CN103684002B - 能量转换系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种能量转换系统，其包括滤波单元、直流/直流转换器、直流链路、逆变器及控制单元。该直流/直流转换器通过该滤波单元与直流电源相连，用于将直流电源的电压升高到一个合适的电压值或电压范围。该直流/直流转换器包括若干配置在同步整流模式下的碳化硅场效应晶体管。该逆变器用于通过该直流链路将升高的直流电压转换成交流电压。该控制单元用于提供脉宽调制命令来控制该直流/直流转换器与逆变器，以将直流电转换为交流电来驱动交流驱动设备。

Description

能量转换系统

技术领域

本发明涉及一种能量转换系统，特别涉及一种应用于电动汽车等设备上的能量转换系统。

背景技术

近年来，随着环境污染的加剧及日趋枯竭的能源现状，越来越多的国家开始大力发展可再生、低污染能源，其中电动汽车就是一个研究方向，并且也开发出了一些电动汽车。但是，目前的电动汽车技术还不是很成熟，例如在电池续航能力、电能转化为动能的效率等方面还有待提高。其中电能转化为动能是通过其上的能量转换系统来实现的。

例如，图1给出了现有应用于电动汽车上的一种能量转换系统10。其中，该能量转换系统10可能包括电池11、电动马达12、直流/直流转换器13、三相逆变器14、直流链路（DC Link）15、滤波单元16及控制单元17。该直流链路15包括一个电容C1，该滤波单元16包括三个电感L1、L2及L3。其中，该直流/直流转换器13通过该滤波单元16与该电池11实现电性连接，用于将电池11的电压升高到一个合适的电压值或电压范围。该逆变器14通过该直流链路15与该直流/直流转换器13电性相连，用于将升高的直流电压转换成交流电压，进而驱动该电动马达12工作。该控制单元17用于提供脉宽调制(pulse-width modulation,PWM)命令来控制该直流/直流转换器13与逆变器14上电子开关的通断以便根据需要将直流电转换为交流电。本实施方式中，该直流/直流转换器13及逆变器14均为三相配置，其他实施方式中，该直流/直流转换器13及逆变器14可为具有其他相位数量的多相直流/直流转换器及多相逆变器。

为了实现电压转换功能，该直流/直流转换器13及该逆变器14均包括若干电子开关，例如包括12个电子开关S1-S12，该控制单元17根据事先编好的程序来控制该12个电子开关S1-S12的通断，进而实现直流电转换成三相交流电，具体工作原理为现有技术，这里不再详细描述。在该传统的能量转换系统10中，这些电子开关S1-S12通常使用硅晶体管等半导体电子开关元件，最常见的是绝缘栅双极型晶体管（insulated gate bipolar transistor，IGBT）。但是，应用上述传统的晶体管元件在能量传输过程中会损耗大量的能量，如此大大降低了电能的转换效率。另一方面，由于该传统的IGBT在工作过程中还会产生热量，如此需要提供若干散热片来给它们进行散热，但这些增加的散热片会占用一定的空间并提高了电动汽车整体的重量，由此会大大降低电动汽车的性能。

此外，在该传统的能量转换系统10中，为获得多相输出电压，如三相电压，该滤波单元16提供了三个独立的电感L1、L2、L3分别接入该直流/直流转换器13的三相中。但是，该增加的三个独立的电感L1、L2、L3同样会占用一定的空间并提高电动汽车整体的重量，降低电动汽车的性能。

另外，为了控制该直流/直流转换器13及该逆变器14上的电子开关S1-S12，该控制单元17会提供合适的PWM命令。例如，图2示意出该控制单元17控制该直流/直流转换器13的部分控制示意图。该控制单元17包括一个减法元件171及一个PWM命令产生模块172。该减法元件171用于获取一个直流电压误差信号V_{DC_Err}，且该直流电压误差信号V_{DC_Err}由位于该电容器C1上的反馈直流电压信号V_{DC_Fbk}与一预设的直流电压命令信号V_{DC_cmd}作差获得。该PWM命令产生模块172用于根据该直流电压误差信号V_{DC_Err}产生对应的PWM命令以控制该直流/直流转换器13上开关元件S1-S6的通断。其中，该反馈直流电压信号V_{DC_Fbk}代表电容器C1上实际测得到电压值，而该预设的直流电压命令信号V_{DC_cmd}则是预先设定的电压值，以控制电容器C1上的电压值趋于该直流电压命令信号V_{DC_cmd}所表征的电压值。

