CN114175481B - 电力转换系统的dc-dc转换器 - Google Patents

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Abstract

公开了一种电力转换系统的DC‑DC转换器。本发明的拓扑包括：串联的第一开关至第四开关；串联的第五开关至第八开关；并联到所述第一开关和第二开关的串联的第一电容器；并联到所述第五开关和第六开关的串联的第二电容器；并联到所述第三开关和第四开关的串联的第三电容器；并联到所述第七开关和第八开关的串联的第四电容器；第一电感器，其电连接于所述第一开关与第二开关之间的第一节点和所述第五开关与第六开关之间的第二节点；以及第二电感器，其电连接于所述第三开关与第四开关之间的第三节点和所述第七开关与第八开关之间的第四节点，所述第一电感器和第二电感器是耦合电感器，所述第二开关与第三开关之间的第五节点和所述第六开关与第七开关之间的第六节点电等效。

Description

电力转换系统的DC-DC转换器
技术领域
本发明涉及电力转换系统的DC-DC转换器。
背景技术
电力转换系统，是将直流(DC)电力转换成其他适合应用于负载(load)的电力的系统。例如，电动汽车可以利用存储于储能装置(电池)的电能给电动马达提供电力。
此种电力转换系统可以包括双向DC-DC转换器。双向DC-DC转换器可以在储能装置与逆变器之间转换电压。逆变器给电动马达提供电力，或者也通过再生制动从电动马达接收电力。此时，双向DC-DC转换器或调整从储能装置到逆变器的电压并给电动马达提供电力，或调整来自逆变器的电压并给储能装置充电。
近期，用于光伏发电或储能装置等的DC电压逐渐上升，趋势是需要一种对策以在发生事故时保护包括储能装置的系统。
然而，现有的DC-DC转换器存在以下问题：输入/输出电压范围小，发生DC短路事故时无法断开。因此，需要一种用于双向DC-DC转换器的新的拓扑。
发明内容
发明所要解决的问题
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种在应对宽泛的输入/输出电压的同时，在发生DC短路事故时能够有效地断开的DC-DC转换器。
解决问题的技术方案
为了解决如上所述的技术问题，本发明一实施例的DC-DC转换器可以包括：串联的第一开关至第四开关；串联的第五开关至第八开关；第一电容器，其并联到所述第一开关和第二开关的串联；第二电容器，其并联到所述第五开关和第六开关的串联；第三电容器，其并联到所述第三开关和第四开关的串联；第四电容器，其并联到所述第七开关和第八开关的串联；第一电感器，其电连接于所述第一开关与第二开关之间的第一节点和所述第五开关与第六开关之间的第二节点；以及第二电感器，其电连接于所述第三开关与第四开关之间的第三节点和所述第七开关与第八开关之间的第四节点，所述第一电感器和第二电感器可以构成耦合电感器，所述第二开关与第三开关之间的第五节点和所述第六开关与第七开关之间的第六节点可以电等效。
在本发明一实施例中，所述第二开关与第三开关之间的第五节点和所述第六开关与第七开关之间的第六节点可以电等效。
在本发明一实施例中，所述第一开关与第二开关、第三开关与第四开关、第五开关与第六开关以及第七开关与第八开关分别可以互补地动作。
在本发明一实施例中，也可以是，所述第五开关和第八开关接通(on)，所述第六开关和第七开关断开(off)，通过所述第一开关和第四开关的接通/断开动作使输出电压小于输入电压。
在本发明一实施例中，也可以是，所述第一开关和第四开关接通，所述第二开关和第三开关断开，通过所述第六开关和第七开关的接通/断开动作使输出电压大于输入电压。
