CN111181414A - 双向电力转换器、电动汽车和双向电力转换器的控制方法 - Google Patents

双向电力转换器、电动汽车和双向电力转换器的控制方法 Download PDF

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Abstract

本公开涉及双向电力转换器、电动汽车和双向电力转换器的控制方法。双向电力转换器包括第一端子、第二端子、主电抗器、多个子电路和控制器。所述子电路各自包括上开关元件、下开关元件、两个二极管和子电抗器。控制器顺序地控制子电路，使得在电流正从第一端子流向第二端子时，在子电路中的每个子电路中，打开和关闭下开关元件，然后打开和关闭上开关元件；在电流从第二端子流向第一端子时，在子电路中每个子电路中，打开和关闭上开关元件，然后打开和关闭下开关元件。

Description

双向电力转换器、电动汽车和双向电力转换器的控制方法
技术领域
在本说明书中公开的技术涉及在允许电力输入和输出的第一设备和第二设备之间转换电力的双向电力转换器、包括该双向电力转换器的电动汽车和用于双向电力转换器的控制方法。
背景技术
电力转换器包括作为转换电力的主要元件的开关元件。存在已知的电力转换器，在该电力转换器中包括开关元件的多个子电路并联连接以减少施加到开关元件上的负载。例如，在日本未经实审专利申请公开No.2001-186768(JP 2001-186768 A)中公开了这种电力转换器。JP 2001-186768 A的电力转换器包括将从交流电源输出的交流整流为直流的整流器和提高整流电流的电压的升压转换器。在电力转换器中，升压转换器包括两个子电路。该子电路中的每个由二极管、开关元件和子电抗器组成。二极管与开关元件串联连接。子电抗器被连接在电压转换器的主电抗器与在二极管和开关元件之间的串联连接的中点之间。在电力转换器中，两个子电路的开关元件被交替地打开和关闭。子电抗器减少由二极管的反向恢复电流导致的损耗。
发明内容
在双向电力转换器中采用包括有开关元件、二极管和子电抗器的多个子电路时发现以下问题。双向电力转换器中采用的子电路各自包括两个开关元件的串联连接和各自与开关元件中相应的一个反并联连接的二极管。每个子电抗器的一端被连接到两个开关元件的串联连接的中点。在开关元件始终以相同的顺序被顺序地打开和关闭时，当电流以一个方向流动时，电流只在一个子电路中流动，而当电流以相反方向流动时，在子电路之间生成返回电流。在子电路之间流动的返回电流可能导致损耗。本说明书公开用于限制在双向电力转换器中的子电路之间流动的返回电流的技术，在该双向电力转换器中子电路并联连接。
本说明书中公开的双向电力转换器使得能够在允许电力输入和输出的第一设备和第二设备之间进行双向电力转换。双向电力转换器通常应用于电动汽车。在电动汽车中，当加速踏板被按下时，电力从电池被供应到行进电机(traveling motor)。当制动踏板被按下时，行进电机生成电力并且该电力从行进电机被供应到电池。在电池和驱动电机之间连接的电力转换器是双向电力转换器。
本发明的第一方面涉及双向电力转换器。双向电力转换器包括第一端子、第二端子、负极端子、主电抗器、多个子电路和控制器。第一端子被连接到允许电力输入和输出的第一设备的输入和输出端，并且第二端子被连接到允许电力输入和输出的第二设备的输入和输出端。负极端子被连接到第二设备的负电极。主电抗器的第一端被连接到第一端子。子电路在主电抗器的第二端和第二端子之间并联连接。
子电路中的每个包括上开关元件、下开关元件、上二极管、下二极管和子电抗器。上开关元件被连接到第二端子。下开关元件被连接在上开关元件和负极端子之间。也就是说，上开关元件和下开关元件被串联连接在第二端子和负极端子之间。上开关元件被设置为更靠近第二端子，并且下开关元件被设置为靠近负极端子。上二极管与上开关元件反并联连接，并且下二极管与下开关元件反并联连接。为描述的方便，上开关元件与下开关元件之间的串联连接被称为“开关串联连接”。子电抗器的一端被连接到主电抗器的第二端，并且子电抗器的另一端被连接到开关串联连接的中点。
控制器顺序地控制子电路。控制器被配置为：在电流正从第一端子流向第二端子时，在子电路中的每个中，打开和关闭下开关元件，然后打开和关闭上开关元件；在电流正从第二端子流向第一端子时，在子电路中的每个中，打开和关闭上开关元件，然后打开和关闭下开关元件。即，根据电流流动的方向，控制器从子电路中的每个中包括的上开关元件和下开关元件中选取要首先打开和关闭的开关元件。因此，不管电流流动的方向，抑制返回电流在子电路之间流动是可能的。将在实施例中描述该机制。
在以上的方面中，子电抗器可包括导体、第一磁环芯和第二磁环芯。导体可将开关串联连接的中点和主电抗器连接。第一磁环芯和第二磁环芯可围绕导体。在第二磁环芯达到磁饱和时的第二磁饱和电流值可能小于在第一磁环芯达到磁饱和时的第一磁饱和电流值。
在两个磁环芯具有不同的磁饱和电流值的情况下，相比于电抗器具有均匀磁芯的情况，可使在大电流流过导体时的电感变得更小。另一方面，相比于电抗器具有均匀磁芯的情况，可使在二极管的反向恢复电流流动时的电感变得更大。即，具有磁饱和电流值不同的两个芯的子电抗器在电力转换的主电流流动时具有相对小的电感，而在小电流(以上描述的二极管的反向恢复电流和返回电流)流动时具有相对大的电感。这样的子电抗器可以限制二极管的反向恢复电流和在子电路之间的返回电流，而不显著影响电力转换。
本发明的第二方面涉及一种电动汽车。该电动汽车包括：根据第一方面的双向电力转换器；用作第一设备的电池；和用作第二设备的逆变器。逆变器具有连接到行进电机的交流端。第一端子被连接到电池的正极端子，第二端子被连接到逆变器的直流正极端子，并且负极端子被连接到电池的负极端子和逆变器的直流负极端子。
