CN103797698A - 基于级联单元的双向非隔离dc-dc变换器 - Google Patents

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Abstract

提供一种DC-DC变换器（200）包括第一可变电压源（201）和第二可变电压源（202），电容器（203），交流电流滤波器（204），以及控制装置（205）。第一DC电压（UDC1）被提供在第一电压源和第二电压源的串联连接上，以及幅度比（UDC1）更小的第二DC电压（UDC2）被提供在第二电压源上。（UDC1）与（UDC2）之间的变换通过在包括两个电压源和电容器的电路内部循环交流电流，借此在两个电压源之间交换功率而实现。交流电流通过由第一和第二电压源所提供的AC电压分量进行驱动。控制装置布置用于控制第一和第二电压源以便于将AC分量之间的相位差维持在接近π。

Description

基于级联单元的双向非隔离DC-DC变换器
技术领域
本发明总体上涉及用于高压直流（HVDC）输配电的功率电子变换器，以及铁路轨道系统。更具体地，本发明涉及非隔离，即电气非隔离的，采用若干串联连接的变换器模块的DC-DC变换器。
背景技术
为了降低功率电子变换器的输出电压的谐波畸变，已经提出了被称为基于单元串的多级变换器，提供可以呈现若干分立等级的输出电压。单元串典型地包括多个串联连接的变换器单元，其中每一个单元包含以半桥或者全桥类型布置进行连接的的数个开关元件，例如，晶体管，以及形式为电容器的能量存储单元。
一种用于在直流（DC）电压之间进行变换的变换器在本文中被称为DC-DC变换器。DC-DC变换器已知是基于以上描述的级联，即，串联连接的变换器单元的概念。典型地，如图1所示，这一变换器100基于变压器101和在变压器101的每一侧的两串变换器单元102-105。每一串变换器单元102-105被布置为朝向其各自的DC端子106/107提供DC电压，以及朝向变压器101提供交流电流（AC）。变压器101允许调整AC电压水平，其进而导致在两个端子106和107之间的DC电压偏差。然而，由于变压器的缘故，这一方案遭受附加的功率损失。进一步，变压器带来额外的成本。
发明内容
本发明的一个目的在于为以上技术和现有技术提供一种更有效的可替换方案。
更具体地，本发明的一个目的在于提供一种用于功率电子应用的改进的DC-DC变换。特别是，本发明的另一目的在于提供一种用于HVDC应用的改进的DC-DC变换。
本发明的这些以及其他目的借助于具有定义在独立权利要求1中的特征的DC-DC变换器，借助于具有定义在独立权利要求8中的特征的DC-DC变换器，借助于定义在独立权利要求11中的DC-DC变换器的方法，以及借助于定义在独立权利要求13中的DC-DC变换器的方法而实现。本发明的实施例以从属权利要求为特征。
根据本发明的第一方面，提供一种DC-DC变换器。所述DC-DC变换器包括第一相臂和控制装置。所述第一相臂具有第一，第二以及第三连接端子。所述第一相臂包括第一和第二可变电压源，第一电容器，以及AC滤波器。所述第一和第二可变电压源分别布置为提供第一和第二电压。每一个电压源具有第一电极和第二电极。第一电压源的第一电极连接到相臂的第一端子。第一电压源的第二电极连接到第二电压源的第一电极。第二电压源的第二电极连接到相臂的第二端子。第一DC电压被提供在相臂的第一端子和第二端子之间。第二DC电压被提供在相臂的第三端子和第二端子之间。第一电容器被连接在相臂的第一端子和第二端子之间。AC滤波器被连接在第二电压源的第一电极和相臂的第三端子之间。控制装置被布置用于控制第一相臂的第一和第二电压源。第一和第二电压源受控制以便于在包括第一电容器、第一相臂的第一电压源以及第二电压源的电路中循环交流电流。
