直流電壓變換器、逆變器和能量產(chǎn)生設(shè)備的制作方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種直流電壓變換器、一種逆變器和一種能量產(chǎn)生設(shè)備，目的在于通過其可以在有效的功率傳輸?shù)耐瑫r以簡單的方式改變電壓變比。該直流電壓變換器包括：具有電橋開關(guān)的兩個電橋裝置；以及串聯(lián)諧振電路，其中所述第一和第二電橋裝置通過所述串聯(lián)諧振電路相互耦合，其中，設(shè)有控制電路，所述控制電路設(shè)置為用于使可切換的所述至少一個電橋裝置在所述電橋開關(guān)的周期性開關(guān)的半周期內(nèi)在至少一個時間間隔中作為全橋并且在至少一個另外的時間間隔中作為半橋被驅(qū)動。所述逆變器和能量產(chǎn)生設(shè)備具有這樣的直流電壓變換器。有益效果在于：也可以在即使在部分負載范圍中依然有效工作的具有串聯(lián)諧振電路的DC/DC變換器中改變電壓變比。
【專利說明】直流電壓變換器、逆變器和能量產(chǎn)生設(shè)備
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及一種用于驅(qū)動直流電壓變換器的方法，所述直流電壓變換器包括:具有電橋開關(guān)的兩個電橋裝置，其中至少一個電橋裝置構(gòu)成為可切換的電橋裝置，所述兩個電橋裝置能夠選擇性地作為全橋或者作為半橋被驅(qū)動；以及串聯(lián)諧振電路，其具有至少一個諧振電感器和至少一個諧振電容器，其中所述兩個電橋裝置通過所述串聯(lián)諧振電路相互耦合。本實用新型還涉及一種適于實施所述方法的直流電壓變換器以及一種逆變器和一種能量產(chǎn)生設(shè)備。
【背景技術(shù)】
[0002]直流電壓變換器(在下文中也稱為DC/DC變換器)例如作為逆變器的輸入級例如使用在光伏設(shè)備或組合式燃料電池加熱系統(tǒng)中或用于本地的供電網(wǎng)的電池供電的緊急電源設(shè)備。對于DC/DC變換器，原則上已知各種拓撲和驅(qū)動方法。為了例如在前述的應用情況中傳輸更大的功率，諧振DC/DC變換器是特別適合的，這是因為借助于該諧振DC/DC變換器，相比于硬開關(guān)的變換器可以獲得更高的效率。
[0003]此外，也可以比在硬開關(guān)的變換器中的情況選擇更高的開關(guān)頻率，并且因此在相同的效率下節(jié)省繞組材料(扼流圈、可能還有變壓器)的重量和體積。諧振DC/DC變換器被擴展成具有串聯(lián)諧振電路以及具有并聯(lián)諧振電路的結(jié)構(gòu)。恰恰當DC/DC變換器經(jīng)常在部分負載驅(qū)動中工作時(如在光伏設(shè)備中工作時)，相比于具有并聯(lián)諧振電路的DC/DC變換器，具有串聯(lián)諧振電路的DC/DC變換器由于在部分負載驅(qū)動中更小的損耗是有利的。其原因例如在于，在串聯(lián)諧振電路上的電壓是取決于負載的，并且在輸出功率減小時施加在各個構(gòu)件(扼流圈、電容器)上的電壓更小。結(jié)果出現(xiàn)更小的交變磁化損耗(扼流圈)和非傳導性損耗(電容器)，由此效率在部分負載的情況下相比于在具有并聯(lián)諧振電路的DC/DC變換器的情況明顯更小地下降。此外，在各構(gòu)件上的電壓原則上在串聯(lián)諧振電路的情況下更小，因此在其體積和內(nèi)能方面可以更小地設(shè)計各構(gòu)件，這同樣隨之帶來更小的損耗和成本。
[0004]具有串聯(lián)諧振電路的DC/DC變換器的缺點在于不足的可調(diào)節(jié)性。在很多應用情況下向DC/DC變換器供電的電流源的電壓是不恒定的。例如，如果光伏設(shè)備的光伏模塊的取決于照射和負載的工作點改變，那么在光伏設(shè)備中的發(fā)電機電壓也改變。在電池供電的備用供電裝置中，作為DC/DC變換器的輸入電壓的電池電壓取決于傳輸?shù)呢撦d和電池的充電狀態(tài)。同樣，作為DC/DC變換器的輸入電壓的燃料電池的電池單元電壓在低負載范圍中以特別的程度改變。在這樣的情況中，值得期望的是，在DC/DC變換器的輸出端提供盡可能恒定的電壓作為位于DC/DC變換器下游的電路(例如逆變器的逆變器橋)的輸入電壓。在輸入電壓可變時，這以DC/DC變換器的可變的電壓變比為條件。
[0005]由文獻US7，379，309B2已知一種具有并聯(lián)諧振電路的DC/DC變換器，其中為了改變輸出電壓，將對變換器的開關(guān)頻率和/或變換器中的開關(guān)的占空比進行的改變與在全橋驅(qū)動和半橋驅(qū)動之間進行的切換相結(jié)合。實用新型內(nèi)容
