电力转换装置及电力转换方法
【专利摘要】本发明涉及电力转换装置及电力转换方法。该电力转换装置，包括初级侧电路(20)以及通过变压器(400)磁耦接至初级侧电路(20)的次级侧电路(30)，并且使用初级侧电路(20)和次级侧电路(30)中每一个的切换来转换初级侧电路(20)的初级侧端口与次级侧电路(30)的次级侧端口之间的电力。电力转换装置还包括控制单元(50)，其控制切换频率以及初级侧电路(20)的切换与次级侧电路(30)的切换之间的相位差，使得初级侧端口与次级侧端口之间的电力转换效率增大。
【专利说明】电力转换装置及电力转换方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及在初级侧电路与通过变压器磁耦接至初级侧电路的次级侧电路之间进行的电力转换。
【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操作与次级侧电路的切换操作之间的相位差来调节在初级侧电路与次级侧电路之间传输的电力量(例如，参见日本专利申请公布 N0.2011-193713 (JP2011-193713A))。
【发明内容】
[0003]然而，当初级侧电路的切换与次级侧电路的切换之间的相位差被减小到小的值时，初级侧电路与次级侧电路之间的电力转换效率被降低。本发明的目的是提供能够抑制初级侧电路与次级侧电路之间的电力转换效率降低的电力转换装置以及电力转换方法。
[0004]本发明的第一方面是一种电力转换装置，包括:初级侧电路；次级电路，其通过变压器磁耦接至初级侧电路；以及控制单元，其增大初级侧电路和次级侧电路中每一个的切换频率以及初级侧电路的切换与次级侧电路的切换之间的相位差，使得初级侧电路与次级侧电路之间的电力转换效率增大。
[0005]本发明的第二方面是一种电力转换装置，包括:初级侧电路以及通过变压器磁耦接至初级侧电路的次级侧电路，其中，当初级侧电路的切换与次级侧电路的切换之间的相位差较小时，初级侧电路与次级侧电路之间的电力转换效率降低到较小的值。电力转换装置包括:控制单元，其通过增大初级侧电路和次级侧电路中每一个的切换频率来增大相位差。
[0006]本发明的第三方面是一种电力转换方法，包括:根据初级侧电路与通过变压器磁耦接至初级侧电路的次级侧电路之间的电力转换效率来改变初级侧电路和次级侧电路中每一个的切换频率以及初级侧电路的切换与次级侧电路的切换之间的相位差。
[0007]根据本发明的每个方面，可以抑制初级侧电路与次级侧电路之间的电力转换效率降低。
【专利附图】
【附图说明】
[0008]下面将参照附图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，在附图中相似的附图标记表示相似的元素，在附图中:
[0009]图1是示出了用作根据本发明的电力转换装置的实施方式的电源装置的配置的示例的框图；
[0010]图2是示出了根据本实施方式的控制单元的配置的示例的框图；
[0011]图3是示出了根据本实施方式的初级侧电路和次级侧电路的切换操作的示例的时序图；
[0012]图4是示出了根据本实施方式的相位差、传输电力和电力转换效率之间的关系的曲线图；以及
[0013]图5是示出了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】
[0014]图1是示出了用作电力转换装置的实施方式的电源装置101的配置的示例的框图。例如，电源装置101是包括电源电路10、控制单元50和传感器单元70的电源系统。
[0015]例如，电源装置101包括连接有初级侧高压系统负载61a的第一输入/输出端口60a以及连接有初级侧低压系统负载61c和初级侧低压系统电源62c的第二输入/输出端口 60c，作为初级侧端口。初级侧低压系统电源62c为初级侧低压系统负载61c供电，初级侧低压系统负载61c由与初级侧低压系统电源62c相同的电压系统(例如，12V系统)操作。此外，初级侧低压系统电源62c向初级侧高压系统负载61a供给由设置在电源电路10中的初级侧转换电路20升压的电力，初级侧高压系统负载61a由与初级侧低压系统电源62c不同的电压系统(例如，相比12V系统而言较高的48V系统)操作。可以引用次级电池如铅电池作为初级侧低压系统电源62c的具体示例。
[0016]例如，电源装置101包括连接有次级侧高压系统负载61b和次级侧高压系统电源62b的第三输入/输出端口 60b以及连接有次级侧低压系统负载61d的第四输入/输出端口 60d，作为次级侧端口。次级侧高压系统电源62b为次级侧高压系统负载61b供电，次级侧高压系统负载61b由与次级侧高压系统电源62b相同的电压系统(例如，相比12V系统和48V系统而言较高的288V系统)操作。此外,次级侧高压系统电源62b向次级侧低压系统负载61d供给由设置在电源电路10中的次级侧转换电路30降压的电力，次级侧低压系统负载61d由与次级侧高压系统电源62b不同的电压系统(例如，相比288V系统而言较低的72V系统)操作。可以引用次级电池如锂离子电池作为次级侧高压系统电源62b的具体示例。
[0017]电源电路10是如下电力转换电路:其包括上述四个输入/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/输出端口之间进行电力转换的功能。