本发明的第三方面涉及一种电动汽车。该电动汽车包括：具有根据第一方面的双向电力转换器的逆变器；用作第二设备的电池；和用作第一设备的行进电机。行进电机包括线圈。第二端子被连接到电池的正极端子，并且负极端子被连接到电池的负极端子。线圈也用作主电抗器。子电路的上开关元件用作逆变器的上臂开关元件并被连接到第二端子，子电路的下开关元件用作逆变器的下臂开关元件并被连接在第二端子和负极端子之间。子电抗器被连接在上开关元件和下开关元件之间的串联连接的中点与线圈之间。
本发明的第四方面涉及用于控制双向电力转换器的方法。该双向电力转换器包括：被连接到允许电力输入和输出的第一设备的输入和输出端的第一端子；被连接到允许电力输入和输出的第二设备的输入和输出端的第二端子；被连接到第二设备的负电极的负极端子；第一端连接到第一端子的主电抗器；和并联连接在主电抗器的第二端和第二端子之间的多个子电路。子电路中的每个包括：被连接到第二端子的上开关元件；被连接在上开关元件和负极端子之间的下开关元件；与上开关元件反并联连接的上二极管；与下开关元件反并联连接的下二极管；和子电抗器，该子电抗器一端连接到主电抗器的第二端，另一端连接到上开关元件和下开关元件之间的串联连接的中点。控制方法包括：在电流正从第一端子流向第二端子时，由控制器顺序地控制子电路，使得在子电路中的每个中，下开关元件被打开和关闭，然后上开关元件被打开和关闭；在电流正从第二端子流向第一端子时，由控制器顺序地控制子电路，使得在子电路中的每个中，上开关元件被打开和关闭，然后下开关元件被打开和关闭。
如以上描述，双向电力转换器通常被用于电动汽车。本说明书中公开的双向电力转换器可被应用于在电池和逆变器之间转换电压的双向电压转换器。或者，本说明书中公开的双向电力转换器可以被应用于连接在电池和行进电机之间的逆变器。应用于双向电压转换器的例子和应用于逆变器的例子将作为实施例被描述。
将在“具体实施方式”中具体描述本说明书中公开的技术的细节和进一步改进。
附图说明
以下将参考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意义，在附图中相似标记表示相似元件，其中：
图1是包括根据第一实施例的双向电力转换器的电动汽车的电路图；
图2是用于电力运行模式的时序图(实施例)；
图3A是示出在电力运行模式中的电流流动的电路图(实施例)；
图3B是示出在电力运行模式中的电流流动的电路图(实施例)；
图4是用于再生模式的时序图(比较例)；
图5A是示出在再生模式中的电流流动的电路图(比较例)；
图5B是示出在再生模式中的电流流动的电路图(比较例)；
图6是用于再生模式的时序图(实施例)；
图7A是示出在再生模式中的电流流动的电路图(实施例)；
图7B是示出在再生模式中的电流流动的电路图(实施例)；
图8是用于电力运行模式的时序图(比较例)；
图9A是示出在电力运行模式中的电流流动的电路图(比较例)；
图9B是示出在电力运行模式中的电流流动的电路图(比较例)；
图10是示出包括作为逆变器的双向电力转换器的电动汽车的框图(第二实施例)；
图11是电力转换器的电路图；
图12是示出子电抗器的磁芯的例子的图示；
图13是根据一个修改的电力转换器的电路图；以及
图14是示例性电压传感器的电路图。
具体实施方式
以下将参考附图描述根据第一实施例的双向电力转换器。在电动汽车1中采用根据第一实施例的双向电力转换器。图1示出包括根据第一实施例的双向电力转换器的电动汽车1的驱动系统的电路图。在第一实施例中的双向电力转换器是双向电压转换器10。以来自电池90的电力驱动行进电机80使得电动汽车1行进。行进电机80可以使用汽车的惯性力发电。电池90用由行进电机80生成的电力充电。
在下文中，为了简化描述，行进电机80将被简化称为电机80，并且双向电压转换器10将被简化称为电压转换器10。另外，电流从电池90流向电机80的模式被称为电力运行模式，电流从电机80流向电池90的模式被称为再生模式。
电压转换器10和逆变器50被连接在电池90和电机80之间。电压转换器10的低电压正极端子11被连接到电池90的正极端子90a，并且电压转换器10的低电压负极端子12被连接到电池90的负极端子90b。电压转换器10的高电压正极端子13被连接到逆变器50的直流(DC)正极端子51，并且电压转换器10的高电压负极端子14被连接到逆变器50的直流(DC)负极端子52。逆变器50的交流(AC)端被连接到电机80。
电压转换器10具有提高从电池90输出的电压以向逆变器50供应电压的功能和降低从逆变器50输出的再生电力的电压以向电池90供应电力的功能。即，在电压转换器10中，有电流从低电压正极端子11流向高电压正极端子13的情况，和电流从高电压正极端子13流向低电压正极端子11的情况。
逆变器50具有将来自电池90的电力(其电压已经被电压转换器10提高)转换为AC电力以向电机80供应AC电力的功能，和将由电机80生成的再生电力转换为DC电力以向电压转换器10供应DC电力的功能。
以下将描述电压转换器10。电压转换器10包括主电抗器22、两个子电路5和6、电流传感器23和控制器15。主电抗器22的第一端22a被连接到低电压正极端子11。两个子电路5、6被并联连接在主电抗器22的第二端22b和高电压正极端子13之间。低电压负极端子12和高电压负极端子14被直接相互连接。电流传感器23被连接到主电抗器22的第二端22b，并测量流过主电抗器22的电流。电流传感器23的测量值指示电流流动的方向。
滤波电容器20被连接在低电压正极端子11和低电压负极端子12之间，平滑电容器21被连接在高电压正极端子13和高电压负极端子14之间。
第一子电路5包括两个开关元件(上开关元件32和下开关元件31)、两个二极管(上二极管42和下二极管41)和子电抗器24。上开关元件32和下开关元件31被串联连接在高电压正极端子13和高电压负极端子14之间。连接上开关元件32和下开关元件31使得从高电压正极端子13到高电压负极端子14的方向为正向。上开关元件32被设置为更靠近高电压正极端子13，下开关元件31被设置为更靠近高电压负极端子14。也就是说，上开关元件32被连接到高电压正极端子13，下开关元件31被连接在上开关元件32和高电压负极端子14之间。
