CN104796012A - 可适应输入相切换 - Google Patents

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Abstract

可适应输入相切换。一种连接至不同类型的电源网络的电源单元(1)，包括用来从所述电源网络接收AC电力的输入(2)，以及用于向电气装置提供电力的输出(3)。所述电气装置例如可是计算机、电信基础设施装置、感应式烹饪/供暖系统或电动车辆的车载充电器。电源单元(1)包括连接在所述输入(2)和所述输出(3)之间的至少两个转换器(4)，以及其进一步包括可控切换布置(5)。所述切换布置(5)包括多个可控开关(6)，从而可控地将转换器(4)以不同的配置连接至所述输入(2)，并且因此也可控地连接至所述电源网络的不同电源线。

Description

可适应输入相切换
技术领域
本发明涉及一种电源单元，其包括用于接收来自AC电源的AC电力的输入以及用于向电气装置提供电力的输出，该AC电源特别地为AC电源网络，其中该电源单元包括在该输入和该输出之间连接的至少两个转换器。
背景技术
电网是用于从电力生成位置向不同的使用电力的地点进行电力分配的电力网，电网在世界的不同区域中可与彼此不同。例如，电网可以直流(DC)形式分配电力。然而，现代电网通常通过交流(AC)来分配电能，这是由于交流对于电力越过长距离传输的优良性质。
AC电网进一步不同之处在于用于分配能量的相数以及每一个相信号的幅值和频率。例如，在北美通常使用单相电网来分配电力，而在欧洲通常采用三相电网来分配电力。
在很多应用中，通过电网分配的电力通常并不直接用于操作电气装置。电力首先被转换以提供特别的产品所要求的输入电力信号。这样的产品包括所有直接在公共AC电网下可操作的每一个装置，例如用于计算机的电源单元(PSU)、储存装置和网络型产业以及用于电信基础设施的PSU，所述计算机例如为服务器或个人计算机。但是它们还包括感应式烹饪/供暖系统或车辆充电器，尤其是在电驱动汽车和其它EV(电动车辆)或HEV(混合电动车辆)中使用的车载充电器(OBC)。这样的OBC从公共AC电网直接对用在这样的车辆中的高电压牵引蓄电池进行充电。
文献US2011/0080693公开了一种适合于接收多样化的三相或单相电力的电力分配单元。该单元包括了可分离的电源线以及可分离的接线板。可分离的电源线用于接收输入电力的电能。可分离的接线板与电源线电连接，以提供至少一种连接配置。相应地，为了提供不同的输入配置，可分离的接线板不得不被手动移除，并且另一个接线板不得不被手动插入。由此，单元的外壳必须包括可移除的盖以使得能够进行接线板的接入。
文献US2013/0072070 A1公开了另一种分配单元(1)，其包括主体、第一电连接器以及电力输入模块(2)。电力输入模块可更换地被容纳在主体的接收部分中。电力输入模块(2)被提供在不同的变体中，其遵循不同国家或地区的不同市电规范。再次，为了提供可用在不同地区中的装置，必须交换该装置的一部分。
为了遍及全球两个或更多的具有不同类型电网的地区使用特别的装置，因此要求AC电力转换器的不同的输入配置。根据现有技术，对不同输入配置的供应通过手动完成或者通过交换电源单元的特定元件完成。
这意味着必须提供特定产品或该特定产品的至少一部分的不同硬件变型，以使得该产品能够在全球使用。由于这些国家或地区的特别的产品的特定变型，不仅增加了关于物流的努力，也增加了关于开发和生产的努力。
发明内容
由此，本发明的目的在于创建一种涉及初始提及的技术领域的电源单元，其可在不同的AC电网类型下操作以使得可以减少国家或地区的特定变体的数量。
本发明的解决方案由权利要求1的特征所限定。根据本发明，电源单元具有如上所述的输入、输出以及连接在输入和输出之间的至少两个转换器，该电源单元包括用来将转换器连接至电源的输入的可控切换布置。
可控切换布置允许将至少两个转换器以可变的以及可控的方式连接至电源单元的输入，以使得电源单元可易于与该电源单元可连接至的不同类型的AC电网相适应。而且，这在不改变电源单元的硬件的情况下可通过可控地在转换器和电源单元的输入端子之间建立合适的连接来简单地完成，该电源单元的输入端子被要求将它连接至不同类型的AC电网。这里不再需要提供国家或地区的特定电源单元。
大部分电源网包括一相、两相或多相线以及一个中线。相线的数量通常为一根、两根或三根，但在特定地区也可多于三根。在本发明的优选实施例中，为了将电源单元连接至现有电网中的大部分，其输入因此包括中性端子以及至少两个相端子。在进一步的优选实施例中，电源单元包括明确的两相或三相端子。
当将电源单元连接至特定电网时，根据电网以及期望配置，其所有或者仅部分端子连接至电网的特定线。在特定配置中，例如，不使用中性端子，并且在单相电网的情况下，不是所有的相端子都必须连接至电网的相线。
可控切换布置通常包括用于连接至电源单元输入的特定数量的输入端子，以及用于连接至电源单元的转换器的特定数量的输出端子。由此，可控切换布置是可控的以在其一些或所有输入端子与其一些或所有输出端子之间建立电连接。由此，每一个输入端子通常与每一个输出端子是可连接的。
