具有減小的無源部件尺寸和共模電磁干擾的單相雙向交流直流轉換器的制造方法
【專利說明】具有減小的無源部件尺寸和共模電磁干擾的單相雙向交流 直流轉換器
[0001] 相關申請的交叉引用
[0002] 本申請要求于2014年4月11日提交的美國發明專利申請第14/251,080號的優 先權，以及于2013年4月17日提交的美國臨時申請第61/812, 969號的權益。上述申請的 全部公開內容通過引用被合并到本文中。
[0003] 政府條款
[0004] 本發明是使用根據能源部授予的授權號為DE-EE0002720的政府支持做出的。政 府具有本發明中的某些權力。
技術領域
[0005] 本公開內容涉及具有減小的無源部件尺寸和共模電磁干擾的單相雙向交流直流 (AC-DC)轉換器。
【背景技術】
[0006] 預期在不久的將來車輛到電網（V2G)技術會被商業化。V2G使用車輛中的電池作 為電力系統的能量存儲單元。它可以通過填谷和調峰來幫助平衡負載。作為能量緩沖級，通 過在高功率輸出時段期間存儲多余能量以及在高負載時段回供多余能量，它對于諸如風能 和太陽能的可再生能源很有幫助。為了實現V2G功能，需要可以在電力網與電池之間交換 能量的雙向板載充電器。當板載充電器將來自交流（AC)電力系統的能量轉換成直流（DC) 時，對于相同的實際功耗量，低功率因子充電器將比高功率因子充電器從電力網吸取更大 的電流。額外電流意味著引起額外損耗的能量循環以及對更大系統容量的需要。從而，功 率因子校正（PFC)轉換器是板載充電器的中等功率應用至大功率應用所必需的前級。上面 兩個原因需要具有用于板載充電器的PFC功能的雙向交流直流轉換器。
[0007] 對于汽車工程師學會（SAE)交流等級2中的電動車輛充電器，單相交流功率的輸 入可以高達19. 2kW。在該功率等級處，在輸入級處具有一個電感器的傳統拓撲結構將是笨 重和昂貴的。然而，如果選擇較小的電感器，則輸入電流諧波將增加，這需要較大的EMI濾 波器以滿足規定。如果采用更高的切換頻率來減小輸入電流紋波，則其意味著更多的切換 損耗和更低的效率。
[0008] 對于板載充電器而言，尺寸和重量是重要的因素，因為車輛將一直攜帶充電器。效 率也非常重要，因為能量首先從電源被傳送至電池，然后再從電池傳送至負載。每次傳送浪 費一些能量。效率低意味著巨大的能量浪費。為了實現緊湊和高效，存在在不增加切換頻 率（當切換頻率增加時效率通常降低）的情況下減小無源部件尺寸的需要。
[0009] 在本公開內容中，提出了用于交流直流轉換器的高階輸入濾波器，使得可以減小 無源部件尺寸。濾波器集成有差模功能和共模功能兩者，并且容易解決共模EMI問題。為 了對具有提出的輸入濾波器拓撲結構的轉換器進行控制，還開發了具有減少的計算和測量 的基于模型的方法，這同時實現快速和魯棒的性能以及低控制成本。
[0010] 本部分提供了與本公開內容有關的背景信息，該背景信息不一定是現有技術。

【發明內容】

[0011] 本部分提供了本公開內容的總體概要，而不是其全部范圍或其所有特征的全面公 開。
[0012] 提供了一種具有減小的無源部件尺寸和共模電磁干擾的雙向交流直流轉換器。該 交流直流轉換器包括被配置成接收交流輸入的轉換器電路以及介于交流輸入電路與轉換 器電路之間的改進的輸入濾波器。轉換器電路被配置成接收來自輸入濾波器的交流輸入以 及輸出直流信號。輸入濾波器包括一對共模電感器（common inductor)、一對差分電感器、 差分電容器和兩個共模電容器。
[0013] -對差分電感器中的第一差分電感器具有電連接至交流輸入的一側的第一端子； 而一對差分電感器中的第二差分電感器具有電連接至交流輸入的另一側的第一端子。第一 差分電感器和第二差分電感器感應地耦合在一起并且共享公共磁芯。
[0014] 另外，一對共模電感器中的第一共模電感器具有電耦合至第一差分電感器的第二 端子的第一端子，以及一對共模電感器中的第二共模電感器具有電耦合至第二差分電感器 的第二端子的第一端子。第一共模電感器和第二共模電感器感應地耦合在一起并且共享公 共磁芯。
[0015] 第一共模電容器電親合在第一差分電感器的第二端子與地之間。第二共模電容器 電親合在第二差分電感器的第二端子與地之間。差分電容器跨交流輸入電親合。更具體 地，差分電容器具有電耦合至第一差分電感器的第二端子的第一端子和電耦合至第二差分 電感器的第二端子的第二端子。
