具体实施方式

在整个说明书中对“一个实施例”、“实施例”或类似言语的引用意味着结合实施例描述的特定特征、结构、特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，在整个说明书中出现的短语“在一个实施例中”、“在实施例中”和类似言语可以但不一定都指同一实施例。

此外，本发明的所述特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或多个实施例中。对于本领域技术人员来说显而易见的是，在不脱离本发明范围的情况下，可对本发明进行各种修改和变化。因此，本发明旨在覆盖本发明提供的修改和变化，只要它们落入所附权利要求及其等同物的范围内。现在将详细参考本发明的优选实施例。

图1A示出了隔离转换器的典型示例，以及它如何能够防止电气装备被电压尖峰功率浪涌损坏。隔离变压器两侧之间的隔离意味着输入电源与要求隔离的部分没有直接连接和公共接地。这在EV车辆的情况下更为重要。隔离既能为用户提供大多数电动车辆充电标准所要求的安全性，又能在功率网络浪涌的情况下保护EV的电气装备和电池。

图1B示出了电动车辆或其他类型的插电式车辆，以及DC和AC充电如何进行工作。如AC充电所示，出于安全目的，需要隔离转换。通常，常见的隔离转换单元效率不高。使用在双向模式下工作的5电平封装的U型电池拓扑为有源转换器提供了功率因数校正。通过使用多个转换电路，有可能实现本文公开的更有效的隔离转换器。

图1C示出了实施例的物理环境，其中分离单相主电力从电线杆杆顶变压器输送，这是北美最常见的电力输送类型。变压器通常从配电线路接收14.4kV或25kV单相电力，并且变压器可处理大约50kVA至167kVA的电力作为分相240VAC输送到少量家庭或电气入口。每个电气入口通常配置成在240VAC下处理100A至200A的电力，即大约24kVA至48kVA(通常假设1kVA相当于1kW)。如图所示，转换装置或设备经由AC连接而连接到网络，并且可连接到多个车辆和/或太阳能电池板。这可以通过装置的双向(整流器/逆变器)特性来实现，其通过从一个端口接收AC或DC电力以及从其他端口提供AC或DC的能力来提供。

本领域技术人员将会理解，尽管示出了单相入口，但是本公开的实施例不限于分开的单相240VAC电力系统，并且本文公开的实施例中的任何实施例可以适于与输送AC电压的不同电网一起工作。

电气入口通常包括：电量表；主断路器，其额定值对应于总允许负载(例如100A或200A)；以及面板，其具有用于每个家用电路的断路器，可以从分相240VAC输入获得240VAC电力或120VAC电力。虽然大多数断路器的容量在15A到30A之间，但对于大型电器来说，有些断路器可更低(即10A)，并且有些断路器可以更高，诸如40A。在一些国家，电气入口的容量较低，诸如40A到60A，在其中所有家用电路为240VAC的国家，电力不是分相，而是常规的单相240VAC(使用的电压水平可从大约100V变化到250V)。

如图1C所示，转换装置/转换器可以通过具有较大额定电流(诸如40A至80A)的断路器连接到主面板的断路器，尽管如果需要，所公开的装置可消耗超过100A。装置专用断路器的需求由电气规范决定。将装置连接到面板的电缆额定电流相当高。与电源板的连接可以是直接的固定布线，或者高压插座可安装并连接到电源板，使得装置使用电缆和插头连接到电源板，例如，那些类似于用于如烤箱或干衣机的电器的电缆和插头。装置示出为连接到单个负载传感器，该传感器感测包括该装置的整个电源板所承受的负载。装置电缆可是现有技术中已知的传统装置电缆和插头。此外，如图1C所示，转换器可以连接到太阳能电池板以及一个或多个电动车辆。在太阳能电池板和房屋电线之间提供电隔离是转换器提供保护以防雷电风险的另一个好处。

图1D是示出示例性功率转换装置10的框图，其具有AC端口18、多个DC和EV/DC端口12和14、DC/EV输入端口16和非车载部件面板20。如图1D所示，端口12和14可以连接到EV1和EV2，而DC/EV端口16可以连接到太阳能电池板以使用电池板产生的DC能量。

在一些实施例中，转换器可以适于从多个DC端口中的第一端口(诸如EV/DC端口12)接收DC电流，并将可变电压输送到第二端口(诸如EV/DC端口14)。这可以通过使用多个开关来实现，这些开关可以位于转换电路模块100上的背板22上，或者位于可以连接到背板或者直接连接到转换电路模块100的单独的开关模块上。

