專利名稱：開關(guān)電源裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是關(guān)于一種為荷載提供受控制輸出電壓/輸出電流的開關(guān)電源，并具有至少至少一個由控制電路控制的開關(guān)，藉此連接及截斷一輸入直流電壓，并備有為過荷情況而設的斷路控制器。
背景技術(shù)：
就本發(fā)明而言，開關(guān)電源指任何同時包含可開關(guān)(即時鐘同步)的半導體元件的電源類型，其產(chǎn)生一以一般方式控制及來自直流或交流電壓(一般來自輸電線交流電壓)的直流或交流輸出電壓，以饋送一項或以上的荷載。本發(fā)明尤其是考慮到會產(chǎn)生經(jīng)調(diào)節(jié)輸出直流電壓的開關(guān)電源，例如由230/400伏特的未經(jīng)調(diào)節(jié)交流電壓產(chǎn)生例如為40伏特經(jīng)調(diào)節(jié)輸出的直流電壓。
在開關(guān)電源的額度設定上，特別是用于工業(yè)控制時，計算耗電量即使可行但亦會是一項重大的開支，而一般情況是只可以作出估計，因為峰值耗電量主要視乎所運行的控制程序而定。故此，電源的額度設定通常大量過高，必定引致較高的費用及需要較大的空間。
開關(guān)電源一般設有最高輸出電力，例如以電流限制器設定在一固定水平，據(jù)此，最高輸出電力可保持在固定負荷狀態(tài)。在此情況下是假設一最高環(huán)境溫度。按照目前的技術(shù)，所知的電源能夠產(chǎn)生高于額定值的輸出電流或電力并維持一段短暫時間。舉例而言，該等電源能夠產(chǎn)生額定電流3倍的電流并維持25毫秒。此外亦已知的電源能夠增強以提供較高的輸出電力，例如在低環(huán)境溫度下提高10％至30％(“額定值降低”)。
瞬時過荷亦可以透過與輸出并聯(lián)的電池提供，但該解決方案有其弊端，因為必須顧及電池的壽命及成本，并有需要另設斷路裝置，例如一特別的荷載電路，以保障不會發(fā)生大幅度放電，而且除了成本外，電池亦具有相當?shù)捏w積及重量。
裝有熔斷器的電荷供應所須考慮的熱容量基本因素，通常被認知為及已經(jīng)原則上透過與荷載適配的慢速回應熔斷器達致。舉例而言，美國專利5,283,708A顯示一種保護與三相線連接的電動馬達的電子保護裝置，其可避免荷載長期高于額定荷載，在此系統(tǒng)中可以計算馬達即時的溫度，并用以關(guān)掉馬達。
然而，本發(fā)明并非基于保護荷載及就其特性所須考慮的因素，而是提供一種價格相宜的開關(guān)電源。

發(fā)明內(nèi)容
就此，本發(fā)明的一項目的，是提供一種可以避免因額度設定過高而引致不必要高成本的開關(guān)電源，尤其是可應用于現(xiàn)行情況，特別是荷載及溫度情況的智能型適配。
此問題可透過最初所述類型的開關(guān)電源解決，按照本發(fā)明，設有一種設置一熱能模型的控制器，藉此可計算或估計至少一個部份的溫度。根據(jù)此解決方案，該熱能模型獲提供一項根據(jù)荷載決定的電流值，作為電力數(shù)量，當達到可以預設的限制值或多個限制值的函數(shù)時，控制器會被引導產(chǎn)生至少一種限制訊號，該限制訊號可用以作為一種干擾，以減低溫度，而且至少一限制訊號可傳達至控制電路，驅(qū)使控制電路減低溫度及繼而減低電力。
憑借本發(fā)明，可以提供一種相對于一般電源而言結(jié)構(gòu)上較細小及成本較低的開關(guān)電源，因為本發(fā)明僅以平均耗電量作額度設定。在實施上，實際能夠把額度設定減至約為額定電力的一半，唯一增加的成本，只有與溫度監(jiān)察有關(guān)的成本。
在一項變化的實施例中，限制訊號定為用以切斷主要及次要方面的電源。
更為便利的方式，是把限制訊號用于控制一降溫/散熱裝置。藉此方式，在瞬時過荷的情況下，便可以防止或至少延遲切斷電源。
在不少情況下，宜把限制訊號用作為一種警告訊號，因為使用者能夠采取適當步驟以避免或減少損害。
