CN115152145A - 预充电装置和包括这种装置的电压转换器 - Google Patents

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CN115152145A CN202080097392.1A CN202080097392A CN115152145A CN 115152145 A CN115152145 A CN 115152145A CN 202080097392 A CN202080097392 A CN 202080097392A CN 115152145 A CN115152145 A CN 115152145A
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Abstract

本发明涉及一种用于对充电器(C2)进行预充电的装置(5)，包括：1.电源端子(A1)，用于接收激活电流(la1)；2.第一预充电晶体管(T1)，包括：a.第一端子(E)；b.第二端子(S)；和c.控制端子(G)，用于在接收到控制信号时选择性地断开或关闭所述第一预充电晶体管(Q1)，第一端子(E)旨在连接到以电接地为参考的第一电压源(V1)，第二端子(S)旨在电连接到充电器(C2)，控制端子(G)连接到电源端子(A1)，当所述第二端子(S)连接到充电器(C2)时，当所述第一端子(E)连接到第一电压源(V1)时，以及当所述电源端子(A1)接收到激活电流(la1)时，第二端子(S)提供预充电电流(L2)；和3.启动电路(3)，连接到电源端子(A1)，所述启动电路(3)被设计成当它被激活时，通过逐渐增加电源端子(A1)的电压来将预充电电流(I2)保持在恒定值。

Description

预充电装置和包括这种装置的电压转换器
技术领域
本发明总体上涉及一种用于对充电器预充电的装置以及包括这种预充电装置的电压转换器。
背景技术
电动或混合动力车辆配备有DC/DC(直流)电压转换器。该电压转换器旨在放置在车辆上，以便在车辆的第一电网络和第二电网络之间转换电压。典型地，第一电网络是输送小于30V的电压的低电压网，例如24V、14V或者甚至12V，而第二电网络是输送大于30V的电压的高电压网，例如48V。一个已知的问题是具有最高额定电压的第二电网络被另一个网络初始充电到后者的额定电压。
当从14V的网络对标称电压为至少48V并且包括具有高值电容器(例如，几十mF量级)的车载网络进行充电时，这个技术问题尤其难以解决，因为可能出现400A量级或更大的非常大的初始电流消耗。
因此，当用最高标称电压对网络充电时，限制该初始电流以避免损坏该网络的部件或电压转换器本身的部件是值得的。
为此，从现有技术中，特别是从文献FR 2984623中已知一种预充电装置，用于从电能存储单元对充电器充电，包括能够将充电器直接连接到电能存储单元的第一晶体管和能够将充电器连接到电能存储单元的第二晶体管，其效果是限制可以在电能存储单元和充电器之间流动的电流，其特征在于，第二晶体管包括在线性模式下被控制预定时间段的晶体管，并且在于，预充电装置包括控制电路，该控制电路设置有用于在线性模式下控制第二晶体管的晶体管的电流伺服控制回路。
实现这种类型的预充电装置需要实现复杂的伺服控制回路。
本发明的目的是至少部分克服这个缺点。
发明内容
为此，根据本发明的第一方面，提出了一种用于为例如电容器的充电器进行预充电的装置。
该预充电装置包括：
a)电源端子，旨在接收激活电流；
b)第一预充电晶体管，包括：
i)第一端子；
ii)第二端子；和
iii)控制端子，用于在接收到控制信号时选择性地断开或闭合所述第一预充电晶体管，第一端子用于连接到以电接地为参考的第一电压源，第二端子用于电连接到充电器，控制端子连接到电源端子，当第二端子连接到充电器时、当第一端子连接到第一电压源时以及当电源端子接收到激活电流时，第二端子提供预充电电流；和
c)启动电路，连接到电源端子，所述启动电路被设计成当它被激活时，通过逐渐增加电源端子的电压来将预充电电流保持在恒定值。
该预充电装置值得注意的是，它包括启动电路，该启动电路被设计成通过逐渐增加第一预充电晶体管的控制端子的电压使得所述晶体管逐渐闭合，来保持预充电电流恒定。因此，相对于现有技术，根据本发明的预充电装置调节初始预充电电流，而不使用复杂的伺服控制回路。
