CN110557019A - 交错式可变电压转换器 - Google Patents

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葛宝明
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Abstract

本公开提供“交错式可变电压转换器”。交错式DC‑DC转换器包括具有第一、第二和第三绕组的无间隙耦合电感器。所述转换器还包括并联的第一、第二和第三桥臂。所述第一桥臂具有碳化硅或氮化硅开关，而所述第二和第三桥臂具有硅开关。控制器以大于所述第二和第三桥臂的所述开关的频率的频率来调制所述第一桥臂的所述开关。

Description

交错式可变电压转换器
技术领域
本申请总体上涉及一种用于车辆动力传动系统的可变电压转换器。
背景技术
包括混合牵引电动车辆(HEV)、插电式混合牵引电动车辆(PHEV)以及电池电动车辆(BEV)的电动化车辆依赖于牵引电池以向牵引马达供电以便推进，并且依赖于它们之间的功率逆变器以将直流(DC)功率转换为交流(AC)功率。典型的AC牵引马达是3相马达，所述马达可以由3个正弦信号供电，每个正弦信号以120度相分离进行驱动。牵引电池被配置为在特定电压和电流范围内操作。牵引电池可选地被称为高压电池。在车辆操作期间，电动车辆动力传动系统中的高压部件可能承受包括过电流或短路状况的应力。
而且，许多电动化车辆包括DC-DC转换器(也被称为可变电压转换器(VVC))以将牵引电池的电压转换为电机的工作电压电平。电机可能要求高电压和高电流。由于电压、电流以及开关需要，诸如绝缘栅双极晶体管(IGBT)等固态开关通常用在功率逆变器和VVC中。类似地，DC-DC转换器的部件可能承受包括过电流或短路状况的应力。
发明内容
动力传动系统包括交错式DC-DC转换器，其具有并联的第一、第二和第三桥臂以及具有第一、第二和第三绕组的无间隙耦合电感器。所述第一桥臂具有碳化硅或氮化硅开关。所述第二和第三桥臂具有硅开关。控制器以大于所述第二和第三桥臂的所述开关的频率的频率来调制所述第一桥臂的所述开关。
车辆动力传动系统包括电池和DC-DC功率转换器。所述功率转换器包括：并联耦合的第一、第二和第三桥臂；DC电感器，其耦合在所述电池与所述第一、第二和第三桥臂之间；以及AC无间隙耦合电感器，其具有耦合在所述DC电感器与所述第一、第二和第三桥臂之间的第一、第二和第三绕组。
车辆动力传动系统包括功率转换器和控制器。所述功率转换器包括无间隙耦合电感器以及第一、第二和第三桥臂。所述第一桥臂具有碳化硅或氮化硅开关，而所述第二和第三桥臂具有硅开关。所述控制器以大于所述第二和第三桥臂的所述开关的频率的频率来调制所述第一桥臂的所述开关。
附图说明
图1是示出了典型传动系和储能部件及其间的可变电压转换器和功率逆变器的的混合动力车辆的图。
图2是车辆可变电压转换器的示意图。
图3是耦合电感器交错式可变电压转换器的示意图。
图4是硅绝缘栅双极晶体管(IGBT)和碳化硅(SiC)金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的负载电流相对于装置电压的图形图示。
图5是耦合电感器三桥臂交错式可变电压转换器的示意图。
图6是用于耦合电感器可变电压转换器的耦合电感器的图形图示。
图7是图5的耦合电感器三桥臂可变电压转换器的特性关于时间的图形图示。
图8是图5的耦合电感器三桥臂可变电压转换器的特性关于时间的图形图示。
图9是图5的耦合电感器三桥臂可变电压转换器中的DC电感器的输出电压关于时间的图形图示。
图10是三绕组耦合电感器的三维透视图。
图11是图10的三绕组耦合电感器的磁路模型的示意图。
具体实施方式
本文描述了本公开的实施例。然而，应当理解，所公开的实施例仅仅是示例且其他实施例可以呈现各种和备选形式。附图不一定按比例绘制；一些特征可能被放大或最小化以示出特定部件的细节。因此，本文公开的具体结构和功能细节并不解释为限制性，而仅仅解释为用于教导所属领域技术人员以各种方式采用本发明的代表性基础。如所属领域一般技术人员将理解，参考任何一个附图示出并描述的各个特征可以与一个或多个其他附图中所示的特征相组合以产生未明确示出或描述的实施例。所示特征的组合提供用于典型应用的代表性实施例。然而，特定应用或实现方式可以期望与本公开的教导一致的特征的各个组合和修改。
诸如绝缘栅双极晶体管(IGBT)、金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)或双极结型晶体管(BJT)等固态装置(SSD)通常广泛用于各种汽车和工业应用，诸如电动马达驱动、功率逆变器、DC-DC转换器以及功率模块。IGBT和MOSFET的操作受电压控制，其中所述操作是基于施加到IGBT或MOSFET的栅极的电压，而BJT的操作受电流控制，其中所述操作是基于施加到BJT的基极的电流。在此，将讨论功率装置IGBT和MOSFET的使用，然而所述结构和方法可以适用于其他SSD。IGBT的操作受通过栅极驱动器供应的栅极电压控制。
在此，公开了一种双向三桥臂交错式可变电压转换器，其中两个桥臂以公共频率调制并且彼此异相(例如，第一桥臂与第二桥臂180°异相)并且以大于第一和第二桥臂的频率(例如，以公共频率的2倍或公共频率的3倍)调制第三桥臂。此外，使用两个耦合的AC电感器和DC电感器来帮助减小纹波电流。DC电感器用于产生DC电压升高，而耦合AC电感器用于减小纹波电流。而且，使用异质部件(例如，硅(Si)、碳化硅(SiC)、氮化硅(SiN)以及砷化镓(GaAs))可以用于进一步改善操作，并且可以在不同的桥臂中使用不同的SSD。例如，第一和第二桥臂可以使用IGBT，而第三桥臂可以使用MOSFET或BJT。由于异质部件的配置和用途，一些部件桥臂可以携带比另一桥臂更多的DC电流。例如，使用组合的Si IGBT的第一和第二桥臂可以与使用SiC MOSFET的第三桥臂携带相同的DC电流。
