三相AC到DC功率转换器的制作方法

三相ac到dc功率转换器
技术领域
1.本发明涉及一种三相交流ac到直流dc功率转换器，其特别是用于对电动车辆充电，该三相交流ac到直流dc功率转换器包括基于低频二极管的转换器。


背景技术：

2.用于对电动车辆充电的功率转换器根据现有技术是已知的，并且通常被称为电动车辆充电站，也称为ev充电站、电再充电点、充电桩（charging point）、充电点（charge point）、ecs、电子充电站，或最近被称为evse（电动车辆供应设备）。通常，evse是基础设施中的元件，其在家、在公共空间或者工作处供应用于电动车辆（诸如插电式电动车辆，包括电动轿车、邻域(neighbourhood)电动车辆和插电式混合动力）再充电的电能。一些电动车辆具有车载转换器，该车载转换器能够插入到标准电气插座(outlet)或高容量器具插座中。其它电动车辆需要或者能够使用提供电转换、监测或安全功能性的充电站。
3.当旅行时，这些充电站也是需要的，并且与从住宅用evse可获得的电压和电流相比，许多充电站支持在更高的电压和电流下的更快的充电。公共充电站通常是由电业公司提供的街道上设施，或者位于零售购物中心、餐馆和停车场所处，并且由许多私人公司运营。除了别的以外，充电标准还包括组合充电系统ccs（其正在成为通用标准）或chademo等。
4.存在用来不断地提供更好的功率转换器拓扑的一般目的，所述功率转换器拓扑是便宜的，提供大的输出电压范围，所述功率转换器拓扑特征在于高效率的功率转换、良好的功率因数、交流ac上的thd（总谐波失真）和/或直流dc上的良好的输出纹波。


技术实现要素：

5.因此，本发明的目的是要提供一种用于对电动车辆充电的改进的功率转换器。
6.本发明的目的通过独立权利要求的特征来解决。优选实施例在从属权利要求中详述。
7.因此，该目的通过特别用于对电动车辆充电的三相交流ac到直流dc功率转换器来解决，该三相交流ac到直流dc功率转换器包括：升压功率因数校正pfc电路，其包括：基于低频二极管的转换器，其被配置用于将所述转换器的pfc输入连接到ac源；串联连接在一起并且并联连接到所述转换器的pfc输出的pfc电感器和pfc电容器，所述升压功率因数校正pfc电路进一步包括并联连接到所述转换器的pfc输出的高频pfc二极管和高频pfc开关，或者包括各自并联连接到所述转换器的二极管中的一个二极管的多个高频pfc开关，转换器，其包括串联连接的电感器和第一电容器、第二电容器以及并联连接到所述串联连接并且经由与第二电容器的串联连接而形成输出的高频二极管，特别地，电动车辆可作为dc负载连接到所述输出，以及变压器，其具有与pfc电容器并联连接的初级侧和与电容器并联连接的次级
侧。
[0008] 因此，本发明的关键方面是要将三相升压pfc电路与转换器相组合。功率因数校正pfc电路通常增加负载的功率因数，由此提高整体转换效率。ac电功率系统的功率因数被定义为由负载吸收的实际功率与在电路中流动的表观功率的比率，并且是在
‑
1到1的封闭区间中的无量纲数。转换器（有时被错误地拼写为、或）是一种类型的dc/dc转换器，所述dc/dc转换器具有大于或小于输入电压幅度的输出电压幅度。该转换器实质上是升压转换器，之后是具有用于耦合能量的电容器（即第一电容器）的降压转换器。转换器根据加州理工学院（california institute of technology）的slobodan 来命名，slobodan 首次提出该设计。转换器优选地提供为隔离转换器。用于开关的开关频率例如为10 khz。
[0009]
