變換器電路和用于運行這類變換器電路的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種變換器電路和一種用于運行這類變換器電路的方法。為了能夠在變換器電路(1)中有效地、同時卻能夠簡單地且以低空間投入實現測量輸出電流(Ia)，其中變換器電路在輸入側上包括按節(jié)拍的變換器(3)、在輸出側上包括整流器(5)以及在變換器(3)和整流器(5)中間接入的變壓器(4)，在附加地考慮變換器電路(1)的設備參數(G)的情況下從變換器電路(1)的測量到的輸入電流(Ie)中、從變換器電路(1)的輸入電壓(Ue)中和從變換器電路(1)的輸出電壓(Ua)中計算出變換器電路(1)的輸出電流(Ia)。
【專利說明】變換器電路和用于運行這類變換器電路的方法

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種變換器電路，其在輸入側上包括按節(jié)拍的變換器，在輸出側上包 括整流器以及在變換器和整流器中間接入的變壓器。在此，本發(fā)明特別地涉及用于將在輸 入側輸入的直流電壓轉換為通常具有不同的電壓量的輸出直流電壓的一種直流電壓-變 換器電路。本發(fā)明此外還涉及一種用于運行這類變換器電路的方法。該變換器電路和該所 屬的運行方法特別地設計用于在電動車中的應用。

【背景技術】
[0002] 前述類型的直流電壓-變換器電路特別地應用在電動車中-以代替在常見的機 動車中存在的發(fā)電機，以便從傳動系的高電壓蓄電池為機動車的低壓-車載電網供電。低 壓-車載電網通常傳導的是電壓量典型地為12V的直流電壓，而高電壓蓄電池通常提供的 則是具有約400V的額定-電壓值的直流電壓。為了在發(fā)生故障的情況下排除高伏電壓過渡 加載在低壓-車載電網上的可能性，在變換器電路內部設置在高電壓-電源與低壓-車載 電網之間的電分離。為此將變壓器也用于變換器電路。為了能夠通過變壓器傳輸電功率， 布置在輸入側的變換器（后面將其稱為輸入變換器）將從輸入側輸入的直流電壓（輸入電 壓）轉換成被輸送至變壓器的初級線圈上的交流電壓或脈沖電壓。由此在變壓器的次級線 圈中感應出的交流電壓被在后面接入的整流器轉換成輸出的直流電壓（輸出電壓）。
[0003] 特別是為了調節(jié)變流器電路，通常都需要了解由整流器輸出的輸出電流的電流強 度。該電流強度通常通過在整流器后面接入的電流測量裝置進行測量。在此，直接通過電 流-分流器或者間接地、例如借助于霍爾-傳感器或磁阻傳感器進行電流測量。
[0004] 然而，兩種測量方法都有缺陷。因此，當輸出電流較高時，電流-分流器會導致在 測量裝置中出現相對較高的功率損失。而另一方面，間接測量的電流傳感器、例如霍爾-傳 感器或磁阻傳感器又相對比較昂貴。測量相對較高的輸出電流肯定會導致高空間需求，以 及在測量電流所需的連接部件、例如匯流排或螺紋連接件中出現附加損失。


【發(fā)明內容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于，提出一種有效的、簡單的且緊湊的、用于測量上述類型的變換 器電路中的輸出電流的解決方案。
[0006] 根據本發(fā)明，在用于運行上述類型的變換器電路的方法的方面，該目的通過權利 要求1所述的特征實現。根據本發(fā)明，在這種變換器電路的方面，該目的通過權利要求4所 述的特征實現。本發(fā)明的有利的和部分從本身來看具有獨創(chuàng)性的設計方式和改進方案在從 屬權利要求和后面的說明中示出。
