CN108173438A - 用于开关电源的辅助供电装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于开关电源的辅助供电装置，该开关电源除其他组件之外还包括至少一个具有初级侧和次级侧的变压器。在此，由辅助供电装置来为在开关电源的次级侧所布置的单元提供与开关电源的运行状态无关的电压供给。在此，辅助供电装置在初级侧具有频率发生器，用于生成具有预先给定的频率的交流电压，该初级侧相应于开关电源的初级侧。辅助供电装置在次级侧具有用于次级侧的供电电流的和/或次级侧的供电电压的整流器单元，该次级侧相应于开关电源的次级侧。在初级侧与次级侧之间设置电分离单元，电分离单元尤其由两个电容器构成。根据本发明的辅助供电装置理想地具有紧凑结构型式并可以成本有利地尽可能在使用标准组件的情况下得以实现。

Description

用于开关电源的辅助供电装置

技术领域

本发明一般性地涉及电子技术领域、尤其涉及用于供给电流的功率电子设备以及功率电子电路的领域。特别地，本发明涉及用于电流供给装置的或开关电源的辅助供电装置（Hilfsversorgung）。在此，开关电源包括至少一个具有初级侧和次级侧的变压器并且由辅助供电装置为次级侧提供与相应的运行状态无关的电压供给。

背景技术

自很久以来已知并且现今在许多领域中应用开关电源，以便将用电器连接到电网或电流源上并且给用电器供给大多为恒定的并且通常可预先给定的电压。由开关电源将大多非稳定化的、来自于电流源的直流电压或交流电压转换成恒定的输出电压。为了转换来自于电流源的直流电压或交流电压，通常使用电压变换器，所述电压变换器包括电力变压器或变压器。作为电压变换器例如可以使用通量变换器（Flusswandler）、反激变换器（Sperrwandler）或谐振变换器。

能量或功率在此借助变压器从开关电源的初级侧被传输到开关电源的次级侧上，其中所述初级侧被连接到电网或电流源，在所述次级侧上提供输出电压。在此，大多开关电源作为定时的（getaktet）电流供给装置具有以下特性：由所述开关电源所传输的瞬时功率值直接取决于时钟比（Taktverhältnis），也即所使用的开关元件的接通时间和关断时间的比例，所述开关元件通常由控制装置接通。因此，几乎所有电子设备、例如开关电源使用内部电源（所谓的辅助供电装置），以便能够供给相应的控制装置或者整体的操控装置。

因为基于成本压力，电源、尤其是开关电源必须以越来越廉价的方式被生产，通常对辅助供电装置进行节省。因此，在例如开关电源的次级侧对辅助供电装置进行节省，因为在次级侧，总归有开关电源的输出电压可供使用。然而，尤其在具有对鉴于效率、热负荷和故障安全性方面的高的要求的开关电源情况下，可能越来越需要：设置附加的、大多在次级侧的控制电子设备，必须以与开关电源的瞬时可用的输出电压无关的方式给所述控制电子设备供给能量。此外，对于将来的开关电源经常要求：设置连接可能性，在所述连接可能性的情况下，通过在信号端子上的短接来关断输出电压。在这种情况下，也必须确保对开关电源的次级侧的组件、诸如控制电子设备、指示灯的供电。然而，当开关电源的输出电压不再可供使用（诸如在短接情况下、在远程关断（Fernausschaltung）的情况下或者在所谓待机模式中的情况下），则仅仅在使用昂贵的电路的情况下可以继续给位于变压器的次级侧的组件继续供电。

因此，例如分开的辅助供电装置可以设有自己的辅助变压器或辅助变换器，所述辅助变压器或辅助变换器以与开关电源的主变压器或主变换器无关的方式来工作。也即，借助辅助变换器或辅助变压器，次级侧的辅助供电装置例如被从在初级侧所存在的辅助供电装置导出。然而，在辅助供电装置情况下，所使用的变压器必须在线圈的绕组之间具有与开关电源的主变压器相同的安全间隔或者在初级侧与次级侧之间具有与开关电源的主变压器相同的电压间隔。因此，例如用于次级侧的辅助供电装置的结构尺寸或者辅助变压器的结构尺寸不与待传输的（大多相当小的）功率相关，而是与空气间隙和爬电间隙相关。因此，对于辅助供电装置、也对于开关电源，必然产生在布局上具有相应的空间需求的相当大的构造以及与此关联的高成本。

