CN103296891A - 直流电压转换器用的主动缓冲电路的操控设备和操控方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及直流电压转换器用的主动缓冲电路的操控设备和操控方法。直流电压转换器具有：变压器；耦合在中间抽头和直流电压转换器的第一输出端之间的存储扼流圈；分别与次级侧绕组的端侧抽头连接并且被设计用于在直流电压转换器的第二输出端处产生经整流的输出电压的整流电路；被设计用于存储在整流电路中出现的谐振振动能量的经由整流电路所连接的缓冲电路；和操控设备，操控设备具有开关时间确定装置，其被设计用于根据输出电压、在缓冲电路中所存储的电荷和通过存储扼流圈的电流的由于整流而出现的电流波动来确定时间间隔；和控制信号发生器，其被设计用于根据所确定的时间间隔产生用于使缓冲电路放电的操控信号。

Description

直流电压转换器用的主动缓冲电路的操控设备和操控方法
技术领域
本发明涉及直流电压转换器用的、尤其是具有同步整流的中点整流器用的主动缓冲电路的操控设备和操控方法。
背景技术
为了直流电压转换，例如为了对车辆的低压车载网络供电，通常使用同步整流电路。为此所使用的功率半导体开关、例如MOSFET恰好在较高的直流电流情况下具有比二极管小的损耗电压，由此可以提高整流器的效率。基于截止的半导体开关的输出电容，在同步整流器在电流上脱耦情况下可能发生“二次振荡”现象，也即出现电流或电压的不受欢迎的振荡。在此，在具有次级侧电感的变压器的次级侧的漏电感与半导体开关的输出电容之间发生谐振。
常规的同步整流器因此具有衰减环节、所谓的“缓冲器环节”，其在超过临界电压极限时将振荡的所出现的振动能量加载到电容上。被动缓冲环节例如可以由电容器与电阻的串联电路组成，所述串联电路可以与半导体开关并联作为RC灭弧组合。而主动缓冲环节除了电容器之外还具有另一半导体开关，在超过电容器上的临界电荷量时可以经由所述另一半导体开关排出过量的电荷，例如排回到次级侧车载网络中。
出版物US 6,771,521 B1公开了具有衰减电容器的同步整流器用的主动缓冲电路，所述衰减电容器可以经由半导体开关以可开关的方式被放电。
出版物US 5,898,581 A公开了具有主动缓冲电路的中点整流电路，其中可以经由电感性元件将在缓冲电容器上所存储的振动电荷馈送回到整流电路中。
发明内容
本发明根据一种实施方式提供一种直流电压转换器，具有带有初级侧绕组和有中间抽头的次级侧绕组的变压器、耦合在中间抽头和直流电压转换器的第一输出端之间的存储扼流圈、分别与次级侧绕组的端侧抽头连接并且被设计用于在直流电压转换器的第二输出端处产生经整流的输出电压的整流电路、被设计用于存储在整流电路中出现的谐振振动能量的经由整流电路所连接的缓冲电路、和操控设备，所述操控设备具有：开关时间确定装置和控制信号发生器，其中所述开关时间确定装置被设计用于根据输出电压、在缓冲电路中所存储的电荷和通过存储扼流圈的电流的由于整流而出现的电流波动来确定时间间隔，所述控制信号发生器被设计用于根据所确定的时间间隔产生用于使缓冲电路放电的操控信号。
根据另一方面，本发明提供用于操控本发明直流电压转换器的缓冲电路的方法，具有步骤：确定显示缓冲电路的电荷状态的电压，将所确定的电压与电压阈值进行比较，根据直流电压转换器的输出电压、在缓冲电路中所存储的电荷和通过存储扼流圈的电流的由于整流而出现的电路波动来确定时间间隔，和根据所确定的时间间隔产生用于使缓冲电路放电的操控信号。
本发明的优点
本发明的构想是，提供直流电压转换器用的缓冲电路的操控设备，利用所述操控设备这样控制其中将在缓冲电路中中间存储的能量放电回到直流电压转换器中的时间段，使得通过放电所产生的电流不仅不增强在直流电压转换器的次级侧上的电流波动，而且在一定部分上甚至能够均衡。从而操控设备提供以下优点：使直流电压转换器的输出电压的电压波动最小化。
