CN110784105A - 电压转换器臂 - Google Patents

Abstract

一种电压转换器臂(3)，包括：第一连接端子(B1)、第二连接端子(B2)和第三连接端子(B3)；由模拟控制信号控制的第一开关(Q1)，和第二开关(Q2)，该第一开关(Q1)和该第二开关(Q2)串联安装在第一连接端子(B1)和第二连接端子(B2)之间，且第三连接端子(B3)设置在该第一开关(Q1)和该第二开关(Q2)之间；以及控制单元，其配置为将模拟控制信号施加到第一开关(Q1)，该控制单元配置为在该开关(Q1)每次闭合时将以下控制序列施加到该开关：将控制信号的值从开关的断开值(Voff)增加到开关的接通值(Von)；将控制信号的值减小到中间值(Vin)，该中间值(Vin)介于接通值(Von)和断开值(Voff)之间；以及再次增加控制信号的值，特别是增加到开关的接通值(Von)。

Description

电压转换器臂

技术领域

本发明涉及一种电压转换器臂。本发明尤其应用于汽车领域，用于例如在机动车辆的车载网络内的电能的静态转换。

背景技术

在转换器臂的特定环境中描述了本发明背后的问题，该转换器臂具有：

-第一、第二和第三连接端子，

-由模拟控制信号控制的两个开关，它们串联安装在第一和第二连接端子之间，第三连接端子串联安装在这两个开关之间，

-电容器，其与转换器臂并联安装在第一和第二连接端子之间。

每当开关中的一个在转换器臂的另一个开关断开之后接通时，就会出现LC电路，其由以下形成：与转换器臂并联的电容器、两个开关的杂散电感以及出现在已断开的开关的电平处的杂散电容。该杂散电容可能引起谐振，从而产生污染该转换器臂集成入的电路的高频谐波。除了开关断开的情况之外，当存在反向连接的二极管时，也会出现这种问题。

为了对抗这些高频谐波，已知可以求助于解决方案，比如增加缓冲器，该缓冲器包括与每个开关并联安装串联的电阻器和电容器。由于需要额外的部件，该解决方案成本高并且增加了转换器臂的体积。此外，该解决方案还会导致功率损耗。

此外，已知增加每个开关的切换时间以减少上文提到的LC电路的激励。该解决方案具有增加开关损耗的缺点。

需要防止在接通由来自转换器臂的模拟信号控制的开关时出现高频谐波，同时弥补上述已知解决方案的缺点。

发明内容

本发明的目的是响应该要求，并且在其一方面，借助于电压转换器臂实现这一点，该电压转换器臂包括：

-第一、第二和第三连接端子，

-由模拟控制信号控制的第一开关，和第二开关，这些第一和第二开关串联安装在第一和第二连接端子之间，且第三连接端子设置在这些第一和第二开关之间，以及

-控制单元，其配置为将模拟控制信号施加到第一开关，

该控制单元配置为在第一开关每次闭合时将以下控制序列施加到该开关：

-将控制信号的值特别是控制电压的值从开关的断开值增加到开关的接通值，以闭合开关，

-将控制信号的值特别是控制电压的值减小到中间值，该中间值介于接通值和断开值之间，以及

-再次增加控制信号的值，特别是控制电压的值，特别是增加到开关的接通值。

由于本发明，消除了部分或全部高频谐波，而不会降低转换器臂的开关性能。在每次第一开关接通时施加的控制序列期间减小控制信号的值使得该第一开关能够在其表现为电阻的其线性模式下操作。当电容器在第一和第二连接端子之间与转换器臂并联安装时，这种作为电阻的行为能够抑制在等效LC电路中发生的振荡。

控制信号例如是电压。例如是开关的端子中的两个之间的电压，例如是该开关的控制端子与其另一个端子之间的电压。当开关包括场效应晶体管时，它可以是栅-源电压。

可替代地，例如当开关包括双极晶体管时，控制信号例如是电流。

将控制信号的值减小到中间值可以发生在使第一开关能够表现为介于1mΩ和100Ω之间且包括1mΩ和100Ω的电阻值的时间段期间。

有利地选择该时间段使得第一开关中由传导带来的损耗不会太大。控制信号的值等于中间值的该时间段可以小于臂的切换周期的20％，例如是在该切换周期的包括端点的1％和5％之间。

