專利名稱：單位功率因數(shù)的隔離的單相矩陣變換器電池充電器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明總體涉及電池充電，且更具體地涉及從單相電源對電池充電并實現(xiàn)充電過 程的單位功率因數(shù)。
背景技術：
電動車輛或混合動力車輛充電系統(tǒng)的電路設計面臨許多挑戰(zhàn)。例如，選擇功率拓 撲結構、在操作輸入/輸出電壓的寬范圍上輸送高功率、電隔離、高功率密度和低成本。電 池基能量存儲系統(tǒng)(ESS)電壓特性和功率柵極電壓相的數(shù)量驅(qū)動充電系統(tǒng)的輸出/輸入請 求。理想地，充電系統(tǒng)應當實現(xiàn)單位功率因數(shù)和低總諧波失真、電隔離的功率狀態(tài)和 高功率密度 。在滿足這些目標的嘗試中，現(xiàn)有的充電系統(tǒng)采用雙級設計。第一級包括寬輸 入電壓范圍單位功率因數(shù)升壓變換器，其提供的輸出電壓高于ESS最大額定電壓。第二級 提供電隔離和按照充電控制系統(tǒng)的指示處理提供到ESS的電壓和電流?，F(xiàn)有的充電系統(tǒng)的缺點是，因為還需要功率升壓級以產(chǎn)生中高壓直流母線，所以 兩級的效率不高。而且，在高功率或快速充電情況下，兩級系統(tǒng)的前端需要多相功率柵極接 線(如，兩相或三相)。然而，在美國，大多數(shù)家庭和商業(yè)都利用標準的(在美國為110伏、 60Hz)單相功率柵極電壓。因此，需要提供單相充電系統(tǒng)，該系統(tǒng)能實現(xiàn)單位功率因數(shù)效率，同時為混合動力 車輛、電動車輛或需要類似充電性能的充電應用所需求提供隔離、低諧波失真和高功率密 度。而且，本發(fā)明的其它可期望的特征或特點將通過下面的詳細描述和所附權利要求、以及 附圖和之前的技術領域和背景技術變得顯而易見。

發(fā)明內(nèi)容
提供了關于單位功率因數(shù)、隔離的、單相開關矩陣變換器/電池充電器的本發(fā)明 的實施例。在一個實施方式中，AC柵極電壓電源耦接至感應器和開關矩陣。對感應器充電 并且控制所述開關矩陣以建立多種電流通路，以使電壓穿過感應器以增加AC柵極電壓。升 壓的AC柵極電壓流過隔離變壓器以被整流，并被用于對用于電動車輛或混合動力車輛的 電池存儲系統(tǒng)充電。技術方案1 一種將AC柵極電壓變換成DC充電電壓的方法，包括以下步驟將感應器耦接到AC柵極電壓和單級開關矩陣；控制單級開關矩陣以用電壓對所述感應器充電；控制單級開關矩陣以提供第一和第二電流通路，以使所述電壓和所述AC柵極電 壓流過隔離變壓器，所述第一和第二電流通路響應于AC柵極電流極性； 重復控制所述單級開關矩陣以用電壓對所述感應器充電； 控制所述單級開關矩陣以提供第三和第四電流通路，以使所述電壓和所述AC柵
極電壓流過輸入端至隔離變壓器，所述第三和第四電流通路響應于AC柵極電流極性；
對來自所述隔離變壓器的輸出端的所述電壓和所述AC柵極電壓進行整流以提供 充電電壓。技術方案2 如技術方案1所述的方法，其中所述控制單級開關矩陣以用電壓對所 述感應器充電的步驟包括在第一時間期間閉合以4乘4并聯(lián)開關配置設置的八個開關。技術方案3 如技術方案1所述的方法，其中所述控制單級開關矩陣以提供第一和 第二電流通路的步驟包括在第二時間期間將位于4乘4并聯(lián)開關配置的每一側上的第一和 第三開關斷開。技術方案4 如技術方案1所述的方法，其中 所述控制單級開關矩陣以提供第三和 第四電流通路的步驟包括在第二時間期間將位于4乘4并聯(lián)開關配置的每一側上的第二和 第四開關斷開。