CN1409475A - 转换器电路配置以及匹配可变dc电压的方法 - Google Patents

Abstract

一种转换器电路配置，用于将可变DC电压匹配到产生驱动信号的驱动电路，有一个三点DC电压中间电路，三点DC电压中间电路是由第一电容和与其串联的第二电容构成的，第一电容的一个接头构成了三点DC电压中间电路的上接头，第一电容在与第二电容的连接点处构成了中点接头，第二电容的一个接头构成了三点DC电压中间电路的下接头。提供了第一部分转换器系统和第二部分转换器系统，第一部分转换器系统的输入端与产生DC电压的DC电压源的第一电极连接，第二部分转换器系统的输入端与DC电压源的第二电极连接，第一部分转换器系统的第一输出与上接头相连，第二部分转换器系统的第一输出与下接头相连。此外，第一部分转换器系统的第二输出通过中点接头与第二部分转换器系统的第二输出串联。还定义了一种用于匹配可变DC电压的方法。

Description

转换器电路配置以及 匹配可变DC电压的方法

技术领域

本发明涉及功率电子学领域，基于转换器电路配置和用于匹配可变DC电压的方法，如在独立权利要求的特征部分中所要求的。

现有技术

在输出端具有可变DC电压的两极DC电压源是，例如，从燃料电池应用知名的，燃料电池代表具有可变DC电压的DC电压源。通常由于不同的DC电压电平，这样的DC电压源供电给一个三点DC电压中间电路，该电路是由第一电容和与其串联的第二电容构成的。此外第一电容的一个接头构成了三点DC电压中间电路的上接头，第二电容的一个接头构成了三点DC电压中间电路的下接头。此外，在第一电容和第二电容的连接点处构成了三点DC电压中间电路的中点接头。三点转换器电路有一个驱动电路产生驱动信号，通常是连接到三点DC电压中间电路的上接头、中间接头和下接头，根据驱动信号来驱动三点转换器电路的功率转换。三点转换器电路将DC电压源的电能供给，例如，电AC电压供应网络。

类似这样的三点转换器电路的一个问题是三点转换器电路中的功率转换必须设计成将DC电压源宽范围的DC电压转换到这个范围，特别是要根据功率。但是，这导致相当高的成本，在这种情况下设计中必须要考虑提供足够大的电压余量。但是，当时只能由非常昂贵的元件来提供这样的电压余量，和/或只能通过较高级别的电路复杂性来达到这一点。因为DC电压源是直接连接到三点DC电压中间电路，所以中间电路电压与可变DC电压相关，因此只能通过高成本且复杂的驱动电路来驱动三点转换器电路中的功率转换才可能将受控的功率传输到电AC电压供应网络。

发明内容

因此本发明的一个目标是确定一种匹配可变DC电压的转换器电路配置，使用该配置可以在三点DC电压中间电路中产生基本恒定的中间电路电压。另一个目标是确定一种匹配可变DC电压的方法，使用该方法以非常简单的方式产生基本恒定的中间电路电压。这些目标是通过权利要求1和9中的特征达到的。在从属权利要求中还详细说明了本发明更多的发展。

根据本发明用于匹配可变DC电压的转换器电路配置有一个产生驱动信号的驱动电路和一个三点DC电压中间电路。三点DC电压中间电路是由第一电容和与其串联的第二电容构成的，第一电容的一个街头构成了三点DC电压中间电路的上接头，第一电容在与第二电容连接点处形成了中点接头。此外，第二电容的一个接头构成了三点DC电压中间电路的下接头。根据本发明，提供了一个第一部分转换器系统和一个第二部分转换器系统，第一部分转换器系统的输入端与产生DC电压的DC电压源的第一电极相连，第二部分转换器系统的输入端与DC电压源的第二电极相连。此外，第一部分转换器系统的第一输出与上接头相连，第二部分转换器系统的第一输出与下接头相连。此外，第一部分转换器系统的第二输出通过中点接头与第二部分转换器系统的第二输出串联。根据本发明的转换器电路配置有益的是可以在DC电压中间电路中产生基本恒定的中间电路电压，第一部分转换器系统在第一电容两端产生基本恒定的第一中间电路电压，第二部分转换器系统在第二电容两端产生基本恒定的第二中间电路电压。因此三点转换器电路中从三点DC电压中间电路供电的功率电容可以根据基本恒定的中间电路电压来设计，不需要降低来提供大的电压余量，这样可以节省相当大的成本。此外，不需要高成本且复杂的驱动电路来驱动三点转换器电路中的功率转换，使受控的功率传输到电AC电压供应网络。此外，转换器电路配置处理最小数目的元件，可以以低级别的电路复杂性来制造。而且，根据本发明的转换器电路配置由于结构简单，元件数量少，所以便于维护和修理。

