集成式多功能電源轉(zhuǎn)換裝置的制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開集成式多功能電源轉(zhuǎn)換裝置，其交流接口經(jīng)過(guò)EMI濾波器連接交流端開關(guān)，通過(guò)交流端開關(guān)以及第一直流端電感和第二直流端電感后分別連接到第一功率開關(guān)器件、第二功率開關(guān)器件、第三功率開關(guān)器件和第四功率開關(guān)器件組成的橋臂中點(diǎn)；第一直流端接口的正負(fù)極分別與第一直流端濾波電容的正負(fù)極連接，第一直流端濾波電容的正極經(jīng)直流端開關(guān)后分為兩路，兩路分別經(jīng)過(guò)第一直流端電感和第二直流端電感連接到第一功率開關(guān)器件、第二功率開關(guān)器件、第三功率開關(guān)器件和第四功率開關(guān)器件組成的橋臂中點(diǎn)；本實(shí)用新型用于電動(dòng)汽車電源系統(tǒng)的交流、直流之間的相互轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)電源之間雙向直流?直流轉(zhuǎn)換、單相交流?直流轉(zhuǎn)換和直流?單相交流轉(zhuǎn)換。
【專利說(shuō)明】
集成式多功能電源轉(zhuǎn)換裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本實(shí)用新型涉及一種電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，特別是涉及一種集成式多功能電源轉(zhuǎn)換裝 置，具體是一種電動(dòng)汽車電源DC/DC、AC/DC、DC/AC轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。 技術(shù)背景
[0002] 電動(dòng)汽車作為一種低碳環(huán)保的交通工具，代表著未來(lái)汽車發(fā)展的方向，近年來(lái)發(fā) 展迅速。為了提高電動(dòng)汽車電源系統(tǒng)的性能，通常采用鋰電池或燃料電池作為主電源，搭配 超級(jí)電容組或蓄電池作為輔助電源，構(gòu)成復(fù)合電源結(jié)構(gòu)，以滿足電源系統(tǒng)功率和能量的需 求。主電源和輔助電源通常具有不同的電壓等級(jí)，需要采用一個(gè)雙向DC/DC轉(zhuǎn)換器進(jìn)行雙向 直流電源轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)電壓匹配;同時(shí)，為了給主電源的電池充電，需要采用一個(gè)具備AC/DC功 能的充電機(jī)，將電網(wǎng)交流電轉(zhuǎn)換成直流電；另外，在進(jìn)行戶外活動(dòng)時(shí)，為了滿足交流用電設(shè) 備的需求，又需要一個(gè)DC/AC逆變器，將電池的直流電轉(zhuǎn)換成交流電。目前，為了實(shí)現(xiàn)此三種 功能，需要配備一個(gè)雙向DC/DC變換器、一個(gè)AC/DC充電機(jī)、一個(gè)DC/AC逆變器，占用了車內(nèi)寶 貴空間、增加了電動(dòng)汽車重量和成本。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0003] 本實(shí)用新型的主要目的在于，提供一種集成式多功能電源轉(zhuǎn)換裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)電 動(dòng)汽車電源的雙向DC/DC轉(zhuǎn)換、AC/DC轉(zhuǎn)換、DC/AC轉(zhuǎn)換。
[0004] 本實(shí)用新型所涉及的集成式多功能電源轉(zhuǎn)換裝置，雙向DC/DC變換器、AC/DC充電 機(jī)、DC/AC逆變器共用可控功率開關(guān)器件，通過(guò)ECU對(duì)功率開關(guān)器件進(jìn)行全數(shù)字化控制，可使 系統(tǒng)工作于雙向DC/DC變換、AC/DC變換和DC/AC變換三種模式。工作于雙向DC/DC模式時(shí)，構(gòu) 成兩相交錯(cuò)結(jié)構(gòu)，通過(guò)合適的控制策略，可以減小電流和電壓紋波;工作于AC/DC整流模式 時(shí)，可通過(guò)控制策略，實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正，提高功率因數(shù);另外，通過(guò)E⑶的控制，實(shí)現(xiàn)單相逆 變。本實(shí)用新型所涉及的集成式多功能電源轉(zhuǎn)換裝置由于共用了功率開關(guān)器件，減少了功 率開關(guān)器件的數(shù)量和與之配套的散熱器數(shù)量，具有更小的體積、更輕的重量、更低的成本。
[0005] 為了實(shí)現(xiàn)上述實(shí)用新型目的，本實(shí)用新型采用了如下技術(shù)方案：
