用于优化中频变压器MFT中的电流平衡的带分体式能量转移电感器的双有源桥式转换器单元制造技术

根据本发明专利技术的双有源桥式DC/DC转换器包括：第一DC链路，优选地包括第一DC链路电容器；转换器桥，其连接到第一DC链路；变压器，优选的是中频变压器，具有初级侧和次级侧；变压器的初级侧包括多个(即，M>1)初级绕组，该多个初级绕组中的每一个具有第一端子和第二端子；其中，双有源桥式DC/DC转换器还包括第一多个(即，M个)能量转移电感器；并且其中，对于M个初级绕组中的每一个，第一多个能量转移电感器中不同的能量转移电感器连接在所述初级绕组桥和转换器桥之间。和转换器桥之间。和转换器桥之间。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于优化中频变压器MFT中的电流平衡的带分体式能量转移电感器的双有源桥式转换器单元


[0001]本专利技术涉及电力电子领域。它涉及根据独立专利权利要求的双有源桥式DC/DC转换器。

技术介绍

[0002]在几千赫兹(尤其是高于3kHz或更高频率)的高频下处理大电流(几百安培及以上，尤其是200A以上)的变压器，由于在较低频率(尤其是在低于1kHz的频率)下和/或对于低电流(尤其是低于100A的电流)可忽略的几种影响，很难用低成本和/或现成组件制造。涉及此类高频和/或电流的典型应用是固态变压器中经常使用的中频变压器，特别是对于被配置为AC/DC转换器的SST，用于如电动汽车(EV)快速充电、光伏(PV)太阳能、电池储能系统(BESS)、陆上和海上风力发电、数据中心中将分布式电源连接到中压(MV)电网，但该典型应用也可是在高功率低压DC/DC转换器中通常使用的无MV绝缘要求的变压器，该DC/DC转换器具有EV快速充电器的充电极需要电绝缘。此类DC/DC转换器的一个特定示例是双有源桥式转换器，如瑞士专利申请公开CH 707533 A2或美国专利申请公开CH 2018/0159435 A1中示例性描述的(这两个申请通过引用全部结合于此)。
[0003]为了使变压器线圈中的高频损耗保持较小，一种方法是使用丽兹线形成线圈的绕组。虽然丽兹线的价格比实心铜线的高数倍，但对于高达100
‑
200A(均方根，rms)的AC电流，其可以是“现货”购买的。丽兹线由通常由铜制成的大量换位钢绞线组成，并且可在总横截面高达0.5cm2的情况下现成提供，这允许最大电流在100
‑
200A
rms
的范围内(假设填充系数在0.4到0.9之间，尤其是至少约为0.8，电流密度为2.5
…
5A/mm2)。以上所列应用中典型的较大电流需要较大的横截面，而弯曲难度也将会越来越大。丽兹线通常不是由铝制成的，因为使用铝极难可靠地接触电线端子上的所有绞线(例如，上述铜丽兹线中的900股直径为0.2mm的绞线)。铜丽兹线的价格比纯铜的高至少2
‑
4倍，铜的价格大约比铝的高3倍。对于以上所列应用中典型的更大电流(>100A)，必须并联几根铜丽兹线，这通常会导致由于并联电线之间的杂散磁通而产生循环电流，从而显著增加损耗。
