双模式dc-dc转换器的制造方法
双模式dc-dc转换器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及DC-DC转换器，并且更具体地，设及可工作在高功率工作模式W及低 功率工作模式中的DC-DC转换器。
【背景技术】
[0002] 在诸如自动旅客运输器（automated people mover)之类的交通工具中，一个交通 工具可包括被配置为沿轨道行进的车轮。所述车轮可W是有髓车轮，或者在所述轨道包括 铁轨时，所述车轮可W是被设计为沿所述铁轨行进的传统铁轨车轮。在运种旅客运输器中， 期望运种交通工具的高压交流电系统化VAC)系统可在电网故障后利用电池能量工作30分 钟W上。为了实现运一目标，通常采用DC-DC转换器W将电网上提供的高电压（例如，750 伏DC)转换为可在交通工具的内部系统（例如顶部照明系统、控制系统等）中使用的低电 压（例如，100伏DC)。
[0003] 在正常工作模式中，转换器工作在降压（step-down)模式，W利用可经电网获得 的高电压（例如，750伏DC)对低电压DC电池（例如，100伏DC电池）的电压进行充电并 使其保持不变。
[0004] 在紧急模式中，期望所述DC-DC转换器工作在升压（step-up)模式，来将低电压 (110VDC)升压到高电压（750VDC) W馈送至HVAC系统。 阳0化]在另一示例中，期望能够利用低电压电池中存储的电能而使交通工具向维护设施 移动或者从维护设施移开。针对运种情况，再次需要DC-DC转换器工作在升压模式，来将低 电压能量（110VDC)转换为高电压能量（750VDC) W馈送至推进系统。
[0006] 在升压模式中使用DC-DC转换器即为高功率操作。因此，期望在升压操作中具有 较高的转换效率，W避免浪费宝贵的能量。与此相反，降压操作可为高功率（当电池为空且 必须迅速充电时）或低功率（当电池还未全部充满时）。
[0007] 到目前为止，标准的单模式双向转换器在低功率操作时具有较低的效率，而所述 低功率操作占据了大部分时间。因此，期望在不添加有源组件或无源组件并且在高功率操 作中没有任何修改也没有额外成本的情况下，提高双向DC-DC转换器的低功率效率。
【发明内容】
[0008] 本文公开了一种双模式DC-DC转换器，其包括：第一桥转换器，其具有串联的第一 开关和第二开关、串联的第Ξ开关和第四开关，并且串联的第一开关和第二开关W并联方 式连接至串联的第Ξ开关和第四开关；第二桥转换器，其具有串联的第五开关和第六开关、 串联的第屯开关和第八开关，并且串联的第五开关和第六开关W并联方式连接至串联的第 屯开关和第八开关；变压器，其包括第一线圈，所述第一线圈具有连接至串联的第一开关和 第二开关之间的第一节点的第一端W及连接至串联的第Ξ开关和第四开关之间的第二节 点的第二端，所述变压器还包括第二线圈，所述第二线圈具有连接至串联的第五开关和第 六开关之间的第Ξ节点的第一端W及连接至串联的第屯开关和第八开关之间的第四节点 的第二端；电感器，其与所述线圈中的一个线圈串联；w及控制器，其中所述控制器能工作 在第一模式中，从而使得全部八个开关进行切换操作，W将DC电功率从第一桥转换器传输 至第二桥转换器或者从第二桥转换器传输至第一桥转换器，其中所述控制器还能工作在第 二模式中，从而使得第一开关、第二开关、第五开关和第六开关进行切换操作，W将DC电功 率从第一桥转换器传输至第二桥转换器或者从第二桥转换器传输至第一桥转换器，同时第 Ξ开关和第屯开关保持在断开状态且第四开关和第八开关保持在导通状态。
[0009] 所述双模式DC-DC转换器可包括：第一电压源，其W并联方式跨接在串联的第一 开关和第二开关的两端，所述串联的第一开关和第二开关W并联方式与串联的第Ξ开关和 第四开关连接；W及第二电压源，其W并联方式跨接在串联的第五开关和第六开关的两端， 所述串联的第五开关和第六开关W并联方式与串联的第屯开关和第八开关连接，其中所述 第二电压源的电压比所述第一电压源的电压的5倍大。
[0010] 所述双模式DC-DC转换器可包括W并联方式与第一电压源和第二电压源连接的 第一电容器和第二电容器。
[0011] 所述双模式DC-DC转换器可包括：与所述变压器的第一线圈串联的第一电容器； W及与所述变压器的第二线圈串联的第二电容器。所述第一电容器可串联于所述第一节点 与所述第一线圈的第一端之间；并且所述第二电容器可串联于所述第Ξ节点与所述第二线 圈的第一端之间。
[0012] 每个开关可包括半导体晶体管。每个开关还可包括与所述半导体晶体管并联的二 极管。
[0013] 每个开关可在开路状态与闭合状态之间选择性地切换。
[0014] 与所述一个线圈串联的所述电感器可由所述一个线圈的自感、分离电感器或它们 的一些组合提供。
[0015] 本文还公开了 一种对双模式DC-DC转换器进行操作的方法，所述双模式DC-DC转 换器具有第一桥转换器和第二桥转换器，第一桥转换器和第二桥转换器经由变压器的第一 线圈和第二线圈、与每个变压器线圈串联的电容器、W及电感器进行连接，其中每个桥转换 器包括在控制器的控制之下工作的多个开关，所述方法包括步骤：(a)在第一工作模式中， 对所述多个开关的切换进行控制，W将DC电功率从所述第一桥转换器传输至所述第二桥 转换器或者从所述第二桥转换器传输至所述第一桥转换器；W及（b)在第二工作模式中， 使每个桥转换器的一个开关保持在闭合状态并使每个桥转换器的一个开关保持在开路状 态，同时对所述第一桥转换器和所述第二桥转换器的所述多个开关中的其他开关的切换进 行控制，W将DC电功率从所述第一桥转换器传输至所述第二桥转换器或者从所述第二桥 转换器传输至所述第一桥转换器。
[0016] 所述变压器可具有连接至第一桥转换器和第二桥转换器的第一线圈和第二线圈。 在所述DC-DC转换器在步骤（a)中的操作期间，可使所述多个开关进行切换，从而使得DC 电流在所述变压器的每个线圈中选择性地W第一方向和第二方向流动。在所述DC-DC转换 器在步骤化）中的操作期间，可使所述多个开关中的其他开关进行切换，从而使得DC电流 在所述变压器的每个线圈中仅W单个方向流动。
[0017] 所述第一桥转换器可包括串联的第一开关和第二开关、串联的第Ξ开关和第四开 关，并且所述串联的第一开关和第二开关W并联方式连接至所述串联的第Ξ开关和第四开 关，第一变压器线圈的第一端连接至第一开关和第二开关之间的节点，并且所述第一变压 器线圈的第二端连接至第Ξ开关和第四开关之间的节点。所述第二桥转换器可包括串联的 第五开关和第六开关、串联的第屯开关和第八开关，并且所述串联的第五开关和第六开关 W并联方式连接至所述串联的第屯开关和第八开关，第二变压器线圈的第一端连接至第五 开关和第六开关之间的节点，并且所述第二变压器线圈的第二端连接至第屯开关和第八开 关之间的节点。
