电力转换系统的制作方法
【专利摘要】一种电力转换系统（8）包括：初级电力转换电路（20），其包括与多个晶体管之间的连接点连接的初级线圈（41）；次级电力转换电路（30），其配置与初级电力转换电路（20）相似，并且包括与初级线圈（41）对应的次级线圈（42）；以及控制电路（50），其控制初级和次级电力转换电路（20、30）之间的电力传输。控制电路（50）在初级线圈（41）的端电压波形与次级线圈（42）的端电压波形彼此不同的情况下，响应于这两个波形之间的电压比的波动和这两个波形之间的相位对称的波动中的至少之一，来执行用于设定初级线圈的端电压信号的开/关比和次级线圈的端电压信号的开/关比中的一个的前馈控制。
【专利说明】电力转换系统
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种电力转换系统，更具体地，涉及一种包括初级电力转换电路和与 该初级电力转换电路磁耦接的次级电力转换电路。
【背景技术】
[0002] 已开发了在初级电力转换电路和与初级电力转换电路磁耦接的次级电力转换电 路之间双向交换电力的电力转换系统。初级电力转换电路和次级电力转换电路中的每个被 配置成包括在正电极总线与负电极总线之间彼此串联连接的多个晶体管。在初级电力转换 电路和次级电力转换电路中的每个中，为了防止多个串联连接的晶体管之间的短路，提供 了死区时间（dead time)，在死区时间期间串联连接的晶体管二者均被断开。
[0003] 作为本发明的相关技术，例如，美国专利No. 7, 408, 794描述了一种包括三个输入 /输出端口和半桥电路的电力转换电路。还公开了高压逆变器电路、14V负载和42V负载分 别连接至电力转换电路的三个输入/输出端口。
[0004] 日本专利申请公布No. 2006-187147 (JP2006-187147A)描述了一种包括两个输入 /输出端口和全桥电路的电力转换电路。除了构成变压器的电抗器之外，该电力转换电路还 包括三个电抗器。还公开了高压逆变器电路和低压电子装置分别连接至电力转换电路的两 个输入/输出端口。
[0005] 在以上电力转换系统中，通过使初级电力转换电路的初级线圈的端电压波形与次 级电力转换电路的次级线圈的端电压波形均衡并且随后调整两个电压波形之间的相位差 Φ，来控制电力传输方向和电力传输量。
[0006] 当如上所述来提供死区时间时，初级电力转换电路的初级线圈的端电压波形与次 级电力转换电路的次级线圈的端电压波形之间的相位对称会波动。
[0007] 由于与初级电力转换电路或次级电力转换电路连接的电源的电压的波动，初级线 圈的端电压波形与次级线圈的端电压波形之间的电压比会波动。这样，当出现上述相位对 称波动或电压比波动时，对电力传输没有贡献的循环电流在初级电力转换电路和次级电力 转换电路中流动。
【发明内容】
[0008] 本发明提供了一种控制循环电流的电力转换系统。
[0009] 本发明的一方面提供了一种电力转换系统。该电力转换系统包括：初级电力转换 电路，在正电极总线和负电极总线之间，初级电力转换电路包括多个串联连接的晶体管以 及连接到多个晶体管之间的连接点的初级线圈；次级电力转换电路，其配置与初级电力转 换电路相似，并且次级电力转换电路包括与初级线圈对应的次级线圈；以及控制电路，被配 置成通过将初级线圈磁耦接到次级线圈，控制初级电力转换电路和次级电力转换电路之间 的电力传输，其中控制电路被配置成：当初级线圈的端电压波形和次级线圈的端电压波形 彼此不同时，响应于初级线圈的端电压波形和次级线圈的端电压波形之间的电压比的波动 以及初级线圈的端电压波形和次级线圈的端电压波形之间的相位对称的波动中的至少之 一，执行用于设定初级线圈的端电压信号的开/关比和次级线圈的端电压信号的开/关比 中的一个的前馈控制。
[0010] 在根据本发明的该方面的电力转换系统中，所述多个晶体管可以包括：左臂，其中 左臂上晶体管和左臂下晶体管在正电极总线和负电极总线之间在左臂连接点处彼此串联 连接；以及右臂，其中右臂上晶体管和右臂下晶体管在正电极总线和负电极总线之间在右 臂连接点处彼此串联连接，以及初级线圈和次级线圈中的每个可以连接并且设置在相应的 左臂连接点和相应的右臂连接点之间。
