CN104184328B - 电力转换装置及电力校正方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种电力转换装置及电力校正方法。该电力转换装置包括：初级侧电路（20）；次级侧电路（30），其通过电抗器（204，304）连接至初级侧电路（20）、并且通过变压器（400）磁耦接至初级侧电路（20）；以及控制单元（50），其通过改变初级侧电路（20）的切换与次级侧电路（30）的切换之间的相位差，调整在初级侧电路（20）与次级侧电路（30）之间传送的电力。控制单元（50）根据电抗器（204，304）和变压器（400）的等效电感的值，调整初级侧电路（20）和次级侧电路（30）的切换的频率。
Description
技术领域
本发明涉及在初级侧电路与次级侧电路之间进行的电力转换，该次级侧电路通过电抗器连接至初级侧电路、并且通过变压器磁耦接至初级侧电路。
背景技术
传统的电力转换装置可以通过改变初级侧电路的切换与次级侧电路的切换之间的相位差，调整在初级侧电路与次级侧电路之间传送的电力量（例如，参见日本专利申请公布No.2011-193713（JP2011-193713A））。
发明内容
然而，变压器或电抗器的电感的散布引起在初级侧电路与次级侧电路之间传送的电力的散布。本发明的目的是提供可以抑制在初级侧电路与次级侧电路之间传送的电力变化的电力转换装置和电力校正方法。
本发明的第一方面涉及一种电力转换装置，包括：初级侧电路；次级侧电路，其通过电抗器连接至初级侧电路、并且通过变压器磁耦接至初级侧电路；以及控制单元，其通过改变初级侧电路的切换与次级侧电路的切换之间的相位差，调整在初级侧电路与次级侧电路之间传送的电力。在该电力转换装置中，控制单元根据电抗器和变压器的等效电感的值，调整初级侧电路和次级侧电路的切换的频率。
本发明的第二方面涉及一种用于校正电力的电力校正方法，该电力在初级侧电路与次级侧电路之间传送、并且根据初级侧电路的切换与次级侧电路的切换之间的相位差被调整，次级侧电路通过电抗器连接至初级侧电路、并且通过变压器磁耦接至初级侧电路。该电力校正方法包括：测量电抗器和变压器的等效电感的测量步骤；以及根据等效电感的测量值、调整初级侧电路和次级侧电路的切换的频率的调整步骤。
“频率”可以解释为“角频率”，以及“调整频率”可以解释为“调整角频率”。
根据本发明的第一方面和第二方面，可以抑制在初级侧电路与次级侧电路之间传送的电力变化。
附图说明
下面将参照附图描述本发明的示例性实施方式的特征、优点以及技术和工业意义，在附图中相似的附图标记表示相似的元素，在附图中：
图1是示出了用作根据本发明的电力转换装置的实施方式的电源装置的配置的示例的框图；
图2是示出了根据本实施方式的控制单元的配置的示例的框图；
图3是示出了根据本实施方式的初级侧电路和次级侧电路的切换操作的示例的时序图；
图4是示出了根据本发明的电力校正方法的示例的流程图；以及
图5是示出了根据本实施方式的传送电力P与相位差φ之间的关系的曲线图。
具体实施方式
图1是示出了用作电力转换装置的实施方式的电源装置101的配置的示例的框图。例如，电源装置101是包括电源电路10、控制单元50和传感器单元70的电源***。
例如，电源装置101包括连接有初级侧高压***负载61a的第一输入/输出端口60a、以及连接有初级侧低压***负载61c和初级侧低压***电源62c的第二输入/输出端口60c作为初级侧端口。初级侧低压***电源62c为初级侧低压***负载61c供电，初级侧低压***负载61c由与初级侧低压***电源62c相同的电压***（例如，12V***）操作。此外，初级侧低压***电源62c向初级侧高压***负载61a供给由设置在电源电路10中的初级侧转换电路20升压的电力，初级侧高压***负载61a由与初级侧低压***电源62c不同的电压***（例如，相比12V***而言较高的48V***）操作。可以引用二次电池如铅电池作为初级侧低压***电源62c的具体示例。
例如，电源装置101包括连接有次级侧高压***负载61b和次级侧高压***电源62b的第三输入/输出端口60b、以及连接有次级侧低压***负载61d的第四输入/输出端口60d作为次级侧端口。次级侧高压***电源62b为次级侧高压***负载61b供电，次级侧高压***负载61b由与次级侧高压***电源62b相同的电压***（例如，相比12V***和48V***而言较高的288V***）操作。此外，次级侧高压***电源62b向次级侧低压***负载61d供给由设置在电源电路10中的次级侧转换电路30降压的电力，次级侧低压***负载61d由与次级侧高压***电源62b不同的电压***（例如，相比288V***而言较低的72V***）操作。可以引用二次电池如锂离子电池作为次级侧高压***电源62b的具体示例。
电源电路10是如下电力转换电路：其包括上述四个输入/输出端口，并且具有从四个输入/输出端口中选择两个期望的输入/输出端口并且在两个所选择的输入/输出端口之间进行电力转换的功能。
