CN107959410B

CN107959410B - 给高伏特车载电网的中间回路电容预充电的电路装置

Info

Publication number: CN107959410B
Application number: CN201710959213.0A
Authority: CN
Inventors: C.齐瓦诺波洛斯; T.凯泽
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2016-10-17
Filing date: 2017-10-16
Publication date: 2022-03-15
Anticipated expiration: 2037-10-16
Also published as: DE102016220273A1; CN107959410A

Abstract

本发明提出一种用于给高伏特车载电网（3）的中间回路电容（2）预充电的电路装置（1）。该电路装置（1）包括：‑线性调节器（4），‑转换器（5），‑驱动级（6）和‑高伏特MOSFET（7），其中‑所述线性调节器（4）被设立用于将12V电池组电压降低到更低的电压上，‑所述转换器（5）被设立用于将用于控制所述驱动级（6）的较低电压的能量转换到提高的电压上并且进行直流分离，并且‑所述驱动级（6）被设立用于控制所述高伏特MOSFET（7）来开关所述中间回路电容（2）。

Description

给高伏特车载电网的中间回路电容预充电的电路装置

技术领域

本发明涉及一种用于给高伏特车载电网的中间回路电容预充电的电路装置。本发明特别是涉及一种利用少量连接端就够用的电路装置，借助该电路装置可以减小被用于给中间回路电容充电的高伏特MOSFET的开关时间。

背景技术

个人私车交通的电气化当前急剧向前推进。为了生成所需的功率（在12V的情况下需要很高的电流，这将需要具有实际上不合理的横截面的铜电缆），通常使用相对于12伏特车载电网显著提高的电压水平（例如400伏特）。中间回路电容在储能器（例如燃料电池）与一个或多个用作牵引电机的电动机之间居间协调能量。牵引电机通常三相地实施。如果高伏特车载电网运行，则首先闭合接地侧的接触器，中间回路电容借助被限制的电流充电到大约99%并且随后才闭合正的接触器。通过该方式可以减小或避免正的接触器的磨损和损耗以及功能损害。

对于中间回路电容的预充电，通常使用高伏特MOSFET。为了在高伏特MOSFET内也少地保持损耗和生热，高伏特MOSFET必须非常快速地建立具有尽可能小的电阻的电连接。在600纳秒以下的开关时间是期望的。此外，用于预充电的模块必须提供高伏特侧和信息车载电网之间的直流绝缘。通常使用的高伏特MOSFET的主要任务在于，引导并且开关预充电电流。为了在切断预充电电流之后尽可能快地进入安全状态，必须尽可能快地实施切断过程。

US 2015/0256014 A1公开了一种用于开关高伏特车载电网的预充电电流的电路装置。在电池组控制设备中首先闭合接地接触器，然后闭合用于控制高伏特MOSFET的具有绝缘栅的晶体管，以便将中间回路电容充电到99%上。在此，通过外部预充电电阻限制预充电电流。随后闭合正的电池组接触器。

发明内容

本发明的任务是可以快速闭合和断开用于给中间回路电容预充电的高伏特MOSFET。在此，优选应该需要仅仅一个控制信号，该控制信号控制能量传输并且激活/去激活高伏特MOSFET。此外必须保证信息车载电网电压和高伏特车载电网电压之间的直流绝缘。高伏特MOSFET的接通（用于高伏特MOSFET的接通过程的时间）应该在若干纳秒内，切断（即在去激活微控制器和实际断开高伏特MOSFET之间的时间）在若干微秒内进行。

快速接通指的是栅源电容尽可能快地放电—即能量准备好用于高伏特MOSFET。切断指的是在去激活控制信号/PWM信号之后驱动级中的能量尽可能快地降低，MOSFET断开并且因此达到安全状态。

