CN115603556A - 功率变换装置及其控制方法、电源系统 - Google Patents

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Abstract

本申请提供一种功率变换装置及其控制方法、电源系统，其中功率变换装置包括控制器和n个功率变换模块，n为大于1的正整数，n个功率变换模块并联，n个功率变换模块均包括功率开关，控制器用于输出第一控制信号给n个功率变换模块，以使n个功率变换模块同步工作，根据同步工作的n个功率变换模块中序号相同的功率开关两端的电压震荡频率，确定n个功率变换模块所对应的移相角，根据n个功率变换模块所对应的移相角输出第二控制信号给n个功率变换模块，以使n个功率变换模块错相工作。本申请功率变换装置及其控制方法、电源系统能够在不增加硬件成本的情况下有效抑制功率开关两端的电压震荡，减小功率开关的电压应力。

Description

功率变换装置及其控制方法、电源系统
技术领域
本申请涉及电路技术领域，尤其涉及一种功率变换装置及其控制方法、电源系统。
背景技术
随着电力电子变换技术的发展，电源系统在功率变换能力、转换效率、功率开关应力等方面的参数要求不断提高。将多个功率变换模块的输入及输出并联，每个功率变换模块提供整个电源系统功率的一部分，可以降低每个功率变换模块中的功率开关的应力。
然而，每个功率变换模块中的器件、电路布局以及电路走线等存在有寄生电感、寄生电容等寄生参数。当功率变换模块中的功率开关高频动作时，寄生参数容易发生谐振，导致功率开关两端的电压产生不可避免的电压震荡。电压震荡会造成功率开关电压应力提高，功率开关存在过压失效的风险。而且，输入并联输出并联(Input-Parallel Output-Parallel，IPOP)的电路拓扑结构需增加功率开关的数量，使得电路的寄生参数更加复杂。当多个功率变换模块同步工作时，更多数量的功率开关同时高频动作，这就导致电压震荡问题更加显著，功率开关的应力风险也更大。
发明内容
有鉴于此，本申请提供一种功率变换装置及其控制方法、电源系统，能够在不增加硬件成本的情况下有效抑制功率开关两端的电压震荡，减小功率开关的电压应力，提升功率变换装置及电源系统工作的安全性和稳定性。
第一方面，本申请提供一种功率变换装置，该功率变换装置包括控制器和n个功率变换模块，n为大于1的正整数，n个功率变换模块并联，控制器电连接每个功率变换模块，每个功率变换模块均包括功率开关，控制器用于输出第一控制信号给n个功率变换模块，以控制n个功率变换模块同步工作，根据同步工作的n个功率变换模块中序号相同的功率开关两端的电压震荡频率，确定n个功率变换模块所对应的移相角，再根据n个功率变换模块所对应的移相角输出第二控制信号给n个功率变换模块，以控制n个功率变换模块错相工作。
可以理解，n个功率变换模块错相工作，意味着n个功率变换模块的电路电流不同步，基于此，在功率变换模块中的寄生电感因为续流效应而对功率开关充电的情况下，寄生电感的续流情况也不会同步，如此，可以缓解多个功率变换模块的寄生电感的续流效应的叠加，而且，也使得n个功率变换模块中位置相同的功率开关两端的电压震荡不同步。进而，在不同功率变换模块中位置相同的功率开关两端的电压震荡叠加时，不同功率变换模块的电压震荡可以进行抵消，使得每一功率变换模块的电压震荡得到有效抑制，尖峰电压减小，从而有利于功率变换模块中的功率开关的电压应力的稳定及减小。由此可见，本申请提供的功率变换装置能够在不增加硬件成本的情况下有效抑制功率开关两端的电压震荡，减小及稳定功率开关的电压应力，提升功率变换装置工作的安全性和稳定性，提高功率变换装置的产品竞争力。
在一种可能的实现方式中，控制器用于在n个功率变换模块同步工作时，获取n个功率变换模块中的全部功率开关两端的电压震荡频率，根据n个功率变换模块中相同序号的功率开关两端的电压震荡频率，确定相同序号的多个功率开关所对应的移相角，相同序号的多个功率开关所对应的移相角用于表征相同序号的多个功率开关依次发生动作的时间间隔。如此，n个功率变换模块中相同序号的多个功率开关所对应的移相角可构成n个功率变换模块所对应的移相角。
在一种可能的实现方式中，控制器用于根据相同序号的多个功率开关所对应的移相角，对相同序号的多个功率开关所对应的第一控制信号进行移相，以产生第二控制信号给n个功率变换模块，其中，相同序号的多个功率开关所对应的第二控制信号在相位上依次相差对应的移相角。如此，在对应的第二控制信号的控制下，相同序号的多个功率开关可以依次动作，由此实现错相动作。
在一种可能的实现方式中，相同序号的多个功率开关所对应的第二控制信号在相位上依次相差的移相角可以相同。如此，在对应的第二控制信号的控制下，相同序号的多个功率开关可以以相同的时间间隔依次动作。另外，移相角相同也有利于减小控制器的计算量，提高控制器的信号处理效率。当然，相同序号的多个功率开关所对应的第二控制信号在相位上依次相差的移相角也可以不同。如此，在对应的第二控制信号的控制下，相同序号的多个功率开关可以以不同的时间间隔依次动作。另外，移相角不同也更便于控制器对功率变换模块的灵活控制，更容易提升电压震荡抑制效果。
在一种可能的实现方式中，n个功率变换模块中不同序号的功率开关所对应的移相角可以相同。基于这样的实现方式，可以实现一个功率变换模块的整体移相，即，实现模块级别的移相。当然，n个功率变换模块中不同序号的功率开关所对应的移相角也可以不同。基于这样的实现方式，可以实现一个功率变换模块中的各个功率开关的独立移相，即，实现器件级别的移相。
