DCDC中点拓扑交错控制的制作方法

dcdc中点拓扑交错控制
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求于2020年12月17日提交的序列号为63/126,601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.概述
5.在至少一个方面中，提供了一种将输入dc电压转换成输出dc电压的dc-dc转换器。dc-dc转换器包括初级侧开关网络、第一变压器部件、第二变压器、第一次级侧开关网络和第二次级侧开关网络。初级侧开关网络接收输入dc电压并输出初级侧ac电压。第一变压器部件包括第一多个初级绕组和第一多个次级绕组。第一变压器部件接收初级侧ac电压并输出第一次级侧ac电压。第二变压器部件包括第二多个初级绕组和第二多个次级绕组。第一多个初级绕组与第二多个初级绕组串联。第二变压器部件接收初级侧ac电压并输出第二次级侧ac电压。第一次级侧开关网络接收第一次级侧ac电压，而第二次级侧开关网络接收第二次级侧ac电压。特征在于，来自第一多个次级绕组和第二多个次级绕组的输出被组合以形成输出dc电压。
6.在另一方面，在dc-dc转换器中，在第一多个次级绕组和第一多个初级绕组之间存在第一相位差，并且在第二多个次级绕组和第二多个初级绕组之间存在第二相位差。
7.有利地，dc-dc转换器在提供高灵活性的同时提高了性能。该设计还提供了成本缩减以及上市时间。dc-dc转换器特别适合于容错应用。
8.附图简述
9.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：
10.图1a是具有两个变压器的dc-dc转换器的示意图，其中初级绕组以串联配置进行配置。
11.图1b是具有三个变压器的dc-dc转换器的示意图，其中初级绕组以串联配置进行配置。
12.图1c是图1a和图1b的系统中使用的变压器的示意图。
13.图2a是在标准操作期间一个全桥级的输出电流和三个次级线圈中每个线圈的贡献。
14.图2b是在新相移操作期间一个全桥级的输出电流和三个次级线圈中每个线圈的贡献。
15.详细描述
16.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
本发明的可以以各种形式和替代性形式实施的示例。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。
17.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性的。
18.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，以单数提及的部件意图包括多个部件。
19.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、未被描述的要素或方法步骤。
20.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中排除。
21.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。
22.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。
23.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。
24.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)。
25.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。
26.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。
27.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。
28.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。
29.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。电子部件的示例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。
30.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。
