CN102751855B - 电力变换器系统的dc母线电容的放电 - Google Patents

电力变换器系统的dc母线电容的放电 Download PDF

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Abstract

本文提供对车辆的双向矩阵变换器的母线电容放电的系统和方法。方法开始于在AC能量源与AC接口断开连接之后，电短路变换器的AC接口。该方法继续，将第二能量变换模块的多个开关元件设置为放电配置中，建立从隔离模块的第一端子，经过感性元件，到隔离模块的第二端子的电流通路。该方法还在保持第二能量变换模块的放电配置的同时，调节第一能量变换模块的多个开关元件，以至少部分地对DC母线电容放电。

Description

电力变换器系统的DC母线电容的放电
关于联邦政府资助的研究或开发的声明
美国政府在本发明中具有已付清的许可，并且在有限的情况中享有这样的权利，即：要求专利所有人以合理的条件许可其他人，这些合理的条件如根据由美国能源部授予的合同号DE-FC26-07NT43123的条款所规定的那样。
技术领域
本文所述主题的实施例总体涉及一种车辆中的电力变换系统。更具体地，本文主题的实施例涉及车辆的电力变换器系统的母线电容的放电。
背景技术
矩阵变换器可用于电动和/或混合动力车辆中，以适应在相对宽范围的操作电压下的相对高功率传输，同时实现电气隔离、相对高功率因数、低谐波畸变、相对高功率密度和低成本。例如，双向隔离矩阵变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）传输以便给直流（DC）能量存储元件（例如，在车辆中的高压可再充电电池）充电。
双向矩阵变换器包括联接在AC输入接口上的高压DC母线电容。在某些条件下，需要将DC母线电容上的电压放电。例如，如果高压DC能量源（电池）从AC输入接口断开连接或如果双向矩阵变换器从车辆移除，则DC母线电容应该放电到安全的电压水平。
发明内容
电力系统的示例性实施例包括直流（DC）接口、交流（AC）接口、电并联地联接到DC接口的DC母线电容、包括多个开关元件的第一能量变换模块、包括多个开关元件的第二能量变换模块、和在第一能量变换模块和第二能量变换模块之间联接以提供在第一能量变换模块和第二能量变换模块之间的电气隔离的隔离模块。电力系统还包括联接在第二能量变换模块和AC接口之间的感性元件、与AC接口电并联地联接以选择性地短路AC接口的接口短路开关、和联接到第一能量变换模块、第二能量变换模块和接口短路开关的控制模块。控制模块配置成检测指示需要对DC母线电容放电的条件，致动接口短路开关以电短路AC接口，并操作第一能量变换模块的多个开关元件和第二能量变换模块的多个开关元件以至少部分地对DC母线电容放电。在实践中，在AC功率源从AC接口断开连接之后，AC接口被短路。
还提供了操作电力系统的方法的示例性实施例。电力系统包括DC接口、AC接口，电并联地联接到DC接口的DC母线电容、包括多个开关元件的第一能量变换模块、包括多个开关元件的第二能量变换模块、在第一能量变换模块和第二能量变换模块之间联接以提供第一能量变换模块和第二能量变换模块之间的电气隔离的隔离模块、和联接在第二能量变换模块和AC接口之间的感性元件。方法包括检测指示需要对DC母线电容放电的条件，电短路AC接口，将第二能量变换模块的多个开关元件设置为放电配置，以建立从隔离模块的第一端子，经过感性元件，到隔离模块的第二端子的电流通路，调节第一能量变换模块的多个开关元件中的一个或多个以交替地对感性元件中的电流充电和放电，同时保持第二能量变换模块的多个开关元件的放电配置。在实践中，在AC功率源从AC接口断开连接之后，AC接口被短路。
还提供对具有DC能量源的车辆的双向矩阵变换器的母线电容放电的方法的示例性实施例。双向矩阵变换器包括用于DC能量源的DC接口、用于AC能量源的AC接口以通过双向矩阵变换器给DC能量源充电、第一能量变换模块、第二能量变换模块、在第一能量变换模块和第二能量变换模块之间联接的隔离模块、在第二能量变换模块和AC接口之间联接的感性元件。方法包括在AC能量源从AC接口断开连接之后，电短路AC接口，将第二能量变换模块的多个开关元件设置为放电配置，以建立从隔离模块的第一端子，经过感性元件，到隔离模块的第二端子的电流通路，在保持第二能量变换模块的放电配置的同时，调节第一能量变换模块的多个开关元件，以至少部分地对DC母线电容放电。
此外，本发明还涉及以下技术方案。
1.一种电力系统，包括：
直流（DC）接口；
交流（AC）接口；
与所述DC接口电并联地联接的DC母线电容；
包括多个开关元件的第一能量变换模块；
包括多个开关元件的第二能量变换模块；
联接在所述第一能量变换模块和所述第二能量变换模块之间以提供在所述第一能量变换模块和所述第二能量变换模块之间的电气隔离的隔离模块；
联接在所述第二能量变换模块与所述AC接口之间的感性元件；
与所述AC接口电并联地联接以选择性地短路所述AC接口的接口短路开关；以及
联接到所述第一能量变换模块、所述第二能量变换模块、和所述接口短路开关的控制模块，所述控制模块配置成：
检测指示需要对所述DC母线电容放电的条件；
致动所述接口短路开关以电短路所述AC接口；以及
操作所述第一能量变换模块的所述多个开关元件和所述第二能量变换模块的所述多个开关元件以至少部分地对所述DC母线电容放电。
2.根据技术方案1所述的电力系统，其特征在于，所述控制模块操作所述第二能量变换模块的所述多个开关元件以建立包括所述感性元件的电流通路。
3.根据技术方案2所述的电力系统，其特征在于，所述电流通路包括所述隔离模块的副边绕组。
4.根据技术方案3所述的电力系统，其特征在于，所述控制模块以开关频率调节所述第一能量变换模块的所述多个开关元件以交替地对所述感性元件中的电流充电和放电。
5.根据技术方案1所述的电力系统，其特征在于：
所述控制模块交替地将所述第一能量变换模块的所述多个开关元件配置在第一状态和第二状态；
