CN115940679A - 用于谐振转换器的电路装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于谐振转换器的电路装置。谐振转换器具有电流隔离装置，在初级侧包括至少一个谐振电感、至少一个谐振电容和至少两个开关元件。通过以分别预先给定的开关频率切换至少两个初级侧的开关元件，谐振电流流经至少一个谐振电感和至少一个谐振电容。在谐振电流的电流路径中布置有双向开关元件。此外设置有二极管对的串联电路，其中心与至少一个谐振电感或谐振电容的一个端子连接并且其各个端部与至少两个初级侧的开关元件的各一个开关元件连接，使得在双向开关元件与至少两个初级侧的开关元件的分别要接通的开关元件近似同时被接通并在至少两个初级侧的开关元件的分别要关断的开关元件之前被关断时集成降压转换器的功能。

Description

用于谐振转换器的电路装置

技术领域

本发明一般而言涉及电气工程领域、尤其涉及功率电子设备和用于供电的功率电子电路的领域。具体而言，本发明涉及用于谐振转换器的电路装置。谐振转换器具有电流隔离装置、尤其变压器。此外，该谐振转换器在初级侧包括至少一个谐振电感、至少一个谐振电容和至少两个开关元件，所述开关元件分别被预先给定开关频率。在此情况下，通过以分别预先给定的开关频率切换至少两个布置在初级侧的开关元件，谐振电流流经至少一个谐振电感和至少一个谐振电容。

背景技术

现今，在用于电气设备的现代电源中越来越频繁地将谐振转换器（用英语也称为“resonant converter”）用于能量传输。谐振转换器是直流电压转换器的一种特殊的电路技术形式，其利用振荡电路或谐振电路工作以用于能量传输。在此情况下，谐振转换器将输入侧的直流电压转换为单相或多相交流电压，其中为了最优的运行，典型地在近似恒定的负载的情况下运行谐振转换器。交流电压可以通过布置在输出侧的整流器单元又被整流成可预先给定的输出电压。如果在谐振转换器的输出侧上没有进行整流，那么也将谐振转换器称为反用换流器或逆变器。

通常，在谐振转换器的情况下谐振电路由至少一个谐振电容和至少一个谐振电感来构造。例如，视电路结构而定，谐振电路可以布置在所使用的电流隔离装置或变压器的初级侧或次级侧上，并且可以被构造为串联或并联振荡电路。通常，谐振电路由具有电流隔离装置或具有变压器连同至少一个谐振电容的功率传输线段形成，其中例如变压器的漏电感单独地或变压器的漏电容连同至少一个另外的电感能够被用作谐振电感。视应用而定，谐振转换器因此例如可以构成为所谓的LLC（=LCL）或LCC转换器。

为了调节输出电压，谐振转换器通常以固定的占空比和可变的频率或开关频率来操控。开关频率用作用于切换至少两个初级侧的开关元件的控制信号的基础，由此谐振电流流经谐振电路。在此情况下，相应的开关元件的控制信号（例如矩形信号）的脉冲长度基本上对应于谐振电路的振荡周期的一半，以便能够实现在电流或电压的振荡过零时至少两个初级侧的开关元件的接通和关断，也就是说以便能够实现所谓的零电压切换（缩写：ZVS）或所谓的零电流切换（缩写：ZCS）。例如，可以在具有零电压切换的谐振转换器和具有零电流切换的谐振转换器之间进行区分，其中在大多数情况下两者一致。这意味着，开关频率的范围通过谐振电路、尤其通过谐振转换器的至少一个谐振电感和至少一个谐振电容一起确定，其中分别给初级侧的开关元件预先给定所述开关频率或可以利用所述开关频率来切换这些初级侧的开关元件。在谐振转换器的情况下，谐振电路通常引起开关元件基本上在电流和/或电压过零时被切换。由此在切换过程期间使损耗功率最小化以及将电磁干扰保持为低的。