[0004]为了优化和/或尽量减少制造工作量和所需资源，50Hz变压器中常用的铝箔绕组和/或纯铜将是线圈的首选。在高频下，由于集肤效应和邻近效应，箔中的绕组损耗显著增加。如果使用单个箔，频率定义所需的箔厚度，期望或所需的电流定义箔高度，而这导致变压器高度。因此，对于大电流和高频，变压器形状将明显偏离立方体形状，这将导致更高的重量、铁芯损耗，并增加对资源和工作量的要求(需要更高的铁芯体积)。
[0005]如果使用平行箔，则单个箔的高度可能会降低，但由于平行箔之间的杂散磁场，可能会产生强循环电流，从而显著增加损耗(与平行导线的效果相同)。
[0006]在这两种设计中，铜丽兹线和铜箔的一个主要问题是并联导体之间的循环电流，这些循环电流通常会显著增加绕组损耗，从而降低变压器额定功率和/或显著增加变压器成本(美元/千瓦)。在诸如EV快速充电、PV太阳能、电池储能系统、风能或数据中心等有前景
的分布式能源应用中，中频变压器(MFT)是一个关键组件。对于更高的电流(尤其是高于100A的电流)，简单地放大50/60Hz技术和/或使用现成的丽兹线或低成本箔线会因高频感应循环电流而导致巨大损失，这显著降低变压器性能。
[0007]循环电流的产生，尤其是在两条或更多条电线、箔、或形成并行连接的绕组(其中，每个绕组包括多个匝)的其他导体的配置中，可以被理解如下：每个匝暴露在杂散磁场中，例如，在由变压器的铁芯形成的绕组窗口中。形成在变压器的输入端和输出端连接的单独绕组的平行丽兹线形成一个回路，其暴露在杂散磁场中。杂散磁场随MFT的工作频率变化，产生的在该回路中驱动循环电流的电压。循环电流增加了MFT中的标称电流，这可能会导致一根丽兹线承载超过一半的标称电流，而并联的电线相应地承载标称电流的不到一半。如果循环电流足够大，则一根丽兹线可以承载超过总标称电流，而并联的电线承载负(180
°
相移)电流。通过这种方式，不仅有效地将总可用铜截面减少了50％，而且还引入了额外的损耗，并且MFT的最大输出功率减少了两倍或两倍以上。
[0008]限制循环电流的最新解决方案需要额外的组件、更高的制造工作量、和额外的空间，并可能导致额外的问题。一种最新的解决方案是，并联连接的电线或箔的换位(例如由相互缠绕或以其他方式相互缠绕或交错的并联电线提供)需要额外的制造工作(尤其是对于箔绕组)，导致有效电线长度增加，在只有几个绕组匝数的MFT中表现出有限的效率，并可能导致高电压绝缘挑战(例如，由于换位位置附近的几何不均匀性)。或者，可以在并联的导线或箔之间添加共模滤波器。然而，这需要额外的组件，因此可能会导致更高的成本和更高的制造工作量，并需要额外的空间和/或其他资源。
[0009]本专利技术的目的可以是有效抑制双有源桥式DC
‑
DC转换器中的循环电流。本专利技术的另一个目的可以是提供一种方法，以通过改变双有源桥式DC/DC转换器的拓扑结构来完全阻断循环电流，而无需任何额外组件或资源。

