专利名称：高功率直流电压变换器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种具有升压变换器开关电路的电开关装置，该升压变换器开关电路具有电感和第一开关，其用于产生比输入电压高的输出电压。
背景技术：
此种电开关装置被用来将低电压、例如大约200V的可变电池电压提高为电动汽车中的三相交流驱动马达可用的500V标准马达电压。专利申请DEll 2005 003041 T5的德语译文中公开了用于给电动汽车供应电流的此种升压变换器开关电路。此处使用升压变换器，其还可以作为降压变换器，不仅能将电流从电池传输至马达，而且还可以反向传输。结合了升压-和降压变换器的开关电路基本上由一个电感以及两个带有并联二极管的晶体管组成。开关电路是作为升压变换器还是作为降压变换器工作取决于如何控制两个晶体管。视马达是处于电机处于电动机运行还是处于发电机运行(例如在电动汽车制动时)而定，该开关电路不仅可将电压变高，而且还可以将电压变低。原则上此种升压变换器开关电路的问题在于，在输出功率高的情况下，在升压变换器开关电路的晶体管接通时产生很大的损耗功率，这使得需要相应费事地冷却开关电路。德国专利申请DElO 2006 005 853 Al涉及有损耗问题的开关过程。其中描述了将输入电压转换为输出电压的开关功率电子装置件，其包括一个电感和多个开关。为了减小开关网路部件中的开关损耗，所述开关中的至少一个在无电压的情况下仅仅转换到一个状态中。在此，可选地在升压变换或降压变换时使用开关网路部件。在该申请中描述的开关电路包括多个开关和电容器，这使得其相应地比较昂贵。美国专利US8，026, 681B2中公开了在制动状态时控制电驱动器的电路。
发明内容
本发明的任务在于提出一种带有升压变换器开关电路的开关装置，其具有尽可能少的电气元件并且在将开关装置针对高的最大功率输出时也将开关损耗限定为最小。依据本发明，该任务通过权利要求1而得以解决。本发明的有利实施方式由从属权利要求和附图得出。本发明尤其适于用于电动汽车，在此可使得开关损耗最小，以便使得电流源不会不必要地受载并且从而改善电动汽车的工作范围。此外在这种类型的交通工具中，尤其由于以电池组或燃料电池形式出现的功率电子装置的空间需求大，因此对于功率电子装置存在很少的空间，从而使得需要功率电子装置的紧凑结构，尽管如此，所述功率电子装置仍能够可靠工作并且即使在大电流情况下也不会达到热极限。本发明的电开关装置基于传统的升压变换器开关电路，其带有一电感、一第一开关、以及一通流方向上的第一二极管和一储能电容器。此种升压变换器的缺点在于，在接通第一开关时会产生很大的开关损耗，这会显著损坏电开关装置的效率。特别是在高压-和大功率应用时，例如其对于驱动带有100KW电动机的电动汽车所必需的情况那样，会出现大的开关损耗。因此根据本发明的设计如下，在升压变换器开关电路中设置一个用于当第一开关关断时引导感生电流的第二开关。通过这种方式和方法，通过对于两个开关的相应控制，可以使第一开关的开关损耗降到最小。此外以有利方式设置如下，即，给第一开关并联地配置一在截止方向上的二极管和一电容器，给第二开关并联地配置一通流方向上的二极管。通过此种电开关装置，不仅可以减小第一开关的开关损耗，也可减小第一开关的关断损耗。与第一开关并联的电容器通过如下方式减小第一开关的开关损耗，即，第一开关中的电压升高速率明显减小，而电流下降速率不变。由此，通过与第一开关并联设置的电容器的电容量设计，可控制并且大大降低关断损耗。为了有效地减小第一开关的开关损耗，在第一开关接通期间电容器尽可能完全放电。这可以通过升压变换器的电感的特殊尺寸设计以及借助于第二开关的受控的切换过程实现。通过上述电气结构与案件的合适尺寸设计和对于两个开关的控制，能够明显减小升压变换器的关断损耗和接通损耗，从而产生将热产生降低到最低并且使效率明显提高。此外以有利方式设计如下，如此控制电开关装置，使第一开关在第一时刻被关断，与第二开关并联设置的二极管在第二时刻导通，第二开关在第三时刻接通，第二开关在第四时刻被关断，第一开关在第五时刻被接通，其中，该整个开关过程周期性重复。利用本发明的开关循环可将损耗功率减小到最小，这是因为当第一开关仅需引导小电流时，该第一开关总是可以被转换。