可替代地，例如也可以借助在开关电源中所使用的变换器或变压器来实现用于开关电源的次级侧的辅助供电装置。为此，例如在开关电源的变压器上设置第二次级线圈。为了在短接情况下或者当在次级侧不提供开关电源上的输出电压给辅助供电装置时（例如在远程关断的情况下或者在待机模式中），在内部以基本负载来加载（belasten）输出电压。通过通常最小的或者受控制的基本负载，在次级侧还可以经由第二次级线圈来输出耦合能量用于次级侧的供电。也即，变换器的变压器必须为此持久地供应至少对于次级侧的供电来说必需的能量/功率的量。通过次级侧的这样的辅助供电装置，由于必需的基本负载而提高损耗。此外，需要特殊的、必要时成本密集的操控，以便一方面不通过基本负载而过多地损毁功率并且以便另一方面将还足够的功率提供给次级侧的辅助供电装置。

发明内容

本发明因此所基于的任务在于，说明开头所提出的类型的用于开关电源的辅助供电装置，通过所述辅助供电装置能够以低成本的方式并且以紧凑的结构型式、即便在没有开关电源的可用的输出电压的情况下也实现开关电源的次级侧的供给。

所述任务通过开头所说明的类型的、具有独立专利权利要求的特征的辅助供电装置得以解决。本发明的有利的实施方式在从属权利要求中描述。

根据本发明，所述任务的解决方案通过一种用于开关电源的辅助供电装置来实现，所述开关电源除其他组件之外还包括至少一个具有初级侧和次级侧的变压器。在此，由所述辅助供电装置来给在所述开关电源的次级侧上所布置的单元提供与所述开关电源的运行状态无关的电压供给。在此，所述辅助供电装置在初级侧具有频率发生器、尤其是高频率发生器，用于生成具有预先给定的频率的交流电压，其中所述初级侧相应于所述开关电源的初级侧。所述辅助供电装置在次级侧具有用于次级侧的供电电流的和/或次级侧的供电电压的整流器单元，其中所述次级侧相应于所述开关电源的次级侧。在所述初级侧与所述次级侧之间设置电分离单元。

根据本发明所建议的解决方案的主要方面在于，生成用于开关电源的次级侧的辅助供电装置并且将具有预先给定的频率的交流电压加载给（beaufschlagen）电分离单元。交流电压由在初级侧所布置的频率发生器来生成并且可以是例如方形的、三角形的或正弦形的。由此，经由分离单元将交流电压或交流电流从开关电源的初级侧传输到次级侧上。交流电压或交流电流然后可以借助在次级侧所布置的整流器单元来量取（abgreifen）并且为了对在次级侧所布置的单元（诸如控制电子设备、指示灯）的供电来被采用。对于根据本发明的辅助供电装置的实现，理想地可以尽可能使用标准组件和/或标准部件（Standardbauteil），由此可以相对成本有利地制造辅助供电装置或相应的开关电源。此外，辅助供电装置或相应的开关电源可以以紧凑的结构型式来实现。

根据本发明的辅助供电装置的一种优选的扩展方案规定：在初级侧，在频率发生器与电分离单元之间布置串联电阻。在此，例如可以在频率发生器和电分离单元之间的每一个连接中安装各一个串联电阻。通过应用串联电阻，辅助供电装置附加地可以被用于，将信息从开关电源的次级侧传输到初级侧上。借助串联电阻可以操控电分离单元。如果此时辅助供电装置的在次级侧的输出端被负载，则在辅助供电装置的输出端上的次级供电电压改变。这对初级侧上的交流电压（例如在电分离单元的输入端上）也有作用。通过在初级侧的交流电压的改变，可以确定并且相应地评估次级的供电电压的改变。

