直流－直流转换器及应用该转换器的电动机驱动系统

摘要

一种直流－直流转换器和应用该转换器的电动机驱动系统。上述直流－直流转换器包括第一和第二电容器、电感器、以及第一和第二开关装置。

说明书

技术领域

本发明总体上涉及直流-直流转换器及应用该转换器的电动机驱动系统。

背景技术

直流-直流转换器总体上将直流电压(“DC”)从第一电压水平变换(即转换)到第二电压水平。将较低的输入电压变换成较高的输出电压(即升高电压)的直流-直流转换器可以被称为“升压”转换器。同样地，将较高的输入电压变换成较低的输出电压(即降低电压)的直流-直流转换器可以被称为“降压”转换器。

参照图1(a)，其表示的是常规的双向直流-直流转换器10的示意图。总体上，Va，Vb和Vc表示三个可能的端电压，Vb大于或等于Va(即Vb≥Va)，Vc等于Vb和Va的差值(即Vc＝Vb-Va)。常规的直流-直流转换器10是双向的，因此Va，Vb或Vc中的任何一个电压可以作为输入电压而其余的一个或两个电压可以作为输出电压。举例来说，当Va作为输入电压而Vb作为输出电压时，转换器10总体上是升压转换器。同样地，当Vb作为输入电压而Va作为输出电压时，转换器10总体上是降压转换器。同样地，当Va作为输入电压而Vc作为输出电压时，转换器10总体上是升压-降压转换器。同样地，当Vc作为输入电压而Va作为输出电压时，转换器10总体上是降压-升压转换器。常规的转换器10的电容器Ca和Cb是滤波电容器，电感器La是直流扼流圈。

现参照图1(b)，其表示的是另外一种常规的双向直流-直流转换器20的示意图。总体上，转换器20除了多个电容器22，如Cb和Cc，可以串联在电压Vb间之外，可以与转换器10同样的操作。多个电容器22的使用总体上为端电压Vb提供了更高的额定电压。因此，图1(b)中的转换器20可以用在与应用转换器10的系统相比具有高直流电压或具有较低额定电压的电容器的系统中。

然而，众所周知，多个电容器22之间参数的变化，如不匹配的电容，漏磁阻等等，可以导致电容器22间不均匀的电压分配。而不均匀的电压分配可以导致电容器22中的一个或多个的过电压状态。常规的限制过电压状态出现的意图总体上需要使用十分匹配的电容器或具有较高额定电压的电容器。这些十分匹配的或较高额定电压的电容器的使用总体上导致控制器20的制造成本增加。

发明内容

因此，需要一种直流-直流转换器，可配置使用于高直流电压，其中直流-直流转换器可以用具有较低额定和/或与常规的转换器如10和20相比不易受参数变化影响的电容器实现。这样的转换器可以通过减少十分匹配的电容器的需求和/或具有较高额定电压的电容器的需求来降低制造成本。

根据本发明的一个实施例，提供一种直流-直流转换器。该直流-直流转换器包括各具有第一和第二端的第一和第二电容器，具有第一和第二端的电感器，以及各具有第一和第二端的第一和第二开关装置。电感器的第一端连接到第二电容器的第一端和第一电容器的第二端上形成第一节点。第一开关装置的第一端连接到第一电容器的第一端形成第二节点。第二开关装置的第一端连接到第一开关装置的第二端和电感器的第二端形成第三节点。第二开关装置的第二端连接到第二电容器的第二端形成第四节点。第一开关装置设置成响应第一控制信号、电连接第一开关装置的第一和第二端。类似地，第二开关装置设置成响应第二控制信号、电连接第二开关装置的第一和第二端。

根据本发明的另外一个实施例，提供一种电动机驱动系统。该系统包含具有正和负端的储能装置，具有第一和第二端的驱动单元，与驱动单元电连通的电动机，以及直流-直流转换器。直流-直流转换器包括各具有第一和第二端的第一和第二电容器，具有第一和第二端的电感器，以及各具有第一和第二端的第一和第二开关装置。电感器的第一端连接到第二电容器的第一端和第一电容器的第二端上形成第一节点。第一开关装置的第一端连接到第一电容器的第一端形成第二节点。第二开关装置的第一端连接到第一开关装置的第二端和电感器的第二端上形成第三节点。第二开关装置的第二端连接到第二电容器的第二端形成第四节点。储能装置的正端连接到第一节点上，储能装置的负端连接到第四节点上。驱动单元的第一和第二端分别连接到第二和第四节点。第一开关装置设置成响应第一控制信号电连接第一开关装置的第一和第二端。类似地，第二开关装置设置成响应第二控制信号电连接第二开关装置的第一和第二端。

