專利名稱：多相直流電壓轉(zhuǎn)換器和用于控制多相直流電壓轉(zhuǎn)換器的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種多相直流電壓轉(zhuǎn)換器和一種用于控制多相直流電壓轉(zhuǎn)換器的方法。
背景技術(shù)：
在現(xiàn)代和未來的機(jī)動車、尤其是混合動カ車輛或電動車輛的車載能量網(wǎng)絡(luò)中，需要通常也稱作DC/DC轉(zhuǎn)換器的高效直流電壓轉(zhuǎn)換器，以便能夠在不同的電壓等級之間調(diào)節(jié)能量流。因此，例如在啟動/停止系統(tǒng)中，在啟動時通過直流電壓轉(zhuǎn)換器來補(bǔ)償車載電網(wǎng)電壓的擾動。在此，通過使用所謂的多相直流電壓轉(zhuǎn)換器來考慮機(jī)動車領(lǐng)域中存在的成本限 制、結(jié)構(gòu)空間限制和重量限制。在此，需傳輸?shù)墓β史植荚诙鄠€并聯(lián)的轉(zhuǎn)換器単元或者相模塊上。優(yōu)選地，相偏移地或時間偏移地控制各個相模塊。通過相偏移的控制在疊加的輸出信號中電流脈動顯著減少，并且直流電壓轉(zhuǎn)換器的輸出信號的頻率相對于轉(zhuǎn)換器單元的基本時鐘頻率増大了偏移地時鐘控制的轉(zhuǎn)換器単元的數(shù)量。由此，可以降低直流電壓轉(zhuǎn)換器的輸出濾波器的成本和體積。為了能夠有效地利用多相直流電壓轉(zhuǎn)換器中的以上所述優(yōu)點(diǎn)，電流通常必須均勻地或者“對稱地”分布在各個轉(zhuǎn)換器單元或相模塊上。由 J. Czogalla、J. Li 和 C. Sullivan 的《Automotive Application of Multi-PhaseCoupled Inductor DC-DC-Converter)) (0-7803-7883-0/03. IEEE, 2003)公開了具有耦合的線圈的多相直流電壓轉(zhuǎn)換器在機(jī)動車領(lǐng)域中的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種多相直流電壓轉(zhuǎn)換器，其具有至少兩個平行的、被時間偏移地控制的線圈、至少ー個用于控制線圈的控制單元以及至少ー個用于檢測由流過線圈的電流產(chǎn)生的磁場的磁場敏感的傳感器元件，其中控制單元根據(jù)至少一個傳感器元件的輸出信號來控制流過線圈的電流。在此，磁場敏感的傳感器元件例如可以實(shí)施為霍爾傳感器或者磁阻傳感器或者測量線圈。在根據(jù)本發(fā)明的多相直流電壓轉(zhuǎn)換器中，通過檢測和分析處理在線圈中產(chǎn)生的磁場來實(shí)現(xiàn)磁反饋，所述磁反饋可以用于補(bǔ)償負(fù)載波動或者在使用磁芯的情形中用于避免磁芯的飽和，從而產(chǎn)生經(jīng)調(diào)節(jié)的輸出信號。此外可以補(bǔ)償多相直流電壓轉(zhuǎn)換器的控制或結(jié)構(gòu)中的不對稱性。根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施方式，所述至少兩個線圈是磁反耦合的，即所述至少兩個線圈被如此設(shè)置和控制，使得由流過耦合的線圈的電流產(chǎn)生的磁場方向相反。線圈的耦合可以例如通過共同的磁芯(線圈設(shè)置在所述共同的磁芯上)實(shí)現(xiàn)。為了防止磁芯的飽和，磁芯具有氣隙。在反耦合的線圈以及(可能)磁芯和氣隙的結(jié)構(gòu)對稱時，幾乎完全消除恒定的磁場分量并且由此也防止可能的磁芯飽和。