本發(fā)明涉及一種開關(guān)變換器，以及涉及一種用于將輸入電壓變換成輸出電壓的方法。

背景技術(shù)：

在開關(guān)變換器中，以最大開關(guān)速度驅(qū)動(dòng)開關(guān)晶體管。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是，開關(guān)過程期間的損耗功率是低的。具有的缺點(diǎn)是，開關(guān)晶體管的驅(qū)動(dòng)電路提供高的電流并且由此產(chǎn)生高份額的損耗功率。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

在這種背景下，通過在此所述的方案提出根據(jù)獨(dú)立權(quán)利要求的一種開關(guān)變換器以及一種用于將輸入電壓變換成輸出電壓的方法以及最后提出一種相應(yīng)的計(jì)算機(jī)程序。有利的設(shè)計(jì)方案由相應(yīng)的從屬權(quán)利要求和下述的說明得出。

通過將開關(guān)變換器的開關(guān)晶體管由電流源代替，可以限制開關(guān)變換器內(nèi)的最大重新充電電流。此外，可以減小開關(guān)變換器內(nèi)的開關(guān)過程的速度，從而可以避免產(chǎn)生電磁干擾。

開關(guān)變換器具有用于接收輸入電壓的輸入端、用于輸出輸出電壓的輸出端和用于將輸入電壓變換成輸出電壓的變換器裝置，所述變換器裝置包括電感、電容、二極管和開關(guān)裝置。在此，開關(guān)裝置設(shè)計(jì)為電流源。

輸入電壓和輸出電壓是電壓。開關(guān)變換器可以實(shí)現(xiàn)為電路。電感可以實(shí)現(xiàn)為線圈或阻流圈，并且電容可以實(shí)現(xiàn)為電容器。開關(guān)變換器的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以相應(yīng)于公知的開關(guān)變換器的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，具有的區(qū)別在于，開關(guān)裝置、例如傳統(tǒng)的開關(guān)變換器的開關(guān)晶體管可以由電流源代替。電流源可以是可關(guān)斷的、可調(diào)節(jié)的或可控制的電流源。

根據(jù)不同的實(shí)施例，電流源可以是簡(jiǎn)單的電流源、動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)的電流源、電壓控制的電流源、電流控制的電流源或電流鏡。例如電流控制的開關(guān)晶體管可以使用在開關(guān)變換器中。由此可以使用電流源的分別適用于開關(guān)變換器的相應(yīng)應(yīng)用領(lǐng)域的實(shí)施方案。

電流源可以設(shè)計(jì)用于在截止階段中中斷通過電流源的電流，并且在導(dǎo)通階段中給電流源提供最大電流。由此可以通過電流源形成開關(guān)晶體管的開關(guān)特性。有利地，然而在導(dǎo)通階段中流過的電流可以被限制到電流源的最大電流。

電流源可以設(shè)計(jì)用于在截止階段和導(dǎo)通階段之間的過渡階段中提供以第一變化率改變的電流，并且在導(dǎo)通階段中提供以第二變化率改變的電流。在此，變化率可以定義為電流強(qiáng)度關(guān)于時(shí)間的升高或降低。變化率例如可以定義為電流強(qiáng)度關(guān)于時(shí)間的線性的或非線性的升高或降低。過渡階段可以相應(yīng)于傳統(tǒng)的開關(guān)晶體管的開關(guān)階段。通過過渡階段和導(dǎo)通階段期間不同的變化率可以定義由電流源所提供的電流的邊緣形狀。由此可以例如將邊緣形狀設(shè)置為，在過渡情況中在截止階段和導(dǎo)通階段之間產(chǎn)生的開關(guān)邊緣這樣成形，使得避免電磁干擾或者保持在預(yù)定的界限內(nèi)。

電流源可以例如設(shè)計(jì)用于在導(dǎo)通階段中提供在導(dǎo)通階段的持續(xù)時(shí)間內(nèi)具有弧形電流變化曲線的電流。通過弧形的變化曲線避免突然的電流改變，由此將電磁干擾保持得極小。

