CN102820787A

CN102820787A - 具有变频控制的转换器

Info

Publication number: CN102820787A
Application number: CN2012101849172A
Authority: CN
Inventors: 向春·吴; 理查德·J·哈姆珀
Original assignee: Lear Corp
Current assignee: Lear Corp
Priority date: 2011-06-10
Filing date: 2012-06-06
Publication date: 2012-12-12
Anticipated expiration: 2032-06-06
Also published as: US9306465B2; US20120313430A1; DE102012208543A1; CN102820787B

Abstract

本发明涉及具有变频控制的转换器。一种可操作用于为一个或者多个负载供电的转换器，其具有多个切换频率。可基于期望的输出功率电平和/或基于转换器的多个开关的切换是表征为零电压切换（ZVS）还是非零电压切换（NZVS）来选择该转换器的切换频率。

Description

具有变频控制的转换器

技术领域

本发明涉及到具有变频控制的转换器，例如但不局限于在交通工具内可操作的类型的转换器，以便调节用于为高电压交通工具电池和/或其他交通工具系统充电的功率。

背景技术

在很多电气应用中使用DC-DC（直流-直流）、DC-AC（直流-交流）和AC-DC（交流-直流）转换器，以便调节传输到负载的功率。转换器可以被配置为输出具有一组期望的电流和电压的特征的功率。电气应用可以包括具有不同的功率调节需求的多个负载，从而使得电气应用可以被配置为包括了用于具有特定功率调节需求的每个负载的、独立的、专用的转换器。这类独立的、专用的转换器的使用可以被有问题地昂贵地给出与配置、组装、和操作多个转换器相关联的花费。

发明概述

本发明的一个非限制性方面设想可操作支持多个功率调节分布的转换器，从而使得可以为具有特定功率调整需求的负载使用相同的转换器来便于功率调整。

本发明的一个非限制性方面设想一种控制具有多个开关的转换器的方法，所述多个开关可与变压器一起操作将DC输入转换为AC输出，其中多个开关在断开状态和闭合状态之间是可选择性地操作的。该方法可以包括：为多个开关确定第一切换频率，该第一切换频率可操作以导致多个开关在转换期间的零电压切换（ZVS），所述转换期间例如是当从断开状态转换到闭合状态时；以及，为多个开关确定第二切换频率，该第二切换频率可操作以导致多个开关在从断开状态转换到闭合状态时的非零电压切换（NZVS）。

本发明的一个非限制性方面设想确定第二切换频率是小于第一切换频率的频率。

本发明的一个非限制性方面设想确定多个开关在设置为第一切换频率时的切换计划，占空比造成AC输入具有第一功率电平。

本发明的一个非限制性方面设想相移多个开关在设置为第二切换频率时的切换计划，相移造成AC输入具有小于第一功率电平的第二功率电平。

本发明的一个非限制性方面设想：从接收AC输出的至少一个负载接收功率请求；如果功率请求所请求的功率电平大于阈值，将多个开关设置为第一切换频率；以及所述如果功率电平小于阈值，将多个开关设置为第二切换频率。

本发明的一个非限制性方面设想将AC输出整流为足以在为高电压的交通工具电池充电中使用的DC输出。

本发明的一个非限制性方面设想一种控制具有多个开关的转换器的方法，所述多个开关可与变压器一起操作将DC输入转换为AC输出，其中多个开关在断开状态和闭合状态之间是可选择性地操作的。该方法可以包括：为AC输出确定功率电平；确定足以生成在该功率电平上的AC输出的多个开关的切换计划；确定切换计划使用零电压切换（ZVS）和非零电压切换（NZVS）中的一个来导致多个开关从断开状态转换到闭合状态；如果确定ZVS，则为多个开关确定第一切换频率；以及，如果确定NZVS，则为多个开关确定第二切换频率。

