CN105634270A - 用于操控谐振直流变换器的电子开关元件的装置和方法 - Google Patents

Abstract

用于对谐振直流变换器的电子开关元件进行操控的装置，特征在于，用于对第一特征参量进行检测的第一检测机构，所述第一特征参量表示出所述谐振直流变换器的振荡回路中的电压的特征；用于对第二特征参量进行检测的第二检测机构，所述第二特征参量表示出所述谐振直流变换器的振荡回路中的电流的特征；测定元件，该测定元件从所述第一特征参量中求得用于在操控所述电子开关元件时使用的第一调节量；调节器，所述调节器从所述第二特征参量中求得用于在操控所述电子开关元件时使用的第二调节量；以及转换元件，该转换元件根据所述第一特征参量在所述第一调节量的使用与所述第二调节量的使用之间进行转换。

Description

用于操控谐振直流变换器的电子开关元件的装置和方法

技术领域

本发明涉及用于对谐振直流变换器的电子开关元件进行操控的装置和方法。

背景技术

对于传统的谐振转换器来说，谐振电路或者振荡回路用于在电流或者电压过零点时可以转换晶体管。为了调节输出电压，通常用固定的脉冲长度和可变的频率来操控传统的谐振转换器。所述脉冲长度在此一般来说等于所述谐振电路的振荡持续时间的一半，从而在过零振荡时可以切断所述晶体管。

所述谐振电路可以布置在初级侧或者次级侧。一般来说，在使用串联谐振电路的情况下在电流过零点时进行转换，并且在使用并联谐振电路的情况下在电压过零点时进行转换。

发明内容

对于有些应用情况来说，需要尽可能快地转换输出电压。根据独立权利要求的装置和方法提供了一种特别有利的、对谐振直流变换器的电子开关元件进行操控的方案。

通过在从属权利要求中所列举的措施，可以实现在独立权利要求中所说明的装置的有利的拓展方案和改进方案。

特别有利的是，为进行操控而使用调节器，该调节器包括两点电流调节器（Zweipunktstromregler）的一部分。这样的两点电流调节器优选异步地进行工作，以产生输出电压，所述两点电流调节器可以比集成电路顺利地购买到，并且可以用于产生价格便宜的谐振直流变换器。

附图说明

下面借助于图1到7对一种实施例进行描述。

图1示出了用于对谐振直流变换器的电子开关元件进行操控的装置；

图2-5示出了所述谐振直流变换器的运行状态；

图6-7示出了谐振运行中的电压-及电流曲线。

具体实施方式

图1示出了谐振直流变换器120的一部分。所述谐振直流变换器120包括用于对该谐振直流变换器120的电子开关元件101进行操控的装置100。优选地，所述电子开关元件101是具有绝缘门的场效应晶体管。特别合适的例如是作为MOSFET为人熟知的金属氧化物半导体场效应晶体管。

所述谐振直流变换器120包括电容器103、二极管104和线圈102。这些部件形成所述谐振直流变换器120的振荡回路的一部分。

如在图1中所示出的那样，在U_A处截取所述谐振直流变换器120的输出电压。如在图1中所示出的那样，供电电压加载在点U_V上。

所述装置100包括两点电流调节器的一部分。所述两点电流调节器包括第一差分放大器107、第二差分放大器113、第一比较器111、第二比较器112、第一数模转换器114和第二数模转换器115。所述第一差分放大器107的输出端和所述第一数模转换器114的输出端分别与所述第一比较器111的输入端相连接。所述第二差分放大器113的输出端和所述第二数模转换器115的输出端分别与所述第二比较器112的输入端相连接。所述第一比较器111的输出端和所述第二比较器112的输出端与开关电路116相连接。所述开关电路116在图1的示例中是触发电路（Flip-Flop）。在这种情况中，所述第一比较器111与所述触发电路的复位输入端（R）相连接，并且所述第二比较器112与所述触发电路的设置输入端（S）相连接。作为替代方案，也可以使用其它的数字的逻辑单元。所述开关电路116的、在触发电路中用D表示的输出端通过转换元件（Umschaltelement）110与驱动器（Treiber）117相连接。所述驱动器117与所述电子开关元件101相连接。在图1中的示例中，所述驱动器117与所述MOSFET的门-输入端相连接。

