采用电流倍增器的全桥dc-dc转换器的制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种可采用电流倍增器的全桥DC-DC转换器，其包括变压器和开关电路，将高直流电压转换为高交流电压然后输出该高交流电压到变压器的初级侧。另外，输出电路接收并处理变压器的次级侧的输出并将处理后的输出供应到电负载。该输出电路包括第一电感器、第一接触电阻器、第二电感器、第二接触电阻器、第一二极管、第三接触电阻器、第二二极管、以及第四接触电阻器。
【专利说明】采用电流倍增器的全桥DC-DC转换器
[0001] 相关申请的交叉参考
[0002] 本申请要求在2013年5月31日提交的，韩国专利申请No. 10-2013-0062539的优 先权，该申请结合于本文以供全面地参考。
【技术领域】
[0003] 本发明涉及一种全桥DC-DC转换器，并且具体地，涉及一种可用电流倍增器的全 桥DC-DC转换器。
【背景技术】
[0004] 通常，全桥直流电-直流电（DC-DC)转换器将来自车辆的高压电池的高DC电压转 换为低DC电压并提供车辆的电负载如具有低DC电压的辅助电池。
[0005] 在一种传统的全桥DC-DC转换器中，使用了可用电流倍增器的全桥DC-DC转换器。 该全桥DC-DC转换器通过初级全桥电路将DC输入电压转换成交流电（AC)电压（比如，这种 全桥电路由FET (场效晶体管)组成)，通过变压器将高AC电压转换成低AC电压并通过变压 器的次级电路输出该低AC电压至电负载，该次级电路包括次级电感器和二极管。在采用电 流倍增器的全桥DC-DC转换器中，变压器对于降低高电压并将其隔离于高电压是必不可少 的。当变压器中产生DC电流时，变压器可以被饱和。
[0006] 另外，对变压器的饱和产生作用的原因可主要分为初级侧的原因和次级侧的原 因。初级侧的原因可以是由于全桥电路的FET导通电阻（FET Rds-on)，次级侧的原因可以 是由于电感器的寄生电阻、电感器与变压器之间的接触电阻偏差以及输出二极管与变压器 之间的接触电阻偏差。可管理影响变压器的饱和的FET导通电阻的值、电感器寄生电阻的 值、以及输出二极管与变压器之间的接触电阻的偏差值来减小对变压器的饱和的影响。
[0007] 然而，由于电感器和变压器之间的耦合区域较小且电感器通过螺钉耦合至变压 器，甚至当电感器耦合至变压器产生较小的扭矩偏差时，电感器与变压器之间的接触电阻 的偏差也会影响变压器的饱和。
[0008] 在上述的传统的全桥DC-DC转换器中，二极管首先通过螺钉耦合至变压器的次级 侦牝因此在电感器通过螺钉耦合至变压器时产生接触电阻并导致电流不平衡。另外，由于电 流不平衡，在变压器初级侧产生DC补偿电流因此导致产生变压器饱和。当变压器饱和时， 电流会迅速增大从而在开关元件中产生高电流。因此可能增加开关元件的热量和损耗并增 加噪声的产生。
【发明内容】
[0009] 本发明的目的是提供一种全桥DC-DC转换器，其中通过改变连接至变压器的次级 侧的输出电感器和二极管的耦合次序将接触电阻对变压器的饱和的影响降至最低，该接触 电阻在变压器和电感器通过螺钉相互耦合时形成，因此减少初级侧的开关元件的热量和损 耗并减少噪声的产生。
[0010] 本发明的其他目的和优势可以通过下面的描述理解，并且参照本发明的示范性实 施例会变得显而易见。另外，对于本领域技术人员显而易见的是本发明涉及可以通过所要 求保护的装置和其组合实现本发明的目的和优势。
