專利名稱：雙向dc/dc變換器和電力調(diào)節(jié)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于雙向地傳送和接收DC電力的一種雙向DC/DC變換器和一種電力
調(diào)節(jié)器。
背景技術(shù)：
在諸如對(duì)蓄電池進(jìn)行充電和放電的雙向地傳送和接收DC電力時(shí)，已需要雙向DC/ DC變換器并且迄今也已經(jīng)開發(fā)了大量的這樣的雙向DC/DC變換器。例如，日本專利特許公開NO. 2002-165448 (專利文獻(xiàn)1)公開了以下的隔離型雙 向DC/DC變換器。S卩，在專利文獻(xiàn)1的圖1中，如下地實(shí)現(xiàn)了從主電池1向輔助機(jī)構(gòu)電池 (auxiliary machinery battery) 5的下變換的電力饋送。當(dāng)一對(duì)NMOS晶體管211和214 以及一對(duì)NMOS晶體管212和213按規(guī)定的周期交替導(dǎo)通時(shí)，生成單相矩形波AC電壓。通 過變壓器3對(duì)該單相矩形波AC電壓進(jìn)行下變換，作為結(jié)果的電壓通過開關(guān)及整流單元41 經(jīng)歷單相全波整流并且通過次級(jí)側(cè)平流電路42進(jìn)行平滑，并且作為結(jié)果的電壓被施加到 輔助機(jī)構(gòu)電池5。同時(shí)，如下地實(shí)現(xiàn)從輔助機(jī)構(gòu)電池5向主電池1的上變換的電力饋送。通 過使開關(guān)及整流單元41的NMOS晶體管411和412兩者導(dǎo)通，在扼流線圈421中存儲(chǔ)磁能。 然后，關(guān)斷NMOS晶體管41。由此，通過NMOS晶體管412對(duì)來自輔助機(jī)構(gòu)電池5的輸出電壓 進(jìn)行上變換使得在變壓器3的初級(jí)線圈中生成AC電壓分量。然后，該AC電壓分量通過單 相逆變器電路21的續(xù)流二極管D經(jīng)歷全波整流并且通過初級(jí)側(cè)平流電路22進(jìn)行平滑，由 此對(duì)主電池1充電。現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)專利文獻(xiàn)專利文獻(xiàn)1 日本專利特許公開NO. 2002-165448

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的問題在專利文獻(xiàn)1中描述的雙向DC/DC變換器中，在施加作為在扼流線圈421中存儲(chǔ) 磁能的結(jié)果而上變換后的電壓以及附加的利用處于關(guān)斷狀態(tài)中的每個(gè)元件施加到輔助機(jī) 構(gòu)電池5的電壓的同時(shí)，使開關(guān)元件411和412導(dǎo)通。另外，由于在開關(guān)元件411和412兩 者導(dǎo)通并且電流流過開關(guān)元件411和412的同時(shí)，應(yīng)當(dāng)關(guān)斷開關(guān)元件411和412，所以當(dāng)開 關(guān)元件411和412被關(guān)斷時(shí)，施加在開關(guān)元件411和412上的負(fù)載較高。具體地，在與向光 伏電池和蓄電池提供電能以及從光伏電池和蓄電池接收電能的電力系統(tǒng)互連的電力調(diào)節(jié) 器中，來自電力系統(tǒng)的電壓是AC 200V。因此，在專利文獻(xiàn)1中描述的雙向DC/DC變換器中， 被施加在開關(guān)元件411和412上的瞬態(tài)電壓變大并且不可避免地應(yīng)當(dāng)選擇具有高耐受電壓 的開關(guān)元件。通常，耐受電壓越高，開關(guān)元件的導(dǎo)通電阻越大。隨著導(dǎo)通電阻的增加，雙向 DC/DC變換器的效率降低并且用于開關(guān)元件的廢熱散失的散熱器的尺寸增加，這產(chǎn)生了問 題。
做出了本發(fā)明來解決上述的問題，并且本發(fā)明的目的在于提供能夠?qū)崿F(xiàn)開關(guān)元件 中的低損耗并且允許使用低耐受電壓的開關(guān)元件的一種雙向DC/DC變換器以及一種電力 調(diào)節(jié)器。解決問題的手段為了解決上述問題，根據(jù)本發(fā)明的一方面的雙向DC/DC變換器是一種這樣的雙向 DC/DC變換器，其包括第一電壓端子到第四電壓端子，并且執(zhí)行用于將施加到第一電壓端 子和第二電壓端子的DC電壓變換為規(guī)定的DC電壓并且將該DC電壓提供給第三電壓端子 和第四電壓端子的正向操作，以及將施加到第三電壓端子和第四電壓端子的DC電壓變換 為規(guī)定的DC電壓并且將該DC電壓提供給第一電壓端子和第二電壓端子的反向操作，所述 雙向DC/DC變換器包括隔離變壓器，其包含第一繞組和第二繞組；第一雙向DC/AC變換電 路，連接在第一電壓端子、第二電壓端子和第一繞組之間，用于在正向操作中將施加到第一 電壓端子和第二電壓端子的DC電壓變換為AC電壓并且將該AC電壓輸出給第一繞組以及 在反向操作中對(duì)在第一繞組中感應(yīng)的AC電壓進(jìn)行整流和平滑并且將該AC電壓輸出給第一 電壓端子和第二電壓端子；以及第二雙向DC/AC變換電路，連接在第三電壓端子、第四電壓 端子和第二繞組之間，用于在正向操作中對(duì)第二繞組中感應(yīng)的AC電壓進(jìn)行整流和平滑并 且將該AC電壓輸出給第三電壓端子和第四電壓端子以及在反向操作中將施加到第三電壓 端子和第四電壓端子的DC電壓變換為AC電壓并且將該AC電壓輸出給第二繞組；所述第二 雙向DC/AC變換電路包括推挽電路，其包括分別耦接到第二繞組的相對(duì)端的第一開關(guān)元 件和第二開關(guān)元件，耦接到推挽電路、第三電壓端子和第四電壓端子的上變換電路，并且上 變換電路包括電感器，用于由于所存儲(chǔ)的磁能而允許電流通過第二繞組、處于導(dǎo)通狀態(tài)的 第一開關(guān)元件和處于導(dǎo)通狀態(tài)的第二開關(guān)元件；以及第三開關(guān)元件，在其導(dǎo)通時(shí)形成經(jīng)過 第三電壓端子、該電感器和第四電壓端子而不經(jīng)過第一開關(guān)元件和第二開關(guān)元件的電流通 路。