CN114567173A - 用于具有400v和800v车辆的平台的dc-dc变压器 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了用于具有400V和800V车辆的平台的DC‑DC变压器。DC‑DC转换器包括接收输入DC电压并输出第一AC电压的第一开关网络、变压器和接收第二AC电压并输出输出DC电压的次级侧转换电路。变压器包括第一多个初级绕组、第二多个初级绕组和多个次级绕组。变压器被配置为接收第一AC电压并输出第二AC电压。当输入DC电压旨在低电压范围内使用时，第一多个初级绕组和第二多个初级绕组被配置为在制造DC‑DC转换器时并联。当输入DC电压旨在高电压范围内使用时，第一多个初级绕组和第二多个初级绕组被配置为在制造时串联。

Description

用于具有400V和800V车辆的平台的DC-DC变压器
相关申请的交叉引用
本申请要求于2020年11月27日提交的序列号为63/118,799的美国临时申请的利益，该美国临时申请的公开内容在此通过引用被全部并入本文。
技术领域
在至少一个方面中，提供了一种用于在电动或混合电动车辆中的DC到DC转换的方法和设备。
背景
对于未来的电气化车辆架构，OEM正在考虑采用根据车辆型号与400V和800V的两种电压电平共存的HV架构的车辆。
这种设计对于目前的高电压到低电压DCDC转换器来说可能是一个障碍，因为存在宽的输入操作范围(例如，230V到820V)，所以通常开发230V到470V和480V到820V版本的设计变体，以根据HV架构最大化产品性能。
因此，需要来自尽可能相似的不同HV电平的DCDC转换器，使得通过规模经济来最小化部件成本。
概述
在至少一个方面中，提供了一种应用将输入DC电压转换成输出DC电压的双有源桥式整流器拓扑的DC-DC转换器。该DC-DC转换器包括接收输入DC电压并输出第一AC电压的第一开关网络、变压器和接收第二AC电压并输出输出DC电压的次级侧转换电路。变压器包括第一多个初级绕组、第二多个初级绕组和多个次级绕组。变压器被配置为接收第一AC电压并输出第二AC电压。当输入DC电压旨在低电压范围内使用时，第一多个初级绕组和第二多个初级绕组被配置为在制造DC-DC转换器时并联。当输入DC电压旨在高电压范围内使用时，第一多个初级绕组和第二多个初级绕组被配置为在制造时串联。
有利地，通过输入电压可配置选择器、改进的平台支持、磁性设计的重用、成本降低和上市时间、设计上的更高灵活性，本文提供的直流/直流(DC/DC)转换器系统允许具有高性能的宽输入电压支持。此外，转换器系统只需要增加在特定时间处操作的无能量流的电源开关(可以是继电器或硅开关)。
附图简述
为了对本公开的性质、目的和优点的进一步理解，应当参考结合下面的附图阅读的下面的详细描述，其中相似的参考数字表示相似的要素，以及其中：
图1A是具有变压器的DC-DC转换器的示意图，其中初级绕组以并联配置进行配置。
图1B是具有变压器的DC-DC转换器的示意图，其中初级绕组以串联配置进行配置。
图1C是图1A和图1B的系统中使用的变压器的示意图。
详细描述
现在将详细地参考本发明的目前优选的实施例和方法，其构成发明人目前已知的实践本发明的最佳方式。附图不一定是按比例绘制的。然而，应理解，所公开的实施例仅是本发明的示例，本发明可以以各种形式和替代性形式实施。因此，本文所公开的具体细节不应被理解为限制性的，而是仅作为用于本发明的任何方面的代表性基础，和/或作为用于教导本领域技术人员以各种方式利用本发明的代表性基础。
还应理解，本发明不限于以下所描述的特定实施例和方法，因为特定部件和/或条件当然可以变化。另外，本文所使用的术语仅为了描述本发明的特定实施例的目的而使用并且不意图以任何方式是限制性的。