在一种可能的实现方式中，移相角的计算公式为：
Figure BDA0003883500790000021
式中，αi为移相角，i为功率开关在功率变换模块中的序号；Tos为该功率开关两端的电压震荡频率；k为移相角调整系数，0≤k≤1。如此，控制器可以通过如上计算公式确定相同序号的功率开关所对应的移相角。
在一种可能的实现方式中，控制器用于对计算出的移相角αi进行微调，以获得更多移相角，使得n个功率变换模块的移相控制更加灵活。
在一种可能的实现方式中，n个功率变换模块中的每一个功率变换模块为直流-直流变换模块、交流-交流变换模块、直流-交流变换模块、交流-直流变换模块中的任意一种。基于这样的实现方式，可使得本申请功率变换装置可以灵活应用于直流-直流变换、交流-交流变换、直流-交流变换、交流-直流变换中的任意一种场景，适用范围非常广泛。
第二方面，本申请提供一种功率变换装置的控制方法，一种功率变换装置的控制方法，其中功率变换装置包括控制器和n个功率变换模块，n为大于1的正整数，n个功率变换模块并联，控制器电连接n个功率变换模块中的每个功率变换模块，每个功率变换模块均包括功率开关，控制方法包括输出第一控制信号给n个功率变换模块，以使n个功率变换模块在第一控制信号的控制下同步工作，然后根据同步工作的n个功率变换模块中序号相同的功率开关两端的电压震荡频率，确定n个功率变换模块所对应的移相角，再根据n个功率变换模块所对应的移相角输出第二控制信号给n个功率变换模块，，以使n个功率变换模块在第二控制信号的控制下错相工作。
基于这样的设计，n个功率变换模块的电路电流可以不同步，基于此，可以缓解多个功率变换模块的寄生电感的续流效应的叠加，而且，也使得n个功率变换模块中位置相同的功率开关两端的电压震荡不同步。进而，不同功率变换模块的电压震荡可以相叠加而进行抵消，使得每一功率变换模块的电压震荡得到有效抑制，尖峰电压减小，从而有利于功率变换模块中的功率开关的电压应力的稳定及减小。因此，在不增加硬件成本的情况下，本申请提供的控制方法可以有效抑制功率开关两端的电压震荡，减小功率开关的电压应力，提升功率变换装置工作的安全性和稳定性。
在一种可能的实现方式中，控制方法在确定n个功率变换模块所对应的移相角时，具体是在n个功率变换模块同步工作时，获取n个功率变换模块中的全部功率开关两端的电压震荡频率，然后根据n个功率变换模块中相同序号的功率开关两端的电压震荡频率，确定相同序号的多个功率开关所对应的移相角，其中，相同序号的多个功率开关所对应的移相角用于表征相同序号的多个功率开关依次发生动作的时间间隔。如此，n个功率变换模块中相同序号的多个功率开关所对应的移相角可构成n个功率变换模块所对应的移相角。
在一种可能的实现方式中，控制方法可以根据相同序号的多个功率开关所对应的移相角，对相同序号的多个功率开关所对应的第一控制信号进行移相，以产生第二控制信号给n个功率变换模块，其中，相同序号的多个功率开关所对应的第二控制信号在相位上依次相差对应的移相角。如此，在对应的第二控制信号的控制下，相同序号的多个功率开关可以依次动作，由此实现错相动作。
在一种可能的实现方式中，移相角的计算公式为：
Figure BDA0003883500790000031
式中，αi为移相角，i为功率开关在功率变换模块中的序号；Tos为该功率开关两端的电压震荡频率；k为移相角调整系数，0≤k≤1。如此，方法可以通过如上计算公式确定功率开关所对应的移相角。
第三方面，本申请提供一种电源系统，用于为用电设备供电，电源系统包括电源和功率变换装置，功率变换装置电连接于电源和用电设备之间，其中，功率变换装置包括控制器和n个功率变换模块，n为大于1的正整数，n个功率变换模块并联，控制器电连接n个功率变换模块，并用于控制n个功率变换模块错相工作，以此来抑制n个功率变换模块中的功率开关两端的电压震荡，减小功率开关的电压应力，提升电源系统工作的安全性和稳定性。
另外，第二方面和第三方面中任一种可能的实现方式所带来的技术效果可参见第一方面中不同实现方式所带来的技术效果，此处不再赘述。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1是多个功率变换模块同步工作时功率开关两端的电压震荡的示意图。
图2是本申请实施例提供的功率变换装置的示意图。
图3是图2中的功率变换模块并联的一种实施方式的电路图。
图4是图3中的2个功率变换模块并联的一种实施方式的电路图。
图5是图4中的2个功率变换模块的控制信号的时序图。
图6是图4中的2个功率变换模块错相工作时功率开关两端的电压震荡的示意图。
图7是图4中的2个功率变换模块错相工作时电感单元的电流的示意图。
图8为本申请实施例提供的功率变换装置的控制方法的流程图。
图9为本申请实施例提供的电源系统的示意图。
主要元件符号说明
功率变换装置 100，100a
功率变换模块 1，1a，1b
开关单元 11
电感单元 12，12a，12b
控制器 2
滤波单元 3
电源系统 1000
电源 200
用电设备 300
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本申请。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
可理解的，本申请中所描述的连接关系指的是直接或间接连接。例如，A与B连接，既可以是A与B直接连接，也可以是A与B之间通过一个或多个其它电学元器件间接连接，例如可以是A与C直接连接，C与B直接连接，从而使得A与B之间通过C实现了连接。还可理解的，本申请中所描述的“A连接B”可以是A与B直接连接，也可以是A与B通过一个或多个其它电学元器件间接连接。
