汽车高压整流器电路的制作方法

1.本公开涉及用于机动车辆的电力系统。


背景技术：

2.电动化车辆可能包括牵引电池和辅助电池。牵引电池可以用于为电机供电以进行推进。辅助电池可以用于为娱乐系统、内部照明系统等供电。牵引电池和辅助电池可以被布置为使得一个可以给另一个充电。


技术实现要素：

3.一种电力系统包括dc/ac转换器，所述dc/ac转换器具有输入电压；ac/dc转换器，所述ac/dc转换器包括多个二极管和多个电容器；以及电连接在所述dc/ac转换器和所述ac/dc转换器之间的变压器，所述变压器包括端子。所述二极管和所述电容器被布置为使得当跨所述端子的电压处于正半周期中时，所述二极管的第一子集导通，所述电容器的第一子集是并联的，并且跨所述电容器中的每一个的电压是所述输入电压的一半。
4.一种车辆具有电力系统，所述电力系统包括dc/ac转换器、牵引电池、电连接在所述dc/ac转换器和所述牵引电池之间的ac/dc转换器以及电连接在所述dc/ac转换器和所述ac/dc转换器之间的变压器。所述ac/dc转换器包括多个半导体装置和多个电容器，使得在从所述dc/ac转换器至所述牵引电池的电力传送期间，跨所述电容器中的每一个的电压为所述牵引电池的电压的一半。
5.一种整流器具有电路，所述电路包括六个二极管、三个电容器、输入端子和输出端子，其共同地被布置为使得当跨所述输入端子的ac电压处于正半周期中时，所述二极管中的三个导通，所述电容器中的两个是并联的，并且跨所述电容器中的每一个的电压是在所述输出端子之间测量的所述电压的一半。
附图说明
6.图1是典型的无源整流器电路的示意图。
7.图2是具有包括图1的整流器电路的车载充电器的车辆的框图。
8.图3是提出的整流器电路的示意图。
9.图4是具有包括图3的整流器电路的车载充电器的车辆的框图。
10.图5是当电池电压为800v并且充电电流为200a时针对图3的整流器电路的电池充电电流对时间的迹线。
11.图6是在针对图5指出的条件下dc链路电压和电池电压对时间的迹线。
12.图7和图8是在针对图5指出的条件下链路电容器电压对时间的迹线。
13.图9和图10是在针对图5指出的条件下功率半导体装置电压的迹线。
14.图11是当电池电压为600v并且充电电流为200a时针对图3的整流器电路的电池充电电流对时间的迹线。
15.图12是在针对图11指出的条件下dc链路电压和电池电压对时间的迹线。
16.图13和图14是在针对图11指出的条件下链路电容器电压对时间的迹线。
17.图15和图16是在针对图11指出的条件下功率半导体装置电压的迹线。
具体实施方式
18.本文描述了实施例。然而，应理解，所公开的实施例仅是示例并且其他实施例可采用各种形式和替代形式。附图不一定按比例绘制。一些特征可被放大或最小化以示出特定部件的细节。因此，本文所公开的具体结构细节和功能细节不应被解释为是限制性的，而是仅仅作为用于教导本领域技术人员的代表性基础。
19.参考附图中的任何一个示出和描述的各种特征可与一个或多个其他附图中示出的特征组合以产生未明确示出或描述的实施例。示出的特征的组合提供用于典型应用的代表性实施例。然而，对于特定的应用或实现方式，可能期望与本公开的教导一致的对特征的各种组合和修改。
20.图1示出了将ac电力转换为dc电力的典型的无源整流器电路10。所述电路包括ac端子12、二极管14、16、18、20，链路电容器22和dc端子24。二极管14、16与二极管18、20并联。链路电容器22与二极管14、16和二极管18、20并联。在该电路中，二极管14、16、18、20的电压应力是跨dc端子的电压vdc。在vdc小于450v的应用中，可以选择具有小于650v的电压额定值的二极管。然而，如果vdc大于450v，则二极管可能需要大于650v的电压额定值。高压额定值装置的常见问题可能包括有限的选择、较高的费用以及较低的性能(例如，高电压降、高反向恢复损耗、高泄漏电流、较低的开关速度限制等)。
21.如图2所示，用于电动车辆26的整流器电路10的应用是车载充电器28。车载充电器28包括ac/dc转换器30、dc/ac转换器32、变压器34、整流器电路10和电池(例如，牵引电池)36。dc/ac转换器32电连接在ac/dc转换器30和变压器34之间。变压器34电连接在dc/ac转换器32和整流器电路10之间。整流器电路10电连接在变压器34和牵引电池36之间。整流器电路10将ac电转换为dc电以对牵引电池36充电，所述牵引电池是车辆26的能量源。该电经由与ac/dc转换器30电连接的电动车辆供电装备38被输送至车辆26。二极管14、16、18、20的电压额定值是由牵引电池36的电压确定的。
