专利名称：电力变换装置的利记博彩app
技术领域：
本发明涉及一种电力变换装置，例如使用普通家用交流(AC)电源来为电动车 (EV)、插入式混合动力车(HV)等的电池充电的电力变换装置。
背景技术：
在EV或插入式HV中，使用普通家用电源来为行驶用主电池充电。此时，将普通家用交流电变换成直流(DC)电的装置是必需的。例如，已经提出了将交流电变换成直流电的各种切换电源装置，尽管这些装置的提出并非用于为EV等的主电池充电(专利文献1至 3)。根据这种切换电源装置，对交流电进行全波整流，并将其引导至电容器。在相对于电容器的前级，设置成对的前级开关元件，并在后级设置成对的后级开关元件。通过交替开关这些成对的前级开关元件和成对的后级开关元件，交替地对电容器进行充电和放电。 艮口，在前级开关元件导通并且后级开关元件断开的状态下，通过已经过全波整流的电压对电容器充电。另一方面，在前级开关元件断开并且后级开关元件导通的状态下，通过使已充电的电容器放电，将电力输出至后级。这种输出方式可以称作分批电源中继方法(batch power-relay method)0因此无需使用变压器，从而可以实现微型化。此外，即使以很高的频率执行开/关操作也不会产生由变压器导致的损耗，因此能够高效率地提供DC功率。另外，通过所述分批电源中继方法，可以将交流输入侧与直流电侧(负载侧)彼此隔离。已经提出的方案还包括接收直流电并输出直流电的DC/DC变换器(专利文献4)。 利用上述不使用变压器的分批电源中继方法，这种方案也可以实现微型化并同时减小重量和损耗。不过，使用上述开关电源装置和DC/DC变换器时，要求输出侧的电压低于输入电压。在此条件下，无法使用普通家用交流电源对EV等的主电池充电。引用文献列表专利文献专利文献1 日本未审查专利公开第2008-079425号专利文献2 日本未审查专利公开第2008-079426号专利文献3 日本未审查专利公开第2008-079427号专利文献4 日本未审查专利公开第2004-222379号
发明内容
本发明的目的是提供一种在输入侧电压和输出侧电压上不存在任何限制并且尺寸和损耗较小的电力变换装置。(1)本发明的电力变换装置对交流电和直流电进行相互变换。该电力变换装置的特征在于包括整流单元，其对交流电进行整流；升压/降压单元，其包括用于校正功率系数的元件并且对来自整流单元的直流电压进行升压或降压；中央电容器，其通过来自升压 /降压单元的直流电压进行充电，并向后级的输出部分放电；第一前级开关元件，其串联在升压/降压单元的正电势侧和中央电容器的正电势侧之间；第二前级开关元件，其串联在升压/降压单元的接地侧和中央电容器的接地侧之间；第一后级开关元件，其串联在中央电容器的正电势侧和输出部分的正电势侧之间；第二后级开关元件，其串联在中央电容器的接地侧和输出部分的接地侧之间；和控制单元，其控制所述升压/降压单元、第一和第二前级开关元件、以及第一和第二后级开关元件。第一和第二前级开关元件以及第一和第二后级开关元件交替导通和断开。在第一和第二前级开关元件处于导通状态(即第一和第二后级开关元件处于断开状态)从而对中央电容器进行充电之后，第一和第二后级开关元件处于导通状态(即第一和第二前级开关元件处于断开状态)从而输出直流电。利用上述构造，由于升压/降压单元相对于中央电容器提供在交流输入侧，因此可以使用普通家用电源将直流电提供至具有高额定电压的直流装置。例如，可以对EV等的主电池(额定电压为330V)充电。然后，根据占空比的设置，可以输出高于或低于输入电压的电压。此外，升压/降压单元不仅可以构造为将普通家用电源提供至如上文所述的EV主电池的高额定电压直流装置，还可以构造来校正功率系数。也即，使用开关元件、电感器、电容器等，可以对来自交流电源的输入电流波形进行整流，并且可以降低无功功率。此外，由于第一和第二前级开关元件以及第一和第二后级开关元件交替导通和断开，因此当存储在中央电容器中的电荷(电力)馈至输出侧时，处于断开状态的开关元件始终介于交流输入侧和输出侧之间。这种介入处于断开状态的开关元件可以改善安全性。此夕卜，在某些情况下，特别可以确保隔离性能。应当注意，所述正电势侧是使得电流流经整流单元的线路侧，而接地侧是与其相对的线路侧。此外，用于校正功率系数的升压/降压单元可以是仅升高电压的升压单元。或者，其可以是能够升压和降压的升压/降压单元。