DE102005030601A1; KR20080033313A; US8107261B2; WO2007003475A1; EP1897213A1; DE502006009356D1

Abstract

本发明包含一种电源单元，该电源单元由至少一个变压器(TR1)、至少一个全桥电路、次级绕组和放电电路组成，变压器(TR1)的初级绕组通过所述至少一个全桥电路被连接到直流电压输入(UE)，借助该次级绕组通过桥式整流电路以及输出扼流圈(L2)和输出电容器(C2)给输出电路加载直流电压输出(UA)，该放电电路由二极管(D5)、电容器(C4)和电阻器(R1)组成，用于减小次级侧的峰值电压，其中，设置另一次级绕组、另一桥式整流电路和另一放电电路，借助该另一次级绕组、另一桥式整流电路和另一放电电路通过输出扼流圈(L2)和输出电容器(C2)给输出电路加载部分直流电压输出(UA)。由此，在电阻器(R1，R2)中形成较小的损耗并且提高效率。

Description

具有全桥电路和大调节范围的电源单元

本发明涉及一种电源单元，该电源单元由至少一个变压器、至少一个全桥电路、次级绕组和放电电路组成，变压器的初级绕组通过所述至少一个全桥电路被连接到直流电压输入(Eingangsgleichspannung)，借助该次级绕组通过桥式整流电路以及输出扼流圈和输出电容器给输出电路加载直流电压输出，所述放电电路由二极管、电容器和电阻器组成，用于减小次级侧的峰值电压。

不同结构形式的电源单元的数目在近几十年急剧增加。同时，对于电源单元提出的要求也增加。在此，低故障率和高效率是最重要的要求。一种广泛流行的结构形式是开关电源单元，该开关电源单元通常比线性电源单元更小和更轻，并且产生更少的损耗热。为了减少在开关电源单元中出现的开关损耗和限制电流峰值或者电压峰值，按照现有技术使用所谓的放电电路(也称为缓冲电路)。因此保护灵敏的开关元件并改善了EMC特性。

这种放电电路通常由电容器以及二极管和/或电感器以及必要时还由电阻器组成。

在被实施为全桥变换器的开关电源单元中，按照现有技术使用放电电路，以便将在整流过程中形成的寄生电压峰值排出到该放电电路(参见图1)。在具有恒定的输入电压和输出电压的全桥变换器中，按照现有技术设计放电电路，以致几乎所有被存储在放电电路的电容器中的能量被引向输出电容器，并且因此没有损失。

对于具有用于连接到例如交变能量发生器(燃料电池、光电元件)的输入电压范围的全桥变换器，设计用于进行电流峰值限制和电压峰值限制的放电电路更困难。在变换器的输出扼流圈中，在通过变压器进行功率传输的时间内建立电压，该电压取决于直流电压输入乘以变压器的变换比与直流电压输出之间的差。该电压接着也供给放电电路，由此放电电路的电容器中的电压上升超过直流电压输出。按照现有技术，通过该电压差，被存储在放电电路的电容器中的能量接着仅通过电阻器消耗，或者通过直流斩波变换器(Tiefsetzsteller)发出给输出电容器。为了保持部件数目和制造成本小，在此通常采用电阻器，并且忽略与其相关联的损耗。

可是，在采用用于交变能源的电源单元时，为了优化总效率，在输入侧设置大调节范围越来越重要。在放电电路的电阻器中损耗的能量于是不再能被忽略。

因此本发明所基于的任务在于，针对开头所提及类型的电源单元给出对于现有技术的改进。

根据本发明，该任务通过一种电源单元来实现，该电源单元由至少一个变压器、至少一个全桥电路、次级绕组和放电电路组成，变压器的初级绕组通过所述至少一个全桥电路被连接到直流电压输入，借助该次级绕组通过桥式整流电路以及输出扼流圈和输出电容器给输出电路加载直流电压输出，所述放电电路由二极管、电容器和电阻器组成，用于减小次级侧的峰值电压，其中设置另一次级绕组、另一桥式整流电路和另一放电电路，借助该另一次级绕组、另一桥式整流电路和另一放电电路，通过输出扼流圈和输出电容器给输出电路加载部分直流电压输出。

