CN111108675A - Dc-dc转换器，包括dc-dc转换器的供电系统以及用于控制dc-dc转换器的方法 - Google Patents

Dc-dc转换器，包括dc-dc转换器的供电系统以及用于控制dc-dc转换器的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种DC‑DC转换器(10)，包括与DC源(B)可连接的第一DC端口(10A)、具有与DC母线(4)可连接的正端子(PT)、中点端子(MT)和负端子(NT)的第二DC端口(10B)。第一电容器(C1)连接在所述正端子(PT)和所述中点端子(MT)之间，第二电容器(C2)连接在所述中点端子(MT)和所述负端子(NT)之间。所述DC‑DC转换器(10)包括第一开关电路(20)、第二开关电路(40)和连接在所述第一开关电路(20)和所述第二开关电路(40)之间的谐振电路(30)。所述第二开关电路(40)包括连接在所述第二端口(10B)的正端子(PT)和所述第一节点(41)之间的第一开关(Q1)、连接在所述第一节点(41)和所述第二端口(10B)的中点端子(MT)之间的第二开关(Q2)、连接在所述第二端口(10B)的中点端子(MT)和所述第二节点(42)之间的第三开关(Q3)、连接在所述第二节点(42)和所述第二端口(10B)的负端子(NT)之间的第四开关(Q4)。

Description

DC-DC转换器，包括DC-DC转换器的供电系统以及用于控制DC- DC转换器的方法
技术领域
本发明涉及一种用于将电力从两端子DC母线传输至三端子DC母线的DC-DC转换器。本发明还涉及一种具有这种DC-DC转换器的供电系统。本发明还涉及一种用于控制这种DC-DC转换器的方法。
背景技术
图1中的虚线框示出了现有技术的AC-UPS转换器1(交流-不间断电源)，包括AC-DC转换器2、逆变器3(DC-AC转换器)和DC-DC转换器10。当需要向诸如电信无线电基站或者数据/电信网络中支持数据存储和数据传输的服务器等关键负载提供可靠的AC供应时，会用到AC-UPS。
AC-UPS转换器1需要至少三个端口2A、3A、10A，用于将能量路由到关键负载L。一个端口2A包括到AC市电(图1中三相400Vac)的连接，第二个端口3A包括到AC负载L(图1中一相230Vac)的连接，第三个端口10A包括到DC电池B(图1中-48Vdc，即正端子接地的48V电池)的连接。
通常，AC-UPS包括AC-UPS转换器1和一个电池B以及其他设备(机架、机柜、冷却风扇等)。因此，如图1所示，电池B未被定义为AC-UPS转换器1的一部分。
期望的是在市电故障的情况下，实现从AC电网到DC电池(或者相反)的无缝转换，而不影响对关键AC负载的供电。
图1中，所有三个转换器皆与具有三个端子的中间DC母线4连接，正端子PT为+400V，中点端子为0V，负端子NT为-400V。此设计可被配置来实现AC-UPS转换器1的市电端子和电池端子之间的电力流的无缝转变。
现在将更详细地描述UPS如何在正常运行中的工作。在正常运行中，AC市电是能量的来源S，能量流可描述如下。从AC市电汲取的电流经由输入AC-DC转换器2调节，以遵循AC市电电压的正弦形状和相位，并因此提供了所谓的功率因数校正，该输入级通常被称为功率因数转换器PFC。PFC的输出是提供给中间DC母线4的中间且已调节的DC电压。就本发明感兴趣的情况而言，该中间DC电压被分成三个电平。DC-AC转换器3将该中间DC电压转换成关键负载L可以连接的已调节的正弦AC电压。在图1的示例中，DC-AC转换器是三电平DC到单相AC的逆变器。DC-DC转换器10连接在中间DC母线4与电池B之间。
现在描述在AC市电出现故障的情况下，换言之，当AC市电的质量由于干扰、频率变化而变差，或者严重变形时，UPS如何工作。在这种情况下，电池B成为负载的能量来源。电池B提供DC电压，DC-DC转换器10提供从DC电池电压到中间DC母线电压的转换。DC/DC转换器10将来自电池的电流调节为平坦的DC电流，AC波纹尽可能小。DC/DC转换器10还提供中间DC母线的调节。如上所述，中间DC电压被分成三个电平。这意味着DC/DC应具有调节两个独立电压即正电压电平和负电压电平的能力。由于中间DC母线电压被输入至逆变器3，中间DC母线电压的质量将影响关键负载连接的已调节的正弦AC电压的质量。
图2a显示第一电容器C1连接在中间DC母线4的正端子PT和中点端子MT之间，第二电容器C2连接在中间DC母线4的中点端子MT和负端子NT之间。这些电容器C1和C2通常被认为是逆变器的一部分，如图2a中虚线框3所示。但是，在AC-UPS转换器1中，这仅仅是定义的问题-这些电容器可以视为AC-DC转换器2的一部分、DC-DC转换器的一部分或中间DC母线4本身的一部分。图2b中，如虚线框10所示，这些电容器C1和C2被视为DC-DC转换器的一部分。
一种已知的AC-UPS转换器是Eltek ASA的
