CN116325465A - 电容绝缘型电力转换装置 - Google Patents
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Abstract
电容绝缘型电力转换装置(10)具备具有开关元件(Q1～Q4)的1次侧电路(30)、与1次侧电路(30)连接的第1连接线(LN1)以及第2连接线(LN2)、设置于第1连接线(LN1)上的第1电容器(C1)、设置于第2连接线(LN2)上的第2电容器(C2)、第3连接线(LN3)、设置于第3连接线(LN3)上的励磁电感器(L1)、2次侧电路(40)和控制电路(60)。控制电路(60)通过控制开关频率来控制从2次侧电路(40)输出的直流电的电压即输出电压(Vout)。
Description
技术领域
本公开涉及电容绝缘型电力转换装置。
背景技术
专利文献1公开了使用变压器在1次侧电路与2次侧电路之间进行电力传送的绝缘型的电力转换装置。在专利文献1所示那种的绝缘型的电力转换装置中，经由变压器在1次侧电路与2次侧电路之间进行电力传送。由此，即使在产生了任何异常的情况下，也难以产生在1次侧电路与2次侧电路之间传送直流电的情况，因此能够实现安全性的提高。
专利文献1：日本特开2017－55536号公报
这里，在如上述那样使用变压器的情况下，因变压器的体格以及重量，担心电力转换装置的大型化以及重量化。
对此，例如，可以考虑不使用变压器而使用电容器在1次侧电路与2次侧电路之间进行电力传送的电容绝缘型电力转换装置。然而，在使用电容器的情况下，存在难以控制从2次侧电路输出的电压即输出电压这样的课题。
发明内容
本公开的目的在于提供能够控制输出电压的电容绝缘型电力转换装置。
本公开的1个方式的电容绝缘型电力转换装置具备：1次侧电路，其构成为，具有开关元件，并通过该开关元件以规定的开关频率交替地切换为导通状态和断开状态，将输入电力转换为交流电；第1连接线以及第2连接线，它们与上述1次侧电路连接；第1电容器，其设置于上述第1连接线上；第2电容器，其设置于上述第2连接线上；2次侧电路，其构成为，通过上述第1以及第2连接线经由上述第1以及第2电容器与上述1次侧电路连接，将从上述第1以及第2连接线输入的交流电转换为直流电；第3连接线，其设置于比上述第1电容器以及上述第2电容器靠上述2次侧电路，将上述第1连接线与上述第2连接线连接；励磁电感器，其设置于上述第3连接线上；以及控制部，其构成为控制上述开关元件，上述控制部构成为，通过控制上述开关频率、上述开关元件的占空比或在上述1次侧电路中流动的交流电的相位，来控制从上述2次侧电路输出的直流电的电压即输出电压。
附图说明
图1是表示电容绝缘型电力转换装置的一例的电路图。
图2是表示开关频率与转换比的关系的图表。
图3是表示其他例子的电容绝缘型电力转换装置的电路图。
图4是表示又一其他例子的电容绝缘型电力转换装置的电路图。
具体实施方式
以下，说明电容绝缘型电力转换装置的1个实施方式。此外，以下的记载表示电容绝缘型电力转换装置的一例，电容绝缘型电力转换装置不限定于本实施方式的内容。
如图1所示，本实施方式的电容绝缘型电力转换装置10例如与蓄电装置101和负载102连接。详细而言，电容绝缘型电力转换装置10具备输入端11、12以及输出端21、22。输入端11、12与蓄电装置101连接，输出端21、22与负载102连接。
电容绝缘型电力转换装置10是将从蓄电装置101被输入输入端11、12的放电电压Vb的直流电转换为所希望的电压的直流电并经由输出端21、22朝向负载102输出的DC/DC转换装置。在本实施方式中，放电电压Vb的直流电对应于“输入电力”。
电容绝缘型电力转换装置10具备1次侧电路30、2次侧电路40、第1连接线LN1、第2连接线LN2、第3连接线LN3和共振电路50。
