專利名稱：系統(tǒng)電源單元的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及向用戶供電的系統(tǒng)電源單元，這些用戶是直接或者經(jīng)過(guò)電壓系統(tǒng)變換器連接到該系統(tǒng)電源單元的直流電壓支路，系統(tǒng)電源單元包括能夠從系統(tǒng)電源充電的緩沖電容器，在系統(tǒng)電源發(fā)生故障或者中斷時(shí)，仍然在一個(gè)預(yù)定最短時(shí)間內(nèi)，向直流電壓支路供電。
多數(shù)電能轉(zhuǎn)換器中裝備有緩沖電容器，即在切換模式下，系統(tǒng)電源單元具有中間電路電壓。在大范圍系統(tǒng)電源電壓的情況下，這種緩沖電容器對(duì)應(yīng)于最大電壓。然而，必須考慮到這樣的事實(shí)在電源故障的時(shí)間點(diǎn)上，電容器僅充電到對(duì)應(yīng)于最小電源電壓的中間電路電壓。由于電容器的能量與電壓的二次關(guān)系，所儲(chǔ)存的能量低于可能的最大值，所以，緩沖時(shí)間變?yōu)榉浅６桃灾劣诓荒芙o予諸如用戶進(jìn)一步的數(shù)據(jù)保護(hù)措施。
不考慮能量值問(wèn)題，當(dāng)由交流系統(tǒng)電源時(shí)，由于周期性地向電容器脈沖充電，在交流電源供電中可能有大的畸變以及相應(yīng)的大的諧波成分。
已經(jīng)知道有三種不同的解決方案來(lái)消除或者減弱這些問(wèn)題a)．?dāng)U大用戶(變換器)的工作范圍，以便達(dá)到較低的供電電壓，可以在保持用戶功能的情況下，緩沖電容器放電到較低的電壓。該方案的缺點(diǎn)是開發(fā)費(fèi)用高，由于它幾乎達(dá)到了可用技術(shù)的邊緣，變換器的不充分應(yīng)用，以及畸變沒(méi)有考慮。
b)．考慮到所需要的能量值，緩沖電容器的尺寸作成適應(yīng)于最低供電電壓。這樣，一方面造成緩沖電容器的尺寸過(guò)大，另一方面，造成了只有一部分蓄電能力被利用。緩沖電容器的重量、容量以及價(jià)格均取不希望的值，并且對(duì)系統(tǒng)電源的畸變更大。
c)．由于先連接到一個(gè)穩(wěn)定的高定值級(jí)，不管系統(tǒng)電源電壓如何波動(dòng)，緩沖電容器的電壓保持在一個(gè)固定的值上。這個(gè)方案要求一個(gè)專用的切換模式系統(tǒng)電源級(jí)，可用它來(lái)解決上述問(wèn)題，但是，它必須接受很高的開發(fā)、生產(chǎn)費(fèi)用，并且接受較大體積的要求。
EP0525898A2中的電路是由電容分壓器供給受控開關(guān)控制回路輸入電流。使得所述電路能夠在電路的啟動(dòng)期間啟動(dòng)。緩沖電容器或者其被控制的連接沒(méi)有公布。
EP0622889A2敘述了一種切換模式系統(tǒng)電源單元，它作為例如用于電視機(jī)的預(yù)控制器，并且，其中在負(fù)載電容器上的直流是由FET開關(guān)晶體管控制，使得在不同的交流系統(tǒng)電源電壓情況下，電壓基本上相等，例如等于240伏和120伏。負(fù)載電容器一直與負(fù)載并聯(lián)，不能認(rèn)為它是緩沖電容器。
EP0223316A2公布的電路是一種高定值控制器，它有可變的切換頻率，并且包括一個(gè)負(fù)載電容器，該電容器一直與負(fù)載、LC輸入濾波器的電容，以及RC積分元件的電容并聯(lián)，但它仍然不是可連接的緩沖電容器。
EP0256569A1公布的系統(tǒng)電源單元由軸向控制器組成，以在負(fù)載上的電壓紋波向零移動(dòng)的方式控制，其中，軸向控制器晶體管僅僅盡可能消除最小功率損耗，因?yàn)橹挥薪涣麟妷涸B接到所述軸向控制器晶體管上。在這種情況下，負(fù)載電容一直與負(fù)載并聯(lián)，沒(méi)有顯示出任何可連接的緩沖電容器。