前述任务根据本发明通过用于给高伏特车载电网的中间回路电容预充电的电路装置来解决。该电路装置可以被设置和设计用于在可电驱动的推进工具中使用。该电路装置包括线性调节器，该线性调节器被设立用于将通常（低的）高度的车载电网电压降低到还更低的电压上。例如可以将12伏特直流电压降低到7伏特直流电压上。转换器被设立用于将较低电压的能量转换到提高的电压上并且给与高伏特MOSFET电连接的第一和第二电路组件供电。稍后更详细地探讨这两个电路组件。转换器可以包括一个或多个变压器，然后至少多个次级绕组。因此，转换器可以引起有效的电压提高。第一电路组件和第二电路组件可以是驱动级的组成部分，该驱动级在次级侧与转换器电连接。驱动级被设立用于控制高伏特MOSFET来开关（接通/切断）中间回路电容。高伏特MOSFET就其而言被设立用于在闭合接地侧的接触器之后给中间回路电容预充电（例如充电到大约99%）。线性调节器提供更低的电压，该电压即使在受干扰的车载电网的情况下也稳定地保持并且因此给转换器馈电，该转换器又通过脉宽调制（PWM）信号来控制。通过该方式提出一种用于给中间回路电容充电的有效拓扑，该拓扑利用少量外部电连接端就足够了。此外，小地保持高伏特MOSFET中的损耗和磨损。

从属权利要求示出本发明的优选的改进方案。

优选地，可以在高伏特MOSFET的源极连接端和高伏特电池组的负极之间布置二极管。二极管的流动方向指向高伏特电池组的负极的方向。这并不排除其他元件与二极管串联地与高伏特电池组的负极连接。例如可以设置欧姆电阻来限制充电电流。实现反极性保护的二极管和用于电流限制的欧姆电阻可以与中间回路电容串联布置。

为了提高转换器提供给驱动级的输出侧的电压，可以在转换器中设置两个变压器，所述两个变压器的初级绕组彼此并行地由线性调节器来馈电。而次级绕组可以串联，使得次级绕组的次级电压相加。根据电压需求，也可以以相应的方式在根据本发明的转换器中布置三个或更多个变压器，其中次级电压所有相加。

电路装置可以在驱动级内（如上所述）具有两个电路组件，所述两个电路组件中的第一电路组件被设立用于接通高伏特MOSFET或给中间回路电容预充电，而第二电路组件被设立用于加速切断行为。第一电路组件包括第一输入端子和第二输入端子。第一输入端子可以被设立用于与转换器的第一输出端子电连接，而第一电路组件的第二输入端子被设立用于与转换器的次级侧的第二输出端子电连接。第一和第二用电流开关的开关以及用电压开关的开关同样如电压阈值发送器那样设置有电流限制器（例如作为齐纳二极管来设计）和欧姆电阻。一个输出端子构成第一电路组件的输出端。第一用电流开关的开关、用电压开关的开关、具有电流限制器的电压阈值发送器和欧姆电阻的第一连接端分别连接在第一输入端子处。相应的第一连接端从电气上来看构成节点，该节点与第一输入端子重合。第一用电流开关的开关和具有电流限制器的电压阈值发送器分别连接到第二用电流开关的开关的控制输入端上。第二用电流开关的开关的第一连接端和欧姆电阻的第二连接端连接到用电压开关的开关的控制输入端上。第二用电流开关的开关的第二连接端与转换器的负连接端连接，而用电压开关的开关的第二连接端一方面与输出端子重合并且另一方面与第一用电流开关的开关的控制输入端重合。输出端子可以与高伏特MOSFET的栅极连接。电储能器（例如按照附加电容的类型）可以连接在第一输入端子和第二输入端子之间。该电容可以分配给驱动级和/或转换器。在其用于第一电路组件的功能上，该电容提供用于缩短接通行为的能量储备。然而，为了切断高伏特MOSFET，在电容器上存储的能量必须急速降低。对此，根据本发明提出第二电路组件作为驱动级的可选地优选的补充。该第二电路组件包括第三输入端子、具有无源放电装置的第一储能器、第一和第二开关、第二输出端子、第三和第四输出端子、第二欧姆电阻和第三欧姆电阻。第一储能器以第一连接端连接在第三输入端子上，换句话说电连接。第一储能器被设立用于给第一开关的控制输入端供应电能。第一开关的第一连接端和第三欧姆电阻的第二连接端与第二开关的控制连接端电连接。换句话说，它们的连接端构成共同的节点。第二和第三欧姆电阻的第一连接端与第二输出端子连接，而第二欧姆电阻的第二连接端与第二开关的第一连接端彼此重合。第一和第二开关的第二连接端位于第四输出端子上。第三输出端子与第一输入端子电连接并且第四输出端子与第二输入端子电连接。该电路负责通过与附加电容并联布置的欧姆电阻来给中间回路电容放电。第二电路组件的第一储能器通过无源放电装置来放电，由此断开第一开关。因此闭合第二开关，由此实施附加电容通过第二欧姆电阻的附加放电。第一电路组件的第二用电流开关的开关以及第一电路组件的第一用电流开关的开关和用电压开关的开关断开。结果，高伏特MOSFET断开并且不再有预充电电流流到中间回路电容中。

