多电平功率转换系统和方法与流程

1.本公开涉及高效率的功率转换系统，并且在特定的实施例中，涉及集成电机驱动和隔离式电池充电器系统。


背景技术：

2.由于新技术的指数式发展的不断改进，电力电子产业经历了快速增长。随着电力电子技术进一步发展，车载电池充电器已经成为一些新能源应用的关键要素。最重要的新能源应用之一是电动汽车(electric vehicles，ev)。不同的ev配备不同容量和电压的电池。ev需要合适的充电器以为各种电池进行充电。
3.车载电池充电器包括用于将交流(alternating current，ac)功率转换为直流(direct current，dc)功率的电子电路。车载电池充电器可以包括ac/dc级和dc/dc级。ac/dc级的输入连接到ac公用线路。ac/dc级用于将来自ac公用线路的ac输入电压转换为合适的dc总线电压。ac/dc级可以包括各种电磁干扰(electromagnetic interference，emi)滤波器、由四个二极管形成的桥式整流器和功率因数校正电路。
4.emi滤波器用于降低可能对车载电池充电器的其他设备造成干扰的高频噪声。由于使用了emi滤波器，车载电池充电器可以满足各种emi规定。桥式整流器将ac电压转换为全波整流dc电压。这种全波整流dc电压为功率因数校正电路提供dc输入电压。功率因数校正电路可以实现为合适的功率转换器，例如升压转换器。通过使用适当的控制电路，升压转换器能够将输入线电流塑造成正弦，并且与ac输入源的正弦输入电压同相。因此，ac/dc级的功率因数可能接近于各种国际标准所要求的统一。
5.dc/dc级连接在ac/dc级的输出和多个电池之间。dc/dc级可以包括具有一个初级绕组、一个次级绕组和一个次级整流器的隔离式dc/dc功率转换器，用于将dc总线电压转换成dc电压，以对ev电池进行充电。
6.ev的功率系统对组件尺寸、重量和功率转换效率很敏感。需要将车载充电器与电机驱动单元集成，以进一步缩小ev的功率系统的尺寸。


技术实现要素：

7.这些和其他问题通过本公开的优选实施例得到解决或规避，并且通常实现了技术优势，本公开的优选实施例提供了一种集成电机驱动和隔离式电池充电器系统。
8.根据一个实施例，一种系统包括第一功率转换设备，所述第一功率转换设备连接到第一电源，第一隔离式功率转换设备，所述第一隔离式功率转换设备连接到所述第一电源，以及第二功率转换设备，所述第二功率转换设备连接到所述第一隔离式功率转换设备，其中，所述第一功率转换设备的输出和所述第二功率转换设备的输出串联连接并且用于驱动电机。
9.所述第一功率转换设备是第一逆变器。所述第二功率转换设备是第二逆变器。所述第一隔离式功率转换设备是三电平电感-电感-电容(inductor-inductor-capacitor，
llc)转换器。
10.所述第一隔离式功率转换设备包括级联连接的第一初级开关网络、第一谐振回路、第一变压器和次级整流器。
11.所述第一隔离式功率转换设备包括第一初级开关网络、第一谐振回路、第一变压器、第二初级开关网络、第二谐振回路、第二变压器和次级整流器，以及其中，所述第一初级开关网络、所述第一谐振回路和所述第一变压器的初级绕组级联连接，其中，所述第二初级开关网络、所述第二谐振回路和所述第二变压器的初级绕组级联连接，以及其中，所述第一变压器的次级绕组和所述第二变压器的次级绕组串联连接并且进一步连接到所述次级整流器。
12.所述第一隔离式功率转换设备包括第一初级开关网络、第一谐振回路、第一变压器和多个次级整流器，以及其中，所述多个次级整流器用于为所述第二功率转换设备的多个逆变单元提供隔离式功率。
13.所述第一功率转换设备是第一逆变器，所述第一逆变器包括并联连接的第一逆变单元、第二逆变单元和第三逆变单元，以及其中所述第一逆变器的每个逆变单元包括两个输出端子。所述第二功率转换设备是第二逆变器，所述第二逆变器包括并联连接的第四逆变单元、第五逆变单元和第六逆变单元，以及其中所述第二逆变器的每个逆变单元包括两个输出端子，其中，所述第一逆变单元的两个输出端子和所述第二逆变器的所述第四逆变器单元的两个输出端子串联连接并且进一步连接到所述电机的第一相，其中，所述第二逆变单元的两个输出端子和所述第二逆变器的所述第五逆变器单元的两个输出端子串联连接并且进一步连接到所述电机的第二相，以及其中，第三逆变单元的两个输出端子和所述第二逆变器的所述第六逆变器单元的两个输出端子串联连接并且进一步连接到所述电机的第三相。
14.所述第一逆变单元和所述第四逆变器单元的公共节点用于连接到三相电源的第一相。所述第二逆变单元和所述第五逆变器单元的公共节点用于连接到所述三相电源的第二相。所述第三逆变单元和所述第六逆变器单元的公共节点用于连接到所述三相电源的第三相，以及其中，所述三相电源用于通过由所述电机的绕组和所述第二逆变器的开关形成的功率因数校正设备对所述第一电源进行充电。
15.所述第一功率转换设备是第一逆变器，所述第一逆变器具有三条支路和三个输出端子。所述第二功率转换设备包括第一逆变单元、第二逆变单元和第三逆变单元，其中所述第一逆变器的第一端子与所述第一逆变单元的输出串联连接并且进一步连接到所述电机的第一相，其中，所述第一逆变器的第二端子与所述第二逆变单元的输出串联连接并且进一步连接到所述电机的第二相，以及其中，所述第一逆变器的第三端子与所述第三逆变单元的输出串联连接并且进一步连接到所述电机的第三相。
16.所述第一隔离式功率转换设备是llc转换器，所述llc转换器包括初级绕组、第一次级绕组、第二次级绕组和第三次级绕组，其中，所述初级绕组通过初级开关网络连接到所述第一电源，其中，所述第一次级绕组通过第一整流器连接到所述第一逆变单元，其中，所述第二次级绕组通过第二整流器连接到所述第二逆变单元，以及其中，所述第三次级绕组通过第三整流器连接到所述第三逆变单元。
17.所述第一功率转换设备是第一逆变器，所述第一逆变器具有三条支路和三个输出
端子。所述第二功率转换设备包括具有两条支路的第一逆变单元和具有两条支路的第二逆变单元，所述第一逆变器的第一输出端子既连接到所述电机的第一相又与所述第一逆变单元的输出串联连接，所述第一逆变器的第二输出端子既连接到所述电机的第二相又与所述第二逆变单元的输出串联连接，以及所述第一逆变器的第三输出端子直接连接到所述电机的第三相。
