CN111164869A - 功率转换器 - Google Patents

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Abstract

本申请提供了一种DC/DC功率转换器，DC/DC功率转换器包括：三个或以上电容器，串联在输出端和接地端之间，其中，三个或以上电容器通过两个或以上电容器连接点串联；输入电压切换单元，用于将输入端连接到一组切换连接点中的一个，其中，该组切换连接点包括两个或以上电容器连接点和输出端。通过这种DC/DC功率转换器，可以将输入端的可变DC电压转换为输出端的可变DC电压，其中，输出电压的电压范围小于输入电压的电压范围。

Description

功率转换器
技术领域
本申请涉及一种功率转换器，尤其涉及一种用于光伏设备或风能设备等可再生能源设备中的功率转换器。
背景技术
太阳能系统是用于将太阳辐射能转换为电能的系统。在一些应用中，电能直接由本地负载使用，而在另一些应用中，则将产生的电能泵送回电网。太阳能转换系统由光伏板和功率转换器组成。光伏板产生来自太阳能的DC电压/电流；功率转换器将生成的DC电压/电流转换成AC电压/电流，以便驱动本地负载或将电流泵送回电网。
太阳能转换系统最重要的要求之一是收集和效率。此时，收集是指在给定环境下从光伏板提取尽可能多的能量。效率是提供给负载或电网的能量与从光伏板提取的能量之比。目前，市场上的最佳产品效率小于98.8％。
这种功率转换的常用方法是单次转换。这意味着在单个步骤中将由光伏板产生的DC电压或电流转换成AC电压或电流。图4示出了进行单次转换的传统DC/AC功率转换器的示意性框图。
在传统的DC/AC功率转换器1100中，光伏板1110连接到三相DC/AC功率转换器1130的输入端。例如，三相PWM逆变器可以用作DC/AC功率转换器1130。总线电容器1140并联到DC/AC功率转换器1130的输入端。DC/AC功率转换器1130的输出端连接到三相电网1150。
DC/AC功率转换器1130将由光伏板1110提供的DC电压转换为馈送到电网1150的三相AC电压。然而，由光伏板1110提供的DC电压随时间变化，且DC/AC功率转换器1150的输入端的DC总线电压Vbus也是如此。
这种方法的主要缺点包括：
光伏板不能以最佳方式运行，导致整个系统的收集率低。
如果使用互连变压器，输出电压会降低，产生相间电压为270V至330V。
在应用并网无变压器的情况下，无法降低输出电压。
产生高传导损耗。
为了避免这些缺点，通常使用双转换。这意味着在第一步中，将光伏板产生的DC电压或电流转换成另一个DC电压或电流，然后在第二步中将其转换成AC电压或电流。图5示出了具有双转换和恒定中间DC链路电压的这种传统DC/AC功率转换器的示意性框图。
在传统的DC/AC功率转换器1200中，光伏板1210连接到DC/DC功率转换器1220的输入端。例如，升压DC/DC转换器可以用作DC/DC功率转换器1120。DC/DC功率转换器1120的输出端连接到三相DC/AC功率转换器1230的输入端。例如，三相PWM逆变器可以用作DC/AC功率转换器1230。总线电容器1240并联到DC/AC功率转换器1230的输入端。DC/AC功率转换器1230的输出端连接到三相电网1250。
DC/DC功率转换器1120将由光伏板1210提供的DC电压转换为另一DC电压。在本示例中，即使光伏板1210提供的DC电压随时间变化，DC/DC功率转换器1120的输出端的DC总线电压Vbus是恒定的，因此在DC/AC功率转换器1230的输入端的电压也是恒定的。然后，DC/AC功率转换器1230将该恒定DC总线电压Vbus转换成三相AC电压，馈送到电网1250。
这种方法的主要缺点包括：
需要大输入电感器。
输入升压转换器具有高开关和导通损耗。
需要高压开关。
可能会出现电磁兼容问题。
也可以使用不同的概念来实现双转换。例如，可以采用DC总线电压的全包络跟踪。这种情况下，DC总线电压不是恒定的，但形式为正弦电压的整流包络。因此，输出桥开关不会发生开关损耗，但输出H桥上的导通损耗很高。然而，该概念并不适用于具有共同输入端的三相太阳能系统。另一个缺点是需要大输入升压电感器，且输入升压转换器的损耗高。
另一个概念是采用总线电压的部分包络跟踪的转换器。这种情况下，DC总线电压也不是恒定的，而是随着输出电压包络变化，从而降低开关损耗并且需要较小的输出电感器。但是，所需的大输入升压电感器会导致输入升压转换器的高损耗。
所有这些方法均有影响功率转换器的效率和收集的缺点。
发明内容
因此，本申请的目的在于提供一种效率和收集率提高的功率转换器。
上述及其它目的通过独立权利要求的特征来实现。根据从属权利要求、说明书以及附图，进一步的实现方式是显而易见的。