图1描绘了可以被称为插电式混合动力电动车辆(PHEV)的电动化车辆112。插电式混合动力电动车辆112可以包括机械地联接到混合动力变速器116的一个或多个电机114。电机114能够充当马达或发电机。另外，混合动力变速器116机械地联接到发动机118。混合动力变速器116还机械地联接到驱动轴120，所述驱动轴机械地联接到车轮122。当发动机118启动或关闭时，电机114可以提供推进和减速功能。电机114还可以充当发电机，并且可以通过回收通常在摩擦制动系统中作为热量而损耗的能量来提供燃料经济性益处。电机114还可以通过允许发动机118以更高效的速度操作并允许混合动力电动车辆112在发动机118在某些状况下关闭时以电动模式操作来减少车辆排放。电动化车辆112也可以是电池电动车辆(BEV)。在BEV配置中，可以不存在发动机118。在其他配置中，电动化车辆112可以是没有插电功能的全混合动力电动车辆(FHEV)。
牵引电池或电池组124存储可以由电机114使用的能量。车辆电池组124可以提供高压直流(DC)输出。牵引电池124可以电耦合到一个或多个电力电子模块126。一个或多个接触器142可以在断开时将牵引电池124与其他部件隔离，并且在闭合时将牵引电池124连接到其他部件。电力电子模块126还电耦合到电机114，并且提供在牵引电池124与电机114之间双向传递能量的能力。例如，牵引电池124可以提供DC电压，而电机114可以三相交流(AC)操作来起作用。电力电子模块126可以将DC电压转换为三相AC电流以操作电机114。在再生模式中，电力电子模块126可以将来自充当发电机的电机114的三相AC电流转换为与牵引电池124兼容的DC电压。
车辆112可以包括电耦合在牵引电池124与电力电子模块126之间的可变电压转换器(VVC)152。VVC152可以是DC/DC升压转换器，所述DC/DC升压转换器被配置为增加或升高由牵引电池124提供的电压。通过增加电压，可以降低电流需要，导致缩减电力电子模块126和电机114的接线大小。此外，电机114可以更好的效率和更低的损耗来操作。
除了提供用于推进的能量之外，牵引电池124还可以为其他车辆电气系统提供能量。车辆112可以包括DC/DC转换器模块128，所述DC/DC转换器模块将牵引电池124的高压DC输出转换为与低压车辆负载兼容的低压DC电源。DC/DC转换器模块128的输出可以电耦合到辅助电池130(例如，12V电池)以对辅助电池130进行充电。低压系统可以电耦合到辅助电池130。一个或多个电气负载146可以耦合到高压总线。电气负载146可以具有相关联的控制器，所述控制器在适当时操作并控制电气负载146。电气负载146的示例可以是风扇、电加热元件和/或空气调节压缩机。
电动化车辆112可以被配置为从外部电源136对牵引电池124进行再充电。外部电源136可以与电插座连接。外部电源136可以电耦合到充电器或电动车辆供电装备(EVSE)138。外部电源136可以是由电力公共事业公司提供的配电网络或电网。EVSE 138可以提供电路和控件来调节和管理电源136与车辆112之间的能量传递。外部电源136可以向EVSE138提供DC或AC电力。EVSE 138可以具有用于插入车辆112的充电端口134的充电连接器140。充电端口134可以是被配置为将电力从EVSE 138传递到车辆112的任何类型的端口。充电端口134可以电耦合到充电器或车载电力转换模块132。电力转换模块132可以调节从EVSE 138供应的电力以向牵引电池124提供适当的电压和电流电平。电力转换模块132可以与EVSE 138对接以协调向车辆112的电力输送。EVSE连接器140可以具有与充电端口134的对应凹部配合的引脚。可选地，被描述为电耦合或连接的各种部件可以使用无线电感耦合来传递电力。
可以提供一个或多个车轮制动器144以用于使车辆112减速并防止车辆112的运动。车轮制动器144可以是液压致动的、电致动的或者它们的某一组合。车轮制动器144可以是制动系统150的一部分。制动系统150可以包括用于操作车轮制动器144的其他部件。为了简单起见，所述附图描绘了在制动系统150与车轮制动器144之一之间的单个连接。暗示了制动系统150与其他车轮制动器144之间的连接。制动系统150可以包括用于监控和协调制动系统150的控制器。制动系统150可以监控制动部件并控制车轮制动器144以便于车辆减速。制动系统150可以响应于驾驶员命令并且还可以自主地操作以实施诸如稳定性控制等特征。制动系统150的控制器可以实施当由另一个控制器或子功能请求时施加所请求的制动力的方法。
车辆112中的电子模块可以经由一种或多种车辆网络进行通信。车辆网络可以包括用于通信的多个信道。车辆网络的一个信道可以是串行总线，诸如控制器局域网(CAN)。车辆网络的信道中的一者可以包括由电气电子工程师协会(IEEE)802系列标准定义的以太网网络。车辆网络的附加信道可以包括模块之间的离散连接并且可以包括来自辅助电池130的电力信号。可以通过车辆网络的不同信道传递不同的信号。例如，视频信号可以通过高速信道(例如，以太网)传递，而控制信号可以通过CAN或离散信号传递。车辆网络可以包括有助于在模块之间传递信号和数据的任何硬件和软件部件。车辆网络未在图1中示出，但是这可以暗示车辆网络可以连接到存在于车辆112中的任何电子模块。可以存在车辆系统控制器(VSC)148以协调各种部件的操作。
图2描绘了被配置为升压转换器的VVC 152的图。VVC 152可以包括输入端子，所述输入端子可以通过接触器142耦合到牵引电池124的端子。VVC 152可以包括输出端子，所述输出端子耦合到电力电子模块126的端子。可以操作VVC 152以使输出端子处的电压大于输入端子处的电压。车辆112可以包括VVC控制器200，所述VVC控制器监控和控制VVC 152内的各个位置的电气参数(例如，电压和电流)。在一些配置中，VVC控制器200可以被包括作为VVC 152的一部分。VVC控制器200可以确定输出电压参考，VVC控制器200可以基于电气参数和电压参考来确定足以致使VVC 152实现期望的输出电压的控制信号。在一些配置中，控制信号可以被实施为脉冲宽度调制(PWM)信号，其中PWM信号的占空比是变化的。控制信号可以按预定开关频率来操作。VVC控制器200可以使用控制信号来命令VVC 152提供期望输出电压。操作VVC 152的特定控制信号可以与由VVC152提供的电压升高量直接相关。