在本发明一实施例中，所述DC-DC转换器还可以包括：串联的第九开关至第十二开关；串联的第十三开关至第十六开关；串联的第十七开关至第二十开关；串联的第二十一开关至第二十四开关；第三电感器，其电连接于所述第九开关与第十开关之间的第七节点和所述第十三开关与第十四开关之间的第八节点；第四电感器，其电连接于所述第十一开关与第十二开关之间的第九节点和所述第十五开关与第十六开关之间的第十节点；第五电感器，其电连接于所述第十七开关与第十八开关之间的第十一节点和所述第二十一开关与第二十二开关之间的第十二节点；以及第六电感器，其电连接于所述第十九开关与第二十开关之间的第十三节点和所述第二十三开关与第二十四开关之间的第十四节点，所述第三电感器和第四电感器可以构成第二耦合电感器，所述第五电感器和第六电感器可以构成第三耦合电感器。
在本发明一实施例中，所述第五节点、所述第六节点、所述第十开关与第十一开关之间的第十五节点、所述第十四开关与第十五开关之间的第十六节点、第十八开关与第十九开关之间的第十七节点和第二十二开关与第二十三开关之间的第十八节点可以电等效。
在本发明一实施例中，所述DC-DC转换器可以构成为模块化，至少两个以上的所述DC-DC转换器可以并联。
另外，为了解决如上所述的技术问题，本发明一实施例的DC-DC转换器可以包括上部转换器以及与所述上部转换器串联的下部转换器，所述上部转换器可以包括：串联的第一开关与第二开关；串联的第三开关与第四开关；第一电感器，其电连接于所述第一开关与第二开关之间的第一节点和所述第三开关与第四开关之间的第二节点；第一存储部，其并联到所述第一开关和第二开关的串联；以及第二存储部，其并联到所述第三开关和第四开关的串联，所述下部转换器可以包括：串联的第五开关与第六开关；串联的第七开关与第八开关；第二电感器，其电连接于所述第五开关与第六开关之间的第三节点和所述第七开关与第八开关之间的第四节点；第三存储部，其并联到所述第五开关和第六开关的串联；以及第四存储部，其并联到所述第七开关和第八开关的串联，所述第一电感器和第二电感器可以构成耦合电感器，所述第二开关和所述第五开关可以串联，所述第四开关和所述第六开关可以串联。
在本发明一实施例中，所述第一开关与第二开关、第三开关与第四开关、第五开关与第六开关以及第七开关与第八开关分别可以互补地动作。
在本发明一实施例中，也可以是，所述第三开关和第八开关接通，所述第四开关和第七开关断开，通过所述第一开关和第六开关的接通/断开动作使输出电压小于输入电压。
在本发明一实施例中，也可以是，所述第一开关和第六开关接通，所述第二开关和第五开关断开，通过所述第四开关和第七开关的接通/断开动作使输出电压大于输入电压。
发明效果
在如上所述的本发明中，由于开关串联，因此其效果在于：能够基于低电压的开关器件来利用高输入/输出电压。
另外，本发明的效果在于：能够通过耦合电感器缩小电感器的体积，减少损耗。
另外，本发明的效果在于：有效地应对DC短路事故。
附图说明
图1是用于说明应用本发明一实施例的电力转换系统的一示例的框图。
图2是用于说明应用本发明一实施例的电力转换系统的另一示例的框图。
图3a至图3c是用于说明现有的DC-DC转换器拓扑的电路图。
图4是用于说明本发明一实施例的DC-DC转换器的拓扑的电路图。
图5是用于说明本发明一实施例的DC-DC转换器的动作的一示例图。
图6是图5的耦合电感器的等效电路图。
图7是用于说明本发明一实施例的DC-DC转换器构成为三相的情形的一示例图。
具体实施方式
为了充分理解本发明的构成和效果，参照附图说明本发明的优选实施例。然而，本发明并不限于以下公开的实施例，可以以各种形式实施，并可以有各种不同的变更。提供本实施例的说明，仅仅旨在使本发明完整公开，并向本发明所属技术领域普通技术人员完整指出发明的范围。在附图中，为了便于说明，相较于实际，放大图示了组成部分的大小，各组成部分的比例可以放大或缩小。
