DC到DC转换器的制作方法

dc到dc转换器
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求于2020年8月18日提交的序列号为63/067,206的美国临时申请的利益，该美国临时申请的公开内容在此通过引用被全部并入本文。
技术领域
3.在至少一个方面中，提供了一种用于在电动或混合电动车辆中的dc到dc转换的方法和设备。
4.背景
5.如图1所示，dc-dc功率转换器现在最常见地使用llc结构来实现。这种结构需要由lr和cr组成的谐振回路和通常在这些应用中具有降压转换的隔离变压器。这个事实由于对两个磁性元件的需要而使这个实现变得昂贵，并且由于在最终转换器操作中的谐振回路中的变化的影响而变得对调谐有挑战性。
6.为了解决这些问题，已经提出了双有源桥式拓扑以减轻llc实现的主要缺点(图2a)。在有利的实现中，所需的串联电感可以集成到变压器中，导致单个磁性部件的使用。像cr一样但更小的串联电容器可以用来进一步避免任何电流dc分量到达变压器，尽管通常dc电流通过控制被强制为零。
7.这样的转换器的主要挑战之一是对提供高输出电流的需要。这通常使设计变压器次级成为有挑战性的任务。为了实现适当的设计，通常使用多个整流器实现(图2b)以获得所需的输出电流。然而，这由于额外的功率、驱动和控制设备以及额外的控制复杂性而导致增加的成本。
8.因此，需要具有在低电压级上产生的减少的电流的改进的高至低电压dcdc转换器。
9.概述
10.在至少一个方面中，提供了应用双有源桥式整流器拓扑的双向或单向dc-dc转换器。双向或单向dc-dc转换器将输入dc电压转换成输出dc电压。双向或单向dc-dc转换器包括第一开关网络和第二开关网络。第一开关网络接收或输出第一dc电压和第一ac电压。第一开关网络被配置成接收第一dc电压并将第一dc电压转换成第一ac电压或将第一ac电压转换成第一dc电压并输出第一dc电压。第二开关网络从次级侧总线电压操作。双向或单向dc-dc转换器还包括具有初级绕组和次级绕组的变压器。变压器被配置为接收第一ac电压并输出第二ac电压，或者接收第二ac电压并输出第一ac电压。次级绕组包括第一端端子、第二端端子和位于第一端端子和第二端端子之间的输出端子。初级绕组与第一开关网络电通信，而次级绕组与第二开关网络电通信。第二开关网络连接在次级绕组的第一端端子和第二端端子之间。次级绕组和第二开关网络被配置成将第二ac电压转换成第二dc电压或将第二dc电压转换成第二ac电压。第一开关网络和第二开关网络被操作，使得第一电流在次级绕组的第一端端子和输出端子之间流动，第二电流在次级绕组的第二端端子和输出端子之间流动，并且第三电流流过初级绕组。典型地，第一电流、第二电流和第三电流至少部分地
由在初级绕组和次级绕组之间的互感建立，使得当第一dc电压是输入dc电压时，第二dc电压是输出dc电压，以及当第二dc电压是输入dc电压时，第一dc电压是输出dc电压。
11.在另一方面中，400/12v dcdc转换器使变压器的次级侧一分为二(用中点)。这个设计能够使在次级开关级处的工作电压加倍，因而将穿过其中的部件的电流减少一半。该设计还使得使用较低成本开关或者更少的开关(在并联的情况下)成为可能，导致成本降低。
12.在另一方面中，提供了消除低电压1(例如12v)滤波器部件的dcdc转换器。由于在这个新配置中可用的功能改进，滤波器部件可以被消除。
13.在又一方面中，提供了消除对在次级侧dc输出上的扼流圈的需要的dcdc转换器。相反，变压器次级侧的电感用于提供dc输出。
14.附图简述
15.为了对本公开的性质、目的和优点的进一步理解，应当参考结合下面的附图阅读的下面的详细描述，其中相似的参考数字表示相似的要素，以及其中：
16.图1：现有技术dc-dc转换器的示意图。