[0007] 在此，根據本方法，變換器電路的輸出電流（確切地說是輸出電流的電流強度）是 在附加地考慮變換器電路的設備參數的情況下從變換器電路的輸入電流（確切地說是輸 入電流的電流強度）中、從變換器電路的輸入電壓以及從變換器電路的輸出電壓中計算得 出的。
[0008] 在此將由變換器電路的整流器例如輸出至機動車的低壓-車載電網中的電流稱 為"輸出電流"。驅動該輸出電流的、施加在整流器的輸出端上的電壓稱為"輸出電壓"。相 應地，"輸入電流"這一概念指的是被輸入變流器電路的輸入電流器中的電流，而被稱為輸 入電壓的則是驅動輸入電流的且施加在輸入變換器的輸入端上的電壓。該輸入電流可以在 本發(fā)明的范疇內直接測量出。對此的替換方案是，也可以在本發(fā)明的范疇內測量與輸入電 流相關的、流經輸入變換器的功率半導體的電流。
[0009] 因為根據本發(fā)明的、通過計算確定變換器電路的輸出電流的這一理念，取消了通 常設置的、在輸出側的電流測量裝置。變換器電路由此能夠設計得相對簡單緊湊。隨著取 消輸出側的電流測量裝置也不會出現由其造成的功率損失，前述的方法由此能夠特別有效 地運行變換器電路。
[0010] 優(yōu)選地將以下值中的至少一個、適宜將其中的多個值作為設備參數來考慮：
[0011] -變壓器的變壓比。
[0012] -變壓器的與變換器連接的初級線圈的歐姆電阻和/或感應系數。
[0013]-變壓器的與整流器連接的次級線圈的電壓降和/或感應系數。
[0014]-變換器的功率半導體的電壓降。
[0015] -整流器的功率半導體的歐姆電阻。
[0016]-用于驅控變換器的節(jié)拍時長或與其成比例的值。
[0017] -用于控制變換器的采樣比。
[0018] 同樣也可以預設其它的設備參數、特別是由變換器的功率半導體以及由變壓器的 初級線圈在輸入側引起的電壓降、或者由整流器的功率半導體以及由變壓器的次級線圈在 輸出側引起的電壓降。但后面提及的值優(yōu)選地通過控制單元-特別是作為變量根據功率半 導體的工作溫度-計算出。
[0019] 除了輸入電流或在輸入變換器中流動的電流外，優(yōu)選地也利用測量技術檢測變換 器電路的輸入電壓和/或輸出電壓。但原則上也可以在本發(fā)明的范疇內設想，對于輸入電 壓或輸出電壓來說可以使用儲存值。
[0020] 根據本發(fā)明的變換器電路包括功率路徑，在該功率路徑中通過將輸入電壓轉換成 輸出電壓來傳輸電功率。如前所述，在該功率路徑中布置了輸入變換器、變壓器和整流器。 除了該功率路徑外，變換器電路還包括控制電路，用于測量輸入電流的或在輸入變換器中 流動的電流的電流強度的裝置以及用于驅控輸入變換器的控制單元。在此，該控制單元設 計用于自動實施根據本發(fā)明的方法、特別是在前述實施變體中自動實施。
[0021] 控制單元優(yōu)選地通過微控制器構成，在該微控制器中，在控制軟件、即計算機程序 中在工作狀態(tài)執(zhí)行用于自動實施本方法的功能。但對此的替換方案是，控制單元也可以在 本發(fā)明的范疇內通過不可編程的部件、例如ASIC而形成，該不可編程的部件在電路技術上 設計用于自動實施本方法。
[0022] 為了實施其中測量輸入電壓和/或輸出電壓的方法變體，控制電路在一種有利的 設計方案中還附加地包括用于測量輸入電壓的裝置以及用于測量輸出電壓的裝置，特別是 各自以相應的（電壓_)測量變換器形式存在的裝置。
[0023] 在一種優(yōu)選的設計方案中，輸入變換器設計為全橋變換器。然而，輸入變換器原則 上也可以設計成與此不同的拓撲結構，例如設計為半橋變換器、單節(jié)拍變換器等。