“第一”、“第二”等术语可以用于说明各种不同的组成部分，但是所述组成部分不应被上述术语所限定。上述术语仅仅可以用于区分一个组成部分与另一个组成部分的目的。例如，在不脱离本发明权利范围的前提下，“第一组成部分”可以被命名为“第二组成部分”，类似地，“第二组成部分”亦可以被命名为“第一组成部分”。另外，除非上下文有明确表示，单数的表达中包含复数的表达。本发明的实施例中所使用的术语，除另有定义，可以解释为所属技术领域普通技术人员所公知的含义。
以下，参照附图说明本发明一实施例的电力转换系统的DC-DC转换器。
图1是用于说明应用本发明一实施例的电力转换系统的一示例的框图。
如图所示，应用本发明一实施例的系统，可以包括：储能部100、DC-DC转换器1、DC链部110和逆变器120。
在图1的系统中，存储于储能部100的DC电压可以由本发明一实施例的DC-DC转换器1升压或降压后，提供给DC链部110，存储于DC链部110的DC电压可以由逆变器120转换成交流AC电压后，传达给负载(load)。
如上所述，本发明一实施例的DC-DC转换器1可以将存储于储能部100的DC电压的大小转换后，提供给DC链部110。
此时，控制部7可以分别控制DC-DC转换器1的复数个开关，从而将输入DC电压转换后，输出DC电压。
图2是用于说明应用本发明一实施例的电力转换系统的另一示例的框图。
如图所示，应用本发明一实施例的系统可以包括：光伏发电部(Photovoltaic，PV)200、DC-DC转换器1和储能部210。
在本发明一实施例中，DC-DC转换器1可以将由PV200生产的DC电压转换之后，提供给储能部210存储。
此时，控制部7可以分别控制DC-DC转换器1的复数个开关，从而将输入DC电压转换后，输出DC电压。
然而，本发明的DC-DC转换器1并不限于提供给以上所提及的系统，而是可以应用于以各种大小转换提供DC电压的系统。
以下，将先说明现有的DC-DC转换器拓扑，再说明本发明一实施例的DC-DC转换器。
图3a至图3c是用于说明现有的DC-DC转换器拓扑的电路图。
图3a示出了既往基本使用的两级升压拓扑，在输入电压为650V时，输出电压在650V以下，为了输出1500V的电压，则需要2000V的开关器件。另外，存在当发生DC短路时无法断开的问题。
图3b示出了中性点钳位(neutral-point-clamped，NPC)拓扑，在输入电压为650V时，输出电压在400至1500V范围内，为了输出1500V的电压，需要1200V的开关器件。图3b的拓扑虽然能够在发生DC短路事故时断开，但是存在无法平衡电容器电压的问题。
图3c示出了飞电容器(flying capacitor)拓扑，在输入电压为650V时，输出电压在400至1500V范围内，为了输出1500V的电压，需要1200V的开关器件。图3c的拓扑虽然能够在发生DC短路事故时断开，但是存在以下问题：电感器频率为两倍，飞电容器的尺寸变大，致使转换器本身的尺寸也变大，需要电容器初始充电电路，需要进行控制以维持电压。
图4是用于说明本发明一实施例的DC-DC转换器的电路图。
如图所示，本发明一实施例的DC-DC转换器1可以包括：依次串联的第一开关11至第四开关14、依次串联的第五开关15至第八开关18。第一开关11至第八开关18例如可以分别为绝缘栅双极晶体管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)，但本发明并不限于此，可以使用各种不同种类的半导体开关器件。
第一开关11与第一开关12可以在控制部7的控制下，互补(complementary)地动作。互补地动作意味着在第一开关11接通时第一开关12断开，而在第一开关11断开时第一开关12接通。同样，第三开关13与第四开关14可以互补地动作，第五开关15与第六开关16可以互补地动作。另外，第七开关17与第八开关18可以互补地动作。
第一开关11至第四开关14的串联可以并联到第一电容器21和第三电容器23的串联。此时，第一开关12与第三开关13之间的节点F和第一电容器21与第三电容器23之间的节点E可以电等效。即，第一开关11和第二开关12的串联可以与第一电容器21并联，第三开关13和第四开关14的串联可以与第三电容器23并联。
