升压斩波器电路装置、电源和用于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用于用电器电源的升压斩波器电路装置(100)，其包括整流器电路或变极电路(110)，双开关升压斩波器电路(120)和用于控制两个半导体开关(S1、S2)的控制单元(130)。根据本发明专利技术，第一半导体开关(S1)与测量电阻(R1)串联并且控制单元(130)形成用于通过计算得出参考时间段(Tref)，在该参考时间段中，在开关周期(T

【技术实现步骤摘要】
升压斩波器电路装置、电源和用于输入电压升压的方法


[0001]本专利技术涉及根据权利要求1的前序部分的用于用电器的电源的升压斩波器电路装置和根据权利要求2的前序部分的升压斩波器电路装置。本专利技术还涉及一种电源，其具有根据本专利技术的升压斩波器。升压斩波器尤其可以用作开关电源装置中的功率因数预调节器。本专利技术还涉及一种用于对用电器的电源中的输入电压进行升压的方法。

技术介绍

[0002]升压斩波器(也称为Hochsetzsteller或Hochsetzer)的基本电路用于输入电压低于输出电压的直流电压转换器。相同的原理也用在低功率的开关电源件，但使用变压器而不是线圈，其也被称为反激式转换器(严格来说，在这种情况下不是变压器，而是具有两个绕组的扼流圈。在变压器中，接收的输入功率在输出端同时输出。在反激式转换器中，扼流圈通过绕组的功率输入和输出发生在不同的周期)。
[0003]该电路还用于PFC输入级(英文Power Factor Correction，功率因数校正)，其在设备内部提供大约400V直流电压的中间电路电压。该PFC级的电流消耗跟随输入电压的正弦曲线，从而避免通过谐波对网络的污染。开关电源件、变频器或电子镇流器在该中间电路电压下工作，否则会产生强谐波。
[0004]电源对于多种多样的领域和用途都是必须的。由于电源这一概念有多种使用方式，因此在下文中使用变流器这一概念。其作用是控制电源和负载之间的电流流动或将其从一种电流类型转换为另一种电流类型。其属于电气工程中电力电子的子领域。变流器有以下类型：整流器、逆变器、直流转换器和交流转换器。这些不同的变流器还包括电源装置也称为电源件(Netzteile)。其作用是为电子生产设备提供直流电压。线性电源装置和开关电源装置之间有区别。开关电源装置同时属于受控电源装置。
[0005]图1示出了开关电源装置的基本结构。其由以下组件组成：有源PFC电路10、直流斩波器20、电力传输级30、平滑器40、调节级50、电势隔离器60和控制器70。在开关电源装置输入端存在来自公共电网的电网电压。例如，有效值为230V且电源频率为50Hz的交流电压。在有源PFC电路10中可以存在以下三个组件：电源滤波器1、升压斩波器2和滤波电容器3。在有源PFC电路10的输出端存在高直流电压，例如电压值为400伏。该直流电压被直流斩波器20斩波为方波信号。其中有功率晶体管，例如双极晶体管4，MOSFET晶体管，即金属氧化物半导体场效应晶体管，晶闸管或IGBT，即绝缘栅双极晶体管，其通过开关过程产生方波信号。通过改变方波信号的占空比，可以设置不同的电压和电流，从而设置不同的功率。对断路器的控制主要使用脉冲宽度调制(PWM)和脉冲序列或脉冲频率调制(PFM)技术。
[0006]对于设计用于75W及以上功率范围的电源装置，要求其配备PFC技术，即功率因数校正，以避免由于产生谐波而对供电网络造成影响。这也在欧洲标准EN61000
‑3‑
2中进行了定义。为此常用有源PFC电路。该电路包括一种附加的开关电源件，其连接在实际开关电源件的上游，并确保所接收的电流与正弦电源电压相对应。由此，电流遵循由当前电源电压下的电阻引起的走势。因此，如果电源电压不完全是正弦曲线，正如在电力网络中经常发生的
那样，则遵循电源电压的实际走势—而不是理想化的走势。在此，功率因数保持接近一，并且产生的谐波更少。否则，这些谐波可能会“累积”并使电网过载。功率因数在此表示有效功率与视在功率之比。如果电流和电压之间的相移为零，则有效功率和视在功率相同，功率因数保持为一。如果电压和电流之间存在明显的相位差，则功率会流回发电厂，功率因数会降至低于一。有源PFC电路通常由带有直接连接在下游的升压斩波器的整流器组成，其将大容量电容器充电至高于交流电源电压峰值电压的电压，例如400V。然后，实际用电设备(开关电源件或例如荧光灯电子镇流器)由此供电。升压斩波器也称为升压调节器(Hochsetzsteller)。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。
[0007]图2示出了可以在这种有源PFC电路中使用的升压斩波器的基本电路图。通过以所谓的边界传导模式(Boundary Conduction Mode)运行升压斩波器电路，实现了常用的MOSFET半导体开关S的低损耗开关。在此，升压斩波器或升压斩波器电路装置100(其中升压斩波器电路装置除了实际的升压斩波器之外还可以包括另外的部件)在扼流圈电流I
L
间隙极限(L
ü
ckgrenze)附近运行，使得开关S的无电流接通，即所谓的“零电流开关”(Zero Current Switching，ZCS)，以及无电压接通，即所谓的“零电压开关”(Zero Voltage Switching，ZVS)，都被实现。升压斩波器100的扼流圈L1和半导体开关S的输出电容C
OSS