第一开关在开关过程开始时接通并且能量存储在升压变换器开关电路的电感中实现。由此电感中的电流线性增长。在第一时刻，第一开关关断，其中，基于并联布置的电容产生最小的关断损耗。该电容防止在第一开关关断期间必须接通高电压，因为它可被并联设置的电容引导。在第二时刻，在第二开关的导通方向上的二极管导通，电感中的能量传递到电路的输出端。通过这种方式，电感中的电流下降，并且优选地在第三时刻达到O值。在第二时刻和第三时刻之间，与第二开关并联设置的第二二极管被无损耗地接通并从第三时刻器起接收电感的电流，该电流从第三时刻起以反方向流动。在第四时刻，第二开关以最小关断损耗被关断并且电感的现在为负向的电流使与第一开关并联设置的电容器放电并在此后变换到与第一开关附加并联设置的第一二极管。在第五时刻，感生电流再次达到O值，并且在第五时刻，在第四时刻和第五时刻之间无损耗地接通的第一开关被用来引导从第五时刻起增加的感生电流，由此使得开关周期从头开始。通过这种方式和方法，可以将开关损耗限制到最小。在本发明的又一个优选结构方案中设计如下，即构造具有多个并联设置的电开关装置的功率电子装置。如果所发出的功率在更大范围波动，则多个本发明的电开关装置的此种并联电开关装置将使效率更高。尤其对于电动汽车，处于低速状态与处于高速状态相比需要明显减小的功率。在功率输出的这种大范围的情况下可通过以下方式提高效率，即，并联连接多个电开关装置并且在低功率情况下仅使用一个或少量电开关装置，而在高功率期间优选使用全部并联连接的电开关装置。因此，有效连接的电开关装置的数量取决于消耗器所需的电功率。将电开关装置的接通和关断策略在此存储在逻辑电路中，所述逻辑电路控制显影所需电开关装置的接通和关断。在依据本发明的又一个结构方案中设计如下，S卩，在功率输出很小的情况下，所述功率输出自身使得一个唯一的电开关装置不满载，则提高电开关装置中的第一开关和第二开关的开关频率。如果功率输出如此之小，使得甚至一个唯一的电开关装置都不再满载时，则依据本发明的结构方案是有意义的。为了使在此出现的损耗最小，在这种情况中可以根据改变唯一余下的电开关装置中的开关的负载状态来改变开关频率。功率越低，则开关频率越高。通过这种方式和方法，可以减小升压变换器开关电路中由电感产生的内部环电流并且由此减小在小负载时降低开关损耗。此外以有利方式设计如下，S卩，电开关装置总是以360度除以电开关装置数量相移地运行。并联连接的电开关装置的上述对称相移产生特别高的效率。在此额外设计如下，即，在电开关装置关断时相移发生改变并且被调节到360度除以剩余的电开关装置数量。通过这种方式和方法确保的是，即使在一个或多个电开关装置关断时，余下的电开关装置仍然能够对称移相地工作。所需相移在此可以根据所需电开关装置存储在一个表格中并且根据工作的电开关装置进行访问。还可以由计算机根据正好所需的有效电开关装置实时计算当前所需的相移。通过该措施可以减小本发明功率电子装置的输入和输出电容器的电流波动并且由此同样可减小损耗。
接下来根据多个附图更详细地说明和描述本发明。图示:图1根据背景技术的升压变换器开关电路，图2根据背景技术的、具有多个并联设置的升压变换器的功率电子装置，图3图2中功率电子装置的感生电流的变化曲线，图4本发明的具有减小的开关损耗的电开关装置，图5图4中的第一开关的关断过程，图6根据图4的电开关装置在高功率输出时的电流和电压变化曲线，图7根据图4的电开关装置在低功率输出时的电流和电压变化曲线，图8根据本发明的功率电子装置，其具有多个并联设置的、具有降低的开关损耗的本发明的电开关装置以及在输出端连接的用于控制电驱动马达的逆变器，以及图9开关频率的变化对感生电流的影响。