可以控制VVC 152的输出电压以实现期望参考电压。在一些配置中，VVC 152可以是升压转换器。在其中VVC控制器200控制占空比的升压转换器配置中，输入电压Vin和输出电压Vout以及占空比D之间的理想关系可以使用以下等式来示出：
可以通过测量输入电压(例如，牵引电池电压)并将输出电压设定为参考电压来确定所需占空比D。VVC 152可以是降压转换器，所述降压转换器降低从输入到输出的电压。在降压配置中，可以导出将输入和输出电压与占空比相关的不同表达式。在一些配置中，VVC152可以是升降压转换器，所述升降压转换器可以增加或减小输入电压。本文描述的控制策略不限于特定的可变电压转换器拓扑。
参考图2，VVC 152可以升高或“阶梯升高”由牵引电池124提供的电力的电压电势。牵引电池124可以提供高压(HV)DC电力。在一些配置中，牵引电池124可以提供150伏与400伏之间的电压。接触器142可以串联电耦合在牵引电池124与VVC 152之间。当接触器142闭合时，HV DC电力可以从牵引电池124传递到VVC 152。输入电容器202可以与牵引电池124并联电耦合。输入电容器202可以使总线电压稳定并减小任何电压和电流纹波。VVC 152可以接收HV DC电力，并且根据占空比来升高或“阶梯升高”输入电压的电压电势。
输出电容器204可以电耦合在VVC 152的输出端子之间。输出电容器204可以使总线电压稳定并减小VVC 152的输出处的电压和电流纹波。
进一步参考图2，VVC 152可以包括第一开关装置206和第二开关装置208以升高输入电压以提供升高的输出电压。开关装置206、208可以被配置为选择性地使电流流到电气负载(例如，电力电子模块126和电机114)。每个开关装置206、208可以由VVC控制器200的栅极驱动电路(未示出)单独控制，并且可以包括任何类型的可控开关(例如，绝缘栅双极晶体管(IGBT)或场效应晶体管(FET))。栅极驱动电路可以向开关装置206、208中的每一者提供基于控制信号(例如，PWM控制信号的占空比)的电信号。二极管可以耦合在开关装置206、208中的每一者两端。开关装置206、208可以各自具有相关联的开关损耗。开关损耗是在开关装置的状态改变(例如，开/关和关/开转变)期间发生的那些电力损耗。开关损耗可以通过在转变期间流过开关装置206、208的电流和所述开关装置两端的电压来量化。开关装置还可能具有在装置接通时发生的相关联的传导损耗。
车辆系统可以包括用于测量VVC 152的电气参数的传感器。第一电压传感器210可以被配置为测量输入电压(例如，电池124的电压)，并向VVC控制器200提供对应的输入信号(Vbat)。在一个或多个实施例中，第一电压传感器210可以测量输入电容器202两端的电压，所述电压对应于电池电压。第二电压传感器212可以测量VVC 152的输出电压并向VVC控制器200提供对应的输入信号(VDC)。在一个或多个实施例中，第二电压传感器212可以测量输出电容器204两端的电压，所述电压对应于DC总线电压。第一电压传感器210和第二电压传感器212可以包括将电压缩放到适合于VVC控制器200的电平的电路。VVC控制器200可以包括用于对来自第一电压传感器210和第二电压传感器212的信号进行滤波和数字化的电路。
输入电感器214(通常被称为升压电感器)可以串联电耦合在牵引电池124与开关装置206、208之间。输入电感器214可以在VVC 152中存储和释放能量之间交替以使得能够提供可变电压和电流作为VVC 152的输出与实现期望电压升高。电流传感器216可以测量通过输入电感器214的输入电流并向VVC控制器200提供对应的电流信号(IL)。通过输入电感器214的输入电流可以是VVC 152的输入电压与输出电压之间的电压差、开关装置206、208的导通时间以及输入电感器214的电感L、负载功率的结果。VVC控制器200可以包括用于对来自电流传感器216的信号进行缩放、滤波和数字化的电路。
VVC控制器200可以被编程为控制VVC 152的输出电压。VVC控制器200可以经由车辆网络从VVC 152和其他控制器接收输入并确定控制信号。VVC控制器200可以监控输入信号以确定控制信号。例如，VVC控制器200可以向栅极驱动电路提供与占空比命令相对应的控制信号。然后，栅极驱动电路可以基于占空比命令来控制每个开关装置206、208。
到VVC 152的控制信号可以被配置为以特定的开关频率驱动开关装置206、208。在开关频率的每个周期内，开关装置206、208可以按指定的占空比来操作。占空比定义了开关装置206、208处于导通状态和断开状态的时间量。例如，100％的占空比可以使开关装置206、208以连续导通状态操作而没有关断。占空比为0％可以使开关装置206、208以连续断开状态操作而没有接通。占空比为50％可以使开关装置206、208在导通状态下操作一半周期并且在断开状态下操作一半周期。两个开关206、208的控制信号可以是互补的。即，被发送到开关装置中的一者(例如，206)的控制信号可以是被发送到另一开关装置(例如，208)的控制信号的反相形式。期望使用开关装置206、208的互补控制以避免电流直接流过高侧开关装置206和低侧开关装置208的直通状况。高侧开关装置206也被称为传递装置206，而低侧开关装置208也被称为充电装置208。
由开关装置206、208控制的电流可以包括纹波分量，所述纹波分量的大小随着开关装置206、208的占空比和开关频率而变化。纹波电流的大小也与占空比相关。
在设计VVC 152时，可以选择电感器214的开关频率和电感值以满足最大可允许纹波电流大小。纹波分量可以是出现在DC信号上的周期性变化。纹波分量可以由纹波分量大小和纹波分量频率来定义。纹波分量可以具有处于可听频率范围内的谐波，所述谐波可以添加到车辆的噪声特征。此外，纹波分量可能导致难以准确控制由源馈送的装置。在切换瞬间，开关装置206、208可以在最大电感器电流(DC电流加纹波电流)处断开，这可能导致开关装置206、208两端有大的电压尖峰。由于大小和成本限制，可以基于传导电流来选择电感值。通常，随着电流增加，电感可能由于饱和而降低。
