多级转换器系统的制作方法
【专利摘要】本发明呈现一种功率转换器。该功率转换器包括至少一个臂，该至少一个臂包括第一串，其中该第一串包括多个可控半导体开关、第一连接节点和第二连接节点，并且其中该第一串跨第一总线和第二总线而操作地耦合。此外，该至少一个臂包括第二串，其经由第一连接节点和第二连接节点而操作地耦合于第一串，其中该第二串包括多个开关单元。还呈现功率转换的方法。
【专利说明】多级转换器系统
【技术领域】
[0001]本发明大体上涉及功率转换器并且更具体地涉及多级转换器。
【背景技术】
[0002]近几十年来，功率转换的领域已经由于它在马达驱动器、可再生能量系统、高压直流(HVDC)系统及诸如此类中即将出现的优势而极大地发展。多级转换器作为各种中和高压应用的有前途的功率转换技术而出现。
[0003]多级转换器提供优于普通的二级转换器的若干优势。例如，多级转换器的电力质量比二级转换器的要好。而且，多级转换器对于电网与例如光电池(PV)、燃料电池、风力涡轮及诸如此类的可再生能源之间的接口是理想的。另外，多级转换器的效率由于它的最小开关频率而相对更高。
[0004]近来，已经设计具有模块化结构并且没有变压器的多级转换器。转换器的模块化结构允许这些转换器堆叠成几乎无限数量的等级。而且，模块化结构有助于放大不同的功率和电压等级。然而，某些当前可用的多级转换器(例如模块化多级转换器(MMC))典型地采用大量完全可控半导体开关，例如绝缘栅双极晶体管(IGBT)。
【发明内容】
[0005]根据本公开的方面，呈现一种功率转换器。该功率转换器包括至少一个臂。该至少一个臂包括第一串，其包括多个可控半导体开关、第一连接节点和第二连接节点，其中该第一串跨第一总线和第二总线而操作地耦合。此外，该至少一个臂包括第二串，其经由第一连接节点和第二连接节点而操作地耦合于第一串，其中该第二串包括多个开关单元。
[0006]根据本公开的另一个方面，呈现一种功率转换的方法。该方法包括使第一串耦合于第二串来形成功率转换器，其中该第一串包括多个可控半导体开关并且该第二串包括多个开关单元。而且，该方法包括基于在功率转换器的第一端子处输入的第一线路参数而生成该多个可控半导体开关以及多个开关单元的开关模式。此外，该方法包括基于生成的开关模式而选择性地开关多个可控半导体开关和多个开关单元。该方法还包括基于多个可控半导体开关和多个开关单元的选择性开关而在功率转换器的第二端子处生成第二线路参数。
[0007]根据本公开的再另一个方面，呈现一种功率转换的系统。该系统包括电源、负载和第一功率转换器。该第一功率转换器包括一个或多个臂，其中该一个或多个臂中的每个包括第一串，其中该第一串包括多个可控半导体开关、第一连接节点、第二连接节点和第三连接节点，并且其中该第一串跨第一总线和第二总线而操作地耦合。而且，一个或多个臂中的每个包括经由第一连接节点和第二连接节点而操作地耦合于第一串的第二串，其中该第二串包括多个开关单元。此外，该系统包括控制器，其配置成控制多个可控半导体开关和多个开关单元的开关。
[0008]根据本公开的再另一个方面，呈现一种功率转换的系统。该系统包括电源、负载和第一功率转换器。该第一功率转换器包括一个或多个臂，其中该一个或多个臂中的每个包括第一串，其操作地耦合于第一总线与第二总线之间，其中该第一串包括多个可控半导体开关、第一连接节点、第二连接节点和第三连接节点，并且其中一个或多个臂的第三连接节点操作地耦合于彼此。而且，一个或多个臂中的每个包括经由第一连接节点和第二连接节点而操作地耦合于第一串的第二串，其中该第二串包括多个开关单元。此外，该系统包括控制器，其配置成控制多个可控半导体开关和多个开关单元的开关。
[0009]提供一种功率转换器，其包括:
至少一个臂，所述至少一个臂包括:
第一串，其包括多个可控半导体开关、第一连接节点和第二连接节点，其中所述第一串跨第一总线和第二总线而操作地耦合；以及
第二串，其经由所述第一连接节点和所述第二连接节点而操作地耦合于所述第一串，其中所述第二串包括多个开关单元。
[0010]优选的，所述多个开关单元包括多个完全可控半导体开关和至少一个能量存储装置。
[0011]优选的，所述多个完全可控半导体开关包括绝缘栅双极晶体管、金属氧化物半导体场效应晶体管、场效应晶体管、栅极可关断晶闸管、绝缘栅极换向晶闸管、注入增强栅极晶体管、基于碳化硅的开关、基于氮化镓的开关、基于砷化镓的开关或其组合。
[0012]优选的，所述第一总线包括正直流总线并且所述第二总线包括负直流总线。
[0013]优选的，所述第一串包括第一支路和第二支路，并且其中所述第二支路经由第三连接节点而操作地耦合于所述第一支路。
[0014]优选的，所述第三连接节点操作地耦合于第三总线。
[0015]优选的，所述第三总线包括直流总线。
[0016]优选的，所述第二串包括第一部分和第二部分。