[0006] -種集成式多功能電源轉(zhuǎn)換裝置，包括交流接口、EMI濾波器、交流端開關(guān)、第一直 流端濾波電容、第一直流端接口、直流端開關(guān)、第二直流端接口、電池組、第二直流端濾波電 容、ECU、第一功率開關(guān)器件、第二功率開關(guān)器件、第三功率開關(guān)器件和第四功率開關(guān)器件；
[0007] 所述交流接口經(jīng)過(guò)EMI濾波器連接交流端開關(guān)，通過(guò)交流端開關(guān)以及第一直流端 電感和第二直流端電感后分別連接到第一功率開關(guān)器件、第二功率開關(guān)器件、第三功率開 關(guān)器件和第四功率開關(guān)器件組成的橋臂中點(diǎn)；或者是所述交流接口經(jīng)過(guò)EMI濾波器分別連 接交流端電感和交流端電感，然后通過(guò)交流端開關(guān)后分別連接到第一功率開關(guān)器件、第二 功率開關(guān)器件、第三功率開關(guān)器件和第四功率開關(guān)器件組成的橋臂中點(diǎn)；
[0008] 所述第一直流端接口的正負(fù)極分別與第一直流端濾波電容的正負(fù)極連接，第一直 流端濾波電容的正極經(jīng)直流端開關(guān)后分為兩路，兩路分別經(jīng)過(guò)第一直流端電感和第二直流 端電感連接到第一功率開關(guān)器件、第二功率開關(guān)器件、第三功率開關(guān)器件和第四功率開關(guān) 器件組成的橋臂中點(diǎn)；
[0009] 所述第一功率開關(guān)器件、第二功率開關(guān)器件、第三功率開關(guān)器件和第四功率開關(guān) 器件組成的兩個(gè)橋臂高端、低端分別相連，兩個(gè)橋臂的高端、低端分別和第二直流端濾波電 容的正負(fù)極相連后連接第二直流端接口的正負(fù)極;第二直流端接口的正負(fù)極分別接直流電 源的電池組的正負(fù)極；
[0010] 第一電流傳感器和第二電流傳感器分別連接到第一功率開關(guān)器件、第二功率開關(guān) 器件、第三功率開關(guān)器件和第四功率開關(guān)器件組成的橋臂中點(diǎn)，第三電流傳感器連接在第 二直流端濾波電容正極和第二直流端接口的正極之間；第一電壓傳感器的正負(fù)輸入端連接 在EMI濾波器后的交流通路兩端，第二電壓傳感器的正負(fù)輸入端連接在第一直流端接口兩 端，第三電壓傳感器的正負(fù)輸入端連接在第二直流端接口兩端;第一電壓傳感器、第二電壓 傳感器、第三電壓傳感器、第一電流傳感器、第二電流傳感器和第三電流傳感器都分別與 ECU連接。
[0011] 為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)本實(shí)用新型目的，優(yōu)選地，所述第一功率開關(guān)器件、第二功率開關(guān)器 件、第三功率開關(guān)器件和第四功率開關(guān)器件是內(nèi)部集成一個(gè)開關(guān)管和一個(gè)反向并聯(lián)二極管 的金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管、智能功率模塊、絕緣柵雙極型晶體管，反向并聯(lián)二極管 陰極和開關(guān)管集電極相連，反向二極管陽(yáng)極和開關(guān)管發(fā)射極相連。
[0012] 優(yōu)選地，所述第一功率開關(guān)器件的發(fā)射極和第四功率開關(guān)器件的集電極相連，組 成一組橋臂，第一功率開關(guān)器件的集電極端為橋臂高端，第一功率開關(guān)器件的發(fā)射極和第 四功率開關(guān)器件的集電極連接處為橋臂中點(diǎn)，第四功率開關(guān)器件的發(fā)射極為橋臂低端，連 接第一直流端接口和第二直流端接口的負(fù)極;第二功率開關(guān)器件的發(fā)射極和第三功率開關(guān) 器件的集電極相連，組成另一組橋臂，第二功率開關(guān)器件的集電極端為橋臂高端，第二功率 開關(guān)器件的發(fā)射極和第三功率開關(guān)器件的集電極連接處為橋臂中點(diǎn)，第三功率開關(guān)器件的 發(fā)射極為橋臂低端，連接第一直流端接口和第二直流端接口的負(fù)極。
[0013] 優(yōu)選地，所述交流接口依次經(jīng)過(guò)變壓器和EMI濾波器連接交流端電感。
[0014]優(yōu)選地，所述第一直流端接口的正負(fù)極分別接超級(jí)電容組的正負(fù)極。
[0015] 優(yōu)選地，所述電池組的正負(fù)極連接電機(jī)控制器的正負(fù)極，電機(jī)控制器連接三相電 機(jī)。
[0016] 本實(shí)用新型功率開關(guān)器件橋臂為由4個(gè)功率開關(guān)器件組成，每?jī)蓚€(gè)串聯(lián)組合，構(gòu)成 兩個(gè)橋臂;所述功率開關(guān)器金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(M0SFET)、絕緣柵雙極型晶體 管（IGBT)、智能功率模塊(IPM)等可控半導(dǎo)體器件及其反向并聯(lián)二極管構(gòu)成。
