专利名称：Voltage step-up circuit的制作方法
技术领域：
本发明涉及电压升压(Step-up)电路。本发明的一个特别有利的应用在于由机动 车的车载网络(12V电池电压)供电且为电源桥提供电源以便控制具有可变电感的电机的 电流的12V/42V DC/DC电源转换器的领域。
背景技术：
12V/42V DC/DC电源转换器因此常常用作H功率桥(也称为单相或多相“四象限” 桥)的电压源。这些桥特别地用于控制电磁阀致动器(actuator)电流(“无凸轮(camless) ” 系统)。使用电压升压电路实现这样的DC/DC转换器。图1中示出电压升压电路1的一个 示例，也称为“增压”型电路。电路1包括-诸如来自机动车的电池的电压的电压源2，包括第一和第二端子(该情况下的+ 端子和地)；-电感器3，其第一端子连接到电压源2的+端子；- 二极管4，其正极连接到电感器3的第二端子；-电容器5，其第一端子连接到二极管4的负极；-诸如M0SFET场效应晶体管的电流开关6，连接在电感器3的第二端子与地之间； 和-第二电流开关7(其可以是M0SFET晶体管或继电器型机电元件)，连接在电压源 2的+端子与电感器3的第一端子之间(注意该第二开关也可以连接在电容器5的第二端 子与地之间)。依赖于开关6的状态可以将“增压”电路1的操作划分为两个不同的阶段-能量积累阶段当开关6闭合(接通状态)时，这导致电感器3中电流增加，从 而以磁能的形式存储一些能量。二极管4随后被阻断且电容器5从电源断开连接。-当开关6断开时，电感器3与发电机串联且其emf(电动势)被添加到发电机的 emf (增压效应)。通过电感器的电流随后通过二极管4和电容器5。结果将积累在电感器 3中的能量转移到电容器5。仅当电容器5的端子处的电压Vs大于电压Ve (电池电压)时该放电才是可能的。 输出电压Vs因而实质上连续且其值依赖于Ve、以及来自开关6的脉冲控制信号的占空因数 a = t/T，其中T是一个周期中控制信号的高状态时间，而T是控制信号的周期。这意味 着利用PWM(脉宽调制)控制充电电流。在这种情况下，Vs = Ve/(l-a)且输出电压总是 大于输入电压(占空因数在0和1之间改变)并随着a增加。电容器5常常由化学电容器形成，其具有连接到二极管4的负极的正电极。化学 电容器的使用在要求大量保存能量的应用中常常是不可避免的。实践中，所述化学电容器 具有最佳的能量密度。
然而，这些化学电容器的使用造成许多问题。从而，化学电容器具有产生较大泄漏电流的缺点，这特别地会在由机动车的电池 供电的应用中造成麻烦。如果电器维持关机足够长，则泄漏电流可以造成电池的深度放电。 就是这样的情况，例如，连接到处于停车模式的车辆的12V电池的转换器。因而有必要断开 电容器以减少泄漏电流。具体地，电磁阀系统要求转换器不仅从车载网络产生适合于阀致 动器的电源网络(在本情况中，42V网络)，而且更重要地，将12V车载网络从42V辅助网络 去耦合(decouple)。有效地，致动器的控制产生非常高的低频谐波比率。为了限制车载网 络上的电流波动从而保存电池，必须增加42V网络的电容。因此高值电容排是必需的，其具 有与停车模式规范不兼容的泄漏电流。用于解决与泄漏电流有关的问题的一个已知的解决方案在于使用开关7来断开 这些电容器。因此，在停车模式下断开开关防止了任何的电流泄漏，从而防止了放电电池的 任何危险。然而，实现该解决方案引起一些困难。从而，如上所述，仅当电容器5的端子处的电压Vs大于电压Ve时控制电路1中的 电流才是可能的。当输出电压低于输入电压时电路1无法控制电流。当输出电压Vs是零 时在每次通电(开关7闭合)时遭遇该情况，因为存储电容器5被放电。电容器5的电荷 产生无法由电路1控制的电流。电流涌入仅受到线路电阻器的限制。充电时间由电容器和 这些线路电阻器的大小来定义。当通电时，输出电容器5被突然充电直到输出电压达到接 近于输入电压的平衡值。在电容器电荷通过电阻器的情况下，考虑到转移的一些能量被耗 散。该能量在较短的持续时间内被耗散。涉及的功率会是破坏性的。的确，涌入电流能够 达到超过该电流流经的元件(特别是用来通电的开关7)的规范的值。