[0024] 變換器電路的整流器優(yōu)選地設計為受控的整流器、特別是設計為受控的中點整流 器。在這種情況下，控制單元優(yōu)選地也用于驅控整流器。但在本發(fā)明的范疇內，整流器原則 上也可以設計成與此不同的拓撲結構，特別是設計成不受控的整流器，例如二極管橋式整 流器形式的整流器。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0025] 后面將根據附圖詳細地說明本發(fā)明的實施例。圖中示出：
[0026] 圖1在示意性的電路框圖中示出具有包括按節(jié)拍的變換器（輸入變換器）、變壓器 和整流器的功率路徑以及具有用于驅控輸入變換器以及-可選的-整流器的控制電路的變 換器電路，
[0027] 圖2在經過簡化的電路圖中示出根據圖1的變換器電路的一種實施方式，在該實 施方式中，輸入變換器設計為全橋變換器并且整流器設計為受控的中點整流器，和
[0028] 圖3在十一個相互同步的圖表中示出變換器電路的不同電參量在同一變換器電 路運行中的相應的變化曲線。
[0029] 彼此相應的部件和參量在所有的附圖中始終設有相同的參考標號。

【具體實施方式】
[0030] 在圖1中示出的變換器電路1包括功率路徑2,在將輸入電壓Ue轉換成輸出電壓 Ua的情況下沿該功率路徑傳輸電功率。在該功率路徑2中，變換器電路1在輸入側上包括 按節(jié)拍的變換器（輸入變換器3)、在其后面接入的變壓器4以及在輸入側上包括整流器5。 該整流器5原則上可以選擇性地設計為受控的整流器，或者設計為不受控的（被動的）整 流器。
[0031] 在變換器電路1運行時，輸入變換器3將輸入電壓Ue轉換成作為初級電壓Up輸出 到變壓器4的初級線圈6上的脈沖電壓?；诔跫夒妷篣p，在變壓器4的次級線圈7中產 生交流電壓形式的次級電壓Us。在整流器5中對該次級電壓Us進行整流和整平以便產生 輸出電壓Ua。
[0032] 在變換器電路1運行時，輸入電流在輸入電壓比的作用下流向輸入變換器3。 在初級電壓Up的作用下，初級電流Ip流經變壓器4的初級線圈6。在次級電壓Us的作用 下，次級電流Is流經變壓器4的次級線圈7。由整流器5最終在輸出電壓Ua的驅動下輸出 了輸出電流Ia。
[0033] 變換器電路1特別地應用在用于從機動車的高電壓蓄電池為低壓-車載電網供電 的電動機動車中。輸入電壓Ue在本實例中是由高電壓蓄電池提供的高伏電壓，因此是額定 電壓量典型地為約400V的直流電壓。而由變換器電路1輸出的輸出電壓Ua則相反地是在 低壓-車載電網中傳導的低伏電壓，因此通常是電壓量為12V的直流電壓。
[0034] 變換器電路1此外還包括控制電路10,該控制電路被用于驅控輸入變換器3以 及-只要整流器5是受控的整流器-也被用于驅控該整流器5。此外還通過該控制電路 10-以后面詳細說明的方式-計算輸出電流Ia (確切地說是其電流強度）。
[0035] 控制電路10為此包括控制單元11、兩個（電壓_)測量變換器12和13、（電流-) 測量變換器14、用于驅控輸入變換器3的控制級15以及-可選的-另一用于驅控整流器5 的控制級16。只有當整流器5是受控整流器時，控制級16才存在。該控制級因此僅用虛線 表不。
[0036] 當變換器電路1運行時，通過電壓測量變換器12連續(xù)地檢測輸入電壓U6的測量 值Mue。通過電壓測量變換器13以相應的方式連續(xù)地檢測輸出電壓Ua的測量值Mua。最后 通過電流測量變換器14連續(xù)地檢測輸入電流I6的測量值M16。通過相應的測量變換器12， 13以及14將測量值MUe、Mua和Mue作為輸入值輸入控制單元11中。
[0037] 此外，控制單元11還獲取輸出電壓Ua的額定值Sua或輸出電流Ia的額定值Sla。在 變換器電路1的一種可替換的變體中，分別對這兩個參量、即輸出電壓Ua或輸出電流Ia中 的一個進行調整。相應另一個參量則受到限制。
