直流电压变换器的制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种直流电压变换器，在该直流电压变换器中可以借助一个或多个半导体开关（TT,TH）、例如晶体管来循环地对有源能量存储器、例如电感（L1）进行充电和放电。本发明的特征在于，为了避免至少一个半导体开关（TT,TH）的电压过冲而设置有RCD组件，其中该RCD组件的电容器（CT,CH）和二极管（DT,DH）相串联，并且该RCD组件的电阻（RT,RH,LT,LH）可以借助开关（ST,SH）或者与该二极管（DT,DH）相并联或者可以与该二极管（DT,DH）断开，并且其中该RCD组件的二极管（DT,DH）如此来布置，使得其在该半导体开关（TT,TH）的导通方向上是截止的。
【专利说明】直流电压变换器
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种直流电压变换器，在该直流电压变换器中可以借助一个或多个诸如晶体管的半导体开关循环地对诸如电感的有源能量存储器充电和放电。
[0002]直流电压变换器，也称为DC-DC变换器，表示如下一种电路，该电路把在输入端上所输入的直流电压(输入电压)变换为具有更高、更低或反转电压水平的直流电压(输出电压)。借助周期工作的电子开关以及一个或多个能量存储器来进行这种变换。用于中间存储能量的电感(电感性变换器)由线圈或变换器变压器组成。与此相反，具有电容性存储的变换器(电容性变换器)被称作电荷泵。
[0003]本发明优选地应用于升压变换器和/或降压变换器。两种实施方式都把诸如存储扼流圈的电感用作能量的中间存储器。在升压变换器的情况下输出电压总是大于或等于输入电压，而在降压变换器的情况下输出电压总是小于或等于输入电压。
【背景技术】
[0004]因为大多用作半导体开关的晶体管(例如IGBT、FET、SIC-FET)的开关速度越来越大，所以在至直流电压变换器的引线中的寄生电感在晶体管上导致越来越大的电压过冲。为了降低这种电压过冲，需要改变这些电路和/或装入附加电路。
[0005]现有电路的一种可能的变化在于，增大该晶体管上的栅极电阻。但由此抵消了快速晶体管的优点并增加了开关损耗。
[0006]第一附加电路在于晶体管与RC组件、也即电阻R和电容器C的接线。该晶体管的断开损耗从而部分地转移到该RC组件上，但接通损耗和传导损耗上升，因为该RC组件被快速地放电。
[0007]第二附加电路在于晶体管与RCD组件的接线，其中该RCD组件除了 RC组件之外还包含有二极管D。该二极管能够降低在该RCD组件的电阻中的损耗。通过增大该RCD组件的电阻，可以降低由该RCD组件的电容器放电而在开关中产生的损耗。
[0008]从而根据US 5 986 905 A已知一种反激变换器(英语:flyback converter),该反激变换器为了衰减电压而建议在作为MOSFET或双极晶体管实施的开关之后设置RCD组件。所谓的反激变换器具有作为能量存储器的、具有空气间隙的耦合的存储扼流圈。该存储扼流圈如同变压器那样来构建，但是在用于能量存储的芯中具有空气间隙。该RCD组件在US5 986 905 A的图1中的例子情况下由一个二极管组成，该二极管与由一个电容器和一个电阻组成的并联电路相串联。US 5 986 905 A中的RCD组件与开关串联布置。
[0009]DE 36 16 160 Al涉及一种DC/DC单端直通变换器，并为了衰减电压过冲而建议布置晶体管的RC或RCD电路。该晶体管的放电电路由一个扼流圈与两个二极管的串联电路以及由一个电容器组成，其中二极管在导通方向上从该输入电压UE的负极连接到其正极，而该电容器位于这两个二极管的连接点与该晶体管集电极之间。
[0010]RCD组件的已知实施所具有的缺点是，其不能应用于不仅用作例如用于电池充电的降压变换器(降压器)、还用作例如用于由电池来支持电网的升压变换器(升压器)的设备中，因为在降压时该RCD组件在升压晶体管Th的情况下在降压晶体管Tt接通时被充电，并在降压晶体管Tt中产生非常高的接通损耗，而在升压时该RCD组件在该降压晶体管Tt的情况下在该升压晶体管Th接通时被充电，并在该升压晶体管Th中产生非常高的接通损耗。
