CN103563229A - 用于直流电压变换器的缓冲电路 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种直流电压变换器（1），具有：包括初级侧绕组（2a）和带中间抽头的次级侧绕组（2b、2c）的变压器（2）；输出电感（3），其与所述中间抽头和第一输出接头（9a）连接；具有两个同步整流器开关（14a、14b）的同步整流器电路（4），所述同步整流器开关分别与次级侧绕组（2b、2c）的末端侧抽头连接，并且被设计为在第二输出接头（9b）处生成经整流的输出电压；和经由同步整流器电路（4）连接的缓冲电路（5）。所述缓冲电路在此具有：两个二极管（16a、16b），其分别与次级侧绕组（2b、2c）的末端侧抽头耦合；电容器（6），其与两个二极管（16a、16b）耦合并且被设计为存储在同步整流器电路（4）中出现的共振振荡能量；和由放电开关（18）和电阻（17）的串联电路组成的放电电路（7），其中所述放电电路（7）耦合在第一输出接头（9a）和电容器（6）之间并且被设计为将在电容器（6）中所存储的电荷选择性地馈送回到第一输出接头（9a）中。

Description

用于直流电压变换器的缓冲电路
技术领域
本发明涉及一种用于直流电压变换器的、尤其是用于具有同步整流的中点整流器（Mittelpunktgleichrichter）的缓冲电路。
背景技术
为了直流电压变换、例如为了供给车辆的低压车载电网，通常采用同步整流器电路。为此使用的功率半导体开关、例如MOSFET在较高的直流电流情况下恰好具有比二极管小的损耗电压，由此可以提高整流器的效率。由于截止的半导体开关的输出电容，在电去耦的同步整流器情况下可能出现“secondary ringing（二次振动）”的现象、也即出现电流或电压的不希望的振动。在此，在具有次级侧电感的变压器的次级侧的杂散电感和半导体开关的输出电容之间出现共振。
因此，常规的同步整流器具有衰减环节、即所谓的“缓冲环节”，其使在临界电压极限被超过时出现的振动的振荡能量加载到电容上。无源的缓冲环节例如可以由电容器与电阻的串联电路构成，该电容器和电阻可以作为RC灭弧组合与半导体开关并联。相反，有源的缓冲环节除了电容器以外具有另外的半导体开关，在电容器上的临界电荷量被超过时可以经由该另外的半导体开关引出多余的电荷，例如引回到次级侧的车载电网中。
公开文献US 6,771,521B1公开了一种具有衰减电容器的同步整流器用的有源缓冲电路，该衰减电容器可以经由半导体开关可开关地被放电。
公开文献US 5,898,581公开了一种具有有源缓冲电路的中点整流器电路，其中可以经由电感元件将存储在缓冲电容器上的振荡电荷馈送回整流器电路中。
常见的缓冲电路、例如在公开文献US 5,898,581中公开的缓冲电路被设计用于高压或高能，以便将功率损耗保持得小（所谓的“无损耗缓冲器”）。尤其是在降压变换器中通常使用的电感部件（如缓冲电抗器）与高的单件成本相联系，因为组件本身较昂贵并且此外在安装时引起高的制造成本。
发明内容
本发明根据实施方式提供一种直流电压变换器，具有：包括初级侧绕组和带中间抽头的次级侧绕组的变压器；输出电感，其与所述中间抽头和第一输出接头连接；具有两个同步整流器开关的同步整流器电路，所述同步整流器开关分别与次级侧绕组的末端侧抽头连接，并且被设计为在第二输出接头处生成经整流的输出电压；和经由同步整流器电路连接的缓冲电路。所述缓冲电路在此具有：两个二极管，其分别与次级侧绕组的末端侧抽头耦合；电容器，其与两个二极管耦合并且被设计为存储在同步整流器电路中的共振振荡能量；和由放电开关和电阻的串联电路组成的放电电路，其中所述放电电路位于第一输出接头和电容器之间并且被设计为将在电容器中所存储的电荷选择性地馈送回到第一输出接头中。
本发明的优点
