CN106575923A - Dc‑dc转换器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种DC‑DC转换器，以及具有DC‑DC转换器的DC网络，以及一种用于操作具有DC‑DC转换器的DC网络的方法，其中DC‑DC转换器包括电路装置，电路装置具有两个桥式连接和一个变压器，桥式连接具有半导体开关，变压器布置在桥式连接之间。变压器设置有一个步进开关，通过该步进开关可以切换变压系数。通过选择变压系数，可以扩大DC‑DC转换器形式的双有源桥的软切换范围。因此，可使用纯电容性缓冲器作为缓冲器，由此可以减少开关损耗。

Description

DC-DC转换器
描述
本发明涉及一种具有变压器的DC-DC转换器。具有两个桥式连接的和一个变压器的DC拓扑，其中桥式连接称为双主动桥(DAB)，变压器设置在双主动桥之间，这个DC拓扑使得将发电机组，例如，风力发电厂，光伏设备，诸如电池充电设备的存储系统，以及将诸如驱动器的电负载连接到DC网络成为可能。此外，具有相同电压或不同电压的DC网络也可以通过该拓扑连接。变压器确保电流隔离。
在IEEE工业应用社会年会1988年发表的题为“用于高功率应用的三相软切换高功率密度DC/DC转换器”的文件以及，美国专利号为5,027,264，题为“使用双有源桥的DC/DC转换的功率转换装置”，公开了具有三相系统的DC-DC转换器。在DC-DC转换器中，存在位于两个桥式连接之间的变压器。这种DC-DC转换器可以在瓦特范围内，一直到千兆瓦范围使用。这里，所有功率电子开关电路在软切换范围中操作，其结果是，可以减小开关操作期间的损耗，并且可以提高开关频率。
德国专利申请DE 3721591 A1公开了一种用于在初级侧上切换变压器的变压系数的方法。这种变压器是一个特别的中频变压器，其在操作期间具有大电压和电流范围。这种变压器被用作对X射线管供电的X射线发生器中的高压发生器。为了适应施加的电流和电压，变压器设置有步进开关，通过该步进开关可以改变变压器的变压系数。切换变压系数使得初级电流减小，并且因此也使得经由连接在变压器上游的控制元件的电网电流消耗和的电流的减少。为了切换变压系数，在步进开关上游的初级侧上的关断操作被执行，使得阶跃开关的接触元件在切换操作期间不处于负载下，因此几乎不经受任何磨损。
本发明目的是提出一种能够实现更高效率的DC-DC转换器。
该目的通过双有源桥接装置实现，其中双有源桥接器的软切换范围被扩大。双有源桥DC-DC转换器的软切换操作范围取决于要传输的功率以及输入电压和输出电压之间的比率。所使用的半导体的开关损耗被最小化，并且在软切换操作范围内系统效率被最大化。本发明的目的通过使用配备有步进开关的变压器来实现。步进开关允许改变变压系数，其结果是操作保持在软切换范围内。
特别是在输入电压和输出电压之间存在较大差异的情况下，操作掉落在该软切换范围之外。开关损耗增加并且效率降低。通过改变变压器的变压系数，可以使之保持在软切换范围内。
在本发明有利的实施例中，提供了纯电容性缓冲器，其中电容器与半导体开关并联连接，以便最小化关断损耗。当仅使用缓冲电容器时，操作必须处于软切换范围内，并且不允许在不扩展DC-DC转换器的情况下脱离该范围。如果DC-DC转换器被用作具有变化电压的两个DC网络之间的连接，或者如果具有非常显着的电压波动的能量存储系统被集成到DC网络中，则该限制是特别关键的。
在其中不需要电流隔离的优选实施例中，使用自耦变压器作为变压器。自耦变压器以低得多的价格在市场上销售。
下面将参照附图描述本发明的实施例。
显示如下：
