CN105637763B - 用于有源整流器的半桥 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于有源整流器的半桥（200），所述半桥（200）具有交流电压端子（110）、正直流电压端子（120）以及接地端子（130），其中第一开关元件（111）将交流电压端子（110）与接地端子（130）相连；其中第二开关元件（121）将交流电压端子（110）与正直流电压端子（120）相连，其中用于切换第一开关元件（111）的第一操控元件（112）与第一开关元件（111）相连；其中第一电容器（114）的端子与第一操控元件（112）的电压供给端子相连；其中所述正直流电压端子（120）通过第一二极管（113）朝导通方向与第一电容器（114）的一个端子相连；其中所述第一电容器（114）与第一开关元件（111）和第二开关元件（121）的串联电路并联。

Description

用于有源整流器的半桥

技术领域

本发明涉及一种用于有源整流器的半桥、尤其是具有过压保护的半桥。

背景技术

为了从三相交流系统给直流系统馈电，可以采用不同结构形式的整流器。在此，本申请涉及有源的或受控的桥式整流器，所述有源的或受控的桥式整流器具有例如以公知的金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）为形式的有源开关元件。在机动车车载电网中，对应于在那里通常被建造的三相交流发电机，常常使用六脉冲实施的桥式整流器。然而，本发明以相同的方式适合于针对其它相数（例如针对五相发电机）和在其它使用场景中的桥式整流器。

诸如在DE 10 2009 046 955 A1中所解释的那样，在机动车中采用有源桥式整流器除了其它原因外因此是值得期望的，因为所述有源桥式整流器与无源的或不受控的桥式整流器相反具有较低的损耗功率。

然而，尤其是在有源桥式整流器的情况下的关键性的故障情况是甩负荷（英语：Load Dump）。如果在高励磁的发电机和相对应高的所发出的电流的情况下在发电机上的负荷（例如通过切断耗电器）突然被减小并且这没有被在直流电网中的以电容方式起作用的元件（例如在机动车车载电网中的电池）截住，那么出现甩负荷。

在这种情况下，在直至为大约300到500ms的持续时间的极端情况下，此外可以通过发电机将能量提供到电网中。所述能量必须能在桥式整流器中被转化（被去除），以便保护连接在下游的电部件不受过压损害。在无源的或不受控的桥式整流器的情况下，该保护一般通过整流器二极管自身来实现，因为在那里损耗能量可被转化为热。然而，在目前可得到的有源开关元件（例如MOSFET）中，这些特性不能够完全被模拟。因而，附加的保护策略是必要的。

例如，在甩负荷的情况下，一些或者所有相都可以通过操控所属的开关元件与接地（即低压侧（Lowside））短接。然而，经此所得到的电压降落可导致：不再可以提供用于操控开关元件的能量供给。尤其是，为此所使用的自举电容器（BootStrap-Kondensator）尤其是在低压侧路径（LowSide-Pfad）中不再可以被再充电。

因而，值得期望的是说明一种可能性，使得具有过压保护的有源整流器即使在切换短路之后也还正常运转。

发明内容

按照本发明，建议了一种具有专利权利要求1所述的特征的半桥。有利的构建方案是从属权利要求以及在下文的描述的主题。

本发明的优点

按照本发明的用于有源整流器的半桥包括可操控的第一开关元件以及用于操控第一开关元件的第一操控元件，半桥的交流电压端子通过所述可操控的第一开关元件与半桥的接地端子相连（低压侧路径）。被用于第一操控元件的电压供给的第一电容器有利地通过半桥的正直流电压端子馈电。经此，即使在交流电压端子与接地端子之间的短路由第一开关元件主动地制造，电压供给也被确保。

如果所述半桥具有交流电压端子通过其与正直流电压端子相连的可操控的第二开关元件以及用于操控第二开关元件的第二操控元件，那么是进一步有利的。被用于第二操控元件的电压供给的第二电容器同样有利地由正直流电压端子馈电。经此，用于第二电容器的电压供给也被确保并且在短路情况下不受限制。

此外，半桥还优选地具有第三操控元件，所述第三操控元件在正直流电压端子与接地端子之间的过压的情况下使第一开关元件闭合（所谓的主动短路），其中所述第三操控元件优选地同样由用于第一操控元件的第一电容器供电。以这种方式，即使在用于保护有源整流器免受过压的主动短路的电路之后也确保了针对第一电容器的电压供给。此外，经此还给出了有源整流器的功能性。

