CN104737432A - 用于电力变换器的自适应软切换控制 - Google Patents

Abstract

一种用于在控制电力变换器中使用的控制装置，所述电力变换器适于在高压端与低压端之间执行电力变换。所述控制装置包括：输入部，其被配置用于接收传达所述高压端两端的感测电压、所述低压端两端的感测电压以及通过所述低压端的感测电流的至少一个输入信号；电路，其被配置用于至少部分地基于所述感测电压、所述感测电流以及所述变换器的至少一个电路特性来确定针对所述变换器的目标切换频率、目标死区时间以及目标占空比；以及输出部，其被配置用于释放至少一个输出信号，以令所述变换器根据所述目标切换频率、所述目标死区时间以及所述目标占空比来执行软切换。

Description

用于电力变换器的自适应软切换控制

技术领域

本发明总体上涉及电力变换器，并且具体涉及用于电力变换器(包括电压变换器)的自适应软切换控制。

背景技术

中、高功率电力变换器(例如，DC-DC电压变换器)具有多种应用，包括在铁路、汽车、电信以及航空工业中的应用。例如，在电气铁路应用中，可以使用路旁/车载储能系统在火车出发期间供应电力，并吸收通过再生制动产生的多余电力。储能系统包括被设置在铁路的牵引线与存储元件(例如，超级电容器组)之间的电压变换器。在电信行业中，网络基础设施可以至少部分地依赖电池以在冲击性过电压、松垂或局部暂时限制用电的情况下维持服务连续性，这要求使用电压变换器。在电力行业中，通过布置电池和电压变换器来保护关键设备和设施免于发生瞬时电力损失。在混合动力车辆中，在车用蓄电池与超级电容器组之间设置双向电压变换器，以便在常规操作期间为电池充电，同时在再生制动时期期间为超级电容器组重新充满电。

电压变换器典型地具有两个侧，一侧用于较低电压，而一侧用于较高电压，并在两者之间变换。将高电压输入变换成低电压输出的电压变换器被称为在降压模式中的操作，而将低电压输入变换成高电压输出的变换器被称为在升压模式中的操作。在一些情况下，变换器可以是双向的，这意味着在电流在一个方向上流动时变换器在降压模式中操作，而在电流反向流动时，在升压模式中操作。

典型地，电压变换器利用了根据特定切换样式进行导通和断开的切换元件，以便产生期望的输出电压电平，取决于变换器是在升压模式中操作还是在降压模式中操作，所期望的输出电压电平分别位于高压侧或低压侧。该切换样式的特征在于占空比和切换频率，可能还有其他参数。

常规切换样式可以产生切换元件的“硬切换”，这是指以下事实：在有高电流流经切换元件时，该切换元件被断开，或者在切换元件两端有高电压时，该切换元件被导通。这导致显著的功率损耗和严重的热耗散，这需要相应地设定变换器的尺寸和构造。而且，在这样的状况下切换可以损坏切换元件。最终结果的是系统庞大，效率受限，成本高昂且寿命减少。

因此，行业内需要一种控制电压变换器中的切换元件的切换样式的改进的方法。

发明内容

本发明的宽泛方面试图提供一种自适应软切换控制方案，所述方案能够应用于非隔离双向DC-DC变换器，例如，单相或多相半桥变换器拓扑。该控制方案试图实现变换器开关和其他无源部件的高变换效率和低热耗散，在动态宽功率和电压范围上具有可靠且鲁棒的控制性能。

相应地，第一宽泛方面试图提供一种用于在控制电力变换器中使用的控制装置，所述电力变换器适于在高电压端与低电压端之间执行电力变换，并且所述控制装置包括：输入部，其被配置用于接收传达所述高电压端两端的感测电压、所述低电压端两端的感测电压以及通过所述低电压端的感测电流的至少一个输入信号；电路，其被配置用于至少部分地基于所述感测电压、所述感测电流以及所述变换器的至少一个电路特性为所述变换器确定目标切换频率、目标死区时间(target dead time)以及目标占空比；以及输出部，其被配置用于释放至少一个输出信号，以令所述变换器根据所述目标切换频率、所述目标死区时间以及所述目标占空比来执行软切换。

第二宽泛方面试图提供一种用于控制电力变换器的方法，所述电力变换器适于在高电压端与低电压端之间执行电力变换，所述方法包括：确定所述高电压端两端的电压、所述低电压端两端的电压以及通过所述低电压端的电流；至少部分地基于所述高电压端两端的电压、所述低电压端两端的电压、通过所述低电压端的电流以及所述变换器的至少一个电路特性来确定所述变换器的目标切换频率、目标死区时间以及目标占空比；并且释放至少一个输出信号，以用于令所述变换器根据所述目标切换频率、所述目标死区时间以及所述目标占空比来执行软切换。

第三宽泛方面试图提供一种存储计算机可读指令的计算机可读存储介质，所述计算机可读指令在由控制器执行时令所述控制器运行一种控制电力变换器的方法，所述电力变换器适于在高电压端与低电压端之间执行电力变换，所述方法包括：确定所述高电压端两端的电压、所述低电压端两端的电压以及通过所述低电压端的电流；至少部分地基于所述高电压端两端的电压、所述低电压端两端的电压、通过所述低电压端的电流以及所述变换器的至少一个电路特性来确定所述变换器的目标切换频率、目标死区时间以及目标占空比；并且释放至少一个输出信号，以用于令所述变换器根据所述目标切换频率、所述目标死区时间以及所述目标占空比来执行软切换。

第四宽泛方面试图提供一种电力变换系统，包括：变换器，其用于在高电压端与低电压端之间执行电力变换，所述变换器具有切换元件，所述切换元件能在能控制的时间处切换成导通和断开，以为所述变换器提供能控制的占空比、能控制的死区时间以及能控制的切换频率；以及控制器，其包括控制电路，所述控制电路用于控制切换所述变换器的切换元件的时间，以便实现目标占空比、目标死区时间以及目标切换频率，其中，所述目标占空比、所述目标死区时间以及所述目标切换频率中的至少一个是响应于所述高电压端和所述低电压端中的至少一个的两端的电压变化和/或流经的电流变化而随时间变化的。

第五宽泛方面试图提供一种电力变换系统，包括：变换器，其用于在高电压端与低电压端之间执行电力变换，所述变换器包括：具有第一端子和第二端子的第一切换子电路，所述第一切换子电路的第一端子连接到所述高电压端的第一端子，所述第一切换子电路包括第一能控制的切换元件；具有第一端子和第二端子的第二切换子电路，所述第二切换子电路的第一端子连接到所述第一切换子电路的第二端子，所述第二切换子电路的第二端子连接到所述高电压端的第二端子，所述第二切换子电路包括第二能控制的切换元件；具有第一端子和第二端子的电感器，所述电感器的第一端子连接到所述第一切换子电路的第二端子和所述第二切换子电路的第一端子，所述电感器的第二端子连接到所述低电压端的第一端子；其中，所述低电压端的第二端子连接到所述第二切换子电路的第二端子和所述高电压端的第二端子；被配置用于实施方法的控制器，所述方法包括：确定所述高电压端两端的电压、所述低电压端两端的电压以及通过所述低电压端的电流；至少部分地基于所述高电压端两端的电压、所述低电压端两端的电压、通过所述低电压端的电流以及所述变换器的至少一个电路特性来确定所述变换器的目标切换频率、目标死区时间以及目标占空比；令所述第一切换元件根据所述目标切换频率和所述目标占空比从断开状态切换到导通状态并回到所述断开状态；令所述第二切换元件从断开状态切换到导通状态并回到所述断开状态，同时所述第一切换元件处于所述断开状态，其中，在所述第二切换元件切换回到所述断开状态之后，所述第一切换元件和所述第二切换元件均在所述第一切换元件被切换回到所述导通状态之前在所述目标死区时间的持续时间内保持处于所述断开状态中。