電感、電容、二極管和開關(guān)裝置可以這樣連接在變換器裝置中，以使得將輸入電壓變換成與所述輸入電壓不同的輸出電壓。根據(jù)實(shí)施方式，輸入電壓在此可以被變換成大于或小于輸入電壓的輸出電壓。因此，開關(guān)變換器可以實(shí)現(xiàn)為升壓變換器或降壓變換器。有利地，在變換器裝置的元件的連接中可以采用開關(guān)變換器公知的電路變型。

根據(jù)開關(guān)變換器的一個(gè)實(shí)施方式，電感的第一端口與輸入端的第一端口連接，電感的第二端口與電流源的第一端口和二極管的第一端口連接，二極管的第二端口和電容器的第一端口與輸出端的第一端口連接，電流源的第二端口和電容器的第二端口與輸入端的第二端口和輸出端的第二端口連接。以這種方式可以實(shí)現(xiàn)呈升壓變換器形式的開關(guān)變換器。

一種用于在使用變換器裝置的情況下將輸入電壓變換成輸出電壓的方法，所述變換器裝置用于將輸入電壓變換成輸出電壓并且包括電感、電容、二極管和開關(guān)裝置，所述方法包括下述步驟：

中斷通過開關(guān)裝置的電流；和

運(yùn)行作為電流源開關(guān)裝置，用于提供通過開關(guān)裝置的電流。

所述方法的步驟可以在使用控制設(shè)備裝置的情況下進(jìn)行，所述控制設(shè)備與開關(guān)裝置耦合并且可以設(shè)計(jì)用于在截止階段期間不激活用作開關(guān)裝置的電流源并且在導(dǎo)通階段期間驅(qū)動(dòng)電流源。

在此，控制設(shè)備可以理解為電子設(shè)備，所述電子設(shè)備處理傳感器信號(hào)并且根據(jù)所述傳感器信號(hào)輸出控制信號(hào)和/或數(shù)據(jù)信號(hào)?？刂圃O(shè)備可以具有接口，所述接口可以硬件地和/或軟件地設(shè)計(jì)。在硬件的設(shè)計(jì)方案中，接口可以例如是所謂的ASIC系統(tǒng)的部件，所述部件包含控制設(shè)備的不同的功能。然而也可能的是，接口是特有的集成電路或者至少部分地由分立的元件構(gòu)成。在軟件的設(shè)計(jì)方案中，接口可以是軟件模塊，所述軟件模塊例如在微控制器上與其他軟件模塊同時(shí)存在。

一種計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品或具有程序代碼的計(jì)算機(jī)程序也是有利的，所述計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品和計(jì)算機(jī)程序可以存儲(chǔ)在機(jī)器可讀的載體或存儲(chǔ)介質(zhì)、例如半導(dǎo)體存儲(chǔ)器、硬盤存儲(chǔ)器或光學(xué)存儲(chǔ)器上，并且用于特別是當(dāng)所述計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品或計(jì)算機(jī)程序在計(jì)算機(jī)或一個(gè)裝置上被實(shí)施時(shí)，執(zhí)行、實(shí)現(xiàn)和/或控制根據(jù)前述實(shí)施方式中任一個(gè)實(shí)施方式的方法的步驟。

附圖說明

下面根據(jù)附圖示例性地詳細(xì)說明在此所述的方案。附圖中：

圖1示出開關(guān)變換器；

圖2示出了在圖1中所示的開關(guān)變換器的測(cè)量點(diǎn)上的信號(hào)變化曲線；

圖3示出開關(guān)變換器；

圖4示出了在圖3中所示的開關(guān)變換器的測(cè)量點(diǎn)上的信號(hào)變化曲線；

圖5示出開關(guān)變換器；

圖6示出了在圖5中所示的開關(guān)變換器的測(cè)量點(diǎn)上的信號(hào)變化曲線；

圖7示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的開關(guān)變換器；

圖8示出了在圖7中所示的根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的開關(guān)變換器的測(cè)量點(diǎn)上的信號(hào)變化曲線；

