CN106416032B - 直流电压转换器的车载电网隔离电路和将车载电网与直流电压转换器隔离的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种车载电网供电系统（1），其具有：直流电压转换器（11），所述直流电压转换器（11）具有至少一个半导体整流元件（4）；用于车载电网的两个供电端子（9a、9b），所述两个供电端子（9a、9b）与直流电压转换器（11）在输出侧相耦合；隔离开关（5），所述隔离开关（5）被耦合在所述供电端子（9a、9b）之一与直流电压转换器（11）之间；和车载电网隔离电路（10），所述车载电网隔离电路（10）被设计为确定在所述半导体整流元件（4）中的至少一个上的截止电压（U，Ua，Ub），而且根据所确定的截止电压（U，Ua，Ub）的值来操控用于将车载电网与直流电压转换器（11）去耦的隔离开关（5）。

Description

直流电压转换器的车载电网隔离电路和将车载电网与直流电 压转换器隔离的方法

技术领域

本发明涉及一种用于直流电压转换器、尤其是用于具有同步整流装置的中心整流器（Mittelpunktgleichrichter）的车载电网隔离电路，以及涉及一种用于将车载电网与直流电压转换器隔离的方法。

背景技术

在例如用于给车辆的低压车载电网供电的电位隔离的（potentialtrennend）直流电压转换器中通常采用同步整流电路。为此所使用的功率半导体开关（例如MOSFET）恰好在较高的直流时具有比二极管更低的损耗电压，由此可以提高整流器的效率。

在同步整流电路运行时可能发生在功率半导体开关上的过压，所述过压可能使所述功率半导体开关超载并且连续持久地损害所述功率半导体开关。因而，通常采用如缓冲电路（Snubberschaltung）那样的对策，所述对策应该避免在功率半导体开关上的过压。

仍然可出现：同步整流电路中的功率半导体开关被损害并且因此被切换为持久导通的。在这样的情况下，发生从次级侧的车载电网到同步整流电路中的不符合期望的反电流，由此车载电网的电蓄能器可放电。如果可能不再给车载电网供应足够的能量，那么确定的车辆部件在它们的功能方面也可能失效。因而，出于安全原因值得期望的是：在同步整流电路的故障情况下禁止这样的反电流。

出版文献DE 41 38 943 C1例如公开了一种双电压车载电网，所述双电压车载电网具有被布置在两个子车载电网之间的直流电压转换器，所述直流电压转换器是充电/隔离模块的组成部分，所述充电/隔离模块根据被输送的信号（例如根据所测量的电流）来中断所述两个子车载电网之间的连接，而且这样在故障情况下阻止了从一个子车载电网到另一子车载电网中的反作用。

发明内容

按照一个方面，本发明提出了一种车载电网供电系统，所述车载电网供电系统具有：直流电压转换器，所述直流电压转换器具有至少一个半导体整流元件；用于车载电网的两个供电端子，所述供电端子与直流电压转换器在输出侧耦合；隔离开关，所述隔离开关被耦合在所述供电端子之一与直流电压转换器之间；和车载电网隔离电路，所述车载电网隔离电路被设计为确定在所述半导体整流元件中的至少一个上的截止电压并且根据所确定的截止电压的值来操控（ansteuern）用于将车载电网与直流电压转换器去耦的隔离开关。

按照另一方面，本发明提出了一种用于将车载电网与直流电压转换器隔离的方法，所述方法具有如下步骤：用直流电压转换器将供电电压重新调整为车载电网电压，确定在直流电压转换器的半导体整流元件中的至少一个上的截止电压，并且根据所确定的截止电压的值操控用于将车载电网与直流电压转换器去耦的隔离开关。

本发明的优点

本发明的思想是：通过测量在将车载电网耦合到次级侧的电网上的直流电压转换器的半导体元件上的电压来探测来自车载电网的反电流。如果所述半导体元件之一的损坏或者失效造成反电流，那么这可以通过截止电压下降到确定的截止电压阈之下或下降到确定的截止电压范围中来识别。如果截止电压在最小持续时间期间被识别在指示半导体元件之一的损坏或者失效的临界范围中，那么车载电网隔离电路可通过隔离开关将车载电网与直流电压转换器隔离。

由此，可以有利地确保：通过直流电压转换器有效地禁止车载电网的反电流。这阻止了车载电网中的电蓄能器的放电并且因此阻止了安全关键的车载电网部件的失效。

此外，还可以省去额外的明确地测量反电流的传感器（诸如霍尔传感器或者分流电阻）。一方面，这减少了必需的实施成本，另一方面，直流电压转换器的性能效率由此没有被减小。

最后，直流电压转换器的半导体元件的截止电压的测量相对于传统的方法更精确并且更加与系统的温度或者由制造决定的容差无关。

此外，按照所述按照本发明的车载电网供电系统的实施形式，直流电压转换器还可具有：变压器，所述变压器具有初级侧绕组和带有中间抽头的次级侧绕组；输出电感，所述输出电感与中间抽头和所述供电端子中的第一供电端子相连；和具有两个半导体整流元件的整流电路，所述两个半导体整流元件分别与次级侧绕组的端侧的抽头相连，而且所述两个半导体整流元件被设计用于在所述供电端子中的第二供电端子上产生经整流的输出电压。