本发明的一个非限制性方面设想确定第二切换频率小于第一切换频率。

本发明的一个非限制性方面设想确定第二切换频率是第一切换频率的一半。

本发明的一个非限制性方面设想确定功率电平等于可在交通工具内主动操作以便接收AC输出的一个或者多个负载的总功率需求。

本发明的一个非限制性方面设想在被一个或者多个负载中的至少一个接收前，将AC输出整流为DC输出。

本发明的一个非限制性方面设想当根据第二切换频率操作时相移多个开关的量小于当根据第一切换频率操作时相移所述多个开关的量。

本发明的一个非限制性方面设想：测量多个开关中的至少一个的两端的电压以确定ZVS和NZVS中的一个；如果电压在当多个开关中的至少一个从闭合状态转换到断开状态时近似为零，则确定为ZVS；以及，如果电压在当多个开关中的至少一个从断开状态转换到闭合状态时足够大于零，则确定为NZVS。

本发明的一个非限制性方面设想至少一个开关是晶体管，并且方法还包括测量晶体管的漏极和源极之间的电压。

本发明的一个非限制性方面设想切换计划为多个开关指定相移，并且该方法包括在相移大于阈值时确定ZVS，而在相移小于阈值时确定NZVS。

本发明的一个非限制性方面设想用于为交通工具内一个或者多个负载供电的系统。该系统可以包括：转换器，其具有多个开关，该多个开关可与变压器和整流器一起操作将DC输入转换为AC输出，并随后将AC输出整流为用于给一个或者多个负载供电的DC输出，所述多个开关在断开状态和闭合状态之间是可选择性地操作的；控制器，其可操作以便选择性地控制多个开关在断开状态和闭合状态之间的切换，该控制器可操作以便：基于主动请求DC输出的一个或者多个负载中的一个或者多个来确定DC输出的功率电平；确定多个开关所需的切换以便于在零电压切换（ZVS）和非零电压切换（NZVS）中一个的情况下输出在确定的功率电平处的DC输出；如果确定ZVS，选择性地控制多个开关以第一切换频率进行切换；以及，如果确定NZVS，选择性地控制多个开关以第二切换频率进行切换。

本发明的一个非限制性方面设想第二切换频率小于第一切换频率。

本发明的一个非限制性方面设想的控制器在当功率电平等于或大于功率电平阈值时确定ZVS，而在当功率电平小于功率电平阈值时确定NZVS。

本发明的一个非限制性方面设想多个开关中的至少一个是晶体管，并且其中，在当晶体管从断开状态转换到闭合状态时如果晶体管的漏极到源极的电压近似为零，确定ZVS，并且在当晶体管从断开状态转换到闭合状态时如果晶体管的漏极到源极的电压足够大于零，则确定NZVS。

本发明的一个非限制性方面设想如果功率电平近似为3.3kW，则第一切换频率是250kHz，而如果功率电平小于500W，则第二切换频率是125kHz。

附图说明

本发明在所附权利要求中被特别地指出。然而，通过与附图结合地参考随后的详细描述，本发明的其它特性会变得更加明显并且本发明将非常易懂，在附图中：

图1示出了根据本发明的一个非限制性方面的具有变频控制的转换器的系统。

图2示出了根据本发明的一个非限制性方面的控制转换器的方法的流程图。

图3-4示出了根据本发明的一个非限制性方面的示例性的切换计划。

图5示出了根据本发明的一个非限制性方面的状态图。

详细描述

根据需要，本文公开了本发明的详细的实施方式；然而，应该理解，所公开的实施方式仅仅是可以按各种的和可选的形式实现的本发明的示例。附图不一定按比例绘制；一些特征可以被放大或最小化以示出特定组件的细节。因此，本文所公开的具体结构和功能细节不应被解释为限制性的，而仅仅作为用于教导本领域中的技术人员以不同方式利用本发明的代表性的基础。

图1示出了根据本发明的一个非限制性方面的具有变频控制的转换器12的系统10。出于示例目的，系统10主要被描述为配置成给一个或者多个交通工具负载14提供功率，例如但不局限于，支持给高电压交通工具电池充电和/或以其他方式为其它交通工具系统供电。然而，本发明并不必局限于交通工具，而是完全设想变频控制的转换器12在其它非交通工具应用中的使用，例如但不局限于，独立的或者非独立的DC到DC转换器、DC到AC逆变器和AC到AC转换器，其中调节电压占空比，从而控制独立的系统的主要变压器的伏秒区域（volt-sec area）。