第六宽泛方面试图提供一种用于在高电压端与低电压端之间执行电力变换的电力变换器，所述电力变换器包括：具有第一端子和第二端子的第一切换子电路，所述第一切换子电路的第一端子连接到所述高电压端的第一端子，所述第一切换子电路包括第一切换元件，所述第一切换元件具有第一续流二极管、第一缓冲电容器以及用于控制所述第一切换元件的切换的第一控制输入部；具有第一端子和第二端子的第二切换子电路，所述第二切换子电路的第一端子连接到所述第一切换子电路的第二端子，所述第二切换子电路的第二端子连接到所述高电压端的第二端子，所述第二切换子电路包括第二切换元件，所述第二切换元件具有第二续流二极管、第二缓冲电容器以及用于控制所述第二切换元件的切换的第二控制输入部；具有第一端子和第二端子的电感器，所述电感器的第一端子连接到所述第一切换子电路的第二端子和所述第二切换子电路的第一端子，所述电感器的第二端子连接到所述低电压端的第一端子；其中，所述低电压端的第二端子连接到所述第二切换子电路的第二端子和所述高电压端的第二端子；其中，所述第一控制输入部接收第一控制信号，所述第一控制信号定义在其期间令所述第一切换元件从断开状态切换到导通状况并回到所述断开状态的切换循环，其中，(i)所述切换循环的周期和(ii)所述切换循环中所述第一切换元件处于所述导通状态中的比例中的至少一个是随时间变化的，由此在所述第一切换元件切换到所述断开状态时，所述第一缓冲电容器变得被充电，并且在平均电流方向上流经所述电感器的电流开始减小；其中，所述第二控制输入部接收第二控制信号，所述第二控制信号令所述第二切换元件从断开状态切换到导通状态并回到所述断开状态，同时所述第一切换元件一直保持在所述断开状态中；其中，所述第二切换元件被保持在所述导通状态中，同时所述第一切换元件在至少足够长的时间内保持在所述断开状态中，使得在平均电流方向上流经所述电感器的电流减小到零，并且然后电流开始在所述平均电流方向的相反反向上流经所述电感器；并且其中，在令所述第二切换元件切换到所述断开状态之后，在其期间所述第一切换元件和所述第二切换元件都保持在所述断开状态中的时间允许在所述第一切换元件被切换回到所述导通状态之前使所述第一缓冲电容器至少部分地放电。

第七宽泛方面试图提供一种控制电力变换器的方法，所述电力变换器适于在高电压端与低电压端之间执行电力变换，所述变换器包括：具有第一端子和第二端子的第一切换子电路，所述第一切换子电路的第一端子连接到所述高电压端的第一端子，所述第一切换子电路包括第一切换元件，所述第一切换元件具有第一续流二极管、第一缓冲电容器以及用于控制所述第一切换元件的切换的第一控制输入部；具有第一端子和第二端子的第二切换子电路，所述第二切换子电路的第一端子连接到所述第一切换子电路的第二端子，所述第二切换子电路的第二端子连接到所述高电压端的第二端子，所述第二切换子电路包括第二切换元件，所述第二切换元件具有第二续流二极管、第二缓冲电容器以及用于控制所述第二切换元件的切换的第二控制输入部；具有第一端子和第二端子的电感器，所述电感器的第一端子连接到所述第一切换子电路的第二端子和所述第二切换子电路的第一端子，所述电感器的第二端子连接到所述低电压端的第一端子；其中，所述低电压端的第二端子连接到所述第二切换子电路的第二端子和所述高电压端的第二端子，所述方法包括：提供到所述第一控制输入部的第一控制信号，所述第一控制信号定义在其期间令所述第一切换元件从断开状态切换到导通状况并返回所述断开状态的切换循环，其中，(i)所述切换循环的周期和(ii)所述切换循环中所述第一切换元件处于所述导通状态中的比例中的至少一个是随时间变化的，由此在所述第一切换元件切换到所述断开状态时，所述第一缓冲电容器变得被充电，并且在平均电流方向上流经所述电感器的电流减小；向所述第二控制输入部提供第二控制信号，所述第二控制信号令所述第二切换元件从断开状态切换到导通状态并返回所述断开状态，同时所述第一切换元件保持在所述断开状态中；其中，所述第二切换元件被保持在所述导通状态中，同时所述第一切换元件在至少足够长的时间内保持在所述断开状态中，以令在平均电流方向上流经所述电感器的电流减小到零，并且然后电流开始在所述平均电流方向的相反反向上流经所述电感器；并且其中，在令所述第二切换元件切换到所述断开状态之后，在其期间所述第一切换元件和所述第二切换元件都处于所述断开状态中的时间允许在所述第一切换元件被切换回到所述导通状态之前使所述第一缓冲电容器至少部分地放电。

在结合附图详细研究本发明的具体实施例的以下描述的基础上，本发明的这些方面和特征以及其他方面和特征现在将对于本领域普通技术人员而言变得明显。

附图说明

在附图中：

图1是根据本发明的非限制性范例实施例的采用储能系统的电气配置的方框图；

图2是根据本发明的非限制性实施例的包括控制装置和变换器的储能系统的方框图；

图3A是根据本发明的非限制性实施例的三相变换器的电路图；

图3B是根据本发明的非限制性实施例的包括两个切换子电路的变换器的一相的电路图；

图4是根据本发明的非限制性实施例的图示对应于由变换器执行的切换循环的占空比、切换频率以及死区时间的概念的时序图；

图5是根据本发明的非限制性实施例的用于控制变换器的操作的控制器的方框图；

图6A是根据本发明的非限制性实施例的形成图5中的控制器部分的电流调整器的方框图；

图6B是被装备具有占空偏移确定器的图6A的变型；

图7是根据本发明的非限制性实施例的形成图5中的控制器部分的电压调整器的方框图；

图8是根据本发明的非限制性实施例的图示了图3B的切换子电路的处于降压模式中的操作的电路图；

图9是根据本发明的非限制性实施例的图示了图8的电路图中的各个信号电平的时序图；

图10是根据本发明的非限制性实施例的在死区时间间隔期间对应于图8的电路的等效电路图；

图11是根据本发明的非限制性实施例的在完整切换循环上的瞬变相位电感器电流的时序图；

图12是根据本发明的非限制性实施例的图示了由控制装置运行的可能方法的流程图；

图13是根据本发明的非限制性实施例的图示了关于图12的流程图中的多个步骤中的一个的进一步细节的流程图；

图14是根据本发明的非限制性实施例的图示了关于图13的流程图中中的多个步骤中的一个的进一步细节的流程图；

图15是根据本发明的非限制性实施例的根据变换器的高电压侧两端电压和低电压侧两端电压的降压模式中所需的最小初始换向电流的范例曲线图；

图16是根据本发明的非限制性实施例的针对初始换向电流的给定值，根据变换器的高电压侧两端电压和低电压侧两端电压的降压模式中所需的最小死区时间的范例曲线图；

图17是根据本发明的非限制性实施例的针对大于所需的最小值的初始换向电流的给定值和大于所需最小值的死区时间的给定值以及以固定电流要求，根据变换器的高电压侧两端电压和低电压侧两端电压的降压模式中切换频率的范例曲线图；

图18类似于图17，但针对固定电流要求的不同值；

图19是根据本发明的非限制性实施例的从概念上将图5的控制装置的一个功能模块的功能分离成单独的功能模块的方框图；

图20类似于图15，但涉及升压模式而非降压模式中的操作。

应当明确理解，说明书和附图仅出于图示本发明的特定实施例的目的并且是用于理解的辅助。它们并非旨在定义对本发明的限制。

具体实施方式

参考图1，示出了一种包括负载108和储能系统(ESS)110的电气配置。所述电气配置能够表示电气化轨道运输系统、电车、工厂或任何其他应用，其中，电力有时从ESS 110流向负载108，并且在其他时间，电力从负载108反向流到ESS 110。任选地，能够由主电源106向负载108供应额外的电力。

ESS 110可以是车载系统或路旁系统。例如，在车载系统中(例如，在用于在公路和高速公路上使用的电车中)，ESS 110和负载108能够是同一移动车辆的部分，而在路旁系统中(例如，大量轨道运输系统)，负载108相对于ESS 110移动。应当理解，能够将多个ESS'110进行互连，以便向多个负载108输送电力和/或从多个负载108接收电力。

在负载108被实施为运输车辆的电动机的非限制性范例的情况下，如果车辆具有将制动能量变换成电能的能力，则能够使电力从负载108流向ESS 110。具体地，在对车辆进行制动时，重新配置电动机以回收由车辆的惯性产生的机械能(动能)，并且作为产生电力的发动机而工作。尽管该动能的特定部分能够被重新用于为车辆的辅助设备供电，但剩余的能量被ESS110捕获。

图2示出了ESS 110的可能的部件，所述部件包括传感器202、控制装置、变换器208以及存储元件214。所述控制装置可以包括主控制器204和切换控制器206中的一个或两个。还可以在ESS 110中提供其他设备，例如，控制面板210(包括屏幕、按钮、灯等)以及网络通信设备212，例如，用于建立有线或无线数据连接的部件(例如，通过WiFi、Bluetooth、Wimax等)。

