無電阻器預(yù)充電的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及轉(zhuǎn)換器裝置，其包括:包含用于連接AC輸入電壓的兩個(gè)輸入端子的輸入級、用于將AC輸入電壓轉(zhuǎn)換成DC輸出電壓的轉(zhuǎn)換器級和包含輸出電容的輸出級，其中跨輸出電容而提供DC輸出電壓，轉(zhuǎn)換器裝置還包括被布置在從兩個(gè)輸入端子之一到另一個(gè)并且包括所述輸出電容的電流路徑中的可控開關(guān)以及被適配成控制可控開關(guān)以用于在轉(zhuǎn)換器裝置的啟動(dòng)時(shí)為輸出電容預(yù)充電的控制單元。本發(fā)明還涉及用于為轉(zhuǎn)換器裝置的輸出電容預(yù)充電的對應(yīng)方法，以及一種機(jī)動(dòng)車輛，其包括至少一個(gè)電動(dòng)機(jī)、用于驅(qū)動(dòng)所述至少一個(gè)電動(dòng)機(jī)的第一能量存儲(chǔ)裝置并且包括用于為第一能量存儲(chǔ)裝置充電的這樣的轉(zhuǎn)換器裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]要以電力網(wǎng)功率供給(mains power supply)網(wǎng)絡(luò)(S卩在從300W (瓦特)到十分之幾(several 10th) kff (千瓦)的功率范圍中)而操作的許多電氣設(shè)備被設(shè)計(jì)成接收DC輸入電壓。電力網(wǎng)供給通常是單相或多相AC電壓電網(wǎng)，其因此必須被轉(zhuǎn)換成DC電壓以用于供給這樣的設(shè)備。電氣設(shè)備所需的DC電壓通常由AC/DC功率供給單元(PSU)提供。功率供給單元可用于多種多樣的應(yīng)用，諸如例如計(jì)算機(jī)(諸如服務(wù)器或個(gè)人計(jì)算機(jī))、存儲(chǔ)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)業(yè)以及用于電信基礎(chǔ)設(shè)施。但是它們還可用于感應(yīng)式烹調(diào)/加熱系統(tǒng)或自動(dòng)充電器，特別是使用在電驅(qū)動(dòng)的汽車和其它EV (電動(dòng)車輛)或HEV (混合電動(dòng)車輛)中的車載充電器(OBC)。這樣的OBC為使用在這樣的車輛中的高壓牽引電池充電以用于直接從公共AC功率電網(wǎng)向發(fā)動(dòng)機(jī)提供電功率。
[0003]PFC轉(zhuǎn)換器是許多當(dāng)今的AC/DC PSU的前端級，其直接從AC電力網(wǎng)進(jìn)行操作。PFC級將AC側(cè)功率因數(shù)調(diào)整到接近于一(功率因數(shù)校正)并且它還將DC鏈路電壓控制成恒定值，所述DC鏈路電壓是獨(dú)立于實(shí)際功率流而用于后續(xù)級的輸入電壓。通常在轉(zhuǎn)換器輸出處跨電容器而提供DC鏈路電壓。那些PFC級中的大多數(shù)根據(jù)升壓原理進(jìn)行操作，S卩，在正常操作模式中的DC鏈路電壓必須總大于AC輸入電壓的任何瞬時(shí)值，其可以被假設(shè)為隨時(shí)間是正弦的，具有幅度Oa。和角頻率ω。
[0004]標(biāo)準(zhǔn)升壓PFC轉(zhuǎn)換器包括用于整流AC輸入電壓的全橋二極管整流器，隨后是升壓電感和連接到第一輸出端子的升壓二極管。諸如IGBT、MOSFET、晶閘管(thyristor)等等之類的可控開關(guān)連接在升壓電感與第二輸出端子之間并且DC鏈路電容器連接在兩個(gè)輸出端子之間。如已經(jīng)提及的，正常操作模式中的DC鏈路電壓必須在每個(gè)單個(gè)時(shí)間點(diǎn)處大于AC輸入電壓。但是在升壓PFC轉(zhuǎn)換器的啟動(dòng)之前，DC鏈路電容通常被放電，這意味著跨DC鏈路電容器的電壓通常為OV (伏特)。這意味著DC鏈路電容必須在轉(zhuǎn)換器可以操作在其正常升壓模式中之前被預(yù)充電。為了避免高涌入電流，輸入電壓可以不直接連接到輸出電容器，因?yàn)樯龎弘姼衅鞯碾姼邢喈?dāng)小并且因此不足以充分限制充電電流。
