专利名称：用于单相和三相操作的转换器、直流电压源及电池充电器的制作方法
用于单相和三相操作的转换器、直流电压源及电池充电器本申请要求2009年1月四日提交的申请号为CH-0136/2009的瑞士国家申请的外国优先权，并且也要求2009年1月四日提交的序列号为61/148，377的美国临时申请的优先权。这两个在先申请出于所有意图和目一并在此作为参考，如同在此完整阐述。本发明涉及用于单相和三相操作的转换器，包括并联的三条支路以及三个电源侧线圈，每个支路具有串联的两个整流元件，整流元件的流动方向指向远离低端的方向，三个电源侧线圈分别连接在每条支路的两个整流元件之间。对于相对高的功率，现代半导体技术允许转换器从交流电压到直流电压，反之亦然。到供电网络的反馈是有问题的。这种反馈可以发生在例如瞬变过程中，该瞬变过程例如由开关过程或非线性用电设备导致，尤其由功率电子装置的组件(例如晶体管和闸流管等)导致。换流器例如用于将直流电压转换成交流电压的任何地方，例如，在将太阳能直流馈送至交流电压电源的情况下。另一方面，当装置(例如电子电路)连接到交流电源但装置仅适合于直流电压时，使用整流器。另一使用领域是电池或蓄电池的充电，由于人的移动性的稳步增长以及移动电气和电子设备的相关操作，电池或蓄电池的充电变得越来越重要。因为应当在单相电源(通常在家庭中)上和三相电源上(由于较大的功率密度，从而由于较快地充电)都可以充电，所以尤其是电动车辆提出了关于电池充电器的完全新的需求。此外，应以尽可能短的时间将相对高的内能(内能最终决定车辆的行驶路程)从电源传递到电池。为此需要的这种电池充电器的高功率，不幸地，对于传统器件，电池充电器的高功率频繁导致相当高的电源反馈，在现有技术中例如借助于合适的滤波器(例如，吸收电路、低通滤波器等等)来减小这种电源反馈。但是，在负载(例如，电池)上的功率波纹也可以引起问题。例如，DE10151153A1在这个上下文中描述了一种用于为电动车辆的电池充电的装置，该电动车辆具有用于从单相或多相交流电压生成直流电压的受控升压变压器，其中所述单相或多相交流电压低于所述直流电压。充电器配备有电源滤波器以及使电源反馈保持较低的特定串联扼流圈。此外，DE000002624532A1公开了专门在单相电源上的电容器，所述电容器仅与电阻和二极管相关联，而不与一个或多个线圈相关联，也不能可选地在三相电源上。 DE10151153A1公开了在电源输入处具有非耦合扼流圈的转换器以及转换器后面的非谐振的PWM换流器。未提及电容器切换。EP16436^A2公开了与扼流圈和无源三相整流器相结合的可切换电容器，但是这些电容器没有连接在电源侧而连接在扼流圈的“开关侧”(在二极管的情形下)。EP1971016A2公开了(滤波)扼流圈与电容器耦合在一起作为无源三相谐波滤波器。但是，该电容器是不可切换的，并且电源侧转换器是无源整流器。不希望单相操作，扼流圈在整流器的直流侧。US5200887公开了可切换(直流)电容器与无源整流器并联，以(如在400V的情况下)通过平分电源电压(从400V到200V)获得相同的中间电路电压。没有提及扼流圈。目前本发明的目的是，针对单相和三相操作，提供一种转换器、一种具有这种转换器的直流电压源以及一种具有这种直流电压源的电池充电器，其中，进一步减少了电源反馈和/或在单相操作的情况下使功率波纹远离负载。根据本发明，通过具有权利要求1特征的转换器、根据权利要求7和8的特征的直流电压源、以及具有权利要求10和11的特征的电池充电器来达到这个目的。因此，根据本发明，一种用于单相和三相操作的转换器包括-并联的三条支路，每个支路具有串联的两个整流元件，整流元件的流动方向指向远离低端的方向；-三个电源侧线圈，分别连接在每条支路的两个整流元件之间；-与开关一起提供在电源侧的第一线圈，在三相操作期间，开关将第一线圈连接到电源，在单相操作期间，开关通过电容器将第一线圈连接到a)低端或b)另一线圈的电源侧。