利用本发明可以提供通过具有直流分离的直流电压转换器的能量传输。对此，优选地设置正向变换器，该正向变换器的线圈在次级回路中通过初级回路中的电阻来代替。通过该方式可以节省成本。初级回路中的两个变压器的并联和次级回路中的变压器的串联导致次级回路中的加倍的电压并且导致总***中的变压器的件数提高，该变压器还可以用在其他模块中。在次级回路中，通过电容器实现能量存储。这能够实现高伏特MOSFET的非常快速的接通，因为用于开关高伏特MOSFET的能量存储在电容器中并且使优选由晶体管构造的调节回路对于快速接通过程具有资格。在切断预充电电流之后，高伏特MOSFET以非常短的延迟切断，使得快速达到安全状态。

在现有技术中，预充电继电器结合预充电电阻来用于给中间回路电容预充电，而通过使用本发明可以省去预充电继电器。这节省成本、结构空间和质量。

附图说明

随后参考附图详细描述本发明的实施例。在附图中：

图1是根据本发明的一个实施例的阐明通过电路装置的原理性信号流的强烈简化的结构图；

图2是根据本发明的另一个实施例的电路装置的一个实施例的电路技术上的概览；

图3是根据本发明可使用的直流电压转换器的通用构造；

图4是根据本发明的另一个实施例的用于接通高伏特MOSFET的第一电路组件的通用构造；

图5是根据本发明的另一个实施例的用于切断高伏特MOSFET的第二电路组件的通用构造；以及

图6是根据本发明的一个实施例的电路装置的电路图，其中器件根据前面讨论的实施例分组示出。

具体实施方式

图1示出根据本发明的构造的强烈简化的抽象，在该构造中电路装置1用作用于控制高伏特MOSFET 7的“黑盒”。仅仅一个唯一的输入信号馈送给电路装置1。仅仅一个唯一的输出信号从电路装置1输出到高伏特MOSFET 7。相应地，仅仅一个控制信号控制到高伏特MOSFET 7的能量传输。相同的控制信号激活和去激活高伏特MOSFET 7。电路装置1负责控制装置相对于功率器件的直流绝缘。接通可以在几百纳秒内进行，切断可以在若干微秒内进行，由此强烈减小开关损耗和过度的温度。

