专利名称：单相全桥升压变换器系统和方法
技术领域：
在用于多相变换器的矢量控制途径中，随时间改变的变 量(例如，AC电压和AC电流)转换到同步旋转直接正交 (direct-quadrature, D-Q )参考坐标，以允许变换器系统以恒定值而不 是时变值工作。D-Q变换已经对多相变换器系统(例如，两相和三相 系统)定义，但是还没有对单相系统定义。 也提供用于使负载充电的系统。示范性系统包括单相全 桥升压变换器，所述单相全桥升压变换器包括连接到负载和AC电压源 的多个开关。所述开关配置成响应于接收开关指令提供充电电流给所 述负载。所述系统也包括直接正交(D-Q)控制系统，其连接到所述单 相全桥升压变换器，其中，所述D-Q控制系统配置成从所述单相全 桥升压变换器接收第一 AC电流(ia)值；使ia值延时以产生第二 AC
电流(lb)值；和基于所述ia和ib值发送开关指令给所述开关。
也提供用于使单相全桥升压变换器中的负载充电的方
法，所述单相全桥升压变换器包括连接到负载、交流电流(ij和电压
(V)的多个开关。
一种示范性方法包括步骤对ia执行直接正交变换
以产生直流电流，所述直流电流包括直流相电流(id)分量和正交相电
流(lq)分量；和基于所述ld分量和iq分量发送开关指令给所述开关。
本发明将在下文结合以下附图进行描述，在附图中，相 同的附图标记表示相同的元件，且
0008图1是现有技术单相全桥升压变换器的框图； 图2是连接到直接正交(D-Q)控制系统的现有技术两相 全桥升压变换器的示意图； 图3是与图1的单相全桥升压变换器使用的D-Q控制系 统的 一 个示范性实施例的简图；图4是表示两相平衡系统中的"实"相和"虚"相的示
意图； 图l是连接到AC电压源110的现有技术单相全桥升压变 换器(下文称为"变换器")100的示意图。变换器100包括连接到 AC电压源110的负端的节点122和连接到AC电压源110的正端和节 点124的感应器115。 开关(例如，半导体开关)160和165也包括在变换器 100内。开关160连接到节点134和136,其与二极管155反并联。类 似地，开关165连接到节点122和130,其与二才及管150反并联。 变换器IOO还包括与负载(例如，电池)175并联连接的 电容器170。具体而言，电容器170和负载175两者的负端都连接到节 点139,节点139也连接到节点134。电容器170和负载175两者的正 端都连接到节点138，节点138也连接到节点126。 在操作期间，变换器100使用四个操作模式来使负载175 充电。即，取决于操作模式，变换器IOO从AC电压源IIO或从电容器 170提供电流给负载175。具体而言，模式1在来自于AC电压源110 的AC电压是正的且开关160， 165两者均断开时发生。当以模式l操 作时，电流流经感应器115, 二极管140,电容器170，负载175，且 通过二极管150返回。才莫式2在AC电压是正的且开关160, 165两者均接通时 发生。当以才莫式2操作时，电流流经开关160且通过二极管150返回。 同时，电容器170放电并提供电流给负载175。
才莫式3在AC电压是负的且开关160, 165两者均断开时 发生。当以模式3操作时，电流流经二极管145,电容器170，负载175, 且通过二极管155和感应器115返回。 系统300配置成发送开关指令给变换器200中的多个开 关。即，系统300基于将两相平衡系统从时变坐标变换到同步坐标。 乘法器173也连接到余弦函数107并配置成将由控制器 146提供的Vq值乘以由余弦函数107提供的cose值，以产生Vqcos0值。 乘法器173也连接到减法器171 (在下文讨论)并配置成将Vqcose值传 输给减法器171。 减法器180连接到乘法器121, 123,并配置成从乘法器 121, 123接收值且将从乘法器121接收的值减去从乘法器123接收的 值，以产生iq值。具体而言，减法器180配置成将从乘法器121接收 的iaSine值减去从乘法器123接收的ibcos0值，以产生(iasin6- ibcose )
