电压转换装置的制作方法

1.本发明涉及一种电压转换装置。


背景技术：

2.在相关技术中，已经提出了具有全桥电路的电压转换装置，其在电压转换之后向负载供电(例如，参见专利文献1)。作为这样的电压转换装置，已经提出了单电感多输出(simo)型或单电感双输出(sido)型电压转换装置，以便获得多个输出。
3.引用列表
4.专利文献
5.专利文献1：日本专利2020-080625-a


技术实现要素：

6.在专利文献1中公开的电压转换装置中，四个开关元件构成全桥电路。使四个开关元件的开/关频率彼此一致。例如，当四个开关元件中的第一和第四开关元件接通时，电压转换装置关断第二和第三开关元件，当第二和第三开关元件接通时，电压转换装置关断第一和第四开关元件。
7.然而，在这种电压转换装置中，纹波电流可能根据操作条件而增加。在这种情况下，对电感器要求的电流条件变得严格，并且出现诸如电感器尺寸增加和发热的问题。
8.已经做出本发明来解决相关技术中的这些问题，并且本发明的目的是提供一种能够减少纹波电流的电压转换装置。
9.根据本发明的电压转换装置是被配置为将从电源侧提供的输入电压转换成期望的输出电压的电压转换装置。该电压转换装置包括：平滑电感，被配置为在其中存储能量；输入侧开关单元，设置在所述平滑电感的输入侧，并且被配置为执行切换，并且根据所述切换向所述平滑电感提供电流；第一和第二电源线，设置在平滑电感的输出侧，并被配置为分别向第一负载和在低于第一负载的工作电压的工作电压下工作的第二负载供电；分别设置在第一和第二电源线上的第一和第二输出侧开关单元；以及控制单元，被配置为对第一和第二输出侧开关单元执行开/关控制。在通过切换输入侧开关单元将电流提供给平滑电感的时段期间，控制单元接通第一输出侧开关单元以向第一负载供电，而通过关断第二输出侧开关单元而不向第二负载供电。
附图说明
10.图1是根据本发明实施例的电压转换装置的配置图。
11.图2是示出根据比较示例的电压转换装置的控制状态的时序图。
12.图3是示出根据实施例的电压转换装置1的控制状态的时序图。
13.图4a和图4b是用于解释纹波电流的大小的图，其中图4a示出了根据比较示例的电感电流，图4b示出了根据实施例的电感电流。
具体实施方式
14.在下文中，将根据优选实施例描述本发明。本发明不限于下面将要描述的实施例，并且可以在不脱离本发明的范围的情况下适当地改变。在下面描述的实施例中，没有示出或描述一些配置，但是不言而喻，在下面描述的内容不发生矛盾的范围内，已知或众所周知的技术被适当地应用于省略的技术的细节。
15.图1是根据本发明实施例的电压转换装置的配置图。图1所示的电压转换装置1使用来自高压电源10的电压作为输入电压，并输出多个不同的期望输出电压，并且包括电源10、全桥电路20、变压器30、整流器电路40、平滑电感50、电源线60、开关单元70、输出单元80和控制单元(控制器件)90。
16.电源10提供dc功率。电源10例如通过串联连接多个电池单元来配置。在本实施例中，电源10提供需要绝缘的相对高的电压。
17.全桥电路20设置在平滑电感50的输入侧(电源10侧)，并将dc功率转换成ac功率。全桥电路20是相移型开关电路，并且包括四个输入侧开关元件(输入侧开关器件)iq1至iq4。四个输入侧开关元件iq1至iq4由例如n沟道金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)构成，并且被切换以获得期望的输出电压。
18.第一输入侧开关元件iq1的漏极连接到电源10的正极，源极连接到第一连接点cp1。第二输入侧开关元件iq2的漏极连接到第一连接点cp1，源极连接到电源10的负电极。第三输入侧开关元件iq3的漏极连接到电源10的正极，源极连接到第二连接点cp2。第四输入侧开关元件iq4的漏极连接到第二连接点cp2，源极连接到电源10的负电极。
19.四个输入侧开关元件iq1至iq4的栅极连接到控制单元90。控制单元90对四个输入侧开关元件iq1至iq4执行开关控制。通过开关控制，电源10的dc功率被转换成ac功率，并且ac功率被输出到变压器30的初级绕组。用于平滑的输入电容器c1设置在全桥电路20和电源10之间。
