CN104836442B - 电力转换装置和电力转换方法 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及电力转换装置和电力转换方法。根据本公开的电力转换装置包括设置在初级侧电路(20)中的初级侧端口(60a，60c)和设置在通过变压器与初级侧电路(20)磁耦合的次级侧电路(30)中的次级侧端口(60b)，其中通过改变初级侧电路(20)的切换和次级侧电路(30)的切换之间的相位差来调整在初级侧电路(20)和次级侧电路(30)之间传送的传送电力。根据本公开的电力转换方法的特征在于包括：当相位差是零、初级侧端口(60a，60c)的电压等于或大于第一规定值、以及次级侧端口(60b)的电压大于第二规定值时，停止从次级侧电路(30)到初级侧电路(20)的电力传送。

Description

电力转换装置和电力转换方法
技术领域
本发明涉及电力转换装置和电力转换方法。
背景技术
已知电力转换装置根据两种类型的控制参数(相位差φ和占空比D)调整在初级侧转换电路和次级侧转换电路之间传送的传送电力，初级侧转换电路包括多个初级侧端口，次级侧转换电路包括多个次级侧端口并且通过变压器与初级侧转换电路磁耦合(例如，参见日本专利申请公布No.2011-193713(JP 2011-193713 A))。
然而，当次级侧端口的电压在无负载状态(没有电流在初级侧端口中流动的状态)下大于预定值时，电力可能从次级侧转换电路传送到初级侧转换电路并且初级侧端口的电压将变得大于规定值。
发明内容
因此，本发明的一个方面提供了能够防止初级侧端口的电压偏离规定值的电力转换装置和电力转换方法。
根据本发明的一个方面，提供了一种电力转换装置的电力转换方法，该电力转换装置包括设置在初级侧电路中的初级侧端口和设置在通过变压器与初级侧电路磁耦合的次级侧电路中的次级侧端口，电力转换装置通过改变初级侧电路的切换和次级侧电路的切换之间的相位差来调整在初级侧电路和次级侧电路之间传送的传送电力，该电力转换方法包括：确定相位差是否是零；确定初级侧端口的电压是否等于或大于第一规定值；确定次级侧端口的电压是否大于第二规定值；以及当相位差是零、初级侧端口的电压等于或大于第一规定值、以及次级侧端口的电压大于第二规定值时，停止从次级侧电路到初级侧电路的电力传送。
根据本发明的该方面，可以防止初级侧端口的电压偏离规定值。
附图说明
下文将参照附图描述本发明的示例性实施例的特征、优点以及技术和工业重要性，在附图中相同的附图标记表示相同的元件，在附图中：
图1是图示电力转换装置的配置示例的示图；
图2是图示控制单元的配置示例的框图；
图3是图示次级侧电路和次级侧电路的切换示例的时序图；
图4是图示控制单元的配置实例的框图；以及
图5是图示电力转换方法的示例的示图。
具体实施方式
供电装置101的配置
图1是示出作为电力转换装置的实施例的供电装置101的配置示例的框图。例如，供电装置101是包括供电电路10、控制单元50和传感器单元70的供电系统。供电装置101是安装在诸如汽车的车辆上并且向车载负载分送电力的系统。车辆的具体示例包括混合动力车辆、插电式混合动力车辆和电动汽车。
供电装置101包括作为初级侧端口的、连接到初级侧高电压负载(例如，电动转向装置(EPS))61a的第一输入和输出端口60a以及连接到初级侧低电压负载(例如，电子控制单元(ECU)和电子控制制动系统(ECB))61c和初级侧低电压电源(例如，辅助电池)62c的第二输入和输出端口60c。初级侧低电压电源62c向初级侧低电压负载61c供给电力，初级侧低电压负载61c以与初级侧低电压电源62c相同的电压系统(例如，12V系统)操作。初级侧低电压电源62c将通过设置在供电电路10中的初级侧转换电路20升压的电力提供给初级侧高电压负载61a，初级侧高电压负载61a以与初级侧低电压电源62c不同的电压系统(例如，比12V系统高的48V系统)操作。初级侧低电压电源62c的具体示例是诸如铅电池的二次电池。
供电装置101包括作为次级侧端口的、连接到次级侧高电压负载61b和次级侧高电压电源(例如，主电池)62b的第三输入和输出端口60b以及连接到次级侧低电压负载62d的第四输入和输出端口60d。次级侧高电压电源62b向次级侧高电压负载61b供给电力，次级侧高电压负载61b以与次级侧高电压电源62b相同的电压系统(例如，高于12V系统和48V系统的288V系统)操作。次级侧高电压电源62b将通过设置在供电电路10中的次级侧转换电路30降压的电力提供给次级侧低电压负载61d，次级侧低电压负载61d以与次级侧高电压电源62b不同的电压系统(例如，比288V系统低的72V系统)操作。次级侧高电压电源62b的具体示例是诸如锂离子电池的二次电池。
供电电路10是电力转换电路，其包括上文描述的四个输入和输出端口，并且具有从四个输入和输出端口中选择两个输入和输出端口并且在所选择的两个输入和输出端口之间执行电力转换的功能。包括供电电路10的供电装置101可以是包括三个或更多个输入和输出端口并且能够在三个或更多个输入和输出端口中的两个输入和输出端口之间转换电力的装置。例如，供电电路10可以是例如，包括除了第四输入和输出端口60d以外的三个输入和输出端口的电路。
端口电力Pa、Pc、Pb、Pd是第一输入和输出端口60a、第二输入和输出端口60c、第三输入和输出端口60b和第四输入和输出端口60d处的输入和输出电力(输入电力或输出电力)。端口电压Va、Vc、Vb、Vd是第一输入和输出端口60a、第二输入和输出端口60c、第三输入和输出端口60b和第四输入和输出端口60d处的输入和输出电压(输入电压或输出电压)。端口电流Ia、Ic、Ib、Id是第一输入和输出端口60a、第二输入和输出端口60c、第三输入和输出端口60b和第四输入和输出端口60d处的输入和输出电流(输入电流或输出电流)。