根据本发明第一方面的预充电装置还可以具有以下特定实施例的一个或多个特征，所述特征单独考虑或根据所有技术上可能的组合考虑。
在本发明的特定实施例中，第一预充电晶体管是FET(场效应晶体管)类型或IGBT(绝缘栅双极晶体管)类型的晶体管。
在本发明的特定实施例中，第一FET型预充电晶体管是硅(Si-MOSFET)或者甚至是碳化硅(SiC-MOSFET)MOSFET晶体管，或者是氮化镓(GaN-FET)FET晶体管。
当第一预充电晶体管是MOSFET，例如N型耗尽型MOSFET时，其“漏极”、“源极”和“栅极”分别形成“第一端子”、“第二端子”和“控制端子”。
在本发明的特定实施例中，第一预充电晶体管是例如由氮化镓制成的HEMT(高电子迁移率晶体管)晶体管。
在本发明的特定实施例中，启动电路还包括：
a)第一电容器；
b)第一开关，包括：
i)控制端子，用于在接收到控制信号时选择性地断开或闭合所述第一开关，该控制端子经由第一电容器电连接到所述电接地；
ii)连接到电接地的第二端子；
iii)连接到电源端子的第一端子；和
c)电流源，其在被激活时向第一电容器提供恒定的充电电流。
在本发明的特定实施例中，第一开关是双极晶体管，例如，pnp双极晶体管，其具有形成控制端子的基极，以及分别形成第一端子和第二端子的发射极和集电极。
在本发明的特定实施例中，预充电装置还包括第一电阻器，并且第一开关的控制端子经由第一电容器C1和第一电阻器的串联连接直接连接到电接地。
在本发明的特定实施例中，第一电阻器通过其一个端子连接到第一电容器，并且通过其另一个端子连接到电接地。
在本发明的特定实施例中，第一电容器通过其端子之一连接到第一电阻器，并且通过其端子中的另一个连接到第一开关的控制端子。
在本发明的特定实施例中，电流源包括：
a)第二、第三和第四电阻器；
b)第二DC电压源；
c)第二开关，包括：
i)控制端子，用于在接收到控制信号时选择性地断开或闭合所述第二开关；
ii)第一端子，经由所述第二电阻器连接到第二电压源；
iii)第二端子，连接到第一开关的控制端子；
d)第三开关，包括：
i)控制端子，用于接收允许第三开关切换到断开或闭合的控制信号；
ii)第二端子，经由第四电阻器连接到电接地；
iii)第一端子，连接到第二开关的控制端子，并且经由第三电阻器连接到第二电压源。
在本发明的特定实施例中，由第二DC电压源输送的电压大于由第一DC电压源输送的电压。
在本发明的特定实施例中，第二开关是双极晶体管，例如，pnp双极晶体管，其具有形成控制端子的基极，以及分别形成第一端子和第二端子的发射极和集电极。
在本发明的特定实施例中，第三开关是双极晶体管，例如，npn双极晶体管，其具有形成控制端子的基极，以及分别形成第二端子和第一端子的发射极和集电极。
在本发明的特定实施例中，预充电装置还包括旁路开关，该旁路开关包括：
a)控制端子，用于在接收到控制信号时选择性地断开或闭合所述旁路开关；
b)第二端子，连接到所述电接地；和
c)第一端子，连接到所述电源端子。
在本发明的特定实施例中，旁路开关是FET型或IGBT型的晶体管。
在本发明的特定实施例中，旁路开关是硅(Si-MOSFET)或碳化硅(SiC-MOSFET)MOSFET。
当旁路开关是MOSFET(例如，N型耗尽型MOSFET)时，其“漏极”、“源极”和“栅极”分别形成“第一端子”、“第二端子”和“控制端子”。
在本发明的特定实施例中，旁路开关是氮化镓(GaN-FET)FET晶体管。
在本发明的特定实施例中，旁路开关是例如由氮化镓制成的HEMT晶体管。
在本发明的特定实施例中，充电器是第二电容器，并且由电流源提供的恒定充电电流的强度除以预充电电流的商等于第一电容器的值除以第二电容器的值的商。
在本发明的特定实施例中，预充电装置还包括齐纳二极管，其阴极电连接到第一预充电晶体管的控制端子，其阳极电连接到第一预充电晶体管的第二端子。
在本发明的特定实施例中，预充电装置还包括第二预充电晶体管，该第二预充电晶体管包括：
a)第二端子，连接到第一预充电晶体管的第二端子；
b)第一端子，用于电连接到充电器；
c)控制端子，用于选择性地断开或闭合第二预充电晶体管，并连接到电源端子；
第一和第二预充电晶体管每个都包括本征二极管，每个预充电晶体管的本征二极管的阳极电连接到其预充电晶体管的第二端子。
在本发明的特定实施例中，第二预充电晶体管是FET型或IGBT型的晶体管。