可以选择开关频率以在最坏情况场景下限制纹波电流分量的大小。开关装置206、208的开关频率可以被选择为大于马达/发电机逆变器的开关频率(例如，5kHz)的频率(例如，10kHz)，所述马达/发电机逆变器耦合到VVC 152的输出。在一些应用中，VVC 152的开关频率可以被选择为预定固定频率。通常选择预定固定频率以满足噪声和纹波电流规范。然而，预定固定频率的选择可能无法在VVC 152的所有工作范围内提供最佳性能。预定固定频率可以在特定的一组工况下提供最佳结果，但在其他工况下可以是折衷的。
增加开关频率可以减小纹波电流大小，但是可能会导致更高的开关损耗。尽管可以针对最坏情况纹波状况选择开关频率，但是VVC152可以仅在最坏情况纹波状况下操作持续一小部分总操作时间。这可能导致不必要的高开关损耗，从而可能降低燃料经济性。另外，固定开关频率可以将噪声频谱集中在非常窄的范围内。在该窄的范围内增加的噪声密度可能导致明显的噪声、振动和粗糙性(NVH)问题。
VVC控制器200可以被编程为基于占空比和输入电流来改变开关装置206、208的开关频率。开关频率的变化可以通过降低开关损耗来改善燃料经济性并且减少NVH问题，同时在最坏情况工况下保持纹波电流目标。
因为纹波电流也受占空比影响，所以可以基于输入电压与输出电压的比来确定占空比。因此，开关频率也可以基于输入电压与输出电压之间的比而变化。开关频率可以按离散步长改变或者在占空比范围内连续改变。
可变电压转换器(VVC)用于混合动力电动车辆(HEV)和电动车辆(EV)。通常，牵引马达驱动系统的性能通过VVC的升压能力得到增强，所述升压能力将低电池电压阶梯升高到DC总线电压，所述DC总线电压确保所需DC总线电压，而不管马达/发电机驱动消耗或产生何种功率。一些高功率/高电流VVC利用并联配置的转换器的多相输入来扩展电流额定值。图3是交错式VVC 300的示意图。牵引电池302用于为马达/发电机驱动系统304供电。马达/发电机驱动系统304包括至少一个电机，所述电机可以被配置为马达、发电机或马达/发电机。电机经由逆变器与电池302耦合，所述逆变器将电池302的直流(DC)电力转换为交流(AC)电力以驱动马达，或者将来自发电机的AC电力转换为DC电力以对电池302进行充电。在一些实现方式中，使用单独的马达和发电机。电感装置306(即，第一电感器306A和第二电感器306B)耦合到第一桥臂(即，308A和308B)和第二桥臂(即，308C和308D)。交错式可变电压转换器300还包括DC电容器312以提供大容量电容。在该示意图中，电感装置306包括经由芯体电感耦合的第一电感器306A和第二电感器306B，然而在其他实施中，这两个电感器可以不直接电感耦合，反而可以是独立的电感器。由于该系统包括2个桥臂，因此每个桥臂的开关(即，308A、308B、308C和308D)通常被异相驱动以减少纹波。交错式VVC技术的使用通常会减少电池电流纹波。在此，与使用单独的电感器(未示出)相比，可以使用更小的大小/面积来实施耦合的电感器。传统上，这些拓扑结构被配置为使得所有并联的相桥具有相同的开关频率以实现交错式控制。
除了使用交错式VVC配置之外，还可以使用可选部件材料来进一步提高效率。例如，图4是半导体部件的负载电流402关于装置电压404的图形图示400。从该表示中可以看出硅(Si)绝缘栅双极晶体管(IGBT)406与硅化碳(SiC)金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)408的比较。所述比较示出了SiC-MOSFET相对于Si-IGBT的优势，所述优势包括更高的开关频率、更低的开关功率损耗、更高的工作温度以及更高的击穿电压。关于传导损耗，图4示出了SiC-MOSFET和类似的Si-IGBT的I-V曲线。当漏极电流小于Id_1 410时，SiC-MOSFET 408具有比Si-IGBT 406的漏源电压更低的漏源电压。因此，当电流小于阈值电流410时，SiC-MOSFET可以具有比Si-IGBT更低的传导损耗。该特征允许基于SiC-MOSFET的转换器比基于Si-IGBT的转换器具有更高的效率和更小的体积。
然而，如图4中所示，当漏极电流超过电流阈值410时，SiC-MOSFET 408可以具有比Si-IGBT 406的漏源电压更高的漏源电压。结果，当电流高于阈值410时，SiC-MOSFET 408可以具有比Si-IGBT 406更高的传导损耗。因此，有利的是以小于阈值410的电流电平来操作SiC-MOSFET以实现低传导损耗，并且以大于阈值410的电流电平来操作Si-IGBT。另一方面是成本，因为SiC-MOSFET通常比Si-IGBT更昂贵。
通常系统使用均质部件材料(即，所有半导体装置都使用相同的基材(即，硅/Si))。在此，公开了使用异质部件材料的系统(即，半导体装置使用不同的基材(即，硅/Si、碳化硅/SiC))。
在此示出了Si-IGBT/SiC-MOSFET混合/异质VVC，它在Si-IGBT和SiC-MOSFET的性能和成本之间进行权衡。具体地，混合VVC利用SiC-MOSFET的高开关频率能力来减小诸如电感器和电容器等无源部件大小，并且SiC装置的低损耗有助于实现高效率。在混合VVC中部分地使用SiC装置和Si-IGBT在性能与成本之间取得平衡。为了优化混合VVC的性能，可以采用不同的开关频率来最佳地利用SiC MOSFET和Si-IGBT的优点。