上二极管42与上开关元件32反并联连接，下二极管41与下开关元件31反并联连接。也就是说，连接上二极管42和下二极管41使得从高电压负极端子14到高电压正极端子13的方向为正向。
上开关元件32和下开关元件31两者均为n沟道金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。上开关元件32的漏极被连接到高电压正极端子13。上开关元件32的源极被连接到下开关元件31的漏极。下开关元件31的源极被连接到高电压负极端子14。上开关元件32和下开关元件31可以是不同类型的电力元件(例如，绝缘栅双极型晶体管(IGBT))。
附图标记36表示在上开关元件32和下开关元件31之间的串联连接的中点(第一中点36)。子电抗器24的第一端被连接到主电抗器22的第二端22b，子电抗器24的第二端被连接到第一中点36。子电抗器24的电感小于主电抗器22的电感。主电抗器22累积电能并输出具有电磁感应效应的电流。因此，主电抗器22需要大电感。相比之下，子电抗器24意在减少由于上二极管42和下二极管41的反向恢复电流导致的损耗，并具有在小电流流动时保持低电流变化率的功能。因此，子电抗器24只需要在电流较小时改变电感并具有小于主电抗器22的电感值的小电感。然而，子电抗器24由于电磁感应效应还生成感应电动势。
第二子电路6与第一子电路5具有相同的结构。第二子电路6包括两个开关元件(上开关元件34和下开关元件33)、两个二极管(上二极管44和下二极管43)和子电抗器26。上开关元件34、下开关元件33、上二极管44、下二极管43和子电抗器26分别对应于第一子电路5的上开关元件32、下开关元件31、上二极管42、下二极管41和子电抗器24。
图1中的附图标记37表示在第二子电路6的上开关元件34和下开关元件33之间的串联连接的中点(第二中点37)。另外，附图标记38表示从主电抗器22的第二端22b到第一子电路5和第二子电路6的分支点(分支点38)。将在参考图2和后续附图的描述中提到第一子电路5的第一中点36、第二子电路6的第二中点37和分支点38。
图1中附图标记3指示的虚线代表半导体模块。即，在第一子电路5中的上开关元件32、下开关元件31、上二极管42和下二极管41包含在单独封装(半导体模块3)中。相似地，在第二子电路6中的上开关元件34、下开关元件33、上二极管44和下二极管43包含在单独封装(半导体模块4)中。稍后将描述半导体模块3、4。
第一子电路5和主电抗器22构成双向电压转换器。第二子电路6与第一子电路5并联连接。第二子电路6和主电抗器22也构成双向电压转换器。因此，电压转换器10是并联电路，在该并联电路中共用主电抗器22的两个双向电压转换器(子电路5、6)并联连接。通过并联连接两个双向电压转换器(子电路5、6)，有可能减少各开关元件上的负载。包括两个双向电压转换器的并联电路(子电路5、6)用作单个双向电压转换器。作为结果，电压转换器10能够增加用于整个转换器的允许电力，同时保持各开关元件上的负载较低。
第一子电路5的开关元件31、32和第二子电路6的开关元件33、34由控制器15控制。在控制第一子电路5的开关元件31、32之后，控制器15控制第二子电路6的开关元件33、34。其后，控制器15再次控制第一子电路5的开关元件31、32。也就是说，控制器15顺序地控制子电路5、6。
控制器15从上层控制器(未示出)接收在低电压正极端子11和高电压正极端子13之间的目标电压比，并确定开关元件31至34的占空比使得目标电压比被实现。上开关元件32的占空比与上开关元件34的占空比相同，下开关元件31的占空比与下开关元件33的占空比相同。
下开关元件31、33和上二极管42、44参与升压操作，并且上开关元件32、34和下二极管41、43参与降压操作。
电动汽车1的驱动模式通过驾驶员的踏板操作在电力运行模式和再生模式之间频繁切换。即，电压转换器10的模式在电流从低电压正极端子11流到高电压正极端子13的模式(电力运行模式)和电流从高电压正极端子13流到低电压正极端子11的模式(再生模式)之间频繁切换。在电压转换器10中，上开关元件32、34和下开关元件31、33被交替地打开和关闭，使得升压操作和降压操作取决于在低电压侧和高电压侧之间的电压平衡而被动地从一个切换到另一个。即，在高电压侧的电压变得高于目标电压时，电流从高电压正极端子13流到低电压正极端子11，而在高电压侧的电压变得低于目标电压时，电流从低电压正极端子11流到高电压正极端子13。接着，将描述用于电力运行模式和再生模式中的每个模式的开关元件的开关定时和电流的流动。
图2和6示出关于开关元件的操作和流过电压转换器10的电流的时序图。图2是用于电力运行模式的时序图，而图6是用于再生模式的时序图。虽然稍后描述，图4和8示出关于比较例的时序图。
在图2中，附图标记Sn1表示第一子电路5的下开关元件31，而附图标记Sp1表示第一子电路5的上开关元件32。附图标记Sn2表示第二子电路6的下开关元件33，而附图标记Sp2表示第二子电路6的上开关元件34。附图标记Isn1表示在第一中点36和低电压负极端子12之间流动的电流。也就是说，附图标记Isn1表示流过第一子电路5的下开关元件31和/或下二极管41的电流。附图标记Isp1表示在第一中点36和高电压正极端子13之间流动的电流。也就是，附图标记Isp1表示流过第一子电路5的上开关元件32和/或上二极管42的电流。附图标记Isn2表示在第二中点37和低电压负极端子12之间流动的电流，而附图标记Isp2表示在第二中点37和高电压正极端子13之间流动的电流。在电流Isn1、Isp1、Isn2和Isp2的图形中的每个图形中，在开关元件的正向(即从集电极(collector)向发射极(emitter)的方向)流动的电流被示出为正值。为描述的方便，电流Isn1和Isp1被分别称为第一下电流Isn1和第一上电流Isp1，而电流Isn2和Isp2被分别称为第二下电流Isp2和第二上电流Isp2。