這使得能夠使用較小的線圈和磁芯并且因此導(dǎo)致較小的結(jié)構(gòu)。如果盡管結(jié)構(gòu)對稱但例如由于部件公差或環(huán)境影響產(chǎn)生恒定的磁場分量，則可以根據(jù)本發(fā)明借助于磁場敏感的傳感器檢測所述磁場分量并且通過由控制單元適當(dāng)?shù)乜刂凭€圈來補(bǔ)償所述磁場分量。根據(jù)本發(fā)明的另ー實(shí)施方式，至少ー個磁場敏感的傳感器兀件設(shè)置在磁芯的氣隙附近。在所述區(qū)域中可以檢測漏磁，所述漏磁允許推斷磁芯中的磁場并且由此推斷所存儲的能量。隨后可以通過合適的方式通過控制單元來控制線圏。特別地，在時間上積分地分析處理傳感器元件的輸出信號并且在此確定偏移值。所述偏移值是恒定磁通的度量?？刂茀g元可以如此控制流過線圈的電流，使得所述偏移值最小化。替代磁場敏感的傳感器元件定位在氣隙附近，也可以將傳感器元件定位在氣隙中。有利地如此選擇所述位置，使得在最優(yōu)地、對稱地控制線圈時得到?jīng)]有任何偏移的輸出信號。替代ー個或多個傳感器元件設(shè)置在多相直流電壓轉(zhuǎn)換器的ー個區(qū)域中(傳感器元件在所述區(qū)域處檢測總信號，即基于由多個線圈產(chǎn)生的磁場的信號)，也可以在每個單個線圈的周圍分別設(shè)置至少ー個磁場敏感的傳感器元件。由此，這些傳感器元件分別提供一個輸出信號，所述輸出信號表征由流過相應(yīng)的線圈的電流產(chǎn)生的磁場。在傳感器兀件如此定位時，分離地分析處理由各個線圈產(chǎn)生的磁場。當(dāng)然，也可以通過任意方式組合分離的分析處理和總體分析處理，也就是說，既可以設(shè)置檢測各個磁場的傳感器元件，也可以設(shè)置檢測總磁場的其他傳感器元件。有利地，至少ー個磁場敏感的傳感器元件集成在多相直流電壓轉(zhuǎn)換器的控制電路中。在此，控制電路至少還包括控制單元，但也可以包括其他単元，例如用于傳感器元件的輸出信號的分析處理單元。通過所述方式得到根據(jù)本發(fā)明的多相直流電壓轉(zhuǎn)換器的特別簡單且成本有利的實(shí)現(xiàn)。由參照附圖的以下描述得到本發(fā)明的實(shí)施方式的其他特征和優(yōu)點(diǎn)。


附圖示出圖I :根據(jù)本發(fā)明的具有耦合的線圈的多相直流電壓轉(zhuǎn)換器的一個實(shí)施方式的示意圖，圖2 :用于根據(jù)本發(fā)明的具有集成的磁場敏感的傳感器元件的多相直流電壓轉(zhuǎn)換器的控制電路的第一實(shí)施方式的示意圖，圖3 :用于根據(jù)本發(fā)明的具有兩個集成的磁場敏感的傳感器元件的多相直流電壓轉(zhuǎn)換器的控制電路的第二實(shí)施方式的示意圖，圖4 :具有根據(jù)本發(fā)明的多相直流電壓轉(zhuǎn)換器的印刷電路的第一實(shí)施方式的示意性側(cè)視圖，以及圖5 :具有根據(jù)本發(fā)明的多相直流電壓轉(zhuǎn)換器的印刷電路的第二實(shí)施方式的示意性側(cè)視圖。
具體實(shí)施方式
在附圖中，相同的或功能相同的組件分別具有相同的附圖標(biāo)記。圖I示意性地并且極其簡化地示出根據(jù)本發(fā)明的多相直流電壓轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)。在具有氣隙2的磁芯I上平行地設(shè)置兩個線圈3和4，這些線圈分別是多相直流電壓轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換器単元或相模塊的組成部分。磁芯I本身、氣隙2的位置以及線圈3和4的布置和位置有利地實(shí)施為対稱的。