图5是耦合电感器三桥臂交错式可变电压转换器500的示意图。牵引电池502用于为马达/发电机驱动系统504供电。马达/发电机驱动系统504包括至少一个电机，所述电机可以被配置为马达、发电机或马达/发电机。电机经由逆变器与电池502耦合，所述逆变器将电池502的直流(DC)电力转换为交流(AC)电力以驱动马达，或者将来自发电机的AC电力转换为DC电力以对电池502进行充电。在一些实现方式中，使用单独的马达和发电机。电感装置506(即，第一电感器506A、第二电感器506B和第三电感器506C)耦合到第一桥臂(即，510A和510B)、第二桥臂(即，508A和508B)以及第三桥臂(即，508C和508D)。三桥臂交错式可变电压转换器500还包括DC电容器511以提供电容。在该示意图中，电感装置506包括所有DC电流所流过的第一电感器506A、第二电感器506B和第三电感器506C。
图5可以异质地实施，其中开关S1 510A和S2 510B是SiC-MOSFET，而开关S3 508A至S6 508D是Si-IGBT。S3 508A和S4 508B的相桥、S5 508C和S6 508D的相桥以及S1 510A和S2 510B的相桥通过与Ldc 512串联的三相耦合电感器Lac(即，506A、506B和506C)并联连接到DC总线。S1 510A和S2 510B的相桥携带电流I1。S3 508A至S6 508D的其他两个相桥携带流过电感器506B的电流I2和流过电感器506C的电流I3。结果，与全SiC VVC实现方式相比，SiC-MOSFET和Si-IGBT的组合提供了更低的总VVC成本。另外，使用SiC-MOSFET的相桥来携带输入电流的一部分(即，电池电流)可以被配置为将SiC装置电流限制到小于阈值点410并减少操作期间的传导损耗。图5可以被配置为使得SiC MOSFET的高开关频率能力可以用于减小电感器大小。例如，可以使用20kHz的SiC MOSFET开关频率，而Si-IGBT的10kHz开关频率用于降低IGBT损耗。
图6示出了耦合电感器，所述耦合电感器在芯体中具有气隙以处理DC通量分量。使用气隙耦合电感器允许移除图5中所示的dc电感器Ldc512。可以通过在芯体中添加实际“气隙”或通过使用不同芯体材料添加虚拟“气隙”来实施气隙。一个示例可以是当与绕组604、606和608相关联的三个外桥臂使用铁氧体芯体，而公共桥臂602使用粉末铁芯。铁氧体芯体的磁导率比粉末铁芯高几百倍。然而，使用气隙设计导致耦合电感器的大小大于无气隙的耦合电感器。图10示出了无气隙的耦合电感器设计。当使用图10的耦合电感器时，应包括图5中所示的dc电感器Ldc。
图7是图5的耦合电感器三桥臂可变电压转换器的特性(例如，调制方法)关于时间710的图形图示700。所述特性包括载波波形振幅702以及第一桥臂低侧开关栅极电压704、第二桥臂低侧开关栅极电压706以及第三桥臂低侧开关栅极电压708。关于时间710绘制第一载波716、第二载波714以及第三载波712，每个载波具有基于载波波形振幅702的大小。第一载波716与第一桥臂(即，510A和510B)相关联，第二载波714与第二桥臂(即，508A和508B)相关联，而第三载波712与第三桥臂(即，508C和508D)相关联。
图7是用于三桥臂交错式VVC(例如，图5的VVC)的示例性调制方法。在此，第一载波716(c_1)是频率为2fw的SiC-MOSFET相桥的载波，第二载波714和第三载波712(即，c_2和c_3)是频率都为fw的Si-IGBT相桥的载波。当第三载波712(c_3)用作基波时，第二载波714(c_2)具有180°相移，并且第一载波716(c_1)在频率为2fw时也有180°相移。当参考信号ref与第一载波716、第二载波714以及第三载波712(c_1、c_2以及c_3)进行比较时，至少一个控制器产生用于SiC-MOSFET相桥的栅极驱动信号S_2 704、用于两个IGBT相桥的S_4 706和S_6708。控制器可以根据由等式2表达的关系来将占空比D设定为等于1-ref以确保VVC从电池电压Vb升高输出电压Vdc
其中等式3表达图5中的电压VO
图8是类似于图5的实施例的耦合电感器三桥臂可变电压转换器的特性(例如，调制方法)关于时间810的图形图示800。用于该调制方法的图5的实施例可以异质地实施，其中开关S1 510A和S2 510B是SiC-MOSFET，而开关S3 508A至S6 508D是Si-IGBT或其他组合。而且，用于该调制方法的图5的实施例可以具有均质开关，例如，所有开关508和510都可以是Si IGBT，或者所有开关508和510都可以是SiC MOSFET。所述特性包括载波波形振幅802以及第一桥臂低侧开关栅极电压804、第二桥臂低侧开关栅极电压806以及第三桥臂低侧开关栅极电压808。关于时间810绘制第一载波816、第二载波814以及第三载波812，每个载波具有基于载波波形振幅802的大小。第一载波816与第一桥臂(即，510A和510B)相关联，第二载波814与第二桥臂(即，508A和508B)相关联，而第三载波812与第三桥臂(即，508C和508D)相关联。
图8是用于三桥臂交错式VVC(例如，图5的VVC)的示例性调制方法。在此，第一载波816(c_1)与第二载波814和第三载波812(即，c_2和c_3)的频率相同。该调制方法可以用于其中所有相桥都是SiIGBT或SiC MOSFET的均质系统以及用于其中开关S1 510A和S2 510B是SiC-MOSFET而开关S3 508A至S6 508D是Si-IGBTs的异质系统。因为载波全部都具有公共频率(fw)，所以载波816(c_1)、814(c_2)和812(c_3)中的每一者具有120°相移。当参考信号ref与第一载波816、第二载波814以及第三载波812(c_1、c_2以及c_3)进行比较时，至少一个控制器产生用于三个开关相桥的栅极驱动信号S_2 804、S_4 806和S_6 808。控制器可以根据由上述等式2表达的关系来将占空比D设定为等于1-ref以确保VVC从电池电压Vb升高输出电压Vdc。其中图5中的电压VO的频率为3fw。
图9是图5的耦合电感器交错式三桥臂可变电压转换器的特性900关于时间的图形图示。所述特性包括输入和输出电压902(Vb和Vdc)、DC电池电流904、DC电流906(相电流i1、i2和i3以及电池电流ibat)、桥臂电压908(V1、V2和V3)以及dc电感器输出电压910 Vo。