在本申请的描述中，除非另有说明，“/”表示“或”的意思，例如，A/B可以表示A或B。本文中的“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。
在本申请的描述中，“第一”、“第二”等字样仅用于区别不同对象，并不对数量和执行次序进行限定，并且“第一”、“第二”等字样也并不限定一定不同。此外，术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。
随着电力电子变换技术的发展，电源系统在功率变换能力、转换效率、功率开关应力等方面的参数要求不断提高。将多个功率变换模块的输入及输出并联，每个功率变换模块提供整个电源系统功率的一部分，可以降低每个功率变换模块中的功率开关的应力。
然而，每个功率变换模块中的器件、电路布局以及电路走线等存在有寄生电感、寄生电容等寄生参数。当一个功率变换模块中的功率开关切换通断状态时，电路电流会发生变化，引起寄生参数发生谐振。具体来说，寄生电感会因为续流效应而在功率开关切换状态瞬间持续对功率开关充电，这就使得寄生电容得以充电储能，寄生电容充电结束后又释放电能给寄生电感储能，如此循环往复。并且，寄生参数传输的电能在循环的充放电过程中会逐渐消耗。这就导致功率开关两端的电压出现电压震荡现象，对应地，如图1所示，功率开关两端的电压波形发生衰减性的波动，产生若干个波峰和波谷。其中，波峰时的电压为波峰电压，波谷时的电压为波谷电压。第一个波峰的电压最大，该电压即为尖峰电压。可以理解，功率开关两端的电压发生震荡，即代表功率开关的电压应力发生震荡，电压应力不稳定。并且，尖峰电压会使得功率开关电压应力提高，导致功率开关存在过压失效的风险。当多个功率变换模块同步工作时，寄生电感的续流效应叠加，导致功率开关两端的电压震荡更为剧烈，尖峰电压更大，功率开关过应力的风险进一步增大。
因此，本申请的实施例提供一种功率变换装置及其控制方法、电源系统，可以在不增加硬件的情况下有效抑制功率开关两端的电压震荡，减小功率开关的电压应力，并使功率开关的电压应力稳定，由此提升功率变换装置及电源系统工作的安全性和稳定性。
下面结合附图来对本申请的技术方案作进一步的详细描述。
请参阅图2，图2所示为本申请的一个实施例提供的一种功率变换装置100的结构示意图。
如图2所示，功率变换装置100包括n个功率变换模块1和控制器2。其中，n为大于1的正整数。n个功率变换模块1并联。即，n个功率变换模块1的输入侧并联连接，n个功率变换模块1的输出侧也并联连接，从而形成输入并联输出并联(Input-Parallel Output-Parallel，IPOP)的结构。
可以理解，在本申请的实施方式中，n个功率变换模块1均采用相同的电路，如此可以避免因为电路不同而导致部分功率变换模块1承担较大的功率，进而导致器件过应力，引起器件的损坏。
可以理解，每个功率变换模块1均包括m个功率开关，m为正整数。功率变换模块1可通过m个功率开关的导通或关断来改变电压，以此实现电压转换功能。
其中，功率变换模块1的功率开关可以为金属氧化物半导体场效应晶体管(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor，MOSFET)、绝缘栅型双极性晶体管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)、由多个MOSFET并联或串联而成的开关电路、多个IGBT并联或串联而成的开关电路、由MOSFET与反接的二极管并联而成的开关电路、或由IGBT与反接的二极管并联而成的开关电路，在此不做具体限定。为描述方便，本申请实施例以功率开关为MOSFET与反接的二极管并联而成的开关电路为例进行说明。
可以理解，m个功率开关可以采用内部参数一致的器件，以减小杂质电感和分布电容。m个功率开关的栅极可用于接收控制信号，以在控制信号的控制下导通和关断。示例的，功率开关可以在接收到控制信号中的高电平时导通，在接收到控制信号中的低电平时关断。其中，可以理解，功率开关的导通和关断是指功率开关中的开关器件的导通和关断。
请参阅图3，图3为单个功率变换模块1的一种实施方式的电路图。如图3所示，每个功率变换模块1包括开关单元11和电感单元12。
开关单元11包括四个功率开关Q1～Q4。电感单元12包括电感L1。功率开关Q1的源极连接功率开关Q2的漏极。功率开关Q3的源极连接功率开关Q4的漏极。功率开关Q2的源极连接功率开关Q4的源极。电感L1的一端连接至功率开关Q1的源极与功率开关Q2的漏极之间，电感L1的另一端连接至功率开关Q3的源极与功率开关Q4的漏极之间。
可以理解，上述功率变换模块1可构成降压-升压(BUCK-BOOST)电路。具体地，功率变换模块1工作时，功率开关Q1和Q2互补导通，功率开关Q3和Q4互补导通。电感L1在上述功率开关Q1～Q4的通断过程中进行能量的存储及释放，从而使得功率变换模块1实现升压/降压功能。其中，功率变换模块1可以通过调整功率开关的通断时长以改变电感L1存储的能量大小，进而实现升压/降压功能。
可以理解，在一些实施方式中，如图3所示，n个功率变换模块1的输入侧并联后再电连接至同一个滤波单元3。同样，n个功率变换模块1的输出侧也可以并联后再电连接至另一个滤波单元3。当然，在另一些实施方式中，也可以是n个功率变换模块1的输入侧和输出侧分别并联对应的一个滤波单元3。其中，可以理解，每个滤波单元3可以包括至少一个电容，也均可以包括相连接的至少一个电容和至少一个电阻，在此不做具体限定。两个滤波单元3可用于对相连接的功率变换模块1两侧的电压进行滤波处理。