由此得出附加优点，即直流电压转换器的输出滤波器的电容器必须具有较小的电容用以平滑输出电压，这使直流电压转换器的制造变得更成本低。
特别有利地，操控设备可以处于具有缓冲电路的直流电压转换器中，其具有带有两个分别与变压器的次级侧绕组的端侧抽头耦合的二极管和带有与所述两个二极管耦合并且被设计用于作为电荷而存储振动能量的缓冲电容器的电荷收集装置和放电电路，所述放电电路被设计用于选择性地对在缓冲电容器中所存储的电荷进行放电。通过使用主动缓冲电路可以精确地调整放电电路的放电时刻。
放电电路有利地可以是降压变换器，所述降压变换器具有电感和放电开关，其中所述电感被设计用于将在缓冲电容器中所存储的电荷馈送回直流电压转换器的第一输出端中，所述放电开关耦合在缓冲电容器和电感之间并且被设计用于根据操控信号将缓冲电容器选择性地与电感连接。通过使用电感性反馈，通过存储扼流圈的电流和缓冲电路的电感可以特别好地彼此协调，使得可以非常有效地均衡电流波动。
有利地，直流电压转换器可以包括全桥电路，所述全桥电路与变压器的初级侧绕组耦合。在此，直流电压变换器可以是推挽磁通转换器，并且操控信号在所确定的时间间隔的持续时间期间被激活用于使缓冲电路放电并且在推挽磁通转换器切换到推挽中的时刻被去活。通过协调缓冲电路的放电过程与推挽磁通转换器的初级侧的开关时钟，有利地将反馈干扰抑制在初级侧中是可能的。
整流电路根据一种实施方式可以具有同步整流电路。
本发明的实施方式的其它特征和优点从参照附图的以下描述中得出。
附图说明
图1示出根据本发明的一种实施方式的具有缓冲电路的直流电压转换器的示意图；
图2示出根据本发明的另一实施方式的直流电压转换器用的缓冲电路的操控设备的示意图；
图3示出根据本发明的另一实施方式的直流电压转换器用的缓冲电路的操控方法的示意图；
图4示出根据本发明的另一实施方式的直流电压转换器中的电流的电流时间图的示意图；和
图5示出根据本发明的另一实施方式的直流电压转换器用的开关信号图的示意图。
具体实施方式
图1示出直流电压转换器10的示意图。直流电压转换器10包括具有初级侧绕组2a和次级侧绕组的变压器2，所述次级侧绕组经由中间抽头被分成两个分段。变压器2例如可以被设计用于将高压电压转换成低压电压并且例如具有初级侧和次级侧绕组之间的超过1、尤其是例如10:1的绕组匝比。两个次级绕组分段的绕组匝比在此尤其是可以为1，也就是说，两个次级侧绕组分段具有相同的绕组匝数。
在变压器2的初级侧绕组处可以布置全桥电路1，所述全桥电路从直流电压中间回路电容器1e对变压器2进行馈电。全桥电路1为此可以包括开关装置1a、1b、1c、1d，其被设计用于分别相互地使得变压器2的初级绕组的输入端子与直流电压中间回路电容器1e的端子连接。开关装置1a、1b、1c、1d在此可以分别具有半导体开关，例如场效应晶体管（FET）。在可能的实施方式中，半导体开关分别是自截止n-MOSFET（n型导电的金属氧化物半导体场效应晶体管，增强型），但是同样可能的是，设置相应形式的其它半导体开关，例如以IGBT（绝缘栅双极晶体管）、JFET （结型场效应晶体管）为形式或者作为p-MOSFET（p型导电的金属氧化物半导体场效应晶体管）。
全桥电路1的开关装置1a、1b、1c、1d例如可以通过具有占空率的脉宽调制方法被操控，以便调节直流电压转换器10的输入电压Ui和输出电压Uo之间的比例。
在图1中所示的直流电压转换器10尤其是可以是推挽磁通转换器，其拥有次级侧中点整流电路。在此，推挽磁通转换器具有初级侧全桥电路或H桥电路1。但是同样可能的是，在推挽磁通转换器的初级侧上设置半桥操控装置或具有变压器2的初级绕组的推挽馈送式中间抽头的并行馈送装置。
