CN1225754A - 系统电源单元 - Google Patents

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Abstract

用于供给直接或者经过电压系统变换器连接到该系统电源单元的直流电压支路的用户的系统电源单元,其包括一个缓冲电容器(C),其可以由系统电源充电,并且,当系统电源故障或者中断时,还能够在一段预定的最小时间里供电给直流电压支路,其中该缓冲电容器(C)可以由专用的充电电路(3)充电到电压值(U2),不管直流电压支路的电压如何波动,该电压(U2)基本是恒定的,并且以基本方式对应直流电压的上限值(U1),系统电源单元根据这一极限值来决定其尺寸,并且,当该系统电源中或者直流支路中发生欠电压时,缓冲电容器可以经过被控制的开关(S)连接到直流电压支路。

Description

系统电源单元
本发明涉及向用户供电的系统电源单元,这些用户是直接或者经过电压系统变换器连接到该系统电源单元的直流电压支路,系统电源单元包括能够从系统电源充电的缓冲电容器,在系统电源发生故障或者中断时,仍然在一个预定最短时间内,向直流电压支路供电。
多数电能转换器中装备有缓冲电容器,即在切换模式下,系统电源单元具有中间电路电压。在大范围系统电源电压的情况下,这种缓冲电容器对应于最大电压。然而,必须考虑到这样的事实:在电源故障的时间点上,电容器仅充电到对应于最小电源电压的中间电路电压。由于电容器的能量与电压的二次关系,所储存的能量低于可能的最大值,所以,缓冲时间变为非常短以至于不能给予诸如用户进一步的数据保护措施。
不考虑能量值问题,当由交流系统电源时,由于周期性地向电容器脉冲充电,在交流电源供电中可能有大的畸变以及相应的大的谐波成分。
已经知道有三种不同的解决方案来消除或者减弱这些问题:
a).扩大用户(变换器)的工作范围,以便达到较低的供电电压,可以在保持用户功能的情况下,缓冲电容器放电到较低的电压。该方案的缺点是开发费用高,由于它几乎达到了可用技术的边缘,变换器的不充分应用,以及畸变没有考虑。
b).考虑到所需要的能量值,缓冲电容器的尺寸作成适应于最低供电电压。这样,一方面造成缓冲电容器的尺寸过大,另一方面,造成了只有一部分蓄电能力被利用。缓冲电容器的重量、容量以及价格均取不希望的值,并且对系统电源的畸变更大。
c).由于先连接到一个稳定的高定值级,不管系统电源电压如何波动,缓冲电容器的电压保持在一个固定的值上。这个方案要求一个专用的切换模式系统电源级,可用它来解决上述问题,但是,它必须接受很高的开发、生产费用,并且接受较大体积的要求。
EP0525898A2中的电路是由电容分压器供给受控开关控制回路输入电流。使得所述电路能够在电路的启动期间启动。缓冲电容器或者其被控制的连接没有公布。
EP0622889A2叙述了一种切换模式系统电源单元,它作为例如用于电视机的预控制器,并且,其中在负载电容器上的直流是由FET开关晶体管控制,使得在不同的交流系统电源电压情况下,电压基本上相等,例如等于240伏和120伏。负载电容器一直与负载并联,不能认为它是缓冲电容器。
EP0223316A2公布的电路是一种高定值控制器,它有可变的切换频率,并且包括一个负载电容器,该电容器一直与负载、LC输入滤波器的电容,以及RC积分元件的电容并联,但它仍然不是可连接的缓冲电容器。
EP0256569A1公布的系统电源单元由轴向控制器组成,以在负载上的电压纹波向零移动的方式控制,其中,轴向控制器晶体管仅仅尽可能消除最小功率损耗,因为只有交流电压元件连接到所述轴向控制器晶体管上。在这种情况下,负载电容一直与负载并联,没有显示出任何可连接的缓冲电容器。
本发明的目的是找到一种简单、便宜的方案,解决前述与缓冲电容器有关的问题。
该目的利用引言中所述类型的系统电源单元得以实现。其中,缓冲电容器可以由专用的充电电路充电到一个电压,不管直流电压支路的电压如何波动,该电压基本上恒定,并且,以基本方式对应直流电压的上限值,系统电源单元按照该限值决定它的尺寸。缓冲电容器可以在系统电源或者在直流电压支路处于欠电压的情况下,经过被控制的开关连接到直流电压支路。
本发明使得缓冲电容器(或者多个缓冲电容器)能够一直充电到最高电压,因此,所述电容器储存最大电能,并且基本上对应最大的固定缓冲时间。这样一来,就不需要把电容器的尺寸做得过大。由于缓冲电容器只有一次充电,并不是周期性放电或者充电,它也不会导致在交流系统电源中增加谐波分量。
供电电压通常是中间电路电压,它直接连接到用户或者预先连接的变换器,缓冲电容器由充电电路充电到其计划的以及允许的最高电压。该充电电路可能是电压乘法器,直通回描变换器或者类似物,其中,在充电过程结束后,只有电容器的泄漏电流是必须补偿的。当检测到系统电源故障时,缓冲电容器(或者多个串联或者并联缓冲电容器)借助合适的开关,特别是半导体开关,例如可控硅,三端双向可控硅开关等,连接到用户或者中间电路。
本发明的进一步特点在所附的从属权利要求中说明。本发明以及其他优点在下面将参考附图中的实例详细解释,其中,
图1所示为本发明第一实施例的方框图;
图2所示为本发明第二实施例的方框图;
