CN102474174A - 电压转换设备和电气负载驱动设备 - Google Patents

Abstract

公开了一种电压转换设备，其中，经过第一与第二环路的电流根据设置在第一电路中的第一开关元件的开通/关断操作而交替。穿过在开通操作时形成的第一环路的磁场与穿过在关断操作时形成的第二环路的磁场的方向相同。第一环路和第二环路以这样的方式分别被设置在印刷电路板的相反侧：第一环路和第二环路彼此相反。散热部件被设置在印刷电路板的表面上。金属材料的整体图案被设置在印刷电路板的内层，以便经由通孔连接到散热部件。

Description

电压转换设备和电气负载驱动设备

技术领域

本发明涉及电压转换设备，还涉及使用该电压转换设备的电气负载驱动设备，该电压转换设备具有第一环路和第二环路，第一环路与第二环路共用电感部件。

背景技术

JP 2005-110452公开了一种开关电源电路，其具有连接到变压器原方线圈的原方电路以及连接到变压器副方线圈的副方电路，其中，原方电路的电极图案和副方电路的电极图案以这样的方式布置：它们彼此相对。电极图案之间的绝缘层作为用于电容器的电介质，因此形成等效电容器。等效电容器作为用于噪音降低的电容器。

非隔离的DC-DC转换器——例如如图1所示——具有第一环路和第二环路。第一与第二环路共用电感L并分别具有电容器C1与C2。通过开通以及关断设置在第一或第二环路中的开关元件Q1或Q2实现电压转换。在开关过程中，第一与第二电容器具有对DC-DC转换器的输出进行平滑以及降低由DC-DC转换器产生的噪音等级的功能。一般而言，如图1所示的这样的电路配置通过如图2所示在印刷电路板的公共表面或分立表面上设置第一与第二环路来实现。

然而，在如图1和图2所示的传统的电路配置中，当例如第一开关元件Q1被操作为开启/关断时，电流交替经过第一与第二环路，因此，通过第一环路的磁场和通过第二环路的磁场交替形成。此时，经过第一环路的电流的方向和经过第二环路的电流的方向彼此相反，如图1的箭头所示，因此，经过第一环路的磁场的方向和经过第二环路的磁场的方向彼此相反。在这样的配置中，由于开关元件Q1的高速(短的期限)开通/关断操作，处于相反方向的磁场以短的时间段交替形成，结果造成由于这种磁场变化产生的噪音的问题。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种电压转换设备以及使用这种电压转换设备的电气负载驱动设备，该电压转换设备能有效地辐射开关元件的热，同时，有效地减小由于在第一与第二环路中形成的磁场的变化带来的噪音。

为了实现前面提到的目标，根据本发明第一实施形态，电压转换设备被设置为，其具有共用电感部件的第一环路和第二环路，其中，电流根据设置在第一电路中的第一开关元件的开通/关断操作而交替经过第一与第二环路，其中，

在第一环路中的第一开关元件的开通操作时形成的穿过第一环路的磁场的方向与在第一环路中的第一开关元件在开通操作后的关断操作时形成的、穿过第二环路的磁场的方向相同，

第一环路和第二环路以这样的方式分别被设置在印刷电路板的相反侧：第一环路与第二环路在对于各个环路的法线方向上彼此相反，

散热部件被设置在印刷电路板的表面上，且

金属材料的整体图案设置在印刷电路板的内层，所述整体图案经由通孔连接到散热部件。

根据本发明，能够获得电压转换设备和使用该电压转换设备的电气负载驱动设备，该电压转换设备能够有效地辐射开关元件的热，同时，有效地降低由于在第一与第二环路中产生的磁场中的变化引起的噪音。