图2示出根据本发明的电路装置1的一个实施例，该电路装置通过供应电压24（12伏特车载电网）来馈电并且由微控制器16控制。利用实线围起来的元件线性调节器4、转换器5、驱动级6、控制信号13和MOSFET 17是电路装置1的功能单元。MOSFET 17与电接地18连接。驱动级6与高伏特MOSFET 7的栅极连接，高伏特MOSFET的漏极连接端通过高伏特电池组19来馈电。高伏特MOSFET 7的栅极连接端与根据要求的输出端子连接。源极连接端以由二极管8、欧姆电阻10（电流限制电阻）和中间回路电容2构成的串联电路与高伏特电池组19的负极连接。高伏特车载电网3通过虚线相对于电路装置1隔开。

图3示出如可以在根据图1或2的电路装置中使用的直流电压转换器的通用构造。电压供应装置4给转换器5馈电，借助该转换器可以将降低的车载电网电压直流分离地传输到附加电容C1上。二极管22防止电容C1通过转换器5的次级侧的放电。转换器5的控制通过欧姆电阻R1和MOSFET 17来进行，其中MOSFET 17通过500kHz和20%占空比的PWM信号13来控制。在初级侧，转换器5还与退磁装置15连接。因此在MOSFET 17通过PWM信号13控制期间（运行时长的大约20%），电流流经转换器5并且通过R1限制。在该时间内，（如在正向转换器中）电容C1被充电。在剩余时间（运行时长的大约80%）内，铁芯退磁。在次级侧上二极管截止，以便阻止C1的放电。

图4示出用于加速高伏特MOSFET的接通行为的第一电路组件11的通用构造。高伏特MOSFET在输出侧与用电压开关的开关T3连接（然而当前未示出）。在输入侧，具有电流限制器的电压阈值发送器D1以及第一用电流开关的开关T1和欧姆电阻R1与第一输入端子连接。在此，还连接有用电压开关的开关T3的第一连接端。电压阈值发送器D1的以及第一用电流开关的开关T1的第二连接端连接到第二用电流开关的开关T2的控制输入端上。开关T2的输出端与欧姆电阻R1的第二连接端以及与用电压开关的开关T3的控制连接端连接。第一用电流开关的开关T1的控制通过所示出的第一电路组件的输出端子进行。为了在需要情况下急速地给（当前未示出的）电容（该电容是用于加速接通过程的储能器）放电并且因此以短的延迟切断高伏特MOSFET，随后示出第二电路组件的一个实施例。

图5示出第二电路组件12的一个实施例，该第二电路组件在根据本发明的装置的一个实施例的驱动级6中能够负责以短的延迟切断高伏特MOSFET。在输入侧，具有无源放电装置的小储能器21负责第一开关T4的控制。第一开关T4的第一连接端与第三欧姆电阻R4的第二连接端以及与第二开关T5的控制连接端电连接。第三欧姆电阻R4和第二欧姆电阻R2的第一连接端分别与第二输出端子连接。第二欧姆电阻R2的第二连接端和第二开关T5的第一连接端彼此电连接。通过该方式，欧姆电阻R2可以在闭合开关T4、T5的情况下给电容C1急速放电并且因此导致（未示出的）高伏特MOSFET的切断行为的加速，该高伏特MOSFET连接到用于加速接通行为的在电容C1的另一边布置的电路组件（参见图4）上。