[0011] 在根据本发明的该方面的电力转换系统中，可以存在初级线圈的端电压波形和次 级线圈的端电压波形之间的相位差Φ，基于为了防止左臂和右臂中的至少之一的短路而设 定的死区时间，可以确定死区时间转换值ξ，以及当相位差Φ小于死区时间转换值ξ时， 可以不执行前馈控制；而当相位差Φ大于或等于死区时间转换值ξ时，可以执行前馈控 制。
[0012] 根据本发明的该方面，当初级线圈的端电压波形与次级线圈的端电压波形彼此不 同时，响应于初级线圈的端电压波形与次级线圈的端电压波形之间的电压比的波动和初级 线圈的端电压波形与次级线圈的端电压波形之间的相位对称的波动中的至少之一，来执行 用于设定初级线圈的端电压信号的开/关比和次级线圈的端电压信号的开/关比中的一个 的前馈控制。因此，由于校正了初级线圈的端电压波形与次级线圈的端电压波形之间的相 关性，所以可以抑制循环电流。
【专利附图】
【附图说明】
[0013] 下面将参照附图来描述本发明的示例性实施方式的特征、优点以及技术和工业意 义，其中相同的附图标记表示相同的元件，并且在附图中：
[0014] 图1是示出了根据本发明的一个实施方式的电力转换系统的视图；
[0015] 图2是示出了根据本发明的该实施方式的用于抑制循环电流的过程的流程图；
[0016] 图3是示出了根据本发明的该实施方式的、在不执行前馈控制和反馈控制的情况 下电力转换系统中的晶体管的开关控制、电力转换系统中的变换电路的端电压VI、V2和流 过电力转换系统中的初级线圈的IL之间的相关性的时序图；
[0017] 图4是示出了根据本发明的该实施方式通过前馈控制来抑制循环电流的状态的 视图；
[0018] 图5是示出了根据本发明的一个替选实施方式的电力转换系统的视图；
[0019] 图6是示出了根据本发明的该替选实施方式的通过前馈控制来抑制循环电流的 状态的视图；以及
[0020] 图7是示出了根据本发明的该替选实施方式的通过前馈控制来抑制循环电流的 状态的视图。
【具体实施方式】
[0021] 在后文中，将参照附图来描述本发明的实施方式。在所有附图中，相同的附图标记 表示相似的元件，并且省略了重复描述。
[0022] 图1是示出了电力转换系统8的视图。电力转换系统8被配置成包括电力转换装 置10和控制电路50。电力转换装置10具有在输入/输出端口 A、B之间传输电力的功能。 电力转换装置10被配置成包括初级电力转换电路20和次级电力转换电路30。初级电力转 换电路20和次级电力转换电路30通过变换电路40彼此磁耦接。
[0023] 初级左臂23连接在初级正电极总线60与初级负电极总线62之间。通过将初级 左臂上晶体管22和初级左臂下晶体管24串联连接来形成初级左臂23。初级右臂27与初 级左臂23并联连接在初级正电极总线60与初级负电极总线62之间。通过将初级右臂上 晶体管26和初级右臂下晶体管28串联连接来形成初级右臂27。
[0024] 输入/输出端口 A (P0RT_A)设置在初级正电极总线60与初级负电极总线62之 间。次级电力转换电路30是具有与初级电力转换电路20的配置相似的配置的电路，并且 省略了详细描述。输入/输出端口 B (P0RT_B)设置在次级正电极总线61与次级负电极总 线63之间。负载、电源等连接至输入/输出端口 A、B。
[0025] 变换电路40包括初级线圈41和与初级线圈41磁耦接的次级线圈42。初级线圈 41与次级线圈42之间的绕组数目比是1:N。
[0026] 控制电路50具有设定用于控制整体电力转换装置10的参数并且对初级电力转换 电路20和次级电力转换电路30的晶体管执行开关控制的功能。控制电路50被配置成包 括死区时间设定处理单元51、相位差设定处理单元52、开/关比设定处理单元53、初级开关 处理单元54、次级开关处理单元55、前馈处理单元56、反馈处理单元57和循环电流确定处 理单元58。以上功能可以通过执行软件来实现，并且具体地，可以通过执行循环电流抑制程 序来实现。这些功能中的一部分可以通过硬件来实现。
