CN116648845A - 具有单个功率因数校正电路的可切换双向功率转换器和具有该转换器的车载充电器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可切换双向功率转换器，该可切换双向功率转换器可以包括交错桥配置。到半桥多相开关组的多相电网连接可以包括第一开关半桥臂。到全桥单相开关组的单相电网连接可以包括与该全桥单相开关组交错的该半桥多相开关组。该全桥单相开关组可以包括该第一开关半桥臂和第二开关半桥臂。电容器开关可以被配置为在并联连接与串联连接之间切换至少两个功率因数校正电容器。该并联连接可以连接到该单相开关组、该第一开关半桥臂和该第二开关半桥臂。该串联连接可以连接到该多相开关组和该第一开关半桥臂。这可以用于双向车载充电器中。可以双向处理超宽范围电压。
Description
技术领域
本申请提供了一种可切换双向功率转换器，该可切换双向功率转换器包括处于交错桥配置的单个可切换功率因数校正电路。
背景技术
现有的车载充电器(“OBC”)拓扑在具有针对单相和三相电网操作两者所优化的设计方面具有实际挑战。单相连接与三相连接之间的功率因数校正(“PFC”)的电压变化可以高达400V。24V的低电压负载可以处于具有400V负载的***中。满足效率、低部件数量和宽范围是有挑战性的。
发明内容
本文公开的方法和装置克服了上述缺点，并且通过包括交错桥配置的可切换双向功率转换器来改进现有技术。到半桥多相开关组的多相电网连接可以包括第一开关半桥臂(half-bridge leg)。到全桥单相开关组的单相电网连接可以包括与全桥单相开关组交错的半桥多相开关组。全桥单相开关组可以包括第一开关半桥臂和第二开关半桥臂。电容器开关可以被配置为在并联连接与串联连接之间切换至少两个功率因数校正电容器。并联连接可以连接到单相开关组、第一开关半桥臂和第二开关半桥臂。串联连接可以连接到多相开关组和第一开关半桥臂。这可以用于双向车载充电器中。可以双向处理超宽范围电压。
车载充电器可以包括到可切换双向功率转换器的第一电池连接和到可切换双向功率转换器的第二电池连接，其中第一电池连接的额定电压是第二电池连接的额定电压的两倍到十倍或数十倍。
其他目的及优势将一部分在下面的描述中阐述，一部分将从描述中显而易见，亦或许可通过实践公开内容而获晓。借助于所附权利要求书中特别指出的要素和组合，也将实现和达到其目的及优势。
附图说明
图1示出了单相电网到车辆电池连接的示例。
图2A和图2B示出了单相电网到车辆操作。
图3示出了三相电网到车辆电池连接的示例。
图4A和图4B示出了三相电网到车辆操作。
图5示出了保留上零向量和下零向量的一个替代方案。
图5A至图5C示出了替换图5的虚线框的另选双向开关。
图6A和图6B示出了使用两个零向量的三相电网到车辆操作。
图7是仅保留下电压零向量的电路的图示。
图8A和图8B示出了仅使用下零向量的三相电网到车辆操作。
图9是仅保留上电压零向量的电路的图示。
图10A和图10B示出了仅使用上零向量的三相电网到车辆操作。
图11和图12示出了另选电容器组和电容器开关布置。
图12A和图12B示出了用于图12的虚线框的另选电容器组布置。
具体实施方式
现在将详细参考附图中的示出的示例。在所有附图中，将尽可能使用相同的附图标记表示相同或相似的部件。本申请包括用于在电网与电池之间移送功率的双向装置。电池可以从电网充电并且可以向附接到电网的负载供电。因此，方向性参考诸如“左”和“右”或“输入”和“输出”是为了易于参考附图。例如，左侧的电网可以供应电压以对右侧的电池充电，并且电网可以称为供应侧或输入，并且电池可以称为处于输出侧。但是，电池可以向电网上的负载供应电压。然后，命名可以颠倒，使得电池可以称为输入，并且电网可以称为输出侧或负载侧。