第一方面，提供一种DC/DC功率转换器。所述DC/DC功率转换器具有输入端、输出端和接地端。所述DC/DC功率转换器包括：三个或以上电容器，串联在所述输出端和所述接地端之间，其中，所述三个或以上电容器通过两个或以上电容器连接点串联；输入电压切换单元，用于将所述输入端连接到一组切换连接点中的一个，其中，所述一组切换连接点包括所述两个或以上电容器连接点和所述输出端。
通过这种DC/DC功率转换器，例如，可以将输入端的可变DC电压转换为输出端的可变DC电压，其中，输出电压的电压范围小于输入电压的电压范围。因此，例如，可以改善后续DC/AC转换器的运行条件，其可以使总功率转换的输入电压范围更大，提高功率转换的总效率以及对光伏设备或风能设备等可变电压源的能量的收集率。
在第一方面的实现方式中，所述DC/DC功率转换器用于基于施加到所述输入端的输入电压选择切换连接点中的一个；控制所述输入电压切换单元，以将所述输入端连接到所选的切换连接点。
因此，例如，可以选择DC/DC功率转换器的输出电压与输入电压之比。
在第一方面的另一实现方式中，所述DC/DC功率转换器用于以输出电压大于预先指定的最小电压的方式选择所述输入端要连接的切换连接点。
因此，例如，可以将输出电压保持在预定值以上，从而改善后续DC/AC转换器的运行条件。
在第一方面的另一实现方式中，所述输入电压切换单元包括三个或以上输入开关；每个所述输入开关连接在所述输入端和一个不同切换连接点之间。
因此，例如，可以以简单且易于操作的方式实现输入电压切换单元。
在第一方面的另一实现方式中，所述DC/DC功率转换器还包括两个或以上升压模块，其中，每个升压模块具有第一端、第二端和第三端，分别连接到一组转换器连接点中的一个，所述一组转换器连接点包括所述两个或以上电容器连接点、所述输出端和所述接地端；每个升压模块用于将在其第一和第二端之间施加的电压转换为其第一和第三端之间的较大电压。
因此，例如，可以将DC/DC功率转换分配到多个升压模块。根据每个升压模块的连接，其组件不需要额定为最大输出电压，而是仅设定为其部分电压，这使得成本更低且损耗更低。
在第一方面的另一实现方式中，所述升压模块是谐振转换器，分别包括：谐振电容器和谐振电感器，在第一和第二内部节点之间彼此串联；连接在所述第一端和所述第一内部节点之间的第一内部开关；连接在所述第一内部节点和所述第三端之间的第二内部开关；连接在所述第三端和所述第二内部节点之间的第三内部开关；连接在所述第二内部节点和所述第二端之间的第四内部开关。
因此，例如，可以有效地实现升压模块。
在第一方面的另一实现方式中，所述内部开关构成半导体开关。
因此，例如，可以在不需要机械部件的情况下实现内部开关，尤其是如果使用MOSFET，它们易于通过例如栅驱动器进行控制。
在第一方面的另一实现方式中，所述DC/DC功率转换器还用于通过在第一状态和第二状态之间交替切换来运行每个所述谐振转换器，其中，在所述第一状态中，所述第一和第三内部开关闭合且所述第二和第四内部开关打开，在所述第二状态中，所述第一和第三内部开关打开且所述第二和第四内部开关闭合。
因此，例如，可以通过每个谐振转换器有效地生成高于其相应输入电压的电压。
在第一方面的另一实现方式中，所述DC/DC功率转换器还用于通过以约50％的占空比切换所述内部开关来运行所述谐振转换器。
因此，例如，可以实现谐振转换器的有效运行。
在第一方面的另一实现方式中，所述DC/DC功率转换器还用于根据所述输入端要连接的所选切换连接点来选择要运行以及不运行哪些升压模块。
因此，例如，可以仅运行生成输出电压所需的升压模块，这可以使损耗降低，效率提高。在第一方面的另一实现方式中，所述输入开关构成机电导体；和/或所述输入开关构成半导体开关；和/或所述输入开关分别构成三个或以上MOSFET的串联。
因此，例如，可以以不同方式实现输入开关，尤其是如果使用MOSFET等半导体开关，它们易于通过例如栅驱动器进行控制。
在第一方面的另一实现方式中，三个或以上MOSFET连接以提供不对称阻断电压能力。
因此，例如，可以在不同方向上实现不同的阻断电压能力，从而提供所需的反向阻断能力。
上述目的也根据第二方面实现。
第二方面，提供一种运行DC/DC功率转换器的方法。所述方法包括：在所述DC/DC功率转换器的输入端和接地端之间施加输入电压；通过输入电压切换单元将输入电压提供给一组切换连接点中的一个，其中，所述一组切换连接点包括所述输出端和两个或以上电容器连接点，三个或以上电容器通过所述连接点串联在所述输出端和所述接地端之间。
通过这种方法，例如可以将输入端的可变DC电压转换为输出端的可变DC电压，其中，输出电压的电压范围小于输入电压的电压范围。因此，例如，可以改善后续DC/AC转换器的运行条件，其可以使总功率转换的输入电压范围更大，提高功率转换的总效率以及对光伏设备或风能设备等可变电压源的能量的收集率。
在第二方面的实现方式中，所述方法还包括：基于施加到所述输入端的输入电压选择切换连接点中的一个；控制所述输入电压切换单元，以将所述输入端连接到所选的切换连接点。因此，例如，可以选择DC/DC功率转换器的输出电压与输入电压之比。