根据本发明的另外一个实施例，提供另外一种电动机驱动系统。该系统包含具有正端和负端的储能装置，具有第一和第二端的驱动单元，与驱动单元电连通的电动机，以及直流-直流转换器。直流-直流转换器包括各具有第一和第二端的第一和第二电容器，具有第一和第二端的电感器，以及各具有第一和第二端的第一和第二开关装置。电感器的第一端连接到第二电容器的第一端和第一电容器的第二端上形成第一节点。第一开关装置的第一端连接到第一电容器的第一端形成第二节点。第二开关装置的第一端连接到第一开关装置的第二端和电感器的第二端上形成第三节点。第二开关装置的第二端连接到第二电容器的第二端形成第四节点。储能装置的正端连接到第二节点，储能装置的负端连接到第一节点。驱动单元的第一和第二端分别连接到第二和第四节点。第一开关装置设置成响应第一控制信号电连接第一开关装置的第一和第二端。同样地，第二开关装置设置成响应第二控制信号、电连接第二开关装置的第一和第二端。

附图说明

图1(a-b)为常规的双向直流-直流转换器的示意图；

图2为根据本发明的至少一个实施例的直流-直流转换器的示意图；

图3为根据本发明的至少另一实施例的直流-直流转换器的示意图；

图4是根据本发明的至少一个实施例的电动机驱动系统的示意图；

图5是根据本发明的至少另一实施例的电动机驱动系统。

具体实施方式

参照图2，其表示的是根据本发明的至少一个实施例的直流-直流转换器100的示意图。该转换器100总体上包含第一电容器(即C1)102，第二电容器(即C2)104，电感器(即L1)106，第一开关装置(即S1)108，第二开关装置(即S2)110，以及多个节点，如第一节点120，第二节点122，第三节点124，和第四节点126。

第一电容器102(即电容元件)，第二电容器104，和电感器106(即电感元件)可以各包括用于将相应组件(即102，104，和/或106)连接到临近的组件上的第一和第二端(即电连接点)。同样地，第一108和/或第二110开关装置(即开关)可以各包括将相应开关(即108和/或110)连接到临近的组件上的第一和第二端。

根据本发明的至少一个实施例，电感器106的第一端可以连接到第二电容器104的第一端和第一电容器102的第二端上形成第一节点120。同样地，第一开关装置108的第一端可以连接到第一电容器102的第一端形成第二节点122，第二开关装置110的第一端可以连接到第一开关装置108的第二端和电感器106的第二端形成第三节点124，第二开关装置110的第二端可以连接到第二电容器104的第二端形成第四节点126。

总体上，直流-直流转换器100可以是双向的，因此电压V1，V2或V3中的任何一个可以作为转换器100的输入电压而其余的一个或两个电压可以作为输出电压。在一个实施实例中，当输入电压如V1或V3分别位于(即加于)节点120和126间或节点122和120间、输出电压V2置于(被输出到一个负载)节点122和126间时，转换器100可以被用作升压(即提高)转换器。在另外一个实施实例中，当输入电压V2位于节点122和126间、输出电压如V1或V3分别置于(即输出到一个负载)节点120和126或节点122和120间时，转换器100可以被用作降压(即降低)转换器。在另外一个实施实例中，当输入电压V1位于节点120和126间、输出电压V3置于节点122和120间时，转换器100可以被用作升压-降压转换器。在另外一个实施实例中，当输入电压V3位于节点122和120间、输出电压V1置于节点120和126间时，转换器100可以被用作降压-升压转换器。然而，任何合适的电压(例如V1，V2或V3)可以作为转换器100的输入电压并且任何合适的相应端电压可以用作转换器100的输出电压以满足具体应用的设计标准。

在至少一个实施例中，第一102和第二104电容器可以是极化电容器，这样每个第一102和第二104电容器中的第一/第二端分别与正/负导线连接。本实施例尤其有利于高压应用，如纯电动车辆，混合电动车辆和/或燃料-电池电动车辆。

总体上，第一108和第二110开关装置可以是任何合适的用于响应控制信号、电连接第一和第二端的装置。也就是说，第一开关装置108可以是任何合适的用于响应第一控制信号、电连接第一开关装置108的第一和第二端的装置而第二开关装置110可以是任何合适的用于响应第二控制信号、电连接第二开关装置110的第一和第二端的装置。在至少一个实施例中，第一108和/或第二110开关装置可以包括电动机械和/或固态继电装置。在至少一个另外的实施例中，第一108和/或第二110开关装置可以包括晶体管，例如是金属-氧化物-半导体-场效应晶体管(Metal-OxideSemiconductor Field-Effect Transistor，即MOSFET)，绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，即IGBT)，双极结晶体管(BipolarJunction Transistors，即BJT)，和/或相似的晶体管。具体如图2-5所示，本发明的一个或多个实施例可以将绝缘栅双极型晶体管作为第一108和/或第二110开关装置。这种绝缘栅双极型晶体管可以包括连接到相应开关装置(例如108或110)的第一端的集电极区域，连接到相应开关装置的第二端的发射极区域，以及连接到控制单元112的栅极区。此外，在一个实施例中能流维持在一个单一的方向，可以除去第一108和第二110开关装置中的一个。

