CN108696130B - 用于频率控制开关臂的开关管理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于包括至少一个频率控制开关臂的开关管理方法，方法包括以下步骤：在接收到开关臂的开关命令后，开始停滞时间，在此期间，高和低开关元件断开，测量中点处的电压，如果开关命令倾向于使高分支接通，那么将在中点处测量的电压与高电压阈值比较，且如果开关命令倾向于使低分支接通，那么将在中点处测量的电压与低电压阈值比较，当在中点处测量的电压在上升沿上变得高于高电压阈值时，或分别，当在中点处测量的电压在下降沿上变得低于低电压阈值时，结束停滞时间，且分别闭合高或低开关元件。本发明在每一开关操作期间观测到的停滞时间具有实时调整的持续时间。

Description

用于频率控制开关臂的开关管理方法
技术领域
一般来说，本发明涉及开关臂(例如，H型桥接器)的领域，且更具体来说，涉及频率控制开关臂的领域，明确地说，涉及控制在直流-直流电压转换器电路(例如，谐振电路)中循环的能量。
在此上下文中，本发明涉及一种用于频率控制开关臂(例如，H型桥接器或半H型桥接器)的开关管理方法，优化之处在于，在每一开关操作期间观测到的停滞时间具有实时调整的持续时间。
背景技术
H型桥接器或半H型桥接器为使得有可能跨负荷的端子控制极性的电路。H型桥接器包括四个开关元件(半H型桥接器包括两个)，命令其开关操作以便控制这极性。
通常，举例来说，H型或半H型桥接器可控制用于旋转电机的旋转的能量或控制在LLC类型的谐振电路中循环的能量。
关于图1，如已知，H型桥接器(像半H型桥接器)包括高分支以及低分支。半H型桥接器的另一分支将由H型桥接器控制的电路的端子经由高开关元件Q1连接到H型桥接器的高端子，H型桥接器的高端子连接到电源的高端子，所述高开关元件Q1通常由脉冲宽度调制产生器控制。相反地，半H型桥接器的低分支将由H型桥接器控制的电路的端子经由低开关元件Q2连接到H型桥接器的低端子，H型桥接器的低端子连接到接地，所述低开关元件Q2通常由脉冲宽度调制产生器控制。H型桥接器由接地与H型桥接器的高端子之间的电压Vin供电以传递在系统的输出端处的输出电压Vout。
如还已知，必须防止交叉传导现象(如其由所属领域的技术人员称呼)，其中H型桥接器或半H型桥接器的高和低分支同时开。
为此，已知反相地命令开关。
此外，半H型桥接器的任何开关命令经受停滞时间，在此期间，高和低开关元件都断开。明确地说，目标是为了命令其断开的开关元件在命令其它开关元件的闭合前实际上断开，以便确保不存在交叉传导。
如在目前先进技术中进行的实施停滞时间的一个缺点在于以下事实：所述停滞时间被配置以便确保不出现交叉传导现象。其因此通常冗长且防止增大对应的H型桥接器的开关速度。
另外，如已知，仍然关于图1，半H型桥接器优选地包括允许软开关(即，无损失)或零电压开关(zero voltage switching，简称：ZVS)的开关元件Q1、Q2。所述开关元件Q1、Q2然后由开关(具有并联的所谓的软开关电容Czvs)制成。控制这些电容Czvs的充电和放电以便允许半H型桥接器的软开关。换句话说，完成这些软开关电容Czvs的充电或完全放电有必要允许开关的闭合，具有跨其端子的零或准零电压。
如所已知，在接收到开关命令后，将停滞时间强加于高和低开关元件Q1、Q2，在此期间，所述开关元件都被迫到断开状态。停滞时间使得有可能对电容Czvs充电或放电，使得软开关是可能的。
为了开关臂的开关操作快，所述停滞时间必须尽可能短。
在具有软开关、经频率控制以便控制在直流-直流电压转换器电路(例如，谐振电路)中循环的能量的半H型桥接器的上下文中(像在图1中)，考虑用来确定停滞时间的理想持续时间的参数的数目高。
