包括飞跨电容器的谐振变流器制造技术

公开了零电压转换脉冲宽度调制谐振变流器的独特系统、方法、技术和设备。一个示例性实施例是零电压转换PWM谐振变流器，该零电压转换PWM谐振变流器包括：DC母线；第一开关装置；第二开关装置；谐振槽电路；辅助电路，该辅助电路具有飞跨电容器和多个辅助开关装置；以及控制器。该控制器被构造为控制该第一开关装置、该第二开关装置和该多个辅助开关装置，以提供该槽电路的谐振操作，该谐振操作有效地在导通或关断该第一开关装置时在该第一开关装置两端提供基本上零电压条件，并且在导通或关断该第二开关装置时在该第二开关装置两端提供基本上零电压条件。

Resonant Converter Including Flying Capacitor

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】包括飞跨电容器的谐振变流器
技术介绍
本公开总体上涉及谐振变流器。谐振变流器(包括零电压转换(ZVT)脉冲宽度调制(PWM)变流器和零电流转换变流器(ZCT)PWM变流器)提供许多益处，例如包括允许高开关频率、减少电磁噪声发射、以及允许使用较小的无源组件。现有谐振变流器(包括前述示例)存在许多劣势和缺点。还有未满足的需求，包括电感器饱和、后换向振荡、电压不平衡。例如，一些ZVTPWM变流器包括耦合电感器，该耦合电感器在变流器操作期间易于饱和并且引起后换向振荡。在另一示例中，一些ZVTPWM变流器使用中性点连接，该中性点连接无法轻易地使电压平衡并且无法用于DC/DC功率变换。存在对于本文所公开的独特设备、方法、系统和技术的显著需要。
技术实现思路
为了清楚、简明以及精确地描述本公开的非限制性示例性实施例、制造和使用这些实施例的方式和过程以及使得能够实践、制造和使用这些实施例等目的，现在将参照某些示例性实施例、包括在附图中图示的那些示例性实施例，并且将使用特定语言来描述这些示例性实施例。然而，应该理解，由此不会产生对本公开的范围的限制，并且本公开包括并且保护示例性实施例的如受益于本公开的本领域的技术人员将想到的这些变化、修改和进一步应用。示例性实施例包括用于零电压转换脉冲宽度调制谐振变流器的独特系统、方法、技术和设备。本公开的其它实施例、形式、目的、特征、优点、方面和益处将通过以下描述和附图而变得显而易见。附图说明图1图示了示例性变流器。图2图示了通过图1所示示例性变流器的电流流动。图3是图示图1的示例性变流器的主开关两端的基本上零电压条件的多个曲线图。图4是图示图1的示例性变流器的飞跨电容器电路的操作的多个曲线图。图5是图示针对示例性变流器的谐振电感器的B-H曲线的曲线图。图6和图7图示了另外的示例性变流器。具体实施方式参照图1和图2，图示了示例性ZVTPWM谐振变流器100。应该了解，变流器100可以被实施在各种应用中，仅举几例，包括电动车辆、混合动力车辆和中压直流配电。变流器100被耦合至具有正极和负极的直流(DC)电源，并且被构造为生成输出电压Vdc。在一些实施例中，变流器100被构造为从DC电源接收DC功率，将该DC功率变换为AC功率，并且将该AC功率提供至负载。在一些实施例中，变流器100被构造为从DC电源接收一个电压的DC功率，将该DC功率变换为第二电压的DC功率，并且将该变换的DC功率提供至负载。变流器100包括DC母线102，该DC母线102具有被耦合至DC电源的正极的DC母线正轨103，以及被耦合至负极的DC母线负轨105。在图示的实施例中，平滑电容器101被耦合在轨103与轨105之间。平滑电容器101被构造为减少DC母线上由DC电源的输出功率的波动和本文描述的变流器开关操作而引起的瞬变。在一些实施例中，平滑电容器101不被包括在变流器100中。变流器100进一步包括通过DC母线102而被并联耦合至DC电源的一对主开关装置110。装置对110包括第一主开关装置111，该第一主开关装置111具有被电耦合至轨103的第一端子和被电耦合至输出节点115的第二端子。在图示的实施例中，开关装置111是具有并联耦合续流二极管的绝缘栅双极晶体管(IGBT)，IGBT被额定设置为Vdc。开关装置111可以是另一种类型的半导体开关装置，举若干示例，诸如集成栅极换向晶闸管(IGCT)、金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、或者碳化硅(SiC)MOSFET。