開關變換器和用於將輸入電壓變換成輸出電壓的方法與流程

2023-09-22 16:12:25 1

本發明涉及一種開關變換器，以及涉及一種用於將輸入電壓變換成輸出電壓的方法。

背景技術：

在開關變換器中，以最大開關速度驅動開關電晶體。這種方法的優點是，開關過程期間的損耗功率是低的。具有的缺點是，開關電晶體的驅動電路提供高的電流並且由此產生高份額的損耗功率。

技術實現要素：

在這種背景下，通過在此所述的方案提出根據獨立權利要求的一種開關變換器以及一種用於將輸入電壓變換成輸出電壓的方法以及最後提出一種相應的電腦程式。有利的設計方案由相應的從屬權利要求和下述的說明得出。

通過將開關變換器的開關電晶體由電流源代替，可以限制開關變換器內的最大重新充電電流。此外，可以減小開關變換器內的開關過程的速度，從而可以避免產生電磁幹擾。

開關變換器具有用於接收輸入電壓的輸入端、用於輸出輸出電壓的輸出端和用於將輸入電壓變換成輸出電壓的變換器裝置，所述變換器裝置包括電感、電容、二極體和開關裝置。在此，開關裝置設計為電流源。

輸入電壓和輸出電壓是電壓。開關變換器可以實現為電路。電感可以實現為線圈或阻流圈，並且電容可以實現為電容器。開關變換器的電路拓撲結構可以相應於公知的開關變換器的電路拓撲結構，具有的區別在於，開關裝置、例如傳統的開關變換器的開關電晶體可以由電流源代替。電流源可以是可關斷的、可調節的或可控制的電流源。

根據不同的實施例，電流源可以是簡單的電流源、動態調節的電流源、電壓控制的電流源、電流控制的電流源或電流鏡。例如電流控制的開關電晶體可以使用在開關變換器中。由此可以使用電流源的分別適用於開關變換器的相應應用領域的實施方案。

電流源可以設計用於在截止階段中中斷通過電流源的電流，並且在導通階段中給電流源提供最大電流。由此可以通過電流源形成開關電晶體的開關特性。有利地，然而在導通階段中流過的電流可以被限制到電流源的最大電流。

電流源可以設計用於在截止階段和導通階段之間的過渡階段中提供以第一變化率改變的電流，並且在導通階段中提供以第二變化率改變的電流。在此，變化率可以定義為電流強度關於時間的升高或降低。變化率例如可以定義為電流強度關於時間的線性的或非線性的升高或降低。過渡階段可以相應於傳統的開關電晶體的開關階段。通過過渡階段和導通階段期間不同的變化率可以定義由電流源所提供的電流的邊緣形狀。由此可以例如將邊緣形狀設置為，在過渡情況中在截止階段和導通階段之間產生的開關邊緣這樣成形，使得避免電磁幹擾或者保持在預定的界限內。

電流源可以例如設計用於在導通階段中提供在導通階段的持續時間內具有弧形電流變化曲線的電流。通過弧形的變化曲線避免突然的電流改變，由此將電磁幹擾保持得極小。

電感、電容、二極體和開關裝置可以這樣連接在變換器裝置中，以使得將輸入電壓變換成與所述輸入電壓不同的輸出電壓。根據實施方式，輸入電壓在此可以被變換成大於或小於輸入電壓的輸出電壓。因此，開關變換器可以實現為升壓變換器或降壓變換器。有利地，在變換器裝置的元件的連接中可以採用開關變換器公知的電路變型。

根據開關變換器的一個實施方式，電感的第一埠與輸入端的第一埠連接，電感的第二埠與電流源的第一埠和二極體的第一埠連接，二極體的第二埠和電容器的第一埠與輸出端的第一埠連接，電流源的第二埠和電容器的第二埠與輸入端的第二埠和輸出端的第二埠連接。以這種方式可以實現呈升壓變換器形式的開關變換器。

一種用於在使用變換器裝置的情況下將輸入電壓變換成輸出電壓的方法，所述變換器裝置用於將輸入電壓變換成輸出電壓並且包括電感、電容、二極體和開關裝置，所述方法包括下述步驟：

中斷通過開關裝置的電流；和

運行作為電流源開關裝置，用於提供通過開關裝置的電流。

所述方法的步驟可以在使用控制設備裝置的情況下進行，所述控制設備與開關裝置耦合併且可以設計用於在截止階段期間不激活用作開關裝置的電流源並且在導通階段期間驅動電流源。