[0018]电力Pa、Pc、Pb和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)。电压Va、Ne、Vb和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)。电流la、Ic、Ib和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)。
[0019]电源电路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、以及设置在第四输入/输出端口 60d中的电容器C4。可以引用薄膜电容器、铝电解电容器、陶瓷电容器、聚合物电解电容器等作为电容器Cl、C2、C3和C4的具体示例。
[0020]电容器Cl插入在第一输入/输出端口 60a的高电势侧端子613与第一输入/输出端口 60a和第二输入/输出端口 60c的低电势侧端子614之间。电容器C3插入在第二输入/输出端口 60c的高电势侧端子616与第一输入/输出端口 60a和第二输入/输出端口 60c的低电势侧端子614之间。电容器C2插入在第三输入/输出端口 60b的高电势侧端子618与第三输入/输出端口 60b和第四输入/输出端口 60d的低电势侧端子620之间。电容器C4插入在第四输入/输出端口 60d的高电势侧端子622与第三输入/输出端口 60b和第四输入/输出端口 60d的低电势侧端子620之间。
[0021]电容器C1、C2、C3和C4可以设置在电源电路10的内部或外部。
[0022]电源电路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，初级侧转换电路20和次级侧转换电路30通过初级侧磁耦接电抗器204和次级侧磁耦接电抗器304连接，并且由变压器400 (中心抽头变压器)磁耦接。
[0023]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、初级侧磁耦接电抗器204、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的初级侧电力转换单元。在此，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由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管(MOSFET)和用作MOSFET的寄生元件的体二极管的开关元件构成。额外的二极管可以并联连接至MOSFET。
[0024]初级侧全桥电路200包括连接至第一输入/输出端口 60a的高电势侧端子613的初级侧正电极总线298以及连接至第一输入/输出端口 60a和第二输入/输出端口 60c的低电势侧端子614的初级侧负电极总线299。
[0025]将初级侧第一上臂Ul和初级侧第一下臂/Ul串联连接的初级侧第一臂电路207附接在初级侧正电极总线298与初级侧负电极总线299之间。初级侧第一臂电路207是能够通过将初级侧第一上臂Ul和初级侧第一下臂/Ul接通或关断来进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，将初级侧第二上臂Vl和初级侧第二下臂/Vl串联连接的初级侧第二臂电路211与初级侧第一臂电路207 —起并联附接在初级侧正电极总线298与次级侧负电极总线299之间。初级侧第二臂电路211是能够通过将初级侧第二上臂Vl和初级侧第二下臂/Vl接通或关断来进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)。
[0026]初级侧线圈202和初级侧磁耦接电抗器204设置在将初级侧第一臂电路207的中点207m连接至初级侧第二臂电路211的中点211m的桥部分中。为了更详细地描述与桥部分的连接关系，初级侧磁耦接电抗器204的初级侧第一电抗器204a的一端连接至初级侧第一臂电路207的中点207m，并且初级侧线圈202的一端连接至初级侧第一电抗器204a的另一端。此外，初级侧磁耦接电抗器204的初级侧第二电抗器204b的一端连接至初级侧线圈202的另一端，并且初级侧第二电抗器204b的另一端连接至初级侧第二臂电路211的中点211m。注意，初级侧磁耦接电抗器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磁耦接至初级侧第一电抗器204a。
[0027]中点207m是初级侧第一上臂Ul与初级侧第一下臂/Ul之间的初级侧第一中间节点，以及中点211m是初级侧第二上臂Vl与初级侧第二下臂/Vl之间的初级侧第二中间节点。
[0028]第一输入/输出端口 60a是设置在初级侧正电极总线298与初级侧负电极总线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299与初级侧线圈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。
[0029]中心抽头202m连接至第二输入/输出端口 60c的高电势侧端子616。中心抽头202m是构成初级侧线圈202的初级侧第一绕组202a与初级侧第二绕组202b之间的中间连接点。
[0030]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、次级侧磁耦接电抗器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。在此，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由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的开关元件构成。额外的二极管可以并联连接至MOSFET。
