交错式可变电压转换器制造技术

本公开提供“交错式可变电压转换器”。交错式DC‑DC转换器包括具有第一、第二和第三绕组的无间隙耦合电感器。所述转换器还包括并联的第一、第二和第三桥臂。所述第一桥臂具有碳化硅或氮化硅开关，而所述第二和第三桥臂具有硅开关。控制器以大于所述第二和第三桥臂的所述开关的频率的频率来调制所述第一桥臂的所述开关。

Interleaved variable voltage converter

The present disclosure provides an interleaved variable voltage converter. The interleaved DC \u2011 DC converter includes a gapless coupling inductor with first, second and third windings. The converter also comprises a first, a second and a third bridge arms in parallel. The first bridge arm has a silicon carbide or silicon nitride switch, and the second and third bridge arms have silicon switches. The controller modulates the switch of the first bridge arm at a frequency greater than the frequency of the switch of the second and third bridge arms.

【技术实现步骤摘要】
交错式可变电压转换器
本申请总体上涉及一种用于车辆动力传动系统的可变电压转换器。
技术介绍
包括混合牵引电动车辆(HEV)、插电式混合牵引电动车辆(PHEV)以及电池电动车辆(BEV)的电动化车辆依赖于牵引电池以向牵引马达供电以便推进，并且依赖于它们之间的功率逆变器以将直流(DC)功率转换为交流(AC)功率。典型的AC牵引马达是3相马达，所述马达可以由3个正弦信号供电，每个正弦信号以120度相分离进行驱动。牵引电池被配置为在特定电压和电流范围内操作。牵引电池可选地被称为高压电池。在车辆操作期间，电动车辆动力传动系统中的高压部件可能承受包括过电流或短路状况的应力。而且，许多电动化车辆包括DC-DC转换器(也被称为可变电压转换器(VVC))以将牵引电池的电压转换为电机的工作电压电平。电机可能要求高电压和高电流。由于电压、电流以及开关需要，诸如绝缘栅双极晶体管(IGBT)等固态开关通常用在功率逆变器和VVC中。类似地，DC-DC转换器的部件可能承受包括过电流或短路状况的应力。
技术实现思路
动力传动系统包括交错式DC-DC转换器，其具有并联的第一、第二和第三桥臂以及具有第一、第二和第三绕组的无间隙耦合电感器。所述第一桥臂具有碳化硅或氮化硅开关。所述第二和第三桥臂具有硅开关。控制器以大于所述第二和第三桥臂的所述开关的频率的频率来调制所述第一桥臂的所述开关。车辆动力传动系统包括电池和DC-DC功率转换器。所述功率转换器包括：并联耦合的第一、第二和第三桥臂；DC电感器，其耦合在所述电池与所述第一、第二和第三桥臂之间；以及AC无间隙耦合电感器，其具有耦合在所述DC电感器与所述第一、第二和第三桥臂之间的第一、第二和第三绕组。车辆动力传动系统包括功率转换器和控制器。所述功率转换器包括无间隙耦合电感器以及第一、第二和第三桥臂。所述第一桥臂具有碳化硅或氮化硅开关，而所述第二和第三桥臂具有硅开关。所述控制器以大于所述第二和第三桥臂的所述开关的频率的频率来调制所述第一桥臂的所述开关。附图说明图1是示出了典型传动系和储能部件及其间的可变电压转换器和功率逆变器的的混合动力车辆的图。图2是车辆可变电压转换器的示意图。图3是耦合电感器交错式可变电压转换器的示意图。图4是硅绝缘栅双极晶体管(IGBT)和碳化硅(SiC)金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的负载电流相对于装置电压的图形图示。图5是耦合电感器三桥臂交错式可变电压转换器的示意图。图6是用于耦合电感器可变电压转换器的耦合电感器的图形图示。图7是图5的耦合电感器三桥臂可变电压转换器的特性关于时间的图形图示。图8是图5的耦合电感器三桥臂可变电压转换器的特性关于时间的图形图示。图9是图5的耦合电感器三桥臂可变电压转换器中的DC电感器的输出电压关于时间的图形图示。图10是三绕组耦合电感器的三维透视图。图11是图10的三绕组耦合电感器的磁路模型的示意图。具体实施方式本文描述了本公开的实施例。然而，应当理解，所公开的实施例仅仅是示例且其他实施例可以呈现各种和备选形式。附图不一定按比例绘制；一些特征可能被放大或最小化以示出特定部件的细节。因此，本文公开的具体结构和功能细节并不解释为限制性，而仅仅解释为用于教导所属领域技术人员以各种方式采用本专利技术的代表性基础。如所属领域一般技术人员将理解，参考任何一个附图示出并描述的各个特征可以与一个或多个其他附图中所示的特征相组合以产生未明确示出或描述的实施例。所示特征的组合提供用于典型应用的代表性实施例。然而，特定应用或实现方式可以期望与本公开的教导一致的特征的各个组合和修改。诸如绝缘栅双极晶体管(IGBT)、金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)或双极结型晶体管(BJT)等固态装置(SSD)通常广泛用于各种汽车和工业应用，诸如电动马达驱动、功率逆变器、DC-DC转换器以及功率模块。IGBT和MOSFET的操作受电压控制，其中所述操作是基于施加到IGBT或MOSFET的栅极的电压，而BJT的操作受电流控制，其中所述操作是基于施加到BJT的基极的电流。在此，将讨论功率装置IGBT和MOSFET的使用，然而所述结构和方法可以适用于其他SSD。IGBT的操作受通过栅极驱动器供应的栅极电压控制。在此，公开了一种双向三桥臂交错式可变电压转换器，其中两个桥臂以公共频率调制并且彼此异相(例如，第一桥臂与第二桥臂180°异相)并且以大于第一和第二桥臂的频率(例如，以公共频率的2倍或公共频率的3倍)调制第三桥臂。此外，使用两个耦合的AC电感器和DC电感器来帮助减小纹波电流。DC电感器用于产生DC电压升高，而耦合AC电感器用于减小纹波电流。而且，使用异质部件(例如，硅(Si)、碳化硅(SiC)、氮化硅(SiN)以及砷化镓(GaAs))可以用于进一步改善操作，并且可以在不同的桥臂中使用不同的SSD。例如，第一和第二桥臂可以使用IGBT，而第三桥臂可以使用MOSFET或BJT。由于异质部件的配置和用途，一些部件桥臂可以携带比另一桥臂更多的DC电流。例如，使用组合的SiIGBT的第一和第二桥臂可以与使用SiCMOSFET的第三桥臂携带相同的DC电流。图1描绘了可以被称为插电式混合动力电动车辆(PHEV)的电动化车辆112。插电式混合动力电动车辆112可以包括机械地联接到混合动力变速器116的一个或多个电机114。电机114能够充当马达或发电机。另外，混合动力变速器116机械地联接到发动机118。混合动力变速器116还机械地联接到驱动轴120，所述驱动轴机械地联接到车轮122。当发动机118启动或关闭时，电机114可以提供推进和减速功能。电机114还可以充当发电机，并且可以通过回收通常在摩擦制动系统中作为热量而损耗的能量来提供燃料经济性益处。电机114还可以通过允许发动机118以更高效的速度操作并允许混合动力电动车辆112在发动机118在某些状况下关闭时以电动模式操作来减少车辆排放。电动化车辆112也可以是电池电动车辆(BEV)。在BEV配置中，可以不存在发动机118。在其他配置中，电动化车辆112可以是没有插电功能的全混合动力电动车辆(FHEV)。牵引电池或电池组124存储可以由电机114使用的能量。车辆电池组124可以提供高压直流(DC)输出。牵引电池124可以电耦合到一个或多个电力电子模块126。一个或多个接触器142可以在断开时将牵引电池124与其他部件隔离，并且在闭合时将牵引电池124连接到其他部件。电力电子模块126还电耦合到电机114，并且提供在牵引电池124与电机114之间双向传递能量的能力。例如，牵引电池124可以提供DC电压，而电机114可以三相交流(AC)操作来起作用。电力电子模块126可以将DC电压转换为三相AC电流以操作电机114。在再生模式中，电力电子模块126可以将来自充当发电机的电机114的三相AC电流转换为与牵引电池124兼容的DC电压。车辆112可以包括电耦合在牵引电池12本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种动力传动系统，其包括：/n交错式DC-DC转换器，其包括/n无间隙耦合电感器，其具有第一、第二和第三绕组，以及/n并联的第一、第二和第三桥臂，所述第一桥臂具有碳化硅或氮化硅开关，而所述第二和第三桥臂具有硅开关；以及/n控制器，其被配置为以大于所述第二和第三桥臂的所述开关的频率的频率来调制所述第一桥臂的所述开关。/n