(2)升压/降压单元可以包括电感器、升压/降压单元开关元件、升压/降压单元二极管、和升压/降压单元电容器，所述升压/降压单元二极管可以嵌入正电势侧，所述升压/降压单元电容器可以布置在升压/降压单元的末级的正电势侧和接地侧之间。从而， 为了校正功率系数，通过简单的电路即可构造仅升压的升压/降压单元以及升压/降压的升压/降压单元。此外，通过选择升压/降压单元开关元件、电感器、升压/降压单元电容器来设置频率等，可以校正功率系数。于是，例如，无需给予家庭过大的电力分配，可以减小家用电力分配系统的负荷。这里，升压/降压单元对应于所谓的有源平滑滤波器，并且在末级包括用于平滑电压的升压/降压单元电容器。(3)在升压/降压单元中，串联的升压/降压单元开关元件和升压/降压单元二极管可以串联地嵌入正电势侧，电感器可以布置在升压/降压单元开关元件和升压/降压单元二极管之间的正电势侧与接地侧之间。于是，可以通过简单的电路构成用于升压和降压以校正功率系数的升压/降压单元。(4)在升压/降压单元中，串联的电感器和升压/降压单元二极管可以串联地嵌入正电势侧，升压/降压单元开关元件可以布置在电感器和升压/降压单元二极管之间的正电势侧与接地侧之间。于是，可以通过简单的电路构成仅用于升压以校正功率系数的升压
/降压单元。(5)升压/降压单元电容器可以包括多个升压/降压单元电容器，第一和/或第二前级开关元件各自可以包括多个开关元件，所述多个第一前级开关元件可以布置在中央电容器的正电势侧和预定的一个升压/降压单元电容器的正电势侧或者接地侧之间，所述多个第二前级开关元件可以布置在中央电容器的接地侧和预定的一个升压/降压单元电容器的正电势侧或者接地侧之间，并且所述控制单元可以控制开关元件以改变从中央电容器释放的输出电压。从而，无需使用变压器，升压/降压单元的电容器和前级开关元件的构造即可根据所需电压来改变输出电压。可以根据所需的性能来设置所述多个升压/降压单元电容器的电容、配置结构等，并且设置所述第一和第二前级开关元件的连接结构等。(6)中央电容器可以包括多个中央电容器，第一和/或第二前级开关元件和/或第一和/或第二后级开关元件各自可以包括多个开关元件，所述多个第一前级开关元件和 /或多个第一后级开关元件可以布置在正电势侧和预定的一个中央电容器的正电势侧或者接地侧之间，所述多个第二前级开关元件和/或多个第二后级开关元件可以布置在接地侧和所述中央电容器中的一个的正电势侧或者接地侧之间，并且所述控制单元可以控制这些开关元件以改变从所述中央电容器中的一个释放的输出电压。从而，无需使用变压器，即可根据对较宽范围的需求来更广泛地改变输出电压。(7)输出部分电容器还可被包括在第一和第二后级开关元件的输出侧，其中所述输出部分电容器可以包括多个输出部分电容器，第一和/或第二后级开关元件各自可以包括多个开关元件，所述多个第一后级开关元件可以布置在中央电容器的正电势侧和预定的一个输出部分电容器的正电势侧或者接地侧之间，所述多个第二后级开关元件可以布置在中央电容器的接地侧和预定的升压/降压单元电容器的正电势侧或者接地侧之间，并且所述控制单元可以控制各开关元件以改变从输出部分释放的输出电压。从而，无需使用变压器，通过在输出部分使用多个电容器，即可容易地改变输出电压。(8)还可以包括电压监控单元，其对第一和第二前级开关元件以及第一和第二后级开关元件中每一个的电压进行监控。从而可以解决浪涌电流等问题，从而实现失效保护。(9)当开关元件两端的电压大于等于参考电压时，控制单元可以减小栅极电压或者将栅极电压设置为零，或者通过一个电路减小栅极电压或者将栅极电压设置为零。于是， 通过软件方式(程序逻辑)或者硬件方式(线路逻辑)，可以避免浪涌电流从而实现失效保护手段。(10)输出部分可以具有与继电器并联的子继电器，所述子继电器中串联电阻器。 在输出部分中使用其中在子继电器和蓄电池之间串联连接有电阻器的、用于对中央电容器预充电的子继电器，可以减小流入中央电容器的浪涌电流。(11)可以包括控制单元，其控制第一和第二前/后级开关元件以及升压/降压单元开关元件，其中所述控制单元可以在开始使用时，在中央电容器被充电至升压/降压单元的最小输出电压之前，增大第一和第二前级开关元件的导通电阻(on-resistance)。于是在启动时，通过降低要驱动的开关元件的栅极电压，可以增大导通电阻。从而可以减小流向中央电容器的浪涌电流。(12)控制单元可以在启动时控制升压/降压单元开关元件，以使升压/降压单元的输出电压以小于等于预定值的增大率增大。