CN114008888A - 用于对dc电压源充电的电路 - Google Patents

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Abstract

一种电路(1)，用于从AC电压网络对DC电压源充电，该电路包括：‑输入端(3)，能够从电压网络接收AC电压，‑第一输出端(4)，能够连接到DC电压源，‑绝缘级，使用多个电容器(30、31、32、33)而形成，其被布置成将电路的输入端(3)与第一输出端(4)电绝缘，以及‑频率提升级(6)，其布置在电路的输入端与绝缘级之间，使得绝缘级的电容器处于电路部分中，所述电路部分具有以大于AC网络频率的频率的流经它的AC电流。

Description

用于对DC电压源充电的电路
技术领域
本发明涉及一种用于使用AC网络为DC电压源充电的电路。本发明特别但不排他地应用于对DC电压源充电，该DC电压源用于向电动或混合动力车辆的推进马达供应电力。
背景技术
出于各种原因，例如安全性，或者两个电压源没有彼此参考，可能希望在AC电网和由该电网充电的DC电压源之间存在电绝缘。为此，使用磁性变压器是已知的操作。这种变压器的缺点是必须使用磁芯。采用这种磁芯需要较大的体积、增加的重量和较高的成本，并且可能难以集成到电路中。
专利申请WO2016/179329教导了将连接到DC电压源的逆变器与这种电容变压器(capacitive transformer)进行关联。
需要弥补与采用磁性变压器相关的缺点。
发明内容
本发明的目的是满足这一需求，并且根据本发明的方面之一，通过使用用于从AC电压网络对DC电压源充电的电路来实现这一点，该电路包括：
-输入端，能够从电压网络接收AC电压，
-第一输出端，能够连接到DC电压源，
-电容变压器，使用多个电容器形成，其被布置为将电路的输入端与第一输出端电绝缘，以及
-频率提升级，布置在电路的输入端与电容变压器之间，使得电容变压器的电容器处于电路部分中，该电路部分具有以大于AC网络频率的频率流经它的AC电流，
所述频率提升级包括第一分支，所述第一分支包括串联布置的两个可控电子开关，从而产生在电流方面和在电压方面双向的第一开关单元，以及
-第二分支，包括串联布置的两个可控电子开关，从而产生在电流方面和在电压方面双向的第二开关单元，
频率提升级的第一和第二分支具有形成频率提升级的输出端和电容变压器的输入端的公共端子。
本发明使得使用电容变压器成为可能，所述电容变压器的电容器被布置在电路部分中，所述电路部分具有以比电网的频率更高的频率流经它的AC电流，使得这些电容器可以在尺寸上更小和/或在成本上更低。这种电容变压器也可以称为“绝缘级”。与这些电容器相关联的一个或多个谐振电感器也可以在尺寸上较小和/或在成本上较低。此外，由于频率提升级不同于整流器与连接在整流器下游的逆变器的关联，本发明使得可以比经由整流器和逆变器的前述关联更简单地产生频率提升级，因此降低了该频率提升级的成本，并且还提高了其效率。
绝缘级的所有电容器可以安装在同一个电路板上，该电路板承载例如电路的剩余部分的全部或部分。
电路的输入端可以连接到单相或多相连接器，使得连接到AC网络成为可能，后者例如是由运营者管理的工业电气网络。该AC网络可以传送大于100V的电压。它可以是单相或多相网络，例如三相网络。
电路可以没有阻抗匹配级。
第一DC电压源具有例如等于48V的电压值，或者大于300V的电压值。
在电容变压器布置在电路的单相部分的情况下，频率提升级可以由前述第一和第二分支组成。
电容变压器可以布置在电路的单相部分，于是电容变压器包括第一电容器和第二电容器，第一电容器布置在相线上，第二电容器布置在中性线上。
作为变型，电容变压器可以布置在电路的多相部分中，特别是电路的三相部分中，于是电容变压器包括多个电容器，使得每个电容器分别布置在相线上或中性线上。于是，电容变压器可以包括多个电容器，这些电容器的数量等于该部分的具有AC电流流经的相数增加1。
当电容变压器布置在电路的三相部分时，频率提升级可以具有三角形或星形配置。
在三角形配置的情况下，三角形的每一侧可以定义频率提升级的两个分支，这些分支中的每一个包括串联布置的两个可控电子开关，使得这些分支中的每一个产生开关单元，并且，三角形的同一侧上的这两个分支具有形成频率提升级的输出端和电容变压器的输入端的公共端子。