控制器15打开和关闭第一子电路5的下开关元件31(Sn1)，然后打开和关闭上开关元件32(Sp1)。在控制第一子电路5的开关元件之后，控制器15打开和关闭第二子电路6的下开关元件33(Sn2)并打开和关闭第二子电路6的上开关元件34(Sp2)。在一个开关元件的开关操作和另一个开关元件的开关操作之间提供短间隔。
更具体而言，将参考图2中的时序图描述开关元件的操作和电流的流动。控制器15在时间T1时打开下开关元件31(Sn1)并在时间T2时关闭下开关元件31。在时间T1和T2之间的时间段内，其他开关元件被保持关闭。在电力运行模式中，在下开关元件31(Sn1)被打开时，电流(第一下电流Isn1)从主电抗器22流到下开关元件31(Sn1)。图3A中示出此时电流的流动。在图3A中，在下开关元件31附近提供标记“打开”。在图3A中，未用“打开”标记的开关元件被保持关闭。在图5A、5B、7A、7B、9A和9B中，未用“打开”标记的开关元件被保持关闭。
在图3中的粗箭头线指示第一下电流Isn1的流动。第一下电流Isn1通过主电抗器22、子电抗器24、第一中点36和下开关元件31，并通过低电压负极端子12返回到电池90的负极端子90b。此时，磁能在主电抗器22和子电抗器24中累积。
在图2中从时间T2到时间T3的时间段是间隔，所有的开关元件在这个间隔内被保持关闭。然而，当下开关元件31在时间T2被关闭时，主电抗器22和子电抗器24释放磁能(即，生成感应电动势)并使得电流以相同方向继续流动。从第一中点36流向下开关元件31的电流(第一下电流Isn1)在T2时被关断。其后，电流通过上二极管42从第一中点36流向高电压正极端子13。即，第一下电流Isn1在时间T2时变为零，而第一上电流Isp1在时间T2及其后的时间出现。第一上电流Isp1从低电压正极端子11流向高电压正极端子13。
上开关元件32(Sp1)在时间T3时被打开。基于主电抗器22和子电抗器24的感应电动势的电流最初流过上二极管42(第一上电流Isp1)。在上开关元件32(Sp1)被打开时，第一上电流Isp1的一部分从上二极管42偏移到上开关元件32。然而，从第一中点36流到高电压正极端子13的电流总量不变。图3B中示出此时的电流(第一上电流Isp1)的流动。第一上电流Isp1通过主电抗器22、子电抗器24、第一中点36和上二极管42(或上开关元件32)从低电压正极端子11流到高电压正极端子13。基于主电抗器22的感应电动势的电流的一部分可以通过子电抗器26、第二中点37和上二极管44流到高电压正极端子13，不过流到高电压正极端子13的电流总量不变。在图3A和3B中，未示出通过第二中点37流动的电流。
上开关元件32(Sp1)在时间T4时被关闭。第二子电路6的下开关元件33(Sn2)在时间T5时被打开。在下开关元件33(Sn2)被打开时，第二下电流Isn2开始流动，而第一上电流Isp1减小。在第一上电流Isp1变为零时，反向恢复电流从阴极向阳极流过上二极管42。然而，通过第一中点36、分支点38和第二中点37从上二极管42流入下开关元件33(Sn2)的电流(返回电流)被子电抗器24、26的电感限制。返回电流的限制是由子电抗器24、26提供的效应。
第二下电流Isn2通过主电抗器22、子电抗器26、第二中点37和下开关元件33流到低电压负极端子12。此时，磁能在主电抗器22和子电抗器26中累积。控制器15在时间T6关闭下开关元件33(Sn2)。在下开关元件33(Sn2)被关闭时，第二下电流Isn2被关断。主电抗器22和子电抗器26的磁能生成感应电动势，电流从主电抗器22的第一端22a继续流向第二端22b。从第二中点37流向下开关元件33(Sn2)的电流(第二下电流Isn2)被关断，并通过上二极管44从第二中点37流向高电压正极端子13。该电流用作第二上电流Isp2。
随后，控制器15在时间T7时打开上开关元件34(Sp2)。在时间T4和其后，流过上二极管44的电流的一部分偏移到上开关元件34，不过从第二中点37流到高电压正极端子13的电流总量不变(Sp2)。基于主电抗器22的感应电动势的电流的一部分可以通过子电抗器24、第一中点36和上二极管42流到高电压正极端子13。然而，流向高电压正极端子13的电流总量不变。
接着，当上开关元件34(Sp2)在时间T8被关闭，然后第一子电路5的下开关元件31(Sn1)在时间T9被打开时，第二上电流Isp2减小。在第二电流Isp2变为零时，反向恢复电流流过上二极管44。子电抗器24、26的电感抑制上二极管44的反向恢复电流流入第一子电路5中。这是由子电抗器24、26提供的效应。
在图2的情况下，控制器15打开和关闭第一子电路5的下开关元件31(Sn1)，然后打开和关闭第一子电路5的上开关元件32(Sp1)。随后，控制器15打开和关闭第二子电路6的下开关元件33(Sn2)，然后打开和关闭上开关元件34(Sp2)。图4示出用于在按照以上顺序重复执行开关元件的开关操作时将模式从电力运行模式改变为再生模式的情形的时序图。即，在图4的时序图中，电流从高电压正极端子13流向低电压正极端子11。图4中的开关元件的开关定时(图形Sn1、Sp1、Sn2、Sp2)与图2中示出的情况下的开关定时相同。应当注意，图4、5A和5B是参考图(示出比较例)并且未示出电压转换器10的操作。
此处，描述从时间T3开始。控制器15在时间T3时打开第一子电路5的上开关元件32(Sp1)。图5A中示出此时电流的流动。粗箭头线指示第一上电流Isp1的流动。第一上电流Isp1从高电压正极端子13流向低电压正极端子11。第一上电流Isp1通过上开关元件32(Sp1)和第一中点36，并流过子电抗器24和主电抗器22。此时，磁能在主电抗器22和子电抗器24中累积。
