TWI521846B - 多相／直流電壓轉換器及控制多相／直流電壓轉換器的方法 - Google Patents

多相／直流電壓轉換器及控制多相／直流電壓轉換器的方法 Download PDF

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Description

多相/直流電壓轉換器及控制多相/直流電壓轉換器的方法
本發明關於一種多相/直流電壓轉換器以及一種控制此多相/直流電壓轉換器的方法。
在汽車(特別是油氣混合車或電動車)的現代及將來的能量汽車供電網路(Energiebordnetz)需要強功率的直流電壓轉換器──往往也稱DC/DC轉換器，俾能調節不同電壓層面之間的能量流。因此，舉例而言，在「起動-停止系統」(Start-Stopp-System)中，在起動時，將汽車供電網路電壓的一入侵(Einbruch)利用一直流電壓轉換器作補償。在此，利用所謂的多相/直流電壓轉換器將汽車領域的成本、構造空間及重量的限制列入計算。在此，將所要傳輸的功率分配到數個並聯的轉換器單元或相位模組。個別的相位模組宜用相位錯開(phasenversetzt，英：phase-shifted)或時間錯開(zeitversetzt，英：time-shifted)的方式控制。利用相位錯開的方式控制，在重疊的輸出信號中，電流漣波(Stromrippel，英：current ripple)大大減少，且直流電壓轉換器的輸出信號的頻率相較於轉換器單元的基本脈波頻率提高了一種倍數，此倍數係為該用相位錯開方式脈動的轉換器單元的數目。如此，直流電壓轉換器的輸出濾波器的成本和體積可減少。
為了要能在多相/直流電壓轉換器的場合有效利用上述優點，故電流一般須均勻地或「對稱地」分配到個別的轉換器單元或相位模組。
在J. Czogaiia,J. Li,C. Sullivan: Automotive Application of Multi-Phase Cou-pled Inductor DC-DC-Converter”,0-7803-7883-0/03. IEEE,2003發表了在汽車領域中使用具有耦合的線圈的多相/直流電壓轉換器。
本發明提供一種多相/直流電壓轉換器，它具有至少二個線圈(它們以時間錯開的方式受控制)、至少一個控制單元以控制線圈、及至少一個對磁場敏感的感測器元件以將一個由於電流流過線圈產生的磁場檢出，其中該控制單元依該至少一感測器元件的輸出信號而定而控制該電流。在此，舉例而言，該對磁場敏感的感測器元件設計成霍爾感測器(Hall-sensor)或磁阻式(magnetoresistive)感測器或「測量線圈」(Mess spule)的形式。
在本發明的多相/直流電壓轉換器，藉著將線圈中產生的磁場檢出及分析，而造成一種磁性回耦(回授)(Rckkopplung，英：feedback)，這種回耦作用可用於將負載的變動作補償，或在使用一磁鐵芯的情形，也可避免磁鐵芯飽和，因此產生一受調節的輸出信號。此外，該多相/直流電壓轉換器的控制與結構的不對稱性也可補償。
依本發明一實施例，該至少二個線圈作磁性反向的耦合(magnetisch gegengekoppelt，英：magnetically anticoupled或reversely feedback)，換言之，它們的設置及控制方式得由於電流流過該耦合的線圈所產生的磁場的朝向係互呈相反者。舉例而言，線圈可利用一共同之磁鐵芯耦合，線圈設在該磁鐵芯上。為了預防磁鐵芯的飽和情事，故磁鐵芯有一空氣縫隙。
當該相反磁性方式耦合的線圈以及磁鐵芯及空氣縫隙呈對稱建構時，恆定的磁場成分幾乎可完全除去，因此磁鐵芯可能的飽和情事可以預防。因此可使用較小的線圈及磁鐵芯，且因此構形較小。如果儘管有對稱的構造，但由於構件的誤差或環境影響產生恆定的磁場成分，則依本發明可利用該對磁場敏感的感測器將此成分檢出，並藉著控制單元將線圈作適當控制將此成分除去。
依本發明另一實施例，至少有一個對磁場敏感的感測器元件(8)設在該磁鐵芯(1)(43)的空氣縫隙(2)(44)附近，特別是設在其空氣縫隙內。在此範圍中，可將一磁性雜散流(Streufluss，英：stray flux)檢出。該雜散流可回耦到磁鐵芯中的磁場及到儲存之能量中。如此，線圈可利用控制單元用適當方式控制。特別是感測器元件的輸出信號可對時間積分而作分析並求出一偏差(Offset)的值，此偏差值代表一恆定磁流的量。如此，控制單元可控制流過線圈的電流，使此偏差值減至最小。