在此，控制設備可以理解為電子設備，所述電子設備處理傳感器信號並且根據所述傳感器信號輸出控制信號和/或數據信號。控制設備可以具有接口，所述接口可以硬體地和/或軟體地設計。在硬體的設計方案中，接口可以例如是所謂的ASIC系統的部件，所述部件包含控制設備的不同的功能。然而也可能的是，接口是特有的集成電路或者至少部分地由分立的元件構成。在軟體的設計方案中，接口可以是軟體模塊，所述軟體模塊例如在微控制器上與其他軟體模塊同時存在。

一種電腦程式產品或具有程序代碼的電腦程式也是有利的，所述電腦程式產品和電腦程式可以存儲在機器可讀的載體或存儲介質、例如半導體存儲器、硬碟存儲器或光學存儲器上，並且用於特別是當所述電腦程式產品或電腦程式在計算機或一個裝置上被實施時，執行、實現和/或控制根據前述實施方式中任一個實施方式的方法的步驟。

附圖說明

下面根據附圖示例性地詳細說明在此所述的方案。附圖中：

圖1示出開關變換器；

圖2示出了在圖1中所示的開關變換器的測量點上的信號變化曲線；

圖3示出開關變換器；

圖4示出了在圖3中所示的開關變換器的測量點上的信號變化曲線；

圖5示出開關變換器；

圖6示出了在圖5中所示的開關變換器的測量點上的信號變化曲線；

圖7示出根據本發明的一個實施例的開關變換器；

圖8示出了在圖7中所示的根據本發明的一個實施例的開關變換器的測量點上的信號變化曲線；

圖9示出根據本發明的一個實施例的用於將輸入電壓變換成輸出電壓的方法的流程圖。

在本發明的有利的實施例的下述說明中，對於在不同附圖中所示的並且作用類似的元件使用相同的或類似的附圖標記，其中，省略了對這些元件的重複說明。

具體實施方式

圖1示出呈升壓變換器形式的開關變換器100，也稱為變換器。開關變換器100具有作為主部件的輸入電容102，開關變換器100從所述輸入電容起作用。接著是變換器阻流圈104，所述阻流圈是線圈或電感。在變換器阻流圈的輸出側的埠上示意性示出一個測量點MS(MS：測量點線圈)。下面在圖2中示出測量點MS點上的信號變化曲線。在測量點MS之後是開關電晶體106，所述開關電晶體暫時性地相對於地線接通阻流圈104的輸出側的埠。接著，二極體108與阻流圈104的輸出側的埠連接。當開關電晶體106截止並且不再允許電流流向地線時，則這個二極體108接收電流。在二極體108之後還布置有輸出電容110，所述輸出電容接著被充電到期望的輸出電壓。

圖2示出了在圖1中所示的開關變換器的測量點MS上的信號變化曲線。信號變化曲線以圖表的形式示出。x軸表示時間，Y軸表示電壓220和電流222。

圖3示出開關變換器100，所述開關變換器相應於根據圖1所述的開關變換器，具有的區別在於，替代開關電晶體使用開關306。

由此，根據圖3所述的實施例可以理解為根據圖1所述的開關變換器的簡化的實施例。根據所示的實施例，出自圖1的電晶體由理想的開關306代替。

為了研究由開關變換器100產生的(EMV)幹擾，可以考慮變換器阻流圈104和二極體108的寄生電容。特別是還在二極體108中具有反向恢復時間(reverse recovery)，所述反向恢復時間在此表徵地以寄生二極體電容來表示。

在圖3中所示的開關變換器100中涉及閉合的開關306的開關過程。為此，除了線圈104上的測量點MS以外，示出了開關306上的測量點MT和二極體108上的測量點MD。在圖4中示出了測量點MS，MT，MD上的信號變化曲線和開關過程的時間點。

在開關過程之前不久，測量點MS，MT，MD處於高電壓，例如33V。將例如13.5V施加給變換器阻流圈104的輸入側的埠。接著在此將33V-0.3V＝32.7V施加給二極體106的輸出側的埠。在開關過程期間，將測量點MS，MT，MD上的33V接到地線。在這個時刻，理論上期望的電流330的流動方向被突然改變。此外還產生兩個不期望的在那裡幾乎不受限的電流，即由變換器阻流圈104的寄生電容的重新充電過程導致的電流332以及由二極體108的反向恢復時間和寄生電容導致的電流334。

