用于从直流电压转换器的初级侧至次级侧或反过来进行双向电功率传递的直流电压转换器的制作方法

1.本发明涉及一种具有非对称拓扑的用于从直流电压转换器的初级侧至次级侧或反过来进行双向电功率传递的直流电压转换器，该直流电压转换器借助于唯一的受控的开关来联接次级侧次级线圈的电流。


背景技术：

2.为了在两个直流电压电平之间传送电功率而使用所谓的dc/dc转换器或者说直流电压转换器。存在针对这种转换器的大量可能的拓扑。其中之一是所谓的主动钳位反激式拓扑（active
‑
clamped flyback topologie），其也被称作为有源钳位反激式转换器（aktiv geklemmter sperrwandler）且其特征在于数量少的电子部件。在此，次级侧上的整流器被执行为受控的开关。
3.在de 195 07 084 a1中提出一种作为开关调节器构造的反激式转换器，其整流器在输出回路中可以由电子开关跨接。该电子开关被控制为与联接调节器调整机构（schaltregler
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stellglied）同步导通。本发明的联接调节器具有良好的效率和良好的同步特性。电子开关并联在次级侧的整流器上。其控制根据本发明与联接调节器调整机构的控制同步地且以相反的节奏进行，也就是说，当联接调节器调整机构经由脉宽调制器pbm被阻断时，场效应晶体管被控制成导通并由此低电阻地跨接整流器。
4.利用这种电路拓扑和相应已知的调制方法，也就是说三个受控的开关晶体管的功率状态的操控模式或还有电压
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时间走向，进行从该电路的初级侧向次级侧的电功率流。
5.针对双向运行，在现有技术中对称地拓宽该主动钳位反激式转换器拓扑。（gang chen、yim
‑
shu lee、syr hui、dehong xu 和 yousheng wang，“有源钳位双向反激转换器”，ieee工业电子会刊，第 47 卷，第 4 期，第 770
‑
779 页，2000 年 8 月）因此附加地，仅出于对称原因，从次级侧至初级侧的运行也是可行的。
6.这种直流电压转换器例如被使用作为针对电动车辆的车载电路转换器，其中，在一般情况下，电功率从初级侧明显较高的电压被导出到次级侧上，因此例如从400v到12v。在此得到这样的场景，在这些场景中必须提供具有尽可能少的电路技术耗费的反转的功率流。


技术实现要素：

7.本发明的任务在于，提供具有相应于次级回路中的受控的整流器和主动钳位反激式转换器的电路拓扑的直流电压转换器，该直流电压转换器能够实现从初级侧至初级侧的电功率传递。
8.根据本发明给出了根据独立权利要求的特征的直流电压转换器、用于电功率传递的方法、计算机程序产品、计算机可读的存储介质和驱动系统，它们至少部分地具有所提到的作用。有利的设计方案是从属权利要求和随后的说明书的主题。
9.提供了一种用于从直流电压转换器的次级侧至初级侧进行电功率传递的直流电压转换器。该直流电压转换器包括在电流上分开的变压器，其具有初级侧初级线圈和次级侧次级线圈。所述初级线圈一方面与第一初级电压接口连接且另一方面与第一开关串联地与第二初级电压接口连接。与所述初级线圈并联地将电容器与第二开关串联连接。所述次级线圈一方面与第一次级电压接口连接且另一方面与第三开关串联地与第二次级电压接口连接。此外，直流电压转换器包括调节装置，该调节装置被设置用于，将第一开关、第二开关和第三开关重复地、尤其是根据一操控模式进行打开和闭合，或相应于断开和接通。在此，当第二开关接通时，断开第一开关，并反之亦然，用以产生初级线圈中的交变电压。根据第一开关的开关位置来断开和接通第三开关。调节装置被设置用于，将接通第三开关的时间点设置到断开第一开关且接通第二开关之前的一时间点上，以便能够实现从次级侧至初级侧的功率流。
10.第一开关的断开和第二开关的接通以及它们的反转始终以一死时间（totzeit）错开地进行，因此而确保了，第一开关和第二开关永远不会同时导通。第三开关的断开有利地在通过该开关的电流过零之前不久进行。视工作点而定，因此在第二开关的断开和第三开关的断开之间获得不同的时间间隔。
11.第二开关和第三开关尤其是时间相同地被断开。第二开关和第三开关在略为不同的时间点上被接通。因此，第二开关和第三开关几乎在相同时间被接通和断开。第三开关比第二开关更长接通的持续时间尤其是第二开关接通的持续时间的1