[0017]优选的，所述第二串的所述第一和第二部分操作地耦合于第四总线。
[0018]优选的，所述第四总线包括交流相。
[0019]优选的，所述多个可控半导体开关包括部分可控半导体开关、完全可控半导体开关或其组合。
[0020]提供一种功率转换的方法，其包括:
使第一串耦合于第二串来形成功率转换器，其中所述第一串包括多个可控半导体开关并且所述第二串包括多个开关单元；
基于在所述功率转换器的第一端子处输入的第一线路参数而生成所述多个可控半导体开关以及所述多个开关单元的开关模式；
基于生成的开关模式而选择性地开关所述多个可控半导体开关和所述多个开关单元；
以及
基于所述多个可控半导体开关和所述多个开关单元的选择性开关而在所述功率转换器的第二端子处生成第二线路参数。
[0021]优选的，所述第一线路参数和所述第二线路参数包括交流电压、直流电压或其组
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[0022]优选的，选择性地开关所述多个可控半导体开关包括使所述第二串操作地耦合于第一总线与第二总线之间。
[0023]优选的，选择性地开关所述多个可控半导体开关包括使所述第二串操作地耦合于第二总线与第三总线之间。
[0024]优选的，选择性地开关所述多个可控半导体开关包括使所述第二串的两端操作地耦合来形成续流路径。
[0025]优选的，在所述功率转换器的第二端子处生成所述第二线路参数包括相对于第三总线生成正弦电压。
[0026]提供一种功率转换的系统，其包括:
电源；
负载；
第一功率转换器，所述第一功率转换器包括:
一个或多个臂，其中所述一个或多个臂中的每个包括:
第一串，其包括多个可控半导体开关、第一连接节点、第二连接节点和第三连接节点，其中所述第一串跨第一总线和第二总线而操作地耦合；
第二串，其经由所述第一连接节点和所述第二连接节点而操作地耦合于所述第一串，其中所述第二串包括多个开关单元；以及
控制器，其配置成控制所述多个可控半导体开关和所述多个开关单元的开关。
[0027]优选的，所述负载包括电网、电气设备或其组合。
[0028]优选的，所述系统进一步包括第二功率转换器，所述第二功率转换器采用背靠背功率转换器配置而操作地耦合于第一功率转换器。
[0029]优选的，所述控制器进一步配置成调节在线周期期间存储在所述第二串中的能量。
[0030]优选的，所述多个开关单元包括半桥转换器、全桥转换器或其组合。
[0031]提供一种功率转换的系统，其包括:
电源；
负载；
第一功率转换器，所述第一功率转换器包括:
一个或多个臂，其中所述一个或多个臂中的每个包括:
第一串，其操作地耦合于第一总线与第二总线之间，其中所述第一串包括多个可控半导体开关、第一连接节点、第二连接节点和第三连接节点，并且其中所述一个或多个臂的第三连接节点操作地耦合于彼此；
第二串，其经由所述第一连接节点和所述第二连接节点而操作地耦合于所述第一串，其中所述第二串包括多个开关单元；以及；
控制器，其配置成控制所述多个可控半导体开关和所述多个开关单元的开关。
[0032]优选的，所述一个或多个臂的第三连接节点操作地耦合于第三总线。
【专利附图】
【附图说明】
[0033]图1是功率转换的系统的图示；
图2是常规模块化多级转换器的图示； 图3是根据本公开的方面在图1的系统中使用的功率转换器的一部分的示范性实施例的图示；
图4是根据本公开的方面用于在图3的功率转换器的部分中使用的开关单元的示范性实施例的图示；
图5 (a)-5 (c)是根据本公开的方面在图3的功率转换器中的可控半导体开关的示范性开关模式的图示；
图6是根据本公开的方面用于在图1的系统中使用的三相功率转换器的示范性实施例的图示；
图7是根据本公开的方面用于在图1的系统中使用的三相背靠背功率转换器的示范性实施例的图示；
图8是根据本公开的方面代表对于功率转换的示范性方法的流程图；以及图9是对应于一个线周期中三个相位的不同状态、用于在图6和7的系统中使用的电压波形的图示。
【具体实施方式】
[0034]除非另外限定，本文使用的技术和科学术语具有与由本公开所属的领域内技术人员之一所通常理解的相同的含义。如本文使用的术语“第一”、“第二”及诸如此类不指示任何顺序、数量或重要性，相反用于将要素彼此区别开来。同样，术语“一(a)”和“一(an)”不指示数量的限制，相反指示存在引用项中的至少一个。术语“或”意指为包括性的并且表示列出项中的一个、一些或全部。“包含”、“包括”或“具有”及其变化形式在本文的使用意指包含之后列出的项和其等同物以及另外的项。术语“连接”和“耦合”不限于物理或机械连接或耦合，并且可以包括电连接或耦合(无论是直接还是间接的)。此外，术语“电路”和“回路(circuitry)”和“控制器”可包括单个组件或多个组件，其是有源和/或无源的并且连接或用别的方式耦合在一起来提供描述的功能。
