專利名稱：Ac連接雙方向dc—dc轉(zhuǎn)換器、使用了該轉(zhuǎn)換器的混合電源系統(tǒng)及混合動(dòng)力車輛的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及AC連接雙方向DC—DC轉(zhuǎn)換器、使用了該轉(zhuǎn)換器的混合 電源系統(tǒng)及混合動(dòng)力車輛。
背景技術(shù)：
在電動(dòng)汽車的情況下，當(dāng)出發(fā)時(shí)、加速時(shí)、減速時(shí)、停止時(shí)、爬坡時(shí) 等，電動(dòng)機(jī)等電動(dòng)裝置的負(fù)載會(huì)大幅、劇烈且頻繁變動(dòng)。因此，為了驅(qū)動(dòng) 電動(dòng)裝置，因而搭載于電動(dòng)汽車的電池比在恒定負(fù)載條件下使用時(shí)，容量 減小、且壽命縮短。
為了補(bǔ)償上述缺點(diǎn)，如后述的專利文獻(xiàn)1中所記載那樣，通過組合主 電源用的電池和副電源用的電池或電容器，構(gòu)成電動(dòng)汽車的電源裝置，并 使該副電源負(fù)擔(dān)上述電動(dòng)裝置的負(fù)載的大幅、劇烈且頻繁的變動(dòng)，從而能 夠盡量將主電源用電池的負(fù)載變動(dòng)抑制在一定的范圍內(nèi)。
在上述電源系統(tǒng)的情況下，可以在減速、制動(dòng)時(shí)將電動(dòng)裝置的運(yùn)動(dòng)能 量作為電力回收到副電源中，而且，能夠根據(jù)需要將回收的電力向電動(dòng)裝 置側(cè)供給。將使副電源從電動(dòng)裝置側(cè)回收電力的動(dòng)作稱作再生模式，從副 電源側(cè)向電動(dòng)裝置側(cè)供給電力的動(dòng)作成為力行模式。進(jìn)行該動(dòng)作的電源系 統(tǒng)被稱為混合電源系統(tǒng)。另外，搭載了這樣的混合電源系統(tǒng)的電動(dòng)汽車被 稱為混合動(dòng)力車輛。
圖12是用于對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的代表性的電動(dòng)汽車用混合電源系統(tǒng)進(jìn)行說 明的圖。
在該圖12中，混合電源系統(tǒng)1由主電源10、電動(dòng)裝置20和副電源 30構(gòu)成。
主電源10由發(fā)動(dòng)機(jī)1K引擎12和逆變器13構(gòu)成。電動(dòng)裝置20由逆 變器21和電動(dòng)機(jī)22構(gòu)成。逆變器13和逆變器21經(jīng)由正極線14和負(fù)極
線15連接。在正極線14與負(fù)極線15之間施加電壓V0。下面，如果沒有 誤解，則將由主電源IO、電動(dòng)裝置20和正負(fù)極線14、 15構(gòu)成的部分簡(jiǎn)單 稱為主電源10。
副電源30由雙方向升壓斷路器31和能量蓄積裝置32(以下作為電池 32進(jìn)行說明)構(gòu)成。本申請(qǐng)發(fā)明中所說的"雙方向"是指經(jīng)由正負(fù)極線 14、 15從副電源30向主電源10、或從主電源10向副電源30以可逆方式 傳輸電力。
雙方向升壓斷路器31由兩個(gè)半導(dǎo)體開關(guān)元件Sl 、 S2和具有電感L的 電感器35構(gòu)成。半導(dǎo)體開關(guān)元件S1、 S2由IGBT及作為內(nèi)部元件或外部 元件而并聯(lián)連接的逆并聯(lián)二極管構(gòu)成。為了便于后面的說明，將IGBT表 示為Tr，將逆并聯(lián)二極管表示為D。例如，Trl是指半導(dǎo)體開關(guān)元件Sl 的IGBT， Dl是指半導(dǎo)體開關(guān)元件Sl的逆并聯(lián)二極管。
半導(dǎo)體開關(guān)元件Sl、 S2通過連接點(diǎn)a串聯(lián)連接，連接點(diǎn)a上連接著 逆變器35的一端。半導(dǎo)體開關(guān)元件Sl的負(fù)極端子b與負(fù)極線15連接， 半導(dǎo)體開關(guān)元件S2的正極端子c與正極線14連接。而且，電池32的正 極側(cè)與電感器35的另一端連接，電池32的負(fù)極側(cè)與負(fù)極線15連接。艮口，
電池32與主電源10按照成為同極性的方式并聯(lián)連接。
利用雙方向升壓斷路器31將電池32的電力暫時(shí)蓄積在電感器35中。 接著，不僅可以向主電源IO傳輸該蓄積電力，而且可以反過來向電池32 傳輸主電源10的電力。
在電動(dòng)汽車中，主電源10的電壓V0 —般被維持為600V左右的高電 壓。另一方面，副電源30的電池32的電源V1為300V左右的低電壓。 而且，在雙方向升壓斷路器31中流過的最大電流為600A左右(設(shè)電池電 壓300V及傳送電力120kW、波動(dòng)率50。Z的情況下)。
通過上述構(gòu)成的混合電源系統(tǒng)1，可以在再生模式的情況下將主電源 10的運(yùn)動(dòng)能量變換為低電壓電力，對(duì)副電源30的電池32進(jìn)行充電。另外， 在力行模式的情況下，可以將副電源30的電池32的蓄電力變換為高電壓
電力，提供給主電源io。
艮P，根據(jù)混合電源系統(tǒng)l，即使電動(dòng)裝置20的負(fù)載大幅、劇烈、且頻 繁地變動(dòng)，也可以從副電源30進(jìn)行對(duì)主電源10的電力容量實(shí)施補(bǔ)充的電
力供給。由此，能夠在一定的高電壓范圍內(nèi)高效驅(qū)動(dòng)電動(dòng)裝置20。 不過，在混合電源系統(tǒng)1中存在著下述4個(gè)問題。
(1) 元件的額定電壓高
雙方向升壓斷路器31所使用的半導(dǎo)體開關(guān)元件S1、S2的額定電壓高。 如果將主電源10的電壓VO設(shè)為600V左右，則考慮到完全性，需要1200V 額定電壓的半導(dǎo)體開關(guān)元件S1、 S2。
(2) 元件的額定電流高
從電池32流出的電流(峰值約為600A)，分別在雙方向升壓斷路器 31的半導(dǎo)體開關(guān)元件S1、 S2的IGBT及逆并聯(lián)二極管中流動(dòng)。因此，需 要約600A的高額定電流的半導(dǎo)體開關(guān)元件S1、 S2。另外，與之對(duì)應(yīng)，電 感器35變得巨大。
(3) 電力損失大
由于是在雙方向升壓斷路器31所使用的半導(dǎo)體開關(guān)元件S1、 S2的任 意一個(gè)逆并聯(lián)二極管導(dǎo)通的狀態(tài)下使另一方半導(dǎo)體開關(guān)元件的IGBT接通 的硬開關(guān)，所以，會(huì)產(chǎn)生接通損失及逆并聯(lián)二極管的逆恢復(fù)損失，并且， 額定電壓高的半導(dǎo)體開關(guān)元件的導(dǎo)通損失及開關(guān)損失也增大，對(duì)應(yīng)著逆變 器電路的電壓高，電力變換效率降低。
(4) 難以實(shí)現(xiàn)小型化、低成本
流過電感器35的電流是直流電流，只可使用鐵心(core)的B—H曲 線的一半?yún)^(qū)域。而且，由于在電感器35中流動(dòng)的直流電流自身成為勵(lì)磁 電流，所以，需要鐵心孔隙(core gap)。由此，為了獲得大的電感，需 要增大鐵心截面積。
鐵心截面積大的鐵心價(jià)格昂貴，且難以實(shí)現(xiàn)小型、輕量化。鑒于此，
公知一種對(duì)磁氣部分進(jìn)行交流驅(qū)動(dòng)化的混合電源系統(tǒng)。