20.变压器30转换输入电压。变压器30包括初级绕组和次级绕组。初级绕组和次级绕组在彼此绝缘的状态下彼此磁耦合。初级绕组连接到全桥电路20。初级绕组的一端通过电感连接到第一连接点cp1，其另一端连接到第二连接点cp2。次级绕组连接到整流器电路40。例如，次级绕组的一端连接到第三连接点cp3，其另一端连接到第四连接点cp4。
21.变压器30的电压转换程度根据初级绕组与次级绕组的匝数比(电压转换比)来确定。在本实施例中，变压器30降低从全桥电路20提供的ac功率，并将降低的ac功率输出到整流器电路40。
22.整流器电路40将ac功率整流成dc功率。整流器电路40包括四个二极管d1至d4。整流器电路40由第一至第四二极管d1至d4构成桥式电路，并执行全波整流。
23.第一二极管d1的阳极连接到第三连接点cp3，阴极连接到平滑电感50。第二二极管d2的阳极接地，阴极连接到第三连接点cp3。第三二极管d3的阳极连接到第四连接点cp4，阴极连接到平滑电感50。第四二极管d4的阳极接地，阴极连接到第四连接点cp4。
24.整流器电路40将由变压器30降压的ac功率整流成dc功率，并经由平滑电感50和开关单元70将dc功率输出到输出单元80。
25.平滑电感50平滑直流(脉动电流)。平滑电感50设置在整流器电路40和开关单元70之间。平滑电感50的一端连接到第一二极管d1和第三二极管d3的阴极，其另一端连接到电
源线60。
26.当根据第一至第四输入侧开关元件iq1至iq4的切换提供电流时，平滑电感50存储能量，并且当停止提供电流时，将存储的能量放电以向电源线60供电。
27.电源线60是连接到输出单元80的导线，并且包括连接到第一输出单元81的第一电源线61和连接到第二输出单元82的第二电源线62。工作电压高于第二电源线62的工作电压的负载(第一负载)连接到第一电源线61，工作电压低于第一电源线61的工作电压的负载(第二负载)连接到第二电源线62。
28.开关单元70调节流经两个输出单元81、82的电流。开关单元70与平滑电感50一起构成单电感多输出(simo)型电路。开关单元70包括设置在第一电源线61上的第一输出侧开关元件oq1和设置在第二电源线62上的第二输出侧开关元件oq2。类似于第一至第四输入侧开关元件iq1至iq4，第一和第二输出侧开关元件oq1、oq2由例如n沟道mosfet构成。
29.输出单元80包括第一输出单元81和第二输出单元82。高于第二输出单元82的电压从第一输出单元81输出。第二平滑电容器c2设置在第一输出单元81的第一输出侧开关元件oq1侧，第三平滑电容器c3设置在第二输出单元82的第二输出侧开关元件oq2侧。
30.控制单元90对第一至第四输入侧开关元件iq1至iq4以及第一和第二输出侧开关元件oq1、oq2执行pwm控制，即开/关控制。控制单元90基于例如从主机设备发送的电压命令值对开关元件iq1至iq4、oq1、oq2执行开/关控制。通过这些切换操作，期望的电压从第一输出单元81和第二输出单元82输出。
31.这里，在这种电压转换装置1中，纹波电流可能根据切换时序而变大。图2是示出根据比较示例的电压转换装置的控制状态的时序图。
32.如图2所示，在根据比较示例的电压转换装置中，例如，在时间点t10，第一和第三输入侧开关元件iq1、iq3接通，第二输出侧开关元件oq2接通。此时，例如，平滑电感50的电流具有最大值。第二和第四输入侧开关元件iq2和iq4关断，第一输出侧开关元件oq1也关断。
33.接下来，在时间点t11，第一输出侧开关元件oq1接通，第二输出侧开关元件oq2关断。由此，使用存储在平滑电感50中的能量向第一输出单元81供电。
34.接下来，在存储在平滑电感50中的能量耗尽的时间点t12，第三输入侧开关元件iq3关断，第四输入侧开关元件iq4接通。由此，正电压vtr被施加到变压器30的初级绕组，并且能量通过次级绕组被存储在平滑电感50中。另外，在时间点t12，第一输出侧开关元件oq1关断，第二输出侧开关元件oq2接通。因此，功率被提供给第二输出单元82。
