CN111262467A - 通过占空比控制来降低总谐波失真的功率逆变器 - Google Patents

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Abstract

本公开提供了“通过占空比控制来降低总谐波失真的功率逆变器”。一种功率逆变器包括开关、变压器、整流器、高压(HV)总线、H桥、检测器和反馈控制器。所述变压器接收DC输入。所述H桥基于所述开关的开关频率输出AC输出。所述检测器检测负载跳变。所述反馈控制器响应于所述负载跳变而将所述开关频率暂时设定为最大允许水平。

Description

通过占空比控制来降低总谐波失真的功率逆变器
技术领域
本公开总体上涉及功率系统，并且更具体地涉及包括通过占空比 控制来降低总谐波失真的功率逆变器的功率系统。
背景技术
已知的功率逆变器将从电池汲取的直流(DC)转换为交流(AC)，以 驱动设备负载。一般来讲，这些功率逆变器生成的AC输出电压包括 低占空比和高总谐波失真(THD)。高THD会使此类功率逆变器的总 体架构的压力增大。因此，可能希望降低AC输出电压的THD。
发明内容
本申请受所附权利要求的限定。本公开概括实施例的各方面，并 且不应用来限制权利要求书。根据本文所述的技术也可以设想其他实 现方式，这将通过研究附图和具体实施方式部分对本领域普通技术人 员变得显而易见，并且这些实现方式意图落入本申请的范围内。
公开了示例性功率逆变器和功率系统。一种功率逆变器包括开 关、变压器、整流器、高压(HV)总线、H桥、检测器和反馈控制器。 所述变压器接收DC输入。所述H桥基于所述开关的开关频率输出 AC输出。所述检测器检测负载跳变。所述反馈控制器响应于所述负载跳变而将所述开关频率暂时设定为最大允许水平。
一种示例性功率系统包括电池、阶梯式负载和功率逆变器。所述 电池输出电池电压。所述阶梯式负载基于AC电压来操作。所述功率 逆变器包括开关，并且基于所述开关的开关频率将所述电池电压转换 为所述AC电压。所述功率逆变器监测所述阶梯式负载，并响应于检 测到负载跳变而将所述开关频率暂时设定为最大允许水平。
附图说明
为更好地理解本发明，可参考以下图示中所示实施例。图示中的 部件不一定按比例绘制且相关元件可省略，或者在一些情况下，比例 可能已经被放大，以便强调和清晰地说明本文所述的新颖特征。此外， 如本领域中已知，系统部件可以不同方式进行布置。此外，在附图中， 贯穿若干视图的相同附图标记指定对应部分。
图1示出了表示AC输出电压的THD作为AC输出电压的占空 比的函数的示例性曲线图。
图2示出了根据本文描述的教导的功率系统。
图3A和图3B示出了图2的功率系统的AC占空比反馈控制器 的详细视图。
图4示出了展示图2的功率系统内的节点的随时间变化的电压水 平的多个曲线图。
图5示出了展示图3A和图3B的AC占空比反馈控制器内的节 点的随时间变化的电压水平的多个曲线图。
图6示出了用于操作图3A、图3B和图4的功率系统的功率逆变 器的方法的流程图。
具体实施方式
虽然本发明可以各种形式体现，但在图示中示出并将在下文中描 述一些示例性和非限制性实施例，应理解，本公开应视为本发明的示 例而并非意图将本发明限制于所说明的特定实施例。
功率逆变器将从电池汲取的DC转换为AC，以驱动设备负载。 示例性功率逆变器电路架构可以包括初级开关、阶梯式电池、变压器、 整流器、全桥、和阶梯式负载。在此示例中，初级开关和阶梯式电池 电连接到变压器的初级线圈，整流器电连接到变压器的次级线圈，整 流器的输出端电连接到全桥，并且全桥的输出端电连接到阶梯式负 载。整流器提供高压(HV)总线，所述高压总线通过全桥导通/关断以 生成具有修正正弦波(MSW)的AC输出信号，并将AC输出信号提供 给阶梯式负载。MSW的占空比由全桥调节至设定的均方根(RMS)值。 在功率逆变器电路架构中，MSW的THD的增加会使功率逆变器的 总体架构中的压力增大。对于理想的方波脉冲宽度(PWM)信号，在 MSW的占空比与HV总线之间以及在MSW的占空比与MSW的THD 之间存在直接关系。MSW的占空比通过以下方程来建模：
方程1：
MSW的占空比＝(AC输出信号的RMS电压÷HV总线电压)2
图1示出了表示MSW的THD作为MSW的占空比的函数的示 例性曲线图100。在示出的示例中，当MSW的占空比被设定在70％ 至80％范围内时，达到最小THD水平。虽然可能希望将MSW的占 空比设定为在所述范围内，但阶梯升高负载变化可能会导致在所述范 围内操作的功率逆变器的HV总线掉线。因此，需要一种功率逆变器， 其使MSW的THD最小化并且响应于阶梯升高负载变化而起作用。
如下所述，功率逆变器包括推挽式驱动器、变压器、整流器和 AC输出开关、感测节点、阶梯式负载检测器和AC占空比反馈控制 器。AC输出开关基于开关的开关频率和H桥AC输出占空比信号来 生成AC输出信号。阶梯式负载检测器与感测节点电连接并响应于检 测到阶梯负载变化而生成负载跳变检测信号。AC占空比反馈控制器 基于H桥AC输出占空比信号和负载跳变检测信号而生成初级开关输 入信号以更改开关频率。具体地，AC占空比反馈控制器包括第一控 制器和第二控制器。在正常操作期间，第一控制器：(1)基于H桥AC 输出占空比信号生成测量电压；(2)生成参考电压；以及(3)通过将测 量电压与参考电压进行比较而生成模拟电压信号，并且第二控制器基 于模拟电压信号生成初级开关输入信号。当检测到阶梯升高负载变化 时，第二控制器通过调整初级开关输入信号将开关频率暂时提升至最 大允许水平并且通过基于模拟电压信号生成初级开关输入信号来将 控制权逐步交还给第一控制器。
