CN104170231B - Dc‑dc转换器及其操作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及具有双有源电桥(DAB)拓扑结构的DC‑DC转换器及操作该DC‑DC转换器的方法，该DC‑DC转换器具有初级侧(1)和次级侧(2)，该初级侧包括具有多个有源开关(S1)的至少三个有源切换的初级侧的电压桥(11、12、13)，用于将DC输入电压(ES)转换成用于每个初级侧电压桥(11、12、13)的初级侧交流电压(111、112、113)，该次级侧(2)包括具有多个有源开关(S2)的至少三个有源切换的次级侧的电压桥(21、22、23)，其用于将用于每个次级侧的电压桥(21、22、23)的次级侧交流电压(211、212、213)转换成共同的DC输出电压(AS)，其中，具有周期T的初级侧和次级侧的交流电压(111、112、113、211、212、213)移动相位角并且每个初级侧及次级侧的电压桥(11、12、13、21、22、23)的均通过一个或多个变压器(3)耦合至相关相位，所述方法包括将相位角从第一相位角设置到第二相位角的步骤，作为将功率从初级侧(1)传输到次级侧(2)的切换过程，其中在切换过程中初级侧和次级侧的电压桥(11、12、13、21、22、23)切换使得在切换过程中单个相位的相位角设置成时间上相互独立的，由此在功率变化时可以快速调整电流，同时最小化的DC电流中的振荡。

Description

DC-DC转换器及其操作方法
技术领域
本发明涉及具有双有源电桥(dual active bridge)(DAB)拓扑结构的直流-直流(DC-DC)转换器及操作该DC-DC转换器的方法。
背景技术
直流-直流转换器也称作DC-DC转换器，其指的是将在输入端输入的直流电压转换成更高、更低或反向电压水平的直流电压的电路。DC-DC转换器可以在以下设备中发现，例如在PC电源包的转换模式电源单元中、笔记本、移动电话、小型马达及HiFi设备中。相对于线性电源单元，其优点是效率更高且产生热量更少。相反地，在线性电压调节器或串联电阻中，多余电压很容易“烧穿”元件。
DC-DC转换器也可以作为完全封装的转换器模块，其有时用于直接嵌入到印刷电路板中。输出电压(次级侧电压)可以根据模型而小于、等于或大于输入电压(初级侧电压)。最熟悉的是将特低电压转换成电位隔离的特低电压的模块。例如，封装的DC-DC转换器提供从1.5kV至超过3kV的绝缘电压，并且用于直流电网中的小型耗电器的电力供应，如工业设施中的24V，或通信中的48V，或在电子模块领域中用于数字电路的5伏或用于运算放大器操作操作的±15伏。根据不同的标准对DC-DC转换器进行分类，且分成不同的拓扑结构(电路中分支网络结构的类型)。与单向转换器相反，在双向DC-DC转换器中，哪个接口定义为输入及哪个接口定义为输出是不重要的。双向能量流允许电力从所定义的输入(初级侧)朝着输出(次级侧)流动，反之亦然。
在基于“双有源电桥(DAB)”拓扑结构的功能原理的DC-DC转换器中，DC输入电压在输入转换器中转换成AC电压，然后提供给变压器。该变压器的输出与输出转换器相连，该输出转换器将AC电压再次转换成用于负载的DC输出电压。该DC/DC转换器可以实施成单相或多相配置。例如，在US 5027264中公开了这种DAB-DC/DC转换器拓扑结构，其构成高效转换器拓扑结构，其允许双向能量流、通过变压器的电位隔离、以及在高电压下操作。该转换器类型特别适合中等电压的DC网络。
在具有“双有源电桥(DAB)”拓扑结构的DC-DC转换器中，通过改变初级侧电压与次级侧电压之间的相位角设置传输功率。如果传输功率骤然变化，不期望的振荡及电流的不平衡分布在相位中出现对称。该振荡根据时间常数L/R衰减，其中，L表示一次绕组的漏感和与初级侧相关的变压器二次绕组的漏感的和，R表示一次绕组的电阻和与初级侧相关的二次绕组的电阻的和。由此希望，假设非常小的时间常数L/R，则振荡随时间快速衰减。相反地，在具有高漏感和/或低的欧姆损耗的绕组上振荡衰减很慢。高漏感对于在初级侧电压与次级侧电压之间的宽阔电压范围内使用该转换器具有很大的意义。相反地，小的电阻R是期望的，从而提供具有低欧姆损失及高效的且更高水平效率的转换器。由于这些限制条件，功率变化后出现的振荡拥有长的时间常数。因此，为了尽可能避免该振荡，常规的DAB-DC/DC转换器一般只能慢慢改变相位角。然而，相位角慢慢的改变限制了动态调整电流，因此只可以慢慢调整电流。DAB-DC/DC转换器应具有高动态，因此，对于DAB-DC/DC转换器不能应用该避免振荡的方法，因此导致不期望的振荡及对称不平衡电流在相位中出现。
发明内容
本发明的目的是提供一种双有源电桥DC/DC转换器，实现在功率变化时快速调整电流，同时最小化DC电流中的振荡。
本发明的目的通过一种操作具有初级侧和次级侧的至少三相DC-DC转换器的方法实现，该初级侧包括具有多个有源开关的至少三个有源切换初级侧电压桥，用于将DC输入电压转换成用于每个初级侧电压桥的初级侧交流电压，该次级侧包括具有多个有源开关的至少三个有源切换次级侧电压桥，用于将用于每个次级侧的电压桥的次级侧交流电压转换成共同的DC输出电压，其中，每个一次侧电压桥均通过多相变压器与二次侧电压桥耦合或通过特定变压器与特定相耦合，其中，具有周期T的初级侧及次级侧的交流电压移动相位角所述方法包括将相位角从第一相位角设置到第二相位角的步骤，作为将功率从初级侧传输到次级侧的切换操作，其中，初级侧及次级侧的电压桥在切换操作中切换被切换，以便单个相位的相位角设置成相互独立的。利用上述DC-DC转换器提供DAB-DC/DC转换器，该DAB-DC/DC转换器允许快速改变相位角，同时在功率改变时最小化或避免DC电流中的振荡。在未最小化或避免DC电流中的振荡的情况下，相位角只能慢慢改变。本发明可以通过在切换过程中针对单个相位在时间上独立地设置相位角而快速改变相位角，这实现了高动态设置DC电流(快速调整电流)，且由此实现了快速的功率传输。与现有技术相反的，根据本发明的方法可以直接实现传输功率的高动态改变，其中DAB-DC/DC转换器在稳定操作中应用。此外，可通过根据本发明的方法避免相电流中的对称不平衡。为此，在实施例中，在切换过程期间，不同的相位的相位角设置成独立于初级侧及次级侧的交流电压的下降沿及上升沿。因此，根据本发明的DC-DC转换器特别适合作为功率转换器，特别是适用于从中到高功率水平以及适用于具有高动态要求的所谓的脉冲功率应用。
