CN108347167B - 用于软切换dc—dc转换器的***和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了用于直流(DC)—DC转换器的软切换拓扑的***和方法。该***和方法确定电动机的操作状态，并且基于电动机的操作，激活上部或下部第一或第二半导体开关中的至少一个。第一或第二切换电路导电地耦合到功率逆变器电路。该***和方法包括，基于电机的操作状态，将调节后的电压递送到功率转换器电路或电源电路中的一个。

Description

用于软切换DC—DC转换器的***和方法
技术领域
本文描述的主题的实施例涉及用于双向直流(DC)—DC转换器的软切换拓扑。
背景技术
响应于对全球环境保护的增长的关注，混合动力和电动车辆(HEV)近来已经得到广泛应用。混合电动车辆可以将内燃机和电动机结合，该电动机由诸如牵引电池的能量存储设备供电，以推进车辆。这种结合可以通过使内燃机和电动机各自在效率得到提高的相应范围中操作来提高整体燃料效率。电动机例如可以在从立定起动的加速时高效，而内燃机可以在诸如在高速公路驾驶中的恒定发动机操作的持续时间段期间高效。由电动机推进初始加速，允许混合动力车辆中的内燃机更小并和具有更好的燃料效率。
电动车辆使用存储的电能来向电动机提供动力，该电动机驱动车辆并且也可以操作辅助驱动器。纯电动车辆可以使用一个或多个存储电能的源。例如，存储电能的第一源可以用于提供更持久的能量，而存储电能的第二源可以用来提供用于例如加速的更高功率的能量。
HEV包括双向DC—DC转换器。该双向DC—DC转换器在能量存储设备和逆变器之间转换电压。逆变器向电动机提供电力和/或从诸如再生制动的HEV的一个或多个部件接收电力。双向DC—DC转换器调节从能量存储设备到逆变器的电压以向电动机提供功率。另外，DC—DC转换器调节来自逆变器的电压以对电存储设备充电。
然而，到逆变器的输入DC电压必须是被调节和可变的，以便驱动高速、高功率电动机，并且提高逆变器的总体效率和功率密度。因此，所优选的是具有高电压增益的高功率、高效率的双向DC—DC转换器。在HEV常规双向DC—DC转换器中，为了简化目的通常使用硬切换。然而，由于在接通和关断时的切换中所包含的大量能量损失，效率较低。另外，需要高频操作来实现高功率密度，提高动态性能，并且降低声学噪声。硬切换转换器的切换频率由于较高的能量损失和EMI问题而受到限制。因此，需要用于双向DC—DC转换器的软切换拓扑。
发明内容
在实施例中，提供了一种***(例如，用于直流(DC)—DC转换器的软切换***)。***包括第一切换电路，该第一切换电路具有上部第一半导体开关和下部第一半导体开关。***包括第二切换电路，该第二切换电路具有上部第二半导体开关和下部第二半导体开关。该第一和第二切换电路导电地耦合到DC总线。该***包括耦合电路，该耦合电路导电地耦合到第一节点和第二节点。该第一节点***在上部第一半导体开关和下部第一半导体开关之间，并且第二节点***在上部第二半导体开关和下部第二半导体开关之间。***进一步包括电源电路，该电源电路导电地耦合到第一节点。
在实施例中，提供了一种方法(例如，用于软切换直流(DC)—DC转换器)。方法包括确定电动机的操作状态，基于电动机的操作，激活上部或下部第一或第二半导体开关中的至少一个。第一和第二切换电路导电地耦合到功率逆变器电路。方法包括，基于电机的操作状态，将调节后的电压递送到功率逆变器电路或电源电路中的一个。
在实施例中，提供了一种方法。方法包括提供一种具有软切换拓扑的直流(DC)—DC转换器。DC—DC转换器包括第一切换电路，第一切换电路具有上部第一半导体开关和下部第一半导体开关。软切换拓扑包括第二切换电路，该第二切换电路具有上部第二半导体开关和下部第二半导体开关。第一和第二切换电路导电地耦合到功率逆变器电路。软切换拓扑包括耦合电路，该耦合电路导电地耦合到第一节点和第二节点。第一节点***在上部第一半导体开关和下部第一半导体开关之间，并且第二节点***在上部第二半导体开关和下部第二半导体开关之间。DC—DC转换器包括电源电路，电源电路导电地耦合到第一节点。该方法包括：测量电动机的操作状态，基于该电动机的操作状态，激活上部或下部第一或第二半导体开关中的至少一个，并且基于电机的操作状态，将调节后的电压递送到功率逆变器电路或电源电路中的一个。
附图说明
图1示出牵引***的实施例的示意性框图。
图2示出用于双向DC—DC转换器的软切换拓扑的实施例的示意图，该双向DC—DC转换器配置为在不连续传导模式下操作。
图3示出图2所示的双向DC—DC转换器的电波形的实施例的时序图。
图4示出用于双向DC—DC转换器的软切换拓扑的实施例的示意图，该双向DC—DC转换器配置为在连续或不连续传导模式下操作。
图5示出图4所示的双向DC—DC转换器的电波形的实施例的时序图。
图6示出用于交错式DC—DC转换器的软开关拓扑的实施例的示意图。
图7A—B示出了图6所示的交错DC—DC转换器的电波形的时序图。
图8是用于软切换DC—DC转换器的方法的实施例的流程图。
具体实施方式
当结合附图阅读时，将更好地理解不同实施例。对于附图示出不同实施例的功能块的示图的范围，功能块不一定指示硬件电路之间的划分。因此，例如，一个或多个功能块(例如，处理器、控制器或存储器)可以在单个硬件(例如，通用信号处理器或随机存取存储器、硬盘等)或多个硬件中实现。类似地，任何程序可以是独立的程序，可以作为子例程纳入操作***中，可以是所安装的软件包中的功能等。应该明白的是不同实施例不限于附图中所示的布置与手段。
如本文使用的，术语“***”、“单元”或“模块”可以包括操作来执行一个或多个功能的硬件和/或软件***。例如，模块、单元或***可以包括基于存储在有形和非暂态计算机可读存储介质(诸如计算机存储器)上的指令来执行操作的计算机处理器、控制器或其他基于逻辑的设备。可替代地，模块、单元或***可以包括，基于设备的硬连线逻辑来执行操作的硬连线设备。附图中所示的模块或单元可以表示基于软件或硬连线指令来操作的硬件、引导硬件来执行操作的软件、或它们的组合。硬件可以包括具有和/或连接到一个或多个基于逻辑的设备(诸如微处理器、处理器、控制器等)的电子电路。这些设备可以是被适当地编程或指示以根据上述指令执行本文所述的操作的现成设备。附加地或替代地，这些设备中的一个或多个可与逻辑电路硬连线来执行这些操作。
