CN102263524A - 包括多级转换器的电路装置 - Google Patents

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Abstract

为了避免单个蓄电池单元的不合适的放电，公开了一种电路装置，该电路装置包括至少一个多级转换器，并且所述多级转换器包括电压供应端子、至少两个转换器单元和控制电路。其中，所述至少两个转换器单元中的每个包括输入端子，输出端子，以及开关装置，并且所述控制电路适于提供一组参数集并为所述至少两个转换器单元产生控制信号。所述电路装置用于执行电池平衡方案。

Description

包括多级转换器的电路装置
技术领域
本公开的实施例涉及包括多级转换器的电路装置。
背景技术
电动车或混合动力车包括将由电池装置提供的直流电压转换为驱动车辆的电动机所需的至少一个交流电压。所述电池装置包括多个电池单元，该电池单元通常是诸如锂离子电池的可再充电的电池。
根据第一已知概念，多个电池单元被串联连接，其中由该串联装置提供直流电源电压。DC/AC逆变器接收所述直流电源电压并从所述直流电压产生交流电源电压。这里，所述逆变器必须适于补偿在所述直流电源电压中发生的电压变化。这种电压变化可能是由于在操作期间对所述电池单元放电而产生的。
根据第二已知概念，DC/DC转换器被连接在所述电池装置和所述DC/AC逆变器之间。所述DC/DC转换器适于向所述DC/AC逆变器提供稳定的直流电源电压，并因此补偿由所述电池装置提供的电压中的电压变化。然而，提供所述DC/DC转换器增加了该系统的复杂性。
大多数类型的蓄电池单元(诸如锂离子电池)不应被放电到低电压极限之下，以便避免降解(degradation)或损坏。为了避免单个蓄电池单元的不合适的放电，可以应用电池平衡方案。这种平衡方案涉及对更高度地被充电的电池进行放电以对较少地被充电的电池有利。除了所述DC/AC逆变器之外还需要用于执行电池平衡方案的电路装置。
发明内容
本公开的第一方面涉及包括多级转换器的电路装置。该多级转换器包括：适于提供交流输出电压的电压供应端子；至少两个转换器单元，每个转换器单元包括适于具有被连接到其上的电荷存储单元的输入端子、输出端子和被连接在所述输入端子和所述输出端子之间的开关装置，所述开关装置适于接收控制信号，并适于依据所述控制信号在所述输出端子提供具有占空比的脉冲宽度调制输出电压，所述至少两个转换器单元在所述电压供应端子之间被互相串联连接；以及适于为所述至少两个转换器单元产生所述控制信号的控制电路，以至于所述至少两个转换器单元的输出电压的占空比取决于所述交流输出电压的期望的频率，并取决于循环参数、或所述电荷存储单元的充电状态中的至少一个。
现在将参考附图解释示例。所述附图用于阐明基本理论，所以只示出了用于理解所述基本理论必要的方面。所述附图是不按规定的。在所述附图中，相同的参考标记表示类似的信号和电路组件。
附图说明
图1示出了包括具有多级转换器的一个转换器支路的电路装置，该多级转换器具有多个转换器单元；
图2示出了所述转换器单元的实施例；
图3示出了所述电荷存储单元的实施例；
图4显示了阐明一个转换器单元的操作原理的时序图；
图5示出了具有五个转换器单元的多级转换器的实施例；
图6显示了阐明图5的多级转换器的操作原理的时序图；
图7A-7B示出了周期性地改变多级转换器的变换级的占空比的所述多级转换器的操作原理；
图8示出了具有多个转换器单元、并适于旁路所述转换器单元中的一个的多级转换器；
图9示出了具有三个多级转换器用于提供三个输出电压的电路装置；
图10示出了电路装置的第一实施例，该电路装置具有多级转换器并具有耦接到所述多级转换器的充电电路；
图11示出了电路装置的第二实施例，该电路装置具有多级转换器并具有耦接到所述多级转换器的充电电路；
图12示出了电路装置的第三实施例，该电路装置具有多级转换器并具有耦接到所述多级转换器的充电电路；
图13示出了电路装置的第四实施例，该电路装置具有多级转换器并具有耦接到所述多级转换器的充电电路；
图14示出了电路装置的第五实施例，该电路装置具有多级转换器并具有耦接到所述多级转换器的充电电路；
图15示出了电路装置的第六实施例，该电路装置具有多级转换器并具有耦接到所述多级转换器的充电电路；
图16示出了电路装置的第七实施例，该电路装置具有多级转换器并具有耦接到所述多级转换器的充电电路；
图17示出了电路装置的另一实施例，该电路装置具有多级转换器并具有耦接到所述多级转换器的充电电路；
图18示出了电路装置的第一实施例，该电路装置具有多级转换器并具有用于提供辅助电源电压的输出端子；
图19示出了电路装置的第二实施例，该电路装置具有多级转换器并具有用于提供辅助电源电压的输出端子；
具体实施方式
图1示例性地示出了包括多级转换器的电路装置。该多级转换器包括适于提供交流输出电压Vac的电压供应端子11、12，以及多个至少两个转换器单元。在本示例中，该多级转换器包括三个转换器单元C1、C2、Cn。然而，这仅是示例。不言而喻的是，可以提供多于一个的任何数量的转换器单元。
所述转换器电路C1、C2、Cn中的每个包括：适于具有被连接于其上的电荷存储单元B1、B2、Bn的输入端子P1、M1’、......、Pn’、Mn’；输出端子P1、M1、P2、M2、Pn、Mn；以及被连接在所述输入端子和所述输出端子之间的开关装置H1、H2、Hn。所述开关装置H1、H2、Hn中的每个接收控制信号S1、S2、Sn并适于在所述输出端子P1、M1、P2、M2、Pn、Mn处提供脉冲宽度调制输出电压V1、V2、Vn，其中这些输出电压V1、V2、Vn的每个的占空比取决于所述控制信号S1、S2、Sn中的一个。