功率逆变器在输入电池电压和输出负载电流变化很大的应用中 可能特别有用。例如，功率逆变器可以用作支持车辆起停功能的汽车 车载逆变器。
图2示出了根据本文描述的教导的功率系统。功率系统200包括 阶梯式电池202、功率逆变器204和阶梯式负载206。
阶梯式电池202提供多个DC输出。该多个DC输出可以由多个 电压限定。例如，该多个电压可以包括10伏、13伏和16伏。应当 理解，基于设计选择和参数，该多个电压的值和该多个DC输出的数 量可以是不同的。在一些示例中，可以基于从外部控制器(未示出)所 接收的信号来控制阶梯式电池以选择并输出多个电压中的一个作为 电池电压Vbatt。
阶梯式负载206限定基于AC功率来操作的多个负载。该多个负 载可以基于多个AC功率值来操作。例如，该多个AC功率值可以是 40W、400W和800W。应当理解，基于设计选择和参数，该多个功 率值和负载数量可以是不同的。为了说明的目的，电阻器R1、R2和 R3限定多个负载。在示出的示例中，外部控制器将负载控制信号 Load_Ctrl提供给阶梯式负载以选择多个AC功率值中的一个。当负 载控制信号Load_Ctrl的电压水平为第一水平时，负载为40W。当负 载控制信号Load_Ctrl的电压水平为第二大水平时，负载为400W。 当负载控制信号Load_Ctrl的电压水平为第三大水平时，负载为800 W。
功率逆变器204电连接到阶梯式电池202和阶梯式负载206。功 率逆变器204将电池电压Vbatt转换为到阶梯式负载206的AC输出 信号AC。功率逆变器204包括推挽式驱动器210、变压器220、整流 器230、低通滤波器240、接地节点245、HV总线246、AC输出开 关250、电阻器252、感测节点254、阶梯式负载检测器300和AC占 空比反馈控制器400。
推挽式驱动器210包括第一初级开关212和第二初级开关214。 第一初级开关212和第二初级开关214中的每一个可以是金属氧化物 半导体场效应晶体管(MOSFET)。将初级开关输入信号Vramp_ctrl施 加到第一初级开关212和第二初级开关214，以便控制对第一初级开 关212和第二初级开关214的开关频率的设定。推挽式驱动器210基 于初级开关输入信号Vramp_ctrl的电压水平来修改AC输出信号AC 的占空比。
变压器220包括初级侧222和次级侧224。初级侧222电连接到 推挽式驱动器210和阶梯式电池202，并且次级侧224电连接到整流 器230。变压器220更改电池电压Vbatt的电压水平，并将更改后的 电压提供给整流器230。初级侧222的初级线圈与次级侧224的次级线圈的匝数比可以为1:16。
整流器230为全桥整流器。整流器230的输入端电连接到变压器 220的次级侧，并且整流器230的输出端电连接到低通滤波器240。
低通滤波器240包括电感器242和电容器244。电感器的电感可 为300μH，并且电容器的电容可为330μF。低通滤波器240通过使频 率低于阈值频率的信号通过来修改从整流器230的输出端输出的电 压，并使频率高于阈值频率的信号衰减。
接地节点245由整流器230、低通滤波器240和电阻器252共享。
HV总线246是连接低通滤波器240和AC输出开关250的节点。 在HV总线246处生成高压信号HV。
AC输出开关250是简化的H桥。简化的H桥通过减少H桥中 包含的开关总数来对H桥建模。替代地，AC输出开关250可为H桥 (未示出)。AC输出开关通过将高压信号HV转换为具有预定RMS值 的矩形脉冲输出(即MSW)来修改高压信号HV。AC输出开关通过AC 输出节点251将MSW作为AC输出信号AC输出到阶梯式负载206。 AC输出开关250可以包括用于生成H桥AC输出占空比信号AC_SW 的微控制器(未示出)。在一些示例中，微控制器可为外部控制器。AC 输出开关250基于H桥AC输出占空比信号AC_SW生成AC输出信 号AC。H桥AC输出占空比信号AC_SW对应于AC输出信号AC 的占空比。
感测节点254由电阻器252、阶梯式负载206和阶梯式负载检测 器300共享。
阶梯式负载检测器300包括第一电压源302、第二电压源304、 比较器306、第一节点308、第一电阻器310、第二节点311、第二电 阻器312、第三电阻器314、二极管316、第三节点318、电容器320 和接地节点322。第一电压源302电连接到感测节点254和比较器306 的负输入端子。第二电压源304电连接到比较器306的正输入端和接 地节点322。在示出的示例中，第一电压源302和第二电压源304的 电压水平为4.5V。比较器306包括输出端子、正输入端子、负输入 端子。输出端子电连接到第一节点308。负输入端子电连接到第一电 压源302。正输入端子电连接到第二电压源304。比较器306电连接 到接地节点322并且由电源电压Vcc供电。电源电压Vcc的电压水 平可为5V。比较器306可被实现为模拟装置或数字装置。比较器306 可以用作比例积分微分(PID)控制器。