为了评估次级的供电电压或次级的供电电压的改变，以有利的方式设置评估单元，所述评估单元被布置在初级侧。评估单元将初级侧交流电压的改变用于评估并且可以由此在已知的初级侧的串联电阻的情况下导出（ableiten）辅助供电装置的输出端上的电阻。初级侧的交流电压的评估以及在辅助供电装置的输出端上的电阻的导出可以模拟地或者数字地进行。然后可以相应地进一步处理相应的评估结果。以这种简单的方式，可以通过在次级侧上的无源信号（passives Signal）（诸如被布置在根据本发明的辅助供电装置的输出端上的触头的断开和闭合，或者通过在根据本发明的辅助供电装置的输出端上的电阻的改变）来将信息传输到初级侧上。用于在辅助供电装置的输出端上的次级侧信号的触头是无电位的并且例如可以被置于接地电位或其他电位上。通过整流器单元因此也可能的是，实现在更长的距离上的或者在更长的线路上的短接接触，因为仅必须切换直流电流。

此外有利的是，由所述频率发生器所生成的交流电压的频率是能够调整的，使得所述电分离单元具有阻抗最小值。由此，尤其是次级侧的供电电压的评估尽可能小程度地被初级侧的评估单元或在辅助供电装置的输出端上的电阻的导出所影响。理想地，生成具有高频率（例如在100kHz至1MHz范围内）的交流电压。

根据本发明的辅助供电装置的优选的扩展方案规定：通过两个电容器来实现所述电分离单元，所述两个电容器经由在所述次级侧上的整流器单元以串联的方式被接通。因此，能量电容式地从初级侧被传输到次级侧上。此外，电容器的使用提供以下优点：可以使用标准部件并且能够以紧凑的结构型式并成本有利地实现辅助供电装置。出于安全性原因，所述电容器（利用所述电容器来实现所述电分离单元）被实施为所谓的Y1电容器。

可替代地，所述电分离单元也可以被实施为变压器，然而其中，应注意初级侧与次级侧之间的电压间隔。

附图说明

下面示例性地根据所附的图阐述本发明。其中，在此：

图1示意性地并且示例性地示出用于开关电源的次级侧的根据本发明的辅助供电装置的一种简单实施方案；

图2示例性地示出根据本发明的辅助供电装置的一种实施变型方案，其具有电容式的电分离单元，所述电分离单元也可以用于评估次级侧的供电电压。

具体实施方式

图1以最简单的变型方案示意性地示出辅助供电装置HV的一种示例性的实施方式。根据本发明的辅助供电装置HV被应用在开关电源中，其中，出于更好一目了然的原因，开关电源在图1中未示出。开关电源包括至少一个变压器或变换器，以便建立初级侧P和次级侧S之间的电分离，其中所述变换器包括变压器。在此，在开关电源的初级侧P上通常有到电流源或电网的连接。在开关电源的次级侧S上提供输出电压用于连接负载或用电器。

为了以与开关电源的运行状态无关的方式来对在开关电源的次级侧（S）上所布置的单元EL（诸如次级侧的控制电子设备、指示灯、显示装置等）供电，设置辅助供电装置HV。由辅助供电装置HV在次级侧为这些单元EL提供供电电流和/或供电电压Uv。

根据本发明的辅助供电装置HV为此在初级侧P上具有频率发生器FG，所述初级侧相应于开关电源的初级侧P，也即辅助供电装置的该侧连接到相应的电流源上或电网上，所述频率发生器尤其可以被实施为高频率发生器，以便生成在高的kHZ范围或MHz范围内的交流电压。由频率发生器FG生成具有预先给定的频率的交流电压。该交流电压在此可以是方形的、三角形的或正弦形的。频率发生器FG的频率是能够调整的，使得与频率发生器FG所连接的电分离单元TE具有阻抗最小值。

