专利名称：包括电荷泵电容器的dc到dc电压转换器的制作方法
技术领域：
本发明涉及能量转换领域，且更具体地涉及DC到DC电压转换器，对本领域的技术人员熟知为“DC-DC转换器”。本发明之意图更具体地在于通过限制转换损失来优化机动车辆车载DC-DC转换器以获得在转换器的输出端的稳定电压。
背景技术：
DC-DC转换器能够在机动车辆的各种电子装备中使用。其功能是将输入电压(例如MV)转换为低的输出电压(例如12)，以便对机动车辆的装备供电。当在城市中驾驶时， 公知为“停止和启动”系统的节能系统在车辆停止时通过自动停止发动机来限制能耗，其要求较大数量的电力。当内部内燃机是大型汽缸一(> 1.6L)时正常车载车辆网络的电压 12V-14V不适合于此类型的系统。此类型的系统要求较高的电压(如MV)。在这种情况下， 转换器用来将“停止和启动”系统使用的电压(MV)变换为12V电压由此用于对机动车辆装备供电。也公知为“斩波器”的DC-DC转换器是使用由控制器控制的一个或多个开关的功率电子设备，以便将主电压转变为低输出电压。转变或斩波在非常高的频率中完成以限制转换器的尺寸以及转换器的内部滤波元件的尺寸。由此产生的电压是DC电压。传统上，DC-DC转换器采用电压转换电路的形式，包括输入电压被施加的输入端、 输出电压被采样的输出端、和地，电路形成具有中心的三分支星形。参考图1，利用输入端连接该星形的中心的该电路的输入分支包括叫做上开关Tl 的开关。利用地端连接该星形的中心的该电路的地分支包括叫做下二极管D2的二极管。利用输出端连接该星形的中心的输出分支包括电感L，其中输出电流IL在其中流动。二极管 D2的功能是根据开关Tl的状态允许电流通过或阻断电流。对本领域的技术人员公知为“高端”开关的上开关Tl 一般采用晶体管(MOSFET/双极晶体管)的形式，该晶体管由连接到其端子的控制器(未在图1中示出)单独控制。为了控制器控制上开关Tl以完成其控制功能，它必须连接到低值恒定电势(如12V)。该低值恒定电势完成对该控制器(“驱动器”)供电的功能。上开关Tl 一方面连接到输入端(具有将被斩波的值的电压)，以及另一方面，连接到星形的中心(其电势是可变的)。由于在星形的中心的电势(其碰巧是上开关Tl的控制器的电源的参考电势)的变化，该供电不够稳定。为了对上开关Tl的控制器供电，在DC-DC转换器电路中使用公知的“电荷泵”电容器，更熟知为“自举电容器”。该使用使得在星形的中心的电势的变化问题得到克服。为此，参考图2，“自举电容器”转换器除了输入端、输出端和地之外还包括控制端， 经由控制分支连接到星形的中心。如图2所示，用于控制上开关Tl的模块1与电荷泵电容器C并联地安装在转换器控制分支中。当上开关Tl闭合时，星形的中心的电势(Va)等于输入端的电势(Ue)。电荷泵电容器C为模块1供电(电容器放电)。然后控制模块能够完成其控制上开关Tl的功能。
3
当上开关Tl断开时，由于输出电流IL无法立即在电感L中消除，故二极管D2变为正向偏置。在星形的中心的电势(Va)接地。电容器中的电流减少。也等于星形的中心的电势的模块1的参考电势与地连接。在这种情况下，电压Ud经由二极管Dc (它被正向偏置)和电阻R为模块1供电。 在同时，电容器C重新充电。电阻R的用途是限制电容器C的重新充电电流。如果电流IL是负的，则二极管Dl被正向偏置并且电势Va = Ue0电荷泵电容器C 放电以为控制模块供电。最后，如果输出电流IL是零，电势Va不参考任何电压(浮动电势)，电荷泵电容器 C放电以为控制模块供电。考虑电容器C的充电依靠于输出电流IL的值，电容器C的充电时间可能太短，阻止电容器C的完全重新充电。当电容器C必须为DC-DC转换器控制模块1供电时这干扰输入电压斩波控制。在多个充电/放电循环之后，电荷泵电容器C可能没有被充分地充电以为控制模块供电。一个解决方案将是保证电感L的最小电流以保证当开关Tl断开时二极管D2的导通时间。可是，在电感中的不必要电流将导致次级网络(输出S)中的过压。另一解决方案包括增加在上开关Tl的断开和闭合之间的开关频率。可是，与开关动作关联的能量损耗则太大。
