阅读说明：本技术 具有堆叠式输出电容器的交错式dc-dc转换器 (Interleaved DC-DC converter with stacked output capacitors ) 是由 葛宝明 陈礼华 于 2019-06-17 设计创作，主要内容包括：本公开提供了“具有堆叠式输出电容器的交错式DC-DC转换器”。一种电压转换器,包括共同地被配置为向逆变器提供电压的一组串联连接的电容器。所述电压转换器包括开关装置,所述开关装置包括干线和开关,所述开关被配置为利用来自所述干线的能量激励所述电容器。所述电压转换器包括交错式电感器,所述交错式电感器具有相应的半桥开关,所述半桥开关被配置为激励所述干线。所述电压转换器包括控制器,所述控制器被配置为操作所述开关装置的所述开关以激励少于所有的该组电容器。所述开关操作响应于改变DC链路电压的请求。(The present disclosure provides an "interleaved DC-DC converter with stacked output capacitors. A voltage converter includes a set of series-connected capacitors collectively configured to provide a voltage to an inverter. The voltage converter includes a switching device including a rail and a switch configured to energize the capacitor with energy from the rail. The voltage converter includes an interleaved inductor having respective half-bridge switches configured to excite the rail. The voltage converter includes a controller configured to operate the switches of the switching device to energize less than all of the set of capacitors. The switching operation is responsive to a request to change the DC link voltage.)

具有堆叠式输出电容器的交错式DC-DC转换器

技术领域

本公开涉及一种具有分立输出电容器的交错式DC-DC转换器。

背景技术

交错式转换器为逆变器和电池的干线提供减小的纹波电流。干线电压可能直接影响逆变器的输出能力。例如，由逆变器操作的电机可能需要增加干线电压以便获得所需速度。电压转换器可能无法在高开关损耗的情况下供应所需电压或提供此类电压。

发明内容

一种电压转换器包括共同地被配置为向逆变器提供电压的一组串联连接的电容器。所述电压转换器包括开关装置(switchgear)，所述开关装置包括干线和开关，所述开关被配置为利用来自所述干线的能量激励所述电容器。所述电压转换器包括交错式电感器，所述交错式电感器具有相应的半桥开关，所述半桥开关被配置为激励所述干线。所述电压转换器包括控制器，所述控制器被配置为操作所述开关装置的所述开关以激励少于所有的该组电容器。开关操作响应于改变DC链路电压的请求。

一种电压转换器包括共同地被配置为向逆变器提供电压的串联连接的电容器。所述电压转换器包括开关装置，所述开关装置包括干线和开关，所述开关被配置为利用来自所述干线的能量激励所述电容器。所述电压转换器包括交错式电感器，所述交错式电感器具有相应的半桥开关，所述半桥开关被配置为激励所述干线。所述电压转换器包括控制器，所述控制器被配置为同时激励多对选定的交错式电感器和电容器以改变所述电压转换器的增益。所述激励响应于改变电压的请求。

一种电压转换器包括共同地被配置为向逆变器提供电压的串联连接的电容器。所述电压转换器包括开关装置，所述开关装置包括干线和开关，所述开关被配置为利用来自所述干线的能量激励所述电容器。所述电压转换器包括交错式电感器，所述交错式电感器具有相应的半桥开关，所述半桥开关被配置为激励所述干线。所述电压转换器包括控制器，所述控制器被配置为依次激励多对选定的交错式电感器和电容器以改变所述电压转换器的增益。所述激励响应于改变电压的请求。

附图说明

图1是具有交错式电感器和堆叠式电容器的电压转换器的示意图；

图2是同时激励多对选定的交错式电感器和电容器的电压转换器的开关的时序图；

图3A是以小于或等于33％的占空比依次激励多对选定的交错式电感器和电容器的开关的时序图；

图3B是以大于33％的占空比依次激励多对选定的交错式电感器和电容器的开关的时序图；

图4是示出在两种不同调制方案下电压转换器增益关于开关的占空比的曲线图；并且

图5是用于实施调制方案的算法。

具体实施方式

本文描述了本公开的实施例。然而，应理解，所公开的实施例仅仅是示例并且其他实施例可以采用各种形式和替代形式。附图不一定按比例绘制；一些特征可能被放大或最小化以示出特定部件的细节。因此，本文公开的具体结构和功能细节并不解释为限制性，而仅仅解释为用于教导本领域技术人员以各种方式采用本发明的代表性基础。如本领域普通技术人员将理解，参考任何一个附图示出并描述的各个特征可以结合一个或多个其他附图中示出的特征以产生未明确示出或描述的实施例。所示特征的组合提供用于典型应用的代表性实施例。然而，特定应用或实现方式可以期望与本公开的教导一致的特征的各个组合和修改。

