具有部分功率转换的功率转换装置的制作方法

本发明涉及一种具有部分功率转换的功率转换装置及对应的方法。具体地，本发明涉及功率转换器(特别是ac/dc功率转换器)的电路拓扑领域。具体地，本发明涉及一种具有部分功率转换的隔离ac/dc转换器，用于汽车车载充电器(on-board charger，obc)和其他应用等。

背景技术：

1、在从电网以确定的功率因数向非常宽范围的输出电压提供能量时，一些应用(如汽车车载充电器(on-board charger，obc)要求ac电网输入与dc电电池输出之间的电隔离。为了满足这些条件，需要考虑转换器的体积、成本和效率，找到最佳解决方案是一个挑战。实现这一目标的最常见方法是使用由ac/dc功率因数校正(power factor correction，pfc)整流器和隔离dc/dc转换器(例如，llc谐振转换器)组成的两级系统。pfc级将dc母线电压保持近乎恒定在400v左右，隔离dc/dc转换器负责使用频率调制来调节输出电压和电流。这样，需要在一定的范围内扫描dc/dc的开关频率，这取决于谐振回路参数。

2、在此解决方案中，在接近谐振频率的开关频率下(在此条件下，增益为单位增益)，实现了最佳性能。对于电池充电器应用，因为电池电压范围非常宽，所以如果dc母线电压恒定，则llc谐振转换器的增益范围可以非常大。为了实现这一非常宽的增益范围，开关频率需要远离谐振频率变化，从而导致效率快速下降，主要原因是组件处理的无功功率量较高。除了效率较低之外，llc变压器的设计也未进行优化，因为频率范围较宽，导致其磁芯尺寸较大。

技术实现思路

1、本发明提供了一种用于功率转换器的电路的解决方案，所述电路可以应用于车载充电器，而没有上述缺点。

2、具体地，本发明提出了一种用于提供用于ac-dc功率转换的紧凑且高效的功率转换布置的解决方案。

3、上述和其它目的通过独立权利要求的特征来实现。其它实现形式在从属权利要求、说明书和附图中是显而易见的。

4、本发明提出了一种用于功率转换布置的新型拓扑，所述功率转换布置包括具有用于功率因数校正(power factor correction，pfc)的两个不同可变dc母线的5电平整流器，然后是提供输出电压调节的部分功率dc/dc转换器，最后是提供输入与输出之间的电隔离的隔离dc/dc转换器，如图1a和图1b所示。

5、所公开的整流器包括具有不同电压电平的两个不同dc母线，并且根据输入电压正弦波的相位角，转换器将选择最匹配所需输出电压电平的一个dc母线，从而提高调制指数和转换器效率。

6、两个dc母线的电压电平可以根据所需输出电压来调节。这些电压的总和可以保持与输出电压成比例。此功能可以由在两个dc母线之间交换功率的附加部分功率dc/dc转换器执行。由于大部分功率可以从pfc直接传输到隔离dc/dc转换器，因此附加dc/dc转换器可以仅设计用于标称功率的很小一部分。

7、由于两个dc母线电压可以根据所需输出电压来调节，因此电压和电流调节功能不再是对隔离dc/dc转换器级的要求。由于其效率高并且尺寸紧凑，因此相比仅用于电隔离目的而没有任何调节功能的频率调制llc，以固定频率(在其谐振频率下)操作的串联谐振转换器(series resonant converter，src)是优选的。

8、根据本发明的实施例，全桥src的两个初级臂中的一个臂可以连接到第一dc母线电容器c1，而另一个臂可以连接到第二dc母线电容器c2，如图3a所示。隔离转换器的每个臂上的不同电压通常会导致变压器具有dc分量，这会导致磁芯饱和。然而，采用串联谐振转换器来实现这一功能可以容易地解决这一问题。这是因为其串联谐振电容器可以阻挡谐振回路上的dc分量。这样，变压器的磁化电感器上的电压就像在具有等效dc母线电压的标准隔离电路中一样起作用。

9、反过来，部分功率dc/dc转换器可以调节第二dc母线电压使得考虑到变压器的匝数比n，等效dc母线电压可以相对于输出电压成比例调节。由于存在电流从两个pfc整流器输出端口流到两个src输入端口的直接路径，因此部分功率dc/dc转换器可以仅处理输入-输出端口节点中可以存在的功率差值，这表示附加dc/dc转换器可以仅设计用于标称功率的一小部分。

10、因此，串联谐振转换器可以仅用于电隔离目的，并且可以在等于其谐振频率的固定开关频率下工作，具有独立于输出负载的单位增益。如有必要，可以通过隔离谐振转换器的占空比调制等进一步降低输出电压(降低至零)。