相应地，可控切换布置可被控制以使得特别的转换器通常能够连接至电源单元的输入端子中的任何两个输入端子。通常，转换器端子中的一个转换器端子连接至中性端子，电源网络的该中性线(如果存在)连接至该中性端子，以及第二转换器端子连接至电网相线中的任何一个。每一个转换器由此能够连接至不同的相线或者两个或更多的转换器可连接至相同的相线。
假如其中每一个输入端子选择性连接至每一个输出端子的可控切换布置可能变得复杂和昂贵。为了减少在输入端子和输出端子之间建立的连接的数量，以及以此也减少该可控切换布置的复杂性和成本，在本发明的优选实施例中，可控切换布置是可控的以将每一个转换器的第一输入端子连接至中性端子，以及选择性地将转换器中的至少一个转换器的第二输入端子正好连接至相端子中的一个相端子。
在本发明的另一个优选实施例中，可控切换布置是可控的以将每一个转换器的第一输入端子连接至中性端子以及选择性地将每一个转换器的第二输入端子连接至输入的特定相端子，或者选择性地将每一个转换器的第二输入端子连接至输入的不同的相端子。相应地，转换器的初级线圈可并联连接至单个相端子或者它们能够串联连接至两个或更多的相端子，以允许转换器的不同输入配置。
如上面已经标出的，可控切换布置是可控的以在其输入端子和其输出端子之间建立特定数量的电连接。控制切换布置具有不同的可能性。一种可能性是手动控制它，例如通过手动可操作ON/OFF开关，该ON/OFF开关被插入到输入端子和输出端子之间的每一个可能的连接中。这种情况下，可控切换布置可以通过手动地将其中将建立连接的这些开关切换到ON以及将其余开关切换到OFF来控制。相应地，电源单元的单个硬件变体足以使得它能够连接至不同类型的电网。但是这种解决方案会要求某个不期望的用户交互作用，这由于在单个开关被切换至错误的位置时电力单元可能不工作或者可能甚至被损坏而是不期望的。
在优选实施例中，可控切换布置适合于电气地控制。这意味着可控切换布置包括可控开关，诸如例如可被这样控制以建立期望的连接的继电器或者晶体管。控制信号通常为用来控制开关的电流信号或具有不同电平的电压信号。这些控制信号可由如以下解释的不同方式产生。
可控切换布置可通常被实施为分开的装置以仅用于将转换器连接至期望的电网线。然而，它优选地被实施为使得其也可执行进一步的功能。
由于AC电力转换器通常包括在输入端处的整流器级，以便对进来的AC电压进行整流，所以可控切换布置包括连接在电源单元输入与其转换器中的一个转换器之间的每个转换器的整流器。这些整流器中的每一个整流器包括整流元件网络，以便将AC输入电压整流至提供给对应转换器的DC电压。最经常地，这些整流元件仅包括连接为桥配置的二极管。但是在本发明的该优选实施例中，整流器中的至少一个整流器的整流元件中的至少一个整流元件包括电可控开关，尤其是电可控单向开关。该电可控开关或这些电可控开关被提供来替代二极管。为了该目的，可使用恰当定尺寸、设计和控制的晶体管，诸如例如GTO、IGBT或者MOSFET。由于一些类型的晶体管(例如IGBT或者MOSFET)不能阻塞反向电流，因此这样的晶体管不被提供来替代二极管，而是对二极管的附加。优选地，晶闸管被使用为电可控单向开关，因为晶闸管最好适合于执行实际所必须实现的受控二极管的功能。或者换句话说，通过轻微地修改整流器，该整流器也提供可控切换布置的功能。也可从另一方面来说，除了其切换功能以外，可控切换布置执行整流功能。
应注意的是，整流器如上所述的是与转换器分离的单元。然而在本发明的其它实施例中，该整流器也可为转换器的一部分。进一步应注意的是，转换器通常包括其它必须遵循的或者可选的元件，诸如例如具有输出电容的输出级，所述输出电容并联连接在输出端子之间。也可能的是，转换器包括多于一个的转换器级，并且其也可包括另外的整流器级。
如本领域中已知的，晶闸管可以以不同的方式来控制。例如它们可简单地在给定时间点切换为ON，以及例如在它们反向偏置时它们切换为OFF。然而晶闸管也可由相角控制来控制。现在，通过使用晶闸管来作为可控切换元件，由转换器从其输入传输至其输出的电力可通过使其中晶闸管切换为ON的相角变化来进行控制。例如，该技术可用于在转换器启动时对转换器的输出电容进行预充电。例如，晶闸管被控制以使得仅少量电力被传输至输出电容，直到其被完全充电，或者以使得传输到输出的电力量在输出电容的充电期间被增加。
在本发明进一步优选实施例中，可控切换布置的第一整流器连接在输入和第一转换器之间，并且包括在第一转换器的第一和第二输入之间并联连接的两个支路。第一支路包括串联连接的两个二极管，其中两个二极管的公共端子连接至第一相端子。第二支路也包括串联连接的两个二极管，其中该两个二极管的公共端子连接至中性端子。尽管第一整流器仅包括两个整流元件支路，但该实施例中的其余每一个整流器包括并联连接在对应转换器的第一和第二输入之间的三个支路。第一支路包括串联连接的两个电可控单向开关，其中两个电可控单向开关的公共端子连接至第一相端子，第二支路包括串联连接的两个二极管，其中两个二极管的公共端子连接至中性端子，以及第三支路也包括串联连接的两个电可控单向开关，其中两个电可控单向开关的公共端子连接至不同的相端子。为了正确地执行整流功能，特别的整流器的所有整流元件在第一转换器的第一和第二输入之间被相等定向。