1次侧电路30具有开关元件Q1～Q4。1次侧电路30通过该开关元件Q1～Q4以规定的开关频率f交替地切换为导通状态和断开状态，将输入电力转换为交流电。
例如，1次侧电路30具有通过第1中间线30a相互串联连接的第1上臂开关元件Q1以及第1下臂开关元件Q2、和通过第2中间线30b相互串联连接的第2上臂开关元件Q3以及第2下臂开关元件Q4。
1次侧电路30与输入端11、12连接。详细而言，两上臂开关元件Q1、Q3与第1输入端11连接，两下臂开关元件Q2、Q4与第2输入端12连接。放电电压Vb的直流电被输入1次侧电路30。
2次侧电路40将从两连接线LN1、LN2输入的交流电转换为直流电，换言之，对交流电进行整流。2次侧电路40与输出端21、22连接，通过2次侧电路40被转换成的直流电从输出端21、22输出。
2次侧电路40例如具有二极管桥。详细而言，2次侧电路40具有通过第3中间线40a彼此在正向上连接的第1上臂二极管D1以及第1下臂二极管D2、和通过第4中间线40b彼此在正向上连接的第2上臂二极管D3以及第2下臂二极管D4。另外，2次侧电路40具有将从二极管桥输出的直流电平滑化的平滑电容器41。
两连接线LN1、LN2将1次侧电路30与2次侧电路40连接。换言之，两连接线LN1、LN2与1次侧电路30连接，2次侧电路40通过两连接线LN1、LN2与1次侧电路30连接。详细而言，第1连接线LN1将第1中间线30a与第3中间线40a连接，第2连接线LN2将第2中间线30b与第4中间线40b连接。
共振电路50具有设置于第1连接线LN1上的第1电容器C1和设置于第2连接线LN2上的第2电容器C2。1次侧电路30和2次侧电路40经由两电容器C1、C2连接。
两电容器C1、C2的电容例如相同。但是，不限于此，两电容器C1、C2的电容也可以不同。
第3连接线LN3设置于比两电容器C1、C2靠2次侧电路40。换言之，第3连接线LN3设置于两电容器C1、C2与2次侧电路40之间。此外，在本说明书中，“靠……”以及“……之间”等表示位置关系的用语不是指空间上的位置关系，而是指电路的位置关系。第3连接线LN3将两连接线LN1、LN2连接。详细而言，第3连接线LN3连接着将第1电容器C1与2次侧电路40连接的第1连接线LN1的一部分和将第2电容器C2与2次侧电路40连接的第2连接线LN2的一部分。
本实施方式的共振电路50具备励磁电感器L1和共振电感器L2。
励磁电感器L1设置于第3连接线LN3上。励磁电感器L1例如可以由专用的线圈构成，也可以由第3连接线LN3所包含的寄生电感器构成。励磁电感器L1的电感例如比共振电感器L2的电感高。此外，为了便于说明，在以下的说明中，将在励磁电感器L1中流动的电流也称为励磁电流。
共振电感器L2例如设置于第1连接线LN1上。共振电感器L2例如可以由专用的线圈构成，也可以由第1连接线LN1所包含的寄生电感器构成。
在本实施方式中，共振电感器L2设置于比励磁电感器L1靠1次侧电路30。换言之，共振电感器L2设置于励磁电感器L1与1次侧电路30之间。详细而言，共振电感器L2在第1连接线LN1上设置于和第1电容器C1的连接点与和第3连接线LN3的连接点之间的部分上。因此，励磁电流也在共振电感器L2中流动。因此，在共振电感器L2中，也产生反电动势。即，在本实施方式中，两电感器L1、L2作为伴随开关元件Q1～Q4的开关动作进行励磁的电感成分发挥功能。
本实施方式的共振电路50由两电容器C1、C2和两电感器L1、L2构成。1次侧电路30和2次侧电路40可以说是经由共振电路50连接。
