专利名称：基于电池的dc/dc转换器的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及DC/DC转换器。更具体而言，本发明涉及应用由电池构成的受控电压源的DC/DC转换器。
背景技术：
在许多输电应用中(例如在电压源转换器中)对于通常被标记为多级转换器电池的级联转换器电池的感兴趣。这些电池提供离散的电压电平，可以组合该离散的电压电平以便AC与DC之间的转换。每个电池在这里由被与两个用于形成半桥转换器电池的开关元件串联的能量存储元件(典型地是电容器)构成。这些电池典型地具有两个连接端子，其中在两个开关元件之间的接合点中提供第一个连接端子，并且在其中一个开关元件与能量存储元件之间的接合 点中提供第二连接端子。第二端子在该半桥电池中的放置定义了电池类型，其中，该第二端子可以被放置在其中一个开关元件与能量存储元件之间的接合点处。第二端子在第一该接合点处的放置因此定义了第一类型的半桥电池，而第二连接端子在第二该接合点处的放置定义了第二类型的电池。在DE 10103031中关于电压源转换器总体描述了这些类型的电池。Colin Oates于2009年9月在第13届欧洲电力电子和应用会议(13th EuropeanConference on Power Electronics and Applications,2009.EPE; 09)的“A methodologyfor developing ‘Chainlink’ converters” 的第 1-10 页中描述了该电池在 DC/DC 转换器的使用。在该类型的转换器中，电池串被配置为向一对DC端子提供DC电压。它们还被配置为向变压器提供AC电压。在该变压器的另一侧，在AC电压与另一对DC端子的另一个DC电压之间进行对应的转换。多亏该变压器，在两个DC电压可能具有不同的大小的情况中能够进行电压调整。另外，可以将两对DC端子彼此电流隔离。但是，Oates所描述的转换器在变压器的两侧都需要两组转换器电池，每个串能够提供DC电压并且还产生所述AC电压。该技术方面因此可能是昂贵的。在例如US 6，349，044、US 7，061，777 和 US 6，771，518 中描述了基于除了电池之外的其他类型的转换元件的各种DC/DC转换器。鉴于上文所述，因此需要一种比以前已知的基于电池的DC/DC转换器更加成本有效的基于电池的DC/DC转换器。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种更加成本有效的基于电池的DC/DC转换器。根据本发明的一个方面，通过一种DC/DC转换器来解决该目的，该DC/DC转换器包括在第一 DC端子与第二 DC端子之间伸展的第一转换分支，在该第一转换分支的第半中的第一可控电压源，
在该第一转换分支的第二半中的第二可控电压源，在AC与DC之间转换并且在一端连接到第三DC端子和第四DC端子的转换单元，以及变压器，其具有连接在第一互连分支中的初级绕组，该第一互连分支在第一接合点与第一电势之间伸展，该第一可控电压源和该第二可控电压源在该第一接合点处彼此连接，该第一电势位于该第一 DC端子与该第二 DC端子的电势之间的中间，以及
连接到该转换单元的另一端的次级绕组。本发明具有大量优点。其经济并且成本有效。将其与具有降低的谐波失真数量同时还允许DC电压的不同大小和电流隔离的转换器的输出组合。