Figure BDA0002413143410000021
该转换器是具有AC输入端口、AC输出端口和双向DC端口的三端口转换器。
本发明的一个目的是提供一种改进的DC-DC转换器及一种用于将电力从连接电池的第一DC端口传输到连接具有三个端子的DC母线的第二DC端口的方法。
特别地，目的是提供一种用于AC-UPS转换器的改进的DC-DC转换器。
因此，本发明的目的还在于提供一种改进的AC-UPS转换器。
本发明的再一个目的是通过使用较少的电子组件或通过使用较低额定的电子组件来降低成本。另一目的是通过转换器获得尽可能高的功率效率，即减少转换器中的损耗。
本发明的又一个目的是提供一种改进的AC-UPS转换器，该转换器具有以下优点：使用更少的组件用于多种目的，具有更低的额定电压和高效率。
发明内容
本发明涉及一种DC-DC转换器，包括：
-与DC源可连接的第一DC端口；
-具有与DC母线可连接的正端子、中点端子和负端子的第二DC端口；
-连接在所述正端子和所述中点端子之间的第一电容器，以及
-连接在所述中点端子和所述负端子之间的第二电容器；
其中，所述DC-DC转换器包括：
-第一开关电路，包括连接在所述第一DC端口、第一节点和第二节点之间的有源开关；
-第二开关电路，包括连接在所述第二DC端口、第一节点和第二节点之间的有源开关；
-谐振电路，连接在所述第一开关电路的节点和所述第二开关电路的节点之间；
-控制电路，用于通过控制所述第一开关电路和所述第二开关电路的有源开关来控制从所述第一DC端口到所述第二DC端口的电力传输；
其中，所述第二开关电路包括：
-第一开关，连接在所述第二端口的正端子和所述第一节点之间；
-第二开关，连接在所述第一节点和所述第二端口的中点端子之间；
-第三开关，连接在所述第二端口的中点端子和所述第二节点之间；
-第四开关，连接在所述第二节点和所述第二端口的负端子之间。
一方面，上述谐振电路是LLC谐振电路。
一方面，所述DC-DC转换器被提供用于将电力从所述第一DC端口传输到所述第二DC端口。
一方面，所述控制电路被配置为个别地控制所述第一电容器上的第一电容器电压和所述第二电容器上的第二电容器电压。
一方面，所述DC-DC转换器包括：第一传感器，用于测量表示所述第一电容器上的第一电容器电压的参数；以及第二传感器，用于测量表示所述第二电容器上的第二电容器电压的参数；其中，所述第一传感器和所述第二传感器与所述控制电路连接。
一方面，所述控制电路被配置为在电力从所述第一电容器中汲取的第一间隔期间向所述第一电容器供电，并且所述控制电路被配置为在电力从所述第二电容器中汲取的第二间隔期间向所述第二电容器供电。
一方面，所述控制电路在所述第一间隔期间被配置为在初始充电状态和第一充电状态之间交替，在所述初始充电状态中，所述谐振电路由所述DC源充电，在所述第一充电状态中，所述第一电容器由所述谐振电路充电，并且所述控制电路在第二间隔期间被配置为在所述初始充电状态和第二充电状态之间交替，在所述第二充电状态中，所述第二电容器由所述谐振电路充电。
一方面，在所述初始切换状态期间，所述第二开关和所述第三开关导通，所述第一开关和所述第四开关断开；在所述第一充电状态期间，所述第一开关和所述第三开关导通，所述第二开关和所述第四开关断开；在所述第二充电状态期间，所述第二开关和所述第四开关导通，而所述第一开关和所述第三开关断开。
一方面，在所述第一间隔和所述第二间隔之间交替的频率在15Hz至100Hz的范围内；在所述初始充电状态、所述第一充电状态和所述第二充电状态之间交替的开关频率在50kHz至500kHz的范围内。
本发明还涉及一种供电系统，包括：
-整流器，具有与AC电源可连接的AC输入端口以及与DC母线连接的DC输出端口；
-逆变器，具有与AC负载可连接的AC输出端口以及与所述DC母线连接的DC端口；
-DC-DC转换器，具有与DC源可连接的第一DC端口以及具有与所述DC母线连接的正端子、中点端子和负端子的第二DC端口；
-连接在所述正端子和所述中点端子之间的第一电容器；
-连接在所述中点端子和所述负端子之间的第二电容器；
其中，所述DC-DC转换器包括：
-第一开关电路，包括连接在所述第一DC端口、第一节点和第二节点之间的有源开关；
-第二开关电路，包括连接在所述第二DC端口、第一节点和第二节点之间的有源开关；
-谐振电路，连接在所述第一开关电路的节点和所述第二开关电路的节点之间；
-控制电路，用于通过控制所述第一开关电路和所述第二开关电路的有源开关来控制从所述第一DC端口到所述第二DC端口的电力传输；
其中，所述第二开关电路包括：
-第一开关，连接在所述第二端口的正端子和所述第一节点之间；
-第二开关，连接在所述第一节点和所述第二端口的中点端子之间；
-第三开关，连接在所述第二端口的中点端子和所述第二节点之间；
-第四开关，连接在所述第二节点和所述第二端口的负端子之间。
上述方面也与供电系统的DC-DC转换器有关。上述供电系统通常被称为AC-UPS供电系统。
