电力转换装置和电力转换方法
【专利摘要】一种电力转换装置，包括：初级侧电路(20)；次级侧电路(30)，其通过变压器(400)磁耦合至初级侧电路(20)；以及控制单元(40)，其通过改变初级侧电路(20)的切换和次级侧电路(30)的切换之间的相位差来调整在初级侧电路(20)和次级侧电路(30)之间传送的传送电力。控制单元(50)通过抑制初级侧电路(20)的切换与次级侧电路(30)的切换的占空比的改变来抑制传送电力中的波动。
【专利说明】电力转换装置和电力转换方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及用于在初级侧电路和经由变压器磁耦合至初级侧电路的次级侧电路之间执行电力转换的装置和方法。
【背景技术】
[0002]传统的电力转换装置可以通过改变初级侧电路的切换和次级侧电路的切换之间的相位差来调整在初级侧电路和次级侧电路之间传送的电力量(例如，参见日本专利申请公布 N0.2011-193713 (JP2011-193713A))。
【发明内容】
[0003]然而，在初级侧电路和次级侧电路之间传送的传送电力传统上不能被准确地调整。本发明的目的在于提供允许准确地调整在初级侧电路和次级侧电路之间传送的传送电力的电力转换装置和电力转换方法。
[0004]本发明的第一方面是一种电力转换装置，其包括:初级侧电路；次级侧电路，其通过变压器磁耦合至初级侧电路；以及控制单元，其通过改变初级侧电路的切换和次级侧电路的切换之间的相位差来调整在初级侧电路和次级侧电路之间传送的传送电力。控制单元通过抑制初级侧电路的切换与次级侧电路的切换的占空比的改变来抑制传送电力中的波动。
[0005]本发明的第一方面是一种电力转换方法，用于通过改变初级侧电路的切换和通过变压器磁耦合至初级侧电路的次级侧电路的切换之间的相位差，来调整在初级侧电路和次级侧电路之间传送的传送电力。通过抑制初级侧电路的切换与次级侧电路的切换的占空比的改变来抑制传送电力中的波动。
[0006]根据本发明的第一和第二方面，可以准确地调整在初级侧电路和次级侧电路之间传送的传送电力。
【专利附图】
【附图说明】
[0007]下文将参照附图描述本发明的示例性实施例的特征、优点以及技术和工业重要性，在附图中相同的附图标记表示相同的元件，在附图中:
[0008]图1是示出用作根据本发明的电力转换装置的实施例的供电装置的配置的示例的框图；
[0009]图2是示出根据该实施例的控制单元的配置的示例的框图；
[0010]图3是示出根据该实施例的初级侧电路和次级侧电路的切换操作的示例的时序图；
[0011]图4是示出根据该实施例的传送电力P和相位差Φ和占空比D之间的关系的曲线图；
[0012]图5是示出根据该实施例的控制单元的配置示例的框图；
[0013]图6是示出根据本发明的电力转换方法的示例的流程图；
[0014]图7是关于每个切换周期的占空比D(接通时间δ)的一次更新的时序图；
[0015]图8是关于每两个切换周期的占空比D(接通时间δ)的一次更新的时序图；
[0016]图9是示出根据该实施例的控制单元的配置示例的框图；以及
[0017]图10是示出根据本发明的电力转换方法的示例的流程图。
【具体实施方式】
[0018]图1是示出用作电力转换装置的实施例的供电装置101的配置的示例的框图。例如，供电装置101是包括供电电路10、控制单元50和传感器单元70的供电系统。
[0019]例如，供电装置1I包括作为初级侧端口的、连接到初级侧高电压系统负载61 a的第一输入/输出端口 60a以及连接到初级侧低电压系统负载61c和初级侧低电压系统电源62c的第二输入/输出端口 60c。初级侧低电压系统电源62c向初级侧低电压系统负载61c供给电力，初级侧低电压系统负载61c由与初级侧低电压系统电源62c相同的电压系统(例如，12V系统)操作。此外，初级侧低电压系统电源62c将通过设置在供电电路10中的初级侧转换电路20升压的电力提供给初级侧高电压系统负载61a，初级侧高电压系统负载61a由与初级侧低电压系统电源62c不同的电压系统(例如，比12V系统高的48V系统)操作。诸如铅电池的二次电池可以被引用作为初级侧低电压系统电源62c的具体示例。
[0020]例如，供电装置101包括作为次级侧端口的、连接到次级侧高电压系统负载61b和次级侧高电压系统电源62b的第三输入/输出端口 60b以及连接到次级侧低电压系统负载62d的第四输入/输出端口 60d。次级侧高电压系统电源62b向次级侧高电压系统负载61b供给电力，次级侧高电压系统负载61b由与次级侧高电压系统电源62b相同的电压系统(例如，高于12V系统和48V系统的288V系统)操作。此外，次级侧高电压系统电源62b将通过设置在供电电路10中的次级侧转换电路30降压的电力提供给次级侧低电压系统负载61d，次级侧低电压系统负载61d由与次级侧高电压系统电源62b不同的电压系统(例如，比288V系统低的72V系统)操作。诸如锂离子电池的二次电池可以被引用作为次级侧高电压系统电源62b的具体示例。
[0021]供电电路10是电力转换电路，其包括上文描述的四个输入/输出端口，并且具有从四个输入/输出端口中选择两个期望的输入/输出端口并且在两个所选择的输入/输出端口之间执行电力转换的功能。
[0022]端口电力Pa、Pc、Pb、Pd分别是第一输入/输出端口 60a、第二输入/输出端口60c、第三输入/输出端口 60b和第四输入/输出端口 60d的输入/输出电力(输入电力或输出电力)。端口电压Va、Vc、Vb、Vd分别是第一输入/输出端口 60a、第二输入/输出端口 60c、第三输入/输出端口 60b和第四输入/输出端口 60d的输入/输出电压(输入电压或输出电压)。端口电流la、Ic、lb、Id分别是第一输入/输出端口 60a、第二输入/输出端口 60c、第三输入/输出端口 60b和第四输入/输出端口 60d的输入/输出电流(输入电流或输出电流)。
