CN109463029B - Ac到dc转换器系统 - Google Patents

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Abstract

一种用于将三相或单相AC电压转换为DC电压的转换器系统（10），其中转换器系统（10）包括三个转换器分支（12），每个转换器分支（12）包括提供有单相AC电压的第一输入（16a）和第二输入（16b）以及提供DC电压的第一输出（18a）和第二输出（18b）；其中每个转换器分支（12）包括AC到DC级（22）和DC到DC级（24），其连接在第一和第二输入（16a、16b）与第一和第二输出（18a、18b）之间；其中转换器系统（10）配置用于将每个转换器分支（12）的第一输入（16a）与三相电网（38a）的相互连，并且用于将转换器分支（12）的第一输入（16a）与单相电网（38b）的相互连；其中转换器系统（10）配置用于将转换器分支（12）的、彼此互连的第二输入（18b）与三相电网（38a）或单相电网（38b）的中性点（N）互连；以及其中转换器系统（10）包括一个或多个控制器（50、60、62），其适合于相互独立地控制转换器分支（12）。

Description

AC到DC转换器系统
技术领域
本发明涉及用于将三相或单相AC电压转换为DC电压的转换器系统、用于对电池进行充电的电池充电器，以及涉及转换器系统对电池进行充电的使用。
背景技术
由于电动车辆市场的快速扩张，要求从家用一直到重型功率范围（从数kW一直到数百kW）并且与不同国家所要求的全部标准兼容的电池充电系统。
特别是在适合于家用充电的系统的情况下，不同标准适用于全球的不同区域。例如，中国和欧洲AC标准具有分别采用380和400 V的3相配电网，而美国标准具有200至240 V的二相配电网。
因此，可在全球市场中使用的充电系统可包括到两种类型的配电网的相的连接的可能性。
例如，US 8503208 B2描述一种用于单相和三相操作的转换器，其可用作DC电压源和电池充电器。
此外，CN 202374190 U和CN 204030975 U涉及单相和三相电压电源。
WO 2015/076776 A1涉及一种多相有源功率校正系统，其具有三个子系统，所述三个子系统在AC输入侧连接到三个相以及连接到多相系统的中性点。每个子系统包括有源转换器和DC到DC转换器。
发明内容
本发明的目的是提供一种例如用于电池充电系统的全球可使用电气AC到DC转换器，其没有不同设计的功率电子模块和/或不同拓扑以便与不同供电网一起使用。
这个目的通过独立权利要求的主题来实现。通过从属权利要求和以下描述，另外的示范实施例是显而易见的。
本发明的第一方面涉及一种用于将三相或单相AC电压转换为DC电压的转换器系统。该转换器系统可以是例如供家庭使用的电池充电器的部分。三相电压和/或单相电压可在100 V与500 V之间。DC电压可用于对电池（例如电动车辆和/或汽车的电池）进行充电。
按照本发明的实施例，转换器系统包括三个转换器分支，每个转换器分支包括提供有AC电压的第一输入和第二输入以及提供DC电压的第一输出和第二输出。每个转换器分支可包括两个输入（即，第一和第二输入）和两个输出（即，第一和第二输出）。每个转换器分支可设计成将单相AC电压转换为DC电压。单相DC电压可被提供给第一和第二输入。DC电压可由第一和第二输出来提供。全部转换器分支可同样地设计。
在三相操作模式（其中转换器系统可连接到三相电网），不同输入可连接到三相电网的不同相。
在单相操作模式（其中转换器系统可连接到单相电网），三个第一输入可全部彼此互连并且与单相电网的一个相互连。
三个第二输入全部可与三相或单相电网的中性相连接。
每个转换器分支包括AC到DC级和DC到DC级，其连接在第一和第二输入与第一和第二输出之间。