双向隔离电池充电器可以与各种电网类型兼容，并且可以具有超宽增益范围。可以使用单个功率转换器拓扑来提供宽范围的输入和输出电压，而不是将转换器以及降压升压装置的若干级串接在一起。该拓扑可以降低并且可以升高电网与电池之间的电压。可以实现隔离的功率转换。用于双电压电池***的车载充电器可以构成作为单个功率转换器模块的一部分的单个功率因数校正电路。
一个使能特征部是电容器开关CS1或CS2。开关难以在制造中以定制方式添加，因此重要的是选择制造设备可以接入的放置位置。因此，将电容器开关CS1或CS2放置在可切换双向功率转换器内并非易事。但是，除了如所公开的添加电容器开关CS1、CS2之外，可能使半桥多相开关组与全桥单相开关组交错，从而能够针对非常宽的电压范围使用一个单个功率因数校正(“PFC”)电路。于是，例如，电动车辆的车载充电器可以包括单个可切换PFC电路，而不是单独转换器模块的集合。
利用所公开的布局，可能在单个PCF拓扑中切换所公开的功率转换器的负载和匝数比而不是使用多个转换器。电容器开关CS1、CS2可以与电网侧开关(电源开关)SP1-SP6协同工作。然后，由P1A表示的单相电网连接可以通过电源开关SP4-SP6进行，而由A、B、C表示的多相电网连接可以通过附加的开关或开关集合进行。此处的工作示例使用通过电源开关集合SP1-SP3的三相电网连接。电源装置诸如交流发电机、电动发电机、再生制动器等可以向电网连接A、B、C、P1A供应电力，而负载诸如起动电动机、电动车辆电动机、压缩机、制动器、配饰等可以通过电网连接A、B、C、P1A汲取电力。
多相电网连接A、B、C可以连接到滤波器，例如EMC(电磁兼容性)滤波器。这可以包括EMI(电磁干扰)滤波器。作为高电压，LCL连接到多相电网连接A、B、C。其他结构可以替换LCL，诸如本领域已知的其他隔离DC-DC转换器，下面提到CLLC。
在电动和混合电动车辆(EV)中，电池由车载电池充电器(OBC)从电网充电。通常，EV中的电池具有两种用途：一种是用于为高电压牵引电动机-逆变器***供电，第二种是用于辅助电源为负载诸如照明、自动座椅和其他电子装置馈电的低电压。低电压电池可以从电网或从高电压电池充电。在图1、图3、图5、图7、图9、图11和图12中，高电压电池绘制在左上方，并且低电压电池绘制在左下方。两个电池都可以包括安全开关和与初级侧无源装置一起作用的无源装置。例如，变压器可以形成有连接到可切换双向功率转换器的初级侧绕组。初级侧无源装置可以包括至少一个电感器，或者可以包括至少一个电感器和至少一个电容器。如图所示，变压器可以包括电感为LM的多抽头绕组。可以说，初级侧变压器的绕组是多抽头绕组。包括附加的电容器C1和电感器L1以形成初级侧无源装置。可以使用不同数量的变压器绕组。谐振回路可以是另选的无源装置。因此，谐振回路中的串联电感可以处于集成在变压器中的漏电感的形式。
次级侧无源装置可以完成可切换双向功率转换器与电池之间的传递。次级侧绕组被示出为连接到电池，其中电容器C2和电感器L2在高电压电池上并且电感器L3在低电压电池上。到电池的连接性可以经由可切换装置调制，该可切换装置诸如为所示出的MOSFETS1-S4和T1-T4。可以包括附加的和另选的装置，诸如降压转换器、各种其他电容器和电阻。代替在可切换双向功率转换器上放置降压器和升压器，这些可以被放置在它们的无源装置的电池侧上。然后，可切换功率因数校正电路可以切换单个功率转换器拓扑中的匝数比。
可以说，可切换双向功率转换器包括初级侧变压器，该初级侧变压器包括与电感器LM并联的绕组，该绕组与电容器C1和电感器L1连接。初级侧变压器可以在第一侧连接到第一开关半桥臂LG1，并且在第二侧连接到电容器开关CS1或CS2，以在到第二开关半桥臂LG2的连接与电容器开关CS1或CS2的至少两个PFC电容器CPFC1、CPFC2和/或CPFC3、CPCF4之间的连接之间切换。
