用于电动车辆的高功率密度低电压DC-DC转换器的设计和优化

摘要

公开了一种用于电动车辆(EV)车载低电压DC‑DC充电器(LDC)的具有高效率的电感器‑电感器‑电容器(EEC)功率转换器。该转换器包括开关桥，该开关桥具有多个桥开关并且被配置成根据直流输入电压生成输出。EEC储能电路耦接至开关桥并且包括谐振电感器和谐振电容器以及连接在谐振电感器与谐振电容器之间的并联电感器。储能电路被配置成根据开关桥的输出来输出谐振正弦电流。至少一个变压器具有与电感器‑电感器‑电容器储能电路的并联电感器并联的至少一个初级绕组和至少一个次级绕组。至少一个整流器耦接至至少一个次级绕组并且被配置成输出整流的交变电流。

说明书

相关申请的交叉引用

本PCT国际专利申请要求于2019年1月25日提交的题为“Design andOptimization of a High Power Density Low Voltage DC-DC Converter for ElectricVehicles(EVs)”的美国临时申请第62/796,828号的权益。上述申请的全部公开内容被认为是本申请的公开内容的一部分并通过引用并入本文中。

技术领域

本公开内容总体上涉及DC-DC转换器。更具体地，本公开内容涉及电感器-电感器-电容器(LLC)型DC-DC功率转换器。

背景技术

随着对环境友好的能源的需求不断增加，电动车辆(EV)技术的研究和发展变得越来越重要。对于EV电力系统，需要低电压DC-DC转换器(LDC)将来自高电压电池(250V至430V)的功率转换为低电压电池(9V至16V)，以支持照明、音频、空调和其他辅助功能。这样的功能使用户更舒适，但是相比之下，用户也需要LDC来提供更高的功率。高功率和低电压共同引入了极高的输出电流的问题，这是改进效率和尺寸的巨大障碍。

另外，发展中的EV电池技术和市场仍在寻求更安全、更小且更高效的解决方案。因此，存在对改进的转换器的需要。因此，期望至少部分地解决上述缺点并且使技术进步的解决方案。

发明内容

本章节提供了本公开内容的一般概述，并且不旨在被解释为对其全部范围或其特征、方面和目标中的所有的全面公开。

本公开内容的方面提供了一种直流-直流(DC-DC)转换器。转换器包括具有多个桥开关的开关桥。开关桥被配置成根据跨正输入端子和负输入端子提供的直流输入电压来生成方波输出。电感器-电感器-电容器储能电路耦接至开关桥并且包括谐振电感器、谐振电容器以及连接在谐振电感器与谐振电容器之间的并联电感器。电感器-电感器-电容器储能电路被配置成根据开关桥的方波输出来输出谐振正弦电流。转换器还包括至少一个变压器，所述至少一个变压器具有与电感器-电感器-电容器储能电路的并联电感器并联的至少一个初级绕组和至少一个次级绕组。至少一个整流器耦接到至少一个变压器的至少一个次级绕组并且被配置成跨正输出端子和负输出端子输出整流的交变电流(alternatingcurrent)。

根据本文中提供的描述，这些方面和其他方面以及应用领域将变得明显。本发明内容中的描述和具体示例旨在仅用于说明的目的，并且不旨在限制本公开内容的范围。

附图说明

本文中描述的附图仅出于选择的实施方式而非所有实现的说明性目的，并且不旨在将本公开内容限制为仅实际示出的内容。考虑到这一点，当结合附图考虑时，根据以下书面说明书，本公开内容的示例实施方式的各种特征和优点将变得明显，在附图中：

