CN104995809A - 直流电压变换器 - Google Patents

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S.格罗斯
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T.比西格
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Abstract

直流电压变换器(1)具有:第一半桥电路(2),第二半桥电路(3),至少一个变压器(4)（其包括至少一个一次绕组(4a,4b)和至少一个二次绕组(4c,4d),其中第一和第二半桥电路构造成,在至少一个一次绕组处产生交流电压）,以及整流器电路(5)（其包括输出接头(6),其中输出接头具有第一输出接头极(6a)和第二输出接头极(6b)）,以及至少一个整流器元件(7,8),其中整流器电路构造成,对在至少一个二次绕组处呈现的电压整流并且输出到输出接头。整流器电路具有反极性保护晶体管(9),其集电极-发射极-路段或其漏极-源极-路段环结在至少一个整流器元件的接头和输出接头的第一或第二输出接头极。

Description

直流电压变换器
背景技术
已知用于高输出电流的直流电压变换器(也称为直流调节器)的不同拓扑结构。经常使用全桥电路，该全桥电路在输出侧具有分开的绕组或电流倍增器-电路(电流倍加器)。
在使用高达850V的中间回路电压的情况下使用优选具有1200V耐压强度的IGBT(栅绝缘双极晶体管),这如上导致对开关频率的明显限制,因此要求相对大的电感部件。
从DE20221373U1已知该电路,其中两个非对称的半桥在变压器的分开的一次绕组上工作。这实现了MOSFET作为开关元件的使用,由此可以大大提高开关频率。具有电流倍增器电路的这个电路在输出侧工作。为了控制二极管的回流效应附加地要求饱和节流阀。
在DE20221373U1中示出的电路的情况下输出端子的反极性导致例如在接通电池的情况下必然导致高电流并且因此导致整流器二极管的损坏。由于电流倍增器电路此外产生变压器的绕组的高电流负荷。
发明内容
本发明的任务在于,提供直流电压变换器以供使用,其实现了MOSFET作为开关元件的使用并且同时确保了安全的反极性保护和/或具有变压器的绕组的更小的电流负荷。
本发明通过如权利要求1所述的直流电压变换器解决了该问题。
直流电压变换器具有第一,尤其是非对称的,半桥电路和第二,尤其是非对称的,半桥电路。
此外设置至少一个,尤其是电分离的,变压器,该变压器具有至少一个一次绕组和至少一个二次绕组。该第一和第二半桥电路构造成,在至少一个一次绕组处产生交流电压。
直流电压变换器的整流器电路包括输出接头,其中输出接头具有第一输出接头极或者第一输出端子和第二输出接头极或者第二输出端子；以及至少一个整流器元件,其中整流器电路构造成,对在至少一个二次绕组呈现的电压整流并且整流地输出到输出接头。
整流器电路具有反极性保护晶体管,其集电极-发射极-路段或其漏极-源极-路段环结（einschleifen）在至少一个整流器元件的接头和输出接头的第一或第二输出接头极之间。
反极性保护晶体管确保安全反极性保护,使得例如输出接头极的反极性在接通电池的情况下不导致整流器元件的损坏。
直流电压变换器可以具有正好一个变压器,其中变压器包括正好两个一次绕组和正好两个二次绕组。
第一半桥电路可以构造成,在第一一次绕组处产生交流电压,并且第二半桥电路可以构造成,在第二一次绕组处产生交流电压。
整流器电路可以具有第一二极管和第二二极管的形式的正好两个整流器元件,其中第一二次绕组的第一接头与第一二极管的阳极电连接并且在第一二极管的阴极和输出接头的第一输出接头极之间环结MOSFET-反极性保护晶体管的漏极-源极-路段和节流阀(以任意的顺序)。
第二二次绕组的第一接头可以与第二二极管的阳极电连接,第一二极管的阴极和第二二极管的阴极可以电连接,并且第一二次绕组的第二接头,第二二次绕组的第二接头和输出接头的第二输出接头极可以电连接。