供电电路10包括设置在第一输入和输出端口60a处的电容器C1、设置在第二输入和输出端口60c处的电容器C3、设置在第三输入和输出端口60b处的电容器C2和设置在第四输入和输出端口60d处的电容器C4。电容器C1、C2、C3、C4的具体示例包括膜电容器、铝电解电容器、陶瓷电容器和固体聚合物电容器。
电容器C1插入在第一输入和输出端口60a的高电位端子613与第一输入和输出端口60a和第二输入和输出端口60c的低电位端子614之间。电容器C3插入在第二输入和输出端口60c的高电位端子616与第一输入和输出端口60a和第二输入和输出端口60c的低电位端子614之间。电容器C2插入在第三输入和输出端口60b的高电位端子618与第三输入和输出端口60b和第四输入和输出端口60d的低电位端子620之间。电容器C4插入在第四输入和输出端口60d的高电位端子622与第三输入和输出端口60b和第四输入和输出端口60d的低电位端子620之间。
电容器C1、C2、C3、C4可以设置在供电电路10内部或可以设置在供电电路10外部。
供电电路10是包括初级侧转换电路20和次级侧转换电路30的电力转换电路。初级侧转换电路20和次级侧转换电路30经由初级侧磁耦合电抗器204和次级侧磁耦合电抗器304彼此连接，并且与变压器400(中心抽头变压器)磁耦合。包括第一输入和输出端口60a和第二输入和输出端口60c的初级侧端口以及包括第三输入和输出端口60b和第四输入和输出端口60d的次级侧端口经由变压器400彼此连接。
初级侧转换电路20是包括初级侧全桥电路200、第一输入和输出端口60a和第二输入和输出端口60c的初级侧电路。初级侧全桥电路200是包括变压器400的初级侧线圈202、初级侧磁耦合电抗器204、初级侧第一上臂U1、初级侧第一下臂/U1、初级侧第二上臂V1和初级侧第二下臂/V1的初级侧电力转换单元。这里，初级侧第一上臂U1、初级侧第一下臂/U1、初级侧第二上臂V1和初级侧第二下臂/V1是例如，包括N沟道金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)和用作MOSFET的寄生元件的体二极管的切换元件。二极管可以额外并联连接到MOSFET。
初级侧全桥电路200包括连接到第一输入和输出端口60a的高电位端子613的初级侧正母线298，以及连接到第一输入和输出端口60a和第二输入和输出端口60c的低电位端子614的初级侧负母线299。
串联连接初级侧第一上臂U1和初级侧第一下臂/U1的初级侧第一臂电路207设置在初级侧正母线298和初级侧负母线299之间。初级侧第一臂电路207是能够通过初级侧第一上臂U1和初级侧第一下臂/U1的接通和断开操作来执行电力转换操作的初级侧第一电力转换电路单元(初级侧U相电力转换电路单元)。串联连接初级侧第二上臂V1和初级侧第二下臂/V1的初级侧第二臂电路211与初级侧第一臂电路207并联地设置在初级侧正母线298和初级侧负母线299之间。初级侧第二臂电路211是能够通过初级侧第二上臂V1和初级侧第二下臂/V1的接通和断开操作来执行电力转换操作的初级侧第二电力转换电路单元(初级侧V相电力转换电路单元)。
将初级侧第一臂电路207的中点207m连接到初级侧第二臂电路211的中点211m的桥部分设置有初级侧线圈202和初级侧磁耦合电抗器204。下文将更详细地描述该桥部分的连接关系。初级侧第一臂电路207的中点207m连接到初级侧磁耦合电抗器204的初级侧第一电抗器204a的一端。初级侧第一电抗器204a的另一端连接到初级侧线圈202的一端。初级侧线圈202的另一端连接到初级侧磁耦合电抗器204的初级侧第二电抗器204b的一端。初级侧第二电抗器204b的另一端连接到初级侧第二臂电路211的中点211m。初级侧磁耦合电抗器204包括初级侧第一电抗器204a和初级侧第二电抗器204b，初级侧第二电抗器204b以耦合系数k1磁耦合到初级侧第一电抗器204a。
中点207m是初级侧第一上臂U1和初级侧第一下臂/U1之间的初级侧第一中间节点，并且中点211m是初级侧第二上臂V1和初级侧第二下臂/V1之间的初级侧第二中间节点。
第一输入和输出端口60a是设置在初级侧正母线298和初级侧负母线299之间的端口。第一输入和输出端口60a包括端子613和端子614。第二输入和输出端口60c是设置在初级侧负母线299和初级侧线圈202的中心抽头202m之间的端口。第二输入和输出端口60c包括端子614和端子616。
第一输入和输出端口60a的端口电压Va和第二输入和输出端口60c的端口电压Vc根据初级侧低电压电源62c的电压而变化。
中心抽头202m连接到第二输入和输出端口60c的高电位端子616。中心抽头202m是设置在初级侧线圈202中的初级侧第一绕组202a和初级侧第二绕组202b之间的中间连接点。
次级侧转换电路30是包括次级侧全桥电路300、第三输入和输出端口60b和第四输入和输出端口60d的次级侧电路。次级侧全桥电路300是包括变压器400的次级侧线圈302、次级侧磁耦合电抗器304、次级侧第一上臂U2、次级侧第一下臂/U2、次级侧第二上臂V2和次级侧第二下臂/V2的次级侧电力转换单元。这里，次级侧第一上臂U2、次级侧第一下臂/U2、次级侧第二上臂V2和次级侧第二下臂/V2是例如，包括N沟道MOSFET和作为MOSFET的寄生元件的体二极管的切换元件。二极管可以额外并联连接到MOSFET。
次级侧全桥电路300包括连接到第三输入和输出端口60b的高电位端子618的次级侧正母线398，以及连接到第三输入和输出端口60b和第四输入和输出端口60d的低电位端子620的次级侧负母线399。
