CN104953844A - 双向开关模式电源 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于电梯电力***的双向开关模式电源(1)。该双向开关模式电源包括用于选择双向开关模式电源(1)的供电方向的输入端(2)，以及具有与输入端(2)耦接的控制极的开关(3A，3B)。该开关(3A，3B)被适配为基于选择的供电方向改变双向开关模式电源(1)的主电路。

Description

双向开关模式电源

技术领域

本发明涉及用于电梯电力***的开关模式电源的技术领域。

背景技术

开关模式电源(SMPS)设备在传统上用于在低压应用中，如计算机***、消费电子等供电。SMPS的优势除了其他之外还有小尺寸和良好效率。因此，可以考虑在电梯电力***中采用SMPS供电。

传统上，SMPS用于仅在一个方向上供电。然而，在电梯电力***中，需要双向供电。当工作在驱动模式时，电梯曳引机从电梯电源(例如，市电或备用电源)获取电功率以沿着电梯井道驱动电梯轿厢。另一方面，当工作在发电机模式时，电梯曳引机对电梯轿厢的运行进行制动，并将电功率提供回电梯电源。

双向供电的一个解决方案是使用两个分开的反并联连接的SMPS在相反方向上供电。然而，这意味着需要更多的SMPS单元，这在某种程度上失去了小尺寸的优势，还增加了成本和***复杂性。

一些双向SMPS也是已知的。然而，这些使用其中可以容忍滤波电路的较高阻抗的明显较低的开关频率。较低的开关频率具有往往要增大设备尺寸的缺点。

发明内容

考虑到上述，本发明的目的是引入一种用于电梯电力***的高效、紧凑的双向开关模式电源(bdSMPS)。该目的使用根据权利要求1的双向开关模式电源，以及根据权利要求14的方法达到。

本发明进一步的目的是引入一种用于电梯电力***的高效、紧凑的备用电源设备。该目的使用根据权利要求9的备用电源设备以及根据权利要求11的电梯电力***达到。

从属权利要求描述了本发明的一些优选实施例。

本发明的一个方面是一种双向开关模式电源，包括：输入端，用于选择双向开关模式电源的供电方向；以及开关，具有与输入端耦接的控制极。该开关适配为基于选择的供电方向改变双向开关模式电源的主电路。这可能意味着通过基于供电方向添加组件或从主电路分离组件对主电路拓扑做出部分改变。在优选实施例中，主电路阻抗可以变化为对由高频开关引起的方向相关的干扰滤波。例如，可以根据工作情况只在主电路的选择的点降低阻抗，这意味着可以避免使用较大、复杂的滤波电路。另一方面，当需要时，也可以从主电路功率开关分离低阻抗电路。从功率开关分离低阻抗电路意味着在某些工作情况下，可以降低功率开关的浪涌电流(浪涌电流除了其他之外还导致额外的应力，并因此缩短功率开关的寿命；浪涌电流还可能导致电磁干扰)。

在本公开中，术语“双向开关模式电源”是指开关模式电源，它被配置为通过其在两个相反的方向上供电。因此，术语“双向开关模式电源的主电路”的意思是组成单个双向开关模式电源内部的功能元件(如，滤波器、逆变器级、变压器等)的组件和连接，电能经由其在两个相反的方向上流动。根据一个或多个实施例，双向开关模式电源具有两个连接接口，并被配置为在它们之间在两个相反的方向上供电。

在一个优选实施例中，开关被配置为只要选择的供电方向保持相同，就维持主电路不变。

在一个优选实施例中，双向开关模式电源是DC/DC转换器，包括具有第一线圈和第二线圈的变压器、与第一线圈耦接的第一逆变器级，以及与第二线圈耦接的第二逆变器级。第一和第二逆变器级被配置为通过变压器在两个方向上传输电能。第一电容器通过第一选择开关与第一逆变器级并联连接。第一选择开关被配置为在选择的供电方向是从第一线圈到第二线圈时导通，并且在选择的供电方向是从第二线圈到第一线圈时不导通。

在一个优选实施例中，DC/DC转换器包括通过第二选择开关与第二逆变器级并联连接的第二电容器。第二选择开关被配置为在选择的供电方向是从第二线圈到第一线圈时导通，并且在选择的供电方向是从第一线圈到第二线圈时不导通。

在一个优选实施例中，DC/DC转换器包括第一DC端以及连接在第一电容器和第一DC端之间的电感器。

在一个优选实施例中，DC/DC转换器包括第二DC端以及连接在第二电容器和第二DC端之间的电感器。

在一个优选实施例中，第一DC端是低压端，第二DC端是高压端。

本发明的另一方面是一种备用电源设备，包括电能存储单元和根据本公开的双向开关模式电源。该双向开关模式电源与该电能存储单元连接。该双向开关模式电源进一步具有用于连接到负载电路的端，并且该双向开关模式电源被配置为当输入端具有第一状态时从电能存储单元提供电能到负载电路，以及当输入端具有第二状态时从负载电路提供电能到电能存储单元。

