CN103797699A - 具有输出整流器的电源 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于将功率从输入端子处的第一电压电平转换到第一和第二输出端子之间的第二电压电平的功率转换器，所述功率转换器包括：一端与输入端子连接且另一端与具有切换电压电平的点连接的第一电感器；第一端子与所述点连接且第二端子与接地点连接的第一开关元件；和通过第一端子与电容器串联的第二开关元件，第二开关元件的第二端子与所述点连接，并且，所述电容器终止到地，其中，第一开关元件被配置用于以第一占空比（D）操作，并且，第二开关元件被配置用于以第二占空比（1-D）操作，第一和第二开关元件被配置为操作以使得它们的导通时段互补，所述点处的切换电压电平包含当第一开关元件导通时产生的第一脉冲和当第二开关元件导通时产生的第二脉冲。被配置为将中点处的切换电压通过一次电感器变换到二次电感器的磁耦合电路，二次电感器的第一端与具有相反极性的第一二极管和第二二极管连接，第一二极管被配置为整流第一脉冲，并且，第二二极管被配置为整流第二脉冲；以及具有连接于第一和第二输出端子之间的公共点的串联输出电容器，第一二极管的输出与第一输出端子连接，第二二极管的输出与第二输出端子连接，并且，二次电感器的第二端与公共点连接。

Description

具有输出整流器的电源

技术领域

本发明涉及开关模式电源和转换功率的方法。

背景技术

线性致动器系统被用于各种应用中，并且典型地包括通过DC电机操作的一个或更多个电气机械致动器、控制器和电源。电源是基于变压器和用于使电压平滑化的整流器的常规电源，该整流器为整流桥和电容器的形式，这样，电源是非常鲁棒和可靠的。但是，这种电源具有重量重、体积大、需要相对大量的材料且在满负载下效率为约50～60%的缺点。

另一方面，开关模式电源典型地具有更高的效率，在满负载下典型地为80～90%，而所需的材料量比上述的常规电源少。减少材料量的主要原因之一是磁性电路。在常规的电源中，降压变压器在50Hz的频率操作，而开关模式电源具有在约30～50kHz操作的磁性电路，由此允许减小磁性电路的尺寸。

开关模式电源本身是众所周知的，并且可以举出已知的拓扑，诸如Fly Back、Boost、Buck、SEPIC和Forward，Fly Back是最常见的。这些现有技术开关模式电源分别具有优点和缺点。但是，尽管具有诸如高效率的优点，开关模式电源出于各种原因还没有立足于需要具有相对高的输出的鲁棒且可靠的电源的线性致动器系统内。

注意，所述致动器系统出于各种目的被用于工业（机器和工艺工具、农业和建筑设备等）、家具（可调床、躺椅等）、医院和护理家具（医院和护理床、治疗长榻和椅子、病人升降机、轮椅等）、办公家具（手头/竖立桌子等）、能量（太阳跟踪等），这只是为了举出一些应用领域。

关于需要直流电源的许多其它应用领域，需要如下系统，该系统可在世界范围操作而不必在给定位置关于诸如110VAC/230VAC的实际电压电平而改变部件或机械开关。

发明内容

本发明的一个目的是提供也可用于线性致动器系统中的改进的功率转换器。优选地，本发明单个地或者以任何组合减轻、减缓或消除以上或其它的缺点中的一个或更多个。

提供发明内容部分是为了以简化的形式引入概念的选择，在下文的具体实施方式部分中进一步描述这些概念。本发明内容不是要标识被要求权利的主题的关键特征或基本特征，也不是打算帮助确定被要求权利的主题的范围。

在一个方面中，本发明涉及一种用于将功率从输入端子处的第一电压电平转换到第一输出端子和第二输出端子之间的第二电压电平的功率转换器，所述功率转换器包括：

－一端与输入端子连接且另一端与具有切换电压电平的点连接的第一电感器；

－第一端子与所述点连接且第二端子接地的第一开关元件；和

－通过第一端子与电容器串联的第二开关元件，第二开关元件的第二端子与所述点连接，并且，所述电容器终止于地，

其中，第一开关元件被配置用于以第一占空比（D）操作，并且，第二开关元件被配置用于以第二占空比（1-D）操作，第一和第二开关元件被配置为操作以使得它们的导通时段互补，所述点处的切换电压电平包含当第一开关元件导通时产生的第一脉冲和当第二开关元件导通时产生的第二脉冲，

