用于運行諧振變換器的方法和諧振變換器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種用于運行具有逆變器電路的軟切換諧振變換器的方法和一種具 有逆變器電路的軟切換諧振變換器。
【背景技術(shù)】
[0002] 在產(chǎn)生用于X射線管的高壓時，通常使用諧振運行的逆變器電路。例如在公開文 獻US2008/0198634Al中描述了這樣的諧振變換器。
[0003] 在具有由串聯(lián)電容器和串聯(lián)電抗器組成的串聯(lián)振蕩電路以及半橋控制器或全橋 控制器的諧振逆變器中，可以通過電橋支路中的半導體開關(guān)的控制頻率的變化來調(diào)節(jié)輸出 電壓和輸出功率。如果在逆變器中變壓器被用于電氣隔離或者用于電壓升壓，則變壓器的 漏電感可以滿足串聯(lián)電抗器的功能并且僅需要串聯(lián)電容器。根據(jù)控制頻率是低于還是高于 振蕩電路的諧振頻率，在亞諧振控制和過諧振控制之間進行區(qū)分。
[0004] 在亞諧振控制中，對于小的輸出功率，控制頻率必須非常小，并且由此達到可聽頻 率范圍。使用多諧振逆變器，例如通過與串聯(lián)振蕩電路的電容器并聯(lián)連接電抗器，可以消除 該缺點。于是已經(jīng)針對在并聯(lián)諧振頻率附近的控制頻率實現(xiàn)為零的輸出功率，從而可以將 控制的頻率范圍限制在足夠窄的帶。這在構(gòu)造輸出側(cè)的平滑電容器和EMV濾波器時也具有 優(yōu)點。
[0005] 然而，在亞諧振控制中，在接通開關(guān)時，與電橋支路的相對的開關(guān)反并聯(lián)的二 極管必須停止整流，由此特別是在較高的開關(guān)頻率時產(chǎn)生高開關(guān)損耗。一種用于減小 開關(guān)損耗的可能性在于，使用在零電流下實現(xiàn)切換的附加的無源或有源的去負荷網(wǎng)絡(luò) (Entlastungsnetzwerk)。在這種情況下，串聯(lián)振蕩電路中的電流從開關(guān)向二極管換向，其 中僅產(chǎn)生很小的開關(guān)損耗。
[0006] 在過諧振控制中，電壓變換和功率轉(zhuǎn)換在諧振頻率附近最大，并且對于較小的功 率必須大幅提高控制頻率?？梢赃@樣選擇諧振頻率，使得所需的控制頻率總是高于聽覺范 圍。由于導致附加諧振點的變壓器的寄生電容和電感，與在亞諧振控制中類似，通常無法實 現(xiàn)對控制頻率的沮圍的限制。振湯電路必須被構(gòu)造為，諧振頻率低于在最小輸入電壓時的 最大輸出電壓和在最大輸出功率時希望的最小控制頻率。
[0007] 于是特別地，當對于輸入和輸出電壓應(yīng)當覆蓋寬的范圍時，這造成的后果是在逆 變器中遠離該工作點存在不良的無功功率和有功功率比，由此產(chǎn)生過高的傳輸損耗。在過 諧振運行中反并聯(lián)二極管不必停止整流，然而串聯(lián)振蕩電路中的電流必須被開關(guān)有源地斷 開，由此產(chǎn)生開關(guān)損耗。然而，該斷開損耗可以通過以與開關(guān)并聯(lián)連接的電容器形式的電容 性切換負荷降低而被最小化。于是在切換瞬間出現(xiàn)在零電壓下的切換。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，說明一種用于運行諧振變換器的方法和一種諧振變 換器，其在輸入電壓大幅變化時也具有小的開關(guān)損耗。
[0009] 根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)思路在于，同時并相互協(xié)調(diào)地調(diào)節(jié)具有逆變器的諧振變換器中 的逆變器電壓的控制頻率和占空比。在此，針對諧振變換器的每個工作點和預先給定的相 位保留確定占空比和控制頻率。在此，由輸入電壓、所需的輸出電壓和輸出端處的負載（即 輸出電流）確定工作點。相位保留確保逆變器的開關(guān)在零電壓下導通。
[0010] 本發(fā)明要求保護一種用于運行諧振變換器的方法，所述諧振變換器具有帶有多個 開關(guān)的逆變器電路，其中，逆變器的開關(guān)通過控制頻率并且這樣彼此相移地進行切換，使得 在逆變器的輸出端處的逆變器電壓具有預先給定的占空比，其中，針對諧振變換器的預先 給定的工作點和預先給定的相位保留，確定控制頻率和占空比。