在一个优选实施例中，双向开关模式电源的低压DC端与电能存储单元耦接，双向开关模式电源的高压DC端被配置为与负载电路耦接。

本发明的又一方面是一种具有用于在电梯装置中提供电能的供电电路的电梯装置。电梯电力***包括根据本公开实现的备用电源设备，其中负载电路是电梯电力***的供电电路，双向开关模式电源与电梯电力***的供电电路连接。

在一个优选实施例中，电梯电力***包括用于驱动电梯轿厢的曳引机，以及用于控制曳引机的变频器。双向开关模式电源的高压端与变频器的DC中间电路耦接。

在一个优选实施例中，基于曳引机的驱动状态选择双向开关模式电源的供电方向。

本发明的又一方面是一种使用双向开关模式电源供电的方法。该方法包括选择双向开关模式电源的供电方向，并基于该选择的供电方向改变双向开关模式电源的主电路。

在一个优选实施例中，该方法包括只要选择的供电方向保持相同，就维持主电路不变。

如果没有另外说明，那么可以以任何相互组合的方式使用本文前面描述的实施例。至少两个实施例中的若干实施例可以组合在一起形成又一实施例。本发明的任何方面可以包括本文前面描述的至少一个实施例。

在下面对某些实施例的描述的帮助下，可以更好地理解前述发明内容，以及下面提出的本发明的更多特征和更多优势，所述描述不限制本发明的申请范围。

附图说明

图1示出了根据本发明的实施例的备用电源设备的电路图；

图2示出了具有图1的备用电源设备的电梯电力***的框图。

具体实施方式

为了便于理解，在图1和图2中只示出被认为对理解本发明必须的那些特征。因此，例如，没有示出在对应的技术领域中广泛已知存在的某些组件/功能。

在本说明书中，相同的标号总是用于相同的项目。

图1示出了备用电源设备，它可以与电梯电力***连接。该备用电源设备包括电能存储单元12，以及双向开关模式电源(后文中称为bdSMPS)1。电能存储单元21可以是例如一组蓄电池、一组超级电容器或两者的组合。在此实施例中，使用一组铅酸电池。该组电池与bdSMPS 1的DC端8A连接。至少几个电池串联连接以达到大约50伏的电压。50伏的端8A被称为低压端。bdSMPS的其他DC端8B可以与高压DC电路13，如变频器的DC中间电路连接。DC电路13的电压可以大约是550伏-650伏，DC端8B被称为高压端。

bdSMPS 1是具有正激拓扑的DC/DC转换器，它被配置为在电能存储单元12和DC电路13之间在两个(相反的)方向上提供电能。bdSMPS包括输入端2，经由该输入端2接收用于选择供电方向的串行通信信号(例如，功率是从能量存储单元12供应到DC电路13，还是反过来)。

bdSMPS 1包括具有低压线圈5A和高压线圈5B的变压器5。变压器5提供电能存储单元12和DC电路13之间的电流隔离。固态开关20A形式的第一逆变器级6A与低压线圈5A连接。通过操作第一逆变器级6A的固态开关20A，电能从低压端8A传输到高压端8B。在该实施例中，第一逆变器级6A的固态开关20A是金属-氧化物半导体场效应(MOSFET)晶体管，然而也可以使用其他合适的组件，如碳化硅MOSFET晶体管、IGBT晶体管、双极晶体管等。

固态开关20B形式的第二逆变器级6B与变压器5的高压线圈5B连接。通过操作第二逆变器级6B的固态开关20B，电能从高压端8B传输到低压端8A。在该实施例中，第二逆变器级6B的固态开关20B是金属-氧化物半导体场效应(MOSFET)晶体管，然而也可以使用其他合适的(高压)组件，如碳化硅MOSFET晶体管、IGBT晶体管、双极晶体管等。

MOSFET晶体管20A和20B通过在控制器21中生成门控脉冲进行操作。在一个实施例中，MOSFET晶体管20A的开关频率是49kHz，MOSFET晶体管20B的开关频率是25kHz；然而，在其他的实施例中，可以使用其他的开关频率。

由于bdSMPS 1传输双向电能，因此第一6A和第二6B逆转器级被配置为通过变压器5在两个方向上传输电能。第一逆变器级6A被设置具有与MOSFET晶体管20A并联连接的整流器二极管19A，第二逆变器级6B被设置具有与MOSFET晶体管20B并联连接的整流器二极管19B。整流器19A、19B的目的是对变压器5的输出功率整流。

