CN102204073A - 变换器电路以及具有这种变换器电路的单元和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种变换器电路，该变换器电路具有：在直流电侧与第一储能电路(E1)连接的第一谐振变换器(RU1)；变压器；第二谐振变换器(RU2)，其在交流电压侧与变压器(1)的次级线圈(N2)连接并且在直流电侧与负载变换器(LR)连接；和与第一谐振变换器(RU1)以及变压器(3)的初级线圈(N1)连接的CLL-谐振电路(2)，该CLL-谐振电路(2)具有谐振电容(C)、第一和第二谐振电感(L1，L2)。为了减少开关损耗而将CLL-谐振电路(2)设计为“T”形电路。

Description

变换器电路以及具有这种变换器电路的单元和系统
技术领域
本发明涉及功率电子学领域。本发明基于一种根据独立权利要求前序部分所述的变换器电路(Umrichterschaltung)、一种具有这种变换器电路的变换器单元和系统。
背景技术
在主要是工业领域的许多应用中和牵引应用中、例如在轨道领域中，借助于交流电压和交流电流以及直流电压和直流电流在连接的用电器和发生器之间进行能量交换。在许多应用中需要另一个固定的频率也或者可变的频率。能量不仅从能量发生器传输到用电器，而且也在相反的方向上传输，为此今天使用变换器电路。例如在DE 198 27 872中给出了一种用于将交流电压转换为第二交流电压的变换器电路。其中变换器电路包括输入侧的整流器和在输出侧接在整流器之后的电容储能电路和逆变器(Wechselrichter)。逆变器在输出侧与变压器的初级侧连接。各一个电容串联于变压器的初级或次级线圈。此外变压器的次级侧与另一个逆变器连接，该逆变器接在另一个电容储能电路之后。这样控制变换器，使得借助于电容储能器、串联于变压器的电容和变压器的、在电容储能器输出侧的漏电感通过直流电在输入侧的逆变器处的脉冲发生(Takt)来获得相应的交流电压。
在上述变换器电路中表现为有问题的是，尽管存在谐振振荡电路，但此外在变换器的功率半导体开关中会出现开关损耗，其使功率半导体开关负载重，特别是热学的负载。由此使功率半导体开关相应地迅速老化并且使功率半导体开关的故障率随变换器电路的运行时长而上升。然后不再确保变换器电路的、例如其在牵引应用中绝对必要的 高度可用性。
例如由US 6 344 979已知另外的变换器电路，其公开了一种DC-DC变换器电路，该变换器电路带有与变压器的初级线圈连接的LLC中间谐振电路。其中的谐振电容与第一谐振电感串联，并且第一谐振电感与变压器的初级线圈的第一端部连接。第二谐振电感并联于变压器的初级线圈，也就是说一方面第二谐振电感与初级线圈的第一端部和第一谐振电容连接，并且另一方面第二谐振电感与变压器的初级线圈的第二端部连接。
DE10 2005 036 806示出了一种用于焊接电流源的电路，其具有并联布置的、经过相应的变压器与负载电路连接的谐振变换器。变压器的次级侧串联连接。通过电容和电感与变压器的初级侧串联以及电容与变压器的次级侧并联来形成各个谐振电路。
DE102 04 219公开了一种具有多个用于给负载馈电的子变换器系统的变流器系统。每个子变换器系统具有变压器，该变压器在输入侧直接与中频-直流电压逆变器连接。
发明内容
因此本发明的目的在于，给出一种改进的变换器电路，其具有小开关损耗并且允许一种柔和的开关、即所谓的“软开关”(soft switching)。另一个目的在于，给出一种具有变换器电路的单元和具有变换器电路的、能特别简单实现的系统。这些目的通过权利要求1，7所述的特征或通过权利要求10来实现。在从属权利要求中给出了本发明有利的改进方案。