[0011] 为实现上述目的，根据本发明的一方面的采用电流倍增器的全桥DC-DC转换器可 包括变压器，其将供应到变压器初级侧的高AC电压降低然后输出该AC电压到其次级侧； 开关电路，其将高传输DC电压转换为高AC电压然后输出该高AC电压至变压器的初级侧； 以及输出电路，其接收并处理变压器的次级侧的输出并将处理后的输出供应到电负载，该 输出电路包括：第一电感器，其一端连接至负载侧的一端；第一接触电阻器，其通过连接第 一电感器的另一端和变压器的次级侧的一端形成；第二电感器，其一端连接至负载侧的一 端；第二接触电阻器，其通过连接第二电感器的另一端和变压器的次级侧的另一端形成； 第一二极管，其正极连接至接地线，该接地线是负载侧的另一端；第三接触电阻器，其通过 连接第一二极管的负极和第一电感器与第一接触电阻器的电触点形成；第二二极管，其正 极连接至接地线，该接地线是负载侧的另一端；以及第四接触电阻器，其通过连接第二二极 管的负极和第二电感器与第二接触电阻器的电触点形成。
[0012] 在输出电路中，由第一电流引起的压降的第一值与由第二电流引起的压降的第二 值大致相同，其中该第一电流流过第一接触电阻器、第一电感器、负载侧、第二二极管、第四 接触电阻器和第二接触电阻器，该第二电流流过第二接触电阻器、第二电感器、负载侧、第 一二极管、第三接触电阻器和第一接触电阻器，第一电流的值与第二电流的值大致相同，并 且第三接触电阻器的电阻值与第四接触电阻器的电阻值大致相同。
[0013] 另外，变压器的DC维持在约零（0)，不论第一接触电阻器和第二接触电阻器的值 之间的偏差如何。第一接触电阻器由通过第一螺钉将从第一电感器延伸的导线与从变压器 的次级侧的一端延伸的导线耦合形成，第二接触电阻器由通过第二螺钉将从第二电感器延 伸的导线与从变压器的次级侧的另一端延伸的导线耦合形成。第三接触电阻器由通过第三 螺钉将从变压器的次级侧的一端延伸的，到变压器的次级侧的一端的距离比到由第一螺钉 获得的耦合点的距离更远的一部分导线与从第一二极管的正极延伸出的导线耦合形成，以 及第四接触电阻器由通过第四螺钉将从变压器的次级侧的另一端延伸的，到变压器次级侧 的另一端的距离比到第二螺丁获得的耦合点的距离更远的一部分导线与从第二二极管的 正极延伸的导线耦合形成。
[0014] 具体地，第一螺钉和第二螺钉具有相同的尺寸并且耦合第一螺钉所需的扭矩与耦 合第二螺钉所需的扭矩大致相同。另外第三螺钉和第四螺钉具有相同的尺寸并且耦合第三 螺钉所需的扭矩与耦合第四螺钉所需的扭矩大致相同。
[0015] 开关电路可包括第一开关元件、第二开关元件、第三开关元件以及第四开关元件， 该开关电路可以全桥方式驱动，其中通过从外部施加的驱动时钟使第一和第三开关元件同 时转换且第二和第四开关元件同时转换，并且当用于转换第一和第四开关元件施加的驱动 时钟的相位和周期固定时，从开关电路输送至变压器的初级侧的输出功率的有效区域通过 改变用于转换第二和第四开关元件施加的驱动时钟的相位进行调整。
【专利附图】
【附图说明】
[0016] 图1是依照本发明的一个示范性实施例的全桥DC-DC转换器的示范性电路示意 图；
[0017] 图2是依照本发明的一个示范性实施例的用于在全桥DC-DC转换器的操作中驱动 开关电路的驱动时钟的不意图；
[0018] 图3是示出依照本发明的一个示范性实施例的图1中输出电路的结构和操作的示 意图；
[0019] 图4是示出依照本发明的一个示范性实施例示出的图3中第一到第五接触电阻器 的机械机构的测试产品的示意图。
【具体实施方式】
[0020] 应该理解的是，在本文中用到的术语"车辆"或"车辆的"或其他类似术语一般包 括机动车辆，例如载客汽车，包括运动型多功能车（SUV)、公共汽车、卡车和各种商用车辆； 包括各种船和艇在内的水运工具；飞行器等；还包含混合动力车、电动车、插电式混合电动 车、氢动力车和其他替代燃料车(例如，从非石油资源得来的燃料)。本文中提到的混合动力 车是具有两种或更多种动力来源的车，例如同时为汽油动力和电动力的车。
[0021] 本文使用的术语仅仅是为了说明具体实施例的目的而不意在限制本发明。如本文 所使用的，单数形式"一个、一种（a、an)"和"该（the)"也意在包括复数形式，除非上下文中 清楚指明。还可以理解的是，在说明书中使用的术语"包括（compr i s e s和/或compr i s i ng ) " 是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件，但是不排除存在或添加一个或多个 其它特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或其群组。如本文所使用的，术语"和/或"包 括一个或多个相关所列项目的任何和所有组合。