根据该结构，通过两电容器C1、C2，1次侧电路30和2次侧电路40彼此绝缘。详细而言，通过两电容器C1、C2来切断或限制1次侧电路30与2次侧电路40之间的直流电的传送。另一方面，能够进行经由两电容器C1、C2的交流电的传送。
即，在本实施方式中，电容绝缘型是指1次侧电路30与2次侧电路40间的直流电的传送通过两电容器C1、C2被切断的形式，1次侧电路30与2次侧电路40间的交流电的传送被允许。
这里，本实施方式的共振电路50具有两种共振频率fm1、fm2。第1共振频率fm1是由两电容器C1、C2的电容和两电感器L1、L2的电感决定的共振频率。第2共振频率fm2是由两电容器C1、C2的电容和共振电感器L2的电感决定的共振频率。第2共振频率fm2比第1共振频率fm1高。
如图1所示，电容绝缘型电力转换装置10具备控制1次侧电路30的各开关元件Q1～Q4的控制部即控制电路60。
控制电路60例如也可以是具有存储器和CPU的处理电路，其中，上述存储器存储有执行用于控制各开关元件Q1～Q4的控制处理的程序、必要的信息，上述CPU基于上述程序执行控制处理。
但不限于此，控制电路60例如可以是具有专用硬件电路的处理电路，也可以是包含1个或多个专用硬件电路与执行软件处理的CPU的组合在内的处理电路。换言之，控制电路60的具体结构是任意的。控制电路60例如只要是通过1个以上的专用的硬件电路以及根据计算机程序(软件)进行动作的1个以上的处理器中的至少一方来实现的处理电路即可。
控制电路60以规定的开关模式将各开关元件Q1～Q4交替地切换为导通状态和断开状态。
例如，将第1上臂开关元件Q1以及第2下臂开关元件Q4为导通状态且第1下臂开关元件Q2以及第2上臂开关元件Q3为断开状态的开关模式设为第1模式。而且，将第1上臂开关元件Q1以及第2下臂开关元件Q4为断开状态且第1下臂开关元件Q2以及第2上臂开关元件Q3为导通状态的开关模式设为第2模式。控制电路60以开关频率f将开关模式交替地切换为第1模式和第2模式。由此，放电电压Vb的直流电被转换为交流电。
本实施方式的控制电路60通过控制开关频率f来控制从2次侧电路40换言之输出端21、22输出的直流电的电压即输出电压Vout。针对该点，使用图2以下详细进行说明。图2是示意地表示转换比R相对于开关频率f的图表。转换比R是指输出电压Vout相对于放电电压Vb的比率。
如图2所示，在本实施方式的电容绝缘型电力转换装置10中，转换比R根据开关频率f而变动。详细而言，在开关频率f是第1共振频率fm1的情况下，转换比R最大。转换比R的最大值比“1”大。而且，随着开关频率f比第1共振频率fm1大，转换比R变小，在开关频率f成为第2共振频率fm2时，转换比R成为“1”。若开关频率f比第2共振频率fm2高，则转换比R比“1”小。
即，如果开关频率f处于从第1共振频率fm1至第2共振频率fm2的范围内(fm1≤f≤fm2)，则转换比R成为“1”以上，因此输出电压Vout成为放电电压Vb以上。即，在开关频率f处于从第1共振频率fm1至第2共振频率fm2的范围内的情况下，在电容绝缘型电力转换装置10中进行升压动作。
另外，在fm1≤f≤fm2的条件下，各开关元件Q1～Q4能够在电压为0V的状态下进行开关。即，在fm1≤f≤fm2的条件下的各开关元件Q1～Q4的接通是零电压开关(ZVS)。换言之，在fm1≤f≤fm2的条件下的开关元件Q1～Q4在接通时的开关方式成为软开关方式。
顺便说一下，在fm1≤f≤fm2的条件下，2次侧电路40的各二极管D1～D4的动作成为零电流开关(ZCS)。由此，难以产生恢复电流，因此能够使用正向电压低的二极管。因此，能够实现损失的降低。
另一方面，在开关频率f比第2共振频率fm2大的情况下(f＞fm2)，转换比R小于“1”，因此输出电压Vout比放电电压Vb低。即，在开关频率f比第2共振频率fm2高的情况下，在电容绝缘型电力转换装置10中，进行降压动作。