圖13是利用了 AC連接雙方向DC—DC轉(zhuǎn)換器的混合電源系統(tǒng)的圖。 在該圖13中，混合電源系統(tǒng)2由主電源10 (電壓VO:約600V)和 副電源40構(gòu)成，副電源40由通過變壓器43 (其中繞組比為1: 2)連接 逆變器41和逆變器42的AC連接雙方向DC—DC轉(zhuǎn)換器44、及能量蓄 積裝置46 (此后作為電容器46進(jìn)行說明。電壓V1:額定時(shí)為300V)構(gòu) 成。
逆變器41由4個(gè)半導(dǎo)體開關(guān)元件S1、 Sl、 S2、 S2構(gòu)成。各半導(dǎo)體開 關(guān)元件與圖12同樣，由IGBT及逆并聯(lián)二極管構(gòu)成。
圖中，逆變器41左側(cè)的半導(dǎo)體開關(guān)元件(Sl、 S2)的組串聯(lián)連接， 半導(dǎo)體開關(guān)元件S1的正極側(cè)與電容器46的正極側(cè)連接，半導(dǎo)體開關(guān)元件 S2的負(fù)極側(cè)與電容器46的負(fù)極側(cè)連接。
另一方面，右側(cè)的半導(dǎo)體開關(guān)元件(S2、 Si)的組串聯(lián)連接，半導(dǎo)體 開關(guān)元件S2的正極側(cè)與電容器46的正極側(cè)連接，半導(dǎo)體開關(guān)元件Sl的 負(fù)極側(cè)與電容器46的負(fù)極側(cè)連接。
半導(dǎo)體開關(guān)元件(Sl、 Sl)的組與半導(dǎo)體開關(guān)元件(S2、 S2)的組被 交替接通、斷開。
逆變器42與逆變器41同樣，由4個(gè)半導(dǎo)體開關(guān)元件S21、 S21、 S22、 S22構(gòu)成。半導(dǎo)體開關(guān)元件與圖12同樣，由IGBT及逆并聯(lián)二極管構(gòu)成。
圖中，左側(cè)的半導(dǎo)體開關(guān)元件(S21、 S22)的組串聯(lián)連接，半導(dǎo)體開 關(guān)元件S21的正極側(cè)與主電源10的正極側(cè)連接，半導(dǎo)體開關(guān)元件S22的 負(fù)極側(cè)與主電源10的負(fù)極側(cè)連接。
另一方面，右側(cè)的半導(dǎo)體開關(guān)元件(S22、 S21)的組串聯(lián)連接，半導(dǎo) 體開關(guān)元件S22的正極側(cè)與主電源10的正極側(cè)連接，半導(dǎo)體開關(guān)元件S21 的負(fù)極側(cè)與主電源10的負(fù)極側(cè)連接。
半導(dǎo)體開關(guān)元件(S21、 S21)的組與半導(dǎo)體開關(guān)元件(S22、 S22)的
組被交替接通、斷開。
逆變器41的交流端子dl和交流端子d2如圖13所示，經(jīng)由繞組比為
1: 2的變壓器43的線圈44連接，逆變器42的交流端子el和交流端子
c2經(jīng)由變壓器43的線圈45連接。
變壓器43具有固定值L的泄漏電感，通過逆變器的高速開關(guān)控制， 將泄漏電感L中暫時(shí)蓄積的電力傳輸給副電源40或主電源10。
具體而言，在力行模式(從電容器46向主電源IO傳輸電力時(shí))的情 況下，逆變器41的相位相對(duì)逆變器42成為超前相位。此時(shí)，經(jīng)由逆變器 43，逆變器41向主電源10傳輸V1的約兩倍的高電壓電力。
在再生模式(從主電源10向電容器46傳輸電力時(shí))的情況下，逆變 器41的相位相對(duì)逆變器42成為延遲相位。此時(shí)，經(jīng)由變壓器43，主電源
10向電容器46傳輸V0的近似一半的低電壓電力。 專利文獻(xiàn)l:特開平11一146566號(hào)公報(bào)
在上述的AC連接雙方向DC—DC轉(zhuǎn)換器44的情況下，可以通過交 流驅(qū)動(dòng)鐵心(core)，來實(shí)現(xiàn)小型、輕量。通過半導(dǎo)體開關(guān)元件的電壓與 電流為零時(shí)進(jìn)行接通開關(guān)控制，可以降低開關(guān)損失。S卩，能夠解決(3)、 (4)的問題。
但是，在AC連接雙方向DC—DC轉(zhuǎn)換器44中，由于對(duì)逆變器42的 半導(dǎo)體開關(guān)元件S21、 S21、 S22、 S22施加主電源10的電壓V0，所以， 從安全性方面考慮，需要逆變器42的各半導(dǎo)體幵關(guān)元件的額定電壓為 1200V左右。
另夕卜，例如在力行模式中，由于從電容器46的正極側(cè)流動(dòng)的電流iDl (峰值約為600A)，通過半導(dǎo)體開關(guān)元件S1、 Sl (或S2、 S2)和變壓器 43流向電容器46的負(fù)極側(cè)，所以，需要在逆變器41的各半導(dǎo)體開關(guān)元件 及變壓器中流過約600A的電流。由于是雙方向性的電路，所以，再生模 式下的情況也同樣。即，無法解決(1)的問題及(2)的問題。
綜上所述，利用了 AC連接雙方向DC—DC轉(zhuǎn)換器44的混合電源系 統(tǒng)2，相對(duì)利用了圖12所示的雙方向升壓斷路器31的混合電源系統(tǒng)1而 言，電路復(fù)雜，沒有優(yōu)點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明鑒于上述問題點(diǎn)而提出，其目的在于提供一種電壓及額 定電流小、且開關(guān)損失少的小型輕量、低成本的AC連接雙方向DC—DC 轉(zhuǎn)換器。而且，其目的還在于提供一種利用了該AC連接雙方向DC—DC 轉(zhuǎn)換器的混合電源系統(tǒng)和混合動(dòng)力車輛。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，第一發(fā)明涉及一種AC連接雙方向DC—DC轉(zhuǎn)換 器，被串聯(lián)連接成兩個(gè)電壓型逆變器的直流端子成為加極性，所述各電壓 型逆變器的多個(gè)交流端子與變壓器連接，經(jīng)由所述變壓器，所述兩個(gè)電壓 型逆變器相互AC連接，在所述AC連接雙方向DC—DC轉(zhuǎn)換器的直流端 子間施加的外部電壓，被所述各電壓型逆變器分壓。
第二發(fā)明根據(jù)第一發(fā)明提出，其特征在于，基于所述各電壓型逆變器
的分壓，將一方電壓型逆變器的正極直流端子與另一方電壓型逆變器的負(fù) 極直流端子連接。
根據(jù)第一發(fā)明及第二發(fā)明，如圖1所示，在應(yīng)用于混合電源系統(tǒng)3中 的情況下，由于在AC連接雙方向DC—DC轉(zhuǎn)換器54中，被串聯(lián)連接成 逆變器51的正極直流端子11及逆變器52的負(fù)極直流端子12成為加極性， 所以，主電源10的電壓V0被構(gòu)成AC連接雙方向DC—DC轉(zhuǎn)換器54的 逆變器51及逆變器52分壓。
第三發(fā)明根據(jù)第一發(fā)明或第二發(fā)明提出，其特征在于，在控制所述電 壓型逆變器時(shí)，可使用所述變壓器的漏電感。
第四發(fā)明根據(jù)第三發(fā)明提出，其特征在于，所述變壓器的漏電感通過 調(diào)整所述變壓器的初級(jí)線圈與次級(jí)線圈的間隙而制成。
根據(jù)第三發(fā)明，如圖1所示，在應(yīng)用于混合電源系統(tǒng)3的情況下，通 過變壓器53具有漏電感L，可以在線圈57的漏電感(L/2)及線圈58的 漏電感(L/2)中分別蓄積規(guī)定的電力。
