專利名稱：設計用于在機動車上提供電推進力的電路的轉(zhuǎn)換器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及設計用于在機動車上提供電推進力的電路的轉(zhuǎn)換器。
背景技術：
參見圖1，為全部或部分地用電力推進的車輛100裝備能夠提高電池104的電壓的電源轉(zhuǎn)換器102以便向發(fā)電機106提供動力(典型地經(jīng)由逆變器108)是公知實踐。
由于在這樣的轉(zhuǎn)換器102中的做功功率通常在20和IOOkW之間，因此值得制造多單元轉(zhuǎn)換器，其中源自電池104的電源電流被分配到多個轉(zhuǎn)換單元中。
因為單元中使用的開關111和113所需的硅的數(shù)量，使用這樣的多單元轉(zhuǎn)換器面臨著成本太高的問題，并且它們的晶體管103或105以及它們的二極管107或109成本也聞。
在電動車尤其是混合動力車的情況下，這些單元的體積和重量也是重要的判據(jù)，并且電感元件(本示例中的線圈110)通常相當大的尺寸成為問題。
效率是轉(zhuǎn)換器使用的另一個重要判據(jù)，因為其對車輛100的里程具有直接的影響。
為了提高該效率，公知實踐是使用轉(zhuǎn)換器的電感元件110中流動的電流的逆轉(zhuǎn)周期以便使用被稱為zvs( “零電壓轉(zhuǎn)換”)的轉(zhuǎn)換方法，如下面參見圖2至圖5的描述。
更準確地，圖2示出在借助電容器204獲得的實際零電壓下轉(zhuǎn)換器102的開關113這樣斷開，因為如下所述該電容器204在該斷開期間被放電。
雖然當所述晶體管105的端子處的電壓304(集電極/發(fā)射極電壓)開始增加時晶體管105的集電極中流動的電流302(圖3)不是完全為零，但該方法使得實際上大量減少與開關105的斷開相關的損失成為可能。圖3的示例中，做功的量級作為關鍵在圖中示出。
因此，可以通過反轉(zhuǎn)流經(jīng)電感元件110的電流i將電容器204放電，以使得借助于電容器這樣放電，開關可以在零電壓下再次閉合。
參看圖4，示出了在流經(jīng)單元的電感元件110的電流i的這樣的反轉(zhuǎn)期間的轉(zhuǎn)換器102，即在開關111斷開時。因為通過開關111和113的電流的流動被堵塞，因此電容器204放電，然后當其完全放電時，使得開關113的二極管109導電。
該情況下，開關113的端子處的電壓504(圖5)在電容器的放電期間迅速降低(步驟510)，然后變成負值以使得二極管109處于接通狀態(tài)(步驟512)。
因此，電感元件110中的電流502再次變成負值，并且如上所述隨著開關113的斷開而重復該循環(huán)。
雖然當轉(zhuǎn)換器在高負載下運行時使用具有固定開關頻率的該ZVS方法可能令人滿意，但似乎該ZVS技術在低負載下不能得到滿意的效率。
特別地，似乎在不管負載如何都極大地調(diào)制電流方面存在問題，即無論在低負載，也就是說當平均電壓接近零時(圖7)，還是高負載情況下，也就是說當平均電流接近例如50A時(圖6)。該示例中，反轉(zhuǎn)具有IOOA峰間量級，其在導體中產(chǎn)生相當大的磁心損耗。
為了減輕該問題，公知實踐是在稱為臨界導電的模式下使用上述ZVS方法。在這樣的模式下，電流的反轉(zhuǎn)被強制為相對短但足以給用于使開關電壓為零的電容器放電的時間，如圖8所示。
該情況下，電流由第一閾值和具有相反的符號的第二閾值控制，第一閾值調(diào)制電流的平均值，第二閾值給所述電容器放電，這兩個閾值之間的交替服從可變頻率。
問題在于，似乎該臨界導電模式在電感元件中產(chǎn)生電流反轉(zhuǎn)，使得難以設計后者。事實上，電流反轉(zhuǎn)的幅度在高頻范圍上(例如在20kHz和80kHz之間)可以大于峰電流值的100%，使得電感器的功率損失在溫度升高和效率方面不可接受。
最后，應當指出，電感元件通常基于鐵氧體或納米晶型材料制造，首先因為材料的電阻率，其次因為形成核心的條帶的厚度，并且因為它們限制渦電流產(chǎn)生從而限制損失的共同能力。
遺憾地，鐵氧體是相對于其他鐵基磁性材料具有相對弱的磁場的材料。