直流电压变换器可以具有正好两个,例如磁耦合的,变压器,其中两个变压器分别包括正好一次绕组和正好一个二次绕组。第一半桥电路可以构造成,在第一变压器的一次绕组处产生交流电压,并且第二半桥电路可以构造成,第二变压器的一次绕组处产生交流电压。整流器电路可以具有第一二极管和第二二极管形式的第一对整流器元件并且第三二极管和第四二极管形式的第二对整流器元件。第一变压器的二次绕组的第一接头可以与第一二极管的阳极电连接,第二变压器的二次绕组的第一接头可以与第三二极管的阳极电连接,第一到第四二极管的阴极可以电连接并且在第一到第四二极管的阴极和输出接头的第一输出接头极可以环结MOSFET-反极性保护晶体管的漏极-源极-路段和节流阀(以任意顺序)。
第一变压器的二次绕组的第二接头,第二变压器的二次绕组的第二接头,第二二极管和第四二极管的阳极和输出接头的第二输出接头极可以电连接。
直流电压变换器可以具有正好一个变压器,其中变压器具有正好两个一次绕组和正好一个二次绕组。第一半桥电路可以构造成,在第一一次绕组处产生交流电压,并且第二半桥电路可以构造成,在第二一次绕组处产生交流电压。整流器电路可以具有第一二极管和第二二极管形式的两个整流器元件,其中二次绕组的第一接头与第一二极管的阴极电连接,第一二极管的阳极与第二二极管的阳极电连接,第二二极管的阴极与二次绕组的第二接头电连接并且在第一和第二二极管的阳极和输出接头的第二输出接头极之间环结反极性保护晶体管的漏极-源极-路段。
在二次绕组的第一接头和输出接头的第一输出接头极可以环结第一节流阀环结并且在二次绕组的第二接头和输出接头的第一输出接头极之间可以环结第二节流阀。
可以使用MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)作为第一和第二半桥电路中的相应开关装置。
全体整流器元件和反极性保护晶体管可以集成到功率模块中。
附图说明
本发明下面参考附图描述。在此示意性地示出:
图1示出（Gegentaktflusswandler）具有串联或并联连接的两个非对称的半桥,具有2个一次和2个二次绕组的变压器和输出侧的反极性保护的反节拍流转换器的形式的直流电压变换器,
图2示出具有并联或串联连接的两个非对称半桥,分别具有单个一次和二次绕组的两个变压器(可选磁耦合)和输出侧的反极性保护的形式的反节拍流转换器的直流电压变换器,
图3示出具有两个串联或并联连接的非对称的半桥,具有2一次和二次绕组的变压器,电流倍增器-电路和输出侧的反极性保护形式的反节拍流转换器的直流电压变换器以及
图4示出基于在图1中示出的直流电压变换器的直流电压变换器，其具有二级侧/低电压侧上的同步整流。
具体实施方式
图1示出直流电压变换器1，其具有第一非对称的半桥-电路2,第二非对称的半桥电路3,具有两个一次绕组4a,4b和两个二次绕组4c,4d的变压器4和具有反极性保护的整流器电路5。
第一半桥电路2构造成,在第一一次绕组4a处产生交流电压并且第二半桥电路3构造成,在第二一次绕组4b上产生交流电压。
第一半桥电路2包括缓冲输入直流电压UE1的输入电容器12,该输入直流电压在半桥电路2的输入接头上供应。在输入接头之间串联环结第一MOSFET13和第一二极管14。在输入接头之间还串联环结第二二极管15和第二MOSFET16。第一一次绕组4a环结在第一MOSFET13和第一二极管的阴极14的连接结节和第二二极管15的阳极和第二MOSFET16的连接结节之间。
第二半桥电路3拓扑上对应地构造并且包括输入电容器17,该输入电容器缓冲输入直流电压UE2(其中UE1和UE2可以相同或不同),该输入直流电压在半桥电路3的输入接头上供应。在输入接头之间串联环结第三MOSFET18和第三二极管19。在输入接头之间还串联环结第四二极管20和第四MOSFET21。第二一次绕组4b环结在第三MOSFET18和第三二极管19的阴极的连接结节和第四二极管20的阳极和第四MOSFET21的连接结节之间。
整流器电路5用于,对在二次绕组4c和4d处呈现的交流电压进行整流并且作为整流的输出直流电压UA输出到具有第一和第二输出接头极6a,6b的输出接头6。在输出接头极6a处输出的电势可以大于在输出接头极6b上输出的电势。
为了电压整流整流器电路5具有第一二极管7和第二二极管8形式的两个整流器元件,其中第一二次绕组4c的第一接头与第一二极管7的阳极电连接,第二二次绕组4d的第一接头与第二二极管8的阳极电连接,第一二极管的阴极7和第二二极管的阴极8电连接并且第一二次绕组4c的第二接头,第二二次绕组4d的第二接头(其中二次绕组4c和4d的第二接头可以形成共同变压器中心抽头（Trafomittenanzapfung）)和输出接头6的第二输出接头极6b电连接。