值(即，iq值)。 乘法器121连接到正弦函数105和电流传感器290，电流 传感器290检测变换器200的a-相中的AC电流(ia)。乘法器121还 配置成接收来自于正弦函数105的sine值和来自于电流传感器290的 ia值，并将sine值乘以ia值以产生提供给减法器180的iasine值。 乘法器123连接到余弦函数107和电流传感器295,电流 传感器295检测变换器200的b-相中的AC电流(ib)。乘法器123配 置成接收来自于余弦函数107的cose值和来自于电流传感器295的ib 值，并将cos6值乘以ib值以产生提供给减法器180的ibcose值。 乘法器125连"t妾到正弦函数105和电流传感器295，且配 置成接收来自于电流传感器295的ib值和来自于正弦函数105的sine值。乘法器125还配置成将ib值乘以sine值以产生ibsine分量。乘法 器125还连接到加法器131且还配置成将ibsine分量传输给加法器131。
加法器131也连接到乘法器127，且配置成接收来自于乘 法器127的iacose分量和来自于乘法器125的ibsine分量。乘法器127 连接到余弦函数107且配置成接收来自于余弦函数107的cos0值。乘 法器127也连接到电流传感器290,且配置成接收来自于电流传感器的
la值，并将COSe值乘以ia值，以产生iaCOS0分量。 加法器131也配置成将iacose分量和ibsine分量求和，以 产生(iacos6+ibsin0 )值，其为直流相电流(id )值。加法器131也连接 到比较器116且还配置成将id值传输给比较器116。控制器149连接到比较器116且配置成从比较器116接
收直流相电流误差。控制器149也配置成基于直流相电流误差产生直
流相电压(Vd)值。控制器149也连接到乘法器129和175,且配置成
将所产生的Vd值传输给乘法器129和175。乘法器129也连接到余弦函数107和加法器133，且配置
成接收分别来自于控制器149和余弦函数107的Vd值和cose值乘法器
129还配置成将Vd值乘以cos9值以产生Vdcos0值，并将vdcose值传输
给加法器133。 类似地，比较器178连接到减法器171、三角形波形参考 电压源和变换器200的B相中的多个开关。比较器178配置成接收来
自于减法器171的V,B和来自于三角形波形参考电压源的Vtn值，并将 V函B与Vt 比较以基于所述比4交(例如Ve。nB<Vtn或VC。nB>Vt )产生用于
多个B相开关的开关指令。传输给A相和B相开关的开关指令使得变 换器200中的开关接通/断开，使得ia和-ib以使得连接到变换器200的 负载(未示出)恰当地充电的方式变化。 图5表示两相和变换器100和系统400的D-Q相参考坐 标之间的变换，该参考坐标由方程(1 )和(2)中给出的三角关系表 示。此外，在D-Q参考坐标中变换器100的电压和电流矢量在图6中描绘。
(1)
(2)
〖0051在方程(1)和(2)中，变量"f，可以定义为变换器100 中的一组电压或电流。基于图6,同步坐标中的有功和无功功率方程可 以写成
(3)
2,「Vd (4)
Q轴选择成与变换器100或"实"电路的相电压矢量对 齐，这意味着直流相电压(vd)等于0 ( vd = 0)且正交相电压(vq)等
于变换器100中栅极电压(V)的大小(Vq= |V|)。用这些Vd和Vq值可
以将有功和无功功率方程简化为<formula>formula see original document page 14</formula>使用方程(1)和(2)将电压方程变换成同步参考坐标， 且考虑到Vd-0和vq=|v|,方程(7)得到<formula>formula see original document page 15</formula>(8) 电压传感器593经由节点521和523与电容器170并联 连接，且连接到比较器112。电压传感器593配置成检测变换器100中
