[发明专利]具有多个输出的多电桥功率转换器

说明书

根据本公开的一方面，提供了一种功率转换器装置，该装置包括：至少两个开关电桥，其连接到一条直流(DC)总线，并且均产生提供至非隔离输出端的脉宽调制(PWM)电压；以及隔离变压器，其初级绕组连接到所述两个开关电桥的输出端、以及其次级绕组连接到隔离输出端。在非隔离模式下，所述两个开关电桥按照并联模式运行，在DC总线和非隔离输出端之间传输功率。在隔离模式下，所述两个开关电桥按照全桥模式运行，通过变压器在DC总线和隔离输出端之间传输功率。

技术领域

本公开总体上涉及诸如电动车辆中使用的电力转换器之类的电力电子电路领域。

背景技术

近年来，可再生能源产业经历了快速的增长，并且由于这种增长，对电力电子技术的进一步改进有很高的需求。例如，随着大量的电动车辆(EV)进入市场，电机驱动逆变器和电池充电器已成为EV的关键组件。对不断改善成本、效率、尺寸和重量的需求提出了对EV电机驱动逆变器和电池充电器设计的挑战。

部署在EV中的电池组包括各种不同的电压和容量额定值。因此，EV需要合适的充电器以在宽范围电池电压和电流电平下充电，这尤其对于电池充电器产品供应商和商业快速充电器站带来挑战。

电池充电器功率转换器由于高电压和高电流而潜在地危险。电流隔离可以减少电安全隐患，并且在功率转换器中的组件故障的情况下可以阻止故障传播。因此，某些安全标准(诸如IEC、IEEE、UL和SAE)可能要求电流隔离，并且此强制性要求对于非车载充电器和车载电池充电器(OBC)是正确的。

EV电池充电器包括用于将交流(AC)功率转换成直流(DC)功率的电路，并且通常以两段设计，即，AC-DC段和DC-DC段。AC-DC段将(通常来自AC十点电源)的AC输入电压转换为DC总线电压，并将DC总线电压调节到适合于DC-DC段负载的理想范围内。AC-DC段可以包括各种电磁干扰(EMI)滤波器、以及采用多个二极管和有源开关设备的功率因数校正(PFC)转换器电路(或即PFC整流器)。

为了满足各种EMI规则，采用EMI滤波器来减少高频噪声，该噪声可能会对EV上的其他设备造成干扰。PFC整流器电路可以实施为升压PFC转换器，其能够将输入线电流整形为正弦波并且与AC电源的正弦波输入电压同相，并且因此将电路操作保持在单位功率因数下。同时，PFC整流器电路调节其输出，以将DC总线电压维持在某个目标范围内，以实现稳定功率流和安全操作。

作为EV电池充电器中AC-DC段之后的段，DC-DC段连接在DC总线的输出与多个电池之间。DC-DC段可以包括为隔离变压器供电的高频开关DC-DC转换器，该隔离变压器通常具有一个初级绕组和次级绕组。在次级侧，提供另一个整流器电路，以用于将隔离变压器的次级绕组的输出端调节为DC电压，以对EV电池充电。DC-DC转换器还能够调节电池充电电流并维持电池的充电状态。

基于逆变器的电机控制单元(MCU)用于使用电池功率驱动EV牵引电机。逆变器用于将电池DC电压转换为在电机绕组端子上的脉宽调制(PWM)AC输出电压波形，以根据期望调节电机绕组电流。目标是按照MCU的要求在电机的低速区域处产生高扭矩，并且在电机的高速范围下输送高功率，这通常会在电机和逆变器系统设计的折衷中引起困难的问题。

通常，电机的高扭矩输出需要转子中更多的永磁材料，其减小最大电机绕组电流，并且因此缩小电机框架尺寸。然而，转子的更多的恒磁材料意味着更高的感应反电磁力(EMF)。当EMF达到DC总线电压电平时，MCU将不再能够将更多的功率推入电机，或者将电机进一步驱动到更高的速度区域。通常通过部署或不部署DC-DC升压转换器的场削弱控制来解决此设计问题。

一种被称为场削弱控制的技术用于抵消部分永磁通量，并降低反EMF，以在电机高速区域下降至电机的DC总线电压电平以下。场削弱操作的缺点是电机效率可能大大降低，尤其是在某些深度场削弱情况下，效率降低了若干百分点，由于EV燃料经济性，这显然是一个沉重的代价。此外，逆变器在场弱化操作下将不得不承受更大的无功电流，从而导致更高的设备额定值和成本以及进一步更低的逆变器效率。