因此，在根据本发明的直流电压源中-根据本发明的转换器在负载侧连接到双极换流器，-换流器连接到变压器的初级侧，-变压器的次级侧连接到双极整流器，以及-整流器用于连接负载。因此，此外，在根据本发明的另一直流电压源中-根据本发明的转换器在负载侧连接到两个双极换流器，所述两个双极换流器并联或串联，并且每个双极换流器具有与该双极换流器并联的电容器，-换流器分别连接到两个变压器的初级侧，以及-在每种情况下，每个变压器的次级侧连接到双极整流器，在每种情况下，双极整流器具有与该双极整流器并联的电容器，以及-整流器是并联或串联的，用于连接负载。因此，此外，在根据本发明的电池充电器中，提供上述根据本发明的两个转换器之一，以在负载侧连接蓄电池。因此，最后，在根据本发明的电池充电器中，提供根据本发明的直流电压源，以在负载侧连接蓄电池。就第一线圈来说，由于在电源侧提供开关，所以可以在单相模式下和三相模式下操作转换器，而电源反馈不会变得过大。为此，在三相操作的情况下，第一线圈或扼流圈连接到电源，而在单相操作的情况下，第一线圈或扼流圈通过电容器连接到低端或另一线圈的电源侧。禾I佣这种电路的，有效地减少了电源反馈，这将在稍后示出。因此，转换器也尤其适于所述直流电压源和所述电池充电器。但是，转换器的用途并不是局限于这个领域。由于减少了电源反馈，因此可以实现特别高效的电池充电器(例如用于电动车辆的电池充电器)，该电池充电器仍然符合供电公司关于最大电源反馈的规定。最后，还有效地减小了负载处的功率波纹(即，例如，电池的功率波纹)。在这一点上应指出，在本发明的上下文中，“转换器”可以理解为整流器、换流器或双向转换器。此外，“整流元件”可以理解为例如二极管、晶体管、间流管或其它整流元件。 因此，存在无源整流器、有源整流器或有源换流器。最后，“电池”可以理解为可再充电电池、
7蓄电池或其它储能介质。通过从属权利要求以及结合附图的描述，本发明的有利配置和其它发展是明显的。有利的是，第一线圈包括两个分线圈，这两个分线圈在三相操作的情况下并联，而在单相操作的情况下串联。这样，对于单相操作可以实现高电感，而在三相操作中电感相对低。高电感导致较小的电流波纹，并且优选地用在电容连接到低端时。尤其有利的是，线圈是以相同方式耦合的。线圈的耦合导致特别低的电流波纹。因此电路具有特别低的电源反馈。还有利的是，在三相操作的情况下，分线圈与其它线圈以相同的方式耦合，在单相操作的情况下，线圈被分为两个分线圈，一个分线圈和另一个分线圈分别以与其它线圈相同和相反的方式耦合。这引起线圈磁芯的较低磁调制，使得线圈可以被设计得更小。还有利的是，分线圈和其它线圈具有相同的匝数。这样，在三相操作期间，可以相对于其他线圈来平分经过分线圈的电流，分线圈以与其他两个线圈相同的方式并联，这在三相操作的情况下引起所有三个线圈中的对称行为。有利的是，分别与每个整流元件反并联一个开关元件。转换器不仅可以以一个方向转换电能，还可以以相反方向转换电能，因此原则上允许双向操作，即，将交流转换成直流，反之亦然。合适的开关元件例如是来自功率电子装置的组件(具体地，晶体管或闸流管)。因此也可以以任意组合的方式来使用上述转换器(即，无源整流器、有源整流器或有源换流器)，即，例如与有源换流器相组合的无源整流器。最后有利的是，在根据本发明的直流电压源的情况下，与换流器的每个开关元件反并联整流元件，与整流器的每个整流元件反并联开关元件。直流电压源因此也可以用作换流器，从而原则上允许双向操作，即，将交流转换成直流，反之亦然。这意味着可以最优使用这个实施例，例如，在太阳能电池领域中，由于太阳光和过量的直流，可以首先将电能存储在电池中，然后可以传递到交流电源中。