通过逐渐增大输出电压，可以将第一和第二前级开关元件的导通占空比D从最小的可接受值逐渐增大。由此可以减小流向中央电容器的浪涌电流。(13)控制单元可以执行控制，以在从交流电生成直流电并从输出部分输出时，使得来自升压/降压单元的升压/降压输出电压Va高于中央电容器的电压Vb。于是，可以稳定地输出期望的电压。此外，由于在正向上施加了偏置电压，因而即使在使用了不具有反向阻断能力的普通半导体开关元件(在正向上承受电压)的情况下，也能够确保交流输入侧和输出侧彼此隔离。还可以控制相对于中央电容器处在后级的输出部分的电势Vc，以满足关系式Vc < Vb < Va0(14)第一和第二前级开关元件以及第一和第二后级开关元件可以各自具有反向阻断能力。于是，通过交替使第一和第二前级开关元件以及第一和第二后级开关元件导通和断开，能够确保交流输入侧和输出侧彼此隔离，从而可以进一步改善安全性。具有反向阻断能力的开关元件可以是如下元件。反向阻断IGBT(绝缘栅双极晶体管)可以覆盖最大的频带。尽管GTO(栅可关断)晶闸管具有很好的性能，但频率受限。(15)反向阻断二极管可以串联嵌入在第一和第二前级开关元件以及第一和第二后级开关元件的每一个中。于是，即使使用M0SFET、普通IGBTJP JFET，通过嵌入反向阻断二极管并且使第一和第二前级开关元件以及第一和第二后级开关元件交替导通和断开以向直流装置提供直流电，也可以确保交流输入侧和输出侧彼此隔离。因而可以进一步改善安全性。(16)蓄电池可以连接至输出部分，升压/降压单元二极管可以由开关元件代替， 在整流单元中形成电桥的四个二极管可以由四个开关元件代替，从而获得从蓄电池将交流电提供至交流电源侧的兼容装置。因此，可以使用汽车电池为家用电器等供电。这适用于供电中断或者在户外没有配电网络可用时的情况。此外，除了供电中断或露营的情况，利用便宜的夜间电力充电并在白天使用，也可以节省电力花销。(17)在从蓄电池向交流电源侧提供交流电的兼容装置中，可以采用具有反向阻断能力的双向开关元件来作为第一和第二前级开关元件以及第一和第二后级开关元件的每一个。于是，开关元件在正向/反向上都具有导通/阻断的能力。因此在确保家用交流侧和车辆蓄电池侧之间的双向隔离的同时，能够相互交换电力。
图1是示出了根据本发明第一实施例的电力变换装置的示图；图2是示出了根据本发明第二实施例的电力变换装置中的分批电源中继单元的示图；图3是示出了栅极电压对于漏电流与源漏电压之间关系的影响的示图；图4是示出了根据本发明第三实施例的电力变换装置的示图；图5是用于说明根据本发明第四实施例的电力变换装置的使用的示图；图6是示出了根据本发明第六实施例的电力变换装置的示图；图7是示出了根据本发明第七实施例的电力变换装置的示图；图8是示出了根据本发明第八实施例的电力变换装置的示图9是示出了根据本发明第九实施例的电力变换装置的示图；图10是示出了根据本发明第十实施例的电力变换装置的示图；图11是用于说明图10所示电力变换装置中的分批电源中继单元的双向反向阻断开关元件的示图；图12是示出了根据本发明第十一实施例的电力变换装置的示图；和图13是示出了根据本发明第十二实施例的电力变换装置的示图。
具体实施例方式(第一实施例)图1是示出了根据本发明第一实施例的电力变换装置50的一个示例的示图。电力变换装置50用于使用家用交流电源对EV等中的作为蓄电池的电池(主电池)40进行充电。电力变换装置50包括如下四个普通单元。S卩，(1)整流单元10，(2)升压单元(包括用于校正功率系数的元件)20，(3)分批电源中继单元30，和(4)控制单元51。 整流单元》首先，整流单元10由构成电桥的四个二极管41至44构成。整流单元10对通过输入部分9从交流电源接收到的交流电进行整流，以提供脉冲直流电。为了平滑电压，在电桥后提供平滑电容器45。 升压单元y>升压单元20包括电感器21、输出侧为正向方向的二极管22、升压单元开关元件 23、和升压单元电容器25。可以使用例如MOSFET (金属氧化物半导体场效应管)来作为升压单元开关元件23。控制单元51将频率为几kHz到几百Hz (其远大于交流电源频率)的开关信号提供至MOSFET 23的栅极。通过以这样的频率执行开关操作，能够使得来自交流电源的输入电流波形近似为正弦波，并且可以校正功率系数。此外，可以获得通过对从电感器21流向MOSFET 23的电流进行斩波而得以升高的电压。利用该电压，电流从电感器21 经过二极管22流向升压单元电容器25。