在第二方面的另一实现方式中，所述方法还包括：以输出电压大于预先指定的最小电压的方式选择所述输入端要连接的切换连接点。
因此，例如，可以将输出电压保持在预定值以上，从而改善后续DC/AC转换器的运行条件。
在第二方面的另一实现方式中，所述输入电压切换单元包括三个或以上输入开关；每个所述输入开关连接在所述输入端和一个不同切换连接点之间。
因此，例如，可以以简单且易于操作的方式实现输入电压切换单元。
在第二方面的另一实现方式中，所述DC/DC功率转换器还包括两个或以上升压模块，其中，每个升压模块具有第一端、第二端和第三端，分别连接到一组转换器连接点中的一个，所述一组转换器连接点包括所述两个或以上电容器连接点、所述输出端和所述接地端；每个升压模块用于将在其第一和第二端之间施加的电压转换为其第一和第三端之间的较大电压。
因此，例如，可以将DC/DC功率转换分配到多个升压模块。根据每个升压模块的连接，其组件不需要额定为最大输出电压，而是仅设定为其部分电压，这使得成本更低且损耗更低。
在第二方面的另一实现方式中，所述升压模块是谐振转换器，分别包括：谐振电容器和谐振电感器，在第一和第二内部节点之间彼此串联；连接在所述第一端和所述第一内部节点之间的第一内部开关；连接在所述第一内部节点和所述第三端之间的第二内部开关；连接在所述第三端和所述第二内部节点之间的第三内部开关；连接在所述第二内部节点和所述第二端之间的第四内部开关。
因此，例如，可以有效地实现升压模块。
在第二方面的另一实现方式中，所述内部开关构成半导体开关。
因此，例如，可以在不需要机械部件的情况下实现内部开关，尤其是如果使用MOSFET，它们易于通过例如栅驱动器进行控制。
在第二方面的另一实现方式中，所述方法还包括：通过在第一状态和第二状态之间交替切换来运行每个所述谐振转换器，其中，在所述第一状态中，所述第一和第三内部开关闭合且所述第二和第四内部开关打开，在所述第二状态中，所述第一和第三内部开关打开且所述第二和第四内部开关闭合。
因此，例如，可以通过每个谐振转换器有效地生成高于其相应输入电压的电压。
在第二方面的另一实现方式中，所述方法还包括：通过以约50％的占空比切换所述内部开关来运行所述谐振转换器。
因此，例如，可以实现谐振转换器的有效运行。
在第二方面的另一实现方式中，所述方法还包括：根据所述输入端要连接的所选切换连接点来选择要运行以及不运行哪些升压模块。
因此，例如，可以仅运行生成输出电压所需的升压模块，这可以使损耗降低，效率提高。
在第二方面的另一实现方式中，所述输入开关构成机电导体；和/或所述输入开关构成半导体开关；和/或所述输入开关分别构成三个或以上MOSFET的串联。
因此，例如，可以以不同方式实现输入开关，尤其是如果使用MOSFET等半导体开关，它们易于通过例如栅驱动器进行控制。
在第二方面的另一实现方式中，三个或以上MOSFET连接以提供不对称阻断电压能力。
因此，例如，可以在不同方向上实现不同的阻断电压能力，从而提供所需的反向阻断能力。
上述目的也根据第三方面实现。
第三方面，提供一种双级DC/AC功率转换器。所述双级DC/AC功率转换器包括：根据第一方面或第一方面的任何实现方式所述的DC/DC功率转换器；DC/AC功率转换器，连接到所述DC/DC功率转换器的输出端。
通过这种AC/DC功率转换器，例如，可以将输入端的可变DC电压转换为DC/DC功率转换器的输出端处的可变DC电压，其中，输出电压的电压范围小于输入电压的电压范围，然后将具有较小电压范围的可变DC电压转换为可以在负载中消耗或者可以馈送到电网的AC电压。因此，例如，可以改善DC/AC转换器的运行条件，其可以使总功率转换的输入电压范围更大，提高功率转换的总效率以及对光伏设备或风能设备等可变电压源的能量的收集率。
在第三方面的实现方式中，所述DC/AC功率转换器是单相或多相DC/AC功率转换器；和/或具有可变输出电压的DC电压源连接到DC/DC功率设备的输入端。
因此，例如，可以将可变输入DC电压转换为适用于负载或电网类型的输出AC电压。
在第三方面的另一实现方式中，具有可变输出电压的DC电压源是光伏设备或风能设备。
因此，例如，可以将双级DC/AC功率转换器应用于由可再生资源发电的应用，由于所使用的一次能量的可变性质，所述应用可以提供变化的输出电压。
上述目的也根据第四方面实现。
第四方面，提供一种运行AC/DC功率转换器的方法。所述方法包括：根据第二方面或第二方面的任何实现方式所述的方法，将DC输入电压转换为DC输出电压；通过DC/AC功率转换器将所述DC输出电压转换为AC输出电压。
通过这种方法，例如，可以将输入端的可变DC电压转换为DC/DC功率转换器的输出端处的可变DC电压，其中，输出电压的电压范围小于输入电压的电压范围，然后将具有较小电压范围的可变DC电压转换为可以在负载中消耗或者可以馈送到电网的AC电压。因此，例如，可以改善DC/AC转换器的运行条件，其可以使总功率转换的输入电压范围更大，提高功率转换的总效率以及对光伏设备或风能设备等可变电压源的能量的收集率。
