電力變換器系統的dc母線電容的放電的製作方法

2023-10-11 08:46:24 3

專利名稱：電力變換器系統的dc母線電容的放電的製作方法
技術領域：
本文所述主題的實施例總體涉及一種車輛中的電力變換系統。更具體地,本文主題的實施例涉及車輛的電力變換器系統的母線電容的放電。
背景技術：
矩陣變換器可用於電動和/或混合動力車輛中，以適應在相對寬範圍的操作電壓 下的相對高功率傳輸，同時實現電氣隔離、相對高功率因數、低諧波畸變、相對高功率密度和低成本。例如，雙向隔離矩陣變換器可用於將能量從交流(AC)能量源(例如，在大多數住宅和商用建築物中常用的單相電網電力)傳輸以便給直流(DC)能量存儲元件(例如，在車輛中的高壓可再充電電池)充電。雙向矩陣變換器包括聯接在AC輸入接口上的高壓DC母線電容。在某些條件下，需要將DC母線電容上的電壓放電。例如，如果高壓DC能量源(電池)從AC輸入接口斷開連接或如果雙向矩陣變換器從車輛移除，則DC母線電容應該放電到安全的電壓水平。

發明內容
電力系統的示例性實施例包括直流(DC)接口、交流(AC)接口、電並聯地聯接到DC接口的DC母線電容、包括多個開關元件的第一能量變換模塊、包括多個開關元件的第二能量變換模塊、和在第一能量變換模塊和第二能量變換模塊之間聯接以提供在第一能量變換模塊和第二能量變換模塊之間的電氣隔離的隔離模塊。電力系統還包括聯接在第二能量變換模塊和AC接口之間的感性元件、與AC接口電並聯地聯接以選擇性地短路AC接口的接口短路開關、和聯接到第一能量變換模塊、第二能量變換模塊和接口短路開關的控制模塊。控制模塊配置成檢測指示需要對DC母線電容放電的條件，致動接口短路開關以電短路AC接口，並操作第一能量變換模塊的多個開關元件和第二能量變換模塊的多個開關元件以至少部分地對DC母線電容放電。在實踐中，在AC功率源從AC接口斷開連接之後，AC接口被短路。還提供了操作電力系統的方法的示例性實施例。電力系統包括DC接口、AC接口，電並聯地聯接到DC接口的DC母線電容、包括多個開關元件的第一能量變換模塊、包括多個開關元件的第二能量變換模塊、在第一能量變換模塊和第二能量變換模塊之間聯接以提供第一能量變換模塊和第二能量變換模塊之間的電氣隔離的隔離模塊、和聯接在第二能量變換模塊和AC接口之間的感性元件。方法包括檢測指示需要對DC母線電容放電的條件，電短路AC接口，將第二能量變換模塊的多個開關元件設置為放電配置，以建立從隔離模塊的第一端子，經過感性元件，到隔離模塊的第二端子的電流通路，調節第一能量變換模塊的多個開關元件中的一個或多個以交替地對感性元件中的電流充電和放電，同時保持第二能量變換模塊的多個開關元件的放電配置。在實踐中，在AC功率源從AC接口斷開連接之後，AC接口被短路。還提供對具有DC能量源的車輛的雙向矩陣變換器的母線電容放電的方法的示例性實施例。雙向矩陣變換器包括用於DC能量源的DC接口、用於AC能量源的AC接口以通過雙向矩陣變換器給DC能量源充電、第一能 量變換模塊、第二能量變換模塊、在第一能量變換模塊和第二能量變換模塊之間聯接的隔離模塊、在第二能量變換模塊和AC接口之間聯接的感性元件。方法包括在AC能量源從AC接口斷開連接之後，電短路AC接口，將第二能量變換模塊的多個開關元件設置為放電配置，以建立從隔離模塊的第一端子，經過感性元件，到隔離模塊的第二端子的電流通路，在保持第二能量變換模塊的放電配置的同時，調節第一能量變換模塊的多個開關元件，以至少部分地對DC母線電容放電。此外，本發明還涉及以下技術方案。I. 一種電力系統，包括
直流(DC)接口 ；
交流(AC)接口 ；
與所述DC接口電並聯地聯接的DC母線電容；
包括多個開關元件的第一能量變換模塊；
包括多個開關元件的第二能量變換模塊；
聯接在所述第一能量變換模塊和所述第二能量變換模塊之間以提供在所述第一能量變換模塊和所述第二能量變換模塊之間的電氣隔離的隔離模塊；
聯接在所述第二能量變換模塊與所述AC接口之間的感性元件；
與所述AC接口電並聯地聯接以選擇性地短路所述AC接口的接口短路開關；以及聯接到所述第一能量變換模塊、所述第二能量變換模塊、和所述接口短路開關的控制模塊，所述控制模塊配置成
檢測指示需要對所述DC母線電容放電的條件；
致動所述接口短路開關以電短路所述AC接口 ；以及操作所述第一能量變換模塊的所述多個開關元件和所述第二能量變換模塊的所述多個開關元件以至少部分地對所述DC母線電容放電。2.根據技術方案I所述的電力系統，其特徵在於，所述控制模塊操作所述第二能量變換模塊的所述多個開關元件以建立包括所述感性元件的電流通路。3.根據技術方案2所述的電力系統，其特徵在於，所述電流通路包括所述隔離模塊的副邊繞組。4.根據技術方案3所述的電力系統，其特徵在於，所述控制模塊以開關頻率調節所述第一能量變換模塊的所述多個開關元件以交替地對所述感性元件中的電流充電和放電。5.根據技術方案I所述的電力系統,其特徵在於
所述控制模塊交替地將所述第一能量變換模塊的所述多個開關元件配置在第一狀態和第二狀態；在所述第一狀態中，所述第一能量變換模塊在第一控制時間周期建立在所述隔離模塊的原邊繞組上的所述DC母線電容的電壓；以及
在所述第二狀態中，所述第一能量變換模塊在與所述第一控制時間周期相等的第二控制時間周期用所述隔離模塊的所述原邊繞組對所述DC母線電容充電。6.根據技術方案I所述的電力系統，其特徵在於，所述第二能量變換模塊包括 與所述隔離模塊的第一端子聯接的第一節點；
與所述隔離模塊的第二端子聯接的第二節點；