31.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。
32.缩写：
[0033]“ac”意指交流电。
[0034]“dab”意指双有源桥。
[0035]“dc”意指直流电。
[0036]“dcdc”意指直流电到直流电。
[0037]“hv/lv”意指高电压到低电压。
[0038]
通常，提供包括两个(或更多个)次级侧开关网络的dc/dc转换器系统。每个开关网络通常包括具有独立控制的输入/输出电压比，其可以强制初级侧和次级侧的h桥之间的相移。
[0039]
现在参考图1a、图1b和图1c，提供了直流/直流(dc/dc)转换器和包括在其中的变压器的示意图。在变型中，dc/dc转换器系统10包括初级级12和次级级14。在这个上下文中，初级级12和次级级14也可以被称为初级侧12和次级侧14。初级级12被配置为接收dc电压vdc1作为输入，而次级级被配置为输出dc电压vdc2。典型地，dc电压vdc2小于dc电压vdc1。在改进中，输入dc电压vdc1在230至650伏的范围内，而输出电压vdc2在大约10至18伏的范围内。典型地，dc电压vdc1约为400伏，而电压vdc2约为12伏。在改进中，dc/dc转换器系统10是双向的。因此，转换器系统可以在vdc2和vdc1的角色颠倒的情况下工作，即dc电压vdc2可以是输入，dc电压vdc1可以是输出。
[0040]
dc/dc转换器系统10还包括变压器部件18和18’(以及可选的18”)。第一变压器部件18包括多个初级绕组20和多个次级绕组24。第二变压器部件18’包括多个初级绕组20’和多个次级绕组24’。类似地，任何附加的变压器部件(诸如第三变压器部件18”)也包括多个初级绕组20”和多个次级绕组24”。
[0041]
初级侧ac电压vac1在初级绕组20、20’和20”上被接收，其中变压器部件18、18’和任何附加的变压器部件18”中的每一个分别输出次级侧ac电压vac2、vac2’和vac2”。因此，ac电压vac1在初级绕组20、20’和20”之间共享(在初级绕组之间被分配)。在一个示例中，分配是等同的(即，对于两个初级绕组是1/2，对于3个初级绕组是1/3)。在某些特定情况下(次要条件转移到相应的主要条件的情况下)，这种共享可能不同。图1b描绘了一种变型，其中变压器还包括一个或更多个附加的多个初级绕组20”，它们与第一多个初级绕组20和第二多个初级绕组20’串联。
[0042]
在变型中，调节(例如优化)第一多个次级绕组24和第一多个初级绕组20之间的第
一相位差以及第二多个次级绕组24’和第二多个初级绕组20’之间的第二相位差，以提高转换效率。在改进中，第一相位差和第二相位差根据输入与输出电压比进行调整，使得与第一相位差和第二相位差为零的情况相比，转换效率得到提高。因此，第一相位差和第二相位差可以从0度到180度。
[0043]
在另一变型中，当dc-dc转换器10包括第三变压器部件18”时，第三变压器部件18”包括第三多个初级绕组20”和第三多个次级绕组24”，第三变压器部件18”接收初级侧ac电压的第三部分并输出第三次级侧ac电压。特征在于，第三多个初级绕组20”与第一多个初级绕组20和第二多个初级绕组20’串联。此外，来自第一多个次级绕组20、第二多个次级绕组20’和第三多个次级绕组20”的输出被组合以形成输出dc电压vdc2。在改进中，第二多个次级绕组24’和第三多个次级绕组24”相对于第一多个初级绕组20和第二多个初级绕组20’被设置为相同的相位差。在另一个改进中，当输入/输出电压比低于预定阈值时，两个次级中的反相被固定以产生功能消除。预定阈值是将高输入/输出电压比与低输入/输出电压比分开的值。例如，阈值可以是大约35。
[0044]
特征在于，如图1a、图1b和图1c所描绘，初级绕组20和20’(以及任何附加的初级绕组20”)串联布置。变压器18、18’和18”各自还分别包括芯28、28’和28”，每个芯通常是磁芯。每个芯28、28’和28”可以提供初级级12与次级级14的电分离。
[0045]
在改进中，初级绕组20、20’(以及20”，如果存在的话)是初级级的一部分，而次级绕组24、24’(以及24”，如果存在的话)是次级级的一部分。初级绕组20、20’(以及20”，如果存在的话)与初级侧开关网络16电通信，而次级绕组24和24’(以及24”，如果存在的话)分别与次级侧开关级30和30’(以及30”如果存在的话)电通信。
[0046]