在本发明的特定实施例中，第二FET型预充电晶体管是硅(Si-MOSFET)或碳化硅(SiC-MOSFET)MOSFET，或者是氮化镓(GaN-FET)FET晶体管。
当第二预充电晶体管是MOSFET，例如N型耗尽型MOSFET时，其“漏极”、“源极”和“栅极”分别形成“第一端子”、“第二端子”和“控制端子”。
在本发明的特定实施例中，第二预充电晶体管是例如由氮化镓制成的HEMT晶体管。
根据第二方面，本发明的另一目的是包括至少一个根据本发明第一方面的预充电装置的电压转换器。
根据本发明的第二方面的电压转换器还可以具有以下特定实施例的一个或多个特征，所述特征单独考虑或根据所有技术上可能的组合考虑。
在本发明的特定实施例中，电压转换器仅包括一个根据本发明第一方面的预充电装置。
在本发明的特定实施例中，电压转换器还包括充电器。
在本发明的特定实施例中，充电器是第二电容器的充电器。
在本发明的特定实施例中，电压转换器是DC/DC电压转换器。
在本发明的特定实施例中，电压转换器还包括第一斩波器，该第一斩波器包括：
a)第一输入端子，电连接到第一预充电晶体管的第二端子；和
b)第二输出端子，旨在连接到所述充电器。
c)在本发明的特定实施例中，第二输出端子还旨在连接到第三DC电压源，所述电压转换器在第一和第三DC电压源的电压之间进行转换。
在本发明的特定实施例中，第一斩波器包括第一电感器、第一开关和第二开关，称为斩波开关，所述第一斩波器的每个所述斩波开关包括第一端子、第二端子以及控制端子，用于根据施加到所述控制端子的控制信号选择性地断开和闭合斩波开关，其中第一斩波开关的第一端子连接到第一斩波器的第一输出端子，第一斩波开关的第二端子连接到第二斩波开关的第一端子，第二斩波开关的第二端子连接到电接地，第一电感器通过其端子之一连接到第二斩波开关的第一端子，并且通过其端子中的另一个连接到第一斩波器的第一输入端子。
在本发明的特定实施例中，第一斩波开关和第二斩波开关是FET型或IGBT型的晶体管。
在本发明的特定实施例中，第一斩波开关和第二斩波开关是硅(Si-MOSFET)或碳化硅(SiC-MOSFET)MOSFET。
当第一斩波开关和第二斩波开关是MOSFET，例如N型耗尽型MOSFET时，它们的“漏极”、它们的“源极”和它们的“栅极”分别形成“第一端子”、“第二端子”和“控制端子”。
在本发明的特定实施例中，第一和第二斩波开关是氮化镓(GaN-FET)FET晶体管。
在本发明的特定实施例中，第一和第二斩波开关是例如由氮化镓制成的HEMT晶体管。
在本发明的特定实施例中，电压转换器还包括：
a)第一安全晶体管，包括第一端子和第二端子，第一端子电连接到第一预充电晶体管的第一端子，以及控制端子，用于在接收到控制信号时选择性地断开或闭合所述第一安全晶体管；
b)第二安全晶体管，包括第一端子和第二端子，第二端子连接到第一安全晶体管的第二端子，以及控制端子，用于在接收到控制信号时选择性地断开或闭合所述第二安全晶体管；
c)第二斩波器，包括：
i)第二输入端子，电连接到第二安全晶体管的第一端子；
ii)第二输出端子，电连接到所述第一斩波器的第一输出端子。
在本发明的特定实施例中，第二斩波器包括第二电感器、第三和第四开关，称为斩波开关，所述第二斩波器的每个所述斩波开关包括第一端子、第二端子以及控制端子，用于根据施加到所述控制端子的控制信号选择性地断开和闭合斩波开关，第三斩波开关的第一端子连接到第二斩波器的第二输出端子，第三斩波开关的第二端子连接到第四斩波开关的第一端子，第四斩波开关的第二端子连接到电接地，第二电感器通过其端子之一连接到第四斩波开关的第一端子，并且通过其端子中的另一个连接到第二斩波器的第二输入端子。
在本发明的特定实施例中，第三斩波开关和第四斩波开关是FET型或IGBT型的晶体管。
在本发明的特定实施例中，第三斩波开关和第四斩波开关是硅(Si-MOSFET)或碳化硅(SiC-MOSFET)MOSFET。
当第三斩波开关和第四斩波开关是MOSFET，例如N型耗尽型MOSFET时，它们的“漏极”、它们的“源极”和它们的“栅极”分别形成“第一端子”、“第二端子”和“控制端子”。
在本发明的特定实施例中，第三斩波开关和第四斩波开关是氮化镓(GaN-FET)FET晶体管。
在本发明的特定实施例中，第三斩波开关和第四斩波开关是例如由氮化镓制成的HEMT晶体管。
根据本发明第二方面的电压转换器受益于与根据本发明第一方面的预充电装置相同的前述优点。