根据本发明的第二方面，提供了一种DC-DC变换器。所述DC-DC变换器包括至少两个相臂以及控制装置。每一个相臂具有第一、第二和第三连接端子。所述至少两个相臂并联连接。每一个相臂包括第一和第二可变电压源。每一个可变电压源被布置分别用于提供第一和第二电压。每一个电压源具有第一电极和第二电极。所述第一电压源的第一电极连接到相臂的第一端子。第一电压源的第二电极连接到第二电压源的第一电极。第二电压源的第二电极连接到相臂的第二端子。第一DC电压被提供在相臂的第一端子和第二端子之间。第二DC电压被提供在相臂的第三端子和第二端子之间。控制装置被布置用于控制每一个相臂的第一和第二电压源。每一个相臂的第一和第二电压源受控制以便于在包括每一个相臂的第一和第二电压源的电路中循环AC电流。进一步地，每一个相臂的第一和第二电压源受控制以便于在相臂的各自的AC电流之间维持恒定的相位差。
根据本发明的第三方面，提供了一种DC-DC变换器的方法。所述DC-DC变压器包括第一相臂。所述第一相臂具有第一、第二和第三连接端子。第一相臂包括第一和第二可变电压源，第一电容器，以及AC滤波器。第一和第二可变电压源被布置分别用于提供第一和第二电压。每一个电压源具有第一电极和第二电极。第一电压源的第一电极连接到相臂的第一端子。第一电压源的第二电极连接到第二电压源的第一电极。第二电压源的第二电极连接到相臂的第二端子。第一DC电压被提供在第一相臂的第一端子和第二端子之间。第二DC电压被提供在相臂的第三端子和第二端子之间。第一电容器被连接在相臂的第一端子和第二端子之间。AC滤波器被连接在第二电压源的第一电极和相臂的第三端子之间。所述方法包括控制第一相臂的第一和第二电压源。第一和第二电压源受控制以便于在包括第一电容器，第一相臂的第一电压源和第二电压源的电路中循环交流电流。
根据本发明的第四方面，提供了一种DC-DC变换器的方法。所述DC-DC变换器包括至少两个相臂以及控制装置。每一个相臂具有第一，第二和第三连接端子。所述至少两个相臂并联连接。每一个相臂包括第一和第二可变电压源。每一个可变电压源布置分别用于提供第一和第二电压。每一个电压源具有第一电极和第二电极。第一电压源的第一电极连接到相臂的第一端子。第一电压源的第二电极连接到第二电压源的第一电极。第二电压源的第二电极连接到相臂的第二端子。第一DC电压被提供在相臂的第一端子和第二端子之间。第二DC电压被提供在相臂的第三端子和第二端子之间。所述方法包括控制每一个相臂的第一和第二电压源。每一个相臂的第一和第二电压源受控制以便于在包括每一个相臂的第一和第二电压源的电路中循环AC电流。进一步地，在相臂各自的AC电流之间维持恒定的相位差。
本发明利用可以通过变换器来实现从第一DC电压变换到第二DC电压或反之的理解，所述第二DC电压在幅度上比第一DC电压更低，所述变换器包括至少一个具有两个串联连接的可变电压源，即，可控制的电压源的相臂，其中每一个电压源被布置用于提供DC电压以及AC电压，并且其中所述第二DC电压被提供在跨其中一个电压源两端。根据本发明的实施例的变换器被布置用于在变换器内部循环交流电流，借此在电压源之间交换功率。
这可以例如由根据本发明的第一方面的实施例的变换器实现，所述变换器进一步包括与第一DC电源并联连接的电容器，即，与两个电压源的串联连接进行并联连接的电容器，以便于闭合用于循环交流电流的电路。更具体地，由于通过两个电压源所提供的AC电压分量的缘故，除了分别引起第一和第二DC电压的DC分量之外，交流电流在变换器电路之内循环，由第一和第二电压源的AC电压分量的总和进行驱动。交流电流通过包括两个电压源和电容器的电路进行驱动。换句话说，两个电压源受控制以便于提供引起交流电流的AC电压。循环交流电流许可在两个电压源之间进行功率的传递。进一步地，AC滤波器被提供以便于限制AC电压分量在DC电压上的扰动。
作为可替换方式，本发明的目的还可以通过根据本发明的第二方面的实施例的变换器实现，所述变换器包括至少两个相臂，其中每一个相臂包括两个前述的可控制的电压源。在这一情形中，在电压源之间的功率交换通过在多个相臂之间循环交流电流而实现。更具体地，由于通过每一个相臂中的两个电压源所提供的AC电压分量的缘故，除了引起第一和第二DC电压的DC分量之外，交流电流在变换器电路之内循环，由每一个相臂中的AC电压分量进行驱动。交流电流通过包括至少两个相臂的电路进行驱动，并且许可在每一个相臂中的电压源之间的功率的传递。控制装置进一步布置用于控制相臂的各自的第一和第二电压源，以及用于维持相臂的各自的AC电流之间的恒定的相位差。优选地，所述变换器包括多于两个相同的并联连接的相臂。本发明的实施例包括多个相臂，并且其中每一个相臂中循环的各自的交流电流相差恒定的相位差，这是有利的，因为变换器的功率额定值可以得以增加并且由于AC电压分量和交流电流的缘故从而谐波与DC电压的相互作用可以得以减小。