串联连接次级侧第一上臂U2和次级侧第一下臂/U2的次级侧第一臂电路307设置在次级侧正母线398和次级侧负母线399之间。次级侧第一臂电路307是能够通过次级侧第一上臂U2和次级侧第一下臂/U2的接通和断开操作来执行电力转换操作的次级侧第一电力转换电路单元(次级侧U相电力转换电路单元)。串联连接次级侧第二上臂V2和次级侧第二下臂/V2的次级侧第二臂电路311与次级侧第一臂电路307并联地设置在次级侧正母线398和次级侧负母线399之间。次级侧第二臂电路311是能够通过次级侧第二上臂V2和次级侧第二下臂/V2的接通和断开操作来执行电力转换操作的次级侧第二电力转换电路单元(次级侧V相电力转换电路单元)。
将次级侧第一臂电路307的中点307m连接到次级侧第二臂电路311的中点311m的桥部分设置有次级侧线圈302和次级侧磁耦合电抗器304。下文将更详细地描述该桥部分的连接关系。次级侧第一臂电路307的中点307m连接到次级侧磁耦合电抗器304的次级侧第一电抗器304a的一端。次级侧第一电抗器304a的另一端连接到次级侧线圈302的一端。次级侧线圈302的另一端连接到次级侧磁耦合电抗器304的次级侧第二电抗器304b的一端。次级侧第二电抗器304b的另一端连接到次级侧第二臂电路311的中点311m。次级侧磁耦合电抗器304包括次级侧第一电抗器304a和次级侧第二电抗器304b，次级侧第二电抗器304b以耦合系数k2磁耦合到次级侧第一电抗器304a。
中点307m是次级侧第一上臂U2和次级侧第一下臂/U2之间的次级侧第一中间节点，并且中点311m是次级侧第二上臂V2和次级侧第二下臂/V2之间的次级侧第二中间节点。
第三输入和输出端口60b是设置在次级侧正母线398和次级侧负母线399之间的端口。第三输入和输出端口60b包括端子618和端子620。第四输入和输出端口60d是设置在次级侧负母线399和次级侧线圈302的中心抽头302m之间的端口。第四输入和输出端口60d包括端子620和端子622。
第三输入和输出端口60b的端口电压Vb和第四输入和输出端口60d的端口电压Vd根据次级侧低电压电源62b的电压而变化。
中心抽头302m连接到第四输入和输出端口60d的高电位端子622。中心抽头302m是设置在次级侧线圈302中的次级侧第一绕组302a和次级侧第二绕组302b之间的中间连接点。
在图1中，供电装置101包括传感器单元70。传感器单元70是检测单元，其以预定的检测周期检测第一至第四输入和输出端口60a、60c、60b、60d中的至少一个处的输入和输出值Y，并且将与检测到的输入和输出值Y对应的检测值Yd输出到控制单元50。检测值Yd可以是通过检测输入和输出电压而获得的检测电压、通过检测输入和输出电流而获得的检测电流、或者通过检测输入和输出功率而获得的检测功率。传感器单元70可以设置在供电电路10内部或可以设置在供电电路10外部。
传感器单元70包括例如，电压检测单元，其检测在第一至第四输入和输出端口60a、60c、60b、60d中的至少一个端口中生成的输入和输出电压。例如，传感器单元70包括输出输入和输出电压Va和输入和输出电压Vc中的至少一个的检测电压作为初级侧检测电压值的初级侧电压检测单元，以及输出输入和输出电压Vb和输入和输出电压Vd中的至少一个的检测电压作为次级侧检测电压值的次级侧电压检测单元。
传感器单元70的电压检测单元包括例如，监控至少一个端口的输入和输出电压值的电压传感器，以及将与电压传感器监控的输入和输出电压值对应的检测电压输出到控制单元50的电压检测电路。
传感器单元70包括例如，电流检测单元，其检测在第一至第四输入和输出端口60a、60c、60b、60d中的至少一个端口中流动的输入和输出电流。传感器单元70包括输出输入和输出电流Ia和输入和输出电流Ic中的至少一个的检测电流作为初级侧检测电流值的初级侧电流检测单元，以及输出输入和输出电流Ib和输入和输出电流Id中的至少一个的检测电流作为次级侧检测电流值的次级侧电流检测单元。
传感器单元70的电流检测单元包括例如，监控至少一个端口的输入和输出电流值的电流传感器，以及将与电流传感器监控的输入和输出电流值对应的检测电流输出到控制单元50的电流检测电路。
供电装置101包括控制单元50。例如，控制单元50是包括微计算机的电子电路，该微计算机具有内建的中央单元(CPU)。控制单元50可以设置在供电电路10内部或可以设置在供电电路10外部。
控制单元50通过改变预定控制参数X的值以反馈方式控制供电电路10执行的电力转换操作，并且能够调整供电电路10的第一至第四输入和输出端口60a、60c、60b、60d处的输入和输出值Y。主要的控制参数X的示例包括两种类型的控制参数，相位差φ和占空比D(接通时间δ)。
相位差φ是初级侧全桥电路200和次级侧全桥电路300的相同相的电力转换电路单元之间的切换定时之间的偏差(时滞)。占空比D(接通时间δ)是初级侧全桥电路200和次级侧全桥电路300中的电力转换电路单元中的切换波形的占空比(接通时间)。
这两个控制参数X可以被彼此独立地控制。控制单元50通过使用相位差φ和占空比D(接通时间δ)对初级侧全桥电路200和次级侧全桥电路300进行占空比控制和/或相位控制来使供电电路10的输入和输出端口处的输入和输出值Y变化。
控制单元50以反馈方式控制供电电路10的电力转换操作，使得第一至第四输入和输出端口60a、60c、60b、60d中的至少一个端口中的输入和输出值Y的检测值Yd收敛到在该端口处设定的目标值Yo。例如，目标值Yo是控制单元50或者控制单元50以外的预定装置基于针对与各个输入和输出端口连接的每个负载(例如，初级侧低电压负载61c)限定的驱动条件而设定的命令值。目标值Yo用作在从端口输出电力时的输出目标值，用作在将电力输入到端口时的输入目标值，并且可以是目标电压值、可以是目标电流值或可以是目标功率值。
