CN1386316A - 电子换流器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及具有输入电路和输出电路的电子换流器,其除了换流器功能外进行功率因数校正。其包含一个控制电路,该控制电路断开和接通一个电子开关,也就是说依赖于换流器电路的输出电压以及在电流测量传感器上下降的电压。本发明由此突出,该电路具有一个逻辑地LM和一个在另外电位上的电源地。

Description

电子换流器

                                技术领域

本发明涉及一个具有输入电路和输出电路的电子换流器，输入电路和输出电路通过电感耦合彼此联接，其中输出电路具有第一和第二输出端子，在这二个输出端子之间可以提供一个输出电压，其中输入电路具有第一和第二输入端子用于接通电源、该电源至少具有一个直流电压部分、一个串联在第一输入端子和电感耦合的第一终端之间布置的、由电感和电容形成的串联电路、其中在电感和电容之间的连接点经过一个电子开关与第二输入端子连接，并且在连接点和第一输入端子之间布置电感，在连接点和电感耦合之间布置电容、一个在第二输入端子和电感耦合的第二终端之间布置的传感器电阻、以及控制电路，至少输出电压和在传感器电阻上下降的电压作为输入信号被供给该控制电路，其中控制电路依赖于供给他的输入信号断开和接通开关。

本发明此外涉及一个具有输入电路和输出电路的电子换流器，输入电路和输出电路经过电感耦合彼此联接，其中输出电路具有第一和第二输出端子，在这二个输出端子之间可以提供输出电压，输入电路具有第一第二输入端子用于接通电源、该电源至少具有直流电压部分、一个串联在第二输入端子和传感器电阻的第一终端之间布置的、由电感和电容形成的串联电路、其中在电感和电容之间的连接点经过二极管与电感耦合的第二终端连接，传感器电阻第二终端与电感耦合的第一终端连接，并且在连接点和第二输入端子之间布置电感并在连接点和传感器电阻的第一终端之间布置电容、一个在第一输入端子和传感器电阻的第一终端之间布置的电子开关、一个在第一输入端子和电感耦合的第二端子之间布置的存储电容、控制电路，至少输出电压和在传感器电阻上下降的电压作为输入信号被供给该控制电路，其中控制电路依赖于供给他的输入信号断开和接通开关。

如此的换流器另外适合于驱动低电压白炽灯和光学半导体、例如发光二极管(LED)和类似的。

                              技术状况

如此的电路是已知的，并在现技术状况中例如用作具有直到100W功率的DC/DC变换器。大部分通过监控电流和电压的PWM-IC实现控制电路，而通过垂直的电源MOSFET实现电子开关。

图1指出了如此布局的三个实施形式，其中图1a是一个所谓的BIFRED(升压集成回扫能量存储DC/DC-变换器)换流器，图1b是一个所谓的BIBRED(升压集成回扫能量存储DC/DC-变换器)换流器并且图1c是一个所谓的PFC-回扫换流器(PFC＝功率因数校正)。

从2001年起对于所有照明设备规定遵循根据IEC10000-3-2电网电流谐波。为此在现技术状况中使用所谓的PFC电路。如果取自电网的电流正比于电源电压，则简单描述PFC就足够了。在图1a至1c中描述的电路仅仅是较高级的单端换流器并且为了这个目的输入端方面必须布置附加的PFC电路。

可是首先详细探讨在图1a至1c中的电路。对此如下建立BIFRED和BIBRED换流器的输入端方面：在二个输入端子之间存在一个输入电压U_E，其至少支配直流电压部分。最佳地在第一输入端子后面跟随一个二极管D1以及一个电感L1。在一个在电感L1后面的第一连接点VP1与第二连接点VP2之间布置一个并联电路，其一个支路包含一个由电子开关S1以及分路电阻RS形成的串联电路。第二并联之路包含一个电容C1以及电感L2。分路电阻RS用于确定大致正比于负载电流的值，也就是说以供给控制电路ST的电压US的形式，该控制电路控制开关S1。只要流经RS电流超过一个确定值，则断开开关S1，以便避免损坏电路本身或者连接在次级上的电路。在图1a中描述BIFRED换流器在其次级上有一个电感L3，其与电感L2一起形成双绕组存储线圈。与电感L3串联布置一个二极管D2。在输出端子上提供一个电压U_A，其中在输出端子之间布置一个电容C2。

在图1b中描述的BIBRED换流器在其次级上有一个电感L3，其与电感L2一起形成一个纯交流变压器。与电感L3串联布置一个电容C2，其中由此形成的电路并联于二极管D2。由此形成的并联电路再度串联于电感L4布置。在输出端子之间布置一个电容C3，在该输出端子上提供输出电压U_A。

