CN107636948A - 电力转换设备以及电力转换设备的控制方法 - Google Patents

电力转换设备以及电力转换设备的控制方法 Download PDF

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Abstract

提供了第一控制单元和第二控制单元。第一控制单元具有第一控制状态和第二控制状态，在第一控制状态中一个串联电路中的第一开关元件和第二开关元件接通，第二控制状态是从第一控制状态切换到的状态，在第二控制状态中，另一串联电路的第一开关元件和所述一个串联电路的第二开关元件接通，第二控制单元执行控制以在切换到第二控制状态之前、第一控制单元处于第一控制状态时的预定时间段上向变压器的另一侧施加预定电压。

Description

电力转换设备以及电力转换设备的控制方法
技术领域
本申请涉及电力转换设备以及电力转换设备的控制方法。
本申请要求于2015年6月1日提交的日本专利申请No.2015-111542以及2016年1月12日提交的日本专利申请No.2016-003692的优先权，其公开的内容通过引用的方式合并于此。
背景技术
插电式混合动力电动车辆(PHEV)和电动车辆(EV)安装有车载充电器(例如，AC/DC转换器)，该车载充电器可以从电力系统(AC侧)对车载高压电池(DC侧)进行充电。同时，车载高压电池被用作家庭电源(V2H：车辆到家庭)或用作缓冲器(V2G：车辆到电网)以用于稳定电力系统的期望很高。这需要能够双向转换电力的双向充电器。
这种双向充电器设置有AC-DC转换电路和DC/DC转换器，该AC-DC转换电路具有在充电时将交流(AC)转换成直流(DC)的功率因数校正(在下文中称为PFC)功能和在放电时将直流转换成交流的逆变器功能。
这种DC/DC转换器具有两个单相桥逆变器和将单相桥逆变器隔离的变压器。单相桥逆变器具有并联连接的两个串联电路，每个串联电路具有两个串联连接的开关元件(参见专利文献1)。
[现有技术文献]
[专利文献]
[专利文献1]
日本专利申请特开No.2012-196089。
发明内容
[解决问题的手段]
根据本发明的实施例的电力转换设备包括：多个串联电路,每个串联电路具有串联连接的第一开关元件和第二开关元件,串联电路并联连接,每个串联电路的一端连接至电感器,第一开关元件和第二开关元件的每个结点连接至变压器的一侧；以及控制单元，其执行控制以便以预定频率接通或断开第一开关元件和第二开关元件；控制单元执行控制以：获得一个串联电路的第一开关元件和第二开关元件接通的第一控制状态；从第一控制状态切换为另一串联电路的第一开关元件和所述一个串联电路的第二开关元件接通的第二控制状态；以及在切换为第二控制状态之前的第一控制状态期间的预定时间段上，将预定电压施加给变压器的另一侧。
根据本发明的实施例的电力转换设备设置有控制单元，其执行控制以将第一开关元件和第二开关元件以预定频率接通或断开，所述电力转换设备包括：电感器，其连接至第一开关元件的一端和第二开关元件的一端；以及具有绕组的变压器，变压器的一侧上的绕组的一端连接至第一开关元件的另一端，变压器的所述一侧上的绕组的另一端连接至第二开关元件的另一端，变压器的所述一侧上的绕组的中部具有结点，并且控制单元执行控制以：获得第一开关元件和第二开关元件接通的第一控制状态；从第一控制状态切换为第一开关元件和第二开关元件中的任一个接通的第二控制状态；以及在切换为第二控制状态之前的第一控制状态期间的预定时间段上，将预定电压施加给变压器的另一侧。
根据本发明的实施例的电力转换设备的控制方法，所述电力转换设备设置有多个串联电路，每个串联电路具有串联的第一开关元件和第二开关元件，所述串联电路并联连接，每个串联电路的一端连接到电感器，第一开关元件和第二开关元件的每个结点连接至变压器的一侧，并且第一开关元件和第二开关元件以预定频率接通或断开，所述控制方法包括：通过控制单元接通一个串联电路的第一开关元件和第二开关元件的第一控制步骤；通过控制单元从第一控制步骤切换并使另一串联电路的第一开关元件和所述一个串联电路的第二开关元件接通的第二控制步骤；以及通过控制单元执行控制以在切换为第二控制步骤之前的第一控制步骤期间的预定时间段上将预定电压施加给变压器的另一侧的控制步骤。
根据本发明的一个实施例的电力转换设备的控制方法，所述电力转换设备设置有：控制单元，其执行控制以将第一开关元件和第二开关元件以预定频率接通或断开；电感器，其连接至第一开关元件的一端和第二开关元件的一端；以及具有绕组的变压器，变压器的一侧上的绕组的一端连接至第一开关元件的另一端，变压器的所述一侧上的绕组的另一端连接至第二开关元件的另一端，变压器的所述一侧上的绕组的中部具有结点，所述控制方法包括：通过控制单元接通第一开关元件和第二开关元件的第一控制步骤；通过控制单元从第一控制步骤切换并使第一开关元件和第二开关元件中的任一个接通的第二控制步骤；以及通过控制单元执行控制以在切换为第二控制步骤之前的第一控制步骤期间的预定时间段上将预定电压施加给变压器的另一侧的控制步骤。
附图说明
图1是示出根据第一实施例的电力转换设备的电路构造的一个示例的说明性示图。
图2是示出双向转换电路的操作的一个示例的说明性示图。