[0031]次级侧全桥电路300包括连接至第三输入/输出端口 60b的高电势侧端子618的次级侧正电极总线398以及连接至第三输入/输出端口 60b和第四输入/输出端口 60d的低电势侧端子620的次级侧负电极总线399。
[0032]将次级侧第一上臂U2和次级侧第一下臂/U2串联连接的次级侧第一臂电路307附接在次级侧正电极总线398与次级侧负电极总线399之间。次级侧第一臂电路307是能够通过将次级侧第一上臂U2和次级侧第一下臂/U2接通或关断来进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，将次级侧第二上臂V2和次级侧第二下臂/V2串联连接的次级侧第二臂电路311与次级侧第一臂电路307—起并联附接在次级侧正电极总线398与次级侧负电极总线399之间。次级侧第二臂电路311是能够通过将次级侧第二上臂V2和次级侧第二下臂/V2接通或关断来进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)。
[0033]次级侧线圈302和次级侧磁耦接电抗器304被设置在将次级侧第一臂电路307的中点307m连接至次级侧第二臂电路311的中点311m的桥部分中。为了更详细地描述与桥部分的连接关系，次级侧磁耦接电抗器304的次级侧第一电抗器304a的一端连接至次级侧第一臂电路307的中点307m，并且次级侧线圈302的一端连接至次级侧第一电抗器304a的另一端。此外，次级侧磁耦接电抗器304的次级侧第二电抗器304b的一端连接至次级侧线圈302的另一端，并且次级侧第二电抗器304b的另一端连接至次级侧第二臂电路311的中点311m。注意，次级侧磁耦接电抗器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通过耦合系数k2磁耦接至次级侧第一电抗器304a。
[0034]中点307m是次级侧第一上臂U2与次级侧第一下臂/U2之间的次级侧第一中间节点，以及中点311m是次级侧第二上臂V2与次级侧第二下臂/V2之间的次级侧第二中间节点。
[0035]第三输入/输出端口 60b是设置在次级侧正电极总线398与次级侧负电极总线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399与次级侧线圈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。
[0036]中心抽头302m连接至第四输入/输出端口 60d的高电势侧端子622。中心抽头302m是构成次级侧线圈302的次级侧第一绕组302a与次级侧第二绕组302b之间的中间连接点。
[0037]在图1中，电源装置101包括传感器单元70。传感器单元70用作以预定的检测周期间隔检测第一至第四输入/输出端口 60a、60c、60b、60d中至少之一的输入/输出值Y并且将与所检测到的输入/输出值Y对应的检测值Yd输出至控制单元50的检测装置。检测值Yd可以是通过检测输入/输出电压所获得的检测电压、通过检测输入/输出电流所获得的检测电流、或通过检测输入/或输入电力所获得的检测电力。传感器单元70可以设置在电源电路10的内部或外部。
[0038]传感器单元70包括例如对在第一至第四输入/输出端口 60a、60c、60b、60d中至少之一中所生成的输入/输出电压进行检测的电压检测单元。例如，传感器单元70包括将输入/输出电压Va和输入/输出电压Vc中的至少一个检测电压输出作为初级侧电压检测值的初级侧电压检测单元、以及将输入/输出电压Vb和输入/输出电压Vd中的至少一个检测电压输出作为次级侧电压检测值的次级侧电压检测单元。
[0039]传感器单元70的电压检测单元包括例如对至少一个端口的输入/输出电压值进行监视的电压传感器、以及将与由电压传感器监视的输入/输出电压值对应的检测电压输出至控制单元50的电压检测电路。
[0040]传感器单元70包括例如对流经第一至第四端口 60a、60c、60b、60d中至少之一的输入/输出电流进行检测的电流检测单元。例如，传感器单元70包括将输入/输出电流Ia和输入/输出电流Ic中的至少一个检测电流输出作为初级侧电流检测值的初级侧电流检测单兀、以及将输入/输出电流Ib和输入/输出电流Id中的至少一个检测电流输出作为次级侧电流检测值的次级侧电流检测单元。
[0041]传感器单元70的电流检测单元包括例如对至少一个端口的输入/输出电流值进行监视的电流传感器、以及将与由电流传感器监视的输入/输出电流值对应的检测电流输出至控制单元50的电流检测电路。
[0042]电源装置101包括控制单元50。例如，控制单元50是包括具有内置的中央处理单元(CPU)的微型计算机的电子电路。控制单元50可以设置在电源电路10的内部或外部。
[0043]控制单元50反馈控制由电源电路10进行的电力转换操作，使得第一至第四输入/输出端口 60a、60c、60b、60d中至少之一的输入/输出值Y的检测值Yd收敛于端口中设定的目标值Ya。例如，目标值Ya是由控制单元50或除了控制单元以外的预定装置基于关于连接至输入/输出端口的相应负载(例如，初级侧低压系统负载61c等)所定义的驱动条件而设定的命令值。当从端口输出电力时，目标值Ya用作输出目标值，而当将电力输入至端口时，目标值Ya用作输入目标值，并且目标值Ya可以是目标电压值、目标电流值或目标电力值。
