直流电压转换器和用于操控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和一种用于操控直流电压转换器的方法。

背景技术：

除了低压电网（12伏特车载电网）之外，电动车辆和混合动力车辆通常也包括高压电网。该高压电网例如可以由高压电池、诸如电动车辆或混合动力车辆的牵引电池来馈电。通常，高压电网中的电压在几百伏特的范围内。为了将电能馈入到低压电网中，可以将电能从高压电网传输到低压电网中。

出版文献de102012204029a1公开了一种用于具有两个电压域的电动车辆的传输设备。该设备包括检测装置，该检测装置检测第二电压域的蓄能器的充电状态。该设备还包括直流电压转换器，该直流电压转换器根据在第二电压域中的蓄能器的充电状态来将电功率从第一电压域传输到第二电压域中。

出于安全原因，在高压电网与低压电网之间传输电能时，对两个电网进行电流隔离。这通常通过变压器来实现。

技术实现要素：

本发明提供了一种具有专利独立权利要求1的特征的直流电压转换器和一种具有专利独立权利要求8的特征的用于操控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第一输入连接端和第二输入连接端。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可以施加输入电压。该直流电压转换器包括：第一开关元件，该第一开关元件布置在第一输入连接端与第一节点之间；第二开关元件，该第二开关元件布置在第一输入连接端与第二节点之间；第三开关元件，该第三开关元件布置在第一节点与第一输入连接端之间；和第四开关元件，该第四开关元件布置在第二节点与第二输入连接端之间。可以分别与第一开关元件、第二开关元件、第三开关元件和第四开关元件并联地布置续流二极管。该直流电压转换器还包括变压器，该变压器具有一次侧和二次侧。变压器的第一侧的第一连接端与第一节点电耦合，而变压器的一次侧的第二连接端与第二节点电耦合。该直流电压转换器还包括第一电感，该第一电感布置在变压器的二次侧的第一连接端与第三节点之间。该直流电压转换器还包括整流电路，该整流电路被设计为：对在第三节点与变压器的二次侧的第二连接端之间的电压进行整流，而且在第一输出连接端与第二输出连接端之间提供经整流的电压。该直流电压转换器还包括控制装置。该控制装置被设计为：首先将第二开关元件和第三开关元件断开并且将第一开关元件和第四开关元件闭合。该控制装置还被设计为：紧接着在预先确定的第一时间区间之后将第四开关元件断开，而且接着在经过第一开关元件的电流和/或经过变压器的二次侧的电流小于预先给定的阈值之后，将第一开关元件断开。该控制装置还被设计为：紧接着在预先确定的第二时间区间之后将第二开关元件和第三开关元件闭合，而且紧接着在与预先确定的第一时间区间相对应的时间区间之后将第三开关元件断开。该控制装置还被设计为：接着，在经过第二开关元件的电流和/或经过变压器的二次侧的电流低于该预先给定的阈值之后，将第二开关元件断开。

此外还规定：

一种用于操控直流电压转换器的方法。该直流电压转换器例如可以是具有之前描述的结构的直流电压转换器。该直流电压转换器尤其包括：第一输入连接端；第二输入连接端；第一开关元件，该第一开关元件布置在第一输入连接端与第一节点之间；第二开关元件，该第二开关元件布置在第一输入连接端与第二节点之间；第三开关元件，该第三开关元件布置在第一节点与第二输入连接端之间；第四开关元件，该第四开关元件布置在第二节点与第二输入连接端之间。可以分别与第一至第四开关元件并联地布置续流二极管。该直流电压转换器还包括变压器，该变压器具有一次侧和二次侧，其中一次侧的第一连接端与第一节点电耦合，而一次侧的第二连接端与第二节点电耦合。该直流电压转换器还包括：第一电感，该第一电感布置在变压器的二次侧的第一连接端与第三节点之间；和整流电路，该整流电路被设计为对如下电压进行整流，该电压附在第三节点与变压器的二次侧的第二连接端之间。该直流电压转换器还包括第一输出连接端和第二输出连接端，其中该直流电压转换器在第一输出连接端与第二输出连接端之间提供经整流的电压。该方法包括如下步骤：将第二开关元件和第三开关元件断开；将第一开关元件和第四开关元件闭合；在第四开关元件被断开预先确定的第一时间区间之后，将第四开关元件断开；监控经过第一开关元件的电流和/或经过变压器的二次侧的电流；在所监控的经过第一开关元件和/或经过变压器的二次侧的电流小于预先给定的阈值之后，将第一开关元件断开；在第一开关元件被断开预先确定的第二时间区间之后，将第二开关元件和第三开关元件闭合；在第三开关元件被断开如下预先确定的时间区间之后，将第三开关元件断开，该预先确定的时间区间对应于预先确定的第一时间区间；监控经过第二开关元件的电流和/或经过变压器的二次侧的电流；而且在所监控的经过第二开关元件和/或经过变压器的二次侧的电流小于预先给定的阈值之后，将第二开关元件断开。

