CN110391763A - 自动调整平衡器设备 - Google Patents

Abstract

本发明题为“自动调整平衡器设备”。本发明公开了一种设备，该设备包括串联连接的储能装置串；串联连接的绕组串，该串联连接的绕组串位于至少一个芯上并且具有耦接到该串联连接的储能装置串的第一中间节点的第一中间节点；和第一开关和第二开关，该第一开关和该第二开关被配置为将串联连接的储能装置串的第一端部节点和第二端部节点连接到串联连接的储能装置串的相应第一端部节点和第二端部节点。控制电路被配置为以相同的占空比操作第一开关和第二开关。

Description

自动调整平衡器设备

相关申请

本申请是2017年3月23日提交的名称为“使用自适应节点平衡的电源转换器设备和方法”(“POWER CONVERTER APPARATUS AND METHODS USING ADAPTIVE NODEBALANCING”)的美国专利申请序列号15/467,475的部分继续申请，并且该专利申请全文以引用方式并入本文。

背景技术

本发明的主题涉及电气设备，并且更具体地讲，涉及电源转换器设备。

电源转换器设备(诸如不间断电源(UPS)系统、并网逆变器等)通常包括从DC链路接收电力的逆变器。逆变器可以产生以中性线为参考的单相或三相输出，并且DC链路可以包括相对于中性线具有相应正电压和负电压的第一总线和第二总线。

不平衡负载可以引起三相逆变器系统中的DC总线不平衡问题。具体地讲，逆变器输出的一个相基本上比其他相更多的负载可以导致DC链路的正DC总线和负DC总线上的电压相对于逆变器的中性线上的电压不平衡。此类问题可以通过使用间歇地将DC总线耦接到中性线的“平衡器”电路来解决，如例如在Johnson,Jr.等人的美国专利6,483,730中所描述的。然而，即使在负载不平衡时，此类常规的平衡器电路也可以产生不期望的纹波电流。

发明内容

本发明主题的一些实施方案提供了一种设备，该设备包括：串联连接的第一绕组、第二绕组、第三绕组和第四绕组；第一开关，该第一开关被配置为将第一绕组的第一抽头连接到第一储能装置的第一端子；和第二开关，该第二开关被配置为将第一绕组的第二抽头和第二绕组的第一抽头连接到第一储能装置的第二端子和第二储能装置的第一端子。第二绕组的第二抽头和第三绕组的第一抽头连接到第二储能装置的第二端子和第三储能装置的第一端子。该设备还包括：第三开关，该第三开关被配置为将第三绕组的第二抽头和第四绕组的第一抽头连接到第三储能装置的第二端子和第四储能装置的第一端子；和第四开关，该第四开关被配置为将第四绕组的第二抽头连接到第四储能装置的第二端子。控制电路被配置为以相同的占空比操作第一开关、第二开关、第三开关和第四开关。

第一绕组和第二绕组可以彼此磁耦合，并且第三绕组和第四绕组可以彼此磁耦合。在一些实施方案中，第一绕组和第二绕组可以被缠绕在第一芯上，并且第三绕组和第四绕组可以被缠绕在第二芯上。第一绕组与第二绕组的匝数比可以为1:1，并且其中第三绕组与第四绕组的匝数比可以为1:1。

在另外的实施方案中，第一绕组、第二绕组、第三绕组和第四绕组可以彼此磁耦合。第一绕组、第二绕组、第三绕组和第四绕组可以被缠绕在共同的芯上。第一绕组、第二绕组、第三绕组和第四绕组彼此的匝数比可以为1:1。

在一些实施方案中，占空比可以为约50％。在一些实施方案中，占空比可以小于40％。

在一些实施方案中，该设备可以包括：连接在第一储能装置的第一端子和第四绕组的第二端子之间的第一二极管，和连接在第四储能装置的第二端子和第一绕组的第一端子之间的第二二极管。