22.为了满足高驱动能力电动车辆的日益增长的需求，牵引逆变器和马达的功率容量已显著增加。不断增长的电力需求对逆变器/马达和高压电缆系统的设计提出了挑战。增加电动车辆驱动系统的功率容量的一个选项是将牵引电池的电压增加至500v、600v或800v。该增加的电池电压在不增加逆变器/马达和高压电缆系统的电流额定值的情况下大大增加了牵引逆变器/马达的功率容量。然而，较高的电池电压增加可能对整流器装置14、16、18、20施加应力，并且因此可能使用具有大于650v的电压额定值的装置。例如，如果电池电压为800v，则整流器装置14、16、18、20的电压应力为800v，并且因此可能使用1200v额定装置。高压装置可能导致更高的车载充电器费用和更低的效率。这里，提出了三电平整流器电路来解决这些问题。
23.如图3所示，三电平整流器电路40包括ac端子42a、42b、功率半导体装置(例如，二极管)44、46、48、50、52、54、链路电容器56、58、60和dc端子62a、62b。功率半导体装置44、46串联连接，功率半导体装置48、50、52、54串联连接，并且链路电容器58、60串联连接。功率半
导体装置44、46、功率半导体装置50、52和链路电容器56是并联的。ac端子42a电连接在功率半导体装置44、46之间。ac端子42b电连接在功率半导体装置50、52和链路电容器58、60之间。
24.这种布置将功率半导体装置44、46、48、50、52、54的电压应力降低到跨dc端子62a、62b的电压vb的一半。当跨ac端子42a、42b的电压处于正半周期中时，功率半导体装置44、48、52将导通(开)，功率半导体装置46、50、54将不导通(关)，并且链路电容器56和58将并联且充电。当跨ac端子42a、42b的电压处于负半周期中时，功率半导体装置46、50、54将导通(开)，功率半导体装置44、48、52将不导通(关)，并且链路电容器56和60将并联且充电。因此，链路电容器56、58、60的电压相同并且等于vb的一半。并且，功率半导体装置44、46、48、50、52、54的电压应力是跨链路电容器56、58、60的电压并且等于vb的一半。因此，可以使用具有较低电压额定值的功率半导体装置。
25.图4示出了整流器电路40在用于电动或混合动力车辆66的车载充电器64中的应用。车载充电器64包括ac/dc转换器68、dc/ac转换器72、变压器74、整流器电路40和电池(例如，牵引电池)76。dc/ac转换器72电连接在ac/dc转换器68和变压器74之间。变压器74电连接在dc/ac转换器72和整流器电路40之间。整流器电路40电连接在变压器74和牵引电池76之间。整流器电路40将ac电转换为dc电以对牵引电池76充电，所述牵引电池是车辆66的能量源。该ac电经由与ac/dc转换器68电连接的电动车辆供电装备78被输送至车辆66。功率半导体装置44、46、48、50、52、54的电压额定值由牵引电池76的电压确定。
26.如果牵引电池76的电压为800v，则跨链路电容器56、58、60中的每一个的电压为400v，功率半导体装置44、46、48、50、52、54中的每一个的电压应力为400v，并且因此600v功率半导体装置(例如，二极管)可以用于功率半导体装置44、46、48、50、52、54。相比之下，对于整流器电路10而言，将使用1200v功率半导体装置。
27.图5至图16示出了模拟结果。在这些模拟中，开关频率为30khz，变压器的匝数比为1:1，并且在图3中，vdc由转换器控制在400v。
28.图5至图10示出了当电池电压vb为800v并且充电电流ib为200a时的情况。链路电容器56、58、60具有相同的400v电压(v
56
、v
58
、v
60
)，因此功率半导体装置44、46、48、50、52、54显示出400v电压应力(例如，v
46
、v
48
)。
29.图11至图16示出了当电池电压vb为600v并且充电电流ib为200a时的情况。链路电容器56、58、60具有相同的300v电压(v
56
、v
58
、v
60
)，因此功率半导体装置44、46、48、50、52、54显示出300v电压应力(例如，v
46
、v
48
)。
30.这里，与现有的整流器电路相比，提出了三电平整流器电路以将电压应力降低一半。较低的电压应力使得具有较低电压额定值和较高性能的功率半导体装置能够用于基于高电池电压的电驱动系统的应用，这可以降低转换器的费用并且提高转换效率。例如，如果用于具有800v电池的电动车辆的车载充电器使用现有的整流器电路，则可能使用较高费用和较低性能的1200v二极管。然而，如果使用所提出的整流器电路，则可以使用较低费用和较高性能的600v二极管。因此，可以降低车载充电器的费用并且可以提高效率。
31.本文公开的算法、方法或过程可以被输送到计算机、控制器或处理装置或由所述计算机、控制器或处理装置实现，所述计算机、控制器或处理装置可以包括任何专用电子控制单元或可编程电子控制单元。相似地，算法、方法或过程可以多种形式存储为可由计算机