控制信号的值可以再次增加到第一开关的接通值。

第一开关例如是切换臂的开关，其不直接连接到地，该第一开关例如直接连接到电压源的正端子。

控制臂可以包括控制第一开关的驱动器，控制单元形成该驱动器的一部分。因此，现有部件用于实施根据本发明的控制，这降低了与实施这种控制相关的成本和体积。

可替代地，转换器臂包括第一开关的控制驱动器，并且控制单元与该驱动器分立。根据该变型，改变控制单元和/或使其适应新的应用不需要对驱动器采取必要的行动。

无论是与驱动器分立还是集成在其中，当控制信号特别是控制电压采用中间值时，控制单元可以从属(slave)第一开关所采用的电阻值。该从属例如使用第一开关的端子中的两个之间的电压。例如是第一开关的端子之间的电压，而非其控制端子，或者可替代地是开关的控制端子和其另一其他端子之间的电压。

该从属可以通过测量除第一开关的控制端子之外的两个端子之间的电压和流过该开关的电流来实现。控制该电压的值使得能够通过应用欧姆定律来控制第一开关的电阻值。

可替代地，控制单元不从属第一开关所采用的电阻值。根据该变型，控制信号的中间值和其施加的持续时间选择成使得以足够的精度获得第一开关的目标电阻值。

在整个前面的描述中，第一开关包括例如场效应晶体管，特别是基于GaN(氮化镓)或Si(硅)或SiC(碳化硅)、双极晶体管或绝缘栅双极晶体管。

在整个前面的描述中，第一开关可以包括前述晶体管之一。这样的第一开关则不是双向电流开关。

可替代地，在整个前面的描述中，第一开关可以是定向电流开关。第一开关然后包括例如前述晶体管之一和反向并联连接的二极管。

在整个前面的描述中，第二开关也可以是由模拟控制信号控制的开关。该第二开关可以包括晶体管，比如上面提到的晶体管之一，或者由这些晶体管之一组成。该第二开关是或不是例如双向电流开关。