如本文中所使用的，以单数叙述且冠以用词“一”或“一个”的元件或步骤应该被理解为不排除所述元件或步骤的复数，除非此类排除被明确地陈述。此外，参照“一个实施例”并不旨在被解释为排除同时纳入所叙述的特征的额外实施例的存在。而且，除非明确叙述相反情况，实施例“包括(comprising)”或“具有(having)”具有特定性质的元件或多个元件可包括不具有该性质的附加的这样的元件。
通常，各种实施例提供用于双向直流(DC)—DC转换器的软切换拓扑的方法和***。该双向DC—DC转换器导电地(例如，电地)耦合到电源(例如，能量存储设备)和负载(例如，逆变器)。在实施例中，双向DC—DC转换器包括具有上部和下部半导体开关的切换电路，以及具有上部和下部第二半导体开关的辅助切换电路。该切换电路经由电源电路(诸如以串联导电地耦合到电源的电感器)导电地耦合到电源。切换电路和辅助切换电路导电地(例如，电地)耦合到耦合电路，该耦合电路可以配置为缓冲电路(例如，包括电容器)，其被配置为在切换电路关断时实现零电压切换(ZVS)。辅助切换电路的上部和下部开关配置为，基于功率流，将耦合电路并联连接到切换电路的上部和下部半导体开关。存储在耦合电路中的电能通过电源电路的负电流恢复到电源，对应于不连续传导模式(DCM)操作，耗尽电源电路的电能。
附加地或替代地，第二辅助切换电路可以导电地耦合到辅助切换电路，以在DCM或连续传导模式(CCM)中操作双向DC—DC转换器。第二辅助切换电路包括上部和下部半导体开关。辅助切换电路经谐振部件(诸如电感器)导电地耦合到第二辅助切换电路。谐振电路和第二辅助切换电路配置为在CCM操作下实现软切换。例如，存储在耦合电路(例如，耦合电路的电容器)中的电能可以传送到谐振电感器，该电能然后供应到负载而不耗尽电源电路的电能。
各种实施例的至少一个技术效果提供具有可调节DC总线电压、高功率密度、低电磁干扰、和/或模块性的较高***效率，以相对于常规双向DC—DC转换器容易并联。各种实施例的至少一个技术效果是为高功率额定值提供低成本、容易的安装和维护、和/或模块化。
图1示出牵引***100的实施例的示意性框图。例如，牵引***100可用于车辆(例如，汽车、机车、飞机、船等)中，诸如混合动力车辆、电动车辆、充电式电动和/或混合动力车辆等。牵引***100包括电源(例如，能量存储设备)102和功率逆变器电路106(例如，负载)。电源102可以是电池、燃料电池、超级电容器等。功率逆变器电路106可以表示经由DC总线116电耦合到DC—DC转换器104和电动机112(例如，机电设备或机器)的双向DC到AC(例如，交流电)逆变器。例如，功率逆变器电路106可以基于电动机112的相位牵引的数目，包括一个或多个相位模块。电动机112可以机械地耦合到车辆(未示出)的一个或多个驱动轮或轴114。在实施例中可以注意到，诸如对于非车辆推进***，驱动轮76可以是包括泵、风扇、绞盘、起重机、螺旋桨和/或其它电动机驱动负载的脉冲负载(未示出)。
DC—DC转换器104和功率逆变器电路106可以由控制器电路108控制。控制器电路108可以实现为硬件，诸如一个或多个处理器、控制器或其他基于逻辑的设备，其基于一个或多个指令集(例如，软件)执行功能或操作。附加地或替代地，控制器电路108可以是被配置为控制DC—DC转换器104和功率逆变器电路106的专用集成电路、现场可编程门阵列等。硬件操作的指令可以存储在有形和非暂态(例如，非暂态信号)计算机可读存储介质(诸如存储器)上。存储器可以包括一个或多个计算机硬盘驱动器、闪存驱动器、RAM、ROM、EEPROM等。可替代地，一个或多个引导硬件操作的指令集可硬连线到硬件的逻辑中。
控制器电路108配置为控制功率逆变器电路106来将沿着DC总线116接收的DC电压和/或电流转换到用于电动机112的AC电压和/或电流。例如，控制器电路108可以指令DC—DC转换器来将来自电源102的DC电压和/或电流提升(例如，增加DC电压)到沿着DC总线116的更高的DC电压和/或电流。沿着DC总线116的被提升的DC电压被功率逆变器电路106接收，并且转换为被递送到电动机112和驱动轮114的AC电压和/或电流。
附加地或替代地，当处于发电模式时，诸如当车辆制动器被激活(例如，再生制动)，电动机112的转子速度超过由功率逆变器电路106等所提供的同步速度时，电动机112可以产生能量。例如，当驱动轮112的制动器被激活时，电动机112可以作为发电机操作，其向功率逆变器电路106供应AC电压和/或电流，用于沿着DC总线116反转为DC电压和/或电流。控制器电路108可以指令双向DC—DC转换器将DC电压和/或电流降压(buck)(例如，降低DC电压)成被配置为对电源102再充电和/或充电的另一DC电压和/或电流。
图2示出用于双向DC—DC转换器104的软切换拓扑203的实施例的示意图200，该双向DC—DC转换器配置为在不连续传导模式下操作。DC—DC转换器104可以包括切换电路250、电源电路202、DC总线116和输出电容器201。DC—DC转换器104导电地耦合到软切换拓扑203。软切换拓扑203包括辅助切换电路252和耦合电路224。
切换电路250、252经由DC总线116传导地耦合到功率逆变器电路106。切换电路250、252包括上部半导体开关208、212和下部半导体开关206、210。上部半导体开关和下部半导体开关206、208、210、212作为金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)而示出。然而，上部和下部半导体开关206、208、210、212可以是绝缘栅双极晶体管(IGBT)、双极结型晶体管(BJT)、金属氧化物半导体控制器晶闸管(MCT)等。可以注意到，半导体开关制造可以包括硅(Si)、碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)等。上部和下部半导体开关206、208、210、212每一个可以包括相对于对应的上部和下部半导体开关206、208、210、212反并联的二极管228—230。附加地或替代地，二极管228—230可以集成到上部和下部半导体开关206、208、210、212中。