对于属于图1中示出的电路的类型的电路拓扑，停滞时间的所述持续时间取决于许多电参数和性质，例如，开关频率、在半H型桥接器的输入端处传递的电压Vin或在谐振电路的输出端处的电压Vout等。
在目前先进技术中，停滞时间具有固定持续时间，其对应于无关于以上参数的值始终验证用于软开关的条件的值。因此，在许多情况下，此停滞时间过度地长。
因此存在对于开关臂(例如，半H型桥接器)的开关方法的需要，所述方法允许在每一开关操作期间实施的停滞时间的持续时间的实时调整。
为此，本发明提议测量在半H型桥接器的中点处的电压，且将此电压与高电压阈值或与低电压阈值比较以用于停滞时间的结束的最优实时确定。
发明内容
更具体地说，本发明涉及一种用于电力系统的开关控制方法，所述电力系统包括至少一个频率控制开关臂且意图连接到直流-直流电压转换器电路，所述臂具有连接到所述臂的高端子的包括高开关元件的高分支和连接到所述臂的低端子的包括低开关元件的低分支，和对应于所述高分支、所述低分支与所述直流-直流电压转换器之间的连接点的中点，所述方法包括以下步骤：
在接收到所述至少一个开关臂的开关命令后，开始停滞时间，在此期间，所述高和低开关元件断开，
测量所述中点处的电压，
如果所述开关命令倾向于使所述高分支接通，那么将在所述中点处测量的所述电压与高电压阈值比较，且如果所述开关命令倾向于使所述低分支接通，那么将在所述中点处测量的所述电压与低电压阈值比较，
当在所述中点处测量的所述电压在上升沿上变得高于所述高电压阈值时，或分别，当在所述中点处测量的所述电压在下降沿上变得低于所述低电压阈值时，结束所述停滞时间，且分别闭合所述高或低开关元件。
明确地说，所述电力系统包括与低开关元件并联的至少一个电容，用于跨电力系统的开关元件的端子的软开关。明确地说，每一开关元件包括与开关元件并联的至少一个电容，用于跨电力系统的开关元件的端子的软开关。
根据本发明的方法允许在频率控制开关臂(例如，H型桥接器)中的开关操作后的时间的长度的实时调整，这无关于开关频率或输入电压。
归因于本发明，按较短停滞时间进行软开关操作。本发明特别适于开关臂控制在谐振电路中循环的能量的电力系统的情况，这是因为停滞时间大大地受到开关频率影响。实际上，所述开关频率可传统地按1比3的比率变化，因此停滞时间的持续时间可按高达6比9的比率变化。
根据一个实施例，根据本发明的方法为一种用于控制包括形成频率控制H型桥接器的两个开关臂的电路的开关操作的方法。
根据一个实施例，根据本发明的方法进一步包括用于至少在停滞时间的结束后的预定时间长度期间抑制在中点处测量的电压与高或低电压阈值的比较的步骤。
根据一个实施例，确定高电压阈值和低电压阈值，使得高电压阈值与低电压阈值的总和等于输入电压。
本发明还涉及一种开关控制系统，其包括至少一个频率控制开关臂且意图控制直流-直流电压转换器电路，所述开关臂具有连接到所述臂的高端子的包括高开关元件的高分支和连接到所述臂的低端子的包括低开关元件的低分支，所述开关臂还具有对应于所述高分支、所述低分支与所述直流-直流电压转换器之间的连接点的中点，所述系统还包括控制单元，所述控制单元包括：
用于测量所述中点处的电压的电路，
比较电路，其被配置以倘若开关倾向于使所述高分支接通，那么将在所述中点处测量的所述电压与高电压阈值比较，且倘若开关倾向于使所述低分支接通，那么将在所述中点处测量的所述电压与低电压阈值比较，
在接收到开关命令后，所述控制单元被配置以通过断开所述高和低开关元件来开始停滞时间，且
当在所述中点处的所述电压变得高于所述高电压阈值时，如果所述开关命令倾向于使所述高分支接通，那么通过闭合所述高开关元件来结束所述停滞时间，且
