CN111316550A - 机动车辆上的电压转换器和相关联的充电器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种机动车辆上的电压转换器(200)，用于将第一电压转换成不同于第一电压的第二电压，包括：‑多个单元(C)，每个单元包括被控制作为用于生成第二电压的斩波器的晶体管臂(T3，T4)，至少一个隔离晶体管(K3‑R)，以及用于控制晶体管的电路(210),控制电路(210)被配置成能够选择性地保持所述至少一个隔离晶体管(K3‑R)断开，以便将单元从多个单元解耦并且使用所述单元的臂(K5，K6)来供应第三输出电压。

Description

机动车辆上的电压转换器和相关联的充电器
本发明涉及使用电动或混合动力机动车辆对设备或电器的电池充电。
本发明尤其涉及一种安装在电动或混合动力机动车辆上的电压转换器，该电压转换器被配置用于执行充电器的附加功能。
以已知的方式，机动车辆配备有DC/DC电压转换器，该电压转换器被配置用于将第一输入电压(例如48V)转换成第二输出电压(例如12V)。
此外，机动车辆还可以以已知的方式配备有电池充电器，该电池充电器允许以不同于第二电压的第三输出电压或不是来自于第二电压的第三输出电压对设备或电器的电池充电，其中所述第三电压可以是例如48V、24V或12V。
在已知的机动车辆中，由两个分开的电子模块执行DC/DC电压转换器的功能和电池充电器的功能。
需要进一步改进混合动力或电动机动车辆，并且最小化车载电子***的成本和尺寸。本发明旨在满足这一需求，并且根据本发明各方面中的一个方面，本发明的主题是一种机动车辆上的电压转换器，用于将第一电压转换成不同于第一电压的第二电压，其包括：
多个单元，每个单元包括被控制作为用于生成第二电压的斩波器的晶体管臂，
至少一个隔离装置或“隔离”晶体管，以及
用于控制晶体管的电路，
控制电路被配置成使得能够选择性地将所述至少一个隔离晶体管K3-R保持断开，以便将单元从多个单元解耦并且使用所述单元的臂来供应第三输出电压。
隔离晶体管允许在第二电压极性反转的情况下进行保护。
换句话说，隔离晶体管K3-R被用作电子开关，其可以是断开的(关断的)或闭合的(接通的)。
第一电压由电气供电***供应，其可以是例如电池。
隔离晶体管K3-R的断开允许所述单元的臂从允许供应第二电压的其他单元解耦。
在本发明的一个特定实施例中，所述至少一个隔离晶体管属于所述多个单元中的一个单元。
在本发明的一个特定实施例中，所述至少一个隔离晶体管经由电感器连接到包括所述至少一个隔离晶体管的单元的晶体管臂的中点。因此，包括所述至少一个隔离晶体管的单元还包括电感器。
在本发明的一个特定实施例中，转换器的单元并联布置。换句话说，转换器的单元并联电连接。
借助于本发明，由分开的组件以已知方式执行的电子功能被组合，这允许降低总尺寸连同生产成本。
此外，冷却和控制电路可以是相同的，这进一步有助于降低尺寸连同生产成本。
第三输出电压可以等于或不等于第一电压。
可以使用第三电压，以便对电池充电，例如机动车辆外部的设备或电器的电池，诸如电动自行车的电池。
在一个实施例中，第三电压等于第一电压，两者都是例如48V。则转换器被用作充电器。
在一个变型实施例中，第三电压不同于第一电压。则转换器是双输出转换器，其第二输出被用作充电器。第一电压可以是48V。第三电压可以是12V或24V。
在一个实施例中，根据本发明的转换器用于供应起始于车辆电池所供应的电压的第二电压和/或第三电压。
第二电压可以允许机动车辆的车载电气***被供电，例如以便使得能够使用车辆上的汽车收音机或其他装备。
第三电压可以允许对电池供电，例如希望在车辆中被充电的电动自行车电池，例如在车辆行驶或静止时。
第三输出电压可以小于60V，或者更好地小于或等于48V。在一个实施例中，第三输出电压是48V或24V，或12V。
在一个特定实施例中，第三输出电压是DC电压，优选地小于60V，或者更好地小于或等于48V。在一个特定实施例中，第三输出DC电压是48V。在一个特定实施例中，第三输出DC电压是24V。在一个特定实施例中，第三输出DC电压是12V。