‑
20%。以这种方式，第三开关可以如已描述的那样在其电流过零时被断开。由此来实现针对该开关的最小导通损耗和联接损耗。第三开关与第二开关相比接通的时间越长，则越多的功率从次级侧被传递到初级侧。
12.有利地提供具有调节装置的电路拓扑，该调节装置能够实现从直流电压转换器的次级侧至初级侧的电功率传递。
13.在本发明的另一设计方案中，所述调节装置被设置用于，将接通第三开关的时间点设置到断开第一开关且接通第二开关之后的一时间点上，以便能够实现从初级侧至次级侧的功率流。
14.第二开关和第三开关尤其是时间相同地被断开。第二开关和第三开关在略为不同的时间点上被接通。因此，第二开关和第三开关几乎在相同时间被接通和断开。第三开关比第二开关更短接通的持续时间尤其是第二开关接通的持续时间的1
‑
20%。第三开关与第二开关相比接通的时间越短，则越多的功率从初级侧被传递到次级侧。
15.有利地提供具有调节装置的电路拓扑，该调节装置也能够实现从直流电压转换器的初级侧至次级侧的电功率传递。
16.在本发明的另一设计方案中，所述调节装置被设置用于，根据能预设的功率传递方向将接通第三开关的时间点设置到断开第一开关且接通第二开关之前或之后的一时间点上，以便相应于预设的功率传递方向来调整功率流。
17.提供一种直流电压转换器，其根据预设来通过直流电压转换器对功率传递方向进行适配，方式是，第三开关的接通时间点根据第一开关的开关位置被设置到如下时间点上，该时间点被设置在断开第一开关的时间点之前或之后。有利地提供一种直流电压转换器，其功率传递方向是可预设的。
18.在本发明的另一设计方案中，所述调节装置被设置用于，根据可预设的功率在接通第一开关的时间点之前或之后调整接通第三开关的时间点的间隔，其中，该间隔在待传递功率较大时被增大且在功率较小时被减少。
19.提供一种直流电压转换器，其根据预设来通过直流电压转换器对功率进行适配，方式是，第三开关相对于第二开关的接通持续时间之比被改变。有利地提供一种直流电压转换器，其功率是可预设的。
20.换句话说，提供了一种针对直流电压转换器的电路，尤其是具有主动钳位反激式转换器拓扑，具有调节装置，该调节装置执行针对开关控制的调制方法，该调制方法能够实现从次级侧至初级侧的电功率流，在此尤其没有在电路中产生关于另外的电子组件的更多耗费。
21.用于从直流电压转换器的次级侧至初级侧进行电功率传递的根据本发明的直流电压转换器在初级侧上尤其具有主动钳位反激式转换器电路。该电路利用受控的第一开关联接初级回路中的电流。该电路可以利用不同的但是等效功能性的拓扑来实施。
22.初级回路中的受控的第二开关尤其与电容器一起造成主动钳位并限制初级侧上的电压，以便尤其是减少第一开关的负荷。直流电压转换器的初级侧感应式地与次级侧耦接。由此可以沿两个方向在初级侧和次级侧之间实现电感应的且在电流上分开的功率传递。
23.次级侧经由次级线圈感应地与初级侧耦接。穿过该次级线圈的电流借助于尤其是唯一的受控的次级侧第三开关来联接。在此，直流电压转换器具有调节装置、尤其是调节电路。在感应耦接的情况下，该耦接可以被实施为，使得处在被耦接的初级侧初级线圈上的电压与另外的被耦接的次级线圈的电压方向相反。为此，形成电感的线圈绕组尤其可以具有不同的卷绕方向（wickelsinn）。
24.在此，作为直流电压转换器的具有带第一开关和第二开关的受控的半桥的侧限定了初级侧，其中，该两个受控的开关尤其可以交替地被操控为，使得它们在运行中永远不会在相同时间被联接成导通。
25.利用这种直流电压转换器，尤其是在没有附加电子部件的情况下可以进行从次级侧至初级侧的功率流。
26.与控制从初级侧至次级侧的功率流的主动钳位反激式转换器相比，当次级侧的受控的第三开关被联接成导通、即被接通时，初级侧的第一开关针对反转的功率流才被联接成不导通，由此实现从次级侧至初级侧的电功率流。
27.由此，电功率从次级侧感应地被传递到初级侧上。在能量给出到初级侧负载上之前，该能量才被存储在电容器中并然后存储在初级侧初级线圈中。
28.利用这里展示的调制方法，也就是说针对第三开关的调节装置控制信号的顺序，第一开关和第二开关在所谓的“零电压切换（zero voltage switching）”（zvs）中运行，也就是说，其仅被主动地联接成不导通，但是不被主动地联接成导通。
29.第三开关的断开过程，也就是说联接成不导通，借助于第三开关的反向导通二极管的阻断时间延迟或者说借助于“反向恢复（英文：reverse recovery）”来进行。该运行方式也被称作“零电流切换（zero current switching）”（zcs）。第三开关也借助于zcs进行接通。