特征在于，dc次级侧开关级30、30’和30”完成到输出电压的转换。次级侧开关网络30、30’和任何附加开关网络30”接收次级ac电压vac2、vac2’和vac2”，而输出dc电压vdc2、vdc2’和vdc2”从次级变压器绕组输出。在另一种改进中，次级变压器绕组能够在相应的初级线圈中引起短路效应。在这种情况下，其他初级绕组(即，不与短路的次级相关联的初级绕组)将看到增加的ac电压，同时它们各自的次级也接收到更高的ac电压。
[0047]
仍然参考图1a和图1b，初级侧开关网络16可以包括初级侧h桥电路。因此，初级侧开关网络16包括开关sp1、sp2、sp3和sp4。初级侧开关网络16包括第一h桥臂36和第二h桥臂38。在第一h桥臂36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的正极侧，其与dc输入电压vdc1的正极侧电通信。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、20’、20”的串联组合的第一输入端子tp1。晶体管开关sp2的源极与初级侧电压总线vpb1的负极侧电通信，且因此与dc输入电压dcv1的负极侧电通信。类似地，在第二h桥臂38中，晶体管开关sp3的源极连接到初级绕组20、20’、20”的串联组合的第二输入端子tp2。晶体管开关sp3的漏极连接到输入电压vdc1的正极侧。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的漏极连接到初级绕组20、20’、20”的串联组合的第二输入端子tp2。晶体管开关sp4的源极与输入电压vdc1的负极侧电通信。在操作期间，当初级级接收dc输入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允许或建立施加到变压器18的第一ac电压vac1。
[0048]
本实施例不受次级级的特定拓扑的限制。典型地，第二开关网络30、30’(以及任何附加的开关网络30”)被配置成将次级级ac电压vac2、vac2’(以及vac2”，如果需要的话)转换成输出dc电压vdc2。图1a提供了包括第二开关网络46的这种拓扑的具体示例，该第二开关网络46在2020年8月18日提交的美国临时专利第63067206号中公开。典型地，每个第二侧开关网络30和30’可以各自包括h桥电路。因此，第一次级侧开关网络30包括第一次级侧h桥臂40和第二次级侧h桥臂42。类似地，第二次级侧开关网络30’包括第一次级侧h桥臂40’和第二次级侧h桥臂42’。第一h桥臂40包括第一晶体管开关ss1和第二晶体管开关ss2，而第二h桥臂42包括第三晶体管开关ss3和第四晶体管开关ss4。类似地，第一h桥臂40’包括第一晶体管开关ss1’和第二晶体管开关ss2’，而第二h桥臂42’包括第三晶体管开关ss3’和第四晶体管开关ss4’。
[0049]
本实施例的特征在于每个开关网络30、30’(以及任何附加的开关网络)是独立控制的。在改进中，当存在2个开关网络30、30’时，可以控制转换器，使得它们之间可以有不同相移(从0
°
或同相到180
°
或反相)。
[0050]
在图1a所描绘的具体示例中，多个次级绕组24包括第一组次级绕组l1和第二组次级绕组l2。类似地，多个绕组24’包括第一组次级绕组l1和第二组次级绕组l2。第一开关网络16和第二开关网络30、30’以及30”(如果存在的话)被操作成使得第一电流i(l1)从触点ts1到触点tc流过第一组次级绕组l1，第二电流i(l2)从触点ts2到触点tc流过第一组次级绕组l2，并且第三电流ip流过初级绕组20、20’以及20”(如果存在的话)。特征在于，第一电流、第二电流、第三电流至少部分由初级绕组和次级绕组之间的互感建立。
[0051]
在变型中，转换器10还包括被配置为控制在初级侧开关网络16和第二侧开关网络30、30’中的晶体管开关的微控制器50。在改进中，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形成第一初级侧h桥，并且被控制信号同时接通和关断。类似地，晶体管开关sp2和sp3在初级侧上形成第二初级侧h桥，并且被控制信号同时接通和关断。第一初级侧h桥16和第二初级侧h桥30、30’由控制信号交替致动。因此，用于第一初级侧h桥的控制信号与第二初级侧h桥异相(通常为180
°
)。这导致第一初级侧h桥的电压输出与第二初级侧h桥的输出电压异相。
[0052]