通过布置两个次级支路，在输入电压的上临界范围内明显减小了降落在电阻器上的电压差。通过开关过程引起的电压峰值的排出的能量分布在两个放电电路上，并且因此减小电容器在放电电路中的充电。因此，在两个电阻器中损耗较少的能量，并且提高电源单元的效率。

在本发明的一种改进方案中，在此给变压器设置两个次级绕组。在此，采用单个变压器有利地对电源单元的结构大小和制造成本产生作用。

但是，如果给两个变压器都设置有初级绕组和次级绕组，并且这两个初级绕组中的每一个初级绕组都通过全桥电路被连接到直流电压输入，则也是有利的。通过采用两个变压器，电流通过输入扼流圈的电流脉动(Stromrippel)和电流通过输出扼流圈的电流脉动显著更小，这能够显著减小输入侧和输出侧的滤波。

此外，如果由四个开关组成至少一个全桥电路并且设置用于控制开关的电子控制装置，则是有利的。这些开关于是能利用相移调制来控制，其中时滞是可调制的。

此外，将开关构造为晶体管是适宜的，因为在此涉及通用的、故障安全性更高的开关。

下面参考附图举例说明本发明。其中：

图1以示意图示出按照现有技术的具有放电电路的全桥变换器，

图2以示意图示出具有分开的次级绕组的全桥变换器，

图3以示意图示出具有两个变压器的全桥变换器。

在图1中示出作为按照现有技术的具有次级侧的放电电路的全桥变换器的电源单元。在初级侧，包括四个晶体管T1、T2、T3和T4的全桥通过输入扼流圈L1和输入电容器C1被连接到直流电压输入UE。该全桥的输出端与变压器TR1的初级绕组连接。在次级侧，在变压器TR1上布置同向绕制的次级绕组，在该次级绕组上连接桥式整流电路。该桥式整流电路包括四个二极管D1、D2、D3和D4。通过输出扼流圈L2和两个输出电容器C2和C3给输出电路加载直流电压输出UA。在此，第二输出电容器C3示例性地被构造为极化的电解电容器。

在次级侧，另外布置放电电路，该放电电路具有二极管D5、电容器C4和电阻器R1。在此，二极管D5的阳极与桥式整流电路的电压输出端连接，而二极管D5的阴极与放电电路的电容器C4和电阻器R1连接。电容器C4和电阻器R1的第二连接端位于直流电压输出UA上。

在接通第一对晶体管T1和T4时形成电流脉冲。该脉冲的上升由变压器TR1的漏感来限制，并且归因于整流过程和导通的二极管D3和D2的寄生电容。该电流脉冲在输出侧产生电压的过冲。在此，电压峰值能够采取直流电压输入UE乘以变压器TR1的变换比的两倍的值。该过电压通过放电电路限制。在此，放电电路的无源器件的规格既取决于直流电压输入UE的所选范围，又取决于直流电压输出UA的所选范围。在接通第二对晶体管T3和T2时也形成电流脉冲，并且利用两个导通的二极管D1和D4进行相同的过程。

在放电电路的电容器C4中建立的电压与直流电压输出UA之间的差降落在电阻器R1上。在此，该电压差越大，形成的损耗越大。

因此，在图2中示出的示例性的根据本发明的实施方式中，为了减少电压差而布置具有第二放电电路的第二次级分支。在初级侧，该装置对应于图1中所示的装置。在次级侧，在变压器TR1上设置分开的次级绕组，其中两个绕组都连接到桥式整流电路上。在此，第一桥式整流电路包括四个二极管D11、D12、D13和D14，同样第二桥式整流电路具有四个二极管D21、D22、D23和D24。在此，输出扼流圈L2以如下方式被布置在两个桥式整流电路之间，即第一桥式整流电路的输出端与输出扼流圈L2的第一连接端和直流电压输出UA连接，而第二桥式整流电路的输出端与输出扼流圈L2的第二连接端和次级侧的参考电势连接。