相对于现有技术的方案来说，本发明的实施例是有利的，因为DC-DC变换可以不使用变压器而实现，这导致不那么昂贵并且具有降低的功率损耗的DC-DC变换器。
进一步地，本发明的实施例是有利的，因为通过变换器的功率可以在任一方向流动，即，电流可以从第一DC电压侧流动到第二DC电压侧，或者反之。换句话说，变换器是双向的。
根据本发明的实施例，控制装置布置用于控制第一和第二电压源以便于维持第一电压的AC分量和第二电压的AC分量之间的相位差。所述相位差被维持在接近π。通过维持相位差，从而使得两个AC分量彼此几乎反相，两个电压源之间的功率交换可以得到最大化。这是有利的，因为变换器的效率得以改进。在这一方面，术语“接近”被理解为意味着相位差优选被保持在尽可能接近π，受限于电容器上的无功电压降落。在当前公开中，所有相位为弧度单位。
根据本发明的实施例，每一个相臂进一步包括第一电感器。所述第一电感器与第一电容器串联连接。所述串联连接的电容器和电感器组成具有由两个组件各自的电感和电容所确定的谐振频率的谐振电路。使用谐振电路用于闭合AC电流路径是有利的，因为电路的谐振频率可以被选择以匹配所期望的交流电流的频率，所述频率通过由两个电压源所提供的电压的AC分量给出，所述两个电压源进而通过控制装置进行控制。这是有利的，因为电容器的电容可以被降低，由于谐振电路在谐振处的低阻抗。可替换地，第一和第二电压的AC分量的幅度可以被降低。
根据本发明的实施例，每一个可变电压源包括多个变换器单元。所述变换器单元串联连接。每一个变换器单元包括两个开关元件和能量存储元件。所述能量存储元件与所述开关元件以半桥类型样式串联连接。所述开关元件可以例如为绝缘栅双极型晶体管（IGBTs）。作为可替换方式，每一个变换器单元可以为全桥类型。还将理解的是半桥和全桥单元的结合可以被用在每一个单元串内部，借此对DC电压分量和AC电压分量之间的平衡进行偏移。如果要求第一DC电压和第二DC电压之间的高比率，这是有利的。
根据本发明的实施例，AC滤波器为电感器。使用电感器作为AC滤波器是有利的，因为其提供了比更先进的滤波器相比不那么昂贵的解决方案。作为可替换方式，AC滤波器可以为并联谐振系列滤波器，包括并联连接的电感器和电容器。作为另一可替换方式，AC滤波器可以为低通滤波器，包括电感器和电容器。
根据本发明的另一实施例，变换器进一步包括第二相臂。所述第二相臂与所述第一相臂相同。所述第二相臂的第二端子连接到所述第一相臂的第二端子。第三DC电压被提供在第二相臂的第一端子和第二端子之间。第四DC电压被提供在第二相臂的第三端子和第二端子之间。控制装置进一步被布置用于控制第二相臂的第一和第二电压源。第一和第二电压源受控制以便于在包括第一电容器，第二相臂的第一电压源和第二电压源的电路之内循环AC电流。换句话说，两个DC-DC变换器结合起来以实现双极型DC-DC变换器。这对于频繁使用双极型设计的HVDC应用来说是有利的。优选地，第三DC电压在幅度上与第一DC电压相同，并且第四DC电压在幅度上与第二DC电压相同。
根据本发明的实施例，控制装置进一步布置用于控制相臂的每一个相臂的第一和第二电压源，以便于将第一相臂的AC电流和第二相臂的AC电流之间的相位差维持在接近为π。这是有利的，因为可以消除谐波相互作用。
根据本发明的实施例，两个相邻的相臂各自的AC电流之间的相位差等于2π/n，其中n为变换器中相臂的数量。在当前语境中，术语“相邻”被理解为相位相邻。换句话说，相位差被选择以便于实现对称的多相变换器。例如，如果变换器包括三个相臂，每一对相邻相臂之间的相位差优选被维持在2π/3。这是有利的，因为可以消除谐波相互作用。在这一情形下，可以免除AC滤波器。
当前发明的进一步的目的，特征以及优势将会在研读以下详细公开，附图以及所附权利要求书时变得明显。本领域技术人员意识到当前发明的不同特征可以被结合起来创建与下文描述的实施例不同的实施例。
