直流－直流轉換器及應用該轉換器的電動機驅動系統的製作方法
2023-11-02 06:43:32
專利名稱：直流－直流轉換器及應用該轉換器的電動機驅動系統的製作方法
技術領域：
本發明總體上涉及直流-直流轉換器及應用該轉換器的電動機驅動系統。
背景技術：
直流-直流轉換器總體上將直流電壓(「DC」)從第一電壓水平變換(即轉換)到第二電壓水平。將較低的輸入電壓變換成較高的輸出電壓(即升高電壓)的直流-直流轉換器可以被稱為「升壓」轉換器。同樣地，將較高的輸入電壓變換成較低的輸出電壓(即降低電壓)的直流-直流轉換器可以被稱為「降壓」轉換器。
參照圖1(a)，其表示的是常規的雙向直流-直流轉換器10的示意圖。總體上，Va，Vb和Vc表示三個可能的端電壓，Vb大於或等於Va(即Vb≥Va)，Vc等於Vb和Va的差值(即Vc＝Vb-Va)。常規的直流-直流轉換器10是雙向的，因此Va，Vb或Vc中的任何一個電壓可以作為輸入電壓而其餘的一個或兩個電壓可以作為輸出電壓。舉例來說，當Va作為輸入電壓而Vb作為輸出電壓時，轉換器10總體上是升壓轉換器。同樣地，當Vb作為輸入電壓而Va作為輸出電壓時，轉換器10總體上是降壓轉換器。同樣地，當Va作為輸入電壓而Vc作為輸出電壓時，轉換器10總體上是升壓-降壓轉換器。同樣地，當Vc作為輸入電壓而Va作為輸出電壓時，轉換器10總體上是降壓-升壓轉換器。常規的轉換器10的電容器Ca和Cb是濾波電容器，電感器La是直流扼流圈。
現參照圖1(b)，其表示的是另外一種常規的雙向直流-直流轉換器20的示意圖。總體上，轉換器20除了多個電容器22，如Cb和Cc，可以串聯在電壓Vb間之外，可以與轉換器10同樣的操作。多個電容器22的使用總體上為端電壓Vb提供了更高的額定電壓。因此，圖1(b)中的轉換器20可以用在與應用轉換器10的系統相比具有高直流電壓或具有較低額定電壓的電容器的系統中。
然而，眾所周知，多個電容器22之間參數的變化，如不匹配的電容，漏磁阻等等，可以導致電容器22間不均勻的電壓分配。而不均勻的電壓分配可以導致電容器22中的一個或多個的過電壓狀態。常規的限制過電壓狀態出現的意圖總體上需要使用十分匹配的電容器或具有較高額定電壓的電容器。這些十分匹配的或較高額定電壓的電容器的使用總體上導致控制器20的製造成本增加。
發明內容
因此，需要一種直流-直流轉換器，可配置使用於高直流電壓，其中直流-直流轉換器可以用具有較低額定和/或與常規的轉換器如10和20相比不易受參數變化影響的電容器實現。這樣的轉換器可以通過減少十分匹配的電容器的需求和/或具有較高額定電壓的電容器的需求來降低製造成本。
根據本發明的一個實施例，提供一種直流-直流轉換器。該直流-直流轉換器包括各具有第一和第二端的第一和第二電容器，具有第一和第二端的電感器，以及各具有第一和第二端的第一和第二開關裝置。電感器的第一端連接到第二電容器的第一端和第一電容器的第二端上形成第一節點。第一開關裝置的第一端連接到第一電容器的第一端形成第二節點。第二開關裝置的第一端連接到第一開關裝置的第二端和電感器的第二端形成第三節點。第二開關裝置的第二端連接到第二電容器的第二端形成第四節點。第一開關裝置設置成響應第一控制信號、電連接第一開關裝置的第一和第二端。類似地，第二開關裝置設置成響應第二控制信號、電連接第二開關裝置的第一和第二端。
根據本發明的另外一個實施例，提供一種電動機驅動系統。該系統包含具有正和負端的儲能裝置，具有第一和第二端的驅動單元，與驅動單元電連通的電動機，以及直流-直流轉換器。直流-直流轉換器包括各具有第一和第二端的第一和第二電容器，具有第一和第二端的電感器，以及各具有第一和第二端的第一和第二開關裝置。電感器的第一端連接到第二電容器的第一端和第一電容器的第二端上形成第一節點。第一開關裝置的第一端連接到第一電容器的第一端形成第二節點。第二開關裝置的第一端連接到第一開關裝置的第二端和電感器的第二端上形成第三節點。第二開關裝置的第二端連接到第二電容器的第二端形成第四節點。儲能裝置的正端連接到第一節點上，儲能裝置的負端連接到第四節點上。驅動單元的第一和第二端分別連接到第二和第四節點。第一開關裝置設置成響應第一控制信號電連接第一開關裝置的第一和第二端。類似地，第二開關裝置設置成響應第二控制信號電連接第二開關裝置的第一和第二端。