所提出的转换器提供具有电感器电流纹波的恒定输入电流和恒定输出电流的优点。即使硬开关可以应用于开关，所提出的解决方案也有助于改善emc（电磁兼容性）和输入/输出纹波要求。所提出的转换器有利地提供输出电压的宽范围。ac侧上的可能的电感器看见三个电平，由此减小输入电压纹波。由于使用和/或升压
‑
降压转换器，能够实现独立于输入电压的宽输出电压范围。因此，功率转换效率非常高，因为不存在输入整流或输出整流。所提出的解决方案特别适用于作为开关的sic（碳化硅）和igbt，并且可以通过在初级侧上和在次级侧上仅使用一个“高”频率开关和各自一个“高”频率二极管来实现。因此，由于组件计数另外非常低，所提出的转换器可以以非常低的成本来实现，但由此提供了转换中的高效率。
[0010]
在高频pfc二极管和高频pfc开关并联连接到转换器的pfc输出的情况下，功率路径仅需要一个高频pfc开关、一个高频pfc二极管、一个高频二极管、基于二极管的转换器的六个低频二极管、电源（mains）频率、四个电感器、pfc和，以及两个电容器、pfc和。在仅仅输出电压和电流将是足够的同时，所提出的拓扑不需要任何ac电压或电流测量。开关的控制可以很容易地进行，因为它是自然稳定的，在不干净ac源的情况下采用轻微的校正来工作，或者采用固定的pwm（脉宽调制）来工作。对于这样的
‘
单’开关版本，pfc电感器可以在不连续模式中使用，从而导致良好的功率因数。
[0011]
在多个高频pfc开关各自并联连接到转换器的二极管中的一个二极管的情况下，这种解决方案提供了良好的功率因数，同时它在添加一个额外的开关的情况下可以是单向或双向的，如稍后所述。在这种情况下，转换器的二极管也优选地被提供为高频二极管。根据本技术，术语高频意味着例如对于开关，开关提供比例如ac网络的整个系统频率的开关频率更快的开关频率。在这种拓扑中，使用一些智能开关策略，单个高频pfc开关可以被多个高频pfc开关超越（overtake）。换言之，通过接通基于二极管的转换器的ac侧上的所有多个高频pfc开关来代替单个高频pfc开关。通过开关对应的顶部和底部高频pfc开关，可以使用任何剩余的占空比来在ac侧上执行pfc功能。取决于电流的方向，在所有高频pfc开关接通之后，优选地，顶部或底部高频pfc开关可以保留接通，并在其间切换（switch over），之后所有高频pfc开关再次接通。这种开关导致ac侧上的良好的pfc和dc侧上的恒定
的电流。此外，之前在和升压pfc转换器中使用的软开关技术可以应用于所提出的拓扑。采用在初级侧上具有六个高频pfc开关并且在次级侧上具有高频开关的这种版本，如稍后所讨论的，该转换器可以双向地工作。
[0012]
以下实现允许通过使用附加的无源陷波滤波器元件和/或无源pfc、附加的并行有源谐波补偿/pfc和/或通过采用有源开关代替低频二极管的谐波补偿来进一步改善pfc和/或thd（总谐波失真）。取决于功率电平和要求，前两种选项是特别有利的。后面的选项使用相同的功率电感器。因此，与将需要额外电感器和电容器缓冲器的附加有源滤波器相比，额外成本仅由于开关及其驱动器而发生。
[0013]
根据另外的优选实施例，pfc电容器经由变压器和电容器连接到输出的负电位，并且pfc电感器经由变压器、第一电感器和第二电感器连接到输出的正电位。
[0014]
在另一个优选实现中，高频二极管的阳极连接到输出的负电位。
[0015]
根据另外的优选实现，第二电感器连接到输出的正电位，并且与第一电感器串联连接。
[0016]
根据另外的优选实现，转换器包括与高频二极管并联连接的高频开关。
[0017]
根据另一个优选实现，转换器包括三个相电感器，所述三个相电感器各自布置在pfc输入和基于低频二极管的转换器之间的相应电流路径中。
[0018]
根据另外的优选实现，转换器包括三个陷波电容器和各自的陷波电感器，所述陷波电感器连接在一起并且与各自的一个陷波电容器串联连接，由此每一个陷波电容器连接到相应的相电感器和基于低频二极管的转换器。