在机械或机电开关 的情况下，电流涌入导致在电弧效应下触点的毁坏或磨损。在电源线缆与诸如电池的具有 低内部电阻的电压源之间直接接触的情况下，电弧能够导致接触点中的金属熔化并飞溅出 来。在M0SFET晶体管型的固态开关的情况下，电流涌入能够由于激烈的局部过热而引起其 毁坏或过早老化，特别是在元件具有低热容量时。涌入电流还会引起其他损害，诸如在其内部电阻太大时电压源的崩溃。注意到，即便没有通电开关7，相同的缺点会转移到位于涌入电流经过的回路中的 任何其他的开关。已知能够用来限制该涌入电流的解决方案这些限制电路的原理是通过热耗散来 限制电流涌入。当输出容量高时限制电路全部变得更加有用。图2示出限制电路的第一示例10。除了包括串联安装在电容器5的第二端子与地 之间的晶体管8之外，电路10和图1的电路1相同(共同的元件具有相同的参考数字)。 晶体管8可以是双极型晶体管、或者M0SFET或JFET型的场效应晶体管。该解决方案涉及 通过晶体管8的线性模式操作来控制电容器5的充电电流。在已经激活限制功能之后，该 晶体管也能够充当将电容器5隔离或与地连接的开关(饱和模式)。对于高电容值，晶体管 的数量可能较大，特别是允许用于预充电的时间很短时。大量的晶体管导致显著地超出成 本。此外，线性模式下晶体管的并联连接增加了电路的复杂度，因为电流的平衡不自然。另一解决方案涉及通过串联电阻器来限制涌入电流。该方案由图3中表示的电路 20来说明。
除了包括串联安装在电容器5的第二端子与地之间的开关9、以及与开关9并联 安装的电阻器11之外，电路20和图1的电路1相同(共同的元件具有相同的参考数字)。 于是涌入电流由电阻器11来限制。可以利用开关9将电容器与地隔离开或连接。可是，图2和3中所示的解决方案同样造成某些困难。从而，特别在控制电磁阀的情况下，启动的延迟(即，在驾驶员转动点火钥匙的时 刻与系统应当就绪的时刻之间的延迟)是相对短的延迟，总共为300ms的量级。另外，在此 延迟期间，必须进行除了电容器的预充电之外的许多其他动作(诊断、复位、启动电源等) 因此，为电容器5的预充电保留的时间极少。图2或图3的解决方案的任意一个都具有通 过热耗散限制电流的缺点。在必须迅速预充电的情况下，要耗散的功率较大并且导致与该 功能在产品的生命周期中的使用时间相比该电路相对较笨重且昂贵。给出个概念，如果期 望在4.7ms (RC值)内预充电，则可以采用R = 0. 的电阻器10和电容C = 47mF的电容 器5。通过采取10V的输入电压值Ve(电池电压常略微小于12V)并通过按Ve/R估计涌入 电流的最大值，获得100A量级的涌入电流、或1000W量级的耗散功率。因此，耗散功率非常 大。即便电阻器具有低值，这样的配置要求非常大的尺寸的功率电阻器。仅能够使用通孔 安装电阻器，并且无法考虑使用SMC(表面安装元件)；甚至可能有必要使用并联的两个电 阻器。因此不难看出这些解决方案不仅导致空间的损失而且导致显著超出成本。
发明内容
在这种背景下，本发明的目标是提供一种电压升压电路，借以经济地提供电容性 元件的迅速预充电同时减少由形成所述电路的元件占用的空间。为此，本发明提出一种电压升压电路，包括-电压源，包括第一和第二端子；-至少一个电感器，其第一端子连接到所述电压源的所述第一端子；-至少一个二极管，其正极连接到所述电感器的第二端子；-至少一个电容器，其第一端子连接到所述二极管的负极；-至少一个电流开关，连接在所述电感器的所述第二端子与所述电压源的所述第 二端子之间；和-第二电流开关，连接在所述电容器的第二端子与所述电压源的所述第二端子之 间，所述电路的特征在于，其包括用于使能电流从所述电容器的所述第二端子流向所 述电压源的所述第一端子的部件。术语“电容器”应该理解为意味着任何类型的电容性存储(capacitivecharge) 其可以是单个电容器，但是也可以是包括串联或并联安装的多个电容器的电容排。类似地， 术语“电感器”涵盖单个电感器但是也包括串联或并联安装的多个电感器。依靠本发明，提出的配置通过使用使控制电流成为可能的结构来提供不通过热耗 散限制电流的优点。使能电流从所述电容器的第二端子(在化学电容器的情况下为它的负 电极)流向所述电压源的第一端子(在车辆电池电源的情况下为电池的正极端子)的部件 的添加使得有可能控制电容排的充电电流。这些部件典型地由二极管构成。通过经过该二 极管将电容器的负极连接到电池而非接地，允许源自电感器的去磁的充电电流流出。