电力Pa、Pc、Pb和Pd分别是第一输入/输出端口60a、第二输入/输出端口60c、第三输入/输出端口60b和第四输入/输出端口60d的输入/输出电力（输入电力或输出电力）。电压Va、Vc、Vb和Vd分别是第一输入/输出端口60a、第二输入/输出端口60c、第三输入/输出端口60b和第四输入/输出端口60d的输入/输出电压（输入电压或输出电压）。电流Ia、Ic、Ib和Id分别是第一输入/输出端口60a、第二输入/输出端口60c、第三输入/输出端口60b和第四输入/输出端口60d的输入/输出电流（输入电流或输出电流）。
电源电路10包括设置在第一输入/输出端口60a中的电容器C1、设置在第二输入/输出端口60c中的电容器C3、设置在第三输入/输出端口60b中的电容器C2、设置在第四输入/输出端口60d中的电容器C4。可以引用薄膜电容器、铝电解电容器、陶瓷电容器、聚合物电解电容器等作为电容器C1、C2、C3和C4的具体示例。
电容器C1***在第一输入/输出端口60a的高电势侧端子613与第一输入/输出端口60a和第二输入/输出端口60c的低电势侧端子614之间。电容器C3***在第二输入/输出端口60c的高电势侧端子616与第一输入/输出端口60a和第二输入/输出端口60c的低电势侧端子614之间。电容器C2***在第三输入/输出端口60b的高电势侧端子618与第三输入/输出端口60b和第四输入/输出端口60d的低电势侧端子620之间。电容器C4***在第四输入/输出端口60d的高电势侧端子622与第三输入/输出端口60b和第四输入/输出端口60d的低电势侧端子620之间。
电容器C1、C2、C3和C4可以设置在电源电路10的内部或外部。
电源电路10是被配置成包括初级侧转换电路20和次级侧转换电路30的电力转换电路。注意，初级侧转换电路20和次级侧转换电路30通过初级侧磁耦接电抗器204和次级侧磁耦接电抗器304连接，并且由变压器400（中心抽头变压器）磁耦接。
初级侧转换电路20是被配置成包括初级侧全桥电路200、第一输入/输出端口60a和第二输入/输出端口60c的初级侧电路。初级侧全桥电路200是被配置成包括变压器400的初级侧线圈202、初级侧磁耦接电抗器204、初级侧第一上臂U1、初级侧第一下臂/U1、初级侧第二上臂V1和初级侧第二下臂/V1的初级侧电力转换单元。在此，初级侧第一上臂U1、初级侧第一下臂/U1、初级侧第二上臂V1和初级侧第二下臂/V1由分别被配置成包括例如N沟道型金属氧化物半导体场效应管（MOSFET）和用作MOSFET的寄生元件的体二极管的开关元件构成。另外的二极管可以并联连接至MOSFET。
初级侧全桥电路200包括连接至第一输入/输出端口60a的高电势侧端子613的初级侧正电极总线298、以及连接至第一输入/输出端口60a和第二输入/输出端口60c的低电势侧端子614的初级侧负电极总线299。
将初级侧第一上臂U1和初级侧第一下臂/U1串联连接的初级侧第一臂电路207附接在初级侧正电极总线298与初级侧负电极总线299之间。初级侧第一臂电路207是能够通过将初级侧第一上臂U1和初级侧第一下臂/U1接通或关断来进行电力转换操作的初级侧第一电力转换电路单元（初级侧U相电力转换电路单元）。此外，将初级侧第二上臂V1和初级侧第二下臂/V1串联连接的初级侧第二臂电路211与初级侧第一臂电路207并联附接在初级侧正电极总线298与次级侧负电极总线299之间。初级侧第二臂电路211是能够通过将初级侧第二上臂V1和初级侧第二下臂/V1接通或关断来进行电力转换操作的初级侧第二电力转换电路单元（初级侧V相电力转换电路单元）。
初级侧线圈202和初级侧磁耦接电抗器204设置在将初级侧第一臂电路207的中点207m连接至初级侧第二臂电路211的中点211m的桥部分中。为了更详细地描述与桥部分的连接关系，初级侧磁耦接电抗器204的初级侧第一电抗器204a的一端连接至初级侧第一臂电路207的中点207m，并且初级侧线圈202的一端连接至初级侧第一电抗器204a的另一端。此外，初级侧磁耦接电抗器204的初级侧第二电抗器204b的一端连接至初级侧线圈202的另一端，并且初级侧第二电抗器204b的另一端连接至初级侧第二臂电路211的中点211m。注意，初级侧磁耦接电抗器204被配置成包括初级侧第一电抗器204a和初级侧第二电抗器204b，初级侧第二电抗器204b以耦接系数k1磁耦接至初级侧第一电抗器204a。
中点207m是初级侧第一上臂U1与初级侧第一下臂/U1之间的初级侧第一中间节点，以及中点211m是初级侧第二上臂V1与初级侧第二下臂/V1之间的初级侧第二中间节点。
第一输入/输出端口60a是设置在初级侧正电极总线298与初级侧负电极总线299之间的端口。第一输入/输出端口60a被配置成包括端子613和端子614。第二输入/输出端口60c是设置在初级侧负电极总线299与初级侧线圈202的中心抽头202m之间的端口。第二输入/输出端口60c被配置成包括端子614和端子616。
中心抽头202m连接至第二输入/输出端口60c的高电势侧端子616。中心抽头202m是构成初级侧线圈202的初级侧第一绕组202a与初级侧第二绕组202b之间的中间连接点。