【发明内容】
[0011]本发明的任务是，提供一种直流电压变换器，该直流电压变换器不仅在作为降压变换器运行时，而且在作为升压变换器来运行时，都保证利用RCD组件对半导体开关、尤其晶体管的电压过冲进行衰减。
[0012]该任务通过具有权利要求1所述特征的一种直流电压变换器而得到解决。本发明的有利扩展在相应的从属权利要求中加以限定。
[0013]根据权利要求1而规定，为了避免电压过冲而为至少一个半导体开关设置RCD组件，其中该RCD组件的电容器和二极管相串联，并且该RCD组件的电阻借助开关可以或者与该二极管并联，或者与该二极管断开，并且其中该RCD组件的二极管被布置为使得其在该半导体开关的导通方向上是截止的。
[0014]本发明的电路的作用方式例如可以借助图1来加以描述:在降压晶体管Tt的断开过程时，在发射极上的电压以非常大的速度(大的dU/dt)下降。电压增长速率自该断开过程的某一时间点起被降低，因为流过该降压晶体管Tt的电流或电流的一部分由电容器(^和二极管Dt来承担。该电流在该开关过程时就已开始流动，并在升压晶体管Th上的电压已经达到该升压晶体管Th的空转二极管的正向电压时才不流动。
[0015]如果该RCD组件的电阻与该二极管相断开，那么该电阻或者可以是无作用的，或者可以规定该电阻与该RCD组件的电容器相并联。后者是为了给该电容器放电。否则该电阻在与该RCD组件相并联的晶体管首次接通时就被放电。如果该晶体管太快地被接通，那么这可能导致该晶体管和/或该RCD组件的二极管被损坏。
[0016]该RCD组件的二极管必须如此来布置，使得它在与该晶体管的空转二极管相同的方向上导通。换句话说，该二极管与通常的正向是相反的。
[0017]本发明的一个实施方案涉及的是，该RCD组件与半导体开关或者空转二极管相并联，尤其直接连接到该半导体开关或该空转二极管的输入端和输出端上。
[0018]在升压变换器和降压变换器(升压器和降压器)相组合的情况下存在两个可操作的(可控制的)开关，其中一个在输入端与线圈(降压器开关)之间用于作为降压变换器(降压器)的功能，一个在该降压开关与线圈的连接点与负极之间(与线圈和电容器相并联)用于作为升压变换器(升压器)的功能。于是用于对该降压变换器(降压器)的开关进行衰减的RCD组件与该升压变换器(升压器)的开关相并联地来布置，于是用于对该升压变换器(升压器)的开关进行衰减的RCD组件与该降压变换器(降压器)的开关相并联地来布置。
[0019]在仅作为降压变换器(降压器)来实施的直流电压变换器中，该升压变换器(升压器)的开关被不可开关的(不受控)的“开关”代替，也即被空转二极管代替。用于对该升压变换器(升压器)的开关进行衰减的RCD组件于是被去掉，用于对该降压变换器(降压器)的开关进行衰减的RCD组件于是与该空转二极管相并联地来布置。这在图6中示出。
[0020]对于仅作为升压变换器(升压器)来实施的直流电压变换器，也类似地动作:该降压变换器(降压器)的开关被不可开关的(不受控的)“开关”代替，也即被二极管代替。用于对该降压变换器(降压器)的开关进行衰减的RCD组件于是被去掉，用于对该升压变换器(升压器)的开关进行衰减的RCD组件于是与该空转二极管相并联地来布置。
[0021]用于切换电阻的开关可以作为继电器来实施，这所具有的优点是，对继电器的操控可以比对晶体管的操控更简单地实现。另外通过这种切换还保证了与该晶体管并联的RCD组件的电容器在接通之前由该晶体管放电。
[0022]用于接入该电阻的开关可以作为晶体管来实施，这所具有的优点是，该开关可以利用该降压器或升压器的开关频率来开关，并且该电容器可以被预充电至确定的值。
[0023]为该RCD组件的电容器设置有充电电路的实施变化方案所具有的优点是，在该电容器中所存储的能量不是在该电阻中被抵消，而是再次被反馈。