技術方案5 —種單相隔離的開關變換器電池充電器，包括AC柵極電壓電源，其提供AC柵極電壓；感應器，其與AC柵極電源串聯(lián)；單相開關矩陣；控制器，其用于控制所述單相開關矩陣，以斷開或閉合開關從而建立電流通路；隔離變壓器，其在輸入端側耦接于所述單相開關矩陣；整流器，其耦接在所述隔離變壓器的輸出端側；由此，所述控制器控制所述單相開關矩陣以用電壓對所述感應器充電，然后控制 所述開關以建立電流通路，使所述電壓和所述AC柵極電壓穿過所述隔離變壓器至所述整 流器，以對電池充電。技術方案6 如技術方案5所述的單相隔離的開關變換器電池充電器，其中所述單 相開關矩陣包括以4乘4并聯(lián)配置設置的八個開關。技術方案7 如技術方案5所述的單相隔離的開關變換器電池充電器，其中所述控 制器斷開和閉合所述開關以實現(xiàn)基本單位功率因數(shù)。技術方案8 如技術方案5所述的單相隔離的開關變換器電池充電器，其中所述控 制器實現(xiàn)低輸入AC總諧波失真。技術方案9 一種單相隔離的開關變換器電池充電器，包括AC柵極電壓電源，其提供AC柵極電壓；感應器，其與AC柵極電源串聯(lián)；單相開關矩陣，其包括以4乘4并聯(lián)配置設置的八個開關；控制器，其用于控制所述單相開關矩陣，以斷開或閉合開關從而建立電流通路；隔離變壓器，其在輸入端側耦接于所述單相開關矩陣；和整流器，其耦接于所述隔離變壓器的輸出端側；由此，所述控制器控制所述單相開關矩陣以用電壓對所述感應器充電，然后控制 所述開關以建立電流通路，使所述電壓和所述AC柵極電壓穿過所述隔離變壓器至所述整 流器，以對電池充電。技術方案10 如技術方案9所述的單相隔離的開關變換器電池充電器，其中所述 控制器斷開和閉合所述開關以實現(xiàn)基本單位功率因數(shù)。技術方案11 如技術方案9所述的單相隔離的開關變換器電池充電器，其中所述控制器實現(xiàn)低輸入AC總諧波失真。


下文將結合附圖描述本發(fā)明，其中相同的附圖標記表示相同的元件。 圖1是根據(jù)現(xiàn)有技術的充電系統(tǒng)的電路示意圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明一個實施方式的充電系統(tǒng)的電路示意圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明的控制圖2的開關的正時圖；圖4是在操作的初始階段本發(fā)明的切換設置的等效電路示意圖；圖5是本發(fā)明的正弦脈沖寬度調(diào)制(PWM)的可變工作循環(huán)控制信號D (t)的正時 圖；圖6A和6B是根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式的在AC柵極電流的正相期間本發(fā)明的 切換設置的等效電路示意圖；圖7A和7B是根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式的在AC柵極電流的負相期間本發(fā)明的 切換設置的等效電路示意圖；圖8是根據(jù)本發(fā)明一個實施方式的產(chǎn)生正弦脈沖寬度調(diào)制(PWM)的可變工作循環(huán) 控制信號D(t)的控制電路的框圖；圖9是示出本發(fā)明中為實現(xiàn)單位功率因數(shù)的變換器輸出電壓和同相位 (in-phase)的AC柵極電壓和柵極電流的波形圖。
具體實施例方式如本文中所用，詞語“示例性”指的是“用作示例、例子或說明”。以下具體描述本 質(zhì)上僅僅是示例性的，并不意在限制本發(fā)明或本發(fā)明的應用和使用。本文中作為“示例性” 描述的任何實施方式都不一定理解為比其它實施方式更優(yōu)選或更具有優(yōu)點。在具體實施方 式部分描述的所有實施方式都是示例性的實施方式，提供這些實施方式以使本領域技術人 員能夠制造或使用本發(fā)明，但并不用于限制本發(fā)明的范圍，本發(fā)明的范圍由權利要求定義。 而且，在先前的技術領域、背景技術、發(fā)明內(nèi)容或下面的具體實施方式