17.图2a：现有技术dc-dc转换器的示意图。
18.图2b：现有技术dc-dc转换器的示意图。
19.图3：双向或单向dc-dc转换器的创造性设计的示意图。
20.图4a、4b和4c：在初级侧上接收输入dc电压而在次级侧上输出了输出dc电压的转换器的初级侧波形：初级侧总线电压、半桥1输出电压(“pvhb1”)和半桥2输出电压(“pvhb2”)、全桥输出电压桥输出电压(pvhb1-pvhb2)以及穿过变压器初级的电流(i(l3))。
21.图5a、5b、5c和5d：在初级侧接收输入dc电压而在次级侧上输出了输出dc电压的转换器的次级侧波形：次级侧总线电压、半桥1输出电压(“svhb1”)和半桥2输出电压(“svhb2”)、全桥输出电压(svhb1-svhb2)以及穿过变压器次级的电流(图3中的i(l1)和i(l2))。
22.图6：在初级侧上接收输入dc电压而在次级侧上输出了输出dc电压的转换器的初级侧输出电压(pvhb1-pvhb2)、次级侧输出电压(svhb1-svhb2)和穿过变压器初级的电流(i(l3))的细节。
23.图7a、7b和7c：在次级侧上接收输入dc电压而在初级侧上输出了输出dc电压的转换器的初级侧波形：初级侧总线电压、半桥1输出电压(“pvhb1”)和半桥2输出电压(“pvhb2”)、全桥输出电压桥输出电压(pvhb1-pvhb2)以及穿过变压器初级的电流(i(l3))。
24.图8a、8b、8c和8d：在初级侧上接收输入dc电压而在次级侧上输出了输出dc电压的转换器的次级侧波形：次级侧总线电压、半桥1输出电压(“svhb1”)和半桥2输出电压(“svhb2”)、全桥输出电压(svhb1-svhb2)以及穿过变压器次级的电流(图3中的i(l1)和i(l2))。
25.详细描述
26.现在将详细地参考本发明的目前优选的实施例和方法，其构成发明人目前已知的实践本发明的最佳方式。附图不一定是按比例绘制的。然而，应理解，所公开的实施例仅是本发明的示例，本发明可以以各种形式和替代性形式实施。因此，本文所公开的具体细节不应被理解为限制性的，而是仅作为用于本发明的任何方面的代表性基础，和/或作为用于教
导本领域技术人员以各种方式利用本发明的代表性基础。
27.还应理解，本发明不限于以下所描述的特定实施例和方法，因为特定部件和/或条件当然可以变化。另外，本文所使用的术语仅为了描述本发明的特定实施例的目的而使用并且不意图以任何方式是限制的。
28.还必须注意的是，如在说明书和所附权利要求书中所使用的，除非上下文另有明确指示，否则单数形式“一(a)”、“一(an)”和“该(the)”包括复数指代。例如，以单数形式提及的部件意图包括多个部件。
29.术语“包括(comprising)”是“包括(including)”、“具有(having)”、“包含(containing)”、或“特征在于(characterized by)”的同义词。这些术语是包括性的和开放性的，并且不排除另外的、未被提及的要素或方法步骤。
30.短语“由...组成(consisting of)”排除权利要求中未指定的任何要素、步骤或成分。当该短语出现在权利要求的主体部分的一个子句中而不是紧接在前序部分之后时，它仅限制该子句中陈述的要素；其它要素并不从作为整体的该权利要求被排除。
31.短语“基本上由...组成(consisting essentially of)”将权利要求的范围限于所指定的材料或步骤，加上不实质影响所要求保护的主题的基本的和新颖的特性的那些材料或步骤。
32.关于术语“包括(comprising)”、“由...组成(consisting of)”和“基本上由...组成(consisting essentially of)”，在该三个术语中的一个在本文中被使用的情况下，当前公开的和所要求保护的主题可以包括使用其它两个术语中的任一个。