[0006]本實用新型的目的在于，提供一種用于開始所述類型的DC/DC變換器的驅(qū)動方法，通過該驅(qū)動方法可以在有效的功率傳輸?shù)耐瑫r以簡單的方式改變電壓變比。本實用新型的另一目的在于，提供一種適于實施所述驅(qū)動方法的DC/DC變換器。本實用新型的目的在于:提供一種直流電壓變換器、一種逆變器和一種能量產(chǎn)生設(shè)備，通過其可以在有效的功率傳輸?shù)耐瑫r以簡單的方式改變電壓變比。
[0007]按照第一方面，該目的通過一種用于驅(qū)動直流電壓變換器的方法得以實現(xiàn)，所述直流電壓變換器包括:兩個電橋裝置，其中至少一個電橋裝置構(gòu)成為具有電橋開關(guān)的可切換的電橋裝置，所述兩個電橋裝置能夠選擇性地作為全橋或者作為半橋被驅(qū)動；以及串聯(lián)諧振電路，其具有至少一個諧振電感器和至少一個諧振電容器，其中所述兩個電橋裝置通過所述串聯(lián)諧振電路相互耦合。該方法的特征在于，所述至少一個可切換的電橋裝置在所述電橋開關(guān)的周期性開關(guān)的半周期內(nèi)在至少一個時間間隔中作為全橋并且在至少一個另外的時間間隔中作為半橋被驅(qū)動。
[0008]因此在該方法中設(shè)定，在所述電橋開關(guān)的開關(guān)過程的半周期的持續(xù)時間內(nèi)在半橋驅(qū)動與全橋驅(qū)動之間至少切換一次。所述電橋開關(guān)的開關(guān)過程的半周期的持續(xù)時間在此基本上對應于串聯(lián)諧振電路(諧振開關(guān))的半諧振周期長度或者例如比其稍長(亞諧振開關(guān))。因此也可以在即使在部分負載范圍中依然有效工作的具有串聯(lián)諧振電路的DC/DC變換器中改變電壓變比。在此可以通過切換的占空比影響電壓變比的大小。
[0009]包括感性元件(在下文中也稱為諧振電感器、例如線圈或扼流圈)和容性元件(在下文中也稱為諧振電容器)的串聯(lián)電路在本申請的意義上是指串聯(lián)諧振電路，其中，全部的在DC/DC變換器的兩個電橋裝置之間流過的電流被引導通過該感性元件和容性元件的串聯(lián)電路。附加地，在兩個電橋裝置之間的連接裝置中可以存在另外的感性元件或容性元件，例如用于電隔離兩個半橋的變壓器。
[0010]在該方法的一個有利的設(shè)計方案中，測量所述直流電壓變換器的輸出電壓，并且根據(jù)在所測量的輸出電壓與所述輸出電壓的期望值之間的差來調(diào)節(jié)用于半橋驅(qū)動和全橋驅(qū)動的相應的時間間隔的長度。在此優(yōu)選地，所述電橋開關(guān)的開關(guān)周期持續(xù)時間(以及因此開關(guān)頻率)是恒定的。這在用于半橋驅(qū)動和全橋驅(qū)動的相應的時間間隔的長度相對于彼此改變時也是適用的。兩個時間間隔的總長度因此同樣是恒定的。在此還優(yōu)選地，所述時間間隔的長度按照脈寬調(diào)制方法確定。通過這種方式實現(xiàn)對電壓變比的良好的調(diào)節(jié)可能性。
[0011]在該方法的另一有利的設(shè)計方案中，所述可切換的電橋裝置是次級電橋裝置。特別優(yōu)選地，所述次級電橋裝置在半周期內(nèi)首先作為半橋然后作為全橋被驅(qū)動。通過這種方式可以將開關(guān)損耗保持得特別小。
[0012]在該方法的另一有利的設(shè)計方案中，附加地實施一個或多個另外的用于改變直流電壓變換器的電壓變比的措施。特別優(yōu)選地，改變在兩個電橋裝置之間連接的變壓器的變壓比。更優(yōu)選地，兩個電橋裝置構(gòu)成為可切換的電橋裝置，其中一個電橋裝置為了切換電壓范圍而靜態(tài)地作為全橋或者作為半橋被驅(qū)動。同樣優(yōu)選地，作為附加的另外的措施，實現(xiàn)在一個或兩個電橋裝置的電橋開關(guān)的接通持續(xù)時間與斷開持續(xù)時間之間的占空比的靜態(tài)改變。在本申請的意義上，靜態(tài)改變在此是指一種改變，其中在該改變之后經(jīng)改變的值在一個長于周期持續(xù)時間的時間間隔上被保持恒定。通過所述的措施可以進一步提高電壓變比可改變的范圍。
