[发明专利]高效电功率转换

说明书

提供了一种用于控制两个AC功率单元之间的电能流的功率传输单元。功率传输单元包括具有第一绕组和第二绕组的主变压器，以及用于跨辅助AC单元的辅助AC侧施加可调谐辅助AC电压的可切换辅助AC单元。辅助AC侧与主变压器的第一绕组串联连接以形成串联连接。进一步地，提供了包括功率传输单元和两个AC功率单元的功率转换单元，以及用于通过使用这种功率转换单元来控制电能流的方法。

技术领域

本发明涉及用于控制两个AC功率单元之间的电能流的功率传输单元。本发明还涉及用于转换电功率的功率转换单元。所述功率转换单元包括根据本发明的功率传输单元、第一AC功率单元以及第二AC功率单元。进一步地，本发明涉及用于通过使用根据本发明的功率转换单元来控制电能流的方法。

背景技术

具有电流隔离的电功率转换器是为人熟知的。这样的功率转换器典型地是通过使用经由变压器相连接的两个AC-DC转换器来实现的。变压器提供电流隔离和电压水平转换。为了操作这样的电功率转换器，这两个AC-DC转换器被在同一频率下操作。通过调整电压波形的相位和占空比来控制功率流。这种方法的第一个缺点是对于建立功率流而言所必需的相移生成了显著的无功功率流，所述显著的无功功率流引起了转换器中的显著损耗。另一个缺点是转换器的功率开关在峰值功率（即，峰值电压和/或峰值电流）处被切换，这生成显著的切换损耗。

例如，US5,027,264（DeDoncker等）公开了用于DC-DC转换的功率转换装置，该功率转换装置使用其间具有变压器的双有源电桥。控制有源电桥以生成准方波电压，所述准方波电压关于彼此相移，以允许电流从一个电桥向另一个电桥流动。只要满足针对电流的某些条件，变压器的漏电感和电桥开关的缓冲电容就会形成用于进行软切换的谐振电路。否则，将会发生电桥器件的自然换流（commutation），从而造成切换损耗。另一个缺点是，为了增加转换器的传输功率，必须增加电压之间的相移，并且因此也必须增加电压和电流之间的相移。然而，这造成较低的功率因数和由于增加的无功电流分量而导致的增加的损耗。

为了减少电功率转换器的切换损耗，提出了谐振拓扑。在这种拓扑中，电容器被连接在AC-DC转换器中的一个和变压器之间。电容器与变压器的漏电感谐振操作。这两个转换器都可以在零电流处切换，从而避免切换损耗，并且显著地提高效率。另外，可以消除无功功率流。然而，电流的幅度和形状不能被控制。这造成高的传导损耗，特别是在与额定功率流相比的小的功率流处时。换句话说，谐振转换器的有用并且高效的操作范围是有限的。

为了克服这些缺陷，US 2015/0138841（Pahlevaninezhad等）提出了高效的DC-DC转换器，其具有电流驱动的全桥，随后是变压器和二极管整流器。为了确保针对功率半导体的零电压切换，需要另外的电感器。该电感器与电容器一起被包括在辅助支路中或者被与变压器串联地耦合。然而，这样的电感器可能是庞大、笨重并且昂贵的。进一步地，所公开的DC-DC转换器不适用于双向操作。

发明内容

本发明的目的是提供与最初提到的技术领域相关的功率传输单元，从而克服现有技术的缺点或者至少部分克服现有技术的缺点。特别地，目的是提供功率传输单元，所述功率传输单元允许在其整个操作范围上提高功率传输效率。另外，本发明的目的是提供与最初提到的技术领域相关的功率转换单元，从而克服现有技术的缺点或者至少部分克服现有技术的缺点。进一步地，本发明的目的是提供用于通过使用根据本发明的功率转换单元来控制电能流的方法，从而克服现有技术的缺点或者至少部分克服现有技术的缺点。

本发明的解决方案由权利要求1的特征指定。根据本发明，用于控制两个AC功率单元之间的电能流的功率传输单元包括：具有第一绕组和第二绕组的主变压器，以及用于在辅助AC单元的辅助AC侧两端施加可调谐辅助AC电压的可切换辅助AC单元，其中辅助AC侧与主变压器的第一绕组串联地连接以形成串联连接。