[0038] 最后，控制單元11還獲取了多個表征輸入變換器3、變壓器4和/或整流器5的 部件的重要電特征的設備參數G作為其它的輸入參量。這些設備參數G是拓撲結構-和/ 或設計方案專用的。"拓撲結構專用"在此意味著，控制單元11根據輸入變換器3、變壓器 4以及整流器5的具體結構所依據的拓撲結構來調取不同的設備參數G，這尤其是因為輸入 變換器3、變壓器4以及整流器5根據拓撲結構而具有不同的部件。另一方面，"設計方案 專用"則意味著，控制單元11調出的設備參數G根據輸入變換器3、變壓器4以及整流器5 的部件的設計（即技術尺寸）而具有不同的值。設備參數G能夠-如在圖1中示例性示出 的那樣-由外部的存儲器單元傳輸至控制單元11中。這些值也能夠可替換地儲存在控制 單元11的內部存儲器中。特別是一個、多個或者甚至所有的設備參數G也能夠作為常數固 定地在控制軟件中被編程。此外，一個或多個設備參數G也能夠由控制單元11從其它預設 的設備參數G中經計算推導出。
[0039] 控制單元11優(yōu)選地是微控制器，在該微控制器中在工作狀態(tài)執(zhí)行了控制軟件，其 中，在變換器電路1運行時實施的控制軟件決定了變換器電路1的功能。
[0040] 控制單元11取決于控制軟件在變換器電路1運行時-根據所輸入的測量值MUe， Mua和ΜΙε和額定值Sua以及Sla-生成控制信號Cw以及-只要整流器5是受控的整流器-控 制信號Cg，這些控制信號通過相應的控制級15以及16而傳輸至輸入變換器3以及整流器 5中。變換器電路1優(yōu)選地被調節(jié)地運行。控制信號Cw和Ce在此由控制單元11根據預設 的調節(jié)算法這樣生成，即：使輸出電壓Ua或輸出電流Ia與相應的額定值Sua或Sla相適應。
[0041] 出于調節(jié)技術的目的和/或在過載保護的范疇內，控制單元11需要了解輸出電流 Ia的電流強度。然而，該輸出電流Ia在變換器電路1中不是直接測量得到的。更確切地說 是由控制單元11連續(xù)地計算輸出電流Ia的測量值Mla。除了測量值Mlte,MUa，Mle外，控制單 元11也將設備參數G用作用于進行該計算的輸入參量。輸出電流Ia的計算在此根據拓撲 結構專用的（即取決于輸入變換器3、變壓器4和整流器5的相應的特點的）公式進行，在 控制單元11中，該公式在此處的控制軟件的范疇內實施。
[0042] 輸出電流Ia的測量值Mla由控制單元11選擇性地輸出用于通過電動車輛中的其 它部件的另外應用。
[0043] 圖2示出在圖1中一般性示出的變換器電路1的一種特殊的實施方式，在這種實 施方式中，輸入變換器3設計為按節(jié)拍的全橋變換器，而整流器5則設計為受控的中點整流 器。
[0044] 輸入變換器3相應地在這種實施方式中包括兩個半橋20和21，這兩個半橋相互 并聯(lián)地在高電位母線22和低電位母線23中間接入。每個半橋20, 21在中間抽頭24以及 25和高電位母線22之間包括高電位側的功率半導體26以及27,以及在相應的中間抽頭24 以及25和低電位母線23之間分別包括低電位側的功率半導體28以及29。功率半導體26 至29中的每個功率半導體在此均通過半導體開關、特別是IGBT(InsulatedGateBipolar Transistor)或MOSFET(MetalOxideSemiconductorField-EffectTransistor)形式的 半導體開關和與此反并聯(lián)的續(xù)流二極管形成。
[0045] 半橋20和21此外還與（輸入_)電容器30并聯(lián)。