该PWM命令产生模块172包括合适的计算元件，如比例积分调节器、限制器、差分元件、比较器等，这里不具体说明。其中，该预设的直流电压命令信号V_{DC_cmd}通常为一个恒定值的电压信号（见图2），由于该预设的电压命令信号V_{DC_cmd}为一个恒定值，该直流/直流转换器13将输出具有恒定电压值的直流电，而该逆变器14需要输出脉冲交流电，因此该电容器C1需要配置成能提供足够的电容量才能满足上述直流电至交流电的转换，这对电容器C1的储能配置提出了较高的要求，该电容器C1的体积也会相应增大。

所以，需要提供一种新的高压发电系统来解决上述问题。

发明内容

现在归纳本发明的一个或多个方面以便于本发明的基本理解，其中该归纳并不是本发明的扩展性纵览，且并非旨在标识本发明的某些要素，也并非旨在划出其范围。相反，该归纳的主要目的是在下文呈现更详细的描述之前用简化形式呈现本发明的一些概念。

本发明的在于提供一种能量转换系统。该能量转换系统包括：

滤波单元；

直流/直流转换器，通过该滤波单元与直流电源相连，用于将直流电源的电压升高到一个合适的电压值或电压范围，该直流/直流转换器包括若干配置在同步整流模式下的碳化硅场效应晶体管；

直流链路；

逆变器，用于通过该直流链路将升高的直流电压转换成交流电压；及

控制单元，用于提供脉宽调制命令来控制该直流/直流转换器与逆变器，以将直流电转换为交流电来驱动交流驱动设备。

相较于现有技术，本发明的能量转换系统将直流/直流转换器中的电子开关使用了配置在同步整流模式下的碳化硅场效应晶体管，如此可以控制碳化硅场效应晶体管上的电流沿着其较低功率损耗的路径流过，从而使能量损耗在传输过程中大大降低了，提高了电能的转换效率。另一方面，该碳化硅场效应晶体管相较于传统的IGBT在工作过程中产生较小的热量，如此需要提供的散热片数量及体积也将大大降低，进而减轻了电动汽车整体的重量并节约了空间，由此会大大提高电动汽车的性能。

附图说明

通过结合附图对于本发明的实施方式进行描述，可以更好地理解本发明，在附图中：

图1为现有电动汽车上能量转换系统的示意图。

图2为图1中控制单元控制直流/直流转换器的部分控制示意图。

图3为本发明能量转换系统的第一较佳实施方式的示意图。

图4为本发明能量转换系统的第二较佳实施方式的示意图。

图5为图4中电磁耦合电感的第一较佳实施方式的示意图。

图6为图4中电磁耦合电感的第二较佳实施方式的示意图。

图7为图3中控制单元控制直流/直流转换器的较佳实施方式的部分控制示意图。

具体实施方式

以下将描述本发明的具体实施方式，需要指出的是，在这些实施方式的具体描述过程中，为了进行简明扼要的描述，本说明书不可能对实际的实施方式的所有特征均作详尽的描述。应当可以理解的是，在任意一种实施方式的实际实施过程中，正如在任意一个工程项目或者设计项目的过程中，为了实现开发者的具体目标，为了满足系统相关的或者商业相关的限制，常常会做出各种各样的具体决策，而这也会从一种实施方式到另一种实施方式之间发生改变。此外，还可以理解的是，虽然这种开发过程中所作出的努力可能是复杂并且冗长的，然而对于与本发明公开的内容相关的本领域的普通技术人员而言，在本公开揭露的技术内容的基础上进行的一些设计，制造或者生产等变更只是常规的技术手段，不应当理解为本公开的内容不充分。

除非另作定义，权利要求书和说明书中使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明专利申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“一个”或者“一”等类似词语并不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的元件或者物件及其等同元件，并不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电气的连接，不管是直接的还是间接的。

请参考图3，本发明能量转换系统20的第一较佳实施方式包括直流电源（如电池）21、交流驱动设备（如电动马达）22、直流/直流转换器23、三相逆变器24、直流链路25、滤波单元26及控制单元27。该直流链路25包括一个电容C1，该滤波单元26包括三个电感L1、L2及L3。其中，该直流/直流转换器23通过该滤波单元26与该电池21实现电性连接，用于将电池21的电压升高到一个合适的电压值或电压范围。该逆变器24通过该直流链路25与该直流/直流转换器23电性相连，用于将升高的直流电压转换成交流电压，进而驱动该电动马达22工作。该控制单元27用于提供脉宽调制(pulse-width modulation,PWM)命令来控制该直流/直流转换器23与逆变器24上电子开关的通断以便根据需要将直流电转换为交流电。在非限定的实施方式中，该能量转换系统20可应用于电动汽车中或其他直流电转化为交流电的设备中,该电池21可为其他类型的直流电源，该电动马达可为其他类型的交流驱动设备。在其他实施方式中，该直流/直流转换器23及逆变器24的相位的数量可以根据需要调整，不局限于三相，例如还可为五相或七相等。