根據本發明的另外一個實施例，提供另外一種電動機驅動系統。該系統包含具有正端和負端的儲能裝置，具有第一和第二端的驅動單元，與驅動單元電連通的電動機，以及直流-直流轉換器。直流-直流轉換器包括各具有第一和第二端的第一和第二電容器，具有第一和第二端的電感器，以及各具有第一和第二端的第一和第二開關裝置。電感器的第一端連接到第二電容器的第一端和第一電容器的第二端上形成第一節點。第一開關裝置的第一端連接到第一電容器的第一端形成第二節點。第二開關裝置的第一端連接到第一開關裝置的第二端和電感器的第二端上形成第三節點。第二開關裝置的第二端連接到第二電容器的第二端形成第四節點。儲能裝置的正端連接到第二節點，儲能裝置的負端連接到第一節點。驅動單元的第一和第二端分別連接到第二和第四節點。第一開關裝置設置成響應第一控制信號電連接第一開關裝置的第一和第二端。同樣地，第二開關裝置設置成響應第二控制信號、電連接第二開關裝置的第一和第二端。
圖1(a-b)為常規的雙向直流-直流轉換器的示意圖；圖2為根據本發明的至少一個實施例的直流-直流轉換器的示意圖；圖3為根據本發明的至少另一實施例的直流-直流轉換器的示意圖；
圖4是根據本發明的至少一個實施例的電動機驅動系統的示意圖；圖5是根據本發明的至少另一實施例的電動機驅動系統。
具體實施例方式
參照圖2，其表示的是根據本發明的至少一個實施例的直流-直流轉換器100的示意圖。該轉換器100總體上包含第一電容器(即C1)102，第二電容器(即C2)104，電感器(即L1)106，第一開關裝置(即S1)108，第二開關裝置(即S2)110，以及多個節點，如第一節點120，第二節點122，第三節點124，和第四節點126。
第一電容器102(即電容元件)，第二電容器104，和電感器106(即電感元件)可以各包括用於將相應組件(即102，104，和/或106)連接到臨近的組件上的第一和第二端(即電連接點)。同樣地，第一108和/或第二110開關裝置(即開關)可以各包括將相應開關(即108和/或110)連接到臨近的組件上的第一和第二端。
根據本發明的至少一個實施例，電感器106的第一端可以連接到第二電容器104的第一端和第一電容器102的第二端上形成第一節點120。同樣地，第一開關裝置108的第一端可以連接到第一電容器102的第一端形成第二節點122，第二開關裝置110的第一端可以連接到第一開關裝置108的第二端和電感器106的第二端形成第三節點124，第二開關裝置110的第二端可以連接到第二電容器104的第二端形成第四節點126。
總體上，直流-直流轉換器100可以是雙向的，因此電壓V1，V2或V3中的任何一個可以作為轉換器100的輸入電壓而其餘的一個或兩個電壓可以作為輸出電壓。在一個實施實例中，當輸入電壓如V1或V3分別位於(即加於)節點120和126間或節點122和120間、輸出電壓V2置於(被輸出到一個負載)節點122和126間時，轉換器100可以被用作升壓(即提高)轉換器。在另外一個實施實例中，當輸入電壓V2位於節點122和126間、輸出電壓如V1或V3分別置於(即輸出到一個負載)節點120和126或節點122和120間時，轉換器100可以被用作降壓(即降低)轉換器。在另外一個實施實例中，當輸入電壓V1位於節點120和126間、輸出電壓V3置於節點122和120間時，轉換器100可以被用作升壓-降壓轉換器。在另外一個實施實例中，當輸入電壓V3位於節點122和120間、輸出電壓V1置於節點120和126間時，轉換器100可以被用作降壓-升壓轉換器。然而，任何合適的電壓(例如V1，V2或V3)可以作為轉換器100的輸入電壓並且任何合適的相應端電壓可以用作轉換器100的輸出電壓以滿足具體應用的設計標準。