在所述第一状态中，所述第一能量变换模块在第一控制时间周期建立在所述隔离模块的原边绕组上的所述DC母线电容的电压；以及
在所述第二状态中，所述第一能量变换模块在与所述第一控制时间周期相等的第二控制时间周期用所述隔离模块的所述原边绕组对所述DC母线电容充电。
6.根据技术方案1所述的电力系统，其特征在于，所述第二能量变换模块包括：
与所述隔离模块的第一端子联接的第一节点；
与所述隔离模块的第二端子联接的第二节点；
第三节点和第四节点，所述感性元件串联联接在所述第三节点和第四节点之间；
在所述第一节点和所述第五节点之间联接的第一开关元件；
在所述第五节点和所述第三节点之间联接的第二开关元件；
在所述第四节点和第六节点之间联接的第三开关元件；
在所述第六节点和所述第二节点之间联接的第四开关元件；
在所述第二节点和第七节点之间联接的第五开关元件；
在所述第三节点和所述第七节点之间联接的第六开关元件；
在所述第四节点和第八节点之间联接的第七开关元件；以及
联接在所述第一节点和所述第八节点之间的第八开关元件，其中，所述控制模块闭合所述第一开关元件和所述第三开关元件，并且打开所述第二开关元件、所述第四开关元件、所述第五开关元件、所述第六开关元件、所述第七开关元件和所述第八开关元件以至少部分地对所述DC母线电容放电。
7.根据技术方案6所述的电力系统，其特征在于，所述第二能量变换模块包括：
具有联接到所述第五节点的阳极和联接到所述第一节点的阴极的第一二极管；
具有联接到所述第五节点的阳极和联接到所述第三节点的阴极的第二二极管；
具有联接到所述第六节点的阳极和联接到所述第四节点的阴极的第三二极管；
具有联接到所述第六节点的阳极和联接到所述第二节点的阴极的第四二极管；
具有联接到所述第七节点的阳极和联接到所述第二节点的阴极的第五二极管；
具有联接到所述第七节点的阳极和联接到所述第三节点的阴极的第六二极管；
具有联接到所述第八节点的阳极和联接到所述第四节点的阴极的第七二极管；以及
具有联接到所述第八节点的阳极和联接到所述第一节点的阴极的第八二极管。
8.根据技术方案1所述的电力系统，其特征在于，所述第一能量变换模块包括：
与所述隔离模块的第三端子联接的第九节点；
与所述隔离模块的第四端子联接的第十节点；
第十一节点和第十二节点，所述DC母线电容联接在所述第十一节点和所述第十二节点上；
在所述第十节点和所述第十一节点之间联接的第九开关元件；
在所述第十节点和所述第十二节点之间联接的第十开关元件；
在所述第九节点和所述第十一节点之间联接的第十一开关元件；以及
在所述第九节点和所述第十二节点之间联接的第十二开关元件，其中，所述控制模块打开所述第九开关元件和所述第十二开关元件，并同时打开和闭合所述第十开关元件和所述第十一开关元件以至少部分地对所述DC母线电容放电。
9.根据技术方案8所述的电力系统，其特征在于，所述第一能量变换模块包括：
具有联接到所述第十节点的阳极和联接到所述第十一节点的阴极的第九二极管；
具有联接到所述第十二节点的阳极和联接到所述第十节点的阴极的第十二极管；
具有联接到所述第九节点的阳极和联接到所述第十一节点的阴极的第十一二极管；以及
具有联接到所述第十二节点的阳极和联接到所述第九节点的阴极的第十二二极管。
10.一种操作电力系统的方法，所述电力系统包括直流（DC）接口、交流（AC）接口、电并联地联接到所述DC接口的DC母线电容、包括多个开关元件的第一能量变换模块、包括多个开关元件的第二能量变换模块、在所述第一能量变换模块和所述第二能量变换模块之间联接以提供在所述第一能量变换模块和所述第二能量变换模块之间的电气隔离的隔离模块、和联接在所述第二能量变换模块和所述AC接口之间的感性元件，所述方法包括：
检测指示需要对所述DC母线电容放电的条件；
电短路所述AC接口；
将所述第二能量变换模块的所述多个开关元件设置为放电配置，以建立从所述隔离模块的第一端子，经过所述感性元件，到所述隔离模块的第二端子的电流通路；以及
在保持所述第二能量变换模块的所述多个开关元件的所述放电配置的同时，调节所述第一能量变换模块的所述多个开关元件中的一个或多个以交替地对所述感性元件中的电流充电和放电。
11.根据技术方案10所述的方法，其特征在于，还包括使所述DC接口与其DC能量源断开连接。
12.根据技术方案10所述的方法，其特征在于，电短路所述AC接口包括致动联接在所述AC接口上的接口短路开关。
13.根据技术方案10所述的方法，其特征在于，调节所述多个开关元件中的所述一个或多个是以固定频率执行的。
14.根据技术方案10所述的方法，其特征在于：
调节所述第一能量变换模块的所述多个开关元件中的一个或多个交替地将所述第一能量变换模块的所述多个开关元件设置在第一状态和第二状态；
在所述第一状态中，所述第一能量变换模块在第一控制时间周期建立在所述隔离模块的原边绕组上的所述DC母线电容的电压；以及
在所述第二状态中，所述第一能量变换模块在与所述第一控制时间周期相等的第二控制时间周期用所述隔离模块的所述原边绕组对所述DC母线电容充电。
15.根据技术方案10所述的方法，其特征在于，检测所述条件包括感测高压电池与所述DC接口的断开连接。
16.一种对车辆的双向矩阵变换器的母线电容放电的方法，所述车辆具有直流（DC）能量源，所述双向矩阵变换器包括用于所述DC能量源的DC接口、通过所述双向矩阵变换器对所述DC能量源充电的用于AC能量源的交流（AC）接口、第一能量变换模块、第二能量变换模块、联接在所述第一能量变换模块和所述第二能量变换模块之间的隔离模块、联接在所述第二能量变换模块和所述AC接口之间的感性元件，所述方法包括：
在所述AC能量源与所述AC接口断开连接之后，电短路所述AC接口；
将所述第二能量变换模块的多个开关元件设置为放电配置，以建立从所述隔离模块的第一端子，经过所述感性元件，到所述隔离模块的第二端子的电流通路；以及
在保持所述第二能量变换模块的所述放电配置的同时，调节所述第一能量变换模块的多个开关元件，以至少部分地对所述DC母线电容放电。