可以理解，上述图3所示的实施方式中，开关单元11和电感单元12共同形成H桥拓扑结构。其中，功率开关Q1的漏极及功率开关Q2的源极形成H桥拓扑的其中一侧。功率开关Q3的漏极及功率开关Q4的源极形成H桥拓扑的另一侧。而每个功率变换模块1可以以H桥拓扑两侧中的任意一侧作为输入侧，另一侧作为输出侧，因此，每个功率变换模块1均为双向功率变换模块，可以实现能量双向传递。基于此，功率变换装置100可以应用于双向能量传递的应用场合。
当然，本申请实施例中的每个功率变换模块1还可以采用其他拓扑结构的双向功率变换模块。例如，在一些实施例中，功率变换模块1还可形成全桥拓扑结构。对应地，功率变换模块1为双向LLC谐振全桥电路。又例如，在其他一些实施例中，功率变换模块1还可形成半桥拓扑结构。对应地，功率变换模块1为双向LLC谐振半桥电路。也就是说，在本申请实施例中，并不对功率变换模块1的拓扑结构进行限定，只需确保功率变换模块1具有功率开关，且可以通过功率开关的导通和关断来实现电压转换功能即可。
可以理解，在其他一些实施方式中，每个功率变换模块1也可以为可实现能量单向传递的单向功率变换模块，例如可以为降压(BUCK)变换器、升压(BOOST)变换器等。基于此，功率变换装置100可以应用于单向能量传递的应用场合。
可以理解，上述图3所示的实施方式中，功率变换模块1为直流-直流变换模块。在其他实施方式中，功率变换模块1也可以采用直流-交流变换模块、交流-直流变换模块和交流-交流变换模块中的任意一种，在此不做具体限定。
可以理解，上述图3所示的实施方式中，功率变换模块1为单个功率变换器。在其他实施方式中，功率变换模块1也可以由串联、并联或串并联的多个功率变换器组成，在此不做具体限定。
请继续参阅图2，控制器2电连接n个功率变换模块1，可用于控制n个功率变换模块1的电压转换。
可以理解，控制器2可以是通用中央处理器(CPU)、微处理器、特定应用集成电路(application-specific integrated circuit，ASIC)、或一个或多个用于控制以上方案程序执行的集成电路。
可以理解，控制器2可以基于脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation，PWM)方式、脉冲频率调节(Pulse Frequency Modulation，PFM)方式、PWM和PFM混合的方式或者其他方式来产生控制信号给n个功率变换模块1中的每个功率开关，以控制每个功率开关的通断状态，进而控制n个功率变换模块1的工作过程。
另外，控制器2还用于对n个功率变换模块1进行移相控制，以使得n个功率变换模块1可以错相工作，进而有效抑制n个功率变换模块1中的功率开关两端的电压震荡，减小功率开关的电压应力震荡幅度。
以下为描述方便，以两个功率变换模块1a、1b(即n＝2)，且两个功率变换模块1a、1b均为图3所示的H形拓扑结构为例，详细介绍控制器2对两个功率变换模块1a、1b进行移相控制的过程。
如图4所示，功率变换模块1a具有四个功率开关Q1～Q4和电感单元12a(也即电感L1)，功率变换模块1b具有四个功率开关为Q1’～Q4’和电感单元12b(也即电感L1’)。其中，功率开关Q1和Q1’在功率变换模块中的序号及位置相同，功率开关Q2和Q2’在功率变换模块中的序号及位置相同，功率开关Q3和Q3’在功率变换模块中的序号及位置相同，功率开关Q4和Q4’在功率变换模块中的序号及位置相同。
控制器2用于产生第一控制信号给功率变换模块1a和1b，以控制功率变换模块1a和1b同步工作。
可以理解，同步工作是指不同功率变换模块的工作情况一致，例如，当功率变换模块1a启动时，功率变换模块1b也同时启动。换句话说，同步工作可理解为不同功率变换模块所对应的第一控制信号相位一致，因此，同步工作也可称为同相工作。而与同步工作相对应的，不同步工作是指不同功率变换模块的工作情况不一致，例如，功率变换模块1a先启动，功率变换模块1b后启动。也即，功率变换模块1a和功率变换模块1b所对应控制信号之间存在相位差，因此，不同步工作也可称为错相工作。
因此，在第一控制信号的控制下，功率开关Q1和Q1’同步动作，功率开关Q2和Q2’同步动作，功率开关Q3和Q3’同步动作，功率开关Q4和Q4’同步动作。功率开关Q1和Q2互补导通，功率开关Q3和Q4互补导通。
接着，请参阅图5，第一控制信号用实线表示。
如图5所示，在t1至t2时段，功率开关Q1和Q1’、Q4和Q4’的第一控制信号为低电平，故功率开关Q1和Q1’、Q4和Q4’处于关断状态。功率开关Q2和Q2’、Q3和Q3’的第一控制信号为高电平，故功率开关Q2和Q2’、Q3和Q3’处于导通状态。
在t2时刻，功率开关Q1和Q1’的第一控制信号跳变为高电平，故功率开关Q1和Q1’从关断状态切换为导通状态。功率开关Q2和Q2’的第一控制信号跳变为低电平，故功率开关Q2和Q2’从导通状态切换为关断状态。功率开关Q3和Q3’、Q4和Q4’的第一控制信号的电平保持不变，故功率开关Q3和Q3’保持导通，Q4和Q4’保持关断。
在t2至t3时段，功率开关Q1和Q1’、Q3和Q3’保持导通，功率开关Q2和Q2’、Q4和Q4’保持关断。
在t3时刻，功率开关Q1和Q1’、Q2和Q2’的第一控制信号的电平保持不变，故功率开关Q1和Q1’保持导通，Q2和Q2’保持关断。功率开关Q4和Q4’的第一控制信号跳变为高电平，故功率开关Q4和Q4’从关断状态切换为导通状态。功率开关Q3和Q3’的第一控制信号跳变为低电平，故功率开关Q3和Q3’从导通状态切换为关断状态。