[0019]
根据另一个优选实现，转换器包括三个相电容器，所述三个相电容器连接到一起并且连接到pfc输入的相应的相。这样的实施例特别有利于减少五次谐波和七次谐波，特别是通过提供这样的陷波滤波器来减少五次谐波和七次谐波，由此显著地改善thd（总谐波失真）。thd是存在于信号中的谐波失真的量度，并且通常被定义为所有谐波分量的功率之和与基频的功率之比。
[0020]
根据另外的优选实现，转换器包括并联连接到转换器的pfc输出的高频pfc二极管和高频pfc开关，所述转换器还包括并联连接的第二高频pfc二极管和第二高频pfc开关，由此pfc二极管中的每个和pfc开关中的相应一个并联连接到转换器的pfc输出。这样的实施例允许较低电压额定值的开关和多电平开关，由此减小输入和输出纹波和/电感值。
[0021]
根据另一个优选实现，转换器包括多个高频pfc开关，所述多个高频pfc开关各自并联连接到转换器的二极管中的一个二极管，所述转换器还包括并联连接到pfc电感器的第二高频pfc开关。
[0022]
根据另外的优选实现，转换器包括多个高频pfc开关，所述多个高频pfc开关各自与转换器的二极管中的一个二极管并联连接，所述转换器还包括与高频二极管并联连接的高频开关、第二频率开关和与第二高频开关并联连接的第二高频二极管，由此高频二极管中的每个和高频开关中的相应一个并联连接到第一电感器和电容器的串联连接。如前所述，这样的实施例也允许较低电压额定值的开关
和多电平开关，由此减小输入和输出纹波和/电感值。
[0023]
该方法的另外的实施例和优点是由本领域技术人员根据如之前描述的系统直接地并且毫无疑义地得出的。
附图说明
[0024]
本发明的这些和其它方面根据下文描述的实施例将变得明显，并且将参考下文描述的实施例被阐明。
[0025]
在附图中：图1在示意图中示出了根据本发明的优选实施例的三相交流ac到直流dc功率转换器，图2在示意图中示出了根据本发明的另一个优选实施例的三相交流ac到直流dc功率转换器，图3在示意图中示出了根据本发明的另一个优选实施例中的图1的功率转换器的局部视图，图4在示意图中示出了根据本发明的甚至另一个(even another)优选实施例中的图1的功率转换器的局部视图，以及图5在示意图中示出了根据本发明的另一个优选实施例中的图2的功率转换器的局部视图。
具体实施方式
[0026]
图1在示意图中示出了根据优选实施例的用于对电动车辆1进行充电的三相交流ac到直流dc功率转换器。
[0027]
转换器包括升压功率因数校正pfc电路2、转换器3和变压器4。pfc电路2在一侧上连接到ac源5，诸如ac电网。pfc电路2在另一侧上连接到变压器4，该变压器4然后连接到转换器3，电动车辆1作为dc负载6连接到所述转换器3。
[0028]
三相pfc电路2包括基于低频二极管的转换器7、高频pfc二极管8、高频pfc开关9、pfc电感器10和pfc电容器11。高频pfc二极管8和提供为电压控制fet开关的高频pfc开关9并行布置，并且由此并联连接到基于二极管的转换器7的输出，使得基于二极管的转换器7的二极管和高频pfc二极管8的阳极和阴极分别连接在一起。具有10 mh电感的pfc电感器10和具有1000μf电容的pfc电容器11串联连接，使得pfc电感器10连接到阴极，并且pfc电容器11连接到阳极。
[0029]
图2示出了另外的优选实施例，其中，与图1相反，高频pfc二极管8和高频pfc开关9不与基于二极管的转换器7的输出并联连接。相反，每一个高频pfc开关9与基于二极管的转换器7中的每个二极管并联连接。
[0030]