17.根据技术方案16所述的方法，其特征在于，还包括：
检测指示需要对所述DC母线电容放电的条件；以及
在电短路所述AC接口之前确认所述AC能量源断开连接。
18.根据技术方案16所述的方法，其特征在于，还包括：
检测指示需要对所述DC母线电容放电的条件；以及
在电短路所述AC接口之前确认所述DC能量源断开连接。
19.根据技术方案16所述的方法，其特征在于，调节所述第一能量变换模块的所述多个开关元件交替地对所述感性元件中的电流充电和放电。
20.根据技术方案19所述的方法，其特征在于：
调节所述第一能量变换模块的所述多个开关元件交替地将所述第一能量变换模块的所述多个开关元件设置在第一状态和第二状态；
在所述第一状态中，所述第一能量变换模块在第一控制时间周期建立在所述隔离模块的原边绕组上的所述DC母线电容的电压；以及
在所述第二状态中，所述第一能量变换模块在与所述第一控制时间周期相等的第二控制时间周期用所述隔离模块的所述原边绕组对所述DC母线电容充电。
本发明内容被提供用来以简单的形式介绍在下文具体实施方式中进一步描述的构思的选择。本发明内容不意图确认所要求保护主题的关键特征或重要特征，也不意图用于帮助确定所要求保护主题的范围。
附图说明
当结合以下附图考虑时，可以通过参考详细说明和权利要求来获得对本发明主题的更完全的理解，在所有附图中，相同的附图标记指代相同的元件。
图1是根据一个实施例的适用于车辆中的电力系统的示意图；
图2是图1中显示的电力系统操作于放电配置状态的示意图；
图3是图1中显示的电力系统中的感性元件的电感器电流对时间的代表性图；
图4是图1中显示的电力系统中的感性元件的电感器电压对时间的代表性图；以及
图5是包括图1中显示的电力系统中的感性元件的电感器电压和电流的代表性图的图。
具体实施方式
以下详细描述本质上仅仅是说明性的并且不意图限制本发明主题的实施例或者这些实施例的应用和使用。如本文所使用的，词语“示例性”的意思是“作为示例、实例或示意说明”。本文作为示例描述的任何实施方式不必理解为相比于其它实施方式是优选的或有利的。另外，不应被在前述技术领域，背景技术，发明内容或以下的详细说明中的任何所表达的或暗示的理论所束缚。
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。另外，两个或更多个节点可通过一个物理元件实现（两个或更多个信号可被复用、调制、或以其它方式区分，即使在共用节点处接收或输出的信号也是如此）。
以下说明指的是被“连接”或“联接”在一起的元件或节点或特征。如本文所使用的，除非另外明确地说明，“连接”的意思是一个元件/节点/特征与另一个元件/节点/特征直接结合（或者直接连通），而不必须是通过机械方式。同样，除非明确指出，“联接”指的是一个元件/节点/特征直接或非直接地结合到另一个元件/节点/特征（或与另一个元件/节点/特征直接或非直接地连通），而不必须是通过机械方式。
本文论述的技术和概念总体涉及一种电力变换器，其能够在AC接口以低的总谐波畸变地从交流（AC）接口到直流（DC）接口或相反地传输能量。如一个示例，双向矩阵变换器可配置在电力或混合动力电动车辆中。在这样的应用中，双向矩阵变换器有助于使用AC能量源（例如家用功率输出）给高压DC能量源（例如电池）充电。在一些实施例中，双向矩阵变换器可用于从高压DC能量源产生AC功率。
如下文更详细描述的，双向矩阵变换器包括由车辆的高压DC母线上的电压充电的高压DC母线电容。在某些情况下，需要将DC母线电容从高压状态（例如，几百伏）放电到可满足安全测度的低压状态。例如，如果高压DC能量源从车辆的高压DC母线断开连接或如果双向矩阵变换器从车辆移除，那么应该进行某些测量以确保DC母线电容上的电压放电到安全水平。下面详细的描述提出了用于双向矩阵变换器中的DC母线电容的示例性放电技术。下面描述的系统和技术不需要任何另外的硬件或外部的放电卡或模块。另外，下面描述的系统和技术不引入任何用于适应使用被动电阻放电方法可能另外产生的热量的散热器需求。而是，本文提出的方法利用双向矩阵变换器自身的现有电路布局并且调节双向矩阵变换器中的开关，使得对高压DC母线电容放电，同时根据开关的容量和所需的热设计参数来控制电流的量。
图1描绘了适用于车辆（例如，不是限制性的，电动汽车或混合动力汽车）中的电力系统100（或可替代地，双向矩阵变换器、充电系统、充电器、充电模块等）的示例性实施例。电力系统100包括（不是限制性的）：第一接口102、与第一接口102电并联地联接的DC母线电容103、具有多个开关元件的第一能量变换模块104、隔离模块106、具有多个开关元件的第二能量变换模块108、感性元件110、容性元件112、第二接口114、与第二接口114电并联地联接以按需要选择性地短路第二接口的接口短路开关115、以及控制模块116。感性元件110联接在第二能量变换模块108和第二接口114之间，容性元件112联接在第二接口114上。控制模块116操作地联接到至少第一能量变换模块104、第二能量变换模块108和接口短路开关115。在某些实施例中，控制模块116可操作地联接到电力系统100的一个或多个另外的部件、元件或特征以支持本文未详细描述的另外的功能。
第一接口102包括或对应于节点120和节点122。如图1中显示的，DC母线电容103连接在这些节点120、122上。也就是说，DC母线电容103与第一接口102电并联地联接。第一能量变换模块104包括在这些节点120、122之间联接的多个开关元件（用附图标记9-12表示）。在说明的实施例中，第一能量变换模块104包括四个开关元件，这四个开关元件各具有配置成与相应的开关元件反并联的二极管（用附图标记29-32表示）以适应双向能量传输。在示例性实施例中，开关元件9-12实现为晶体管，并可使用任何适合的半导体晶体管开关来实施，例如，绝缘栅双极晶体管（IGBT），场效应晶体管（例如MOSFET等），或本领域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。反向并联配置允许双向电流流动而同时单向阻止电压，如本领域中所了解的那样。在这种配置中，通过开关的电流的方向相反于允许通过相应二极管的电流的方向。