圖9示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的用于將輸入電壓變換成輸出電壓的方法的流程圖。

在本發(fā)明的有利的實(shí)施例的下述說明中，對(duì)于在不同附圖中所示的并且作用類似的元件使用相同的或類似的附圖標(biāo)記，其中，省略了對(duì)這些元件的重復(fù)說明。

具體實(shí)施方式

圖1示出呈升壓變換器形式的開關(guān)變換器100，也稱為變換器。開關(guān)變換器100具有作為主部件的輸入電容102，開關(guān)變換器100從所述輸入電容起作用。接著是變換器阻流圈104，所述阻流圈是線圈或電感。在變換器阻流圈的輸出側(cè)的端口上示意性示出一個(gè)測(cè)量點(diǎn)MS(MS：測(cè)量點(diǎn)線圈)。下面在圖2中示出測(cè)量點(diǎn)MS點(diǎn)上的信號(hào)變化曲線。在測(cè)量點(diǎn)MS之后是開關(guān)晶體管106，所述開關(guān)晶體管暫時(shí)性地相對(duì)于地線接通阻流圈104的輸出側(cè)的端口。接著，二極管108與阻流圈104的輸出側(cè)的端口連接。當(dāng)開關(guān)晶體管106截止并且不再允許電流流向地線時(shí)，則這個(gè)二極管108接收電流。在二極管108之后還布置有輸出電容110，所述輸出電容接著被充電到期望的輸出電壓。

圖2示出了在圖1中所示的開關(guān)變換器的測(cè)量點(diǎn)MS上的信號(hào)變化曲線。信號(hào)變化曲線以圖表的形式示出。x軸表示時(shí)間，Y軸表示電壓220和電流222。

圖3示出開關(guān)變換器100，所述開關(guān)變換器相應(yīng)于根據(jù)圖1所述的開關(guān)變換器，具有的區(qū)別在于，替代開關(guān)晶體管使用開關(guān)306。

由此，根據(jù)圖3所述的實(shí)施例可以理解為根據(jù)圖1所述的開關(guān)變換器的簡(jiǎn)化的實(shí)施例。根據(jù)所示的實(shí)施例，出自圖1的晶體管由理想的開關(guān)306代替。

為了研究由開關(guān)變換器100產(chǎn)生的(EMV)干擾，可以考慮變換器阻流圈104和二極管108的寄生電容。特別是還在二極管108中具有反向恢復(fù)時(shí)間(reverse recovery)，所述反向恢復(fù)時(shí)間在此表征地以寄生二極管電容來表示。

在圖3中所示的開關(guān)變換器100中涉及閉合的開關(guān)306的開關(guān)過程。為此，除了線圈104上的測(cè)量點(diǎn)MS以外，示出了開關(guān)306上的測(cè)量點(diǎn)MT和二極管108上的測(cè)量點(diǎn)MD。在圖4中示出了測(cè)量點(diǎn)MS，MT，MD上的信號(hào)變化曲線和開關(guān)過程的時(shí)間點(diǎn)。

在開關(guān)過程之前不久，測(cè)量點(diǎn)MS，MT，MD處于高電壓，例如33V。將例如13.5V施加給變換器阻流圈104的輸入側(cè)的端口。接著在此將33V-0.3V＝32.7V施加給二極管106的輸出側(cè)的端口。在開關(guān)過程期間，將測(cè)量點(diǎn)MS，MT，MD上的33V接到地線。在這個(gè)時(shí)刻，理論上期望的電流330的流動(dòng)方向被突然改變。此外還產(chǎn)生兩個(gè)不期望的在那里幾乎不受限的電流，即由變換器阻流圈104的寄生電容的重新充電過程導(dǎo)致的電流332以及由二極管108的反向恢復(fù)時(shí)間和寄生電容導(dǎo)致的電流334。

