CN104426226A - 具有模块化结构的开关模式电源 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种开关模式电源装置，该开关模式电源装置包括储能的充电和放电模块，充电和放电模块包含电力变压器。该装置提供较大的配置灵活性。

Description

具有模块化结构的开关模式电源
技术领域
本发明涉及一种开关模式电源。
更具体地，本发明涉及保护开关模式电源免于该电源输入端的电压的瞬间间断。
背景技术
通常，开关模式电源在输入端接收来自直流网络的直流电压。通过扩展，开关模式电源可以由交流电压整流得到的直流电压供电。当电源在短时间内失去能源时，可能遭受瞬间间断。为了保护电源免于瞬间间断，并且使电源能够在网络的瞬间间断期间继续工作(即继续提供它的一个或更多个输出电压)，可以实施保护结构。
文件FR 2 983 005公开了一种如图1的电路所示的开关模式电源结构。
输入端子100、101接收要以直流电网(或整流的交流网络)的名义转换的输入直流电压。转换模块102(其可以包括多个转换器)调节该输入直流电压，并且在输出端子103上提供调节后的输出电压。为了保护开关模式电源，储能模块104连接到转换模块的端子。
控制电路105(例如非门)控制与二极管107并联的开关106(例如MOSFET晶体管)。一组元件105、106和107是提供输入直流电压的电网的电源的连接和断开模块108的一部分。
存储模块由充电和放电模块109来充电和放电。模块109包括“升降压(buck-boost)”型的电路(“反相器”型电路)。
两个开关模块110、111与储能模块并联连接。每个开关模块包括与二极管并联的开关(例如MOSFET晶体管)。开关由充电和放电管理模块112控制。
模块111连接在存储模块104和模块110之间。模块110连接在模块111和转换模块102之间。
电感113连接在开关模块110和111的连接点和输入端子101之间。
输入电网、充电和放电模块109以及储能模块104共用的输入端子101的电势被取为参考。该电路节点因此被取为电路的接地(或“冷点”)。电源的冷点对应于该冷点作为其一部分的电路的接地或电源负端子。相反地，电源的“热点”对应于电源正端。
当瞬间间断时，根据文件FR 2 983 005的结构能够在转换模块的输入端具有在使用存储模块中存储的储能时所调节的直流电压，其与存储模块的端子的电压无关。
此外，转换模块永久地连接到(通过充电和放电模块)储能。因此，当转换模块停止使用网络的能量以开始使用存储模块的能量时，转换模块在瞬间间断开始时不被干扰。在瞬间间断结束时也一样。
此外，充电和放电模块只在存储模块的初始充电期间和瞬间间断期间产生大量损耗。
因此，根据文件FR 2 983 005的结构相对于现有技术的结构而言已经提供了许多优点，其是该文件中介绍的串联和并联结构。
然而，发明人开发了该结构并对其进行改进，尤其是提供了较大的实现灵活性。
发明内容
本发明的第一方面涉及一种开关模式电源装置，该装置用于调节在该装置的两个输入端子之间的由电网提供的输入直流电压，所述装置包括：
-用于将所述输入直流电压转换为经调节直流电压的至少一个转换模块；
-用于存储电能以在所述输入直流电压的中断的情况下恢复所述转换模块的储能模块；以及
-用于管理所述储能模块的充电和放电的管理模块。
该装置的特征在于，其还包括电力变压器，以及：
-连接在所述输入端子之间的主电路包括所述变压器的主绕组，该主绕组与由所述管理模块控制的第一开关模块串联连接；以及
-闭合的次级电路包括次级绕组，该次级绕组与所述储能模块和由所述管理模块控制的第二开关模块串联连接。
根据第一方面的装置可以用在大量配置中。因此，其提供了适配于在要将该装置集成于其中的电源系统中可能遇到的各种情形的可能性。
此外，根据第一方面的装置允许使用非常不同的(在转换模块的输入端的)总线电压和(在储能模块的端子的)储存电压(总线电压可以例如是5V，而储存电压是100V)。
因此，即使在网络电压远小于储存电压的系统中，也很容易集成根据第一方面的装置。根据第一方面的装置减轻了保持这些邻近电压的约束。
因此，有可能选择储能模块的技术，这与电网、尤其是总线电压的特性无关。