本发明的优点

本发明所基于的认识在于：在全桥移相（full-bridgephaseshifted，fbps）的直流电压转换器的升压运行时，在能量从低压侧朝着高压侧的方向流动的情况下，在直流电压转换器的输入侧上的开关元件通常被硬切换。根据截止电压或在高压侧上的电压的大小，在整流构件（二极管）中可能出现所谓的“反向恢复效应（reverse-recovery-effekt）”。在此，二极管不能立即接受截止电压，而是尽管附上有截止电压，该二极管仍在短时间内导电。在此，形成经过二极管的短暂的并且高的电流脉冲。该电流脉冲造成构件中的高损耗。常规的体二极管通常没有针对这种运行模式来设计，如这些体二极管例如被用于高压侧上的mosfet那样。因而，在该模式下，器件在较长的运行时可能被损坏。

因而，本发明所基于的思想在于：考虑该认识并且提供一种直流电压转换器，该直流电压转换器应成本低廉地来建造而且在此具有尽可能微小的开关损耗。本发明的思想尤其是：设置一种用于电位隔离的直流电压转换器的调制方法，其中各个构件、尤其是半导体开关尽可能小地被之前描述的反向恢复效应加负荷。

为此，本发明提供了一种用于psfb直流电压转换器的调制方法，其中由于对各个半导体开关的创新性操控可以降低开关损耗。因此，由于各个开关元件中的开关损耗的降低，整流电路的损耗功率也降低。因而，也须将更少的热量排出。这能够在电路结构的结构空间或体积更小的情况下同时实现更高效的冷却。因此，也可以降低整流电路的总花费。此外，由于结构紧凑，关于电磁兼容性方面所需的抗干扰措施的花费也降低。

按照一个实施方式，在第一输入连接端与第二输入连接端之间能施加输入电压。该输入电压大于变压器的在一次侧与二次侧之间的变压比和额定输出电压之乘积，该额定输出电压应该在直流电压转换器的整流电路的第一输出连接端与第二输出连接端之间被提供。在这种情况下，在输入连接端与变压器之间的电路结构作为降压转换器来运行，该电路结构在该降压转换器运行模式下提供如下调制电压，该调制电压的平均值小于在直流电压转换器的输入连接端之间的直流电压。

按照一个实施方式，预先确定的第一时间区间能根据在第一输入连接端与第二输入连接端之间的输入电压和/或额定输出电压来适配。以这种方式，通过调整时间区间可以实现针对直流电压转换器的输出电压的电压调节。

按照一个实施方式，该直流电压转换器的整流电路包括有源同步整流电路。该整流电路例如可包括：第五开关元件，该第五开关元件布置在第三节点与第一输出连接端之间；第六开关元件，该第六开关元件布置在变压器的二次侧的第二连接端与第一输出连接端之间；第七开关元件，该第七开关元件布置在第三节点与第二输出连接端之间；和第八开关元件，该第八开关元件布置在变压器的二次侧的第二连接端与第二输出连接端之间。以这种方式，可以实现对由变压器的二次侧提供的电压的有源整流。

按照一个实施方式，该整流电路的控制装置被设计为：根据第一开关元件和第二开关元件的开关状态来操控有源整流电路的开关元件。以这种方式，可以特别简单地实现整流电路的开关元件的同步。

按照一个实施方式，该直流电压变换器包括电流传感器。该电流传感器被设计为：检测经过变压器的二次侧的电流，和/或检测经过第一开关元件以及经过第二开关元件的电流。以这种方式，可以特别简单地检测对于操控该直流电压转换器的开关元件来说所需的电流。