33.还应该认识到，整数范围明确地包括所有中间的整数。例如，整数范围1-10明确地包括1、2、3、4、5、6、7、8、9和10。类似地，范围1到100包括1、2、3、4...97、98、99、100。类似地，当任何范围被要求时，将上限和下限之间的差除以10作为增量的介于中间的数字可以被当作是可选的上限或下限。例如，如果范围是1.1到2.1，下面的数字1.2、1.3、1.4、1.5、1.6、1.7、1.8、1.9和2.0可以被选择为下限或上限。
34.术语“连接到”意味着被称为连接到的电气部件处于电通信中。在一种改进中，“连接到”意味着被称为连接到的电气部件直接用电线连接到彼此。在另一种改进中，“连接到”意味着电气部件无线地或者通过有线和无线地连接的部件的组合进行通信。在另一种改进中，“连接到”意味着一个或更多个附加的电气部件插在被称为连接到的电气部件之间，来自始发部件的电信号在被接收到连接到它的部件之前被处理(例如被滤波、放大、调制、整流、衰减、求和、减去等)。
35.术语“电通信”意味着电信号直接或间接地从始发电子设备发送到接收电气设备。间接电通信可以涉及电信号的处理，包括但不限于信号的滤波、信号的放大、信号的整流、信号的调制、信号的衰减、信号与另一信号的相加、信号从另一信号的减去、另一信号从信号的减去和诸如此类。电通信可以用有线部件、无线地连接的部件或其组合来完成。
36.术语“电信号”指来自电子设备的电输出或到电子设备的电输入。电信号以电压和/或电流为特征。电信号可以是固定信号，或者电信号可以随时间变化。
37.术语“dc信号”或“dc电压”指具有总是超过0伏的电压值的电信号或电压。
38.术语“ac信号”或“ac电压”指具有在正电压和负电压之间变化并且经过(cross)0伏的电压的电信号或电压。
39.术语“电子部件”指在电子设备或系统中的用于影响电子状态、电子流或与电子相关联的电场的任何物理实体。电子部件的例子包括但不限于电容器、电感器、电阻器、晶闸管、二极管、晶体管等。电子部件可以是无源的或有源的。
40.术语“电子设备”或“系统”指由一个或更多个电子部件形成以对电信号执行预定功能的物理实体。
41.应当理解，在电子设备的任何附图中，通过线路(例如，电线)连接的一系列电子部件指示这样的电子部件彼此电通信。此外，当线路将一个电子部件定向连接到另一个电子部件时，这些电子部件可以如上所述地彼此连接。
42.缩写：
[0043]“ac”意指交流电。
[0044]“dab”是指双有源桥。
[0045]“dc”意指直流电。
[0046]
现在参考图3，提供了双向或单向直流/直流(dc/dc)转换器系统的示意图。将输入dc电压转换成输出dc电压的双向或单向dc/dc转换器系统10应用双有源桥式整流器拓扑。在一个变形中，dc/dc转换器10包括初级12和次级14。在这个上下文中，初级12和次级14也可以被称为初级侧12和次级侧14。初级12被配置为接收(或输出)第一dc电压vdc1，而次级被配置为输出(或接收)第二dc电压vdc2。在一个变形中，第一开关网络16接收或输出第一dc电压和第一ac电压vac1。在一个改进中，当初级接收输入dc电压(作为第一dc电压vdc1)时，次级输出了输出dc电压(作为第二dc电压vdc2)，第一开关网络16被配置成接收输入dc电压并将第一dc电压转换成第一ac电压vac1。在另一个改进中，当次级接收输入dc电压(作为第二dc电压vdc2)时，初级输出了输出dc电压(作为第一dc电压vdc1)，第一开关网络16被配置成将第一ac电压vac1转换成第一dc电压并输出第一dc电压。在一个改进中，输出dc电压小于输入dc电压。在另一个改进中，输出dc电压大于输入dc电压。
[0047]