本发明的构思是提供用于直流电压变换器的缓冲电路，所述直流电压变换器在应用时——在应用中由于在二次振动和阻断延迟（英语“reverse recovery（反向恢复）”）期间的小的能量损耗功率是可忽略的——可更简单和更成本有效地制造。为此采用电感器件，如通过限流电阻的有源缓冲电路的缓冲扼流圈。在该电阻中的功率损耗在效率方面可忽略不计。
本发明的另一构思是放弃电容器的反馈路径中的空转二极管，因为不使用电感器件。
本发明实施方式的其他特征和优点参考附图由以下描述得出。
附图说明
图1示出根据本发明的一个实施方式的直流电压变换器的示意图，和
图2示出根据本发明的另一个实施方式的直流电压变换器的示意图。
具体实施方式
图1示出直流电压变换器1的示意图。该直流电压变换器1包括具有初级侧绕组2a和次级侧绕组的变压器2，该次级侧绕组经由中间抽头分成两个分段2b和2c。变压器2例如可以设计用于将高电压变换成低电压并且例如具有初级侧和次级侧绕组之间的高于1的绕组比，尤其是例如10：1。两个次级侧的绕组分段2b和2c的绕组比可以不等于1。该绕组比在此尤其是可以为1，也就是说，两个次级侧的绕组分段2b和2c具有相等的绕组数量。
所述中间抽头在此经由次级侧电感3与第一输出接头9a连接。相应次级侧的绕组分段2b和2c的两个末端侧的抽头一方面与同步整流器电路4的两个输入端连接，并且另一方面与有源缓冲电路5的两个输入端连接。直流电压变换器1在此实现具有有源同步整流的中点整流器电路。
同步整流器电路4被设计为从相应次级侧的绕组分段2b和2c的末端侧抽头中截取施加在变压器2的次级侧处的电压并且经由适当的接线将该电压变换成第二输出接头9b处的直流电压。换句话说，在输出接头9a和9b之间的直流电压变换器的运行期间可截取输出直流电压。
此外在同步整流器电路4和第二输出接头9b之间可以设置分路电阻4a，在该分路电阻处可以测量朝向第二输出接头9b的输出电流。另外在第一和第二输出接头9a、9b之间可以设置直流电压中间电路8，该直流电压中间电路可以用于电压平滑。
缓冲电路5具有两个缓冲元件5a和5b，它们分别与变压器2的次级侧绕组2b、2c的末端侧抽头连接。缓冲元件5a和5b被设计为截获可能在同步整流器电路4的输入端出现的电压尖峰并且将其输出给缓冲电容器或电容器6。次级侧绕组2b、2c具有杂散电感，由此在同步整流器电路4的元件的输出电容和杂散电感之间可能出现电压振动、即所谓的“secondary ringing（二次振动）”。在此出现的振动能量在超过预定电压时经由缓冲元件5a和5b存储在电容器6上。电容器6例如可以通过特定数量的并联电容器来实现，例如6个并联的陶瓷电容器。
当电容器6已经接收了预定的电荷量时，也就是说当位于电容器6上的电压已经超过预定阈值时，存储在电容器6上的能量可以经由放电电路7受控地馈送回到直流电压变换器1中。经由放电电路的返回馈送可以在此优选地在同步整流器电路4处于空转状态的时间段期间来进行。
图2以较高细节示出根据图1的直流电压变换器1。该直流电压变换器1在此可以在直流电压中间电路8和第二输出接头9b之间具有保护开关13a，该保护开关13a被设计为将直流电压变换器1与所连接的低压网络隔离。保护开关13a在此可以例如由两个场效应晶体管构造。直流电压变换器1此外包括极性变换保护开关13b，该极性变换保护开关13b被设计为确保免受输出接头9a、9b处的极性变换。极性变换保护开关13b在此同样可以例如由两个场效应晶体管来构造。
在分路电阻4a和保护开关13a之间的节点处可以经由电容器11建立通向地、例如通向壳体12的连接，以便保证直流电压变换器1的电磁兼容性。