[0016] 在一些實施方式中，一對差分電感器的耦合系數約為1 ;而一對共模電感器的耦 合系數小于1。
[0017] 在其他實施方式中，第二對差分電感器與一對共模電感器串聯耦合。在該布置中， 第二對差分電感器中的第一差分電感器具有電耦合至第一共模電感器的第二端子的第一 端子，以及第二對差分電感器中的第二差分電感器具有電耦合至第二共模電感器的第二端 子的第一端子。此外，第一共模電感器和第二共模電感器感應地耦合在一起并且共享公共 磁芯。
[0018] 根據本文中提供的描述會明白其他適用領域。本
【發明內容】
中的描述和具體示例僅 意在說明的目的，而不意在限制本公開內容的范圍。
【附圖說明】
[0019] 本文中描述的附圖僅出于所選擇的實施方式而非所有可能的實現的說明性目的， 并且不意在限制本公開內容的范圍。
[0020] 圖1是提出的雙向交流直流轉換器的示意圖；
[0021] 圖2是沒有磁集成的高階輸入濾波器的替選實施方式的示意圖；
[0022] 圖3是描繪提出的交流直流轉換器的差分模型的圖；
[0023] 圖4是描繪提出的交流直流轉換器的共模模型的圖；
[0024] 圖5是示出用于提出的交流直流轉換器的示例單極脈寬調制方案的時序圖；
[0025] 圖6是描繪用于提出的交流直流轉換器的示例反饋控制方法的圖；
[0026] 圖7是描繪在沒有利用提出的反饋控制方法的情況下的輸入電流的曲線圖；
[0027] 圖8是描繪在利用提出的反饋控制方法的情況下的輸入電流的曲線圖；
[0028] 圖9是描繪具有LCL輸入濾波器的常規轉換器中的輸出地與交流中性線之間的電 壓的曲線圖；
[0029] 圖10是描繪提出的交流直流轉換器中的輸出地與交流中性線之間的電壓的曲線 圖；
[0030] 圖11是描繪提出的交流直流轉換器的負載階躍響應（load step response)的曲 線圖；
[0031] 圖12是描繪提出的交流直流轉換器的源階躍響應的曲線圖；
[0032] 圖13是示出提出的交流直流轉換器的無功功率補償結果的曲線圖；以及
[0033] 圖14是示出提出的交流直流轉換器的諧波電流注入結果的曲線圖。
[0034] 貫穿附圖中的若干視圖，相應的附圖標記指示相應的部分。
【具體實施方式】
[0035] 現在將參照附圖更全面地描述示例實施方式。
[0036] 圖1描繪了交流直流轉換器10的示例實施方式。轉換器通常包括EMI濾波器12、 高階輸入濾波器14、轉換器電路16和輸出電容器18。在示例實施方式中，負載19是諸如 隔離的直流/直流轉換器的板載充電器的次級。容易理解的是，可以在該轉換器中使用任 意類型的負載。
[0037] 高階輸入濾波器14包括一對差分電感器（1^和LDb)、一對共模電感器（1^和L cb)、 差分電容器（Cx)和兩個共模電容器（CyJPC Yb)。第一差分電感器LDa具有電連接至交流輸 入11的負載端子的第一端子；而第二差分電感器L Db具有電連接至交流輸入11的另一側 (或中性端子）的第一端子。注意，第一差分電感器和第二差分電感器（L dJpld1j)感應地 耦合在一起并且共享公共磁芯。
[0038] 共模電感器對（LeJPLeb)與差分電感器對（L dJPLd1j)串聯電親合。即，第一共模電 感器Lea的第一端子電親合至第一差分電感器L Da的第二端子，以及第二共模電感器Leb的第 一端子電耦合至第二差分電感器L Db的第二端子。每個共模電感器的第二端子電耦合至轉 換器電路16。同樣地，第一共模電感器和第二共模電感器感應地耦合在一起并且共享公共 磁芯。共模電感器（L eJPLeb)進行操作以減小轉換器中的循環共模電流（common current)。
[0039] 在一個實施方式中，差分電感器對（1^和LDb)的親合系數約為1 ;而共模電感器對 (Lca和Leb)的耦合系數小于1。這些耦合系數的其他值也被本公開內容考慮到。
[0040] 差分電容器Cx跨交流輸入電親合并且用作差分濾波器。在不例實施方式中，差分 電容器具有電耦合至被布置在第一差分電感器與第一共模電感器之間的節點的一個端子， 而差分電容器的另一端子電耦合至被布置在第二差分電感器與第二共模電感器之間的節 點。可以設想的是，差分電容器可以被布置在轉換器中的其他位置處。
[0041] 兩個共模電容器CYa和C Yb用于消除電磁干擾。一個共模電容器C Ya電耦合在地和 被布置在第一差分電感器與第一共模電感器之間的節點之間；而另一個共模電容器CYb電 耦合在地和被布置在第二