电负载供电装置的升压转换器及供电装置和在电负载供电装置中将输入电压升压的方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种电负载供电装置的升压转换器，其具有整流器或换极器电路(D1、D2；S3、S4)、电感(L1)和滤波电容器(C1)，其中电感(L1)连接到交流电压源(AC

【技术实现步骤摘要】
电负载供电装置的升压转换器及供电装置和在电负载供电装置中将输入电压升压的方法


[0001]本专利技术涉及一种用于对电负载供电的供电装置的升压转换器。本专利技术还涉及一种供电装置，其具有根据本专利技术的升压转换器。在此，升压转换器尤其可以作为功率因数预调器使用在开关电源设备中。本专利技术还涉及一种用于在电负载的供电装置中将输入电压升压的方法。

技术介绍

[0002]多种领域和应用目的都需要供电装置。因为供电装置的概念广泛应用，所以在下文中使用变流器的概念。它们的任务是，控制在电源和负载之间的电流流动或者将电流流动从一种电流类型变换为另一种电流类型。它们属于在电子技术内的功率电子装置的子领域。存在以下类型的变流器：整流器、逆变器、直流转换器和交流转换器。电源设备也属于这些不同的变流器，电源设备也被称为电源件(Netzteil)。它们的任务是给电子设施供应直流电压。区分为线性电源设备和开关电源设备。开关电源设备同时属于被调节的电源设备。
[0003]图1示出了开关电源设备的基本结构。其由部件有源PFC电路10、直流调节器20、功率传递级30、平滑器40、调节级50、电位分离器60和控制器70组成。来自公共供电网络的网络电压被提供在开关电源设备的输入端。以有效值为230V且电网频率为50Hz的交流电压为例。在有源PFC电路10中，可以存在以下三个部件，即电源滤波器1、升压调节器2和滤波电容器3。在有源PFC电路10的输出侧上存在高的直流电压，所述高的直流电压例如涉及电压值400V。该直流电压通过直流调节器20被斩波成矩形信号。在其中存在功率晶体管，例如双极晶体管4、MOSFET晶体管(即Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，金属氧化物半导体场效应晶体管)、晶闸管或IGBT(即Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)，其通过开关过程产生矩形信号。通过改变矩形信号的占空比可以设置不同的电压和电流并且由此也设置不同的功率。为了操控功率开关，主要使用脉冲宽度调制(PWM)和脉冲序列调制(PFM)技术。
[0004]对于设计用于75W及以上的功率范围的电源设备，规定它们配备PFC技术，即Power Factor Correct ion(功率因数校正)，以避免由于产生谐波而反作用于供电网络。这也在欧洲标准EN61000
‑3‑
2中限定。为此，通常使用有源PFC电路。其由一种附加的开关电源件构成，该开关电源件本身连接在上游，并且负责使接收的电流符合正弦形的电网电压。由此，电流遵循如电阻在当前的电网电压上所引起的走势。因此，在如在电网中经常出现的、非精确正弦的电网电压的情况下，跟踪电网电压的实际走势(不是理想化的)。功率因数在此保持接近一，并且产生更少的谐波。否则这会导致“增进振荡(Aufschaukeln)”并且导致电网过载。功率因数在此表示有功功率与视在功率的比例。如果电流和电压之间的相移为零，则有功功率和视在功率是相同的并且功率因数保持在一。如果电压和电流之间存在明显的相位差，则功率流回电力工厂，并且功率因数降低到低于一。有源PFC电路通常由下游直接连
接有升压转换器的整流器组成，该升压转换器将具有大电容的电容器充电至高于电网交流电压的峰值电压的电压，例如400V。然后，由该电容器给真正的负载(开关电源件或例如荧光灯的电子镇流器)供电。升压转换器也被称为升压调节器。它是一种反激式转换器，其中当开关晶体管关断时，线圈驱动电流通过负载。
[0005]图2示出了升压转换器的原理电路图，该升压转换器可以用在这种有源PFC电路中。通过升压调节器电路在所谓的边界导通模式(Boundary Conduction Mode)中的运行，实现通常使用的MOSFET半导体开关S的低损耗的开关。在此，升压调节器100在扼流线圈电流I
L
的间歇边界(L
ü
ckgrenze)附近运行，使得不仅能够实现开关S的无电流接通、所谓的“零电流开关”(ZCS)，而且能够实现开关S的无电压接通、所谓的“零电压开关”(ZVS)。升压调节器100的扼流线圈L1以及半导体开关的输出电容C
OSS
在此形成串联谐振振荡回路。该振荡回路在其固有频率的半个周期时长内被反向充电(umgeladen)，使得在扼流线圈电流I
L
正负变换时，输出电容C
OSS
被反向充电到升压调节器输入电压V
in
的双倍值，减去升压调节器输出电压V
out
。由此，在重新接通半导体开关S时降低了开关电压以及接通电流并且因此降低了开关损耗。当半导体开关S被电流流经时，产生这样的开关损耗。根据欧姆定律，P＝U*I。在半导体开关S中被转换成热量的损耗功率P因此取决于所施加的电压的大小。