切换电路250在***于上部和下部半导体开关206、208之间的节点234处导电地(例如，电地)耦合到电源电路202。电源电路202导电地耦合到电源102。电源电路202被示为具有配置为与节点234串联到电源102的电感器204和/或线圈。例如，电源电路202包括以串联导电地耦合到电源102的电感器204。电源电路202配置为存储电能并释放耦合电路224的电能。
耦合电路224导电地耦合到节点234和节点236。节点236***在上部和下部半导体开关210、212之间。例如，基于节点234、236，耦合电路224以并联导电耦合在切换电路250和辅助切换电路252之间。可选地，耦合电路224配置为缓冲电路，防止切换电路250、252之间的电压尖峰。例如耦合电路224可以包括电容器232。
控制器电路108可以经由控制总线(未示出)导电地耦合到切换电路250、252。控制器电路108配置为沿着控制器总线调整电特性(例如，电压、电流)以控制切换电路250、252的激活和/或停用。例如，控制总线可以包括多个导电导线，将上部和下部半导体开关206、208、210、212的栅极端子220—223导电地耦合到控制器电路108。控制器电路108可以沿着控制总线将电压调整到一个或多个栅极端子220—223，使得控制器电路108能够激活(例如，在栅极处的阈值以上的电压)上部和/或下部半导体开关206、208、210、212中的至少一个。控制器电路108可以在预定的时段基于电动机112的操作状态，激活和/或停用上部和/或下部半导体开关206、208、210、212中的至少一个。电动机112的操作状态可以表示发电模式或牵引模式。
在发电模式期间，电动机112被配置为发电机，例如，当车辆的制动器被激活(例如，再生制动)时，电动机112的转子速度超过由功率逆变器电路106(例如，感应发电机)等所提供的同步速度。在牵引模式期间，电动机112配置为向车辆的驱动轮114提供牵引力。例如，在牵引模式期间，电动机112向驱动轮114提供旋转力。控制器电路108可以基于传感器(未示出)确定电动机112的操作状态，该传感器测量DC总线116的电压和/或电流。附加地或替代地，控制器电路108可以基于车辆的操作(诸如通过激活车辆的踏板)确定电动机112的操作状态。例如，气体和/或加速器踏板的激活可以向控制器电路108指示电动机112正处于牵引模式下操作。可替代地，制动踏板的激活可以向控制器电路108指示电动机112正处于放电模式下操作。
结合图3，控制器电路108可以按照预定间隔，基于电动机112的操作状态，激活和/或停用上部和/或下部半导体开关206、208、210、212中的至少一个。例如，时序图300示出激活和/或停用上部和/或下部半导体开关206、208、210、212中的至少一个，以基于电动机112的牵引模式，将由电源电路202从电源102接收的至功率逆变器电路106的DC电压和/或电流提升。
图3示出图2中示出的双向DC—DC转换器104的电波形的实施例的时序图300。电波形306表示电源电路202的电流。可以注意到，电波形306中所示的电流被示为交叉零，其指示具有软切换拓扑203的双向DC—DC转换器104以不连续传导模式操作。电波形308表示节点234处的电压。电波形310表示通过下部半导体开关206的电流。电波形312表示电容器232两端的电压，以及电波形314表示通过耦合电路224的电流。电波形316表示下部半导体开关210两端的电压，以及电波形318表示通过下部半导体开关210的电流。可以注意到，时序图300的电波形316示出具有零电压。
电波形302—304表示由切换电路250、252所接收的沿着控制总线的电压。电波形302表示栅极端子221的电压，电波形303表示栅极端子220的电压，以及电波形303表示栅极端子222的电压。电波形302—304包括电压峰值320—325，这些峰值表示激活相应的半导体开关206、208、210。例如，电压峰值320—325可以表示超过激活相应半导体开关206、208、210的半导体开关206、208、210的阈值电压的电压值。电压峰值320—325(诸如激活半导体开关206、208、210)的定时被配置成将从电源102接收的至DC总线116的DC电压提升，该被提升的电压由功率逆变器电路106接收。
基于表示具有软切换拓扑203的DC—DC转换器104的升压操作的电压峰值320—325，时序图300被细分为设定时间段和/或分区(例如，t0—t7)。在t0处，控制器电路108通过将沿着导电耦合到栅极端子221的控制总线的电压调整为低于上部半导体开关208的电压阈值，来停用上部半导体开关208。如在电波形312的t0和t1之间所示，耦合电路224的电压被放电。例如，电流穿过耦合电路224和电源电路202沿着二极管229流动(例如，由电波形306显示为负电流)。
在t1处，耦合电路224两端的电压被放电(例如，0)，并且电流穿过二极管227和电源电路202。例如，通过电源电路202的负电流是恒定的，如在电波形306中所示，在t1和t2之间。可以注意到，负电流可以被利用来给电源102充电。
在t2处，控制器电路108通过将沿着导电地耦合到栅极端子220的控制总线的电压(示为电压峰值321)调整为高于电压阈值来激活下部半导体开关206。可以注意到，激活下部半导体开关206表示零电压切换。例如，如电波形308在t2处所示，通过电源电路202的负电流将跨越下部半导体开关206的电压保持为零。随着下部半导体开关206的激活，电流从电源电路202穿过下部半导体开关206，通过电源电路202线性地增加(例如，对电源电路202的电感器204进行充电)。