在根据本发明、使用如上所述的根据本发明的转换器电路配置来匹配可变DC电压的方法中，驱动第一部分转换器系统将第一中间电路电压设置为可以预先定义的中间电路电压额定值，驱动第二部分转换器系统将第二中间电路电压设置为可以预先定义的中间电路电压额定值。这种驱动部分转换器系统的方法有利于以非常简单的方式产生基本恒定的中间电路电压，特别是第一和第二中间电路电压。三点转换器电路通常连接到对应的三点DC电压中间电路，有利的是不需要任何复杂的驱动过程，设计用于可变DC电压，用于三点转换器电路中的功率转换。此外，可以使用根据本发明的方法良好的稳定三点DC电压中间电路。

通过下面结合附图对本发明优选的典型实施方案的详细描述，本发明的这些和其它目标、优点和特征将显露出来。

附图描述

在图形中：

图1显示了根据本发明的转换器电路配置的第一实施方案，

图2显示了根据本发明的转换器电路配置的第二实施方案，以及

图3显示了根据本发明的转换器电路配置驱动电路的实施方案。

在参考符号列表中以总结的形式列出了附图中使用的参考符号及它们的含义。原则上，相同的部分使用相同的参考符号和图形。所描述的实施方案说明了本发明要点的例子，没有任何限制的作用。

具体实施方式

图1显示了根据本发明匹配可变DC电压的转换器电路配置1的第一实施方案。转换器电路配置1包括一个驱动电路28，用于产生驱动信号S₁₁，…S_1n；S₂₁，…S_2n，在图3中举例说明了这样一种驱动电路28的一个实施方案，后面将会描述。此外，转换器电路配置1有一个三点DC电压中间电路2，是由第一电容3和与其串联的第二电容4构成的，第一电容3的一个接头构成了三点DC电压中间电路2的上接头。此外，第一电容3在与第二电容4的连接点处形成了中点接头6。此外，第二电容4的一个接头构成了三点DC电压中间电路2的下接头7。

根据本发明，转换器电路配置1包括第一部分转换器系统8和第二部分转换器系统9，第一部分转换器系统8的输入端与产生DC电压的DC电压源11的第一电极10相连。根据图1，第二部分转换器系统9的输入端与DC电压源11的第二电极12相连。此外，第一部分转换器系统8的第一输出13与上接头5连接，第二部分转换器系统9的第一输出14与下接头7连接。此外，根据本发明，第一部分转换器系统8的第二输出15通过中点接头6与第二部分转换器系统9的第二输出16串联。第一部分转换器系统8有利的是可以将在第一电容3上产生的第一中间电路电压U_DC1设置成基本恒定的值，第二部分转换器系统9有利的是可以将在第二电容4上产生的第二中间电路电压U_DC2设置成基本恒定的值，这样可以在两个电容3、4两端产生基本恒定的中间电路电压，即使出于清楚的目的在图1中没有显示这一点。因此，举例来说，与三点DC电压中间电路2连接的转换器电路，特别是三点转换器电路，可以进一步处理来自DC电压源11的已匹配的DC电压而不产生任何问题，因此对于这样的三点转换器电路既不需要特殊设计的三点转换器电路，也不需要高成本且复杂的驱动电路。

根据本发明，转换器电路配置1有一个电容能量存储器17，与第一电极10和第二电极12相连，与DC电压源11并联。这个电容能量存储器17方便的用于临时存储DC电压源11的电能。电容能量存储器17另一个优点是它使谐波反馈减少。

此外，如图1所示，各个部分转换器系统8、9是由n个并联的支路对18构成的，其中n＝3，4，5…，根据根据本发明的转换器电路配置1的第一实施方案，以及如图1中所示，n＝4。根据本发明，每个支路对18是由两个串联的、可以被驱动的功率半导体开关19构成的，每个功率半导体开关19有利的是有一个集成的驱动电极整流的闸流晶体管或一个驱动电极以隔离方式排列的双极晶体管。两个部分转换器系统8、9以上面描述的方式通过中点接头6串联，有利的是通过第一电极10和第二电极12在电流中只产生偶数个、相对于各个支路对18中功率半导体开关19的开关频率f_s的谐振荡。相应的通过

                      r＝2*n*i

来计算谐振荡的阶数，其中r为阶数，n是各个部分转换器系统8、9中支路对18的数量，i＝1，2，3，…。然后通过

                      f_H，i＝r*f_s

计算对应谐振荡的相关频率f_H，i。这样增加各个部分转换器系统8、9中支路对18的数量n使对应谐振荡的频率f_H，i增加，这是在根据DC电压源的电流基准特定值的基础上所希望的。