还必须注意的是，如在说明书和所附权利要求书中所使用的，除非上下文另有明确指示，否则单数形式“一(a)”、“一(an)”和“该(the)”包括复数指代。例如，以单数形式提及的部件意图包括多个部件。
术语“包括(comprising)”是“包括(including)”、“具有(having)”、“包含(containing)”、或“特征在于(characterized by)”的同义词。这些术语是包括性的和开放性的，并且不排除另外的、未被提及的要素或方法步骤。
短语“由...组成(consisting of)”排除权利要求中未指定的任何要素、步骤或成分。当该短语出现在权利要求的主体部分的一个子句中而不是紧接在前序部分之后时，它仅限制该子句中陈述的要素；其它要素并不从作为整体的该权利要求被排除。
短语“基本上由...组成(consisting essentially of)”将权利要求的范围限于所指定的材料或步骤，加上不实质影响所要求保护的主题的基本的和新颖的特性的那些材料或步骤。
关于术语“包括(comprising)”、“由...组成(consisting of)”和“基本上由...组成(consisting essentially of)”，在该三个术语中的一个在本文中被使用的情况下，当前公开的和所要求保护的主题可以包括使用其它两个术语中的任一个。
还应该认识到，整数范围明确地包括所有中间的整数。例如，整数范围1-10明确地包括1、2、3、4、5、6、7、8、9和10。类似地，范围1到100包括1、2、3、4、...、97、98、99、100。类似地，当任何范围被要求时，将上限和下限之间的差除以10作为增量的介于中间的数字可以被当作是可选的上限或下限。例如，如果范围是1.1到2.1，下面的数字1.2、1.3、1.4、1.5、1.6、1.7、1.8、1.9和2.0可以被选择为下限或上限。
术语“连接到”意味着被称为连接到的电气部件处于电通信中。在一种改进中，“连接到”意味着被称为连接到的电气部件直接用电线连接到彼此。在另一种改进中，“连接到”意味着电气部件无线地或者通过有线和无线地连接的部件的组合进行通信。在另一种改进中，“连接到”意味着一个或更多个附加的电气部件插在被称为连接到的电气部件之间，来自始发部件的电信号在被接收到连接到它的部件之前被处理(例如被滤波、放大、调制、整流、衰减、求和、减去等)。
术语“电通信”意味着电信号直接或间接地从始发电子设备发送到接收电气设备。间接电通信可以涉及电信号的处理，包括但不限于信号的滤波、信号的放大、信号的整流、信号的调制、信号的衰减、信号与另一信号的相加、信号从另一信号的减去、另一信号从信号的减去和诸如此类。电通信可以用有线部件、无线地连接的部件或其组合来完成。
术语“电信号”指来自电子设备的电输出或到电子设备的电输入。电信号以电压和/或电流为特征。电信号可以是固定信号，或者电信号可以随时间变化。
术语“DC信号”或“DC电压”指具有总是超过0伏的电压值的电信号或电压。
术语“AC信号”或“AC电压”指具有在正电压和负电压之间变化并且经过(cross)0伏的电压的电信号或电压。
术语“电子部件”指在电子设备或系统中的用于影响电子状态、电子流或与电子相关联的电场的任何物理实体。电子部件的示例包括但不限于电容器、电感器、电阻器、晶闸管、二极管、晶体管等。电子部件可以是无源的或有源的。
术语“电子设备”或“系统”指由一个或更多个电子部件形成以对电信号执行预定功能的物理实体。