[0035]如将在下文详细描述的，呈现功率转换的示范性系统和功率转换的方法的各种实施例。通过采用下文描述的功率转换器和功率转换的方法，提供多级转换器。在一个示例中，功率转换器可包括模块化多级嵌入式转换器。如本文使用的术语多级转换器用于指以非常低的失真将一个形式的输入电压/电流转换成另一个形式的输出电压/电流的转换器。
[0036]现在转向图，通过图1中的示例，描绘用于转换功率的系统100。在一个实施例中，用于转换功率的系统100可包括源102、功率转换器104和电网/公用事业/负载106。如本文使用的术语源用于指可再生电源、非可再生电源、发电机、电网及诸如此类。而且，如本文使用的术语负载可用于指电网、电气设备及诸如此类。另外，功率转换器104可以是多级转换器。在一个实施例中，源102可操作地稱合于功率转换器104的第一端子(未不出)。功率转换器104的第二端子(未示出)可操作地耦合于负载106。该第一端子和第二端子可备选地作为功率转换器104的输入端子或输出端子而被采用。如本文使用的术语操作地耦合可包括有线耦合、无线耦合、电耦合、磁耦合、无线电通信、基于软件的通信及诸如此类。
[0037]而且，系统100可包括控制器108。在一个实施例中，控制器108可配置成控制功率转换器104的操作。通过示例，控制器108可配置成通过控制功率转换器104的多个半导体开关的开关而控制功率转换器104的操作。此外，在一个实施例中，系统100还可包括其他电路组件(未示出)，例如但不限于，变压器、断路器、电感器、补偿器、电容器、整流器、电抗器、滤波器及诸如此类。将关于图6和7更详细地解释功率转换器104。
[0038]现在参考图2，描绘常规功率转换器200的图示。在图2的示例中，功率转换器200是具有三个支路202的模块化多级转换器。此外，每个支路202包括第一部分206，其经由电感器210而操作地耦合于第二部分208。电感器210操作地耦合于至少一个交流(AC)相(A、B和C)。此外，第一部分206和第二部分208可包括多个开关单元204，其中每个开关单元包括两个完全可控的半导体开关和例如电容器的能量存储装置的组合。多个开关单元204彼此串联连接。
[0039]此外，三个支路202中的每个的第一端212操作地耦合于第一总线214，例如正直流(DC)总线。相似地，三个支路202中的每个的第二端216操作地耦合于第二总线218，例如负DC总线。第一端子由第一总线214和第二总线218的组合而形成并且第二端子由AC相A、B和C的组合而形成。
[0040]此外，相对于虚拟接地参考点N，第一总线214处的电压是+Vd。并且第二总线218处的电压是一Vdc。而且，交流相A、B和C处的电压分别由Va、Vb和V。表示。
[0041]在图2的实施例中，在任何时刻，支路202耦合于第一总线214与第二总线218之间。因此，支路202可必须处理跨第一总线214和第二总线218而出现的全DC电压(2Vdc)。而且，为了控制功率转换器200，支路202的第一部分206和第二部分208可每个必须经受2Vd。的最大电压。因此，需要的开关单元数量和/或需要的开关单元的额定值增加。通过示例，在图2中，开关单元中的每个的额定值是ZVdcZN1，其中N1是第一和第二部分206、208中的每个中的开关单元的数量。因此，支路202中的每个开关单元的额定值是4Vde/N，其中N是支路202中的开关单元的数量并且N=2Nlt)例如，如果假设跨支路202中的开关单元204中的每个的电压是一伏，并且如果Vd。是8伏，则跨支路202的电压是16伏。因此，对支路202的第一和第二部分206、208中的每个所需要的开关单元的数量是16。因此，对于给定支路202的开关单元的总数量是32。因此，对于具有规定的额定电压的开关单元，当跨第一总线214和第二总线218的电压增加时，支路202中需要的开关单元的数量也增加。这导致功率转换器中更高数量的完全可控半导体开关，由此使系统的成本和复杂性增加。此外，跨第一总线214和第二总线218的电压增加也使支路202中采用的开关单元204的额定值增加。
[0042]如在上文指出的，常规的模块化多级转换器(MMC)需要增加数量的开关单元，由此导致成本和复杂性增加。根据本公开的方面，呈现防止常规MMC的缺点的功率转换器。
[0043]现在转向图3，描绘功率转换器(例如图1的功率转换器104)的一部分的示范性实施例的图示300。特别地，在图3的实施例中描绘功率转换器的臂300。功率转换器的臂300可包括第一串302和第二串304。更特定地，第一串302可操作地耦合于第二串304来形成臂300。此外,第一串302可操作地稱合于第一总线306与第二总线308之间。在一个实施例中，第一总线306可包括正DC总线并且第二总线308可包括负DC总线。第二串304可经由第一连接节点310和第二连接节点312而操作地耦合于第一串302。而且，第一串302可包括第一支路314，其经由第三连接节点318而操作地耦合于第二支路316。相似地，第二串304可包括第一部分320，其经由AC相324和电感器326而操作地耦合于第二部分322。第三连接节点318可操作地耦合于第三总线328。