[0018] 所述步骤（a)可包括步骤：在使第二开关、第Ξ开关、第六开关和第屯开关开路的 同时使得第一开关、第四开关、第五开关和第八开关闭合，从而使电流在每个变压器线圈中 W第一方向流动。所述步骤（a)还可包括步骤：在使第一开关、第四开关、第五开关和第八 开关开路的同时使得第二开关、第Ξ开关、第六开关和第屯开关闭合，从而使电流在每个变 压器线圈中W第二方向流动。
[0019] 所述步骤（b)可包括使第Ξ开关和第屯开关始终开路且使第四开关和第八开关 始终闭合的步骤。所述步骤化）还可包括步骤：使得第一开关和第五开关闭合且使第二开 关和第六开关开路，从而使电流在每个变压器线圈中W第一方向流动。
[0020] 所述步骤（b)还可包括步骤：使得第二开关和第六开关闭合并且使得第一开关和 第五开关开路，从而使得电流在每个变压器线圈中W第一方向流动。
[0021] 所述电感器可由一个变压器线圈的自感、分离电感器或它们的一些组合提供。
[0022] 最后，本文公开了一种对双模式DC-DC转换器进行操作的方法，所述双模式DC-DC 转换器具有第一桥转换器和第二桥转换器，第一桥转换器和第二桥转换器经由电感器、具 有与所述第一桥转换器和所述第二桥转换器连接的第一线圈和第二线圈的变压器、W及与 第一变压器线圈和第二变压器线圈串联的第一电容器和第二电容器进行连接，其中每个桥 转换器包括在控制器的控制之下工作的多个开关。所述方法包括步骤：(a)在第一工作模 式中，对所述多个开关的开路状态和闭合状态进行控制，从而在将DC电功率从所述第一桥 转换器传输至所述第二桥转换器或者从所述第二桥转换器传输至所述第一桥转换器的多 个周期期间，使得DC电流在所述变压器的每个线圈中交替地W第一方向和第二方向流动； W及化）在第二工作模式中，对所述多个开关的开路状态和闭合状态进行控制，从而在将 DC电功率从所述第一桥转换器传输至所述第二桥转换器或者从所述第二桥转换器传输至 所述第一桥转换器的多个周期期间，使得DC电流在所述变压器的每个线圈中选择性地仅 W单个方向流动。
[0023] 在所述第二工作模式中，所述变压器的每个线圈中的DC电流的流动交替增长，然 后仅在所述单个方向上减少。 [0024] 所述电感器可由所述变压器的一个线圈的自感、分离电感器或它们的一些组合提 供。
【附图说明】 阳0巧]图1是根据实施例的双向DC-DC转换器的电气原理图；
[0026] 图2是图1的DC-DC转换器去掉电容器Cb w及电容器Cbjv后的电气原理图（假 设运些电容器两端的电压降大致为零或者可忽略）；
[0027] 图3是在高功率工作模式中的在图1的DC-DC转换器的操作的同一条时间线上图 1和图2的电气原理图中的多个不同的点处的电压波形图；
[0028] 图4是示出在低功率工作模式作中使用图1的DC-DC转换器时的各开关状态的图 1的转换器的电气原理图拟及
[0029] 图5是在低功率工作模式中的在图1的DC-DC转换器的操作的同一条时间线上图 4的电气原理图中的多个不同的点处的电压波形图。
【具体实施方式】
[0030] 将参照附图描述本发明，在附图中，相同的附图标记对应于相同的元件。
[0031] 参照图1，根据实施例的双向DC-DC转换器1包括位于电路两侧的两个标准四开 关全桥转换器。开关Si至S4形成低电压（LV)全桥转换器2,开关Ss至Ss形成高电压（HV) 全桥转换器4。 阳03引电容器C。6和电容器Cw 8分别是用于LV全桥转换器2和HV全桥转换器4的DC 链接的DC电容器。 阳03引两个电容器Cb W 10和Cb W 12串联在LV转换器2和HV转换器4的AC线路与变 压器14之间。更具体地，在LV转换器2中，开关Si和S 2?串联方式连接，开关S 3和S 4? 串联方式连接。开关Si和S 2的串联W并联方式连接至开关S3和S 4的串联。变压器14包 括第一线圈22,其具有经由电容器Cb w 10连接至开关Si与S 2之间的节点A的第一端A'。 第二端B'连接至开关S3与S 4之间的节点B。变压器14还包括第二线圈24,其具有经由电 容器Cb W 12连接至开关Ss与S e之间的节点E的第一端A" W及连接至串联连接的开关S 7 与Ss (它们与开关Ss和S e并联）之间的节点F的第二端B"。如示出的那样，每个开关可包 括与实际开关元件自身并联的二极管26和电容器28。每个开关最好为半导体器件，例如半 导体晶体管。然而，运一点不应理解为限制本发明。
[0034] 可通过为Cb w 10和Ch w 12选择较大的值而将转换器1设计为非谐振转换器，或 者可通过为Cb w 10和Cb w 12选择较小的值而将其设计为谐振转换器。
[0035] 利用串联电感器L的值来确定从LV全桥转换器2到HV全桥转换器4的功率传输 W及从HV全桥转换器4到LV全桥转换器2的功率传输。L可W是分离电感器、变压器14 自身的一个线圈的自感、或者它们的一些组合。L的值越小，功率传输越大。
[0036] 参照图2并且继续参照图1，在高功率工作模式中，转换器1在控制器20的控制下 作为标准双有源桥双向DC-DC转换器进行工作。为了对高功率工作模式进行描述，将转换 器1视为具有较大的Cb w 10和Ch w 12的值的非谐振转换器，从而可忽略跨Cb w 10和(V W 12两端的电压，并且（为了进行描述和分析）可用图2所示的短路电路来取代Cb w 10 和 Qj-HV。。
[0037] 参照图3并且继续参照图1和图2,在本文中桥间相移g定义为Ve.与Vp.之间 的相移。当f为正时，V e,领先于V P.，并且转换器1工作在升压操作中，同时DC电功率从 LV转换器2流至HV转换器4。当口为负时，V e,滞后于V P.，并且转换器1工作在降压操 作中，同时DC电功率从HV转换器4流至LV转换器2。 阳03引在高功率工作模式中，转换器1的全部八个开关S產S S在控制器20的控制下W 本领域已知的方式执行切换动作，从而使电流在变压器14的各个线圈22和线圈24中W相 反的方向交替地流动。对于开关Si至S4两端的任意电压降，VAe的峰值等于电压源Vd。^^ 16 的电压。同样地，对于开关苗至58两端的任意电压降，Vw的峰值等于电压源Vd。^^ 18的电 压。假设Cbj^v 10和Cbjv 12两端的电压降为零，则v = vji V e, = Ve。因此，V e. = Vab 且Ve. p. = Vw。另外，由于电流在其上Cb w 10和Cb w 12两端的电压降为零或可忽略的变 压器14的线圈22和线圈24中W相反的方向交替地流动，因此Vei和Vp.不存在净DC分 量。当VA.ei和Ve.p.的占空比均等于1时，从LV转换器2传输至HV转换器4的功率（或从 HV转换器4传输至LV转换器2的功率）为：