[0017] 本實(shí)用新型交流通路通過(guò)EMI濾波器、變壓器、電感，可以將交流電壓傳輸?shù)胶蠹?jí) 電路，交流電壓可以是我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)的220V單相交流電，也可以是其他等級(jí)的交流電。所述交流 接口可以在AC/DC模式時(shí)作為交流輸入接口，輸入電網(wǎng)單相交流電，在DC/AC轉(zhuǎn)換模式時(shí)作 為交流輸出接口，提供單相交流電;所述的變壓器在交流接口端進(jìn)行交流電壓轉(zhuǎn)換，當(dāng)交流 接口端電壓滿足后級(jí)電壓等級(jí)要求時(shí)，也可以不使用;所述的電感可以交流通路、直流通路 共用，也可以交流通路、直流通路分開使用。
[0018] 本實(shí)用新型第一直流端電源可以轉(zhuǎn)換到第二直流端，第二直流端電源也可以反向 轉(zhuǎn)換到第一直流端，實(shí)現(xiàn)雙向DC/DC功能;交流端可以將交流電轉(zhuǎn)換到第二直流端，提供直 流電源;第二直流端電源可以逆變到交流端，提供單相交流電。
[0019] 本實(shí)用新型主電路由交流和直流兩個(gè)通路組成。交流通路的單相交流電輸入進(jìn)行 電壓轉(zhuǎn)換和EMI濾波后，經(jīng)過(guò)一個(gè)并聯(lián)電容，交流L級(jí)和N級(jí)分別串聯(lián)電感，連接到功率開關(guān) 器件組成的兩個(gè)橋臂上;直流通路經(jīng)過(guò)一個(gè)并聯(lián)電容后，分為兩個(gè)支路，分別串聯(lián)電感后連 接到兩個(gè)橋臂。兩個(gè)橋臂的高端經(jīng)過(guò)一個(gè)并聯(lián)電容后連接到高端直流母線。電流傳感器、電 壓傳感器對(duì)電壓電流信號(hào)采樣后送入ECU，ECU經(jīng)過(guò)計(jì)算后產(chǎn)生PWM信號(hào)控制功率開關(guān)器件 的通斷，以滿足不同轉(zhuǎn)換模式的需求。
[0020] 本實(shí)用新型系統(tǒng)有三種工作模式：
[0021 ] (1)雙向DC/DC模式。此模式下，交流通路斷開，第一直流通路接通，系統(tǒng)可以工作 于降壓模式，也可以工作于升壓模式。升壓模式下，第一直流端通過(guò)由第一直流端電感、功 率開關(guān)器件、第二直流端電容組成的兩相交錯(cuò)結(jié)構(gòu)Boost電路，將電壓栗升到直流高壓輸 出，可以對(duì)輸出電壓和電流大小進(jìn)行控制；降壓模式下，第二直流端通過(guò)由功率開關(guān)器件、 第一直流端電感、第一直流端電容組成的兩相交錯(cuò)Buck電路，實(shí)現(xiàn)降壓，并可以對(duì)輸出電 壓、電流大小進(jìn)行控制。為了減小導(dǎo)通損耗，四個(gè)功率開關(guān)器件可工作于同步整流模式。 [0022] (2)AC/DC整流模式。此模式下，第一直流通路斷開，交流通路接通，能量由電網(wǎng)交 流流向第二直流端。兩路橋臂的兩個(gè)下管工作于HVM模式，兩個(gè)上管的反向并聯(lián)二極管工 作，系統(tǒng)構(gòu)成無(wú)橋APFC變換電路，通過(guò)對(duì)PWM信號(hào)的控制，可以提高輸入端的功率因數(shù)。 [0023] (3)DC/AC逆變模式。此模式下，第一直流通路斷開，交流通路接通，能量由第二直 流端流向交流端。4個(gè)功率開關(guān)器件均工作于PWM模式，通過(guò)ECU進(jìn)行矢量控制，完成直流到 交流的轉(zhuǎn)換。
[0024]相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本實(shí)用新型具有如下優(yōu)點(diǎn)：
[0025] (1)采用了兩相式交錯(cuò)雙向DC/DC構(gòu)架，4個(gè)功率開關(guān)器件組成了 Η橋，集成雙向DC/ DC、單相AC/DC和單相DC/AC模式，能夠?qū)崿F(xiàn)雙向直流變換器、電池包充電器、逆變器多種功 能。
[0026] (2)雙向DC/DC模式、單相AC/DC模式和單相DC/AC模式共用功率開關(guān)器件、傳感器、 驅(qū)動(dòng)器、控制器，減小了系統(tǒng)體積，節(jié)約了系統(tǒng)成本。
[0027] (3)單相AC/DC模式下，采用4個(gè)全可控功率開關(guān)器件組成Η橋，能夠?qū)崿F(xiàn)功率因素 校正。
【附圖說(shuō)明】
[0028] 圖1為本實(shí)用新型實(shí)施例1集成式多功能電源轉(zhuǎn)換裝置電路原理圖。
[0029]圖2為實(shí)施例1交流輸入為正時(shí)等效電路圖。
[0030]圖3為實(shí)施例1交流輸入為負(fù)時(shí)等效電路圖。
[0031 ]圖4(a)為實(shí)施例1工作于雙向DC/DC模式控制時(shí)序圖。
[0032]圖4(b)為實(shí)施例1工作于AC/DC模式控制時(shí)序圖。
[0033]圖4(c)為實(shí)施例1工作于DC/AC模式控制時(shí)序圖。
[0034] 圖5為本實(shí)用新型實(shí)施例2集成式多功能電源轉(zhuǎn)換裝置電路原理圖。