在至少一個實施例中，第一102和第二104電容器可以是極化電容器，這樣每個第一102和第二104電容器中的第一/第二端分別與正/負導線連接。本實施例尤其有利於高壓應用，如純電動車輛，混合電動車輛和/或燃料-電池電動車輛。
總體上，第一108和第二110開關裝置可以是任何合適的用於響應控制信號、電連接第一和第二端的裝置。也就是說，第一開關裝置108可以是任何合適的用於響應第一控制信號、電連接第一開關裝置108的第一和第二端的裝置而第二開關裝置110可以是任何合適的用於響應第二控制信號、電連接第二開關裝置110的第一和第二端的裝置。在至少一個實施例中，第一108和/或第二110開關裝置可以包括電動機械和/或固態繼電裝置。在至少一個另外的實施例中，第一108和/或第二110開關裝置可以包括電晶體，例如是金屬-氧化物-半導體-場效應電晶體(Metal-OxideSemiconductor Field-Effect Transistor，即MOSFET)，絕緣柵雙極型電晶體(Insulated Gate Bipolar Transistor，即IGBT)，雙極結電晶體(BipolarJunction Transistors，即BJT)，和/或相似的電晶體。具體如圖2-5所示，本發明的一個或多個實施例可以將絕緣柵雙極型電晶體作為第一108和/或第二110開關裝置。這種絕緣柵雙極型電晶體可以包括連接到相應開關裝置(例如108或110)的第一端的集電極區域，連接到相應開關裝置的第二端的發射極區域，以及連接到控制單元112的柵極區。此外，在一個實施例中能流維持在一個單一的方向，可以除去第一108和第二110開關裝置中的一個。
總體上，第一和第二控制信號可以是任何合適的信號模式(例如，電壓信號，電流信號，和/或相似的)，並且可以由任何合適數目的合適的控制單元112產生以滿足具體應用的設計標準。
轉換器100可選擇地包括一個或多個二極體。舉例來說，本發明的一個或多個實施例可以包括具有連接到節點124的正端(陽極)和連接到節點112的負端(陰極)的第一二極體130和/或具有連接到節點126的正端和連接到節點124的負端的第二二極體132，在一個實施例中，一個或多個二極體的使用是非常有用的，其中第一108和/或第二110開關裝置驅動電感負載。
與常規的轉換器10和20相比，根據本發明的一個實施例的轉換器100可以在應用較低額定電壓的電容器時提供更高的輸出端額定電壓(例如V2)，和/或減少因受電容器參數變化影響而引起的過電壓的發生。總體上，第一電容器102的額定電壓可以僅需與節點122和120之間的電壓V3相一致。同樣地，第二電容器104的額定電壓可以僅需與節點120和126之間的電壓V1相一致。
參照圖3，其表示的是根據本發明的至少另一個實施例的直流-直流轉換器200的示意圖。該轉換器200除了轉換器200還可以包括第三二極體134、第四二極體136、第三電容器140、或其中的任意組合以外，可以與轉換器100類似地操作。
第三二極體134總體上包括連接到節點120的正端和連接到節點122的負端，使得二極體134位於第一電容器102間。二極體134可以防止第一電容器102瞬時的反向偏壓。
第四二極體136總體上包括連接到節點126的正端和連接到節點120的負端，使得二極體136位於第二電容器104間。二極體136可以防止第二電容器104瞬時的反向偏壓。
第三電容器140總體上包括連接到節點122的第一端和連接到節點126的第二端。因此，第三電容器140可以減少節點122和126間的開關電壓峰值。在至少一個實施例中，第三電容器140電容(大小)可以分別地少於第一102和第二104電容器的電容。
現參照圖4，其表示的是根據本發明的至少一個實施例的電動機驅動系統400的示意圖。該系統400總體上包括儲能裝置402，如電池，一個或多個驅動單元404(即變極器，電動機控制器等)，一個或多個電連接到一個或多個驅動單元404的電動機406，和/或直流-直流轉換器408。圖4所示的實施例中，轉換器408總體與前面討論過的圖3所示的轉換器200相符。然而，系統400可以用任何合適的直流-直流轉換器408實施，如前面討論過的圖2所示的轉換器100，以滿足具體應用的設計標準。