本发明还涉及一种用于控制上述DC-DC转换器的方法，其中该方法包括以下步骤：
-测量表示所述第一电容器上的第一电容器电压的参数；
-测量表示所述第二电容器上的第二电容器电压的参数；
-个别地控制所述第一电容器上的第一电容器电压和第二电容器上的第二电容器电压。
一方面，所述方法包括以下步骤：
-在从所述第一电容器汲取电力的第一间隔期间向所述第一电容器供电；
-在从所述第二电容器汲取电力的第二间隔期间向所述第二电容器供电。
一方面，所述方法包括以下步骤：
-在所述第一间隔期间，在初始充电状态和第一充电状态之间交替，在所述初始充电状态中，所述谐振电路由所述DC源充电，在所述第一充电状态中，所述第一电容器由所述谐振电路充电；
-在所述第二间隔期间，在所述初始充电状态和第二充电状态之间交替，在所述第二充电状态中，所述第二电容器由所述谐振电路充电。
一方面，所述方法包括以下步骤：
-在所述初始切换状态期间，控制所述第二开关和所述第三开关导通并且所述第一开关和所述第四开关断开；
-在所述第一充电状态期间，控制所述第一开关和所述第三开关导通并且所述第二开关和所述第四开关断开；
-在所述第二充电状态期间，控制所述第二开关和所述第四开关导通并且所述第一开关和所述第三开关断开。
详细说明
现在参照附图详细描述本发明的实施例，其中：
图1示出了现有技术的AC-UPS；
图2a示出了被定义为DC-AC转换器的一部分的中间DC母线的电容器；
图2b示出了被定义为DC-DC转换器的一部分的中间DC母线的电容器；
图3示出了当电力从电池传输至负载时DC-DC转换器和DC-AC转换器的电流；
图4a示出了根据第一实施例的DC-DC转换器；
图4b示出了传感器及其与图3a中的DC-DC转换器的控制电路的连接；
图5a示出了具有第一不对称负载时图3a中的DC-DC转换器；
图5b示出了具有第二不对称负载时图3a中的DC-DC转换器；
图5c示出了空载时图3a中的DC-DC转换器；
图6a示出了图3a和图4c中的DC-DC转换器的开关是如何被控制的；
图6b示出了图4a中的DC-DC转换器的开关是如何被控制的；
图6c示出了图4b中的DC-DC转换器的开关是如何被控制的；
图7a-d示出了对于对称负载，在不同开关状态期间DC-DC转换器中的电力流；
图8a-c示出了对于不对称负载(无R2)，在不同开关状态期间DC-DC转换器中的电力流；
图8a-c示出了对于不对称负载(无R1)，在不同开关状态期间DC-DC转换器中的电力流；
图10示出了DC-DC转换器的第一转换器电路的替代拓扑。
定义：
术语“有源开关”在本文中用于描述具有三个端子的电气组件，其中第一端子(通常称为栅极端子或控制端子)从控制系统接收控制信号，第二端子和第三端子基于所述第一端子接收的信号而彼此连接或彼此断开。在电力电子学中，这种有源开关可以是MOSFET、IGBT、GaN FET、SiC FET等。相应地，二极管不被视为有源开关。
一种常见的用于形成这样的有源开关的控制信号的方法是通过使用具有数字输出端口以及模拟和/或数字输入端口的微处理器。数字微处理器输出端口与隔离式栅极驱动电路的输入端子连接，该隔离式栅极驱动电路又与电力开关的控制端子例如上述栅极端子连接。借助于专用的感应电路和A/D转换器，将被控制的参数(例如输入电流、输出电压以及电压和电流之间的相对相位差)感应到微处理器的输入端口。通过使用加载到微处理器存储器中的专用软件来执行总体控制任务，该软件的执行是实时完成的且延迟尽可能短，使得转换器可以足够快地响应，以使被控参数保持在要求规范中指定的限制内。
应当提到的是，控制电路控制着各个有源开关将被导通和断开的时间，以及各个有源开关保持在各个导通和断开状态的时间，这称为开关模式。对于不同的开关，开关模式可以不同。微处理器以开关频率工作，用于导通和断开有源开关。
术语“正端子”、“负端子”和/或“中点端子”在本文中用于将DC端口的端子彼此分开。两电平DC端口具有两个这样的端子：正端子和负端子，而三电平DC端口具有正端子、负端子和中点端子。应当注意，技术人员知道DC电压是正、负还是零仅仅是定义的问题。但是，正端子被定义为具有相对于中点端子的电压为正的电压，而负端子被定义为具有相对于中点端子的电压为负的电压。中点端子的电压通常定义为0V。
首先，参考图4a，其中示出了DC-DC转换器10的优选实施例。在下面的描述中，所述DC-DC转换器10用于如图1所示的AC UPS中。应当注意，所述DC-DC转换器10也可以在其他应用中使用。
所述DC-DC转换器包括第一DC端口10A和第二DC端口10B。所述第一DC端口10A具有两个端子，在此称为正电池端子PBT和负电池端子NTB。所述第一DC端口10A被示出为与电池B连接。应当注意，所述第一DC端口10A可以与另一类型的DC能量源连接。
