专利名称：直接直流转换器(直流调节器)的制作方法
直接直流转换器(直流调节器)本发明涉及一种直流电压变换器，其带有初级侧和以电流方式与初级侧耦合的次 级侧。
现有技术 使用的高伏特或牵引用电池用于混合驱动的电机的供电，在其后连接逆变器。高 伏特电池的额定电压大约在100V-300V之间。基于电池内阻，在逆变器的中间回路上的电 压视电机的运行方式(电动的或发电的)、以及视电传输功率而定地大约在50V和400V之 间。高的中间回路电压使得可以节约在逆变器、在机动车使用的电缆束及在电机中的成本 和结构空间。为了实现这一点，为了提升电压，使用一个单相或多相的升压变流器。传统的 升压变流器有扼流圈，它与电容器、二极管一起并且借助开关产生短暂升高的电压。在混合 驱动中使用这样的升压变流器缺点是，需要扼流圈有非常高的感应值，这会导致高成本和 大的所需结构空间。此外，使用在开关时招致电流跳变的半导体作为开关，这导致高的电能 损耗和因而导致大的所需半导体面积，其同样需要相应的结构空间并且产生高成本。此外， 电流跳变会导致环境的高电磁负荷。本发明的任务在于，以低成本方式并且在节约结构空间情况下来实现直流电压的升高。本发明的优点按照本发明，该任务以如下方式被解决初级侧具有至少一个扼流圈，次级侧具有 至少两个串联联接的次级电容器，其中在初级侧和次级侧之间设置一个可控制的或可调节 的电子开关装置，该电子开关装置在第一运行方式下取决于开关(schaltabhaengig)地通 过扼流圈给次级电容器充电，各个充电过程大致在各个充电电流的过零处结束。在第一运 行方式下，位于初级侧的直流电压借助直流电压变换器被升高，并且从次级侧被输出。在此 尤其规定初级侧配设有高压电池，而次级侧配设有电机。电机优选为混合驱动的动力装 置。从而产生了针对第一运行方式的电动运行。基于各个充电过程都大致在各个充电电流 过零处结束，可以防止开关装置在开关时产生电流跳变。这又使得，在开关装置上只发生很 少的损失。而且，基于发明的方法，可在开关时防止出现电流跳变，其方式是在过零处进行 开关，环境的电磁负荷明显减少。为了持续的升高直流电压，次级电容器周期性的被充电和 放电。按照发明优选的改进方案而规定，扼流圈和开关装置的开关频率被设定 (bemessen)为使得各个充电电流具有大致正弦形的半波变化曲线。为了实现上述方案，扼 流圈在直流电压变换器中的谐振特性是特别有利的。由于扼流圈的谐振设计，只需要扼流 圈有很小的感应率值，并且扼流圈可以因此设计得很小。开关频率说明了至少一个开关元 件的开关频度。若充电电流具有大致正弦形的半波变化曲线，则产生的结果为，在每次开关 时存在充电电流的过零。按照发明的改进方案而规定，初级侧具有两个输入端子，在这两个输入端子上连 有初级电容器。使用附加的初级电容器可使得在直流电压变换中初级电容器首先被充电。接着，经由扼流圈和开关装置借助在初级电容器存储的电压给次级电容器充电，由此直流 电压变换可以非常有效并且周期地发生。按照发明的改进方案设置了两个扼流圈，其中一个扼流圈连接在其中一个输入端 子以及开关装置上，而另一个扼流圈连接在另一个输入端子以及开关装置上。两个扼流圈 实现了直流电压变换器电路结构的对称。此外其同时起到滤波器的作用，有利于电磁的兼 容性。
按照发明优选的改进方案而规定，开关装置具有电功率半导体作为开关元件。通 过在充电电流过零处进行开关，在开关装置中使用半导体情况下，仅仅需要小的半导体面 积，因此同样可以节省直流电压变换器的成本和结构空间。按照发明的改进方案而规定，二极管与开关元件并联连接。使用与开关元件并联 的二极管，可使开关元件只能在电流方向上发挥其中断作用。因此，通过二极管能够实现将 电流维持在一个方向上，例如在某时刻从次级侧到初级侧，反之，仅仅在需要时可以通过闭 合开关元件使用相反反向。按照发明的改进方案而规定，至少两个开关元件在构成连接点的情况下被串联连 接，其中扼流圈之一连接到该连接点上、连接到次级电容器之一的串联电路上。