CN115313866A - 双升压dc/dc转换器 - Google Patents

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Abstract

一种用于双升压DC/DC转换器的电压平衡电路(100)，包括：具有中点(103)的分离DC链路(101、102)；与所述DC链路(101、102)并联连接的外部定向器件(111、114)和内部开关(112、113)，其中，所述外部定向器件与所述分离DC链路的电容器连接且与所述内部开关连接，且所述内部开关在中点(121)处彼此连接；以及DC电源(140)端子，DC电源通过电感与所述内部开关并联地可连接到该DC电源端子上；其中，电感与所述DC链路的中点连接且与所述内部开关的中点连接。

Description

双升压DC/DC转换器
技术领域
本发明涉及一种用于双升压DC/DC转换器的电压平衡电路、一种双升压转换器、一种用来控制用于双升压DC/DC转换器的电压平衡电路的方法、一种用于电压平衡电路的控制器、一种不间断电源(UPS)、一种电压平衡电路的用途和一种程序单元。
背景技术
本发明涉及在分离DC链路中的电压平衡，其(例如)结合三电平(3L)中性点箝位(NPC)拓扑使用。
如今，电压平衡是通过以不连续导电模式(DCM)驱动的专用平衡电路即所谓的第四支路(降压－升压拓扑)来实现的。其它结构可能具有中性支路。此外，已知UPS用于利用作为双升压转换器实现并作为3L转换器操作的电池线路DC/DC转换器的平衡能力。
UPS或光伏逆变器可能面临与第四支路转换器的有限功率能力有关的DC链路不平衡问题。根本原因可能是负载电流中的DC偏移(例如半波整流器)，但更常见的是，负载电流上存在偶次谐波(如电动机软启动器或非线性负载，如医疗设备)。在双转换操作中，UPS可以借助于整流器确保平衡的DC链路电压，例如在输入电流中引入DC偏移和/或偶次谐波。然而，在储能操作期间，UPS受到第四支路转换器的功率能力的限制。
发明内容
可能希望提供一种改进的双升压转换器。
该问题由独立权利要求的主题解决。实施例由从属权利要求、以下描述和附图提供。
所描述的实施例类似地涉及用于双升压DC/DC转换器的电压平衡电路、双升压转换器、用来控制用于双升压DC/DC转换器的电压平衡电路的方法、用于电压平衡电路的控制器、不间断电源(UPS)、电压平衡电路的用途和程序单元。协同效果可以由实施例的不同组合产生，尽管它们可能没有被详细描述。
此外，应当注意，本发明的关于方法的所有实施例可以以所述步骤的顺序来执行，然而这不必是该方法的步骤的唯一且基本的顺序。除非在下文中明确相反地提及，否则在不脱离相应方法实施例的情况下，本文呈现的方法可以按所公开的步骤的另一顺序实施。
技术术语按其常识使用。如果将特定含义转用至某些术语，则将在下面在使用术语的上下文中给出术语的定义。
根据第一方面，提供了一种用于双升压DC/DC转换器的电压平衡电路。所述电压平衡电路包括具有中点的分离DC链路、外部定向器件和与所述DC链路并联连接的内部开关，其中，所述定向器件与所述分离DC链路的电容器连接且与所述内部开关连接，且所述内部开关在中点处彼此连接。电压平衡电路还包括DC电源端子，DC电源通过电感与内部开关并联地可连接到该DC电源端子上。电感与DC链路的中点连接且与内部开关的中点连接。
所提出的电压平衡电路允许转换器操作和DC电源升压操作，而不会产生不期望的电压，特别是不期望的共模电压，在硬件和控制方面的付出很小，因此成本较低。
根据一个实施例，开关包括晶体管和反并联二极管，并且定向器件是二极管。二极管被定向为使得它们作为续流二极管工作。为了既在转换器模式下又在DC电源模式下操作具有上述效果的电路，开关必须是可控的，并且提供续流能力。因此，在本公开中，术语“开关”用于可控元件，例如晶体管和相关的续流二极管。
根据一个实施例，定向器件还包括晶体管，并且二极管是相对于这些晶体管反并联的二极管。在此情况下，定向器件具有与内部开关相同的晶体管－二极管配置，因此在本公开中称为“外部开关”。反并联二极管在此也称为续流二极管。