发明内容
本发明的一个目的是保证电荷泵电容器的充电时间以便优化电压斩波。本发明涉及DC到DC电压转换器，包括输入端、输出端、控制端和地，形成具有中心端的四分支星形电路，输入电压计划要施加在输入端和地之间，该转换器包括-上开关，安装在以星形的中心端连接输入端的星形的分支中，被安排来在断开和闭合中受到控制以斩波输入电压；-下开关，安装在将星形的中心端连接地的星形的分支中，被安排来在断开和闭合中受到控制；-用于控制上开关和下开关的部件；-电荷泵电容器，与控制部件并联安装，被安排来维持在用于控制上开关的部件的端子上的预定的电压范围；转换器特征在于如下事实-控制部件被安排从而闭合下开关以便当上开关断开时施加零电势在星形的中心端上，以便迫使电荷泵电容器进行充电。由于本发明，充电泵电容器在它必须对上开关的控制模块供电时被充分地充电。 因此控制部件完成斩波控制功能和电容器的强制充电的功能，这保证了斩波的质量。这些控制部件可以采用用于每个开关的单独控制模块的形式，或采用集成两个控制器的单个模块的形式。在汽车领域，充电泵电容器被安排来维持用于控制上开关的部件的端子上的一般从10到15V的电压范围。充电泵电容器的充电不依靠于输出电流的值，因为当上开关断开时，参考电势维
4持在完美的零值以保证电容器的快速和有效的重新充电。下开关的使用已在现有技术中公知，其包括低值内部电阻，用于减少与用于高强度电流的转换关联的损耗。可是，该下开关不是控制用于迫使电容器的充电的目的。根据本发明的一个特定实施例，所述转换器包括电感，安装在以星形的中心端连接输出端的星形的分支中，输出电流在所述电感中流动。控制模块在充电该电容器的预定时间期间闭合下开关。当上开关断开时，输出电流逐渐减少。如果下开关也断开，则电流自然地稳定在零值，然后星形的中心端的电势浮动。但是如果控制模块维持下开关闭合以在星形的中心端上施加零电势，则输出电流不稳定在它的零值，因为它下降(由于下开关依然闭合)并且可以获得负值。由于优选的实施例，其中当输出电流是正时该控制模块仅强加下开关的闭合(并因此强迫充电泵电容器的充电)，强制的充电在其达到零值之前暂停。输出电流然后稳定在零值并且参考电势维持在(浮动)电势。优选地，控制模块在上开关的断开之后马上在星形的中心端上施加零电势。优选地，控制模块被安排来当上开关在恢复时间段期间断开时闭合下开关，该恢复时间段至少等于Tmin = 3x RC ( μ s)(简化的等式)示例为，R= 2. 4 Ω 和 C = 470nF — Tmin = 3x 2. 4 Ω χ 470nF = 3· 4 μ s。本发明还涉及用于控制如上定义的转换器的方法，其中控制模块被编程从而闭合下开关以便当上开关断开时施加零电势在星形的中心端上，以便迫使电荷泵电容器进行充 H1^ ο本发明也涉及一种用于编程如上定义的转换器的控制模块的方法，其中控制模块被编程从而闭合下开关以便当上开关断开时施加零电势在星形的中心端，以便迫使电荷泵电容器进行充电。
在附图的帮助下，本发明将被更好地理解，其中图1是根据现有技术的半桥转换器的示意表示。图2是根据现有技术的具有电荷泵电容器和控制电路的转换器的示意表示。图3是本发明的具有由控制模块控制的下开关的转换器电路的示意表示。图4示出一时序图，其中在图3的电路的不同点的电势的值和输出电流的值根据开关的不同位置而示出，当在电感的输出电流是负时控制模块命令下开关的断开；以及图5示出一时序图，其中当在电感的输出电流是正时控制模块命令下开关的断开。
