本發(fā)明涉及電壓倍增器和用于消耗方的電壓供應裝置，特別是用于需要被供應高電壓的消耗方的電壓供應裝置。

背景技術：

電壓倍增器具有廣泛的應用和用途?；旧希谛枰獙F有電壓供應裝置的低電壓轉變成用于消耗方的高電壓的情況下使用電壓倍增器。因此，可以將電壓倍增器用于例如衛(wèi)星中，該衛(wèi)星可能具有大量的高壓部件，每個高壓部件可能需要單獨提供的高電壓或其自己的高電壓值。為此，為每個高壓部件提供電壓倍增器，該電壓倍增器使衛(wèi)星上的低電壓倍增到所需的高電壓值。

電壓倍增器可以被基本上構造為使得：從輸入電壓開始，兩個分支交替地切換到輸出端。借助于控制電壓將為此所需的受控開關切換成導電或阻斷(即非導電)。這里可能需要參考在某些情況下交替的開關的電位來設置控制電壓，使得相應電路為此需要高復雜性。

技術實現要素：

可以認為本發(fā)明的目的是描述電壓倍增器，該電壓倍增器的特征在于較簡單的控制。

通過獨立權利要求的主題來實現該目的。從從屬權利要求和以下描述進一步展開。

根據本發(fā)明的一個方面描述了電壓倍增器。電壓倍增器具有串聯(lián)連接的多個繞組塊、開關電路、第一受控開關以及第二受控開關。開關電路適于將第一節(jié)點和第二節(jié)點切換為接地(大地)，第一節(jié)點被設置在第一繞組塊與第二繞組塊之間，第二節(jié)點被設置在第三繞組塊與第四繞組塊之間。第一受控開關被設置在第一繞組塊與第二繞組塊之間，第二受控開關被設置在第三繞組塊與第四繞組塊之間。第一受控開關和第二受控開關適 于被切換到導電狀態(tài)或非導電狀態(tài)。第二繞組塊和第四繞組塊各自耦接至電壓倍增器的輸出端，使得在輸出端處根據開關電路的開關狀態(tài)來設置輸出電壓。

通過在第一繞組塊與第二繞組塊之間以及在第三繞組塊與第四繞組塊之間分別設置受控開關，借助于開關電路使受控開關參考接地。也就是說，開關電路以這樣的方式連接至由繞組塊和受控開關構成的串聯(lián)電路：在每種情況下開關電路的連接器電連接至開關的接口并且該接口參考接地。如果在本說明書中引用“接地”，則這意指電基準電位，即源電壓和消耗方電壓的公共電位。另外，在例如位于地球軌道上的衛(wèi)星中使用的情況下，術語“接地”與電壓倍增器關聯(lián)地被理解為意指源電壓和消耗方電壓的公共電位?？商孢x地，可以確定關于衛(wèi)星和電壓倍增器的整體設置的基準電位，然而，衛(wèi)星接地也可以與在電壓倍增器的情況下的接地有所不同。利用如本文所述的電壓倍增器，可以僅將受控開關的控制連接器的控制電壓調節(jié)到所述基準電位。通過在兩個繞組塊之間以及另外在開關電路所連接的節(jié)點上分別設置受控開關，在受控開關處不設置交替基準電位并且不需要將控制電壓調節(jié)到這樣的交替基準電壓，從而可以降低控制電路的復雜性。由于受控開關根據開關電路的狀態(tài)而僅下降到基準電位并且可以在此時借助于所謂的自舉二極管來進行充電，所以以下也變得可能：受控開關(其具體可以是電氣受控開關或電子受控開關)的電壓供應不需要是無電位(potential-free)的。

例如可以將電壓倍增器設計為具有任何期望因子的電壓三倍器或倍增器?？梢愿鶕@組塊的尺寸大小和使用數量來設置任何期望的倍增因子，特別地倍增因子大于等于2。因此，可以例如在每個分支上增加繞組塊的數量或者相應受控開關與輸出端之間的變壓比。與在分支上這樣添加另外的繞組塊無關地，受控開關保持直接設置在第一繞組塊的下游。這兩個分支在電壓倍增器的輸出端處合并。

繞組塊被理解為意指圍繞芯的多個繞組，所述多個繞組在各種情況下具有兩個抽頭，使得可以在這些抽頭處分接(tap)或饋送電壓或者使得受控開關可以連接在抽頭處。在一種實施方式中，所有繞組塊繞共同芯設置或卷繞。

繞組塊串聯(lián)連接，這意味著繞組塊串聯(lián)地電連接?？梢栽诶@組塊之間布置節(jié)點，借助于節(jié)點可以分接電壓或者在節(jié)點處可以將另外的元件例如受控開關集成到繞組塊的串聯(lián)電路中。因此，受控開關和繞組塊構成串聯(lián) 電路。