控制单元50以反馈方式控制供电电路10的电力转换操作，使得在初级侧转换电路20和次级侧转换电路30之间经由变压器400传送的传送电力P收敛到预设的目标传送电力。传送电力还被称为电力传送量。例如，目标传送电力是控制单元50或者控制单元50以外的预定装置基于特定端口处的目标值Yo和检测值Yd之间的偏差而设定的命令值。
控制单元50检测端口电压Va和端口电压Vb，监控变压器400的匝数比N和电压比M(端口电压Va和端口电压Vb的比)之间的关系，设定增益(例如，x和y)，并且控制在初级侧转换电路20和次级侧转换电路30之间传送的传送电力。例如，当匝数比N和电压比M之间的关系在无负载状态下崩溃并且因而生成了电力而与相位差φ无关(电力从次级侧转换电路传送到初级侧转换电路)时，控制单元50停止从次级侧转换电路到初级侧转换电路的电力传送。因此，供电装置101可以防止端口电压Va偏离规定值。
当从次级侧转换电路30到初级侧转换电路20的电力传送停止时，控制单元50将从第一输入和输出端口60a到第二输入和输出端口60c的降压操作切换为从第二输入和输出端口60c到第一输入和输出端口60a的升压操作。因此，可以防止由于第一输入和输出端口60a出的自放电等引起的端口电压Va下降。
图2是控制单元50的框图。控制单元50是具有对初级侧转换电路20的切换元件诸如初级侧第一上臂U1以及次级侧转换电路30的切换元件诸如次级侧第一上臂U2的切换进行控制的功能的控制单元。控制单元50包括电力转换模式确定单元502、相位差φ确定单元504、接通时间δ确定单元506、初级侧切换单元508和次级侧切换单元510。例如，控制单元50是包括具有内建CPU的微计算机的电子电路。
电力转换模式确定单元502基于预定的外部信号(例如，指示特定端口处的目标值Yo和检测值Yd之间的偏差的信号)从下文将描述的供电电路10的电力转换模式A至L中选择并确定操作模式。电力转换模式包括：模式A，其中从第一输入和输出端口60a输入的电力被转换并且被输出到第二输入和输出端口60c；模式B，其中从第一输入和输出端口60a输入的电力被转换并且被输出到第三输入和输出端口60b；以及模式C，其中从第一输入和输出端口60a输入的电力被转换并且被输出到第四输入和输出端口60d。
电力转换模式包括：模式D，其中从第二输入和输出端口60c输入的电力被转换并且被输出到第一输入和输出端口60a；模式E，其中从第二输入和输出端口60c输入的电力被转换并且被输出到第三输入和输出端口60b；以及模式F，其中从第二输入和输出端口60c输入的电力被转换并且被输出到第四输入和输出端口60d。
电力转换模式包括：模式G，其中从第三输入和输出端口60b输入的电力被转换并且被输出到第一输入和输出端口60a；模式H，其中从第三输入和输出端口60b输入的电力被转换并且被输出到第二输入和输出端口60c；以及模式I，其中从第三输入和输出端口60b输入的电力被转换并且被输出到第四输入和输出端口60d。
电力转换模式包括：模式J，其中从第四输入和输出端口60d输入的电力被转换并且被输出到第一输入和输出端口60a；模式K，其中从第四输入和输出端口60d输入的电力被转换并且被输出到第二输入和输出端口60c；以及模式L，其中从第四输入和输出端口60d输入的电力被转换并且被输出到第三输入和输出端口60b。
相位差φ确定单元504具有设定初级侧转换电路20和次级侧转换电路30之间的切换元件的周期切换运动的相位差φ以便使供电电路10用作直流-直流(DC-DC)转换器电路的功能。
接通时间δ确定单元506具有设定初级侧转换电路20和次级侧转换电路30的切换元件的接通时间δ以便使初级侧转换电路20和次级侧转换电路30分别用作升压/降压电路的功能。
初级侧切换单元508具有基于电力转换模式确定单元502、相位差φ确定单元504和接通时间δ确定单元506的输出，对初级侧第一上臂U1、初级侧第一下臂/U1、初级侧第二上臂V1和初级侧第二下臂/V1的切换元件的切换进行控制的功能。
次级侧切换单元510具有基于电力转换模式确定单元502、相位差φ确定单元504和接通时间δ确定单元506的输出，对次级侧第一上臂U2、次级侧第一下臂/U2、次级侧第二上臂V2和次级侧第二下臂/V2的切换元件的切换进行控制的功能。
控制单元50不限于图2中所示的处理并且能够执行控制在初级侧转换电路20和次级侧转换电路30之间传送的传送电力所需的各种处理。
供电装置101的操作
下文将参照图1和2描述供电装置101的操作。例如，当输入需要选择模式F作为供电电路10的电力转换模式的外部信号时，控制单元50的电力转换模式确定单元502将供电电路10的电力转换模式设定为模式F。此时，输入到第二输入和输出端口60c的电压被初级侧转换电路20的升压功能升压，具有升压的电压的电力通过供电电路10的作为DC-DC转换器电路的功能被传送到第三输入和输出端口60b，传送电力被次级侧转换电路30的降压功能降压，并且从第四输入和输出端口60d输出。
下文将详细描述初级侧转换电路20的升压/降压功能。关注第二输入和输出端口60c和第一输入和输出端口60a，第二输入和输出端口60c的端子616经由初级侧第一绕组202a和与初级侧第一绕组202a串联连接的初级侧第一电抗器204a连接到初级侧第一臂电路207的中点207m。由于初级侧第一臂电路207的两端连接到第一输入和输出端口60a，因此升压/降压电路设置在第一输入和输出端口60a和第二输入和输出端口60c的端子616之间。
