CN106664015A - 开关变换器和用于将输入电压变换成输出电压的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种开关变换器(700)，其具有用于接收输入电压的输入端(750)、用于输出输出电压的输出端(752)和用于将输入电压变换成输出电压的变换器装置，所述变换器装置包括电感(104)、电容(110)、二极管(108)和设计为电流源(706)的开关装置。

Description

开关变换器和用于将输入电压变换成输出电压的方法
技术领域
本发明涉及一种开关变换器，以及涉及一种用于将输入电压变换成输出电压的方法。
背景技术
在开关变换器中，以最大开关速度驱动开关晶体管。这种方法的优点是，开关过程期间的损耗功率是低的。具有的缺点是，开关晶体管的驱动电路提供高的电流并且由此产生高份额的损耗功率。
发明内容
在这种背景下，通过在此所述的方案提出根据独立权利要求的一种开关变换器以及一种用于将输入电压变换成输出电压的方法以及最后提出一种相应的计算机程序。有利的设计方案由相应的从属权利要求和下述的说明得出。
通过将开关变换器的开关晶体管由电流源代替，可以限制开关变换器内的最大重新充电电流。此外，可以减小开关变换器内的开关过程的速度，从而可以避免产生电磁干扰。
开关变换器具有用于接收输入电压的输入端、用于输出输出电压的输出端和用于将输入电压变换成输出电压的变换器装置，所述变换器装置包括电感、电容、二极管和开关装置。在此，开关装置设计为电流源。
输入电压和输出电压是电压。开关变换器可以实现为电路。电感可以实现为线圈或阻流圈，并且电容可以实现为电容器。开关变换器的电路拓扑结构可以相应于公知的开关变换器的电路拓扑结构，具有的区别在于，开关装置、例如传统的开关变换器的开关晶体管可以由电流源代替。电流源可以是可关断的、可调节的或可控制的电流源。
根据不同的实施例，电流源可以是简单的电流源、动态调节的电流源、电压控制的电流源、电流控制的电流源或电流镜。例如电流控制的开关晶体管可以使用在开关变换器中。由此可以使用电流源的分别适用于开关变换器的相应应用领域的实施方案。
电流源可以设计用于在截止阶段中中断通过电流源的电流，并且在导通阶段中给电流源提供最大电流。由此可以通过电流源形成开关晶体管的开关特性。有利地，然而在导通阶段中流过的电流可以被限制到电流源的最大电流。
电流源可以设计用于在截止阶段和导通阶段之间的过渡阶段中提供以第一变化率改变的电流，并且在导通阶段中提供以第二变化率改变的电流。在此，变化率可以定义为电流强度关于时间的升高或降低。变化率例如可以定义为电流强度关于时间的线性的或非线性的升高或降低。过渡阶段可以相应于传统的开关晶体管的开关阶段。通过过渡阶段和导通阶段期间不同的变化率可以定义由电流源所提供的电流的边缘形状。由此可以例如将边缘形状设置为，在过渡情况中在截止阶段和导通阶段之间产生的开关边缘这样成形，使得避免电磁干扰或者保持在预定的界限内。
电流源可以例如设计用于在导通阶段中提供在导通阶段的持续时间内具有弧形电流变化曲线的电流。通过弧形的变化曲线避免突然的电流改变，由此将电磁干扰保持得极小。
电感、电容、二极管和开关装置可以这样连接在变换器装置中，以使得将输入电压变换成与所述输入电压不同的输出电压。根据实施方式，输入电压在此可以被变换成大于或小于输入电压的输出电压。因此，开关变换器可以实现为升压变换器或降压变换器。有利地，在变换器装置的元件的连接中可以采用开关变换器公知的电路变型。
根据开关变换器的一个实施方式，电感的第一端口与输入端的第一端口连接，电感的第二端口与电流源的第一端口和二极管的第一端口连接，二极管的第二端口和电容器的第一端口与输出端的第一端口连接，电流源的第二端口和电容器的第二端口与输入端的第二端口和输出端的第二端口连接。以这种方式可以实现呈升压变换器形式的开关变换器。