按照该用于操控直流电压转换器的方法的一个实施方式，第二时间区间根据第一开关元件的死区时间和/或第二开关元件的死区时间来适配。

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方式进一步予以阐述。在此：

图1示出了按照实施方式的直流电压转换器的电路图的示意图；

图2示出了如用于操控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；

图3示出了如实施方式所基于的开关过程的示意图。

具体实施方式

图1示出了按照实施方式的直流电压转换器1的电路图的示意图。直流电压转换器1包括第一输入连接端e1和第二输入连接端e2。在第一输入连接端e1与第二输入连接端e2之间可以施加输入电压uin。可选地，在第一输入连接端e1与第二输入连接端e2之间可以设置电容c1。在第一输入连接端e1与第一节点k1之间布置第一开关元件s1。在第一输入连接端e1与第二节点k2之间布置第二开关元件s2。此外，在第一节点k1与第二输入连接端e2之间布置第三开关元件s3，而且在第二节点k2与第二输入连接端e2之间布置第四开关元件s4。可以与这四个开关元件s1至s4中的每个开关元件并联地布置续流二极管。此外，在第一输入连接端e1与如下节点之间布置电感l2，在该节点处，第一开关元件s1和第二开关元件s2与第一输入连接端e1连接。附加地，可以设置所谓的反向操作电路（reverseoperationcircuit）r，该反向操作电路可以将可能被存储在电感l2中的电能馈给回连接在输入连接端e1、e2上的电网中，从而避免高的电压瞬变。

这四个开关元件s1至s4例如可以是任意的半导体开关元件，如金属氧化物场效应晶体管（mosfet）、绝缘栅双极型晶体管（igbt）或者任意其它的半导体开关元件。

直流电压转换器1还包括变压器t，该变压器具有一次侧和二次侧。变压器t的第一侧的第一连接端与第一节点k1电耦合，而变压器t的一次侧的第二连接端与第二节点k2电耦合。在变压器t的二次侧，在变压器t的第一连接端与第三节点k3之间布置有电感l1。第三节点k3以及变压器t的二次侧的第二连接端与整流电路10电耦合。该整流电路10例如可以是无源桥式整流器。替选地，整流电路10也可以是有源同步整流器或者类似的。例如，在第三节点k3与整流电路10的第一输出连接端a1之间可以布置第五开关元件s5，该第一输出连接端同时也是直流电压转换器的输出连接端。在变压器t的二次侧的第二连接端与第一输出连接端a1之间布置有第六开关元件s6。此外，在第三节点k3与整流电路10的第二输出连接端a2之间布置第七开关元件s7，而且在变压器t的二次侧的第二连接端与第二输出连接端a2之间布置第八开关元件s8。在此，同样可以分别与第五至第八开关元件s5-s8并联地布置续流二极管。此外，在第一输出连接端a1与第二输出连接端a2之间可以设置电容c2。

通过对直流电压转换器1的开关元件s1至s4以及必要时s5至s8的适当的操控，以这种方式可以在第一输出连接端a1与第二输出连接端a2之间提供预先给定的额定输出电压。为此，通过控制装置20可以相对应地操控这些开关元件。

随后，示例性地描述对这些开关元件的按照本发明的操控。

首先将第二开关元件s2和第三开关元件s3断开，同时将第一开关元件s1和第四开关元件s4一起断开。于是，输入电压uin减去在电感l2上的电压降附在变压器t的一次侧上。通过在变压器t的一次侧与二次侧之间的磁耦合，在变压器t的二次侧上感应出电压。该电压引起经过电感l1的通过电流。在这种情况下，电感l1可以实现为单独的外部器件或者必要时也可以实现为变压器t的漏电感。电感l1尤其是直流电压转换器1的谐振电感或变压器t的漏电感。

在之前描述的开关状态下，首先出现经过电感l1的通过电流，而在第一输出连接端a1与第二输出连接端a2之间的电容c2经由闭合的开关元件s5和s8被充电。在这种情况下，开关元件s6和s7截止。