優(yōu)選地，該電感器具有連接到第二繞組的除了相對(duì)端之外的部分的第一端和連接 到第三電壓端子的第二端，第一開關(guān)元件具有連接到第二繞組的第一端的第一端和連接到 第四電壓端子的第二端，第二開關(guān)元件具有連接到第二繞組的第二端的第一端和連接到第 四電壓端子的第二端，而第三開關(guān)元件具有連接到該電感器的第一端的第一端和連接到第 四電壓端子的第二端。優(yōu)選地，第一雙向DC/AC變換電路包括半橋電路。優(yōu)選地，第一雙向DC/AC變換電路包括第四開關(guān)元件和第五開關(guān)元件，所述第四 開關(guān)元件具有體二極管并且連接在第一繞組的第一端和第一電壓端子之間，所述第五開關(guān) 元件具有體二極管并且在第一繞組的第一端和第二電壓端子之間與第四開關(guān)元件并聯(lián)連 接，在正向操作中，第四開關(guān)元件和第五開關(guān)元件被導(dǎo)通和關(guān)斷，在反向操作中，第四開關(guān) 元件和第五開關(guān)元件兩者均被關(guān)斷，并且通過第四開關(guān)元件的體二極管和第五開關(guān)元件的 體二極管對(duì)第一繞組中感應(yīng)的電流進(jìn)行整流。優(yōu)選地，第一開關(guān)元件和第二開關(guān)元件每一個(gè)具有體二極管，并且在反向操作中， 第一開關(guān)元件和第二開關(guān)元件被導(dǎo)通和關(guān)斷，在正向操作中，第一開關(guān)元件和第二開關(guān)元 件兩者均被關(guān)斷，并且通過第一開關(guān)元件的體二極管和第二開關(guān)元件的體二極管對(duì)第二繞 組中感應(yīng)的電流進(jìn)行整流。
優(yōu)選地，蓄電池(secondary battory)耦接到第三電壓端子和第四電壓端子。優(yōu)選地，第二雙向DC/AC變換電路進(jìn)一步包括連接在第三電壓端子和第四電壓端 子之間的平流電容器，并且雙向DC/DC變換器進(jìn)一步包括連接在平流電容器、電感器和第 三電壓端子之間的浪涌電流防止電路，用于防止由施加到第三電壓端子和第四電壓端子的 DC電壓產(chǎn)生的浪涌電流。為了解決上述問題，根據(jù)本發(fā)明的一方面的一種電力調(diào)節(jié)器是一種耦接到DC電 源、電力存儲(chǔ)裝置(power storage device)和電力系統(tǒng)(power system)的電力調(diào)節(jié)器，其 與電力系統(tǒng)互連并且向負(fù)載提供電能，所述電力調(diào)節(jié)器包括單向DC/DC變換器，用于將從 DC電源接收的DC電壓變換為規(guī)定的DC電壓并且輸出該DC電壓；雙向DC/DC變換器，用于 在對(duì)電力存儲(chǔ)裝置充電期間執(zhí)行將從單向DC/DC變換器接收的DC電壓變換為規(guī)定的DC電 壓并且將該DC電壓提供給該電力存儲(chǔ)裝置的正向操作、以及在對(duì)電力存儲(chǔ)裝置放電期間 執(zhí)行將從電力存儲(chǔ)裝置接收的DC電壓變換為規(guī)定的DC電壓并且將該DC電壓提供給逆變 器的反向操作；以及逆變器，用于將從單向DC/DC變換器和雙向DC/DC變換器接收的DC電 壓變換為AC電壓并且將該AC電壓提供給負(fù)載，雙向DC/DC變換器包括隔離變壓器，其包 含第一繞組和第二繞組；第一雙向DC/AC變換電路，連接在單向DC/DC變換器、逆變器和第 一繞組之間，用于在正向操作中將從單向DC/DC變換器接收的DC電壓變換為AC電壓并且 將該AC電壓輸出給第一繞組、以及在反向操作中對(duì)在第一繞組中感應(yīng)的AC電壓進(jìn)行整流 和平滑并且將該AC電壓輸出給逆變器；以及第二雙向DC/AC變換電路，連接在電力存儲(chǔ)裝 置和第二繞組之間，用于在正向操作中對(duì)在第二繞組中感應(yīng)的AC電壓進(jìn)行整流和平滑并 且將該AC電壓輸出給電力存儲(chǔ)裝置、以及在反向操作中將從電力存儲(chǔ)裝置接收的DC電壓 變換為AC電壓并且將該AC電壓輸出給第二繞組，所述第二雙向DC/AC變換電路包括推 挽電路，其包括分別耦接到第二繞組的相對(duì)端的第一開關(guān)元件和第二開關(guān)元件，耦接到推 挽電路和電力存儲(chǔ)裝置的上變換電路，并且上變換電路包括電感器，用于由于所存儲(chǔ)的磁 能而允許電流通過第二繞組、處于導(dǎo)通狀態(tài)的第一開關(guān)元件和處于導(dǎo)通狀態(tài)的第二開關(guān)元 件；以及第三開關(guān)元件，在其導(dǎo)通時(shí)形成經(jīng)過電力存儲(chǔ)裝置和該電感器而不經(jīng)過第一開關(guān) 元件和第二開關(guān)元件的電流通路。本發(fā)明的效果根據(jù)本發(fā)明，可以降低開關(guān)元件中的損耗并且可以使用低耐受電壓的開關(guān)元件。