图1是示出根据本公开内容的方面的包括低电压DC-DC转换器(LDC)的机动车辆的配电系统的框图示意图；

图2是根据本公开内容的方面的示例单相双变压器电感器-电感器-电容器(LLC)LDC的电路图；

图3示出了根据本公开内容的方面的转换器的双变压器的截面图；

图4示出了根据本公开内容的方面的电压增益相对于指定频率的曲线图；

图5是示出了包括具有传统绕组的并联电感器中的边缘效应的磁场的图；

图6至图8示出了根据本公开内容的方面的装配转换器的具有分离绕组的并联电感器的步骤；

图9是示出了根据本公开内容的方面的包括具有分离绕组的并联电感器的边缘效应的磁场的图；以及

图10是示出了根据本公开内容的方面的转换器在14V输出下且在不同的输入电压下的效率的曲线图。

具体实施方式

在以下描述中，阐述了细节以提供对本公开内容的理解。在一些实例中，为了不使本公开内容模糊，没有详细地描述或示出某些电路、结构和技术。

通常，在本文中公开了低电压DC-DC转换器(LDC)。将结合一个或更多个示例实施方式来描述本公开内容的转换器。更具体地，公开了具有高功率密度的低电压DC-DC转换器。在一些实施方式中，DC-DC转换器可以被用作用于电动车辆(EV)的车载电池充电器。然而，所公开的特定示例实施方式仅仅被提供以描述本发明的构思、特征、优点和目的，这将足够清楚以允许本领域技术人员理解和实践本公开内容。

在附图中，用相同的附图标记来标记重复出现的特征。图1是示出了具有多个车轮14的机动车辆12的配电系统10的示意图。配电系统10包括高电压(HV)总线20，该高电压(HV)总线20连接至HV电池22以向马达24供应电力，该马达24被配置成驱动车轮14中的一个或更多个。HV总线20可以具有250VDC至430VDC的标称电压，但是也可以使用其他电压。经由诸如变频交流(AC)驱动器的牵引变流器26和高电压DC-DC转换器28向马达24供应电力。高电压DC-DC转换器28向牵引变流器26供应经滤波的和/或经调节的DC电力，该DC电力具有可以大于、小于或等于HV总线20的DC电压的电压。低电压DC-DC转换器(LDC)30被连接至HV总线20并且被配置成经由LV总线34向一个或更多个LV负载32供应低电压(LV)电力。LDC 30的额定功率可以为1kW至3kW，但是额定功率可以更高或更低。LV负载32可以包括例如照明装置、音频装置等。LDC 30可以被配置成向低电压负载32供应具有例如9VDC至16VDC的电压的DC电力，但是也可以使用其他电压。辅助LV电池36连接至LV总线34。辅助LV电池36可以是铅酸电池，例如在常规车辆电力系统中使用的那些电池。当LDC 30不可用时，辅助LV电池36可以向LV负载32供应电力。替选地或另外地，辅助LV电池36可以向LV负载32提供超过LDC 30的输出的补充电力。例如，辅助LV电池36可以向起动马达供应超过LDC 30的输出的大的浪涌电流。辅助LV电池36可以稳定和/或调节LV总线34上的电压。车载充电器40和/或非车载充电器42向HV总线20供应HV电力以用于给HV电池22充电。

图2示出了单相转换器48(例如，作为LDC 30的一部分或者包括LDC 30)的电路图。转换器48包括具有多个桥开关Q1、Q2、Q3、Q4的开关桥50，并且被配置成根据跨正输入端子52和负输入端子54提供的直流输入电压Vin来生成方波输出。电感器-电感器-电容器储能电路56耦接至开关桥50并且包括谐振电感器Lr、谐振电容器Cr以及连接在谐振电感器Lr与谐振电容器Cr之间的并联电感器Lp。电感器-电感器-电容器储能电路56被配置成根据开关桥50的方波输出来输出谐振正弦电流。转换器48还包括至少一个变压器58、59，所述至少一个变压器58、59具有与电感器-电感器-电容器储能电路56的并联电感器Lp并联的至少一个初级绕组60、62和至少一个次级绕组64、66、68、70。另外，至少一个整流器72、74耦接至至少一个变压器58、59的至少一个次级绕组64、66、68、70，并且被配置成跨正输出端子76和负输出端子78输出整流的交变电流Vo。应当理解的是，虽然仅示出了单相，但是转换器48可以包括用于每相(例如，3相)的多个单相电路。

根据一个方面，至少一个变压器58、59包括并联的第一变压器58和第二变压器59以共享跨正输出端子76和负输出端子78传导的负载电流并且减少次级功率损耗。换句话说，两个变压器58、59在次级侧上并联连接以降低高输出电流应力，并且两个变压器58、59在初级侧上串联连接以平衡负载。