微控制器50还可以向晶体管开关ss1、ss2、ss3、ss4、ss1’、ss2’、ss3’、ss4’、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(或ss1’和ss4’或ss1”和ss4”)形成第一初级侧h桥，并且被控制信号同时接通和关断。类似地，晶体管开关ss2和ss3(或ss2’和ss3’或ss2”和ss3)在次级侧形成第二初级侧h桥，并且被控制信号同时接通和关断。第一次级侧h桥和第二次级侧h桥由控制信号交替致动。因此，用于第一次级侧h桥的控制信号与第二次级侧h桥异相(通常为180
°
)。这导致第一次级侧h桥的电压输出与第二次级侧h桥的输出电压异相。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。
[0053]
在上面阐述的dc/dc转换器系统配置中，转换器的性能可以通过根据操作电压范围调整每个次级开关单元的调制或去激活它们来提高，使得当初级和次级电压处于较高或较低电压值时，转换器超出标称设计期望条件。这允许使初级电压适应有效操作的操作条件(转换器基本上作为多电平转换器操作，其中输出电压(即本发明中的初级电压)由有效电平(即本发明中的次级开关单元)的数量及其调制控制)。
[0054]
图2a和图2b提供了一个全桥级的输出电流和三个次级线圈中每一个的贡献。图2a示出了次级绕组同相操作的标准操作。这种操作对于极端电压具有挑战性，如在仿真所示(250v下限)，因为初级和次级电压之间的差异会增加初级电流。如图2b所描绘，所提出的拓扑使得能够在次级绕组中使用相移来抵消电压，因此初级绕组中反射的电压更接近于初级总线中的电压，从而降低了相同处理功率的初级电流。在示例中，对于相同处理功率，实现了初级电流的1.7的降低因子。应当认识的，该方案可以用于输入/输出电压的任何组合。
[0055]
下面的公式1通过设置dc高压电流提供了一种控制方法：
[0056][0057]
其中：
[0058]idc
(hv)：dc高压电流目标。idc(hv)由次级的功率需求(vlv*ilv)和输入vhv电压(vdc1)计算得出，其中vlv是低电压(vdc2)，ilv是输出idc2处的电流；
[0059]
fin：将初级偏移到相应的活动次级之一(活动次级的范围为0到0.25(设计约束))。fi是次级全桥的开关序列相对于初级全桥开关序列的偏移。当idc(hv)、vlv、fsw和l已知时，fi由前面的公式1计算。在如图1b的系统中，fiin＝fi；
[0060]
l：等效变压器漏电感；
[0061]fsw
：可变频率[例如，50..250khz]，作为输出功率(i
dc
·vlv
)的函数。
[0062]vlv
：低电压；
[0063]
n：等效初级与次级变压器比(活动次级的函数)。有效变压器匝数比，其是比率vhv/vlv的函数)。
[0064]
对具有3个活动次级的dcdc系统的控制示例(参见图2a)：
[0065]
对于3个次级，当v
hv
/v
lv
↑↑
(即，比率为450v/8v高时)：fi1＝fi2＝fi3＝fi，则n＝3
·np
/ns，其中n
p
是初级处的变压器绕组匝数，ns是次级处的变压器绕组匝数。此公式中的3表示应用fi上的活动次级(都具有相同的fi，因此都对功率传输有贡献)的数量，其根据公式1计算。在这种情况下，(vhv/vlv高)所有次级都具有如公式1中计算的相同fi。如图2a所示，所有三个次级都同相，但相对于初级延迟“fi”。
[0066]
对具有1个活动次级的dcdc系统的控制示例(参见图2b)：
[0067]
对于1个次级，当v
hv
/v
lv
↓↓
(即，比率为250v/16v低时)：fi1＝fi，fi2＝0，fi3＝0.5，则n＝1
·np
/ns，其中n
p
是初级处的变压器绕组匝数，并且ns是次级处的变压器绕组匝数，并且公式中的1是活动次级的数量。在这种情况下(vhv/vlv低)，(图2b中的3的)两个次级具有固定的fi。第二次级24’具有的fi固定为0(与初级同相)，并且第三次级24”具有的fi固定为0.5(与初级反相)，仅留下第一次级24来以计算的fi操作。由于次级2、24’和3、24”具有相反的相位，因此初级功率传输被取消，并且只有第一次级有效工作，由用解释的n值计算的fi进行调节。在这种情况下(v
hv
/v
lv
低)，根据公式1，只有一个次级具有fi。对于其他情况，fi分别固定为0和0.5。
[0068]
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，可以组合不同实现实施
例的特征以形成本发明的另外的实施例。