第一储能装置、第二储能装置、第三储能装置和第四储能装置可以包括电容器或电池。该设备可以包括耦接到第一储能装置、第二储能装置、第三储能装置和第四储能装置的端子的多电平逆变器电路。

附加的实施方案提供了一种设备，该设备包括：串联连接的储能装置串；串联连接的绕组串，该串联连接的绕组串位于至少一个芯上并且具有耦接到串联连接的储能装置串的第一中间节点的第一中间节点；和第一开关和第二开关，该第一开关和该第二开关被配置为将串联连接的储能装置串的第一端部节点和第二端部节点连接到串联连接的储能装置串的相应第一端部节点和第二端部节点。控制电路被配置为以相同的占空比操作第一开关和第二开关。

附图说明

图1是示出根据一些实施方案的总线平衡器设备的示意图。

图2是示出图1的设备的操作的波形图。

图3是示出根据一些实施方案的使用IGBT开关装置的总线平衡器设备的示意图。

图4是示出根据另外的实施方案的总线平衡器设备的示意图。

图5是示出根据一些实施方案的用于电池串的总线平衡器设备的示意图。

图6是示出根据一些实施方案的使用具有5电平逆变器的总线平衡器设备的示意图。

图7是示出根据一些实施方案的使用具有7电平逆变器的总线平衡器设备的示意图。

图8是示出根据一些实施方案的交错式总线平衡器设备的示意图。

图9是示出图8的设备的操作的波形图。

具体实施方式

现在将参照附图描述本发明主题的具体示例性实施方案。然而，本发明主题可以体现为许多不同形式，并且不应解释为仅限于本文所阐述的实施方案；相反地，提供这些实施方案是为了使本公开全面且完整，并且将向本领域技术人员完全传达本发明主题的范围。在附图中，类似的标号表示类似的项目。应当理解，当项目被称为“连接”或“耦接”到另一个项目时，该项目可以直接连接或直接耦合到另一个项目，或者可存在居间项目。如本文所用，术语“和/或”包括一个或多个相关联的列出的项目的任何组合和所有组合。

本文所用的术语仅是为了描述特定实施方案，而并非旨在限制本发明主题。除非另外明确规定，否则如本文所用，单数形式“一个”、“一种”和“该”旨在也包括复数形式。还应当理解，在本说明书中使用的术语“包括”和/或“包含”指明存在所述的特征、整数、步骤、操作、项目和/或部件，但不排除存在或增加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、项目、部件和/或其组合。

除非另有定义，否则本文所用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本发明主题所属领域的普通技术人员通常所理解的相同含义。还应当理解，术语诸如常用词典中定义的那些术语应解释为具有与它们在本说明书和相关领域的上下文中的含义一致的含义，并且除非本文中明确地如此定义，否则将不在理想化或过于形式化的意义上进行解释。

图1示出了根据本发明主题的一些实施方案的总线平衡器设备100。设备100被配置为平衡串联连接在第一DC总线105a和第二DC总线105b之间的四个电容器C1、C2、C3、C4上的电压。设备100包括四个串联连接的绕组L1、L2、L3、L4，这里该四个串联连接的绕组被示出为在两个芯112a、112b上成对缠绕。第一开关S1被配置为将第一绕组L1的第一端子耦接到第一DC总线105a。第二开关S2被配置为将第一绕组L1的第二端子和第二绕组L2的第一端子连接到电容器C1、C2、C3、C4串的中间节点，第一电容器C1和第二电容器C2连接在该中间节点处。第二绕组L2的第二端子和第三绕组L3的第一端子连接到中间中性节点N，第二电容器C2和第三电容器C3连接在该中间中性节点处。在一些实施方案中，该节点可以不连接到中性线，并且第二绕组L2的第二端子和第三绕组的第一端子可以经由另一个开关耦接到该节点(参见例如图5)。第三开关S3被配置为将第三绕组L3的第二端子和第四绕组L4的第一端子连接到电容器C1、C2、C3、C4串的中间节点，第三电容器C3和第四电容器C4连接在该中间节点处。第四开关S4被配置为将第四绕组L4的第二端子连接到第二DC总线105b。第一二极管D1连接在第四绕组L4的第二端子和第一DC总线105a之间，并且第二二极管D2连接在第一绕组L1的第一端子和第二DC总线105b之间。