谐振转换器由于其与频率有关的组件、诸如变压器、电容和必要时附加电感而具有在输出电压与输入电压之间的与频率有关的电压变换比。通过例如相应地选择在谐振转换器中所使用的变压器的匝数可以进一步适配该变换比。然而，除了特殊的开关频率之外，该变换比与负载有关。由于谐振转换器通常由两个或更多与频率有关的组件（例如电容器、线圈、变压器等）组成，所以常常存在多个谐振频率，其中在大多数情况下仅仅在确定的谐振频率下才出现与负载无关的变换比。该确定的谐振频率是在谐振电感和谐振电容谐振的情况下出现并且在晶体管主电感加上谐振电感和谐振电容的低谐振频率的情况下不出现的频率。仅仅在恰好以该谐振频率（即由谐振电感和谐振电感确定的谐振频率）作为用于初级侧的开关元件的开关频率运行的情况下，谐振转换器的开关损耗才几乎为零或非常低。然后，谐振转换器以非常高的效率并且最有效地工作，并且在谐振频率的情况下具有在输入电压和输出电压之间的几乎恒定的变换比，所述变换比仅仅遵循所使用的变压器的初级和次级绕组之间的匝数比。

不过，在过载情况（例如过载、短路等）下，可能必要的是降低谐振转换器的输出电压，以便例如保证用于电流限制或直至短路所需的电流-电压特性曲线。为了实现谐振转换器的输出电压的这种必要的降低，例如可以将谐振转换器的开关频率或工作频率提高到超出谐振频率。也就是说，与以谐振频率相比，初级侧的开关元件以更高的开关频率运行。在此情况下，谐振转换器偏离在谐振频率的情况下的理想运行。由此尽管输出功率下降但产生更高的损耗。由于更高的开关频率，例如初级侧的开关元件不再能够在电压过零（所谓的Zero Voltage Switching（零电压切换）或ZVS）时或在电流过零（所谓的Zero CurrentSwitching（零电流切换）或ZCS）时被切换，而是例如被“硬”接通和关断，这造成开关元件中的相当大的功率损耗。此外，由于开关频率的提高，例如也在变压器处、在必要时存在的附加的谐振电感处以及在布置在次级侧的整流器单元（例如二极管、同步整流器）处产生提高的损耗。

为了防止在通过将开关频率提高到超出谐振频率来降低输出电压时在谐振转换器中的大量地升高的损耗，例如存在在输入侧将附加的转换器级、尤其降压转换器与谐振转换器串联的可能性。通过串联附加的转换器级或降压转换器来确保：谐振转换器可以再次以固定的变换比或尽可能在谐振运行中工作，其方式是：由于串联的转换器级，谐振转换器的输入电压相应地被调节到谐振转换器的降低的输出电压。不过，附加的转换器级的串联与提高的空间需求和成本相联系。此外，该附加的转换器级不仅例如在过载情况下处于运行中，而且如果谐振转换器在正常运行中以谐振频率或在额定负载下运行，则处于运行中。由此，在谐振转换器的正常运行期间，由于串联的转换器级而产生不必要的损耗功率。

发明内容

因此，本发明所基于的任务是说明用于谐振转换器的电路装置，该电路装置针对过载情况能够以有效的和节约空间的方式并且在没有附加的损耗功率的情况下实现输出电压的降低。

该任务通过根据独立权利要求所述的用于谐振转换器的电路装置来解决。本发明的有利的实施方式在从属权利要求中予以描述。

根据本发明，该任务的解决通过开头所提及的类型的谐振转换器的电路装置来进行，其中双向开关元件布置在通过至少一个谐振电感并且通过至少一个谐振电容的谐振电流的电流路径中。此外设置有布置为串行电路或串联电路的二极管对。在此情况下，二极管对的串联电路的中心与至少一个谐振电感的一个端子或与至少一个谐振电容的一个端子连接，并且二极管对的串联电路的相应的端部与至少两个初级侧的开关元件中的各一个开关元件连接，使得在双向开关元件与至少两个初级侧的开关元件的分别要接通的开关元件同步地或近似同时地被接通并且在至少两个初级侧的开关元件的分别要关断的开关元件之前被关断的情况下，集成了降压转换器的功能。在此情况下，至少一个谐振电感被用作电感器，并且二极管对被用作用于降压转换器的功能的空转二极管。

根据本发明提出的解决方案的主要方面在于，通过添加双向开关元件和二极管对并且通过相应地切换双向开关元件（也就是说双向开关元件的与分别为了操控谐振转换器要接通的开关元件同步的接通，但是在为了操控谐振转换器分别被接通的开关元件之前的关断）以简单的方式将降压转换器的功能（不仅针对正电流半波而且针对负电流半波）集成到谐振转换器中。这意味着，将降压转换器的功能集成到谐振转换器中，由于所述功能，输出电压的数值始终小于输入电压的数值，或者改变谐振转换器的变换比。也就是说，如果布置在谐振电流的电流路径中的双向开关元件被切换，则该双向开关元件与至少一个谐振电感和作为空转二极管的二极管对一起形成降压转换器，通过降压转换器完成如下任务：在需要情况下（例如在过载、短路等情况下）至少在谐振转换器的开关周期的部分中降低在谐振转换器上施加的输入电压并因此降低输出电压。理想地，即使在过载情况下，用于操控谐振转换器的至少两个初级侧的开关元件也能够以谐振频率作为开关频率（也就是说如在正常运行中或在谐振运行中一样）被时钟控制，由此开关损耗继续保持尽可能低。