[0035] 圖6為本實(shí)用新型實(shí)施例3集成式多功能電源轉(zhuǎn)換裝置電路原理圖。
【具體實(shí)施方式】
[0036]為更好地理解本實(shí)用新型，下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步的說(shuō) 明，但本實(shí)用新型的實(shí)施方式不限于此。
[0037] 實(shí)施例1
[0038] 集成式多功能電源轉(zhuǎn)換裝置，應(yīng)用于電池組和超級(jí)電容組成的復(fù)合電源系統(tǒng)，集 成式多功能電源轉(zhuǎn)換裝置在超級(jí)電容和電池組之間進(jìn)行直流電源轉(zhuǎn)換，將交流輸入電源轉(zhuǎn) 換成直流電源為電池組充電，將電池組直流電逆變成交流輸出。
[0039] 如圖1所示，集成式多功能電源轉(zhuǎn)換裝置包括交流接口 1、變壓器2、EMI濾波器3、第 一交流端電感51、第二交流端電感52、交流端開關(guān)6、第一直流端濾波電容16、第一直流端接 口 17、超級(jí)電容組18、直流端開關(guān)15、第一直流端電感53、第二直流端電感54、第二直流端接 口 10、電池組11、電機(jī)控制器12、三相電機(jī)13、第二直流端濾波電容14、E⑶7、第一電壓傳感 器41、第二電壓傳感器42、第三電壓傳感器43、第一電流傳感器81、第二電流傳感器82、第三 電流傳感器83、第一功率開關(guān)器件91、第二功率開關(guān)器件92、第三功率開關(guān)器件93和第四功 率開關(guān)器件94。
[0040] 第一功率開關(guān)器件91、第二功率開關(guān)器件92、第三功率開關(guān)器件93和第四功率開 關(guān)器件94可以是內(nèi)部集成一個(gè)開關(guān)管和一個(gè)反向并聯(lián)二極管的金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng) 晶體管(M0SFET)、智能功率模塊（IPM)、絕緣柵雙極型晶體管（IGBT)，反向并聯(lián)二極管陰極 和開關(guān)管集電極相連，反向二極管陽(yáng)極和開關(guān)管發(fā)射極相連。本實(shí)施實(shí)例以第一功率開關(guān) 器件91、第二功率開關(guān)器件92、第三功率開關(guān)器件93和第四功率開關(guān)器件94都為絕緣柵雙 極型晶體管（IGBT)進(jìn)行說(shuō)明，該IGBT內(nèi)部結(jié)構(gòu)等效于一個(gè)開關(guān)管和一個(gè)二極管反向并聯(lián)， 二極管陰極和開關(guān)管集電極相連，二極管陽(yáng)極和開關(guān)管發(fā)射極相連。第一功率開關(guān)器件91 的發(fā)射極和第四功率開關(guān)器件94的集電極相連，組成一組橋臂，第一功率開關(guān)器件91的集 電極端為橋臂高端，第一功率開關(guān)器件91的發(fā)射極和第四功率開關(guān)器件94的集電極連接處 為橋臂中點(diǎn)，第四功率開關(guān)器件94的發(fā)射極為橋臂低端，連接第一直流端接口 17和第二直 流端接口 10的負(fù)極;第二功率開關(guān)器件92的發(fā)射極和第三功率開關(guān)器件93的集電極相連， 組成另一組橋臂，第二功率開關(guān)器件92的集電極端為橋臂高端，第二功率開關(guān)器件92的發(fā) 射極和第三功率開關(guān)器件93的集電極連接處為橋臂中點(diǎn)，第三功率開關(guān)器件93的發(fā)射極為 橋臂低端，連接第一直流端接口 17和第二直流端接口 10的負(fù)極。
[0041] 交流接口 1依次經(jīng)過(guò)變壓器2和EMI濾波器3分別連接交流端電感51和交流端電感 52,然后通過(guò)交流端開關(guān)6后分別連接到第一功率開關(guān)器件91、第二功率開關(guān)器件92、第三 功率開關(guān)器件93和第四功率開關(guān)器件94組成的橋臂中點(diǎn)。
[0042]第一直流端接口 17的正負(fù)極分別接超級(jí)電容組18的正負(fù)極，第一直流端接口 17的 正負(fù)極分別與第一直流端濾波電容16的正負(fù)極連接，第一直流端濾波電容16的正極經(jīng)直流 端開關(guān)15后分為兩路，兩路分別經(jīng)過(guò)第一直流端電感53和第二直流端電感54連接到第一功 率開關(guān)器件91、第二功率開關(guān)器件92、第三功率開關(guān)器件93和第四功率開關(guān)器件94組成的 橋臂中點(diǎn)。
[0043]第一功率開關(guān)器件91、第二功率開關(guān)器件92、第三功率開關(guān)器件93和第四功率開 關(guān)器件94組成的兩個(gè)橋臂高端、低端分別相連，兩個(gè)橋臂的高端、低端分別和第二直流端濾 波電容14的正負(fù)極相連后連接第二直流端接口 10的正負(fù)極;第二直流端接口 10的正負(fù)極分 別接直流電源的電池組11的正負(fù)極，電池組11的正負(fù)極連接電機(jī)控制器12的正負(fù)極，電機(jī) 控制器12連接三相電機(jī)13。
