CN101180787B - 双向电池功率变换器 - Google Patents

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Abstract

公开了一种包含DC-DC转换器电路元件(3)的双向电池功率变换器(1)，电池(2)可被连接到该变换器，以便在放电模式下由电池(2)的电压产生AC输出电压，在充电模式下对电池(2)充电。变换器(1)还包含HF变压器，其与谐振电容器(6)一起构成谐振电路。为了提高所述电池功率变换器的效率，变压器在一次侧具有带有中心抽头(20)的两个绕组(11，12)，所述中心抽头(20)被连接到具有半导体开关(21，31)的功率电子中心抽头连接，同时，在二次侧设置有绕组(13)，谐振电容器(6)被串联连接到该绕组。

Description

双向电池功率变换器
技术领域
本发明涉及如权利要求1和权利要求2的前序部分所述的双向电池功率变换器。
背景技术
双向功率变换器一方面用于将DC电池电压从12伏转换为例如230伏的50Hz或60Hz AC电压，另一方面也用于由AC电压对电池进行充电。能量从电池流向DC-AC转换器，也从DC-AC转换器流向电池。这里出现的问题是传导损耗在如此小的DC电压下相当高。
由文献EP 0 820 893 A2可以获知在一次侧具有半桥阵列且在二次侧具有全桥阵列的功率变换器。
由EP 1 458 084 A2可以获知双向DC-DC转换器。其包括输入侧的桥式电路、输出侧的桥式电路、连接在所述的两电路之间的变压器，所述变压器具有谐振电容器和谐振电感器。
具有变压器(其在一次侧包含具有中心抽头的两个绕组，被连接到具有半导体开关的功率电子中点电路，且在二次侧包含线圈)的DC-AC转换器在美国专利No.6,507,503 B2中示出并进行了介绍。
进一步的转换器电路已在文献DE 40 13 506 A1和U.S.2003/0142513A1中公开。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高效率的功率变换器。
该目的通过这样的功率变换器实现：双向电池功率变换器，其具有DC-DC转换器电路元件，电池可被连接到该变换器，用于在放电运行模式下由所述电池的电池电压产生AC输出电压，并在充电运行模式下对所述电池进行充电，所述功率变换器包含高频变压器，该变压器与谐振电容器一起构成谐振电路，所述变换器的特征在于：
-所述变压器包含：位于其一次侧的具有中心抽头的两个绕组，所述中心抽头被连接到具有半导体开关的功率电子中点电路；设置在二次侧的绕组，所述谐振电容器被串联连接到该绕组，且
-具有DC-AC转换器电路元件，其位于所述功率变换器的输出侧并包含被连接在所述DC-DC转换器电路元件与所述DC-AC转换器电路元件之间的升压或降压斩波器，
--由此，交流电压电路的谐振频率高于半桥的时钟频率，
-由此，对此时钟速率进行选择，半导体以零电流被开通以及关断。
本发明允许从谐振开关的全部优点中获益而不以低压侧(undervoltage side)的高导通损耗为代价。由此，可使用高的开关频率。因此，可使用根据优选实施例设置的平板变压器(planar transformer)。
本发明在不以一次侧的开关过电压以及变压器的不利的高视在功率、低电压侧的高导通与开关损耗以及受限的运行范围为代价的情况下结合了可以使用平板变压器和低导通损耗的优点。换句话说，这意味着，采用本发明的拓扑，与现有技术相比，通过调节级(升压-降压斩波器)在电压需要被改变的运行范围内被激励，在高电流侧使得极低损耗、完全谐振开关成为可能。
根据本发明，提供了一种DC-AC转换器电路元件，所述转换器电路元件位于变换器的输出侧，并包含连接在DC-DC转换器与DC-AC转换器电路元件之间的升压-降压斩波器。结果，避免了由于DC-DC转换器不能被谐振开关的非最优运行以及最优运行点上不利的电流/电压配置引起的开关损耗。由于谐振开关元件分布在具有交错时钟(staggered clocking)的电路部件中，DC电源中的HF纹波电流低，且电容器负载也低。
有利的是，半桥电路的时钟速率小于由变压器漏感和谐振电容器决定的谐振频率，其取决于是设置了一个这样的电容器还是串联连接的两个电容器。谐振频率由变压器的漏感和串联谐振电容获得，或由变压器漏感与串联连接的电容器获得。选择此时钟速率，以零电流切换半导体的开通和关断。