当在所述中点处的所述电压变得低于所述高电压阈值时，如果所述开关命令倾向于使所述低分支接通，那么通过闭合所述低开关元件来结束所述停滞时间。
根据一个实施例，根据本发明的电力系统形成直流-直流电压转换器。
根据一个实施例，根据本发明的电力系统形成谐振电路。
根据一个实施例，根据本发明的电力系统包括抑制电路，其被配置以在停滞时间的结束后的至少预定时间长度期间抑制比较电路。
根据一个实施例，所述控制单元包括两个脉冲宽度调制单稳态产生器，其将开关命令分别传递到臂的高分支和低分支。
根据一个实施例，电力系统包括连接到臂的中点的谐振电路，使得臂控制在所述谐振电路中循环的能量。
有利地，谐振电路为LLC电路。
本发明还涉及一种用于电池的充电器，明确地说，用于电动车或混合机动车，所述充电器包括如以上简要描述的电力系统。
附图说明
在阅读仅作为实例且关于附图提供的以下描述后，将更好地理解本发明。
图1是根据目前先进技术的控制在谐振LLC电路中循环的能量的半H型桥接器的图。
图2示出根据本发明的用于在半H型桥接器中的开关后自动确定停滞时间的结束的方法的图。
图3是相对于图2示出在中点处的电压的演变与半H型桥接器的开关命令之间的相关性的图。
图4是实施本发明的实例电力系统的图。
图5是使得有可能进行本发明的实例控制单元的框图。
附图标号说明
Vin：输入电压；
Q1：高开关元件；
Q2：低开关元件；
Coss：杂散电容；
Czvs、Czvs1、Czvs2：软开关电容；
Trf：变压器；
Vout：输出电压；
DCDC：直流-直流电压转换器电路；
PWM_H、PWM_L：单稳态脉冲宽度调制产生器；
Vzvs：电压；
Vth_H：高电压阈值；
Vth_L：低电压阈值；
COMP：比较电路；
L：抑制电路；
Fs_reg：开关频率；
Iref：参考电流；
PI：比例积分电路；
LT：持续时间；
DT：停滞时间；
A：电压源；
H：半H型桥接器；
LLC：谐振电路；
RD：整流器；
HS、LS：输出/命令；
Cr/2：谐振电容；
Lm：磁化电感；
Lr：谐振电感；
CMD：控制单元。
具体实施方式
回想到本发明在以下是使用不同非限制性实施例描述的，且可在所属领域的技术人员的能力范围内以本发明还目标针对的替代方案来实施。
图2示出根据本发明的实例方法和实例电力系统的操作的图。
图2的电力系统包括开关臂，其形成半H型桥接器，连接到直流-直流电压转换器电路DCDC。所述半H型桥接器具有连接到半H型桥接器的高端子的包括高开关元件Q1的高分支，和连接到臂的低端子的包括低开关元件Q2的低分支。半H型桥接器的中点对应于高分支、低分支与直流-直流电压转换器电路DCDC之间的连接点。
换句话说，半H型桥接器(在图2中标为H)通过高和低开关元件Q1、Q2的开关操作控制在直流-直流电压转换器电路(在图2中标为DCDC)中循环的能量。
根据图2的实施例，直流-直流电压转换器电路DCDC被电隔离，且包括在初级线圈处的谐振电路LLC和在次级线圈处的整流器RD，在初级线圈与次级线圈之间具有变压器Trf。在图2示出的实施例中，变压器Trf还包含初级线圈的磁化电感。
电压Vin在直流-直流电压转换器电路DCDC的输入端处传递，且后者将输出电压Vout作为输出传递。
在半H型桥接器中，高和低开关元件Q1、Q2的开关操作受频率控制，明确地说，使用反相命令的两个单稳态脉冲宽度调制产生器PWM_L、PWM_H。一个脉冲宽度调制产生器PWM_H使得命令高开关元件Q1有可能，且另一脉冲宽度调制产生器PWM_L使得命令低开关元件Q2有可能。
根据图2的实施例，开关元件Q1、G2[sic]还各中有降具有并联连接的软开关电容Czvs1、Czvs2。
如先前所描述，停滞时间的理想长度对应于在开关元件Q1、Q2的开关期间确保在零或准零电压下进行开关元件到闭合状态的切换所必要的最小时间。