根据一个实施例，所述内部开关包括第一内部开关和第二内部开关，其中，所述开关被配置为根据以下方案重复地切换：
S1：第一和第二内部开关被接通；
S2：在第一时间间隔之后，断开第二内部开关；
S3：在另一个第二时间间隔之后，断开第一内部开关；
S4：在另一个第三时间间隔之后，跳转到S1。
第一和第二内部开关的切换顺序可以颠倒，使得在S2之前执行S3。也就是说，内部开关中的一个稍后相对于另一个内部开关以预定义的延迟关闭。该措施允许电压平衡，而不在DC电源端子上施加不期望的共模(CM)电压。在步骤S2期间，存储流入在中点之间的电感中的电流，并且在步骤S3中再次分配电流，然后在步骤S4中再次接通第一和第二内部开关，使得在DC电源端子上不施加CM电压。
根据一个实施例，第三时间间隔的长度等于或大于第二时间间隔。通过将时间延长的两倍配置为完全适合于续流阶段，确保了电流将被完全分配，即直到达到0A，然后第一和第二内部开关再次接通，并且因此确保了没有CM电压被施加在DC电源端子上。
根据一个实施例，电压平衡电路还包括DC电源。
根据一个实施例，DC电源是电池或太阳能电池板。然而，可能的DC电源的类型不限于此。
根据第二方面，提供了一种双升压转换器，其包括根据第一方面或第一方面的实施例的电压平衡电路。双升压转换器从DC电源提供能量，例如作为UPS或太阳能逆变器的一部分。
根据一个实施例，当没有电流与DC电源交换时，双升压转换器作为用于DC链路电压平衡的降压－升压转换器操作。
也就是说，当用于提供DC电源电流的双升压转换器作为降压－升压转换器操作时，电压平衡电路也平衡DC链路电压。这通过以通常方式配置对开关的控制来实现。
根据第三方面，提供了一种用来控制用于双升压DC/DC转换器的电压平衡电路的方法，该方法包括以下步骤：
S1：将第一和第二内部开关接通；
S2：在第一时间间隔之后，断开第二内部开关；
S3：在另一个第二时间间隔之后，断开第一内部开关；
S4：在另一个第三时间间隔之后，跳转到S1。
如上面关于电压平衡电路的解释中所提到的，步骤S2和S3可以反转。为了进一步解释，参考对电压平衡电路的描述和附图。
根据第四方面，提供一种用于如本文所述的电压平衡电路的控制器。所述控制器被配置为控制所述电压平衡电路执行下列步骤：S1：将第一和第二内部开关接通，S2：在第一时间间隔之后，断开第二内部开关，S3：在另一个第二时间间隔之后，断开第一内部开关，S4：在另一个第三时间间隔之后，跳转到S1，这些是所述方法的步骤。控制器可以包括没有可编程逻辑的电路，或者可以是或包括微控制器、现场可编程门阵列(FPGA)、ASIC、复杂可编程逻辑器件(CPLD)或本领域技术人员已知的任何其它可编程逻辑器件。
根据一个实施例，控制器被配置为当没有电流与DC电源交换时驱动电压平衡电路作为用于DC链路电压平衡的降压－升压转换器。即，控制器被配置为提供两种操作模式。第一种是作为双升压转换器的操作，其中控制器被配置为执行步骤S1至S4。第二个是作为不涉及DC电源的降压－升压转换器的操作。在该操作模式下，以另一种方式控制开关。例如，上面的外部定向器件和内部开关同时接通，而下面的定向器件和内部开关断开，反之亦然。“上面的”是指在内部开关的中点与正DC总线之间的部分，其提供正DC电容器与上面的定向器件的连接。相应地，“下面的”开关是在内部开关的中点与负DC总线之间的在负DC电容器处的开关。
根据第五方面，提供了一种不间断电源(UPS)，其包括如本文所述的电压平衡电路和/或控制器。
根据第六方面，提供了根据第一方面或第一方面的实施例的电压平衡电路在UPS、光伏/太阳能逆变器、电池能量存储系统(BESS)、将DC微电网接口到AC电网的转换器或任何合适的替代的能量存储系统中的用途。
根据第七方面，提供了一种程序单元，当在根据第四方面或第四方面的实施例的控制器上执行时，该程序单元指示控制器执行根据第三方面的方法的步骤。计算机程序单元可以是计算机程序的一部分，但它本身也可以是整个程序。例如，计算机程序单元可以用于更新已经存在的计算机程序以得到本发明。