第一节点308还连接到第一电 阻器310。第一电阻器310的电阻可为1K欧姆。第一电阻器310还 连接到第二节点311。第二节点311由第一电阻器310、第二电阻器312、第三电阻器314和二极管316共享。第二电阻器312的电阻可 为1M欧姆。第三电阻器314的电阻可为100K欧姆。二极管316定 位成使得二极管316允许电流从第三节点318流到第二节点311。第 三节点318由第三电阻器314、二极管316和电容器320共享。第三 节点318输出负载跳变检测信号CSC。电容器320的电容可为0.5μF。 接地节点322由电容器320、第二电阻器312、比较器306和第二电 压源304共享。阶梯式负载检测器300监测感测节点254以检测阶梯 式负载206的阶梯变化。具体地，阶梯式负载检测器300响应于检测 到阶梯升高负载变化而生成负载跳变检测信号CSC。阶梯式负载检测 器响应于检测到阶梯升高负载变化而急剧降低负载跳变检测信号 CSC的电压水平，并且响应于检测到阶梯降低负载变化而使负载跳变 检测信号CSC的电压水平发生无关紧要的或不发生变化。
AC占空比反馈控制器400基于负载跳变检测信号CSC、电池电 压Vbatt、H桥AC输出占空比信号AC_SW生成初级开关输入信号 Vramp_cntrl。在一些示例中，可以将电池电压Vbatt经由电压控制电 压源402提供给AV占空比反馈控制器。在此类示例中，能够控制电压控制电压源402可以是电池电压Vbatt。通过将电源电压Vcc电连 接到接地节点来为AC占空比反馈控制器400供电。下面将详细描述 AC占空比反馈控制器400的细节。
图3A和图3B示出了图2的功率系统200的AC占空比反馈控 制器400的详细视图。为了说明的目的，图3A中的点(A)、(B)和(C) 连接到图3B中的点(A)、(B)和(C)。
AC占空比反馈控制器400包括第一控制器500和第二控制器 600。
第一控制器500包括反馈补偿器700、前馈补偿器800、占空比 限制器510、增益逆变器520、低通滤波器540和占空比控制数字转 换器550。第一控制器400基于H桥AC输出占空比信号AC_SW、 负载跳变检测信号CSC和电池电压Vbatt来调整初级开关输入信号Vramp_ctrl。
反馈补偿器700包括第一电阻器701、第一节点702、开关704、 第二节点706、第二电阻器708、第三电阻器710、第四电阻器712、 第三节点714、第一电容器716、第四节点718、二极管720、第五节 点722、第五电阻器724、第二电容器726、比较器728和第六节点 730。第一电阻器701电接地。第一电阻器701的电阻可为100K欧 姆。第一节点702由第一电阻器701和开关704共享。第一节点702 接收H桥AC输出占空比信号AC_SW。开关704电连接到接地和电 源电压。开关704进行操作，使得如果H桥AC输出占空比信号 AC_SW与接地之间的电压差大于阈值电压，则第二节点706连接到 电源电压Vcc。否则，第二节点706连接到接地。阈值电压可以被定 义为Vcc/2。第二节点706由开关704、第二电阻器708、第三电阻器 710和第四电阻器712共享。第二电阻器708、第三电阻器710和第 四电阻器712的电阻可分别为5K欧姆、10K欧姆和20K欧姆。第三 节点714由第一电容器716和第四电阻器712共享。第四节点718由 第三电阻器710和二极管720共享。第五节点722由第一电容器716、 二极管720、第二电阻器708、第五电阻器724、第二电容器726和 比较器728的负输入端子共享。二极管720允许电流从第四节点718 流到第五节点722。第一电容器716的电容可为1μF。第五电阻器724的电阻可为4.7K欧姆。第二电容器726的电容可为10μF。比较器728 由电源电压Vcc和接地供电。比较器728用作PID控制器。第六节 点730由比较器728的输出端子、第二电容器726和第五电阻器724 共享。反馈补偿器700在第五节点722处提供测量电压V-2。基于H 桥AC输出占空比信号AC_SW生成测量电压V-2。第二电容器726 提供与第五电阻器724的主要积分因子以限制DC增益，从而使阶跃 响应中的过冲最小化。二极管720确保HV总线响应于阶梯升高负载 变化而更快地驱动。当H桥AC输出占空比信号AC_SW的电压水平 为高水平以及当第二节点726的电压水平也为高水平时，反馈补偿器700对第二电容器726充电。
前馈补偿器800包括第一电压源802、第一节点804、开关806、 第二节点808、第三节点810、电压控制电压源812、第五节点814、 第三电压源816、第四电压源818，第六节点820、第七节点822、第 一电阻器824、第二电阻器826、第八节点828、电容器830和第九 节点832。第一电压源802电连接到接地。第一电压源802的电压水 平可为4.5V。第一节点804由开关806和第一电压源802共享。开 关806响应于负载跳变检测信号CSC和第一节点804的电压水平。 开关806进行操作，使得如果第一节点804与负载跳变检测信号CSC 之间的电压差大于阈值电压，则开关806将第九节点832与第三节点 810电连接。否则，开关将第九节点832与第二节点808电连接。阈 值电压可为0.5V。