[0044]此外，在图3的本示例中，第三总线328可以是直流总线，并且更特别地，可以是中间或中央DC总线，其可相对于第一总线306而处于负电势处并且相对于第二总线308而处于正电势处。而且，第一串302可包括多个可控半导体开关Sp S2、S3和S4 (330)。在图3的示例中，该多个可控半导体开关可包括部分可控半导体开关。然而，在另一个实施例中，多个可控半导体开关可包括完全可控半导体开关。此外，多个可控半导体开关可包括部分可控半导体开关和完全可控半导体开关的组合。通过非限制性示例，第一串302可包括部分可控半导体开关、完全可控半导体开关或部分可控半导体开关与完全可控半导体开关的组合。此外，在一个示例中，第一串302的第一支路314可包括两个可控半导体开关S1和S20相似地，第一串302的第二支路316可包括两个可控半导体开关S3和&。可控半导体开关Sp S2, S3和S4可包括与晶闸管、硅控整流器、栅极可关断晶闸管、IGBT及诸如此类组合的功率二极管。
[0045]另外，第二串304的第一部分320和第二部分322可包括多个开关单元334。该开关单元334可以是多个完全可控半导体开关与能量存储装置的组合。完全可控半导体开关可包括绝缘栅双极晶体管(IGBT)、金属氧化物半导体场效应晶体管(M0SFET)、场效应晶体管(FET)、栅极可关断晶闸管、绝缘栅极换向晶闸管(IGCT)、注入增强栅极晶体管(IEGT)、基于碳化硅的开关、基于氮化镓的开关、基于砷化镓的开关或其等同物。
[0046]此外，可在单相功率转换器、两相功率转换器、三相功率转换器和其他等同的多相功率转换器中采用臂300。将参考图5 (a)-5 (c)、8和9而更详细地解释可控半导体开关SpS2、S3和S4的开关。
[0047]现在参考图4，描绘用于在图3的臂300中使用的开关单元(例如图3的开关单元334)的示范性实施例的图示400。在当前预想的配置中，开关单元400可包括完全可控半导体开关402和404、能量存储装置406、第一连接器408和第二连接器410。如先前指出的，完全可控半导体开关402、404可例如包括IGBT、MOSFET、FET、IEGT、栅极可关断晶闸管、IGCT、基于碳化硅的开关、基于氮化镓的开关、基于砷化镓的开关或其等同物。此外，完全可控半导体开关402、404中的每个还可包括功率二极管412，其可内置到完全可控半导体开关402和404并且与它们反并联。内置的功率二极管412可提供续流路径。这些功率二极管412也可称为续流二极管。
[0048]而且，在一个非限制性示例中，能量存储装置406可包括电容器。在图4的示例中，完全可控半导体开关402可与能量存储装置406操作地串联耦合来形成第一柱414。而且，另一完全可控半导体开关404形成第二柱416。该第二柱416可与第一柱414操作地并联耦合。另外，第一柱414和第二柱416可操作地耦合于第一连接器408与第二连接器410之间。尽管图4的示例将采用半桥转换器配置的开关单元400描绘为包括两个完全可控半导体开关以及一个能量存储装置，也预想使用其他数量的完全可控半导体开关402、404和能量存储装置406。在一个实施例中，开关单元中的一些或全部可布置成形成全桥转换器配置。
[0049]此外，在一个非限制性示例中，当启用完全可控半导体开关402并且停用完全可控半导体开关404时，能量存储装置406可跨第一连接器408和第二连接器410而出现。因此，跨能量存储装置406的电荷作为跨第一连接器408和第二连接器410的电压而出现。备选地，当启用完全可控半导体开关404并且停用完全可控半导体开关402时，第一柱414被绕过，由此跨第一连接器408和第二连接器410提供零电压。因此，通过控制图3的第二串304上的多个开关单元334中的完全可控半导体开关402和404的开关，跨第二串304而发展的电压可被调节。
[0050]现在转向图5 (a)-5 (C)，描绘根据本公开的方面的功率转换器的臂(例如图3的臂300)的不同状态的图示500。通过示例，描绘图3的第一串302中的可控半导体开关330(SpS2、S3和S4)的开关模式。
[0051]参考图5 (a)，呈现处于可控半导体开关的第一开关状态中的臂502 (例如图3的臂300)的图示。该第一状态也可称为正态。臂502可包括第一串504和第二串506。而且，臂502可操作地耦合于第一总线508与第二总线510之间。如在上文指出的，第一总线508可包括正DC总线并且第二总线510可包括负DC总线。此外，第一串504可经由第一连接节点512和第二连接节点514而操作地耦合于第二串506。