DC端8A和8B两者都与低通LC滤波器耦接以对输出功率滤波。低压端8A侧输出滤波器包括电感器9A和电容器10A，高压端8B侧输出滤波器包括电感器9B和电容器10B。电感器9A、9B的目的是降低变压器的电流梯度。使用LC滤波器可以改善bdSMPS效率。

由于MOSFET晶体管20A的操作会通过电感器9A导致电压纹波穿过第一逆变器级6A，附加电容器7A与第一逆变器级6A并联连接(使得电感器9A位于电容器7A和10A之间)。相应地，电容器7B与第二逆变器级6B并联连接以稳定当MOSFET晶体管20B操作时由电感器9B引起的电压纹波。

电容器7A通过选择开关3A与第一逆变器级6A并联连接，电容器7B通过选择开关3B与第二逆变器级6B并联连接。选择开关3A和3B可以是固态开关或机械开关，如继电器。

开关3A和3B的目的是将输出侧电容器7A、7B与bdSMPS主电路分离。这是因为否则，对变压器5的输出功率整流的整流器二极管19A、19B的输出将会与电容器7A、7B直接连接，从而导致浪涌电流。

bdSMPS串行通信输入端2通过控制器21与开关3A和3B的控制极耦接。控制器21从输入端2接收携带有关选择的bdSMPS 1的供电方向的信息的串行通信消息，开关3A和3B基于选择的供电方向操作。输入端2也可以以其他方式与开关3A、3B的控制极耦接。在一些实施例中，控制信号通路直接从输入端2到开关3A、3B的控制极，使得它们的开关状态直接跟随输入端2中的选择信号的逻辑状态。这样可以加速供电方向的变化。

选择开关3A被配置为当选择的供电方向是从低压端8A到高压端8B(例如，从变压器的低压线圈5A到高压线圈5B)时导通，并且当选择的供电方向相反时不导通。相应地，选择开关3B被配置为当选择的供电方向是从高压端8B到低压端8A(例如，从变压器的高压线圈5B到低压线圈5A)时导通，并且当选择的供电方向相反时不导通。这具有位于电源输出侧的电容器7A、7B总是与bdSMPS主电路分离的效果，从而降低通过整流器二极管19A、19B的浪涌电流。而且，位于电源输入侧的电容器7A、7B总是与bdSMPS主电路连接，从而减少由操作逆变器级6A、6B引起的电压纹波。只要选择的供电方向保持相同，开关3A、3B的开关状态就不改变。

图2示出了包括图1的备用电源设备11的电梯电力***。电梯电力***包括曳引机14，其被适配为以本技术领域中已知的方式在停止楼层之间驱动电梯井中的电梯轿厢。电梯电力***还包括变频器18，它与市电15连接。变频器18包括AC/DC整流器17和逆变器16，它们通过DC中间电路13连接在一起。变频器18根据工作情况通过从主电网15提供电能到曳引机以及反过来来控制曳引机14。当工作在驱动模式时，变频器18从主电网15提供电能到曳引机14，当工作在发电机模式时，对电梯轿厢的运动进行制动的曳引机14产生电，变频器18将产生的电提供回主电网15。为了操作变频器18，驱动控制器22产生用于变频器的IGBT晶体管的控制脉冲。

备用电源装置11的bdSMPS高压端8B与变频器18的DC中间电路13连接。驱动控制器22通过发送控制信号到bdSMPS 1的输入端2来控制备用电源装置11的操作。控制信号包括开始/结束操作命令，以及供电方向的选择。

驱动控制器22与用于检测市电15的停电的监视电路23连接。当主电网15正常工作时，通过使用bdSMPS经由DC中间电路13从主电网15向备用电源设备11的电池12供电来对它们充电。当检测到主电网15中的停电时，通过使用bdSMPS 1从电池12向DC中间电路13，并进一步向对移动电梯轿厢必要的设备(例如，向曳引机和/或制动器和/或选择的控制单元)供电来继续电梯操作。

当曳引机14以驱动模式工作时，bdSMPS 1从电池12向DC中间电路13供电。在一些实施例中，当以发电机模式工作时，bdSMPS 1从DC中间电路13向电池12提供回再产生的电能以对它们再充电。这样可以延长在停电期间电梯的工作范围和/或工作时间。

在一些实施例中，备用电源设备11被适配为还在正常的电梯工作期间向一个或多个电梯组件供电。这样可以降低从主电网15的电能消耗。

在上述实施例中，bdSMPS 1被实现为电梯备用电源设备的一部分。然而，普通的技术人员应该理解的是，所公开的bdSMPS也可以在例如电梯电力***、自动扶梯供电***或自动人行道供电***中有其他的实现方式。这些实现方式包括但不限于DC电机控制器、轿厢门电机控制器、提供变频器DC中间电路中的电流隔离等。

