CN102656788B - 多相直流电压转换器和用于控制多相直流电压转换器的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种多相直流电压转换器和一种用于控制多相直流电压转换器的方法，所述多相直流电压转换器具有至少两个平行的、被时间偏移地控制的线圈(3，4；41，42)、至少一个用于控制线圈(3，4)的控制单元(7)以及至少一个用于检测由流过线圈的电流产生的磁场的磁场敏感的传感器元件(8；8ˊ)。控制单元(7)根据所述至少一个传感器元件(8)的输出信号来控制流过线圈(3，4；41，42)的电流。

Description

多相直流电压转换器和用于控制多相直流电压转换器的方法
技术领域
本发明涉及一种多相直流电压转换器和一种用于控制多相直流电压转换器的方法。
背景技术
在现代和未来的机动车、尤其是混合动力车辆或电动车辆的车载能量网络中，需要通常也称作DC/DC转换器的高效直流电压转换器，以便能够在不同的电压等级之间调节能量流。因此，例如在启动/停止系统中，在启动时通过直流电压转换器来补偿车载电网电压的扰动。在此，通过使用所谓的多相直流电压转换器来考虑机动车领域中存在的成本限制、结构空间限制和重量限制。在此，需传输的功率分布在多个并联的转换器单元或者相模块上。优选地，相偏移地或时间偏移地控制各个相模块。通过相偏移的控制在叠加的输出信号中电流脉动显著减少，并且直流电压转换器的输出信号的频率相对于转换器单元的基本时钟频率增大了偏移地时钟控制的转换器单元的数量。由此，可以降低直流电压转换器的输出滤波器的成本和体积。
为了能够有效地利用多相直流电压转换器中的以上所述优点，电流通常必须均匀地或者“对称地”分布在各个转换器单元或相模块上。
由J.Czogalla、J.Li和C.Sullivan的《AutomotiveApplicationofMulti-PhaseCoupledInductorDC-DC-Converter》(0-7803-7883-0/03.IEEE，2003)公开了具有耦合的线圈的多相直流电压转换器在机动车领域中的应用。
发明内容
本发明提供了一种多相直流电压转换器，其具有至少两个平行的、被时间偏移地控制的线圈、至少一个用于控制线圈的控制单元以及至少一个用于检测由流过线圈的电流产生的磁场的磁场敏感的传感器元件，其中控制单元根据至少一个传感器元件的输出信号来控制流过线圈的电流。在此，磁场敏感的传感器元件例如可以实施为霍尔传感器或者磁阻传感器或者测量线圈。
在根据本发明的多相直流电压转换器中，通过检测和分析处理在线圈中产生的磁场来实现磁反馈，所述磁反馈可以用于补偿负载波动或者在使用磁芯的情形中用于避免磁芯的饱和，从而产生经调节的输出信号。此外可以补偿多相直流电压转换器的控制或结构中的不对称性。
根据本发明的一个实施方式，所述至少两个线圈是磁反耦合的，即所述至少两个线圈被如此设置和控制，使得由流过耦合的线圈的电流产生的磁场方向相反。线圈的耦合可以例如通过共同的磁芯(线圈设置在所述共同的磁芯上)实现。为了防止磁芯的饱和，磁芯具有气隙。
在反耦合的线圈以及(可能)磁芯和气隙的结构对称时，几乎完全消除恒定的磁场分量并且由此也防止可能的磁芯饱和。这使得能够使用较小的线圈和磁芯并且因此导致较小的结构。如果尽管结构对称但例如由于部件公差或环境影响产生恒定的磁场分量，则可以根据本发明借助于磁场敏感的传感器检测所述磁场分量并且通过由控制单元适当地控制线圈来补偿所述磁场分量。