在星形配置的情况下，星形的每个臂可以限定频率提升级的两个分支，这些分支中的每一个包括串联布置的两个可控电子开关，从而产生开关单元，并且，星形的同一个臂上的这两个分支具有形成频率提升级的输出端和电容变压器的输入端的公共端子。
频率提升级的同一个分支上的两个可控电子开关可以是两个相反掺杂或相同掺杂的场效应晶体管，或者两个相反掺杂或相同掺杂的双极结型晶体管。在场效应晶体管的情况下，这些晶体管中的一个可以是n沟道MOSFET，而该分支上的另一个晶体管是p沟道MOSFET。仍然在场效应晶体管的情况下，形成开关单元的两个晶体管可以以共源极配置或共漏极配置连接。在双极结型晶体管的情况下，这些晶体管中的一个例如是NPN晶体管，而另一个晶体管是PNP晶体管。仍然在双极结型晶体管的情况下，形成开关单元的两个双极结型晶体管可以以共发射极配置或共集电极配置连接。
当在频率提升级的每个分支中都发现具有彼此相反掺杂的两个晶体管时，两者具有相同掺杂的第一分支上的晶体管和第二分支上的晶体管可以在它们各自的臂中相对于公共端子具有相同的位置。例如，这两个相同掺杂的晶体管的每一个都在其各自的臂内，晶体管直接连接到该公共端子附近。作为变型，这两个相同掺杂的晶体管在它们各自的臂中相对于该公共端子可以具有不同的位置。例如，这些晶体管中的一个是第一臂上的直接邻近公共端子的晶体管，而这些晶体管中的另一个是第二臂上的不直接邻近该公共端子的晶体管，第二臂上的直接邻近公共端子的晶体管具有不同的掺杂。
本发明不限于选择双极晶体管或场效应晶体管以产生在电流方面和在电压方面双向的开关单元。作为变型，频率提升级可以使用IGBT。
当本发明使用MOSFET时，后者可以由氮化镓(GaN)或碳化硅(SiC)或硅制成。
根据本发明的第一实施例，电感器可以与电容变压器的电容器串联连接，特别是在形成电容变压器的输入端的端子与该电容变压器的该电容器之间。该电感器可以形成谐振电感器，并且其与电容变压器的电容器的关联可以形成谐振LC单元。
根据本发明的第二实施例，频率提升级的第一分支包括第一电感器，频率提升级的第二分支包括第二电感器，第一和第二电感器磁耦合。这种分别属于每个分支的磁耦合电感器可以使得减少EMC干扰成为可能。
在以上所有内容中，电路可以包括连接在电容变压器与第一输出端之间的整流器。该整流器可以是全波整流器或其他类型的整流器，例如倍压器。
在以上所有内容中，频率提升级的每个分支可以使得流经该分支上的可控电子开关之一的所有电流也流经该分支上的另一个可控电子开关。换句话说，于是在这两个可控电子开关之间没有电流节点。
在以上所有内容中，电路还可以包括布置在整流器与第一输出端之间的电流调节级。例如，该调节级实现功率因数校正的功能，由此可以减少发送到电网的无功电流。根据电网的标称电压值和形成第一DC电压源的用于存储电能的单元的标称电压值，该调节级可以由串联斩波器或并联斩波器或者甚至降压/升压转换器形成。
在以上所有内容中，频率提升级可以被配置为将50Hz的频率带到200Hz与100MHz之间的频率值。
本发明不限于使得可以从AC网络对单个DC电压源充电的电路。与所有上述内容相结合，电路还使得可以对第二DC电压源充电，所述电路包括：连接到第二DC电压源的第二输出端，以及使用多个电容器形成的另一个电容变压器，该另一个电容变压器被布置成使得电路的输入端与第二输出端电绝缘。
该另一个电容变压器可以在功能上与之前描述的电容变压器并联连接。没有属于该另一个电容变压器的电容器还属于例如之前描述的用于将输入端与第一输出端电绝缘的电容变压器。当通过电路对多个DC电压源充电时，可以只有一个频率提升级，因此其对这些不同电压源是公共的。
当AC网络使得可以对两个单独的DC电压源充电时，这两个DC电压源可以具有或可以不具有相同的电压值，例如48V或大于300V的值。作为变型，这两个DC电压源可以具有不同的电压值。
在以上所有内容中，可以选择电路的各种开关，使得电路在功率流方面是可逆的。
根据本发明的另一方面，本发明的另一主题是一种组件，包括：
-如上定义的电路，以及
-连接到电路的第一输出端的DC电压源，该DC电压源特别地具有48V的标称值。
附图说明
通过阅读以下对本发明的非限制性实施例的描述并查看附图，将可能更好地理解本发明，在附图中：
-图1示出了根据本发明的第一实施例的电路，
-图2示出了根据本发明的第二实施例的电路，
-图3示出了根据本发明的第一实施例的变型的电路，
-图4示出了根据本发明的第二实施例的变型的电路，以及