下文将参考附图来描述本发明，其中图I示意性地示出了根据本发明被连接在两个直流输电系统之间的DC/DC转换器，图2示意性地示出了根据本发明的第一实施方式包括基于电池的可控电压源的DC/DC转换器，图3示意性地示出了在可控电压源中使用的第一类型电池的结构，图4示意性地示出了在可控电压源中使用的第二类型电池的结构，图5A示意性地示出了第一类型可控电压源，图5B示意性地示出了第二类型可控电压源，图5C示意性地示出了第三类型可控电压源，图6示出了 DC/DC转换器的转换分支中的电压源电压以及通过这些电压源电压形成的差分模式AC电压和共模DC电压，图7示意性地示出了根据本发明的第二实施方式的DC/DC转换器，以及图8示意性地示出了根据本发明的第三实施方式的DC/DC转换器
具体实施例方式在下文中，将给出根据本发明的设备和方法的优选实施方式的详细描述。在图I中示意性地示出了根据本发明被连接到第一 DC系统SI与第二 DC系统S2之间的简化DC/DC转换器10。该DC系统中的一个或两个可以是高压输电系统并且然后可以是例如HVDC(高压直流)输电系统。应该认识到，本发明不限于这样的系统，而是可以关于其他类型的输电系统来使用。在转换器10中存在被经由变压器16连接到第二转换单元、被配置为在AC与DC之间进行转换的第一转换单元12。并且第二转换单元14被配置为在AC与DC之间进行转换。这两个转换单元都具有面对变压器16的AC侧和面对对应的DC系统的DC侧。第一转换单元12的DC侧在这里具有第一 DC端子18和第二 DC端子20，以便连接到第一 DC系统SI的两个电力线，而第二转换单元14的DC侧具有第三DC端子22和第四DC端子24，以便连接到第二 DC系统S2的两个电力线。在这里，第一 DC端子和第二 DC端子形成第一 DC端子对，而第三DC端子和第四DC端子形成第二 DC端子对。图I中所示的一个或两个DC系统可以是所谓的单极系统。但是，在下文的描述中，将根据双极系统来描述两个系统。在这里应该注意到，这些像这样的DC系统不构成本发明的一部分。图2示出了用于概述根据本发明的第一实施方式的DC/DC转换器的一个示例的方框示意图，其中该示例示出了第一转换单元12A和第二转换单元14A的第一变化，其中，第一转换单元被连接到第一 DC端子18和第二 DC端子20，并且第二转换单元被连接到第三DC端子22和第四DC端子24。该图还包括变压器16以及控制单元26。DC/DC转换器的第一转换单元12A在这里是电压源转换单元，其包括被串联连接在第一 DC端子18和第二 DC端子20之间的第一转换分支。第一转换分支还包括彼此连接并且在接合点处连接的正臂和负臂，臂在接合点处相会，接合点是第一转换分支的中点，连接到变压器16的初级绕组的第一端。在这里，正臂是第一转换分支的第一半并且负臂是第一转换分支的第二半。第一转换分支的每个臂此外包括一个电抗器，正臂的Lblp和负臂的Lbln。在该实施方式中， 这些电抗器分别连接到DC端子18和DC端子20。正臂此外包括第一可控电压源Ublp并且负臂包括第二可控电压源Ubln，两个可控电压源被连接到控制单元26以便被控制。在第一转换单元12A中此外存在第一电容器组，通过串联连接在第一端子18和第二端子20之间并且与第一转换分支并联的第一电容器Cl和第二电容器C2来例不。将变压器16的初级绕组的第二端连接到该电容器组的中点，即连接到两个电容器Cl与C2之间的接合点。如图2可以看出的，因此存在在第一转换分支中点与第一电容器组中点之间伸展的第一互连分支，其中，变压器16的初级绕组位于该第一互连分支中。电容器组中点两侧的电容器Cl与C2有利地具有相等的大小，以便在变压器16的初级绕组的第二端处提供处于第一 DC端子18和第二 DC端子20的电势之间的中点的电势。在该第一实施方式中，第二转换单元14B也是电压源转换单元。因此，其包括串联连接在第三DC端子22和第四DC端子24之间的第二转换分支。该第二转换分支也包括彼此连接并且在接合点处连接的正臂和负臂，臂在接合点处相会，接合点是分支的中点，连接到变压器16的次级绕组的第一端。在这里，正臂是第二转换分支的第一半并且负臂是第二转换分支的第二半。