18.所述第一功率转换设备是第一逆变器，所述第一逆变器具有三条支路和三个输出端子。所述第二功率转换设备包括具有三条支路的第一逆变单元和具有三条支路的第二逆变单元，其中，所述第一逆变器的第一输出端子与所述第一逆变单元的输出串联连接并且进一步连接到所述电机的第一相，其中，所述第一逆变器的第二输出端子与所述第二逆变单元的输出串联连接并且进一步连接到所述电机的第二相，以及其中，所述第一逆变器的第三输出端子直接连接到所述电机的第三相。
19.所述第一功率转换设备是第一逆变器，所述第一逆变器包括并联连接的第一逆变单元、第二逆变单元和第三逆变单元，以及其中所述第一逆变器的每个逆变单元包括两个输出端子。所述第二功率转换设备包括第二逆变器和第三逆变器，所述第二逆变器包括串联连接的第四逆变单元、第五逆变单元和第六逆变单元，所述第二逆变器的每个逆变单元包括两个输出端子，所述第三逆变器包括串联连接的第七逆变单元、第八逆变单元和第九逆变单元，所述第三逆变器的每个逆变单元包括两个输出端子，其中，所述第一逆变单元的两个输出端子，所述第四逆变器单元的两个输出端子和所述第七逆变器的两个输出端子串联连接并且进一步连接到所述电机的第一相，其中，所述第二逆变单元的两个输出端子，所述第五逆变器单元的两个输出端子和所述第八逆变器单元的两个输出端子串联连接并且进一步连接到所述电机的第二相，以及其中，所述第三逆变单元的两个输出端子、所述第六逆变器单元的两个输出端子和所述第九逆变器单元的两个输出端子串联连接并且进一步连接到所述电机的第三相。
20.根据另一个实施例，一种系统包括第一逆变器，所述第一逆变器具有连接到电池的输入，隔离式功率转换器，所述隔离式功率转换器具有连接到所述电池的输入，以及第二逆变器，所述第二逆变器具有连接到所述隔离式功率转换器的输出的输入，以及与所述第一逆变器的输出串联连接的输出，其中，所述第一逆变器和所述第二逆变器的串联连接的输出用于驱动电机。
21.在所述电池的充电过程中，所述电机的绕组用于作为三相功率因数校正转换器的电感器进行工作。
22.所述第一逆变器是三相全桥逆变器，所述三相全桥逆变器包括三个输出端子。所述第二逆变器包括第一逆变单元、第二逆变单元和第三逆变单元，其中，所述第一逆变器的第一输出端子与所述第一逆变单元的输出串联连接并且进一步连接到所述电机的第一相，其中，所述第一逆变器的第二输出端子与所述第二逆变单元的输出串联连接并且进一步连接到所述电机的第二相，以及其中，所述第一逆变器的第三输出端子与所述第三逆变单元的输出串联连接并且进一步连接到所述电机的第三相。
23.所述隔离式功率转换器是电感-电感-电容llc功率转换器，所述电感-电感-电容功率转换器包括初级绕组、第一次级绕组、第二次级绕组和第三次级绕组，其中，所述初级绕组通过初级开关网络连接到所述电池，其中，所述第一次级绕组通过第一整流器连接到
所述第一逆变单元，其中，所述第二次级绕组通过第二整流器连接到所述第二逆变单元，以及其中，所述第三次级绕组通过第三整流器连接到所述第三逆变单元。
24.根据又一个实施例，一种方法包括使用彼此串联连接的第一逆变器和第二逆变器驱动电机，所述第一逆变器连接到所述电池，所述第二逆变器通过隔离式功率转换器连接到电池；以及通过功率因数校正设备对所述电池进行充电，所述功率因数校正设备包括所述电机的绕组和所述第二逆变器的开关。
25.所述方法还包括使用三相电源对所述电池进行充电，其中，所述功率因数校正设备用于调整流进所述功率因数校正设备的输入电流，以实现在统一阈值范围内的功率因数。
26.所述第一逆变器包括三条支路，所述三条支路的每条支路具有输出端子。所述第二逆变器包括第一逆变单元、第二逆变单元和第三逆变单元，其中所述第一逆变器的第一输出端子与所述第一逆变单元的输出串联连接并且进一步连接到所述电机的第一相，其中，所述逆变器的第二输出端子与所述第二逆变单元的输出串联连接并且进一步连接到所述电机的第二相，以及其中，所述第一逆变器的第三输出端子与所述第三逆变单元的输出串联连接并且进一步连接到所述电机的第三相。所述隔离式功率转换器包括初级绕组、第一次级绕组、第二次级绕组以及第三次级绕组，其中，所述初级绕组通过初级开关网络连接到所述电池，其中，所述第一次级绕组通过第一整流器连接到所述第一逆变单元，其中，所述第二次级绕组通过第二整流器连接到所述第二逆变单元，以及其中，所述第三次级绕组通过第三整流器连接到所述第三逆变单元。
27.所述方法还包括使用三相电源对所述电池进行充电，其中，所述三相电源通过emi滤波器和第一电感器连接到所述第一逆变单元，其中，所述三相电源通过所述emi滤波器和第二电感器连接到所述第二逆变单元，以及其中，所述三相电源通过所述emi滤波器和第三电感器连接到所述第一逆变单元。
28.本公开的实施例的一个优点是高效率的功率转换系统将电机驱动单元和隔离式电池充电器组合成单个系统，从而提高了功率转换系统的效率、可靠性和成本。
29.为能够更好地理解下面对本公开的详细描述，前文已经相当广泛地概述了本公开的特征和技术优点。以下将描述本公开的附加特征和优点，其形成了本公开权利要求的主题。本领域技术人员应该理解，所公开的概念和具体实施例可以容易地作为修改或设计用来执行本公开相同目的的其他结构或过程的基础。本领域技术人员还应该认识到，这些等价的结构并不背离所附权利要求中提出的本公开的精神和范围。
附图说明
30.为了更完整地理解本公开及其优势，现参考结合附图进行的如下描述，其中：
31.图1示出了根据本公开各种实施例的功率转换系统；
32.图2示出了根据本公开各种实施例的图1示出的功率转换系统的第一实现的框图；
33.图3示出了根据本公开各种实施例的图2示出的功率转换系统的示意图；
34.图4示出了根据本公开各种实施例的图3示出的隔离式转换器的第一实现的框图；
35.图5示出了根据本公开各种实施例的图4示出的隔离式转换器的第一实现的示意图；
36.图6示出了根据本公开各种实施例的图4示出的隔离式转换器的第二实现的示意图；
37.图7示出了根据本公开各种实施例的图3示出的隔离式转换器的第二实现的框图；
38.图8示出了根据本公开各种实施例的图7示出的隔离式转换器的第一实现的示意图；
39.图9示出了根据本公开各种实施例的图7示出的隔离式转换器的第二实现的示意图；
40.图10示出了根据本公开各种实施例的图3示出的第一逆变器的示意图；