第二节点808由开关806和电压控制电压源812 共享。第三节点810由第四电压源818和开关806共享。第四电压源 818的电压水平可为1.5V。第四节点由电压控制电压源812和第二 电压源共享。第二电压源的电压水平可为160V。第二电压源还连接 到接收电池电压Vbatt的管脚。第五节点814由电压控制电压源812 和第三电压源816共享。第三电压源816的电压水平可为3V。电压 控制电压源812用于对电池电压Vbatt进行微调。电压控制电压源812 的电压水平可为第二电压源和第三电压源816的电压水平的函数。该 函数可被定义为第二电压源的电压水平除以第三电压源816的电压 水平除以200V。第六节点820由第三电压源816和第一电阻器824 共享。第七节点822由第四电压源818和第二电阻器826共享。第八 节点828由电容器830、第一电阻器824和第二电阻器826共享。第 八节点828进一步由反馈补偿器的正输入端子共享。第九节点832由 电容器830和开关806共享。电容器830的电容可为1μF。前馈补偿 器基于负载跳变检测信号在第八节点828处提供参考电压V+2。前馈 补偿器响应于电源电压与负载跳变检测信号之间的电压差大于阈值 电压(例如，当检测到阶梯升高负载变化时)而提供第一电路径，所述 第一电路径包括第九节点832、第三节点810、第四电压源818、第 七节点822、第二电阻器826和第八节点。这确保了参考电压V+2的 占空比维持在30％或约30％。此占空比可以由第四电压源818的电压 水平与电源电压的比来定义。前馈补偿器还响应于电源电压与负载跳 变检测信号之间的电压差大于阈值电压(例如，当不存在阶梯升高负 载变化时)而提供第二电路径，所述第二电路径包括第九节点832、第 二节点808、电压控制电压源812、第五节点814、第三电压源816、 第六节点820、第一电阻器824和第八节点828。这确保了参考电压 V+2的占空比维持在60％或约60％。此占空比可以由第三电压源816 的电压水平与电源电压的比来定义。前馈补偿器800如下操作。在正 常操作期间(即，当未检测到阶梯升高负载变化时)，基于第二电路径 来设定参考电压V+2。此外，电容器830经由第二电路径来充电。当 检测到阶梯升高负载变化时，基于第一电气路径来设定参考电压 V+2。此外，电容器830经由第一电气路径来放电。
占空比限制器510包括第一电压源512、第二电压源514、第一 节点516、第二节点518、第一二极管520、第二二极管522和第三 节点524。第一电压源512和第二电压源514电连接到接地。第一电 压源512和第二电压源514的电压水平可分别为4.5V和0.5V。第一 节点516由第一二极管520和第一电压源512共享。第二节点518由 第二二极管522和第二电压源514共享。第三节点524由第一二极管 520和第二二极管522共享。第一二极管520允许电流从第三节点524 流到第一节点516。第二二极管522允许电流从第二节点518流到第 三节点524。占空比限制器510的第三节点524和反馈补偿器700的 第六节点730为同一节点。占空比限制器510通过将占空比的最大值 限制为90％并且将占空比的最小值限制为10％来限制由反馈补偿器 700的比较器728输出的信号的占空比。
增益逆变器520包括第一电阻器522、第二电阻器524、第一节 点526、第二节点528、第三电阻器530、第四电阻器532、第三节点 534和比较器536。第一电阻器522电耦合到占空比限制器510的第 三节点524和反馈补偿器700的第六节点730。第一节点526由第一电阻器522、第四电阻器532和比较器536的负输入端子共享。第二 电阻器524电连接到接收电源电压Vcc的管脚。第二节点528由比较 器536的正输入端子、第二电阻器524和第三电阻器530共享。第三 电阻器530电连接到接地。第三节点534连接到比较器536的输出端 子和第四电阻器532。第一电阻器522、第二电阻器524、第三电阻 器530和第四电阻器532的电阻可为10K欧姆。比较器536由电源 电压Vcc和接地供电。增益逆变器520使反馈补偿器700的比较器 728输出的信号反相。
低通滤波器包括电阻器542、电容器544和节点546。节点546 由电阻器542和电容器544共享。电容器544电连接到接地。低通滤 波器540的电阻器542电连接到增益逆变器520的第三节点534。电 阻器540的电阻可为1K欧姆，并且电容器544的电容可为1μF。低 通滤波器540通过对所述输出信号的曲线进行平滑来对增益逆变器 的比较器的输出信号进行滤波。将节点处提供的信号定义为模拟电压 信号V_DC。
占空比控制数字转换器550包括第一电阻器552、第二电阻器 554、第一节点556、第二节点558、第三电阻器560、第四电阻器561、 第三节点562和比较器564。第一电阻器552电连接到接收H桥AC 输出占空比信号AC_SW的管脚。第一节点556由第一电阻器552、 第四电阻器561和比较器564的负输入端子共享。第二电阻器554电 连接到接收电源电压Vcc的管脚。第二节点558由比较器564的正输 入端子、第二电阻器554和第三电阻器560共享。第三电阻器560电 连接到接地。第三节点562电连接到比较器564的输出端子和第四电 阻器561。第一电阻器552、第二电阻器554、第三电阻器560和第 四电阻器561的电阻可为10K欧姆。占空比控制数字转换器550基 于H桥AC输出占空比信号AC_SW和电源电压Vcc在第三节点562 处生成时钟信号CLK。