－被配置为将所述点处的切换电压通过一次电感器变换到二次电感器的磁耦合电路，所述二次电感器的第一端与第一和第二二极管连接，所述二极管具有相反的极性，其中，第一二极管被配置为整流第一脉冲，并且，第二二极管被配置为整流第二脉冲；和

－具有连接于第一输出端子和第二输出端子之间的公共点的串联输出电容器，第一二极管的输出与第一输出端子连接，第二二极管的输出与第二输出端子连接，并且，二次电感器的第二端与所述公共点连接。

因此，提供了改进的功率转换器。可以看出，作为功率转换器的优点，在本实施例中，两个开关均以零电压切换操作，但不处于共振状态。零电压切换减少了切换损失。可以看出，另一优点是二次电路中的二极管D1、D2仅暴露于低电压，其原因是电容器C2箝位电压并且保护系统免受高电压尖峰。

还可看出，作为优点，正向拓扑减少了对磁性材料的需求，其原因是变压器不用作储能器，而是能量一旦到达就被传输。这导致一次侧的波纹电流减少，这尤其改善了EMC性能。

根据本发明的一个实施例，通过调整第一和第二占空比，输出端子处的电压电平被调节。

本实施例的优点是提供简单的输出电压控制。

根据本发明的一个实施例，第一和第二占空比根据输入端子处的第一电压电平被调整，以保持输出端子之间的第二电压恒定。

可以看出，本实施例的优点为功率转换器提供了用于在不同的输入电压电平保持恒定的输出的简单的控制系统。

根据本发明的一个实施例，功率转换器还包括与输入端子连接的AC到DC整流器和平滑电容器。

可以看出，本实施例的优点为功率转换器可直接与AC电力网连接。

根据本发明的一个实施例，第一开关元件包含并联连接的第一二极管，并且，第二开关元件还包含并联连接的第二二极管。

可以看出，本实施例的优点为在两个开关元件M1和M2之间在空载时间时段中提供用于电流的路径。

根据本发明的一个实施例，第一电感器和一次电感器实现为一个共同部件。

可以看出，本实施例的优点为通过其中电感器和一次电感器/变压器的绕组是一个共同部件的功率转换器，在电流中不存在DC成分，因此，磁耦合电路在变压器的芯部中不需要有空气间隙。而对于具有分离的电感器和变压器的设计，电感器需要具有空气间隙的芯部，以便在不使芯部饱和的情况下处理DC成分。

根据一个实施例，本发明包括包含根据本发明的功率转换器的致动器系统。

可以看出，本实施例的优点为提供一种致动器系统，该致动器系统具有高效率的电源和通用电压输入，这意味着致动器可与世界范围的电力网连接。

在第二方面中，本发明涉及一种用于将功率转换器中的功率从输入端子处的第一电压电平转换到第一和第二输出端子处的第二电压电平的方法，所述方法包括：

－以第一占空比（D）操作第一开关；和

－以第二占空比（1-D）操作第二开关，其中，第一和第二开关元件操作以使得它们的导通时段互补；和

－当电流在第一电感器中流动时产生切换电压，包括在第一开关元件导通时第一脉冲以及当第二开关导通时产生第二脉冲。

－通过磁耦合电路由一次电感器将切换电压变换到二次电感器；和

－通过第一二极管整流第一脉冲，并且通过第二二极管整流第二脉冲。

第二方面及其实施例的优点可被视为与本发明的第一方面的优点相当。

本发明的各个方面均可与其它方面中的任一个组合。参照描述的实施例阅读以下的描述，本发明这些和其它方面将变得明显并且得到阐明。

结合附图参照以下的详细描述，从属特征中的任一个将变得容易理解。本领域技术人员很容易想到，优选特征可被适当地组合，并且可与本发明的任意方面组合。

现在将参照附图进一步描述本发明的实施例。

附图说明

现在将参照附图更详细地描述根据本发明的功率转换器和具有功率转换器的致动器。附图示出本发明的一种实现方式，并且不应被解释为局限于落入所附的权利要求组的范围内的其它可能的实施例。