在優(yōu)選的變化實例中，定有至少一個溫度感應器，用以確定電源的有關(guān)溫度，據(jù)此，熱能模型中可以使用來自至少一個感應器的訊號。相對于其他運作參數(shù)值而言，溫度數(shù)值對于電源過荷情況有著直接及明顯的重要性。適當?shù)姆绞接嬘邪褱囟雀袘饔糜陔娫吹沫h(huán)境溫度，或把溫度感應器用于確定半導體元件及/或其熱能相關(guān)環(huán)境的溫度，或把溫度感應器用于確定變壓器及/或其熱能相關(guān)環(huán)境的溫度。
另一方面，在許多情況下的適當方式是熱能模型至少獲提供來自電源的輸出電流作為電力數(shù)量，或是熱能模型獲提供主電流作為電力數(shù)量，熱能模型能夠從該等數(shù)值作出估計，例如估計電力半導體的晶片溫度。
在另一變化實例中，可規(guī)定熱能模型儲存有個別部份的熱能時間常數(shù)，在元件溫度的計算/估計中可計及此等常數(shù)。藉此方式，便能計及實際半導體(晶片)溫度與例如殼體或散熱器溫度之間通常明顯的延遲。如熱能模型是用作在計及儲存時間常數(shù)下持續(xù)計算元件的溫度，則尤為有效。
另一能夠簡單地達成的變化實例的特征，在于熱能模型包含一列運作參數(shù)賦值與限制訊號的可能組合，而控制電路的目的在于從該列組合中選取及輸出與量度所得數(shù)值相應的至少一個限制訊號。
控制系統(tǒng)包含至少一個數(shù)字處理器的設計，能力尤佳。
另一方面，控制系統(tǒng)可以設計為至少一部份是一類比系統(tǒng)。熱能模型-尤其是簡化的熱能模型，可從操作放大器、電阻及電容器建立。


本發(fā)明及其他優(yōu)點在下文以在附圖中闡明的實施例更詳細說明。圖1顯示按照本發(fā)明設計為開關(guān)轉(zhuǎn)換器的電源的基本電路圖。圖2顯示另一可能實施例，亦是一基本電路圖。
具體實施例方式
按圖1所示，輸入電壓UE由整流器D1調(diào)整，施加于電容器CE的經(jīng)調(diào)整電壓UZK經(jīng)過受控制開關(guān)引導至變壓器UET的主繞組WP。感應器電阻RS與受控制開關(guān)串聯(lián)以厘定主電流。
受控制開關(guān)S由一控制電路AST所控制，其提供一種經(jīng)一般方式脈寬調(diào)制的具恒常甚或可變頻率的訊號。控制電路獲提供來自一附屬繞組WH及一附屬整流器D2的電壓UV，該電壓被施加于一電容器C4。獲施加電壓UZK的相對高電阻的電阻器RV可用作起動電路。
在次電路內(nèi)，次繞組WS的電壓被調(diào)整，其利用例如二極管D3及D4及電感L連同在此例子中按通量轉(zhuǎn)換器原則建立的轉(zhuǎn)換器。在此應指出，明顯地通量轉(zhuǎn)換器或混合轉(zhuǎn)換器類型均可在本發(fā)明使用。
經(jīng)調(diào)整的輸出電壓UA施加于電容器CA。在次電路的電壓探測電路UEK透過一光耦合器OKO向控制電路AST提供有關(guān)輸出電壓的資料，以使輸出電壓能夠按一固定值調(diào)節(jié)。同樣地，但未有在此顯示，如擬對次電流進行調(diào)節(jié)，可向控制電路AST提供有關(guān)輸出電流IA的資料。
在本例子中，輸出電流IA由一串聯(lián)電阻RD確定，并供應到一控制器STE的電流探測單元IAK。亦可以使用其他可能的電流量度方法，例如透過電流變壓器。
主電路的感應器電阻RS以已知的方式為控制電路AST提供主電流的路徑，并向控制器STE的電流探測單元IEK提供一訊號。此STE電路包含一熱能模型THM，在本例子中其包含有關(guān)輸出電流及有關(guān)輸入電流的資料。
熱能模型THM從輸出電流或選擇性地從輸入電流的數(shù)值，計算或估計關(guān)鍵元件例如二極管D3及D4或開關(guān)S的溫度。熱能時間常數(shù)、散熱器詳細資料等亦在熱能模型THM中計及。例如變壓器UET繞組的溫度亦可隨同半導體溫度一同使用熱能模型THM計算/估計。