線圈3和4設(shè)置在共同的磁芯上導(dǎo)致兩個線圈的磁耦合。線圈3和4分別與輸出級5或6連接，所述輸出級5或6包括未示出的、用于截止或釋放流過線圈3和4的電流的開關(guān)元件。輸出級5和6與控制單元7連接，所述控制単元7時間偏移地或相偏移地控制輸出級5和6并且由此控制流過線圈3和4的電流。線圈3和4的設(shè)置和控制在此如此實(shí)施，使得在線圈3與4之間產(chǎn)生反耦合，即兩個線圈產(chǎn)生具有相反定向的磁場。在設(shè)置和控制的對稱最優(yōu)時，通過反耦合消除全部的恒定磁場分量，從而得到的磁場的直流分量或DC分量等于O。但由于部件公差或其他的環(huán)境影響，即使在結(jié)構(gòu)對稱和控制対稱的情況下也產(chǎn)生恒定直流分量，其消除導(dǎo)致多相直流電壓轉(zhuǎn)換器的改進(jìn)功能。在氣隙2附近設(shè)置有磁場敏感的傳感器元件8，例如霍爾傳感器、磁阻傳感器或測量線圈的形式。通過分析處理單元9向控制單元7傳輸傳感器元件8的輸出信號。通過所述方式實(shí)現(xiàn)磁反饋。如果磁場敏感的傳感器元件8如所示出的那樣設(shè)置在磁芯I的氣隙2附近，則通過傳感器元件8檢測漏磁，所述漏磁允許推斷磁芯I內(nèi)部的磁場并且由此推斷存儲在磁芯I中的能量。替代地，傳感器元件8也可以設(shè)置在氣隙2的區(qū)域中。則傳感器元件8不檢測漏磁，而是輸出直接表征磁芯I中的磁通的輸出信號。分析處理單元9可以在時間上積分地觀察傳感器單元8的輸出信號以及由此確定輸出信號的偏移值。所述偏移值是存在的恒定磁通量的度量。控制單元7隨后可以通過輸出級5或者6如此控制線圈3和4，使得偏移值最小化。例如，可以通過校正兩個線圈3和4的控制信號的脈沖寬度比來補(bǔ)償線圈3和4的不對稱性。在所示的實(shí)施方式中，控制單元7、兩個輸出級5和6以及分析處理單元9表示為分離的單元。當(dāng)然，這些單元也可以完全地或部分地集成在上級單元中。還可以考慮設(shè)置分離的控制單元以控制各個輸出級5和6或線圈3和4。在圖I中示例性地示出了兩相直流電壓轉(zhuǎn)換器。通過設(shè)置具有相應(yīng)的輸出級和控制単元的其他線圈，可毫無問題地將所述設(shè)置擴(kuò)展其他的轉(zhuǎn)換器単元或相模塊。同樣也可以設(shè)置其他的磁場敏感的傳感器元件，以便可以檢測由其他線圈產(chǎn)生的磁場。借助于磁芯I耦合的線圈3和4的示圖也應(yīng)當(dāng)僅僅理解為示例性的。磁芯I的其他構(gòu)型也是可能的。通過線圈的適當(dāng)設(shè)置，可以在即使不使用磁芯的情況下實(shí)現(xiàn)線圈的磁耦合。此外，本發(fā)明還可用于具有不耦合的線圈的多相直流電壓轉(zhuǎn)換器。但前提條件是，對于線圈中的姆ー個設(shè)有ー個自己的磁場敏感的傳感器兀件，所述磁場敏感的傳感器兀件如此設(shè)置，使得其可以檢測由流過相應(yīng)的線圈的電流產(chǎn)生的磁場。由此分離地分析處理各個線圈的磁場，并且通過ー個或多個分析處理單元將所有傳感器元件的輸出信號輸送給控制単元。替代地或附加地，這樣的分離的分析處理也可用于具有耦合的線圈的系統(tǒng)。有利地，一個或多個磁場敏感的傳感器元件集成在多相直流電壓轉(zhuǎn)換器的控制電 路中。圖2示出具有集成的傳感器元件的控制電路的第一實(shí)施方式的示意圖。在此，除傳感器元件8以外，控制電路20還包括控制單元7、輸出級5和6、分析處理單元9以及數(shù)字邏輯單元21和數(shù)字接ロ 22。輸出級5和6在此表示為共同的單元23。