如果随后出现黑暗，同时需要要求交流电流，则可以首先从电源(如果电源能够供电)获得交流，然后可以将来自电池的电流转换成交流电流，从而系统可以起到交流压电源的作用。此外(不用于驾驶的)电动车辆因此可以以电池作为用于交流电源的能量缓冲器来工作。同样地，合适的开关元件是例如来自功率电子装置的组件(具体地，功率晶体管或闸流管)。在这一点上应该清楚，本发明不涉及用于电池充电器的转换器，而是涉及一般的转换器。而且，电池充电器不仅仅涉及机动车辆构造中的应用，而是一般地涉及电池充电器。此处本领域技术人员将不难发现本发明也适合用于其它领域。本发明的以上配置和其它进展可以任何方式结合。将参考示意性附图中所示工作例子在下文更详细地描述本发明。
图1示意性示出了根据本发明转换器的第一变型；图2示出了第一转换器的所选参数随时间的变化；图3示意性示出了根据本发明转换器的第二变型；图4示出了第二转换器的所选参数的向量图；图5示出了第二转换器的所选参数随时间的变化；图6示出了第二转换器的另一变型的所选参数随时间的变化；
图7示意性示出了根据本发明转换器的第三变型；图8示意性示出了根据本发明的电池充电器的第一变型；图9示意性示出了根据本发明的电池充电器的第二变型；图10示意性示出了根据本发明的电池充电器的第三变型，所述电池充电器包括下变频DC/DC转换器；图11示出了 DC/DC转换器的简化图以及不同电压和电流随时间的变化；图12示出了具有电源侧非耦合线圈的简化整流器；图13a示出了图12中所示电路在占空比为25%时的电流和电压曲线；图13b示出了图12中所示电路在占空比为50%时的电流和电压曲线；图14示出了具有电源侧耦合线圈的简化整流器；图15a示出了图14中所示电路在占空比为25%时的电流和电压曲线；图15b示出了图14中所示电路在占空比为50%时的电流和电压曲线。在附图中，相同和相似部分具有相同的附图标记，功能上相似的元件和特征(除非另外提及)具有相同的附图标记但是不同的下标。图1示意性示出了根据本发明的转换器Ia的变型。转换器Ia包括并联的三条支路，每个支路具有串联的两个整流元件，在这种情况下，二极管D的流动方向指向远离低端 FP的方向，三个线圈La、Lb、Lc分别连接在每条支路的两个二极管D之间，并且分别连接至电源连接L3、L2/N、Li。在第一线圈La的情况下，在电源侧提供开关S，其中，在三相操作的情况下，开关S将第一线圈La连接到电源接线L3,在单相操作的情况下，开关S通过电容器C 将第一线圈La连接到低端FP。此外，分别与每个二极管D反并联一个开关元件(在这个情况下是晶体管T)。这有利于实现基本的本发明，还使得能够双向操作转换器1。图2示出了图1中所示转换器Ia的所选参数随时间的变化，即，相电流Iu、电容器电流Ie、电容器电压U。、以及最后在电容器处的视在功率&。选择曲线，使得在转换器Ia 的输出处出现恒定功率通量，尽管转换器Ia在输入处工作在单相模式下，并且相应地在输入处以两倍的电源频率(例如100Hz)来用脉冲传输功率。显然，电容器电流Ic、电容器电压U。、从而视在功率&的振荡速度是相电流Iu的两倍。在所示的图中，相电流Iu在50Hz 处振荡，因此电容器电流Ic、电容器电压Uc和视在功率&在IOOHz处振荡。最小电容器电压Uc越低，最大电容器充电电流/放电电流Ie越大。计算/仿真也示出了，对于在最大电容器电压Uc下使用电容器C中存储的能量的90%的情况，最小电容器电压U。(是最高电容器电压U。的31. 6%)足以完全补偿在单相操作中的功率波纹。在所示例子中，最大电容器电压Uc是600V，最小的电容器电压Uc是190V (四舍五入为200V)。 电容C是150 μ F。