多模块DC到DC功率变换系统的制作方法

本发明涉及在不使用基于磁性的变压器的情况下从一个dc电压到另一个dc电压的功率转换。

背景技术：

在交流(ac)和直流(dc)之间进行转换中所使用的技术在过去几十年中迅速发展，如将dc作为运输大量电力的手段来使用那样。Dc比ac更高效地运输电力，并且与ac不同，dc能够在受控的水平(例如在对应于所使用的导体的最大热能力的水平)这样做。

高电压dc输电项目的数量在距离、电压水平和额定功率方面有所增长。此外，对dc到dc变换的需求受到限制，因为在不考虑dc传输电压的情况下，ac变压器被包括在发送和接收端子中，使得到对本地系统来说方便的电压的转换是相当简单的。但是，世界电力供应系统的持续发展产生至少四个其中直接dc到dc变换可以具有重要作用的通用应用。

1.在欧洲和北美两者，系统规划者都预见到需要广泛、非常高电压的dc网络来充当对现有ac传输系统的覆盖。但是，除了这种电网到那个ac系统中关键点的连接，经济的dc到dc变压器也将允许那个电网到多个主要的现有dc传输线的互连和在组成dc电网的dc线路当中不同dc电压的变换，由此为电力消费者提供主要的附加经济利益。

2.在dc电网的背景下，将ac系统连接到dc电网的ac到dc转换器将对通过组成该电网的各种dc传输线的电力具有有限的控制。策略性地放在dc电网中的dc到dc变压器将在不可能利用ac到dc转换器实现的地方通过dc电网的传输线提供期望的dc电力流。

3.风电场的电气体系架构是相对复杂的，并且，在一些系统中，在风力涡轮机现场使用ac到dc转换，以适应由可变速度叶片生成的ac电压的异步性质。不是将那个dc重新转换为同步ac，如现在的实践那样，而是将那个dc能量直接变换成用于在风电场内聚集的较高dc电平，以及变换成用于传输到负载中心的更高dc电压，会影响在风电场的中心点处电力聚集的主要成本降低以及所收集的电力到ac接收系统上的方便点的传输。

4.家庭、商业和工业负载越来越多地或者依赖于dc，或者在一些情况下，如果被转换成dc，会更高效地运行。给电动汽车的负载充电是一个最好的例子，其中该负载预计作为总电力负载的百分比非常迅速地增长。这种实现已经稳定地增加了对dc配电系统的关注，借此dc负载不是依赖于或者小规模的插入式装置或者内部的ac到dc转换器，而是可以直接从现有的配电杆或电缆路线得到供应。

现有技术描述

在非常低电压(电子)水平下，例如，在用于计算机、电话和其它电子设备的电源内，对于dc到dc转换存在很多技术、专利申请和经验。但是，这种技术是针对与本公开内容中应对的那些特征在于更高电压功率级别的应用相比非常不同的需求和不同的约束开发的。例如，在毫伏级别下的绝缘需求是次要问题，而在高dc电压下它是最重要的。可用的切换设备也不同，对实际电容器到电容器和电容器到节点切换方法的约束也不同。在电子级别，与效率相比热生成是对损耗更大的限制，而在高电压功率应用中则相反。此外，由于在电路板内包含电抗器是不切实际的，因此必须直接进行电荷从一个电容器到另一个电容器或在两个电容器之间的转移，从而导致高损耗。因此，使电子技术直接适应高电压dc应用的机会有限。

在需要在两个较高dc电压之间进行转换的时候，如在一些工业应用的情况下，首先dc被转换成方便的ac电平，通常处于高ac频率以降低变压器被用来改变成另一ac电压的成本，然后通过ac到dc，然后通过常规的电感变压器被变换成不同的ac电压，最后从ac变换成期望的dc二次电压。虽然技术上有效，但是这种类型的三重变换方案是昂贵的并且相对低效的。