一种用于在使用变换器装置的情况下将输入电压变换成输出电压的方法，所述变换器装置用于将输入电压变换成输出电压并且包括电感、电容、二极管和开关装置，所述方法包括下述步骤：
中断通过开关装置的电流；和
运行作为电流源开关装置，用于提供通过开关装置的电流。
所述方法的步骤可以在使用控制设备装置的情况下进行，所述控制设备与开关装置耦合并且可以设计用于在截止阶段期间不激活用作开关装置的电流源并且在导通阶段期间驱动电流源。
在此，控制设备可以理解为电子设备，所述电子设备处理传感器信号并且根据所述传感器信号输出控制信号和/或数据信号。控制设备可以具有接口，所述接口可以硬件地和/或软件地设计。在硬件的设计方案中，接口可以例如是所谓的ASIC系统的部件，所述部件包含控制设备的不同的功能。然而也可能的是，接口是特有的集成电路或者至少部分地由分立的元件构成。在软件的设计方案中，接口可以是软件模块，所述软件模块例如在微控制器上与其他软件模块同时存在。
一种计算机程序产品或具有程序代码的计算机程序也是有利的，所述计算机程序产品和计算机程序可以存储在机器可读的载体或存储介质、例如半导体存储器、硬盘存储器或光学存储器上，并且用于特别是当所述计算机程序产品或计算机程序在计算机或一个装置上被实施时，执行、实现和/或控制根据前述实施方式中任一个实施方式的方法的步骤。
附图说明
下面根据附图示例性地详细说明在此所述的方案。附图中：
图1示出开关变换器；
图2示出了在图1中所示的开关变换器的测量点上的信号变化曲线；
图3示出开关变换器；
图4示出了在图3中所示的开关变换器的测量点上的信号变化曲线；
图5示出开关变换器；
图6示出了在图5中所示的开关变换器的测量点上的信号变化曲线；
图7示出根据本发明的一个实施例的开关变换器；
图8示出了在图7中所示的根据本发明的一个实施例的开关变换器的测量点上的信号变化曲线；
图9示出根据本发明的一个实施例的用于将输入电压变换成输出电压的方法的流程图。
在本发明的有利的实施例的下述说明中，对于在不同附图中所示的并且作用类似的元件使用相同的或类似的附图标记，其中，省略了对这些元件的重复说明。
具体实施方式
图1示出呈升压变换器形式的开关变换器100，也称为变换器。开关变换器100具有作为主部件的输入电容102，开关变换器100从所述输入电容起作用。接着是变换器阻流圈104，所述阻流圈是线圈或电感。在变换器阻流圈的输出侧的端口上示意性示出一个测量点MS(MS：测量点线圈)。下面在图2中示出测量点MS点上的信号变化曲线。在测量点MS之后是开关晶体管106，所述开关晶体管暂时性地相对于地线接通阻流圈104的输出侧的端口。接着，二极管108与阻流圈104的输出侧的端口连接。当开关晶体管106截止并且不再允许电流流向地线时，则这个二极管108接收电流。在二极管108之后还布置有输出电容110，所述输出电容接着被充电到期望的输出电压。
图2示出了在图1中所示的开关变换器的测量点MS上的信号变化曲线。信号变化曲线以图表的形式示出。x轴表示时间，Y轴表示电压220和电流222。
图3示出开关变换器100，所述开关变换器相应于根据图1所述的开关变换器，具有的区别在于，替代开关晶体管使用开关306。
由此，根据图3所述的实施例可以理解为根据图1所述的开关变换器的简化的实施例。根据所示的实施例，出自图1的晶体管由理想的开关306代替。
为了研究由开关变换器100产生的(EMV)干扰，可以考虑变换器阻流圈104和二极管108的寄生电容。特别是还在二极管108中具有反向恢复时间(reverse recovery)，所述反向恢复时间在此表征地以寄生二极管电容来表示。
在图3中所示的开关变换器100中涉及闭合的开关306的开关过程。为此，除了线圈104上的测量点MS以外，示出了开关306上的测量点MT和二极管108上的测量点MD。在图4中示出了测量点MS，MT，MD上的信号变化曲线和开关过程的时间点。
