直流电压转换器和用于运行直流电压转换器的方法与流程

本发明涉及一种直流电压转换器以及一种用于运行直流电压转换器的方法。

背景技术：

在电动车辆或混合动力车辆中，可以在高压电网与低压电网之间传输电能。对于在此所需的电流隔离来说，例如可以使用单相的移相全桥（phase-shifted-full-bridge，psfb）直流电压转换器。这种直流电压转换器可以双向地运行，也就是说不仅可以将电能从低压电网传输到高压电网中，而且可以将电能从高压电网传输到低压电网中。

出版文献de102013207475a1公开了具有移相全桥的直流电压转换器。逆变器具有两个半桥，这两个半桥分别具有两个半导体开关。这两个半桥在输出端与变压器的一次绕组连接。变压器的二次绕组与整流器连接。直流电压转换器具有控制单元，该控制单元与半导体开关的控制输入端连接，其中该控制单元操控半桥来产生交变电压。该控制单元被构造为：在半导体开关上有电压过零或者电压的最小电压值的情况下将该半导体开关切换为导通。

技术实现要素：

本发明公开了一种具有专利权利要求1的特征的直流电压转换器和一种具有专利权利要求7的特征的用于运行直流电压转换器的方法。

因此规定：

一种直流电压转换器，该直流电压转换器具有逆变器、第一变压器、整流器和补偿装置。第一变压器包括一次绕组和二次绕组。逆变器在输入端与直流电压转换器的第一输入连接端和第二输入连接端电耦合。逆变器的输出端与第一变压器的一次绕组电耦合。整流器在输入端与第一变压器的二次绕组耦合。整流器在输出端与直流电压转换器的第一输出连接端和第二输出连接端电耦合。补偿装置包括第二变压器和开关元件。第二变压器包括一次绕组和二次绕组。第二变压器的一次绕组布置在直流电压转换器的第一输入连接端与逆变器的输入连接端之间。此外，补偿装置的开关元件和第二变压器的二次绕组构成的串联电路布置在直流电压转换器的第一输入连接端与第二输入连接端之间。

此外还规定：

一种用于运行按照本发明的直流电压转换器的方法，该方法具有如下步骤：给补偿装置中的第二变压器的一次绕组充电，而且紧接着使补偿装置中的第二变压器的一次绕组放电。该方法还包括如下步骤：将补偿装置中的开关元件闭合预先确定的时长。对补偿装置的开关元件的闭合在用于使第二变压器的一次绕组放电的步骤结束时被实施。之前描述的步骤可以常常任意地重复。

本发明的优点

直流电压转换器的、尤其是移相全桥直流电压转换器的开关元件通常根据输出功率来硬切换。在这种情况下，在直流电压转换器的开关元件中可能形成接通和关断损耗。此外，根据在直流电压转换器中出现的电压而可出现所谓的“反向恢复（reverse-recovery）”效应。也就是说，在直流电压转换器中的电流的换向过程中，在电流通路中的二极管不能立即接受截止电压，而是该二极管在短暂的时间区间内导电，即使有负电压附上（也就是说逆着该二极管的导通方向）。在这种情况下，可能出现经过该二极管的短暂的、非常高的电流脉冲。这些电流脉冲造成很高的损耗。常规的体二极管通常没有针对这种运行模式来设计，如这些体二极管与半导体开关元件共同被使用的那样。因而，存在如下危险：在长期运行时，构件被损坏或者至少直流电压转换器的使用寿命明显减少。

因而，本发明所基于的思想在于：考虑之前描述的认识而且提供一种直流电压转换器，该直流电压转换器可以消除或者至少减少由于所描述的反向恢复效应而引起的消极影响。通过按照本发明的直流电压转换器和相对应的运行方法，可以将反向恢复效应、尤其是在直流电压转换器的整流二极管中的反向恢复效应降低到最低限度。经此可能的是：在升压和持续运行时也使用该直流电压转换器。尤其是，在用于所使用的半导体开关元件的常规的体二极管的情况下，这种升压和持续运行也是可能的。