在主动短路的电路的情况下，由于在交流电压端子上的电流降而在正直流电压端子上可发生电压降落。因为主动短路的触发通过第三操控元件来实现，所以正好在该时间点确保第三操控元件的电压供给是非常重要的，因为否则不能确保操控第一开关元件和借此维持主动短路。通过第一二极管，第一电容器与在正直流电压端子上的电压降落去耦合，正直流电压端子通过所述第一二极管朝导通方向与第一电容器的端子相连。但是经此可以确保：第三操控元件的电压供给即使在正直流电压端子上的短暂的电压降落的情况下也被给出。

本发明的其它的优点和构建方案从说明书和附图中得出。

易于理解的是，在上文所提到的和在下文还要进行解释的特征不仅以分别被说明的组合而且以其它的组合或者单独地是可使用的，而不离开本发明的范围。

附图说明

本发明依据实施例在附图中示意性地被示出并且随后参考附图详细地被描述。

图1示意性地示出了具有过压保护的有源整流器的半桥（未按照本发明）。

图2示意性地示出了在按照本发明的装置的优选的构建方案中的具有过压保护的有源整流器的半桥。

图3示意性地示出了在车载电网中的甩负荷试验（Load-Dump-Test）的典型的结构。

图4示意性地示出了在甩负荷情况下在具有按照本发明的优选的构建方案的半桥的有源整流器的正直流电压端子上的电压的典型的变化过程。

具体实施方式

在图1中示意性地示出了用于具有过压保护的有源整流器的半桥100的未按照本发明的电路。半桥100包括交流电压端子100、正直流电压端子120以及接地端子130。

通过第一开关元件111（例如MOSFET），交流电压端子110与接地端子130相连（低压侧）。通过第二开关元件121（同样例如MOSFET），交流电压端子110与正直流电压端子120相连（高压侧（HighSide））。

第一开关元件111由第一操控元件112（例如放大器）控制。与第一操控元件112相连的第一电容器114连同在接地上的端子形成针对第一操控元件112的电压供给（自举原理）。第一电容器114通过第一二极管113与交流电压端子110相连，第一电容器114通过该交流电压端子110被馈电。第一二极管113被切换为使得只有从交流电压端子110到第一电容器114的电流方向是可能的。在另一侧，第一电容器有在接地上的端子。

第二开关元件121由第二操控元件122（同样例如放大器）控制。与第二操控装置122相连的第二电容器124连同在交流电压端子110上的端子形成针对第二操控元件122的电压供给。第二电容器124通过第二二极管123与正直流电压端子120相连，第一电容器114通过该正直流电压端子120被馈电。第二二极管113被切换为使得只有从正直流电压端子120到第二电容器124的电流方向是可能的。在另一侧，第二电容器与交流电压端子110相连。

这种类型的接线方案使得同步整流成为可能，也就是说开关元件与交流电压的极性交替基本上同步地切换。为了避免不符合期望的短路（也就是说两个开关元件都是导通的），电感被接在第一操控元件112的输出端上，所述电感导致第一开关元件111的被延迟的切换。

附加地，半桥100拥有第三操控元件132、例如磁滞元件（也就是说接通阈和关断阈是不同的）。第三操控元件132测量在正直流电压端子120与接地端子130之间的电压，第三操控装置132的测量输入端分别与所述正直流电压端子120和所述接地端子130相连。针对第三操控元件132的电压供给通过第一电容器114连同在接地上的端子来实现。如果在正直流电压端子120与接地端子130之间的电压超过上阈值（接通阈），那么第三操控元件132使第一开关元件111闭合。

借此，产生从交流电压端子110到接地端子130的主动短路，而交流电压端子110也可以与正直流电压端子120相连。经此，消除（abbauen）了在直流电压端子110上的过压，由此可能的耗电器可能会发生损坏。

然而，这引起了：因为交流电压端子110被短接，所以第一电容器114不再经此由所述交流电压端子110馈电。因此，因为第一操控元件不再可以由第一电容器被供给有电压，所以接下来第一开关元件111不再可以被操控。半桥100不再正常运转。

为了排除该问题，本发明建议了第一电容器114的可替换的接线方案，如在图2中所示出的那样。在那里，示意性地示出了在按照本发明的装置的优选的构建方案中的具有过压保护的有源整流器的半桥200。该电路包括与图1中的电路相同的元件，因而接下来所述元件有相同的参考符号。

然而，不同于按照图1的构建方案，在半桥200中，第一电容器114通过第一二极管113与正直流电压端子120相连，第一电容器114通过该正直流电压端子120被馈电。第一二极管113被切换，使得只有从正直流电压端子120到第一电容器114的电流方向是可能的。在另一侧，第一电容器有在接地上的端子。经此，第一电容器114尤其是与第一开关元件111和第二开关元件121的串联电路并联，而所述第一电容器114在按照图1的实施形式中只与第一开关元件111并联，使得第一电容器的充电在那里通过第一开关元件111的闭合而被阻止。