在二极管7和8的阴极和输出接头6的第一输出接头极6a之间以任意顺序环结MOSFET-反极性保护晶体管9的漏极-源极-路段和节流阀10。
MOSFET-反极性保护晶体管9如此连通,使得其封闭有效反极性的电压。在使用N-通道MOSFET-反极性保护晶体管的情况下这意味着,源极接头在正级端子6a的方向上示出并且在整流器元件或者整流器二极管7和8的方向上示出漏极接头。
可理解,MOSFET-反极性保护晶体管9还可“塞入”并且在负线路上布置。对于这种情况漏极接头示出在负级端子6b的方向上并且源极接头示出在变压器中心抽头的方向上。
在栅极接头和源极接头之间的正电压,例如12V,接通MOSFET-反极性保护晶体管9并且栅极接头和源极接头之间的0V电压起作用关闭MOSFET-反极性保护晶体管9,也即是栅极接头上的电压根据MOSFET-反极性保护晶体管9的接通适当选择。
电容器11用于缓冲输出直流电压UA。
图2示出反节拍流转换器形式的直流电压变换器V，该反节拍流转换器分别具有单个一次绕组4_1a或者4_2a和分别单个二次绕组4_1b或者4_2b的两个可选磁耦合的变压器4_1和4_2和输出侧的反极性保护。
半桥电路2和3对应于图1中的那些。
整流器电路5'包括第一二极管7_1和第二二极管8_1的第一对整流器元件和第三二极管7_2和第四二极管8_2形式的第二对整流器元件。
第一变压器4_1的二次绕组4_1b的第一接头与第一二极管7_1的阳极电连接,第二变压器4_2的二次绕组4_2b的第一接头与第三二极管7_2的阳极电连接,第一到第四二极管7_1,7_2,8_1,8_2的阴极电连接并且在第一到第四二极管7_1,7_2,8_1,8_2的阴极和输出接头6的第一输出接头极6a之间以任意顺序串联MOSFET-反极性保护晶体管9的漏极-源极-路段和节流阀10。
第一变压器4_1的二次绕组4_1b的第二接头,第二变压器4_2的二次绕组4_2b的第二接头,第二二极管8_1和第四二极管8_2的阳极和输出接头6的第二输出接头极6b电连接。
图3示出反节拍流转换器形式的直流电压变换器1"，该反节拍流转换器具有带有电流反极性电路的2个一次绕组4a,4b和二次绕组4c和输出侧的反极性保护的变压器4'。
整流器电路5"具有第一二极管7和第二二极管8形式的两个整流器元件,其中二次绕组4c的第一接头与第一二极管的阴极7电连接,第一二极管7的阳极与第二二极管8的阳极电连接,第二二极管的阴极8与二次绕组4c的第二接头电连接并且在第一和第二二极管7,8的阳极和输出接头6的第二输出接头极6b环结MOSFET-反极性保护晶体管9的漏极-源极-路段。
在二次绕组4c的第一接头和输出接头6的第一输出接头极6a环结第一节流阀10_1并且在二次绕组4c的第二接头和输出接头的第一输出接头极6a之间环结第二节流阀10_2。
图4示出基于在图1示出的直流电压变换器1的直流电压变换器1"'，其具有二次侧/低电压侧上的同步整流。对此代替二极管7和8设置可控制的开关装置,例如晶体管T和8'。
可理解,在全体实施方式中为了控制开关装置设置合适的未示出的控制装置。
本发明首先基于非对称的半桥转换器的串联或并联电路。因此可以快速地使用接通的600V-MOSFET,使得开关频率可以升高到超过100kHz。
在具有集成的反极性保护的电势分离的直流调节器的输出回环中反极性保护晶体管的功率接头与整流器二极管的阳极或阴极接头之间连接。
在二次侧优选不以电流倍增器布置工作,而是以分开的绕组和反节拍整流工作。这在变压器设计的情况下具有结构优势并且导致绕组的小电流负荷。
在整流器二极管之后可以直接与平整节流阀10的串联地跟随MOSFET9作为反极性保护。这首先显示不利的,这是因为电流波纹通过晶体管9可以产生附加的损失。关于实现方面由于高电流可以使用尽可能短的实心母线。
由反极性保护-晶体管9防止例如来自汽车电器网络的瞬时电压峰值,这可期望可靠性的提高。

Claims (9)

1. 直流电压变换器(1;1';1";1"'),包括:
-第一,尤其是非对称的,半桥电路(2),
-第二,尤其是非对称的,半桥电路(3),