[0006]在图3中示出了在半导体开关S的整个开关周期上的电压走势和电流走势。电流走势I
L
是三角形的。在接通阶段t
on
期间，经过扼流线圈L1的电流线性增大。在关断阶段T
off
期间，经过扼流线圈L1的电流线性地减小。在相当于由扼流线圈L1和半导体开关S的电容组成的振荡回路的谐振频率的半个周期时长的阶段t
Res
中，电流方向甚至改变。在此，时间关系如下地组成：
[0007][0008][0009][0010]这里，P
in
是输入功率，而L是扼流线圈L1的电感。为了确保半导体开关的尽可能无损耗的接通，开关周期的周期时长T
s
不允许短于：
[0011]T
smin
＝t
On
+t
Off
+t
Res
[0012]因此，这确保了半导体开关S的晶体管电容可以为了无损耗的开关而被放电。
[0013]在尤其损耗优化的应用中，代替传统的根据图2的升压转换器使用具有至少两个有源半导体开关S1、S2的半桥PFC电路。这在图4中示出。在此，图2中的二极管D通过另一半导体开关S2代替。
[0014]适用于根据图2的电路的时间关系在美国专利US 8,766,605 B2中针对半桥PFC电路的使用进行了阐述。在此，用术语“半桥PFC电路”表示，不仅正半波、而且负半波都通过同一半导体开关支路被升压。然而，这需要一种闭合电流回路的换极电路。
[0015]在图5中示出了用于正的输入电压V
in
的半导体开关S1和S2的操控信号的时间顺序。在此，通过设定电流阈值I
h
和I
l
来产生操控信号。为此，必须通过测量技术检测电流，并且将其与预定值进行比较。
[0016]S1断开、S2接通的条件在这种情况下是高出扼流线圈电流I
L
的电流阈值I
h
。在此，用于相应工作点的电流阈值I
h
由电流调节器预先给定。S2断本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.用于电负载的供电装置的升压转换器，该升压转换器具有整流器电路或换极器电路(D1、D2；S3、S4)、电感(L1)和滤波电容器(C1)，其中该电感(L1)连接到交流电压源(AC
in
)的极上并且连接到两个半导体开关(S1和S2)之间的结点上，其特征在于，第一半导体开关(S1)与测量电阻(R1)串联连接，该升压转换器具有信号生成单元(110)，用于产生用于两个半导体开关(S1、S2)的操控信号，其中为了在正的输入电压(V
in
)的情况下对输入电压进行升压，第一半导体开关(S1)闭合并且第二半导体开关(S2)断开，以驱动电流通过电感(L1)以磁化该电感(L1)，其中为了去磁该电感(L1)，第一半导体开关(S1)断开并且第二半导体开关(S2)闭合并且滤波电容器(C1)相应地被充电，其中该信号生成单元(110)具有用于在磁化该电感(L1)的阶段的所选的时间点、尤其是在磁化的阶段开始时检测流经测量电阻(R1)的电流的装置。2.根据权利要求1所述的升压转换器，其中，为了在负的输入电压(V
in
)的情况下对输入交流电压进行升压，第一半导体开关(S1)断开并且第二半导体开关(S2)闭合，以便驱动电流通过电感(L1)以磁化该电感(L1)，其中，为了去磁该电感(L1)，第一半导体开关(S1)闭合并且第二半导体开关(S2)断开并且滤波电容器(C1)相应地充电，并且信号生成单元(110)具有用于在去磁该电感(L1)的阶段的所选的时间点、尤其是在去磁的阶段结束时检测流经测量电阻(R1)的电流的装置。3.根据权利要求1或2所述的升压转换器，其中，该信号生成单元(110)具有计算单元(114)，该计算单元根据输入电压(V
in
)和输出电压(V
out
)来预先计算每个调节周期的用于磁化和去磁的阶段的调节周期时间(T
P
)，并且该信号生成单元(110)还具有调节级(113)，该调节级基于测量的流经测量电阻(R1)的电流值(I
b
)和电流参考值(I
ref
)之间的差来计算用于该调节周期时间(T
P
)的校正值(T
Offset
)。4.根据权利要求3所述的升压转换器，其中，该校正值(T
Offset
)在信号生成单元(110)的计时器单元(116)中用于随后的调节周期，使得该计时器单元(116)相应地缩短或延长该调节周期时间。5.根据权利要求4所述的升压转换器，其中，该信号生成单元(110)具有另外的调节级(112)，该另外的调节级由预先给定的输出电压和所测量的输出电压之间的差来计算磁化时间(T
on
)。6.根据权利要求5所述的升压转换器，其中，该信号生成单元(110)具有另外的计时器单元(115)，所计算的磁化时间(T
on
)被转发给该另外的计时器单元，在该另外的计时器单元中将该磁化时间(T
on
)应用于多个随后的调节周期。7.根据权利要求6所述的升压转换器，其中，所计算的磁化时间(T
on
...

【专利技术属性】
技术研发人员：托尔斯滕，
申请(专利权)人：菲尼克斯电气公司，
类型：发明
国别省市：