結果是需要相當多的磁體來制造電感元件，這在混合動力車應用中可能是不可接受的，或者由于它們非常大的磁導率在這些材料中存儲有限電力。
實際上，在電力存儲方面，鐵基和硅基材料可能更適于車輛轉(zhuǎn)換器，因為它們的飽和閾值有時可以超過2特斯拉。此外，這些材料非常廣泛地用于電力傳輸或轉(zhuǎn)換(變壓器、發(fā)電機、電動機等)，通常以疊層金屬片的形式。
問題在于，這些材料在高頻下由于這些高頻產(chǎn)生的磁通的調(diào)制而具有高水平的損失。這就是為什么用于電力傳輸?shù)念l率在相對低的頻率范圍內(nèi)變化，通常在50Hz和IkHz之間，開關頻率很少超過大約10千赫。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于解決前述問題中的至少一個。其目的是在使用諸如鐵硅基材料的高飽和材料的同時允許使用臨界模式下的ZVS方法。
實際上，本發(fā)明產(chǎn)生于發(fā)現(xiàn)對機動車可以使用轉(zhuǎn)換器以實現(xiàn)每個單元的電流調(diào)制，其足夠高以使用臨界導電模式下的ZVS方法，同時使磁路中的磁通的調(diào)制最小化以限制電力損失并允許使用高飽和材料，特別是鐵硅基材料。
這就是為什么本發(fā)明涉及設計用于在機動車上提供推進力的電路，該電力從由所述機動車的電池傳送到至少兩個單元的電源獲得，該電路包括電感元件，其連接到管理所述電感元件中的電流的晶體管，其特征在于，電感元件被耦接為使得它們形成能夠被交替地根據(jù)以下模式控制的磁路:
-根據(jù)共模，其中所述磁路的視在電感具有每個電感元件的特定電感的總和的量級，或
-根據(jù)差模，其中所述磁路的視在電感具有所述耦接的電感元件之間的耦合的泄漏電感的量級。
借助于本發(fā)明，能夠使用電路作為能夠使用在臨界模式下運行的ZVS方法的多單元轉(zhuǎn)換器，因為電感元件的耦合使得能夠在整個磁路中極大地降低磁通的反轉(zhuǎn)(根據(jù)差模)同時保持每個單元中的電流反轉(zhuǎn)相對較高(根據(jù)共模)。
實際上，本發(fā)明使用電感器的耦合來形成用于存儲電力的主磁路、以及創(chuàng)建具有低電感的泄露線的支路使得獲得大反轉(zhuǎn)電流成為可能。
借助于本發(fā)明，可以使用原本不能用于具有高頻和大電流反轉(zhuǎn)的該類型轉(zhuǎn)換器中的材料而不產(chǎn)生不可接受水平的“磁心”損耗，即由于磁通反轉(zhuǎn)或調(diào)制產(chǎn)生的損耗。因此，本發(fā)明使得能夠減小用在轉(zhuǎn)換器中的磁性材料的體積，因為后者接受更高的電磁感應。
除了已經(jīng)提到的主要特征，根據(jù)本發(fā)明的電路可以包括以下單獨或在所有可能的技術組合中考慮的一個或多個其他特征:
-電感元件被耦接為使得它們具有連接到電源電池的一共同端子、以及連接到控制關聯(lián)的電容器的充電和放電的一對晶體管的一端子。
-關聯(lián)的電容器具有與第一單元的第一對晶體管共享的端子、和與第二單元的第二對晶體管共享的端子。
-該電路包括使用明確的50%占空比給電容器充電和放電的裝置。
-特定電感的值的量級為500μ H。
-泄漏電感的值的量級為50μ H。
-該電路包括在該示例中根據(jù)臨界導電模式中的ZVS方法控制放電一段時間以足以反轉(zhuǎn)至少一個電感元件中流動的電流的裝置。
-至少一個電感元件包括鐵基和硅基材料，通常是鐵氧體。
-該電路包括由四個“半線圈”形成的磁路，以具有一個相同的結構的空氣間隙交錯，以便形成兩個電感元件的耦合。
本發(fā)明還涉及用于制造根據(jù)本發(fā)明的涉及用于在機動車上提供電推進力的電路的方法，該電力從由所述機動車的電池傳送到所述電路的電源獲得并由至少兩個單元轉(zhuǎn)換，例如根據(jù)zvs(“零開關值”)方法，該電路包括電感元件，其連接到管理所述電感元件的電流的晶體管，其特征在于，布置電感元件以耦接之以使得它們形成如上所述的磁路。


本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點將從下面給出的描述中變得清楚，作為解釋而不是限制，參考多個附圖，其中:
-圖1(已描述)為具有全部或部分(混合)電推進力的車輛的示意-圖2和圖4(已描述)為用于已知電力轉(zhuǎn)換器的電路；
-圖3和圖5(已描述)為已知電力轉(zhuǎn)換器中電流和/或電壓的變化；
-圖6、圖7和圖8(已描述)為已知電力轉(zhuǎn)換器中電流的變化；
-圖9為能夠應用本發(fā)明的轉(zhuǎn)換器的電路；
-圖10為圖9的電路中使用的開關的狀態(tài)指示表；
-圖11為根據(jù)圖9的電路的霍普金森模型的圖示；
-圖12和圖13為圖9的電路中的電流和磁通的各自變化；
-圖14為能夠應用本發(fā)明的線圈的透視-圖15為圖14的線圈的電學-圖16為圖14中描述的線圈的變體；
-圖17為圖9中描述的電路的變體；以及
-圖18和圖19為根據(jù)本發(fā)明的轉(zhuǎn)換器的元件的端子處的電壓和電流的周期性變化。
具體實施方式
在不同的圖中出現(xiàn)的結構和功能相同的元件具有相同的附圖標記，除非有特定的其他說明
圖9示出根據(jù)本發(fā)明的磁路900，即，包括配備有各自的電感元件902和904 (由線圈表示)的兩個單元901或903，其被耦接為使得能夠被交替地根據(jù)以下模式控制:
-根據(jù)共模，其中所述磁路900的視在電感相對高，例如具有每個所述電感元件902和904特有的電感LA和LB之和的量級。借助于這樣的高視在電感，電路中磁磁通的反轉(zhuǎn)受到限制(如下詳細描述)，其減少了磁心損耗。
-根據(jù)差模，其中所述磁路的視在電感相對低，例如具有電感元件之間的耦合的泄漏電感的量級。借助于這樣的低視在電感，電流可以足夠大地被反轉(zhuǎn)，允許使用前面描述的ZVS方法，特別地在臨界模式下。
在本申請的下面的詳細描述中，由線圈表示的電感元件902或904的電感在下文中稱為LA和LB。
在共模中的磁路的電壓Vmc，在下文中稱為共模電壓或“Vmc”，其是電感元件902和904的端子處的電壓VLA或VLB的和。
Vmc = (VLA+VLB) / 2
類似地，在差模中的磁路的電壓Vmd，在下文中稱為差模電壓或Vmd，其是電感元件902和904的端子處的電壓VLA或VLB的差。
Vmd = (Vla-Vlb) / 2
當兩個電感元件端子處的電壓VLA或VLB不同時，該差模電壓Vmd不為零?？紤]圖9中所示的具有兩個單元的應用，當使用這些電感元件的單元901或903的開關SLA或SLB處于圖10的表中所示的不同狀態(tài)時該情形發(fā)生。
為了更清楚起見，能夠使用根據(jù)霍普金森方法的磁路900的表示進行描述(圖11) O該情況下，電感元件902由磁阻R和具有電流iA的發(fā)電機(generator)niA表示，電感元件904由磁阻R和具有電流iB的發(fā)電機niB表示，并且最終兩電感元件902和904之間的耦合等同于由磁阻r表示的電感元件906。
分別由電感元件902、904中的每一個或它們的耦合產(chǎn)生的磁通ΦΑ、ΦΒ、Φ(:可以借助下面公式的定義:
Φα/Ν = LAiA+MiB
Φβ/Ν = LBiB+MiA
Φ0 = ΦΑ-ΦΒ
本發(fā)明中，電感元件高度耦合，而且互感M的值是正的且具有450 μ H的量級，而電感L具有500 μ H的量級。
典型地，該互感M具有接近于每個線圈的特定電感LA或LB的值。在下文中，這些特定電感LA和LB被認為是相同的且等于電感L。
泄漏電感，等于特定電感與互感之間的差，因此相對較低，在下文中稱為泄漏電感Lf0這接著給出:
Φα/Ν = L(iA+iB)-LfiB
Φβ/Ν = L(iA+iB)-LfiA
Φε/Ν = Lf (iA-1B)
基于后面的等式，共模電壓值Vmc變?yōu)?
Vmc = N [ (d Φ A/dt) + (d Φ B/dt) ] /2 = (2L~Lf) [ (diA/dt) + (diB/dt) ]/2 = (2L~Lf)(diMC) / dt
類似地，基于上述這些等式，差模電壓值Vmd變?yōu)?
Vmd = Ν[ ( ΦΑ/dt) - ( ΦΒ/dt) ] /2 = (Lf) [ (diA/dt) - (diB/dt) ]/2 = Lf (diMC) /dt
如上所示，泄漏電感Lf與每個電感元件的特定電感L相比實際上可以忽略不計。該情況下，共模電壓Vmc或差模電壓變?yōu)?