从而将平滑的直流电压存储在升压单元电容器25 中。 分批电源中继单元》在分批电源中继单元30中，当第一前级开关元件11和第二前级开关元件12处于导通状态，并且第一后级开关元件16和第二后级开关元件17处于断开状态时，中央电容器 15通过从升压单元20输出的直流电压充电。在执行充电时，处于断开状态的第一后级开关元件16和第二后级开关元件17介于交流电源的输入部分9和到电池40的输出部分39之间。充电后的中央电容器15达到预定电压。中央电容器15的相对两端之间的电压Vb优选地低于升压单元20的输出电压 Va，或者低于升压单元电容器25中出现的电压Va。这是为了稳定地保持从输出部分39到电池40的输出电压Vc。在中央电容器15充电后，其进行放电，以对电池40充电。在执行放电时，第一前级开关元件11和第二前级开关元件12断开，第一后级开关元件16和第二后级开关元件17 导通。尽管未示出来自控制单元51的线路，不过对每个开关元件的控制电极(栅电极等) 都提供来自控制单元51的信号。以IOkHz或更高频率执行上述开关元件11、12、16和17的导通/断开操作。此外，为了使得在输出部分39等中对正向电池40充电的电压平滑，将平滑电容器 35提供在相对于分批电源中继单元30的后级。在对电池40充电时，处于断开状态的第一和第二前级开关元件11、12介于交流电源的输入部分9和到电池40的输出部分39之间。 控制单元》尽管未示出，但控制单元51连接至升压单元开关元件23和分批电源中继单元30 的四个开关元件11、12、16和17中每一个的控制电极，从而能够发送控制信号。控制单元 51输出指示导通/断开切换的信号，从而控制每个开关元件的操作。如将在后文描述的，控制单元51还能够例如减小栅极电压以增大每个开关元件11和12的导通电阻，从而抑制流向中央电容器15的浪涌电流。根据图1所示的电力变换装置50，EV、HV等的电池40可以使用普通家用交流电源来充电。在这种情况下，由于包括用于功率系数校正等的开关元件23的升压单元20使电压升高，因此可以从有限的电力分配对电池40进行高效率的充电，而无需引入过大的家用电力分配。应当注意，用于升压的升压单元20可以实现从家用交流电源到EV等的主电池 (其额定电压为330V)的高效率且稳定的充电。此外，如图1所示，电力变换装置50无需使用变压器即可实现输入侧和输出侧之间的隔离。即，处于断开状态的开关元件始终介于交流电源的输入部分9和到电池40的输出部分39之间。在本实施例中，可以使用各种半导体元件来作为开关元件11、12、16和17。例如， 这些半导体元件可以是不具有反向阻断能力的MOSFET、JFET、双极晶体管等；或者可以是具有反向阻断能力的反向阻断IGBT。在使用具有反向阻断能力的半导体元件的情况下，输入侧和输出侧彼此隔离。此外，即使在未提供反向阻断能力的情况下，也可以根据控制单元执行的控制方法来实现安全上的一些改善。(第二实施例)图2是示出了根据本发明第二实施例的电力变换装置中包括四个开关元件11、 12、16和17的分批电源中继单元30的一个示例的示图。图2所示的分批电源中继单元30 用于在对电容器充电时防止瞬时浪涌电流，以实现失效保护(fail-safe)。在本实施例中， 对施加至四个开关元件11、12、16和17中每一个的电压进行监控。被监控的电压为源漏电压。可以通过例如电压传感器VII、V12、V16和V17检测电压，并将每个电压传感器的输出发送至控制单元51 (图1)。当每个开关元件两端的电压大于等于参考电压时，控制单元51 施加降低栅极电压或者将栅极电压设置为零的控制。图3是示出了栅极电压对于源漏电压和漏电流之间关系的影响的示图。漏电流流经前级开关元件11和12、后级开关元件16和17、以及中央电容器15。栅极电压是控制单元51提供至每个开关元件11、12、16和17的栅极的用于控制的信号电压。参照图3，栅极电压的降低带来漏电流的降低。特别是，当把栅极电压设置为零时，能够使漏电流取极小值。也即，对施加至每个开关元件11、12、16和17的电压进行监控，当其大于等于参考电压时，减小栅极电压或将其设置为零。通过这种方式，可以避免出现瞬时浪涌电流，并可以实
