CN116171524A - 用于车载充电应用的交错式功率因数校正中开关频率调制的方法和设备 - Google Patents

用于车载充电应用的交错式功率因数校正中开关频率调制的方法和设备 Download PDF

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Abstract

公开了一种交错式开关模式电源(12，14)及其控制方法。交错式开关模式电源(12，14)包括第一开关模式电源(12)；第二开关模式电源(14)；和控制器(16)。控制器(16)控制第一开关模式电源和第二开关模式电源(12，14)，使得所述控制器(16)以及第一开关模式电源和第二开关模式电源(12，14)形成具有功率因数校正的交错式开关模式电源。控制器(16)调制第一开关模式电源和第二开关模式电源(12，14)中的每一个的开关频率，使得所述开关频率基于第一开关模式电源(12)的纹波电流和第二开关模式电源(14)的纹波电流之间的纹波电流抵消而变化。

Description

用于车载充电应用的交错式功率因数校正中开关频率调制的 方法和设备
相关申请的交叉引用
本申请要求保护于2020年9月14日提交的美国非临时申请第17/019,597号的权益。上述申请的公开内容通过引用并入本文。
技术领域
本发明总体上涉及机动车辆的车载充电，并且特别是涉及一种其中在交错式开关模式电源中采用开关频率调制的车辆车载充电方法和装置。
背景技术
诸如IEC61000-3-2的监管标准要求从AC电源引出高功率的设备实现功率因数校正(PFC)。PFC调节从AC电源引出的与AC电压成比例的电流，从而减少高负载条件下AC正弦波的失真。存在用于PFC的多种方法和拓扑，几乎所有方法和拓扑都涉及开关模式电源(SMPS)。SMPS具有固有的弱点，即电流引出具有与开关频率一致的高频纹波。这种纹波将以电磁兼容性(EMC)发射的形式传播到AC线路上，并且如果不加以解决，则将导致产品无法满足EMC合规标准。
解决纹波电流的最常见方法是通过无源滤波的方式。然而，由于高负载电流和线路电压，有效的滤波要求大型且昂贵的组件。
另一种方法是提高开关频率，这可以降低纹波幅度，但是会增加开关器件中的损耗。
用于减少纹波电流的另一种常用方法是通过交错，其中两个或更多个分离的SMPS并联使用，其中它们的开关波形彼此异相，并且并联SMPS具有根据以下公式的相移
相移＝360度/(N相)，
其中“N相”指代并联的SMPS的数量。例如，两个并联的SMPS彼此异相180度，并且三个并联的SMPS彼此异相120度。由于在开关波形的至少一部分中，一些电源的纹波波形上升，同时其他电源的纹波波形下降，因此各相的纹波电流之和趋向于彼此抵消。由于重叠量随占空比而改变，因此纹波抵消在某些占空比下更有效，而在其他占空比下则不太有效。对于双交错，在接近50％占空比时效果最大，在接近0或100％占空比时效果最小。对于其他交错拓扑，这种效果在以下情况下最大
D＝n/(N相)，
其中“n”指代介于1和比N相少1之间的整数值。
发明内容
示例实施例克服了已知交错式SMPS的缺陷。示例实施例利用交错式SMPS装置中的动态开关频率来减少由此生成的纹波电流。与具有固定频率的交错式SMPS相比，通过在交错对减少纹波电流最不有效的情况下使用较快的开关频率，并且在交错最有效的情况下使用较慢的开关频率，总开关损耗被减少，而不会增加峰值纹波电流幅度。
根据示例实施例，交错式开关模式电源包括多个并联连接的开关模式电源，其具有至少第一开关模式电源和第二开关模式电源，第一开关模式电源具有接收电源输入电压的电源输入端子，并且第二开关模式电源具有接收电源输入电压的电源输入端子。控制器具有耦合到第一开关模式电源的至少一个控制输入的至少一个第一输出，以及耦合到第二开关模式电源的至少一个控制输入的至少一个第二输出。控制器被配置为控制第一开关模式电源和第二开关模式电源，使得控制器以及第一开关模式电源和第二开关模式电源形成具有功率因数校正的交错式开关模式电源。控制器被配置为调制第一开关模式电源和第二开关模式电源中的每一个的开关频率，使得开关频率基于第一开关模式电源的纹波电流和第二开关模式电源的纹波电流之间的纹波电流抵消而变化。