在开关过程之前不久，测量点MS，MT，MD处于高电压，例如33V。将例如13.5V施加给变换器阻流圈104的输入侧的端口。接着在此将33V-0.3V＝32.7V施加给二极管106的输出侧的端口。在开关过程期间，将测量点MS，MT，MD上的33V接到地线。在这个时刻，理论上期望的电流330的流动方向被突然改变。此外还产生两个不期望的在那里几乎不受限的电流，即由变换器阻流圈104的寄生电容的重新充电过程导致的电流332以及由二极管108的反向恢复时间和寄生电容导致的电流334。
通常所有三个电流330，332，334都产生干扰。电流330通过突然地改变流动方向而产生干扰，由此例如突然改变与开关变换器100耦合的控制设备中的通流的结构。然而电流330的电流级别通过阻流圈104限制。电流332，334由于突然产生而同样产生干扰，即由于产生与地线的短路和几乎不受限的电流脉冲值直到电容被重新充电或者直到二极管完全截止。这则可以导致干扰频谱，所述干扰频谱达到三位数MHz那样的宽度。
图4示出了在图3中所示的开关变换器的测量点MS，MT，MD上的根据图3所示的电流330，332，334的信号变化曲线。此外，示出施加给测量点MS，MT，MD的电压220。根据图3所示的开关边缘的时间点以附图标记440示出。
图5示出根据图3所述的开关变换器100，所述开关变换器由此相对于根据图1所述的开关变换器使用如同根据图3所述的开关变换器那样相同的简化方案。
在图5中所示的实施例中涉及断开的开关306的开关过程。闭合过程导致电流330的电流的突然改变。此外，寄生电容被脉冲式地重新充电，由此导致电流332，334。通常所有三个电流330，332，334如同在图5中所示的第二开关边缘中那样地产生干扰。
电流330通过突然地改变流动方向而产生干扰，由此例如突然改变与开关变换器100耦合的控制设备中的通流的结构。然而电流级别通过阻流圈104限制。电流332，334由于突然的产生下述情况而同样产生干扰。然而电流332，334的最大电流由电流330的值来限制。这则可以如同根据图3和4所述的第一开关边缘那样地导致干扰频谱，所述干扰频谱达到三位数MHz那样的宽度。
图6示出了在图5中所示的开关变换器的测量点MS，MT，MD上的根据图5所示的电流330，332，334的信号变化曲线。此外，示出施加给测量点MS，MT，MD的电压220。根据图5所示的第二开关边缘的时间点以附图标记640示出。
图7示出根据本发明的一个实施方式的开关变换器700。开关变换器700相应于根据图1所述的开关变换器，具有的区别在于，替代开关晶体管，开关变换器700具有呈电流源706形式的开关装置。开关变换器700设计为升压变换器，除了电流源706以外，所述升压变换器如同根据图1所述的那样还具有电感104、电容110和二极管108。电感104、电容110、二极管108和电流源706连接成变换器装置，所述变换器装置设计用于将施加给开关变换器700的输入端750的输入电压变换成提供给变换器700的输出端752的输出电压。根据所述实施例，已经根据图1所述的电容102接在输入端750的端口之间，并且电容110接在输出端752的端口之间。变换器700设计用于在使用施加给输入端750的输入电压的情况下将输出电压提供给输出端752，所述输出电压大于输入电压。
构成电感的线圈104的输入侧的端口与构成电容的电容器102的第一端口和输入端750的第一端口连接。电容器102的第二端口与输入端750的第二端口连接。线圈104的输出侧的端口与电流源706的第一端口和二极管108的输入侧的端口连接。二极管108的输出侧的端口和构成另一个电容的电容器110的第一端口与输出端752的第一端口连接。二极管108的阴极与输出端752的第一端口连接。电流源706的第二端口、电容器110的第二端口、输入端750的第二端口和输出端752的第二端口共同与地线端口连接并且由此处于接地电势。