转换器12被示为具有第一转换器16（转换器#1）和第二转换器18（转换器#2）的交错配置，其中多个开关A₁、A₂、B₁、B₂、C₁、C₂、D₁、D₂可响应从控制器22接收的信号操作。可以将控制器22配置为控制开关A1、A2、B1、B2、C1、C2、D1、D2的切换以提供对DC输入26的任意适合的处理，例如但不局限于，来自插座充电系统、壁式插座等等的DC输入。可以控制开关A1、A2、B1、B2、C1、C2、D1、D2以将DC输入转换为AC输入，其随后被带到第一和第二变压器28、30中各自的一个。在每个变压器28、30的初级侧上的AC输入在次级侧生成AC输出，如所示该AC输出可以用整流器32、34整流以生成DC输出。在到达一个或者多个负载之前，可以用电容器36对该DC输出进行平滑处理。

转换器12被示出包括在每个变压器28、30的输入侧和输出侧上的电感器40、42、44、46。电感器40、42、44、46可以与其它转换器组件操作，以及/或者可相对于其它转换器组件来调整大小，以便于零电压切换（ZVS）。ZVS可以表征为当开关A1、A2、B1、B2、C1、C2、D1、D2两端的电压在开关A1、A2、B1、B2、C1、C2、D1、D2从断开状态转换为闭合状态的转换期间实质上为零时发生。本发明的一个非限制性方面设想开关A1、A2、B1、B2、C1、C2、D1、D2是晶体管，并且当晶体管漏极和源极之间测得的电压近似为零，和/或当负载功率在关于给定操作的相应的功率阈值/额定值以内时，确定ZVS。

转换器12可以被配置为支持宽范围的功率输出电平。例如，所示转换器12可以被配置为支持250-420Vdc的调节电压的0-3.3kW。支持多个DC输出功率电平的能力可能是有利的，其原因在于可以根据当前请求功率的负载14的功率需求来调整转换器12的操作，而不是必须为每个负载14和/或为每个所支持的DC输出提供专用的转换器。控制器12可以被配置为评估可主动操作的或者快要可以主动操作的负载14的功率需求，并且根据该功率需求为开关A1、A2、B1、B2、C1、C2、D1、D2设置切换计划以便确保DC输出以恰当的功率电平、电压、和/或电流生成。

转换器组件（即电感器40、42、44、46，变压器28、30，以及开关A1、A2、B1、B2、C1、C2、D1、D2）可以被调整大小，从而当DC输出接近转换器的最大工作性能（即3.3kW时），ZVS发生。当转换器12更接近最大输出范围操作时，ZVS的出现可以利于转换器12在其额定电平处操作时实现最大效率。因为组件的特征可以是固定的，即在转换器12的一些配置中，这些组件是不可更改的，当DC输出与最大设计范围偏离太多时，不可实现ZVS。足够的偏离可以产生NZVS以及随之而来的转换器效率中的损失，其比必须具有多个转换器来说可能更有利。

转换器组件还可以选择来具有适于用来在更接近最大输出电平操作时控制多个开关A1、A2、B1、B2、C1、C2、D1、D2的某切换频率的特征。当选择转换器组件特征时，随着所选择的切换频率增加，组件的尺寸减小，从而对于相同的期望的输出，例如，3.3kW，如果选择了较大的切换频率，则可使用较小的转换器组件。依据频率选择组件还与用于ZVS的组件选择相关，从而设计参数的某种组合将以最小的组件提供最大的效率，并且同时实现ZVS。本发明的一个非限制性方面设想转换器组件被选择成当以250kHz的切换频率产生3.3kW时，该转换器组件以最大效率和ZVS进行操作。

图2示出了根据本发明的一个非限制性方面的控制转换器12的方法的流程图50。该方法可以通过被存储在控制器22的计算机可读介质上的指令或者其它逻辑算子来实现。控制器22可以包括处理器和适合的输入/输出特性物以便于执行所设想的操作。该方法可关于以上描述的转换器12的示例性使用来描述，所述转换器12可操作，以便于处理DC输入用于输出到一个或者多个交通工具负载14。然而，该方法没有必要是如此局限的，并且本发明完全设想了用来方便控制用于支持基于交通工具负载的转换器的方法。