技术实现要素：

前面描述了对能够既向上又向下变换电压并且在必要时能够以数千兆瓦的额定值以最高现有dc电压电平操作的高效且经济的dc到dc变压器(DCT)(即，处于高功率级别的变换系统)的需求。为了匹配功率转移通过其与一次系统和二次系统之间的相位角差成比例的ac变压器的功能，DCT应当在没有功率控制器的情况下操作到一次系统和二次系统之间的电压差。本文描述的用于电容性能量变换的系统和方法能够以与现有ac到ac磁性变换可比较的效率满足那个需求。

在本公开内容中使用谐振开关切换，即，电容器和高电压节点之间通过电抗器的连接，使得能量互换是振荡的并且可以在第一电流过零处被中断。这将在各种情况下找到应用，类似于在ac系统中由基于磁性的变压器所提供的功能，例如，调节两个或更多个dc系统之间或在组成高电压dc电网的多个线路当中的功率流，以及将适度水平的功率从非常高的dc电压变换成到较低的dc电压水平，其中在该非常高的dc电压处，dc到ac转换是不经济的，在该较低的dc电压水平处，到ac的转换不太昂贵。还可以在可变频率源的变换中找到应用，诸如到更高dc电压的风力发电机，从而导致各个风力发电机到公共点的更经济的连接以及它们聚集到接收ac电网上的方便点的连接，以及为了dc分配到家庭、商业和工业而从ac到dc的转换。本主题系统的其它应用对本领域技术人员将是显而易见的并且在本公开内容的范围内。

本公开内容的特征在于多模块dc到dc功率变换系统，其被构造和布置成将来自第一高dc电压节点的功率变换到分开的第二高dc电压节点。该系统包括(a)包括串联连接的多个半桥模块的列，每个半桥模块包括能够或者电插入到列中或者被电隔离和电旁路(bypass)的串联连接的电容，其中列的第一端电连接到地，(b)两个高电压开关，每个高电压开关与电抗器串联；一个高电压开关适于将列的第二端电连接到第一高电压节点并且另一个高电压开关适于将列的第二端电连接到第二高电压节点；以及(c)控制器，适于控制列中的开关和两个高电压开关的状态，以便通过列内多个电容和两个节点之间的能量的谐振交换来变换功率。

通过列的多个电容到高电压节点的连接发起并在其第一电流零点处中断的半周的谐振和正弦变化的电流，可以被控制器用作实现在那些多个电容和高电压节点之间能量交换的手段。输入与输出电压之比可以通过在接受来自第一高电压dc节点的电荷和将电荷输送到第二高电压dc节点之间使控制器影响电旁路列的所选择的电容的开关位置来确立。

稳定操作可以通过均衡在一组电容上的电荷来实现，这种电荷均衡是通过使用控制器在连接到较低电压节点期间在多个电容当中选择性地重新指派旁路状态来实现的。稳定操作可以通过使用控制器从一个充电-放电周期到下一个充电-放电周期旁路不同电容来实现。

该系统可以具有在地和两个高电压节点之间并联连接的多个列，在每一列的第二端和两个节点中的每一个之间具有与电抗器串联的分开的高电压开关，并且其中控制器适于控制所有开关的状态。控制器还可以适于确立到多个列或来自多个列的叠加的输入和输出电流脉冲。控制器还可以适于使得从每一列生成在时间上彼此等间隔的脉冲的生成。

通过列的多个电容到高电压节点的连接发起并在其第一电流零点处中断的半周的谐振和正弦变化的电流，可以被控制器用作实现在那多个电容和高电压节点之间能量交换的手段。输入与输出电压之比可以通过在接受来自第一高电压dc节点的电荷和将电荷输送到第二高电压dc节点之间使控制器影响电旁路每列所选择的电容的开关位置来确立。