相应地，第一转换器连接在中性端子和第一相端子之间，并且通过恰当地控制可控单向开关，每一个第二以及另外的转换器可连接在中性端子和第一相端子、中性端子和另一相端子或两个相端子之间，以允许电源单元的不同输入配置的实现。
在本发明另一个优选实施例中，在三个支路中的两个支路被装备有电可控单向开关的情况下，不仅是第二以及另外的每一个整流器包括三个支路，将第一转换器连接至电源单元的输入的该第一整流器也包括三个支路。通过将第一支路中的开关持久地切换为ON以及将第三支路中的开关持久地切换为OFF，可实现在先前实施例中的相同功能。然而，该配置还允许甚至更灵活的转换器的使用，因为该第一转换器也可连接至不同的输入端子。而且，为所有转换器提供相同的整流器导致关于物流的优点，因为仅必须开发、生产、储存、处理和管理一个种类的整流器。
在本发明的进一步优选实施例中，第一和第三支路的电可控单向开关中的每一个电可控单向开关包括晶闸管。相应地，可通过用合适的控制信号控制电可控单向开关来完全地控制每一个整流器的第一和第三支路。
然而，可控开关必须被慎重操作。通过大意地向开关提供控制信号，则可能发生的是，第一和第三支路中的开关处于用来提供在中性端子和相端子之间或在两个相端子之间的直接电连接的状态，从而导致可能的故障或者甚至电源单元的损坏。为了防止这样的短路，切换布置是优选可控的以选择性地和同时地切换第一支路的可控单向开关至ON，以及第三支路的可控单向开关至OFF，反之亦然。
如遍及当前发明的说明书中所使用的，术语转换器可提及用于将电力从AC转换至DC、从AC转换至AC、从DC转换至DC或者从DC转换至AC的任何装置。在这些实施例中，其中整流器由切换布置提供，术语转换器仅提及用于将电力从DC转换至DC或者从DC转换至AC的装置。当提及转换器的输入时，术语DC不仅涵盖直线DC输入，还包括脉冲DC或整流后的AC输入信号。由于很多应用要求DC输入电力，所以转换器优选地适合于向其输出提供DC电力。
而且，在同时使用两个或更多转换器的这些实施例中，转换器的输出优选地并联连接，使得电源单元在其输出处提供单个DC信号。然而，在特定应用中，它也可以适合于提供若干独立的DC输出或者甚至两个或更多的串联连接的DC输出。
如先前提到的，可控切换布置可适合于被电气地控制，尤其是通过提供能够被控制以建立期望连接的可控开关。用来控制这些开关的控制信号可以以不同的方式提供。如上面提到，例如，可能的是，通过手动切换ON/OFF开关来将每一个控制输入连接至期望的电压电平。然而，在优选实施例中，电源单元包括用来控制可控切换布置的控制单元。
例如，这样的控制单元的实施可包括多个按键或可被切换至不同位置的旋转开关。每一个按键或者旋转开关的每一个位置表示了电源单元的不同输入配置，以使得用户可通过简单地按压对应的按键或者将旋转开关切换至对应的位置来选择特定的输入配置。接着控制单元产生并且提供控制信号给可控切换布置的开关以产生期望的配置。
在另一实施例中，控制单元被实现为例如芯片等的电子控制器。控制器包括特定数量的输出，并且可控切换布置的每一个可控开关的控制输入连接至这些控制器输出中的一个。根据特定的条件，控制器接着产生控制信号以提供期望的输入配置。
这些条件的规定也可不同。在本发明的优选实施例中，控制器是可编程的。可编程控制器例如可由微处理器、DSP、FPGA或由类似的装置来实现。根据使用电源单元的期望地区，可编程控制器可被这样编程以便提供满足该地区电网规范的输入配置。在该电源单元将被用于具有不同电网规范的不同地区的情况下，控制器可被编程有另一程序以便提供该新地区的输入配置。相应地，可通过对该控制器进行合适编程，可完全以软件来完成特别的配置的选择以及对应的控制信号。为了使电源单元适应可连接至特别的电网类型，不必执行手动改变，也不必打开外壳。
在另一优选实施例中，用来提供控制信号的特别的集合至切换布置以满足安装位置的电网规范的条件并不由预编程的控制器来提供，而是通过对应的输入信号被提供到控制器。上面提到的示例包括用来手动选择期望输入配置的多个按键或旋转开关，该示例是其中按键的按压或者旋转开关至特定位置的切换将对应的信号提供给控制器的一个示例，控制器接着以期望的方式控制切换布置。在另一个示例中，提供了适合于感测在电源单元安装位置处存在哪一种电网类型的传感装置。一旦确定电网的类型，传感装置向控制器提供对应的信号，控制器作为响应控制切换布置以便满足感测到的电网规范。这样的传感装置可被实施为电源单元本身的一个部分或者作为合适地连接至电源单元的外部装置。
如已经提到的，根据本发明的电源单元可有利地被应用在EV(电动车)或HEV(混合电动车)中使用的充电器中，以从公共AC电网对这样的车辆的牵引蓄电池进行直接充电。这样的充电器可被提供为机动车辆的非车载，或者更优选地被提供为机动车辆的车载。相应地，本发明还涉及到用于对机动车辆的能量存储装置进行充电的充电单元。根据本发明，充电单元包括或者甚至由如上述的电源单元构成，以用于对机动车辆的牵引蓄电池进行充电。最经常地，这样的能量存储装置包括高压牵引蓄电池以及布置为机动车辆的车载的充电单元。
