CN104038069B - 电力转换系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种电力转换系统，包括：一次电力转换电路，其包括一次右臂和一次左臂；二次电力转换电路，其包括二次右臂和二次左臂；以及控制电路，其通过将一次线圈磁耦接至二次线圈来控制所述一次电力转换电路与所述二次电力转换电路之间的电力传输。所述控制电路基于所述一次电力转换电路的关断时间和所述二次电力转换电路的关断时间来对所述一次电力转换电路中的右臂下晶体管与左臂下晶体管之间的开关的相间差和所述二次电力转换电路中的右臂下晶体管与左臂下晶体管之间的开关的相间差进行设置，以使得所述一次线圈和所述二次线圈的端电压波形之间的相位差为0并且所述端电压波形的占空比彼此相等。

Description

电力转换系统
技术领域
本发明涉及一种电力转换系统，并且更具体地，涉及在一次电力转换电路与二次电力转换电路之间交换电力的电力转换系统。
背景技术
已经开发出在一次电力转换电路与磁耦接至一次电力转换电路的二次电力转换电路之间交换电力的电力转换系统。
作为本发明的相关技术，例如，美国专利No.7,408,794描述了包括三个输入/输出端口和半桥电路的电力转换电路。高压逆变器电路、14V负载和42V负载分别连接至该电力转换电路的三个输入/输出端口。
日本专利申请公开No.2006-187147(JP 2006-187147A)描述了包括两个输入/输出端口和半桥电路的电力转换电路。该电力转换电路除了包括组成互感器的电抗器以外还包括三个电抗器。还公开了分别连接至电力转换电路的两个输入/输出端口的高压逆变器和低压电子设备。
在上面的电力转换系统中，通过使一次电力转换电路的一次线圈的端电压波形与二次电力转换电路的二次线圈的端电压波形相等并且然后调节这两个电压波形之间的相位差φ来控制电力传输方向与电力传输量。但是，如果使一次电力转换电路和二次电力转换电路工作在一次电力转换电路的关断时间δ1与二次电力转换电路的关断时间δ2彼此不同的状态下，则一次线圈的端电压波形与二次线圈的端电压波形之间的关系破裂。因此，有可能不能通过调节相位差φ来控制一次电力转换电路与二次电力转换电路之间的电力传输。
发明内容
本发明提供一种电力转换系统，即使一次电力转换电路与二次电力转换电路工作在所述一次电力转换电路的关断时间δ1与所述二次电力转换电路的关断时间δ2彼此不同的状态下时，所述电力转换系统也能够利用相位差φ来控制电力的传输。
本发明的一个方面提供了一种电力转换系统。所述电力转换系统包括：一次电力转换电路，包括：左臂，所述左臂包括在正电极总线与负电极总线之间的左臂连接点处彼此串联连接的左臂上晶体管和左臂下晶体管；右臂，所述右臂包括在所述正电极总线与所述负电极总线之间的右臂连接点处彼此串联连接的右臂上晶体管和右臂下晶体管；以及一次线圈，所述一次线圈被连接并且布置在所述左臂连接点与所述右臂连接点之间；二次电力转换电路，所述二次电力转换电路与所述一次电力转换电路类似地被配置，并且所述二次电力转换电路包括与所述一次线圈对应的二次线圈；以及控制电路，被配置成通过将所述一次线圈磁耦接至所述二次线圈来控制所述一次电力转换电路与所述二次电力转换电路之间的电力传输，其中，所述控制电路被配置成：当每个左臂下晶体管的关断时间等于所述右臂下晶体管中的相应的一个右臂下晶体管的关断时间并且所述一次电力转换电路的关断时间δ1不同于所述二次电力转换电路的关断时间δ2时，基于所述一次电力转换电路的关断时间和所述二次电力转换电路的关断时间，对所述一次电力转换电路中的左臂下晶体管与右臂下晶体管之间的开关的相间差γ1和所述二次电力转换电路中的左臂下晶体管与右臂下晶体管之间的开关的相间差γ2进行设置，以使得所述一次线圈的端电压波形与所述二次线圈的端电压波形之间的相位差φ为0并且所述端电压波形的占空比彼此相等，其中，考虑所述二次电力转换电路的关断时间δ2来对所述一次电力转换电路的相间差γ1进行设置并且考虑所述一次电力转换电路的关断时间δ1来对所述二次电力转换电路的相间差γ2进行设置，使得所述一次电力转换电路的相间差γ1不同于所述二次电力转换电路的相间差γ2。