[0013]按照第二方面，所述目的通過一種直流電壓變換器得以實現(xiàn)，該直流電壓變換器包括:具有電橋開關(guān)的兩個電橋裝置，即第一和第二電橋裝置，其中至少一個電橋裝置構(gòu)成為可切換的電橋裝置，所述兩個電橋裝置能夠選擇性地作為全橋或者作為半橋被驅(qū)動；以及串聯(lián)諧振電路，其具有至少一個諧振電感器和至少一個諧振電容器，其中所述第一和第二電橋裝置通過所述串聯(lián)諧振電路相互耦合。該直流電壓變換器的特征在于設(shè)有控制電路，所述控制電路設(shè)置為用于使可切換的所述至少一個電橋裝置在所述電橋開關(guān)的周期性開關(guān)的半周期內(nèi)在至少一個時間間隔中作為全橋并且在至少一個另外的時間間隔中作為半橋被驅(qū)動。在該第二方面中的優(yōu)點對應于在第一方面中所述的優(yōu)點。也就是，本實用新型的有益效果在于:也可以在即使在部分負載范圍中依然有效工作的具有串聯(lián)諧振電路的DC/DC變換器中改變電壓變比。
[0014]在該直流電壓變換器的一個有利的設(shè)計方案中，該直流電壓變換器包括開關(guān)裝置，所述開關(guān)裝置用于在作為全橋的驅(qū)動與作為半橋的驅(qū)動之間進行切換。優(yōu)選地，可切換的所述至少一個電橋裝置包括一個電橋支路，該電橋支路通過所述開關(guān)裝置與一個容性的分壓器的中間抽頭連接。這低耗費地實現(xiàn)可切換的電橋裝置。
[0015]在該直流電壓變換器的一個有利的設(shè)計方案中，在所述第一電橋裝置與所述第二電橋裝置之間設(shè)置電隔離的變壓器或非電隔離的變壓裝置、例如呈自耦變壓器的形式。優(yōu)選地，所述變壓器的漏電感形成所述串聯(lián)諧振電路的一部分。通過這種方式可以較小地設(shè)計單獨的諧振電感器的尺寸或者對其完全不用考慮。
[0016]在該直流電壓變換器的一個有利的設(shè)計方案中，所述變壓器至少在一側(cè)上具有兩個連接端和一個抽頭，其中通過切換元件選擇性地將所述連接端之一或所述抽頭與電橋支路連接。通過這種方式可以實現(xiàn)靜態(tài)的范圍切換，其可以進一步增大電壓變比的變化范圍。
[0017]優(yōu)選地，在所述第一電橋裝置與所述第二電橋裝置之間設(shè)置非電隔離的變壓裝置。
[0018]根據(jù)第三和第四方面，該目的通過一種具有這樣的直流電壓變換器的逆變器和一種具有電壓可變的直流電源的能量產(chǎn)生設(shè)備來實現(xiàn)，所述直流電源與這樣的直流電壓變換器連接。該優(yōu)點在此對應于在第一和第二方面中所述的優(yōu)點。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]在下文中借助于4個附圖根據(jù)實施例對本實用新型進一步詳細闡明。在附圖中:
[0020]圖1為具有第一實施例的DC/DC變換器的光伏設(shè)備的原理圖；
[0021]圖2為在第一實施例的DC/DC變換器中用于表示開關(guān)時間點和電流變化曲線或電壓變化曲線的圖表；
[0022]圖3為第二實施例的DC/DC變換器的原理電路圖；
[0023]圖4為第三實施例的DC/DC變換器的原理電路圖。
【具體實施方式】
[0024]圖1示出作為能量產(chǎn)生設(shè)備的示例的光伏設(shè)備的原理圖。該光伏設(shè)備包括光伏發(fā)電機1，其與DC/DC變換器2連接。DC/DC變換器2連接到逆變器3，該逆變器將由DC/DC變換器2的輸出端提供的直流電轉(zhuǎn)換為交流電，該交流電被饋送到供電網(wǎng)4中。DC/DC變換器2和逆變器3在此可以如所示出的那樣是光伏設(shè)備的分開的構(gòu)件。然而也可以將DC/DC變換器2集成地設(shè)置在逆變器中。
[0025]不例性地,光伏發(fā)電機I在圖1中通過唯 個光伏電池單兀的電路符號來表不。在實現(xiàn)這樣的光伏設(shè)備時，光伏發(fā)電機I可以是一個光伏模塊或多個串聯(lián)和/或并聯(lián)連接的光伏模塊，所述光伏模塊各自自身包含多個光伏電池單元。
[0026]DC/DC變換器2具有兩個電橋裝置10、20，它們通過串聯(lián)諧振電路30和變壓器40相互連接。所示出的DC/DC變換器2單向地構(gòu)成，其中在圖1左側(cè)的電橋裝置10表示DC/DC變換器2的輸入級，其被施加輸入電壓Uein。在圖1右側(cè)示出的電橋裝置20是DC/DC變換器2的輸出級，由其提供輸出電壓U.。為了更簡單地表示，在下文中輸入側(cè)的電橋裝置10也稱為初級電橋裝置10，輸出側(cè)的電橋裝置20也稱為次級電橋裝置20。必須說明的是，在備選的設(shè)計方案中也可以使DC/DC變換器構(gòu)成為雙向的DC/DC變換器。就這點而言，雖然輸入電壓Uein和輸出電壓Uaus與電橋裝置10、20的配屬以及輸入級和輸出級的劃分在該具體的實施例中已確定，但是原則上僅僅是示例性的而不是限制的。