[0044]第一電流傳感器81和第二電流傳感器82分別連接到第一功率開關(guān)器件91、第二功 率開關(guān)器件92、第三功率開關(guān)器件93和第四功率開關(guān)器件94組成的橋臂中點(diǎn)，分別采集橋 臂中點(diǎn)流向第一直流端電感53和第二直流端電感54的電流;第三電流傳感器83連接在第二 直流端濾波電容14正極和第二直流端接口 10的正極之間，采集第二直流端輸出電流。第一 電壓傳感器41的正負(fù)輸入端連接在EMI濾波器3后的交流通路兩端，第二電壓傳感器42的正 負(fù)輸入端連接在第一直流端接口 17兩端，第三電壓傳感器43的正負(fù)輸入端連接在第二直流 端接口 10兩端;第一電壓傳感器41、第二電壓傳感器42和第三電壓傳感器43分別采集經(jīng)EMI 濾波器3濾波后的交流通路電壓、第一直流端接口 17兩端的電壓和第二直流端接口 10兩端 的電壓。第一電壓傳感器41、第二電壓傳感器42、第三電壓傳感器43、第一電流傳感器81、第 二電流傳感器82和第三電流傳感器83都分別與ECU7連接;分別將采集到的電壓、電流信號(hào) 送入ECU7進(jìn)行處理，并生成四路PWM信號(hào)送入第一功率開關(guān)器件91、第二功率開關(guān)器件92、 第三功率開關(guān)器件93和第四功率開關(guān)器件94的門極。
[0045] 當(dāng)系統(tǒng)工作于雙向DC/DC模式時(shí)，控制時(shí)序如圖4(a)所示，交流端開關(guān)6斷開，直流 端開關(guān)15閉合，此模式下，交流接口 1、變壓器2、EMI濾波器3、第一交流端電感51、第二交流 端電感52不參與工作。為了使橋臂的上下開關(guān)器件不會(huì)因?yàn)殚_關(guān)速度問(wèn)題發(fā)生同時(shí)導(dǎo)通， 在第一功率開關(guān)器件91和第四功率開關(guān)器件94之間，第二功率開關(guān)器件92和第三功率開關(guān) 器件93之間設(shè)置死區(qū)時(shí)間Tdead，使橋臂的上下IGBT之間間隔Tdead導(dǎo)通。加入死區(qū)時(shí)間Tdead 后，對(duì)于第一功率開關(guān)器件91和第四功率開關(guān)器件94組成的橋臂，當(dāng)?shù)谝还β书_關(guān)器件91 關(guān)閉后，經(jīng)過(guò)時(shí)間Tdead，第四功率開關(guān)器件94導(dǎo)通；當(dāng)?shù)谒墓β书_關(guān)器件94關(guān)閉后，經(jīng)過(guò)時(shí) 間Tdead，第一功率開關(guān)器件91導(dǎo)通。對(duì)于第二功率開關(guān)器件92和第三功率開關(guān)器件93組成 的橋臂，當(dāng)?shù)诙β书_關(guān)器件92關(guān)閉后，經(jīng)過(guò)時(shí)間Tdead，第三功率開關(guān)器件93導(dǎo)通；當(dāng)?shù)谌?功率開關(guān)器件93關(guān)閉后，經(jīng)過(guò)時(shí)間Tdead，第二功率開關(guān)器件92導(dǎo)通。當(dāng)電動(dòng)汽車需要急加速 時(shí)，第三功率開關(guān)器件93和第四功率開關(guān)器件94工作在PWM模式，第一功率開關(guān)器件91、第 二功率開關(guān)器件92通過(guò)反向并聯(lián)二極管提供電流通路或工作于同步整流模式，為了減小紋 波，令第三功率開關(guān)器件93和第四功率開關(guān)器件94的控制信號(hào)相位相差180度，此時(shí)，系統(tǒng) 工作于直流升壓模式，超級(jí)電容組18經(jīng)過(guò)升壓后，和電池組11共同提供直流輸出。當(dāng)電動(dòng)汽 車制動(dòng)回收能量時(shí)，第一功率開關(guān)器件91、第二功率開關(guān)器件92工作在PWM模式，第三功率 開關(guān)器件93和第四功率開關(guān)器件94通過(guò)反向并聯(lián)二極管提供電流通路或工作于同步整流 模式，為了減小紋波，令第一功率開關(guān)器件91、第二功率開關(guān)器件92的控制信號(hào)相位相差 180度，此時(shí)，系統(tǒng)工作于直流降壓模式，第二直流端電壓降壓后充入超級(jí)電容組18。
[0046] 交流電網(wǎng)有一定的波動(dòng)范圍，當(dāng)輸入交流電壓有效值為Vaci~Vac；H(Vaci為交流電壓 有效值最低值，Vac；H為交流電壓有效值最高值），則峰值范圍為ViFa(；H。當(dāng)?shù)诙绷?端接口 10最低電壓低于^^^，時(shí)，會(huì)影響到AC/DC模式正常工作，當(dāng)?shù)诙绷鞫私涌?10最低 電壓低于Vi匕.，時(shí)，逆變得到的交流電最低有效值將低于VacL，會(huì)影響到DC/AC模式正常工 作，因此，設(shè)計(jì)變壓器2對(duì)交流端電壓進(jìn)行變換以和后級(jí)電路匹配。
