雙向dc-dc變換器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種應(yīng)用于高電壓的盡可能簡(jiǎn)單且損耗盡可能小的雙向DC-DC變換器。該雙向DC-DC變換器（1）包括：將DC輸入電壓轉(zhuǎn)化為初級(jí)AC電壓的輸入級(jí)（2），將初級(jí)AC電壓轉(zhuǎn)換為次級(jí)AC電壓的變壓器（3），以及將次級(jí)AC電壓轉(zhuǎn)化為DC輸出電壓的輸出級(jí)（4），由此，為了提供初級(jí)和/或次級(jí)AC電壓，輸入級(jí)（2）和/或輸出級(jí)（4）中的至少一個(gè)包括具有第一數(shù)量有源初級(jí)半導(dǎo)體開關(guān)（61）的多電平變換器（5）的分支。
【專利說(shuō)明】雙向DC-DC變換器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及高壓用雙向DC-DC變換器。
【背景技術(shù)】
[0002]直流電壓變換器，也稱為DC-DC變換器，是指將在輸入端供給的直流電壓轉(zhuǎn)換成具有較高、較低或反向電壓電平的直流電壓的電路。轉(zhuǎn)換通過(guò)使用周期性操作的電子開關(guān)以及一個(gè)或多個(gè)能量存儲(chǔ)元件來(lái)執(zhí)行。在電力能源【技術(shù)領(lǐng)域】，這些變換器也被稱為直流斬波控制器。
[0003]電感器(電感變換器)用于臨時(shí)存儲(chǔ)能量，其由線圈或變流變壓器組成。與之相對(duì)，具有電容存儲(chǔ)的變換器(電容變換器)被稱為電荷泵。在集成電路中，當(dāng)沒(méi)有電感器存在，或當(dāng)需要的輸出功率太低，不值得使用和廉價(jià)的電容相比價(jià)格高昂的線圈時(shí)，通常使用電荷栗。
[0004]DC-DC變換器用作開關(guān)式電源單元中的元件，用于操作用戶，例如，PC供電單元、筆記本電腦、手機(jī)、小電機(jī)和高保真設(shè)備(HiFi)。和線性供電單元相比，其優(yōu)勢(shì)是更高效且產(chǎn)生更少的熱量。相比之下，在線性穩(wěn)壓器或一組串聯(lián)電阻中，多余的電壓只是“燒掉”。
[0005]DC-DC變換器也可作為完全封裝的變換器模塊，有時(shí)用于直接安裝在印刷電路板上。根據(jù)型號(hào)，輸出電壓可以低于、等于或大于輸入電壓。最有名的是那些將特低的小電壓轉(zhuǎn)化為電位隔離的特低電壓的模塊。封裝的DC-DC變換器可用于，例如，范圍從1.5kV到3kV的絕緣電壓，為直流電壓網(wǎng)絡(luò)中的小用戶，例如，工業(yè)設(shè)施中的24V，或電信中的48V，或諸如用于數(shù)字電路的5V或?yàn)檫\(yùn)算放大器供電的±15V等電子模塊，提供能源。DC-DC變換器根據(jù)多種標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分類，并分為不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(在電流路徑上的分支網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)類型)。
[0006]和單向變換器相比，就雙向DC-DC變換器而言，哪一個(gè)終端被定義為輸入端和哪一個(gè)終端被定義為輸出端并不重要。能量流的雙向方向允許電能從定義的輸入端流到輸出端，反之亦然。
[0007]美國(guó)專利5027264描述了一種用于高電壓的雙向DC-DC變換器，其作用原理是基于雙向有源橋(DAB)的拓?fù)鋵W(xué)。在這里,輸入變換器將DC輸入電壓轉(zhuǎn)換為AC電壓,然后該AC電壓進(jìn)入變壓器。將變壓器的輸出連接到輸出變換器，該輸出變換器再次將AC電壓變換成DC輸出電壓提供給負(fù)荷。這種雙向DAB的DC-DC變換器利用半橋的零交叉點(diǎn)來(lái)降低切換損耗。此外，可以提高切換頻率。這些DC-DC變換器可以通過(guò)單相或多相結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，由此提供可以保持為至少接近所需負(fù)荷電壓的輸出電壓。然而，到目前為止使用的DAB拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)需要串聯(lián)電力電子半導(dǎo)體開關(guān)，因?yàn)樵诟逥C側(cè)電壓時(shí)，半導(dǎo)體開關(guān)的反向電壓不足。