[0027]在該示出的實施例中，初級電橋裝置10作為所謂的全橋構(gòu)造為具有兩個電橋支路，它們分別包括兩個電橋開關(guān)11、12或13、14。為了更簡單地配屬，電橋開關(guān)11-14在下文中也稱為初級電橋開關(guān)11-14。示例性地，初級電橋開關(guān)11-14在圖1中為MOSFET (金屬氧化層半導體場效應晶體管)。然而可能的且已知的，就此而言還可以應用其它功率半導體開關(guān)，例如應用雙極型晶體管或IGBT (絕緣柵雙極型晶體管)。根據(jù)使用的晶體管類型，可以單獨地或者集成到晶體管中地設(shè)有與晶體管的開關(guān)路徑反并聯(lián)設(shè)置的空載二極管。施加在初級電橋裝置10的輸出端上的、亦即在兩個電橋支路的中間抽頭之間的電壓在下文中稱為初級電橋中間電壓U1(l。并聯(lián)于輸入端地、在初級電橋裝置10中還設(shè)有平滑濾波電容器17。
[0028]變壓器40在所示出的實施例中電隔離地構(gòu)成為具有初級繞組41和次級繞組42的高頻變壓器，各繞組分別具有兩個連接端411、412或421、422。在此初級繞組41的連接端411、412分別相應地與初級電橋裝置10的一個電橋支路的中間抽頭連接并且被施加初級電橋中間電SU1(I。變壓器40可以具有1:1的電壓變比或者也可以通過電壓變換而具有與之不同的電壓變比。在該實施例中變壓器40的假設(shè)固定的變壓比對DC/DC變換器2的電壓變比的改變、亦即對在輸入電壓Uein相同的情況下最小與最大輸出電壓Uaus之比(或最大與最小輸出電壓之比)沒有影響。
[0029]備選地同樣可能的是，代替變壓器40使用非電隔離的變壓裝置(未示出)。這樣的變壓裝置具有例如在初級電橋裝置10的和次級電橋裝置20的電橋支路中的各一個之間的兩個電流通路，并具有包括至少兩個電感器的裝置，其中一個電感器作為串聯(lián)電感器設(shè)置在所述電流通路之一中，而另一電感器作為并聯(lián)電感器位于連接電橋的兩個電流通路之間。所述另一電感器可以用于對電橋開關(guān)進行開關(guān)卸載，而其不必是諧振電路的一部分。必須指出的是，即使在電隔離的變壓器(如所示出的變壓器40)的情況下，線圈41、42的漏電感依然影響串聯(lián)諧振電路30并且在這個意義上可以被視為串聯(lián)諧振電路的一部分。已知的是，變壓器的漏電感通過結(jié)構(gòu)措施被調(diào)節(jié)到一個預定的值，從而也許可以甚至完全省去單獨的用于形成諧振電感器的扼流圈的使用。[0030]同樣如同初級電橋裝置10，次級電橋裝置20也具有兩個電橋支路，它們分別包括兩個電橋開關(guān)21、22或23、24。在圖1示出的實施例中作為次級電橋開關(guān)21-24應用二極管。為了更簡單地表示，在下文中也將次級電橋開關(guān)21-24稱為二極管21-24。次級電橋裝置20因此構(gòu)造為具有無源的開關(guān)元件而不具有可控的有源的開關(guān)元件。出于這個原因DC/DC變換器在該實施例中如前所述可以僅僅被單向地驅(qū)動。在備選的設(shè)計方案中(其中次級電橋開關(guān)21-24也至少部分地例如通過晶體管實現(xiàn)為有源的開關(guān)元件)，DC/DC變換器也可以雙向地工作。
[0031]由二極管23和24形成的電橋支路的中間抽頭直接與次級線圈42的一個連接端422連接。與之不同，由二極管21和22形成的電橋支路的中間抽頭通過串聯(lián)諧振電路30與次級線圈42的第二連接端421連接。串聯(lián)諧振電路30具有諧振電感器31 (例如線圈)以及與之串聯(lián)連接的作為容性元件的諧振電容器32。
[0032]在DC/DC變換器2進行驅(qū)動時，初級電橋開關(guān)11_14這樣開關(guān)，即使得交流電流過該串聯(lián)諧振電路。次級電橋裝置20的兩個電橋支路的中間抽頭由此被施加交流電壓，其在下文中被稱為次級電橋中間電壓U20。優(yōu)選地，這樣選擇開關(guān)頻率或周期長度，即使得交流電或次級電橋中間電壓U20具有一個頻率，該頻率大致等于串聯(lián)諧振電路30的諧振頻率。為了實現(xiàn)有效的功率傳輸，初級電橋開關(guān)11-14優(yōu)選被“軟”開關(guān)。軟開關(guān)可以被理解為沒有電流流過的開關(guān)(零電流開關(guān)(ZCS))和/或沒有電壓施加在開關(guān)元件上的開關(guān)(零電壓開關(guān)(ZVS))。如前所述，必要時電隔離的變壓器40的漏電感可以通過已知的結(jié)構(gòu)措施以期望的方式被調(diào)節(jié)并且就此而言是串聯(lián)諧振電路30的諧振電感的一部分并且一起確定其諧振頻率。