此外，除了在升压电路中经常发现的损失之外，该解决方案不会耗散额外的热，不 同于基于限制电阻器或线性模式晶体管的电流控制。根据本发明的电路使得有可能废除引 发显著超出成本的电源组件的使用。此外，该配置不会改变电压升压电路的操作并且使得有可能通过传统PWM控制充 电电流，以及这样做不用顾及电容排的充电的状态。第二开关用来将电容性组件与地断开 (和再连接)。根据本发明的系统还可以具有以下的单独地、或根据全部技术上可行的组合考虑 的一个或多个特征。特别有利地，用于使能电流从所述电容器的所述第二端子流向所述电压源的所述 第一端子的所述部件由第二二极管形成，其正极连接到所述电容器的所述第二端子且其负 极连接到所述电压源的所述第一端子。本发明特别有利地适用于所述至少一个电容器是化学电容器的情况。根据有利的实施例，根据本发明的电路包括第二电容器，其连接在所述至少一个 二极管的负极与所述电压源的所述第二端子之间。根据另一有利的实施例，根据本发明的电路包括-n个电感器Lbi，i的范围从1到n，且n是大于或等于2的自然数，每个电感器 Lbi以其第一端子连接到所述电压源的所述第一端子；-n个二极管Dbi，i的范围从1到n，每个二极管Dbi以其正极连接到所述电感器 Lbi的所述第二端子；和-n个电流开关Mbi，i的范围从1到n，每个开关Mbi连接在所述电感器Lbi的所 述第二端子与所述电压源的所述第二端子之间，而且每个开关Mbi被控制为使得其在其他 开关断开时被闭合，所述至少一个电容器以其第一端子连接到每个所述二极管Dbi的负极。
有利地，所述电压源由机动车的电池形成。有利地，根据本发明的电路将12V DC电压转换为42V DC电压。本发明的另一主题是将根据本发明的电路用于为H桥供电以便控制电控制部件 中的电流，所述至少一个电容器的端子处的电压形成电源电压。有利地，将该电部件包括在提供有致动部分的致动器中，所述电部件控制所述致 动部分的运动。优选地，所述致动器是用于电磁阀的致动器。
通过以下参考附图作为指示且以非限制性方式给出的说明，本发明的其它特征和 益处将变得无疑地更明了，其中图1是说明现有技术的电压升压电路的电子结构的图示；图2和3均说明根据现有技术的包括电流限制器电路的电压升压电路；图4表示根据本发明的电压升压电路；图5和6说明如图4表示的根据本发明的电压升压电路的电流限制器模式操作；图7表示在电容器预充电阶段期间作为时间的函数的电势Vs的趋势；
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图8表示根据本发明的第二实施例的电压升压电路；以及图9表示根据本发明的第三实施例的电压升压电路。在全部图中，给予公共元件相同的参考数字。
具体实施例方式已经参考现有技术描述图1到图3。图4表示根据本发明的电压升压电路100。电路100包括-诸如来自机动车的电池的电压的电压源S，包括传递输入电压Ve的第一和第二 端子(在这种情况下，+BAT端子和地)；-电感器Lb，其第一端子连接到电压源S的+BAT端子；- 二极管Db，其正极连接到电感器Lb的第二端子；-化学电容器类型的电容器Cb，其第一端子(正电极)连接到二极管Db的负极 (注意到，该电容器Cb通常不是单个的，而是常常由电容排构成)；-诸如M0SFET场效应晶体管的电流开关Mb，连接在电感器Lb的第二端子与地之 间；-第二电流开关M(其可以是M0SFET晶体管或继电器型机电元件)，连接在电容器 Cb的第二端子(负电极)与地之间；和-第二二极管D，其正极连接到电容器Cb的负电极且其负极连接到+BAT端子。通过具有占空因数a和开关周期T的PWM型控制来控制开关Mb。在具有涌入电流限制的电容器Cb的预充电期间，开关M断开以使得电容器Cb的 第二端子(负电极)没有连接到地而是连接到电池。参考图5和6说明电路100在涌入电流限制器模式下的操作。