CN101138143B - 提供直流电压的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于提供直流电压的装置和方法，该装置具有用于第一直流电压源(8)的第一接头装置(3，4)和用于第二直流电压源(11)的第二接头装置(5，6，7)，其中所述装置(1)具有与第一接头装置(3，4)连接的保护元件(18)，该保护元件(18)防止从一个直流电压源(8，11)到其他直流电压源(11，8)的电荷平衡。希望简化直流电压(2)的提供，这是通过保护元件(18)另外与第二接头装置(5，6，7)连接实现的，其中该保护元件(18)在第一直流电压源(8)的极性变换时防止所述装置(1)的有错工作方式。

Description

提供直流电压的装置和方法
技术领域
本发明涉及一种用于提供直流电压的装置，其具有用于第一直流电压源的第一接头装置和用于第二直流电压源的第二接头装置，其中所述装置具有与第一接头装置连接的保护元件，该保护元件防止从一个直流电压源到其他直流电压源的电荷平衡。此外，本发明还涉及用一种具有用于第一直流电压源的第一接头装置和用于第二直流电压源的第二接头装置的装置提供直流电压的方法，其中在该第一接头装置上运行一个保护元件，该保护元件防止从一个直流电压源到其他直流电压源的电荷平衡。
背景技术
这种装置和这种方法由EP0696832A2公开。在此直流电压耗电器由直流电压供电装置馈电，该直流电压供电装置具有蓄电池并可以通过整流器与外部能量源连接。该装置具有实施为场效应晶体管并防止电流从蓄电池流向外部能量源的电子开关。利用另一个场效应晶体管控制蓄电池的充电和放电。
在很多情况下应当向直流电压耗电器提供恒定的、连续的直流电压。这种应用的例子是具有直流电压耗电器的汽车。这种汽车例如是载货汽车、宿营汽车或水上交通工具如船。这种汽车例如具有用于冰箱的压缩机或在行驶期间由蓄电池供以直流电压的空调。如果汽车位于停放位置，则可以由外部直流电压源而不是蓄电池来向汽车中的直流电压耗电器馈电。其优点是蓄电池不会被不必要地放电。通常作为外部能量源有交流电压源可供使用，从而首先用整流器将交流电压转换为直流电压，然后提供给汽车中的直流电压耗电器。
在这种用于提供直流电压的装置和方法中，一方面期望保证不间断地提供能量，另一方面期望汽车中蓄电池的极性变换不会导致其它损坏。
JP 09-093833展示了一种不间断地提供能量的装置，该装置在正常运行时由外部能量源通过整流器馈电并向直流电压耗电器供电。利用电压监视电路监视从外部提供的电压。在供电中断时接通一个场效应晶体管，其负责将蓄电池与直流电压耗电器连接，从而保证不间断地向直流电压耗电器供电。
JP 08-308116展示了一种直流电压源和与其连接的保护电路，该保护电路在直流电压源极性变换时保护开关回路。为此该保护电路具有一个由与直流电压源并联的光电管控制的场效应晶体管。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种能简化直流电压的供应的装置和方法。
该技术问题在开头所述类型的装置中是这样来解决的，所述保护元件另外还与第二接头装置连接，其中该保护元件在第一直流电压源的极性变换时防止所述装置的有错工作方式。
利用该解决方案就不再需要采用不同的电路装置来用于阻止第一直流电压源和第二直流电压源之间的电荷以及用于防护第一直流电压源的极性变换。利用保护元件可以组合这两种功能。正常情况下，直流电压源用其正接头与接头装置的正电位连接，并用其负接头与接头装置的负电位连接。如果直流电压源的接头调换了，从而使不同的电位碰到一起，即直流电压源的负接头与接头装置的接头装置正电位碰到一起以及反过来，则产生极性变换。这样就存在电组件和电路电过载并因此暂时表现出故障功能或者被持久破坏掉的危险。利用保护元件来防止这样的过载，如电压过高、过热或形成火花，并通过这种方式来避免该装置的有错的工作方式。保护元件在此可以分别直接与第一接头装置和第二接头装置连接，也就是说不需要在保护元件和接头装置之间设置其它组件，它们也可以间接连接，其方法是在从保护元件到接头装置的电路径上设置其它电组件。