可以提供一种计算机可读介质，在其上存储有程序单元。对于UPS，DC电源可以是电池，而在诸如光伏/太阳能逆变器的其它应用中，DC电源可以例如是太阳能电池板、升压DC/DC转换器和逆变器。如果后者是3L NPC(3电平中性点钳位)/TNPC(晶体管中性点钳位)逆变器，则可以使用双升压DC/DC转换器，其利用本发明的益处可以提供平衡能力。
附图说明
参考附图和以下描述，将更好地理解本发明的这些和其它特征、方面和优点。
图1示出了电压平衡电路的拓扑的示意图；
图2a示出了图1的示意图和在第一阶段中电流的流动；
图2b和2c示出了在第一阶段中第一和第二内部开关的控制信号的曲线图；
图2d示出了流经与DC电源连接的电感Lb的电流的曲线图；
图2e示出了在第一阶段中流经与中点连接的电感L4的电流的曲线图；
图3a示出了图1的示意图和在第二阶段中电流的流动；
图3b和3c示出了在第二阶段中第一和第二内部开关的控制信号的曲线图；
图3d示出了在第二阶段中流经与DC电源连接的电感Lb的电流的曲线图；
图3e示出了在第二阶段中流经与中点连接的电感L4的电流的曲线图；
图4a示出了图1的示意图以及第三阶段中的电流的流动；
图4b和4c示出了在第三阶段中第一和第二内部开关的控制信号的曲线图；
图4d示出了在第三阶段中流经与DC电源连接的电感Lb的电流的曲线图；
图4e示出了在第三阶段中流经与中点连接的电感L4的电流的曲线图；
图5示出了由转换器桥施加的电压的曲线图；
图6示出了DC电源端子上的共模(CM)电压；
图7示出了DC链路电压；
图8示出了该方法的流程图。
这些附图仅仅是示意性的而不是按比例的。原则上，相同或相似的部件具有相同的附图标记。
具体实施方式
采用所公开的发明，可以利用升压转换器的贡献来增强平衡能力。事实上，所公开的发明消除了对专用第四支路转换器的需要，因此潜在地减少了成本/占地面积。同时，所公开的发明的一个特殊方面是，在DC电源端子处不存在共模(CM)电压。虽然一些电池浮动接地，并且非常耐受CM电压，替代的能量存储技术(尤其是需要接口转换器的那些技术)可能会出现CM电压限制。最后，这些特性还便于多个UPS系统的公共DC电源操作。因此，降低了成本和占地面积，并且提高了UPS系统的平衡能力。本发明还提供了改进的应用兼容性，因为它减轻了当前解决方案的限制，并且促进了与替代能量存储系统的兼容性以及各UPS系统在它们的DC端口处的并联。
图1示出了电压平衡电路(100)的拓扑的示意图。该电路基于转换器拓扑，该转换器拓扑包括由正DC电容器101和负电容器102组成的DC链路。在这些电容器之间是中点103。与DC链路101、102并联连接一系列开关111、112、113和114。将DC链路与一系列开关连接的开关111和114被称为“外部定向器件”或“外部开关”。相应地，外部开关之间的开关112和113被称为“内部开关”。开关由晶体管和反并联续流二极管组成。晶体管被标出为对应于开关111、112、113和114的T1、T2、T3和T4。内部开关112、113在中点121处彼此连接。在此作为示例，DC电源140可以是电池。电池140分别通过电感131和132与开关连接。更详细地，电感131与外部开关111和内部开关112的连接点连接，电感132与内部开关113和外部开关114的连接点连接。所描绘的电路100中的特性是被设置在DC链路101、102的中点103与内部开关112、113的中点121之间的电感L4 120。电感120实现如下所述的电压平衡功能。如图所示的电感器131和132被耦合，即，它们被布置为具有单独绕组的单个差动扼流圈组件。然而，在一些实施例中，绕组可以是分开的。
图2a至2e示出了在第一切换状态期间在电压平衡电路100中的电流的流动以及电流的曲线图和内部开关的状态。图2b示出了T2的导通状态，图2c示出了T3的导通状态，其对应于在此描述并在图8中绘出的方法800的步骤S1 802。图2a示出了电流从电池的正极经由电感131、内部开关112和113以及电感132到电池140的负极132的流动。通过电流的这种流动，电感131和132被加载。图2d示出了与电池140连接的电感131中的电流的上升。由于T2和T3是导通的，所以在内部和外部开关的连接点之间，即在开关111和112之间，以及在开关113和114之间的电压是零，使得没有电流流到在各中点之间的电感120，如图2e中所示。