部分明示或暗示的任 何理論都不意在限定本發(fā)明。這樣，本文中公開的任何概念可被廣泛地應用于電動或混合動力“車輛”，且如本 文中所用，術語“車輛”寬泛地涉及無生命運輸機械。上述車輛的示例包括諸如公交車、轎 車、卡車、運動用途車輛、篷車等機動車，和諸如火車、有軌電車和礦車等機械軌道車輛等。 而且，術語“車輛”并不由諸如汽油、柴油、氫或各種其它替代燃料的任何特定推進技術所限定。示例性實施方式現(xiàn)在參照圖1，示出了根據(jù)現(xiàn)有技術的充電系統(tǒng)10。第一級12包括寬輸入電壓范 圍單位功率因數(shù)升壓變換器，其提供的輸出電壓高于電池基能量存儲系統(tǒng)(ESS)最大額定 電壓。第二級14提供電隔離并按照充電控制系統(tǒng)(未示出)的指示處理提供到ESS的電 壓和電流。充電系統(tǒng)10的缺點是兩級的效率不高，因為還需要功率升壓級以產(chǎn)生中高壓直 流母線。而且，在高功率或快速充電情況下，兩級充電系統(tǒng)10的第一級12需要多相功率柵極接線(如，兩相或三相)?，F(xiàn)在參照圖2，示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式的單級充電系統(tǒng)16。充電系統(tǒng) 16包括高頻鏈18和矩陣變換器20。高頻鏈18由高頻隔離變壓器24和全橋斬波器/整流 器26構成。高頻隔離變壓器24提供電池28與矩陣變換器20之間的電隔離。矩陣變換器20包括雙向開關30-44，雙向開關30_44被分成兩組正向(P)(雙向 開關30，36，40和42)和負向(N)(雙向開關32，34，38和44)。組P或N的選擇由來自功率 柵極電壓46的AC輸入電流的方向決定。雙向開關30-44的開關動作由狀態(tài)機式樣控制， 下面將結合圖3-7討論狀態(tài)機式樣?，F(xiàn)在參照圖3，示出了開關S1-S8 30-44的一個實施方式的正時圖。操作的初始變 換器循環(huán)由、開始并在t4結束。初始變換器循環(huán)是有用的，因為在、時刻柵極AC電流極 性50或52是未知的。因此，在tQ時刻開關Si、S2、S3、S4、S5、S6、S7和S8都被接通(閉 合)等于D(t)*(Ts/2/)微秒的時間期間，如圖3的正時圖和圖4的電路圖中所示，其中D(t) 是圖5所示的正弦調(diào)制的可變工作循環(huán)，其由控制電路產(chǎn)生，將結合圖8討論該控制電路。 如圖4中所示，在所有開關都接通(閉合)時，輸入相電流在由輸入感應器和開關形成的網(wǎng) 絡中循環(huán)，結果沒有輸出電壓通過變壓器24上。然而，閉合開關動作迫使AC柵極電壓通過 升壓感應器L48并且能量存儲在升壓感應器48中，而無論在、時刻柵極AC電流的極性如 何。 再次參照圖3，在、時刻，在等于{l-D(t)}*(Ts/2)微秒的時間期間內(nèi)，開關Si、 S7、S4和S6都關掉(斷開)，而開關S2、S3、S5和S8保持接通，如圖6A和7A中所示。該 開關操作釋放了存儲在升壓感應器48中的能量并產(chǎn)生回掃電壓?；貟唠妷罕患拥綎艠OAC 電壓50的瞬時值。在開關S2、S3、S5和S8接通時，該開關配置提供導電通路54 (或56，取 決于AC柵極電壓46的極性)，無論柵極AC電流極性50或52如何，都使來自柵極的能量和 存儲在升壓感應器中的能量通過隔離變壓器24流到變換器的輸出端，并產(chǎn)生通過隔離變 壓器24的升壓電壓Vtx 56。其中，Vtx= VAC/{(1-D(t)}并且持續(xù)時間為{1_D (t)} * (Ts/2)微秒。在t2時亥Ij，開關Si、S2、S3、S4、S5、S6、S7和S8再一次全部接通(圖4)，使得在 D (t) * (Ts/2/)微秒的時間期間上，再一次迫使AC柵極電壓24通過升壓感應器48且將能量 存儲在升壓感應器中。