CN106416036B - 用于推挽转换器的升压转换器运行的调制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于调制推挽转换器的升压转换器运行的方法，该推挽转换器具有：低压侧电路，其具有第一低压侧开关装置、第二低压侧开关装置；具有高压侧线圈的变压器；以及高压侧电路，所述高压侧电路被设计成全桥整流器，所述高压侧电路具有构成第一半桥的第一和第二整流元件以及构成第二半桥的第三和第四整流元件；其中所述方法包括以下步骤：在第一时间段期间在通过第一或第四整流元件同时短路高压侧线圈的情况下闭合第一低压侧开关装置；在第二时间段期间断开为了短路高压侧线圈而使用的整流元件；在第三时间段期间在通过第二半桥的第三或第四整流元件同时短路高压侧线圈的情况下，断开第一低压侧开关装置并且闭合第二低压侧开关装置；以及在第四时间段期间断开为了短路高压侧线圈而使用的整流元件。

Description

用于推挽转换器的升压转换器运行的调制方法
技术领域
本发明涉及一种用于调制推挽转换器的升压转换器运行的方法。本发明尤其是涉及一种用于调制双向的推挽转换器的升压转换器运行的方法。
背景技术
尽管本发明和本发明所基于的问题借助双向的推挽转换器来解释，但是本发明也可以应用于任意其他推挽转换器，其中设置有升压转换器运行。
双向的直流电压转换器典型地应用于电能应该在两个方向上传输的地方。因此所述双向的直流电压转换器是有利的，以便在混合电动车辆中将能量从高压网传输到低压网中并且反之亦然。例如可以借助降压转换器运行中的直流电压转换器以12V给电池充电，而升压转换器运行可以根据需要被用于几百伏特下的短期功率需求（例如起动过程中）的辅助能量存储器系统的充电或运行。根据应用领域，对于直流电压转换器需要高压侧和低压侧的电分离，使得有时有利的是，将直流电压转换器实施为推挽转换器。
文献Nene H.的“Digital Control of a Bi-Directional DC-DC Converter forAutomotive Applications”，Applied Power Electronics Conference and Exposition（APEC），长滩（CA），USA，2013年3月17-21（doi：10.1109/APEC.2013.6520476）描述一种双向的推挽转换器，该推挽转换器在高压侧具有全桥电路地来实施并且在低压侧具有中间点抽头地来实施。此外，在高压侧设置有电流传感器装置，该电流传感器装置被构造用于测量经过变压器的电流。在降压转换器运行中，作为用于控制推挽转换器的调制方法使用所谓的相移方法。在升压转换器运行中应用以下方法，在该方法中在高压侧分阶段地没有电流流动。
对于可控的升压转换器运行，至今在低压侧电路中需要附加的电流传感器装置。这使得需要低压侧电路的耗费设计。
发明内容
本发明实现一种用于调制推挽转换器的升压转换器运行的方法，该推挽转换器具有：低压侧电路，其被设计用于将低压侧的所施加的直流电压转换为低压侧的交流电压，该低压侧电路具有第一低压侧开关装置、第二低压侧开关装置和节流阀；具有低压侧线圈和高压侧线圈的变压器，该变压器被设计用于接收低压侧线圈上的低压侧的交流电压并且产生高压侧线圈上的高压侧的交流电压；和高压侧电路，其被设计成全桥整流器，以便将高压侧的交流电压转换为高压侧的直流电压，该高压侧电路具有构成第一半桥的第一和第二整流元件和构成第二半桥的第三和第四整流元件；其中至少第一和第四整流元件被构造为开关装置并且其中至少第二或第三整流元件被构造为开关装置；其中该方法包括以下步骤：在调制周期的第一时间段期间在通过第一或第四整流元件同时短路高压侧线圈的情况下闭合第一低压侧开关装置以用于产生变压器上的第一电压并且用于将能量馈送到变压器和节流阀中；在调制周期的第二时间段期间断开为了短路高压侧线圈而使用的整流元件以用于产生高压侧直流电压；在调制周期的第三时间段期间在通过第二半桥的第二或第三整流元件同时短路高压侧线圈的情况下，断开第一低压侧开关装置并且闭合第二低压侧开关装置以用于产生变压器上的第二电压，该第二电压与第一电压相反极化；以及在调制周期的第四时间段期间断开为了短路高压侧线圈而使用的整流元件以用于产生高压侧的直流电压。