可以將受控開關切換到導電狀態(tài)/非導電狀態(tài)這兩種狀態(tài)之一，即，在受控開關的第一接口與第二接口之間采用這兩種狀態(tài)之一?？梢岳绺鶕诳刂七B接器處施加的控制電壓來采用導電狀態(tài)或非導電狀態(tài)。也可能是，受控開關是自控開關，其中控制連接器僅用于能量供應，并且其中根據環(huán)境變量來采用導電狀態(tài)或非導電狀態(tài)，其中，環(huán)境變量例如可以是接口中的至少之一上的電位值、或第一接口與第二接口之間的電位差、或電流值。此外，以這樣的方式切換開關電路：使得受控開關的接口在時間t處切換到基準電位。相應地，在輸出端處得到輸出電壓。

在一種實施方式中，第一受控開關和第二受控開關可以是整流二極管。可選地，這兩個受控開關可以具有雙向阻斷特性。在一種實施方式中，這兩個受控開關在各種情況下可以由兩個串聯(lián)連接的場效應晶體管(FET)構成，其中，串聯(lián)連接的FET在其源極連接器處彼此連接。換句話說，將每個受控開關的兩個FET切換為彼此相對或相反以便能夠雙向阻斷。

與本說明書有關的高電壓被理解為意指消耗方需要比供應源電壓更高的電壓的情況，特別是在源電壓和消耗方電壓不是電流隔離的情況下?？梢詫⑷绫疚乃枋龅难b置用于多種電路，該電路例如在移動或靜止的電池供電的消耗方或市電供電的消耗方中或者與該消耗方一起使用。

除了受控開關的開關狀態(tài)之外，電壓倍增器的輸出電壓也可以取決于繞組塊的設計，例如繞組塊的繞組數量和另外的特性。在任何情況下，可以在考慮這些因素的同時將電壓倍增器設置為所期望的輸出電壓值。

根據本發(fā)明的一種實施方式，電壓倍增器具有輸入電壓連接器，該輸入電壓連接器被設置在第一繞組塊與第三繞組塊之間。

換句話說，輸入電壓連接器形成兩個分支的源或起源，所述兩個分支通過在各種情況下的至少兩個串聯(lián)連接的繞組塊和設置在繞組塊之間的受控開關而延伸至電壓倍增器的輸出端。輸入電壓連接器適于連接至源電壓或供應電壓源，例如連接至衛(wèi)星中的低電壓母線。

根據本發(fā)明的另一種實施方式中，電壓倍增器包括輸入濾波器，該輸入濾波器連接在輸入電壓連接器的上游，使得可以從在輸入電壓連接器處施加的電壓曲線中濾除輸入電壓的干擾或高頻波動和電壓倍增器在電壓源方向上的開關波動。

根據本發(fā)明的又一種實施方式，電壓倍增器適于倍增直流電壓。

特別地，電壓倍增器接受低直流電壓，并且將該低直流電壓倍增為較高的直流電壓。在一種實施方式中，可以從直流電壓生成具有倍增電壓值的脈沖電壓或交流電壓。為此，特別地可以在電壓倍增器的輸出端處適配或改變RLC元件，以便提供相應的輸出電壓曲線。

根據本發(fā)明的再一種實施方式，電壓倍增器的開關電路包括兩個開關，所述兩個開關適于選擇性地將受控開關相繼切換為接地。

這意味著，僅將開關電路的兩個開關相繼切換到允通，其中，開關電路可以優(yōu)選地適于使得在第二開關的阻斷之后經過預定時間t之后將第一開關切換到允通。換句話說，這兩個開關的導電狀態(tài)之間沒有時間重疊，而這兩個開關的導電狀態(tài)甚至在時間上相互間隔開。這是電壓倍增器的調節(jié)構思的一個方面，并且也可以在原理上進行改變。

在開關電路的開關被切換到導電，即受控開關切換為接地的時間可以取決于電壓倍增器的輸出電壓。這是電壓倍增器的調節(jié)的一個方面，并且該可以是相應地可變的，并且也可以在電壓倍增器的操作時間期間改變該時間?？商孢x地或附加地，可以根據輸出電流來設置該時間。可以在電壓倍增器的輸出端與兩個開關之間插入調節(jié)設備，該控制設備至少接管這里提到的控制任務?？梢砸赃@樣的方式適配調節(jié)設備，使得根據輸出電壓和/或輸出電流來發(fā)生切換開關電路的開關狀態(tài)。

例如可以將受控開關切換為與開關電路中的開關相對或相反，即，例如如果第一開關是導電，則開關電路的第一開關處的受控開關不導電，以及如果第一開關是非導電，則受控開關導電。相應地控制具有開關電路的第二開關的分支。狀態(tài)轉換中可以包括時間重疊或時間間隔或二者的組合。如果開關電路中的兩個開關同時阻斷，則兩個分支中的受控開關可以同時切換到導電。