一般來(lái)說(shuō)，半導(dǎo)體開關(guān)需要并聯(lián)平衡電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)靜態(tài)電壓平衡，這會(huì)在高DC電壓處造成永久性損耗。另一方面，必須保證切換過(guò)程中的動(dòng)態(tài)電壓平衡，因此有必要采用緩沖網(wǎng)絡(luò)，或其他的智能且價(jià)格高昂的驅(qū)動(dòng)電路或額外電路。當(dāng)因?yàn)檩斎氲碾妷鹤兓^(guò)大或負(fù)荷范圍過(guò)大而離開在DAB拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)內(nèi)的軟切換范圍時(shí)，緩沖器損耗明顯增加。在這個(gè)過(guò)程中，在緩沖器中的損耗可能超過(guò)在半導(dǎo)體中的損耗。術(shù)語(yǔ)緩沖網(wǎng)絡(luò)是指有緩沖器元件的電路，緩沖器元件在電流突然中斷的情況下可以消除干擾，例如，通常在電感負(fù)載切換時(shí)發(fā)生的高頻率或電壓峰值干擾。緩沖器元件限制半導(dǎo)體上的電壓上升速度或電流上升速度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種應(yīng)用于高電壓的盡可能簡(jiǎn)單且損耗盡可能小的雙向DC-DC變換器。
[0009]該目的通過(guò)一種雙向DC-DC變換器實(shí)現(xiàn)，其具有將DC輸入電壓轉(zhuǎn)化為初級(jí)AC電壓的輸入級(jí)，將初級(jí)AC電壓轉(zhuǎn)換為次級(jí)AC電壓的變壓器，以及將次級(jí)AC電壓轉(zhuǎn)化為DC電壓的輸出級(jí)，由此，為了提供初級(jí)和/或次級(jí)AC電壓，輸入級(jí)和/或輸出級(jí)中的至少一個(gè)包括具有第一數(shù)量的有源初級(jí)半導(dǎo)體開關(guān)的多電平變換器分支。這產(chǎn)生了多電平DAB。在這里，輸入和輸出級(jí)彼此相對(duì)隔離。根據(jù)本發(fā)明的雙向DC-DC變換器的輸入級(jí)可以任意地構(gòu)成另一個(gè)根據(jù)本發(fā)明的雙向DC-DC變換器的輸出級(jí)。適當(dāng)?shù)挠性窗雽?dǎo)體開關(guān)(功率半導(dǎo)體)是，例如，門極可關(guān)斷晶閘管(GTO)、晶體管或場(chǎng)效應(yīng)管(M0SFET)。作為一種替代方法，所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員也可以使用其他合適的有源半導(dǎo)體開關(guān)。變換器是將任意極性的電壓轉(zhuǎn)換為其他電壓的設(shè)備。通過(guò)電力電子器件執(zhí)行轉(zhuǎn)換，由此，電能存儲(chǔ)在所謂的DC偵彳。例如，DC側(cè)可以安裝額外的濾波器。多級(jí)變換器的輸出電壓由多個(gè)電壓狀態(tài)(電平)構(gòu)成。在二級(jí)變換器(2電平變換器)中，有兩個(gè)電壓狀態(tài)，在三級(jí)變換器(3電平變換器)中，有三個(gè)電壓狀態(tài)，以此類推。由此而論，術(shù)語(yǔ)多級(jí)變換器包括所有適當(dāng)?shù)亩嗉?jí)變換器，也就是說(shuō)，例如，2電平變換器、3電平變換器、4電平變換器、5電平變換器等。根據(jù)本發(fā)明的雙向DC-DC變換器不需要串聯(lián)價(jià)格高昂的電力電子半導(dǎo)體開關(guān)，例如，絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)或帶智能門驅(qū)動(dòng)電路的集成門極換流晶閘管(IGCT)或高損耗的RC緩沖元件，并且這也是實(shí)現(xiàn)低損耗操作的原因。根據(jù)本發(fā)明的雙向DC-DC變換器可以在，例如，如DC網(wǎng)絡(luò)等的電力電子器件中，在儲(chǔ)能系統(tǒng)中(這里特指蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)中)，在風(fēng)能裝置中，或可再生能源系統(tǒng)中，作為變壓器(特別是具有高電壓轉(zhuǎn)換率的電壓變換器)使用。另一端的設(shè)計(jì)——也就是說(shuō)，當(dāng)在輸出端設(shè)置多級(jí)變換器時(shí)的輸入端，或當(dāng)在輸入端設(shè)置多級(jí)變換器時(shí)的輸出端——取決于該雙向DC-DC變換器的預(yù)期應(yīng)用，例如，為了使特定操作點(diǎn)的損耗最小化，或是否需要特定的電壓變化。
