CN102195506A - 停用矩阵转换器的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及停用矩阵转换器的系统和方法。具体地,提供了用于停用矩阵转换模块的系统和方法。一种电气系统,包括:交流AC接口;矩阵转换模块,其联接到所述AC接口;电感元件,其联接在所述AC接口与所述矩阵转换模块之间;和控制模块。控制模块联接到所述矩阵转换模块,响应于关停状况,所述控制模块被设置为当通过所述电感元件的电流的量小于阈值时停用所述第一转换模块。

Description

停用矩阵转换器的系统和方法
[0001] 关于联邦资助研究或开发的声明
[0002] 本发明通过在协议DE-FC26-07NT43123下由美国能源部给予的政府支持而进行。 政府对于本发明具有特定权利。
技术领域
[0003] 在此描述的发明主题的实施例一般涉及机动交通工具中的电气系统,且更具体地,本发明主题的实施例涉及具有电流隔离的能量传输系统。
背景技术
[0004] 矩阵转换器(或循环换流器)可用于电动交通工具和/或混合动力交通工具中, 以适应在相对较宽范围的操作电压下的相对较高的功率传输,而同时实现电流隔离、相对较高的功率因数、低谐波畸变、相对较高功率密度和低成本。矩阵转换器可用于将能量从交流(AC)能量源(例如,在大多数住宅和商用建筑物中常用的单相电网电力)传输到直流 (DC)能量储存元件(例如在交通工具中的可再充电电池)。
[0005] 在实践中,希望可关停或以其它方式停用矩阵转换器,以便例如停止对交通工具的电池传输充电功率或者减少开关损耗。在一些矩阵转换器系统中,一个或多个电抗性部件(例如,电感器和/或电容器)存在于AC能量源与矩阵转换器之间。当矩阵转换器停用时,流动到矩阵转换器/自矩阵转换器流出的电流被中断或以其它方式停止。不过,突然停止流动到电抗性部件/自电抗性部件流出的电流可能使得在矩阵转换器的部件上由于电抗性部件所储存的势能而导致潜在损害性的电压峰值。例如,突然停止流动通过电感器的电流可能导致超过半导体器件击穿电压的瞬时电压峰值。
[0006] 许多现有技术系统采用一个或多个缓冲器,以防止或以其它方式减轻在矩阵转换器部件上的可能由于电压峰值所致的损害。缓冲器是减小总体操作效率的额外的损耗性部件。因此,希望被电抗性部件储存的任何势能以这样的方式被释放,即:在关停时保护矩阵转换器部件,而不需要使用缓冲器或其它损耗性部件。
发明内容
[0007] 根据一个实施例,提供一种电气系统。所述电气系统包括:交流(AC)接口 ;第一转换模块,其联接到所述AC接口 ;电感元件,其联接在所述AC接口与所述第一转换模块之间; 和控制模块。该控制模块联接到所述第一转换模块,而且,响应于关停状况(或关停条件), 所述控制模块被设置为当通过所述电感元件的电流量小于阈值时停用所述第一转换模块。
[0008] 根据另一实施例,提供一种用于控制电气系统的方法,所述电气系统包括第一转换模块、和被设置为电串联在所述第一转换模块与AC接口之间的电感元件。所述方法包括:操作所述第一转换模块,以实现所希望的从所述AC接口的能量流动;确认关停状况。响应于确认所述关停状况,所述方法如下继续:监测通过所述电感元件的电流;和当通过所述电感元件的电流的量小于阈值时,停用所述第一转换模块。[0009] 在另一实施例中,提供一种交通工具电气系统。所述交通工具电气系统包括:DC 接口,其被设置以联接到DC能量源;AC接口,其被设置以联接到AC能量源。能量转换模块联接到所述DC接口 ;而矩阵转换器联接到所述AC接口。电感元件被设置成电串联在所述 AC接口的第一节点与所述矩阵转换器之间。隔离模块联接在所述能量转换模块与所述矩阵转换器之间,以在所述能量转换模块与所述矩阵转换器之间提供电流隔离。控制模块联接到所述矩阵转换器,并被设置为操作所述矩阵转换器以将能量从所述AC接口传输到所述DC接口,以及确认(或识别)关停状况。响应于确认所述关停状况,控制模块根据关停占空因数来操作所述矩阵转换器;当通过所述电感元件的电流的量小于阈值时,操作所述矩阵转换器使所述电感元件放电,以及在使所述电感元件放电之后,停用所述矩阵转换器。
[0010] 本发明还包括以下方案:
[0011] 方案1. 一种电气系统,包括:
[0012]交流 AC 接口;
[0013] 第一转换模块,其联接到所述AC接口 ;
[0014] 电感元件,其联接在所述AC接口与所述第一转换模块之间;和
[0015] 控制模块,其联接到所述第一转换模块,其中,响应于关停状况,所述控制模块被设置为当通过所述电感元件的电流的量小于阈值时停用所述第一转换模块。
[0016] 方案2.如方案1所述的电气系统,其中,当通过所述电感元件的电流的量小于所述阈值时,所述控制模块被设置为操作所述第一转换模块,以便在停用所述第一转换模块之前使所述电感元件放电。
[0017] 方案3.如方案2所述的电气系统,其中,所述控制模块被设置为:响应于所述关停状况,利用关停占空因数来操作所述第一转换模块。
[0018] 方案4.如方案3所述的电气系统,其中,所述第一转换模块包括多个开关元件, 其中所述控制模块被设置为利用所述关停占空因数来通过以下方式操作所述第一转换模块:
[0019] 产生具有减小的占空因数的脉宽调制PWM命令信号;和
[0020] 根据所述PWM命令信号操作所述多个开关元件。
[0021] 方案5.如方案3所述的电气系统,进一步包括:
[0022]直流 DC 接口;
[0023] 第二转换模块;和
[0024] 隔离模块,其联接在所述第一转换模块与所述第二转换模块之间,所述隔离模块在所述第一转换模块与所述第二转换模块之间提供电流隔离。
[0025] 方案6.如方案5所述的电气系统,其中,所述关停占空因数等于1-U,其中U取决
于公式
Figure CN102195506AD00051
,Vac表示在所述AC接口处的电压,&表示在所述DC接口处的有效 V ot/r x