第三節點和第四節點，所述感性元件串聯聯接在所述第三節點和第四節點之間；
在所述第一節點和所述第五節點之間聯接的第一開關元件； 在所述第五節點和所述第三節點之間聯接的第二開關元件；
在所述第四節點和第六節點之間聯接的第三開關元件；
在所述第六節點和所述第二節點之間聯接的第四開關元件；
在所述第二節點和第七節點之間聯接的第五開關元件；
在所述第三節點和所述第七節點之間聯接的第六開關元件；
在所述第四節點和第八節點之間聯接的第七開關元件；以及
聯接在所述第一節點和所述第八節點之間的第八開關元件，其中，所述控制模塊閉合所述第一開關元件和所述第三開關元件，並且打開所述第二開關元件、所述第四開關元件、所述第五開關元件、所述第六開關元件、所述第七開關元件和所述第八開關元件以至少部分地對所述DC母線電容放電。7.根據技術方案6所述的電力系統，其特徵在於，所述第二能量變換模塊包括 具有聯接到所述第五節點的陽極和聯接到所述第一節點的陰極的第一二極體；
具有聯接到所述第五節點的陽極和聯接到所述第三節點的陰極的第二二極體；
具有聯接到所述第六節點的陽極和聯接到所述第四節點的陰極的第三二極體；
具有聯接到所述第六節點的陽極和聯接到所述第二節點的陰極的第四二極體；
具有聯接到所述第七節點的陽極和聯接到所述第二節點的陰極的第五二極體；
具有聯接到所述第七節點的陽極和聯接到所述第三節點的陰極的第六二極體；
具有聯接到所述第八節點的陽極和聯接到所述第四節點的陰極的第七二極體；以及 具有聯接到所述第八節點的陽極和聯接到所述第一節點的陰極的第八二極體。8.根據技術方案I所述的電力系統,其特徵在於,所述第一能量變換模塊包括 與所述隔離模塊的第三端子聯接的第九節點；
與所述隔離模塊的第四端子聯接的第十節點；
第十一節點和第十二節點，所述DC母線電容聯接在所述第十一節點和所述第十二節點上；
在所述第十節點和所述第十一節點之間聯接的第九開關元件；
在所述第十節點和所述第十二節點之間聯接的第十開關元件；
在所述第九節點和所述第十一節點之間聯接的第十一開關元件；以及在所述第九節點和所述第十二節點之間聯接的第十二開關元件，其中，所述控制模塊打開所述第九開關元件和所述第十二開關元件，並同時打開和閉合所述第十開關元件和所述第十一開關元件以至少部分地對所述DC母線電容放電。
9.根據技術方案8所述的電力系統，其特徵在於，所述第一能量變換模塊包括 具有聯接到所述第十節點的陽極和聯接到所述第十一節點的陰極的第九二極體；
具有聯接到所述第十二節點的陽極和聯接到所述第十節點的陰極的第十二極體； 具有聯接到所述第九節點的陽極和聯接到所述第十一節點的陰極的第十一二極體；以
及
具有聯接到所述第十二節點的陽極和聯接到所述第九節點的陰極的第十二二極體。10. 一種操作電力系統的方法，所述電力系統包括直流(DC)接口、交流(AC)接口、電並聯地聯接到所述DC接口的DC母線電容、包括多個開關元件的第一能量變換模塊、包括多個開關元件的第二能量變換模塊、在所述第一能量變換模塊和所述第二能量變換模塊之間聯接以提供在所述第一能量變換模塊和所述第二能量變換模塊之間的電氣隔離的隔離模塊、和聯接在所述第二能量變換模塊和所述AC接口之間的感性元件，所述方法包括
檢測指示需要對所述DC母線電容放電的條件；
電短路所述AC接口 ；
將所述第二能量變換模塊的所述多個開關元件設置為放電配置，以建立從所述隔離模塊的第一端子，經過所述感性元件，到所述隔離模塊的第二端子的電流通路；以及
在保持所述第二能量變換模塊的所述多個開關元件的所述放電配置的同時，調節所述第一能量變換模塊的所述多個開關元件中的一個或多個以交替地對所述感性元件中的電流充電和放電。11.根據技術方案10所述的方法，其特徵在於，還包括使所述DC接口與其DC能量源斷開連接。12.根據技術方案10所述的方法，其特徵在於，電短路所述AC接口包括致動聯接在所述AC接口上的接口短路開關。13.根據技術方案10所述的方法，其特徵在於，調節所述多個開關元件中的所述一個或多個是以固定頻率執行的。14.根據技術方案10所述的方法，其特徵在於
調節所述第一能量變換模塊的所述多個開關元件中的一個或多個交替地將所述第一能量變換模塊的所述多個開關元件設置在第一狀態和第二狀態；
在所述第一狀態中，所述第一能量變換模塊在第一控制時間周期建立在所述隔離模塊的原邊繞組上的所述DC母線電容的電壓；以及
在所述第二狀態中，所述第一能量變換模塊在與所述第一控制時間周期相等的第二控制時間周期用所述隔離模塊的所述原邊繞組對所述DC母線電容充電。15.根據技術方案10所述的方法，其特徵在於，檢測所述條件包括感測高壓電池與所述DC接口的斷開連接。16. 一種對車輛的雙向矩陣變換器的母線電容放電的方法，所述車輛具有直流(DC)能量源，所述雙向矩陣變換器包括用於所述DC能量源的DC接口、通過所述雙向矩陣變換器對所述DC能量源充電的用於AC能量源的交流(AC)接口、第一能量變換模塊、第二能量變換模塊、聯接在所述第一能量變換模塊和所述第二能量變換模塊之間的隔離模塊、聯接在所述第二能量變換模塊和所述AC接口之間的感性元件，所述方法包括在所述AC能量源與所述AC接口斷開連接之後，電短路所述AC接口；
將所述第二能量變換模塊的 多個開關元件設置為放電配置，以建立從所述隔離模塊的第一端子，經過所述感性元件，到所述隔離模塊的第二端子的電流通路；以及
在保持所述第二能量變換模塊的所述放電配置的同時，調節所述第一能量變換模塊的多個開關元件，以至少部分地對所述DC母線電容放電。17.根據技術方案16所述的方法，其特徵在於，還包括