在根据本发明的该方面的电力转换系统中，所述控制电路可以被配置成于所述二次电力转换电路的关断时间δ2来对所述一次电力转换电路中的左臂下晶体管与右臂下晶体管之间的开关的相间差γ1进行设置，以及所述控制电路可以被配置成基于所述一次电力转换电路的关断时间δ1来对所述二次电力转换电路中的左臂下晶体管与右臂下晶体管之间的开关的相间差γ2进行设置。
在根据本发明的该方面的电力转换系统中，所述控制电路可以被配置成：通过从一个周期减去所述二次电力转换电路的关断时间δ2来获得所述一次电力转换电路中的左臂下晶体管与右臂下晶体管之间的开关的相间差γ1，以及所述控制电路可以被配置成：通过从所述一个周期减去所述一次电力转换电路的关断时间δ1来获得所述二次电力转换电路中的左臂下晶体管与右臂下晶体管之间的开关的相间差γ2。
在根据本发明的该方面的电力转换系统中，所述控制电路可以被配置成：当所述一次电力转换电路和所述二次电力转换电路中的至少一个电力转换电路的关断时间由于连接至所述一次电力转换电路和所述二次电力转换电路中的所述至少一个电力转换电路的负载的工作情况而变化时，考虑到所述一次电力转换电路的关断时间δ1的变化和所述二次电力转换电路的关断时间δ2的变化来获得所述一次电力转换电路中的左臂下晶体管与右臂下晶体管之间的开关的相间差γ1和所述二次电力转换电路中的左臂下晶体管与右臂下晶体管之间的开关的相间差γ2。
利用根据以上方面的电力转换系统，所述一次电力转换电路中的左臂下晶体管与右臂下晶体管之间的开关的相间差γ1和所述二次电力转换电路中的左臂下晶体管与右臂下晶体管之间的开关的相间差γ2被改变，以使得所述一次线圈的端电压波形与所述二次线圈的端电压波形之间的相位差为0并且所述端电压波形的占空比彼此相等。因此，所述一次线圈的端电压波形和所述二次线圈的端电压波形具有相同的形状。因此，即使当所述一次电力转换电路和所述二次电力转换电路工作在所述一次电力转换电路的关断时间δ1和二次电力转换电路的关断时间δ2彼此不同的状态下时，也可以通过相位差φ来控制电力传输。
附图说明
下面将参考附图来描述本发明的示例实施方式的特征、优点以及技术与产业重要性，在附图中，用相同的附图标记指代相同的要素，并且其中：
图1是示出根据本发明的实施方式的电力转换系统的视图；
图2是根据本发明的实施方式的电力转换系统的关断时间δ确定处理单元和相间差γ确定处理单元的框图；
图3是示出根据本发明的实施方式的电力转换系统中电压变化和电流变化的时序图；
图4是示出根据本发明的实施方式的电力转换系统中电压变化和电流变化的时序图；以及
图5是示出根据本发明的实施方式的电力转换系统中电压变化和电流变化的时序图。
具体实施方式
下文中，将参考附图来详细描述本发明的实施方式。在所有附图中用相同的附图标记来指代相同的要素，并且在下面省略重复描述。
图1是示出了电力转换系统8的视图。电力转换系统8被配置成包括电力转换设备10和控制电路50。电力转换设备10具有从4个输入/输出端口中选择任意两个输入/输出端口并且在所选择的两个输入/输出端口之间转换电力的功能。电力转换设备10被配置成包括一次电力转换电路20和二次电力转换电路30。一次电力转换电路20和二次电力转换电路30通过互感电路40彼此磁耦接。
一次左臂23被连接在一次正电极总线60与一次负电极总线62之间。通过串联一次左臂上晶体管22和一次左臂下晶体管24来形成一次左臂23。一次右臂27与一次左臂23并联在一次正电极总线60与一次负电极总线62之间。通过串联一次右臂上晶体管26和一次右臂下晶体管28来形成一次右臂27。
输入/输出端口A(PORT_A)被设置在一次正电极总线60与一次负电极总线62之间。输入/输出端口C(PORT_C)被设置在一次负电极总线62与作为线圈42与线圈43之间的连接点的中心抽头之间。二次电力转换电路30是具有与一次电力转换电路20的配置类似的配置的电路，并且省略其详细描述。负载、电源等被连接至输入/输出端口A、B、C、D。