图3是示出双向转换电路的操作状态的一个示例的说明性示图。
图4是示出双向转换电路的晶体管中发生的冲击电压的一个示例的时序图。
图5是示出根据第一实施例的电力转换设备的操作状态的一个示例的说明性示图。
图6是示出根据第一实施例的电力转换设备的部件的电压波形或电流波形的一个示例的时序图。
图7是示出根据第一实施例的电力转换设备的电路构造的另一示例的说明性示图。
图8是示出根据二实施例的电力转换设备的电路构造的一个示例的说明性示图。
图9是示出根据第二实施例的双向转换电路的操作的一个示例的说明性示图。
图10是示出根据第二实施例的双向转换电路的操作状态的一个示例的说明性示图。
图11是示出根据第二实施例的双向转换电路中发生的冲击电压的一个示例的时序图。
图12是示出根据第二实施例的电力转换设备的操作状态的一个示例的说明性示图。
图13是示出根据第二实施例的电力转换设备的部件的电压波形或电流波形的一个示例的时序图。
图14是示出根据第三实施例的电力转换设备的操作状态的一个示例的说明性示图。
图15是示出根据第三实施例的电力转换设备的部件的电压波形或电流波形的一个示例的时序图。
具体实施方式
[本发明要解决的问题]
然而，在专利文献1的DC/DC转换器中，如果构成单相桥的开关元件按预定顺序接通或断开，则急剧电流流入变压器。这会在变压器的漏电感上产生与电流的时间变化相对应的过大的冲击电压，并且该冲击电压被施加给断开状态下的开关元件，这可能导致开关元件损坏。
本发明用来解决这些问题并且旨在提供能够减少冲击电压的发生的电力转换设备以及所述电力转换设备的控制方法。
[本发明的效果]
根据本发明，可以减少冲击电压发生。
[本发明实施例的描述]
根据本发明的实施例的电力转换设备包括：多个串联电路,每个串联电路具有串联连接的第一开关元件和第二开关元件,串联电路并联连接,每个串联电路的一端连接至电感器，第一开关元件和第二开关元件的每个结点连接至变压器的一侧；以及控制单元，其执行控制以便使第一开关元件和第二开关元件以预定频率接通或断开。控制单元执行控制以：获得一个串联电路的第一开关元件和第二开关元件接通的第一控制状态；从第一控制状态切换为另一串联电路的第一开关元件和所述一个串联电路的第二开关元件接通的第二控制状态；以及在切换为第二控制状态之前的第一控制状态期间的预定时间段上，将预定电压施加给变压器的另一侧。
根据本发明的实施例的电力转换设备的控制方法，所述电力转换设备设置有多个串联电路，每个串联电路具有串联的第一开关元件和第二开关元件，所述串联电路并联连接，每个串联电路的一端连接至电感器，第一开关元件和第二开关元件的每个结点连接至变压器的一侧，并且第一开关元件和第二开关元件以预定频率接通或断开，所述控制方法包括：通过控制单元接通一个串联电路的第一开关元件和第二开关元件的第一控制步骤；通过控制单元从第一控制步骤切换并使另一串联电路的第一开关元件和所述一个串联电路的第二开关元件接通的第二控制步骤；以及通过控制单元执行控制以在切换为第二控制步骤之前的第一控制步骤期间的预定时间段上将预定电压施加给变压器的另一侧的控制步骤。
电力转换设备包括：多个串联电路,每个串联电路具有串联连接的第一开关元件和第二开关元件,串联电路并联连接,每个串联电路的一端连接至电感器,第一开关元件和第二开关元件的每个结点连接至变压器的一侧；以及第一控制单元,其执行控制以便以预定频率接通或断开第一开关元件和第二开关元件。换句话说，通过构成串联电路的第一开关元件和第二开关元件来形成桥接电路。
控制单元执行控制以：获得一个串联电路的第一开关元件和第二开关元件接通的第一控制状态；从第一控制状态切换为另一串联电路的第一开关元件和所述一个串联电路的第二开关元件接通的第二控制状态。在第一控制状态下，所述一个串联电路的第一开关元件和第二开关元件接通以使电流流入电感器并且使电能储存在电感器中。在第二控制状态下，上述串联电路的第一开关元件和所述一个串联电路的第二开关元件接通，以使基于存储在电感器中的能量的急剧电流流入变压器。这里，基于变压器的漏电感和电流的时间变化的冲击电压可以被施加给上述另一串联电路的第二开关元件以及所述一个串联电路第一开关元件，上述另一串联电路的第二开关元件以及所述一个串联电路第一开关元件都处于断开状态。
这里，控制单元在切换为第二控制状态之前的第一控制状态期间的预定时间段上，控制预定电压对变压器的所述另一侧的施加。通过在第二控制状态(在该时期内急剧电流流入变压器)开始之前的预定时间段上将预定电压施加给变压器的所述另一侧，电流被允许预先流入变压器。这实现了在切换到第二控制状态时流入变压器的电流的逐渐变化以及实现了减少冲击电压的发生。
根据本发明的实施例的电力转换设备，其设置有执行控制以将第一开关元件和第二开关元件以预定频率接通或断开的控制单元，所述电力转换设备包括：电感器，其连接至第一开关元件的一端和第二开关元件的一端；以及具有绕组的变压器，变压器的一侧上的绕组的一端连接至第一开关元件的另一端，变压器的所述一侧上的绕组的另一端连接至第二开关元件的另一端，变压器的所述一侧上的绕组的中部具有结点；以及控制单元，控制单元执行控制以：获得第一开关元件和第二开关元件接通的第一控制状态；从第一控制状态切换为第一开关元件和第二开关元件中的任一个接通的第二控制状态；以及在切换为第二控制状态之前的第一控制状态期间的预定时间段上，将预定电压施加给变压器的另一侧。