与频率发生器FG所连接的电分离单元TE将辅助供电装置HV的初级侧P从辅助供电装置HV的次级侧S分离，所述次级侧相应于开关电源的次级侧或输出侧。电分离单元TE可以如稍后根据图2阐述的那样通过两个电容器TC1、TC2来实现。可替代地，电分离单元TE可以被实施为变压器。

在次级侧上，电分离单元TE与整流器单元GL（例如由四个二极管组成的整流器单元）连接。借助整流器单元GL在次级侧为开关电源的次级侧装置EL提供供电电流或供电电压Uv。供电电压Uv可以例如在开关电源的或辅助供电装置HV的次级侧S上在整流器单元GL的输出端上例如在接头A1、A2上被量取。也即，次级侧装置EL（诸如控制逻辑器件、指示灯等）能够被连接到接头A1、A2上。接头A1、A2在此是无电位的——也即所述接头可以被置于任意的电位或接地电位上。在接头A1、A2上能够量取的供电电压Uv与开关电源的相应的运行状态无关。

可选地，在辅助供电装置HV的次级侧S上还可以设置滤波装置F，所述滤波装置例如由电容器C和电阻R组成。滤波装置F在此在输出侧被安装到整流器单元GL上，以便使借助整流器单元GL所生成的供电电压Uv平滑（glätten）。

在图2中示出用于开关电源的根据本发明的辅助供电装置HV的一种特殊的、特别优选的实施变型方案。借助在图2中示例性地并且示意性地所示出的辅助供电装置HV，除了次级侧装置EL的与开关电源的运行状态无关的供电之外，次级侧的供电电压Uv或者在辅助供电装置HV的输出端A1、A2上的次级侧负荷也可以被评估。

辅助供电装置HV为此在初级侧具有频率发生器FG，用于生成具有预先给定的频率的交流电压。在次级侧上又设置整流器单元GL（例如由四个二极管组成的整流器单元），由整流器单元在输出端A1、A2上为开关电源的次级侧装置EL提供供电电流或供电电压Uv。可替代地，可以在输出端A1、A2上设置触头K，经由所述触头能够短接辅助供电装置HV的或整流器单元GL的输出端A1、A2。此外，可以在次级侧S上在整流器单元GL的输出端上可选地安装滤波装置F，所述滤波装置由电容器C和电阻R组成。

为了分离初级侧P和次级侧S，根据图2的辅助供电装置HV同样包括分离单元TE。分离单元TE例如通过两个电容器TC1、TC2来实现，其中，所述两个电容器TC1、TC2经由所述次级侧的整流器单元GL以串联的方式被接通。出于安全性原因或者为了例如使触头K可以由用户安全地断开或闭合，分离单元TE的电容器TC1、TC2例如被实施为所谓的Y1电容器。因此，Y1电容器（例如根据相应的IEC-规范）具有增强的隔离或者可检查的、提高的电安全性和机械安全性并且因此允许在初级侧P和次级侧S之间被应用，其中所述初级侧与电流源或电网连接。可替代地，分离单元TE可以被实施为变压器。

为了评估在辅助供电装置的输出端A1、A2上的、次级侧的供电电压Uv或次级侧的负荷，还在初级侧P上设置至少两个串联电阻VR1、VR2。串联电阻VR1、VR2被安装在频率发生器FG与分离单元TE之间。如果分离单元TE（如在图2中示出的那样）通过两个电容器TC1、TC2来实现，则第一串联电阻VR1被布置在频率发生器FG与分离单元TE的第一电容器TC1之间的第一连接V1中，并且第二串联电阻VR2被布置在频率发生器FG与分离单元TE的第二电容器TC2之间的第二连接V2中。此外，辅助供电装置HV在初级侧P上包括评估单元AW，所述评估单元被连接到连接V1、V2上。