第二转换分支的每个臂此外包括一个电抗器，正臂的Lb2p和负臂的Lb2n。在该实施方式中，这些电抗器分别连接到DC端子22和DC端子24。每个臂此外包括正臂的可变电压源，正臂的Ub2p和负臂的Ub2n，两个可变电压源被连接到控制单元126以便被控制。还存在第二电容器组，第三电容器C3和第四电容器C4串联连接在第三DC端子22和第四DC端子24之间并且与第二转换分支并联。将变压器16的次级绕组的第二端连接到该电容器组的中点，即连接到两个电容器Cl与C2之间的接合点。如图2可以看出的，因此存在在第二转换分支中点与第二电容器组中点之间伸展的第二互连分支，其中，变压器16的次级绕组位于该第二互连分支中。第二电容器组中点的相对的两侧的电容器C3与C4有利地具有相等的大小，以便在变压器16的次级绕组的第二端处提供处于第三DC端子和第四DC端子的电势之间的中点的电势。如图2可以看出的，根据第一实施方式，围绕变压器彼此对称地设置第一转换单元和第二转换单元。变压器此外在初级绕组侧与次级绕组侧之间具有NI N2的匝数比。这允许提供具有不同大小的DC电压。在图2中，通过从控制单元26伸展到可变电压源的虚线单向箭头来指示电压源的控制。根据本发明，此外将可变电压源实现为电压源转换器电池或者彼此连接(例如串联)的电池的形式。图3示意性地示出了可以被用作为用于形成可控电压源的构成块的第一类型的转换器电池CCA。电池CCA是半桥转换器电池并且包括电容器ClA形式的能量存储元件，其与包括两个开关元件的分支并联连接，其中，可以将每个开关元件实现成半导体元件的形式，半导体元件可以是晶体管，有利地可以是与反并联二极管一起的IGBT(绝缘栅双极晶体管)。在图3中，因此存在具有第一晶体管TlA的第一开关元件，其中第一二极管DlA在图中朝上并且并联连接在晶体管TlA的发射极和集电极之间。还存在与第一开关元件串联连接并且具有第二二极管D2A的第二开关元件，其中二极管D2A具有与第一二极管DlA相同的方向并且被并联连接在第二晶体管T2A的发射极和集电极之间。该电池具有第一连接 端子TElA和第二连接端子TE2A，每个连接端子对于该电池提供到转换单元的转换分支的连接。在该第一类型的电池中，第一连接端子TElA更具体地提供从转换分支到第一开关元件与第二开关元件之间的接合点的连接，同时第二端子TE2A提供从该转换分支到第二开关元件与电容器ClA之间的接合点的连接。图4示意性地示出了第二类型的半桥转换器电池CCB，其具有与第一类型相同类型的组件并且被以相同的方式互连。因此在这里存在第一开关元件，其具有第一晶体管TlB和与第二开关元件串联的第一反并联二极管D1B，第二开关元件具有第二晶体管T2B和第二反并联二极管D2B。存在与这些开关元件并联的电容器C1B，其中，第二类型的电池的第一开关元件与第一类型的电池的第一开关元件具有相同的位置和方向，并且第二类型的电池的第二开关元件与第一类型的电池的第二开关元件具有相同的位置和方向。在这里还存在第一端子TE1B，其用于在转换分支与第一开关元件和第二开关元件之间的连接点之间提供连接。但是，与第一类型的电池相反，在这里第二端子TE2B在转换器分支与第一开关元件和电容器ClB间的接合点之间提供连接。第一类型的电池和第二类型的电池一直提供DC分量并且因此可以用于AC与DC之间的转换。因此这些电池都具有单极电压贡献能力，其中实际的电压贡献取决于如何操作开关以及如何在相脚中定向电池。在这些电池中，应该一次仅导通一个开关元件，并且当这种情况发生时，当具体类型的电池以一个定向连接时提供正的贡献或无贡献(即零电压贡献)，并且当以相反的定向连接时提供负的贡献。在这里，贡献是穿过电容器的电压。根据本发明，第一转换单元的可控电压源由多个这种电池的串联构成。可以以不同的方式提供这些串联或串。图5A中示出了第一类型的电压源Ublp-Ι。通过图2中的第一转换分支的正臂中的第一电压源来例示该电压源。在该第一类型的电压源中，所有的电池是以相同定向串联连接的第一类型CCA。图5B中示出了第二类型的电压源Ublp-2。其也包括四个串联连接的电池。但是，该第二类型转换器包括在串联中彼此交替放置的交替的第一类型CCA电池和第二类型CCB电池。