电阻,Pout对应于在所述DC接口处的输出功率。
[0026] 方案7.如方案1所述的电气系统,其中,所述第一转换模块包括:
[0027] 第一节点,其联接到所述电感元件;
[0028] 第二节点,其联接到所述AC接口 ;
[0029] 第三节点;[0030] 第四节点;
[0031] 第一开关,其联接在所述第一节点与所述第三节点之间,所述第一开关被设置以允许电流当所述第一开关闭合时从所述第三节点流动到所述第一节点;
[0032] 第二开关,其联接在所述第一开关与所述第三节点之间,所述第二开关被设置以允许电流当所述第二开关闭合时从所述第一节点流动到所述第三节点;
[0033] 第三开关,其联接在所述第一节点与所述第四节点之间,所述第三开关被设置以允许电流当所述第三开关闭合时从所述第四节点流动到所述第一节点;
[0034] 第四开关,其联接在所述第三开关与所述第四节点之间,所述第四开关被设置以允许电流当所述第四开关闭合时从所述第一节点流动到所述第四节点;
[0035] 第五开关,其联接在所述第二节点与所述第四节点之间,所述第五开关被设置以允许电流当所述第五开关闭合时从所述第二节点流动到所述第四节点;
[0036] 第六开关,其联接在所述第五开关与所述第二节点之间,所述第六开关被设置以允许电流当所述第六开关闭合时从所述第四节点流动到所述第二节点;
[0037] 第七开关,其联接在所述第二节点与所述第三节点之间,所述第七开关被设置以允许电流当所述第七开关闭合时从所述第二节点流动到所述第三节点;和
[0038] 第八开关,其联接在所述第七开关与所述第二节点之间,所述第八开关被设置以允许电流当所述第八开关闭合时从所述第三节点流动到所述第二节点。
[0039] 方案8.如方案7所述的电气系统,其中,所述控制模块被设置以操作所述第一转换模块,以在所述第一节点与所述第二节点之间提供电连接,从而在停用所述转换模块之前当通过所述电感元件的电流小于所述阈值时使所述电感元件放电。
[0040] 方案9.如方案8所述的电气系统,其中,所述控制模块被设置为:通过同时闭合所述第一开关、所述第二开关、所述第七开关、和所述第八开关,从而在所述第一节点与所述第二节点之间提供电连接。
[0041] 方案10.如方案8所述的电气系统,其中,所述控制模块被设置为:通过同时闭合所述第三开关、所述第四开关、所述第五开关、和所述第六开关,从而在所述第一节点与所述第二节点之间提供电连接。
[0042] 方案11.如方案8所述的电气系统,其中,所述控制模块被设置为:在所述第一节点与所述第二节点之间提供电连接之后,通过断开所述第一开关、所述第二开关、所述第三开关、所述第四开关、所述第五开关、所述第六开关、所述第七开关、和所述第八开关从而停用所述第一转换模块。
[0043] 方案12. —种用于控制电气系统的方法,所述电气系统包括第一转换模块、和被设置为电串联在所述第一转换模块与AC接口之间的电感元件,所述方法包括:
[0044] 操作所述第一转换模块,以实现所希望的从所述AC接口的能量流动;
[0045] 确认关停状况;和
[0046] 响应于确认所述关停状况而:
[0047] 监测通过所述电感元件的电流;和
[0048] 当通过所述电感元件的电流的量小于阈值时,停用所述第一转换模块。
[0049] 方案13.如方案12所述的方法,进一步包括:
[0050] 在停用所述第一转换模块之前,当通过所述电感元件的电流的量小于所述阈值时,操作所述第一转换模块以使所述电感元件放电。
[0051] 方案14.如方案13所述的方法,进一步包括:
[0052] 监测在所述AC接口处的电压,其中当通过所述电感元件的电流的量小于所述阈值且在所述AC接口处的电压的量小于第二阈值时,操作所述第一转换模块以使所述电感元件放电。
[0053] 方案15.如方案12所述的方法,进一步包括:
[0054] 响应于所述关停状况,根据具有关停占空因数的脉宽调制PWM命令信号来操作所述第一转换模块中的多个开关。
[0055] 方案16.如方案15所述的方法,所述电气系统包括:直流DC接口 ;第二转换模块; 和隔离模块,所述隔离模块联接在所述第一转换模块与所述第二转换模块之间,所述隔离模块在所述第一转换模块与所述第二转换模块之间提供电流隔离,其中,使用所述关停占空因数来操作所述第一转换模块进一步包括:
[0056] 至少部分地基于在所述AC接口处的电压和在所述DC接口处的有效电阻来计算所述关停占空因数。
[0057] 方案17. —种交通工具电气系统,包括:
[0058] DC接口,其被设置以联接到DC能量源;
[0059] AC接口,其被设置以联接到AC能量源;
[0060] 能量转换模块,其联接到所述DC接口;
[0061] 矩阵转换器,其联接到所述AC接口 ;
[0062] 电感元件,其被设置以电串联在所述AC接口的第一节点与所述矩阵转换器之间;
[0063] 隔离模块,其联接在所述能量转换模块与所述矩阵转换器之间,所述隔离模块在所述能量转换模块与所述矩阵转换器之间提供电流隔离;和
[0064] 控制模块,其联接到所述矩阵转换器,其中所述控制模块被设置为:
[0065] 操作所述矩阵转换器,以将能量从所述AC接口传输到所述DC接口;
[0066] 确认关停状况;和
[0067] 响应于确认所述关停状况而:
[0068] 根据关停占空因数操作所述矩阵转换器;
[0069] 当通过所述电感元件的电流的量小于阈值时,操作所述矩阵转换器使所述电感元件放电;和
[0070] 在使所述电感元件放电之后,停用所述矩阵转换器。
[0071] 方案18.如方案17所述的交通工具电气系统,其中,所述关停占空因数等于1-U, U取决于公式V= , Jac ,Vac表示在所述AC接口处的电压,k表示通过所述电感元件
V OC/Γ X 尺L
的电流,Rl表示在所述DC接口处的有效电阻,Pout对应于在所述DC接口处的输出功率。