[0033]次級電橋裝置20具有容性的呈兩個電容器25、26的串聯(lián)電路的形式的分壓器。兩個電容器25、26的串聯(lián)電路的中間抽頭通過開關(guān)單元28與由二極管23、24形成的電橋支路的中間抽頭連接。開關(guān)單元28在該實施例中包括兩個反串聯(lián)連接的MOSFET晶體管281、282，它們因此形成雙向的半導體開關(guān)。雙向半導體開關(guān)的其它備選的實施形式由文獻已知并且同樣可以被應用。
[0034]如果開關(guān)單元28被切斷(被打開，即不導通)，那么次級電橋裝置20作為全橋工作，其中輸出電壓Uaus等于次級電橋中間電壓U20的峰值。如果開關(guān)單元28相反被接通，那么次級電橋裝置20作為半橋工作，其中輸出電壓Uaus是次級電橋中間電壓U2tl的峰值的兩倍。由于開關(guān)單元的作為在半橋驅(qū)動和全橋驅(qū)動之間的切換器的功能，開關(guān)單元28在下文中也稱為半橋/全橋切換器28，縮寫為Η/V切換器28。
[0035]通過Η/V切換器28，根據(jù)圖1的DC/DC變換器因此在兩個不同的驅(qū)動模式中被驅(qū)動，其中輸出電壓Uaus在相同的輸入電壓Uein下相差2倍。相應地，在這兩個驅(qū)動模式中電壓變比同樣相差2倍。DC/DC變換器通過這樣的靜態(tài)切換(也稱為范圍切換)在這兩個驅(qū)動模式之一中被驅(qū)動原則上是已知的。
[0036]與之不同在按照本申請的驅(qū)動方法中設(shè)定，通過Η/V切換器28使次級電橋裝置20在電橋開關(guān)11-14、21-24的每個開關(guān)周期持續(xù)時間內(nèi)在半橋驅(qū)動與全橋驅(qū)動之間至少切換一次。必要時，該切換也可以在一個周期持續(xù)時間內(nèi)進行多次。不同于“靜態(tài)”切換(在靜態(tài)切換時在一個比周期持續(xù)時 間長的時間間隔中保持一個驅(qū)動模式(半橋驅(qū)動或全橋驅(qū)動))，在每一周期持續(xù)時間內(nèi)進行切換在下文中也稱為“動態(tài)”切換。[0037]在所示的Η/V切換器28設(shè)置在次級側(cè)時，在一個周期持續(xù)時間的過程中從半橋驅(qū)動切換到全橋驅(qū)動、亦即打開Η/V切換器28是有利的。Η/V切換器28在這種情況下在接續(xù)的周期持續(xù)時間之間又閉合。類似地，在Η/V切換器設(shè)置在初級側(cè)時，如例如在圖3中所示，在周期持續(xù)時間內(nèi)通過閉合Η/V切換器從全橋模式切換到半橋模式是有利的，然而這通常連帶較高的開關(guān)損耗。因此，所示的Η/V切換器28設(shè)置在次級側(cè)的結(jié)構(gòu)是優(yōu)選的。
[0038]為了實現(xiàn)所述的方法，設(shè)有控制裝置285，其相應地控制Η/V切換器28的晶體管281、282。有利地，控制裝置285也用于控制所有有源的電橋開關(guān)，在該實施例中也就是控制初級電橋開關(guān)11-14。這出于清晰的原因未在圖1中示出。
[0039]這樣的在一個時間周期內(nèi)在全橋驅(qū)動與半橋驅(qū)動之間的動態(tài)切換實現(xiàn)對輸出電壓Uaus的調(diào)節(jié)，該輸出電壓的水平位于兩個極限電壓之間，這兩個極限電壓在作為半橋或全橋的持續(xù)驅(qū)動中在輸出端設(shè)定。因此通過改變例如在Η/V切換器28的激活與未激活之間的占空比，輸出電壓Uaus可以在假設(shè)輸入電壓Uein恒定時在前述的兩個極限值之間變化。相應地，電壓變比可以連續(xù)地從1:1變化到1:2，其中在此例如給出具有1:1的變壓比的變壓器。相應地，如果輸入電壓一直變化到所述的2倍，那么可以在DC/DC變換器2的輸入電壓Uein變化時也恒定地保持輸出電壓Uaus。對于輸出電壓Uaus的調(diào)節(jié)或電壓變比的調(diào)節(jié)，控制裝置285可以優(yōu)選地應用脈寬調(diào)制方法(PWM方法)。在此并不改變電橋開關(guān)11-14、21-24的開關(guān)周期持續(xù)時間。DC/DC變換器由此在整個調(diào)節(jié)范圍上被諧振地驅(qū)動。
[0040]圖2基于控制信號的電壓變化曲線和在按照圖1的DC/DC變換器內(nèi)觀察的電壓和電流示出用于DC/DC變換器的驅(qū)動方法的一個實施例。