根据本发明的变换器电路包括第一储能电路、谐振变换器、变压器、第二谐振变换器、第二储能电路和负载变换器(Lastumrichter)。第二谐振变换器在输入侧与变压器的次级线圈连接，并且CLL-谐振电路与第一谐振变换器连接并且与变压器的初级线圈连接，该CLL-谐振电路具有谐振电容、第一谐振电感和第二谐振电感。根据本发明， 谐振电容与第一谐振电感串联，其中第一谐振电感与变压器的初级线圈的第一连接点连接。此外谐振电容与第一谐振变换器连接，并且第二谐振电感和谐振电容与第一谐振电感的连接点连接，其中第二谐振电感与变压器的初级线圈的第二连接点连接，并且变压器的初级线圈的第二连接点与第一储能电路的连接点连接。CLL-谐振电路因此设计为“T”形电路。
此外，借助于CLL-谐振电路(通过第一谐振变换器这样控制该CLL-谐振电路，使得CLL-谐振电路以其谐振频率进行振荡)，除了无电流地接通和断开第一谐振变换器的优选使用的可控的双向功率半导体开关之外，也可以使第一谐振变换器的、可控的双向功率半导体开关无电压地接通和断开。由此可能进一步减少第一谐振变换器的可控的双向功率半导体开关的开关损耗，并且有利地可能低损耗地将施加在第一储能电路输入端处的第一直流电压转换成施加在第二储能电路输出端处的第二直流电压。通过减小开关损耗相应地延长了可控的双向功率半导体开关的寿命，并且可以较小地保持变换器电路的故障率，从而有利地得到变换器电路的高度可用性。
根据本发明的变换器系统或根据本发明的变换器单元具有至少两个前述的根据本发明的变换器电路，其中这些变换器电路在输入侧彼此并联或串联，或者彼此串联且并联。因此可以考虑简单地构造系统，其中借助于第一储能电路输入侧的并联电路有利地实现大输入直流电流，并且进而可以传输增加的电能。第一储能电路输入侧的串联电路又能够实现高输入直流电压，并且进而同样传输大电能。
附图说明
通过下面对本发明优选的实施方式联系附图进行的详细说明公开了本发明的这些和其他目的、优点以及特征。
图中示出：
图1是根据本发明的变换器电路的第一实施方式，
图2是根据本发明的变换器电路的第二实施方式，
图3是根据本发明的变换器系统的第一实施方式，其具有根据图2的变换器电路，
图4是根据本发明的变换器系统的第二实施方式，其具有根据图2的变换器电路，
图5是根据本发明的变换器系统的第三实施方式，其具有根据图2的变换器电路，
图6是根据本发明的变换器系统的第四实施方式，其具有根据图2的变换器电路，以及
图7是根据本发明的变换器系统的第五实施方式，其具有根据图2的变换器电路。
在参考标号表中总结地列出了在附图中使用的参考标号和其含义。原则上在图中相同的部件设有相同的参考标号。所说明的实施方式示例性地代表了发明的内容，并且没有限制作用。
具体实施方式
示出的实施方式的说明分别与负载流方向有关，其从变压器1的初级侧N1延伸到其次级侧N2。图1示出了根据本发明的变换器电路的第一实施方式。其中变换器电路包括第一谐振变换器RU1，其在输入侧与连接在前面(vorgeschalteten)的第一储能电路E1连接，并且在输出侧与CLL-谐振电路2和变压器1的初级线圈N1连接。变压器1的次级线圈N2与第二谐振变换器RU1的输入侧连接。第二储能电路E2在输入侧与第二谐振变换器RU1的输出侧连接，并且在输出侧与负载变换器LR连接。第一储能电路E1由两个串联的电容C1和C2构成，它们共同的连接点F与变压器1的初级线圈N1连接。第二储能电路E2同样由两个串联的电容C3和C4构成，它们共同的连接点G与变压器1的次级线圈N2连接。第一谐振变换器RU1可以如在根据图1的实施方式中示出的那样，在半桥配置中、也或者在简单的半 桥配置中、简单的全桥配置中、在3级全桥配置中、但也在每个可以想到的并且本领域技术人员已知的其它实施方式中设计为3级变换器。以相应于第一谐振变换器RU1的方式可以构造第二谐振变换器RU2。负载变换器LR能(在根据图1的实施方式中未明确示出)在每个可以想到的并且本领域技术人员已知的实施方式中构造。CLL-谐振电路2与第一谐振变换器RU1和变压器1的初级线圈N1连接，其中CLL-谐振电路2具有谐振电容C、第一谐振电感和第二谐振电感L1，L2。