次级侧转换电路30是被配置成包括次级侧全桥电路300、第三输入/输出端口60b和第四输入/输出端口60d的次级侧电路。次级侧全桥电路300是被配置成包括变压器400的次级侧线圈302、次级侧磁耦接电抗器304、次级侧第一上臂U2、次级侧第一下臂/U2、次级侧第二上臂V2和次级侧第二下臂/V2的次级侧电力转换单元。在此，次级侧第一上臂U2、次级侧第一下臂/U2、次级侧第二上臂V2和次级侧第二下臂/V2由分别被配置成包括例如N沟道型MOSFET和用作MOSFET的寄生元件的体二极管的开关元件构成。另外的二极管可以并联连接至MOSFET。
次级侧全桥电路300包括连接至第三输入/输出端口60b的高电势侧端子618的次级侧正电极总线398、以及连接至第三输入/输出端口60b和第四输入/输出端口60d的低电势侧端子620的次级侧负电极总线399。
将次级侧第一上臂U2和次级侧第一下臂/U2串联连接的次级侧第一臂电路307附接在次级侧正电极总线398与次级侧负电极总线399之间。次级侧第一臂电路307是能够通过将次级侧第一上臂U2和次级侧第一下臂/U2接通或关断来进行电力转换操作的次级侧第一电力转换电路单元（次级侧U相电力转换电路单元）。此外，将次级侧第二上臂V2和次级侧第二下臂/V2串联连接的次级侧第二臂电路311与次级侧第一臂电路307并联附接在次级侧正电极总线398与次级侧负电极总线399之间。次级侧第二臂电路311是能够通过将次级侧第二上臂V2和次级侧第二下臂/V2接通或关断来进行电力转换操作的次级侧第二电力转换电路单元（次级侧V相电力转换电路单元）。
次级侧线圈302和次级侧磁耦接电抗器304被设置在将次级侧第一臂电路307的中点307m连接至次级侧第二臂电路311的中点311m的桥部分中。为了更详细地描述与桥部分的连接关系，次级侧磁耦接电抗器304的次级侧第一电抗器304a的一端连接至次级侧第一臂电路307的中点307m，并且次级侧线圈302的一端连接至次级侧第一电抗器304a的另一端。此外，次级侧磁耦接电抗器304的次级侧第二电抗器304b的一端连接至次级侧线圈302的另一端，并且次级侧第二电抗器304b的另一端连接至次级侧第二臂电路311的中点311m。注意，次级侧磁耦接电抗器304被配置成包括次级侧第一电抗器304a和次级侧第二电抗器304b，次级侧第二电抗器304b通过耦接系数k2磁耦接至次级侧第一电抗器304a。
中点307m是次级侧第一上臂U2与次级侧第一下臂/U2之间的次级侧第一中间节点，以及中点311m是次级侧第二上臂V2与次级侧第二下臂/V2之间的次级侧第二中间节点。
第三输入/输出端口60b是设置在次级侧正电极总线398与次级侧负电极总线399之间的端口。第三输入/输出端口60b被配置成包括端子618和端子620。第四输入/输出端口60d是设置在次级侧负电极总线399与次级侧线圈302的中心抽头302m之间的端口。第四输入/输出端口60d被配置成包括端子620和端子622。
中心抽头302m连接至第四输入/输出端口60d的高电势侧端子622。中心抽头302m是构成次级侧线圈302的次级侧第一绕组302a与次级侧第二绕组302b之间的中间连接点。
在图1中，电源装置101包括传感器单元70。传感器单元70用作如下检测装置：该检测装置以预定的检测周期间隔检测第一至第四输入/输出端口60a、60c、60b、60d中至少之一的输入/输出值Y、并且将与所检测到的输入/输出值Y对应的检测值Yd输出至控制单元50。检测值Yd可以是通过检测输入/输出电压所获得的检测电压、通过检测输入/输出电流所获得的检测电流、或通过检测输入/或输入电力所获得的检测电力。传感器单元70可以设置在电源电路10的内部或外部。
传感器单元70包括例如对在第一至第四输入/输出端口60a、60c、60b、60d中至少之一中所生成的输入/输出电压进行检测的电压检测单元。例如，传感器单元70包括将输入/输出电压Va和输入/输出电压Vc中的至少一个检测电压输出作为初级侧电压检测值的初级侧电压检测单元、以及将输入/输出电压Vb和输入/输出电压Vd中的至少一个检测电压输出作为次级侧电压检测值的次级侧电压检测单元。
传感器单元70的电压检测单元包括例如对至少一个端口的输入/输出电压值进行监视的电压传感器、以及将与由电压传感器监视的输入/输出电压值对应的检测电压输出至控制单元50的电压检测电路。
传感器单元70包括例如对流经第一至第四端口60a、60c、60b、60d中至少之一的输入/输出电流进行检测的电流检测单元。例如，传感器单元70包括将输入/输出电流Ia和输入/输出电流Ic中的至少一个检测电流输出作为初级侧电流检测值的初级侧电流检测单元、以及将输入/输出单元Ib和输入/输出电流Id中的至少一个检测电流输出作为次级侧电流检测值的次级侧电流检测单元。
传感器单元70的电流检测单元包括例如对至少一个端口的输入/输出电流值进行监视的电流传感器、以及将与由电流传感器监视的输入/输出电流值对应的检测电流输出至控制单元50的电流检测电路。
电源装置101包括控制单元50。例如，控制单元50是包括具有内置的中央处理单元（CPU）的微型计算机的电子电路。控制单元50可以设置在电源电路10的内部或外部。
控制单元50反馈控制由电源电路10进行的电力转换操作，使得第一至第四输入/输出端口60a、60c、60b、60d中至少之一的输入/输出值Y的检测值Yd收敛于端口中设定的目标值Yo。例如，目标值Yo是由控制单元50或除了控制单元以外的预定装置基于关于连接至输入/输出端口的相应负载（例如，初级侧低压***负载61c等）所定义的驱动条件设定的命令值。当从端口输出电力时，目标值Yo用作输出目标值，而当将电力输入至端口时，目标值Yo用作输入目标值，并且目标值Yo可以是目标电压值、目标电流值或目标电力值。