控制电路60例如基于放电电压Vb和上述频率特性来控制开关频率f以输出所希望的输出电压Vout。详细而言，控制电路60基于放电电压Vb和输出电压Vout的目标值来导出成为目标的转换比R，并以能够得到该转换比R的开关频率f控制各开关元件Q1～Q4。
例如，控制电路60在进行升压动作的情况下，将开关频率f在从第1共振频率fm1至第2共振频率fm2的范围内进行控制，另一方面，在进行降压动作的情况下，使开关频率f比第2共振频率fm2高。
接下来，说明本实施方式的作用。
通过各开关元件Q1～Q4以开关频率f交替地切换为导通状态和断开状态来进行电力转换。在本实施方式中，放电电压Vb的直流电通过1次侧电路30被转换为交流电，通过1次侧电路30、两电容器C1、C2以及励磁电感器L1进行电压转换。而且，被电压转换了的交流电通过2次侧电路40被整流。在该情况下，通过变更开关频率f来变更转换比R，并且变更输出电压Vout。
根据以上详述的本实施方式，起到以下的效果。
(1)电容绝缘型电力转换装置10具备1次侧电路30、与1次侧电路30连接的第1连接线LN1以及第2连接线LN2、第1电容器C1、第2电容器C2、第3连接线LN3、励磁电感器L1、2次侧电路40和作为控制部的控制电路60。
1次侧电路30具有开关元件Q1～Q4。1次侧电路30通过开关元件Q1～Q4以规定的开关频率f交替地切换为导通状态和断开状态而将作为输入电力的放电电压Vb的直流电转换为交流电。电容器C1、C2分别设置于连接线LN1、LN2上。第3连接线LN3设置于比两电容器C1、C2靠2次侧电路40，将第1连接线LN1以及第2连接线LN2连接。励磁电感器L1设置于第3连接线LN3上。2次侧电路40通过两连接线LN1、LN2经由两电容器C1、C2与1次侧电路30连接。2次侧电路40将从两连接线LN1、LN2输入的交流电转换为直流电。控制电路60控制开关元件Q1～Q4。控制电路60通过控制开关频率f来控制从2次侧电路40输出的直流电的电压即输出电压Vout。
根据该结构，通过开关元件Q1～Q4以开关频率f交替地切换为导通状态和断开状态，电容绝缘型电力转换装置10进行将输入电力转换为直流电的电力转换。
由于在1次侧电路30与2次侧电路40之间夹设有两电容器C1、C2，所以1次侧电路30和2次侧电路40彼此绝缘。由此，即使在因任何重要因素而产生了异常的情况下，也能够抑制直流电在1次侧电路30与2次侧电路40之间传送，因此能够实现安全性的提高。
特别是在本实施方式中，不是通过变压器，而是通过两电容器C1、C2实现了绝缘。通常，和变压器比较，两电容器C1、C2是轻型以及小型的，且廉价。由此，和使用变压器的结构比较，能够实现轻型化、小型化以及成本的降低。
另外，在具有上述两电容器C1、C2以及励磁电感器L1的电容绝缘型电力转换装置10中，输出电压Vout相对于作为输入电力的电压的放电电压Vb的比率即转换比R根据开关频率f而改变。着眼于该特性，本实施方式的控制电路60通过控制开关频率f来控制输出电压Vout。由此，在使用两电容器C1、C2进行绝缘的结构中，能够控制输出电压Vout。
(2)电容绝缘型电力转换装置10具备设置于第1连接线LN1上或第2连接线LN2上的共振电感器L2、和包含两电容器C1、C2以及两电感器L1、L2在内的共振电路50。在本实施方式中，共振电感器L2设置于第1连接线LN1上。
根据该结构，由于能够使各开关元件Q1～Q4的接通为ZVS，所以能够实现损失的降低以及电涌的抑制。
(3)共振电感器L2设置于比励磁电感器L1靠1次侧电路30。