圖1是示出根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的電力調(diào)節(jié)器的配置的圖。圖2是示出根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的雙向DC/DC變換器的配置的圖。圖3是示出根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的雙向DC/DC變換器的正向操作中的開關(guān)控 制的圖。圖4是示出根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的雙向DC/DC變換器的反向操作中的開關(guān)控 制的圖。圖5是示出根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的雙向DC/DC變換器的配置的圖。
具體實(shí)施例方式下文中將參照附圖來描述本發(fā)明的實(shí)施例。在附圖中，相同的或者對(duì)應(yīng)的元件具 有所分配的相同的參考標(biāo)記并且將不對(duì)其進(jìn)行重復(fù)描述。<第一實(shí)施例>[配置和基本操作]圖1是示出根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的電力調(diào)節(jié)器的配置的圖。參照?qǐng)D1，電力調(diào)節(jié)器301包括雙向DC/DC變換器101、單向DC/DC變換器201，以 及逆變器202。電力調(diào)節(jié)器301與電力系統(tǒng)304互連。在對(duì)電力存儲(chǔ)裝置303充電期間，例如雙向DC/DC變換器101對(duì)從單向DC/DC變 換器201接收的DC電壓進(jìn)行下變換并且將DC電壓輸出給電力存儲(chǔ)裝置303。在對(duì)電力存 儲(chǔ)裝置303放電期間，例如雙向DC/DC變換器101對(duì)從電力存儲(chǔ)裝置303接收的DC電壓進(jìn) 行上變換并且將DC電壓輸出給逆變器202。單向DC/DC變換器201將從DC電源302提供的DC電壓變換為規(guī)定的DC電壓并 且將該DC電壓輸出給逆變器202。逆變器202將從單向DC/DC變換器201和雙向DC/DC變 換器101接收的DC電壓變換為AC電壓并且將該AC電壓提供給負(fù)載305。另外，電力系統(tǒng) 304通過電力調(diào)節(jié)器301向負(fù)載305提供AC電壓。注意到電力調(diào)節(jié)器301可以被配置為執(zhí) 行反向電力流動(dòng)。即，該配置可以使得逆變器202將從單向DC/DC變換器201和雙向DC/DC 變換器101接收的DC電壓變換為AC電壓并且將該AC電壓提供給電力系統(tǒng)304。圖2是示出根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的雙向DC/DC變換器的配置的圖。參照?qǐng)D2，雙向DC/DC變換器101包括電壓端子Tl到T4、第一雙向DC/AC變換電 路81、隔離變壓器51和第二雙向DC/AC變換電路82。第一雙向DC/AC變換電路81例如是 通過半橋電路實(shí)現(xiàn)的，并且其包括開關(guān)元件11和12、以及電容器31和32。隔離變壓器51 包括初級(jí)繞組Ml和次級(jí)繞組M2。第二雙向DC/AC變換電路82包括推挽電路71、上變換電 路72，以及平流電容器33。推挽電路71包括開關(guān)元件21和22。上變換電路72包括線圈 (電感器)41和開關(guān)元件23。下文中，在雙向DC/DC變換器101中，第一 DC電源61側(cè)可以被稱為初級(jí)側(cè)而第二 DC電源62側(cè)可以被稱為次級(jí)側(cè)，變壓器51位于它們之間。開關(guān)元件11和12以及開關(guān)元件21和22中每一個(gè)例如通過IGBT (絕緣柵雙極晶 體管)來實(shí)現(xiàn)。隔離變壓器51的匝數(shù)比被設(shè)置為例如1 1。在初級(jí)側(cè)上，開關(guān)元件11具有連接到電容器31的第一端和電壓端子Tl的集電 極、和連接到初級(jí)繞組Ml的第一端的發(fā)射極。開關(guān)元件11的體二極管的陰極對(duì)應(yīng)于開關(guān) 元件11的集電極而開關(guān)元件11的體二極管的陽極對(duì)應(yīng)于開關(guān)元件11的發(fā)射極。開關(guān)元 件12具有連接到電容器32的第二端和電壓端子T2的發(fā)射極、和連接到初級(jí)繞組Ml的第 一端的集電極。開關(guān)元件12的體二極管的陰極對(duì)應(yīng)于開關(guān)元件12的集電極而開關(guān)元件12 的體二極管的陽極對(duì)應(yīng)于開關(guān)元件12的發(fā)射極。電容器31的第二端和電容器32的第一 端連接到初級(jí)繞組Ml的第二端。在次級(jí)側(cè)上，開關(guān)元件21具有連接到次級(jí)繞組M2的第一端的集電極、和連接到電 壓端子T4的發(fā)射極。開關(guān)元件21的體二極管的陰極對(duì)應(yīng)于開關(guān)元件21的集電極而開關(guān) 元件21的體二極管的陽極對(duì)應(yīng)于開關(guān)元件21的發(fā)射極。開關(guān)元件22具有連接到次級(jí)繞組M2的第二端的集電極、和連接到電壓端子T4的發(fā)射極。開關(guān)元件22的體二極管的陰極 對(duì)應(yīng)于開關(guān)元件22的集電極而開關(guān)元件22的體二極管的陽極對(duì)應(yīng)于開關(guān)元件22的發(fā)射 極。線圈41具有連接到次級(jí)繞組M2的除了相對(duì)端之外的部分(中間點(diǎn))的第一端和連接 到電壓端子T3的第二端。開關(guān)元件23具有連接到線圈41的第一端的集電極和連接到電 壓端子T4的發(fā)射極。