[0072] 方案19.如方案17所述的交通工具电气系统,其中,所述AC接口具有联接到所述矩阵转换器的第二节点,所述矩阵转换器包括被设置在第三节点与所述第二节点之间的多个开关,且所述第三节点联接到所述电感元件,其中,所述控制模块被设置以通过操作所述多个开关以在所述第二节点与所述第三节点之间提供电连接来操作所述矩阵转换器使所述电感元件放电。[0073] 方案20.如方案19所述的交通工具电气系统,其中,所述控制模块被设置为:通过根据具有所述关停占空因数的脉宽调制PWM命令信号来操作所述多个开关,从而根据所述关停占空因数来操作所述矩阵变换器。
[0074] 提供本发明内容用以通过简化形式介绍精选思路,其将在下文中的详细描述中进一步描述。本发明内容不用于确认所要求的发明主题的关键特征或实质特征,也不用于辅助确定所要求的发明主题的范围。
附图说明
[0075] 通过结合附图并参照详细描述和权利要求,可得到对本发明主题的更完整理解, 其中相同附图标记在全部图中总是表示相似元件。
[0076] 图1是根据一个实施例的适用于交通工具中的电气系统的示意图;
[0077] 图2是根据一个实施例的适用于图1所示电气系统的控制过程的流程示意图;和
[0078] 图3是根据一个实施例的适用于图1所示电气系统的控制过程的流程示意图。
具体实施方式
[0079] 以下详细描述实际上仅为示例性的,并不用于限制本发明主题的实施例或这些实施例的应用和使用。在此使用的措辞“示例性”是指“用作示例、实例或例示”。作为示例在此描述的任何实施方案均不必被认为是相对于其它实施方案的优选或有利的方案。而且, 本发明不会受限于在前文中的技术领域、背景技术、发明内容或后文中的详细描述中所呈现的任何明示或暗示的原理。
[0080] 以下描述涉及被“连接”或“联接”在一起的元件或节点或特征。除非另行明确说明,否则在此使用的“连接”是指一个元件/节点/特征直接接合到(或直接连通于)另一元件/节点/特征,而且不必采用机械方式。同样,除非另行明确说明,否则“联接”是指一个元件/节点/特征部直接或间接接合到(或直接或间接连通于)另一元件/节点/特征, 而且不必采用机械方式。这样,虽然附图可图示出元件的一种示例性布置,不过,在所示主题的实施例中可存在其它中介元件、装置、特征、或部件。此外,在以下描述中也可使用特定术语,其仅用于参照目的,而不用于限制。措辞“第一”、“第二”以及其它这样的指代结构的序数措辞并不暗示次序或顺序,除非在上下文中明确指出。
[0081] 在此使用的“节点”是指任何内部或外部的基准点、连接点、汇合部、信号线、导电元件、或类似物,在所述节点处,存在给定的信号、逻辑电平、电压、数据样式、电流、或量值。 而且,两种或更多种节点可通过一个实体元件(物理元件)实现(两种或更多种信号可被复用、调制、或以其它方式区分,即使在共用节点处接收或输出也是如此)。
[0082] 在此所述的技术和思路一般涉及矩阵转换器系统,其能够在停用、关停或以其它方式终止矩阵转换器操作之前释放被一个或多个电抗性部件储存的势能。响应于确认关停状况,矩阵转换器通过关停占空因数操作,这确保流动到矩阵转换器/自矩阵转换器流出的电流被保持,由此保持通过电抗性部件的电流流动。当通过电抗性部件的电流接近或以其它方式处于或邻近过零点(zero crossing)时,操作矩阵转换器使电抗性部件放电。在电抗性部件放电之后,矩阵转换器可通过断开矩阵转换器的所有开关元件或使矩阵转换器的所有开关都置于关断状态从而被安全地关停或停用,以减少开关损耗和防止电流流入/流出矩阵转换器。通过在停用矩阵转换器之前使电抗性部件放电,减轻了任何可能的瞬时电压峰值的影响,由此允许通过具有较低功率/电压处理要求的部件和较小的缓冲器(或完全没有缓冲器)或其它损耗性部件来实现矩阵转换器。
[0083] 图1图示出电气系统100(或可替代地为充电系统、充电器或充电模块)的示例性实施例,其适用于交通工具,例如电动交通工具和/或混合动力交通工具。非限制性地,电气系统100包括:第一接口 102 ;第一能量转换模块104 ;隔离模块106 ;第二能量转换模块 108;电感元件110;电容元件112;第二接口 114 ;和控制模块116。第一接口 102 —般表示物理接口(例如,端子,连接器,和类似物),用于将电气系统100联接到DC能量源118 ;以及,第二接口 114 一般表示物理接口(例如,端子,连接器,和类似物),用于将电气系统100 联接到AC能量源120。因此,为了方便起见,第一接口 102在此可被称为DC接口,而第二接口 114在此可被称为AC接口。在示例性的实施例中,控制模块116联接到转换模块104、 108,并且以一定方式停用(或关停)第二转换模块108,所述方式释放被电感元件110储存的势能,如在下文中更详细所述。
[0084] 在示例性实施例中,DC能量源118(或者可替代地为能量储存源或称ESQ能够以特定DC电压电平(Vrc)从电气系统100接收直流电流(iDe)。根据一个实施例,DC能量源 118被实现为可再充电高电压电池组。对此,DC能量源118可包括主能量源,用于交通工具中另外的电气系统和/或电动马达。例如,DC能量源118可联接到被设置为将电压和/或电流提供到电动马达的功率变换器。在示例性实施例中,DC能量源118具有的标称DC电压的范围在约200至500伏DC。在其它实施例中,DC能量源118可包括电池、燃料电池、超级电容器或其它适合的能量储存装置。
[0085] 在示例性实施例中,AC能量源120 (或功率源)以特定AC电压电平(Vac)将AC电流(iAC)提供到充电系统100。对此,AC能量源120可被实现为主电源或主电气系统,用于建筑物、家居、或在电力电网(例如,干线电力或电网电力)内的其它结构。根据一个实施例,AC能量源120包括如在大多数住宅结构中常用的单相电源,其根据地理区域而变化。例如,在美国,AC能量源120可被实现为在60Hz下的120伏(RMS)或240伏(RMS),而在其它区域中,AC能量源120可被实现为在50Hz下的110伏(RMS)或220伏(RMS)。在可替代的实施例中,AC能量源120可被实现为适于充电系统100操作的任何AC能量源。