通常所有三個電流330，332，334都產生幹擾。電流330通過突然地改變流動方向而產生幹擾，由此例如突然改變與開關變換器100耦合的控制設備中的通流的結構。然而電流330的電流級別通過阻流圈104限制。電流332，334由於突然產生而同樣產生幹擾，即由於產生與地線的短路和幾乎不受限的電流脈衝值直到電容被重新充電或者直到二極體完全截止。這則可以導致幹擾頻譜，所述幹擾頻譜達到三位數MHz那樣的寬度。

圖4示出了在圖3中所示的開關變換器的測量點MS，MT，MD上的根據圖3所示的電流330，332，334的信號變化曲線。此外，示出施加給測量點MS，MT，MD的電壓220。根據圖3所示的開關邊緣的時間點以附圖標記440示出。

圖5示出根據圖3所述的開關變換器100，所述開關變換器由此相對於根據圖1所述的開關變換器使用如同根據圖3所述的開關變換器那樣相同的簡化方案。

在圖5中所示的實施例中涉及斷開的開關306的開關過程。閉合過程導致電流330的電流的突然改變。此外，寄生電容被脈衝式地重新充電，由此導致電流332，334。通常所有三個電流330，332，334如同在圖5中所示的第二開關邊緣中那樣地產生幹擾。

電流330通過突然地改變流動方向而產生幹擾，由此例如突然改變與開關變換器100耦合的控制設備中的通流的結構。然而電流級別通過阻流圈104限制。電流332，334由於突然的產生下述情況而同樣產生幹擾。然而電流332，334的最大電流由電流330的值來限制。這則可以如同根據圖3和4所述的第一開關邊緣那樣地導致幹擾頻譜，所述幹擾頻譜達到三位數MHz那樣的寬度。

圖6示出了在圖5中所示的開關變換器的測量點MS，MT，MD上的根據圖5所示的電流330，332，334的信號變化曲線。此外，示出施加給測量點MS，MT，MD的電壓220。根據圖5所示的第二開關邊緣的時間點以附圖標記640示出。

圖7示出根據本發明的一個實施方式的開關變換器700。開關變換器700相應於根據圖1所述的開關變換器，具有的區別在於，替代開關電晶體，開關變換器700具有呈電流源706形式的開關裝置。開關變換器700設計為升壓變換器，除了電流源706以外，所述升壓變換器如同根據圖1所述的那樣還具有電感104、電容110和二極體108。電感104、電容110、二極體108和電流源706連接成變換器裝置，所述變換器裝置設計用於將施加給開關變換器700的輸入端750的輸入電壓變換成提供給變換器700的輸出端752的輸出電壓。根據所述實施例，已經根據圖1所述的電容102接在輸入端750的埠之間，並且電容110接在輸出端752的埠之間。變換器700設計用於在使用施加給輸入端750的輸入電壓的情況下將輸出電壓提供給輸出端752，所述輸出電壓大於輸入電壓。

構成電感的線圈104的輸入側的埠與構成電容的電容器102的第一埠和輸入端750的第一埠連接。電容器102的第二埠與輸入端750的第二埠連接。線圈104的輸出側的埠與電流源706的第一埠和二極體108的輸入側的埠連接。二極體108的輸出側的埠和構成另一個電容的電容器110的第一埠與輸出端752的第一埠連接。二極體108的陰極與輸出端752的第一埠連接。電流源706的第二埠、電容器110的第二埠、輸入端750的第二埠和輸出端752的第二埠共同與地線埠連接並且由此處於接地電勢。

相應於根據圖3至6所示的實施例，開關變換器700具有測量點MS、測量點MT和測量點MD。測量點MS布置在線圈104的輸出側的埠與線圈104、二極體108和電流源706間的節點之間。測量點MT布置在該節點和電流源706的輸入側的埠之間。測量點MD布置在該節點和二極體108的輸入側的埠之間。

線圈104與二極體108串聯。電容器110設計用於累加施加給輸出端752的輸出電壓。當電流源706在導通階段中被激活、即具有小的內阻時，線圈104經過電流源706與地線連接。在這種情況中，施加給輸入端750的輸入電壓在線圈104上降低。在截止階段中，電流源706截止。由此，電流源706被中斷，並且施加給測量點MS，MT，MD的電壓快速增大，直到所述電壓超過施加給電容器110的電壓並且使二極體108開啟，以便繼續給電容器110充電。

圖7中所示開關變換器700相對於根據前述附圖所示的開關變換器是一個改進方案，因為開關變換器700的開關電晶體不是作為開關被控制，而是確切地說由下述電路替代，所述電路相當於動態調節的電流源706。在此有利的是，最大重新充電電流受到限制。此外，由此可以控制流動方向改變的速度。