[0044]此外，控制单元50反馈控制由电源电路10进行的电力转换操作，使得通过变压器400在初级侧转换电路20与次级侧转换电路30之间传输的传输电力P收敛于设定的目标传输电力Pa。传输电力也可以称为电力传输量。例如，目标传输电力Pa是由控制单兀50或除了控制单元50以外的预定装置基于端口中的一个端口的检测值Yd与目标值Ya之间的偏差而设定的命令值。
[0045]控制单元50通过改变预定控制参数X的值来反馈控制由电源电路10进行的电力转换操作，从而能够调整电源电路10的第一至第四输入/输出端口 60a、60c、60b、60d的相应输入/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)用作主要的控制参数X。
[0046]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序之间的偏差(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的相应电力转换电路单元的切换波形之间的占空比(接通时间)。
[0047]可以彼此独立地控制两个控制参数X。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进行占空比控制和/或相位控制来改变电源电路10的相应输入/输出端口的输入/输出值Y。
[0048]图2是控制单元50的框图。控制单元50是具有对初级侧转换电路20的相应开关元件(如初级侧第一上臂Ul)以及次级侧转换电路30的相应开关元件(如次级侧第一上臂U2)进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以及次级侧切换处理单元510。例如，控制单元50是包括具有内置的CPU的微型计算机的电子电路。
[0049]例如，电力转换模式确定处理单元502如下面所描述的基于预定外部信号(例如，表示端口中一个端口的检测值Yd与目标值Ya之间的偏差的信号)从电源电路10的电力转换模式A至L中选择和设置操作模式。至于电力转换模式，在模式A下，将来自第一输入/输出端口 60a的电力输入转换并输出至第二输入/输出端口 60c。在模式B下，将来自第一输入/输出端口 60a的电力输入转换并输出至第三输入/输出端口 60b。在模式C下,将来自第一输入/输出端口 60a的电力输入转换并输出至第四输入/输出端口 60d。
[0050]在模式D下，将来自第二输入/输出端口 60c的电力输入转换并输出至第一输入/输出端口 60a。在模式E下,将来自第二输入/输出端口 60c的电力输入转换并输出至第三输入/输出端口 60b。在模式F下，将来自第二输入/输出端口 60c的电力输入转换并输出至第四输入/输出端口 60d。
[0051]在模式G下，将来自第三输入/输出端口 60b的电力输入转换并输出至第一输入/输出端口 60a。在模式H下，将来自第三输入/输出端口 60b的电力输入转换并输出至第二输入/输出端口 60c。在模式I中，将来自第三输入/输出端口 60b的电力输入转换并输出至第四输入/输出端口 60d。
[0052]在模式J下，将来自第四输入/输出端口 60d的电力输入转换并输出至第一输入/输出端口 60a。在模式K下，将来自第四输入/输出端口 60d的电力输入转换并输出至第二输入/输出端口 60c。在模式L下,将来自第四输入/输出端口 60d的电力输入转换并输出至第三输入/输出端口 60b。
[0053]相位差φ确定处理单元504具有对初级侧转换电路20与次级侧转换电路30之间的开关元件的切换周期运动之间的相位差Φ进行设定的功能，以便使电源电路10用作直流-直流(DC-DC)转换器电路。
[0054]接通时间δ确定处理单元506具有对初级侧转换电路20和次级侧转换电路30的开关元件的接通时间5进行设定的功能，以便使初级侧转换电路20和次级侧转换电路30分别用作升压电路/降压电路。
[0055]初级侧切换处理单元508具有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构成的相应开关元件进行切换控制的功能。
[0056]次级侧切换处理单元510具有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构成的相应开关元件进行切换控制的功能。
[0057]现将使用图1和图2描述具有上述配置的电源装置101的操作。当输入例如请求将电源电路10的电力转换模式设定为模式F的操作的外部信号时，控制单元50的电力转换模式确定处理单元502将电源电路10的电力转换模式设定成模式F。此时，输入到第二输入/输出端口 60c的电压由初级侧转换电路20的升压功能升压，于是具有上升的电压的电力通过电源电路10的DC-DC转换器电路功能被传输至第三输入/输出端口 60b侧，由次级侧转换电路30的降压功能降压，然后从第四输入/输出端口 60d输出。
[0058]在此，将详细描述初级侧转换电路20的升压/降压功能。集中在第二输入/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通过初级侧第一绕组202a和串联连接至初级侧第一绕组202a的初级侧第一电抗器204a连接至初级侧第一臂电路207的中点207m。初级侧第一臂电路207的相应端连接至第一输入/输出端口60a,因此,升压/降压电路附接在第二输入/输出端口 60c的端子616与第一输入/输出端口 60a之间。
