CN100533932C - 开关电源装置 - Google Patents

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Abstract

一种开关电源装置，其包含至少一个由一控制电路(AST)控制的开关(S)，藉此连接及截断一输入直流电压(UV)。一控制器(STE)当中设置一热能模型(THM)，藉此可计算或估计至少一种元件(S；D3、D4、UET)的温度，而热能模型会获提供至少一项视乎荷载而定的电流值以作为电力数量。当达致预设的限值或多个限值的函数时，控制器(STE)会根据计算或估计所得的温度而输出至少一限制讯号(abs，ala)，用作令温度减低。至少一限制讯号(abs)提供至控制电路以令温度减低及因而减低电力。

Description

开关电源装置
技术领域
本发明是关于一种为荷载提供受控制输出电压或输出电流的开关电源，并具有至少一个由控制电路控制的开关，藉此连接及截断一输入直流电压，并备有为过荷情况而设的断路控制器。
背景技术
就本发明而言，开关电源指任何同时包含可开关(即时钟同步)的半导体元件的电源类型，其产生一以一般方式控制及来自直流或交流电压(一般来自输电线交流电压)的直流或交流输出电压，以馈送一项或以上的荷载。本发明尤其是考虑到会产生经调节输出直流电压的开关电源，例如由230/400伏特的未经调节交流电压产生例如为40伏特经调节输出的直流电压。
在开关电源的额度设定上，特别是用于工业控制时，计算耗电量即使可行但亦会是一项重大的开支，而一般情况是只可以作出估计，因为峰值耗电量主要视乎所运行的控制程序而定。故此，电源的额度设定通常大量过高，必定引致较高的费用及需要较大的空间。
开关电源一般设有最高输出电力，例如以电流限制器设定在一固定水平，据此，最高输出电力可保持在固定负荷状态。在此情况下是假设一最高环境温度。按照目前的技术，所知的电源能够产生高于额定值的输出电流或电力并维持一段短暂时间。举例而言，该等电源能够产生额定电流3倍的电流并维持25毫秒。此外亦已知的电源能够增强以提供较高的输出电力，例如在低环境温度下提高10％至30％(“额定值降低”)。
瞬时过荷亦可以透过与输出并联的电池提供，但该解决方案有其弊端，因为必须顾及电池的寿命及成本，并有需要另设断路装置，例如一特别的荷载电路，以保障不会发生大幅度放电，而且除了成本外，电池亦具有相当的体积及重量。
装有熔断器的电荷供应所须考虑的热容量基本因素，通常被认知为及已经原则上透过与荷载适配的慢速回应熔断器达致。举例而言，美国专利5,283,708A显示一种保护与三相线连接的电动马达的电子保护装置，其可避免荷载长期高于额定荷载，在此系统中可以计算马达即时的温度，并用以关掉马达。
然而，本发明并非基于保护荷载及就其特性所须考虑的因素，而是提供一种价格相宜的开关电源。
发明内容
就此，本发明的一项目的，是提供一种可以避免因额度设定过高而引致不必要高成本的开关电源，尤其是可应用于现行情况，特别是荷载及温度情况的智能型适配。
此问题可透过最初所述类型的开关电源解决，按照本发明，设有一种设置一热能模型的控制器，藉此可计算或估计至少一个部份的温度。根据此解决方案，该热能模型获提供一项以电量的模式根据荷载决定的电流值，当上述计算或估计所得的温度及/或根据荷载而定的电流值达到可以预设的限值或多个预设的限值的组合时，控制器会被引导产生至少一种限制讯号，该限制讯号可用以作为一种中断，以减低温度，而且至少一限制讯号可传达至控制电路，驱使控制电路减低温度及继而减低电力。