根據(jù)第四發(fā)明，通過調(diào)整線圈57和線圈58的間隙，可適當(dāng)設(shè)定混合 電源系統(tǒng)3所需要的漏電感。
在第三發(fā)明及第四發(fā)明中，當(dāng)然不只依賴于漏電感，還可以在外部附 加電感。
第五發(fā)明根據(jù)第一至第四發(fā)明提出，其特征在于，根據(jù)所述電壓型逆 變器的分壓比，設(shè)定所述變壓器的繞組比。
根據(jù)第五發(fā)明，如圖1所示，在應(yīng)用于混合電源系統(tǒng)3的情況下，例 如通過將線圈57及線圈58的繞組比設(shè)為h 2，可以將線圈57中產(chǎn)生的 電壓和線圈58中產(chǎn)生的電壓的電壓比設(shè)為1: 2。
第六發(fā)明根據(jù)第一至第五發(fā)明提出，其特征在于，所述電壓型逆變器 的控制通過相位差控制來進(jìn)行。
根據(jù)第六發(fā)明，通過利用相位差控制，可以高速且容易地控制圖2及 圖3所示的線圈57的電壓、電流模式和線圈58的電壓、電流模式。
第七發(fā)明根據(jù)第六發(fā)明提出，其特征在于，伴隨著頻率控制。
根據(jù)第七發(fā)明，通過在相位差控制的基礎(chǔ)上，在不招致變壓器53的 磁飽和的范圍改變頻率，可高速且容易地控制線圈57的電壓、電流模式
和線圈58的電壓、電流模式。
第八發(fā)明涉及一種混合電源系統(tǒng)，引擎發(fā)電機(jī)的主電源和能量蓄積裝 置經(jīng)由AC連接雙方向DC—DC轉(zhuǎn)換器被并聯(lián)連接成為同極性，由逆變器 及電動(dòng)機(jī)構(gòu)成的電動(dòng)裝置被所述主電源的電力驅(qū)動(dòng)，其中，
所述AC連接雙方向DC—DC轉(zhuǎn)換器被串聯(lián)連接成兩個(gè)電壓型逆變器 的直流端子成為加極性，所述各電壓型逆變器的多個(gè)交流端子與變壓器連 接，經(jīng)由所述變壓器，所述兩個(gè)電壓型逆變器相互AC連接，所述能量蓄 積裝置在所述AC連接雙方向DC—DC轉(zhuǎn)換器的負(fù)極直流端子側(cè)的電壓型 逆變器的串聯(lián)端子間并聯(lián)連接，在所述AC連接雙方向DC—DC轉(zhuǎn)換器的 高壓側(cè)的直流端子間施加的所述主電源的電壓，被所述各電壓型逆變器分 壓。圖1中，能量蓄積裝置與逆變器51和52雙方連接，但任意一方也可 以是以波動(dòng)吸收為目的的小容量電容器。
根據(jù)第八發(fā)明，如圖1所示，逆變器51的正極直流端子11及逆變器 52的負(fù)極直流端子12串聯(lián)連接，逆變器51的交流端子ml與交流端子m3 經(jīng)由線圈57連接，逆變器52的交流端子nl與交流端子n2經(jīng)由線圈58 連接。因此，逆變器51和逆變器52被AC連接，并且，主電源10的電 壓被逆變器51和逆變器52分壓。
第九發(fā)明根據(jù)第八發(fā)明提出，其特征在于，在控制所述電壓型逆變器 時(shí)，可使用所述變壓器的漏電感。其中，當(dāng)然不只依賴于漏電感，也可以 在外部附加電感。
根據(jù)第九發(fā)明，如圖1所示，在應(yīng)用于混合電源系統(tǒng)3的情況下，通 過變壓器53具有漏電感L，可以在線圈57的漏電感(L/2)及線圈58的 漏電感(L/2)中分別蓄積規(guī)定的電力。
第十發(fā)明根據(jù)第八或第九發(fā)明提出，其特征在于，根據(jù)所述電壓型逆 變器的分壓比，設(shè)定所述變壓器的繞組比。
根據(jù)第十發(fā)明，如圖1所示，在應(yīng)用于混合電源系統(tǒng)3的情況下，例 如通過在所述電壓型逆變器的直流電壓VI及所述電壓型逆變器的直流電 壓V2的電壓比于額定時(shí)為1: 2時(shí)，將線圈57及線圈58的繞組比設(shè)為1: 2，可以將實(shí)現(xiàn)更高效的動(dòng)作。
第十一發(fā)明根據(jù)第八至第十發(fā)明提出，其特征在于，所述電壓型逆變
器的控制通過相位差控制來進(jìn)行。
根據(jù)第十一發(fā)明，如圖2及圖3所示，通過控制相位差，可以高速且
容易地控制線圈57的電壓、電流模式和線圈58的電壓、電流模式。 第十二發(fā)明根據(jù)第十一發(fā)明提出，其特征在于，伴隨著頻率控制。 根據(jù)第十二發(fā)明，通過在相位差控制的基礎(chǔ)上，在不招致變壓器的磁
飽和的范圍改變頻率，可高速且容易地控制線圈57的電壓、電流模式和
線圈58的電壓、電流模式。
第十三發(fā)明將第八至第十二發(fā)明記載的混合電源系統(tǒng)搭載到混合動(dòng)
力車輛中。
根據(jù)第十三發(fā)明，例如圖1所示，通過利用本申請(qǐng)發(fā)明的混合電源系 統(tǒng)3，可以由逆變器51和逆變器52分壓主電源10的龜壓。而且，可以利 用漏電感進(jìn)行副電源側(cè)與主電源側(cè)的電力傳輸。并且，可以根據(jù)逆變器51 和逆變器52的動(dòng)作電壓比，變更變壓器53的繞組比。另外，通過相位差 控制，可高速且容易地控制線圈57和線圈58的電壓、電流模式。
發(fā)明效果
根據(jù)第一發(fā)明及第八發(fā)明，如圖1所示，在應(yīng)用于混合電源系統(tǒng)3的 情況下，由于可以由逆變器51和逆變器52分壓主電源10的電壓V0，所 以，能夠減小各逆變器所使用的半導(dǎo)體開關(guān)元件的額定電壓。而且，通過 應(yīng)用于混合電源系統(tǒng)3，由于電容器55中流動(dòng)的電流被逆變器51和逆變 器52分流，所以，可減小逆變器所使用的半導(dǎo)體開關(guān)元件的額定電流。 基于低電流化，不僅可使變壓器53小型、輕量化，而且可減小制造變壓 器53的成本。
并且，由于幾乎在所有的動(dòng)作狀態(tài)中，逆變器51及逆變器52的半導(dǎo) 體開關(guān)元件的接通時(shí)，在與之反極性連接的逆并聯(lián)二極管中流動(dòng)的狀態(tài)下 進(jìn)行，所以，能夠以零電壓開關(guān)(ZVS: Zero Voltage Switching)、零電 流開關(guān)(ZCS: Zero Current Switching)的狀態(tài)簡(jiǎn)單進(jìn)行接通。結(jié)果，在不 使用特別的機(jī)構(gòu)的情況下可大幅降低開關(guān)損失，所以，能夠提高混合電源 系統(tǒng)3的傳輸效率。
根據(jù)第二發(fā)明及第九發(fā)明，如圖1所示，不僅可以利用漏電感進(jìn)行逆 變器51和逆變器52的電力傳輸，而且通過利用漏電感，使變壓器53本
質(zhì)上存在的漏電感成為適當(dāng)?shù)闹?，可以不在外部設(shè)置附加電感的情況下， 容易地進(jìn)行雙方向電力控制。這里，當(dāng)然不只依賴于漏電感，也可以在外 部附加電感。
根據(jù)第三發(fā)明及第十發(fā)明，如圖1所示，可根據(jù)逆變器51和逆變器
52的分壓比，設(shè)定變壓器53的繞組比。由此，由于能夠任意變更主電源 10的電壓及逆變器51的電容器55的應(yīng)用電壓范圍，所以，可考慮電容器 55的大小及成本進(jìn)行設(shè)計(jì)。
根據(jù)第四發(fā)明及第十一發(fā)明，由于可通過相位差控制進(jìn)行圖2及圖3 所示的電壓、電流模式的控制，所以，能夠高速且容易地進(jìn)行基于AC連 接雙方向DC—DC轉(zhuǎn)換器64的主電源10與電容器55間的電力傳輸。