根据本发明，第一部分转换器系统8中的每个支路对18如图1所示，通过一个平滑电感20与第一电极10连接，平滑电感20与串联的功率半导体开关19的连接点相连。此外，第二部分转换器系统9中的每个支路对18通过一个平滑电感20与第二电极12连接，平滑电感20与串联的功率半导体开关19的连接点相连。平滑电感20平滑在每个部分转换器系统8、9中流动的n个电流，其中如图1所示n＝4，这样可以有助于减小上面提到的谐波的幅度。

图2显示了根据本发明的转换器电路的第二实施方案。在此情况下，支路对18的数量选定为n＝8。中点接头6优选接地，从而可以在中点接头6处产生基本固定的参考电压，也就是地电位。这样的地既可以直接，即刚性的提供，也可以如图2所示通过接地电阻来提供。根据图2，第一部分转换器系统8中的一个支路对电感21与第一部分转换器系统8的每个支路对18中串联的功率半导体开关19相连，至少有两个支路对电感21相互连接。此外，第二部分转换器系统9中的一个支路对电感21与第二部分转换器系统9的每个支路对18中串联的功率半导体开关19的连接点相连，至少有两个支路对电感21相互连接。支路对电感21可以平滑各个部分转换器系统8、9中支路对18之间的均衡电流I11…，I1n；I21…，I2n，其中n＝8，这两个系统是通过支路对电感21的[空白]相互连接的。此外，如果功率半导体开关19没有在理想时间转换以及由此支路对18没有在理想时间转换，那么可以使用支路对电感21来限制产生均衡电流I11，…，11n；I₂₁，…，I_2n，其中n＝8。而且，与第一电极10连接的平滑电感20与第一部分转换器系统8中的支路对电感21互连的连接点相连。与第二电极12连接的平滑电感20同样与第二部分转换器系统9中的支路对电感21互连的连接点相连。根据本发明的转换器电路配置1第二实施方案中的、如图2所示的平滑电感20与根据本发明的转换器电路配置1第一实施方案(上面描述的)中的、如图1所示的平滑电感20类型相同，因此如图2中显示的平滑电感20同样平滑在各个部分转换器系统8、9中流动的电流。

因此，在根据本发明的转换器电路配置的两个实施方案中、如图1和图2显示的平滑电感20有助于用于减小功率半导体开关19需要处理的电流。此外，平滑电感20使DC电压源11上的谐波反馈减小。

在如上所述的、根据本发明的使用根据本发明的转换器电路配置1匹配可变DC电压的方法中，使用如图3中举例说明的驱动电路28的实施方案来驱动第一部分转换器系统8，这样将第一中间电路电压U_DC1设置为可以预先定义的中间电路电压额定值U_DC，nom。此外，根据本发明，驱动第二部分转换器系统9，从而将第二中间电路电压U_DC2设置为可以预先定义的中间电路电压额定值U_DC，nom。以这种方式驱动部分转换器系统8、9以非常简单的方式得到基本恒定的第一和第二中间电路电压U_DC1、U_DC2，因此可以以特别简单的方式产生基本恒定的中间电路电压，这是在两个电容3、4两端产生的，但是出于清楚的目的没有在图1或图2中显示出来。而且，与三点DC电压中间电路2相连的三点转换器电路因此有利的是不需要任何复杂且高成本的驱动过程。

根据本发明，如图3中显示的驱动电路28用于中间电路电压平均值

按照根据第一中间电路电压U_DC1和第二中间电路电压U_DC2的公式 $\stackrel{\‾}{U_{\mathrm{DC}}}=\frac{U_{\mathrm{DC}1}+U_{\mathrm{DC}2}}{2}$ 要做到这一点，在输入端以测量的变量的形式将第一中间电路电压U_DC1和第二中间电路电压U_DC2提供给驱动电路28和第一平均器22。此外，在第一平均器22的输出产生中间电路电压平均值

然后使用中间电路电压平均值 和中间电路电压额定值U_DC，nom形成中间电路电压差分信号，该信号提供给第一调节器23，特别是具有比例积分特性。从而使用第一调节器23将中间电路电压平均值 稳定在中间电路电压额定值U_DC，nom，从而形成了电流额定值I_nom，这是在第一调节器23的输出产生的。

