能量變換系統(tǒng)及其控制方法
【專利摘要】本發(fā)明揭示一種能量變換系統(tǒng)，其包括控制模塊和能量變換裝置。能量變換裝置至少包括一個(gè)開關(guān)單元。開關(guān)單元包括開關(guān)裝置，開關(guān)裝置包括溝道和與溝道集成的體二極管。開關(guān)裝置包括第一端口，第二端口和第三端口。第一端口用于接收開關(guān)控制信號。第二端口和第三端口用于提供電流流通路徑。本發(fā)明還揭示了一種能量變換控制方法。本發(fā)明揭示的能量變換系統(tǒng)和能量變換控制方法，可提高能量變換的效率。
【專利說明】能量變換系統(tǒng)及其控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明公開的實(shí)施方式涉及能量變換系統(tǒng)及其控制方法，特別涉及一種用于提高電動汽車中的整流器或者充電裝置效率的系統(tǒng)和方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，能量變換系統(tǒng)被廣泛地用于將一種形式的輸入能量轉(zhuǎn)換為另一種形式的輸出電能。通常，能量變換系統(tǒng)至少包括一個(gè)半導(dǎo)體開關(guān)裝置。通過給半導(dǎo)體開關(guān)裝置提供開關(guān)控制信號，可以靈活的控制能量變換系統(tǒng)輸出不同形式的電能。然而，如何提聞能量變換系統(tǒng)的效率仍舊是一個(gè)亟待解決的技術(shù)問題。
[0003]近些年來，盡管大量的控制策略如零電壓開關(guān)策略，零電流開關(guān)策略，優(yōu)化的脈寬調(diào)制策略以及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)被用于提高能量變換系統(tǒng)的效率，然而，能量變換系統(tǒng)的效率仍有很大的提聞空間。
[0004]因此，有必要提供一種改進(jìn)的系統(tǒng)和方法來解決上述技術(shù)問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]鑒于上面提及的技術(shù)問題，本發(fā)明的一個(gè)方面在于提供一種改進(jìn)的能量變換系統(tǒng)，該能量變換系統(tǒng)包括控制模塊和能量變換裝置。該控制模塊用于提供開關(guān)控制信號。該能量變換裝置包括輸入端口，輸出端口和至少一個(gè)開關(guān)單元，該開關(guān)單元連接在該輸入端口和該輸出端口之間，該開關(guān)單元包括開關(guān)裝置，該開關(guān)裝置包括溝道和與該溝道集成的體二極管。該開關(guān)裝置包括第一端口，第二端口和第三端口，該第一端口用于接收由該控制模塊提供的該開關(guān)控制信號，該第二端口和該第三端口用于提供電流流通路徑，該開關(guān)裝置的溝道用于提供正向電流流通路徑，根據(jù)該第一端口接收到的第一開通控制信號，正向電流經(jīng)由該正向電流流通路徑從該開關(guān)裝置的第二端口流向第三端口。該開關(guān)裝置的體二極管用于提供第一反向電流流通路徑，根據(jù)該第一端口接收到的第一關(guān)斷控制信號，反向電流經(jīng)由該第一反向電流流通路徑從該開關(guān)裝置的第三端口流向第二端口。該開關(guān)裝置的溝道用于提供第二反向電流流通途徑，根據(jù)該第一端口接收到的第二開通控制信號，該反向電流經(jīng)由該第二反向電流流通路徑從該開關(guān)裝置的第三端口流向第二端口。
[0006]如上所述的能量變換系統(tǒng)，其中，該開關(guān)裝置至少包括碳化硅晶體管或者氮化鎵晶體管。
[0007]如上所述的能量變換系統(tǒng)，其中，該第一開通控制信號和該第一關(guān)斷控制信號通過調(diào)制策略產(chǎn)生。
[0008]如上所述的能量變換系統(tǒng)，其中，部分該第一關(guān)斷控制信號被該第二開通控制信號替換。
[0009]如上所述的能量變換系統(tǒng)，其中，該開關(guān)裝置的第一端口接收第一死區(qū)時(shí)間關(guān)斷控制信號和第二死區(qū)時(shí)間關(guān)斷控制信號，該第一死區(qū)時(shí)間關(guān)斷控制信號造成該第二開通控制信號延遲一個(gè)死區(qū)時(shí)間開通，該第二死區(qū)時(shí)間關(guān)斷信號造成該第二開通控制信號提前一個(gè)死區(qū)時(shí)間關(guān)斷。
[0010]如上所述的能量變換系統(tǒng)，其中，當(dāng)該第一死區(qū)時(shí)間關(guān)斷信號過渡到該第二開通控制信號時(shí)，該開關(guān)裝置被零電壓開通。
[0011]如上所述的能量變換系統(tǒng)，其中，該開關(guān)單元包括反并聯(lián)二極管，該反并聯(lián)二極管與該開關(guān)裝置反并聯(lián)連接，該反并聯(lián)二極管用于提供第三反向電流流通途徑，根據(jù)該第一端口接收到的該第一關(guān)斷控制信號，該反向電流經(jīng)由該第三反向電流流通路徑從該開關(guān)裝置的第三端口流向第二端口。
[0012]如上所述的能量變換系統(tǒng)，其中，部分該第一關(guān)斷控制信號被該第二開通控制信號替換。
[0013]如上所述的能量變換系統(tǒng)，其中，該能量變換系統(tǒng)包括整流器，根據(jù)該控制模塊提供的開關(guān)控制信號，該整流器用于將輸入的交流電整流成輸出的直流電以給直流負(fù)載充電。