由于电机在需要增加输出和提高效率的各种应用中实施，因此操作此类电机的逆变器可能需要增加电压供应。例如，电机转速可能受到被供应给逆变器的干线的电压的限制。干线的电压可以由DC-DC电压转换器提供。电压转换器的电压输出可能固有地受到开关的开关占空比的限制。为了克服该限制，可以堆叠输出电容器以增加电压转换器的输出电压。

可以实施开关装置以选择性地对电容器进行激励和去激励。调制方案可以用于根据请求提供逆变器所需的增益。可以基于预期的开关损耗、增益选择精度和增益通用性来选择调制方案。例如，一种调制方案可以提供必要的增益通用性、低损耗，并导致控制在某些占空比下不准确。其他调制方案可以提供对增益的更可靠控制，同时具有减小的增益范围。实际上，可以使用堆叠式电容器来增加转换器的输出电压，同时选择调制方案以确保有效地实现适当的输出电压。

参考图1，示出了电压转换器100。电压转换器100从电池102中汲取能量。电压转换器100向逆变器106提供逆变器干线电压144。逆变器106可以被配置为操作电机(未示出)。电机可以推进车辆或提供再生制动。可以经由控制器104控制电压转换器。控制器104可以是单个处理器，或多个处理器的组合。控制器104还可以包括控制算法或电路以向开关114、122、124、126、128、130、132、134、136的栅极提供脉冲宽度调制(PWM)信号。栅极可以由栅极驱动器(未示出)驱动。电压转换器100包括一组串联连接的电容器138、140、142。尽管示出了三个电容器138、140、142，但是也可以使用附加的电容器或更少的电容器。电容器138、140、142可以经由开关装置146激励，所述开关装置具有带正极性和负极性的干线148、150。干线148、150经由分别具有对应的半桥开关116、118、120的交错式电感器108、110、112来激励。开关装置146包括被配置为选择性地激励该组串联连接的电容器138、140、142的多个级联开关122、124、126、128、130、132、134、136。如非限制性示例中所示，电容器138与开关126、128并联。如进一步所示，开关122、124用于具有干线148、150的半桥。另外，开关126、128与干线148形成半桥。如所示，交错式电感器108、110、112与电容器138、140、142对应。电容器138、140、142可以是任何类型的电容器。电容器138、140、142还可以整体地或分立地组装。这意味着电容器138、140、142可以单独构造而成或具有多根引线。电感器108、110、112也可以整体地或分立地构造而成。

参考图2，示出了根据调制方案A的时序图200。时序图200包括载波202、204、206作为对应的半桥116、118、120的负开关中的每一者和参考占空比208的示例。如所示，对应的半桥开关116操作使得当S_n1在占空比210的周期期间导通时，S_p1断开。占空比210的导通周期形成与半桥开关116对应的占空比。另外并且特定于调制方案A，开关装置146的开关126、130、124被激励，形成包括电容器138的电路，使得当S_n1导通时电容器138被充电。

如所示，对应的半桥开关118操作使得当S_n2在占空比212的周期期间导通时，S_p2断开。导通周期形成与半桥开关118对应的占空比212。另外并且特定于调制方案A，开关装置146的开关128、134被激励，形成包括电容器140的电路，使得当S_n2导通时电容器140被充电。

如所示，对应的半桥开关120操作使得当S_n3在占空比214的导通周期期间导通时，S_p3断开。导通周期形成与半桥开关120对应的占空比214。另外并且特定于如时序图200中所示的调制方案A，开关装置146的开关132、122、136被激励，形成包括电容器142的电路，使得当S_n3导通时电容器142被充电。

应明白，占空比210、212、214小于或等于33％，使得所有半桥开关都在一个共同循环期间被激励。这意味着每个占空比都在任何其他占空比重复之前发生。此外，每个电容器138、140、142被激励，同时其相应的电感器108、110、112被激励。可以使用更多或更少的电容器138、140、142和电感器108、110、112。具有三个以上电容器138、140、142的实现方式可以包括开关装置146中的开关的进一步级联以允许单独激励电容器。在这种情况下，如上所述的开关装置的开关的占空比将是交错式电感器的数量的数学倒数(例如，在调制方案A下，四个电容器将具有小于或等于25％的占空比)。如图2中所示，调制方案A中的所有电容器依次且独立地充电。在这种情况下，根据方程式1计算电压转换器100的增益。