在图1中所示转换器Ia中，IOOHz电流流经第一线圈La，而50Hz电流流经其它两个线圈Lb和L。。因此存在当这些电流部分补偿的时刻但是也存在它们求和的时刻。计算示出了，通过在稍后的情况下使用耦合的扼流圈La、Lb、L。，公共的磁芯被强烈地驱动到饱和状态。为了抵消这种情况，经过第一线圈La的电流也应该有利地是50Hz的交流电流。可以通过图3中所示以下电路来实现这一点。图3示出了与图1中所示转换器Ia非常相似的转换器lb。在关于第二线圈Lb而示出的示例中，开关S在单相操作中将第一线圈La通过电容器不是连接到低端FP而是连接到另外的线圈Lb、L。。借助于电容器C，从第二相或中性导体L2/N产生“第三相”，“第三相”的电流领先于电源电流45°。这由如下事实引起在最大幅度处，当电源电流In的瞬时值下降到有效值以下时，电源电流In的一部分流入电容器C，并且电容器电流Ic为零。在电源电流In为正弦曲线的情况下，这是在最大值之后45°的情形。图4示出了向量图，图5示出了在图3中所示转换器Ib的相电压UU、L、UU和相电流Iu、IL2> Il3随时间的变化。虽然第三相L3没有连接在电源侧，但是由于实质上生成的第三相而保留该术语。从量图中明显可以看出，电容器电压Uc = Ul2-Ul3相对于电容器电流Ic = Il3而滞后90° (注意箭头方向)。对于第二相电压，由于与中性导体L2/N的连接，化=0。在所示图中，电容器电压Uc具有最大幅度。这是有利的，但不是必须的。在系统旋转经过45°之后，电容器电流Ie最大，但是电容器电压Ue是零，因此电容器C的功率输出也是零。在旋转经过另一 90°之后(在此期间电容器C拾取功率)，电容器电压Uc最大，但是电容器电流 Ic是零。在所描述的这两个操作点，瞬时电源功率对应于在正弦周期上平均的电源功率，所以电容器C也不需要补偿任何功率。在电源电流的峰值处，由于相移了 45°，电容器C达到其最大电压Ucmax和其最大电流Icmax的1/倍。因为此时从电源获得两倍的有效功率ΡΝ，并且电容器必须使用有效功率(即的一半，所以以下成立
权利要求
1.一种用于单相和三相操作的转换器(la. lc)，包括-并联的三条支路，每条支路具有串联的两个整流元件(D)，所述整流元件(D)的流动方向指向远离低端(FP)的方向；-三个电源侧线圈(La，Lb，L。)，分别连接在每条支路的两个整流元件(D)之间； 其中，在电源侧提供第一线圈(La)和开关(S)，在三相操作期间，开关(S)将第一线圈 (La)连接到电源，在单相操作期间，开关⑶通过电容器(C)将第一线圈(La)连接到a)低端(FP)或b)另一线圈(Lb，L。)的电源侧。
2.如权利要求1所述的转换器(la.lc)，其中，第一线圈(La)包括两个分线圈(Lal， La2)，所述两个分线圈在三相操作期间并联，而在单相操作期间串联。
3.如权利要求1或2所述的转换器(la.Ic)，其中，线圈(La，Lal，La2，Lb，Lc)以相同方式華禹合。
4.如权利要求3所述的转换器(la.Ic)，其中，在三相操作期间，分线圈(Lal，La2)以与其它线圈(Lb，Lc)相同的方式耦合；在单相操作期间，一个分线圈(Lal)以与其它线圈(Lb， Lc)相同的方式耦合，而另一个分线圈(La2)以与其它线圈(Lb，L。)相反的方式耦合。
5.如权利要求3或4所述的转换器(la.lc)，其中，分线圈(Lal，La2)和其它线圈(Lb， Lc)具有相同的匝数。
6.如权利要求1至5中任一项所述的转换器(la.lc)，其中，分别与每个整流元件(D) 反并联一个开关元件(T)。
7.一种直流电压源，包括转换器，其中-转换器是权利要求1至6中任一项所述的转换器(la. lc)形式的，并且在负载侧连接到双极换流器(2)，-换流器( 连接到变压器(T)的初级侧， -变压器(T)的次级侧连接到双极整流器(3)，以及 -整流器(3)用于连接负载。