在预先确定的时长t1之后，首先将第四开关元件s4断开，而第一开关元件s1保持闭合。在此，经过变压器t的一次侧的电流从第四开关元件s4换向到与第二开关元件s2并联的续流二极管中。此外，电流继续流经闭合的第一开关元件s1。在变压器的二次侧，电流继续流经闭合的第五开关元件s5和闭合的第八开关元件s8。

在最后描述的开关状态期间，没有继续将能量从输入连接端e1和e2馈入到直流电压转换器1中。这里，该状态在下文被称作空转。在这种情况下，尤其是被存储在电感l1中的电能被转交给第一输出连接端a1与第二输出连接端a2之间的电容c2。在进一步的过程中，在二次侧上经过电感l1的电流将从最大值下降到零。如果经过电感l1并且因此也经过变压器t的二次侧的电流衰减到了零安培或接近零安培，则在变压器t的一次侧上并且因此尤其是经过第一开关元件s1的电流同样也接近零安培。于是，第一开关元件s1可以无电流地被断开。在这种情况下，尤其是在将第一开关元件s1断开时的开关损耗最小。因为在这种情况下在二次侧上也没有电流继续流动，所以第五开关元件s5和第八开关元件s8也可以无电流地并且因此无功率地被断开。

在最后描述的开关状态下所有开关元件都断开之后，接着在另一时间区间t2之后，相同的开关操作可以符号相反地被重复，如这随后被描述的那样。在这种情况下，在断开第一开关元件s1（和开关元件s5和s8）之间的时间区间t2应该至少对应于第一开关元件s1的死区时间。由于器件、尤其是开关元件s1-s4的寄生效应，可能出现开关延迟。通过考虑如下死区时间可以确保：如果引入继续的开关过程，则将没有电流继续流经第一开关元件s1，该死区时间考虑了这些特性。

接着，对于继续的能量传输来说，首先将第二开关元件s2和第三开关元件s3闭合。于是，有电流从第一输入连接端e1经过第二开关元件s2、变压器t的一次侧和第三开关元件s3流到第二输入连接端e2。接着，在变压器t的二次侧上感应出电流，而且有电流开始经过变压器t的二次侧、电感l1以及两个同样被连接的开关元件s6和s7（第六和第七开关元件）流到第二电容c2中。

接着，在预先给定的时长之后，将第三开关元件s3断开，该预先给定的时长优选地对应于上面描述的第一时长t1。接着，电流通过与第一开关元件s1并联的续流二极管来进行换向。

在此期间，在二次侧上出现经过电感l1的电流，该电流从现在开始从最大值衰减到接近零安培。一旦在二次侧上经过电感l1的电流衰减到了接近零安培，就也不再有电流流经仍断开的第六和第七开关元件s6和s7。相对应地，在电流衰减完以后，也不再有电流在一次侧上流经第二开关元件s2。于是，第二开关元件s2以及第六开关元件s6和第七开关元件s7可以无电流地并且因此无功率地被断开。

紧接着，在优选地对应于之前描述的第二时间区间t2的另一时间区间之后，可以在闭合第一开关元件s1和第四开关元件s4的情况下重复之前描述的开关操作。

在此，在之前描述的开关操作中在将第四开关元件s4断开时或在将第三开关元件s3断开时，经过电感l2的电流突然被中断。在此，也许可能出现高的电压瞬变。为了避免经此形成的损坏，必要时，在第一输入连接端e1与第一开关元件s1和第二开关元件s2的连接点之间可设置所谓的“反向操作电路（reverseoperationcircuit）”r。

可选地，在之前描述的开关状态下，相对应的开关元件分别可以有源地被操控和闭合，在所述开关状态下，有电流流经与开关元件并联的续流二极管。以这种方式可能的是：还使导通损耗进一步降低，因为电半导体开关元件通常具有比与之并联地布置的续流二极管更低的损耗。

在此，在所谓的“降压运行”（降压转换器运行）时，对第一开关元件s1至第四开关元件s4进行操控。在此，要针对空转来调整的时长、也就是说预先给定的第一时长t1取决于：所要提供的输出电压、变压器t的变压比、最大的二次电流或一次电流、输入电压uin以及电感l1。因为不仅电感l1而且变压器t的变压比都可以被视为恒定，所以在有关最大值对直流电压转换器1的输入电流进行限制时可以假定：直流电压转换器的输出电压uout与用于空转的第一时间区间t1直接成比例。这能够实现对输出电压uout的特别简单的调节。