在说明的实施例中，开关元件9连接在节点120和节点124之间，该节点124对应于隔离模块106的原边绕组（或一组绕组）126的端子，开关元件10连接在节点124和节点122之间。类似地，开关元件11连接在节点120和节点128之间，该节点128对应于原边绕组126的另一个端子，开关元件12连接在节点128和节点122之间。在操作中，开关元件9配置成当其闭合时提供从节点120到节点124的电流通路。类似地，开关元件10当其闭合时提供从节点124到节点122的电流通路，开关元件11当其闭合时提供从节点120到节点128的电流通路，开关元件12当其闭合时提供从节点128到节点122的电流通路。
二极管29的阳极与节点124联接，二极管29的阴极与节点120联接。对于这个具体的实施例，二极管29连接在节点124和节点120之间以提供从节点124到节点120的电流通路（例如，二极管29与开关元件9反并联）。类似地，对于说明的实施例：二极管30的阳极与节点122联接，二极管30的阴极与节点124联接以提供从节点122到节点124的电流通路；二极管31的阳极与节点128联接，二极管31的阴极与节点120联接以提供从节点128到节点120的电流通路；二极管32的阳极与节点122联接，二极管32的阴极与节点128联接以提供从节点122到节点128的电流通路。
第二能量变换模块108与隔离模块106的副边绕组（或一组绕组）134的端子联接。这样，副边绕组134的端子与节点135联接（或对应），副边绕组134的另一个端子与节点136联接（或对应）。第二能量变换模块108的另一个节点137与感性元件110联接，而第二能量变换模块108的另一个节点138与容性元件112联接。
第二能量变换模块108包括在节点135、136之间联接的多个开关元件（用附图标记1-8表示）。在说明的实施例中，第二能量变换模块108包括八个开关元件，该八个开关元件各具有配置成与相应的开关元件反并联的相关的二极管（用附图标记21-28表示）以适应双向能量传输。在示例性实施例中，开关元件1-8实现为晶体管，并可使用任何适合的半导体晶体管开关（如上文所述的）来实施。
在说明的实施例中，开关元件1连接在节点135和节点142之间，开关元件2连接在节点142和节点137之间，开关元件3连接在节点138和节点144之间，开关元件4连接在节点144和节点136之间。另外，开关元件5连接在节点146和节点136之间，开关元件6连接在节点137和节点146之间，开关元件7连接在节点148和节点138之间，开关元件8连接在节点135和节点148之间。在操作中，开关元件1配置成当其闭合时提供从节点135到节点142的电流通路。类似地，开关元件2当其闭合时提供从节点137到节点142的电流通路，开关元件3当其闭合时提供从节点138到节点144的电流通路，开关元件4当其闭合时提供从节点136到节点144的电流通路，开关元件5当其闭合时提供从节点136到节点146的电流通路，开关元件6当其闭合时提供从节点137到节点146的电流通路，开关元件7当其闭合时提供从节点138到节点148的电流通路，开关元件8当其闭合时提供从节点135到节点148的电流通路。
对于这个具体的实施例：二极管21的阳极与节点142联接，二极管21的阴极与节点135联接以提供从节点142到节点135的电流通路；二极管22的阳极与节点142联接，二极管22的阴极与节点137联接以提供从节点142到节点137的电流通路；二极管23的阳极与节点144联接，二极管23的阴极与节点138联接以提供从节点144到节点138的电流通路；二极管24的阳极与节点144联接，二极管24的阴极与节点136联接以提供从节点144到节点136的电流通路。类似地：二极管25的阳极与节点146联接，二极管25的阴极与节点136联接以提供从节点146到节点136的电流通路；二极管26的阳极与节点146联接，二极管26的阴极与节点137联接以提供从节点146到节点137的电流通路；二极管27的阳极与节点148联接，二极管27的阴极与节点138联接以提供从节点148到节点138的电流通路；二极管28的阳极与节点148联接，二极管28的阴极与节点135联接以提供从节点148到节点135的电流通路。
第一接口102通常代表用于联接电力系统100到DC能量源154的物理接口（例如，端子、连接器等），第二接口114通常代表用于联接电力系统100到AC能量源156的物理接口（例如，端子、连接器等）。因此，为方便起见，第一接口102在本文中可称为DC接口，第二接口114在本文中可称为AC接口。在示例性实施例中，控制模块116联接到能量变换模块104、108并操作能量变换模块104、108以根据需要在AC能量源156和DC能量源154之间传输能量。
在示例性实施例中，DC能量源154（或可替代地，能量存储源或ESS）能够以特定的DC电压水平（由箭头160指示）从电力系统100接收直流（由箭头158指示）。根据一个实施例，DC能量源154实现为具有范围从大约200到大约500伏的额定DC电压的可再充电高压电池组。这样，DC能量源154可包括用于车辆中的另一个电力系统和/或电动马达的主能量源。例如，DC能量源154可联接到配置成提供电压和/或电流给电动马达的功率逆变器，电动马达又可以以传统方式接合变速器来驱动车辆。在其他实施例中，DC能量源154可实现为电池、超级电容或其他适合的能量存储元件。