如先前所提到，停滞时间的理想持续时间取决于许多电参数和性质。举例来说，在图2示出的电力系统的情况下，时间的理想持续时间取决于软开关电容Czvsl、Czvs2的值、杂散电容Coss1、Coss2的值、输入电压Vin、开关频率Fs、磁化电感Lm的值、输出电压Vout或变压器Trf的变压比N。
停滞时间的理想长度的大可变性使实施在每一开关操作前实时地预确定时间长度的解决方案过度复杂。
根据本发明，然而，停滞时间的长度是基于在对应于高分支、低分支与直流-直流电压转换器电路DCDC之间的连接点的中点处的电压的测量值实时地调整。
当低开关元件闭合且高开关元件断开时，在中点处的电压的值理论上等于0，且相反地，当高开关元件闭合且低开关元件断开时，在中点处的电压理论上等于Vin。换句话说，在半H型桥接器的开关期间，分别取决于闭合的是低开关元件且断开的高开关元件还是相反，在中点处的电压趋向于0或趋向于Vin。
根据本发明，当接收到开关命令时，其被提供以开始停滞时间，在此期间，命令高和低开关元件Q1、Q2到断开状态。
在上升沿，即，当命令的开关需要闭合高开关元件Q1且断开低开关元件Q2时，当在中点处的电压变得高于高电压阈值时，停滞时间结束。然后将高开关元件命令到接通状态。在下降沿，即，当命令的开关需要闭合低开关元件Q2且断开高开关元件Q1时，当在中点处的电压变得低于低电压阈值时，停滞时间结束。
换句话说，仍然关于图2，本发明包括测量在对应于高分支、低分支与直流-直流电压转换器电路DCDC之间的连接点的中点处的电压Vzvs。在接收到半H型桥接器的开关命令后，停滞时间DT开始。在所述停滞时间DT期间，脉冲宽度调制产生器PWM_H和PWM_L都命令高和低开关元件Q1、Q2到断开状态。
使用比较电路COMP，在命令的开关需要闭合高开关元件Q1且断开低开关元件Q2的情况下，将所述电压Vzvs与高电压阈值Vth_H比较，或在命令的开关需要闭合低开关元件Q2且断开高开关元件Q1的情况下，将所述电压Vzvs与低电压阈值Vth_L比较。
根据一个实施例，高Vth_H和低Vth_L电压阈值的值是基于输入电压Vin实时地定义，明确地说，通过软件。明确地说，优选地，Vth_L+Vth_H＝Vin。举例来说，在Vin＝400V的情况下，高电压阈值可等于390V，且低电压阈值可等于10V。
明确地说，高阈值Vth_H具有大于或等于0.9.Vin且小于或等于输入电压Vin的值，且低阈值Vth_L具有大于或等于0且小于或等于0.1.Vin的值。
换句话说，当接收到开关命令时，迫使高和低开关元件Q1、Q2到断开状态且停滞时间DT开始。接下来，如果在中点处的电压Vzvs变得高于上升沿上的高电压阈值Vth_H，那么迫使脉冲宽度调制产生器PWM_H的输出到高状态；结果，停滞时间结束且高开关元件Q1闭合。相反地，如果在中点处的电压Vzvs变得低于下降沿上的低电压阈值Vth_L，那么迫使脉冲宽度调制产生器PWM_L的输出到高状态；结果，停滞时间结束且低开关元件Q2闭合。
根据一个实施例，可提供抑制电路L，其允许在预定时间长度期间抑制在中点处测量的电压Vzvs与高Vth_H或与低电压阈值Vth_L的比较。所述预定时间长度取决于谐振电路的开关频率。举例来说，对于100kHz的开关频率，其可为约1μs。此抑制电路(也被称为“锁存电路”)的存在是任选但合乎需要的。抑制电路L使得避免当达到设定点(即，Vin或0)时在中点处的电压Vzvs的振荡的效应有可能，使得有可能避免将打断电力系统的操作的潜在电流反馈。
由抑制电路强加的命令的抑制的持续时间通常大致从对应于半H型桥接器的开关频率的周期的1/10到1/5。明确地说，抑制开始于停滞时间的结束。
根据一个实施例，抑制电路由软件产生。