按照所述按照本发明的车载电网供电系统的另一实施形式，所述半导体整流元件可具有同步整流开关。按照所述按照本发明的车载电网供电系统的可替换的实施形式，所述半导体整流元件可具有半导体二极管。

此外，按照所述按照本发明的车载电网供电系统的另一实施形式，该车载电网供电系统还可具有被耦合在所述两个供电端子之间的中间电路电容器。

按照所述按照本发明的车载电网隔离电路的另一实施形式，该车载电网隔离电路可具有：比较器，所述比较器被设计为确定低于针对半导体整流元件的截止电压的第一阈值；和触发电路（Flip-Flop），所述触发电路被设计为根据比较器的输出信号输出针对隔离开关的操控信号。

在此，按照所述按照本发明的车载电网隔离电路的另一实施形式，该比较器此外还可被设计为确定半导体整流元件的截止电压是否超过第二阈值。

此外，按照所述按照本发明的方法的实施形式，该方法还可包括检验所确定的截止电压是否低于第一阈值的步骤。

此外，按照所述按照本发明的方法的另一实施形式，该方法还可包括检验所确定的截止电压是否超过第二阈值。

附图说明

本发明的实施形式的其它的特征和优点从参考随附的附图的随后的描述得到。

图1示出了按照本发明的实施形式的具有直流电压转换器和车载电网隔离电路的车载电网供电系统的示意图；

图2示出了按照本发明的另一实施形式的具有直流电压转换器和车载电网隔离电路的车载电网供电系统的示意图；

图3示出了按照本发明的另一实施形式的具有直流电压转换器和车载电网隔离电路的车载电网供电系统的示意图；

图4示出了按照本发明的另一实施形式的车载电网隔离电路的电路图的示意图；

图5示出了按照本发明的另一实施形式的车载电网隔离电路的电路图的示意图；和

图6示出了按照本发明的另一实施形式的用于将车载电网与直流电压转换器隔离的方法的示意图。

具体实施方式

图1示出了具有直流电压转换器11和车载电网隔离电路10的车载电网供电系统1的示意图。例如可以在可电运行的车辆、也就是说电动车辆或者混合动力车辆中将车载电网供电系统1用于给车辆的电的车载电网供电。直流电压转换器11可以将在输入侧被馈入的输入电压（例如来自电动车辆或者混合动力车辆的电驱动系统的输入电压）转换为输出侧的车载电网电压，所述输出侧的车载电网电压可以在与直流电压转换器11在输出侧相耦合的两个供电端子9a、9b上被量取。直流电压转换器11可具有至少一个半导体整流元件，而且可具有每个适当的转换器拓扑结构，例如降压变压器、升压变压器、反型转换器（Inverswandler）、同步转换器、闭塞变流器（Sperrwandler）、推挽式通量转换器（Gegentaktflusswandler）或者谐振转换器。为了电压平滑，可以将中间电路元件8（例如中间电路电容器8）接在所述两个供电端子9a、9b之间。

此外，车载电网供电系统1还具有隔离开关5，所述隔离开关5被耦合在所述供电端子9a、9b之一与直流电压转换器11之间。隔离开关5例如可以是半导体开关（例如场效应晶体管（FET））。然而，同样可能的是，将相对应的形式的其它的半导体开关、例如以IGBT（绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor））为形式的半导体开关设置为隔离开关5。车载电网供电系统1拥有车载电网隔离电路10，所述车载电网隔离电路10被设计为确定在直流电压转换器11的所述半导体整流元件中的至少一个上的截止电压。车载电网隔离电路10检验所确定的截止电压并且根据所确定的截止电压的值来产生针对隔离开关5的操控信号，以便将被耦合在所述两个供电端子9a、9b上的车载电网与直流电压转换器11分离。

在此，车载电网隔离电路10可以例如监控（多个）截止电压，其方式是将所述（多个）截止电压与最大触发阈相比较。如果所述（多个）截止电压可以在最小比较时间（例如7μs或者更多）内在例如可以在1V到2V之间的范围中的最大触发阈之下，那么可能起因于一个或多个有关的半导体整流元件是损坏的。接着，车载电网隔离电路10可以输出针对隔离开关5的操控信号，以便将车载电网与直流电压转换器11隔离。