[0011] 根據(jù)本發(fā)明的控制頻率的變化和相移調(diào)制的組合的優(yōu)點在于，在諧振變換器的LCLC振蕩電路的尺寸合適的情況下，能夠在非常寬的工作范圍內(nèi)實現(xiàn)無負荷切換，其中，同 時能夠保持逆變器電路中的無功電流和控制頻率中的頻率振蕩是小的。例如，可以將在最 大輸入電壓的50 %到100 %的輸入電壓范圍、最大輸出電壓的50 %到100%的輸出電壓范 圍和額定輸出功率的1%到100%的負載范圍的情況下的頻率振蕩限制到大約2倍。
[0012] 有利的是，因為工作范圍寬，諧振變換器特別是能夠以在寬范圍內(nèi)變化的輸入電 壓運行。這例如在由于電網(wǎng)內(nèi)阻在負載的情況下驟降的未調(diào)節(jié)的中間電路電壓的情況下， 或者當諧振變換器由具有不同的額定電壓的電網(wǎng)供電時是這種情況。
[0013] 在一個擴展方案中，相位保留說明了在開關(guān)的斷開和振蕩電路電流的過零點之間 存在的相位角偏移。
[0014] 在本發(fā)明的另一實施方式中，開關(guān)包括第一開關(guān)、第二開關(guān)、第三開關(guān)和第四開 關(guān)，其中，第一和第二開關(guān)形成第一電橋支路，并且第三和第四開關(guān)形成第二電橋支路，其 中，第一、第二、第三和第四開關(guān)通過控制頻率并且通過相位偏移進行切換。
[0015] 在一個擴展方案中要求保護，相位保留說明了在第一開關(guān)的斷開和振蕩電路電流 的過零點之間以及在第二開關(guān)的斷開和振蕩電路電流的過零點之間的相位角偏移，或者在 第三開關(guān)的斷開和振蕩電路電流的過零點之間以及在第四開關(guān)的斷開和振蕩電路電流的 過零點之間的相位角偏移。
[0016] 用于選擇參數(shù)占空比和控制頻率的控制方法具有使得能夠在零電壓下進行無負 荷切換的優(yōu)點。在不使用復雜的去負荷網(wǎng)絡(luò)的情況下實現(xiàn)無負荷切換。得到小的開關(guān)損耗， 從而諧振變換器可以在高控制頻率下運行，或者用于冷卻功率組件的開銷降低。
[0017] 在另一個實施方式中要求保護，說明了在第一和第二開關(guān)的開關(guān)之間的切換以及 在第三和第四開關(guān)的開關(guān)之間的切換的時間段的鎖定時間，小于相位保留除以控制頻率的 2 31 倍。
[0018] 在另一個構(gòu)造中要求保護，諧振變換器的輸入電壓、諧振變換器的輸出電壓和諧 振變換器的輸出電流規(guī)定了工作點。
[0019] 此外要求保護，基于工作點從存儲的事先確定的表中確定占空比和控制頻率。
[0020] 在另一個實施方式中要求保護，通過控制單元借助對控制頻率和/或占空比的限 制、預控制和/或調(diào)節(jié)，動態(tài)地進行相位保留的保持。
[0021] 優(yōu)選可以通過監(jiān)視振蕩電路電流動態(tài)地進行相位保留的保持。
[0022] 本發(fā)明還要求保護一種具有逆變器電路的諧振變換器，其中，諧振變換器被構(gòu)造 并編程為執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明的方法。
[0023] 在一個擴展方案中，諧振變換器可以包括調(diào)節(jié)裝置，其被構(gòu)造并編程為借助事先 確定并存儲的表，由工作點和相位保留確定控制頻率和占空比。
[0024] 本發(fā)明還要求保護一種具有根據(jù)本發(fā)明的諧振變換器的X射線發(fā)生器。
【附圖說明】
[0025] 從以下借助于示意性圖示對實施例的說明，本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點將變得清 楚。
[0026] 附圖中：
[0027] 圖1示出了諧振變換器的框圖，
[0028] 圖2示出了諧振變換器的功率電路部分的框圖，
[0029] 圖3示出了相位與振蕩電路電流的依賴關(guān)系的圖表和逆變器的開關(guān)的時間變化 的圖表，以及
[0030] 圖4示出了調(diào)節(jié)裝置的框圖。
【具體實施方式】
