具有减小的无源部件尺寸和共模电磁干扰的单相双向交流直流转换器的制造方法
【专利说明】具有减小的无源部件尺寸和共模电磁干扰的单相双向交流 直流转换器
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请要求于2014年4月11日提交的美国发明专利申请第14/251,080号的优 先权，以及于2013年4月17日提交的美国临时申请第61/812, 969号的权益。上述申请的 全部公开内容通过引用被合并到本文中。
[0003] 政府条款
[0004] 本发明是使用根据能源部授予的授权号为DE-EE0002720的政府支持做出的。政 府具有本发明中的某些权力。
技术领域
[0005] 本公开内容涉及具有减小的无源部件尺寸和共模电磁干扰的单相双向交流直流 (AC-DC)转换器。
【背景技术】
[0006] 预期在不久的将来车辆到电网（V2G)技术会被商业化。V2G使用车辆中的电池作 为电力系统的能量存储单元。它可以通过填谷和调峰来帮助平衡负载。作为能量缓冲级，通 过在高功率输出时段期间存储多余能量以及在高负载时段回供多余能量，它对于诸如风能 和太阳能的可再生能源很有帮助。为了实现V2G功能，需要可以在电力网与电池之间交换 能量的双向板载充电器。当板载充电器将来自交流（AC)电力系统的能量转换成直流（DC) 时，对于相同的实际功耗量，低功率因子充电器将比高功率因子充电器从电力网吸取更大 的电流。额外电流意味着引起额外损耗的能量循环以及对更大系统容量的需要。从而，功 率因子校正（PFC)转换器是板载充电器的中等功率应用至大功率应用所必需的前级。上面 两个原因需要具有用于板载充电器的PFC功能的双向交流直流转换器。
[0007] 对于汽车工程师学会（SAE)交流等级2中的电动车辆充电器，单相交流功率的输 入可以高达19. 2kW。在该功率等级处，在输入级处具有一个电感器的传统拓扑结构将是笨 重和昂贵的。然而，如果选择较小的电感器，则输入电流谐波将增加，这需要较大的EMI滤 波器以满足规定。如果采用更高的切换频率来减小输入电流纹波，则其意味着更多的切换 损耗和更低的效率。
[0008] 对于板载充电器而言，尺寸和重量是重要的因素，因为车辆将一直携带充电器。效 率也非常重要，因为能量首先从电源被传送至电池，然后再从电池传送至负载。每次传送浪 费一些能量。效率低意味着巨大的能量浪费。为了实现紧凑和高效，存在在不增加切换频 率（当切换频率增加时效率通常降低）的情况下减小无源部件尺寸的需要。
[0009] 在本公开内容中，提出了用于交流直流转换器的高阶输入滤波器，使得可以减小 无源部件尺寸。滤波器集成有差模功能和共模功能两者，并且容易解决共模EMI问题。为 了对具有提出的输入滤波器拓扑结构的转换器进行控制，还开发了具有减少的计算和测量 的基于模型的方法，这同时实现快速和鲁棒的性能以及低控制成本。
[0010] 本部分提供了与本公开内容有关的背景信息，该背景信息不一定是现有技术。
【发明内容】
[0011] 本部分提供了本公开内容的总体概要，而不是其全部范围或其所有特征的全面公 开。
[0012] 提供了一种具有减小的无源部件尺寸和共模电磁干扰的双向交流直流转换器。该 交流直流转换器包括被配置成接收交流输入的转换器电路以及介于交流输入电路与转换 器电路之间的改进的输入滤波器。转换器电路被配置成接收来自输入滤波器的交流输入以 及输出直流信号。输入滤波器包括一对共模电感器（common inductor)、一对差分电感器、 差分电容器和两个共模电容器。
[0013] -对差分电感器中的第一差分电感器具有电连接至交流输入的一侧的第一端子； 而一对差分电感器中的第二差分电感器具有电连接至交流输入的另一侧的第一端子。第一 差分电感器和第二差分电感器感应地耦合在一起并且共享公共磁芯。
[0014] 另外，一对共模电感器中的第一共模电感器具有电耦合至第一差分电感器的第二 端子的第一端子，以及一对共模电感器中的第二共模电感器具有电耦合至第二差分电感器 的第二端子的第一端子。第一共模电感器和第二共模电感器感应地耦合在一起并且共享公 共磁芯。
[0015] 第一共模电容器电親合在第一差分电感器的第二端子与地之间。第二共模电容器 电親合在第二差分电感器的第二端子与地之间。差分电容器跨交流输入电親合。更具体 地，差分电容器具有电耦合至第一差分电感器的第二端子的第一端子和电耦合至第二差分 电感器的第二端子的第二端子。