附图说明

参照附图，由下面给出的对优选实施例的详细介绍，将会明了本发明的这些以及其他目的、特征和优点，在附图中：

图1用于示出根据现有技术的DC-DC转换器的电路构造；

图2用于示出根据现有技术的DC-DC转换器的部件的布置；

图3用于示出根据本发明一实施例的电压转换设备1的电路构造；

图4用于示出连接电气负载40的方式的另一实例；

图5用于概念性地说明根据本发明的实施例的电压转换设备1的电路布置；

图6A-6E为波形图，用于阐释采用图5所示电路布置的电压转换设备1的磁通变化减小效果；

图7用于示出根据实施例的电压转换设备1的电路布置的实现的具体实例；

图8为印刷电路板的截面图，用于示出布置散热部件70的方式的实例；

图9为印刷电路板的截面图，用于示出布置散热部件70的方式的另一实例；

图10为印刷电路板的截面图，用于示出布置散热部件70的方式的再一实例；

图11为印刷电路板的截面图，用于示出固定散热部件70的方式的一实例；以及

图12为根据本发明的电气负载驱动设备200的实施例的系统图。

参考标号阐释

L电感

C1电容器

C2电容器

Q1开关元件

Q2开关元件

1电压转换设备

10第一环路

12第二环路

20输出端子

40电气负载

70散热部件

72通孔

80印刷电路板

82热传导层

90外壳(casing)

203直流电源

具体实施方式

下面将参照附图具体介绍实现本发明的最优方式。

图3用于示出根据本发明一实施例的电压转换设备1的电路构造。根据该实施例的电压转换设备1的电路构造本身等同于图1所示的传统DC-DC转换器的电路构造。

具体而言，电压转换设备1为使用同步整流的非隔离DC-DC转换器。电压转换设备1具有第一与第二环路10、12。电压转换设备1的输出端子20连接到将被驱动的电气负载40。第一与第二环路10和12共用电感L。

除电感L之外，第一环路10具有开关元件Q1和电容器C1。开关元件Q1在此实例中为MOSFET(金属氧化物半导体场效应管)，然而，开关元件Q1可以为另一晶体管，例如IGBT(绝缘栅型双极型晶体管)等。开关元件Q1在正端子与输出端子20之间与电感L串联连接。开关元件Q1的漏极连接到正端子，开关元件Q1的源极连接到电感L。电容器C1在正端子和输出端子20之间关于开关元件Q1和电感L并联连接。

类似地，除了电感L以外，第二环路12具有开关元件Q2和电容器C2。开关元件Q2在此实例中为MOSFET，然而，开关元件Q2可以为另一晶体管，例如IGBT等。开关元件Q2在负端子和输出端子20之间与电感L串联连接。开关元件Q2的漏极连接到电感L，开关元件Q2的源极连接到负端子。电容器C2在负端子和输出端子20之间与开关元件Q2以及电感L并联连接。

正端子连接到第一直流电源(见图12中的直流电源203)，负端子连接到第二直流电源(未示出)，其电压低于第一直流电源的电压。第一直流电源的额定电压和第二直流电源的额定电压是任意的，只要第二直流电源的额定电压低于第一直流电源的额定电压。典型地，负端子连接到地(即0V)。下面，为了避免阐释的复杂化，假设负端子连接到地，除非另有说明。

大体而言，电容器C1与C2具有对电压转换设备1的输出电压进行平滑并减小电压转换设备1产生的噪音水平的功能。优选为，电容器C1与C2的电容被设置为相同的值。另外，优选为，电容器C1与C2为陶瓷电容器，其具有对抗老化劣化的高电阻，以便减小劣化的影响。

开关元件Q1和Q2受到控制，使得开关元件Q1和Q2中的一个在另一个被关断时开通。开关元件Q1、Q2的控制方式的细节(例如设置或调解死区时间的方式)可以是任意的。

在图3所示的实例中，在运行中，当开关元件Q2开通时，开关元件Q1与之同步地关断。此时，电流I2以图3中的箭头所示的方向经过第二环路12。当开关元件Q2从开通状态翻转到关断状态时，开关元件Q1也与之同步地从关断状态翻转到开通状态。此时，电流I1以图3中的箭头所示的方向经过第一环路10。通过这种方式，通过合适地控制开关元件Q2开通的时间段(即开通占空(on-duty))，可以将第一直流电源的电压转换为希望的电压并在输出端子20上对之进行输出。