还可以说，可切换双向功率转换器包括初级侧无源功率传递装置，该初级侧无源功率传递装置包括至少一个电感器L1，该初级侧无源功率传递装置在第一侧连接到第一开关半桥臂LG1，并且在第二侧连接到电容器开关CS1或CS2，以在到第二开关半桥臂LG2的连接与电容器开关CS1、CS2的至少两个PFC电容器CPFC1、CPFC2和/或CPFC3、CPCF4之间的连接之间切换。
OBC拓扑在具有针对单相和三相电网操作两者优化的设计方面具有实际挑战。单相连接与三相连接之间的功率因数校正(PFC)的电压变化可以例如高达400V。可以说，第一电池连接的额定电压是第二电池连接的额定电压的两倍到十倍或数十倍。作为工作示例，低电压***可以是12伏或24伏，而高电压***可以是400伏或600伏或更多伏。减小两个电网连接的这种变化的一种解决方案是将单相PFC电压提升到三相PFC电压电平。然而，这种方法使得OBC效率低下。考虑到PFC可以是升压转换器这一事实，不可能将三相PFC电压降低到单相电压电平。
由于谐振转换器主要用于DC-DC转换级，因此设计高输入到输出增益范围可以使磁性部件选择非常具有挑战性。具有大的输入增益范围与以下两个原因有关：
·电网电压是可变的并且基于操作条件而改变，并且单相电网电压与三相电网电压之间的电压范围是巨大的。
·功率因数校正(PFC)是升压转换器，并且它能够产生的最小DC电压总是高于电网的线-线电压。
此处的车载电池充电器拓扑考虑了三相和单相电网连接的结果。这种拓扑使用H桥初级整流器结构，使得CLLC在单相情况下具有全电压电平，然后在三相情况下切换到半桥CLLC初级整流器结构。这在三相情况下将PFC DC电压分成一半，允许CLLC对于三相和单相电网连接两者具有相同或非常接近的输入电压。因此，PFC电路还通过包括整流器和逆变器的特征而用作整流器和逆变器，以实现功率因数校正。
图1示出了当电池从单相电网充电时的电路图。输入滤波器电感器是交错的，从而导致交错的单相PFC操作。单相AC源的返回路径连接到第四PFC臂。PFC电容器被额定用于PFC单相电压范围(例如：350V至450V)或另一个PFC电压设置(诸如200V低电压和1000V高电压，或160V低电压和500V高电压)。并联连接增加了单相PFC的电容，以滤除低频分量。
参见图1，可以说，可切换双向功率转换器包括到全桥单相开关组的单相电网连接，其中半桥多相开关组与全桥单相开关组交错，并且其中全桥单相开关组包括第一开关半桥臂LG1和第二开关半桥臂LG2。功率转换器包括可切换功率因数校正电路。
可切换双向功率转换器可以包括用于切换的金属氧化物半导体场效应晶体管(“MOSFET”)集合。替代物诸如IGBT可以被替换。全桥单相开关组可以包括PFC电路的电网侧上的MOSFET R4和R8。第一开关半桥臂LG1可以包括MOSFET P1、P3，并且第二开关半桥臂LG2可以由PFC电路的电池侧上的MOSFET P2、P4形成。对于电网与电池之间的单相连接，电容器开关CS1包括臂A1、A2和节点1-3。臂A1将PFC电容器CPCF2连接到节点1，以使PFC电容器CPCF2与全桥单相开关组MOSFET R4和R8并联。臂A2将节点3连接到PFC电容器CPCF2。利用第一和第二半桥臂形成H桥型布置。
图2A和图2B示出了放置在高电压电池处的20欧姆电阻器RL随时间变化的电压(V)和安培数(A)。这是操作频率控制的非限制性工作示例，并且可以实现其他选项。例如，可以使用具有用于开关周期的固定值的脉冲宽度控制、操作频率控制或相移控制中的一个或其组合。在开关频率为150千赫兹的情况下，电压V1除以10在具有三角形的线上示出，电流i1、i2除以3在具有菱形的线上示出，im和iout除以3在具有圆形的线上示出，并且vout除以10在具有星形的线上示出。对于图4A、图4B、图6A、图6B、图8A、图8B、图10A和图10B重复该标记方法。