互感电路(transformation circuit)40包括一次线圈39和磁耦接至一次线圈39的二次线圈。一次线圈39由串联的线圈41至44形成。二次线圈49由串联的线圈45至48形成。
控制电路50具有设置用于控制整个电力转换设备10的参数并且对一次电力转换电路20和二次电力转换电路30的开关元件执行开关控制的功能。控制电路50被配置成包括电力转换模式确定处理单元51、相位差φ确定处理单元52、关断时间δ确定处理单元54、相间差γ确定处理单元56、一次开关处理单元58和二次开关处理单元59。图2是关断时间δ确定处理单元54和相间差γ确定处理单元56的框图。上面的功能可以通过执行软件来实施，并且特定地，可以通过执行相间差调节程序来实施。这些功能的一部分可以通过硬件来实施。
电力转换模式确定处理单元51基于外部信号(未示出)选择输入/输端口A至D中的任意两个，并且设置在所选择的两个输入/输出端口之间转换电力的电力转换模式。电力转换模式中的一种模式是在输入/输出端口A与输入/输出端口B之间双向传输电力的传输模式。上述电力转换模式中的另一种模式是电压在输入/输出端口A与输入/输出端口C之间递升或递降的一次电压递升/递降模式(step-up/step-down mode)。电力转换模式的又一种模式是电压在输入/输出端口B与输入/输出端口D之间递升或递降的二次电压递升/递降模式。
相位差φ确定处理单元52具有以下功能：对一次电力转换电路20与二次电力转换电路30之间的开关元件的开关周期的相位差φ进行设置，以使得电力转换设备10用作DC-DC转换器电路。相位差φ是一次线圈39的端电压V1与二次线圈49的端电压V2之间的电压波形的相位差。后面将描述DC-DC转换器电路的功能。
关断时间δ确定处理单元54具有以下功能：对一次电力转换电路20与二次电力转换电路30的开关元件中的每一个的关断时间δ进行设置，以使得一次电力转换电路20与二次电力转换电路30中的每一个用作递升/递降电路。后面将描述一次电力转换电路20和二次电力转换电路30中的每一个的递升/递降电路功能。如图2所示，关断时间δ确定处理单元54通过将通过使用关系式2π(1-VC/VA *)对命令电压值VA *和电压值VC执行前馈控制而获得的值与通过基于电压值VA执行PI控制而获得的值Δδ1进行相加来获得δ1。如图2所示，关断时间δ确定处理单元54通过将通过使用关系式2π(1-VD/VB *)对命令电压值VB *和电压值VD执行前馈控制而获得的值与通过基于电压值VB执行PI控制而获得的值Δδ2进行相加来获得δ2。因此，即使在被连接至输入/输出端口A或输入/输出端口B的负载出现波动，在计算δ1或δ2时，也要考虑随着负载波动而变化的电压值VA或电压值VB。
相间差γ确定处理单元56具有以下功能：对一次电力转换电路20的相间差γ1与二次电力转换电路30的相间差γ2进行设置以使得一次线圈39的端电压V1与二次线圈49的端电压V2之间的电压波形的相位差为0并且电压波形的占空比彼此相等。这里，相间差γ1是一次左臂下晶体管24与一次右臂下晶体管28之间的开关控制的相位差。相间差γ2是二次左臂下晶体管34与二次右臂下晶体管38之间的开关控制的相位差。如图2所示，相间差γ确定处理单元56通过使用关系式γ1＝2π–δ2来计算相间差γ1。如图2所示，相间差γ确定处理单元56通过使用关系式γ2＝2π–δ1来计算相间差γ2。
一次开关处理单元58具有以下功能：基于电力转换模式确定处理单元51、相位差φ确定处理单元52、关断时间δ确定处理单元54和相间差γ确定处理单元56的输出来对一次左臂上晶体管22、一次左臂下晶体管24、一次右臂上晶体管26和一次右臂下晶体管28执行开关控制。
二次开关处理电路59以及一次开关处理电路58具有以下功能：对二次左臂上晶体管32、二次左臂下晶体管34、二次右臂上晶体管36和二次右臂下晶体管38执行开关控制。