初级侧是指DC/DC转换器中面向能量源的部分。相应的，次级侧是指与电力负载相连的变压器的另一侧。此处，初级侧和次级侧通过变压器相互隔开。如果双源电桥DC/DC转换器配置成双向运行，则在双向DC-DC转换器的初级侧如果有必要的话可以成为另一双向DC-DC转换器的次级侧。因此，根据本发明的DC-DC转换器可以作为三相或多相双源电桥DC/DC转换器运行，例如也可以作为五相双源电桥DC/DC转换器。
DC输入电压呈现在具有有源开关的电压桥上，并且在电压桥中通过切换有源开关(切换过程)转换成电压桥中的交流电压。因为，通常情况下开关是完全切换的，结果是在输出桥上产生大致方波形状的交流电压(方波电压)。结果，变压器绕组两侧的电压呈阶梯状。如果必要通过使用所谓的缓冲器使方波电压沿不再无限陡峭，即，方波电压的形状(在变压器绕组上的阶梯形状)出现偏移。缓冲器用于在切换过程中保证动态的电压对称(缓冲网络)。用具有缓冲器分段的电路图表示缓冲器网络，例如，干扰的高频或电压尖峰，大多数发生在电感负载切换情况下，在电流突然中断时应该起平衡作用。缓冲器元件限制在半导体上的电压升高速度或电流升高速度。
取决于该配置，每个电压桥可以使用两个或更多有源开关。适用于电压桥的开关是有源半导体开关(功率半导体)，例如，可断开的晶闸管、晶体管、MOSFET、绝缘栅双极晶体管(IGBT)或具有智能栅级驱动器的集成门极换流晶闸管(IGCT)。可选地，本领域技术人员也可以使用其它合适的有源开关。
本文中术语“变压器”指具有相应围绕磁芯四周的初级侧或次级侧电压桥绕组的电磁回路，通常是铁素体或铁芯。如果每个相位包括分开的变压器，仅初级侧相位及相应的其它次级侧相位的导线围绕配备给该相位的变压器。单个相位的变压器的磁芯物理上是相互分开的。相反地，“多相位变压器”指具有用于所有的相位的共用磁芯的变压器，其中，将单个相位的初级侧和次级侧电压桥的绕组设置在不同的磁芯区域上。在用于根据本发明的三相DC-DC转换器的实施例中，多相变压器是三相变压器。DAB-DC-DC转换器的功能是，在两种情况下，通过在变压器上的AC电压引起通过变压器漏感的系统电压降，并且由此控制能量流。有源开关的电压桥使独立控制变压器上的初级侧和次级侧交流电压之间的位移角(相位角)成为可能，并且由此实现对能量流的系统控制。
本文中相位角指分别具有周期T的初级侧和次级侧交流电压的相互位移。第一相位角表示在切换操作开始之前初级侧和次级侧交流电压的相互位移。第二相位角表示在切换操作结束之后初级侧和次级侧交流电压的相互位移。切换操作期间，相位角也可以设成与之间一个或多个值，其中，可以大于或小于在此，相位角可以设成正值和负值。在第一与第二交流电压之间的正值表示在交流电压特性曲线中第二交流电压滞后于第一交流电压。相应地，第一与第二交流电压之间的负值表示在交流电压特性曲线中第二交流电压超前于第一交流电压。
在一个实施例中，不同地设置单个相位的相位角从而使相位中电流对称。该方法不限制于针对所有相位使用相同的相位角。因此例如可以平衡变压器的非对称性，使得在相位中存在对称的电流分布。
在另一个实施例中，DC-DC转换器是三相DC-DC转换器，该三相DC-DC转换器具有分别带有两个或更多有源开关的三个有源切换的初级侧的电压桥，且具有分别带有两个或更多有源开关的三个有源切换的次级侧的电压桥，其中，切换操作切换操作影响初级侧和次级侧电压桥上的初级侧和次级侧交流电压的相同侧沿(即，仅在相位的交流电压的上升沿或仅在相位的交流电压的下降沿)的所有三相的相位角的设置。具有DAB拓扑结构的这样的三相DC-DC转换器具有如下优点，例如DC-DC转换器通过可支配的视在功率的更有效利用而显著提高可支配的功率密度。在一个实施例中，开关的数量可以分别由每个电压桥两个开关组成。在其它实施例中，例如也可以使用每个电压桥四个开关，如NPC拓扑结构。在一个实施例中，根据本发明的DC-DC转换器是三相DAB NPC DC/DC转换器。NPC表示“中性点钳位”。在三相双源电桥NPC DC/DC转换器中，电压水平可以通过钳位二极管对称，使得中等电压匹配零电压水平，而无需对称网络和/或驱动器。在可选的实施例中，代替钳位二极管使用绝缘栅双极型晶体管(IGBT)(具有绝缘栅的双极型晶体管)(ANPC变流器)或设置用于电压分布的所谓铁电液晶中的容量。
在用于三相DC-DC转换器的方法的优选实施例中，该方法包括以下额外步骤：
在时间点t0处第二初级侧/次级侧的电压桥的初级侧/次级侧的交流电压第一次切换，以及第二次级侧/初级侧的电压桥的次级侧/初级侧的交流电压第一次切换，移动相位角
在时间点t0+T/6处第一初级侧/次级侧的电压桥的初级侧/次级侧的交流电压第一次切换，以及第一次级侧/初级侧的电压桥的次级侧/初级侧的交流电压第一次切换，移动相位角
在时间点t0+T/3处第三初级侧/次级侧的电压桥的初级侧/次级侧交流电压第一次切换，以及第三次级侧/初级侧的电压桥的次级侧/初级侧的交流电压第一次切换,移动相位角
在时间点t0+T/2处第二初级侧/次级侧的电压桥的初级侧/次级侧交流电压第二次切换，以及第二次级侧/次级侧的电压桥的次级侧/初级侧的交流电压第二次切换，移动相位角
在时间点t0+2/3*T处第一初级侧/次级侧的初级侧/次级侧交流电压第二次切换，以及第一次级侧/初级侧的电压桥的次级侧/初级侧的交流电压第二次切换，移动相位角