优选的，所述保护元件与第一直流电压源电串联。该串联电路至少包括所述保护元件和第一直流电压源。第一直流电压源例如可以是蓄电池或电池。
优选的，所述保护元件与第一直流电压源的负接头连接。所述保护元件具有至少两个接头，从而保护元件的一个接头与第一直流电压源的负接头连接。在此连接意思是在第一直流电压源的负极和保护元件的接头之间存在直接的连接，或者也可以在中间连接其它组件。
优选的，所述保护元件与所述装置的参考电位连接。所述装置的参考电位在此理解为接地、大质量(Masse)或中间电位。
优选的，第二直流电压源与由第一直流电压源和保护元件组成的串联电路并联连接。据此保护元件与第一直流电压源串联，而且这两个元件又与第二直流电压源并联。由此总的来说第一直流电压源也与第二直流电压源并联。如果该并联电路与直流电压耗电器连接，则很容易在不改变电路设置的情况下在第一和第二直流电压源之间选择以向电耗电器供电。
有利的是，在接入第一直流电压源和接入第二直流电压源的情况下第一直流电压源没有作用。如果两个直流电压源同时存在，则有意义的是第二直流电压源的运行优先于第一直流电压源的运行。第二直流电压源例如是外部直流电压源，其能量储备是无限的。通过这种方式将既不充电又不放电的第一直流电压源与第二直流电压源去耦合。
优选的是，所述第一直流电压源具有比第二直流电压源更低的输出电压。通过这种方式即使没有保护元件也可以防止从第一直流电压源到第二直流电压源的电荷平衡。但是如果没有其它措施就会进行从第二直流电压源到第一直流电压源的电荷平衡。
所述保护元件是场效应晶体管，具有至少一个漏级接头、至少一个源极接头和至少一个栅极接头。场效应晶体管是由电压控制的、无功工作的电组件。场效应晶体管存在各种实施方式，如MOSFET或IGFET。场效应晶体管的优点还包括在精确控制接通和断开时，即在控制一个电路径的接入和断开时可以毫无问题地用作开关。
所述场效应晶体管的漏级接头与第一接头装置的负接头连接。通过这种方式可以尤其简单地实现极性转换保护。所述第一接头装置的负接头与第一直流电压源的负接头连接。如果在此连接第一直流电压源的正接头，则给出电分配。
优选所述场效应晶体管的源极接头与所述装置的参考电位连接。从源极接头分支出来的基底接头由此同样与参考电位连接。
优选的，所述场效应晶体管的栅极接头与第二直流电压源的控制输出端连接。已证明有利的是，第二直流电压源具有至少3个接头，即一个正接头、一个负接头和一个控制输出端。利用该控制输出端在场效应晶体管的栅极接头上施加控制电压。
在场效应晶体管的栅极接头和所述装置的参考电位之间设置一个二极管。可以采用任何实施类型的二极管。特别有利的是采用齐纳二极管。该齐纳二极管阻止从栅极接头到参考电位的电流，而导通从参考电位到栅极接头的电流。
按照实际方式在场效应晶体管的栅极接头和第一接头装置的正接头之间设置一个欧姆电阻。利用该欧姆电阻建立起第一接头装置的正接头和该栅极接头之间的连接。然后在设置第一直流电压源时第一直流电压源的一个接头通过该欧姆电阻与栅极接头连接。该欧姆电阻具有很小的阻值，从而场效应晶体管的栅极接头和源极接头之间的电压大致等于第一直流电压源的输出电压。如果第一直流电压源变换了极性，则这由栅极接头和源极接头之间的电压来确定，然后该场效应晶体管不在漏极接头上传导电流。
所述技术问题在开头所述类型的方法中这样来解决，即同时在第二接头装置上运行所述保护元件，其中所述保护元件在第一直流电压源极性变换时防止所述装置的有错工作方式。
通过同时在第一接头装置和第二接头装置上运行保护元件，在第一接头装置和第二接头装置之间建立起连接。通过这种方式可以监视两个直流电压源之一是否已连接上或者两个直流电压源是否都存在。在存在两个直流电压源时，保护元件负责确保第一直流电压源不工作而第二直流电压源向直流电压耗电器供以直流电压。与第二直流电压源是否存在无关地另外通过保护元件确定第一直流电压源是否转换了极性。这样运行保护元件，使得不需要外部控制装置来控制该保护元件。在两个直流电压源之一上可能具有的控制接头不是看作外部接头，而是属于所述装置。