[0047] 當(dāng)系統(tǒng)工作于AC/DC模式時(shí)，交流端開關(guān)6閉合，直流端開關(guān)15斷開，交流接口 1連 接電網(wǎng)單相交流電，經(jīng)過(guò)變換后為電池組11充電。當(dāng)交流接口 1的交流電壓大于〇時(shí)，控制時(shí) 序如圖4(b)所示，超級(jí)電容組18、直流端開關(guān)15、第一直流端電感53、第二直流端電感54、第 三電壓傳感器43不工作，第四功率開關(guān)器件94工作于PWM模式，第一功率開關(guān)器件91、第三 功率開關(guān)器件93門極驅(qū)動(dòng)為低電平保持關(guān)閉，通過(guò)集成的反向并聯(lián)二極管提供電流通路； 第二功率開關(guān)器件92關(guān)閉，由于輸入電壓大于0,第二功率開關(guān)器件92的集成的反向并聯(lián)二 極管不會(huì)導(dǎo)通，等效電路如圖2所示。此時(shí)，可以將正半周的輸入電壓變換為高壓直流信號(hào)， 通過(guò)對(duì)第四功率開關(guān)器件94的PWM信號(hào)施加合適的控制策略，可以實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正。
[0048] 當(dāng)交流接口 1的交流電壓小于0時(shí)，控制時(shí)序如圖4(b)所示，超級(jí)電容組18、直流端 開關(guān)15、直流端電感53、直流端電感54、第三電壓傳感器43不工作，第三功率開關(guān)器件93工 作于PWM模式，第二功率開關(guān)器件92、第四功率開關(guān)器件94門極驅(qū)動(dòng)為低電平保持關(guān)閉，通 過(guò)集成的反向并聯(lián)二極管提供電流通路，第一功率開關(guān)器件91門極驅(qū)動(dòng)為低電平，由于輸 入電壓小于〇,第一功率開關(guān)器件91的集成的反向并聯(lián)二極管不會(huì)導(dǎo)通，等效電路如圖3所 示。此時(shí)，可以將負(fù)半周的輸入電壓變換為高壓直流信號(hào)，通過(guò)對(duì)第三功率開關(guān)器件93的 PWM信號(hào)施加合適的控制策略，實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正。
[0049] 當(dāng)系統(tǒng)工作于DC/AC模式時(shí)，交流端開關(guān)6閉合，直流端開關(guān)15斷開，電池組11經(jīng)變 換后在交流接口 1提供單相交流電，此模式下，交流接口 1、變壓器2、EMI濾波器3、交流端電 感51、交流端電感52不參與工作，控制時(shí)序如圖4(c)所示。為了使橋臂的上下開關(guān)器件不會(huì) 因?yàn)殚_關(guān)速度問(wèn)題發(fā)生同時(shí)導(dǎo)通，第一功率開關(guān)器件91和第四功率開關(guān)器件94之間，第二 功率開關(guān)器件92和第三功率開關(guān)器件93之間設(shè)置死區(qū)時(shí)間T dead，使橋臂的上下IGBT之間間 隔Tdead導(dǎo)通。加入死區(qū)時(shí)間了如^后，對(duì)于第一功率開關(guān)器件91和第四功率開關(guān)器件94組成的 橋臂，當(dāng)?shù)谝还β书_關(guān)器件91關(guān)閉后，經(jīng)過(guò)時(shí)間T dead，第四功率開關(guān)器件94導(dǎo)通；當(dāng)?shù)谒墓?率開關(guān)器件94關(guān)閉后，經(jīng)過(guò)時(shí)間Tdead，第一功率開關(guān)器件91導(dǎo)通。對(duì)于第二功率開關(guān)器件92 和第三功率開關(guān)器件93組成的橋臂，當(dāng)?shù)诙β书_關(guān)器件92關(guān)閉后，經(jīng)過(guò)時(shí)間T dead，第三功 率開關(guān)器件93導(dǎo)通；當(dāng)?shù)谌β书_關(guān)器件93關(guān)閉后，經(jīng)過(guò)時(shí)間Tdead，第二功率開關(guān)器件92導(dǎo) 通。第一功率開關(guān)器件91、第二功率開關(guān)器件92、第三功率開關(guān)器件93、第四功率開關(guān)器件 94工作于PWM模式，通過(guò)對(duì)PWM信號(hào)進(jìn)行控制，系統(tǒng)構(gòu)成單相逆變電路，將第二直流端電池組 11的直流電源逆變?yōu)榻涣麟娫摧敵觥?br>[0050] 通過(guò)對(duì)對(duì)交流端開關(guān)、直流端開關(guān)和IGBT的控制，實(shí)現(xiàn)雙向DC/DC模式、單相DC/AC 模式、單相AC/DC模式，各個(gè)模式共用IGBT、電壓傳感器、電流傳感器、控制器，相較于雙向 DC/DC、AC/DC充電機(jī)、DC/AC逆變器各自獨(dú)立設(shè)計(jì)，能夠節(jié)省成本和空間。