变压器的两个绕组的线圈数量之比提供了用于优化充电和放电模块以及存储模块的附加自由度。
根据第一方面的装置允许通过电流模式调节存储模块的充电和放电模块。通过使用变压器，电流的测量变得容易。
在根据第一方面的装置的结构中，开关模块的控制变得容易。这些开关模块可以参考适当电势。
管理负电势并非必要。例如，利用与开关模块串联的参考接地的两个分路(例如与这些模块的晶体管的源极串联)，有可能容易地执行电流的测量。因此，有可能在工作阶段确切地测量电流，其中该测量用于确定开关模块的断开瞬间。
此外，根据第一方面的装置可以从外部被看成是具有“反相器”型拓扑的装置。总线电压和储存电压的演进是相同的，并且在网络上提取的电流是相同的。因此，有可能以透明的方式代替“反相器”装置而使用根据第一方面的装置。
根据第一方面的装置可以例如应用“隔离反相器”或“反激(flyback)”拓扑。
例如，所述次级电路在自身上闭合。
所述次级电路可以在所述输入端子之一上闭合。
此外，所述装置可以包括断开模块，该断开模块用于在所述输入直流电压中断的情况下使所述装置与所述电网断开。
例如，断开模块与次级电路的不同的输入端子连接，所述次级电路在该输入端子上重新闭合。
还例如，断开模块与所述装置的冷点连接。
所述次级电路可以在提供所述经调节的直流电压的所述转换模块的输出端子上闭合。
例如，所述第一和第二开关模块中的至少一个具有与所述装置的冷点连接的连接端子。
还例如，所述第一和第二开关模块中的至少一个具有与所述装置的热点连接的连接端子。
根据实现，所述主绕组和次级绕组的对应端部与不遭受开关模式的电势连接。
本发明的第二方面涉及一种尤其用于飞行器的电源系统，该电源系统包括根据第一方面的装置。
附图说明
参照以下附图，通过阅读下面的非限制性的描述，本发明的其他特征和优点将变得明显，其中，除附图1之外：
-图2示出了根据实施方式的整体电路；
-图3a至3f示出了根据实施方式的其他电路；以及
-图4a至4b示出了根据实施方式的电路的调节。
具体实施方式
下面，从图2的整体示意图开始，描述本发明的实施方式。
输入端子200、201接收要以直流电网(或整流的交流电网)的名义转换的输入直流电压。转换模块202(其可以包括多个转换器)调节该输入直流电压，并且在输出端子203上提供经调节的输出电压。为了保护开关模式电源，储能模块204连接到转换模块的端子。
控制电路205(例如非门)控制与二极管207并联连接的开关206(例如MOSFET晶体管)。元件组205、206和207是提供输入直流电压的电网电源的连接和断开模块208的一部分。
存储模块由充电和放电模块209来充电和放电。
该模块209例如包括两个开关模块210、211，每个开关模块包括与二极管并联连接的开关(例如MOSFET晶体管)。开关由充电和放电管理模块212控制。通过开关模块在输入端子的参考而简化了开关模块的控制，其中所述输入端子的电势被取为所述装置的接地(或“冷点”)，在这里例如是端子201。例如，可以被用作开关的MOSFET晶体管的源极或IGBT晶体管的发射极连接到该冷点。
此外，充电和放电模块包括具有主绕组214和次级绕组215的变压器213。
主绕组214与输入端子200和201之间的开关模块210串联连接，从而形成主电路。例如，开关模块连接到其电势被取为所述装置的接地(或“冷点”)的输入端子，在这里例如是端子201。
次级绕组与开关模块211和储能模块204串联连接，从而形成次级电路。次级电路例如是闭合的。该次级电路例如在其电势被取为所述装置的接地(或“冷点”)的输入端子上闭合，在这里例如是端子201。例如，次级绕组连接在开关模块211和存储模块204之间。
图2的电路基于“反激”型的隔离反相器的拓扑。
主绕组和次级绕组被集成在彼此互连的电路中(通过冷点)。因此，由绕组之间的寄生电容引起的寄生电容电流重新变成最短回路(其经过两个绕组之间的连接，而不在电路剩余部分中甚至电路之外延伸)，并且只产生很少的电磁干扰。因此，有可能具有相对较高的寄生电容，并且因此有可能双线并绕以限制漏感。
储能的充电电压可以根据变压器的变压比来选择。尽管如此，其他参数可以被使用，例如电容器技术、存储密度、人员安全、开关技术等。“反激”拓扑使得能够获得输入电压与输出电压的不同比率，而不管变压比如何。