在时间点t0+5/6*T处第三初级侧/次级侧的电压桥的初级侧/次级侧的交流电压第二次切换，以及第三次级侧/初级侧的电压桥的次级侧/初级侧的交流电压第二次切换，移动相位角
另外，该方法额外避免了相电流的非对称。在本文中在T/3后在没有激磁振荡的情况下已经达到额定电流。如果当相位角发生改变时相位角的符号也发生改变，则在相位角发生改变后的短时间内出现相电流升高。在此，该方法适用于第一、第二及第三初级侧电压桥及第一、第二及第三次级侧电压桥之间的120°移动相位，然而该方法并不限制于120°相位移动。同样，该方法不限制于单个电压桥的上述转换顺序。该方法也可以适用在转换的循环交换或转换的倒转。术语“初级侧/次级侧”及“次级侧/初级侧”表示相应的转换，或者在称作侧的斜线“/”之前或者在斜线“/”之后。本文中第一术语(斜线前)对应于一个方向的电流切换操作，且斜线后的第二术语与翻转的电流切换操作对应。通过该方法可以进行快速的能量流翻转，且可以在三相中对称地分配电流。如果初级侧及次级侧的交流电压移动正的相位角，则次级侧交流电压切换至初级侧交流电压以便滞后。如果相反初级侧及次级侧的交流电压移动负的相位角，则次级侧交流电压切换至初级侧交流电压以便超前。上述方法包括该两种可能性。
在另一个可选的实施例中，用于上升沿及下降沿的相位角是不同的。在此，在优选实施例中，DC-DC转换器是三相DC-DC转换器，该三相DC-DC转换器具有分别带有两个或更多个有源开关的三个有源开关初级侧的电压桥，且具有分别带有两个或更多个有源开关的三个有源开关次级侧的电压桥，其中，切换操作包括各三个相位的电压桥的初级侧和次级侧的交流电压的连续转换相位角在一个实施例中，开关的数量可以是每个电压桥两个开关。在其它实施例中，例如也可以是每个电压桥四个开关，如NPC拓扑结构。在一个实施例中，根据本发明的DC-DC转换器是DAB NPC DC/DC转换器。NPC表示“中性点钳位(neutral-point-clamped)”。在DAB NPC DC/DC转换器的情况下，三个电压等级的水平可以通过钳位二极管对称地设置，使得平均电压对应于电压的零电平，而对此无需对称网络和/或驱动器。在可选的实施例中，代替钳位二极管使用绝缘栅双极型晶体管(具有绝缘栅的双极型晶体管)(ANPC变流器)或设置用于电压分布的所谓铁电液晶中的容量。在此，在优选实施例中，该方法包括以下额外步骤：
在时间点t0处第二初级侧/次级侧的电压桥的初级侧/次级侧的交流电压的第一次切换，以及第二次级侧/初级侧的电压桥的次级侧/初级侧的交流电压的第一次切换，移动相位角
在时间点t0+T/6处第一初级侧/次级侧的电压桥的初级侧/次级侧的交流电压第一次切换，以及第一次级侧/初级侧的电压桥的次级侧/初级侧的交流电压第一次切换，移动相位角
在时间点t0+T/3处第三初级侧/次级侧的电压桥的初级侧/次级侧交流电压第一次切换，以及第三次级侧/初级侧的电压桥的次级侧/初级侧的交流电压第一次切换,移动相位角
重复前面的步骤作为初级侧/次级侧的交流电压的各第二次切换，以及针对第二、第一及第三初级侧及次级侧的电压桥的次级侧/初级侧的交流电压第二次切换，移动相位角
该可替换的方法同样避免相电流的非对称。在T/2后已经达到额定电流。该方法的特征在于，没有激磁振荡，并且不在相位角发生改变后的在短时间内出现高的相电流。该方法相对于前述可选的方法稍晚达到额定电流(T/2代替T/3)，对此也没有在短时间内出现轻微升高的相电流，在相位角符号改变时也一样。该方法适用于在第一、第二及第三初级侧电压桥及第一、第二及第三次级侧电压桥之间的120°移动相位，然而，该方法并不限制于120°相位移动。同样，该方法不限制于单个电压桥的上述转换顺序。该方法也可以适用在转换的循环交换或转换的倒转。术语“初级侧/次级侧”及“次级侧/初级侧”表示相应的转换或者在称作侧的斜线“/”之前或者在斜线“/”之后。在此，最先提到的术语(斜线前)与一个方向的电流转换对应，且斜线后的术语与翻转的电流转换对应。通过该方法可以进行快速的能量流翻转，且可以在三相中对称地分配电流。如果初级侧及次级侧的交流电压移动正的相位角，则次级侧交流电压滞后于初级侧交流电压切换。如果相反初级侧及次级侧的交流电压移动负的相位角，则次级侧交流电压超前于初级侧交流电压切换。上述方法包括该两种可能性。
在另一个实施例中，用于设置第二相位角的切换操作包括初级侧及次级侧交流电压的一个或多个周期T，且在侧沿上的初级侧与次级侧的交流电压之间的相位角在多个步骤中被设置成第二相位角在此，在一个优选的实施例中，在相同的步骤中，线性实现对相位角的分步设置。从而可以更好轻松抑制相位电流的升高。如果电流应在大于T/2的时间间隔内线性改变，则该方法是有利的。
另一个实施例中，在切换操作中，基于前面的相位角，匹配上升沿及下降沿的相位角用于补偿变压器及开关影响。因此，该影响可以得到平衡，该影响无法独自通过拓扑结构避免。
在另一个实施例中，DC-DC转换器这样运行，即，在初级侧电压桥的初级侧交流电压之间的相互相位移动及在次级侧电压桥的次级侧交流电压之间的相互相位移动相差120°。因此，在保持前面实施的优点的情况下，可以平衡可能的变压器的非对称。
本发明涉及一种系统，该系统由至少三相DC-DC转换器以及至少一个控制单元组成，该至少三相DC-DC转换器具有初级侧和次级侧，该初级侧包括具有多个有源开关的至少三个有源切换的初级侧的电压桥，用于将DC输入电压转换成用于每个初级侧电压桥的初级侧交流电压，该次级侧包括具有多个有源开关的至少三个有源切换的次级侧的电压桥，用于将用于每个次级侧的电压桥的次级侧交流电压转换成共同的DC输出电压，其中，初级侧电压桥的每个通过多相变压器耦合到次级侧电压桥中的一个或通过特定变压器耦合到特定一相，变压器用于将初级侧交流电压转换成次级侧交流电压，其中，具有周期T的初级侧及次级侧交流电压移动相位角φ，且所述至少一个控制单元被设置成，根据权利要求1所述的方法执行对至少三相DC-DC转换器的初级侧及次级侧的电压桥的有源开关的控制。在此，在使用一个或多个DSP(数字信号处理器)、FPGA(所谓的“现场可编程门阵列”)、CLPD(所谓的“复杂可编程逻辑器件”)、微控制器的情况下，或在使用上述组件的组合的情况下，根据本发明的控制单元可以被构建成控制部。