第二输出电压可以小于60V，或者更好地小于或等于48V。在一个实施例中，第二输出电压是12V或24V。
在一个特定实施例中，第二输出电压是DC电压，优选地小于60V，或者更好地小于或等于48V。在一个实施例中，第二输出DC电压是12V或24V。
根据本发明，前述隔离晶体管被断开，以便对所述单元解耦并且使用所述单元的被控制作为斩波器的臂，以用于供应第三输出电压；在这种情况下，转换器被配置用于同时或以其他方式供应第二和第三输出电压。它也在故障情况下被断开，然后起到隔离器的作用。当其闭合时，对应的单元用作根据现有技术的DC/DC电压转换器的单元，转换器的所有单元仅允许供应第二电压。
转换器的单元被并行布置。转换器可以包括若干单元，例如2、3、4、5或6个。
取决于用途，转换器仅需要多个单元中的一个或多个单元来供应第二电压，多个单元中的其他单元未被使用。则当车辆正行驶和静止时，使用未被使用单元的臂来供应第三电压是有利的。
在一个示例性实施例中，有四个单元被并行布置。每个单元的隔离晶体管可以经由电感器连接到每个单元的晶体管臂的中点。
单元的晶体管以与根据现有技术的DC/DC电压转换器相同的方式控制，并且具有相同的操作周期。单元的臂的晶体管中的一个是断开的，而另一个是导通的，反之亦然。在各个单元的晶体管的断开或闭合命令之间存在T/x的相移，其中x是用于供应第二电压的活动单元的数量，并且T是操作周期的时段。换句话说，单元中的每一个单元内的占空比是相同的，但是晶体管的命令从一个单元到另一个单元相移了T/x。取决于隔离晶体管K3-R的断开或闭合状态，相移可以例如是T/4或T/3。
在本发明中，可以理解，被控制作为斩波器的单元的臂被用于实施充电器功能，特别是48V、24V或12V，并且多个单元中的其他单元执行DC/DC电压转换器的功能。
在本发明的一个特定实施例中，转换器可以包括连接到转换器的单元输出的电容C1。在其臂可被控制作为斩波器的单元的隔离晶体管的情况下，电容C1连接到转换器的除了其臂被控制作为斩波器的单元之外的单元的输出。在该隔离晶体管闭合的情况下，所述单元在转换器中用于供应第二电压，并且电容C1连接到转换器的所有单元的输出。
连接到转换器的单元的输出的所述电容C1可以是非电解的。它可以特别是陶瓷电容器。
此外，如果转换器包括更少数量的单元，则需要增加电容值。例如，对于具有两个单元的转换器，电容必须是具有四个单元的转换器所需电容的两倍。
在本发明的一个特定实施例中，至少一个隔离晶体管TR与多个单元中的一个或多个单元相关联。这些晶体管针对第二电压的极性反转提供保护。
在本发明的一个特定实施例中，转换器还可以包括在所述至少一个隔离晶体管TR和第二电压的输出之间的安全晶体管TS。这些安全晶体管针对供应第一电压的电气***上的电压变化提供保护。转换器可以针对转换器的每个单元包括一个安全晶体管TS。转换器可以包括一个或多个隔离晶体管，例如1、2、3、4、5或6。大量的隔离晶体管可以提高整个组装件的功率。在一个示例性实施例中，有四个并联布置的隔离晶体管，每个都连接到单元的输出。
在本发明的一个特定实施例中，转换器还可以包括直接布置在第三电压输出上游的附加隔离晶体管K4-R。
在本发明的一个特定实施例中，转换器还可以包括电容C3，电容C3经由其端子中的一个连接到附加隔离晶体管K4-R。电容C3可以连接在前述安全晶体管TS和附加隔离晶体管K4-R之间。
在本发明的一个特定实施例中，转换器还可以包括附加隔离晶体管K4-R上游的附加安全晶体管K1-S。
在本发明的一个特定实施例中，可以被解耦的所述单元的臂K5、K6被控制作为用于供应第三输出电压的降压斩波器。
在本发明的一个特定实施例中，转换器还可以包括晶体管K2，晶体管K2与附加的安全晶体管K1-S一起形成被控制作为升压斩波器的晶体管臂K1-S、K2，晶体管臂K1-S、K2与可以被解耦的所述单元的臂K5、K6一起形成降压-升压电路。
在一个特定实施例中，所述附加安全晶体管K1-S直接布置在其臂被控制作为斩波器的所述单元的输出。在这种情况下，第三电压可以是12V或24V。在转换器的电子组件发生故障的情况下，可能存在负载断开连接。