檢測指示需要對所述DC母線電容放電的條件；以及 在電短路所述AC接口之前確認所述AC能量源斷開連接。18.根據技術方案16所述的方法，其特徵在於，還包括
檢測指示需要對所述DC母線電容放電的條件；以及 在電短路所述AC接口之前確認所述DC能量源斷開連接。19.根據技術方案16所述的方法，其特徵在於，調節所述第一能量變換模塊的所述多個開關元件交替地對所述感性元件中的電流充電和放電。20.根據技術方案19所述的方法，其特徵在於
調節所述第一能量變換模塊的所述多個開關元件交替地將所述第一能量變換模塊的所述多個開關元件設置在第一狀態和第二狀態；
在所述第一狀態中，所述第一能量變換模塊在第一控制時間周期建立在所述隔離模塊的原邊繞組上的所述DC母線電容的電壓；以及
在所述第二狀態中，所述第一能量變換模塊在與所述第一控制時間周期相等的第二控制時間周期用所述隔離模塊的所述原邊繞組對所述DC母線電容充電。本發明內容被提供用來以簡單的形式介紹在下文具體實施方式
中進一步描述的構思的選擇。本發明內容不意圖確認所要求保護主題的關鍵特徵或重要特徵，也不意圖用於幫助確定所要求保護主題的範圍。


當結合以下附圖考慮時，可以通過參考詳細說明和權利要求來獲得對本發明主題的更完全的理解，在所有附圖中，相同的附圖標記指代相同的元件。圖I是根據一個實施例的適用於車輛中的電力系統的不意 圖2是圖I中顯示的電力系統操作於放電配置狀態的示意 圖3是圖I中顯示的電力系統中的感性元件的電感器電流對時間的代表性 圖4是圖I中顯示的電力系統中的感性元件的電感器電壓對時間的代表性圖；以及 圖5是包括圖I中顯示的電力系統中的感性元件的電感器電壓和電流的代表性圖的圖。
具體實施例方式以下詳細描述本質上僅僅是說明性的並且不意圖限制本發明主題的實施例或者這些實施例的應用和使用。如本文所使用的，詞語「示例性」的意思是「作為示例、實例或示意說明」。本文作為示例描述的任何實施方式不必理解為相比於其它實施方式是優選的或有利的。另外，不應被在前述技術領域，背景技術，發明內容或以下的詳細說明中的任何所表達的或暗示的理論所束縛。在此使用的「節點」是指任何內部或外部的基準點、連接點、匯合部、信號線、導電元件、或類似物，在所述節點處，存在給定的信號、邏輯電平、電壓、數據樣式、電流或量值。另外，兩個或更多個節點可通過一個物理元件實現(兩個或更多個信號可被復用、調製、或以其它方式區分，即使在共用節點處接收或輸出的信號也是如此)。以下說明指的是被「連接」或「聯接」在一起的元件或節點或特徵。如本文所使用的，除非另外明確地說明，「連接」的意思是一個元件/節點/特徵與另一個元件/節點/特徵直接結合(或者直接連通)，而不必須是通過機械方式。同樣，除非明確指出，「聯接」指的是一個元件/節點/特徵直接或非直接地結合到另一個元件/節點/特徵(或與另一個元件/節點/特徵直接或非直接地連通)，而不必須是通過機械方式。本文論述的技術和概念總體涉及一種電力變換器，其能夠在AC接口以低的總諧波畸變地從交流(AC)接口到直流(DC)接口或相反地傳輸能量。如一個示例，雙向矩陣變換器可配置在電力或混合動力電動車輛中。在這樣的應用中，雙向矩陣變換器有助於使用 AC能量源(例如家用功率輸出)給高壓DC能量源(例如電池)充電。在一些實施例中，雙向矩陣變換器可用於從高壓DC能量源產生AC功率。如下文更詳細描述的，雙向矩陣變換器包括由車輛的高壓DC母線上的電壓充電的高壓DC母線電容。在某些情況下，需要將DC母線電容從高壓狀態(例如，幾百伏)放電到可滿足安全測度的低壓狀態。例如，如果高壓DC能量源從車輛的高壓DC母線斷開連接或如果雙向矩陣變換器從車輛移除，那麼應該進行某些測量以確保DC母線電容上的電壓放電到安全水平。下面詳細的描述提出了用於雙向矩陣變換器中的DC母線電容的示例性放電技術。下面描述的系統和技術不需要任何另外的硬體或外部的放電卡或模塊。另外，下面描述的系統和技術不引入任何用於適應使用被動電阻放電方法可能另外產生的熱量的散熱器需求。而是，本文提出的方法利用雙向矩陣變換器自身的現有電路布局並且調節雙向矩陣變換器中的開關，使得對高壓DC母線電容放電，同時根據開關的容量和所需的熱設計參數來控制電流的量。圖I描繪了適用於車輛(例如，不是限制性的，電動汽車或混合動力汽車)中的電力系統100 (或可替代地，雙向矩陣變換器、充電系統、充電器、充電模塊等)的示例性實施例。電力系統100包括(不是限制性的)第一接口 102、與第一接口 102電並聯地聯接的DC母線電容103、具有多個開關元件的第一能量變換模塊104、隔離模塊106、具有多個開關元件的第二能量變換模塊108、感性元件110、容性元件112、第二接口 114、與第二接口 114電並聯地聯接以按需要選擇性地短路第二接口的接口短路開關115、以及控制模塊116。感性元件110聯接在第二能量變換模塊108和第二接口 114之間，容性元件112聯接在第二接口114上。控制模塊116操作地聯接到至少第一能量變換模塊104、第二能量變換模塊108和接口短路開關115。在某些實施例中，控制模塊116可操作地聯接到電力系統100的一個或多個另外的部件、元件或特徵以支持本文未詳細描述的另外的功能。第一接口 102包括或對應於節點120和節點122。如圖I中顯示的，DC母線電容103連接在這些節點120、122上。也就是說，DC母線電容103與第一接口 102電並聯地聯接。第一能量變換模塊104包括在這些節點120、122之間聯接的多個開關元件(用附圖標記9-12表示)。