附图说明
当前发明的以上以及附加的目的，特征和优势将会通过以下当前发明的实施例的图示性和非限制性详细描述得以更好的理解，其中：
图1为现有技术基于变压器的DC-DC变换器。
图2图示根据本发明的实施例的DC-DC变换器。
图3图示根据本发明的实施例的图2所示的DC-DC变换器的操作。
图4图示根据本发明的实施例的变换器单元和单元串。
图5图示根据本发明的实施例的包括用于循环交流电流的谐振电路的DC-DC变换器。
图6图示根据本发明的实施例的包括谐振AC滤波器的DC-DC变换器以及包括低通AC滤波器的DC-DC变换器。
图7图示根据本发明的实施例的双极型DC-DC变换器。
图8图示根据本发明另一实施例的多相DC-DC变换器。
图9图示根据本发明的实施例的图8所示的DC-DC变换器的操作。
所有附图均为示意性，不一定按比例绘制，并且总体上仅示出对于阐述本发明来说必要的部分，其中其他部分可以被省略或仅被暗示。
具体实施方式
参考图2，描述了根据本发明的DC-DC变换器。
DC-DC变换器200包括串联连接的两个可变电压源201和202，与电压源201和202的串联连接进行并联连接的电容器203，以及AC滤波器204，在图2中图示为电感，AC滤波器204可以例如为电抗器。进一步地，变换器200包括控制单元205，用于控制可变电压源201和202，即分别用于控制由201和202提供的电压U1(t)和U2(t)。电压源201和202的操作在以下进一步阐明。DC电压UDC1和DC电流IDC1被提供至连接到变换器200的高压侧的电路，即被提供至端子206和207，并且DC电压UDC2和DC电流IDC2被提供至变换器200的低压侧，即，被提供至端子208和207。UDC1被并行提供至电压源201和202的串联连接，以及UDC2被并行提供至电压源202。如由图2中的虚线指示出的，电压源201和202，以及电容器203，构成其中循环交流电流的电路，如下文所描述的。AC滤波器204的目的在于降低变换器200中循环的交流电流与连接到变换器200的低压侧的外部电路的干扰。
参考图3，描述了DC-DC变换器200的操作的主要部分。除了DC电流IDC1和IDC2之外，还示出了由电路209承载的交流电流IAC(t)。交流电流IAC(t)是分别由电压源201和202所提供的电压U1(t)和U2(t)的AC分量的总和结果。循环交流电流IAC(t)许可电压源201和202之间的功率传递。
为了阐明变换器200的操作的原理，由第一电压源所提供的U1(t)被定义为：
Figure BDA0000467409680000081
相应地，由第二电压源所提供的U2(t)被定义为：
相对于交流电流定义相应的相位偏移和
Figure BDA0000467409680000084
I AC ( t ) = I AC 0 · cos ωt - - - ( 3 )
假设变换器使得通过其传递的功率守恒，高压侧和低压侧之间的功率平衡可以被表示为：
UDC1·IDC1＝UDC2·IDC2  （4）
由于电压源仅有少量形式为电容器的能量存储，如以下将解释的，明显的是两个电压源之间的DC和AC功率交换必须加起来为零。因此，对于电压源201的平均功率平衡可以为以下公式：
Figure BDA0000467409680000091
进一步地，与电压源202的DC功率交换的量为：
(IDC1-IDC2)·UDC2  （6）
使用假设的总功率平衡，式（4），意识到式（6）等于：
-(UDC1-UDC2)·IDC1  （7）
即，与电压源201相同，式（5），但是具有相反的符号。
因此，能量平衡式（7）能够被写成：
Figure BDA0000467409680000092
结合式（5）和（8），得到：
Figure BDA0000467409680000093
最终，对于交流电流回路的电压方程，即，在电路209中循环的电流IAC(t)成为：
Figure BDA0000467409680000094
其中Xc为电容器的阻抗，并且电路209的任意电感，杂散电感或者电抗被忽略。