注意，在图3所示的实例中，正端子连接到电气负载40的另一端子(即电气负载40的在关于输出端子20的相反侧上的端子)。因此，开关元件Q2的开通/关断操作实质上确定占空比，开关元件Q1作为用于同步整流的开关元件运行。注意，当成本比能量效率更重要时，例如，开关元件Q1可被省略。在这种情况下，代替开关元件Q1的是，仅仅二极管被提供。另外，例如，如图4所示，负端子可被连接到电气负载40的另一端子(即电气负载40的在关于输出端子20的相反侧上的端子)。在这种情况下，与图3所示的实例相反，开关元件Q1的开通/关断操作实质上决定占空比，开关元件Q2作为用于同步整流的开关元件运行。注意，在图4所示的实例中，当成本比能量效率更重要时，开关元件Q2可被省略。在这种情况下，代替开关元件Q2的是，仅仅提供二极管。

如同上面参照图2提到的那样，如果电压转换设备1的电路构造实际上被布置在平面上，通过第一环路10的磁场和通过第二环路12的磁场在短的时间段内交替产生。这导致由于磁场的高频变化引起的高频噪音。

下面详细介绍的此实施例通过适当地布置电压转换设备1的电路构造而使得有效地减小由于第一与第二环路10、12中形成的磁场变化引起的噪音成为可能。这将在下面详细介绍。

图5用于概念性地示出根据该实施例的电压转换设备1的电路布置。注意，与开关元件Q1、Q2并联布置的二极管的图示在图5和后续的某些图中省略。

在此实施例中，如图5所示，关于与开关元件Q2的开通/关断操作相联系地(因此，与与之同步的开关元件Q1的关断/开通操作相联系地)交替产生的磁通(以及因此的磁场)，通过第一环路10的磁通φ1的方向被配置为与通过第二环路12的磁通φ2的方向相同。换句话说，第一与第二环路10、12以这样的方式布置：第一与第二环路10、12在对于第一与第二环路10、12的法线方向上彼此相反，如图5所示。具体而言，第一与第二环路10、12被布置为彼此相反，如同图3中的电路构造沿着线X折叠一样。

图6A-6E为波形图，用于阐释采用图5所示电路布置的电压转换设备1的磁通变化减小作用。

如上面提到的，当开关元件Q2、Q1以预定的占空比受到驱动时，电流以图6A、6B所示的波形经过第二与第一环路12、10。此时，由于经过第二与第二环路12、10的电流，经过第二环路12的磁通φ2和经过第一环路10的磁通φ1以图6C、6D所示的波形(时间序列)产生。磁通φ2和磁通φ1各自在短的时间段内大大变化，这是因为开关元件Q2、Q1以高速受到驱动。根据此实施例，图6C、图6D所示的磁通φ2和磁通φ1的方向相同。因此，当这些波形(时间序列)被叠置时，获得没有陡峭变化的波形，如图6E所示。换句话说，实现磁通中的减小的变化。通过这种方式，根据电压转换设备1，可以有效地减小磁通φ1+φ2中的高频变化产生的噪音。

图7用于说明根据该实施例的电压转换设备1的电路布置的实现的具体实例。

在图7所示的实例中，第一环路10被布置在印刷电路板的一侧(此实例中为正面)，第二环路12被布置在同一印刷电路板的另一侧(此实例中的背面)。注意，电感L可布置在印刷电路板的任意侧，经由通孔在第一与第二环路10、12之间共用。在此实例中，与第一环路10的其他主要部件一起，电感L被布置在印刷电路板的正面，并经由通孔连接到第二环路12。

这里，在上面介绍的第一与第二环路10、12被布置为彼此相反的配置中，形成这样的位置关系：相应的第一与第二环路10、12中的开关元件Q1与Q2被布置为从印刷电路板的正面和背面彼此相对。这样的配置容易产生热的集中。考虑这一问题，下面介绍根据该实施例向外部有效地辐射这种热的热辐射布置。