開關(guān)元件23的體二極管的陰極對(duì)應(yīng)于開關(guān)元件23的集電極而開關(guān) 元件23的體二極管的陽極對(duì)應(yīng)于開關(guān)元件23的發(fā)射極。平流電容器33具有連接到電壓 端子T3的第一端和連接到電壓端子T4的第二端。第一 DC電源61對(duì)應(yīng)于圖1中所示的DC電源302并且通過單向DC/DC變換器201 向電壓端子Tl和T2施加DC電壓。第二 DC電源62對(duì)應(yīng)于圖1中所示的電力存儲(chǔ)裝置303 并且向電壓端子T3和T4施加DC電壓。S卩，單向DC/DC變換器201和逆變器202連接到電 壓端子Tl和T2。電力存儲(chǔ)裝置303連接到電壓端子T3和T4。雙向DC/DC變換器101執(zhí)行用于對(duì)施加到電壓端子Tl和T2的DC電壓進(jìn)行變換 并且將DC電壓提供給電壓端子T3和T4的正向操作、以及用于對(duì)施加到電壓端子T3和T4 的DC電壓進(jìn)行變換并且將DC電壓提供給電壓端子Tl和T2的反向操作。第一雙向DC/AC變換電路81連接在電壓端子Tl和T2以及初級(jí)繞組Ml之間，在 正向操作中將施加到電壓端子Tl和T2的DC電壓變換為AC電壓并且將該AC電壓輸出給 初級(jí)繞組M1，以及在反向操作中對(duì)初級(jí)繞組Ml中感應(yīng)的AC電壓進(jìn)行整流和平滑并且將AC 電壓輸出給電壓端子Tl和T2。第二雙向DC/AC變換電路82連接在電壓端子T3和T4以及次級(jí)繞組M2之間，在 正向操作中對(duì)次級(jí)繞組M2中感應(yīng)的AC電壓進(jìn)行整流和平滑并且將AC電壓輸出給電壓端 子T3和T4，以及在反向操作中將施加到電壓端子T3和T4的DC電壓變換為AC電壓并且將 該AC電壓輸出給次級(jí)繞組M2。[正向操作]下文將描述雙向DC/DC變換器101的正向操作。圖3是示出根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的雙向DC/DC變換器的正向操作中的開關(guān)控 制的圖。參照?qǐng)D3，在正向操作中，開關(guān)元件21到23都被關(guān)斷。初始地，當(dāng)開關(guān)元件12關(guān)斷并且開關(guān)元件11導(dǎo)通時(shí)，形成經(jīng)過開關(guān)元件11、變壓 器51的初級(jí)繞組Ml和電容器32的電流回路使得通過第一 DC電源61提供的電能被傳送 給次級(jí)側(cè)。在次級(jí)側(cè)上，在次級(jí)繞組M2中感應(yīng)的AC電壓通過開關(guān)元件22的體二極管整流 并且通過平流電容器33平滑，并且該AC電壓被提供給電壓端子T3和電壓端子T4。在該時(shí) 間段期間，開關(guān)元件22可以執(zhí)行同步整流(synchronous rectification)(時(shí)刻Tl)。然后，當(dāng)開關(guān)元件11關(guān)斷時(shí)，停止從初級(jí)側(cè)向次級(jí)側(cè)的供電(時(shí)刻T2)。然后，當(dāng)開關(guān)元件12導(dǎo)通時(shí)，形成經(jīng)過電容器31、變壓器51的初級(jí)繞組Ml和開關(guān) 元件12的電流回路使得通過第一 DC電源61提供的電能被傳送給次級(jí)側(cè)。在次級(jí)側(cè)上，在 次級(jí)繞組M2中感應(yīng)的AC電壓通過開關(guān)元件21的體二極管整流并且通過平流電容器33平 滑，并且該AC電壓被提供給電壓端子T3和電壓端子T4。在該時(shí)間段期間，開關(guān)元件21可 以執(zhí)行同步整流(時(shí)刻T3)。然后，當(dāng)開關(guān)元件12關(guān)斷時(shí)，停止從初級(jí)側(cè)向次級(jí)側(cè)的供電(時(shí)刻T4)。然后雙向DC/DC變換器101重復(fù)從時(shí)刻Tl到T4的操作(時(shí)刻T5)。[反向操作]在解釋雙向DC/DC變換器101的反向操作之前，將描述以下示例中施加到開關(guān)元 件21和22的電壓，在所述示例中，假定根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的雙向DC/DC變換器不具 有開關(guān)元件23。這里，第一 DC電源61的輸出電壓被設(shè)置為400V，來自第二 DC電源62的輸出電壓 被設(shè)置為200V，并且變壓器51的匝數(shù)比被設(shè)置為1 1。另外，例如將通過忽略微小的電 壓波動(dòng)來簡(jiǎn)化描述。初始地，在正向操作中，從初級(jí)側(cè)向次級(jí)側(cè)提供電能，由于初級(jí)側(cè)上的第一雙向 DC/AC變換電路81是半橋電路，所以施加到電容器31和32的每個(gè)上的電壓是200V，而施 加到變壓器51的初級(jí)繞組Ml的電壓也是200V。這里，由于變壓器51的匝數(shù)比被設(shè)置為 1 1，所以200V的電壓被施加到節(jié)點(diǎn)A(也就是次級(jí)繞組M2的第一端)和節(jié)點(diǎn)B(也就是 次級(jí)繞組M2的中間點(diǎn))之間，并且200V的電壓被施加到節(jié)點(diǎn)C(也就是次級(jí)繞組M2的第 二端)和節(jié)點(diǎn)B之間。因此，400V的電壓被施加到節(jié)點(diǎn)A和節(jié)點(diǎn)C之間，并且400V的電壓 也被施加到用作阻止該施加的開關(guān)元件21和22。