技术实现思路

[0010]根据独立专利权利要求，这些目标通过具有特征组合的双有源桥式DC/DC转换器实现。结合附图，从从属权利要求和以下描述中可以明显看出其他示例性实施例。
[0011]根据本专利技术的双有源桥式DC/DC转换器包括：第一DC链路，优选地包括第一DC链路电容器；转换器桥，连接到第一DC链路；变压器，优选中频变压器，具有初级侧和次级侧；变压器的初级侧包括多个(M>1个)初级绕组，该多个初级绕组中的每一个具有第一和第二端子；其中，该双有源桥式DC/DC转换器还包括第一多个(M个)能量转移电感器；并且其中，对于M个初级绕组中的每一个初级，第一多个能量转移电感器中不同的能量转移电感器连接在所述初级绕组桥和转换器桥之间。
[0012]转换器桥可被视为具有与第一DC链路连接的输入端的DC/AC转换器或逆变器的一部分，而第一DC链路又可通过转换器连接到电网或连接到DC电源(例如，PV太阳能系统或BESS)，其中，DC/AC转换器被配置为在所述DC/AC转换器的输出端提供AC电压和/或电流。
[0013]变压器可被视为具有与所述DC/AC转换器的输出端连接的输入端和/或初级侧的AC中间电路的一部分。AC中间电路可包括附加元件，尤其是电感器，其与AC中间电路的输入端或输出端或次级侧并联连接，或串联连接在AC中间电路的输入端或输出端与变压器之间。变压器尤其可以仅配备单个初级绕组和/或单个次级绕组，但将通常包括多个初级绕组
和/或多个次级绕组。
[0014]AC中间电路的输出端和/或次级侧可连接到AC/DC转换器的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种双有源桥式DC/DC转换器，包括：a)第一DC链路(10)；b)转换器桥，所述转换器桥连接到所述第一DC链路(10)；c)变压器(2141)，所述变压器具有初级侧和次级侧；d)所述变压器(2141)的初级侧包括多个、即M>1个初级绕组，所述多个初级绕组中的每一个初级绕组具有第一端子和第二端子；其特征在于：e)第一多个、即M个能量转移电感器(L
DAB1
)连接在公共节点(C)处；其中f)对于所述M个初级绕组中的每一个初级绕组，所述第一多个能量转移电感器(L
DAB1
)中不同的能量转移电感器连接在所述初级绕组和所述转换器桥之间。2.根据权利要求1所述的双有源桥式DC/DC转换器，其中：a)所述双有源桥式DC/DC转换器包括第一多个、即N>1个转换器桥、尤其是总共N>1个转换器桥，其与所述第一DC链路并联连接；并且b)所述转换器还包括第二多个、即N个能量转移电感器；其中：c)所述第二多个、即N个能量转移电感器中的每一个能量转移电感器连接在所述转换器桥中的一个转换器桥和所述公共节点(C)之间；d)所述第一多个、即M个能量转移电感器中的每一个能量转移电感器连接在所述公共节点和所述多个初级绕组中不同的初级绕组的第一端子之间。3.根据前述权利要求中任一项所述的双有源桥式DC/DC转换器，其中，所述转换器桥中的每一个转换器桥是逆变器半桥，所述逆变器半桥包括第一输入端子、第二输入端子、以及逆变器桥输出端(所述逆变器桥输出端可选地能够通过多个半导体开关导电连接到所述第一输入端子或所述第二输入端子)，其中，对于每个逆变器半桥，所述第一多个能量转移电感器中不同的能量转移电感器与所述逆变器桥输出端串联连接。4.根据权利要求2或3所述的双有源桥式DC/DC转换器，还包括：a)多个、即O个公共节点，其中O<N且O<M，并且其中b)所述第一多个、即N个能量转移电感器中的每一个能量转移电感器连接在所述转换器桥中的一个转换器桥和所述公共节点中的一个公共节点之间；c)所述第二多个、即M个能量转移电感器中的每一个能量转移电感器连接在所述公共节点中的一个公共节点和所述多个初级绕组中不同的初级绕组的第一端子之间。5.根据权利要求2至4中任一项所述的双有源桥式DC/DC转换器，其中，M≠N，优选地M<N。6.根据权利要求1所述的双有源桥式DC/DC转换器，其中，所述转换器包括第一多个、即M>1个转换器桥，其中，所述转换器桥和所述初级绕组通过所述第一多个能量转移电感器中不同的能量转移电感器成对连接，所述第一多个能量转移电感器中不同的能量转移电感器连接在包括所述转换器桥中的一个转换器桥和所述初级绕组中的一个初级绕组的每个连接对之间。7.根据权利要求2至5中任一项所述的双有源桥式DC/DC转换器，其中：a)所述转换器桥中的每一个转换器桥是逆变器半桥，所述逆变器半桥包括第一输入端子、第二输入端子、和逆变器桥输出端(所述逆变器桥输出端可选地能够通过多个半导体开关导电连接到所述第一输入端子或所述第二输入端子)；
b)每个能量转移电感器具有第一端子和第二端子；并且其中c)对于每个逆变器半桥，所述多个能量转移电感器中相应的能量转移电感器中的每一个能量转移电感器的第一端子连接到相应的逆变器桥输出端；以及d)所述第二多个、即N个能量转移电感器中的所有能量转移电感器...

【专利技术属性】
技术研发人员：U，
申请(专利权)人：日立能源瑞士股份公司，
类型：发明
国别省市：