凭借本发明，可以提供一种相对于一般电源而言结构上较细小及成本较低的开关电源，因为本发明仅以平均耗电量作额度设定。在实施上，实际能够把额度设定减至约为额定电力的一半，唯一增加的成本，只有与温度监察有关的成本。
在一项变化的实施例中，限制讯号定为用以切断主要及次要方面的电源。
更为便利的方式，是把限制讯号用于控制一降温/散热装置。藉此方式，在瞬时过荷的情况下，便可以防止或至少延迟切断电源。
在不少情况下，宜把限制讯号用作为一种警告讯号，因为使用者能够采取适当步骤以避免或减少损害。
在优选的变化实例中，定有至少一个温度感应器，用以确定电源的有关温度，据此，热能模型中可以使用来自至少一个感应器的讯号。相对于其他运作参数值而言，温度数值对于电源过荷情况有着直接及明显的重要性。适当的方式计有把温度感应器用于与电源热相关的环境的温度，或把温度感应器用于确定半导体组件的温度及/或与半导体组件热相关的环境的温度，或把温度感应器用于确定变压器的温度及/或与变压器热相关的环境的温度。
另一方面，在许多情况下的适当方式是热能模型至少获提供以电量的模式，来自电源的输出电流，或是热能模型获提供以电量的模式，流经变压器UET的主绕组WP的主电流，热能模型能够从该等数值作出估计，例如估计电力半导体的晶片温度。
在另一变化实例中，可规定热能模型储存有个别部份的热能时间常数，在元件温度的计算/估计中可计及此等常数。藉此方式，便能计及实际半导体(晶片)温度与例如壳体或散热器温度之间通常明显的延迟。如热能模型是用作在计及储存时间常数下持续计算元件的温度，则尤为有效。
另一能够简单地达成的变化实例的特征，在于热能模型包含一列运作参数赋值与限制讯号的可能组合，而控制电路的目的在于从该列组合中选取及输出与量度所得数值相应的至少一个限制讯号。
控制系统包含至少一个数字处理器的设计，能力尤佳。
另一方面，控制系统可以设计为至少一部份是一类比系统。热能模型-尤其是简化的热能模型，可从操作放大器、电阻及电容器建立。
附图说明
本发明及其他优点在下文以在附图中阐明的实施例更详细说明。图1显示按照本发明设计为开关转换器的电源的基本电路图。图2显示另一可能实施例，亦是一基本电路图。
具体实施方式
按图1所示，输入电压UE由整流器D1调整，施加于电容器CE的经调整电压UZK经过受控制开关引导至变压器UET的主绕组WP。感应器电阻RS与受控制开关串联以厘定流经变压器UET的主绕组WP的主电流。
受控制开关S由一控制电路AST所控制，其提供一种经一般方式脉宽调制的具恒常甚或可变频率的讯号。控制电路获提供来自一附属绕组WH及一附属整流器D2的电压UV，该电压被施加于一电容器C4。获施加电压UzK的相对高电阻的电阻器RV可用作起动电路。
在次电路内，次绕组WS的电压被调整，其利用例如二极管D3及D4及电感L连同在此例子中按通量转换器原则建立的转换器。在此应指出，明显地通量转换器或混合转换器类型均可在本发明使用。
经调整的输出电压UA施加于电容器CA。在次电路的电压探测电路UEK透过一光耦合器OKO向控制电路AST提供有关输出电压的资料，以使输出电压能够按一固定值调节。同样地，但未有在此显示，如拟对次电流进行调节，可向控制电路AST提供有关输出电流IA的资料。
在本例子中，输出电流IA由一串联电阻RD确定，并供应到一控制器STE的电流探测单元IAK。亦可以使用其他可能的电流量度方法，例如透过电流变压器。
主电路的感应器电阻RS以已知的方式为控制电路AST提供流经变压器UET的主绕组WP的主电流的路径，并向控制器STE的电流探测单元IEK提供一讯号。此STE电路包含一热能模型THM，在本例子中其包含有关输出电流及有关输入电流的资料。