本领域技术人员将会理解，尽管模块100示出为双向转换模块，但是根据需要，诸如整流器、逆变器、DC-DC、降压升压模块和浪涌保护器模块的任何其他类型的模块都可以用在转换器设备中。

返回参考图1D，转换器模块100可以使用连接器114(这里示出为连接器114a、114b、114c、114d、114e，每个都连接到一个模块100)连接到背板22。转换器10还可以受益于非车载部件板20，在本实施例中，其用于容纳电感器的目的。

图2示出了根据特定实施例的可以在转换器中使用的类型转换电路模块100的示例的细节。在整流器模式下工作的转换电路100可以包括AC输入105、与AC输入105串联连接的感应滤波器110以及5电平拓扑电路115。

在一些示例中，本非限制性示例中的感应滤波器110可以是2.5mH电感器。方便地，部分由于感应滤波器110的小尺寸，本设计允许整个功率转换电路100的小几何形状。感应滤波器110可根据基于应用、额定功率、电网电压谐波、开关频率等选择的设计而变化。虽然最简单的此种滤波器是单个电感器，但是在替代实施例中，感应滤波器110可以包括电感器和电容器的组合，例如连接到电容器(例如30μF)的电感器(例如2mH)，其本身是接地的。滤波器的选择对设计的整体尺寸和损耗有影响，其中较大的滤波器会增加整体设计的尺寸，并且通常会导致更多的损耗。

5电平电路可以包括：高压电容器120；至少一个低压电容器125；两个高压功率开关130a、130b，其连接在第一端子135和高压电容器120的相应相反两端部145a、145b之间；两个中间低压功率开关140a、140b，其各自连接在高压电容器120的两个相反两端部145a、145b中的相应端部和低压电容器的相应的相反两端部155a、155b之间；以及两个端部低压功率开关150a、150b，其各自连接在第二输入端子160和低压电容器125的相反两端部155a、155b中的相应端部之间。整流器模式下工作，高压功率开关130a、130b可以由两个二极管代替，而不影响转换器电路的工作方式。

在一些示例中，功率转换模块100可以使用功率在双向状态或仅逆变器状态下操作。这意味着5电平电路必须具有高压功率开关130a、130b，并且不能用两个二极管代替它们，以便用AC负载202和DC电源206在如图2所示的整流器模式中将电压/电流从AC转换到DC，或者在如图3所示的逆变器模式中将电压/电流从DC转换到AC。

已经由申请人在序列号为PCT/CA2018/05129、公开号为WO/2019/071359的国际PCT专利申请中公开了转换器模块(模块100)示例的细节、其怎样工作及其开关细节。

如本文所述，在不同的实施例中，功率转换电路100可以具有非车载或车载部件，诸如电感器和开关元件。此外，功率转换电路100可以具有集成在其中的降压/升压电路。

如图4所示，在一个实施例中，功率转换器模块100具有集成的开关能力。双向开关BS1、BS2、BS3、BS4、BS5和BS6以及继电器RE1和RE2允许功率转换器模块100在多个DC端口802、804和806与车载AC端口808之间执行切换，而不需要任何外部切换。端口812和814用于将功率转换器模块100连接到其非车载部件，在本示例中，非车载部件是用于端口814的感应滤波器/电感器110和降压/升压电感器816。

图5示出了可以由图4所示的功率转换器模块100使用的背板22的示例。如所解释的，在本实施例中，所有的切换都可在车载模块上完成，并且背板可以仅将卡1至5的相似端口相互连接并将其连接至功率转换装置端口。对于卡1至5有五个系列的连接器，并且每个系列的连接器具有连接器912、910、902、904、906、908和914，其分别接收功率转换器模块100的端口812、810、802、804、806、808和814。在一个实施例中，不同卡的所有相似端口可以相互连接。例如，卡1至5的所有端口902可以相互连接。

本领域技术人员将理解，尽管在本实施例中，模块100上存在必要的开关，但是在一些实施例中，背板22可以受益于附加的开关，从而以不同的顺序和组合将端口彼此连接。

参考图6，示出了隔离的DC-DC转换器1002，其包括第一转换器1，该第一转换器在侧1006上具有以逆变器模式工作的电路115，该电路接收DC电流并提供AC电流。转换器逆变器接收DC并将其转换成DC电流以供变压器1004使用。在一些实施例中，变压器可以以更高的频率工作。更高的频率可能导致变压器尺寸的减小，这可能是有益的，尤其是当隔离转换器用于车载车辆时。