[0014]如上所述的能量變換系統(tǒng)，該能量變換系統(tǒng)至少包括逆變器，直流/直流變換器以及交流/交流變換器。根據(jù)該控制模塊提供的開關(guān)控制信號，該逆變器用于將輸入的直流電逆變?yōu)檩敵龅慕涣麟?；根?jù)該控制模塊提供的開關(guān)控制信號，該直流/直流變換器用于將輸入的直流電變換為輸出的直流電。根據(jù)該控制模塊提供的開關(guān)控制信號，該交流/交流變換器用于將輸入的交流電變換為輸出的交流電。
[0015]本發(fā)明的另一個(gè)方面在于提供一種能量變換系統(tǒng)控制方法。該方法至少包括如下步驟:提供第一開通控制信號給該能量變換系統(tǒng)的開關(guān)裝置的第一端口，正向電流可經(jīng)由該開關(guān)裝置的溝道提供的正向電流流通路徑從該開關(guān)裝置的第二端口流向第三端口 ；以及提供第二開通控制信號給該能量變換系統(tǒng)的開關(guān)裝置的第一端口，反向電流可經(jīng)由該開關(guān)裝置的溝道提供的第二反向電流流通路徑從該開關(guān)裝置的第三端口流向第二端口。
[0016]如上所述的能量變換系統(tǒng)控制方法，該方法包括將部分第一關(guān)斷控制信號替換成該第二開通控制信號。
[0017]如上所述的能量變換系統(tǒng)控制方法，該第一開通控制信號和該第一關(guān)斷控制信號通過調(diào)制策略產(chǎn)生。
[0018]如上所述的能量變換系統(tǒng)控制方法，該方法包括提供第一死區(qū)時(shí)間關(guān)斷控制信號，該第一死區(qū)時(shí)間關(guān)斷控制信號造成該第二開通控制信號延遲一個(gè)死區(qū)時(shí)間開通；提供第二死區(qū)時(shí)間關(guān)斷控制信號，該第二死區(qū)時(shí)間關(guān)斷控制信號造成該第二開通控制信號提前一個(gè)死區(qū)時(shí)間關(guān)斷。
[0019]如上所述的能量變換系統(tǒng)控制方法，該方法包括以零電壓開關(guān)策略開通該開關(guān)裝置。
[0020]本發(fā)明提供的能量變換系統(tǒng)以及能量變換系統(tǒng)控制方法與傳統(tǒng)的方法相比，將具有反向溝道導(dǎo)通特性的半導(dǎo)體開關(guān)裝置應(yīng)用于該能量變換裝置中。與該半導(dǎo)體開關(guān)裝置的體二極管以及反并聯(lián)二極管相比，該半導(dǎo)體開關(guān)裝置的溝道具有更小的導(dǎo)通電阻，因此，通過將該反向溝道導(dǎo)通策略與傳統(tǒng)調(diào)制策略相結(jié)合可減小該能量變換裝置的能量損耗進(jìn)而提高該能量變換系統(tǒng)的效率。
【專利附圖】

【附圖說明】[0021]通過結(jié)合附圖對于本發(fā)明的實(shí)施方式進(jìn)行描述，可以更好地理解本發(fā)明，在附圖中:
[0022]圖1所示為能量變換系統(tǒng)的一種實(shí)施方式的模塊示意圖；
[0023]圖2所示為能量變換系統(tǒng)的另一種實(shí)施方式的模塊示意圖；
[0024]圖3所示為將傳統(tǒng)調(diào)制策略施加在如圖1或圖2所示的開關(guān)單元時(shí)在該開關(guān)單元中產(chǎn)生的波形示意圖；
[0025]圖4所示為將傳統(tǒng)調(diào)制策略與反向溝道導(dǎo)通策略相結(jié)合的開關(guān)控制策略施加在如圖1或圖2所示的開關(guān)單元時(shí)在該開關(guān)單元中產(chǎn)生的波形示意圖；
[0026]圖5所示為將圖4所示的開關(guān)控制策略與死區(qū)時(shí)間開關(guān)控制策略相結(jié)合的開關(guān)控制策略施加在如圖1或圖2所示的開關(guān)單元時(shí)在該開關(guān)單元中產(chǎn)生的波形示意圖；
[0027]圖6所示為應(yīng)用于電動汽車系統(tǒng)中給如蓄電池等能量存儲裝置充電的整流器的一種實(shí)施方式的模塊不意圖；
[0028]圖7所示為將SVPWM策略應(yīng)用于如圖6所示的整流器中所產(chǎn)生的相應(yīng)波形圖；
[0029]圖8所示為將SVPWM策略與反向溝道導(dǎo)通策略相結(jié)合并應(yīng)用于如圖6所示整流器中所產(chǎn)生的相應(yīng)波形圖；
[0030]圖9所示為將SVPWM策略應(yīng)用于如圖6所示的整流器中時(shí)的電流流通路徑示意圖；以及
[0031]圖10所示為將SVPWM策略與反向溝道導(dǎo)通策略相結(jié)合并應(yīng)用于如圖6所示的整流器中時(shí)的電流流通路徑示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0032]以下將描述本發(fā)明的一個(gè)或者多個(gè)【具體實(shí)施方式】。首先要指出的是，在這些實(shí)施方式的具體描述過程中，為了進(jìn)行簡明扼要的描述，本說明書不可能對實(shí)際的實(shí)施方式的所有特征均作詳盡的描述。應(yīng)當(dāng)可以理解的是，在任意一種實(shí)施方式的實(shí)際實(shí)施過程中，正如在任意一個(gè)工程項(xiàng)目或者設(shè)計(jì)項(xiàng)目的過程中，為了實(shí)現(xiàn)開發(fā)者的具體目標(biāo)，或者為了滿足系統(tǒng)相關(guān)的或者商業(yè)相關(guān)的限制，常常會做出各種各樣的具體決策，而這也會從一種實(shí)施方式到另一種實(shí)施方式之間發(fā)生改變。此外，還可以理解的是，雖然這種開發(fā)過程中所作出的努力可能是復(fù)雜并且冗長的，然而對于與本發(fā)明公開的內(nèi)容相關(guān)的本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，在本公開揭露的技術(shù)內(nèi)容的基礎(chǔ)上進(jìn)行的一些設(shè)計(jì)，制造或者生產(chǎn)等變更只是常規(guī)的技術(shù)手段，不應(yīng)當(dāng)理解為本發(fā)明公開的內(nèi)容不充分。
