專利名稱：開關電源裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種特別適用于為所謂的門極單元供電的開關電源裝置，即在高電壓開關或變流器中用于控制功率半導體開關的控制單元，在該開關電源裝置中，多個半導體開關串聯著。除變流器技術之外，另外的可能的應用領域是例如食品業和醫藥業中用于廢氣凈化的集塵器或高電壓脈沖運用。在這樣的高電壓裝置中，代表性使用的串聯著的半導體開關是IGCT、GTO、半導體閘流管、MOSFET和IGBT，在大電位差的情況下為門極單元供電時要求電氣絕緣。
從現有技術已知，使用各個單獨的擁有高電氣絕緣度的電源裝置通過以下任一方法為門極單元供電，a)借助高絕緣變壓器，該變壓器與一個低電壓交流電總線并聯，通常使用50Hz技術，或者b)借助分離的高絕緣直流/直流變流器，該變流器與一個直流電源連接并且與電壓輸入端并聯。
已知裝置的缺點是，在變型方案a)中，使用典型的50Hz技術的變壓器體積大、重量重而且昂貴，而且裝配相當復雜。
在變型方案a)和b)中，絕緣/漏電路徑方面存在問題，因為交流或直流總線必須達到每一個開關接口并在那里被分接。
在大功率變流器技術中，特別地如果使用了一個線開關元件串聯電路，就對用于各個門極控制系統的變壓器的絕緣度特別也對它們在初級和次級電路間的寄生電容性耦合提出更多的要求。該耦合必須非常低以防止電子系統由于寄生耦合電容的充/放電電流對門極單元有影響。依照現有技術，封裝式變壓器因而被用來滿足對于絕緣度提出的要求。然而，這些變壓器通常擁有一個不合乎要求的大寄生耦合電容，特別是使用基于50Hz技術的變壓器的時候。
因此本發明的任務是提出一種適用于為處于不同高電壓電勢的負載供電的裝置，并且依靠該裝置可以滿足對電氣絕緣和小耦合電容的高要求。
一個具有權利要求1中描述的特征的開關電源裝置完成該任務。有利的改進方案在其他的權利要求中進行描述。
因此本發明建議了一種開關電源裝置，該裝置包含多個開關電源變壓器，開關電源變壓器的初級線圈電串聯。開關電源變壓器的每一個次級線圈都連接有一個輸出電壓調節器。初級線圈的串聯電路與一個交流電源的輸出端相連。
每一個開關電源變壓器最好包含一個鐵氧體環形磁心，該磁心帶有各自的次級線圈，其中初級線圈的串聯電路為一個高電壓絕緣導線回路形式，該回路經過所有的鐵氧體螺旋管形磁心。
為了實現該開關電源裝置而要求的低復雜性是有利的。因此，由于開關電源裝置中與單獨的門極單元相應的組件數量最少，該開關電源裝置特別適用于擁有大量串聯連接的獨立元件的高電壓變流器。變壓器在體積上很小而且可以直接安裝在門極單元的傳統印刷電路板上。
此外，優點之一是由于初級電路不需要斷開和分接，漏電路徑的問題不再發生。通過一個特別好的初級電路和變壓器的實施例也實現了一個非常小的寄生耦合電容。
給起動電路供電通常要求穩定的正負電壓。用建議的裝置，就可以以一種特別簡單的方式提供這樣的電壓。這種基本上沒有損失的調節方式也使得可以很容易地將每個變壓器幾百瓦的相對較高的功率進行轉換。也可以通過改變次級線圈匝數或通過使用附加的線圈產生高低不同的輸出電壓。
下面使用附圖中圖解的一個典型實施例對本發明作進一步的說明，附圖中

圖1展示了開關電源裝置的一個電路圖。
圖2展示了開關電源變壓器的一個優選方案，它帶有環形磁心和一個初級端的導線回路，以及圖3展示了開關電源裝置的電路細節。