如对图1所说明的那样，这里，输出侧的过电压也由于电流脉冲而出现。这些过电压通过两个被布置在桥式整流电路的输出上的放电电路来限制。第一放电电路包括二极管D15、两个电容器C11和C12以及电阻器R11。二极管15的阴极与桥式整流电路的二极管12和14的阳极连接。二极管15的阳极与电容器C11和C12连接，其中第一电容器C11的第二连接端与直流电压输出UA连接，而第二电容器C12的第二连接端与次级侧的参考电势连接。电阻器R11与第二电容器C12并联布置。

第二放电电路同样包括二极管25、两个电容器C21和C22以及电阻器R21。在此，二极管25的阳极与第二桥式整流电路的二极管D21和D23的阴极连接。二极管25的阴极与两个电容器C21和C22连接，其中第一电容器C21的第二连接端与次级侧的参考电势连接，而第二电容器C22的第二连接端与直流电压输出UA连接。电阻器R21与第二电容器C22并联布置。

在此，对于两个放电电路都成立的是，能省略两个被包含在电路中的电容器中的每一个而不损害其功能。可是，每个放电电路采用两个电容器能够更简单地调整器件。

相对于现有技术，示例性的装置导致，对于在放电电路中排出过电压的较高的直流电压输入UE，在电阻器R21和R11中形成较小的损耗，因为过电压分布在两个放电电路上。

在图3中所示的实施方式中，次级部分对应于图2中所示的次级部分，可是，这两个次级绕组不是被布置在共同的变压器上而是分别被布置在变压器TR1和TR2上。在初级侧，第一变压器TR1的初级绕组通过由四个晶体管T11、T12、T13和T14组成的全桥电路经由输入扼流圈L1被连接到直流电压输入UE。同样，第二变压器TR2的初级绕组通过由四个晶体管T21、T22、T23和T24组成的全桥电路经由所述输入扼流圈L1被连接到直流电压输入UE。另外，在输入扼流圈L1的输出端与初级侧的参考电势之间布置滤波电容器C1。

在该拓扑结构中，全桥电路的控制脉冲相互偏移90°。在此，以与在具有分开的次级绕组的变压器中的方式相同的方式，形成要通过放电电路限制的电压峰值。可是，通过偏移控制脉冲，输出电流脉动和输入电流脉动明显更小，由此能够在输入侧和输出侧采用更小的滤波器件。

这里，在两个放电电路中的每个放电电路中，也可以省略电容器，而不限制功能性。

Claims

1.电源单元，其包括：

至少一个变压器(TR1)；

至少一个全桥电路，通过所述至少一个全桥电路，变压器(TR1)的初级绕组被连接到直流电压输入(UE)；以及

次级绕组，借助该次级绕组，通过桥式整流电路以及输出扼流圈(L2)和输出电容器(C2)给输出电路加载直流电压输出(UA)；和

放电电路，该放电电路由二极管、电容器和电阻器组成，用于减小次级侧的峰值电压，

其特征在于，设置另一次级绕组、另一桥式整流电路和另一放电电路，所述另一放电电路由另一二极管、另一电容器和另一电阻器构成，借助所述另一次级绕组、所述另一桥式整流电路和所述另一放电电路，通过所述输出扼流圈(L2)和所述输出电容器(C2)给所述输出电路加载部分直流电压输出(UA)，其中，所述桥式整流电路的输出通过该二极管与由该电容器和该电阻器构成的并联电路相串联地连接到该输出电路的输出上，并且所述另一桥式整流电路的输出通过所述另一二极管与由所述另一电容器和所述另一电阻器构成的另一并联电路相串联地连接到该输出电路的另一输出上。

2.根据权利要求1所述的电源单元，其特征在于，给变压器(TR1)设置有两个次级绕组。

3.根据权利要求1所述的电源单元，其特征在于，给两个变压器(TR1，TR2)都设置有初级绕组和次级绕组，并且两个初级绕组中的每一个初级绕组都通过全桥电路被连接到所述直流电压输入(UE)。

4.根据权利要求1至3之一所述的电源单元，其特征在于，所述至少一个全桥电路由四个开关组成，并且设置用于控制开关的电子控制装置。

5.根据权利要求4所述的电源单元，其特征在于，晶体管被设置为开关。