[0086] 如在下文中更详细所述,DC接口 102联接到第一转换模块104,AC接口 114通过电感元件110联接到第二转换模块108。隔离模块106联接在转换模块104、108之间,并在两个转换模块104、108之间提供电流隔离。控制模块116联接到转换模块104、108,并操作转换模块104、108以通过将来自AC能量源120的能量转换为在隔离模块106上的高频能量,其然后通过转换模块104转换为在DC接口 102处的DC能量,从而实现所希望的从 AC能量源120到DC能量源118的功率流动。对此,应理解,虽然本发明的主题为了阐释的目的而在此被描述为处于电网至交通工具的应用环境(例如,AC能量源120将能量传输到 DC能量源118)中,不过,在其它实施例中,在此描述的本发明的主题可在交通工具至电网的应用(例如,DC能量源118将能量传输到AC接口 114和/或AC能量源120)中实施和/ 或采用。
[0087] 在示例性实施例中,第一转换模块104将节点122、IM处的高频能量转换为DC能量,且该DC能量被提供到DC接口 102处的DC能量源118。对此,第一转换模块104在将高频AC能量转换为DC能量时作为整流器操作。在所示实施例中,第一转换模块104包括四个开关元件(S9-S12),其中每个开关元件具有被设置为反向并联于相应开关元件以适应于双向能量传输的二极管(D9-D12)。不过,应认识到,在一些实际实施例中,第一转换模块 104可被实现为用于单向能量传输的整流器,其仅包括二极管(D9-D12),因而这样的实施例可能不包括开关元件(S9-SU)。如图所示,第一转换模块104还包括电容器126,电容器 126被设置为在DC接口 102两端上电并联,以减小在DC接口 102处的电压波动,如现有技术中应认识到的那样。
[0088] 在示例性实施例中,开关元件(S9-S12)为晶体管,并可使用任意适合的半导体晶体管开关而实现,例如,双极结晶体管(例如IGBT),场效应晶体管(例如M0SFET),或在现有技术中已知的任何其它相当的装置。开关和二极管反向并联,意味着开关和二极管以相反或逆反的极性电并联。反向并联设置允许双向电流流动而同时单向阻止电压,如现有技术中应认识到的那样。在这种设置中,通过开关的电流的方向相反于通过相应二极管的允许电流的方向。反向并联二极管连接在每个开关两端上,从而在相应开关关断时提供通向 DC能量源118的电流路径,用于对DC能量源118充电。为了将能量从DC能量源118提供到AC接口 114(例如,交通工具至电网的应用),开关可以被调制(例如断开和/或闭合), 以提供从DC能量源118至隔离模块106的电流路径,用于将能量传输(或上载)到AC能量源120。
[0089] 在所示实施例中,开关S9连接在DC接口 102的节点1¾与节点122之间,并被设置为当开关S9闭合时提供从节点1¾至节点122的电流流动路径。二极管D9连接在节点 122与节点1¾之间,并被设置为提供从节点122至节点1¾的电流流动路径(例如,二极管D9反向并联于开关S9)。开关SlO连接在DC接口 102的节点130与节点122之间,并被设置为当开关SlO闭合时提供从节点122至节点130的电流流动路径;二极管DlO连接在节点122与节点130之间,并被设置为提供从节点130至节点122的电流流动路径。以类似方式,开关Sll连接在节点1¾与节点IM之间,并被设置为当开关Sll闭合时提供从节点1¾至节点124的电流流动路径;二极管Dll连接在节点IM与DC接口 102之间,并被设置为提供从节点124至节点128的电流流动路径。开关S12连接在节点130与节点IM 之间,并被设置为当开关S12闭合时提供从节点IM至节点130的电流流动路径;二极管 D12连接在节点124与DC接口 102之间,并被设置为提供从节点130至节点124的电流流动路径。
[0090] 在示例性实施例中,第二转换模块108有利于使电流(或能量)从AC能量源120 流动到隔离模块106。在所示实施例中,第二转换模块108被实现为前端单相矩阵转换器, 其包括八个开关元件(S1-S8),其中每个开关元件具有被设置为以与前文关于第一转换模块104所述类似的方式反向并联于相应开关元件的二极管(D1-D8)。为了方便起见但非限制性地,第二转换模块108可替代地可在此被例示为矩阵转换模块(或矩阵转换器)或者循环换流器。
[0091] 在图1所示实施例中,第一组的开关(Si,S2)和二极管(Dl,D2)联接在节点132 与节点134之间,其中,第一对的开关和反向并联二极管(例如,Sl和Dl)被设置为与第二对的开关和反向并联二极管(例如,S2和D2)具有相反极性。以这种方式,开关Sl和二极管D2被设置为当开关Sl闭合、导通或以其它方式启用且节点134处的电压正于(或高于)节点132处的电压时,提供从节点134通过开关Sl和二极管D2至节点132的电流流动路径。开关S2和二极管Dl被设置为当开关S2闭合、导通或其它方式启用且节点132处的电压正于节点134处的电压时,提供从节点132通过开关S2和二极管Dl至节点134的电流流动路径。以类似方式,第二组的开关(S3,S4)和二极管(D3,D4)联接在节点136与节点 138之间,第三组的开关(S5,S6)和二极管(D5,D6)联接在节点132与节点136之间,第四组的开关(S7,S8)和二极管(D7,D8)联接在节点134与节点138之间。在示例性实施例中,矩阵转换器108的开关(S1-S8)以一定方式被调制(例如断开和/或闭合),从而使得 AC电流(ij实现所希望的从AC接口 114至DC接口 102和/或DC能量源118的功率流动。