通过根据本发明的电路装置可以节省与谐振转换器串联的转换器级或降压转换器级以及连接在转换器级下游的或与谐振转换器串联的中间电路电容。由此也实现更好的效率，因为省去上游的降压转换器级的损耗功率。此外，通过省去降压转换器级、尤其降压转换器的扼流圈、以及中间电路电容，该电路装置可以以更节省空间的方式来实施。

有利的是，双向开关元件根据谐振转换器的输出电压来控制。也就是说，双向开关元件（只要其进行时钟控制）理想地以脉宽调制的方式或以控制信号的恒定频率和可变占空因数来切换。双向开关元件理想地与分别要接通的初级侧的开关元件同步地被接通。也就是说，双向开关元件与谐振转换器的分别要接通的开关元件尽可能同时地或最多在时间上略微偏移地被接通。不过，双向开关元件的关断时刻可以通过与电压有关的操控在分别要接通的开关元件的半个开关周期中被确定，使得实现降低到谐振转换器的输出电压的例如可预先给定的值。因此，可以例如通过更快地关断双向开关元件实现比在双向开关元件更长时间保持接通时更强的降低。

有利的是，在谐振转换器的正常运行期间双向开关元件持久地被接通。以这种简单的方式，降压转换器的功能是切断的。该电路装置作为谐振转换器在正常运行中或在谐振运行中工作。

替代地，理想地设置有与双向开关元件并联布置的桥接单元。通过闭合桥接单元，双向开关元件被桥接或短路。也就是说，如果电路装置作为谐振转换器在正常运行或谐振运行中工作，则桥接单元是闭合的并且双向开关元件可以被关断。由此以简单的方式降低由于持续接通的双向开关元件而将产生的导通损耗。如果发生要求降低输出电压的过载情况，那么例如给初级侧的开关元件预先给定的开关频率可以短期地被提高直至桥接单元断开。如果桥接单元被关断并且双向开关元件开始切换，那么初级侧的开关元件可以再次以谐振频率作为开关频率被操控。半导体开关、继电器或所谓的微机电系统（缩写MEMS）可以被用作桥接单元。

开关装置的一种有利的实施方式规定，至少两个初级侧的开关元件在输入侧被布置为半桥电路。作为半桥电路的实施方案包括两个开关元件，其例如借助相应的操控电路交错地或交替地以短停顿（死时间）切换。在此情况下，为了集成降压转换器的功能，二极管对的串联电路的中心与至少一个谐振电感的一个端子连接，所述端子与双向开关元件的第一端部连接。此外，至少一个谐振电容具有两个串联设置的电容，其中这两个电容的串联电路的中心与双向开关元件的第二端部连接，并且这两个电容的串联电路的各个端部与二极管对的串联电路的各个端部连接。

根据本发明的电路装置的一个适宜的设计方案规定，在初级侧设置有两个另外的开关元件，所述两个另外的开关元件与至少两个初级侧的开关元件一起布置为全桥电路。在全桥电路的情况下，通常使用具有相应的操控电路的四个开关元件。总是两个开关元件（例如总是对角地相对的开关元件）同时被接通，跟随其后的是死时间，然后两个另外的开关元件被接通。虽然半桥电路更简单地构造并且成本更低，但是与半桥电路相比，全桥电路具有开关元件的更低的电流负荷的优点，这虽然引起更低的损耗，但是一般来说全桥电路的优点在明显大于1kW的高功率的情况下才占优势。

在使用全桥电路的情况下电路装置的一种特别的实施方式规定，二极管对的串联电路的中心与至少一个谐振电感的一个端子连接，所述端子连接到至少一个谐振电容的第一端子上。此外，至少一个谐振电容的第二端子与双向开关元件的第一端子连接。由两个另外的初级侧的开关元件组成的串联电路的中心连接到双向开关元件的第二端子上。此外，二极管对的串联电路的各个端部分别与至少两个初级侧的开关元件中的一个开关元件以及分别与两个另外的初级侧的开关元件中的一个开关元件连接。