绕组L1、L2、L3、L4优选地具有大约1:1的匝数比，该匝数比用于均衡电容器C1、C2、C3、C4上的电压。在一些实施方案中，控制电路120控制第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3和第四开关S4，使得第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3和第四开关S4以基本上相同的占空比工作。更具体地讲，当将第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3和第四开关S4闭合时，第一绕组L1、第二绕组L2、第三绕组L3和第四绕组L4的1:1的匝数比驱动电容器C1、C2、C3、C4上的电压的大小朝向平衡。然后将第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3和第四开关S4断开，以经由第一二极管D1和第二二极管D2(可以用执行类似功能的有源开关装置代替)启动第一绕组L1、第二绕组L2、第三绕组L3和第四绕组L4的放电，并允许磁芯112a、112b中的磁通量在将第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3和第四开关S4再次闭合之前降至零。在一些实施方案中，可以优选地略小于50％的占空比对第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3和第四开关S4进行操作，如图2所示。在一些实施方案中，占空比可小于图2中所示，但显著减小的占空比可以导致较不理想的性能(例如，增大的纹波电流)。

应当理解，设备100可以使用多种不同类型的部件中的任一种部件来实现。例如，在一些实施方案中，第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3和第四开关S4可以使用晶体管(诸如绝缘栅双极晶体管(IGBT)或功率MOSFET，或其他类型的半导体开关)来实现。参考图3，在设备100'中，第一开关S1和第四开关S4可以是使用具有相应二极管D3、D8的IGBT Q1、Q6形成的双向开关。MOSFET可以类似地使用，但可以具有可以消除对单独二极管的需要的本征体二极管。第二开关S2和第三开关S3可以是由串联连接的IGBT Q2、Q3、Q4、Q5与相应的二极管D4、D5、D6、D7形成的双向开关。根据另外的实施方案，代替图1中所示的双芯布置，根据另外的实施方案的总线平衡器设备100"可以包括缠绕在单个共同芯412上的绕组L1、L2、L3、L4，如图4所示。

图1、图3和图4的控制电路120可以使用各种不同的模拟电路部件和/或数字电路部件中的任一种电路部件来实现。例如，控制电路120可以使用数据处理装置(诸如微控制器)以及被配置为驱动第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3和第四开关S4的外围电路来实现。在一些实施方案中，可以使用提供类似功能的模拟电路和/或离散数字电路来控制第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3和第四开关S4。

根据另外的实施方案，沿着上述线路的总线平衡器设备可用于平衡其他类型的装置(诸如串联连接的电池或其他储能装置)上的电压。例如，图5示出了与图4的平衡器设备100"类似的总线平衡器设备100””的使用，不同之处在于移除了中性线连接并添加了开关S5，该总线平衡器设备可用于平衡串联连接的电池B1、B2、B3、B4串中电池上的电压。可以沿着上文讨论的线路以共同的接近50％的占空比对开关S1、S2、S3、S4、S5进行操作。此类布置在例如锂离子电池系统中可能尤其有利，其中维持电池串中的电池之间的平衡对于防止热失控可能很重要。平衡器设备的另外的应用包括平衡用于多电平转换器的电容器。例如，图6示出了图4的平衡器设备100"结合5电平逆变器20的使用。