应该了解，本文所描述的其它主开关装置可以包括与主开关装置111相同或者相似的特征，尽管这些特征可能不再重新陈述。装置对110包括第二主开关装置113，该第二主开关装置113具有被耦合至输出节点115的第一端子和被耦合至轨105的第二端子。输出节点115被电耦合至负载，该负载被构造为从输出节点115接收具有在输出电压109中的输出电流107的功率。变流器100进一步包括辅助飞跨电容器(FC)电路120，该辅助飞跨电容器(FC)电路120具有多个FC开关装置121、123、125和127、飞跨电容器129、FC电路输出节点135以及飞跨电容器节点131和133。应该理解，可以结合开关装置121、123、125和127采用开关装置111的特征。FC开关装置121的第一端子被耦合至DC母线正轨103。FC开关装置121的第二端子被耦合至飞跨电容器节点131。开关装置123的第一端子被耦合至飞跨电容器节点131，而开关装置123的第二端子被耦合至FC输出节点135。开关装置125的第一端子被耦合至FC输出节点135，而开关装置125的第二端子被耦合至飞跨电容器节点133。开关装置127的第一端子被耦合至飞跨电容器节点133，而开关装置127的第二端子被耦合至负母线轨105。飞跨电容器129的阴极被耦合至飞跨电容器节点131，而飞跨电容器129的阳极被耦合至飞跨电容器节点133。FC开关装置121、123、125和127中的每一个FC开关装置可以被额定设置为一半的Vdc。变流器100另外包括谐振槽电路140，该谐振槽电路140具有第一谐振非极化电容器145、第二谐振非极化电容器147，该第一谐振非极化电容器145被并联耦合至开关装置111，使得非极化电容器145的端子被耦合至输出节点115，该第二谐振非极化电容器147与开关装置113并联耦合，使得非极化电容器147的端子被耦合至输出节点115。电路140另外包括被电耦合在FC输出节点135与输出节点115之间的谐振电感器141。如下面更详细地描述的，辅助飞跨电容器电路120被构造为选择性地提供从FC输出节点135流动至输出节点115的谐振电流143。考虑到在峰值负载处的电压变化、占空比范围、峰值谐振电流以及在一个谐振开关阶段期间的电压变化，变流器100的无源组件的大小将取决于特定应用。例如，被耦合至750VDC电源并且生成210A的组合谐振峰值电流和负载峰值电流的变流器100可以利用0.1uF的谐振电容器145和147、4uH的谐振电感器141以及20uF的飞跨电容器129。在另一示例中，被耦合至750VDC电源并且生成1270A的组合谐振峰值电流和负载峰值电流的变流器100可以利用0.6uF的谐振电容器145和147、0.7uH的谐振电感器141以及20uF的飞跨电容器129。飞跨电容器129可以是薄膜电容器。应该了解，由于飞跨电容器每开关周期的导通时间少于10us的事实，因此，飞跨电容器129的大小比传统的飞跨电容器多电平变流器中的电容器小得多。变流器100另外包括被电耦合至FC开关装置121、123、125和127以及主开关装置145和147的控制器160。控制器160被构造为传输用以操作FC开关装置121、123、125和127以及主开关装置145和147的多个脉冲宽度调制信号。这些脉冲宽度调制信号引起开关装置的闭合以允许电流流过开关装置，或者引起该装置的断开以防止电流沿至少一个方向流过该装置。控制器160被构造为通过断开和闭合主开关装置111和113来操作主开关装置对110，以将来自DC电源的DC功率变换为输出功率并且将该输出功率传输至负载。控制器160被另外构造为控制FC开关装置121、1本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种零电压转换PWM谐振变流器，包括：DC母线，所述DC母线包括第一轨和第二轨；第一开关装置，所述第一开关装置与所述第一轨和变流器输出节点耦合；第二开关装置，所述第二开关装置与所述第二轨和所述变流器输出节点耦合；谐振槽电路，所述谐振槽电路包括第一谐振电容器、第二谐振电容器、以及与所述变流器输出节点耦合的谐振电感器；辅助电路，所述辅助电路包括被串联耦合在所述第一轨与所述第二轨之间的多个辅助开关装置、以及跨所述辅助开关装置中的两个辅助开关装置并联耦合的飞跨电容器，所述谐振电感器被耦合至所述辅助开关装置中的所述两个辅助开关装置中间的节点；以及控制器，所述控制器被构造为控制所述第一开关装置、所述第二开关装置和所述多个辅助开关装置，以提供所述槽电路的谐振操作，所述谐振操作有效地在导通或关断所述第一开关装置时在所述第一开关装置两端提供基本上零电压条件，并且在导通或关断所述第二开关装置时在所述第二开关装置两端提供基本上零电压条件。