所述装置100包括用于对第一特征参量进行检测的第一检测机构，所述第一特征参量表示出所述谐振直流变换器120的振荡回路中的电压的特征。所述第一检测机构例如包括开关电路105，该开关电路构造用于从加载在该开关电路105的输入端上的电压中确定标志状态（Flag-Status）。所述第一检测机构也可以包括分压器106。优选地，通过所述分压器106将所述MOSFET的漏极电压U_D引导到所述开关电路105的输入端上。在此如此设计所述分压器106的尺寸，从而如此降低所述漏极电压U_D，使得所述开关电路105上的输入电压符合其技术要求。

此外，所述装置100包括测定元件（Ermittlungselement）109，该测定元件从所述第一特征参量中求得用于在操控所述电子开关元件101时使用的第一调节量S₁。例如所述第一特征参量是在所述开关电路105中所确定的标志状态。在该示例中，所述标志状态“高”被分配给所述开关电路105的较高的输出电压、也就是较高的电平。所述标志状态“低”被分配给所述开关电路105的较低的输出电压、也就是较低的电平。作为测定元件109，例如使用反相器（Inverter），该反相器使所述开关电路105的输出端反相。此外，所述装置100包括数字单元118、例如微处理器，所述数字单元在输入端上与所述反相器109的输出端相连接。此外，所述数字单元118包括用于将转换信号t输出给所述转换元件110的输出端。如此构造所述转换元件110，从而所述转换元件可以在所述第一调节量S₁的使用与第二调节量S₂的使用之间进行转换。将所述第一调节量S₁由所述测定元件109的输出端输送给所述转换元件110。将所述第二调节量S₂由所述开关电路116的输出端输送给所述转换元件110。

由此，在所述示例中作为第一调节量S₁而使用被反相的标志状态。在所述示例中，作为第二调节量S₂而使用所述触发电路的输出参量（Ausgang）。

这意味着，用于对驱动器117进行操控的转换元件110根据所述漏极电压在所述两点电流调节器的部件的使用与对所述MOSFET的直接操控之间转换。

为了求得所述第二调节量S₂，设置了用于对第二特征参量进行检测的第二检测机构，所述第二特征参量表示出所述谐振直流变换器的振荡回路中的电流的特征。在所述示例中，所述第二检测机构包括所述第一差分放大器107和在所述示例中布置在所述MOSFET的源输入端与地线之间的电阻108。这意味着，在所述电阻108上可以截取电压U_R，该电压与所述MOSFET中的电流或线圈102的电流成比例。所述振荡回路中的电流i因此作为所述电阻108上面的电压U_R来检测。这种电压U_R在所述差分放大器107中得到放大，并且在所述比较器111中与由所述数模转换器114预先给定的电压进行比较。在所述示例中，如此调节这种由所述数模转换器114预先给定的电压，使得其相当于所述振荡回路中的电流i的上电流阈值。由此，所述比较器111求得所述第二特征参量作为用于所述开关电路116的输入参量（Eingang）。如果像在所述示例中一样使用触发电路，这意味着，所述第二特征参量由触发电路来使用，以借助于通过所述触发电路描绘的逻辑表来求得所述第二调节量S₂。

所述装置100例如通过应用程序特定集成电路（ASIC）来产生。这种ASIC在所述示例中也包括所述分压器106。作为替代方案，所述分压器106也可以被设置为所述ASIC的外部的线路布置。在所述示例中，所述电阻108不是所述ASIC的组成部分。作为替代方案，所述电阻108可以被集成到所述ASIC中。

所述驱动器117例如构造用于：根据所使用的调节量来产生用于具有绝缘门的场效应晶体管的操控信号。在所述示例中，所述驱动器117是被构造用于对所述MOSFET进行操控的集成的放大器电路。