[0027] 死区时间设定处理单元51具有设定死区时间转换值ξ的功能。这里，死区时间 转换值ξ是通过Td/T 〇X2Ji (To:开关时段）获得的值，其中死区时间Td是如下时段，在 死区时间Td期间上臂侧晶体管22、26、32、36中的一个晶体管和下臂侧晶体管24、28、34、38 中的相应的晶体管二者处于断开状态。这里，通过实验、仿真等预先获得死区时间Td的初 始值。
[0028] 相位差设定处理单元52具有设定在对初级电力转换电路20和次级电力转换电路 30之间的晶体管进行开关控制的时段内的相位差Φ的功能。相位差Φ是初级线圈41的 端电压VI与次级线圈42的端电压V2之间的电压波形的相位差。这里，通过改变相位差 Φ，可以控制在初级电力转换电路20与次级电力转换电路30之间传输的电力的方向和数 量。当相位差Φ彡+1死区时间转换值ξ I时，可以从初级电力转换电路20向次级电力转 换电路30传输电力；而当相位差Φ <-|死区时间转换值ξ |时，可以从次级电力转换电 路30向初级电力转换电路20传输电力。当-I死区时间转换值ξ | <相位差Φ <+|死 区时间转换值ξ I时，即当I相位差Φ I < I死区时间转换值ξ I时，在初级电力转换电路 20与次级电力转换电路30之间不传输电力。
[0029] 开/关比设定处理单元53具有设定初级电力转换电路20和次级电力转换电路30 的每个晶体管的开/关比以便调整在初级电力转换电路20与次级电力转换电路30之间传 输的电力量的功能。这里，将在对初级电力转换电路20的左臂下晶体管24和右臂下晶体 管28中的每个晶体管进行开关控制时的开/关比设定成Dl( δ 1/2 π )，并将在对次级电力 转换电路30的左臂下晶体管34和右臂下晶体管38中的每个晶体管进行开关控制时的开 /关比设定成D2 ( δ 2/2 31 )。
[0030] 初级开关处理单元54具有基于通过死区时间设定处理单元51、相位差设定处理 单元52和开/关比设定处理单元53进行的设定来控制晶体管，即左臂上晶体管22、左臂下 晶体管24、右臂上晶体管26和右臂下晶体管28的功能。
[0031] 次级开关处理单元55以及初级开关处理单元54具有对晶体管，即左臂上晶体管 32、左臂下晶体管34、右臂上晶体管36和右臂下晶体管38执行开关控制的功能。
[0032] 当初级线圈41的端电压VI的波形与次级线圈42的端电压V2的波形由于所设定 的死区时间Td而彼此不同时，前馈处理单元56响应于这两个波形之间的相位对称的波动， 来执行用于设定初级线圈41的端电压VI的开/关比和次级线圈42的端电压V2的开/关 比中的一个的前馈控制。当I相位差Φ I彡I死区时间转换值ξ I时，在初级电力转换电 路20与次级电力转换电路30之间传输电力，并且前馈处理单元56执行前馈控制，使得初 级电力转换电路20和次级电力转换电路30中的传送电力的一方的每个晶体管的开/关比 小于初级电力转换电路20和次级电力转换电路30中的接收电力的一方的每个晶体管的 开/关比。具体地，例如，当从次级电力转换电路30向初级电力转换电路20传输电力时， 次级电力转换电路30是传送电力的一方，而初级电力转换电路20是接收电力的一方。这 时，通过使用关系式D2=D1- ξ /2 π来重置次级电力转换电路30的左臂上晶体管32、左臂 下晶体管34、右臂上晶体管36和右臂下晶体管38中的每个的开/关比D2。当初级电力转 换电路20是传送电力的一方，并且次级电力转换电路20是接收电力的一方时，使用关系式 D1=D2-ξ/2 π。当|相位差φ | < |死区时间转换值ξ |时，前馈处理单元56不执行前馈 控制。
[0033] 即使在前馈处理单元56执行了前馈控制之后，当仍存在循环电流(后面描述）时， 反馈处理单元57执行用于重置电力传送转换电路的每个晶体管的开/关比的反馈控制（ΡΙ 控制)，使得循环电流是〇。循环电流是在变换电路40的端电压VI、V2二者是0时流过初 级电力转换电路20和次级电力转换电路30中的至少之一的电流。循环电流是对电力传输 没有贡献的电流，并且是例如如图1中所示的环电流。