为了在次级侧S上生成供电电流或供电电压Uv，由频率发生器FG生成具有预先给定的频率的交流电压并且将该交流电压加载给分离单元TE或这两个电容器TC1、TC2。该交流电压的预先给定的频率在此如此选择，使得分离单元TE的阻抗或这两个电容器TC1、TC2的阻抗具有最小值。通常，生成具有高频率（例如100kHz、1MHz等等）的交流电压。

通过在初级侧加载分离单元TE，交流电流或交流电压通过分离单元TE被传输到次级侧S上。在由两个电容器TC1、TC2组成的分离单元TE的情况下，例如交流电流流过电容器TC1、TC2，所述电容器在次级侧可以借助整流器单元GL来量取。

为了评估在辅助供电装置HV的输出端A1、A2上的供电电压Uv或负荷，经由串联电阻VR1、VR2相应地操控分离单元TE或者分离单元TE的这两个电容器TC1、TC2。如果例如以装置EL对辅助供电装置HV的或整流器单元GL的输出端A1、A2加负荷或经由触头K将所述输出端短接，则在初级侧上，交流电压U也相应地崩落（zusammenbrechen）。交流电压U的改变可以借助评估单元AW来探测和评估。初级侧交流电压U的评估以及对在辅助供电装置HV的输出端A1、A2上的负荷或电阻的导出可以要么以模拟的方式要么以数字的方式来进行。利用评估单元AW所确定的结果然后可以相应地被进一步处理。以这种方式，次级侧S上的无源信号（诸如在辅助供电装置HV的输出端A1、A2上的触头K的断开和/或闭合或者在辅助供电装置HV的输出端A1、A2上的电阻EL的改变）可以作为信息被传输到辅助供电装置的初级侧P上。

在使用触头K用于辅助供电装置HV的输出端A1、A2上的次级侧信号的情况下，该触头K是无电位的并且例如可以被置于接地电位或其他电位上。从次级侧S传输到初级侧P上的信息（例如触头K的断开和/或闭合）可以例如被用于接通和关断开关电源。

如果例如可替代地评估辅助供电装置HV的输出端A1、A2上的电压Uv或负荷电阻EL的改变，则可以将辅助供电装置的输出端A1、A2例如用于实现对水平（Füllstand）的显示。

Claims (7)

1.一种用于开关电源的辅助供电装置（HV），其中，所述开关电源包括至少一个具有初级侧（P）和次级侧（S）的变压器，并且其中，所述辅助供电装置（HV）为在所述开关电源的所述次级侧（S）上所布置的单元（EL，K）提供与所述开关电源的运行状态无关的电压供给（Uv），其特征在于，所述辅助供电装置（HV）

- 在初级侧具有频率发生器（FG）、尤其是高频率发生器，用于生成具有预先给定的频率的交流电压，并且

- 在次级侧具有用于次级侧的供电电流的和/或次级侧的供电电压（Uv）的整流器单元（GL），并且

- 在所述初级侧（P）和所述次级侧（S）之间设置电分离单元（TE）。

2.根据权利要求1所述的辅助供电装置，其特征在于，在初级侧，在所述频率发生器（FG）与所述电分离单元（TE）之间还安装有串联电阻（VR1，VR2）。

3.根据权利要求1至2中任一项所述的辅助供电装置，其特征在于，所述辅助供电装置（HV）在初级侧还具有评估单元（AW），用于评估所述次级侧的供电电压（Uv）。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的辅助供电装置，其特征在于，由所述频率发生器（FG）所生成的所述交流电压的频率是能够调整的，使得所述电分离单元（TE）具有阻抗最小值。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的辅助供电装置，其特征在于，通过两个电容器（TC1，TC2）来实现所述电分离单元（TE），所述两个电容器经由次级侧的所述整流器单元（GL）以串联的方式被接通。

6.根据权利要求5所述的辅助供电装置，其特征在于，所述电分离单元（TE）的电容器（TC1，TC2）被实施为所谓的Y1电容器。

7.根据权利要求1至4中任一项所述的辅助供电装置，其特征在于，所述电分离单元（TE）被实施为变压器。