30.通过该拓扑，在联接成不导通的情况下减少了第一开关的负荷，因为初级线圈的电流换向到具有第二开关和限制电容器的电路部分上。
31.该直流电压转换器的初级侧可以具有一对接口，该对接口与反激式转换器电路连接，使得在直流电压转换器的运行中，利用从次级侧至初级侧的功率流，在这些接口上可以提供电功率。
32.该直流电压转换器的次级侧可以具有一对次级电压接口，该对次级电压接口与次级线圈和第三开关连接，使得在直流电压转换器的运行中，利用从次级侧至初级侧的功率流，在这些次级电压接口上可以接收电功率。
33.为此，该对次级侧接口可以与由第三开关和次级线圈所构成的第三串联电路进行电连接。
34.根据本发明的一设计方案提出，第一串联电路与第一中间回路电容器并联联接。这点造成直流电压转换器的初级侧接口上的保持恒定的电压。替换地，第一中间回路电容器也可以是另一电路的一部件，根据本发明的直流电压转换器与该另一电路电连接并由此不是直流电压转换器的部件。
35.根据本发明的一设计方案提出，第三串联电路与第二中间回路电容器并联联接，由此使得直流电压转换器的次级侧接口上的电压平滑。替换地，第二中间回路电容器也可以是另一电路的一部件，根据本发明的直流电压转换器与该另一电路电连接。
36.根据一改善本发明的措施提出，直流电压转换器的三个开关中的至少一个基于硅技术、碳化硅技术或氮化镓技术来制作。相对于例如基于硅技术作为电子开关的mosfet，可以通过使用基于另外的制作技术的部件来实现直流电压转换器的更高效率，因为出现更低的损耗。
37.根据一改善本发明的措施提出：直流电压转换器的单个或所有三个开关被实施为高电子迁移率晶体管hemt（英文：high
‑ꢀ
electron
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mobility transistor）（德文：transistor mit hoher elektronenbeweglichkeit）、结型场效应管jfet（英文：junction
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fet, 或者说non
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insulated
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gate
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fet,非绝缘栅场效应晶体管nigfet）（德文：sperrschicht
‑ꢀ
feldeffekttransistor）、功率mosfet、绝缘栅双极晶体管igbt（英文：insulated
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gate bipolar transistor）（德文：bipolartransistor mit isolierter gate
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elektrode）或晶闸管。此外可以使用共射
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共基放大器（kaskoden），即常开结构元件和低压半导体的串联电路，或还有高电子迁移率晶体管（hemt）用于控制电流流。
38.此外可以使用另外的单极结构元件用于控制电流流。利用单极结构元件实现了如mosfet晶体管中那样的较小正向电压（durchlassspannung）的优点。
39.此外，本发明涉及一种用于控制直流电压转换器的方法，用以将电功率从所述直流电压转换器的次级侧传递至初级侧。在此情况下，直流电压转换器包括变压器，其具有初级侧初级线圈和次级侧次级线圈。所述初级线圈一方面与第一初级电压接口连接且另一方面与第一开关串联地与第二初级电压接口连接。与初级线圈并联地将电容器与第二开关串联连接或联接。次级线圈一方面与第一次级电压接口连接且另一方面与第三开关串联地与第二次级电压接口连接。直流电压转换器还包括调节装置，用于控制或执行下列步骤：重复断开和接通第一开关、第二开关和第三开关，其中，当第二开关接通时，第一开关持续断开，并反之亦然，用以产生初级线圈中的交变电流。根据第一开关的开关位置来