在系统的一个实施例中，DC-DC转换器是三相DC-DC转换器，该三相DC-DC转换器具有分别带有两个或更多有源开关的三个有源开关的初级侧电压桥，且具有分别带有两个或更多有源开关的次级侧电压桥。
此外，DC-DC转换器在初级侧和/或在初级侧包括低通滤波器。同样，一个或多个电容器设置在用于整流的初级侧和/或次级侧。根据本发明的方法可以用于具有与变压器绕组串联或并联(或其它布置)的电容器的DAB-DC/DC转换器拓扑结构，例如，谐振转换器或谐振DAB-转换器。
附图说明
本发明所述及其他方面将参照附图详细说明。
图1示出适于执行根据本发明的方法的DC-DC转换器(DAB-DC/DC转换器)的拓扑结构的实施例。
图2示出针对根据图1的DC-DC转换器的(a)相位角、(b)相电流及(c)直流电流的模拟曲线，该DC-DC转换器利用现有技术中的切换方法，具有振荡。
图3示出用于三相DAB-DC/DC转换器的根据本发明方法的第一实施例。
图4示出利用根据图3的方法的第一实施例的根据本发明的切换方法的针对根据图1的DC-DC转换器的(a)相位角、(b)相电流及(c)直流电流的模拟曲线。
图5示出用于三相DAB-DC/DC转换器的根据本发明方法的第二实施例。
图6示出利用根据图5的方法的第二实施例的根据本发明的切换方法的针对根据图1的DC-DC转换器的(a)相位角、(b)相电流及(c)直流电流的模拟曲线。
图7示出根据本发明的由DC-DC转换器及控制单元构成的系统。
具体实施方式
图1以DC-DC转换器的实施例示出一种三相DC-DC转换器G3，该三相DC-DC转换器具有初级侧1和次级侧2，初级侧包括分别具有两个有源开关S1的三个有源切换的初级侧电压桥11、12、13，用于DC输入电压ES转换成用于初级侧的电压桥11、12、13的初级侧交流电压111、112、113，且次级侧2包括具有多个有源开关S2的三个有源切换的次级侧的电压桥21、22、23，用于将用于每个次级侧的电压桥21、22、23的次级侧交流电压211、212、213转换成共同的DC输出电压AS。例如有源半导体开关(功率半导体)，如可中断的可控硅整流器、晶体管、MOSFET、IGBT(绝缘栅双极晶体管)或者具有智能栅级驱动器的IGCT(集成门极换流晶闸管)，适合用于电压桥的开关S1、S2。在其他实施例中，电压桥的数量和/或每个电压桥的有源开关S1、S2的数量是可以改变的，例如在NPC拓扑结构中，每个电压桥具有4个开关。每个初级侧电压桥11、12、13通过多相变压器3与次级侧电压桥21、22、23中的一个耦合，例如三相变压器3，在此情况下是三相DC-DC转换器G3，或者通过分离的变压器3与每相耦合，其中，在初级侧及次级侧的具有周期T的交流电压111、112、113、211、212、213移动相位角在切换操作中，相位角从第一相位角转换到第二相位角用于负载传输。在该实施例中，电容器10、20设置在初级侧及次级侧，用于整流。在其它实施例中也可以放弃电容器，或电容器可以通过低通滤波器替代或补充。在此示出的作为DAB-DC/DC转换器的DC-DC转换器的拓扑结构既可以用于根据现有技术的转换方法，也可以用于根据本发明的转换方法。对此，在其它实施例中DC-DC转换器可以拥有超过三相。在此，未示出控制开关的控制单元。
图2示出用于利用现有技术的转换方法的根据图1的三相DC-DC转换器的(a)单位为度的相位角、(b)单位为安培的相电流及(c)单位为安培的DC电流的模拟曲线，如果相位角快速改变，这导致DC电流中的振荡。相位角快速改变可以进行快速的电力传输。该模拟针对交流电压以下述形式进行，即，频率1kHz的方波电压，变压器的变压比1：1，分别为1mH的初级侧及次级侧的漏感，分别为100mΩ的初级侧绕组及次级侧绕组的电阻，100mH的变压器的激磁电感，500V的初级侧电压，550V的次级侧电压，以及假设理想的开关(在合上开关时R＝0，在断开开关时R＝∞)作为开关S1、S2。相同的值及假设用于在图4及图6中示出的根据图3及图5的根据本发明方法的相位角、相电流及DC电流的模拟，从而可比较所示特性(根据本发明的方法与现有技术相比)。根据现有技术的转换方法非相互独立改变三相的相位角而是对于所有相通过共同的步骤改变，如图2(a)示出，使得直流电在相位角每次变化后，出现DC电流的剧烈振荡。为描述所出现的振荡，在根据现有技术的转换方法的情况下，在此例如示出DC输入电流，然而在DC输出电流中出现相同特性。每次相位角值改变(参见图2(a))时，电压桥中的相电流(参见图2(b))及输入端的DC电流(参见图2(c))出现有较大振幅的剧烈振荡，该振荡在相位角改变最大时幅度最大，对此参见转换时间为0.01s、0.04s、0.05s的切换操作。如在图2(b)及2(c)中显而易见的，所述振荡以长的时间常数衰减。所述时间常数正比于L/R，其中，L表示为一次绕组的漏感及与初级侧相关的变压器次级侧绕组的漏感的和，并且R为一次绕组的电阻及与初级相关的二次绕组的电阻的和。高漏感对于在初级侧电压和次级侧电压之间的其它的电压区间内使用DAB DC/DC转换器有很大的意义。相反，为了这样的DAB DC/DC转换器具有较小的欧姆损失及高效并且由此提供更高的效率，期望较小的电阻R。通过该边界值，在功率变化后出现的振荡拥有大的时间常数。根据现有技术以下述方式抑制DC电流的振荡，即，相位角仅缓慢地改变，在此，在时间区间0.03s至0.04s中，以多个小间距模拟逐级的改变，参见图2(a)。相应地，DC电流(参见图2(c))出现的振荡明显小于在一个间距中突然的改变。