[0033]除非另作定義，在本說明書和權(quán)利要求書中使用的技術(shù)術(shù)語或者科學(xué)術(shù)語應(yīng)當(dāng)為本發(fā)明所屬【技術(shù)領(lǐng)域】內(nèi)具有一般技能的人士所理解的通常意義。本說明書以及權(quán)利要求書中使用的“第一”或者“第二”以及類似的詞語并不表示任何順序、數(shù)量或者重要性，而只是用來區(qū)分不同的組成部分。“一個(gè)”或者“一”等類似詞語并不表示數(shù)量限制，而是表示存在至少一個(gè)?！盎蛘摺卑ㄋ信e的項(xiàng)目中的任意一者或者全部?！鞍ā被蛘摺鞍钡阮愃频脑~語意指出現(xiàn)在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵蓋出現(xiàn)在“包括”或者“包含”后面列舉的元件或者物件及其等同元件，并不排除其他元件或者物件?！斑B接”或者“相連”等類似的詞語并非限定于物理的或者機(jī)械的連接，而是可以包括電性的連接，不管是直接的還是間接的。此外，“電路”或者“電路系統(tǒng)”以及“控制器”等可以包括單一組件或者由多個(gè)主動元件或者被動元件直接或者間接相連的集合，例如一個(gè)或者多個(gè)集成電路芯片，以提供所對應(yīng)描述的功能。
[0034]本發(fā)明中使用的“可”、“可以”與“可能”等詞語表明在某些環(huán)境中事件發(fā)生的可能性；擁有一種特定屬性、特征或功能；和/或通過與某一合格動詞結(jié)合表示一個(gè)或多個(gè)能力、性能或可能性。相應(yīng)地，“可能”的使用表明:被修飾的術(shù)語對于所示的能力、功能或用途是明顯適當(dāng)、可匹配或合適的；同時(shí)考慮到在某些情況的存在，被修飾的術(shù)語有時(shí)可能不適當(dāng)，不匹配或不合適。例如，在某些情況下，可能預(yù)期出現(xiàn)某一結(jié)果或性能；而在其他情況下，該結(jié)果或性能可能不出現(xiàn)。這一區(qū)別由表示“可能”的詞語體現(xiàn)。
[0035]圖1所示為本發(fā)明揭示的能量變換系統(tǒng)10的一種實(shí)施方式的概略模塊示意圖。如圖1所示，該能量變換系統(tǒng)10大致包括能量變換裝置13和控制模塊17。在一些實(shí)施方式中，該能量變換裝置13包括輸入端口 19和輸出端口 21，該輸入端口 19與第一功率裝置11連接，該輸出端口 21與第二功率裝置15連接。該控制模塊17與該能量變換裝置13通訊，該控制模塊17用于給該能量變換裝置13提供開關(guān)控制信號18，根據(jù)該開關(guān)控制信號18，該能量變換裝置13可以通過單向方式或者雙向方式進(jìn)行電能轉(zhuǎn)換。
[0036]該第一功率裝置11和該第二功率裝置15包括多種形式，根據(jù)該第一功率裝置11和該第二功率裝置15的形式，該能量變換系統(tǒng)10可以用于實(shí)現(xiàn)不同的電能轉(zhuǎn)換功能。在一些實(shí)施方式中，能夠提供或者接收交流電或者直流電的功率裝置可用作該第一功率裝置11和該第二功率裝置15。
[0037]例如，在一些實(shí)施方式中，能夠提供交流電的交流功率裝置如交流電網(wǎng)和發(fā)電裝置(如風(fēng)機(jī))可用作該第一功率裝置11。在一些實(shí)施方式中，能夠接收直流電的直流功率裝置如直流電機(jī)，蓄電池和超級電容可用作該第二功率裝置15。該能量變換系統(tǒng)10作為整流器將由該交流功率裝置11提供的交流電整流為直流電輸出給該直流功率裝置15。
[0038]在一些實(shí)施方式中，能夠提供直流電的直流功率裝置如太陽能電池板，蓄電池和超級電容可用作該第一功率裝置11。在一些實(shí)施方式中，能夠接收交流電的交流功率裝置如交流電機(jī)和交流電網(wǎng)可用作該第二功率裝置15。該能量變換系統(tǒng)10作為逆變器將由該直流功率裝置11提供的直流電逆變?yōu)榻涣麟娸敵鼋o該交流功率裝置15。
[0039]在一些實(shí)施方式中，能夠提供直流電的直流功率裝置如太陽能電池板，蓄電池和超級電容可用作該第一功率裝置11。在一些實(shí)施方式中，能夠接收直流電的直流功率裝置如直流電機(jī)可用作該第二功率裝置15。該能量變換系統(tǒng)10作為直流/直流變換器將由該直流功率裝置11提供的一種直流電變換為另一種直流電輸出給該直流功率裝置15。
[0040]在一些實(shí)施方式中，能夠提供交流電的交流功率裝置如交流電網(wǎng)和發(fā)電裝置(如風(fēng)機(jī))可用作該第一功率裝置11。在一些實(shí)施方式中，能夠接收交流電的交流功率裝置可用作該第二功率裝置15。該能量變換系統(tǒng)10作為交流/交流變換器將由該交流功率裝置11提供的一種交流電變換為另一種交流電輸出給該交流功率裝置15。