热能模型THM从输出电流或选择性地从输入电流的数值，计算或估计关键元件例如二极管D3及D4或开关S的温度。热能时间常数、散热器详细资料等亦在热能模型THM中计及。例如变压器UET绕组的温度亦可随同半导体温度一同使用热能模型THM计算/估计。
当电路使用热能模型确定已达到可予指定的温度限值，或达致该等限值的关键组合后，其即会发出至少一种限值讯号，在本例子中透过一接口INT发出。发出的限值讯号亦能够以不同顺序启动多项程序，例如一项讯号可首先输出至一风机控制器LST，令风机的马达MOT开动或加速，藉以利用该风机把若干元件或电源壳体内部降温，只要此项措施本身导致温度或温度组合降至低于其临界值，便不会发生其他情况，或是风机控制器将会在一段时间后再次关掉。即使在风机控制器已启动时，当然亦可输出警告讯号至例如一控制电脑或一警告灯。如启动风机无效，则会输出关闭讯号至电路AST，其会调低开关电源的电力，例如至备用操作的情况，直至过荷消除为止。
为方便使用者，STE电路亦可包含一记忆体SPE连同一显示器ANZ，该显示器显示电流的记录，尤其是关闭时间前的电流记录。例如，其可显示10至100秒的周期。使用者能够从显示决定可能造成关闭的原因。
图2显示的实施例与图1所示的通量转换器的设计相应，其与图1实施不同在于热能模型THM并非基于电源的电量，而是基于指配到电源不同元件的温度感应器量度所得的温度。
其中尤其是提供确定电源室温或环境温度的温度感应器TS1。在此，另一温度感应器TS2量度主开关S散热器KK的温度，温度感应器TS3量度与次二极管D3及D4相应的散热器KK的温度，而具有例如连接至变压器UET核心的导热连接的温度感应器TS4则指配到变压器UET。
利用所确定的温度，控制器可藉热能模型计算或估计实际的临界温度值，例如半导体晶片温度或变压器绕组温度，然后，如果达致可预先指定的限制值或该等限值的关键组合时，则输出之前所讨论的限制讯号或其他适当讯号。
就温度量度而言，必须注意实际的临界温度不可能以合理的成本量度，特别是半导体晶片的温度。在量度时必须钻入各元件，把温度感应器放置于隔热的特别要求位置。因此，与特定元件相关的温度会被量度，例如是半导体壳体的温度或半导体散热器上若干点的温度。即使是变压器，通常亦难以量度绕组的温度或核心温度，因此例如会量度电路板上与变压器的电连接位的温度。热能模型包括所有必要的参数，使能够可靠地及与时间相关地从实际量度所得的温度确定有关(即临界)温度。就此而言，应注意传热阻及热能时间常数。此外，亦已知荷载电流及输入电压对变压器热度而言有其重要性，荷载电流的重要性在于铜的损耗，而输入电压的重要性是由于与输入电压的增加连带增加的电容损耗，此亦应计及，按图2所示，输入电压及输入电流均提供给热能模型作为参数。
举例而言，为了准确地确定二极管D3或D4其中之一的实际二极管温度，将从已知荷载电流获取的讯号加于实际量度所得的散热器温度。在特定实施例中，举例而言，每安培的荷载电流均具有能够增加一讯号到散热器的量度的效力，令致量度结果较适当地就变压器计及者高出开氏2度。
此外，应注意除图1及图2所示的可能性外，其他组合亦可用以确定运作参数。举例而言，可以把来自主电路及次电路的所有电量，甚至是更多的温度数值提供给热能模型，当然必须按情况作出合乎经济的选择，考虑例如就传输而言，会增加设计成本的光耦合器或其他隔离措施是否必需。
一般而言，控制器STE或热能模型THM将包含一数字处理器DSP，举例而言，其令致可永久包括一部份或以上的热度，但肯定此举涉及相对较高的计算能力，因为热能模型必须经常更新，例如每秒数次。
另一可能性是在一抹除式唯读记忆体(EPROM)设立各可能参数值的可能组合列表，然后处理器只须找寻适当的参数列表，并进行当中储存的指令。该列表举例而言可包含100个“如果”(IF)指示，例如下文所载：
