PL248558B1 - Układ rekonfigurowalnego mostka trójpoziomowego, przekształtnik prądu stałego zawierający ten układ oraz sposób sterowania łącznikami mocy zawierający ten układ - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest układ rekonfigurowalnego mostka trójpoziomowego, przekształtnik prądu stałego zawierający ten układ oraz sposób sterowania łącznikami mocy zawartych w tym układzie. Układ będący przedmiotem wynalazku może być wykorzystany jako stopień wejściowy przekształtnika prądu stałego z izolacją galwaniczną w klasycznej konwencji Dual Active Bridge (DAB), czy rozszerzonej, np. w wariancie miękko-przełączanym Series Resonant Dual Active Bridge (SR-DAB).

Znany jest układ izolowanego przekształtnika prądu stałego ze stopniem wejściowym w postaci mostka jednofazowego złożonego z dwóch gałęzi zawierających jeden łącznik każda. W mostku mogą być wykorzystywane szeregowo połączone tranzystory mocy w celu podwyższenia napięcia znamionowego układu, tak jak zostało to przedstawione na Rys 1. Wejściem transformatora są wyjścia poszczególnych gałęzi fazowych, wyjście transformatora podłączone jest do jednofazowego mostka diodowego lub mostka aktywnego w zależności od przeznaczenia układu.

Znana jest także topologia izolowanego przekształtnika prądu stałego ze stopniem wejściowym złożonym z dzielnika pojemnościowego oraz sześciołącznikowej gałęzi o strukturze znanej z falownika typu Active Neutral Point Clamped (ANPC) przedstawionej na Rys. 2. Wejście na transformator wysokiej częstotliwości stanowią punkt środkowy dzielnika pojemnościowego oraz punkt wyjścia fazowego gałęzi ANPC, natomiast wyjście transformatora podłączone jest do jednofazowego mostka diodowego lub mostka aktywnego w zależności od przeznaczenia układu.

Wadą tych układów jest to, że mogą pracować przy ograniczonym zakresie napięcia wyjściowego i nie są w stanie pracować w nowoczesnych systemach ładowania baterii pojazdów elektrycznych wymagających dużej elastyczności, gdzie zależnie od standardu ładowania wykorzystywanego w danym magazynie energii zakres napięcia zmienia się od 200 V do 1000 V lub nawet do 1200 V.

Powyższy problem nieoczekiwanie rozwiązuje układ rekonfigurowalnego mostka trójpoziomowego według wynalazku.

Układ rekonfigurowalnego mostka trójpoziomowego dedykowanego do zastosowania w izolowanym przekształtniku prądu stałego typu DAB, według wynalazku charakteryzuje się tym, że zawiera czternaście łączników mocy, w tym osiem łączników (S1 - S8) połączonych w ramach dwóch gałęzi trójpoziomowych składających się z czterech połączonych szeregowo łączników każdy, w ten sposób, że para S9, S10 tworzy dwukierunkowy łącznik mocy pomiędzy punktem środkowym dzielnika pojemnościowego obwodu pośredniczącego prądu stałego a wyjściem fazowym jednej z gałęzi, to znaczy punktem wspólnym między łącznikami S2 i S3, oraz dwie pary łączników S11/S12 i S13/S14, które są wykorzystywane do stworzenia połączenia z tranzystorami S6, S7 wymaganego w ramach konfiguracji z wyjściem niskonapięciowym, przy czym, para łączników S11/S12 jest połączona między punktem wspólnym łączników S1 i S2, a punktem wspólnym łączników S5 i S6, a para łączników S13/S14 jest połączona między punktem wspólnym łączników S3 i S4, a punktem wspólnym łączników S7 i S8.

Przekształtnik prądu stałego DAB według wynalazku charakteryzuje się tym, że zastosowano w nim wskazany wcześniej układ rekonfigurowalnego mostka trójpoziomowego według wynalazku.

Sposób sterowania łącznikami mocy pozwalający na przeprowadzenie rekonfiguracji celem zmiany napięcia wyjściowego przekształtnika izolowanego prądu stałego, według wynalazku charakteryzuje się tym, że w trybie niskonapięciowym praca układu jest tożsama z konwencjonalnym sterowaniem stosowanych w układach opartych o półmostek w topologii ANPC, gdzie napięcie vAB osiąga wartość V1/2, 0 lub -V1/2, a w trybie wysokonapięciowym układ zachowuje się analogicznie do konwencjonalnych układów mostkowych trójpoziomowych opartych o szeregowe łączenie, gdzie napięcie vAB osiąga wartość V1 lub -V1, przy czym:

a) w trybie niskonapięciowym LV-ANPC sterowane są komplementarnie, z wykorzystaniem standardowych metod modulacji szerokości impulsów, pary łączników S1/S2; S3/S4; S6/S7, przy czym łączniki S5 oraz S8 są stale wyłączone, a łączniki S9, S10, S11, S12, S13 oraz S14 są permanentnie załączone, co pozwala na osiągnięcia napięcie vAB na poziomie V1/2, 0 lub -V1/2 i powoduje uzyskania relatywnie niskich napięć na wyjściu przekształtnika izolowanego;

b) w trybie wysokonapięciowym HV-SC, przełączane zgodnie ze standardowymi metodami modulacji są łączniki S1 - S8, gdzie sygnały sterujące są identyczne dla par łączników połączonych szeregowo: S1/S2; S3/S4; S5/S6; S7/S8, a poszczególne części gałęzi pracują komplementarnie, to znaczy para S1/S2 i S3/S4; oraz para S5/S6 i S7/S8, zaś pozostałe łączniki (S9, S10, S11, S12, S13, S14) są na stałe wyłączone, co powoduje, że napięcie vAB osiąga wartość V1 lub -V1, dzięki czemu można otrzymać wysokie napięcie na wyjściu przekształtnika izolowanego.

Układ według wynalazku wyróżnia się tym, że zawiera w swojej strukturze sześć dodatkowych łączników mocy, co pozwala na jego rekonfigurację. W ten sposób może płynnie przechodzić między trybem pracy niskonapięciowej (LV-ANPC), gdy wykorzystywany jest dzielnik pojemnościowy i gałąź o strukturze ANPC, co powoduje podawanie na uzwojenia transformatora połowy napięcia zasilającego; a trybem pracy wysokonapięciowej (HV-SC), gdy wykorzystywane są jedynie łączniki tworzące układ mostkowy a na wejściu transformatora pojawia się pełne napięcie zasilania. W ten sposób zakres regulacji napięcia wyjściowego zwiększony jest dwukrotnie.

Poza bazowymi ośmioma łącznikami mocy S1 - S 8 wymaganymi do stworzenia podstawowych konfiguracji LV-ANPC oraz HV-SC składających się na dwie czterołącznikowe gałęzie połączone w konwencji pełnego mostka w zaproponowanym układzie występują cztery dodatkowe łączniki: para S 9, S10 tworząca dwukierunkowy łącznik mocy pomiędzy punktem środkowym dzielnika pojemnościowego 0 a wyjściem fazowym B; oraz dwie pary łączników S11/S12 i S13/S14 tworzące dwa dwukierunkowe łączniki mocy, które są wykorzystywane do stworzenia połączenia z łącznikami S 6, S 7 wymaganego w ramach konfiguracji LV-ANPC. Każdy z pojedynczych łączników może być zrealizowany przy pomocy tranzystorów typu MOSFET, IGBT, JFET lub HEMT.

Przykład wykonania wynalazku został przedstawiony na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia topologię rekonfigurowalnego mostka trójpoziomowego według wynalazku, fig. 2 - przekształtnik prądu stałego z zastosowanym układem mostka trójpoziomowego według wynalazku jako stopień wejściowy takiego przekształtnika, fig. 3 - koncepcję rekonfiguracji przekształtnika trójpoziomowego zależnie od napięcia wyjściowego V2 wymaganego dla danego obciążenia (L1, L2, L3) zaś fig. 4 - napięcie wyjściowe rekonfigurowalnego mostka trójpoziomowego vAB oraz sygnały sterujące wszystkich łączników Si - S14 dla różnych trybów pracy.

Na fig. 1 został przedstawiony układ rekonfigurowalnego mostka trójpoziomowego dedykowanego do zastosowania w izolowanym przekształtniku prądu stałego typu DAB, który zawiera czternaście łączników mocy, w tym osiem łączników (S1 - S8) połączonych w ramach dwóch gałęzi trójpoziomowych składających się z czterech łączników każdy, para S9, S10 tworząca dwukierunkowy łącznik mocy pomiędzy punktem środkowym dzielnika pojemnościowego a wyjściem fazowym jednej z gałęzi oraz dwie pary łączników S11/S12 i S13/S14, które są wykorzystywane do stworzenia połączenia z tranzystorami S6, S7 wymaganego w ramach konfiguracji z wyjściem niskonapięciowym.

Na fig. 2 przedstawiono schemat przekształtnik prądu stałego, gdzie linią przerywaną zaznaczono przykładowe miejsce zastosowania układu według wynalazku.