变压器2的次级侧中间抽头可以经由输出滤波器6的次级侧存储扼流圈6a与直流电压转换器10的第一输出端耦合。第一输出端可以与次级侧负载7的第一端子连接。相应的次级侧绕组分段的两个端侧抽头可以一方面与同步整流电路3的两个输入端连接并且另一方面与主动缓冲电路的两个输入端连接。直流电压转换器1在此实现具有主动同步整流的中点整流电路。但是在此可能也可能的是，直流电压转换器1具有被动整流电路。下面示例性地分别参照主动同步整流电路，其中对此所述的同样可以转用于被动整流电路。
同步整流电路3被设计用于从相应的次级侧绕组分段的端侧抽头提取在变压器2处在次级侧所施加的电压并且经由同步整流开关3a、3b的适当接线在直流电压转换器10的第二输出端处转换成直流电压。第二输出端可以与次级侧负载7的第二端子连接。换句话说，直流电压转换器10为次级侧负载7提供输出电压Uo。
主动缓冲电路可以具有电荷收集装置4和与该电荷收集装置4耦合的放电电路5。电荷收集装置4可以经由两个输入端与变压器2的相应的次级侧绕组分段的两个端侧抽头连接并且具有两个二极管4a和4b，在缓冲电容器4c上收集电荷。电荷收集装置4由此作为用于变压器2的次级侧电压的电压限制器起作用。可能在同步整流电路3的输入处出现的电压尖峰由此被截住并且发给缓冲电容器4c。变压器2的次级侧绕组具有漏电感，由此在同步整流器电路3的元件的输出电容和漏电感之间可能出现电压振荡、即所谓的“二次振荡”。在此出现的振动能量在超过预定的电压时经由二极管4a和4b被引导到缓冲电容器4c。缓冲电容器4c例如可以通过确定数量的并联电容器实现，例如并联陶瓷电容器。
放电电路5例如可以是降压变换器5，其具有作为放电开关的开关装置5a、二极管5b和存储扼流圈5c，经由其可以将在缓冲电容器4c上充上的电荷通过主动地切换放电开关5a馈送回到直流电压转换器10的次级侧中。如果缓冲电容器4c已经接纳了预定的电荷量，也就是说如果在缓冲电容器4c处施加的电压Ua已经超过了预定的电压阈值Uref，则在缓冲电容器4c上所存储的能量可以经由降压变换器5受控制地被馈送回直流电压转换器10中。
所使用的放电开关5a以及同步整流电路3的同步整流开关3a、3b在此可以分别具有半导体开关例如场效应晶体管（FET）。在一种实施方式中，半导体开关可以分别作为自截止n-MOSFET（n型金属氧化物半导体场效应晶体管，增强型）包括，但是同样可能的是，设置相应形式的其它半导体开关，例如以IGBT（绝缘栅双极晶体管）、JFET （结型场效应晶体管）为形式或者作为p-MOSFET（p型导电的金属氧化物半导体场效应晶体管）。
馈入到负载7中的电流由流经存储扼流圈6a的电流Jo和由降压变换器5经由电感5c发出的电流Ja组成。如果降压变换器5的放电开关5a在不利的时刻被激活，则附加地通过电感5c发出的电流Ja可能增强通过存储扼流圈的电流Jo的反正通过对同步整流电路3的脉动式运行引起的波动。输出电流的这种波动可能导致负载7处的输出电压Uo的电流波动和从而还有电压波动。输出滤波器6的电容器6b可以仅在有限的程度上均衡这些电压波动。
图2示出直流电压转换器用的、尤其是在图1中所示的具有缓冲电路的直流电压转换器10用的缓冲电路的操控设备20，所述缓冲电路可以具有电荷收集装置4和降压变换器5。操控设备20可以包括比较装置22、尤其是比较器22；与比较器22的输出端耦合的控制信号发生器24；以及开关时间确定装置25。比较器22可以包括运算放大器21，其在非反相输入端处接收缓冲电容器4c的经由输入电阻22a耦合的电压信号Ua并且在反相输入端处接收具有电压阈值Uref的参考电压信号。运算放大器21的输出端可以经由反馈电阻22b利用运算放大器21的反相输入端反馈。
操控设备20的功能下面参照在图4和5中所示的图表来阐述。在此，在图4和5中所示的曲线走向仅是示例性的性质并且不限制操控设备20的原理工作方式。图4示出通过相应的存储扼流圈或电感6a和5c的电流Jo和Ja的电流走向的电流时间图40。图5示出直流电压转换器的操控中的信号的可能的信号图50，其中直流电压转换器10的控制时钟在信号图50中分别作为虚线51示出。