第二输入和输出端口60c的端子616还经由初级侧第二绕组202b和与初级侧第二绕组202b串联连接的初级侧第二电抗器204b连接到初级侧第二臂电路211的中点211m。由于初级侧第二臂电路211的两端连接到第一输入和输出端口60a，因此升压/降压电路设置在第一输入和输出端口60a和第二输入和输出端口60c的端子616之间。由于次级侧转换电路30具有与初级侧转换电路20基本上相同的配置，因此两个升压/降压电路并联连接在第三输入和输出端口60b和第四输入和输出端口60d的端子622之间。因此，次级侧转换电路30具有与初级侧转换电路20相似的升压/降压功能。
下文将详细描述供电电路10的作为DC-DC转换器电路的功能。关注第一输入和输出端口60a和第三输入和输出端口60b，第一输入和输出端口60a连接至初级侧全桥电路200，并且第三输入和输出端口60b连接至次级侧全桥电路300。设置在初级侧全桥电路200的桥部分中的初级侧线圈202以及设置在次级侧全桥电路300的桥部分中的次级侧线圈302按耦合系数kT彼此磁耦合，从而变压器400用作具有匝数比1:N的中心抽头变压器。因此，通过调整初级侧全桥电路200和次级侧全桥电路300中的切换元件的周期切换运动的相位差φ，输入至第一输入和输出端口60a的电力可以被转换和传送至第三输入和输出端口60b，或输入至第三输入和输出端口60b的电力可以被转换和传送至第一输入和输出端口60a。
图3是示出了在控制单元50的控制下设置于供电电路10中的臂的接通/断开切换波形的示图。在图3中，U1表示初级侧第一上臂U1的接通/断开波形，V1表示初级侧第二上臂V1的接通/断开波形，U2表示次级侧第一上臂U2的接通/断开波形，而V2表示次级侧第二上臂V2的接通/断开波形。初级侧第一下臂/U1、初级侧第二下臂/V1、次级侧第一下臂/U2以及次级侧第二下臂/V2的接通/断开波形是通过分别将初级侧第一上臂U1、初级侧第二上臂V1、次级侧第一上臂U2以及次级侧第二上臂V2的接通/断开波形反转所获得的波形(未示出)。死区时间可以设置在上臂和下臂的接通和断开波形两者之间，使得在上臂和下臂两者均接通时透入电流(penetration current)不流动。在图3中，高电平表示接通状态，而低电平表示断开状态。
通过改变U1、V1、U2和V2的接通时间δ，可以改变初级侧转换电路20和次级侧转换电路30的升压/降压比。例如，通过将U1、V1、U2和V2的接通时间δ设定为彼此相等，可以将初级侧转换电路20的升压/降压比和次级侧转换电路30的升压/降压比设定为彼此相等。
接通时间δ确定单元506将U1、V1、U2和V2的接通时间δ设定为彼此相等，使得初级侧转换电路20和次级侧转换电路30的升压/降压比彼此相等(接通时间δ＝初级侧接通时间δ11＝次级侧接通时间δ12＝时间值β)。
初级侧转换电路20的升压/降压比根据占空比D确定，占空比D是接通时间δ与设置在初级侧全桥电路200中的切换元件(臂)的切换周期T的比。类似地，次级侧转换电路30的升压/降压比根据占空比D确定，该占空比D是接通时间δ与设置在次级侧全桥电路300中的切换元件(臂)的切换周期T的比。初级侧转换电路20的升压/降压比是第一输入和输出端口60a与第二输入和输出端口60c之间的变换比，而次级侧转换电路30的升压/降压比是第三输入和输出端口60b与第四输入和输出端口60d之间的变换比。
因此，例如，如下关系成立，初级侧转换电路20的升压/降压比＝第二输入和输出端口60c的电压/第一输入和输出端口60a的电压＝δ11/T＝β/T，以及次级侧转换电路30的升压/降压比＝第四输入和输出端口60d的电压/第三输入和输出端口60b的电压＝δ12/T＝β/T。就是说，初级侧转换电路20和次级侧转换电路30的升压/降压比具有相同的值(＝β/T)。
注意，图3中所示的接通时间δ表示初级侧第一上臂U1和初级侧第二上臂V1的接通时间δ11，并且表示次级侧第一上臂U2和次级侧第二上臂V2的接通时间δ12。设置在初级侧全桥电路200中的臂的切换周期T以及设置在次级侧全桥电路300中的臂的切换周期T是相同的时间。
U1与V1之间的相位差被设定为180度(π)，并且U2与V2之间的相位差被设定为180度(π)。通过改变U1与U2之间的相位差φ，可以调整初级侧转换电路20与次级侧转换电路30之间的电力传送量P。当相位差φ＞0成立时，可以将电力从初级侧转换电路20传送至次级侧转换电路30，而当相位差φ＜0成立时，可以将电力从次级侧转换电路30传送至初级侧转换电路20。
相位差φ是初级侧全桥电路200和次级侧全桥电路300中的同相的电力转换电路单元之间的切换定时的偏差(时滞)。例如，相位差φ是初级侧第一臂电路207和次级侧第一臂电路307之间的切换定时的偏差，以及初级侧第二臂电路211和次级侧第二臂电路311之间的切换定时的偏差。这些偏差被控制成相同的状态。就是说，U1与U2之间的相位差φ以及V1与V2之间的相位差φ被控制成相同值。
因此，例如，当输入需要选择模式F作为供电电路10的电力转换模式的外部信号时，电力转换模式确定单元502确定选择模式F。接通时间δ确定单元506设定接通时间δ，用于限定当使初级侧转换电路20用作升压电路时的升压比，该升压电路将输入到第二输入和输出端口60c的电压升压并且将升压的电压输出至第一输入和输出端口60a。次级侧转换电路30用作降压电路，其以根据接通时间δ确定单元506设定的接通时间δ限定的降压比将输入至第三输入和输出端口60b的电压降压，并且将降压的电压输出至第四输入和输出端口60d。相位差φ确定单元504设定相位差φ，用于将输入至第一输入和输出端口60a的电力以所期望的电力传送量P传送至第三输入和输出端口60b。
初级侧切换单元508对初级侧第一上臂U1、初级侧第一下臂/U1、初级侧第二上臂V1和初级侧第二下臂/V1的切换元件的切换进行控制，使得初级侧转换电路20用作升压电路并且初级侧转换电路20用作DC-DC转换器电路的一部分。