控制器15在时间T4关闭上开关元件32(Sp1)。通过上开关元件32(Sp1)从高电压正极端子13流到子电抗器24和主电抗器22的电流(第一上电流Isp1)被关断。主电抗器22和子电抗器24释放磁能，以至于生成感应电动势。感应电动势使得电流以从主电抗器22的第二端22b到第一端22a的方向流动。因此，第一下电流Isn1通过下二极管41、第一中点36和子电抗器24从低电压负极端子12流动。第一下电流Isn1通过主电抗器22流到低电压正极端子11。
当第一下电流Isn1正在流动时，控制器15在时间T5打开下开关元件33(Sn2)。然后，第二中点37经由下开关元件33(Sn2)电连接到低电压负极端子12。因此，第二中点37变为与低电压负极端子12相同电位。同时，分支点38的电位相比于低电压负极端子12的电位由子电抗器24的感应电动势提升。因此，第一下电流Isn1的一部分通过子电抗器26、第二中点37和下开关元件33从分支点38返回到低电压负极端子12。图5B示出此时电流的流动。粗实箭头线指示第一下电流Isn1的流动。从分支点38到第二中点37的粗虚箭头线指示返回电流(第二下电流Isn2)。图4中的箭头A1指示返回电流。流到低电压正极端子11的电流减少了返回电流的量。返回电流可能引起损耗。图4中的箭头B1指示在第二子电路6的上开关元件34(Sp2)被打开和关闭、然后第一子电路5的下开关元件31(Sn1)被打开时流动的返回电流。
此外，控制器15在时间T6关闭下开关元件33(Sn2)。直到时间T6为止流过下开关元件33(Sn2)的返回电流(第二下电流Isn2)被关断。在第二下电流Isn2被关断时，在子电抗器26中生成感应电动势，并且子电抗器26试图使电流在时间T6和其后从分支点38向第二中点37流动。电流流过上二极管44。即，在时间76和其后，第二上电流Isp2作为返回电流流动。图4中的箭头A2指示返回电流(第二上电流Isp2)。图4中的箭头B2指示紧接在第一子电路5的下开关元件31(Sn1)被打开和关闭之后流过上二极管42的返回电流。
在根据实施例的电压转换器10中，在再生模式中，即，当电流从高电压正极端子13流到低电压正极端子11时，为限制以上描述的返回电流，驱动开关元件的顺序被改变。图6示出与在再生模式中下开关元件31至34的操作相关的时序图。控制器15打开和关闭第一子电路5的上开关元件32(Sp1)，然后打开和关闭下开关元件31(Sn1)。其后，控制器15打开和关闭第二子电路6的上开关元件34(Sp2)。控制器15顺序地控制多个子电路5、6，并在各子电路中先于下开关元件地打开和关闭上开关元件。
如图6中示出，控制器15在时间T1打开上开关元件32(Sp1)。在再生模式中，电流通过上开关元件32(Sp1)、第一中点36、子电抗器24和主电抗器22从高电压正极端子13流到低电压正极端子11(第一上电流Isp1)。图7A中示出此时电流的流动。图7A与图5A相同。
控制器15在时间T22关闭上开关元件32(Sp1)。来自高电压正极端子13的电流被关断。然而，如之前描述，主电抗器22和子电抗器24生成感应电动势，电流通过主电抗器22和子电抗器24继续流动。通过下二极管41从低电压负极端子12供给电流(Isn1)。
随后，控制器15在时间T23打开下开关元件31(Sn1)。图7B示出此时电流的流动。在下开关元件31(Sn1)被打开时，流过下二极管41的电流的一部分被偏移到下开关元件31(Sn1)。然而，从低电压负极端子12流到第一中点36的电流的总量(即，第一下电流Isn1)不变。另外，不像图4、5A和5B中示出的情况，下开关元件33保持关闭。因此，参考图4、5A和5B描述的返回电流不流动。这同样适用于第二子电路6的上开关元件34(Sp2)被打开和关闭、然后下开关元件33(Sn2)被打开和关闭的情况。
接着，将描述在电力运行模式中开关元件31至34在与图6中示出的相同定时被打开和关闭时流动的电流的流动作为参考例。图8示出时序图。用于开关元件31至34(Sn1、Sp1、Sn2、Sp2)的时序图与图6中的时序图相同。
此处，将从时间T23开始描述。控制器15在时间T23打开第一子电路5的下开关元件31(Sn1)。在电力运行模式中，电流(Isn1)通过主电抗器22、子电抗器24、第一中点36和下开关元件31(Sn1)从低电压正极端子11流到低电压负极端子12。图9A中示出此时电流的流动。图9A与图3A相同。
控制器15在时间T24关闭下开关元件31(Sn1)。在主电抗器22和子电抗器24的感应电动势下，电流通过子电路5的上二极管42从低电压正极端子11流到高电压正极端子13(Isp1)。控制器15在T25时打开第二子电路6的上开关元件34(Sp2)。上开关元件34(Sp2)的集电极电连接到分支点38，并具有与分支点38相同的电位。同时，在子电抗器24的感应电动势下，第一中点36的电位被提升为高于分支点38的电位。作为结果，第一上电流Isp1的一部分通过上开关元件34(Sp2)、第二中点37和子电抗器26返回分支点38。图9B示出此时电流的流动。粗实箭头线指示第一上电流Isp1的流动。从指示第一上电流Isp1的实线分岔并通过上开关元件34指向分支点38的粗虚箭头线指示返回电流(第二上电流Isp2)。图8中箭头A3指示返回电流。流到高电压正极端子13的电流减少了返回电流的量。返回电流可能引起损耗。图8中的箭头B3指示在第二子电路6的下开关元件33(Sn2)被打开和关闭、然后第一子电路5的上开关元件32(Sp1)被打开时流动的返回电流。
此外，控制器15在时间T26关闭上开关元件34(Sp2)。直到时间T26为止流过上开关元件34(Sp2)的返回电流(第二上电流Isp2)被关断。在第二上电流Isp2被关断时，在子电抗器26中生成感应电动势，并且子电抗器26试图使电流在时间T26和其后从第二中点37向分支点38继续流动。电流通过下二极管43流动。即，在时间T26和其后，第二下电流Isn2作为返回电流流动。图8中的箭头A4指示返回电流(第二下电流Isn2)。图8中的箭头B4指示紧接在第一子电路5的上开关元件32(Sp1)被打开和关闭之后流过下二极管41的返回电流。