[0023]供电电路10包括设置在第一输入/输出端口 60a中的电容器Cl、设置在第二输入/输出端口 60c中的电容器C3、设置在第三输入/输出端口 60b中的电容器C2和设置在第四输入/输出端口 60d中的电容器C4。膜电容器、招电解电容器、陶瓷电容器、聚合物电解电容器等可以被弓I用作为电容器Cl、C2、C3、C4的具体示例。
[0024]电容器Cl插入在第一输入/输出端口 60a的高电位侧端子613与第一输入/输出端口 60a和第二输入/输出端口 60c的低电位侧端子614之间。电容器C3插入在第二输入/输出端口 60c的高电位侧端子616与第一输入/输出端口 60a和第二输入/输出端口 60c的低电位侧端子614之间。电容器C2插入在第三输入/输出端口 60b的高电位侧端子618与第三输入/输出端口 60b和第四输入/输出端口 60d的低电位侧端子620之间。电容器C4插入在第四输入/输出端口 60d的高电位侧端子622与第三输入/输出端口 60b和第四输入/输出端口 60d的低电位侧端子620之间。
[0025]电容器C1、C2、C3、C4可以设置在供电电路10内部或外部。
[0026]供电电路10是被配置成包括初级侧转换电路20和次级侧转换电路30的电力转换电路。注意，次级侧转换电路20和次级侧转换电路30经由初级侧磁耦合电抗器204和次级侧磁耦合电抗器304连接，并且通过变压器400 (中心抽头变压器)磁耦合。
[0027]初级侧转换电路20是被配置成包括初级侧全桥电路200、第一输入/输出端口60a和第二输入/输出端口 60c的初级侧电路。初级侧全桥电路200是被配置成包括变压器400的初级侧线圈202、初级侧磁耦合电抗器204、初级侧第一上臂U1、初级侧第一下臂/Ul、初级侧第二上臂Vl和初级侧第二下臂/Vl的初级侧电力转换单元。这里，初级侧第一上臂U1、初级侧第一下臂/U1、初级侧第二上臂Vl和初级侧第二下臂/Vl分别由切换元件构成，切换元件分别被配置成包括例如，N沟道型金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)和用作MOSFET的寄生元件的体二极管。额外的二极管可以并联连接到M0SFET。
[0028]初级侧全桥电路200包括连接到第一输入/输出端口 60a的高电位侧端子613的初级侧正电极总线线路298，以及连接到第一输入/输出端口 60a和第二输入/输出端口60c的低电位侧端子614的初级侧负电极总线线路299。
[0029]串联连接初级侧第一上臂Ul和初级侧第一下臂/Ul的初级侧第一臂电路207附接在初级侧正电极总线线路298和初级侧负电极总线线路299之间。初级侧第一臂电路207是能够通过接通和断开初级侧第一上臂Ul和初级侧第一下臂/Ul来执行电力转换操作的初级侧第一电力转换电路单元(初级侧U相电力转换电路单元)。此外，串联连接初级侧第二上臂Vl和初级侧第二下臂/Vl的初级侧第二臂电路211与初级侧第一臂电路207并联地附接在初级侧正电极总线线路298和初级侧负电极总线线路299之间。初级侧第二臂电路211是能够通过接通和断开初级侧第二上臂Vl和初级侧第二下臂/Vl来执行电力转换操作的初级侧第二电力转换电路单元(初级侧V相电力转换电路单元)。
[0030]初级侧线圈202和初级侧磁耦合电抗器204被设置在将初级侧第一臂电路207的中点207m连接到初级侧第二臂电路211的中点211m的桥部分中。为了更详细地与该桥部分的连接关系，初级侧磁耦合电抗器204的初级侧第一电抗器204a的一端连接到初级侧第一臂电路207的中点207m，并且初级侧线圈202的一端连接到初级侧第一电抗器204a的另一端。此外，初级侧磁耦合电抗器204的初级侧第二电抗器204b的一端连接到初级侧线圈202的另一端，并且初级侧第二电抗器204b的另一端连接到初级侧第二臂电路211的中点211m。注意，初级侧磁耦合电抗器204被配置成包括初级侧第一电抗器204a和初级侧第二电抗器204b，初级侧第二电抗器204b以耦合系数Ic1磁耦合到初级侧第一电抗器204a。
[0031]中点207m是初级侧第一上臂Ul和初级侧第一下臂/Ul之间的初级侧第一中间节点，并且中点211m是初级侧第二上臂Vl和初级侧第二下臂/Vl之间的初级侧第二中间节点。
[0032]第一输入/输出端口 60a是设置在初级侧正电极总线线路298和初级侧负电极总线线路299之间的端口。第一输入/输出端口 60a被配置成包括端子613和端子614。第二输入/输出端口 60c是设置在初级侧负电极总线线路299和初级侧线圈202的中心抽头202m之间的端口。第二输入/输出端口 60c被配置成包括端子614和端子616。
[0033]中心抽头202m连接到第二输入/输出端口 60c的高电位侧端子616。中心抽头202m是构成初级侧线圈202的初级侧第一绕组202a和初级侧第二绕组202b之间的中间连接点。
[0034]次级侧转换电路30是被配置成包括次级侧全桥电路300、第三输入/输出端口60b和第四输入/输出端口 60d的次级侧电路。次级侧全桥电路300是被配置成包括变压器400的次级侧线圈302、次级侧磁耦合电抗器304、次级侧第一上臂U2、次级侧第一下臂/U2、次级侧第二上臂V2和次级侧第二下臂/V2的次级侧电力转换单元。这里，次级侧第一上臂U2、次级侧第一下臂/U2、次级侧第二上臂V2和次级侧第二下臂/V2分别由切换元件构成，切换元件分别被配置成包括例如，N沟道型MOSFET和用作MOSFET的寄生元件的体二极管。额外的二极管可以并联连接到M0SFET。