AC到DC级和DC到DC级可以是具有功率半导体的电气装置，其可由转换器系统的一个或多个控制器来控制。AC到DC级可适合于将单相AC电压转换为中间DC电压。在三相操作模式中，每一个AC到DC级可将三相电网的不同相转换为中间电压。在单相操作模式中，全部AC到DC级可转换单相电网的单相的1/3功率。
DC到DC级可适合于将中间DC电压转换为在相应转换器分支的输出所提供的DC电压。
转换器系统配置用于将每个转换器分支的第一输入与三相电网的相互连并且用于将转换器分支的第一输入与单相电网的相互连。第一输入在这种情况下可相互星形连接。此外，转换器系统配置用于将转换器分支的所连接第二输入与三相电网或单相电网的中性点互连。第二输入可相互星形连接。因此，转换器系统提供通过单相或三相AC源（例如电力网）来供电的可能性。在三相电网的情况下，相可以相对于彼此相移120°，以及转换器分支处理相的相移电压。在单相电网的情况下，一个相在转换器分支（其全部处理没有相移的电压）之间同等分布。
此外，转换器系统包括一个或多个控制器，其适合于相互独立地控制转换器分支。这个上下文中的独立控制可意味着一个分支中收集的测量值没有用于控制另一个分支。换言之，只有在分支中收集的测量值被用于控制这个转换器分支。
由于转换器分支相互独立地被控制，所以相同控制方案可用于单相操作模式和三相操作模式中。例如，每一个转换器分支可基于由电压（其输入到相应转换器分支）所提供的相移和/或基于提供给转换器分支的功率来控制。
必须注意，转换器系统可包括相互独立地控制转换器分支的中央控制器，或者每一个转换器分支包括其自己的独立控制器。还可能的是，转换器分支的分支控制器和中央控制器共享独立控制。
按照本发明的实施例，一个或多个控制器适合于独立于另一个转换器分支的AC到DC级和DC到DC级而控制转换器分支的AC到DC级和DC到DC级。可能的是，一个转换器分支的AC到DC级和DC到DC级没有相互独立地控制。可能的是，控制信号和/或测量值在AC到DC级与DC到DC级之间交换。
AC到DC级可被看作是输入级，以及DC到DC级可被看作是转换器分支的输出级。输出级则通过并联的三个输入级来供电，所述输入级工作在三相模式或者相对相模式。
一般来说，转换器系统的拓扑能够遵守来自不同国家和地区的标准。没有切换元件必须用来在不同操作模式之间进行切换。具体来说，不必须提供转换器分支的输入级与输出级之间的中间切换元件。
在采用三相标准的国家中，转换器系统可通过其输入来连接到电力网的三个相。在采用单相标准的国家中，转换器系统可通过其全部输入来连接到电力网的一个相。在任何情况下，全部三个转换器分支可用于将AC输入电压转换为DC输出电压，其可用于对电池进行充电。
拓扑和控制可允许具有相同功能性的三相输入或单相输入的使用。全部转换器分支的全部装置用于任一种操作模式中。
情况甚至可以是，转换器系统设置在机柜（cabinet）中，其提供三相和单相输入。转换器系统可利用机柜来安装，并且在无需机柜内部的任何修改（拓扑和/或控制）的情况下连接到相应电网。
转换器分支的整流器和功率因数校正器可被看作是转换器分支的输入级。
按照本发明的实施例，AC到DC级包括整流器。整流器可以是适合于将AC电压转换为仅具有正前导符号的可变电压的装置。
此外，AC到DC级可包括功率因数校正器。功率因数校正器可以是适合于在其输入电压与输入电流之间提供比其输出电压与输出电流之间更高的功率因数。
一般来说，AC到DC级可基于任何拓扑，例如多相拓扑、无桥拓扑、图腾柱拓扑、图腾柱多相拓扑等。
DC到DC级可包括DC到DC转换器，其可适合于将第一DC电压的第一DC电流变换为第二DC电压的第二DC电流。
整流器、功率因数校正器和DC到DC转换器可按照这个顺序级联连接，即先前装置的相应输出与随后装置的输入相连接。
按照本发明的实施例，整流器是无源整流器（例如桥式整流器），其可包括两个反并联二极管桥。备选地，整流器可以是有源整流器，即，受控制的整流器。