次级侧切换单元510对次级侧第一上臂U2、次级侧第一下臂/U2、次级侧第二上臂V2和次级侧第二下臂/V2的切换元件的切换进行控制，使得次级侧转换电路30用作降压电路并且次级侧转换电路30用作DC-DC转换器电路的一部分。
如上所述，初级侧转换电路20和次级侧转换电路30可以用作升压电路或降压电路，并且供电电路10可以用作双向DC-DC转换器电路。因此，可以在所有电力转换模式A至L中执行电力转换，就是说，可以在从四个输入和输出端口中选择的两个输入和输出端口之间执行电力转换。
由控制单元50根据相位差φ、等效电感L等调整的传送电力P(也称为电力传送量P)是从初级侧转换电路20和次级侧转换电路30中的一个转换电路经由变压器400传送至另一个转换电路的电力，并且由式(1)表示，
P＝(N×Va×Vb)/(π×ω×L)×F(D,φ)。
这里，N表示变压器400的匝数比，Va表示第一输入和输出端口60a的输入和输出电压(初级侧转换电路20的初级侧正母线298和初级侧负母线299之间的电压)，而Vb表示第三输入和输出端口60b的输入和输出电压(次级侧转换电路30的次级侧正母线398和次级侧负母线399之间的电压)。π表示圆周率，而ω(＝2π×f＝2π/T)表示初级侧转换电路20和次级侧转换电路30的切换的角频率。f表示初级侧转换电路20和次级侧转换电路30的切换频率，T表示初级侧转换电路20和次级侧转换电路30的切换周期，而L表示变压器400以及磁耦合电抗器204、304的与电力传送相关联的等效电感。F(D,φ)是使占空比D和相位差φ作为参数的函数并且是随着相位差φ的增加与占空比D无关地单调增加的参数。占空比D和相位差φ是被设计成在预定上限与下限的范围内变化的控制参数。
等效电感L能够在连接到初级侧磁耦合电抗器204和/或次级侧磁耦合电抗器304的变压器400的等效电路中定义。等效电感L是在简易等效电路中通过组合初级侧磁耦合电抗器204的漏电感和/或次级侧磁耦合电抗器的漏电感以及变压器400的漏电感而获得的组合电感。
例如，从次级侧转换电路30测量的等效电感L(次级侧转换值LEQ2)可以由式(2)表示，
LEQ2＝2L1(1-k1)N2+2L2(1-k2)+LT2(1-kT 2)。
L1表示初级侧磁耦合电抗器204的自感，k1表示初级侧磁耦合电抗器204的耦合系数，N表示变压器400的匝数比，L2表示次级侧磁耦合电抗器304的自感，k2表示次级侧磁耦合电抗器304的耦合系数，LT2表示变压器400的次级侧的励磁电感，而kT表示变压器400的耦合系数。在不使用第二输入和输出端口60c或第四输入和输出端口60d时，式(2)中的第一项或第二项中出现的漏电感可以不存在。
控制单元50通过改变相位差φ来调整传送电力P，使得初级侧端口和次级侧端口中的至少一个端口处的端口电压Vp收敛到目标端口电压Vo。因此，即使当连接到端口的负载的电流消耗增加时，控制单元50仍能够通过改变相位差φ以调整传送电力P来防止端口电压Vp偏离目标端口电压Vo。
例如，控制单元50通过改变相位差φ来调整传送电力P，使得作为初级侧端口和次级侧端口中的作为传送电力P的传送目的地的另一个端口的端口电压Vp收敛到目标端口电压Vo。因此，即使当连接到作为传送电力P的传送目的地的端口的负载的电流消耗增加时，控制单元50仍能够通过增加相位差φ以调整传送电力P来防止端口电压Vp偏离目标端口电压Vo。
图4是图示控制单元50的第一配置示例的框图。控制单元50包括PID控制单元51。
PID控制单元51包括相位差命令值生成器，其生成相位差φ的命令值φo，用于针对每个切换周期T通过PID控制使初级侧端口和次级侧端口中的至少一个端口处的端口电压收敛到目标端口电压。例如，PID控制单元51的相位差命令值生成器生成命令值φo，用于通过基于端口电压Va的目标电压和由传感器单元70获取的端口电压Va的检测电压之间的偏差来执行PID控制，针对每个切换周期T使该偏差收敛到零。
控制单元50通过基于由PID控制单元51生成的命令值φo执行初级侧转换电路20和次级侧转换电路30的切换控制来调整由式(1)确定的传送电力P，使得端口电压收敛到目标电压。
PID控制单元51包括占空比命令值生成器，其生成占空比D的命令值Do，用于针对每个切换周期T通过PID控制使初级侧端口和次级侧端口中的至少一个端口的端口电压收敛到目标电压。例如，PID控制单元51的占空比命令值生成器生成命令值Do，用于通过基于端口电压Vc的目标电压和由传感器单元70获取的端口电压Vc的检测电压之间的偏差来执行PID控制，针对每个切换周期T使该偏差收敛到零。
PID控制单元51可以包括接通时间命令值生成器，其生成接通时间δ的命令值δo来代替占空比D的命令值Do。
PID控制单元51基于积分增益I1、微分增益D1和比例增益P1来调整相位差φ的命令值φo，并基于积分增益I2、微分增益D2和比例增益P2来调整占空比D的命令值Do。
例如，当PID控制单元51中的控制参数被设定为x＝0和y＝1时(参见图4)，初级侧转换电路20中的初级侧第一上臂U1和初级侧第二上臂V1被控制为图3中所示的切换波形。次级侧转换电路30中的次级侧第一上臂U2和次级侧第二上臂V2被控制为图3中所示的切换波形。
例如，当PID控制单元51中的控制参数被设定为x＝1和y＝0时(参见图4)，初级侧转换电路20中的初级侧第一上臂U1和初级侧第二上臂V1被控制为图3中所示的切换波形。次级侧转换电路30中的次级侧第一上臂U2和次级侧第二上臂V2被控制为通过将图3中所示的切换波形固定为断开状态而获得的切换波形。