稳定操作可以通过均衡在每一列的一组电容上的电荷来实现，这种电荷均衡是通过使用控制器在连接到较低电压节点期间在多个电容之间选择性地重新指派旁路状态来实现的。稳定操作可以通过使用控制器从一个充电-放电周期到下一个充电-放电周期旁路每一列中不同电容来实现的。

本文的特征还在于用于从处于一个高dc电压的第一节点到处于标称相同高dc电压的第二节点的功率转移调节的系统。该系统包括多个电容和适于使用这些电容以便在电容和两个节点之间谐振交换能量的控制器。

通过列的多个电容到高电压节点的连接发起并在其第一电流零点处中断的半周的谐振和正弦变化的电流，可以被控制器用作实现在那多个电容和高电压节点之间进行能量交换的手段。输入与输出电压之比可以通过在接受来自第一高电压dc节点的电荷和将电荷输送到第二高电压dc节点之间使控制器影响电旁路所选择的电容的开关位置来确立。

稳定操作可以通过均衡在一组电容上的电荷来实现，这种电荷均衡是通过使用控制器在多个电容当中选择性地重新指派旁路状态来实现的。稳定操作可以通过使用控制器从一个充电-放电周期到下一个充电-放电周期旁路不同电容来实现。

控制器还可以适于确立到多个列或来自多个列的叠加的输入和输出电流脉冲。控制器还可以适于使得生成在时间上彼此等间隔的脉冲。通过将列的多个电容连接到高电压节点发起并在其第一电流零点处中断的半周的谐振和正弦变化的电流，可以被控制器用作实现在那多个电容和高电压节点之间能量交换的手段。输入与输出电压之比可以通过在接受来自第一高电压dc节点的电荷和将电荷输送到第二高电压dc节点之间使控制器影响电旁路所选择的电容的开关位置来确立。稳定操作可以通过均衡在一组电容上的电荷来实现，这种电荷均衡是通过使用控制器在连接到电压节点期间在多个电容当中选择性地重新指派旁路状态来实现的。稳定操作可以通过使用控制器从一个充电-放电周期到下一个充电-放电周期旁路不同电容来实现。

附图说明

根据以下对创新的优选实施例的描述以及附图，本领域技术人员将想到其它的目的、特征和优点。

图1示出了功率电平半桥模块，具有被配置为断开和旁路内部电容器的内部开关。

图2示出了功率电平半桥模块，具有被配置为将内部电容器插入到它所连接的电路中的内部开关。

图3示出了被配置为用于半桥模块内电容器的初始预操作充电的多模块dc到dc功率变换系统实施例。

图4示出了被配置为从一个高电压dc节点接收电荷的多模块dc到dc功率变换系统实施例。

图5示出了被配置为将电荷输送到第二高电压dc节点的多模块dc到dc功率变换系统。

图6示出了在多模块dc到dc功率变换系统中低电压输入电流脉冲和输出电流脉冲的谐振性质。

图7示出了其中多个多模块dc到dc变换系统被用来既平滑输入和输出电流电平又增加复合dc到dc变换系统的功率能力的例子。

图8示出了由三个独立的dc到dc变压器组成的示例复合dc到dc变换系统产生的输入和输出电流波形的性质。

具体实施方式

为了简化本文所述实施例的解释，通常使用的功率电子切换设备，诸如晶闸管、绝缘栅双极晶体管(IGBT)和二极管，在本文中全都用简单的开关符号来表示，其功能根据给出的图的上下文是清楚的。此外，在高电压功率应用中，“节点”的更一般标识将对应于“母线(bus)”。

本文所述的实施例仅基于高电压dc母线和多个电容器之间的电荷转移。除非谐振地进行，否则这种转移将导致高损耗，谐振地进行即，通过将电感与开关串联地放置来实现转移，由此造成可在电流零点处被功率电子切换设备(例如晶闸管或固态双向开关)中断的谐振正弦波的电流，使得所涉及的(一个或多个)电容器具有增加或减少的电荷以及对应的更高或更低的电压。这种谐振转移的原理是本领域技术人员众所周知的。