所述数字单元118例如根据所述第一特征参量S₁与阈值的比较结果来求得用于所述转换元件110的转换信号t。为此，所述数字单元118、所述第一检测机构和所述转换元件110如此构成，使得它们共同作用，以便在所述振荡回路中的电压低于第一阈值时从所述第一调节量S₁的使用转换为所述第二调节量S₂的使用。所述第一阈值例如是0伏特。由此在所述MOSFET无电压的时刻进行转换。

优选地，所述第一检测机构、所述数字单元118和所述转换元件110被构造用于共同作用，以便在所述振荡回路中的电压U_D达到第二阈值时从所述第二调节量S₂的使用转换为所述第一调节量S₁的使用。所述第二阈值例如是所述谐振直流变换器的预先给定的输出电压U_A。

现在借助于所述谐振直流变换器120的运行状态的阶段来对用于操控电子开关元件101的装置和方法进行描述。

图6示出了谐振运行中的电压和电流的曲线。

图6中的图表示出了所述线圈102的电流曲线以及所述MOSFET上的电压U_D。此外，在图6中示出了用于所述谐振运行的理想的开关时刻。

如所提到的那样，所述线圈102的电流曲线相应于能够作为所述电阻108上的电压U_R来检测到的电流i。用于所述MOSFET的理想的切断点的阈值作为I_{Thr_h}在图6中示出。因此，所述理想的切断时刻是这样一种时刻，在该时刻流经所述线圈102的电流达到所述上电流水平I_{Thr_h}。在该时刻，如在图6中示出的那样，所述电压U_D上升。

用于所述MOSFET的理想的接通时刻是这样一种时刻，在该时刻所述电压U_D=0伏特。而后可以在所述MOSFET中没有接通损失的情况下无电压地转换所述MOSFET。在所述电压U_D=0伏特时，如在图6中所示出的那样到达该点。

图7示出了另一张图表，在该图表中示出了所述线圈102的电流曲线以及所述MOSFET上的电压U_D。此外，在图7中绘入了可能的实际的、用于所述谐振运行的转换时间段（Schaltzeitfenster）。在这些转换时间段中可以在对所述谐振运行没有不好的影响的情况下进行转换。

此外，图7示出了所述谐振运行的四个阶段，所述四个阶段相应于所述谐振直流变换器的四个运行状态。

在用1表示的第一阶段中，所述MOSFET起作用。在该阶段中进行异步的电流调节，直至所述上电流水平I_{Thr_h}。

在用2表示的第二阶段中，如果达到了所述上电流水平I_{Thr_h}，则将所述MOSFET停用。按照如何定义所述上电流水平I_{Thr_h}的情况，所述时刻可能在所述转换时间段（Zeitschaltfenster）之内变化。

在用3表示的第三阶段中，首先切断所述MOSFET。这意味着，直接根据所述电压U_D来操控所述MOSFET。因此，在该阶段中，将所述第一额定值S₁接转到所述驱动器117上。

在用4表示的第四阶段中，一旦所述电压U_D低于所述第一阈值，则直接接通所述MOSFET。

紧接在所述阶段4之后，如在图7中所示出的那样又跟随着阶段1。在该阶段1中主动地在异步的电流调节模式中操控所述MOSFET。

图2示出了在所述第一阶段中运行的过程中所述装置100的状态。在这种异步的电流调节模式中，如此调节所述转换元件110，从而将所述第二调节量S₂用于操控电子开关元件101。图2而后示出了在所述调节器中加载的电压。例如在所述第二比较器112的输出端上并且由此在所述触发开关116的输入端S上加载了高电平。同时，在所述第一比较器111的输出端上并且由此在所述触发开关的输入端R上加载了低电平。根据所述触发电路116的逻辑表，这在所述触发开关的输出端D上意味着高电平。该高电平作为第二额定值S₂加载在所述转换元件110的输入端上，并且所述驱动器117利用高电平来操控所述MOSFET。