图1具有可切换变压器的单相双有源桥的一示意图；
图2具有电源开关，释放电容器(缓冲器)和反并联连接的二极管的单相双有源桥DC-DC转换器的一电路图；
图3用于具有机械步进开关的三相双主动桥的一变压器；
图4变压器的一电路图，变压器具有带有半导体开关的步进开关；
图5描述软切换范围的一曲线图；
图6三相双有源桥的一示意图；
图7具有步进开关的三相双有源桥的一电路图。
图1示出了具有单相双有源桥25形式的DC-DC转换器1的一示意图，其被简称为单相DAB。DAB具有第一桥式连接3，利用该第一桥式连接3将直流电变换为交流电。交流电由配备有步进开关7的变压器5变换。变压器的变压系数n可以通过步进开关7来设定。步进开关7可以用在高压侧以及低压侧。借助于变压器产生的交流电通过随后的第二桥式连接3被转换回直流电流。以这种方式，存在于DAB的一侧的直流电压可以转换为不同的直流电压。在DAB的两侧上，存在平滑电容器6，利用该平滑电容器6可以平滑也被称为波纹的电压波动。这些电压波动和波纹可能由连接系统(例如有线网络，架空线系统)中的故障以及DAB本身的切换操作引起。
图2示出了单相DAB 25的一电路图。在电路图中可以看到桥式连接3的配置。在所示的实施例中，桥式连接3在变压器5的两侧上相同地设置。每个桥式连接3在桥连接中具有四个半导体开关模块9。每个半导体开关模块9包括作为半导体开关10的IGBT 11。其它半导体如MOSFET或IGCT的使用在技术上同样是可以想到的。只要有一个保持在软切换范围内，MOSFET和反向导通IGBT就不需要任何反并联二极管。然而，该实施例示出了与半导体开关反并联连接的二极管13。作为缓冲器15，一电容器17，也称为C缓冲器17，与半导体开关10并联连接。变压器对两个桥式连接以及因此对DC-DC转换器1的两侧进行电流隔离。这里，平滑电容器6也并联地连接到桥式连接3。
电流隔离根据在DAB 1的设计以及转换的直流电压的较高质量产生有点，并且防止在连接的系统中发生的失灵和故障的扩散(在输入和输出处)。
由于电流隔离，DAB的半导体开关模块9，DAB与地电位的隔离以及与连接的组件(电缆，发电机，电机，保护装置，储能系统等)的隔离仅必须针对可以在变压器5的相关侧出现的最大电压来确定规格。如果输入端和输出端之间的额定电压由于变压器5的匝数比而变化，则这是特别有利的。
DC-DC转换器中的电流隔离只有在直流电被转换为交流电时才能实现。在通过变压器5的电流隔离之后，交流电被再次整流。直流中的电压波动(波纹)影响所产生的交流电中的电流的质量。由于变压器5的过滤效应，来自变压器5的一侧的某些故障或波动不会传输到另一侧。因此，在交流电已经转换为直流电之后，这些电压波动(波纹)不复存在。这改善了随后由DC链路电容器稳定的被变换电流的质量。
这些电压波动和波纹可能由连接系统(例如电缆网络，架空线系统)中的故障引起。当使用电流隔离DC-DC转换器时，这些故障是隔离的。由于电流隔离，由于发生故障(例如，两个原本隔离的电力网络之间的短路等)而引起的系统电压相对于地电势的错误的增加同样不被传递到变压器。
因此，DAB构成在将来的DC网络中使用的合适的拓扑。DAB可以用作两个配电网络之间的控制元件，以便调节功率流。然而，DAB还可以用于链接能量存储系统和可再生能源(风力，太阳能等)。在这些应用领域中，DAB的功率在多兆瓦范围内。通过串联以及并联连接多个DAB，可以构建总输出对应于部分输出的总和的DAB系统。