[0010]在一個(gè)實(shí)施方式中，多電平變換器是3電平變換器或5電平變換器。3電平變換器能夠在輸出端設(shè)置三個(gè)電壓狀態(tài)。這里，在功率半導(dǎo)體上加載CD-側(cè)電壓最大值的一半。和半橋式相比，為了減少電壓不平衡，在這里，在每種情況下都使用兩個(gè)串聯(lián)的半導(dǎo)體開關(guān)。然而，沒(méi)有額外的措施時(shí)，功率半導(dǎo)體的分壓是不對(duì)稱的。例如，通過(guò)和功率半導(dǎo)體并聯(lián)電容器，可以實(shí)現(xiàn)功率半導(dǎo)體的對(duì)稱分壓。5電平變換器能夠在輸出端近似的設(shè)置五個(gè)電壓狀態(tài)。在優(yōu)選實(shí)施方式中，多電平變換器是具有兩個(gè)鉗位二極管的3電平NPC變換器。這里，術(shù)語(yǔ)NPC代表“中點(diǎn)鉗位”。通過(guò)鉗位二極管可以對(duì)稱設(shè)置3電平NPC變換器的三個(gè)電壓狀態(tài)的電平，因此中間電壓對(duì)應(yīng)于零電位，這里不需要用于此目的的平衡網(wǎng)絡(luò)和/或驅(qū)動(dòng)電路。另一可選實(shí)施方式中，取代鉗位二極管，可以使用IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)、ANPC變換器或所謂FLC中的電容器用于分壓。在一個(gè)實(shí)施方式中，多電平變換器是3電平NPC變換器(51，52)，其用兩個(gè)IGBT或電容器代替鉗位二極管。除了應(yīng)用于三電平變換器，所有上述的實(shí)施方式可以相應(yīng)的在其他具有不同數(shù)量電平的多電平變換器中使用。除了簡(jiǎn)化的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)外，為了變換器的調(diào)變，將引入的額外的電壓電平(與2電平變換器相比)轉(zhuǎn)化為另一個(gè)自由度。額外的自由度可以用于，例如，使給定負(fù)荷范圍的變換器的總損耗最小化。在輸入電壓和輸出電壓之間有大的變壓比的情況下，有利的是把3電平NPC變換器布置在具有較高電壓的一側(cè)。在轉(zhuǎn)化為高電壓的情況下，這可能是輸出端，然而在轉(zhuǎn)化為低電壓的情況下，這可能是輸入端。術(shù)語(yǔ)變壓比子這里指的是初級(jí)和次級(jí)AC電壓的振幅比。因此，高電壓端可以是輸入端或輸出端。
[0011]在另一個(gè)實(shí)施方式中，為了整流次級(jí)AC電壓，輸出級(jí)包括具有第二數(shù)量的有源次級(jí)半導(dǎo)體開關(guān)的H橋或半橋。這里，H橋由兩個(gè)半橋組成。和單向DC-DC變換器相比，雙向DC-DC轉(zhuǎn)換器在輸出端也需要可控半導(dǎo)體開關(guān)。DAB型DC-DC轉(zhuǎn)換器的原理是在變壓器使用AC電壓，從而通過(guò)變壓器的漏電感實(shí)現(xiàn)目標(biāo)壓降，并且由此控制功率流。半橋在這里可用作橋式整流器，將交流電轉(zhuǎn)換成直流電并供應(yīng)給輸出。這種半橋是常見(jiàn)的、慣用的、可靠的元件。有效切換的半橋或H橋使得能夠?qū)ψ儔浩髦薪涣麟妷旱南辔灰平沁M(jìn)行獨(dú)立控制，并因此可以對(duì)功率流的進(jìn)行定向控制。特別是，H橋可以用于低DC側(cè)電壓的輸出級(jí)，因此不需要串聯(lián)半導(dǎo)體開關(guān)。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式中，H橋是2電平H橋。
[0012]在另一個(gè)實(shí)施方式中，初級(jí)和次級(jí)半導(dǎo)體開關(guān)的數(shù)量是相同的。這能夠使容許的DC側(cè)電壓和可用的輸入電壓范圍加倍。在一種具有3電平NPC變換級(jí)的雙向DC-DC變換器的布置中，3電平NPC變換級(jí)具有兩個(gè)鉗位二極管和2電平H橋，在相同數(shù)量半導(dǎo)體開關(guān)的情況下，通過(guò)調(diào)節(jié)電壓振幅，可以把電壓比設(shè)置為等于1，因此，和傳統(tǒng)的DAB型DC-DC變換器相比，可保證在更大負(fù)荷范圍的無(wú)損切換。