通常所有三個(gè)電流330，332，334都產(chǎn)生干擾。電流330通過突然地改變流動(dòng)方向而產(chǎn)生干擾，由此例如突然改變與開關(guān)變換器100耦合的控制設(shè)備中的通流的結(jié)構(gòu)。然而電流330的電流級(jí)別通過阻流圈104限制。電流332，334由于突然產(chǎn)生而同樣產(chǎn)生干擾，即由于產(chǎn)生與地線的短路和幾乎不受限的電流脈沖值直到電容被重新充電或者直到二極管完全截止。這則可以導(dǎo)致干擾頻譜，所述干擾頻譜達(dá)到三位數(shù)MHz那樣的寬度。

圖4示出了在圖3中所示的開關(guān)變換器的測(cè)量點(diǎn)MS，MT，MD上的根據(jù)圖3所示的電流330，332，334的信號(hào)變化曲線。此外，示出施加給測(cè)量點(diǎn)MS，MT，MD的電壓220。根據(jù)圖3所示的開關(guān)邊緣的時(shí)間點(diǎn)以附圖標(biāo)記440示出。

圖5示出根據(jù)圖3所述的開關(guān)變換器100，所述開關(guān)變換器由此相對(duì)于根據(jù)圖1所述的開關(guān)變換器使用如同根據(jù)圖3所述的開關(guān)變換器那樣相同的簡(jiǎn)化方案。

在圖5中所示的實(shí)施例中涉及斷開的開關(guān)306的開關(guān)過程。閉合過程導(dǎo)致電流330的電流的突然改變。此外，寄生電容被脈沖式地重新充電，由此導(dǎo)致電流332，334。通常所有三個(gè)電流330，332，334如同在圖5中所示的第二開關(guān)邊緣中那樣地產(chǎn)生干擾。

電流330通過突然地改變流動(dòng)方向而產(chǎn)生干擾，由此例如突然改變與開關(guān)變換器100耦合的控制設(shè)備中的通流的結(jié)構(gòu)。然而電流級(jí)別通過阻流圈104限制。電流332，334由于突然的產(chǎn)生下述情況而同樣產(chǎn)生干擾。然而電流332，334的最大電流由電流330的值來限制。這則可以如同根據(jù)圖3和4所述的第一開關(guān)邊緣那樣地導(dǎo)致干擾頻譜，所述干擾頻譜達(dá)到三位數(shù)MHz那樣的寬度。

圖6示出了在圖5中所示的開關(guān)變換器的測(cè)量點(diǎn)MS，MT，MD上的根據(jù)圖5所示的電流330，332，334的信號(hào)變化曲線。此外，示出施加給測(cè)量點(diǎn)MS，MT，MD的電壓220。根據(jù)圖5所示的第二開關(guān)邊緣的時(shí)間點(diǎn)以附圖標(biāo)記640示出。

圖7示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的開關(guān)變換器700。開關(guān)變換器700相應(yīng)于根據(jù)圖1所述的開關(guān)變換器，具有的區(qū)別在于，替代開關(guān)晶體管，開關(guān)變換器700具有呈電流源706形式的開關(guān)裝置。開關(guān)變換器700設(shè)計(jì)為升壓變換器，除了電流源706以外，所述升壓變換器如同根據(jù)圖1所述的那樣還具有電感104、電容110和二極管108。電感104、電容110、二極管108和電流源706連接成變換器裝置，所述變換器裝置設(shè)計(jì)用于將施加給開關(guān)變換器700的輸入端750的輸入電壓變換成提供給變換器700的輸出端752的輸出電壓。根據(jù)所述實(shí)施例，已經(jīng)根據(jù)圖1所述的電容102接在輸入端750的端口之間，并且電容110接在輸出端752的端口之間。變換器700設(shè)計(jì)用于在使用施加給輸入端750的輸入電壓的情況下將輸出電壓提供給輸出端752，所述輸出電壓大于輸入電壓。