具体实施例方式本发明涉及诸如机动车辆的车载之类的DC到DC或DC-DC电压转换器。转换器是包括转换电路的设备用于将一个电压转换为另一电压或电流强度。参考图3，转换器的电路包括输入端E、输出端S、控制端D和地M，形成具有中心端0的四分支星形电路。转换器的转换电路包括上开关Tl，对本领域的技术人员公知为“高端”开关，安装在以星形的中心端O连接输入端E的星形的分支中，上开关Tl被安排来在断开和闭合中受到控制，也即，在断开位置和闭合位置之间移动。该转换电路还包括下开关T2，对本领域的技术人员公知为“低端”开关，安装在以星形的中心端0连接地端M的星形的分支中，也被安排来在断开和闭合中受到控制。在该实例中是MV的输入电压Ue被施加在输入端E和电路的地之间。在此应注意考虑到该开关T2连接到电路的地，下开关T2的控制不会造成任何问题；因为控制连接到恒定低值电势的开关很简单。这里上开关Tl和下开关T2采用MOSFET或双极或IGBT类型的晶体管。它们每个分别耦接到高电流二极管Dl和低电流二极管D2。高二极管Dl和低二极管D2每个并联连接所述上开关Tl和下开关T2。转换电路包括电感L，安装在以星形的中心端0连接输出端S的星形的分支中，输出电流IL在所述电感L中流动。电压转换器的功能是在其输出端提供针对电流消耗装置的输出电流IL或提供在输出端S被采样的电压。这里电感采用线圈L的形式但是任何其他电流消耗装置也是适合的。转换电路还包括用于控制上开关Tl的模块10，以及用于控制下开关T2的模块 20，其中上开关Tl安装在以星形的中心端0连接控制端D的星形的分支中。控制模块10， 20形成控制开关Tl、T2的部件。这里每个控制模块10，20是晶体管“驱动器”。更熟知为 FPGA或“现场可编程门阵列”的可编程逻辑电路被用于发送逻辑信号到模块10。控制模块10通过在转换电路的控制端D及它的地M之间施加的控制电压Ud来供电。控制模块必须使用用于控制元件的参考；如前所述的，转换电路的控制模块10使用浮动的、星形的中心端O的电势Va作为参考。为了补偿在该参考电势Va(下文中称为“参考电势Va”)中的变化，转换电路也包括电荷泵电容器C，与控制模块10并联连接在转换器的控制分支上。参考图3，电阻R和充电二极管Dc串联安装在介于控制端D与控制模块10和充电泵电容器C的并联组合之间的控制分支中。充电二极管Dc有利地防止电流流到控制端，电阻R调节在控制分支中电流的值。本发明的转换电路的控制模块10被安排来以便当上开关Tl断开时，通过对参考电势Va施加零电势而迫使充电泵电容器C的充电。在该示例中，在上开关Tl断开之后，控制模块10闭合下开关T2达恢复时间段t 使得充电泵电容器C被重新充电。因此，有利地，参考电势Va连接到转换电路的地，促使充电泵电容器C的强制充电。参考图4的时序图，在电压斩波操作期间，当上开关Tl闭合(Tl = 1)并且下开关 T2断开(T2 = 0)时，参考电势Va等于输入端(E)的电势，也即等于输入电压化。充电泵电容器C通过为控制模块10供电而放电，在充电泵电容器C的端子处电压的值Vc减少。同时上开关Tl闭合(Tl = 1)，输出电流IL增加。在转换器的输出端⑶的输出电压化增加。下文中，并且方便起见，上开关Tl的闭合的时间段被称为“正斩波时间段Ml”而上开关Tl的断开的时间段称为“负斩波时间段m”。
在正斩波时间段Ml结束时，控制模块10控制上开关Tl的断开(Tl = 0)；然后输出电流IL开始在安装于输出分支的电感L中减少。在短的开关时间段t。。m(图4中不可见)之后，控制模块10控制下开关T2的闭合 (T2 = l)。优选地，控制模块10这样配置以使得开关时间段t-是尽量的最短。可是，开关时间段t。。m不是零以便限制短路的风险，如果开关Tl和T2在相同时间闭合将发生短路。在下开关T2的闭合之后，参考电势Va连接到转换电路地达恢复时间段、_，在该时间段中充电泵电容器C重新充电。恢复时间段tM。up以所需时间形成从而充电泵电容器 C能够被充分地重新充电。充电泵电容器C被充分地重新充电，上开关Tl能够被非常精确地控制，充电泵电容器C补偿在星形的中心端0的电势Va中的变化。通过控制模块10的开关T2的控制由此用来优化充电泵电容器C的充电，因此优化上开关Tl的控制，和作为结果的斩波和由此的电压转换的质量。在恢复时间段、_结束时，下开关T2移动到断开位置(T2 = 0)并且上开关Tl 维持在断开位置(Tl = 0)；然后输出电流IL开始增加随后稳定在零值。只要输出电流IL在电感L中为负并且下开关T2断开，则考虑到上二极管Dl正向偏置，参考电势Va等于电路的输入端E的电势。