41.图11示出了根据本公开各种实施例的图3示出的逆变单元的示意图；
42.图12示出了根据本公开各种实施例的图1示出的功率转换系统的第二实现的框图；
43.图13示出了根据本公开各种实施例的图12示出的功率转换系统的示意图；
44.图14示出了根据本公开各种实施例的图1示出的功率转换系统的第三实现的框图；
45.图15示出了根据本公开各种实施例的图14示出的功率转换系统的示意图；
46.图16示出了根据本公开各种实施例的图15示出的逆变单元的示意图；
47.图17示出了根据本公开各种实施例的图1示出的功率转换系统的第四实现的框图；
48.图18示出了根据本公开各种实施例的图17示出的功率转换系统的示意图；
49.图19示出了根据本公开各种实施例的图18示出的第一逆变器的示意图；
50.图20示出了根据本公开各种实施例的图18示出的第二逆变器的示意图；
51.图21示出了根据本公开各种实施例的图1示出的功率转换系统的第五实现的框图；
52.图22示出了根据本公开各种实施例的图21示出的功率转换系统的示意图；以及
53.图23示出了根据本公开各种实施例的图1示出的功率转换系统的第六实现的框图；
54.除非另有指示，否则不同图中的对应数字和符号通常指代对应的部分。绘制附图用于清晰地说明各种实施例的相关方面，并且附图没必要按比例绘制。
具体实施方式
55.以下详细讨论了目前优选的实施例的制作和使用。然而，应当理解，本公开提供了可以体现在多种特定的环境中的许多可应用的发明构思。所讨论的具体实施例仅仅示出了制作和使用本公开的具体方法，并不限制本公开的范围。
56.本公开将对特定上下文中的优选实施例进行描述，即集成电机驱动和隔离式电池充电器功率转换系统。但是，本公开也应用于各种功率转换系统。在下文中，将参照附图详细说明各种实施例。
57.图1示出了根据本公开各种实施例的功率转换系统。功率转换系统100包括直流(direct current，dc)电源110、电机120、交流(alternating current，ac)电源130、第一逆变器150和第二逆变器160。如图1所示，第一逆变器150的输入连接到dc电源110。同样，第二
逆变器160的输入连接到dc电源110。第一逆变器150的输出和第二逆变器160的输出串联连接并且进一步连接到电机120。更具体地，第一逆变器150的第一输出端子直接连接到电机120。第一逆变器150的第二输出端子连接到第二逆变器160的第一输出端子。第二逆变器160的第二输出端子直接连接到电机120。
58.应当注意的是，逆变器150、160和电机120之间的连接是串联连接的两个逆变器的示例性实施方式，以驱动电机。本领域的普通技术人员将认识到很多变型、替代和修改。例如，图1示出的逆变器中的每个逆变器可以具有两个以上的输出端子。
59.ac电源130连接到第一逆变器150和第二逆变器160的公共节点。根据不同的应用和设计需要，ac电源130可以实现为三相ac电源或单相ac电源。同样地，dc电源110可以实现为单个电池或包括多个串联连接和/或并联连接的电池的电池组。根据不同的应用和设计需要，电机120可实现为三相电机、两相电机或单相电机。
60.在操作中，第一逆变器150用于将来自dc电源110的dc波形转换成第一脉宽调制(pulse width modulated，pwm)波形，例如三电平pwm波形。第一逆变器150可以实现为任何合适的逆变拓扑，例如全桥逆变器等。下面将参照图2-22描述第一逆变器150的详细实施方式。
61.在操作中，可以利用隔离式功率转换器(未示出，但在图2中示出)将来自dc电源110的dc波形转换成中间dc波形。第二逆变器160用于将中间dc波形转换成第二pwm波形，例如三电平pwm波形。第二逆变器160可以实现为任何合适的逆变拓扑，例如全桥逆变器等。隔离式功率转换器可以实现为任何合适的隔离式功率转换拓扑，例如电感-电感-电容(inductor-inductor-capacitor，llc)谐振转换器。下面将参照图2-22描述第二逆变器160和隔离式功率转换器的详细实施方式。
62.在操作中，由第一逆变器150生成的第一pwm波形和由第二逆变器160生成的第二pwm波形相加以形成多电平pwm波形，例如五电平pwm波形。在一些实施例中，第一pwm波形与第二pwm波形同步。第一pwm波形和第二pwm波形直接相加。在替代实施例中，在第一pwm波形与第二pwm波形之间存在相移。由于第一pwm波形与第二pwm波形之间的相移，应用于电机120的电压波形并非三电平pwm波形。相反，应用于电机120的电压波形是多电平波形。多电平波形的级数可以根据相移的程度而变化。在一些实施例中，多电平波形的级数等于五。
63.将多电平波形应用于电机120的一个有利特征是多电平波形遵循正弦波形。结果，谐波含量较少。例如，通过选择第一pwm波形和第二pwm波形之间的相移，可以消除诸如五次谐波的主要谐波。具有多电平波形的另一个有利特征是多电平波形有助于简化电机驱动系统的滤波电路的设计。
64.在一些实施例中，功率转换系统100用于以电机驱动模式操作。来自dc电源110的dc电压被转换成用于驱动电机120的ac电压。可替代地，功率转换系统100用于在电池充电模式下操作。利用ac电源130为dc电源110中的电池充电。
65.在操作中，在电池充电模式期间，ac电源130提供了功率，以对dc电源110进行充电。在电池充电模式期间，电机120的绕组和第二逆变器160的开关形成功率因数校正设备。功率因数校正装置被配置为通过调整流进功率因数校正设备的输入电流，使得功率转换系统100的功率因数调整到大约等于统一的水平。应当注意的是，各种设备可以实现不同范围内的功率因数。例如，一个范围可以是从0.99到1。上述范围是为给定设备设置的，可能取决
于各种因素。
66.在操作中，在电机驱动模式期间，为了实现高效率，从dc电源110到电机120的功率通过两条路径传送，即包括第一逆变器150的第一路径和包括第二逆变器160及其相关联的隔离式功率转换器的第二路径。在一些实施例中，通过第二逆变器160从dc电源110流向电机120的功率是通过第一逆变器150从dc电源110流向电机120的功率的一部分。例如，只有大约15％的总功率通过第二逆变器160。大部分(85％)的总功率通过第一逆变器150。根据两条路径之间不同的功率分配，可以相应地调整第一逆变器150和第二逆变器160的设计。例如，第二逆变器160的开关的额定电压可以小于第一逆变器150的开关的额定电压。第二逆变器160的组件(例如，开关)的低额定电压有助于降低成本并提高第二逆变器160的效率。换言之，两条不同的功率传送路径之间的不均匀的功率分配有助于提高功率转换系统100的性能(例如，效率和成本)。