所述转换元件110的转换根据所检测到的第一特征参量来进行，所述第一特征参量表示出所述振荡回路中的电压U_D的特征。在所述阶段1中，所述电压U_D也像在图7中所示出的那样处于较低的数值、例如0伏特上。这在所述分压器106的输出端上并且由此在所述开关电路105的输入端上引起低电平。这种信号通过所述测定元件109来逆转并且在那里引起高电平。

由此，在微型控制器118的输入端上同样加载着高电平。这引起以下情况：所述数字单元118发现较低的、例如0伏特的电压U_D的加载，并且相应地将所述转换信号t设置到一数值上，该数值转换所述转换元件110，以使用所述第二调节量S₂。

图3示出了所述装置100在所述第二阶段中的运行状态。在该阶段中，在所述异步的电流调节模式中达到所述上电流水平I_{Thr_h}。而后加载的信号在图3中示出。如果所述比较器111的输出端倾斜到高电平上，在所述第一比较器111的输出端上能够发现上升沿。由此所述触发电路的输出端上的电平也从高变到低。这意味着，也在第二阶段中用于对所述MOSFET进行操控的第二调节量S₂变化到低电平上。由所述驱动器117输出的操控信号由此在所述沿下降之后较低。由此切断所述MOSFET。

图4示出了处于运行状态中的装置100，该运行状态相应于阶段3。在该阶段中，由所述第二调节量S₂的使用转换为所述第一调节量S₁的使用。这意味着，按照图4所述转换元件110通过所述驱动器117来将所述第一调节量S₁用于操控所述MOSFET。按照图4，在该阶段中在所述分压器106的输出端上加载有高电平，因为，一旦所述MOSFET完全处于高阻抗的状态中，所述电压U_D就从0伏特变化到所述输出电压U_A。由此在所述开关电路105的输入端上加载高电平。该高电平通过所述测定元件109被逆转为低电平。由此所述第一调节量S₁处于低电平上。该低电平也加载在所述数字单元118的输入端上，所述输入端从中如此确定所述转换信号t，从而转换到所述第一调节量S₁的使用。这意味着，由所述两点电流调节模式转换到所述直接的操控模式，方法是：直接根据所述电压U_D来操控所述MOSFET。

图5示出了在第四阶段中所述装置100的状态。在该第四阶段中直接根据U_D来接通所述MOSFET。

所述变压器（Spannungswandler）的输出端上的电平并且因此还有所述第一调节量S₁的电平根据所述电压U_D来变化。如在图5中所示出的那样，在所述电压U_D下降时，所述分压器106的输出端以及由此所述开关电路105的输入端从高电平变化到低电平。一旦加载在所述开关电路105的输入端上的电压达到或者低于所述第一阈值、例如0伏特或者低于所述ASIC处的标志-输入（Flag-Input）的数字的低阈值，则将所述开关电路105的输出端转换到低电平。这种信号通过所述测定元件109来反相，由此所述第一调节量S₁进行从低电平到高电平的转变。这种第一调节量S₁通过所述转换单元110和所述驱动器117用于操控所述MOSFET。由此在所述驱动器117的输出端上同样存在着从低电平到高电平的转变。

因为所述第一调节量S₁仅仅通过所述开关电路105和所述测定元件109来改变，所以可以实现极短的接通时间。这些极短的接通时间在数百纳秒的延迟范围波动，直至接通所述MOSFET。这一点通过在所述MOSFET的漏极（Drain）上直接使用电压U_D的方式来实现，以求得用于所述MOSFET的操控参量。

一种用于对所述谐振直流变换器120的电子开关元件101进行操控的方法例如包括以下步骤：

-检测所述第一特征参量，所述第一特征参量表示出所述谐振直流变换器的振荡回路中的电压U_D的特征；

-检测所述第二特征参量，所述第二特征参量表示出所述谐振直流变换器的振荡回路中的电流i的特征；

-从所述第一特征参量中求得用于在操控所述电子开关元件101时使用的第一调节量S₁；

-从所述第二特征参量中求得用于在操控所述电子开关元件101时使用的第二调节量S₂；

-根据所述第一特征参量在所述第一调节量S₁的使用与所述第二调节量S₂的使用之间进行转换；

示例中的第一特征参量是一种标志，该标志在所述ASIC中从由所述分压器106提供的电压信号中产生。所述第二特征参量例如是所述第一差分放大器的输出信号，该输出信号用作用于所述第一比较器111的输入信号。替代地，作为第二特征参量也可以使用所述比较器111的输出信号或者所述差分放大器107的输入信号之一。所述第一特征参量也可以是由所述反相器109提供的、经过反相的标志。同样通过所述电阻108来截取的电压U_R可以用作第二特征参量。