通過電流源706動態地控制的電流調節實現了相應地改變根據圖5和6所述的開關邊緣上的電流的邊緣形狀，例如產生線性的、餘弦形式的或S形的邊緣形狀，並且由此產生期望的發射頻譜(關鍵詞：傅立葉分析)。

此外，電流源706或電流源706的電路可以沿著下述方向設計，其在「開關電晶體的截止階段」中被截止，並且在「開關電晶體的導通階段」中被完全控制開啟並且由此完全導通，即具有小的內阻。

這種方法通常可以應用於任何類型的開關變換器700，即，例如升壓變換器和降壓變換器。

作為動態調節的電流源706的實施方案，根據應用領域可以例如選擇簡單的電流源、電壓控制的電流源、電流控制的電流源、電流鏡、數字電流源或可編程電流源。

圖8以三個圖表示出了根據圖7所述的開關變換器700的測量點MS，MT，MD上的電流850，852，854的信號變化曲線。此外，示出施加給測量點MS，MT，MD的電壓220。在所述圖表中，x軸表示時間，y軸表示電壓電平或電流電平。

電壓220具有矩形的變化曲線。在使電流源706截止的截止階段中，該電壓具有例如幾乎等於開關變換器的輸出電壓的電壓值。在給電流源706提供電流的導通階段中，該電壓具有等於接地電勢的電壓值。

左邊的圖表對應於線圈的測量點MS。流過線圈的電流850在截止階段期間幾乎線性地下降，以便接著在導通階段中又幾乎線性地升高。根據線圈的工作點(關鍵詞：飽和)，電流850的變化曲線也可以是非線性的。

中間的圖表對應於替代傳統的開關變換器的電晶體的電流源的測量點MT。流過電流源的電流852在過渡階段中在緊鄰導通階段開始之前從零出發以第一變化率線性地升高，接著在導通階段中以第二變化率繼續線性地升高，並且在緊鄰導通階段結束之後以第三變化率線性地下降到零。根據這個實施例，第二變化率與第一變化率相比實現使電流電平較慢地升高。第三變化率大於第一變化率和第二變化率。由此，電流852在截止階段開始時，相比電流在之前的升高更陡地下降。

右邊的圖表對應於二極體的測量點MD。流過二極體的電流854在過渡階段中在緊鄰截止階段開始之後從零出發以第一變化率線性地升高，接著在截止階段期間以第二變化率線性地下降，並且在緊鄰截止階段結束之前以第三變化率下降到零。根據這個實施例，第一變化率大於第三變化率，第三變化率又大於第二變化率。

圖9示出根據本發明的一個實施例的用於將輸入電壓變換成輸出電壓的方法的流程圖。該方法可以有利地結合根據圖7所述的開關變換器或類似結構的開關變換器實現，所述開關變換器具有能作為電流源運行的開關裝置。

該方法包括中斷通過開關裝置的電流的步驟901和運行作為電流源的開關裝置以用於提供通過開關裝置的電流的步驟903。步驟901，903交替地執行。

根據圖7至9所述的方案具有的優點是，可以使開關過程減速，以便使可能起消極作用的幹擾減小到最小程度。所述的方案例如結合控制設備使用，所述控制設備使用在車輛中。使用在車輛中的控制設備必須實現特定的EMV(電磁相容性)測量。特別是，當根據效率和成本將呈升壓變換器和降壓變換器形式的高效的開關變換器使用在控制設備中時，對輻射、即幹擾發射是要求很高的。當例如為了提供控制設備的工作電壓而使用根據所述方案的開關變換器時，可以改善電磁相容性，其中，替代開關電晶體使用電流源。由此，電流源可以用於減小在接通電容性負載時的開關功率。通過電流源方案可以特別是也控制或者說減小寄生電流。此外，電流源的所述應用也作為單相變換器起作用。有利地，任意適合的可調節的電流源可以用作該電流源。

所述的和附圖中所示的實施例僅僅是示例性選擇。不同的實施例可以完全彼此組合或者關於各個特徵彼此組合。一個實施例也可以通過另一個實施例的特徵來補充。此外，在此提出的方法步驟可以重複地以及以不同於所述的順序執行。

如果一個實施例在第一特徵和第二特徵之間包括「和/或」連接詞，則這可以解讀為，該實施例根據一個實施方式不僅具有第一特徵而且具有第二特徵，而根據另一個實施方式或者只具有第一特徵或者只具有第二特徵。