在t3至t4时段，功率开关Q1和Q1’、Q4和Q4’保持导通，功率开关Q2和Q2’、Q3和Q3’保持关断。
在t4时刻，功率开关Q1和Q1’、Q2和Q2’的第一控制信号的电平保持不变，故功率开关Q1和Q1’保持导通，Q2和Q2’保持关断。功率开关Q3和Q3’的第一控制信号跳变为高电平，故功率开关Q3和Q3’从关断状态切换为导通状态。功率开关Q4和Q4’的第一控制信号跳变为低电平，故功率开关Q4和Q4’从导通状态切换为关断状态。
在t4至t5时段，功率开关Q1和Q1’、Q3和Q3’保持导通，功率开关Q2和Q2’、Q4和Q4’保持关断。
可以理解，在上述过程中，功率开关Q1～Q4及Q1’～Q4’中一旦有功率开关发生动作，功率变换模块1a、1b的电路电流会发生变化，进而引起发生动作的功率开关两端(即漏源极)发生电压震荡。而由于上述过程中，功率开关Q1～Q4及Q1’～Q4’均有发生动作。因此，经过上述过程，控制器2可获取到功率开关Q1～Q4、Q1’～Q4’两端的电压震荡频率。
其中，可以理解，由于功率开关Q1和Q1’的内部参数一致，在对应的功率变换模块中的位置相同，并且同步动作，因此，功率开关Q1两端的电压震荡频率等同于功率开关Q1’两端的电压震荡频率。所以，当获取功率开关Q1两端的电压震荡频率时，也即获取到功率开关Q1’两端的电压震荡频率。功率开关Q2和Q2’、Q3和Q3’、Q4和Q4’同理，在此不再赘述。
另外，可以理解，由于功率变换模块1a中，功率开关Q1和Q2串联并形成H桥拓扑的一侧，功率开关Q3和Q4串联并形成H桥拓扑的另一侧，并且，功率开关Q1和Q2状态互补，功率开关Q3和Q4状态互补。因此，当功率开关Q1发生动作时，功率开关Q1两端的电压震荡频率等同于功率开关Q1和Q2所形成的H桥拓扑一侧处的电压震荡频率。所以，当获取到功率开关Q1所在的H桥拓扑一侧处的电压震荡频率时，也即获取到功率开关Q1两端的电压震荡频率。功率开关Q2～Q4、功率变换模块1b中的Q1’～Q4’同理，故不再赘述。
在获取到功率开关Q1～Q4、Q1’～Q4’两端的电压震荡频率后，控制器2还用于根据这些电压震荡频率确定功率变换模块1a和1b所对应的移相角。
可以理解，功率变换模块1a和1b所对应的移相角由功率变换模块1a和1b中相同序号的功率开关所对应的移相角构成，因此，功率变换模块1a和1b所对应的移相角包括功率开关Q1和Q1’所对应的移相角α1，功率开关Q2和Q2’所对应的移相角α2，功率开关Q3和Q3’所对应的移相角α3，以及功率开关Q4和Q4’所对应的移相角α4。移相角用于表征相同序号的多个功率开关依次发生动作的时间间隔。
在本申请实施例中，控制器2可按照如下计算公式确定移相角：
Figure BDA0003883500790000081
式中，i为功率开关在功率变换模块1中对应的序号。例如，以图4所示的功率变换模块1a、1b包括四个功率开关为例，i为1、2、3或4。对应地，αi则代表序号同为i的多个功率开关所对应的移相角。
Tos为对应的功率开关两端的电压震荡频率。k为移相角调整系数，-1≤k≤1。
其中，当k＝0时，移相角为0，说明相同序号的多个功率开关同步动作。
当0<k≤1时，说明相同序号的多个功率开关以对应的移相角作为时间间隔依次滞后动作。
当-1≤k<0时，说明相同序号的多个功率开关以对应的移相角作为时间间隔依次超前动作。
可以理解，在确定出移相角后，控制器2还用于根据功率变换模块1a和1b所对应的移相角对功率变换模块1a和1b进行移相控制。
具体地，控制器2用于根据功率变换模块1a和1b中相同序号的多个功率开关所对应的移相角，对对应的相同序号的多个功率开关的第一控制信号进行移相，以产生第二控制信号。其中，相同序号的多个功率开关所对应的第二控制信号在相位上依次相差移相角。
例如，以图3所示的功率变换装置为例，假设功率变换装置中的功率变换模块按照从上到下顺序排序，则第一个功率变换模块与第二个功率变换模块中的功率开关Q1所对应的第二控制信号在相位上相差移相角，第二个功率变换模块与第三个功率变换模块中的功率开关Q1所对应的第二控制信号在相位上也相差移相角，以此类推。
如此，在对应的第二控制信号的控制下，功率变换装置中相同序号的多个功率开关可以错相动作。
其中，可以理解，相同序号的多个功率开关中每两个功率开关所对应的移相角可以相同。当然，在实际控制过程中，相同序号的多个功率开关中每两个功率开关所对应的移相角还可以根据实际情况进行微调，因此，相同序号的多个功率开关中每两个功率开关所对应的移相角也可以不同。
其中，可以理解，在一些情况下，可以是相同序号的多个功率开关的第一控制信号均进行移相，移相可以是令第二控制信号的相位超前，也可以是令第二控制信号的相位滞后，只要确保相同序号的多个功率开关的第二控制信号在相位上依次相差移相角即可。
当然，在另一些情况下，也可以是其中一个功率开关的第一控制信号未移相，其他功率开关的第一控制信号均进行移相。
例如，请再次参阅图5，功率变换模块1a中的功率开关Q1～Q4所对应第一控制信号移动的相位为0，而功率变换模块1b中的功率开关Q1’～Q4’所对应的第一控制信号均移相。因此，参见图5中的实线，功率开关Q1～Q4的第二控制信号与功率开关Q1～Q4的第一控制信号相同。功率开关Q1’～Q4’的第二控制信号可参见图5中的虚线，功率开关Q1’～Q4’的第二控制信号与功率开关Q1～Q4的第二控制信号存在相位差。