在t3处，控制器电路108通过将沿着导电地耦合到栅极端子222的控制总线的电压(示为电压峰值322)调整为高于电压阈值来激活下部半导体开关210。可以注意到，激活下部半导体开关210表示零电压切换。例如，如电波形316所示，当下部半导体开关210被激活时，由于下部半导体开关206的激活，节点234和236处的电压为零。另外，如电波形318所示，通过下部半导体开关210的电流是零。可以注意到，如电波形306所示，通过电源电路202的电流继续线性增加。
在t4处，控制器电路108，通过将沿着导电耦合到栅极端子220的控制总线的电压调整为低于下部半导体开关206的电压阈值，来停用下部半导体开关206。基于停用下部半导体开关206，电流沿着电源电路202流到耦合电路224，并且通过下部半导体开关210来给耦合电路224充电(如电波形312和314所示)并且在节点234处产生电压(如电波形308所示)。节点234处的电压线性增加，并且以耦合电路224和通过DC总线116的负载电流所限定的受控的上升速率，跨越二极管228，在DC总线处被接收。例如，控制器速率可以是基于耦合电路224的电容器232的电特性(例如，电容)。
在t5处，通过电源电路202的电流继续流过二极管228并流到DC总线116。
在t6处，控制器电路108通过将沿着导电地耦合到栅极端子221的控制总线的电压(示为电压峰值323)调整为高于电压阈值来激活上部半导体开关208。另外，控制器电路108通过将沿着导电耦合到栅极端子222的控制总线的电压调整为低于下部半导体开关210的电压阈值，来停用下部半导体开关210。可以注意到，激活上部半导体开关208表示零电压切换。例如，电源电路202连续地跨越二极管228(在t5中示出)向DC总线116释放能量(例如，电流、电压)，其将上部半导体208两端的电压保持为零，从而使能零电压切换。如在电波形306中示出的电流的线性减小所表示的，电源电路202连续地放电。
控制器电路108可以基于电动机112的操作模式连续地和/或间歇地重复时间段t0—t7，以提升DC电压和/或电流。软切换拓扑203配置为使能DC-DC转换器104来在电源102和功率逆变器电路106之间进行类似操作和/或相同的操作(例如，降压、升压)。
例如，当控制器电路108确定电动机112的操作模式是发电模式时，控制器电路108可以指示具有软切换拓扑203的双向DC—DC转换器104，从功率逆变器电路106接收的DC电压和/或电流降压(buck)(例如，降低DC电压)成被配置为对电源102再充电和/或充电的另一DC电压和/或电流。在实施例中，控制器电路108被配置为基于上部和/或下部半导体开关206、208、210、212中的至少一个的预定间隔的激活和/或停用来减小功率逆变器电路106接收的电压。控制器电路108可以相对于时序图300切换上部和/或下部半导体开关206、208、210、212的激活和/或停用，以减少沿着DC总线116并递送到电源102的电压和/或电流。例如，控制器电路108可以在t2处激活下部开关210直到t4处、在t3处激活下部开关206直到t6处，以及在t6处激活上部开关212直到t7处。
具有图2所示的软切换拓扑203的DC—DC转换器104被示为在不连续传导模式下操作。结合图4，具有软切换拓扑403的DC—DC转换器104可以被配置为在不连续传导模式和/或连续传导模式下操作。
图4示出用于双向DC—DC转换器104的软切换拓扑的实施例的示意图400，该双向DC—DC转换器配置为在连续或不连续传导模式下操作。示意图400包括具有上部半导体开关404和下部半导体开关406的第二辅助切换电路。例如，上部和下部半导体开关404和406可以类似于和/或相同于上部和/或下部半导体开关206、208、210、212。上部和下部半导体开关404和406每一个可以包括相对于对应的上部和下部半导体开关404和406的反并联的二极管410、412。附加地或替代地，二极管410、412可以集成到上部和下部半导体开关404和406中。
示意图400包括传导地耦合到节点236和节点418的谐振电路414。节点418***在上部和下部半导体开关404和406之间。谐振电路414可以包括电感器416和/或线圈。谐振电路414配置为接收和/或传送存储在耦合电路224中的能量，该能量随后被供应到DC总线116和功率转换器电路106。
控制器电路108可以经由控制总线导电地耦合到切换电路250、252和402。例如，控制器电路108配置为沿着控制器总线调整电特性(例如，电压、电流)以控制切换电路250、252和402的激活和/或停止。控制总线可以包括多个导电导线，将上部和下部半导体开关206、208、210、212、404、406的栅极端子220—223、408—409导电地耦合到控制器电路108。控制器电路108可以沿着控制总线将电压调整到一个或多个栅极端子220—223和408—409，使得控制器电路108能够激活(例如，在栅极处的阈值以上的电压)上部和/或下部半导体开关206、208、210、212、404和406中的至少一个。控制器电路108可以在预定的时段基于电动机112的操作状态，激活和/或停用上部和/或下部半导体开关206、208、210、212、404、406中的至少一个。电动机112的操作状态可以表示发电模式和/或牵引模式。
结合图5，控制器电路108可以按照预定间隔、基于电动机112的操作状态，激活和/或停用上部和/或下部半导体开关206、208、210、212、404、406中的至少一个。例如，时序图500示出激活和/或停用上部和/或下部半导体开关206、208、210、212、404和406中的至少一个，以基于电动机112的牵引模式，将由电源电路202从电源102接收的至功率逆变器电路106的DC电压和/或电流提升。