在图1c中描述的PFC-回扫换流器中同样包含一个由二个输入端子形成的输入端，在该输入端上存在一个电压U_E。在输入端子后面跟随一个二极管D1以及电感L1。在D1和L1之间的连接点可以经过一个最佳电容C1与地连接。在电感L1后面一方面跟随二极管D2和电感L2的串联电路，另一方面跟随电容C2。在D2和L2之间的连接点经过电容C3与地连接。在这个连接点上最佳地也可以连接一个二极管D4，其第二连接端与在二极管D1和电感L1之间的连接点连接。在L2和C2之间的连接点经过一个开关S1和分路电阻RS与地连接。在分路电阻RS上下降的电压US用作控制电路ST的输入信号，该控制电路还是控制开关S1。PFC-回扫换流器的次级包含一个电感L3，其与电感L2一起形成双绕组存储线圈，其中在这种情况下、参见图1a、同样连接二极管D3和电容C4，并且可以截取在电容C4上剩余的电压作为输出电压U_A。有选择地(没有描述)次级也可以相应地形成图1b的次级。在图1a至1c中以M表示各自的地。

图2指出了PFC的从现技术状况中已知的基本结构：其包含一个电容C、一个电感L以及一个开关S。

本发明的任务在于，提供电子换流器适用，该换流器与没有PFC的电子换流器相比为了形成具有PFC的电子换流器不要求附加控制并不要求附加开关。

通过具有权利要求1的特征的电子换流器以及通过具有权利要求8的特征的电子换流器解决这个任务。

本发明基于这种想法，参考电位一方面与控制电路彼此分离，另一方面与PFC彼此分离。

如此描绘各自布局，电流测量传感器(分路器，RS)仅仅串联于负载的初级。对此这可能是必要的，即PFC遵循正的和/或控制电路置于高频电位。通过这种方式-与现技术状况相比-绝对没有来自PFC或也来自任意另外无损耗的缓冲器(大部分是谐振电路)的信号干扰电流测量。

最后优选地如此安置控制电路的参考电位，在接通开关的情况下，其中特别考虑大功率晶体管，正的测量信号附在控制电路的电流测量输入端上。对此负载的初级、控制电路的参考电位和电流测量传感器的顺序可以是任意的。控制电路的参考电位也可以附在电流测量传感器和负载的初级之间。

在本发明的一个特别有益的变体中通过二极管、特别是一个Schottky二极管、如此桥接电流测量传感器，即在控制电路的电流测量输入端上没有负的信号。

在从属权利要求中定义本发明的另外有益改进。

                              图的描述

下面参考附图详细描述本发明的是实例。

图1a说明了从现技术状况中已知的所谓BIFRED换流器；

图1b说明了从现技术状况中已知的所谓BIBRED换流器；

图1c说明了从现技术状况中已知的所谓PFC-回扫换流器；

图2说明了从现技术状况中已知的PFC电路的基本结构；

图3a说明了根据本发明的、基于已知的BIFRED电路的电子换流器；

图3b-e图3a的换流器的描述，其中强调不同的电流路径；

图3f说明了根据本发明的、基于BIBRED电路的电子换流器；

图3g说明了根据本发明的、基于PFC-Flyback电路的电子换流器；

图4说明了对于图3a的电路布置的电流I_L1、L_S1和L_D2的时间曲线。

在图3中说明了根据本发明的、源处于在图1中说明的电子换流器电路的电子换流器电路，其中以相应的参考符号表示相应的元件并且因此不再解释。在图3的电子换流器中在这点上实现根据本发明的想法，即每个电路支配单独的逻辑地LM和单独的电源地(电源地)PM。

在图3a和3f的电路变体中，在传感器电阻RS、其在这里承担电流测量传感器的任务、和电感耦合L2的第二终端之间的连接点与逻辑地LM连接，而第二输入端子与电源地PM连接。在根据图3g的换流器中由此实现根据本发明想法，即在传感器电阻RS和电感耦合L2的第一终端之间的连接点与逻辑地LM连接，而第一输入端子与电源地PM连接。

在以外的方式通过这个电路措施各个换流器不仅满足其变换任务，而且也满足PFC。下面举图3a的电路布置的实例概观图3b至3e以及图4对此进行说明。

为了这个目的，在图3b至3e中强调电流I_L1和I_M的电流路径。在图4中绘出了通过电流L1的电流I_L1、通过开关S1的电流I_S1、通过二极管D2的电流I_D2以及I_M关于时间的时间曲线。一个周期持续时刻0至T。对此在图4中电流I_L1的时间曲线与在图3b和3d(仅仅初级电路)中强调的电流路径一致，电流I_S1的时间曲线与在图3b和3c中强调的电流路径一致，以及电流I_D2的时间曲线与在图3d(仅仅次级电路)和3e中强调的电流路径一致。