[0092] 在示例性实施例中,隔离模块106包括:连接在第一转换模块104的节点122和 1¾之间的第一组绕线144 ;和连接在节点134和136之间的第二组绕线146。为了阐释目的,绕线146在此可被例示为包括主绕线级(或称主绕线),成组的绕线144在此可被例示为包括副绕线级(或称副绕线)。绕线144、146提供电感元件,所述电感元件以传统方式磁耦合以形成变压器,如应在现有技术中认识到的那样。在示例性实施例中,隔离模块106被实现为高频变压器。由此,隔离模块106包括被设计为在高频(例如转换模块104、108中开关的开关频率,如50kHz)下用于特定功率水平的变压器,使得变压器的物理尺寸相对于被设计为在较低频(例如AC能量源120的频率,如主频率)下用于相同功率水平的变压器而减小。
[0093] 在示例性实施例中,电感元件110实现为电感器,电感器被设置为电串联在矩阵转换器108的节点132与AC接口 114的节点140之间。电感器110在电气系统100的工作过程中用作高频电感能量储存元件。电容元件112实现为电容器,电容器被联接在AC接口 114的节点140和节点142之间,电容器112和电感器110协同设置以提供高频过滤器,使得AC接口 114处的电压波动最小,如应在现有技术中认识到的那样。如在下文中更详细所述,在电气系统100的工作过程中,矩阵转换器108操作以放电和/或变换通过电感器110 的电流,以防止在矩阵转换器108的开关断开、关掉或以其它方式停用时出现电压突变。
[0094] 控制模块116 一般代表硬件、固件和/或软件,其被设置以操作和/或调制转换模块104、108的开关,以在DC能量源118与AC负载120之间实现所希望的功率流动。对此, 在电网至交通工具的应用的正常操作过程中,控制模块116确定脉宽调制(PWM)命令信号, 脉宽调制信号控制矩阵转换器108的开关元件(S1-S8)的时序和占空因数,以实现所希望的流向DC接口 102的电流(iDC)。根据实施例,控制模块116可被实施或实现为通用处理器、微处理器、微控制器、内容可寻址存储器、数字信号处理器、专用集成电路、现场可编程门阵列、任何适合的可编程逻辑器件、分立的门或晶体管逻辑器件、分立的硬件部件、或者它们的任意组合,上述结构被设计为支持和/或执行在此所述的功能。
[0095] 如在下文中更详细所述,在示例性实施例中,响应于关停状况,控制模块116针对用于操作矩阵转换器108的开关(S1-S8)的PWM命令信号来确定关停占空因数,并根据关停占空因数来操作矩阵转换器108。根据一个或多个实施例,控制模块116联接到DC接口 102和AC接口 114,并响应于关停状况且至少部分地基于以下至少一种参数针对PWM命令信号来确定关停占空因数=AC接口 114处的电压(VAe),DC接口 102处的电压(VDe),和DC接口 102处的电流(iDC)。控制模块116获得或以其它方式监测通过电感器110的电流(ij(例如通过电流传感器测得的电感器电流),并校验或以其它方式确定在操作矩阵转换器 108对于电感器110放电之前电感器电流足够接近于零。在电感器110放电之后,控制模块 116停用或以其它方式关停矩阵转换器108。
[0096] 应理解,图1是电气系统100的简化表现,用于说明目的,而不用于以任何方式限制在此所述本发明主题的范围或应用性。这样,虽然图1图示出在电路元件和/或端子之间的直接电连接,不过,在以大致相似方式实现功能的情况下,可替代实施例可采用中介电路元件和/或部件。此外,虽然电气系统100在此描述为处于交通工具120的应用环境中, 不过,本发明的主题应不限于交通工具和/或机车(或汽车)应用,在此描述的本发明的主题可在采用了矩阵转换器将来自AC能量源的能量转变到DC能量源的任何应用中实施。
[0097] 现在参见图2,在示例性实施例中,电气系统可被设置以执行下述的控制过程200 和另外的任务、功能和操作。各种任务可通过软件、硬件、固件、或它们的任意组合而执行。 为了例示目的,以下的描述可参考前文中结合图1所述的元件。在实践中,任务、功能和操作可通过所述系统的不同元件(例如,第一转换模块104、隔离模块106、矩阵转换模块108、 和/或控制模块116)执行。应认识到,任意量的另外的或可替代的任务可包括在内,并可并入在此未详细描述的具有另外功能的更复杂的进程或过程中。
[0098] 参见图2并继续参见图1,可执行控制过程200以关停或以其它方式停用被用于传输来自AC能量源120的能量(或电流)/将能量(或电流)传输到AC能量源120的矩阵转换器108,而同时防止在电气系统100内发生不希望出现的电压突变。控制过程200在初始或开始时检测或以其它方式确认关停状况(任务20¾。对此,关停状况是指示出希望停止操作矩阵转换器108的开关以进而防止电压被引到隔离模块106的节点122和IM上的状况。例如,根据一个实施例,控制模块116可联接到DC能量源118,其中,控制模块116 监测DC能量源118的充电状态并当DC能量源118的充电状态处于或高于预定的充电状态上阈值时,确认关停状况以防止DC能量源118过充电。在另一实施例中,当例如响应于来自用户或更高级别控制模块(例如电控单元)的通知而使DC接口 102与DC能量源118将要断开连接时,或者当DC接口 102处的电压降至低于阈值时,控制模块116可确认关停状况。在其它实施例中,控制模块116可响应于检测到或以其它方式被通知的电气系统100 内的故障状况而确认关停状况。例如,响应于确认在DC接口 102处的电流大于阈值从而使其指示在DC接口 102处出现故障状况(例如短路),控制模块116可确认关停状况。在又一实施例中,响应于由用户或更高级别控制模块(例如电控单元)发起的希望关停矩阵转换器108的通知,控制模块116可确认关停状况,如在本领域中所知悉的那样。此外,在一些实施例中,当例如响应于来自用户或更高级别控制模块(例如电控单元)的通知而使AC 接口 114与AC能量源120将要断开连接时,控制模块116可确认关停状况。