根据本发明主题的一些实施方案的平衡器设备对于具有较大数量的储能装置的串也是可扩展的。例如，图7示出了平衡器设备700，该平衡器设备被配置为平衡六个电容器C1、C2、C3、C4、C5、C6上的电压，该六个电容器串联连接在馈送7电平逆变器30的第一DC总线105a和第二DC总线105b之间。设备700包括缠绕在共同芯712上的六个串联连接的绕组L1、L2、L3、L4、L5、L6。第一开关S1被配置为将第一绕组L1的第一端子耦接到第一DC总线105a。第二开关S2被配置为将第一绕组L1的第二端子和第二绕组L2的第一端子连接到电容器C1、C2、C3、C4、C5、C6串的中间节点，第一电容器C1和第二电容器C2连接在该中间节点处。第三开关S3被配置为将第二绕组L2的第二端子耦接到电容器C1、C2、C3、C4、C5、C6串的中间节点，第二电容器C2和第三电容器C3连接在该中间节点处。第三绕组L3的第二端子和第四绕组L4的第一端子连接到中性节点N，第三电容器C3和第四电容器C4连接在该中性节点处。第四开关S4被配置为将第四绕组L4的第二端子和第五绕组L5的第一端子连接到电容器C1、C2、C3、C4、C5、C6串的中间节点，第四电容器C4和第五电容器C5连接在该中间节点处。第五开关S5被配置为将第五绕组L5的第二端子和第六绕组L6的第一端子连接到电容器C1、C2、C3、C4、C5、C6串的中间节点，第五电容器C5和第六电容器C6连接在该中间节点处。第六开关S6被配置为将第六绕组L6的第二端子连接到第二DC总线105b。第一二极管D1连接在第六绕组L6的第二端子和第一DC总线105a之间，并且第二二极管D2耦接在第一绕组L1的第一端子和第二DC总线105b之间。

绕组L1、L2、L3、L4、L5、L6具有大约1:1的匝数比，并且控制电路720控制第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3、第四开关S4、第五开关S5和第六开关S6，使得以基本上相同的占空比对第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3、第四开关S4、第五开关S5和第六开关S6进行操作。在一些实施方案中，可以约50％的占空比对第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3、第四开关S4、第五开关S5和第六开关S6进行操作。应当理解，可以使用附加的绕组和开关将这种布置扩展到具有甚至更多数量的储能装置(例如，电容器、电池、超级电容器)的串。尽管上述实施方案用于平衡具有偶数个储能装置的串的电压，但另外的实施方案可以类似地使用奇数个绕组来平衡具有对应奇数个串联连接的储能装置的串。

根据附加的方面，可以使用沿着上述以交错方式工作的线路的多个平衡器设备来提供改善的性能。参考图8，提供了与图4的平衡器设备100"类似的第一平衡器设备100a"和第二平衡器设备100b"。如图9所示，以约50％的占空比并以互补的方式对第一平衡器设备100a"和第二平衡器设备100b"的开关S1、S2、S3、S4进行操作，使得当第二平衡器设备100b"的开关S1、S2、S3、S4“闭合”时，第一平衡器设备100a"的开关S1、S2、S3、S4“断开”，并且当第一平衡器设备100a"的开关S1、S2、S3、S4“闭合”时，第二平衡器设备100b"的开关S1、S2、S3、S4“断开”。这使得能够在基本上连续的基础上进行平衡。

在附图和说明书中，已经公开了本发明主题的示例性实施方案。尽管采用了具体术语，但是这些术语仅按一般和描述性意义使用，而非用于限制目的，本发明主题的范围由以下权利要求限定。

Claims (20)

1.一种设备，包括：

串联连接的第一绕组、第二绕组、第三绕组和第四绕组；

第一开关，所述第一开关被配置为将所述第一绕组的第一抽头连接到第一储能装置的第一端子；

第二开关，所述第二开关被配置为将所述第一绕组的第二抽头和所述第二绕组的第一抽头连接到所述第一储能装置的第二端子和第二储能装置的第一端子，所述第二绕组的所述第二抽头和所述第三绕组的第一抽头连接到所述第二储能装置的第二端子和第三储能装置的第一端子；