如参考图2、3A和3B所描述，在电力运行模式中，控制器15在一个子电路中，打开和关闭下开关元件，然后打开和关闭上开关元件，这与再生模式不同。控制器15然后打开和关闭不同子电路的下开关元件。通过以这样的顺序驱动开关元件，返回电流如图2、3A和3B所示被限制。控制器15使用测量流过主电抗器22的电流的电流传感器23指明电流流动的方向(即，模式是电力运行模式还是再生模式)，并取决于电流流动的方向改变驱动开关元件的顺序。通过改变驱动开关元件的顺序，无论电流以什么方向流动都可以限制返回电流。
第二实施例
本说明书中公开的双向电力转换器可被应用于电动汽车的逆变器。逆变器是将来自电池的DC电力改变为用于行进电机的驱动电力(AC电力)的设备。图10示出包括逆变器150的电动汽车101的框图，在该逆变器150中合并了本实施例的双向电力转换器。
电动汽车101包括电池90、逆变器150和行进电机80。电动汽车101的驱动模式通过驾驶员的踏板操作在电力运行模式和再生模式之间频繁切换。
逆变器150包括三个电力转换器110a、110b和110c。电力转换器110a、110b和110c被连接在电池90和电机80之间。电机80是三相AC电机。电力转换器110a、110b和110c中的每个具有将来自电池90的DC电力转换为AC电力以向电机80供给AC电力的功能，和将由电机80生成的再生电力(AC电力)转换为DC电力以向电池90供给DC电力的功能。即，电力转换器110a、110b和110c是双向电力转换器。电力转换器110a、110b和110c由包括在逆变器150中的控制器115进行控制。
电力转换器110a的DC正极端子113a被连接到电池90的正极端子90a，电力转换器110a的DC负极端子114a被连接到电池90的负极端子90b。电力转换器110a的AC端子111a被连接到电机80的定子线圈122a。电机80包括以星形连接(Y连接)连接的三个定子线圈122a、122b和122c。在电力转换器110a的AC输出线上提供电流传感器123a。电流传感器123a测量流过定子线圈122a的电流。基于电流传感器123a的测量值，控制器15识别电流流动的方向。由于电力转换器110b、110c具有与电力转换器110a相同的结构，将省略其描述。
控制器115基于来自上层控制器的命令控制三个电力转换器110a至110c，并使得电力转换器110a至110c分别输出规定频率的AC电力。在电机80从输出轴侧被反向驱动并以高于由控制器115命令的频率的频率被旋转时，电机80生成电力，电流从电机80流到电力转换器110a至110c。
图11示出电力转换器110a的电路图。电力转换器110a包括DC正极端子113a和多个子电路5、6。电机80的定子线圈122a是电机80的组件，并也与子电路5、6一起用作电力转换器110a的组件。图11中未示出被分别连接到电机80的定子线圈122b、122c的电力转换器110b、110c。
子电路5、6被并联连接在DC正极端子113a和定子线圈122a之间。第一子电路5包括下开关元件31、上开关元件32、下二极管41、上二极管42和子电抗器24。第二子电路6包括下开关元件33、上开关元件34、下二极管43、上二极管44和子电抗器26。
逆变器的结构众所周知，并且上开关元件32、34对应于所谓上臂开关元件，下开关元件31、33对应于所述下臂开关元件。
通过将图11与图1、3A和3B相比可以清楚，电力转换器110a具有与根据第一实施例的电压转换器10相同的结构。因此，类似于电压转换器10的控制器15，逆变器150的控制器115取决于电流方向改变驱动开关元件31至34的顺序，以限制返回电流。
具体而言，控制器115基于来自上层控制器(未示出)的命令生成具有规定占空比的脉冲宽度调制(PWM)信号。控制器115生成两种PWM信号(用于上开关元件的PWM信号和用于下开关元件的PWM信号)，使得在上开关元件打开时下开关元件关闭，以及在下开关元件关闭时上开关元件关闭。控制器115将两种PWM信号交替地传送到第一子电路5和第二子电路6。在电流正从DC正极端子113a流向AC端子111a时，控制器115顺序地向子电路5、6供给PWM信号，以在各子电路中，打开和关闭下开关元件，然后打开和关闭上开关元件。在电流正从AC端子111a流向DC正极端子113a时，控制器115顺序地向子电路5、6供给PWM信号，以在各子电路中，打开和关闭上开关元件，然后打开和关闭下开关元件。通过如以上描述地驱动电力转换器110a的开关元件31至34，流过子电路5、6的返回电流可以如在根据第一实施例的电压转换器10的情况中那样被限制。这同样适用于电力转换器110b、110c。
以下将描述子电抗器的工作例。如以上参照图1描述，在第一子电路5中包括的上开关元件32、下开关元件31、上二极管42和下二极管41被包含在单独的半导体模块3中。图12示出半导体模块3和主电抗器22的硬件的例子。半导体模块3的主体是由树脂制成的封装300。上开关元件32、下开关元件31、上二极管42和下二极管41被密封在封装300中。在封装300中，上开关元件32与下开关元件31串联连接。在封装300中，上二极管42与上开关元件32反并联连接，下二极管41与下开关元件31反并联连接。三个电力端子301、302和303从封装300延伸。在封装300中，电力端子301被连接到在上开关元件32和下开关元件31之间的串联连接中的高电位侧，电力端子302被连接到该串联连接中的低电位侧。电力端子303被连接到在封装300中的上开关元件32和下开关元件31之间的串联连接的中点(第一中点36)。