的Vde,并将检测的Vde值传输给比较器112。 DC参考电压源595也连接到比较器112。 DC参考电压 源595配置成提供DC参考电压(vdc-ref)给比较器112,其中，vdc-ref 是变换器100内的预定或期望电压值。在系统500的操作期间，比较器112接收来自于电压传 感器593的vd。(即，节点521和节点523之间检测的电压值)和来自 于DC参考电压源595的vdc.ref。几乎在相同时刻，延时功能块785、 乘法器121和乘法器127接收来自于电流传感器591的ia (即，在AC 电压源IOO和感应器115之间卩险测的电流值)。乘法器120接收来自于控制器146的Vq值和来自于正弦 函数105的sin0值，其中，正弦函数105从PLL103接收相角(9)。 乘法器120将Vq值乘以sin0值以产生v,的VqSine分量，并将Vqsin0 分量传输给加法器133 (在下面讨论)。 如上文所述，由电流传感器591检测的电流值u提供给 延时功能块785、乘法器121和乘法器127。延时功能块785提供90 度延时给ia，以产生ib值(是由两相全桥升压变换器的b相产生的ib 值的等价物)。延时功能块785然后将ib值(即，13值+90°)传输给乘 法器123和125。乘法器123将ib值乘以从余弦函数107接收的cos6 值，以产生ibcos0值，其中余弦函数107从PLL103接收相角(e)。 乘法器123然后将ibcos0值传输给减法器180。乘法器125将ib值乘以 从正弦函数105接收的sine值，以产生lbsin0值。乘法器125然后将 ibSine值传输给加法器131。乘法器127将ij直乘以从余弦函数107接收的cos0值， 以产生iacose值。乘法器127然后将iacose值传输给加法器131。加法 器131将iacos0值和从乘法器125提供的ibsine值求和，以产生(iacos9+ ibsine)值或id值。加法器131然后将id值传输给比较器116。 控制器149接收直流相电流误差，并基于所检测的"和 Vd。值确定将恰当地控制开关160, 165的Vd值。控制器149然后将所 确定的Vd值传输给乘法器129。 加法器133接收来自于乘法器120的VqSine分量和来自 于乘法器129的vdcose分量，并将Vqsine分量和vdcose分量求和以产 生(vqsine+ vdcose)值或v,值。加法器然后将v,值传输给比较器 118。
[0079比较器118接收来自于加法器133的v,值和来自于波形
参考电压源599的Vtn值，并将V,与Vtn比较。比较器118然后基于 V函与Vtn的比较传输开关指令给开关160， 165。例如，如果Vc。n大于 Vtn(即，Ve。n>Vtn),那么开关指令使开关160， 165接通，而如果Vc。n
小于vtn (即，ve。n<vt )，那么开关指令使开关160, 165断开，从而 变换器100以与上文参考图1讨论类似地操作。
[0080可注意到，将id-ref设定为0伏得到系统500中的单元功
率因子操作。此外，将ld.ref设定为0伏得到低的总体谐波畸变和异常 的"零交叉"特性。
[0081本领域技术人员将认识到，系统400可以使用计算硬件 (和软件)、计算装置、和/或计算系统实现。即，本发明的不同实施 例可以想到，系统400可经由处理器和特别地数字信号处理器实现。
[0082
虽然在前述具体实施方式
中已经阐述了至少一个示范性 实施例，但是应当理解的是，存在大量的变型。也应当理解，示范性 实施例仅仅是示例，且不旨在以任何方式限制本发明的范围、可应用
性(:例的便利途径 应当s解的i:';以对元-的功能和，置进行
各种变化，而不偏离由所附权利要求书及其合法等价物所阐述的本发 明的范围。
权利要求
1. 一种用于发送开关指令给单相全桥升压变换器的系统，所述单相全桥升压变换器包括电压传感器，所述电压传感器用于检测DC电压(vdc)；电流传感器，所述电流传感器用于检测交流电流(ia)；和多个开关，所述开关配置成控制所述ia，所述系统包括直接正交(D-Q)控制系统，其配置成连接到所述电压传感器和所述电流传感器，且还配置成产生控制电压(vcon)，所述控制电压包括直流相电压分量和正交相电压分量；和第一比较器，所述第一比较器连接到所述D-Q控制系统且配置成连接到所述开关和波形参考电压(vtri)源，所述第一比较器还配置成将vcon与vtri比较；基于vcon和vtri的比较来产生开关指令；和将所述开关指令传输给所述开关。