所述第二DC端口10B包括三个端子：正端子PT、中点端子MT和负端子NT。这些端子与DC母线4连接。第一电容器C1连接在正端子PT和中点端子MT之间，第二电容器C2连接在中点端子MT和负端子NT之间。如在以上介绍中所述，若将这些电容器C1、C2视为所述DC-DC转换器10的一部分(如图2b所示)或将其视为所述DC母线4或与所述DC母线4连接的其他转换器的一部分，这仅仅是定义的问题。
所述电容器C1和C2是滤波电容器，也提供能量存储。典型值是100uF–10000uF，具体取决于通过转换器的额定功率传输。所述电容器C1和C2通常是额定电压>400VDC的电解电容器。电容器对开关频率进行滤波，该开关频率通常在10kHz–500kHz的范围内。电容器还对线路或市电电压频率(通常为50Hz或60Hz)进行滤波。进行线路频率滤波的原因是+/-400V电压的偏差不能超过电解电容器本身的额定电压以及电源开关和构成DC/DC转换器10、逆变器3和整流器2的电源电路中其他组件的额定电压所允许的偏差。所述电容器C1和C2还有助于改善DC母线的质量。
所述DC-DC转换器10包括第一开关电路20、谐振电路30和第二开关电路40，在图4a中分别用虚线表示。
所述第一开关电路20包括连接在所述第一DC端口10A、第一节点21和第二节点22之间的有源开关Q11、Q12、Q21、Q22。所述第二开关电路40包括连接在所述第二DC端口10B、第一节点41和第二节点42之间的有源开关Q1、Q2、Q3、Q4。所述谐振电路30连接在所述第一开关电路20的节点21、22和所述第二开关电路40的节点41、42之间。这在下面将进一步详细描述。
所述第一开关电路20是包括四个双向开关Q11、Q12、Q21、Q22的全桥开关电路。第一开关Q11连接在所述第一DC端口10A的正电池端子PBT与所述第一节点21之间。第二开关Q12连接在所述第一节点21与所述第一DC端口10A的负电池端子NBT之间。第三开关Q21连接在所述第一DC端口10A的正电池端子PBT和所述第二节点22之间。第四开关Q22连接在所述第二节点22和所述第一DC端口10A的负电池端子NBT之间。
谐振电路30是LLC谐振电路，其包括变压器装置TR、磁化电感器Lm、谐振电感器Lr和谐振电容器Cr。所述谐振电感器Lr、磁化电感器Lm和谐振电容器Cr串联在所述第二开关电路40的第一和第二节点41、42之间。所述变压器装置Tr包括连接在所述第一开关装置20的第一和第二节点21、22之间的初级绕组Tr1。所述变压器装置Tr包括与所述磁化电感器Lm并联的次级绕组Tr2。
因此，所述第一开关电路20的节点21、22可以被称为第一和第二初级侧节点21、22，因为它们被设置在变压器装置的初级侧上。所述第二开关电路40的节点41、42可以被称为第一和第二次级侧节点41、42，因为它们被设置在变压器装置的次级侧上。
所述第二开关电路40包括四个双向开关Q1、Q2、Q3、Q4。第一开关Q1连接在所述第二端口10B的正端子PT和所述第一次级节点41之间。第二开关Q2连接在所述第一次级节点41和所述第二端口10B的中点端子MT之间。第三开关Q3连接在所述第二端口10B的中点端子MT和所述第二次级节点42之间。第四开关Q4连接在所述第二次级节点42和所述第二端口10B的负端子NT之间。
图4a中还示出了虚线框“3+L”内的两个电阻器R1和R2。从所述DC-DC转换器10的端子PT、MT和NT看，这些电阻器代表总负载。在本示例中，这些电阻器R1、R2代表逆变器3本身和与逆变器3连接的负载L的总和(因此表达为“3+L”)。第一电阻器R1连接在正端子PT和中点端子MT之间，而第二电阻器R2连接在中点端子MT和负端子NT之间。应该注意到，在许多实际应用中，这些电阻R1和R2会随时间变化(电阻R1>电阻R2或者反之)，在其他应用中，它们彼此相等或基本相等(电阻R1＝电阻R2)。
当电力从电池B流向电阻器R1、R2时，电池端子PBT和NBT可以被视为第一开关电路20的输入端子，而节点21、22可以被视为第一开关电路20的输出端子。节点21、22可以被视为谐振电路30的输入端子，而节点41、42可以被视为谐振电路30的输出端子。最后，节点41、42可以被视为第二开关电路40的输入端子，而正端子PT、中点端子MT和负端子NT可以被视为第二开关电路40的输出端子。因此，节点21、22、41、42被视为代表电路20、30、40之间的内部接口。而第一端口10A的端子PBT、NBT和第二端口10B的端子PT、MT、NT是外部的，即在DC-DC转换器10的外部可用。
如图4a所示，在第一电容器C1上指示了第一电容器电压VC1(也代表第一电阻器R1上的电压)，并且在第二电容器C2上指示了第二电容器电压VC2(也代表第二电阻器R2上的电压)。将第一DC端口10A的电压称为初级侧电压UP。
初级绕组和次级绕组Tr1、Tr2之间的变压比由电容器C1和C2上期望的电容器电压VC1、VC2和初级侧电压UP之间的关系确定。例如，当将48V电池B与第一DC端口10A连接并且期望的输出电压在C1上为360V、在C2上为360V时，合适的变压比大约为2至7.5。