67.具有图1示出的功率转换系统100的另一个有利特征是功率转换系统100能够通过串联连接第一逆变器150的输出和第二逆变器160的输出来提供电压升压。当电机120高速运转时，电压升压有助于提高电机120的性能。
68.具有图1示出的功率转换系统100的另一个有利特征是功率转换系统100能够通过将电动机120的绕组重新用作功率因数校正电路的一部分来实现快速车载充电。功率转换系统100可以将车载电池充电器(on-board battery charger，obc)和电机控制单元(motor control unit，mcu)组合成单个系统。
69.图2示出了根据本公开各种实施例的图1示出的功率转换系统的第一实现的框图。功率转换系统200包括dc电源110、电机121、ac电源131、第一逆变器151、第二逆变器161和隔离式转换器171。
70.如图2所示，第一逆变器151的两个输入连接到dc电源110的两个输出。隔离式转换器171的两个输入连接到dc电源110的两个输出。隔离式转换器171包括六个输出端子，它们连接到第二逆变器161的六个输入。隔离式转换器171在第一逆变器151的输入和第二逆变器161的输入之间提供电隔离，使得第一逆变器151的输出和第二逆变器161的输出可以相加，以产生用于驱动电机121的多电平pwm波形。
71.在一些实施例中，隔离式转换器171被实现为高频(high frequency，hf)桥式llc功率转换器。可替代地，隔离式转换器171被实现为全桥式llc功率转换器。下面将参照图3讨论隔离式转换器171的详细实施方式。
72.应当注意的是，将隔离式转换器171实现为llc功率转换器仅仅是示例，其不应过度限制权利要求的范围。本领域的普通技术人员将认识到很多变型、替代和修改。例如，隔离式转换器171可以实现为任何合适的隔离式功率转换器，例如反激式转换器、正激式转换器、推挽式转换器、半桥式转换器、全桥式转换器、其任何组合等。
73.如图2所示，第一逆变器151具有三个输出。第二逆变器161具有六个输出。第二逆变器161的三个输出分别连接到第一逆变器151的三个输出。第二逆变器161的其他三个输出分别连接到电机121的三相(a、b和c)。ac电源131具有三个输出，分别连接到第一逆变器151和第二逆变器161的公共节点。下面将参照图3讨论功率转换系统200的详细实施方式。
74.在一些实施例中，dc电源110被实现为电动汽车的电池组。ac电源131被实现为来自电网的三相ac电源。电机121是三相感应电机。
75.在操作中，功率转换系统200可以在电机驱动模式下操作，其中功率通过第一逆变器151和第二逆变器161从dc电源110传送到电机121。第一逆变器151的输出和第二逆变器161的输出串联连接，以生成用于驱动电机121的多电平波形。可替代地，功率转换系统200可以在电池充电模式下操作，其中功率通过电机121的绕组、第二逆变器161和隔离式转换器171从ac电源131传送到dc电源110(电池组)。
76.图3a和图3b示出了根据本公开各种实施例的图2示出的功率转换系统的示意图。在整个描述中，图3a和图3b统称为图3。功率转换系统200包括直流dc电源110、电机121、ac电源131、第一逆变器151、第二逆变器161和隔离式转换器171。
77.如图3所示，dc电源110包括多个串联连接的电池。dc电源110还包括输出电容器c1、第一操作控制开关k1和第二操作控制开关kc。利用输出电容器c1以减少脉动成分并为功率转换系统200提供稳定的dc电压。
78.如图3所示，电机121包括以y形布置的三个绕组。三个绕组的公共节点通过开关q1连接到中性点n。ac电源131可以是三相ac电源。在一些实施例中，ac电源131的输出电压在约220v至约240v的范围内。可替代地，根据不同的设计需要，ac电源131可以实现为两相电源或单相电源。
79.利用第一操作控制开关k1和第二操作控制开关kc以控制功率转换系统200的操作。更具体地，在电机驱动模式期间，第一操作控制开关k1和第二操作控制开关kc保持闭合。隔离式转换器171的输出与电池的输出电压串联连接，两者相加可以为功率转换系统200的dc电压升压。在电池充电模式期间，第一操作控制开关k1打开。ac功率通过第二逆变器161和隔离式转换器171对电池进行充电。更具体地，隔离式转换器171以反向功率流模式操作并且对dc电源110的电池的电压进行充电。
80.第一逆变器151是包括三条支路的全桥式逆变器。每条支路的中点是第一逆变器151的输出。如图3所示，第一逆变器151具有三个输出。下面将参照图10讨论第一逆变器151的详细示意图。
81.第二逆变器161包括三个逆变单元，每个逆变单元为具有两条支路的全桥式逆变器。每条支路的中点是全桥式逆变器的输出。如图3所示，每个逆变单元具有两个输出。下面将参照图11讨论逆变单元的详细示例图。
82.隔离式转换器171可以实现为llc谐振转换器。隔离式转换器171包括初级开关网络141、初级绕组np1、第一次级绕组ns1、第二次级绕组ns2、第三次级绕组ns3和三个整流器142。如图3所示，初级绕组np1通过初级开关网络141连接到电池。第一次级绕组ns1通过第一整流器连接到第一逆变单元。第二次级绕组ns2通过第二整流器连接到第二逆变单元。第三次级绕组ns3通过第三整流器连接到第三逆变单元。
83.变压器t1在隔离式转换器171的初级侧(具有初级开关网络141的一侧)和次级侧(具有整流器141的一侧)之间提供电隔离。根据一个实施例，变压器t1可以由一个初级变压器绕组(例如，绕组np1)和三个次级变压器绕组(例如，绕组ns1-ns3)形成，如图3所示。应当注意的是，本文和整个描述中所示出的变压器仅仅是示例，其不应过度限制权利要求的范围。本领域的普通技术人员将认识到很多变型、替代和修改。例如，变压器t1还可以包括多种偏置绕组和栅极驱动辅助绕组。