其中，功率开关Q1’的第二控制信号以移相角α1滞后于功率开关Q1的第二控制信号。
功率开关Q2’的第二控制信号以移相角α2滞后于功率开关Q2的第二控制信号。
功率开关Q3’的第二控制信号以移相角α3滞后于功率开关Q3的第二控制信号。
功率开关Q4’的第二控制信号以移相角α4滞后于功率开关Q4的第二控制信号。
如此，在t2时刻，功率开关Q1的第二控制信号跳变为高电平，故功率开关Q1从关断状态切换为导通状态。功率开关Q2的第二控制信号跳变为低电平，故功率开关Q2从导通状态切换为关断状态。而功率开关Q1’和Q2’的第二控制信号的电平保持不变，故功率开关Q1’保持关断，、Q2’保持导通。功率开关Q3和Q3’、Q4和Q4’的第二控制信号的电平保持不变，故功率开关Q3和Q3’保持导通，Q4和Q4’保持关断。
在t2’时刻，功率开关Q1’的第二控制信号才跳变为高电平，功率开关Q2’的第二控制信号才跳变为低电平，使得功率开关Q1’从关断状态切换为导通状态，功率开关Q2’从导通状态切换为关断状态。功率开关Q3和Q3’仍然保持导通，Q4和Q4’仍然保持关断。
在t3时刻，功率开关Q3的第二控制信号跳变为低电平，故功率开关Q2从导通状态切换为关断状态。功率开关Q4的第二控制信号跳变为高电平，故功率开关Q4从关断状态切换为导通状态。而Q3’的第二控制信号保持原来的高电平，功率开关Q4’的第二控制信号保持原来的低电平，故功率开关Q3’、Q4’未发生动作。功率开关Q1和Q1’、Q2和Q2’的第二控制信号的电平保持不变，故功率开关Q1和Q1’保持导通，Q2和Q2’保持关断。
在t4’时刻，Q3’的第二控制信号才跳变为低电平，功率开关Q4’的第二控制信号才跳变为高电平，使得功率开关Q3’从导通状态切换为关断状态，功率开关Q4’从关断状态切换为导通状态。功率开关Q1和Q1’仍然保持导通，Q2和Q2’仍然保持关断。
可以理解，四个移相角α1～α4可以表示为如下矩阵A：
Figure BDA0003883500790000101
其中，在一些实施例中，移相角α1～α4相等，相当于是控制器2对功率变换模块1a和1b的全部功率开关所对应的第一控制信号进行整体的移相。因此，这种情况可理解为是模块级别的移相。
当然，在其他实施例中，移相角α1～α4也可以不相等。可以理解，移相角α1～α4不相等，相当于是控制器2对两个功率变换模块1a和1b的四个功率开关所对应的第一控制信号各自独立移相。因此，这种情况可理解为是器件级别的移相。
如上所述，在第二控制信号的控制下，功率变换模块1a和1b中相同序号功率开关Q1和Q1’、Q2和Q2’、Q3和Q3’、Q4和Q4’均错相动作，因此，功率变换模块1a和1b即实现错相工作。
可以理解，由于功率变换模块1中的功率开关动作时，功率变换模块1的电路电流会随着功率开关的动作而发生变化。例如，以图4所示的功率变换模块1a、1b为例，电感单元12a的电流会随着功率开关Q1～Q4的动作而变化，电感单元12b的电流会随着功率开关Q1’～Q4’的动作而变化。
因此，当功率开关Q1’～Q4’在第二控制信号的控制下滞后于功率开关Q1～Q4发生动作时，电感单元12b的电流也会滞后于电感单元12a的电流。即，电感单元12a的电流和12b的电流会错相。例如，请参阅图6，电感单元12a的电流波形用实线表示，电感单元12b的电流波形用虚点线表示。在功率开关Q1’～Q4’均以移相角α1(即α1＝α2＝α3＝α4)滞后于功率开关Q1～Q4发生动作时，电感单元12b的电流波形以移相角α1滞后于功率变换模块1a中的电感单元12a的电流波形。
对应地，在功率变换模块1a、1b中的寄生电感因为续流效应而对功率开关充电，进而引起功率开关两端的电压震荡的情况下，由于功率变换模块1a、1b中的电路电流错相，电流变化不同步，因此，寄生电感的续流情况也不会同步，这使得功率开关Q1和Q1’、Q2和Q2’、Q3和Q3’、Q4和Q4’两端的电压震荡也不会同步。
为方便理解，以功率开关Q1和Q1’为例进行说明。请参阅图7，由于功率开关Q1在t2时刻发生动作，功率开关Q1’是在t2’时刻发生动作，因此，功率开关Q1两端的电压先产生电压震荡，功率开关Q1’两端的电压后产生电压震荡。对应地，功率开关Q1’两端电压所对应的电压波形(参见图7中的虚线)滞后于功率开关Q1两端电压所对应的电压波形(参见图7中的虚点线)。
基于此，在功率开关Q1所对应电压波形在达到第一个波峰之后，功率开关Q1’所对应电压波形才会开始上升至第一个波峰。也即是说，功率开关Q1’所对应电压波形是在功率开关Q1所对应电压波形从尖峰电压下降的期间才开始上升至尖峰电压。
在这种情况下，两个功率开关Q1和Q1’所对应电压波形中有至少一部分波峰和至少一部分波谷可以实现相对应。即，同一时刻下，功率开关Q1有至少一部分波峰电压与功率开关Q1’的至少一部分波谷电压可以相对应，功率开关Q1有至少一部分波谷电压与功率开关Q1’的至少一部分波峰电压可以相对应。
而波峰电压和波谷电压叠加后会相抵消，因此，在两个功率开关Q1和Q1’所对应电压波形中有至少一部分波峰和至少一部分波谷相对应的情况下，相对应的波峰电压和波谷电压可以叠加而相抵消，从而，功率开关Q1和Q1’两端的电压震荡幅度可以变小，电压震荡得以有效抑制。因此，功率开关Q1所对应电压波形(参见图7中的实线)和功率开关Q1’所对应电压波形变得平缓，波动幅度变小。
由此可见，功率开关Q1和Q1’错相动作可以缓和功率变换模块1a、1b中寄生电感的续流效应的叠加，抑制功率开关Q1和Q1’两端的电压震荡，减小尖峰电压，从而有利于功率开关Q1和Q1’的电压应力的减小以及稳定。