根据本发明的实施例的电力转换设备的控制方法，所述电力转换设备设置有：控制单元，其执行控制以将第一开关元件和第二开关元件以预定频率接通或断开；电感器，其连接至第一开关元件的一端和第二开关元件的一端；以及具有绕组的变压器，变压器的一侧上的绕组的一端连接至第一开关元件的另一端，变压器的所述一侧上的绕组的另一端连接至第二开关元件的另一端，所述一侧上的绕组的中部具有结点，所述控制方法包括：通过控制单元接通第一开关元件和第二开关元件的第一控制步骤；通过控制单元从第一控制步骤切换并使第一开关元件和第二开关元件中的任一个接通的第二控制步骤；以及通过控制单元执行控制以在切换为第二控制步骤之前的第一控制步骤期间的预定时间段上，将预定电压施加给变压器的另一侧的控制步骤。
所述电力转换设备设置有：控制单元，其执行控制以将第一开关元件和第二开关元件以预定频率接通或断开；电感器，其连接至第一开关元件的一端和第二开关元件的一端；以及具有绕组的变压器，变压器的一侧上的绕组的一端连接至第一开关元件的另一端，变压器的所述一侧上的绕组的另一端连接至第二开关元件的另一端，变压器的所述一侧上的绕组的中部具有结点。换句话说，变压器的所述一侧是中心抽头型变压器，其绕组的两端连接有第一开关元件和第二开关元件。
控制单元执行控制以：获得第一开关元件和第二开关元件接通的第一控制状态，以及从第一控制状态切换为第一开关元件和第二开关元件中的任一个接通的第二控制状态。在第一控制状态下，第一开关元件和第二开关元件接通以使电流流入电感器并且使电能储存在电感器中。在第二控制状态下，第一开关元件和第二开关元件中的任一个接通(即，第一开关元件和第二开关元件中的任一个断开)，从而使基于存储在电感器中的能量的急剧电流流入变压器。这里，由于流入变压器的电流，发生在变压器的绕组的与处于接通状态的开关元件(例如，第一开关元件)相连接的一端与结点(中间抽头)之间的过大的冲击电压可以被施加给处于断开状态的、连接至变压器的绕组的另一端的开关元件(例如，第二开关元件)。
这里，控制单元执行控制，以在切换为第二控制状态之前的第一控制状态期间的预定时间段上，将预定电压施加给变压器的另一侧。通过在第二控制状态开始之前的预定时间段上(在该时期内急剧电流流入变压器)将预定电压施加给变压器的另一侧，电流被允许预先流入变压器。这实现了在切换到第二控制状态时流入变压器的电流的逐渐变化以及实现了减少冲击电压的发生。
在根据本发明的实施例的电力转换设备中，控制单元执行控制以施加预定电压，使得电流在与在第二状态下流入变压器中的电流相同的方向上流动。
控制单元执行控制以施加预定电压，使得电流在与在第二状态下流入变压器的电流相同的方向上流动。通过在开始第二控制状态之前的预定时间段上，预先使所需电流在与第二控制状态开始时流入变压器的电流相同的方向上流动，则可以在第二控制状态开始时使流入变压器的电流的表观峰值(apparent peak value)减小。这可以减小第二控制状态开始时的冲击电压的发生。
根据本发明的实施例的电力转换设备还包括：多个串联电路,每个串联电路具有串联连接的第三开关元件和第四开关元件,串联电路并联连接,第三开关元件和第四开关元件的每个结点连接至变压器的另一侧；以及控制单元,其执行控制以通过接通一个串联电路的第三开关元件和另一串联电路的第四开关元件来施加预定电压。
提供了多个串联电路，每个串联电路具有串联连接的第三开关元件和第四开关元件，所述串联电路并联连接，并且第三开关元件和第四开关元件的每个结点连接至变压器的另一侧，控制单元执行控制，以通过接通所述一个串联电路的第三开关元件和上述串联电路的第四开关元件来施加预定电压。通过接通所述一个串联电路的第三开关元件和上述串联电路的第四开关元件，允许将预定电压施加到变压器的另一侧，并且允许电流以与第二控制状态期间流入变压器的电流的方向相同的方向流动。这样防止了在第二控制状态开始时要施加到处于断开状态的开关元件的冲击电压的发生。
在根据本发明的实施例的电力转换设备中，第三开关元件和第四开关元件的至少一个结点通过电感器连接至变压器的另一侧，并且电容器连接至第三开关元件和第四开关元件的两端。
通过接通所述一个串联电路的第三开关元件和上述串联电路的第四开关元件，允许将预定电压施加到变压器的另一侧，并且允许电流以与第二控制状态期间流入变压器的电流的方向相同的方向流动。这样防止了在第二控制状态开始时要施加到处于断开状态的开关元件的冲击电压的发生。
根据本发明的实施例的电力转换设备还包括：串联电路,其具有串联连接的第三开关元件和第四开关元件,第三开关元件和第四开关元件的结点连接至变压器的所述另一侧上的绕组的一端；以及控制单元,其执行控制以通过接通第三开关元件和第四开关元件中的任一个来施加预定电压。
提供了具有串联连接的第三开关元件和第四开关元件的串联电路。第三开关元件和第四开关元件的结点连接至变压器的所述另一侧上的绕组的所述一端。即，变压器的所述另一侧形成半桥电路。控制单元执行控制以通过接通第三开关元件和第四开关元件中的任一个来施加预定电压。
通过接通第三开关元件和第四开关元件中的任一个，允许将预定电压施加到变压器的所述另一侧，并且允许电流以与第二控制状态期间流入变压器的电流的方向相同的方向流动。这样防止了在第二控制状态开始时要施加到处于断开状态的开关元件的冲击电压的发生。
