专利名称：以两输出直流电压电位分离地传输能量的电路系统和方法
技术领域：
本发明涉及一种用于电位分离地从初级端向次级端传输能量的电路系统和所属方法，其中，那里应产生带有各自不同的电压绝对值的两个输出直流电压。这两个输出直流电压可以具有相同或者不同的极性。
背景技术：
这种类型的电路系统例如是功率半导体模块的驱控电路的部分。功率半导体模块已充分公知的基础电路是两个功率晶体管的半桥电路，其中两个功率晶体管中的至少一个不处于恒定的基准电位上。其基准电位可以在千伏数量级内波动。因此在普遍公知的现有技术中，所属的驱控电路构成为具有一个初级端和至少一个与其电流分离的次级端。初级端在这种情况下的任务至少是向各自的次级端传递控制脉冲以及传输电能，用于次级端的供能。为进行这种电能传输变压器是广泛应用和充分公知的部件。这些变压器在其最简单的构造中构成为具有一个初级端的和一个次级端的绕组并由交流电压源供电。在次级端上，然后将该交流电压为产生直流电压，如其例如为了功率晶体管的栅极驱控而必须的那样，进行整流和需要时滤波。在大量的功率晶体管中，众所周知优选这些功率晶体管由正电压接通并由负电压断开。在这种情况下，出于与能量有关的原因，可以具有优点的是，断开电压的绝对值选择得小于接通电压通过功率晶体管的结构类型所确定的数值。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种用于电位分离地在初级端与次级端之间传输电能的电路系统和用于驱控该电路系统的所属方法，其中，次级端上应提供不同绝对值的两个不同的输出直流电压可供使用，且同时减少次级端上为此所需元件的数量。该目的依据本发明通过具有权利要求1特征的电路系统以及通过按权利要求5所述的方法得以实现。优选的实施方式在各自的从属权利要求中予以说明。依据本发明的、用于电位分离地从初级端向次级端传输电能的电路系统具有用于这种电能传输的变压器，其中两个次级端的输出直流电压具有不同的绝对值，其中，第一输出电压具有更高的绝对值。该变压器在它那方面在初级端具有带共同中间抽头的第一和第二绕组且在次级端具有第三绕组。第一和第二绕组的匝数比在这种情况下与两个次级端输出直流电压的比率相匹配。该匹配依据比例法从变压器电压的比率与所分配的绕组匝数比率的一致性中产生。该变压器的中间抽头与直流电压源连接，此外第一绕组与第一晶体管的负载接线端连接，第二绕组与第二晶体管的负载接线端连接且这两个晶体管在它们那方面各自利用它们的第二负载接线端与初级端基准电位连接。为产生相同极性的两个次级端输出直流电压，变压器次级端绕组的两个接线端各自与第一和第二二极管的阳极连接，在第一和第二二极管各自的阴极上给出各自的输出直流电压。为产生不同极性的两个次级端输出直流电压，次级端绕组的一个接线端处于那里的基准电位上，而另一接线端则与第一二极管的阳极和第二二极管的阴极连接，在第一和第二二极管各自的另一接线端上给出各自的输出直流电压。在这两种构造中，为了平滑输出电压各自优选的是，如果第一和第二二极管的输出端各自与电容器连接，电容器各自的第二接线端处于次级端的基准电位上。为产生具有更高绝对值的第一次极端输出直流电压，优选设有相同绝对值的初级端输入电压。因此为变压器第一绕组的匝数形成与次级端第三绕组上相同的匝数。初级端第二绕组与第一绕组相比相应具有更大的、与次级端输出电压的比率相匹配的匝数。作为选择，可以优选第一绕组的匝数是第三绕组匝数的整数倍或者整数分之一。 第一与第二绕组匝数的比率当然保持不受其影响。在用于借助依据本发明的电路系统以两个输出直流电压电位分离地传输电能的依据本发明的所属方法中，晶体管为了电能传输彼此错开地以与所分配的变压器绕组的匝数成反比的占空比来开关。为高效构成该方法，优选两个晶体管开关周期的最小频率大于 10kHz，在优选的使用情况下处于IMHz的数量级。
现借助图1-5的实施例对本发明的解决方案做进一步说明。其中图1示出依据现有技术用于产生不同极性和相同绝对值的两个次级端输出直流电压的第一电路系统。图2示出依据现有技术用于产生不同极性和不同绝对值的两个次级端输出直流电压的第二电路系统。图3示出依据本发明用于产生不同极性和不同绝对值的两个次级端输出直流电压的电路系统。图4示出依据本发明用于产生相同极性和不同绝对值的两个次级端输出直流电压的电路系统。图5a_f示出上述电路系统的不同电压分布。