[0039] 鶴
[0040] 其中η等于变压器14的应数比。
[0041] 参照图4,在低功率工作模式中，转换器1在控制器20的控制之下工作。更具体 地，在低功率工作模式中，转换器1的八个开关Si至Ss中只有四个执行切换动作。更具体 地，LV转换器2的开关Si和S 2?及HV转换器4的开关S g和S e执行切换动作。开关S 3和 S,保持断开（开路），开关S4和Ss保持导通（闭合）。在低功率工作模式中，Vb. = Vb=0 且Vf. = Vf= 0(相对于每一侧的地电平）。因此，Va, B, = Va,且Ve.f. = Ve.。 阳ο创受制于开关Si、Sz、S4、Ss、Se和S s两端的较小电压降，V A和V Ε分别具有由c b_w 10 和Cb_Hv 12两端的DC电压所导致的￥心^和V de_Hv的峰间电压摆幅W及DC电平0. 5V 和 0. 5Vdcjv。如图4所示，Cb Lv 10和Cbjv 12分别阻挡了 Va和Ve的DC成分。因此Va.b'和Vet. 均不存在净DC分量，从而均不存在0. 0. 5V dcjv的幅度。运里，V AI 和Ve. r两者的 占空比始终等于1，并且从LV转换器2传输至HV转换器4的功率（或从HV转换器4传输 至LV转换器2的功率）为：
[0043]
蝴 阳044] 转换器1在低功率模式中作为双有源桥双向DC-DC转换器工作，但是从LV转换 器2传输至HV转换器4 (或者从HV转换器4传输至LV转换器2)的功率仅为额定功率的 25%，所述额定功率为转换器1在高功率工作模式下正常传输的功率。换言之，与工作在高 功率工作模式中的转换器1相比，在低功率工作模式中，转换器1在将DC电功率从LV转换 器2传输至HV转换器4 (或从HV转换器4传输至LV转换器2)时仅具有25 %的效率。
[0045] 对图3所示的波形与图5所示的波形进行比较，可W看出，在高功率工作模式中 (图3)，随时间变化的vei和Vp.为AC电压，因而第一线圈22和第二线圈24中的电流将 交替地反转方向。与此相反，在低功率工作模式中（图5)，Ve.= Ve=Vp=Vp.= 0。因此， 施加图5中的周期性脉冲电压Va将使电容器C b w 10充电至约0. 5Vd。^^的值，并将使电容 器Cb w 12充电至约0.5Vd。^^的值。因此，高功率工作模式和低功率工作模式的区别在于W 下事实：在高功率工作模式中，每个准方波形、Va。和VI具有等于相应的汇流条化US) (对于V和Ve.而言为Vd。。16对于V,和V.而言为Vd。^ 18)上的DC电压的幅度。与此 相反，在低功率工作模式中，每个准方波形V和Va。具有等于相应的汇流条DC电压Vd。。16 和Vd。^^ 18的一半的幅度，运是由于每个串联电容器Cb w 10和Ch w 12被充电至相应的汇 流条DC电压的一半（或大致一半），即，0. SVdcj^v和0. 5V dcjw。
[0046] 可W看到，在无需额外的无源组件或有源组件的情况下实现了低功率工作模式。 在低功率工作模式中，转换器1的八个开关中只有四个执行切换操作而开关S4和Ss保持闭 合，从而使保持开路的开关S3和S 5两端不存在选通损失（电压降）。由于只有四个开关参 与了切换动作，因此切换损失更低。
[0047] 当在高功率工作模式中对功率传输进行控制的同时，祭的微小变化导致从LV转换 器2传输到HV转换器4 (或者从HV转换器4传输到LV转换器2)的功率的较大变化，尤其 是在处于较低的功率水平时。由（1)得到：
[0048]
m W例从等式做可W看出，当0接近于0时，Pwigh Mc^d。随@的变化非常大。运使得设 计控制器20的任务变得具有挑战性。
[0050] 然而，在低功率工作模式中，每个f值处的功率是高功率工作模式中同一與值处的 功率的25%。因此，在低功率工作模式中需要^具有更大的变化，^在:梦^〇周围对从1^￥转 换器2到HV转换器4 (或者从HV转换器4到LV转换器2)的功率传输进行控制。运有利 于控制器20的设计。
[0051] 在从LV转换器2到HV转换器4 (或者从HV转换器4到LV转换器2)的功率传输 的角度来看，低功率工作模式和高功率工作模式可传输的DC功率的范围具有可观的重叠。 因此，可由控制器20利用抗干扰的宽磁滞来平稳地控制低功率模式到高功率模式（或者高 功率模式到低功率模式）之间的转换。
[0052] 最后，由于缺少电流，导致高功率工作模式中的转 换器1在处于低功率水平时失 去了期望的零电压切换狂VS)，即，在越过零电压时的切换。通过引入低功率工作模式，提高 了电流水平并且扩大了 ZVS操作的范围，其使得低功率水平时的效率增加。
[0053] 已经参照附图描述了本发明。在阅读和理解了 W上详细描述之后，本领域技术人 员将能够进行明显的修改和变更。本发明旨在被解释为包括运样的修改和变更，只要所述 修改和变更处于所附的各项权利要求或其等价物的范围内。
【主权项】
1. 一种双模式DC-DC转换器，包括： 第一桥转换器，其具有串联的第一开关和第二开关、串联的第三开关和第四开关，并且 所述串联的第一开关和第二开关以并联方式连接至所述串联的第三开关和第四开关； 第二桥转换器，其具有串联的第五开关和第六开关、串联的第七开关和第八开关，并且 所述串联的第五开关和第六开关以并联方式连接至所述串联的第七开关和第八开关； 变压器，其包括第一线圈，所述第一线圈具有连接至所述串联的第一开关和第二开关 之间的第一节点的第一端以及连接至所述串联的第三开关和第四开关之间的第二节点的 第二端，所述变压器还包括第二线圈，所述第二线圈具有连接至所述串联的第五开关和第 六开关之间的第三节点的第一端以及连接至所述串联的第七开关和第八开关之间的第四 节点的第二端； 电感器，其与所述线圈中的一个线圈串联；以及 控制器，其中所述控制器能工作在第一模式中，从而使得全部八个开关进行切换操作， 以将DC电功率从所述第一桥转换器传输至所述第二桥转换器或者从所述第二桥转换器传 输至所述第一桥转换器，其中所述控制器还能工作在第二模式中，从而使得所述第一开关、 所述第二开关、所述第五开关和所述第六开关进行切换操作，以将DC电功率从所述第一桥 转换器传输至所述第二桥转换器或者从所述第二桥转换器传输至所述第一桥转换器，同时 所述第三开关和所述第七开关保持在断开状态且所述第四开关和所述第八开关保持在导 通状态。2. 根据权利要求1所述的双模式DC-DC转换器，还包括： 第一电压源，其以并联方式跨接在所述串联的第一开关和第二开关的两端，所述串联 的第一开关和第二开关以并联方式与所述串联的第三开关和第四开关连接；以及 第二电压源，其以并联方式跨接在所述串联的第五开关和第六开关的两端，所述串联 的第五开关和第六开关以并联方式与所述串联的第七开关和第八开关连接，其中所述第二 电压源的电压比所述第一电压源的电压的5倍大。