在一个特定实施例中，转换器还可以包括预充电晶体管K7，控制电路被配置成当预充电晶体管K7断开时，允许供应第二电压和/或第三电压，并且当预充电晶体管K7闭合时，所述单元的臂被控制作为斩波器，以被用作简单的电流导体，以便向供应第一电压的电气***的电容或转换器的一个或多个电容供应预充电电流。
在该预充电情况下，隔离晶体管K3-R和附加隔离晶体管K4-R保持断开，而预充电晶体管K7保持闭合。
在没有预充电的情况下，预充电晶体管K7保持断开。
本发明的独立于前述主题或与前述主题相结合的另一主题是配备有如上所述的转换器的机动车辆。机动车辆可以是任何电动或混合动力车辆。
本发明的另一主题是一种通过根据本发明的转换器向电池供应电力的方法，该转换器通过控制多个单元C作为斩波器来允许将第一电压转换成不同于第一电压的第二电压，其中每个单元包括用于生成第二电压的晶体管臂T3、T4。根据这种方法，至少一个隔离晶体管K3-R选择性地保持断开，以便对单元进行解耦并且使用被控制作为斩波器的所述单元的臂K5、K6来供应用于供应所述电池的第三输出电压。
如上所述，为此目的，转换器包括用于控制(210)晶体管的电路。
该方法可以包括上文描述的本发明的全部或部分特征。
详细说明
通过阅读后面对非限制性示例性实施例的详细描述，并通过研究附图，将更好地理解本发明，其中：
图1示出了DC/DC转换器电路，以及
图2至图4示出了根据本发明的转换器电路的不同实施例。
主DC/DC电压转换器
图1示出了主DC/DC电压转换器100，其被配置用于将第一输入电压(例如48V)转换成第二输出电压(例如12V)。
主电压转换器100以本身已知的方式包括作为斩波器操作的桥。这种转换器被称为“降压转换器”，并将DC电压转换成另一更低的DC电压。在一个示例性实施例中，它可以例如将48V的电压转换成12V的电压。
在图1的示例性实施例中，DC/DC转换器100包括并联布置的4个单元C。不言而喻，在不偏离本发明的框架的情况下，单元C的数量可以不同。它可以例如在2和12之间的范围内，例如为2、3、4、5或6。
若干单元的使用可以允许降低半导体上的应力。这些单元然后被称为交错斩波器，因为转换器的单元都通向同一个输出电容器C2，其中在每个连续单元的晶体管的命令之间具有T/4的相移，其中T是转换器的操作周期的时段。换句话说，单元中的每一个单元内的占空比是相同的，但是晶体管的命令从一个单元到另一个单元相移了T/4。
输出电容C2是非电解的。
每个单元C包括第一晶体管T1、第二晶体管T2和电感器L1。
在这里描述的示例中，晶体管T1和T2是MOSFET(Metal Oxide SemiconductorField Effect Transistor，金属氧化物半导体场效应晶体管)。
取决于晶体管T1的状态，这种转换器100的操作可以分为两种配置。
在导通状态下，晶体管T1闭合，并且流经电感器L1的电流增加。由于第二晶体管T2两端的电压为负，因此没有电流流经第二晶体管T2。
在非导通状态下，晶体管T1断开。第二晶体管T2变得导通，以便确保电感器L1中电流的连续性。流经电感器L1的电流减小。
此外，转换器100包括直接连接到一个或多个单元C的输出的隔离装置或“隔离”开关，当隔离装置或“隔离”开关闭合时，允许传递输出电压，并且当隔离装置或“隔离”开关断开时，允许保护一个或多个单元C。
转换器100还包括安全开关TS，每个安全开关TS都与对应的隔离开关TR串联连接。当这些安全开关TS闭合时，允许传递输出电压，并且当这些安全开关TS断开时，允许保护一个或多个电池C。
这种配置允许避免电流的双向流动。如果在输入或输出供电线中的一个上出现欠压或过压(换句话说，瞬变)，以及在转换器DC/DC发生硬件故障(例如，晶体管故障)的情况下，隔离装置和安全开关被激活(作为断开的开关)。
每对隔离装置和安全开关相互并联。
在所描述的示例中，转换器包括4对隔离装置和安全开关，这允许提高整个组装件的功率，但是在不偏离本发明的框架的情况下，它们的数量可以不同，例如为1、2、3、5或6。原则上，隔离装置和安全开关对的数量等于转换器的单元的数量。
在所描述的示例中，隔离装置和安全开关是晶体管，例如MOSFET类型的晶体管。