在连接点处 使用多个开关元件，可使得在直流电压变换器内的不同电流流动路径被通电。如果除了开 关元件还使用了与之并联的二极管，这样可以实现通过开关这些开关元件确定电流流动 方向。电流回路则借助开关经过二极管以及扼流圈来闭合。在本发明的优选的改进方案中规定，在第二运行方式下开关装置通过至少一个 扼流圈借助相继进行的次级电容器放电来给初级电容器充电，其中相应的充电电流大致 在过零处通过开关装置被切断。第二运行方式导致，充电电流从次级侧被导向初级侧。 在此，在次级侧上存在的直流电压向着初级侧相应地变小。当直流电压变换器可选地用 作升压调节器(Hochsteller)、即用来提高初级侧存在的直流电压，或者作为降压调节器 (Tiefsteller)、即用来降低次级侧存在的直流电压时，则第二运行方式尤其是有利的。当 在初级侧连接了高压电池和在次级侧连接了电机时，则这可以应用。在第一运行方式下，即 在电动运行中，高压电池给电机通电，由此该电机作为电驱动装置起作用。在第二运行方式 下，电机给高压电池通电，由此对其充电，这也被称作发电运行。在直流电压变换器的次级侧上，电势以开关装置的开关频率相对于初级侧上的电 势而偏移。由此可得，在连接在次级回路之后的逆变器处必须浮置地构建中间回路电压供
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附图通过实施例对发明进行了说明，其中图1示出直流电压变换器的电路图，图2示出第一运行方式下第一次级电容器上的充电电流图3示出第一运行方式下第二次级电容器上的充电电流发明的实施形式图1作为电路图示出了直流电压变换器1。直流电压变换器1具有初级侧2和次 级侧3，在它们之间设置了开关装置4。直流电压变换器1有两个输入端子5和6，它们连接 一个没有被示出的高压电池与初级侧2，由此在其上施加了初级电压。在次级侧3上通过两个输出端子7和8连接了一个没有被示出的逆变器，该逆变器被连接在机动车混合驱动装置的电机之前，在输出端子7和8上施加有次级电压。从输入端子5出发，线路9延伸向节 点10。线路11从节点10延伸向扼流圈12，其借助线路13被连接在连接点14上。另一线 路15从节点10出发延伸向初级电容器16，该电容器16通过第二线路17与节点18相连。 节点18经由线路19导向输入端子6。节点18经由第三线路20与扼流圈21相连，该扼流 圈21借助线路22被连接到连接点23。连接点14和23即为初级侧2至开关装置4上的 连接点14和23。开关装置4具有四个开关元件24、25、26和27。每个开关元件24、25、26 和27具有一个输入节点28和一个输出节点29。开关元件24、25、26和27在此被实施为电 功率半导体30。每个电功率半导体30有一个流动方向，该流动方向从其输入节点28导向 其输出节点29。开关元件24、25、26和27分别配设有二极管31、32、33和34。其中二极管 31、32、33和34分别通过线路35与输出节点29相连并且通过线路36与被配设给其的开关 元件24、25、26或27的输入节点28相连。二极管31、32、33和34有一个流动方向，该流动 方向与被配设给其的功率半导体30的流动方向相反。连接点14经由线路37与开关元件 24的输出节点29相连。此外，连接点14通过线路38与开关元件25的输入节点28相连。 在开关元件25的输出节点29处连接有线路39，线路39导向节点40，线路41由节点40延 伸到开关元件26的输入节点28。开关元件26的输出节点29通过线路42与连接点23相 连，连接点23经由线路43被连接到开关元件27的输入节点28。次级侧3借助线路44被 连接到开关元件24的输入节点28，经由线路45被连接到节点40，以及借助线路46被连接 到开关元件27的输出节点29。线路44导向节点47，节点47通过线路48与输出端子7相 连接。另一线路49从节点47导向第一次级电容器50，第一次级电容器50借助线路51被 连接到节点52。