[0031] 圖1示出了用于根據(jù)本發(fā)明地運行諧振變換器的電路布置的框圖，所述諧振變換 器由具有逆變器電路2、振蕩電路3、變壓器電路4和帶有平滑（Gliittung)的整流器電路5 的功率電路部分1組成。此外，諧振變換器包括調(diào)節(jié)裝置6,調(diào)節(jié)裝置6對脈沖生成電路7 進行控制，在脈沖生成電路7的輸出端處存在控制信號8,控制信號8對逆變器電路的開關(guān) 進行切換。
[0032] 例如作為數(shù)字調(diào)節(jié)器實現(xiàn)的調(diào)節(jié)裝置6借助輸入電壓U1關(guān)于兩個調(diào)節(jié)參數(shù)控制 頻率f和占空比d調(diào)節(jié)輸出電壓U2和/或輸出電流I2，脈沖生成電路7使用這兩個調(diào)節(jié)參 數(shù)來生成逆變器電路2的開關(guān)的控制信號8。
[0033] 在逆變器電路2的輸出端處，獲得振蕩電路電流Ici和振蕩電路電壓IV在變壓器 電路4的輸出端處，存在經(jīng)過變壓的振蕩電路電壓Us。在整流器電路的輸出端處，獲得經(jīng)過 整流和平滑的輸出電壓U2和輸出電流I2。
[0034] 圖2更詳細地示出了圖1中的諧振變換器的功率電路部分1的框圖。功率電路部 分1包括作為全橋構(gòu)造的逆變器電路2,其在輸入側(cè)與輸入電壓U1連接，并且在輸出側(cè)與振 蕩電路3連接。振蕩電路3包括串聯(lián)電容器33、串聯(lián)電抗器34、并聯(lián)電抗器35和并聯(lián)電容 器36。振蕩電路在輸出側(cè)與變壓器電路4連接。
[0035] 逆變器電路2由與輸入電壓U1并聯(lián)連接的第一電橋支路Bl和第二電橋支路B2組 成。第一電橋支路Bl由帶有反并聯(lián)的第一和第二二極管25、26以及并聯(lián)的第一和第二電 容器29、30的串聯(lián)布置的第一和第二開關(guān)21、22組成。
[0036] 第二電橋支路B2由帶有反并聯(lián)的第三和第四二極管27、28和并聯(lián)的第三和第四 電容器31、32的串聯(lián)布置的第三和第四開關(guān)23、24組成。
[0037] 在逆變器電路2的輸出端處，產(chǎn)生振蕩電路電流Ici和振蕩電路電壓IV在變壓器 電路4的輸出端處，存在經(jīng)過變壓的振蕩電路電壓Us。在整流器電路5的輸出端處，獲得經(jīng) 過整流和平滑的輸出電壓U2和輸出電流I2。
[0038] 根據(jù)圖1，由未示出的脈沖生成單元7根據(jù)控制參數(shù)占空比d和控制頻率f，對全 橋的開關(guān)21至24進行控制，使得第一電橋支路BI的開關(guān)21和22交替導通，并且在切換 時持續(xù)鎖定時間Tdt。第二電橋支路B2的開關(guān)23和24同樣交替導通，并且在切換時持續(xù) 鎖定時間Tdt。鎖定時間Tdt是必需的，由此在電橋支路Bl和B2中不產(chǎn)生短路，并且由此振 蕩電路電流iQ可以對開關(guān)21至24的輸出電容和相關(guān)電橋支路的附加電容器29至32再 充電，從而在經(jīng)過鎖定時間Tdt之后，相關(guān)開關(guān)21至24能夠在零電壓下導通。
[0039] 兩個電橋支路Bl和B2的控制信號彼此相移了角度O，從而在逆變器電路2的輸 出端處，獲得具有占空比d和脈沖頻率f的振蕩電路電壓Up
[0040] 當振蕩電路組件33至36中的一個或多個以及變壓器電路4是實際變壓器的組成 部分時是有利的。例如實際變壓器的漏電感承擔串聯(lián)電感34(串聯(lián)電抗器）的功能，變壓 器的主電感承擔并聯(lián)電感35 (并聯(lián)電抗器）的功能，并且次級繞組的繞組電容承擔并聯(lián)電 容器36的功能。在次級線圈和初級線圈之間的匝數(shù)比確定變壓器電路4的電壓變換比n， 從而諧振變換器僅由幾個部件組成，并且能夠以低成本實現(xiàn)。
[0041] 有利的是，也可以使用開關(guān)21至24的輸出電容作為電容器29至32,如果其具有 足夠大的電容。
[0042] 因為二極管25至28不必被換向，因此不強制要求具有少量儲存電荷的快速開關(guān) 二極管。有利的是，也可以使用開關(guān)21至24的寄生二極管，例如金屬氧化物半導體場效應(yīng) 晶體管（MOSFET)的寄生體二極管，作為反并聯(lián)二極管25至28。
[0043] 在圖3中，借助圖表進一步示出了在圖2中描述的關(guān)系。圖3從上到下示出了：振 蕩