84.整流器(例如，第一整流器)将从变压器t1的次级绕组(例如，绕组ns1)接收的交变
极性波形转换成单极性波形。下面将参照图4-9讨论隔离式转换器171的详细操作和结构。
85.功率转换系统200还包括输入电容器c2、c3、c4和输出电容器c5、c6和c7。利用输入电容器c2、c3和c4以减少脉动成分并分别为初级开关网络141和第一逆变器151提供稳定的输入dc电压。此外，输入电容器c3和c4的公共节点可以连接到功率转换系统的中性点，如图3中的虚线所指示。输出电容器c5、c6和c7用于减少脉动成分别为第二逆变器161提供稳定的输入dc电压。
86.在一些实施例中，隔离式转换器171和第二逆变器161形成双向功率转换系统。在操作中，当功率转换系统200用于将dc功率转换成ac功率以驱动电机121时，隔离式转换器171被配置为隔离式dc/dc转换器，用于将电池的输出电压转换成三个合适的dc电压，分别应用于三个逆变单元。另一方面，当功率转换系统200用于将ac功率转换成dc功率以对电池进行充电时，电机121的绕组和第二逆变器161的开关形成功率因数校正设备。在一些实施例中，功率因数校正设备被配置为通过调整流进功率因数校正设备的输入电流，使得功率转换系统200的功率因数调整到大约等于统一的水平。功率因数校正设备可以实现为任何合适的功率因数校正转换器，例如升压功率因数校正整流器等。当功率转换系统200用于将ac功率转换成dc功率以对电池进行充电时，隔离式转换器171以反向功率流模式工作，以对电池的电压进行充电。
87.如图3所示，ac电源131还包括emi滤波器和三个电感器l1-l3。emi滤波器可以包括多个电容器。电感器l1-l3允许dc或低频电流通过，同时阻止不需要的高频电流。emi滤波器的电容器提供低阻抗路径，以转移来自emi滤波器的不需要的高频电流或噪声。不需要的高频电流要么返回输入电源，要么返回地。由于利用了emi滤波器，功率转换系统200可以满足各种emi规定。
88.图3示出的开关可以实现为绝缘栅双极晶体管(insulated gate bipolar transistor，igbt)设备。可替代地，开关可以由其他类型的可控制设备形成，例如金属氧化物半导体场效应晶体管(metal oxide semiconductor field effect transistor，mosfet)设备、双极结晶体管(bipolar junction transistor，bjt)设备、超结晶体管(super junction transistor，sjt)设备等。
89.图4示出了根据本公开各种实施例的图3示出的隔离式转换器的第一实现的框图。隔离式转换器171包括初级hf桥141、初级绕组np、多个第二绕组ns和多个次级hf桥142。如图4所示，初级绕组np和多个次级绕组ns彼此磁耦合以形成变压器t1。根据不同的设计需求和应用，可以相应地选择次级绕组的数量和相关联的次级hf桥。返回参考图3，为了给第二逆变器161的三个逆变单元提供隔离式功率，已经利用了三个次级绕组和三个次级hf桥。下面将参照图5-6描述初级hf桥141和次级hf桥142的详细结构。为简单起见，图5-6中仅包含一个次级hf桥。
90.图5示出了根据本公开各种实施例的图4示出的隔离式转换器的第一实现的示意图。隔离式转换器171被实现为三电平llc功率转换器。在整个描述中，隔离式转换器171可以替代地称为三电平llc功率转换器。初级hf桥141可替代地称为初级网络。次级hf桥142可替代地称为次级网络。
91.在一些实施例中，三电平llc功率转换器171的输入连接到图3示出的电池。在一些实施例中，三电平llc功率转换器171的输入电压是在从大约240v到大约490v的范围内的第
commutated thyristor，igct)设备、栅极可关断晶闸管(gate turn-off thyristor，gto)设备、可控硅整流器(silicon controlled rectifier，scr)设备、接面闸极场效电晶体(junction gate field-effect transistor，jfet)设备、mos可控晶闸管(mos controlled thyristor，mct)设备、基于氮化镓(gallium nitride，gan)的功率设备、基于碳化硅(silicon carbide，sic)的功率设备等。在整个描述中，开关符号(例如，igbt的符号)仅仅是示例。根据不同的应用和设计需要，本公开中示出的开关可以是任何可控制开关。
102.需要注意的是，当开关s21-s24和s31-s34由mosfet设备实现时，开关s21-s24和s31-s34的体二极管可以用于提供续流通道。另一方面，当开关s21-s24和s31-s34由igbt设备实现时，需要单独的续流二极管与其对应的开关并联连接。
103.如图5所示，二极管d21-d24和d31-d34需要提供反向传导路径。换言之，二极管d21-d24和d31-d34是反并联二极管。在一些实施例中，二极管d21-d24和d31-d34与它们各自的igbt设备s21-s24和s31-s34共同封装。在替代实施例中，二极管d21-d24和d31-d34被放置在它们各自的igbt设备s21-s24和s31-s34之外。
104.还应当注意的是，虽然图5示出了每个双向开关由以反并联布置连接的二极管和igbt设备形成，但本领域普通技术人员将认识到很多变型、替代和修改。例如，双向开关可以通过一些新的半导体开关来实现，例如反并联反向阻断igbt布置。本文对igbt设备的讨论适用于本公开的其他igbt设备。
105.图5示出的具有三电平llc功率转换器171的一个有利特征是功率转换系统能够在各种操作条件下实现高效率。例如，功率转换系统200的电池电压和输出电压可以在较大范围内变化。这种较大范围可能会导致效率下降。图5示出的三电平llc功率转换器171在初级侧和次级侧都使用三电平开关桥。三电平开关桥适合于电压变化范围较大的应用。由于具有三电平llc功率转换器171，功率转换系统200可以在基本上等于llc功率转换器171的谐振频率的开关频率下操作，从而提高三电平llc功率转换器171的效率。