根据第一方法，变压比可以是单一的，即变压器的两个绕组具有相同的线圈数量。这样的变压比能够便利于电感实现和改进电感的特性，尤其使漏感最小。单一变压比的选择不非常强烈地限制储能模块的充电电压。然而，由于变压比根据网络电压和储能模块充电电压之间的电压比是固定的，因此可以使电路在占空比接近0或1的情况下工作。
根据第二方法，在考虑所选择的储能模块的充电电压的情况下，变压比可以被选择成优化要使用的电路的占空比范围。从而可以优化充电和放电模块的效率。
根据图2的示意图的开关模式电源装置可以根据多个变型来实施。特别地，输入端子中的一个或另一个上的连接和断开模块的位置、主电路的布置、次级电路的布置、次级电路的参考，提供了实现自由度。
其他的自由度与主绕组和次级绕组之间的电流隔离相关。
根据本发明的装置提供许多实现，其使得能够应用于具有各种特性的电源系统中。因此，电源设计者可以使装置适配于其系统的特定需求。在下文中，介绍了具有若干优点的装置的变型示例。所介绍的优点不限于电路。针对电路介绍的某些优点可以应用于其他。
图3a至3f是根据实施方式的装置的简化电路。特别地，未示出充电和放电管理模块。
在图3a的电路中，连接和断开模块208连接到与取为接地的电势(装置的“冷点”)相对应的装置的端子201。
模块208包括受控制的开关301(例如MOSFET晶体管)。开关由与二极管并联连接的控制电路205控制。相对于图2的模块208，晶体管301和二极管302反向地连接到晶体管206和二极管207。
当开关包括N沟道的MOSFET晶体管并且模块208连接到冷点时，晶体管可以被控制，而不会产生比热点电势(端子200的电势)更高的电势。
在图3b的电路中，在主电路中，充电和放电模块209包括开关模块303和主绕组304，其连接顺序与图2不同。在图3b的电路中，连接到电路冷点的是主绕组。
在该配置中，开关模块中的开关的寄生电容效应减小。开关的漏极(如果涉及MOSFET晶体管)或集电极(如果涉及IGBT晶体管)连接到不遭受开关模式的电势。
此外，具有不同电势的开关模块的参考(模块211参考冷点而非模块303)使得能够消除变压器中的寄生电流效应，尤其是在具有单一变压比的变压器中和在“双线并绕”的变压器中。
在图3c的电路中，在次级电路中，充电和放电模块209包括开关模块305和次级绕组306，其连接顺序与图2不同。在图3c的电路中，连接在次级绕组和存储模块204之间的是开关模块305。
图3c的电路配置提供了与图3b的电路类似的优点。
在图3d的电路中，如图2的电路中的情形那样，次级电路没有在电路冷点的电势上闭合。图3d的电路的存储模块307和开关模块308与连接和断开模块208的输出端连接。次级绕组309串联连接在存储模块307和开关模块308之间。
在图3e的电路中，次级电路在转换器模块202的输出端子上闭合。因此，存储模块310和开关模块311连接到该输出端子。变压器的次级绕组312串联连接在存储模块310和开关模块311之间。
在图3f的电路中，包括串联连接的存储模块313、开关模块314和变压器次级绕组315的次级电路在自身上闭合，而不参考电路的电势。次级电路与电路的任何点都不相连。
上面描述的不同变型提供了不同的优点。这些优点不一定互相排斥，它们可以结合在同一电路中。
特别地，在开关受其与电路控制参考的电势连接的源极(针对MOSFET)或发射极(针对IGBT)控制的变型中，该开关更易于控制。
当受控制的开关的漏极(针对MOSFET)或集电极(针对IGBT)连接到不遭受开关模式的电势时(如图3b和3c的电路中的情形)，有可能减小与通常存在于漏极或集电极和环境之间的寄生电容相关的寄生电流。事实上，构成开关的晶片衬底通常是开关的漏极或集电极。
当两个绕组的对应端部使这两个绕组与不遭受开关模式的电势相连时(如图3b和3c的电路中的情形)，可以消除两个绕组的对应线圈之间的电压的时间变化dv/dt。因此，可以使用“双线并绕”绕组以使得具有极小的寄生电容电流。“双线并绕”绕组能够使漏感最小，从而优化运转，代价是通常由寄生电容电流的增加引起主绕组和次级绕组之间寄生电容的增加。
除了图3e的变型之外，当转换模块的转换器具有电流隔离时，寄生电容电流可以通过装置内部的线路形成回路。因此，电路外部产生很少的电磁干扰。