[0052]另外，第二串506的第一部分(例如图3的第一部分320)和第二串506的第二部分(例如图3的第二部分322)可分别由电压源Vp 516和Vn 518表示。如在上文指出的，第二串506可包括多个开关单元(未示出)。第二串506的第一部分和第二串506的第二部分可经由交流相520而操作地耦合。而且，第一串504可包括第三连接节点522，其可操作地耦合于第三总线524。而且，在目前预想的配置中，第一串504包括四个可控半导体开关，表不为Sp S2> S3和S4。另外,第一总线508处的电压可表不为+Vde并且第二总线510处的电压可表示为一 Vd。。通过示例，第一总线508处的电压+Vde以及第二总线510处的电压一Vdc可相对于虚拟接地。而且，第三总线524处的电压可表示为Vmid,并且交流相处的电压可表不为Vac。
[0053]如在图5 (a)中描绘的，在第一开关状态期间，启用可控半导体开关S1和S3，同时使可控半导体开关S2和S4维持在停用状态。可控半导体开关S1和S3的启用经由对应的第二串506而在第一总线508与第三总线524之间提供第一电流路径526。因此，在正态中第二串506可操作地稱合于第一总线508与第三总线524之间。此外，尽管建立了第一电流路径526，跨第一总线508和第三总线524的电压可取决于完全可控半导体开关(其对应于第二串506中的多个开关，例如图3的开关单元334)的开关。流过第一电流路径526的电流表不为Idc。
[0054]采用相似的方式，图5 (b)是处于可控半导体开关的第二开关状态的臂的图示528。可控半导体开关的该第二开关状态也可称为负态。为了便于理解，参考图5 (a)解释图5 (b)。在第二状态中，可启用可控半导体开关S2和S4，同时停用可控半导体开关S1和S30可控半导体开关S2和S4的启用可导致在第三总线524与第二总线510之间提供第二电流路径530。因此，在负态中第二串506可操作地耦合于第二总线510与第三总线524之间。
[0055]相似地，图5 (C)是处于可控半导体开关的第三开关状态的臂的图示532。可控半导体开关的该第三开关状态也可称为零态。为了便于理解，参考图5 (a)解释图5 (C)。此夕卜，在第三状态中，可启用可控半导体开关S2和S3，同时停用可控半导体开关S1和S4。可控半导体开关S2和S3的启用可导致提供第三电流路径534。随后，电流在第三电流路径534中流动。该第三电流路径534也可称为续流路径。另外，第二串506的两端可经由启用的可控半导体开关S2和S3以及第三总线524而彼此操作地耦合。尽管，图5 (a)-5 (c)代表参考单个臂的三个开关状态，可对两相功率转换器、三相功率转换器及诸如此类中的多个臂同时采用这三个开关状态。
[0056]可注意，在例如图2的功率转换器200的常规的多级功率转换器中，支路202必须经受2Vd。的电压。如在5 (a)-5 (c)中描绘的，在任何时刻，第二串506操作地耦合于第一总线508与第三总线524之间、第三总线524与第二总线510之间，或第二串506的两端可操作地耦合于第三总线524。因此，第二串506可必须经受最大电压值Vd。。因此，为了有效控制功率转换器，第二串506的第一部分和第二串506的第二部分可每个必须经受最大电压Vd。。因此，第二串506中期望数量的开关单元可减少。另外，第二串506的开关单元的额定值也可减少。因此，第二串506的每个开关单元的额定值可仅是VdcZN1，其中N1是第二串506的第一和第二部分中的每个中的开关单元的数量。因此，每个开关单元的额定值可以是2Vde/N，其中N是第二串506中的开关单元的数量并且N=2Nlt)为了便于解释，跨第二串506中的开关单元(例如图3的开关单元334)中的每个的电压可假设为IV。而且，如果Vd。是8伏，常规功率转换器200必需在图2的支路202中使用32个开关单元。然而，对于相同的Vd。值，在示范性臂502中，第二串506中的开关单元的数量可至少减半为16。因此，完全可控半导体开关的数量也可对应地减少。因此，对应于完全可控半导体开关的传导和开关损耗也减半。
[0057]此外，第一串504的多个可控半导体开关SpS2、S3和S4的开关可与第二串506中的多个开关单元(未示出)的开关组合地操作。而且，如先前指出的，第二串506中的多个开关单元的开关可包括完全可控半导体开关的启用和/或停用。
[0058]参考图6，描绘根据本公开的方面的三相多级转换器的示范性实施例的图示600。在图6的示例中，功率转换器600是三相模块化多级嵌入式转换器。在目前预想的配置中，三相多级转换器600包括三个臂626、628和630。每个臂可包括相应的第一和第二串602、604。