106.图6示出了根据本公开各种实施例的图4示出的隔离式转换器的第二实现的示意图。图6示出的隔离式转换器171与图5示出的相似，只是隔离式转换器171被实现为三电平双有源桥(dual-active-bridge，dab)转换器。图6示出的三电平dab转换器的结构与图5示出的相似，只是不包括谐振电容器。图6示出的三电平dab转换器是众所周知的，因此本文不再详细讨论。
107.图7示出了根据本公开各种实施例的图3示出的隔离式转换器的第二实现的框图。隔离式转换器171被实现为具有交错多桥电路的功率转换器。隔离式转换器171包括第一初级网络143、第一变压器t1、第二初级网络144、第二变压器t2和交错多桥电路145。
108.第一初级网络143连接到第一变压器t1的初级绕组np1。第二初级网络144连接到第二变压器t2的初级绕组np2。交错多桥电路145连接到第一变压器t1的次级绕组ns1和第二变压器t2的次级绕组ns2。下面将参照图8-9讨论隔离式转换器171的详细示意图。
109.图8示出了根据本公开各种实施例的图7示出的隔离式转换器的第一实现的示意图。如图8所示，隔离式转换器171包括两个变压器t1和t2。变压器t1的初级侧连接到包括开关s21-s24、二极管d21-d24的第一初级网络143。第一初级网络143还包括第一谐振回路，该第一谐振回路包括谐振电感器lr1和谐振电容器cr1。第一初级网络143是三电平llc功率转换器的初级侧。同样地，变压器t2的初级侧连接到包括开关s11-s14、二极管d11-d14的第二
初级网络144。第二初级网络144还包括第二谐振回路，该第二谐振回路包括谐振电感器lr3和谐振电容器cr3。第二初级网络144是三电平llc功率转换器的初级侧。三电平llc功率转换器的初级侧已经在上文结合图5进行了描述，因此本文不再讨论。
110.变压器t1的次级侧和变压器t2的次级侧连接到交错多桥电路145。如图8所示，交错多桥电路145的输入分别连接到次级绕组ns1和ns2。交错多桥电路145的输出连接到输出电容器co。
111.如图8所示，交错多桥电路145包括三条支路。第一条支路包括串联连接的第一开关s31和第二开关s32。第二条支路包括串联连接的第三开关s33和第四开关s34。第三条支路包括串联连接的第五开关s35和第六开关s36。第一变压器t1的次级绕组ns1通过谐振电容器cr2连接在第一开关s31和第二开关s32的公共节点与第三开关s33和第四开关s34的公共节点之间。第二变压器t2的次级绕组ns2通过谐振电容器cr4连接在第五开关s35和第六开关s36的公共节点与第三开关s33和第四开关s34的公共节点之间。
112.在操作中，根据两个初级网络143和144之间的相移，次级绕组ns1和第二绕组ns2并联连接或串联连接。当初级网络143的开关与初级网络144的开关之间的相移等于零度时，次级绕组ns1和次级绕组ns2串联连接。在前半个周期，开关s31和s36导通。在后半个周期，开关s32和s35导通。另一方面，当初级网络143的开关与初级网络144的开关之间的相移等于180度时，次级绕组ns1和次级绕组ns2并联连接。在前半个周期，开关s31和s34导通，以将功率从次级绕组ns1传送到负载。开关s35和s34导通，以将功率从次级绕组ns2传送到负载。在后半个周期，开关s32和s33导通，以将功率从次级绕组ns1传送到负载。开关s33和s36导通，以将功率从次级绕组ns2传送到负载
113.在两个初级网络143和144之间具有相移的一个有利特征是隔离式转换器171能够在宽电池输入电压以及宽输出电压下操作。
114.图9示出了根据本公开各种实施例的图7示出的隔离式转换器的第二实现的示意图。图9示出的隔离式转换器与图8示出的相似，只是三电平llc转换器171被三电平dab转换器取代。三电平dab转换器是众所周知的，因此本文不再讨论。
115.图10示出了根据本公开各种实施例的图3示出的第一逆变器的示意图。第一逆变器151是用于将dc电压转换成三个ac波形的三相逆变器。第一逆变器151包括六个开关。六个开关形成三条支路。第一支路包括串联连接在第一逆变器151的输入的正极端子和负极端子之间的开关s51和s52。开关s51和s52的公共节点连接到第一逆变器151的第一输出端子v11。
116.第二支路包括串联连接在第一逆变器151的输入的正极端子和负极端子之间的开关s53和s54。开关s53和s54的公共节点连接到第一逆变器151的第二输出端子v12。第三支路包括串联连接在第一逆变器151的输入的正极端子和负极端子之间的开关s55和s56。开关s55和s56的公共节点连接到第一逆变器151的第三输出端子v13。图10所示的三相逆变器的工作原理是众所周知的，为避免重复，本文不再讨论。
117.如图10所示，二极管d51-d56需要提供反向传导路径。换言之，二极管d51-d56是反并联二极管。在一些实施例中，二极管d51-d56与它们各自的igbt设备s51-s56共同封装。在替代实施例中，二极管d51-d56被放置在它们各自的igbt设备s51-s56之外。
118.图11示出了根据本公开各种实施例的图3示出的逆变单元的示意图。图3示出的三
个逆变单元形成一个三相逆变器。每个逆变单元是一个单相逆变器。图3示出的逆变单元具有相同的结构。为简单起见，图11中仅示出一个逆变单元。
119.逆变单元161是用于将dc电压转换成ac波形的单相逆变器。逆变单元161包括四个开关。四个开关形成两条支路。第一支路包括串联连接在逆变单元161的输入的正极端子和负极端子之间的开关s61和s62。开关s61和s62的公共节点连接到逆变单元161的第一输出端子v11。
120.第二支路包括串联连接在逆变单元161的输入的正极端子和负极端子之间的开关s63和s64。开关s63和s64的公共节点连接到逆变单元161的第二输出端子v12。图11示出的单相逆变器的工作原理是众所周知的，因此本文不再讨论。
121.如图11所示，二极管d61-d64需要提供反向传导路径。换言之，二极管d61-d64是反并联二极管。在一些实施例中，二极管d61-d64与它们各自的igbt设备s61-s64共同封装。在替代实施例中，二极管d61-d64被放置在它们各自的igbt设备s61-s64之外。