尤其优选的是，利用保护元件来防止从第二直流电压源向第一直流电压源的电荷平衡。电荷平衡例如是一种从一个直流电压源流向另一个直流电压源的电流。利用保护元件既防止从第一直流电压源到第二直流电压源的电荷平衡，也防止从第二直流电压源到第一直流电压源的电荷平衡。通过这种方式两个直流电压源彼此独立地工作，其中保护元件协调哪个直流电压源向直流电压耗电器提供直流电压。在此有利的是，利用保护元件中的切换来接入一个直流电压源并断开另一个直流电压源。从而也产生不间断的能量供应。
特别有利的是，第二直流电压源的与作为保护元件的场效应晶体管的栅极接头连接的控制输出端，根据所连接的第二直流电压源向该栅极接头输出一个电压值。场效应晶体管是合适的保护元件，其无功工作并且至少具有3个接头，其中至少一个接头与第一接头装置连接而且至少一个接头与第二接头装置连接。如果该场效应晶体管的栅极接头与第二直流电压源的接头装置连接，则首先可以利用该场效应晶体管确定第二直流电压源是否在第二接头装置上。如果是，则该场效应晶体管导致第二直流电压源单独对直流电压耗电器供电，而第一直流电压源不工作。为此可以使用一个电压，例如第二直流电压源的控制电压，其中该电压可以具有大于、小于或等于0伏的值。第一直流电压源一直保持非激活状态，直到第二直流电压源被去掉为止。如果第一直流电压源是唯一存在的直流电压源，则该直流电压源向直流电压耗电器供电。
附图说明
下面借助优选实施例结合附图详细描述本发明。在此示出：
图1是用于提供直流电压的装置的示意图。
具体实施方式
图1示意性示出用于提供直流电压2的装置1，具有第一接头装置3、4和第二接头装置5、6、7。第一接头装置3、4与第一直流电压源8连接。第一直流电压源8在此具有两个彼此连接的单元。外部可以接入的是第一直流电压源8的正接头9和负接头10。第一直流电压源8与第一接头装置3、4电接触，使得第一直流电压源8的正接头9与接头装置3、4的正接头3连接，第一直流电压源8的负接头10与第一接头装置的负极4连接。第一直流电压源8由此按照规定地连接上并且没有变换极性。
第二接头装置5、6、7与第二直流电压源11连接，该第二直流电压源具有由外部交流电源13馈电的整流器12。第二直流电压源11的正接头14与第二接头装置5、6、7的正接头5连接。第二直流电压源11的负接头15与第二接头装置5、6、7的负接头6连接。第二接头装置5、6、7的负接头6同时还与装置1的参考电位16连接。在所示情况中第二接头装置5、6、7具有另一个接头，在此该另一个接头用作控制接头7。该控制接头7与第二直流电压源11的控制输出端17连接。
第二直流电压源11在其正接头5和负接头6之间的输出电压在所示情况中是27伏特。这同时也是整流器12的输出电压。第一直流电压源8在其正接头9和负接头10之间的输出电压在所示情况中是12伏特。第一直流电压源8的输出电压由此小于第二直流电压源11的输出电压。由于该电位差，不采取其它措施就会发生从第二直流电压源11到第一直流电压源8的电荷平衡。但是这通过保护元件18来阻止，该保护元件实施为场效应晶体管19并且具有漏极接头20、源极接头21和栅极接头22。场效应晶体管19例如是国际整流器类型2804。
场效应晶体管19与第一直流电压源8电串联连接。其中漏极接头20与第一接头装置3、4的负接头4连接。相反，源极接头21与装置1的参考电位16连接。场效应晶体管19的栅极接头22与第二接头装置5、6、7的控制接头7连接。在栅极接头22和控制接头7之间分支出一个电连接，该电连接具有二极管23，在本实施方式中是齐纳二极管，而且连接到装置1的参考电位16。二极管23被栅极接头22在参考电位16的方向上截止。从栅极接头22和控制接头7出发引出至第一接头装置3、4的正接头3以及同时至第二接头装置5、6、7的正接头5的另一个电连接。在这条与由第一直流电压源8和保护元件18组成的串联电路并联的路径上设置具有330千欧的欧姆电阻24。
现在考察装置1的3种不同的运行方式。在所有3种运行方式中第一直流电压源8都与第一接头装置连接。在前面两种运行方式中不存在第二直流电压源11。在此在第二接头装置5、6、7的正接头5、负接头6以及控制接头7上不存在预定的电压，从而这些接头5、6、7可以采取任意的状态。
负载25是为9.6伏至17伏的第一直流电压范围以及为21伏至31伏的第二直流电压范围设计的。在这些直流电压范围中存在第一和第二直流电压源8、11的供电电压，即大约12伏和24伏。第一和第二直流电压源8、11输出的直流电压例如另外还用变流器提高至48伏，以例如向作为负载25的压缩机供电。所接入的负载25例如是一个或多个直流电压耗电器。