本发明的优点
本发明的思想是实现一种用于调制推挽转换器的升压转换器运行的方法，该方法使用能够可控的运行，而在低压侧不需要电流传感器装置。电流测量在此通过位于高压侧上的电流传感器装置来实现。对此，该方法在升压转换器运行中附加地使用高压侧上的开关装置，以便控制功率流或电流。任何时候，电流不仅流经变压器的高压侧线圈而且流经低压侧线圈，使得该电流任何时候能够通过高压侧上的单独的电流传感器装置来测量或调节。根据本发明的解决方案的一个显著的优点在于，常规的推挽转换器能够在升压转换器运行中可控地运行，而不必耗费地在低压侧上构建附加的电流传感器装置。
根据一种优选的扩展方案，低压侧电路可以被构造为由第一低压侧和第二低压侧开关装置以及节流阀构成的中间点电路。低压侧电路的该扩展方案是可用于控制升压转换器运行中的推挽转换器的电路装置的简单实现方案。
根据一种替代的优选的扩展方案，低压侧电路还可以包括第三低压侧开关装置和第四低压侧开关装置。此外，低压侧电路可以被构造为由第一低压侧、第二低压侧、第三低压侧和第四低压侧开关装置以及节流阀构成的全桥电路。此外，不仅第一低压侧开关装置的断开和闭合可以分别伴随着第四低压侧开关装置的同时断开和闭合，而且第二低压侧开关装置的断开和闭合可以分别伴随着第三低压侧开关装置的同时断开和闭合。低压侧电路的该扩展方案是可用于控制升压转换器运行中的推挽转换器的电路装置的替代的实现方案。
优选地，低压侧和高压侧开关装置可以包括MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）、IGBT（具有绝缘栅电极的双极型晶体管）、JFET（截止层场效应晶体管）和/或BJT（双极型晶体管）或其他合适的半导体开关。开关装置因此有利地包含可有源开关的半导体组件，如其能够以微型化的形式以大的数量集成在单独的半导体衬底中。
此外，低压侧和/或高压侧开关装置可以有利地被构造为同步整流器。同步整流器是用于整流的一种简单的方案，例如因此不需要附加的二极管。
根据一种优选的扩展方案，各一个二极管可以与低压侧和高压侧开关装置反向并联。在该扩展方案中，二极管可以用于整流并且开关装置不必被构造为同步整流器。
根据一种优选的扩展方案，高压侧整流元件可以被构造为开关装置。此外，在依次的调制周期中，在第一时间段中第一以及第四整流元件并且在第三时间段中第三以及第二整流元件可以分别交替地用于短路高压侧线圈。这具有以下优点，能够减少每个开关装置的损耗并且此处提高开关装置的寿命。
附图说明
随后借助参考附图的实施方式解释本发明的其他特征和优点。
其中：
图1示出一种示例性的双向的推挽转换器的示意图；
图2a示出用于调制双向的推挽转换器的升压转换器运行的示例性的方法的控制信号的时间变化图；
图2b示出根据本发明的一种实施方式的用于调制双向的推挽转换器的升压转换器运行的方法的控制信号的时间变化图；
图3示出另一种示例性的双向的推挽转换器的示意图；
图4示出根据本发明的另一种实施方式的用于调制双向的推挽转换器的升压转换器运行的方法的控制信号的时间变化图。
具体实施方式
在附图中，相同的附图标记表示相同的或功能相同的元件。
图1示出一种示例性的双向的推挽转换器的示意图。