C缓冲器17，RC缓冲器和RCD缓冲器都可以在这里考虑的DAB 1中使用。所有缓冲电路15与半导体开关10(IGBT，IGCT，MOSFET)和二极管13并联连接。C缓冲器17仅仅是电容器，RC缓冲器是电容器和电阻器的串联连接，并且在RCD缓冲器的情况下，附加的二极管连接到RC缓冲器的电阻器。C缓冲器17，也称为“无损耗缓冲器”，构成了最有效的解决方案。然而，当使用C缓冲器17时，在任何情况下都不允许脱离软切换操作模式，这将在下面更详细地解释。
当涉及到这里考虑的性能级别的DAB 1(多兆瓦一直到千兆瓦级)，并且当输入和输出电压在中压范围(≥1kV)中时，IGBT 11以及IGCT被作为半导体开关10使用。优选使用硅IGBT和IGCT。然而，同样可以想到串联连接的MOSFET。还可以使用基于SiC和GaN的半导体。IGBT和IGCT的优点是这些高性能组件是可商购的，因此可以阻断和切换高电压以及传导高电流，而不需要复杂的串联或并联连接。另一个特征是这两种技术在多兆瓦应用中的高效率以及因此在千赫兹范围内的典型开关频率中的高效率。半导体开关10的接通损耗可以通过使用在某些工作范围上而最小化。半导体开关10总是仅在并联连接的二极管13导通电流时接通。这确保经由半导体开关10的电压接近零并且几乎不发生接通损耗。通过使用所谓的缓冲电路15可以减少半导体的关断损耗。
在软切换操作模式中，当相关的半导体开关10接通时，二极管13导通电流。在这种情况下，同样确保缓冲电容器17放电。在硬切换操作范围中，二极管13不传导任何电流-缓冲电容器17被充电到输入电压。如果接通半导体开关10，则充电的缓冲电容器17短路并且通过半导体开关10，例如IGBT/IGCT放电。这可能会毁坏组件。因此，软切换操作模式不仅允许DAB 1的高效率，而且允许使用无损缓冲器。
另一方面限制了无损耗缓冲器的可用性：负载电流在软切换操作模式中对缓冲电容器17放电。如果缓冲电容器17a已经放电，则电流继续流过二极管9a(与电容器17a并联)。缓冲电容器17b-其相邻断路器10b已经被断开-的充电过程类似于电容器17a的放电过程，电容器17a与假设直接接通的功率半导体开关10a并联。如果负载电流不足够大，则在半导体开关10a接通之前，缓冲电容器17a不能及时放电。如在硬切换操作模式的情况下，这可能导致组件的损坏。因此，无损缓冲器的可用性不仅受硬切换操作范围限制，而且受必须由DAB 1发送的最小功率(最小电流)限制。
如果在DAB用于风力发电站时，由DAB传输的功率不足够大，则DAB不能用无损耗缓冲器启动操作。通过使用能量存储系统(这里未示出)，可以将达到最小功率所需的缺失功率添加到系统。以这种方式，配备有缓冲电容器17的DAB可以启动操作。
如果输入电压与输出电压的比率d从与1相比偏离过大，则变压器电流不再落后于变压器电压，并且半导体不再以软切换模式操作。图5示出了根据d和根据待传输的功率的边界。除了软切换操作模式的损失之外，如果d从1偏离，则DAB的效率也劣化。
变压器5的匝数比的适应可以扩大软切换操作范围。通过改变绕组上的抽头，使用步进开关7来调整匝数比。步进开关7以及因此在绕组上的抽头调整可以机械地进行，如图3所示，以及电子地进行，如图4中的示例所示，或者在1998年7月于IEEE Transaction onPower Delivery,vol.13,no.3发表的题为“一种新的固态负载抽头变换变压器的方法”期刊上所示。在电子配置中，各种抽头操作通过功率半导体实现，如果适用的话，通过两个相同部件的反并联连接允许双向电流传导。相应的功率半导体根据要设置的匝数比被接通或关断。变压器5的绕组在图3和图4中用附图标记43表示。在电子配置中可以采用能够关断的功率半导体35以及不能关断的功率半导体35(尤其是晶闸管)。