飞跨电容器装置和用于预加载这种装置的电容器的方法与流程

本发明涉及一种飞跨电容器装置，比如逆变器或升压转换器。

背景技术：

1、在电动机动车辆领域，已知的是，800v电力牵引系统对尺寸通常被设计用于1200v的截止电压的半导体施加了限制。

2、然而，已知的是，经由多单元或飞跨电容器拓扑结构串联使用650v部件具有若干优点：

3、-使用较低电压部件在高频下操作时具有更好的品质因数，比如氮化镓晶体管；

4、-这使得输出电压的谐波频谱更加有利，一方面是因为开关边沿的幅度较低，另一方面是因为开关所产生的一次谐波被推至n*fsw，其中fsw是晶体管的开关频率，n是开关单元的数量，这使得滤波量(filtering volume)和控制输出电流的动态方面有显著的增益。

5、因此，从现有技术中已知多单元拓扑结构。图1是现有技术，在图1a中描绘了具有2个单元的臂，在图1b中描绘了其推广到n个单元。

6、而1次谐波的频率是晶体管的开关频率乘以单元数量。

7、在技术领域，这种性能特别地有利于：

8、-用于升压系统的随载单相充电器，以通过增加调节电流的动态并通过用650v部件处理800v网络来补偿瞬时功率的波动；

9、-升压转换器，用于通过并联的若干不同电压的电源向网络供电。典型地是燃料电池和蓄电池。实际上，滤波量方面的增益是显著的，并且通过使用具有大带隙的晶体管(比如氮化镓晶体管)，效率方面的增益也是显著的；以及

10、-逆变器，用于控制创新性机器，其中需要宽通带来输送为电基频倍数的谐波电压，同时能够对开关所产生的频谱进行滤波。

11、然而，这种拓扑结构的缺点是必须确保飞跨电容器的电压的在至少1/fsw的时间段内稳定在平均值vdc/n、2vdc/n、3vdc/n等(可以从图1中看到，来自现有技术)。

12、通过让电流谐波以晶体管的开关频率及其(n-1)倍数(n是嵌套的开关单元的数量)流动，这种平衡自然发生。

13、然而，在2种情况下，这种平衡是不充分的，或者甚至不存在：

14、-在连接蓄电池之前预加载高电压电路。在这种情况下，第1个电容器充电，而多级臂不汲取电流：自然平衡无法发生，只有第1个电容器充电，实际上将电压vdc施加到第1个单元的晶体管上，过电压损坏的风险很高。

15、-在操作中。如果负载阻抗不足，则飞跨电容器的电压的重新平衡太慢或甚至不存在。

16、因此，需要一种解决方案来平衡上述两种情况下的飞跨电容器的电压。

技术实现思路

1、为此，提出了一种飞跨电容器装置，比如逆变器或升压转换器，该飞跨电容器装置包括多个彼此嵌套的n个开关单元，每个单元在其连接端子之间包括两个串联的可开关晶体管以及与两个晶体管并联的电容器，n个单元嵌套成使得第二个单元通过连接在第一个单元的串联的两个晶体管之间而嵌套在第一个单元中；对n个嵌套单元重复此嵌套，第n个嵌套单元包括其彼此挨着直接串联连接的两个晶体管，所述装置的输出电压从位于第n个嵌套单元的两个晶体管之间的中点与第一个单元的电容器的端子之间的电位差获得。

2、飞跨电容器装置包括平衡电路，该平衡电路具有等于晶体管的开关频率的谐振频率，所述平衡电路一方面连接在第n个单元的两个晶体管之间的所述中点处并且连接在第一个单元的电容器的所述端子处。

