專利名稱：雙向電池功率變換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及如權(quán)利要求1和權(quán)利要求2的前序部分所述的雙向電池功 率變換器。
背景技術(shù)：
雙向功率變換器一方面用于將DC電池電壓從12伏轉(zhuǎn)換為例如230伏 的50Hz或60Hz AC電壓，另一方面也用于由AC電壓對電池進4亍充電。 能量從電池流向DC-AC轉(zhuǎn)換器，也從DC-AC轉(zhuǎn)換器流向電池。這里出現(xiàn) 的問題是傳導(dǎo)損耗在如此小的DC電壓下相當(dāng)高。
由文獻EP 0 820 893 A2可以獲知在一次側(cè)具有半橋陣列且在二次側(cè) 具有全橋陣列的功率變換器。
由EP 1 458 084 A2可以獲知雙向DC-DC轉(zhuǎn)換器。其包括輸入側(cè)的橋 式電路、輸出側(cè)的橋式電路、連接在所述的兩電路之間的變壓器，所述變 壓器具有諧振電容器和諧振電感器。
具有變壓器(其在一次側(cè)包含具有中心抽頭的兩個繞組，被連接到具 有半導(dǎo)體開關(guān)的功率電子中點電路，且在二次側(cè)包含線圏)的DC-AC轉(zhuǎn) 換器在美國專利No. 6,507,503 B2中示出并進行了介紹。
進一步的轉(zhuǎn)換器電路已在文獻DE 40 13 506 Al和U.S.2003/0142513 Al中公開。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種高效率的功率變換器。 該目的通過這樣的功率變換器實現(xiàn)其具有與前序部分的特征相結(jié)合 的、如權(quán)利要求1的標(biāo)志性特征。
本發(fā)明允許從諧振開關(guān)的全部優(yōu)點中獲益而不以低壓側(cè)
(undervokage side)的高導(dǎo)通損耗為代價。由此，可使用高的開關(guān)頻率。 因此，可使用根據(jù)優(yōu)選實施例設(shè)置的平板變壓器(planar transformer )。
本發(fā)明在不以一次側(cè)的開關(guān)過電壓以及變壓器的不利的高視在功率、 低電壓側(cè)的高導(dǎo)通與開關(guān)損耗以及受限的運行范圍為代價的情況下結(jié)合了 可以使用平板變壓器和低導(dǎo)通損耗的優(yōu)點。換句話說，這意味著，采用本 發(fā)明的拓樸，與現(xiàn)有技術(shù)相比，通過調(diào)節(jié)級(升壓-降壓斬波器)在電壓需 要被改變的運行范圍內(nèi)被激勵，在高電流側(cè)使得極低損耗、完全諧振開關(guān) 成為可能。
根據(jù)本發(fā)明，提供了一種DC-AC轉(zhuǎn)換器電路元件，所述轉(zhuǎn)換器電路 元件位于變換器的輸出側(cè)，并包含連接在DC-DC轉(zhuǎn)換器與DC-AC轉(zhuǎn)換器 電路元件之間的升壓-降壓斬波器。結(jié)果，避免了由于DC-DC轉(zhuǎn)換器不能 被諧振開關(guān)的非最優(yōu)運行以及最優(yōu)運行點上不利的電流/電壓配置引起的 開關(guān)損耗。由于諧振開關(guān)元件分布在具有交錯時鐘(staggered clocking) 的電路部件中，DC電源中的HF紋波電流低，且電容器負(fù)載也低。
有利的是，半橋電路的時鐘速率小于由變壓器漏感和諧振電容器決定 的諧振頻率，其取決于是設(shè)置了 一個這樣的電容器還是串聯(lián)連接的兩個電 容器。諧振頻率由變壓器的漏感和串聯(lián)諧振電容獲得，或由變壓器漏感與 串聯(lián)連接的電容器獲得。選擇此時鐘速率，以零電流切換半導(dǎo)體的開通和 關(guān)斷。
如果半橋電路的時鐘速率小于由變壓器漏感與串聯(lián)諧振電容獲得的諧 振頻率，開通應(yīng)當(dāng)總;l^生在零電流時，因為在這種情況下開關(guān)損耗低或 不存在。根椐本發(fā)明的另一有利實施方式，提供了升壓-降壓斬波器以及諧 振轉(zhuǎn)換器的同步激勵。這種同步激勵具有有效電流負(fù)載在功率轉(zhuǎn)換器的電 容器中最小化的優(yōu)點。
如果變壓器被配置為平板變壓器，獲得一個特殊的優(yōu)點。所述平板變 壓器具有兩個印刷電路板。變壓器的芯和印刷電路板均^皮封裝在外殼中。 鑄造外殼可以以較低的成本制造，因為平板變壓器的鑄造外殼中需要的突