在端口电压Va、端口电压Vc和占空比D之间，成立端口电压Va×占空比D＝端口电压Vc这一关系。因此，在想要使恒定的端口电压Va(例如，10V)降压以增加端口电压Vc(例如，从1V至5V)时，可以增加占空比D(例如，从10％至50％)。相反，在想要使恒定的端口电压Vc(例如，5V)升压以增加端口电压Va(例如，从10V至50V)时，可以减少占空比D(例如，从50％至10％)。就是说，PID控制单元51通过改变控制参数x，y的值来切换控制对象(第一输入和输出端口60a或者第二输入和输出端口60c)来使在升压操作和降压操作中的占空比D的控制方向(使占空比D增加或减少的方向)反转。
供电装置101的操作流程
图5是图示电力转换方法的示例的流程图。图5中所示的电力转换方法由控制单元50执行。
在步骤S10中，控制单元50将控制参数设定为x＝0和y＝1并且基于相位差φ和占空比D控制臂(初级侧第一上臂U1、初级侧第二上臂V1、次级侧第一上臂U2、次级侧第二上臂V2、初级侧第一下臂/U1、初级侧第二下臂/V1、次级侧第一下臂/U2和次级侧第二下臂/V2)的驱动。占空比D被设定成执行从第一输入和输出端口60a到第二输入和输出端口60c的降压操作。
每个臂的接通/断开定时可以引用图3中所示的切换波形的时序图。初级侧第一下臂/U1、初级侧第二下臂/V1、次级侧第一下臂/U2和次级侧第二下臂/V2的接通/断开波形是通过分别将初级侧第一上臂U1、初级侧第二上臂V1、次级侧第一上臂U2、次级侧第二上臂V2的接通/断开波形反转而获得的波形。
在步骤S20中，控制单元50确定相位差φ是否是零(0)。当相位差φ是0时(是)，控制单元50使操作流程去往步骤S30。当相位差φ不是0时(否)，控制单元50使操作流程返回步骤S10。
通过步骤S20的确定，控制单元50可以确定供电电路10是否处于无负载状态(电流没有在第一输入和输出端口60a和第二输入和输出端口60c中流动)。在确定相位差φ是否是零时，零包括零值和非常接近零的值。
在步骤S30中，控制单元50确定端口电压Va是否等于或大于规定值α(第一规定值)。当端口电压Va等于或大于规定值α时(是)，控制单元50使操作流程去往步骤S40。当端口电压Va不大于规定值α时(否)，控制单元50使操作流程返回步骤S10。规定值α是例如端口电压Va的目标电压。
通过步骤S30的确定，控制单元50可以确定端口电压Va是否即便在无负载状态(φ＝0)下也偏离规定值α。
在步骤S40中，控制单元50确定端口电压Vb是否大于变压器400的匝数比N与规定值α的积(第二规定值)。当端口电压Vb大于变压器400的匝数比N与规定值α的积时(是)，控制单元50使操作流程去往步骤S60。当端口电压Vb不大于变压器400的匝数比N与规定值α的积(第二规定值)时(否)，控制单元50使操作流程去往步骤S50。当变压器400的匝数比N等于或大于1时，第二规定值≥第一规定值这一关系成立。
通过步骤S40的确定，控制单元50可以确定匝数比N和电压比M之间的关系是否崩溃，并且可以确定是否停止因匝数比N和电压比M之间的关系崩溃而发生的从次级侧转换电路到初级侧转换电路的电力传送。
在步骤S50中，控制单元50确定当相位差φ为零，端口电压Va等于或大于第一规定值，以及端口电压Vb等于或小于第二规定值时，电力转换装置处于击穿状态。击穿状态的示例包括MOSFET的不可控错误、输出电压的异常、初级侧(次级侧)电路的击穿、电路击穿和变压器的击穿。
在步骤S60中，控制单元50将控制参数设定为x＝1和y＝0并且基于相位差φ和占空比D控制每个臂的驱动。次级侧第一上臂U2和次级侧第二上臂V2的接通/断开波形是通过在图3中所示的切换波形中将次级侧第一上臂U2和次级侧第二上臂V2的接通/断开波形固定在断开状态而获得的波形(未示出)。次级侧第一下臂/U2和次级侧第二下臂/V2的接通/断开波形是通过将图中的接通/断开波形固定在接通状态而获得的波形(未示出)。初级侧第一上臂U1和初级侧第二上臂V1的接通/断开波形是图3中所示的切换波形。初级侧第一下臂/U1和初级侧第二下臂/V1的接通/断开波形是通过将图3中所示的切换波形中的初级侧第一上臂U1和初级侧第二上臂V1的接通/断开波形反转而获得的波形(未示出)。
在步骤S60中，为了供给初级侧转换电路20的电力，控制单元50将从第一输入和输出端口60a到第二输入和输出端口60c的降压操作切换为从第二输入和输出端口60c到第一输入和输出端口60a的升压操作。就是说，通过在控制单元50的控制下使占空比D的控制方向反转，可以增加第一输入和输出端口60a的端口电压Va或者使端口电压Va保持恒定。此时，使用初级侧低电压电源62c(辅助电池)，但是前提是无负载状态，并且因此可以防止功耗的增加。
步骤S10和步骤S60中的增益方向彼此相反，但是占空比D适当地通过PID控制单元51的最后级中的减法操作来控制。
在步骤S70中，在预定时间逝去之后，控制单元50使操作流程返回步骤S10。
如上文所述，控制单元50通过步骤S20的控制确定相位差φ是否是零(0)，通过步骤S30的控制确定端口电压Va是否等于或大于规定值α，并且通过步骤S40的控制确定端口电压Vb是否大于变压器400的匝数比N与规定值α的积。当相位差φ为零，端口电压Va等于或大于规定值α，以及端口电压Vb大于匝数比N与规定值α的积时，控制单元50停止从次级侧转换电路30向初级侧转换电路20传送电力。因此，供电装置101可以防止端口电压Va偏离规定值。
当停止从次级侧转换电路30到初级侧转换电路20的电力传送时，控制单元50将从第一输入和输出端口60a到第二输入和输出端口60c的降压操作切换为从第二输入和输出端口60c到第一输入和输出端口60a的升压操作。因此，供电装置101可以防止端口电压Va由于自放电等而增加。
尽管参照实施例描述了电力转换装置和电力转换方法，但是本发明不限于以上实施例。在不偏离本发明的范围的情况下可以进行各种修改和改进，诸如将以上实施例部分地或完整地与其他实施例组合或者将以上实施例部分地或完整地替换成其他实施例。