替代地，在使用全桥电路的情况下电路装置可以理想地被设计，使得至少一个谐振电容以第一端子连接到至少一个谐振电感上。此外，谐振电容的第二端子与双向开关元件的第一端子并且与二极管对的串联电路的中心连接。由两个另外的初级侧的开关元件构成的串联电路或半桥电路的中心连接到双向开关元件的第二端子上。此外，二极管对的串联电路的各个端部再次分别与至少两个初级侧的开关元件中的一个开关元件以及分别与两个另外的初级侧的开关元件中的一个开关元件连接。

此外有利的是，双向开关元件由反串联连接的晶体管、尤其由场效应晶体管或MOSFET来构造。在此情况下，术语“反串联”表示晶体管、尤其场效应晶体管以相反的极性串联。也就是说，例如第一场效应晶体管的源极端子与第二场效应晶体管的源极端子以线路技术连接。此外，可能的是，第一场效应晶体管的漏极端子与第二场效应晶体管的漏极端子以线路技术连接。晶体管的这种反串联的连接例如从文献EP 1 850 470 B1中已知。

替代地，可能适宜的是，微机电系统（缩写MEMS）被设置为双向开关元件。MEMS是电子开关，其可以非常简单地由控制单元来操控，以便限制和/或切换电流流动。MEMS通常是微小的半导体器件，其理想地将逻辑元件和微机械结构（例如经由静电力移动的电枢）联合成一个器件。

附图说明

随后以示例性的方式根据附图来解释本发明。在附图中：

图1以示意性和示例性的方式示出根据本发明的谐振转换器的电路装置，

图2示例性地示出根据本发明的谐振转换器电路装置的开关元件的控制信号的时间变化过程，

图3a和图3b示例性地和示意性地示出根据本发明的谐振转换器的电路装置的其他实施方式。

具体实施方式

在图1中示例性地和示意性地示出了谐振转换器的一种实施方式，根据本发明，降压转换器的功能BU被集成到该谐振转换器中。

在输入端，输入电压Ue（直流电压）被施加到谐振转换器上，该输入电压可以与参考电位BP有关。在输入侧也可以布置输入电容Ce。此外，两个开关元件S1、S2与输入电压Ue或与输入电容Ce并联连接，这两个开关元件布置为半桥电路。也就是说，第一开关元件S1和第二开关元件S2串行或串联连接在输入电压Ue的电位和参考电位BP之间。例如，MOS-FET、双极晶体管或IGBT可以用作开关元件S1、S2。

谐振转换器具有电流隔离装置，该电流隔离装置将谐振转换器分成在初级侧的RWp和次级侧的RWs。例如包括在初级侧RWp上的初级绕组Wp和例如在次级侧RWs上的两个次级绕组Ws1、Ws2的变压器被用作电流隔离装置。次级绕组Ws1、Ws2可以要么实施为两个分开的线圈Ws1、Ws2，要么实施为具有中心抽头的线圈，其中该中心抽头将该线圈划分成第一和第二次级绕组Ws1、Ws2。

此外，在次级侧RWs上设置有整流器单元，该整流器单元包括例如两个二极管D1、D2。由于整流器单元，在次级侧RWs上从施加在初级侧RWp上的输入电压Ue被转换成的交流电压整流成可预先给定的输出电压Ua。为此，第一二极管D1的阳极连接到第一次级绕组Ws1的一个端子上并且第二二极管D2的阳极连接到第二次级绕组Ws2的一个端子上。二极管D1、D2的阴极相互连接并且形成用于负载的第一端子。用于负载的第二端子由次级绕组Ws1、Ws2之间的中心或中心抽头形成。然后，谐振转换器的输出电压Ua降落在端子上，其中可以与此并联地布置输出电容Ca。输出电压Ua同样可以与参考电位BP有关。替代于具有两个二极管D1、D2的整流器单元，也可以使用具有两个可操控的开关元件（例如MOSFET、氮化镓开关等）的所谓的同步整流器，其中第一二极管D1用一个开关元件代替，并且第二二极管D2用另一开关元件代替。

替代地，在次级侧也可以布置仅仅一个次级绕组Ws1、Ws2，该次级绕组例如配备有四个整流器二极管D1、D2。次级侧RWs的另一实施方案例如可以具有多个次级绕组Ws1、Ws2与相关的整流器单元。