儲能裝置402總體上包含連接到節點120的正端和連接到節點126的負端，使得與儲能裝置相應的電壓(V1)在至少一個實施例中位於節點120和126間。
此外，一個或多個驅動單元404(例如404a-404n)中的每一個總體上包括連接到節點122的第一端和連接到節點126的第二端。在至少一個實施例中，系統400可以如此配置，例如通過控制電路112產生一個或多個控制信號，以提高與儲能裝置405相應的輸入電壓(例如V1)並將升高了的電壓(例如V2)輸出到一個或多個驅動單元404。該實施例對驅動純電動車輛、混合電動車輛和/或燃料-電池電動車輛的一個或多個電動機406是非常有用的。
在至少一個另外的實施例中，系統400可以如此配置，例如通過控制電路112產生一個或多個控制信號，以降低與一個或多個電動機406產生的再生電壓相應的輸入電壓(例如V2)並將降低了的電壓(例如V1)輸出到儲能裝置402。該實施例在再生制動程序時，對純電動車輛、混合電動車輛和/或燃料-電池電動車輛的電池或其它儲能裝置402的充電是非常有用的。
參照圖5，表示的是根據本發明的至少一個另外的實施例的電動機驅動系統500的示意圖。總體上，系統500可以與系統400類似地實施，除了儲能裝置402的正端可以連接到節點122、負端可以連接到節點120上使得與儲能裝置相應的電壓(V3)在至少一個實施例中可以位於節點122和120間。
因此，本發明的一個或多個實施例可以提供降低了製造成本的直流-直流轉換器和/或電動機驅動系統，可配置使用於高直流電壓。
雖然實施本發明的最佳的方式已經詳細描述，本發明所屬技術領域的技術人員還是可以認識到實現權利要求所界定的本發明的各種可選擇的設計和實施方式。
權利要求
1.一種直流一直流轉換器，其特徵在於包含具有第一和第二端的第一電容器；具有第一和第二端的第二電容器；具有第一和第二端的電感器，其中上述電感器的第一端連接到第二電容器的第一端和第一電容器的第二端上形成第一節點；具有第一和第二端、設置成響應第一控制信號、電連接第一開關裝置的第一和第二端的第一開關裝置，其中上述第一開關裝置的第一端連接到上述第一電容器的第一端形成第二節點；以及具有第一和第二端、設置成響應第二控制信號、電連接第二開關裝置的第一和第二端的第二開關裝置，其中上述第二開關裝置的第一端連接到上述第一開關裝置的第二端和上述電感器的第二端形成第三節點，以及上述第二開關裝置的第二端連接到上述第二電容器的第二端形成第四節點。
2.根據權利要求1所述的直流—直流轉換器，其特徵在於上述第一和第二電容器是極化電容器，上述每個第一和第二電容器的第一端連接到正導線，上述每個第一和第二電容器的的第二端連接到負導線。
3.根據權利要求1所述的直流—直流轉換器，其特徵在於上述第一和第二開關裝置是電晶體。
4.根據權利要求3所述的直流—直流轉換器，其特徵在於上述第一和第二開關裝置是絕緣柵雙極型電晶體。
5.根據權利要求4所述的直流—直流轉換器，其特徵在於上述每個第一和第二開關裝置為絕緣柵雙極型電晶體，其具有連接到上述第一端的集電極區域、連接到上述第二端的發射極區域和連接到控制單元的柵極區，上述控制單元產生、上述柵極區接收第一和第二控制信號的中至少一種。
6.根據權利要求4所述的直流—直流轉換器，其特徵在於還包含具有連接到第三節點的正端和連接到第二節點的負端的第一二極體；以及具有連接到第四節點的正端和連接到第三節點的負端的第二二極體。
7.根據權利要求1所述的直流—直流轉換器，其特徵在於還包含具有連接到第一節點的正端和連接到第二節點的負端的二極體。
8.根據權利要求1所述的直流—直流轉換器，其特徵在於還包含具有連接到第四節點的正端和連接到第一節點的負端的二極體。