10现失效保护。(第三实施例)图4是示出了根据本发明第三实施例的电力变换装置50的一个示例的示图。第三实施例的特征在于，在图1所示的电力变换装置的输出部分39中，与主继电器33并联地提供各自串联了电阻器31的子继电器32。应当注意，对于继电器，仅示出了它们的触点，而未示出激励线圈。在输出部分39中，当启动电力变换装置50时，在控制单元51的控制下，主继电器 33进入断开状态，而子继电器32进入导通状态。此外，在分批电源中继单元30中，控制单元51使第一前级开关元件11和第二前级开关元件12进入断开状态，而使第一后级开关元件16和第二后级开关元件17进入导通状态。于是，电流从电池40经过电阻器31流向中央电容器15，从而对中央电容器15预充电。在经过了初始操作阶段并开始稳态操作时，控制单元51断开第一后级开关元件 16和第二后级开关元件17，并且在使主继电器33进入导通状态的同时断开子继电器32。如上文所述，通过在启动时对中央电容器15预充电，可以减小从交流电源到中央电容器15的浪涌电流。(第四实施例)本发明的第四实施例的特征在于，当控制单元51对第一前级开关元件11和第二前级开关元件12执行控制时，栅极电压减小。如图5所示，通过减小栅极电压Ves，增大了每个开关元件的导通电阻。通过增大开关元件11和12的导通电阻，可以降低初始操作阶段流向中央电容器15的浪涌电流。(第五实施例)在本发明的第五实施例中，控制单元51控制升压单元20的升压单元开关元件23 以逐步增大升高电压。定义升压单元20的输入电压为V1 ；输出的升高电压为V2 ；并且升压单元开关元件23的导通占空比为D，则可以建立如下关系式V2 = V1/(I-D)。基于该关系式，控制单元51从导通占空比允许的最小值逐步增大电压，而非在启动时立即将电压增大至预定的高电压。于是，输出电压V2可以从低电压逐步增大。换句话说，输出电压可以以小于等于预定值的增大率来增大。通过这种控制方法，可以减小流向中央电容器15的浪涌电流。应当注意，前述关于电压Va、Vb和Vc的幅度的讨论中的Va、Vb和Vc是稳态下的电压。(第六实施例)图6是示出了根据本发明第六实施例的电力变换装置50的一个示例的示图。电力变换装置50的特征在于，在其构造上，图1所示的电力变换装置50中升压单元20的二极管22被开关元件2 代替，而整流单元10的四个二极管41、42、43和44被开关元件41a、 42a,43a 和 4 代替。通过开关元件代替二极管来形成逆变电桥(inverter bridge) 10。此外，通过断开全部开关元件41a、4h、43a和44a，逆变电桥10还可以用作利用寄生二极管的普通二极管电桥。也即，当用作逆变电桥时，可以使用电池40的电力将交流电提供至交流电源。或者， 通过用作二极管电桥，可以从交流电源对电池40充电。在控制单元51中，安装有用于使用电池40的电力将交流电提供至交流电源的逆变换软件。然后，控制单元51可以从交流到直流的正常变换控制切换到逆变换控制。根据这种变换/逆变换兼容的装置，能够在室内与车辆之间交换电力。例如，可以利用便宜的夜间电力对电池40充电，而在白天通过电池40的电力驱动家用空调。可以使用MOSFET、JFET等来作为图6所示的分批电源中继单元30的四个开关元件11、12、16和17。通过控制单元51施加的控制，可以将电力从电池40提供至交流侧。在这种情况下，在升压单元20中，电压从前述电压Va减小为生成家用交流电压所需的电压。 在将电力提供至交流侧时，通过施加控制以使得前级和后级的全部元件始终导通，可以降低导通损耗。(第七实施例)图7是示出了根据本发明第七实施例的电力变换装置50的一个示例的示图。电力变换装置50的特征在于，反向阻断二极管lld、12d、16d和17d串联嵌入分批电源中继单元30中的全部四个开关元件11、12、16和17中。当分批电源中继单元30中的开关元件11、12、16和17如普通IGBT、M0SFET、和 JFET—样并不特别地具有反向阻断能力，并且其中未嵌入反向阻断二极管时，在从负载 (电池40)到交流电源的方向上没有形成任何隔离。因此，尽管根据控制单元51执行的控制方法通过介入断开状态的开关元件可以获得一定程度的安全性，但是无法获得在输入侧和负载侧之间设置变压器时所能获得的隔离程度。不过，如图7所示，在开关元件11、12、16和17中分别布置反向阻断二极管lid、 12d、16d和17d能够与使用变压器时类似地在从输出侧到输入侧的方向上获得较高程度的