11、所提出的新型功率转换技术可以通过使用优化的转换器进行整流和隔离来增强整体obc性能。与具有固定dc母线电压的传统pfc整流器相比，其不仅解决了低调制指数导致的效率降低问题，而且还提高了效率。由于两个dc母线电压都可以保持低于450v，因此可以使用650v甚至更低电压等级的器件。

12、为了详细地描述本发明，将使用以下术语、缩写和标记方法：

13、obc 车载充电器

14、pfc 功率因数校正

15、dc 直流

16、ac 交流

17、zvs 零电压开关

18、pwm 脉宽调制

19、emc 电磁兼容性

20、llc 具有两个电感l和一个电容c的滤波器网络

21、cllc 具有两个电感l和两个电容c的滤波器网络

22、src 串联谐振转换器

23、在本发明中，描述了转换器，即功率转换器和功率电子转换器。功率转换器用于将电能从一种形式转换为另一种形式，例如在ac与dc之间或在dc与dc之间转换，例如在高压或中压dc与低压dc之间转换。功率转换器还可以改变电压或频率或这些的某种组合。功率电子转换器基于可以通过应用on/off逻辑(即，pwm操作，通常由闭环控制算法掌控)来主动控制的功率电子开关。

24、在本发明中，描述了pfc(功率因数校正(power factor correction，pfc))和pfc整流器。功率因数校正塑造离线电源的输入电流，以最大化从市电可用的实际功率。理想情况下，电器应当提供模拟纯电阻的负载，在这种情况下，设备汲取的无功功率为零。在这种场景中，固有情况是不存在输入电流谐波，即电流是输入电压(通常是正弦波)的完美复制品并且与之完全同相。在这种情况下，从市电汲取的电流对于执行所需工作所需的实际功率是最小的，这不仅最小化与功率分配相关联的损耗和成本，而且最小化与功率产生和过程中涉及的装备相关联的损耗和成本。功率因数校正定义为实际功率与视在功率的比率，其中实际功率是电流和电压的瞬时积在一个周期内的平均值，视在功率是电流的均方根值乘以电压的均方根值的乘积。如果电流和电压都是正弦的且同相的，则功率因数为1.0。如果两者都是正弦的但不同相，则功率因数是相位角的余弦。

25、根据第一方面，本发明涉及一种用于将交流(alternating current，ac)电压转换为直流(direct current，dc)电压的功率转换装置，所述功率转换装置包括：ac-dc转换级，所述ac-dc转换级用于将ac电压转换为第一dc母线处的第一dc母线电压和第二dc母线处的第二dc母线电压；连接到所述ac-dc转换级的dc-dc转换级，所述dc-dc转换级用于基于所述第一dc母线电压和所述第二dc母线电压来提供所述dc电压；和耦合在所述ac-dc转换级与所述dc-dc转换级之间的部分功率dc-dc转换器，所述部分功率dc-dc转换器用于在所述第一dc母线与所述第二dc母线之间交换功率。

26、这表示在第一dc母线与第二dc母线之间交换功率。

27、这种功率转换装置提供了用于ac-dc功率转换的紧凑且高效的转换设备的优点。

28、功率转换装置可以有利地应用于采用隔离dc-dc谐振转换器(例如，在谐振下以固定频率操作的src)的电压转换器电路中。特别是对于在非常宽的电池电压范围内操作的电池充电器应用而言，所述功率转换装置能够以高系统效率操作。由于功率转换装置的设计，磁芯的尺寸可以减小，并且obc的重量也可以减小。

29、在功率转换装置的输出上所需的电压(即上述dc电压)可以是由设备的操作者设置的dc电压，例如由操作者从一个或多个预定义的dc电压值中选择的dc电压。替代地，在功率转换布置的输出上所需的电压(即上述dc电压)可以是连接到功率转换装置的电池的电池电压，例如电池所需的标称电压。例如，所需输出电压可以连接到dc-dc转换级的输出。

30、在所述功率转换装置的示例性实现方式中，所述部分功率dc-dc转换器用于调节所述第二dc母线电压的值，使得等效dc母线电压与所述dc电压的预先确定值成比例，其中所述等效dc母线电压对应于所述第一dc母线电压的值和所述第二dc母线电压的所述值之和的一半。

31、由于功率转换装置的这一特性，部分功率dc-dc转换器仅处理输入-输出端口节点中可以存在的功率差值，这表示部分功率dc-dc转换器可以仅设计用于标称功率的一小部分。因此，功率转换装置的组件尺寸可以减小。