应当理解，在电子设备的任何附图中，通过线路(例如，电线)连接的一系列电子部件指示这样的电子部件彼此电通信。此外，当线路将一个电子部件定向连接到另一个电子部件时，这些电子部件可以如上所述地彼此连接。
缩写：
“AC”意指交流电。
“DAB”意指双有源桥。
“DC”意指直流电。
“DCDC”意指直流电到直流电。
“HV/LV”意指高电压到低电压。
一般来说，DC/DC转换器系统包括初级侧变压器，该初级侧变压器被加倍成两组绕组，使得该变压器根据HV输入电压以两种配置连接到电源开关。在这种设计中，当处于400V电压模式时，初级绕组并联联接，并且当处于800V电压模式时，初级绕组串联联接。
现在参考图1A、图1B和图1C，提供了包括在其中的直流/直流(DC/DC)转换器和变压器的示意图。在改进中，DC/DC转换器系统10应用双有源桥式整流器拓扑，其将输入DC电压转换成输出DC电压。在变型中，DC/DC转换器系统10包括初级级12和次级级14。在这个上下文中，初级级12和次级级14也可以被称为初级侧12和次级侧14。初级级12被配置为接收输入DC电压VDC1，而次级级被配置为输出输出DC电压VDC2。在变型中，作为初级级的一部分的第一开关网络16被配置成接收输入DC电压并将第一DC电压转换成第一AC电压VAC1。通常，输出DC电压小于输入DC电压。在变型中，DC/DC转换器系统10是双向的。
如下所述，第一开关网络16包括多个半导体开关。在改进中，当输入DC电压旨在高电压范围内使用时，半导体开关被选择成具有较低的相对电流传导能力。在另一改进中，当输入DC电压旨在低电压范围内使用时，半导体开关被选择成具有较高的相对电流传导能力。
DC/DC转换器系统10还包括具有第一多个初级绕组20和第二多个初级绕组22的变压器18。类似地，变压器18还包括一个或更多个的多个次级绕组24。初级侧包括第一开关网络16、第一多个初级绕组20和第二多个初级绕组22，该初级侧被配置为接收输入DC电压VDC1并在第一多个初级绕组和第二多个初级绕组两端提供第一AC电压VAC1。典型地，变压器接收第一AC电压VAC1并输出第二AC电压VAC2。当输入DC电压旨在低电压范围内使用时，第一多个初级绕组和第二多个初级绕组被配置为在制造DC-DC转换器时并联。在改进中，低电压范围是从230到470伏(即，400伏模式)。当输入DC电压旨在高电压范围内使用时，第一多个初级绕组和第二多个初级绕组被配置为在制造时串联。在改进中，高电压范围是从480到820伏(即，800伏模式)。变压器18还包括芯体28，且特别是磁芯。芯体28用于集中磁场，其中初级绕组和次级绕组之间具有间隙，提供初级侧和次级侧的电隔离。第一和第二多个初级绕组与磁体(即，变压器18)的重新配置优选地在其他方面相同或基本相同，通过允许在大量车辆中使用高度通用的DC/DC转换器系统10，可以提供显著的成本效益。
图1C中的点提供了线圈中绕组的方向(即顺时针或逆时针)的指示。例如，顶部具有点的线圈以相对于彼此相同的方向缠绕。类似地，在底部具有点的线圈以相对于彼此相同的方向缠绕。在顶部具有点的线圈以与在底部具有点的线圈的相反方向缠绕。因此，第一多个初级绕组20、第二多个初级绕组22和第二绕组24的每个子线圈(由L1和L2表示)以相同的方向缠绕。
DC/DC转换器系统10还包括接收第二AC电压VAC2并输出输出DC电压VDC2的次级侧转换电路30。
在改进中，初级绕组20，22是初级级的一部分，而次级绕组是次级级的一部分。初级绕组与第一开关网络16电通信，而次级绕组与次级侧转换电路30电通信。在一个改进中，当初级级接收输入DC电压并且次级级输出了输出DC电压时，变压器18被配置成将第一AC电压VAC1转换成第二AC电压VAC2。在改进中，第二AC电压VAC2的峰峰值为从大约15伏到30伏。