另外，第五开关15至第八开关18的串联可以并联到第二电容器22和第四电容器24的串联。此时，第六开关16与第七开关17之间的节点G和第二电容器22与第四电容器24之间的节点H可以电等效。即，第五开关15和第六开关16的串联可以与第二电容器22并联，第七开关17和第八开关18的串联可以与第四电容器24并联。
第一电感器31可以电连接于第一开关11与第一开关12之间的节点A和第五开关15与第六开关16之间的节点B。第二电感器32可以电连接于第三开关13与第四开关14之间的节点C和第七开关17与第八开关18之间的节点D。
第一电感器31和第二电感器32可以相互耦合构成耦合电感器(coupledinductor)。即，第一电感器31和第二电感器32的匝数比可以相同，第一电感器31的一次线圈与第二电感器32的二次线圈可以通过磁芯磁耦合。
另外，在本发明一实施例中，第一开关12与第三开关13之间的节点F和第六开关16与第七开关17之间的节点G可以电等效。因此，节点E、节点F、节点G和节点H可以电等效。
如上所述，通过所构成的拓扑，本发明的DC-DC转换器1可以构成为非绝缘型，并且是能够双向地进行升压和降压的结构。
在本发明一实施例的DC-DC转换器1中，开关串联，因此能够基于低电压的开关器件，利用高的输入/输出电压。另外，能够通过耦合电感器缩小电感器的体积，减少损耗。另外，能够有效地应对DC短路事故。
在如图4所示的拓扑中，当本发明一实施例的DC-DC转换器1作为降压(Buck)转换器工作时，第一开关11和第四开关14可以在控制部7的控制下被控制为接通或断开，第一开关12可以与第一开关11互补地动作，第三开关13可以与第四开关14互补地动作。另外，控制部7可以控制第五开关15和第八开关18使其接通，控制第六开关16和第七开关17使其断开。
另外，当本发明一实施例的DC-DC转换器1作为升压(Boost)转换器工作时，第六开关16与第七开关17可以在控制部7的控制下被控制为接通或断开，第五开关15可以与第六开关16互补地动作，第八开关18可以与第七开关17互补地动作。另外，控制部7可以控制第一开关11和第四开关14使其接通，控制第一开关12和第三开关13使其断开。
如图4所示的本发明一实施例的DC-DC转换器1可以构成为模块化。通过此种构成，此种DC-DC转换器1可以分别并联。
通过并联的模块化的DC-DC转换器1，可以得到想要的大小的输出电压。
图5是用于说明本发明一实施例的DC-DC转换器的动作的一示例图，举例示出了将DC-DC转换器1用作Buck转换器的情形。然而，虽然在本发明一实施例中举例说明了控制部7在半个周期Ts/2中的一部分区间5A接通第一开关11，另一部分区间5B则将其断开(此时，第四开关14断开)，在另外半个周期Ts/2中的一部分区间5C接通第四开关14，另一部分区间5D则将其断开(此时，第一开关11断开)的情形，但是亦可控制为在半个周期中全部接通或断开(即，在半个周期中接通第一开关11，断开第四开关14，在另外半个周期中断开第一开关11，接通第四开关14)，5A与5B之比、5C与5D之比也并不限于图5所示。
参见图5的(a)，控制部7可以控制第一开关11和第四开关14的接通/断开。即，可以控制为在半个周期Ts/2的一部分区间5A中接通第一开关11，另一部分区间5B则断开第一开关11。此时，在该半个周期中，第四开关14可以被控制为断开。另外，可以控制为在另外半个周期的一部分区间5C接通第四开关14，另一部分5D则断开第四开关14。此时，在该另外半个周期中，第一开关11可以被控制为断开。由于是Buck转换器的情形，第一开关12及第三开关13分别与第一开关11及第四开关14互补地动作，第五开关15和第八开关18接通，第六开关16和与第七开关17断开。