当输出电流IL在电感L中变为零时，上二极管Dl被阻断并且参考电势Va变为浮动。根据本发明的另一实施例，参考图5，仅当输出电流IL在电感L中为正时控制模块 10控制下开关T2的闭合；换句话说，在输出电流IL达到零值之前其控制开关T2的重新断开。因此，发现输出电流为负值的风险被约束，如前解释的，这将会有参考电势Va将获得输入端E的电势的值的结果，这对控制模块10的控制的质量是有害的，该输入电势相对地高。 参考图5，下开关T2在时间t_p2的时间段期间闭合，在此时间段中输出电流IL在电感中总是负的。优选地，控制模块10控制下开关T2在上开关Tl的断开之后马上闭合，这使得下开关T2能够闭合的时间段被优化并且输出电流维持正的。根据本发明的优选实施例，在对应于充电泵电容器C的最小充电时间的恢复时间段、_期间控制开关T2的闭合。通过限制开关T2的闭合的持续时间，让输出电流获得负值的风险进一步被约束。作为示例，对于470nf的充电泵电容器C、15伏特的控制电压Uc和2. 4欧姆的电阻 R，计算出3. 4μ S的恢复时间。简化的等式Tmin = 3x RC = 3x 2. 4 Ω χ 470nF = 3. 4μ s。
权利要求
1.一种DC到DC电压转换器，包括输入端(E)、输出端⑶、控制端⑶和地(M)，形成具有中心端(0)的四分支星形电路，输入电压计划要施加在输入端和地之间，该转换器包括-上开关(Tl)，安装在以星形的中心端(0)连接输入端(E)的星形的分支中，被安排来在断开和闭合中受到控制以对输入电压斩波；-下开关(T2)，安装在将星形的中心端(0)连接地(M)的星形的分支中，被安排来在断开和闭合中受到控制；-用于控制上开关(Tl)和下开关(T2)的部件(10、20)；-电荷泵电容器(C)，与控制部件(10、20)并联安装，被安排来维持在用于控制上开关 (Tl)的部件(10)的端子上的预定的电压范围；转换器特征在于如下事实-控制部件(10、20)被安排从而闭合下开关(T2)以便当上开关(Tl)断开时施加零电势在星形的中心端(0)上，以便迫使电荷泵电容器(C)进行充电。
2.根据权利要求1所述的转换器，包括电感(L)，安装在以星形的中心端(0)连接输出端⑶的星形的分支中，输出电流(IL)在所述电感(L)中流动，其中只要输出电流(IL)为正，控制部件(10、20)就仅闭合下开关。
3.根据权利要求1和2中一个所述的转换器，其中控制部件(10、20)在上开关(Tl)的断开之后马上在星形的中心端(0)上施加零电势。
4.根据权利要求3所述的转换器，其中控制部件(10、20)被安排从而当上开关(Tl)断开达恢复时间段⑴时闭合下开关(T2)，该恢复时间段至少等于电容器(C)的值与在该电容器和控制端(D)之间存在的电阻(R)的值的乘积的三倍。
5.一种用于控制如权利要求1到4中一个所述的转换器的方法，其中控制部件(10、 20)被编程从而闭合下开关(T2)以便当上开关(Tl)断开时施加零电势在星形的中心端 (0)上，以便迫使电荷泵电容器(C)进行充电。
6.一种用于编程用于如权利要求1到4中一个所述的转换器的控制部件(10、20)的方法，其中控制部件(10、20)被编程从而闭合下开关(T2)以便当上开关(Tl)断开时施加零电势在星形的中心端(0)上，以便迫使电荷泵电容器(C)进行充电。
全文摘要
本发明涉及一种DC到DC电压转换器，包括电荷泵电容器(C)，与用于控制开关(T1、T2)的部件(10、20)并联安装，被安排来维持在用于控制上开关(T1)的部件(10)的端子上的预定的电压范围。该控制部件(10、20)被安排从而闭合下开关(T2)以便当上开关(T1)断开时施加零电势在星形的中心端(O)上，以便迫使电荷泵电容器(C)进行充电。
文档编号H03K19/0175GK102301575SQ200980155561
公开日2011年12月28日 申请日期2009年12月15日 优先权日2008年12月22日
发明者J-M.劳伦特 申请人:法雷奥电机控制系统公司