断开和接通第三开关。调节装置还控制其他步骤：将接通第三开关的时间点预设为断开第一开关且接通第二开关之前的一时间点，以便能够实现从次级侧至初级侧的功率流。
40.有利地提供一种用于操控直流电压转换器的方法，该方法能够实现从直流电压转换器的次级侧至初级侧的电功率传递。
41.在本发明的另一设计方案中，调节装置也控制其他步骤：将接通第三开关的时间点预设为断开第一开关且接通第二开关之后的一时间点，以便能够实现从初级侧至次级侧的功率流。
42.有利地提供一种用于操控直流电压转换器的方法，该方法也能够实现从直流电压转换器的初级侧至次级侧的电功率传递。
43.在本发明的另一设计方案中，调节装置也控制其他步骤：确定能预设的功率传递方向；根据所确定的功率传递方向，将接通第三开关的时间点预设为断开第一开关且接通第二开关之前或之后的一时间点。
44.提供一种用于操控直流电压转换器的方法，该方法根据预设来通过直流电压转换器对功率传递方向进行适配，方式是，接通第三开关的时间点根据第一开关的开关位置被设置到如下时间点上，该时间点被设置在断开第一开关的时间点之前或之后。有利地提供一种用于操控直流电压转换器的方法，其中，通过直流电压转换器可以预设待调整的功率传递方向。
45.换句话说，给出一种用于控制直流电压转换器的方法，用以将电功率从直流电压转换器的次级侧传递至初级侧。直流电压转换器尤其在初级侧上具有主动钳位反激式转换器电路，该主动钳位反激式转换器电路具有受控的第一开关和受控的第二开关。在此，直流电压转换器的初级侧感应地借助于初级侧初级线圈和次级侧次级线圈与次级侧耦接。穿过次级线圈的电流在该直流电压转换器中由一、尤其是唯一的第三开关来联接。尤其地，第一开关和第二开关为了功率传递尤其以一死时间错开地被交替地联接成导通、相应于接通。相应于该方法，尤其是第三开关和第二开关同步地以一死时间错开地联接成不导通、相应于断开。
46.利用该方法，所描述的直流电压转换器可以将电功率从其次级侧向其初级侧运送。为此，当次级侧的受控的第三开关被接通时，初级侧的第一开关才于是被断开，由此获得从次级侧至初级侧的电功率流。
47.该方法也可以利用直流电压转换器的所有另外在上面描述的设计方案来执行。
48.此外，本发明涉及一种计算机程序产品，其中，该计算机程序产品包括下列指令，这些指令在通过计算机实施程序时促使该计算机实施上述的方法。
49.此外，本发明涉及一种计算机可读的存储介质，该存储介质包括下列指令，这些指令在通过计算机实施时促使该计算机实施上述的方法。
50.此外，本发明涉及一种系统，其具有第一直流电源和第二直流电源，第一直流电源具有第一电压，第二直流电源具有第二电压。第一电压高于第二电压。此外，该系统具有如其上面已被描述那样的直流电压转换器。第一电压的第一直流电源与直流电压转换器的初级侧电连接且第二电压的第二直流电源与直流电压转换器的次级侧连接。
附图说明
51.本发明的实施例在图1和2中示出并在后面被详细阐释。其中：图1：直流电压转换器的拓扑；图2a：第三开关的操控信号；以及图2b：初级侧和次级侧的电流走向。
具体实施方式
52.图1示出了直流电压转换器10的拓扑，在该拓扑中，第一开关1与直流电压转换器10的初级侧的初级线圈5在第一串联电路中电连接。第二开关2布置在初级侧上且与电容器4在第二串联电路中电连接，其中，第二串联电路与初级侧的初级线圈5并联联接。第一串联电路在初级线圈5侧上的第一触点与直流电压转换器10的初级侧的第一初级电压接口11a连接且第一串联电路在第一开关1侧上的第二触点与直流电压转换器10的初级侧的第二初级电压接口11b连接。在初级侧的这些接口11a和11b之间施加电压u1。直流电压转换器的初级侧的该拓扑示出了一针对主动钳位反激式转换器电路的示例。第一中间回路电容器7可以如上所述那样与初级侧的第一和第二初级电压接口11a、11b电连接。
53.直流电压转换器10的次级侧具有受控的第三开关3，该第三开关与次级侧的次级线圈6形成第三电气串联电路。第三串联电路在次级线圈6侧上的第一触点形成直流电压转换器10的次级侧的第一次级电压接口9a且第三串联电路在第三开关3侧上的第二触点形成直流电压转换器10的次级侧的第二次级电压接口9b。在次级侧的这些接口9a和9b之间施加电压u2。第二中间回路电容器8可以如上所述那样与次级侧的第一和第二次级电压接口9a、9b电连接。
54.初级侧的初级线圈5和次级侧的次级线圈6感应地彼此耦接。尤其地，电感被构造为变压器的在电流上彼此分开的绕组。