在整个前面的描述中，每个上述步骤可以包括将控制信号特别是控制电压维持在该步骤中提到的该信号的值，也就是说：

-将控制信号的值从开关的断开值增加到开关的接通值的步骤包括将控制信号维持在该接通值，

和/或

-将控制信号的值减小到中间值的步骤包括将控制信号维持在该中间值，

和/或

-再次增加控制信号的值特别是增加到开关的接通值的步骤包括将该控制信号维持在是特定接通值的最终值。

当第二开关由模拟控制信号特别是控制电压控制时，根据本发明的控制序列同样可以施加到第二开关。

转换器臂的切换周期则可以是以下步骤的持续时间的总和：

-将第一开关的控制信号的值从第一开关的断开值增加到该第一开关的接通值，

-将第一开关的控制信号的值减小到介于第一开关的接通值和断开值之间的中间值，

-再次增加第一开关的控制信号的值，特别是增加到第一开关的接通值，

-将第一开关的控制信号的值减小到断开值，

-死区时间，

-将第二开关的控制信号的值从第二开关的断开值增加到第二开关的接通值，

-将第二开关的控制信号的值减小到介于第二开关的接通值和断开值之间的中间值，

-再次增加第二开关的控制信号的值，特别是第二开关的接通值，

-将第二开关的控制信号的值减小到断开值，

-死区时间。

在适当的情况下，第一开关的控制序列的总持续时间可以大于第二开关的控制序列的总持续时间。

将控制信号的值增加到开关的接通值可以使得能够接通开关，并且可以在开关保持接通的同时实现将控制信号的值减小到中间值。

根据其另一方面，本发明还包括一种组件，包括：

-上述的转换臂，和

-电容器，其在转换器臂的第一连接端子和第二连接端子之间与该臂并联安装。

根据其另一方面，本发明还包括一种静态电压转换器，特别是DC/DC电压转换器，优选是12V/48V电压转换器，其包括上述组件。

可以应用于其他静态转换器，例如逆变器/整流器。

根据其另一方面，本发明还包括一种通过模拟信号控制至少一个开关的方法，该开关是电压转换器臂的一部分，包括：

-第一、第二和第三连接端子，

-另一开关，特别是由模拟信号控制，这两个开关串联安装在第一和第二连接端子之间，且第三连接端子设置在这两个开关之间，以及

-控制单元，其配置为将模拟控制信号施加到开关，

在该方法中，该控制单元在该开关每次接通时将以下控制序列施加到该开关：

-将控制信号的值特别是控制电压的值从开关的断开值增加到开关的接通值，以接通开关，

-将该控制信号的值减小到介于接通值和断开值之间的中间值，以及

-再次增加该控制信号的值，特别是该控制电压的值，特别是增加到开关的接通值。

一些或所有前面的描述也适用于该方法，特别是如何实施控制单元、开关的结构、以及另一开关是否受模拟信号控制。

附图说明

在阅读以下对其一个非限制性实施例的描述并检查附图后，可以更好地理解本发明，其中：

-图1表示可以实施本发明的具有转换器臂的组件的示例，

-图2是当实施根据本发明的控制时图1的视图，以及

-图3表示当实施根据本发明的控制时转换器臂的不同电压。

具体实施方式

图1中示出了可以实施本发明的组件1。

该组件包括由理想电压源E和杂散电感L1建模的电压源2。与该电压源E并联连接的是电容器C，示出的杂散电感L2与之串联。

组件1还包括具有三个连接端子B1、B2和B3的电压转换器臂3。这里，端子B1连接到电压源E的正电位，端子B2连接到地。

端子B1和B2之间串联安装有两个开关，这里是两个双向电流开关Q1和Q2，每个由模拟控制信号控制。这里，每个双向电流开关由场效应晶体管和反向并联连接的二极管的组合形成。这里，每个晶体管是GaN Si或SiCMOS晶体管。可替代地，每个晶体管可以是双极晶体管或绝缘栅双极晶体管(IGBT)。端子B1和B2之间的另外两个杂散电感L3和L4表示在该图1的转换器3中。

在串联的两个双向电流开关Q1和Q2之间设置第三连接端子B3，其连接到负载(在本实例中由理想电流源表示)。

在本实例中，转换器臂3构成DC/DC电压转换器臂。

当第一双向电流开关Q1接通时，能量通过该开关Q1从电压源E传递到负载，如箭头F示意性所示。当该开关接通时，刚刚断开的第二双向电流开关Q2表现得像电容器，如图2所示。该电容器、电容器C和杂散电感L2、L3和L4的存在导致出现在图2中示意性示出的谐振LC电路。为了抑制第二开关Q2的端子处的电压振荡，参考该实施例描述的本发明包括向第一开关Q1的晶体管施加下文描述的控制序列。

该控制序列可以通过集成在第一开关Q1的晶体管的控制驱动器中的控制单元或通过与该驱动器分立的控制单元来施加。当实施根据本发明的控制时，该控制单元能够从属第一开关Q1的晶体管所采用的电阻值。例如，在MOS晶体管的情况下，该从属包括控制漏-源或栅-源电压的值，当在其线性范围时该晶体管的电阻值通过应用欧姆定律从此推导出。

图3表示：

-在顶部曲线图100上，在开关周期期间第一开关Q1的MOS晶体管的控制电压的演变，

-在中间曲线图101上，在开关周期期间第二开关Q2的MOS晶体管的控制电压的演变，以及

-在底部曲线图102上，在开关周期期间第二开关Q2的端子处的电压的演变。

当每个MOS晶体管是N沟道型时，曲线图100和101的控制电压是栅-源电压Vgs。

根据所描述的实施例，控制单元配置为每当该开关Q1接通时将以下控制序列施加到第一开关Q1的晶体管：

-将控制电压从该开关Q1的断开电压值Voff增加到该开关Q1的接通电压值Von，包括将该控制电压维持在Von，

-将控制电压降低到中间电压值Vin，该中间值Vin介于接通电压值Von和断开电压值Voff之间，包括将该控制电压维持在Vin，以及

-再次增加晶体管的控制电压，这里增加到接通电压值Von，包括将该控制电压维持在Von。

例如，选择Vin的值和施加该控制电压值Vin的持续时间，使得第一开关Q1的MOS晶体管在线性范围内起作用，表现为具有例如在1mΩ和100Ω之间且包括1mΩ和100Ω的值的电阻。

如图3中的曲线图102所示，施加中间电压值Vin以控制第一开关Q1的晶体管使得能够抑制第二开关Q2的端子处的电压振荡。这可以防止发射高频谐波。

在所描述的实施例中，将另一控制单元分配给第二开关Q2的MOS晶体管，使得当该晶体管接通时，将类似的控制序列施加到该晶体管。这里，Voff、Von和Vin的值对于第一开关Q1和第二开关Q2而言是相同的，但本发明也适用于Voff、Von和Vin的值在各个开关之间不同。

如图3中可见的，来自图1和2的转换器臂3的切换周期由以下的总和构成：

-当第一开关Q1接通时该第一开关Q1的晶体管的控制序列的持续时间，该序列包括上述三个步骤，每个步骤包括将控制电压维持为在该步骤期间达到的最终电压值，

-将该第一开关Q1的晶体管的控制电压降低到断开电压值Voff的步骤的持续时间，

-死区时间(dead time)的持续时间，

-当第二开关Q2接通时该第二开关Q2的晶体管的控制序列的持续时间，该序列包括上述三个步骤，这些步骤中的每一个包括将控制电压维持为在该步骤期间达到的最终电压值，

-将该第二开关Q2的晶体管的控制电压降低到断开电压值Voff的步骤的持续时间，

-死区时间的持续时间。

在一具体示例中，电压值E等于48V，电容器C具有250μF的值，切换周期的持续时间是4μs，在第一开关Q1和第二开关Q2中使用的每个晶体管是N沟道MOS晶体管，Voff等于-2V、Von等于13V并且Vin等于4V。