根据本发明的另一实施方式，至少一个磁场敏感的传感器元件设置在磁芯的气隙附近。在所述区域中可以检测漏磁，所述漏磁允许推断磁芯中的磁场并且由此推断所存储的能量。随后可以通过合适的方式通过控制单元来控制线圈。特别地，在时间上积分地分析处理传感器元件的输出信号并且在此确定偏移值。所述偏移值是恒定磁通的度量。控制单元可以如此控制流过线圈的电流，使得所述偏移值最小化。
替代磁场敏感的传感器元件定位在气隙附近，也可以将传感器元件定位在气隙中。有利地如此选择所述位置，使得在最优地、对称地控制线圈时得到没有任何偏移的输出信号。
替代一个或多个传感器元件设置在多相直流电压转换器的一个区域中(传感器元件在所述区域处检测总信号，即基于由多个线圈产生的磁场的信号)，也可以在每个单个线圈的周围分别设置至少一个磁场敏感的传感器元件。由此，这些传感器元件分别提供一个输出信号，所述输出信号表征由流过相应的线圈的电流产生的磁场。在传感器元件如此定位时，分离地分析处理由各个线圈产生的磁场。当然，也可以通过任意方式组合分离的分析处理和总体分析处理，也就是说，既可以设置检测各个磁场的传感器元件，也可以设置检测总磁场的其他传感器元件。
有利地，至少一个磁场敏感的传感器元件集成在多相直流电压转换器的控制电路中。在此，控制电路至少还包括控制单元，但也可以包括其他单元，例如用于传感器元件的输出信号的分析处理单元。通过所述方式得到根据本发明的多相直流电压转换器的特别简单且成本有利的实现。
由参照附图的以下描述得到本发明的实施方式的其他特征和优点。
附图说明
附图示出：
图1：根据本发明的具有耦合的线圈的多相直流电压转换器的一个实施方式的示意图，
图2：用于根据本发明的具有集成的磁场敏感的传感器元件的多相直流电压转换器的控制电路的第一实施方式的示意图，
图3：用于根据本发明的具有两个集成的磁场敏感的传感器元件的多相直流电压转换器的控制电路的第二实施方式的示意图，
图4：具有根据本发明的多相直流电压转换器的印刷电路的第一实施方式的示意性侧视图，以及
图5：具有根据本发明的多相直流电压转换器的印刷电路的第二实施方式的示意性侧视图。
具体实施方式
在附图中，相同的或功能相同的组件分别具有相同的附图标记。
图1示意性地并且极其简化地示出根据本发明的多相直流电压转换器的结构。在具有气隙2的磁芯1上平行地设置两个线圈3和4，这些线圈分别是多相直流电压转换器的转换器单元或相模块的组成部分。磁芯1本身、气隙2的位置以及线圈3和4的布置和位置有利地实施为对称的。线圈3和4设置在共同的磁芯上导致两个线圈的磁耦合。线圈3和4分别与输出级5或6连接，所述输出级5或6包括未示出的、用于截止或释放流过线圈3和4的电流的开关元件。输出级5和6与控制单元7连接，所述控制单元7时间偏移地或相偏移地控制输出级5和6并且由此控制流过线圈3和4的电流。线圈3和4的设置和控制在此如此实施，使得在线圈3与4之间产生反耦合，即两个线圈产生具有相反定向的磁场。在设置和控制的对称最优时，通过反耦合消除全部的恒定磁场分量，从而得到的磁场的直流分量或DC分量等于0。但由于部件公差或其他的环境影响，即使在结构对称和控制对称的情况下也产生恒定直流分量，其消除导致多相直流电压转换器的改进功能。
在气隙2附近设置有磁场敏感的传感器元件8，例如霍尔传感器、磁阻传感器或测量线圈的形式。通过分析处理单元9向控制单元7传输传感器元件8的输出信号。通过所述方式实现磁反馈。如果磁场敏感的传感器元件8如所示出的那样设置在磁芯1的气隙2附近，则通过传感器元件8检测漏磁，所述漏磁允许推断磁芯1内部的磁场并且由此推断存储在磁芯1中的能量。替代地，传感器元件8也可以设置在气隙2的区域中。则传感器元件8不检测漏磁，而是输出直接表征磁芯1中的磁通的输出信号。分析处理单元9可以在时间上积分地观察传感器单元8的输出信号以及由此确定输出信号的偏移值。所述偏移值是存在的恒定磁通量的度量。控制单元7随后可以通过输出级5或者6如此控制线圈3和4，使得偏移值最小化。例如，可以通过校正两个线圈3和4的控制信号的脉冲宽度比来补偿线圈3和4的不对称性。