35.此后，在时间点t13，第一输入侧开关元件iq1关断，第二输出侧开关元件oq2接通。由此，使用存储在平滑电感50中的能量向第二输出单元82供电。
36.接下来，在时间点t14，第一输出侧开关元件oq1接通，第二输出侧开关元件oq2截止。由此，使用存储在平滑电感50中的能量向第一输出单元81供电。
37.接下来，在存储在平滑电感50中的能量耗尽的时间点t15，第三输入侧开关元件iq3接通，第四输入侧开关元件iq4关断。由此，负电压vtr施加到变压器30的初级绕组，并且能量通过次级绕组存储在平滑电感50中。另外，在时间点t15，第一输出侧开关元件oq1关断，第二输出侧开关元件oq2接通。因此，功率被提供给第二输出单元82。
38.此后，在转换到时间点t16时，重复执行从时间点t10到时间点t15的操作。这里，在
根据比较示例的电压转换装置中，第二输出侧开关元件oq2在正电压或负电压vtr施加到变压器30的初级绕组并且电流通过次级绕组供应到平滑电感50的时段(从时间点t12到时间点t13，从时间点t15到时间点t16)中接通。因此，纹波电流趋于增加。在下文中，将详细描述这一点。
39.首先，从时间点t12到时间点t13，从时间点t15到时间点t16，平滑电感50的电流上升的时段称为第一时段，从时间点t10到时间点t11，从时间点t13到时间点t14，平滑电感50的能量被提供给第二输出单元82的时段被称为第二时段，并且从时间点t11到时间点t12、从时间点t14到时间点t15，平滑电感50的能量被提供给第一输出单元81的时段被称为第三时段。
40.这里，流过平滑电感50的电流的波动量di可以由di＝(v
li-v
lo
)/l
×
dt表示。v
li
是平滑电感50的输入侧电压，v
lo
是平滑电感50的输出侧电压，l是平滑电感50的电感值，dt是每个时段的持续时间。
41.根据这样的算术表达式，在第一时段中流经平滑电感50的电流的波动量di是di＝(v
i-v
o2
)/l
×dtr
×
ts。vi是平滑电感50的输入侧电压。作为第二输出单元82的输出侧电压的v
o2
被输入成平滑电感50的输出侧电压v
lo
。
42.稍后将描述的d2是第二输出侧开关元件oq2的占空比，d
tr
是电压施加到变压器30的时间段(v
tr
指示正值或负值的时间段)与整个周期(切换周期)的比率(最大值为“1”)，并且ts是切换周期。
43.在第二时段中，平滑电感50的输入侧电压为零，并且电压被输出到第二输出单元82。因此，在第二时段中流经平滑电感50的电流的波动量di是di＝-v
o2
/l
×
(d
2-d
tr
)
×
ts。
44.在第三时段中，平滑电感50的输入侧电压为零，并且电压被输出到第一输出单元81。因此，在第三时段中流经平滑电感50的电流的波动量di是di＝-v
o1
/l
×
(1-d2)
×
ts。
45.图4a和图4b是用于解释纹波电流的大小的图，图4a示出了根据比较示例的电感电流。在比较示例中，如图2所示，当平滑电感50的输入侧电压是正值或负值时，电压被输出到第一输出单元81和第二输出单元82中具有较小输出电压的第二输出单元82(第二输出侧开关元件oq2接通)。因此，第一时段中v
lo
的分量变成v
o2
并变小。因此，如图4a所示，电感电流的波动量δil趋于增加，并且纹波电流增加。
46.图3是示出根据实施例的电压转换装置1的控制状态的时序图。如图3所示，在根据实施例的电压转换装置1中，例如，在时间点t20，第一和第三输入侧开关元件iq1、iq3接通，并且第一输出侧开关元件oq1接通。此时，例如，平滑电感50的电流具有最大值。第二和第四输入侧开关元件iq2、iq4关断，第二输出侧开关元件oq2也关断。
47.接下来，在时间点t21，第一输出侧开关元件oq1关断，第二输出侧开关元件oq2接通。由此，使用存储在平滑电感50中的能量向第二输出单元82供电。