通过将反向恢复效应降低到最低限度，可以将该直流电压转换器持久地用作升压转换器。在这种情况下能传输的最大输出功能不再受在关断半导体二极管时的损耗功率限制。因此，尤其可以在持续运行时持久地将该直流电压转换器用作升压转换器。在此，在持续运行时也可以实现升压转换器的被改善的效率。此外，在该运行下，按照本发明的直流电压转换器也具有关于电磁兼容性方面明显被改善的特性。

按照该直流电压转换器的一个实施方式，补偿装置还包括二极管。该二极管与补偿装置的开关元件和第二变压器的二次侧共同串联地布置在直流电压转换器的第一输入连接端与第二输入连接端之间。以这种方式可以保证：补偿装置只补偿刚好流动的电流，而在这种情况下没有朝着反方向注入电流。

按照一个实施方式，补偿装置的开关元件包括金属氧化物场效应晶体管（mosfet）。这种晶体管特别好地适合作为开关元件。

按照一个实施方式，补偿装置被设计为：在该直流电压转换器的整流器中的电流换向之前，将补偿装置的开关元件闭合预先确定的时长。通过闭合补偿装置中的开关元件，可以迅速地降低由于在第二变压器的一次绕组与二次绕组之间的耦合而引起的可能在逆变器中流动的电流。第二变压器的一次绕组和二次绕组彼此反向耦合。

按照一个实施方式，该直流电压转换器的逆变器包括两个半桥，这两个半桥分别具有两个半导体开关。逆变器的这种拓扑特别适合于按照本发明的直流电压转换器。例如，mosfet或者绝缘栅双极型晶体管（igbt）都可能作为半导体开关。可以与开关元件并联地设置所谓的体二极管。

按照一个实施方式，该直流电压转换器的整流器包括有源同步整流器。有源同步整流器尤其可以通过具有并联布置的体二极管的半导体开关元件来实现。有源同步整流器具有非常好的效率。此外，在这种配置的情况下，该直流电压转换器也可以反方向地运行。对于整流器来说，例如mosfet也是可能的。

按照用于运行该直流电压转换器的方法的一个实施方式，给补偿装置中的第二变压器的一次绕组充电包括：提供在逆变器的输入连接端之间的电连接。例如，可以通过闭合逆变器中的所有开关元件来实现电连接。

按照一个实施方式，用于使补偿装置中的第二变压器的一次绕组放电的步骤包括：通过第一变压器的一次绕组来提供电连接。在此，尤其可以在两个连续的放电过程中使附在第一变压器的一次绕组上的电压的极性发生变换。

按照一个实施方式，该预先确定的时长包含最大400ns，在该预先确定的时长，补偿装置的开关元件分别被闭合。视应用情况而定，最大时长也可以只包含200ns或者必要时也可以只包含100ns。

只要合理，上面的设计方案和扩展方案就可以彼此任意地组合。本发明的其它设计方案、扩展方案和实现方案也包括本发明的之前或者在下文关于实施例所描述的特征的没有明确提到的组合。在此，本领域技术人员尤其是也将把单个方面作为改进方案或补充方案添加到本发明的相应的基本形式。

附图说明

随后，本发明依据在附图的示意图中说明的实施例进一步予以阐述。在此：

图1示出了如按照实施方式的直流电压转换器所基于的原理电路图的示意图；

图2-4示出了在按照实施方式的直流电压转换器中的电流走向的示意图；而

图5示出了如用于运行按照实施方式的直流电压转换器的方法所基于的流程图的示意图。

具体实施方式

图1示出了如按照实施方式的直流电压转换器1所基于的原理电路图的示意图。直流电压转换器1包括逆变器10、整流器20、第一变压器30和补偿装置40。在直流电压转换器1的第一输入连接端e1与第二输入连接端e2之间可以施加输入端直流电压uin。为了对输入端直流电压uin进行平滑或缓冲，可以在第一输入连接端e1与第二输入连接端e2之间设置电容器c2。直流电压转换器1将输入端直流电压uin转换成另一直流电压，而且提供该被转换的直流电压，作为在第一输出连接端a1与第二输出连接端a2之间的输出端直流电压uout。在这种情况下，在第一输出连接端a1与第二输出连接端a2之间也可以设置电容器c1。尤其是，输出端直流电压uout可大于输入端直流电压uin。