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.05.19 US 15/159,2271.一种零电压转换PWM谐振变流器，包括：DC母线，所述DC母线包括第一轨和第二轨；第一开关装置，所述第一开关装置与所述第一轨和变流器输出节点耦合；第二开关装置，所述第二开关装置与所述第二轨和所述变流器输出节点耦合；谐振槽电路，所述谐振槽电路包括第一谐振电容器、第二谐振电容器、以及与所述变流器输出节点耦合的谐振电感器；辅助电路，所述辅助电路包括被串联耦合在所述第一轨与所述第二轨之间的多个辅助开关装置、以及跨所述辅助开关装置中的两个辅助开关装置并联耦合的飞跨电容器，所述谐振电感器被耦合至所述辅助开关装置中的所述两个辅助开关装置中间的节点；以及控制器，所述控制器被构造为控制所述第一开关装置、所述第二开关装置和所述多个辅助开关装置，以提供所述槽电路的谐振操作，所述谐振操作有效地在导通或关断所述第一开关装置时在所述第一开关装置两端提供基本上零电压条件，并且在导通或关断所述第二开关装置时在所述第二开关装置两端提供基本上零电压条件。2.根据权利要求1所述的变流器，其中所述多个辅助开关装置包括被串联耦合在所述第一轨与所述第二轨之间的第一辅助开关装置、第二辅助开关装置、第三辅助开关装置和第四辅助开关装置，所述飞跨电容器跨所述第二辅助开关装置和所述第三辅助开关装置并联耦合，并且所述谐振电感器被耦合至所述第二辅助开关装置和所述第三辅助开关装置中间的节点。3.根据权利要求2所述的变流器，其中所述控制器被构造为执行换向方案，在所述换向方案中，所述第一辅助开关装置在所述第一开关关断且所述第二开关导通的第一时间处被导通，从而有效地增加所述谐振电感器的电流，并且所述第二开关在大于所述第一时间的第二时间处、在所述基本上零电压条件下被关断，从而有效地提供所述槽电路的谐振操作。4.根据权利要求3所述的变流器，其中当所述第一开关装置两端的电压由于所述槽电路的谐振操作而变得基本上为零时，所述第一开关装置在大于所述第二时间的第三时间处被导通。5.根据权利要求4所述的变流器，其中所述飞跨电容器包括薄膜电容器。6.一种被耦合至具有正极和负极的直流(DC)电源的零电压转换变流器，所述变流器包括：第一主开关装置，所述第一主开关装置具有被电耦合至所述DC电源的所述正极的第一端子和被电耦合至负载的第二端子；第二主开关装置，所述第二主开关装置具有被电耦合至所述负载的第一端子和被耦合至所述DC电源的所述负极的第二端子；第一谐振电容器，所述第一谐振电容器被并联耦合至所述第一主开关装置；第二谐振电容器，所述第二谐振电容器被并联耦合至所述第二主开关装置；飞跨电容器(FC)电路，所述FC电路被电耦合至所述电源和所述负载，所述FC电路包括至少一个飞跨电容器和至少四个FC开关装置；谐振电感器，所述谐振电感器与所述第一主开关、第二主开关、所述负载和所述FC电路电耦合；以及控制器，所述控制器被构造为通过断开和闭合所述第一主开关装置和所述第二主开关装置来操作所述第一主开关装置和所述第二主开关装置，以便将来自所述DC电源的DC功率变换为输出功率，并且将所述输出功率传输至所述负载，其中所述控制器被构造为操作所述FC开关装置，以便在所述第一主开关装置和所述第二主开关装置的所述断开和所述闭合期间在所述第一主开关装置和所述第二主开关装置两端生成基本上零电压开关条件，以及其中所述控制器被构造为通过操作所述FC开关装置来生成谐振电流，使得电流流过所述谐振电感器。7.根据权利要求6所述的变流器，其中所述控制器被构造为传输用以操作所述第一主开关装置、所述第二主开关装置和所述FC开关装置的多个脉冲宽度调制信号，所述脉冲宽度调制信号引起所述装置中的一个装置的所述闭合以允许电流流过所述开关装置、或者引起所述装置中的所述一个装置的所述断开以防...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁嘉祺，H·苏亚纳拉亚纳，JP·基蒂拉，
申请(专利权)人：ABB瑞士股份有限公司，
类型：发明
国别省市：瑞士,CH