本发明进一步涉及用于提供电源单元以将在电源单元输入处接收到的AC电力转换为在电源单元输出处提供的输出电力的方法。将在输入处接收到的AC电力优选地由AC电源提供，优选地，电源单元连接至的AC电源网络。但是，也可以是包括一相、两相或更多相线以及可选包括中性线的能够提供AC电力的任何其它合适的电源。该方法包括提供至少两个转换器并且将该转换器连接在电源的输入和输出之间的步骤。根据本发明，该方法进一步包括提供如上述的可控切换布置以将转换器连接至电源单元的输入的步骤。
根据下面的详细说明以及权利要求的全文，其它有利的实施例和特征的组合出现。
附图说明
用于解释实施例的附图示出了：
图1根据本发明的电源的示意图；
图2三种不同电力网配置；
图3根据本发明的具有两个转换器的电源的进一步实施例的示意图，示出有三种不同的输入配置；
图4图3所示的电源的更详细的示意图；
图5根据本发明的具有三个转换器的电源的进一步实施例的示意图，示出有三种不同的输入配置，以及
图6图5所示的电源的更详细的示意图。
在图中，相同的部件被给予相同的参考符号。
具体实施方式
图1示意性示出了根据本发明的电源单元1。电源单元1包括输入2和输出3。利用其输入2，电源单元1可连接至不同的电源网(未示出)。虽然输入2被示出为具有三条线，但是其也可包括更少的或者更多的线以将它连接至电网。提供了两个(或更多)转换器4以将输入2处接收的输入电力转换为提供给输出3的输出电力。两个转换器4的次级线圈侧并联连接至电源单元1的输出3。为了将转换器4灵活连接至输入2并且以此连接至电源单元1连接至的电网，电源单元1进一步包括切换布置5。切换布置5包括多个输入端子5in，多个输出端子5out以及多个开关6，其中每一个开关适合于在输入端子5in中的至少一个和输出端子5out中的至少一个之间提供连接。通过适当地切换开关6为ON或者OFF，可提供与不同种类的电网配置匹配的不同输入配置。为了控制开关6，电源单元1进一步包括控制单元7。
图2示出了如全球不同地区中当前所使用的不同的电力分配网络的配置。
图2a示出了如在欧洲所使用的包括中性线N和三个相线L1、L2、L3的AC电力网，其中中性线N连接至星型点S。该星型点S通常连接至地。在每一个相线L1、L2、L3与中性线N之间的相对线(phase-to-line)电压VLN通常为230Vrms(伏特均方根)，其意味着325Vpk(电压峰值)的电压幅值。如本领域中所知的，相线的电压相对于其它相线被移位120°的角度。
图2b示出了如例如在北美所使用的电力网，其具有中间抽头的单个相线，其导致中间抽头的中性线N以及参考该中性线N的两个相线L1US以及L2US。在每一个相线L1US、L2US与中性线N之间的相对线电压通常为120Vrms，并且它们被移位180°的角度。因此在两个相线L1US以及L2US之间的相对相(phaseto phase)电压VLLUS倍增至240Vrms。该相对相电压VLLUS与如图2a所示的欧洲的相对线电压VLN非常类似。
图2c示出了在欧洲使用的另一种电力网配置。该电力网与图2a所示的电力网非常类似。它也包括如图2a所示的三个相线L1、L2、L3，但是不包括中性线。该配置不提供至中性星型点S的接入。该三个相线的连接种类被称为德耳塔(delta)连接。相应地，在两个相之间的电压VLL为400Vrms。
为了产品能够在全球使用，一个共同的要求就是该产品能够在所有的这三种类型的电网下进行操作。在US居民区，图2b所示的电网配置是标准安装。
尤其是车载充电器(OBC)，由于EV/HEV主要是在电源可广泛得到的居民区、即在每一个人的家中进行充电，因此更合理的是使用该US配置。另一个使用该US配置的原因是其如已提到过的相对相电压VLLUS与欧洲配置的相对线电压VLN非常类似。在欧洲和US使用的OBC通常基于欧洲住宅安装的保险丝额定值16Arms(安培均方根)来设计。对于给定的AC电流额定值，当使用欧洲配置的相对线电压和US配置的相对相电压时，OBC从电网以相似的AC输入电压汲取相似的AC电力。由此，AC电力利用是在与在欧洲相同高值的北美的240Vrms电源处，即分别为3.7kW(千瓦特)(＝230Vrms x 16Arms)或者3.8kW(＝240Vrms x 16Arms)。对于OBC应用的该示例，这意味着非常类似的充电时间。
如已提到过的，这样的电源单元也可作为对EV/HEV的牵引蓄电池进行充电的充电器使用。由于这样的牵引蓄电池通常具有相对大的容量，这样的从电网汲取多达3kW的AC电力的充电器需要充电若干小时以对这样的蓄电池完全充电。必须移动到更高的电力电平来缩短充电时间，以改善将来EV/HEV的接受度。