图5C中示出了第三类型的电压源Ublp-3。在该第三类型电压源中，所有的电池是以相同定向串联连接的第二类型CCB。在上文中，描述了正臂中的电压源的结构。负臂的电压源将典型地具有与对应的正臂中的电压源相同类型的电池和结构。但是，在第一转换单元和第二转换单元，可能在电压源的类型之间存在差别。电压源此外是单极的，这在图2中通过电压源的符号上面的单极箭头来指示。现在将参考图2和6来描述转换器的运行，其中后面的图示出了与转换分支(如第一转换分支)相关的多个电压。如图6从上到下可见的，在转换分支的负臂中首先存在电压源Ubn的电压，紧接着转换分支的正臂中的电压源Ubp的电压。然后紧接着通过负臂与正臂中的电压源的电压的差Ubn-Ubp形成的差分模式电压。最后存在通过负臂与正臂中的电压源的电压的和Ubn+Ubp形成的共模电压。这些电压可应用于两个转换分支，即它们出现在变压器的两侧但是具有不同的大 小。控制单元28通过控制转换分支的电压源的电池来控制这些电压源，以随着时间提供电压贡献，形成图6的上半部所示的随时间变化的电压。通常可以将随时间变化的电压分割成多个分量，如DC分量和AC分量。在这里AC分量可以包括基波AC分量以及谐波AC分量。有可能在使用可控电压源的转换分支中提供这样的电压分量。如果DC端子具有电势+Ud和-Ud，则控制对应的转换分支的负臂中的电压源以提供电压Ubn = Ud+l/2Ut,其中，l/2Ut是AC电压贡献。以相同的方式控制分支的正臂中的电压源以提供电压Ubp = Ud_l/2Ut。这导致形成差分模式AC电压Ubn-Ubp = Ut，其也是在对应的变压器绕组处的电压。这还导致形成共模DC电压Ubn+Ubp = 2Ud，其是两个DC端子之间的电势的差。在图6的下半部示出了这些电压。可以看出，其中一个转换单元因此基于DC端子对的两个端子上的DC电压，向变压器的一侧提供差分AC电压，对该AC电压进行变压以提供变压器的另一侧上的对应的AC电压。其然后由其他转换单元以相同的方式使用，以便提供其他DC端子对的DC端子上的DC电压。可以理解，因此在变压器的初级绕组处形成第一差分AC电压Ut1并且在变压器的次级绕组处形成第二差分AC电压Ut2。这些AC电压之间的差电压Ut1-UtJf看起来跨在由两个转换分支的并联分支电抗器的和形成的电抗和变压器的漏电抗上。通过控制该差电压Ut1-Ut2，可以控制流经变压器的电流。因此，可以控制向变压器施加的电压和流经变压器的电流。这允许控制流经转换器的有功功率。在实践中，由于Ut1和Ut2都将是AC电压，所以可以通过它们之间的相移来控制功率。通过该控制，变压器的一侧上的设备因此作为用于向变压器馈送AC电压的逆变器，而变压器的另一侧上的设备作为用于将变换的AC电压再次还原成DC电压的整流器。在这里，电容器组的电容器应该足够大，以保持变压器绕组被连接到电容器组中点，在电势方面接近两个DC电极之间的右边。根据本发明的第一实施方式的转换器具有经济并且成本有效的优点。将其与具有降低的谐波失真数量同时还允许DC电压的不同大小和电流隔离的转换器的输出组合。在这里，AC电压可以具有50或60Hz的普通的AC电压频率。但是，在这里应该认识到，该转换器不限于此，相反地可以使用其他频率，例如更高的频率，如100Hz、200Hz或者甚至1000Hz。具有更高的频率的一个优点在于可以降低变压器的尺寸并且因此降低变压器的成本。在图7中，示出了本发明的第二实施方式。在该图中，省略了控制单元。