然后，在從次級(jí)側(cè)向初級(jí)側(cè)提供電能的反向操作中，在開關(guān)元件21和22兩者均導(dǎo) 通的同時(shí)，在線圈41中儲(chǔ)能。然后，當(dāng)開關(guān)元件21和22中的任一個(gè)關(guān)斷時(shí)，電能被傳送給 初級(jí)側(cè)。因此，由于存在其中在開關(guān)元件21和22兩者均導(dǎo)通并且電能未被傳送給初級(jí)側(cè) 的時(shí)段、和其中開關(guān)元件21和22中的任一個(gè)關(guān)斷并且電能被傳送給初級(jí)側(cè)的時(shí)段，所以在 其中電能被傳送給初級(jí)側(cè)的時(shí)段期間，用于施加到初級(jí)側(cè)的不低于400V的電壓絕對(duì)是必 須的。盡管要被施加到初級(jí)側(cè)的電壓受到開關(guān)的占空比的影響，但基本上近似600V的電壓 被認(rèn)為是必須的并且因此開關(guān)元件21和22也需要具有對(duì)應(yīng)于該600V的耐受電壓。具體 地，考慮到開關(guān)時(shí)刻的瞬態(tài)電壓，不可避免地應(yīng)使用具有還要更高的耐受電壓的開關(guān)元件。然而，根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的雙向DC/DC變換器通過包括開關(guān)元件23解決了 上述問題。下文將描述雙向DC/DC變換器101的反向操作。圖4是示出根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的雙向DC/DC變換器的反向操作中的開關(guān)控 制的圖。參照?qǐng)D4，在反向操作中，開關(guān)元件11和開關(guān)元件12兩者均關(guān)斷。[線圈41的儲(chǔ)能操作1]初始地，當(dāng)開關(guān)元件21和22關(guān)斷并且開關(guān)元件23導(dǎo)通時(shí)，第二 DC電源62開始 促使線圈41存儲(chǔ)電能(時(shí)刻Tl)。然后，開關(guān)元件22導(dǎo)通。此時(shí)，來自第二 DC電源62的電壓被全部施加到線圈41。 因此，沒有電壓被施加到開關(guān)元件22，也就是說，開關(guān)元件22實(shí)現(xiàn)了零電壓切換。此外，在 該時(shí)間段期間，在線圈41中儲(chǔ)能(時(shí)刻T2)。[用于向第一DC電源61提供上變換后的電能的操作1]然后，當(dāng)開關(guān)元件23關(guān)斷時(shí)，通過變壓器51向電壓端子Tl和電壓端子T2提供線 圈41中存儲(chǔ)的能量。更具體地，在初級(jí)側(cè)，通過開關(guān)元件11的體二極管對(duì)初級(jí)繞組Ml中 感應(yīng)的AC電壓進(jìn)行整流并且通過電容器32對(duì)其進(jìn)行平滑，并且將該AC電壓提供給電壓端 子Tl和電壓端子T2。即，第一雙向DC/AC變換電路81中的電流經(jīng)過開關(guān)元件11的體二極管和電容器32并且被提供給電壓端子Tl和電壓端子T2。當(dāng)該電流流到開關(guān)元件11的體 二極管時(shí)，開關(guān)元件11可以執(zhí)行同步整流(時(shí)刻T3)。[線圈41的儲(chǔ)能操作2]然后，當(dāng)開關(guān)元件23導(dǎo)通時(shí)，第二 DC電源62開始促使線圈41存儲(chǔ)電能(時(shí)刻 T4)。然后，開關(guān)元件22關(guān)斷。此時(shí)，形成電流從第二 DC電源62順序流到線圈41和開 關(guān)元件23的電流通路。因此，沒有電流流過開關(guān)元件22。即，開關(guān)元件22實(shí)現(xiàn)了零電流切 換。此外，在該時(shí)間段期間，在線圈41中儲(chǔ)能(時(shí)刻T5)。然后，開關(guān)元件21導(dǎo)通。此時(shí)，來自第二 DC電源62的電壓被全部施加到線圈41。 因此，開關(guān)元件21實(shí)現(xiàn)了零電壓切換。此外，在該時(shí)間段期間，在線圈41中儲(chǔ)能(時(shí)刻T6)。[用于向第一DC電源61提供上變換后的電能的操作2]然后，當(dāng)開關(guān)元件23關(guān)斷時(shí)，通過變壓器51向電壓端子Tl和電壓端子T2提供線 圈41中存儲(chǔ)的能量。更具體地，在初級(jí)側(cè)，通過開關(guān)元件12的體二極管對(duì)初級(jí)繞組Ml中 感應(yīng)的AC電壓進(jìn)行整流并且通過電容器31對(duì)其進(jìn)行平滑，并且將該AC電壓提供給電壓端 子Tl和電壓端子T2。即，第一雙向DC/AC變換電路81中的電流經(jīng)過開關(guān)元件12的體二極 管和電容器31并且被提供給電壓端子Tl和電壓端子T2。當(dāng)該電流流到開關(guān)元件12的體 二極管時(shí)，開關(guān)元件12可以執(zhí)行同步整流(時(shí)刻T7)。[線圈41的儲(chǔ)能操作3]然后，當(dāng)開關(guān)元件23導(dǎo)通時(shí)，第二 DC電源62開始促使線圈41儲(chǔ)能(時(shí)刻T8)。然后，開關(guān)元件21關(guān)斷。此時(shí)，形成電流從第二 DC電源62順序流到線圈41和開 關(guān)元件23的電流通路。因此，沒有電流流過開關(guān)元件21。即，開關(guān)元件21實(shí)現(xiàn)了零電流切 換(時(shí)刻T9)。然后，雙向DC/DC變換器101重復(fù)從時(shí)刻Tl到T9的操作。在專利文獻(xiàn)1中描述的雙向DC/DC變換器中，由于施加到開關(guān)元件的瞬態(tài)電壓高， 所以應(yīng)當(dāng)選擇具有高耐受電壓的開關(guān)元件。