[本发明实施例的详细描述]
第一实施例
以下参照示出实施例的附图描述了本发明。图1是示出根据第一实施例的电力转换设备1的电路构造的一个示例的说明性示图。根据本实施例的电力转换设备1是安装在例如插电式混合动力汽车或电动车辆上并执行交流电压和直流电压之间的双向AC-DC转换的隔离的转换设备。电力转换设备1包括噪声滤波器4、具有PFC功能的双向转换电路5、双向DC/DC转换器(例如，隔离的DC/DC转换器)6、变压器7、双向转换电路8和控制单元9，控制单元9控制稍后描述的、构成每个转换电路的开关元件的接通或断开。
双向转换电路5包括具有并联连接的两个串联电路的电路。一个串联电路具有串联连接的晶体管51和52，并且另一串联电路具有串联连接的晶体管53和54。晶体管51、52、53和54可以使用绝缘栅双极型晶体管(在下文中称为IGBT)，但不限于IGBT，并且可以使用金属氧化物半导体场效应晶体管(在下文中称为MOSFET)代替IGBT。此外，二极管55、56、57和58分别在晶体管51、52、53和54的集电极和发射极之间反向并联地连接(集电极连接到阴极，发射极连接到阳极)。
晶体管51的发射极和晶体管52的集电极的结点连接至线圈L1的一端，而晶体管53的发射极和晶体管54的集电极的结点连接至线圈L2的一端。线圈L1和L2的另一端分别通过噪声滤波器4连接至输入端子T1和T2。在线圈L1和L2之间连接有电容器C1。线圈L1和L2以及电容器C1构成滤波器。交流输入端子T1和T2连接至交流电源2。
双向转换电路8具有并联连接的第一串联电路80a和第二串联电路80b。第一串联电路80a具有串联连接的用作第一开关元件的晶体管81和用作第二开关元件的晶体管82，而第二串联电路80b具有串联连接的用作第一开关元件的晶体管83和用作第二开关元件的晶体管84。更具体地，晶体管81的发射极和晶体管82的集电极连接，并且晶体管83的发射极和晶体管84的集电极连接。此外，晶体管81和83的集电极彼此连接，而晶体管82和84的发射极彼此连接。晶体管82和84的发射极连接至直流输出端子T4。换句话说，第一串联电路80a和第二串联电路80b构成桥接电路。
电感器L3的一端连接至第一串联电路80a和第二串联电路80b的一端，即连接至晶体管81和83的集电极，电感器L3的另一端连接至直流输出端子T3。在直流输出端子T3和T4之间连接有电容器C3。在直流输出端子T3和T4之间连接有电池3。
晶体管81的发射极和晶体管82的集电极的结点以及晶体管83的发射极和晶体管84的集电极的结点连接至变压器7的一侧。此外，二极管85、86、87和88分别反向并联地连接在晶体管81、82、83和84的集电极和发射极之间。
控制单元9控制晶体管81、82、83和84中的每一个以预定频率(例如，50kHz，但是频率不限于此)接通或断开。晶体管81、82、83和84可以使用IGBT但不限于IGBT，并且可以使用MOSFET来代替IGBT。
双向转换电路6具有并联连接的第一串联电路60a和第二串联电路60b。第一串联电路60a具有串联连接的用作第三开关元件的晶体管61和用作第四开关元件的晶体管62，而第二串联电路60b具有串联连接的用作第三开关元件的晶体管63和用作第四开关元件的晶体管64。更具体地，晶体管61的发射极和晶体管62的集电极连接，并且晶体管63的发射极和晶体管64的集电极连接。此外，晶体管61和63的集电极彼此连接，而晶体管62和64的发射极彼此连接。晶体管62和64的发射极连接到双向转换电路5的晶体管52和54的发射极，而晶体管61和63的集电极连接到双向转换电路5的晶体管51和53的集电极。换句话说，第一串联电路60a和第二串联电路60b构成桥接电路。
晶体管61的发射极和晶体管62的集电极的结点以及晶体管63的发射极和晶体管64的集电极的结点连接至变压器7的另一侧。此外，二极管65、66、67和68分别反向并联地连接在晶体管61、62、63和64的集电极和发射极之间。
双向转换电路6在靠近双向转换电路5的那侧连接有电容器C2。换句话说，电容器C2连接在晶体管61的集电极和晶体管62的发射极之间。
控制单元9控制晶体管61、62、63和64中的每一个以预定频率(例如，50kHz，但是频率不限于此)接通或断开。晶体管61、62、63和64可以使用IGBT但不限于IGBT，并且可以使用MOSFET来代替IGBT。
在充电时，从交流电源2施加的并在交流输入端子T1和T2之间施加的交流电力的功率因数提高，并通过双向转换电路5转换为直流电力。转换后的直流电力通过双向转换电路6暂时转换为交流电力，转换后的交流电力由双向转换电路8进一步整流，然后对电池3进行充电。
在放电时，从电池3施加的直流电力通过双向转换电路8被暂时转换成交流电力，转换后的交流电力通过双向转换器6进一步整流成直流电力。转换后的直流电力通过双向转换电路5转换成交流电力，然后该交流电力被输出。
下面描述了双向转换电路8的操作。图2是示出双向转换电路8的操作的一个示例的说明性示图。图2示意性地示出了来自电池3的直流电力被转换成交流电力的方式。参照图2进行下面的描述。针对从图2的状态A至状态D的时间段来进行描述，即晶体管81、82、83和84接通或断开的周期T为20μs，但是时间段不限于此。
