Dc/dc变换器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于将第一直流电压变换为第二直流电压的DC/DC变换器和一种 用于调节这样的DC/DC变换器的方法，其中，在所述DC/DC变换器中设有一个由至少三个电 容器组成的电容器串联电路，其中，该电容器串联电路的第一电容器和中间的第三电容器 是第一逆变换器的一部分，并且该电容器串联电路的第二电容器和中间的第三电容器是第 二逆变换器的一部分.
【背景技术】
[0002] 在许多应用领域中需要将高的直流电压、例如330V到1000V的电压变换为明显较 低的直流电压、例如40V到60V的电压，亦即小了在10的范围内的因子的电压.在双向的直流 电压变换器(DC/DC变换器)的情况下相应地反之亦然。这例如在蓄电池充电站中发生，在那 里多个蓄电池充电设备存在于一个公共的、具有高的直流电压的DC中间电路上并且由该中 间电路供电或者向该中间电路提供电能.以当今的半导体开关例如使用在DC/DC变换器中 的M0SFET(金属氧化物半导体场效应晶体管）或者IGBT(绝缘栅双极晶体管）的技术很难实 现这种需要.
[0003] 已知M0SFET的导线电阻和因此线路损耗随耐压强度的升高而升高.在这种高要求 的电压或者由此伴随的高的耐压强度的情况下，在低成本的标准M0SFET中会产生极大的线 路损耗并因此产生极大的效率损失.此外必须实施花费大的冷却设计，以便导出损失功率 和防止功率电子设备过热。由此在这种需要下不能使用标准M0SFET.这里低成本的标准 IGBT也被排除，因为即使在使用软开关设计例如零电压开关(ZVS)或者零电流开关(ZCS)的 情况下也不能消除IGBT的大的断开损失.在技术上使用SiC(碳化硅)M0SFET能够实现对于 这些需求的DC/DC变换器，但是它们非常昂贵因此对于大多数应用不予考虑.
[0004] 同样在许多应用领域中需要，必须能够以DC/DC变换器为外部的负载跳变实现超 短的反应时间、例如在1 〇ms的范围内.也就是说DC/DC变换器在该反应时间内能够实现大的 电流跳变.在蓄电池充电设备中，这例如在从最大功率的充电向最大功率的放电切换时发 生，例如这可能发生在应急电源系统中.相似的负载跳变也可能在接通或者断开蓄电池系 统的电气负载的情况下发生.但是所需要的电压范围决定了DC/DC变换器的无源的电气部 件特别是电容器和线圈的相应规格选择.但是由于使用的线圈和电容器的由此产生的电感 值和电容值产生电气系统的高的时间常数
），这限制了DC/DC变换器的可能的 反应时间.
[0005]从N.Videau等人所著"ANon-isolatedDC-DCConverterwithInterCell TransformerforBuck-typeorBoost-typeApplicationRequiringHighVoltage RatioandHighEfficiency"，PCIMEurope2013，14_16]\&7，仙代11^6坪，第1452-1459页， ISBN973-3-8007-3505-1中已经说明了为上述问题的一种解决方案.其中说明的用于高电 压比的DC/DC变换器由以Buck拓扑结构的两个双向的同步变换器组成.通过将第一同步变 换器叠置在镜像的第二同步变换器上能够并行地使用这两个同步变换器的一个公共的输 出端.由此能够在输出侧实现线圈电流的电流翻倍，因为线圈电流在一个同步变换器中在 所有时间点都是输出电流的一部分。通过同步变换器的直接的功率传输既在线圈的磁化阶 段也在去磁阶段都向输出端提供功率。然而该布置结构在DC/DC变换器的输入端方面被证 明是有缺点的.同步变换器具有已知的如下特性，即，输入和输出电压具有相同的符号。由 此DC/DC变换器的输入由叠置的同步变换器的两个输入组成，它们通过所述公共的输出端 互相连接.然而所述输出端在所述布置结构中引起反向极化，由此正的输入电流在输出侧 作为负的部分起作用。在正常运行中，该负的部分通过线圈电流被完全补偿并且将输出电 流减小了相对小的输入电流.但是这种状态在动态效果和电压脉冲的情况下是有缺点的， 这导致过高的电容器电流并且表现为一种明显的输出侧的电压扰动.这能够对信号和操控 电子设备起破坏作用.此外在DC/DC变换器的运行中，在DC/DC变换器的电容器上由拓扑结 构决定地存在输入电压的大于一半的电压(具体来说，输入电压+输出电压的一半）.由此所 述两个电容器也必须具有相应的耐压强度.但是在高的输入电压的情况下U1000V)这是 有问题的，因为例如在电解液电容器的情况下耐压强度由工艺决定限制在500V。因此这样 的DC/DC变换器对于高的输入电压以电解液电容器完全不能实现.DE10 2013 2016 231 A1说明一种具有整流器中间电路和三个串联的电容器的三相的多点整流器。这里的目的是 使存在于电容器上的电压对称，以便保持分级截取(abgreifen)的输出电压恒定.
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于，说明一种DC/DC变换器，它能够低成本地实现高的电压比和允 许短的反应时间，并且避免已知的现有技术的缺点.