在介绍了根据实施方式的电路的结构之后，下面详细描述这些电路的调节。
通常，为了测量装置中的电流，有可能使用电流变压器和/或分流电阻。
特别地，如图4a的电路所示，通过参考接地的分流电阻，有可能只执行电流的测量。
另一优点是这些分流电阻递送总是为正的电压。这一方面能够摆脱负电源的需要，另一方面能够考虑其中使用单个电流比较器的实现。
图4a采用具有相同附图标记的图2的电路。增加了两个分流电阻401和402，分流电阻401和402分别连接在电路的冷点与开关模块210和208之间。开关模块210和208分别由储能模块的充电信号Xch和放电信号Xdch控制。
下面参考图4b描述电路的控制策略，图4b示出了用于生成开关模块210和208的控制信号Xch和Xdch的控制电路。
电压ur*代表储能模块204的端子上的储存电压ur的设定值。电压ub*代表充电和放电模块209和转换模块的端子上的总线电压ub的设定值。
电压ur被提供给调节模块451，调节模块451的输出通过比较器452与电压ur*进行比较。同样地，电压ub被提供给调节模块453，调节模块453的输出通过比较器454与电压ub*进行比较。比较器在其输入信号的比较上施加各自的增益。
选择储存电压的设定值ur*以保护储能模块(例如包括电容器)，并且在储能模块中储存足够的能量。总线电压的设定值ub*被选择为(网络电压的)极限值，在极限值以上使用网络的能量，在极限值以下使用储存的能量。
充电和放电模块的运转由唯一的控制量i*引导，控制量i*是主电路的绕组214中的电流设定值，其如下限定：
i＝i2-(n1/n2)×i1
n1和n2分别是变压器的两个主绕组214和次级绕组215的线圈数量。
在正值imax*和负值imin*时，电流的设定值饱和。
比较器454的输出端提供的电流ib*代表确定的电流设定值以调节总线电压。比较器452的输出端提供的电流ir*代表确定的电流设定值以调节储存的电压。
比较器454的输出被提供给肖特基二极管455。肖特基二极管455的输出端的电流设定值i*等于两个设定值ib*和ir*中代数上最大的那个设定值(即在从储能模块向转换模块的能量转移的意义上说最大的那个设定值)。
事实上，如果储存电压大于设定值(ir*>0)和总线电压(ib*<0)，则应当使储存放电(i*>0)，而不是使总线放电。同样地，如果储存电压小于设定值(ir*<0)和总线电压(ib*>0)，则应当使储存放电(i*>0)，而不是使总线放电。
比较器452的输出端经由电阻457连接到电流限制模块456。比较器454的输出端也经由肖特基二极管455连接到电流限制模块。
电阻457和二极管455的关联使得能够在电流的设定值之间仲裁。
根据电流i*的符号和幅度，电流限制模块允许储能模块的充电或放电。模块456的输出被提供给三个比较器458、459、460和461的输入端。模块456的输出经由增益模块462被提供给比较器461，增益模块462的增益值取决于变压器的变压比：-(n1/n2)。
比较器459和458使得能够避免不合时宜地控制储能模块的充电和放电。此外，其使得能够避免充电和放电的同时控制。
因此，比较器458将模块456的输出和最小放电电流值idch进行比较以作为输出提供信号endch。比较器459将模块456的输出和最小充电电流值ich进行比较以作为输出提供信号ench。因此，储能模块的充电和放电只有在模块456的输出信号足够大时才被控制。
信号endch和ench被提供给同步逻辑以使储能模块的充电和放电顺序在时钟信号上同步。
信号endch作为输入被提供至第一锁存器D 463的输入端D。信号ench作为输入被提供至另一个锁存器D 464的输入端D。锁存器463和464的各自的输入端C接收每个反向门466的反向时钟465的时钟信号。锁存器463的输出端Q作为输入被提供至NAND门467，并且锁存器464的输出Q作为输入被提供至NAND门468。锁存器D 463和464是传统的，窗口469中示出了其布线的细节。
在设定值信号ur和ub之间，开关模块208和210的控制取决于分流电阻401和402中的电流的测量。