如不將該對磁場敏感的感測器元件定位在空氣縫隙附近，該感測器元件也可定位在空氣縫隙內。此位置宜選設成當線圈作最佳之對稱控制時，產生一個沒有偏差的輸出信號。
如果不將一個或數個感測器元件在該多相/直流電壓轉換器的一區域(在此區域該感測器元件檢出一累加信號，換言之此信號係根據由數個線圈產生的磁場者)也可在個別的線圈周圍設至少一個對磁場敏感的感測器元件，如此這些感測器元件各產生一輸出信號，它代表由該流經各線圈電流產生的磁場。在這種感測器元件的定位方式，由個別線圈產生的磁場係可說是分別作分析。當然，分別作分析和一齊作分析的方法也可用任意方式組合，換言之，可設以用於檢出個別磁場的感測器元件，以及用於檢出累加磁場的其他感測器元件。
一有利的做法係將該至少一個對磁場敏感的感測器元件整合到該多相/直流電壓轉換器的一控制電路中，在此該控制電路至少也包含該控制單元，但也可包含其他單元，例如用於分析感測器元件的輸出信號的分析單元，以分析感測器元件的輸出信號，用此方式，本發明的多相/直流電壓轉換器可特別簡單而廉價地實施。
本發明的實施例的其他特點和優點見於以下配合圖式的說明。
圖式中，相同或功能相同的元件各用相同圖號表示。
圖1的示意圖以高度簡化的方式顯示本發明的多相/直流電壓轉換器，在一磁鐵芯(1)[它有一空氣縫隙(2)]上設有二個並聯的線圈(3)(4)，它們各為該多相/直流電壓轉換器的一轉換器單元或一相位模組的構件。磁鐵芯(1)本身、空氣縫隙(2)的位置，以及線圈(3)(4)的排列及位置宜設計成對稱。將線圈(3)(4)設在一共同磁鐵芯上，使二線圈呈磁性耦合。線圈(3)及(4)各與一輸出級(5)或(6)連接，該輸出級包含圖未示的切換元件，以使一電流流過線圈(3)(4)或將之切斷。輸出級(5)(6)與一控制單元(7)連接，該控制單元用時間錯開或相位錯開的方式控制輸出級(5)(6)，因此也控制流過線圈(3)(4)的電流。在此，線圈(3)(4)的設置及控制方式，使線圈(3)及(4)之間造成一種反向耦合(Gegenkopplung，英：counter-coupling或reverse feedback)，換言之，二個線圈產生朝向相反的磁場。當設置及控制方式最佳地對稱時，利用此反向耦合將所有恆定之磁場成分消除，因此所造成之磁場的直流成分或DC成分等於零，但也會由於構件的誤差或其他環境影響，即使在對稱的構造及對稱的控制方式的場合，也仍會產生一些直流成分，如將它除去，則多相/直流電壓轉換器的功能可改善。
在空氣縫隙(2)附近設有一個對磁場敏感的感測器元件(8)，例如呈一霍爾感測器、一磁阻感測器，或一「測量線圈」的形式，利用一分析單元(9)將感測器元件(8)的輸出信號傳輸到控制單元(7)，用此方式造成一種磁性回耦。如果該對磁場敏感的感測器元件(8)如圖示設在磁鐵芯(1)的空氣縫隙(2)附近，則利用感測器元件(8)將一磁性雜散流(Streufluss)檢出，它可回耦到磁鐵芯(1)內的磁場且因此回耦到其中儲存的能量中。如不用此方式，感測器元件(8)也可設在空氣縫隙(2)的區域中。如此，感測器元件(8)就非檢出此雜散流，而係輸出一個輸出信號，它直接代表磁鐵芯(1)中的磁流，感測器元件(8)的輸出信號可視為利用分析單元(9)對時間積分，此外測定輸出信號的一偏差值。此偏差值代表存在的恆定磁場的量。如此控制單元(7)可經由輸出級(5)或(6)控制線圈(3)(4)，使偏差值減到最小。因此，舉例而言，可藉著修正二線圈(3)(4)的控制信號的脈波寬比例，將線圈(3)(4)的不對稱性作補償。
在圖示的實施例中，控制單元(7)，該二輸出級(5)(6)及分析單元(9)顯示成分別的單元。當然，這些單元也可全部或部分地整合到一上位(bergeordnet)的單元中。也可考慮設分別的控制單元，以控制個別的輸出級(5)(6)或線圈(3)(4)。舉例而言，圖1中顯示一個多相/直流電壓轉換器。但如設置具有相關的輸出級和控制單元的其他線圈，這種裝置卻可毫無問題地擴充而增加了其他的轉換器單元或相模組。如此，如有必要，也可設其他對磁場敏感的感測器元件，以將利用其他線圈產生的磁場檢出。圖示之利用一磁鐵芯(1)耦合的線圈(3)(4)只是舉例，即使不使用磁鐵芯，也可藉著將線圈適當設置造成線圈磁性耦合。