图1表示包括第一实施例中的致动器系统的医院或护理床的示意。

图2表示包括第二实施例中的致动器系统的医院或护理床的示意图。

图3表示图1和图2所示的床中的致动器系统的框图。

图4表示线性致动器。

图5表示图4中的线性致动器，这里，电机外壳和外部管被部分去除。

图6表示本发明的实施例。

图7表示本发明的实施例。

图8表示开关次序的间隔。

图9表示开关次序的间隔。

图10表示开关次序的间隔。

图11表示开关次序的间隔。

图12表示开关次序的间隔。

图13表示开关次序的间隔。

图14表示本发明的实施例。

图15表示本发明的实施例的电压和电流曲线。

图16表示输入电压与占空比之间的关系。

图17是根据本发明的方法的流程图。

具体实施方式

本发明的电源可被用于向可用于调整医院床或护理床的类型的致动器系统供电。在这种类型的床中，床垫由具有可调整靠背和搁脚部分的支撑表面承载，所述支撑表面被安装于可通过致动器系统中的线性致动器升降的床框中。并且，可通过线性致动器调整床的靠背和搁脚部分。通常，使用在WO02/29284A1Linak A/S中描述的类型的包含推杆的线性致动器的类型。

这种类型的线性致动器包括具有主轴螺母的主轴。主轴由可逆电机通过传动机构驱动。当主轴被驱动时，主轴螺母根据电机的旋转方向沿向内或向外的方向移动。线性致动器是具有封装于外壳中的轴、传动机构和电机的单独的产品。外壳典型地由电机外壳和外部管构成。内部管固定于主轴螺母上。当主轴螺母在主轴上移入和移出时，内部管位移以进入和离开外部管。在主轴螺母的相对的端部中，内部管包含前安装座。电机外壳的外侧装有后安装座。前安装座和后安装座被用于在应调整的结构中固定线性致动器。

图1表示包括装配有驱动轮2的下框架3和上框架4的医院床1。用于床垫（未示出）的可调整支撑表面5安装于上框架4上。支撑表面包含靠背部分6、铰接的搁脚部分7和其间的固定中间部分8。靠背和搁脚部分6、7可分别通过致动器9、10被调整，使得支撑表面可呈现不同的轮廓。上框架4通过各端处的联动器11、12与上框架2连接。上框架4可通过与联动器11、12连接的一对致动器13、14升降。所有的致动器9、10、13、14与控制箱15连接，控制箱15包含与电力网连接的电源和控制器。控制箱还可包含可充电电池组。

接线箱16与控制箱15连接以用于连接一个或更多个控制单元，诸如集成于头板或脚板上的手动控制器17和控制面板18，以及可能的其它外设设备。包含致动器9、10、13、14、控制箱15和控制单元17、18的整个系统被称为致动器系统。

在一个实施例中，在控制箱15中实现图6、图7或图14的电源电路。

图2表示图1所示的床以外的另一实施例中的医院和护理床20的示意图。这里，下框架3和上框架4不通过联动器连接，而是通过设计为升降柱21、22的两个线性致动器被连接。

图3表示图1所示的床中的致动器系统的框图。

图4表示线性致动器33，该线性致动器33为包含推杆的类型并因此是与线性致动器9、10、13、14相同的类型。推杆也被称为内部管34。线性致动器包含外部管35和电机外壳36。线性致动器33还包含位于内部管34的外端的前安装座37和位于电机外壳36的后安装座38。

图5表示图4中的线性致动器，这里，电机外壳36和外部管35被部分去除。线性致动器33的主要部件是包含主轴39的主轴单元，在该主轴单元上配置主轴螺母40。主轴螺母40可被固定抵抗旋转。内部管34被固定于主轴螺母40上，并可因此根据主轴39的旋转方向在外部管35上向内或向外移动。主轴39被可逆电机41通过传动机构驱动。这里的传动机构包含位于电机的驱动轴（未示出）的延伸部上的蜗杆42和固定于主轴39的蜗轮43。并且，轴承44被固定于主轴39。例如，轴承44可以是滚球轴承或滚柱轴承。