在初级侧RWp上，在输入侧，两个开关元件S1、S2的半桥电路的中心与变压器的初级绕组Wp的一个端子连接。初级绕组Wp的另一端子与谐振转换器的谐振电路连接，所述谐振电路具有至少一个谐振电感L和至少一个谐振电容C1、C2。在最简单的情况下，谐振电路可以由作为谐振电感L的变压器的漏电感和至少一个谐振电容C1、C2形成。

在根据本发明的电路装置的在图1中示例性地所示出的实施方式中，谐振电感L的第一端子连接到初级绕组Wp的另一端子上。谐振电感L的第二端子与由两个谐振电容C1、C2构成的串联电路的中心连接。在此情况下，在流经所述谐振电感L和所述两个谐振电容C1、C2中的至少一个谐振电容的谐振电流的电流路径i中布置有双向开关元件S3。在图1示例性地所示出的实施方式中，双向开关元件S3例如插入在谐振电感L的第二端子和两个谐振电容C1、C2的串联电路的中心之间。双向开关元件S3在此情况下例如可以由反串联连接的晶体管（例如MOSFET）来构造。替代地，例如所谓的微机电系统（缩写MEMS）可以被用作双向开关元件S3。

此外，设置有布置为串行或串联电路的二极管对DB1、DB2。二极管对DB1、DB2的串联电路的中心与至少一个谐振电感L的第二端子以及与双向开关元件S3的连接到至少一个谐振电感L的第二端子上的那个端子连接。二极管对DB1、DB2的串联电路的相应的端部分别与谐振电容C1、C2的串联电路的分别相应的端部以及分别与初级侧的开关元件S1、S2的半桥电路的一个端部连接。在此情况下，例如二极管对DB1、DB2中的第一二极管DB1与第一谐振电容C1和半桥电路的第一开关元件S1连接，其中由该连接例如形成用于输入电压Ue的第一端子。二极管对DB1、DB2中的第二二极管DB2例如与第二谐振电容C2和半桥电路的第二开关元件S2连接，其中由该连接例如形成用于输入电压Ue的第二端子，所述第二端子例如与参考电位BP有关。

为了将输入电压Ue转换成在次级侧RWs上的可预先给定的输出电压Ua，谐振转换器的布置在初级侧的开关元件S1、S2交替地以短停顿（所谓的死时间）被切换。针对相应的时钟，给开关元件S1、S2分别预先给定控制信号（例如矩形控制信号）形式的开关频率。由此，半桥电路的开关元件S1、S2交替地以短停顿或死时间被接通并且分别在电流和/电压过零时被关断。

此外，在谐振转换器的正常运行中，也就是说在额定负载下的运行中，将双向开关元件S3持久地接通。替代地，双向开关元件S3可以在正常运行中通过桥接单元（例如半导体开关、继电器、MEMS等）被桥接或短路。也就是说，图1中示例性地所示出的电路可以被视为LLC谐振转换器，在该LLC谐振转换器中谐振电感L的第二端子直接连接到谐振电容C1、C2的串联电路的中心上。初级侧的开关元件S1、S2理想地以谐振频率被切换，或者谐振转换器在谐振运行中工作。

不过，如果发生需要降低输出电压Ua的事件（例如过载、短路等），则双向开关元件S3开始在开关元件S1、S2的开关频率的半周期之内进行切换。在此情况下，双向开关元件S3的控制信号与开关元件S1、S2的控制信号同步，使得双向开关元件S3与分别要接通的开关元件S1、S2一起被接通。在此情况下，在双向开关元件S3的接通和要接通的开关元件S1、S2之间可以设置有微小的时间偏移（例如超前和滞后），以便例如划分或优化开关损耗。

不过，双向开关元件S3在谐振转换器的分别被接通的开关元件S1、S2的半个开关周期之内被关断。也就是说，双向开关元件S3在分别被接通的（=要关断的）开关元件S1、S2被关断之前被关断。在此情况下，双向开关元件S3根据谐振转换器的输出电压Ua（也就是说以脉宽调制的方式）来操控。这随后根据图2更详细地被解释。

通过接通和关断双向开关元件S3，双向开关元件S3与谐振电感L和二极管对DB1、DB2一起形成降压转换器的功能BU，其中二极管对的二极管DB1、DB2作为空转二极管起作用。由此，如在降压转换器中一样，在分别被接通的开关元件S1、S2的半个开关周期的至少一部分中，降低谐振转换器的输入电压Ue并且随后降低输出电压Ua。半桥电路的开关元件S1、S2继续如在正常运行中或在谐振运行中一样以谐振转换器的谐振频率作为开关频率进行时钟控制。