-图5和图6示出了当图1的电路至少部分为三相时该电路的变型，图5示出了具有三角形配置的频率提升级，图6示出了具有星形配置的频率提升级(frequency-raisingstage)。
具体实施方式
图1示出了根据本发明第一实施例的电路1。这里的该电路1使得可以从AC网络对第一DC电压源充电。AC网络是例如由运营者管理的工业电气网络，并且在图1的情况下传送单相电压。然而，本发明不限于单相网络，如下面将看到的。网络的电压的频率例如等于50Hz或60Hz。在所考虑的示例中，电气网络经由连接器(未示出)连接到电路1的输入端3。
根据该第一示例，电路1包括将在下面描述的频率提升级6，其一个输出端子形成电容变压器的输入端子，电容变压器在这里由两个电容器30和31形成，电容器30布置在相线上，电容器31布置在电路传送的电信号的中性线上。可以观察到，电感器12与布置在相线上的电容器30串联连接。
关于从电路1的输入端3流出的正电流，在电容变压器的下游是整流器7，该整流器7在这里是执行全波整流的格拉茨桥(Graetz bridge)。整流器7包括可控电子开关，在这里是MOSFET。
在图1中还可以观察到，相对于从电路1的输入端3流出的正电流，存在连接在整流器7下游的调节级8。
在图1的示例中，调节级采用串联斩波器，该斩波器将由整流器7整流的电压降低到通过电路1的第一输出端4传送到第一DC电压源的电压。仍然在所描述的示例中，该调节级8的电子开关被控制，使得该调节级8执行功率因数校正(PFC)的功能。
这里，DC电压源是用于存储标称值为48V的能量的单元，并且它使得可以向混合动力或电动车辆的电力推进马达供应电力。
现在将更详细地描述频率提升级6，频率提升级6使得电容变压器可以看到其频率大于网络频率的电信号，该频率例如在200Hz与100MHz之间。
在图1的示例中，该频率提升级包括：
-第一分支10，包括串联布置的两个可控电子开关10a和10b，从而产生在电流方面和在电压方面双向的第一开关单元，以及
-第二分支11，包括串联布置的两个可控电子开关11a和11b，从而产生在电流方面和在电压方面双向的第二开关单元。
可以观察到，在所考虑的示例中，该频率提升级6具有并联的两个输入端子13和14，去耦电容器连接到这两个输入端子。这些端子13和14中的每一个分别直接或间接地连接到电路的输入端3的端子。
在图1的示例中，该频率提升级5包括两个输出端子。这些端子15中的一个对于两个分支10和11是公共的，并且它连接到电容变压器的电容器30，电容器30布置在信号的相线上，而另一个输出端子连接到电容变压器的电容器31，电容器31布置在电信号的中性线上。
在所考虑的示例中，每个分支10和11除了上面提到的两个开关之外，不包含其他部件。此外，在该第一实施例中，流经一个分支上的一个开关的任何电流也流经该分支上的另一个开关，即在这两个开关之间没有电流节点。
在所考虑的示例中，这些开关中的每一个都是MOSFET。更具体地，晶体管10a是n沟道MOSFET，晶体管10b是n沟道MOSFET，这两个晶体管以共源极配置连接。晶体管11a是n沟道MOSFET，晶体管11b是n沟道MOSFET，这两个晶体管也以共源极配置连接。
例如，每个MOSFET由氮化镓(GaN)或碳化硅(SiC)或硅制成。
例如，在施加到输入端3的电压的每个正半周期期间，控制晶体管10a和11a，使得它们具有50％的占空比，同时晶体管10b和11b保持在导通状态，并且，在施加到输入端3的电压的每个负半周期期间，控制晶体管10b和11b，使得它们具有50％的占空比，同时晶体管10a和11a保持在导通状态。
在整流器7中执行同步整流的情况下，可以获得其值等于施加到输入端3的AC电压的模的一半的电压，作为该整流器7的输出。
现在将参照图2描述根据第二实施例的电路1。根据该第二实施例，与电容变压器的电容器30串联的图1的电感器12由布置在第一分支10中的第一电感器10c和布置在第二分支11中的第二电感器11c代替。这些电感器10c和11c在这里是磁耦合的，并且它们都直接邻近于频率提升级6的公共输出端子15。因此，在第二实施例中，第一分支10由两个串联的开关10a和10b以及与这些开关串联的第一电感器10c组成。第二分支11由两个开关11a和11b以及第二电感器11c组成。类似于参考第一实施例所描述的，在第二实施例中还可以观察到，流经一个分支上的一个开关的任何电流也流经该分支上的另一个开关，即在这两个开关之间没有电流节点。