图5示出图4中示出的具有软切换拓补403的双向DC—DC转换器104的电波形的实施例的时序图500。电波形506表示电源电路202的电流。可以注意到，电波形506中所示的电流被示为高于零，其指示具有软切换拓扑403的双向DC—DC转换器104以连续传导模式操作。电波形508表示节点234处的电压。电波形510表示通过下部半导体开关206的电流。电波形512表示电容器232两端的电压，以及电波形514表示通过耦合电路224的电流。电波形516表示通过谐振电路414的电流。电波形518表示下部半导体开关210两端的电压，以及电波形520表示通过下部半导体开关210的电流。
电波形502—505表示由切换电路250、252、402所接收的沿着控制总线的电压。电波形502表示栅极端子221的电压，电波形503表示栅极端子220的电压，电波形504表示栅极端子408的电压，以及电波形505表示表示栅极端子222的电压。电波形502—505包括电压峰值521—528，这些峰值表示激活相应的半导体开关206、208、210和408。例如，电压峰值521—528可以类似于和/或相同于图3所示的电压峰值320—325。电压峰值521—528(诸如激活半导体开关206、208、210、408)的定时被配置成将从电源102接收的至DC总线116的DC电压提升，该被提升的电压由功率逆变器电路106接收。
基于表示具有软切换拓扑403的DC—DC转换器104的升压操作的电压峰值521—528，时序图500被细分为设定时间段和/或分区(例如，t0—t8)。在t0处，上部半导体开关208被激活，例如，控制总线在栅极端子221处提供高于上部半导体开关208的电压阈值的电压。控制器电路108通过将沿着导电地耦合到栅极端子408的控制总线的电压(示为电压峰值521)调整为高于电压阈值来激活上部半导体开关404。如在电波形512的t0和t1之间所示，耦合电路224的电压被放电。例如，电流从耦合电路224穿过，将电压从耦合电路224放电至谐振电路414(例如，由电波形516所示的电流)。
在t1处，控制器电路108，通过将沿着导电耦合到栅极端子221和408的控制总线的电压调整为低于上部半导体开关208和404的电压阈值，来停用上部半导体开关208和404。耦合电路224通过二极管230向DC总线116放电(例如，在t1和t2之间，存储在电容器232中的能量被传送到电感器416，稍后在t2和t3之间被传送到功率逆变器电路106)。
在t2处，存储在谐振电路414中的电能被放电。另外，电源电路202经由上部半导体开关208的二极管228向DC总线116连续地供应电压和/或电流。
在t3处，控制器电路108通过将沿着导电地耦合到栅极端子220的控制总线的电压(示为电压峰值522)调整为高于电压阈值的电压来激活下部半导体开关206。可以注意到，如电波形506所示，通过电源电路202的电流开始线性增加。
在t4处，控制器电路108，通过将沿着导电耦合到栅极端子222的控制总线的电压(示为电压峰值524)调整为高于电压阈值，来激活下部半导体开关210。基于下部半导体开关206的激活，电流从电源102和电源电路202连续地穿过下部半导体开关206，其持续地线性地增加跨越电源电路202的电流(例如，如电波形510所示)。
在t5处，控制器电路108通过将沿着导电耦合到栅极端子220的控制总线的电压调整为低于下部半导体开关206的电压阈值，来停用下部半导体开关206。电流从电压102流到电源电路202，并且通过下部半导体开关210流到耦合电路224，从而对耦合电路224充电(例如，如电波形512、514所示)。可以注意到，耦合电路224的电压类似于和/或相同于节点234处的电压。例如，耦合电路224和节点234的电压，以控制器速率线性地增加DC总线116的电压和/或电流。耦合电路224和节点234的电压的上升的速率是基于耦合电路224和功率逆变器电路106。例如，该受控的上升是基于耦合电路224的电容器232和/或功率逆变器电路106的电特性。
在t6处，通过电源电路202的电流继续流过二极管228并流到DC总线116。
在t7处，控制器电路108通过将沿着导电地耦合到栅极端子221的控制总线的电压(示为电压峰值523)调节为高于电压阈值来激活上部半导体开关208。控制器电路108通过将沿着导电耦合到栅极端子222的控制总线的电压调整为低于下部半导体开关210的电压阈值，来停用下部半导体开关210。可以注意到，激活上部半导体开关208表示零电压切换。例如，电源电路202连续地跨越二极管228(在t6中示出)向DC总线116释放能量(例如，电流、电压)，其将上部半导体208两端的电压保持为零，从而使能零电压切换。如在电波形306中示出的电流的线性减小所表示的，电源电路202继续放电。
控制器电路108可以基于电动机112的操作模式连续地和/或间歇地重复时间段t0—t8，以提升DC电压和/或电流。可以注意到，当控制器电路108确定电动机112的操作模式是发电模式时，控制器电路108可以指示双向DC—DC转换器104，使其将从功率逆变器电路106接收的DC电压和/或电流降压(例如，降低DC电压)成被配置为对电源102再充电和/或充电的另一DC电压和/或电流。
在实施例中，控制器电路108被配置为基于上部和/或下部半导体开关206、208、210、212、404、406中的至少一个的预定间隔的激活和/或停用来减小功率逆变器电路106接收的电压。例如，控制器电路108可以相对于时序图500切换上部和/或下部半导体开关206、208、210、212、404、406的激活和/或停用，以减小沿着DC总线116并递送到电源102的电压和/或电流。
另外或替代地，结合图6，软切换拓扑660(例如，切换电路252、耦合电路224)可被配置来形成交错式升压DC—DC转换器662。例如，交错式升压DC—DC转换器662配置为，利用多个相位将电源102的电压和/或电流沿着DC总线提升到更高的电压和/或电流。