如状态A所示，控制单元9断开晶体管81和82并接通晶体管83和84。状态A期间的时间段可以是例如几个μs。在状态A中，来自电池3的直流电力流入晶体管83和84以使电能储存在电感器L3中。
然后，如状态B所示，控制单元9断开晶体管83和82并接通晶体管81和84。状态B期间的时间段可以是例如在大约10μs至几个μs的量级。在状态B中，电流以所示方向流入变压器7。在此，储存在电感器L3中的电能被释放，从而升高从变压器输出的电压。
在从状态A开始经过半周期T/2之后，控制单元9如状态C所示接通晶体管81和82，并且断开晶体管83和84。状态C期间的时间段例如可以是几个μs。在状态C中，来自电池3的直流电力流入晶体管81和82以使电能储存在电感器L3中。
然后，如状态D所示，控制单元9断开晶体管81和84并接通晶体管82和83。状态D期间的时间段可以是例如在大约10μs至几个μs的量级。在状态D中，电流以所示方向(与状态B中的方向相反)流入变压器7。在此，储存在电感器L3中的电能被释放，从而升高从变压器输出的电压。
下面描述双向转换电路8操作时发生的冲击电压。图3是示出双向转换电路8的操作状态的一个示例的说明性示图，图4是示出双向转换电路8中晶体管中发生的冲击电压的一个示例的时序图。图3中由虚线指示的电流描绘了图2中状态A期间的电流流向，图3中由实线指示的电流描绘了图2中状态B期间的电流流向。图4上部所示的时序图示出了施加给晶体管81、82、83和84的基极的基极电压，并且在基极电压的存在下晶体管是接通的。
图4中附图标记t1表示的时间段是图3中由虚线指示的电流流动期间的时间段，并且晶体管83和84是接通的。图4中附图标记t2表示的时间段是图3中由实线指示的电流流动期间的时间段，并且晶体管81和84是接通的。时间段t1是一个串联电路的第一开关元件和第二开关元件(图3示例中的晶体管83和84)接通的第一控制状态。时间段t2是从第一控制状态切换之后的、另一串联电路的第一开关元件和所述一个串联电路的第二开关元件(图3示例中的晶体管81和84)接通的第二控制状态。
如图4所示，当时间段t1切换为时间段t2时，即，当晶体管81从断开到接通、同时晶体管84保持接通时，急剧电流流入变压器7。当变压器7中的漏电感由此由图3所示的附图标记71和72表示时，与流入漏电感71的急剧电流Ir(在图4中用附图标记S表示)的时间变化成比例的电压Vz发生在处于断开状态的晶体管82的集电极和发射极之间，成为冲击电压(在图4中由附图标记S表示)。注意，类似的冲击电压发生在处于断开状态的另一晶体管83的集电极和发射极之间。为了经受住这种冲击电压，需要使用高电压晶体管或单独提供冲击抑制电路等，这会导致成本增加。
这里，以下描述根据本实施例的电力转换设备的控制方法。图5是示出根据第一实施例的电力转换设备的操作状态的一个示例的说明性示图，图6是示出根据第一实施例的电力转换设备的部件的电压波形或电流波形的一个示例的时序图。在图5中，附图标记71表示变压器7的漏电感。此外，图6示意性地示出了晶体管81、82、83、84、61、62、63和64的基极电压、处于断开状态的晶体管82的集电极-发射极电压Vz以及流入漏电感71的电流Ir。
控制单元9执行控制，以便在切换为第二控制状态(图6中的时间段t2)之前的第一控制状态(图6中的时间段t1)期间的预定时间段(图6中的时间段t3)上，将预定电压施加给图5所示的变压器7的另一侧。
通过在时间段t2(在该时期内急剧电流流入变压器7)开始之前的预定时间段(时间段t3)上将预定电压施加给变压器7的另一侧，电流被允许预先流入变压器7。这实现了在切换到晶体管81和84接通的状态t2时流入变压器7的电流的逐渐变化以及实现了减少冲击电压的发生。
更具体地，控制单元9执行控制以便施加预定电压使得电流以与晶体管81和84接通期间的状态t2中电流流入变压器7的方向相同的方向流动。通过在时间段t2开始之前的预定时间段t3上预先使所需电流(图6中由附图标记Ir1表示的电流)以与时间段t2开始时流入变压器7的电流的方向相同的方向流动，则可以使在时间段t2开始时流入变压器7的电流的表观峰值减小。这可以减小漏电感71中发生的电压并且减少时间段t2开始时冲击电压的发生。
为了向变压器7施加预定电压，可以采取以下方法作为一个示例。如图5所示，控制单元9执行控制以通过接通一个串联电路的第三开关元件(图5中的示例中的晶体管63)并接通另一串联电路的第四开关元件(图5中的示例中的晶体管62)来施加预定电压。通过接通所述一个串联电路的第三开关元件和所述另一串联电路的第四开关元件，允许将预定电压施加到变压器7的另一侧，并且允许电流以与时间段t2期间流入变压器7的电流的方向相同的方向流动。
这防止了时间段t2开始时待施加给处于断开状态的开关元件(图5中的示例中的晶体管82和83)的冲击电压的发生，消除了使用高电压晶体管或单独提供冲击抑制电路的需要，这导致了成本的降低。
图7是示出根据第一实施例的电力转换设备的电路构造的另一示例的说明性示图。图6中的示例与图1所示的双向转换电路6的不同之处在于，添加了谐振电容器和谐振电感器。