[0022] 除非详细说明或者可以从上下文中明显地看出，本文中使用的术语"约"应当理解 为是在本领域的正常公差范围之内，比如在均值的2个标准误差内。"约"可理解为在所述 值的 10%、9%、8%、7%、6%、5%、4%、3%、2%、1%、0· 5%、0· 1%、0· 05%、或0· 01%之内。除非在上下文 中另外明确地说明，本文中所有的数量值通过术语"约"进行修饰。
[0023] 依照本发明的示范性实施例的可用电流倍增器的全桥DC-DC转换器将参考附图 在下文中进行更详细地描述。尽管本发明以多种形式被具体化，但不应解释为是限制到这 些实施例。相反，提供这些实施例以便本公开将是彻底的和完整的，并向本领域技术人员充 分传达本发明的范围。在整个公开中，在贯穿本发明的各种数字和实施例中相同的标号表 示相同的部件。
[0024] 本发明的结构在用于示出本发明的概念的视图中示出，并省略了该结构中已知技 术的描述。另外，本发明的示范性实施例的提供用于向本领域普通技术人员进行更全面地 阐述。因此要素的形状和尺寸在视图中可能被放大。
[0025] 全桥DC-DC转换器可将从电源如混合动力汽车和电动车采用的高压电池中输出 的高DC电压转换为低DC电压并输出该低DC电压至电负载如低压电池和车辆的电气设备。
[0026] 图1是依照本发明的一个示范性实施例的全桥DC-DC转换器的示范性电路示意 图。如图1所示，全桥DC-DC转换器1可分类为变压器10、开关电路20和输出电路30。上 述提供的分类是为了方便说明，依照该示范性实施例的全桥DC-DC转换器的结构不限制于 该分类。
[0027] 变压器10可被配置成将从初级侧传输的较高的AC电压转换为较低的AC电压并 传输该AC电压至次级侧，并且车体的电气隔离相对高电压是安全的。
[0028] 开关电路20可布置在变压器10的初级侧，并可被配置成将从电源，如高压电池 B 传输的较高的DC电压转换为低AC电压。开关电路20可包括第一开关元件Q1、第二开关元 件Q2、第三开关元件Q3和第四开关元件Q4,并且该开关电路可以全桥方式驱动，其中通过 用以驱动开关元件施加的驱动时钟，使第一和第三开关元件Q1和Q3同时转换且第二和第 四开关元件Q2和Q4同时转换。
[0029] 依照该示范性实施例的全桥DC-DC转换器1的操作可通过驱动时钟实现，该驱动 时钟可被配置成驱动开关电路20。图2是依照本发明的一个示范性实施例的驱动用于全 桥DC-DC转换器的操作的开关电路的驱动时钟的示意图。如图2所示，在固定用于第一开 关元件Q1和第四开关元件Q4的驱动时钟之后通过调整用于第三开关元件Q3和第二开关 元件Q2的驱动时钟，负载侧的输出电压Vout的有效区域可以从D1变为D1。
[0030] 图3是示出图1的输出电路的结构和操作的示意图。输出电路30可被配置成接 收变压器10的次级侧的输出，通过将在下文描述的结构处理该输出并将处理后的输出供 应到电负载。
[0031] 如图3所示，输出电路30可包括第一电感器Lol、第一接触电阻器R1、第二电感器 L〇2、第二接触电阻器R2、第一二极管Dol、第三接触电阻器R3、第二二极管D〇2和第四接触 电阻器R4。第一电感器Lol的第一端连接至负载侧的第一端，并且第一接触电阻器R1通过 连接第一电感器Lol的第二端和变压器10的次级侧的第一端形成。第二电感器L 〇2的第 一端可连接至负载侧的第一端，并且第二接触电阻器R2通过连接第二电感器L〇2的第二端 和变压器10的次级侧的第二端形成。