在第四方面的实现方式中，所述DC/AC功率转换器是单相或多相DC/AC功率转换器；和/或具有可变输出电压的DC电压源连接到DC/DC功率设备的输入端。
因此，例如，可以将可变输入DC电压转换为适用于负载或电网类型的输出AC电压。
在第四方面的另一实现方式中，具有可变输出电压的DC电压源是光伏设备或风能设备。
因此，例如，可以将双级DC/AC功率转换器应用于由可再生资源发电的应用，由于所使用的一次能量的可变性质，所述应用可以提供变化的输出电压。
附图说明
图1是本申请实施例的DC/AC功率转换器的示意电路图；
图2是表示图1所示的DC/AC功率转换器所具有的DC/AC功率转换器的输入电压与输出电压的关系的图；
图3是图1所示的DC/AC功率转换器中包括的输入电压切换单元的示意电路图；
图4是进行单次转换的传统DC/AC功率转换器的示意性框图；
图5是具有双转换的传统DC/AC功率转换器的示意性框图。
具体实施方式
以下结合附图描述实施例。
图1是本实施例的DC/AC功率转换器的示意电路图。
具有可变输出电压的DC电压源101连接到DC/DC功率转换器100的输入端，即DC/DC功率转换器100的输入端111和接地端113之间。具有可变输出电压的DC电压源101可以为例如但不限于用于从光伏设备或风能设备等由可再生资源发电的设备。
DC/DC功率转换器100的输出端，即DC/DC功率转换器100的输出端112和接地端113，连接到DC/AC功率转换器102的输入端。单相或多相PWM逆变器可以例如用作DC/AC功率转换器102。DC/AC功率转换器102的输出端可以连接到本地负载或电网，图中未示出。DC/DC功率转换器100包括串联在输出端112和接地端113之间的四个电容器120a、120b、120c和120d。晶体管之间的三个节点用作电容器连接点121a、121b和121c，电容器120a、120b、120c和120d通过这些连接点串联。
四个电容器120a、120b、120c和120d构成用于输出端112和接地端113之间的输出电压Vout的电容分压器。作为具体示例，选择电容器120a、120b、120c和120d的电容值，使得电容器120a两端的电压为Vout/2，电容器120b两端的电压为Vout/4，电容器120c和120d两端的电压是Vout/8。
DC/DC功率转换器100还包括输入电压切换单元，用于将输入端111连接到电容器连接点121a、121b或121c或输出端112中的一个。电容器连接点121a、121b和121c与输出端112一起构成一组切换连接点。
在该实施例中，根据切换连接点121a、121b、121c和112的序号，输入电压切换单元包括四个输入开关130a、130b、130c和130d。每个输入开关连接在输入端和相应的切换连接点121a、121b、121c和112之间。
DC/DC功率转换器100还包括三个谐振转换器140a、140b和140c，其分别具有第一端141a、141b或141c、第二端142a、142b或142c和第三端143a、143b或143c。优选地，谐振转换器140a、140b和140c具有相同的结构。下面结合谐振转换器140a进行描述：
谐振电容器151a和谐振电感器152a在第一和第二内部节点153a和154a之间彼此串联。谐振电容器151a例如可以是低压薄膜电容器或多层陶瓷电容器(multi-layerceramic capacitor，简称MLCC)。四个内部开关在第一端141a和第二端142a之间彼此串联。第一内部开关155a连接在第一端141a和第一内部节点153a之间。第二内部开关156a连接在第一内部节点153a和第三端143a之间。第三内部开关157a连接在第三端和第二内部节点154a之间。第四内部开关158a连接在第二内部节点154a和第二端142a之间。内部开关可以例如实现为具有续流二极管的开关三极管。
在图1所示的示例中，三个转换器140a、140b和140c的第二端142a、142b和142c连接到输出端112。谐振转换器140a通过第一端141a连接到接地端113，并且通过其第三端143a连接到电容器连接点121a。谐振转换器140b通过其第一端141b连接到电容器连接点121a，并且通过其第三端143b连接到电容器连接点121b。谐振转换器140c通过其第一端141c连接到电容器连接点121b，并且通过其第三端143b连接到电容器连接点121c。电容器连接点121a、121b和121c与输出端112和接地端113一起构成一组转换器连接点。
在运行期间，DC/DC功率转换器100将DC电压源101提供的DC输入电压Vin转换为DC输出电压Vout。然后，DC/AC功率转换器102将DC输出电压Vout转换为单相或多相AC电压，该AC电压可以馈送到本地负载或电网(图中未示出)。
为便于理解DC/DC功率转换器100的运行，首先描述谐振转换器140a的运行。假设开关130a闭合并且其他开关130b、130c和130d打开。这种情况下，输入端111连接到电容器连接点121a，并且输入电压Vin加载到电容器120a中。