方框52涉及确定功率需求。功率需求可以通过控制器22和/或通过一些其它评估步骤，例如交通工具开关的激活、油门踏板的驱动阻抑等等来确定，其中所述控制器22从负载14中的一个或多个来接收功率请求，该功率请求指示了对功率的需求。可以将功率需求计算为等于一个或者多个主动负载14所需功率的总量，和/或根据被请求用于传输的功率的特定特征，即在DC的情况下，特征可以限定功率、电压、和/或电流（如果省略整流器32、34，或者在整流器之前连接了其它AC负载，则AC变量，例如频率也可以被指定）。出于示例目的，功率电平旨在包含负载所需要的能量的任意特征。

方框54涉及确定切换计划以满足功率需求。为了便于以期望的功率电平传输期望的DC输出，切换计划与用于控制开关A1、A2、B1、B2、C1、C2、D1、D2在断开状态和闭合状态之间的转换的控制策略相对应。为了随着AC输入到变压器32、34来生成被修正的或者方形化的正弦波形，开关A1、A2、B 1、B2、C1、C2、D1、D2可以被成对地切换。这些开关对可以由A和C开关以及B和D开关组成，其中每个对的开/关循环都是相对的和镜像的，导致A和B开关是镜像的并且C和D开关是镜像的。

图3-4示出了用于A开关和C开关的示例性切换计划58、60，其中没有相移（图3）地和有相移（图4）地切换开关A1、A2、B1、B2、C1、C2、D1、D2。相移量可以被引入所述对之间来控制DC输出的功率电平，从而最大功率在没有相移时出现，并由此与相移的量成比例地减小。本发明设想为了限制变压器28、30的饱和，使用相移来控制功率电平。可以被用来代替相移或者和相移结合的另一个选择涉及控制每个开关A1、A2、B 1、B2、C1、C2、D1、D2的占空比。图3-4示出了为50%的固定占空比，然而，占空比可以是可更改的以进一步便于调整DC输出的输出功率电平（假定变压器饱和并且其它与非50%占空比的伴生现象可以被解决）。

回到图2，方框66涉及评估生成需要的功率电平所必需的切换计划是否导致ZVS或者是NZVS。可以通过控制器22来进行该评估，所述控制器22评估切换计划中具体指明的功率电平、占空比、和/或相移是否与ZVS或NZVS条件相对应，即控制器可以包括查询表或者其它预定义的参考，用于在一个或者多个标注参数基础上进行确定。在操作期间也可以通过控制器22进行评估或确认，所述控制器22检测或以其他方式实际评估一个或者多个开关两端的电压。可能有帮助的是，例如，如果控制器在没有关于最终计划是否产生ZVS或NZVS的先前认识情况下自动地设置切换计划以满足功率需求。该能力也可以有助于调整转换器劳损或其它可以造成ZVS和NZVS操作阈值变化的操作上的变化。

方框68涉及如果确定ZVS，控制器22为控制开关设置第一切换频率（见图3）。第一切换频率可与被设计用于转换器12的最佳切换频率相对应，其可以与3.3kW的功率电平或者一些其它等于相应功率阈值或在该相应功率阈值以上的功率电平相对应。本发明的一个非限制性方面设想最佳的转换条件是在250kHz的切换频率处的3.3kW。第一切换频率可以被设置为与250kHz的最佳切换频率相对应。

方框70涉及如果确定NZVS，控制器22为控制开关设置第二切换频率。因为ZVS可以被设计为当操作接近最大的或者额定的操作条件时出现，确定NZVS可以指示转换器12被请求在最大电平以下操作和/或被请求提供较少功率。本发明的一个非限制方面设想通过相对于设计/额定切换频率（第一切换频率）减小切换频率来改良与在NZVS条件下操作有关的效率损失。第二切换频率的减小的切换频率减小开关A1、A2、B1、B2、C1、C2、D1、D2在断开和闭合状态之间转换的次数。因为每次转换都导致切换损失，可通过减小转换的次数来减小总切换损失。

在方框70中所设想的第二切换频率可以与预定义的值例如但不局限于125kHz相对应，或者与一比例值相对应。可以基于NZVS的量（例如，在开关中至少一个开关的两端的电压）和/或基于输出功率电平的算法来确定所述比例值。可以选择比例值将切换频率减小一定量，该量足以在切换损失和伴随着切换频率降低出现的性能降低之间实现平衡。每当确定NZVS时，可以使用预定义的值来代替比例值以控制切换转换，从而控制器22不需要执行与成比例地减小切换频率相关的额外的处理。