其中V_DC是逆变器106的干线的电压144，并且V_b是电池102的电压。

参考图3A和图3B，示出了根据调制方案B的时序图300、350。时序图300、350包括载波302、304、306作为对应的半桥116、118、120的负开关中的每一者和参考占空比308的示例。如所示，对应的半桥开关116操作使得S_n1下降沿310控制对应的开关和电容器138的充电周期。占空比与开关激励时间无关，因为开关装置146的所有开关都根据33％的占空比激励。另外并且特定于如时序图300、350中所示的调制方案B，开关装置146的开关126、130、124被激励，形成包括电容器138的电路，使得根据S_n1的下降沿310对电容器138充电。

如所示，对应的半桥开关118操作使得S_n2下降沿312控制对应的开关和电容器142的充电周期。另外并且特定于如时序图300、350中所示的调制方案B，开关装置146的开关132、122、136被激励，形成包括电容器142的电路，使得根据S_n2的下降沿312对电容器142充电。

如所示，对应的半桥开关120操作使得S_n3下降沿314控制对应的开关和电容器140的充电周期。另外并且特定于如时序图300、350中所示的调制方案B，开关装置146的开关128、134被激励，形成包括电容器140的电路，使得根据S_n3的下降沿314对电容器142充电。

应明白，对应的半桥开关116、118、120的调制方案B的占空比可以是0至100％之间的任何值，这与上面示出的调制方案A不同。此外，每个电容器138、140、142都不必与其相应的电感器108、110、112同时充电。可以使用更多或更少的电容器138、140、142和电感器108、110、112。具有三个以上电容器138、140、142的实现方式可以包括开关装置146中的开关的进一步级联以允许单独激励电容器。在这种情况下，如上所述的开关装置的开关的占空比将是交错式电感器的数量的数学倒数(例如，在调制方案B下，四个电容器将具有25％的占空比)。然而，对应的半桥的占空比仍然是产生所请求增益所需的任何占空比。如图3A和图3B中所示，调制方案B中的所有电容器都依次且独立地充电，但是对应的半桥开关116、118、120不充电。在这种情况下，根据方程式2计算电压转换器100的增益。

其中V_DC是逆变器106的干线的电压144，并且V_b是电池102的电压。

参考图4，示出了图形400。图形400描绘了关于增益和占空比的调制方案A 404和调制方案B 402。如图形400中所示，调制方案A 404为低占空比提供最小增益1。调制方案B402为低占空比提供最小增益3。可能需要低增益值以降低转换损耗并将所有请求的电压提供给逆变器干线电压144。较低占空比将会降低转换器开关损耗(例如，电阻损耗)。因此，在占空比为28.6％下大于调制方案A 404的调制决策点406的所请求增益(例如，3)引起控制器切换到调制方案B的占空比，使得转换器增益将为3并且具有低占空比，如图5中所描述。

参考图5，示出了用于控制器104的算法500。在步骤502中，算法开始。在步骤504中，控制器104监测电池电压。此类监测可以由电池电子控制模块或本领域中已知的其他工具来执行。在步骤506中，控制器接收DC链路电压请求。DC链路电压请求可以在100伏特至1000伏特以上的范围内。在步骤508中，控制器104根据在步骤504中确定的电池电压和在步骤506中接收的请求来确定所请求的增益。在步骤510中，控制器104确定是使用调制方案A还是调制方案B。如果所请求的增益大于调制决策点406，则控制器104将使用调制方案B402，如图3A至图3B中所示。如果所请求的增益小于调制决策点406，则控制器104将使用调制方案A 404，如图2中所示。控制器104还可以根据操作条件整交叉点406，并且调制决策点406可以大于或小于28.6％占空比。

控制器104可以包括支持执行在本文描述的控制器104的功能的各种类型的计算装置。在示例中，控制器104可以包括被配置为执行计算机指令的一个或多个处理器以及可以维持计算机可执行指令和/或数据的存储介质。计算机可读存储介质(也被称为处理器可读介质或存储装置)包括参与提供可以由计算机(例如，由一个或多个处理器)读取的数据(例如，指令)的任何非暂时性(例如，有形的)介质。通常，处理器接收指令和/或数据，例如从存储装置等接收指令和/或数据到存储器并使用所述数据来执行指令，由此执行一个或多个过程，包括本文描述的过程中的一者或多者。可以根据使用多种编程语言和/或技术创建的计算机程序来编译或解译计算机可执行指令，所述多种编程语言和/或技术包括但不限于以下的单一形式或组合形式：Java、C、C++、C#、Fortran、Pascal、Visual Basic、Python、Java Script、Perl、PL/SQL等。