[0046] 在根據圖2的實施方式中，整流器5包括兩個功率半導體40和41，這兩個功率 半導體-與輸入變換器3的功率半導體26至29類似地-分別通過半導體開關、特別又是 MOSFET形式的半導體開關以反并聯(lián)的續(xù)流二極管一起形成。這兩個功率半導體40和41并 聯(lián)地在次級線圈7的彼此相對的端部抽頭和整流器5的低電位母線42之間接入。整流器5 的高電位母線43與次級線圈7的中間抽頭相連接。在高電位母線43和低電位母線42之 間接入了輸出電容器45。在高電位母線43的內部，輸出扼流圈46與輸出電容器45和中間 抽頭44中間連接。
[0047] 正如還可從圖2中看到的那樣，分別流經功率半導體26-29中的功率半導體的電 流用L，12,L以及L表示。
[0048] 通過整流器5進行了整流的次級電壓在后面用U's表示。從次級線圈7的中間抽 頭44流到輸出電容器45上的電流在后面用未經整平的輸出電流I'a表示。此外，在圖2 中還示出了變壓器4的磁化電流。
[0049] 前面引入的參量在變換器電路1運行時的、典型的時間變化曲線在圖3中根據輸 入變換器3的操作循環(huán)示意性地示出。其中在十一個同步圖表中分別相對于時間t示出
[0050] -初級電壓Up的和磁化電流iw的變化曲線（最上面的圖表），
[0051] -初級電流Ip的變化曲線（從上至下第二張圖表）
[0052] -電流I1-I4的變化曲線（從上至下第三至第六張圖表），
[0053] -電流I1和I2之和IJI2的（從上至下第七張圖表）和輸入電流Ie的時間變化曲 線（從上至下第八張圖表），
[0054] -次級電壓Us的（從上至下第九張圖表）和經過整流的次級電壓U's的變化曲線 (從上至下第十張圖表）以及
[0055] -未經整平的輸出電流I'a的和輸出電流Ia的變化曲線（最下面的圖表）。
[0056] 在電流I1至I4中僅分別簡化地示出電流的正部分，這是因為只有電流的這一正部 分對于輸出電流Ia的計算具有重要意義。
[0057] 通過圖3說明的操作循環(huán)分為四個時間段trt4，即
[0058] -第一時間段h，在此時間段內功率半導體26和29導通，并且功率半導體27和 28絕緣，
[0059] -第二時間段t2，在此時間段內功率半導體26和27導通，并且功率半導體28和 29絕緣，
[0060] -第三時間段t3，在此時間段內功率半導體27和28導通，并且功率半導體26和 29絕緣，以及
[0061] -第四時間段t4，在此時間段內功率半導體28和29導通，并且功率半導體26和 27絕緣。
[0062] 在此，在導通狀態(tài)下通過控制信號Cw使相應的功率半導體26-29的半導體開關導 電地接通，在絕緣狀態(tài)下切斷電流。
[0063] 正如可從圖3中看到的那樣，時間段trt4的變化曲線是連續(xù)周期性重復的，因此， 時間段t4后始終重新緊跟著時間段h。正如能夠從圖3的最上面的圖表中看到的那樣，在 時間段t3和t4中形成初級電壓Up的時間變化曲線，該變化曲線關于在時間段h和t2內的 變化曲線是相反的（即與零線成鏡像）。時間段^和^由此形成操作循環(huán)的第一個半周期 T，而時間段t3和t4則形成第二個半周期T。時間段h和t3的時間長度在此分別表示為啟 動時間tm(且tm =h=t3)。該啟動時間tm與半周期T的時間長度的比例關系在后面也 表示為采樣比D(且D=tm/T)。
[0064] 從圖3中可以看到，未經整平的輸出電流13在電流值I' ^和I'_x之間波動。 輸入電流也以相同的方式在值Iemin和I_x之間波動。
[0065] 在根據圖2的變換器電路1運行時，控制單元11此時根據在控制程序中實施的規(guī) 定計算輸出電流Ia的電流強度