节点52还与线路45相连并且具有另外的、第三线路53，该第三线路53导 向第二次级电容器54。线路55连接次级电容器54与节点56，该节点56与线路46和另一 线路57相连。线路57将节点56与连接点8相连。图2示出了具有横坐标轴61以及纵坐标62的笛卡尔坐标系60，该横坐标轴61被 配设有时间t，纵坐标62被配设有在次级电容器50上的充电电流Ip在笛卡尔坐标系中 布置了四个正弦形半波变化曲线63。在半波变化曲线63之间存在时间间隔64，在所述时 间间隔中充电电流I1为零。图3示出了笛卡尔坐标系65，该坐标系65具有横坐标66，横坐标66被配设有时 间t ；以及具有纵坐标67，纵坐标67被配设有在次级电容器54上的充电电流I2。在笛卡尔 坐标系65中示出了正弦形半波变化曲线68。在正弦形半波变化曲线68之间布置有时间间 隔69，在所述时间间隔中充电电流I2为零。图2和3的正弦形半波变化曲线63和68时间上彼此错开，使得半波变化曲线68 处于时间间隔64内，半波变化曲线63处于时间间隔69内。在图1中描述的直流电压变换器1借助固定的系数升高处于输入端子5和6之间 的初级电压。此系数优选是系数2，其中也可以考虑其他的系数，比如系数3、4和5。为此需 要改变直流电压变换器1的设计。在输出端子7和8处输出相应地被升高了的次级电压。 将初级电压升高到次级电压是第一运行方式，其被用于升高高压电池的直流电压并且然后 提供给电机的逆变器，由此第一运行方式被称为电动运行。此外，用所描述的直流电压变换 器1可实现第二运行方式，其中次级电压被输入并且被降至初级电压。这将被用来借助电机给高压电池充电，因此第二运 行方式被称为发电运行。电动运行中电功率被从高压电池转移到电机。同时电荷从初级电容器16分为两 个步骤转移到次级电容器50和54。在第一个步骤中第一次级电容器50首先被充电。在这 种情况下开关元件26闭合并且开关元件24、25和27打开。然后次级电容器50通过二极 管31、开关元件26以及扼流圈12和21被初级电容器16充电。扼流圈12和21的感应率 以与整个电系统谐振的方式进行调谐，使得第一次级电容器50上的充电电流I1具有正的 正弦形半波变化曲线63。如果充电电流I1达到零值时，开关元件26被打开，其中不出现或 者很少出现的电流跳变。第二步骤中实现次级电容器54的充电。为了达到这个目的开关 元件25被闭合并且开关元件24、26和27保持打开。之后次级电容器54通过开关元件25、 二极管34和扼流圈12和21由初级电容器16充电。基于扼流圈12和21感应率的谐振式 设计，针对充电电流I2产生正的正弦形半波变化曲线68。当充电电流I2达到值零时，则开 关元件25被打开，此时没有电流跳变。通过这种方法，电动运行可以持续通过开关元件26 和25的周期的、交替的开关来产生。在发电运行中电机的功率被转移到高压电池。在此电荷从次级电容器50和54分 为两个步骤转移到初级电容器16。在第一步骤中电荷从第一次级电容器50转移到初级电 容器16。为了达到这个目的，首先闭合开关元件24并且使开关元件25、26和27保持在打 开的状态。然后初级电容器16由感应电容器50通过二极管33、开关元件24和扼流圈12 和21被充电。基于扼流圈12和21感应率的谐振式设计，在对初级电容器16充电时产生 带有未示出的负正弦形半波变化曲线的充电电流I:。当充电电流I1达到值零时，开关元件 24被打开，而且不会产生电流跳跃。在第二步骤中电荷被从第二次级电容器54转移到初级 电容器16。为此，首先开关元件27被闭合，开关元件24、25和26保持打开。然后初级电容 器16由次级电容器54通过开关元件27、二极管32和扼流圈12和21充电。基于扼流圈 12和21感应率的谐振式设计，充电电流I2具有未示出的负的正弦形半波变化曲线。如果 充电电流I2达到值零，开关元件27以已经被描述过的、有利的方式被打开。