按照本发明的实施例，每个转换器分支包括电滤波器，其例如级联连接在第一和第二输入与整流器之间。电滤波器可以是输入EMI滤波器，其适合于抑制谐波扰动。EMI滤波器可设计成抑制三相或单相操作中生成的谐波扰动。
按照本发明的实施例，每个转换器分支包括浪涌电流保护器，其可级联连接在第一和第二输入与整流器之间。浪涌电流保护器可以是适合于当转换器分支中的电流变得过高时将相应分支与一个或两个输入断开的装置。浪涌电流保护器可包括继电器。
按照本发明的实施例，功率因数校正器包括升压转换器（具体来说是升压提高转换器）。功率因数校正器可以是有源转换器，和/或可适合于与电网电压同相的电流整形。
按照本发明的实施例，功率因数校正器包括至少两个校正器分支。例如，功率因数校正器包括两个、三个或更多个升压转换器，其相互交错。
按照本发明的实施例，每个转换器分支包括DC链路，其级联连接在AC到DC级与DC到DC级之间。DC链路可包括一个或多个电容器，所述电容器并联连接在DC链路的输入与输出之间。
按照本发明的实施例，DC到DC级包括隔离转换器，其例如可包括电流分隔变压器。可实现DC到DC级的设计和/或控制，以实现预期输出电压电平，和/或当转换器系统用于对电池进行充电时遵守电池充电协议的要求。
但是，还可以有可能的是，DC到DC级包括未隔离转换器（例如另外的升压转换器）。
一般来说，DC到DC级可基于任何拓扑，例如谐振拓扑、准谐振拓扑、相移拓扑等。
按照本发明的实施例，DC到DC级和/或DC到DC转换器包括逆变器、变压器和整流器，其级联连接。逆变器可以是有源逆变器，其适合于把来自DC链路的DC电压转换为要提供给变压器的AC电压。整流器可以是无源整流器。
按照本发明的实施例，DC到DC级在其输出并联连接。换言之，全部第一输出可相互连接，以及全部第二输出可相互连接。
按照本发明的实施例，DC到DC级在其输出串联连接。一个DC到DC级的第一输出可与另外的DC到DC级的第二输出连接。
相对于有源组件（例如功率因数校正器和DC到DC转换器）的控制，三相或单相（即，相对相）操作模式可通过自动适配于在输入级处理三相的120°输入相移或者处理三个同步相的一个或多个控制器来实现。换言之，控制方案可以尚未取决于转换器系统是连接到三相还是单相电网来切换。
按照本发明的实施例，一个或多个控制器适合于相互独立地和/或独立于DC到DC转换器地控制AC到DC级和/或功率因数校正器。一个或多个控制器（其控制功率因数校正器）可以仅基于在相应转换器分支中或者具体地在相应功率因数校正器中的测量来控制功率因数校正器。
例如，输入级（即，每个转换器分支的整流器和功率因数校正器）可独立于两种操作模式（即，三相或单相操作模式）的其他转换器分支而工作。按照这种方式，输入级可采用适当谐波含量来重建输入AC电压，正如由相应电力网的标准要求所需求的。电压因数校正器的输出电压的控制对三个转换器分支可以是独立的，和/或可以仅具有将电压电平保持在某些容限之内的作用。
按照本发明的实施例，一个或多个控制器适合于相互独立地和/或独立于AC到DC级地控制DC到DC级。具体来说，一个或多个控制器可控制DC到DC级的逆变器。换言之，一个或多个控制器（其控制DC到DC级）可以仅基于在相应转换器分支中或者具体地在相应DC到DC级中的测量来控制DC到DC级。
本发明的另外的方面涉及一种包括如上文和下文所述的转换器系统的、用于对电池进行充电的电池充电器。例如，电池充电器可用于对车辆电池进行充电。
本发明的另外的方面涉及如上文和下文所述的用于对电池（例如车辆电池）进行充电的转换器系统的使用。转换器系统可在任何国家独立于标准电力网的相数而使用。
通过参照以下所述实施例说明本发明的这些方面及其他方面，并且本发明的这些方面及其他方面将会由以下所述实施例而显而易见。
附图说明
下文中将参照附图示出的示范实施例更详细地解释本发明的主题。
图1示意示出按照本发明的实施例的转换器系统。
图2示意示出按照本发明的另外的实施例的转换器系统。
图3示出与三相电网互连的图2的转换器系统。