同样可以取代ASIC而使用其它的集成的调节器、例如现场可编程门阵列。相应的、具有电阻108和分压器106或者驱动器117的线路布置而后必要时被集成在一起或者被设置在外部。

Claims (10)

1.用于对谐振直流变换器（120）的电子开关元件（101）进行操控的装置（100），其特征在于，

-用于对第一特征参量进行检测的第一检测机构（105、106），所述第一特征参量表示出所述谐振直流变换器（120）的振荡回路（101、102、103、104）中的电压（U_D）的特征；

-用于对第二特征参量进行检测的第二检测机构（107、108），所述第二特征参量表示出所述谐振直流变换器（120）的振荡回路（101、102、103、104）中的电流（i）的特征；

-测定元件（109），该测定元件从所述第一特征参量中求得用于在操控所述电子开关元件（101）时使用的第一调节量（S₁）；

-调节器（107、111、114、116），所述调节器从所述第二特征参量中求得用于在操控所述电子开关元件（101）时使用的第二调节量（S₂）；以及

-转换元件（110），该转换元件根据所述第一特征参量在所述第一调节量（S₁）的使用与所述第二调节量（S₂）的使用之间进行转换。

2.按权利要求1所述的装置（100），其中所述调节器（107、111、114、116）包括两点电流调节器的一部分。

3.按前述权利要求中任一项所述的装置（100），其中所述测定元件（109）包括反相器。

4.按前述权利要求中任一项所述的装置（100），其中所述第一检测元件包括分压器（106）。

5.按前述权利要求中任一项所述的装置（100），包括驱动器（117），该驱动器构造用于：根据所使用的调节量（S₁、S₂）来产生用于具有缘极的场效应晶体管的操控信号。

6.按前述权利要求中任一项所述的装置（100），包括数字单元（118），该数字单元构造用于：根据所述第一特征参量（S₁）与阈值比较的结果来获得用于所述转换元件（110）的转换信号（t）。

7.按权利要求6所述的装置（100），其中所述第一检测机构（105）、所述数字单元（118）和所述转换元件（110）共同作用，以便在所述振荡回路（101、102、103、104）中的电压（U_D）低于第一阈值时从所述第一调节量（S₁）的使用转换为所述第二调节量（S₂）的使用。

8.按权利要求6或7所述的装置（100），其中所述第一检测机构（105）、所述数字单元（118）和所述转换元件（110）共同作用，以便在所述振荡回路（101、102、103、104）中的电压（U_D）达到第二阈值时从所述第二调节量（S₂）的使用转换为所述第一调节量（S₁）的使用。

9.谐振直流变换器（120），特征在于按权利要求1-8中任一项所述的装置（100）。

10.用于对谐振直流变换器（120）的电子开关元件（101）进行操控的方法，特征在于，

-检测第一特征参量，该第一特征参量表示出所述谐振直流变换器（120）的振荡回路（101、102、103、104）中的电压（U_D）的特征；

-检测第二特征参量，该第二特征参量表示出所述谐振直流变换器（120）的振荡回路（101、102、103、104）中的电流（i）的特征；

-从所述第一特征参量中求得用于在操控所述电子开关元件（101）时使用的第一调节量（S₁）；

-从所述第二特征参量中求得用于在操控所述电子开关元件（101）时使用的第二调节量（S₂）；并且

-根据所述第一特征参量在所述第一调节量（S₁）的使用与所述第二调节量（S₂）的使用之间进行转换。