由此，不利的是，由于導(dǎo)通電阻的增加以及用于 開關(guān)元件的廢熱散失的散熱器尺寸的增加引起了雙向DC/DC變換器的效率的降低。然而，在根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的雙向DC/DC變換器中，在上變換電路72中提 供了開關(guān)元件23，當(dāng)開關(guān)元件23導(dǎo)通時(shí)，其用于形成順序經(jīng)過電壓端子T3、線圈41和電壓 端子T4而不經(jīng)過開關(guān)元件21和開關(guān)元件22的電流通路。因此，當(dāng)從第二 DC電源62向電 壓端子Tl和電壓端子T2提供電能時(shí)，在開關(guān)元件23導(dǎo)通并且在線圈41中儲(chǔ)能的同時(shí)，推 挽電路71內(nèi)的開關(guān)元件21和22導(dǎo)通和關(guān)斷，以由此實(shí)現(xiàn)零電壓切換和零電流切換。由此，可以減少開關(guān)元件21和22中的開關(guān)損耗并且在理想的情況下施加到開關(guān) 元件21和22的電壓變?yōu)榱?。因此，?duì)于開關(guān)元件21和22而言，僅僅應(yīng)當(dāng)考慮從第一 DC 電源61向電壓端子T3和電壓端子T4提供電能時(shí)的耐受電壓，可以使用具有低耐受電壓的 開關(guān)元件，并且從而可以降低開關(guān)元件21和22的導(dǎo)通電阻。當(dāng)從第二 DC電源62向電壓 端子Tl和電壓端子T2提供電能時(shí)，電流無例外地(unexc印tionally)流過推挽電路71內(nèi) 的開關(guān)元件21和22，使得當(dāng)電能經(jīng)過開關(guān)元件21和22時(shí)造成的損耗降低并且可以提高雙 向DC/DC變換器101的效率。另外，在開關(guān)元件21和22的導(dǎo)通電阻降低的情況下，降低了 從開關(guān)元件21和22耗散的熱量并且可以減少散熱器的尺寸。另外，在根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的雙向DC/DC變換器中，采用半橋電路作為第一雙向DC/AC變換電路81。根據(jù)這樣的配置，第一 DC電源61和第二 DC電源62之間的電 壓差近似被加倍。在其中第一 DC電源61的電壓和第二 DC電源62的電壓之間的差較大的 這樣的示例中，通過根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的、包括上變換電路72的雙向DC/DC變換器 所實(shí)現(xiàn)的效果是顯著的。此外，平流電容器33在正向操作中實(shí)現(xiàn)對(duì)電能進(jìn)行平滑的效果，并且通常應(yīng)采用 具有高電容值的電解電容器。這里，如果第二 DC電源62是蓄電池，則該蓄電池也可以用作 平流電容器33。因此，可以避免對(duì)平流電容器33的需要，或者可以采用具有低電容值的電 容器。盡管在根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的雙向DC/DC變換器中采用半橋電路作為第一 雙向DC/AC變換電路81，但本發(fā)明不限于此?？梢圆捎弥T如全橋電路之類的用于DC/DC變 換器的通用電路。另外，取決于第一 DC電源61和第二 DC電源62之間的電壓差，可以改變 隔離變壓器51的匝數(shù)比。此外，通過調(diào)節(jié)用于在線圈41中儲(chǔ)能的時(shí)間段和用于向第一 DC電源61提供上變 換后的電能的時(shí)間段，可以控制要向電壓端子Tl和電壓端子T2提供的電壓的電平?，F(xiàn)在將參照附圖來描述本發(fā)明的另一實(shí)施例。在附圖中，相同的或者對(duì)應(yīng)的元件 具有所分配的相同的參考標(biāo)記并且將不對(duì)其進(jìn)行重復(fù)描述?！吹诙?shí)施例〉本發(fā)明涉及與根據(jù)第一實(shí)施例的雙向DC/DC變換器相比、額外地包括保護(hù)電路的 一種雙向DC/DC變換器。圖5是示出根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的雙向DC/DC變換器的配置的圖。參照?qǐng)D5，與根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的雙向DC/DC變換器相比，雙向DC/DC變換 器102進(jìn)一步包括浪涌電流防止電路73。浪涌電流防止電路73包括在線圈41的第二端、 平流電容器33的第一端和電壓端子T3之間并聯(lián)連接的電阻器42和開關(guān)元件43。在初始狀態(tài)中，也就是，緊接在雙向DC/DC變換器102上電之后，還沒有在雙向DC/ DC變換器102內(nèi)的平流電容器33中存儲(chǔ)電荷。因此，如果諸如電池之類的第二 DC電源62 連接到電壓端子T3和T4，則造成短路狀態(tài)并且浪涌電流從第二 DC電源62流到雙向DC/DC 變換器102。因此，在初始狀態(tài)中，關(guān)斷浪涌電流防止電路73的開關(guān)43并且通過電阻器42向 平流電容器33提供電能。在經(jīng)過某一時(shí)間段之后，也就是，在經(jīng)過了用于在平流電容器33 中存儲(chǔ)足夠的電荷的時(shí)間段之后，開關(guān)43導(dǎo)通并且進(jìn)行到正常操作的轉(zhuǎn)換。根據(jù)這樣的配 置，可以防止浪涌電流從第二 DC電源62向雙向DC/DC變換器102流動(dòng)。由于其他配置和操作與根據(jù)第一實(shí)施例的雙向DC/DC變換器的配置和操作相同， 因此在此將不重復(fù)詳細(xì)的描述。應(yīng)當(dāng)理解，在此公開的實(shí)施例在各方面是說明性的和非限制性的。本發(fā)明的范圍 由權(quán)利要求的術(shù)語而不是上述的說明書來限定，并且旨在包括在等效于權(quán)利要求的術(shù)語的 范圍和含義內(nèi)的任何修改。參考標(biāo)記的描述11、12、21、22、23開關(guān)元件；31、32電容器；33平流電容器；41線圈(電感器)；42 電阻器；43開關(guān)元件；51隔離變壓器；71推挽電路；72上變換電路；73浪涌電流防止電路；