根據本發(fā)明的另一實施方式，第一受控開關和第二受控開關中的每個是場效應晶體管，該場效應晶體管在各種情況下可以在控制連接器處被施加由能量供應單元提供的電壓，以便影響開關的允通性能(轉發(fā)性能)。

根據相應部件的規(guī)格，控制電壓因此使得場效應晶體管從導電狀態(tài)改變到非導電狀態(tài)或者從非導電狀態(tài)改變到導電狀態(tài)。取決于控制電極(也就是柵極)處的控制電壓的電平，場效應晶體管在漏極與源極之間是導電的或阻斷的。

根據本發(fā)明的又一實施方式，場效應晶體管為MOSFET(金屬氧化物半導體場效應晶體管)。

在本實施方式中，電壓倍增器的設計使得可以簡化MOSFET驅動器的控制，這是因為僅需要考慮基準電位(如上所述的與電壓倍增器的接地相關的接地)。

在一種實施方式中，受控開關可以被實現為整流二極管。整流二極管可以是雙向阻斷的，例如為反并聯(lián)連接的FET。因此，所有開關同時處于阻斷狀態(tài)的情況是可能的。

根據本發(fā)明的另一種實施方式，電壓倍增器具有阻尼元件，該阻尼元件連接在電壓倍增器的輸入電壓連接器與輸出端之間。

換句話說，阻尼元件可以橋接或旁通電壓倍增器的一個或兩個分支。阻尼元件被實現為在暫時沒有經由分支之一在輸出端處施加電壓的情況下對切換超調(switching overshoot)進行平滑并且輸出在分支上切換到高電壓階段期間所吸收的能量。

根據本發(fā)明的另一實施方式，阻尼元件包括Z二極管和與該Z二極管串聯(lián)連接的電容器。電容器可以在基準電位“接地”的方向或輸入電壓連接器的方向上連接或者可替選地在另一穩(wěn)定電位的方向上連接。

根據本發(fā)明的另一方面提供了一種用于消耗方的電壓供應裝置。該電壓供應裝置包括如上文和下文所述的低電壓源和電壓倍增器。電壓倍增器被連接在低電壓源處，并且適于將低電壓倍增并將其作為輸出端處的高電壓提供給消耗方。

如本文所描述的兩個或更多個電壓倍增器也可以操作于級聯(lián)電路中，即第一電壓倍增器的輸出端電連接至第二電壓倍增器的輸入端，等等。因此，可以增加倍增因子。

附圖說明

下面基于附圖對本發(fā)明的示例實施方式進行更詳細的說明。在附圖中：

圖1示出了為了說明目的而描述的常規(guī)電壓三倍器。

圖2示出了根據本發(fā)明的示例實施方式的電壓三倍器。

圖3示出了根據本發(fā)明的示例實施方式的電壓三倍器。

圖4示出了根據本發(fā)明的另一示例實施方式的電壓三倍器的開關行為和輸出電壓曲線。

具體實施方式

附圖中的圖示是示意性的并且未按照比例繪制。如果在以下附圖中使用相同的附圖標記，則這些附圖標記涉及相同或相似的元件。

圖1示出了電壓三倍器100，電壓三倍器100在輸入端102處被提供有低電壓并且在輸出端104處提供倍增(這里為三倍)的高電壓。輸入濾波器106被連接在輸入端處并且使輸入電壓循環(huán)到電壓三倍器100的輸入電壓連接器108。

在輸入電壓連接器108處，電壓三倍器100分支成兩個分支，其中每個分支通向輸出端104。第一分支包括第一繞組塊120、第三繞組塊140以及受控開關160。第二支路包括第二繞組塊130、第四繞組塊150以及受控開關170。從圖1中可以看到，所有繞組塊120、130、140、150和受控開關160、170串聯(lián)連接。借助于該設計和受控開關160、170的開關過程和開關電路110的開關過程使得電壓倍增成為可能。

具有兩個開關A和B的開關電路110被設置為將第一繞組塊與第三繞組塊之間的一個節(jié)點125(開關A)以及第二繞組塊與第四繞組塊之間的一個節(jié)點135(開關B)分別切換到基準電位112(接地)。取決于受控開關160、170和開關電路的開關狀態(tài)，經由不同繞組塊向輸出端施加電壓。

取決于開關A和開關B的開關狀態(tài)，受控開關160和受控開關170的基準電位不在接地處，而是在與接地不同的電位處，具體地在比接地低的電位處。因此，必須使控制電壓適應于該不同電位，這使得用于受控開關160、170的控制單元昂貴且復雜。

