用于直流電壓變換器的緩沖電路的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及一種直流電壓變換器（1），具有：包括初級(jí)側(cè)繞組（2a）和帶中間抽頭的次級(jí)側(cè)繞組（2b、2c）的變壓器（2）；輸出電感（3），其與所述中間抽頭和第一輸出接頭（9a）連接；具有兩個(gè)同步整流器開(kāi)關(guān)（14a、14b）的同步整流器電路（4），所述同步整流器開(kāi)關(guān)分別與次級(jí)側(cè)繞組（2b、2c）的末端側(cè)抽頭連接，并且被設(shè)計(jì)為在第二輸出接頭（9b）處生成經(jīng)整流的輸出電壓；和經(jīng)由同步整流器電路（4）連接的緩沖電路（5）。所述緩沖電路在此具有：兩個(gè)二極管（16a、16b），其分別與次級(jí)側(cè)繞組（2b、2c）的末端側(cè)抽頭耦合；電容器（6），其與兩個(gè)二極管（16a、16b）耦合并且被設(shè)計(jì)為存儲(chǔ)在同步整流器電路（4）中出現(xiàn)的共振振蕩能量；和由放電開(kāi)關(guān)（18）和電阻（17）的串聯(lián)電路組成的放電電路（7），其中所述放電電路（7）耦合在第一輸出接頭（9a）和電容器（6）之間并且被設(shè)計(jì)為將在電容器（6）中所存儲(chǔ)的電荷選擇性地饋送回到第一輸出接頭（9a）中。
【專(zhuān)利說(shuō)明】用于直流電壓變換器的緩沖電路
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于直流電壓變換器的、尤其是用于具有同步整流的中點(diǎn)整流器(Mittelpunktgleichrichter)的緩沖電路。
【背景技術(shù)】
[0002]為了直流電壓變換、例如為了供給車(chē)輛的低壓車(chē)載電網(wǎng)，通常采用同步整流器電路。為此使用的功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)、例如MOSFET在較高的直流電流情況下恰好具有比二極管小的損耗電壓，由此可以提高整流器的效率。由于截止的半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)的輸出電容，在電去耦的同步整流器情況下可能出現(xiàn)“secondary ringing (二次振動(dòng))”的現(xiàn)象、也即出現(xiàn)電流或電壓的不希望的振動(dòng)。在此，在具有次級(jí)側(cè)電感的變壓器的次級(jí)側(cè)的雜散電感和半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)的輸出電容之間出現(xiàn)共振。
[0003]因此，常規(guī)的同步整流器具有衰減環(huán)節(jié)、即所謂的“緩沖環(huán)節(jié)”，其使在臨界電壓極限被超過(guò)時(shí)出現(xiàn)的振動(dòng)的振蕩能量加載到電容上。無(wú)源的緩沖環(huán)節(jié)例如可以由電容器與電阻的串聯(lián)電路構(gòu)成，該電容器和電阻可以作為RC滅弧組合與半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)并聯(lián)。相反，有源的緩沖環(huán)節(jié)除了電容器以外具有另外的半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)，在電容器上的臨界電荷量被超過(guò)時(shí)可以經(jīng)由該另外的半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)引出多余的電荷，例如引回到次級(jí)側(cè)的車(chē)載電網(wǎng)中。
[0004]公開(kāi)文獻(xiàn)US 6，771，521B1公開(kāi)了一種具有衰減電容器的同步整流器用的有源緩沖電路，該衰減電容器可以經(jīng)由半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)可開(kāi)關(guān)地被放電。
[0005]公開(kāi)文獻(xiàn)US 5，898，581公開(kāi)了一種具有有源緩沖電路的中點(diǎn)整流器電路，其中可以經(jīng)由電感元件將存儲(chǔ)在緩沖電容器上的振蕩電荷饋送回整流器電路中。