在图1中，附图标记10表示推挽转换器。在此，在高压侧电路20中，全桥电路由开关装置21、22、23、24来实现。低压侧电路29被实施为由开关装置25a、26a以及节流阀4构成的中间点电路。此外，高压侧电路20和低压侧电路29通过变压器2彼此电隔离地连接。电流传感器装置3位于高压侧电路20之内，该电流传感器装置被构造用于测量经过变压器2的电流。开关装置21、22、23、24、25a、26a分别包括晶体管31和二极管41。在高压侧电路20上可以施加或可以量取直流电压1并且相应地在低压侧上可以施加或可以量取直流电压5。
在降压转换器运行中，高压侧电路20可以基于相移方法通过脉冲地开关开关装置21、22、23、24的晶体管31将高压侧所施加的直流电压1经由变压器2转递给低压侧电路29，该低压侧电路在其侧基于此提供低压侧的直流电压5。在该实施方式中，低压侧电路29的二极管用作中间点整流器。
在升压转换器运行中可以应用一种方法，其中在高压侧上分阶段地没有电流流动。在此，仅仅低压侧电路29的开关装置25a、26a的晶体管31被接通（推挽转换器10的并行馈电），而在高压侧电路20中开关装置21、22、23、24的二极管41用作桥整流器。但是对于在图1中示出的推挽转换器10的可控的升压转换器运行需要一种方法或一种电路装置，其中任何时候都能够分析电流，使得推挽转换器10能够相应地被调节。一种解决方案是将电流传感器装置3构建到低压侧电路29中。这使得需要耗费地设计低压侧电路。
图2a示出用于调制双向的推挽转换器的升压转换器运行的示例性的方法的控制信号的时间变化图。
在图2a中描绘的调制方法用于控制在图1中示出的在升压转换器运行中的推挽转换器10。在此，低压侧电路29的开关装置25a、26a的晶体管31被接通用于推挽转换器10的并行馈电。在高压侧电路20中，开关装置21、22、23、24的二极管41用作桥整流器。高压侧开关装置21、22、23、24的晶体管31在该方法中不接通。在图2a中示出开关装置25a、26a的开关状态作为时间的函数。两个开关装置25a、26a彼此相移180°地接通和切断。在开关装置25a、26a之一被断开的相位中，将能量馈送到高压侧的直流电压源中并且在那里感生电流，同时低压侧所施加的直流电压5被转换为高压侧的直流电压1。在调制周期的第一时间段[0，t1]中，用于电流建立的两个开关装置25a、26a同时被闭合并且将能量馈送到节流阀4和变压器2中。在该时间段中，高压侧上的电流等于零。在调制周期的第二时间段[t1，t2]中，断开开关装置25a，而继续闭合开关装置26a。在第三时间段[t2，t3]中，又闭合两个开关装置25a、26a。在第四时间段[t3，t4]中，开关装置25a继续保持闭合，而现在断开开关装置26a。因此分阶段地没有电流在高压侧上流动。
图2b示出根据本发明的一种实施方式的用于调制双向的推挽转换器的升压转换器运行的方法的控制信号的时间变化图。
在图2b中描绘的调制方法也用于控制在图1中示出的在升压转换器运行中的推挽转换器10。但是与图2a中的调制方法不同，在该调制方法中，电流任何时候在高压侧上流动。如图2a中所示，在此低压侧电路29的开关装置25a、26a的晶体管31也被接通用于推挽转换器10的并行馈电。此外，高压侧电路20中的开关装置21、22、23、24的二极管41在此也用作桥整流器。附加地，在图2b中描述的方法中，当然也分别接通高压侧开关装置21、22、23、24的晶体管31之一。在调制周期的第一时间段[0，t1]中，闭合开关装置25a，而断开开关装置26a。由此提供变压器2上的第一电压并且能量被馈送到该变压器以及节流阀4中。