根据以上所支持的，可以为具有宽输出电压范围的高功率DC-DC转换器的高切换频率提供系统方法，从而转换器12可按期望的用于轻负载的低切换频率和按用于额定功率输出的高切换频率来操作。本发明涉及，但不必局限于，DC到DC转换器、DC到AC逆变器、AC-DC转换器和AC到AC转换器。本控制技术的一个特征是改变切换频率以实现从轻负载（零负载）到全功率负载的最佳的性能。

ZVS控制是本发明设想的一个方法，其使用高切换频率以在功率转换器的设计和实施中实现高功率密度。因为伴随的ZVS范围是设计宽负载范围的瓶颈，特别对于要求负载功率从零功率改变到全高功率的应用（由于当为在ZVS范围外的轻负载工作时，转换器变化为硬切换，这会在功率开关上造成高热应力或者甚至热击穿），本发明提出其变频控制的解决方法。

图5示出了根据本发明的一个非限制性方面的状态图。下表提供了关于图5中所设想的状态控制的限定条件。

状态转换矩阵：

1）对于该矩阵，转换顺序意指优先。这意味着，例如，如果当前状态是“一”，先检查转换到“二者兼有”的条件，并且如果该条件是真，则该状态转换在不检查任意其它条件的情况下进行。

2）假定输出是持续的，这就是说，如果在状态机的给定的执行期间内，没有采取动作来改变输出中的任何一个，则仍应该使用所有输出的最近值。

3）如果不满足转化的条件，状态不会改变并且不会采取动作。

4）状态机的每次执行仅允许一次状态转换。

5）用于开始充电的低功率的默认状态为“一”，其使用用于标识起始状态的标记控制。

6）该状态机被应用到使用两个交错子转换器的3.3kW全桥式AC到DC电池充电器。

状态解释：

一状态：

一状态是以正常切换频率操作HV转换器#1。其被用于处在低分接头并且功率足够高而不需要进入低功率模式时，或者如果处在高分接头并且输出功率在单个转换器的容量内时。

一低状态

一低状态以较低切换频率操作HV转换器#1。其被用在功率需求很低时。也可以设置计时器在HV转换器#1和HV转换器#2之间交替，从而使得它们中的每一个都具有冷却时间。

二低状态

二低状态是以较低切换频率操作HV转换器#2。其被用在功率需求很低时。也可以设置计时器在HV转换器#1和HV转换器#2之间交替，从而使得它们中的每一个都具有冷却时间。

二者兼有状态

二者兼有状态是以全切换频率操作HV转换器#1和HV转换器#2这两者。其被用于处在高分接头并且输出功率需求大于单个转换器能够产生的功率时。

尽管以上描述了示例性的实施方式，但意图不是用这些实施方式描述本发明的所有可能的形式。更确切地，在说明书中使用的词是描述性的而非限制性的词，并且应当理解，可以做出各种改变而不偏离本发明的精神和范围。此外，可以组合各种实现的实施方式的特征以形成本发明的另外的实施方式。

Claims

1.一种控制具有多个开关的转换器的方法，所述多个开关与变压器一起可操作来将DC输入转换为AC输出，所述多个开关在断开状态和闭合状态之间是可选择性地操作的，所述方法包括：

为所述多个开关确定第一切换频率，所述第一切换频率可操作以导致所述多个开关从所述断开状态转换到所述闭合状态时的零电压切换（ZVS）；以及

为所述多个开关确定第二切换频率，所述第二切换频率可操作以导致所述多个开关从所述断开状态转换到所述闭合状态时的非零电压切换（NZVS）。

2.如权利要求1所述的方法，还包括确定所述第二切换频率是小于所述第一切换频率的频率。

3.如权利要求1所述的方法，还包括确定所述多个开关在设置为所述第一切换频率时的切换计划，占空比造成所述AC输出具有第一功率电平。

4.如权利要求3所述的方法，还包括对设置为所述第二切换频率时的所述多个开关相移所述切换计划，所述相移造成所述AC输出具有小于所述第一功率电平的第二功率电平。

5.如权利要求1所述的方法，还包括：

从接收所述AC输出的至少一个负载接收功率请求；

如果所述功率请求所请求的功率电平大于阈值，将所述多个开关设置为所述第一切换频率；以及

如果所述功率电平小于所述阈值，将所述多个开关设置为所述第二切换频率。

6.如权利要求1所述的方法，还包括将所述AC输出整流为足以在为高电压的交通工具电池充电中使用的DC输出。

7.一种控制具有多个开关的转换器的方法，所述多个开关与变压器一起可操作将DC输入转换为AC输出，所述多个开关在断开状态和闭合状态之间是可选择性地操作的，所述方法包括：