3. 根据权利要求1所述的双模式DC-DC转换器，还包括以并联方式与所述第一电压源 和所述第二电压源连接的第一电容器和第二电容器。4. 根据权利要求1所述的双模式DC-DC转换器，还包括： 与所述变压器的第一线圈串联的第一电容器；以及 与所述变压器的第二线圈串联的第二电容器。5. 根据权利要求4所述的双模式DC-DC转换器，其中： 所述第一电容器串联于所述第一节点与所述第一线圈的第一端之间；并且 所述第二电容器串联于所述第三节点与所述第二线圈的第一端之间。6. 根据权利要求1所述的双模式DC-DC转换器，其中每个开关包括半导体晶体管。7. 根据权利要求6所述的双模式DC-DC转换器，其中每个开关还包括与所述半导体晶 体管并联的二极管。8. 根据权利要求1所述的双模式DC-DC转换器，其中每个开关在开路状态与闭合状态 之间选择性地切换。9. 根据权利要求1所述的双模式DC-DC转换器，其中与所述一个线圈串联的所述电感 器由所述一个线圈的自感、分离电感器或它们的一些组合提供。10. -种对双模式DC-DC转换器进行操作的方法，所述双模式DC-DC转换器具有第一桥 转换器和第二桥转换器，所述第一桥转换器和所述第二桥转换器经由变压器的第一线圈和 第二线圈、与每个变压器线圈串联的电容器、以及电感器进行连接，其中每个桥转换器包括 在控制器的控制之下工作的多个开关，所述方法包括步骤： (a) 在第一工作模式中，对所述多个开关的切换进行控制，以将DC电功率从所述第一 桥转换器传输至所述第二桥转换器或者从所述第二桥转换器传输至所述第一桥转换器；以 及 (b) 在第二工作模式中，使每个桥转换器的一个开关保持在闭合状态并且使每个桥转 换器的一个开关保持在开路状态，同时对所述第一桥转换器和所述第二桥转换器的所述多 个开关中的其他开关的切换进行控制，以将DC电功率从所述第一桥转换器传输至所述第 二桥转换器或者从所述第二桥转换器传输至所述第一桥转换器。11. 根据权利要求10所述的方法，其中 所述变压器具有连接至所述第一桥转换器和所述第二桥转换器的第一线圈和第二线 圈； 在所述DC-DC转换器在所述步骤（a)中的操作期间，使所述多个开关进行切换，从而使 得DC电流在所述变压器的每个线圈中选择性地以第一方向和第二方向流动；以及 在所述DC-DC转换器在所述步骤（b)中的操作期间，使所述多个开关中的所述其他开 关进行切换，从而使得DC电流在所述变压器的每个线圈中仅以单个方向流动。12. 根据权利要求10所述的方法，其中： 所述第一桥转换器包括串联的第一开关和第二开关、串联的第三开关和第四开关，并 且所述串联的第一开关和第二开关以并联方式连接至所述串联的第三开关和第四开关，所 述第一变压器线圈的第一端连接至所述第一开关和所述第二开关之间的节点，并且所述第 一变压器线圈的第二端连接至所述第三开关和所述第四开关之间的节点； 所述第二桥转换器包括串联的第五开关和第六开关、串联的第七开关和第八开关，并 且所述串联的第五开关和第六开关以并联方式连接至所述串联的第七开关和第八开关，所 述第二变压器线圈的第一端连接至所述第五开关和所述第六开关之间的节点，并且所述第 二变压器线圈的第二端连接至所述第七开关和所述第八开关之间的节点； 所述步骤（a)包括步骤：在使第二开关、第三开关、第六开关和第七开关开路的同时使 得第一开关、第四开关、第五开关和第八开关闭合，从而使电流在每个变压器线圈中以第一 方向流动； 所述步骤（a)还包括步骤：在使第一开关、第四开关、第五开关和第八开关开路的同时 使得第二开关、第三开关、第六开关和第七开关闭合，从而使电流在每个变压器线圈中以第 二方向流动； 所述步骤（b)包括使第三开关和第七开关始终开路且使第四开关和第八开关始终闭 合的步骤；并且 所述步骤（b)还包括步骤：使得第一开关和第五开关闭合且使第二开关和第六开关开 路，从而使电流在每个变压器线圈中以第一方向流动。13. 根据权利要求12所述的方法，其中所述步骤（b)还包括步骤：使得第二开关和第 六开关闭合并且使得第一开关和第五开关开路，从而使得电流在每个变压器线圈中以第一 方向流动。14. 根据权利要求10所述的方法，其中所述电感器由一个变压器线圈的自感、分离电 感器或它们的一些组合提供。15. -种对双模式DC-DC转换器进行操作的方法，所述双模式DC-DC转换器具有第一桥 转换器和第二桥转换器，所述第一桥转换器和所述第二桥转换器经由电感器、具有与所述 第一桥转换器和所述第二桥转换器连接的第一线圈和第二线圈的变压器、以及与每个变压 器线圈串联的电容器进行连接，其中每个桥转换器包括在控制器的控制之下工作的多个开 关，所述方法包括步骤： (a) 在第一工作模式中，对所述多个开关的开路状态和闭合状态进行控制，从而在将 DC电功率从所述第一桥转换器传输至所述第二桥转换器或者从所述第二桥转换器传输至 所述第一桥转换器的多个周期期间，使得DC电流在所述变压器的每个线圈中交替地以第 一方向和第二方向流动；以及 (b) 在第二工作模式中，对所述多个开关的开路状态和闭合状态进行控制，从而在将 DC电功率从所述第一桥转换器传输至所述第二桥转换器或者从所述第二桥转换器传输至 所述第一桥转换器的多个周期期间，使得DC电流在所述变压器的每个线圈中选择性地仅 以单个方向流动。16. 根据权利要求15所述的方法，其中在所述第二工作模式中，所述变压器的每个线 圈中的DC电流的流动交替增长，然后仅在所述单个方向上减少。17. 根据权利要求15所述的方法，其中所述电感器由所述变压器的一个线圈的自感、 分离电感器或它们的一些组合提供。
【专利摘要】本发明涉及一种双模式DC-DC转换器。双模式DC-DC转换器具有第一桥转换器和第二桥转换器，它们经由变压器、与变压器的每个线圈串联的电容器、以及电感器进行连接，其中每个桥转换器包括在控制器的控制之下工作的多个开关。在对双模式DC-DC转换器进行操作的方法中，在第一工作模式中，对所述多个开关的切换进行控制，以将DC电功率从第一桥转换器传输至第二桥转换器或者反向传输。在第二工作模式中，使每个桥转换器的一个开关保持为闭合状态并且使每个桥转换器的一个开关保持为开路状态，同时对第一桥转换器和第二桥转换器的所述多个开关中的其他开关的切换进行控制，以将DC电功率从第一桥转换器传输至第二桥转换器或者反向传输。
【IPC分类】H02M3/26
【公开号】CN105490539
【申请号】CN201510633306
【发明人】阿里礼萨·萨法伊, 康拉德·沃罗诺维奇
【申请人】勃姆巴迪尔运输有限公司
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2015年9月29日
【公告号】EP3012955A1, US20160099646