DC-DC转换器还包括控制电路50，该控制电路50用于通过控制第一和第二开关电路20的有源开关来控制从第一DC端口10A到第二DC端口10B的电力传输。控制电路50包括控制DC-DC转换器10的开关所需的所有电路和软件。应当注意，相同的控制电路50还可以包括控制整流器2和逆变器3的开关所需的所有电路和软件。因此，控制电路50可以包括上述微处理器、栅极驱动器电路以及可能还包括模数转换器，用于将模拟传感器信号转换为输入到微处理器的数字信号。
现在参考图4b。图4b基本与图4a对应，但在图4b中，显示的传感器SA1、SA1、SA通过虚线与控制电路50连接。控制电路50与传感器SA1、SA2、SA3一起形成控制系统。
传感器SA1测量表示第一电容器C1上的电压VC1的参数，传感器SA2测量表示第二电容器C2上的电压VC2的参数，传感器SA3测量表示第一DC端口10A上的电压UP的参数。应当注意，需要提供参考电压源和相应的感测电路，以便控制电路可以形成具有闭合反馈控制回路的调节器。为了获得足够好的控制量精度，通常需要对这些感测电路进行校准。
下面详细描述DC-DC转换器10的操作。DC-DC转换器10作为AC-UPS1的一部分进行描述，即其通过DC母线4与整流器2和逆变器3连接。DC母线4的电压为+/-400V，电池电压为如图1中的48V。整流器2与三相400Vac电压连接，逆变器3为负载提供单相230V电源。
整流器2和逆变器3被视为已知，在此将不再赘述。
应当注意，可以控制上述DC-DC转换器10以将电力从DC母线4传输至电池B，即对电池B进行充电。然后，控制电路50利用传感器SA3以测量电池的充电电压。可替换地，可以在DC母线4和电池B之间提供个别的DC-DC转换器(未示出)以对电池进行充电。在另一替代方案中，可以通过个别的DC电源(未示出)对电池B充电。如上所述，另一类型的DC源可与输入端口10A连接，因此，流过DC-DC转换器10的反向电力流不是本发明的本质特征。
因此，下面的描述重点是描述当电力从DC源(例如电池B)传输到DC母线并进一步通过逆变器3传输到AC负载L时DC-DC转换器10的操作。
在市电故障期间，向AC负载提供从电池中获取的能量。AC输出电源端口3A将为负载L提供调节过的正弦AC电压。如果负载是电阻性的，它将汲取电流，图1中表示为电流I3，与AC电压同相，在正负之间交替变化。换言之，当AC电压在前半周期为正时，将有正电流，而当AC电压在后半周期为负时，将有负电流为AC负载供电。因此如果负载为电阻性负载，则在正半周期和负半周期所消耗的电力相等。因此，电力流的频率始终是AC电压频率的两倍。
供给负载的电流I3的频率在下文中称为线路频率。
AC负载通常连接在线路端子和中性端子之间(图1)。中性端子通常与DC母线4的中点端子MT连接。正电流在此定义为从中间DC电源的正端子PT流至AC负载的线路端子并在AC负载和逆变器的公共中性连接处返回的电流。负电流在此定义为从公共中性连接流至AC负载的线路端子并返回到中间DC电源的负端子的电流。
三电平逆变器3在正半周期从正端子PT获取正电流并且将该电流返回到中点端子MT。
三电平逆变器3在负半周期从中点端子MT获取负电流并且将该电流返回到负端子NT。
从对3电压电平和逆变器功能的该描述中可以清楚地看出，与电容器C1连接的正端子在正半周期内为正电流源。同样清楚的是，与电容器C2连接的负端子在负半周期内接收通过AC负载的电流。
正端子和负端子将分别支持AC负载的全部电流和电力需求，因此AC负载的全部电流和电力需求，在AC输出电压频率周期的前半段由正端子支持，在AC输出电压频率周期的后半段则由负端子支持。
在本发明的开发过程中，发现需要一种DC/DC转换器，其可以被控制为与AC负载频率I3同相。此外还发现需要两个电容器C1和C2以与通过向AC负载供应电流的逆变器而使电容器放电的相同的速率独立地充电。
换言之，DC/DC转换器10应在其输入处从电池中获取能量，并以与通过为AC负载供电的逆变器而使电容器放电的相同的速率，个别地对两个电容器C1和C2中的任一电容器充电。
这意味着DC/DC转换器10将对中间DC母线中的两个电容器充电，以便与中间DC母线的正端子连接的第一电容器C1在AC负载频率周期的前半段充电，与中间DC母线的负端子连接的第二电容器C2在AC负载频率周期的后半段充电。
两个电容器C1、C2的充电需求是以传感器SA1、SA2测得的电压VC1和VC2为基础的。当通过逆变器3从电容器C1、C2之一汲取电力时，这被检测为该电容器上的电压VC1、VC2减小，控制电路50将从电池B汲取电力并再次对该电容器充电。
图3中，用半周期T1ref和T2ref来指示AC负载电流I3。第一电容器C1的放电电流在图2a中指示为电流I1。第二电容器C2的放电电流在图2a中指示为电流I2。为清楚起见，图3中也显示了这些电流。