图4示出与单相电网互连的图2的转换器系统。
图5示出按照本发明的实施例的转换器系统。
附图中使用的附图标记及其含意在附图标记的列表中以概括形式列出。原则上，附图中，相同部件提供有相同附图标记。
具体实施方式
图1示出包括三个转换器分支12的转换器系统10。在转换器系统10的AC输入14侧，每个转换器分支12包括第一输入16a（即，R、T和S）和第二输入16b。转换器分支12的第二输入16b被星形连接，并且用于将转换器系统10连接到中性相位N。在输出侧，每个转换器分支12包括第一输出18a和第二输出18b，其每个可并联连接以提供转换器系统10的DC输出20。转换器系统10可用来对电池（其可连接到DC输出20）进行充电。
每个转换器分支12的输出18a、18b可并联连接（如所示），其中每个转换器分支12提供系统10的总额定功率的1/3。输出18a、18b还可串联连接，以提供额定电压的1/3。
每个分支包括连接到输入16a、16b的输入级22或AC到DC级22以及连接到输出18a、18b的输出级24或DC到DC级24。输入级22适合于将在输入16a、16b所提供的单相AC电压变换为DC电压。输出级24（其主要包括DC到DC转换器26）把来自输入级22的DC电压转换为输出DC电压，和/或可提供相应转换器分支12的电流隔离。
还可以有可能的是，输出级24按照交错方式来互连，例如可在输入侧与输入级22串联连接。
图2示出转换器系统10的另外的实施例。在图2和以下附图中，仅对一个转换器分支12示出转换器分支12的组件的附图标记。但是，全部转换器分支12和/或其组件可同等设计。
每个转换器分支12的输入级22包括EMI滤波器30、浪涌电流保护器32、整流器34和功率因数校正器36。每个转换器分支12的组件30、32、34、36、26可在输入16a、16b与输出18a、18b之间按照这个顺序级联连接。
如图3和图4所示，转换器系统10的拓扑配置成连接到三相电网38a或单相电网38b，而无需转换器系统10的任何合同修改和/或操作模式之间的切换。
在图3的情况下，转换器系统10连接到三相电网38a。每个转换器分支12的每个输入16a（即，R、S、T）连接到电网的另一相。其他输入18b全部可连接到电网38a的中性点。转换器分支12正处理三个AC电压，其彼此相移120°。图1中，转换器系统10还连接到三相电网38a。
在图4的情况下，输入16a相互星形连接，并且连接到单相电网38b的相。转换器分支12正处理单相的功率的全部1/3。重要的是要注意，在两种操作模式（三相或单相），全部转换器分支12和/或转换器分支12的全部组件（例如输入级22和输出级24）可处理相同功率量，即，功率在分支之间同等分配。
图5示出转换器系统10的更具体实现。每个转换器分支的输入级22和输出级24可通过DC链路28来互连。可为输出侧20的转换器系统10的输出来提供另外的DC链路40。
AC输入16a（R、S、T）和中性点输入N全部可与具有接地输入PE的变阻器互连，使得可减轻输入14处的过电压。
转换器系统10可包括辅助电源42，其通过输入16a其中之一（T）来供电，并且还连接到中性点N。
浪涌电流保护包括继电器44，其可被断开以用于每个分支12的组件的电流保护。
整流器34可以是无源二极管整流器，其包括二极管的两个半桥。
功率因数校正器34可实现为升压提高转换器46，其可包括二个、三个或更多分支48，其每个包括电感（inductivity）和二极管（其串联连接在功率因数校正器34的输入与输出之间）以及半导体开关（其连接在一侧上的电感和二极管之间并且在另一侧连接到功率因数校正器34的另一输入和输出）。一般来说，功率因数校正器36可通过单个分支或者例如并联的多个分支48来组成。
功率因数校正器34的每个可包括控制器50，其可由辅助电源42来供电。
DC到DC转换器26包括逆变器52、谐振桥54、变压器56和整流器58，其按照这个顺序连接在DC链路28与相应转换器分支12的输出18a、18b之间。