-至少一个变压器(4;4';4_1,4_2)，其包括至少一个一次绕组(4a,4b;4_1a,4_2a)和至少一个二次绕组(4c,4d;4_1b,4_2b),其中第一和第二半桥电路构造用于在所述至少一个一次绕组上产生交流电压,以及
-整流器电路(5;5';5";5"')，所述整流器电路包括
-输出接头(6),其中所述输出接头包括第一输出接头极(6a)和第二输出接头极(6b),以及
-至少一个整流器元件(7,8;7_1,7_2,8_1,8_2),
-其中所述整流器电路构造成,对在所述至少一个二次绕组处呈现的电压进行整流并且输出到所述输出接头,
其特征在于,
-所述整流器电路具有反极性保护晶体管(9),所述反极性保护晶体管的集电极-发射极-路段或所述反极性保护晶体管的漏极-源极-路段环结在所述至少一个整流器元件的接头和所述输出接头的第一或第二输出接头极之间。
2. 如权利要求1所述的直流电压变换器(1),其特征在于,
-所述直流电压变换器具有变压器(4),其中所述变压器具有正好两个一次绕组(4a,4b)和两个二次绕组(4c,4d),
-其中所述第一半桥电路构造成,在所述第一一次绕组处产生交流电压,并且所述第二半桥电路构造成,在所述第二一次绕组处产生交流电压,并且
-所述整流器电路(5)具有第一二极管(7)和第二二极管(8)形式的两个整流器元件，
-其中第一二次绕组的第一接头与第一二极管的阳极电连接并且在第一二极管的阴极和输出接头的第一输出接头极之间环结反极性保护晶体管的漏极-源极-路段和节流阀(10)。
3. 如权利要求2所述的直流电压变换器(1),其特征在于,
-第二二次绕组的第一接头与第二二极管的阳极电连接,
-第一二极管的阴极和第二二极管的阴极电连接,以及
-第一二次绕组的第二接头,第二二次绕组的第二接头和输出接头的第二输出接头极电连接。
4. 如权利要求1所述的直流电压变换器(1'),其特征在于,
-直流电压变换器具有两个变压器(4_1,4_2),其中所述两个变压器分别具有一次绕组(4_1a,4_2a)和二次绕组(4_1b,4_2b),
-其中所述第一半桥电路构造成,在第一变压器的一次绕组处产生交流电压,并且第二半桥电路构造成,在第二变压器的一次绕组处产生交流电压,以及
-所述整流器电路(5')具有第一二极管(7_1)和第二二极管(8_1)的形式的第一对整流器元件并且具有第三二极管(7_2)和第四二极管(8_2)的形式的第二对整流器元件,
-其中第一变压器的二次绕组的第一接头与第一二极管(7_1)的阳极电连接,第二变压器的二次绕组的第一接头与第三二极管(7_2)的阳极电连接,第一到第四二极管的阴极电连接并且在第一到第四二极管的阴极和输出接头的第一输出接头极之间环结反极性保护晶体管的漏极-源极-路段和节流阀(10)。
5. 如权利要求4所述的直流电压变换器(1'),其特征在于,
-第一变压器的二次绕组的第二接头,第二变压器的二次绕组的第二接头,第二二极管和第四二极管的阳极和输出接头的第二输出接头极电连接。
6. 如权利要求1所述的直流电压变换器(1"),其特征在于,
-所述直流电压变换器具有变压器(4'),其中所述变压器具有两个一次绕组(4a,4b)和二次绕组(4c),
-其中所述第一半桥电路构造成,在第一一次绕组处产生交流电压,并且第二半桥电路构造成,在第二一次绕组处产生交流电压,并且所述整流器电路(5")具有第一二极管(7)和第二二极管(8)的形式的两个整流器元件,
-其中二次绕组的第一接头与第一二极管的阴极电连接,第一二极管的阳极与第二二极管的阳极电连接,所述第二二极管的阴极与二次绕组的第二接头电连接并且在第一和第二二极管的阳极和输出接头的第二输出接头极之间环结反极性保护晶体管的漏极-源极-路段。
7. 如权利要求6所述的直流电压变换器(1"),其特征在于,
-在二次绕组的第一接头和输出接头的第一输出接头极之间环结第一节流阀(10_1)并且在二次绕组的第二接头和输出接头的第一输出接头极环结第二节流阀(10_2)。
8. 如上述权利要求中任一项所述的直流电压变换器,其特征在于,使用MOSFET作为第一和第二半桥电路中的开关装置。
9. 如上述权利要求中任一项所述的直流电压变换器,其特征在于,所述整流器元件和反极性保护晶体管集成在功率模块中。
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