【權利要求】
1. 一種用于運行變換器電路（1)的方法，所述變換器電路在輸入側上包括按節(jié)拍的變 換器（3)、在輸出側上包括整流器（5)以及在所述變換器（3)和所述整流器（5)中間接入 的變壓器（4)，其中，根據本方法，在附加地考慮所述變換器電路（1)的設備參數（G)的情 況下，從所述變換器電路（1)的測量到的輸入電流或在所述變換器（3)中流動的電流 (1「14)中、從所述變換器電路（1)的輸入電壓（Ue)中和從所述變換器電路（1)的輸出電壓 (Ua)中計算得出所述變換器電路（1)的輸出電流（Ia)。
2. 根據權利要求1所述的方法，其中，將 -所述變壓器（4)的變壓比（11)， -所述變壓器（4)的與所述變換器（3)連接的初級線圈（6)的電壓降和/或感應系數 (Lh)， -所述變壓器（4)的與所述整流器（5)連接的次級線圈（7)的電壓降和/或感應系數， -所述變換器（3)的功率半導體（26-29)的歐姆電阻， -所述整流器（5)的功率半導體（40,41)的歐姆電阻， -用于驅控所述變換器（3)的節(jié)拍時長或與所述節(jié)拍時長成比例的值（T)，和/或 -用于驅控所述變換器（3)的采樣比（D) 作為設備參數（G)來考慮。
3. 根據權利要求1或2所述的方法，其中，測量所述變換器電路（1)的所述輸入電壓 (UJ和/或所述輸出電壓（Ua)。
4. 一種變換器電路（1)，所述變換器電路 _具有功率路徑（2)，所述功率路徑 -在輸入側上包括按節(jié)拍的變換器（3)， -在輸出側上包括整流器（5)， -以及在所述變換器（3)和所述整流器（5)中間接入的變壓器（4)， 以及 -具有控制電路（10)，所述控制電路包括 -用于測量所述變換器電路（1)的輸入電流的或在所述變換器（3)中流動的電流 的裝置（14)以及用于驅控所述變換器（3)的控制單元（11)， 其中，所述控制單元（11)設計用于，在附加地考慮所述變換器電路（1)的設備參數（G) 的情況下，從測量到的輸入電流中、從所述變換器電路（1)的輸入電壓（UJ中和從所 述變換器電路（1)的輸出電壓（Ua)中計算所述變換器電路（1)的輸出電流（Ia)。
5. 根據權利要求4所述的變換器電路（1)，其中，所述控制單元（11)設計用于將 -所述變壓器（4)的變壓比（11)， -所述變壓器（4)的與所述變換器（3)連接的初級線圈（6)的電壓降和/或感應系數 (Lh)， -所述變壓器（4)的與所述整流器（5)連接的次級線圈（7)的電壓降和/或感應系數， -所述變換器（3)的功率半導體（26-29)的歐姆電阻， -所述整流器（5)的功率半導體（40,41)的歐姆電阻， -用于驅控所述變換器（3)的節(jié)拍時長或與所述節(jié)拍時長成比例的值（T)，和/或 -用于控制所述變換器（3)的采樣比（D) 作為設備參數（G)來考慮。
6. 根據權利要求4或5所述的變換器電路（1)，其中，所述控制電路（10)具有用于測 量所述輸入電壓（U6)的裝置（12)和/或用于測量所述輸出電壓（Ua)的裝置（13)。
7. 根據權利要求4至6中任一項所述的變換器電路（1)，其中，所述變換器（3)設計為 全橋變換器。
8. 根據權利要求4至7中任一項所述的變換器電路（1)，其中，所述整流器（5)設計為 受控的整流器、特別是受控的中點整流器。
【文檔編號】H02M3/335GK104426379SQ201410419333
【公開日】2015年3月18日 申請日期:2014年8月22日 優(yōu)先權日:2013年8月23日
【發(fā)明者】比約恩·伯格爾, 瓦爾德馬·賴夫斯車內德 申請人:西門子公司