[0059]此外，第一串602包括第一支路606和第二支路608。而且，第二串604的一端可操作地耦合于相应第一串602的第一连接节点604，并且第二串604的另一端可操作地耦合于相同的第一串602的第二连接节点616。特别地，第二串604的第一部分610的一端可经由第一连接节点614而操作地耦合于第一串602。第一连接节点614可位于第一串602的第一支路606的两个可控半导体开关638 (S1和S2)之间。另外，第二串604的第二部分612的一端可经由第二连接节点616而操作地耦合于第一串602。此外，第二连接节点616可位于第一串602的第二支路608的两个可控半导体开关638 (S3和S4)之间。
[0060]第二串604的第一部分610可经由第四总线而操作地耦合于第二串604的第二部分612。如本文使用的术语第四总线可以是交流(AC)相。特别地，三个臂626、628、630中的每个可与至少一个AC相关联。在非限制性示例中，三相AC系统可包括AC相-A 632、AC相-B 634和AC相-C 636。另外，第一端子(未不出)可由第一总线620和第二总线622的组合而形成。该第一端子也可称为DC端子。而且，组合中的AC相(AC相-632、AC相-B634和AC相-C 636)可形成第二端子(未示出)。该第二端子也可称为AC端子。在图6的示例中，两个DC电压源640可操作地耦合于第一总线620与第二总线622之间。然而，在一个示例中，预想使用其他数量的DC电压源。[0061]另外，第一支路606可经由第三连接节点618而操作地耦合于第二支路608。在一个实施例中，该第三连接节点618可以是第一串602的中间点。此外，在一个示例中，三个第一串602中的每个的第三连接节点618可彼此操作地耦合来形成浮点。在另一个实施例中，三个第一串602中的每个的第三连接节点618可操作地耦合于第三总线624。如在上文指出的，第三总线624可以是中间或中央DC总线。然而，在另一个实施例中，对于在机器驱动器中的应用，三个第一串602中的每个的第三连接节点618可操作地耦合于中性总线。此外，三个臂626、628、630可操作地耦合于第一总线620与第二总线622之间。
[0062]此外，功率转换器600可操作地耦合于控制器，例如图1的控制器108。如先前指出的，第一串602可包括多个可控半导体开关，同时第二串604可包括多个开关单元。控制器可配置成控制第一串602中的多个可控半导体开关以及第二串604中的多个开关单元的开关。在一个示例中，第二串604中的开关单元以及第一串602中的可控半导体开关的开关可基于调制技术。该调制技术可包括脉宽调制技术、空间矢量调制及诸如此类。此外，控制器可配置成有助于关于第三总线624在交流相632、634、636处生成正弦电压。而且，控制器可配置成平衡并且调节在线周期期间存储在第二串604中的能量。因此，控制器可配置成确保一个线周期期间第二串604的平均功率是零。如本文使用的术语线周期可以是AC电压周期。另外，控制器还可配置成调节第一串602和第二串604中的电流以使第三连接节点618处的电压维持在大致上等于第三总线624处的电压的值处。在一个实施例中，控制器可设置在远程位置处。
[0063]在功率转换器600的第一串602中使用仅部分可控半导体开关有助于使用于生成期望输出电压/电流而采用的完全可控半导体开关的数量减少。因此，可获得相对更简单且不太昂贵的功率转换器。
[0064]现在转向图7，描绘背靠背模式三相功率转换器的图示700。该背靠背模式三相功率转换器700可包括第一转换器702，其操作地耦合于第二转换器706。在一个实施例中，该第一转换器702和该第二转换器706可具有大致上与图6的功率转换器600的拓扑相似的拓扑。该第一转换器702和第二转换器706可每个包括三个臂708。而且，第一转换器702和第二转换器706可经由第一总线710和第二总线712而操作地耦合。然而，在另一个实施例中，第一总线710和第二总线712可被高压直流(HVDC)传输线所取代。臂708中的每个可包括第一串714，其操作地耦合于第二串716。而且，第一串714(例如图3的第一串302)可包括多个可控半导体开关，并且第二串716 (例如图3的第二串304)可包括多个开关单兀。可米用功率转换器700以便于在一个方向或两个方向上传送电力。此外，功率转换器700可用于在具有不同频率的两个交流电网之间连接并且传送电力。在该示例中，在这两个交流电网之间提供隔离，这可是可期望的。
[0065]现在参考图8，描绘根据本公开的方面代表功率转换的示范性方法的流程图800。为了便于理解，将参考图6描述图8的方法。方法在步骤802处开始，其中可在功率转换器600的第一端子处输入第一线路参数。该第一线路参数可包括DC电压、DC电流、AC电压、AC电流或其等同物。在非限制性示例中，可在第一端子处输入DC电压并且AC电压可作为功率转换器600的第二端子处的输出而获得。如先前指出的，组合中的AC相(AC相-A 632、AC相-B 634和AC相-C 636)可形成功率转换器600的第二端子。可注意，第一端子和第二端子可备选地用作输入端子和输出端子。在一个示例中，DC端子可以是输入端子并且AC端子可以是输出端子。然而，在另一个示例中，AC端子可以是输入端子并且DC端子可以是输出端子。