在所示的实施方式中，控制单元7、两个输出级5和6以及分析处理单元9表示为分离的单元。当然，这些单元也可以完全地或部分地集成在上级单元中。还可以考虑设置分离的控制单元以控制各个输出级5和6或线圈3和4。在图1中示例性地示出了两相直流电压转换器。通过设置具有相应的输出级和控制单元的其他线圈，可毫无问题地将所述设置扩展其他的转换器单元或相模块。同样也可以设置其他的磁场敏感的传感器元件，以便可以检测由其他线圈产生的磁场。借助于磁芯1耦合的线圈3和4的示图也应当仅仅理解为示例性的。磁芯1的其他构型也是可能的。通过线圈的适当设置，可以在即使不使用磁芯的情况下实现线圈的磁耦合。
此外，本发明还可用于具有不耦合的线圈的多相直流电压转换器。但前提条件是，对于线圈中的每一个设有一个自己的磁场敏感的传感器元件，所述磁场敏感的传感器元件如此设置，使得其可以检测由流过相应的线圈的电流产生的磁场。由此分离地分析处理各个线圈的磁场，并且通过一个或多个分析处理单元将所有传感器元件的输出信号输送给控制单元。替代地或附加地，这样的分离的分析处理也可用于具有耦合的线圈的系统。
有利地，一个或多个磁场敏感的传感器元件集成在多相直流电压转换器的控制电路中。图2示出具有集成的传感器元件的控制电路的第一实施方式的示意图。在此，除传感器元件8以外，控制电路20还包括控制单元7、输出级5和6、分析处理单元9以及数字逻辑单元21和数字接口22。输出级5和6在此表示为共同的单元23。传感器元件8优选设置在控制电路20的边缘区域中。控制电路20关于多相直流电压转换器的线圈如此定位，使得传感器元件位于所期望的位置处，例如磁芯1的气隙2附近。
在图3中示出了多相直流电压转换器的控制电路20'的替代的实施方式。所述实施方式与在图2中示出的实施方式的不同仅仅在于：第二磁场敏感的传感器元件8'设有所属的第二分析处理单元9'。在此，当然也可以与所示实施方式不同地通过共同的分析处理单元来处理传感器单元8和8'的输出信号。设置两个传感器元件8和8'允许两相直流电压转换器尤其在两个传感器元件8和8'彼此间隔开地设置在控制电路20'内时分离地分析处理由线圈中的电流产生的磁场。因此，控制电路的这种构型也可用于具有不耦合的线圈的直流电压转换器。
原则上，对于在图2和图3中示出的控制电路20和20'适用的是，也可以通过任意方式将所示的电路组件汇总到上级单元中。同样，其他的电路组件或单元也可以集成在控制电路中。当然，其他的磁场敏感的传感器元件也可以集成在控制单元中，使得所述控制电路例如也可用于具有两个以上转换器单元或相模块的直流电压转换器。
图4示出具有根据本发明的多相直流电压转换器的印刷电路的第一实施方式的示意性侧视图。直流电压转换器在此示例性地实施为具有耦合的线圈的两相直流电压转换器。在此，在印刷电路板40(PCB)上设置例如以SMD技术(表面贴装器件)实施的两个线圈41和42。两个线圈41和42的磁耦合通过磁芯43实现，所述磁芯43例如在SMD焊接过程之后插到线圈41和42中。随后，未示出的磁场敏感的传感器元件定位在合适的位置处，例如磁芯43的气隙44附近。