[0059]第二输入/输出端口 60c的端子616也通过初级侧第二绕组202b和串联连接至初级侧次级绕组202b的初级侧第二电抗器204b连接至初级侧第二臂电路211的中点211m。初级侧第二臂电路211的相应端连接至第一输入/输出端口 60a，因此，升压/降压电路并联附接在第二输入/输出端口 60c的端子616与第一输入/输出端口 60a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，所以两个升压/降压电路同样并联连接在第四输入/输出端口 60d的端子622与第三输入/输出端口60b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。
[0060]接下来，将详细描述作为DC-DC转换器电路的电源电路10的功能。集中在第一输入/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，以及次级侧全桥电路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磁耦接时，变压器400用作具有绕组数量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中的开关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输至第三输入/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输至第一输入/输出端口 60a。
[0061]图3是示出了通过控制单元50进行的控制在设置于电源电路10中的相应臂上引起的接通/关断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/关断波形，Vl是初级侧第二上臂Vl的接通/关断波形，U2是次级侧第一上臂U2的接通/关断波形，以及V2是次级侧第二上臂V2的接通/关断波形。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/关断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/关断波形倒置所获得的倒置波形。注意，死区时间优选地设置在上臂和下臂的相应接通/关断波形之间，以防止当上臂和下臂均接通时电流流动经过。此外，在图3中，高电平表示接通条件，而低电平表示关断条件。
[0062]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/降压比率。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/降压比率等于次级侧转换电路30的升压/降压比率。
[0063]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 I =次级侧接通时间δ 2 =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/降压比率彼此相等。
[0064]初级侧转换电路20的升压/降压比率由占空比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的开关元件(臂)的切换周期T中所占的比例。类似地，次级侦_换电路30的升压/降压比率由占空比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的开关元件(臂)的切换周期T中所占的比例。初级侧转换电路20的升压/降压比率是第一输入/输出端口 60a与第二输入/输出端口 60c之间的变换比率，而次级侧转换电路30的升压/降压比率是第三输入/输出端口 60b与第四输入/输出端口60d之间的变换比率。
[0065]因此，例如，
[0066]初级侧转换电路20的升压/降压比率
[0067]=第二输入/输出端口60c的电压/第一输入/输出端口 60a的电压
[0068]= δ 1/T = a /T,以及
[0069]次级侧转换电路30的升压/降压比率
[0070]=第四输入/输出端口60d的电压/第三输入/输出端口 60b的电压
[0071]= δ 2/Τ = α /Τ。
[0072]换句话说，初级侧转换电路20和次级侧转换电路30的相应升压/降压比率取相同的值(=α/Τ)0
[0073]注意，图3中的接通时间δ表示初级侧第一上臂Ul和初级侧第二上臂Vl的接通时间δ I以及次级侧第一上臂U2和次级侧第二上臂V2的接通时间δ2。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。
[0074]此外，Ul与Vl之间的相位差在180度()处被激活，并且U2与V2之间的相位差同样也在180度(π )处被激活。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之间的电力传输量P，使得:当相位差Φ >0时，可以将电力从初级侧转换电路20传输至次级侧转换电路30，而当相位差Φ < O时，可以将电力从次级侧转换电路30传输至初级侧转换电路20。