具体实施例方式图1示出依据现有技术用于产生不同极性和相同绝对值的两个次级端输出直流电压 的第一电路系统。为从初级端2向次级端4进行电能传输在这里设有变压器50，其具有带相同匝数的初级端和次级端绕组。在初级端，变压器50的绕组52在这种情况下由例如体现为矩形信号的交流电压源10供电，该交流电压源一直活动着，只要需要向次级端4传输电能，参见图5a，其中显示该电压的绝对值。在次级端上，在绕组54的两个接线端上各自的输出交流电压原则上利用相同的部件，在这里为齐纳二极管30整流，由此于是提供相同绝对值但不同极性的两个次级端的输出直流电压lOOa/b可供使用。图2示出依据现有技术用于产生不同极性和不同绝对值的两个次级端输出直流电压的第二电路系统。在这种情况下，变压器50与图1的电路系统相比如下进一步构成， 使其在次级端4上具有两个不相互连接的绕组56、58。因此通过各自绕组56、58的不同匝数在次级端4上可以产生带不同绝对值的电压。在整流和需要时平滑后，给出输出直流电压。但此方面的缺点是，为两个输出直流电压102、104的每一种均需要自己的各带四个二极管30的桥式整流器。图3示出依据本发明用于产生不同极性和不同绝对值的两个次级端输出直流电压的电路系统。在初级端，在这里直流电压源40具有例如15V的电压，其在带有不同匝数的第一和第二绕组72、74的变压器70的中间抽头73上给出。在次级端4应产生15V的第一输出直流电压和约-8V的第二输出直流电压。在初级端2为此设有两个晶体管80、90，它们之中第一 η型沟道MOS-FET 80与第一绕组72和初级端的基准电位6连接以及第二 ρ型沟道MOS-FET 90与第二绕组74和初级端的基准电位6连接。用于向电路系统的第一次级输出端传输电能的变压器70的第一绕组72在这里具有等于次级端第三绕组76匝数的匝数。在最简单的情况下其各为15匝，由此在不考虑损耗的情况下初级端2的15V传输到次级端4。用于向电路系统的第二次级输出端传输电能的变压器70的初级端第二绕组74在这里具有大于次级端第三绕组76匝数的匝数。在最简单的情况下其为28匝，由此在不考虑损耗的情况下初级端2的15V在次级端4上产生约8V绝对值的输出电压120。为进行电能传输，两个初级端的晶体管80、90交替地这样彼此错开地并以与所分配的变压器70绕组72、74的匝数成反比的占空比来开关。在所提及的举例数值的情况下， 该占空比相当于15比28的脉冲长度比(Pulslangenverhaitnis)，由此储存在变压器70内的能量全部从初级端2传输到次级端4。这种驱控例如可以借助微控制器进行，该微控制器在这种情况下作为时钟发生器使用并为两个初级端的晶体管80、90产生开关脉冲。初级端的输入电压也可以以整数系数或者以整数除数不同于次级端4的第一输出电压地来选择。为此于是绕组的匝数必须与该系数或与该除数匹配。例如7. 5V的输入电压(也就是上述输入电压的一半)，要求次级端上的匝数翻番。结果次级端的电路开支通过相应提高初级端的开支而明显低于现有技术。变压器70的次级端第三绕组76以一个接线端与次级端基准电位8连接并以另一接线端与两个不同极的二极管30连接。第一二极管32利用其阳极与变压器70的第三绕组76连接并利用其阴极形成第一直流电压输出端110，其中，在这里还可以设有相对次级端基准电位8连接的用于电压平滑的电容器20。因此在这里第一直流电压输出端上给出 +15V的电压。第二二极管34利用其阴极与变压器70的次级端第三绕组76连接并利用其阳极形成第二直流电 压输出端120，其中，在这里同样可以设有相对次级端基准电位8连接的用于电压平滑的电容器20。因此在这里第二直流电压输出端上给出约-8V的电压。图4示出依据本发明用于产生相同极性和不同绝对值的两个次级端输出直流电压的电路系统。在这种情况下，初级端的电路部分与图3的电路部分一致。但在次级端，第一二极管32的阳极与变压器70的次级端第三绕组76的第一接线端连接，且第二二极管34 的阳极与变压器70的次级端第三绕组76的第二接线端连接。各自的阳极还通过其他二极管36与次级端的基准电位8连接。此外，在这里也设有平滑电容器20。阴极形成各自的带 15V或8V的直流电压输出端。 图3和4依据本发明的这两种电路系统的主要优点是，通过初级端2上电路技术上更多开支，可以明显降低次级端4上电路技术上的开支。