此外，控制单元50反馈控制由电源电路10进行的电力转换操作，使得通过变压器400在初级侧转换电路20与次级侧转换电路30之间传送的传送电力P收敛于设定的目标传送电力Po。传送电力也可以称为电力传送量。例如，目标传送电力Po是由控制单元50或除了控制单元50以外的预定装置基于端口中的一个端口的检测值Yd与目标值Yo之间的偏差设定的命令值。
控制单元50通过改变预定控制参数X的值来反馈控制由电源电路10进行的电力转换操作，从而能够调整电源电路10的第一至第四输入/输出端口60a、60c、60b、60d的相应输入/输出值Y。两个控制变量，即，相位差φ和占空比D（接通时间δ）用作主要的控制参数X。
相位差φ是初级侧全桥电路200和次级侧全桥电路300的同相电力转换电路单元的切换时序之间的偏差（时滞）。占空比D（接通时间δ）是构成初级侧全桥电路200和次级侧全桥电路300的相应电力转换电路单元的切换波形之间的占空比（接通时间）。
可以彼此独立地控制两个控制参数X。控制单元50通过使用相位差φ和占空比D（接通时间δ）对初级侧全桥电路200和次级侧全桥电路300进行占空比控制和/或相位控制，改变电源电路10的相应输入/输出端口的输入/输出值Y。
图2是控制单元50的框图。控制单元50是具有对初级侧转换电路20的相应开关元件如初级侧第一上臂U1以及次级侧转换电路30的相应开关元件如次级侧第一上臂U2进行切换控制的功能的控制单元。控制单元50被配置成包括电力转换模式确定处理单元502、相位差φ确定处理单元504、接通时间δ确定处理单元506、初级侧切换处理单元508以及次级侧切换处理单元510。例如，控制单元50是包括具有内置的CPU的微型计算机的电子电路。
例如，电力转换模式确定处理单元502如下面所描述的基于预定外部信号（例如，表示端口中一个端口的检测值Yd与目标值Yo之间的偏差的信号），从电源电路10的电力转换模式A至L中选择和设置操作模式。至于电力转换模式，在模式A下，将来自第一输入/输出端口60a的电力输入转换和输出至第二输入/输出端口60c。在模式B下，将来自第一输入/输出端口60a的电力输入转换和输出至第三输入/输出端口60b。在模式C下，将来自第一输入/输出端口60a的电力输入转换和输出至第四输入/输出端口60d。
在模式D下，将来自第二输入/输出端口60c的电力输入转换和输出至第一输入/输出端口60a。在模式E下，将来自第二输入/输出端口60c的电力输入转换和输出至第三输入/输出端口60b。在模式F下，将来自第二输入/输出端口60c的电力输入转换和输出至第四输入/输出端口60d。
在模式G下，将来自第三输入/输出端口60b的电力输入转换和输出至第一输入/输出端口60a。在模式H下，将来自第三输入/输出端口60b的电力输入转换和输出至第二输入/输出端口60c。在模式I中，将来自第三输入/输出端口60b的电力输入转换和输出至第四输入/输出端口60d。
在模式J下，将来自第四输入/输出端口60d的电力输入转换和输出至第一输入/输出端口60a。在模式K下，将来自第四输入/输出端口60d的电力输入转换和输出至第二输入/输出端口60c。在模式L下，将来自第四输入/输出端口60d的电力输入转换和输出至第三输入/输出端口60b。
相位差φ确定处理单元504具有对初级侧转换电路20与次级侧转换电路30之间的开关元件的切换周期运动之间的相位差φ进行设定的功能，以便使电源电路10用作直流-直流（DC-DC）转换器电路。
接通时间δ确定处理单元506具有对初级侧转换电路20和次级侧转换电路30的开关元件的接通时间δ进行设定的功能，以便使初级侧转换电路20和次级侧转换电路30分别用作升压电路/降压电路。
初级侧切换处理单元508具有基于电力转换模式确定处理单元502、相位差φ确定处理单元504和接通时间δ确定处理单元506的输出，对由初级侧第一上臂U1、初级侧第一下臂/U1、初级侧第二上臂V1、初级侧第二下臂/V1构成的相应开关元件进行切换控制的功能。
次级侧切换处理单元510具有基于电力转换模式确定处理单元502、相位差φ确定处理单元504和接通时间δ确定处理单元506的输出，对由次级侧第一上臂U2、次级侧第一下臂/U2、次级侧第二上臂V2、次级侧第二下臂/V2构成的相应开关元件进行切换控制的功能。
现将使用图1和图2描述具有上述配置的电源装置101的操作。当输入例如请求将电源电路10的电力转换模式设定为模式F的操作的外部信号时，控制单元50的电力转换模式确定处理单元502将电源电路10的电力转换模式设定成模式F。此时，输入到第二输入/输出端口60c的电压由初级侧转换电路20的升压功能升压，于是具有升压电压的电力通过电源电路10的DC-DC转换器电路功能被传送至第三输入/输出端口60b侧，由次级侧转换电路30的降压功能降压，然后从第四输入/输出端口60d输出。