[0075]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序之间的偏差(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的切换时序之间的偏差，以及初级侧第二臂电路211和次级侧第二臂电路311的切换时序之间的偏差。这些偏差被控制成彼此相等。换句话说，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。
[0076]因此，当输入例如请求将电源电路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选择和设置模式F。然后接通时间δ确定处理单元506设定接通时间δ，以定义当使初级侧转换电路20用作升压电路时所需要的升压比率，所述升压电路将输入到第二输入/输出端口 60c的电压升压并且将上升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用作以根据由接通时间δ确定处理单元506设定的接通时间δ所定义的降压比率将输入至第三输入/输出端口 60b的电压降压并且将降低的电压输出至第四输入/输出端口 60d的降压电路。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输量P被传输至第三输入/输出端口 60b。
[0077]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构成的相应开关元件进行切换控制，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。
[0078]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构成的相应开关元件进行切换控制，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。
[0079]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，并且可以使电源电路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下进行电力转换，或者换句话说，可以在从四个输入/输出端口中选择的两个输入/输出端口之间进行电力转换。
[0080]由控制单元50根据相位差Φ调整的传输电力P (也称为电力传输量P)是从初级侧转换电路20和次级侧转换电路30中的一个转换电路通过变压器400传输至另一转换电路的电力，并且表示为:
[0081]P = (NXVaXVb)/(31 X ω XL) XF(D, Φ) (等式 I)。
[0082]注意,N是变压器400的绕组比率,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是与电力传输有关的变压器400以及磁耦接电抗器204、304的等效电感，以及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增大时独立于占空比D而单调增大的变量。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。
[0083]因此，如图4中所示，当相位差Φ增大时，传输电力P单调增大。P(f\)表示当切换频率f固定至预定频率fi时传输电力P相对于相位差Φ的变化，而P (f2)表示当切换频率f固定至预定频率f2(f\ < f2)时传输电力P相对于相位差Φ的变化。
[0084]图4是示出了相位差Φ、传输电力P和效率η之间的关系的曲线图。效率Π是初级侧转换电路20的初级侧端口与次级侧转换电路30的次级侧端口之间的电力转换效率，并且由输出电力与输入电力的比率表示。当将从初级侧端口和次级侧端口中的一个端口输入的输入电力定义为Pin时，将从初级侧端口和次级侧端口中的另一端口输出的输出电力定义为Pout，将从初级侧端口和次级侧端口中的一个端口输入的输入电压定义为VinJf从初级侧端口和次级侧端口中的另一端口输出的输出电压定义为Vout，将从初级侧端口和次级侧端口中的一个端口输入的输入电流定义为I in，将从初级侧端口和次级侧端口中的另一端口输出的输出电流定义为lout，效率η由下面的等式表示:
[0085]η = Pout/Pin
[0086]= (VoutX1ut)/(VinXIin)(等式 2)。
[0087]例如，在图1中，当从第三输入/输出端口 60b输入的电力Pb被转换时，转换之后的电力Pa被输出至第一输入/输出端口 60a,第一输入/输出端口 60a的电力Pa被转换，并且转换之后的电力Pc被输出至第二输入/输出端口 60c，根据等式2，效率η可以由下面的等式表不:
[0088]η = (VaX Ia+Vc X Ic) / (Vb X Ib)(等式 3)。
[0089]注意，等式3是如下情况下的等式:没有使用第四输入/输出端口 60d，并且将输入至第四输入/输出端口 60d或从第四输入/输出端口 60d输出的电力假定为零(例如，没有设置次级侧低压系统负载61d和电容器C4)。
[0090]如图4中所示，在电源电路10中，存在如下情况:当相位差Φ较小是，效率η降低到较小的值。为了对付该情况，当检测到效率H降低(“检测”也可以表示“假定(presume)”的意思)时，控制单元50进行增大切换频率f并且增大相位差Φ的控制，使得效率η增大。使用该控制，可以抑制效率H降低。