转换器100的所有晶体管由转换器100的控制器110控制。
双输出转换器
现在将描述根据本发明的车辆上的电压转换器，用于将第一电压转换成不同于第一电压的第二电压。
图2示出了车辆上的电压转换器200，其包括多个单元C，每个单元包括被控制作为用于生成第二电压的斩波器的晶体管臂T3、T4，以及用于控制晶体管的电路210。
在所描述的示例中，转换器包括并联布置的四个单元C，并且单元C中的每一个还包括至少一个隔离晶体管TR。
作为变型，单元C中的仅一个或多个单元还包括至少一个隔离晶体管TR。
每个单元的隔离晶体管TR可以经由电感器L2连接到每个单元的晶体管臂T3、T4的中点。
单元的晶体管T3、T4由控制电路210以与简单转换器相同的方式控制，以相同的操作周期相移和控制(即占空比相同)。单元的臂上的晶体管中的一个是断开的，而另一个是导通的，反之亦然。
此外，控制电路210被配置为保持多个单元中的一个单元的隔离晶体管K3-R断开或闭合。
当隔离晶体管K3-R闭合时，由控制电路210控制的转换器的所有单元允许供应第二电压。然后在不同单元的命令之间有T/4的相移。
当隔离晶体管K3-R断开时，存在所述单元的解耦，并且被控制作为斩波器的所述单元的臂用于供应第三输出电压，在图2中描述的示例中，该第三输出电压为12V。换句话说，断开连接的单元的臂允许形成电压递降电路(voltage step-down circuit)。具体地，当该单元的晶体管臂T3、T4的中点连接到电感器L2时，电压递降电路属于被称为“降压”的类型。
控制电路210可以禁用(例如通过断开它们)多个单元中的其他单元的晶体管T3和T4，然后第二电压不再可用。
作为一种变型，控制电路210控制多个单元中的其他单元C，以便供应第二电压，在所描述的示例中，该第二电压为12V。则在该示例中，在供应第二电压的三个不同单元之间存在T/3的相移。
因此，在所描述的示例中，在各个单元的命令之间存在T/x的相移，其中x是用于供应第二电压的活动单元的数量。取决于隔离晶体管K3-R的断开或闭合状态，相移可以例如是T/4或T/3。T对应于控制周期的时段。
转换器200包括连接到转换器的单元C的输出的电容C1。在其臂可被控制作为斩波器的单元的隔离晶体管K3-R断开的情况下，电容C1连接到转换器的其他单元的输出。在该隔离晶体管K3-R闭合的情况下，所述单元被用在转换器中以供应第二电压，并且电容C1被连接到转换器的所有单元的输出。
转换器还包括隔离晶体管TR和第二电压的输出之间的安全晶体管TS。转换器针对转换器的每个单元包括一个安全晶体管TS。有四个安全晶体管TS被并联布置，每个都连接到单元C的输出。
转换器还包括直接布置在第三电压的输出的上游的附加隔离晶体管K4-R。
转换器最后包括附加安全晶体管K1-S，其直接位于附加隔离晶体管K4-R的上游，并且直接位于被解耦的单元的输出处。
隔离晶体管TR、安全晶体管TS、附加隔离晶体管K4-R和附加安全晶体管K1-S用作能够断开(关断)或闭合(接通)的电子开关。
晶体管K1-S和K4-R串联连接。当闭合时，这些安全晶体管K1-S和K4-R允许传递第三输出电压，并且当断开时，允许保护被解耦的单元。
因此，在转换器的电子组件发生故障的情况下，可以将负载断开连接。
转换器还包括连接到附加隔离晶体管K4-R的输入的电容C3。电容C3连接在前述附加安全晶体管K1-S和附加隔离晶体管K4-R之间。
在图3所示的一个变型实施例中，转换器还包括附加晶体管臂，该臂由定位于附加隔离晶体管K4-R上游的附加安全晶体管K1-S和附加晶体管K2形成。该附加晶体管臂的中点还连接到能够通过晶体管K3-R断开连接的单元的输出。
换句话说，被解耦的单元的电感器L2和附加晶体管臂允许形成被称为“升压”类型的电压递升电路(voltage step-up circuit)。
因此，如果第三电压的电平(例如12V或24V)比第一电压更低，则控制电路210控制晶体管K3和K5，使得断开连接的单元执行电压递降电路功能。同时，控制电路210断开附加晶体管K2并闭合附加安全晶体管K1-S。
如果第三电压的电平与第一电压相同，则控制电路210控制开关K3、K5、K2和K1-S，以形成从第一电压供应第三电压的“降压-升压(buck-