如果半桥电路的时钟速率小于由变压器漏感与串联谐振电容获得的谐振频率，开通应当总是发生在零电流时，因为在这种情况下开关损耗低或不存在。根据本发明的另一有利实施方式，提供了升压-降压斩波器以及谐振转换器的同步激励。这种同步激励具有有效电流负载在功率转换器的电容器中最小化的优点。
如果变压器被配置为平板变压器，获得一个特殊的优点。所述平板变压器具有两个印刷电路板。变压器的芯和印刷电路板均被封装在外壳中。铸造外壳可以以较低的成本制造，因为平板变压器的铸造外壳中需要的突起(projection)较易制造。而且，具有两个印刷电路板的平板变压器与具有一个大印刷电路板的平板变压器相比可以以较低的成本制造。大的印刷电路板与两个小的相比较贵。
本发明的实施方式的其他优点在从属权利要求中介绍。
参照附图更为详细地阐释一示例性实施例。本发明的其他有利实施方式及其优点将被介绍。
附图说明
在附图中：
图1示出了本发明的DC-DC转换器的电路图；
图2示出了变压器HFT的等效电路图；
图3示出了本发明的具有两个HF变压器的DC-DC转换器的电路图；
图4示出了平板变压器的剖面图；
图5示出了平板变压器的另一视图；
图6示出了本发明的具有作为谐振元件的半桥电容器的DC-DC转换器的电路图；
图7示出了变压器二次侧的变压器电流与变压器电压。
具体实施方式
附图中，相同的元件有着相同的参考标号。
图1示出了本发明的功率变换器1，例如，其用于向岛状网络中的AC耗电器供电。所述功率变换器被连接到电池2。功率变换器1包含一个DC-DC转换器电路元件3，其具有并联连接到电池2的电容器4和一个HF变压器HFT。
功率变换器1还包含位于功率变换器1输出侧的DC-AC转换器电路元件5以及连接在DC-DC转换器电路元件3与DC-AC转换器电路元件5之间的升压-降压斩波器8。DC-AC转换器电路元件5被配置为是单相的。
变换器1被配置为双向电池功率变换器，并用于在放电运行模式下由电池电压产生AC输出电压，在充电模式下对电池2充电。HF变压器HFT与谐振电容器6一起构成谐振电路。
图2示出了变压器HFT的等效电路图。根据本发明，变压器HFT具有：位于一次侧的带有中心抽头20的两个绕组11与12，所述中心抽头被连接到具有半导体开关21与31的功率电子中点电路；设置在二次侧的绕组13，谐振电容器6被串联连接到该绕组。半导体开关21、31构成中点电路。
图2示出了一次侧的漏感15、16以及二次侧的漏感17。变压器的芯用参考标号14表示。中心抽头在20处表示。参考标号10表示附加电感。
半导体开关21、31交替开关并产生电压变换所需要的交流电压，所述交流电压在二次侧被桥式连接的半导体元件41、51、61、71转换回为直流电压，并由滤波电容器7进行平滑。DC-DC转换器元件工作在恒定的运行点，故其输入与输出电压处于用变压器变压比表示的固定关系。
由于谐振运行模式，大于50kHz的高开关频率是适宜的，故可使用平板变压器。在超过50kHz的频率下使用平板变压器才是可行的。
优选为，交流电压电路(其由变压器HFT的漏感与串联谐振电容6(图1)构成)的谐振频率高于半导体开关的时钟频率。结果，半导体开关21、31能以零电流开通和关断。
提供了对升压-降压斩波器8的使用，以便允许将该电路用于强烈波动的电池电压。由于升压-降压斩波器8，防止中间电压在小电池电压时下降到不能获得输出额定电压的程度。如果DC-DC转换器中的脉冲宽度在低电池电压下在充电模式中被减小，可能不能再保证谐振运行模式。结果，非最优运行将导致开关损耗的发生。升压-降压斩波器8被特别使用，所述升压降压斩波器将可变电池电压改变为电容器19上的恒定电压。升压-降压斩波器包括阻流器18、开关元件141与151以及电容器19。如果输入电压(电池电压)超过例如12V，电容器19上的电压与输入电压成比例地上升。在这种情况下，升压-降压斩波器不再需要被计时(clocked)。
如图3所示，变压器电路可用具有两个HF变压器HFT1与HFT 21的两个电路部件构成。于是，向阵列提供交错时钟，使得DC电源中的HF纹波电流以及电容器负载较低。图3所示的这两个电路部件被配置为半桥阵列。在具有半桥的配置中，变压器的变压比最高仅为一半。较小的变压器变压比是有利的，因为由变压比从过电压侧变换的漏感15和16将不会变得太高。
半桥阵列需要较少的半导体开关，结果，伴有较小的成本。
图4所示的平板变压器29被嵌入铝铸外壳24中并包含两个印刷电路板22和23。功率半导体可被配置为以SMD构造构建。如图5所示，变压器包含一次绕组26和二次绕组27，它们被布置在印刷电路板25上。阻流器芯30具有气隙，并且也被集成在印刷电路板25上。其仅被二次绕组27而不被一次绕组26励磁。