[0091]由于由等式I确定传输电力P，所以控制单元50可以通过增大切换频率f(=ω/2 3?)来减小传输电力P，而通过增大相位差Φ来增大传输电力P。因此，例如，如图4中所示，通过将切换频率fWfi增大到f2并且将相位差Φ从Φ1增大到Φ2，可以将电源电路10的操作点从效率Il1处的操作点a转移到效率n2( > Il1)处的操作点C。
[0092]例如，当检测到效率η小于设定阈值Jlci时，控制单元50进行增大切换频率f并且增大相位差Φ的控制，使得效率H增大至不小于设定阈值％的值。于是，可以可靠地抑制效率n降低。设定阈值Hci是用于检测效率n降低的预定效率参考值，并且为大于效率H1且小于效率n2的值。
[0093]根据等式2 (特定地等式3)基于从传感器单元70输出的检测值Yd (具体地，从初级侧电压检测单元、初级侧电流检测单元、次级侧电压检测单元和次级侧电流检测单元中每一个输出的检测值)得到效率H。例如，控制单元50将检测值Yd代入等式2或等式3，从而计算出效率H。控制单元50进行根据所计算的效率η来改变切换频率f和相位差Φ的控制。
[0094]可替代地,可以基于例如相位差Φ与效率η的相关性来得到效率Π。例如,在工厂中生产电源电路10时预先测量相位差Φ与效率η的相关性，并且将具有所测量的相位差Φ与效率Π的相关性的映射或程序常数预存储在设置于控制单元50中的存储装置中。于是，控制单元50可以根据存储装置中存储的映射得到与相位差Φ对应的效率η。另外，由于基于相位差Φ与效率H的相关性得到效率Π，所以可以在在传感器单元70未设置电流检测单元的情况下基于相位差Φ估计效率H。因此，可以实现例如控制单元50的运算工作量的减少、控制单元50的响应性的改进以及电源装置101的成本的降低。
[0095]另外，当检测到相位差Φ小于设定阈值(K时，控制单元50可以进行增大切换频率f并且增大相位差Φ的控制，使得相位差Φ增大至不小于阈值CK的值。也就是说，由于相位差Φ与效率η之间存在相关性，所以控制单元50根据相位差Φ进行改变切换频率f和相位差Φ的控制，使得效率Π增大。于是，可以可靠地抑制效率Π降低。设定阈值Φο是用于检测效率n的降低的预定相位差参考值，并且为大于相位差且小于相位差Φ2的值。当效率η为设定阈值η(!时，设定阈值Φ(?为例如相位差。
[0096]控制单元50优选地进行例如通过增大切换频率f来增大相位差Φ的控制。于是，可以抑制由于切换频率f和相位差Φ中每一个变化成比在执行以下控制时的水平更低的水平所导致的传输电力P的波动量:在增大相位差Φ之后增大切换频率f。
[0097]由于由等式I确定传输电力P，所以即使当没有改变相位差Φ时控制单元50通过增大切换频率f( = ω/2 π )来减小传输电力P。例如，如图4中所示，随着切换频率f从
增大到f2，电源电路10的操作点从曲线P(f\)上的相位差Ct1处的操作点a转移到曲线P(f2)上的同一相位差处的操作点b，因此传输电力P减小。然而，由于控制单元50进行通过增大切换频率f增大相位差Φ的控制，所以相位差Φ从Ct1开始增大。当相位差Φ从Φ:开始增大时，传输电力P增大，并且效率η也从Il1开始增大。
[0098]具体地，在如下情况下:控制单元50增大相位差Φ使得传输电力P收敛于目标传输电力Ρ1，电源电路10的操作点沿曲线P(f2)从相位差Ct1处的操作点b转移到相位差Φ2处的操作点C。于是，即使当电源电路10在传输电力P收敛于目标传输电力Pi的操作点处进行操作时通过改变切换频率f将传输电力P从目标传输电力Pl转移的情况下，可以使传输电力P再次收敛于目标传输电力P1。另外，相位差Φ从Φ:增大到Φ2,因此效率η从H1增大到n2o
[0099]当电源电路10在操作点c处进行操作时进一步增大目标传输电力Pl的情况下，控制单元50可以通过将切换频率f从f2减小来增大传输电力P。例如，控制单元50在变化之前将切换频率f设置回原始值f\。随后，控制单元50改变相位差Φ，使得传输电力P跟随目标传输电力Pl增大。于是，可以使传输电力P收敛于增大的目标传输电力P1。
[0100]图5是示出了电力转换方法的示例的流程图。控制单元50确定是否检测到效率n小于设定阈值并且相位差Φ小于设定阈值Φ。(步骤s1)。
[0101]当检测到效率η小于设定阈值Hc1并且相位差Φ小于设定阈值(K时，控制单元50将切换频率f设置成f2 (步骤S30)。例如，在将切换频率f设置成的情况下，当检测到效率η小于设定阈值Ho并且相位差Φ小于设定阈值Φο时，控制单元50将切换频率f从fi增大到f2。当切换频率f从fi增大到f2时，如上所述，从而相位差Φ从Φ i增大到Φ2，因此效率η增大。可替代地，例如，在将切换频率f设置成&的情况下，当检测到效率n小于设定阈值Htl并且相位差φ小于设定阈值Φο时，效率n仍然低，因此控制单元50继续将切换频率f保持在f2。
[0102]另一方面，当检测到效率η不小于设定阈值Hc1和/或相位差Φ不小于设定阈值Φ ο时，控制单元50将切换频率f设置成(步骤S20)。例如，在将切换频率f设置成的情况下，当检测到效率n不小于设定阈值Htl和/或相位差φ不小于设定阈值Φο时，控制单元50继续将切换频率f保持在f\。可替代地，例如，在将切换频率f设置成f2的情况下，当检测到效率n不小于设定阈值Htl和/或相位差φ不小于设定阈值Φο时，控制单元50将切换频率f从f2减小到fp通过减小切换频率f，即使当没有改变相位差Φ时，也可以增大传输电力P的最大值。
[0103]上面描述了电力转换装置和电力转换方法的实施方式，但本发明不限于上述实施方式，而是在本发明的范围内可以实现各种实施方式和改进如使用另外的实施方式部分地或全部地组合或代替上述实施方式。