为了实现电压转换功能，该直流/直流转换器23及该逆变器24均包括若干电子开关，例如包括12个电子开关S1′-S12′，该控制单元27根据事先编好的程序来控制该12个电子开关S1′-S12′的通断，进而实现直流电转换成三相交流电。在该能量转换系统20中，这些电子开关S1′-S12′使用碳化硅场效应晶体管（silicon carbide metal-oxide-semiconductor field-effect transistor,SiC-MOSFET)。由于碳化硅场效应晶体管在沟道切换控制（channel reverseconduction control）下具有同步整流（synchronous rectification,SR）模式，进而可以控制碳化硅场效应晶体管上的电流沿着其较低功率损耗的路径流过。也就是说，在碳化硅场效应晶体管S1′-S12′的栅极端处的正相栅极驱动信号（positive gate drive signals）的作用下，每一个碳化硅场效应晶体管S1′-S12′上的电流均可被从反并联二极管传输路径切换至反向沟道传输路径，即切换至电流从源极（source terminal）向漏极（drain terminal）进行传输，使电流沿着低损耗的路径传输。如此，相较于图1现有技术能量转换系统10中所使用的IGBT,本发明通过使用该碳化硅场效应晶体管S1′-S12′可在能量传输过程中大大降低能量的损耗，提高了电能的转换效率。

另一方面，该碳化硅场效应晶体管S1′-S12′相较于传统的IGBT在工作过程中产生较小的热量，如此需要提供的散热片数量及体积也将大大降低，进而减轻了电动汽车整体的重量并节约了空间，由此会大大提高电动汽车的性能。

请参考图4，为本发明能量转换系统20的第二较佳实施方式的示意图。相较于图3的实施方式，图4的实施方式是仅将图3实施方式中的三个独立的电感L1、L2、L3更换为三个电磁耦合的电感La、Lb、Lc。图3中三个独立的电感L1、L2、L3中每一个均包括一个独立的磁芯及一个缠绕在该磁芯上的线圈（未示出）。也就是说，该三个电感L1、L2、L3的总的磁芯的数量为三个。而在图4实施方式中，该三个电磁耦合的电感La、Lb、Lc共用一个磁芯，而对应的三个线圈均缠绕在该共用的磁芯上，如此一来磁芯使用的数量仅为一个，大大的减少了，故可降低电动汽车整体的重量及节约了空间，进而提高了电动汽车的性能。另外，电路中产生的共模循环电流（commonmode circulation current）将受限于该三个电磁耦合的电感La、Lb、Lc的耦合效应（coupling coefficient），因此该三个电磁耦合的电感La、Lb、Lc可抑制其上的回路循环电流（loop circulation current）以进一步降低电能损耗。下面两段将给出该三个电磁耦合的电感La、Lb、Lc的两种具体的实施方式。

请参考图5，为该三个电磁耦合的电感La、Lb、Lc的第一较佳实施方式的示意图。在该实施方式中，该三个电磁耦合的电感La、Lb、Lc包括一个共用的磁芯262及三个线圈‘a’、‘b’、‘c’。该共用的磁芯262包括三个电性连接在一起的磁柱2622、2624、2626。该三个线圈‘a’、‘b’、‘c’分别缠绕在该三个磁柱2622、2624、2626上，并且该三个线圈‘a’、‘b’、‘c’的匝数比为1：1：1。其他实施方式中，该线圈及磁柱的数量由该直流/直流转换器23及该逆变器24的具体的相位的数量所决定，该三个线圈‘a’、‘b’、‘c’的匝数比也可作适当的调整。

请参考图6，为该三个电磁耦合的电感La、Lb、Lc的第二较佳实施方式的示意图。在该实施方式中，该三个电磁耦合的电感La、Lb、Lc包括一个共用的磁芯264及三个线圈‘a’、‘b’、‘c’。该共用的磁芯264为环形结构，该三个线圈‘a’、‘b’、‘c’对称的缠绕在该磁芯264上，并且该三个线圈‘a’、‘b’、‘c’的匝数比为1：1：1，其他实施方式中该三个线圈‘a’、‘b’、‘c’的缠绕方式及匝数比可根据实际需要作适当的调整。这里仅仅示意了图5及图6两种具体的实施方式，但实际设计时并不拘泥于上述两种方式，该共用的磁芯的形状等参数均可根据实际需要进行相应的修改，例如若应用于五相电压系统中，图5实施方式中的磁柱的数量将变为五个，诸如此类，这里不再一一罗列。