[0066]此外，在步骤804处，对应于多个可控半导体开关(例如图6的Sp S2, S3和S4)以及开关单元(例如图3的开关单元334)的多个完全可控半导体开关的开关模式可基于在第一端子处输入的第一线路参数而生成。如本文使用的术语开关模式可代表可启用和/或停用多个可控半导体开关Sp S2, S3和S4以及开关单元的多个完全可控半导体开关所采用的方式。可注意，对应于多个可控半导体开关S1、S2、S3和S4以及开关单元334的多个完全可控半导体开关的开关模式可基于第一线路参数而变化。此外，在一个示例中，对应于多个可控半导体开关Sp S2, S3和S4以及开关单元334的多个完全可控半导体开关的开关模式还可取决于要生成的期望输出。
[0067]而且，在步骤806处，第一串602中的多个可控半导体开关SpS2、S3和S4以及第二串604中的多个开关单元可基于在步骤804处生成的开关模式而选择性地开关。如本文使用的术语开关可包括启用和/或停用第一串602中的多个可控半导体开关Sp S2, S3和S4。采用相似的方式，第二串604中的多个开关单元的开关可包括启用和/或停用开关单元中的完全可控半导体开关。
[0068]此外，在步骤808处，可基于步骤806的选择性开关而在功率转换器600的第二端子处生成第二线路参数。在一个示例中，该第二线路参数可包括DC电压、AC电压及诸如此类。此外，在臂(例如图6的臂626、628、630)的零态、正态和负态期间可控半导体开关的开关有助于生成第二线路参数，其代表图6的模块化多级嵌入式转换器600的输出。
[0069]参考图9，描绘根据本公开的方面对应于一个线周期901中的三个AC相(参见图6)的不同状态的电压波形的图示900。为了便于理解，将参考图5 (a)-5 (c)、6和8描述图9。在目前预想的配置中，线周期901可分成六个段902、904、906、908、910、912。而且，三个AC相可包括AC相-A 632、AC相-B 634和AC相-C 636。在图9的示例中，呈现对应于AC三个相A、B和C的电压波形。对应于三个相的电压波形可包括对应于AC相-A的第一电压波形914、对应于AC相-B的第二电压波形916和对应于AC相-C的第三电压波形918。
[0070]而且，六个段902、904、906、908、910、912可具有对应的开关模式来生成期望的输出。如在上文指出的，开关模式可在图8的步骤804处确定。在对应于每个段的线周期901的一部分期间，该段可具有处于正态的一个或两个臂以及处于负态的其他臂。此外，三个AC相的线周期901可包括六个瞬态区920、922、924、926、928和930。如本文使用的术语瞬态区用于指一区，在该区期间臂626、628、630中的至少一个从一个状态转变到另一个。在一个非限制性示例中，在瞬态区922处，与AC相C关联的臂630的状态从正态变成负态。
[0071]此外，在两个相邻段之间的转变期间，臂中的一个可处于正态，而另一个臂可处于负态，并且再另一个臂可处于零态。特别地，在段902中，与AC相A关联的臂626以及与AC相C关联的臂630可处于正态，而与AC相B关联的臂628可处于负态。而且，与AC相A关联的臂626以及与AC相C关联的臂630可在第一总线620与第三总线624之间彼此操作地并联耦合。特别地，与AC相-A关联的第二串604以及与AC相-C关联的第二串604可通过对应的第一串602的启用的开关S1和S3而在第一总线620与第三总线624之间彼此操作地并联耦合。此外，与AC相B关联的臂628可操作地耦合于第三总线624与第二总线622之间。特别地，可启用对应于与AC相B关联的第一串602的开关S2和S4。因此，与AC相A关联的臂626以及与AC相C关联的臂630可彼此操作地并联耦合并且进一步与臂628(与AC相B关联)操作地串联耦合，如由标号932指示的。
[0072]继续参考图9，段902后跟瞬态区922。在瞬态区922处，与AC相A关联的臂626继续处于正态并且与AC相B关联的臂628继续处于负态。然而，与AC相C关联的臂630从正态转变成零态，如由标号934指示的。可启用与AC相C关联的第一串602的开关S2和S30因此，当与AC相C关联的臂630处于零态时，臂630的两端可操作地耦合于第三总线624。