接下来，图3示出了三相电网与PCF电路的连接。图3示出了当电池从三相电网配置充电时的电路图。当OBC连接到三相电网时，PFC DC链路(DC-link)电压几乎加倍。因此，不可能设计对于两个电压电平都最优的谐振回路或变压器绕组。一种方法是具有两个单独的谐振回路和两组变压器初级绕组(中心抽头)以适应两个输入电压范围。但是，可以避免与该方法相关联的附加成本。CLLC的初级从全桥重构为半桥。该重构将PFC电压分成一半。这可以通过单个继电器结构(电容器开关CS1)来完成，该单个继电器结构将DC链路电容器的连接从并联改变为串联。因为在三相PFC情况下，在DC链路侧没有低阶谐波，所以PFC电容器CPCF1和CPCF2的值的减小可以不影响DC链路纹波要求的方式来设计。具有分离电容器布置的半桥结构将PFC电压分成使用H桥时的一半。这导致在从单相电网连接产生的PFC电压的相同范围内的PFC电压(将图2A和图2B与图4A和图4B进行比较)。在仅使用一个半桥期间，另一个半桥保持不使用。
第二开关半桥臂LG2可以被配置为经由金属氧化物半导体场效应晶体管(“MOSFET”)P2、P4可切换地连接到半桥多相开关组。也就是说，如图3所示，这些MOSFET可以被控制为关断。这产生了半桥结构。
可以说，可切换双向功率转换器包括到半桥多相开关组的多相电网连接。半桥多相开关组可以包括由开关(此处为MOSFET P2、P4)形成的第一开关半桥臂LG1。多相开关组可以由开关诸如MOSFET R1-R3和R5-R7组成。
形成可切换功率因数校正电路的一部分的电容器开关CS1将两个臂A1、A2切换到节点2，使得PFC电容器CPCF1和CPCF2串联。通过连接到节点2，初级侧无源功率传递装置在第一侧连接到第一开关半桥臂LG1，并且在第二侧连接到电容器开关CS1的节点2，以从到第二开关半桥臂LG2的连接(图1)切换到至少两个功率因数校正电容器CPCF1和CPCF2之间的连接。
比较图1和图3，可以说，电容器开关CS1被配置为在以下两者之间切换至少两个功率因数校正电容器(PFC电容器)CPCF1和CPCF2：
·到单相开关组、第一开关半桥臂LG1和第二开关半桥臂LG2的并联连接；和
·到多相开关组和第一开关半桥臂的串联连接。
转到图5，期望具有保留一个或多个零向量的选项。在从H桥到半桥的拓扑变化期间，可以由CLLC的初级产生的电压是两级电压(没有零向量的高电压和低电压)。为了保留这两个零向量(高零向量和低零向量)，可以使用示出为一对开关BD1、BD2的双向开关来暂时断开中性连接，同时使用H桥的两个臂来产生这些零向量中的一者。电路图在图5中示出。双向开关的另选示例也在图5A至图5C中示出，并且为此可以在图5中进行替换。替代方案是非限制性的。图6A和图6B与先前的三相电网操作形成对比，其中电压(V)和安培数(A)随时间呈现阶跃响应。
可以说，可切换双向功率转换器可以包括在无源装置的第二侧上的双向开关，该双向开关可以包括一对开关BD1、BD2。双向开关可以连接在电容器开关CS1与到第二开关半桥臂LG2的连接之间。然后，该可切换双向功率转换器可以被配置为在第一开关半桥臂LG1并联连接到第二开关半桥臂LG2时断开多相电网连接的中性线以产生零向量。第二开关半桥臂LG2可以被配置为可切换地连接到半桥多相开关组。
作为另一选项，可能仅保留下电压零向量。零向量的使用仍然可以仅利用这些零向量中的一者来完成。为了保留由CLLC初级的两个下部开关产生的零向量，需要被阻断的电压仅为Vdc/2。因此，三象限开关Q1可以完成此工作。需注意，如果使用图7中的结构，则对于该多相配置而言，对应于MOSFET P2的开关总是关断。MOSFET P2可以通过适当控制被关断以用于多相操作，并且被导通以用于全桥单相操作。可切换双向功率转换器可以包括在无源装置的第二侧上的三象限开关Q1，并且三象限开关Q1可以连接在电容器开关CS1与到第二开关半桥臂LG22的连接之间。可以看出图6A、图6B和图8A、图8B之间的相似性，使得单个三象限开关Q1成为图5、图5A至图5C中所示的该对双向开关BD1、BD2的可行选项。