现在根据本发明，谐振电容C与第一谐振电感L1串联，其中第一谐振电感L1与变压器1的初级线圈N1的第一连接点A连接，并且谐振电容C与谐振变换器1的输出侧连接。第二谐振电感L2和谐振电容C与第一谐振电感L1的连接点连接，其中第二谐振电感L2与变压器1的初级线圈N1的第二连接点B连接。变压器1的初级线圈N1的第二连接点B与电容储能电路E1的连接点F连接。通过第一谐振变换器RU1优选地这样控制CLL-谐振电路2，使得CLL-谐振电路2以其谐振频率进行振荡。由此除了无电流地接通和断开第一谐振变换器RU1的优选使用的可控的双向功率半导体开关之外，可能的是，使第一谐振变换器RU1的可控的双向功率半导体开关也无电压地接通和断开。因此可以进一步减少第一谐振变换器RU1的可控的双向功率半导体开关的开关损耗，并且有利地可能低损耗地将施加在第一储能电路E1输入端的第一直流电压转换成施加在第二储能电路E2输出端的第二直流电压。通过减小开关损耗相应地延长了可控的双向功率半导体开关的寿命，并且可以较小地保持变换器电路的故障率，从而有利地得到变换器电路的高度可用性。证明为特别有利的是，第一谐振变换器RU1的可控的双向功率半导体开关在运行时利用相应于CLL-谐振电路2的谐振频率的开关频率开关，因为这样在无电流地接通和断开可控的双向功率半导体开关时，并且在无电压地接通和断开可控的双向功率半导体开关时，出现特别小的开关损耗。如果可控的 双向功率半导体开关的开关频率高于谐振频率，那么通过可控的双向功率半导体开关的开关过程产生的振荡不仅在变换器电路的输入侧、即在第一储能电路E1的输入端上，而且在变换器电路的输出侧上、即在第二储能电路E2的输出端上能够以期望的量保持为小，其中可控的双向功率半导体开关的开关损耗一如既往地小。
根据图1，以半桥的配置构造第一谐振变换器RU1与第一储能单元E1，其中该谐振变换器RU1具有第一、第二、第三和第四可控的双向功率半导体开关S1，S2，S3，S4，其中可控的双向功率半导体开关S1，S2，S3，S4串联。第一谐振变换器RU1的电容Cf并联于两个功率半导体开关S2和S3，并且由此与如下连接点连接，该连接点一方面由功率半导体开关S1和S2形成，并且该连接点另一方面由功率半导体开关S3和S4形成。电容Cf有利地使可控的双向功率半导体开关S1，S2，S3，S4处的电压稳定，该电压尤其相应于施加在第一电容储能器和第二电容储能器C1，C2上的电压的一半。第一电容储能器E1的电容C1与第一可控的双向功率半导体开关S1连接，并且第一电容储能器E1的第二电容C2与第四可控的双向功率半导体开关S4连接。
根据方法，在根据图1的变换器电路中，第一、第二、第三和第四可控的双向功率半导体开关S1，S2，S3，S4分别借助于控制信号进行控制，其中控制信号根据脉冲宽度调制的类型而产生。可控的双向功率半导体开关S1，S2，S3，S4的开关频率通过控制信号来确定。为了实现上面已经提到的优点，用于第一可控的双向功率半导体开关S1的控制信号与脉冲宽度调制的载波信号同相(in Phase bezueglich)。与此相反，第二可控的双向功率半导体开关S2的控制信号与脉冲宽度调制的载波信号反相(gegenphasig bezueglich)。特别有利地，第一可控的双向功率半导体开关S1的控制信号的控制系数和第二可控的双向功率半导体开关S2的控制信号的控制系数分别在数量级25％或75％中选择。然后将第二可控的双向功率半导体开关S2的互补控制信 号选择为第三可控的双向功率半导体开关S3的控制信号，并且将第二可控的双向功率半导体开关S3的互补控制信号选择为第四可控的双向功率半导体开关S2的控制信号。