为了运行谐振转换器140a，开关交替地导通和断开。在第一状态中，第一和第三内部开关155a和157a闭合，第二和第四内部开关156a和158a打开。在第二状态中，第一和第三内部开关155a和157a打开，第二和第四内部开关156a和158a闭合。利用开关频率执行这两个状态之间的切换，该开关频率优选地约等于谐振网络151a和152a的谐振频率。此外，开关优选地以约50％的占空比运行。
在第一状态中，谐振网络151a和152a连接在第一端141a和第三端143a之间，即与电容器120a并联。在这种状态下，能量从电容器120a传递到谐振网络151a和152a。在第二状态中，谐振网络151a和152a连接在第二端142a和第三端143a之间，即与由电容器120b、120c和120d的串联构成的电容器并联。在这种状态下，能量从谐振网络151a和152a传递到电容器120b、120c和120d的串联中。电感器152a的设计应保证开关的零电压转换。
在上升瞬变已逐渐消失的稳定状态下，电容器120a两端的电压和电容器120b、120c和120d的串联上两端的电压根据相应电容值之比通过谐振网络平衡。因此，谐振转换器140a用作升压模块，将施加在其第一和第三端141a和143a之间的电压转换成第一和第二端141a和142a之间的较高电压。在电容器120b、120c和120d的串联的电容值与电容器120a的电容值相同的特殊情况下，谐振转换器140a用作倍压器。
剩余的谐振转换器140b和140c以相同的方式运行。在电容器120c和120d的串联的电容值与电容器120b的电容值相同的特殊情况下，谐振转换器140a也用作倍压器。此外，如果电容器120c的电容值与电容器120的电容值相同，则谐振转换器140c也用作倍压器。
DC/DC功率转换器100的总升压比取决于输入端111所连接的切换连接点121a、121b、121c和112。优选地，选择切换连接点121a、121b、121c和112用作输入电压Vin的功能。图2示出了DC/DC功率转换器100的输入电压Vin与输出电压Vout之间的关系的具体示例。在该具体示例中，当输入电压Vin小于800V时，输出电压Vout限制为800V。
当该具体示例中的输入电压Vin小于等于400V时，输入端111通过开关130a连接到切换连接点121a，并且输入电压加载到电容器120a中。由于如上进行尺寸划分的电容分压器，该电压通过谐振转换器140a加倍，使得Vout＝2*Vin。输入电压Vin为400V时，输出电压达到最大电压800V。
如果输入电压Vin超过400V，则输入端111通过开关130b连接到切换连接点121b，并且输入电压加载到电容器120a和120b的串联中。由于如上进行尺寸划分的电容分压器以及谐振转换器140a、140b和140c产生的电压，切换连接点121b处的电压为Vout/2+Vout/4，从而得到Vout＝4/3*Vin。输入电压Vin为600V时，输出电压达到最大输出电压Vout 800V。
如果输入电压Vin超过600V，则输入端111通过开关130c连接到切换连接点121c，并且输入电压加载到电容器120a、120b和120c的串联中。由于如上进行尺寸划分的电容分压器以及谐振转换器140a、140b和140c产生的电压，切换连接点121c处的电压为Vout/2+Vout/4+Vout/8，从而得到Vout＝8/7*Vin。输入电压Vin为700V时，输出电压达到最大输出电压Vout 800V。
如果输入电压Vin超过700V，则输入端111通过开关130c连接到切换连接点112，即，输出端，并且输入电压加载到电容器120a、120b、120c和120d的串联中，从而得到Vout＝Vin。在800V的最大输入电压Vin下，输出电压达到最大输出电压Vout 800V。
虽然在上面的例子中，以输出电压Vout最大不超过800V的方式选择相应的切换连接点，但也可以以输出电压Vout大于预先指定的最小电压的方式进行选择。
通过这种方式，提供了具有高效率的双级功率转换器的新拓扑。DC/DC功率转换器100将可变DC输入电压Vin转换为更高或相等的可变DC输出电压Vout。然而，输出电压Vout的电压范围小于输入电压Vin的电压范围。
预期的峰值效率约为99％或更高。以输入电压Vin为580V，输出电压Vout为772V，输出功率为7500W为例进行了模拟。结果是总损失26W，对应效率为99.65％。此外，由于转换系统是双转换系统，因此光伏系统的收集率高于现有技术方案。
上述拓扑的一个优点是输出电压Vout分成几路子电压。输入端111根据输入电压Vin连接到一路子电压。这确保了输入工作电压的范围更大。由于输出电压Vout分成子电压，因此可以使用较低电压的半导体开关，这使得成本较低，损耗较低，如下所述。