由此，如(b)，在第一开关11接通的5A区间中，可以给第一电感器31施加如5E的电压V1。此时，电压V1的大小5E可以是第一电容器21的电压VC1减去第二电容器22的电压VC2的值。另外，在一个周期内第一开关11断开的区间(除5A之外的区间)，可以给第一电感器31施加如同5F的电压V1。电压V1的大小5F可以是第二电容器22的电压的反向电压。
另外，在第四开关14接通的区间5C中，可以给第二电感器32施加如同5H的电压V2。此时，电压V2的大小5H可以是第三电容器23的电压VC3减去第四电容器24的电压VC4的值的反向电压。另外，在一个周期内第四开关14断开的区间(除5C之外的区间)，可以给第二电感器32施加如同5G的电压V2。电压V2的大小5G可以是第四电容器24的电压VC4。
另一方面，可以通过耦合电感器30的互感来施加电压VM。此时，电压VM实际上是不可测的电压，是通过建模求出的值。
图6是图5的耦合电感器的等效电路图。
如图所示，耦合电感器30可以等效于第一电感器31的电感L1、第二电感器32的电感L2以及互感LM。
即，实际上对流经第一电感器31的电流i1以及流经第二电感器32的电流i2造成影响的电压是V1-VM以及V2-VM。
参见图5的(b)，VM为通过开闭第一开关11和第四开关14而被施加的电压，在各开关为断开时，VM可以成为0，在第一开关11接通的区间5A，则成为指定大小5I，在第四开关14接通的区间5C，则成为5I的反向电压5J。VM的大小是通过建模求出的值，其并不限于本发明中的说明。
因此，如同图5的(c)，可以求出实际上对流经第一电感器31的电流i1以及流经第二电感器32的电流i2造成影响的电压V1-VM以及V2-VM，由此可以如同图5的(d)，确定流经第一电感器31的电流i1以及流经第二电感器32的电流i2。
图7是用于说明本发明一实施例的DC-DC转换器构成为三相的情形的一示例图。
如图所示，在本发明一实施例的三相DC-DC转换器2中，在每一相包括四个串联的开关的两个桥臂(leg)51、62中，在上部的两个开关之间的各节点上，连接有第一电感器71，在下部的两个开关之间的各节点上，连接有第二电感器72，第一电感器71和第二电感器72可以是匝数相同的耦合电感器。
第一桥臂61上部的两个开关的串联可以与第一电容器81并联，下部的两个开关的串联可以与第三电容器83并联。另外，第二桥臂62上部的两个开关的串联可以与第二电容器82并联，下部的两个开关的串联可以与第四电容器84并联。
以上说明是针对一个相的构成的说明，这与图5中的说明相同，其余两个相也分别具有与之相同的构成。
然而，这仅仅是示例性的，本发明一实施例的DC-DC转换器并不限于扩展为三相，各个桥臂可以构成为N相。此时，在各个桥臂中，上部的两个开关以及下部的两个开关之间的节点可以是等效的，与上部的两个开关之间的节点连接的电感器和与下部的两个开关之间的节点连接的电感器可以构成耦合电感器。
通过此种构成，可以应对宽泛的输入/输出电压，可以通过应用耦合电感器来缩小电感器体积。
另外，当将如同图5或图7的转换器模块化并并联时，不需要进行脉冲宽度调制(PWM)同步，因此可以使产品容易运用。
以上说明了根据本发明的实施例，但是这仅仅是示例性的，本领域普通技术人员则可以理解能够由此导出各种变形以及等同范围的实施例。因此，本发明的实际的技术保护范围应取决于权利要求书。

Claims (9)

1.一种DC-DC转换器，其中，包括：
串联的第一开关至第四开关；
串联的第五开关至第八开关；
第一电容器，其并联到彼此互补地动作的所述第一开关和第二开关的串联；
第二电容器，其并联到彼此互补地动作的所述第五开关和第六开关的串联；
第三电容器，其并联到彼此互补地动作的所述第三开关和第四开关的串联；
第四电容器，其并联到彼此互补地动作的所述第七开关和第八开关的串联；
第一电感器，其电连接于所述第一开关与第二开关之间的第一节点和所述第五开关与第六开关之间的第二节点；以及