[0099] 在示例性实施例中,响应于确认关停状况,控制过程200如下继续:使用关停占空因数来操作矩阵转换器(任务204)。对此,在示例性实施例中,关停占空因数包括较小的占空因数,其保持通过电感器110的电流以防止当通过电感器110的电流突然中断时可能出现的瞬时电压突变。根据一个或多个实施例,关停占空因数可被设置为将减小量的电流供应到DC接口 102。在示例性实施例中,控制模块116产生具有关停占空因数的脉宽调制 (PWM)命令信号,并根据此PWM命令信号操作矩阵转换器108的开关(S1-S8)。PWM信号控制矩阵转换器108的开关元件(S1-S8)在开关时间间隔(或PWM循环)中的时序,即,当相应开关元件(S1-S8)闭合、导通或以其它方式启用时,关停占空因数指定相应开关元件 (S1-S8)在开关时间间隔(或PWM循环)过程中何时断开、关掉或以其它方式停用。
[0100] 在示例性实施例中,控制模块116根据公式4 = I-U确定和/或计算针对矩阵转
换器108的开关元件(S1-S8)的关停占空因数(eg,其中U取决于公式t/= ^i=^,其
V ^out x Kl
中,Vac是AC接口 114处的电压,&是DC接口 102处的有效电阻,Pqut是表示在关停状况时 (例如,在确认关停状况时)在DC接口 102处的所希望的(或命令的)输出功率。控制模块116可联接到DC接口 102并测量或以其它方式获得DC接口 102处的电压和电流,且基于欧姆定律计算DC接口 102处的有效电阻(R,),其中& = VDC/iDC。以这种方式,关停占空因数可至少部分地基于AC接口 114处的电压(Vac)、DC接口 102处的电压(Vdc)、和DC接口 102处的电流(iDC)。在计算出关停占空因数之后,控制模块116确定用于控制矩阵转换器 108的开关元件(S1-S8)的时序的PWM信号,如在本领域中所知悉的那样。
[0101] 在示例性实施例中,控制过程200如下继续:获得通过电感器110的电流(iK)并监测通过电感器110的电流,以确定或以其它方式检测何时通过电感器的电流小于阈值(例如|i」< iTH)(任务206、208)。用于电感器电流的阈值(iTH)被选择为使得:小于阈值的电感器电流(ij指示出电感器电流(ij充分接近于零,从而使得电感器110可被放电且通过电感器110的电流可被中断而不会产生损害性电压突变,如在下文中更详细所述。以这种方式,小于阈值的电感器电流(ij指示出:通过电感器110的电流具有足够大的可能性达到过零点或接近过零点。在示例性实施例中,用于电感器电流的阈值(iTH)被选择为小于或等于约0.1安培。控制模块116获得或以其它方式测量通过电感器的电流(例如,通过设置在电感器110与节点132或节点140之间的电流传感器),并将获得的电感器电流(ij 与阈值(iTH)比较。只要电感器电流(iL)大于阈值(iTH),则重复由任务204、206和208限定的循环,使得控制模块116根据关停占空因数来操作矩阵转换器108。
[0102] 响应于确定电感器电流(k)小于阈值(iTH),控制过程200如下继续:获得AC接口处的电压,和确定Ac接口处的电压的量是否小于阈值(例如,|vL| <vTH),以校验电感器电流处于或接近于零(任务209、210)。用于AC电压的阈值(Vth)被选择为使得:小于阈值的 AC电压指示出AC接口 114处的电压(Vth)具有足够大的可能性处于或接近于过零点。例如,根据一个实施例,用于AC电压的阈值(Vth)被选择为约10伏。矩阵转换器108可在相对较高功率因子(例如尽可能接近于整功率因子)下操作,使得电感器电流(ij与AC接口 114处的电流和/或电压大致同相,结果,AC接口 114处的电压处于或接近于零交点也指示出电感器电流(ij处于或接近于零。这样,确定AC接口处的电压(Vac)小于阈值(Vth)对电感器电流(ij处于或接近于过零点提供了冗余和附加校验。对此,在可替代实施例中, 矩阵转换器108在整功率因子下操作,则控制过程200可实施而不需确定AC接口处的电压的量是否小于阈值。在示例性实施例中,只要电感器电流(ij大于阈值(iTH)或AC接口处的电压(Vac)大于阈值(Vth),则重复由任务204、206、208、209、210限定的循环。
[0103] 在示例性实施例中,当电感器电流(ij小于阈值(iTH)且AC接口处的电压(Vac) 小于阈值(Vth)时,控制过程200如下继续:对于矩阵转换器108与AC接口 114之间的电感元件110放电,然后停用矩阵转换器108 (任务212、214)。对此,在示例性实施例中,控制模块116通过以下方式使电感器110放电:在一个开关时间间隔(或PWM循环)过程中操作矩阵转换器108的开关元件(S1-S8),从而在节点132和138之间提供电连接以使节点132 和138有效短接在一起。根据实施例,控制模块116通过以下方式在节点132和138之间提供电连接:同时闭合、导通或以其它方式启用开关S1、S2、S7、S8,而同时保持开关S3、S4、 S5、S6处于断开或关断状态;或者可替代地,在PWM循环中,同时闭合、导通或以其它方式启用开关S3、S4、S5、S6,而同时保持开关Si、S2、S7、S8处于断开或关断状态。在又一实施例中,控制模块116可通过以下方式在节点132和138之间提供电连接:在PWM循环中闭合、 导通或以其它方式启用矩阵转换器108的所有开关S1-S8。当AC接口处的电压处于或接近于过零点时,在节点132和138之间提供电连接,使得处于或接近于零的电压(例如,小于阈值的电压)被施加于电感器110上,以有效短接电感器110(例如,电感器110上的电压很小或为零)。此外,当AC接口处的电压处于或接近于过零点时,在节点132和138之间提供电连接,使得处于或接近于零的电压(例如,小于阈值的电压)被施加于电容器112 上,以有效短接电容器112(例如,电容器112上的电压很小或为零)。这样,控制过程200 确保电感器110和电容器112均具有很小或为零的存储势能和/或电压。在对矩阵转换器 108与AC接口 114之间的电抗性部件放电之后,控制模块116在下一 PWM循环过程中通过断开、关掉或以其它方式停用每个开关S1-S8,从而停用矩阵转换器108。