为所述AC输出确定功率电平；

为所述多个开关确定足以生成在所述功率电平处的所述AC输出的切换计划；

确定所述切换计划以使用零电压切换（ZVS）和非零电压切换（NZVS）中的一个来导致所述多个开关从所述断开状态转换到所述闭合状态；

如果确定ZVS，则为所述多个开关确定第一切换频率；以及

如果确定NZVS，则为所述多个开关确定第二切换频率。

8.如权利要求7所述的方法，还包括确定所述第二切换频率小于所述第一切换频率。

9.如权利要求7所述的方法，还包括确定所述第二切换频率是所述第一切换频率的一半。

10.如权利要求7所述的方法，还包括确定所述功率电平等于在交通工具内主动可操作以便接收所述AC输出的一个或者多个负载的总功率需求。

11.如权利要求10所述的方法，还包括在被所述一个或者多个负载中的至少一个接收前，将所述AC输出整流为DC输出。

12.如权利要求7所述的方法，还包括当所述多个开关根据所述第二切换频率操作时按某个量相移所述多个开关，所述量大于当所述多个开关根据所述第一切换频率操作时相移所述多个开关的量。

13.如权利要求7所述的方法，还包括：

测量所述多个开关中的至少一个开关的两端的电压以确定ZVS和NZVS中的所述一个；

如果所述电压在当所述多个开关中的所述至少一个开关从所述断开状态转换到所述闭合状态时近似为零，则确定为ZVS；以及

如果所述电压在当所述多个开关中的所述至少一个开关从所述断开状态转换到所述闭合状态时足够大于零，则确定为NZVS。

14.如权利要求13所述的方法，其中，所述至少一个开关是晶体管，并且所述方法还包括测量所述晶体管的漏极和源极之间的电压。

15.如权利要求7所述的方法，其中，所述切换计划为所述多个开关指定相移，并且其中所述方法还包括在当所述相移大于阈值时确定所述ZVS，以及在当所述相移小于所述阈值时确定所述NZVS。

16.一种用于为交通工具内的一个或者多个负载供电的系统，所述系统包括：

转换器，其具有多个开关，所述多个开关与变压器和整流器一起可操作来将DC输入转换为AC输出并随后将所述AC输出整流为用于给所述一个或者多个负载供电的DC输出，所述多个开关在断开状态和闭合状态之间是可选择性地操作的；

控制器，其可操作以便选择性地控制所述多个开关在所述断开状态和所述闭合状态之间的切换，所述控制器可操作以：

i．基于主动请求所述DC输出的所述一个或者多个负载中的一个或者多个来确定所述DC输出的功率电平；

ii．确定所述多个开关所需的切换以便在零电压切换（ZVS）和非零电压切换（NZVS）中的一个的情况下输出在确定的功率电平处的DC输出；

iii．如果确定ZVS，选择性地控制所述多个开关以第一切换频率进行切换；以及

iv．如果确定NZVS，选择性地控制所述多个开关以第二切换频率进行切换。

17.如权利要求16所述的系统，其中，所述第二切换频率小于所述第一切换频率。

18.如权利要求16所述的系统，其中，所述控制器在当所述功率电平等于或大于功率电平阈值时确定ZVS，而在当所述功率电平小于功率电平阈值时确定NZVS。

19.如权利要求16所述的系统，其中，所述多个开关中的至少一个是晶体管，并且其中，在当所述晶体管从所述断开状态转换到所述闭合状态时如果从所述晶体管的漏极到源极的电压近似为零，则确定ZVS，并且在当所述晶体管从所述断开状态转换到所述闭合状态时如果从所述晶体管的漏极到源极的电压足够大于零，则确定NZVS。

20.根据权利要求16所述的系统，其中，如果所述功率电平近似为3.3kW，则所述第一切换频率是250kHz，而如果所述功率电平小于500W，则所述第二切换频率是125kHz。