[0051 ] 本實(shí)用新型，電流、電壓傳感器將檢測(cè)到的電流、電壓信號(hào)送入ECU進(jìn)行計(jì)算，EOT 產(chǎn)生4路ΠΜ信號(hào)分別對(duì)四個(gè)功率開關(guān)器件進(jìn)行控制，根據(jù)控制信號(hào)的不同，分別實(shí)現(xiàn)雙向 DC/DC功能、AC/DC功能、DC/AC功能。
[0052]工作于雙向DC/DC模式時(shí)，兩個(gè)橋臂及電感構(gòu)成兩相交錯(cuò)結(jié)構(gòu)，等效為一個(gè)兩相交 錯(cuò)雙向DC/DC結(jié)構(gòu)；工作于AC/DC整流模式時(shí)，兩個(gè)橋臂的下管工作于PWM模式，構(gòu)成無(wú)橋 APFC(有源功率因素校正)結(jié)構(gòu);工作于DC/AC模式時(shí)，構(gòu)成單相逆變橋結(jié)構(gòu)。
[0053] 實(shí)施例2
[0054]電感的感值由以下公式確定：
[0056] 式中，L為電感值，Vin為輸入電壓，D為占空比，IL為電感電流，r為電流紋波率，f為 開關(guān)頻率。
[0057] 當(dāng)設(shè)計(jì)的交流通路和直流通路的電壓等級(jí)、電流、開關(guān)頻率、紋波率等參數(shù)相近 時(shí)，交流端電感值和直流端電感值也相近，通過(guò)調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)，第一交流端電感51、第二交 流端電感52可以由第一直流端電感53和第二直流端電感54代替，如圖5所示，從而進(jìn)一步節(jié) 省系統(tǒng)的空間和成本。
[0058] 本實(shí)施實(shí)例的交流通路中，交流接口 1依次經(jīng)過(guò)變壓器2、EMI濾波器3、交流端開關(guān) 6后分別連接到第一直流端電感53和第一直流端電感54,再分別連接第一功率開關(guān)器件91、 第二功率開關(guān)器件92、第三功率開關(guān)器件93、第四功率開關(guān)器件94組成的橋臂中點(diǎn)。直流通 路連接方式和實(shí)施實(shí)例1相同。
[0059] 當(dāng)系統(tǒng)工作于雙向DC/DC模式時(shí)，交流端開關(guān)6斷開，直流端開關(guān)15閉合。當(dāng)系統(tǒng)工 作于AC/DC模式時(shí)，交流端開關(guān)6閉合，直流端開關(guān)15斷開。當(dāng)系統(tǒng)工作于DC/AC模式時(shí)，交流 端開關(guān)6閉合，直流端開關(guān)15斷開。不同的工作模式，共用直流端電感53和直流端電感54。
[0060] 本實(shí)施例具體的工作原理與實(shí)施例1基本相同，此處不做贅述，相比較于實(shí)施例1， 本實(shí)施例由于交流端和直流端共用電感，節(jié)省了體積和成本。
[0061 ] 實(shí)施例3
[0062]當(dāng)輸入交流電壓峰值為占為交流電壓有效值最低值，vac；H為交流 電壓有效值最高值），第二直流端電壓范圍為Vdcl~VddKVdcl為第二直流端最低電壓，Vddi為 第二直流端最高電壓），且滿足時(shí)，可以不配置交流端變壓器，交流接口 1直接 和ΕΜΙ濾波器3連接。如圖6所示，本實(shí)施實(shí)例和實(shí)施實(shí)例2相比，由于交流接口 1電壓等級(jí)和 第二直流端接口 10電壓等級(jí)滿足上述要求，可以不使用交流端變壓器，交流接口 1的兩端直 接和ΕΜΙ濾波器3兩端連接，其他器件連接方式同實(shí)施實(shí)例2。當(dāng)系統(tǒng)工作于雙向DC/DC模式 時(shí)，交流端開關(guān)6斷開，直流端開關(guān)15閉合。當(dāng)系統(tǒng)工作于AC/DC模式時(shí)，交流端開關(guān)6閉合， 直流端開關(guān)15斷開，電網(wǎng)電壓經(jīng)過(guò)變換后對(duì)電池組11充電。當(dāng)系統(tǒng)工作于DC/AC模式時(shí)，交 流端開關(guān)6閉合，直流端開關(guān)15斷開，DC/AC逆變后，提供給交流用電設(shè)備。
[0063]本實(shí)施例具體的工作原理與實(shí)施例1基本相同，此處不做贅述。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 集成式多功能電源轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于包括交流接口、EMI濾波器、交流端開關(guān)、第 一直流端濾波電容、第一直流端接口、直流端開關(guān)、第二直流端接口、電池組、第二直流端濾 波電容、ECU、第一功率開關(guān)器件、第二功率開關(guān)器件、第三功率開關(guān)器件和第四功率開關(guān)器 件； 所述交流接口經(jīng)過(guò)EMI濾波器連接交流端開關(guān)，通過(guò)交流端開關(guān)以及第一直流端電感 和第二直流端電感后分別連接到第一功率開關(guān)器件、第二功率開關(guān)器件、第三功率開關(guān)器 