[0073]在瞬态区922之前，与AC相C关联的臂630在段902中处于正态。因此，在瞬态区922处，可停用对应于第一串602 (其与AC相C关联)的开关S1并且可启用对应于第一串602 (其与AC相C关联)的开关S2。可通过施加栅极触发信号而启用开关S2。而且，在段902处，如先前指出的，与AC相A关联的臂626以及与AC相C关联的臂630可通过对应的启用的开关S1和S3而在第一总线620与第三总线624之间彼此操作地并联耦合。因此，第一总线620上的DC电流被与AC相A关联的臂626以及与AC相C关联的臂630所共享。因此，第一总线620上的DC电流被与AC相A关联的第一串602的开关S1和S3以及与AC相C关联的第一串602的开关S1和S3所共享。对应于与AC相C关联的第一串602的开关S1的停用可通过使电流在与AC相C关联的第一串602中减少到接近零值而实现。此外，与AC相C关联的第一串602中的电流减少到接近零可通过采用控制器(例如图1的控制器108)而实现。
[0074]相似地，对应于臂626、628、630的第一串602中的可控半导体开关的开关可对段904、906、908、910和912以及对瞬态区924、926、928、930和920来执行以获得期望的输出线路参数。如先前指出的，在一个实施例中，对应于AC相-A、AC相-B和AC相-C的第一串中的可控半导体开关的开关可由控制器控制。
[0075]此外，前面的示例、证明和过程步骤(例如可由系统执行的那些)可由适合的代码在例如通用或专用计算机的基于处理器的系统上实现。还应该注意，本技术的不同的实现可采用不同的顺序或大致上同时(即，并行)执行本文描述的步骤中的一些或全部。此外，可采用多种编程语言实现功能，所述编程语言包括但不限于C++或Java。可存储或改写这样的代码用于存储在一个或多个有形的机器可读介质上，例如在数据仓库芯片、本地或远程硬盘、光盘(即，⑶或DVD)、存储器或其他介质上，其可由基于处理器的系统访问来执行存储的代码。注意有形介质可包括在其上印刷指令的纸或另一个适合的介质。例如，指令可通过光扫描纸或其他介质而被电子地捕获、然后编译、解释或另外以适合的方式处理(如需要)，并且然后存储在数据仓库或存储器中。
[0076]上文描述的功率转换器和功率转换的方法的各种实施例有助于开发多级功率转换器，由此允许生成高功率/电压/电流输出。此外，因为示范性功率转换器在与常规的模块化功率转换器相比时利用大约一半数量的开关单元，可提供具有更低成本的系统。而且，在功率转换器中使用晶闸管提供不太昂贵的系统。此外，使用晶闸管提供具有大致上更低损耗的功率转换器。另外，示范性功率转换器可防止在DC链路中对额外电容器的需要。功率转换器的各种实施例可在太阳能、风力和其他可再生发电装置中具有应用。而且，可在类似热电厂、水电厂及其等同物的非可再生发电系统中采用功率转换器。另外，功率转换器可作为DC-AC转换器或AC-DC转换器而采用以供在HVDC传输和配电系统中使用。
[0077]尽管本发明已经参考示范性实施例描述，本领域内技术人员将理解可做出各种改变并且等同物可代替其元件而不偏离本发明的范围。另外，可做出许多修改以使特定情况或材料适应于本发明的教导而不偏离其本质范围。
【权利要求】
1.一种功率转换器，包括: 至少一个臂，所述至少一个臂包括: 第一串，其包括多个可控半导体开关、第一连接节点和第二连接节点，其中所述第一串跨第一总线和第二总线而操作地耦合；以及 第二串，其经由所述第一连接节点和所述第二连接节点而操作地耦合于所述第一串，其中所述第二串包括多个开关单元。
2.如权利要求1所述的功率转换器，其中，所述多个开关单元包括多个完全可控半导体开关和至少一个能量存储装置。
3.如权利要求2所述的功率转换器，其中，所述多个完全可控半导体开关包括绝缘栅双极晶体管、金属氧化物半导体场效应晶体管、场效应晶体管、栅极可关断晶闸管、绝缘栅极换向晶闸管、注入增强栅极晶体管、基于碳化硅的开关、基于氮化镓的开关、基于砷化镓的开关或其组合。
4.如权利要求1所述的功率转换器，其中，所述第一总线包括正直流总线并且所述第二总线包括负直流总线。
5.如权利要求1所述的功率转换器，其中，所述第一串包括第一支路和第二支路，并且其中所述第二支路经由第三连接节点而操作地耦合于所述第一支路。
6.如权利要求5所述的功率转换器，其中，所述第三连接节点操作地耦合于第三总线。
7.如权利要求6所述的功率转换器，其中，所述第三总线包括直流总线。
8.如权利要求1所述的功率转换器，其中，所述第二串包括第一部分和第二部分。
9.如权利要求8所述的功率转换器，其中，所述第二串的所述第一和第二部分操作地耦合于第四总线。
10.如权利要求9所述的功率转换器，其中，所述第四总线包括交流相。
【文档编号】H02M7/53GK103715931SQ201310447786
【公开日】2014年4月9日 申请日期:2013年9月27日 优先权日:2012年9月28日
【发明者】张迪, L.J.加西斯, R.达塔, R.N.拉朱 申请人:通用电气公司