在此，将详细描述初级侧转换电路20的升压/降压功能。集中在第二输入/输出端口60c和第一输入/输出端口60a，第二输入/输出端口60c的端子616通过初级侧第一绕组202a和串联连接至初级侧第一绕组202a的初级侧第一电抗器204a连接至初级侧第一臂电路207的中点207m。初级侧第一臂电路207的相应端连接至第一输入/输出端口60a，因此，升压/降压电路附接在第二输入/输出端口60c的端子616与第一输入/输出端口60a之间。
第二输入/输出端口60c的端子616也通过初级侧第二绕组202b和串联连接至初级侧二次绕组202b的初级侧第二电抗器204b连接至初级侧第二臂电路211的中点211m。初级侧第二臂电路209的相应端连接至第一输入/输出端口60a，因此，升压/降压电路并联附接在第二输入/输出端口60c的端子616与第一输入/输出端口60a之间。注意，由于次级侧转换电路30是具有与初级侧转换电路20基本上相同的配置的电路，所以两个升压/降压电路同样并联连接在第四输入/输出端口60d的端子622与第三输入/输出端口60b之间。因此，次级侧转换电路30具有与初级侧转换电路20相同的升压/降压功能。
接下来，将详细描述作为DC-DC转换器电路的电源电路10的功能。集中在第一输入/输出端口60a和第三输入/输出端口60b，初级侧全桥电路200连接至第一输入/输出端口60a，以及次级侧全桥电路300连接至第三输入/输出端口60b。当设置在初级侧全桥电路200的桥部分中的初级侧线圈202以及设置在次级侧全桥电路300的桥部分中的次级侧线圈302以耦接系数kT磁耦接时，变压器400用作具有绕组数量1:N的中心抽头变压器。因此，通过调整初级侧全桥电路200和次级侧全桥电路300中的开关元件的切换周期运动之间的相位差φ，输入至第一输入/输出端口60a的电力可以被转换和传送至第二输入/输出端口60b，或输入至第三输入/输出端口60b的电力可以被转换和传送至第一输入/输出端口60a。
图3是示出了由通过控制单元50进行的控制引起的设置在电源电路10中的相应臂的接通/关断切换波形的时序图的视图。在图3中，U1是初级侧第一上臂U1的接通/关断波形，V1是初级侧第二上臂V1的接通/关断波形，U2是次级侧第一上臂U2的接通/关断波形，以及V2是次级侧第二上臂V2的接通/关断波形。初级侧第一下臂/U1、初级侧第二下臂/V1、次级侧第一下臂/U2以及次级侧第二下臂/V2的接通/关断波形是通过分别将初级侧第一上臂U1、初级侧第二上臂V1、次级侧第一上臂U2以及次级侧第二上臂V2的接通/关断波形倒置所获得的倒置波形（未示出）。注意，死区时间优选地设置在上臂和下臂的相应接通/关断波形之间，以防止当上臂和下臂均接通时流经电流。此外，在图3中，高电平表示接通条件，而低电平表示关断条件。
在此，通过修改U1、V1、U2和V2的相应接通时间δ，可以修改初级侧转换电路20和次级侧转换电路30的升压/降压比率。例如，通过使U1、V1、U2和V2的相应接通时间δ彼此相等，可以使初级侧转换电路20的升压/降压比率等于次级侧转换电路30的升压/降压比率。
接通时间δ确定处理单元506使U1、V1、U2和V2的相应接通时间δ彼此相等（相应接通时间δ=初级侧接通时间δ1=次级侧接通时间δ2=时间值α），使得初级侧转换电路20和次级侧转换电路30的相应升压/降压比率彼此相等。
初级侧转换电路20的升压/降压比率由占空比D确定，该占空比D是接通时间δ占据构成初级侧全桥电路200的开关元件（臂）的切换周期T的比例。类似地，次级侧转换电路30的升压/降压比率由占空比D确定，该占空比D是接通时间δ占据构成次级侧全桥电路300的开关元件（臂）的切换周期T的比例。初级侧转换电路20的升压/降压比率是第一输入/输出端口60a与第二输入/输出端口60c之间的变换比率，而次级侧转换电路30的升压/降压比率是第三输入/输出端口60b与第四输入/输出端口60d之间的变换比率。
因此，例如，
初级侧转换电路20的升压/降压比率
=第二输入/输出端口60c的电压/第一输入/输出端口60a的电压
=δ1/T=α/T，以及
次级侧转换电路30的升压/降压比率
=第四输入/输出端口60d的电压/第三输入/输出端口60b的电压
=δ2/T=α/T。
换句话说，初级侧转换电路20和次级侧转换电路30的相应升压/降压比率取相同的值（=α/T）。
注意，图3中的接通时间表示初级侧第一上臂U1和初级侧第二上臂V1的接通时间δ1以及次级侧第一上臂U2和次级侧第二上臂V2的接通时间δ2。此外，构成初级侧全桥电路200的臂的切换周期T以及构成次级侧全桥电路300的臂的切换周期T是相等的时间。
此外，U1与V1之间的相位差在180度（π）处被激活，并且U2与V2之间的相位差同样也在180度（π）处被激活。而且，通过改变U1与U2之间的相位差φ，可以调整初级侧转换电路20与次级侧转换电路30之间的电力传送量P，使得：当相位差φ＞0时，可以将电力从初级侧转换电路20传送至次级侧转换电路30，而当相位差φ＜0时，可以将电力从次级侧转换电路30传送至初级侧转换电路20。
相位差φ是初级侧全桥电路200和次级侧全桥电路300的同相电力转换电路单元的切换时序之间的偏差（时滞）。例如，相位差φ是初级侧第一臂电路207和次级侧第一臂电路307的切换时序之间的偏差，以及初级侧第二臂电路211和次级侧第二臂电路311的切换时序之间的偏差。这些偏差被控制成彼此相等。换句话说，U1与U2之间的相位差φ以及V1与V2之间的相位差φ被控制成相同值。