根据下面的描述，将更好地理解本发明，下面的描述仅通过非限制性的示例并参考下面的附图来提供。
附图说明
图1示出了本发明第一实施例中根据本发明的电压转换器和预充电装置。
图2示出了本发明第二实施例中的电压转换器。
具体实施方式
图1示出了本发明第一实施例中的电压转换器10。在所描述的示例中，该电压转换器10在配备有双电压供电的机动车辆中实施。
换句话说，电压转换器10布置在机动车辆的两个供电网络之间。
在所描述的示例中，第一车载网络是14V网络，包括第一DC电压源V1，例如第一14V电池，第二车载网络是48V网络，包括第二DC电压源V2，例如第二48V电池。
在本文描述的示例中，两个DC电压源V1和V2以相同的电接地为参考。
在所描述的示例中，电压转换器10包括：
1.输入端子E；
2.输出端子BS；
3.控制装置(未示出)；
4.斩波器4；和
5.预充电装置5。
因此，电压转换器10通过其端子E连接到第一车载网络，并通过其端子BS连接到第二车载网络。
换句话说，电压转换器10经由第一车载网络连接到第一电压源V1。
第二车载网络包括要预充电的充电器，在本文描述的示例中，该充电器是具有3mF量级的值的电容器C2。
第二车载网络还包括例如以MOSFET晶体管形式制造的开关SW。当开关SW闭合时，第二电压源为第二车载网络供电。否则，即当开关SW断开时，第二车载网络不由第二电压源供电。
换句话说，当开关SW闭合时，电压转换器10经由第二车载网络连接到第二电压源V2。
斩波器4包括输入端子BE、输出端子BS(也是电压转换器10的输出端子)、电感器L、斩波开关T6和斩波开关T7。
当开关SW断开时，预充电装置5通过向初始放电后的电容器C2提供恒定的预充电电流I2，使得能够通过斩波器4从第一电压源V1对电容器C2充电。
该预充电装置5包括：
·旨在接收激活电流Ia1的电源端子A1，该激活电流Ia1例如由形成电压转换器10的控制装置的一部分的电流源Sa1提供；
·安全装置2；
·启动电路3；和
·旁路开关TC。
安全装置2包括第一端子E(其也是电压转换器10的输入端子)、第二端子E2、控制端子G、第一预充电晶体管T1、第二预充电晶体管T2和齐纳二极管Dz。
在所描述的示例中，第一预充电晶体管T1和第二预充电晶体管T2优选地是具有栅极、漏极和源极的金属氧化物半导体场效应(或MOSFET)晶体管。
每个开关TC、T6和T7都包括第一端子、第二端子和控制端子，用于根据施加到所述控制端子的控制信号选择性地断开和闭合开关TC、T6和T7。
在所描述的示例中，开关TC、T6和T7优选地是晶体管，例如MOSFET晶体管，其栅极形成控制端子，漏极和源极分别形成第一端子和第二端子。为了清楚起见，术语“漏极”、“源极”和“栅极”因此将在说明书的剩余部分中使用，而不是术语“第一端子”、“第二端子”和“控制端子”。
电压转换器10的控制装置通过向晶体管T1、T2、TC、T6和T7的栅极施加控制信号来控制它们的断开或闭合。
旁路晶体管TC通过其漏极连接到电源端子A1，其源极连接到电接地，并且其控制端子连接到电压转换器10的控制装置。
现在将更详细地描述斩波器4的结构。
斩波器4的电感器L通过其端子之一连接到输入端子BE，并且通过其端子中的另一个连接到晶体管T7的源极和晶体管T6的漏极。此外，晶体管T7的漏极连接到输出端子BS，而晶体管T6的源极连接到电接地。
斩波器4的输出端子BS连接到第二车载网络。因此，电容器C2通过其端子之一连接到输出端子BS，并且通过其端子中的另一个连接到电接地。
现在将进一步详细描述安全装置2的结构。
安全装置2的第一端子E连接到第一车载网络，即第一DC电压源V1。安全装置2的第二端子E2连接到斩波器4的输入端子BE。控制端子G连接到电源端子A1。控制端子G旨在接收控制电流Ig，电流Ig由电源电流Ia1的一部分形成。
安全装置2的第一预充电晶体管T1和第二预充电晶体管T2“头对尾”连接。换句话说，第一预充电晶体管T1和第二预充电晶体管T2通过它们的源极S、S2连接。第一预充电晶体管T1的漏极连接到第一端子E，第二预充电晶体管T2的漏极连接到第二端子E2。第一预充电晶体管T1和第二预充电晶体管T2的栅极g1、g2也在控制端子G处彼此连接。预充电晶体管T1、T2也各自具有本征二极管。第二预充电晶体管T2的本征二极管的阴极连接到第二端子E2，第一预充电晶体管T1的阴极连接到第一端子E。