1281第一雙向DC/AC變換電路；82第二雙向DC/AC變換電路；101雙向DC/DC變換器；201單 向DC/DC變換器；202逆變器；301電力調(diào)節(jié)器；304電力系統(tǒng)；Tl到T4電壓端子；Ml初級(jí) 繞組；以及M2次級(jí)繞組。
權(quán)利要求
1.一種雙向DC/DC變換器，其包括第一電壓端子(T1)到第四電壓端子(T4)，并且執(zhí)行 用于將施加到所述第一電壓端子(T1)和第二電壓端子(T2)的DC電壓變換為規(guī)定的DC電 壓并且將該DC電壓提供給第三電壓端子(T3)和所述第四電壓端子(T4)的正向操作、以及 將施加到所述第三電壓端子(T3)和所述第四電壓端子(T4)的DC電壓變換為規(guī)定的DC電 壓并且將該DC電壓提供給所述第一電壓端子(T1)和所述第二電壓端子(T2)的反向操作， 所述雙向DC/DC變換器包含隔離變壓器(51)，其包含第一繞組(Ml)和第二繞組(M2)；第一雙向DC/AC變換電路(81)，連接在所述第一電壓端子(T1)、所述第二電壓端子 (T2)和所述第一繞組(Ml)之間，用于在所述正向操作中將施加到所述第一電壓端子(T1) 和所述第二電壓端子(T2)的DC電壓變換為AC電壓并且將該AC電壓輸出給所述第一繞組 (Ml)、以及在所述反向操作中對(duì)在所述第一繞組(Ml)中感應(yīng)的AC電壓進(jìn)行整流和平滑并 且將該AC電壓輸出給所述第一電壓端子(T1)和所述第二電壓端子(T2)；以及第二雙向DC/AC變換電路(82)，連接在所述第三電壓端子(T3)、所述第四電壓端子 (T4)和所述第二繞組(M2)之間，用于在所述正向操作中對(duì)所述第二繞組(M2)中感應(yīng)的AC 電壓進(jìn)行整流和平滑并且將該AC電壓輸出給所述第三電壓端子(T3)和所述第四電壓端子 (T4)、以及在所述反向操作中將施加到所述第三電壓端子(T3)和所述第四電壓端子(T4) 的DC電壓變換為AC電壓并且將該AC電壓輸出給所述第二繞組(M2)； 所述第二雙向DC/AC變換電路(82)包括推挽電路(71)，其包括分別耦接到所述第二繞組(M2)的相對(duì)端的第一開關(guān)元件(21) 和第二開關(guān)元件(22)，以及上變換電路(72)，耦接到所述推挽電路(71)、所述第三電壓端子(T3)和所述第四電壓 端子(T4)，并且所述上變換電路(72)包括電感器(41)，用于由于所存儲(chǔ)的磁能而允許電流通過所述第二繞組(M2)、處于導(dǎo)通狀 態(tài)的所述第一開關(guān)元件(21)和處于導(dǎo)通狀態(tài)的所述第二開關(guān)元件(22)；以及第三開關(guān)元件(23)，在其導(dǎo)通時(shí)形成經(jīng)過所述第三電壓端子(T3)、所述電感器(41)和 所述第四電壓端子(T4)而不經(jīng)過所述第一開關(guān)元件(21)和所述第二開關(guān)元件(22)的電 流通路。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙向DC/DC變換器，其中所述電感器(41)具有連接到所述第二繞組(M2)的除了相對(duì)端之外的部分的第一端和 連接到所述第三電壓端子(T3)的第二端，所述第一開關(guān)元件(21)具有與所述第二繞組(M2)的第一端連接的第一端和連接到所 述第四電壓端子(T4)的第二端，所述第二開關(guān)元件(22)具有與所述第二繞組(M2)的第二端連接的第一端和連接到所 述第四電壓端子(T4)的第二端，以及所述第三開關(guān)元件(23)具有與所述電感器(41)的第一端連接的第一端和連接到所述 第四電壓端子(T4)的第二端。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙向DC/DC變換器，其中 所述第一雙向DC/AC變換電路(81)包括半橋電路。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙向DC/DC變換器，其中 所述第一雙向DC/AC變換電路(81)包括第四開關(guān)元件(11)，其具有體二極管并且連接在所述第一繞組的第一端和所述第一電 壓端子(T1)之間，以及第五開關(guān)元件(12)，其具有體二極管并且在所述第一繞組的第一端和所述第二電壓端 子(T2)之間與所述第四開關(guān)元件(11)并聯(lián)連接，以及在所述正向操作中，所述第四開關(guān)元件(11)和所述第五開關(guān)元件(12)被導(dǎo)通和關(guān)斷， 在所述反向操作中，所述第四開關(guān)元件(11)和所述第五開關(guān)元件(12)兩者均被關(guān)斷，并且 通過所述第四開關(guān)元件(11)的體二極管和所述第五開關(guān)元件(12)的體二極管對(duì)所述第一 繞組中感應(yīng)的電流進(jìn)行整流。