[0013]在一個(gè)實(shí)施方式中，半橋中的次級(jí)半導(dǎo)體開關(guān)的數(shù)量是4，次級(jí)半導(dǎo)體開關(guān)可以相互獨(dú)立地切換，并且將第一次級(jí)半導(dǎo)體開關(guān)和第二次級(jí)半導(dǎo)體開關(guān)連接到正極DC側(cè)母線；關(guān)于這點(diǎn)，如圖7所示。因此，將小功率等級(jí)的變壓器電流最小化。對(duì)于DC-DC變換器，也可以說(shuō)是無(wú)效功率的最小化。這里，術(shù)語(yǔ)正極DC側(cè)母線表示電容器的較高電勢(shì)。如果將第一和第二半導(dǎo)體開關(guān)并聯(lián)操作，變壓器短路，并且第三電壓電平、零電平在半橋中產(chǎn)生。如果恰當(dāng)?shù)募?lì)次級(jí)半導(dǎo)體開關(guān)，2電平半橋可以如同3電平半橋操作。在這種方式下，可以將變換器的無(wú)功功率最小化。可選地，也可以通過(guò)將第三次級(jí)半導(dǎo)體開關(guān)和第四次級(jí)半導(dǎo)體開關(guān)連接到負(fù)極DC側(cè)母線實(shí)現(xiàn)。術(shù)語(yǔ)負(fù)極DC側(cè)母線相應(yīng)的表示電容器的較低電勢(shì)。為了使無(wú)功功率最小化，對(duì)角的次級(jí)半導(dǎo)體開關(guān)(第一和第四，或第二和第三次級(jí)半導(dǎo)體開關(guān))需要獨(dú)立地觸發(fā)。
[0014]在另一個(gè)實(shí)施方式中，為了整流次級(jí)AC電壓，輸出級(jí)也包括次級(jí)多電平變換器的分支。術(shù)語(yǔ)多電平變換器這里包括所有適當(dāng)?shù)亩嚯娖阶儞Q器，換句話說(shuō)，例如，2電平變換器、3電平變換器、4電平變換器、5電平變換器，等等。在一個(gè)實(shí)施方式中，次級(jí)多電平變換器是3電平變換器或5電平變換器。優(yōu)選地，次級(jí)多電平變換器是具有兩個(gè)鉗位二極管的3電平NPC變換器。
[0015]在另一個(gè)實(shí)施方式中，DC輸入電壓是可變的，并且將輸入電壓的電壓振幅調(diào)整為輸出電壓的振幅。電壓比從而等于1，因此，對(duì)于幾乎全部負(fù)荷范圍可以保證無(wú)損轉(zhuǎn)換。和
2電平DAB型DC-DC變換器相比，本變換器在調(diào)制每一個(gè)額外的電壓電平時(shí)有一個(gè)額外的自由度。例如，由于三電平版本中的第三電平的額外的自由度，或五電平版本中的第五電平的額外的自由度，等等，變換器的全部損耗，包括變壓器等，可以最小化。這種方式也影響零電壓轉(zhuǎn)換和在最小電流時(shí)的轉(zhuǎn)換。和傳統(tǒng)的DAB型DC-DC變換器相比，即使在變壓比不等于I的情況下，其無(wú)損轉(zhuǎn)換的負(fù)荷范圍更大。
[0016]在另一個(gè)實(shí)施方式中，將雙向DC-DC變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)擴(kuò)展到三個(gè)或更多相位。這使得雙向DC-DC變換器能夠在更高功率等級(jí)的更大應(yīng)用范圍使用。
[0017]根據(jù)本發(fā)明的雙向DC-DC變換器可以有多個(gè)多電平/多電平比。例如，根據(jù)本發(fā)明的雙向DC-DC變換器可以是3電平/2電平DC-DC變換器。在其他實(shí)施方式中，根據(jù)本發(fā)明的雙向DC-DC變換器也可以是5電平/2電平DC-DC變換器，或5電平/3電平DC-DC變換器，或3電平/3電平DC-DC變換器。所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員也可以在本發(fā)明的范圍內(nèi)，根據(jù)設(shè)想的應(yīng)用范圍選擇其他多電平/多電平組合。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0018]附圖中詳細(xì)顯示了本發(fā)明的這些和其它方面。
[0019]圖1顯示了多個(gè)雙向DC-DC變換器的實(shí)施方式，其在輸入和/或輸出級(jí)有至少一個(gè)多電平變換器；
[0020]圖2為根據(jù)本發(fā)明的雙向DC-DC變換器，在輸入級(jí)有3電平NPC變換器且在輸出級(jí)有2電平半橋；
[0021]圖3為第一操作模式中，用于圖2中示出的雙向DC-DC變換器的變壓器中附屬電流的初級(jí)和次級(jí)AC電壓的仿真曲線；
[0022]圖4為第一操作模式，中根據(jù)圖2中示出的本發(fā)明的雙向DC-DC變換器的輸入級(jí)和輸出級(jí)的電流曲線；
[0023]圖5為第二操作模式中，用于圖2中示出的雙向DC-DC變換器的變壓器中附屬電流以及初級(jí)和次級(jí)AC電壓的曲線；
[0024]圖6為第二操作模式中，根據(jù)圖2的雙向DC-DC變換器的輸入和輸出級(jí)的DC側(cè)的電流曲線;
[0025]圖7是作為3電平半橋的輸出級(jí)；