转换器3包括串联连接的第一电感器12和电容器13。第一电感器12具有10 mh的电感，并且电容器13具有1000μf的电容。转换器12还包括高频二极管14，所述高频二极管14并联连接到第一电感器12和电容器13的串联连接。高频二极管14的阳极经由变压器4连接到高频pfc二极管8的阳极。
[0031]
转换器3还包括具有1000 μh的电感的第二电感器15，所述第二电感器15连接到高频二极管14的阴极。以这种方式，第二电感器15和高频二极管14的阳极形成输出16，电动车辆1作为dc负载6连接到该输出16。另外，高频二极管13的阳极与输出16的负电位连接。图2的另外的实施例示出了高频开关17，其与高频二极管14并联连接。
[0032]
变压器4采用它的初级侧与pfc电容器11并联连接，并且采用它的次级侧与电容器13并联连接，由此连接pfc电路2和转换器3。以这种方式，电容器13和pfc电容器11经由变压器4连接到输出16的负电位。pfc电感器10经由变压器4和第一电感器11和第二电感器15连接到输出16的正电位。
[0033]
图3示出了根据另外的优选实施例的pfc电路2的放大和/或局部视图。在ac源5和基于二极管的转换器7之间的每个电流路径中提供各自具有1000μh的电感的相电感器18。此外，提供了一种陷波滤波器，其包括各自三个各具有1000μf的电容的陷波电容器19和各具有1000μh的电感的三个相应的陷波电感器20的两个集合。每三个陷波电感器20星形地连接在一起，并且与各自的一个陷波电容器19串联连接到相电感器18和转换器7之间的一个相。此外，提供了各自具有1000μf的电容的三个相电容器21。相电容器21星形地连接在一起，并且每个相电容器21都连接到相电感器18和ac源7之间的一个相。
[0034]
图4示出了pfc电路2的另外的实施例，由此提供了第二高频pfc二极管22和第二高频pfc开关23。高频pfc二极管8和第二高频pfc二极管22串联连接，并且以这样的方式（such wise）并联连接到转换器7的输出。高频pfc开关9和第二高频pfc开关23也串联连接，并且以这样的方式并联连接到转换器7的输出。此外，所述开关9、23与二极管8、22星形互连。提供另外的高频pfc二极管24，以用于降低损耗。
[0035]
在图5中，描绘了另一个实施例，其中每一个高频pfc开关9与转换器7的二极管中的一个二极管并联连接。此外，第二高频pfc开关23与pfc电感器10并联连接。转换器3包括第二高频开关24和第二高频二极管25。高频开关17和高频开关24串联连接并且以这样的方式并联连接到第二高频开关24和第二高频二极管25的串联连接，所述串联连接并联连接到第一电感器12和电容器13的串联连接。
[0036]
虽然已经在附图和前面的描述中详细图示和描述了本发明，但是这样的图示和描述要被认为是说明性的或示范性的而不是限制性的；本发明不限于所公开的实施例。根据研究附图、本公开和所附权利要求书，通过本领域技术人员在实施要求保护的发明可以理解和实现对于所公开的实施例的其他变化。在权利要求中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。在相互不同的从属权利要求中记载某些措施的纯粹事实并不指示不能有利地使用这些措施的组合。权利要求中的任何参考符号不应被解释为限制范围。
[0037]
参考符号列表1 电动车辆2 pfc电路
3 转换器4 变压器5 ac源6 dc负载7 基于二极管的转换器8 高频pfc二极管9 pfc开关10 pfc电感器11 pfc电容器12 第一电感器13 电容器14 高频二极管15 第二电感器16 输出17 高频开关18 相电感器19 陷波导体20 陷波电感器21 相电容器22 第二高频pfc二极管23 第二高频pfc开关24 第二高频开关25 第二高频二极管。