同理，参照上述移相控制过程，在功率开关Q2和Q2’、Q3和Q3’、Q4和Q4’均错相动作的情况下，功率开关Q2和Q2’、Q3和Q3’、Q4和Q4’两端的电压震荡也均能得到有效抑制，功率开关Q2和Q2’、Q3和Q3’、Q4和Q4’的电压应力也可以减小且变得稳定。因此，整个功率变换模块1a和1b的全部功率开关的过应力风险可以实现降低。
进一步地，当功率变换模块1为3个以上时，控制器2可以参照上述过程对3个以上的功率变换模块1进行移相控制，以使得3个以上的功率变换模块1可以错相工作。进而，3个以上的功率变换模块1中的功率开关两端的电压震荡均可以得到有效抑制，电压应力可以减小且变得稳定。
因此，本申请实施例的功率变换装置100通过令n个功率变换模块1错相工作，可以在没有增加电路/器件的情况下减小功率开关的电压应力，并且使得电压应力变得稳定，如此可以降低功率开关过应力的风险。
请参阅图8，本申请实施例还提供一种功率变换装置的控制方法，适用于上述功率变换装置100。
如图8所示，功率变换装置的控制方法包括以下步骤：
步骤S1：控制器2输出第一控制信号给n个功率变换模块1，以使得n个功率变换模块1在第一控制信号的控制下同步工作。
其中，n为大于1的正整数。
其中，由于功率变换模块1是通过功率开关的动作来实现电压转换功能，因此，步骤S1可以具体为：
控制器2输出第一控制信号给n个功率变换模块1中相同序号的功率开关，n个功率变换模块1中相同序号的功率开关在第一控制信号的控制下同步动作，以使n个功率变换模块1同步工作。
步骤S2：控制器2根据同步工作的所述n个功率变换模块中序号相同的功率开关两端的电压震荡频率，确定n个功率变换模块1所对应的移相角。
步骤S3：控制器2根据n个功率变换模块1所对应的移相角输出第二控制信号至n个功率变换模块1，以使n个功率变换模块1在第二控制信号的控制下错相工作。
在本申请实施例中，n个功率变换模块1所对应的移相角包括n个功率变换模块1中相同序号的多个功率开关所对应的移相角，其中，相同序号的多个功率开关所对应的移相角用于表征相同序号的多个功率开关依次发生动作的时间间隔。
因此，步骤S2可以包括以下步骤：
步骤S21：在n个功率变换模块1同步工作时，控制器2获取每个功率变换模块1中的功率开关两端的电压震荡频率。
步骤S22：控制器2根据n个功率变换模块1中相同序号的功率开关两端的电压震荡频率，确定相同序号的多个功率开关所对应的移相角。具体描述可参阅上述功率变换装置100中的相关描述，在此不再赘述。
对应地，步骤S3具体为：
控制器2根据n个功率变换模块1中相同序号的多个功率开关所对应的移相角，对对应的相同序号的多个功率开关的第一控制信号进行移相，以产生第二控制信号。其中，相同序号的多个功率开关所对应的第二控制信号在相位上依次相差移相角。
因此，在相应的第二控制信号的控制下，n个功率变换模块1中相同序号的多个功率开关以移相角作为时间间隔依次发生动作，也即是说，相同序号的多个功率开关错相动作。如此，n个功率变换模块1即实现错相工作。
可以理解，通过令n个功率变换模块1中相同序号的多个功率开关错相动作，可以使得相同序号的多个功率开关两端的电压震荡不同步，如此，相同序号的多个功率开关两端的电压应力震荡可以相抵消，功率开关两端的电压应力震荡幅度由此得以降低，电压应力得以减小，并且变得稳定，进而功率开关过应力的风险也得以降低。
请参阅图9，本申请实施例还提供一种电源系统1000。电源系统200可用于电连接用电设备300，以为用电设备300供电。用电设备300包括但不限于通信设备、计算机、电动车辆等。
电源系统1000包括电源200和功率变换装置100a。功率变换装置100a电连接于电源200和用电设备300之间，功率变换装置100a用于获取电源200的电压，并将电源200的电压转换为用电设备300所需的电压。
可以理解，功率变换装置100a可以为上述功率变换装置100，具体可参阅图1至图7的描述，在此不再赘述。
在一些实施方式中，电源系统1000为直流电源系统。功率变换装置100a为直流-直流(Direct Current to Direct Current，DC-DC)变换装置，可用于将一种直流电压转换为另一种直流电压。
其中，可以理解，在一些情况下，电源200可以是交流-直流(Alternating Currentto Direct Current，AC-DC)变换模块。AC-DC变换模块电连接功率变换装置100a，AC-DC变换模块可用于将交流电压转换为直流电压，并将直流电压输出至功率变换装置100a。
在另一些情况下，电源200也可以是电池。电池与功率变换装置100a电连接。功率变换装置100a可以从电池取电。当功率变换装置100a可实现双向能量传递时，功率变换装置100a也可以为电池供电，以使电池进行充电。
其中，可以理解，在一些情况下，电源系统1000还可以包括直流母排。直流母排与功率变换装置100a电连接。直流母排可用于电连接用电设备300，以将功率变换装置100a产生的直流电压输出至用电设备300。
在本申请各实施例中的各功能单元可以全部集成在一个处理单元中，也可以是各单元分别单独作为一个单元，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中；上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用硬件加软件功能单元的形式实现。