图6示出了用于交错式升压DC—DC转换器662的软切换拓扑660的实施例的示意图650。电源电路202包括彼此并联配置的两个电感器651和652。例如，软切换拓扑660可以配置为基于耦合电路224交错切换电路250和252。耦合电路224可以包括与电容器658串联的电感器656。耦合电路224被配置为，使得切换电路250和252用于通过使切换电路250和252相对于彼此在不同的相位上操作，来将到DC总线116的功率提升。例如，如电波形702—713所示，耦合电路224被配置为相对于切换电路250将切换电路252的相位调节180°，以限定交错式升压DC—DC转换器662。
图7A—B示出了图6所示的交错DC—DC转换器662的电波形702—713的时序图700、720。电波形702表示下部半导体开关206两端的电压，以及电波形703表示通过下部半导体开关206的电流。电波形704表示栅极端子220处的电压。电波形705表示下部半导体开关210两端的电压，以及电波形706表示通过下部半导体开关206的电流。电波形707表示栅极端子222处的电压。电波形708表示上部半导体开关208两端的电压，以及电波形709表示通过上部半导体开关208的电流。电波形710表示栅极端子221处的电压。电波形711表示上部半导体开关223两端的电压，以及电波形712表示通过上部半导体开关223的电流。电波形713表示栅极端子223处的电压。
时序图700、720被细分为对应于激活具有软切换拓扑660的交错式DC—DC转换器的上部和/或下部半导体开关206、208、210、212的设定时间段和/或分区(例如，t0—t1)。可以注意到，在切换电路250、252中的一个的时序图700、720的时段期间，在电源电路202(例如，电感器651、652)中累积的能量的至少一部分被用于在激活相关联的上部和/或下部半导体开关206、208、210、212之前，将另一切换电路252、250中的耦合电路224的能量释放。耦合电路224基于电感器656和电容器658作为谐振电路操作，其用于产生负电流。该负电流用于，在控制器电路202沿着控制总线激活上部和/或下部半导体开关206、208、210、212之前，将可替代的半导体开关206、208、210、212的电容放电。基于该放电，下部半导体开关206和210在零电压切换操作时被激活，并且上部半导体开关208和212在零电流操作时被激活。
例如，在t0处，下部半导体开关206和上部半导体开关212被激活。可以注意到，在t0处，电波形702指示在激活时，下部半导体开关206两端没有电压，并且电波形712指示没有通过上部半导体开关212的电流。例如，下部半导体开关206在零电压切换操作时被激活，上部半导体开关212在零电流切换操作时被激活。控制总线在栅极端子220和223处提供高于下部半导体开关206和上部半导体开关208的电压阈值的电压。如在电波形703和712的t0和t1之间所示，电流穿过下部半导体开关206和上部半导体开关212。例如，如电波形703中的正电流所示，由切换电路250释放电源电路202中(例如，通过电感器651和652)的电能。在另一示例中，如电波形712所示，通过上部半导体开关212的电流中的减小所示，通过切换电路252将耦合电路224中(诸如由电容器658)累积的电能释放。
在t1处，控制器电路108通过将沿着导电耦合到栅极端子220和223的控制总线的电压调整为低于电压阈值，来停用下部和上部半导体开关206和212。控制器电路108激活下部半导体开关210和上部半导体开关208。如电波形706中的负电流所示，通过切换电路250将电能累积在电源电路202(例如，通过电感器651和652)中。在另一示例中，如电波形712所示，如通过下部半导体开关210的电流中的增加所示，通过切换电路252在耦合电路224中(诸如由电容器658)累积电能。
图8是用于软切换DC—DC转换器的方法的实施例的流程图。方法600例如可以采用或由本文所讨论的各种实施例的结构或方面来执行。在各种实施例中，某些操作可被省略或添加，某些操作可被组合，某些操作可被同时执行，某些操作可被协调地执行，某些操作可被分成多个操作，某些操作可以以不同的顺序执行，或者某些操作或一系列操作可以以迭代方式反复执行。在各种实施例中，方法600的部分、方面和/或变形能够用作一个或多个算法来指导硬件执行本文描述的一个或多个操作。
在602处开始，确定电动机112的操作状态。电动机112的操作状态可以表示发电模式和/或牵引模式。控制器电路108可以基于传感器(未示出)确定电动机112的操作状态，该传感器测量DC总线116的电压和/或电流。附加地或替代地，控制器电路108可以基于车辆的操作(诸如通过激活车辆的踏板)确定电动机112的操作状态。例如，气体和/或加速器踏板的激活可以向控制器电路108指示电动机112正处于牵引模式下操作。可替代地，制动踏板的激活可以向控制器电路108指示电动机112正处于放电模式下操作。
在603处，控制器电路108确定电动机112是否处于牵引模式。例如，基于气体和/或加速器踏板的激活，控制器电路108可以确定电动机112处于牵引模式。
如果电动机112处于牵引模式，则在604处，控制器电路配置为对应于具有软切换拓扑203的DC—DC转换器104的提升模式，激活上部或下部半导体开关206、208、210、212中的至少一个。例如，控制器电路108可以通过调节沿着控制总线的对应于电波形302—304的电压，来激活上部或下部半导体开关206、208、210、212中的至少一个。例如，控制器电路108可以通过调节沿着控制总线的对应于电波形502—505的电压，来激活上部或下部半导体开关206、208、210、212、404、406中的至少一个。
在606处，控制器电路108配置为将调节后的电压递送到功率转换器电路106。例如，控制器电路108可以基于激活上部或下部半导体开关206、208、210、212中的至少一个，沿着导电耦合到功率转换器电路106的DC总线递送提升后的电源102的电压。