Vmc = 21 (diMC) / dt
Vmd = Lf (diMC) / dt
接著看起來差模中磁路的電感具有泄漏電感的量級，同時共模中該相同磁路的電感具有特定電感的總和的量級。因此:
-在差模中，這樣的相對較低的泄漏電感允許電流迅速變化，例如比使用特定電感快十倍，如圖12所示；同時
-在共模中，這樣的相對較高的特定電感使得提供相對較低的磁通反轉(zhuǎn)成為可能。實際上，給出磁通:
Φα/Ν = L(iA+iB) -Lf iB = 2LiMC_LfiB
Φβ/Ν = L(iA+iB) -Lf iA = 2LiMC_LfiA
Φ0/Ν = Lf(iA-1B) = 2LfiMD
由于泄漏電感相對較低，上述等 式的導數(shù)得出以下等式:
Δ Φ /N = -Lf ( Δ iB)
Δ Φβ/Ν = Lf Δ iA
Δ Φε/Ν = 2LfiA
換句話說，磁通反轉(zhuǎn)與相對較低的泄漏電感成比例，相等地施加如圖13所示的低反轉(zhuǎn)。該實例中，這些反轉(zhuǎn)大約比沒有電感線圈耦合而獲得的反轉(zhuǎn)低10倍。
更精確地，通過知道電流的反轉(zhuǎn)實際上等于臨界導電模式下的峰值電流，能夠估計相對于峰值磁場的反轉(zhuǎn)率。該情況下，該比率變?yōu)?
Δ ΦΑ/ΦΑ = -Lf Δ iB/ (2LiMC_LfiB) ^ -Lf Δ iB/2LiMC = -Lf/L
Δ ΦΒ/ΦΒ = Lf Δ iA/ (2LiMC_LfiA) ^ Lf Δ iA/2LiMC = Lf/L
Δ Φ0/Φ0 = 2Lf Δ iA/(2LfiB) ^ 2L/Lf
上述計算顯示反轉(zhuǎn)率實際上等于泄漏電感與電感元件特定的電感之間的比率，該比率能夠足夠低以允許使用鐵硅基材料。
參考圖14，根據(jù)本發(fā)明的磁路1400可以借助四個具有N匝的半線圈1402、1404、1406和1408使用，每個半線圈環(huán)繞著允許調(diào)制每個電感元件特定的電感的空氣間隙1403、1405、1407 或 1409(圖 15)、以及中心臂 1410。
該中心臂1410承受外臂兩倍的磁磁通變化。這就是為什么為了中心臂應該盡可能短，以便限制由與所述中心臂的體積成比例的這些磁磁通變化導致的磁芯損失。
而且，應當注意，該中心臂1410的長度對磁路的操作沒有影響，其電感依賴于臂的截面和空氣間隙的截面。
具有N匝的線圈將會環(huán)繞空氣間隙以限制由在空氣間隙處分離的磁通線引起的磁輻射，后者可以由鐵硅鐵氧體材料制成以存儲電力。
該線圈可以由導電條或單股或多股電線組成，線圈A和B的纏繞方向使得每個線圈的磁驅(qū)動力(安培-匝數(shù))相加。圖15，其表示圖14的該磁路，因此示出了環(huán)繞空氣間隙的線圈的方向。
本發(fā)明提供了多種變體。特別地，已經(jīng)主要通過使用降壓-升壓型的無絕緣雙向電壓步降或步聲轉(zhuǎn)換器描述問題和本發(fā)明。然而，顯然本發(fā)明可以使用包括可以耦接電感元件的至少兩個單元的多種類型的轉(zhuǎn)換器。
而且，應當指出，本發(fā)明可以以固定或變化的頻率應用。具體地，轉(zhuǎn)換器可以在同步整流下工作。該情況下，必須計算頻率和電感以便即使在最大電流時電感器中的電流也被反轉(zhuǎn)，以便可以使用ZVS方法。
關于磁路的使用，顯然線圈的結構，特別是空氣間隙的位置、中心臂1410的存在和用于后者的材料可以在本發(fā)明的實施例之間變化。
因此，在由圖16中的磁力線和空氣間隙示出的實施例中，線圈1600沒有中心臂且使用C形磁芯。
圖17示出優(yōu)化的電路900'以便僅需要具有值2C的一個電容器來代替圖9的電路中使用的具有值C的四個電容器。
通過傳導模式的選擇，這種使用單個電容器執(zhí)行ZVS方法是可能的。因為所有時候每個臂的兩個開關中的一個是導通的，無疑，在開關斷開時，電感器的電流被連接到地面或DC總線E的電容器吸收。
如果當開關SLA斷開時占空比小于50% (圖18)，則開關SHB導通。電容器Czvs然后被偏壓到負壓(-E)。
當開關SLA斷開時，電容器Czvs完全放電并且開關SLA的閉鎖電壓是E，如圖18中所示。