第二控制器600包括DC数字转换器610、第一开关612、第一 节点614、第二节点616、第一电压源618、第二电压源620、第三节 点622、第二开关623、第四节点624、低通滤波器630、占空比限制 器640和第五节点670。
DC数字转换器610包括正输入端子、负输入端子、时钟输入端 子和输出端子。正输入端子电连接到第一控制器500的低通滤波器 540的节点546，并接收模拟电压信号V_DC。负端子电连接到接地。 时钟输入端子电连接到占空比控制数字转换器550的第三节点562。DC数字转换器610通过使用时钟信号CLK作为采样率来将模拟电压 信号V_DC转换为数字电压信号V_SH。
第一开关612电连接到DC数字转换器610的输出端子和第一控 制器500的低通滤波器540的节点546。第一开关612进一步电连接 到接地和接收第一开关控制信号Switch_cntrl的管脚。第一开关控制 Switch_cntrl信号可以由外部控制器提供。第一开关612进一步电连 接到第二开关623。第一开关612进行操作，使得如果第一开关控制 信号Switch_cntrl与接地之间的电压差大于阈值电压，则第一开关选 择模拟电压信号V_DC并将其输出至第二开关623。否则，第一开关 612输出数字电压信号V_SH。阈值电压可以被定义为Vcc/2。
第一节点614由第一开关612和第二开关623共享。第二节点 616由第一电压源618和第二开关623共享。第三节点622由第二电 压源620和第二开关623共享。第四节点624由低通滤波器630和第 二开关623共享。第一电压源618和第二电压源620的电压水平可为4.5V。第一电压源618和第二电压源620进一步电连接到接地。
第二开关623进一步电连接到接收负载跳变检测信号CSC的管 脚。第二开关进行操作，使得如果第三节点622与负载跳变检测信号 CSC之间的电压差大于阈值电压加上滞后电压，则第二开关623将第 四节点624与第二节点616电连接。如果所述电压差小于阈值电压加 上滞后电压，则第二开关623将第四节点624与第一节点614电连接。 如果所述电压差介于由阈值电压±滞后电压所限定的电压范围之间， 则第二开关623将第四节点624、第二节点616与第一节点614电连 接。阈值电压可为0.5V。滞后电压可为阈值电压除以10。
低通滤波器630包括电阻器632、节点634和电容器636。电阻 器632电连接到第二控制器600的第四节点624。节点634由电阻器 632和电容器636共享。电容器636电连接到接地。电阻器632的电 阻可为1K欧姆，并且电容器636的电容可为2μF。低通滤波器630 对节点634处生成的信号进行平滑。
饱和限制器640包括第一二极管642、第一节点644、第一电压 源646、第二二极管648、第二节点650、第二电压源652和第三节 点654。第一节点644由第一二极管642和第一电压源646共享。第 二节点650由第二二极管648和第二电压源652共享。第三节点654 由第一二极管642和第二二极管共享。第一二极管642被布置成使得 电流从第三节点654流到第一节点644。第二二极管648被布置成使 得电流从第二节点650流到第三节点654。第一电压源646和第二电 压源652的电压水平可分别为4.5V和0.5V。饱和限制器640通过将 占空比的最大值限制为90％并且将占空比的最小值限制为10％来限 制在第三节点654处生成的信号的占空比。
第五节点670由低通滤波器630的节点634和饱和限制器640的 第三节点654限定。在该节点处，生成初级开关输入信号Vramp_ctrl， 并将其提供给推挽式驱动器210。
在一些示例中，AC占空比反馈控制器400可以排除第二控制器 600的第一开关612、DC数字转换器610和占空比控制数字转换器 550。在此类示例中，将模拟电压信号V_DC直接提供给第二控制器 600的第二开关623。替代地，AC占空比反馈控制器400可以排除第二控制器600的第一开关612以及将第二控制器600的第二开关624 与第一控制器500的低通滤波器540的节点546连接的节点。
图4示出了展示图2的功率系统200内的节点的随时间变化的电 压水平的多个曲线图900。
从T0到T1，可以假设，负载控制信号Load_ctrl为第二水平并且 负载为400W。在该周期期间：(1)HV总线的平均电压水平维持在约 133V；(2)AC输出信号AC的占空比维持在约75％；(3)感测节点254 处的电压与AC输出信号AC的电压成比例，并且感测节点处的电压的占空比对应于AC输出信号的占空比；(5)负载跳变检测信号CSC 稳定；并且(6)初级开关输入信号Vramp_ctrl稳定。