图3示出根据本发明的三相双源电桥DC/DC转换器的第一实施例，如上述图2(c)中所述通过该三相双源电桥DC/DC转换器可以避免振荡。在此，根据在图2、图4及图6中用于模拟的方波电压示出初级侧交流电压111、112、113(实线部分)及次级侧交流电压211、212、213(虚线部分)。DC输入电压接在具有有源开关的电压桥11、12、13上及在电压桥11、12、13中通过有源开关S1(切换操作)的切换转换成交流电压111、112、113及通过变压器3转换成相应的交流电压211、212、213。通常由于开关S1完全闭合，在输出电压桥21、22、23出现差不多直角形的交流电压211、212、213(方波电压)。由此，通过变压器绕组的电压是阶梯状的。如果有必要，方波电压111、112、113、211、212、213的侧沿通过应用所谓的缓冲器不在异常的陡峭，即方波电压的形状出现偏移(变压器绕组的阶梯状)。
图3中，根据本发明，通过开关S1、S2这样地切换初级侧及次级侧交流电压111、112、113、211、212、213，使得在初级侧及次级侧电桥上的初级侧及次级侧交流电压111、112、113、211、212、213的相同侧沿的情况下，切换操作实现针对所有三相的相位角的转换(设置)，在此，分别在从到的交流电压V1、V2及V3的下降沿处，其中，在时间点t0的第二相位、在时间点t0+T/3的第三相位及在时间点t0+2/3*T的第一相位，实现初级侧交流电压111、112、113的初级侧切换操作。在该实施例中，针对次级侧交流电压211、212、213的切换操作，相对于第一转换的侧沿，根据侧沿方向，完成滞后的(移动的)相位角或相位角的初级侧交流电压的转换。“滞后的”的表述是指正的相位角当然，对于根据本发明的转换方法的上述实施例也可以执行相应的所谓提前的相位角提前的相位角对应负的相位角如果第一次切换操作在下降沿(t0，第二相V2)进行，则第一及第三相位的次级侧交流电压211、213切换操作在第一及第三相位的次级侧交流电压211、213的下一个下降沿处相对于初级侧交流电压111、113的转换滞后(移动)相位角与此相对，对于相应的初级侧交流电压111、113的转换还要滞后相位角的转换出现在第一或第三相位的次级侧交流电压211、213的前面的上升沿。
在图3示出的实施例中，在时间点t0发生第二初级侧的(次级侧的)电压桥12(22)的初级侧的(次级侧的)交流电压112(212)的第一次切换1s2，且滞后相位角的第二次级侧的(初级侧的)电压桥22(12)的次级侧的(初级侧的)交流电压212(112)的第一次切换1n2，然后，在时间点t0+T/6发生第一初级侧的(次级侧的)电压桥11(21)的初级侧的(次级侧的)交流电压111(211)的第一次切换1s1，及滞后相位角的独立于之前转换的第一次级侧的(初级侧的)电压桥21(11)的次级侧的(初级侧的)交流电压211(111)的第一次切换1n1。然后，在时间点t0+T/3发生第三初级侧的(次级侧的)电压桥13(23)的初级侧的(次级侧的)交流电压113(213)的第一次切换1s3，及滞后相位角的独立于之前转换的第三次级侧的(初级侧的)电压桥23(13)的次级侧的(初级侧的)交流电压213(113)的第一次切换1n3。接着在时间点t0+T/2发生第二初级侧的(次级侧的)电压桥12(22)的初级侧的(次级侧的)交流电压112(212)的第二次切换2s2，及滞后相位角的独立于之前转换的第二次级侧的(次级侧的)电压桥22(12)的次级侧的(初级侧的)交流电压212(112)的第二次切换2n2。然后，在时间点t0+2/3*T发生第一初级侧的(次级侧的)电压桥(11/21)的初级侧的(次级侧的)交流电压111(211)的第二次切换2s1，及滞后相位角的独立于之前切换的第一次级侧的(初级侧的)电压桥21(11)的次级侧的(初级侧的)交流电压211(111)的第二次切换2n1。然后，在时间点t0+5/6*T发生第三初级侧的(次级侧的)电压桥13(23)的初级侧的(次级侧的)交流电压113(213)的第二次切换2s3，及滞后相位角的独立于之前转换的第三次级侧的(初级侧的)电压桥23(13)的次级侧的(初级侧的)交流电压213(113)的第二次切换2n3。可选地，以上转换方法还可以通过负相位角完成。在这种情况下，次级侧的(初级侧的)交流电压的第一次或第二次转换相对于初级侧的(次级侧的)交流电压的转换超前的(提前的)完成。在括号外的名称“初级侧的”及“次级侧的”以及相应的标准符号适用于在DC-DC转换器的一个方向上的电流转换。放在括号中的标准符号和名称“(初级侧的)”及“(次级侧的)”适用于在DC-DC转换器的其他方向上反向电流的相应的转换。利用该方法可以快速地反转能量流，及在三相中的对称的电流分配。
图4示出根据图1的针对三相DC-DC转换器的(a)单位为度数的相位角、(b)单位为安培的相电流及(c)单位为安培的直流电的模拟曲线，根据图3的根据本发明的转换方法用于操作该三相DC-DC转换器，其用于进行快速改变相位角及避免DC电流振荡。通过根据图3的转换方法，相电流在T/3之后已经达到其额定值，且在图4(c)中示出的DC电流没有振荡，该振荡被视作用于根据在图2(c)中的现有技术的转换方法。虽然在相位角从到的切换操作中，相电流短时间过高，参照图4(b)，特别是时间点t＝0.05s，在此切换操作引起相位角的符号转变(大改变)。相应地，在图4(c)中的时间点t＝0.01s、0.02s、0.04s、0.05s及0.06s，DC电流也出现轻微升高。在图4(c)中示出的DC电流在此例如可以是DC输入电流，尽管相同的特性也出现在DC输出电流中。通过低通滤波器，例如低通滤波器1。通过Ts＝1/6ms的级次，在DC-DC转换器的初级侧及次级侧上，相应侧的DC电流还可以进一步整流。同样地，在初级侧和/或次级侧上设置一个或多个电容器，用于整流。
