[发明专利]具有减小的无源部件尺寸和共模电磁干扰的单相双向交流直流转换器

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求于2014年4月11日提交的美国发明专利申请第14/251,080号的优先权，以及于2013年4月17日提交的美国临时申请第61/812,969号的权益。上述申请的全部公开内容通过引用被合并到本文中。

政府条款

本发明是使用根据能源部授予的授权号为DE-EE0002720的政府支持做出的。政府具有本发明中的某些权力。

技术领域

本公开内容涉及具有减小的无源部件尺寸和共模电磁干扰的单相双向交流直流(AC-DC)转换器。

背景技术

预期在不久的将来车辆到电网(V2G)技术会被商业化。V2G使用车辆中的电池作为电力系统的能量存储单元。它可以通过填谷和调峰来帮助平衡负载。作为能量缓冲级，通过在高功率输出时段期间存储多余能量以及在高负载时段回供多余能量，它对于诸如风能和太阳能的可再生能源很有帮助。为了实现V2G功能，需要可以在电力网与电池之间交换能量的双向板载充电器。当板载充电器将来自交流(AC)电力系统的能量转换成直流(DC)时，对于相同的实际功耗量，低功率因子充电器将比高功率因子充电器从电力网吸取更大的电流。额外电流意味着引起额外损耗的能量循环以及对更大系统容量的需要。从而，功率因子校正(PFC)转换器是板载充电器的中等功率应用至大功率应用所必需的前级。上面两个原因需要具有用于板载充电器的PFC功能的双向交流直流转换器。

对于汽车工程师学会(SAE)交流等级2中的电动车辆充电器，单相交流功率的输入可以高达19.2kW。在该功率等级处，在输入级处具有一个电感器的传统拓扑结构将是笨重和昂贵的。然而，如果选择较小的电感器，则输入电流谐波将增加，这需要较大的EMI滤波器以满足规定。如果采用更高的切换频率来减小输入电流纹波，则其意味着更多的切换损耗和更低的效率。

对于板载充电器而言，尺寸和重量是重要的因素，因为车辆将一直携带充电器。效率也非常重要，因为能量首先从电源被传送至电池，然后再从电池传送至负载。每次传送浪费一些能量。效率低意味着巨大的能量浪费。为了实现紧凑和高效，存在在不增加切换频率(当切换频率增加时效率通常降低)的情况下减小无源部件尺寸的需要。

在本公开内容中，提出了用于交流直流转换器的高阶输入滤波器，使得可以减小无源部件尺寸。滤波器集成有差模功能和共模功能两者，并且容易解决共模EMI问题。为了对具有提出的输入滤波器拓扑结构的转换器进行控制，还开发了具有减少的计算和测量的基于模型的方法，这同时实现快速和鲁棒的性能以及低控制成本。

本部分提供了与本公开内容有关的背景信息，该背景信息不一定是现有技术。

发明内容

本部分提供了本公开内容的总体概要，而不是其全部范围或其所有特征的全面公开。

提供了一种具有减小的无源部件尺寸和共模电磁干扰的双向交流直流转换器。该交流直流转换器包括被配置成接收交流输入的转换器电路以及介于交流输入电路与转换器电路之间的改进的输入滤波器。转换器电路被配置成接收来自输入滤波器的交流输入以及输出直流信号。输入滤波器包括一对共模电感器(common inductor)、一对差分电感器、差分电容器和两个共模电容器。

一对差分电感器中的第一差分电感器具有电连接至交流输入的一侧的第一端子；而一对差分电感器中的第二差分电感器具有电连接至交流输入的另一侧的第一端子。第一差分电感器和第二差分电感器感应地耦合在一起并且共享公共磁芯。

另外，一对共模电感器中的第一共模电感器具有电耦合至第一差分电感器的第二端子的第一端子，以及一对共模电感器中的第二共模电感器具有电耦合至第二差分电感器的第二端子的第一端子。第一共模电感器和第二共模电感器感应地耦合在一起并且共享公共磁芯。

第一共模电容器电耦合在第一差分电感器的第二端子与地之间。第二共模电容器电耦合在第二差分电感器的第二端子与地之间。差分电容器跨交流输入电耦合。更具体地，差分电容器具有电耦合至第一差分电感器的第二端子的第一端子和电耦合至第二差分电感器的第二端子的第二端子。

在一些实施方式中，一对差分电感器的耦合系数约为1；而一对共模电感器的耦合系数小于1。

在其他实施方式中，第二对差分电感器与一对共模电感器串联耦合。在该布置中，第二对差分电感器中的第一差分电感器具有电耦合至第一共模电感器的第二端子的第一端子，以及第二对差分电感器中的第二差分电感器具有电耦合至第二共模电感器的第二端子的第一端子。此外，第一共模电感器和第二共模电感器感应地耦合在一起并且共享公共磁芯。