在功能正常的半导体整流元件的情况下，只要半导体在二极管通流方向上导通，截止电压通常就小于0V。如果半导体从导通状态转变到截止状态，那么截止电压迅速地超过最大触发阈并且在例如等于或者大于车载电网电压的电压值上。

为了改善识别精确度，车载电网隔离电路10可以例如也如下地监控所述（多个）截止电压：所述（多个）截止电压是否将低于最小触发阈。如果所述（多个）截止电压在最小比较时间（例如7μs或者更多）内在最小触发阈（例如0V）之上而且在例如在1V到2V之间的范围中的最大触发阈之下，那么可能起因于一个或多个有关的半导体整流元件是损坏的。

在图2的例子中，直流电压转换器被构建为推挽式通量转换器，而且包括具有初级侧绕组2a和次级侧绕组的变压器2，所述次级侧绕组通过中间抽头被分成两部分2b和2c。变压器2例如可以被设计用于将高压转换为低压，而且例如可具有在初级侧与次级侧绕组之间的超过一、尤其是例如为10：1的绕组比。在此，所述两个次级侧绕组部分2b和2c的绕组比尤其是可以计为一，也就是说所述两个次级侧绕组部分2b和2c具有相同的绕组数。

在变压器2的初级侧2a上，例如可以将高电压源与在全桥式电路中用于将高电压源的直流电压转换为高压交流电压的被连接到所述高电压源上的逆变器相耦合。

变压器2的中间抽头通过次级侧电感3与第一输出端子9a相连。所述相应的次级侧绕组部分2b和2c的两个端侧的抽头与整流电路4的两个输入端相连。整流电路4例如可具有同步整流器，所述同步整流器具有有源开关元件。然而也可能的是构建具有无源开关元件的整流电路4。因此，直流电压转换器可包括具有无源或者有源整流装置的中心整流电路。

整流电路4被设计为：从相应的次级侧绕组部分2b和2c的端侧的抽头量取在次级侧附在变压器2上的电压，而且通过适当的接线将所述在次级侧附在变压器2上的电压转换为在第二输出端子9b上的直流电压。换句话说，在直流电压转换器运行期间，在所述输出端子9a与9b之间可量取输出端直流电压。

此外，在第一输出端子9a与第二输出端子9b之间还可以设置可用于进行电压平滑的直流电压中间电路8。该直流电压中间电路8例如可具有中间电路电容器或者另一直流电压源（诸如电池或者蓄电池）。

车载电网隔离电路10例如可以被实施在微处理器中并且可以确定在整流电路4的半导体整流元件中的至少一个上的截止电压U。如果所确定的截止电压在可推断出整流电路4的半导体整流元件之一的失效或者损坏的范围中，那么车载电网隔离电路10可以将操控信号T输出给隔离开关5，以将车载电网与直流电压转换器去耦。

图3示出了按照另一实施形式的具有直流电压转换器和车载电网隔离电路10的车载电网供电系统。图3的直流电压转换器与图2中的直流电压转换器1基本上通过所示出的器件的较高的详细度而被区分。

在图3中，同步整流电路4通过两个同步整流开关4a和4b来实现。在此，所述同步整流开关4a、4b中的每个都具有有源开关元件和与其并联的续流二极管。在此，清楚的是：在使用半导体开关（例如MOSFET开关）时，该续流二极管可以是有源开关元件自身的寄生二极管。

在此，所使用的同步整流开关4a、4b可以分别具有半导体开关、诸如场效应晶体管（FET）。在所示出的实施形式中将半导体开关分别示出为自截止的n-MOSFET（n导通的金属氧化物半导体场效应晶体管（Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor），增强型），然而同样可能的是设置相对应的形式的其它的半导体开关，例如设置以IGBT（绝缘栅双极型晶体管）、JFET（结型场效应晶体管（Junction Field-Effect Transistor））为形式或者作为p-MOSFET（p导通的金属氧化物半导体场效应晶体管）的其它的半导体开关。

可替换地，也可有采用无源半导体器件（诸如半导体二极管），而不是同步整流开关4a、4b，以便实现无源整流电路4。

车载电网隔离电路10测量同步整流开关4a、4b的截止电压Ua和Ub，而且在所述两个同步整流开关4a、4b之一的被识别的损坏或者失效的情况下产生用于借助于隔离开关5将车载电网与直流电压转换器隔离的操控信号T。

图4和图5示出了针对用于监控车载电网隔离电路10中的截止电压Ua和Ub的逻辑电路的示例性的实施方案。针对整流电路4的各个半导体整流元件的截止电压的所确定的值Ua和Ub被馈入到比较器12a和12b中，所述比较器12a和12b被设计为确定低于针对半导体整流元件的截止电压的一个或多个第一阈值。比较器信号通过比较时间触发器13a、14a和13b、14b被馈入到“或”门电路15中，使得：如果所述两个比较器信号之一在第一阈值之下超过由比较时间触发器控制的最小时间间隔，那么触发电路16被接通，所述触发电路16可以根据比较器12a、12b的比较器信号输出针对隔离开关5的操控信号。