[0024]在两个RCD组件的情况下为了节省电阻和开关，可以规定，为两个半导体开关分别设置一个RCD组件，并且这两个RCD组件仅仅具有共同的电阻和共同的开关。
[0025]根据本发明的用于运行直流电压变换器的方法，其中该直流电压变换器具有两个可控的半导体开关，也即一个降压晶体管和一个升压晶体管，该方法规定，对于作为降压变换器(降压器)的运行仅仅接通该降压晶体管，在与该降压器晶体管Tt相并联的RCD组件中的电阻与电容器相并联，并且在与该升压晶体管相并联的RCD组件中的电阻与二极管相并联或者被断开。
[0026]对于作为升压变换器(升压器)的运行而规定，仅接通该升压晶体管，在与该升压晶体管相并联的RCD组件中的电阻与该电容器相并联，并且在与该降压晶体管相并联的RCD组件中的电阻与该二极管相并联或者被断开。
【专利附图】
【附图说明】
[0027]为了进一步阐述本发明，在下文说明中引用了附图，从中可以获得本发明的其他有利的扩展、细节和改进。其中:
图1示意示出了根据本发明的一种直流电压变换器，其具有继电器以切换RCD组件中的电阻，
图2示意示出了根据本发明的一种直流电压变换器，其具有晶体管以切换RCD组件中的电阻，
图3示出了图2的一种电路变化方案，
图4示出了图3的电路变化方案，其具有用于RCD组件的电容器的电子充电电路，
图5示出了图3的电路变化方案，其具有用于RCD组件的电容器的另一电子充电电路实施方式，
图6示出了根据本发明的作为降压变换器(降压器)来构造的一种直流电压变换器，其具有用于RCD组件的电容器的电子充电电路，该电子充电电路对应于图5的电子充电电路，图7示意示出了根据本发明的一种直流电压变换器，其具有两个半桥，
图8示意示出了根据本发明的一种直流电压变换器，其仅具有一个继电器和电阻，以切换RCD组件。
【具体实施方式】
[0028]在图1中示出了根据本发明的升压和降压变换器。常规的升压和降压变换器在其基本电路中仅仅包含有输入电容器C1、输出电容器C2、所谓的降压晶体管Tt、升压晶体管TH、以及线圈(电感)U。
[0029]在该降压晶体管Tt上和该升压晶体管Th上分别反并联了一个空转二极管。在降压运行中，电流从Tt变换(换向)到与Th反并联的空转二极管。在升压运行中，电流从Th变换(换向)到与Tt反并联的空转二极管。这些二极管大多集成在IGBT的壳体中，但也可以与IGBT反并联布置并具有自己的壳体。
[0030]如果该直流电压变换器仅作为降压变换器(降压器)或者仅作为升压变换器(升压器)来实施，那么根据本发明的RCD组件就不是直接靠近要保护的晶体管来布置，而是布置在所谓“空转二极管”的位置:对该降压晶体管Tt进行保护的RCD组件由元件——电阻RT、电容器Ct和二极管Dt组成，并与该升压晶体管Th并联，或者与线圈LI和输出电容器C2组成的串联电路相并联。在此电容器Ct与二极管Dt相串联，该电容器Ct在该升压晶体管Th的电流流动方向上(在此为从上面的正极到下面的负极)布置在该二极管Dt之前。在电容器Ct和二极管Dt之间连接了电阻RT，该电阻借助在此作为继电器来实施的开关St或者可以与电容器Ct相并联、或者可以与二极管Dt相并联。在另一实施变化方案中也可以考虑把该电阻Rt完全断开。
[0031]对该升压晶体管Th进行保护的RCD组件由元件一电阻Rh、电容器Ch和二极管Dh组成，并与降压晶体管Tt相并联。在此电容器Ch和二极管Dh相串联，该电容器Ch在该降压晶体管Tt的电流流动方向上(从发射极到集电极)布置在该二极管Dh之后。在电容器Ch与二极管Dh之间连接有电阻Rh，该电阻借助在此作为继电器来实施的开关Sh或者可以与该电容器Ch相并联，或者可以与该二极管并联。在另一实施变化方案中也可以考虑把该电阻Rh完全断开。
[0032]如果该直流电压变换器如在图1中所示作为降压变换器(降压器)工作，例如如果应该给连接到输出端上的电池充电，那么该直流电压变换器就从左到右来工作。在此仅该降压晶体管Tt被脉冲控制(接通)，该升压晶体管Th保持断开，在与降压晶体管Tt相并联的RCD组件中的电阻Rh与电容器Ch相并联，并且在与该升压晶体管Th相并联的RCD组件中的电阻Rt与该二极管Dt相并联。这通过开关SH、St的开关位置“T”来示出。