本申请上述集成的单元如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请实施例的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机、服务器、或者网络设备等)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分。而前述的存储介质包括：移动存储设备、ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (11)

1.一种功率变换装置，所述功率变换装置包括控制器和n个功率变换模块，n为大于1的正整数，所述n个功率变换模块并联，所述控制器电连接所述n个功率变换模块中的每个功率变换模块，所述每个功率变换模块均包括功率开关，其特征在于，
所述控制器用于：
输出第一控制信号给所述n个功率变换模块，所述第一控制信号用于控制所述n个功率变换模块同步工作；
根据同步工作的所述n个功率变换模块中序号相同的功率开关两端的电压震荡频率，确定所述n个功率变换模块所对应的移相角；
根据所述n个功率变换模块所对应的移相角输出第二控制信号给所述n个功率变换模块，所述第二控制信号用于控制所述n个功率变换模块错相工作。
2.如权利要求1所述的功率变换装置，其特征在于，所述n个功率变换模块所对应的移相角由所述n个功率变换模块中相同序号的多个功率开关所对应的移相角构成；
所述控制器用于：
在所述n个功率变换模块同步工作时，获取所述n个功率变换模块中的全部功率开关两端的电压震荡频率；
根据所述n个功率变换模块中相同序号的多个功率开关两端的电压震荡频率，确定所述相同序号的多个功率开关所对应的移相角，所述相同序号的多个功率开关所对应的移相角用于表征相同序号的多个功率开关依次发生动作的时间间隔。
3.如权利要求2所述的功率变换装置，其特征在于，所述控制器用于：
根据所述相同序号的多个功率开关所对应的移相角，对所述相同序号的多个功率开关所对应的第一控制信号进行移相，以产生所述第二控制信号；
其中，所述相同序号的多个功率开关所对应的第二控制信号在相位上依次相差对应的移相角。
4.如权利要求3所述的功率变换装置，其特征在于，所述相同序号的多个功率开关所对应的第二控制信号在相位上依次相差的移相角相同；或者
所述相同序号的多个功率开关所对应的第二控制信号在相位上依次相差的移相角不同。
5.如权利要求3所述的功率变换装置，其特征在于，所述n个功率变换模块中不同序号的功率开关所对应的移相角相同；或者
所述n个功率变换模块中不同序号的功率开关所对应的移相角不同。
6.如权利要求2至5中任一项所述的功率变换装置，其特征在于，所述控制器通过如下计算公式确定所述移相角：
Figure FDA0003883500780000011
式中，αi为移相角，i为所述功率开关在功率变换模块中的序号；Tos为所述功率开关两端的电压震荡频率；k为移相角调整系数，-1≤k≤1。
7.一种功率变换装置的控制方法，所述功率变换装置包括控制器和n个功率变换模块，n为大于1的正整数，所述n个功率变换模块并联，所述控制器电连接所述n个功率变换模块中的每个功率变换模块，所述每个功率变换模块均包括功率开关，其特征在于，
所述控制方法包括：
输出第一控制信号给所述n个功率变换模块，所述第一控制信号用于控制所述n个功率变换模块同步工作；
根据同步工作的所述n个功率变换模块中序号相同的功率开关两端的电压震荡频率，确定所述n个功率变换模块所对应的移相角；
根据所述n个功率变换模块所对应的移相角输出第二控制信号给所述n个功率变换模块，所述第二控制信号用于控制所述n个功率变换模块错相工作。
8.如权利要求7所述的控制方法，其特征在于，所述n个功率变换模块所对应的移相角由所述n个功率变换模块中相同序号的多个功率开关所对应的移相角构成；
所述根据n个所述功率变换模块中相同序号的功率开关两端的电压震荡频率，确定所述n个功率变换模块所对应的移相角，包括以下步骤：
在所述n个功率变换模块同步工作时，获取所述n个功率变换模块中的全部功率开关两端的电压震荡频率；
根据所述n个功率变换模块中相同序号的功率开关两端的电压震荡频率，确定所述相同序号的多个功率开关所对应的移相角，所述相同序号的多个功率开关所对应的移相角用于表征相同序号的多个功率开关依次发生动作的时间间隔。
9.如权利要求8所述的控制方法，其特征在于，所述根据所述n个功率变换模块所对应的移相角输出第二控制信号给所述n个功率变换模块，具体为：
根据所述相同序号的多个功率开关所对应的移相角，对所述相同序号的多个功率开关所对应的第一控制信号进行移相，以产生所述第二控制信号给所述n个功率变换模块；
其中，所述相同序号的多个功率开关所对应的第二控制信号在相位上依次相差对应的移相角。
10.如权利要求7至9中任一项所述的控制方法，其特征在于，所述移相角通过如下计算公式确定：
Figure FDA0003883500780000021
式中，αi为移相角，i为功率开关在功率变换模块中的序号；Tos为该功率开关两端的电压震荡频率；k为移相角调整系数，-1≤k≤1。
11.一种电源系统，用于为用电设备供电，其特征在于，所述电源系统包括电源和功率变换装置，所述功率变换装置电连接于所述电源和所述用电设备之间，所述功率变换装置包括控制器和n个功率变换模块，n为大于1的正整数，所述n个功率变换模块并联，所述控制器电连接所述n个功率变换模块，并用于控制所述n个功率变换模块错相工作。
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