AC能量源156（或功率源）以特定的AC电压水平（由箭头180指示）提供AC电流（由箭头170指示）给电力系统100并可实现为在电功率网（例如市电或电网功率）之中的用于建筑、住宅或其他结构的主功率源或主电力系统。根据一个实施例，AC能量源156包括单相功率源，其对于多数住宅结构是相同的，并根据地理区域而变化。例如，在美国，AC能量源156实现为60Hz，120伏（RMS）或240伏（RMS），而在其他区域，AC能量源156可以实现为50Hz，110伏（RMS）或220伏（RMS）。在备选的实施例中，AC能量源156可以实现为适合电力系统100操作的任何AC能量源。
DC接口102联接到第一能量变换模块104，AC接口114通过感性元件110联接到第二能量变换模块108。隔离模块106联接在能量变换模块104、108之间以提供两个能量变换模块104、108之间的电气隔离。控制模块116联接到能量变换模块104、108并操作第二能量变换模块108以将来自AC能量源156的能量变换为隔离模块106上的高频能量，然后高频能量由能量变换模块104在DC接口102变换为DC能量。控制模块116还用于操作能量变换模块104、108以支持车辆-电网应用（例如，DC能量源154传输能量到AC接口114和/或AC能量源156）。另外，控制模块116以适合的方式操作能量变换模块104、108以在需要时放电DC母线电容103。
反并联二极管跨各开关元件连接以便为DC能量源154提供电流通路，用于在相应的开关元件打开时给DC能量源154充电。为了传输能量（或充电）给DC能量源154，第一能量变换模块104将节点124、128的高频能量变换为DC能量，该DC能量在DC接口102提供给DC能量源154。这样，第一能量变换模块104当将高频AC能量变换为DC能量时操作为整流器。如显示的，DC母线电容103配置成在DC接口102上电并联，以减小在DC接口102处的电压波动，如同本领域将了解的。
在示例性实施例中，第二能量变换模块108有助于电流（或能量）从AC能量源156和/或感性元件110流到隔离模块106（以及相反流动）。在说明的实施例中，第二能量变换模块108实现为包括八个开关元件和八个二极管的前端单相矩阵变换模块。在正常操作期间，控制模块116根据PWM占空周期控制值来调节（例如开和/或关）开关元件1-8以在节点135、136产生高频电压，使得流向DC接口102和/或DC能量源154的功率流在DC接口102达到需要的输出电压。这样，控制模块116可根据需要操作各种开关元件以在控制的、预设的或其他指定的时间周期建立原边绕组126上的电压，以有助于在控制的、预设的或其他指定的时间周期对DC母线电容103充电。在实践中，建立原边绕组126上的电压的持续时间等于原边绕组126给DC母线电容103充电的持续时间。
在图1说明的实施例中，第一对开关元件1、2和二极管21、22联接在节点137和节点135之间，开关元件1和二极管21的组合配置成与开关元件2和二极管22的组合是极性相反的。以这种方式，当开关元件1闭合并且节点135的电压正向大于节点137的电压时，开关元件1和二极管22提供从节点135到节点137的电流通路。当开关元件2闭合并且节点137的电压正向大于节点135的电压时，开关元件2和二极管21设置为提供从节点137到节点135的电流通路。
以类似的方式，第二对开关元件3、4和二极管23、24联接在节点136和节点138之间，第三对开关元件5、6和二极管25、26联接在节点137和节点136之间，第四对开关元件7、8和二极管27、28联接在节点135和节点138之间。容易理解，这些开关元件和二极管的电流特性遵循上文列出的第一对开关元件1、2和二极管21、22的原理。
在说明的实施例中，开关元件1、3、5和7组成第一组开关，当通过感性元件110的电流是沿负方向流动（例如，iL<0）时，该第一组开关能够对电流整流，使其从节点138到节点137地通过感性元件110（iL）（由箭头190指示），开关元件2、4、6和8组成第二组开关，当通过感性元件110的电流是沿正方向流动（例如，iL>0）时，该第二组开关能够对电流整流，使其从节点137到节点138地通过感性元件110。也就是说，开关元件1、3、5和7能够引导至少一部分电流沿负方向流动通过感性元件110，开关元件2、4、6和8能够引导至少一部分电流沿正方向流动通过感性元件110。如在本文中使用的，整流应理解为通过第二能量变换模块108的开关元件和二极管使电流通过感性元件110的循环过程，使得通过感性元件110的电流不被中断。
在示例性实施例中，隔离模块106包括连接在第一能量变换模块104的节点124、128之间的第一组绕组126和连接在第二能量变换模块108的节点135、136之间的第二组绕组134。绕组126、134提供感性元件，这些感性元件以传统的方式磁联接以形成变压器。在示例性实施例中，隔离模块106实现为高频变压器。这样，隔离模块106包括设计为在高频下的特定的功率水平的变压器，所述高频是例如能量变换模块104、108的开关元件的开关频率（例如50kHz），使得变压器的物理尺寸相对于设计为在较低频下的同样的功率水平的变压器减小了，所述较低频是例如AC能量源156的频率（例如，市电频率）。
感性元件110实现为电感器，该电感器配置成电串联在第二能量变换模块108的节点137与AC接口114的节点192之间。感性元件110在电力系统100的操作期间用作高频感应能量存储元件。容性元件112实现为电容，该电容联接在AC接口114的节点192和另一个节点194之间，即，容性元件112配置成与AC接口114电并联。容性元件112和感性元件110协作地配置成提供高频滤波器以减小调节开关元件1-8导致的AC接口114的电压波动。
接口短路开关115联接在节点192、194之间。控制模块116调节接口短路开关115的致动，使得当接口短路开关115打开时（如图1中描绘的），电力系统100在正常模式下操作。如下面更详细描述的，接口短路开关115闭合以将电流系统置于放电配置，用于对DC母线电容103放电。应当理解，AC能量源156在接口短路开关115闭合之前是断开连接的。