【技术领域】
[0001] 本发明设及DC-DC转换器，并且更具体地，设及可工作在高功率工作模式W及低 功率工作模式中的DC-DC转换器。
【背景技术】
[0002] 在诸如自动旅客运输器（automated people mover)之类的交通工具中，一个交通 工具可包括被配置为沿轨道行进的车轮。所述车轮可W是有髓车轮，或者在所述轨道包括 铁轨时，所述车轮可W是被设计为沿所述铁轨行进的传统铁轨车轮。在运种旅客运输器中， 期望运种交通工具的高压交流电系统化VAC)系统可在电网故障后利用电池能量工作30分 钟W上。为了实现运一目标，通常采用DC-DC转换器W将电网上提供的高电压（例如，750 伏DC)转换为可在交通工具的内部系统（例如顶部照明系统、控制系统等）中使用的低电 压（例如，100伏DC)。
[0003] 在正常工作模式中，转换器工作在降压（step-down)模式，W利用可经电网获得 的高电压（例如，750伏DC)对低电压DC电池（例如，100伏DC电池）的电压进行充电并 使其保持不变。
[0004] 在紧急模式中，期望所述DC-DC转换器工作在升压（step-up)模式，来将低电压 (110VDC)升压到高电压（750VDC) W馈送至HVAC系统。 阳0化]在另一示例中，期望能够利用低电压电池中存储的电能而使交通工具向维护设施 移动或者从维护设施移开。针对运种情况，再次需要DC-DC转换器工作在升压模式，来将低 电压能量（110VDC)转换为高电压能量（750VDC) W馈送至推进系统。
[0006] 在升压模式中使用DC-DC转换器即为高功率操作。因此，期望在升压操作中具有 较高的转换效率，W避免浪费宝贵的能量。与此相反，降压操作可为高功率（当电池为空且 必须迅速充电时）或低功率（当电池还未全部充满时）。
[0007] 到目前为止，标准的单模式双向转换器在低功率操作时具有较低的效率，而所述 低功率操作占据了大部分时间。因此，期望在不添加有源组件或无源组件并且在高功率操 作中没有任何修改也没有额外成本的情况下，提高双向DC-DC转换器的低功率效率。
【发明内容】
[0008] 本文公开了一种双模式DC-DC转换器，其包括：第一桥转换器，其具有串联的第一 开关和第二开关、串联的第Ξ开关和第四开关，并且串联的第一开关和第二开关W并联方 式连接至串联的第Ξ开关和第四开关；第二桥转换器，其具有串联的第五开关和第六开关、 串联的第屯开关和第八开关，并且串联的第五开关和第六开关W并联方式连接至串联的第 屯开关和第八开关；变压器，其包括第一线圈，所述第一线圈具有连接至串联的第一开关和 第二开关之间的第一节点的第一端W及连接至串联的第Ξ开关和第四开关之间的第二节 点的第二端，所述变压器还包括第二线圈，所述第二线圈具有连接至串联的第五开关和第 六开关之间的第Ξ节点的第一端W及连接至串联的第屯开关和第八开关之间的第四节点 的第二端；电感器，其与所述线圈中的一个线圈串联；w及控制器，其中所述控制器能工作 在第一模式中，从而使得全部八个开关进行切换操作，W将DC电功率从第一桥转换器传输 至第二桥转换器或者从第二桥转换器传输至第一桥转换器，其中所述控制器还能工作在第 二模式中，从而使得第一开关、第二开关、第五开关和第六开关进行切换操作，W将DC电功 率从第一桥转换器传输至第二桥转换器或者从第二桥转换器传输至第一桥转换器，同时第 Ξ开关和第屯开关保持在断开状态且第四开关和第八开关保持在导通状态。
[0009] 所述双模式DC-DC转换器可包括：第一电压源，其W并联方式跨接在串联的第一 开关和第二开关的两端，所述串联的第一开关和第二开关W并联方式与串联的第Ξ开关和 第四开关连接；W及第二电压源，其W并联方式跨接在串联的第五开关和第六开关的两端， 所述串联的第五开关和第六开关W并联方式与串联的第屯开关和第八开关连接，其中所述 第二电压源的电压比所述第一电压源的电压的5倍大。
[0010] 所述双模式DC-DC转换器可包括W并联方式与第一电压源和第二电压源连接的 第一电容器和第二电容器。
[0011] 所述双模式DC-DC转换器可包括：与所述变压器的第一线圈串联的第一电容器； W及与所述变压器的第二线圈串联的第二电容器。所述第一电容器可串联于所述第一节点 与所述第一线圈的第一端之间；并且所述第二电容器可串联于所述第Ξ节点与所述第二线 圈的第一端之间。
[0012] 每个开关可包括半导体晶体管。每个开关还可包括与所述半导体晶体管并联的二 极管。
[0013] 每个开关可在开路状态与闭合状态之间选择性地切换。
[0014] 与所述一个线圈串联的所述电感器可由所述一个线圈的自感、分离电感器或它们 的一些组合提供。
[0015] 本文还公开了 一种对双模式DC-DC转换器进行操作的方法，所述双模式DC-DC转 换器具有第一桥转换器和第二桥转换器，第一桥转换器和第二桥转换器经由变压器的第一 线圈和第二线圈、与每个变压器线圈串联的电容器、W及电感器进行连接，其中每个桥转换 器包括在控制器的控制之下工作的多个开关，所述方法包括步骤：(a)在第一工作模式中， 对所述多个开关的切换进行控制，W将DC电功率从所述第一桥转换器传输至所述第二桥 转换器或者从所述第二桥转换器传输至所述第一桥转换器；W及（b)在第二工作模式中， 使每个桥转换器的一个开关保持在闭合状态并使每个桥转换器的一个开关保持在开路状 态，同时对所述第一桥转换器和所述第二桥转换器的所述多个开关中的其他开关的切换进 行控制，W将DC电功率从所述第一桥转换器传输至所述第二桥转换器或者从所述第二桥 转换器传输至所述第一桥转换器。
[0016] 所述变压器可具有连接至第一桥转换器和第二桥转换器的第一线圈和第二线圈。 在所述DC-DC转换器在步骤（a)中的操作期间，可使所述多个开关进行切换，从而使得DC 电流在所述变压器的每个线圈中选择性地W第一方向和第二方向流动。在所述DC-DC转换 器在步骤化）中的操作期间，可使所述多个开关中的其他开关进行切换，从而使得DC电流 在所述变压器的每个线圈中仅W单个方向流动。
[0017] 所述第一桥转换器可包括串联的第一开关和第二开关、串联的第Ξ开关和第四开 关，并且所述串联的第一开关和第二开关W并联方式连接至所述串联的第Ξ开关和第四开 关，第一变压器线圈的第一端连接至第一开关和第二开关之间的节点，并且所述第一变压 器线圈的第二端连接至第Ξ开关和第四开关之间的节点。所述第二桥转换器可包括串联的 第五开关和第六开关、串联的第屯开关和第八开关，并且所述串联的第五开关和第六开关 W并联方式连接至所述串联的第屯开关和第八开关，第二变压器线圈的第一端连接至第五 开关和第六开关之间的节点，并且所述第二变压器线圈的第二端连接至第屯开关和第八开 关之间的节点。
