电力转换器和电力系统的制作方法

本发明涉及一种用于将输入直流电压转换为输出直流电压的电力转换器。此外，本公开涉及一种电力系统，其可以例如但不一定是船舶的电力系统或直流“dc”电力分配系统。

背景技术

在许多情况下，电力系统包括直流电压轨道，用于向直流电压轨道提供电能的一个或多个电池元件以及一个或多个电力转换器，该一个或多个电力转换器用于将直流电压轨道的直流电压转换成适合于电力系统的一个或多个负载的电压。电力系统可以是例如船舶的电力系统，在这种情况下，电力系统的负载可以包括一个或多个推进马达，船舶的交流电压网络以及其他负载，例如，一个或多个船首推进马达。马达有利地是交流“ac”马达，并且相应的电力转换器是用于将直流电压轨道的直流电压转换成适合于ac马达的交流电压的逆变器。

在许多情况下，直流电压轨道的直流电压高于电池元件的直流电压是有利的。在这些情况下，每个电池元件通常与升压电力转换器(即升压转换器)连接到直流电压轨道。电力转换器通常包括其第一极连接到相应电池元件的电感线圈，在地和电感线圈的第二极之间的可控开关以及单向导电部件，例如二极管，以用于响应于可控开关处于非导电状态的情况而提供从电感线圈到直流电压轨道的电流的路径。

在上述类型的电力系统中，通常需要在电压轨道的直流电压下降到电池电压以下的故障情况下阻断升压电力转换器与直流电压轨道。直接的方法是在升压电力转换器和直流电压轨道之间连接过流保护器，例如，熔断器。与这种方法有关的一个固有挑战是，熔断器熔断或者用于激活另一个过流保护器所需的故障电流流过升压电力转换器的电感线圈，因此需要适当的装置来防止和/或用于保护免受由上述故障电流的突然变化引起的有害电压峰值影响。此外，需要根据可以明显高于正常工作时的相应电流的故障电流，设计电感线圈和单向导电部件，例如，二极管。另一种方法是向升压电力转换器提供布置成响应于上述类型的故障情况而降低电感线圈的电流的电路。然而，上述电路增加了升压电力转换器的复杂性和成本。

技术实现要素：

以下呈现了简化的概述，以提供对各种实施例的一些方面的基本理解。该概述不是本发明的广泛概述。其既不旨在确定本发明的关键或重要元件，也不旨在描绘本发明的范围。以下概述仅以简化形式呈现一些概念作为示例性实施例的更详细描述的序言。

根据本发明，提供了一种用于将输入直流电压转换为输出直流电压的新型电力转换器。该电力转换器包括：

-用于接收输入直流电压的输入端子，

-用于将输出直流电压提供给外部系统的输出端子，

-电感线圈，该电感线圈的第一极连接到输入端子的第一极，

-所述输入端子的第二极与所述电感线圈的第二极之间的可控开关，以及

-第一单向导电部件，例如，二极管，该第一单向导电部件用于响应于可控开关处于非导电状态并且电感线圈的电流流向电感线圈的第二极的情况，提供从电感线圈的第二极流向输出端子的电流的路径,

-过流保护器，例如熔断器，该过流保护器在所述输出端子处，所述过流保护器响应于通过所述输出端子的电流超过预定极限的情况而阻断通过所述输出端子的电流，以及

-第二单向导电部件，例如二极管，该第二单向导电部件用于响应于输出直流电压小于输入直流电压的情况，将电流从电感线圈的第一极传导到输出端子。

上述第二单向导电部件构成用于故障电流的低电感旁路路径。因此，在故障情况的早期阶段，足够强的故障电流可以被引导至过流保护器，过流保护器将输出直流电压降至输入直流电压以下。因此，在电感线圈的电流有时间极大增加之前，过流保护器能够将电力转换器与外部系统阻断。此外，由于第二单向导电部件构成上述旁路路径，所以上述电感线圈和第一单向导电部件不需要根据故障电流来确定尺寸。

根据本发明，还提供了新的电力系统，新的电力系统可以例如但不一定是船舶的电力系统或直流“dc”电力分配系统。根据本发明的电力系统包括：

-一个或多个直流电压轨道，

-一个或多个电池元件，

-上述类型的一个或多个第一电力转换器，用于将来自所述一个或多个电池元件的电能传输到所述一个或多个直流电压轨道，每个第一电力转换器连接到所述一个或多个电池元件中的一个，以及