如下定义时刻0至t：

时刻0：开关S1接通

在0和t₁之间的时间：S1和D1通

U_L1＝|U_E|；U_M＝U_C1；在S1中电流I_L1和I_M相加。

时刻t₁：开关S1断开

在t₁和t₂之间的时间：D1和D2通

U_L1＝|U_E|-U_C1-U_A；U_M＝-U_A；在D2中变压器传输的电流I_L1和存储的电流I_M相加。

时刻t₂：D1不通

在t₂和t₃之间的时间：D2通

U_L1＝0；U_M＝-U_A

时刻t₃：D2不导通

在t₃和T之间的时间：静态阶段；没有电流流过；表示间隙运行。

为了简化证明作出如下假设：U_A＝常数；U_C1＝常数。此外适用：U_A＜U_C1。电感耦合匝数比为1∶1。

分别在电源电压的半波和间歇运行内得出如下关系： $t\≤t_1:I_{L1}=\frac{\left|U_E\right|}{L1}t;{\stackrel{c}{I}}_{L1}=\frac{\left|U_E\right|}{L1}{t}_1;$ $t>t_1:I_{L1}=\frac{\left|U_E\right|}{L1}t1+\frac{\left|U_E\right|-U_{C1}-U_A}{L1}(t-t_1);$

在时刻t₂适用：I_L1＝0，得出 $t_2=\frac{(U_{C1}+U_A)}{(U_{C1}+U_A-|U_E\left|\right)}{t}_1;$

相应地 $t_2-t_1=\left(\frac{\left|U_E\right|}{U_{C1}+U_A-\left|U_E\right|}\right)t_1;$ $\left|I_E\right|=\frac{1}{T}\underset{0}{\overset{T}{\∫}}{I}_{L1}\mathrm{dt}=\frac{{\stackrel{c}{I}}_{L1}}{2T}(t_1+t_2-t_1)=\frac{\left|U_E\right|}{2L_{1}T}{t}_1{t}_2=\frac{\left|U_E\right|}{2L_{1}T}{t_1}^2\left(\frac{U_{C1}+U_A}{U_{C1}+U_A-\left|U_E\right|}\right);$

从中以第一近似值得出：

|I_E|～|U_E|和|I_E|～t₁ ²

通过|I_E|～|U_E|已经指出，该电路附加于其真正的换流其功能产生PFC。

也可以指出，输出电流I_A正比与输入电流I_E，当然肯定，尽管PFC功能该电路也满足换流器功能。

另一方面对于t≤t₁适用： $I_M=\frac{U_E}{L2}t;{\stackrel{c}{I}}_M=\frac{U_E}{L1}{t}_1;$

对于t＞t₁： $I_M=\frac{U_E}{L2}{t}_1-\frac{U_A}{L2}(t-t_1);$

因为I_M在时刻t₃等于0，则得出 $t_3=\frac{U_{C1}+U_A}{U_A}{t}_1;$

相应地 $t_3-t_1=\frac{U_{C1}}{U_A}{t}_1.$

另一方面适用： $I_A=\frac{1}{T}\underset{0}{\overset{T}{\∫}}{I}_{D2}\mathrm{dt}=\frac{1}{T}\underset{t1}{\overset{t2}{\∫}}{I}_{L1}\mathrm{dt}+\frac{1}{T}\underset{t1}{\overset{t3}{\∫}}{I}_M\mathrm{dt}=\frac{{\stackrel{c}{I}}_{L1}}{2T}(t_2-t_1)+\frac{{\stackrel{c}{I}}_M}{2T}(t_3-t_1)=$ $=\frac{\left|U_E\right|{t_1}^2}{2L_{1}T}\left(\frac{\left|U_E\right|}{U_{C1}+U_A-\left|U_E\right|}\right)+\frac{U_{C1}{t_1}^2}{2L_{2}T}\·\frac{U_{C1}}{U_A}$

由此能够确定

I_A～t₁ ²和I_A～|I_E|

在换流器内部因此符合能量平衡并高的效率是可能的。

在一个另外的、本发明没有描述的实施形式中，通过一个单独的线圈也可以实现电感耦合，在其第一终端上初级的第一终端与电感耦合的次级的第一终端连接，在其第二终端上初级的第二终端与电感耦合的次级第二终端连接。

Claims (15)