图3a至3e示出了在第二切换状态期间在电压平衡电路100中的电流的流动和电流的曲线图以及内部开关的状态。图3b示出了T2的导通状态，图3c示出了T3的断开状态，其对应于在此描述的方法的步骤S2 804。断开T3一方面导致通过开关111的续流二极管将存储在电感131中的电流驱动到电容器101，并且经由断开的晶体管驱动到电感120。如图3d中所示，电感131的电流减小，而电感120的电流量增加。此外，电流也保持流过T4 114的续流二极管和电感器132。
图4a至4e示出了在第三切换状态期间在电压平衡电路100中的电流的流动和电流的曲线图以及内部开关的状态。图4b示出了T2的断开状态，图4c示出了T3的断开状态，其对应于在此描述的方法的步骤S3 806。在该阶段，电感120继续驱动电流经由DC电容器102和续流二极管114以及开关114的续流二极管流回到电感120。因此，131中存储的电流流过开关111的续流二极管，并因此进一步减小，如图4d中所示，并且，关键是，在下一个周期开始之前，电流减小到零。也就是说，通过确保两倍的时间延长，即两倍的int2(其为在断开T2与T3之间的时间)完全适合在续流阶段内，将不会在电池端子上施加CM电压。这也可以表示为Int3必须大于Int2。此外，电流保持流过电感器132、131和T1 111的续流二极管。
因此，所提出的拓扑和在断开T3与T2之间的延迟避免了当两个内部开关都闭合时由通过外部开关的续流二极管的持续导通引起的电压峰值，这将导致在电池端子上施加共模(CM)电压。
当空载时，即同时驱动T1和T2或同时驱动T3和T4，加载L4电感器，并使其通过相反对的FWD放电时，也可以通过将BCB作为第4支路转换器来操作，来获得DC电压平衡。
图5示出了由电压平衡电路桥施加的差动电压。如果T2或T3之一断开，则电压为850V，如果T2和T3闭合，则电压为0V。
图6示出了电池端子上的CM电压，并且可以看出CM电压如所期望的那样保持近似为零。
图7示出了仅具有轻微波纹的DC链路电压。纹波与电池电压相比于DC链路电压的比例有关。可以通过增加DC链路电容和/或转换器开关频率来减小电压纹波。
图8示出了包括以下步骤的方法800的图：
在第一步骤S1，802中：第一和第二开关被接通。在第二步骤S2，804中，在第一时间间隔之后，断开第二开关。在第三步骤S3，806中，在另一个第二时间间隔之后，断开第一开关。在第四步骤S4，808中，在另一个第三时间间隔之后，跳到S1 802，并且重复先前的步骤。
通过研究附图、公开内容和所附权利要求，本领域技术人员在实践所要求保护的本发明时可以理解和实现所公开的实施例的其它变型。在权利要求中，术语“包括”不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。单个处理器或其它单元可以实现权利要求中所述的若干项目或步骤的功能。在相互不同的从属权利要求中叙述某些措施的单纯事实并不表示不能有利地使用这些措施的组合。计算机程序可以存储/分布在适当的介质上，例如与其他硬件一起提供或作为其他硬件的一部分提供的光存储介质或固态介质，但是也可以以其他形式分布，例如经由因特网或其他有线或无线电信系统。权利要求中的任何附图标记不应被解释为限制权利要求的范围。
附图标记列表
100 电压平衡电路
101 正DC分离链路电容器
102 负DC分离链路电容器
103 DC分离链路的中点
111 正DC总线上的定向器件(二极管)/外部开关(具有反并联二极管的晶体管)
112 上面的内部开关
113 下面的内部开关
114 负DC总线上的定向器件/外部开关
120 连接在DC链路中点和内部开关中点之间的电感
121 内部开关之间的中点
131 与DC电源的正端子连接的电感
132 与DC电源的负端子连接的电感
140 DC电源
800 控制电压平衡电路的方法
802 方法步骤S1
804 方法步骤S2
806 方法步骤S3
808 方法步骤S4

Claims (15)