具体地，至少一个初级绕组60、62包括第一初级绕组60和第二初级绕组62(第一初级绕组60和第二初级绕组62在图2中被分别示出，然而，可以替代为单个初级绕组)。至少一个次级绕组64、66、68、70包括：一对第一次级绕组64、66，在所述一对第一次级绕组64、66之间设置有第一中心抽头端子80；以及一对第二次级绕组68、70，在所述一对第二次级绕组68、70之间设置有第二中心抽头端子82。因此，第一变压器58包括第一初级绕组60和一对第一次级绕组64、66，并且第二变压器59包括第二初级绕组62和一对第二次级绕组68、70。

至少一个整流器72、74包括耦接至一对第一次级绕组64、66的第一同步整流器84和耦接至一对第二次级绕组68、70的第二同步整流器86。第一同步整流器84包括耦接在一对第一次级绕组64、66的第一正次级端子88与负输出端子78之间的第一同步整流开关SR1。第一同步整流器84还包括耦接在一对第一次级绕组64、66的第一负次级端子90与负输出端子78之间的第二同步整流开关SR2。第二同步整流器86包括耦接在一对第二次级绕组68、70的第二正次级端子92与负输出端子78之间的第三同步整流开关SR3。第二同步整流器86另外包括耦接在一对第二次级绕组68、70的第二负次级端子94与负输出端子78之间的第四同步整流开关SR4。第一中心抽头端子80和第二中心抽头端子82连接在一起并且连接至正输出端子76。转换器48还包括跨正输出端子76和负输出端子78连接的输入电容器Cin以用于对整流的交变电流进行滤波。输入电容器Cin跨正输入端子52和负输入端子54而连接。根据一个方面，第一同步整流开关SR1和第二同步整流开关SR2以及第三同步整流开关SR3和第四同步整流开关SR4均包括氮化镓(GaN)高电子迁移率晶体管。然而，也可以考虑其他类型的开关。

如图3中最佳示出的，初级绕组P(第一初级绕组60和第二初级绕组62)围绕变压器芯96(例如，3C97材料的

磁性部件的正确设计对于在有限的部件尺寸内最大化功率容量非常重要。为了实现宽输入/输出电压范围并且保证LLC转换器48在初级侧上具有零伏开关(ZVS)而在次级侧上具有零电流开关(ZCS)，谐振点(电压增益为1)被选择为最大输入电压条件和最小输出电压条件。变压器58、59的匝数比由公式(1)来确定：n＝N

为了增加功率密度，转换器48的开关频率被设计为250kHz至400kHz，因此在这种配置中，谐振电感器Lr为25μH，并且谐振电容器Cr为3.4nF。

Lp的选择是电压增益(电流容量)与效率之间的权衡。通常，高电流LLC转换器的主要障碍是Lp值应该被控制为小以满足高电压增益要求。当Lp值低时，将感应出高循环电流，并且这种高电流可能会增加初级侧上的传导损耗。然而，采用高开关频率设计，可以很好地减轻磁化电流，并且高负载电流和高次级传导损耗仍然在总损耗中占主导地位。选择将不会显著地影响整体效率的小电感值Lp来以一定裕度覆盖增益要求的整个范围。

基于基波分析(FHA)提出的转换器48的电压增益由公式(2)给出：

其中，

当转换器48处于最高输出电压和最低输入电压条件时，需要峰值电压增益，通过公式(3)来计算峰值电压增益：

在本公开内容中，对于不同的输入条件，负载能力是不同的。对于250V至320V的输入电压，需要60％的负载电流；对于320V至430V，转换器的额定功率为全功率。为了满足半负载时2.8和满载时2.2的最大增益要求，Lp被设计为125uH。图4示出了满足该范围的转换器48的增益曲线。在表1中示出了谐振部件的规格和参数。

表1——提出的LLC LDC的规格

磁性部件是转换器48中的重要设计目标以实现有前景的效率。基于绕组损耗和芯损耗的计算，建立损耗分析算法以估计Lr、Lp和变压器的总损耗。针对每个磁性部件，有效明智地选择绞合线尺寸、匝数和铜箔厚度。

为了保持整个的输入和输出电压范围，Lp电感值被选择为相对小。然而，为了使铜损耗和芯损耗的提交最小化，选择了大的匝数。因此，为了满足电感值，在实际的电感器Lp中需要5mm的气隙。然而，通量将不会以直线插入电感器芯中，而是进入到大的气隙周围的被围绕的绕组区域中。边缘通量感应电压降穿过线圈并且导致涡流损耗。如果气隙是大的，则边缘效应尤其关键，根据公式(4)来确定功率：