在輸出端處串聯(lián)地連接有電感器104A和電容器104B，以便抵消電壓波動并且提供所需的直流電壓。可替選地，可以在輸出端處連接任何期望的RLC組合或R、L或C類型的僅一個或多個元件。如果期望在輸出端處為交流電壓或脈沖電壓，則例如純粹的歐姆電阻是可行的。

圖2示出了根據本發(fā)明的示例實施方式的基于電壓三倍器的電壓倍 增器。值得一提的是，由于例如每個分支上受控開關160、170與輸出端104之間的繞組塊的數量和/或尺寸增加，如這里所述的設計可以用于具有任何期望倍增因子的電壓倍增器。在圖2中，使用與圖1的常規(guī)電壓倍增器的描述中的附圖標記相同的附圖標記。圖1和相關描述支持圖2中的示例實施方式的理解。

與圖1中的常規(guī)電壓三倍器相比，受控開關160、170分別被設置在繞組塊120與140之間以及繞組塊130與150之間。開關電路的開關A、B的抽頭122、132相應地位于第一繞組塊120與受控開關160之間或第二繞組塊130與受控開關170之間。因此，如果開關電路110的相應開關A、B切換到允通，則這兩個開關160、170中的每個切換到基準電位112。因此，可以總是參考基準電位112來提供用于受控開關160、170的控制連接器的控制電壓，與基準電位112不同的電位不出現并且不需要被考慮。

開關A和B可以是電子受控開關，例如晶體管或晶閘管。在任何情況下，至少需要開關A和B能夠采取兩種狀態(tài)，即導電狀態(tài)和非導電狀態(tài)。在原理上，機械開關也適合于這種情況，只要機械開關能夠達到所需的開關頻率即可。

圖3示出了如圖2中的電壓倍增器，不同之處在于，在圖3中示出了用于受控開關160、170的能量供應和控制單元180。用于受控開關160、170的控制電壓從能量供應180到受控開關的控制連接器161、171循環(huán)通過，以便將受控開關切換為在接口162與163之間允通(或阻斷)。

此外，圖3示出了阻尼元件(也是阻尼器)，該阻尼元件由Z二極管192和電容器194的串聯(lián)電路構成并且將輸入電壓連接器108連接至電壓倍增器的輸出端104。

值得一提的是，任何期望的RLC元件可以作為歐姆電阻器、電容器和/或電感器的組合位于在輸出端處?？梢允褂肔C元件對輸出電壓進行平滑。相比之下，如果在輸出端處使用僅具有歐姆電阻器的輸出元件，則可以使用電壓倍增器來輸出一個或多個電壓脈沖，例如一系列周期性連續(xù)電壓脈沖。

可以在輸出端104處布置續(xù)流二極管或通常所說的受控開關。這可能尤其對于例如以下情況是需要的：電壓倍增器中的輸出端處使用雙向阻斷開關和電感器。

值得一提的是，可以將電感器設置在輸入電壓連接器108與輸入濾波器106之間，該電感器能夠限制輸入電流。

圖4示出了開關電路110的開關A和開關B處的開關狀態(tài)以及輸出端104處的電壓電平(標記為X)的比較。此外，示出了阻尼元件190處的充放電狀態(tài)。

切換開關A(電壓從0V步進到UGS)，從而在輸出端處施加輸出電壓3×MB(MB表示主母線，即電壓倍增器的輸入端處的低電壓母線處的電壓值)。一旦開關A阻斷(電壓從UGS下降至0V)，輸出電壓就下降到0V。在固定時間之后，切換開關B，并且輸出端處的電壓再次增加至3×MB。不管切換開關電路中的哪個開關(A或B)切換，輸出端處的電壓增大至3×MB。X處的電壓曲線可能看起來不同，這取決于電壓倍增器的實際實現，例如如果使用具有歐姆負載的雙向阻斷受控開關160、170或者如果使用續(xù)流二極管，則在低電壓階段中輸出端處的電壓可以下降到0V。

通過在切換到高電壓電位期間的切換超調(A或B切換或循環(huán)通過)來對阻尼器190進行充電，并且阻尼器190在開關電路關閉開關A或開關B時釋放能量。因此，可以減少切換超調。

附圖標記列表

100 電壓倍增器

102 輸入端(低電壓)

104 輸出端(高電壓)

104A 電感器

104B 電容器

106 輸入濾波器

108 輸入電壓連接器

110 開關電路

112 接地

120 第一繞組塊

122 抽頭

125 節(jié)點

130 第二繞組塊

132 抽頭

135 節(jié)點

140 第三繞組塊

150 第四繞組塊

160 受控開關

161 控制連接器

162 第一接口

163 第二接口

170 受控開關

171 控制連接器

180 能量供應

190 阻尼元件。