[0007] 该任务对于所述DC/DC变换器如下解决，在DC/DC变换器中设有由至少三个电容器 组成的电容器串联电路，其中，电容器串联电路的第一电容器和中间的第三电容器是第一 逆变换器的一部分，并且电容器串联电路的第二电容器和中间的第三电容器是第二逆变换 器的一部分，并且第一直流电压存在于电容器串联电路而第二直流电压存在于第一和第二 逆变换器的公共的第三电容器上.通过该电路同样实现共享电容器串联电路的中间的电容 器的所述两个逆变换器的一种叠置且对称的布置结构。但是逆变换器的作用原理基于间接 的功率传输.在线圈磁化接地期间，逆变换器的输入功率中间存储在线圈内而在去磁阶段 期间向输出端提供.通过将第一逆变换器叠置在一个镜像的第二逆变换器上能够并行地使 用一个公共的输出端。由此能够为本发明的DC/DC变换器在输出侧在各个去磁阶段期间实 现线圈电流的电流翻倍。通过逆变换器的反向功能还附加地叠加输入电流作为正的部分电 流.该正的部分将逆变换器的小的输出电流补偿到100%，这些输出电流在磁化阶段期间不 向输出端传输.但是本发明的DC/DC变换器特别在输入端方面被证明是有利的.本发明的 DC/DC变换器的输入端由逆变换器的所述两个输入端和所述两个逆变换器的在公共的中间 的电容器上的公共的输出端组成。由此能够实现具有重叠的功率传输的经典的电容器串联 电路.动态的效果按照电容比均匀地作用，从而输出电压基本上不变.此外，在DC/DC变换器 的运行中.在DC/DC变换器的各电容器上由拓扑结构决定地始终存在比输入电压的一半小 的电压(具体来说，输入电压-输出电压的一半）.因此能够减小电容器的需要的耐压强度. 因此即使在高的输入电压（1000V)的情况下也通过减半和相减而使用电解液电容器.特别 是即使在比现有技术中更高的输出电压下也可以。总之一个重要的优点是：以本发明的 DC/DC变换器的电容器的较小的耐压强度相对于根据现有技术的DC/DC变换器保持输出功 率不变.同样，在本发明的DC/DC变换器中，电容器串联电路的电容器的电流负载也明显更 小。因此本发明的DC/DC变换器也能够以标准部件低成本地实现.
[0008]如果第三电容器的电容较大，特别是至少比第一和第二电容器的电容的和大两 倍，则教师在较大的变压比的情况下也能够有利地减小瞬时事件、例如接通过程或者负载 跳变的作用.因此也能够实现将输出电压变换为输入电压的十分之一的应用.一般来说，电 容器的匹配从大于1到3的变压比起可能是有利的。可能发生的电压尖峰按照第三电容器相 对于电容的和的电容比减小.即使在高的变压比下也能够避免可能导致寿命缩短或者可能 甚至损坏的部件或者在下游连接的电路的过负载。这例如也允许为变压比可能要求大于1 到10的蓄电池充电站使用本发明的DC/DC变换器。
[0009] 有利地，为了构成第一逆变换器设有桥接电路，所述桥接电路包括具有至少一个 第一和第二半导体开关的第一开关串联电路、由第一和第三电容器组成的串联电路和作为 桥支路的、在其内设置第一线圈的电气连接，并且为了构成第二逆变换器设有桥接电路，所 述桥接电路包括具有至少一个第三和第四半导体开关的第二开关串联电路、由第二和第三 电容器组成的串联电路和作为桥支路的、在其内设置第二线圈的电气连接组成。这产生所 述两个逆变换器的一种特别简单的电路技术的结构.
[0010]当选择第一电容器和第二电容器同样大时，那时DC/DC变换器的第一直流电压均 匀地分布在两个逆变换器上，由此使它们承受相同的负载并且对逆变换器的半导体开关的 耐压强度产生显著低的需求.由此也能够提高DC/DC变换器的效率.
[0011]按照本发明的用于DC/DC变换器的方法，所述DC/DC变换器用于将第一直流电压变 换为第二直流电压或者将第二直流电压变换为第一直流电压，其中，第二直流电压存在于 一个电容器上，并且在DC/DC变换器内设置两个各具有至少一个线圈、至少两个半导体开关 和至少一个电容器的DC/DC变换器单元，并且这两个DC/DC变换器单元互相电路连接，其方 式为，所述两个DC/DC变换器单元共享所述电容器，在所述电容器上存在第二直流电压，其 中，DC/DC变换器单元的半导体开关在相继的切换周期期间交替地切换，其特征在于，为通 过DC/DC变换器单元的线圈的线圈电流预定最小电流值和最大电流值，其中，这些最小电流 值和最大电流值具有不同的符号，以及当各个线圈电流达到所属的最小电流值或者最大电 流值时，触发DC/DC变换器单元的半导体开关的切换.在这种情况下，线圈电流的当前值有 利地通过适宜的测量器件确定，这例如可以通过霍尔传感器、电流分流器等进行。通过由此 线圈电流的强制的过零强制半导体开关的软开关，这减小DC/DC变