在說明的實施例中，第一能量變換模塊104包括四個開關元件，這四個開關元件各具有配置成與相應的開關元件反並聯的二極體(用附圖標記29-32表示)以適應雙向能量傳輸。在示例性實施例中，開關元件9-12實現為電晶體，並可使用任何適合的半導體電晶體開關來實施，例如，絕緣柵雙極電晶體(IGBT)，場效應電晶體(例如MOSFET等)，或本領域已知的任何其它相當的裝置。開關和二極體反向並聯，意味著開關和二極體以相反或逆反的極性電並聯。反向並聯配置允許雙向電流流動而同時單向阻止電壓，如本領域中所了解的那樣。在這種配置中，通過開關的電流的方向相反於允許通過相應二極體的電流的方向。在說明的實施例中，開關元件9連接在節點120和節點124之間，該節點124對應於隔離模塊106的原邊繞組(或一組繞組)126的端子，開關元件10連接在節點124和節點122之間。類似地，開關元件11連接在節點120和節點128之間，該節點128對應於原邊繞組126的另一個端子，開關元件12連接在節點128和節點122之間。在操作中，開關元件9配置成當其閉合時提供從節點120到節點124的電流通路。類似地，開關元件10當其閉合時提供從節點124到節點122的電流通路，開關元件11當其閉合時提供從節點120到節 點128的電流通路，開關元件12當其閉合時提供從節點128到節點122的電流通路。二極體29的陽極與節點124聯接，二極體29的陰極與節點120聯接。對於這個具體的實施例，二極體29連接在節點124和節點120之間以提供從節點124到節點120的電流通路(例如，二極體29與開關元件9反並聯)。類似地，對於說明的實施例二極體30的陽極與節點122聯接，二極體30的陰極與節點124聯接以提供從節點122到節點124的電流通路；二極體31的陽極與節點128聯接，二極體31的陰極與節點120聯接以提供從節點128到節點120的電流通路；二極體32的陽極與節點122聯接，二極體32的陰極與節點128聯接以提供從節點122到節點128的電流通路。第二能量變換模塊108與隔離模塊106的副邊繞組(或一組繞組)134的端子聯接。這樣，副邊繞組134的端子與節點135聯接(或對應)，副邊繞組134的另一個端子與節點136聯接(或對應)。第二能量變換模塊108的另一個節點137與感性元件110聯接，而第二能量變換模塊108的另一個節點138與容性元件112聯接。第二能量變換模塊108包括在節點135、136之間聯接的多個開關元件(用附圖標記1-8表示)。在說明的實施例中，第二能量變換模塊108包括八個開關元件，該八個開關元件各具有配置成與相應的開關元件反並聯的相關的二極體(用附圖標記21-28表示)以適應雙向能量傳輸。在示例性實施例中，開關元件1-8實現為電晶體，並可使用任何適合的半導體電晶體開關(如上文所述的)來實施。在說明的實施例中，開關元件I連接在節點135和節點142之間，開關元件2連接在節點142和節點137之間，開關元件3連接在節點138和節點144之間，開關元件4連接在節點144和節點136之間。另外，開關元件5連接在節點146和節點136之間，開關元件6連接在節點137和節點146之間，開關元件7連接在節點148和節點138之間，開關元件8連接在節點135和節點148之間。在操作中，開關元件I配置成當其閉合時提供從節點135到節點142的電流通路。類似地，開關元件2當其閉合時提供從節點137到節點142的電流通路，開關元件3當其閉合時提供從節點138到節點144的電流通路,開關元件4當其閉合時提供從節點136到節點144的電流通路，開關元件5當其閉合時提供從節點136到節點146的電流通路，開關元件6當其閉合時提供從節點137到節點146的電流通路，開關元件7當其閉合時提供從節點138到節點148的電流通路，開關元件8當其閉合時提供從節點135到節點148的電流通路。對於這個具體的實施例二極體21的陽極與節點142聯接，二極體21的陰極與節點135聯接以提供從節點142到節點135的電流通路；二極體22的陽極與節點142聯接，二極體22的陰極與節點137聯接以提供從節點142到節點137的電流通路；二極體23的陽極與節點144聯接，二極體23的陰極與節點138聯接以提供從節點144到節點138的電流通路；二極體24的陽極與節點144聯接，二極體24的陰極與節點136聯接以提供從節點144到節點136的電流通路。類似地二極體25的陽極與節點146聯接，二極體25的陰極與節點136聯接以提供從節點146到節點136的電流通路；二極體26的陽極與節點146聯接，二極體26的陰極與節點137聯接以提供從節點146到節點137的電流通路；二極體27的陽極與節點148聯接，二極體27的陰極與節點138聯接以提供從節點148到節點138的 電流通路；二極體28的陽極與節點148聯接，二極體28的陰極與節點135聯接以提供從節點148到節點135的電流通路。第一接口 102通常代表用於聯接電力系統100到DC能量源154的物理接口(例如，端子、連接器等)，第二接口 114通常代表用於聯接電力系統100到AC能量源156的物理接口(例如，端子、連接器等)。因此，為方便起見，第一接口 102在本文中可稱為DC接口，第二接口 114在本文中可稱為AC接口。在示例性實施例中，控制模塊116聯接到能量變換模塊104、108並操作能量變換模塊104、108以根據需要在AC能量源156和DC能量源154之間傳輸能量。