例如，在以上实施例中，作为被接通或断开的半导体元件的MOSFET被用作切换元件的示例。然而，切换元件可以是使用绝缘栅的压控功率元件，诸如绝缘栅双极型晶体管(IGBT)或MOSFET，或者可以是双极型晶体管。
电源可以连接到第一输入和输出端口60a，或者电源可以连接到第四输入和输出端口60d。
次级侧可以被限定为初级侧，并且初级侧可以被限定为次级侧。
本发明可以应用于包括三个或更多个输入和输出端口并且能够在三个或更多个输入和输出端口中的两个输入和输出端口之间转换电力的电力转换装置。例如，本发明可以应用于具有如下配置的供电装置，其中移除图1中所示的四个输入和输出端口中的任何一个输入和输出端口。

Claims (12)

1.一种电力转换装置的电力转换方法，所述电力转换装置包括设置在初级侧电路(20)中的初级侧端口(60a、60c)和设置在通过变压器与所述初级侧电路(20)磁耦合的次级侧电路(30)中的次级侧端口(60b)，所述电力转换装置通过改变所述初级侧电路(20)的切换和所述次级侧电路(30)的切换之间的相位差来调整传送电力，所述传送电力在所述初级侧电路(20)和所述次级侧电路(30)之间传送，所述电力转换方法的特征在于包括：
确定所述相位差是否是零；
确定所述初级侧端口(60a、60c)的电压是否等于或大于第一规定值；
确定所述次级侧端口(60b)的电压是否大于第二规定值；以及
当所述相位差是零、所述初级侧端口(60a、60c)的电压等于或大于所述第一规定值、以及所述次级侧端口(60b)的电压大于所述第二规定值时，停止从所述次级侧电路(30)到所述初级侧电路(20)的电力传送。
2.根据权利要求1所述的电力转换方法，其中所述初级侧电路(20)包括第一初级侧端口(60a)和第二初级侧端口(60c)，
所述次级侧电路(30)包括次级侧第一上臂、次级侧第二上臂、次级侧第一下臂和次级侧第二下臂，以及
当所述相位差是零、所述初级侧端口(60a、60c)的电压等于或大于所述第一规定值、以及所述次级侧端口(60b)的电压大于所述第二规定值时，所述次级侧第一上臂和所述次级侧第二上臂断开，并且所述次级侧第一下臂和所述次级侧第二下臂接通。
3.根据权利要求1或2所述的电力转换方法，其中所述初级侧电路(20)包括第一初级侧端口(60a)和第二初级侧端口(60c)，
当从所述次级侧电路(30)到所述初级侧电路(20)的电力传送停止时，从所述第一初级侧端口(60a)到所述第二初级侧端口(60c)的降压操作被切换到从所述第二初级侧端口(60c)到所述第一初级侧端口(60a)的升压操作。
4.根据权利要求1或2所述的电力转换方法，其中当所述相位差是零、所述初级侧端口(60a、60c)的电压等于或大于所述第一规定值、以及所述次级侧端口(60b)的电压等于或小于所述第二规定值时，确定所述电力转换装置故障。
5.根据权利要求1或2所述的电力转换方法，其中所述第二规定值大于所述第一规定值。
6.根据权利要求2所述的电力转换方法，其中所述第二规定值是所述变压器的匝数比和所述第一规定值的积或者所述变压器的匝数比和所述第一初级侧端口(60a)的目标电压的积。
7.一种电力转换装置(101)，其特征在于包括：
初级侧电路(20)，其包括初级侧端口(60a、60c)；
次级侧电路(30)，其包括次级侧端口(60b)并且通过变压器与所述初级侧电路(20)磁耦合，以及
控制单元(50)，其通过改变所述初级侧电路(20)的切换和所述次级侧电路(30)的切换之间的相位差来控制在所述初级侧电路(20)和所述次级侧电路(30)之间传送的传送电力，
其中所述控制单元(50)被配置成：
确定所述相位差是否为零；
确定所述初级侧端口(60a、60c)的电压是否等于或大于第一规定值；
确定所述次级侧端口(60b)的电压是否大于第二规定值；以及
当所述相位差是零、所述初级侧端口(60a、60c)的电压等于或大于所述第一规定值、以及所述次级侧端口(60b)的电压大于所述第二规定值时，停止从所述次级侧电路(30)到所述初级侧电路(20)的电力传送。
8.根据权利要求7所述的电力转换装置(101)，其中所述初级侧电路(20)包括第一初级侧端口(60a)和第二初级侧端口(60c)，
所述次级侧电路(30)包括次级侧第一上臂、次级侧第二上臂、次级侧第一下臂和次级侧第二下臂，以及
所述控制单元(50)被配置成：当所述相位差是零、所述初级侧端口(60a、60c)的电压等于或大于所述第一规定值、以及所述次级侧端口(60b)的电压大于所述第二规定值时，断开所述次级侧第一上臂和所述次级侧第二上臂并且接通所述次级侧第一下臂和所述次级侧第二下臂。
9.根据权利要求7或8所述的电力转换装置(101)，其中所述初级侧电路(20)包括第一初级侧端口(60a)和第二初级侧端口(60c)，
所述控制单元(50)被配置成：当从所述次级侧电路(30)到所述初级侧电路(20)的电力传送停止时，将从所述第一初级侧端口(60a)到所述第二初级侧端口(60c)的降压操作切换到从所述第二初级侧端口(60c)到所述第一初级侧端口(60a)的升压操作。
10.根据权利要求7或8所述的电力转换装置(101)，其中所述控制单元(50)被配置成：当所述相位差是零、所述初级侧端口(60a、60c)的电压等于或大于所述第一规定值、以及所述次级侧端口(60b)的电压等于或小于所述第二规定值时，确定所述电力转换装置故障。
11.根据权利要求7或8所述的电力转换装置(101)，其中所述第二规定值大于所述第一规定值。
12.根据权利要求8所述的电力转换装置(101)，其中所述第二规定值是所述变压器的匝数比和所述第一规定值的积或者所述变压器的匝数比和所述第一初级侧端口(60a)的目标电压的积。
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