dc/dc转换器系统10还包括具有初级绕组20和次级绕组的变压器18，次级绕组被分成第一绕组部分221和第二绕组部分222。在一个改进中，初级绕组是初级的一部分，以及次级绕组是次级的一部分。i(l1)和i(l2)指穿过第一绕组部分221和第二绕组部分222的电流，l1和l2代表其电感。i(l3)指穿过初级绕组20的电流，l3代表其电感。变压器18还包括铁芯24，且特别是磁性铁芯。第一电流i(l1)和第二电流i(l2)合并以形成提供输出dc电压的输出dc电流。在一个改进中，第一电流约等于第二电流乘以-1加上偏移值。铁芯24可以提供初级12与次级14的电分离。初级绕组与第一开关网络16电通信，而次级绕组与第二开关网络28电通信。在一个改进中，当初级接收输入dc电压并且次级输出了输出dc电压时，变压器18被配置成将第一ac电压vac1转换成第二ac电压vac2。在另一个改进中，当次级接收输入dc电压并且初级输出了输出dc电压时，变压器18被配置成将第二ac电压vac2转换成第一ac电压vac1。在一个改进中，第二ac电压的峰峰值为从大约30伏到60伏。在另一改进中，第二ac电压的峰峰值为大约48伏。
[0048]
第二开关网络28通过连接到端子ts1和端子ts2而连接在次级绕组两端(即，连接在第一绕组部分221和第二绕组部分222的组合两端)。次级绕组22指第一绕组部分221和第二绕组部分222的串联组合。在一个改进中，当初级接收输入dc电压(作为第一dc电压vdc1)时，次级14输出了输出dc电压(作为第二dc电压vdc2)，次级绕组22和第二开关网络28组合
地被配置成将第二ac电压vac2转换成第二dc电压vdc2。在另一个改进中，当次级14接收输入dc电压(作为第二dc电压vdc2)时，初级12输出了输出dc电压(作为第一dc电压vdc1)，初级绕组20和第一开关网络16组合地被配置为将第一ac电压转换成第一dc电压。
[0049]
有利地，第一开关网络16和第二开关网络28被操作，使得第一电流i(l1)在次级绕组的第一端端子和输出端子之间流动，第二电流i(l2)在次级绕组的第二端端子和输出端子之间流动，并且第三电流i(l3)穿过初级绕组。典型地，第一电流i(l1)、第二电流i(l2)和第三电流i(l3)至少部分地由在初级绕组20和次级绕组22之间的互感建立，使得当第一dc电压是输入dc电压时，第二dc电压是输出dc电压，以及当第二dc电压是输入dc电压时，第一dc电压是输出dc电压。应当认识到，第二dc电压vdc2从在位于端子ts1和ts2之间的次级绕组中的端子tm输出或被输入到端子tm。
[0050]
还应当认识到，在变压器18中的相同磁性部件用于执行在dab结构处的隔离变压器功能和在降压结构处的串联电感。此外，在次级侧处的功率设备执行两个任务：dab转换器的次级侧和交错转换器。这提供了有成本效益的实现。
[0051]
仍然参考图3，第一开关网络16可以包括第一h桥电路。因此，第一开关网络16包括开关sp1、sp2、sp3和sp4。第一开关网络16包括第一h桥臂30和第二h桥臂32。在第一h桥臂30中，晶体管开关sp1的源极连接到变压器18的初级绕组20的第一输入端子tp1。晶体管开关sp1的漏极连接到初级侧电压总线vpb1的正侧，其与dc输入电压vdcin的正侧电通信。晶体管开关sp1的源极也连接到晶体管开关sp2的漏极。因此，晶体管开关sp1的源极和晶体管开关sp2的漏极都连接到初级绕组20的第一输入端子tp1。晶体管开关sp2的源极与初级侧电压总线vpb1的负侧电通信，且因此与dc输入电压dcvin的负侧电通信。类似地，在第二h桥臂32中，晶体管开关sp3的源极连接到初级绕组20的第二输入端子tp2。晶体管开关sp3的漏极连接到初级侧电压总线vpb1的正侧。晶体管开关sp3的源极也连接到晶体管开关sp4的漏极。因此，晶体管开关sp3的源极和晶体管开关sp4的漏极都连接到初级绕组20的第二输入端子tp2。晶体管开关sp4的源极与初级侧电压总线vpb1的负侧电通信。在操作期间，当初级接收dc输入(作为第一dc电压vdc1)时，第一开关网络16通过产生交替地施加到变压器的正电压和负电压来建立施加到变压器18的第一ac电压vac1。当次级14接收dc输入(作为第二dc电压vdc2)时，第一开关网络16将第一ac电压vac1转换成现在是转换器的输出的第一dc电压vdc1。