在示例性實施例中，DC能量源154 (或可替代地，能量存儲源或ESS)能夠以特定的DC電壓水平(由箭頭160指示)從電力系統100接收直流(由箭頭158指示)。根據一個實施例，DC能量源154實現為具有範圍從大約200到大約500伏的額定DC電壓的可再充電高壓電池組。這樣，DC能量源154可包括用於車輛中的另一個電力系統和/或電動馬達的主能量源。例如，DC能量源154可聯接到配置成提供電壓和/或電流給電動馬達的功率逆變器，電動馬達又可以以傳統方式接合變速器來驅動車輛。在其他實施例中，DC能量源154可實現為電池、超級電容或其他適合的能量存儲元件。AC能量源156 (或功率源)以特定的AC電壓水平(由箭頭180指示)提供AC電流(由箭頭170指示)給電力系統100並可實現為在電功率網(例如市電或電網功率)之中的用於建築、住宅或其他結構的主功率源或主電力系統。根據一個實施例，AC能量源156包括單相功率源，其對於多數住宅結構是相同的，並根據地理區域而變化。例如，在美國，AC能量源156實現為60Hz，120伏(RMS)或240伏(RMS)，而在其他區域，AC能量源156可以實現為50Hz，110伏(RMS)或220伏(RMS)。在備選的實施例中，AC能量源156可以實現為適合電力系統100操作的任何AC能量源。DC接口 102聯接到第一能量變換模塊104，AC接口 114通過感性元件110聯接到第二能量變換模塊108。隔離模塊106聯接在能量變換模塊104、108之間以提供兩個能量變換模塊104、108之間的電氣隔離。控制模塊116聯接到能量變換模塊104、108並操作第二能量變換模塊108以將來自AC能量源156的能量變換為隔離模塊106上的高頻能量，然後高頻能量由能量變換模塊104在DC接口 102變換為DC能量。控制模塊116還用於操作能量變換模塊104、108以支持車輛-電網應用(例如，DC能量源154傳輸能量到AC接口114和/或AC能量源156)。另外，控制模塊116以適合的方式操作能量變換模塊104、108以在需要時放電DC母線電容103。反並聯二極體跨各開關元件連接以便為DC能量源154提供電流通路，用於在相應的開關元件打開時給DC能量源154充電。為了傳輸能量(或充電)給DC能量源154，第一能量變換模塊104將節點124、128的高頻能量變換為DC能量，該DC能量在DC接口 102提供給DC能量源154。這樣，第一能量變換模塊104當將高頻AC能量變換為DC能量時操作為整流器。如顯示的，DC母線電容103配置成在DC接口 102上電並聯，以減小在DC接口102處的電壓波動，如同本領域將了解的。在示例性實施例中，第二能量變換模塊108有助於電流(或能量)從AC能量源156和/或感性元件110流到隔離模塊106 (以及相反流動)。在說明的實施例中，第二能量變換模塊108實現為包括八個開關元件和八個二極體的前端單相矩陣變換模塊。在正常操作期間，控制模塊116根據PWM佔空周期控制值來調節(例如開和/或關)開關元件1-8以在節點135、136產生高頻電壓，使得流向DC接口 102和/或DC能量源154的功率流在DC接 口 102達到需要的輸出電壓。這樣，控制模塊116可根據需要操作各種開關元件以在控制的、預設的或其他指定的時間周期建立原邊繞組126上的電壓，以有助於在控制的、預設的或其他指定的時間周期對DC母線電容103充電。在實踐中，建立原邊繞組126上的電壓的持續時間等於原邊繞組126給DC母線電容103充電的持續時間。在圖I說明的實施例中，第一對開關元件1、2和二極體21、22聯接在節點137和節點135之間，開關元件I和二極體21的組合配置成與開關元件2和二極體22的組合是極性相反的。以這種方式，當開關元件I閉合併且節點135的電壓正向大於節點137的電壓時，開關元件I和二極體22提供從節點135到節點137的電流通路。當開關元件2閉合併且節點137的電壓正向大於節點135的電壓時，開關元件2和二極體21設置為提供從節點137到節點135的電流通路。以類似的方式，第二對開關元件3、4和二極體23、24聯接在節點136和節點138之間，第三對開關元件5、6和二極體25、26聯接在節點137和節點136之間，第四對開關元件7、8和二極體27、28聯接在節點135和節點138之間。容易理解，這些開關元件和二極體的電流特性遵循上文列出的第一對開關元件1、2和二極體21、22的原理。在說明的實施例中，開關元件1、3、5和7組成第一組開關，當通過感性元件110的電流是沿負方向流動(例如，iL 0)時,該第二組開關能夠對電流整流，使其從節點137到節點138地通過感性元件110。也就是說，開關元件1、3、5和7能夠引導至少一部分電流沿負方向流動通過感性元件110，開關元件2、4、6和8能夠引導至少一部分電流沿正方向流動通過感性元件110。如在本文中使用的，整流應理解為通過第二能量變換模塊108的開關元件和二極體使電流通過感性元件110的循環過程，使得通過感性元件110的電流不被中斷。在示例性實施例中，隔離模塊106包括連接在第一能量變換模塊104的節點124、128之間的第一組繞組126和連接在第二能量變換模塊108的節點135、136之間的第二組繞組134。繞組126、134提供感性元件，這些感性元件以傳統的方式磁聯接以形成變壓器。在示例性實施例中，隔離模塊106實現為高頻變壓器。這樣，隔離模塊106包括設計為在高頻下的特定的功率水平的變壓器，所述高頻是例如能量變換模塊104、108的開關元件的開關頻率(例如50kHz)，使得變壓器的物理尺寸相對於設計為在較低頻下的同樣的功率水平的變壓器減小了，所述較低頻是例如AC能量源156的頻率(例如，市電頻率)。