[0041]該能量變換系統(tǒng)13至少包括一個(gè)開關(guān)單元23。在一些實(shí)施方式中，該開關(guān)單元23包括開關(guān)裝置25。該開關(guān)裝置25包括溝道20和與該溝道20集成的體二極管22。特別地，該開關(guān)裝置25的溝道20被設(shè)計(jì)為具有正向溝道導(dǎo)通特性和反向溝道導(dǎo)通特性。更具體地，在一些實(shí)施方式中，該開關(guān)裝置25可以允許正向電流從該溝道20提供的路徑流通。在一些實(shí)施方式中，該開關(guān)裝置25可允許反向電流至少從分別由該體二極管22和該溝道20提供的路徑流通。具有該反向溝道導(dǎo)通特性的該開關(guān)裝置25不局限于寬禁帶半導(dǎo)體器件，該寬禁帶半導(dǎo)體器件可能包括氮化鎵晶體管或者碳化硅晶體管如碳化硅金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管(SiCMOSFET )。
[0042]在如上所述的實(shí)施方式中，該開關(guān)裝置25包括第一端口 24，第二端口 26和第三端口 28。在一些實(shí)施方式中，該第一端口 24可能是門極，該門極用于接收由該控制模塊17提供的該開關(guān)控制信號18。該第二端口 26和該第三端口 28可能分別是源極和漏極，根據(jù)提供給該第一端口 24的該開關(guān)控制信號18，該源極和漏極用于提供電流流通路徑。
[0043]在一些實(shí)施方式中，根據(jù)不同的該開關(guān)信號18和不同方向的電流，該開關(guān)單元23可包括多條電流流通路徑。根據(jù)電流在該第二端口 26和該第三端口 28中流通的方向，電流可以包括正向電流和反向電流。該正向電流從該第二端口 26流向該第三端口 28，該反向電流從該第三端口 28流向該第二端口 26。
[0044]在一些實(shí)施方式中，根據(jù)該第一端口 24接收到的第一開通控制信號，該正向電流可能流經(jīng)由該開關(guān)裝置25的溝道20提供的正向電流流通路徑。在一些實(shí)施方式中，根據(jù)該第一端口 24接收到的第一關(guān)斷控制信號，該反向電流可能流經(jīng)由該體二極管22提供的第一反向電流流通路徑。在一些實(shí)施方式中，根據(jù)該第一端口 24接收到的第二開通控制信號，該反向電流可能流經(jīng)由該開關(guān)裝置25的溝道20提供的第二反向電流流通路徑。
[0045]在一些實(shí)施方式中，該能量變換裝置13可包括一個(gè)具有反向溝道導(dǎo)通特性的開關(guān)單元。在一些實(shí)施方式中，該能量變換裝置13可包括多于一個(gè)該開關(guān)單元。例如，該能量變換裝置13可包括H橋結(jié)構(gòu)或者包括四個(gè)該開關(guān)單元的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),其中部分或者全部該開關(guān)單元具有反向溝道導(dǎo)通特性。該能量變換裝置13可包括三相橋結(jié)構(gòu)或者包括六個(gè)該開關(guān)單元的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其中部分或者全部該開關(guān)單元都具有反向溝道導(dǎo)通特性。在一些實(shí)施方式中，該能量變換裝置13還可能包括任何數(shù)量開關(guān)單元的其他結(jié)構(gòu)。
[0046]為了保證該能量變換裝置13的安全運(yùn)行，該能量變換裝置13或者該能量變換系統(tǒng)10包括其他電路例如緩沖電路。
[0047]圖2所示為本發(fā)明揭示的能量變換系統(tǒng)100的另一種實(shí)施方式的概略模塊示意圖。和圖1所示能量變換系統(tǒng)10類似，該能量變換系統(tǒng)100包括能量變換裝置103和控制模塊17。而且，該能量變換裝置103至少包括一個(gè)開關(guān)單元123。
[0048]在一些實(shí)施方式中，與如圖1所示的該開關(guān)單元23相比，該開關(guān)單元123還包括反并聯(lián)二極管101，該反并聯(lián)二極管101與該開關(guān)裝置25反并聯(lián)連接。更具體地，該反并聯(lián)二極管101的陽極與該開關(guān)裝置25的第三端口 28連接，該反并聯(lián)二極管101的陰極與該開關(guān)裝置25的第二端口 26連接。在一些實(shí)施方式中，該開關(guān)單元123可能包括其他裝置如電容與該開關(guān)裝置25并聯(lián)連接或串聯(lián)連接。
[0049]如圖1所述，該體二極管22和該溝道20可以用于分別提供該第一反向電流流通路徑和該第二反向電流流通路徑。如圖2所示，根據(jù)該第一端口 24接收到的該第一關(guān)斷控制信號，該反向電流可能流經(jīng)由該反并聯(lián)二極管101提供的第三反向電流流通路徑，以此來減輕該體二極管22中的電流負(fù)擔(dān)。