根據(jù)第五發(fā)明及第十二發(fā)明，由于可高速且容易地控制線圈57的電 壓、電流模式和線圈58的電壓、電流模式，所以，能夠高速且容易地進(jìn) 行基于AC連接雙方向DC—DC轉(zhuǎn)換器的電力傳輸。
根據(jù)第十三發(fā)明，可以使搭載于車輛的混合電源系統(tǒng)小型輕量化、且 低成本化。并且，由于開關(guān)損失小，所以可提高車輛的電力使用效率。


圖1是用于對(duì)利用了本申請(qǐng)發(fā)明的AC連接雙方向DC—DC轉(zhuǎn)換器的
混合電源系統(tǒng)進(jìn)行說明的圖。
圖2是表示力行模式中的AC連接雙方向DC—DC轉(zhuǎn)換器54的電壓
及電流的動(dòng)作的圖。
圖3是表示再生模式中的AC連接雙方向DC—DC轉(zhuǎn)換器54的電壓
及電流的動(dòng)作的圖。
圖4表示力行模式的混合電源系統(tǒng)3的電流流向的一個(gè)例子，是從時(shí)
刻T1到時(shí)刻T的電流路徑圖。
圖5是時(shí)刻t=0之前的混合電源系統(tǒng)3的電流路徑。
圖6是表示從時(shí)刻t=0到時(shí)刻T2之間的混合電源系統(tǒng)3的電流路徑的圖。
圖7是表示從時(shí)刻T2到時(shí)刻Tl的混合電源系統(tǒng)3的電流路徑的圖。 圖8是將兩個(gè)逆變器作為半橋電路的圖。
圖9是將兩個(gè)逆變器作為多相橋接電路時(shí)的圖。 圖10是對(duì)利用帶中心抽頭的變壓器將兩個(gè)逆變器AC連接的實(shí)施例 進(jìn)行說明的圖。
圖11是應(yīng)用了本申請(qǐng)發(fā)明的混合電源的混合電源系統(tǒng)圖。
圖12是用于對(duì)代表性的電動(dòng)汽車混合電源系統(tǒng)進(jìn)行說明的圖。
圖13是利用了 AC連接雙方向DC—DC轉(zhuǎn)換器的混合電源系統(tǒng)的圖。
具體實(shí)施例方式
下面參照附圖，根據(jù)實(shí)施例對(duì)本申請(qǐng)發(fā)明進(jìn)行說明。 實(shí)施例1
圖1是用于對(duì)利用了本申請(qǐng)發(fā)明的AC連接雙方向DC —DC轉(zhuǎn)換器的 混合電源系統(tǒng)進(jìn)行說明的圖。
在該圖1中，混合電源系統(tǒng)3由主電源10和副電源50構(gòu)成。 主電源10經(jīng)由正極線14及負(fù)極線15與副電源50連接。 副電源50由AC連接雙方向DC—DC轉(zhuǎn)換器54和作為能量蓄積裝置 的電容器55 (電壓V1)構(gòu)成。AC連接雙方向DC—DC轉(zhuǎn)換器54由逆變 器51、逆變器52和變壓器53構(gòu)成。其中，也可以取代電容器55，而使
用蓄電器等作為能量蓄積裝置。
逆變器51由四個(gè)半導(dǎo)體開關(guān)元件S1、 Sl、 S2、 S2構(gòu)成。半導(dǎo)體開關(guān) 元件由IGBT及逆并聯(lián)二極管構(gòu)成。圖中，左側(cè)的半導(dǎo)體開關(guān)元件(Sl、 S2)的組及右側(cè)的半導(dǎo)體開關(guān)元件(S2、 Sl)的組分別串聯(lián)連接。
逆變器52由四個(gè)半導(dǎo)體開關(guān)元件S21、 S21、 S22、 S22構(gòu)成。半導(dǎo)體 開關(guān)元件由IGBT及逆并聯(lián)二極管構(gòu)成。圖中，左側(cè)的半導(dǎo)體開關(guān)元件 (S21、 S22)的組及右側(cè)的半導(dǎo)體開關(guān)元件(S22、 S21)的組分別串聯(lián)連 接。
與圖13所示的AC連接雙方向DC—DC轉(zhuǎn)換器44的情況不同，逆變 器51和逆變器52按照逆變器51的正極直流端子11和逆變器52的負(fù)極 直流端子12成為加極性的方式串聯(lián)連接。
逆變器51的正極直流端子11與電容器55的正極連接。而逆變器51 的負(fù)極端子n與電容器55的負(fù)極連接。g卩，逆變器51與電容器55并聯(lián)
連接以成為同極性。
逆變器52的正極端子p與正極線14連接。而逆變器51的負(fù)極端子n 與負(fù)極線15連接。即，AC連接雙方向DC—DC轉(zhuǎn)換器54與主電源10 并聯(lián)連接成同極性。
半導(dǎo)體開關(guān)元件(Sl、 Sl)的組和半導(dǎo)體開關(guān)元件(S2、 S2)的組被 交替接通、斷開。半導(dǎo)體開關(guān)元件(Sl、 SI)及半導(dǎo)體開關(guān)元件(S2、 S2) 的組，在以下說明中被稱為S1臂及S2臂。
半導(dǎo)體開關(guān)元件(S21、 S21)的組和半導(dǎo)體開關(guān)元件(S22、 S22)的 組被交替接通、斷開。半導(dǎo)體開關(guān)元件(S21、 S21 )及半導(dǎo)體開關(guān)元件(S22、 S22)的組，在以下說明中被稱為S21臂及S22臂。
另外，圖1中逆變器52與電容器56 (電壓V2)并聯(lián)連接，但也可以 是以波動(dòng)吸收為目的的小容量電容器。
逆變器51的交流端子ml與交流端子m2經(jīng)由變壓器53的線圈57連 接，逆變器52的交流端子nl與交流端子n2經(jīng)由變壓器53的線圈58連 接。在逆變器51及逆變器52的直流電壓的額定時(shí)電壓大致相等的情況下， 線圈57與線圈58的繞組比如后所述，優(yōu)選為l: 1，但也可以根據(jù)情況任 意變更。
變壓器53具有一定值L的漏電感(圖中被分割成在線圈57側(cè)為L(zhǎng)/2， 在線圈58側(cè)為L(zhǎng)/2)，利用逆變器的高速開關(guān)控制將漏電感中暫時(shí)蓄積的 電力傳輸給副電源50或主電源10。
一般公知的情況是，如果變壓器的初級(jí)線圈(這里為線圈57)與次級(jí) 線圈(這里為線圈58)的間隙寬，則漏電感增加，通常按照極力減小漏電 感的方式，使初級(jí)線圈和次級(jí)線圈密接形成。在本申請(qǐng)發(fā)明中，通過調(diào)整 該初級(jí)線圈與次級(jí)線圈的間隙，來積極地制作本申請(qǐng)發(fā)明的電路所必須的
漏電感。
另外，當(dāng)然也可以不僅僅依賴漏電感，還可以在外部附加電感。這種
情況在其他實(shí)施例中也同樣。
圖1中，將線圈57、 58中產(chǎn)生的電壓設(shè)為線圈電壓vl、 v2，將線圈 57、 58中流動(dòng)的電流設(shè)為線圈電流il、 i2。線圈57與線圈58的繞組比相 同，如果忽視勵(lì)磁電流，則在變壓器53的作用下，電流il與i2大小相同，
且如果il流入線圈57的巻繞初始端(黑色圓圈標(biāo)記)，則i2從線圈58 的巻繞初始端(黑色圓圈標(biāo)記)流出，以抵消il引起的磁通。
接著，在變壓器53的繞組比為1: l的情況下，對(duì)上述構(gòu)成的混合電 源系統(tǒng)3中的動(dòng)作進(jìn)行說明。 (力行模式)
圖2是表示使重負(fù)載時(shí)的力行模式中的AC連接雙方向DC—DC轉(zhuǎn)換 器54動(dòng)作時(shí)，電壓及電流的變化的圖。其中，橫軸是公共時(shí)間軸。 下面，依次說明圖2 (A) (D)所示的動(dòng)作模式。 圖2 (A)是表示線圈57的電壓vl相對(duì)逆變器51的Sl臂和S2臂的 接通、斷開的變化的圖。縱軸是電壓值。圖中，將Sl臂最初接通的時(shí)刻 設(shè)為t二0。