boost)”电路。
在一个实施例中，附加隔离晶体管K4-R布置在所述电压递升电路的输出和第三电压的输出之间。在转换器的电子组件发生故障的情况下，可以将负载断开连接。
在图4所示的一个变型实施例中，转换器附加地提供预充电功能。预充电功能通过附加的预充电晶体管K7而实现，这允许预充电功能和充电器功能被集成在同一个DC/DC转换器内。
控制电路210被配置为，当隔离晶体管K3-R和附加隔离晶体管K4-R同时断开而预充电晶体管K7闭合时，允许断开连接的单元的臂被用作简单的电流导体(即，晶体管K5闭合而晶体管K6断开)，用于将预充电电流供应给供应第一电压的电气***的一个或多个电容，或者也供应给转换器的电容，特别是电容C2。
类似地，控制电路210被配置成当隔离晶体管K3-R和预充电晶体管K7同时断开而附加隔离晶体管K4-R闭合时，允许断开连接的单元的臂被用作电压转换器电路，以便形成传递第三电压的充电电路。
不言而喻，本发明不限于刚刚描述的示例。具体地，单元的数量可以不同。

Claims (14)

1.一种机动车辆上的电压转换器(200)，用于将第一电压转换成不同于第一电压的第二电压，包括：
多个单元(C)，每个单元包括被控制作为用于生成第二电压的斩波器的晶体管臂(T3，T4)，
至少一个隔离晶体管(K3-R)，以及
用于控制晶体管的电路(210),
控制电路(210)被配置成使得能够选择性地将所述至少一个隔离晶体管(K3-R)保持断开，以便将单元从多个单元解耦并且使用所述单元的臂(K5，K6)来供应第三输出电压。
2.根据前述权利要求所述的转换器，其中，所述至少一个隔离晶体管属于所述多个单元中的一个单元。
3.根据前述权利要求中的一项所述的转换器，包括连接到转换器的单元的输出的电容(C1)。
4.根据前述权利要求所述的转换器，连接到转换器的单元的输出的所述电容(C1)是非电解的。
5.根据前述权利要求中任一项所述的转换器，包括与多个单元中的一个或多个单元相关联的至少一个隔离晶体管(TR)。
6.根据前述权利要求所述的转换器，还包括在所述至少一个隔离晶体管(TR)和第二电压的输出之间的安全晶体管(TS)。
7.根据前述权利要求中的一项所述的转换器，还包括直接布置在第三电压的输出上游的附加隔离晶体管(K4-R)。
8.根据前述权利要求所述的转换器，还包括电容(C3)，所述电容(C3)经由其端子中的一个连接到附加隔离晶体管(K4-R)。
9.根据前两项权利要求中的一项所述的转换器，还包括附加隔离晶体管(K4-R)上游的附加安全晶体管(K1-S)。
10.根据前述权利要求中任一项所述的转换器，能够被解耦的所述单元的臂(K5，K6)被控制作为用于供应第三输出电压的递降斩波器。
11.根据前两项权利要求中任一项所述的转换器，包括晶体管(K2)，其与附加安全晶体管(K1-S)一起形成被控制作为递升斩波器的晶体管臂(K1-S，K2)，所述晶体管臂(K1-S，K2)与能够被解耦的所述单元的臂(K5，K6)一起形成“降压-升压”电路。
12.根据前述权利要求中任一项所述的转换器，包括预充电晶体管(K7)，控制电路(210)被配置为使得当预充电晶体管(K7)断开时，允许供应第二电压和/或第三电压，并且当预充电晶体管(K7)闭合时，所述单元的臂被控制作为斩波器，以被用作简单的电流导体，以便向供应第一电压的电气***的电容或转换器的一个或多个电容供应预充电电流。
13.一种通过如前述权利要求中任一项所述的转换器向电池供应电力的方法，所述转换器通过控制多个单元C作为斩波器来允许将第一电压转换成不同于第一电压的第二电压，其中每个单元包括用于生成第二电压的晶体管臂T3、T4，所述供电方法包括以下步骤：至少一个隔离晶体管(K3-R)被选择性地保持断开，以便将单元解耦并且使用被控制作为斩波器的所述单元的臂(K5，K6)来供应用于向所述电池供电的第三输出电压。
14.一种配备有根据权利要求1至12中任一项所述的转换器(200)的机动车辆。
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