图3所示为本发明可实际应用的详细电路图。
图1给出一个系统电源单元,其中,整流器和输入部分1连接到三相交流电压电源。整流器的输出以及输入部分1(除了整流器以外,它还可以包括滤波器等)连接到中间电路直流电压U1,它继而又连接到电压系统变换器2,其输出连接到一个用户或者几个用户(图中未示出),例如计算机,逻辑单元,电动机等。例如电压系统变换器2可以将中间电路电压320V变换到24V直流电压。
中间电路提供有缓冲电容器C,但是不同于现有技术,它不是一直连接到中间电路电压U1,相反地,所述缓冲电容器可以由被控制的开关S与中间电路并联,即与电压系统变换器2的输入并联。所述缓冲电容器可以由专用的充电电路3充电到电压U2,该电压大于中间电路直流电压U1的最大值。电压U2可以从交流系统电源得到,例如将该电压加倍,可以因此得到2倍的U1值(U2=2×U1)。充电电路3当然也可以由中间电路电压供电。
不计不可以避免的泄漏电流,很显然,电容器C在正常运行期间未被充电,也未放电。
开关S由控制电路4控制。安排该电路将中间电路电压U1与参考电压Uref进行比较,如果中间电路电压U1降低到预定值以下,控制开关S接通所述开关。但是,也可以将交流系统电源的电压与参考电压值进行比较,这样一来可以确定系统电源故障或者中断。
当系统电源电压降到预定值以下时,充电到电压U2的缓冲电容器C也连接到电压系统变换器2,在预定的缓冲时间内,向用户或者多个用户供电。在要求高的应用中,例如为了数据安全或者停止一种控制过程时,这样做是必要的。显然,例如一个二极管必须保证当连结电容C时,其蓄能不能流入输入部分1中。
不考虑系统电源电压,一般情况下,电容器C上的电压U2必须达到对缓冲电容器C以及连接到直流电压支路的用户有利的最高值。
如图2所示,例如直流电压U1为中间电路电压,经过分压器R1/R2分压以后,供给施密特(Schmitt)触发器ST,其阈值电压对应于图1的参考电压Uref,该施密特(Schmitt)触发器ST后面有单拍MF,在其后面有用于可控硅开关S的控制极SS。可控硅开关S与缓冲电容器C串联,并且齐纳二极管DZ与其并联,以便限制电压。缓冲电容器C由充电电路3充电,在此处表示为电流源。
参考图3解释已经实际实施的例子。提供有三相交流系统电源装置,该装置有桥型整流器V1...V6,产生中间电路电压U1,例如为540V,该电压经过电容器和电抗线圈(图中未示出),滤波以后在合适的地方连接到用户,例如变换器。
在本例中,提供有串联连接的两个电解电容器C5,C6,作为缓冲电容器。在所有情况下它们都充电到大约360V。在本例中,提供有一个已知的倍压电路,它的组成为电容器C1和二极管V7,V8,并且由限制充电电流的电阻R7向电容器C5,C6充电。在电容器C5及/或C6上提供的最高电压分别由并联的齐纳二极管V14和V15确定,在本例中,分别确定为360V,因此,在C5+C6上的总电压为720V。
由分压器R1/R2确定的中间电路电压U1的一部分供给运算放大器N1的反相输入端,运算放大器N1与电阻R4,R5,R6以及R14一起,构成施密特触发器。该放大器N1由电压Uref供电,在本例中,该电压为+5V。
当系统电源故障时,电压U1下降,并且造成分压器R1/R2上的电压也下降。其中,由负载电阻R3连接到Uref的施密特触发器的输出从预定值跳到正值。该电压跳跃由二极管V9和电容器C2传递到另一运算放大器N2的非反相输入端,其中,电容器C2与电阻网R3,R11,R12构成微分元件。
也由电压Uref供电的放大器N2的反相输入由串联的两个电阻R8和R9连接到辅助电压UH,在本例中为+10V,并且通过电容器C3接地。电阻R8和R9的连接点通过二极管V10连接到放大器N2的输出,它一方面由前面所述的串联的电阻R11和R12接地,另一方面连接到达林顿晶体管对V11+V12的基极。这一对晶体管的集电极由电阻R10连接到辅助电压UH,并且,类似地由电容器C4接地。晶体管V12的发射极由电阻R13连接到三端双向可控硅(TRIAC)-开关V13的栅极,它的切换路径在串联缓冲电容器C5+C6的负端和地之间。三端双向可控硅(TRIAC)-开关V13因此对应图1和图2的开关S。
在上述的脉冲刚刚经过电容C2,传递到放大器N2的非反相输入端以后,所述放大器被阻断,并且经过非反相输入端的分压器R9,R11,R12,被加上相应的电压值,例如2.5V,直到电容器C3经过电阻R8和R9,充电到同样的值。在这段时间里,在达林顿晶体管对V11/V12的基极发生电压脉冲,例如以4.7V/27ms的速度。达林顿晶体管对V11/V12提供给被阻断到此刻的TRIAC开关V13一个电流脉冲,为了给电压源UH放电,该电流脉冲主要是从电容器C4抽取。在整个过渡时间里,该电流脉冲由电流源V11,V12,R13以使TRIAC的安全门极触发电流满足制造厂要求的例如100mA恒定的方式保持。现在TRIAC开关V13切换过来,并且将串联的缓冲电容器C5+C6接到中间电路一段预定的时间。在这段时间里,缓冲电容器可以将其能量值的主要部分供给用户,例如在一个典型的应用中,这些能量为1千瓦延续27毫秒。