具体实施例方式在图1中示出了升压变换器开关电路，其由相对较低的输入电压Ue生成较高的输出电压UA。所述升压变换器开关电路基本由线圈形式的电感、二极管和储能电容器成。借助于双极性晶体管、MOSFET或IGBT能够将所述电感暂时接地。当开关打开时，电感试图维持电流。由此电压升高，直到其超过电容器上的输出电压Ua并且二极管导通为止。此后在第一时刻电流不变地流动并且给电容器充电。此时电感的磁场减弱、将其能量传递给电容器和可能连接于下游的负载。此种电路的问题在于，晶体管必须在负载下接通，这将导致相应的开关损耗。图2示出了带有图1中的并联连接的升压变换器的功率电子装置，与图1中的电路相比，其能够以较小的损耗转换较大的功率。图2中的功率电子装置的优点在于，输入电流iE明显平缓并且由此输入-和输出电容器的损耗可以最小化。为此，在图3中示出了输入电流的变化曲线，其中，输入电流iE为合成电流，其包含小的纹波，而在下部区域中所示出的感生电流是单个电感中的电流。通过图2中的三个升压变换器的相移并联电路清楚地示出与感生电流iE有关的平缓操作。图4是示出了具有降低的开关损耗的根据本发明的改进的升压变换器。根据本发明的升压变换器除输入电容器和输出电容器之外基本还包括电感、以IGBT或MOSFET晶体管形式的第一开关T1和同样以IGBT或MOSFET晶体管形式的第二开关T2。第一开关T1具有与图1中的开关基本相同的任务。第二开关T2用于将开关损耗最小化。此外，第二开关T2包括在通流方向上并联连接的附加二极管D2。一升压器二极管D1在截止方向上与第一开关T1并联连接及附加地一电容器C1与第一开关T1并联连接。但是，可选地，该单电容器可由两个分电容器成，其方式是，第一分电容器与二极管D1并联,第二分电容器与二极管D2并联设置，参见图8。电容器通过如下方式减小了第一开关T1的关断损耗，即第一开关T1上的电压升高速度明显减小，而电流下降速度不变。在图5中示出了关断过程期间升压变换器晶体管的电压Ut和升压变换器电容器的电流iT的变化曲线。在电容C方向上的箭头应表示电压升高是如何可通过电容器的电容值影响的。电压升高的平缓使得由升压变换器晶体管T1上的电压Ut和电流iT导致的开关损耗减小。通过对于电容值C1的相应调整，使第一开关T1上的关断损耗大大减小。为了减小第一开关T1的接通损耗，升压变换器的电容器C1在第一开关T1接通时尽可能完全放电。通过适当尺寸的电感并且借助于第二电子开关T2实现该放电。为了使开关损耗最小，图4中的电路以如下方式工作。首先接通第一开关T1，存储在电感中的能量使感生电流k线性增加。参见图5，在第一时刻h，第一开关T1关断，其中，通过并联连接的电容器C1使关断损耗最小。在第二时刻t2，附加二极管D2导电，并且进行电感的向消耗器的能量释放，由此使感生电流k减小并在第三时刻t3达到O值。在第二时刻t2和第三时刻七3之间，第二开关1~2无损耗地接通。于是第二开关T2接收感生电流L其从第三时刻t3起以相反方向流动。在第四时刻t4，第二开关T2以极小的关断损耗关断并且此时负向感生电流k使升压变换器上并联连接的电容器C1放电并且然后转换到升压变换器二极管D1。此后在第五时刻t5，感生电流k达到O值。第五时刻t5，在第四时刻t4和第五时刻t5之间无损耗地接通的第一开关T1接收感生电流k并且整个开关循环可重新开始。为此，在图6中示出了在图4的根据本发明的电开关装置以前述开关循环工作时的感生电流k的电流变化曲线以及第一开关上的门控电Sues1、第二开关上的门控电压Ues2和升压变换器二极管的门控电压Udsi的电压变化曲线。在高负荷期间，具有高输出功率的电路产生相对较小的开关损耗。在图7中示出了根据图4的本发明的电开关装置以明显降低的输出功率工作期间，感生电流k的电流变化曲线以及第一开关上的Ues1、第二开关上的Ugs2和升压变换器二极管的Udsi的电压变化曲线。当输出功率降低时，在开关电路之内产生环电流，其导致额外的损耗并由此降低了图4中电开关装置的效率。基于这一原因，对图4的电开关装置进行了如下改进，使得其如图8所示与功率电子装置多重地并联。因此，图8中的功率电子装置包括至少三个并联连接的图4中的电开关装置，其中，逆变器INV连接在输出电压Ua上，其为电驱动马达M提供能量。该电驱动马达M可以是例如电动汽车中的电驱动马达。并联连接的电开关装置的数量取决于最大接通电功率和输出功率范围。输出功率范围越大，则并联连接越多的电开关装置是有意义的。通过这种方式和方法，能够以高的效率覆盖更大的功率范围。在此，根据需输出的功率，仅有这样多数量的电开关装置主动接通，使得效率达到最优值并且接通的电开关装置的感生电流k与图6中的变化曲线一致。电开关装置的根据所要求的输出功率的开关策略存储在逻辑电路中，所述逻辑电路接通或关断相应支路。尽管如此，还可以实现的是，所需的功率可这样程度地降低，使得唯一的电开关装置自身不再有意义地满载。