可靠隔离。(第八实施例)图8是示出了根据本发明第八实施例的电力变换装置50的一个示例的示图。在第一实施例等中示例性示出的电力变换装置50中的用于校正功率系数的升压/降压单元20 由升压变换器构成。不过，在本实施例中，功率系数校正电路由能够升压和降压的降压-升压变换器20g构成。如图8所示，定义用于校正功率系数的升压/降压单元(变换器)20g 处的输入电压为Vi ；输出电压为Va ；升压/降压单元开关元件23的导通占空比为D，从而建立了关系式 Va =-{D/(l-D)} .VL·利用这种电路构造，取决于占空比的设置，输出电压可以高于或低于输入电压。也艮口，既可以Vi < Va也可以Vi > Va。不过，由于输出电压的极性反转，于是分批电源中继单元30中相对于中央电容器15的前级和后级开关元件llg、12g、16g和17g的极性也反转。仅升压的变换器无法将输出电压Va降至低于输入电压Vi。即无法实现Vi < Va。 此外，由中央电容器15和开关元件llg、12g、16g和17g构成的分批电源中继单元仅在交流电源和电池40之间形成隔离，但不具有任何电压调节功能。因此，特别对于200V的交流电源，可能的输出电压范围的下限约为200V rmsX21/2 = 282V，因而无法对额定电压为200V 等的电池充电。然而，如上文所述，相比于仅能升压的变换器，通过采用能够升压和降压的升压/ 降压单元20g，可以实现Vi >Va。于是，可以对额定电压约为200V或更低的电池充电。(第九实施例)
图9是示出了根据本发明第九实施例的电力变换装置50的一个示例的示图。在第一实施例等中示例性示出的电力变换装置50中的用于校正功率系数的升压/降压单元 20中，布置在升压/降压单元的末级的升压/降压单元电容器25的数量为一。不过，在本实施例中，如图9所示，布置多个升压/降压单元电容器2 和25b。此外，在该多个升压/ 降压单元电容器2 和25b的正电势侧和接地侧与中央电容器15的接地侧之间，布置多个第二前级开关元件1 和12b。升压/降压单元20h中除了电容器2 和2 之外的其余部分与根据第一实施例的升压单元20中的相同。控制单元51根据所需电压切换开关元件11、12a、12b、16和17，从而改变输出电压。于是，无需使用变压器，也无需与第八实施例(图8) —样考虑占空比的设置，即可改变输出电压。此外，不受交流电源的有效电压的限制，额定电压处于预定范围内的电池均可被充电。另外，交流电源的输入侧和直流电的输出侧可以前述的程度彼此隔离。应当注意，图9示出了采用多个升压/降压单元电容器2 和2 和多个第二前级开关元件1 和12b的情况。不过，除了多个第二前级开关元件，还可以使用多个第一前级开关元件，并将其连接至多个升压/降压单元电容器，从而改变输出电压。此外，可以采用多个(串联的)中央电容器15，并且可以采用多个第一和/或第二前级开关元件，和/或多个第一和/或第二前级开关元件。按照这种方式，通过采用多个中央电容器和全部开关元件中的多个或任意一个开关元件，可以控制输出电压在较宽的范围内改变。此外，可以在输出部分中采用多个(串联的)电容器35，并且可以采用多个第一后级开关元件和/或多个第二后级开关元件。于是，通过在输出部分采用多个电容器，可以容易地控制并改变输出电压。(第十实施例)图10是示出了根据本发明第十实施例的电力变换装置50的一个示例的示图。根据第六实施例的电力变换装置50是用开关元件代替二极管的装置，从而其不仅能够从交流电源对电池40充电，也能够使用电池40的电力将交流电提供至交流电源。根据本实施例的电源变换装置50的特征在于，在具有与第六实施例相同的功能的同时，分批电源中继单元30s的开关元件lis、lk、16s和17s均为具有反向阻断能力的双向开关元件。反向阻断IGBT可以用作这种具有反向阻断能力的双向开关元件。如图11所示，开关元件lls、lk、16s和17s各自具有正向导通部分和反向导通部分，并且当一个方向上的导通部分工作时，相反方向上的导通部分呈现出反向阻断功能。在每个双向开关元件中，QlA表示正向导通部分，QlB表示反向导通部分。于是，开关元件lis、 12sU6s和17s各自具有在正向/反向上导通/阻断的能力。因此，可以在确保交流电源 (家用交流电源)和电池40之间的双向隔离的同时在二者之间相互交换电力。(第^^一实施例)图12是示出了根据本发明第十一实施例的电力变换装置50的一个示例的示图。 与第十实施例类似，本实施例的电力变换装置50能够使用电池40的电力将交流电提供至交流电源，此外，还通过与根据第十实施例不同模式的元件提供反向阻断能力。本实施例的特征在于，为了提供反向阻断能力，使用不具有反向阻断能力的IGBT与自身具有反向阻断能力的普通二极管的组合来作为分批电源中继单元30s的开关元件lla、Ua、16a和17a。