此外，由在一个部分转换器系统8、9中流动的n个电流I₁₁，…I_1n；I₂₁，…I_2n得到电流平均值 I，其中n＝3，4，5，…，n对应于相应的部分转换器系统8、9中并联的支路对18的数量。如上所述，在图1中n＝4，在图2中n＝8。如图3所示配备了第二平均器25用于形成电流平均值 I，电流I₁₁，…I_1n或I₂₁，…I_2n以测量变量的形式在输入端提供给第二平均器25。此外，在第二平均器2 2的输出得到电流平均值 I。如图3所示使用电流平均值 I和电流额定值I_nom形成电流差分信号，该信号提供给第二调节器24，特别是具有比例积分特性。从而使用第二调节器24将电流平均值 I稳定在电流额定值I_nom，从而形成驱动电平λ，如图3所示，这是在第二调节器24的输出产生的。

如图3所示并根据本发明，通过在第一脉冲宽度调制器26中的第一脉冲宽度调制，使用驱动电平λ产生n个驱动信号S₁₁…S_1n，与第一部分转换器系统8中的支路对18的数量对应。以这种方法产生的驱动信号S₁₁…S_1n是在第一脉冲宽度调制器26的输出产生的，提供给第一部分转换器系统8，特别是提供给第一部分转换器系统8中的支路对18以驱动对应的功率半导体开关19。此外，如图3所示，通过在第二脉冲宽度调制器27中的第二脉冲宽度调制，使用驱动电平λ产生n个驱动信号S₂₁…S_2n，产生的驱动信号S₂₁…S_2n是在第二脉冲宽度调制器2 7的输出产生的，提供给第二部分转换器系统9，特别是提供给第二部分转换器系统9中的支路对18以驱动对应的功率半导体开关19。

如上所述，根据本发明匹配DC电压的方法有益的是得到基本恒定的第一和第二中间电路电压U_DC1、U_DC2，是通过驱动部分转换器电路系统8、9以非常简单的方式产生的，而且在这种情况下中间电路电压平均值 稳定在中间电路电压额定值U_DC，nom和电流平均值 I稳定在电流额定值I_nom可以稳定三点DC电压中间电路2，特别是两个中间电路电压U_DC1、U_DC2。此外，输出端相连的两个部分转换器系统8、9以及它们的驱动，结合平滑电感20，有利的使输出13、14、15、16只产生非常小的输出脉动电流，因此实际上在三点DC电压中间电流2上不产生负载。

总的来说，由于根据本发明的转换器电路配置1需要的元件数量少，从而容易生产，同时可以减小高成本的维护和维修工作，所以是一种极为节省成本的解决方案。此外，根据本发明匹配可变DC电压的方法能够以非常简单且有效的方法在DC电压中间电路2中产生基本恒定的中间电路电压。

参考符号列表

1、转换器电路配置

2、三点DC电压中间电路

3、第一电容

4、第二电容

5、上接头

6、中点接头

7、下接头

8、第一部分转换器系统

9、第二部分转换器系统

10、第一电极

11、DC电压源

12、第二电极

13、第一部分转换器系统的第一输出

14、第二部分转换器系统的第一输出

15、第一部分转换器系统的第二输出

16、第二部分转换器系统的第二输出

17、能量存储器

18、支路对

19、功率半导体开关

20、平滑电感

21、支路对电感

22、第一平均器

23、第一调节器

24、第二调节器

25、第二平均器

26、第一脉冲宽度调制器

27、第二脉动宽度调制器

28、驱动电路

Claims (12)

1.一种转换器电路配置，用于将可变DC电压匹配到产生驱动信号(S₁₁，…S_1n；S₂₁…S_2n)的驱动电路(28)，有一个三点DC电压中间电路(2)，是由第一电容(3)和与其串联的第二电容(4)构成的，第一电容(3)的一个接头构成了三点DC电压中间电路(2)的上接头(5)，第一电容(3)在与第二电容(4)的连接点处构成了中点接头(6)，第二电容(4)的一个接头构成了三点DC电压中间电路(2)的下接头(7)，其特征在于提供了第一部分转换器系统(8)和第二部分转换器系统(9)，第一部分转换器系统(8)的输入端与产生DC电压的DC电压源(11)的第一电极(10)连接，第二部分转换器系统(9)的输入端与DC电压源(11)的第二电极(12)连接，

第一部分转换器系统(8)的第一输出(13)与上接头(5)相连，第二部分转换器系统(9)的第一输出(14)与下接头(7)相连，第一部分转换器系统(8)的第二输出(15)通过中点接头(6)与第二部分转换器系统(9)的第二输出(16)串联。