所述变换级形成输出端子11、12之间的级联排列。为此，所述变换级中的一个(诸如第一变换级C1)具有被连接到第一输出端子11的第一输出端子P1，其他变换级(诸如变换级C2、Cn)具有其被连接到另一变换级的第二输出端子的第一输出端子P2、Pn，以及所述变换级中的一个(诸如第三变换级Cn)具有被连接到所述第二输出端子12的第二输出端子Mn。
所述控制信号S1、S2、Sn由控制电路20提供。控制电路20适于产生所述控制信号S1、S2、Sn以便所述输出电压Vac是振荡电压。所述输出电压Vac是单个变换级C1、C2、Cn的单个输出电压V1、V2、Vn之和。
为了便于理解图1中所示的变换级C1、C2、Cn的功能性，图2示意性地示出了一个变换级C的实施例。变换级C代表图1中所示的变换级C1、C2、Cn中的任何一个。H指定所述开关装置，B指定所述电荷存储单元，P和M指定所述输出端子，V’是所述变换级C的输入电压，以及V是其输出电压。S是控制从所述输入电压V’产生输出电压的控制信号。
根据图2中所示的实施例，所述开关装置H包括形成被连接在所述输入端子P’、M’和所述输出端子P、M之间的H桥的四个开关S1、S2、S3、S4。所述H桥电路包括被连接在所述第一输入端子P’和所述第一输出端子P之间的第一开关T1，被连接在所述第二输入端子M’和所述第一输出端子P之间的第二开关T2，被连接在所述第一输入端子P’和所述第二输出端子M之间的第三开关T3，以及被连接在所述第二输入端子M’和所述第二输出端子M之间的第四开关T4。控制信号S包括四个子信号：控制所述第一开关T1的第一子信号S1，控制所述第二开关T2的第二子信号S2，控制所述第三开关T3的第三子信号S3，以及控制所述第四开关T4的第四子信号S4。
开关S1、S2、S3、S4例如被实施为半导体开关，诸如双极晶体管或场效应晶体管。这些开关可以被植入为常合或常断晶体管。根据一个实施例，或上面的晶体管S1、S3或下面的晶体管S2、S4。
电荷存储单元B可以是适于分别存储电荷或能量的任何电荷存储单元。根据实施例，电荷存储单元B是如蓄电池(诸如锂离子蓄电池)的可再充电的电荷存储单元。然而，也可以使用适于存储电能的任何其他设备。电荷存储单元B可以包括单个蓄电池单元，或参考图3，可以包括串联连接的多个蓄电池单元B1、B2、Bm。被串联连接的单元的数量取决于由一个单元提供的电压，并取决于所述电荷存储单元B的所期望的最大电源电压。在根据图3的实施例中，多个单个蓄电池单元B1、B2、Bm串联连接。然而，不言而喻的是，取代单个蓄电池单元，也可以串联连接每个都包括多个并联连接的蓄电池单元的蓄电池单元组。
现在将参考图4解释一个变换级(诸如图2中所示的变换级C)的输出电压V的产生。图4示出了取决于控制信号S的时序图的输出电压V的时序图。为了控制具有H桥的开关装置(诸如图2的开关装置H)，S包括四个子信号。用于这些子信号S1、S2、S3、S4的每个的时序图在图4中被示出。为了解释的目的，可以假设所述子信号中的每个是采用高电平或低电平中的一个的二值信号。为了解释的目的，进一步可以假设如果特定开关的控制子信号采用高电平则所述特定开关关闭，并如果其控制子信号采用低电平则所述特定开关打开。参考图4，可以认为控制信号S是子信号S1、S2、S3、S4的向量S＝(S1，S2，S3，S4)。在图4的说明中，在子信号的向量位置处的“0”值表示对应的子信号的低电平，以及在子信号的向量位置处的“1”值表示对应的子信号的高电平。例如，S＝(0，1，0，1)表示第一信号S1是低电平、第二信号S2是高电平，第三信号S3是低电平以及第四信号S4是高电平。
所述输出电压V可以采用三个不同的电压值中的一个。为了解释的目的，可以假设开关T1-T4是在其中在开关打开状态中没有损失产生的理想开关。在这种情况下，所述输出电压V可以取决于输入电压V’而被描述如下：当所述第一开关T1和第四开关T4关闭而所述第二开关T2和第三开关T3打开时(即当S＝(1，0，0，1)时)，V＝V’；当所述第二开关T2和第三开关T3关闭而所述第一开关T1和第四开关T4打开时(即当S＝(0，1，1，0)时)，V＝-V’。当所述第一开关T1和第三开关T3关闭而所述第二开关T2和第四开关T4打开时(即当S＝(1，0，1，0)时)，或当所述第二开关和第四开关T2、T4关闭而所述第一开关T1和第三开关T3打开时(即当S＝(0，1，0，1)时)，所述输出电压V是零。
在图4所示的实施例中，在时间t1和t2之间的时间间隔期间所述输出电压V等于+V’，以及在时间t3和t4之间的第二时间间隔中V等于-V’。在t1之前、t2和t3之间以及t4之后，所述输出电压V是零。可以通过选择两个信号配置S＝(0，1，0，1)或者S＝(1，0，1，0)中的一个而获得为零的输出电压。然而，不同的信号配置的序列特别地被如此选择：使得单个开关T1-T4中的每个的切换频率尽可能低。
图5示意性地示出了在输出端子11、12之间包括串联连接的五个转换器单元C1-C5的多级转换器。所述转换器单元中的每个提供输出电压V1-V5。所述转换器的输出电压Vac是五个输出电压V1-V5之和。所述转换器单元C1-C5中的每个接收控制信号S1-S5，该控制信号控制从单个输入电压(未示出)产生输出电压V1-V5。
所述转换器单元C1-C5中的每个适于产生输出电压V1-V5，该输出电压V1-V5可以采用三个不同的电压电平中的一个。假设所述变换级C1-C5接收相同的输入电压，则这三个不同的电压电平是+V’、-V’或0(零)。
