[发明专利]电压升压电路

说明书

技术领域

本发明涉及电压升压(step-up)电路。本发明的一个特别有利的应用在于由机动车的车载网络(12V电池电压)供电且为电源桥提供电源以便控制具有可变电感的电机的电流的12V/42V DC/DC电源转换器的领域。

背景技术

12V/42V DC/DC电源转换器因此常常用作H功率桥(也称为单相或多相“四象限”桥)的电压源。这些桥特别地用于控制电磁阀致动器(actuator)电流(“无凸轮(camless)”系统)。

使用电压升压电路实现这样的DC/DC转换器。图1中示出电压升压电路1的一个示例，也称为“增压”型电路。

电路1包括：

-诸如来自机动车的电池的电压的电压源2，包括第一和第二端子(该情况下的+端子和地)；

-电感器3，其第一端子连接到电压源2的+端子；

-二极管4，其正极连接到电感器3的第二端子；

-电容器5，其第一端子连接到二极管4的负极；

-诸如MOSFET场效应晶体管的电流开关6，连接在电感器3的第二端子与地之间；和

-第二电流开关7(其可以是MOSFET晶体管或继电器型机电元件)，连接在电压源2的+端子与电感器3的第一端子之间(注意该第二开关也可以连接在电容器5的第二端子与地之间)。

依赖于开关6的状态可以将“增压”电路1的操作划分为两个不同的阶段：

-能量积累阶段：当开关6闭合(接通状态)时，这导致电感器3中电流增加，从而以磁能的形式存储一些能量。二极管4随后被阻断且电容器5从电源断开连接。

-当开关6断开时，电感器3与发电机串联且其emf(电动势)被添加到发电机的emf(增压效应)。通过电感器的电流随后通过二极管4和电容器5。结果将积累在电感器3中的能量转移到电容器5。

仅当电容器5的端子处的电压Vs大于电压Ve(电池电压)时该放电才是可能的。输出电压Vs因而实质上连续且其值依赖于Ve、以及来自开关6的脉冲控制信号的占空因数α＝τ/T，其中τ是一个周期中控制信号的高状态时间，而T是控制信号的周期。这意味着利用PWM(脉宽调制)控制充电电流。在这种情况下，Vs＝Ve/(1-α)且输出电压总是大于输入电压(占空因数在0和1之间改变)并随着α增加。

电容器5常常由化学电容器形成，其具有连接到二极管4的负极的正电极。化学电容器的使用在要求大量保存能量的应用中常常是不可避免的。实践中，所述化学电容器具有最佳的能量密度。

然而，这些化学电容器的使用造成许多问题。

从而，化学电容器具有产生较大泄漏电流的缺点，这特别地会在由机动车的电池供电的应用中造成麻烦。如果电器维持关机足够长，则泄漏电流可以造成电池的深度放电。就是这样的情况，例如，连接到处于停车模式的车辆的12V电池的转换器。因而有必要断开电容器以减少泄漏电流。具体地，电磁阀系统要求转换器不仅从车载网络产生适合于阀致动器的电源网络(在本情况中，42V网络)，而且更重要地，将12V车载网络从42V辅助网络去耦合(decouple)。有效地，致动器的控制产生非常高的低频谐波比率。为了限制车载网络上的电流波动从而保存电池，必须增加42V网络的电容。因此高值电容排是必需的，其具有与停车模式规范不兼容的泄漏电流。

用于解决与泄漏电流有关的问题的一个已知的解决方案在于使用开关7来断开这些电容器。因此，在停车模式下断开开关防止了任何的电流泄漏，从而防止了放电电池的任何危险。

然而，实现该解决方案引起一些困难。

从而，如上所述，仅当电容器5的端子处的电压Vs大于电压Ve时控制电路1中的电流才是可能的。当输出电压低于输入电压时电路1无法控制电流。当输出电压Vs是零时在每次通电(开关7闭合)时遭遇该情况，因为存储电容器5被放电。电容器5的电荷产生无法由电路1控制的电流。电流涌入仅受到线路电阻器的限制。充电时间由电容器和这些线路电阻器的大小来定义。当通电时，输出电容器5被突然充电直到输出电压达到接近于输入电压的平衡值。在电容器电荷通过电阻器的情况下，考虑到转移的一些能量被耗散。该能量在较短的持续时间内被耗散。涉及的功率会是破坏性的。的确，涌入电流能够达到超过该电流流经的元件(特别是用来通电的开关7)的规范的值。在机械或机电开关的情况下，电流涌入导致在电弧效应下触点的毁坏或磨损。在电源线缆与诸如电池的具有低内部电阻的电压源之间直接接触的情况下，电弧能够导致接触点中的金属熔化并飞溅出来。在MOSFET晶体管型的固态开关的情况下，电流涌入能够由于激烈的局部过热而引起其毁坏或过早老化，特别是在元件具有低热容量时。