同时，在该第一时间段[0，t1]中，由对角线布置的开关装置21、24构成的第一高压侧对的两个晶体管31之一被闭合。由此变压器2的高压侧线圈被短路，使得在高压侧电路20上不产生直流电压1。然而，在高压侧电路20中感生电流，该电流尤其是流经电流传感器装置3并且能够在那里测量。在调制周期的第二时间段[t1，t2]中，开关装置25a继续保持断开并且开关装置26a继续闭合，而高压侧电路20的在第一时间段[0，t1]中闭合的开关装置21、24又被断开。变压器2的高压侧线圈现在不再短路，使得能量被馈送到高压侧直流电压源中，在高压侧上感生电流并且同时低压侧所施加的直流电压5被转换为高压侧直流电压1。在第三时间段[t2，t3]中，断开开关装置25a并且闭合开关装置26a。同时闭合由对角线布置的开关装置构成的第二高压侧对的两个开关装置22、23之一。与在第一时间段[0，t1]中相似，在此变压器2的高压侧线圈也又被短路，使得电流流经高压侧线圈和电流传感器装置3，而不产生高压侧直流电压。在第四时间段[t3，t4]中，高压侧的之前被闭合的开关装置22、23又被断开，而低压侧开关装置25a、26a保持其状态。
高压侧开关装置中的哪个分别在第一[0，t1]或第三[t2，t3]时间段中被闭合在此是任意的。例如在第一时间段中或者可以闭合开关装置21或者可以闭合开关装置24。设置有方法的一种实施方式，其中两个开关装置21、24在依次的调制周期中交替地被接通。这具有以下优点，能够减少每个开关的损耗并且能够提高开关的寿命。
根据本发明的方法应用于图1中的推挽转换器10示例性地可见。此外，方法的在图2b中示出的实施方式是示例性的。该方法尤其是也可以应用于推挽转换器10的其他实施方式。例如设置有推挽转换器10的一种实施方案，其中不使用二极管41，而是晶体管31被控制为同步整流器。图1中的晶体管的技术实施方案没有进一步详细说明。原则上，实施方案被设置为MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）、IGBT（具有绝缘栅电极的双极型晶体管）、JFET（截止层场效应晶体管）和/或BJT（双极型晶体管），其中当然其他合适的工艺也可以用于半导体开关。
图3示出另一种示例性的双向的推挽转换器的示意图。
原则上，在图3中描绘的推挽转换器10的结构和工作方式与图1中的类似。当然，与图1中的推挽转换器10不同，在图3中的推挽转换器中，低压侧电路29也被实现为全桥电路。该低压侧电路由开关装置25a、26a、25b、26b以及节流阀4构成。所有开关装置分别由晶体管31和二极管41构成。在高压侧电路20上能够施加或能够量取直流电压1并且相应地在低压侧上能够施加或能够量取直流电压5。在降压转换器运行中，低压侧电路的二极管41在此用作桥整流器，在升压转换器运行中高压侧电路的二极管用作桥整流器。在升压转换器运行中如在降压转换器运行中，推挽转换器分别以全桥控制来运行。但是在升压转换器运行中，高压侧电路20的晶体管31也用于短路变压器2的高压侧线圈。
图4示出根据本发明的另一种实施方式的用于调制双向的推挽转换器的升压转换器运行的方法的控制信号的时间变化图。
在图4中示出一种方法，如其能够将图3中的推挽转换器运行成升压转换器。原则上，该方法与图2b中的方法十分相似，而区别在于，低压侧电路29根据全桥来控制。在调制周期的一个时间段中，相应地闭合或断开低压侧电路29的对角线布置的开关装置。例如在调制周期的第一时间段[0，t1]中闭合开关装置26a和25b，而开关装置25a和26b保持断开。恰好如图2b中的方法中那样，在第一时间段[0，t1]中或者闭合开关装置21或者闭合开关装置24并且在第二时间段中又断开。因此在本发明的该实施方式中也保证，任何时候电流流经高压侧上的电流传感器装置3并且在低压侧上不需要附加的电流传感器装置。