1.电子换流器，具有

一个输入电路和一个输出电路，二者通过电感耦合(L2、L3)彼此连接，其中

输出电路具有：

-第一和第二输出端子，在二者之间可以提供输出电压(U_A)；

输入电路具有：

-第一和第二输入端子，用于接通电源(U_E)，该电源至少具有直流电压部分；

-一个串联在第一输入端子和电感耦合的第一终端之间布置的、由电感(L1)和电容(C1)形成的串联电路，其中在电感和电容之间的连接点(VP1)经过电子开关(S1)与第二输入端连接，并且在连接点(VP1)和第一输入端子之间布置电感(L1)，在连接点(VP1)和电感耦合(L2、L3)之间布置电容(C1)；

-一个在第二输入端子和电感耦合(L2、L3)的第二终端之间布置的传感器电阻(RS)；

-控制电路(ST)，至少输出电压和在传感器电阻(RS)下降的电压(US)作为输入信号被供给该控制电路，其中控制电路(ST)依赖于供给他的输入信号断开和接通开关(S1)；

其特征在于，

在传感器电阻(RS)和电感耦合(L2、L3)的第二终端之间的连接点(VP2)与逻辑地(LM)连接，并且第二输入端子与电源地(PM)连接，其中电源地和逻辑地处于不同的电位。

2.按照权利要求1的电子换流器，其特征在于，在第一输入端子和电感(L1)之间布置一个二极管(D1)。

3.按照权利要求1或2之一的电子换流器，其特征在于，电感耦合(L2、L3)包含一个存储线圈。

4.按照权利要求1或2之一的电子换流器，其特征在于，电感耦合(L2、L3)包含一个交流电压变压器，其中交流电压变压器的初级(L2)是输入电路的一部分，交流电压变压器的次级(L3)是输出电路的一部分。

5.按照权利要求3或4之一的电子换流器，其特征在于，由交流电压变压器的次级(L3)和电容(C2)形成的串联电路并联于输出二极管(D2布置。

6.按照权利要求5的电子换流器，其特征在于，输出端子并联于电容(C2)布置。

7.按照权利要求5的电子换流器，其特征在于，由此形成的并联电路串联于电感(L4)布置，并且由此形成的串联电路并联布置于输出端子和在输出端子之间布置的第二电容(C3)。

8.电子换流器，具有

一个输入电路和一个输出电路，二者通过电感耦合彼此联接，其中输出电路具有：

-第一和第二输出端子，在二者之间可以提供输出电压(U_A)；

输入电路具有：

-第一和第二输入端子用于接通电源(U_E)，该电源至少具有直流电压部分；

-一个串联在第二输入端子和传感器电阻(RS)的第一终端之间布置的、由电感(L1)和电容(C2)形成的串联电路，其中在电感(L1)和电容(C2)之间的连接点经过二极管(D2)与电感耦合(L2、L3)的第二终端连接，传感器电阻(RS)的第二终端与电感耦合(L2、L3)的第一终端连接，并且在连接点和第二输入端子之间布置电感(L1)，在连接点和传感器电阻(RS)的第一终端之间布置电容(C2)；

-一个在第一输入端子和传感器电阻(RS)的第一终端之间布置的电子开关(S1)；

-一个在第一输入端子和电感耦合(L2、L3)的第二终端之间布置的存储电容(C3)；

-控制电路(ST)，至少输出电压和在传感器电阻(RS)下降的电压(US)作为输入信号被供给该控制电路，其中控制电路依赖于供给他的输入信号断开和接通开关(S1)；

其特征在于，

在传感器电阻(RS)和电感耦合(L2、L3)的第一终端之间的连接点与逻辑地(LM)连接，第一输入端子与电源地(PM)连接，其中电源地和逻辑地处于不同的电位。

9.按照权利要求8的电子换流器，其特征在于，在电感(L1)和第二输入端之间布置第一输入二极管(D1)。

10.按照权利要求9的电子换流器，其特征在于，在第一输入二极管(D1)和电感(L1)之间的连接点经过电容(C1)与第一输入端子连接。

11.按照权利要求9或10的电子换流器，其特征在于，在第一输入二极管(D1)和电感(L1)之间的连接点经过第二输入二极管(D4)与电感耦合(L2、L3)的第二终端连接。

12.按照权利要求8至11之一的电子换流器，其特征在于，电感耦合(L2、L3)包含一个存储线圈。

13.按照权利要求8至11之一的电子换流器，其特征在于，电感耦合(L2、L3)包含一个交流电压变压器，其中交流电压变压器的初级(L2)是输入电路的一部分，交流电压变压器的次级(L3)是输出电路的一部分。

14.按照权利要求12或13的电子换流器，其特征在于，在输出端子之间布置一个由电容(C4)和存储线圈(L3)与输出二极管(D3)的串联电路形成的并联电路。

15.按照上述权利要求之一的电子换流器，其特征在于，并联于传感器电阻(RS)布置一个二极管、特别是一个Schottky二极管。

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