使用具有五个变换级C1-C5的多级转换器可以产生11(＝2·5+1)个不同的输出电压Vac的值。这些不同的电压电平在图6中被示出并且范围从-5V’经过0(零)到+5V’，其中V’是单个变换级的输入电压的绝对值。在这一点上，应该提及单个变换级的输入电压当然会由于制造工艺的差异、由于不同的温度依存性或由于不同的充电状态而改变。仅仅为了便于解释，假设单个变换级C1-C5的输入电压是相同的。
通常，具有多个n个变换级的转换器可以产生输出电压Vac的2n+1个不同的电压电平，其中这些不同的电压电平范围从-n·V’经过0(零)到+n·V’。
通过选择单个电压电平的合适的时序，所述多级转换器的输出电压Vac可以接近时间连续信号，尤其是诸如具有正弦波形的信号的连续振荡信号。然而，提供正弦信号作为输出信号仅仅是示例。当然，也可以产生任何其他信号，尤其是任何其他周期性信号，诸如具有三角波形或矩形波形的信号或具有正弦信号的绝对值的波形的信号。
当从电池或具有多个存储单元的蓄电池装置(诸如所述变换级的电荷存储单元(参见图1中的B1、B2、Bn)的装置)提供诸如输出电压Vac的输出电压时关键方面是电荷平衡。“电荷平衡”意思是平衡单个存储单元中的电荷，以使得单个存储单元的充电状态不会互相显著地不同。
参考图2和图4，每当输出电压V分别等于正电源电压+V’或负电源电压-V’时对电荷存储单元B放电。在对所述电荷存储单元B放电方面，在采用正+V’或负-V’电压电平的输出电压V之间没有差别。因此，这些电压电平通常将被称为“放电电平”，因为这些是在其处电荷存储单元B被放电的电平。
参考图6和图7，现在将解释使用具有五个变换级的多级转换器提供周期性输出电压的方法。在图6所示的实施例中，要被接近的输出电压Vac是正弦电压。正弦电压具有两个半周期：正半周期和负半周期，每个具有时间期间T。在当产生正半周期或或负半周期时从所述电荷存储单元接收的总体电荷方面，所述正半周期和负半周期是等同的，即如果在正半周期和负半周期期间由所述输出电压供应的负载(未示出)是相同的，则在所述正半周期和负半周期期间从电荷存储单元的整体装置接收的总体电荷是相同的。
为了产生周期性输出电压Vac，电荷存储单元的整体装置被周期性地放电，其中一个放电周期的持续时间由期望的输出电压定义。当产生具有正半周期和负半周期的周期性信号(诸如正弦信号)时，放电周期的持续时间等于一个半周期的持续时间。当产生其他周期性信号时，放电周期的持续时间等于所述信号的一个周期的持续时间。
为了说明的目的，图6示出了使用具有五个变换级的多级转换器的十一个不同电压电平的正弦输出信号Vac的近似值。在图6中，示出了在正半周期和负半周期期间的近似的正弦信号。此外，在图6中示出了单个变换级C1-C5的单个输出电压V1-V5的时序图。
为了使单个输出电压V1-V5的切换频率保持在低水平，每个输出电压在正弦信号的正半周期期间只将其信号电平改变两次，即当输出电压从零变到其正电平+V’时的第一时间，以及当输出信号将其信号电平变回到零时的第二时间。相等同地，输出电压中的每个在正弦信号的负半周期期间将其信号电平改变两次，即当输出电压从零变到其负值-V’时的第一时间，以及当输出电压将其信号电平变回到零时的第二时间。通过叠加单个变换级的输出电压V1-V5获得正弦信号波形。现在将解释在正半周期期间产生正弦输出电压Vac。在负半周期期间产生输出信号Vac等同于变换级的输出电压V1-V5在正半周期期间是正电压，并且在负半周期期间是负电压的差异。
为了接近所期望的输出电压Vac波形，所述变换级C1-C5中的每个提供输出电压V1-V5，该输出电压V1-V5在放电周期内的给定时间采用放电电平(在正半周期内采用正信号电平以及在负半周期内采用负信号电平)并持续给定的持续时间。因此，每个变换级C1-C5的输出电压可以通过参数集而被描述，所述参数集定义在其处输出电压改变到放电电平的时间以及出现放电电平的持续时间。具有给定数量的变换级的多级变换器并具有所期望的输出电压Vac波形，用于单个变换级的这些参数集可以被容易地计算出。用于计算这些参数集的方法是公知的，所以在本文中不需要进一步的阐释。
在图6中，T1-T5指示单个变换级C1-C5的输出电压V1-V5采用放电信号电平的时间。可以看出，这些时间对于单个变换级C1-C5是不同的。由于此，在每个放电周期内单个变换级C1-C5被不同地放电。
输出电压V1-V5具有占空比D1-D5，该占空比D1-D5是当输出电压V1-V5在一个放电周期内采用放电电平时的时间T1-T5与放电周期的持续时间T之间的比率，即：
Di = Ti T - - - ( 1 )
其中，Ti是当输出电压Vi采用其放电电平-V’，+V’时的持续时间，T是一个放电周期的持续时间(即，在图6的实施例中一个半周期的持续时间)，以及i是指示多级转换器的单个变换级Ci的单个输出电压的下标。
因为在一个放电周期期间从一个转换器Ci级的电荷存储单元流出的电荷的数量与输出电压Vi采用放电电平的时间Ti成比例，故占空比Di表示在一个放电周期中从变换级流出的电荷的数量。由于在一个放电周期期间需要输出电压V1-V5的不同的占空比以便接近所期望的输出电压(诸如正弦电压)，在每个放电周期期间单个变换级Ci的电荷存储单元被不同地放电。
在图6中示出变换级Ci的输出电压Vi在一个放电周期期间只采用放电电平一次。然而，这仅是示例。根据一个实施例，输出电压Vi在一个放电周期期间若干次采用放电电平。特别地，在第一过渡期和第二过渡期中若干次打开和关闭输出电压Vi。所述第一过渡期是在放电期间中第一次打开(即，采用所述放电电平)输出电压之后的时间期间，以及所述第二过渡期是在一个放电期间中最后关闭所述输出电压之前的时期。这有助于平滑所述输出电压的边缘并在图6中被示为输出电压V1。然而，在一个放电周期期间有规则地打开和关闭一个转换器的输出电压以便例如控制所述转换器的输出电流也是可能的。如果在一个放电周期期间一个转换器的输出电压一次以上地采用放电电平，则公式(1)中的Ti由在其中输出电压Vi在一个放电周期中采用放电电平的时间期间之和代替。