[0018] 所述步骤（a)可包括步骤：在使第二开关、第Ξ开关、第六开关和第屯开关开路的 同时使得第一开关、第四开关、第五开关和第八开关闭合，从而使电流在每个变压器线圈中 W第一方向流动。所述步骤（a)还可包括步骤：在使第一开关、第四开关、第五开关和第八 开关开路的同时使得第二开关、第Ξ开关、第六开关和第屯开关闭合，从而使电流在每个变 压器线圈中W第二方向流动。
[0019] 所述步骤（b)可包括使第Ξ开关和第屯开关始终开路且使第四开关和第八开关 始终闭合的步骤。所述步骤化）还可包括步骤：使得第一开关和第五开关闭合且使第二开 关和第六开关开路，从而使电流在每个变压器线圈中W第一方向流动。
[0020] 所述步骤（b)还可包括步骤：使得第二开关和第六开关闭合并且使得第一开关和 第五开关开路，从而使得电流在每个变压器线圈中W第一方向流动。
[0021] 所述电感器可由一个变压器线圈的自感、分离电感器或它们的一些组合提供。
[0022] 最后，本文公开了一种对双模式DC-DC转换器进行操作的方法，所述双模式DC-DC 转换器具有第一桥转换器和第二桥转换器，第一桥转换器和第二桥转换器经由电感器、具 有与所述第一桥转换器和所述第二桥转换器连接的第一线圈和第二线圈的变压器、W及与 第一变压器线圈和第二变压器线圈串联的第一电容器和第二电容器进行连接，其中每个桥 转换器包括在控制器的控制之下工作的多个开关。所述方法包括步骤：(a)在第一工作模 式中，对所述多个开关的开路状态和闭合状态进行控制，从而在将DC电功率从所述第一桥 转换器传输至所述第二桥转换器或者从所述第二桥转换器传输至所述第一桥转换器的多 个周期期间，使得DC电流在所述变压器的每个线圈中交替地W第一方向和第二方向流动； W及化）在第二工作模式中，对所述多个开关的开路状态和闭合状态进行控制，从而在将 DC电功率从所述第一桥转换器传输至所述第二桥转换器或者从所述第二桥转换器传输至 所述第一桥转换器的多个周期期间，使得DC电流在所述变压器的每个线圈中选择性地仅 W单个方向流动。
[0023] 在所述第二工作模式中，所述变压器的每个线圈中的DC电流的流动交替增长，然 后仅在所述单个方向上减少。 [0024] 所述电感器可由所述变压器的一个线圈的自感、分离电感器或它们的一些组合提 供。
【附图说明】 阳0巧]图1是根据实施例的双向DC-DC转换器的电气原理图；
[0026] 图2是图1的DC-DC转换器去掉电容器Cb w及电容器Cbjv后的电气原理图（假 设运些电容器两端的电压降大致为零或者可忽略）；
[0027] 图3是在高功率工作模式中的在图1的DC-DC转换器的操作的同一条时间线上图 1和图2的电气原理图中的多个不同的点处的电压波形图；
[0028] 图4是示出在低功率工作模式作中使用图1的DC-DC转换器时的各开关状态的图 1的转换器的电气原理图拟及
[0029] 图5是在低功率工作模式中的在图1的DC-DC转换器的操作的同一条时间线上图 4的电气原理图中的多个不同的点处的电压波形图。
【具体实施方式】
[0030] 将参照附图描述本发明，在附图中，相同的附图标记对应于相同的元件。
[0031] 参照图1，根据实施例的双向DC-DC转换器1包括位于电路两侧的两个标准四开 关全桥转换器。开关Si至S4形成低电压（LV)全桥转换器2,开关Ss至Ss形成高电压（HV) 全桥转换器4。 阳03引电容器C。6和电容器Cw 8分别是用于LV全桥转换器2和HV全桥转换器4的DC 链接的DC电容器。 阳03引两个电容器Cb W 10和Cb W 12串联在LV转换器2和HV转换器4的AC线路与变 压器14之间。更具体地，在LV转换器2中，开关Si和S 2?串联方式连接，开关S 3和S 4? 串联方式连接。开关Si和S 2的串联W并联方式连接至开关S3和S 4的串联。变压器14包 括第一线圈22,其具有经由电容器Cb w 10连接至开关Si与S 2之间的节点A的第一端A'。 第二端B'连接至开关S3与S 4之间的节点B。变压器14还包括第二线圈24,其具有经由电 容器Cb W 12连接至开关Ss与S e之间的节点E的第一端A" W及连接至串联连接的开关S 7 与Ss (它们与开关Ss和S e并联）之间的节点F的第二端B"。如示出的那样，每个开关可包 括与实际开关元件自身并联的二极管26和电容器28。每个开关最好为半导体器件，例如半 导体晶体管。然而，运一点不应理解为限制本发明。
[0034] 可通过为Cb w 10和Ch w 12选择较大的值而将转换器1设计为非谐振转换器，或 者可通过为Cb w 10和Cb w 12选择较小的值而将其设计为谐振转换器。
[0035] 利用串联电感器L的值来确定从LV全桥转换器2到HV全桥转换器4的功率传输 W及从HV全桥转换器4到LV全桥转换器2的功率传输。L可W是分离电感器、变压器14 自身的一个线圈的自感、或者它们的一些组合。L的值越小，功率传输越大。
[0036] 参照图2并且继续参照图1，在高功率工作模式中，转换器1在控制器20的控制下 作为标准双有源桥双向DC-DC转换器进行工作。为了对高功率工作模式进行描述，将转换 器1视为具有较大的Cb w 10和Ch w 12的值的非谐振转换器，从而可忽略跨Cb w 10和(V W 12两端的电压，并且（为了进行描述和分析）可用图2所示的短路电路来取代Cb w 10 和 Qj-HV。。
[0037] 参照图3并且继续参照图1和图2,在本文中桥间相移g定义为Ve.与Vp.之间 的相移。当f为正时，V e,领先于V P.，并且转换器1工作在升压操作中，同时DC电功率从 LV转换器2流至HV转换器4。当口为负时，V e,滞后于V P.，并且转换器1工作在降压操 作中，同时DC电功率从HV转换器4流至LV转换器2。 阳03引在高功率工作模式中，转换器1的全部八个开关S產S S在控制器20的控制下W 本领域已知的方式执行切换动作，从而使电流在变压器14的各个线圈22和线圈24中W相 反的方向交替地流动。对于开关Si至S4两端的任意电压降，VAe的峰值等于电压源Vd。^^ 16 的电压。同样地，对于开关苗至58两端的任意电压降，Vw的峰值等于电压源Vd。^^ 18的电 压。假设Cbj^v 10和Cbjv 12两端的电压降为零，则v = vji V e, = Ve。因此，V e. = Vab 且Ve. p. = Vw。另外，由于电流在其上Cb w 10和Cb w 12两端的电压降为零或可忽略的变 压器14的线圈22和线圈24中W相反的方向交替地流动，因此Vei和Vp.不存在净DC分 量。当VA.ei和Ve.p.的占空比均等于1时，从LV转换器2传输至HV转换器4的功率（或从 HV转换器4传输至LV转换器2的功率）为：
[0039] 鶴
[0040] 其中η等于变压器14的应数比。