[0035]次级侧全桥电路300包括连接到第三输入/输出端口 60b的高电位侧端子618的次级侧正电极总线线路398，以及连接到第三输入/输出端口 60b和第四输入/输出端口60d的低电位侧端子620的次级侧负电极总线线路399。
[0036]串联连接次级侧第一上臂U2和次级侧第一下臂/U2的次级侧第一臂电路307附接在次级侧正电极总线线路398和次级侧负电极总线线路399之间。次级侧第一臂电路307是能够通过接通和断开次级侧第一上臂U2和次级侧第一下臂/U2来执行电力转换操作的次级侧第一电力转换电路单元(次级侧U相电力转换电路单元)。此外，串联连接次级侧第二上臂V2和次级侧第二下臂/V2的次级侧第二臂电路311与次级侧第一臂电路307并联地附接在次级侧正电极总线线路398和次级侧负电极总线线路399之间。次级侧第二臂电路311是能够通过接通和断开次级侧第二上臂V2和次级侧第二下臂/V2来执行电力转换操作的次级侧第二电力转换电路单元(次级侧V相电力转换电路单元)。
[0037]次级侧线圈302和次级侧磁耦合电抗器304被设置在将次级侧第一臂电路307的中点307m连接到次级侧第二臂电路311的中点311m的桥部分中。为了更详细地与该桥部分的连接关系，次级侧磁耦合电抗器304的次级侧第一电抗器304a的一端连接到次级侧第一臂电路307的中点307m，并且次级侧线圈302的一端连接到次级侧第一电抗器304a的另一端。此外，次级侧磁耦合电抗器304的次级侧第二电抗器304b的一端连接到次级侧线圈302的另一端，并且次级侧第二电抗器304b的另一端连接到次级侧第二臂电路311的中点311m。注意，次级侧磁耦合电抗器304被配置成包括次级侧第一电抗器304a和次级侧第二电抗器304b，次级侧第二电抗器304b以耦合系数k2磁耦合到次级侧第一电抗器304a。
[0038]中点307m是次级侧第一上臂U2和次级侧第一下臂/U2之间的次级侧第一中间节点，并且中点311m是次级侧第二上臂V2和次级侧第二下臂/V2之间的次级侧第二中间节点。
[0039]第三输入/输出端口 60b是设置在次级侧正电极总线线路398和次级侧负电极总线线路399之间的端口。第三输入/输出端口 60b被配置成包括端子618和端子620。第四输入/输出端口 60d是设置在次级侧负电极总线线路399和次级侧线圈302的中心抽头302m之间的端口。第四输入/输出端口 60d被配置成包括端子620和端子622。
[0040]中心抽头302m连接到第四输入/输出端口 60d的高电位侧端子622。中心抽头302m是构成次级侧线圈302的次级侧第一绕组302a和次级侧第二绕组302b之间的中间连接点。
[0041]在图1中，供电装置101包括传感器单元70。传感器单元70用作检测部件，其检测在预定的检测周期间隔、第一至第四输入/输出端口 60a、60c、60b、60d中的至少一个的输入/输出值Y，并且将与检测到的输入/输出值Y对应的检测值Yd输出到控制单元50。检测值Yd可以是通过检测输入/输出电压而获得的检测电压、通过检测输入/输出电流而获得的检测电流、或者通过检测输入/输出功率而获得的检测功率。传感器单元70可以设置在供电电路10内部或外部。
[0042]传感器单元70包括例如，电压检测单元，其检测在第一至第四输入/输出端口60a、60c、60b、60d中的至少一个中生成的输入/输出电压。例如，传感器单兀70包括从输入/输出电压Va和输入/输出电压Vc中输出至少一个检测电压作为初级侧电压检测值的初级侧电压检测单兀，以及从输入/输出电压Vb和输入/输出电压Vd中输出至少一个检测电压作为次级侧电压检测值的次级侧电压检测单元。
[0043]传感器单元70的电压检测单元包括例如，监控至少一个端口的输入/输出电压值的电压传感器，以及将与电压传感器监控的输入/输出电压值对应的检测电压输出到控制单元50的电压检测电路。
[0044]传感器单元70包括例如，电流检测单元，其检测流过第一至第四输入/输出端口60a、60c、60b、60d中的至少一个的输入/输出电流。例如，传感器单兀70包括从输入/输出电流Ia和输入/输出电流Ic中输出至少一个检测电流作为初级侧电流检测值的初级侧电流检测单元，以及从输入/输出电流Ib和输入/输出电流Id中输出至少一个检测电流作为次级侧电流检测值的次级侧电流检测单元。
[0045]传感器单元70的电流检测单元包括例如，监控至少一个端口的输入/输出电流值的电流传感器，以及将与电流传感器监控的输入/输出电流值对应的检测电流输出到控制单元50的电流检测电路。
[0046]供电装置101包括控制单元50。例如，控制单元50是包括微计算机的电子电路，该微计算机具有内建的中央处理单元(CPU)。控制单元50可以设置在供电电路10内部或外部。
[0047]控制单元50通过反馈控制供电电路10执行的电力转换操作，使得第一至第四输入/输出端口 60a、60c、60b、60d中的至少一个的输入/输出值Y的检测值Yd收敛到在端口中设定的目标值Yo。例如，目标值Yo是控制单元50或者控制单元50以外的预定装置基于与输入/输出端口连接的各个负载(例如，初级侧低电压系统负载61c等)相关地限定的驱动条件而设定的命令值。目标值Yo用作在从端口输出电力时的输出目标值以及在将电力输入到端口时的输入目标值，并且可以是目标电压值、目标电流值或目标功率值。