此外，直流电压转换器1还可具有其它部件、构件或组件。然而，为了更好理解，这些部件、构件或组件这里没有详加说明。

逆变器10例如可包括两个半桥，这两个半桥分别具有两个半导体开关元件m1至m4。第一开关元件m1可布置在上方的节点与第一变压器30的一次绕组31的第一连接端之间。第二开关元件m2可设置在上方的节点与第一变压器30的一次绕组31的第二连接端之间。第三开关元件可设置在第一变压器30的一次绕组31的第一连接端与第二输入连接端e2之间。最后，第四开关元件m4可设置在第一变压器30的一次绕组31的第二连接端与第二输入连接端e2之间。例如，mosfet或者绝缘栅双极型晶体管（igbt）都可能作为半导体开关。可以与每个开关元件并联地设置体二极管。

直流电压转换器1的整流器20可以被实施为有源同步整流器。整流器20尤其可以类似于逆变器10地被实施为两个半桥，这两个半桥分别具有两个半导体开关元件m5至m8。直流电压转换器的第一开关元件m5可设置在直流电压转换器的第一输出连接端与变压器30的二次绕组32的第一连接端之间。直流电压转换器的第二开关元件m6可设置在第一输出连接端a2与变压器30的二次绕组32的第二连接端之间。第三开关元件m7可设置在第二输出连接端a2与变压器30的二次绕组32的第一连接端之间。最后，第四开关元件m8可设置在第二输出连接端a2与变压器30的二次绕组32的第二连接端之间。在如下节点与变压器30的二次绕组32的第二连接端之间可以设置电感33，该节点使整流器20的第二开关元件m6与第四开关元件m8彼此连接。替选地，该电感33也可以由变压器30的漏电感形成。

直流电压转换器1的补偿装置40包括第二变压器42和开关元件41。补偿装置40还可包括二极管45。补偿装置40的第二变压器42的一次绕组43布置在第一输入连接端e1与逆变器10的输入连接端之间。补偿装置40的开关元件41布置在第二输入连接端e2与补偿装置40的第二变压器42的二次绕组44的连接端之间。补偿装置40的第二变压器42的二次绕组44的第二连接端必要时通过二极管45与直流电压转换器1的第一输入连接端e1连接。

随后，参考图2至4进一步描述直流电压转换器1的工作原理。在这种情况下，附在第一输入连接端e1与第二输入连接端e2之间的输入端直流电压uin应该被转换成在第一输出连接端a1与第二输出连接端a2之间的更高的输出端直流电压uout。

图2首先示出了第一步骤，其中逆变器10的四个开关元件m1至m4都闭合。如通过图2中的粗线绘制的电流走向能看出的那样，在此，电流从第一输入连接端e1通过补偿装置40的第二变压器42的一次绕组43经由逆变器的四个开关元件m1至m4流到第二输入连接端e2。在出现该通过电流期间，能量被存储在补偿装置40的第二变压器42的一次绕组43中。因而，该步骤被称作“充电”。

紧接着，如在图3中示出的那样，将逆变器10的四个开关元件m1至m4中的两个开关元件断开，使得现在出现经过第一变压器30的一次绕组31的通过电流。例如，可以将第一开关元件m1和第四开关元件m4断开，而第二开关元件m2和第三开关元件m4保持闭合。替选地，也可以将第二开关元件m2和第三开关元件m3断开，而第一开关元件m1和第四开关元件m4保持闭合。在操作运行期间，通常两个刚才描述的开关状态交替地被调整出，使得分别相继出现经过变压器30的一次绕组31的相反的通过电流。经过第一变压器30的一次绕组31的电流也在变压器30的二次绕组32中引起通过电流。经此，通过相对应地操控在直流电压转换器1的整流器20中的开关元件m5至m8，可以给在第一输出连接端a1与第二输出连接端a2之间的电容器c1充电。在该过程期间，存储在补偿装置40的第二变压器42的一次绕组43中的电能减少。因而，该过程被称作“放电”。