总体而言，传感器202检测各种信号(例如，电压和电流)的水平，并且以随时间变化的输入信号260的形式向主控制器204报告它们。能够在电气配置的各个点处检测到信号水平，包括在ESS 110之内，并且具体为在变换器208之内。随时间变化的输入信号260被主控制器204处理，所述主控制器204计算目标切换参数262，所述目标切换参数根据随时间变化的输入信号260表征变换器208的期望切换行为。切换控制器206将目标切换参数262转化成切换控制信号S_U(t；)，S_L(t；)，以用于控制变换器208中的个体切换元件。具体地，切换控制信号S_U(t；)，S_L(t；)传达要导通和断开变换器208中切换元件的时刻。通过对由切换控制器206供应的切换控制信号S_U(t；)，S_L(t；)忠实地做出响应，变换器208将呈现与由主控制器204计算的目标切换参数262表征的期望切换行为一致的切换行为。如下所示，根据随时间变化的输入信号260明智地选择目标切换参数262能够在效率和/或热散热等因素方面引起变换器208的切换性能的改善。

变换器208通过控制从存储元件214输出的电力的方向和量来对一对导体102、104之间电压的调整。导体102、104中的一个可以是接地导体，尽管这并非必需。在特定的非限制性实施例中，存储元件214能够是超级电容器组(或“超级电容器”组)。在其他非限制性实施例中，能够将存储元件214实施为可充电电池。变换器208具有两端，被称为高电压端208H和低电压端208L。具体地，高电压端208H具有一对端子，所述一对端子通往相应的一对导体102、104。低电压端208L具有一对端子，所述一对端子连接到存储元件21的相应的端子。这样指称高电压端208H是因为其两端的电压往往比低电压端208L两端的电压更高。

现在将额外参考图3A和图3B描述变换器208。变换器208被示为3相DC-DC变换器。然而，在其他应用中，变换器208能够是单相或多相变换器。变换器208还能够是另一类型的电力变换器。

在非限制性实施例中，变换器208包括高电压端208H两端的电容器302和低电压端208L两端的电容器304。变换器208还包括跨高电压端208H两端被并联放置的三个切换模块306(每个针对一相)。在非限制性范例实施例中，切换模块306中的每个都可以是双IGBT模块。切换模块306中的每个都具有在接头308处连接到“下”切换子电路的“上”切换子电路。切换模块306中的给定一个的两个切换子电路之间的接头308经由相应的电感器310连接到存储元件214(在低电压侧)。具体地，电感器310具有连接到接头308的第一端子和连接到存储元件214的端子的第二端子。还可以与每个电感器(每相)并联放置电阻器，以预防开路状况。

考虑给定的切换模块306(在图3B中更加清晰地示出)，上切换子电路包括具有续流二极管314的切换元件312。在非限制性实施例中，切换元件312具有两个信号端子316、318和控制端子320。应当指出，信号端子318电气连接到接头308。控制端子320从切换控制器206接收控制信号S_U(t；)，其中，指示所说的相位。控制信号S_U(t；)允许切换元件312可控地打开或关闭两个信号端子316、318之间的电气连接。如果连接打开，则允许电流向上流动(通过二极管314)，但将防止其向下流动(归因于二极管314被反向偏置)。如果连接关闭，则在那种情况下将允许电流通过切换元件312向下流动。

另外，跨过切换元件312的信号端子316、318放置缓冲电容器322。缓冲电容器322用于在执行对切换元件312的关闭而仍有电流(向下)流经切换元件312的情况下累积电荷。

对下切换子电路的描述类似于对上切换子电路的描述。具体地，下切换子电路包括具有续流二极管334的切换元件332。在非限制性实施例中，切换元件332包括两个信号端子336、338和控制端子340。应当指出，信号端子336电气连接到接头308。控制端子340从切换控制器206接收控制信号S_L(t；)，其中，指示所说的相位。控制信号S_L(t；)允许切换元件332可控地打开或关闭两个信号端子336、338之间的电气连接。如果连接打开，则允许电流向上流动(通过二极管334)，但将防止其向下流动(归因于二极管334被反向偏置)。如果连接关闭，则在那种情况下将允许电流通过切换元件332向下流动。

另外，跨过切换元件332的信号端子336、338放置缓冲电容器342。缓冲电容器342用于在执行对切换元件332的关闭而仍有电流(向下)流经切换元件332的情况下累积电荷。

适当地，但绝非限制性地，实现上切换元件312和下切换元件332包括绝缘栅双极晶体管(IGBT)和金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET。本领域技术人员应当理解，还可以与缓冲电容器并联放置电阻器。

另外，继续参考图3A，传感器202可以包括跨过高电压端208H的电压传感器350、跨过低电压端280L的电压传感器352以及测量流经存储元件214的电流的电流传感器354。电压传感器350输出指示跨过高电压端208H感测到的电压V_HV的信号。电压传感器352输出跨过低电压端208L感测到的电压信号V_LV。对其部分而言，电流传感器354输出指示感测到的通过低电压端208L的平均输出电流I_LV的信号。总地来讲，随时间变化的输入信号260向主控制器204传达感测到的电压V_HV、V_LV和感测到的平均输出电流I_LV，以用于生成目标切换参数262。

应当理解，变换器208仍可以包括其他部件，包括但不限于电阻器、电容器、电感器、二极管、变压器、晶体管等。而且，可以使用集成电路技术来实施变换器208的电路部件的各种子集。此外，对任何部件的省略仅是为了简单，并且未必意指没有该部件是必需的。

基于由切换控制器206提供的切换控制信号S_U(t；)，S_L(t；)导通/断开变换器208的切换元件312、332。这创建了能够由多个切换参数(例如，占空比、死区时间以及切换频率(或周期))表征的切换样式。具体地，参考图4，基于切换控制信号S_U(t；)和S_L(t；)的变型，示出了图示切换元件312、332的切换样式的信号图。具体地，将会观察到，以交替、循环的样式将切换控制信号S_U(t；)生效，并且然后使其失效(并且然后重新生效)。该循环的持续时间是“切换周期”，并且该值的倒数是“切换频率”。切换频率能够是可变的，意味着切换周期的持续时间能够随时间推移而变化。在切换周期期间切换控制信号S_U(t；)保持有效的时间百分比被称为“占空比”。另外，在切换控制信号S_U(t；)解除生效的时间期间，在特定量的时间内使切换控制信号S_L(t；)生效，并且然后解除生效。(有时可互换地使用两个术语。)本文中将切换控制信号S_L(t；)解除生效与切换控制信号S_U(t；)重新生效之间的间隔称为死区时间间隔，并且所述死区时间间隔的持续时间为“死区时间”。将会观察到，在死区时间间隔期间，切换控制信号S_U(t；)、S_L(t；)都被解除生效。

因此能够理解，能够根据占空比、死区时间以及切换频率对变换器208的切换行为进行参数化，所述占空比、死区时间以及切换频率中的任何或全部都可以是随时间变化的。通过向切换控制器206提供目标切换参数262，能够使占空比、死区时间以及切换频率分别对应于“目标占空比”、“目标死区时间”以及“目标切换频率”。切换控制器206将目标切换参数262(即，目标占空比、目标死区时间以及目标切换频率)转换成切换控制信号S_U(t；)、S_L(t；)。能够将切换控制器206实施为基于微处理器的控制器，例如，可变频率脉宽调制器。切换控制器206能够具有输入部，以用于从主控制器204接收目标切换参数262。在其他实施例中，可以将切换控制器206与主控制器204和/或变换器208合并。其他实施方式是可能的，并且对于本领域技术人员而言将是明显的。

能够由主控制器204设定目标占空比、目标切换频率以及目标死区时间(统称为目标切换参数262)，所述主控制器204实施自适应反馈调整机构。现在将参考图5描述主控制器204。主控制器204包括任选的电压调整器502，所述电压调整器502与电流调整器504以及死区时间和切换频率确定器500级联。主控制器204可以包括其他部件/功能模块。

电压调整器502(其是任选的)基于感测的电压信号V_HV与参考电压V_REF的比较来确定随时间变化的期望的低电压侧平均输出电流I_REF。在其他应用中，能够不使用电压调整器而直接生成期望的低电压侧平均输出电流I_REF。期望的低电压侧平均输出电流I_REF的符号(+或-)是对高电压侧与低电压侧之间的期望的电流流动方向的指示。期望的低电压侧平均输出电流I_REF的符号确定变换器208的操作模式(即，降压或升压)。尽管如此，电压调整器502仍能够产生单独的模式标记510，所述标记510明确指定变换器208的期望的操作模式。

向电流调整器504并向死区时间和切换频率确定器500提供传达期望的低电压侧平均输出电流I_REF的信号。应当理解，模式标记510是任选的，能够从期望的低电压侧平均输出电流I_REF导出所述模式标记510的值。电流调整器504基于期望的低电压侧平均输出电流I_REF与从电流传感器354接收的感测的平均输出电流I_LV的比较来确定随时间变化的目标占空比。向切换控制器206提供传达目标占空比的信号。