第二电感器，其电连接于所述第三开关与第四开关之间的第三节点和所述第七开关与第八开关之间的第四节点，
所述第一电感器和第二电感器构成第一耦合电感器，所述第一电感器的一次线圈与所述第二电感器的二次线圈磁耦合，
所述第二开关与所述第三开关之间的第五节点和所述第六开关与所述第七开关之间的第六节点连接为，所述第五节点和所述第六节点电等效。
2.根据权利要求1所述的DC-DC转换器，其中，
所述第五开关和第八开关接通，所述第六开关和第七开关断开，通过所述第一开关和第四开关的接通/断开动作使输出电压小于输入电压。
3.根据权利要求1所述的DC-DC转换器，其中，
所述第一开关和第四开关接通，所述第二开关和第三开关断开，通过所述第六开关和第七开关的接通/断开动作使输出电压大于输入电压。
4.根据权利要求1所述的DC-DC转换器，其中，还包括：
串联的第九开关至第十二开关；
串联的第十三开关至第十六开关；
串联的第十七开关至第二十开关；
串联的第二十一开关至第二十四开关；
第三电感器，其电连接于所述第九开关与第十开关之间的第七节点和所述第十三开关与第十四开关之间的第八节点；
第四电感器，其电连接于所述第十一开关与第十二开关之间的第九节点和所述第十五开关与第十六开关之间的第十节点；
第五电感器，其电连接于所述第十七开关与第十八开关之间的第十一节点和所述第二十一开关与第二十二开关之间的第十二节点；以及
第六电感器，其电连接于所述第十九开关与第二十开关之间的第十三节点和所述第二十三开关与第二十四开关之间的第十四节点，
所述第三电感器和第四电感器构成第二耦合电感器，所述第五电感器和第六电感器构成第三耦合电感器。
5.根据权利要求4所述的DC-DC转换器，其中，
所述第五节点、所述第六节点、所述第十开关与第十一开关之间的第十五节点、所述第十四开关与第十五开关之间的第十六节点、第十八开关与第十九开关之间的第十七节点和第二十二开关与第二十三开关之间的第十八节点电等效。
6.根据权利要求1所述的DC-DC转换器，其特征在于，
所述DC-DC转换器构成为模块化，至少两个以上的所述DC-DC转换器并联而成。
7.一种DC-DC转换器，其中，包括：
上部转换器；以及
下部转换器，其与所述上部转换器串联，
所述上部转换器包括：
彼此互补地动作的串联的第一开关与第二开关；
彼此互补地动作的串联的第三开关与第四开关；
第一电感器，其电连接于所述第一开关与第二开关之间的第一节点和所述第三开关与第四开关之间的第二节点；
第一存储部，其并联到所述第一开关和第二开关的串联；以及
第二存储部，其并联到所述第三开关和第四开关的串联，
所述下部转换器包括：
彼此互补地动作的串联的第五开关与第六开关；
彼此互补地动作的串联的第七开关与第八开关；
第二电感器，其电连接于所述第五开关与第六开关之间的第三节点和所述第七开关与第八开关之间的第四节点；
第三存储部，其并联到所述第五开关和第六开关的串联；以及
第四存储部，其并联到所述第七开关和第八开关的串联，
所述第一电感器和第二电感器构成耦合电感器，所述第一电感器的一次线圈与所述第二电感器的二次线圈磁耦合，
所述第二开关和所述第五开关串联，所述第四开关和所述第七开关串联，所述第二开关与所述第五开关之间的第五节点和所述第四开关与所述第七开关之间的第六节点连接为，所述第五节点和所述第六节点电等效。
8.根据权利要求7所述的DC-DC转换器，其中，
所述第三开关和第八开关接通，所述第四开关和第七开关断开，通过所述第一开关和第六开关的接通/断开动作使输出电压小于输入电压。
9.根据权利要求7所述的DC-DC转换器，其中，
所述第一开关和第六开关接通，所述第二开关和第五开关断开，通过所述第四开关和第七开关的接通/断开动作使输出电压大于输入电压。
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