圖1展示了建議的開關電源裝置的一個原理電路圖。該裝置包含多個開關電源變壓器T1、T2至TN，每個變壓器都有初級線圈P1、P2至PN，次級線圈S1、S2至SN和變壓器鐵心UK1、UK2至UKN。初級線圈P1、P2至PN的一個串聯電路形成了初級電路，在該初級電路中流通著一個由具有交流電壓VAC的交流電源WQ提供的初級電流ipri。提供的電流可以是例如方波電流，但是也可能有其他有利的電流波形，特別是一個正弦波形。
每一個次級線圈S1、S2至SN分別連接有一個整流器G1、G2至GN，在各整流器G1、G2至GN上分別后接一個單極電子轉換開關U1、U2至UN。依靠轉換開關U1、U2至UN，受各自的穩壓器R1、R2至RN控制的整流器輸出端要么(在開關位置A)分別與各自的輸出電容器C1、C2至CN連接，要么(在開關位置K)將電路短路。每一個次級端的裝置都構成輸出電壓調節器AR1、AR2至ARN。
使用圖示的裝置，可以在每一級1至N耦合輸出各自需要的功率，即通過輸出電壓調節器AR1、AR2至ARN實現。作為例子，不同的輸出功率的一個極端情況這樣被描述這里，假設全部的功率只在唯一的一級獲得，例如級1，而其他所有的級都不帶負載。那么，級2至N中的轉換開關U2至UN將在大部分時間內處于位置“K”，然而有著高功率需求的級1中的轉換開關將處于位置“A”。在這種情況下，交流電源WQ上的電壓幅值是VAC=1u··Vout,1]]>這表示，當認為組件沒有損失時，電源WQ所提供的功率與級1輸出端的功率有精確相同的值。ü為變壓器的匝數比；Vout，1為輸出電壓調節器AR1的輸出電壓。
除了以上提到的優點外，建議的裝置具有非常高的固有魯棒性的特征變壓器鐵心K1、tK2至KN可能發生的磁飽和現象對裝置的工作或工作的可靠性沒有影響。飽和可以發生在當交流電源WQ或整流器G1、G2至GN和轉換開關U1、U2至UN具有非理想的特性時，而實際中這種情況經常發生。因此，如果在初級電流ipri的正半周期，變壓器T1、T2至TN之一或更多變為飽和，則這些變壓器上沒有電壓。因而，該效果與開關S1至SN處于位置“K”時是一樣的，這對應于一個正常工作的狀態。
如果次級端之一或更多發生一個錯誤，而其他的級繼續毫無問題地被供電并且保持全功能。在這種情況下，該錯誤是否導致短路、無負載工作或任何有載的狀態是不明顯的
a)可能的極端情況“短路”對應于轉換開關Sx處于位置“K”時的正常工作狀態。
b)其他可能的極端情況發生于當錯誤導致變壓器輸出端無負載工作時。這也不是一個問題，因為受到影響的級的變壓器鐵心只在ipri的每個半周期期間變為飽和。提供給其他級的功率并沒有被削弱。這是因為無載的變壓器在初級端有一個很高的阻抗。電源WQ上的電壓因此在一段很短的時間內非常高，從而相關的鐵心在一段很短的時間后變為飽和。這樣在轉換周期的大部分時間內，正常的工作要被確保以保持未受影響的級。
特別簡單的是，可以通過給單獨的變壓器裝配附加的線圈來產生多個正/負輸出電壓。由于輸出電容器Cx在轉換開關Sx處于位置“A”時直接與變壓器Tx相連，它們有效并聯著。在這種情況下，每一個變壓器Tx中的單個線圈上只需要一個穩壓器Rx和一個轉換開關Ux。
變壓器Tx可以特別優選以一個堆棧形式實現，如圖2中示意性所示。在這種情況下，變壓器鐵心K1、K2至KN為鐵氧體環形磁心RK1至RKN的形式，每一個鐵心都帶有一個次級線圈S1至SN。所需的初級線圈的串聯電路為一個導線回路SL的形式，該回路經過所有的鐵心開孔并通過一個交流電源(圖2中未示)相連接。所需的電氣絕緣度可以通過環形磁心的內徑和絕緣特性來調整，例如通過對用于構成初級線圈的導線回路SL形式的電纜的材料、厚度和半導體表層進行選擇。