因此，当输入例如请求将电源电路10的电力转换模式设定成模式F的外部信号时，电力转换模式确定处理单元502选择和设置模式F。然后接通时间δ确定处理单元506设定接通时间δ，以定义当使初级侧转换电路20用作将输入到第二输入/输出端口60c的电压升压并且将升压的电压输出至第一输入/输出端口60a的升压电路所需要的升压比率。注意，次级侧转换电路30用作以根据由接通时间δ确定处理单元506设定的接通时间δ所定义的降压比率、将输入至第三输入/输出端口60b的电压降压并且将降压的电压输出至第四输入/输出端口60d的降压电路。此外，相位差φ确定处理单元504设定相位差φ，使得输入至第一输入/输出端口60a的电力以所期望的电力传送量P被传送至第三输入/输出端口60b。
初级侧切换处理单元508对由初级侧第一上臂U1、初级侧第一下臂/U1、初级侧第二上臂V1和初级侧第二下臂/V1构成的相应开关元件进行切换控制，以使初级侧转换电路20用作升压电路并且使初级侧转换电路20用作DC-DC转换器电路的一部分。
次级侧切换处理单元510对由次级侧第一上臂U2、次级侧第一下臂/U2、次级侧第二上臂V2和次级侧第二下臂/V2构成的相应开关元件进行切换控制，以使次级侧转换电路30用作降压电路并且使次级侧转换电路30用作DC-DC转换器电路的一部分。
如上所述，可以使初级侧转换电路20和次级侧转换电路30用作升压电路或降压电路，并且可以使电源电路10用作双向DC-DC转换器电路。因此，可以在所有电力转换模式A至L下进行电力转换，或者换句话说，可以在从四个输入/输出端口中选择的两个输入/输出端口之间进行电力转换。
由控制单元50根据相位差φ调整的传送电力P（也称为电力传送量P）是从初级侧转换电路20和次级侧转换电路30中的一个转换电路通过变压器400传送至另一转换电路的电力，并且表示为：
P＝(N×Va×Vb)/(π×ω×L)×F(D,φ) （等式1）
注意，N是变压器400的绕组比率，Va是第一输入/输出端口60a的输入/输出电压，Vb是第三输入/输出端口60b的输入/输出电压，π是圆周率，ω（=2π×f=2π/T）是初级侧转换电路20和次级侧转换电路30的切换操作的角频率，f是初级侧转换电路20和次级侧转换电路30的切换的频率，T是初级侧转换电路20和次级侧转换电路30的切换周期，L是与电力传送有关的磁耦接电抗器204、304和变压器400的等效电感，以及F(D,φ)是使占空比D和相位差φ作为变量的函数并且是当相位差φ增大时独立于占空比D单调增大的变量。
可以关于连接至初级侧磁耦接电抗器204和/或次级侧磁耦接电抗器304的变压器400的简化等效电路来定义等效电感L。等效电感L是通过在简化等效电路中将初级侧磁耦接电抗器204的泄漏电感和/或次级侧磁耦接电抗器的泄漏电感与变压器400的泄漏电感组合所获得的组合电感。
例如，从次级侧变换电路30测量的等效电感L（次级侧重新计算值LEQ2）可以表示为：
LEQ2＝2L1(1-k1)N2+2L2(1-k2)+LT2(1-kT 2)（等式2）
L1是初级侧磁耦接电抗器204的自感，k1是初级侧磁耦接电抗器204的耦接系数，N是变压器400的绕组比率，L2是次级侧磁耦接电抗器304的自感，k2是次级侧磁耦接电抗器304的耦接系数，LT2是变压器400的次级侧的激励电感，以及kT是变压器400的耦接系数。当没有使用第二输入/输出端口60c或第四输入/输出端口60d时，可以没有由等式2中的第一项或第二项表示的泄漏电感。
然而，由于变压器400或磁耦接电抗器204、304的磁芯材料和绕组线的尺寸公差相当大，所以存在耦接系数k1、k2、kT和自感的大的散布。因此，在等效电感L中也可以出现大的散布。等效电感L的散布产生传送电力P的大的散布。
因此，例如，控制单元50或检验装置（图中未示出）根据等效电感L的值来调整角频率ω（换句话说，频率f）。从而，可以抑制由等效电感L的散布导致的传送电力P的变化。
例如，检验装置可以是在包括在制造电源装置101或电源电路10的过程中的检验步骤中所使用的装置，或可以是当从工厂出货之后实际使用电源装置101时（例如，当安装在车辆上时）所使用的装置（例如，异常检测工具）。
如根据等式1，传送电力P与等效电感L成反比，并且也与角频率ω成反比。因此，当等效电感L的值增大时，通过将角频率ω调整到较低的值来减小传送电力P的变化。相反，当等效电感L的值减小时，通过将角频率ω调整大较高的值来减小传送电力P的变化。
因此，例如，控制单元50或检验装置可以通过调整角频率ω使得角频率ω与等效电感L的乘积（=ω×L）落入预定的基准范围内，抑制传送电力P的变化。换句话说，控制单元50或检验装置可以通过调整频率f使得频率f与等效电感L的乘积（=f×L）落入预定的基准范围内，抑制传送电力P的变化。从而，通过调整角频率ω（频率f）来消除等效电感L的散布。
图4是示出了用于校正传送电力P的方法的流程图的示例。该校正方法可以由包括在制造电源装置101或电源电路10的过程中的检验步骤中的检验装置来实现，或可以由控制单元50或检验装置如电源装置101的实际使用环境（例如，当安装在车辆上时）中的异常检验工具来实现。