[0048]此外，控制单元50通过反馈控制供电电路10执行的电力转换操作，使得在初级侧转换电路20和次级侧转换电路30之间经由变压器400传送的传送电力P收敛到设定目标传送电力Po。传送电力还将被称为电力传送量。例如，目标传送电力Po是控制单元50或者控制单元50以外的预定装置基于一个端口中的目标值Yo和检测值Yd之间的偏差而设定的命令值。
[0049]控制单元50通过使预定的控制参数X的值变化，通过反馈控制供电电路10执行的电力转换操作，并且因而能够调整供电电路10的第一至第四输入/输出端口 60a、60c、60b、60d的各个输入/输出值Y。两个控制变量，即相位差Φ和占空比D (接通时间δ)被用作主控制参数X。
[0050]相位差Φ是初级侧全桥电路200和次级侧全桥电路300的相同相的电力转换电路单元的切换时刻之间的偏差(时滞)。占空比D(接通时间δ )是构成初级侧全桥电路200和次级侧全桥电路300的各个电力转换电路单元的切换波形之间的占空比(接通时间)。
[0051]两个控制参数X可以被彼此独立地控制。控制单元50通过使用相位差Φ和占空比D(接通时间δ )对初级侧全桥电路200和次级侧全桥电路300执行占空比控制和/或相位控制来使供电电路10的各个输入/输出端口的输入/输出值Y变化。
[0052]图2是控制单元50的框图。控制单元50是具有用于对初级侧转换电路20的各个切换元件诸如初级侧第一上臂Ul以及次级侧转换电路30的各个切换元件诸如次级侧第一上臂U2执行切换控制的功能的控制单元。控制单元50被配置成包括电力转换模式确定处理单元502、相位差Φ确定处理单元504、接通时间δ确定处理单元506、初级侧切换处理单元508和次级侧切换处理单元510。例如，控制单元50是包括具有内建CPU的微计算机的电子电路。
[0053]例如，电力转换模式确定处理单元502基于预定的外部信号(例如，指示一个端口中的目标值Yo和检测值Yd之间的偏差的信号)从下文将描述的供电电路10的电力转换模式A至L中选择并设定操作模式。对于电力转换模式，在模式A中，从第一输入/输出端口 60a输入的电力被转换并且被输出到第二输入/输出端口 60c。在模式B中，从第一输入/输出端口 60a输入的电力被转换并且被输出到第三输入/输出端口 60b。在模式C中，从第一输入/输出端口 60a输入的电力被转换并且被输出到第四输入/输出端口 60d。
[0054]在模式D中，从第二输入/输出端口 60c输入的电力被转换并且被输出到第一输入/输出端口 60a。在模式E中，从第二输入/输出端口 60c输入的电力被转换并且被输出到第三输入/输出端口 60b。在模式F中，从第二输入/输出端口 60c输入的电力被转换并且被输出到第四输入/输出端口 60d。
[0055]在模式G中，从第三输入/输出端口 60b输入的电力被转换并且被输出到第一输入/输出端口 60a。在模式H中，从第三输入/输出端口 60b输入的电力被转换并且被输出到第二输入/输出端口 60c。在模式I中，从第三输入/输出端口 60b输入的电力被转换并且被输出到第四输入/输出端口 60d。
[0056]在模式J中，从第四输入/输出端口 60d输入的电力被转换并且被输出到第一输入/输出端口 60a。在模式K中，从第四输入/输出端口 60d输入的电力被转换并且被输出到第二输入/输出端口 60c。在模式L中，从第四输入/输出端口 60d输入的电力被转换并且被输出到第三输入/输出端口 60b。
[0057]相位差φ确定处理单元504具有用于设定初级侧转换电路20和次级侧转换电路30之间的切换元件的切换周期运动之间的相位差Φ以便使供电电路10用作直流-直流(DC-DC)转换器电路的功能。
[0058]接通时间δ确定处理单元506具有用于设定初级侧转换电路20和次级侧转换电路30的切换元件的接通时间δ以便使初级侧转换电路20和次级侧转换电路30分别用作升压/降压电路的功能。
[0059]初级侧切换处理单元508具有用于基于电力转换模式确定处理单元502、相位差Φ确定处理单元504和接通时间δ确定处理单元506的输出，对初级侧第一上臂U1、初级侧第一下臂/U1、初级侧第二上臂Vl和初级侧第二下臂/Vl构成的各个切换元件执行切换控制的功能。
[0060]次级侧切换处理单元510具有用于基于电力转换模式确定处理单元502、相位差Φ确定处理单元504和接通时间δ确定处理单元506的输出，对次级侧第一上臂U2、次级侧第一下臂/U2、次级侧第二上臂V2和次级侧第二下臂/V2构成的各个切换元件执行切换控制的功能。
[0061]现将使用图1和2描述具有以上配置的供电装置101的操作。例如，当输入请求如下操作的外部信号时:供电电路10的电力转换模式被设定在模式F，控制单元50的电力转换模式确定处理单元502将供电电路10的电力转换模式设定为模式F。此时，输入到第二输入/输出端口 60c中的电压被初级侧转换电路20的升压功能升压，于是具有升压的电压的电力通过供电电路10的DC-DC转换器电路功能被传送到第三输入/输出端口 60b侧，被次级侧转换电路30的降压功能降压，并且随后从第四输入/输出端口 60d输出。
[0062]这里，将详细描述初级侧转换电路20的升压/降压功能。关注第二输入/输出端口 60c和第一输入/输出端口 60a,第二输入/输出端口 60c的端子616经由初级侧第一绕组202a和与初级侧第一绕组202a串联连接的初级侧第一电抗器204a连接到初级侧第一臂电路207的中点207m。初级侧第一臂电路207的各个端连接到第一输入/输出端口 60a，并且结果，升压/降压电路附接在第一输入/输出端口 60a和第二输入/输出端口 60c的端子616之间。