在一个方面，第一开关模式电源和第二开关模式电源的开关频率基于其占空比而变化。控制器被配置为至少部分地基于电源输入电压来确定第一开关模式电源和第二开关模式电源的占空比，并且基于所确定的占空比来确定第一开关模式电源和第二开关模式电源的开关频率。
交错式开关模式电源进一步包括非暂时性存储器，该非暂时性存储器是控制器的一部分或者耦合到控制器。该非暂时性存储器中具有存储在其中的与占空比和开关频率之间的关系相对应的数据。数据采用查找表或等式的形式。
在一个方面，所确定的开关频率在如下情况下最高
D＝n/(N相*2)，
其中D是占空比，“N相”是开关模式电源的数量，并且n是介于1和2*(N相)之间的奇数整数。此外，所确定的开关频率在如下情况下最低
D＝n/(N相)
其中D是占空比，“N相”是开关模式电源的数量，并且n是介于零和(N相)之间的整数。
在另一示例实施例中，交错式开关模式电源进一步包括第三开关模式电源，其具有接收电源输入电压的电源输入端子。控制器被配置为调制第一开关模式电源、第二开关模式电源和第三开关模式电源中的每一个的开关频率，使得开关频率基于第一开关模式电源、第二开关模式电源和第三开关模式电源的纹波电流之间的纹波电流抵消而变化。
在另一个示例实施例中，交错式开关模式电源形成车辆的车载电池充电装置的至少一部分。
一种用于控制交错式开关模式电源的方法包括：接收输入电源电压；以及由控制器基于接收到的输入电源电压来调制交错式开关模式电源的开关频率。
在一个方面，该方法进一步包括由控制器基于接收到的输入电源电压来确定交错式开关模式电源的占空比。然后，控制器基于所确定的占空比来确定交错式开关模式电源的开关频率。控制器使用确定的占空比和确定的开关频率来控制交错式开关模式电源，其中调制开关频率形成控制交错式开关模式电源的一部分。
确定开关频率包括访问存储在控制器的非暂时性存储器中或与控制器相关联的数据，该数据提供占空比与开关频率之间的关系。该数据采用查找表或等式的形式。
在一个方面，所确定的开关频率在如下情况下最高
D＝n/(N相*2)，
其中D是占空比，“N相”是开关模式电源的数量，并且n是介于1和2*(N相)之间的奇数整数。所确定的开关频率在如下情况下最低D＝n/(N相)，
其中D是占空比，“N相”是开关模式电源的数量，并且n是零和(N相)之间的整数。
另一个示例实施例针对一种存储在非暂时性存储器中的计算机程序产品，该计算机程序产品具有指令，该指令当由交错式开关模式电源的控制器执行时，使控制器执行一种方法。该方法包括接收输入电源电压的指示；以及基于输入电源电压来调制交错式开关模式电源的开关频率。
所述指令进一步包括当被执行时使控制器基于接收到的输入电源电压来确定交错式开关模式电源的占空比的指令；基于所确定的占空比来确定交错式开关模式电源的开关频率；以及使用所确定的占空比和所确定的开关频率来控制交错式开关模式电源，其中调制开关频率形成控制交错式开关模式电源的一部分。
附图说明
下面将结合附图参考示例性实施例详细解释本发明的各方面，其中：
图1是根据示例实施例的双交错式SMPS装置的框图；
图2是图1的双交错式SMPS装置的归一化总和纹波电流相对于占空比的曲线图；
图3是SMPS的归一化单相纹波电流相对于占空比的曲线图；
图4是图1的双交错式SMPS的归一化总和纹波电流相对于占空比的曲线图；
图5是图1的双交错式SMPS装置中开关频率相对于占空比的曲线图；
图6是固定频率双交错式SMPS的总和纹波电流相对于占空比的曲线图，以及图1的双交错式SMPS装置的总和纹波电流的曲线图；