在此所示的调制方法是转换器参数Ldc＝30μH、Lac＝120μH、Cdc＝1000μF、Vb＝240V。通过将占空比设定为D＝0.631，DC总线电压从输入电池电压240V升高至650V。输入功率大约为78kW，从而提供负载马达的需求功率。开关频率为10kHz。DC总线电压Vdc大约为650V，其中电池电流ibat是电池电压Vb为240V下大约325A平均值。如图9中所示，DC总线电压Vdc是650V，电池电流ibat在电池电压Vb为240V时呈现325A平均值。图9示出了纹波电流ibat、i1、i2和i3。图9示出了三个相桥的输出电压V1、V2和V3。图9示出了三相耦合电感器Lac的输出电压VO。可以看出，纹波电流i1、i2和i3是88A峰峰值，但是它们相互抵消，因此电池电流示出24A峰峰值纹波，这有了大幅减小。从图9中，电压VO的脉冲的频率为30kHz，它是开关频率10kHz的三倍。而且，电压VO的峰值远低于DC总线电压650V。这两点对减小图5中的DC电感器Ldc有很大贡献。
图10是用于耦合电感器交错式可变电压转换器的三绕组耦合电感器1000的三维透视图。三绕组耦合电感器1000包括第一绕组1004、第二绕组1006和第三绕组1002，每个绕组缠绕在芯体1008的桥臂上。芯体可以是铁磁材料，诸如含铁金属、镍、钴或锡。所述配置使得在一个桥臂中感应的通量抵消另外两个桥臂中的通量。在绕组1004两端施加电压V1形成来自流过芯体1008的电流i1的通量Ф1，以抵消来自电流i2和i3的基于电压V2和V3的通量Ф2和Ф3。
图11是图10的三绕组耦合电感器的磁路模型的示意图。每个桥臂具有相应的磁阻Rm 1102(例如1102A、1102B和1102C)、磁通势1104(例如1104A、1104B和1104C)和通量Ф(例如Ф1、Ф2和Ф3)。该电路示意性地示出了在一个桥臂中感应的通量抵消了另外两个桥臂中的通量。芯体通量Ф1、Ф2和Ф3中没有DC通量分量，所述芯体通量仅具有由电流纹波i1、i2和i3产生的高频通量。这一点使芯体大小减小并消除气隙。
图10是用于耦合电感器交错式可变电压转换器的耦合电感器1000的图形图示。来自图5的耦合电感器Lac(即，506A、506B和506C)被配置为使得芯体没有气隙。图10示出了电池电流Ibat，它们分流到耦合电感器(506A、506B和506C)中的每一者，每个耦合电感器具有相同的DC分量，因此不会在耦合电感器Lac芯体1008内部形成DC通量分量，所述耦合电感器Lac芯体仅处理来自通过每个绕组(506A、506B和506C)的电流纹波的高频通量分量。因此，芯体中不需要气隙。结果，与间隙式电感器相比，芯体大小和绕组线匝可以减小以实现相同的电感。
由控制器执行的控制逻辑或功能可以由一个或多个附图中的流程图或类似图来表示。这些附图提供了可以使用一个或多个处理策略(诸如事件驱动、中断驱动、多任务、多线程等)来实施的代表性控制策略和/或逻辑。因此，所示的各种步骤或功能可以所示顺序执行、并行地执行，或者在某些情况下被省略。尽管没有总是明确示出，但是所属领域普通技术人员将认识到，可以取决于所使用的特定处理策略而重复执行所示步骤或功能中的一者或多者。类似地，处理顺序不一定是实现本文描述的特征和优点所必需的，而是为了便于说明和描述而提供的。控制逻辑可以主要在由基于微处理器的车辆、发动机和/或动力传动系统控制器(诸如控制器)执行的软件中实施。当然，取决于特定应用，控制逻辑可以在一个或多个控制器中以软件、硬件或软件与硬件的组合来实施。当在软件中实施时，控制逻辑可以在存储有数据的一个或多个计算机可读存储装置或介质中提供，所述数据表示由计算机执行以控制车辆或其子系统的代码或指令。计算机可读存储装置或介质可以包括多种已知物理装置中的一者或多者，所述物理装置利用电子、磁性和/或光学存储装置来保存可执行指令和相关联的校准信息、操作变量等。
本文所公开的过程、方法或算法可以提供给处理装置、控制器或计算机(可以包括任何现有的可编程电子控制单元或专用电子控制单元)/由其实施。类似地，所述过程、方法或算法可以被存储为可由控制器或计算机执行的呈许多形式的数据和指令，所述形式包括(但不限于)持久地存储在诸如只读存储器(ROM)装置等不可写存储介质上的信息以及可变地存储在诸如软盘、磁带、光盘(CD)、随机存取存储器(RAM)装置以及其他磁性和光学介质等可写存储介质上的信息。所述过程、方法或算法还可以在软件可执行对象中实施。可选地，所述过程、方法或算法可以全部或部分使用合适的硬件部件(诸如专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、状态机、控制器或其他硬件部件或装置)或硬件、软件和固件部件的组合来实施。
尽管上文描述了示例性实施例，但是并不希望这些实施例描述由权利要求涵盖的所有可能形式。用在说明书中的词汇是描述性词汇，而不是限制性的词汇，并且应当理解，在不脱离本公开的精神和范围的情况下可以作出各种改变。如先前所述，各种实施例的特征可以组合以形成可以不明确描述或示出的本发明的进一步实施例。尽管各种实施例就一个或多个所需特性而言可能已经被描述为提供优点或优于其他实施例或现有技术实现方式，但是所属领域一般技术人员认识到，可以折衷一个或多个特征或特性以实现所需整体系统属性，这取决于具体应用和实现方式。这些属性可以包括但不限于成本、强度、耐用性、生命周期成本、市场适销性、外观、包装、大小、服务能力、重量、可制造性、易组装性等。因此，就一个或多个特性而言，被描述为期望性不及其他实施例或现有技术实现方式的实施例不在本公开的范围之外并且对于特定应用可以为所期望的。
根据本发明，提供了一种动力传动系统，所述动力传动系统具有：交错式DC-DC转换器，其包括无间隙耦合电感器，所述无间隙耦合电感器具有第一、第二和第三绕组，以及并联的第一、第二和第三桥臂，所述第一桥臂具有碳化硅或氮化硅开关，而所述第二和第三桥臂具有硅开关；以及控制器，其被配置为以大于所述第二和第三桥臂的所述开关的频率的频率来调制所述第一桥臂的所述开关。
根据实施例，所述控制器还被配置为将所述第二桥臂的所述开关调制为与所述第三桥臂的所述开关异相180度。