换句话说，如图7所示，双向转换电路6具有并联连接的第一串联电路60a和第二串联电路60b。第一串联电路60a具有串联连接的用作第三开关元件的晶体管61和用作第四开关元件的晶体管62，并且第二串联电路60b具有串联连接的用作第三开关元件的晶体管63和用作第四开关元件的晶体管64。更具体地，晶体管61的发射极和晶体管62的集电极连接，并且晶体管63的发射极和晶体管64的集电极连接。此外，晶体管61和63的集电极彼此连接，而晶体管62和64的发射极彼此连接。换句话说，第一串联电路60a和第二串联电路60b构成桥接电路。
晶体管61的发射极和晶体管62的集电极的结点通过谐振电感器69连接至变压器7的另一侧。晶体管63的发射极和晶体管64的集电极的结点连接至变压器7的另一侧。此外，二极管65、66、67和68分别反向并联地连接在晶体管61、62、63和64的集电极和发射极之间。此外，谐振电容器611、621、631和641分别连接在晶体管61、62、63和64的集电极和发射极之间。注意，在图7的示例中，电感器69的一端连接至晶体管61的发射极和晶体管62的集电极的结点，而电感器69的一端可以可替代地连接至晶体管63的发射极和晶体管64的集电极的结点。另外，可替代地，可以采用两个电感器以允许晶体管61的发射极和晶体管62的集电极的结点以及晶体管63的发射极和晶体管64的集电极的结点连接至电感器各自的末端。
在双向转换电路6操作在充电模式下的情况下，通过利用谐振电容器611、621、631和641以及谐振电感器69执行相移控制，减少了使晶体管61、62、63和64开关时的电压和电流的重叠，从而减少了开关损耗。
这里，在双向转换电路6在放电模式下操作的情况下，图7所示的电路的操作类似于图5和图6中的示例中的电路的操作，因此省略了其描述。
上述实施例被构造为使得控制单元9如图2的状态A所示断开晶体管81和82并接通晶体管83和84，并且控制单元9如图2的状态C所示接通晶体管81和82并断开晶体管83和84，但该构造不限于此。例如，在图2的状态A和图2的状态C中，所有的晶体管81、82、83和84可以接通。换句话说，在由时间段t1指示的第一控制状态中，除了接通一个串联电路中的第一开关元件和第二开关元件(在图3和图5的示例中的晶体管83、84)之外，另一串联电路的第一开关元件和第二开关元件(图3和图5中的示例中的晶体管81、82)也可以接通。通过接通所有的晶体管81、82、83和84，电流被分流从而使晶体管81、82、83和84的传导损失减小。
第二实施例
图8是示出根据二实施例的电力转换设备1的电路构造的一个示例的说明性示图。在第二实施例中，提供变压器11(电压互感器)代替变压器7，并且提供双向转换电路10代替双向转换电路8。应注意，对于与第一实施例类似的部件给予相同的附图标记，并且省略其描述。
所述双向转换电路10具有：用作第一开关元件的晶体管101和用作第二开关元件的晶体管102；电感器L3，其连接至晶体管101的一端和晶体管102的一端；以及设置有绕组的变压器11，变压器的一侧上的绕组的一端连接至晶体管101的另一端，变压器的所述一侧上的绕组的另一端连接至晶体管102的另一端，并且所述一侧上的绕组的中部具有结点。变压器11是所谓的中间抽头系统，其中结点设置在变压器的所述一侧上的绕组的中部。
更具体地，晶体管101和102的集电极彼此连接并且还连接至电感器L3的一端。电感器L3的另一端连接至直流输出端子T3。晶体管101的发射极连接至变压器11的所述一侧上的绕组的所述一端。晶体管102的发射极连接至变压器11的所述一侧上的绕组的所述另一端。变压器11的所述一侧上的绕组的中间抽头(中部的结点)连接至直流输出端子T4。此外，二极管103和104分别反向并联地连接在晶体管101和102的集电极和发射极之间。
控制单元9控制晶体管101和102以预定频率(例如，50kHz，但是频率不限于此)接通或断开。晶体管101和102可以使用IGBT但不限于IGBT，并且可以使用MOSFET来代替IGBT。
下面描述了双向转换电路10的操作。图9是示出根据第二实施例的双向转换电路10的操作的一个示例的说明性示图。图9示意性地示出了来自电池3的直流电力被转换成交流电力的方式。参照图9进行下面的描述。
如图9的状态A所示，控制单元9接通晶体管101和102。状态A期间的时间段可以是例如几个μs。在状态A中，来自电池3的直流电力流入晶体管101和102以使电能储存在电感器L3中。
然后，如状态B所示，控制单元9断开晶体管102同时晶体管101保持接通。状态B期间的时间段可以是例如在10μs至几个μs的量级，但时间段不限于此。在状态B中，电流以所示方向流入变压器11。在该情况下，储存在电感器L3中的电能被释放，从而升高从变压器11输出的电压。
在从状态A开始经过半周期T/2之后，控制单元9如状态C所示接通晶体管102，同时晶体管101保持接通。状态C期间的时间段例如可以是几个μs。在状态C中，来自电池3的直流电力流入晶体管101和102以使电能储存在电感器L3中。
然后，如状态D所示，控制单元9接通晶体管101而晶体管102保持接通。状态D期间的时间段可以是例如在10μs至几个μs的量级。在状态D中，电流以所示方向(与状态B中的方向相反)流入变压器11。同样地，在该情况下，储存在电感器L3中的电能被释放，从而升高从变压器11输出的电压。