或控制器执行的数据和指令，包括但不限于永久存储在诸如只读存储器装置的不可写存储介质上的信息和可改地存储在诸如光盘、随机存取存储器装置或其他磁性和光学介质的可写存储介质上的信息。所述算法、方法或过程也可在软件可执行对象中实现。替代地，可使用合适的硬件部件(诸如专用集成电路、现场可编程门阵列、状态机或其他硬件部件或装置)或固件、硬件和软件部件的组合来整体或部分实现所述算法、方法或过程。
32.虽然上文描述了示例性实施例，但这些实施例并不意图描述权利要求所涵盖的所有可能形式。在说明书中使用的词语是描述性词语而非限制性词语，并且应理解，可以在不脱离本公开的精神和范围的情况下做出各种改变。
33.如前所描述的，各个实施例的特征可以被组合以形成本发明的可能未被明确描述或示出的另外的实施例。虽然各种实施例可能已经被描述为就一个或多个期望的特性而言相较其他实施例或现有技术实现方式提供了优点或是优选的，但是本领域普通技术人员应认识到，一个或多个特征或特性可被折衷以实现期望的总体系统属性，这取决于具体的应用和实现方式。这些属性可包括但不限于：强度、耐久性、可销售性、外观、包装、大小、可服务性、重量、可制造性、易组装性等。这样，描述为就一个或多个特性而言较其他实施例或现有技术实现方式不太期望的实施例不在本公开的范围之外，并且对于特定应用可能是期望的。
34.根据本发明，提供了一种车辆的电力系统，其具有dc/ac转换器，所述dc/ac转换器具有输入电压；ac/dc转换器，所述ac/dc转换器包括多个二极管和多个电容器；以及电连接在所述dc/ac转换器和所述ac/dc转换器之间的变压器，所述变压器包括端子，其中所述二极管和所述电容器被布置为使得当跨所述端子的电压处于正半周期中时，所述二极管的第一子集导通，所述电容器的第一子集是并联的，并且跨所述电容器中的每一个的电压是所述输入电压的一半。
35.根据一个实施例，所述二极管和所述电容器还被布置为使得当跨所述端子的所述电压处于负半周期中时，所述二极管的第二子集导通，所述电容器的所述第一子集中的至少一个和所述电容器的另一子集中的至少一个是并联的，并且跨所述电容器中的每一个的电压是所述输入电压的一半。
36.根据一个实施例，本发明的特征还在于牵引电池，其中所述ac/dc转换器电连接在所述变压器和所述牵引电池之间。
37.根据一个实施例，所述多个二极管为六个二极管，并且其中所述二极管的所述第一子集是所述六个二极管中的三个。
38.根据一个实施例，所述六个二极管中的四个串联连接。
39.根据一个实施例，所述多个电容器为三个电容器。
40.根据一个实施例，所述三个电容器中的两个串联连接。
41.根据一个实施例，所述两个串联连接的电容器与所述牵引电池并联。
42.根据本发明，提供了一种车辆，所述车辆具有电力系统，所述电力系统包括dc/ac转换器、牵引电池、电连接在所述dc/ac转换器和所述牵引电池之间的ac/dc转换器以及电连接在所述dc/ac转换器和所述ac/dc转换器之间的变压器，其中所述ac/dc转换器包括多个半导体装置和多个电容器，使得在从所述dc/ac转换器至所述牵引电池的电力传送期间，跨所述电容器中的每一个的电压为所述牵引电池的电压的一半。
43.根据一个实施例，所述半导体装置和所述电容器被布置为使得当跨所述变压器的端子的电压处于正半周期中时，所述半导体装置的第一子集导通，并且所述电容器的第一子集是并联的。
44.根据一个实施例，所述半导体装置和电容器还被配置为使得当跨所述端子的所述电压处于负半周期中时，所述半导体装置的第二子集导通，并且所述电容器的所述第一子集中的至少一个和所述电容器的另一子集中的至少一个是并联的。
45.根据一个实施例，所述多个半导体装置是六个半导体装置。
46.根据一个实施例，所述六个半导体装置中的四个串联连接。
47.根据一个实施例，所述多个电容器为三个电容器。
48.根据一个实施例，所述三个电容器中的两个串联连接。
49.根据一个实施例，所述两个串联连接的电容器与所述牵引电池并联。
50.根据一个实施例，所述半导体装置是二极管。
51.根据本发明，提供了一种整流器，所述整流器具有电路，所述电路包括六个二极管、三个电容器、输入端子和输出端子，其共同地被布置为使得当跨所述输入端子的ac电压处于正半周期中时，所述二极管中的三个导通，所述电容器中的两个是并联的，并且跨所述电容器中的每一个的电压是在所述输出端子之间测量的所述电压的一半。
52.根据一个实施例，所述六个二极管、三个电容器、输入端子和输出端子还共同地被布置为使得当所述ac电压处于负半周期中时，所述二极管中的另外三个导通，所述两电容器中的一个和所述三个电容器中的另一个是并联的，并且跨所述电容器中的每一个的电压是在所述输出端子之间测量的所述电压的一半。