當電路使用熱能模型確立可予指定的溫度限值，或達致該等限值的關(guān)鍵組合后，其即會發(fā)出至少一種限值訊號，在本例子中透過一接口INT發(fā)出。發(fā)出的限值訊號亦能夠以不同順序啟動多項程序，例如一項訊號可首先輸出至一風機控制器LST，令風機的馬達MOT開動或加速，藉以利用該風機把若干元件或電源殼體內(nèi)部降溫，只要此項措施本身導致溫度或溫度組合降至低于其臨界值，便不會發(fā)生其他情況，或是風機控制器將會在一段時間后再次關(guān)掉。即使在風機控制器已啟動時，當然亦可輸出警告訊號至例如一控制電腦或一警告燈。如啟動風機無效，則會輸出關(guān)閉訊號至電路AST，其會調(diào)低開關(guān)電源的電力，例如至備用操作的情況，直至過荷消除為止。
為方便使用者，STE電路亦可包含一記憶體SPE連同一顯示器ANZ，該顯示器顯示電流的記錄，尤其是關(guān)閉時間前的電流記錄。例如，其可顯示10至100秒的周期。使用者能夠從顯示決定可能造成關(guān)閉的原因。
圖2顯示的實施例與圖1所示的通量轉(zhuǎn)換器的設計相應，其與圖1實施不同在于熱能模型THM并非基于電源的電力數(shù)量，而是基于指配到電源不同元件的溫度感應器量度所得的溫度。
其中尤其是提供確定電源室溫或環(huán)境溫度的溫度感應器TS1。在此，另一溫度感應器TS2量度主開關(guān)S散熱器KK的溫度，溫度感應器T3量度與次二極管D3及D4相應的散熱器KK的溫度，而具有例如連接至變壓器UET核心的導熱連接的溫度感應器TS4則指配到變壓器UET。
利用所確定的溫度，控制器可藉熱能模型計算或估計實際的臨界溫度值，例如半導體晶片溫度或變壓器繞組溫度，然后，如果達致可預先指定的限制值或該等限值的關(guān)鍵組合時，則輸出之前所討論的限制訊號或其他適當訊號。
就溫度量度而言，必須注意實際的臨界溫度不可能以合理的成本量度，特別是半導體晶片的溫度。在量度時必須鉆入各元件，把溫度感應器放置于隔熱的特別要求位置。因此，與特定元件相關(guān)的溫度會被量度，例如是半導體殼體的溫度或半導體散熱器上若干點的溫度。即使是變壓器，通常亦難以量度繞組的溫度或核心溫度，因此例如會量度電路板上與變壓器的電連接位的溫度。熱能模型包括所有必要的參數(shù)，使能夠可靠地及與時間相關(guān)地從實際量度所得的溫度確定有關(guān)(即臨界)溫度。就此而言，應注意傳熱電阻及熱能時間常數(shù)。此外，亦已知荷載電流及輸入電壓對變壓器熱度而言有其重要性，荷載電流的重要性在于銅的損耗，而輸入電壓的重要性是由于電容的損耗而與輸入電壓的增加相連，此亦應計及，按圖2所示，輸入電壓及輸入電流均提供給熱能模型作為參數(shù)。
舉例而言，為了準確地確定二極管D3或D4其中之一的實際二極管溫度，將從已知荷載電流獲取的訊號加于實際量度所得的散熱器溫度。在特定實施例中，舉例而言，每安培的荷載電流均具有能夠增加一訊號到散熱器的量度的效力，令致量度結(jié)果較適當?shù)鼐妥儔浩饔嫾罢吒叱鲩_氐2度。
此外，應注意除圖1及圖2所示的可能性外，其他組合亦可用以確定運作參數(shù)。舉例而言，可以把來自主電路及次電路的所有電力數(shù)量，甚至是更多的溫度數(shù)值提供給熱能模型，當然必須按情況作出合乎經(jīng)濟的選擇，考慮例如就傳輸而言，會增加設計成本的光耦合器或其他隔離措施是否必需。
一般而言，控制器STE或熱能模型THM將包含一數(shù)字處理器DSP，舉例而言，其令致可永久包括一部份或以上的熱度，但肯定此舉涉及相對較高的計算能力，因為熱能模型必須經(jīng)常更新，例如每秒數(shù)次。
另一可能性是在一抹除式唯讀記憶體(EPROM)設立各可能參數(shù)值的可能組合列表，然后處理器只須找尋適當?shù)膮?shù)列表，并進行當中儲存的指令。該列表舉例而言可包含100個“如果”(IF)指示，例如下文所載“如果”(IF)環(huán)境溫度＜20℃“及”(AND)荷載電流＜1.2·inominal，“則”(THEN)于32秒內(nèi)發(fā)出警告訊號。