单个输出电压Vi的占空比Di由控制电路20借助控制信号Si(其中Si表示由控制电路20提供的控制信号(诸如控制信号S1-S5)中的一个)进行设置。参考在上文中的解释，被叠加以产生输出电压Vac的变换级Ci的输出电压Vi每个均由参数集定义，该参数集除其他(诸如放电电平的打开和关闭次数)之外定义了输出电压Vi的占空比。给定期望的输出电压并给定多个变换级，控制电路20适于提供多个参数集Pi，其中参数集的数量等于变换级Ci的数量。这些参数集例如可以通过计算或通过从存储设备读取存储的参数集值而被提供。
此外，为给定的变换级Ci给出特定的参数集Pi，所述控制电路20适于产生所述变换级的控制信号Si以便变换级Ci根据所述参数集Pi产生输出电压Vi。
控制电路20进一步适于将所述提供的参数集指定到各个变换级以便获得变换级的电荷存储单元的电荷平衡。在这一点上，“将一个参数集指定到一个变换级”意思是产生一个变换级的控制信号以便一个变换级的输出电压对应于一个参数集。
现在将参考图7A-7B针对具有五个变换级的多级转换器解释用于将计算的参数集(尤其是计算的占空比)指定到变换级Ci的示例性实施例。在这种情况下，控制电路20适于提供五个参数集，其中这些参数集中的每个都包括占空比。这些占空比将在下文中被称为D10、D20、D30、D40、D50。
根据在图7A和图7B中所示的第一实施例，将提供的参数集指定到变换级Ci周期性改变。图7A和图7B示出为多个连续的放电周期将占空比D10、D20、D30、D40、D50(是所述参数集的一部分)指定到变换级Ci，所述每个放电周期具有持续时间T。
在根据图7A的实施例中，在第一放电周期期间，第一变换级C1的第一输出电压V1具有第一占空比值D10，第二变换级C2的第二输出电压V2具有第二值D20，第三变换级C3的第三输出电压V3具有第三值D30，第四变换级C4的第四输出电压V4具有第四值D40，并且第五变换级C5的第五输出电压具有第五值D50。在根据图7A的实施例中，占空比被保持为两个连续的半周期，在正弦输出电压的情况下这意味着占空比被保持为输出电压Vac的正半周期和负半周期。这在图6中被示出。
占空比值随着每个第二放电周期的开始而改变。在根据图7A的实施例中，占空比周期性地改变，所以随着第二周期的开始，D1＝D50，D2＝D10，D3＝D20，D4＝D30，以及D5＝D40；随着第三周期的开始，D1＝D40，D2＝D50，D3＝D10，D4＝D20，以及D5＝D30，等等。因此，相同的参数集被周期性地指定到单个变换级。
根据图7B中示出的实施例，占空比D1-D5随着每次放电周期性地改变。应该提及，在这一点上，单个输出电压的占空比值被保持稳定的放电周期的数量(即，在其后占空比值改变的放电周期的数量)是任意的。根据另一实施例，占空比值在每三个、四个、五个或更多放电周期之后周期性地改变。
通过周期性地改变不同输出电压Vi的占空比，各个电荷存储单元的放电被平衡。
然而，周期性地改变占空比仅仅是平衡各个电荷存储单元的放电的一种可能的方式。根据另一实施例，所提供的参数集被随机地指定到各个变换级，其中该指定可以随着每n(n≥1)个放电周期而改变。
根据另一实施例，控制电路20适于检测电荷存储单元(诸如图1的电荷存储单元B1、B2、Bn)的充电状态并依据所检测的充电状态将所提供的包括占空比值D10-D50的参数集指定到各个变换级。根据实施例，执行将参数集指定到变换级以便被指定到特定变换级的占空比越低，则变换级的电荷存储单元的充电状态越低。
可以以多种不同方式执行各个电荷存储单元B1、B2、Bn的充电状态的检测。
根据第一示例，所述控制电路20测量跨越所述电荷存储单元B1、B2、Bn的电压V1’、V2’、Vn’。充电状态越高，则测量的电压越高。
根据第二示例，所述控制电路20测量电荷存储单元B1、B2、Bn的温度。充电状态越低，则温度越高。
根据第三示例，所述控制电路20通过结合各个电荷存储单元的输入电流和输出电流而测量在所述各个电荷存储单元中存储的电荷。在这一点上，应该提及，当所述电荷存储单元被充电时存在输入电流。在下文中将解释用于充电电荷存储单元的方法。如果所述电流开始于电荷存储单元的第一次充电而被持久地并入，则并入结果是充电状态的直接测量。
当然，也可以使用用于检测电荷存储单元B1、B2、Bn的充电状态的任何其他合适的方法。
输出电压Vac的最大幅度取决于被串联连接的变换级的数量，并取决于每个不同变换级的最大输出电压。在根据图6的实施例中，当使用五个变换级时，所述最大幅度的绝对值是单个变换级的输入电压的五倍，即5V’。根据另一实施例，所述转换器包括比所需要的更多的变换级。在这种情况下，每次至少所述变换级中的一个被控制，以便其输出电压是零，这相当于每次至少所述变换级中的一个被旁路的事实。根据一个实施例，控制电路20适于诊断所述电荷存储单元并适于持久地旁路已被识别为将不工作的电荷存储单元。被实施为蓄电池单元的电荷存储单元当其已被放电到放电极限时例如是不工作的。为了避免对蓄电池单元的持续的损害，低于该极限的放电应该被避免。
旁路故障或放电的变换级的能力提供了应急模式(a limp-homemode)。因为即使当一些变换级被旁路时，仍可以向负载提供具有较低最大电压的电源电压。