图2示例性地示出针对需要降低谐振转换器的输出电压Ua的情况谐振转换器的初级侧的开关元件S1、S2以及双向开关元件S3的控制信号的时间变化过程，该双向开关元件布置在流经谐振电感L和谐振电容C1、C2的谐振电流的电流路径i中。

在此情况下，时间t绘制在水平轴上并且相应的控制信号电压Sig绘制在垂直轴上。第一时间变化过程在此情况下示出半桥电路的第一开关元件S1的控制信号，并且第二时间变化过程示出半桥电路的第二开关元件S2的控制信号，其中为了简单起见，没有绘出在切换开关元件S1、S2期间的死时间。在第三变化过程中示出了双向开关元件S3的控制信号。该控制信号在此情况下例如具有矩形信号的形式。

从第一和第二开关元件S1、S2的控制信号的第一和第二变化过程中可以看出，开关元件S1、S2交替地被切换。在此情况下，例如半桥电路的第一开关元件S1在控制信号的第一半周期HP1中被接通并且在控制信号的第二半周期HP2中被关断。半桥电路的第二开关元件S2于是在控制信号的第一半周期HP1中被关断并且在第二半周期HP2中被接通。用于切换开关元件S1、S2的控制信号基于分别给开关元件S1、S2预先给定的开关频率，该开关频率对应于谐振转换器的谐振频率。

如果需要降低谐振转换器的输出电压Ua或者如果应激活降压转换器的集成的功能BU，则在第一时刻t1中与第一开关元件S1的控制信号的第一半周期HP1的开始或者与谐振转换器的半桥电路的第一开关元件S1的接通尽可能同时地接通双向开关元件S3。在此情况下，必要时与双向开关元件S3并联地安置的桥接单元（例如半导体开关、继电器、MEMS等）被断开，以便结束双向开关元件S3的桥接。直到桥接单元安全地断开为止，谐振转换器可以至少短期地以（比谐振频率）明显更高的开关频率工作。由此明显更高的损耗功率可以在这种情况下被容忍，因为涉及在几毫秒直至例如几十毫秒的范围中的相当短的时间段。

然后，在第二时刻t2，双向开关元件S3被关断。第二时刻t2通过谐振转换器的要降低的输出电压Ua的值预先给定。也就是说，双向开关元件S3根据输出电压Ua被电压控制，或者以脉宽调制的方式被控制。半桥电路的第一开关元件S1继续保持接通，直至第三时刻t3（第一半周期HP1的结束）。在第三时刻t3，半桥电路的第一开关元件S1于是也被关断。

在第一半周期HP1期间，谐振转换器电路装置因此在第一和第二时刻t1、t2之间作为纯谐振转换器工作。在从第二时刻t2直至第三时刻t3的阶段中，由于双向开关元件S3的关断，存储在谐振电感L中的能量流经二极管对DB1、DB2的作为空转二极管起作用的第一二极管DB1，并且流经变压器的初级绕组Wp，其中在次级侧RWs上在变压器的第一次级绕组Ws1中感生电流。半桥电路的第二开关元件S2在整个第一半周期HP1期间被关断。

在第三时刻t3，半桥电路的两个开关元件S1、S2的控制信号的第二半周期HP2开始。在此情况下，半桥电路的第二开关元件S2（延迟了未示出的死时间）被接通。与第二开关元件S2同步或近似同时地，在第三时刻t3，双向开关元件S3也再次被接通。在第四时刻t4，双向开关元件S3然后再次被关断。半桥电路的第二开关元件S2继续保持接通，直至第五时刻t5（第二半周期HP2的结束）。在第五时刻t5，半桥电路的第二开关元件S2于是也被关断。

在第二半周期HP2期间，谐振转换器电路装置在第三和第四时刻t3、t4之间再次作为纯谐振转换器工作。由于在第四时刻t4关断双向开关元件S3，于是存储在谐振电感L中的能量流经二极管对DB1、DB2的现在作为空转二极管起作用的第二二极管DB2，并且又流经变压器的初级绕组Wp，其中在次级侧RWs上在变压器的第二次级绕组Ws2中感生电流。半桥电路的第一开关元件S1在整个第二半周期HP2中保持关断，并且在第五时刻t5才再次延迟了未示出的死时间再次与双向开关元件S3一起被接通，所述第五时刻是下一个第一半周期HP1的开始。