2. 根据权利要求l所述的系统，其中，所述D-Q控制系统包括 第一部分，所述第一部分配置成连接到所述电压传感器和所述电流传感器，且还配置成基于由所述电压传感器检测的Vdc和由所述电流传 感器检测的la来产生正交相电压分量；第二部分，所述第二部分配置成连接到所述电压传感器和所述电流传感器，且还配置成基于所检测的ia来产生直流相电压分量；和第一加法器，所述第一加法器连接到所述第一部分、所述第二部分 和所述第一比较器，所述第一加法器配置成将所迷正交相电压分量和所述直流相电压分量求和以产生Vc。n。
3. 根据权利要求2所述的系统，其中，所述D-Q控制系统还包括延时功能块，所述延时功能块连接到所述笫一部分和所述第二部分，且配置成连接到所述电流传感器，所述延时功能块还配置成施加90度延 时给所检测的ia以产生延时电流(ib)。
4. 根据权利要求3所述的系统，其中，所述D-Q控制系统还包括 锁相环(P1X),所述P1X配置成确定相角(e);正弦函数，所述正弦函数连接到所述PLL、所述第一部分和所述第 二部分，所述PLL配置成提供sin0值给所述第一部分和所述第二部分； 和余弦函数，所述余弦函数连接到所述PLL、所述第一部分和所述第 二部分，且配置成提供cos0值给所述第一部分和所述第二部分。
5. 根据权利要求4所述的系统，其中，所述第一部分包括 第一乘法器，所述第一乘法器连接到所述余弦函数和所述延时电路，所述第一乘法器还配置成将所述cose值乘以所述ib,以产生ibcose分量；第二乘法器，所述第二乘法器连接到所述正弦函数且配置成连接到所述电流传感器，所述第二乘法器配置成将sine值乘以所检测的ia，以 产生iasin0分量；和减法器，所述减法器连接到所述第一乘法器和所述第二乘法器，所 述减法器配置成/人所述ibCOS0分量减去iasin9分量，以产生正交相电流 "q)值。
6. 根据权利要求5所述的系统，其中，所述第一部分还包括 第二比较器，所述第二比较器配置成连接到DC参考电压(vde-ref)源和所述电压传感器，所述第二比较器配置成将vdc-ref与vde比较以确定 电压误差；'第一控制器，所述第一控制器连接到所述第二比较器且配置成确定参考正交相电流(lq-ref)值以抵销所述电压误差；第三比较器，所述第三比较器连接到所述第一控制器和所述减法器，所述第三比较器配置成将lq值与所确定的iq-ref值比较，以确定正交相电流误差；第二控制器，所述第二控制器连接到所述第三比较器且配置成确定 正交相电压(Vq)值以抵销所确定的正交相电流误差；和第三乘法器，所述第三乘法器连接到所述第二控制器、所述正弦函 数和所述第一加法器，所述第三乘法器配置成将所确定的Vq值乘以sine 值，以产生正交相电压分量。
7. 根据权利要求6所述的系统，其中，所述第二部分包括第四乘法器，所述第四乘法器连接到所述余弦函数且配置成连接到 所述电流传感器，所述笫四乘法器还配置成将所述cos0值乘以所检测的 ia以产生iacose分量；第五乘法器，所述第五乘法器连接到所述正弦函数和所述延时电 路，且配置成将sin0值乘以所述ib,以产生ibsin6分量；和第二加法器，所述第二加法器连接到所述第四乘法器和所述第五乘法器，所述第二加法器配置成将所述iacos0分量和ibsine分量求和，以产生直流相电 流(id ) 值。
8. 根据权利要求7所述的系统，其中，所述第二部分还包括 第四比较器，所述第四比较器连接到所述第二加法器且配置成连接到直流相参考电流Ud-ref)源，所述第三比较器还配置成将id值与id-ref 比4交以确定直流相电流误差；第三控制器，所述第三控制器连接到所述第四比较器且配置成确定直流相电压(vd)值以;^氐销所确定的直流相电流误差；第六乘法器，所述第六乘法器连接到所述第三控制器、所述余弦函数和所述第一加法器，所述第六乘法器配置成将vd乘以cose值，以产生 直流相电压分量。
9. 根据权利要求8所述的系统，其中，idwf值为O。
10. —种使用AC电压源使负载充电的系统，包括 单相全桥升压变换器，所述单相全桥升压变换器包括连接到负载和AC电压源的多个开关，所述多个开关配置成响应于接收开关指令提供 充电电流给所述负载；和直接正交(D-Q)控制系统，其连接到所述单相全桥升压变换器， 其中，所述D-Q控制系统配置成从所述单相全桥升压变换器接收第一AC电流(ia)值； 使ia值延时以产生第二AC电流(ib)值；和基于所述la和lb值发送开关指令。