32、在所述功率转换装置的示例性实现方式中，所述dc-dc转换级包括具有匝数比的变压器；其中所述dc电压的所述值对应于所述等效dc母线电压除以所述变压器的所述匝数比。

33、这提供了这样的优点，即功率转换装置的转换关系可以根据变压器的设计(即匝数比)灵活地调整。

34、在所述功率转换装置的示例性实现方式中，所述dc-dc转换级包括串联谐振转换器，所述串联谐振转换器用于以等于其谐振频率的固定开关频率操作。

35、电隔离可以通过在谐振频率下工作的串联谐振转换器(series resonantconverter，src)而不是频率调制cllc来实现。这提供了以下优点：a)开环操作，不需要任何复杂的控制；b)在整个电压范围内更高的效率；c)更简单的同步整流，因为次级总是与初级同相；d)更小的优化的变压器，因为无功功率循环更低；e)仅在初级侧需要谐振回路，因为变压器耦合良好。

36、在所述功率转换装置的示例性实现方式中，所述ac-dc转换级包括用于提供所述第一dc母线电压的第一端口，和用于提供所述第二dc母线电压的第二端口；其中所述dc-dc转换级包括直接连接到所述ac-dc转换级的所述第一端口的第一端口，和直接连接到所述ac-dc转换级的所述第二端口的第二端口。

37、ac-dc转换级的两个端口与dc-dc转换级的两个端口的这种直接连接具有以下优点：部分功率dc-dc转换器可以仅处理输入-输出端口节点中可以存在的功率差值，这表示附加(即，部分功率)dc-dc转换器可以仅设计用于标称功率的一小部分。

38、在所述功率转换装置的示例性实现方式中，所述dc-dc转换级包括用于提供所述dc电压的第三端口，其中所述dc-dc转换级的所述第三端口与所述dc-dc转换级的所述第一端口和所述第二端口电隔离。

39、这提供了这样的优点，即可以满足关于中压或高压部分和低压部分的隔离的安全要求。此外，由于两个dc母线电压可以根据所需输出电压来调节，因此隔离dc-dc转换器仅用于电隔离目的，而没有任何调节功能。然而，如有必要，可以通过隔离谐振转换器的占空比调制等进一步降低输出电压(降低至零)。

40、在所述功率转换装置的示例性实现方式中，所述部分功率dc-dc转换器用于处理第一平均功率与第二平均功率之间的功率差值，其中所述第一平均功率是由所述ac-dc转换级提供给所述ac-dc转换级的所述第一或第二端口中的一个的功率，并且所述第二平均功率是所述dc-dc转换级从所述ac-dc转换级的所述相应端口需求的功率。

41、这提供了这样的优点，即根据操作点，流经部分功率dc-dc转换器的功率因此可以仅是额定功率的一部分。

42、提供给每个dc母线的功率与从每个dc母线需求的功率之间的差值越小，部分功率dc-dc转换器需要处理的功率量就越小。在此基础上，可以优化每个dc母线上的设计电压电平，特别是第二dc母线电压。值得注意的是，使第二dc母线电压低于某个值(例如，300v)允许在包括具有更低电压等级(例如，200v)的半导体器件的中性点箝位配置中采用src的对应臂。这种器件比标准650v器件更便宜、更高效且更小。

43、在所述功率转换装置的示例性实现方式中，所述部分功率dc-dc转换器包括连接到所述ac-dc转换级的所述第一端口和所述dc-dc转换级的所述第一端口的第一端口；并且所述部分功率dc-dc转换器包括连接到所述ac-dc转换级的所述第二端口和所述dc-dc转换级的所述第二端口的第二端口。

44、这提供了这样的优点，即部分功率dc-dc转换器可以互连在ac-dc转换级与dc-dc转换级之间以有效地调节第一和第二dc母线电压。

45、在所述功率转换装置的示例性实现方式中，所述功率转换装置包括：提供公共参考电位的参考节点，其中所述ac-dc转换级的所述第一端口和所述第二端口耦合到所述参考节点；其中所述dc-dc转换级的所述第一端口和所述第二端口耦合到所述参考节点；其中所述部分功率dc-dc转换器的所述第一端口和所述第二端口耦合到所述参考节点。

46、这提供了用于ac-dc转换级的两个端子和用于dc-dc转换级的两个端子的公共参考(或接地)电位的优点。这种公共参考电位实现了降低功率转换布置的设计复杂性。

47、在所述功率转换装置的示例性实现方式中，所述功率转换装置包括：耦合在所述ac-dc转换级的所述第一端口与所述参考节点之间的第一电容器，其中所述第一dc母线电压对应于所述第一电容器两端的电压；和耦合在所述ac-dc转换级的所述第二端口与所述参考节点之间的第二电容器，其中所述第二dc母线电压对应于所述第二电容器两端的电压。