[0032] 第一二极管Dol的正极连接至接地线，该接地线是负载侧的第二端，并且第三接 触电阻器R3通过连接第一二极管Dol的负极和第一电感器Lol与第一接触电阻器R1的电 触点形成。另外，第二二极管D 〇2的正极连接至接地线，该接地线是负载侧的第二端，并且 第四接触电阻器R4通过连接第二二极管D〇2的负极和第二电感器L 〇2与第二接触电阻器 R2的电触点形成。
[0033] 如图3所示，第一分支线P1由第一电流Isl形成，该第一电流Isl流过第一接触 电阻器R1、第一电感器Lol、负载侧Vout、第二二极管D 〇2、第四接触电阻器R4和第二接触 电阻器R2。进一步地，第二分支线P2通过第二电流Is2形成，该第二电流Is2通过使电流 具有与形成第一分支线P1的电流相反的极性，流过第二接触电阻器R2、第二电感器L 〇2、负 载侧Vout、第一二极管Dol、第三接触电阻器R3和第一接触电阻器R1。如等式1所示，由第 一分支线P1引起的压降的值可与由第二分支线P2引起的压降的值相同。
[0034] 等式 1
[0035] (IslXRl)+VLol+Vout+VDo2+(IslXR4) + (IslXR2)
[0036] =(Is2 X R2)+VLo2+Vout+VDol+(Is2 X R3) + (Is2 X Rl)
[0037] 具体地，当第三接触电阻器R3与第四接触电阻器R4的电阻值几乎相同时，且当第 一电流Isl与第二电流Is2的值几乎相同时，等式1可表示表达为等式2。
[0038] 等式 2
[0039] (IslXRl) + (IslXR2) = (Is2XR2) + (Is2XRl)
[0040] 在传统的全桥DC-DC转换器中，当通过变压器和电感器相互耦合时的扭矩调整产 生接触电阻器的值偏差时，直流电流在变压器中产生，因此变压器被饱和。
[0041] 然而在依照本示范性实施例的全桥DC-DC转换器1中，即使当通过变压器10和电 感器Lol、L 〇2相互耦合时，由错误扭矩调整产生第一接触电阻器R1和第二接触电阻器R2 的值之间的偏差（R1尹R2)时，变压器10的直流电流也被保持为约零（0)，如上述等式所 示。因此，能够防止变压器10被饱和。
[0042] 图4是示出图3中的第一到第五接触电阻器的机械机构的测试产品的示意图。参 考图4,第一接触电阻器R1可通过第一螺钉将从第一电感器Lol延伸的导线与从变压器10 的次级侧的第一端延伸的导线耦合形成。第二接触电阻器R2可通过第二螺钉将从第二电 感器L 〇2延伸出的导线与从变压器10的次级侧的第二端延伸出的导线耦合形成。
[0043] 进一步地，第三接触电阻器R3可通过第三螺钉将从变压器10的次级侧的第一端 延伸出的、到变压器的次级侧的第一端的距离比到由第一螺钉获得的耦合点的距离更远的 一部分导线与从第一二极管Dol的正极延伸出的导线耦合形成。第四接触电阻器R4可通 过第四螺钉将从变压器10的次级侧的第二端延伸出的、到变压器的次级侧的第二端的距 离比到由第二螺母获得的耦合点的距离更远的一部分导线与从第二二极管D 〇2的正极延 伸出的导线耦合形成。
[0044] 具体地，第一螺钉和第二螺钉具有基本上相同的尺寸，并且用于耦合第一螺钉所 需的扭矩与用于耦合第二螺钉所需的扭矩基本上相同。另外第三螺钉和第四螺钉具有基 本上相同的尺寸，并且用于耦合第三螺钉所需的扭矩与用于耦合第四螺钉所需的扭矩基本 上相同。
[0045] 在依照该示范性实施例的全桥DC-DC转换器1中，改变连接至变压器的次级侧的 输出电感器和二极管的耦合次序将接触电阻器对变压器的饱和的影响降至最低，该接触电 阻器在通过螺钉相互耦合变压器和电感器时形成，因此减少初级侧的开关元件的热量和损 耗并减少噪声的产生。进一步地，通过降低在变压器和电感器之间由螺钉耦合产生的连接 缺陷，有可能用螺钉耦合工序取代焊接工序，该焊接工序是制造全桥DC-DC转换器的传统 方法中的一个步骤，且用于耦合变压器的次级侧和输出电感器。
[0046] 尽管本发明已经对示范性实施例进行描述，对于本领域技术人员显而易见的是本 发明可做出各种变化和修改而不脱离本发明在以下权利要求中定义的范围。
【权利要求】