本發(fā)明的目的是找到一種簡(jiǎn)單、便宜的方案，解決前述與緩沖電容器有關(guān)的問(wèn)題。
該目的利用引言中所述類型的系統(tǒng)電源單元得以實(shí)現(xiàn)。其中，緩沖電容器可以由專用的充電電路充電到一個(gè)電壓，不管直流電壓支路的電壓如何波動(dòng)，該電壓基本上恒定，并且，以基本方式對(duì)應(yīng)直流電壓的上限值，系統(tǒng)電源單元按照該限值決定它的尺寸。緩沖電容器可以在系統(tǒng)電源或者在直流電壓支路處于欠電壓的情況下，經(jīng)過(guò)被控制的開關(guān)連接到直流電壓支路。
本發(fā)明使得緩沖電容器(或者多個(gè)緩沖電容器)能夠一直充電到最高電壓，因此，所述電容器儲(chǔ)存最大電能，并且基本上對(duì)應(yīng)最大的固定緩沖時(shí)間。這樣一來(lái)，就不需要把電容器的尺寸做得過(guò)大。由于緩沖電容器只有一次充電，并不是周期性放電或者充電，它也不會(huì)導(dǎo)致在交流系統(tǒng)電源中增加諧波分量。
供電電壓通常是中間電路電壓，它直接連接到用戶或者預(yù)先連接的變換器，緩沖電容器由充電電路充電到其計(jì)劃的以及允許的最高電壓。該充電電路可能是電壓乘法器，直通回描變換器或者類似物，其中，在充電過(guò)程結(jié)束后，只有電容器的泄漏電流是必須補(bǔ)償?shù)摹．?dāng)檢測(cè)到系統(tǒng)電源故障時(shí)，緩沖電容器(或者多個(gè)串聯(lián)或者并聯(lián)緩沖電容器)借助合適的開關(guān)，特別是半導(dǎo)體開關(guān)，例如可控硅，三端雙向可控硅開關(guān)等，連接到用戶或者中間電路。
本發(fā)明的進(jìn)一步特點(diǎn)在所附的從屬權(quán)利要求中說(shuō)明。本發(fā)明以及其他優(yōu)點(diǎn)在下面將參考附圖中的實(shí)例詳細(xì)解釋，其中，

圖1所示為本發(fā)明第一實(shí)施例的方框圖；圖2所示為本發(fā)明第二實(shí)施例的方框圖；圖3所示為本發(fā)明可實(shí)際應(yīng)用的詳細(xì)電路圖。
圖1給出一個(gè)系統(tǒng)電源單元，其中，整流器和輸入部分1連接到三相交流電壓電源。整流器的輸出以及輸入部分1(除了整流器以外，它還可以包括濾波器等)連接到中間電路直流電壓U1，它繼而又連接到電壓系統(tǒng)變換器2，其輸出連接到一個(gè)用戶或者幾個(gè)用戶(圖中未示出)，例如計(jì)算機(jī)，邏輯單元，電動(dòng)機(jī)等。例如電壓系統(tǒng)變換器2可以將中間電路電壓320V變換到24V直流電壓。
中間電路提供有緩沖電容器C，但是不同于現(xiàn)有技術(shù)，它不是一直連接到中間電路電壓U1，相反地，所述緩沖電容器可以由被控制的開關(guān)S與中間電路并聯(lián)，即與電壓系統(tǒng)變換器2的輸入并聯(lián)。所述緩沖電容器可以由專用的充電電路3充電到電壓U2，該電壓大于中間電路直流電壓U1的最大值。電壓U2可以從交流系統(tǒng)電源得到，例如將該電壓加倍，可以因此得到2倍的U1值(U2=2×U1)。充電電路3當(dāng)然也可以由中間電路電壓供電。
不計(jì)不可以避免的泄漏電流，很顯然，電容器C在正常運(yùn)行期間未被充電，也未放電。
開關(guān)S由控制電路4控制。安排該電路將中間電路電壓U1與參考電壓Uref進(jìn)行比較，如果中間電路電壓U1降低到預(yù)定值以下，控制開關(guān)S接通所述開關(guān)。但是，也可以將交流系統(tǒng)電源的電壓與參考電壓值進(jìn)行比較，這樣一來(lái)可以確定系統(tǒng)電源故障或者中斷。