在每个图中，粗体 箭头指示电流的方向。如图5所示，当开关Mb导电时(Mb的控制信号从0变化到a T)，电感器Lb被磁化 并因此存储能量，该能量当开关Mb断开时释放。在开关Mb断开之后(Mb的控制信号从a T变化到T)，如图6所示，二极管Db和D 依次导电且能量由此从电感器Lb传递到电容器Cb。当开关Mb再次导电时，所述二极管被阻断而电容器无法释放其能量。所述能量因 此在每个开关周期T中被累积。第二二极管D的添加、以及将电容器Cb的负电极从地断开连接使得有可能控制电 容排Cb的充电电流。通过将电容器Cb的负极连接到电池而非经过该开关连接到地，允许 源自电感器Lb的去磁化的充电电流流动。该配置不改变电路100在电压升压模式下的操 作，并使得有可能通过传统的PWM控制该充电电流以及这样做不用顾及电容排Cb的充电的 状态。除了通常在转换器中发现的损失之外，该解决方案不会耗散额外的热，不同于基 于限制电阻器或线性模式晶体管的电流控制。注意到，在开始，开关M断开以获得电容器Cb的预充电而没有涌入电流(S卩，具有 受控的电流)。当电容器Cb的端子处的电压Vc等于Ve (或甚至略大以避免任何涌入电流)时，可以将M闭合以作为电压升压电路操作。还注意到，电势Vs (与电容器Cb的正电极对应的点S相对于地的电势)在电容器 Cb的预充电阶段期间不是连续的。图7通过将电压Vs表示为时间的函数来说明该现象。按照PWM的频率(在与电磁阀有关的应用的情况中为70KHz的量级)将电势Vs切 换(斩波)。实践中，当开关Mb导电时，二极管Db和D被阻断，这将电势Vs设置为在0和Vc 之间变化的电压。当开关Mb断开时，二极管Db和D导电，这将电势Vs设置为Ve+Vfd+Vc， 其中Vfd表示二极管D的端子处的电压降。在其中电压Vs在电容器的预充电阶段期间不得不展示尽可能少的不连续性的应 用中，图8和9示出两个解决方案。从而图8表示根据本发明的第二实施例的电压升压电路200，其避免了 Vs的不连 续性问题。除了其包括在二极管Db的负极与地之间连接的额外的电容器C之外，电路200和 图4的电路100相同。该电容器的端子处的电压值因此等于电势Vs的值。电容器C是具有低泄露电流和低值(可以使用低电容“薄膜”或陶瓷型电容器)的 电容器。将电容器c连接在地与输出S之间以在开关Mb导电时维持电势VS。电容器C被 永久地连接，以使得其最初按电池电压(允许电压降)充电。当开关Mb导电时，将电势Vs 维持在电容器C的充电电压。电容器C为连接到输出端的可能的负载提供电流。当开关Mb 断开时，二极管Db和D导电并且该电流不仅充电电容器C而且还充电电容排Cb。C的端子 处的电压跟随由电容排Cb施加的电压。它们的等级(ratings)显然依赖于启动时连接到 输出端的负载。图9表示根据本发明的第三实施例的电压升压电路300，其也避免了 Vs的不连续 性问题。不同于图4和图8的作为单个单元的电路的电路100和200，电路300是多单元 电路；换句话说，该电路300包括n个单元，每个由电感器-二极管-开关三个一组(Lbi、 Dbi、Mbi) (i的范围从1到n，n是严格地大于1的自然数)构成。在图9的示例中，n等于 2。每个电感器Lbi以其第一端子连接到+BAT端子。每个二极管Dbi以其正极连接到电感器Lbi的第二端子。每个开关Mbi连接在电感器Lbi的第二端子与地之间。要被预充电的电容器Cb以其第一端子(正电极)连接到每个二极管Dbi的负极。同电路100和200 —样，电路300包括-电流开关M，连接在电容器Cb的负电极与地之间；和- 二极管D，其正极连接到电容器Cb的负电极且其负极连接到+BAT端子。因此，在该情况下，存在形成几个升压电路的并联的几个单元。这些单元并不同步 从而各个开关Mbi不会一起闭合(它们每个依次闭合)。这种类型的多单元配置减少了电 容器Cb的充电电流的波动(显然，必须有足够的单元来保证用于电容器Cb的充电连续性； 即，n常常大于2)。多单元配置相比于单个单元的优点在于，其极大地减少了电流波动(为 获得与单个单元系统相同的波动，将需要非常高的值的电感器)并且分散(distribute) 了 功率。