用于设置匝数比的变压器上的步进开关被配置为可以实现至少两个状态。优选实施例是这样的步进开关，其可以设置变压器的任何期望数量的不同匝数比。图5是硬切换操作范围和软切换操作范围的视图。标准化的功率Po绘制在法线轴，y轴上，随着d的各个值的角度φ而改变。在此，d表示DC-DC转换器的电压比。输入电压和输出电压之间的电压比d也取决于变压器5的变压系数。变压器5的电压比可以通过步进开关7来改变。其结果是，可以改变电压比d，使得可以再次达到或保持软切换范围。
由于匝数比或电压比n的变化，在本申请中对输入电压Vp或输出电压Vs，Vs'没有影响。其目标是通过调节n来影响d。
双有源桥接装置的软切换范围通过变压器放大，其变压系数n可通过步进开关来改变。软切换范围是半导体模块9在半导体开关10断开时仍然导通的范围。在图中绘出了在输入侧的桥式连接3的软切换范围之间的边界37。此外，标记了输出侧的桥式连接的软切换范围和硬切换范围之间的边界39。在这些边界内的操作通过上级调节单元来确保，该上级调节单元根据操作参数影响匝数比。
图6示出了三相DAB 27。该三相DAB 27在输入侧具有第一桥式连接2，并且在输出侧具有桥式连接4。通过双向桥式连接3将直流电转换成交流电，反之亦然。
在桥式连接之间，依次存在配备有步进开关7的变压器5。在输入侧和输出侧上又存在平滑电容器6。
三相桥式连接的详细视图如图7所示。为了提供三相交流电流，六个半导体模块9在变压器5的输入侧上连接到桥式连接3。以相同的方式，六个半导体模块9在输出侧上连接到桥式连接3。每个半导体模块9具有半导体开关10。GaN，硅以及诸如MOSFET，IGBT和IGCT的碳化硅部件都可以用于所设想的应用领域。根据半导体开关10的设计，二极管13和缓冲电容器17与半导体开关10并联连接。
一般来说，步进开关的使用产生更高的效率水平是对的，在不具有缓冲电容器17的单相DAB(1p-DAB)或三相DAB(3p-DAB)的配置中也是如此。在不偏离1很多的电压比下的DC-DC转换器的操作，降低了变压器中的无功功率。这使得变压器以及两个电力电子转换器中的损失更少。无功功率的减小还使得配置更小的变压器成为了可能。这节省了材料并降低了成本。
从根本上说，必须区分单相DAB(1p-DAB)25和三相DAB(3p-DAB)27。1p-DAB 25的优点是其所需的半导体开关10的数量较少，即8个，以及使用宽阵列操作策略以优化效率(软切换操作模式)的可能性。相比之下，3p-DAB 27使用十二个半导体开关10。3p-DAB 27的优点特别在于，所需的无源部件，例如变压器5和平滑电容器6，的尺寸允许比在可比较的1p-DAB 25的情况下更小的尺寸。使用3p-DAB 27同样可以实现软切换操作模式。
在变压器5中交链的磁通量决定了所使用的变压器铁芯的必需的横截面表面积。为了使用1p-DAB 25产生3p-DAB 27的相同磁通量交连，输入电压或输出电压仅允许达到3p-DAB 27的电压的44％。相反地，这意味着如果假定直流电流对于1p-DAB 25以及对于3p-DAB 27是相同的话，在1p-DAB中的变压器5的横截面表面积以及尺寸(和成本)大于3p-DAB27的变压器5的横截面表面积。
在3p-DAB 27的情况下的直流电的纹波小于在1p-DAB 25的情况下的纹波。其结果是，在1p-DAB 25的情况下，输入和输出处的平滑电容器6必须具有较高的电容。如果输入电压和输出电压之间的动态电压比d偏离1时，则尤其如此。在这种情况下，平滑电容器获得的电流也非常大。这在尺寸设计中同样必须考虑，并且其在尺寸和成本方面产生缺点。