S1臂和S2臂以周期2T交替反復(fù)接通、斷開。Sl臂接通時(shí)，電壓vl 成為電壓V1， S2臂接通時(shí)，電壓V1成為電壓一V1。將時(shí)刻t二0到時(shí)刻 T稱為前半周期，將時(shí)刻T到時(shí)刻2T稱為后半周期。之后，該電壓波形 周期性反復(fù)。
圖2 (B)是表示線圈58的電壓v2相對(duì)逆變器52的S21臂和S22臂 的接通、斷開的變化的圖。縱軸是電壓值。
為了設(shè)定為力行模式，S21臂和S22臂相對(duì)Sl和S2臂延遲規(guī)定時(shí)間 Tl，并以周期2T交替反復(fù)接通、斷開。S21臂接通時(shí)，電壓v2成為電壓 V2， S22臂接通時(shí)，電壓V2成為電壓一V2。之后，周期性重復(fù)該電壓波 形。
圖2 (C)是表示電壓V1大于電壓V2時(shí)的線圈電流il的變化的圖。 縱軸是電流值。
圖2 (C)中，如果在時(shí)刻t-O時(shí)將線圈電壓vl從一Vl切換為Vl，
則漏電感電壓基于半導(dǎo)體開關(guān)元件的作用會(huì)累積對(duì)正極施加電壓VI和電 壓V2。在時(shí)刻t二0時(shí)，作為負(fù)的最大電流值一Il的線圈電流il與時(shí)間一 同急速增加，在時(shí)刻T2變?yōu)榱?，在時(shí)刻T1變?yōu)榫€圈電流I2。
如果利用數(shù)學(xué)式對(duì)其進(jìn)行表示，則從時(shí)刻t=0到時(shí)刻Tl之間的線圈 電流ila為
<formula>formula see original document page 15</formula> (1)
其中，L是漏電感，t是經(jīng)過時(shí)間。電流變化率為(Vl+V2) /L。 VI +V2=V0，主電源10的電壓越高，線圈電流il越急速上升。
接著，如果在時(shí)刻T1時(shí)接通S21臂，則由于基于半導(dǎo)體開關(guān)元件的 作用對(duì)正極累積施加電壓VI和電壓V2，所以，線圈電流il的電流變化 率減小，但線圈電流il增加。在時(shí)刻T，線圈電流il成為正的最大電流 值Il。
如果利用數(shù)學(xué)式對(duì)其進(jìn)行表示，則從時(shí)刻Tl到時(shí)刻T之間的線圈電 流ilb為
<formula>formula see original document page 16</formula>電流變化率為(VI—V2)，由于VPV2，所以ilb的電流變化率為 正。到此為止是前半周期的電流變化。
在時(shí)刻T接通S2臂，線圈電壓vl反轉(zhuǎn)為一V1，開始了后半周期。
在后半周期中，線圈電流il從正的最大值Il變換為負(fù)的最大值一Il。 如果在時(shí)刻t=T線圈電壓vl被從VI切換為一V1 ，則在時(shí)刻T作為正的 最大電流值Il的線圈電流il隨著時(shí)間推移急劇減少，在時(shí)刻T3成為零， 在時(shí)刻T+T1成為線圈電流一12。此時(shí)的電流變化率為一(Vl+V2) /L。
接著，如果在時(shí)刻T+T1接通S22臂，則由于基于半導(dǎo)體開關(guān)元件的 作用，對(duì)負(fù)極差動(dòng)附加電壓VI和電壓V2，所以，線圈電流il的電流變 化率減小，但線圈電流il減少。在時(shí)刻2T，線圈電流il成為負(fù)的最大電 流值一Il。此時(shí)的電流變化率為一 (V1—V2)/L。到此為止是后半周期的 電流變化。
前半周期的電流模式與后半周期的電路模式反對(duì)稱。然后，周期性重 復(fù)該電流模式。
前半周期中的實(shí)際的力行能量是從時(shí)刻t=0到T對(duì)線圈電流il和電 壓V1的積進(jìn)行積分的結(jié)果。具體而言，在圖2 (C)中，正的電流值區(qū)域 和負(fù)的電流值區(qū)域的面積差與電壓VI (—定值)的積，是實(shí)際的力行能
由于電壓及電流模式反對(duì)稱，所以，后半周期中的實(shí)際的力行能量是 與前半周期的實(shí)際的力行能量相同的值。即，在一個(gè)周期中，從副電源50 側(cè)向主電源10側(cè)傳輸前半周期的力行電力的2倍能量。其中，所傳輸?shù)?br> 電力是以時(shí)間T對(duì)該能量進(jìn)行了平均的電力。
圖2 (D)是表示電壓V1小于電壓V2時(shí)的線圈電流il的變化的圖。
在圖2 (D)中，通過在時(shí)刻t=0時(shí)將線圈電壓vl從一V1切換為VI， 使得負(fù)值的線圈電流一Il隨著時(shí)間推移增加，在時(shí)刻T4變?yōu)榱?，在時(shí)刻 T1成為線圈電流I2。電流變化率為(Vl+V2) /L。
接著，如果在時(shí)刻Tl接通S21臂，則線圈電流il以(V1—V2) /L 的負(fù)的電流變化率，到時(shí)刻T為止持續(xù)減少。在時(shí)刻T，線圈電流il成為 正的值Il。到此為止是前半周期T中的電流變化。
在時(shí)刻T接通S2臂，線圈電壓vl從Vl反轉(zhuǎn)為一V1，開始了后半周期。
在后半周期中，線圈電流il從正的值Il經(jīng)過負(fù)的最大值一I2，變化 為負(fù)的值一Il。由于后半周期的電流模式與圖2 (C)的情況基本相同，所 以，省略其說明。另外， 一個(gè)周期的實(shí)際的力行電力可以與圖2 (C)的 情況同樣地計(jì)算。 (再生模式)
在混合電源系統(tǒng)3的情況下，逆變器51與逆變器52在電路中對(duì)稱。 因此，在混合電源系統(tǒng)3中，為了將力行模式變換為再生模式，只需要切 換逆變器51和逆變器52的作用即可。
圖3是表示使重負(fù)載時(shí)的再生模式中的AC連接雙方向DC—DC轉(zhuǎn)換 器54動(dòng)作時(shí)，電壓及電流的變化的圖。其中，橫軸是公共時(shí)間軸。
圖3 (A)是表示線圈58的電壓v2相對(duì)逆變器52的S21臂和S22臂
的接通、斷開的變化的圖。橫軸是電壓值?？v軸為電壓值。
S21臂和S22臂以周期2T交替反復(fù)接通、斷開。圖中，將最初接通 S21臂的時(shí)刻設(shè)為t=0。 S21臂接通時(shí)，電壓v2成為電壓V2， S22臂接 通時(shí)，電壓V2成為電壓一V2。之后，周期性重復(fù)該電壓波形。
圖3 (B)是表示線圈57的電壓vl相對(duì)逆變器51的S1臂和S2臂的 接通、斷開的變化的圖。縱軸是電壓值。
為了設(shè)定為再生模式，Sl臂和S2臂相對(duì)S21和S22臂延遲規(guī)定時(shí)間 Tl，并以周期2T反復(fù)接通、斷開。Sl臂接通時(shí)，電壓vl成為電壓Vl， S2臂接通時(shí)，電壓V1成為電壓一V1。之后，周期性重復(fù)該電壓波形。
圖3 (C)是表示電壓V2大于電壓VI時(shí)的線圈電流i2的變化的圖。 縱軸是電流值。
圖3 (C)中，在時(shí)刻t^0時(shí)將線圈電壓v2從一V2切換為V2。由此， 在時(shí)刻t=0時(shí)，作為負(fù)的最大電流值一Il的線圈電流i2隨著時(shí)間推移急 速增加，在時(shí)刻T2變?yōu)榱?，在時(shí)刻Tl變?yōu)榫€圈電流12。電流變化率為(VI +V2) t/L。
接著，如果在時(shí)刻Tl時(shí)接通Sl臂，則線圈電流i2的電流變化率減 小，但線圈電流i2增加。在時(shí)刻T，線圈電流i2成為正的最大電流值I1。 電流變化率為(V1—V2)/L。到此為止是前半周期的電流變化。