由此得到，来 自发电运行的充电电流I1和I2取带有负号的、来自电动运行的充电电流I1和12。特别的，在推荐的直流电压变换器(1)中，在高压电池的电势与连接在其后的逆 变器中间回路(该逆变器中间回路连接在电机之前)的电势之间的电压跳变是危急的。它 的存在是因为电势差在功率半导体30接通时会发生尤其跳跃式地变化。电势差的跳跃式 变化导致在直流电压变换器1的电压变化曲线上的高频谐波。这种高频谐波可以通过电容 耦合的地而导致危急的补偿电流。为了反作用于该补偿电流，可通过在混合驱动装置范围 内的适合的接地设计来有利地构造这种补偿电流。此外，可以考虑，利用所有开关元件24、 25、26和27都被打开的时间间隔，使电压电势被预先再充电(vorumladen)。取决于拓扑的滤波以及从而由逆转运行引起的在牵引网一侧的高频干扰的减少 与由于电势偏移而额外形成的电磁负荷相对立。
权利要求
1.带有初级侧( 和与该初级侧O)以电流方式耦合的次级侧(3)的直流电压变换 器(1)，其特征在于，初级侧(2)具有至少一个扼流圈(12，21)而次级侧(3)具有至少两个 串联连接的次级电容器(50，M)，其中在初级侧( 和次级侧C3)之间设置有可控制的或可 调节的电子的开关装置G)，该开关装置(4)在第一运行方式下取决于开关地通过扼流圈 (12，21)给次级电容器(50，54)相继充电，并且各个充电过程大致在各个充电电流(I1, I2) 的过零处结束。
2.按照权利要求1所述的直流电压变换器(1)，其特征在于，所述扼流圈(12，21)和开 关装置的开关频率被设定为使得各个充电电流(I1, I2)具有大致正弦形的半波变化曲 线(63，68)。
3.按照上述权利要求之一所述的直流电压变换器(1)，其特征在于，初级侧( 具有两 个被连接到初级电容器(16)上的输入端子(5，6)。
4.按照上述权利要求之一所述的直流电压变换器(1)，其特征在于两个扼流圈(12， 21)，其中一个扼流圈(12，21)被连接到一个输入端子(56)和该开关装置(4)上，而另一个 扼流圈(21，12)被连接到另一输入端子(6，5)和该开关装置(4)上。
5.按照上述权利要求之一所述的直流电压变换器(1)，其特征在于，该开关装置(4)具 有电功率半导体(30)作为开关元件(24，25，26，27)。
6.按照上述权利要求之一所述的直流电压变换器(1)，其特征在于，二极管(31，32， 33，34)与所述开关元件(24,25,26,27)并联连接。
7.按照上述权利要求之一所述的直流电压变换器(1)，其特征在于，至少两个开关元 件(24,25,26,27)在构成连接点(14，23)的情况下串联连接，其中所述扼流圈(12，21)之 一被连接到该连接点(14，2；3)上并且被连接到所述次级电容器(50，54)之一的串联电路 上。
8.按照上述权利要求之一所述的直流电压变换器(1)，其特征在于，所述开关装置(4) 在第二运行方式下通过至少一个扼流圈(12，21)借助次级电容器(50，54)的相继进行的放 电对初级电容器(16)进行充电，其中各个充电电流(I1, I2)大致在其过零处通过开关装置 ⑷被切断。
全文摘要
本发明涉及一种直流电压变换器(1)，其带有初级侧(2)和以电流方式与初级侧(2)耦合的次级侧(3)。在此，规定，初级侧(2)具有至少一个扼流圈(12，21)，而次级侧(3)具有至少两个串联连接的次级电容器(50，54)，其中在初级侧(2)和次级侧(3)之间设置一个可控制的或可调节的电子开关装置(4)。其在第一运行方式下取决于开关地通过扼流圈(12，21)给次级电容器(50，54)相继充电，并且各个充电过程大约在各个充电电流(I1，I2)的过零处结束。
文档编号H02M3/158GK102077450SQ200980123115
公开日2011年5月25日 申请日期2009年4月28日 优先权日2008年6月19日
发明者A·舍恩克内希特 申请人:罗伯特.博世有限公司