[0005]為這樣的升壓PFC轉(zhuǎn)換器的DC鏈路電容預(yù)充電的已知解決方案是在充電電流路徑中提供電阻器R以使得限制流到DC鏈路電容器中的電流。一旦DC鏈路電容器被完全充足電，通過閉合與電阻器R并聯(lián)連接的開關(guān)來旁通電阻器R。開關(guān)可以實(shí)現(xiàn)為機(jī)電繼電器或者通過不同類型的可開關(guān)功率半導(dǎo)體來實(shí)現(xiàn)，像是例如IGBT、MOSFET或晶閘管。用于電阻器R的不同位置是可能的，要么在AC側(cè)，例如在輸入端子與整流器之間，要么在DC側(cè)，例如在第二輸出端子與整流器之間。在某些應(yīng)用中還提供浪涌二極管，其旁通升壓二極管和升壓電感。
[0006]在另一已知解決方案中提供兩個(gè)附加二極管，它們中的每一個(gè)以導(dǎo)通方向從轉(zhuǎn)換器的輸入端子中不同的一個(gè)連接到充電電流限制電阻器(其自身連接到輸出電容器)。另夕卜，整流器的兩個(gè)二極管被晶閘管取代，使得通過關(guān)斷晶閘管，輸入端子從升壓電感斷開。因此，輸入電流通過附加二極管和電阻器流到輸出電容器。為了控制晶閘管，提供控制單元，其連接到輸出電容器，以使得為控制單元供給電能來提供用于晶閘管的控制信號(hào)。因此，由于輸出電容器未在轉(zhuǎn)換器啟動(dòng)時(shí)被充電，控制單元未被加電并且因此晶閘管被關(guān)斷。一旦輸出電容器被充電至某個(gè)水平，控制單元就被加電。然后它能夠接通晶閘管以使得旁通附加二極管和電阻器，從而停止輸出電容器的預(yù)充電并且開始轉(zhuǎn)換器的正常升壓操作。
[0007]文檔EP I 186 093 BI (Ascom Energy System (亞斯康能量系統(tǒng))AG)公開了用于為輸出電容器預(yù)充電的另一解決方案。整流器二極管之一被晶閘管18取代并且與該晶閘管18并聯(lián)地提供包括二極管20和電阻器19的預(yù)充電路徑2。在啟動(dòng)時(shí)，晶閘管關(guān)斷使得電流通過預(yù)充電路徑2流到輸出電容器。包括分壓器25、參考電壓26、限制二極管27和比較器28的控制電路提供用于控制晶閘管18的控制信號(hào)。
[0008]現(xiàn)有技術(shù)的主要缺點(diǎn)在于在輸出電容器的充電期間需要電阻器來限制充電電流。在預(yù)充電間隔期間，大電流流過該電阻器并且因此大量功率必須通過它耗散成熱。出于熱學(xué)原因，該電阻器必須具有相當(dāng)龐大的體積，這還導(dǎo)致關(guān)于功率供給的組件布局和電阻器的熱連接的某些約束。另一缺點(diǎn)是以下事實(shí):除了電阻器自身之外，需要附加組件，諸如例如二極管、可控開關(guān)或甚至相當(dāng)復(fù)雜的控制電路，這不僅導(dǎo)致增加的空間需求還導(dǎo)致增加的制造成本。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明的目的是提供關(guān)于初始提及的技術(shù)領(lǐng)域的轉(zhuǎn)換器裝置，其使得能夠通過減少設(shè)計(jì)約束而實(shí)現(xiàn)較為簡單的設(shè)計(jì)。本發(fā)明的另外的目的是提供具有減少的空間需求和降低的制造成本的這樣的轉(zhuǎn)換器裝置。本發(fā)明的另一目的是提供包括這樣的轉(zhuǎn)換器裝置的機(jī)動(dòng)車輛并且本發(fā)明的又一目的是提供用于提供這樣的轉(zhuǎn)換器裝置的方法。
[0010]本發(fā)明的解決方案由權(quán)利要求1的特征指定。根據(jù)本發(fā)明的轉(zhuǎn)換器裝置包括:包含用于連接AC輸入電壓的兩個(gè)輸入端子的輸入級、用于將AC輸入電壓轉(zhuǎn)換成DC輸出電壓的轉(zhuǎn)換器級和包含輸出電容的輸出級，其中跨輸出電容而提供DC輸出電壓。轉(zhuǎn)換器裝置還包括被布置在從兩個(gè)輸入端子之一到另一個(gè)的電流路徑中的可控開關(guān)，其中電流路徑包括輸出電容。此外，轉(zhuǎn)換器裝置包括控制單元，其被適配成控制可控開關(guān)以用于在轉(zhuǎn)換器裝置啟動(dòng)時(shí)為輸出電容預(yù)充電。根據(jù)本發(fā)明，控制單元被適配成在啟動(dòng)期間控制可控開關(guān)，使得在輸入電壓的至少一半周期期間可控開關(guān)的占空比在O與I之間。要注意，如以下概述的那樣，在許多應(yīng)用中需要不僅一個(gè)而是兩個(gè)(或甚至更多)這樣的可控開關(guān)。