当转换器电力电平不得不增加时，具有与北美240Vrms电源类似的AC电力利用的优势选项消失了。在欧洲，每相的最大rms-电流通常被限制在16Arms。但是由于在大多数住宅安装中三相AC电源是可得到的，因此下一步是利用其它相线的一个或两者。相反，北美240Vrms电源为单相系统。根据设计来处理欧洲三相系统中的2相或3相的现有技术的转换器配置不能从如16Arms的北美单相电网中汲取更高电流。因此，当在US要求高于3.8kW的AC电力需求时，那么常规专门设计的转换器(＝OBC、PSU等)或者至少专门的US变体必须被开发，其-相反地-不合适在EU使用。
在图2a所示的欧洲电网配置中，可使用两相从而可从电网汲取更多的电力。由于两相中的每一相在同样的230Vrms相电压下贡献16Arms，通过该测量，汲取的AC电力就可被翻倍。得到的电力是7.4kW(＝2*230Vrms*16Arms)。
图3示例性示出了根据本发明的双轨道电源单元11，其可被用于加载两个相线。双轨道电源单元11的输入包括三个输入端子A、O和B。电源单元11包括具有转换器14.1和14.2的两个转换器轨道。转换器14.1、14.2的次级线圈侧并联连接至电源单元11的输出13。转换器14.1、14.2的初级线圈侧串联连接以使得每一个转换器14.1、14.2的第二输入端子19.2连接到电源单元11的输入端子O。每一个转换器轨道可汲取高达16Arms的AC电流。该模块式概念将在下面被称为“2-轨道-转换器”。尽管转换器级21.1、21.2的输出被示为提供DC电力，但转换器级21.1、21.2也可被设计为提供AC电力。另一方面。转换器级21.1、21.2被示为从整流器级20.1、20.2接收整流后的AC输入，但是也可接收直的DC(straight DC)或脉冲DC输入。
为了在不同类型的电网下操作该2-轨道-转换器，转换器14.1、14.2的第一输入端子19.1可连接至输入端子A或B中的任何一个。
图3a示出了连接至欧洲电网18.1的该2-轨道-转换器，欧洲电网18.1具有中性线N。但是由于仅使用了两个相L1和L2，所以相线L3未被示出。在这种情况下，相线L1连接至电源单元11的输入端子A，相线L2连接至输入端子B以及中性线N连接至输入端子O。因此，第一转换器14.1的第一输入端子19.1连接至输入端子A，并且第二转换器14.2的第一输入端子19.1连接至输入端子B。相应地，每一个轨道的AC输入将为230Vrms的相电压。得到的两相电流和中性电流之和为零。由于具有相同幅值(并且因此也是相同的16Arms的均方根(rms)值)的中性电流逆着中性电压流动，中性电压按定义为零，因此该电流对电力来说没有贡献。能够汲取的总数约为7.4kW(＝2*16Arms*230Vrms)。
通常将可能的是，将具有如图3a所示的串联输入配置的2-轨道-转换器连接至具有240Vrms的北美的单相电网(包括中性或者不包括中性)，即，将第一转换器14.1的第一输入端子19.1连接至输入端子A，将第二转换器14.2的第一输入端子19.1连接至输入端子B，以及让输入端子O不连接。然而，尽管我们具有双倍安装的转换器电力成为事实，但整个2-轨道-转换器将再次仅从AC线当中汲取16Arms的电流，同时由于AC侧的2轨道的串联连接，每轨道AC输入电压被减半，由此导致了约为3.8kW(＝2*120Vrms*16Arms)的总电力。
图3b示出了用来将2-轨道-转换器连接至US单相240Vrms电网18.2的更好的解决方案。转换器在两个US相线L1US和L2US之间并联连接。相线L1US连接至电源单元11的输入端子A，以及相线L2US连接至输入端子O。输入端子B不连接至电网线。相应地，两个转换器14.1、14.2的第一输入端子19.1都连接至输入端子A，以及两个转换器14.1、14.2的第二输入端子19.2都连接至输入端子O。以这种方式，可从240Vrms电源的单个相中汲取2*16Arms＝32Arms的双倍AC电流，导致约7.7kW的电力。
图3c示出了连接至不具有中性线的欧洲电网18.3的2-轨道-转换器。与图3a所示的2-轨道-转换器的唯一区别在于以下的事实：电网不包括中性线，由此图3c中的电源单元11的输入端子O没有连接至电网线。但是转换器14.1、14.2以与图3a所示的相同方式连接至输入端子A、O和B。在该示例中，也可汲取约7.4kW的总电力。
图4示出了图3所示的电源单元11的更详细的示例性实施方式。两个转换器14.1、14.2包括整流器级20.1、20.2以及从对应的整流器级20.1、20.2接收整流后的电力的转换器级21.1、21.2。整流器级20.1、20.2连接至电源单元11的输入，并且转换器级21.1、21.2连接至输出13。
转换器14.1的整流器级20.1包括四个二极管22.1、22.2、22.3、22.4，四个二极管22.1、22.2、22.3、22.4形成连接在转换器级21.1的输入端子之间的两个支路(稍后也被称为桥臂)。所有二极管22.1、22.2、22.3、22.4被相等地定向。二极管22.1与22.2的串联连接形成了第一支路，二极管22.3与22.4的串联连接形成了第二支路。二极管22.1和22.2的公共端子连接至输入端子A，以及二极管22.3和22.4的公共端子连接至输入端子O。