注意，本发明还可与在一个公共外壳内包含两个主轴单元和控制箱的所谓的双致动器一起使用。在WO2007/093181A1Linak A/S中进一步描述了这种类型。

图6表示本发明的一个实施例，其具有包含D3～D6的AC到DC整流器桥，该桥与230VAC连接。平滑电容器C与DC输出并行，其主要作用是使波纹电流最小化。实际的功率转换器包含电感器L1、开关元件M1和M2、电容器C1和C2、具有一次绕组L2和二次绕组L3的变压器、两个二极管D1和D2。将在以下的各部分中更详细地解释各部件的功能和转换器的总体功能。

开关元件M1和M2分别包含电子开关，诸如MOSFET晶体管等，连同并行的续流二极管或体二极管。MOSFET晶体管固有地包含内置的二极管，该二极管由此称为体二极管。

这两个开关M1和M2彼此相反地操作，每当M1为通时，M2为断，并且，当M2处于通时，M1为断，即，它们互补。另外，实现M1与M2之间的调制信号中的死区（deadband），以防止M1和M2均为通并由此导通电流的情况。

占空比是作为考虑的总时间的一部分的开关M1或M2在活动状态中的时间。在电气装置中，60%占空比意味着在总时间周期的60%上为通，并且在总时间周期的40%上为断。60%占空比的“通时间”可以是一秒的一部分。

图7表示根据本发明的转换器的简化实现，这里，电感器L1和一次绕组L2是同一绕组。

图8～13表示在电力转换的各步骤中电流如何流动，各步骤与图15中的阶段152、153、154、155对应。现在将更详细地描述它。

图8表示开关元件M1为通、间隔153并由此处于导通模式的情况。正电流87将开始流过电感器L1，只要M1导通，电流87就将增加，这由占空比调节电路（这里未示出）控制。电压源V1与接84连接。类似地，电流88也将流过L2、C1和M1。当M1为通时，跨着M1的电压电平非常小，只存在直到硅层的电压降。因此，点81几乎等于接84。电流88在L2中流动，因此，电流89也将在L3中流动，原因是L2和L3通过公共的芯部被磁耦合。在该间隔153期间，电容器C3被充电。

电路的二次侧包含L3、D1、D2、C3和C4。电容器C3和C4串联于第一输出端子91和第二输出端子92之间，两个电容器C3和C4之间的公共点86与电感器L3的一侧连接。

图9表示作为153与154之间的间隔的下一间隔。这仅是M1被关断直至M2被接通之间的空载时间，意味着没有开关被接通。M1被阻断，因此，电流87和88被强制为转向通过M2的二极管，示为电流97和98。电流98具有与电流88相同的方向，因此，电流99、89继续流动。

图10表示间隔154，这里，M2开始导通并且电流107、108均通过M2流入C2中。电流109的方向也不变。

图11表示间隔155，这里，电感器L1中的电流117的符号改变，因此L2中的电流118的符号改变，因此，电流119的方向也在二次侧改变，因此，电容器C4正被充电。

图12表示第二空载时间过渡，这里，开关元件M1和M2均不为通，因此，电流127和128转向通过M1的体二极管。电流129仍对C4充电。

图13表示最后的步骤，这里，M1为通，因此，负电流137、138通过M1流入L1和L2中。电流139仍通过D2对电容器C4充电。

图14表示本发明的一个实施例，这里，C1和L2被取消，并且，磁耦合通过磁元件140和141处于L1与L3之间，本实施例的转换器以如对图8～13解释的那样类似的方式工作。

在图14的电路的实施例中，L1与L3之间的变压比是12:1。在其它的实施例中，该比值可以处于5～30的范围中，优选处于10～20的范围中。

图15上部表示点81处的电压电平。当M1为通时，电压接近零。区域151伏特-秒由占空比D和时段确定，这里，开关时段等于整个周期152～155。当M2处于通时，电压转为VC2的电平，区域150伏特-秒由占空比1-D确定。区域150和151相等，因此，实现区域150与151之间的平衡。M1和M2的操作在图8的点或节点81中产生切换电压。