作为另一选项，可能仅保留上电压零向量。如果仅使用上零向量，则所需的阻断电压为+Vdc/2。因此，图9中所示的结构可以用于实现零向量化。需注意，在该拓扑中，开关MOSFET P4在多相操作中总是关断。其可以被控制为导通以用于全桥单相操作。因此，对MOSFET P2、P4的控制可以将第二开关半桥臂LG23与第一开关半桥臂LG1并联连接。此外，作为另一选项，适当选择的缓冲电容器可连接在三象限中心抽头开关两端以避免噪声。可接受的电压(V)和安培数(A)随时间的变化可以在图10A和图10B中看到。
图11中的结构将中心抽头连接移动到薄膜电容器CPFC3和CPFC4以简化布局。可能使薄膜电容器中心抽头代替如前面附图中所做的大容量电解电容器。薄膜电容器CPFC3和CPFC4可以用于过滤高频分量。在图11中，使用两个电容器开关。第一电容器开关CS1包括三个节点1-3和两个臂A1、A2，以在至少两个PFC电容器CPCF1和CPCF2的串联和并联连接之间进行转换。可以在PFC电路的全桥操作与半桥操作之间进行转换。并且PFC电容器CPCF1和CPCF2可以是电解电容器。然后，具有臂A3和节点4的第二电容器开关CS2可以选择性地将串联薄膜电容器CPFC3和CPFC4连接到无源装置。当第二电容器开关CS2断开时，无源装置连接到第二开关半桥臂LG2。
可以说，可切换功率因数校正电路可以可选地包括与半桥多相开关组和全桥单相开关组共享的一个或多个DC链路电容器。作为一个选项，至少两个功率因数校正电容器CPCF1和CPCF2可以包括由电容器开关CS1划分的一对或多对电解电容器。作为又一选项，可切换功率因数校正电路还可以包括与全桥单相开关组连接的一对或多对薄膜电容器，如PFC电容器CPCF3和CPCF4。
可以说，可切换功率因数校正电路包括与全桥单相开关组连接的一对或多对薄膜电容器(PFC电容器CPFC3和CPFC4)，其中至少两个功率因数校正电容器CPFC1和CPFC2包括由电容器开关CS1划分的一对或多对电解电容器。PFC电路还可以包括初级侧无源功率传递装置，该初级侧无源功率传递装置包括至少一个电感器，该初级侧无源功率传递装置在第一侧连接到第一开关半桥臂LG1，并且在第二侧连接到半桥开关，以在到第二开关半桥臂LG2的连接与一对或多对薄膜电容器之间的连接之间切换。
图12中的结构消除了对DC链路电容器继电器的需要。在这种情况下，必须设计所需的电容量，使得其过滤低频分量，并且其电压额定值必须等于全DC链路电压。为了满足电压额定值，可以使用一个电容器或者可以串联添加多个电容器，其中每个电容器电压额定值等于Vdc/n，其中n是串联连接的电容器的总数。这由图12中的可交换虚线框例示，其中图12A和图12B的选项表示具有一个或多个电容器的能力。在图12B的示例中，每个PFC电容器可以被额定为DC链路电压的一半。
在图12中，可能通过增加由用于PFC电容器CPCF1和CPCF2的一对电解电容器形成的DC链路电容器的值来消除对继电器(电容器开关CS1)的需要，或者使用图12A和图12B的选项。然后，更简单的电容器开关CS2(第二电容器开关CS2)可以与薄膜PFC电容器CPCF3和CPCF4一起使用。
虽然已经给出了单独的示例，但是可能将若干示例组合在一起。对于一个示例，可能将图12的中心抽头连接教导内容与先前提到的零向量保留连接、先前描述的双向或三象限开关相组合。此外，已经示出了最少的开关，并且可能添加附加开关以连接到负载或电池侧。
虽然已经提供了电动车辆的示例，但其他运输机器和电池驱动装置也可以受益于本文的教导内容。
考虑到本文公开的实例的说明书和实践，其他实现方式对于本领域技术人员将是显而易见的。
Claims (16)