[0011]通過恰當(dāng)?shù)乜刂瓶煽亻_關(guān)使得開關(guān)僅在輸入電壓的半周期的一部分內(nèi)斷開，可以容易地調(diào)節(jié)在輸入電壓的每半周期經(jīng)過可控開關(guān)的電流量。因此，整流AC電壓的半周期的僅小且可控的分段有效地經(jīng)過而到DC鏈路電容器，產(chǎn)生僅小(即有限)的充電電流。為此，不再需要用于電流限制的預(yù)充電電阻器。由于可以省略龐大的預(yù)充電電阻器，可以顯著減少設(shè)計(jì)約束。另外，通過省略預(yù)充電電阻器，可以降低組件的數(shù)目以及制造成本。另外，不僅可以省略預(yù)充電電阻器而且還可以減少諸如二極管、可控開關(guān)或者甚至復(fù)雜控制電路之類的附加組件的數(shù)目。
[0012]與其中對于整個(gè)預(yù)充電時(shí)間(即直到跨輸出電容器的輸出電壓已經(jīng)達(dá)到其最終水平)而言可控開關(guān)要么接通要么關(guān)斷的現(xiàn)有技術(shù)相反，在根據(jù)本發(fā)明的轉(zhuǎn)換器裝置中的可控開關(guān)在預(yù)充電間隔期間在輸入電壓的每個(gè)半周期中被接通和關(guān)斷。
[0013]如果可控開關(guān)例如被控制成在輸入電壓的預(yù)充電間隔期間的特定半周期中從0°到175°斷開并且從175°到180°閉合，則開關(guān)的占空比例如為5/180 ~ 0.03。在輸入電壓的后續(xù)半周期中開關(guān)例如被控制成從0°到170°斷開并且從170°到180°閉合，導(dǎo)致大約10/180 ~ 0.06的比。
[0014]然而還可以通過控制開關(guān)以使得從0°到5°閉合并且從5°到180°斷開或者通過控制它以使得從155°到160°閉合并且從0°到155°以及從160°到180°斷開來實(shí)現(xiàn)5/180 ^ 0.03的相同占空比。
[0015]然而經(jīng)過可控開關(guān)的功率量不僅取決于開關(guān)的占空比而且還取決于當(dāng)開關(guān)被閉合和再次斷開時(shí)的半周期的確切角度。給定輸入電壓的或多或少正弦的波形，在0°到5°的間隔期間通過開關(guān)傳遞的功率比在45°到50°的間隔期間通過開關(guān)傳遞的功率低得多，因?yàn)榈诙g隔期間的電壓比第一間隔的電壓高得多。
[0016]因此，為了用小充電電流為輸出電容器充電，在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中可以通過在若干半周期期間增加占空比來控制可控開關(guān)。在另一實(shí)施例中可以通過保持占空比一般恒定并且通過使開關(guān)接通時(shí)的半周期內(nèi)的角度變化來控制充電電流。由于這將會(huì)需要開關(guān)獨(dú)立于跨它的電壓的強(qiáng)制關(guān)斷，這僅可以在諸如例如MOSFET或IGBT之類的某些開關(guān)的情況下實(shí)現(xiàn)?？梢越M合這兩種控制機(jī)制是不言自喻的。
[0017]事實(shí)上，在預(yù)充電間隔期間、在輸入電壓的半周期中的大多數(shù)期間，占空比在O與I之間。僅在預(yù)充電間隔的開始或結(jié)束時(shí)可以將占空比分別選取為實(shí)際上O或I。
[0018]如上文已經(jīng)提及的，本發(fā)明消除了對于預(yù)充電電阻器的需要。不過，電阻器無論如何都可以被布置在去往輸出電容器的電流路徑中。然而，這樣的電阻器將會(huì)再次增加設(shè)計(jì)約束、空間需求以及成本，并且如果在正常轉(zhuǎn)換器操作期間它未被旁通，則將會(huì)嚴(yán)重地增加轉(zhuǎn)換器的傳導(dǎo)損耗并且因此降低其效率。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，包括輸出電容的電流路徑一般是無電阻器的。在本描述的上下文中，術(shù)語一般無電阻器必須