图5示出具有根据本发明的多相直流电压转换器的印刷电路的第二实施方式的示意性侧视图。在此，在印刷电路板50的上侧上设置线圈装置51。示例性地假定：所述线圈装置涉及两个通过具有气隙的磁芯耦合的线圈。控制电路52设置在印刷电路板50的下侧上，在所述控制电路中集成有至少一个控制单元和磁场敏感的传感器元件(二者均未单独示出)。控制电路52在此实现为集成电路，其如此定位，使得其与线圈装置51至少部分地重叠，更确切地说，集成在控制电路中的磁场敏感的传感器元件位于相对于线圈装置而言合适的位置中。

Claims (10)

1.一种多相直流电压转换器，其包括：
至少两个平行地设置在具有气隙(2)的磁芯(1)上的并且被时间偏移地控制的线圈(3，4；41，42)，
至少一个用于控制所述线圈(3，4)的控制单元(7)，和
至少一个用于检测由流过所述线圈的电流产生的磁场的、位于所述气隙(2；44)附近或位于所述气隙(2；44)中的磁场敏感的传感器元件(8；8')，
其中，所述控制单元(7)如此控制流过所述线圈(3，4；41，42)的电流，使得由所述至少两个线圈(3，4；41，42)产生相反定向的磁场并且因此使所述至少一个磁场敏感的传感器元件(8；8')的输出信号的偏移值最小化。
2.根据权利要求1所述的多相直流电压转换器，其特征在于，所述多相直流电压转换器具有分析处理单元(9)，所述分析处理单元被构造用于通过所述磁场敏感的传感器元件(8)的输出信号的时间积分来确定所述偏移值。
3.根据权利要求1或2所述的多相直流电压转换器，其特征在于，所述至少两个线圈(3，4；41，42)是磁反耦合的。
4.根据权利要求3所述的多相直流电压转换器，其特征在于，所述至少两个线圈(3，4；41，42)通过共同的磁芯(1；43)反耦合，所述共同的磁芯具有所述气隙(2；44)。
5.根据权利要求1所述的多相直流电压转换器，其特征在于，在每一个线圈(3，4；41，42)的周围分别设置至少一个磁场敏感的传感器元件(8，8')，使得所述传感器元件(8，8')分别提供表征由流过相应的线圈(3，4；41，42)的电流产生的磁场的输出信号。
6.根据权利要求1所述的多相直流电压转换器，其特征在于，所述至少一个磁场敏感的传感器元件(8；8')集成在所述多相直流电压转换器的控制电路(20；20')中，所述控制电路至少还包括所述控制单元(7)。
7.根据权利要求6所述的多相直流电压转换器，其特征在于，所述控制电路(20；20')还包括至少一个用于所述至少一个传感器元件(8；8')的一个或多个输出信号的分析处理单元(9；9')。
8.根据权利要求1所述的多相直流电压转换器，其特征在于，所述磁场敏感的传感器元件(8；8')实施为霍尔传感器或者磁阻传感器或者测量线圈。
9.一种用于控制多相直流电压转换器的方法，所述多相直流电压转换器具有至少两个平行地设置在具有气隙(2)的磁芯(1)上并且平行的、被时间偏移地控制的线圈(3，4；41，42)，其中，借助于位于所述气隙(2；44)附近或位于所述气隙(2；44)中的至少一个磁场敏感的传感器元件(8；8')检测由流过所述线圈(3，4；41，42)的电流产生的磁场，以及如此控制流过所述线圈(3，4；41，42)的电流，使得由所述至少两个线圈(3，4；41，42)产生相反定向的磁场并且因此使所述至少一个磁场敏感的传感器元件(8；8')的输出信号的偏移值最小化。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，通过所述磁场敏感的传感器元件(8)的输出信号的时间积分来确定所述偏移值。
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