1.一种可切换双向功率转换器，包括：
到半桥多相开关组的多相电网连接，所述半桥多相开关组包括第一开关半桥臂；
到全桥单相开关组的单相电网连接，其中所述半桥多相开关组与所述全桥单相开关组交错，并且其中所述全桥单相开关组包括所述第一开关半桥臂和第二开关半桥臂；和
电容器开关，所述电容器开关被配置为在以下两者之间切换至少两个功率因数校正电容器：
到所述单相开关组、所述第一开关半桥臂和所述第二开关半桥臂的并联连接；和
到所述多相开关组和所述第一开关半桥臂的串联连接。
2.根据权利要求1所述的可切换双向功率转换器，包括初级侧变压器，所述初级侧变压器包括与电容器和电感器连接的绕组，所述初级侧变压器在第一侧连接到所述第一开关半桥臂，并且在第二侧连接到所述电容器开关，以在到所述第二开关半桥臂的连接与所述至少两个功率因数校正电容器之间的连接之间切换。
3.根据权利要求2所述的可切换双向功率转换器，其中所述初级侧变压器的所述绕组是多抽头绕组。
4.根据权利要求1所述的可切换双向功率转换器，包括初级侧无源功率传递装置，所述初级侧无源功率传递装置包括至少一个电感器，所述初级侧无源功率传递装置在第一侧连接到所述第一开关半桥臂，并且在第二侧连接到所述电容器开关，以在到所述第二开关半桥臂的连接与所述至少两个功率因数校正电容器之间的连接之间切换。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的可切换双向功率转换器，包括在所述第二侧连接在所述电容器开关与到所述第二开关半桥臂的所述连接之间的双向开关。
6.根据权利要求5所述的可切换双向功率转换器，被配置为在所述第一开关半桥臂连接到所述第二开关半桥臂时断开所述多相电网连接的中性线以产生零向量。
7.根据权利要求5所述的可切换双向功率转换器，其中所述第二开关半桥臂被配置为可切换地连接到所述半桥多相开关组。
8.根据权利要求2至4中任一项所述的可切换双向功率转换器，包括在所述第二侧连接在所述电容器开关与到所述第二开关半桥臂的所述连接之间的三象限开关。
9.根据权利要求1至4中任一项所述的可切换双向功率转换器，还包括与所述半桥多相开关组和所述全桥单相开关组共享的一个或多个DC链路电容器。
10.根据权利要求1至4中任一项所述的可切换双向功率转换器，其中所述至少两个功率因数校正电容器包括由电容器开关划分的一对或多对电解电容器。
11.根据权利要求10所述的可切换双向功率转换器，还包括与所述全桥单相开关组连接的一对或多对薄膜电容器。
12.根据权利要求1所述的可切换双向功率转换器，还包括与所述全桥单相开关组连接的一对或多对薄膜电容器，其中所述至少两个功率因数校正电容器包括由所述电容器开关划分的一对或多对电解电容器，并且还包括初级侧无源功率传递装置，所述初级侧无源功率传递装置包括至少一个电感器，所述初级侧无源功率传递装置在第一侧连接到所述第一开关半桥臂，并且在第二侧连接到半桥开关，以在到所述第二开关半桥臂的连接与所述一对或多对薄膜电容器之间的连接之间切换。
13.根据权利要求1至4中任一项所述的可切换双向功率转换器，其中所述半桥多相开关组包括用于切换的金属氧化物半导体场效应晶体管(“MOSFET”)。
14.根据权利要求1至4中任一项所述的可切换双向功率转换器，其中所述第二开关半桥臂被配置为经由金属氧化物半导体场效应晶体管(“MOSFET”)可切换地连接到所述半桥多相开关组。
15.一种双向车载充电器，包括根据任一前述权利要求所述的可切换双向功率转换器。
16.根据权利要求15所述的双向车载充电器，还包括到所述可切换双向功率转换器的第一电池连接和到所述可切换双向功率转换器的第二电池连接，其中所述第一电池连接的额定电压是所述第二电池连接的额定电压的两倍到十倍或数十倍。
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