在第一间隔T1ref期间，负载电流I3和负载电压为正。在此，从第一电容器C1汲取电力，这被感测为第一电容器C1上的电压减小。为了对此进行补偿，控制电路50将从电池B汲取电力并再次对电容器C1充电，如图3中的电流I1所示。在第一间隔T1ref中，如上所述，未从第二电容器C2汲取电力，因此在第一间隔T1ref中电流I2为零。
在第二间隔T2ref期间，负载电流I3和负载电压为负。在此，从第二电容器C2汲取电力，这被感测为第二电容器C2上的电压减小。为了对此进行补偿，控制电路50将从电池B汲取电力并再次对电容器C2充电，如图3中的电流I1所示。在第二间隔T2ref中，如上所述，未从第一电容器C1汲取电力，因此在第二间隔T2ref中电流I1为零。
因此，如果充电电流和放电电流大致相同，则对线路频率进行滤波的需求较小，因此电容器C1和C2可以选择较小的电容值。另一个优点是不需要有两个单独的、两端子输入、两端子输出的DC/DC转换器(其必须设计成能够提供全部的AC负载电力)来一一对应电容器C1、C2。取而代之的是，利用该两端子输入、三端子输出的谐振LLC转换器，现在可以仅使用一个谐振储能器和一个单输入功率级。
图4中，第一电阻器R1基本上等于第二电阻器R2，且其对应于一种典型的操作模式，其中负载对称并且负载从电容器C1和C2两者汲取电力。当有DC负载与3L DC母线连接时，就是这种情况。其他一些操作模式如图5a、图5b、图5c所示，其中：
-图5a中，存在第一电阻器R1而不存在第二电阻器R2，所以负载是不对称的；
-图5b中，存在第二电阻器R2且不存在第一电阻器R1，所以负载是不对称的；
-图5c中，第一电阻器和第二电阻器不存在，即无负载，这是一种对称负载的特例。
在图6a-c中，示出了用于各开关Q1、Q2、Q3、Q4的栅极电压Vg。这些栅极电压Vg由控制电路50控制。0V的栅极电压将使各个开关断开，10V的栅极电压将使各个开关导通。
示例1：不对称的阻性负载(对应于上面的图5a)
现在参考图6b和图8a-c，这对应于上述第一间隔T1ref，其中仅从第一电容器C1汲取电力。
在第一时间间隔T1(图8a)中，开关Q1和Q3导通，而开关Q2和Q4断开。在此，谐振电路30向第一电容器C1供电并因此也向第一电阻器R1供电。该状态称为第一充电状态CS1，因为是第一电容器C1被充电。
在第二时间间隔T2(图8b)中，开关Q2和Q3导通，而开关Q1和Q4断开。在此，谐振电路30由电池B充电。该状态称为初始充电状态CS0，因为必须对谐振电路30进行初始充电之后才可能对电容器C1、C2充电。
在随后的时间间隔T'1(图8c)中，开关再次处于与第一时间间隔T1相同的状态。
根据以上所述，开关模式将为以下状态顺序CS0–CS1–CS0–CS1等。
示例2：不对称的阻性负载(对应于上面的图5b)
现在参考图6c和图9a-c，这对应于上述第二间隔T2ref，其中仅从第二电容器C2汲取电力。
在第一时间间隔T1(图9a)中，开关Q2和Q4导通，而开关Q1、Q3断开。在此，谐振电路30向第二电容器C2供电并因此也向第二电阻器R2供电。该状态在下文中被称为第二充电状态CS2，因为是第二电容器C2被充电。
在第二时间间隔T2(图9b)中，开关Q2和Q3导通，而开关Q1和Q4断开。在此，谐振电路30由电池B充电。这对应于上述初始充电状态CS0。
在随后的时间间隔T'1(图9c)中，开关再次处于与第一时间间隔T1相同的状态，并且谐振电路30由电池B充电。
根据以上所述，开关模式将为以下状态顺序CS0–CS2–CS0–CS2等。
例3：对称的阻性负载(对应于上面的图4)
现在参考图6a和图7a-d，应当注意，在该示例中，电阻器R1和R2在相同时间汲取相同量的电力。这种负载的一个示例可以是用于从DC母线4汲取电力并将其提供给数据中心形式的DC负载的DC-DC转换器。在这种情况下，电压VC1的变化将与VC2相同，因此开关模式将交替对第一电容器和第二电容充电。
在第一时间间隔T1(图7a)中，开关Q2和Q4导通，而开关Q1、Q3断开。在此，谐振电路30向第二电容器C2供电并因此也向第二电阻器R2供电。这对应于上述第二充电状态CS2。
在第二时间间隔或状态T2(图7b)中，开关Q2和Q3导通，而开关Q1和Q4断开。在此，谐振电路30由电池B充电。这对应于上述初始充电状态CS0。
在第三时间间隔或状态T3(图7c)中，开关Q1和Q3导通，而开关Q2和Q4断开。在此，谐振电路30向第一电容器C1供电并因此也向第一电阻器R1供电。这对应于上述第一充电状态CS1。
在随后的时间间隔T'2(图7d)中，开关再次处于与第二时间间隔T2相同的状态，并且谐振电路30由电池B充电。
根据以上所述，开关模式将为以下状态顺序CS0–CS1–CS0–CS2–CS0–CS1–CS0–CS2等。
在如图5c所示的无负载的特殊情况下，可以使用相同的开关模式。