3、有利地，所述平衡电路包括串联的rlc谐振电路。换句话说，谐振电路包括串联的电阻器、电感器和电容器。因此，该装置制造成本相对较低，并且特别可靠。

4、特别地，该装置仅包括两个开关单元。

5、有利地，飞跨电容器装置包括带通滤波器，并且所述平衡电路包括与所述带通滤波器共享的至少一个电容器。因此，带通滤波器和平衡电路之间可以共享资源。

6、有利地，平衡电路包括与rlc电路串联连接的开关。因此，可以控制飞跨电容器的强制或自然平衡的时段。

7、有利地，飞跨电容器装置包括带通滤波器，该带通滤波器的通带以晶体管的开关频率为中心，该带通滤波器与开关并联连接。

8、特别地，该装置包括两个开关单元。

9、有利地，飞跨电容器装置进一步包括低通滤波器，并且所述平衡电路包括与所述低通滤波器共享的至少一个电感器。

10、本发明还涉及一种功率转换系统，该功率转换系统包括至少一个如前述权利要求中任一项所述的飞跨电容器装置。

11、本发明还涉及一种包括上述功率转换系统的车辆。

12、本发明还涉及一种用于预加载上述飞跨电容器装置的方法，特别是当平衡电路包括与所述rlc谐振电路串联连接的开关时，该方法包括：

13、-闭合开关的步骤；

14、-预加载飞跨电容器以便以晶体管的开关频率开关每个单元的可开关晶体管的步骤，

15、-在第一个单元的电容器的电压与预定电压之间进行比较的步骤；

16、-当第一个单元的电容器的所述电压基本等于预定电压时断开开关的步骤。

17、根据替代性方案，当飞跨电容器装置包括带通滤波器时，该带通滤波器的通带以晶体管的开关频率为中心，带通滤波器与开关并联连接，本发明涉及一种用于预加载飞跨电容器装置的方法，该方法包括：

18、-测量开关在其断开状态下由带通滤波器滤波的电压的步骤；

19、-如果测量的电压超过预定的不平衡阈值则闭合开关的步骤；

20、-预加载飞跨电容器以便以晶体管的开关频率开关每个单元的可开关晶体管的步骤，

21、-在第一个单元的电容器的电压与预定电压之间进行比较的步骤；

22、-当第一个单元的电容器的所述电压基本等于预定电压时断开开关的步骤。

技术特征：

1.一种飞跨电容器装置(1，1')，比如逆变器(1)或升压转换器(1')，该飞跨电容器装置包括多个彼此嵌套的n个开关单元(2，2')，每个单元(2，2')在其连接端子之间包括两个串联的可开关晶体管(21，22，21'，22)以及与这两个晶体管(21，22，21'，22')并联的电容器(23，23')，该n个单元(2，2')嵌套成使得第二个单元(2)通过连接在该第一个单元(2')的串联的两个晶体管(21'，22')之间而嵌套在第一个单元(2')中；对该n个嵌套单元重复此嵌套，第n个嵌套单元包括其彼此挨着直接串联连接的两个晶体管(21，22)，所述装置(1，1')的输出电压从位于该第n个嵌套单元的两个晶体管(21，22)之间的中点(70)与该第一个单元(2')的电容器(23')的端子(71)之间的电位差获得；

2.如权利要求1所述的飞跨电容器装置(1，1')，其特征在于，所述平衡电路(50)包括串联的rlc谐振电路(50)。

3.如权利要求2所述的飞跨电容器装置(1，1')，其特征在于，该平衡电路(50)包括与所述rlc谐振电路(50)串联连接的开关(501)。

4.如权利要求3所述的飞跨电容器装置(1，1')，进一步包括带通滤波器(62)，该带通滤波器的通带以这些晶体管的开关频率为中心，该带通滤波器(62)与该开关(501)并联连接。

5.如权利要求1至4中任一项所述的飞跨电容器装置(1，1')，其特征在于，该装置(1，1')包括两个开关单元(2，2')。

6.如权利要求1至5中任一项所述的飞跨电容器装置，进一步包括低通滤波器(505)，其特征在于，所述平衡电路(50)包括与所述低通滤波器共享的至少一个电感器。

7.一种用于车辆的功率转换系统，包括至少一个如前述权利要求中任一项所述的飞跨电容器装置。

8.一种包括如权利要求7所述的功率转换系统的车辆。

9.一种用于预加载如权利要求3所述或如权利要求4至6中任一项结合权利要求3所述的飞跨电容器装置的方法，其特征在于，该方法包括：

10.一种用于预加载如权利要求4所述或如权利要求5和6中任一项结合权利要求4所述的飞跨电容器装置的方法，其特征在于，该方法包括：

技术总结披露了一种飞跨电容器装置(1，1')、比如逆变器臂(1)或升压转换器(1')，该飞跨电容器装置包括多个彼此嵌套的N个开关单元(2，2')和平衡电路(50)，该平衡电路适于具有等于晶体管的开关频率的谐振频率，所述平衡电路(50)一方面连接在所述中点(70)处并且连接在最后一个单元(2')的电容器的所述端子(71)处。技术研发人员：S·劳德特受保护的技术使用者：安培股份公司技术研发日：技术公布日：2024/10/17