因此，比较器460将电流限制模块456的输出与代表穿过分流电阻402的电流的电压Ui2进行比较，而比较器将通过增益模块462的增益-(n1/n2)被放大的该输出与代表穿过分流电阻401的电流的电压Ui1进行比较。比较器461的输出作为输入被提供至NAND门468，并且比较器460的输出作为输入被提供给NAND门467。
充电控制信号Xch和放电控制信号Xdch由触发器RS 469和470提供。
在其输出端Q上递送供信号Xch的触发器RS 469在其输入端R(重置)上接收NAND门468的反向输出。此外，触发器RS 469在其输入端S(设置)上接收时钟465的时钟信号。在其输出端Q上递送信号Xdch的触发器RS 470在其输入端R(重置)上接收NAND门467的反向输出。此外，触发器RS 470在其输入端S(设置)上接收时钟465的时钟信号。触发器RS 469和470是传统的，窗口471中示出了其布线的细节。
具有触发器RS的控制电路使得能够以通过电流峰值的控制方式(“峰值电流模式”)来控制开关模块208和210。
因此，在一个调节模式中，被调节的是总线电压，且在另一调节模式中，被调节的是储存电压。通过设定值ib*和ir*直接确定从一个调节模式转换到另一调节模式。
当ib*＝ir*时，存在两种调节模式的共用工作点。
从一个调节模式转换到另一调节模式不严格地等价于电流设定值i*的符号改变。
该策略具有多个优点。
作为两个设定值ib*和ir*中的最大者的选择，设定值i*的构造确保从一个模式转换到另一模式(从i*＝ib*到i*＝ir*，反之亦然)不引起i*的不连续性，从而不引起系统的干扰。
此外，这允许在两种模式交叉时工作无振荡。特别地，当网络是高阻抗的和/或充电电流非常大时，如果用于给储能模块充电的网络上吸收的电流使网络电压降到ub*附近，则涉及总线电压的调节，即使储能模块还在充电(以减小的电流)，从而避免网络的大崩溃或可能的振荡。该特性使得能够调节储存的充电电流(通过imin*)，以在网络阻抗极小时获得非常快的充电，而不会在网络是高阻抗时产生问题。
隔开的两个电压回路的存在使得能够根据需要进行不同的调节。事实上，要调节的两个电压上的不同值的电容器的存在可能需要不同的增益。
当然，本发明不限于所描述的实施形式，其他变型和特征组合是可能的。对于前面描述的电路的每个组件，所描述的不同组件可以由一个或更多个被配置成执行所描述的功能的其他组件来代替。

Claims (10)

1.一种开关模式电源装置，其用于调节在所述装置的两个输入端子(200，201)之间的由电网提供的输入直流电压，所述装置包括：
-至少一个转换模块(202)，其用于将所述输入直流电压转换为经调节的直流电压，
-储能模块(204)，其用于存储在所述输入直流电压中断的情况下用于恢复所述转换模块的电能，
-管理模块(212)，其用于管理所述储能模块的充电和放电，
其特征在于，还包括电力变压器(213)，并且：
-连接在所述输入端子之间的主电路包括与由所述管理模块控制的第一开关模块(210)串联连接的所述变压器的主绕组(214)，以及
-闭合的次级电路包括与由所述管理模块控制的第二开关模块(211)和所述储能模块串联连接的次级绕组(215)。
2.如权利要求1所述的装置，其中，所述次级电路在自身上闭合。
3.如权利要求1所述的装置，其中，所述次级电路在所述输入端子之一上闭合。
4.如前述权利要求之一所述的装置，还包括用于在所述输入直流电压中断的情况下使所述装置与所述电网断开的断开模块(208)。
5.如权利要求3和4所述的装置，其中，所述断开模块与所述次级电路在其上闭合的不同的输入端子连接。
6.如权利要求4和5之一所述的装置，其中，所述断开模块连接到所述装置的冷点。
7.如权利要求1所述的装置，其中，所述次级电路在提供所述经调节的直流电压的所述转换模块的输出端子上闭合。
8.如前述权利要求之一所述的装置，其中，所述第一和第二开关模块中的至少一个具有与所述装置的冷点连接的连接端子。
9.如前述权利要求之一所述的装置，其中，所述第一和第二开关模块中的至少一个具有与所述装置的热点连接的连接端子。
10.如前述权利要求之一所述的装置，其中，所述主绕组和次级绕组的对应端部连接到不遭受开关模式的电势。
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