图3和图4分别示出了第一实施例和第二实施例的变型。
图3的电路与图1的电路的不同之处在于整流器7不再是全波整流器，而是倍压器(voltage doubler)。
类似地，图4的电路与图2的电路的不同之处在于整流器7是倍压器，而不再是全波整流器。
本发明不限于刚刚描述的示例。
在未被描述的变型中，AC网络是多相的，特别是三相的。
在其他变型中，电容变压器可以布置在电路1的多相(例如三相)部分中，包括当AC网络是单相时。因此，图5示出了频率提升级6具有三角形配置的情况。这里，三角形的每一侧限定了频率提升级6的两个分支，这些分支中的每一个包括串联布置的两个可控电子开关(在该图中未单独示出)，使得每个分支产生开关单元。可以观察到，在三角形的同一侧的两个分支具有公共端子，形成频率提升级的输出端和电容变压器的输入端。
图6示出了频率提升级6具有星形配置的情况。这里，星形的每个臂限定了频率提升级6的两个分支，这些分支中的每一个包括串联布置的两个可控电子开关，从而产生开关单元。星形的同一个臂上的这两个分支有一个公共端子，形成频率提升级的输出端和电容变压器的输入端。
在图5和图6的示例中，可以使用磁耦合电感器代替分别与电容变压器的一个电容器串联的电感器，类似于参考图2所描述的。
在未被描述的变型中，第二DC电压源从AC网络充电。在这种情况下，频率提升级6可以对于第一DC电压源和第二DC电压源是公共的。
本发明也可以用于其他应用。如上所述的电容式变压器可以用于使由网络连接的两个设备之间的通信信号绝缘，所述网络例如CAN、SPI RS-485、RS-232数据网络等。

Claims (11)

1.一种电路(1)，用于从AC电压网络对DC电压源充电，所述电路包括：
-输入端(3)，能够从电压网络接收AC电压，
-第一输出端(4)，能够连接到DC电压源，
-绝缘级，使用多个电容器(30、31)而形成，
所述绝缘级被布置成将所述电路的所述输入端(3)与所述第一输出端(4)电绝缘，
和
-频率提升级(6)，布置在所述电路的所述输入端(3)与所述绝缘级之间，使得所述绝缘级的所述电容器处于电路部分中，所述电路部分具有以大于AC网络频率的频率流经所述电路部分的AC电流，所述频率提升级(6)不同于整流器和逆变器串联的关联，
所述频率提升级(6)包括：
-第一分支(10)，包括串联布置的两个可控电子开关(10a、10b)，从而产生在电流方面和在电压方面双向的第一开关单元，以及
-第二分支(11)，包括串联布置的两个可控电子开关(11a、11b)，从而产生在电流方面和在电压方面双向的第二开关单元，
所述频率提升级(6)的所述第一和第二分支(10、11)具有形成所述频率提升级的输出端和所述绝缘级的输入端的公共端子(15)。
2.根据权利要求1所述的电路，所述绝缘级布置在所述电路(1)的单相部分中，或者布置在所述电路(1)的多相部分中，特别是在三相部分中。
3.根据权利要求1或2所述的电路，电感器(12)与所述绝缘级的电容器串联连接。
4.根据权利要求1或2所述的电路，所述频率提升级(6)的所述第一分支(10)包括第一电感器(10c)，并且所述频率提升级(6)的所述第二分支(11)包括第二电感器(11c)，所述第一电感器和所述第二电感器磁耦合。
5.根据前述权利要求中任一项所述的电路，包括整流器(7)，所述整流器(7)连接在所述绝缘级与所述第一输出端之间。
6.根据权利要求5所述的电路，所述整流器(7)是全波整流器或倍压器。
7.根据前述权利要求中任一项所述的电路，所述频率提升级(6)的每个分支(10、11)都使得流经所述分支上的开关单元之一的所有电流也流经同一分支上的另一个开关单元。
8.根据前述权利要求中任一项所述的电路，还包括电流调节级(8)，所述电流调节级(8)布置在所述整流器(7)与所述第一输出端(4)之间。
9.根据前述权利要求中任一项所述的电路，所述频率提升级(6)配置为将50Hz的频率带到200Hz与100MHz之间的频率值。
10.一种组件，包括：
-根据前述权利要求中任一项所述的电路，以及
-连接到所述电路的所述第一输出端的DC电压源，所述DC电压源特别地具有48V的标称值。
11.根据权利要求10所述的组件，包括电路板，所述绝缘级的所述电容器(30、31)安装在所述电路板上。
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