图8示出了具有若干变换级C1、C2、Cn的多级转换器，从其，一个C1可以通过将其输出端子P2、M2电连接在一起而被旁路。可以通过在它们的控制子信号S21、S23的控制下关闭第一开关T1和第三开关T3或通过在它们的控制子信号S22、S24的控制下关闭第二开关T2和第四开关T4来执行连接输出端子P2、M2。当已检测出故障或放电到其电荷存储单元V2’的较低极限时，旁路第二变换级C2例如是必要的。故障或放电到较低极限可以例如通过检测所述电荷存储单元的充电状态而被检测。
当各个电荷存储单元正适当地工作时，旁路至少一个变换级会成为必要的以便将输出电压的幅度限制到所期望的幅度值。被旁路的变换级的占空比是零。万一所有的电荷存储单元正适当地工作，为零的占空比可以认为是根据在上文中解释的指定方案中的一个而被指定到各个变换级的多个所提供的参数集中的一个参数集的占空比。
与使用DC/AC逆变器从其产生振荡输出电压的一堆电荷存储单元的已知电压产生方法相比，使用多级转换器用于产生输出电压Vac(其中每个变换级连接到电荷存储单元)具有如下优点：
各个变换级的开关T1-T4(参见图2)的电压阻断能力必须适于变换级的输入电压，即适于电荷存储单元的电压。该电压例如在20V和60V之间的范围内。单个变换级的开关T1-T4的电压阻断能力因此独立于输出电压Vac。在电动机驱动应用中，所述输出电压Vac例如在大约400V的范围内。然而，在从诸如蓄电池组的直流源产生若干100V的振荡输出电压的DC/AC逆变器中的能量损失大于多级转换器的各个变换级的低压开关中发生的能量损失之和。
此外，即使与DC/AC转换器相比，在多级转换器中需要更多的开关，但所述多级转换器的低压开关合起来比在DC/AC逆变器中所需的高压开关显著地更便宜，所以用于所述多级转换器的整体成本比用于DC/AC转换器的成本更加低。
所述多级转换器结构允许借助于输出端子11、12向各个电荷存储单元提供电能。因此，对于充电或再充电电荷存储单元而言不需要额外的端子。由于多级转换器结构，可以选择性地为各个电荷存储单元提供电能，例如为已被控制电路20识别为具有最低充电状态的那些电荷存储单元。被提供到输出端子11、12用于充电电荷存储单元的电能可以由充电电路(下文将被解释)或由被连接到输出端子11、12的负载提供。该负载例如是当由输出端子处的转换器提供电源电压时用作电动机以及可以用作用于将能量反馈到电荷存储单元中的发生器的电动机。
由于在各个低压开关中发生的低能量损失，并由于各个开关被分布在多级转换器中的事实，不需要为了冷却所述系统的昂贵的冷却系统。
最后，诸如正弦电压的连续的振荡电压可以被多级转换器的输出电压很好的接近。由具有五个变换级并提供11个不同输出电压电平的多级转换器产生的近似的正弦电压的总谐波畸变(THD)仅为大约5％。由具有11个变换级并提供23(2·11+1)个不同电压电平的多级转换器产生的近似的正弦电压的THD仅为大约1％。
如图1、图5和图8中所示的转换器具有包括多级转换器的一个转换器支路。因此，这些转换器适于产生一个单个的振荡输出电压Vac。图9示出了基于根据图1、图5和图8的转换器并分别具有三个转换器支路或变换级的三个级联的多级转换器装置。每个转换器支路包括多级转换器并提供诸如正弦电压的振荡输出电压Vac_a，Vac_b，Vac_c，其中所述三个不同的输出电压Vac_a，Vac_b，Vac_c相对于彼此是相位偏移的。所述转换器支路中的每个实施以之前参考图1至8所解释的方式之一而被实现。在图9中，用与之前在附图1至8中相同的参考标记来标明变换级的级联的类似特征，其中产生第一输出电压Vac_a的第一级联的参考标记具有附加的“a”，产生第二输出电压Vac_b的第二级联的参考标记具有附加的“b”，并且产生输出电压Vac_c的第三级联的参考标记具有附加的“c”。所述转换器支路的第一输出端子11a、11b、11c将被称为多级转换器装置的第一、第二和第三相位输出。诸如电动机的三相负载可以被连接到这些输出。所述转换器支路的第二输出被连接在一起。
为各个变换级产生控制信号Sla-Snc的控制电路存在，但没有在图9中被示出。所述控制电路适于产生各个控制信号Sla-Snc以便在相位输出11a、11b、11c处产生相对彼此是相位偏移的三个振荡输出电压Vac_a、Vac_b、Vac_c。
如前所述，可以借助于所述转换器的输出端子11、12和所述开关装置对所述各个变换级的电荷存储单元进行充电。首先将参考图1和图2解释这的基本原理。
当在一个变换级C的输出端子P、M之间施加比由电荷存储单元B提供的电压V’更高的电源电压时，可以通过控制开关装置H而对电荷单元B充电，以便其将输入端子P’、M’与输出端子P、M相连接。假设在第一输入端子P’和第二输入端子M’之间将由电荷存储单元B提供的电压V’是正电压，以及在第一输出端子P和第二输出端子M之间施加的电源电压也是正电压，则第一开关T1和第四开关T4被关闭(由控制信号S控制)以便对电荷存储单元B充电。如果电源电压是负电压，则第二开关T2和第三开关T3被关闭以便对电荷存储单元B充电。
在下文中，允许借助于输出端子P、M对电荷存储单元B进行充电的开关装置H的切换状态将被称为充电状态，而旁路转换器单元的切换状态将被称为所述开关装置的旁路状态。在这一点上，应该提及，允许使用正电源电压对电荷存储单元B充电的开关装置H的切换状态对应于参考图6(其中变换级提供正输出电压)所解释的切换状态，以及允许使用负电源电压对电荷存储单元充电的开关装置H的切换状态对应于参考图6所解释的允许提供负输出电压的切换状态。