感性元件110實現為電感器，該電感器配置成電串聯在第二能量變換模塊108的節點137與AC接口 114的節點192之間。感性元件110在電力系統100的操作期間用作高頻感應能量存儲元件。容性元件112實現為電容，該電容聯接在AC接口 114的節點192和另一個節點194之間，S卩，容性元件112配置成與AC接口 114電並聯。容性元件112和感性元件110協作地配置成提供高頻濾波器以減小調節開關元件1-8導致的AC接口 114的電壓波動。接口短路開關115聯接在節點192、194之間。控制模塊116調節接口短路開關115的致動，使得當接口短路開關115打開時(如圖I中描繪的)，電力系統100在正常模式 下操作。如下面更詳細描述的，接口短路開關115閉合以將電流系統置於放電配置，用於對DC母線電容103放電。應當理解，AC能量源156在接口短路開關115閉合之前是斷開連接的。控制模塊116通常代表硬體、固件和/或軟體，其配置成根據需要操作和/或調節能量變換模塊104、108的開關元件以在電力系統100的正常操作期間達到需要的功率流，並根據需要控制能量變換模塊104、108的開關元件的操作以有助於對DC母線電容103放電。根據實施例，控制模塊116可被實施或實現為通用處理器、微處理器、微控制器、內容可尋址的存儲器、數位訊號處理器、專用集成電路、現場可編程門陣列、任何適合的可編程邏輯器件、分立的門或電晶體邏輯器件、分立的硬體部件、或者它們的任何組合，它們被設計為支持和/或執行本文所述的功能。在電網-車輛應用的正常操作期間，控制模塊116確定PWM指令信號，該PWM指令信號控制第二能量變換模塊108的開關元件1-8的正時和佔空周期以產生隔離模塊106的繞組134上的高頻AC電壓。繞組134上的高頻AC電壓在節點124、128感應出繞組126上的電壓，導致需要的電流流入DC接口 102以充電或其它方式傳輸能量給DC能量源154。在實踐中，控制模塊116控制開關元件1-8的佔空周期以在開關間隔(例如開關頻率的逆)期間實施適合的開關模式。在開關間隔(或PWM周期)期間，控制模塊116在操作開關元件1-8以有效地短路節點137、138和在操作開關元件1-8之前通過第二能量變換模塊108循環能量以在感性元件110上施加電壓以釋放感性元件110的存儲的能量和/或電壓(或可替代地，回掃電壓)之間交替。在AC接口 114的回掃電壓和輸入電壓180之和被施加到隔離模塊106的繞組134上，使得功率傳輸到節點124、128和/或DC能量源154。以這種方式，控制模塊116操作第二能量變換模塊108的開關元件1-8以在通過感性元件110循環能量和向DC接口 102傳輸能量之間交替。應當理解，圖I為了解釋目的而描繪了電力系統100的簡化圖示，並且絕不意圖限制本文所述主題的範圍或可應用性。因此，雖然圖I描繪了在電路元件和/或端子之間的直接電連接，不過，在以基本相似方式實現功能的情況下，替代性實施例可採用介於中間的電路元件和/或部件。另外，儘管本文描述的電力系統100是以用於車輛的雙向矩陣變換器為背景的，但本文所述的主題不限於車輛和/或汽車應用，本文所述的主題可在使用能量變換模塊以使用開關元件傳輸能量的其他應用中實施。控制模塊116還可以包括使控制模塊能夠檢測指示需要放電DC母線電容103的某些條件的一個或多個傳感器、檢測器或監測器(未示出)，或與這樣的一個或多個傳感器、檢測器或監測器(未示出)協作。例如，控制模塊116可適合地配置成監測或感測在DC能量源154和DC接口 102之間的連接狀態，使得電力系統100能夠置於放電配置中以在DC能量源154變為斷開連接時至少部分地放電DC母線電容103。如另一個示例，控制模塊116可適合地配置成檢測電力系統100本身何時與主 車輛斷開連接(維護時可能需要斷開連接)，使得電力系統100可設置為放電配置。根據一種示例性的操作方法，DC母線電容103以下面的方式至少部分地被放電。起初，AC能量源156和DC能量源154與它們相應的接口 114、102斷開連接。對於典型的車輛應用，控制模塊、開關元件和電力系統100的可能的其他部件通過低壓能量源(例如12伏DC電池)保持供電，即使AC能量源156和DC能量源154已經斷開連接。在實踐中，控制模塊116可用於在進行放電過程之前確認能量源154、156已經移除。在能量源154、156已經斷開連接之後，控制模塊116致動(即閉合)接口短路開關115以電短路AC接口 114。閉合接口短路開關115的結果是，感性元件110有效地串聯布置在節點137、138之間(見圖2)。在短路AC接口 114之後，控制模塊116以調節方式操作能量變換模塊104、108的開關元件以在一段時間內至少部分地放電DC母線電容103。這樣，控制模塊116可將第二能量變換模塊108的開關元件設置為預先確定的放電配置，以建立從隔離模塊106的副邊繞組134的一個端子，通過感性元件110，到副邊繞組134的另一個端子的電流通路，並調節第一能量變換模塊104的一個或多個開關元件以交替地充電或放電感性元件110中的電流(同時保持第二能量變換模塊108的放電配置)。控制模塊116以下面的方式操作第二能量變換模塊108的開關元件以實現放電配置在整個放電過程中，開關元件I是閉合的並保持閉合位置；在整個放電過程中，開關元件3是閉合的並保持閉合位置；在整個放電過程中，開關元件2、4、5、6、7和8是打開的並保持它們的打開位置。