8.一种直流电压源，包括转换器，其中-转换器是权利要求1至6中任一项所述的转换器(la. lc)形式的，并且转换器在负载侧连接到两个双极换流器Oa，2b)，所述两个双极换流器并联或串联，并且每个双极换流器具有与该双极换流器并联的电容器(CnC2)；-换流器( ，2b)分别连接到两个变压器(Ta，Tb)中相应一个的初级侧； -每个变压器(Ta，Tb)的次级侧分别连接到双极整流器(3a，北)，在每种情况下，所述双极整流器具有与该双极整流器并联的电容器(C3，C4)；以及 -整流器(3a，北)并联或串联，用于连接负载。
9.如权利要求7或8所述的直流电压源，其中，与换流器(h，2b)的每个开关元件(T) 反并联整流元件(D)，与整流器(3a，北)的每个整流元件(D)反并联开关元件(T)。
10.一种电池充电器(5a. 5c)，包括转换器，其中转换器是权利要求1至6中任一项所述的转换器(la. lc)形式的，并且用于蓄电池(B)或电池的负载侧连接。
11. —种电池充电器(5a. 5c)，包括直流电压源，其中直流电源是权利要求7至9中任一项所述的直流电压源形式的，并且用于蓄电池(B)或电池的负载侧连接。
12.一种用于单相和三相操作的转换器系统，包括 转换器；转换器的第一电源支路；所述第一电源支路连接在串联的第一组两个整流二极管之间的连接点处； 在第一电源支路中的第一扼流线圈，所述第一扼流线圈位于第一组两个整流二极管之间的连接点之前；转换器的第二电源支路；所述第二电源支路连接在串联的第二组两个整流二极管之间的第二连接点处； 在所述第二电源支路中的第二扼流线圈，所述第二扼流线圈位于第二组两个整流二极管之间的第二连接点之前； 转换器的第三电源支路； 开关；第三扼流线圈连接到开关和在第三组两个整流二极管之间的第三连接点处； 对于三相电流转换，开关具有第一位置，所述第一位置将第三扼流线圈连接到第三电源支路；以及对于单相电流转换，开关具有第二位置，所述第二位置将第三扼流线圈连接到电容器， 所述电容器还连接到转换器系统的低端。
13.如权利要求12所述的转换器系统，还包括 与每个整流二极管反并联的相应的开关。
14.如权利要求12所述的转换器系统，还包括双极换流器，连接到转换器的低端和转换器的高端； 变压器初级侧，连接到换流器；以及变压器次级侧，所述变压器次级侧连接到双极整流器，所述双极整流器配置用于负载连接。
15.一种用于单相和三相操作的转换器系统，包括 转换器；转换器的第一电源支路；所述第一电源支路连接在串联的第一组两个整流二极管之间的连接点处； 在第一电源支路中的第一扼流线圈，所述第一扼流线圈位于第一组两个整流二极管之间的连接点之前；转换器的第二电源支路；所述第二电源支路连接在串联的第二组两个整流二极管之间的第二连接点处； 在第二电源支路中的第二扼流线圈，所述第二扼流线圈位于第二组两个整流二极管之间的第二点连接之前；转换器的第三电源支路； 开关；第三扼流线圈，连接到开关和在第三组两个整流二极管之间的第三连接点处； 对于三相电流转换，开关具有第一位置，所述第一位置将第三扼流线圈连接到第三电源支路；以及对于单相电流转换，开关具有第二位置，所述第二位置将第三扼流线圈连接到电容器， 所述电容器还连接到第二电源支路。
16.如权利要求15所述的转换器系统，还包括 与每个整流二极管反并联的相应的开关。
17.如权利要求15所述的转换器系统，还包括双极换流器，连接到转换器的低端和转换器的高端； 变压器初级侧，连接到换流器；以及变压器次级侧，所述变压器次级侧连接到双极整流器，所述双极整流器配置用于负载连接。