9.根據權利要求1所述的直流—直流轉換器，其特徵在於還包含具有連接到第二節點的第一端和連接到第四節點的第二端的第三電容器。
10.一種電動機驅動系統包含具有正和負端的儲能裝置；具有第一和第二端的驅動單元；與驅動單元電連通的電動機；以及直流—直流電動機，其包含具有第一和第二端的第一電容器；具有第一和第二端的第二電容器；具有第一和第二端的電感器，其中上述電感器的第一端連接到第二電容器的第一端和第一電容器的第二端形成第一節點；具有第一和第二端、設置成響應第一控制信號、電連接第一開關裝置的第一和第二端的第一開關裝置，其中上述第一開關裝置的第一端連接到第一電容器的第一端形成第二節點；以及具有第一和第二端、設置成響應第二控制信號、電連接第二開關裝置的第一和第二端的第二開關裝置，其中上述第二開關裝置的第一端連接到上述第一開關裝置的第二端和上述電感器的第二端形成第三節點，以及上述第二開關裝置的第二端連接到上述第二電容器的第二端形成第四節點；其中上述儲能裝置的正端連接到第一節點、儲能裝置的負端連接到第四節點，驅動單元的第一和第二端連接到第二和第四節點。
11.根據權利要求10所述的系統，其特徵在於還包含產生第一和第二控制信號、使得與儲能裝置相應的輸入電壓升高並輸出到驅動單元的控制電路。
12.根據權利要求10所述的系統，其特徵在於還包含產生第一和第二控制信號、使得由電動機產生的再生電壓降低並輸出到儲能裝置的控制電路。
13.根據權利要求10所述的系統，其特徵在於第一和第二開關裝置是電晶體。
14.根據權利要求13所述的系統，其特徵在於第一和第二開關裝置是絕緣柵雙極型電晶體。
15.根據權利要求14所述的系統，其特徵在於上述每個第一和第二開關裝置為絕緣柵雙極型電晶體，其具有連接到上述第一端的集電極區域、連接到上述第二端的發射極區域和連接到控制單元柵極區，上述控制單元產生、上述柵極區接收第一和第二控制信號中的至少一種。
16.根據權利要求14所述的系統，其特徵在於還包含具有連接到第三節點的正端和連接到第二節點的負端的第一二極體；具有連接到第四節點的正端和連接到第三節點的負端的第二二極體。
17.根據權利要求10所述的系統，其特徵在於還包含具有連接到第一節點的正端和連接到第二節點的負端的二極體。
18.根據權利要求10所述的系統，其特徵在於還包括具有連接到第二節點的第一端和連接到第四節點的第二端的第三電容器。
19.一種電動機驅動系統包含具有正和負端的儲能裝置；具有第一和第二端的驅動單元；與驅動單元電連通的電動機；以及直流—直流轉換器，其包含具有第一和第二端的第一電容器；具有第一和第二端的第二電容器；具有第一和第二端的電感器，其中電感器的第一端連接到第二電容器的第一端和第一電容器的第二端上形成第一節點；具有第一和第二端、設置成響應第一控制信號、電連接第一開關裝置的第一和第二端的第一開關裝置，其中第一開關裝置的第一端連接到第一電容器的第一端形成第二節點；以及具有第一和第二端、設置成響應第二控制信號、電連接第二開關裝置的第一和第二端的第二開關裝置，其中第二開關裝置的第一端連接到第一開關裝置的第二端和電感器的第二端形成第三節點，以及第二開關裝置的第二端連接到第二電容器的第二端形成第四節點；其中儲能裝置的正端連接到第二節點，儲能裝置的負端連接到第一節點，驅動單元的第一和第二端連接到第二和第四節點。
20.根據權利要求19所述的系統，其特徵在於每個第一和第二開關裝置為絕緣柵雙極型電晶體，其具有連接到上述第一端的集電極區域、連接到上述第二端的發射極區域和連接到上述控制單元的柵極區，上述控制單元產生、上述柵極區接收第一和第二控制信號中的至少一種。
全文摘要
一種直流－直流轉換器和應用該轉換器的電動機驅動系統。上述直流－直流轉換器包括第一和第二電容器、電感器、以及第一和第二開關裝置。
文檔編號H02M3/155GK101064468SQ20071009111
公開日2007年10月31日 申請日期2007年4月2日 優先權日2006年4月6日
發明者陳清麒, 文凱特斯瓦·桑卡蘭, 麥可·德格內爾 申請人:福特全球技術公司