[0050]在一些實(shí)施方式中，該反并聯(lián)二極管101可包括硅二極管或者寬禁帶半導(dǎo)體二極管如碳化硅二極管或者氮化鎵二極管。采用這種寬禁帶半導(dǎo)體二極管的好處是該能量變換裝置13的能量損耗會被降低。[0051]在該能量變換裝置103的輸入端口 19接收到輸入功率后，該控制模塊17可實(shí)施一種調(diào)制策略來控制該能量變換裝置103以將該輸入功率轉(zhuǎn)換為輸出功率。一種傳統(tǒng)調(diào)制策略和一種將該傳統(tǒng)調(diào)制策略與反向溝道導(dǎo)通策略相結(jié)合的開關(guān)控制策略將在本發(fā)明的以下內(nèi)容中進(jìn)行詳細(xì)描述。在一些實(shí)施方式中，該開關(guān)控制策略可施加于至少一個(gè)開關(guān)單元(如圖1所示的該開關(guān)單元23和圖2所示的該開關(guān)單元123)。
[0052]圖3所示為將傳統(tǒng)調(diào)制策略施加在如圖1或圖2所示的開關(guān)單元時(shí)在該開關(guān)單元中產(chǎn)生的波形圖。在一些實(shí)施方式中，第一開通控制信號201和第二開通控制信號203通過傳統(tǒng)調(diào)制策略如脈寬調(diào)制策略產(chǎn)生，該脈寬調(diào)制策略至少包括空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)策略和正弦波脈寬調(diào)制(SPWM)策略。
[0053]在一些實(shí)施方式中，根據(jù)該開關(guān)裝置25的第一端口 24接收到的該第一開通控制信號201，正向電流流經(jīng)由該開關(guān)裝置25的溝道20提供的該正向電流流通路徑。然而，在二極管中(如圖1所示的體二極管22和圖2所示的反并聯(lián)二極管101)沒有電流流過。
[0054]在一些實(shí)施方式中，根據(jù)該開關(guān)裝置25的第一端口 24接收到的該第一關(guān)斷控制信號203，反向電流205流經(jīng)由如圖1所示的該開關(guān)裝置25的體二極管22提供的該第一反向電流流通路徑。在一些實(shí)施方式中，該反向電流205可能流經(jīng)由如圖2所示的該反并聯(lián)二極管101提供的該第三反向電流流通路徑。在一些實(shí)施方式中，該反向電流205可能流經(jīng)該第一反向電流流通路徑和該第三反向電流流通路徑。
[0055]如圖3所示，在該開關(guān)裝置25的第一端口 24接收到該第一關(guān)斷控制信號203的時(shí)間內(nèi)，沒有反向電流流經(jīng)如圖1或圖2所示的該開關(guān)裝置25的溝道20。因此，在傳統(tǒng)調(diào)制策略中，反向電流在該體二極管22和/或該反并聯(lián)二極管101的流通造成導(dǎo)通損耗。
[0056]圖4所示為將傳統(tǒng)調(diào)制策略與反向溝道導(dǎo)通策略相結(jié)合的開關(guān)控制策略施加在如圖1或圖2所示的開關(guān)單元時(shí)在該開關(guān)單元中產(chǎn)生的波形圖。在一些實(shí)施方式中，該第一開通控制信號201通過該傳統(tǒng)調(diào)制策略產(chǎn)生。第一開通控制信號303由該反向溝道導(dǎo)通策略產(chǎn)生，這樣可以充分利用該反向溝道導(dǎo)通特性。
[0057]如圖4所示，在一些實(shí)施方式中，該第二開通控制信號303緊隨該第一開通控制信號201。在一些實(shí)施方式中，根據(jù)該開關(guān)裝置25的第一端口 24接收到的該第二開通控制信號303，該開關(guān)裝置25的溝道20被開通來傳導(dǎo)電流。更具體地，反向電流經(jīng)由該開關(guān)裝置25的溝道20從該第三端口 28流向該第二端口 26。由于該開關(guān)裝置25的溝道20的導(dǎo)通電阻要小于該開關(guān)裝置25的體二極管或該反并聯(lián)二極管101的導(dǎo)通電阻。因此，當(dāng)該反向電流在該開關(guān)裝置25的溝道20中流通時(shí)可減小開通損耗，進(jìn)而提高該能量變換系統(tǒng)10，100的效率。
[0058]圖5所示為將如圖4中所示開關(guān)控制策略與死區(qū)時(shí)間開關(guān)控制策略相結(jié)合的開關(guān)控制策略施加在如圖1或圖2所示的開關(guān)單元時(shí)在該開關(guān)單元中產(chǎn)生的波形圖。更具體地，部分開關(guān)控制信號如部分該第二開通控制信號被死區(qū)時(shí)間關(guān)斷控制信號代替。然后最終的開關(guān)控制信號被提供給該開關(guān)裝置25的第一端口 24。施加該死區(qū)時(shí)間開關(guān)控制策略的目的是為避免當(dāng)串聯(lián)在一個(gè)橋臂的兩個(gè)開關(guān)單元同時(shí)導(dǎo)通時(shí)發(fā)生短路故障。
[0059]如圖5所示，在一些實(shí)施方式中，該第二開通控制信號403緊隨該第一開通控制信號201。該第二開通控制信號403伴隨著至少第二關(guān)斷控制信號如第一和第二死區(qū)時(shí)間關(guān)斷控制信號402，404。與圖4所示的該第二開通控制信號303相比，該第一和第二死區(qū)時(shí)間關(guān)斷控制信號402，404可分別造成該第二開通控制信號403延遲一個(gè)死區(qū)時(shí)間導(dǎo)通，提前一個(gè)死區(qū)時(shí)間關(guān)斷。