[0041]圖2的下部描述初級電橋開關(guān)11、14和12、13以及Η/V切換器28的晶體管281、282的控制信號隨時間t的電壓變化曲線。電橋裝置的周期控制的重復持續(xù)時間記錄為周期持續(xù)時間h并且被分為兩個半周期持續(xù)時間t1/2。在控制信號中，“I”表示開關(guān)接通，并且“O”表示開關(guān)切斷。
[0042]圖2的上部給出次級電橋中間電壓U2tl、施加在諧振電容器32上的電壓和流過串聯(lián)諧振電路30的電流。后者在該圖中表不為U32或I3。。DC/DC變換器被諧振地驅(qū)動，在此可看出，電流I3tl的諧振半波的持續(xù)時間基本上等于初級電橋開關(guān)11-14的開關(guān)半周期的持續(xù)時間t1/2。
[0043]在時間間隔tH中(其中兩個晶體管281和282被控制(導通))，次級電橋裝置20作為半橋被驅(qū)動。如果兩個晶體管281和282未被控制，那么次級電橋裝置20作為全橋被驅(qū)動(時間間隔tv)。在諧振電流I3tl的每個半波中，次級電橋裝置20首先作為半橋隨后作為全橋被驅(qū)動。因此，在一個周期持續(xù)時間內(nèi)存在兩個時間間隔&和兩個時間間隔tv。此外，該圖示出初級電橋開關(guān)11-14有利地無電流地開關(guān)、亦即被軟開關(guān)，由此實現(xiàn)DC/DC變換器2的良好的效率。
[0044]圖3示出另一實施例的DC/DC變換器的原理電路圖。相同或作用相同的元件在圖3中具有與在圖1中相同的附圖標記。
[0045]在圖3中示出的DC/DC變換器是對圖1的DC/DC變換器的改進并且與之的區(qū)別在于，應用變壓器40，其初級繞組除了連接端411和412之外還具有一個內(nèi)部抽頭413。該抽頭413通過切換元件19與由電橋開關(guān)11和12形成的電橋支路的中間抽頭連接。如果切換元件19處于上部位置，那么變壓器40的整個位于連接端411、412之間的繞組41被施加初級電橋電SU1(I。與之相對地，在切換元件19的下部位置，初級電橋中間電壓Ultl僅僅施加到第一繞組41的在抽頭413與連接端412之間的部分上。相應地產(chǎn)生不同的從初級電橋中間電壓U10到次級電橋中間電壓U20的電壓變比。
[0046]在符號方面，切換元件19以在圖2中的簡單的轉(zhuǎn)換開關(guān)的電路符號來表示。然而當然在此也可以是多個半導體開關(guān)，例如由晶體管和如果必要的二級管組成的裝置。
[0047]借助于切換元件19可以進行電壓變比的靜態(tài)切換，該靜態(tài)切換可以與通過Η/V切換器28在次級電橋裝置中實現(xiàn)的動態(tài)切換相結(jié)合。如果抽頭413設(shè)計為使得電壓變比通過靜態(tài)切換被改變2倍，那么與動態(tài)切換結(jié)合可以實現(xiàn)4倍的準連續(xù)的變化。如果例如首先在切換元件19打開時Η/V切換器28的占空比在O與I之間變化，并且隨后在切換元件19閉合時Η/V切換器28的占空比也從O到I變化，那么可以由此4倍地連續(xù)地改變電壓變比。
[0048]類似于在此的情況，通過改變變壓器40的變壓比，也可以實現(xiàn)用于改變DC/DC變換器的電壓變比的另外的靜態(tài)方法，該DC/DC變換器通過Η/V切換器28的動態(tài)控制進行連續(xù)的變化。例如也可以將初級側(cè)的電橋裝置10構(gòu)成為可切換的電橋裝置，其可以作為半橋或者全橋被驅(qū)動。初級側(cè)的靜態(tài)切換實現(xiàn)電壓變比的2倍變化，其與所描述的次級側(cè)的H/V切換器28的電壓變比的連續(xù)變化相結(jié)合。而且，多個靜態(tài)切換與一個動態(tài)切換相結(jié)合是可能的。例如，在圖3中示出的借助于變壓器40上的附加抽頭413實現(xiàn)的電壓變比的靜態(tài)改變可以與在初級電橋裝置10中通過切換元件19的半橋/全橋切換實現(xiàn)的2倍靜態(tài)切換、與通過變壓器上的附加抽頭在帶有相應的靜態(tài)切換(如例如在圖4中所示出的那樣)的次級側(cè)上實現(xiàn)的另外的靜態(tài)切換、以及與通過Η/V切換器28的動態(tài)切換實現(xiàn)的連續(xù)變化相結(jié)合。通過這樣的結(jié)合進一步提高電壓變比可被改變的范圍。
[0049]圖4不出另一實施例的DC/DC變換器的原理電路圖。相同或者作用相同的兀件也在此設(shè)有與前述實施例相同的附圖標記。