再參照圖3，在、時刻，在{1-D (t)}* (Ts/2)微秒時間期間上，開關S2、S3、S5和S8 都關掉(斷開)，而開關S1、S4、S6和S7保持接通，如圖6B和7B所示。該開關操作釋放了 存儲在升壓感應器48中的能量并產(chǎn)生了回掃電壓。該回掃電壓被加到柵極AC電壓50的 瞬時值。在Si、S4、S6和S7接通的情況下，該開關配置提供了導電通路55 (或57，取決于 AC柵極電壓46的極性)，使得無論柵極AC電流極性如何50或52，來自柵極的能量和存儲 在升壓感應器中的能量都通過隔離變壓器24流到變換器的輸出端，并產(chǎn)生通過隔離變壓 器24的升壓電壓Vtx (56)。其中，Vtx= VAC/{(1-D(t)}且持續(xù)時間為{1_D (t)} * (Ts/2)微秒。在時刻t(l和t4之間的初始變換器循環(huán)使得本發(fā)明具有能夠在未知柵極AC電流極 性的情況下起動的優(yōu)點。因此，本發(fā)明以在開關S2，S3，S5和S8接通的狀態(tài)(如圖6A和 7A所示)和開關Si，S4, S6和S7保持接通的狀態(tài)(如圖6B和7B所示)之間重復的循環(huán)的形式繼續(xù)進行，每個循環(huán)的開關時間是Ts且開關頻率是Fs = 1/Ts。現(xiàn)在參照圖8，以框圖的形式示出了用于產(chǎn)生正弦脈寬調(diào)制(PWM)的可變工作循 環(huán)控制信號D (t)的控制電路。對輸出電壓采樣并且將樣本60放大62后用電壓誤差放大 器68與參考電壓66比較64，誤差放大器70的輸出71被應用到乘法器72，且AC柵極電壓 被處理并且在輸出74將AC電壓24的倒數(shù)應用到乘法器72。乘法器72的輸出被應用到 電流誤差放電器76，并且對感應器電流采樣并且被輸入電流誤差放大器。將電流誤差放大 器的輸出VC 78與高頻載波VM 80比較。在一個優(yōu)選實施方式中，VM包括50kHz信號。比 較器的輸出是變換器正弦PWM調(diào)制的工作循環(huán)D (t) 82，其在圖5中示出。如結合圖3-7所 述，D(t)信號控制開關S1-S8的接通/斷開時間期間。用正弦調(diào)制的工作循環(huán)D(t)開關本發(fā)明的變換器產(chǎn)生單位功率因數(shù)充電操作并 產(chǎn)生如圖9所示的較低的總諧波失真(THD)。AC柵極輸入電壓24與柵極輸入電流(50或 52，取決于極性)同相。這在單級功率變換 器中產(chǎn)生單位功率因數(shù)。加到來自感應器48的 升壓電壓的AC柵極電壓提供具有較低的AC輸入電壓THD的約250瓦特的充電電壓25。以上以功能和/或邏輯塊部件和各種處理步驟的形式描述了一些實施例和實施 方式。然而，應當理解，上述塊部件可以通過構成為執(zhí)行指定功能的任何數(shù)量的硬件、軟件、 和/或固件部件實現(xiàn)。例如，系統(tǒng)或部件的實施例可以采用各種集成電路部件，例如存儲元 件、數(shù)字信號處理元件、邏輯元件、查詢表或類似物，這些部件在一個或多個微處理器或其 它控制裝置的控制下能實現(xiàn)多種功能。而且，本領域技術人員應當理解，本文描述的實施例 僅是示例性實施方式。在本文中，相關術語，如第一和第二等，可以單獨使用，以在不要求或暗示實體之 間或動作之間具有任何實際的上述關系時，將一個實體或動作與另一實體或動作區(qū)分開 來。而且，根據(jù)上下文，用于描述不同元件之間的關系的諸如“連接”或“耦接到”的詞語不 暗示這些元件之間必須有直接物理連接。例如，兩個元件可以通過一個或多個附加元件物 理地、電子地、邏輯地、或以任何其它形式相互連接。雖然前述具體實施方式