形成串联谐振电路。该谐振电路在其固有频率的一半周期期间内重新充电，因此当扼流圈电流I
L
的符号发生变化时，输出电容C
OSS
被重新充电至升压斩波器输入电压V
in
值的两倍减去升压斩波器输出电压V
out
。由此，当半导体开关S再次接通时，降低了开关电压和接通电流，并由此降低了开关损耗。当半导体开关S在开关时间点有电流流过时，就会出现这种开关损耗。根据欧姆定律，P＝U*I。在半导体开关S中转换为热量的功率损耗P取决于所施加的电压有多高。
[0008]在图3中示出了在半导体开关S的整个开关周期内的电压和电流曲线。电流曲线I
L
是三角形的。在半导体开关S的接通阶段t
on
期间，通过扼流线圈L1的电流线性增加。在半导体开关S的断开阶段t
off
期间，通过扼流线圈L1的电流I
L
线性下降。在对应于由扼流线圈L1和半导体开关S的输出电容C
oss
组成的谐振电路的谐振频率的一半周期的阶段t
res
中，电流的方向也改变。在此，时间关系组成如下：
[0009][0010][0011][0012]在此，P
in
表示输入功率，L表示扼流线圈L1的电感。为了保证半导体开关S的尽可能无损耗的开关，一个开关周期的周期T
s
不得小于：
[0013]T
smin
＝t
on
+t
Off
+t
Res
.
[0014]由此确保，半导体开关S的输出电容C
oss
可以被放电以用于无损耗开关。
[0015]在特别是损耗优化的应用中，使用具有至少两个有源半导体开关S1、S2的半桥PFC电路代替根据图2的常规升压斩波器。这在图4中示出。图2中的二极管D由另一个半导体开关S2代替。
[0016]适用于根据图2的电路的时间关系在美国专利US 8,766,60本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.用电器电源的升压斩波器电路装置(100)，所述升压斩波器电路装置包括
‑
具有第一半导体元件(D1；S4)并且具有第二半导体元件(D2；S3)的整流器或变极电路(110)，
‑
具有第一半导体开关(S1)、第二半导体开关(S2)、电感(L1)和滤波电容器(C1)的双开关升压斩波器电路(120)，以及
‑
用于控制两个半导体开关(S1，S2)的控制单元(130)，其中所述两个半导体元件(D1，D2；S3，S4)串联布置在第一路径(P1)中，并且第一半导体开关(S1)和第二半导体开关(S2)串联布置在第二路径(P2)中，并且在并联连接的意义上这两个路径(P1；P2)在其一个自由端处集合在第一节点(K1)中，并且在其另一自由端处集合在第二节点(K2)中，并且同时形成用于升压斩波器电路装置(100)的输出电压(UA)的连接触点，其中滤波电容器(C1)连接至连接触点之间，并且其中电感(L1)连接在用于连接到交流电压源(ACin)的第一电源连接部(Q1)和串联连接的两个半导体开关(S1,S2)的连接节点(K3)之间，并且用于连接到交流电压源(ACin)的第二电源连接部(Q2)在第一半导体元件(D1；S3)和第二半导体元件(D2；S4)之间连接到连接节点(K4)中，其特征在于，
‑
所述第一半导体开关(S1)与测量电阻(R1)串联，并且
‑
所述控制单元(130)形成用于：通过计算得出参考时间段(T
mess_ref
)，在该参考时间段中，在开关周期(T
periode
)内，流经测量电阻(R1)的电流(Ib)在数值上应达到预定电流参考值(I
ref
)，并将所述参考时间段与实际测量的时间段(T
mess_ist
)进行比较，在该实际测量的时间段中，流经测量电阻(R1)的电流(Ib)在数值上达到预定电流参考值(I
ref
)，
‑
并取决于计算得到的参考时间段(T
mess_ref
)和测量的时间段(T
mess_ist
)之间的比较结果来确定时间差(Tdiff)，取决于该时间差能够调整后续开关周期(T
periode
)的持续时间。2.用电器电源的升压斩波器电路装置(100)，所述升压斩波器电路装置包括
‑
具有第一半导体开关(S1)、第二半导体开关(S2)、电感(L1)和滤波电容器(C1)的双开关升压斩波器电路(120)以及
‑
用于控制所述两个半导体开关(S1，S2)的控制单元(130)，其中，所述第一半导体开关(S1)和第二半导体开关(S2)在共同的路径(P1)中串联连接，并且其中与第一路径(P1)并联地，在第一节点(K1)和第二节点(K2)中形成用于升压斩波器电路装置(100)的输出电压(Vout)的连接触点，并且滤波电容器(C1)连接在连接触点之间，并且其中电感(L1)连接在用于连接到直流电压源(DCin)的第一电源连接部(Q1)和串联连接的两个半导体开关(S1，S2)的连接节点(K3)之间，并且用于连接到电压源(DCin)的第二电源连接部(Q2)连接到节点(K2)，其特征在于，
‑
所述第一半导体开关(S1)与测量电阻(R1)串联，其中所述测量电阻(R1)布置在第一半导体开关(S1)和第二节点(K2)之间，并且
‑
所述控制单元(130)形成用于：通过计算得出参考时间段(T
mess_ref
)，在该参考时间段中，在开关周期(T
periode
)内，流经测量电阻(R1)的电流(Ib)应达到预定电流参考值(I
ref
)，并将所述参考时间段与实际时间
段(T
mess_ist
...

【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：