转换器制造技术

描述一种用于在两个电压电平之间转换电压的DC到DC转换器(300，300a，700)。转换器(300，300a，700)包括多个电容器(404)和开关装置(304，406)，并且在第一与第二换向状态之间是可控的。在第一换向状态中，转换器(300，300a，700)配置用于到较高电压端子的连接，并且电容器(404)串联连接。在第二换向状态中，转换器(300，300a，700)配置用于到较低电压端子的连接，并且电容器(404)被连接以形成并联连接的至少两个分支(502)，分支(502)包括至少两个电容器(404)的串联连接。在一些实施例中，还可提供一个或多个中间换向状态。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】本专利技术涉及直流到直流(DC-DC)转换器,具体来说而非排他地供中压或高压电网中使用。常常预期改变功率源的电压电平。这种预期在从低功率装置(例如计算机中的电池可供应特定电压，但是在其中的电路可个别要求不同的电压)到高压直流(HVDC)网络的各种电子装置中看到。例如，在HVDC功率传输的开发领域，可期望互连DC传输网络和DC分配网络。但是，这些网络可工作在不同的电压电平。在较高功率应用中，DC到DC转换器通常包括两个转换级，从而将电流从DC变换成交流(AC)然后再变换回DC。这个中间AC级可要求使用变压器。这类转换器是重的并且庞大的，其具有大量组件。直接DC到DC转换器也是已知的。这些包含所谓的“DC斩波器”电路，其中使用通常涉及无源能量存储组件(例如电感器和电容器)和半导体(二极管和控制开关，例如双极结晶体管(BJT)、金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)或绝缘栅双极晶体管(IGBT))的布置，分别如图1A和图1B所示，其分别图示逐渐降低(降压)和逐步增加(升压)转换器。参照图1A和图1B所示的装置，开关S以预期频率和占空比来换向，以便实现从电压源Vin到电感器L和电容器C的能量传递，同时调节输出电压电平Vout。二极管D是单向电流装置。这类切换拓扑要求高切换频率，以便减小无源组件的大小。此外，它们要求开关S耐受全DC电压。由于这类开关的电压额定通常被限制，所以对于较高电压操作，单个开关能够通过串联连接的开关来取代，或者能够使用具有半桥或全桥单元的备选布置。但是，如果这种电路将要用于中压或高压DC环境，则半导体装置中的功率损耗将会达到不可接受等级。技术人员还将知道“马克斯发生器”，用来生成高压脉冲的电路。这种电路通常包括一组电容器和机电或固态开关，其布置成形成重复结构。使用半导体开关的这个电路的一般配置在图2A-C中示出，其中电容器表示为C，二极管表示为D，以及开关表示为S。两个换向状态被定义并且依次和循环地应用于电路。第一换向状态将电容器Cn并联连接于低压源Vdc(图2B)两端，从而允许电容器C与源Vdc之间的能量传递。第二换向状态将电容器串联连接于电路(图2C)的高压端子(Vo)两端。RU2454779和RU2394344公开一种电路，其包括电容器的连接，并且被提出用于铁路列车中的DC到DC转换器的实现。电路使用固态开关和电容器的组合将能量从低压源传递到高压源。电路包括两个臂，其中高压源连接于两个臂两端，以及低压源连接于两个臂的中点两端。电路能够布置为上述换向状态中的马克斯发生器(图2B和图2C)，其中所有顶部和底部臂电容器首先并联连接于低压源两端并且然后串联连接于高压源两端，这引起与图2所示的状态相同的等效电路换向状态。备选地，为了降低由在其中的开关所耐受的电压应力，两个臂均能够单独并联连接于低压源两端，并且然后共同串联连接于高压源两端。各电容器中的电压电平必须在两种操作模式中等于低压源的电压电平。这将电路低压输出限制到能够对每个电容器进行充电到的最大电压，其又被电路中采用的固态开关的最大电压额定限制。