用在说明书中的词语是描述性词语，而不是限制性的词语，并且应理解，可以在不脱离本公开的精神和范围的情况下做出各种改变。如前所述，各种实施例的特征可以组合形成可能未明确描述或示出的本发明的其他实施例。尽管各种实施例就一个或多个期望特性而言可能已经被描述为提供优点或优于其他实施例或现有技术实现方式，但是本领域一般技术人员认识到，可以牺牲一个或多个特征或特性以实现期望的整体系统属性，这取决于具体应用和实现方式。这些属性可以包括但不限于成本、强度、耐用性、生命周期成本、市场适销性、外观、包装、尺寸、服务能力、重量、可制造性、易组装性等。因此，就一个或多个特性而言，描述为期望性不及其他实施例或现有技术实现方式的实施例不在本公开的范围之外并且对于特定应用可以为所期望的。

根据本发明，提供了一种电压转换器，所述电压转换器包括：一组串联连接的电容器，其共同地被配置为向逆变器提供电压；开关装置，其包括干线和开关，所述开关被配置为利用来自所述干线的能量激励所述电容器；交错式电感器，其具有相应的半桥开关，所述半桥开关被配置为激励所述干线；以及控制器，其被配置为响应于改变DC链路电压的请求而操作所述开关装置的所述开关以激励少于所有的该组电容器。

根据实施例，所述开关装置的开关形成级联，所述级联对该组电容器中的分立电容器提供单独激励。

根据实施例，所述电容器中的一者与所述开关装置的开关中的两者并联。

根据实施例，所述开关装置的开关的一部分与所述干线中的一者形成半桥。

根据实施例，所述交错式电感器中的三者与所述电容器中的三者对应。

根据实施例，上述发明的特征还在于控制器，所述控制器被配置为响应于改变所述DC链路电压的请求而同时激励多对选定的交错式电感器和电容器以改变所述电压转换器的增益。

根据实施例，所述开关装置的开关的占空比(D)小于或等于所述交错式电感器的数量的数学倒数。

根据实施例，所述电容器中的每一者按顺序激励。

根据实施例，所述电容器中的每一者独立于其他电容器而激励。

根据实施例，所述电压转换器的增益为

根据实施例，所述交错式电感器的激励的占空比(D)小于或等于所述交错式电感器的数量的数学倒数。

根据实施例，上述发明的特征还在于控制器，所述控制器被配置为响应于改变所述DC链路电压的请求而操作与所述电容器相关联的所述开关装置的开关，使得所述相应的电容器在对应的交错式电感器激励的下降沿上激励。

根据实施例，所述开关装置的开关的操作使得所述相应的电容器根据小于或等于所述交错式电感器的数量的数学倒数的占空比而去激励。

根据实施例，所述开关装置的开关中的至少一者的占空比(D)是所述开关装置的开关的载波周期的三分之一。

根据实施例，所述开关装置的开关中的至少一者的占空比(D)是所述半桥开关的载波的周期的三分之一。

根据实施例，所述电压转换器的增益为

根据实施例，所述交错式电感器中的至少一者的占空比(D)是所述半桥开关的载波的周期的三分之一。

根据实施例，上述发明的特征还在于控制器，所述控制器被配置为响应于接收到改变所述DC链路电压的请求而操作与所述电容器相关联的所述开关装置的开关使得所述相应的电容器激励，同时对应的交错式电感器激励并且与所述DC链路电压相关联的增益小于决策点值，并操作与所述电容器相关联的所述开关装置的开关使得所述相应的电容器在所述对应的交错式电感器激励的下降沿上激励，同时所述增益高于所述决策点值。

根据本发明，提供了一种电压转换器，所述电压转换器包括：串联连接的电容器，其共同地被配置为向逆变器提供电压；开关装置，其包括干线和开关，所述开关被配置为利用来自所述干线的能量激励所述电容器；交错式电感器，其具有相应的半桥开关，所述半桥开关被配置为激励所述干线；以及控制器，其被配置为响应于改变所述电压的请求而同时激励多对选定的交错式电感器和电容器以改变所述电压转换器的增益。

根据本发明，提供了一种电压转换器，所述电压转换器包括：串联连接的电容器，其共同地被配置为向逆变器提供电压；开关装置，其包括干线和开关，所述开关被配置为利用来自所述干线的能量激励所述电容器；交错式电感器，其具有相应的半桥开关，所述半桥开关被配置为激励所述干线；以及控制器，其被配置为响应于改变所述电压的请求而依次激励多对选定的交错式电感器和电容器以改变所述电压转换器的增益。