[0033]如果图1的直流电压变换器应该作为升压变换器(升压器)工作，那么它就从右向左工作。在此仅该升压晶体管Th被脉冲控制(接通)，在与该升压晶体管Th相并联的RCD组件中的电阻Rt与该电容器Ct相并联，并且在与该降压晶体管Tt相并联的RCD组件中的电阻Rh与该二极管Dh相并联。这通过开关SH、St的开关位置“H”来示出。
[0034]图2的实施方案对应于图1的实施方案，其差别是，为开关St和Sh设置的不是继电器，而是半导体开关，所述半导体开关如此来连接，使得它们可以把电阻Rh或Th或者仅与二极管Dh或Rh相并联，或者可以与二极管Dh或Rh完全断开。
[0035]如果图2的直流电压变换器作为降压变换器(降压器)工作，那么仅该降压晶体管Tt被脉冲控制(接通)，在与该降压晶体管Tt相并联的RCD组件中的电阻Rh被断开，并且在与该升压晶体管Th相并联的RCD组件中的电阻Rt与二极管Dt相并联。如果图2的直流电压变换器作为升压变换器(升压器)来工作，那么仅该升压晶体管Th被脉冲控制(接通)，在与该升压晶体管Th相并联的RCD组件中的电阻Rt被断开，并且在与该降压晶体管Tt相并联的RCD组件中的电阻Rh与二极管Dh相并联。
[0036]图3的实施方案对应于图2的实施方案，其不同之处在于，在图3中电容器Ch的位置与二极管Dh的位置互换，也即在该降压晶体管Tt的电流流动方向上电容器Ch布置在该二极管Dh之前。但是该电阻Rh同样也可以利用开关Sh或者与该二极管Dh相并联，或者与该二极管Dh完全断开。优点是采用无电势供电电压来用于Tt和Sh的驱动器，以及采用无电势的第二供电电压来用于Th和St的驱动器。也可以采用自举电路来给Tt和Sh供电。
[0037]在图4中示出了 RCD组件的电容器CH、Ct的电子充电电路。从而能够设定电容器cH、cT被充电到的电压。电容器CH、CT被充电到的电压通过该充电电路的接通时长和接通时间点来确定。
[0038]从图3出发，电阻Rh和Rt被线圈Lh和Lt代替。另外该线圈Lh的输出端通过二极管Dh2引回到直流电压变换器的输入端上(在该降压晶体管Tt之前)。线圈Lt的输出端通过二极管Dt2直接引回到该升压晶体管Th之前。这些二极管在此以截止方向来装入——与晶体管Tt和Th的从发射极到集电极的电流流动方向相反。
[0039]在图5的实施变化方案中，与图4不同，线圈Lt的输出端通过二极管Dt2引回到该降压晶体管Tt之前，也即引回到该直流电压变换器的输入端上。
[0040]在图6中示出了根据本发明的降压变换器(降压器)。从而与图1-5相比可以去掉该升压晶体管Th以及分配给该升压晶体管Th的RCD组件(Rh或Lh、Q^P Dh)。代替该升压晶体管Th的是空转二极管D3，该空转二极管与该升压晶体管Th的电流流动方向相反地装入。在该实施方式中也可以省略该开关ST。
[0041]也可以在该线圈的输出端(在线圈L1和电容器C2之间)上布置第二“半桥”(Tt2和TH2)，见图7。从而在两个方向上的电流流动可以与输入电压U1的大小以及与输出电压U2的大小无关。
[0042]在图8中在RCD组件中二极管和电容器的位置与图1相比被互换。从而可以节省一个继电器和一个RCD电阻。另外还与RCD组件的电容器C1^P Ct相并联地布置有高欧姆的电阻Rhe和1^。这保证了电容器C1^P Ct在该RCD组件的断开状态下放电。也可以省略这些电阻，使得该升压晶体管Th和该降压晶体管Tt能够在接通时耗尽该RCD组件的电容器中所存储的能量。
[0043]原则上用于该RCD组件的电阻的开关在所有所示的实施变化方案中可以作为机电开关(继电器)或者作为电子开关来实施。
[0044]附图标记列表
C1输入电容器
C2输出电容器
Ch用于晶体管Th的RCD组件的电容器
Ct用于晶体管Tt的RCD组件的电容器
D3用于作为降压变换器(降压器)的功能的空转二极管