如果电动机112不处于牵引模式(例如，发电模式)，则在608处，控制器电路108配置为对应于具有软切换拓扑203的DC—DC转换器104的降低模式，激活上部或下部半导体开关206、208、210、212中的至少一个。例如，控制器电路108可以相对于时序图300切换上部和/或下部半导体开关206、208、210、212的激活和/或停用，以减小沿着DC总线116并递送到电源102的电压和/或电流。
在610处，控制器电路108配置为将调节后的电压递送到电源102。例如，控制器电路108可以基于激活上部或下部半导体开关206、208、210、212中的至少一个，将从功率转换器电路106接收的DC总线116的减小或降低的电压递送到电源电路202，该电源电路202导电地耦合到电源102。
应当注意，所示出的实施例的部件的特定排布(例如，数量、类型、布置等)可以在各种替代实施例中修改。例如，在各种实施例中，可以采用不同数量的给定模块或单元，可以采用不同类型的给定模块或单元，可以将多个模块或单元(或其方面)组合，给定模块或单元可以被划分为多个模块(或子模块)或单元(或子单元)，一个或多个模块的一个或多个方面可以在模块之间共享，可以添加给定的模块或单元，或者可以省略给定的模块或单元。
如本文所使用的，“配置为”执行任务或操作的结构、限制或元件尤其以对应于任务或操作的方式，结构地形成、构造或适配。为了清楚和避免疑问的目的，仅能够被修改以执行任务或操作的对象不被“配置为”执行如本文所使用的任务或操作。相反，本文所使用的“配置为”的使用表示结构适配或特征，并且表示所描述的被“配置为”执行任务或操作的任何结构、限制或元件的结构要求。例如，被“配置为”执行任务或操作的处理单元、处理器或计算机可以被理解为被特别地构造以执行任务或操作(例如，具有存储在其上或与其配合使用的一个或多个程序或指令，其被调整或旨在该执行任务或操作，和/或具有调整或旨在执行任务或操作的处理电路的布置)。为了清楚和避免疑问的目的，通用计算机(如果被适当地编程，其可以成为“配置为”来执行任务或操作)不被“配置为”执行任务或操作，除非或直到被特定编程或结构化修改来执行任务或操作。
应当注意，各种实施例可以以硬件、软件或其结合来实现。各种实施例和/或组件，例如，其中的模块、或组件以及控制器也可以被实现为一个或多个计算机或处理器的一部分。计算机或处理器可以包括例如用于访问互联网的计算设备、输入设备、显示单元和界面。计算机或处理器可以包括微处理器。该微处理器可以连接到通信总线。计算机或处理器还可以包括存储器。该存储器可以包括随机存取存储器(RAM)和只读存储器(ROM)。计算机或处理器可以进一步包括存储设备，其可以是诸如固态驱动器、光学驱动器等的硬盘驱动器或可移动存储驱动器。存储设备还可以是用于将计算机程序或其他指令加载到计算机或处理器中的其他类似的装置。
如本文所使用的，术语“计算机”、“控制器”和“模块”可以各自包括任何基于处理器或基于微处理器的***，其包括使用微控制器、精简指令集计算机(RISC)、专用集成电路(ASIC)、逻辑电路、GPU、FPGA的***，以及能够执行本文所描述的功能的任何其他任何电路或处理器。上述示例仅是示例性的，并且因此不旨在以任何方式限制术语“模块”或“计算机”的定义和/或含义。
计算机、模块或处理器执行存储在一个或多个存储元件中的指令集，以便处理输入数据。存储元件还可以根据需求或需要，存储数据或其他信息。存储元件可以是处理机内的信息源或物理存储器元件的形式。
指令集可以包括各种命令，其指示作为处理机的计算机、模块或处理器来执行特定操作，诸如本文所描述和/或示出的各种实施例的方法和过程。指令集可以是软件程序的形式。软件可以是各种形式，例如***软件或应用软件，并且其可以实现为有形和非暂时性计算机可读介质。进一步，软件可以是单独程序或模块的集合的形式，或大程序内的程序模块或程序模块的一部分的形式。软件还可以包括面向对象编程形式的模块化编程。由处理机对输入数据的处理可以响应于操作者命令，或响应于先前处理的结果，或响应于由另一处理机做出的请求。
如本文所使用的，术语“软件”和“固件”是可以互换的，并且包括存储在存储器中的用于由计算机执行的任何计算机程序，包括RAM存储器、ROM存储器、EPROM存储器、EEPROM存储器和非易失性RAM(NVRAM)存储器。上述存储器类型仅是示例性的，并且因此不限于可用于计算机程序存储的存储器的类型。各种实施例的各个组件可以被虚拟化并由云类型的计算环境托管，例如以允许计算功率的动态分配，而不需要用户关心计算机***的位置、配置和/或特定硬件。
应该理解的是，上文的描述旨在说明性而非限制性。例如，上文描述的实施例(和/或其方面)可以用于与彼此的结合。另外，可以依据本发明的教导做出适应特定情况或材料的许多修改，而不脱离发明范围。本文所描述的尺寸、材料类型、各种部件的取向以及各种部件的数量和位置旨在限定某些实施例的参数，并且决不是限制性的，而仅仅是示例性实施例。在审阅上述描述时，在权利要求的精神和范围内的许多其它实施例和修改对于本领域技术人员将是显而易见的。因此，本发明的范围应该参考所附权利要求，连同其所赋予的等同的全部范围被确定。在所附权利要求中，术语“包括”和“其中”被用作相应的术语“包括”和“其中”的简明英语对等词。此外，在所附权利要求中，术语“第一”、“第二”和“第三”等仅用作标记，并且不旨在对其对象强加数字要求。进一步，随后的权利要求的限制并没有以功能性装置(means-plus-function)的形式撰写，且并不意在基于35U.S.C.§112(f)而解释，除非且直到这样的权利要求限制直接使用短语“用于…装置(means for)”随后跟功能描述而没有进一步的结构。
本书面描述使用示例来公开各种实施例，并且还使得本领域普通技术人员能够实践各种实施例，包括制造和使用任何装置或***以及执行任何结合的方法。不同实施例的专利保护范围由权利要求书定义，并可包括本领域技术人员知道的其他示例。如果示例具有与权利要求书的字面语言没有不同的结构元件，或者示例包括与权利要求的字面语言无实质差异的等同结构元件，则这样的其他示例仍在权利要求书的范围内。

Claims (20)