可以借助于所述转换器和其他变换级的输出端子11、12向一个特定的变换级的输出端子P、M施加电源电压。例如，为了对一个变换级(诸如第二变换级C2)的电荷存储单元充电，该变换级H的开光装置H2处于充电状态中，而其他变换级C1、Cn每个均处于旁路状态中或充电状态中。如果只有一个变换级(诸如第二变换级C2)处于充电状态中，而其他的变换级处于旁路状态中，则出现在输出端子11、12之间的整个电源电压都被施加到变换级C2的电荷存储单元B2。如果一个以上的变换级处于充电状态中，则这些变换级的电荷存储单元形成在所述输出端子11、12之间被连接的串联电路。因此，施加到输出端子11、12的电源电压跨越所述若干电荷存储单元的串联电路而被施加，所以这些若干电荷存储单元被同时充电。
可以以许多不同的方式向所述转换器的输出端子11、12施加电源电压。下文中将参考图10至17解释用于将电源电压施加到所述转换器的输出端子的一些示例。
图10示出了用于供应三相位移输出电压Vac_a、Vac_b、Vac_c的转换器装置。该转换器装置进一步包括电源电压装置30，该电源电压装置30包括AC电源电压源31。在根据图10的实施例中，该电源电压源31借助于负载(电动机)，即借助于负载的中心抽头而被连接到相位输出11a、11b、11c。在所述多级转换器的电压产生模式中，所述负载由所述转换器装置提供的三相位移输出电压Vac_a、Vac_b、Vac_c驱动。在所述转换器装置的充电模式中，由电源电压源31提供的电源电压Uac借助于三个电动机绕组而被耦接到所述转换器装置的输出端子11a、11b、11c。为此，所述电源电压源31的一个端子被连接到所述转换器装置的第二端子12，并且其他端子被连接到所述电动机的中性点(star-point)。
在充电模式中，周期性地对至少一个变换级Ca-Cnc中的电荷存储单元充电。例如，现在将解释对一个变换级(诸如变换级C2a)的充电过程。充电周期首先涉及被串联连接的诸如变换级Ca-Cna的变换级中的每个将处于旁路状态。在该时间周期期间，与被旁路的变换级串联连接的电感器(诸如电感器L1)存储电能。每个充电周期进一步包括当至少一个变换级处于充电状态时的时间期间。之前已被存储在所述电感器(诸如电感器L1)中的电能随后被转移到至少一个变换级的电荷存储单元中。在该时间期间，没有被充电的变换级处于旁路状态。如之前所解释的，一个以上的变换级可以同时处于充电状态，而剩余的变换级处于旁路状态。
所述充电过程，即处于旁路状态或充电状态中的变换级的转换由控制电路20控制。为此，控制电路20接收电源电压Uac或与电源电压Uac成比例的电压。基于关于电源电压Uac的瞬时值的信息和关于其极性的信息，控制电路20控制在其期间所述电感器(诸如电感器L1)存储电能的持续时间，并控制要被充电的变换级的充电状态，即控制所述变换级是否处于第一充电状态用于使用正电源电压充电，或处于第二充电状态用于使用负电源电压充电。
在图10中，Ia、Ib、Ic表示流入各个支路内的充电电流。根据一个实施例，控制电路20适于测量充电电流Ia、Ib、Ic并适于控制所述转换器支路的充电，以便充电电流Ia、Ib、Ic具有给定的信号波形。通过此，可以实现从电压源31获取的电能的功率因数校正或功率因数补偿。
根据图11中所示的另一实施例，向所述多级转换器提供的电压是直流电压30。直流电压V30可以由任何直流电压源提供。在图11所示的实施例中，所述直流电压V30由电压供应装置30提供，该电压供应装置30包括供应交流电源电压的电源电压源31、AC/DC转换器、诸如功率因素控制器(PFC)、以及被下游连接到所述AC/DC转换器的可选的DC/DC转换器。所述电源电压源30借助于电动机的三个电感L1、L2、L3提供被施加给相位输出11a、11b、11c的直流输出电压V30。该充电过程与之前参考图10所解释的充电过程一致，区别在于在根据图11的实施例中，所述电源电压V30的极性不受控制电路20的监视，因为根据图11的电源电压V30总是具有相同的极性和相同的幅度。
图12示出了电压供应电路30的实施例，该电压供应电路30包括提供交流电源电压的电源电压源31、与所述电源电压源31串联连接的电感器32以及三个开关33a、33b、33c，其中这些开关中的每一个将所述电感器32连接到相位输出11a、11b、11c中的一个。可选地，另外的开关34a、34b、34c被连接在所述相位输出和负载之间。这些另外的开关34a、34b、34c用于在充电过程期间从负载断开所述多级转换器装置。根据图12的受到电压供应装置30影响的充电过程等同于已参考图10解释的充电过程，区别在于，在根据图12的装置中，由电源电压源31提供的能量被存储在附加的电感器32中而不是电动机的电感器中。根据图12的装置允许通过选择性地关闭开关33a、33b、33c中的一个或多个而选择性地对一个转换器支路的电感性的存储单元充电。在图12中示意性地示出的控制电路35通过控制信号S33a-S34c控制开关33a、33b、33c和附加的开关34a、34b、34c的切换位置。
尽管在图10和图11的实施例中需要所述电动机的中心抽头，但在图12的实施例中不需要中心抽头，在图12的实施例中，充电电路或电压供应装置30直接地被耦接到输入端子11、12。
在根据图12的实施例中，电源电压装置30被连接在三个相位输出11a、11b、11c和转换器支路的第二输出端子12之间。图13示出了在其中电压供应装置30仅被连接到相位输出11a、11b、11c的实施例，其中借助于电感器32和两个并联开关33a、33b将电源电压源31的第一端子连接到第一相位输出34a和第二相位输出34b，同时借助于第三开关33c将电源电压源31的第二端子连接到第三相位输出11c。在该装置中，充电电流从所述电源电压源流出穿过第一相位输出11a和第二相位输出11b中的一个经过第一和第二转换器支路和第三转换器支路C1c-Cnc中的至少一个到所述电源电压源。为此，第一转换器支路和第二转换器支路以及第三转换器支路中的至少一个的变换级在充电过程期间必须处于充电状态或旁路状态。