图7是图示根据示例实施例的操作交错式SMPS装置的方法的流程图；和
图8是根据示例实施例的利用图1的交错式SMPS装置的车载充电系统的PFC电路的框图。
具体实施方式
对(一个或多个)示例实施例的以下描述本质上仅仅是示例性的，并且决不是旨在限制本发明、其应用或使用。在附图中并且贯穿于详细描述，相同的附图标记用于标识相同或相似的元件。为了清楚起见，除非另外指定，否则元件并非按比例示出。
示例实施例总体上针对交错式PFC SMPS装置，其中该装置的开关频率被调制，使得当交错在减少SMPS装置的总和纹波电流方面不太有效时，开关频率增加，并且当交错在减少总和纹波电流方面更有效时，开关频率降低。与在固定开关频率下操作的类似交错式SMPS装置的总和纹波电流相比，SMPS装置的总开关损耗可以减少，而不增加峰值总和纹波电流。
交错式SMPS装置的以下描述将针对双交错式SMPS装置。然而，应该理解，交错式SMPS装置不限于双交错式SMPS拓扑，而是代替地可以包括多于两个SMPS。
图1是根据示例实施例的双交错式SMPS装置10的框图。如所图示的，SMPS装置10包括两个SMPS 12、14。在这种情况下，每个SMPS12、14包括用于至AC电源的连接的输入端子。交错式SMPS装置10可以形成PFC块和/或转换器电路的至少一部分。这样的PFC块可以与DC-DC转换器相组合，以用作充电系统，并且特别是用于机动车辆的车载充电系统。在车辆的车载充电系统中，SMPS装置10充当升压PFC转换器电路。
概括地说，在一个示例实施例中，每个SMPS 12、14包括具有第一端子的电感器、连接在参考电压和电感器的第一端子之间的控制开关、以及连接在SMPS的第一端子和输出端子之间的二极管。应当理解，每个SMPS 12、14可以使用多个不同的已知拓扑和/或架构中的任何一个来实现。
双交错式SMPS装置10进一步包括控制器16，该控制器16具有用于接收SMPS 12、14的感测参数的输入，并且在控制输出处生成用于控制SMPS 12、14的控制信号。控制信号可以包括控制SMPS 12、14的占空比和/或开关频率的信号。控制器16可以是微控制器和/或微控制器单元(MCU)，其具有处理器或处理器核以及其中存储有程序代码指令的非暂时性存储器，当由处理器执行时，所述程序代码指令在控制器输出处生成控制信号，用于控制SMPS12、14作为交错式SMPS执行。应当理解，控制器16可以以多种不同的处理器、微处理器或控制器架构中的任何一种来实现。例如，可以是易失性存储器、非易失性存储器或者易失性和非易失性存储器这两者的存储器可以部分或全部在控制器16的外部，并由此可访问。在作为交错式SMPS操作期间，SMPS 12和14每个均输出连接到负载L的电压输出信号。在示例实施例中，电压输出信号是DC电压。
图2示出了根据示例实施例的SMPS装置10的总和纹波电流的计算幅度值相对于占空比的关系。该曲线图是归一化的，其中“1”是每个单独相的纹波电流幅度。如从图中可以看出的，SMPS装置10的总和纹波电流在50％占空比时最小，其中总和纹波电流幅度为0，并且在占空比接近0或100％时最大，其中总和纹波电流的幅度等于单独相纹波电流幅度。
图2假设单独相的纹波电流幅度跨所有占空比是恒定的。SMPS 12或14在不同的占空比下固有地具有不同的纹波电流幅度。这是由于跨SMPS电感器施加的电压在不同的占空比下改变，以维持伏秒平衡。图3示出了典型SMPS的归一化单相纹波电流幅度相对于占空比的关系。如所示出的，纹波电流幅度在50％占空比时最大，在100％和0％占空比时为零。
将图2的交错抵消因子相对于占空比与图3中的单独相幅度相对于占空比的变化相组合，产生了图4所示的SMPS装置10中的归一化总和纹波电流。总和纹波电流在25％占空比和75％占空比时达到峰值，并且在0、50％和100％占空比时为零。