如刚刚解释的那样，图15的下部表示电感器L1中的电流。

应指出重要的是，节点81中的电压遵循图15上部的形状，意味着节点85中的二次侧的输出电压也遵循相同的曲线，由此，通过L3的电流遵循节点85的电压。

图16表示占空比与输入电压之间的关系。由于本发明的主要目的是在具有不同的输入电压电平的情况下具有恒定的输出电压电平，因此这是出于两种主要的原因。首先，世界的不同地区对于其标准电气插座具有不同的电压电平，欧洲使用230V，美国使用110V。第二，电力网标准允许电压电平波动，作为例子，标称电压的+15%。因此，线161表示作为输入电压连同占空比的函数的固定电压输出。从输入到输出的传递函数的表达式为：

Vout=n*Vin（1-duty）

这里，n是变压比，duty是0～100%之间的占空比。

控制作为前馈运行，它无需来自二次侧的反馈，这允许控制是非常简单的前馈控制（PWM）。

在具有50%占空比的实施例中，区域150和区域151的振幅和长度相等意味着C3和C4上的电压相等。

在具有25%占空比的实施例中，C3上的电压可以为C4上的电压的三分之一。

在具有75%占空比的实施例中，C3上的电压可以为C4上的电压的三倍。

通常，通用电源的设计准则是85VAC～265VAC之间的AC输入电压。

在一个实施例中，功率转换器被用作系统的电源，其中，根据本发明的功率转换器馈送具有四个电子开关的H桥，这里，电气DC电机与H桥的中点连接。

在具有DC电机的实施例中，转换器端子处的电压保持恒定或者几乎恒定，通过操作H桥中的四个开关控制DC电机的旋转方向。DC电机的旋转速度由H桥的PWM调制控制。

可按不同的尺寸和功率水平制造本发明的功率转换器。将功率转换器用于具有致动器系统的实施例的已知范围可以为200W～500W，但功率转换器可不限于该范围。

在大多数的应用中，在致动器系统中使用的电源基于上述的具有整流器和过滤电容器的常规变压器或开关模式电源。但是，存在其中电源包含可充电电池的诸如轮椅的应用。

在实施例中，与图6、图7或图14的电路类似，功率转换器通过使用本发明的拓扑对可充电电池充电。

图17表示根据本发明的在功率转换器中将功率从输入端子处的第一电压电平转换到第一和第二输出端子之间的第二电压电平的方法的流程图。

步骤900通过第一占空比（D）操作第一开关并且通过第二占空比（1-D）操作第二开关，这里，第一和第二开关元件操作以使得它们的导通时段互补。

步骤901是在电流在第一电感器中流动时产生切换电压，包含当第一开关元件导通时第一脉冲和当第二开关导通时产生第二脉冲。

步骤902是通过磁耦合电路以一次电感器将切换电压变压到二次电感器，并通过第一二极管整流第一脉冲和通过第二二极管整流第二脉冲。

总之，本发明涉及一种功率转换器，其用于将功率从输入端子处的第一电压电平转换到第一和第二输出端子之间的第二电压电平，所述功率转换器包括：

－第一电感器，该第一电感器的一端与输入端子连接而该第一电感器的另一端与具有切换电压电平的点连接；

－第一开关元件，该第一开关元件的第一端子与所述点连接而该第一开关元件的第二端子与地连接；和

－第二开关元件，该第二开关元件通过第一端子与电容器串联，第二开关元件的第二端子与所述点连接，并且，所述电容器终止于地，

其中，第一开关元件被配置用于以第一占空比（D）操作，并且，第二开关元件被配置用于以第二占空比（1-D）操作，第一和第二开关元件被配置为操作以使得它们的导通时段互补，所述点处的切换电压电平包含当第一开关元件导通时产生的第一脉冲和当第二开关元件导通时产生的第二脉冲，

－磁耦合电路，被配置为将中点处的切换电压通过一次电感器变换到二次电感器，所述二次电感器的第一端与具有相反的极性第一二极管和第二二极管连接，其中，第一二极管被配置为整流第一脉冲，并且，第二二极管被配置为整流第二脉冲；和