图12和图13仅示出了开关34a、34b、34c的多个不同布局中的两个。根据另一实施例(未示出)，所述开关中的两个(诸如开关33b、33c)被连接在输出11b、11c和电压源31的第二端子之间。
图14示出了基于根据图10的实施例的实施例。图14的实施例不同于根据图10的实施例，区别在于，电压供应源31借助于变压器36而被连接到具有负载和多级转换器装置的串联电路。可选地，存在被连接在所述变压器和所述负载之间的另外的开关37a。当电动机受到所述多级转换器驱动时，即当装置不处于充电模式中时，开关37a断开充电电路30。
应该被提及的是：在之前参考图11至13解释的每个实施例可以通过在电源电压源和电压供应电路的剩余电路部分之间提供变压器而被修改。在根据图11的装置中，必须在电压供应源31和AC/DC转换器之间插入所述变压器，在根据图12的实施例中，必须在电源电压源和电感器32之间提供所述变压器，并且在根据图13的实施例中，必须在所述电源电压源31和所述电感器32之间插入所述变压器。所述变压器的功能在于从电上隔离所述电压供应源和包括所述多级转换器和负载的负载装置。
图15示出了基于根据图12的电压供应电路的电压供应电路30的实施例，区别在于，在根据图15的实施例中，具有电源电压源31a和电感器32a的串联电路被连接在转换器支路的第二端子12和每个相位输出11a、11b、11c之间。所述电源31a、31b、31c中的每个可以代表三相电源电压网中的一个相位。所述串联电路中的每个用于对一个转换器支路的电荷存储单元充电。该充电过程受到控制电路60的控制，该控制电路60为各个变换级产生控制信号(控制电路60没有在图15中示出)。类似于图14中所示的实施例，变压器(未示出)可以被布置在每个电源电压源31a、31b、31c和电感器32a、32b、32c之间。
根据图16的实施例基于根据图12的实施例，区别在于，借助于一个电感器32将电源电压源31连接到相位输出11a、11b、11c中的每个。被连接在电感器32和电源电压源之间的AC/DC转换器和DC/DC转换器是可选的。
图17示出了电压供应电路的另一实施例。在图17中，参考标记MLC表示被连接在相位输出11a、11b、11c和用于基准电位的结点N之间的3-相多级转换器装置。该多级转换器装置MLC例如按照根据图10至16的多级转换器装置而被实现。
在图17的实施例中，充电电路30被耦接到负载(在本示例中，该负载是电动机)，并借助于该负载而被耦接到所述多级转换器装置MLC。充电电路30包括具有三个开关38a、37b、38c的开关装置。这些开关中的每个被连接到电动机绕组之一并适于将对应的电动机绕组耦接到电源电压源31a、31b、31c或耦接到形成电动机的中心抽头的电路结点39。开关38a、38b、38c由控制电路35借助于控制信号S38a、S38b、S38c控制。当所述MLC装置处于供应模式时，即将电源电压供应到负载时，所述开关38a、38b、38c被控制以将电动机绕组持久地连接到中心抽头。当MLC装置处于充电模式时，即借助于输出端子接收电能时，所述开关38a、38b、38c被控制以将每个电动机绕组交替地连接到电源电压源31a、31b、31c和中心抽头中的一个上。图17中所示的三个源31a、31b、31c可以代表3相电力网(power grid)的三个相位。
在图17的实施例中，开关38a、38b、38c借助于可选的变压器36a、36b、36c而被耦接到电压源31a、31b、31c。
充电电路30进一步包括连接在参考电位结点N和每个绕组之间的整流器元件37a、37b、37c(诸如二极管)。这些整流器元件用作充电过程期间的续流(freewheeling)元件。
当多级转换器装置MLC处于充电模式时，开关38a、38b、38c交替地在电压源31a、31b、31c和中心抽头39之间切换。当电压源31a、31b、31c中的一个被连接到电动机绕组中的一个上以及被连接到各个电动机绕组的转换器支路中的变换级处于旁路或充电模式中时，则充电电流借助于开关38a、38b、38c流经电压源31a、31b、31c、电动机绕组和转换器支路。当开关断开电压源31a、31b、31c时，则整流元件允许续流电流流动，即允许电流进一步流经电动机绕组和转换器支路。可选地，开关38a、38b、38c具有打开所述开关的第三切换位置。在充电模式中，则开关38a、38b、38c交替地在电压源31a、31b、31c和电动机绕组之间切换，并当多级转换器装置向负载提供电源电压时仅将电动机绕组连接到中心抽头39。
图18示出了包括辅助电压产生电路的转换器装置的实施例，该辅助电压产生电路被耦接到相位输出11a、11b、11c。所述辅助电压产生电路包括具有串联连接的电感器22和电容器24的整流器，其中辅助电压Vaux跨越电容24而出现。每个相位输出11a、11b、11c借助整流元件21a、21b、21c(诸如二极管)而被连接到整流器装置22、24。根据图18的电压产生电路20从在相位输出11a、11b、11c处出现的输出电压产生直流辅助电压。可选地，DC/DC转换器25被连接到输出23并跨越另一电容26在第二输出27处提供被控制的直流辅助输出电压Vaux’。
可选地，在参考电位结点N和转换器支路的第二输出端子之间连接偏移电压源29。由电压源29提供的偏移电压Voffs不影响电动机驱动并有助于辅助直流电压Vaux的稳定电压偏移。
图19示出了被连接到相位输出11a、11b、11c的电压产生电路20的另一实施例。该电压产生电路包括多相位AC/DC转换器28，诸如跨越转换器28和参考电位端子之间连接的电容26提供受控的直流辅助电压Vaux’的多相功率因数控制器。