第三开关，所述第三开关被配置为将所述第三绕组的第二抽头和所述第四绕组的第一抽头连接到所述第三储能装置的第二端子和第四储能装置的第一端子；

第四开关，所述第四开关被配置为将所述第四绕组的第二抽头连接到所述第四储能装置的第二端子；和

控制电路，所述控制电路被配置为以相同的占空比操作所述第一开关、所述第二开关、所述第三开关和所述第四开关。

2.根据权利要求1所述的设备，其中所述第一绕组和所述第二绕组彼此磁耦合，并且其中所述第三绕组和所述第四绕组彼此磁耦合。

3.根据权利要求2所述的设备，其中所述第一绕组和所述第二绕组被缠绕在第一芯上，并且其中所述第三绕组和所述第四绕组被缠绕在第二芯上。

4.根据权利要求2所述的设备，其中所述第一绕组与所述第二绕组的匝数比为1:1，并且其中所述第三绕组与所述第四绕组的匝数比为1:1。

5.根据权利要求1所述的设备，其中所述第一绕组、所述第二绕组、所述第三绕组和所述第四绕组彼此磁耦合。

6.根据权利要求5所述的设备，其中所述第一绕组、所述第二绕组、所述第三绕组和所述第四绕组被缠绕在共同的芯上。

7.根据权利要求5所述的设备，其中所述第一绕组、所述第二绕组、所述第三绕组和所述第四绕组彼此的匝数比为1:1。

8.根据权利要求1所述的设备，其中所述占空比小于50％。

9.根据权利要求8所述的设备，其中所述占空比大于40％。

10.根据权利要求1所述的设备，还包括：

第一二极管，所述第一二极管连接在所述第一储能装置的所述第一端子和所述第四绕组的所述第二端之间；和

第二二极管，所述第二二极管连接在所述第四储能装置的所述第二端子和所述第一绕组的所述第一端子之间。

11.根据权利要求1所述的设备，其中所述第一开关、所述第二开关、所述第三开关和所述第四开关是双向的。

12.根据权利要求11所述的设备，其中所述第一开关和所述第三开关各自包括绝缘栅双极晶体管(IGBT)和与所述IGBT并联耦合的二极管。

13.根据权利要求1所述的设备，其中所述第二开关和所述第四开关各自包括串联耦合的两个IGBT和与所述IGBT并联耦合的相应二极管。

14.根据权利要求1所述的设备，其中所述第一储能装置、所述第二储能装置、所述第三储能装置和所述第四储能装置包括电容器或电池。

15.根据权利要求1所述的设备，还包括多电平逆变器电路，所述多电平逆变器电路耦接到所述第一储能装置、所述第二储能装置、所述第三储能装置和所述第四储能装置的所述端子。

16.一种设备，包括：

串联连接的储能装置串；

串联连接的绕组串，所述串联连接的绕组串位于至少一个芯上，并且具有耦接到所述串联连接的储能装置串的第一中间节点的第一中间节点；和

第一开关和第二开关，所述第一开关和所述第二开关被配置为将所述串联连接的储能装置串的第一端部节点和第二端部节点连接到所述串联连接的储能装置串的相应第一端部节点和第二端部节点；和

控制电路，所述控制电路被配置为以相同的占空比操作所述第一开关和所述第二开关。

17.根据权利要求16所述的设备，

其中所述串联连接的储能装置串包括至少四个串联连接的储能装置；

其中所述串联连接的绕组串包括至少四个串联连接的绕组；并且

第三开关和第四开关，所述第三开关和所述第四开关各自被配置为将所述串联连接的绕组串的相应第二中间节点和第三中间节点连接到所述串联连接的储能装置串的相应第二中间节点和第三中间节点。

18.根据权利要求17所述的设备，其中所述至少四个串联连接的绕组被缠绕在单个芯上。

19.根据权利要求16所述的设备，其中所述串联连接的储能装置串包括电容器或电池。

20.根据权利要求16所述的设备，还包括耦接到所述串联连接的储能装置串的多电平逆变器。