122.图12示出了根据本公开各种实施例的图1示出的功率转换系统的第二实现的框图。图12示出的功率转换系统300与图2示出的功率转换系统200相似，只是第二逆变器162包括两个逆变单元并且隔离式转换器172包括两个次级电路。此外，ac电源132是单相电源或两相电源。
123.图13示出了根据本公开各种实施例的图12示出的功率转换系统的示意图。功率转换系统300与图2示出的功率转换系统200相似。因此，为了避免重复，不再讨论这两个系统的相同部分。
124.隔离式转换器172包括两个次级绕组，即ns1和ns2。两个整流器142分别连接到两个次级绕组。两个整流器142产生两个dc电压，分别馈入电容器c5和c6。
125.如图13所示，第二逆变器162包括两个逆变单元。第一逆变器151的第一输出连接到第一逆变单元的第一输出。第一逆变单元的第二输出连接到电机121的第一相。第一逆变器151的第二输出连接到第二逆变单元的第一输出。第二逆变单元的第二输出连接到电机121的第二相。第一逆变器151的第三输出直接连接到电机121的第三相。
126.ac电源132是单相电源或两相电源。如图13所示，ac电源132通过emi滤波器和两个电感器l1和l2连接到第二逆变器162。功率转换系统300的工作原理与上述功率转换系统200的相似，因此本文不再讨论。
127.图14示出了根据本公开各种实施例的图1示出的功率转换系统的第三实现的框图。图14示出的功率转换系统400与图12示出的功率转换系统300相似，只是图14示出的第二逆变器163的逆变单元被实现为三相逆变器。此外，ac电源133是单相电源、两相电源或三相电源。
128.图15示出了根据本公开各种实施例的图14示出的功率转换系统的示意图。功率转换系统400与图13示出的功率转换系统300相似。因此，为了避免重复，不再讨论这两个系统的相同部分。
129.如图15所示，第二逆变器163包括两个逆变单元。第二逆变器163的每个逆变单元被实现为具有三个输出的三相逆变器，这类似于第一逆变器151。
130.第一逆变器151的第一输出连接到第一逆变单元的第一输出和ac电源133的第一相。第一逆变单元的第二输出连接到电机121的第一相。第一逆变单元的第三输出连接到第
二逆变单元的第三输出和ac电源133的第二相。
131.第一逆变器151的第二输出连接到第二逆变单元的第一输出和ac电源133的第三相。第二逆变单元的第二输出连接到电机121的第三相。第一逆变器151的第三输出直接连接到电机121的第三相。
132.ac电源133是三相电源。可替代地，ac电源133可以是单相电源或两相电源。在一些实施例中，ac电源131的输出电压在从大约220v到大约240v的范围内。如图15所示，ac电源133通过emi滤波器连接到第二逆变器162。
133.图16示出了根据本公开各种实施例的图15示出的逆变单元的示意图。逆变单元163是用于将dc电压转换成三个ac波形的三相逆变器。逆变单元163包括六个开关。六个开关形成三条支路。第一支路包括串联连接在逆变单元163的输入的正极端子和负极端子之间的开关s71和s72。开关s71和s72的公共节点连接到逆变单元163的第一输出端子v11。第二支路包括串联连接在逆变单元163的输入的正极端子和负极端子之间的开关s73和s74。开关s73和s74的公共节点连接到逆变单元163的第二输出端子v12。第三支路包括串联连接在逆变单元163的输入的正极端子和负极端子之间的开关s75和s76。开关s75和s76的公共节点连接到逆变单元163的第三输出端子v13。图16示出的三相逆变器的工作原理是众所周知的，因此本文不再讨论。
134.如图16所示，二极管d71-d76需要提供反向传导路径。换言之，二极管d71-d76是反并联二极管。在一些实施例中，二极管d71-d76与它们各自的igbt设备s71-s76共同封装。在替代实施例中，二极管d71-d76被放置在它们各自的igbt设备s71-s76之外。
135.图17示出了根据本公开各种实施例的图1示出的功率转换系统的第四实现的框图。图17示出的功率转换系统500与图2示出的功率转换系统200相似，只是隔离式转换器具有单个输出，并且第一逆变器152和第二逆变器164都包括三个逆变单元。此外，电机122被实现为开相绕组电机。
136.如图17所示，第一逆变器152具有六个输出。第一逆变器152的第一输出连接到电机122的绕组端子a。第一逆变器152的第二输出连接到第二逆变器164的第一输出并且进一步连接到ac电源131的第一相。第一逆变器152的第三输出连接到电机122的绕组端子b。第一逆变器152的第四输出连接到第二逆变器164的第三输出并且进一步连接到ac电源131的第二相。第一逆变器152的第五输出连接到电机122的绕组端子c。第一逆变器152的第六输出连接到第二逆变器164的第五输出并且进一步连接到ac电源131的第三相。第二逆变器164的第二输出连接到绕组端子a’。第二逆变器164的第四输出连接到绕组端子b’。第二逆变器164的第六输出连接到绕组端子c’。
137.应当注意的是绕组端子a和a’是电机122的第一开相绕组的两个端子。绕组端子b和b’是电机122的第二开相绕组的两个端子。绕组端子c和c’是电机122的第一开相绕组的两个端子。下面将参照图18描述电机122的详细结构。
138.图18a和图18b示出了根据本公开各种实施例的图17示出的功率转换系统的示意图。在整个描述中，图18a和图18b统称为图18。功率转换系统500与图3示出的功率转换系统200相似。因此，为了避免重复，不再讨论这两个系统的相同部分。
139.第一逆变器152包括在电容器c3的正极端子和电容器c3的负极端子之间并联连接的三个逆变单元。第一逆变器152的每个逆变单元是具有两个输出的单相逆变器。第一逆变
器152是具有六个输出的三相逆变器。
140.第二逆变器164包括在电容器c6的正极端子和电容器c7的负极端子之间并联连接的三个逆变单元。第二逆变器164的每个逆变单元是具有两个输出的单相逆变器。第二逆变器164是具有六个输出的三相逆变器。
141.第一逆变器152的第一逆变单元的第一输出连接到第二逆变器164的第一逆变单元的第一输出和ac电源131的第一相。第一逆变器152的第一逆变单元的第二输出和第二逆变器164的第一逆变单元的第二输出分别连接到电机122的第一开相绕组的两个端子。