再次参考图3，如此处所示，电容器电流I1和I2显示为黑色实心区域。这些电容器电流I1、I2实际上是由DC-DC转换器10的开关产生的大量电流脉冲建立的。AC负载电流I2的频率通常在15Hz至100Hz的范围内。在图3中，一个周期是20ms，即频率为50Hz，而电容器电流I1、I2的开关频率在50kHz至500kHz的范围内。在图6a-6c中，一个周期为8.33μs，即开关频率为120kHz。
在实际应用中，电容器C1和C2上的电压VC1、VC2是实时或近乎实时地测量的，其中电容器电压将基于AC负载等的变化而略有变化。但是，在正半周期T1ref内只对第一电容器C1充电，在负半周期T2ref内只对第二电容器C2充电。当然，如果未从一个或两个电容器中汲取电力，则在相应的半周期内将不会发生充电。
上述DC-DC转换器10和具有这种DC-DC转换器10的AC-UPS 1的一个优点是，可以个别地对第一电容器C1和第二电容器C2充电，即如果从第一电容器C1汲取的电力比从第二电容器C2汲取的更多，则控制系统50能够使用上述第一示例的开关模式来控制从电池到该电容器C1的电力流。如果情况发生变化，从第二电容器C2汲取的电力比从第一电容器C1汲取的更多，则控制系统50能够使用上述第二个示例的开关模式来控制从电池到该电容器C2的电力流。
替代实施例
DC-DC转换器10的替代实施例在图10中示出。在此，第一开关电路20包括两个开关Q11、Q22。另外，谐振电路30的变压器Tr包括第一初级绕组Tr1a和第二初级绕组Tr1b。第一开关Q11在正、负电池端子NBT、PBT之间与第一初级绕组Tr1a串联，第二开关Q22在正、负电池端子NBT、PBT之间与第二初级绕组Tr1b串联。
以上，我们已将电阻R1和R2(从DC-DC转换器10来看)描述为电阻性的，同样的描述适用于逆变器输出端口的感性或容性负载。
这种新的DC/DC转换器也可以用作DC-UPS。3电平DC母线可以提供+/-400DC母线，以在建筑物(例如包含数据中心的建筑物)中高效分配电能。
DC母线也可被配置为提供+/-400V以分配电能。
3电平DC母线也可以通过DC/DC转换器10与PV面板连接，以收集太阳能。

Claims (12)

1.DC-DC转换器(10)，包括：
-与DC源(B)可连接的第一DC端口(10A)；
-具有与DC母线(4)可连接的正端子(PT)、中点端子(MT)和负端子(NT)的第二DC端口(10B)；
-连接在所述正端子(PT)和所述中点端子(MT)之间的第一电容器(C1)以及
-连接在所述中点端子(MT)和所述负端子(NT)之间的第二电容器(C2)；
其中，所述DC-DC转换器(10)包括：
-第一开关电路(20)，包括连接在所述第一DC端口(10A)、第一节点(21)和第二节点(22)之间的有源开关；
-第二开关电路(40)，包括连接在所述第二DC端口(10B)、第一节点(41)和第二节点(41)之间的有源开关；
-谐振电路(30)，连接在所述第一开关电路(20)的节点(21、22)和所述第二开关电路(40)的节点(41、42)之间；
-控制电路(50)，用于通过控制所述第一开关电路和所述第二开关电路(20、40)的有源开关来控制从所述第一DC端口(10A)到所述第二DC端口(10B)的所述电力传输；
其中，所述第二开关电路(40)包括：
-第一开关(Q1)，连接在所述第二端口(10B)的正端子(PT)和所述第一节点(41)之间；
-第二开关(Q2)，连接在所述第一节点(41)和所述第二端口(10B)的中点端子(MT)之间；
-第三开关(Q3)，连接在所述第二端口(10B)的中点端子(MT)和所述第二节点(42)之间；
-第四开关(Q4)，连接在所述第二节点(42)和所述第二端口(10B)的负端子(NT)之间。
2.根据权利要求1所述的DC-DC转换器(10)，其中，所述控制电路(50)被配置为个别地控制所述第一电容器(C1)上的第一电容器电压(VC1)和所述第二电容器(C2)上的第二电容器电压(VC2)。
3.根据权利要求1或2所述的DC-DC转换器(10)，其中，所述DC-DC转换器(10)包括：第一传感器(SA1)，用于测量表示所述第一电容器(C1)上的第一电容器电压(VC1)的参数；以及，第二传感器(SA2)，用于测量表示所述第二电容器(C2)上的第二电容器电压(VC2)的参数；其中所述第一传感器和所述第二传感器(SA1、SA2)与所述控制电路(50)连接。
4.根据以上任一项权利要求所述的DC-DC转换器(10)，其中，所述控制电路(50)被配置为在电力从所述第一电容器(C1)中汲取的第一间隔(T1ref)期间向所述第一电容器(C1)供电，并且所述控制电路(50)被配置为在电力从所述第二电容器(C2)中汲取的第二间隔(T2ref)期间向所述第二电容器(C2)供电。
5.根据权利要求4所述的DC-DC转换器(10)，其中，所述控制电路(50)在所述第一间隔(T1ref)期间被配置为在初始充电状态(CS0)和第一充电状态(CS1)之间交替，在所述初始充电状态(CS0)中，所述谐振电路(30)由所述DC源(B)充电，在所述第一充电状态(CS1)中，所述第一电容器(C1)由所述谐振电路(30)充电，并且其中，所述控制电路(50)在第二间隔(T2ref)期间被配置为在所述初始充电状态(CS0)和第二充电状态(CS2)之间交替，在所述第二充电状态(CS2)中，所述第二电容器(C2)由所述谐振电路(30)充电。