图6示出用于实现根据本发明的电路装置1的一种电路技术上的方案，其中所有在前面讨论的附图中包含的组件被示出并且以用于在电路技术上实现的示例性内容来示出。部件本身为专业人员已知，因此可以放弃详细的解释。电路装置1用于激活（未示出的）中间回路电容的预充电过程，该中间回路电容可以在输出侧连接到高伏特MOSFET 7和二极管8上。该方法在闭合负的主继电器之后但在闭合正的主继电器之前实施。通过高伏特MOSFET7接通的充电电流通过（同样未示出的）欧姆串联电阻来限制。高伏特MOSFET 7的栅源电压的上升时间必须限制到600纳秒以下，以便充分限制所出现的开关损耗。高伏特MOSFET 7的栅源电压通过变流器14来控制。此外，具有转换器5的变流器14负责低伏特侧和高伏特侧之间的直流绝缘。线性调节器4被设立用于产生稳定的输出电压，该输出电压为所示出的电路装置1提供功率供应。变流器14通过PWM信号PRCHRG_CTRL来控制。输入信号源13是开关17的控制装置。如果输入信号源13的信号ABE_HTO_LEVEL 2具有高电压（高电平），则PWM信号激活或去激活开关17。如果开关17闭合，则电流流经彼此并联布置的变压器（初级侧）。该电流通过在示例中彼此并联（其中也可以使用单独的功率电阻）布置的欧姆电阻R8来限制。经过转换器5的磁通随着初级电流提高，由此磁能存储在转换器5中。通过转换器5的次级侧线圈的串行连接，在此电压被加倍到初级侧的两倍那么高。转换器5的能量传输到次级侧上，响应于此，电流流经二极管对22、23。如果开关17断开，则电流并且因此在转换器5中剩余的能量通过退磁组件15和其空转二极管来运行。这导致在次级侧上的负电压。然而，在次级侧上的相应的电流流动通过二极管22和23来阻止。

在接通高伏特MOSFET 7时，由变流器14提供电流，该变流器的能量通过转换器5给电容C1和C3充电，其中欧姆电阻R6限制到电容器C3中的电流流动。这引起第一开关T4闭合（其中欧姆电阻R4限制电流）和第二开关T5断开。（具有通过欧姆电阻R7自放电的）电容C1随着初级侧上的PWM信号的每个接通过程而充电，该电容C1是驱动级6的主储能器。一旦达到二极管D1的击穿电压，第二用电流开关的开关T2的电容C2就被充电。接着，第二用电流开关的开关T2闭合，然后电流流经欧姆电阻R并且用电压开关的开关T3同样闭合。随后是第一用电流开关的开关T1的激活，由此第二用电流开关的开关T2上的基极发射极电压稳定。在此，第二用电流开关的开关T2进入饱和并且与此相应地，用电压开关的开关T3也进入饱和。这导致来自电容C1的大的电流，该电流立即给高伏特MOSFET 7的栅电容充电。这导致高伏特MOSFET 的急速接通。

在切断时，电容C1通过欧姆电阻R7缓慢地放电。电容C2通过欧姆电阻R5缓慢地放电。电容C3通过欧姆电阻R3放电，然后第一开关T4闭合。这导致第二开关T5的基极上的高电位。一旦第二开关T5闭合，电容C1就通过并联的欧姆（也可以是单独的功率电阻）电阻R2放电。第二用电流开关的开关T2上的基极发射极电压下降，然后第一用电流开关的开关T1、第二用电流开关的开关T2和用电压开关的开关T3断开。然后高伏特MOSFET 7断开并且没有继续的预充电电流流到中间回路电容中。

Claims

1.用于给高伏特车载电网（3）的中间回路电容（2）预充电的电路装置（1），包括：

- 线性调节器（4），

- 转换器（5），

- 驱动级（6）和

- 高伏特MOSFET（7），其中线性调节器（4）的输出端子与转换器（5）的输入端子连接并且转换器（5）的输出端子与驱动级（6）的输入端子连接，其中

- 所述线性调节器（4）被设立用于将12V电池组电压降低到较低电压上，

- 所述转换器（5）被设立用于将用于控制所述驱动级（6）的较低电压转换到提高的电压上并且进行直流分离，

- 所述驱动级（6）被设立用于控制所述高伏特MOSFET（7）来开关所述中间回路电容（2）,

其中所述驱动级（6）还具有用于接通所述高伏特MOSFET（7）来给高伏特车载电网（3）的中间回路电容（2）预充电的第一电路组件（11）并且所述第一电路组件（11）包括：