逆变器52可以是二点逆变器，其包括具有半导体开关的两个半桥，其由门驱动器60来控制。每个逆变器60包括这些门驱动器60其中之一。
整流器58可以是无源整流器，其包括两个二极管半桥。
门驱动器60可由控制器62来控制，控制器62也可由辅助电源42来供电。控制器62还可控制继电器44，和/或可与CAN总线64连接。必须注意，中央控制器62可采用分支控制器（即，每个转换器分支12的控制器）来取代。
在控制器50、62中，可实现控制方案，使得功率因数校正器36和DC到DC转换器26全部可相互独立地控制。按照这种方式，在每一种操作模式中，应用相同控制策略。
控制器62（其可基于DSP）对每个分支测量输出18b中的电流和/或系统输出20中的电流。每个转换器分支12的输出电流可对于三个转换器分支12独立地控制，和/或控制器62可使这三个电流保持为相等。对应门信号可由控制器62来生成，并且发送给门驱动器60。此外，控制器可对每个转换器分支12来测量LC谐振DC/DC桥54中的电流，并且还可将这些测量用于独立地控制逆变器52。
控制器62的主要控制策略可基于输出DC电压和/或电流的反馈。当三个转换器分支12在整流器58之后并联连接时，DC输出电压对于三个转换器分支12是共同的。控制回路可由控制器62来处理，以便将DC输出保持在所要求输出范围之内。负责三个转换器分支12的相等功率共享的主控制回路可基于DC电流输出控制。
当转换器分支基于转换器分支12之间的功率共享来控制时，转换器系统10的操作可独立于通过单相电网38b或三相电网38a来供电。
控制器62还可通过提供继电器44的公共开关信号E来控制浪涌电流保护器32。
控制器50的每个测量功率因数校正器36的相应输入处的电压和/或经过分支48的半导体开关的电流。基于这些测量，半导体开关的信号对每个功率因数校正器独立地生成。一般来说，不同控制方案可在控制器50中实现，以例如通过实现针对使输入电压和电流中的总谐波失真最小化的同步方法，来使输入级22的输出电压的电压纹波最小化。
虽然在附图和以上描述中已经详细示出和描述了本发明，但是这种图示和描述被认为是说明性或示范性而不是限制性的；本发明并不局限于所公开的实施例。通过研究附图、本公开和所附权利要求书，对所公开的实施例的其他变体是本领域的技术人员和实践要求保护的发明的人员能够理解和实施的。在权利要求书中，词语“包括”并不排除其他元件或步骤，以及不定冠词“一（a或an）”并不排除多个。单个处理器或控制器或其他单元可实现权利要求所述的若干项的功能。在互不相同的从属权利要求中陈述某些措施的纯粹事实并不指示这些措施的组合不能用于产生良好效果。权利要求书中的任何附图标记不应当被理解为限制范围。
附图标记列表
10 转换器系统
12 转换器分支
14 系统的AC输入
16a 分支的第一AC输入
16b 分支的第二AC输入
18a 分支的第一AC输入
18b 分支的第二AC输入
20 系统的DC输出
R、S、T 系统输入
N 中性点输入
PE 接地输入
22 输入级/AC到DC级
24 输出级/DC到DC级
26 DC到DC转换器
28 DC链路
30 EMI滤波器
32 浪涌电流保护器
34 整流器
36 功率因数校正器
38a 三相电网
38b 单相电网
40 输出DC链路
42 辅助电源
44 继电器
46 升压提高转换器
48 升压提高转换器的分支
50 升压提高转换器的控制器
52 逆变器
54 谐振桥
56 变压器
58 整流器
60 门驱动器
62 控制器
64 CAN总线

Claims (12)

1.一种用于将三相或单相AC电压转换为DC电压的转换器系统（10），
其中所述转换器系统（10）包括三个转换器分支（12），每个转换器分支（12）包括提供有单相AC电压的第一输入（16a）和第二输入（16b）以及提供DC电压的第一输出（18a）和第二输出（18b）；