[0034] 循环电流确定处理单元58具有确定流过初级电力转换电路20或次级电力转换电 路30的循环电流的值是否大于或等于0的功能。这里，循环电流的值是在端电压V1、V2二 者是0时流过初级线圈41的电流值。
[0035] 将描述这样配置的电力转换系统8的操作。图2是示出了用于抑制电力转换系统 8中的循环电流的过程的流程图。基于外部信号来获得并设定在对初级电力转换电路20 与次级电力转换电路30之间的晶体管进行开关控制时的相位差Φ以及初级电力转换电路 20和次级电力转换电路30的晶体管的开/关比Dl、D2,并且另外地，初始化死区时间转换 值ξ (S2)。通过控制电路50的死区时间设定处理单元51、相位差设定处理单元52和开 /关比设定处理单元53的功能来执行该处理。
[0036] 随后，初级电力转换电路20和次级电力转换电路30的晶体管经历开关控制（S4)。 通过控制电路50的初级开关处理单元54和次级开关处理单元55的功能来执行该处理。
[0037] 随后，确定是否|相位差Φ |彡|死区时间转换值ξ |(S6)。通过控制电路50的 前馈处理单元56的功能来执行该处理。当在S6的处理中确定不满足关系|相位差Φ | > 死区时间转换值ξ I时，处理进行至结束处理。当在S6的处理中确定|相位差Φ |彡|死 区时间转换值ξ I时，执行前馈控制，使得初级电力转换电路20和次级电力转换电路30中 的传送电力的一方的每个晶体管的开/关比小于初级电力转换电路20和次级电力转换电 路30中的接收电力的一方的每个晶体管的开/关比（S8)。通过控制电路50的前馈处理单 元56的功能来执行该处理。
[0038] 随后，确定循环电流的值是否大于或等于0 (S10)。通过控制电路50的循环电流 确定处理单元58的功能来执行该处理。当在S10的处理中确定循环电流的值不大于或等 于0时，处理进行至结束处理。当在S10的处理中确定循环电流的值大于或等于0时，执行 反馈控制，使得循环电流是〇(S12)。通过控制电路50的反馈处理单元57的功能来执行该 处理。
[0039] 为了比较，假定并将考虑在电力转换系统8中不执行上述前馈控制和反馈控制的 情况。图3是示出了在不执行前馈控制和反馈控制时对电力转换系统8的晶体管的开关控 制、变换电路40的端电压V1、V2和流过初级线圈41的IL之间的相关性的时序图。当已设 定死区时间Td时，出现初级线圈41的端电压VI与次级线圈42的端电压V2之间的相位对 称的波动。从而，出现对初级电力转换电路20或次级电力转换电路30中的电力传输没有 贡献的循环电流。具体地，如图3所示，在VI和V2二者是0时的循环电流流动。抑制循环 电流是本发明要解决的挑战。
[0040] 对于根据本实施方式的电力转换系统8,执行前馈控制，使得初级电力转换电路 20和次级电力转换电路30中的传送电力的一方的每个晶体管的开/关比小于初级电力转 换电路20和次级电力转换电路30中的接收电力的一方的每个晶体管的开/关比。从而， 通过经由前馈控制进行校正使得VI和V2的相位是对称的，来抑制在如图4所示的不执行 前馈控制的情况下流动的循环电流。
[0041] 对于电力转换系统8,即使在执行了上述前馈控制时，循环电流的值仍保持大于或 等于0,此时执行用于重置电力传送转换电路的每个晶体管的开/关比的反馈控制，使得循 环电流是0。从而，可以进一步有效地抑制循环电流。
[0042] 接下来，将描述根据电力转换系统8的替选实施方式的电力转换系统9。图5是示 出了电力转换系统9的视图。电力转换系统9与电力转换系统8之间的差别仅在于前馈处 理单元59,所以以下将具体描述该差别。