在另一个变型中，当次级级接收输入DC电压并且次级级输出了输出DC电压时，变压器18被配置成将第二AC电压VAC2转换成第一AC电压VAC1。
仍然参考图1A和图1B，第一开关网络16可以包括第一H桥电路。因此，第一开关网络16包括开关SP1、SP2、SP3和SP4。第一开关网络16包括第一H桥臂36和第二H桥臂38。在第一H桥臂36中，晶体管开关SP1的源极连接到变压器18的初级绕组20的第一输入端子Tp1。晶体管开关SP1的漏极是VDC1，其与DC输入电压VDC1的正级侧电通信。晶体管开关SP1的源极也连接到晶体管开关SP2的漏极。因此，晶体管开关SP1的源极和晶体管开关SP2的漏极都连接到初级绕组20，22的第一输入端子Tp1。晶体管开关SP2的源极与初级侧电压总线VPB1的负极侧电通信，且因此与DC输入电压DCV1的负极侧电通信。类似地，在第二H桥臂38中，晶体管开关SP3的源极连接到初级绕组20，22的第二输入端子Tp2。晶体管开关SP3的漏极连接到DC输入电压VDC1的正极侧。晶体管开关SP3的源极也连接到晶体管开关SP4的漏极。因此，晶体管开关SP3的源极和晶体管开关SP4的漏极都连接到初级绕组20的第二输入端子Tp2。晶体管开关SP4的源极与输入电压VDC1的负极侧电通信。在操作期间，当初级级接收DC输入VDC1时，第一开关网络16允许通过产生交替地施加到变压器的正电压和负电压来建立施加到变压器18的第一AC电压VAC1。
当输入DC电压旨在高电压范围内使用时，开关SP1、SP2、SP3和SP4可以被选择成具有较低的相对载流容量，而当输入DC电压旨在低电压范围内使用时，这些开关可以被选择成具有较高的相对载流容量。以此方式，开关SP1、SP2、SP3和SP4被选择成针对特定应用具有足够的额定功率，但不超过额定功率。这可能特别划算。这里使用的“载流能力”是指开关在“接通”状态下能够传导的电流。
仍然参考图1A和图1B，次级侧转换电路可以包括第二开关网络。本实施例不受次级级的特定拓扑的限制。典型地，次级级包括第二开关网络，其被配置成将第二AC电压VAC2转换成输出电压VDC2。图1A提供了包括第二开关网络46的这种拓扑的具体示例，该第二开关网络46在2020年8月18日提交的美国临时专利第63067206号中公开。典型地，第二开关网络46可以包括第二H桥电路。因此，第二开关网络46可以包括第一H桥臂40和第二H桥臂42。第一H桥臂40包括第一晶体管开关SS1和第二晶体管开关SS2，而第二H桥臂42包括第三晶体管开关SS3和第四晶体管开关SS4。
在一个变型中，转换器10还包括被配置为控制在第一开关网络16和第二开关网络30中的晶体管开关的微控制器50。在一个改进中，微控制器50可以向晶体管开关SP1、SP2、SP3和SP4的栅极发送控制信号。在这点上，晶体管开关SP1和SP4形成第一初级侧H桥臂，并且同时被控制信号接通和关断。类似地，晶体管开关SP2和SP3在初级侧上形成第二初级侧H桥臂，并且同时被控制信号接通和关断。第一初级侧H桥臂和第二初级侧H桥臂由控制信号交替致动。因此，用于第一初级侧H桥臂的控制信号与第二初级侧H桥臂(通常180°)异相(通常为180°)。这导致第一初级侧H桥臂的电压输出与第二初级侧H桥臂的输出电压异相。
微控制器50还可以向晶体管开关SS1、SS2、SS3和SP4的栅极发送控制信号。在这点上，晶体管开关SS1和SS4形成第一次级侧H桥臂，并且同时被控制信号接通和关断。类似地，晶体管开关SS2和SS3在次级侧上形成第二次级侧H桥臂，并且同时被控制信号接通和关断。第一次级侧H桥臂和第二次级侧H桥臂由控制信号交替致动。因此，用于第一次级侧H桥臂的控制信号与第二次级侧H桥臂(通常180°)异相(通常为180°)。这导致第一次级侧H桥臂的电压输出与第二次级侧H桥臂的输出电压异相。尽管本发明不被控制信号的类型和频率限制，但是大约20到120kHz的频率可以被使用。控制信号可以是方波或任何其他合适的波形。