图2同样示出了如其在图1中示出的变换器电路，区别之处在于，第一储能电路E1在输入侧与电网变换器NU连接。该电网变换器可以如在根据图2的实施方式中示出的那样是简单的全桥配置，但也可以在每个可以想到的并且本领域技术人员已知的其它实施方式中构造。示出的电网变换器NU具有第五、第六、第七和第八可控的双向功率半导体开关S5，S6，S7，S8，其中可控的双向功率半导体开关S5和S7以及可控的双向功率半导体开关S6和S8分别彼此串联。两对彼此串联的功率半导体开关S6，S8和S5，S7又彼此并联。因此形成了在功率半导体开关S5和S7之间共同的连接点以及在功率半导体开关S7和S8之间共同的连接点。功率半导体开关S6和S8的连接点经过电感L3在输入侧与由地电位和开关T4形成的连接点连接。功率半导体开关S7和S8的连接点在输出侧经过开关T4与第一储能电路E1的输入侧连接。此外，功率半导体开关S5和S7的连接点经过电感L4在输入侧与由供电网3和开关T1形成的连接点连接。功率半导体开关S5和S6的连接点在输出侧经过开关T1与第一储能电路E1的输入侧上的第一电容C1连接。借助于开关T1和T4可以接通或断开变换器电路中的电网变换器NU。
根据方法，在根据图2的变换器电路中，分别借助于控制信号控制第一、第二、第三和第四可控的双向功率半导体开关S1，S2，S3，S4，其中控制信号根据脉冲宽度调制的类型而产生。为了实现上面已经提到的优点，用于第一可控的双向功率半导体开关S1的控制信号与脉冲宽度调制的载波信号同相。与此相反，用于第四可控的双向功率半导体开关S4的控制信号与脉冲宽度调制的载波信号反相。特别有利地，第一可控的双向功率半导体开关S1的控制信号的控制系数和第四可控的双向功率半导体开关S4的控制信号的控制系数分别在 数量级25％或75％中选择。然后将第一可控的双向功率半导体开关S1的互补控制信号选择为第二可控的双向功率半导体开关S2的控制信号，并且将第四可控的双向功率半导体开关S4的互补控制信号选择为第三可控的双向功率半导体开关S3的控制信号。
可以想到的是，通常第二谐振电感L2集成在变压器1中。但也可以想到，通常第一谐振电感L1或者附加地或者单独集成在变压器1中。通过这些措施可以节省位置，并且简化变换器电路的制造、特别是装配。
优选地，第一、第二、第三和第四可控的双向功率半导体开关S1，S2，S3，S4分别作为通过门极换流的集成晶闸管(IGCT-integrated Gate-Commutated Thyristor)，其具有所属的并联二极管。这种晶闸管在同时耐用性高时、主要是在电压高时并且特别是在过压时具有特别小的有效功率损耗。但也可以想到，第一、第二、第三和第四可控的双向功率半导体开关S1，S2，S3，S4分别构造为具有绝缘布置的门极的双极晶体管(IGBT-Insulated Gate Bipolartransistor)，其具有所属的并联二极管。这种晶体管的特征在于高开关频率和进而在电流和电压中的小振荡。
根据本发明的变换器单元通常具有至少两个前面提到的根据本发明的变换器电路，其中变换器电路的第一储能器E1在输入侧彼此并联或串联。因此可以考虑简单地构造该单元，其中借助于第一储能器E1输入侧的并联电路可以有利地实现大输入直流电流，并且因此可以传输增加的电能。第一储能器E1输入侧的串联电路又能够实现高输入直流电压，并且进而同样能够实现传输大电能。此外同样可能的是，在输入侧具有第一储能器E1的并联电路的两个或更多个变换器单元可以彼此串联。因此由串联电路和并联电路得到该优点，即传输大的输入直流电流和实现高输入直流电压。