在第一种运行方式中，第一直流电压源8按照规定用正确的极性、也就是没有极性变换地与第一接头装置3、4连接。第二直流电压源11不存在。第一直流电压源8提供大约12伏作为输出电压。由此导致电流流过欧姆电阻24和二极管23。由于二极管23的截止电压为15伏而几乎没有电流流过二极管23，因此在场效应晶体管19的栅极接头22和源极接头21之间形成电压降。通过该电压降将场效应晶体管19保持在导通状态。在场效应晶体管19的导通状态下，在场效应晶体管19中有电流从漏极接头20通过源极接头21流向参考电位16。由此第一直流电压源8与接入的负载25并联，负载25由第一直流电压源8连续地提供恒定的直流电压。
在第二种运行方式中，第一直流电压源8变换极性地与接头装置3、4连接，而且第二直流电压源11没有与第二接头装置5、6、7连接。场效应晶体管19在此接通流向接入的负载25的电流。这是通过在场效应晶体管19的栅极接头22和源极接头21之间施加负电压来实现的。由此场效应晶体管19保持在闭合状态，并防止电流从第一直流电压源8的负接头10流向参考电位16。由此在负载25上没有施加直流电压2。由此所接入的作为负载25的耗电器在第一直流电压源8变换了极性时受到保护。
在装置1的第三种运行方式中，第二直流电压源11以27伏的输出电压与第二接头装置5、6、7连接，如在图中示出并在上面描述的那样。第二直流电压源11在其控制输出端17提供控制电压，该控制电压在所示情况中等于0伏。具有12伏的输出电压的第一直流电压源8在此按照规定用正确的极性、即未变换极性地与第一接头装置3、4连接。只要存在第二直流电压源11，就在第二接头装置5、6、7的控制接头7上保持0伏的电位，从而场效应晶体管19的栅极接头22同样具有0伏的电位。这样就在漏极接头20和栅极接头22之间施加了大约15伏的电压。由此场效应晶体管19保持在其断开状态，并且不可能出现从漏极接头20到参考电位16的电流。这意味着，第一直流电压源8在此时是不工作的。第一直流电压源8既不放电也不由第二直流电压源11充电。在该运行方式中负载25由第二直流电压源11供以恒定的直流电压2。
总之，场效应晶体管19通过其接入防止装置1在第一直流电压源8变换极性时的有错的工作方式，并且防止在存在第二直流电压源11时第一直流电压源8的充电和放电。由此场效应晶体管19同时承担两个功能，从而简化了用于提供直流电压2的装置1而没有削弱安全性能。
当然还可以将所述装置1在运行时由没有转换极性的第一直流电压源8来驱动，该第一直流电压源8的正接头9与保护元件18连接。相应的第二直流电压源11的接头14、15也会调换，从而正接头14与第二接头装置5、6、7的接头6连接，负接头15与第二接头装置5、6、7的接头5连接。在此参考电位16得到保持并且因此是正电位。还可以使装置1在第一和第二直流电压源8、11的负接头10、15上获得新的参考电位。在这样改进的装置1中，二极管23的截止功能和导通功能以及场效应晶体管19或其它保护元件的截止功能和导通功能要与变化了的极性匹配。这例如可以通过调换电组件的接头来实现。在场效应晶体管的情况中还可以采用另一种如上所述工作但是在极性变换了时工作的类型。

Claims (16)

1.一种用于提供直流电压(2)的装置，其具有用于第一直流电压源(8)的第一接头装置(3，4)和用于第二直流电压源(11)的第二接头装置(5，6，7)，其中所述装置具有与第一接头装置(3，4)的第一接头(10)连接的保护元件，其特征在于，所述保护元件(18)另外还与第二接头装置(5，6，7)连接，其中该保护元件(18)实施为场效应晶体管(19)，其栅极接头(22)经由欧姆电阻(24)与第一接头装置(3，4)的第二接头(9)连接，从而在第一直流电压源(8)的极性变换时防止所述装置的有错工作方式，其中该场效应晶体管的栅极接头(22)还与第二接头装置(5，6，7)的控制接头(7)连接，该控制接头在接入第二直流电压源(11)时截止所述场效应晶体管，并由此防止电荷平衡以及从第一和第二直流电压源(8，11)的一个直流电压源向第一和第二直流电压源(8，11)的其它直流电压源的充电或放电。