与之形成对比的是，转换器14.2的整流器级20.2包括在转换器级21.2的输入端子之间连接的三个支路。两个晶闸管23.1和23.2的串联连接形成了第一支路，二极管23.3和22.4的串联连接形成了第二支路，以及晶闸管23.5和23.6的串联连接形成了第三支路。晶闸管23.1和23.2的公共端子连接至输入端子A，二极管23.3和23.4的公共端子连接至输入端子O以及晶闸管23.5和23.6的公共端子连接至输入端子B。
这意味着对于整流器级20.1不必考虑额外的元件/努力(effort)，并且关于整流器级20.2，附加的元件/努力非常有限。与常规的全桥二极管整流器相比，仅整流二极管中的两个整流二极管必须由晶闸管替代，并且仅有两个附加的元件，即两个晶闸管是必须的。
相应地，转换器14.1被固定连接至输入端子A和O。但是通过适当地控制晶闸管23.1和23.2以及晶闸管23.5和23.6，转换器14.2可灵活地连接至输入端子A、O和B。例如，通过切换晶闸管23.1和23.2为ON以及晶闸管23.5和23.6为OFF，转换器14.2连接在输入端子A和O之间。以及通过切换晶闸管23.1和23.2为OFF以及晶闸管23.5和23.6为ON，转换器14.2连接在输入端子B和O之间。图4中没有示出用来提供控制信号至晶闸管的控制单元。
通过将转换器14.1、14.2中的一个或者两者连接至电网，电源单元11可在约3至8kW的电力范围内操作。
在电源单元11的略微不同的实施方式中，转换器14.1的整流器级可被实施为与转换器14.2的整流器级20.2一致，即，通过提供三个支路，其中第一和第三支路包括串联连接的两个晶闸管以及其中第二支路包括串联连接的两个二极管。通过将第一支路的晶闸管持久切换为ON以及将第三支路的晶闸管持久切换为OFF，即可执行与图4所示的相同的功能。然而，转换器14.1、14.2可甚至更加灵活地连接至输入端子A、O和B。
另外，也将可能的是，由晶闸管替代这些配置中的所有二极管，并且合适地控制它们。
为了进一步增加从电网汲取并提供给连接至电源单元的装置的电力，可使用电网的三个相，如果这样的三相线是可得到的话。由于三个相中的每一相在相同的相电压下都贡献了16Arms，所以通过该测量，汲取的AC电力可增加至高达三倍的单个转换器的电力。
图5示出了这样的三轨道电源单元21的示例。电源单元21与图3所示的电源单元11大部分相对应。与之形成对比的是，它包括四个输入端子A、O、B和C，以及三个转换器轨道，每一个转换器轨道包括转换器24.1、24.2和24.3。
再次，转换器24.1、24.2以及24.3的次级线圈侧并联连接至输出13，转换器24.1、24.2以及24.3的初级线圈侧以星型连接来连接，从而每一个转换器24.1、24.2以及24.3的第二输入端子29.2都连接至输入端子O。该电源在下面被称为“3-轨道-转换器”。尽管转换器24.1、24.2以及24.3的输出被示出为提供DC电力，但它们也可被设计为提供AC电力。在另一方面，转换器24.1、24.2以及24.3被示出为接收AC输入，但是也可被设计为接收整流后的AC或脉冲DC输入。
为了在不同类型的电网下操作该3-轨道-转换器，每一个转换器24.1、24.2以及24.3的第一输入端子29.1可连接至输入端子A、B或C中的任何一个。
图5a示出了连接至具有中性线N的欧洲电网28.1的3-轨道-转换器。相线L1连接至输入端子A，相线L2连接至输入端子B，相线L3连接至输入端子C以及中性线N连接至输入端子O。进一步，第一转换器24.1的第一输入端子29.1连接至输入端子A，第二转换器24.2的第一输入端子29.1连接至输入端子B以及第三转换器24.3的第一输入端子29.1连接至输入端子C。相应地，在每一个轨道的AC输入处将是230Vrms的相电压，从而导致大约11kW(＝3*230Vrms*16Arms)的总电力。
图5b示出了连接至US单相240Vrms电网28.2的3-轨道-转换器。相线L1US连接至输入端子A，以及相线L2US连接至输入端子O。输入端子B和C没有连接至电网线。进一步，转换器24.1、24.2以及24.3的第一输入端子29.1连接至输入端子A，以及转换器24.1、24.2以及24.3的第二输入端子29.2连接至输入端子O，从而所有三个转换器24.1、24.2以及24.3在相线L1US和L2US之间并联连接。以这种方式，每一个转换器汲取16Arms，从而导致大约11.5kW(3*16Arms*240Vrms)的总电力。在这种连接中应注意的是，也将可能的是，将相线L1US和L2US连接至电源单元21的不同的输入端子，因此转换器24.1、4.2以及24.3的第一和第二输入端子29.1、29.2也将必须连接至这些输入端子。
图5c示出了连接至不具有中性线的欧洲电网28.3的3-轨道-转换器。与图5a所示的3-轨道-转换器的唯一区别是电网不包括中性线，由此电源单元21的输入端子O没有连接至电网线。然而转换器24.1、24.2以及24.3以与图5a所示的相同方式连接至输入端子A、O、B和C。在该示例中，也可从电网汲取大约11kW的总电力。