一個可能的優選的開關電源裝置實施例作為例子在圖3中圖解。交流電源WQ在這種情況下為一個降階式整流變流器的形式。例如可以是一個諧振開關電源。所示的交流電源WQ由一個直流電源GQ(具有一個直流電壓VDC)供電。該交流電源WQ包含一個電子開關Q，在這兒該電子開關例如為一個MOSFET，裝置中的所有其他開關同樣。降階式變流器的其他元件有一個二級管D，一個感應線圈L和一個用于開關Q的可脈寬調制驅動的PWM調節系統，在這種情況下，該系統通過例如一個電位計P來輸入想要的電流值。一個帶有小交流分量的直流電從而首先產生于該直流輸入電壓。后續的帶有開關Qa…Qd的一個H橋從該直流電產生出需要提供給初級電路的交流電ipri。該H橋被控制，以至于總是提供了流經感應線圈L的一個電流路徑，也就是導致所謂的“重疊控制”。
在圖1中示出的各個次級端單極轉換開關U1至UN在圖3所示的裝置中以半導體開關Q1至QN例如MOSFET的形式結合二極管D1至DN實現。各個整流器G1至GN為一個橋電路的形式；根據要求，一個星形電路也可能被使用。次極端穩壓器R1至RN通過脈寬調制PWM來起動開關Q1至QN；例如，該PWM可通過一個雙點控制器(遲滯控制器)來實現。
權利要求
1.一種包含多個開關電源變壓器(T1至TN)的開關電源裝置，其中開關電源變壓器(T1至TN)的初級線圈(P1至PN)電串聯，開關電源變壓器(T1至TN)的每一個次級線圈(S1至SN)分別連接有一個輸出電壓調節器(AR1至ARN)，初級線圈(P1至PN)的串聯電路與一個交流電源(WQ)的輸出端相連。
2.根據權利要求1所述的開關電源裝置，其特征在于，每一個開關電源變壓器(T1至TN)分別有一個鐵氧體環形磁心(RK1至RKN)，該磁心帶有各自的次級線圈(S1至SN)，初級線圈(P1至PN)的串聯電路為一個高電壓絕緣導線回路(SL)，該回路經過所有的鐵氧體環形磁心(RK1至RKN)。
3.根據權利要求2所述的開關電源裝置，其特征在于，至少一個鐵氧體環形磁心(RK1至RKN)帶有至少一個附加線圈。
4.根據前述權利要求中任一項所述的開關電源裝置，其特征在于，該裝置用于為串聯的功率半導體組件的驅動裝置進行電氣絕緣供電。
5.根據前述權利要求中任一項所述的開關電源裝置，其特征在于，交流電源(WQ)包含一個降階式變流器。
全文摘要
本發明涉及一種包含多個開關電源變壓器(T1至TN)的開關電源裝置，開關電源變壓器(T1至TN)的初級線圈(P1至PN)電串聯著，開關電源變壓器(T1至TN)上的每一個次級線圈(S1至SN)分別連接有一個輸出電壓調節器(AR1至AR2)，初級線圈(P1至PN)的串聯電路與一個交流電源(WQ)的輸出端相連。每一個開關電源變壓器(T1至TN)最好有一個鐵氧體環形磁心(RK1至RKN)，該磁心帶有各自的次級線圈(S1至SN)，初級線圈(P1至PN)的串聯電路為一個高電壓絕緣導線回路(SL)的形式，該回路經過所有的鐵氧體環形磁心(RK1至RKN)。
文檔編號H03K17/00GK1650504SQ03809198
公開日2005年8月3日 申請日期2003年4月15日 優先權日2002年4月25日
發明者A·納格爾, J·馬斯特 申請人:Abb專利有限公司