在之前解释的转换器装置中，诸如端子11a、11b、11c的相同端子用于当转换器装置处于供应模式时向负载提供电源电压，并且当转换器装置处于充电模式时用于接收电能。在没有借助于负载对转换器装置充电的实施例中，诸如在充电过程期间具有开关以断开负载的图12、13、15和16的装置中，由控制电路20控制的转换器装置可能适于将电能反馈回电压源(诸如电力网)。将电能反馈回电力网可能有助于纠正或补偿由被连接到电力网的其他负载引起的功率因数变化。在这种情况下，控制电路20适于测量该网上的功率因数，并适于使得所述转换器装置将能量反馈回电力网以便纠正功率因数。
该装置特别地能够提供功率因数补偿(PFC)，因为输出电压Vac不限于是振荡电压，而可以是具有任何所期望的波形的电压，其中输出电压的最大幅度受多个变换级和每个变换级的最大输出电压的限制。
电荷存储单元中电荷的有源电荷平衡在如下三种操作模式中的每一个中是可能的：当电源电压被提供到负载时处于供应模式；当电荷被存储在电荷存储单元中时处于充电模式；当电能被反馈回电力网中时处于功率因数纠正(PFC)模式。
最后需要提及的是：已参考一个实施例解释的特征可以与其他实施例的特征相组合，即使这在上文中没有明确地提到。

Claims (21)

1.一种包括至少一个多级转换器的电路装置，所述多级转换器包括：
适于提供交流输出电压的电压供应端子；
至少两个转换器单元，每个转换器单元包括适于具有被连接到其上的电荷存储单元的输入端子，输出端子，以及被连接在所述输入端子和所述输出端子之间的开关装置，所述开关装置适于接收控制信号，并适于依据所述控制信号在所述输出端子提供具有占空比的输出电压，所述至少两个转换器单元在所述电压供应端子之间彼此串联连接；
控制电路，所述控制电路适于：提供一组参数集，所述一组参数集取决于所期望的输出电压波形，并且每个参数集定义占空比；为所述至少两个转换器单元产生所述控制信号，以便将从所述一组参数集中选择的一个参数集指定给一个变换级，其中所述将参数集指定到所述变换级随时间而改变。
2.根据权利要求1所述的电路装置，其特征在于，其中至少在放电周期的持续时间将参数集指定给变换级，所述放电周期的持续时间取决于所述输出信号的所述期望的波形。
3.根据权利要求2所述的电路装置，其特征在于，其中所述输出电压是具有正半周期和负半周期的正弦电压，以及其中一个放电周期的持续时间等于一个半周期的持续时间。
4.根据权利要求2所述的电路装置，其特征在于，其中所述控制电路适于检测所述变换级的所述电荷存储单元的所述充电状态，并适于依据所述检测的充电状态将所述参数集指定给各个变换级。
5.根据权利要求4所述的电路装置，其特征在于，其中所述控制电路适于将所述参数集指定给所述变换级，以便被指定给一个变换级的占空比越低，则所述变换级的所述电荷存储单元的所述充电状态越低。
6.根据权利要求2所述的电路装置，其特征在于，其中所述将参数集指定给所述变换级周期性地改变。
7.根据权利要求2所述的电路装置，其特征在于，其中所述将参数集指定给所述变换级随机地改变。
8.根据权利要求4所述的电路装置，其特征在于，其中所述控制电路适于通过下列中的至少一个检测一个电荷存储单元的所述充电状态：测量其输出电压；评估其输入电流和输出电流；评估其温度。
9.根据权利要求2所述的电路装置，其特征在于，其中所述控制电路适于依据所述变换级的所述电荷存储单元的所述充电状态旁路至少一个变换级。
10.根据权利要求1所述的电路装置，其特征在于，其中所述变换级包括至少三个转换器支路，每个转换器支路具有串联连接的至少两个转换器单元并具有第一输出端子。
11.根据权利要求1所述的电路装置，其特征在于，所述电路装置进一步包括：被耦接到所述多级转换器的充电电路。
12.根据权利要求11所述的电路装置，其特征在于，所述电路装置进一步包括被连接到所述输出端子的电感性的负载，所述充电电路借助于所述负载而被耦接到所述多级转换器。
13.根据权利要求11所述的电路装置，其特征在于，所述电路装置进一步包括：
被连接在所述输出端子中的一个和具有所述转换器单元的串联电路之间的至少一个开关，所述充电电路被耦接到为所述至少一个输出端子和所述串联电路所共有的结点。
14.根据权利要求11所述的电路装置，其特征在于，其中所述充电电路包括用于施加电源电压的至少一个端子。
15.根据权利要求14所述的电路装置，其特征在于，其中所述充电电路适于接收交流电源电压。
16.根据权利要求15所述的电路装置，其特征在于，其中所述充电电路包括被耦接在所述至少一个电源电压端子和所述多级转换器之间的变压器。
17.根据权利要求14所述的电路装置，其特征在于，其中所述充电电路适于接收直流电源电压。
18.根据权利要求11所述的电路装置，其特征在于，其中所述控制电路适于选择性地向所述变换级提供第一组参数集，或向所述变换级提供第二组参数集，所述第一组适于使所述多级转换器在电源电压端子提供电源电压，所述第二组适于使所述多级转换器将借助于所述电源电压端子接收的电能存储在所述电荷存储单元的至少一个中。
19.根据权利要求18所述的电路装置，其特征在于，其中所述第一组参数集取决于所述输出电压，以及其中所述第二组参数集至少取决于所述电荷存储单元的所述充电状态。
20.根据权利要求20所述的电路装置，其特征在于，其中所述第二组参数集取决于由所述充电电路接收的所述电源电压。
21.根据权利要求1所述的电路装置，其特征在于，所述电路装置进一步包括：被耦接到输出端子并具有用于提供辅助直流输出电压的输出端子的整流装置。
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