[0104] 在停用矩阵转换器之后,在示例性实施例中,控制过程200如下继续:提供矩阵转换器已完成关停的指示(任务216)。对此,控制模块116可产生标记或以其它方式向更高级别控制系统(例如电控单元)提供矩阵转换器108已经关停或以其它方式停用的通知。 在示例性实施例中,控制模块116使矩阵转换器108的开关保持断开或关断状态用于此后的PWM循环,除非另有指令。
[0105] 现在参见图3,根据一个实施例,控制模块116可被设置为在如前所述确认关停状况(例如任务202)之后响应于中断请求而执行下述的控制过程300和另外的任务、功能和操作。在示例性实施例中,由控制模块116以固定规定时间间隔产生或以其它方式接收中断请求。例如,根据一个实施例,控制模块116每20微秒接收一中断信号,从而使控制模块 116执行控制过程300。在示例性实施例中,控制过程300被实现为状态机,其中控制过程 300始于第一状态(例如初始(INITIAL)状态或状态1)。
[0106] 控制过程300始于采样或以其它方式获得AC接口 114处的电压(任务302)。对此,控制模块116联接到AC接口 114并获得AC接口 114处的电压测量值(VA。)(例如通过采样和/或读取来自电压传感器的值),如前所述。控制过程300如下继续:采样或以其它方式获得通过电感器110的电流(任务304)。对此,控制模块116获得电感器电流测量值 (k)(例如通过采样和/或读取来自电流传感器的值),如前所述。在示例性实施例中,控制过程300如下继续:确定用于电感器电流的移动平均值()(任务306)。确定移动平均值减少了对电感器电流测量值的噪声影响,如在本领域中所知悉的那样。控制模块116基于最近获得的电感器电流值(^和以前获得的电感器电流值确定电感器电流的移动平均值(k )。对此,在控制过程300的当前反复进行的过程中控制模块116更新电感器电流的移动平均值以反映最近获得的电感器电流值(例如在任务304中获得的值)。
[0107] 响应于确定与第一状态(例如初始(INITIAL)状态)对应的当前状态机状态,控制过程300如下继续:将状态机状态改变或以其它方式更新至第二状态(例如检测低电流 (DETECT LOW⑶RRENT)状态或状态2),清空计数器,和产生具有关停占空因数的用于矩阵转换器108的开关的PWM命令信号(任务308、310、312、314)。对此,控制模块116以与前述(例如任务204)类似方式产生具有关停占空因数(cU的PWM信号用以在下一 PWM循环中控制矩阵转换器108的开关(S1-S8)的时序。
[0108] 响应于确定与第二状态(例如检测低电流(DETECT L0WCURRENT))对应的当前状态机状态,控制过程300如下继续:确定通过电感器的电流是否小于阈值(任务316、318)。 在示例性实施例中,控制模块116将电感器电流移动平均值(Jl )与阈值(iTH)比较,以确定电感器电流(ij是否处于或足够接近于过零点,如前所述(例如任务208)。如果电感器电流移动平均值(Il )不小于阈值(iTH),则控制过程300如下继续:清空计数器,产生PWM命令信号,如前所述(任务310、314)。如果电感器电流移动平均值(Ii )小于阈值(iTH),则控制过程300如下继续:计数器递增,确定计数器的值是否超过或者大于或等于阈值数(N)(任务320、322)。对此,阈值数(N)被选择为使得:当电感器电流移动平均值(Il )小于阈值时, 通过控制过程300的反复进行的阈值数(N)指示出:电感器电流(k)具有足够大的可能性处于或接近于过零点。如果计数器的值超过或者大于或等于阈值数(N),则控制过程300将状态机状态改变或以其它方式更新至第三状态(例如检测低电压(DETECTLOW VOLTAGE)状态或状态幻(任务324),然后产生PWM命令信号(任务314)。
[0109] 响应于确定与第三状态(例如检测低电压(DETECT L0WV0LTAGE)状态)对应的当前状态机状态,控制过程300如下继续:以与前述(例如任务210)类似的方式确定AC接口处的电压是否小于阈值(任务326、328)。当AC接口 114处的电压(Vac)小于阈值(Vth) 时,控制过程300如下继续:使电感器放电,将状态机状态改变或以其它方式更新至第四状态(例如关掉(TURN-OFF)状态或状态4)(任务330、33幻。对此,控制模块116产生命令信号而以与前述(例如任务212)类似的方式使电感器110放电。否则,当AC接口 114处的电压(W不小于阈值(Vth)时,控制过程300如下继续:如前所述地产生PWM命令信号(任务 314)。
[0110] 响应于确定与第四状态(例如关掉(TURN-OFF)状态)对应的当前状态机状态,控制过程300如下继续:断开、关掉或以其它方式停用每个矩阵转换器开关,产生信号或标记以指示矩阵转换器108已关停或以其它方式停用(任务334、336、338)。对此,控制模块116 以与前述(例如任务214、216)类似的方式断开、关掉或以其它方式停用矩阵转换器108的开关(S1-S8)并产生标记。控制过程300如下继续:将状态机状态改变或以其它方式更新至第五状态(例如关断(OFF)状态或状态幻(任务340)。在此后的循环中,在当前状态机状态对应于第五状态(例如关断(OFF)状态)时,控制过程300使矩阵转换器108的开关保持在断开或关断状态(任务342、344)。
[0111] 前述的系统和/或方法的一个优点是,在矩阵转换器与AC能量源之间的电抗性部件的任何势能均在矩阵转换器停用或以其它方式关停之前被放电。这防止了电抗性部件在矩阵转换器由于开关关断或断开而使流向矩阵转换器的电流中断时产生大的电压突变。这减少了对矩阵转换器部件的电压和/或功率处理要求,并进而减少了矩阵转换器部件的尺寸和/或成本。此外,矩阵转换器可实现为在开关上具有更小的缓冲器,或者在一些实施例中不使用任何缓冲器。