傳感器元件8優(yōu)選設(shè)置在控制電路20的邊緣區(qū)域中?？刂齐娐?0關(guān)于多相直流電壓轉(zhuǎn)換器的線圈如此定位，使得傳感器元件位于所期望的位置處，例如磁芯I的氣隙2附近。在圖3中示出了多相直流電壓轉(zhuǎn)換器的控制電路20’的替代的實(shí)施方式。所述實(shí)施方式與在圖2中不出的實(shí)施方式的不同僅僅在于第二磁場敏感的傳感器兀件8’設(shè)有所屬的第二分析處理單元9’。在此，當(dāng)然也可以與所示實(shí)施方式不同地通過共同的分析處理單元來處理傳感器單元8和8’的輸出信號。設(shè)置兩個傳感器元件8和8’允許兩相直流電壓轉(zhuǎn)換器尤其在兩個傳感器元件8和8’彼此間隔開地設(shè)置在控制電路20’內(nèi)時分離地分析處理由線圈中的電流產(chǎn)生的磁場。因此，控制電路的這種構(gòu)型也可用于具有不耦合的線圈的直流電壓轉(zhuǎn)換器。
原則上，對于在圖2和圖3中示出的控制電路20和20’適用的是，也可以通過任意方式將所示的電路組件匯總到上級單元中。同樣，其他的電路組件或単元也可以集成在控制電路中。當(dāng)然，其他的磁場敏感的傳感器元件也可以集成在控制單元中，使得所述控制電路例如也可用于具有兩個以上轉(zhuǎn)換器単元或相模塊的直流電壓轉(zhuǎn)換器。圖4示出具有根據(jù)本發(fā)明的多相直流電壓轉(zhuǎn)換器的印刷電路的第一實(shí)施方式的示意性側(cè)視圖。直流電壓轉(zhuǎn)換器在此示例性地實(shí)施為具有耦合的線圈的兩相直流電壓轉(zhuǎn)換器。在此，在印刷電路板40 (PCB)上設(shè)置例如以SMD技術(shù)(表面貼裝器件)實(shí)施的兩個線圈41和42。兩個線圈41和42的磁耦合通過磁芯43實(shí)現(xiàn)，所述磁芯43例如在SMD焊接過程之后插到線圈41和42中。隨后，未示出的磁場敏感的傳感器元件定位在合適的位置處，例如磁芯43的氣隙44附近。圖5示出具有根據(jù)本發(fā)明的多相直流電壓轉(zhuǎn)換器的印刷電路的第二實(shí)施方式的示意性側(cè)視圖。在此，在印刷電路板50的上側(cè)上設(shè)置線圈裝置51。示例性地假定所述線圈裝置涉及兩個通過具有氣隙的磁芯耦合的線圈?？刂齐娐?2設(shè)置在印刷電路板50的下側(cè)上，在所述控制電路中集成有至少ー個控制單元和磁場敏感的傳感器元件(二者均未單獨(dú)示出)?？刂齐娐?2在此實(shí)現(xiàn)為集成電路，其如此定位，使得其與線圈裝置51至少部分地重疊，更確切地說，集成在控制電路中的磁場敏感的傳感器元件位于相對于線圈裝置而言合適的位置中。
權(quán)利要求
1.一種多相直流電壓轉(zhuǎn)換器,其包括 至少兩個平行的、被時間偏移地控制的線圈(3，4 ;41，42)， 至少一個用于控制所述線圈(3，4)的控制單元(7)，和 至少一個用于檢測由流過所述線圈的電流產(chǎn)生的磁場的磁場敏感的傳感器元件(8 ；.8，)， 其中，所述控制單元(7)根據(jù)所述至少一個傳感器元件(8)的輸出信號來控制流過所述線圈(3，4 ;41，42)的電流。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的多相直流電壓轉(zhuǎn)換器，其特征在于，所述至少兩個線圈(3，4;.41，42)是磁反耦合的。