为了与固定频率的双交错式SMPS相比维持相同的峰值纹波电流幅度，在示例实施例中，SMPS装置10的开关频率在25％和75％占空比下停留在固定频率，但是对于所有其他占空比，开关频率根据图5所示的开关频率和占空比之间的关系成比例地降低。在SMPS装置10使用125kHz的最大开关频率和75kHz的最小开关频率的示例实施例中，开关频率和占空比的关系如图5所示。如图5的曲线图所图示的，开关频率在25％和75％占空比时最高，并且在0％、50％和100％占空比时最低。开关频率在0％和25％占空比之间、在25％和50％占空比之间、在50％和75％占空比之间以及在75％占空比和100％占空比之间逐渐改变。精确的频率调制范围可以基于单独的SMPS电路设计要求来调整，但是频率和占空比之间的总体比例遵循图5的开关频率-占空比关系。
图6示出了具有固定的125kHz开关频率的双交错式SMPS的归一化总和纹波电流(如实线示出的)，以及上面在示例实施例中讨论的所公开的可变75kHz-125kHz开关频率方案(如虚线示出的)。可变频率方法在大多数占空比下具有较高的纹波电流，但在25％和75％的占空比下维持与固定频率方法相同的最大纹波幅度。在除了25％和75％之外的占空比下降低SMPS装置10的开关频率减少了SMPS装置10中开关器件的总损耗。
图7图示了根据示例实施例的操作SMPS装置10的方法。在72，控制器16控制SMPS12和14作为双交错式SMPS装置操作。如上面讨论的，作为这样的控制的一部分，控制器16向SMPS 12、14提供控制信号。在SMPS装置10的操作期间，控制器16在74接收来自位于SMPS12和14中或其周围的传感器的反馈信号。至少部分基于接收到的反馈信号，控制器16在76确定SMPS 12和14的占空比。所确定的占空比与电源输入电压改变相匹配，以满足功率因数校正能力。在78，控制器16基于所确定的占空比确定开关频率。如图5所示，开关频率和占空比之间的关系可以以查找表、等式等形式存储在上面提及的存储器中，其由控制器16在确定开关频率时访问。在确定占空比和开关频率时，在80，控制器16相应地生成输出控制信号，并且将控制信号发送到SMPS12和14。
如上面提及的，与具有固定频率的SMPS相比，通过在交错对减少纹波最不有效的情况下使用较快的开关频率，并在交错最有效的情况下使用较慢的开关频率，总开关损耗被减少，而不会增加峰值纹波电流幅度。由示例实施例提供的另一附加好处是纹波电流的频率不是固定在一个值。因为功率因数校正SMPS持续地改变占空比以匹配输入电压改变，并且因为交错式SMPS的开关频率现在是占空比的函数，所以开关频率也在持续地改变。可变开关频率跨频带扩散纹波电流的能量，而不是将其集中在单个频率处，通常被称为频率调制脉宽调制(FMPWM)或扩频。这降低了任何给定频率的测量EMC签名。
上述的交错式SMPS装置可以用于多个应用中。例如，所描述的交错式SMPS可以用在车载充电系统中，用于为电动或混合电动车辆中的电池充电，其中该装置在其输入处接收AC电源处出现的电压，并且生成用于为车辆电池充电的DC输出。
如所提及的，上面讨论的示例实施例是针对双交错式SMPS装置的，但是在交错式SMPS装置中可以使用多于两个并联的SMPS。对于任何数量的并联SMP，开关频率在如下情况下最高
D＝n/(N相*2)，
其中D是占空比，“N相”是开关模式电源的数量，并且n是介于1和2*(N相)之间的奇数整数。开关频率在如下情况下最低
D＝n/(N相)，
其中D是占空比，“N相”是开关模式电源的数量，并且n是介于零和(N相)之间的整数。例如，对于具有并联的三个SMPS的交错式SMPS装置，在其处开关频率最高的占空比百分比的数量是三(在16.67％、50％和83.33％的占空比)，并且在其处开关频率最低的占空比百分比的数量是四(在0％、33.33％、66.66％和100％的占空比)。对于具有并联的四个SMPS的交错式SMPS装置，在其处开关频率最高的占空比百分比的数量是四(在12.5％、37.5％、62.5％和87.5％的占空比)，并且在其处开关频率最低的占空比百分比的数量是五(在0％、25％、50％、75％和100％的占空比)。