在T1，可以假设，外部控制器使负载控制信号的电压水平从第 二水平增加到第三水平。作为响应：(1)负载增加到800W；(2)HV 总线的电压水平下降(例如，降至121V)以补偿增加的负载；(3)并且 感测节点254处的电压(即，CS)增加。为了防止HV总线246的电压 水平进一步下降，阶梯式负载检测器响应于感测节点254处的电压增 加而使负载跳变检测信号CSC的电压水平下降。作为响应，AC占空 比反馈控制器400将初级开关输入信号Vramp_ctrl的电压水平设定为 最大允许水平。最大允许水平使第一初级开关212和第二初级开关214以最大开关频率进行开关。最大允许水平可为4.5V。随着第一 初级开关212和第二初级开关214以最大开关频率进行操作：(1)HV 总线246的电压水平增加；(2)AC输出信号AC的占空比减小；并且 (3)AC输出信号AC的振幅增加。
从T1到T2，初级开关输入信号Vramp_ctrl维持在4.5V。在该 周期期间，AC输出信号AC的占空比维持在约40％；(2)HV总线246 的平均电压水平维持在约163V；并且(3)负载跳变检测信号CSC逐 渐增加。
从T2到T3，随着负载跳变检测信号CSC的电压水平持续增加， AC占空比反馈控制器400使初级开关输入信号Vramp_Ctrl的电压水 平逐渐减小。在该周期期间，AC输出信号AC的占空比逐渐增加， 并且HV总线246的电压水平逐渐减小。
从T3到T4，负载跳变检测信号CSC的电压水平逐渐稳定到稳 定状态，并且作为响应，AC占空比反馈控制器400使初级开关输入 信号Vramp_Ctrl的电压水平也逐渐稳定到稳定状态。作为响应，HV 总线的平均电压水平维持在约131V，并且AC输出信号的占空比维 持在约75％。
在T4，可以假设，外部控制器使负载控制信号Load_Ctrl的电压 水平从第三水平减小到第二水平。作为响应：(1)负载降至400W； (2)HV总线246的电压水平增加到138V；(3)并且感测节点254处的 电压减小。
从T4到T5，负载跳变检测信号CSC的电压水平略微增加，并 且初级开关输入信号Vramp_Ctrl略微减小。
在T5，负载跳变检测信号CSC和初级开关输入信号Vramp_Ctrl 两者都维持稳定的电压水平。
图5示出了展示图3A和图3B的AC占空比反馈控制器内的节 点的随时间变化的电压水平的多个曲线图1000。在图5中，可以假 设，第二控制器600的第一开关612将DC数字转换器610与第二控 制器600的第一节点614电连接。在替代示例中，第一控制器500的 低通滤波器540的节点546直接连接到第二控制器600的第二开关 623。
从T0到T1，负载跳变检测信号CSC维持稳定状态。在该周期期 间：(1)前馈补偿器800向反馈补偿器700的比较器728提供第二电路 径；(2)前馈补偿器800的电容器830经由第二电路径来充电；(3)参 考电压V+2维持在约3V；并且(4)测量电压V-2维持在约3V。在该周期期间，前馈补偿器800的电容器830被充电或正被充电。
在T1，发生阶梯升高负载变化。随着负载跳变检测信号CSC减 小并达到与第二控制器600的第二开关623的阈值电压相对应的电压 值时，将初级开关输入信号Vramp_Ctrl的电压水平设定为第二控制 器600的第一电压源618的电压水平。此时，前馈补偿器800向反馈 补偿器700的比较器728提供第一电路径，并且前馈补偿器800的电 容器830开始经由第一电路径来放电。
从T1到T2，负载跳变检测信号CSC的电压水平逐渐增加，并 且前馈补偿器800的电容器830继续经由第一电路径来放电。
随着负载跳变检测信号CSC继续增加，负载跳变检测信号CSC 在T2达到与第二控制器600的第二开关623的阈值电压相对应的电 压值。此时，将初级开关输入信号Vramp_Ctrl的电压水平设定为第 二控制器600的第一节点614的电压水平。此时，前馈补偿器800向 反馈补偿器700的比较器728提供第二电路径，并且前馈补偿器800 的电容器830开始经由第二电路径来充电。
从T2到T3，随着前馈补偿器800的电容器830继续经由第二电 路径来充电，参考电压V+2逐渐增加。参考电压V+2逐渐增加，使 得初级开关输入信号Vramp_Ctrl被控制为也逐渐增加。初级开关输 入信号Vramp_Ctrl的逐渐增加确保了HV总线246的电压水平不会 急剧下降。
从T3到T4，负载跳变检测信号CSC平稳，并且参考电压V+2 也平稳。
在T4，可以假设，外部控制器使负载控制信号Load_ctrl的电压 水平从第三水平减小到第二水平。
从T4到T5：(1)负载跳变检测信号CSC的电压水平略微增加； (2)模拟电压信号V_DC的平均电压水平略微减小；并且(3)初级开关 输入信号Vramp_Ctrl略微减小。
在T5，负载跳变检测信号CSC和初级开关输入信号Vramp_Ctrl 维持稳定的电压水平。此外，在T5，模拟电压信号V_DC维持稳定 的平均电压水平。
图6示出了用于操作图3和图4的功率逆变器204的方法1100 的流程图。
在框1102处，功率逆变器204以正常模式操作。在正常模式期 间：(1)初级开关输入信号Vramp_ctrl的电压水平和负载跳变检测信 号CSC的电压水平处于稳定状态；(2)第二控制器600的第二开关623 将第二控制器600的第一节点614与第二控制器600的第四节点624 电连接；(3)前馈补偿器800基于第二电路径生成参考电压V+2；并 且(4)前馈补偿器800的电容器830被充电。