在一个实施例中，转换器1可以作为逆变器工作，以从其接收的DC电流产生高频AC电压波形。此种高频AC电压可在大约400Hz至高达大约4kHz。使用具有以至少大约5倍大的频率切换的功率开关的多电平转换器，可产生良好的正弦近似AC波形以用于通过隔离变压器的有效功率传输。也可使用小型变压器升压或降压，或者电压可是相同的。高频将允许选择比标准AC电源中使用的变压器尺寸更小的变压器，例如50Hz或60Hz电流。

最后，高频AC电压可以在升压模式下整流，其中转换器2作为整流器工作。在一些实施例中，在单向应用中，转换器2可以由二极管桥代替。

以这种方式，AC输入侧对地的电气故障不会向变压器的输出侧提供任何电压。在电动车辆中，AC侧对地的故障可能会使车辆底盘暴露在输入AC电压下。由于车辆通过其轮胎绝缘，人可能会因接触车身而提供对地的路径，从而受到危险的电击。

变压器接收AC电流，并具有AC输出部。虽然变压器1004可能有助于系统中的其他作用，但是其主要职责是在变压器的侧1006和侧1008上的电路之间提供电隔离，这是特别有益的，并且有时是出于安全目的的需要，诸如在EV或插电式混合动力车辆中。

第二转换器2在侧1008上具有类似的电路115，但是其在整流器模式下工作，如本申请中所述。其从变压器1004接收AC电流，并将该电流转换成DC电流。

此外，本领域技术人员将会理解，本文提到的背板不一定指插座型背板，而是可是任何类型的连接器板。例如，所有的卡和端口都可通过布线和连接器连接到背板。

此外，尽管背板由连接器中的独立部分制成，但背板不一定必须是一件式的，并且可执行上述功能。本示意图仅涉及其中不同类型的转换器卡或模块可以相互连接的示例和原理。

图7示出了AC-DC隔离转换器1102以及三个电路115，该隔离转换器具有三个转换器0、1和2。转换器0将AC电流转换成DC，然后将其输送给转换器1，该转换器1的功能与图6中说明的转换器1类似。转换器0和1可以在变压器1004的一侧1106上，而转换器2在变压器1004的另一侧上。变压器1004在两侧1106和1008之间提供电隔离。

如图7所示，首先使用用作整流器的转换器0将AC电压(AC输入)转换为DC电压(DC输入)。该过程的其它内容可以类似于针对DC-DC转换器所解释的，包括通过高频变压器1004提供的电流隔离。

转换器0可以是本领域已知的任何类型的转换器，包括用于单向应用的二极管桥、二极管桥和提供功率因数校正(称为PFC级)的传统DC-DC降压或升压转换器、提供PFC级的有源PWM整流器。

可得出的结论是，作为EV的车载电池充电器，AC-DC隔离转换器涉及3个级。由于5电平拓扑转换器的高效率和高性能，它可取代AC-DC隔离车载充电器的每一级以具有隔离的PUC5转换器，无论是双向还是单向。

在一些实施例中，隔离的AC-DC转换器可以是双向的，以从DC电源提供AC电力。在一个示例中，EV的电池可在DC端口用作DC电源，以在AC端口提供AC电力。这将有利于提供车辆到住户(V到H)电力。在本实施例中，如果所有转换器0、1和2都是本文公开的5电平多层转换器，则是优选的。

在一些实施例中，隔离的DC-DC转换器还可以包括降压转换器电路，以将来自高压电容器的相反两端部的DC电力转换成由充电电压值设置的较低DC输出电压。

在一些实施例中，隔离的DC-DC或AC-DC转换器还可以包括升压转换器电路，以将来自高压电容器的相反两端部的较高DC电力转换成由充电电压值设置的较高DC输出电压。降压/升压转换器可以集成在转换器0、1和2中的任何一个中。

在一些实施例中，由于变压器的性质和尺寸，以高于10kHz以及接近20kHz或更高的频率切换两个中间低压功率开关和两个端部低压功率开关。

在隔离的AC-DC转换器1102的一些实施例中，第一转换器0可以具有用于单向应用的二极管桥。在隔离的AC-DC转换器的一些实施例中，第一转换器0具有二极管桥和传统的DC-DC降压或升压转换器，以提供功率因数校正。

在隔离的AC-DC1102转换器的一些实施例中，第一转换器0具有有源脉宽调制整流器以提供功率因数校正。

本公开的隔离的AC-DC转换器1102和DC-DC转换器1002可以用作电动、混合或任何其他类型的需要车载隔离转换器的车辆中的车载隔离转换器。

在一个方面，本公开提供了一种隔离的AC-DC转换器，其包括：转换器，其在逆变器模式下工作，该转换器接收DC电流并提供AC电流；变压器，其接收AC电流，具有输入部和输出部，该变压器在输入部和输出部之间提供电隔离。如本文所解释的，转换器可以是多电平转换器。