对于死区时间和切换频率确定器500部分而言，其从电压调整器502接收模式标记510，并从电压传感器350、352接收传达感测电压V_HV、V_LV的信号。另外，死区时间和切换频率确定器500知道变换器208的阻抗特性。该信息能够被存储在连接到主控制器204或可由主控制器204访问的存储器501中。具体地，存储于存储器501中的信息能够包括变换器208中使用的各种电容、电感和电阻的数值及其相应的电路配置。死区时间和切换频率确定器500基于感测的电压V_HV、V_LV、期望的低电压侧平均输出电流I_REF、模式标记510(任选的)以及已知的阻抗特性来确定目标死区时间和目标切换频率。目标死区时间和目标切换频率被提供给切换控制器206。应当指出，目标死区时间和目标切换频率是随时间变化的。

在操作中，期望将目标占空比设定为确保感测的平均输出电流I_LV将匹配期望的低电压侧平均输出电流I_REF的值。还期望将目标死区时间和目标切换频率设定为引起切换元件312、332的软切换的值。

在一些非限制性实施例中，在能够实现“零电压”或“零电流”与其他性能(例如，切换传导损耗或其他部件损耗、尺寸、成本以及稳定性)非常有限的折衷时，能够将切换方案表征为“软切换”。在其他非限制性实施例中，在其在所有时间提供“零电压”并且在大部分时间提供“零电流”或“最小电流”时，能够将切换方案表征为“软切换”。

能够有众多方法来计算针对目标占空比、目标死区时间以及目标切换频率的合适的值，现在将描述这些方法。

分析方法

能够将一种确定针对目标死区时间和目标切换频率的合适的值的具体方法称为“分析方法”。该分析方法使用电路分析来计算针对根据特定操作条件引起对切换元件312、332进行软切换的死区时间和切换频率的值。通过将目标死区时间和目标切换频率设定为等于(或近似于)死区时间和切换频率的计算值，能够预计切换控制器206呈现软切换。

根据该分析方法，将首先认识到要实现高功率密度并减小电感器310的尺寸，能够将变换器208设计为在不连续导通模式(DCM)和连续导通模式(CCM)的边界附近进行操作。这样的操作还允许低的二极管反向恢复损耗。

另外，将取消在切换元件312(或332)两端提供缓冲电容器322(或342)以实现软断开。然而，缓冲电容器322(或342)将在典型的(硬)切换控制方案下引入额外的导通损耗，其中，导通时在缓冲电容器322(或342)两端出现的残留电荷将通过切换元件312(或332)被释放。因此，为了确保切换元件312(或332)能够以零损耗导通，需要在导通切换元件312(或332)之前完全释放缓冲电容器322(或342)中存储的能量。

基于该原理，能够想出动态栅极信号互补软切换控制方案，从而确保在软断开的同时，切换元件312、332能够在零电压和/或零电流状况下导通。本切换方案在宽动态负载范围上实现了零电压切换，另外，实现了低换向电流，从而使部件保持在低损耗并提升了控制性能。

图8示出了变换器208在降压模式中的单相的电路图。如前所述，在降压模式中，由切换控制信号S_U(t；l)控制，通过切换元件312(降压模式中的“活跃的”切换元件)的切换动作，从高电压端208H向低电压端208L传递电力。切换元件332被认为是在降压模式中的“不活跃的”切换元件。根据本发明的非限制性实施例，不活跃的切换元件332被用作辅助切换，以构建随时间变化的“换向电流”，使得在死区时间段期间释放活跃的切换元件两端的缓冲电容器322的能量，因此允许活跃的切换元件312接下来在零电压状况下导通。以这种方式，软导通和软断开二者都能够被实现，统称为软切换。而且，归因于对电感器电流的平滑过渡，能够避免DCM操作中普遍存在的寄生环问题。

图9中示出了(针对降压模式中的操作)描绘软切换控制方案的非限制性范例详细瞬态操作波形。应当指出，在断开活跃的切换元件312的同时导通不活跃的切换元件332引起换向电流发展。换向电流是通过电感器和不活跃的切换元件332的电流，与平均电流的方向相反。在断开不活跃的切换元件332以开始死区时间间隔时，换向电流从初始值I_{rev_0}开始，其趋向于使缓冲电容器322放电。(所述缓冲电容器322跨过活跃的切换元件312连接)

现在，如果在活跃的切换元件312在活跃的切换元件312再次导通之前或导通的时刻处使活跃的切换元件312完全放电，则将在基本上为零电压和/或零电流的情况下导通活跃的切换元件312。

因此，期望初始换向电流I_{rev_0}足够高，以便在死区时间间隔期间(即，两个切换元件二者都断开的时间段)引起缓冲电容器322完全放电。然而，过高的初始换向电流I_{rev_0}能够导致传导损耗和其他部件电流应力。因此，应当仔细控制死区时间和切换频率以实现针对初始换向电流I_{rev_0}的合适的值。例如，切换频率应当足够低以允许合适的初始换向电流I_{rev_0}的发展，并且死区时间应当足够长以允许缓冲电容器322完全放电。另一方面，如果将死区时间设定为过高的值，则缓冲电容器322将被重新充电，这将导致导通损耗，并且这还能够通过引起峰到峰相电流和晶体管(切换元件)传导损耗而导致稳定性问题。

现在将针对变换器208的单相进一步详细描述针对死区时间和切换频率确定器500确定针对死区时间和切换频率的合适的值的一种非限制性方式。应当理解，同样的描述应用于三相或多相变换器的其他相。

出于图示性目的，参考图19，其中，在概念上将死区时间和切换频率确定器500的功能分解成死区时间确定器1910和切换频率确定器1920。死区时间确定器1910输出针对死区时间的合适的值，该值是基于变换器208的感测电压V_HV、V_LV和至少一个电路特性(例如，阻抗特性)来计算的。另外，死区时间确定器1910确定针对初始换向电流I_{rev_0}的合适的值，该值被提供给切换频率确定器1920的输入部。对于切换频率确定器1920的部分，切换频率确定器1920输出针对切换频率的合适的值，该值是基于感测电压V_HV、V_LV、期望的低电压侧平均输出电流I_REF以及由死区时间确定器1910确定的死区时间和初始换向电流I_{rev_0}来计算的。

分析计算的死区时间

在两个切换元件312、332二者都断开时的时间期间(即，死区时间时间隔期间)，等效电路图能够如图10所示。

降压模式

在降压模式中，为了在死区时间间隔结束处导通活跃的切换元件(在降压模式中，这是切换元件312)时实现软切换，初始换向电流I_{rev_0}需要满足：(i)通过电感器310为零电流；(ii)活跃的开关312两端为零电压V_c 322。所得到的需要的最小初始换向电流被指代为I_{rev_0_最小}，为：

其中，Z是共振电路的特性阻抗：

$Z=\sqrt{\frac{L}{2C}}$

因此，所需的最小初始换向电流I_{rev_0_最小}是V_HV和V_LV的函数。图15基于以上方程(方程-1)更加详细示出了例如在特定电压范围上的该函数。通过非限制性范例的方式，用于图15的目的的电路特性阻抗为28.3欧姆。当然，其他电感和缓冲电容器大小将引起参考曲线图上的不同值，但根据输入/输出电压变化的形状或行为性能将是相似的。能够观察到，电压比V_LV/V_HV越低，所需的最小初始换向电流I_{rev_0_最小}越大。在电压比V_LV/V_HV高于0.5时，则实际上不需要换向电流(从导通辅助切换元件开始，所述辅助切换元件为在降压模式中的切换元件332)。这是因为，在这种情况下，电感器310两端的电压差能够自己生成足够“等效”的换向电流，以使缓冲电容器322放电，只要给予足够的死区时间即可。

所需的最小初始换向电流I_{rev_0_最小}是计算出的电流，其保证在死区时间间隔末尾处，主切换元件312两端的电压和通过其的电流变为零(即，零电压零电流切换)。然而，从实际目的出发，为了考虑计算精确度和硬件容许误差，可以提供更大的初始换向电流以确保缓冲电容器322被完全放电。在这种环境下，活跃的切换元件312仍然能够实现零电压切换。通过使初始换向电流I_{rev_0}比所需的最小换向电流I_{rev_0_最小}更高，这将加快缓冲电容器322的放电，这为活跃的切换元件312在零电压处导通提供更宽的时间裕量。然而，折衷是过大的换向电流将引入更多的切换传导损耗和其他无源部件损耗。

现在，对于给定的I_{rev_0}≥I_{rev_0_最小}，由下式给出对缓冲电容器322完全放电所需的最小死区时间

$t_d^{*}=\frac{1}{\mathrm{\ω}}\·\arccos \frac{{-V}_{\mathrm{LV}}\·(V_{\mathrm{HV}}-V_{\mathrm{LV}})+I_{\mathrm{rev}\_0}\·Z\·\sqrt{{2V}_{\mathrm{HV}}-V_{\mathrm{HV}}^2+I_{\mathrm{rev}\_0}^2{Z}^2}}{V_{\mathrm{LV}}^2+I_{\mathrm{rev}\_0}^2{Z}^2}$     (方程-2)其中，ω是电路的角共振频率。