構(gòu)成電感的線圈104的輸入側(cè)的端口與構(gòu)成電容的電容器102的第一端口和輸入端750的第一端口連接。電容器102的第二端口與輸入端750的第二端口連接。線圈104的輸出側(cè)的端口與電流源706的第一端口和二極管108的輸入側(cè)的端口連接。二極管108的輸出側(cè)的端口和構(gòu)成另一個(gè)電容的電容器110的第一端口與輸出端752的第一端口連接。二極管108的陰極與輸出端752的第一端口連接。電流源706的第二端口、電容器110的第二端口、輸入端750的第二端口和輸出端752的第二端口共同與地線端口連接并且由此處于接地電勢(shì)。

相應(yīng)于根據(jù)圖3至6所示的實(shí)施例，開關(guān)變換器700具有測(cè)量點(diǎn)MS、測(cè)量點(diǎn)MT和測(cè)量點(diǎn)MD。測(cè)量點(diǎn)MS布置在線圈104的輸出側(cè)的端口與線圈104、二極管108和電流源706間的節(jié)點(diǎn)之間。測(cè)量點(diǎn)MT布置在該節(jié)點(diǎn)和電流源706的輸入側(cè)的端口之間。測(cè)量點(diǎn)MD布置在該節(jié)點(diǎn)和二極管108的輸入側(cè)的端口之間。

線圈104與二極管108串聯(lián)。電容器110設(shè)計(jì)用于累加施加給輸出端752的輸出電壓。當(dāng)電流源706在導(dǎo)通階段中被激活、即具有小的內(nèi)阻時(shí)，線圈104經(jīng)過電流源706與地線連接。在這種情況中，施加給輸入端750的輸入電壓在線圈104上降低。在截止階段中，電流源706截止。由此，電流源706被中斷，并且施加給測(cè)量點(diǎn)MS，MT，MD的電壓快速增大，直到所述電壓超過施加給電容器110的電壓并且使二極管108開啟，以便繼續(xù)給電容器110充電。

圖7中所示開關(guān)變換器700相對(duì)于根據(jù)前述附圖所示的開關(guān)變換器是一個(gè)改進(jìn)方案，因?yàn)殚_關(guān)變換器700的開關(guān)晶體管不是作為開關(guān)被控制，而是確切地說由下述電路替代，所述電路相當(dāng)于動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)的電流源706。在此有利的是，最大重新充電電流受到限制。此外，由此可以控制流動(dòng)方向改變的速度。

通過電流源706動(dòng)態(tài)地控制的電流調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)了相應(yīng)地改變根據(jù)圖5和6所述的開關(guān)邊緣上的電流的邊緣形狀，例如產(chǎn)生線性的、余弦形式的或S形的邊緣形狀，并且由此產(chǎn)生期望的發(fā)射頻譜(關(guān)鍵詞：傅里葉分析)。

此外，電流源706或電流源706的電路可以沿著下述方向設(shè)計(jì)，其在“開關(guān)晶體管的截止階段”中被截止，并且在“開關(guān)晶體管的導(dǎo)通階段”中被完全控制開啟并且由此完全導(dǎo)通，即具有小的內(nèi)阻。

這種方法通常可以應(yīng)用于任何類型的開關(guān)變換器700，即，例如升壓變換器和降壓變換器。

作為動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)的電流源706的實(shí)施方案，根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域可以例如選擇簡(jiǎn)單的電流源、電壓控制的電流源、電流控制的電流源、電流鏡、數(shù)字電流源或可編程電流源。

圖8以三個(gè)圖表示出了根據(jù)圖7所述的開關(guān)變換器700的測(cè)量點(diǎn)MS，MT，MD上的電流850，852，854的信號(hào)變化曲線。此外，示出施加給測(cè)量點(diǎn)MS，MT，MD的電壓220。在所述圖表中，x軸表示時(shí)間，y軸表示電壓電平或電流電平。

電壓220具有矩形的變化曲線。在使電流源706截止的截止階段中，該電壓具有例如幾乎等于開關(guān)變換器的輸出電壓的電壓值。在給電流源706提供電流的導(dǎo)通階段中，該電壓具有等于接地電勢(shì)的電壓值。