[0006]常見(jiàn)的緩沖電路、例如在公開(kāi)文獻(xiàn)US 5，898，581中公開(kāi)的緩沖電路被設(shè)計(jì)用于高壓或高能，以便將功率損耗保持得小(所謂的“無(wú)損耗緩沖器”)。尤其是在降壓變換器中通常使用的電感部件(如緩沖電抗器)與高的單件成本相聯(lián)系，因?yàn)榻M件本身較昂貴并且此外在安裝時(shí)引起高的制造成本。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明根據(jù)實(shí)施方式提供一種直流電壓變換器，具有:包括初級(jí)側(cè)繞組和帶中間抽頭的次級(jí)側(cè)繞組的變壓器；輸出電感，其與所述中間抽頭和第一輸出接頭連接；具有兩個(gè)同步整流器開(kāi)關(guān)的同步整流器電路，所述同步整流器開(kāi)關(guān)分別與次級(jí)側(cè)繞組的末端側(cè)抽頭連接，并且被設(shè)計(jì)為在第二輸出接頭處生成經(jīng)整流的輸出電壓；和經(jīng)由同步整流器電路連接的緩沖電路。所述緩沖電路在此具有:兩個(gè)二極管，其分別與次級(jí)側(cè)繞組的末端側(cè)抽頭耦合；電容器，其與兩個(gè)二極管耦合并且被設(shè)計(jì)為存儲(chǔ)在同步整流器電路中的共振振蕩能量；和由放電開(kāi)關(guān)和電阻的串聯(lián)電路組成的放電電路，其中所述放電電路位于第一輸出接頭和電容器之間并且被設(shè)計(jì)為將在電容器中所存儲(chǔ)的電荷選擇性地饋送回到第一輸出接頭中。
[0008]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明的構(gòu)思是提供用于直流電壓變換器的緩沖電路，所述直流電壓變換器在應(yīng)用
時(shí)-在應(yīng)用中由于在二次振動(dòng)和阻斷延遲(英語(yǔ)“reverse recovery (反向恢復(fù))”)期間
的小的能量損耗功率是可忽略的——可更簡(jiǎn)單和更成本有效地制造。為此采用電感器件，如通過(guò)限流電阻的有源緩沖電路的緩沖扼流圈。在該電阻中的功率損耗在效率方面可忽略不計(jì)。
[0009]本發(fā)明的另一構(gòu)思是放棄電容器的反饋路徑中的空轉(zhuǎn)二極管，因?yàn)椴皇褂秒姼衅骷?br> [0010]本發(fā)明實(shí)施方式的其他特征和優(yōu)點(diǎn)參考附圖由以下描述得出。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0011]圖1示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的直流電壓變換器的示意圖，和 圖2示出根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方式的直流電壓變換器的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0012]圖1示出直流電壓變換器I的示意圖。該直流電壓變換器I包括具有初級(jí)側(cè)繞組2a和次級(jí)側(cè)繞組的變壓器2，該次級(jí)側(cè)繞組經(jīng)由中間抽頭分成兩個(gè)分段2b和2c。變壓器2例如可以設(shè)計(jì)用于將高電壓變換成低電壓并且例如具有初級(jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)繞組之間的高于I的繞組比，尤其是例如10:1。兩個(gè)次級(jí)側(cè)的繞組分段2b和2c的繞組比可以不等于I。該繞組比在此尤其是可以為1，也就是說(shuō)，兩個(gè)次級(jí)側(cè)的繞組分段2b和2c具有相等的繞組數(shù)量。
[0013]所述中間抽頭在此經(jīng)由次級(jí)側(cè)電感3與第一輸出接頭9a連接。相應(yīng)次級(jí)側(cè)的繞組分段2b和2c的兩個(gè)末端側(cè)的抽頭一方面與同步整流器電路4的兩個(gè)輸入端連接，并且另一方面與有源緩沖電路5的兩個(gè)輸入端連接。直流電壓變換器I在此實(shí)現(xiàn)具有有源同步整流的中點(diǎn)整流器電路。
[0014]同步整流器電路4被設(shè)計(jì)為從相應(yīng)次級(jí)側(cè)的繞組分段2b和2c的末端側(cè)抽頭中截取施加在變壓器2的次級(jí)側(cè)處的電壓并且經(jīng)由適當(dāng)?shù)慕泳€(xiàn)將該電壓變換成第二輸出接頭9b處的直流電壓。換句話(huà)說(shuō)，在輸出接頭9a和9b之間的直流電壓變換器的運(yùn)行期間可截取輸出直流電壓。
[0015]此外在同步整流器電路4和第二輸出接頭9b之間可以設(shè)置分路電阻4a，在該分路電阻處可以測(cè)量朝向第二輸出接頭9b的輸出電流。另外在第一和第二輸出接頭9a、9b之間可以設(shè)置直流電壓中間電路8，該直流電壓中間電路可以用于電壓平滑。