[0063]第二输入/输出端口 60c的端子616还经由初级侧第二绕组202b和与初级侧第二绕组202b串联连接的初级侧第二电抗器204b连接到初级侧第二臂电路211的中点211m。初级侧第二臂电路211的各个端连接到第一输入/输出端口 60a，并且结果，升压/降压电路附接在第一输入/输出端口 60a和第二输入/输出端口 60c的端子616之间。注意，由于次级侧转换电路30是具有与初级侧转换电路20基本上相同的配置的电路，因此两个升压/降压电路同样并联连接在第三输入/输出端口 60b和第四输入/输出端口 60d的端子622之间。因此，次级侧转换电路30具有与初级侧转换电路20相同的升压/降压功能。
[0064]接下来，将详细描述作为DC-DC转换器电路的供电电路10的功能。关注第一输入/输出端口 60a和第三输入/输出端口 60b，初级侧全桥电路200连接至第一输入/输出端口 60a，并且次级侧全桥电路300连接至第三输入/输出端口 60b。当设置在初级侧全桥电路200的桥部分中的初级侧线圈202以及设置在次级侧全桥电路300的桥部分中的次级侧线圈302按耦合系数kT磁耦合时，变压器400用作具有绕组数目1:N的中心抽头变压器。因此,通过调整初级侧全桥电路200和次级侧全桥电路300中的切换元件的切换周期运动之间的相位差Φ，输入至第一输入/输出端口 60a的电力可以被转换和传送至第三输入/输出端口 60b,或输入至第三输入/输出端口 60b的电力可以被转换和传送至第一输入/输出端口 60a。
[0065]图3是示出了控制单元50执行的控制在设置于供电电路10中的相应臂上引起的接通/断开切换波形的时序图的视图。在图3中，Ul是初级侧第一上臂Ul的接通/断开波形，Vl是初级侧第二上臂Vl的接通/断开波形，U2是次级侧第一上臂U2的接通/断开波形，而V2是次级侧第二上臂V2的接通/断开波形。初级侧第一下臂/U1、初级侧第二下臂/V1、次级侧第一下臂/U2以及次级侧第二下臂/V2的接通/断开波形是通过分别将初级侧第一上臂U1、初级侧第二上臂V1、次级侧第一上臂U2以及次级侧第二上臂V2的接通/断开波形反转所获得的反转波形。注意，死区时间优选地设置在上臂和下臂的相应接通/断开波形之间，以防止当上臂和下臂两者均接通时通过电流流动。此外，在图3中，高电平指示接通条件，而低电平指示断开条件。
[0066]在此，通过修改U1、V1、U2和V2的相应接通时间δ，可以修改初级侧转换电路20和次级侧转换电路30的升压/降压比。例如，通过使U1、V1、U2和V2的相应接通时间δ彼此相等，可以使初级侧转换电路20的升压/降压比等于次级侧转换电路30的升压/降压比。
[0067]接通时间δ确定处理单元506使U1、V1、U2和V2的相应接通时间δ彼此相等(相应接通时间δ =初级侧接通时间δ 11 =次级侧接通时间δ 12 =时间值α )，使得初级侧转换电路20和次级侧转换电路30的相应升压/降压比彼此相等。
[0068]初级侧转换电路20的升压/降压比由占空比D确定，该占空比D是接通时间δ在构成初级侧全桥电路200的切换元件(臂)的切换周期T中所占的比例。类似地，次级侦傲换电路30的升压/降压比由占空比D确定，该占空比D是接通时间δ在构成次级侧全桥电路300的切换元件(臂)的切换周期T中所占的比例。初级侧转换电路20的升压/降压比是第一输入/输出端口 60a与第二输入/输出端口 60c之间的变换比，而次级侧转换电路30的升压/降压比是第三输入/输出端口 60b与第四输入/输出端口 60d之间的变换比。
[0069]因此，例如，
[0070]初级侧转换电路20的升压/降压比
[0071]=第二输入/输出端口60c的电压/第一输入/输出端口 60a的电压
[0072]= δ 11/T = a /T,以及
[0073]次级侧转换电路30的升压/降压比
[0074]=第四输入/输出端口60d的电压/第三输入/输出端口 60b的电压
[0075]= δ 12/Τ = α /Τ。
[0076]换言之，初级侧转换电路20和次级侧转换电路30的相应升压/降压比取相同的值(=α/Τ)0
[0077]注意，图3中的接通时间δ表示初级侧第一上臂Ull和初级侧第二上臂Vl的接通时间δ 11以及次级侧第一上臂U2和次级侧第二上臂V2的接通时间δ 12两者。此外，构成初级侧全桥电路200的臂的切换周期T以及构成次级侧全桥电路300的臂的切换周期T是相等的时间。
[0078]此外，Ul与Vl之间的相位差在180度()被激活，并且U2与V2之间的相位差同样在180度(π )被激活。而且，通过改变Ul与U2之间的相位差Φ，可以调整初级侧转换电路20与次级侧转换电路30之间的电力传送量P，使得当相位差Φ > O时，可以将电力从初级侧转换电路20传送至次级侧转换电路30，而当相位差Φ < O时，可以将电力从次级侧转换电路30传送至初级侧转换电路20。
[0079]相位差Φ是初级侧全桥电路200和次级侧全桥电路300的同相电力转换电路单元的切换时刻之间的偏差(时滞)。例如，相位差Φ是初级侧第一臂电路207和次级侧第一臂电路307的切换时刻之间的偏差，以及初级侧第二臂电路211和次级侧第二臂电路311的切换时刻之间的偏差。这些偏差被控制成彼此相等。换言之，Ul与U2之间的相位差Φ以及Vl与V2之间的相位差Φ被控制成相同值。
[0080]因此，例如，当输入请求将供电电路10的电力转换模式设定成模式F的操作的外部信号时，电力转换模式确定处理单元502选择并设定模式F。然后接通时间δ确定处理单元506设定接通时间δ，以限定当使初级侧转换电路20用作升压电路时所需要的升压t匕，该升压电路将输入到第二输入/输出端口 60c的电压升压并且将升压的电压输出至第一输入/输出端口 60a。注意，次级侧转换电路30用作降压电路，其以根据接通时间δ确定处理单元506设定的接通时间δ限定的降压比将输入至第三输入/输出端口 60b的电压降压，并且将降压的电压输出至第四输入/输出端口 60d。此外，相位差Φ确定处理单兀504设定相位差Φ，使得输入至第一输入/输出端口 60a的电力以所期望的电力传送量P被传送至第三输入/输出端口 60b。