相应于根据图3至6所示的实施例，开关变换器700具有测量点MS、测量点MT和测量点MD。测量点MS布置在线圈104的输出侧的端口与线圈104、二极管108和电流源706间的节点之间。测量点MT布置在该节点和电流源706的输入侧的端口之间。测量点MD布置在该节点和二极管108的输入侧的端口之间。
线圈104与二极管108串联。电容器110设计用于累加施加给输出端752的输出电压。当电流源706在导通阶段中被激活、即具有小的内阻时，线圈104经过电流源706与地线连接。在这种情况中，施加给输入端750的输入电压在线圈104上降低。在截止阶段中，电流源706截止。由此，电流源706被中断，并且施加给测量点MS，MT，MD的电压快速增大，直到所述电压超过施加给电容器110的电压并且使二极管108开启，以便继续给电容器110充电。
图7中所示开关变换器700相对于根据前述附图所示的开关变换器是一个改进方案，因为开关变换器700的开关晶体管不是作为开关被控制，而是确切地说由下述电路替代，所述电路相当于动态调节的电流源706。在此有利的是，最大重新充电电流受到限制。此外，由此可以控制流动方向改变的速度。
通过电流源706动态地控制的电流调节实现了相应地改变根据图5和6所述的开关边缘上的电流的边缘形状，例如产生线性的、余弦形式的或S形的边缘形状，并且由此产生期望的发射频谱(关键词：傅里叶分析)。
此外，电流源706或电流源706的电路可以沿着下述方向设计，其在“开关晶体管的截止阶段”中被截止，并且在“开关晶体管的导通阶段”中被完全控制开启并且由此完全导通，即具有小的内阻。
这种方法通常可以应用于任何类型的开关变换器700，即，例如升压变换器和降压变换器。
作为动态调节的电流源706的实施方案，根据应用领域可以例如选择简单的电流源、电压控制的电流源、电流控制的电流源、电流镜、数字电流源或可编程电流源。
图8以三个图表示出了根据图7所述的开关变换器700的测量点MS，MT，MD上的电流850，852，854的信号变化曲线。此外，示出施加给测量点MS，MT，MD的电压220。在所述图表中，x轴表示时间，y轴表示电压电平或电流电平。
电压220具有矩形的变化曲线。在使电流源706截止的截止阶段中，该电压具有例如几乎等于开关变换器的输出电压的电压值。在给电流源706提供电流的导通阶段中，该电压具有等于接地电势的电压值。
左边的图表对应于线圈的测量点MS。流过线圈的电流850在截止阶段期间几乎线性地下降，以便接着在导通阶段中又几乎线性地升高。根据线圈的工作点(关键词：饱和)，电流850的变化曲线也可以是非线性的。
中间的图表对应于替代传统的开关变换器的晶体管的电流源的测量点MT。流过电流源的电流852在过渡阶段中在紧邻导通阶段开始之前从零出发以第一变化率线性地升高，接着在导通阶段中以第二变化率继续线性地升高，并且在紧邻导通阶段结束之后以第三变化率线性地下降到零。根据这个实施例，第二变化率与第一变化率相比实现使电流电平较慢地升高。第三变化率大于第一变化率和第二变化率。由此，电流852在截止阶段开始时，相比电流在之前的升高更陡地下降。
右边的图表对应于二极管的测量点MD。流过二极管的电流854在过渡阶段中在紧邻截止阶段开始之后从零出发以第一变化率线性地升高，接着在截止阶段期间以第二变化率线性地下降，并且在紧邻截止阶段结束之前以第三变化率下降到零。根据这个实施例，第一变化率大于第三变化率，第三变化率又大于第二变化率。
图9示出根据本发明的一个实施例的用于将输入电压变换成输出电压的方法的流程图。该方法可以有利地结合根据图7所述的开关变换器或类似结构的开关变换器实现，所述开关变换器具有能作为电流源运行的开关装置。
该方法包括中断通过开关装置的电流的步骤901和运行作为电流源的开关装置以用于提供通过开关装置的电流的步骤903。步骤901，903交替地执行。