在这种情况中，唯一剩下的电开关装置中的第一开关T1和第二开关T2的开关频率可根据负荷状态而变化，以便从而使环电流最小。在此，所需功率的进一步降低导致开关频率上升。在图9中示出了频率改变对感生电流k的影响。此外，还示出了第一开关上的Ues1、第二开关上的Ugs2和升压变换器二极管的Udsi的电压变化曲线。当全部电开关装置都被使用时，则各个电开关装置之间的相移应规定为Φ = 360除以所需电开关装置的数量。当由于功率需求降低而关断电开关装置时，则逻辑电路与关断同步重新计算相移，从而使得相移现在为Φ = 360除以接通的剩余电开关装置的数量。通过对称相移保证的是，输入电容器和输出电容器中的电流纹度最小。通过这种方式和方法可以有效地限制损耗。附图标记表Ue输入电压Ua输出电压iE感生电流iL感生电流T1升压变换器晶体管T2附加晶体管D2附加二极管D1升压变换器二极管C1升压变换器电容器iT升压变换器晶体管中的电流Ut升压变换器晶体管上的电压Ugsi升压变换器晶体管上的电压变化曲线Ugs2附加晶体管上的电压变化曲线Udsi升压变换器二极管上的电压变化曲线tl升压变换器的晶体管的关断时刻t2附加二极管导通t3感生电流流过附加晶体管t4附加晶体管关断t5感生电流流过升压变换器晶体管INV逆变器M电驱动马达t 时间。
权利要求
1.一种电开关装置，其包括升压变换器开关电路，所述升压变换器开关电路具有电感和第一开关(T1),所述电开关装置用于产生比输入电压(Ue)高的输出电压(UA)，其特征在于，设置第二开关(T2),用于当所述第一开关(T1)关断时引导所述升压变换器开关电路中的感生电流(iE，iL)。
2.根据权利要求1所述的电开关装置，其特征在于，一第一二极管(D1)在截止方向上并且一电容器(C1)与所述第一开关(T1)并联，并且一第二二极管(D2)在通流方向上与所述第二开关(T2)并联。
3.根据权利要求2所述的电开关装置，其特征在于，所述电开关装置被这样控制，使得在第一时刻U1),所述第一开关(T1)关断，在第二时刻(t2)，与所述第二开关(T2)并联设置的所述第二二极管(D2)导通，在第三时刻(t3)，所述第二开关(T2)接通，在第四时刻(t4)，所述第二开关(T2)关断，在第五时刻(t2)，所述第一开关(T1)接通，其中，整个开关过程周期性重复。
4.一种功率电子装置，其具有多个根据权利要求1至3中任一项所述的电开关装置，所述电开关装置并联设置。
5.根据权利要求4所述的功率电子装置，其特征在于，根据需由所述开关装置输出的功率仅仅接通对于功率输出所需的电开关装置。
6.根据权利要求4或5的功率电子装置，其特征在于:在功率输出非常小的情况下，所述功率输出甚至使一个唯一的电开关装置都不能满载，则提高所述电开关装置中的所述第一开关(T1)和所述第二开关(T2)的开关频率。
7.根据权利要求4至6中任一项所述的功率电子装置，其特征在于，所述电开关装置相应以360°除以所述电开关装置的数量相移地运行。
8.根据权利要求7所述的功率电子装置，其特征在于，在一个电开关装置关断时，相移发生改变并且被调节到360°除以尚工作的剩余电开关装置的数量。
9.根据前述权利要求中任一项的功率电子装置，其特征在于，用于控制所述开关(T1,T2)和单个电开关装置的开关状态的开关策略通过微处理器和/或FPGA控制。
10.根据前述权利要求中任一项的功率电子装置，其特征在于，一逆变器(INV)连接在所述功率电子装置的输出端上，用于控制具有电驱动器(M)的机动车中的电驱动马达。
全文摘要
本发明涉及一种电开关装置，其包括升压变换器开关电路，所述升压变换器开关电路具有电感和第一开关(T1)，其用于产生比输入电压(UE)高的输出电压(UA)。本发明的特征在于，设置第二开关(T2)，用于当所述第一开关(T1)关断时引导所述升压变换器开关电路中的感生电流(iE，iL)。
文档编号H02M3/158GK103151927SQ20121059912
公开日2013年6月12日 申请日期2012年11月9日 优先权日2011年11月11日
发明者K-D·克莱伯奥姆许特, V·埃塞尔, J·孔茨, J·赖特尔, K·阿尔布雷希特, J·贝希特勒, J·埃克, M·克吕格尔, H·迈耶, J·舒讷 申请人:海德堡印刷机械股份公司