48.接下来，在存储在平滑电感50中的能量耗尽的时间点t22，第三输入侧开关元件iq3关断，第四输入侧开关元件iq4接通。由此，正电压vtr被施加到变压器30的初级绕组，并且能量通过次级绕组被存储在平滑电感50中。另外，在时间点t22，第一输出侧开关元件oq1接通，第二输出侧开关元件oq2关断。因此，功率被提供给第一输出单元81。
49.此后，在时间点t23，第一输入侧开关元件iq1关断，第二输入侧开关元件iq2接通。由此，使用存储在平滑电感50中的能量向第一输出单元81供电。
50.接下来，在时间点t24，第一输出侧开关元件oq1关断，第二输出侧开关元件oq2接通。由此，使用存储在平滑电感50中的能量向第二输出单元82供电。
51.接下来，在存储在平滑电感50中的能量耗尽的时间点t25，第三输入侧开关元件iq3接通，第四输入侧开关元件iq4关断。由此，负电压vtr施加到变压器30的初级绕组，并且能量通过次级绕组存储在平滑电感50中。另外，在时间点t25，第一输出侧开关元件oq1接通，第二输出侧开关元件oq2关断。因此，功率被提供给第一输出单元81。
52.此后，在转换到时间点t26时，重复执行从时间点t20到时间点t25的操作。这里，在根据本实施例的电压转换装置1中，第一输出侧开关元件oq1在正向或负向电压vtr施加到变压器30的初级绕组并且电流通过次级绕组供应到平滑电感50的时段(从时间点t22到时间点t23，从时间点t25到时间点t26)中接通。因此，可以防止纹波电流。在下文中，将详细描述这一点。
53.首先，从时间点t22到时间点t23，从时间点t25到时间点t26，电压被施加到平滑电感50并且电流上升的时段被称为第一时段，从时间点t20到时间点t21，从时间点t23到时间点t24，平滑电感50的能量被提供到第一输出单元81的时段被称为第二时段，并且从时间点t21到时间点t22、从时间点t24到时间点t25，平滑电感50的能量被提供给第二输出单元82的时段被称为第三时段。
54.在本实施例中，基于di＝(v
li-v
lo
)/l
×
dt的等式，在第一时段流过平滑电感50的电流的波动量di可以表示为di＝(v
i-v
o1
)/l
×dtr
×
ts。这里，第一输出单元81的输出电压v
o1
被输入成平滑电感50的输出侧电压v
lo
。
55.在第二时段中，平滑电感50的输入侧电压为零，并且电压被输出到第一输出单元81。因此，在第二时段中流经平滑电感50的电流的波动量di是di＝-v
o1
/l
×
(d
1-d
tr
)
×
ts。d1是第一输出侧开关元件oq1的占空比。
56.在第三时段中，平滑电感50的输入侧电压为零，并且电压被输出到第二输出单元82。因此，在第三周期中流经平滑电感50的电流的波动量di是di＝-v
o2
/l
×
(1-d1)
×
ts。
57.图4b示出了根据实施例的电感电流。在本实施例中，如图3所示，当平滑电感50的输入侧电压为正值或负值时，电压被输出到第一输出单元81和第二输出单元82中具有较高输出电压的第一输出单元81(第一输出侧开关元件oq1接通)。因此，第一时段中v
lo
的分量变成v
o1
并变大。因此，如图4b所示，电感电流的波动量δil趋于较小，并且可以减小纹波电流。
58.以这种方式，根据本实施例的电压转换装置1，由于第一输出侧开关元件oq1在电流被提供给平滑电感50的时段中接通，所以功率被提供给具有较高工作电压的第一负载和第二负载中的一个。因此，可以减小电感电流的波动量δil，并且可以减小纹波电流。因此，可以提供能够减少纹波电流的电压转换装置1。
59.尽管上面已经基于实施例描述了本发明，但是本发明不限于上述实施例，并且在不脱离本发明的范围的情况下，可以进行修改或者可以组合公知的技术。
60.例如，在本实施例中，绝缘型电压转换装置1已经被描述为示例，但是本发明不限于此，并且可以使用非绝缘型电压转换装置。此外，电压转换装置1不限于降压装置，而是可以是升压装置。此外，本发明不限于包括全桥电路20的同步整流型电压转换装置1，并且可以不包括全桥电路20，并且二极管整流是可能的。
61.根据本发明，可以提供一种能够减小纹波电流的电压转换装置。