本发明涉及共同未决申请<>的转换器，该申请通过引用以其整体并入本文。
虽然上文描述了示例性实施例，但这不意图这些实施例描述了本发明的所有可能形式。相反，在本说明书中使用的这些言词是说明性而非限制性的言词，并且应当理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以做出各种改变。此外，可以组合不同实现实施例的特征以形成本发明的另外的实施例。

Claims (13)

1.一种DC-DC转换器，其应用双有源桥式整流器拓扑，所述双有源桥式整流器拓扑将输入DC电压转换成输出DC电压，所述DC-DC转换器包括：
第一开关网络，其接收所述输入DC电压；
变压器，其包括第一多个初级绕组和第二多个初级绕组，其中初级侧包括所述第一开关网络、所述第一多个初级绕组和所述第二多个初级绕组，所述初级侧被配置为接收所述输入DC电压并在所述第一多个初级绕组和所述第二多个初级绕组两端提供第一AC电压，所述变压器输出第二AC电压；和
次级侧转换电路，其接收所述第二AC电压并输出所述输出DC电压，
其中，当所述输入DC电压旨在低电压范围内使用时，所述第一多个初级绕组和所述第二多个初级绕组被配置为在制造所述DC-DC转换器时并联，并且当所述输入DC电压旨在高电压范围内使用时，所述第一多个初级绕组和所述第二多个初级绕组被配置为在制造所述DC-DC转换器时串联。
2.根据权利要求1所述的DC-DC转换器，其中，所述低电压范围为230伏至470伏，所述高电压范围为480伏至820伏。
3.根据权利要求1所述的DC-DC转换器，其中，当所述输入DC电压约为400伏时，所述第一多个初级绕组和所述第二多个初级绕组被配置为在制造所述DC-DC转换器时并联。
4.根据权利要求1所述的DC-DC转换器，其中，当所述输入DC电压约为800伏时，所述第一多个初级绕组和所述第二多个初级绕组被配置为在制造所述DC-DC转换器时串联。
5.根据权利要求1所述的DC-DC转换器，其中，所述初级侧包括所述第一开关网络、所述第一多个初级绕组和所述第二多个初级绕组，次级侧包括多个次级绕组和所述次级侧转换电路。
6.根据权利要求1所述的DC-DC转换器，其中，所述第一开关网络是第一H桥电路。
7.根据权利要求1所述的DC-DC转换器，其中，所述次级侧转换电路包括第二开关网络。
8.根据权利要求7所述的DC-DC转换器，其中，所述第二开关网络是第二H桥电路。
9.根据权利要求1所述的DC-DC转换器，还包括被配置为控制所述第一开关网络的微控制器。
10.根据权利要求9所述的DC-DC转换器，其中，所述微控制器还被配置为控制次级级中的第二开关网络。
11.根据权利要求1所述的DC-DC转换器，其中，所述输出DC电压小于所述输入DC电压。
12.根据权利要求1所述的DC-DC转换器，其中，所述DC-DC转换器是双向的。
13.根据权利要求1所述的DC-DC转换器，其中：
所述第一开关网络包括多个半导体开关；
当所述输入DC电压旨在所述高电压范围内使用时，所述半导体开关被选择成具有较低的相对电流传导能力；和
当输入DC电压旨在所述低电压范围内使用时，所述半导体开关被选择成具有较高的相对电流传导能力。
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