11. 根据权利要求10所述的系统，其中，所述D-Q控制系统还配置 成基于从全桥升压变换器接收的DC电压(vde)发送开关指令。
12. 根据权利要求ll所述的系统，其中，所述D-Q控制系统还配置成二基于Vdc、 ia和ia的延时电流确定正交相电流值；基于lq值确定正交相电压值；基于所述ia和ib确定直流相电流值； 基于所述id值确定直流相电压值；和基于所确定的正交相电压值和所确定的直流相电压值产生开关指令。
13. —种用于使单相全桥升压变换器中的负载充电的方法，所述单 相全桥升压变换器包括连接到负载、交流电流(ia)和DC电压(vdc) 的电流开关，所述方法包括步骤对i^丸行直4妻正交变换以产生直流电流，所述直流电流包4舌直流相 电流(Id)分量和正交相电流(lq)分量；和基于所述id分量和lq分量发送开关指令到所述开关。
14. 根据权利要求13所述的方法，其中，所述执行步骤包括步骤 将Vdc与DC参考电压( Vdc-ref )比较以确定电压误差；确定抵销所述电压误差的正交相参考电流(iq-ref)值；确定单相全桥升压变换器的iq值；将iq-wH直与所确定的lq值比较；基于iq-ref与iq的比较确定正交相电压(Vq )值；和将Vq值乘以相角的正弦函数(sine)以产生开关指令的第一部分。
15. 根据权利要求14所述的方法，其中，确定iq值的步骤包括步骤确定单相全桥升压变换器的la值；将Ui乘以sine以产生iasine值； 使得ia值延时90度以产生延时的电流(ib)值； 将ib值乘以相角的余弦函数(cose)以产生ibcose值；和 ,人iaSin0YJj咸去ibCOS0丫直(iasin0-ibCOs6《直)以产生iq^f直。
16. 根据权利要求15所述的方法，其中，所述执行步骤还包括步骤 确定单相全桥升压变换器的直流相电流(id)值；将所确定的ld值与参考直流相电流(id-ref)值比较； 基于所确定的id值与id-ref值的比较确定直流相电压(Vd)值；和将Vd值乘以相角的余弦函数(cose)以产生开关指令的第二部分。
17. 根据权利要求16所述的方法，还包括步骤将所述第一部分和所述第二部分求和以产生控制电压(Vc。n)的电压值(VqSin0+VdCos0 );将v謹与波形参考电压(Vt )比较；基于V,与Vtr,的比较确定开关指令。
18. 根据权利要求17所述的方法，还包括步骤基于所述开关指令操作连接到单相全桥升压变换器内的电流源的开关。
19. 根据权利要求16所述的方法，其中，确定id值的步骤包括步骤将ij直乘以cose以产生iaCOS0值； 将ib值乘以sin9以产生ibsine值；和 将iacose值和ibsine值求和(iacose+ibsine )以产生id值。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，将ld值与ld-rJ直比较包括将id值与O值比较的步骤。
全文摘要
提供单相全桥升压变换器系统和方法。一个系统包括直接正交(D-Q)控制系统，其配置成产生控制电压(v<sub>con</sub>)，所述控制电压包括直流相电压分量和正交相电压分量。所述系统也包括比较器，所述比较器配置成将v<sub>con</sub>与载波电压比较；基于所述比较来产生开关指令；和将所述开关指令传输给电流开关。另一系统包括升压变换器，所述升压变换器包括连接到负载和AC电压源的多个开关。所述开关配置成响应于接收开关指令提供升压电流给所述负载。也包括D-Q控制系统，其配置成接收并延时i<sub>a</sub>值；和基于所述i<sub>a</sub>和延时的i<sub>a</sub>值发送开关指令。一种方法包括执行D-Q变换以产生DC电流，所述DC电流包括直流相电流和正交相电流分量；和基于所述电流分量发送开关指令。
文档编号H02M7/537GK101534070SQ20091012860
公开日2009年9月16日 申请日期2009年3月12日 优先权日2008年3月12日
发明者G·埃斯梅利, L·A·卡尤克 申请人:通用汽车环球科技运作公司