如果现在从交流电压端子110到接地端子130的主动短路在过压情况下由第三操控元件132产生，同时交流电压端子110也与直流电压端子120相连，那么第一电容器114此外还通过直流电压端子120（并且借此由车载电网）被馈电。此外，经此也确保了第一开关元件112的电压供给并且因此确保了半桥200的运行。

如果在正直流电压端子120与接地端子130之间的电压低于下阈值（关断阈），那么第三操控元件132又使第一开关元件111断开。

在主动短路的电路的情况下，由于在交流电压端子110上的电流降或者由于车载电网电感（参见图3和4），可在正直流电压端子120上发生电压降落。因为主动短路的触发通过第三操控元件132来实现，所以正好在该时间点确保第三操控元件132的电压供给是非常重要的，因为否则不能确保操控第一开关元件111和借此维持主动短路。通过第一二极管113，第一电容器114与在正直流电压端子120上的电压降落去耦合。经此可以确保：第三操控元件132的电压供给即使在正直流电压端子120上的短暂的电压降落的情况下也被给出。合理地，在给操控元件132确定尺寸时要注意在电压降落期间保证电压供给的电容。

在图3中示意性地示出了（例如车辆的）车载电网300，所述车载电网300具有带有同步的有源整流器380的发电机301，所述同步的有源整流器380包括多个按照本发明的半桥，诸如在图2中所示出的那样。同样，正直流电压端子120被示出。

车载电网300包括蓄能器360（例如车辆电池）以及两个耗电器311和321。车载电网的部件（例如线路）的电感用370来标明，电容用350来标明。

此外，所述装置300还包括两个开关310和320，利用所述两个开关310和320可以制造或者分开所述两个耗电器到同步的有源整流器380的电连接。

例如，开关320的断开将耗电器321和电池360分开，用于执行正直流电压端子120的甩负荷试验。经此，在正直流电压端子120上的电压U₁₂₀升高。这在图4中在t₀处开始粗略地示意性地被示出。

在超过上阈值时，主动短路被切换。这在图4中在t₁处粗略地示意性地被示出。由于车载电网电感，发生感应峰值（Induktionsspitze），直到在t2处所述电感被去除。于是，在正直流电压端子120上的电压U₁₂₀又对应于基本上由车载电网电容350确定的车载电网电压。

该车载电网电容350现在放电，直到在t₃处低于下阈值并且与此相对应地又结束所述主动短路。由于所述车载电网电感，又发生感应峰值，直到在t₄处所述电感被去除等等。

Claims (9)

1.用于有源整流器的半桥，所述半桥具有交流电压端子（110）、正直流电压端子（120）以及接地端子（130），

其中第一开关元件（111）将交流电压端子（110）与接地端子（130）相连；

其中第二开关元件（121）将交流电压端子（110）与正直流电压端子（120）相连，

其中用于切换第一开关元件（111）的第一操控元件（112）与第一开关元件（111）相连；

其中第一电容器（114）的一个端子与第一操控元件（112）的电压供给端子相连；

其中所述正直流电压端子（120）通过第一二极管（113）朝导通方向与第一电容器（114）的所述端子相连；

其中所述第一电容器（114）与第一开关元件（111）和第二开关元件（121）的串联电路并联。

2.根据权利要求1所述的半桥，其中，用于切换第二开关元件（121）的第二操控元件（122）与第二开关元件（121）相连；其中第二电容器（124）的端子与第二操控元件（122）的电压供给端子相连；其中所述正直流电压端子（120）通过第二二极管（123）朝导通方向与第二电容器（124）的所述端子相连；其中第二电容器（124）的另一端子与交流电压端子（110）相连。

3.根据权利要求2所述的半桥，其中，所述第二开关元件（121）是MOSFET。

4.根据权利要求2至3之一所述的半桥，其中，所述第二操控元件（122）是放大器元件。

5.根据权利要求1至3之一所述的半桥，其中，所述半桥包括第三操控元件（132），其中所述第三操控元件（132）的第一测量端子与正直流电压端子（120）相连而所述第三操控元件（132）的第二测量端子与接地端子（130）相连，其中所述第三操控元件（132）与第一开关元件（111）相连并且被设立为：如果在第一测量端子与第二测量端子之间的电压超过阈值，则使第一开关元件（111）闭合。

6.根据权利要求5所述的半桥，其中，第一电容器（114）的端子与第三操控元件（132）的电压供给端子相连。

7.根据权利要求5所述的半桥，其中，所述第三操控元件（132）是磁滞元件。

8.根据权利要求1至3之一所述的半桥，其中，所述第一开关元件（111）是MOSFET。

9.根据权利要求1至3之一所述的半桥，其中，所述第一操控元件（112）是放大器元件。