圖2描繪了第二能量變換模塊108在其開關元件已經被設置為需要的放電配置後的狀態。圖2已經通過移除代表開路條件的任何開關支路而相對於圖I簡化了。另外，接口短路開關115沒有在圖2中分開顯示，因為它有效地用作簡單的電導體。參考圖2，將第二能量變換模塊108設置在其放電配置中建立了包括副邊繞組134、節點135、開關元件I、二極體22、感性元件110、開關元件3、二極體24和節點136的電流通路。為放電DC母線電容103，控制模塊116以下面的方式操作第一能量變換模塊104的開關元件在整個放電過程中，開關元件9是打開的並保持打開位置；在整個放電過程中，開關元件12是打開的並保持打開位置；開關元件10、11以開關頻率被調節以交替地充電和放電感性元件110中的電流。對於這個具體的實施例，開關元件10、11以固定的額定開關頻率(例如50kHz) —前一後地打開和閉合。這樣，控制模塊116交替地將第一能量變換模塊104的開關元件配置在第一狀態和第二狀態之間。第一狀態對應開關元件10、11閉合的時間，第二狀態對應開關元件10、11打開的時間。圖2描繪了配置在第二狀態的第一能量變換模塊104。在第一狀態，第一能量變換模塊104建立隔離模塊106的原邊繞組126上的DC母線電容103的電壓(開關元件10、11的閉合使原邊繞組126和DC母線電容103電並聯地連接)。在該第一狀態，流過原邊繞組126的電流在副邊繞組134中感應出電流，使得在感性元件110中建立電流。在第一狀態，電壓在控制的、預設的或其他指定的時間周期或持續時間建立在原邊繞組126上，由控制模塊116調節。在以上述方式將感性兀件110充電達到指定的一段時間(由與第一能量變換模塊104相關的開關頻率決定)之後，控制模塊116打開開關元件10、11以獲得圖2中顯示的第二狀態。開關頻率選擇為避免感性元件110的飽和。這有效地「復位」感性元件110並允許感性元件110往回向DC母線電容103中放電。在第二狀態中，第一能量變換模塊104用隔離模塊106的原邊繞組126充電DC母線電容103。在該第二狀態期間，感性元件110保持電流沿相同方向流動通過第二能量變換模塊108的電流環。該保持的電流在原邊繞組126中感應出電流，該感應電流流過二極體29和二極體32以充電DC母線電容103。在第二狀態，DC母線電容在控制的、預設的或其他指定的時間周期或持續時間被充電，由控制模塊116調節。在實踐中，這個持續時間等於與第一狀態相關的持續時間。圖3是在典型的放電操作期間感性元件110的電感器電流對時間的代表性圖。這 個圖描繪了電感器電流如何在大約150毫秒的周期中從大約24安的峰值衰減到大約2安。圖4是在典型的放電操作期間感性元件110的電感器電壓對時間的代表性圖。這個圖描繪了電感器電壓如何在正值和負值之間振蕩(由流過感性元件110的一致方向的電流產生)，以及電感器電壓如何在相同的150毫秒的時間周期中從幾乎500伏的峰值絕對值快速衰減到大約50伏的絕對值。這兩個圖說明DC母線電容103如何能夠在保持第二能量變換模塊108的放電配置的同時通過調節開關元件10、11來快速和有效地放電。圖5是包括在兩個典型的放電周期期間，感性元件110的電感器電壓202和電感器電流204的代表性圖的圖。然而，與圖3和圖4中描繪的相比，圖5顯示了短得多的時間周期。結果，圖3和圖4中顯示的總體衰減特性在圖5中不能被識別。電感器電壓202對應開關元件10、11的開關模式。因此，電感器電壓202的圖類似於以零伏為中心的方波。電感器電流204的圖指示了感性元件110如何在開關元件10、11閉合的同時以電流充電，以及電感器電流如何在開關元件10、11打開的同時降低。儘管已經在前述詳細說明中給出了至少一個示例性實施例，但應該懂得存在很多變化。還應當認識到，本文描述的示例性實施例絕不意圖以任何方式限制所要求保護主題的範圍、可應用性或配置。相反，前文的具體描述將為本領域技術人員提供用於實施所述實施例的便利途徑。應當理解，在不偏離由權利要求限定的範圍的情況下可以對元件的功能和設置做出各種改變，其包括在提交本專利申請時的已知等價物和可預見的等價物。
權利要求
1.一種電力系統，包括 直流(DC)接口 ； 交流(AC)接口 ； 與所述DC接口電並聯地聯接的DC母線電容； 包括多個開關元件的第一能量變換模塊； 包括多個開關元件的第二能量變換模塊； 聯接在所述第一能量變換模塊和所述第二能量變換模塊之間以提供在所述第一能量變換模塊和所述第二能量變換模塊之間的電氣隔離的隔離模塊； 聯接在所述第二能量變換模塊與所述AC接口之間的感性元件； 與所述AC接口電並聯地聯接以選擇性地短路所述AC接口的接口短路開關；以及聯接到所述第一能量變換模塊、所述第二能量變換模塊、和所述接口短路開關的控制模塊，所述控制模塊配置成 檢測指示需要對所述DC母線電容放電的條件； 致動所述接口短路開關以電短路所述AC接口 ；以及操作所述第一能量變換模塊的所述多個開關元件和所述第二能量變換模塊的所述多個開關元件以至少部分地對所述DC母線電容放電。
2.根據權利要求I所述的電力系統，其特徵在於，所述控制模塊操作所述第二能量變換模塊的所述多個開關元件以建立包括所述感性元件的電流通路。
3.根據權利要求2所述的電力系統，其特徵在於，所述電流通路包括所述隔離模塊的副邊繞組。
4.根據權利要求3所述的電力系統，其特徵在於，所述控制模塊以開關頻率調節所述第一能量變換模塊的所述多個開關元件以交替地對所述感性元件中的電流充電和放電。