1. 一种可适用电流倍增器的全桥直流-直流（DC-DC)转换器，包括： 变压器，将供应到所述变压器的初级侧的较高的交流（AC)电压降低，并输出该AC电压 到所述变压器的次级侧； 开关电路，其将传输的较高的DC电压转换为较高的AC电压，并输出该较高的AC电压 至所述变压器的初级侧；以及 输出电路，其接收并处理变压器的次级侧的输出，并将处理后的输出供应到电负载，所 述输出电路包括： 第一电感器，具有连接至所述负载侧的第一端的第一端； 第一接触电阻器，其通过连接所述第一电感器的第二端和所述变压器的次级侧的第一 端形成； 第二电感器，具有连接至所述负载侧的第一端的第一端； 第二接触电阻器，其通过连接所述第二电感器的第二端和所述变压器的次级侧的第二 端形成； 第一二极管，具有连接至接地线的正极，该接地线是负载侧的第二端； 第三接触电阻器，其通过连接所述第一二极管的负极和所述第一电感器与所述第一接 触电阻器的电触点形成； 第二二极管，具有连接至接地线的正极，该接地线是负载侧的第二端；以及 第四接触电阻器，其通过连接所述第二二极管的负极和所述第二电感器与所述第二接 触电阻器的电触点形成。
2. 根据权利要求1所述的全桥DC-DC转换器，其中由第一电流引起的压降的第一值与 由第二电流引起的压降的第二值大致相同，其中所述第一电流流过所述第一接触电阻器、 所述第一电感器、所述负载侧、所述第二二极管、所述第四接触电阻器和所述第二接触电阻 器，所述第二电流流过所述第二接触电阻器、所述第二电感器、所述负载侧、所述第一二极 管、所述第三接触电阻器和所述第一接触电阻器，所述第一电流的值与所述第二电流的值 大致相同，并且所述第三接触电阻器的电阻值与所述第四接触电阻器的电阻值大致相同。
3. 根据权利要求2所述的全桥DC-DC转换器，其中不论所述第一接触电阻器和所述第 二接触电阻器的值之间的偏差如何，所述变压器的DC都维持在约为零（0)的值。
4. 根据权利要求1所述的全桥DC-DC转换器，其中 所述第一接触电阻器由通过第一螺钉将从所述第一电感器延伸出的导线与从所述变 压器的次级侧的第一端延伸出的导线耦合形成， 所述第二接触电阻器由通过第二螺钉将从所述第二电感器延伸出的导线与从所述变 压器的次级侧的第二端延伸出的导线耦合形成， 所述第三接触电阻器由通过第三螺钉将从所述变压器的次级侧的第一端延伸出的、到 所述变压器的次级侧的第一端的距离比到由所述第一螺钉获得的耦合点的距离更远的一 部分导线与从所述第一二极管的正极延伸出的导线耦合形成，以及 所述第四接触电阻器由通过第四螺钉将从所述变压器的次级侧的第二端延伸出的、到 所述变压器的次级侧的第二端的距离比到由所述第二螺钉获得的耦合点的距离更远的一 部分导线与从所述第二二极管的正极延伸出的导线耦合形成。
5. 根据权利要求4所述的全桥DC-DC转换器，其中所述第一螺钉和所述第二螺钉具有 大致相同的尺寸，并且用于耦合所述第一螺钉所需的扭矩与用于耦合所述第二螺钉所需的 扭矩大致相同，所述第三螺钉和所述第四螺钉具有大致相同的尺寸，并且用于耦合所述第 三螺钉所需的扭矩与用于耦合所述第四螺钉所需的扭矩大致相同。
6.根据权利要求1所述的全桥DC-DC转换器，其中所述开关电路包括： 第一开关元件、第二开关元件、第三开关元件以及第四开关元件，并且所述开关电路以 全桥方式驱动，其中通过从外部施加的驱动时钟使所述第一开关元件和所述第三开关元件 同时驱动且所述第二开关元件和所述第四开关元件同时驱动，并且，当用于转换所述第一 开关元件和所述第四开关元件施加的驱动时钟的相位和周期固定时，从所述开关电路传输 至所述变压器的初级侧的输出功率的有效区域通过改变用于转换所述第二开关元件和所 述第四开关元件施加的驱动时钟的相位进行调整。
【文档编号】H02M3/335GK104218811SQ201310403688
【公开日】2014年12月17日 申请日期:2013年9月6日 优先权日:2013年5月31日
【发明者】李岱雨, 宋秉燮, 梁珍荣, 李宇宁 申请人:现代自动车株式会社