13
开关元件11a、12a、16a和17a各自具有正向导通部分和反向导通部分，并且当一个方向上的导通部分工作时，相反方向上的导通部分呈现出反向阻断功能。于是，开关元件 lla、Ua、16a和17a各自具有在正向/反向上导通/阻断的能力。因此，可以在确保交流电源(家用交流电源)和电池40之间的双向隔离的同时在二者之间相互交换电力。此外，在本实施例中，由于组合了不具有反向阻断能力的普通IGBT和普通二极管，因此可以降低元件的成本。(第十二实施例)图13是示出了根据本发明第十二实施例的电力变换装置50的一个示例的示图。 与第十一实施例类似，本实施例的电力变换装置50能够使用电池40的电力将交流电提供至交流电源，此外，还通过与根据第十实施例不同模式的元件提供反向阻断能力。本实施例的特征在于，为了提供反向阻断能力，使用不具有反向阻断能力的MOSFET与自身具有反向阻断能力的普通二极管的组合来作为分批电源中继单元30s的开关元件llb、12b、16b和 17b。与第十和第i^一实施例类似，开关元件llb、12b、16b和17b各自具有正向导通部分和反向导通部分，并且当一个方向上的导通部分工作时，相反方向上的导通部分呈现出反向阻断功能。因此，可以在确保交流电源(家用交流电源)和电池40之间的双向隔离的同时在二者之间相互交换电力。此外，在本实施例中，由于组合了不具有反向阻断能力的普通MOSFET和普通二极管，因此可以降低元件的成本。在前文中，对本发明的实施例给出了说明。但是，前文描述的本发明的实施例仅为示例，本发明的范围不限于上述实施例。本发明的范围由权利要求的描述给出，并且包括具有等价含义并处在权利要求的描述范围之内的任意变型例。工业实用性根据本发明的电力变换装置，可以获得这样一种电力变换装置，其对于输入侧和输出侧上的电压没有限制，紧凑且损耗低，并且能够通过普通家用交流电源为EV等的电池充电。此外，通过用开关元件代替整流单元的电桥的二极管以及升压单元的二极管，除了上述功能，还可以从电池向家庭提供交流电。此外，尽管排除了从电池向普通家用(设备)提供交流电的功能，但是通过为分批电源中继单元的开关元件提供反向阻断能力，也可以获得与使用变压器时相似的隔离程度。
权利要求
1.一种电力变换装置，用于对交流电和直流电进行相互变换，所述电力变换装置包括整流单元，其对交流电进行整流；升压/降压单元，其包括用于校正功率系数的元件并且对来自所述整流单元的直流电压进行升压或降压；中央电容器，其通过来自所述升压/降压单元的直流电压充电，以向后级的输出部分放电；第一前级开关元件，其串联在所述升压/降压单元的正电势侧和所述中央电容器的正电势侧之间；第二前级开关元件，其串联在所述升压/降压单元的接地侧和所述中央电容器的接地侧之间；第一后级开关元件，其串联在所述中央电容器的正电势侧和所述输出部分的正电势侧之间；第二后级开关元件，其串联在所述中央电容器的接地侧和所述输出部分的接地侧之间；和控制单元，其控制所述升压/降压单元、所述第一和第二前级开关元件、以及所述第一和第二后级开关元件。
2.根据权利要求1的电力变换装置，其中所述升压/降压单元包括电感器、升压/降压单元开关元件、升压/降压单元二极管、 和升压/降压单元电容器，所述升压/降压单元二极管嵌入正电势侧，并且所述升压/降压单元电容器布置在所述升压/降压单元的末级的正电势侧和接地侧之间。
3.根据权利要求2的电力变换装置，其中在所述升压/降压单元中，串联的所述升压/降压单元开关元件和所述升压/降压单元二极管串联地嵌入正电势侧，并且所述电感器布置在所述升压/降压单元开关元件和所述升压/降压单元二极管之间的正电势侧与接地侧之间。
4.根据权利要求2的电力变换装置，其中在所述升压/降压单元中，串联的所述电感器和所述升压/降压单元二极管串联地嵌入正电势侧，并且所述升压/降压单元开关元件布置在所述电感器和所述升压/降压单元二极管之间的正电势侧与接地侧之间。
5.根据权利要求1至4中任一项的电力变换装置，其中所述升压/降压单元电容器包括多个升压/降压单元电容器， 所述第一和/或第二前级开关元件各自包括多个开关元件，所述多个第一前级开关元件布置在所述中央电容器的正电势侧和预定的一个升压/ 降压单元电容器的正电势侧或者接地侧之间，所述多个第二前级开关元件布置在所述中央电容器的接地侧和预定的一个升压/降压单元电容器的正电势侧或者接地侧之间，并且所述控制单元控制所述开关元件以改变从所述中央电容器释放的输出电压。