图8为印刷电路板的截面图，在该印刷电路板上提供根据该实施例的电压转换设备1的第一与第二环路10、12。在图8中，示出了布置散热部件70的方式的实例。

散热部件70被设置在正面和背面之一(在此实例中为正面)上，如图8所示。散热部件70可用热传导材料制造(例如铝块)。散热部件70可具有在其上形成的翅片(fin)，以便增强热辐射特性。

印刷电路板80具有热传导层82，其用例如铜的金属材料的整体图案形成。换句话说，印刷电路板80具有热传导层82，其用热传导材料制成。在所示出的实例中，印刷电路板80包含中间层81，其用半固化片(prepreg)制成，用铜的整体图案制成的热传导层82被设置在中间层81中。热传导层82设置在一区域中，当沿着印刷电路板80的表面的法线方向从上侧观看时，该区域完全包含开关元件Q1、Q2的印迹和散热部件70的印迹。注意，在典型情况下，整体看来，热传导层82被设置在基本上与印刷电路板80的表面的范围对应的范围的上方。

通孔72在印刷电路板80中形成。通孔72以这样的方式形成：当沿着印刷电路板80的表面的法线方向从上侧观看时，其经过散热部件70的印迹中的热传导层82。例如，通孔72用铜覆盖，以便确保热传导层82和散热部件70之间的热传导性。通过这种方式，热传导层82经由通孔72连接到散热部件70。

在图8所示的实例中，以这样的方式进行热耗散：来自开关元件Q1和Q2的热传送到热传导层82，于是经由通孔72传送到散热部件70，如图8中的实心粗体箭头所示。通过这种方式，根据图8所示的实例，即使在热由于相应的第一与第二环路10、12中的开关元件Q1、Q2从印刷电路板80的正面和背面彼此相对而容易发生局部化的这种构造中，可以有效地耗散来自开关元件Q1、Q2的热，因此防止热的局部集中。

另外，如果热传导层82通过例如铜的整体图案的金属层形成，由于热传导层82，可以减小磁场，如图8中的箭头概念性地所示(粗体虚线箭头)。换句话说，热传导层82具有减小通过第一与第二环路10、12的磁场变化的功能，并因此能够减小通过第一与第二环路10和12的磁场的变化。注意，在图6C、图6D、图6E中，概念性地示出了通过热传导层82获得的这种磁场减小效果。具体而言，在图6C、图6D、图6E中，在热传导层82没有被提供的情况下的波形用虚线示出，在热传导层82被提供的情况下的波形用实线示出。

图9为印刷电路板80的截面图，根据实施例的电压转换设备1的第一与第二环路10、12被设置在该印刷电路板80上。在图9中，示出了布置散热部件70的方式的另一实例。

在图9所示的实例中，散热部件70以这样的方式设置：其与印刷电路板80的侧面接触。热传导层82以这样的方式设置：其延伸到印刷电路板80的侧面。换句话说，热传导层82以这样的方式设置：其在印刷电路板80的侧面上与散热部件70接触。出于这个原因，在图9所示的实例中，例如图8中的实例所示的通孔72变得不必要。热传导层82设置在这样的区域中：当沿着印刷电路板80的表面的法线方向从上侧观看时，该区域完全包含开关元件Q1、Q2的印迹。另外，在优选实施例中，为了获得上面提到的磁场减小效果，热传导层82被设置在这样的区域中：当沿着印刷电路板80的表面的法线方向从上侧观看时，该区域包含第一与第二环路10、12的整体。

在图9所示的实例中，热耗散以这样的方式进行：来自开关元件Q1与Q2的热被传递到热传导层82，于是被传送到散热部件70，如图9中的实心粗体箭头所示。通过这种方式，根据图9所示的实例，即使在热由于第一与第二环路10、12的每一个中的开关元件Q1和Q2从印刷电路板80的正面和背面彼此相对而容易发生局部化的这种构造中，可以有效地耗散来自开关元件Q1、Q2的热，因此防止热的局部集中。另外，如同图8所示的实例的情况下那样，热传导层82具有减小通过第一与第二环路10、12的磁场的变化的功能，因此能够减小通过第一与第二环路10、12的磁场的变化。