件和第四功率開關(guān)器件組成的橋臂中點(diǎn)；或者是所述交流接口經(jīng)過(guò)EMI濾波器分別連接交 流端電感和交流端電感，然后通過(guò)交流端開關(guān)后分別連接到第一功率開關(guān)器件、第二功率 開關(guān)器件、第三功率開關(guān)器件和第四功率開關(guān)器件組成的橋臂中點(diǎn)； 所述第一直流端接口的正負(fù)極分別與第一直流端濾波電容的正負(fù)極連接，第一直流端 濾波電容的正極經(jīng)直流端開關(guān)后分為兩路，兩路分別經(jīng)過(guò)第一直流端電感和第二直流端電 感連接到第一功率開關(guān)器件、第二功率開關(guān)器件、第三功率開關(guān)器件和第四功率開關(guān)器件 組成的橋臂中點(diǎn)； 所述第一功率開關(guān)器件、第二功率開關(guān)器件、第三功率開關(guān)器件和第四功率開關(guān)器件 組成的兩個(gè)橋臂高端、低端分別相連，兩個(gè)橋臂的高端、低端分別和第二直流端濾波電容的 正負(fù)極相連后連接第二直流端接口的正負(fù)極;第二直流端接口的正負(fù)極分別接直流電源的 電池組的正負(fù)極； 第一電流傳感器和第二電流傳感器分別連接到第一功率開關(guān)器件、第二功率開關(guān)器 件、第三功率開關(guān)器件和第四功率開關(guān)器件組成的橋臂中點(diǎn)，第三電流傳感器連接在第二 直流端濾波電容正極和第二直流端接口的正極之間；第一電壓傳感器的正負(fù)輸入端連接在 EMI濾波器后的交流通路兩端，第二電壓傳感器的正負(fù)輸入端連接在第一直流端接口兩端， 第三電壓傳感器的正負(fù)輸入端連接在第二直流端接口兩端;第一電壓傳感器、第二電壓傳 感器、第三電壓傳感器、第一電流傳感器、第二電流傳感器和第三電流傳感器都分別與ECU 連接。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成式多功能電源轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于，所述第一功率開關(guān) 器件、第二功率開關(guān)器件、第三功率開關(guān)器件和第四功率開關(guān)器件是內(nèi)部集成一個(gè)開關(guān)管 和一個(gè)反向并聯(lián)二極管的金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管、智能功率模塊、絕緣柵雙極型 晶體管，反向并聯(lián)二極管陰極和開關(guān)管集電極相連，反向并聯(lián)二極管陽(yáng)極和開關(guān)管發(fā)射極 相連。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的集成式多功能電源轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于，所述第一功率開關(guān) 器件的發(fā)射極和第四功率開關(guān)器件的集電極相連，組成一組橋臂，第一功率開關(guān)器件的集 電極端為橋臂高端，第一功率開關(guān)器件的發(fā)射極和第四功率開關(guān)器件的集電極連接處為橋 臂中點(diǎn)，第四功率開關(guān)器件的發(fā)射極為橋臂低端，連接第一直流端接口和第二直流端接口 的負(fù)極;第二功率開關(guān)器件的發(fā)射極和第三功率開關(guān)器件的集電極相連，組成另一組橋臂， 第二功率開關(guān)器件的集電極端為橋臂高端，第二功率開關(guān)器件的發(fā)射極和第三功率開關(guān)器 件的集電極連接處為橋臂中點(diǎn)，第三功率開關(guān)器件的發(fā)射極為橋臂低端，連接第一直流端 接口和第二直流端接口的負(fù)極。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成式多功能電源轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于，所述交流接口依次 經(jīng)過(guò)變壓器和EMI濾波器連接交流端電感。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成式多功能電源轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于，所述第一直流端接 口的正負(fù)極分別接超級(jí)電容組的正負(fù)極。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成式多功能電源轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于，所述電池組的正負(fù) 極連接電機(jī)控制器的正負(fù)極，電機(jī)控制器連接三相電機(jī)。
【文檔編號(hào)】H02M3/156GK205725456SQ201620405764
【公開日】2016年11月23日
【申請(qǐng)日】2016年5月6日
【發(fā)明人】羅玉濤, 王峰
【申請(qǐng)人】華南理工大學(xué)