其中每个转换器分支（12）包括AC到DC级（22）和DC到DC级（24），所述AC到DC级（22）和所述DC到DC级（24）连接在所述第一和第二输入（16a、16b）与所述第一和第二输出（18a、18b）之间；
其中每个AC到DC级（22）包括无源整流器（34）和功率因数校正器（36），其中所述无源整流器（34）、所述功率因数校正器（36）和所述DC到DC级（24）以所列出的这种顺序级联连接，
其中所述功率因数校正器（36）包括升压转换器（46），所述升压转换器包括至少两个校正器分支（48），所述至少两个校正器分支的每一个分支包括在功率因数校正器（36）的输入与输出之间串联连接的电感和二极管；以及半导体开关，其一侧连接在所述电感和所述二极管之间并且另一侧连接到所述功率因数校正器（36）的另一输入和输出上；
其中所述转换器系统（10）能被配置用于将每个转换器分支（12）的所述第一输入（16a）与三相电网（38a）的相进行互连并且用于将所述转换器分支（12）的所述第一输入（16a）与单相电网（38b）的相进行互连；以及
其中所述转换器系统（10）配置用于将所述转换器分支（12）的彼此互连的所述第二输入（16b）与所述三相电网（38a）或者所述单相电网（38b）的中性点（N）互连；
其中所述转换器系统（10）包括一个或多个控制器（50、60、62），所述一个或多个控制器（50、60、62）适合于相互独立地控制所述转换器分支（12），其中仅在转换器分支（12）中收集的测量值被用于控制所述转换器分支（12），并且三相或单相操作能通过自动适配于在输入级处理三相的120°输入相移或者处理三个同步相的一个或多个控制器（50、60、62）来实现。
2.如权利要求1所述的转换器系统（10），
其中所述一个或多个控制器适合于独立于另一个转换器分支（12）的所述AC到DC级（22）和所述DC到DC级（24）而控制转换器分支（12）的所述AC到DC级（22）和所述DC到DC级（24）。
3.如权利要求1所述的转换器系统（10），
其中每个AC到DC级（22）包括电滤波器（30），所述电滤波器连接到所述第一和第二输入（16a、16b）。
4.如以上权利要求1-3中的一项所述的转换器系统（10），
其中每个AC到DC级（22）包括浪涌电流保护器（32）。
5.如以上权利要求1-3中的一项所述的转换器系统（10），
其中每个转换器分支（12）包括DC链路（28），所述DC链路（28）连接在所述AC到DC级（22）与所述DC到DC级（24）之间。
6.如以上权利要求1-3中的一项所述的转换器系统（10），
其中所述DC到DC转换器（24）包括隔离DC到DC转换器（26）。
7.如以上权利要求1-3中的一项所述的转换器系统（10），
其中所述DC到DC级（24）包括逆变器（52）、变压器（56）和整流器（58），所述逆变器（52）、变压器（56）和整流器（58）级联连接。
8.如以上权利要求1-3中的一项所述的转换器系统（10），
其中所述DC到DC级（24）在其输出（18a、18b）并联连接。
9.如以上权利要求1-3中的一项所述的转换器系统（10），
其中所述DC到DC转换器（24）在其输出串联连接。
10.如以上权利要求1-3中的一项所述的转换器系统（10），
其中所述一个或多个控制器（50、60、62）适合于相互独立地和/或独立于所述DC到DC级（24）地控制所述AC到DC级（22）；和/或
其中所述一个或多个控制器（50、60、62）适合于相互独立地和/或独立于所述AC到DC级（22）地控制所述DC到DC级（24）。
11.一种包括如以上权利要求中的一项所述的转换器系统（10）的用于对电池进行充电的电池充电器。
12.如权利要求1至10中的一项所述的转换器系统（10）用于对电池进行充电的用途。
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