控制模块116通常代表硬件、固件和/或软件，其配置成根据需要操作和/或调节能量变换模块104、108的开关元件以在电力系统100的正常操作期间达到需要的功率流，并根据需要控制能量变换模块104、108的开关元件的操作以有助于对DC母线电容103放电。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、内容可寻址的存储器、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、或者它们的任何组合，它们被设计为支持和/或执行本文所述的功能。
在电网-车辆应用的正常操作期间，控制模块116确定PWM指令信号，该PWM指令信号控制第二能量变换模块108的开关元件1-8的正时和占空周期以产生隔离模块106的绕组134上的高频AC电压。绕组134上的高频AC电压在节点124、128感应出绕组126上的电压，导致需要的电流流入DC接口102以充电或其它方式传输能量给DC能量源154。在实践中，控制模块116控制开关元件1-8的占空周期以在开关间隔（例如开关频率的逆）期间实施适合的开关模式。在开关间隔（或PWM周期）期间，控制模块116在操作开关元件1-8以有效地短路节点137、138和在操作开关元件1-8之前通过第二能量变换模块108循环能量以在感性元件110上施加电压以释放感性元件110的存储的能量和/或电压（或可替代地，回扫电压）之间交替。在AC接口114的回扫电压和输入电压180之和被施加到隔离模块106的绕组134上，使得功率传输到节点124、128和/或DC能量源154。以这种方式，控制模块116操作第二能量变换模块108的开关元件1-8以在通过感性元件110循环能量和向DC接口102传输能量之间交替。
应当理解，图1为了解释目的而描绘了电力系统100的简化图示，并且绝不意图限制本文所述主题的范围或可应用性。因此，虽然图1描绘了在电路元件和/或端子之间的直接电连接，不过，在以基本相似方式实现功能的情况下，替代性实施例可采用介于中间的电路元件和/或部件。另外，尽管本文描述的电力系统100是以用于车辆的双向矩阵变换器为背景的，但本文所述的主题不限于车辆和/或汽车应用，本文所述的主题可在使用能量变换模块以使用开关元件传输能量的其他应用中实施。
控制模块116还可以包括使控制模块能够检测指示需要放电DC母线电容103的某些条件的一个或多个传感器、检测器或监测器（未示出），或与这样的一个或多个传感器、检测器或监测器（未示出）协作。例如，控制模块116可适合地配置成监测或感测在DC能量源154和DC接口102之间的连接状态，使得电力系统100能够置于放电配置中以在DC能量源154变为断开连接时至少部分地放电DC母线电容103。如另一个示例，控制模块116可适合地配置成检测电力系统100本身何时与主车辆断开连接（维护时可能需要断开连接），使得电力系统100可设置为放电配置。
根据一种示例性的操作方法，DC母线电容103以下面的方式至少部分地被放电。起初，AC能量源156和DC能量源154与它们相应的接口114、102断开连接。对于典型的车辆应用，控制模块、开关元件和电力系统100的可能的其他部件通过低压能量源（例如12伏DC电池）保持供电，即使AC能量源156和DC能量源154已经断开连接。在实践中，控制模块116可用于在进行放电过程之前确认能量源154、156已经移除。在能量源154、156已经断开连接之后，控制模块116致动（即闭合）接口短路开关115以电短路AC接口114。闭合接口短路开关115的结果是，感性元件110有效地串联布置在节点137、138之间（见图2）。
在短路AC接口114之后，控制模块116以调节方式操作能量变换模块104、108的开关元件以在一段时间内至少部分地放电DC母线电容103。这样，控制模块116可将第二能量变换模块108的开关元件设置为预先确定的放电配置，以建立从隔离模块106的副边绕组134的一个端子，通过感性元件110，到副边绕组134的另一个端子的电流通路，并调节第一能量变换模块104的一个或多个开关元件以交替地充电或放电感性元件110中的电流（同时保持第二能量变换模块108的放电配置）。
控制模块116以下面的方式操作第二能量变换模块108的开关元件以实现放电配置：在整个放电过程中，开关元件1是闭合的并保持闭合位置；在整个放电过程中，开关元件3是闭合的并保持闭合位置；在整个放电过程中，开关元件2、4、5、6、7和8是打开的并保持它们的打开位置。图2描绘了第二能量变换模块108在其开关元件已经被设置为需要的放电配置后的状态。图2已经通过移除代表开路条件的任何开关支路而相对于图1简化了。另外，接口短路开关115没有在图2中分开显示，因为它有效地用作简单的电导体。参考图2，将第二能量变换模块108设置在其放电配置中建立了包括副边绕组134、节点135、开关元件1、二极管22、感性元件110、开关元件3、二极管24和节点136的电流通路。
为放电DC母线电容103，控制模块116以下面的方式操作第一能量变换模块104的开关元件：在整个放电过程中，开关元件9是打开的并保持打开位置；在整个放电过程中，开关元件12是打开的并保持打开位置；开关元件10、11以开关频率被调节以交替地充电和放电感性元件110中的电流。对于这个具体的实施例，开关元件10、11以固定的额定开关频率（例如50kHz）一前一后地打开和闭合。这样，控制模块116交替地将第一能量变换模块104的开关元件配置在第一状态和第二状态之间。第一状态对应开关元件10、11闭合的时间，第二状态对应开关元件10、11打开的时间。图2描绘了配置在第二状态的第一能量变换模块104。
在第一状态，第一能量变换模块104建立隔离模块106的原边绕组126上的DC母线电容103的电压（开关元件10、11的闭合使原边绕组126和DC母线电容103电并联地连接）。在该第一状态，流过原边绕组126的电流在副边绕组134中感应出电流，使得在感性元件110中建立电流。在第一状态，电压在控制的、预设的或其他指定的时间周期或持续时间建立在原边绕组126上，由控制模块116调节。