[0041] 参照图4,在低功率工作模式中，转换器1在控制器20的控制之下工作。更具体 地，在低功率工作模式中，转换器1的八个开关Si至Ss中只有四个执行切换动作。更具体 地，LV转换器2的开关Si和S 2?及HV转换器4的开关S g和S e执行切换动作。开关S 3和 S,保持断开（开路），开关S4和Ss保持导通（闭合）。在低功率工作模式中，Vb. = Vb=0 且Vf. = Vf= 0(相对于每一侧的地电平）。因此，Va, B, = Va,且Ve.f. = Ve.。 阳ο创受制于开关Si、Sz、S4、Ss、Se和S s两端的较小电压降，V A和V Ε分别具有由c b_w 10 和Cb_Hv 12两端的DC电压所导致的￥心^和V de_Hv的峰间电压摆幅W及DC电平0. 5V 和 0. 5Vdcjv。如图4所示，Cb Lv 10和Cbjv 12分别阻挡了 Va和Ve的DC成分。因此Va.b'和Vet. 均不存在净DC分量，从而均不存在0. 0. 5V dcjv的幅度。运里，V AI 和Ve. r两者的 占空比始终等于1，并且从LV转换器2传输至HV转换器4的功率（或从HV转换器4传输 至LV转换器2的功率）为：
[0043]
蝴 阳044] 转换器1在低功率模式中作为双有源桥双向DC-DC转换器工作，但是从LV转换 器2传输至HV转换器4 (或者从HV转换器4传输至LV转换器2)的功率仅为额定功率的 25%，所述额定功率为转换器1在高功率工作模式下正常传输的功率。换言之，与工作在高 功率工作模式中的转换器1相比，在低功率工作模式中，转换器1在将DC电功率从LV转换 器2传输至HV转换器4 (或从HV转换器4传输至LV转换器2)时仅具有25 %的效率。
[0045] 对图3所示的波形与图5所示的波形进行比较，可W看出，在高功率工作模式中 (图3)，随时间变化的vei和Vp.为AC电压，因而第一线圈22和第二线圈24中的电流将 交替地反转方向。与此相反，在低功率工作模式中（图5)，Ve.= Ve=Vp=Vp.= 0。因此， 施加图5中的周期性脉冲电压Va将使电容器C b w 10充电至约0. 5Vd。^^的值，并将使电容 器Cb w 12充电至约0.5Vd。^^的值。因此，高功率工作模式和低功率工作模式的区别在于W 下事实：在高功率工作模式中，每个准方波形、Va。和VI具有等于相应的汇流条化US) (对于V和Ve.而言为Vd。。16对于V,和V.而言为Vd。^ 18)上的DC电压的幅度。与此 相反，在低功率工作模式中，每个准方波形V和Va。具有等于相应的汇流条DC电压Vd。。16 和Vd。^^ 18的一半的幅度，运是由于每个串联电容器Cb w 10和Ch w 12被充电至相应的汇 流条DC电压的一半（或大致一半），即，0. SVdcj^v和0. 5V dcjw。
[0046] 可W看到，在无需额外的无源组件或有源组件的情况下实现了低功率工作模式。 在低功率工作模式中，转换器1的八个开关中只有四个执行切换操作而开关S4和Ss保持闭 合，从而使保持开路的开关S3和S 5两端不存在选通损失（电压降）。由于只有四个开关参 与了切换动作，因此切换损失更低。
[0047] 当在高功率工作模式中对功率传输进行控制的同时，祭的微小变化导致从LV转换 器2传输到HV转换器4 (或者从HV转换器4传输到LV转换器2)的功率的较大变化，尤其 是在处于较低的功率水平时。由（1)得到：
[0048]
m W例从等式做可W看出，当0接近于0时，Pwigh Mc^d。随@的变化非常大。运使得设 计控制器20的任务变得具有挑战性。
[0050] 然而，在低功率工作模式中，每个f值处的功率是高功率工作模式中同一與值处的 功率的25%。因此，在低功率工作模式中需要^具有更大的变化，^在:梦^〇周围对从1^￥转 换器2到HV转换器4 (或者从HV转换器4到LV转换器2)的功率传输进行控制。运有利 于控制器20的设计。
[0051] 在从LV转换器2到HV转换器4 (或者从HV转换器4到LV转换器2)的功率传输 的角度来看，低功率工作模式和高功率工作模式可传输的DC功率的范围具有可观的重叠。 因此，可由控制器20利用抗干扰的宽磁滞来平稳地控制低功率模式到高功率模式（或者高 功率模式到低功率模式）之间的转换。
[0052] 最后，由于缺少电流，导致高功率工作模式中的转 换器1在处于低功率水平时失 去了期望的零电压切换狂VS)，即，在越过零电压时的切换。通过引入低功率工作模式，提高 了电流水平并且扩大了 ZVS操作的范围，其使得低功率水平时的效率增加。
[0053] 已经参照附图描述了本发明。在阅读和理解了 W上详细描述之后，本领域技术人 员将能够进行明显的修改和变更。本发明旨在被解释为包括运样的修改和变更，只要所述 修改和变更处于所附的各项权利要求或其等价物的范围内。
【主权项】
1. 一种双模式DC-DC转换器，包括： 第一桥转换器，其具有串联的第一开关和第二开关、串联的第三开关和第四开关，并且 所述串联的第一开关和第二开关以并联方式连接至所述串联的第三开关和第四开关； 第二桥转换器，其具有串联的第五开关和第六开关、串联的第七开关和第八开关，并且 所述串联的第五开关和第六开关以并联方式连接至所述串联的第七开关和第八开关； 变压器，其包括第一线圈，所述第一线圈具有连接至所述串联的第一开关和第二开关 之间的第一节点的第一端以及连接至所述串联的第三开关和第四开关之间的第二节点的 第二端，所述变压器还包括第二线圈，所述第二线圈具有连接至所述串联的第五开关和第 六开关之间的第三节点的第一端以及连接至所述串联的第七开关和第八开关之间的第四 节点的第二端； 电感器，其与所述线圈中的一个线圈串联；以及 控制器，其中所述控制器能工作在第一模式中，从而使得全部八个开关进行切换操作， 以将DC电功率从所述第一桥转换器传输至所述第二桥转换器或者从所述第二桥转换器传 输至所述第一桥转换器，其中所述控制器还能工作在第二模式中，从而使得所述第一开关、 所述第二开关、所述第五开关和所述第六开关进行切换操作，以将DC电功率从所述第一桥 转换器传输至所述第二桥转换器或者从所述第二桥转换器传输至所述第一桥转换器，同时 所述第三开关和所述第七开关保持在断开状态且所述第四开关和所述第八开关保持在导 通状态。2. 根据权利要求1所述的双模式DC-DC转换器，还包括： 第一电压源，其以并联方式跨接在所述串联的第一开关和第二开关的两端，所述串联 的第一开关和第二开关以并联方式与所述串联的第三开关和第四开关连接；以及 第二电压源，其以并联方式跨接在所述串联的第五开关和第六开关的两端，所述串联 的第五开关和第六开关以并联方式与所述串联的第七开关和第八开关连接，其中所述第二 电压源的电压比所述第一电压源的电压的5倍大。3. 