谐振转换器中的开关(例如，开关三极管)和二极管的额定值为Vout/2。例如，如果最大输出电压Vmax＝800V，则开关额定电压为VS>400V。该额定电压低于传统升压转换器，其中，开关必须额定为Vout。这是一个益处，因为低压设备是具有非常低的导通电阻的低成本设备，并且这使得传导损耗非常低。当谐振电流接近零时，即，具有达到零电压转换(ZeroVoltage Transition，简称ZVT)以及避免高开关损耗必需的值，开关导通/断开。
考虑到各个谐振转换器必须平衡不同的电压，每个转换器的开关选择是不同的。例如，对于最大输出电压Vmax＝800V，设备应能承受以下电压：
转换器140c：100V设备
转换器140b：200V设备
转换器140a：400V设备
根据输入端111所连接的切换连接点121a、121b、121c和112，可能不需要运行所有的谐振转换器140a、140b和140c。可以关闭一个或多个谐振转换器，例如通过不断地保持打开包含在其中的内部开关。
例如，如果输入端111连接到输出端112并且Vout＝Vin，则不需要运行谐振转换器，因为DC/DC功率转换器100仅将电压从输入端111传输到输出端112而不用转换它。如果输入端111连接到切换连接点121a并且Vout＝Vin，则运行谐振转换器140a以实现作为倍压器的功能。然而，不需要运行谐振转换器140b和140c。如果输入端111连接到切换连接点121b并且Vout＝4/3*Vin，则运行谐振转换器140a和140b，但是不需要运行谐振转换器140a。如果输入端111连接到切换连接点121d并且Vout＝8/7*Vin，则运行所有谐振转换器140a、140b和140c。
因此，可以很容易针对每个电压增益识别不处理流向输出端的能量并且因此不需要持续运行的谐振转换器。其足以不时开启/关闭这些谐振转换器以保证总线电容器处的足够电压电平。
通过关闭不需要的谐振转换器，可以降低不处理输出功率的单元中的栅极和开关损耗。另外，可以使谐振电流最小化并且也可以降低传导损耗。
在下文中，描述了实现开关130a、130b、130c和130d的不同方式。例如，它们可以是机电接触器，几乎没有损失。续流二极管可以与开关130d并联。该二极管的功能是在输入电压从一个DC总线电压切换到另一个DC总线电压时消除换相过电压。这种输入电压选择器不需要任何外部电感器。因此，该电路可以低成本且具有高转换效率。
开关130a、130b、130c和130d也可以构成基于半导体的开关，优选地构成低压SiMOSFET等MOSFET，其通过单独的栅驱动器等来控制。MOSFET可以与串联谐振转换器中使用的设备相同。
图3示出了输入电压切换单元的另一示例。在该示例中，四个开关330a、330b、330c和330d通过低压MOSFET开关实现。开关的电压阻断能力是最大输出电压Vout的一半。每个开关330a、330b、330c和330d实现为三个MOSFET的串联。
在开关330d中，三个MOSFET 331d、332d和333d在同一方向上串联。该方向定义为第一方向，第一方向意味着MOSFET的源极端连接在开关的左侧。
在开关330c中，三个MOSFET串联，使得两个MOSFET 332c和333c沿第一方向连接，而一个MOSFET 331c沿与第一方向相反的第二方向连接，这意味着其源极端在右侧。
在开关330b中，三个MOSFET串联，使得一个MOSFET 333b沿第一方向连接，而两个MOSFET 331b和332b沿第二方向连接。
在开关330a中，三个MOSFET 331a、332a和333a在第二方向上串联。
由三个串联的MOSFET组成的每个开关由单独的栅驱动器330a、330b、330c和330d控制。栅驱动器具有控制MOSFET状态，以及确保串联的MOSFET之间的阻断电压的正确分布的功能。从上级控制电路接收栅驱动器命令，其中，控制电路测量输入电压Vin并决定必须导通哪个开关。
利用上述结构，开关330a、330b、330c和330d实现了非对称电压阻断能力，从而提供了所需的反向阻断能力。这种情况下，如果最大输出电压为800V，则可以使用具有极低导通电阻的200V MOSFET。因此，可以实现低损耗和高可靠性。
即使在上述实施例中使用四个电容器、四个开关和三个谐振转换器，本申请也不限于此。可以使用任何数量的大于等于三的电容器。然后，所需的开关和谐振转换器的数量取决于所使用的电容器的数量。
谐振转换器不需要全部通过其一个端连接到输出端。相反，它们也可以全部通过其一个端连接到接地端，或者可能根本没有用于其一个端的公共连接点。
作为谐振转换器的替换，可以使用任何其他类型的升压模块，其能够由电容器处的电压生成与该电容器串联的电容器处的另一电压。
作为上述实施例中描述的开关的替换，可以使用任何其他结构，其使得输入电压切换单元能够选择性地用于将输入端连接到每个切换连接点。