图2中示意性地示出的调节电路REG包括比例积分电路PI以从参考电流Iref与在直流-直流电压转换器电路DCDC的输出端处测量的电流之间的比较给脉冲宽度调制产生器PWM_L、PWM_H提供开关频率Fs_reg。从导自调节电路REG的所述开关频率Fs_reg和基于中点处的电压Vzvs导自抑制电路的命令，脉冲宽度调制产生器PWM_H、PWM_L命令高和低开关元件Q1、Q2的状态。
图3示出在中点处的电压的演变与半H型桥接器的开关命令之间的相关性，所述命令明确地说是从脉冲宽度调制产生器PWM_H、PWM_L导出。
图3中的图示出在上升沿上，当电压Vzvs变得高于高电压阈值Vth_H时，开关命令针对脉冲宽度调制产生器PWM_H切换到高状态，且针对脉冲宽度调制产生器PWM_L切换到低状态。所述切换对应于在持续时间LT期间停滞时间DT的结束，和由抑制电路L进行的命令的抑制的开始。
在下降沿上，当电压Vzvs变得低于低电压阈值Vth_L时，开关命令针对脉冲宽度调制产生器PWM_L切换到高状态，且针对脉冲宽度调制产生器PWM_H切换到低状态。所述切换对应于在持续时间TL期间停滞时间DT的结束，和由抑制电路L进行的命令的抑制的开始。
在两个情况下，在上升沿和下降沿上，且明确地说，无关于开关频率，实时地最优调整时间。
图4示出具有电压源A作为输入的电力系统的实例，所述电压源在半H型桥接器(在图4中参考H)的高输入端子与低输入端子之间传递电压Vin，所述半H型桥接器命令包含谐振电路LLC和整流器RD的直流-直流电压转换器电路，所述直流-直流电压转换器传递电压Vout，作为电力系统的输出。
隔离谐振电路LLC。在初级线圈处，其包含谐振电容Cr/2和谐振电感Lr；变压器Trf的磁化电感充当第二谐振电感。在次级线圈处，整流器RD包括二极管，但其可包括开关。变压器Trf连接于初级线圈与次级线圈之间。
谐振电感Lr与变压器Trf在连接于臂H的中点与电容Cr/2的中点之间的分支中串联。电容Cr/2又分别连接于其中点与电力系统的高端子和低端子之间。然而，谐振电路可不同。举例来说，其可包括与谐振电感Cr和变压器Trf串联的单个谐振电容Cr，所述分支包括其连接于开关Q1、Q2的中点与臂的低端子之间。
在对应于半H型桥接器的高分支、其低分支与直流-直流电压转换器电路DCDC之间的连接点的中点处测量电压Vzvs。
半H型桥接器包括连接于所述半H型桥接器的高端子与中点之间的高开关元件Q1，和连接于所述半H型桥接器的低端子与中点之间的低开关元件Q2。高和低开关元件Q1、Q2具有并联连接到其相应端子的软开关电容Czvsl、Czvs2。
基于图5中示出的控制单元的输出HS、LS，命令所述高和低开关元件Q1、Q2。
图5中示出的控制单元包括用于测量中点处的电压Vzvs的电路和传递开关频率Fs_reg的调节电路。当接收到开关命令时，迫使高和低开关元件到断开状态所在期间的停滞时间开始。比较电路将在中点处测量的电压Vzvs与高或低电压阈值比较以确定停滞时间的结束。抑制电路L抑制在预定时间长度(通常包括在对应于开关频率的周期的1/10与1/5之间)期间的命令。
取决于开关频率Fs_reg和比较和抑制电路的输出，脉冲宽度调制产生器PWM_L、PWM_H将命令LS、HS(高状态或低状态)分别传递到高开关元件Q1和低开关元件Q2。

Claims (11)

1.一种用于电力系统的开关控制方法，所述电力系统包括至少一个频率控制开关臂(H)且意图连接到直流-直流电压转换器电路(DCDC)，所述臂(H)具有包括连接到所述臂的高端子的高开关元件(Q1)的高分支和包括连接到所述臂的低端子的低开关元件(Q2)的低分支，和对应于所述高分支、所述低分支与所述直流-直流电压转换器(DCDC)之间的连接点的中点，所述方法包括以下步骤：