技术特征：
1.一种车辆的电力系统，其包括：dc/ac转换器，所述dc/ac转换器具有输入电压；ac/dc转换器，所述ac/dc转换器包括多个二极管和多个电容器；以及电连接在所述dc/ac转换器和所述ac/dc转换器之间的变压器，所述变压器包括端子，其中所述二极管和所述电容器被布置为使得当跨所述端子的电压处于正半周期中时，所述二极管的第一子集导通，所述电容器的第一子集是并联的，并且跨所述电容器中的每一个的电压是所述输入电压的一半。2.如权利要求1所述的电力系统，其中所述二极管和所述电容器还被布置为使得当跨所述端子的所述电压处于负半周期中时，所述二极管的第二子集导通，所述电容器的所述第一子集中的至少一个和所述电容器的另一子集中的至少一个是并联的，并且跨所述电容器中的每一个的电压是所述输入电压的一半。3.如权利要求1所述的电力系统，其还包括牵引电池，其中所述ac/dc转换器电连接在所述变压器和所述牵引电池之间。4.如权利要求1所述的电力系统，其中所述多个二极管为六个二极管，并且其中所述二极管的所述第一子集是所述六个二极管中的三个。5.如权利要求4所述的电力系统，其中所述六个二极管中的四个串联连接。6.如权利要求3所述的电力系统，其中所述多个电容器为三个电容器。7.如权利要求6所述的电力系统，其中所述三个电容器中的两个串联连接。8.如权利要求7所述的电力系统，其中所述两个串联连接的电容器与所述牵引电池并联。9.一种车辆，其包括：电力系统，所述电力系统包括dc/ac转换器、牵引电池、电连接在所述dc/ac转换器和所述牵引电池之间的ac/dc转换器以及电连接在所述dc/ac转换器和所述ac/dc转换器之间的变压器，其中所述ac/dc转换器包括多个半导体装置和多个电容器，使得在从所述dc/ac转换器至所述牵引电池的电力传送期间，跨所述电容器中的每一个的电压为所述牵引电池的电压的一半。10.如权利要求9所述的车辆，其中所述半导体装置和所述电容器被布置为使得当跨所述变压器的端子的电压处于正半周期中时，所述半导体装置的第一子集导通，并且所述电容器的第一子集是并联的。11.如权利要求10所述的车辆，其中所述半导体装置和电容器还被配置为使得当跨所述端子的所述电压处于负半周期中时，所述半导体装置的第二子集导通，并且所述电容器的所述第一子集中的至少一个和所述电容器的另一子集中的至少一个是并联的。12.如权利要求9所述的车辆，其中所述多个半导体装置是六个半导体装置。13.如权利要求12所述的车辆，其中所述六个半导体装置中的四个串联连接。14.如权利要求9所述的车辆，其中所述多个电容器为三个电容器。15.如权利要求14所述的车辆，其中所述三个电容器中的两个串联连接。

技术总结
本公开提供了“汽车高压整流器电路”。一种电力系统包括DC/AC转换器、牵引电池、电连接在所述DC/AC转换器和所述牵引电池之间的AC/DC转换器以及电连接在所述DC/AC转换器和所述AC/DC转换器之间的变压器。所述AC/DC转换器包括多个半导体装置和多个电容器，使得在从所述DC/AC转换器至所述牵引电池的电力传送期间，跨所述电容器中的每一个的电压为电池电压的一半。一半。一半。


技术研发人员：宋延涛 葛宝明 陈礼华 塞尔达
受保护的技术使用者：福特全球技术公司
技术研发日：2022.12.22
技术公布日：2023/7/20