起(projection)較易制造。而且，具有兩個印刷電路板的平板變壓器與具
有一個大印刷電路板的平板變壓器相比可以以較低的成本制造。大的印刷
電路板與兩個小的相比較貴。
本發(fā)明的實施方式的其他優(yōu)點在從屬權(quán)利要求中介紹。
參照附圖更為詳細(xì)地闡釋一示例性實施例。本發(fā)明的其他有利實施方
式及其優(yōu)點將被介紹。


在附圖中
圖1示出了本發(fā)明的DC-DC轉(zhuǎn)換器的電路圖； 圖2示出了變壓器HFT的等效電路圖3示出了本發(fā)明的具有兩個HF變壓器的DC-DC轉(zhuǎn)換器的電路圖； 圖4示出了平板變壓器的剖面圖； 圖5示出了平板變壓器的另一視圖6示出了本發(fā)明的具有作為諧振元件的半橋電容器的DC-DC轉(zhuǎn)換 器的電路圖7示出了變壓器二次側(cè)的變壓器電流與變壓器電壓。
具體實施例方式
附圖中，相同的元件有著相同的參考標(biāo)號。
圖l示出了本發(fā)明的功率變換器l，例如，其用于向島狀網(wǎng)絡(luò)中的AC 耗電器供電。所述功率變換器4皮連接到電池2。功率變換器1包含一個 DC-DC轉(zhuǎn)換器電路元件3，其具有并聯(lián)連接到電池2的電容器4和一個 HF變壓器HFT。
功率變換器1還包含位于功率變換器1輸出側(cè)的DC-AC轉(zhuǎn)換器電路 元件5以及連接在DC-DC轉(zhuǎn)換器電路元件3與DC-AC轉(zhuǎn)換器電路元件5 之間的升壓-降壓斬波器8。 DC-AC轉(zhuǎn)換器電路元件5被配置為是單相的。
變換器l被配置為雙向電池功率變換器，并用于在放電運行模式下由
電池電壓產(chǎn)生AC輸出電壓，在充電模式下對電池2充電。HF變壓器HFT 與諧振電容器6 —起構(gòu)成諧振電路。
圖2示出了變壓器HFT的等效電路圖。根據(jù)本發(fā)明，變壓器HFT具 有位于一次側(cè)的帶有中心抽頭20的兩個繞組11與12,所述中心抽頭被 連接到具有半導(dǎo)體開關(guān)21與31的功率電子中點電路；設(shè)置在二次側(cè)的繞 組13，諧振電容器6被串聯(lián)連接到該繞組。半導(dǎo)體開關(guān)21、 31構(gòu)成中點 電路。
圖2示出了一次側(cè)的漏感15、 16以及二次側(cè)的漏感17。變壓器的芯 用參考標(biāo)號14表示。中心抽頭在20處表示。參考標(biāo)號IO表示附加電感。
半導(dǎo)體開關(guān)21、 31交替開關(guān)并產(chǎn)生電壓變換所需要的交流電壓，所述 交流電壓在二次側(cè)凈皮橋式連接的半導(dǎo)體元件41、 51、 61、 71轉(zhuǎn)換回為直流 電壓，并由濾波電容器7進行平滑。DC-DC轉(zhuǎn)換器元件工作在恒定的運行 點，故其輸入與輸出電壓處于用變壓器變壓比表示的固定關(guān)系。
由于諧4^行模式，大于50kHz的高開關(guān)頻率是適宜的，故可使用平 板變壓器。在超過50kHz的頻率下使用平板變壓器才是可行的。
優(yōu)選為，交流電壓電路(其由變壓器HFT的漏感與串聯(lián)諧振電容6(圖 1)構(gòu)成)的諧振頻率高于半導(dǎo)體開關(guān)的時鐘頻率。結(jié)果，半導(dǎo)體開關(guān)21、 31能以零電流開通和關(guān)斷。
提供了對升壓-降壓斬波器8的使用，以便允許將該電路用于強烈波動 的電池電壓。由于升壓-降壓斬波器8，防止中間電壓在小電池電壓時下降 到不能獲得輸出額定電壓的程度。如果DC-DC轉(zhuǎn)換器中的脈沖寬度在低 電池電壓下在充電模式中被減小，可能不能再保證諧M行模式。結(jié)果， 非最優(yōu)運行將導(dǎo)致開關(guān)損耗的發(fā)生。升壓-降壓斬波器8凈皮特別使用，所述 升壓降壓斬波器將可變電池電壓改變?yōu)殡娙萜?9上的恒定電壓。升壓-降 壓斬波器包括阻流器18、開關(guān)元件141與151以及電容器19。如果輸入電 壓(電池電壓)超過例如12V,電容器19上的電壓與輸入電壓成比例地上 升。在這種情況下，升壓-降壓斬波器不再需要被計時(clocked)。
如圖3所示，變壓器電路可用具有兩個HF變壓器HFT1與HFT 21