这样，当第一预充电晶体管T1和第二预充电晶体管T2断开时，没有电流可以在第一端子E和第二端子E2之间流动。实际上，第一预充电晶体管T1和第二预充电晶体管T2的本征二极管分别被定向为阻止从第一端子E到第二端子E2定向的电流的流动，并阻止从第二端子E2到第一端子E定向的电流的流动。
齐纳二极管Dz通过其阴极连接到控制端子G，并且通过其阳极连接到第一和第二预充电晶体管T1、T2的源极S、S2，使得栅极-源极控制电压Vgs小于或等于齐纳二极管Dz的电压。在所描述的示例中，齐纳二极管Dz的齐纳电压是12V。换句话说，齐纳二极管Dz通过维持控制电压Vgs来保护第一和第二预充电晶体管T1、T2，该控制电压Vgs小于或等于第一和第二预充电晶体管T1、T2在其栅极和源极之间能够支持的最大电压。
现在将更详细地描述启动电路3的结构。
该启动电路3包括：
·第三DC电压源V3，输出大于第一电压源V1的电压，例如36V的电压；
·电容器C1，其在本文描述的示例中具有1μF量级的值；
·第一R1、第二R2、第三R3和第四R4电阻器；
·第一开关Q1，包括旨在接收用于切换该第一开关Q1以断开或闭合的控制信号的控制端子，该控制端子经由电容器C1电连接到电接地，连接到电接地的第二端子，以及连接到电源端子A1的第一端子；和
·第二开关Q2，包括旨在接收用于切换该第二开关Q2以断开或闭合的控制信号的控制端子，通过第二电阻器R2连接到第三电压源V3的第一端子，以及连接到第一开关Q1的控制端子的第二端子；和
·第三开关Q3，包括旨在接收用于切换该第三开关Q3以断开或闭合的控制信号的控制端子，经由第四电阻器R4连接到电接地的第二端子，以及连接到第二晶体管Q2的控制端子并且还经由第三电阻器R3连接到第三电压源V3的第一端子。
在所描述的示例中，开关Q1和Q2优选是晶体管，例如pnp双极晶体管，其基极形成控制端子，而发射极和集电极分别形成第一端子和第二端子。类似地，开关Q3优选是晶体管，例如npn双极晶体管，其基极形成控制端子，其发射极和集电极分别形成第二端子和第一端子。为了清楚起见，术语“基极”、“发射极”和“集电极”因此将在整个说明书中使用，替代术语“控制端子”、“第一端子”和“第二端子”。
因此，在本文描述的实施例中，第三电阻器R3连接在DC电压源V3和第三双极晶体管Q3的集电极之间，第四电阻器R4连接在第三双极晶体管Q3的发射极和电接地之间。
第二双极晶体管Q2的基极连接到第三晶体管Q3的集电极。第二电阻器R2连接在电源V3和第二晶体管Q2的发射极之间。电容器C1和第一电阻器R1串联连接。此外，电容器C1通过其端子之一连接到第二晶体管Q2的集电极，并且通过其端子中的另一个连接到第一电阻器R1的端子之一，第一电阻器R1还通过其端子中的另一个连接到电接地。
第一双极晶体管Q1的基极连接到第二晶体管Q2的集电极。第一双极晶体管Q1的集电极连接到电接地。第一双极晶体管Q1的发射极连接到电源端子A1。
因此，先前描述的电压源V3、第二开关Q2、第三开关Q3和第二电阻器R2、第三电阻器R3和第四电阻器R4的连接形成了电流源，当第三晶体管Q3的基极接收到用于该第三晶体管Q3的断开控制信号时，该电流源向电容器C1提供电流l1，其中所述控制信号例如由电压转换器10的控制装置传输。
现在将描述预充电装置5的操作。
在预充电之前，开关SW被断开，并且旁路晶体管TC被控制装置命令闭合，以便将电源电流Ia1旁路到电接地。在这种情况下，控制电流Ig基本为零，并且第一预充电晶体管T1和第二预充电晶体管T2断开。
类似地，在开始预充电之前，用于控制电压转换器10的装置命令晶体管T7和T6断开。
作为替代实施例，在开始预充电之前，用于控制电压转换器10的装置命令晶体管T6断开并且晶体管T7闭合。
在这两种情况下，斩波器4的作用就像两个预充电晶体管和要充电的电容器C2之间的电线。
为了对电容器C2预充电，电源端子A1接收由连接到所述电源端子A1的电流源Sa1提供的电源电流Ia1。
同时，控制器向控制晶体管TC的栅极施加断开控制信号，并向第三晶体管Q3的基极施加闭合控制信号，使得该第三晶体管Q3在其有源区中工作。
激活第三晶体管Q3产生流过电阻器R3和R4的电流，并且还导致电流在第二晶体管Q2的基极上流动，因此导致第二晶体管Q2在其有源区中工作。
因此，电流流过第二电阻器R2，并且电容器C1被提供恒定电流l1。