[0052]
仍然参考图3，第二开关网络28可以包括第二h桥电路。因此，第二开关网络28包括开关ss1、ss2、ss3和ss4。第二开关网络28包括第一h桥臂40和第二h桥臂42。在第一h桥臂40中，晶体管开关ss1的源极连接到变压器18的次级绕组22的第一输入端子ts1。晶体管开关ss1的漏极连接到次级侧电压总线vpb2的正侧，其与电容器c1的正侧电通信。晶体管开关ss1的源极也连接到晶体管开关ss2的漏极。因此，晶体管开关ss1的源极和晶体管开关ss2的漏极都连接到次级绕组22的第二输入端子ts2。晶体管开关ss2的源极与次级侧电压总线vpb2的负侧电通信，且因此与电容器c1的负侧电通信。类似地，在第二h桥臂42中，晶体管开关ss3的源极连接到次级绕组22的第一输入端子ts1。晶体管开关ss3的漏极连接到次级侧电压总线vpb2的正侧，其与电容器c1的正侧电通信。晶体管开关s3的源极也连接到晶体管开关ss4的漏极。因此，晶体管开关ss3的源极和晶体管开关ss4的漏极都连接到变压器20的第二输入端子ts2。晶体管开关ss4的源极与次级侧电压总线vpb2的负侧电通信，次级侧电
压总线vpb2的负侧与电容器c1的负侧电通信。在操作期间，当初级接收输入dc电压(作为第一dc电压vdc1)时，第二开关网络28允许相同的电压极性在第二ac电压的每个周期的正部分和负部分期间被提供到变压器18的输出端子tm。当次级14接收输入dc电压(作为第二dc电压vdc2)时，第二开关网络28被切换以产生施加到变压器18的第二ac电压。因此，在次级上，晶体管ss1和ss2形成第一次级侧h桥，而晶体管ss3和ss4形成第二次级侧h桥。例如，当在端子ts1处的电压相对于端子ts2为正时，开关ss1和ss4被启动(即接通)，而开关ss2和ss3断开(即关断，不传导)。当在端子ts2处的电压相对于端子ts1为正时，开关ss2和ss3被启动(即接通或闭合)，而开关ss1和ss4断开(即关断)。
[0053]
在一个变形中，次级操作以降低在次级总线处的输出电压，以获得所需的输出dc电压。在一个改进中，输出dc电压是次级总线电压的一半。在典型的400-12dc-dc转换器实现中，次级总线电压为24v，以及所供应的输出电压为12v。由于增加的总线电压，该转换级提供减少穿过功率设备的电流的关键好处。因此，输出电流能力极大地增强。
[0054]
在一个变形中，转换器10还包括被配置为控制在第一开关网络16和第二开关网络28中的晶体管开关的微控制器50。在一个改进中，微控制器50可以向晶体管开关sp1、sp2、sp3和sp4的栅极发送控制信号。在这点上，晶体管开关sp1和sp4形成第一对，其一起被激活，并且通过控制信号被同时接通和关断。类似地，晶体管开关sp2和sp3形成第二对，其一起被激活，通过控制信号被同时接通和关断。第一对晶体管开关sp1和sp4由控制信号交替地启动。因此，第一对晶体管开关sp1和sp4的控制信号与第二对晶体管开关sp2和sp2(通常180
°
)异相(通常180
°
)。输出是相同的信号，在l3上，第一h桥臂包括晶体管开关ss1和ss2，以及第二h桥臂包括晶体管开关ss3和ss4，在第一输入端子tp1和第二输入端子tp2处的相应中点电压是异相的。最后，h桥输出将是在tp1处的电压和在tp2处的电压之差。