【技术特征摘要】
20180604 US 15/997,5281.一种动力传动系统，其包括：
交错式DC-DC转换器，其包括
无间隙耦合电感器，其具有第一、第二和第三绕组，以及
并联的第一、第二和第三桥臂，所述第一桥臂具有碳化硅或氮化硅开关，而所述第二和第三桥臂具有硅开关；以及
控制器，其被配置为以大于所述第二和第三桥臂的所述开关的频率的频率来调制所述第一桥臂的所述开关。


2.如权利要求1所述的动力传动系统，其中所述控制器还被配置为将所述第二桥臂的所述开关调制为与所述第三桥臂的所述开关异相180度。


3.如权利要求1所述的动力传动系统，其中所述第一桥臂的DC电流纹波的大小是所述第二或第三桥臂的DC电流纹波的大小的一半。


4.如权利要求1所述的动力传动系统，其还包括DC电感器，其中所述无间隙耦合电感器是AC电感器。


5.如权利要求1所述的动力传动系统，其中所述无间隙耦合电感器被配置为使得来自所述第一绕组的第一DC通量抵消来自所述第二绕组的第二DC通量或来自所述第三绕组的第三DC通量。


6.如权利要求1所述的动力传动系统，其中所述硅开关是绝缘栅双极晶体管，而所述碳化硅或氮化硅开关是金属氧化物半导体场效应晶体管。


7.一种车辆动力传动系统，其包括：
电池；以及
DC-DC功率转换器，其包括
并联耦合的第一、第二和第三桥臂，
DC电感器，其耦合在所述电池与所述第一、第二和第三桥臂之间，以及
AC无间隙耦合电感器，其具有耦合在所述DC电感器与所述第一、第二和第三桥臂之间的第一、第二和第三绕组。


8.如权利要求7所述的车辆动力传动系统，其还包括控制器，所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：葛宝明，陈礼华，
申请(专利权)人：福特全球技术公司，
类型：发明
国别省市：美国;US