中描述了至少一個示例性實施方式，但應當理解的是，還 存在大量變形。還應當理解，示例性的實施例或示例性的實施方式僅是舉例，并不意在以任 何方式限制本發(fā)明的范圍、應用或構造。當然，前面的具體描述給本領域技術人員提供了實 施示例性實施例或示例性實施方式的方便的路線圖。應當理解，可以對元件的功能和配置 進行各種改變，而不超出本發(fā)明的范圍。本發(fā)明的范圍由后附的權利要求及其合法的等效 表達公開。
權利要求
一種將AC柵極電壓變換成DC充電電壓的方法，包括以下步驟將感應器耦接到AC柵極電壓和單級開關矩陣；控制單級開關矩陣以用電壓對所述感應器充電；控制單級開關矩陣以提供第一和第二電流通路，以使所述電壓和所述AC柵極電壓流過隔離變壓器，所述第一和第二電流通路響應于AC柵極電流極性；重復控制所述單級開關矩陣以用電壓對所述感應器充電；控制所述單級開關矩陣以提供第三和第四電流通路，以使所述電壓和所述AC柵極電壓流過輸入端至隔離變壓器，所述第三和第四電流通路響應于AC柵極電流極性；對來自所述隔離變壓器的輸出端的所述電壓和所述AC柵極電壓進行整流以提供充電電壓。
2.如權利要求1所述的方法，其中所述控制單級開關矩陣以用電壓對所述感應器充電 的步驟包括在第一時間期間閉合以4乘4并聯(lián)開關配置設置的八個開關。
3.如權利要求1所述的方法，其中所述控制單級開關矩陣以提供第一和第二電流通路 的步驟包括在第二時間期間將位于4乘4并聯(lián)開關配置的每一側上的第一和第三開關斷 開。
4.如權利要求1所述的方法，其中所述控制單級開關矩陣以提供第三和第四電流通路 的步驟包括在第二時間期間將位于4乘4并聯(lián)開關配置的每一側上的第二和第四開關斷 開。
5.一種單相隔離的開關變換器電池充電器，包括 AC柵極電壓電源，其提供AC柵極電壓；感應器，其與AC柵極電源串聯(lián)； 單相開關矩陣；控制器，其用于控制所述單相開關矩陣，以斷開或閉合開關從而建立電流通路； 隔離變壓器，其在輸入端側耦接于所述單相開關矩陣； 整流器，其耦接在所述隔離變壓器的輸出端側；由此，所述控制器控制所述單相開關矩陣以用電壓對所述感應器充電，然后控制所述 開關以建立電流通路，使所述電壓和所述AC柵極電壓穿過所述隔離變壓器至所述整流器， 以對電池充電。
6.如權利要求5所述的單相隔離的開關變換器電池充電器，其中所述單相開關矩陣包 括以4乘4并聯(lián)配置設置的八個開關。
7.如權利要求5所述的單相隔離的開關變換器電池充電器，其中所述控制器斷開和閉 合所述開關以實現(xiàn)基本單位功率因數(shù)。
8.如權利要求5所述的單相隔離的開關變換器電池充電器，其中所述控制器實現(xiàn)低輸 入AC總諧波失真。
9.一種單相隔離的開關變換器電池充電器，包括 AC柵極電壓電源，其提供AC柵極電壓；感應器，其與AC柵極電源串聯(lián)；單相開關矩陣，其包括以4乘4并聯(lián)配置設置的八個開關；控制器，其用于控制所述單相開關矩陣，以斷開或閉合開關從而建立電流通路；隔離變壓器，其在輸入端側耦接于所述單相開關矩陣；和 整流器，其耦接于所述隔離變壓器的輸出端側；由此，所述控制器控制所述單相開關矩陣以用電壓對所述感應器充電，然后控制所述 開關以建立電流通路，使所述電壓和所述AC柵極電壓穿過所述隔離變壓器至所述整流器， 以對電池充電。
10.如權利要求9所述的單相隔離的開關變換器電池充電器，其中所述控制器斷開和 閉合所述開關以實現(xiàn)基本單位功率因數(shù)。
全文摘要
提供了用于單位功率因數(shù)的隔離的單相矩陣變換器電池充電器。在一個實施方式中，AC柵極電壓電源耦接至感應器和開關矩陣。對感應器充電并且控制所述開關矩陣以建立多種電流通路，以使電壓穿過感應器以增加AC柵極電壓。升壓的AC柵極電壓流過隔離變壓器以被整流，從而被用于對用于電動車輛的電池組充電。
文檔編號H02J7/10GK101847888SQ20101014548
公開日2010年9月29日 申請日期2010年3月29日 優(yōu)先權日2009年3月27日
發(fā)明者L·A·卡尤克 申請人:通用汽車環(huán)球科技運作公司