[0060]另外，當(dāng)該開關(guān)裝置25從關(guān)斷狀態(tài)過渡到開通狀態(tài)時(shí)，該開關(guān)裝置25可以實(shí)現(xiàn)零電壓開通。更具體地，根據(jù)該第一死區(qū)時(shí)間關(guān)斷控制信號402，反向電流406流經(jīng)二極管，該二極管包括如圖1所示的該開關(guān)裝置25的體二極管22和如圖2所示的該反并聯(lián)二極管101。該第二端口 26和該第三端口 28之間的電壓為該二極管的導(dǎo)通電壓，該導(dǎo)通電壓大致為零。根據(jù)該第二開通控制信號403，反向電流405從流經(jīng)該二極管轉(zhuǎn)向流經(jīng)該開關(guān)裝置25的溝道20。也就是說，當(dāng)從該第一死區(qū)時(shí)間關(guān)斷控制信號402過渡到該第二開通控制信號403時(shí)，該開關(guān)裝置25可被零電壓導(dǎo)通。結(jié)果可降低開通損耗。根據(jù)該第二死區(qū)時(shí)間關(guān)斷控制信號404，反向電流408流經(jīng)該二極管。
[0061]圖6所示為應(yīng)用于電動汽車系統(tǒng)中給如蓄電池等能量存儲裝置充電的整流器的一種實(shí)施方式的模塊不意圖。該電動汽車系統(tǒng)包括純電動汽車系統(tǒng)，混合電動汽車系統(tǒng)和燃料電池電動汽車系統(tǒng)等。該整流器500包括三相能量變換裝置503和控制模塊507。為了便于描述，盡管該整流器500如圖6所示包括三相橋臂結(jié)構(gòu)，在其他實(shí)施方式中，該整流器500可包括單相或者多相結(jié)構(gòu)。在圖示的實(shí)施方式中，該三相能量變換裝置503包括六個(gè)開關(guān)單元521-526，該六個(gè)開關(guān)單元521-526與圖2中所描述的該開關(guān)單元123大致相同。每一個(gè)開關(guān)單元如521包括SiCMOSFET，反并聯(lián)二極管和電容。
[0062]該第一和第二開關(guān)裝置521，522串聯(lián)連接形成第一相橋臂。該第三和第四開關(guān)裝置523，524串聯(lián)連接形成第二相橋臂。該第五和第六開關(guān)裝置525，526串聯(lián)連接形成第三相橋臂。該三相橋臂用于接收由交流功率裝置501提供的三相輸入功率，并通過兩個(gè)輸出端口 508，510將直流輸出功率提供給直流負(fù)載505。
[0063]更具體地，第一開關(guān)裝置S1的第三端口和第二開關(guān)裝置S2的第二端口共同連接到第一輸入端口 502,該第一輸入端口 502用于接收由該交流功率裝置501提供的第一相功率。第三開關(guān)裝置S3的第三端口和第四開關(guān)裝置S4的第二端口共同連接到第二輸入端口504，該第二輸入端口 504用于接收由該交流功率裝置501提供的第二相功率。第五開關(guān)裝置S5的第三端口和第六開關(guān)裝置S6的第二端口共同連接到第三輸入端口 506，該第三輸入端口 506用于接收由該交流功率裝置501提供的第三相功率。每個(gè)開關(guān)裝置S1, S3，S5的第二端口共同連接到該直流負(fù)載505的正端508，每個(gè)開關(guān)裝置S2，S4, S6的第三端口共同連接到該直流負(fù)載505的負(fù)端510。
[0064]該控制模塊507至少與該三相整流器503通訊，該控制模塊507用于給該三相整流器503中各個(gè)開關(guān)裝置的第一端口提供開關(guān)控制信號。在一些實(shí)施方式中，該控制模塊507可以包括任何合適的可編程電路或者裝置，包括數(shù)字信號處理器(Digital SignalProcessor, DSP)、現(xiàn)場可編程門陣列(FieldProgrammable Gate Array, FPGA)、可編程邏輯控制器(Programmable LogicController,PLC)以及專用集成電路(Application SpecificIntegrated Circuit,ASIC)等。在一些實(shí)施方式中，該控制模塊507可以通過硬件或軟件或軟硬件結(jié)合的形式實(shí)現(xiàn)。下面將詳細(xì)描述該開關(guān)控制信號的產(chǎn)生。
[0065]圖7所示為將SVPWM策略應(yīng)用于如圖6所示整流器中的相應(yīng)波形圖。在一些實(shí)施方式中，每相橋臂的開關(guān)狀態(tài)包括“O”和“I”。其中，“O”表示在每相橋臂中，上橋臂開關(guān)例如S1被關(guān)斷，下橋臂開關(guān)例如S2被開通。“I”表示在每相橋臂中，上橋臂開關(guān)例如S1被開通，下橋臂開關(guān)例如S2被關(guān)斷。三相橋臂的開關(guān)狀態(tài)可形成如下8個(gè)開關(guān)向量 Fo(OOO), Pi(OOl)，F(xiàn)2(OIO)jF^(OII), F4(IOO), F5(IOl), R(IlO)和
P7(Iii)。
[0066]在圖示的實(shí)施方式中，該調(diào)制方式基于7段式SVPWM策略。圖7所示為如圖6中所示該六個(gè)開關(guān)單元的波形圖。每一段式都與開關(guān)矢量和該三相整流器503的運(yùn)行模式相關(guān)。在該所述實(shí)施方式中,K1.,(000)，K4(IOO) J76(IlO)和廠;7(1丨丨)四個(gè)開關(guān)矢量的切換可改變該能量變換系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換過程。例如，當(dāng)開關(guān)矢量Ρ()(；000)Κ換到Pd丨00)時(shí)，該能量轉(zhuǎn)換過程從模式I變化到模式2。當(dāng)開關(guān)矢量P4(IOO)切換到F7(l 11)時(shí)，該能量轉(zhuǎn)換過程從模式2變化到模式3。