[0050]按照圖4的DC/DC變換器也具有初級側(cè)的電橋裝置10和次級側(cè)的電橋裝置20，它們通過串聯(lián)諧振電路30和變壓器40相互耦合。與前面示出的實施例的不同之處在于，在此初級電橋裝置10構(gòu)成為可切換的電橋裝置，其可以作為半橋或全橋被驅(qū)動。為此目的，初級電橋裝置10除了具有初級電橋開關(guān)11和12或13和14的可切換的電橋支路之外還具有容性的分壓器作為第三支路，其在一個串聯(lián)電路中包括兩個電容器15、16。示例性地，在圖4的實施例中，電橋開關(guān)11-14構(gòu)成為雙極型晶體管。在這樣的情況下通常的與電橋開關(guān)11-14反并聯(lián)的空載二極管出于清晰的原因未一起表示。
[0051]為了在作為半橋的驅(qū)動和作為全橋的驅(qū)動之間進行切換，在電容器15和16之間的中間抽頭通過開關(guān)單元18與在電橋開關(guān)11和12之間的中間抽頭連接。開關(guān)單元18由于其功能在下文中被稱為Η/V切換器18。Η/V切換器18在該實施例中通過反串聯(lián)連接的晶體管181和182形成，分別與它們反并聯(lián)地設(shè)有空載二極管183、184。作為晶體管181和182在此應用雙極型晶體管。它們由控制裝置185控制，其類似于圖1的控制裝置285在此也有利地用于控制電橋開關(guān)11-14。在該實施結(jié)構(gòu)中，電容器15和16承擔圖1的實施例的平滑濾波電容器17的功能。
[0052]次級電橋裝置20在該實施例中構(gòu)成為全波整流橋，其具有四個二極管作為電橋開關(guān)21-24以及一個與輸出端并聯(lián)連接的平滑濾波電容器27。[0053]串聯(lián)諧振電路30如上所述包括作為諧振電感器31的線圈和諧振電容器32，其中與前面實施例的不同之處在于，串聯(lián)諧振電路30在該實施例中設(shè)置在初級側(cè)。另一不同之處在于，諧振電感器31和諧振電容器32未直接串聯(lián)連接而是通過變壓器40的繞組41連接。然而，這沒有改變串聯(lián)諧振電路30的前面給出的特性，按照該特性，在初級電橋裝置10與次級電橋裝置20之間的全部電流被引導通過諧振電感器31和諧振電容器32的串聯(lián)電路。
[0054]類似于前述的實施例，也可以將初級側(cè)的Η/V切換器18在半周期內(nèi)開關(guān)，從而初級側(cè)的電橋裝置10在電橋開關(guān)11-14、21-24的開關(guān)半周期內(nèi)有時作為半橋有時作為全橋工作。同樣，這可以優(yōu)選地按照PMW方法實現(xiàn)。作為結(jié)果也可以以該方式連續(xù)地改變電壓變比2倍。由于在初級側(cè)的電橋裝置內(nèi)的電流和電壓變化曲線與次級側(cè)的電橋裝置相比改變，從而不可以軟開關(guān)電橋裝置的所有電橋開關(guān)，所以關(guān)于這一點初級側(cè)的動態(tài)的Η/V切換相比于次級側(cè)的Η/V切換是較不利的。
[0055]此外，如同在圖3的實施例中，在此也通過改變變壓器40的變壓比設(shè)置范圍切換，但在次級側(cè)而不是在初級側(cè)。為此目的，變壓器40的次級側(cè)的線圈42除了連接端421、422之外還具有內(nèi)部抽頭423，其中切換元件29將連接端421或者將抽頭423與由二極管21和22形成的電橋支路的中間抽頭連接。類似于在初級側(cè)的范圍切換，也可以以這種方式靜態(tài)地改變從初級電橋中間電壓U10到初級電橋中間電壓U20的變壓比并繼而改變DC/DC變換器2的電壓變比。
[0056]然而在一個備選的設(shè)計方案中，也可以將示出的初級側(cè)的Η/V切換器18用于靜態(tài)的范圍切換并且與動態(tài)的次級側(cè)的Η/V切換相結(jié)合，如結(jié)合圖3所闡明的那樣。
[0057]除此之外在另一備選的設(shè)計方案中可考慮的是，DC/DC變換器的兩側(cè)、亦即初級側(cè)的電橋裝置和次級側(cè)的電橋裝置配備有動態(tài)的Η/V切換。通過這種方式可以使電壓變比連
續(xù)變化4倍。
[0058]除此之外原則上還可能的是，也動態(tài)地——也就是在電橋開關(guān)的開關(guān)半周期內(nèi)——進行前面作為用于范圍切換的靜態(tài)手段所述的措施，例如在變壓器中的連接端與內(nèi)部抽頭之間進行切換。
[0059]本實用新型并不限于所述的各實施例，所述各實施例可以通過多種方式被改變以及專業(yè)地補充。特別是，各所述特征可以不同于所述結(jié)合方式地實現(xiàn)，并且可以補充其它已知的用于改變DC/DC變換器的電壓變比的途徑。
[0060]附圖標記列表:
[0061]I光伏發(fā)電機