左邊的圖表對(duì)應(yīng)于線圈的測(cè)量點(diǎn)MS。流過線圈的電流850在截止階段期間幾乎線性地下降，以便接著在導(dǎo)通階段中又幾乎線性地升高。根據(jù)線圈的工作點(diǎn)(關(guān)鍵詞：飽和)，電流850的變化曲線也可以是非線性的。

中間的圖表對(duì)應(yīng)于替代傳統(tǒng)的開關(guān)變換器的晶體管的電流源的測(cè)量點(diǎn)MT。流過電流源的電流852在過渡階段中在緊鄰導(dǎo)通階段開始之前從零出發(fā)以第一變化率線性地升高，接著在導(dǎo)通階段中以第二變化率繼續(xù)線性地升高，并且在緊鄰導(dǎo)通階段結(jié)束之后以第三變化率線性地下降到零。根據(jù)這個(gè)實(shí)施例，第二變化率與第一變化率相比實(shí)現(xiàn)使電流電平較慢地升高。第三變化率大于第一變化率和第二變化率。由此，電流852在截止階段開始時(shí)，相比電流在之前的升高更陡地下降。

右邊的圖表對(duì)應(yīng)于二極管的測(cè)量點(diǎn)MD。流過二極管的電流854在過渡階段中在緊鄰截止階段開始之后從零出發(fā)以第一變化率線性地升高，接著在截止階段期間以第二變化率線性地下降，并且在緊鄰截止階段結(jié)束之前以第三變化率下降到零。根據(jù)這個(gè)實(shí)施例，第一變化率大于第三變化率，第三變化率又大于第二變化率。

圖9示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的用于將輸入電壓變換成輸出電壓的方法的流程圖。該方法可以有利地結(jié)合根據(jù)圖7所述的開關(guān)變換器或類似結(jié)構(gòu)的開關(guān)變換器實(shí)現(xiàn)，所述開關(guān)變換器具有能作為電流源運(yùn)行的開關(guān)裝置。

該方法包括中斷通過開關(guān)裝置的電流的步驟901和運(yùn)行作為電流源的開關(guān)裝置以用于提供通過開關(guān)裝置的電流的步驟903。步驟901，903交替地執(zhí)行。

根據(jù)圖7至9所述的方案具有的優(yōu)點(diǎn)是，可以使開關(guān)過程減速，以便使可能起消極作用的干擾減小到最小程度。所述的方案例如結(jié)合控制設(shè)備使用，所述控制設(shè)備使用在車輛中。使用在車輛中的控制設(shè)備必須實(shí)現(xiàn)特定的EMV(電磁相容性)測(cè)量。特別是，當(dāng)根據(jù)效率和成本將呈升壓變換器和降壓變換器形式的高效的開關(guān)變換器使用在控制設(shè)備中時(shí)，對(duì)輻射、即干擾發(fā)射是要求很高的。當(dāng)例如為了提供控制設(shè)備的工作電壓而使用根據(jù)所述方案的開關(guān)變換器時(shí)，可以改善電磁相容性，其中，替代開關(guān)晶體管使用電流源。由此，電流源可以用于減小在接通電容性負(fù)載時(shí)的開關(guān)功率。通過電流源方案可以特別是也控制或者說減小寄生電流。此外，電流源的所述應(yīng)用也作為單相變換器起作用。有利地，任意適合的可調(diào)節(jié)的電流源可以用作該電流源。

所述的和附圖中所示的實(shí)施例僅僅是示例性選擇。不同的實(shí)施例可以完全彼此組合或者關(guān)于各個(gè)特征彼此組合。一個(gè)實(shí)施例也可以通過另一個(gè)實(shí)施例的特征來補(bǔ)充。此外，在此提出的方法步驟可以重復(fù)地以及以不同于所述的順序執(zhí)行。

如果一個(gè)實(shí)施例在第一特征和第二特征之間包括“和/或”連接詞，則這可以解讀為，該實(shí)施例根據(jù)一個(gè)實(shí)施方式不僅具有第一特征而且具有第二特征，而根據(jù)另一個(gè)實(shí)施方式或者只具有第一特征或者只具有第二特征。