以上式（9）和（10）定义了需要满足以便于使得变换器200操作在稳态状况的方程系统。满足式（9）的其中一组解为：
Figure BDA0000467409680000095
以及UAC1＝UAC2＝UAC  （11）
换句话说，根据式（11）通过控制电压源201和202获得变换器200的稳态操作，从而使得所提供的电压U1(t)和U2(t)具有相等幅度并且相位之和等于π的AC分量。附加地，为了满足式（10），关于有两个选择，即：
其中，
Figure BDA0000467409680000098
取决于变换器的功率方向，即功率是要从第一电压源传递到第二电压源，还是与之相反，采用式（12）或式（13）。角度
Figure BDA0000467409680000101
应当被保持为小，以便于最大化两个电压源之间的有功功率流。因此，角度
Figure BDA0000467409680000102
和
Figure BDA0000467409680000103
其中一个角度应当被保持为接近零，而另一个角度应当被保持为接近π。换句话说，两个电压源之间的相位差应当接近π。本领域技术人员将会理解相位差从π偏离取决于变换器的细节设计，特别是电路209的电容和电感。典型地，相位差的值为大约0.9倍π。
根据式（11）的变换器200的操作为优选操作模式，因为电压源201和202之间的功率交换得以最大化。电容203应当足够大，借此具有低阻抗，从而U1(t)和U2(t)的AC分量的主要部分被用于在电压源201和202之间传递功率。如果电容太小，即，具有高阻抗，由电压源201和202所提供的可用AC电压的大部分需要用于驱动交流电流。进一步地，为了降低所需求的设备额定电压，以及损耗，电流
Figure BDA0000467409680000104
应当被最小化，即，
Figure BDA0000467409680000105
和应当尽可能的大。在实际中，
Figure BDA0000467409680000107
和
Figure BDA0000467409680000108
由通过可以由电压源201和202进行提供的电压进行限制。优选地，电压源操作在高调制指数，即，接近于其电压极限。
下文中，参考图2和3进行讨论的包括在变换器200中的可变电压源201和202的实施例进行讨论。总体上，可变电压源201和202可以基于包括布置用于提供可控制的电压的变换器单元的串联连接的单元串，所述可控制的电压可以采取若干分立的等级。特别地，这些单元串能够提供具有DC分量和AC分量两者的电压。
在图4中，图示了多级变换器单元的不同实施例。为了阐释当前的方法，将讨论限制于半桥类型的变换器单元，诸如单元401和402。每一个单元包括两个开关元件403-406，例如晶体管，并且特别是IGBT，以及能量存储元件407/408，诸如电容器。在任意时间，每一个单元可以提供单级的非零电压贡献或没有贡献，取决于开关元件的状态。对于单元类型401和402来说，一次仅对开关元件的其中一个开关元件进行开关。
变换器单元401和402的不同类型可以被串联连接以便于获得单元串，即，可变电压源。例如，每一个单元串403可以仅包括类型“A”的变换器单元的串联连接。进一步地，每一个单元串404还可以包括类型“B”的单一的变换器单元。最后，每一个单元串405还可以包括两种不同类型的变换器单元的串联接连，即，以交替顺序布置的“A”和“B”，借此使得变换器能够提供双极的电压。变换器单元由控制单元进行控制，诸如参考图2进行讨论的控制单元205。为此，通过单独设置单元串中所包括的变换器单元的开关元件的状态，即，导通或断开，由单元串所提供的电压受到控制以呈现来自一组分立值的所期望的值。
本领域技术人员将会理解的是，当前发明不限于参考图4进行讨论的可变电压源的实施例，即单元串，并且采用可变电压源的其他类型的本发明的实施例可以容易地设想到。例如，可以排它地或者与半桥类型的变换器单元结合使用全桥类型的变换器单元。全桥类型的变换器单元允许双极电压贡献。