如上面提及的，交错式SMPS装置10可以形成PFC转换器电路100的一部分，诸如机动车辆的车载充电系统的PFC电路。参考图8，合并有交错式SMPS装置10的PFC转换器电路100可以包括输入滤波器电路82，输入滤波器电路82具有耦合到PFC转换器电路的AC电压输入的输入端子；以及整流器电路84，诸如桥式整流器电路，其具有连接到输入滤波器电路82的输出端子的输入端子和耦合到诸如SMPS 12、14的每个SMPS的电压输入端子的输出端子。整流器电路84向形成交错式SMPS装置10的SMPS 12、14提供经整流的AC电压信号VAC-RECT。应当理解，PFC转换器电路100可以利用多个已知桥式和整流器电路、拓扑和/或架构中的任何一个。如上面提及的，每个SMPS 12、14可以使用多个不同的已知拓扑和/或架构中的任何一个来实现。例如，SMPS12、14可以利用无桥图腾柱(BTP)升压拓扑，其中升压电感器被移动到SMPS的输入侧，并且具有有源开关的二极管被连接到电感器。在BTP升压实现中，不需要整流器电路84。
本文中已经以说明性的方式描述了示例实施例，并且应当理解，已经使用的术语旨在是具有描述性词语的性质，而不是限制性的。显而易见地，根据上述教导，本发明的许多修改和变化是可能的。上面的描述本质上仅仅是示例性的，因此，在不脱离由所附权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对其进行变化。

Claims (20)

1.一种交错式开关模式电源装置(10)，包括：
多个并联连接的开关模式电源(12，14)，包括至少第一开关模式电源(12)和第二开关模式电源(14)，所述第一开关模式电源(12)具有接收电源输入电压的电源输入端子，所述第二开关模式电源(14)具有接收电源输入电压的电源输入端子；以及
控制器(16)，具有耦合到所述第一开关模式电源(12)的至少一个控制输入的至少一个第一输出，以及耦合到所述第二开关模式电源(14)的至少一个控制输入的至少一个第二输出，所述控制器(16)被配置为控制所述第一开关模式电源和第二开关模式电源(12，14)，使得所述控制器(16)以及所述第一开关模式电源和第二开关模式电源(12，14)包括具有功率因数校正的交错式开关模式电源，
其中所述控制器(16)被配置为调制所述第一开关模式电源和第二开关模式电源(12，14)中的每一个的开关频率，使得所述开关频率基于所述第一开关模式电源(12)的纹波电流和所述第二开关模式电源(14)的纹波电流之间的纹波电流抵消而变化。
2.根据权利要求1所述的交错式开关模式电源装置(10)，其中第一开关模式电源和第二开关模式电源(12，14)的开关频率基于其占空比而变化。
3.根据权利要求2所述的交错式开关模式电源装置(10)，其中所述控制器(16)被配置为至少部分地基于所述电源输入电压来确定所述第一开关模式电源和第二开关模式电源(12，14)的占空比，并且基于所确定的占空比来确定所述第一开关模式电源和第二开关模式电源(12，14)的开关频率。
4.根据权利要求3所述的交错式开关模式电源装置(10)，进一步包括作为所述控制器(16)的一部分或耦合到所述控制器(16)的非暂时性存储器，所述非暂时性存储器中存储有与占空比和开关频率之间的关系相对应的数据。
5.根据权利要求4所述的交错式开关模式电源装置(10)，其中所述数据是存储在所述非暂时性存储器中的查找表的形式。
6.根据权利要求4所述的交错式开关模式电源装置(10)，其中所述数据是占空比和开关频率之间的关系的等式形式。
7.根据权利要求2所述的交错式开关模式电源装置(10)，其中所确定的开关频率在以下情况下最高
D＝n/(N相*2)，