步骤S10是检验装置或控制单元50测量等效电感L的测量步骤。例如，可以通过对连接至初级侧磁耦接电抗器204和/或次级侧磁耦接电抗器304的变压器400的简化等效电路中流动的电流的斜率与施加到简化等效电路的电压进行检测，测量（估计）等效电感L。
例如，在图1中，检验装置或控制单元50可以基于当初级侧第一下臂/U1、初级侧第二下臂/V1、次级侧第一下臂/U2以及次级侧第二下臂/V2接通时所检测的输入电流Ib的斜率与输入电压Vb的值来计算和估计等效电感L。可替代地，检验装置或控制单元50可以基于当初级侧第一下臂/U1、初级侧第二下臂/V1、次级侧第二下臂/V2以及次级侧第一下臂/U2接通时所检测的输入电流Ib的斜率与输入电压Vb的值来计算和估计等效电感L。
当初级侧第一下臂/U1和初级侧第二下臂/V1接通时，变压器400的初级侧线圈202与初级侧磁耦接电抗器204的串联电路短路。可以在该短路状态下由传感器单元70检测输入电流Ib的斜率与输入电压Vb的值。
检验装置或控制单元50也可以基于当次级侧第一下臂/U2、次级侧第二下臂/V2、初级侧第一下臂/U1以及初级侧第二下臂/V1接通时所检测的输入电流Ia的斜率与输入电压Va的值来计算和估计等效电感L。可替代地，检验装置或控制单元50可以基于当次级侧第一下臂/U2、次级侧第二下臂/V2、初级侧第二下臂/V1以及初级侧第一下臂/U1接通时所检测的输入电流Ia的斜率与输入电压Va的值来计算和估计等效电感L。
当次级侧第一下臂/U2和次级侧第二下臂/V2接通时，变压器400的次级侧线圈302与次级侧磁耦接电抗器304的串联电路短路。可以在该短路状态下由传感器单元70检测输入电流Ia的斜率与输入电压Va的值。
图4中的步骤S20是检验装置或控制单元50确定在步骤S10中获得的等效电感L的测量值与预定的基准值Lo之间的幅值关系的确定步骤。例如，检验装置通过确定在步骤S10中获得的等效电感L的测量值是否小于基准值Lo来检测在等效电感L的测量值与基准值Lo之间是否存在差异。同时，控制单元50通过确定在步骤S10中获得的等效电感L的测量值是否小于基准值Lo来检测等效电感L是否已经相对于基准值Lo变化。
基准值Lo是例如等效电感L的设定值。基准值Lo不一定是固定值，并且可以是指定上限允许值与下限允许值之间的允许范围的值。基准值Lo可以预先存储在预定的存储装置中以由检验装置或控制单元50可读。
步骤S30和S40是在其中检验装置或控制单元50根据等效电感L的测量值来调整角频率ω的调整步骤。当确定等效电感L的测量值小于基准值Lo时，检验装置或控制单元50以增大的方向调整角频率ω，使得“ω×L”匹配预定的基准范围内的固定值（步骤S30）。相反，当确定等效电感L的测量值大于基准值Lo时，检验装置或控制单元50以减小的方向调整角频率ω，使得“ω×L”匹配预定的基准范围内的固定值（步骤S40）。
不言而喻，当等效电感L的测量值匹配基准值Lo时，检验装置或控制单元50不进行角频率ω的调整。
此外，在步骤S30和S40中，控制单元50可以调整角频率ω使得传送电力P收敛于目标传送电力Po。因此，传送电力P可以以良好的精确度收敛于目标传送电力Po。
步骤S50是如下存储步骤：在其中控制单元50或检验装置将步骤S30或S40中调整的角频率ω存储在控制单元50中配置的存储单元（例如，易失性存储器或非易失性存储器）中。控制单元50通过根据反映已经存储在存储单元中的、调整之后的角频率ω的等式1改变相位差φ来调整传送电力P。因此，可以通过即使当存在等效电感L的散布时也调整角频率ω来校正传送电力P。
例如，即使当等效电感L由于部件如变压器400之间的电感的散布而预先偏离基准值Lo时，检验装置可以通过在从工厂中出货之前调整角频率ω来抑制电源电路10之间的传送电力P的散布。此外，例如，其中，之后等效电感L由于在环境温度的影响下随着时间恶化偏离基准值Lo，控制单元50或检验装置如异常检验工具可以通过在实际的使用环境中周期性地调整角频率ω来抑制传送电力P的最终变化。
图5是示出了传送电力P与相位差φ之间的关系的曲线图。如根据等式1，传送电力P随着相位差φ的增大而单调增大。电力曲线a、b、c、d表示当角频率ω固定至预定值时、传送电力P相对于相位差φ的变化。电力曲线a、d表示校正之前的传送电力P的变化，而b、c表示校正之后的传送电力P的变化。
检验装置或控制单元50当相位差φ匹配预定值时，调整角频率ω，使得传送电力P收敛于预定的电力范围内的固定值。因此，在某个相位差φ处的实际的传送电力P与在该相位差φ处应当传送的电力之间的差异可以被降低。例如，检验装置或控制单元50当相位差φ与可以由相位差φ取得的上限值φmax匹配时，调整频率ω，使得传送电力P收敛于预定的电力范围（从P1至P2）内的固定值。当相位差φ与上限值φmax匹配时，传送电力P取得其最大值Pmax。
在电源电路10中，从初级侧转换电路20与次级侧转换电路之间的电力转换效率的观点来确定可以由相位差φ取得的上限值φmax。当相位差φ匹配上限值φmax时，即使当等效电感L大于基准值Lo时，传送电力P也应当等于或大于目标传送电力Po取得的范围的极限值P1（电源装置101所需要的最大电力）。