“如果”(IF)环境温度<20℃“及”(AND)荷载电流<1.2·inominal，“则”(THEN)于32秒内发出警告讯号。
控制器连同热能模型基本上并不系于数字处理器DSP，而是整个热能模型亦能够由操作放大器、电容器及电阻器以类比形式模拟，但一般而言此方式较昂贵，并且不优选于现有的合适处理器。

Claims (15)

1.一种为荷载提供受控制输出电压(UA)或输出电流(IA)的开关电源，所述的开关电源包括至少一个由一控制电路(AST)控制的开关，藉此连接及截断一输入直流电压(UV)，并备有为过荷情况而设的断路控制器，其特征在于，所述的开关电源包括一控制器(STE)，所述的控制器包括一热能模型(THM)，藉此计算或估计至少一种元件(S；D3、D4、UET)的温度，而至少一项根据荷载而定的电流值以电量的模式提供至热能模型，
当上述计算或估计所得的温度及/或根据荷载而定的电流值达到预设的限值或多个预设的限值的组合时，控制器(STE)输出至少一限制讯号(abs，ala)，及向控制电路(AST)提供至少一种限制讯号(abs)，令控制电路减低温度，并因此减低电力。
2.按照第1项权利要求的开关电源，其特征在于，使用所述至少一限制讯号中的一种限制讯号(abs)以切断开关电源的主电路和次电路。
3.按照第1项权利要求的开关电源，其特征在于，使用所述至少一限制讯号中的一种限制讯号(lst)以控制一降温/散热装置。
4.按照第1项权利要求的开关电源，其特征在于，使用所述至少一限制讯号中的一种限制讯号(ala)作为警告讯号。
5.按照第1项权利要求的开关电源，其特征在于，提供至少一个温度感应器(TS1...TS4)，以确定电源的温度和/或与电源热相关的环境的温度，而至少一个温度感应器的讯号提供到热能模型(THM)。
6.按照第5项权利要求的开关电源，其特征在于，从所述的至少一个温度感应器中提供一个温度感应器(TS1)，以确定与电源热相关的环境的温度。
7.按照第5项权利要求的开关电源，其特征在于，从所述的至少一个温度感应器中提供温度感应器(TS2、TS3)，以确定半导体组件的温度及/或与半导体组件热相关的环境的温度。
8.按照第5项权利要求的开关电源，其特征在于，从所述的至少一个温度感应器中提供一个温度感应器(TS4)，以确定变压器(UET)的温度及/或与变压器(UET)热相关的环境的温度。
9.按照第1项权利要求的开关电源，其特征在于，将开关电源的输出电流(IA)提供到热能模型(THM)作为电量。
10.按照第9项权利要求的开关电源，其特征在于，还包括一电位分隔变压器，将流经变压器(UET)的主绕组(WP)的主电流提供到热能模型(THM)作为电量。
11.按照第1项权利要求的开关电源，其特征在于，热能模型(THM)包含单个元件的储存热能时间常数，在计算或估计元件温度时将会使用该时间常数。
12.按照第11项权利要求的开关电源，其特征在于，基于所储存的热能时间常数，热能模型(THM)用于持续地计算或估计元件的温度。
13.按照第1项权利要求的开关电源，其特征在于，热能模型(THM)包含一运作参数赋值与限制讯号的组合的列表，而控制器是用作选择及输出至少一项与该列表中量度数值相应的限制讯号。
14.按照第1项权利要求的开关电源，其特征在于，控制器(STE)包含至少一个数字处理器。
15.按照第1项权利要求的开关电源，其特征在于，控制器至少有一部份应用类比结构。
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