图6示出了图5所示的电源单元21的更详细的示例性实施方式。所有三个转换器24.1、24.2以及24.3包括整流器级30.1、30.2、30.3以及从对应的整流器级30.1、30.2、30.3接收整流后的电力的转换器级31.1、31.2、31.3。整流器级30.1、30.2、30.3连接至电源单元21的输入，并且转换器级31.1、31.2、31.3连接至输出13。
转换器24.1的整流器级30.1包括四个二极管32.1、32.2、32.3、32.4，四个二极管32.1、32.2、32.3、32.4被提供来形成连接在转换器级31.1的输入端子之间的两个支路。所有二极管32.1、32.2、32.3、32.4被相等地定向。二极管32.1与32.2的串联连接形成了第一支路，二极管32.3与32.4的串联连接形成了第二支路。二极管32.1和32.2的公共端子连接至输入端子A，以及二极管32.3和32.4的公共端子连接至输入端子O。
与之形成对比的是，转换器24.2的整流器级30.2包括在转换器级31.2的输入端子之间连接的三个支路。两个晶闸管33.1和33.2的串联连接形成了第一支路，两个二极管33.3和33.4的串联连接形成了第二支路，以及两个晶闸管33.5和33.6的串联连接形成了第三支路。晶闸管33.1和33.2的公共端子连接至输入端子A，二极管33.3和33.4的公共端子连接至输入端子O以及晶闸管33.5和33.6的公共端子连接至输入端子B。
转换器24.3的整流器级30.3与转换器24.2的整流器级30.2一致。然而，其以略微不同的方式连接至电源单元21的输入端子。如同在转换器24.2中那样，晶闸管33.1和33.2的公共端子连接至输入端子A，并且二极管33.3和33.4的公共端子连接至输入端子O，但是与转换器24.2相反，晶闸管33.5和33.6的公共端子连接至输入端子C。
相应地，转换器24.1被固定连接至输入端子A和O。但是通过恰当地控制两个整流器级30.2和30.3的晶闸管33.1和33.2以及晶闸管33.5和33.6，转换器24.2和24.3都可灵活地连接至输入端子A、O、B和C。例如，通过切换转换器24.2的晶闸管33.1和33.2为ON以及转换器24.2的晶闸管33.5和33.6为OFF，转换器24.2连接在输入端子A和O之间。以及通过切换转换器24.2的晶闸管33.1和33.2为OFF以及转换器24.2的晶闸管33.5和33.6为ON，转换器24.2连接在输入端子B和O之间。转换器24.3可以以相同的方式连接在输入端子A和O之间或者在输入端子C和O之间。图6中没有示出用来提供控制信号至晶闸管的控制单元。
在该示例中，额外的元件/努力也是非常有限的。整流器级30.1是常规的整流器，以及考虑到整流器级30.2和30.3，常规整流二极管中的仅两个整流二极管由晶闸管替代，并且仅两个附加的元件、即每个整流器级30.2和30.3两个晶闸管是必要的。
通过将一个、两个或者全部三个转换器24.1、24.2、24.3连接至电网，电源单元21可在大约3至12kW的电力范围内操作。
在本文中，应该提到的是，给定的整流器桥臂的每一个晶闸管基本上由相同的控制信号控制。当实际上一致的控制信号被施加至桥臂的两个晶闸管时，它是可能的并且工作良好。然而，为了减少晶闸管的损失并且为了轻微地增加转换器的效率，优选的是，在晶闸管无论如何正在阻塞该电压时，在电源周期的间隔内使一个晶闸管不活动。即，根据晶闸管在桥臂中的位置(高侧或低侧)，将该晶闸管在正或负电源半周期期间切换为OFF。这对于在本文献中所描述的本发明的其它实施例也是成立的。
参考图3至6所描述的模块化电源单元的概念可通过向包括如所述的三个支路整流器的电网的每个附加的相线仅提供带有转换器的附加的轨道，来简单扩展至其中多于三个的相线是可得到的电网。
将提到的是，如上所述，电网线至电源单元的输入端子的连接必须由电网特定的连接器类型来完成。当前，大部分具有如上所述的不同电网规范的地区也具有不同的机械规范，不同的连接器或插头对于将电源单元连接至电网是必要的。
将注意的是，如上面提到的16Arms的保险丝额定值仅为示例，在其它的应用和/或其它的地区中可以是不同的。相应地，其它电力范围可被覆盖有根据本发明的这样的电源单元。
总之，将注意的是，本发明使得能够供应一种用来在没有硬件中的任何改变的情况下用在具有不同电源网络规范的世界的不同地区中的电源单元。根据电源单元将连接至的电网的实际规范，这是通过将转换器灵活地连接至不同的电网线来完成的。完全通过软件来完成电源单元对相应电源网络的适应，使得例如可编程控制器自动地提供对应的控制信号至可控开关。本发明进一步允许提供用于在如在遍及全球的住宅处广泛可得到的常规电源网络处使用的电源单元，其可在宽范围内可升级。该范围起始于大约3kW，并且上升高达大约12kW。
附图标记列表
1，11，21    电源单元
2    输入
3，13    输出
4，14.1，14.2，24.1，24.2，24.3    转换器
5    切换布置
5in，A，O，B，C，19.1，19.2，29.1，29.2    输入端子
5out    输出端子
6    开关
7    控制单元