控制器連同熱能模型基本上并不系于數(shù)字處理器DSP，而是整個熱能模型亦能夠由操作放大器、電容器及電阻器以類比形式模擬，但一般而言此方式較昂貴，并且不適合現(xiàn)有的合適處理器。
權(quán)利要求
1.一種為荷載提供受控制輸出電壓(UA)/輸出電流(IA)的開關(guān)電源，其中具有至少一個由一控制電路(AST)控制的開關(guān)，藉此連接及截斷一輸入直流電壓(UV)，并備有為過荷情況而設的斷路控制器，其特征在于設有一控制器(STE)，當中設置一熱能模型(THM)，藉此可計算或估計至少一種元件(S；D3、D4、UET)的溫度，而熱能模型會獲提供至少一項視乎荷載而定的電流值以作為電力數(shù)量，當達至可預設限值或多個限值的函數(shù)時，控制器(STE)視乎計算或估計所得溫度輸出至少一限制訊號(abs，ala)，及可向控制電路(AST)提供至少一種限制訊號(abs)，令控制電路減低溫度及因而減低電力。
2.按照第1項權(quán)利要求的開關(guān)電源，其特征在于使用一種限制訊號(abs)以切斷開關(guān)電源的主/次電路。
3.按照第1或2項權(quán)利要求的開關(guān)電源，其特征在于使用一種限制訊號(est)以控制一降溫/散熱裝置。
4.按照第1至3項的其中一項權(quán)利要求的開關(guān)電源，其特征在于使用一種限制訊號(ala)作為警告訊號。
5.按照第1至4項的其中一項權(quán)利要求的開關(guān)電源，其特征在于提供至少一個溫度感應器(TS1…TS4)，以確定電源的/供給電源的有關(guān)溫度，而至少一個溫度感應器的訊號可提供到熱能模型(THM)。
6.按照第5項權(quán)利要求的開關(guān)電源，其特征在于提供一項溫度(TS1)作為電源的環(huán)境溫度。
7.按照第5或6項權(quán)利要求的開關(guān)電源，其特征在于提供一個溫度感應器(TS2、TS3)，以確定半導體元件及/或其熱相關(guān)環(huán)境的溫度。
8.按照第5至7項的其中一項權(quán)利要求的開關(guān)電源，其特征在于提供一個溫度感應器(TS4)，以確定變壓器(VET)[sic]及/或其熱相關(guān)環(huán)境的溫度。
9.按照第1至8項的其中一項權(quán)利要求的開關(guān)電源，其特征在于至少開關(guān)電源的輸出電流(IA)將提供到熱能模型(THM)作為電力數(shù)量。
10.按照第1至9項的其中一項權(quán)利要求的開關(guān)電源連同一電位分隔變壓器，其特征在于主電流將提供到熱能模型(THM)作為電力數(shù)量。
11.按照第1至10項的其中一項權(quán)利要求的開關(guān)電源，其特征在于熱能模型(THM)包含個別元件的儲存熱能時間常數(shù)，該等常數(shù)在計算/估計元件溫度時將會計及。
12.按照第11項權(quán)利要求的開關(guān)電源，其特征在于熱能模型(THM)是用作在計及儲存熱能時間常數(shù)下持續(xù)計算元件的溫度。
13.按照第1至10項的其中一項權(quán)利要求的開關(guān)電源，其特征在于熱能模型(THM)包含一運作參數(shù)賦值與限制訊號的可能組合的列表，而控制器是用作選擇及輸出至少一項與該列表中量度數(shù)值相應的限制訊號。
14.按照第1至13項的其中一項權(quán)利要求的開關(guān)電源，其特征在于控制電路包含至少一個數(shù)字處理器。
15.按照第1至14項的其中一項權(quán)利要求的開關(guān)電源，其特征在于控制器至少有一部份屬于類比結(jié)構(gòu)。
全文摘要
一種開關(guān)電源裝置，其包含至少一個由一控制電路(AST)控制的開關(guān)(S)，藉此連接及截斷一輸入直流電壓(U
文檔編號H02M1/00GK1682424SQ03822330
公開日2005年10月12日 申請日期2003年9月18日 優(yōu)先權(quán)日2002年9月20日
發(fā)明者H·施韋格特, H·韋恩梅爾 申請人:奧地利西門子股份有限公司