请参考图7，为图3中控制单元27控制直流/直流转换器23的较佳实施方式的部分控制示意图。该控制单元27包括一个减法元件271及一个PWM命令产生模块272。该减法元件271用于获取一个直流电压误差信号V′_{DC_Err}，且该直流电压误差信号V′_{DC_Err}由位于该电容器C1上的反馈直流电压信号V′_{DC_Fbk}与一预设的直流电压命令信号V′_{DC_cmd}作差获得。该PWM命令产生模块272用于根据该直流电压误差信号V′_{DC_Err}产生对应的PWM命令以控制该直流/直流转换器23上开关元件S1′-S6′的通断。其中，该反馈直流电压信号V′_{DC_Fbk}代表电容器C1上实际测得到电压值，而该预设的直流电压命令信号V′_{DC_cmd}则是预先设定的电压值，以控制电容器C1上的电压值趋于该直流电压命令信号V′_{DC_cmd}所表征的电压值。

该PWM命令产生模块272包括合适的计算元件，如比例积分调节器、限制器、差分元件、比较器等，由于其为现有技术，这里不具体说明。其中，该预设的直流电压命令信号V′_{DC_cmd}为一个主动的脉冲(active pulsation)直流电压信号，且其频率与该逆变器24输出的交流电的频率相同。在非限定的实施方式中，该主动的脉冲直流电压信号为一个正弦波信号(见图7）。由于该预设的电压命令信号V_{DC_cmd}为一个主动的脉冲直流电压信号，该直流/直流转换器13将输出具有主动的脉冲直流电压信号的直流电，而该逆变器14同样需要输出相同频率的脉冲交流电，因此该电容器C1将不需要配置成大电容量，就能满足上述直流电至交流电的转换，这大大降低了电容器C1的储能配置要求，并节省了体积。

虽然结合特定的实施方式对本发明进行了说明，但本领域的技术人员可以理解，对本发明可以作出许多修改和变型。因此，要认识到，权利要求书的意图在于覆盖在本发明真正构思和范围内的所有这些修改和变型。

Claims (13)

1.一种能量转换系统，其特征在于，该能量转换系统包括：

滤波单元；

直流/直流转换器，通过该滤波单元与直流电源相连，用于将直流电源的电压升高到一个合适的电压值或电压范围，该直流/直流转换器包括若干配置在同步整流模式下的碳化硅场效应晶体管；

直流链路；

逆变器，用于通过该直流链路将升高的直流电压转换成交流电压；及

控制单元，用于提供脉宽调制命令来控制该直流/直流转换器与逆变器，以将直流电转换为交流电来驱动交流驱动设备，其中，该控制单元根据预设的直流电压命令信号来控制该直流/直流转换器，该预设的直流电压命令信号为一个主动的脉冲直流电压信号。

2.如权利要求1所述的能量转换系统，其中该逆变器包括若干配置在同步整流模式下的碳化硅场效应晶体管。

3.如权利要求1所述的能量转换系统，其中该直流/直流转换器为多相直流/直流转换器，该逆变器为多相逆变器。

4.如权利要求1所述的能量转换系统，其中该滤波单元包括若干电磁耦合的电感。

5.如权利要求4所述的能量转换系统，其中该若干电磁耦合的电感包括一个共用的磁芯及若干缠绕在该共用磁芯上的线圈。

6.如权利要求5所述的能量转换系统，其中该共用的磁芯包括若干电性连接在一起的磁柱，该若干线圈分别缠绕在该若干磁柱上。

7.如权利要求5所述的能量转换系统，其中该共用的磁芯为环形结构，该若干线圈对称的缠绕在该磁芯上。

8.如权利要求6或7所述的能量转换系统，其中该若干线圈的匝数比为1。

9.如权利要求1所述的能量转换系统，其中该控制单元包括：

减法元件，用于获取一个直流电压误差信号，且该直流电压误差信号由该直流链路上的反馈直流电压信号与所述预设的直流电压命令信号作差获得，该预设的直流电压命令信号的频率与所述逆变器输出的交流电的频率相同；及

PWM命令产生模块，用于根据该直流电压误差信号产生对应的PWM命令以控制该直流/直流转换器。

10.如权利要求1所述的能量转换系统，其中该主动的脉冲直流电压信号为正弦波信号。

11.如权利要求9所述的能量转换系统，其中该直流链路包括电容器。

12.如权利要求9所述的能量转换系统，其中该滤波单元包括若干电磁耦合的电感。

13.如权利要求1所述的能量转换系统，其中该直流电源为电池，该交流驱动设备为电动马达，该电池及电动马达用于电动汽车上。