48、这提供了这样的优点，即可以通过该实现方式有效地实现两个(或两个以上)可能配置中作为公共接地(即，参考节点)电容器配置的第一配置。

49、在所述功率转换装置的示例性实现方式中，所述功率转换装置包括：耦合在所述ac-dc转换级的所述第一端口与所述第二端口之间的第一电容器，其中所述第一dc母线电压对应于所述第一电容器两端的电压；和耦合在所述ac-dc转换级的所述第二端口与所述参考节点之间的第二电容器，其中所述第二dc母线电压对应于所述第二电容器两端的电压。

50、这提供了这样的优点，即可以通过该实现方式有效地实现两个(或两个以上)可能配置中作为分离dc母线(即，参考节点)电容器配置的第二配置。

51、在所述功率转换装置的示例性实现方式中，所述dc-dc转换级包括：全桥逆变器，所述全桥逆变器包括连接在所述ac-dc转换级的所述第一端口与所述参考节点之间的第一逆变器臂，以及连接在所述ac-dc转换级的所述第二端口与所述参考节点之间的第二逆变器臂。

52、这种全桥逆变器设计实现了dc-dc转换级的两个端口到变压器的有效耦合以实现电隔离。

53、如果所有开关的占空比是对称的(即此处的情况)，则流经第一逆变器臂的电流等于流经第二逆变器臂的电流是电路(即，功率转换装置)的固有特征。

54、根据第二方面，本发明涉及一种汽车电池充电设备，所述汽车电池充电设备包括根据第一方面所述的功率转换装置。

55、这提供了这样的优点，即能够以高效方式实现汽车电池充电设备。

56、根据第三方面，本发明涉及一种用于将交流(alternating current，ac)电压转换为直流(direct current，dc)电压的方法，所述方法包括：ac-dc转换级将ac电压转换为第一dc母线处的第一dc母线电压和第二dc母线处的第二dc母线电压；dc-dc转换级基于所述第一dc母线电压和所述第二dc母线电压来提供dc电压；以及耦合在所述ac-dc转换级与所述dc-dc转换级之间的部分功率dc-dc转换器在所述第一dc母线与所述第二dc母线之间交换功率。

57、这种方法提供了与上述功率转换布置相同的优点。即，这种方法在紧凑的组件尺寸下提供了ac与dc之间的高效转换。

58、所述用于功率转换的方法可以有利地应用于采用隔离dc-dc谐振转换器(例如，在谐振下以固定频率操作的src)的电压转换器电路中。特别是对于在非常宽的电池电压范围内操作的电池充电器应用而言，所述方法可以实现以高系统效率操作。

59、根据第四方面，本发明涉及一种包括计算机可执行代码或计算机可执行指令的计算机程序产品，所述计算机程序产品在被执行时使得至少一个计算机执行根据上述第三方面的方法。

60、所述计算机程序产品可以在用于控制上述功率转换布置的控制器或处理器上运行。

61、根据第五方面，本发明涉及一种存储指令的计算机可读介质，所述指令在被计算机执行时使得所述计算机执行根据上述第三方面的方法。这种计算机可读介质可以是非瞬时性可读存储介质。存储在计算机可读介质上的指令可以由控制器或处理器执行。

62、本发明中描述的技术的主要应用是用于电动车辆的车载充电器，所述车载充电器需要高功率密度、非常宽的电压操作范围(原因在于电池特性)、电网与电池输出之间的电隔离，以及低成本。所有这些都是本发明所解决的问题，以及所提出的解决方案比当前市场解决方案表现更好的方面。

63、本文提出的所介绍的解决方案结合了使dc母线电压低于450v(使得使用650v或甚至更低的半导体是可行的)和使用固定频率dc/dc谐振转换器(具有优化的变压器尺寸和降低的损耗)的优点，而不需要另外的全功率转换级。总之，与当前解决方案相比，所提出的解决方案具有如下优点：1)使用在谐振频率下工作的src而不是频率调制cllc；1a)在整个电压范围内更高的效率；1b)更小的(优化的)变压器，无功功率循环更低；1c)更低的dc侧emc滤波器工作量；2)具有可变dc母线电压的5电平pfc(fs<150khz)，实现了更低的半导体开关电压；2a)更高的效率；2b)更低的纹波电流和thd，具有相似的ac扼流圈尺寸；2c)更低的ac侧emc滤波器工作量；3)更低的半导体成本，但是性能更高。