总之，本申请涉及将来自DC电压源的电压首先转换为另一DC电压然后转换为AC电压的双转换，以由本地负载消耗或者提供给电网。该转换的过程中使用的DC/DC功率转换器包括：三个或以上电容器，串联在输出端和接地端之间，其中，该三个或以上电容器通过两个或以上电容器连接点串联；输入电压切换单元，用于将输入端连接到一组切换连接点中的一个，其中，该组切换连接点包括两个或以上电容器连接点和输出端。通过这种DC/DC功率转换器，例如，可以将输入端的可变DC电压转换为输出端的可变DC电压，其中，输出电压的电压范围小于输入电压的电压范围。因此，例如，可以改善后续DC/AC转换器的运行条件，其可以使总功率转换的输入电压范围更大，提高功率转换的总效率以及对光伏设备或风能设备等可变电压源的能量的收集率。
上述双转换功率转换器的主要优点，尤其是用于光伏发电领域中时的主要优点如下：
高效DC/DC功率转换器；
无需任何输入滤波电感器，从而改善整个太阳能转换器的尺寸、成本和效率；
没有输入升压转换器的开关损耗，仅有导通损耗；
使用低压MOSFET，产生非常低的传导损耗；
升压转换器的预期效率取决于所选设备。输入DC/DC功率转换器的预期峰值效率高于99.0％。
虽然已经在附图和前面的描述中详细图示和描述了本申请，但是这样的图示和描述应视作说明性或示例性的而非限制性的。本申请不限于所公开实施例。通过阅读本申请，其他修改对于本领域技术人员而言是显而易见的。这些修改可涉及本领域中已知的其他特征，并且可以作为本文已经描述的特征的代替或补充使用。
在此结合特定实施例描述了本申请。但本领域技术人员通过实践本申请，研究附图、本申请以及所附的权利要求，能够理解并实现公开实施例的其它变体。在权利要求书中，词语“包括”不排除其它元素或步骤，不定冠词“一”不排除多个。在仅凭某些措施被记载在相互不同的从属权利要求书中这个单纯的事实并不意味着这些措施的结合不能被有效地使用。
尽管已经参考本申请的特定特征和实施例描述了本申请，但是明显在不脱离本申请精神和范围的情况下可以制定本申请的各种修改和组合。说明书和附图仅被视为所附权利要求书所定义的本申请的说明并且考虑落于本说明书的范围内的任何和所有修改、变体、组合或均等物。

Claims (17)

1.一种DC/DC功率转换器(100)，其特征在于，具有输入端(111)、输出端(112)和接地端(113)，所述DC/DC功率转换器(100)包括：
三个或以上电容器(120a、120b、120c和120d)，串联在所述输出端(112)和所述接地端(113)之间，其中，所述三个或以上电容器(120a、120b、120c和120d)通过两个或以上电容器连接点(121a、121b和121c)串联；
输入电压切换单元(130a、130b、130c和130d)，用于将所述输入端(111)连接到一组切换连接点(121a、121b、121c和112)中的一个，其中，所述一组切换连接点(121a、121b、121c和112)包括所述两个或以上电容器连接点(121a、121b和121c)和所述输出端(112)。
2.根据权利要求1所述的DC/DC功率转换器(100)，其特征在于，用于：
基于施加到所述输入端(111)的输入电压选择切换连接点(121a、121b、121c和112)中的一个；
控制所述输入电压切换单元(130a、130b、130c和130d)，以将所述输入端(111)连接到所选的切换连接点(121a、121b、121c和112)。
3.根据权利要求2所述的DC/DC功率转换器(100)，其特征在于，还用于以输出电压大于预先指定的最小电压的方式选择所述输入端(111)要连接的切换连接点(121a、121b、121c和112)。
4.根据权利要求1至3任一项所述的DC/DC功率转换器(100)，其特征在于：
所述输入电压切换单元包括三个或以上输入开关(130a、130b、130c和130d)；
每个所述输入开关(130a、130b、130c和130d)连接在所述输入端(111)和一个不同切换连接点(121a、121b、121c和112)之间。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的DC/DC功率转换器(100)，其特征在于，还包括两个或以上升压模块(140a、140b和140c)，其中：
每个升压模块(140a、140b和140c)具有第一端(141a、141b和141c)、第二端(142a、142b和142c)和第三端(143a、143b和143c)，分别连接到一组转换器连接点(121a、121b、121c、112和113)中的一个，所述一组转换器连接点(121a、121b、121c、112和113)包括所述两个或以上电容器连接点(121a、121b和121c)、所述输出端(112)和所述接地端(113)；
每个升压模块(140a、140b和140c)用于将在其第一和第二端(141a、141b、141c、142a、142b和142c)之间施加的电压转换为其第一和第三端之间的较大电压。