参考图5，描述本发明的实施例。变换器500与参考图2和3描述的变换器200相类似，在于其包括两个可变电压源501和502，电容器503，以及AC滤波器504。然而，变换器500进一步包括与电容器503串联连接的诸如电抗器的电感505。电容器503和电抗器505的串联连接构成串联谐振电路506。通过电路506的电感和电容的适当选择，电路的谐振频率可以与式（3）中所定义的循环交流电流IAC(t)的频率ω匹配。由于串联谐振电路506的降低的阻抗，相比于变换器200的单个电容器203，可以使用较小的电容器，即，具有更低电容的电容器。可替换地，由电压源501和502所提供的AC分量之和的幅度可以被减小。
参考图6，描述本发明的两个进一步实施例。
变换器610和620与以上讨论的变换器200和500相似，在于其包括两个可变电压源611/621和612/622，电容器613/623，以及AC滤波器614/624。然而，取代变换器200中所使用的电抗器204，变换器610和620分别采用更为先进的AC滤波器614和624。更具体地，变换器610的AC滤波器614包括并联连接的电容器615和电抗器616，借此构成并联谐振系列滤波器。作为可替换方式，可以使用包括电容器625和电抗器626的诸如变换器620的AC滤波器624的低通滤波器。
参考图7，图示根据本发明实施例的双极DC-DC变换器。
变换器700包括两个单极DC-DC变换器，诸如参考图2和3所讨论的变换器200，将所述两个单极DC-DC变换器进行连接以提供第一双极DC电压UDC1/-UDC1和第二双极DC电压UDC2/-UDC2之间的双极变换。更具体地，布置用于在UDC1和UDC2之间变换的变换器700的第一臂710与变换器200是相同的。布置用于在-UDC1和-UDC2之间变换的变换器700的第二臂720与变换器200相似，但是与变换器200相比，被布置用于变换相反极性的DC电压。为此，两臂710和720进行连接以定义公共电压基准，其典型地连接到大地或到返回线。
通过第一相臂710和第二相臂720的AC电压相对于彼此移相，可能消除AC分量从而其不出现在DC电压中。这可以通过将两个相臂710和720各自的AC电流之间的相位差维持在接近于π来实现。注意，每一个相臂内部的两个电压源的AC分量之间的相位差仍然维持接近π。为此，第一AC电流在第一相臂710的内部循环，并且第二AC电流在第二相臂720的内部循环。
下文中，参考图8讨论根据本发明的进一步实施例的多相变换器。
变换器800包括并联连接的三个相臂810、820和830。相臂810包括第一可变电压源811和第二可变电压源812，以及诸如电抗器的装置813用于限制交流电流。相臂820和830与相臂810相同。变换器800进一步包括布置用于控制相臂810、820和830的电压源的控制单元（图8中未示出），以便于在相臂之间循环交流电流，如图9中所示。
如图9所示，交流电流IAC1(t)、IAC2(t)和IAC3(t)在三个相臂810、820和830之间循环。循环的交流电流由每一个相臂810、820和830的第一和第二电压源，即相臂810的电压源811和812，以及相应地对于相臂820和830，所分别提供的AC电压分量来驱动。控制单元被布置用于维持相臂各自的AC电压分量之间的恒定相位差。优选地，相臂810、820和830的AC电压，以及对应的交流电流被布置以形成对称的多相系统。因此，对于诸如变换器800的包括三个相臂的变换器，在相臂810的AC电压和相臂820的AC电压之间，在相臂830的AC电压和相臂820的AC电压之间，在相臂810的AC电压和相臂830的AC电压之间维持2π/3的相位差。在对称的多相系统的情形中，由于其会抵消，在DC电压UDC1和UDC2上不会呈现AC分量。因此，对于多相变换器来说可以降低滤波需求。然而，优选采用用于限制相臂810、820和830之间循环的交流电流的装置，以及限制DC电压UDC2的装置，诸如电抗器813，以及相应地用于相臂820和830。要注意的是，每一个相臂内部的两个电压源的AC分量的相位差仍然维持接近π。
本领域技术人员认识到，本发明决不限于以上描述的实施例。相反，在所附权利要求书的范围内可能有许多的修改和变化。