1.一种用于双升压DC/DC转换器的电压平衡电路(100)，包括：
具有中点(103)的分离DC链路(101、102)；
与所述DC链路(101、102)并联连接的外部定向器件(111、114)和内部开关(112、113)，其中所述外部定向器件与所述分离DC链路的电容器连接且与所述内部开关(112、113)连接，并且所述内部开关(112、113)在中点(121)处彼此连接；以及
DC电源端子，DC电源(140)通过电感(131、132)与所述内部开关(112、113)并联地可连接到所述DC电源端子上；
其中电感(120)与所述DC链路的中点(103)连接且与所述内部开关(112、113)的中点(121)连接。
2.根据权利要求1所述的电压平衡电路(100)，其中所述内部开关(112、113)包括晶体管和反并联二极管，并且所述定向器件(111、114)是二极管。
3.根据权利要求2所述的电压平衡电路(100)，其中所述定向器件(111、114)还包括晶体管，并且所述二极管是相对于这些晶体管反并联的二极管。
4.根据前述权利要求中任一项所述的电压平衡电路(100)，其中所述内部开关(112、113)包括第一内部开关(112)和第二内部开关(113)，并且其中所述开关(111、112、113、14)被配置为根据以下方案重复地切换：
S1：所述第一内部开关(112)和所述第二内部开关(113)被接通；
S2：在第一时间间隔之后，所述第二内部开关(113)被断开；
S3：在另一个第二时间间隔之后，所述第一内部开关(112)被断开；
S4：在另一个第三时间间隔之后，跳转到S1。
5.根据权利要求4所述的电压平衡电路(100)，其中所述第三时间间隔的长度等于或大于所述第二时间间隔。
6.根据前述权利要求中任一项所述的电压平衡电路(100)，其中所述电压平衡电路(100)还包括所述DC电源(140)。
7.根据前述权利要求中任一项所述的电压平衡电路(100)，其中所述DC电源(140)是电池或太阳能电池板。
8.一种双升压转换器，包括根据前述权利要求中任一项所述的电压平衡电路(100)。
9.根据权利要求8所述的双升压转换器，其中当没有电流与所述DC电源(140)交换时，所述双升压转换器作为用于DC链路电压平衡的降压－升压转换器操作。
10.一种用于控制根据权利要求1至7中任一项所述的电压平衡电路(100)的方法(800)，包括以下步骤：
S1(802)：将第一内部开关(112)和第二内部开关(113)接通；
S2(804)：在第一时间间隔int1之后，断开所述第二内部开关(113)；
S3(806)：在另一个第二时间间隔int2之后，断开所述第一内部开关(112)；
S4(808)：在另一个第三时间间隔int3之后，跳转到S1(802)。
11.一种用于根据权利要求1至7所述的电压平衡电路(100)的控制器，被配置为控制所述电压平衡电路(100)执行以下步骤：
S1(802)：将第一内部开关(112)和第二内部开关(113)接通；
S2(804)：在第一时间间隔int1之后，断开所述第二内部开关(113)；
S3(806)：在另一个第二时间间隔int2之后，断开所述第一内部开关(112)；
S4(808)：在另一个第三时间间隔int3之后，跳转到S1(802)。
12.根据权利要求11所述的控制器，其中所述控制器被配置成当没有电流与所述DC电源(140)交换时驱动所述电压平衡电路(100)作为用于DC链路电压平衡的降压－升压转换器。
13.一种不间断电源(UPS)，包括根据权利要求1－7中任一项所述的电压平衡电路(100)和/或根据权利要求11或12中任一项所述的控制器。
14.一种根据权利要求1至7所述的电压平衡电路(100)在UPS、光伏/太阳能逆变器、电池能量存储系统(BESS)或将DC微电网接口接合到AC电网的转换器中的用途。
15.一种程序单元，其当在根据权利要求11或12之一的控制器上执行时，指示所述控制器执行根据权利要求10所述的方法的步骤。
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