在以上述方式将感性元件110充电达到指定的一段时间（由与第一能量变换模块104相关的开关频率决定）之后，控制模块116打开开关元件10、11以获得图2中显示的第二状态。开关频率选择为避免感性元件110的饱和。这有效地“复位”感性元件110并允许感性元件110往回向DC母线电容103中放电。在第二状态中，第一能量变换模块104用隔离模块106的原边绕组126充电DC母线电容103。在该第二状态期间，感性元件110保持电流沿相同方向流动通过第二能量变换模块108的电流环。该保持的电流在原边绕组126中感应出电流，该感应电流流过二极管29和二极管32以充电DC母线电容103。在第二状态，DC母线电容在控制的、预设的或其他指定的时间周期或持续时间被充电，由控制模块116调节。在实践中，这个持续时间等于与第一状态相关的持续时间。
图3是在典型的放电操作期间感性元件110的电感器电流对时间的代表性图。这个图描绘了电感器电流如何在大约150毫秒的周期中从大约24安的峰值衰减到大约2安。图4是在典型的放电操作期间感性元件110的电感器电压对时间的代表性图。这个图描绘了电感器电压如何在正值和负值之间振荡（由流过感性元件110的一致方向的电流产生），以及电感器电压如何在相同的150毫秒的时间周期中从几乎500伏的峰值绝对值快速衰减到大约50伏的绝对值。这两个图说明DC母线电容103如何能够在保持第二能量变换模块108的放电配置的同时通过调节开关元件10、11来快速和有效地放电。
图5是包括在两个典型的放电周期期间，感性元件110的电感器电压202和电感器电流204的代表性图的图。然而，与图3和图4中描绘的相比，图5显示了短得多的时间周期。结果，图3和图4中显示的总体衰减特性在图5中不能被识别。电感器电压202对应开关元件10、11的开关模式。因此，电感器电压202的图类似于以零伏为中心的方波。电感器电流204的图指示了感性元件110如何在开关元件10、11闭合的同时以电流充电，以及电感器电流如何在开关元件10、11打开的同时降低。
尽管已经在前述详细说明中给出了至少一个示例性实施例，但应该懂得存在很多变化。还应当认识到，本文描述的示例性实施例绝不意图以任何方式限制所要求保护主题的范围、可应用性或配置。相反，前文的具体描述将为本领域技术人员提供用于实施所述实施例的便利途径。应当理解，在不偏离由权利要求限定的范围的情况下可以对元件的功能和设置做出各种改变，其包括在提交本专利申请时的已知等价物和可预见的等价物。

Claims (20)

1.一种电力系统，包括：
直流（DC）接口；
交流（AC）接口；
与所述直流接口电并联地联接的DC母线电容；
包括多个开关元件的第一能量变换模块；
包括多个开关元件的第二能量变换模块；
联接在所述第一能量变换模块和所述第二能量变换模块之间以提供在所述第一能量变换模块和所述第二能量变换模块之间的电气隔离的隔离模块；
联接在所述第二能量变换模块与所述交流接口之间的感性元件；
与所述交流接口电并联地联接以选择性地短路所述交流接口的接口短路开关；以及
联接到所述第一能量变换模块、所述第二能量变换模块、和所述接口短路开关的控制模块，所述控制模块配置成：
检测指示需要对所述DC母线电容放电的条件；
致动所述接口短路开关以电短路所述交流接口；以及
操作所述第一能量变换模块的所述多个开关元件和所述第二能量变换模块的所述多个开关元件以至少部分地对所述DC母线电容放电。
2.根据权利要求1所述的电力系统，其特征在于，所述控制模块操作所述第二能量变换模块的所述多个开关元件以建立包括所述感性元件的电流通路。
3.根据权利要求2所述的电力系统，其特征在于，所述电流通路包括所述隔离模块的副边绕组。
4.根据权利要求3所述的电力系统，其特征在于，所述控制模块以开关频率调节所述第一能量变换模块的所述多个开关元件以交替地对所述感性元件中的电流充电和放电。
5.根据权利要求1所述的电力系统，其特征在于：
所述控制模块交替地将所述第一能量变换模块的所述多个开关元件配置在第一状态和第二状态；
在所述第一状态中，所述第一能量变换模块在第一控制时间周期建立在所述隔离模块的原边绕组上的所述DC母线电容的电压；以及
在所述第二状态中，所述第一能量变换模块在与所述第一控制时间周期相等的第二控制时间周期用所述隔离模块的所述原边绕组对所述DC母线电容充电。
6.根据权利要求1所述的电力系统，其特征在于，所述第二能量变换模块包括：
与所述隔离模块的第一端子联接的第一节点；
与所述隔离模块的第二端子联接的第二节点；
第三节点和第四节点，所述感性元件串联联接在所述第三节点和第四节点之间；
在所述第一节点和第五节点之间联接的第一开关元件；
在所述第五节点和所述第三节点之间联接的第二开关元件；
在所述第四节点和第六节点之间联接的第三开关元件；
在所述第六节点和所述第二节点之间联接的第四开关元件；
在所述第二节点和第七节点之间联接的第五开关元件；
在所述第三节点和所述第七节点之间联接的第六开关元件；
在所述第四节点和第八节点之间联接的第七开关元件；以及
联接在所述第一节点和所述第八节点之间的第八开关元件，其中，所述控制模块闭合所述第一开关元件和所述第三开关元件，并且打开所述第二开关元件、所述第四开关元件、所述第五开关元件、所述第六开关元件、所述第七开关元件和所述第八开关元件以至少部分地对所述DC母线电容放电。
7.根据权利要求6所述的电力系统，其特征在于，所述第二能量变换模块包括：
具有联接到所述第五节点的阳极和联接到所述第一节点的阴极的第一二极管；
具有联接到所述第五节点的阳极和联接到所述第三节点的阴极的第二二极管；
具有联接到所述第六节点的阳极和联接到所述第四节点的阴极的第三二极管；
具有联接到所述第六节点的阳极和联接到所述第二节点的阴极的第四二极管；
具有联接到所述第七节点的阳极和联接到所述第二节点的阴极的第五二极管；