Claims (5)

1.用于向用户供电的系统电源单元,这些用户直接或者经过电压系统变换器连接到该电压供电单元的直流电压支路,该系统电源单元包括缓冲电容器(C,C5,C6),这些电容器可以由系统电源充电,并且,当系统电源故障或者中断时,还能够在一段预定的最小时间里供电给直流电压支路,其特征在于,该缓冲电容器(C,C5+C6)可以由专用的充电电路(3;C1,V7,V8)充电到电压值(U2),不管直流电压支路的电压如何波动,该电U2基本是恒定的,并且以基本方式对应直流电压的上限值(U1),系统电源单元根据这一极限值来决定其尺寸,并且,当该系统电源或者直流电压支路中发生欠电压时,缓冲电容器可以经过被控制的开关(S,V13)连接到直流电压支路。
2.根据权利要求1的系统电源单元,其特征在于,被控制的开关(S,V13〕的控制输入端连接到控制电路(4;N1,N2,V11,V12)的输出端,它可以将直流电压支路的直流电压(U1)与参考电压(Uref)比较。
3.根据权利要求1或2的系统电源单元,其中系统电源是交流系统电源,其特征在于充电电路(C1,V7,V8)是连接到交流电压的倍压电路。
4.根据权利要求1到3中任何一项的系统电源单元,其特征在于提供有电压限制电路(Dz;V14,V15),以达到限制电容器电压(U2)的目的。
5.根据权利要求4的系统电源单元,其特征在于齐纳二极管(Dz,V14,V15)与缓冲电容器(C,C5,C6)并联。
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