相关概念全部在N.N.Lopatkin、G.S.Zinoviev和L.G.Zotov的“Bidirectionalhigh-voltageDC-DCconverterforadvancedrailwaylocomotives”(EnergyConversionCongressandExposition(ECCE)，2010IEEE，2010，第1123-1128页)中论述。按照本专利技术的第一方面，提供一种用于在较高电压与较低电压之间转换电压的DC到DC转换器，该转换器包括多个电容器和开关装置，并且通过至少一个开关装置的操作在第一与第二换向状态之间是可控的，其中，在第一换向状态中，转换器配置用于到较高电压端子的连接，并且电容器串联连接，以及在第二换向状态中，转换器配置用于到较低电压端子的连接，并且电容器被连接以形成并联连接的至少两个分支，分支包括至少两个电容器的串联连接。因此，转换器在‘串联’配置与所谓‘矩阵’配置之间是可控的，其中提供串联连接电容器的并联分支。串联连接的至少两个电容器在配置用于到较低电压端子的连接时的提供意味着，较低电压连接可以是串联连接电容器的最大电压之和。因此，这为转换器提供灵活拓扑，其中较低电压网络的电压并不局限于单个电容器的电压额定，并且而是可适当地选择串联连接电容器的数量。在这个上下文内，术语‘较高电压’和‘较低电压’在比较意义上使用，如为技术人员一般通过转换器的论述将会熟悉的：实际上，这种设备一般描述为简单地具有高压侧和低压侧。因此，术语‘较低电压’或‘低电压’和‘较高电压’或‘高电压’在这个意义上(即，当具体提到转换器的任一侧的连接端子或连接网络时)将不被采取以暗示对实际电压的任何限制，其在一些优选实施例中均可以比较高，例如在数千伏特至数百千伏特范围中。常规地，每个分支包括相同数量的电容器或者至少相同电容。在一些实施例中，电容器可按照集群来布置。优选地，集群被布置,使得在第一和第二换向状态中，集群内的电容器串联连接。因此，集群可提供第二换向状态的‘矩阵’状配置的分支。根据集群来配置转换器简化从串联到并联连接的重新配置。在一些示例中，转换器由有限数量的类型的集群、例如1、2、3或4种类型的集群来组成。相同类型的多个集群可提供在给定转换器中。这降低制造和设计要求，从而为转换器提供易于可缩放设计，其中集群的数量可按照给定转换器的预计功能环境来选择。在第一换向状态中，集群可串联连接，而在第二换向状态中，集群可并联连接。转换器可包括至少两个集群和至少两个开关装置，其布置成允许集群在第一换向状态中的串联以及在第二换向状态中的并联的选择性连接。在一个实施例中，每个电容器与例如功能单元中的至少一个开关装置关联。这种设计将是易于可缩放的。转换器可由有限数量的类型的单元、例如二、三或四种类型的单元来组成。至少一个这种类型的多个单元可提供在给定转换器中，这降低制造要求。在优选实施例中，转换器通过在第一与第二换向状态之间的变换期间将至少一个开关装置操作成一个或多个中间换向状态是可控的。这类中间状态可布置成对转换器内的至少一些开关装置的切换利用、实行和/或保持低或甚至零电压条件。(一个或多个)中间换向状态可包括当转换器处于第二换向状态时中断(例如通过打开开关)电容器(例如转换器的分支内的那些电容器)之间的至少一个串联连接。因此，可提供至少一个开关装置，以便有选择地串联连接电容器或者中断串联连接。在一个示例中，至少一个开关装置为此目的而提供在分支中的各电容器之间。作为替代或补充，(一个或多个)中间换向状态可布置成将电容器配置成钳制(clamp)一个或多个开关装置两端的电压。例如，电压可在一个或多个开关装置两端钳制为最多在单个电容器两端的电压。这可以是有利的，例如以便在切换期间限制组件两端的电压。即使与两种网络断开，但是如果电容器保持在串联连接中，则可看到电路组件、例如开关两端的电压。