[0055]
微控制器50还可以向晶体管开关ss1、ss2、ss3和ss4的栅极发送控制信号。在这点上，晶体管开关ss1和ss4形成第一对，其一起被激活，并同时被控制信号接通和关断。类似地，晶体管开关ss2和ss3形成第二对，其一起被激活，并且同时被控制信号接通和关断。第一对晶体管开关sp1和sp4以及第二对晶体管开关sp2和sp3由控制信号交替地启动。因此，第一对晶体管开关sp1和sp4的控制信号与第二对晶体管开关sp2和sp3(通常180
°
)异相(通常180
°
)。尽管本发明不被控制信号的类型和频率限制，但是大约20到120khz的频率可以被使用。控制信号可以是方波或任何其他合适的波形。
[0056]
参考图4至图6，提供了图3的转换器的波形，其中初级12接收输入dc电压，以及次级14输出了输出dc电压。特别是，输入dc电压可以是高电压dc输入(例如，大约360伏到920伏或者大约170伏到470伏。)而输出dc电压可以是低电压dc输出(8伏到16伏或24伏到58伏)。在该变形中，第一开关网络16对输入dc电压(即，第一dc电压vdc1)进行操作以形成施加到变压器18的第一ac电压vac1。变压器将第一ac电压vac1转换成第二ac电压vac2。变压器18的次级绕组和第二开关网络被配置成将第二ac电压转换成第二dc电压，电流至少部分地由如上面所阐述的互感建立。图4a提供了初级侧总线电压和半桥1输出电压(“pvhb1”)的曲线图。图4b提供了初级侧总线电压和初级半桥2输出电压(“pvhb2”)的曲线图。图4c提供了初级侧全桥输出电压(pvhb1-pvhb2)和穿过变压器初级的电流(i(l3))的曲线图。图5a提供了次级侧总线电压和半桥1输出电压(“svhb1”)的曲线图。图5b提供了次级侧总线电压和半桥2输出电压(“svhb2”)的曲线图。图5c提供了全桥输出电压和次级侧全桥输出电压
(svhb1-svhb2)的曲线图，以及图5d提供了穿过图3中的变压器次级的电流(i(l1)和i(l2))。图6提供了初级侧输出电压(pvhb1-pvhb2)、次级侧h桥输出电压和穿过变压器初级的电流(i(l3))的曲线图。
[0057]
参考图7a至图8d，提供了图3的转换器的波形，其中提供了次级14接收输入dc电压，以及初级12输出了输出dc电压。特别是，输入dc电压可以是低电压dc输入(例如，8伏到16伏或24伏到58伏)，而输出电压可以是高电压dc输出(360伏到920伏)。在该变形中，输入dc电压在次级绕组的端子tm处被次级14接收，从次级侧总线电压操作的第二开关网络28将输入dc电压转换成第二ac电压。变压器18将第二ac电压转换成第一ac电压。然后操作第一开关网络16以将第一ac电压转换成输出dc电压。图7a提供了半桥1输出电压(“pvhb1”)的曲线图。图7b提供了初级半桥2输出电压(“pvhb2”)的曲线图。图7c提供了初级侧全桥输出电压(pvhb1-pvhb2)和穿过变压器初级的电流(i(l3))的曲线图。图8a提供了次级侧总线电压和半桥1输出电压(“svhb1”)的曲线图。图8b提供了次级侧总线电压和半桥2输出电压(“svhb2”)的曲线图。图8c提供了全桥输出电压(svhb1-svhb2)的曲线图，图8d提供了穿过变压器次级的电流(图3的i(l1)和i(l2))的曲线图。
[0058]
虽然上文描述了示例性实施例，但这不意味着这些实施例描述了本发明的所有可能形式。相反，在本说明书中使用的这些言词是说明性而非限制性的言词，并且应当理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以做出各种改变。此外，可以组合不同的实现实施例的特征以形成本发明的另外的实施例。