因此，先前描述的DC电压源V3、第二开关Q2、第三开关Q3以及第二、第三和第四电阻器的连接形成了用于以恒定电流l1对电容器C1充电的电流源。流经第一电阻器R1的电流l1在其端子处产生电压V，于是第一晶体管Q1也处于导通状态，并且旁路电流Id从第一晶体管Q1的发射器流经第一晶体管Q1到达电接地。
因此，由电源Sa1提供的电流Ia1的旁路电流Id从电源端子A1流向第一晶体管Q1的发射极。
控制端子G处的控制电压Vg等于电容器C1的端子处的电压Vc1、第一电阻器R1的端子处的电压V和第一晶体管Q1的基极-发射极电压VBE之和，如下面的等式[数学式1]中所定义的。
[数学式1]
Vg＝Vc1+V+VBE
计算第一电阻器R1的值，使得当电容器C1最初放电时(即，其端子处的电压Vc1为零)，电压V和第一晶体管Q1的基极-发射极电压VBE的总和至少是第一预充电晶体管T1和第二预充电晶体管T2导通所需的阈值电压Vgsth的25％，优选50％。
换句话说，当电容器C1开始充电并且其端子处的电压Vc1基本为零时，电压V允许在安全装置2的控制端子G处获得相对于参考电压0V的电压偏移。
当第三晶体管Q3在其栅极上接收控制信号时，这导致预充电晶体管T1、T2的导通时间减少。
只要控制端子G上的电压小于第一预充电晶体管T1和第二预充电晶体管T2的阈值电压Vgsth，所述晶体管T1、T2就处于断开状态，因此没有电流在第一电压源V1和第二电容器C2之间流动。因此，所述晶体管的源极S、S2处的电压为零。
随着电容器C1充电，其端子上的电压Vc1增加，使得控制端子G上的电压以相同的方式增加。
当控制端子G的电压达到第一预充电晶体管T1和第二预充电晶体管T2的阈值电压Vgsth时，这些晶体管开始以线性模式导通。预充电电流I2开始通过流经电感器L和晶体管T7的本征二极管而从第一电压源V1流向第二电容器C2，使得电容器C2开始被预充电。
当电容器C2充电时，安全装置2的预充电晶体管T1、T2的源极S、S2处的电压增加。同时，电容器C1充电，控制端子G的电压增加。
在本文描述的实施例中，启动电路3被设计成使得第一预充电晶体管和第二预充电晶体管的栅极和源极之间的控制电压Vgs保持恒定并且基本上等于阈值电压Vgsth，以便在电容器C2的预充电期间以线性模式控制这些预充电晶体管。
换句话说，启动电路3被设计成使得电容器C2的端子处的电压Vc2通过跟随电容器C1的端子处的、降低了阈值电压Vgsth的电压Vc1而逐渐增加。
为此，基于公式[数学式4]计算电容器C1的值，即，作为预定且恒定的预充电电流设定点I2、恒定充电电流l1和要充电的电容器C2的值的函数。
[数学式4]
Figure BDA0003810790580000131
以这种方式，电容器C1、C2的充电时间T1、T2基本上相同，并且由等式[数学式2]和[数学式3]定义。
[数学式2]
Figure BDA0003810790580000132
[数学式3]
Figure BDA0003810790580000133
换句话说，电容器C2将被充电一段预充电时间T2＝T1，直到达到了电压Vc2等于V1。
当电容器C2被充电到电压VC2＝V1时，控制端子G的电压将等于第一电压源V1的电压和齐纳二极管Dz的端子处的电压之和，或者，在所描述的示例中，大约为26V。
此外，电容器C1的端子处的电压将增加，直到它基本上达到电压源V3的电压，因此在本文描述的示例中是36V。因此，当充电电压VC1将大于或等于控制端子G的电压时，第一晶体管Q1将处于截止状态，即相当于断开的开关。
因此，启动电路3被设计成当充电电压Vc2等于第一电压源V1的电压时被去激活。旁路电流Id基本上变为零，然后流向控制端子G的控制电流Ig基本上等于电源电流Ia1，控制电压Vgs受到齐纳二极管Dz的端子处的电压的限制，并且第一晶体管T1和第二晶体管T2于是处于饱和状态，即等效于闭合的开关。
最后，当电容器C2的充电电压Vc2达到第一电压源V1的电压时，电压转换器10的控制电路(未示出)允许控制斩波器4的晶体管T6和T7，以便增加电容器C2的充电电压Vc2，直到达到第二电压源V2的电压。
因此，当电容器C2将被充电到与第二DC电压源V2的电压相同的电压电平时，两个电网V1和V2之间的连接将通过闭合开关SW来实现。
在先前描述的第一实施例中，电压转换器10仅包括一个与安全装置2串联的斩波器4。在第二实施例中，电压转换器可以包括并联连接的多个基本电压转换器，每个基本电压转换器由与安全装置串联的斩波器形成。[图2]示出了在电压转换器100包括两个基本电压转换器的情况下的第二实施例。