但是，提供减少其中串联连接电容器的数量(或者在一些示例中，去除大多数或全部串联连接)的至少一个中间换向状态在从第一换向状态切换到第二换向状态期间限制电路组件两端的电压，并且因此允许在切换以低或零本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于在较高电压与较低电压之间转换电压的DC到DC转换器，所述转换器包括多个电容器和开关装置，并且通过至少一个开关装置的操作在第一与第二换向状态之间是可控的，其中;在所述第一换向状态中，所述转换器配置用于到较高电压端子的连接，并且所述电容器串联连接；以及在所述第二换向状态中，所述转换器配置用于到较低电压端子的连接，并且所述电容器被连接以形成并联连接的至少两个分支，所述分支包括至少两个电容器的串联连接。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.02.07 EP 14154345.41.一种用于在较高电压与较低电压之间转换电压的DC到DC转换器，所述转换器包括多个电容器和开关装置，并且通过至少一个开关装置的操作在第一与第二换向状态之间是可控的，其中;在所述第一换向状态中，所述转换器配置用于到较高电压端子的连接，并且所述电容器串联连接；以及在所述第二换向状态中，所述转换器配置用于到较低电压端子的连接，并且所述电容器被连接以形成并联连接的至少两个分支，所述分支包括至少两个电容器的串联连接。2.如权利要求1所述的转换器，其中，所述电容器布置在至少两个集群中，其被布置,使得在所述第一和第二换向状态中，集群内的所述电容器串联连接，并且还使得所述集群在所述第一换向状态中串联连接而在所述第二换向状态中并联连接。3.如权利要求2所述的转换器，其中，至少两个这类集群包括基本上相同配置的组件。4.如权利要求2或3所述的转换器，其中，所述转换器包括至少两个开关装置，其是可控的以允许所述集群在所述第一换向状态中的串联和在所述第二换向状态中的并联的选择性连接。5.如任何前述权利要求中所述的转换器，其中，每个电容器与单元中的至少一个开关装置关联，以及至少两个这类单元包括基本上相同配置的组件。6.如任何前述权利要求中所述的转换器，其通过至少一个开关装置的操作可控制成一个或多个中间换向状态，并且所述转换器布置成在采取所述第一与所述第二换向状态之间采取至少一个中间换向状态。7.如权利要求6所述的转换器，其可控制为中间换向状态，其中中断在所述第一和所述第二换向状态中串联的电容器之间的至少一个串联连接。8.如权利要求6或7所述的转换器，其中，至少一个中间换向状态包括其中中断按照所述第二配置处于所述转换器的公共分支内的电容器之间的至少一个串联连接的状态。9.如权利要求8所述的转换器，其中，至少一个开关装置提供在分支中的各电容器之间，以便有选择地在中间换向状态中连接或中断所述分支中的所述串联连接。10.如权利要求6至9中的任一项所述的转换器，其从所述第一换向状态可控制为其中中断所述分支之间的所述串联连接的第一中间换向状态以及从所述第一中间换向状态可控制为其中中断所述分支之间和分支内的所述电容器之间的串联连接的第二中间换向状态。11.如权利要求6至10中的任一项所述的转换器，其从所述第二换向状态可控制为其中中断分支内的所述电容器之间的所述串联连接的中间换向状态。12.如权利要求6至11中的任一项所述的转换器，其中，按照所述第二配置处于公共分支内的电容器在多个串联连接开关装置两端串联，以及(一个或多个)所述中间换向状态被布置,使得在所述第一与第二换向状态之间的变换期间在任何串联连接开关装置两端的最大电压最多是在单个电容器两端的所述电压。13.如任何前述权利要求中所述的转换器，其具有双极配置，其中所述转换器包括两个臂，每个臂包括多个电容器和开关装置，以及所述转换器通过至少一个开关装置的操作在第一与第二换向状态之间是可控的，其中，在所述第一换向状态中，所述转换器配置用于到较高电压端子的连接，并且所述电容器串联连接，以及在所述第二换向状态中，所述转换器配置用于到较...

【专利技术属性】
技术研发人员：C巴克，J马奈罗，
申请(专利权)人：阿尔斯通技术有限公司，
类型：发明
国别省市：瑞士;CH