本领域技术人员将理解，除了电路115之外，转换器1或2还可以具有其他部件或电路，包括并行工作的多个电路、降压/升压电路、用于通信的接口以及本领域已知的其他可能的模块和部件。

此外，除了本文公开的5电平电路之外，根据制造隔离的DC-DC和AC-DC转换器，可以替换地使用任何其他多电平转换器拓扑。

本领域技术人员将会理解，本文公开的实施例中的任何一个都可以用作与一个或多个电动车辆一起工作的家庭的外部转换器，或者可替换地用作EV的内部充电机构以作为EV的集成部分来提供所有上述优点。

现在参考图8，示出了用于提供电隔离的示例性方法的不同步骤。方框S1802向隔离转换器提供DC电流。在一些实施例中，如上所述，可以从外部源(例如电池)接收DC。在一些其他实施例中，转换器可以接收较低频率的AC电流并将其转换成DC电流。方框S1802示出了提供和选择其中变压器可以工作的频率。通常在转换器设计期间选择频率，以允许选择变压器的尺寸，如方框1808所示。如方框1808所示，在进入变压器之前将DC输入转换成选定频率的AC电压。本领域技术人员将理解，来自变压器的期望输出电压以及其他因素也可能影响变压器的尺寸。然后，根据变压器的规格，变压器提供AC输出电流，其可能与输入电压的电压不同或相同。通过这样做，变压器的AC输出与输入具有电隔离，因此为装备和用户提供了安全性。

在一些示例中，变压器的AC输出可以再次通过另一个转换器，以降低其日常使用的频率或转换成DC电压。

在一些示例中，在一个或多个级使用多电平转换器可能更有效。由该转换器使用的高效转换器的示例是五电平有源转换器，其细节已经由申请人在序列号为PCT/CA2018/051291、公开号为WO2019/071359的国际PCT专利申请以及2020年3月5日公布的US PG-PubUS2020/0070672中公开，其全部内容以引用方式并入本文。

本领域技术人员将会理解，任何类型的交流信号(不是DC信号，如方波)可以通过增加变压器的AC输入波形的频率来减小变压器的尺寸。例如，变压器的AC输入波形的频率可与变压器的额定功率直接相关，因此也与变压器的尺寸直接相关。

本领域的技术人员将会理解，变压器芯也应该允许传输功率量(KVA)。

在一些示例中，为了提供高频电压波形，在逆变器模式下工作的转换器可能需要在更高的开关频率下工作。在一些示例中，开关频率可能需要是转换器输出频率的五倍以正确调制。例如，在一些实施例中，可能需要20kHz的开关频率来从转换器获得4kHz的输出频率，该输出频率将由变压器接收。

因此，转换器的控制器可以使开关在更高的频率下工作，以实现更高输出频率的目标，从而减小变压器的尺寸。

在一些示例中，以下等式将变压器的KVA额定值与单相变压器的变压器尺寸关联起来：

KVA额定值＝2.22*频率*磁通密度*窗口空间系数*窗口面积*柱横截面积x电流密度*10^(-3)

如图9所示，在一些示例中，窗口1902的面积和柱1904的横截面积是变压器的主要尺寸；其乘积与变压器的尺寸和重量成正比。这里，乘积越大，变压器就越大且越重。在输出方程中，磁通密度取决于用于构造变压器芯的材料类型；电流密度取决于所提供的冷却类型；以及窗口空间系数是常数。因此，可以认为KVA额定值与频率、窗口面积和柱横截面积的乘积成正比。或者更简洁地，KVA额定值可与频率和变压器大小的乘积成正比。

对于给定的变压器额定值，随着频率增加，窗口面积和柱横截面积的乘积减小，这意味着变压器芯的尺寸和芯所需的含铁量减小。因此，随着频率增加，变压器变得越来越轻，并且尺寸也越来越小。

在一些实施例中，多电平逆变器(或在逆变器模式下工作的转换器)可以通过为变压器的初级产生多电平电压波形并降低变压器的谐波损耗和电压/电流纹波来帮助提高效率并提供更多的谐波抑制。

在一个实施例中，使用五电平有源逆变器提供了更高的效率和谐波抑制。使用此种逆变器还可以减小电路中其他无源滤波器(L和C)的尺寸，这是有益的，并且提供了更小的隔离转换器。申请人在序列号为PCT/CA2018/051291且公开号为WO2019/071359的国际PCT专利申请中公开了此种逆变器的示例。

虽然上面的描述是参考特定的示例提供的，但是这是为了说明而不是限制本发明的目的。