在图6中，示出了该电路的设计，其中，电容器34、35与HFT的漏感一起构成谐振电路。采用这种设计，在将其开通之前，半导体开关21、31的寄生电容器被变压器主电感中的电流放电到非常低的值。结果，发生较小的开通损耗。本实施方式中在二次侧发生的变压器电流和电压对应于图7所示。图7示出了变压器二次侧的电流60和电压50。
DC-AC转换器5可被配置为用于转换一相AC电压的H桥或用于转换三相AC电压的三相桥。
DC-AC转换器5总是以这种方式运行的配置也可能是有利的：电容器19上的电压总是高于额定电压的峰值。结果，在电池被充电的情况下，DC-AC转换器可在PFC(功率因数校正)运行模式下运行，与干线(mains)电压同相的正弦电流可从该干线分接出。在电池被放电的情况下，正弦AC电压可在任何类型的电流下被产生。
为了能够在三相转换器的情况下对任何负载(包括不对称负载和单极负载)供电，被连接的N可被添加为第四相，且整个电路可被实现为使得电容器19包含具有接地中点的两个电容器，每个电容器被具有连接在其下游的升压-降压斩波器的谐振转换器单独地充电或放电。
半导体21、31、41、51、61、71、141、151可被配置为MOSFET、IGBT、单极型晶体管或GTO。并联二极管可以为单独的部件，或由所用MOSFET的寄生二极管构成。
DC电源2可以为电池、燃料电池、发电机供电的DC中间电路或双层电容器(超级电容器)。
谐振转换器可被有利地用于汽车，以便允许不同DC电源(例如牵引用电池、双层电容器、辅助运行电池等等)之间的能量交换。能量流动的方向因此可在加速和制动的时候被颠倒。
平板变压器可以以这样的方式有利地实现：通过将附加的阻流器集成到二次变压器绕组中而增大二次漏感。这可以以图5所示的方式发生。
与半桥及全桥电路形成对比的是，半导体21、31、221、231的半导体电压不限于电容器4的电容器电压。与正常的中点电路形成对比的是，电容器电压不限于电容器4的电容器电压的两倍；变压器HFT 1和HFT 21的谐振电感的一次侧部分之上的电压降被加到其上。如果谐振电感的主要部分被移动、其主要部件移到二次侧上，这种效应才可得到控制。这是通过所介绍的变压器结构和/或通过二次侧的附加谐振电感10实现的。
参考标号清单
1         功率变换器
2         电池
3         DC-DC转换器电路元件
4         电容器
5         DC-AC转换器电路元件
6         谐振电容器
7         滤波电容器
8         升压-降压斩波器
10        附加漏感
11，12    一次侧绕组
13        二次侧绕组
14        变压器芯
15，16    一次侧漏感
17        漏感
18        阻流器
19        电容器
20        中心抽头
21        半导体开关
22，23    印刷电路板
24        铝铸外壳
25        印刷电路板
26        一次绕组
27        二次绕组
28              谐振电容器
29              平板变压器
30              阻流器芯
31              半导体开关
32，33          半桥电容器
34，35          作为谐振元件的半桥电容器
41，51，61，71  半导体元件
50              二次侧变压器电压
60              二次侧变压器电流
141，151        半导体开关
HFT              HF变压器
HFT1，HFT 21     HF变压器
LSP              气隙
221，231         开关元件

Claims (7)

1.一种双向电池功率变换器(1)，其具有DC-DC转换器电路元件(3)，电池(2)可被连接到该变换器，用于在放电运行模式下由所述电池(2)的电池电压产生AC输出电压，并在充电运行模式下对所述电池(2)进行充电，所述功率变换器(1)具有包含高频变压器(HFT)的所述DC-DC转换器电路元件(3)，该高频变压器与谐振电容器(6)一起构成谐振电路，所述变换器的特征在于：