2.如权利要求1中要求的转换器电路配置，其特征在于电容能量存储器(17)与第一电极(10)和第二电极(12)连接，与DC电压源(11)并联。

3.如权利要求1中要求的转换器电路配置，其特征在于中点接头(6)接地。

4.如权利要求1中要求的转换器电路配置，其特征在于每个部分转换器系统(8，9)是由n个并联的支路对(18)构成的，其中n＝3，4，5，…，每个支路对(18)是由可以被驱动且串联的两个功率半导体开关(19)构成的。

5.如权利要求4中要求的转换器电路配置，其特征在于每个功率半导体开关(19)有一个集成的驱动电极整流的闸流晶体管或一个具有以隔离方式排列驱动电极的双极晶体管。

6.如权利要求4中要求的转换器电路配置，其特征在于第一部分转换器系统(8)的每个支路对(18)通过一个与串联的功率半导体开关(19)的连接点相连的平滑电感(20)与第一电极(10)连接，第二部分转换器系统(9)的每个支路对(18)通过一个与串联的功率半导体开关(19)的连接点相连的平滑电感(20)与第一电极(12)连接。

7.如权利要求4中要求的转换器电路配置，其特征在于第一部分转换器系统(8)的支路对电感(21)与第一部分转换器系统(8)的支路对(18)中串联的功率半导体开关(19)的连接点相连，至少两个支路对电感(21)相互连接，以及

第二部分转换器系统(9)的支路对电感(21)与第二部分转换器系统(9)的支路对(18)中串联的功率半导体开关(19)的连接点相连，至少两个支路对电感(21)相互连接。

8.如权利要求7中要求的转换器电路配置，其特征在于一个与第一电极(10)相连的平滑电感(20)与第一部分转换器系统(8)中互连的支路对电感(21)的连接点相连，以及

一个与第二电极(12)相连的平滑电感(20)与第二部分转换器系统(9)中互连的支路对电感(21)的连接点相连。

9.一种用于匹配可变DC电压的方法，其中转换器电路配置(1)有一个三点DC电压中间电路(2)，根据驱动电路(28)产生的驱动信号(S₁₁，…S_1n；S₂₁，…S_2n)驱动，其中三点DC电压中间电路(2)是由第一电容(3)和与其串联的第二电容(4)构成的，第一电容(3)的一个接头构成了三点DC电压中间电路(2)的上接头(5)，第一电容(3)在与第二电容(4)的连接点处构成了中点接头(6)，第二电容(4)的一个接头构成了三点DC电压中间电路(2)的下接头(7)，其特征在于

转换器电路配置(1)的第一部分转换器系统(8)在输入端与产生DC电压的DC电压源(11)的第一电极(10)连接，第一输出(13)与上接头(5)相连，第二输出(15)与中点接头(6)相连，以这样的方式驱动，使得在上接头(5)和中点接头(6)之间产生的第一中间电路电压(U_DC1)提供给可以预先定义的中间电路电压额定值(U_DC，nom)，以及

转换器电路配置(1)的第二部分转换器系统(9)在输入端与DC电压源(11)的第二电极(12)连接，第一输出(14)与下接头(7)相连，第二输出(16)通过中点接头(6)与第一部分转换器系统(8)的第二输出(15)串联，驱动它，使得在下接头(7)和中点接头(6)之间产生的第二中间电路电压(U_DC2)提供给可以预先定义的中间电路电压额定值(U_DC，nom)。

10.如权利要求9的方法，其特征在于中间电路电压平均值是由第一中间电路电压(U_DC1)和第二中间电路电压(U_DC2)形成的，以及

电流额定值(I_nom)是由将中间电路电压平均值

稳定在中间电路电压额定值(U_DC，nom)形成的。

11.如权利要求10的方法，其特征在于电流平均值( I)是由一个部分转换器系统(8，9)中流动的n个电流(I₁₁，…I_1n；I₂₁，…I_2n)构成的，其中n＝3，4，5…，n对应于对应的部分转换器系统(8，9)的并联支路对(18)的数量，每个支路对(18)是由两个可以驱动的串联功率半导体开关(19)构成的，以及在于

驱动电平(λ)是通过将电流平均值( I)稳定在电流额定值(I_nom)形成的。

12.如权利要求11的方法，其特征在于对应于第一部分转换器系统(8)中支路对(18)数量的n个驱动信号(S₁₁，…S_1n)是由驱动电平(λ)通过在第一脉冲宽度调制器(26)中第一脉动宽度调制而产生的，以及

对应于第二部分转换器系统(9)中支路对(18)数量的n个驱动信号(S₂₁，…S_2n)是由驱动电平(λ)通过在第二脉冲宽度调制器(27)中第二脉动宽度调制而产生的，

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