具有联接到所述第七节点的阳极和联接到所述第三节点的阴极的第六二极管；
具有联接到所述第八节点的阳极和联接到所述第四节点的阴极的第七二极管；以及
具有联接到所述第八节点的阳极和联接到所述第一节点的阴极的第八二极管。
8.根据权利要求1所述的电力系统，其特征在于，所述第一能量变换模块包括：
与所述隔离模块的第三端子联接的第九节点；
与所述隔离模块的第四端子联接的第十节点；
第十一节点和第十二节点，所述DC母线电容联接在所述第十一节点和所述第十二节点上；
在所述第十节点和所述第十一节点之间联接的第九开关元件；
在所述第十节点和所述第十二节点之间联接的第十开关元件；
在所述第九节点和所述第十一节点之间联接的第十一开关元件；以及
在所述第九节点和所述第十二节点之间联接的第十二开关元件，其中，所述控制模块打开所述第九开关元件和所述第十二开关元件，并同时打开和闭合所述第十开关元件和所述第十一开关元件以至少部分地对所述DC母线电容放电。
9.根据权利要求8所述的电力系统，其特征在于，所述第一能量变换模块包括：
具有联接到所述第十节点的阳极和联接到所述第十一节点的阴极的第九二极管；
具有联接到所述第十二节点的阳极和联接到所述第十节点的阴极的第十二极管；
具有联接到所述第九节点的阳极和联接到所述第十一节点的阴极的第十一二极管；以及
具有联接到所述第十二节点的阳极和联接到所述第九节点的阴极的第十二二极管。
10.一种操作电力系统的方法，所述电力系统包括直流（DC）接口、交流（AC）接口、电并联地联接到所述直流接口的DC母线电容、包括多个开关元件的第一能量变换模块、包括多个开关元件的第二能量变换模块、在所述第一能量变换模块和所述第二能量变换模块之间联接以提供在所述第一能量变换模块和所述第二能量变换模块之间的电气隔离的隔离模块、和联接在所述第二能量变换模块和所述交流接口之间的感性元件，所述方法包括：
检测指示需要对所述DC母线电容放电的条件；
电短路所述交流接口；
将所述第二能量变换模块的所述多个开关元件设置为放电配置，以建立从所述隔离模块的第一端子经过所述感性元件到所述隔离模块的第二端子的电流通路；以及
在保持所述第二能量变换模块的所述多个开关元件的所述放电配置的同时，调节所述第一能量变换模块的所述多个开关元件中的一个或多个以交替地对所述感性元件中的电流充电和放电。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，还包括使所述直流接口与其直流能量源断开连接。
12.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，电短路所述交流接口包括致动联接在所述交流接口上的接口短路开关。
13.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，调节所述多个开关元件中的所述一个或多个是以固定频率执行的。
14.根据权利要求10所述的方法，其特征在于：
调节所述第一能量变换模块的所述多个开关元件中的一个或多个交替地将所述第一能量变换模块的所述多个开关元件设置在第一状态和第二状态；
在所述第一状态中，所述第一能量变换模块在第一控制时间周期建立在所述隔离模块的原边绕组上的所述DC母线电容的电压；以及
在所述第二状态中，所述第一能量变换模块在与所述第一控制时间周期相等的第二控制时间周期用所述隔离模块的所述原边绕组对所述DC母线电容充电。
15.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，检测所述条件包括感测高压电池与所述直流接口的断开连接。
16.一种对车辆的双向矩阵变换器的母线电容放电的方法，所述车辆具有直流（DC）能量源，所述双向矩阵变换器包括用于所述直流能量源的直流接口、通过所述双向矩阵变换器对所述直流能量源充电的用于AC能量源的交流（AC）接口、电并联地联接到所述直流接口的DC母线电容、第一能量变换模块、第二能量变换模块、联接在所述第一能量变换模块和所述第二能量变换模块之间的隔离模块、联接在所述第二能量变换模块和所述交流接口之间的感性元件，所述方法包括：
在所述AC能量源与所述交流接口断开连接之后，电短路所述交流接口；
将所述第二能量变换模块的多个开关元件设置为放电配置，以建立从所述隔离模块的第一端子经过所述感性元件到所述隔离模块的第二端子的电流通路；以及
在保持所述第二能量变换模块的所述放电配置的同时，调节所述第一能量变换模块的多个开关元件，以至少部分地对所述DC母线电容放电。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，还包括：
检测指示需要对所述DC母线电容放电的条件；以及
在电短路所述交流接口之前确认所述AC能量源断开连接。
18.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，还包括：
检测指示需要对所述DC母线电容放电的条件；以及
在电短路所述交流接口之前确认所述直流能量源断开连接。
19.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，调节所述第一能量变换模块的所述多个开关元件交替地对所述感性元件中的电流充电和放电。
20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于：
调节所述第一能量变换模块的所述多个开关元件交替地将所述第一能量变换模块的所述多个开关元件设置在第一状态和第二状态；
在所述第一状态中，所述第一能量变换模块在第一控制时间周期建立在所述隔离模块的原边绕组上的所述DC母线电容的电压；以及
在所述第二状态中，所述第一能量变换模块在与所述第一控制时间周期相等的第二控制时间周期用所述隔离模块的所述原边绕组对所述DC母线电容充电。
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