[0026]圖8為根據(jù)本發(fā)明的可選雙向DC-DC變換器，其具有作為輸入級(jí)和輸出級(jí)的兩個(gè)
3電平NPC變換器。
【具體實(shí)施方式】
[0027]圖1示出了雙向DC-DC變換器I的多個(gè)實(shí)施方式(a)到(d)，每一個(gè)變換器都有將DC輸入電壓轉(zhuǎn)化為初級(jí)AC電壓的輸入級(jí)2，將初級(jí)AC電壓轉(zhuǎn)換為次級(jí)AC電壓的變壓器3，以及將次級(jí)AC電壓轉(zhuǎn)化為DC輸出電壓的輸出級(jí)4。各實(shí)施方式(a)到(d)，在輸入級(jí)2和/或輸出級(jí)4包括至少一個(gè)多電平變換器5。在實(shí)施方式(a)中，多電平變換器5位于輸入級(jí)2。在實(shí)施方式(b)中，多電平變換器5位于輸出級(jí)4。在實(shí)施方式(c)中,在輸入級(jí)2有一個(gè)多電平變換器5,在輸出級(jí)4有一個(gè)多電平變換器5。在實(shí)施方式(d)中，多電平變換器5位于輸入級(jí)2,同時(shí)輸出級(jí)8包括半橋或H橋。
[0028]圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的雙向DC-DC變換器，其在輸入級(jí)具有3電平NPC變換器51，且在輸出級(jí)4具有2電平H橋81。DC輸入電壓21存在于輸入級(jí)2，輸出級(jí)4提供了負(fù)荷11。在輸入級(jí)2和輸出級(jí)4之間，通過(guò)變壓器3將輸入級(jí)2的輸出電壓轉(zhuǎn)化為輸出級(jí)4的輸入電壓。這里的3電平NPC變換器51包括兩個(gè)上部和兩個(gè)下部初級(jí)半導(dǎo)體開關(guān)61、兩個(gè)鉗位二極管71和兩個(gè)電容器9，每一個(gè)初級(jí)半導(dǎo)體開關(guān)61都有一個(gè)與之并聯(lián)設(shè)置的二極管7a。示例中合適的有源初級(jí)半導(dǎo)體開關(guān)61 (功率半導(dǎo)體開關(guān))這里指MOSFET、IGBT或IGCT。3電平NPC轉(zhuǎn)換器51的元件構(gòu)成⑶側(cè)，轉(zhuǎn)化過(guò)程中的電能儲(chǔ)存在⑶側(cè)。在其他實(shí)施方式中，額外的濾波器，例如，頻率濾波器，也可以安裝在該CD側(cè)中。由多電平變換器5轉(zhuǎn)移到變壓器3從而被變壓的初級(jí)AC電壓，包括多個(gè)電壓狀態(tài)(電平)。和傳統(tǒng)的DAB型DC-DC變換器一樣，為了能夠調(diào)解一 Pmax、0和+Pmax之間的功率，其中Pmax代表可被傳輸?shù)淖?大功率，使用變壓器的漏電感，如果這不足夠，則使用與其串聯(lián)的額外電感。在本實(shí)施方式中，為了整流由初級(jí)AC電壓轉(zhuǎn)化成的次級(jí)AC電壓，輸出級(jí)4包括2電平半橋81，2電平半橋81具有四個(gè)有源次級(jí)半導(dǎo)體開關(guān)62，每一個(gè)有源次級(jí)半導(dǎo)體開關(guān)62具有與之并聯(lián)設(shè)置的二極管7b，因此在輸入級(jí)2和輸出級(jí)4的半導(dǎo)體開關(guān)61、62的數(shù)量相同。電容器10用于平穩(wěn)整流的輸出電壓。
[0029]圖3顯示了在輸入電壓V1大于輸出電壓V2的第一操作模式OPl情況下的用ω t的函數(shù)表示的曲線，該曲線是關(guān)于初級(jí)AC電壓V1 (變壓器的輸入電壓)和次級(jí)AC電壓V2(變壓器的輸出電壓)的，此外還是關(guān)于雙向DC-DC轉(zhuǎn)換器I的變壓器3的附屬電流I1，和如圖2所示的DC側(cè)的電流I2的，借此，對(duì)于初級(jí)和次級(jí)AC電壓V1和V2之間的相位移角Φ，存在下面的應(yīng)用:0〈Φ≤β/2。在用on描述VJP V2時(shí)，3電平NPC變換器提供的三個(gè)電壓電平+V1,、0、一 V1，和通過(guò)2電平半橋轉(zhuǎn)換后整流的兩個(gè)電壓電平+V2、一 V2可以在V1可見(jiàn)?？梢栽谙辔灰平铅?= β/2時(shí)達(dá)到最大能量傳遞，然而在Φ=0時(shí)，操作模式I的能量傳遞是最小的。至于Φ>β/2，能量傳遞同樣地再一次減小，盡管無(wú)功功率上升。