在框1104处，功率逆变器204通过监测感测节点来确定是否已 经发生了阶梯升高负载变化。如果已经发生阶梯升高负载变化，则该 方法继续进行到框1104。否则，该方法返回到框1102。
在框1106处，功率逆变器204使负载跳变检测信号CSC的电压 减小。
在框1108处，功率逆变器204将第二控制器600的第二节点616 电连接到第二控制器600的第四节点624，并且将第二控制器600的 第一节点614与第二控制器600的第四节点624电断开。
在框1110处，功率逆变器204将第一初级开关212和第二初级 开关214的开关频率设定为最大频率。
在框1112处，功率逆变器204使前馈补偿器800基于第一电路 径生成参考电压V+2。
在框1114处，功率逆变器204经由第一电路径使前馈补偿器的 电容器830放电。
在框1116处，功率逆变器204使负载跳变检测信号CSC的电压 水平增加。
在框1118处，功率逆变器204将第二控制器600的第一节点614 电连接到第二控制器600的第四节点624，并且将第二控制器600的 第二节点616与第二控制器600的第四节点624电断开。
在框1120处，功率逆变器204使前馈补偿器800基于第二电路 径生成参考电压V+2。
在框1122处，功率逆变器204经由第一电路径对前馈补偿器800 的电容器830充电。
尽管参考图6中所示的流程图描述了操作功率逆变器204的示例 性方法，但可替代地使用实现示例性功率逆变器204的许多其他方 法。例如，框的执行次序可以改变，和/或所描述的某些框可以被改 变、消除或组合。
在本申请中，转折连词的使用意图包括连接意义。定冠词或不定 冠词的使用并非意图指示基数。具体地，对“所述”对象或“一”和“一 个”对象的引用也意图表示可能的多个此类对象中的一个。此外，连 接词“或”可用于表达同时存在的特征而非相互排斥的替代方案。换言 之，连词“或”应理解为包括“和/或”。如本文所使用，术语“模块”和“单 元”是指具有通常与传感器结合提供通信、控制和/或监测能力的电路 的硬件。“模块”和“单元”还可包括在电路上执行的固件。术语“包括” 是包含性的，并且具有与“包含”相同的范围。
上述实施例并且特别是任何“优选”实施例是实现方式的可能的 示例并且仅仅是为了清楚地理解本发明的原理而阐述的。在基本上不 脱离本文所述技术的精神和原理的情况下，可对一个或多个上述实施 例做出许多变化和修改。所有修改在本文中意图包括在本公开的范围 内且受所附权利要求保护。
根据本发明，提供一种功率逆变器，所述功率逆变器具有：开关； 变压器，所述变压器被配置为接收DC输入；整流器；高压(HV)总线； 以及H桥，所述H桥被配置为基于所述开关的开关频率输出AC输 出；检测器，所述检测器被配置为检测负载跳变；以及反馈控制器，反馈控制器被配置为响应于所述负载跳变而将所述开关频率暂时设 定为最大允许水平。
根据实施例，H桥被配置为基于所述HV总线和H桥AC输出占 空比信号来修改所述AC输出的所述占空比，并且其中所述反馈控制 器还被配置为基于所述H桥AC输出占空比信号来修改所述开关的所 述开关频率。
根据实施例，所述负载跳变为阶梯升高负载变化。
根据实施例，所述反馈控制器包括：第一控制器，所述第一控制 器被配置为：基于所述H桥AC输出占空比信号生成测量电压；经由 第一电路径生成参考电压；并且通过将所述测量电压和所述参考电压 进行比较来生成模拟电压信号；和第二控制器，所述第二控制器被配 置为基于所述模拟电压信号生成用于设定所述开关频率的初级开关 输入信号。
根据实施例，所述第二控制器包括响应于所述负载跳变，基于固 定电压水平生成所述初级开关输入信号。
根据实施例，所述第二控制器还被配置为响应于在所述负载跳变 之后经过预定时间段，基于所述模拟电压信号生成所述初级开关控制 信号。
根据实施例，所述第一控制器还被配置为响应于所述负载跳变， 经由第二不同的电路径生成所述参考电压。
根据实施例，所述第一控制器还被配置为响应于在所述负载跳变 之后经过预定时间段，经由所述第一电路径生成所述参考电压。
根据实施例，所述反馈控制器还被配置为：生成用于设定所述开 关频率的初级开关输入信号；响应于所述负载跳变，使所述初级开关 输入信号从第一水平增加到第二水平；以及响应于在所述负载跳变后 经过预定时间段，使所述初级开关输入信号从所述第二水平逐渐减小 到所述第一水平。
根据实施例，所述第二控制器的特征还在于DC数字转换器，所 述DC数字转换器被配置为基于时钟信号将所述模拟电压信号转换为 数字电压信号。
根据实施例，所述第一位控制器的特征还在于占空比控制数字转 换器，所述占空比控制数字转换器被配置为基于所述H桥AC输出占 空比信号来生成所述时钟信号。
根据本发明，提供一种功率系统，所述功率系统具有：电池，所 述电池被配置为输出电池电压；阶梯式负载，所述阶梯式负载被配置 为基于AC电压进行操作；功率逆变器，所述功率逆变器包括开关并 且被配置为：基于所述开关的开关频率将所述电池电压转换为所述 AC电压；监测所述阶梯式负载；以及响应于检测到负载跳变，将所 述开关频率暂时设定为最大允许水平。
根据实施例，所述负载跳变为阶梯升高负载变化。
根据实施例，所述功率逆变器的特征还在于：高压(HV)总线；H 桥，所述H桥被配置为基于所述HV总线和H桥AC输出占空比信 号修改所述AC电压的所述占空比；以及反馈控制器，所述反馈控制 器被配置为基于所述H桥AC输出占空比信号来修改所述开关的所述 开关频率。