6.根据权利要求1至4中任一项的电力变换装置，其中所述中央电容器包括多个中央电容器，所述第一和/或第二前级开关元件，和/或所述第一和/或第二后级开关元件中的每一个均包括多个开关元件，所述多个第一前级开关元件和/或多个第一后级开关元件布置在正电势侧和预定的一个中央电容器的正电势侧或者接地侧之间，所述多个第二前级开关元件和/或多个第二后级开关元件布置在接地侧和所述中央电容器中的一个的正电势侧或者接地侧之间，并且所述控制单元控制所述开关元件以改变从所述中央电容器中的一个释放的输出电压。
7.根据权利要求1至4中任一项的电力变换装置，还包括输出部分电容器，其被提供在所述第一和第二后级开关元件的输出侧上，其中所述输出部分电容器包括多个输出部分电容器， 所述第一和/或第二后级开关元件各自包括多个开关元件，所述多个第一后级开关元件布置在中央电容器的正电势侧和预定的一个输出部分电容器的正电势侧或者接地侧之间，所述多个第二后级开关元件布置在所述中央电容器的接地侧和预定的升压/降压单元电容器的正电势侧或者接地侧之间，并且所述控制单元控制所述开关元件以改变从输出部分释放的输出电压。
8.根据权利要求1至7中任一项的电力变换装置，还包括电压监控单元，其对所述第一和第二前级开关元件以及所述第一和第二后级开关元件中每一个的电压进行监控。
9.根据权利要求8的电力变换装置，其中当所述开关元件上的电压大于等于参考电压时，所述控制单元减小栅极电压或者将栅极电压设置为零，或者通过一个电路减小栅极电压或者将栅极电压设置为零。
10.根据权利要求1至9中任一项的电力变换装置，其中所述输出部分具有与继电器并联的子继电器，所述子继电器中串联电阻器。
11.根据权利要求1至10中任一项的电力变换装置，其中所述控制单元控制所述第一和第二前级开关元件、所述第一和第二后级开关元件以及所述升压/降压单元开关元件，并且所述控制单元在开始使用时，在所述中央电容器被充电至所述升压/降压单元的最小输出电压之前，增大所述第一和第二前级开关元件的导通电阻。
12.根据权利要求1至11中任一项的电力变换装置，其中所述控制单元在启动时控制所述升压/降压单元开关元件，以使所述升压/降压单元的输出电压以小于等于预定值的增大速率增大。
13.根据权利要求1至12中任一项的电力变换装置，其中所述控制单元执行控制，以在从交流电生成直流电并从所述输出部分输出直流电时， 来自所述升压/降压单元的升压/降压输出电压Va高于中央电容器的电压Vb。
14.根据权利要求1至13中任一项的电力变换装置，其中所述第一和第二前级开关元件以及所述第一和第二后级开关元件各自具有反向阻断能力。
15.根据权利要求1至13中任一项的电力变换装置，其中反向阻断二极管串联嵌入在所述第一和第二前级开关元件以及所述第一和第二后级开关元件的每一个中。
16.根据权利要求2至14中任一项的电力变换装置，其中蓄电池连接至所述输出部分，并且所述升压/降压单元二极管由开关元件代替，在所述整流单元中形成电桥的四个二极管由四个开关元件代替，从而获得从蓄电池将交流电提供至交流电源侧的兼容装置。
17.根据权利要求16的电力变换装置，其中在从蓄电池向交流电源侧提供交流电的所述兼容装置中，采用具有反向阻断能力的双向开关元件来作为所述第一和第二前级开关元件以及所述第一和第二后级开关元件的每一个。
全文摘要
本发明提供一种在输入侧电压和输出侧电压上不存在任何限制并且尺寸和损耗较小的电力变换装置。该电力变换装置的特征在于包括整流单元(10)，其对交流电进行整流；升压/降压单元(20)，其包括用于校正功率系数的元件(23)并且对来自整流单元的直流电压进行升压或降压；中央电容器(15)，其通过直流电压充电，并向后级的输出部分放电；第一前级开关元件(11)和第二前级开关元件(12)，其串联在升压/降压单元和中央电容器之间；第一后级开关元件(16)和第二后级开关元件(17)，其串联在中央电容器和输出部分之间；和控制单元，其控制前述所有组件。
文档编号H02M3/155GK102484424SQ20108003861
公开日2012年5月30日 申请日期2010年8月9日 优先权日2009年8月31日
发明者二井和彦, 广田将义, 有吉刚, 马场猛 申请人:住友电气工业株式会社