在接收到所述至少一个开关臂的开关命令后，开始停滞时间(DT)，在所述停滞时间的期间，所述高和低开关元件(Q1、Q2)断开，
测量所述中点处的电压(Vzvs)，
如果所述开关命令倾向于使所述高分支接通，将在所述中点处测量的所述电压(Vzvs)与高电压阈值(Vth_H)比较，或如果所述开关命令倾向于使所述低分支接通，将在所述中点处测量的所述电压(Vzvs)与低电压阈值(Vth_L)比较，
当在所述中点处测量的所述电压(Vzvs)在上升沿上变得高于所述高电压阈值(Vth_H)时，或分别，当在所述中点处测量的所述电压(Vzvs)在下降沿上变得低于所述低电压阈值(Vth_L)时，结束所述停滞时间(DT)，且分别闭合所述高或低开关元件(Q1、Q2)。
2.根据权利要求1所述的开关控制方法，用于控制包括形成频率控制H型桥接器的两个开关臂的电路的开关操作。
3.根据权利要求1到2任一所述的开关控制方法，进一步包括用于至少在所述停滞时间(DT)的结束后的预定时间长度(LT)期间抑制在所述中点处测量的所述电压(Vzvs)与高电压阈值或低电压阈值(Vth_H、Vth_L)的所述比较的步骤。
4.根据权利要求3所述的开关控制方法，其中确定所述高电压阈值(Vth_H)和所述低电压阈值(Vth_L)使得所述高电压阈值(Vth_H)与所述低电压阈值(Vth_L)的总和等于输入电压(Vin)。
5.一种开关控制系统，其包括至少一个频率控制开关臂且意图控制直流-直流电压转换器电路，所述开关臂具有包括连接到所述臂的高端子的高开关元件(Q1)的高分支和包括连接到所述臂的低端子的低开关元件(Q2)的低分支，所述开关臂还具有对应于所述高分支、所述低分支与所述直流-直流电压转换器(DCDC)之间的连接点的中点，所述开关控制系统还包括控制单元(CMD)，所述控制单元包括：
用于测量所述中点处的电压(Vzvs)的电路，
比较电路(COMP)，其被配置以倘若开关倾向于使所述高分支接通，将在所述中点处测量的所述电压(Vzvs)与高电压阈值(Vth_H)比较，或倘若开关倾向于使所述低分支接通，将在所述中点处测量的所述电压(Vzvs)与低电压阈值(Vth_L)比较，
在接收到开关命令后，所述控制单元(CMD)被配置以通过断开所述高开关元件和所述低开关元件(Q1、Q2)来开始停滞时间(DT)，且
当在所述中点处的所述电压(Vzvs)变得高于所述高电压阈值(Vth_H)时，如果所述开关命令倾向于使所述高分支接通，通过闭合所述高开关元件(Q1)来结束所述停滞时间(DT)，且
当在所述中点处的所述电压(Vzvs)变得低于所述低电压阈值(Tth_L)时，如果所述开关命令倾向于使所述低分支接通，通过闭合所述低开关元件(Q2)来结束所述停滞时间(DT)。
6.根据权利要求5所述的开关控制系统，形成直流-直流电压转换器(DCDC)。
7.根据权利要求5到6任一所述的开关控制系统，包括抑制电路(L)，其被配置以在所述停滞时间(DT)的结束后的至少预定时间长度期间抑制所述比较电路。
8.根据权利要求7所述的开关控制系统，其中所述控制单元包括两个脉冲宽度调制单稳态产生器(PWM_H、PWM_L)，其将开关命令分别传递到所述臂的所述高分支和所述低分支。
9.根据权利要求7所述的开关控制系统，包括连接到所述臂的所述中点的谐振电路(LLC)，使得所述臂控制在所述谐振电路(LLC)中循环的能量。
10.根据权利要求9所述的开关控制系统，其中所述谐振电路为LLC电路。
11.一种用于电池的充电器，用于电动车或混合机动车，其包括根据权利要求7所述的开关控制系统。
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