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的多相直流電壓轉(zhuǎn)換器，其特征在于，所述至少兩個線圈(3，4;.41,42)通過一個共同的磁芯(I ；43)反耦合，所述共同的磁芯具有氣隙(2 ;44)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的多相直流電壓轉(zhuǎn)換器，其特征在于，至少一個磁場敏感的傳感器元件(8)設(shè)置在所述磁芯(I ；43)的所述氣隙(2 ;44)的附近，尤其是設(shè)置在所述磁芯(I ;43)的所述氣隙中。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的多相直流電壓轉(zhuǎn)換器，其特征在于，在每一個線圈(3，4;41，.42)的周圍分別設(shè)置至少一個磁場敏感的傳感器元件(8，8’)，使得所述傳感器元件(8，8’)分別提供表征由流過相應(yīng)的線圈(3，4;41，42)的電流產(chǎn)生的磁場的輸出信號。
6.根據(jù)以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的多相直流電壓轉(zhuǎn)換器，其特征在于，所述至少一個磁場敏感的傳感器元件(8 ;8’)集成在所述多相直流電壓轉(zhuǎn)換器的控制電路(20 ;20’)中，所述控制電路至少還包括所述控制單元(7)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的多相直流電壓轉(zhuǎn)換器，其特征在于，所述控制電路(20;20’)還包括至少一個用于所述至少一個傳感器元件(8 ;8’)的一個或多個輸出信號的分析處理單元(9 ;9’) ο
8.根據(jù)以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的多相直流電壓轉(zhuǎn)換器，其特征在于，所述磁場敏感的傳感器元件(8 ;8’)實(shí)施為霍爾傳感器或者磁阻傳感器或者測量線圈。
9.一種用于控制多相直流電壓轉(zhuǎn)換器的方法，所述多相直流電壓轉(zhuǎn)換器具有至少兩個平行的、被時間偏移地控制的線圈(3，4 ;41，42)，其中，借助于至少一個磁場敏感的傳感器元件(8 ;8’)檢測由流過所述線圈(3，4 ;41，42)的電流產(chǎn)生的磁場，以及根據(jù)所述至少一個磁場敏感的傳感器元件(8;8’)的輸出信號來控制流過所述線圈(3，4;41，42)的電流。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，由所述至少一個磁場敏感的傳感器元件(8;8’)的輸出信號確定偏移值，以及如此控制流過所述線圈(3，4;41，42)的電流，使得所述偏移值最小化。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種多相直流電壓轉(zhuǎn)換器和一種用于控制多相直流電壓轉(zhuǎn)換器的方法，所述多相直流電壓轉(zhuǎn)換器具有至少兩個平行的、被時間偏移地控制的線圈(3，4；41，42)、至少一個用于控制線圈(3，4)的控制單元(7)以及至少一個用于檢測由流過線圈的電流產(chǎn)生的磁場的磁場敏感的傳感器元件(8；8')?？刂茊卧?7)根據(jù)所述至少一個傳感器元件(8)的輸出信號來控制流過線圈(3，4；41，42)的電流。
文檔編號H02M3/158GK102656788SQ201080057473
公開日2012年9月5日 申請日期2010年11月24日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月18日
發(fā)明者F·卡爾布, R·雷蒂希, W·席曼 申請人:羅伯特·博世有限公司