通过存储扼流圈6a的电流Jo如在图4中所示在非缝隙操控运动（CCM，“连续导通模式（continuous conduction mode）”）以围绕平均电流值Jm的为ΔJ的波动宽度波动。在此以同步整流电路3的同步整流开关3a、3b的操控循环的时钟来进行波动。
在比较装置22中，将缓冲电容器4c处的电压Ua与电压阈值Uref比较。如果缓冲电容器4c处的电压超过电压阈值Uref、例如变压器2的初级侧绕组上的电压的10%，则比较装置输出激活信号21a，该激活信号说明，放电开关5a可以或者说应该被打开，以便将在缓冲电容器4c上存储的电荷经由电感5c排到直流电压转换器10的第一输出端中。激活信号21a的示例性走向在图表50中作为信号54示出。
在该情况下，控制信号发生器24可以确定用于控制信号24a的最优接通时刻ton，所述控制信号发生器被设计用于产生用于缓冲电路和尤其是降压变换器5c的放电开关5a的控制信号24a。用于放电开关5a的控制信号24a在此示例性地在图5中作为信号55示出。信号55在时刻ton切换到主动状态并且闭合放电开关5a。由此，在缓冲电容器4c上存储的电荷经由电感5c流到直流电压转换器10中。
如在图4中所示，时间间隔Ton应该如此被选择，使得恰好当流经存储扼流圈6a的电流Jo小于平均值Jm时，电流Ja被馈入到负载7中，其中在所述时间间隔Ton期间放电开关5a闭合、也就是说信号55被激活。由此，电流Ja可以部分地再次消除波动ΔJ。放电开关5a的关断时刻toff可以被选择为使得所述关断时刻与直流电压转换器10的初级侧全桥电路1的开关装置1a、1b、1c、1d的转换时刻重合。示例性地在图5中将信号52选择为用于开关装置1c的操控信号。在去活信号52的时刻，也去活控制信号发生器24的控制信号24a，如在信号55的信号走向中所示。信号53此外再现用于限制时间间隔Ton的示例性操控模式。例如，操控模式可以具有用于同步整流开关3a、3b之一的开关信号的双倍频率。
时间间隔Ton可以被选择为使得通过电感5c的所期望的电流Ja具有最大值ΔJ，其与通过存储扼流圈6a的电流Jo的电流波动ΔJ完全一样大。因此，可以按照公式
Figure 2013100565750100002DEST_PATH_IMAGE002
来确定时间间隔Ton，其中D是直流电压转换器10的占空率，TS是直流电压转换器10的工作时钟的时钟持续时间，La是存储扼流圈5c的电感的值和Lo是存储扼流圈6a的电感的值。时间间隔Ton根据输出电压Uo是可变的并且可以在开关时间确定装置25中被确定并且输送给控制信号发生器24。例如，可以在查找表中存储时间间隔Ton的值。控制信号发生器24于是可以从通过开关时间确定装置25所确定的时间间隔Ton、比较装置22的输出信号21a以及应该再次闭合放电开关5a的关断时刻toff中确定用于放电开关5a的最优接通时刻ton和从而产生用于降压变换器5的操控信号24a。尤其是，接通时刻ton可以处于时间帧56中，在所述时间帧中，通过存储扼流圈6a的电流Jo低于平均值Jm。
图3示出直流电压转换器用的缓冲电路、尤其是如在图1中所示的主动缓冲电路的放电电路5的放电开关5a的操控方法30的示意图。
在第一步骤31中，确定显示缓冲电路的电荷状态的电压Ua。在第二步骤32中将所确定的电压Ua与电压阈值Uref比较。在第三步骤33中，根据直流电压转换器10的输出电压Uo、在缓冲电路中所存储的电荷和通过存储扼流圈6a的电流Jo的由于同步整流所出现的电流波动确定时间间隔Ton。在第四步骤34中根据所确定的时间间隔Ton产生用于对缓冲电路放电的操控信号24a。

Claims (10)