-一个或多个第二电力转换器，例如，逆变器，用于将所述一个或多个直流电压轨道的一个或多个直流电压转换成适合于所述电力系统的一个或多个负载的电压。

根据本发明，还提供了一种包括上述类型的电力系统的新船舶。船舶的电力系统的负载可以包括例如一个或多个推进马达，船舶的交流电压网络和/或其他负载，例如，一个或多个船首推进马达。马达有利地是交流“ac”马达，并且相应的电力转换器是用于将一个或多个直流电压轨道的一个或多个直流电压转换成适合于ac马达的交流电压的逆变器。

在随附的从属权利要求中描述了许多示例性和非限制性实施例。

当结合附图阅读时，从以下对特定示例性和非限制性实施例的描述中将最好地理解关于结构和操作方法的各种示例性和非限制性实施例以及其附加目的和优点。

在本文中，“包含”和“包括”这些动词用作开放式限制，既不排除也不要求存在未列举的特征。除非另有明确说明，否则从属权利要求中列举的特征可相互自由组合。此外，应该理解，在本文中使用“一”或“一个”，即单数形式，并不排除多个。

附图说明

示例性和非限制性实施例及其优点在下面以示例的方式并参照附图更详细地解释，其中：

图1a示出了根据示例性且非限制性实施例的电力转换器的主电路的示意图，

图1b示出了根据示例性且非限制性实施例的电力系统的示意图。

具体实施方式

以下给出的描述中提供的具体示例不应被解释为限制所附权利要求的范围和/或适用性。除非另有明确说明，以下给出的描述中提供的列表和示例组并非详尽无遗。

图1a示出了根据示例性和非限制性实施例的电力转换器101的主电路的示意图。电力转换器包括用于接收输入直流电压udcin的输入端子102和用于向外部系统提供输出直流电压udcout的输出端子103。电力转换器101是升压转换器，即增压转换器，当输入直流电压udcin小于输出直流电压udcout时，升压转换器能够以受控方式将电能从输入端子102传输到输出端子103。电力转换器包括电感线圈104，电感线圈104的第一极连接到输入端子102的第一极109a。电力转换器包括在输入端子的负极109a和电感线圈104的第二极之间的第一可控开关105。可控开关105例如可以是绝缘栅双极型晶体管“igbt”，栅极截止晶闸管“gto”，双极型晶体管或场效应晶体管“fet”。电力转换器包括第一单向导电部件106，以用于响应于可控开关105处于非导电状态并且电感线圈104的电流流向电感线圈的第二极的情况而提供从电感线圈104的第二极流向输出端子103的电流的路径，即流向输出端子103。单向导电组件106可以是例如二极管。然而，可能的是，单向导电部件106是或包括可控开关，该可控开关相对于可控开关105以相反的相位进行控制。电力转换器包括在输出端子103处的第一过流保护器107。在该例子中，过流保护器107位于单向导电部件106和输出端子103的正极之间。过流保护器107被配置为响应于通过输出端子103的电流超过预定极限的情况以阻断通过输出端子103的电流。过流保护器107可以例如是熔断器。电力转换器还包括第二单向导电部件108，以用于响应于输出直流电压udcout小于输入直流电压udcin，即udcout<udcin，的故障情况而将电流从电感线圈104的第一极传导到输出端子103。

单向导电部件108构成从输入端子102到过流保护器107的低电感旁路路径。因此，可以在故障情况的早期阶段就已经将足够强的故障电流引导到过流保护器107，电流保护器107将输出直流电压udcout降低到低于输入直流电压udcin。因此，在电感线圈104的电流已经有时间显著地增加之前，使得过流保护器107能够阻断电力转换器与外部系统的连接。此外，因为单向导电部件108构成上述旁路路径，所以电感线圈104和单向导电部件106不需要根据故障电流来确定尺寸，故障电流可以极大高于在正常操作期间的电流。

在图1a所示的示例性情况下，电力转换器101还包括如下部件，所述部件用于使电力转换器能够将电能从输出端子103传输到输入端子102，以便例如在电池元件连接到输入端子102的情况下对电池元件充电。电池元件在图1a中未示出。电力转换器101包括用于将电流从输出端子103传导到电感线圈114的第二极的第二可控开关110。可控开关110例如可以是绝缘栅双极型晶体管“igbt”，栅极截止晶闸管“gto”，双极型晶体管或场效应晶体管“fet”。电力转换器101包括第三单向导电部件111，以用于响应于可控开关110处于非导电状态并且电感线圈104的电流流向电感线圈的第一极，即流向输入端子102，的情况，提供从输入端子102的第二极109b到电感线圈104的第二极的电流的路径。单向导电部件111可以是例如二极管。然而，可能的是，单向导电部件111是或包括可控开关，该可控开关相对于可控开关110以相反的相位进行控制。借助于电感线圈104，可控开关110和单向导电部件111，当输入直流电压udcin小于输出直流电压udcout时，电力转换器101能够以受控方式将电能从输出端子103传输到输入端子102。在可控开关105和110是igbt或金属氧化物半导体场效应晶体管“mosfet”的示例性情况下，单向导电组件106和111可以是igbt或mosfet的主体二极管。