[0030]圖4示出了符合圖3 (第一操作模式0Ρ1)的電流曲線(具有指明電流方向的箭頭的虛線循環(huán))，其位于根據(jù)圖2示出的本發(fā)明的雙向DC-DC變換器的輸入和輸出級(jí)的DC側(cè)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，其中在0〈οη〈2π的整個(gè)范圍內(nèi)，V1≥V2并且0〈Φ≤β/2。圖4包括八種情形，顯示了 0〈οη〈2π范圍內(nèi)的八個(gè)區(qū)間的各種電流曲線，這八個(gè)區(qū)間為:(I) 0< ω t< ω t0, (2) ω t0〈 ω t〈Φ , (3) Φ< ω t< β , (4) β〈 ω t〈 π，(5) Ji < ω t< ( π + ω t0) , (6)(Ji + ω t0) < ω t< ( π +Φ) , (7) O+Φ)〈ω?〈0+β )，和⑶(π+β)〈ω1:〈2π。情形(I)和
(4)中圍繞初級(jí)和次級(jí)半導(dǎo)體開關(guān)的循環(huán)標(biāo)出了無(wú)電壓轉(zhuǎn)換的開關(guān)，因?yàn)殡娏魅匀淮嬖谟诜床⑿械亩O管中。
[0031]為了雙向操作根據(jù)本發(fā)明的DC-DC變換器1，圖2中的3電平/2電平DAB布置可以用第二操作模式0Ρ2操作，其負(fù)相位移角Φ〈0。對(duì)于-π+β < Φ〈0的第二操作模式2，圖5示出了仿真曲線，該曲線是關(guān)于初級(jí)AC電壓V1和次級(jí)AC電壓V2,以及雙向DC-DC變換器I的變壓器3中的附屬電流I1和DC側(cè)的I2的。由于對(duì)稱性的緣故，在整個(gè)周期的轉(zhuǎn)換電流完全以周期η為特征。在以描述V1和V2時(shí)，3電平NPC變換器提供三個(gè)電壓電平+V1、0、- V1,以及通過(guò)2電平半橋在轉(zhuǎn)換后整流的兩個(gè)電壓電平+V2、- V2可以在V1看至Li。在相位角Φ = (_ π+β )/2時(shí),能量傳遞達(dá)到零。這種操作模式在相位角Φ=0時(shí)達(dá)到最大能量傳遞。
[0032]圖6示出了符合圖5(第二操作模式0Ρ2)的電流曲線(具有指明電流方向的箭頭的虛線循環(huán))，其位于根據(jù)圖2示出的本發(fā)明的雙向DC-DC變換器的輸入和輸出級(jí)的DC側(cè)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，其中在0〈cot〈2 3i的整個(gè)范圍內(nèi)，V1≥V2且-+β≤Φ〈0。圖6包括8種情形，顯示了 ο〈αη〈2π范圍內(nèi)的八個(gè)區(qū)間的各種電流曲線，這八個(gè)區(qū)間為:(i)o〈Gn〈GnQ，
(2)ω t0< ω t< β , (3) β < ω t< (Φ - η) , (4) (Φ - Ji ) < ω t< π , (5) Ji < ω t< ( π + ω t0) , (6)(Ji +ω?0)<ω?<( 3? + β ), (7) O+β )〈ω?〈Φ,和(8)Φ〈ω?〈2π。情形(I)和(4)中圍繞初級(jí)和次級(jí)半導(dǎo)體開關(guān)的循環(huán)標(biāo)出了無(wú)電壓轉(zhuǎn)換的開關(guān)，因?yàn)殡娏魅匀淮嬖谟诜床⑿械亩O管中。[0033]圖7以放大的方式示出了作為根據(jù)圖2的本發(fā)明的雙向DC-DC變換器的輸出級(jí)的H橋81。這里，次級(jí)半導(dǎo)體開關(guān)62可以彼此獨(dú)立地切換，并且將次級(jí)半導(dǎo)體開關(guān)62中的第一個(gè)621和第二個(gè)622連接到正極DC側(cè)母線+Ζ。結(jié)果，使較低功率級(jí)的變壓器電流最小化。這里DC側(cè)由H橋和與該橋并聯(lián)的電容器10構(gòu)成。這里正極DC側(cè)母線+Z指定為電容器10的高電勢(shì)。如果第一半導(dǎo)體開關(guān)621和第二半導(dǎo)體開關(guān)622并聯(lián)操作，變壓器3短路(由虛線箭頭表示)，并且在半橋81中產(chǎn)生第三電壓電平、零電平。如果恰當(dāng)?shù)募?lì)次級(jí)半導(dǎo)體開關(guān)62，2電平半橋81像3電平半橋一樣操作。以這種方式，變換器的無(wú)功功率可以最小化?？蛇x擇地，也可以通過(guò)把次級(jí)半導(dǎo)體開關(guān)62中的的第三次級(jí)半導(dǎo)體開關(guān)623和第四次級(jí)半導(dǎo)體開關(guān)624連接到負(fù)極DC側(cè)母線-Z實(shí)現(xiàn)。術(shù)語(yǔ)負(fù)極DC側(cè)母線-Z相應(yīng)的指的是電容器10的低電勢(shì)。為了使無(wú)功功率最小化，對(duì)角的次級(jí)半導(dǎo)體開關(guān)(次級(jí)半導(dǎo)體開關(guān)62中的第一次級(jí)半導(dǎo)體開關(guān)621和第四次級(jí)半導(dǎo)體開關(guān)624，或第二次級(jí)半導(dǎo)體開關(guān)622和第三次級(jí)半導(dǎo)體開關(guān)623)需要獨(dú)立地觸發(fā)。