主电抗器22由磁芯22d和围绕该磁芯22d的绕组22c构成。绕组22c的第一端(即，主电抗器22的第二端22b)和电力端子303(即，在两个开关元件31、32之间的串联连接的中点(第一中点36))与导体29连接。导体29是细长的金属棒。导体29被两个磁芯(第一磁环芯24a和第二磁环芯24b)环绕。第一磁环芯24a、第二磁环芯24b和被第一和第二磁环芯24a、24b环绕的导体29构成子电抗器24。
第一磁环芯24a达到磁饱和时的第一磁饱和电流值与第二磁环芯24b达到磁饱和时的第二磁饱和电流值不同。更具体而言，第二磁环芯24b是饱和芯(饱和电抗器)，并以小电流达到磁饱和，并且其后其电感不变。即，第二磁环芯24b的第二磁饱和电流值远小于第一磁环芯24a的第一磁饱和电流值。
提供子电抗器24，以限制子电路的二极管的反向恢复电流。因此，子电抗器24的电感可能随着小电流显著变化。此外，不随着大电流变化的电感对作为电力转换的主要目的涉及大电流的电力转换具有较小的影响。通过将饱和芯(第二磁环芯24b)和正常磁芯(第一磁环芯24a)组合而形成的子电抗器24可以限制二极管的反向恢复电流和在子电路之间的返回电流，而不显著影响电力转换。
一般来说，由非晶材料等制成的饱和芯可以被制成比通常芯更小。此外，通过利用连接半导体模块3和主电抗器22的导体29作为子电抗器24的绕组，可以实现紧凑的子电抗器。这同样适用于第二子电路6的子电抗器26。
在下文中，将提供关于电流方向的检测的补充描述。在根据实施例的电压转换器10和电力转换器110a中，通过电流传感器检测电流的方向。电力转换器的电流传感器也测量大电流，因此可能在其中测量值在正负之间变化的零附近具有低测量精确度。因此，通过测量跨开关元件的电压可以测量电流的方向。图13示出根据修改的电力转换器210的电路图。电力转换器210的配置与根据第一实施例的电压转换器10相同，除了电力转换器210包括四个电压传感器60之外。在根据修改的电力转换器210中，为开关元件31至34中的每个提供电压传感器60。电压传感器60测量跨开关元件的各个电压。控制器15基于电压传感器60的测量值确定流过主电抗器22的电流的方向。
电压传感器60可直接测量跨开关元件的电压，或可以是仅能检测电流方向的电路。图14示出检测跨开关元件31的电流方向的电压传感器60的电路图。电压传感器60包括输出端子61、比较器62、参考电压端子63、电阻器64、二极管65和电池66。
开关元件31的集电极端子31a和比较器62的负极输入端62a经由二极管65相互连接。集电极端子31a在正向上对应于开关元件31的上游侧，发射极端子31b在正向上对应于开关元件31的下游侧。二极管65的阴极被连接到集电极端子31a，二极管65的阳极被连接到比较器62。比较器62的负极输入端62a经由电阻器64被连接到参考电压端子63。二极管65禁止电流从集电极端子31a流向比较器62。
开关元件31的发射极端子31b经由电池66被连接到比较器62的正极输入端62b。电池66的负电极被连接到发射极端子31b，电池66的正电极被连接到比较器62。参考电压端子63的电压和电池66的电压这样被选择，使得在集电极端子31a和发射极端子31b处于相同电位时，负极输入端62a和正极输入端62b处于相同电位。
根据图14中的电路，在开关元件31的集电极端子31a的电位高于发射极端子31b的电位时，比较器62的输出端62c的电位被保持在低电位。“集电极端子31a的电位高于发射极端子31b的电位”的措辞意为电流通过开关元件31从集电极端子31a流到发射极端子31b。在开关元件31的集电极端子31a的电位低于发射极端子31b的电位时，比较器62的输出端62c的电位被保持在高电位。“集电极端子31a的电位低于发射极端子31b的电位”的措辞意为电流通过二极管41从发射极端子31b流到集电极端子31a。图14中示出的电路可以在零电流附近以高精确度检测电流的方向。
在使用具有图14中的电路的电压传感器60时，期望在电压传感器60连接到的开关元件被从打开切换到关闭之后立即根据输出来识别电流的方向。
以下将描述与本实施例中描述的技术有关的说明。根据第一实施例的电压转换器10的特征如下。电压转换器10被连接在允许电力的输入和输出的电池90和逆变器50之间。电压转换器10包括高电压正极端子13、低电压正极端子11、高电压负极端子14、主电抗器22、子电路5、6和控制器15。高电压正极端子13被连接到用作逆变器50的输入和输出端的DC正极端子51。低电压正极端子11被连接到用作电池90的输入和输出端的正极端子90a。高电压负极端子14被连接到逆变器50的DC负极端子52。高电压负极端子14被直接连接到低电压负极端子12。
主电抗器22的第一端22被连接到低电压正极端子11。子电路5、6被并联连接在主电抗器22的第二端22b和高电压正极端子13之间。控制器15顺序地控制多个子电路5、6。顺序地控制多个子电路意为打开和关闭包括在一个电路中的开关元件，然后打开和关闭包括在另一个电路中的开关元件。
第一子电路5包括上开关元件32、下开关元件31、上二极管42、下二极管41和子电抗器24。上开关元件32被连接到高电压正极端子13。下开关元件31被连接在上开关元件32和高电压负极端子14(低电压负极端子12)之间。上二极管42与上开关元件32反并联连接，下二极管41与下开关元件31反并联连接。子电抗器24被连接在主电抗器22的第二端22b和第一中点36之间。第一中点36是在上开关元件32和下开关元件31之间的串联连接的中点。第二子电路6具有与第一子电路5相同的电路结构。
在电流正从低电压正极端子11流向高电压正极端子13时，控制器15在子电路5、6的每个中，打开和关闭下开关元件，然后打开和关闭上开关元件。在电流正从高电压正极端子13流向低电压正极端子11时，控制器15在子电路5、6的每个中，打开和关闭上开关元件，然后打开和关闭下开关元件。