利用这种初级端的电路也可以将时钟的输入电压供给大量并联的变压器70，由此尽管有多个可能的次级端4该电路部分仍就仅需要一次，而在上面图1和2中所介绍的复杂的次级端电路部分则需要各自为每个次级端4提供一次。图5示出上述电路系统的不同电压分布。图5a示出依据图1或者2电路系统的输入电压10的绝对值，而图5b示出依据图1的两个量值上相同的次级端输出直流电压IOOa/ b之一。图5c示出依据图2的次级端输出直流电压102、104。图5d示出通过晶体管80、90的初级端电压分布，其中，“T”在这里表示开关周期， 也就是第一和第二晶体管80、90的开关循环。在这种情况下，开关频率至少为10kHz，更好至少为100kHz。图5e示出变压器70上次级端的输出电压。在这种情况下，通过依据本发明的驱控，标注为斜线区的输送到两个输出端的各自能量包702、704由于不同的电压与初级端晶体管80、90的匹配的开关时间的结合，而对两个输出电压110、120是相同的。图5f 最后示意示出依据图3电路系统经平滑的输出直流电压。
权利要求
1.电路系统，用于以两个次级端的输出直流电压电位分离地从初级端(2)向次级端 (4)传输电能，其中，第一输出直流电压(110、112a)的绝对值高于第二输出直流电压(120、 112b)的绝对值，所述电路系统带有用于电能传输的变压器(70)，所述变压器在初级端(2) 具有带共同的中间抽头(73)的第一绕组(72)和第二绕组(74)且在次级端(4)具有第三绕组(76)，在此，所述第一绕组(72)和所述第二绕组(74)的匝数比与两个次级端输出直流电压(110、120或112a/b)的比率相匹配，所述中间抽头(73)与直流电压源(40)连接，所述第一绕组(72)与第一晶体管(80)连接，所述第二绕组(74)与第二晶体管(90)连接，且这些晶体管各自利用第二负载接线端与初级端的基准电位(6)连接，其中，在相同极性的输出电压(112a/b)情况下，次级端的所述第三绕组(76)的两个接线端各自与第一二极管(32)的阳极和第二二极管(34)的阳极连接，在所述第一二极管和所述第二二极管各自的阴极上给出各自的输出直流电压，或者在不同极性的输出电压(110、120)情况下，次级端的所述第三绕组(76)的一个接线端处于那里的基准电位(8)上，而另一接线端与第一二极管(32)的阳极和第二二极管(34) 的阴极连接，在所述第一二极管和所述第二二极管各自的另一接线端上给出各自的输出直流电压。
2.按权利要求1所述的电路系统，其中，所述第一二极管(32)和所述第二二极管(34) 的输出端各自与电容器(20)连接，所述电容器各自的第二接线端处于次级端的基准电位 ⑶上。
3.按权利要求1所述的电路系统，其中，所述第一绕组(72)的匝数小于所述第二绕组 (74)的匝数，以及其中，所述第三绕组(76)的匝数等于所述第一绕组(72)的匝数。
4.按权利要求1所述的电路系统，其中，所述第一绕组(72)的匝数小于所述第二绕组 (74)的匝数，以及其中，所述第三绕组(76)的匝数是所述第一绕组(72)的匝数的整数倍或者整数分之一。
5.用于借助按权利要求1-4之一所述的电路系统以两个输出直流电压(110、120或 112a/b)电位分离地传输电能的方法，其中，晶体管(80、90)为了电能传输彼此错开地以与所分配的变压器(70)的绕组(72、74)的匝数成反比的占空比来开关。
6.按权利要求6所述方法，其中，两个晶体管(80、90)的开关周期(T)的最小频率大于 IOkHz。
全文摘要
本发明涉及一种以两输出直流电压电位分离地传输能量的电路系统和方法，用于以两个次级端输出直流电压电位分离地从初级端向次级端传输电能，其中，第一输出直流电压的绝对值高于第二输出直流电压的绝对值，所述电路系统具有变压器，其在初级端具有带共同中间抽头的第一和第二绕组且在次级端具有第三绕组。在此，第一和第二绕组的匝数比，且在过程中还有驱控占空比，均与两个次级端输出直流电压的比率相匹配。为此中间抽头与直流电压源连接，第一绕组与第一晶体管、第二绕组与第二晶体管且这些晶体管各自利用第二负载接线端与初级端基准电位连接。输出电压各自处于与次级端的第三绕组连接的两个二极管上。
文档编号H02M5/10GK102223088SQ20111009754
公开日2011年10月19日 申请日期2011年4月14日 优先权日2010年4月14日
发明者亚历山大·米尔赫费尔, 冈特·柯尼希曼 申请人:赛米控电子股份有限公司