在放电之后紧接着是又一个进行充电的步骤，而且接着是另一进行放电的步骤，其中在两个连续的放电步骤中，分别调整出经过第一变压器30的一次绕组31的相反的通过电流。

如果直流电压转换器的输出功率小，则经过补偿装置40的第二变压器42的一次绕组43的电流将在放电过程结束时下降到0a。因此，在整流器20中的开关元件m5至m8的体二极管可以无电流地关断。该运行模式被称作间断运行。

在输出功率较大的情况下，经过补偿装置40的第二变压器42的一次绕组43的电流将不再完全下降到0a。该运行模式被称作持续运行。在这种情况下，在整流器20中的开关元件m5至m8的体二极管不再能无电流地关断。经此，由于反向恢复效应引起的损耗升高。

为了避免或降低反向恢复效应和与此相关联的损耗，在放电过程结束时，临近切换到充电运行，将补偿装置40的开关元件41短接预先确定的时长，如在图4中示出的那样。该运行模式被称作空转。在此，补偿装置40的第二变压器42的一次绕组43和二次绕组44作为反激变压器来进行工作。第二变压器42的一次绕组43将电压感应到第二变压器42的二次绕组44中。因为第二变压器42的一次绕组43和二次绕组44反向耦合，所以在二次绕组43上的二次电压与一次电压反向。在此，二次电压的大小可以根据在第二变压器42的一次绕组43与二次绕组44之间的变压比来调整。感应到二次绕组44中的电压引起通过电流，该通过电流经过开关元件41、二次绕组44和二极管45流回到连接在第一输入连接端e1与第二输入连接端e2之间的电容器c2和/或连接到第一输入连接端e1和第二输入连接端e2上的电压源中。因为以这种方式将电能馈给回所连接的电压源，所以也可以提高直流电压转换器1的效率。

在之前描述的在空转中的过程期间，经过第一变压器30的一次绕组31的电流下降回到大约0a。存储在第一变压器30的二次绕组32上的漏电感或电感33中的能量通过在直流电压转换器10中导通的半导体器件m1和m4或m2和m3被减少。因此，相对应的器件可以无电流地关断。以这种方式，将反向恢复损耗降低到最低限度。紧接在切换到上面描述的充电运行之后，补偿装置40的开关元件41重新被断开，而且开始充电和放电的又一个周期，该周期再一次以空转来结束。

图5示出了如用于运行按照实施方式的直流电压转换器的方法所基于的流程图的示意图。这里描述的方法尤其可以应用于之前描述的直流电压转换器1。在步骤110中，首先给补偿装置40的第二变压器42的一次绕组43充电。紧接着，在步骤120中，使补偿装置40中的第二变压器42的一次绕组43放电。充电110和放电120之前已经被描述。在放电过程120结束时，将补偿装置40的开关元件41闭合预先确定的时长。该预先确定的时长例如可以为最大400ns。然而，视应用情况而定，更大的时间区间或者也包括更小的时间区间、例如200ns或100ns也是可能的。

对第二变压器42的一次绕组43的充电和紧接着对第二变压器42的一次绕组43的放电可以在直流电压转换器1运行期间定期地被重复。在此，在放电过程120结束时，为了上面描述的空转，分别将开关元件41闭合130。

概括来说，本发明涉及一种由于反向恢复效应引起的损耗被减少的直流电压转换器。为此，在直流电压转换器的输入端处设置变压器。通过该变压器，对于经由该变压器的无电流的换向来说，可能还流动的电流可以被补偿并且因此被降低。在这种情况下，尤其是在持续的升压转换器运行时，可以减少或避免由于反向恢复效应引起的电损耗。