18.1，18.2，18.3，28.1，28.2，28.3    电网
9
20.1，20.2，30.1，30.2，30.3    整流器级
21.1，21.2，31.1，31.2，31.3    转换器级
22.1，22.2，22.3，22.4，23.3，22.4，32.1，32.2，32.3，32.4，33.3，32.4    二极管
23.1，23.2，23.5，23.6，33.1，33.2，33.5，33.6    晶闸管

Claims (16)

1.电源单元，包括：用来从AC电源、尤其是AC电源网络接收AC电力的输入，以及用于向电气装置提供电力的输出，其中所述电源单元包括连接在所述输入和所述输出之间的至少两个转换器，其特征在于所述电源单元包括用来将所述转换器连接至所述输入的可控切换布置。
2.根据权利要求1所述的电源单元，其中所述输入包括中性端子和至少两个相端子，其中所述电源单元优选地正好包括两个或三个相端子。
3.根据权利要求2所述的电源单元，其中所述可控切换布置是可控的以将每一个转换器的第一输入端子连接至所述中性端子，以及选择性地将转换器中的至少一个转换器的第二输入端子正好连接至相端子中的一个相端子。
4.根据权利要求3所述的电源单元，其中所述可控切换布置是可控的以选择性地将每一个转换器的所述第二输入端子连接至所述输入的特定的相端子，或者选择性地将每一个转换器的所述第二输入端子连接至所述输入的不同的相端子。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的电源单元，其中所述可控切换布置适合于被电气地控制。
6.根据权利要求5所述的电源单元，其中所述可控切换布置包括每个转换器的整流器，其被连接在所述输入和所述转换器中的一个转换器之间，其中每一个整流器包括整流元件的网络，以及其中所述整流器中的至少一个整流器的所述整流元件中的至少一个整流元件包括电可控单向开关，优选为晶闸管。
7.根据权利要求6所述的电源单元，其中第一整流器连接在所述输入与第一转换器之间，并且包括在所述第一转换器的第一和第二输入之间并联连接的两个支路，其中
a)第一支路包括作为整流元件的串联连接的两个二极管，其中所述两个二极管的公共端子连接至所述第一相端子，
b)第二支路包括作为整流元件的串联连接的两个二极管，其中所述两个二极管的公共端子连接至所述中性端子，
以及其中每一个其余的整流器包括在对于应的转换器的第一和第二输入之间并联连接的三个支路，其中
c)第一支路包括作为整流元件的串联连接的两个电可控单向开关，其中两个电可控单向开关的公共端子连接至所述第一相端子，
d)第二支路包括作为整流元件的串联连接的两个二极管，其中所述两个二极管的公共端子连接至所述中性端子，
e)第三支路包括串联连接的两个电可控单向开关，其中所述两个电可控单向开关的公共端子连接至不同的相端子，
其中特别的整流器的所有整流元件在对应的转换器的第一和第二输入之间被相等地定向。
8.根据权利要求6所述的电源单元，其中所有的整流器包括在对应的转换器的第一和第二输入之间并联连接的三个支路，其中
a)第一支路包括作为整流元件的串联连接的两个电可控单向开关，其中所述两个电可控单向开关的公共端子连接至所述第一相端子，
b)第二支路包括作为整流元件的串联连接的两个二极管，其中所述两个二极管的公共端子连接至所述中性端子，
c)第三支路包括串联连接的两个电可控单向开关，其中所述两个电可控单向开关的公共端子连接至不同的相端子，
其中特别的整流器的所有整流元件在对应的转换器的第一和第二输入之间被相等地定向。
9.根据权利要求7或8任一项所述的电源单元，其中所述第一和所述第三支路的所述电可控单向开关中的每一个电可控单向开关包括晶闸管。
10.根据权利要求7至9中任一项所述的电源单元，其中所述切换布置是可控的以选择性地以及同时地将所述第一支路的所述可控开关切换为ON以及将所述第三支路的所述可控开关切换为OFF，或者反之亦然。
11.根据前述权利要求中任一项所述的电源单元，其中所述转换器适合于提供DC电力至所述输出。
12.根据权利要求11所述的电源单元，其中所述转换器并联连接至所述电源单元的所述输出。
13.根据前述权利要求中任一项所述的电源单元，包括用来控制所述可控切换布置的控制单元。
14.根据权利要求12所述的电源单元，其中所述控制单元包括可编程控制器。
15.一种用于对机动车辆的能量存储装置进行充电的充电单元，包括根据权利要求1至14中任一项所述的电源单元，其中能量存储装置优选地为高压牵引蓄电池，以及其中所述充电单元优选地被布置为机动车辆的车载。
16.一种用于提供电源单元的方法，所述电源单元用于将在所述电源单元输入处接收的AC电力转换为在所述电源单元输出处提供的输出电力，所述方法包括提供至少两个转换器并且将所述转换器连接在所述电源单元的所述输入和所述输出之间的步骤，其特征在于所述方法进一步包括提供可控切换布置以将所述转换器连接至所述电源单元的所述输入的步骤。
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