[0067]當(dāng)反向電流存在于該第一開關(guān)單元521中時(shí)，根據(jù)第一開關(guān)裝置S1接收到的如模式I到模式7中所不的第一關(guān)斷控制信號601,如模式2到模式6中所不的反向電流603可流經(jīng)第一反并聯(lián)二極管Dp當(dāng)正向電流存在于該第三開關(guān)單元523中時(shí)，根據(jù)第三開關(guān)裝置S3接收到的如模式3到模式5中所示的第一開通控制信號605，正向電流可流經(jīng)第三開關(guān)裝置S3。如圖7所示，其他開關(guān)單元與第一開關(guān)單元和第三開關(guān)單元521，523類似，具有大致相同的控制方式。因此，對在其他開關(guān)單元中產(chǎn)生的波形圖的描述在此省略。
[0068]圖8所示為將SVPWM策略與反向溝道導(dǎo)通策略相結(jié)合并應(yīng)用于如圖6所示該整流器中的相應(yīng)波形圖。與圖7所示的SVPWM策略相比，第一開通控制信號如605仍通過SVPWM策略產(chǎn)生。然而，如圖7所示的當(dāng)反向電流流經(jīng)如圖6所示的每個(gè)開關(guān)單元時(shí)，第一關(guān)斷控制信號如601產(chǎn)生一些變化。
[0069]如圖8所示，根據(jù)該第一開關(guān)裝置S1接收到的如模式I中所示的第一死區(qū)時(shí)間關(guān)斷控制信號702和模式6中所示的第二死區(qū)時(shí)間關(guān)斷控制信號704，如模式2中所示反向電流703和模式6中所示反向電流705仍在該第一反并聯(lián)二極管D1中流通。根據(jù)該第一開關(guān)裝置S1接收到的如模式2到模式6中所示的第二開通控制信號701，與圖7所示的該反向電流603相比，該反向電流由流經(jīng)該第一反并聯(lián)二極管D1變?yōu)榱鹘?jīng)該第一開關(guān)裝置Sp
[0070]圖9所示為將SVPWM策略應(yīng)用于如圖6所示的該整流器中時(shí)的電流流通路徑圖。更具體地，該電流流通路徑圖所示為如圖7所示的模式I中該整流器的電流流經(jīng)路徑。如圖7所示，在模式I中，第一開通控制信號607被提供給第二開關(guān)裝置S2，第一關(guān)斷控制信號609被提供給第四開關(guān)裝置S4，第一關(guān)斷控制信號601被提供給第六開關(guān)裝置S6，如圖9所示，電流從該交流功率裝置501以ia的形式從該第一輸入端口 502流出，然后以ib和ic的形式分別從該第二輸入端口 504和該第三輸入端口 506流回該交流功率裝置501。
[0071]在一些實(shí)施方式中，可定義ia為正向電流，ib和i。為反向電流。其中，ia流經(jīng)該第二開關(guān)裝置S2的溝道，ib和i。分別流經(jīng)第四反并聯(lián)二極管D4和第六反并聯(lián)二極管D6。
[0072]圖10所示為將SVPWM策略與反向溝道導(dǎo)通策略相結(jié)合并應(yīng)用于如圖6所示的該整流器中時(shí)的電流流通路徑圖。如圖8所示的模式I中的波形圖和如圖7所示的模式I中的波形圖相似，在模式I中，該第一開通控制信號607仍被提供給第二開關(guān)裝置S2，進(jìn)一步地，第二開通控制信號709和第一死區(qū)時(shí)間關(guān)斷控制信號708被提供給第四開關(guān)裝置S4,第二開通控制信號711和第一死區(qū)時(shí)間關(guān)斷控制信號710被提供給第六開關(guān)裝置S6。
[0073]與圖9所示的實(shí)施方式相比，該正向電流ia仍舊流經(jīng)該第二開關(guān)裝置S2的溝道。然而，該反向電流ib流經(jīng)該第四開關(guān)裝置S4的溝道而不流經(jīng)該第四反并聯(lián)二極管D4，該反向電流i。流經(jīng)該第六開關(guān)裝置S6的溝道而不流經(jīng)該第六反并聯(lián)二極管D6。正如前面所描述，反向電流在該溝道中流通而不在該體二極管或該反并聯(lián)二極管中流通，該反向溝道導(dǎo)通策略有助于減小該能量變換系統(tǒng)的導(dǎo)通損耗，從而提高該能量變換系統(tǒng)的效率。
[0074]雖然結(jié)合特定的實(shí)施方式對本發(fā)明進(jìn)行了說明，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解，對本發(fā)明可以作出許多修改和變型。因此，要認(rèn)識到，權(quán)利要求書的意圖在于涵蓋在本發(fā)明真正構(gòu)思和范圍內(nèi)的所有這些修改和變型。
【權(quán)利要求】