1.一种用于直流DC-DC转换器的软切换***，包括：
DC总线；
电源；
降压/升压转换器，所述降压/升压转换器耦合在所述电源与所述DC总线之间，所述降压/升压转换器包括：
第一切换电路，所述第一切换电路耦合到所述DC总线，所述第一切换电路具有上部第一半导体开关、下部第一半导体开关、以及设置在所述上部第一半导体开关与所述下部第一半导体开关之间的第一节点；
第二切换电路，所述第二切换电路耦合到所述DC总线，所述第二切换电路具有上部第二半导体开关、下部第二半导体开关、以及设置在所述上部第二半导体开关与所述下部第二半导体开关之间的第二节点；
耦合电路，所述耦合电路耦合在所述第一节点与所述第二节点之间，所述第二切换电路被配置成用于控制所述耦合电路的充电和放电，以便允许所述第一切换电路和所述第二切换电路的软切换；以及
电源电路，所述电源电路耦合在所述第一节点与所述电源之间，所述电源电路被配置成用于存储电能和释放电能。
2.如权利要求1所述的软切换***，进一步包括：控制器电路，所述控制器电路耦合到所述第一切换电路和第二切换电路，所述控制器电路配置为基于电动机的操作，来激活所述上部第一半导体开关、下部第一半导体开关、上部第二半导体开关和下部第二半导体开关中的至少一个。
3.如权利要求2所述的软切换***，其特征在于，所述电源电路配置为保持所述下部第一半导体开关和下部第二半导体开关中的至少一个的两端电压，以便所述控制器电路在零电压切换时激活所述下部第一半导体开关和下部第二半导体开关中的至少一个。
4.如权利要求2所述的软切换***，其特征在于，所述电源电路配置为保持所述上部第一半导体开关和上部第二半导体开关中的至少一个的两端电压，以便所述控制器电路在零电压切换时激活所述上部第一半导体开关和上部第二半导体开关中的至少一个。
5.如权利要求1所述的软切换***，其特征在于，所述第一切换电路、第二切换电路、耦合电路以及所述电源电路配置为在不连续传导模式下操作。
6.如权利要求2所述的软切换***，其特征在于，所述控制器电路配置为操作所述第一切换电路和第二切换电路以便将由所述电源电路接收的电压提升。
7.如权利要求2所述的软切换***，其特征在于，所述控制器电路配置为操作所述第一切换电路和第二切换电路以便将由功率逆变器电路接收的电压减小。
8.如权利要求1所述的软切换***，进一步包括：
第三切换电路，所述第三切换电路具有上部第三半导体开关、下部第三半导体开关、以及耦合在所述上部第三半导体开关与所述下部第三半导体开关之间的第三节点；以及
谐振电路，所述谐振电路耦合在所述第二节点与第三节点之间，所述谐振电路被配置成用于转移存储在所述耦合电路中的能量以便允许所述第三切换电路的软切换。
9.如权利要求8所述的软切换***，进一步包括：控制器电路，所述控制器电路耦合到所述第一切换电路、第二切换电路和第三切换电路，所述控制器电路配置为基于电动机的操作，来激活所述上部第一半导体开关、下部第一半导体开关、上部第二半导体开关、下部第二半导体开关、上部第三半导体开关和下部第三半导体开关中的至少一个。
10.如权利要求8所述的软切换***，其特征在于，所述第一切换电路、第二切换电路、第三切换电路、耦合电路以及电源电路被配置为在不连续传导模式或连续传导模式下操作。
11.如权利要求1所述的软切换***，其特征在于，所述电源电路包括耦合到电源的电感器。
12.如权利要求1所述的软切换***，其特征在于，所述第一切换电路和第二切换电路相对于彼此以不同的相位***作。
13.如权利要求1所述的软切换***，其特征在于，所述耦合电路包括缓冲电路。
14.如权利要求8所述的软切换***，其特征在于，所述谐振电路包括电感器。
15.如权利要求12所述的软切换***，其特征在于，所述耦合电路包括耦合到电容器的电感器。
16.如权利要求12所述的软切换***，其特征在于，所述电源电路包括彼此并联耦合的至少两个电感器。
17.一种用于软切换降压/升压直流DC-DC转换器的方法，所述降压/升压直流DC-DC转换器包括第一切换电路、第二切换电路、耦合在所述第一切换电路与第二切换电路之间的耦合电路、以及耦合到所述第一切换电路的电源电路，所述方法包括：
确定电动机的操作状态；
基于所述电动机的所述操作状态，控制所述第一切换电路的上部第一半导体开关和下部第一半导体开关以及所述第二切换电路的上部第二半导体开关和下部第二半导体开关；
当所述下部第一半导体开关被停用时存储所述耦合电路的电能，并且当所述上部第一半导体开关被停用时释放所述耦合电路的电能，以便允许所述第一切换电路和第二切换电路的软切换；以及
基于所述电动机的操作状态，将调节后的电压递送到所述电动机和所述电源电路中的一个。
18.如权利要求17所述的方法，进一步包括保持所述上部第一半导体开关、下部第一半导体开关、上部第二半导体开关和下部第二半导体开关中的至少一个的两端电压，实现 零电压切换。
19.如权利要求17所述的方法，其特征在于，还包括在不连续传导模式下操作所述第一切换电路、第二切换电路、耦合电路、以及电源电路。
20.一种用于直流DC-DC转换器的软切换***，包括：
DC总线；
降压/升压转换器，所述降压/升压转换器耦合到所述DC总线并且包括：
第一切换电路，所述第一切换电路耦合到所述DC总线，所述第一切换电路具有上部第一半导体开关、下部第一半导体开关、以及设置在所述上部第一半导体开关与所述下部第一半导体开关之间的第一节点；
第二切换电路，所述第二切换电路耦合到所述DC总线，所述第二切换电路具有上部第二半导体开关、下部第二半导体开关、以及设置在所述上部第二半导体开关与所述下部第二半导体开关之间的第二节点；
耦合电路，所述耦合电路耦合在所述第一节点与第二节点之间，所述耦合电路包括缓冲电路，所述第二切换电路被配置成用于控制所述耦合电路的充电和放电，以便允许所述第一切换电路和第二切换电路的软切换；以及
电源电路，所述电源电路耦合到所述第一节点，所述电源电路包括电感器并且被配置成用于存储电能和释放电能。
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