图16示出了根据方程(方程-2)，根据针对从图15获得的初始换向电流I_{rev_0}的给定值的V_HV和V_LV的降压模式中所需的最低目标死区时间。该图中使用的电路特性阻抗和电路角共振频率为28.3欧姆和0.35M。各种电感和缓冲电容器大小将在参考曲线图上导向不同的数字，但根据输入/输出电压变化的形状或行为性能将非常相似。能够观察到，电压比率V_LV/V_HV越接近0.5，所需的最小目标死区时间t_d就越长。如果死区时间比所需的最小目标死区时间短但在特定的有限范围之内，则主切换元件(例如，在降压模式中的切换元件312)两端的电压可以稍高于0，这意味着切换元件312不能够实现完美的零电压切换，尽管从该电压生成的切换损耗将很小。

升压模式

类似地，在升压模式中，为了在死区时间间隔结束处导通活跃的切换元件(在升压模式中，这是切换元件332)时实现软切换，初始换向电流I_{rev_0}需要满足：(i)通过电感器310为零电流；(ii)活跃的开关332两端为零电压V_c342。所得到的所需最小初始换向电流被指代为I_{rev_0_最小}，为：

类似于图15，图20示出了基于以上方程(方程-3)，在特定电压范围上的I_{rev_0_最小}的图形表示作为范例。通过非限制性范例的方式，用于图20的目的的电路特性阻抗为28.3欧姆。当然，其他电感和缓冲电容器大小将引起参考曲线图上的不同值，但根据输入/输出电压变化的形状或行为性能将是相似的。能够观察到，在升压模式中，电压比率V_LV/V_HV越低，所需的最小初始换向电流I_{rev_0_最小}越大。在电压比率V_LV/V_HV低于0.5时，则实际上不需要换向电流(从导通辅助切换元件开始，所述辅助切换元件为在升压模式中为切换元件312)。这是因为，在这种情况下，电感器310两端的电压差能够自己生成足够“等效”的换向电流，以使缓冲电容器342放电，只要给予足够的死区时间即可。

类似于降压模式，所需的最小初始换向电流I_{rev_0_最小}是计算出的电流，其保证在死区时间间隔末尾处，主切换元件332两端的电压和通过其的电流变为零(即，零电压零电流切换)。然而，从实际目的出发，为了考虑计算精确度和硬件容许误差，可以提供更大的初始换向电流以确保缓冲电容器342被完全放电。在这种环境下，活跃的切换元件332仍然能够实现零电压切换。通过使初始换向电流I_{rev_0}比所需最小换向电流I_{rev_0_最小}更高，这将加快缓冲电容器342的放电，这为活跃的切换元件332在零电压处导通提供更宽的时间裕量。然而，折衷是过大的换向电流将引入更多切换传导损耗和其他无源部件损耗。

现在，对于给定的I_{rev_0}≥I_{rev_0_最小}，由下式给出对缓冲电容器342完全放电所需的最小死区时间

$t_d^{*}=\frac{1}{\mathrm{\ω}}\·\arccos \frac{{-V}_{\mathrm{LV}}\·(V_{\mathrm{HV}}-V_{\mathrm{LV}})+I_{\mathrm{rev}\_0}\·Z\·\sqrt{{2V}_{\mathrm{HV}}-V_{\mathrm{HV}}^2+I_{\mathrm{rev}\_0}^2{Z}^2}}{V_{\mathrm{LV}}^2+I_{\mathrm{rev}\_0}^2{Z}^2}$        (方程-4)

升压模式中的死区时间行为类似于降压模式中的死区时间行为，但在使用高于I_{rev_0_最小}的I_{rev_0}的值时，所需的最小死区时间的值有分歧。

分析计算的切换频率

死区时间和切换频率确定器500还计算针对切换频率的合适的值。图11中示出了一个切换循环中的瞬变相位电感器电流(即，通过电感器310的电流)。应当理解，归因于没有足够的死区时间或换向电流，过短的切换循环不能够保证软切换，而过长的切换循环将经由切换元件312、332和电感器310引入额外的传导损耗。

从分析角度讲，将会看出，一个完整的切换循环包括五个时间节段，包括：

降压模式

$t_1=\frac{L\·I_1}{V_{\mathrm{HV}}-V_{\mathrm{LV}}}$

$t_2=\frac{L\·I_p}{V_{\mathrm{HV}}-V_{\mathrm{LV}}}$

$t_3=\frac{L\·I_p}{V_{\mathrm{LV}}}$

$t_4=\frac{L\·I_{\mathrm{rev}\_0}}{V_{\mathrm{LV}}}$

t_d＝空载时间，其

升压模式

$t_1=\frac{L\·I_1}{V_{\mathrm{LV}}}$

$t_2=\frac{L\·I_p}{V_{\mathrm{LV}}}$

$t_3=\frac{L\·I_p}{V_{\mathrm{HV}}-V_{\mathrm{LV}}}$

$t_4=\frac{L\·I_{\mathrm{rev}\_0}}{V_{\mathrm{HV}}-V_{\mathrm{LV}}}$

t_d＝空载时间，其

在以上方程中，I_p是平均电流方向上的瞬态峰值电流。

也是在以上方程中，I₁是活跃的切换元件(在降压模式中为312，在升压模式中为332)两端的电压等于零时的瞬态电流。如最后一节所讨论的，在I_{rev_0}等于I_{rev_0_最小}时，I₁将等于零，这意味着活跃的切换将在零电压且零电流处导通。但给予I_{rev_0}的中等量的允许量(例如，超过I_{rev_0_最小}10％)将创建活跃的切换被导通期间的时隙(图11中的t₁)。这能够带来可靠性和灵活性，这在高功率应用中能够是有用的。另一方面，少量的电流I₁将经过主切换元件两端的二极管，这引入非常轻微的二极管传导损耗。

应当指出，还有一个时期t₂₃(在t₂与t₃之间)，在此期间，两个切换元件312、332也断开。然而，该时间段被忽略，这是因为在该间隔期间为缓冲电容器322、342充电和放电花费的时间少得多，这是因为I_p的值比I_{rev_0}高得多。

也从图15看出，能够将相平均电流表达为：

其中，A是死区时间间隔期间的面积值，即，切换元件312、332都断开时的时间。

因此，根据方程(方程-5)，对于给定的平均电流要求I_平均，代入t₁、t₂、t₃以及t₄，获得：

降压模式

升压模式

因此，对于初始换向电流的给定值I_{rev_0}≥I_{rev_0_最小}并且死区时间分析计算的目标切换周期由下式给出：

降压模式

$T_s^{*}=t_1+t_2+t_3+t_4+t_d=\frac{L\·I_1}{V_{\mathrm{HV}}-V_{\mathrm{LV}}}+\frac{L\·I_p\·V_{\mathrm{HV}}}{V_{\mathrm{LV}}\·(V_{\mathrm{HV}}-V_{\mathrm{LV}})}+\frac{L\·I_{\mathrm{rev}\_0}}{V_{\mathrm{LV}}}+t_d^{*}$

图17和18示出了针对从图15获得的初始换向电流I_{rev_0}的给定值和从图16获得的目标死区时间t_d的给定值，在固定电流要求(例如，图17中的135A平均相电流和图18中的50A平均相电流)下，根据V_HV和V_LV在降压模式中的目标切换频率f_S(＝1/T_S)的曲线图。能够观察到，输出电流要求越高，目标切换频率f_S越低。如果目标切换频率f_S过高，则目标死区时间t_d和初始换向电流I_{rev_0}将不足以实现软切换。另一方面，如果目标切换频率f_S过低，则变换器208仍然能够在零电压下切换，但晶体管传导损耗和无源部件电流应力将更高，并且功率效率变得更低。

升压模式

$T_s^{*}=t_1+t_2+t_3+t_4+t_d=\frac{L\·I_1}{V_{\mathrm{HV}}-V_{\mathrm{LV}}}+\frac{L\·I_p\·V_{\mathrm{HV}}}{V_{\mathrm{LV}}\·(V_{\mathrm{HV}}-V_{\mathrm{LV}})}+\frac{L\·I_{\mathrm{rev}\_0}}{V_{\mathrm{LV}}}+t_d^{*}$