替选于根据图3的转换方法，图5示出根据本发明的转换方法。在此，在相位角时，通过每个相位的电压桥11、12、13、21、22、23的初级侧及次级侧的交流电压111、112、113、211、212、213的三个连续转换完成切换操作，其中，在时间点t0、t0+T/6、t0+T/3、t0+T/2、t0+2/3*T及t0+5/6*T，完成用于初级侧交流电压111、112、113的初级侧切换操作。次级侧交流电压211、212、213的切换操作出现在两个阶段相位角改变时，交替在第二、第一及第三相的下降沿及上升沿移动，在滞后(延迟)的第一次切换及滞后(延迟的)的第二次切换。
在此，根据图2、图4、图6中方波电压的模拟示出初级侧交流电压111、112、113(实线部分)及次级侧的交流电压211、212、213(虚线部分)。DC输入电压接在具有有源开关的电压桥11、12、13上，及在电压桥11、12、13中通过切换有源开关S1(切换操作)转换成交流电压111、112、113，并且通过变压器与具有相应的交流电压211、212、213的相连。因为开关S1、S2通常完全切换或断开，结果在输入桥及输出桥11、12、13、21、22、23上出现差不多矩形形状的交流电压111、112、113、211、212、213(方波电压)。由此，通过变压器绕组的电压呈阶梯状。如果有必要，方波电压111、112、113、211、212、213的侧沿通过应用所谓的缓冲器不再无限陡峭，即，方波电压的形状出现偏移(在变压器绕组上呈阶梯状)。
在图5示出的实施例中，在时间点t0发生第二初级侧的(次级侧的)电压桥12(21)的初级侧的(次级侧的)交流电压112(212)的第一切换1s2及滞后的正相位角的第二次级侧的(初级侧的)电压桥22(12)的次级侧的(初级侧的)交流电压212(112)的第一次切换1n2，然后，在时间点t0+T/6发生第一初级侧的(次级侧的)电压桥11(21)的初级侧的(次级侧的)交流电压111(211)的第一次切换1s1，及滞后的正相位角的独立于之前转换的第一次级侧的(初级侧的)电压桥21(11)的次级侧的(初级侧的)交流电压211(111)的第一次切换1n1。接着在时间点t0+T/3发生第三初级侧的(次级侧的)电压桥13(23)的初级侧的(次级侧的)交流电压113(213)的第一次切换1s3，及滞后的正相位角 的独立于之前转换的第三次级侧的(初级侧的)电压桥23(13)的次级侧的(初级侧的)交流电压213(113)的第一次切换1n3。重复前面的步骤作为初级侧的(次级侧的)交流电压111、112、113(211、212、213)的各自第二次切换2s2、2n2、2s1、2n1、2s3、2n3及作为设置正相位角的第二、第一及第三初级侧的及次级侧的电压桥21、22、11、12、13、23的次级侧的(初级侧的)交流电压211、212、213(111、112、113)的第二次滞后的转换。可选的是，上述转换方法也可以实施负相位角。在这种情况下，次级侧的(初级侧的)交流电压的第一次或第二次转换相对于初级侧的(次级侧的)交流电压的转换超前的(提前的)完成。在括号外的标准符号和名称“初级侧的”及“次级侧的”以及相应的标准符号适用于在DC-DC转换器的一个方向上的电流转换。放在括号中的标准符号和名称“(初级侧的)”及“(次级侧的)”适用于在DC-DC转换器的其他方向上反向电流的相应的转换。利用该方法可以快速地反转能量流，及在三相中的对称的电流分配。
图6示出根据图1的三相DC-DC转换器的(a)单位为度数的相位角、(b)单位为安培的相电流及(c)单位为安培的DC电流的模拟曲线，根据图5的根据本发明的转换方法用于操作该三相DC-DC转换器，其用于快速改变相位角及避免DC电流振荡。通过图5中的转换方法，相电流在T/2之后已经达到其额定值，及在图6(c)中示出的DC电流没有振荡，该振荡被视作用于根据在图2(c)中的现有技术的转换方法。相反地，根据图3中本发明的方法，在相位角从到的切换操作中，在相位角符号转变时，相电流没有升高，同时对比图4(b)，在图6(a)及图6(b)中相应的时间点(转换点)。正如图3中的方法，也可以通过低通滤波器，例如低通滤波器1。通过Ts＝1/6ms的级次，在DC-DC转换器的初级侧及次级侧上，相应侧的DC电流还可以进一步整流。同样，在初级侧和/或次级侧上设置一个或多个电容器，用于整流。
在另一个实施例中，该方法可以引发切换操作，如图3及图5中示出的，该切换操作包括用于设置第二相位角的初级侧的及次级侧的交流电压111、112、113、211、212、213的一个或多个周期T，及将侧沿上的初级侧的和次级侧的交流电压111、112、113、211、212、213之间的相位角逐步经过多步骤地设置成第二相位角在此，相位角可以逐步实现线性地同样大小的间距的设置。此外，可以调整在切换操作中的上升沿及下降沿的相位角用于补偿变压器影响及开关影响的前面的相位角。此外，可以这样操作DC-DC转换器G、G3，即，在初级侧的电压桥11、12、13的初级侧的交流电压111、112、113相互之间的相位移与在次级侧电压桥21、22、23的次级侧交流电压211、212、213相互之间的相位移存在120°的偏差。
图7示出根据本发明的由DC-DC转换器G及控制单元4组成的系统S，其中，控制单元4如此设计，即，根据本发明的方法，控制至少三相DC-DC转换器G的初级侧的及次级侧的电压桥11、12、13、21、22、23的有源开关S1、S2，例如图3及图5中示出的三相DC-DC转换器。在系统S的实施例中，DC-DC转换器G是三相DC-DC转换器，该DC-DC转换器具有三个有源开关的初级侧的电压桥11、12、13，每个电压桥具有两个或多个有源开关S1，及具有三个有源开关的次级侧的电压桥21、22、23，每个电压桥具有两个或多个有源开关S2。在其它实施例中，根据技术人员的选择，控制单元4可在使用一个或多个DSP(数字信号处理器)、FPGA(所谓的“现场可编程门阵列”)、CLPD(所谓的“复杂可编程逻辑器件”)，微控制器的情况下，或在使用上述组件的组合的情况下，被实施作为控制部4。