[0104]例如，在控制单元50进行改变相位差Φ使得传输电力P收敛于目标传输电力Pa的控制的情况下，当检测到目标传输电力Pa小于设定阈值Ptl时，控制单元50可以进行通过增大切换频率f来增大相位差Φ的控制。使用该控制，在发出目标传输电力Pa小于设定阈值Ptl的命令的情况下，可以防止根据该命令控制相位差Φ小并且降低效率H的情形。
[0105]另外，当检测到目标传输电力Pa不小于设定阈值Ptl时，控制单元50可以进行将切换频率f从f2减小到的控制。使用该控制，在发出目标传输电力Pa不小于设定阈值Ptl的命令的情况下，可以防止传输电力P变得少于目标传输电力Pa。
[0106]此外，例如，在上述实施方式中，引用遭遇接通/关断操作的半导体元件的MOSFET作为开关元件的示例。然而，开关元件可以是使用绝缘栅的电压控制型电力元件例如诸如绝缘栅双极型晶体管(IGBT)或MOSFET或双极型晶体管。
[0107]此外，电源可以连接至第一输入/输出端口 60a，以及电源可以连接至第四输入/输出端口 60d。而且，电源不需要连接至第二输入/输出端口 60c，以及电源不需要连接至第三输入/输出端口 60b。
【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)磁耦接至所述初级侧电路(20);以及 控制单元(50)，所述控制单元(50)增大所述初级侧电路(20)和所述次级侧电路(30)中每一个的切换的频率以及在所述初级侧电路(20)的切换与所述次级侧电路(30)的切换之间的相位差，使得在所述初级侧电路(20)与所述次级侧电路(30)之间的电力转换效率增大。
2.根据权利要求1所述的电力转换装置，其中，所述控制单元(50)通过增大所述频率来增大所述相位差。
3.一种电力转换装置，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)磁耦接至所述初级侧电路(20)，其中，随着在所述初级侧电路(20)的切换与所述次级侧电路(30)的切换之间的相位差越小，所述初级侧电路(20)与所述次级侧电路(30)之间的电力转换效率降低到更小的值；以及 控制单元(50)，所述控制单元(50)通过增大所述初级侧电路(20)和所述次级侧电路(30)中每一个的切换的频率来增大所述相位差。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的电力转换装置，其中，所述控制单元(50)通过增大所述频率来减小在所述初级侧电路(20)与所述次级侧电路(30)之间传输的传输电力，并且通过增大所述相位差来增大所述传输电力。
5.根据权利要求4所述的电力转换装置，其中，所述控制单元(50)增大所述相位差，使得所述传输电力收敛于目标电力。
6.根据权利要求5所述的电力转换装置，其中，当所述目标电力增大时，所述控制单元(50)通过减小所述频率来增大所述传输电力。
7.根据权利要求6所述的电力转换装置，其中，当所述电力转换效率、所述相位差和所述目标电力中至少之一不小于设定阈值时，所述控制单元(50)减小所述频率。
8.根据权利要求6或7所述的电力转换装置，其中，所述控制单元(50)改变所述相位差，使得所述传输电力跟随所述目标电力的增大。
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，当所述电力转换效率和所述相位差中至少之一小于设定阈值时，所述控制单元(50)增大所述频率和所述相位差。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的电力转换装置，还包括: 初级侧电压检测单元，所述初级侧电压检测单元检测所述初级侧电路(20)的输入/输出电压； 初级侧电流检测单元，所述初级侧电流检测单元检测所述初级侧电路(20)的输入/输出电流； 次级侧电压检测单元，所述次级侧电压检测单元检测所述次级侧电路(30)的输入/输出电压；以及 次级侧电流检测单元，所述次级侧电流检测单元检测所述次级侧电路(30)的输入/输出电流， 其中，基于从所述初级侧电压检测单元、所述初级侧电流检测单元、所述次级侧电压检测单元和所述次级侧电流检测单元输出的检测值来得到所述电力转换效率。
11.根据权利要求1至9中任一项所述的电力转换装置，其中，基于所述电力转换效率与所述相位差之间的相关性来得到所述电力转换效率。
12.根据权利要求1至4中任一项所述的电力转换装置，其中，所述控制单元(50)改变所述相位差，使得在所述初级侧电路(20)与所述次级侧电路(30)之间传输的传输电力收敛于目标电力，并且当所述目标电力小于设定阈值时，增大所述频率和所述相位差。
13.一种电力转换方法，包括: 根据初级侧电路(20)与通过变压器(400)磁耦接至所述初级侧电路(20)的次级侧电路(30)之间的电力转换效率，改变所述初级侧电路(20)和所述次级侧电路(30)中每一个的切换的频率以及在所述初级侧电路(20)的切换与所述次级侧电路(30)的切换之间的相位差。
14.根据权利要求13所述的电力转换方法，其中，当检测到所述电力转换效率降低时，改变所述频率和所述相位差。
【文档编号】H02M5/16GK104184336SQ201410213323
【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】武藤润 申请人:丰田自动车株式会社