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述保护元件(18)与第一直流电压源(8)电串联。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述保护元件(18)与第一直流电压源(8)的负接头(10)连接。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述保护元件(18)与所述装置(1)的参考电位(16)连接。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第二直流电压源(11)与由第一直流电压源(8)和保护元件(18)组成的串联电路并联连接。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，在接入第一直流电压源(8)和接入第二直流电压源(11)的情况下第一直流电压源(8)没有作用。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一直流电压源(8)具有比第二直流电压源(11)更低的输出电压。
8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述场效应晶体管(19)具有至少一个漏极接头(20)、至少一个源极接头(21)和至少一个栅极接头(22)。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述场效应晶体管(19)的漏极接头(20)与第一接头装置(3，4)的第一接头连接。
10.根据权利要求8或9所述的装置，其特征在于，所述场效应晶体管(19)的源极接头(21)与所述装置(1)的参考电位(16)连接。
11.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述场效应晶体管(19)的栅极接头(22)与第二直流电压源(11)的控制输出端(17)连接。
12.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，在所述场效应晶体管(19)的栅极接头(22)和所述装置(1)的参考电位(16)之间设置一个二极管(23)。
13.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，在所述场效应晶体管(19)的栅极接头(22)和第一接头装置(3，4)的第二接头(9)之间设置所述欧姆电阻(24)。
14.一种利用具有用于第一直流电压源(8)的第一接头装置(3，4)和用于第二直流电压源(11)的第二接头装置(5，6，7)的装置来提供直流电压(2)的方法，其中保护元件(18)与该第一接头装置(3，4)的第一接头(10)连接并且与该第一接头装置(3，4)串联地运行，其特征在于，所述保护元件(18)附加地连接到第二接头装置(5，6，7)，其中该保护元件(18)实施为场效应晶体管(19)，其栅极接头(22)经由欧姆电阻(24)与第一接头装置(3，4)的第二接头(9)连接，从而在第一直流电压源(8)的极性变换时防止所述装置的有错工作方式，其中该场效应晶体管的栅极接头(22)还与第二接头装置(5，6，7)的控制接头(7)连接，该控制接头在接入第二直流电压源(11)时截止所述场效应晶体管，并由此防止电荷平衡以及从第一和第二直流电压源(8，11)的一个直流电压源向第一和第二直流电压源(8，11)的其它直流电压源的充电或放电。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，利用所述保护元件来防止从第二直流电压源向第一直流电压源的电荷平衡。
16.根据权利要求14或15所述的方法，其特征在于，所述第二直流电压源的与作为保护元件的场效应晶体管的栅极接头连接的控制输出端，根据所连接的第二直流电压源向该栅极接头输出电压值。
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