虽然已经结合多个示例性实施例和实施方式描述了本发明，但本发明不并不受此限制，而是涵盖落入所附权利要求范围内的各种修改和等价装置。

Claims (15)

1.一种双向开关模式电源(1)，包括：

输入端(2)，用于选择双向开关模式电源(1)的供电方向；

开关(3A，3B)，具有与输入端(2)耦接的控制极；

其中开关(3A，3B)被适配为基于选择的供电方向改变双向开关模式电源(1)的主电路。

2.根据权利要求1所述的双向开关模式电源，其中开关(3A，3B)被适配为通过基于选择的供电方向改变主电路来改变主电路阻抗。

3.根据权利要求1或2所述的双向开关模式电源，其中开关(3A，3B)被配置为只要选择的供电方向保持相同，就维持主电路不变。

4.根据前述权利要求任一项所述的双向开关模式电源，其中双向开关模式电源是DC/DC转换器，包括：

具有第一线圈(5A)和第二线圈(5B)的变压器(5)；

与第一线圈(5A)耦接的第一逆变器级(6A)；

与第二线圈(5B)耦接的第二逆变器级(6B)，

第一和第二逆变器级(6A，6B)被配置为通过变压器(5)在两个方向上传输电能；

第一电容器(7A)通过第一选择开关(3A)与第一逆变器级(6A)并联连接；

其中第一选择开关(3A)被配置为在选择的供电方向是从第一线圈(5A)到第二线圈(5B)时导通，并且在选择的供电方向是从第二线圈(5B)到第一线圈(5A)时不导通。

5.根据权利要求4所述的双向开关模式电源，其中DC/DC转换器包括：

通过第二选择开关(3B)与第二逆变器级(6B)并联连接的第二电容器(7B)；

并且其中第二选择开关(3B)被配置为在选择的供电方向是从第二线圈(5B)到第一线圈(5A)时导通，并且在选择的供电方向是从第一线圈(5A)到第二线圈(5B)时不导通。

6.根据权利要求4或5所述的双向开关模式电源，其中DC/DC转换器包括第一DC端(8A)以及连接在第一电容器(7A)和第一DC端(8A)之间的电感器(9A)。

7.根据权利要求4-6中任一项所述的双向开关模式电源，其中DC/DC转换器包括第二DC端(8B)以及连接在第二电容器(7B)和第二DC端(8A)之间的电感器(9B)。

8.根据权利要求7所述的双向开关模式电源，其中第一DC端(8A)是低压端，并且第二DC端(8B)是高压端。

9.一种备用电源设备(11)，包括：

电能存储单元(12)；

其中所述备用电源设备(11)包括根据权利要求1-8任一项所述的双向开关模式电源(1)，

所述双向开关模式电源(1)与所述电能存储单元(12)连接，

并且所述双向开关模式电源(1)具有用于连接到负载电路(13)的端(8B)，

并且所述双向开关模式电源(1)被配置为当输入端(2)具有第一状态时从电能存储单元(12)提供电能到负载电路(13)，以及当输入端(2)具有第二状态时从负载电路(13)提供电能到电能存储单元(12)。

10.根据权利要求9所述的备用电源设备，其中双向开关模式电源(1)的低压DC端(8A)与电能存储单元(12)耦接，并且双向开关模式电源(1)的高压DC端(8B)被配置为与负载电路(13)耦接。

11.一种包括用于在电梯装置中提供电能的供电电路(13)的电梯电力***，其中该电梯电力***包括根据权利要求9或10所述的备用电源设备(11)，负载电路是电梯电力***的供电电路(13)，双向开关模式电源(1)与电梯电力***的供电电路(13)连接。

12.根据权利要求11所述的电梯电力***，其中该电梯电力***包括用于驱动电梯轿厢的曳引机(14)，以及用于控制曳引机(14)的变频器(18)，

并且其中双向开关模式电源(1)的高压端(8B)与变频器的DC中间电路(13)耦接。

13.根据权利要求11或12所述的电梯电力***，其中基于曳引机(14)的驱动状态选择双向开关模式电源(1)的供电方向。

14.一种使用双向开关模式电源(1)供电的方法，所述方法包括：

-选择双向开关模式电源(1)的供电方向，

-基于选择的供电方向改变双向开关模式电源(1)的主电路。

15.根据权利要求14所述的方法，包括：

-通过基于选择的供电方向改变主电路来改变双向开关模式电源(1)的主电路阻抗。