根据实施例，所述反馈控制器包括：第一控制器，所述第一控制 器被配置为：基于所述H桥AC输出占空比信号生成测量电压；经由 第一电路径生成参考电压；并且通过将所述测量电压和所述参考电压 进行比较来生成模拟电压信号；和第二控制器，所述第二控制器被配 置为基于所述模拟电压信号生成用于设定所述开关频率的初级开关 输入信号。
根据实施例，所述第二控制器还被配置为响应于所述负载跳变， 基于固定电压水平来生成所述初级开关输入信号。
根据实施例，所述第二控制器还被配置为响应于在所述负载跳变 之后经过预定时间段，基于所述模拟电压信号生成所述初级开关控制 信号。
根据实施例，所述第一控制器还被配置为响应于所述负载跳变， 经由第二不同的电路径生成所述参考电压。
根据实施例，所述第一控制器还被配置为响应于在所述负载跳变 之后经过预定时间段，经由所述第一电路径生成所述参考电压。
根据实施例，所述反馈控制器还被配置为：生成用于设定所述开 关频率的初级开关输入信号；响应于所述负载跳变，使所述初级开关 输入信号从第一水平增加到第二水平；以及响应于在所述负载跳变后 经过预定时间段，使所述初级开关输入信号从所述第二水平逐渐减小 到所述第一水平。

Claims (15)

1.一种功率逆变器，包括：
初级开关；变压器，所述变压器被配置为接收开关直流(DC)信号；整流器；和H桥，所述H桥被配置为输出具有占空比的交流(AC)信号；
检测器，所述检测器被配置为检测阶梯升高负载变化；以及
反馈控制器，所述反馈控制器被配置为：
调节所述占空比；并且
响应于所述阶梯升高负载变化，将所述初级开关的开关占空比暂时设定为最大允许水平。
2.如权利要求1所述的功率逆变器，还包括将所述整流器与所述H桥耦合的高压(HV)总线，其中所述H桥还被配置为基于所述HV总线的电压水平和H桥AC输出占空比信号来修改所述AC信号的所述占空比，并且其中所述反馈控制器还被配置为基于所述H桥AC输出占空比信号来修改所述初级开关的所述开关占空比。
3.如权利要求1所述的功率逆变器，其中所述反馈控制器仅响应于所述检测器检测到所述阶梯升高负载变化，将所述初级开关的所述开关占空比暂时设定为所述最大允许水平。
4.如权利要求1所述的功率逆变器，其中所述反馈控制器包括：
第一控制器，所述第一控制器被配置为：
基于H桥AC输出占空比信号生成测量电压；
经由第一电路径生成参考电压；并且
通过将所述测量电压和所述参考电压进行比较而生成模拟电压信号；和
第二控制器，所述第二控制器被配置为基于所述模拟电压信号生成用于设定所述开关占空比的初级开关控制信号。
5.如权利要求4所述的功率逆变器，其中所述第二控制器还被配置为响应于所述阶梯升高负载变化，基于固定电压水平来生成所述初级开关控制信号。
6.如权利要求5所述的功率逆变器，其中所述第二控制器还被配置为响应于在所述阶梯升高负载变化之后经过预定时间段，基于所述模拟电压信号来生成所述初级开关控制信号。
7.如权利要求4所述的功率逆变器，其中所述第一控制器还被配置为响应于所述阶梯升高负载变化，经由第二不同的电路径来生成所述参考电压。
8.如权利要求7所述的功率逆变器，其中所述第一控制器还被配置为响应于在所述阶梯升高负载变化之后经过预定时间段，经由所述第一电路径生成所述参考电压。
9.如权利要求1所述的功率逆变器，其中所述反馈控制器还被配置为：
生成用于设定所述开关占空比的初级开关控制信号；
响应于所述阶梯升高负载变化，使所述初级开关控制信号从第一水平增加到第二水平；以及
响应于在所述阶梯升高负载变化之后经过预定时间段，使所述初级开关控制信号从所述第二水平逐渐减小到所述第一水平。
10.如权利要求4所述的功率逆变器，所述第二控制器包括数字转换器，所述数字转换器被配置为基于时钟信号将所述模拟电压信号转换为数字电压信号。
11.如权利要求10所述的功率逆变器，所述第一控制器包括占空比控制数字转换器，所述占空比控制数字转换器被配置为基于所述H桥AC输出占空比信号来生成所述时钟信号。
12.一种功率系统，包括：
电池；
阶梯式负载；和
功率逆变器，所述功率逆变器包括初级开关并且被配置为：
基于所述初级开关的开关占空比来向所述阶梯式负载提供交流(AC)电压；
监测所述阶梯式负载；并且
响应于检测到阶梯升高负载变化，将所述开关占空比暂时设定为最大允许水平。
13.如权利要求12所述的功率系统，其中所述功率逆变器仅响应于检测到所述阶梯升高负载变化，将所述开关占空比暂时设定为所述最大允许水平。
14.如权利要求12所述的功率系统，所述功率逆变器还包括：
高压(HV)总线；
H桥，所述H桥被配置为基于所述HV总线的电压和所述AC电压的预定均方根(RMS)值来修改所述AC电压的占空比；和
反馈控制器，所述反馈控制器被配置为基于H桥AC输出占空比信号来修改所述开关占空比。
15.如权利要求12所述的功率系统，其中所述功率逆变器包括：
第一控制器，所述第一控制器被配置为：
基于H桥AC输出占空比信号生成测量电压；
经由第一电路径生成参考电压；并且
通过将所述测量电压和所述参考电压进行比较而生成模拟电压信号；和
第二控制器，所述第二控制器被配置为基于所述模拟电压信号生成用于设定所述开关占空比的初级开关控制信号。
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