6.根据权利要求5所述的DC-DC转换器(10)，其中：
-在所述初始切换状态(CS0)期间，所述第二开关和所述第三开关(Q2、Q3)导通，所述第一开关和所述第四开关(Q1、Q4)断开；
-在所述第一充电状态(CS1)期间，所述第一开关和所述第三开关(Q1、Q3)导通，所述第二开关和所述第四开关(Q2、Q4)断开；
-在所述第二充电状态(CS2)期间，所述第二开关和所述第四开关(Q2、Q4)导通，所述第一开关和所述第三开关(Q1、Q3)断开。
7.根据权利要求3或4所述的DC-DC转换器(10)，其中：
在所述第一间隔和所述第二间隔(T1ref、T2ref)之间交替的频率在15Hz至100Hz的范围内；
-在所述初始充电状态、所述第一充电状态和所述第二充电状态(CS0、CS1、CS2)之间交替的开关频率在50kHz至500kHz的范围内。
8.供电系统(1)，包括：
-整流器(2)，具有与AC电源(PS)可连接的AC输入端口(2A)，以及与DC母线(4)连接的DC输出端口(2B)；
-逆变器(3)，具有与AC负载(L)可连接的AC输出端口(3A)，以及与所述DC母线(4)连接的DC端口(3B)；
-DC-DC转换器(10)，具有与DC源(B)可连接的第一DC端口(10A)，以及具有与所述DC母线(4)连接的正端子(PT)、中点端子(MT)和负端子(NT)的第二DC端口(10B)；
-连接在所述正端子(PT)和所述中点端子(MT)之间的第一电容器(C1)；
-连接在所述中点端子(MT)和所述负端子(NT)之间的第二电容器(C2)；
其中，所述DC-DC转换器(10)包括：
-第一开关电路(20)，包括连接在所述第一DC端口(10A)、第一节点(21)和第二节点(22)之间的有源开关；
-第二开关电路(40)，包括连接在所述第二DC端口(10B)、第一节点(41)和第二节点(41)之间的有源开关；
-谐振电路(30)，连接在所述第一开关电路(20)的节点(21、22)和所述第二开关电路(40)的节点(41、42)之间；
-控制电路(50)，用于通过控制所述第一开关电路和所述第二开关电路(20、40)的有源开关来控制从所述第一DC端口(10A)到所述第二DC端口(10B)的所述电力传输；
其中，所述第二开关电路(40)包括：
-第一开关(Q1)，连接在所述第二端口(10B)的正端子(PT)和所述第一节点(41)之间；
-第二开关(Q2)，连接在所述第一节点(41)和所述第二端口(10B)的中点端子(MT)之间；
-第三开关(Q3)，连接在所述第二端口(10B)的中点端子(MT)和所述第二节点(42)之间；
-第四开关(Q4)，连接在所述第二节点(42)和所述第二端口(10B)的负端子(NT)之间。
9.用于控制根据权利要求1所述的DC-DC转换器1的方法，包括以下步骤：
-测量表示所述第一电容器(C1)上的第一电容器电压(VC1)的参数；
-测量表示所述第二电容器(C2)上的第二电容器电压(VC2)的参数；
-个别地控制所述第一电容器(C1)上的第一电容器电压(VC1)和第二电容器(C2)上的第二电容器电压(VC2)。
10.根据权利要求9所述的方法，包括以下步骤：
-在从所述第一电容器(C1)汲取电力的第一间隔(T1ref)期间向所述第一电容器(C1)供电；
-在从所述第二电容器(C2)汲取电力的第二间隔(T2ref)期间向所述第二电容器(C2)供电。
11.根据权利要求10所述的方法，包括以下步骤：
-在所述第一间隔(T1ref)期间，在初始充电状态(CS0)和第一充电状态(CS1)之间交替，在所述初始充电状态(CS0)中，所述谐振电路(30)由所述DC源(B)充电，在所述第一充电状态(CS1)中，所述第一电容器(C1)由所述谐振电路(30)充电；
-在所述第二间隔(T2ref)期间，在所述初始充电状态(CS0)和第二充电状态(CS2)之间交替，在所述第二充电状态(CS2)中，所述第二电容器(C2)由所述谐振电路(30)充电。
12.根据权利要求11所述的方法，包括以下步骤：
-在所述初始切换状态(CS0)期间，控制所述第二开关和所述第三开关(Q2、Q3)导通，并且所述第一开关和所述第四开关(Q1、Q4)断开；
-在所述第一充电状态(CS1)期间，控制所述第一开关和所述第三开关(Q1、Q3)导通，并且所述第二开关和所述第四开关(Q2、Q4)断开；
-在所述第二充电状态(CS2)期间，控制所述第二开关和所述第四开关(Q2、Q4)导通，并且所述第一开关和所述第三开关(Q1、Q3)断开。
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