下面描述双向转换电路10操作时发生的冲击电压。图10是示出根据第二实施例的双向转换电路10的操作状态的一个示例的说明性示图，图11是示出根据第二实施例的双向转换电路10的晶体管中发生的冲击电压的一个示例的时序图。图10中由实线指示的电流描绘了图9中的状态B下的电流流向。而且，图11中的时序图从顶部开始示出了施加到晶体管101的基极的基极电压、施加到晶体管102的基极的基极电压、流入变压器11的电流以及晶体管102的集电极-发射极电压。图11中时序图的水平轴指示时间。
图11中由附图标记t4表示的时间段是晶体管101和102接通期间的时间段。图11中由附图标记t5表示的时间段是由图10中的实线指示的电流流动期间的时间段，并且晶体管101接通且晶体管102断开。时间段t4是第一开关元件和第二开关元件(图10中的示例中的晶体管101和102)接通的第一控制状态，并且时间段t5是从第一控制状态切换到的、第一开关元件和第二开关元件中的任一个(图10中的示例中的晶体管101)接通的第二控制状态。
如图11所示，当从时间段t4切换为时间段t5时，即，当晶体管102从断开到接通、同时晶体管101保持接通时，基于储存在电感器L3中的能量的急剧电流流入变压器11。当变压器11中的漏电感由图10所示的附图标记111和112表示时，会发生与流入漏电感111的急剧电流Ir(在图11中用附图标记R表示)的时间变化成比例的电压Vz。即，由于流入变压器11的急剧电流Ir，在与接通状态的晶体管101的发射极相连接的变压器11的绕组的一端与结点(中间抽头)之间发生过大的冲击电压Vz。
因为变压器11的结点(中间抽头)和处于断开状态的晶体管102的发射极导通，并且晶体管101处于接通状态，所以晶体管101的集电极(即，晶体管102的集电极)和晶体管101的发射极(即，变压器11的绕组的所述一端)大约处于相同电位。因此，在与变压器11的绕组的另一端连接的截止状态下的晶体管102的集电极与发射极之间可能出现上述冲击电压Vz。
为了经受住这种冲击电压，需要使用高电压晶体管或单独提供冲击抑制电路等，这会导致成本增加。
这里，以下描述根据第二实施例的电力转换设备的控制方法。图12是示出根据第二实施例的电力转换设备1的操作状态的一个示例的说明性示图，图13是示出根据第二实施例的电力转换设备1的部件的电压波形或电流波形的一个示例的时序图。而且，图12从顶部开始示意性地示出了晶体管101的基极电压、晶体管102的基极电压、晶体管62和63的基极电压、流入变压器11(漏电感111)的电流Ir以及断开状态的晶体管102的集电极-发射极电压Vz。图13中的水平轴指示时间。
控制单元9执行控制，以便在切换为第二控制状态(图13中的时间段t5)之前的第一控制状态(图13中的时间段t4)期间的预定时间段(图13中的时间段t6)上，将预定电压施加给图12所示的变压器11的所述另一侧。
通过在时间段t5(在该时期内急剧电流流入变压器11)开始之前的预定时间段(时间段t6)上将预定电压施加给变压器11的所述另一侧，电流被允许预先流入变压器11。这实现了在切换到晶体管101接通且晶体管102断开的状态t5时流入变压器11的电流的逐渐变化，可以减少冲击电压的发生。
更具体地，控制单元9执行控制以便施加预定电压使得电流以与时间段t5期间电流流入变压器11的方向相同的方向流动。通过在时间段t5开始之前的预定时间段t6上，预先使所需电流(图13中由附图标记Ir1表示的电流)以与时间段t5开始时流入变压器11的电流的方向相同的方向流动，则可以使在时间段t5开始时流入变压器11的电流的表观峰值减小。这可以减小漏电感111中发生的电压并且减小时间段t5开始时待施加在断开状态下的晶体管102的集电极和发射极之间的冲击电压的发生。应注意，将预定电压施加给变压器11的方法与第一实施例的方法类似，因此省略其描述。
第三实施例
在上述第一实施例和第二实施例中，双向转换电路6具有第一串联电路60a和第二串联电路60b，以形成所谓的桥接电路，但该构造不限于此。例如，双向转换电路6可以形成半桥电路。
图14是示出根据第三实施例的电力转换设备1的操作状态的一个示例的说明性示图，图15是示出根据第三实施例的电力转换设备1的部件的电压波形或电流波形的一个示例的时序图。如图14所示，根据第三实施例的双向转换电路6具有用作第三开关元件的晶体管121和用作第四开关元件的晶体管122。更具体地，晶体管121的发射极连接至晶体管122的集电极，并且串联连接的电容器C4和C5连接在晶体管121的集电极和晶体管122的发射极之间。
晶体管121和晶体管122的结点连接至变压器11的另一侧上的绕组的一端。电容器C4和C5之间的结点连接至变压器11的另一侧上的绕组的另一端。即，变压器11的另一侧上形成所谓的半桥电路。
如图15所示，控制单元9执行控制以便通过接通晶体管121和121中的任一个来施加预定电压。
通过接通晶体管121和122之一，预定电压被施加到变压器11的另一侧，从而允许电流以与第二控制状态中流入变压器11的电流的方向相同的方向流动。这可以减小在第二控制状态开始时待施加给断开状态中的晶体管(图15的示例中的晶体管102)的冲击电压Vz的发生。应注意，图15中所示的时序图类似于图13中的时序图，因此省略了详细描述。