5.根據權利要求I所述的電力系統，其特徵在於 所述控制模塊交替地將所述第一能量變換模塊的所述多個開關元件配置在第一狀態和第二狀態； 在所述第一狀態中，所述第一能量變換模塊在第一控制時間周期建立在所述隔離模塊的原邊繞組上的所述DC母線電容的電壓；以及 在所述第二狀態中，所述第一能量變換模塊在與所述第一控制時間周期相等的第二控制時間周期用所述隔離模塊的所述原邊繞組對所述DC母線電容充電。
6.根據權利要求I所述的電力系統，其特徵在於，所述第二能量變換模塊包括 與所述隔離模塊的第一端子聯接的第一節點； 與所述隔離模塊的第二端子聯接的第二節點； 第三節點和第四節點，所述感性元件串聯聯接在所述第三節點和第四節點之間； 在所述第一節點和所述第五節點之間聯接的第一開關元件； 在所述第五節點和所述第三節點之間聯接的第二開關元件； 在所述第四節點和第六節點之間聯接的第三開關元件； 在所述第六節點和所述第二節點之間聯接的第四開關元件； 在所述第二節點和第七節點之間聯接的第五開關元件； 在所述第三節點和所述第七節點之間聯接的第六開關元件；在所述第四節點和第八節點之間聯接的第七開關元件；以及 聯接在所述第一節點和所述第八節點之間的第八開關元件，其中，所述控制模塊閉合所述第一開關元件和所述第三開關元件，並且打開所述第二開關元件、所述第四開關元件、所述第五開關元件、所述第六開關元件、所述第七開關元件和所述第八開關元件以至少部分地對所述DC母線電容放電。
7.根據權利要求6所述的電力系統，其特徵在於，所述第二能量變換模塊包括 具有聯接到所述第五節點的陽極和聯接到所述第一節點的陰極的第一二極體； 具有聯接到所述第五節點的陽極和聯接到所述第三節點的陰極的第二二極體； 具有聯接到所述第六節點的陽極和聯接到所述第四節點的陰極的第三二極體； 具有聯接到所述第六節點的陽極和聯接到所述第二節點的陰極的第四二極體； 具有聯接到所述第七節點的陽極和聯接到所述第二節點的陰極的第五二極體； 具有聯接到所述第七節點的陽極和聯接到所述第三節點的陰極的第六二極體； 具有聯接到所述第八節點的陽極和聯接到所述第四節點的陰極的第七二極體；以及 具有聯接到所述第八節點的陽極和聯接到所述第一節點的陰極的第八二極體。
8.根據權利要求I所述的電力系統，其特徵在於，所述第一能量變換模塊包括 與所述隔離模塊的第三端子聯接的第九節點； 與所述隔離模塊的第四端子聯接的第十節點； 第十一節點和第十二節點，所述DC母線電容聯接在所述第十一節點和所述第十二節點上； 在所述第十節點和所述第十一節點之間聯接的第九開關元件； 在所述第十節點和所述第十二節點之間聯接的第十開關元件； 在所述第九節點和所述第十一節點之間聯接的第十一開關元件；以及在所述第九節點和所述第十二節點之間聯接的第十二開關元件，其中，所述控制模塊打開所述第九開關元件和所述第十二開關元件，並同時打開和閉合所述第十開關元件和所述第十一開關元件以至少部分地對所述DC母線電容放電。
9.一種操作電力系統的方法，所述電力系統包括直流(DC)接口、交流(AC)接口、電並聯地聯接到所述DC接口的DC母線電容、包括多個開關元件的第一能量變換模塊、包括多個開關元件的第二能量變換模塊、在所述第一能量變換模塊和所述第二能量變換模塊之間聯接以提供在所述第一能量變換模塊和所述第二能量變換模塊之間的電氣隔離的隔離模塊、和聯接在所述第二能量變換模塊和所述AC接口之間的感性元件，所述方法包括 檢測指示需要對所述DC母線電容放電的條件； 電短路所述AC接口 ； 將所述第二能量變換模塊的所述多個開關元件設置為放電配置，以建立從所述隔離模塊的第一端子，經過所述感性元件，到所述隔離模塊的第二端子的電流通路；以及 在保持所述第二能量變換模塊的所述多個開關元件的所述放電配置的同時，調節所述第一能量變換模塊的所述多個開關元件中的一個或多個以交替地對所述感性元件中的電流充電和放電。
10.一種對車輛的雙向矩陣變換器的母線電容放電的方法，所述車輛具有直流(DC)能量源，所述雙向矩陣變換器包括用於所述DC能量源的DC接口、通過所述雙向矩陣變換器對所述DC能量源充電的用於AC能量源的交流(AC)接口、第一能量變換模塊、第二能量變換模塊、聯接在所述第一能量變換模塊和所述第二能量變換模塊之間的隔離模塊、聯接在所述第二能量變換模塊和所述AC接口之間的感性元件，所述方法包括 在所述AC能量源與所述AC接口斷開連接之後，電短路所述AC接口； 將所述第二能量變換模塊的多個開關元件設置為放電配置，以建立從所述隔離模塊的第一端子，經過所述感性元件，到所述隔離模塊的第二端子的電流通路；以及 在保持所述第二能量變換模塊的所述放電配置的同時，調節所述第一能量變換模塊的 多個開關元件，以至少部分地對所述DC母線電容放電。
全文摘要
本發明提供對車輛的雙向矩陣變換器的母線電容放電的系統和方法。方法開始於在AC能量源與AC接口斷開連接之後，電短路變換器的AC接口。該方法繼續，將第二能量變換模塊的多個開關元件設置為放電配置中，建立從隔離模塊的第一端子，經過感性元件，到隔離模塊的第二端子的電流通路。該方法還在保持第二能量變換模塊的放電配置的同時，調節第一能量變換模塊的多個開關元件，以至少部分地對DC母線電容放電。
文檔編號H02M1/32GK102751855SQ201210117250
公開日2012年10月24日 申請日期2012年4月20日 優先權日2011年4月20日
發明者L.A.卡尤克, M.佩裡西克, R.M.蘭索姆 申請人:通用汽車環球科技運作有限責任公司