接著，在時(shí)刻T接通S22臂，線圈電壓v2從V2反轉(zhuǎn)為一V2，開始
了后半周期。
在后半周期中，線圈電流i2從正的最大值Il變化為負(fù)的最大值一I1。 由于后半周期的電流模式是與前半周期反對(duì)稱的電流模式，所以省略其說 明。然后，周期性重復(fù)該電流模式。
前半周期中的實(shí)際的再生能量是從時(shí)刻t=0到T對(duì)線圈電流i2和電 壓V2的積進(jìn)行積分的結(jié)果。具體而言，在圖2 (C)中，正的電流值區(qū)域 和負(fù)的電流值區(qū)域的面積差與電壓V2 (固定值)的積，是實(shí)際的再生能
由于電流模式反對(duì)稱，所以，后半周期的實(shí)際的再生能量是與前半周 期的實(shí)際的再生能量相同的值。即，在一個(gè)周期中，從主電源10向副電 源50傳輸前半周期的再生電力的2倍能量。其中，所傳輸?shù)碾娏κ且詴r(shí) 間T對(duì)該能量進(jìn)行了平均的電力。
圖3 (D)是表示電壓V2小于電壓V1時(shí)的線圈電流i2的變化的圖。
在圖3 (D)中，通過將線圈電壓v2從一V2切換為V2，則從時(shí)刻t =0開始使得負(fù)值的線圈電流一Il與時(shí)間一同急劇增加，在時(shí)刻T4變?yōu)?零，在時(shí)刻T1成為線圈電流I2。電流變化率為(Vl+V2) /L。
接著，如果在時(shí)刻T1接通S1臂，則持續(xù)減少至?xí)r刻T。電流變化率 是(V2—VI) /L為負(fù)。在時(shí)刻T，線圈電流il成為正的值Il。到此為止 是前半周期T中的電流變化。
在時(shí)刻T接通S2臂，線圈電壓vl反轉(zhuǎn)為一V1，開始了后半周期。
在后半周期中，線圈電流il從正的值Il變化到負(fù)的值一Il。由于后 半周期是與前半周期反對(duì)稱的電壓及電流模式，所以，省略其說明。另外， 一個(gè)周期的實(shí)際的再生電力可以與圖3 (C)的情況同樣地計(jì)算。
綜上所述，力行及再生的電流模式依賴于周期2T、相位延遲T、電壓 VI、 V2、漏電感L等參數(shù)，通過變更這些參數(shù)，可以使電流模式最佳化。 例如在將逆變器51與逆變器52的相位差設(shè)為90度時(shí)，可以傳輸最大電 力。
在上述電壓波形及電流模式的情況下，通過以一定的頻率改變相位差 來進(jìn)行控制，但在相位差控制的基礎(chǔ)上，還可以在不招致變壓器的磁飽和 的范圍中改變頻率，來控制傳輸電力。由此，能夠高速且容易地進(jìn)行AC 連接雙方向DC—DC轉(zhuǎn)換器的控制。
通過利用AC連接雙方向DC—DC轉(zhuǎn)換器54，可以解決現(xiàn)有問題(1 ) (3)。以下對(duì)其進(jìn)行說明。 (低電流化)
在利用了 AC連接雙方向DC—DC轉(zhuǎn)換器54的混合電源系統(tǒng)3中， 從電容器55流出的電流被逆變器51和逆變器52分流。
圖4是表示力行模式的混合電源系統(tǒng)3的電流流動(dòng)的一個(gè)例子(從圖 2的時(shí)刻T1到T的期間的狀態(tài))的圖。實(shí)線是電流路徑，虛線是切斷路 徑。
圖4中，在從電容器55流出的大電流iD流向AC連接雙方向DC— DC轉(zhuǎn)換器54側(cè)時(shí)，在橋接連接點(diǎn)II處被分流到逆變器51側(cè)和逆變器52 側(cè)。即，在逆變器51中接通S1臂的IGBT，電流iDl經(jīng)由線圈57流向電 容器55的負(fù)極側(cè)。另一方面，在逆變器52中接通了 S21臂的二極管，經(jīng) 由線圈58流動(dòng)電流iD2。
通過繞組比為l: l的變壓器53的作用，兩繞組的電流若忽視勵(lì)磁電 流則相等，因此，逆變器51中流動(dòng)的電流iDl與逆變器52中流動(dòng)的電流 iD2相等。g卩，在設(shè)從電容器55流出的電流iD為600A時(shí)，分別向逆變 器51和逆變器52側(cè)分流300A的電流。
另一方面，在再生模式中，主電源10側(cè)的電流流入到電容器55側(cè)， 但從圖3的時(shí)刻T1到T的期間，S21的IGBT及S2的二極管導(dǎo)通，只有
圖4的電流方向改變。即，逆變器52的電流iD2及逆變器51分流的電流 iDl在連接點(diǎn)II處合流，從而大電流iD流向電容器55側(cè)。
通過繞組比為1: 1的變壓器53的作用，兩繞組的電流若忽視勵(lì)磁電 流則相等，因此，逆變器51中流動(dòng)的電流iDl與逆變器52中流動(dòng)的電流 iD2相等。即，從主電源10流出300A的電流的情況下，逆變器52側(cè)當(dāng) 然成為300A的電流，逆變器51中流動(dòng)的電流也為300A，向電容器55流 入600A的電流。
綜上所述，在本申請(qǐng)發(fā)明的混合電源系統(tǒng)3的情況下，由于電容器55 中流動(dòng)的電流被逆變器51和逆變器52分流，所以，可以使各逆變器所使 用的半導(dǎo)體開關(guān)元件的額定電流為一半。并且，基于低電流化可以使變壓 器53小型、輕量化，且在繞組比為l: l的情況下，可容易地制造變壓器 53，并能夠降低成本。 (低電壓化)
在利用了 AC連接雙方向DC—DC轉(zhuǎn)換器54的混合電源系統(tǒng)3中， 主電源10側(cè)的高電壓被逆變器51和逆變器52分壓。
圖1中，對(duì)逆變器51施加的電壓，和與逆變器51的直流正極端子及 負(fù)極端子連接的電容器55的電壓V1相等。另外，對(duì)逆變器52施加的電 壓V2是逆變器52的直流負(fù)極端子與主電源10的正極側(cè)的電位差，為V2 =V0—VI。例如，若將逆變器51的電位差設(shè)為V0/2，則逆變器52的電 位差也為V0/2。該情況下，優(yōu)選使逆變器51與逆變器52的元件的額定電 壓相同。
在上述實(shí)施例中，將變壓器的線圈57與線圈58的繞組比設(shè)為1: 1， 但可以變更線圈繞組比。由此，可以變更逆變器51的電容器55的應(yīng)用電 壓范圍。例如，在將線圈57與線圈58的繞組比設(shè)為1: 2的情況下，線 圈57與線圈58中產(chǎn)生的電壓比為1: 2。因此，優(yōu)選使電容器55的電壓 VI為主電源10的電壓的三分之一。例如在主電源10的電壓VO為600V 的情況下，可以將逆變器51的額定電壓設(shè)為200V左右，使電容器55以 200V左右的低電壓動(dòng)作。低電壓的電容器具有小型、輕量、低成本的優(yōu) 點(diǎn)。其中，逆變器52的額定電壓稍微高為400V左右。
綜上所述，在本申請(qǐng)發(fā)明的混合電源系統(tǒng)3的情況下，由于可通過逆
變器51和逆變器52對(duì)主電源10的電壓進(jìn)行分壓，所以，能夠減小各逆 變器中使用的元件的額定電壓。而且，可以變更逆變器51的電容器的應(yīng) 用電壓范圍。
(低開關(guān)損失)
在利用了 AC連接雙方向DC—DC轉(zhuǎn)換器54的混合電源系統(tǒng)3中， 半導(dǎo)體開關(guān)元件的接通能夠以零電壓、零電流進(jìn)行(軟開關(guān)(soft switching))。
下面利用圖5 圖7，對(duì)混合電源系統(tǒng)3的軟開關(guān)動(dòng)作進(jìn)行說明。 圖5是時(shí)刻t=0之前的混合電源系統(tǒng)3的電流路徑。此時(shí)，S2臂和 S22臂接通(參照?qǐng)D2 (A) 、 (B))。實(shí)線是電流路徑，虛線是切斷路徑。