[0034]圖8示出了根據(jù)本發(fā)明的可選雙向DC-DC變換器I，其具有作為輸入級(jí)2和輸出級(jí)4的兩個(gè)3電平NPC變壓器。輸入端相當(dāng)于圖2的輸入端2，因此，引用和圖2有關(guān)的說(shuō)明來(lái)描述輸入級(jí)2的細(xì)節(jié)。輸出級(jí)4包括次級(jí)3電平NPC變換器52，次級(jí)3電平NPC變換器52同樣包括兩個(gè)上部和兩個(gè)下部的初級(jí)半導(dǎo)體開關(guān)61、兩個(gè)鉗位二極管71和兩個(gè)電容器9，每一個(gè)初級(jí)半導(dǎo)體開關(guān)61包括一個(gè)與之并聯(lián)的二極管7a。示例中合適的有源初級(jí)半導(dǎo)體開關(guān)61 (功率半導(dǎo)體開關(guān))這里指MOSFET、IGBT或IGCT。次級(jí)3電平NPC變換器52的元件同樣地構(gòu)成CD側(cè)，轉(zhuǎn)化過(guò)程中的電能存儲(chǔ)在CD側(cè)中。在其他實(shí)施方式中，額外的濾波器也可以安裝在該⑶側(cè)中。
[0035]本節(jié)內(nèi)容和圖表中對(duì)本發(fā)明的詳細(xì)描述通過(guò)在本發(fā)明范圍內(nèi)的可能的實(shí)施方式的實(shí)例給出，因此不應(yīng)以限制的方式進(jìn)行解釋。特別是，給出的數(shù)量應(yīng)由所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員調(diào)整為與切換的特定操作條件(電流，電壓)相適應(yīng)。為此，所有給出的數(shù)量?jī)H應(yīng)解釋為特定實(shí)施方式的實(shí)例。
[0036]所屬領(lǐng)域技術(shù)人員在本發(fā)明范圍內(nèi)能想到的替換實(shí)施方式同樣包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。在權(quán)利要求書中，術(shù)語(yǔ)像“一個(gè)”也包括復(fù)數(shù)。本權(quán)利要求書中給出的參考數(shù)字符號(hào)不應(yīng)該解釋為用于限制。
[0037]附圖標(biāo)記列表:
[0038]1:雙向DC-DC變換器
[0039]2:輸入級(jí)
[0040]21:DC輸入電壓源
[0041]3:變壓器
[0042]4:輸出級(jí)
[0043]5:多電平變換器[0044]51:輸入級(jí)的3電平NPC變換器
[0045]52:輸出級(jí)的3電平NPC變換器
[0046]61:初級(jí)半導(dǎo)體開關(guān)
[0047]62:次級(jí)半導(dǎo)體開關(guān)
[0048]621:第一次級(jí)半導(dǎo)體開關(guān)
[0049]622:第二次級(jí)半導(dǎo)體開關(guān)
[0050]623:第三次級(jí)半導(dǎo)體開關(guān)
[0051]624:第四次級(jí)半導(dǎo)體開關(guān)
[0052]7a:多電平變換器的整流二極管
[0053]7b:半橋的整流二極管
[0054]71:多電平變換器(這里是3電平NPC變換器)的鉗位二極管，
[0055]8:H橋或半橋
[0056]81:2電平H橋或2電平半橋
[0057]9:DC側(cè)電容器
[0058]10:穩(wěn)定輸出電壓的電容器
[0059]11:負(fù)荷
[0060]OPl:第一操作模式
[0061]0P2:第二操作模式
[0062]V1, I1:初級(jí)AC電壓的電壓/電流
[0063]V2, I2:次級(jí)AC電壓的電壓/電流
[0064]+Z，-Z:半橋的DC側(cè)母線的正極/負(fù)極
【權(quán)利要求】