除此之外仅存在一个差异。在该第二实施方式中，将另外的电抗器Lr与一个变压器绕组(在这里是初级绕组)串联。该另外的电抗器因此被连接在第一转换分支中点与第一电容器组中中点之间，即与变压器的初级绕组处于相同的第一互连分支中。在该示例中，其被连接在初级绕 组的第二端与电容器组的中点之间。但是，其也可以被连接在转换分支中点与初级绕组的第一端之间。还应该认识到，可以另外或改为以相同的方式在第二转换单元中提供该另外的电抗器。可以选择该另外的电抗器以与第一电容器组的电容形成串联谐振电路。如果该电路的谐振频率被选择为与转换单元所使用的频率相同，则可以降低电容器组中点电压纹波的影响。根据第一实施方式和第二实施方式，由转换器允许的电力流如上所述是双向的。能够在两个方向传输电力。这增加了转换器的灵活性。但是，该双向电力传输能力并非总是必要的。在一些情况中可能对于仅允许一个方向中的电力传输感兴趣，例如从第一 DC系统到第二 DC系统。在该情况中，第二转换单元没有必要是基于电池的电压源转换单元。第二转换单元因此不需要是基于电池的或者具有与第一转换单元相同的结构。在图8中示出了涉及该情况的本发明的第三实施方式。变压器的初级侧上的元件在这里与第一实施方式中相同。但是变压器的次级绕组在这里被连接到转换单元，其是二极管整流器14B，二极管整流器可以是二极管桥。次级绕组的第一端因此被连接到二极管整流器的一个输入端子，同时第二端被连接到二极管整流器的第二输入端子。该二极管整流器还具有两个输出端子，该两个输出端子也构成DC/DC转换器的第三DC端子22和第四DC端子24。本发明的第三实施方式使用简化的转换器，因为控制单元(未示出)不需要控制第二转换单元。这简化了操作。代替基于电压源的转换单元，极管整流器的使用还允许提供更经济的DC/DC转换器。除了已经描述的变化之外，还可以对本发明做出大量变化。应该认识到例如能够从转换分支中省略电抗器。在转换分支中的电抗器也可以具有除了所示的位置之外的其他位置。它们可以例如被连接到中点而不是DC端子。已经将在电池中使用的半导体元件描述为IGBT。应该认识到，可以使用其他类型的半导体元件，如晶闸管、MOSFET晶体管、GTO(栅极关断晶闸管)和汞弧阀。根据希望的功能和电压电平，此外还可以以多种方式改变不同类型的电池的数量和它们的定向。不需要提供控制单元以作为DC/DC转换器的一部分。可以将控制单元设置为用于向DC/DC转换器提供控制信号的独立的设备。该控制单元此外还可以被实现为具有伴随程序存储器的处理器的形式，该存储器包括当在该处理器上运行时执行所述控制功能的计算机程序代码。
从前文的讨论可以看出，显然可以用多种方式来改变本发明。因此应该认识到，本发明仅受到所附权利要求的限制。
权利要求
1.一种DC/DC转换器(10)，包括 在第一 DC端子与第二 DC端子(18、20)之间伸展的第一转换分支， 在所述第一转换分支的第一半中的第一可控电压源(Ublp), 在所述第一转换分支的第二半中的第二可控电压源(Ubln)， 在AC与DC之间转换并且在一端连接到第三DC端子和第四DC端子(22、24)的转换单元(14)，以及 变压器(16)，其具有 连接在第一互连分支中的初级绕组，所述第一互连分支在第一接合点与第一电势之间伸展，所述第一可控电压源和所述第二可控电压源在所述第一接合点处彼此连接，所述第一电势位于所述第一 DC端子与所述第二 DC端子的电势之间的中间，以及 连接到所述转换单元的另一端的次级绕组。
2.如权利要求I所述的DC/DC转换器，其中，所述第一可控电压源由第一组串联连接的电池(CCA、CCB)构成，并且所述第二电压源由第二组串联连接的电池构成，其中，每个电池是可控的以在转换分支中提供电压贡献。
3.如权利要求2所述的DC/DC转换器，其中，每个电池具有单极电压贡献能力。