－串联输出电容器，具有连接于第一和第二输出端子之间的公共点，第一二极管的输出与第一输出端子连接，第二二极管的输出与第二输出端子连接，并且，二次电感器的第二端与公共点连接。

虽然已经关于特定的实施例描述了本发明，但它决不应被解释为被局限于给出的例子。本发明的范围由所附的权利要求组阐述。在权利要求的上下文中，术语“包括”或“包含”不排除其它可能的要素或步骤。并且，“一种”或“一个”等不应被解释为排除多个。在权利要求中关于图示的要素使用附图标记也不应被解释为限制本发明的范围。并且，在不同的权利要求中提到的各单独的特征可能可被有利地组合，并且，在不同的权利要求中提到这些特征不排除特征的组合不是可能和有利的。

应当理解，以上的优选实施例的描述仅作为例子给出，并且，本领域技术人员可提出各种修改。以上的说明书、例子和数据提供了本发明的示例性实施例的结构和用途的完整描述。虽然以上以一定的特殊性或者参照一个或更多个单独实施例描述了本发明的各种实施例，但是，在不背离本发明的精神或范围的情况下，本领域技术人员可对公开的实施例提出大量的修改。

Claims (8)

1.一种功率转换器，所述功率转换器用于将功率从输入端子处的第一电压电平转换到第一输出端子和第二输出端子之间的第二电压电平，所述功率转换器包括：

－第一电感器，所述第一电感器的一端与输入端子连接而所述第一电感器的另一端与具有切换电压电平的点连接；

－第一开关元件，所述第一开关元件的第一端子与所述点连接而所述第一开关元件的第二端子接地；和

－第二开关元件，所述第二开关元件通过第一端子与电容器串联，所述第二开关元件的第二端子与所述点连接，并且，所述电容器终止于地，

其中，第一开关元件被配置用于以第一占空比（D）操作，并且，第二开关元件被配置用于以第二占空比（1-D）操作，第一开关元件和第二开关元件被配置为操作以使得它们的导通时段互补，所述点处的切换电压电平包含当第一开关元件导通时产生的第一脉冲和当第二开关元件导通时产生的第二脉冲，

－磁耦合电路，被配置为将所述点处的切换电压通过一次电感器变换到二次电感器，所述二次电感器的第一端与具有相反极性的第一二极管和第二二极管连接，其中，第一二极管被配置为整流第一脉冲，并且，第二二极管被配置为整流第二脉冲；和

－串联输出电容器，具有连接于第一输出端子和第二输出端子之间的公共点，第一二极管的输出与第一输出端子连接，第二二极管的输出与第二输出端子连接，并且，二次电感器的第二端与所述点连接。

2.根据权利要求1的功率转换器，其中，通过调整第一占空比和第二占空比来调节输出端子处的电压电平。

3.根据权利要求1的功率转换器，其中，第一占空比和第二占空比根据输入端子处的第一电压电平被调整，以保持输出端子之间的恒定的第二电压电平。

4.根据权利要求1～3中任一项的功率转换器，还包括与输入端子连接的平滑电容器和AC到DC整流器。

5.根据权利要求1～4中任一项的功率转换器，其中，第一开关元件进一步包含并联连接的第一二极管，并且，第二开关元件进一步包含并联连接的第二二极管。

6.根据权利要求1～5中任一项的功率转换器，其中，第一电感器和一次电感器实现为一个共同部件。

7.一种包括根据权利要求1～6中任一项的功率转换器的致动器系统。

8.一种用于在功率转换器中将功率从输入端子处的第一电压电平转换到第一输出端子和第二输出端子之间的第二电压电平的方法，所述方法包括：

－以第一占空比（D）操作第一开关；和

－以第二占空比（1-D）操作第二开关，其中，第一开关元件和第二开关元件操作为使得它们的导通时段互补；和

－当电流在第一电感器中流动时产生切换电压，包含当第一开关元件导通时第一脉冲和当第二开关导通时产生第二脉冲，

－通过磁耦合电路用一次电感器将切换电压变换到二次电感器；和

－通过第一二极管整流第一脉冲，并且通过第二二极管整流第二脉冲。

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