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙向DC/DC變換器，其中所述第一開關(guān)元件(21)和所述第二開關(guān)元件(22)每一個(gè)具有體二極管，并且 在所述反向操作中，所述第一開關(guān)元件(21)和所述第二開關(guān)元件(22)被導(dǎo)通和關(guān)斷， 在所述正向操作中，所述第一開關(guān)元件(21)和所述第二開關(guān)元件(22)兩者均被關(guān)斷，并且 通過所述第一開關(guān)元件(21)的體二極管和所述第二開關(guān)元件(22)的體二極管對(duì)所述第二 繞組中感應(yīng)的電流進(jìn)行整流。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙向DC/DC變換器，其中蓄電池被耦接到所述第三電壓端子(T3)和所述第四電壓端子(T4)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙向DC/DC變換器，其中所述第二雙向DC/AC變換電路(82)進(jìn)一步包括連接在所述第三電壓端子(T3)和所述 第四電壓端子(T4)之間的平流電容器(33)，并且所述雙向DC/DC變換器進(jìn)一步包括連接在所述平流電容器(33)、所述電感器(41)和所 述第三電壓端子(T3)之間的浪涌電流防止電路(73)，用于防止由施加到所述第三電壓端 子(T3)和所述第四電壓端子(T4)的DC電壓產(chǎn)生的浪涌電流。
8.一種電力調(diào)節(jié)器，耦接到DC電源(302)、電力存儲(chǔ)裝置(303)和電力系統(tǒng)(304)，該 電力調(diào)節(jié)器與所述電力系統(tǒng)(304)互連，并且向負(fù)載(305)提供電能，所述電力調(diào)節(jié)器包 含單向DC/DC變換器(201)，用于將從所述DC電源(302)接收的DC電壓變換為規(guī)定的 DC電壓并且輸出該DC電壓；雙向DC/DC變換器(101)，用于在對(duì)所述電力存儲(chǔ)裝置(303)充電期間執(zhí)行將從所述單 向DC/DC變換器(201)接收的DC電壓變換為規(guī)定的DC電壓并且將該DC電壓提供給所述 電力存儲(chǔ)裝置(303)的正向操作、以及在對(duì)所述電力存儲(chǔ)裝置(303)放電期間執(zhí)行將從所 述電力存儲(chǔ)裝置(303)接收的DC電壓變換為規(guī)定的DC電壓并且輸出該DC電壓的反向操 作；以及逆變器(202)，用于將從所述單向DC/DC變換器(201)和所述雙向DC/DC變換器(101) 接收的DC電壓變換為AC電壓并且將該AC電壓提供給所述負(fù)載(305)， 所述雙向DC/DC變換器(101)包括 隔離變壓器(51)，其包含第一繞組(Ml)和第二繞組(M2)；第一雙向DC/AC變換電路(81)，連接在所述單向DC/DC變換器(201)、所述逆變器(202)和所述第一繞組(Ml)之間，用于在所述正向操作中將從所述單向DC/DC變換器 (201)接收的DC電壓變換為AC電壓并且將該AC電壓輸出給所述第一繞組(Ml)、以及在所 述反向操作中對(duì)在所述第一繞組(Ml)中感應(yīng)的AC電壓進(jìn)行整流和平滑并且將該AC電壓 輸出給所述逆變器(202)；以及第二雙向DC/AC變換電路(82)，連接在所述電力存儲(chǔ)裝置(303)和所述第二繞組(M2) 之間，用于在所述正向操作中對(duì)在所述第二繞組(M2)中感應(yīng)的AC電壓進(jìn)行整流和平滑并 且將該AC電壓輸出給所述電力存儲(chǔ)裝置(303)、以及在所述反向操作中將從所述電力存儲(chǔ) 裝置(303)接收的DC電壓變換為AC電壓并且將該AC電壓輸出給所述第二繞組(M2)， 所述第二雙向DC/AC變換電路(82)包括推挽電路(71)，其包括分別耦接到所述第二繞組(M2)的相對(duì)端的第一開關(guān)元件(21) 和第二開關(guān)元件(22)，上變換電路(72)，耦接到所述推挽電路(71)和所述電力存儲(chǔ)裝置(303)，并且 所述上變換電路(72)包括電感器(41)，用于由于所存儲(chǔ)的磁能而允許電流通過所述第二繞組(M2)、處于導(dǎo)通狀 態(tài)的所述第一開關(guān)元件(21)和處于導(dǎo)通狀態(tài)的所述第二開關(guān)元件(22)；以及第三開關(guān)元件(23)，在其導(dǎo)通時(shí)形成經(jīng)過所述電力存儲(chǔ)裝置(303)和所述電感器(41) 而不經(jīng)過所述第一開關(guān)元件(21)和所述第二開關(guān)元件(22)的電流通路。
全文摘要
一種雙向DC/DC變換器(101)，包括推挽電路(71)，連接在電壓端子(T3，T4)和繞組(M2)之間，并且具有連接到繞組(M2)的兩端的開關(guān)元件(21，22)；以及雙向正交變換電路(82)，其具有連接到推挽電路(71)和電壓端子(T3，T4)的升壓電路(72)。所述升壓電路(72)包括電感器(41)，用于通過所累積的磁能來促使電流經(jīng)由繞組(M2)、導(dǎo)通狀態(tài)中的開關(guān)元件(21)和導(dǎo)通狀態(tài)中的開關(guān)元件(22)流動(dòng)；以及開關(guān)元件(23)，其導(dǎo)通以形成經(jīng)過電壓端子(T3)、電感器(41)和電壓端子(T4)而不經(jīng)過開關(guān)元件(21，22)的電流通路。
文檔編號(hào)H02M3/335GK102007677SQ200980113640
公開日2011年4月6日 申請(qǐng)日期2009年4月8日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月18日
發(fā)明者松井亮二, 西村和仁 申請(qǐng)人:夏普株式會(huì)社