根据第二实施例的逆变器150的电力转换器110a、110b和110c基本上具有与根据第一实施例的电压转换器10相同的结构和相同的控制规则。然而，在电力转换器110a(110b、110c)中，电机80的定子线圈122a(122b、122c)也用作主电抗器。
在第一实施例中，低电压正极端子11是第一端子的例子，高电压正极端子13是第二端子的例子。高电压负极端子14是负极端子的例子。电池90是第一设备的例子，逆变器50是第二设备的例子。
在第二实施例中，AC端子111a(111b、111c)是第一端子的例子，DC正极端子113a(113b、113c)是第二端子的例子。DC负极端子114a(114b、114c)是负极端子的例子。定子线圈122a(122b、122c)可以被视为主电抗器。在第二实施例中，电池90是第二设备的例子，电机80是第一设备的例子。在第二实施例中，电压转换器可以被连接在电池90和逆变器50之间。
在根据本实施例的电力转换器(电压转换器10、电力转换器110a至110c)中，两个子电路5、6并联连接。本说明书中公开的技术可被应用于三个或更多个子电路并联连接的电力转换器。
本说明书中的“电动汽车”包括具有电机和发动机二者的混合动力汽车。另外，本说明书中的“电动汽车”可以是以电池和燃料电池二者作为电源的汽车。
本说明书中披露的技术涉及电路。因此，“设备A与设备B连接”的表述意为设备A与设备B相互电连接。例如，“连接在设备A和设备B之间的电抗器”的表述可代表其中除电抗器以外的元件(例如，电阻器和电容器)被连接在设备A和设备B之间的配置。
虽然本发明的具体例子已经详细描述过，但这些仅是示例性的，且并非旨在限制本发明的范围。权利要求中描述的技术包括对以上描述的例子的各种修改。本说明书或附图中示出的技术元件单独地或以组合的形式提供技术元件，并且技术元件的组合不限于权利要求中的技术元件。另外，本说明书或附图中示出的技术允许同时实现多个目标，并且仅实现目标之一即可提供技术优势。

Claims (5)

1.一种双向电力转换器，其特征在于，包括:
第一端子，所述第一端子连接到允许电力输入和输出的第一设备的输入和输出端；
第二端子，所述第二端子连接到允许电力输入和输出的第二设备的输入和输出端；
负极端子，所述负极端子连接到所述第二设备的负电极；
主电抗器，所述主电抗器具有与所述第一端子连接的第一端；
多个子电路，所述多个子电路并联连接在所述主电抗器的第二端和所述第二端子之间，所述子电路中的每个包括
连接到所述第二端子的上开关元件，和连接在所述上开关元件和所述负极端子之间的下开关元件，
与所述上开关元件反并联连接的上二极管，
与所述下开关元件反并联连接的下二极管，以及
子电抗器，所述子电抗器的一端连接到所述主电抗器的所述第二端，另一端连接到在所述上开关元件和所述下开关元件之间的串联连接的中点；和
控制器，所述控制器顺序地控制子电路，所述控制器被配置为:
当电流正从所述第一端子流向所述第二端子时，在所述子电路中的每个子电路中，打开和关闭所述下开关元件，然后打开和关闭所述上开关元件；和
当电流正从所述第二端子流向所述第一端子时，在所述子电路中的每个子电路中，打开和关闭所述上开关元件，然后打开和关闭所述下开关元件。
2.根据权利要求1所述的双向电力转换器，其特征在于:
所述子电抗器包括连接所述串联连接的所述中点与所述主电抗器的导体，和围绕所述导体的第一磁环芯和第二磁环芯；以及
所述第二磁环芯达到磁饱和时的第二磁饱和电流值小于第一磁环芯达到磁饱和时的第一磁饱和电流值。
3.一种电动汽车，其特征在于，包括:
根据权利要求1或2所述的双向电力转换器；
用作所述第一设备的电池；和
用作所述第二设备的逆变器，所述逆变器具有连接到行进电机的交流端，其中
所述第一端子连接到电池的正极端子，第二端子连接到所述逆变器的直流正极端子，以及所述负极端子连接到所述电池的负极端子和所述逆变器的直流负极端子。
4.一种电动汽车，其特征在于，包括：
逆变器，所述逆变器包括根据权利要求1或权利要求2所述的双向电力转换器；
用作所述第二设备的电池；和
用作所述第一设备并包括线圈的行进电机，其中：
所述第二端子与所述电池的正极端子连接，以及负极端子与所述电池的负极端子连接；
所述线圈用作所述主电抗器；
所述子电路的所述上开关元件用作所述逆变器的上臂开关元件并连接到所述第二端子，所述子电路的所述下开关元件用作所述逆变器的下臂开关元件并连接在所述第二端子和所述负极端子之间；以及
所述子电抗器连接在所述上开关元件与所述下开关元件之间的所述串联连接的中点和所述线圈之间。
5.一种用于控制双向电力转换器的方法，
所述双向电力转换器包括
第一端子，所述第一端子连接到允许电力输入和输出的第一设备的输入和输出端，
第二端子，所述第二端子连接到允许电力输入和输出的第二设备的输入和输出端，
负极端子，所述负极端子连接到所述第二设备的负电极，
主电抗器，所述主电抗器具有与所述第一端子连接的第一端，
多个子电路，所述多个子电路并联连接在所述主电抗器的第二端与所述第二端子之间，所述子电路中的每个包括
连接到所述第二端子的上开关元件，和连接在所述上开关元件与所述负极端子之间的下开关元件，
与所述上开关元件反并联连接的上二极管，
与所述下开关元件反并联连接的下二极管，以及
子电抗器，所述子电抗器的一端连接到所述主电抗器的所述第二端，另一端连接到在所述上开关元件与所述下开关元件之间的串联连接的中点，
所述方法的特征在于，包括：
在电流正从所述第一端子流向第二端子时，由控制器顺序地控制所述子电路，使得在所述子电路中的每个子电路中，打开和关闭所述下开关元件，然后打开和关闭所述上开关元件被；以及
在所述电流正从所述第二端子流向所述第一端子时，由所述控制器顺序地控制所述子电路，使得在所述子电路中的每个子电路中，打开和关闭所述上开关元件，然后打开和关闭所述下开关元件。
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