-所述高频变压器包含：位于其一次侧的具有中心抽头(20)的两个绕组(11，12)，由所述两个绕组(11，12)组成的一次绕组被连接到具有两个半导体开关(21，31)的功率电子电路，所述两个半导体开关(21，31)的一端一起连接到所述电池(2)的第一端子，另一端分别连接到所述一次绕组的两端，所述中心抽头被连接到所述电池(2)的第二端子；设置在二次侧的绕组(13)，所述谐振电容器(6)被串联连接到所述二次绕组，所述二次侧的绕组(13)连接到由半导体元件(41，51，61，71)构成的整流器桥，且
-具有DC-AC转换器电路元件(5)，其位于所述功率变换器(1)的输出侧并包含被连接在所述DC-DC转换器电路元件(3)与所述DC-AC转换器电路元件(5)之间的升压或降压斩波器(8)，
位于高频变压器的二次侧的交流电压电路的谐振频率高于功率电子电路的时钟频率，
-由此，对此时钟频率进行选择，所述功率电子电路的半导体开关(21，31)以零电流被开通以及关断。
2.双向电池功率变换器(1)，其具有DC-DC转换器电路元件(3)，电池(2)可被连接到该变换器，以便在放电运行模式下由所述电池(2)的电池电压产生AC输出电压，并在充电运行模式下对所述电池(2)充电，所述功率变换器(1)具有包含高频变压器(HFT)的所述DC-DC转换器电路元件(3)，该高频变压器与谐振电容器(34，35)一起构成谐振电路，所述变换器的特征在于：
-所述高频变压器包含：位于其一次侧的具有中心抽头(20)的两个绕组(11，12)，由所述两个绕组(11，12)组成的一次绕组被连接到具有两个半导体开关(21，31)的功率电子电路，所述两个半导体开关(21，31)的一端一起连接到所述电池(2)的第一端子，另一端分别连接到所述一次绕组的两端，所述中心抽头被连接到所述电池(2)的第二端子；位于二次侧的一个绕组(13)，其在一端连接到谐振电容器(34，35)，所述二次绕组(13)被连接到由半导体元件(41，51，61，71)构成的整流器桥，且
-具有DC-AC转换器电路元件(5)，其位于所述功率变换器(1)的输出侧并包含连接在所述DC-DC转换器电路元件(3)与所述DC-AC转换器电路元件(5)之间的升压或降压斩波器(8)，
高频变压器的二次侧上的交流电压电路的谐振频率高于功率电子电路的时钟频率，
-由此，对此时钟频率进行选择，所述功率电子电路的半导体开关(21，31)以零电流被开通以及关断。
3.双向电池功率变换器(1)，其具有DC-DC转换器电路元件(3)，电池(2)可被连接到该变换器，以便在放电运行模式下由所述电池(2)的电池电压产生AC输出电压，并在充电运行模式下对所述电池(2)充电，所述功率变换器(1)具有包含高频变压器(HFT)的所述DC-DC转换器电路元件(3)，该高频变压器与谐振电容器(6，28)一起构成谐振电路，所述变换器的特征在于：
-所述DC-DC转换器电路元件(3)包含两个高频变压器(HFT1，HFT2)，
-各个高频变压器(HFT1，HFT2)包含：位于其一次侧的具有中心抽头(20)的两个绕组(11，12)，由所述两个绕组(11，12)组成的一次绕组被连接到具有两个半导体开关(21与31，或221与231)的功率电子电路，所述两个半导体开关(21与31，或221与231)的一端一起连接到所述电池(2)的第一端子，另一端分别连接到所述一次绕组的两端，所述中心抽头被连接到所述电池(2)的第二端子；位于二次侧的一个绕组(13)，各个二次绕组被连接到所述谐振电容器(6，28)，所述二次绕组(13)被连接到由半导体元件(41，51，61，71)构成的整流器桥，且
-具有DC-AC转换器电路元件(5)，其位于所述功率变换器(1)的输出侧并包含连接在所述DC-DC转换器电路元件(3)与所述DC-AC转换器电路元件(5)之间的升压或降压斩波器(8)，
高频变压器二次侧的交流电压电路的谐振频率高于功率电子电路的时钟频率，
-由此，对此时钟频率进行选择，功率电子电路的半导体开关(21与31，或221与231)以零电流被开通以及关断。
4.根据权利要求1-3中任意一项的双向电池功率变换器，其特征在于所述DC-DC转换器电路元件(3)的高频变压器在一次侧包含半桥功率电子电路。
5.根据权利要求1-4中任意一项的双向电池功率变换器，其特征在于所述高频变压器被配置为平板变压器(29)。
6.根据权利要求5的双向电池功率变换器，其特征在于所述高频变压器的一次绕组仅绕在变压器芯周围，而二次绕组绕在变压器芯周围和附加的阻流器芯(30)周围。
7.根据权利要求3的双向电池功率变换器，其特征在于所述DC-DC转换器电路元件(3)的高频变压器在一次侧包含具有半导体开关(21，31；221，231)的两个半桥功率电子电路。
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