根据本发明的变换器系统如在图3中示出的那样，通常具有至少两个前面提到的、具有分别在输入侧连接的电网变换器NU的变换器 电路。变换器系统的电网变换器NU在输入侧彼此串联。变换器系统因此在输入侧能够有利地实现大的输入电压并且因此能够实现传输增加的电能。此外代替在输入侧彼此串联的电网变换器NU，也可能的是，电网变换器在输入侧彼此并联。由此在输入侧对于变换器系统允许处理大输入电流并且同样实现传输增大的电能。如在图4中示出的变换器系统，变换器电路在输入侧与电网变换器NU串联和并联的组合也是可能的。如示出的一样，变换器系统的两个在输入侧彼此串联的电网变换器NU可以在输入侧并联于两个另外在其侧彼此串联的电网变换器NU。
图5示出了图4中示出的根据本发明的变换器系统，其具有的优点是，出现不仅串联而且并联的、分别在输入侧连接电网变换器NU的变换器电路，并且该变换器系统附加地具有开关T1，T2，T3。利用开关T1，T2，T3能以可以想到的方式接通和断开变换器系统的电网变换器NU。由此，在将例如把交流电压或交流电流馈入变换器系统的电网变换器NU的供电网变成例如提供直流电流或直流电压的另一个供电网时，可以以有利的方式进行，并且借助于操控开关T1，T2，T3直接将直流电压或直流电流施加在第一储能电路E1的输入侧上。
图6示出了如在图5中已经示出的类似变换器系统，区别之处在于，利用这四个电网变换器NU的开关通过操控开关T1，T2，T3，供电网(3)能直接从电网变换器NU开关到变换器系统的第一储能电路E1的输入端，并且其中然后全部四个变换器电路彼此在第一储能电路E1的输入侧并联。图6中示出的变换器系统允许以有利的方式处理施加在第一储能电路E1上的大输入直流电压电流。
图7示出了根据本发明在电网侧三相设计的变换器系统，在该变换器系统中，六个示出的变换器电路中的每两个和所属的电网变换器NU串联，并且能分别与供电网(3)的相U，V，W连接。因此变换器系统能够有利地连接在三相供电网上，并且基于彼此串联的变换器线 路的原因，变换器系统允许高输入电压。
此外，不仅在根据本发明的变换器单元中，而且在根据本发明的变换器系统中通常可能的是，变换器系统的变换器单元的负载变换器LR在输出侧彼此并联或串联。借助于负载变换器LR在输出侧的并联电路有利地实现大输出直流电流。负载变换器LR在输出侧的串联电路又允许高输出直流电压。
根据本发明的变换器电路、变换器单元或变换器系统中的电网变换器NU可以实现为AC/DC转换器和/或DC/DC转换器。
参考标号表
A，B，F，G 连接点
C          谐振电容
C1，…C4   电容储能器
E1，E2     储能电路
NU         电网变换器
L1，L2     谐振电感
L3，L4     电网变换器中的电感
LR         负载变换器
N1         初级线圈
N2         次级线圈
RU1，RU2   谐振变换器
T1，…T4   用于开关的部件；开关件
S1，...S8 功率半导体开关
1          变压器
2          CLL-谐振电路
3          供电网

Claims (14)