[0081]初级侧切换处理单元508对由初级侧第一上臂U1、初级侧第一下臂/U1、初级侧第二上臂Vl和初级侧第二下臂/Vl构成的相应切换元件执行切换控制，以使初级侧转换电路20用作升压电路并且使初级侧转换电路20用作DC-DC转换器电路的一部分。
[0082]次级侧切换处理单元510对由次级侧第一上臂U2、次级侧第一下臂/U2、次级侧第二上臂V2和次级侧第二下臂/V2构成的相应切换元件执行切换控制，以使次级侧转换电路30用作降压电路并且使次级侧转换电路30用作DC-DC转换器电路的一部分。
[0083]如上所述，可以使初级侧转换电路20和次级侧转换电路30用作升压电路或降压电路，并且可以使供电电路10用作双向DC-DC转换器电路。因此，可以在所有电力转换模式A至L中执行电力转换，或者换言之，可以在从四个输入/输出端口中选择的两个输入/输出端口之间执行电力转换。
[0084]由控制单元50根据相位差Φ调整的传送电力P (也称为电力传送量P)是从初级侧转换电路20和次级侧转换电路30中的一个经由变压器400传送至另一个的电力，并且表示为:
[0085]P = (NXVaXVb)/(31 X ω XL) XF(D, Φ) (式 I)
[0086]注意，N是变压器400的绕组比，Va是第一输入/输出端口 60a的输入/输出电压，Vb是第三输入/输出端口 60b的输入/输出电压，是圆周率，ω( = 23?Χ?.= 23?/Τ)是初级侧转换电路20和次级侧转换电路30的切换操作的角频率，f是初级侧转换电路20和次级侧转换电路30的切换频率，T是初级侧转换电路20和次级侧转换电路30的切换周期，L是与电力传送有关的变压器400以及磁耦合电抗器204、304的等效电感，并且F(D, Φ)是使占空比D和相位差Φ作为变量的函数并且是当相位差Φ增加时与占空比D无关地单调增加的变量。占空比D和相位差Φ是被设计成在夹在预定上限值与预定下限值之间的范围内变化的控制参数。
[0087]通过控制单元50改变相位差Φ来调整传送电力P，但是如式I和图4中所示,传送电力P受占空比D影响。图4是示出传送电力P与相位差Φ和占空比D之间的关系的曲线图。传送电力P与相位差Φ —致地增加(Φ11〈Φ12〈Φ13〈Φ14)。然而，即使当相位差Φ固定到同一值，如果占空比D大于0.5，则传送电力P随着占空比D的增加而减少，并且如果占空比D小于0.5，则传送电力P与占空比D —致地减少。
[0088]因此，即使当改变关于相位差Φ的命令值Φο，使得传送电力P收敛到目标传送电力Po时，控制单元50可能未能根据关于占空比D的命令值Do准确地将传送电力P调整到目标传送电力Po。相似地，即使当改变关于相位差Φ的命令值Φο，使得关于预定I/O端口的I/O值Y收敛到目标值Yo时，控制单元50可能未能根据关于占空比D的命令值Do准确地将I/O值Y调整到目标值Yo。如果传送电力P或I/O值Y未能被准确调整，则传送电力P或I/O值Y的控制很可能振荡。
[0089]例如，如果连接到I/O端口的任何负载的功耗迅速改变或者如果供电电路10被激活时，当在端口电压和目标电压之间存在等于或大于预定值的差时，该振荡现象很可能发生。这是因为，当在端口电压和目标电压之间存在等于或大于预定值的差时，控制单元50同时改变相位差Φ和占空比D，使相位差Φ的改变被占空比D的改变阻止。
[0090]因此，控制单元50具有用于通过抑制占空比D的改变来抑制传送电力P中的波动的抑制部件。因此，传送电力P的调整不太可能受占空比D影响，允许准确地调整传送电力Po例如，当相位差Φ改变时，控制单元50抑制占空比D的改变，使得占空比D的改变不太可能影响相位差Φ的改变。控制单元50因此可以平滑地改变相位差Φ。结果，可以在抑制传送电力P中的波动的同时将传送电力P调整到期望值。这允许端口电压平滑地收敛到目标电压。
[0091]因而，图5是示出控制单元50的第一配置示例的框图。控制单元50具有PID控制单元51、改变幅度检测单元52和更新时刻控制单元53。
[0092]PID控制单元51具有相位差命令值生成单元，其执行PID控制以针对每个切换周期T生成关于相位差Φ的命令值Φο，其旨在使初级侧端口和次级侧端口中的至少一个的端口电压收敛到目标值。例如，PID控制单元51的相位差命令值生成单元针对每个切换周期T，基于关于端口电压Va的目标电压与传感器单元70获取的端口电压Va的检测电压之间的偏差来执行PID控制，以生成用于使该偏差收敛到零的命令值Φο。
[0093]控制单元50根据PID控制单元51生成的命令值Φ ο对初级侧转换电路20和次级侧转换电路30执行切换控制，以调整式I限定的传送电力P，使得端口电压收敛到目标电压。
[0094]此外，PID控制单元51具有占空比命令值生成单元，其执行PID控制以针对每个切换周期T生成关于占空比D的命令值Do，其旨在使初级侧端口和次级侧端口中的至少一个的端口电压收敛到目标值。例如，PID控制单元51的占空比命令值生成单元针对每个切换周期T，基于关于端口电压Vc的目标电压与传感器单元70获取的端口电压Vc的检测电压之间的偏差来执行PID控制，以生成用于使该偏差收敛到零的命令值Do。
[0095]注意，PID控制单元51可以包括接通时间命令值生成单元，其生成接通时间δ的命令值δ O，而非占空比D的命令值Do。