在图9所示的实例中，散热部件70可具有耦合到电压转换设备1的外壳(未示出)的另一端(其与印刷电路板80的一侧上的末端相反)。或者，散热部件70可被形成为与电压转换设备1的外壳一体化。换句话说，散热部件70的功能可通过电压转换设备1的金属外壳实现。

图10为印刷电路板80的截面图，在印刷电路板80上，提供根据该实施例的电压转换设备1的第一与第二环路10、12。在图10中，示出了布置散热部件70的方式的又一实例。

在图10所示的实例中，散热部件70关于印刷电路板80的侧面设置(即在印刷电路板80的侧面上)。然而，在图10所示的实例中，不像图9所示的实例那样，散热部件70不与印刷电路板80的侧面直接接触，而是以这样的方式设置：散热部件70支撑印刷电路板80的正面和背面中的一个(在此实例中为背面)。多个散热部件70——其具有类似的配置——可以以这样的方式提供：相应的散热器70支撑印刷电路板80的对应的边缘部分。例如，散热部件70可以以这样的方式设置：散热部件70在印刷电路板80的整个周缘上支撑其边缘部分。另外，散热部件70可固定到电压转换设备1的外壳90，如图10所示，或者可被形成为与电压转换设备1的外壳90一体化。在后一种情况下，散热器70可通过具有从电压转换设备1的金属外壳90向内突出的部分而被配置。

热传导层82以这样的方式被设置：其从印刷电路板80的侧面向外延伸到散热部件70。换句话说，热传导层82以这样的方式设置：其延伸超过印刷电路板80的侧面，于是，向下延伸到与散热部件70接触。出于这个原因，在图10所示的实例中，通孔72——例如图8中的实例所示的——变得不必要。类似地，热传导层82被设置在这样的区域中：当沿着印刷电路板80的表面的法线方向从上侧观看时，该区域完全包含开关元件Q1、Q2的印迹。另外，在优选实施例中，为了获得上面提到的磁场减小效果，热传导层82被设置在这样的区域中：当沿着印刷电路板80的表面的法线方向从上侧观看时，该区域包含第一与第二环路10、12的整体。

在图10所示的实例中，热耗散以这样的方式进行：来自开关元件Q1、Q2的热被传送到热传导层82，于是传送到散热部件70，如图10的实心粗体箭头所示。通过这种方式，根据图10所示的实例，即使在热由于相应的第一与第二环路10、12中的开关元件Q1、Q2从印刷电路板80的正面和背面彼此相对而容易发生局部化的这种构造中，可以有效地耗散来自开关元件Q1、Q2的热，因此防止热的局部化集中。另外，如同图8所示的实例的情况下那样，热传导层82具有减小通过第一与第二环路10、12的磁场中的变化的功能，因此可减小通过第一与第二环路10、12的磁场中的变化。

图11为印刷电路板80的截面图，用于示出固定散热部件70的方式的实例。图11示出了固定散热部件70的方式的一个实例应用于图8所示的布置散热部件70的方式的情况。在图11所示的实例中，散热部件70借助螺丝60来绷紧和固定，螺丝60穿过在印刷电路板80上形成的通孔72。出于此目的，散热部件70具有在其与印刷电路板80相反的一侧形成的内螺纹孔。螺丝60的头部的直径大于通孔72的直径。另外，螺丝60的杆部的直径可以与通孔72的直径基本相同。

图12为根据本发明的电气负载驱动设备200的一实施例的系统图。

根据该实施例的电气负载驱动设备200包含电气负载驱动电路设备201、控制目标信号产生设备(PCM)202、直流电源203。电气负载驱动电路设备201包含上面介绍的电压转换设备1、内部电源电路101、输入信号接口电路102、开关占空产生电路103、开关元件驱动电路104。注意，端子T1和T4对应于上面介绍的正端子，端子T3对应于负端子，端子T5对应于电压转换设备1的输出端子20。