此处，将详细描述一次电力转换电路20和二次电力转换电路30中的每一个的递升/递降功能和电力转换设备10作为DC-DC转换器电路的功能。首先，将详细描述一次电力转换电路20的递升/递降功能。关注输入/输出端口C和输入/输出端口A，输入/输出端口C通过一次线圈39的线圈41、42连接至一次左臂上晶体管22与一次左臂下晶体管24之间的左臂连接点。一次左臂23的两端被连接至输入/输出端口A，从而，递升/递降电路被连接在输入/输出端口C与输入/输出端口A之间。
此外，输入/输出端口C通过一次线圈41的线圈43、44连接至一次右臂上晶体管26与一次右臂下晶体管28之间的右臂连接点。一次右臂27的两端被连接至输入/输出端口A，从而，递升/递降电路被连接在输入/输出端口C与输入/输出端口A之间。因此，两个递升/递降电路彼此并行连接在输入/输出端口C与输入/输出端口A之间。二次电力转换电路30是具有与一次电力转换电路20的配置相似的配置的电路，从而，两个递升/递降电路彼此并行连接在输入/输出端口D与输入/输出端口B之间。
下面，将详细描述电力转换设备10作为DC-DC转换器电路的功能。关注输入/输出端口A和输入/输出端口B，一次线圈39被连接至输入/输出端口A，并且二次线圈49被连接至输入/输出端口B。一次线圈39的线圈42、43和二次线圈49的线圈46、47彼此磁耦接，从而用作互感电路40(绕组数比为1:N的中心抽头互感器)。因此，通过在一次电力转换电路20与二次电力转换电路30之间调节开关周期的相位差φ，可以将输入至输入/输出端口A的电力进行转换并且将电力传输至输入/输出端口B，或可以将输入至输入/输出端口B的电力进行转换并且将电力传输至输入/输出端口A。通过改变V1与V2之间的相位差φ，可以调节在一次电力转换电路20与二次电力转换电路30之间传输的电力的量和方向。当V1具有超前相位时，可以将电力从一次电力转换电路20传输至二次电力转换电路30；反之，当V2具有超前相位时，可以将电力从二次电力转换电路30传输至一次电力转换电路20。
将描述如此配置的电力转换系统8的操作。接收了外部信号的电力转换模式确定处理单元51设置电力转换设备10的电力转换模式。接收了所设置的电力转换模式的相位差φ确定处理单元52、关断时间δ确定处理单元54和相间差γ确定处理单元56分别设置相位差φ、关断时间δ1、δ2和相间差γ1、γ2。一次开关处理单元58和二次开关处理单元59基于相位差φ、关断时间δ1、δ2和相间差γ1、γ2来执行开关控制。
此处，为了容易理解电力转换系统8的有利效果，将参考图3来描述以下情况：相位差φ为0并且相间差γ确定处理单元56在不使用上述关系式的情况下将相间差γ1、γ2设置成相同的值。图3是示出了电压的变化以及电流的变化的时序图，其中，横坐标轴表示时间并且纵坐标轴表示电压或电流值。如图3所示，在关断时间δ1、δ2的值彼此不同并且相间差γ1、γ2为相同值的情况下，一次线圈41的端电压V1和二次线圈42的端电压V2具有不同的电压波形，并且尽管相位差φ为0，电力还是在一次电力转换电路20与二次电力转换电路30之间传输。因此，不可能通过调节相位差φ来执行传输控制。这是要由本发明解决的难题。
下面，将参考图4来描述以下情况：相位差φ为0并且相间差γ确定处理单元56通过使用上述关系式来将相间差γ1、γ2设置成相同的值。图4是示出了电压的变化和电流的变化的时序图，其中，横坐标轴表示时间并且纵坐标轴表示电压值或电流值。利用电力转换系统8，通过使用关系式2π-δ2来计算相间差γ1，并且通过使用关系式2π-δ1计算相间差γ2。端电压V1是一次左臂下晶体管24的电压(S2.V)与一次右臂下晶体管28的电压(S4.V)之间的电压差(S2.V–S4.V)。端电压V2是二次左臂下晶体管34的电压(S6.V)与二次右臂下晶体管38的电压(S8.V)之间的电压差(S6.V-S8.V)。如上所述，考虑其他δ1、δ2来分别设置一次电力转换电路20的相间差γ1和二次电力转换电路30的相间差γ2，从而一次线圈的端电压V1的电压波形和二次线圈的端电压V2的电压波形具有相同的形状。接着，图5示出了在端电压V1、V2的电压波形具有相同形状的状态下通过调节相位差φ来传输电力的状态。图5是示出了电压的变化和电流的变化的时序图，其中，横坐标轴表示时间，纵坐标轴表示电压值或电流值。以此方式，利用电力转换系统8，即使当在关断时间δ1和关断时间δ2具有不同值的状态下执行开关控制时，也可以通过调节相位差φ来执行传输控制。