为了简化起见，在该[图2]中为与第一实施例相同的并在[图1]中示出的元件提供了相同的附图标记。将不再描述与第一实施例相同的元件。
因此，电压转换器100包括第一基本电压转换器和与第一电压转换器并联连接的第二基本电压转换器，第一基本电压转换器是在本发明的第一实施例中描述的电压转换器10。
更具体地，第二基本电压转换器包括与安全装置2’串联的斩波器4’。
斩波器4’包括输入端子BE’、输出端子BS’、电感器L’、斩波开关T6’和斩波开关T7’。
每个开关T6’和T7’都包括第一端子、第二端子和控制端子，用于根据施加到所述控制端子的控制信号选择性地断开和闭合开关T6’和T7’。
在所描述的示例中，开关T6’和T7’优选是晶体管，例如MOSFET晶体管，其栅极形成控制端子，漏极和源极分别形成第一端子和第二端子。为了清楚起见，术语“漏极”、“源极”和“栅极”因此将在说明书的剩余部分中使用，而不是术语“第一端子”、“第二端子”和“控制端子”。
安全装置2’包括第一端子E’、第二端子E2’、控制端子G’、第一安全晶体管T1’、第二安全晶体管T2’和齐纳二极管Dz’。
在所描述的示例中，第一安全晶体管T1’和第二安全晶体管T2’优选地是具有栅极、漏极和源极的MOSFET。
电压转换器10的控制装置还通过向晶体管T1’、T2’、T6’和T7’的栅极施加控制信号来控制它们的断开或闭合。
斩波器4’的电感器L’通过其端子之一连接到输入端子BE’，并且通过其端子中的另一个连接到晶体管T7’的源极和晶体管T6’的漏极。此外，晶体管T7’的漏极连接到输出端子BS’，而晶体管T6’的源极连接到电接地。
斩波器4’的输出端子BS’连接到斩波器4的输出端子BS。
安全装置2’的第一端子E’连接到安全装置2的第一端子E(也是电压转换器10的输入端子)。安全装置2’的第二端子E2’连接到斩波器4的输入端子BE’。控制端子G’连接到电压转换器10的控制装置。
安全装置2’的第一安全晶体管T1和第二安全晶体管T2’“头到尾”连接。换句话说，第一安全晶体管T1’和第二安全晶体管T2’通过它们的源极S’、S2’连接。第一安全晶体管T1’的漏极连接到第一端子E’，第二安全晶体管T2’的漏极连接到第二端子E2’。第一安全晶体管T1’和第二安全晶体管T2’的栅极g1’、g2’也在控制端子G’处相互连接。安全晶体管T1’、T2’各自还具有本征二极管。第二安全晶体管T2’的本征二极管的阴极连接到第二端子E2’，第一预充电晶体管T1’的阴极连接到第一端子E’。
这样，当第一安全晶体管T1’和第二安全晶体管T2’断开时，没有电流可以流过安全装置2’的第一端子E’和第二端子E2’。
齐纳二极管Dz’通过其阴极连接到控制端子G’，通过其阳极连接到第一安全晶体管T1’和第二安全晶体管T2’的源极S’、S2’，使得第一安全晶体管T1’和第二安全晶体管T2’的栅极-源极控制电压Vgs小于或等于齐纳二极管Dz’的齐纳电压。在所描述的示例中，齐纳二极管电压Dz’是12V。换句话说，齐纳二极管Dz’通过维持小于或等于齐纳电压的控制电压Vgs来保护第一安全晶体管T1’和第二安全晶体管T2’。
现在将描述电容器C2的预充电。电容器C2的预充电由预充电装置5以类似于本发明第一实施例中描述的电容器C2的预充电的方式执行，除了在开始预充电之前，电压转换器10的控制装置还断开斩波开关T6’和T7’。
最后，并且是可选地，当电容器C2的充电电压Vc2达到第一电压源V1的电压时，电压转换器10的控制电路还可以闭合安全晶体管T1’、T2’并控制斩波器4’的开关T6’和T7’，以便增加电容器C2的充电电压Vc2，直到达到第二电压源V2的电压。
本发明不限于前述实施例。事实上，对于本领域技术人员来说，显然可以对前述实施例进行修改。
例如，在替代实施例中，安全装置2可以仅包括一个预充电晶体管T1，并且在这种情况下，预充电晶体管T1的源极直接连接到斩波器4的输入端子BE。
类似地，在替代实施例中，启动电路3不包括第一电阻器R1，即电容器C1直接连接到电接地。
此外，权利要求中使用的术语不应被理解为限于上述实施例的元件，而是应被理解为覆盖本领域技术人员能够从其常识中推断出的所有等同元件。

Claims (10)

1.一种用于对例如电容器(C2)的充电器(C2)进行预充电的装置(5)，包括：
a.电源端子(A1)，用于接收激活电流(la1)；