图3a示出根据本发明的谐振转换器电路装置的另一实施方式。再次在输入侧将输入电压Ue施加到该电路装置上，所述输入电压可以与参考电位BP有关。在输入侧，同样设置有输入电容Ce。该电路此外包括电流隔离装置或变压器，其具有在初级侧RWp上的初级绕组Wp和在次级侧RWs上的次级绕组Ws1、Ws2。此外，该电路在次级侧RWs上具有整流器单元以及具有输出电容Ca，所述整流器单元具有两个二极管D1、D2，输出电压Ua降落在所述输出电容上。输出电压Ua同样可以与参考电位BP有关或者例如相对于初级侧RWp浮动。

在初级侧RWp上，两个串联连接的开关元件S1、S2再次与输入电容Ce并联布置。此外，在初级侧上设置有两个另外的开关元件S4、S5，其同样串联布置并且与两个输入侧的开关元件S1、S2一起形成用于操控谐振转换器电路装置的全桥电路。为此，四个开关元件S1、S2、S4、S5中的每两个开关元件同时被接通或关断。例如，在全桥电路中，对角地相对布置的开关元件S1、S5或S2、S4可以同时被接通或关断。

初级绕组Wp的一个端子再次连接到两个输入侧的开关元件S1、S2的串联电路或由全桥电路的开关元件S1、S2构成的第一半桥的中心上。初级绕组Wp的另一端子与谐振电路连接，该谐振电路由谐振电感L和谐振电容C形成。在此情况下，谐振电感L的第一端子与初级绕组Wp连接并且谐振电感L的第二端子与谐振电容C的第一端子连接。在谐振电容C的第二端子与两个另外的开关元件S4、S5的串联电路的中心之间，在通过谐振电感L并且通过谐振电感C的谐振电流的电流路径i中布置有双向开关元件S3。也就是说，双向开关元件S3以第一端子连接到谐振电容C的第二端子上并且以第二端子与由两个另外的初级侧的开关元件S4、S5构成的串联电路的中心连接，所述串联电路形成全桥电路的第二半桥。

此外，同样设置有二极管对DB1、DB2。二极管对DB1、DB2的两个二极管DB1、DB2串联地布置并且作为用于降压转换器的集成功能的空转二极管DB1、DB2起作用。在此情况下，二极管对DB1、DB2的串联电路的中心与谐振电感L的第二端子并且与谐振电容C的第一端子连接。二极管对DB1、DB2的串联电路的各个端部分别与全桥电路的两个半桥的相应端部连接，所述两个半桥由两个输入侧的开关元件S1、S2或两个另外的开关元件S4、S5形成。

在正常运行中，也就是说在以额定电压运行中，双向开关元件S3要么再次持久地被接通，要么通过与双向开关元件S3并联布置的桥接单元（半导体开关、继电器、MEMS等）被桥接或短路。然后，该电路作为谐振转换器在谐振运行中工作。如果需要降低谐振转换器的输出电压Ua，则双向开关元件S3（以脉宽调制的方式或根据输出电压Ua）被操控。在此情况下，双向开关元件S3再次与分别要接通的开关元件S1、S5或S2、S4同步地被接通，并且在分别被接通的开关元件S1、S5或S2、S4之前被关断，以便将降压转换器的功能BU集成到谐振转换器中。

图3b示出根据本发明的谐振转换器电路装置的另一实施方式，该谐振转换器电路装置具有用于操控的全桥电路，其中全桥电路再次由两个布置在输入侧的开关元件S1、S2和两个另外的初级侧的开关元件S4、S5形成。该实施方式与在图3a中所示出的电路装置的区别仅在于在该电路中二极管对DB1、DB2的布置。在根据本发明的电路装置的在图3b中示例性示出的实施方式中，谐振电容C再次以第一端子与谐振电感L连接。不过，现在二极管对DB1、DB2的串联电路的中心与谐振电容C的第二端子并且与双向开关元件S3的第一端子连接。二极管对DB1、DB2的串联电路的端部再次与全桥电路的两个半桥的各个端部连接，所述两个半桥由两个输入侧的开关元件S1、S2或两个另外的开关元件S4、S5形成。

Claims (11)