此外，如在图5中示例性地示出的那样，比较器12a或12b还可以被设计为确定整流电路4的半导体整流元件的（多个）截止电压Ua或Ub是否超过第二阈值。只有当在“与”门电路17a或17b中确定整流电路4的半导体整流元件的（多个）截止电压Ua或Ub在第二阈值到第一阈值之间（例如在0V到大约1V至2V之间）超过最小比较时间间隔时，才在触发电路16上对相对应的用于将车载电网与直流电压转换器隔离的操控信号T进行置位。

图6示出了用于将车载电网与直流电压转换器（例如在图1至3的车载电网供电系统中的直流电压转换器11）隔离的示例性的方法20。在第一步骤21中，该方法20包括用直流电压转换器11将供电电压重新调整为车载电网电压。在第二步骤中，确定在直流电压转换器11的半导体整流元件中的至少一个上的截止电压。

可选地，接着可以在步骤23的子步骤23a中检验所确定的截止电压是否低于第一阈值。同样，可以在步骤23的子步骤23b中检验所确定的截止电压是否超过第二阈值。接着，在步骤24中可以根据该检验来实现用于根据所确定的截止电压的值将车载电网与直流电压转换器11去耦的隔离开关5。

Claims (10)

1.车载电网供电系统（1），其具有：

直流电压转换器（11），所述直流电压转换器（11）具有至少一个半导体整流元件（4）；

用于车载电网的两个供电端子（9a、9b），所述两个供电端子（9a、9b）与直流电压转换器（11）在输出侧相耦合；

隔离开关（5），所述隔离开关（5）被耦合在所述供电端子（9a、9b）之一与直流电压转换器（11）之间；和

车载电网隔离电路（10），所述车载电网隔离电路（10）被设计为确定在所述半导体整流元件（4）中的至少一个上的截止电压（U；Ua；Ub），而且根据所确定的截止电压（U；Ua；Ub）的值来操控用于将车载电网与直流电压转换器（11）去耦的隔离开关（5）。

2.根据权利要求1所述的车载电网供电系统（1），其中，所述直流电压转换器（11）具有：

变压器（2），所述变压器（2）具有初级侧绕组（2a）和带有中间抽头的次级侧绕组（2b、2c）；

输出电感（3），所述输出电感（3）与中间抽头和所述供电端子中的第一供电端子（9a）相连；和

整流电路（4），所述整流电路（4）具有两个半导体整流元件（4a、4b），所述两个半导体整流元件（4a、4b）分别与次级侧绕组（2b、2c）的端侧的抽头相连，而且所述两个半导体整流元件（4a、4b）被设计用于在所述供电端子中的第二供电端子（9b）上产生经整流的输出电压。

3.根据权利要求2所述的车载电网供电系统（1），其中，所述半导体整流元件（4a、4b）具有同步整流开关。

4.根据权利要求2所述的车载电网供电系统（1），其中，所述半导体整流元件（4a、4b）具有半导体二极管。

5.根据权利要求1至4之一所述的车载电网供电系统（1），所述车载电网供电系统（1）此外还具有：

中间电路电容器（8），所述中间电路电容器（8）被耦合在所述两个供电端子（9a、9b）之间。

6.根据权利要求1至4之一所述的车载电网供电系统（1），其中，所述车载电网隔离电路（10）具有：

比较器（12a；12b），所述比较器（12a；12b）被设计为确定低于针对半导体整流元件（4）的截止电压（Ua；Ub）的第一阈值；和

触发电路（16），所述触发电路（16）被设计为根据所述比较器（12a；12b）的输出信号输出针对隔离开关（5）的操控信号。

7.根据权利要求6所述的车载电网供电系统（1），其中，所述比较器（12a；12b）此外还被设计为确定所述半导体整流元件（4）的截止电压（Ua；Ub）是否超过第二阈值。

8.用于将车载电网与直流电压转换器（11）隔离的方法（20），所述方法（20）具有如下步骤：

用所述直流电压转换器（11）将供电电压重新调整（21）为车载电网电压；

确定（22）在所述直流电压转换器（11）的半导体整流元件（4）中的至少一个上的截止电压（U；Ua；Ub）；并且

根据所确定的截止电压（U；Ua；Ub）的值操控（24）用于将车载电网与直流电压转换器（11）去耦的隔离开关（5）。

9.根据权利要求8所述的方法（20），所述方法（20）此外还具有如下步骤：

检验（23a）所确定的截止电压（U；Ua；Ub）是否低于第一阈值。

10.根据权利要求9所述的方法（20），所述方法（20）此外还具有如下步骤：

检验（23b）所确定的截止电压（U；Ua；Ub）是否超过第二阈值。