其中D是占空比，“N相”是开关模式电源(12，14)的数量，并且n是介于1和2*(N相)之间的奇数整数。
8.根据权利要求2所述的交错式开关模式电源装置(10)，其中所确定的开关频率在以下情况下最低
D＝n/(N相)，
其中D是占空比，“N相”是开关模式电源(12，14)的数量，并且n是介于零和N相之间的整数。
9.根据权利要求1所述的交错式开关模式电源装置(10)，进一步包括具有电源输入端子以接收电源输入电压的第三开关模式电源，其中所述控制器(16)被配置为调制第一开关模式电源、第二开关模式电源和第三开关模式电源(12、14)中的每一个的开关频率，使得开关频率基于第一开关模式电源、第二开关模式电源和第三开关模式电源(12、14)的纹波电流之间的纹波电流抵消而变化。
10.根据权利要求1所述的交错式开关模式电源装置(10)，其中在至少两个预定占空比处的总和纹波电流与在固定开关频率处操作的交错式开关模式电源(12，14)的总和纹波电流相同，并且在除了所述至少两个预定占空比之外的占空比处的交错式开关模式电源装置(10)的总和纹波电流不同于在固定开关频率处操作的交错式开关模式电源(12，14)的总和纹波电流。
11.根据权利要求1所述的交错式开关模式电源装置(10)，其中所述交错式开关模式电源装置(10)形成用于车辆的车载电池充电装置的至少一部分，并且所述电源输入电压是AC电压。
12.一种用于控制具有多个并联连接的开关模式电源(12，14)的交错式开关模式电源装置(10)的方法，所述方法包括：
接收输入电源电压；以及
由控制器(16)基于所接收的输入电源电压来调制开关模式电源(12，14)的开关频率。
13.根据权利要求12所述的方法，进一步包括：
由控制器(16)基于所接收的输入电源电压来确定开关模式电源(12，14)的占空比；
由控制器(16)基于所确定的占空比来确定开关模式电源(12，14)的开关频率；以及
由控制器(16)使用所确定的占空比和所确定的开关频率来控制开关模式电源(12，14)，其中
调制所述开关频率形成控制开关模式电源(12，14)的一部分。
14.根据权利要求13所述的方法，其中确定开关频率包括访问存储在控制器(16)的非暂时性存储器中或与所述控制器(16)相关联的数据，所述数据提供占空比和所述开关频率之间的关系。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述数据是查找表的形式。
16.根据权利要求14所述的方法，其中所述数据是描述占空比和开关频率之间的关系的等式的形式。
17.根据权利要求13所述的方法，其中，所确定的开关频率在以下情况下最高
D＝n/(N相*2)，
其中D是占空比，“N相”是开关模式电源(12，14)的数量，并且n是介于1和2*(N相)之间的奇数整数。
18.根据权利要求13所述的方法，其中所确定的开关频率在以下情况下最低
D＝n/(N相)，
其中D是占空比，“N相”是开关模式电源(12，14)的数量，并且n是零和N相之间的整数。
19.一种存储在具有指令的非暂时性存储器中的计算机程序产品，当所述指令由交错式开关模式电源(12，14)的控制器(16)执行时，使得所述控制器(16)执行一种方法，所述方法包括：
接收输入电源电压的指示；以及
基于所述输入电源电压调制交错式开关模式电源(12，14)的开关频率。
20.根据权利要求19所述的计算机程序产品，其中，所述指令进一步包括当被执行时使控制器(16)执行如下操作的指令
基于所接收的输入电源电压确定交错式开关模式电源(12，14)的占空比；
基于所确定的占空比来确定交错式开关模式电源(12，14)的开关频率；以及
使用所确定的占空比和所确定的开关频率来控制交错式开关模式电源，其中调制开关频率形成控制交错式开关模式电源(12，14)的一部分。
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