從電容器55側(cè)流出的電流iD在連接點(diǎn)II處分流，電流iDl流向逆變 器51側(cè)，電流iD2流向逆變器52側(cè)。
圖6是表示從時(shí)刻t^O到時(shí)刻T2之間的混合電源系統(tǒng)3的電流路徑 的圖。此時(shí)，S1臂和S22臂接通(參照?qǐng)D2 (A) 、 (B))。
在時(shí)刻t二0時(shí)，S2臂的IGBT斷開，S1臂的IGBT接通，但變壓器 53的漏電感中流動(dòng)的電流不能夠瞬間變化，電流的方向不改變。因此，如 果利用S2臂切斷電流，則該電流轉(zhuǎn)流到S1臂的逆并聯(lián)二極管。由此，由 于當(dāng)Sl臂的IGBT接通時(shí)在IGBT中不流動(dòng)電流，并聯(lián)連接的逆并聯(lián)二極 管導(dǎo)通，所以，電壓被箝位在二極管的正向電壓降量，成為所謂的零電壓 開關(guān)(ZVS)、零電流幵關(guān)(ZCS)，不發(fā)生開關(guān)損失。其中，由于逆變 器51的直流電流iDl為負(fù)，與極性不變化的逆變器52的直流電流iD2大 小相同，所以，該期間在電容器55中不流動(dòng)電流。
接著，線圈電流il在時(shí)刻T2變?yōu)榱?參照?qǐng)D2 (C))，線圈電流il 的極性反轉(zhuǎn)，開始在S1臂的IGBT中流動(dòng)電流，但由于在時(shí)刻t二0時(shí)， S1臂的IGBT接通，所以，該時(shí)刻不發(fā)生開關(guān)損失。同樣的動(dòng)作也在S22 臂中進(jìn)行。
圖7是表示Sl臂的IGBT導(dǎo)通后的混合電源系統(tǒng)3的電流路徑的圖。 由于逆變器52的電流也極性反轉(zhuǎn)，所以，該期間中繼續(xù)在電容器55中不 流動(dòng)電流。直到時(shí)刻T1， S1臂和S22臂的IGBT接通。在時(shí)刻T1，進(jìn)行
S22的斷開及Sl的接通，與Sl的接通同樣，成為零接通損失，變?yōu)閳D4 的狀態(tài)，持續(xù)到時(shí)刻T。
在上述說明中，對(duì)時(shí)刻t二O到時(shí)刻T之間的Sl臂及S2臂的軟開關(guān) 動(dòng)作進(jìn)行了說明。同樣，在圖2的時(shí)刻T到時(shí)刻T+T1中，也進(jìn)行上述軟 開關(guān)。然后，雖然具有前半周期及后半周期的差別，但反復(fù)進(jìn)行圖4 圖 7的動(dòng)作。 -
綜上所述，在利用了漏電感的混合電源系統(tǒng)3的情況下，能夠在不使 用輔助電路的情況下簡(jiǎn)單地進(jìn)行軟開關(guān)控制。由此，由于可以大幅降低開 關(guān)損失，所以，可提高混合電源系統(tǒng)3的傳輸效率。
實(shí)施例2
圖8是在AC連接雙方向DC—DC轉(zhuǎn)換器中，將兩個(gè)逆變器作為半橋 電路的圖。在該圖8中，帶有與圖1相同符號(hào)的部件是功能相同或等同的 部件。另外，為了方便起見，以組入到混合電源系統(tǒng)的形式進(jìn)行說明。
圖8中，AC連接雙方向DC—DC轉(zhuǎn)換器64由逆變器51和逆變器52 構(gòu)成，其中，逆變器51由半導(dǎo)體幵關(guān)元件S1、 S2構(gòu)成，逆變器52由半 導(dǎo)體開關(guān)元件S21、 S22構(gòu)成。
在AC連接雙方向DC—DC轉(zhuǎn)換器64的情況下，逆變器51的正極直 流端子11和逆變器52的負(fù)極直流端子12以加極性方式串聯(lián)連接。逆變器 51被并聯(lián)連接成與串聯(lián)連接了電容器55a和電容器55b的組成為同極性。 同樣，逆變器52被并聯(lián)連接成與串聯(lián)連接了電容器56a和56b的組成同 極性。
電容器55a和電容器55b分別為Vl/2，逆變器51的正極側(cè)與負(fù)極側(cè) 的電位差為V1。另外，電容器56a和電容器56b分別為V2/2，逆變器52 的正極側(cè)與負(fù)極側(cè)的電位差為V2。逆變器52的正極側(cè)與主電源10的正 極連接，逆變器51的負(fù)極側(cè)與主電源10的負(fù)極連接。即，AC連接雙方 向DC—DC轉(zhuǎn)換器64被并聯(lián)連接成與主電源10成為同極性。
逆變器51的交流端子ml和交流端子m2經(jīng)由變壓器53的線圈57連 接，逆變器52側(cè)的交流端子nl與交流端子n2經(jīng)由變壓器53的線圈58 連接。在電壓VI與電壓V2相等的情況下，優(yōu)選線圈57與線圈58的繞 組比為l: 1，也可以根據(jù)電壓V1及電壓V2的比率來對(duì)應(yīng)設(shè)置繞組比。
利用上述結(jié)構(gòu)的AC連接雙方向DC—DC轉(zhuǎn)換器64，可以獲得與AC 連接雙方向DC—DC轉(zhuǎn)換器54同樣的功能。 實(shí)施例3
圖9是在AC連接雙方向DC—DC轉(zhuǎn)換器中，將兩個(gè)逆變器形成為多 相橋接連接時(shí)的圖。其中，下面將對(duì)三相橋接連接的情況進(jìn)行說明。另外， 由于向電容器55及主電源10的連接與實(shí)施例1基本相同，所以以下僅說 明與實(shí)施例1的不同之處。
圖9中，AC連接雙方向DC—DC轉(zhuǎn)換器74由逆變器51和逆變器52 構(gòu)成，其中，逆變器51由半導(dǎo)體開關(guān)元件S1、 S2、 S3、 S4、 S5、 S6構(gòu)成， 逆變器52由半導(dǎo)體開關(guān)元件S21、 S22、 S23、 S24、 S25、 S26構(gòu)成。
逆變器51是半導(dǎo)體開關(guān)元件(Sl、 S2) 、 (S3、 S4) 、 (S5、 S6) 這三組中的元件分別串聯(lián)連接，且這三組并聯(lián)連接的結(jié)構(gòu)。逆變器52是 半導(dǎo)體開關(guān)元件(S2K S22) 、 (S23、 S24) 、 (S25、 S26)這三組中的 元件分別串聯(lián)連接，且這三組并聯(lián)連接的結(jié)構(gòu)。
AC連接雙方向DC—DC轉(zhuǎn)換器74中，逆變器51的正極直流端子11 和逆變器52的負(fù)極直流端子12以加極性串聯(lián)連接。
逆變器51側(cè)的交流端子ml、交流端子m2和交流端子m3通過變壓 器53的線圈57連接，逆變器52側(cè)的交流端子nl、交流端子n2和交流端 子n3通過變壓器53的線圈58連接。由此，能夠以三相AC連接逆變器 51和逆變器52。
并且，為了使AC連接為多相，則只要形成增加了橋接電路的臂數(shù)的 結(jié)構(gòu)即可。
利用上述結(jié)構(gòu)的AC連接雙方向DC—DC轉(zhuǎn)換器74，也可以獲得與 AC連接雙方向DC—DC轉(zhuǎn)換器54同樣的性能。 實(shí)施例4
圖10是在AC連接雙方向:DC—DC轉(zhuǎn)換器中，對(duì)利用帶中心抽頭 (center tap)的變壓器使兩個(gè)逆變器AC連接的實(shí)施例進(jìn)行說明的圖。 在該圖10中，AC連接雙方向DC—DC轉(zhuǎn)換器84由逆變器51和逆 變器52構(gòu)成，其中，逆變器51由半導(dǎo)體開關(guān)元件S1、 S2構(gòu)成，逆變器 52由半導(dǎo)體開關(guān)元件S21、 S22構(gòu)成。