总之，提供了包括第一和第二可变电压源，电容器，交流滤波器，以及控制装置的DC-DC变换器。第一DC电压UDC1在第一和第二电压源的串联连接上提供，并且幅度比UDC1小的第二DC电压UDC2在第二电压源上提供。UDC1和UDC2之间的变换通过在包括两个电压源和电容器的电路内部循环交流电流，借此在两个电压源之间交换功率来实现。交流电流通过由第一和第二电压源所提供的AC电压分量进行驱动。控制装置被布置用于控制第一和第二电压源以便于将AC分量之间的相位差维持在接近π。

Claims (15)

1.一种DC-DC变换器（200；500；610、620；700），包括：
第一相臂（710、720），其具有第一连接端子（206）、第二连接端子（207）、和第三连接端子（208），所述第一相臂包括：
第一可变电压源（201；501；611、621；721）和第二可变电压源（202；502；612、622；722），被布置用于分别提供第一电压（U1(t)）和第二电压（U2(t)），每一个电压源具有第一极和第二极，所述第一电压源的所述第一极连接到所述相臂的所述第一端子，所述第一电压源的所述第二极连接到所述第二电压源的所述第一极，并且所述第二电压源的所述第二极连接到所述相臂的所述第二端子，其中第一DC电压（UDC1）被提供在所述相臂的所述第一端子和所述第二端子之间，并且第二DC电压（UDC2）被提供在所述相臂的所述第三端子和所述第二端子之间，
第一电容器（203；503；613、623；723），其连接在所述相臂的所述第一端子和所述第二端子之间，以及
交流电流AC滤波器（204；504；614、624；724），其连接在所述第二电压源的所述第一极和所述相臂的所述第三端子之间，
以及
控制装置（205），其被布置用于控制所述第一相臂的所述第一电压源和所述第二电压源，以便于在包括所述第一相臂的所述第一电容器、所述第一电压源和所述第二电压源的电路之内循环AC电流（IAC(t)）。
2.根据权利要求1所述的变换器，其中所述控制装置被布置用于控制所述第一相臂的所述第一电压源和所述第二电压源以便于将所述第一电压的AC分量与所述第二电压的AC分量之间的相位差维持接近π。
3.根据权利要求1所述的变换器，其中所述第一相臂进一步包括与所述第一电容器（503）串联连接的第一电感器（505）。
4.根据权利要求1所述的变换器，其中每一个可变电压源（201，202；501，505；611，612，621，622；721，722）包括串联连接的多个变换器单元（401、402），每一个变换器单元包括两个开关元件（403-406）以及与所述开关元件串联连接的能量存储元件（407、408）。
5.根据权利要求1所述的变换器，其中所述AC滤波器（204；504；614，624；724）为电感器。
6.根据权利要求1所述的变换器，进一步包括：
第二相臂（720），其与所述第一相臂相同，所述第二相臂的所述第二端子连接到所述第一相臂的所述第二端子，其中第三DC电压（UDC3）被提供在所述第二相臂的所述第一端子和所述第二端子之间，以及第四DC电压（UDC4）被提供在所述第二相臂的所述第三端子和所述第二端子之间，
并且，其中所述控制装置进一步被布置用于控制所述第二相臂的所述第一电压源（721）和第二电压源（722）以便于在包括所述第二相臂的所述第一电容器（723）、所述第一电压源和所述第二电压源的电路之内循环AC电流（IAC(t)）。
7.根据权利要求6所述的变换器，其中所述控制装置进一步被布置用于控制每一个相臂的所述第一电压源和所述第二电压源以便于将第一相臂的所述AC电流和第二相臂的所述AC电流之间的相位差维持在接近π。
8.一种DC-DC变换器（800），包括：
并联连接的至少两个相臂（810、820、830），每一个相臂具有第一连接端子、第二连接端子和第三连接端子，其中每一个相臂包括：
第一可变电压源（811）和第二可变电压源（812），被布置用于分别提供第一电压（U1(t)）和第二电压（U2(t)），每一个电压源具有第一极和第二极，所述第一电压源的所述第一极连接到所述相臂的所述第一端子，所述第一电压源的所述第二极连接到所述第二电压源的所述第一极，以及所述第二电压源的所述第二极连接到所述相臂的所述第二端子，其中第一DC电压（UDC1）被提供在所述相臂的所述第一端子和所述第二端子之间，并且第二DC电压（UDC2）被提供在所述相臂的所述第三端子和所述第二端子之间，