55.图1中，受控的开关1、2、3被实施为n通道mosfet晶体管，但是也可以使用另外的单极结构元件用以控制电流流。利用单极结构元件实现了如mosfet晶体管中那样的较小正向电压（durchlassspannung）的优点。对此的示例已经在说明书前面提到。
56.调节装置12用其输出端12a、12b和12c分别与第二开关2的、第一开关1的和第三开关3的控制触点连接。调节装置12被设置用于例如相应于图2a中所示的操控模式来操控单个的开关1、2、3。调节装置12相应于图2a中的走向将三个开关1、2、3的控制触点控制为高或低。当控制信号为高时，对应的开关被联接成导通、相应于接通，当控制信号为低时，对应的开关被联接成不导通、相应于断开。
57.在操控开关的这类时间上的顺序中，电功率感应地经由由次级线圈6和初级线圈5组成的变压器从直流电压转换器的次级侧传递到初级侧上。在该能量被给出到联线到初级电压接口11a、11b上的负载上之前，该能量首先在电容器4中并然后在初级线圈5中被存储。
58.图2b给出了由已描述的操控模式合成出的在直流电压变换器的初级线圈5中的电流走向i1和次级线圈6中的电流走向i2，其中，图2a中在直流电压变换器10的初级回路或在次级回路中用l1和l2标记的箭头给出了该拓扑的这些点上的电流方向。
59.接下来描述在次级侧的第三开关3在时间点t1被联接成导通之前不久开始的由来自图2a的操控模式所合成的图2b的电流走向。
60.被感应耦接的初级侧的初级线圈5和次级侧的次级线圈6可以在针对后续描述所使用的电替代图中作为等效进行观察。等效图包括直流电压转换器的次级侧和初级侧之间的理想传递器和与初级侧上的主电感串联的漏感，其中，主电感与理想传递器并联联接。
61.在观察开始时，在时间点t1之前，第一开关1导通。不仅第二开关2而且第三开关3都不导通。
62.首先流动的是被驱动穿过变压器的主电感的、不断减弱的负电流i1，由此将电功率传递到初级侧上。
63.如果现在在时间点t1将第三开关3联接成导通，那么其在zcs模式中进行，因为电流l2非常小。利用导通的第三开关3，两个电压u1和借助于变压器所转换的电压u2的总和施加在漏感上。因为漏感相对于主电感很小，所以电流l2朝负方向陡峭地升高，且从在次级电压接口上联线的第二直流电压源中提取功率。
64.借助于变压器所转换的电压u2由变压器的绕组的不同卷绕方向合成地造成穿过主电感的电流升高，该升高接着也改变了i1的正负号。叠加的时间段l3的、即时间点t1和t2之间的持续时间可以被用于对功率传递进行调节，在该时间段中，第一开关1和第三开关3被共同导通联接。
65.在其中第一开关1和第三开关3被共同导通联接的该时间段结束时，第一开关1在时间点t2被低损耗地断开。通过断开第一开关1，由本征二极管造成的初级侧电流i1换向到反向导通的第二开关2上，使得第二开关s2几乎无损耗地在zvs模式中被接通。
66.在该阶段中，小的负电压施加在漏感上，其通过由电容器4上的电压u
钳位
和借助于变压器所转换的电压u2所构成的差值来形成。因此，负电流l2减少。
67.在主电感上几乎施加全部借助于变压器所转换的电压u2且电流i1相应地下降。由此，能量被存储在电容器4中和主电感中。
68.当该阶段结束时，穿过第二开关2的电流i1已变换其方向。第二开关2的切断在时间点t3由此以低损耗进行。接着，电流通过主电感换向到第一开关1的反向二极管上，使得第一开关1几乎无损耗地在zvs模式中在时间点t3被接通。
69.穿过第三开关3的电流i2降低到低值并因此可以低损耗地几乎在zcs模式中，尤其以相对于开关2的切断信号的一时间间隔错开地，与第二开关2同步地在时间点t3被切断。替换地，第三开关3也通过反向导通二极管的反向恢复被动地切断。
70.主电感中的负电流i1现在流动到在初级侧在初级电压接口11a和11b上联线的负载上。因此，在该阶段中发生来自次级侧联接的第二直流电压源的在之前阶段中接收的功率到初级侧联接的第一直流电压源或负载上的给出。随着第三开关3在t’1时在zcs模式中在小电流情况下接通，所描述的循环从前开始。
71.总之，电功率由电路的次级侧接收并给出到电路的初级侧上。有利地，所有开关要么如第一开关1和第二开关2那样在zvs模式中，要么如第三开关3那样在zcs模式中运行。在这些工作点中的小的联接损耗也在这里所描述的操控模式或调制方法中能够实现，或者说在该控制循环中能够实现高的联接频率。由此，与从初级侧至次级侧的直流电转换器的运行相比，在电路中不产生附加的硬件耗费。