[0016] 在一些实施方式中，一对差分电感器的耦合系数约为1 ;而一对共模电感器的耦 合系数小于1。
[0017] 在其他实施方式中，第二对差分电感器与一对共模电感器串联耦合。在该布置中， 第二对差分电感器中的第一差分电感器具有电耦合至第一共模电感器的第二端子的第一 端子，以及第二对差分电感器中的第二差分电感器具有电耦合至第二共模电感器的第二端 子的第一端子。此外，第一共模电感器和第二共模电感器感应地耦合在一起并且共享公共 磁芯。
[0018] 根据本文中提供的描述会明白其他适用领域。本
【发明内容】
中的描述和具体示例仅 意在说明的目的，而不意在限制本公开内容的范围。
【附图说明】
[0019] 本文中描述的附图仅出于所选择的实施方式而非所有可能的实现的说明性目的， 并且不意在限制本公开内容的范围。
[0020] 图1是提出的双向交流直流转换器的示意图；
[0021] 图2是没有磁集成的高阶输入滤波器的替选实施方式的示意图；
[0022] 图3是描绘提出的交流直流转换器的差分模型的图；
[0023] 图4是描绘提出的交流直流转换器的共模模型的图；
[0024] 图5是示出用于提出的交流直流转换器的示例单极脉宽调制方案的时序图；
[0025] 图6是描绘用于提出的交流直流转换器的示例反馈控制方法的图；
[0026] 图7是描绘在没有利用提出的反馈控制方法的情况下的输入电流的曲线图；
[0027] 图8是描绘在利用提出的反馈控制方法的情况下的输入电流的曲线图；
[0028] 图9是描绘具有LCL输入滤波器的常规转换器中的输出地与交流中性线之间的电 压的曲线图；
[0029] 图10是描绘提出的交流直流转换器中的输出地与交流中性线之间的电压的曲线 图；
[0030] 图11是描绘提出的交流直流转换器的负载阶跃响应（load step response)的曲 线图；
[0031] 图12是描绘提出的交流直流转换器的源阶跃响应的曲线图；
[0032] 图13是示出提出的交流直流转换器的无功功率补偿结果的曲线图；以及
[0033] 图14是示出提出的交流直流转换器的谐波电流注入结果的曲线图。
[0034] 贯穿附图中的若干视图，相应的附图标记指示相应的部分。
【具体实施方式】
[0035] 现在将参照附图更全面地描述示例实施方式。
[0036] 图1描绘了交流直流转换器10的示例实施方式。转换器通常包括EMI滤波器12、 高阶输入滤波器14、转换器电路16和输出电容器18。在示例实施方式中，负载19是诸如 隔离的直流/直流转换器的板载充电器的次级。容易理解的是，可以在该转换器中使用任 意类型的负载。
[0037] 高阶输入滤波器14包括一对差分电感器（1^和LDb)、一对共模电感器（1^和L cb)、 差分电容器（Cx)和两个共模电容器（CyJPC Yb)。第一差分电感器LDa具有电连接至交流输 入11的负载端子的第一端子；而第二差分电感器L Db具有电连接至交流输入11的另一侧 (或中性端子）的第一端子。注意，第一差分电感器和第二差分电感器（L dJpld1j)感应地 耦合在一起并且共享公共磁芯。
[0038] 共模电感器对（LeJPLeb)与差分电感器对（L dJPLd1j)串联电親合。即，第一共模电 感器Lea的第一端子电親合至第一差分电感器L Da的第二端子，以及第二共模电感器Leb的第 一端子电耦合至第二差分电感器L Db的第二端子。每个共模电感器的第二端子电耦合至转 换器电路16。同样地，第一共模电感器和第二共模电感器感应地耦合在一起并且共享公共 磁芯。共模电感器（L eJPLeb)进行操作以减小转换器中的循环共模电流（common current)。
[0039] 在一个实施方式中，差分电感器对（1^和LDb)的親合系数约为1 ;而共模电感器对 (Lca和Leb)的耦合系数小于1。这些耦合系数的其他值也被本公开内容考虑到。
[0040] 差分电容器Cx跨交流输入电親合并且用作差分滤波器。在不例实施方式中，差分 电容器具有电耦合至被布置在第一差分电感器与第一共模电感器之间的节点的一个端子， 而差分电容器的另一端子电耦合至被布置在第二差分电感器与第二共模电感器之间的节 点。可以设想的是，差分电容器可以被布置在转换器中的其他位置处。
[0041] 两个共模电容器CYa和C Yb用于消除电磁干扰。一个共模电容器C Ya电耦合在地和 被布置在第一差分电感器与第一共模电感器之间的节点之间；而另一个共模电容器CYb电 耦合在地和被布置在第二