的兩個電路部件構(gòu)成。于是，向陣列提供交錯時鐘，使得DC電源中的HF 紋波電流以及電容器負(fù)載較低。圖3所示的這兩個電路部件凈皮配置為半橋 陣列。在具有半橋的配置中，變壓器的變壓比最高僅為一半。較小的變壓 器變壓比是有利的，因為由變壓比從過電壓側(cè)變換的漏感15和16將不會 變得太高。
半橋陣列需要較少的半導(dǎo)體開關(guān)，結(jié)果，伴有較小的成本。
圖4所示的平板變壓器29被嵌入鋁鑄外殼24中并包含兩個印刷電路 板22和23。功率半導(dǎo)體可被配置為以SMD構(gòu)造構(gòu)建。如圖5所示，變壓 器包含一次繞組26和二次繞組27，它們被布置在印刷電路板25上。阻流 器芯30具有氣隙，并且也被集成在印刷電路板25上。其僅被二次繞組27 而不^皮一次繞組26 ^力磁。
在圖6中，示出了該電路的設(shè)計，其中，電容器34、 35與HFT的漏 感一起構(gòu)成諧振電路。采用這種設(shè)計，在將其開通之前，半導(dǎo)體開關(guān)21、 31的寄生電容器被變壓器主電感中的電流放電到非常低的值。結(jié)果，發(fā)生 較小的開通損耗。本實施方式中在二次側(cè)發(fā)生的變壓器電流和電壓對應(yīng)于 圖7所示。圖7示出了變壓器二次側(cè)的電流60和電壓50。
DC-AC轉(zhuǎn)換器5可被配置為用于轉(zhuǎn)換一相AC電壓的H橋或用于轉(zhuǎn) 換三相AC電壓的三相橋。
DC-AC轉(zhuǎn)換器5總是以這種方式運行的配置也可能是有利的電容器 19上的電壓總是高于額定電壓的峰值。結(jié)果，在電池被充電的情況下， DC-AC轉(zhuǎn)換器可在PFC(功率因數(shù)校正)運行模式下運行，與干線(mains ) 電壓同相的正弦電流可從該干線分接出。在電池^U故電的情況下，正弦AC 電壓可在任何類型的電流下被產(chǎn)生。
為了能夠在三相轉(zhuǎn)換器的情況下對任何負(fù)載(包括不對稱負(fù)載和單極 負(fù)載)供電，被連接的N可被添加為第四相，且整個電路可被實現(xiàn)為使得 電容器19包含具有接地中點的兩個電容器，每個電容器被具有連接在其下 游的升壓-降壓斬波器的諧振轉(zhuǎn)換器單獨地充電或放電。
半導(dǎo)體21、 31、 41、 51、 61、 71、 141、 151可被配置為MOSFET、
IGBT、單極型晶體管或GTO。并聯(lián)二極管可以為單獨的部件，或由所用 MOSFET的寄生二極管構(gòu)成。
DC電源2可以為電池、燃料電池、發(fā)電機供電的DC中間電路或雙 層電容器(超級電容器)。
諧振轉(zhuǎn)換器可被有利地用于汽車，以便允許不同DC電源(例如牽引 用電池、雙層電容器、輔助運行電池等等)之間的能量交換。能量流動的 方向因此可在加速和制動的時候被顛倒。
平板變壓器可以以這樣的方式有利地實現(xiàn)通過將附加的阻流器集成 到二次變壓器繞組中而增大二次漏感。這可以以圖5所示的方式發(fā)生。
與半橋及全橋電路形成對比的是，半導(dǎo)體21、 31、 221、 231的半導(dǎo)體 電壓不限于電容器4的電容器電壓。與正常的中點電路形成對比的是，電 容器電壓不限于電容器4的電容器電壓的兩倍；變壓器HFT 1和HFT 21 的諧振電感的一次側(cè)部分之上的電壓降^^口到其上。如果諧振電感的主要 部分被移動、其主要部件移到二次側(cè)上，這種效應(yīng)才可得到控制。這是通 過所介紹的變壓器結(jié)構(gòu)和/或通過二次側(cè)的附加諧振電感10實現(xiàn)的。參考標(biāo)號清單
2
3
4
5
6
8
10
11， 12
13
14
15, 16
17
18
19
20
21
22， 23
24
25
26
27
功率變換器 電池
DC-DC轉(zhuǎn)換器電路元件 電容器
DC-AC轉(zhuǎn)換器電路元件 諧振電容器 濾波電容器 升壓-降壓斬波器
附加漏感
一次側(cè)繞組
二次側(cè)繞組
變壓器芯
一次側(cè)漏感
漏感
阻流器
電容器
中心抽頭
半導(dǎo)體開關(guān)
印刷電路板
鋁鑄外殼
印刷電路板
一次繞組
二次繞組
28諧振電容器
29平板變壓器
30阻流器芯
31半導(dǎo)體開關(guān)
32， 33半橋電容器
34, 35作為諧振元件的半橋電容器
41, 51， 61， 71半導(dǎo)體元件