此外本發明也可用於具線圈(它們不耦合)的多相/直流電壓轉換器。然而其前提為：對各線圈設一適當的對磁場敏感的感測器元件，它設置成使得流過各線圈的電流所產生的磁場可檢出。因此，個別線圈的磁場可說是分別作分析，且所有感測器元件的輸出信號經由一個或數個分析單元送到控制單元。如不用此方式(或除了此方式外同時另外)也可將這種分別的分析用於具有耦合之線圈的系統。
一種有利的做法係將該對磁場敏感的感測器元件整合到多相/直流電壓轉換器的一控制電路中。圖2顯示一控制電路的第一實施例，它具有一整合的感測器元件。在此，一控制電路(20)除了感測器元件(8)外還包含控制單元(7)、輸出級(5)(6)、分析單元(9)及一數位邏輯(21)和一數位介面(22)。在此，輸出級(5)(6)呈共同單元(23)的形式。感測器元件(8)宜設在電路(20)的一邊緣區域中。如此，控制電路(20)相對於多相/直流電壓轉換器的線圈定位成使控制元件在所要位置[例如在磁鐵芯(1)的空氣縫隙(2)附近]中。
在圖3中顯示一多相/直流電壓轉換器的一控制電路(20’)的另一變更實施例，此實施例與圖2所示實施例不同處只在於：設有一第二個對磁場敏感的感測器元件(8’)，它具有一相關的第二分析單元(9’)。在此當然也可將感測器元件(8)及(8’)的輸出信號與所示實施例不同地利用一共同之分析單元處理，對於一個二相/直流電壓轉換器設二個感測器元件(8)(8’)可將電流在線圈中產生的磁場分別分析，特別是當二感測器元件(8)(8’)在控制電路(20’)內互相間隔設置時尤然。因此這種控制電路的設計也可用於具有不耦合的線圈的直流電壓轉換器。
基本上，對於圖2、圖3中所示的控制電路(20)(20’)而言，圖示之電路元件也可用任何方式組合在上位的單元中。同樣地，在控制電路中也可整合其他電路元件或單元。當然也可將其他對磁場敏感的感測器元件整合到一控制單元中，如此，舉例而言，控制電路也可用於具有多於二個轉換器單元或相位模組的直流電壓轉換器。
圖4顯示一印刷電路的一第一實施例的示意側視圖，它具有一本發明的多相/直流電壓轉換器。在此，舉例而言，此直流電壓轉換器設計成具有耦合之線圈的二相/直流電壓轉換器的形式。在此，在一電路板(40)(印刷電路板，PCB)上設有二個線圈(41)及(42)，舉例而言，它們用SMD技術[表面安裝裝置(Surface Mmounted Device)]做成。二線圈(41)(42)的磁性耦合作用利用一磁鐵芯(43)造成，舉例而言，磁鐵芯(43)在SMD軟銲程序之後，推入線圈(41)及(42)中。然後將圖未示的對磁場敏感的感測器元件定位在適當位置，例如在磁鐵芯(43)的一空氣縫隙(44)的附近。
圖5顯示一印刷電路的一第二實施例的一示意側視圖，它具有一本發明的多相直流電壓轉換器。在此，在一電路板(50)的上側設一線圈裝置(51)。舉例而言，也可假設此線圈裝置為二個利用一個具空氣縫隙的磁鐵芯耦合的線圈。一控制電路(52)[至少有一控制單元和一個對磁場敏感的感測器元件──二者都不特別圖示──整合到其中]設在電路板(50)的下側。在此，控制電路(52)做成積體電路形式，它定位成使它與線圈裝置(51)至少部分重疊，而且使得整合到控制電路中的對磁場敏感的感測器元件相對於線圈裝置在適當位置。
(1)．．．磁鐵芯
(2)．．．空氣縫隙
(3)．．．線圈
(4)．．．線圈
(5)．．．輸出級
(6)．．．輸出級
(7)．．．控制單元
(8)．．．感測器元件
(8’)．．．感測器元件
(9)．．．分析單元
(9’)．．．分析單元
(20)．．．控制電路
(20’)．．．控制電路
(21)．．．數位邏輯
(22)．．．數位介面
(23)．．．共同單元
(40)．．．電路板
(41)．．．線圈
(42)．．．線圈
(43)．．．磁鐵芯
(44)．．．空氣縫隙
(50)．．．電路板
(51)．．．線圈裝置
(52)．．．控制電路
圖1係一本發明的多相/直流電壓轉換器的一示意圖，它具有耦合的線圈；