根据权利要求1所述的双模式DC-DC转换器，还包括以并联方式与所述第一电压源 和所述第二电压源连接的第一电容器和第二电容器。4. 根据权利要求1所述的双模式DC-DC转换器，还包括： 与所述变压器的第一线圈串联的第一电容器；以及 与所述变压器的第二线圈串联的第二电容器。5. 根据权利要求4所述的双模式DC-DC转换器，其中： 所述第一电容器串联于所述第一节点与所述第一线圈的第一端之间；并且 所述第二电容器串联于所述第三节点与所述第二线圈的第一端之间。6. 根据权利要求1所述的双模式DC-DC转换器，其中每个开关包括半导体晶体管。7. 根据权利要求6所述的双模式DC-DC转换器，其中每个开关还包括与所述半导体晶 体管并联的二极管。8. 根据权利要求1所述的双模式DC-DC转换器，其中每个开关在开路状态与闭合状态 之间选择性地切换。9. 根据权利要求1所述的双模式DC-DC转换器，其中与所述一个线圈串联的所述电感 器由所述一个线圈的自感、分离电感器或它们的一些组合提供。10. -种对双模式DC-DC转换器进行操作的方法，所述双模式DC-DC转换器具有第一桥 转换器和第二桥转换器，所述第一桥转换器和所述第二桥转换器经由变压器的第一线圈和 第二线圈、与每个变压器线圈串联的电容器、以及电感器进行连接，其中每个桥转换器包括 在控制器的控制之下工作的多个开关，所述方法包括步骤： (a) 在第一工作模式中，对所述多个开关的切换进行控制，以将DC电功率从所述第一 桥转换器传输至所述第二桥转换器或者从所述第二桥转换器传输至所述第一桥转换器；以 及 (b) 在第二工作模式中，使每个桥转换器的一个开关保持在闭合状态并且使每个桥转 换器的一个开关保持在开路状态，同时对所述第一桥转换器和所述第二桥转换器的所述多 个开关中的其他开关的切换进行控制，以将DC电功率从所述第一桥转换器传输至所述第 二桥转换器或者从所述第二桥转换器传输至所述第一桥转换器。11. 根据权利要求10所述的方法，其中 所述变压器具有连接至所述第一桥转换器和所述第二桥转换器的第一线圈和第二线 圈； 在所述DC-DC转换器在所述步骤（a)中的操作期间，使所述多个开关进行切换，从而使 得DC电流在所述变压器的每个线圈中选择性地以第一方向和第二方向流动；以及 在所述DC-DC转换器在所述步骤（b)中的操作期间，使所述多个开关中的所述其他开 关进行切换，从而使得DC电流在所述变压器的每个线圈中仅以单个方向流动。12. 根据权利要求10所述的方法，其中： 所述第一桥转换器包括串联的第一开关和第二开关、串联的第三开关和第四开关，并 且所述串联的第一开关和第二开关以并联方式连接至所述串联的第三开关和第四开关，所 述第一变压器线圈的第一端连接至所述第一开关和所述第二开关之间的节点，并且所述第 一变压器线圈的第二端连接至所述第三开关和所述第四开关之间的节点； 所述第二桥转换器包括串联的第五开关和第六开关、串联的第七开关和第八开关，并 且所述串联的第五开关和第六开关以并联方式连接至所述串联的第七开关和第八开关，所 述第二变压器线圈的第一端连接至所述第五开关和所述第六开关之间的节点，并且所述第 二变压器线圈的第二端连接至所述第七开关和所述第八开关之间的节点； 所述步骤（a)包括步骤：在使第二开关、第三开关、第六开关和第七开关开路的同时使 得第一开关、第四开关、第五开关和第八开关闭合，从而使电流在每个变压器线圈中以第一 方向流动； 所述步骤（a)还包括步骤：在使第一开关、第四开关、第五开关和第八开关开路的同时 使得第二开关、第三开关、第六开关和第七开关闭合，从而使电流在每个变压器线圈中以第 二方向流动； 所述步骤（b)包括使第三开关和第七开关始终开路且使第四开关和第八开关始终闭 合的步骤；并且 所述步骤（b)还包括步骤：使得第一开关和第五开关闭合且使第二开关和第六开关开 路，从而使电流在每个变压器线圈中以第一方向流动。13. 根据权利要求12所述的方法，其中所述步骤（b)还包括步骤：使得第二开关和第 六开关闭合并且使得第一开关和第五开关开路，从而使得电流在每个变压器线圈中以第一 方向流动。14. 根据权利要求10所述的方法，其中所述电感器由一个变压器线圈的自感、分离电 感器或它们的一些组合提供。15. -种对双模式DC-DC转换器进行操作的方法，所述双模式DC-DC转换器具有第一桥 转换器和第二桥转换器，所述第一桥转换器和所述第二桥转换器经由电感器、具有与所述 第一桥转换器和所述第二桥转换器连接的第一线圈和第二线圈的变压器、以及与每个变压 器线圈串联的电容器进行连接，其中每个桥转换器包括在控制器的控制之下工作的多个开 关，所述方法包括步骤： (a) 在第一工作模式中，对所述多个开关的开路状态和闭合状态进行控制，从而在将 DC电功率从所述第一桥转换器传输至所述第二桥转换器或者从所述第二桥转换器传输至 所述第一桥转换器的多个周期期间，使得DC电流在所述变压器的每个线圈中交替地以第 一方向和第二方向流动；以及 (b) 在第二工作模式中，对所述多个开关的开路状态和闭合状态进行控制，从而在将 DC电功率从所述第一桥转换器传输至所述第二桥转换器或者从所述第二桥转换器传输至 所述第一桥转换器的多个周期期间，使得DC电流在所述变压器的每个线圈中选择性地仅 以单个方向流动。16. 根据权利要求15所述的方法，其中在所述第二工作模式中，所述变压器的每个线 圈中的DC电流的流动交替增长，然后仅在所述单个方向上减少。17. 根据权利要求15所述的方法，其中所述电感器由所述变压器的一个线圈的自感、 分离电感器或它们的一些组合提供。
【专利摘要】本发明涉及一种双模式DC-DC转换器。双模式DC-DC转换器具有第一桥转换器和第二桥转换器，它们经由变压器、与变压器的每个线圈串联的电容器、以及电感器进行连接，其中每个桥转换器包括在控制器的控制之下工作的多个开关。在对双模式DC-DC转换器进行操作的方法中，在第一工作模式中，对所述多个开关的切换进行控制，以将DC电功率从第一桥转换器传输至第二桥转换器或者反向传输。在第二工作模式中，使每个桥转换器的一个开关保持为闭合状态并且使每个桥转换器的一个开关保持为开路状态，同时对第一桥转换器和第二桥转换器的所述多个开关中的其他开关的切换进行控制，以将DC电功率从第一桥转换器传输至第二桥转换器或者反向传输。
【IPC分类】H02M3/26
【公开号】CN105490539
【申请号】CN201510633306
【发明人】阿里礼萨·萨法伊, 康拉德·沃罗诺维奇
【申请人】勃姆巴迪尔运输有限公司
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2015年9月29日
【公告号】EP3012955A1, US20160099646
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