當(dāng)系統(tǒng)電源電壓降到預(yù)定值以下時(shí)，充電到電壓U2的緩沖電容器C也連接到電壓系統(tǒng)變換器2，在預(yù)定的緩沖時(shí)間內(nèi)，向用戶或者多個(gè)用戶供電。在要求高的應(yīng)用中，例如為了數(shù)據(jù)安全或者停止一種控制過(guò)程時(shí)，這樣做是必要的。顯然，例如一個(gè)二極管必須保證當(dāng)連結(jié)電容C時(shí)，其蓄能不能流入輸入部分1中。
不考慮系統(tǒng)電源電壓，一般情況下，電容器C上的電壓U2必須達(dá)到對(duì)緩沖電容器C以及連接到直流電壓支路的用戶有利的最高值。
如圖2所示，例如直流電壓U1為中間電路電壓，經(jīng)過(guò)分壓器R1/R2分壓以后，供給施密特(Schmitt)觸發(fā)器ST，其閾值電壓對(duì)應(yīng)于圖1的參考電壓Uref，該施密特(Schmitt)觸發(fā)器ST后面有單拍MF，在其后面有用于可控硅開關(guān)S的控制極SS?？煽毓栝_關(guān)S與緩沖電容器C串聯(lián)，并且齊納二極管DZ與其并聯(lián)，以便限制電壓。緩沖電容器C由充電電路3充電，在此處表示為電流源。
參考圖3解釋已經(jīng)實(shí)際實(shí)施的例子。提供有三相交流系統(tǒng)電源裝置，該裝置有橋型整流器V1...V6，產(chǎn)生中間電路電壓U1，例如為540V，該電壓經(jīng)過(guò)電容器和電抗線圈(圖中未示出)，濾波以后在合適的地方連接到用戶，例如變換器。
在本例中，提供有串聯(lián)連接的兩個(gè)電解電容器C5,C6,作為緩沖電容器。在所有情況下它們都充電到大約360V。在本例中，提供有一個(gè)已知的倍壓電路，它的組成為電容器C1和二極管V7,V8，并且由限制充電電流的電阻R7向電容器C5,C6充電。在電容器C5及/或C6上提供的最高電壓分別由并聯(lián)的齊納二極管V14和V15確定，在本例中，分別確定為360V，因此，在C5+C6上的總電壓為720V。
由分壓器R1/R2確定的中間電路電壓U1的一部分供給運(yùn)算放大器N1的反相輸入端，運(yùn)算放大器N1與電阻R4,R5,R6以及R14一起，構(gòu)成施密特觸發(fā)器。該放大器N1由電壓Uref供電，在本例中，該電壓為+5V。
當(dāng)系統(tǒng)電源故障時(shí)，電壓U1下降，并且造成分壓器R1/R2上的電壓也下降。其中，由負(fù)載電阻R3連接到Uref的施密特觸發(fā)器的輸出從預(yù)定值跳到正值。該電壓跳躍由二極管V9和電容器C2傳遞到另一運(yùn)算放大器N2的非反相輸入端，其中，電容器C2與電阻網(wǎng)R3,R11,R12構(gòu)成微分元件。
也由電壓Uref供電的放大器N2的反相輸入由串聯(lián)的兩個(gè)電阻R8和R9連接到輔助電壓UH，在本例中為+10V，并且通過(guò)電容器C3接地。電阻R8和R9的連接點(diǎn)通過(guò)二極管V10連接到放大器N2的輸出，它一方面由前面所述的串聯(lián)的電阻R11和R12接地，另一方面連接到達(dá)林頓晶體管對(duì)V11+V12的基極。這一對(duì)晶體管的集電極由電阻R10連接到輔助電壓UH，并且，類似地由電容器C4接地。晶體管V12的發(fā)射極由電阻R13連接到三端雙向可控硅(TRIAC)-開關(guān)V13的柵極，它的切換路徑在串聯(lián)緩沖電容器C5+C6的負(fù)端和地之間。三端雙向可控硅(TRIAC)-開關(guān)V13因此對(duì)應(yīng)圖1和圖2的開關(guān)S。