同步整流器电路4在图2中通过两个直流整流器开关14a和14b来实现。每一个同步整流器开关14a、14b在此具有有源开关元件和与此并联的空转二极管。在此可以设想，该空转二极管在使用半导体开关的情况下可以是有源开关元件的寄生二极管本身。此外还可以设置，并行于每个开关元件地设置无源缓冲环节，例如可以如在图2中所示的，具有由电容器和电阻构成的串联电路的RC灭弧组合与有源开关元件和空转二极管并行地设置。
缓冲电路5作为缓冲元件5a和5b分别包括两个分别由二极管16a和16b和电容器15a和15b组成的并联电路。在同步整流器开关14a、14b的输入端处超过阈值电压时经由二极管16a、16b将过剩的（振动的）电荷引出到电容器6。如果电容器6处的电压超过预定的电压值，可以经由放电开关18将电荷有源地通过电阻17馈送到直流电压变换器1中。基于直流电压变换器1中的低的次级侧电压，限流电阻17中的功率损耗可以忽略。
在替换的实施方式中可以设置，在电阻17与在次级电感3和第一输出接头9a之间的节点之间布置（未示出的）二极管。可以采用这种二极管来最小化低压网络对电容器6的干扰影响、例如电压波动。
放电开关18的控制可以通过如下方式进行，即电容器6的放电在有源开关元件、即同步整流器开关14a和14b的空转阶段期间进行。同步整流器开关14a和14b之一处的缓冲事件的典型周期时间例如可以在5μs以下。另外，向电容器6的共振振动的电荷传输例如可以在1μs以后结束。因此，最大放电持续时间可以为4μs，在同步整流器开关14a或14b闭合之后的1μs至5μs之间的时间段中。在该时间段期间，放电开关18附加地在如下条件下断开，即电容器6处的电压超过预定值、例如变压器2的初级侧绕组2a上的电压的10%，以便存储在电容器6上的电荷经由电阻17以及必要时经由空转二极管被引出到第一输出接头9a。
所使用的同步整流器开关14a、14b、保护开关13a、13b以及放电开关18在此可以分别具有半导体开关，例如场效应晶体管（FET）。在所示的实施方式中，半导体开关分别表示为自截止的n-MOSFET（n导通的金属氧化物半导体场效应晶体管，富集型），但是同样可以设置对应形式的其他半导体开关，例如以IGBT（绝缘栅双极晶体管）、JFET（结型场效应晶体管）的形式或者作为p-MOSFET（p导通的金属氧化物半导体场效应晶体管）。

Claims (4)

1.直流电压变换器（1），具有：
包括初级侧绕组（2a）和带中间抽头的次级侧绕组（2b、2c）的变压器（2）；
输出电感（3），其与所述中间抽头和第一输出接头（9a）连接；
具有两个同步整流器开关（14a、14b）的同步整流器电路（4），所述同步整流器开关分别与次级侧绕组（2b、2c）的末端侧抽头连接，并且被设计为在第二输出接头（9b）处生成经整流的输出电压；和
经由同步整流器电路（4）连接的缓冲电路（5），
所述缓冲电路具有：
　　两个二极管（16a、16b），其分别与次级侧绕组（2b、2c）的末端侧抽头耦合；
　　电容器（6），其与两个二极管（16a、16b）耦合并且被设计为存储在同步整流器电路（4）中出现的共振振荡能量；和
　　由放电开关（18）和电阻（17）的串联电路组成的放电电路（7），其中所述放电电路（7）耦合在第一输出接头（9a）和电容器（6）之间并且被设计为将在电容器（6）中所存储的电荷选择性地馈送回到第一输出接头（9a）中。
2.根据权利要求1所述的直流电压变换器（1），其中所述放电电路（7）还包括与电阻（17）串联的空转二极管。
3.根据权利要求1和2之一所述的直流电压变换器（1），其中所述同步整流器电路（4）还包括两个RC环节，所述RC环节分别与两个同步整流器开关（14a、14b）并联。
4.根据权利要求1至3之一所述的直流电压变换器（1），其中变压器（2）的初级侧绕组（2a）与次级侧绕组（2b、2c）的绕组比大于1。
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