Dh用于晶体管Th的RCD组件的二极管
Dh2 用于晶体管Th的RCD组件的充电电路的二极管
Dt用于晶体管Tt的RCD组件的充电电路的二极管
Dt2 用于晶体管Tt的RCD组件的充电电路的二极管
H用于作为升压变换器(升压器)的功能的开关SH、St的开关位置L1线圈(电感)
Lh用于晶体管Th的RCD组件的线圈
Lt用于晶体管Tt的RCD组件的线圈
R共同的电阻
Rh用于晶体管Th的RCD组件的电阻
RheRCD组件的放电电阻
Rt晶体管Tt的RCD组件的电阻
RteRCD组件的放电电阻
S共同的开关
Sh用于晶体管Th的RCD组件的电阻Rh或线圈Lh的开关
St用于该晶体管Tt的RCD组件的电阻Rt或线圈Lt的开关
T用于作为降压变换器(降压器)的功能的开关SH、St的开关位置
Th用作用于作为升压变换器(升压器)的功能的开关的晶体管，升压晶体管
Tt用作用于作为降压变换器(降压器)的功能的开关的晶体管，降压晶体管
U1输入电压
U2输出电压。
【权利要求】
1.直流电压变换器，在该直流电压变换器中能够借助一个或多个半导体开关(ττ，ΤΗ)、例如晶体管来循环地对有源能量存储器、例如电感(L1)进行充电和放电，其特征在于，为了避免至少一个半导体开关(Ττ，Th)的电压过冲而设置有RCD组件，其中该RCD组件的电容器(CT，Ch)和二极管(Dt，Dh)相串联，并且该RCD组件的电阻(R，RT, Rh, Lt, Lh)能够借助开关(S，ST, Sh)或者与所述二极管(DT，Dh)相并联或者能够与所述二极管(DT，Dh)断开，并且其中该RCD组件的二极管(DT，Dh)被布置为，使得所述二极管在该半导体开关(Tt，Th)的导通方向上是截止的。
2.根据权利要求1所述的直流电压变换器，其特征在于，如果该RCD组件的电阻(RT, Rh, Lt, Lh)与所述二极管(Dt，Dh)断开，那么所述电阻与该RCD组件的电容器(CT，CH)相并联。
3.根据权利要求1或2所述的直流电压变换器，其特征在于，该RCD组件与半导体开关(Tt, Th)或空转二极管(D3)相并联。
4.根据权利要求1至3之一所述的直流电压变换器，其特征在于，所述开关(S，ST,Sh)作为继电器来实施。
5.根据权利要求1至3之一所述的直流电压变换器，其特征在于，所述开关(S，ST,Sh)作为晶体管来实施。
6.根据权利要求1至5之一所述的直流电压变换器，其特征在于，为该RCD组件的电容器(CT，Ch)设置充电电路(DT2，Dh2, Lt, Lh )。
7.根据权利要求1至6之一所述的直流电压变换器，其特征在于，给两个半导体开关(Tt, Th)分别设置一个RCD组件，并且这两个RCD组件仅具有共同的电阻(R)和共同的开关(S)。
8.用于运行根据权利要求1至7之一所述的直流电压变换器的方法，其中该直流电压变换器具有两个可控的半导体开关、也即一个降压晶体管(Tt)和一个升压晶体管(TH)，其特征在于，对于作为降压变换器(降压器)的运行仅接通该降压晶体管(Ττ)，在与该降压晶体管Tt相并联的RCD组件中的电阻(Rh)与该电容器(Ch)相并联，并且在与该升压晶体管(Th)相并联的RCD组件中的电阻(Rt)与该二极管(Dt)相并联或被断开。
9.用于运行根据权利要求1至7之一所述的直流电压变换器的方法，其中该直流电压变换器具有两个可控的半导体开关、也即一个降压晶体管(Tt)和一个升压晶体管(ΤΗ)，其特征在于，对于作为升压变换器(升压器)的运行仅接通该升压晶体管(Th)，在与该升压晶体管(Th)相并联的RCD组件中的电阻(Rt)与该电容器(Ct)相并联，并且在与该降压晶体管(Tt)相并联的RCD组件中的电阻(Rh)与该二极管(Dh)相并联或断开。
【文档编号】H02M3/158GK104205592SQ201380015208
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2013年1月15日 优先权日:2012年3月19日
【发明者】L.格斯纳克 申请人:西门子公司