在本文及图中的对本发明的详细描述可以理解为在本发明框架下的可能实施例，且因此可不限制于此。特别地，技术人员可将指定的大小匹配整流器(电流、电压)的各运行条件。在此，所有设定的大小仅理解作为针对特定实施例的示例。
可选的实施例同样包含在本发明的保护范围内，该实施例为技术人员设想的在本发明框架下的可能方式。权利要求书中包括的表达语句如“一个”也是多个的意思。权利要求书中指定的基准符号在理解上不受限制。
附图标记说明
G DC-DC转换器(DAB-DC/DC转换器)
G3 三相DC-DC转换器(DAB-DC/DC转换器)
1 初级侧
10 初级侧的电容器
11 第一初级侧的电压桥
12 第二初级侧的电压桥
13 第三初级侧的电压桥
111 第一初级侧的交流电压
112 第二初级侧的交流电压
113 第三初级侧的交流电压
1s1、1s2、1s3 初级侧的电压桥11、12、13的第一次切换
2s1、2s2、2s3 初级侧的电压桥11、12、13的第二次切换
S1 初级侧的电压桥的开关
ES 用于DC-DC转换器的输入电压
2 次级侧
20 次级侧的电容器
21 第一次级侧的电压桥
22 第二次级侧的电压桥
23 第三次级侧的电压桥
211 第一次级侧的交流电压
212 第二次级侧的交流电压
213 第三次级侧的交流电压
1n1、1n2、1n3 次级侧的电压桥21、22、23的第一次切换
2n1、2n2、2n3 次级侧的电压桥21、22、23的第二次切换
S2 次级侧的电压桥的开关
AS 用于DC-DC转换器的输出电压
3 变压器、三相变压器
4 开关的控制单元(控制部)
相位角
第一相位角
第二相位角
T 交流电压的周期
t0 切换操作的开始时间点
PC 相电流
DC 在输入端的直流电流
S 由DC-DC转换器和控制单元构成的系统
V1、V2、V3 在第一、第二、第三相中的电压

Claims (14)

1.一种用于操作具有初级侧(1)和次级侧(2)的至少三相DC-DC转换器(G)的方法，所述初级侧(1)包括具有多个有源开关(S1)的至少三个有源切换的初级侧电压桥(11、12、13)，其用于将DC输入电压(ES)转换成用于每个所述初级侧电压桥(11、12、13)的初级侧交流电压(111、112、113)，所述次级侧(2)包括具有多个有源开关(S2)的至少三个有源切换的次级侧的电压桥(21、22、23)，用于将用于每个所述次级侧的电压桥(21、22、23)的次级侧交流电压(211、212、213)转换成共同的DC输出电压(AS)，其中，每个所述初级侧的电压桥(11、12、13)均通过多相变压器(3)耦合至所述次级侧电压桥(21、22、23)中的一个或通过特定变压器(3)耦合至特定相，其中，初级侧和次级侧的交流电压(111、112、113、211、212、213)移动相位角所述相位角指分别具有周期T的初级侧交流电压和次级侧交流电压的相互位移，所述方法包括将相位角从第一相位角设置到第二相位角的步骤，作为将功率从所述初级侧(1)传输到所述次级侧(2)的切换过程，所述第一相位角表示在切换操作开始之前初级侧交流电压和次级侧交流电压的相互位移，所述第二相位角表示在切换操作结束之后初级侧交流电压和次级侧交流电压的相互位移，其中初级侧和次级侧的电压桥(11、12、13、21、22、23)在切换操作中切换，使得切换操作中单个相位的相位角设置成相互独立的。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述切换操作中，不同相位的相位角设置成独立于所述初级侧和次级侧的交流电压(111、112、113、211、212、213)的下降沿及上升沿。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述变压器(3)非对称的情况下，可不同地设置单个相位的相位角以使电流对称。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述DC-DC转换器(G)是三相DC-DC转换器(G3)，其具有分别带有两个或更多有源开关(S1)的三个有源切换的初级侧电压桥(11、12、13)，且具有分别带有两个或更多个有源开关(S2)的三个有源切换的次级侧电压桥(21、22、23)，其中，在初级侧和次级侧电压桥处的初级侧和次级侧的交流电压(111、112、113、211、212、213)的沿相同时，所述切换操作完成对于所有三个相位的相位角的设置。
5.根据权利要求4所述的方法，还包含以下步骤：
在时间点t0处第二初级侧/次级侧的电压桥(12/22)的初级侧/次级侧的交流电压(112/212)第一次切换(1s2)，并且第二次级侧/初级侧的电压桥(22/12)的次级侧/初级侧的交流电压(212/112)第一次切换(1n2)，移动相位角
在时间点t0+T/6处第一初级侧/次级侧的电压桥(11/21)的初级侧/次级侧的交流电压(111/211)第一次切换(1s1)，并且第一次级侧/初级侧的电压桥(21/11)的次级侧/初级侧的交流电压(211/111)的第一次切换(1n1)，移动相位角
在时间点t0+T/3处第三初级侧/次级侧的电压桥(13/23)的初级侧/次级侧交流电压(113/213)第一次切换(1s3)，并且第三次级侧/初级侧的电压桥(23/13)的次级侧/初级侧的交流电压(213/113)第一次切换(1n3),移动相位角