图2示出了如用于操控按照实施方式的直流电压转换器的方法100所基于的流程图的示意图。用于该方法的直流电压转换器尤其可以是之前描述的直流电压转换器1。首先，在步骤110中，将第二开关元件s2和第三开关元件s3断开。在步骤120中，将第一开关元件s1和第四开关元件s4闭合。接着，在预先确定的第一时间区间t1之后，将第四开关元件s4重新断开。在此，在步骤140中，监控经过第一开关元件s1和/或经过变压器t的二次侧的电流。如果在此探测到经过第一开关元件s1和/或经过变压器t的二次侧的电流小于预先给定的阈值，则在步骤150中将第一开关元件s1断开。因此，无电流地将该第一开关元件s1断开。紧接着，在步骤160中，在另一预先确定的时间区间t2之后，可以将第二开关元件s2和第三开关元件s3闭合。接着，在步骤170中，在如下预先给定的时间区间期满之后，将第三开关元件s3断开，该预先给定的时间区间优选地对应于预先确定的第一时间区间t1。接着，在步骤180中，监控经过第二开关元件s2的电流和/或经过变压器t的二次侧的电流。如果在此探测到经过第二开关元件s2和/或经过变压器t的二次侧的电流小于预先给定的阈值，则在步骤190中将第二开关元件无电流地断开。紧接着，可以重复之前描述的方法步骤。

在此，为了监控在变压器的二次侧上的电流和/或监控经过在变压器的一次侧上的开关元件的电流，可以设置适合的电流传感器（未示出）。

图3示出了按照实施方式的调制方法以及二次电流变化过程的示意图。在上方的图表中示出了第一和第二开关元件s1、s2（高压侧开关元件）的操控信号，在中间的图表中示出了第三和第四开关元件s3、s4（低压侧开关元件）的操控信号，而在下方的图表中示出了二次电流的变化过程。

首先，将第一开关元件s1和第四开关元件s4一起接通。由此，有电压位于变压器t的变压器绕组的一次侧上而且该电压引起从输入侧到一次绕组中的通过电流。通过在变压器t中的两个电感的磁耦合，在二次绕组上感应出电压，该电压引起从二次绕组经过谐振电感l1、开关元件s5和s8到输出端电容c2中的通过电流。谐振电感l1和输出端电容c2被充电，而且输出电压升高。接下来，将第四开关元件s4关断。在此，第一开关元件s1保持接通。一次电流从第四开关元件s4换向到第二开关元件s2的体二极管中，而且现在流经该二极管，继续流经第一开关元件s1和一次绕组。二次电流继续流经第五开关元件s5和第八开关元件s8。在该运行状态下，变压器t的一次绕组被短接，而且因此没有能量从输入侧e1、e2传输到变压器t并且传输到附在输出侧上的电容c2。该状态被称作空转。在这种情况下，不仅一次电流而且二次电流都继续流动，但是不再有能量从一次电路传输到二次电路中。存储在电感l1中的能量在空转下被转交给电容c2。在此，二次电流从最大值下降到零。在将第四开关元件s4关断时，经过输入侧上的电感l2的电流突然被中断。在此，可能出现高的电压瞬变，这些高的电压瞬变可能损坏开关元件。为了避免这一点，存储在l2中的能量通过反向操作电路r被馈给回在e1与e2之间的输入侧上的电网中，使得没有出现电压瞬变。如果二次电流为零，则一次电流也为零，而且第一开关元件s1在该时间点关断。不仅在一次侧上的开关元件s1-s4而且在二次侧上的开关元件s5-s8都无电流地并且因此无功率地关断。通过无电流的关断过程，使在二次侧上的整流二极管的反向恢复效应降低。在第一开关元件s1关断的情况下，第一半周期结束。在死区时间δt之后，将第二开关元件s2和第三开关元件s3接通，而且该过程以第二半桥反方向地重新开始。

概括来说，本发明涉及一种耐压强度高以及功率损耗被减小的直流电压转换器以及一种用于操控耐压强度高以及功率损耗被减小的直流电压转换器的方法。在这种情况下，提出了利用新式的调制方法对按照移相全桥（phase-shiftedfull-bridge）配置的电位隔离的多级半桥转换器的经优化的操控。