根据该结构，流过励磁电感器L1的电流即励磁电流在共振电感器L2中也流动。由此，由于共振电感器L2也作为伴随开关元件Q1～Q4的开关动作进行励磁的电感成分发挥功能，所以能够降低励磁电感器L1的电感。因此，能够实现励磁电感器L1的小型化等。
(4)共振电路50具有两种共振频率fm1、fm2。第1共振频率fm1是基于两电容器C1、C2的电容和两电感器L1、L2的电感的共振频率。第2共振频率fm2是基于两电容器C1、C2的电容和共振电感器L2的电感的共振频率。第2共振频率fm2比第1共振频率fm1高。
在该结构中，控制电路60在进行升压动作的情况下，将开关频率f在从第1共振频率fm1至第2共振频率fm2的范围内进行控制，另一方面，在进行降压动作的情况下，使开关频率f比第2共振频率fm2高。
根据该结构，通过控制开关频率f，能够进行升压和降压这双方。
此外，上述实施方式也可以如以下那样变更。另外，也可以在技术上不产生矛盾的范围内，将上述实施方式与各其他例子组合。
如图3所示，共振电感器L2也可以设置于比励磁电感器L1靠2次侧电路40。换言之，共振电感器L2也可以设置于励磁电感器L1与2次侧电路40之间。例如，共振电感器L2也可以在第1连接线LN1上设置于和2次侧电路40的连接点与和第3连接线LN3的连接点之间的部分上。在该情况下，能够抑制励磁电流在共振电感器L2中流动，因此能够减少由共振电感器L2产生的损失。
共振电感器L2和第1电容器C1也可以反过来配置。详细而言，共振电感器L2也可以设置于比第1电容器C1靠1次侧电路30的附近。
1次侧电路30的具体的电路结构只要能够将输入电力转换为交流电，可以是任意的。
例如，如图4所示，1次侧电路30也可以是具有相互串联连接的串联电容器Cx、上臂开关元件Qx以及下臂开关元件Qy的结构。串联电容器Cx以及两臂开关元件Qx、Qy的串联连接体与输入端11、12连接。
在该情况下，第1连接线LN1将2次侧电路40与连接第1输入端11与串联电容器Cx的线连接。第2连接线LN2将2次侧电路40与连接两臂开关元件Qx、Qy的线连接。
另外，共振电路50的具体的电路结构是任意的。例如，如图4所示，电容绝缘型电力转换装置10也可以除第3连接线LN3之外另外具有第4连接线LN4。第4连接线LN4例如配置于比共振电感器L2以及两电容器C1、C2靠1次侧电路30。详细而言，第4连接线LN4连接着将1次侧电路30与共振电感器L2连接的第1连接线LN1的一部分、和将1次侧电路30与第2电容器C2连接的第2连接线LN2的一部分。
共振电路50除设置于第3连接线LN3上的第1励磁电感器L1之外，还具备设置于第4连接线LN4上的第2励磁电感器L3。即，该其他例子的共振电路50由两电容器C1、C2和电感器L1、L2、L3构成。
根据该结构，输出电压Vout根据两臂开关元件Qx、Qy的占空比而变化。因此，控制电路60通过控制两臂开关元件Qx、Qy的占空比来控制输出电压Vout。由此，能够使用电容器C1、C2使1次侧电路30和2次侧电路40彼此绝缘，且能够实现所希望的输出电压Vout。
控制电路60也可以构成为，通过控制在1次侧电路30中流动的交流电的相位来控制输出电压Vout。换言之，电容绝缘型电力转换装置10也可以是移相方式的DC/DC转换器。
总之，电容绝缘型电力转换装置10只要构成为具备具有开关元件的1次侧电路30、2次侧电路40、两连接线LN1、LN2、两电容器C1、C2以及励磁电感器L1，并且输出电压Vout根据开关频率f、占空比或相位而变化即可。而且，控制电路60只要构成为通过控制开关频率f、占空比或相位来控制输出电压Vout即可。
2次侧电路40的具体的电路结构只要能够将从共振电路50输入的交流电转换为直流电，可以是任意的。例如，2次侧电路40也可以是代替二极管具有2次侧开关元件并通过该2次侧开关元件以开关频率f进行导通/断开来进行电力转换的结构。