因此，在并联电感器Lp中使用双线圈绕组108、110代替一个线圈103，使得铜线远离气隙112。因此，并联电感器Lp包括第一电感器线圈108和第二电感器线圈110，所述第一电感器线圈108和第二电感器线圈110串联连接并且各自设置在限定气隙112的电感器芯104周围。第一电感器线圈108和第二电感器线圈110各自由分别缠绕在电感器芯104周围的铜线形成并且通过气隙112彼此间隔开以减少气隙边缘通量。如上所述，气隙112为5毫米；然而，应当理解的是，可以替代地使用其他更小或更大的气隙112。

详细地，并联电感器Lp是使用以下过程制作的。首先，针对每个线圈108、110，制作具有20匝、4层的两个线圈(即，第一电感器线圈108和第二电感器线圈110)。如图6中所示，这两个线圈108、110沿相同方向被建立。接下来，如图7中所示，将第一电感器线圈108和第二电感器线圈110插入至电感器芯104(例如，3C97材料的

如图9中最佳地示出的，被边缘通量影响的面积与图5中的面积相比显著地减小。根据等式(4)，绕组和总通量减小，因此涡流损耗减小。

磁性部件的另一个相当大的损耗因素是高电流应力变压器次级绕组64、66、68、70。为了避免传导损耗，需要厚的铜箔以保证电阻足够低。然而，在转换器48的高工作频率下，趋肤深度δ非常薄并且它将高AC电阻引入到绕组中。从公式(5)得出：

因此，返回参照图3，对于次级绕组S1和S2(在图2中被示出为64、66、68、70)中的每一个，使用三层层压的0.25mm铜箔116来代替0.75mm的单层厚铜箔。与多个次级绝缘层100、101、102交替的多个次级导体层97、98、99包括由铜形成的与三个相应的次级绝缘层100、101、102交替的三个次级导体层97、98、99。三个次级导体层97、98、99各自为0.25毫米厚。然而，应当理解的是，其他实施方式可以使用更多或更少的不同厚度的层。基于上述参数，估计提出的转换器48的性能。表2示出了现存的LDC与转换器48之间的比较。

表2——提出的LDC设计与常规LDC设计之间的比较

因此，如表2中所示，本文中所公开的DC-DC转换器相比于其他转换器有所改进，并且被配置成具有97％的峰值效率，其中跨正输入端子和负输入端子供应的输入电压在250伏和430伏之间，跨正输出电压端子和负输出端子供应的输出电压在9伏和16伏之间，其中开关频率在260千赫兹和400千赫兹之间。

建立具有90A最大负载电流和1.3kW额定全功率原型的单相全桥电感器-电感器-电容器(LLC)功率转换器48以验证转换器48的性能。更详细地，LLC转换器48被组装在具有190mm*45mm的尺寸的两层印刷电路板(PCB)上，总高度为49mm。磁性元件按设计被制造：Lr为25.6μH，Lp为126.2μH，Cr为3.4nF(680pF*5)。特别是对于具有高电流应力的次级侧同步整流器(SR1、SR2、SR3、SR4)，还使用水冷却系统来提供改进的热性能。

在测试期间验证修改的磁性元件的影响。通过以下操作使并联电感器的损耗降低3W：将一个线圈绕组改变为两个单独的绕组108、110并且在气隙112周围不留线圈180、110。因此，轻负载效率显著地提高。使用FLIR成像验证具有常规绕组结构的Lp的热性能，并且上述Lp的热性能表明气隙112周围的线圈108、110(例如，铜线)比周围的区域热得多，这与大的气隙112的边缘效应相对应。相比之下，在相同的操作条件下，也使用FLIR成像验证具有单独的绕组线圈108、110的Lp的绕组温度，而且气隙周围的热点被修复，并且线圈比常规配置低30℃。层压的三层变压器次级绕组64、66、68、70(图3中的S1和S2)的温度也低于一层厚铜箔变压器。在满载条件下，损耗被降低了2W并且温度上升被降低了20℃。

在单相转换器48的原型上测试整个的输入和输出电压范围。图10示出了在14V(目标LV电池电压)输出条件和不同输入条件下的效率。LDC转换器48的峰值效率在55A负载电流和380V-14V的条件下为97％，并且对于所有情况，满载效率一直高于96％。