- 第一输入端子，

- 第二输入端子，

- 第一电流开关型的开关（T1），

- 第二电流开关型的开关（T2），

- 电压开关型的开关（T3），

- 具有电流限制器的电压阈值发生器（D1），

- 欧姆电阻（R1），和

- 输出端子，其中

- 第一电流开关型的开关（T1）的第一连接端、电压开关型的开关（T3）的第一连接端、具有电流限制器的电压阈值发生器（D1）的第一连接端和欧姆电阻（R1）的第一连接端分别连接到所述第一输入端子上，

- 第一电流开关型的开关（T1）的第二连接端和具有电流限制器的电压阈值发生器（D1）的第二连接端分别连接到第二电流开关型的开关（T2）的控制输入端上，

- 第二电流开关型的开关（T2）的第一连接端和欧姆电阻（R1）的第二连接端与电压开关型的开关（T3）的控制输入端连接，

- 第二电流开关型的开关（T2）的第二连接端与电接地连接，

- 电压开关型的开关（T3）的第二连接端一方面与所述输出端子连接并且另一方面与第一电流开关型的开关（T1）的控制输入端连接,

其中第一输入端子被设立用于与转换器的第一输出端子电连接，其中第一电路组件的第二输入端子被设立用于与转换器的次级侧的第二输出端子电连接并且其中输出端子与高伏特MOSFET的栅极连接。

2.根据权利要求1所述的电路装置，还包括：

- 二极管（8），所述二极管在高伏特MOSFET（7）的源极连接端与高伏特电池组的负极之间以流动方向指向负极地来布置，所述高伏特电池组被设置用于给所述中间回路电容（2）充电。

3.根据权利要求2所述的电路装置，其中所述二极管（8）与所述中间回路电容（2）串联地布置。

4.根据权利要求2或3所述的电路装置，还包括与二极管串联的欧姆电阻（10）。

5.根据权利要求1至3之一所述的电路装置，还包括：

- 负的接触器，和

- 正的接触器，其中所述转换器（5）还被设立用于在闭合负的接触器之后并且在闭合正的接触器之前闭合所述高伏特MOSFET（7）。

6.根据权利要求1至3之一所述的电路装置，其中所述转换器（5）具有两个在初级侧并联的并且在次级侧串联的变压器。

7.根据权利要求1至3之一所述的电路装置，其中在第一输入端子和第二输入端子之间还连接有电容（C1）和/或欧姆电阻（R7）。

8.根据权利要求1至3之一所述的电路装置，其中所述驱动级（6）还具有第二电路组件（12），所述第二电路组件包括：

- 第三输入端子，

- 带有无源放电装置（R3）的第一储能器（C3），

- 第一开关（T4），

- 第二开关（T5），

- 第二输出端子，

- 第四输出端子，

- 第二欧姆电阻（R2）和

- 第三欧姆电阻（R4），其中

- 第一储能器（C3）以第一连接端连接在无源放电装置（R3）与电阻（R6）之间的节点上并且被设立用于给第一开关（T4）的控制输入端供应能量，其中无源放电装置（R3）和电阻（R6）的另外的连接端分别与第一储能器的第二连接端和第三输入端子连接，其中第一储能器的第二连接端与第四输出端子连接，

- 第一开关（T4）的第一连接端和第三欧姆电阻（R4）的第二连接端与第二开关（T5）的控制连接端连接，

- 第二欧姆电阻（R2）和第三欧姆电阻（R4）的第一连接端分别与第二输出端子连接，

- 第二欧姆电阻（R2）的第二连接端和第二开关（T5）的第一连接端彼此连接，

- 第一开关（T4）的和第二开关（T5）的第二连接端分别与第四输出端子连接，

- 第二输出端子与第一输入端子连接，并且

- 第四输出端子与第二输入端子连接,

其中第三输入端子电连接到转换器的第一输出端子上，其中第三输入端子与第二输出端子连接。

9.根据权利要求1至3之一所述的电路装置（1），其中所述电路装置（1）被设立用于借助PWM信号来控制所述转换器（5）。