根据示例性且非限制性实施例的电力转换器还包括第二过流保护器112，使得电感线圈104的第一极经由第二过流保护器112连接到输入端子102的第一极109a。过流保护器112被配置为响应于通过过流保护器112的电流超过预定极限的情况而阻断通过过流保护器112的电流。过流保护器112可以例如是熔断器。

除了图1a中示出的电气部件之外，电力转换器101可以进一步包括电容器和/或其它元件，这些电容器和/或其他元件被布置成在过流保护器107和112中的一个或两个阻断电流时，吸收由电感线圈104存储的能量。此外，电力转换器101可以进一步包括例如一个或多个二极管或其他元件，以用于当过流保护器107和112中的一个或两个阻断电流时提供用于感应电流的替代路径。

图1b示出了根据示例性且非限制性实施例的电力系统的示意图。在该示例中，电力系统是船舶的电力系统。电力系统包括直流电压轨道114，电池元件和用于将电能从电池元件传输到直流电压轨道的第一电力转换器。在图1b中，三个电池元件用附图标记113a，113b和113c表示，并且三个第一电力转换器用附图标记101a，101b和101c表示。第一电力转换器101a-101c中的每一个可以与图1a中示出的电力转换器101类似。电力系统包括第二电力转换器以用于将直流电压轨道114的直流电压转换为适合于电力系统的负载的电压。在图1b中，三个第二电力转换器用附图标记114a，114b和114c表示。在图1b所示的示例性情况下，电力系统的负载包括推进系统，船首推进马达和交流电压网络。在图1b中，推进系统的一个电动马达用附图标记115表示，其中一个船首推进马达用附图标记116表示，并且交流电压网络的一部分用附图标记117表示。在图1b所示的示例性情况下，第二转换器包括逆变器，以用于将直流电压轨道的直流电压转换为适合于电力系统的负载的交流电压。

图1b中所示的示例性电力系统还包括连接到直流电压轨道114的电容器系统119。电容器系统119可以包括例如也称为“超级电容器”的一个或多个高电容双电层电容器“edlc”。电容器系统119的电容有利地为至少0.1f，更有利地为至少1f，并且还有利地为至少10f。

图1b所示的示例性电力系统包括另一个直流电压轨道120，使得电力系统的直流电压轨道114和120通过过流保护器彼此连接。电力系统的连接到不同直流电压轨道的部分有利地可彼此独立地操作，以提高电力系统的运行可靠性。电力系统包括连接到直流电压轨道120的另一个电容器系统121。

图1b所示的示例性电力系统包括充电转换器118和122，以用于接收来自外部电力网络123的电能并通过过流保护器将电能提供给直流电压轨道114和120。电力系统包括用于利用从电力网络123接收的电能对电池元件充电的装置。电池元件和直流电压轨道之间的电力转换器可以设置有部件和控制系统，以使电力转换器能够将电能从直流电压轨道传送到电池元件。用于实现充电操作的部件可以是例如图1a中示出的可控开关110和单向导电部件111。然而，电力系统也可能包括用于给电池元件充电的单独的电力转换器。

上述电力系统的每个电力转换器可以包括用于控制所考虑的电力转换器的操作的控制器。单个控制器也可能配置为控制许多电力转换器。控制器可以用一个或多个处理器电路来实现，每个处理器电路可以是设置有适当软件的可编程处理器电路，专用硬件处理器(例如专用集成电路“asic”)，或者可配置硬件处理器，例如现场可编程门阵列“fpga”。此外，每个控制器可以包括一个或多个存储器电路。控制器未在图1a和1b中显示。

图1b中所示的电力系统还可以包括一个或多个内燃机驱动发电机，该一个或多个内燃机驱动发电机通过合适的电力转换器连接到直流电压轨道114和120中的一个或两个。内燃机驱动发电机在图1b中未示出。此外，电力系统可以包括通过合适的电力转换器连接到直流电压轨道114和120中的一个或两个的一个或多个太阳能电池和/或燃料电池和/或其他电源。在根据示例性实施例的电力系统是直流“dc”电力分配系统的情况下，电力系统可以包括一个或多个风力涡轮机驱动发电机，一个或多个风力涡轮机驱动发电机以适当的电力转换器连接到一个或多个直流电压轨道。

以上给出的描述中提供的特定示例不应被解释为限制所附权利要求的适用性和/或解释。除非另有明确说明，否则以上给出的描述中提供的示例和列举的组不是详尽的。