[0043] 在初级线圈41的端电压VI的波形与次级线圈42的端电压V2的波形由于与输入 /输出端口 A、B连接的负载的波动而彼此不同时，前馈处理单元59响应于这两个波形之间 的相位对称的波动，来执行用于设定初级线圈41的端电压VI的开/关比和次级线圈42的 端电压V2的开/关比中的一个的前馈控制。当|相位差Φ |彡|死区时间转换值ξ |时， 在初级电力转换电路20与次级电力转换电路30之间传输电力，并且前馈处理单元59执行 用于调整初级电力转换电路20和次级电力转换电路30的每个晶体管的开/关比的前馈 控制，使得在初级电力转换电路20与次级电力转换电路30之间循环的循环电流的值是0。 具体地，例如，当从次级电力转换电路30向初级电力转换电路20传输电力时，次级电力转 换电路30是传送电力的一方，而初级电力转换电路20是接收电力的一方。通过使用关系 式D2+AD，重置次级电力转换电路30的晶体管32、34、36、38中的每个的开/关比02。通 过使用关系式AD= (1-D2) X (1-NVA/VB)来获得AD。当初级电力转换电路20是传送电 力的一方并且次级电力转换电路20是接收电力的一方时，通过使用关系式AD= (1-D2)X (1-VB/NVA)来获得AD。前馈处理单元59在I相位差Φ I < I死区时间转换值ξ I时不执 行前馈控制。
[0044] 将描述这样配置的电力转换系统9的操作。如在电力转换系统8的情况下那样， 在电力转换系统9中也执行图2所示的循环电流抑制程序。对于根据本实施方式的电力转 换系统9,执行用于调整初级电力转换系统20和次级电力转换系统30的每个晶体管的开/ 关比的前馈控制，使得在初级电力转换系统20与次级电力转换系统30之间循环的循环电 流的值是0。从而，如图6所示，通过经由前馈控制对VI与V2之间的电压比的相关性进行 校正来抑制在NV A〈VB的状态下不执行前馈控制的情况中流动的循环电流。如图7所示，通 过经由前馈控制对VI与V2之间的电压比的相关性进行校正来抑制在NV A>VB的状态下不执 行前馈控制的情况中流动的循环电流。
【权利要求】
1. 一种电力转换系统（8,9)，包括： 初级电力转换电路（20)，在正电极总线和负电极总线之间，所述初级电力转换电路 (20)包括多个串联连接的晶体管以及连接到所述多个晶体管之间的连接点的初级线圈 (41) ； 次级电力转换电路（30)，所述次级电力转换电路（30)的配置与所述初级电力转换电 路（20)相似，并且所述次级电力转换电路（30)包括与所述初级线圈（41)对应的次级线圈 (42) ;以及 控制电路（50)，所述控制电路（50)被配置成通过将所述初级线圈（41)磁耦接到所述 次级线圈（42)，控制所述初级电力转换电路（20)和所述次级电力转换电路（30)之间的电 力传输，其中 所述控制电路（50)被配置成：当所述初级线圈（41)的端电压波形和所述次级线圈 (42)的端电压波形彼此不同时，响应于所述初级线圈（41)的端电压波形和所述次级线圈 (42)的端电压波形之间的电压比的波动以及所述初级线圈（41)的端电压波形和所述次级 线圈（42)的端电压波形之间的相位对称的波动中的至少之一，执行用于设定所述初级线圈 (41)的端电压信号的开/关比和所述次级线圈（42)的端电压信号的开/关比中的一个的 前馈控制。
2. 根据权利要求1所述的电力转换系统（8,9)，其中 所述多个晶体管包括： 左臂，所述左臂包括在所述正电极总线和所述负电极总线之间在左臂连接点处彼此串 联连接的左臂上晶体管和左臂下晶体管；以及 右臂，所述右臂包括在所述正电极总线和所述负电极总线之间在右臂连接点处彼此串 联连接的右臂上晶体管和右臂下晶体管，以及 所述初级线圈（41)和所述次级线圈（42)中的每个连接并且设置在相应的左臂连接点 和相应的右臂连接点之间。
3. 根据权利要求2所述的电力转换系统（8,9)，其中 存在所述初级线圈（41)的端电压波形和所述次级线圈（42)的端电压波形之间的相位 差， 基于为了防止所述左臂和所述右臂中的至少之一的短路而设定的死区时间，确定死区 时间转换值（ξ )，以及 当所述相位差（Φ)小于所述死区时间转换值（ξ )时，不执行前馈控制；而当所述相位 差（Φ)大于或等于所述死区时间转换值（ξ )时，执行前馈控制。
【文档编号】H02M3/335GK104065272SQ201410102857
【公开日】2014年9月24日 申请日期:2014年3月19日 优先权日:2013年3月21日
【发明者】高木健一, 石垣将纪, 梅野孝治, 平野高弘, 武藤润, 寺田康晴, 长下贤一郎 申请人:丰田自动车株式会社