b.第一预充电晶体管(T1)，包括：
i.第一端子(E)；
ii.第二端子(S)；和
iii.控制端子(G)，用于在接收到控制信号时选择性地断开或闭合所述第一预充电晶体管(Q1)，所述第一端子(E)用于连接到以电接地为参考的第一电压源(V1)，所述第二端子(S)用于电连接到所述充电器(C2)，所述控制端子(G)连接到所述电源端子(A1)，当所述第二端子(S)连接到所述充电器(C2)时，当所述第一端子(E)连接到所述第一电压源(V1)时，以及当所述电源端子(A1)接收激活电流(la1)时，所述第二端子(S)提供预充电电流(l2)；和
c.启动电路(3)，连接到所述电源端子(A1)，所述启动电路(3)
被设计成当它被激活时，通过逐渐增加所述电源端子(A1)的电压来将预充电电流(I2)保持在恒定值。
2.根据权利要求1所述的用于对充电器(C2)进行预充电的装置(5)，其中，所述启动电路(3)还包括：
a.第一电容器(C1)；
b.第一开关(Q1)，包括：
i.控制端子，用于在接收到控制信号时选择性地断开或闭合所述第一开关(Q1)，所述控制端子经由所述第一电容器(C1)电连接到所述电接地；
ii.第二端子，连接到电接地；
iii.第一端子，连接到所述电源端子(A1)；和
c.电流源，所述电流源在被激活时向所述第一电容器(C1)提供恒定的充电电流(l1)。
3.根据权利要求2所述的用于对充电器(C2)进行预充电的装置(5)，还包括第一电阻器(R1)，并且其中，所述第一开关(Q1)的控制端子经由所述第一电容器(C1)和所述第一电阻器(R1)的串联连接直接连接到电接地。
4.根据权利要求2或3所述的用于对充电器(C2)进行预充电的装置(5)，其中，所述电流源包括：
a.第二电阻器(R2)、第三电阻器(R3)和第四电阻器(R4)；
b.第二DC电压源(V3)；
c.第二开关(Q2)，包括：
i.控制端子，用于在接收到控制信号时选择性地断开或闭合所述第二开关(Q2)；
ii.第一端子，经由所述第二电阻器(R2)连接到所述第二电压源(V3)；
iii.第二端子，连接到所述第一开关(Q1)的控制端子；
d.第三开关(Q3)，包括：
i.控制端子，用于接收允许所述第三开关(Q3)切换到断开或闭合的控制信号；
ii.第二端子，经由所述第四电阻器(R4)连接到电接地；
iii.第一端子，连接到所述第二开关(Q2)的控制端子并经由所述第三电阻器(R3)连接到所述第二电压源(V3)。
5.根据前述权利要求中任一项所述的用于对充电器(C2)进行预充电的装置(5)，还包括：
a.旁路开关(TC)，包括：
i.控制端子(BC)，用于在接收到控制信号时选择性地断开或闭合所述旁路开关(TC)；
ii.第二端子，连接到所述电接地；和
iii.第一端子，连接到所述电源端子(A1)。
6.根据结合权利要求2的权利要求2至5中任一项所述的用于对充电器(C2)进行预充电的装置(5)，其中，所述充电器是第二电容器(C2)，并且其中，由所述电流源提供的恒定充电电流(l1)的强度除以所述预充电电流(I2)的商等于所述第一电容器(C1)的值除以所述第二电容器(C2)的值的商。
7.根据前述权利要求中任一项所述的用于对充电器(C2)进行预充电的装置(5)，还包括齐纳二极管(DZ)，所述齐纳二极管的阴极电连接到所述第一预充电晶体管的控制端子，所述齐纳二极管的阳极电连接到所述第一预充电晶体管的第二端子。
8.根据前述权利要求中任一项所述的用于对充电器(C2)进行预充电的装置(5)，还包括第二预充电晶体管(T2)，所述第二预充电晶体管包括：
a.第二端子(S2)，连接到所述第一预充电晶体管(T1)的第二端子；
b.第一端子(E2)，用于电连接到所述充电器(C2)；
c.控制端子(g2)，用于选择性地断开或闭合所述第二预充电晶体管(T2)，并且连接到所述电源端子(A1)；
所述第一预充电晶体管(T1)和所述第二预充电晶体管(T2)每个都包括本征二极管，每个预充电晶体管的本征二极管的阳极都电连接到其预充电晶体管的第二端子。
9.一种电压转换器(10)，包括根据前述权利要求中任一项所述的用于对充电器(C2)进行预充电的装置(5)。
10.根据权利要求9所述的电压转换器(10)，包括仅一个根据权利要求1至8中任一项所述的预充电装置(5)。
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