1.一种用于具有电流隔离装置（Wp，Ws1，Ws2）的谐振转换器的电路装置，所述谐振转换器在初级侧包括至少一个谐振电感（L）、至少一个谐振电容（C1，C2，C）和至少两个开关元件（S1，S2），其中通过以预先给定的开关频率交替地切换至少两个初级侧的开关元件（S1，S2），谐振电流流经所述至少一个谐振电感（L）和所述至少一个谐振电容（C1，C2，C），其特征在于，双向开关元件（S3）布置在通过所述至少一个谐振电感（L）并且通过所述至少一个谐振电容（C1，C2，C）的谐振电流的电流路径（i）中，并且二极管对（DB1，DB2）的串联电路的中心与所述至少一个谐振电感（L）的一个端子或与所述至少一个谐振电容（C1，C2，C）的一个端子连接，并且所述二极管对（DB1，DB2）的串联电路的相应的端部与所述至少两个初级侧的开关元件（S1，S2）中的各一个开关元件（S1，S2）连接，使得在所述双向开关元件（S3）与所述至少两个初级侧的开关元件（S1，S2）的分别要接通的开关元件（S1，S2）一起被接通并且在所述至少两个初级侧的开关元件（S1，S2）的分别要关断的开关元件（S1，S2）之前被关断的情况下，集成降压转换器的功能（BU），其中所述至少一个谐振电感（L）被用作电感并且所述二极管对（DB1，DB2）被用作用于所述降压转换器的功能（BU）的空转二极管。

2.根据权利要求1所述的电路装置，其特征在于，根据所述谐振转换器的输出电压（Ua）来控制所述双向开关元件（S3）。

3.根据权利要求1至2中任一项所述的电路装置，其特征在于，在所述谐振转换器的正常运行期间持久地接通所述双向开关元件（S3）。

4.根据上述权利要求中任一项所述的电路装置，其特征在于，设置有与所述双向开关元件（S3）并联布置的桥接单元，其中通过闭合所述桥接单元来桥接所述双向开关元件（S3）。

5.根据上述权利要求中任一项所述的电路装置，其特征在于，所述至少两个初级侧的开关元件（S1，S2）在输入侧被布置为半桥电路。

6.根据权利要求5所述的电路装置，其特征在于，所述二极管对（DB1，DB2）的串联电路的中心与所述至少一个谐振电感（L）的一个端子连接，所述端子与所述双向开关元件（S3）的第一端子连接，并且所述至少一个谐振电容（C1，C2）通过两个串联布置的电容（C1，C2）形成，其中所述两个电容（C1，C2）的串联电路的中心与所述双向开关元件（S3）的第二端子连接，并且所述两个电容（C1，C2）的串联电路的各个端部与所述二极管对（DB1，DB2）的串联电路的各个端部以及与所述至少两个初级侧的开关元件（S1，S2）中的各一个开关元件连接。

7.根据权利要求1至4中任一项所述的电路装置，其特征在于，在初级侧设置有两个另外的开关元件（S4，S5），所述两个另外的开关元件与所述至少两个初级侧的开关元件（S1，S2）一起形成全桥电路。

8.根据权利要求7所述的电路装置，其特征在于，所述二极管对（DB1，DB2）的串联电路的中心与所述至少一个谐振电感（L）的一个端子连接，所述端子连接到所述至少一个谐振电容（C）的第一端子上，所述至少一个谐振电容（C）的第二端子与所述双向开关元件（S3）的第一端子连接，由两个另外的初级侧的开关元件（S4，S5）构成的串联电路的中心连接到所述双向开关元件（S3）的第二端子上，并且所述二极管对（DB1，DB2）的串联电路的各个端部分别与所述至少两个初级侧的开关元件（S1，S2）中的一个开关元件（S1，S2）以及分别与所述两个另外的初级侧的开关元件（S4，S5）中的一个开关元件连接。

9.根据权利要求7所述的电路装置，其特征在于，所述至少一个谐振电容（C）以第一端子连接到所述至少一个谐振电感（L）上，所述谐振电容（C）的第二端子与所述双向开关元件（S3）的第一端子并且与所述二极管对（DB1，DB2）的串联电路的中心连接，由两个另外的初级侧的开关元件（S4，S5）构成的串联电路的中心连接到所述双向开关元件（S3）的第二端子上，并且所述二极管对（DB1，DB2）的串联电路的各个端部分别与所述至少两个初级侧的开关元件（S1，S2）中的一个开关元件（S1，S2）以及分别与所述两个另外的初级侧的开关元件（S4，S5）中的一个开关元件连接。

10.根据上述权利要求中任一项所述的电路装置，其特征在于，所述双向开关元件（S3）由反串联连接的晶体管来构造。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的电路装置，其特征在于，微机电系统（缩写MEMS）被设置为双向开关元件（S3）。

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