Koncepcja wynalazku bazuje na tym, że układ jest zdolny do rekonfiguracji zależnie od wymaganego napięcia na wyjściu V2, co jest przedstawione na fig. 3. Co więcej, ta rekonfiguracja może odbywać się płynnie w trakcie pracy poprzez odpowiednią sekwencję sterowania łącznikami S1 - S14. Gdy wymagane napięcie jest niższe (w zakresie od Vmin do Vmid, gdzie Vmin to minimalne dopuszczalne napięcie na wyjściu, Vmid to napięcie progowe zmiany trybu pracy układu) układ jest w konfiguracji niskonapięciowej LV-ANPC i praca układu jest tożsama z konwencjonalnym sterowaniem stosowanych w układach opartych o półmostek tranzystorowy w topologii ANPC, gdzie napięcie vab osiąga wartości V1/2, 0 lub -V1/2. Natomiast w przypadku, gdzie wymagane jest wyższe napięcie na wyjściu (w zakresie od Vmid do Vmax, gdzie Vmax maksymalne dopuszczalne napięcie na wyjściu) układ jest w konfiguracji wysokonapięciowej HV-SC. W tym przypadku układ zachowuje się analogicznie do konwencjonalnych układów mostkowych trójpoziomowych wykorzystujących szeregowe łączenie łączników mocy, gdzie napięcie vab osiąga wartości Vi lub -Vi.

Sposób sterowania układu jest szczegółowo przedstawiony na fig. 4 w przykładowej pracy z napięciem Vi = 1500 V, gdzie przestawione jest napięcie wyjściowe rekonfigurowalnego mostka trójpoziomowego vab oraz napięcia sterujące wszystkich tranzystorów w przypadku (a) niskonapięciowym LV-ANPC oraz (b) wysokonapięciowym HV-SC, co zostało już opisane szczegółowo powyżej.

Claims (3)

1. Układ rekonfigurowalnego mostka trójpoziomowego dedykowanego do zastosowania w izolowanym przekształtniku prądu stałego typu DAB, znamienny tym, że zawiera czternaście łączników mocy, w tym osiem łączników (S1 - S 8) połączonych w ramach dwóch gałęzi trójpoziomowych składających się z czterech połączonych szeregowo łączników każdy, w ten sposób, że para S 9, S10 tworzy dwukierunkowy łącznik mocy pomiędzy punktem środkowym dzielnika pojemnościowego obwodu pośredniczącego prądu stałego a wyjściem fazowym jednej z gałęzi, to znaczy punktem wspólnym między łącznikami S 2 i S 3, oraz dwie pary łączników S11/S12 i S13/ S14, które są wykorzystywane do stworzenia połączenia z tranzystorami S 6, S 7 wymaganego w ramach konfiguracji z wyjściem niskonapięciowym, przy czym, para łączników S11/S12 jest połączona między punktem wspólnym łączników S1 i S 2, a punktem wspólnym łączników S 5 i S 6, a para łączników S13/ S14 jest połączona między punktem wspólnym łączników S 3 i S4, a punktem wspólnym łączników S 7 i S 8.

2. Przekształtnik prądu stałego DAB znamienny tym, że zastosowano w nim układ rekonfigurowalnego mostka trójpoziomowego według zastrz. 1.

3. Sposób sterowania łącznikami mocy pozwalający na przeprowadzenie rekonfiguracji celem zmiany napięcia wyjściowego przekształtnika izolowanego prądu stałego, znamienny tym, że w trybie niskonapięciowym praca układu jest tożsama z konwencjonalnym sterowaniem stosowanych w układach opartych o półmostek w topologii ANPC, gdzie napięcie vab osiąga wartość V1/2, 0 lub -V1/2 a w trybie wysokonapięciowym układ zachowuje się analogicznie do konwencjonalnych układów mostkowych trójpoziomowych opartych o szeregowe łączenie, gdzie napięcie vab osiąga wartość Vi lub -V2, przy czym:

a) w trybie niskonapięciowym LV-ANPC sterowane są komplementarnie, z wykorzystaniem standardowych metod modulacji szerokości impulsów, pary łączników S1/S2; S3/S4; S6/S7, przy czym łączniki S5 oraz S8 są stale wyłączone, a łączniki S9, S10, S11, S12, S13 oraz S14 są permanentnie załączone, co pozwala na osiągnięcia napięcie vAB na poziomie V1/2, 0 lub -V1/2 i powoduje uzyskania relatywnie niskich napięć na wyjściu przekształtnika izolowanego;

b) w trybie wysokonapięciowym HV-SC, przełączane zgodnie ze standardowymi metodami modulacji są łączniki Si - S8, gdzie sygnały sterujące są identyczne dla par łączników połączonych szeregowo: S1/S2; S3/S4; S5/S6; S7/S8, a poszczególne części gałęzi pracują komplementarnie, to znaczy para S1/S2 i S3/S4; oraz para S5/S6 i S7/S8, zaś pozostałe łączniki (S9, S10, S11, S12, S13, S14) są na stałe wyłączone, co powoduje, że napięcie vAB osiąga wartość V1 lub -V1, dzięki czemu można otrzymać wysokie napięcie na wyjściu przekształtnika izolowanego.