升压模式中的死区时间行为类似于降压模式的死区时间行为，但在使用高于I_{rev_0_最小}的I_{rev_0}的值时，其值有分歧。

其他方法

假设感测电压V_HV、V_LV的值和输出功率要求动态变化，则上述分析方法提供了一种计算针对死区时间和切换频率的合适的值的可能的方法，使得如果将目标死区时间和目标切换频率设定为那些计算值，则切换控制器将呈现软切换行为。然而，以上系列的方程无需实时求解。例如，能够使用上述方程针对一定范围的潜在操作状况(例如，感测电压V_HV、V_LV，感测的平均输出电流I_LV，阻抗特性I_REF(由电压调整器502提供)等)预先计算针对死区时间和切换频率的一组合适的值，并且在存储器501中存储这些结果(例如，以查找表的形式)。如果采用这样的方法，则死区时间和切换频率确定器500承担查找表的功能。具体地，能够配置死区时间和频率确定器50以用于将对应于感测电压和参考电流的预先计算的死区时间和切换频率值设定为目标死区时间和目标切换频率。

另外，可以根本不必对以上系列的方程进行求解，仍然能够得到针对引起变换器208的软切换行为的目标死区时间和目标切换频率的值。例如，通过以经验方式使变换器208处于多组操作状况(引起感测电压V_HV、V_LV、感测的平均输出电流I_LV、阻抗特性I_REF等的多种组合)中，能够发现哪个死区时间和切换频率引起切换元件312、332的软切换。(结果可以是，通过实验获得的值对应于从前述计算得到的值，但这并不是需要的)。这里，这里再一次地，死区时间和切换频率确定器500可以承担查找表的功能，其中，在存储器501中存储以实验方式获得的针对目标死区时间和目标切换频率的值，并且在ESS 110的操作期间进行检索。

本领域技术人员应当理解，还可以有其他技术用于确定将引起相对于在随时间变化的输入电压/电流状况下的硬切换变换器的改进的性能的目标死区时间和目标切换频率。“可接受的性能”是指变换器208能够动态地输出期望功率，同时维持确保基本上为零电压和/或零电流导通过渡所需的换向电流和死区时间。

考虑到以上情况，可以通过从值的范围之内选择目标死区时间和目标切换频率来实现可接受的性能。在一个范例中，该值的范围在分析计算的值的一定百分数(例如，10-20％)之内。

在另一范例中，根据感测电压V_HV、V_LV和/或感测的平均输出电流I_VL，从涉及目标死区时间和目标切换频率的行为的总体观测结果获得值的范围。例如，能够根据图16中示出的感测电压V_HV、V_LV(针对初始换向电流I_{rev_0}的给定值)对目标死区时间进行建模。而且，能够根据图17和18中示出的感测电压V_HV、V_LV(针对目标死区时间t_d的给定值、初始换向电流I_{rev_0}以及期望的低电压侧平均输出电流I_REF)对目标切换f_S进行建模。

占空比

以下提供了非限制性方式的更加精确的描述，其中，能够确定针对占空比的合适的值。

从分析的角度讲，针对平均电流要求I_平均的给定值计算针对死区时间和切换频率的前述值。相反，为了实现平均电流要求I_平均的这个值，能够以简单直接的方式计算(上开关的)对应的占空比d：

降压模式

$d=\frac{(t_1+t_2)}{T_s^{*}}$         (方程-7)

升压模式

$d=\frac{1-(t_1+t_2+2\·t_d)}{T_s^{*}}$         (方程-8)

然而，从实际的角度讲，使用反馈控制器来提供对输出电流的精确控制。具体地，由电流调整器504基于传达期望的低电压侧平均输出电流I_REF的信号(例如，来自任选的电压调整器502或直接的电流命令)和来自电流传感器354的传达感测的平均输出电流I_VL的信号的比较来设定目标占空比。

现在将更加详细地描述电流调整器504和电压调整器502。应当理解，在主控制器204的一些实施例中，能够组合两个调整器(即，电压调整器502和电流调整器504)，或者省去两个调整器中的一个(电压调整器502或电流调整器504)。

参考图6A，电流调整器504可以包括PI(比例积分)控制器，以通过设定目标占空比来提供平均负载电流的反馈控制。当然，能够使用其他类型的控制器，例如，PID(比例积分微分)控制器。

为了进一步改进电流调整器504的控制性能，能够基于软切换特性来增加前馈占空比偏移，如图6B所示。这是因为可变切换频率控制使得初始换向电流能够接近I_{rev_0_最小}，并且从而使其能够保持电感器电流在宽功率范围上始终接近不连续导通模式(DCM)和连续导通模式(CCM)的边界。以这种方式，占空比变得可以估计(接近V_LV/V_HV)，从而能够通过增加V_LV/V_HV的近似占空比偏移来大大释放PI调整器的工作负荷。该占空比偏移还能够从方程-7或方程-8的近似导出。通过增加占空比偏移，变换器208迅速到达接近期望的低电压侧平均输出电流I_REF的水平，并且PI反馈调整器大部分时间将仅进行动态调谐和调节以实现期望的电流水平。

对于需要控制高电压侧电压的应用，根据感测电压信号V_HV调整期望的低电压侧平均输出电流I_REF。在感测电压V_HV偏离参考电压V_REF时，那么应当从低电压侧向高电压侧汲取更多电流。参考图7，电压调整器502可以被实施为PI(比例积分)控制器，以通过控制期望的低电压侧平均输出电流I_REF提供对变换器208的高电压端208H两端的电压的反馈控制。当然，能够使用其他类型的控制器，例如，PID(比例积分微分)控制器或由应用确定的查找表。

总之，参考图12，应当理解，以上已经示出了用于控制变换器208的方法的各种实施例，其可以包括步骤1210、1220、1230。步骤1210包括确定高电压端208H两端的电压V_HV、低电压端208L两端的电压V_LV以及通过低电压端208L的感测的平均输出电流I_VL。步骤1220包括至少部分地基于V_HV、V_LV和I_VL以及变换器的至少一个电路特性(例如，阻抗、电感和/或电阻值)来确定针对变换器208的目标切换频率(或等价地，目标切换周期)、目标死区时间以及目标占空比。步骤1230包括输出至少一个输出信号，以令变换器208根据目标切换频率(或等价地，目标切换周期)、目标死区时间以及目标占空比来执行软切换。

在一些实施例中，步骤1230中所指的至少一个输出信号能够是被供应给切换控制器206的一个或多个目标切换参数，并且其传达目标切换频率(或等价地，目标切换周期)、目标死区时间以及目标占空比。在其他实施例中，步骤1230中所指的至少一个控制信号能够是被直接供应到变换器208的切换控制信号(例如，S_U(t；)，S_L(t；))。

现在参考图13，其在图12中的步骤1220的基础上进行展开，应当理解，步骤1220能够包括步骤1310、1320以及1330。具体地，步骤1310包括确定期望的低电压侧平均输出电流I_REF。这能够基于高电压端208H两端的电压V_HV与参考电压V_REF的比较来完成。在不需要电压调整的其他应用中，能够直接提供I_REF。

步骤1320包括至少部分地基于高电压端208H两端的电压V_HV、低电压端208L两端的电压V_LV、期望的低电压侧平均输出电流I_REF以及变换器208的至少一个电路特性(例如，阻抗特性)来确定目标切换频率和目标死区时间。

步骤1330包括至少部分地基于通过低电压端208L的感测电流I_LV与期望的低电压侧平均输出电流I_REF的比较来确定目标占空比。

现在参考图14，其在图13中的步骤1320的基础上进行展开。具体地，应当理解，步骤1320能够包括步骤1410和1420。步骤1410包括基于感测电压V_HV、V_LV和变换器208的至少一个电路特性来确定目标死区时间和针对初始换向电流I_{rev_0}的合适的值。步骤1420包括基于感测电压V_HV、V_LV、期望的平均输出电流I_REF、目标死区时间、初始换向电流以及至少一个电路特性来确定目标切换频率。应当指出，在用于获得目标切换频率和目标死区时间的(例如，分析或以其他方式的)方法上没有限制。

本领域技术人员应当理解，尽管以上描述集中于提供双向电压变换的发明的实施例，但是其他实施例将应用于单向电压变换，例如，在降压变换器或升压变换器的情况下。而且，能够在使用中功率到高功率变换器的应用的宽范围的应用中使用本发明的实施例，包括铁路、汽车、航海、航空、航天、采矿等。

本领域技术人员应当理解，在一些实施例中，可以使用访问代码存储器的一个或多个计算装置/控制器来实施死区时间和切换频率确定器500的全部或部分，所述代码存储器存储用于操作一个或多个计算装置/控制器的计算机可读程序代码(指令)。计算机可读程序代码能够被存储在固定、有形且可由一个或多个计算设备直接读取的介质上(例如，可擦除磁盘、CD-ROM、ROM、硬盘、USB驱动器)，或者计算可读程序代码能够被远程存储，但可经由调制解调器或连接到网络(包括，但不限于因特网)的其他接口设备(例如，通信适配器)通过传输介质发送到一个或多个计算装置/控制器，所述传输介质可以是非无线介质(例如，光学或模拟通信线路)或无线介质(例如，微波、红外线或其他传输方案)或它们的组合。在其他实施例中，可以利用预先编程的硬件或固件元件(例如，专用集成电路(ASIC)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、闪速存储器等)或其他相关部件来实施死区时间和切换频率确定器500。