50二次側(cè)變壓器電壓
60二次側(cè)變壓器電流
141， 151半導(dǎo)體開關(guān)
HFTHF變壓器
HFT1， HFT 21HF變壓器
LSP氣隙
221， 231開關(guān)元件
權(quán)利要求
1.一種雙向電池功率變換器(1)，其具有DC-DC轉(zhuǎn)換器電路元件(3)，電池(2)可被連接到該變換器，用于在放電運行模式下由所述電池(2)的電池電壓產(chǎn)生AC輸出電壓，并在放電運行模式下對所述電池(2)進行充電，所述功率變換器(1)包含HF變壓器，該變壓器與諧振電容器(6)一起構(gòu)成諧振電路，所述變換器的特征在于-所述變壓器包含位于其一次側(cè)的具有中心抽頭(20)的兩個繞組(11，12)，所述中心抽頭被連接到具有半導(dǎo)體開關(guān)(31)的功率電子中點電路；設(shè)置在二次側(cè)的繞組(13)，所述諧振電容器(6)被串聯(lián)連接到該繞組，-具有DC-AC轉(zhuǎn)換器電路(5)，其位于所述功率變換器(1)的輸出側(cè)并包含被連接在所述DC-DC轉(zhuǎn)換器電路元件(3)與所述DC-AC轉(zhuǎn)換器電路元件(5)之間的升壓或降壓斬波器(8)，且-諧振開關(guān)元件分布在具有交錯時鐘速率的電路部件中。
2. 雙向電池功率變換器(1)，其具有DC-DC轉(zhuǎn)換器電路元件(3 ), 電池(2)可被連接到該變換器，以便在放電運行模式下由所述電池(2) 的電池電壓產(chǎn)生AC輸出電壓，并在放電運行模式下對所述電池(2 )充電， 所述功率變換器(1)包含HF變壓器，該變壓器與諧振電容器(34, 35) 一起構(gòu)成諧振電路，所述變換器的特征在于-所述變壓器包含:位于其一次側(cè)的具有中心抽頭(20 )的兩個繞組(11, 12)，所述中心抽頭被連接到具有半導(dǎo)體開關(guān)(21， 31)的功率電子中點 電路；位于二次側(cè)的一個繞組(13),所述繞組在聚集點,皮連接到所述諧 振電容器(34， 35)，-具有DC-AC轉(zhuǎn)換器電路元件(5)，其位于所述功率變換器(1)的 輸出側(cè)并包含連接在所述DC-DC轉(zhuǎn)換器電路元件(3 )與所述DC-AC轉(zhuǎn) 換器電路元件(5)之間的升壓或降壓斬波器(8),且-諧振開關(guān)元件分布在具有交錯時鐘速率的電路部件中。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l-2中任意一項的雙向電池功率變換器，其特征在于所述DC-DC轉(zhuǎn)換器電路元件(3)包含半橋。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l-3中任意一項的雙向電池功率變換器，其特征在于 所述變壓器被配置為平板變壓器(29)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求l-4中任意一項的雙向電池功率變換器，其特征在于 所述交流電壓電路的諧振頻率在半橋的時鐘頻率之上。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4的雙向電池功率變換器，其特征在于所述變壓器的 一次繞組僅繞在變壓器芯周圍，而二次繞組繞在變壓器芯周圍和附加的阻 流器芯(30)周圍。
全文摘要
公開了一種包含DC-DC轉(zhuǎn)換器電路元件(3)的雙向電池功率變換器(1)，電池(2)可被連接到該變換器，以便在放電模式下由電池(2)的電壓產(chǎn)生AC輸出電壓，在充電模式下對電池(2)充電。變換器(1)還包含HF變壓器，其與諧振電容器(6)一起構(gòu)成諧振電路。為了提高所述電池功率變換器的效率，變壓器在一次側(cè)具有帶有中心抽頭(20)的兩個繞組(11，12)，所述中心抽頭(20)被連接到具有半導(dǎo)體開關(guān)(21，31)的功率電子中心抽頭連接，同時，在二次側(cè)設(shè)置有繞組(13)，諧振電容器(6)被串聯(lián)連接到該繞組。
文檔編號H02M7/797GK101180787SQ200680017589
公開日2008年5月14日 申請日期2006年4月29日 優(yōu)先權(quán)日2005年5月20日
發(fā)明者A·福爾克 申請人:Sma技術(shù)股份公司