在时间点t0+T/2处第二初级侧/次级侧的电压桥(12/22)的初级侧/次级侧交流电压(112/212)第二次切换(2s2)，并且第二次级侧/次级侧的电压桥(22/12)的次级侧/初级侧的交流电压(212/112)第二次切换(2n2)，移动相位角
在时间点t0+2/3*T处第一初级侧/次级侧的(11/21)的初级侧/次级侧交流电压(111/211)第二次切换(2s1)，并且第一次级侧/初级侧的电压桥(21/11)的次级侧/初级侧的交流电压(211/111)第二次切换(2n1)，移动相位角
在时间点t0+5/6*T处第三初级侧/次级侧的电压桥(13/23)的初级侧/次级侧的交流电压(113/213)第二次切换(2s3)，并且第三次级侧/初级侧的电压桥(23/13)的次级侧/初级侧的交流电压(213/113)第二次切换(2n3)，移动相位角
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述相位角对于上升沿和下降沿是不同的。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述DC-DC转换器(G)是三相DC-DC转换器(G3)，该三相DC-DC转换器具有分别带有两个或更多有源开关(S1)的三个有源切换的初级侧的电压桥(11、12、13)，且具有分别带有两个或更多有源开关(S2)的三个有源切换的次级侧的电压桥(21、22、23)，其中所述切换操作包括各三个相位的电压桥(11、12、13、21、22、23)的初级侧和次级侧的交流电压(111、112、113、211、212、213)的连续转换相位角
8.根据权利要求7所述的方法，还包含以下步骤：
在时间点t0处第二初级侧/次级侧电压桥(12/21)的初级侧/次级侧的交流电压(112/212)第一次切换(1s2)，并且第二次级侧/初级侧电压桥(22/12)的次级侧/初级侧交流电压(212/112)第一次切换(1n2)，移动相位角
在时间点t0+T/6处第一初级侧/次级侧电压桥(11/21)的初级侧/次级侧交流电压(111/211)第一次切换(1s1)，并且第一次级侧/初级侧电压桥(21/11)的次级侧/初级侧交流电压(211/111)第一次切换(1n1)，移动相位角
在时间点t0+T/3处第三初级侧/次级侧的电压桥(13/23)的初级侧/次级侧交流电压(113/213)第一次切换(1s3)，并且第三次级侧/初级侧电压桥(23/13)的次级侧/初级侧交流电压(213/113)第一次切换(1n3),移动相位角
重复上述步骤，作为初级侧/次级侧交流电压(111、112、113/211、212、213)的各第二次切换(2s2、2n2、2s1、2n1、2s3、2n3)，以及针对第二、第一及第三初级侧及次级侧电压桥(21、22、11、12、13、23)的次级侧/初级侧交流电压(211、212、213/111、112、113)第二次切换，移动相位角
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，用于设置第二相位角的切换操作包括初级侧和次级侧的交流电压(111、112、113、211、212、213)的一个或多个周期T，且在多个步骤中分步地将侧沿上的初级侧与次级侧交流电压(111、112、113、211、212、213)之间的相位角设置成第二相位角
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，在相同的步骤中线性地完成分步设置相位角
11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在切换操作中基于上述相位角匹配上升沿及下降沿的相位角用于补偿变压器及开关影响。
12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，操作DC-DC转换器(G、G3)，使得在初级侧电压桥(11、12、13)的初级侧交流电压(111、112、113)之间的相互相位差和在次级侧电压桥(21、22、23)的次级侧交流电压(211、212、213)之间的相互相位差存在120°偏差。
13.一种由至少三相DC-DC转换器(G、G3)和至少一个控制单元(4)构成的系统(S)，该至少三相DC-DC转换器具有初级侧(1)和次级侧(2)，该初级侧包括具有多个有源开关(S1)的至少三个有源切换的初级侧的电压桥(11、12、13)，用于将DC输入电压(ES)转换成用于每个初级侧电压桥(11、12、13)的初级侧交流电压(111、112、113)，该次级侧(2)包括具有多个有源开关(S2)的至少三个有源切换的次级侧的电压桥(21、22、23)，用于将用于每个次级侧的电压桥(21、22、23)的次级侧交流电压(211、212、213)转换成共同的DC输出电压(AS)，其中，初级侧电压桥(11、12、13)的每个通过多相变压器(3)耦合至次级侧电压桥(21、22、23)中的一个或通过特定变压器(3)与特定相耦合，其中初级侧及次级侧交流电压(111、112、113、211、212、213)移动相位角所述相位角指分别具有周期T的初级侧交流电压和次级侧交流电压的相互位移，且所述至少一个控制单元(4)被设置成，根据权利要求1所述的方法执行对至少三相DC-DC转换器(G、G3)的初级侧及次级侧的电压桥(11、12、13、21、22、23)的有源开关(S1、S2)的控制。
14.根据权利要求13所述的系统(S)，其特征在于，DC-DC转换器(G)是三相DC-DC转换器(G3)，该三相DC-DC转换器具有分别带有两个或更多有源开关(S1)的三个有源切换的初级侧电压桥(11、12、13)，且具有分别带有两个或多个有源开关(S2)的三个有源切换的次级侧电压桥(21、22、23)。
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