另外，2次侧电路40也可以为，边对从共振电路50输入的交流电进行升压或降压，边将其转换为直流电。在该情况下，也可以构成为，通过不仅控制开关频率f、开关元件Q1～Q4的占空比或在1次侧电路30中流动的交流电的相位，还控制2次侧电路40，来控制输出电压Vout。即，电容绝缘型电力转换装置10不限于仅通过1次侧电路30来控制输出电压Vout的结构。
共振电路50也可以包含除两电容器C1、C2以及两电感器L1、L2以外的元件。总之，共振电路50至少具有两电容器C1、C2以及两电感器L1、L2即可。
共振电感器L2也可以设置于第2连接线LN2上。另外，共振电感器L2也可以设置于第1连接线LN1上和第2连接线LN2上这双方。
也可以省略共振电感器L2。即使在该情况下，在电容绝缘型电力转换装置10中，也能够进行电力转换。但是，如果着眼于在开关元件Q1～Q4的接通时能够实现软开关方式的点，则电容绝缘型电力转换装置10具有共振电感器L2较好。
电容绝缘型电力转换装置10也可以另外具备设置于2次侧电路40与输出端21、22之间的DC/DC转换电路或DC/AC转换电路。
虽然电容绝缘型电力转换装置10是DC/DC转换器，但不限于此。例如，电容绝缘型电力转换装置10也可以是供交流电作为输入电力输入且将该交流电转换为直流电的AC/DC转换装置。即，输入电力不限于蓄电装置101的电力，是任意的，例如也可以是交流电。在该情况下，电容绝缘型电力转换装置10也可以具备对输入电力进行整流并输出至1次侧电路30的整流电路。
Claims (5)
1.一种电容绝缘型电力转换装置，其特征在于，具备：
1次侧电路，其构成为，具有开关元件，并通过该开关元件以规定的开关频率交替地切换为导通状态和断开状态，将输入电力转换为交流电；
第1连接线以及第2连接线，它们与所述1次侧电路连接；
第1电容器，其设置于所述第1连接线上；
第2电容器，其设置于所述第2连接线上；
2次侧电路，其构成为，通过所述第1以及第2连接线经由所述第1以及第2电容器与所述1次侧电路连接，将从所述第1以及第2连接线输入的交流电转换为直流电；
第3连接线，其设置于比所述第1电容器以及所述第2电容器靠所述2次侧电路，将所述第1连接线与所述第2连接线连接；
励磁电感器，其设置于所述第3连接线上；以及
控制部，其构成为控制所述开关元件，
所述控制部构成为，通过控制所述开关频率、所述开关元件的占空比、或在所述1次侧电路中流动的交流电的相位，来控制从所述2次侧电路输出的直流电的电压即输出电压。
2.根据权利要求1所述的电容绝缘型电力转换装置，其特征在于，具备：
共振电感器，其设置于所述第1连接线上或所述第2连接线上；以及
共振电路，其包含所述第1以及第2电容器、所述共振电感器以及所述励磁电感器。
3.根据权利要求2所述的电容绝缘型电力转换装置，其特征在于，
所述共振电感器设置于比所述励磁电感器靠所述1次侧电路。
4.根据权利要求3所述的电容绝缘型电力转换装置，其特征在于，
所述共振电路具有基于所述第1以及第2电容器的电容、所述励磁电感器的电感以及所述共振电感器的电感的第1共振频率、和基于所述第1以及第2电容器的电容以及所述共振电感器的电感的第2共振频率，
所述第2共振频率比所述第1共振频率高，
所述控制部构成为，
在进行升压动作的情况下，将所述开关频率在从所述第1共振频率至所述第2共振频率的范围内进行控制，
另一方面，
在进行降压动作的情况下，使所述开关频率比所述第2共振频率高。
5.根据权利要求2所述的电容绝缘型电力转换装置，其特征在于，
所述共振电感器设置于比所述励磁电感器靠所述2次侧电路。
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