1.一種能量變換系統(tǒng)，其特征在于: 該能量變換系統(tǒng)包括控制模塊和能量變換裝置； 該控制模塊用于提供開關(guān)控制信號； 該能量變換裝置包括輸入端口，輸出端口和至少一個(gè)開關(guān)單元，該開關(guān)單元連接在該輸入端口和該輸出端口之間，該開關(guān)單元包括開關(guān)裝置，該開關(guān)裝置包括溝道和與該溝道集成的體二極管，該開關(guān)裝置包括第一端口，第二端口和第三端口，該第一端口用于接收由該控制模塊提供的該開關(guān)控制信號，該第二端口和該第三端口用于提供電流流通路徑，該開關(guān)裝置的溝道用于提供正向電流流通路徑，根據(jù)該第一端口接收到的第一開通控制信號，正向電流經(jīng)由該正向電流流通路徑從該開關(guān)裝置的第二端口流向第三端口 ；該開關(guān)裝置的體二極管用于提供第一反向電流流通路徑，根據(jù)該第一端口接收到的第一關(guān)斷控制信號，反向電流經(jīng)由該第一反向電流流通路徑從該開關(guān)裝置的第三端口流向第二端口 ；該開關(guān)裝置的溝道用于提供第二反向電流流通途徑，根據(jù)該第一端口接收到的第二開通控制信號，該反向電流經(jīng)由該第二反向電流流通路徑從該開關(guān)裝置的第三端口流向第二端口。
2.如權(quán)利要求1所述的能量變換系統(tǒng)，其中，該開關(guān)裝置至少包括碳化硅晶體管或者氮化鎵晶體管。
3.如權(quán)利要求1所述的能量變換系統(tǒng)，其中，該第一開通控制信號和該第一關(guān)斷控制信號通過調(diào)制策略產(chǎn)生。
4.如權(quán)利要求3所述的能量變換系統(tǒng)，其中，部分該第一關(guān)斷控制信號被該第二開通控制信號替換。
5.如權(quán)利要求1所述的能量變換系統(tǒng)，其中，該開關(guān)裝置的第一端口用于接收第一死區(qū)時(shí)間關(guān)斷控制信號和第二死區(qū)時(shí)間關(guān)斷控制信號，該第一死區(qū)時(shí)間關(guān)斷控制信號造成該第二開通控制信 號延遲一個(gè)死區(qū)時(shí)間開通，該第二死區(qū)時(shí)間關(guān)斷信號造成該第二開通控制信號提前一個(gè)死區(qū)時(shí)間關(guān)斷。
6.如權(quán)利要求5所述的能量變換系統(tǒng)，其中，當(dāng)該第一死區(qū)時(shí)間關(guān)斷信號過渡到該第二開通控制信號時(shí)，該開關(guān)裝置被零電壓開通。
7.如權(quán)利要求3所述的能量變換系統(tǒng)，其中，該開關(guān)單元包括反并聯(lián)二極管，該反并聯(lián)二極管與該開關(guān)裝置反并聯(lián)連接，該反并聯(lián)二極管用于提供第三反向電流流通途徑，根據(jù)該第一端口接收到的該第一關(guān)斷控制信號，該反向電流經(jīng)由該第三反向電流流通路徑從該開關(guān)裝置的第三端口流向第二端口。
8.如權(quán)利要求7所述的能量變換系統(tǒng)，其中，部分該第一關(guān)斷控制信號被該第二開通控制信號替換。
9.如權(quán)利要求1所述的能量變換系統(tǒng)，其中，該能量變換系統(tǒng)包括整流器，根據(jù)該控制模塊提供的開關(guān)控制信號，該整流器用于將輸入的交流電整流成輸出的直流電以給直流負(fù)載充電。
10.如權(quán)利要求1所述的能量變換系統(tǒng)，該能量變換系統(tǒng)至少包括:逆變器，直流/直流變換器以及交流/交流變換器；根據(jù)該控制模塊提供的開關(guān)控制信號，該逆變器用于將輸入的直流電逆變?yōu)檩敵龅慕涣麟?；根?jù)該控制模塊提供的開關(guān)控制信號，該直流/直流變換器用于將輸入的直流電變換為輸出的直流電；根據(jù)該控制模塊提供的開關(guān)控制信號，該交流/交流變換器用于將輸入的交流電變換為輸出的交流電。
11.一種能量變換系統(tǒng)控制方法，其特征在于:該方法至少包括如下步驟:提供第一開通控制信號給能量變換系統(tǒng)的開關(guān)裝置的第一端口，正向電流經(jīng)由該開關(guān)裝置的溝道提供的正向電流流通路徑從該開關(guān)裝置的第二端口流向第三端口 ；以及提供第二開通控制信號給該能量變換系統(tǒng)的開關(guān)裝置的第一端口，反向電流經(jīng)由該開關(guān)裝置的溝道提供的第二反向電流流通路徑從該開關(guān)裝置的第三端口流向第二端口。
12.如權(quán)利要求11所述的能量變換系統(tǒng)控制方法，該方法包括將部分第一關(guān)斷控制信號替換成該第二開通控制信號。
13.如權(quán)利要求11所述的能量變換系統(tǒng)控制方法，該第一開通控制信號和該第一關(guān)斷控制信號通過調(diào)制策略產(chǎn)生。
14.如權(quán)利要求11所述的能量變換系統(tǒng)控制方法，該方法包括:提供第一死區(qū)時(shí)間關(guān)斷控制信號，該第一死區(qū)時(shí)間關(guān)斷控制信號造成該第二開通控制信號延遲一個(gè)死區(qū)時(shí)間開通；以及提供第二死區(qū)時(shí)間關(guān)斷控制信號，該第二死區(qū)時(shí)間關(guān)斷控制信號造成該第二開通控制信號提前一個(gè)死區(qū)時(shí)間關(guān)斷。
15.如權(quán)利要求14所述的能量變換系統(tǒng)控制方法，該方法包括以零電壓開關(guān)策略開通該開關(guān)裝置。·
【文檔編號】H02M1/00GK103855913SQ201210507595
【公開日】2014年6月11日 申請日期:2012年11月30日 優(yōu)先權(quán)日:2012年11月30日
【發(fā)明者】毛賽君 申請人:通用電氣公司