根据实施例，所述第一桥臂的DC电流纹波的大小是所述第二或第三桥臂的DC电流纹波的大小的一半。
根据实施例，本发明的特征还在于DC电感器，其中所述无间隙耦合电感器是AC电感器。
根据实施例，所述无间隙耦合电感器被配置为使得来自所述第一绕组的第一DC通量抵消来自所述第二绕组的第二DC通量或来自所述第三绕组的第三DC通量。
根据实施例，所述硅开关是绝缘栅双极晶体管，而所述碳化硅或氮化硅开关是金属氧化物半导体场效应晶体管。
根据本发明，提供了一种车辆动力传动系统，所述车辆动力传动系统具有电池和DC-DC功率转换器，所述DC-DC功率转换器包括：并联耦合的第一、第二和第三桥臂；DC电感器，其耦合在所述电池与所述第一、第二和第三桥臂之间；以及AC无间隙耦合电感器，其具有耦合在所述DC电感器与所述第一、第二和第三桥臂之间的第一、第二和第三绕组。
根据实施例，本发明的特征还在于控制器，所述控制器被配置为将所述第二桥臂的开关调制为与所述第三桥臂的开关异相，并以大于所述第二和第三桥臂的频率的频率调制所述第一桥臂的开关。
根据实施例，所述控制器还被配置为以所述第二和第三桥臂的所述频率的两倍调制所述第一桥臂的开关，使得所述第三桥臂的最大载波与所述第一桥臂的最大载波重合并且与所述第二桥臂相反。
根据实施例，所述控制器还被配置为以所述第一桥臂的所述频率的三倍调制所述第三桥臂的开关，使得所述第三桥臂的最大载波与所述第一和第二桥臂的最大载波重合。
根据实施例，所述第一桥臂包括碳化硅或氮化硅开关，而所述第二和第三桥臂包括硅开关。
根据实施例，所述硅开关包括绝缘栅双极晶体管，而所述碳化硅或氮化硅开关包括金属氧化物半导体场效应晶体管。
根据实施例，所述无间隙耦合电感器被配置为使得来自所述第一绕组的第一DC通量抵消来自所述第二绕组的第二DC通量或来自所述第三绕组的第三DC通量。
根据本发明，提供了一种车辆动力传动系统，所述车辆动力传动系统具有：功率转换器，其包括无间隙耦合电感器以及第一、第二和第三桥臂，所述第一桥臂具有碳化硅或氮化硅开关，而所述第二和第三桥臂具有硅开关；以及控制器，其被配置为以大于所述第二和第三桥臂的所述开关的频率的频率来调制所述第一桥臂的所述开关。
根据实施例，所述碳化硅或氮化硅开关是金属氧化物半导体场效应晶体管，而所述硅开关是绝缘栅双极晶体管。
根据实施例，所述控制器还被配置为以所述第二和第三桥臂的所述开关的所述频率的两倍调制所述第一桥臂的所述开关，使得所述第三桥臂的最大载波与所述第一桥臂的最大载波重合并且与所述第二桥臂相反。
根据实施例，所述控制器还被配置为以所述第一桥臂的所述频率的三倍调制所述第三桥臂的开关，使得所述第三桥臂的最大载波与所述第一和第二桥臂的最大载波重合。

Claims (15)

1.一种动力传动系统，其包括：
交错式DC-DC转换器，其包括
无间隙耦合电感器，其具有第一、第二和第三绕组，以及
并联的第一、第二和第三桥臂，所述第一桥臂具有碳化硅或氮化硅开关，而所述第二和第三桥臂具有硅开关；以及
控制器，其被配置为以大于所述第二和第三桥臂的所述开关的频率的频率来调制所述第一桥臂的所述开关。
2.如权利要求1所述的动力传动系统，其中所述控制器还被配置为将所述第二桥臂的所述开关调制为与所述第三桥臂的所述开关异相180度。
3.如权利要求1所述的动力传动系统，其中所述第一桥臂的DC电流纹波的大小是所述第二或第三桥臂的DC电流纹波的大小的一半。
4.如权利要求1所述的动力传动系统，其还包括DC电感器，其中所述无间隙耦合电感器是AC电感器。
5.如权利要求1所述的动力传动系统，其中所述无间隙耦合电感器被配置为使得来自所述第一绕组的第一DC通量抵消来自所述第二绕组的第二DC通量或来自所述第三绕组的第三DC通量。
6.如权利要求1所述的动力传动系统，其中所述硅开关是绝缘栅双极晶体管，而所述碳化硅或氮化硅开关是金属氧化物半导体场效应晶体管。
7.一种车辆动力传动系统，其包括：
电池；以及
DC-DC功率转换器，其包括
并联耦合的第一、第二和第三桥臂，
DC电感器，其耦合在所述电池与所述第一、第二和第三桥臂之间，以及
AC无间隙耦合电感器，其具有耦合在所述DC电感器与所述第一、第二和第三桥臂之间的第一、第二和第三绕组。
8.如权利要求7所述的车辆动力传动系统，其还包括控制器，所述控制器被配置为将所述第二桥臂的开关调制为与所述第三桥臂的开关异相，并以大于所述第二和第三桥臂的频率的频率调制所述第一桥臂的开关。
9.如权利要求8所述的车辆动力传动系统，其中所述控制器还被配置为以所述第二和第三桥臂的所述频率的两倍调制所述第一桥臂的开关，使得所述第三桥臂的最大载波与所述第一桥臂的最大载波重合并且与所述第二桥臂相反。
10.如权利要求8所述的车辆动力传动系统，其中所述控制器还被配置为以所述第一桥臂的所述频率的三倍调制所述第三桥臂的开关，使得所述第三桥臂的最大载波与所述第一和第二桥臂的最大载波重合。
11.如权利要求7所述的车辆动力传动系统，其中所述第一桥臂包括碳化硅或氮化硅开关，而所述第二和第三桥臂包括硅开关。
12.如权利要求7所述的车辆动力传动系统，其中所述无间隙耦合电感器被配置为使得来自所述第一绕组的第一DC通量抵消来自所述第二绕组的第二DC通量或来自所述第三绕组的第三DC通量。
13.一种车辆动力传动系统，其包括：
功率转换器，其包括无间隙耦合电感器以及第一、第二和第三桥臂，所述第一桥臂具有碳化硅或氮化硅开关，而所述第二和第三桥臂具有硅开关；以及
控制器，其被配置为以大于所述第二和第三桥臂的所述开关的频率的频率来调制所述第一桥臂的所述开关。
14.如权利要求13所述的车辆动力传动系统，其中所述碳化硅或氮化硅开关是金属氧化物半导体场效应晶体管，而所述硅开关是绝缘栅双极晶体管。
15.如权利要求14所述的车辆动力传动系统，其中所述控制器还被配置为以所述第二和第三桥臂的所述开关的所述频率的两倍调制所述第一桥臂的所述开关，使得所述第三桥臂的最大载波与所述第一桥臂的最大载波重合并且与所述第二桥臂相反。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109617406A (zh) * 2018-12-19 2019-04-12 武汉船用电力推进装置研究所（中国船舶重工集团公司第七二研究所） 一种耦合多相dc-dc变换器