1.一种变换器电路，该变换器电路具有：在直流电压侧与第一储能电路(E1)连接的第一谐振变换器(RU1)；变压器；第二谐振变换器(RU2)，所述第二谐振变换器(RU2)在交流电压侧与所述变压器(1)的次级线圈(N2)连接并且在直流电压侧与负载变换器(LR)连接；以及具有与所述第一谐振变换器(RU1)和所述变压器(3)的初级线圈(N1)连接的CLL-谐振电路(2)，该CLL-谐振电路(2)具有谐振电容(C)、第一谐振电感和第二谐振电感(L1，L2)，其特征在于，所述谐振电容(C)与所述第一谐振电感(L1)串联，其中所述第一谐振电感(L1)与所述变压器(1)的初级线圈(N1)的第一连接点(A)连接，以及所述谐振电容(C)与所述第一谐振变换器(RU1)连接，并且所述第二谐振电感(L2)与所述谐振电容(C)和所述第一谐振电感(L1)的连接点连接，其中所述第二谐振电感(L2)与所述变压器(1)的初级线圈(N1)的第二连接点(B)连接，并且所述变压器(1)的初级线圈(N1)的所述第二连接点(B)与所述第一谐振变换器(RU1)连接。
2.根据权利要求2所述的变换器电路，其特征在于，所述第一储能电路(E1)具有第一电容储能器(C1)、串联于所述第一电容储能器(C1)的第二电容储能器(C2)，并且其中所述变压器(1)的初级线圈(N1)的所述第二连接点(B)与由所述第一储能器(C1)和所述第二储能器(C2)形成的、所述第一储能电路(E1)的连接点(F)连接。
3.根据权利要求3所述的变换器电路，其特征在于，所述第二谐振变换器(RU2)在直流电压侧与第二储能电路(E2)连接，所述第二储能电路(E2)具有第三电容储能器(C3)、串联于所述第三电容储能器(C3)的第四电容储能器(C4)，以及其中所述变压器(1)的次级线圈(N2)与由所述第三储能器(C3)和所述第四储能器(C4)形成的、所述第二储能电路(E1)的连接点(G)连接。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的变换器电路，其特征在于，所述第二谐振电感(L2)集成在所述变压器(1)中。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的变换器电路，其特征在于，所述第一谐振电感(L1)集成在所述变压器(1)中。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的变换器电路，其特征在于，存在开关件(S1，S2，S3)，利用该开关件能这样开关电网变换器(NU)，使得所述电网变换器(NU)在交流电压侧与供电网(3)连接并且在直流电压侧与所述第一储能电路(E1)连接。
7.一种变换器电路单元，其特征在于，设置至少两个根据权利要求1至5中任一项所述的变换器电路，并且这些变换器电路在输入侧彼此串联。
8.一种变换器电路单元，其特征在于，设置至少两个根据权利要求1至5中任一项所述的变换器电路，并且这些变换器电路在输入侧彼此并联。
9.根据权利要求7所述的变换器电路单元，其特征在于，设置至少两个变换器电路单元，并且这些变换器电路单元彼此并联。
10.一种变换器电路系统，其特征在于，设置至少两个根据权利要求6所述的变换器电路，所述电网变换器(NU)在输入侧彼此串联。
11.根据权利要求10所述的变换器电路系统，其特征在于，设置至少两个变换器电路系统，这些变换器电路系统彼此并联。
12.根据权利要求11所述的变换器电路系统，其特征在于，存在开关件(T1，T2，T3，T4)，利用所述开关件能这样开关所述电网变换器(NU)，使得根据权利要求8所述的变换器电路单元在输入侧与所述供电网(3)连接。
13.根据权利要求11所述的变换器电路系统，其特征在于，存在开关件(T1，T2，T3，T4)，利用所述开关件能这样开关所述电网变换器(NU)，使得根据权利要求7所述的变换器电路单元在输入侧与供电网(3)连接。
14.根据权利要求10至13中任一项所述的变换器电路系统，其特征在于，存在三个变换器电路系统，并且它们彼此连接，以便与三相供电网(3)连接。
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