[0096]改变幅度检测单元52是用于检测当相位差Φ从未改变的值变为已改变的值时获得的相位差Φ的改变幅度(改变量)的部件。相位差Φ的改变幅度指示表示相位差Φ的未改变的值与相位差Φ的已改变的值之间的差的值。例如，改变幅度检测单元52检测PID控制单元51针对每个切换周期T生成的、关于相位差Φ的命令值Φο的改变幅度，作为相位差Φ的实际改变幅度。
[0097]更新时刻控制单元53是用于根据改变幅度检测单元52检测到的相位差Φ的改变幅度，使PID控制单元51生成的关于占空比D的命令值Do的更新时刻延迟，直到下一或后继切换周期T为止的部件。更新时刻控制单元53可以通过使命令值Do的更新时刻延迟来使实际的占空比D的改变时刻延迟。这使得占空比D的改变能够被抑制。
[0098]例如，当相位差Φ的改变幅度等于或大于预定值Z时，更新时刻控制单元53通过使更新关于占空比D的命令值Do的时刻延迟来抑制占空比D的改变，从而减小关于占空比D的命令值Do的更新频率。例如，更新时刻控制单元53将指定关于当前切换周期T的占空比D的命令值Do设定为在上一切换周期T之前的切换周期T期间生成的关于占空比D的旧的命令值，而非在当前切换周期T期间生成的关于占空比D的最新的命令值Do。
[0099]另一方面，例如，当相位差Φ的改变幅度小于预定值Z时，更新时刻控制单元53不使关于占空比D的命令值Do的更新时刻延迟，以便不抑制占空比D的改变(当占空比D的改变已被抑制时，抑制被取消)。例如，更新时刻控制单元53将指定关于当前切换周期T的占空比D的命令值Do设定为在当前切换周期T期间生成的关于占空比D的最新的命令值。这将关于占空比D的命令值Do的更新频率设定为正常值。
[0100]控制单元50根据更新时刻控制单元53设定的命令值Do对初级侧转换电路20和次级侧转换电路30执行切换控制，以调整初级侧转换电路20与次级侧转换电路30的升压/降压比，使得端口电压收敛到目标电压。
[0101]图6是示出电力转换方法的示例的流程图。图6中所示的电力转换方法由控制单元50执行。
[0102]在步骤SlO中，更新时刻控制单元53确定改变幅度检测单元52检测到的相位差φ的改变幅度是否等于或大于预定值Z。确定相位差Φ的改变幅度是否等于或大于预定值Z实现了关于命令值Φο是否将振荡的确定。当相位差Φ的改变幅度等于或大于预定值Z时，更新时刻控制单元53执行步骤S20中的处理，而当相位差Φ的改变幅度小于预定值Z时，更新时刻控制单元53执行步骤S30中的处理。
[0103]在步骤S20中，更新时刻控制单元53针对一个切换周期(1Τ)，设定关于占空比D的命令值Do (关于接通时间δ的命令值δ0)的一个更新时刻(参见图7)。
[0104]图7是示出针对每个切换周期(IT)设定关于占空比D(= δ/Τ)的一个更新时刻的时序图。
[0105]控制单元50改变每个切换周期的相位差Φ。控制单元50将第i个，即当前切换周期T的相位差Φ设定为在第i个，即当前切换周期T期间生成的相位差Φ1，并且将第i+1个，即下一个切换周期T的相位差Φ设定为在第i+Ι个，即下一个切换周期T期间生成的相位差Φ2。因此，控制单元50针对每个切换周期依次增加相位差Φ (Φ1〈Φ2)。在该情况下，自然数由i表示。
[0106]另一方面，控制单元50还改变每个切换周期的占空比D(接通时间δ)。控制单元50将第i个，即当前切换周期T的占空比D(接通时间δ )设定为在第i个，即当前切换周期T期间生成的占空比Dl(接通时间δ 1)，并且将第i+1个，即下一个切换周期T的占空比D(接通时间δ)设定为在第i+1个，即下一个切换周期T期间生成的占空比D2(接通时间δ 2)。
[0107]另一方面，在图6的步骤S30中，更新时刻控制单元53设定每N个切换周期(NXT)的关于占空比D的命令值Do(关于接通时间δ的命令值δ0)的一个更新时刻(参见图8)。在该情况下，自然数由N表示。
[0108]图8是示出针对两个切换周期(2Τ)设定关于占空比(=δ/Τ)的一个更新时刻的时序。S卩，图8示出了 N = 2的情况。
[0109]如图7的情况那样，控制单元50针对每个切换周期T改变相位差Φ。控制单元50针对每个切换周期依次增加相位差Φ ( Φ 1〈 Φ 2〈 Φ 3〈 Φ 4)。
[0110]另一方面，控制单元50针对每两个切换周期改变占空比D(接通时间δ)。控制单元50将第i个切换周期T的空比D(接通时间δ)设定为在第i个切换周期T期间生成的空比Dl(接通时间δ?)，并且将第i+Ι个切换周期T的空比D(接通时间δ)设定为在第i个切换周期T期间生成的空比Dl (接通时间δ I)。控制单元50将第i+3个切换周期T的空比D(接通时间δ)设定为在第i+3个切换周期T期间生成的空比D2(接通时间δ2)，并且将第i+4个切换周期T的空比D(接通时间δ )设定为在第i+3个切换周期T期间生成的空比D2(接通时间δ2)。
[0111]因而，控制单元50在多个连续的切换周期T上强制地将空比D(接通时间δ)设定为同一值，以抑制占空比D的改变，即使在占空比D改变的情形下亦是如此。
[0112]在图6的步骤S40中，控制单元50执行步骤S30或S40中的处理预定的时间(至少等于或长于“NX Τ”的时间)，并且随后重复步骤SlO和后继步骤中的处理。
[0113]图7和8示出了相位差Φ和占空比D逐渐增加的示例。然而，以上描述也适用于相位差Φ和占空比D逐渐减小的示例。
[0114]图9是示出控制单元50的第二配置示例的框图。控制单元50具有PID控制单元
51、改变幅度检测单元52和增益控制单元54。与控制单元50的配置中的、与上述配置示例的对应部分相似的部分相关的描述被省略。