总之，特别地，可以提及本发明的以下优选特征。本发明涉及一种设备。
附图标记列表
1 DC-DC转换器，双主动桥
2 在输入侧的桥式连接
3 桥式连接
4 在输出侧的桥式连接
5 平滑电容器
7 步进开关
9 半导体模块
10 半导体开关
11 IGBT
13 二极管
15 缓冲电路
17 缓冲电容器
21 步进开关的功率半导体开关
25 单相DAB
27 三相DAB
33 步进开关的切换
35 步进开关的功率半导体
37 软切换和硬切换范围之间的输入限制
39 软切换和硬切换范围之间的输出限制
43 变压器的初级绕组
45 变压器的次级绕组。

Claims (11)

1.一种DC-DC转换器(1)，包括一电路装置，电路装置具有两个桥式连接(3,2,4)和一变压器(5)，桥式连接具有半导体开关(10)，变压器布置在桥式连接(3,2,4)之间，
其特征在于，
变压器(5)配备有步进开关(7)，借助于该步进开关可以切换变压系数。
2.如权利要求1所述的DC-DC转换器，
其特征在于，
具有基于碳化硅或基于氮化镓的硅半导体或半导体，被用作提供更高时钟频率的半导体开关(10)。
3.如权利要求1或2所述的DC-DC转换器，
其特征在于，
具有自耦变压器，以作为变压器。
4.如前述权利要求中任一项所述的DC-DC转换器，
其特征在于，
提供作为功率半导体开关的IGBT(11)或IGCT作为半导体开关(10)，通过该半导体开关DC-DC转换器(1)可以在高达千兆瓦范围的性能等级中使用，其中优选地，二极管(13)与每个功率半导体开关反向并联连接。
5.如前述权利要求中任一项所述的DC-DC转换器，
其特征在于，
DC-DC转换器(1)是一个三相DC-DC转换器(27)。
6.如前述权利要求中任一项所述的DC-DC转换器，
其特征在于，
只有一个缓冲电容器(17)被设置为与每个半导体开关(10)并联的缓冲电路(15)。
7.如前述权利要求中任一项所述的DC-DC转换器，
其特征在于，
用于切换变压器(5)的变压系数的步进开关(7)具有可断开的功率半导体开关。
8.如前述权利要求中任一项所述的DC-DC转换器，
其特征在于，
为了切换变压器(5)的变压系数，步进开关(7)，优选为晶闸管，具有不能被关断的功率半导体。
9.一种具有至少一个如前述权利要求之一所述的DC-DC转换器(1)的DC网络，
其特征在于，
DC网络具有可以与DC-DC转换器(1)相关联的至少一个能量存储系统，如果最小电流下降到低于操作DC-DC转换器(1)所需的预定最小功率，则可以通过它额外地提供功率，以便启动DC-DC转换器(1)的操作。
10.一种操作包括至少一个如权利要求1至8中任一项所述的DC-DC转换器(1)的DC网络的方法，包括以下步骤：
·由发电机产生的电流提供低于预定最小功率的功率，其中此预定最小功率之下不能由DC-DC转换器(1)传输；
·从与所述发电机相关联的能量存储系统馈送额外功率，以便超过预定最小功率；以及
·由发电机和能量存储系统共同提供的功率通过DC-DC转换器(1)馈送到DC网络中。
11.一种具有如权利要求1至8中任一项所述的DC-DC转换器(1)的DC网络，
其特征在于，
至少一个能量发生器，优选可再生能量发生器，特别是风力发电设备，被提供在配备有DC-DC转换器(1)或与DC-DC转换器相关联的DC网络中，由此由能量发生器产生的电流可以经由DC-DC转换器(1)馈送到DC网络中。
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