Claims (4)

1.一种电力转换系统(8)，其特征在于包括：
一次电力转换电路(20)，包括：左臂(23)，所述左臂包括在正电极总线与负电极总线之间的左臂连接点处彼此串联连接的左臂上晶体管和左臂下晶体管；右臂(27)，所述右臂包括在所述正电极总线与所述负电极总线之间的右臂连接点处彼此串联连接的右臂上晶体管和右臂下晶体管；以及一次线圈，所述一次线圈被连接并且布置在所述左臂连接点与所述右臂连接点之间；
二次电力转换电路(30)，所述二次电力转换电路与所述一次电力转换电路(20)类似地被配置，并且所述二次电力转换电路包括与所述一次线圈对应的二次线圈；以及
控制电路(50)，被配置成通过将所述一次线圈磁耦接至所述二次线圈来控制所述一次电力转换电路(20)与所述二次电力转换电路(30)之间的电力传输，其中，
所述控制电路(50)被配置成：当每个左臂下晶体管的关断时间等于所述右臂下晶体管中的相应的一个右臂下晶体管的关断时间并且所述一次电力转换电路(20)的关断时间(δ1)不同于所述二次电力转换电路(30)的关断时间(δ2)时，基于所述一次电力转换电路(20)的关断时间和所述二次电力转换电路(30)的关断时间，对所述一次电力转换电路(20)中的左臂下晶体管与右臂下晶体管之间的开关的相间差(γ1)和所述二次电力转换电路(30)中的左臂下晶体管与右臂下晶体管之间的开关的相间差(γ2)进行设置，以使得所述一次线圈的端电压波形与所述二次线圈的端电压波形之间的相位差(φ)为0并且所述端电压波形的占空比彼此相等，其中，考虑所述二次电力转换电路(30)的关断时间(δ2)来对所述一次电力转换电路(20)的相间差(γ1)进行设置并且考虑所述一次电力转换电路(20)的关断时间(δ1)来对所述二次电力转换电路(30)的相间差(γ2)进行设置，使得所述一次电力转换电路(20)的相间差(γ1)不同于所述二次电力转换电路(30)的相间差(γ2)。
2.根据权利要求1所述的电力转换系统(8)，其中
所述控制电路(50)被配置成基于所述二次电力转换电路(30)的关断时间(δ2)来对所述一次电力转换电路(20)中的左臂下晶体管与右臂下晶体管之间的开关的相间差(γ1)进行设置，以及
所述控制电路(50)被配置成基于所述一次电力转换电路(20)的关断时间(δ1)来对所述二次电力转换电路(30)中的左臂下晶体管与右臂下晶体管之间的开关的相间差(γ2)进行设置。
3.根据权利要求1所述的电力转换系统(8)，其中
所述控制电路(50)被配置成：通过从一个周期减去所述二次电力转换电路(30)的关断时间(δ2)来获得所述一次电力转换电路(20)中的左臂下晶体管与右臂下晶体管之间的开关的相间差(γ1)，以及
所述控制电路(50)被配置成：通过从所述一个周期减去所述一次电力转换电路(20)的关断时间(δ1)来获得所述二次电力转换电路(30)中的左臂下晶体管与右臂下晶体管之间的开关的相间差(γ2)。
4.根据权利要求3所述的电力转换系统(8)，其中
所述控制电路(50)被配置成：当所述一次电力转换电路(20)和所述二次电力转换电路(30)中的至少一个电力转换电路的关断时间(δ1、δ2)由于连接至所述一次电力转换电路(20)和所述二次电力转换电路(30)中的所述至少一个电力转换电路的负载的工作情况而变化时，考虑到所述一次电力转换电路(20)的关断时间(δ1)的变化和所述二次电力转换电路(30)的关断时间(δ2)的变化来获得所述一次电力转换电路(20)中的左臂下晶体管与右臂下晶体管之间的开关的相间差(γ1)和所述二次电力转换电路(30)中的左臂下晶体管与右臂下晶体管之间的开关的相间差(γ2)。
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