6.根据权利要求5所述的DC/DC功率转换器(100)，其特征在于，所述升压模块(140a、140b和140c)是谐振转换器，分别包括：
谐振电容器(151a、151b和151c)和谐振电感器(152a、152b和152c)，在第一和第二内部节点(153a、153b、153c、154a、154b和154c)之间彼此串联；
连接在所述第一端(141a、141b和141c)和所述第一内部节点(153a、153b和153c)之间的第一内部开关(155a、155b和155c)；
连接在所述第一内部节点(153a、153b和153c)和所述第三端(143a、143b和143c)之间的第二内部开关(156a、156b和156c)；
连接在所述第三端(143a、143b和143c)和所述第二内部节点(154a、154b和154c)之间的第三内部开关(157a、157b和157c)；
连接在所述第二内部节点(154a、154b和154c)和所述第二端(142a、142b和142c)之间的第四内部开关(158a、158b和158c)。
7.根据权利要求6所述的DC/DC功率转换器(100)，其特征在于，所述内部开关(155a、155b、155c、156a、156b、156c、157a、157b、157c、158a、158b和158c)构成半导体开关。
8.根据权利要求6或7所述的DC/DC功率转换器(100)，其特征在于，还用于通过在第一状态和第二状态之间交替切换来运行每个所述谐振转换器，其中，在所述第一状态中，所述第一和第三内部开关(155a、155b、155c、157a、157b和157c)闭合且所述第二和第四内部开关(156a、156b、156c、158a、158b和158c)打开，在所述第二状态中，所述第一和第三内部开关(155a、155b、155c、157a、157b和157c)打开且所述第二和第四内部开关(156a、156b、156c、158a、158b和158c)闭合。
9.根据权利要求8所述的DC/DC功率转换器(100)，其特征在于，还用于通过以约50％的占空比切换所述内部开关(155a、155b、155c、156a、156b、156c、157a、157b、157c、158a、158b和158c)来运行所述谐振转换器。
10.根据权利要求4至9中任一项所述的DC/DC功率转换器(100)，其特征在于，还用于根据所述输入端(111)要连接的所选切换连接点(121a、121b、121c和112)来选择要运行以及不运行哪些升压模块(140a、140b和140c)。
11.根据权利要求4至10任一项所述的DC/DC功率转换器(100)，其特征在于：
所述输入开关(130a、130b、130c和130d)构成机电导体；和/或
所述输入开关(130a、130b、130c和130d)构成半导体开关；和/或
所述输入开关分别构成三个或以上MOSFET(331a、331b、331c、331d、332a、332b、332c、332d、333a、333b、333c和333d)的串联。
12.根据权利要求11所述的DC/DC功率转换器(100)，其特征在于：
三个或以上MOSFET(331a、331b、331c、331d、332a、332b、332c、332d、333a、333b、333c和333d)连接以提供不对称阻断电压能力。
13.一种运行DC/DC功率转换器(100)的方法，其特征在于，包括：
在所述DC/DC功率转换器(100)的输入端(111)和接地端(113)之间施加输入电压；
通过输入电压切换单元(130a、130b、130c和130d)将输入电压提供给一组切换连接点(121a、121b、121c和112)中的一个，其中，所述一组切换连接点(121a、121b、121c和112)包括所述输出端(112)和两个或以上电容器连接点(121a、121b和121c)，三个或以上电容器(120a、120b、120c和120d)通过所述连接点串联在所述输出端(112)和所述接地端(113)之间。
14.一种双级DC/AC功率转换器，其特征在于，包括：
根据权利要求1至12任一项所述的DC/DC功率转换器(100)；
DC/AC功率转换器(102)，连接到所述DC/DC功率转换器(100)的输出端(112)。
15.根据权利要求14所述的双级DC/AC功率转换器，其特征在于：
所述DC/AC功率转换器(102)是单相或多相DC/AC功率转换器；和/或
具有可变输出电压的DC电压源(101)连接到DC/DC功率设备的输入端。
16.根据权利要求15所述的双级DC/AC功率转换器，其特征在于，具有可变输出电压的DC电压源(101)是光伏设备或风能设备。
17.一种运行AC/DC功率转换器的方法，其特征在于，包括：
采用权利要求12所述的方法，将DC输入电压转换为DC输出电压；
通过所述DC/AC功率转换器(102)将所述DC输出电压转换为AC输出电压。
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