因此，当在相位差φ与上限值φmax匹配的情况下检测到传送电力P小于临界值P1（电力曲线d）时，检验装置或控制单元50以减小的方向调整角频率ω，使得传送电力P等于或大于临界值P1。因此，传送电力P的最大值Pmax可以被校正成等于或大于临界值P1的值。可以在例如图4的步骤S40中进行该调整。
同时，校正之前的电力曲线a表示等效电感L小于基准值Lo的情况。在校正之前的电力曲线a的情况下，传送电力P的最大值Pmax也等于或大于临界值P1，但传送电力P相对于相位差φ的变化率大。因此，由于即使相位差φ的小的变化显著改变传送电力P，则在输入/输出端口中纹波电流容易增大，并且传送电力P相对于相位差φ的控制分辨率（调整宽度）也容易增大。
因此，当在相位差φ与上限值φmax匹配的情况下检测到传送电力P超过临界值P2（＞P1）时，检验装置或控制单元50以增大的方向调整角频率ω，使得传送电力P变得等于或小于临界值P2。因此，传送电力P的最大值Pmax可以被校正成等于或小于临界值P2的值。可以在例如图4的步骤S30中进行该调整。
从而，检验装置或控制单元50可以通过调整角频率ω，使传送电力P的最大值Pmax收敛于电力范围（从P1到P2）内的固定值。此外，检验装置或控制单元50可以通过调整角频率ω，使传送电力P相对于相位差φ的变化率收敛于预定的变化率范围内的恒定值。
通过这样校正传送电力P，可以防止由于等效电感L的散布、根据相位差φ调整的传送电力P低于或高于目标传送电力Po。此外，输入/输出端口中的纹波电流可以被减小，并且传送电力P相对于相位差φ的控制分辨率（调整宽度）也可以被降低。
传送电力P及其变化率可以基于例如从传感器单元70或另一传感器单元输出的检测值Yd（更具体地，从初级侧电压检测单元、初级侧电流检测单元、次级侧电压检测单元和次级侧电流检测单元输出的检测值）来估计。例如，检验装置或控制单元50可以通过考虑将从检测值Yd获得的输入电力或输出电力作为传送电力P来调整每个频率ω，或可以通过使用根据从检测值Yd获得的输入电力或输出电力估计的传送电力P来调整每个频率ω。
上面描述了电力转换装置和电力校正方法的实施方式，但本发明不限于上述实施方式，而是在本发明的范围内可以实现各种实施方式和改进如使用另外的实施方式部分地或全部地组合或代替上述实施方式。
例如，在上述实施方式中，引用经受接通/关断操作的半导体元件的MOSFET作为开关元件的示例。然而，开关元件可以是使用绝缘栅的电压控制型电力元件例如诸如绝缘栅双极型晶体管（IGBT）或MOSFET或双极型晶体管。
此外，电源可以连接至第一输入/输出端口60a，以及电源可以连接至第四输入/输出端口60d。而且，电源不需要连接至第二输入/输出端口60c，以及电源不需要连接至第三输入/输出端口60b。
Claims (9)
1.一种电力转换装置，包括：
初级侧电路(20)；
次级侧电路(30)，其通过电抗器(204，304)连接至所述初级侧电路(20)、并且通过变压器(400)磁耦接至所述初级侧电路(20)；以及
控制单元(50)，其通过改变所述初级侧电路(20)的切换与所述次级侧电路(30)的切换之间的相位差，调整在所述初级侧电路(20)与所述次级侧电路(30)之间传送的电力，其中，所述控制单元(50)根据所述电抗器(204，304)和所述变压器(400)的等效电感的值，调整所述初级侧电路(20)和所述次级侧电路(30)的切换的频率，
其中，当所述等效电感小于基准值时，所述控制单元(50)增大所述频率，而当所述等效电感大于所述基准值时，所述控制单元(50)减小所述频率。
2.根据权利要求1所述的电力转换装置，其中，所述控制单元(50)调整所述频率，使得所述频率与所述等效电感的乘积落入基准范围内。
3.根据权利要求1或2所述的电力转换装置，其中，当检测到所述等效电感的变化时，所述控制单元(50)调整所述频率。
4.根据权利要求1所述的电力转换装置，其中，所述控制单元(50)调整所述频率，使得所传送的电力收敛于目标电力。
5.根据权利要求1所述的电力转换装置，其中，当所述相位差为预定值时，所述控制单元(50)调整所述频率，使得所传送的电力落入预定电力范围内。
6.根据权利要求5所述的电力转换装置，其中，所述预定值为所述相位差能够取得的上限值。
7.根据权利要求1所述的电力转换装置，其中，所述控制单元(50)调整所述频率，使得所传送的电力的最大值落入预定电力范围内。
8.根据权利要求1所述的电力转换装置，其中，所述控制单元(50)调整所述频率，使得所传送的电力相对于所述相位差的变化率落入预定变化率范围内。
9.一种用于校正电力的电力校正方法，所述电力在初级侧电路(20)与次级侧电路(30)之间传送、并且根据所述初级侧电路(20)的切换与所述次级侧电路(30)的切换之间的相位差被调整，所述次级侧电路(30)通过电抗器(204，304)连接至所述初级侧电路(20)、并且通过变压器(400)磁耦接至所述初级侧电路(20)，所述电力校正方法包括：
测量所述电抗器(204，304)和所述变压器(400)的等效电感；以及
根据所述等效电感的测量值，调整所述初级侧电路(20)和所述次级侧电路(30)的切换的频率，
其中，当所述等效电感小于基准值时，增大所述频率，而当所述等效电感大于所述基准值时，减小所述频率。
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