Families Citing this family (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10778105B2 (en) * 2017-12-11 2020-09-15 Ford Global Technologies, Llc Interleaved DC-DC converter for electrified vehicles
US10756638B2 (en) * 2018-07-02 2020-08-25 Ford Global Technologies, Llc Transformer based variable voltage converter
FR3086470B1 (fr) * 2018-09-24 2021-04-09 Renault Sas Procede de commande d'un convertisseur de type boost a n cellules de commutations.
US11431247B1 (en) * 2018-12-13 2022-08-30 Empower Semiconductor, Inc. Power delivery control circuit
MX2022002514A (es) 2019-08-28 2022-06-24 Sparkcharge Inc Aparato, sistema y metodos de carga de vehiculo electrico.
EP3901542A1 (en) 2020-04-22 2021-10-27 Carrier Corporation Voltage conversion system for transport refrigeration system
JP7235795B2 (ja) * 2021-03-25 2023-03-08 本田技研工業株式会社 電力変換装置の制御装置
JP7235794B2 (ja) 2021-03-25 2023-03-08 本田技研工業株式会社 電力変換装置の制御装置
US11794915B2 (en) * 2021-04-27 2023-10-24 Beta Air, Llc Method and system for a two-motor propulsion system for an electric aircraft

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1805880A2 (en) * 2004-10-20 2007-07-11 Ballard Power Systems Corporation Power system method and apparatus
US7800924B2 (en) * 2007-03-27 2010-09-21 Eaton Corporation Power converter apparatus and methods using neutral coupling circuits with interleaved operation
US8269434B2 (en) * 2008-09-23 2012-09-18 GM Global Technology Operations LLC Electrical system using phase-shifted carrier signals and related operating methods
US8080973B2 (en) 2008-10-22 2011-12-20 General Electric Company Apparatus for energy transfer using converter and method of manufacturing same
US8575778B2 (en) 2010-01-12 2013-11-05 Ford Global Technologies, Llc Variable voltage converter (VVC) with integrated battery charger
US9290097B2 (en) 2010-11-05 2016-03-22 Robert Louis Steigerwald Apparatus for transferring energy using onboard power electronics with high-frequency transformer isolation and method of manufacturing same
JP6345710B2 (ja) * 2013-03-05 2018-06-20 ダンマルクス テクニスケ ウニベルシテット 一体型磁気変換装置
US10727735B2 (en) * 2017-08-09 2020-07-28 Microchip Technology Incorporated Digital control of switched boundary mode interleaved power converter with reduced crossover distortion

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109617406A (zh) * 2018-12-19 2019-04-12 武汉船用电力推进装置研究所（中国船舶重工集团公司第七二研究所） 一种耦合多相dc-dc变换器

Also Published As

Publication number Publication date
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