[0062]2DC/DC 變換器
[0063]3逆變器
[0064]4供電網(wǎng)
[0065]10電橋裝置(初級電橋裝置)
[0066]11-14電橋開關(guān)(初級電橋開關(guān))
[0067]15、16 電容器
[0068]17平滑濾波電容器
[0069]18H/V切換器(初級側(cè))[0070]181、182 晶體管
[0071]183、184 二極管
[0072]185控制裝置
[0073]19切換元件(初級側(cè))
[0074]20電橋裝置(次級電橋裝置)
[0075]21-24電橋開關(guān)(次級電橋開關(guān))
[0076]25、26 電容器
[0077]27平滑濾波電容器
[0078]28H/V切換器(次級側(cè))
[0079]281、282 晶體管
[0080]285控制裝置
[0081]29切換元件(次級側(cè))
[0082]30串聯(lián)諧振電路
[0083]31諧振電感器
[0084]32諧振電容器
[0085]40變壓器
[0086]41繞組(初級繞組)
[0087]411、412 連接端
[0088]413 抽頭
[0089]42繞組(次級繞組)
[0090]421、422 連接端
[0091]423 抽頭
[0092]Uein輸入電壓
[0093]Uaus輸出電壓
[0094]U10初級電橋中間電壓
[0095]U20次級電橋中間電壓
[0096]U32諧振電容器32上的電壓
[0097]I30通過串聯(lián)諧振電路30的電流
【權(quán)利要求】
1.一種直流電壓變換器，包括: -具有電橋開關(guān)(11-14、21-24)的兩個電橋裝置(10,20),即第一和第二電橋裝置(10、20)，其中至少一個電橋裝置構(gòu)成為可切換的電橋裝置，所述兩個電橋裝置能夠選擇性地作為全橋或者作為半橋被驅(qū)動；以及 -串聯(lián)諧振電路(30)，其具有至少一個諧振電感器(31)和至少一個諧振電容器(32)，其中所述第一和第二電橋裝置(10、20)通過所述串聯(lián)諧振電路(30)相互耦合， 其特征在于，設(shè)有控制電路(185、285)，所述控制電路設(shè)置為用于使可切換的所述至少一個電橋裝置在所述電橋開關(guān)(11-14、21-24)的周期性開關(guān)的半周期內(nèi)在至少一個時間間隔(tv)中作為全橋并且在至少一個另外的時間間隔(tH)中作為半橋被驅(qū)動。
2.如權(quán)利要求1所述的直流電壓變換器(2)，其特征在于，該直流電壓變換器包括開關(guān)裝置(18、28)，所述開關(guān)裝置用于在作為全橋的驅(qū)動與作為半橋的驅(qū)動之間進行切換。
3.如權(quán)利要求2所述的直流電壓變換器(2)，其特征在于，可切換的所述至少一個電橋裝置包括一個電橋支路，該電橋支路通過所述開關(guān)裝置(18、28)與一個容性的分壓器的中間抽頭連接。
4.如權(quán)利要求1至3中任一項所述的直流電壓變換器(2)，其特征在于，在所述第一電橋裝置(10)與所述第二電橋裝置(20)之間設(shè)置電隔離的變壓器(40)。
5.如權(quán)利要求4所述的直流電壓變換器(2)，其特征在于，所述變壓器(40)的漏電感形成所述串聯(lián)諧振電路(30)的一部分。
6.如權(quán)利要求4所述的直流電壓變換器(2)，其特征在于，所述變壓器(40 )至少在一側(cè)具有兩個連接端(411、412)和一個抽頭(413)，其中通過切換元件(19)選擇性地將所述連接端之一(411)或所述抽頭(413 )與電橋支路連接。
7.如權(quán)利要求1至3中任一項所述的直流電壓變換器(2)，其特征在于，在所述第一電橋裝置(10)與所述第二電橋裝置(20)之間設(shè)置非電隔離的變壓裝置。
8.一種逆變器，其特征在于，該逆變器具有根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項所述的直流電壓變換器(2)。
9.一種具有電壓可變的直流電源的能量產(chǎn)生設(shè)備，其特征在于，所述直流電源與根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項所述的直流電壓變換器(2)連接。
【文檔編號】H02M3/335GK203457053SQ201190001033
【公開日】2014年2月26日 申請日期:2011年2月21日 優(yōu)先權(quán)日:2011年2月21日
【發(fā)明者】B·米勒 申請人:Sma太陽能技術(shù)股份公司