18.一种用于单相和三相操作的转换器系统，包括 转换器；转换器的第一电源支路；所述第一电源支路连接在串联的第一组两个整流二极管之间的连接点处； 在所述第一电源支路中的第一扼流线圈，所述第一扼流线圈位于第一组两个整流二极管之间的连接点之前；转换器的第二电源支路；所述第二电源支路连接在串联的第二组两个整流二极管之间的第二连接点处； 在第二电源支路中的第二扼流线圈，所述第二扼流线圈位于第二组两个整流二极管之间的第二连接点之前；转换器的第三电源支路； 第三电源支路的两个分线圈；开关，用于第三电源支路的两个分线圈，对于三相转换操作，所述开关具有第一位置， 所述第一位置将分线圈与第三电源支路并联，所述第一位置还将分线圈与第三组两个串联的整流二极管之间的第三连接点并联；以及对于单相操作，开关具有第二位置，所述第二位置将所述两个分线圈与第三电源支路断开，并且将所述两个分线圈串联在第三连接点与跟转换器的低端相连的电容器之间，其中所述第三连接点位于第三组二极管之间。
19.如权利要求18所述的转换器系统，还包括 与每个整流二极管反并联的相应的开关。
20.如权利要求18所述的转换器系统，其中在三相操作期间，所述两个分线圈与第一和第二扼流线圈以相同的方式耦合，在单相操作期间，一个分线圈以与第一和第二扼流线圈相同的方式耦合，而另一个分线圈以与第一和第二扼流线圈相反的方式耦合。
21.如权利要求18所述的转换器系统，其中，所述两个分线圈的每个与第一和第二扼流线圈具有相同的匝数。
22.如权利要求18所述的转换器系统，还包括 第一双极换流器，连接到转换器；第一变压器的初级侧，连接到第一双极换流器；第一双极整流器，所述第一双极整流器连接到第一变压器的次级侧；第二双极换流器，连接到转换器；第二变压器的初级侧，连接到第二双极换流器；第二双极整流器，所述第二双极整流器连接到第二变压器的次级侧。
23.如权利要求22所述的转换器系统，还包括 第一换流器电容器，与第一双极换流器并联；以及第二换流器电容器，与第二双极换流器并联。
24.如权利要求22所述的转换器系统，还包括 第一整流器电容器，与第一双极整流器并联；以及第二整流器电容器，与第二双极整流器并联。
25.如权利要求22所述的转换器系统，其中 第一和第二双极换流器与转换器并联。
26.如权利要求22所述的转换器系统，其中 第一和第二双极换流器与转换器串联。
27.如权利要求22所述的转换器系统，其中 整流器是串联的。
28.如权利要求22所述的转换器系统，其中 整流器是并联的。
29.如权利要求22所述的转换器系统，还包括 在第一和第二换流器中的多个开关；以及反并联的整流二极管，分别用于所述多个开关的每个开关。
30.如权利要求22所述的转换器系统，还包括在第一和第二整流器中的多个整流器并入式整流二极管；以及反并联的开关，分别用于所述多个整流器并入式整流二极管的每一个。
31.如权利要求18所述的转换器系统，还包括 第一电容器，与第一组两个整流二极管并联； 第二电容器，与第二组两个整流二极管并联； 第三电容器，与第三组两个整流二极管并联。
全文摘要
描述了一种用于单相和三相操作的转换器(1a.1c)，该转换器包括三相整流器，三个线圈(La，Lb，Lc)连接到所述三相整流器的电源侧。在电源侧上提供第一线圈(La)和开关(S)，在三相操作期间，开关(S)将第一线圈(La)连接到电源，在单相操作期间，开关(S)通过电容器(C)将第一线圈连接到整流器的低端(FP)或连接到另一线圈(Lb，Lc)的电源侧。此外，描述了包括了根据本发明的转换器(1a.1c)的一种直流电压源和一种电池充电器(5a.5c)。
文档编号H02M7/06GK102301577SQ201080005790
公开日2011年12月28日 申请日期2010年1月26日 优先权日2009年1月29日
发明者阿克塞尔·克劳泽 申请人:布鲁萨电子公司