应当理解，本文公开的实施例在各方面都是示例性的，并且不是限制性的。本发明的范围由所附权利要求限定，而不是由上述实施例及其之前的示例限定，落入权利要求的含义和界限或其含义或界限的等同物之内的所有改变旨在被权利要求所包含。
[附图标记的描述]
5、6、8 双向转换电路
7、11 变压器
9 控制单元
60a、80a 第一串联电路
60b、80b 第二串联电路
51、52、53、54 晶体管
55、56、57、58 二极管
61、62、63、64、81、82、83、84 晶体管
65、66、67、68、85、86、87、88 二极管
101、102、121、122 晶体管
L3 电感器

Claims (8)

1.一种电力转换设备，包括：多个串联电路,每个所述串联电路具有串联连接的第一开关元件和第二开关元件,各个所述串联电路并联连接,每个所述串联电路的一端连接至电感器,所述第一开关元件和所述第二开关元件的每个结点连接至变压器的一侧；以及控制单元，其执行控制以便以预定频率接通或断开所述第一开关元件和所述第二开关元件，
其中所述控制单元执行控制，以：
获得一个串联电路的所述第一开关元件和所述第二开关元件接通的第一控制状态；
从所述第一控制状态切换为另一串联电路的第一开关元件和所述一个串联电路的第二开关元件接通的第二控制状态，以及
在切换为所述第二控制状态之前的所述第一控制状态期间的预定时间段上，将预定电压施加给所述变压器的另一侧。
2.一种电力转换设备，其设置有执行控制以便以预定频率接通或断开第一开关元件和第二开关元件的控制单元，所述电力转换设备包括：
电感器，其连接至所述第一开关元件的一端和所述第二开关元件的一端；以及
具有绕组的变压器，所述变压器的一侧上的绕组的一端连接至所述第一开关元件的另一端，所述变压器的所述一侧上的绕组的另一端连接至所述第二开关元件的另一端，所述变压器的所述一侧上的绕组的中部具有结点，
其中所述控制单元执行控制，以：
获得所述第一开关元件和所述第二开关元件接通的第一控制状态；
从所述第一控制状态切换为所述第一开关元件和所述第二开关元件中的任一个接通的第二控制状态，以及
在切换为所述第二控制状态之前的所述第一控制状态期间的预定时间段上，将预定电压施加给所述变压器的另一侧。
3.根据权利要求1或2所述的电力转换设备，其中，所述控制单元执行控制以施加所述预定电压，使得电流以与所述第二状态下流入所述变压器的电流的方向相同的方向流动。
4.根据权利要求3所述的电力转换设备，还包括：多个串联电路,每个所述串联电路具有串联连接的第三开关元件和第四开关元件,各个所述串联电路并联连接,所述第三开关元件和所述第四开关元件的每个结点连接至所述变压器的所述另一侧，其中所述控制单元执行控制,以通过接通一个串联电路的第三开关元件和另一串联电路的第四开关元件来施加所述预定电压。
5.根据权利要求4所述的电力转换设备，其中，所述第三开关元件和所述第四开关元件的结点中的至少一个通过电感器连接至所述变压器的所述另一侧，并且电容器连接至所述第三开关元件和所述第四开关元件的两端。
6.根据权利要求3所述的电力转换设备，还包括：串联电路，其具有串联连接的第三开关元件和第四开关元件并且所述第三开关元件和所述第四开关元件的结点连接至所述变压器的所述另一侧上的绕组的一端，
其中，所述控制单元执行控制以通过接通所述第三开关元件和所述第四开关元件中的任一个来施加所述预定电压。
7.一种电力转换设备的控制方法，所述电力转换设备设置有：多个串联电路,每个所述串联电路具有串联连接的第一开关元件和第二开关元件,各个所述串联电路并联连接,每个所述串联电路的一端连接至电感器,所述第一开关元件和所述第二开关元件的每个结点连接至变压器的一侧，所述第一开关元件和所述第二开关元件以预定频率接通或断开，所述控制方法包括：
通过控制单元接通一个串联电路的第一开关元件和第二开关元件的第一控制步骤；
通过所述控制单元从所述第一控制步骤切换并接通另一串联电路的第一开关元件和所述一个串联电路的第二开关元件的第二控制步骤，以及
通过所述控制单元执行控制以在切换为所述第二控制状态之前的所述第一控制步骤期间的预定时间段上将预定电压施加给所述变压器的另一侧的控制步骤。
8.一种电力转换设备的控制方法，所述电力转换设备设置有：控制单元，其执行控制将第一开关元件和第二开关元件以预定频率接通或断开；电感器，其连接至所述第一开关元件的一端和所述第二开关元件的一端；以及具有绕组的变压器，所述变压器的一侧上的绕组的一端连接至所述第一开关元件的另一端，所述变压器的所述一侧上的绕组的另一端连接至所述第二开关元件的另一端，所述变压器的所述一侧上的绕组的中部具有结点，所述方法包括：
通过所述控制单元接通所述第一开关元件和所述第二开关元件的第一控制步骤；
通过所述控制单元从所述第一控制步骤切换的、并接通所述第一开关元件和所述第二开关元件中的任一个的第二控制步骤，以及
通过所述控制单元执行控制以在切换为所述第二控制步骤之前的所述第一控制步骤期间的预定时间段上将预定电压施加给所述变压器的另一侧的控制步骤。
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