在以上描述的范例中，为了简单起见，如图所示，将特定设备、元件以及电路彼此连接。在本发明的实际应用中，可以将设备、元件、电路等直接地彼此连接或者可以通过其他设备、元件、电路等将它们间接地彼此连接。因此，在实际配置中，设备、元件以及电路彼此直接或间接地耦合或连接。

本领域技术人员应当理解，能够对所描述的实施例做出特定调整和修改。因此，以上讨论的实施例被认为是图示性的而非限制性的。而且还应当理解，可以未描述或图示操作本发明的特定实施例所需的额外元件，这是因为假定它们处于本领域普通技术人员的知识范围之内。此外，本发明的特定实施例可以没有、缺少本文中未具体公开的元件和/或可以在没有所述本文中未具体公开的元件的情况下而起作用。

Claims (32)

1.一种用于在控制电力变换器中使用的控制装置，所述电力变换器适于在高电压端与低电压端之间执行电力变换，所述控制装置包括：

输入部，其被配置用于接收传达所述高电压端两端的感测电压、所述低电压端两端的感测电压以及通过所述低电压端的感测电流的至少一个输入信号；

电路，其被配置用于至少部分地基于所述感测电压、所述感测电流以及所述变换器的至少一个电路特性来确定针对所述变换器的目标切换频率、目标死区时间以及目标占空比；以及

输出部，其被配置用于释放至少一个输出信号，以令所述变换器根据所述目标切换频率、所述目标死区时间以及所述目标占空比来执行软切换。

2.根据权利要求1所述的控制装置，所述电路被配置用于动态地响应于所述感测电压或所述感测电流中的至少一个的变化来动态地确定所述目标切换频率、所述目标死区时间以及所述目标占空比。

3.根据权利要求1所述的控制装置，还包括用于捕获所述感测电压和所述感测电流的多个传感器。

4.根据权利要求1所述的控制装置，其中，所述电路包括电流调整器，所述电流调整器用于接收对参考电流的指示，并且用于基于所期望的参考电流与通过所述低电压端的所述感测电流之间的差异来动态地确定所述目标占空比。

5.根据前述权利要求所述的控制装置，其中，所述电路还包括死区时间和切换频率确定器，所述死区时间和切换频率确定器被配置用于至少部分地基于所述感测电压和所述参考电流中的至少一个来确定所述目标死区时间和所述目标切换频率。

6.根据权利要求5所述的控制装置，其中，所述死区时间和切换频率确定器被配置用于至少部分地基于所述感测电压和所述电力变换器的至少一个电路特性来计算所述目标死区时间和在所述变换器之内的初始换向电流。

7.根据权利要求6所述的控制装置，其中，所述变换器的特征在于共振电路，并且其中，所述变换器的所述至少一个电路特性包括共振电路的特性阻抗。

8.根据权利要求6所述的控制装置，其中，所述死区时间和切换频率确定器被配置用于至少基于所述感测电压、所述参考电流、所述目标死区时间、所述初始换向电流以及所述变换器的至少一个电路特性来计算所述目标切换频率。

9.根据权利要求8所述的控制装置，其中，所述电路还包括电压调整器，所述电压调整器用于基于参考电压和所述感测电压中的至少一个来确定所述参考电流。

10.根据权利要求5所述的控制装置，还包括存储感测电压和参考电流值与对应的死区时间和切换频率值之间的关联的存储器，其中，所述死区时间和频率确定器被配置用于将从所述存储器检索到的对应于所述感测电压和所述参考电流的所述死区时间和切换频率值设定为所述目标死区时间和所述目标切换频率。

11.根据权利要求1所述的控制装置，其中，所述至少一个输出信号传达所述目标切换频率、所述目标死区时间以及所述目标占空比。

12.根据权利要求1所述的控制装置，其中，所述至少一个输出信号被提供到切换控制器，所述切换控制器用于控制所述变换器的至少一个切换元件要在导通状态与断开状态之间进行切换的时刻。

13.根据权利要求1所述的控制装置，其中，所述至少一个输出信号指示所述变换器的至少一个切换元件要在导通状态与断开状态之间进行切换的时刻。

14.根据权利要求1所述的控制装置，其中，所述变换器为三相变换器，并且其中，所述至少一个输出信号包括三组信号，所述三组信号中的每组由至少一个输出信号构成，每组信号针对所述变换器的每个相应的相。

15.根据权利要求1所述的控制装置，还包括用于利用偏移来调节所述目标占空比的占空比调节单元。

16.一种用于控制电力变换器的方法，所述电力变换器适于在高电压端与低电压端之间执行电力变换，所述方法包括：

确定所述高电压端两端的电压、所述低电压端两端的电压以及通过所述低电压端的电流；

至少部分地基于所述高电压端两端的电压、所述低电压端两端的电压、通过所述低电压端的电流以及所述变换器的至少一个电路特性来确定针对所述变换器的目标切换频率、目标死区时间以及目标占空比；并且

释放至少一个输出信号，以用于令所述变换器根据所述目标切换频率、所述目标死区时间以及所述目标占空比来执行软切换。

17.根据权利要求16所述的方法，其中，确定针对所述变换器的目标切换频率、目标死区时间以及目标占空比包括：

至少部分地基于所述高电压端两端的电压、所述低电压端两端的电压、期望的平均输出电流以及所述变换器的至少一个电路特性来确定所述目标切换频率和所述目标死区时间；并且

至少部分地基于通过所述低电压端的电流和所述期望的平均输出电流来确定所述目标占空比。

18.根据权利要求17所述的方法，其中，确定所述目标切换频率和所述目标死区时间还包括：

至少部分地基于通过所述高电压端两端的电压和参考电压来确定所述期望的平均输出电流。

19.根据权利要求17所述的方法，其中，所述变换器包括：具有第一端子和第二端子的第一切换子电路，所述第一切换子电路的第一端子连接到所述高电压端的第一端子，所述第一切换子电路包括第一切换元件，所述第一切换元件具有第一续流二极管、第一缓冲电容器以及用于控制所述第一切换元件的切换的第一控制输入部；具有第一端子和第二端子的第二切换子电路，所述第二切换子电路的第一端子连接到所述第一切换子电路的第二端子，所述第二切换子电路的第二端子连接到所述高电压端的第二端子，所述第二切换子电路包括第二切换元件，所述第二切换元件具有第二续流二极管、第二缓冲电容器以及控制所述第二切换元件的切换的第二控制输入部；具有第一端子和第二端子的电感器，所述电感器的第一端子连接到所述第一切换子电路的第二端子和所述第二切换子电路的第一端子，所述电感器的第二端子连接到所述低电压端的第一端子；

其中，所述低电压端的第二端子连接到所述第二切换子电路的第二端子和所述高电压端的第二端子；

其中，所述第一切换元件能根据切换频率和占空比从断开状态切换到导通状态并回到所述断开状态，从而在所述第一切换元件切换到所述断开状态时，在平均电流的方向上流经所述电感器的电流开始减小；

其中，所述第二切换元件能从断开状态切换到导通状态并回到所述断开状态，同时所述第一切换元件保持在所述断开状态中；

其中，死区时间间隔对应于将所述第二切换元件切换到所述断开状态与将所述第一切换元件切换回到所述导通状态之间的时间间隔。

20.根据权利要求19所述的方法，其中，所述软切换产生换向电流，所述换向电流对应于在与平均电流的方向相反的方向上通过所述电感器的电流，所述换向电流在所述死区时间间隔的开始处具有初始值；并且其中，确定所述目标切换频率和所述目标死区时间包括：

至少部分地基于所述高电压端两端的电压、所述低电压端两端的电压以及所述变换器的至少一个电路特性来确定所述目标死区时间和针对所述换向电流的期望的初始值；并且

至少部分地基于所述高电压端两端的电压、所述低电压端两端的电压、所述目标死区时间、所述期望的平均输出电流、针对所述换向电流的所述期望的初始值以及所述变换器的所述至少一个电路特性来确定所述目标切换频率。

21.一种存储计算机可读指令的计算机可读存储介质，所述计算机可读指令在由控制器运行时，令所述控制器运行一种控制电力变换器的方法，所述电力变换器适于在高电压端与低电压端之间执行电力变换，所述方法包括：

确定所述高电压端两端的电压、所述低电压端两端的电压以及通过所述低电压端的电流；

至少部分地基于所述高电压端两端的电压、所述低电压端两端的电压、通过所述低电压端的电流以及所述变换器的至少一个电路特性来确定针对所述变换器的目标切换频率、目标死区时间以及目标占空比；并且