在上述的脈沖剛剛經(jīng)過(guò)電容C2，傳遞到放大器N2的非反相輸入端以后，所述放大器被阻斷，并且經(jīng)過(guò)非反相輸入端的分壓器R9,R11,R12，被加上相應(yīng)的電壓值，例如2.5V，直到電容器C3經(jīng)過(guò)電阻R8和R9，充電到同樣的值。在這段時(shí)間里，在達(dá)林頓晶體管對(duì)V11/V12的基極發(fā)生電壓脈沖，例如以4.7V/27ms的速度。達(dá)林頓晶體管對(duì)V11/V12提供給被阻斷到此刻的TRIAC開關(guān)V13一個(gè)電流脈沖，為了給電壓源UH放電，該電流脈沖主要是從電容器C4抽取。在整個(gè)過(guò)渡時(shí)間里，該電流脈沖由電流源V11,V12,R13以使TRIAC的安全門極觸發(fā)電流滿足制造廠要求的例如100mA恒定的方式保持。現(xiàn)在TRIAC開關(guān)V13切換過(guò)來(lái)，并且將串聯(lián)的緩沖電容器C5+C6接到中間電路一段預(yù)定的時(shí)間。在這段時(shí)間里，緩沖電容器可以將其能量值的主要部分供給用戶，例如在一個(gè)典型的應(yīng)用中，這些能量為1千瓦延續(xù)27毫秒。
權(quán)利要求
1．用于向用戶供電的系統(tǒng)電源單元，這些用戶直接或者經(jīng)過(guò)電壓系統(tǒng)變換器連接到該電壓供電單元的直流電壓支路，該系統(tǒng)電源單元包括緩沖電容器(C,C5,C6)，這些電容器可以由系統(tǒng)電源充電，并且，當(dāng)系統(tǒng)電源故障或者中斷時(shí)，還能夠在一段預(yù)定的最小時(shí)間里供電給直流電壓支路，其特征在于，該緩沖電容器(C,C5+C6)可以由專用的充電電路(3；C1,V7,V8)充電到電壓值(U2)，不管直流電壓支路的電壓如何波動(dòng)，該電U2基本是恒定的，并且以基本方式對(duì)應(yīng)直流電壓的上限值(U1)，系統(tǒng)電源單元根據(jù)這一極限值來(lái)決定其尺寸，并且，當(dāng)該系統(tǒng)電源或者直流電壓支路中發(fā)生欠電壓時(shí)，緩沖電容器可以經(jīng)過(guò)被控制的開關(guān)(S,V13)連接到直流電壓支路。
2．根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)電源單元，其特征在于，被控制的開關(guān)(S,V13〕的控制輸入端連接到控制電路(4；N1,N2,V11,V12)的輸出端，它可以將直流電壓支路的直流電壓(U1)與參考電壓(Uref)比較。
3．根據(jù)權(quán)利要求1或2的系統(tǒng)電源單元，其中系統(tǒng)電源是交流系統(tǒng)電源，其特征在于充電電路(C1,V7,V8)是連接到交流電壓的倍壓電路。
4．根據(jù)權(quán)利要求1到3中任何一項(xiàng)的系統(tǒng)電源單元，其特征在于提供有電壓限制電路(Dz；V14,V15)，以達(dá)到限制電容器電壓(U2)的目的。
5．根據(jù)權(quán)利要求4的系統(tǒng)電源單元，其特征在于齊納二極管(Dz,V14,V15)與緩沖電容器(C,C5,C6)并聯(lián)。
全文摘要
用于供給直接或者經(jīng)過(guò)電壓系統(tǒng)變換器連接到該系統(tǒng)電源單元的直流電壓支路的用戶的系統(tǒng)電源單元,其包括一個(gè)緩沖電容器(C),其可以由系統(tǒng)電源充電,并且,當(dāng)系統(tǒng)電源故障或者中斷時(shí),還能夠在一段預(yù)定的最小時(shí)間里供電給直流電壓支路,其中該緩沖電容器(C)可以由專用的充電電路(3)充電到電壓值(U2),不管直流電壓支路的電壓如何波動(dòng),該電壓(U2)基本是恒定的,并且以基本方式對(duì)應(yīng)直流電壓的上限值(U1),系統(tǒng)電源單元根據(jù)這一極限值來(lái)決定其尺寸,并且,當(dāng)該系統(tǒng)電源中或者直流支路中發(fā)生欠電壓時(shí),緩沖電容器可以經(jīng)過(guò)被控制的開關(guān)(S)連接到直流電壓支路。
文檔編號(hào)H02J9/06GK1225754SQ97196614
公開日1999年8月11日 申請(qǐng)日期1997年7月10日 優(yōu)先權(quán)日1996年7月23日
發(fā)明者哈拉爾德·施懷吉爾特, 安德里亞斯·克拉尼斯特 申請(qǐng)人:奧地利西門子股份公司