圖2係一本發明的多相/直流變壓器用的一控制電路的第一實施例的一示意圖，它具有一整合之對磁場敏感的感測器元件；
圖3係一本發明多相/直流變壓器用的一控制電路的一第二實施例的一示意圖，它具有一整合之對磁場敏感的感測器元件；
圖4係一印刷電路的一第一實施例的示意側視圖，它具有一本發明的多相/直流電壓轉換器。
圖5係一印刷電路的一第二實施例的示意側視圖，它具有一本發明的多相/直流電壓轉換器。
(1)‧‧‧磁鐵芯
(2)‧‧‧空氣縫隙
(3)‧‧‧線圈
(4)‧‧‧線圈
(5)‧‧‧輸出級
(6)‧‧‧輸出級
(7)‧‧‧控制單元
(8)‧‧‧感測器元件
(9)‧‧‧分析單元

Claims (11)

  1. 一種多相/直流電壓轉換器，具有：--一個具有一空氣縫隙(2)(44)的磁鐵芯(1)(43)，--至少二個並聯的線圈(3)(4),(41)(42)，以時間錯開的方式控制，--至少一控制單元(7)以活化該線圈(3)(4)而產生相反方向的磁場，及--至少一個對磁場敏感的感測器元件(8)(8’)，以將一個由於電流流過該線圈產生的磁場檢出，該感測器元件(8)(8’)設在該磁鐵芯(1)(43)的該空氣縫隙(2)(44)附近，該控制單元(7)控制流過線圈(3)(4),(41)(42)的電流，其為該至少一感測器元件的輸出信號的函數，使得由該至少二個線圈(3)(4),(41)(42)產生反向的磁場，且因此將該至少一對磁場敏感的感測元件(8)(8’)的一輸出信號的偏差值減到最小。
  2. 如申請專利範圍第1項之多相/直流電壓轉換器，其中：該至少二個線圈(3)(4),(41)(42)係耦合成磁性相反的方式。
  3. 如申請專利範圍第2項之多相/直流電壓轉換器，其中：該至少二線圈(3)(4),(41)(42)利用一個共同的磁鐵芯(1)(43)作磁性相反的耦合，該磁鐵芯有一空氣縫隙(2)(44)。
  4. 如申請專利範圍第1項之多相/直流電壓轉換器，其中： 該對磁性敏感的感測器元件位在該磁鐵芯的空氣縫隙中。
  5. 如申請專利範圍第1項之多相/直流電壓轉換器，其中：在各線圈(3)(4),(41)(42)的周圍各設有至少一個對磁場敏感的感測器元件(8)(8’)，因此該感測器元件(8)(8’)各產生一輸出信號，該輸出信號代表一個由於電流流經該線圈(3)(4),(41)(42)產生的磁場。
  6. 如申請專利範圍第1或第2項之多相/直流電壓轉換器，其中：該至少一個對磁場敏感的感測器元件(8)(8’)整合到該多相/直流電壓轉換器的一控制電路(20)(20’)中，該多相/直流電壓轉換器至少亦包含該控制單元(7)。
  7. 如申請專利範圍第6項之多相/直流電壓轉換器，其中：該控制電路(20)(20’)也包含至少一分析單元(9)(9’)以分析該至少一感測器元件(8)(8’)的輸出信號。
  8. 如申請專利範圍第1或第2項之多相/直流電壓轉換器，其中：該對磁場敏感的感測器元件(8)(8’)設計成霍爾感測器或磁阻感測器或測量線圈的式。
  9. 一種用於控制一多相/直流電壓轉換器的方法，該轉換器具有至少二個並聯的線圈(3)(4),(41)(42)，以時間錯開的方式控制，其中利用至少一個對磁場敏感的感測器元件 (8)(8’)將一由於電流流過線圈(3)(4),(41)(42)產生的磁場檢出，並依該至少一個對磁場敏感的感測器元件(8)(8’)的輸出信號而定控制該流經線圈(3)(4),(41)(42)的電流，由至少一個對磁場敏感的感測器元件(8)(8’)的輸出信號求出一個偏差值，並將流經線圈(3)(4),(41)(42)的電流控制，使該偏差值減到最小。
  10. 如申請專利範圍第9項之方法，其中：至少一分析單元(9)利用該至少一感測器(8)的輸出信號對時間積分測定該偏差值。
  11. 如申請專利範圍第10項之方法，其中：該偏差值係由該對磁場敏感的感測器元件的輸出信號對時間的積分求出。
TW099144128A 2009-12-18 2010-12-16 多相／直流電壓轉換器及控制多相／直流電壓轉換器的方法 TWI521846B (zh)

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