总体上，第一和第二控制信号可以是任何合适的信号模式(例如，电压信号，电流信号，和/或相似的)，并且可以由任何合适数目的合适的控制单元112产生以满足具体应用的设计标准。

转换器100可选择地包括一个或多个二极管。举例来说，本发明的一个或多个实施例可以包括具有连接到节点124的正端(阳极)和连接到节点112的负端(阴极)的第一二极管130和/或具有连接到节点126的正端和连接到节点124的负端的第二二极管132，在一个实施例中，一个或多个二极管的使用是非常有用的，其中第一108和/或第二110开关装置驱动电感负载。

与常规的转换器10和20相比，根据本发明的一个实施例的转换器100可以在应用较低额定电压的电容器时提供更高的输出端额定电压(例如V2)，和/或减少因受电容器参数变化影响而引起的过电压的发生。总体上，第一电容器102的额定电压可以仅需与节点122和120之间的电压V3相一致。同样地，第二电容器104的额定电压可以仅需与节点120和126之间的电压V1相一致。

参照图3，其表示的是根据本发明的至少另一个实施例的直流-直流转换器200的示意图。该转换器200除了转换器200还可以包括第三二极管134、第四二极管136、第三电容器140、或其中的任意组合以外，可以与转换器100类似地操作。

第三二极管134总体上包括连接到节点120的正端和连接到节点122的负端，使得二极管134位于第一电容器102间。二极管134可以防止第一电容器102瞬时的反向偏压。

第四二极管136总体上包括连接到节点126的正端和连接到节点120的负端，使得二极管136位于第二电容器104间。二极管136可以防止第二电容器104瞬时的反向偏压。

第三电容器140总体上包括连接到节点122的第一端和连接到节点126的第二端。因此，第三电容器140可以减少节点122和126间的开关电压峰值。在至少一个实施例中，第三电容器140电容(大小)可以分别地少于第一102和第二104电容器的电容。

现参照图4，其表示的是根据本发明的至少一个实施例的电动机驱动系统400的示意图。该系统400总体上包括储能装置402，如电池，一个或多个驱动单元404(即变极器，电动机控制器等)，一个或多个电连接到一个或多个驱动单元404的电动机406，和/或直流-直流转换器408。图4所示的实施例中，转换器408总体与前面讨论过的图3所示的转换器200相符。然而，系统400可以用任何合适的直流-直流转换器408实施，如前面讨论过的图2所示的转换器100，以满足具体应用的设计标准。

储能装置402总体上包含连接到节点120的正端和连接到节点126的负端，使得与储能装置相应的电压(V1)在至少一个实施例中位于节点120和126间。

此外，一个或多个驱动单元404(例如404a-404n)中的每一个总体上包括连接到节点122的第一端和连接到节点126的第二端。在至少一个实施例中，系统400可以如此配置，例如通过控制电路112产生一个或多个控制信号，以提高与储能装置405相应的输入电压(例如V1)并将升高了的电压(例如V2)输出到一个或多个驱动单元404。该实施例对驱动纯电动车辆、混合电动车辆和/或燃料-电池电动车辆的一个或多个电动机406是非常有用的。

在至少一个另外的实施例中，系统400可以如此配置，例如通过控制电路112产生一个或多个控制信号，以降低与一个或多个电动机406产生的再生电压相应的输入电压(例如V2)并将降低了的电压(例如V1)输出到储能装置402。该实施例在再生制动程序时，对纯电动车辆、混合电动车辆和/或燃料-电池电动车辆的电池或其它储能装置402的充电是非常有用的。

参照图5，表示的是根据本发明的至少一个另外的实施例的电动机驱动系统500的示意图。总体上，系统500可以与系统400类似地实施，除了储能装置402的正端可以连接到节点122、负端可以连接到节点120上使得与储能装置相应的电压(V3)在至少一个实施例中可以位于节点122和120间。

因此，本发明的一个或多个实施例可以提供降低了制造成本的直流-直流转换器和/或电动机驱动系统，可配置使用于高直流电压。

虽然实施本发明的最佳的方式已经详细描述，本发明所属技术领域的技术人员还是可以认识到实现权利要求所界定的本发明的各种可选择的设计和实施方式。