本公开内容呈现了用于EV上的LDC的单相LLC转换器48的设计和优化方法。已经实现了3.12kW/L的高功率密度和多于96％的满载效率。因此，本文中描述的转换器48提供了优于已知转换器的改进的功率密度。提出的转换器48利用GaN HEMT和高开关频率来显著地提高功率密度。两个变压器58、59并联以承载高负载电流并且降低次级I

出于说明和描述的目的，提供了实施方式的前述描述。其并不旨在是穷举的或限制本公开内容。特定实施方式的单个要素或特征通常不限于该特定实施方式，而是在适用的情况下，是可互换的并且可以在选择的实施方式中被使用，即使没有具体被示出或被描述。同一事物也可以以多种方式变化。这样的变化不应被视为与本公开内容背离，并且所有这样的修改均旨在包括在本公开内容的范围内。本领域技术人员将认识到，与公开的转换器48相关联地公开的构思同样地可以被实现到许多其他系统中，以控制一个或更多个操作和/或功能。

提供了示例实施方式，使得该公开内容将是透彻的，并且将向本领域技术人员充分传达范围。阐述了许多特定细节例如特定部件、装置和方法的示例，以提供对本公开内容的实施方式的透彻理解。对本领域技术人员而言将明显的是，不需要采用特定细节，这些示例实施方式可以以许多不同的形式被体现并且不应被解释为限制本公开内容的范围。在一些示例实施方式中，没有详细描述公知的过程、公知的装置结构和公知的技术。

本文中使用的术语仅出于描述特定示例实施方式的目的并且不旨在是限制性的。如本文中使用的，除非上下文另有明确指示，否则单数形式“一”、“一个”和“该”也可以旨在包括复数形式。术语“包括(comprises)”、“包括(comprising)”、“包括(including)”和“具有”是包含性的，因此指定陈述的特征、整数、步骤、操作、要素和/或部件的存在，但是不排除一个或更多个其他特征、整数、步骤、操作、要素、部件和/或其组的存在或添加。除非被明确标识为执行的顺序，否则本文中描述的方法步骤、过程和操作不应被解释为必须要求它们以讨论或示出的特定顺序执行。还应当理解，可以采用附加的或替选的步骤。

当元件或层被称为“在另一元件或层上”、“接合至”、“连接至”或“耦接至”另一元件或层时，元件或层可以直接在其他元件或层上、接合至、连接至或耦接至其他元件或层，或者可以存在中间的元件或层。相比之下，当元件被称为“直接在另一元件或层上”、“直接接合至”、“直接连接至”或“直接耦接至”另一元件或层时，可以不存在中间元件或层。用于描述元件之间的关系的其他词应该以类似的方式被解释(例如，“在……之间”与“直接在……之间”、“相邻”与“直接相邻”等)。如本文中使用的，术语“和/或”包括相关联的所列项中的一个或更多个的任何一个和所有组合。

虽然术语第一、第二、第三等在本文中可以用来描述各种元件、部件、区域、层和/或部分，但是这些元件、部件、区域、层和/或部分不应受这些术语限制。这些术语可以仅用于将一个元件、部件、区域、层或部分与另一区域、层或部分区分开。除非上下文明确指出，否则诸如“第一”、“第二”和其他数字术语的术语当在本文中被使用时不暗示序列或顺序。因此，在不背离示例实施方式的教导的情况下，下面讨论的第一元件、部件、区域、层或部分可以被称为第二元件、部件、区域、层或部分。

为了便于描述，在本文中可以使用诸如“在……内部”、“在……外部”、“在……下方”、“在……下面”、“在……下”、“在……上方”、“在……上面”等的空间相关术语来描述如附图中所示的一个要素或特征与另一要素或特征的关系。除了附图中所描绘的取向之外，空间相关术语可以旨在包含装置在使用或操作中的不同取向。例如，如果附图中的装置被翻转，则被描述为“在”其他要素或特征“下方”或“下面”的要素将被取向为“在”其他要素或特征“上方”。因此，示例术语“在……下面”可以包括“在……上方”和“在……下面”两者的取向。装置可以以其他方式取向(旋转90度或以其他取向)，并且相应地解释本文中使用的空间相关描述。