[0115]增益控制单元54是用于根据改变幅度检测单元52检测到的相位差Φ的改变幅度来调整关于输入到PID控制单元51的预定输入值的放大因子(增益)，实现关于占空比D的命令值Do相对于输入值的改变率R的抑制的部件。增益控制单元54可以抑制命令值Do的改变率R，以抑制实际占空比D的改变率。改变率R是指示占空比D以什么样的比率相对于输入值的改变量而改变的指标。
[0116]输入到PID控制单元51的预定输入值是例如，初级侧端口和次级侧端口中的至少一个的端口电压与目标电压之间的偏差。作为具体示例，图9示出了关于端口电压Vc的目标电压与传感器单元70获得端口电压Vc的检测电压之间的偏差。此外，图9图示了作为预定的放大因子(增益)的、确定PID控制单元51的比例操作的恒定的比例增益P2。
[0117]控制单元50根据基于增益控制单元54抑制的比例增益P2而设定的命令值Do对初级侧转换电路20和次级侧转换电路30执行切换控制，以调整初级转换电路20与次级侧转换电路30的升压/降压比，使得端口电压收敛到目标电压。
[0118]图10是示出电力转换方法的第二示例的流程图。图10中的电力转换方法由控制单元50执行。
[0119]在步骤S50中，增益控制单元54确定改变幅度检测单元52检测到的相位差Φ的改变幅度是否等于或大于预定值Z。确定相位差Φ的改变幅度是否等于或大于预定值Z实现了关于命令值ΦO是否将振荡的确定。当相位差Φ的改变幅度等于或大于预定值Z时，增益控制单元54执行步骤S60中的处理，而当相位差Φ的改变幅度小于预定值Z时，增益控制单元54执行步骤S70中的处理。
[0120]在步骤S60中，增益控制单元54将比例增益P2设定为正常值(例如，初始值)。在该情况下，占空比D的改变未被抑制。
[0121]另一方面，在步骤S70中，增益控制单元54将比例增益P2设定为正常值(例如，初始值)X常数β。常数β是小于I的值。因此，可以使比例增益Ρ2小于正常值，允许抑制占空比D的改变。
[0122]在步骤S80中，控制单元50执行步骤S60或S70中的处理预定的时间并且重复步骤S50和后继步骤中的处理。
[0123]上文描述了电力转换装置和电力转换方法的实施例，但是本发明不限于以上实施例，并且在本发明的范围内可以实现各种修改和改进，诸如将以上实施例部分地或完整地与其他实施例组合或者将以上实施例部分地或完整地替换成其他实施例。
[0124]例如，在以上实施例中，作为经历接通/断开操作的半导体元件的MOSFET被引用作为切换元件的示例。然而，切换元件可以是例如，使用绝缘栅的电压控制类型的功率元件，诸如绝缘栅双极型晶体管(IGBT)或MOSFET或双极型晶体管。
[0125]此外，电源可以连接到第一输入/输出端口 60a，并且电源可以连接到第四输入/输出端口 60d。此外，电源不需要连接到第二输入/输出端口 60c，并且电源不需要连接到第三输入/输出端口 60b。
[0126]此外，通过抑制关于相位差Φ的命令值Φ O的改变，控制单元50可以抑制通过改变占空比D而调整的传送电力P中的波动。例如，控制单元50使关于相位差Φ的命令值Φο更新的时刻延迟，以减小命令值Φο的更新频率，因而抑制相位差Φ的改变。
【权利要求】
1.一种电力转换装置，包括: 初级侧电路(20)； 次级侧电路(30)，所述次级侧电路(30)通过变压器(400)磁耦合至所述初级侧电路(20);以及 控制单元(40)，所述控制单元(40)通过改变所述初级侧电路(20)的切换和所述次级侧电路(30)的切换之间的相位差来调整在所述初级侧电路(20)和所述次级侧电路(30)之间传送的传送电力， 其中所述控制单元(50)通过抑制所述初级侧电路(20)的切换与所述次级侧电路(30)的切换的占空比的改变来抑制所述传送电力中的波动。
2.根据权利要求1所述的电力转换装置，其中当所述相位差改变时，所述控制单元(50)抑制所述占空比的改变。
3.根据权利要求1或2所述的电力转换装置，其中所述控制单元(50)根据所述相位差的改变幅度来抑制所述占空比的改变。
4.根据权利要求3所述的电力转换装置，其中当所述改变幅度等于或大于预定值时，所述控制单元(50)抑制所述占空比的改变。
5.根据权利要求4所述的电力转换装置，其中当所述改变幅度小于所述预定值时，所述控制单元(50)取消对所述占空比的改变的抑制。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的电力转换装置，其中所述控制单元(50)减小所述占空比改变的频率。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的电力转换装置，其中所述控制单元(50)延迟所述占空比改变的时刻。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的电力转换装置，其中所述控制单元(50)连续地将所述占空比设定为相等的值。
9.根据权利要求1至5中任一项所述的电力转换装置，其中所述控制单元(50)调整关于预定的输入值的放大因子以抑制所述占空比相对于所述输入值的改变率。
10.一种电力转换方法，用于通过改变初级侧电路(20)的切换和通过变压器(400)磁耦合至所述初级侧电路(20)的次级侧电路(30)的切换之间的相位差，来调整在所述初级侦_路(20)和所述次级侧电路(30)之间传送的传送电力，所述方法包括: 通过抑制所述初级侧电路(20)的切换与所述次级侧电路(30)的切换的占空比的改变来抑制所述传送电力中的波动。
【文档编号】H02M3/335GK104184327SQ201410213275
【公开日】2014年12月3日 申请日期:2014年5月20日 优先权日:2013年5月21日
【发明者】平野高弘 申请人:丰田自动车株式会社