142.第一逆变器152的第二逆变单元的第一输出连接到第二逆变器164的第二逆变单元的第一输出和ac电源133的第二相。第一逆变器152的第二逆变单元的第二输出和第二逆变器164的第二逆变单元的第二输出分别连接到电机122的第二开相绕组的两个端子。
143.第一逆变器152的第三逆变单元的第一输出连接到第二逆变器164的第三逆变单元的第一输出和ac电源133的第三相。第一逆变器152的第三逆变单元的第二输出和第二逆变器164的第三逆变单元的第二输出分别连接到电机122的第三开相绕组的两个端子。
144.ac电源131可以是三相ac电源。在一些实施例中，ac电源131的输出电压在约220v至约240v的范围内。可替代地，根据不同的设计需要，ac电源131可以实现为两相电源或单相电源。
145.图19示出了根据本公开各种实施例的图18示出的第一逆变器的示意图。第一逆变器152是用于将dc电压转换成三个ac波形的三相逆变器。第一逆变器152包括三个逆变单元。第一逆变器152的开关形成六条支路。第一支路包括串联连接在第一逆变器152的输入的正极端子和负极端子之间的开关s11和s12。开关s11和s12的公共节点连接到第一逆变器152的第一输出端子v11。第二支路包括串联连接在第一逆变器152的输入的正极端子和负极端子之间的开关s13和s14。开关s13和s14的公共节点连接到第一逆变器152的第二输出端子v12。第一支路和第二支路形成第一逆变器152的第一逆变单元。
146.第三支路包括串联连接在第一逆变器152的输入的正极端子和负极端子之间的开关s21和s22。开关s21和s22的公共节点连接到第一逆变器152的第三输出端子v21。第四支路包括串联连接在第一逆变器152的输入的正极端子和负极端子之间的开关s23和s24。开关s23和s24的公共节点连接到第一逆变器152的第四输出端子v22。第三支路和第四支路形成第一逆变器152的第二逆变单元。
147.第五支路包括串联连接在第一逆变器152的输入的正极端子和负极端子之间的开关s31和s32。开关s31和s32的公共节点连接到第一逆变器152的第五输出端子v31。第六支路包括串联连接在第一逆变器152的输入的正极端子和负极端子之间的开关s33和s34。开关s33和s34的公共节点连接到第一逆变器152的第六输出端子v32。第五支路和第六支路形成第一逆变器152的第三逆变单元。图19示出的三相逆变器的工作原理是众所周知的，因此本文不再讨论。
148.如图19所示，二极管d11-d14、d21-d24和d31-d34需要提供反向传导路径。换言之，二极管d11-d14、d21-d24和d31-d34是反并联二极管。
149.图20示出了根据本公开各种实施例的图18示出的第二逆变器的示意图。第二逆变器164包括开关s41-s44、s51-s54和s61-s64。第二逆变器164还包括二极管d41-d44、d51-d54和d61-d64。第二逆变器164的结构与第一逆变器152的相似，因此本文不再讨论。
150.图21示出了根据本公开各种实施例的图1示出的功率转换系统的第五实现的框图。图21示出的功率转换系统600与图17示出的功率转换系统500相似，只是三个逆变器串联连接，用于驱动电机123。
151.如图21所示，第一逆变器153直接连接到dc电源110。第二逆变器165通过第一隔离式转换器174连接到dc电源110。第三逆变器166通过第二隔离式转换器175连接到dc电源110。利用第一隔离式转换器174和第二隔离式转换器175以分别为第二逆变器165和第三逆变器166提供隔离式功率。由于具有隔离式功率，三个逆变器的输出可以相加以实现更高的电压。
152.图21示出的每个逆变器具有六个输出。第三逆变器166的三个输出分别连接到绕组端子a、b和c。第三逆变器166的其他三个输出分别连接到第一逆变器153的三个输出。第一逆变器153的其他三个输出分别连接到第二逆变器165的三个输出。第二逆变器165的其他三个输出分别连接到绕组端子a’、b’和c’。ac电源134的三个输出分别连接到电机123的三个绕组。
153.图22a、图22b和图22c示出了根据本公开各种实施例的图21示出的功率转换系统的示意图。在整个描述中，图22a、图22b和图22c统称为图22。功率转换系统600与图18示出的功率转换系统500相似。因此，为了避免重复，不再讨论这两个系统的相同部分。
154.功率转换系统600包括两个隔离式转换器174和175。第一隔离式转换器174具有通过开关kc连接到dc电源110的输入。电容器c2为输入电容器，用于提供稳定的dc电压。电容器c7和c8是输出电容器。如图22所示，电容器c7和c8串联连接。
155.第二隔离式转换器175具有通过开关kc连接到dc电源110的输入。电容器c3为输入电容器，用于提供稳定的dc电压。电容器c9和c10为输出电容器。如图22所示，电容器c9和c10串联连接。
156.功率转换系统600包括三个逆变器153、165和166。三个逆变器的输出串联连接以驱动电机123。ac电源134具有三个输出，分别连接到电机123的三个开相绕组的中点，如图22所示。
157.图23示出了根据本公开各种实施例的图1示出的功率转换系统的第六实现的框图。图23示出的功率转换系统700包括多个逆变器150、151和153。多个逆变器的输出串联连接以驱动电机120。图2-22中讨论的各个实施例适用于图23示出的功率转换系统700。
158.虽然已详细描述了本公开的实施例及其优点，但是应当理解的是，在不脱离由所附权利要求限定的本公开的精神和范围的情况下，可以进行各种改变，替换和变更。
159.此外，本技术的范围并非意在限于说明书中描述的过程、机器、制品、物质组成、装置、方法和步骤的特定实施例。所属领域的技术人员根据本公开的公开内容将容易了解，根据本公开可利用目前存在或将来开发的与本文所描述的对应实施例执行大体上相同功能或实现大体上相同结果的过程、机器、制品、物质组成、装置、方法或步骤。因此，所附权利要求旨在在其范围内包括这样的流程、机器、生产、物资成分、手段、方法或步骤。相应地，应当简单地将本说明书和附图认为是对所附权利要求所限定的本发明的示意，并且意在覆盖落入本发明的范围内的任何和所有修改、变型、组合或等同替换。