逆變器51是被并聯(lián)連接成半導(dǎo)體開關(guān)元件S1、S2成為同極性的結(jié)構(gòu)。 逆變器52是被并聯(lián)連接成半導(dǎo)體開關(guān)元件S21、 S22成為同極性的結(jié)構(gòu)。
逆變器51的半導(dǎo)體開關(guān)元件Sl的正極端子pl與變壓器73的線圈端 子ql連接，半導(dǎo)體開關(guān)元件S2的正極端子p2與線圈端子q2連接。逆變 器51的負(fù)極側(cè)的直流端子p3與電容器55及主電源10的負(fù)極側(cè)連接。電 容器55的正極側(cè)與變壓器73的繞組77的中心抽頭zl連接。
逆變器52側(cè)的半導(dǎo)體開關(guān)元件S21的負(fù)極端子d與變壓器73的線 圈端子sl連接，半導(dǎo)體開關(guān)元件S22的負(fù)極端子r2與線圈端子s2連接。 逆變器52的正極側(cè)的直流端子r3與主電源10的正極側(cè)連接。
綜上所述，在圖10中，變壓器73的線圈77和線圈78的中心抽頭zl 及z2與實(shí)施例1 3中的11及12對(duì)應(yīng)，被串聯(lián)連接成逆變器51與逆變器 52成為加極性。
利用上述構(gòu)成的AC連接雙方向DC—DC轉(zhuǎn)換器74，也可以獲得與 AC連接雙方向DC—DC轉(zhuǎn)換器54同樣的性能。
以上對(duì)本申請(qǐng)發(fā)明的AC連接雙方向DC—DC轉(zhuǎn)換器及利用了該轉(zhuǎn)換 器的混合電源系統(tǒng)進(jìn)行了說明。
在上述的實(shí)施例中，采用IGBT用于AC連接雙方向DC—DC轉(zhuǎn)換器， 但也可使用BJT、 MOSFET、 GTO等高速半導(dǎo)體開關(guān)元件。
本申請(qǐng)發(fā)明的混合電源可應(yīng)用于車輛中。
圖11表示應(yīng)用了本申請(qǐng)發(fā)明的混合電源的混合電源系統(tǒng)。由于其構(gòu) 成基本與現(xiàn)有技術(shù)所說明的圖12相同，所以省略對(duì)其進(jìn)行說明。
在利用了本申請(qǐng)發(fā)明的混合電源系統(tǒng)的車輛的情況下，可使混合電源 系統(tǒng)小型輕量、低成本化，并且由于開關(guān)損失小，所以可提高車輛的電力
使用效率。
工業(yè)上的可利用性
利用了本發(fā)明的AC連接雙方向DC—DC轉(zhuǎn)換器的混合電源系統(tǒng)，可 作為電力可逆升壓裝置應(yīng)用到需要較大電力的電力裝置中。
權(quán)利要求
1、一種AC連接雙方向DC-DC轉(zhuǎn)換器，被串聯(lián)連接成兩個(gè)電壓型逆變器的直流端子成為加極性，所述各電壓型逆變器的多個(gè)交流端子與變壓器連接，經(jīng)由所述變壓器將所述兩個(gè)電壓型逆變器相互AC連接，在所述AC連接雙方向DC-DC轉(zhuǎn)換器的直流端子間施加的外部電壓，被所述各電壓型逆變器分壓。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的AC連接雙方向DC—DC轉(zhuǎn)換器，其特征 在于，基于所述各電壓型逆變器的分壓，將一方的電壓型逆變器的正極直流 端子與另一方的電壓型逆變器的負(fù)極直流端子連接。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的AC連接雙方向DC—DC轉(zhuǎn)換器，其 特征在于，在控制所述電壓型逆變器時(shí)，使用所述變壓器的漏電感。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的AC連接雙方向DC—DC轉(zhuǎn)換器，其特征 在于，所述變壓器的漏電感，通過調(diào)整所述變壓器的初級(jí)線圈與次級(jí)線圈的 間隙而制成。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1 4中任意一項(xiàng)所述的AC連接雙方向DC—DC轉(zhuǎn) 換器，其特征在于，根據(jù)所述電壓型逆變器的分壓比，設(shè)定所述變壓器的繞組比。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1 5中任意一項(xiàng)所述的AC連接雙方向DC—DC轉(zhuǎn) 換器，其特征在于，所述電壓型逆變器的控制通過相位差控制來進(jìn)行。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的AC連接雙方向DC—DC轉(zhuǎn)換器，其特征在于，所述電壓型逆變器的控制伴隨著頻率控制。
8、 一種混合電源系統(tǒng)，引擎發(fā)電機(jī)的主電源和能量蓄積裝置經(jīng)由AC 連接雙方向DC—DC轉(zhuǎn)換器被并聯(lián)連接成為同極性，由逆變器及電動(dòng)機(jī)構(gòu) 成的電動(dòng)裝置被所述主電源的電力驅(qū)動(dòng)，其中， 所述AC連接雙方向DC—DC轉(zhuǎn)換器被串聯(lián)連接成兩個(gè)電壓型逆變器 的直流端子成為加極性，所述各電壓型逆變器的多個(gè)交流端子與變壓器連 接，經(jīng)由所述變壓器將所述兩個(gè)電壓型逆變器相互AC連接，所述能量蓄 積裝置在所述AC連接雙方向DC—DC轉(zhuǎn)換器的負(fù)極直流端子側(cè)的電壓型 逆變器的串聯(lián)端子間并聯(lián)連接，在所述AC連接雙方向DC—DC轉(zhuǎn)換器的 高壓側(cè)的直流端子間施加的所述主電源的電壓，被所述各電壓型逆變器分 壓。
9、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的混合電源系統(tǒng)，其特征在于， 在控制所述電壓型逆變器時(shí)，使用所述變壓器的漏電感。
10、 根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的AC連接雙方向DC—DC轉(zhuǎn)換器，其 特征在于，根據(jù)所述電壓型逆變器的分壓比，設(shè)定所述變壓器的繞組比。
11、 根據(jù)權(quán)利要求8 10中任意一項(xiàng)所述的混合電源系統(tǒng)，其特征在 于，所述電壓型逆變器的控制通過相位差控制來進(jìn)行。
12、 根據(jù)權(quán)利要求ll所述的混合電源系統(tǒng)，其特征在于， 所述電壓型逆變器的控制伴隨著頻率控制。
13、 一種混合動(dòng)力車輛，搭載有權(quán)利要求8 12中任意一項(xiàng)所述的混 合電源系統(tǒng)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種AC連接型升壓裝置，兩組的電壓型逆變器的直流端子被串聯(lián)連接成為加極性，所述各電壓型逆變器的多個(gè)交流端子與變壓器連接，經(jīng)由所述變壓器將所述兩個(gè)電壓型逆變器相互AC連接，其中，在所述AC連接雙方向DC-DC轉(zhuǎn)換器的直流端子間施加的外部電壓，被所述各電壓型逆變器分壓。
文檔編號(hào)H02M3/28GK101361254SQ200680051580
公開日2009年2月4日 申請(qǐng)日期2006年11月22日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月24日
發(fā)明者茂木淳, 飯?zhí)锟硕?申請(qǐng)人:株式會(huì)社小松制作所