[0016]緩沖電路5具有兩個(gè)緩沖元件5a和5b，它們分別與變壓器2的次級(jí)側(cè)繞組2b、2c的末端側(cè)抽頭連接。緩沖元件5a和5b被設(shè)計(jì)為截獲可能在同步整流器電路4的輸入端出現(xiàn)的電壓尖峰并且將其輸出給緩沖電容器或電容器6。次級(jí)側(cè)繞組2b、2c具有雜散電感，由此在同步整流器電路4的元件的輸出電容和雜散電感之間可能出現(xiàn)電壓振動(dòng)、即所謂的“secondary ringing (二次振動(dòng))”。在此出現(xiàn)的振動(dòng)能量在超過(guò)預(yù)定電壓時(shí)經(jīng)由緩沖元件5a和5b存儲(chǔ)在電容器6上。電容器6例如可以通過(guò)特定數(shù)量的并聯(lián)電容器來(lái)實(shí)現(xiàn)，例如6個(gè)并聯(lián)的陶瓷電容器。
[0017]當(dāng)電容器6已經(jīng)接收了預(yù)定的電荷量時(shí)，也就是說(shuō)當(dāng)位于電容器6上的電壓已經(jīng)超過(guò)預(yù)定閾值時(shí)，存儲(chǔ)在電容器6上的能量可以經(jīng)由放電電路7受控地饋送回到直流電壓變換器I中。經(jīng)由放電電路的返回饋送可以在此優(yōu)選地在同步整流器電路4處于空轉(zhuǎn)狀態(tài)的時(shí)間段期間來(lái)進(jìn)行。
[0018]圖2以較高細(xì)節(jié)示出根據(jù)圖1的直流電壓變換器I。該直流電壓變換器I在此可以在直流電壓中間電路8和第二輸出接頭9b之間具有保護(hù)開(kāi)關(guān)13a，該保護(hù)開(kāi)關(guān)13a被設(shè)計(jì)為將直流電壓變換器I與所連接的低壓網(wǎng)絡(luò)隔離。保護(hù)開(kāi)關(guān)13a在此可以例如由兩個(gè)場(chǎng)效應(yīng)晶體管構(gòu)造。直流電壓變換器I此外包括極性變換保護(hù)開(kāi)關(guān)13b，該極性變換保護(hù)開(kāi)關(guān)13b被設(shè)計(jì)為確保免受輸出接頭9a、9b處的極性變換。極性變換保護(hù)開(kāi)關(guān)13b在此同樣可以例如由兩個(gè)場(chǎng)效應(yīng)晶體管來(lái)構(gòu)造。
[0019]在分路電阻4a和保護(hù)開(kāi)關(guān)13a之間的節(jié)點(diǎn)處可以經(jīng)由電容器11建立通向地、例如通向殼體12的連接，以便保證直流電壓變換器I的電磁兼容性。
[0020]同步整流器電路4在圖2中通過(guò)兩個(gè)直流整流器開(kāi)關(guān)14a和14b來(lái)實(shí)現(xiàn)。每一個(gè)同步整流器開(kāi)關(guān)14a、14b在此具有有源開(kāi)關(guān)元件和與此并聯(lián)的空轉(zhuǎn)二極管。在此可以設(shè)想，該空轉(zhuǎn)二極管在使用半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)的情況下可以是有源開(kāi)關(guān)元件的寄生二極管本身。此外還可以設(shè)置，并行于每個(gè)開(kāi)關(guān)元件地設(shè)置無(wú)源緩沖環(huán)節(jié)，例如可以如在圖2中所示的，具有由電容器和電阻構(gòu)成的串聯(lián)電路的RC滅弧組合與有源開(kāi)關(guān)元件和空轉(zhuǎn)二極管并行地設(shè)置。
[0021]緩沖電路5作為緩沖元件5a和5b分別包括兩個(gè)分別由二極管16a和16b和電容器15a和15b組成的并聯(lián)電路。在同步整流器開(kāi)關(guān)14a、14b的輸入端處超過(guò)閾值電壓時(shí)經(jīng)由二極管16a、16b將過(guò)剩的(振動(dòng)的)電荷引出到電容器6。如果電容器6處的電壓超過(guò)預(yù)定的電壓值，可以經(jīng)由放電開(kāi)關(guān)18將電荷有源地通過(guò)電阻17饋送到直流電壓變換器I中?；谥绷麟妷鹤儞Q器I中的低的次級(jí)側(cè)電壓，限流電阻17中的功率損耗可以忽略。
[0022]在替換的實(shí)施方式中可以設(shè)置，在電阻17與在次級(jí)電感3和第一輸出接頭9a之間的節(jié)點(diǎn)之間布置(未示出的)二極管。可以采用這種二極管來(lái)最小化低壓網(wǎng)絡(luò)對(duì)電容器6的干擾影響、例如電壓波動(dòng)。