释放至少一个输出信号，以用于令所述变换器根据所述目标切换频率、所述目标死区时间以及所述目标占空比来执行软切换。

22.一种电力变换系统，包括：

变换器，其用于在高电压端与低电压端之间执行电力变换，所述变换器具有切换元件，所述切换元件能在能控制的时间处切换成导通和断开，以为所述变换器提供能控制的占空比、能控制的死区时间以及能控制的切换频率；以及

控制器，其包括控制电路，所述控制电路用于控制切换所述变换器的所述切换元件的时间，以便实现目标占空比、目标死区时间以及目标切换频率，其中，所述目标占空比、所述目标死区时间以及所述目标切换频率中的至少一个是响应于所述高电压端和所述低电压端中的至少一个的两端的电压和/或流经所述高电压端和所述低电压端中的至少一个的电流的变化而随时间变化的。

23.根据权利要求22所述的电力变换系统，其中，所述变换器为三相DC-DC电压变换器。

24.一种包括电动机、电池以及权利要求22所述的电力变换系统的运输车辆，其中，所述高电压端连接于所述电动机的两端，并且所述低电压端连接于所述电池的两端。

25.一种电力变换系统，包括：

变换器，其用于在高电压端与低电压端之间执行电力变换，所述变换器包括：

第一切换子电路，其具有第一端子和第二端子，所述第一切换子电路的第一端子连接到所述高电压端的第一端子，所述第一切换子电路包括第一能控制的切换元件；

第二切换子电路，其具有第一端子和第二端子，所述第二切换子电路的第一端子连接到所述第一切换子电路的第二端子，所述第二切换子电路的第二端子连接到所述高电压端的第二端子，所述第二切换子电路包括第二能控制的切换元件；

电感器，其具有第一端子和第二端子，所述电感器的第一端子连接到所述第一切换子电路的第二端子和所述第二切换子电路的第一端子，所述电感器的第二端子连接到所述低电压端的第一端子；

其中，所述低电压端的第二端子连接到所述第二切换子电路的第二端子和所述高电压端的第二端子；

控制器，其被配置用于实施一种方法，所述方法包括：

确定所述高电压端两端的电压、所述低电压端两端的电压以及通过所述低电压端的电流；

至少部分地基于所述高电压端两端的电压、所述低电压端两端的电压、通过所述低电压端的电流以及所述变换器的至少一个电路特性来确定针对所述变换器的目标切换频率、目标死区时间以及目标占空比；

令所述第一切换元件根据所述目标切换频率和所述目标占空比从断开状态切换到导通状态并回到所述断开状态；

令所述第二切换元件从断开状态切换到导通状态并回到所述断开状态，同时所述第一切换元件处于所述断开状态，其中，在所述第二切换元件切换回到所述断开状态之后，所述第一切换元件和所述第二切换元件每个在所述第一切换元件被切换回到所述导通状态之前在所述目标死区时间的持续时间内保持在所述断开状态中。

26.根据权利要求25所述的电力变换系统，其中，所述控制器被配置为重复实施所述方法，从而考虑到所述高电压端两端的电压、所述低电压端两端的电压以及通过所述低电压端的电流中的至少一个的变化。

27.根据权利要求25所述的电力变换系统，其中，所述第一切换元件在基本上为零电压和/或零电流状况下从所述导通状态切换到所述断开状态，并且从所述断开状态切换到所述导通状态。

28.根据权利要求25所述的电力变换系统，其中，所述第一能控制的切换元件和所述第二能控制的切换元件为IGBT。

29.一种用于在高电压端与低电压端之间执行电力变换的电力变换器，包括：

第一切换子电路，其具有第一端子和第二端子，所述第一切换子电路的第一端子连接到所述高电压端的第一端子，所述第一切换子电路包括第一切换元件，所述第一切换元件具有第一续流二极管、第一缓冲电容器以及用于控制所述第一切换元件的切换的第一控制输入部；

第二切换子电路，其具有第一端子和第二端子，所述第二切换子电路的第一端子连接到所述第一切换子电路的第二端子，所述第二切换子电路的第二端子连接到所述高电压端的第二端子，所述第二切换子电路包括第二切换元件，所述第二切换元件具有第二续流二极管、第二缓冲电容器以及用于控制所述第二切换元件的切换的第二控制输入部；

电感器，其具有第一端子和第二端子，所述电感器的第一端子连接到所述第一切换子电路的第二端子和所述第二切换子电路的第一端子，所述电感器的第二端子连接到所述低电压端的第一端子；

其中，所述低电压端的第二端子连接到所述第二切换子电路的第二端子和所述高电压端的第二端子；

其中，所述第一控制输入部接收第一控制信号，所述第一控制信号定义在其期间令所述第一切换元件从断开状态切换到导通状况并回到所述断开状态的切换循环，其中，(i)所述切换循环的周期和(ii)所述切换循环中所述第一切换元件处于所述导通状态中的比例中的至少一个是随时间变化的，从而在所述第一切换元件切换到所述断开状态时，所述第一缓冲电容器变得被充电，并且在平均电流方向上流经所述电感器的电流开始减小；

其中，所述第二控制输入部接收第二控制信号，所述第二控制信号令所述第二切换元件从断开状态切换到导通状态并回到所述断开状态，同时所述第一切换元件一直保持在所述断开状态中；

其中，所述第二切换元件被保持在所述导通状态中，同时所述第一切换元件在至少足够长的时间内保持在所述断开状态中，以用于在平均电流的方向上流经所述电感器的电流减小到零，并且然后用于电流开始在所述平均电流方向的相反方向上流经所述电感器；并且

其中，令所述第二切换元件切换到所述断开状态之后，在其期间所述第一切换元件和所述第二切换元件二者都保持在所述断开状态中的时间允许在所述第一切换元件被切换回到所述导通状态之前使所述第一缓冲电容器至少部分地放电。

30.根据权利要求29所述的变换器，其中，令所述第二切换元件切换到所述断开状态之后，在其期间所述第一切换元件和所述第二切换元件二者都处于所述断开状态中的时间允许在所述第一切换元件被切换回到所述导通状态之前使所述第一缓冲电容器完全放电。

31.一种控制变换器的方法，所述变换器适于在高电压端与低电压端之间执行电力变换，所述变换器包括具有第一端子和第二端子的第一切换子电路，所述第一切换子电路的第一端子连接到所述高电压端的第一端子，所述第一切换子电路包括第一切换元件，所述第一切换元件具有第一续流二极管、第一缓冲电容器以及用于控制所述第一切换元件的切换的第一控制输入部；具有第一端子和第二端子的第二切换子电路，所述第二切换子电路的第一端子连接到所述第一切换子电路的第二端子，所述第二切换子电路的第二端子连接到所述高电压端的第二端子，所述第二切换子电路包括第二切换元件，所述第二切换元件具有第二续流二极管、第二缓冲电容器以及控制所述第二切换元件的切换的第二控制输入部；具有第一端子和第二端子的电感器，所述电感器的第一端子连接到所述第一切换子电路的第二端子和所述第二切换子电路的第一端子，所述电感器的第二端子连接到所述低电压端的第一端子；其中，所述低电压端的第二端子连接到所述第二切换子电路的第二端子和所述高电压端的第二端子，所述方法包括：

向所述第一控制输入部提供第一控制信号，所述第一控制信号定义在其期间令所述第一切换元件从断开状态切换到导通状况并回到所述断开状态的切换循环，其中，(i)所述切换循环的周期和(ii)所述切换循环中所述第一切换元件处于所述导通状态中的比例中的至少一个是随时间变化的，从而在所述第一切换元件切换到所述断开状态时，所述第一缓冲电容器变得被充电，并且在平均电流方向上流经所述电感器的电流减小；

向所述第二控制输入部提供第二控制信号，所述第二控制信号令所述第二切换元件从断开状态切换到导通状态并回到所述断开状态，同时所述第一切换元件保持在所述断开状态中；

其中，所述第二切换元件被保持在所述导通状态中，同时所述第一切换元件在至少足够长的时间内保持在所述断开状态中，以令在平均电流的方向上流经所述电感器的电流减小到零，并且然后用于电流开始在所述平均电流方向的相反方向上流经所述电感器；并且

其中，令所述第二切换元件切换到所述断开状态之后，在其期间所述第一切换元件和所述第二切换元件二者都处于所述断开状态中的时间允许在所述第一切换元件被切换回到所述导通状态之前使所述第一缓冲电容器至少部分地放电。

32.根据权利要求31所述的方法，其中，令所述第二切换元件切换到所述断开状态之后，在其期间所述第一切换元件和所述第二切换元件二者都处于所述断开状态中的时间允许在所述第一切换元件被切换回到所述导通状态之前使所述第一缓冲电容器完全放电。