Claims (7)

1.用于调制推挽转换器（10）的升压转换器运行的方法，所述推挽转换器具有：
低压侧电路（29），所述低压侧电路被设计用于将低压侧的所施加的直流电压（5）转换为低压侧的交流电压，所述低压侧电路具有第一低压侧开关装置（25a）、第二低压侧开关装置（26a）和节流阀（4）；
具有低压侧线圈和高压侧线圈的变压器（2），所述变压器被设计用于接收低压侧线圈上的低压侧交流电压并且产生高压侧线圈上的高压侧交流电压；以及
高压侧电路（20），所述高压侧电路被设计成全桥整流器，以便将高压侧交流电压转换为高压侧直流电压（1），所述高压侧电路具有构成第一半桥的第一（21）和第二整流元件（22）以及构成第二半桥的第三（23）和第四整流元件（24）；
其中至少第一（21）或第四整流元件（24）被构造为开关装置并且其中至少第二（22）或第三整流元件（23）被构造为开关装置；
其中所述方法包括以下步骤：
在调制周期的第一时间段[0，t1]期间在通过第一（21）或第四整流元件（24）同时短路高压侧线圈的情况下闭合第一低压侧开关装置（25a）以用于产生变压器上的第一电压并且用于将能量馈送到变压器（2）和节流阀（4）中；
在调制周期的第二时间段[t1，t2]期间断开为了短路高压侧线圈而使用的整流元件（21、24）以用于产生高压侧直流电压；
在调制周期的第三时间段[t2，t3]期间在通过第二半桥的第二（22）或第三整流元件（23）同时短路高压侧线圈的情况下，断开第一低压侧开关装置（25a）并且闭合第二低压侧开关装置（26a）以用于产生变压器（ 2 ） 上的第二电压，所述第二电压与第一电压相反极化；以及
在调制周期的第四时间段[t3，t4]期间断开为了短路高压侧线圈而使用的整流元件（22、23）以用于产生高压侧的直流电压（1）。
2.根据权利要求1所述的方法，
其中低压侧电路（29）被构造为由第一低压侧开关装置（25a）和第二低压侧开关装置（26a）以及节流阀（4）构成的中间点电路。
3.根据权利要求1所述的方法，
其中低压侧电路（29）还包括第三低压侧开关装置（25b）和第四低压侧开关装置（26b）并且被构造为由第一低压侧开关装置（25a）、第二低压侧开关装置（26a）、第三低压侧开关装置（25b）和第四低压侧开关装置（26b）以及节流阀（4）构成的全桥电路；并且
不仅第一低压侧开关装置（25a）的断开和闭合分别伴随着第四低压侧开关装置（26b）的同时断开和闭合，而且第二低压侧开关装置（26a）的断开和闭合分别伴随着第三低压侧开关装置（25b）的同时断开和闭合。
4.根据权利要求1至3之一所述的方法，
其中低压侧和高压侧开关装置（21、22、23、24、25a、25b、26a、26b）包括MOSFET（31）、IGBT（31）、JFET（31）和/或BJT（31）。
5.根据权利要求4所述的方法，
其中低压侧和/或高压侧开关装置（21、22、23、24、25a、25b、26a、26b）被构造为同步整流器。
6.根据权利要求1至3之一所述的方法，
其中在低压侧和/或高压侧开关装置（21、22、23、24、25a、25b、26a、26b）中分别存在反向并联的二极管（41）。
7.根据权利要求1至3之一所述的方法，
其中高压侧整流元件（21、22、23、24）被构造为开关装置并且其中在依次的调制周期中在第一时间段（[0，t1]）中第一（21）以及第四整流元件（24）并且在第三时间段（[t2，t3]）中第二（22）以及第三整流元件（23）分别交替地用于短路高压侧线圈。
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