[0112] 为了简要起见,与电能和/或功率转换、充电系统、功率转换器、脉宽调制(PWM)、
15和所述系统的其它功能方面(以及所述系统的各操作部件)相关的传统技术可能并未在此详细描述。而且,在包含于此的各图中所示的连接线用于表示在各元件之间的示例性功能关系和/或物理联接。应注意,许多可替代的或另外的功能关系或物理连接可存在于本发明主题的实施例中。
[0113] 可在此根据功能和/或逻辑块部件并且参照可由各种计算部件或装置执行的各操作、处理任务和功能的符号标记来描述工艺技术。应认识到,图中所示的各种块部件可通过被设置为执行特定功能的任意数量的硬件、软件和/或固件部件而实现。例如,系统或部件的实施例可采用各种集成电路部件(例如存储器元件)、数字信号处理元件、逻辑元件、 查询表、或类似物,其可在一个或多个微处理器或其它控制装置的控制下执行各种功能。
[0114] 虽然已在前文中的详细描述中展现出至少一个示例性实施例,不过,应认识到,存在大量变例。还应认识到,在此描述的一个或多个示例性实施例并不用于以任何方式限制要求保护的本发明主题的范围、应用性或设置。而是,在前文中的详细描述将为本领域技术人员提供实施所述一个或多个实施例的便利途径。应理解,在不背离由权利要求书限定的范围的情况下,可以对元件的功能和布置进行各种改变,在递交本专利申请时,本发明的范围包括已知的等同方案和可预见到的等同方案。

Claims (10)

1. 一种电气系统,包括: 交流AC接口 ;第一转换模块,其联接到所述AC接口 ; 电感元件,其联接在所述AC接口与所述第一转换模块之间;和控制模块,其联接到所述第一转换模块,其中,响应于关停状况,所述控制模块被设置为当通过所述电感元件的电流的量小于阈值时停用所述第一转换模块。
2.如权利要求1所述的电气系统,其中,当通过所述电感元件的电流的量小于所述阈值时,所述控制模块被设置为操作所述第一转换模块,以便在停用所述第一转换模块之前使所述电感元件放电。
3.如权利要求2所述的电气系统,其中,所述控制模块被设置为:响应于所述关停状况,利用关停占空因数来操作所述第一转换模块。
4.如权利要求3所述的电气系统,其中,所述第一转换模块包括多个开关元件,其中所述控制模块被设置为利用所述关停占空因数来通过以下方式操作所述第一转换模块:产生具有减小的占空因数的脉宽调制PWM命令信号;和根据所述PWM命令信号操作所述多个开关元件。
5.如权利要求3所述的电气系统,进一步包括: 直流DC接口 ;第二转换模块;和隔离模块,其联接在所述第一转换模块与所述第二转换模块之间,所述隔离模块在所述第一转换模块与所述第二转换模块之间提供电流隔离。
6.如权利要求5所述的电气系统,其中,所述关停占空因数等于1-U,其中U取决于公式
Figure CN102195506AC00021
,Vac表示在所述AC接口处的电压,&表示在所述DC接口处的有效电阻,Pqut对应于在所述DC接口处的输出功率。
7.如权利要求1所述的电气系统,其中,所述第一转换模块包括: 第一节点,其联接到所述电感元件;第二节点,其联接到所述AC接口 ; 第三节点; 第四节点;第一开关,其联接在所述第一节点与所述第三节点之间,所述第一开关被设置以允许电流当所述第一开关闭合时从所述第三节点流动到所述第一节点;第二开关,其联接在所述第一开关与所述第三节点之间,所述第二开关被设置以允许电流当所述第二开关闭合时从所述第一节点流动到所述第三节点;第三开关,其联接在所述第一节点与所述第四节点之间,所述第三开关被设置以允许电流当所述第三开关闭合时从所述第四节点流动到所述第一节点;第四开关,其联接在所述第三开关与所述第四节点之间,所述第四开关被设置以允许电流当所述第四开关闭合时从所述第一节点流动到所述第四节点;第五开关,其联接在所述第二节点与所述第四节点之间,所述第五开关被设置以允许电流当所述第五开关闭合时从所述第二节点流动到所述第四节点;第六开关,其联接在所述第五开关与所述第二节点之间,所述第六开关被设置以允许电流当所述第六开关闭合时从所述第四节点流动到所述第二节点;第七开关,其联接在所述第二节点与所述第三节点之间,所述第七开关被设置以允许电流当所述第七开关闭合时从所述第二节点流动到所述第三节点;和第八开关,其联接在所述第七开关与所述第二节点之间,所述第八开关被设置以允许电流当所述第八开关闭合时从所述第三节点流动到所述第二节点。
8.如权利要求7所述的电气系统,其中,所述控制模块被设置以操作所述第一转换模块,以在所述第一节点与所述第二节点之间提供电连接,从而在停用所述转换模块之前当通过所述电感元件的电流小于所述阈值时使所述电感元件放电。
9.如权利要求8所述的电气系统,其中,所述控制模块被设置为:通过同时闭合所述第一开关、所述第二开关、所述第七开关、和所述第八开关,从而在所述第一节点与所述第二节点之间提供电连接。
10. 一种交通工具电气系统,包括:DC接口,其被设置以联接到DC能量源; AC接口,其被设置以联接到AC能量源; 能量转换模块,其联接到所述DC接口 ; 矩阵转换器,其联接到所述AC接口 ;电感元件,其被设置以电串联在所述AC接口的第一节点与所述矩阵转换器之间; 隔离模块,其联接在所述能量转换模块与所述矩阵转换器之间,所述隔离模块在所述能量转换模块与所述矩阵转换器之间提供电流隔离;和控制模块,其联接到所述矩阵转换器,其中所述控制模块被设置为:操作所述矩阵转换器,以将能量从所述AC接口传输到所述DC接口;确认关停状况;和响应于确认所述关停状况而:根据关停占空因数操作所述矩阵转换器;当通过所述电感元件的电流的量小于阈值时,操作所述矩阵转换器使所述电感元件放电;和在使所述电感元件放电之后,停用所述矩阵转换器。
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