在開關SLB閉合前，電感元件LB中的電流是負的且開關SHB斷開，以使得由該電感元件LB施加的電流給電容器Czvs充電直到達到DC總線的電壓。
類似地，圖19指代占空比大于50%的情況。
權利要求
1.一種設計用于在機動車上提供電推進力的電路(900,900')，該電力從由所述機動車的電池傳送到所述電路(900,900')的電源獲得并由至少兩個單元(901，903 ;901'，.903 ;)轉(zhuǎn)換，該電路(900,900')包括電感元件(902,904 ;902'，90f )，其連接到管理所述電感元件(902，904;902'，904')中的電流的晶體管，其特征在于，電感元件(902,904 ；902/ ,904')被耦接為使得它們形成能夠被交替地根據(jù)以下模式控制的磁路(1400): -根據(jù)共模，其中所述磁路(1400)的視在電感具有每個電感元件的特定電感的總和的量級，或 -根據(jù)差模，其中所述磁路(1400)的視在電感具有所述耦接的電感元件之間的耦合的泄漏電感的量級。
2.根據(jù)權利要求1所述的電路(900,900')，其特征在于，電感元件被耦接為使得它們具有連接到電源電池的一共同端子、以及連接到控制關聯(lián)的電容器的充電和放電的一對晶體管的一端子。
3.根據(jù)權利要求2所述的電路(900,900')，其特征在于，關聯(lián)的電容器具有與第一單元(901，903)的第一對晶體管共享的端子、和與第二單元(901' ,903')的第二對晶體管共享的端子。
4.根據(jù)權利要求3所述的電路(900,900')，其特征在于，它包括用于使用明確的50%占空比給電容器充電和放電的裝置。
5.根據(jù)前述權利要求之一所述的電路(900,900')，其特征在于，特定電感的量級為.500 μ H。
6.根據(jù)前述權利要求之一所述的電路(900,900')，其特征在于，泄漏電感的量級為.50 μ H。
7.根據(jù)前述權利要求之一所述的電路(900,900')，其特征在于，它包括用于根據(jù)臨界導電模式中的ZVS方法控制放電一段時間足以反轉(zhuǎn)至少一個電感元件(902，904 ;902'，.904;)中流動的電流的裝置。
8.根據(jù)前述權利要求之一所述的電路(900,900')，其特征在于，至少一個電感元件包括鐵基和娃基材料，通常是鐵氧體。
9.根據(jù)前述權利要求之一所述的電路(900,900')，其特征在于，它包括由四個“半線圈”形成的磁路，以具有一個相同的結構的空氣間隙交錯，以便形成兩個電感元件的耦合。
10.一種制造設計用于在機動車上提供電推進力的電路(900,900')的方法，該電力從由所述機動車的電池傳送到所述電路(900,900')的電源獲得并由至少兩個單元(901，.903 ,903')轉(zhuǎn)換，該電路(900,900')包括電感元件(902，904 ;902'，904')，其連接到管理所述電感元件(902，904 ;902'，904')中的電流的晶體管，其特征在于，布置電感元件(902，904;902' ,904')以耦接之以使得它們形成根據(jù)前述權利要求之一所述的磁路。
全文摘要
本發(fā)明涉及設計用于在機動車上提供電推進力的電路(900，900′)，該電力從由所述車輛的電池傳送到所述電路(900，900′)的電源獲得并由至少兩個單元(901，903；901′，903′)轉(zhuǎn)換，該電路(900，900′)包括電感元件(902，904；902′，904′)，其連接到管理所述電感元件(902，904；902′，904′)中的電流的晶體管，其特征在于，電感元件(902，904；902′，904′)被耦接為使得它們形成能夠被交替地控制的磁路(1400)-根據(jù)共模，其中所述磁路(1400)的視在電感具有每個電感元件的特定電感的總和的量級，或-根據(jù)差模，其中所述磁路(1400)的視在電感具有所述耦接的電感元件之間的耦合的泄漏電感的量級。
文檔編號H02M3/07GK103138569SQ201110463210
公開日2013年6月5日 申請日期2011年11月22日 優(yōu)先權日2011年11月22日
發(fā)明者L·德索薩, M·福爾, S·方泰尼 申請人:法雷奧電機控制系統(tǒng)公司