1. 直流电压转换器（10），具有：
带有初级侧绕组和有中间抽头的次级侧绕组的变压器（2）；
耦合在中间抽头和直流电压转换器（10）的第一输出端之间的存储扼流圈（6a）；
分别与次级侧绕组的端侧抽头连接并且被设计用于在直流电压转换器（10）的第二输出端处产生经整流的输出电压（Uo）的整流电路（3）；
被设计用于存储在整流电路（3）中出现的谐振振动能量的经由整流电路（3）所连接的缓冲电路（4，5）；和
操控设备（20），所述操控设备具有：
开关时间确定装置（25），所述开关时间确定装置被设计用于根据输出电压（Uo）、在缓冲电路（4，5）中所存储的电荷和通过存储扼流圈（6a）的电流（Jo）的由于整流而出现的电流波动来确定时间间隔（Ton）；和
控制信号发生器（24），所述控制信号发生器被设计用于根据所确定的时间间隔（Ton）产生用于使缓冲电路（4，5）放电的操控信号（24a）。
2. 根据权利要求1所述的直流电压转换器（10），其中缓冲电路（4，5）具有被设计用于作为电荷存储在整流电路（3）中出现的谐振振动能量的电荷收集装置（4）和被设计用于选择性地对在电荷收集装置（4）中所存储的电荷进行放电的放电电路（5）。
3. 根据权利要求2所述的直流电压转换器（10），其中电荷收集装置（4）具有：
两个二极管（4a，4b），所述二极管分别与变压器（2）的次级侧绕组的端侧抽头耦合；
和缓冲电容器（4c），所述缓冲电容器与所述两个二极管（4a，4b）耦合并且被设计用于作为电荷存储振动能量。
4. 根据权利要求3所述的直流电压转换器（10），其中操控设备（20）此外具有：
比较装置（22），所述比较装置被设计用于将在缓冲电容器（4c）处所施加的电压（Ua）与预定的电压阈值（Uref）比较并且根据比较向控制信号发生器（24）输出激活信号（21a）；
其中控制信号发生器（24）此外被设计用于根据激活信号（21a）产生操控信号（24a）。
5. 根据权利要求3和4之一所述的直流电压转换器（10），其中放电电路（5）是降压变换器（5），所述降压变换器具有：
电感（5c），所述电感被设计用于将在缓冲电容器（4c）中所存储的电荷馈送回直流电压转换器（10）的第一输出端中，和
放电开关（5a），所述放电开关耦合在缓冲电容器（4c）和电感（5c）之间并且被设计用于根据操控信号（24a）将缓冲电容器（4c）选择性地与电感（5c）连接。
6. 根据权利要求1至5之一所述的直流电压转换器（10），此外具有：
全桥电路（1），所述全桥电路与变压器（2）的初级侧绕组耦合。
7. 根据权利要求1至6之一所述的直流电压转换器（10），其中变压器（2）的初级侧与次级侧绕组的绕组匝比大于1。
8. 根据权利要求1至7之一所述的直流电压转换器（10），其中直流电压变换器（10）是推挽磁通转换器，并且其中操控信号（24a）在所确定的时间间隔（Ton）的持续时间期间被激活用于使缓冲电路（4，5）放电并且在推挽磁通转换器切换到推挽中的时刻（toff）被去活。
9. 根据权利要求1至8之一所述的直流电压转换器（10），其中整流电路（3）是同步整流电路。
10. 用于操控根据权利要求1至9之一所述的直流电压转换器（10）的缓冲电路（4，5）的方法，具有步骤：
确定（31）显示缓冲电路（4，5）的电荷状态的电压（Ua）；
将所确定的电压（Ua）与电压阈值（Uref）进行比较（32）；
根据直流电压转换器（10）的输出电压（Uo）、在缓冲电路（4，5）中所存储的电荷和通过存储扼流圈（6a）的电流（Jo）的由于整流而出现的电流波动来确定（33）时间间隔（Ton）；和
根据所确定的时间间隔（Ton）产生（34）用于使缓冲电路（4，5）放电的操控信号（24a）。
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