以及
控制装置，其被布置用于控制每一个相臂的所述第一电压源和所述第二电压源，以便于在包括每一个相臂的所述第一电压源和所述第二电压源的电路之内循环AC电流（IAC1(t)、IAC2(t)、IAC3(t)），其中所述相臂的相应的AC电流（IAC1(t)、IAC2(t)、IAC3(t)）之间维持恒定的相位差。
9.根据权利要求8所述的变换器，其中所述控制装置被布置用于控制每一个相臂的所述第一电压源和所述第二电压源以便于将所述第一电压的AC分量和所述第二电压的AC分量之间的相位差维持接近π。
10.根据权利要求8所述的变换器，其中两个相邻相臂相应的所述AC电流（IAC1(t)、IAC2(t)、IAC3(t)）之间的所述相位差等于2π/n，其中n为相臂的数目。
11.一种DC-DC变换器（200；500；610、620；700）的方法，所述DC-DC变换器（200；500；610、620；700）包括：
第一相臂（710、720）具有第一连接端子（206）、第二连接端子（207）和第三连接端子（208），所述第一相臂包括：
第一可变电压源（201；501；611，621；721）和第二可变电压源（202；502；612、622；722），其被布置用于分别提供第一电压（U1(t)）和第二电压（U2(t)），每一个电压源具有第一极和第二极，所述第一电压源的所述第一极连接到所述相臂的所述第一端子，所述第一电压源的所述第二极连接到所述第二电压源的所述第一极，以及所述第二电压源的所述第二极连接到所述相臂的所述第二端子，其中第一DC电压（UDC1）被提供在所述相臂的所述第一端子和所述第二端子之间，并且第二DC电压（UDC2）被提供在所述相臂的所述第三端子和所述第二端子之间，
第一电容器（203；503；613，623；723），其连接在所述相臂的所述第一端子和所述第二端子之间，以及
交流电流AC滤波器（204；504；614，624；724），其连接在所述第二电压源的所述第一极与所述相臂的第三端子之间，
其中，所述方法包括：
控制所述第一相臂的所述第一电压源和所述第二电压源以便于在包括所述第一相臂的所述第一电容器、所述第一电压源和所述第二电压源的电路之内循环AC电流（IAC(t)）。
12.根据权利要求11所述的方法，进一步包括：
将所述第一电压的AC分量与所述第二电压的AC分量之间的相位差维持接近π。
13.一种DC-DC变换器（800）的方法，所述DC-DC变换器（800）包括：
并联连接的至少两个相臂（810、820、830），每一个相臂具有第一连接端子、第二连接端子和第三连接端子，其中每一个相臂包括：
第一可变电压源（811）和第二可变电压源（812），被布置用于分别提供第一电压（U1(t)）和第二电压（U2(t)），每一个电压源具有第一极和第二极，所述第一电压源的所述第一极连接到所述相臂的所述第一端子，所述第一电压源的所述第二极连接到所述第二电压源的所述第一极，以及所述第二电压源的所述第二极连接到所述相臂的所述第二端子，其中第一DC电压（UDC1）被提供在所述相臂的所述第一端子和所述第二端子之间，并且第二DC电压（UDC2）被提供在所述相臂的所述第三端子和所述第二端子之间，
其中，所述方法包括：
控制每一个相臂的所述第一电压源和所述第二电压源，以便于在包括每一个相臂的所述第一电压源和所述第二电压源的电路内部循环AC电流（IAC1(t)、IAC2(t)、IAC3(t)），其中所述相臂的相应的所述AC电流（IAC1(t)、IAC2(t)、IAC3(t)）之间维持恒定的相位差。
14.根据权利要求13所述的方法，进一步包括：
将所述第一电压的AC分量和所述第二电压的AC分量之间的相位差维持接近π。
15.根据权利要求13所述的方法，其中两个相邻相臂相应的所述AC电流（IAC1(t)、IAC2(t)、IAC3(t)）之间的所述相位差等于2π/n，其中n为相臂的数目。
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