在图12所示的实例中，电气负载40为用在车辆的发动机中的燃料泵和电感性负载。然而，电气负载40可以为任意电气负载，例如风扇、转向系统中的辅助电动机，等等。另外，参考标号S1表示的开关对应于点火开关。

控制目标信号产生设备202由微计算机构成。控制目标信号产生设备202可以为EFI ECU，例如，其控制车辆的发动机。控制目标信号产生设备202确定燃料泵的控制目标值(目标旋转数)，并将表示所确定的控制目标值的控制目标信号输入到电气负载驱动电路设备201。注意，控制目标信号产生设备202基于从直流电源203供给的电源电压来运行，然而，控制目标信号产生设备202可在其中具有降压变压器电路或类似物。

来自控制目标信号产生设备202的控制目标信号在输入信号接口电路102中被处理。用于实现控制目标值的占空比由开关占空产生电路103确定。开关元件驱动电路104根据所确定的占空比进行开关元件Q1、Q2的开通/关断控制。

参照优选实施例公开了本发明。然而，应当明了，本发明不限于上面介绍的实施例，在不脱离本发明的范围的情况下，可作出变形和修改。

例如，尽管在上面提到的实施例中使用降压型的电压转换设备，可使用升压型或双向型的电压转换设备。

本申请基于2009年8月3日提交的日本优先申请No.2009-180951，其全部内容并入此处作为参考。

Claims (6)

1.一种电压转换设备，其具有共用电感部件的第一环路和第二环路，其中，电流根据设置在所述第一环路中的第一开关元件的开通/关断操作而交替地经过所述第一环路与所述第二环路，其中，

在所述第一环路中的所述第一开关元件的所述开通操作时产生的、穿过所述第一环路的磁场的方向与在所述第一环路中的所述第一开关元件在所述开通操作后的所述关断操作时产生的、穿过所述第二环路的磁场的方向相同，

所述第一环路和所述第二环路以这样的方式分别被设置在印刷电路板的正面和背面上：所述第一环路与所述第二环路在对于各个环路的法线的方向上彼此相反，

散热部件被设置在所述印刷电路板的表面上，且

金属材料的整体图案被设置在所述印刷电路板的内层上，所述整体图案经由通孔连接到所述散热部件。

2.如权利要求1所述的电压转换设备，其中，所述散热部件借助穿过所述通孔的螺丝被固定到所述印刷电路板。

3.一种电压转换设备，其具有共用电感部件的第一环路和第二环路，其中，电流根据设置在所述第一环路中的第一开关元件的开通/关断操作而交替地经过所述第一环路与所述第二环路，其中，

在所述第一环路中的所述第一开关元件的所述开通操作时产生的、穿过所述第一环路的磁场的方向与在所述第一环路中的所述第一开关元件在所述开通操作后的所述关断操作时产生的、穿过所述第二环路的磁场的方向相同，

所述第一环路和所述第二环路以这样的方式分别被设置在印刷电路板的相反侧：所述第一环路与所述第二环路在对于各个环路的法线的方向上彼此相反，

散热部件被设置在所述印刷电路板的侧面上，且

金属材料的整体图案被设置在所述印刷电路板的内层上，所述整体图案被连接到所述散热部件。

4.如权利要求3所述的电压转换设备，其中，所述散热部件被固定到所述电压转换设备的外壳或与所述外壳一体化，且所述散热部件以这样的方式设置：其支撑所述印刷电路板的边缘。

5.一种用于驱动电气负载的电气负载驱动设备，包含：

直流电源；

如权利要求1所述的电压转换设备，其被配置为对来自所述直流电源的电压进行转换，并将转换得到的电压输出到所述电气负载；以及

控制器，其被配置为对所述电压转换设备进行控制。

6.一种用于驱动电气负载的电气负载驱动设备，包含：

直流电源；

如权利要求3所述的电压转换设备，其被配置为对来自所述直流电源的电压进行转换，并将转换得到的电压输出到所述电气负载；以及

控制器，其被配置为对所述电压转换设备进行控制。

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