本发明不限于刚刚描述的示例。

开关Q1和Q2的晶体管可以替代地是不同类型的，例如不同类型的场效应晶体管，或者例如还可以是用于Q1的场效应晶体管和用于Q2的双极晶体管或绝缘栅双极晶体管，反之亦然。

作为另一替代方案，第二开关Q2不是开关，例如是二极管。在这种情况下，转换器臂3可以是串联斩波器的一部分。

这里，组件1形成12V/48V DC/DC电压转换器的一部分，但是可以被集成到其他转换器中，例如12V/400V DC/DC电压转换器或逆变器/整流器。

Claims (13)

1.一种电压转换器臂(3)，包括：

-第一连接端子(B1)、第二连接端子(B2)和第三连接端子(B3)，

-由模拟控制信号控制的第一开关(Q1)，和第二开关(Q2)，该第一开关(Q1)和该第二开关(Q2)串联安装在所述第一连接端子(B1)和第二连接端子(B2)之间，且所述第三连接端子(B3)设置在该第一开关(Q1)和该第二开关(Q2)之间，以及

-控制单元，其配置为将模拟控制信号施加到所述第一开关(Q1)，

该控制单元配置为在所述开关(Q1)每次闭合时将以下控制序列施加到该开关(Q1)：

-将所述控制信号的值从开关的断开值(Voff)增加到开关的接通值(Von)，以闭合该开关，

-将所述控制信号的值减小到中间值(Vin)，该中间值(Vin)介于接通值(Von)和断开值(Voff)之间，开关保持闭合，以及

-再次增加所述控制信号的值，特别是增加到所述开关的接通值(Von)。

2.根据权利要求1所述的转换器臂，将所述控制信号的值减小到中间值(Vin)发生在使所述第一开关(Q1)能够表现为介于1mΩ和100Ω之间且包括1mΩ和100Ω的电阻值的时间段期间。

3.根据权利要求1或2所述的转换器臂，包括所述第一开关(Q1)的控制驱动器，所述控制单元是该驱动器的一部分。

4.根据权利要求1或2所述的转换器臂，包括所述第一开关(Q1)的控制驱动器，所述控制单元与该驱动器分立。

5.根据权利要求3或4所述的转换器臂，所述控制单元从属所述第一开关(Q1)的端子中的两个之间的电压。

6.根据前述权利要求中任一项所述的转换器臂，所述第一开关(Q1)包括场效应晶体管，特别是基于GaN或Si或SiC，或者双极晶体管或绝缘栅双极晶体管。

7.根据前述权利要求中任一项所述的转换器臂，所述第一开关(Q1)是双向电流开关。

8.根据前述权利要求中任一项所述的转换器臂，所述第二开关(Q2)是由模拟控制信号控制的开关。

9.根据前述权利要求中任一项所述的转换器臂，所述控制单元配置成使得将所述控制信号的值减小到中间值(Vin)包括在再次增加所述控制信号的值之前将所述控制信号的值维持在该中间值(Vin)。

10.一种组件(1)，包括：

-根据前述权利要求中任一项所述的转换器臂(3)，和

-电容器(C)，其在所述转换器臂的第一连接端子(B1)和第二连接端子(B2)之间与该臂(3)并联安装。

11.一种静态电压转换器，特别是DC/DC电压转换器，优选是12V/48V电压转换器，包括根据前一权利要求所述的组件(1)。

12.一种通过模拟信号控制至少一个开关(Q1)的方法，该开关(Q1)是电压转换器臂(3)的一部分，所述电压转换器臂(3)包括：

-第一连接端子(B1)、第二连接端子(B2)和第三连接端子(B3)，

-另一开关(Q2)，特别是由模拟信号控制，这两个开关(Q1、Q2)串联安装在所述第一连接端子(B1)和所述第二连接端子(B2)之间，且所述第三连接端子(B3)设置在这两个开关(Q1、Q2)之间，以及

-控制单元，其配置为将模拟控制信号施加到所述开关(Q1)，

在该方法中，该控制单元在所述开关(Q1)每次接通时将以下控制序列施加到该开关(Q1)：

-将所述控制信号的值从开关(Q1)的断开值(Voff)增加到开关的接通值(Von)，以接通开关(Q1)，

-将所述控制信号的值减小到中间值(Vin)，该中间值(Vin)介于接通值(Von)和断开值(Voff)之间，开关(Q1)保持接通，以及

-再次增加所述控制信号的值，特别是增加到所述开关的接通值(Von)。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，将控制信号的值减小到中间值(Vin)的步骤包括将控制信号维持在该中间值(Vin)。

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