1.一種雙向DC-DC變換器(I )，包括將DC輸入電壓轉(zhuǎn)化為初級(jí)AC電壓的輸入級(jí)(2)，將初級(jí)AC電壓轉(zhuǎn)換為次級(jí)AC電壓的變壓器(3)，以及將次級(jí)AC電壓轉(zhuǎn)化為DC輸出電壓的輸出級(jí)(4)，由此，為了提供初級(jí)和/或次級(jí)AC電壓，輸入級(jí)(2)和/或輸出級(jí)(4)中的至少一個(gè)包括具有第一數(shù)量有源初級(jí)半導(dǎo)體開關(guān)(61)的多電平變換器(5)的分支。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙向DC-DC變換器(1)，其特征在于，多電平變換器(5)是3電平變換器或5電平變換器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的雙向DC-DC變換器(I)，其特征在于，多電平變換器是具有兩個(gè)鉗位二極管(71)的3電平NPC變換器(51，52)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的雙向DC-DC變換器(I)，其特征在于，多電平變換器是具有兩個(gè)IGBT或電容器的3電平NPC變換器(51，52)。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的雙向DC-DC變換器(I)，其特征在于，在大變壓比時(shí)，將3電平NPC變換器(51，52 )設(shè)置在輸入或輸出級(jí)(2，4 )中具有較高電壓的一側(cè)。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的雙向DC-DC變換器(1)，其特征在于，為整流次級(jí)AC電壓，輸出級(jí)(4)包括具有第二數(shù)量的有源次級(jí)半導(dǎo)體開關(guān)(62)的H橋或半橋(8)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的雙向DC-DC變換器(I)，其特征在于，H橋(8)是2電平H橋(81)。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的雙向DC-DC變換器(I)，其特征在于，初級(jí)和次級(jí)半導(dǎo)體開關(guān)(61，62)的數(shù)量是相同的。
9.根據(jù)權(quán)利要求6到8中任一項(xiàng)所述的雙向DC-DC變換器(I)，其特征在于，次級(jí)半導(dǎo)體開關(guān)(62)的數(shù)量是四，次級(jí)半導(dǎo)體開關(guān)可以彼此獨(dú)立地切換，并且將次級(jí)半導(dǎo)體開關(guān)(62)中的第一次級(jí)半導(dǎo)體開關(guān)(621)和第二次級(jí)半導(dǎo)體開關(guān)(622)連接到正極DC側(cè)母線。
10.根據(jù)權(quán)利要求6到8中任一項(xiàng)所述的雙向DC-DC變換器(I)，其特征在于，次級(jí)半導(dǎo)體開關(guān)(62)的數(shù)量是四，次級(jí)半導(dǎo)體開關(guān)可以彼此獨(dú)立地切換，并且將次級(jí)半導(dǎo)體開關(guān)(62)中的第三次級(jí)半導(dǎo)體開關(guān)(623)和第四次級(jí)半導(dǎo)體開關(guān)(624)連接到負(fù)極DC側(cè)母線。
11.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的雙向DC-DC變換器(1)，其特征在于，為了整流次級(jí)AC電壓，輸出級(jí)(4 )包括次級(jí)多電平變換器(5 )的分支。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的雙向DC-DC變換器(1)，其特征在于，次級(jí)多電平變換器(5)是3電平變換器或5電平變換器。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的雙向DC-DC變換器(I)，其特征在于，次級(jí)多電平變換器是具有兩個(gè)鉗位二極管(71)的3電平NPC變換器(52)。
14.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的雙向DC-DC變換器(I)，其特征在于，DC輸入電壓(21)是變量，并且將輸入電壓(21)的電壓振幅調(diào)整為輸出電壓的振幅。
15.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的雙向DC-DC變換器(1)，其特征在于，將雙向DC-DC變壓器(I)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)擴(kuò)展到三個(gè)或更多相位。
【文檔編號(hào)】H02M3/337GK103620935SQ201280010996
【公開日】2014年3月5日 申請(qǐng)日期:2012年2月27日 優(yōu)先權(quán)日:2011年3月1日
【發(fā)明者】斯蒂芬·托馬斯, 里克·W·A·A·東克, 羅伯特·朗琪 申請(qǐng)人:亞琛工業(yè)大學(xué)