[0023]放電開(kāi)關(guān)18的控制可以通過(guò)如下方式進(jìn)行，即電容器6的放電在有源開(kāi)關(guān)元件、即同步整流器開(kāi)關(guān)14a和14b的空轉(zhuǎn)階段期間進(jìn)行。同步整流器開(kāi)關(guān)14a和14b之一處的緩沖事件的典型周期時(shí)間例如可以在5μ s以下。另外，向電容器6的共振振動(dòng)的電荷傳輸例如可以在Iys以后結(jié)束。因此，最大放電持續(xù)時(shí)間可以為4 μ S，在同步整流器開(kāi)關(guān)14a或14b閉合之后的I μ s至5 μ s之間的時(shí)間段中。在該時(shí)間段期間，放電開(kāi)關(guān)18附加地在如下條件下斷開(kāi)，即電容器6處的電壓超過(guò)預(yù)定值、例如變壓器2的初級(jí)側(cè)繞組2a上的電壓的10%，以便存儲(chǔ)在電容器6上的電荷經(jīng)由電阻17以及必要時(shí)經(jīng)由空轉(zhuǎn)二極管被引出到第一輸出接頭9a。
[0024]所使用的同步整流器開(kāi)關(guān)14a、14b、保護(hù)開(kāi)關(guān)13a、13b以及放電開(kāi)關(guān)18在此可以分別具有半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)，例如場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)。在所示的實(shí)施方式中，半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)分別表示為自截止的n-MOSFET (η導(dǎo)通的金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管，富集型)，但是同樣可以設(shè)置對(duì)應(yīng)形式的其他半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)，例如以IGBT (絕緣柵雙極晶體管)、JFET (結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管)的形式或者作為p-MOSFET (P導(dǎo)通的金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管)。
【權(quán)利要求】
1.直流電壓變換器(1)，具有: 包括初級(jí)側(cè)繞組(2a)和帶中間抽頭的次級(jí)側(cè)繞組(2b、2c)的變壓器(2)； 輸出電感(3)，其與所述中間抽頭和弟一輸出接頭(9a)連接； 具有兩個(gè)同步整流器開(kāi)關(guān)(14a、14b)的同步整流器電路(4)，所述同步整流器開(kāi)關(guān)分別與次級(jí)側(cè)繞組(2b、2c)的末端側(cè)抽頭連接，并且被設(shè)計(jì)為在第二輸出接頭(9b)處生成經(jīng)整流的輸出電壓；和 經(jīng)由同步整流器電路(4 )連接的緩沖電路(5 )， 所述緩沖電路具有: 兩個(gè)二極管(16a、16b)，其分別與次級(jí)側(cè)繞組(2b、2c)的末端側(cè)抽頭耦合； 電容器(6)，其與兩個(gè)二極管(16a、16b)耦合并且被設(shè)計(jì)為存儲(chǔ)在同步整流器電路(4)中出現(xiàn)的共振振蕩能量；和 由放電開(kāi)關(guān)(18)和電阻(17)的串聯(lián)電路組成的放電電路(7)，其中所述放電電路(7)率禹合在第一輸出接頭(9a)和電容器(6 )之間并且被設(shè)計(jì)為將在電容器(6 )中所存儲(chǔ)的電荷選擇性地饋送回到第一輸出接頭(9a)中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直流電壓變換器(1)，其中所述放電電路(7)還包括與電阻(17)串聯(lián)的空轉(zhuǎn)二極管。
3.根據(jù)權(quán)利要求1和2之一所述的直流電壓變換器(1)，其中所述同步整流器電路(4)還包括兩個(gè)RC環(huán)節(jié)，所述RC環(huán)節(jié)分別與兩個(gè)同步整流器開(kāi)關(guān)(14a、14b)并聯(lián)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3之一所述的直流電壓變換器(1)，其中變壓器(2)的初級(jí)側(cè)繞組(2a)與次級(jí)側(cè)繞組(2b、2c)的繞組比大于I。
【文檔編號(hào)】H02M1/34GK103563229SQ201280025455
【公開(kāi)日】2014年2月5日 申請(qǐng)日期:2012年4月3日 優(yōu)先權(quán)日:2011年5月27日
【發(fā)明者】S.科赫, J.田 申請(qǐng)人:羅伯特·博世有限公司