4.如权利要求3所述的DC/DC转换器，其中，电压源的所述电池具有在所述串联连接中交替放置的不同类型。
5.如权利要求3所述的DC/DC转换器，其中，所述第一电压源和所述第二电压源的结构相同。
6.如前述任意一个权利要求所述的DC/DC转换器，其中，所述第一电压源和所述第二电压源是可控制的，以向所述第一 DC端子和所述第二 DC端子提供共模DC电压并且向所述接合点提供差分模式AC电压。
7.如权利要求6所述的DC/DC转换器，还包括控制单元(26)，所述控制单元(26)被配置为通过控制在所述变压器的所述初级绕组处出现的所述差分模式AC电压与在所述变压器的所述次级绕组处出现的对应的电压之间的差，来控制流经所述DC/DC转换器的电力流。
8.如前述任意一个权利要求所述的DC/DC转换器，还包括连接在所述第一转换分支的所述第一半中的第一电抗器(Lblp)以及连接在所述第一转换分支的所述第二半中的第二电抗器(Lbln)。
9.如前述任意一个权利要求所述的DC/DC转换器，还包括连接在所述第一DC端子与所述第二 DC端子之间的第一电容器组(Cl、C2)，并且其中，所述互连分支在所述第一接合点与该第一电容器组中点之间伸展。
10.如权利要求9所述的DC/DC转换器，包括在所述互连分支中的另外的电抗器(Lr)。
11.如权利要求10所述的DC/DC转换器，其中，选择所述另外的电抗器的电感与所述第一电容器组的电容以形成串联谐振电路。
12.如权利要求I所述的DC/DC转换器(26)，其中，所述谐振电路具有根据所述转换单元所使用的频率来设置的调谐频率。
13.如前述任意一个权利要求所述的DC/DC转换器(26)，其中，所述转换单元是电压源转换单元(14A)，该电压源转换单元包括在所述第三DC端子和所述第四DC端子(22、24)之间伸展的第二转换分支、在所述第二转换器分支的第一半中的第三可控电压源(Ub2p)以及在所述第二转换器分支的第二半中第四可控电压源(Ub2n)，其中，所述变压器的次级绕组被布置在第二互连分支中，所述第二互连分支在第二接合点与第二电势之间伸展，所述第三可控电压源和所述第四可控电压源在所述第二接合点处彼此连接，所述第二电势位于所述第三DC端子与所述第四DC端子的电势之间的中间。
14.如权利要求13所述的DC/DC转换器，还包括连接在所述第三DC端子与所述第四DC端子之间的第二电容器组(C3、C4)，并且其中，所述变压器的次级绕组被连接在所述第二接合点与该第二电容器组中点之间。
15.如权利要求13或14所述的DC/DC转换器(26)，还包括连接在所述第二分支的所述第一半中的第三电抗器(Lb2p)以及连接在所述第二分支的所述第二半中的第四电抗器(Lb2n)。
16.如权利要求I到12中的任意一个所述的DC/DC转换器(26)，其中，所述转换单元是二极管整流器(14B)。
全文摘要
本发明涉及一种DC/DC转换器(10)，其包括在第一DC端子与第二DC端子(18、20)之间伸展的第一转换器分支，在该第一转换器分支的第一半中的第一可控电压源(Ub 1p)，在该第一转换器分支的第二半中的第二可控电压源(Ub1n)，在AC与DC之间转换并且在一端连接到第三DC端子和第四DC端子(22、24)的转换单元(14)，以及变压器(16)，变压器(16)具有连接在第一互连分支中的初级绕组，该第一互连分支在第一接合点与第一电势之间伸展，该第一可控电压源和该第二可控电压源在该第一接合点处彼此连接，该第一电势位于该第一DC端子与该第二DC端子的电势之间的中间；以及连接到所述转换单元的另一端的次级绕组。
文档编号H02M3/335GK102906983SQ201080066842
公开日2013年1月30日 申请日期2010年7月15日 优先权日2010年7月15日
发明者S·诺尔加 申请人:Abb技术有限公司