各单元之间的相位差确保在每个瞬间至少一个二极管Dbi在导电。因此，电势Vs 被维持在值Ve+Vfd+Vc，其中Vfd表示二极管D的端子处的电压降。在图9示出的示例中， 开关Mbl被闭合(因此开关Mb2断开)且二极管Db2导电。斜线和粗体箭头分别指示取决 于电流阶段是电感器Lbl的磁化阶段还是电容器Cb的预充电阶段的电流的两种可能的路径。当然，本发明不局限于刚刚描述的实施例。特别地，已经在使用二极管以使得有可能将电容器的底部连接到+BAT端子的情 况下更具体地描述了本发明，但是也可以使用使得电流从电容器的第二端子流向+BAT端 子的其他装置；因此有可能使用在电容器的负电极与+BAT端子之间串联的开关，当开关Mb 断开的时候该开关被闭合。类似地，实施例描述了实现M0SFET晶体管用作开关，但是也可以使用其他类型的 晶体管(例如IGBT)而不脱离本发明的框架。最后，任何装置可以由等价的装置替换。
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权利要求
一种电压升压电路(100)，包括 电压源(S)，包括第一端子(+BAT)和第二端子； 至少一个电感器(Lb)，其第一端子连接到所述电压源(S)的所述第一端子(+BAT)； 至少一个二极管(Db)，其正极连接到所述电感器(Lb)的第二端子； 至少一个电容器(Cb)，其第一端子连接到所述二极管(Db)的负极； 至少一个电流开关(Mb)，连接在所述电感器(Lb)的所述第二端子与所述电压源(S)的所述第二端子之间；和 第二电流开关(M)，连接在所述电容器(Cb)的第二端子与所述电压源(S)的所述第二端子之间，所述电路(100)的特征在于，其包括允许电流从所述电容器(Cb)的所述第二端子流向所述电压源(S)的所述第一端子(+BAT)的部件(D)。
2.如权利要求1所述的电路(100)，其特征在于，用于允许电流从所述电容器(Cb)的 所述第二端子流向所述电压源(S)的所述第一端子(+BAT)的所述部件由第二二极管(D) 形成，其正极连接到所述电容器(Cb)的所述第二端子，而其负极连接到所述电压源(S)的 所述第一端子(+BAT)。
3.如前述权利要求中的一个所述的电路(100)，其特征在于，所述至少一个电容器 (Cb)是化学电容器。
4.如前述权利要求中的一个所述的电路(200)，其特征在于，其包括第二电容器(C)， 连接在所述至少一个二极管(Db)的负极与所述电压源(S)的所述第二端子之间。
5.如权利要求1到3中的一个所述的电路(300)，其特征在于，其包括-η个电感器Lbi，i的范围从1到n，且η是大于或等于2的自然数，每个电感器Lbi以 其第一端子连接到所述电压源(S)的所述第一端子(+ΒΑΤ)；-η个二极管Dbi，i的范围从1到n，每个二极管Dbi以其正极连接到所述电感器Lbi 的第二端子；和-η个开关Mbi，i的范围从1到n，每个开关Mbi连接在所述电感器Lbi的所述第二端 子与所述电压源(S)的所述第二端子之间，而且每个开关Mbi被控制为使得其在其他开关 断开时被闭合，所述至少一个电容器(Cb)以其第一端子连接到每个所述二极管Dbi的负极。
6.如前述权利要求中的一个所述的电路，其特征在于，所述电压源由机动车的电池形成。
7.如前述权利要求中的一个所述的电路，将12VDC电压转换为42V DC电压。
8.—种如权利要求1到6中的一个所述的电路的用途是为H桥供电以便控制电控制部 件中的电流，所述至少一个电容器的端子处的电压形成电源电压。
9.如前述权利要求所述的用途，其特征在于，将该电部件包括在提供有致动部分的致 动器中，所述电部件控制所述致动部分的运动。
10.如前述权利要求所述的用途，其特征在于，所述致动器是用于电磁阀的致动器。
全文摘要
文档编号H02M3/155GK101953059SQ20088011645
公开日2011年1月19日 申请日期2008年11月20日 优先权日2007年11月20日
发明者Roux Jean-Baptiste, Bendani Larbi, De Sousa Luis 申请人:Valeo Sys Controle Moteur Sas