根据图7至9所述的方案具有的优点是，可以使开关过程减速，以便使可能起消极作用的干扰减小到最小程度。所述的方案例如结合控制设备使用，所述控制设备使用在车辆中。使用在车辆中的控制设备必须实现特定的EMV(电磁相容性)测量。特别是，当根据效率和成本将呈升压变换器和降压变换器形式的高效的开关变换器使用在控制设备中时，对辐射、即干扰发射是要求很高的。当例如为了提供控制设备的工作电压而使用根据所述方案的开关变换器时，可以改善电磁相容性，其中，替代开关晶体管使用电流源。由此，电流源可以用于减小在接通电容性负载时的开关功率。通过电流源方案可以特别是也控制或者说减小寄生电流。此外，电流源的所述应用也作为单相变换器起作用。有利地，任意适合的可调节的电流源可以用作该电流源。
所述的和附图中所示的实施例仅仅是示例性选择。不同的实施例可以完全彼此组合或者关于各个特征彼此组合。一个实施例也可以通过另一个实施例的特征来补充。此外，在此提出的方法步骤可以重复地以及以不同于所述的顺序执行。
如果一个实施例在第一特征和第二特征之间包括“和/或”连接词，则这可以解读为，该实施例根据一个实施方式不仅具有第一特征而且具有第二特征，而根据另一个实施方式或者只具有第一特征或者只具有第二特征。

Claims (10)

1.一种开关变换器(700)，其具有用于接收输入电压的输入端(750)、用于输出输出电压的输出端(752)和用于将输入电压变换成输出电压的变换器装置，所述变换器装置包括电感(104)、电容(110)、二极管(108)和开关装置，其特征在于，所述开关装置设计为电流源(706)。
2.根据权利要求1所述的开关变换器(700)，其特征在于，所述电流源(706)是简易电流源、动态调节的电流源、电压控制的电流源、电流控制的电流源或电流镜。
3.根据前述权利要求中任一项所述的开关变换器(700)，其特征在于，所述电流源(706)设计用于在截止阶段中中断通过所述电流源(706)的电流，并且在导通阶段中给所述电流源(706)提供最大电流(852)。
4.根据前述权利要求中任一项所述的开关变换器(700)，其特征在于，所述电流源(706)设计用于在截止阶段和导通阶段之间的过渡阶段中提供以第一变化率改变的电流(852)，并且在导通阶段中提供以第二变化率改变的电流(852)。
5.根据前述权利要求中任一项所述的开关变换器(700)，其特征在于，所述电流源(706)设计用于在导通阶段中提供在该导通阶段的持续时间内具有弧形的变化曲线的电流(852)。
6.根据前述权利要求中任一项所述的开关变换器(700)，其特征在于，所述电感(104)、所述电容(110)、所述二极管(108)和所述开关装置连接在所述变换器装置中，以便将输入电压变换成与所述输入电压不同的输出电压。
7.根据前述权利要求中任一项所述的开关变换器(700)，其特征在于，所述电感(104)的第一端口与所述输入端(750)的第一端口连接，所述电感(104)的第二端口与所述电流源(706)的第一端口和所述二极管(108)的第一端口连接，所述二极管(108)的第二端口和所述电容器的第一端口与所述输出端(752)的第一端口连接，并且所述电流源(706)的第二端口和所述电容器的第二端口与所述输入端(750)的第二端口和所述输出端(752)的第二端口连接。
8.一种用于在使用变换器装置的情况下将输入电压变换成输出电压的方法，所述变换器装置用于将输入电压变换成输出电压并且包括电感(104)、电容(110)、二极管(108)和开关装置，其特征在于，所述方法包括下述步骤的重复实施：
中断(901)通过所述开关装置的电流；以及
运行作为电流源(706)的所述开关装置，用于提供通过所述开关装置的电流。
9.一种计算机程序，其设置用于执行根据前述权利要求中任一项所述方法的所有步骤。
10.一种机器可读的存储介质，其具有存储在其上的根据权利要求9所述的计算机程序。
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