在本系统的一个实施例中涉及的一个或多个电容器93嵌在半桥模块90中，如图1中所示。本公开内容中所使用的术语“半桥”是指或者(1)如图1中所示的复合电容器和开关模块，其能够或者将电容电插入串联电路中或者在同一串联电路中隔离那个电容并旁路其，并且通常用名称“半桥”来识别，或者(2)共同用作上述半桥的开关和电容的任何其它配置。应当指出的是，电容93被示为单个电容器，但是电容也可以利用一系列电耦合的电容器或表现出电容的其它设备来实现。

图1中还示出了控制器110，其在本文所述的各种实施例中调节所有开关的顺序和定时；这种控制器在每个例子中存在但未在每个图中示出。控制器可以是包括半桥的定制电路的一部分，或者它可以是可操作地耦合到开关的分开的控制器。图1还示出了通常应用的保护设备94，以便在应用半桥的系统中发生电气故障的情况下保护半桥内的元件。这种模块90可以或者由独立排列的开关91、92和电容器93或者由相同部件91、92、93组成的市售和通常应用的半桥模块90组成。市售的模块配备有相对高微法拉额定值(microfarad rating)的电容器93。

电容器93可以或者通过打开开关91并闭合开关92而被插入电路20中，或者通过打开开关92并闭合开关91而从电路20中被去除和旁路。在这种模块90中从一种状态到另一种状态的改变可以在微秒级内实现；短于电容器93之间的谐振电荷交换的合理时段的数量级。图1示出了半桥内的电容器93通过闭合开关91并打开开关92而从它是其一部分的串联电路断开，而图2示出了相同的电容器93通过打开开关91并闭合开关92而被插入到该串联电路中。

图3示出了本文公开的多模块dc到dc功率变换系统30的基本实施例，其使用由串联连接的多个半桥模块90组成的列100。列100可以交替地或者通过电抗器70和开关12连接到第一高电压dc节点2或者通过第二电抗器71和第二开关13连接到第二高电压dc节点3。实际上，这些开关12和13及其在随后的附图中的对等物是互补的，即，当一个开关闭合时，另一个开关总是打开的，从而总是在两个高电压dc节点2和3之间提供电流隔离(galvanic isolation)。当使得dc电压变压器比可调时，可以使电抗器70或71的值变化。

图3中所示的实施例将或者作为能量的升高变换器或者作为能量的降低变换器运行。在任一情况下，这种实施例以组成操作周期的两个重复步骤操作。考虑第一操作为升高DCT。

启动

假设在电容性模块100的列内总共有n个半桥模块90，每个半桥模块90包含电容器93，如图1中所示，电容器93可以被电插入到那个列100中或者被旁路和从那个列100中电去除。进一步假设V₂>V₁，使得在图3中示出的DCT意在将处于标称电压V₁的能量向上转换成处于更高标称电压V₂的能量。在初始启动通电期间，开关12打开，并且使开关13闭合，如图3中所示，从而为电容性模块100的列提供从第二高电压节点3到地1的初始充电路径。在这个初始充电期间，开关10被打开，从而将电阻器80插入到初始充电路径，由此避免谐振过冲并且使模块100的列中的n个电容器93中每一个具有V₂/n的电荷。然后，开关13被打开并且开关10被持久闭合，以进行正常操作。地被定义为实际的地，或者是金属回路导体，或者是连接到没有直接地的dc系统中具有相反极性的极的另一个DCT的同一端。

步骤1：

开关13现在是打开的，组成列100的电容性模块90内的m个(其中m小于n)电容器93被旁路，因而留下电容性列100具有(n-m)/n×V₂的减小的电压。例如，假设n和m被选择成使得比值(n-m)/n正好等于V₁/V₂。在那种情况下，开关12的任一侧上的电压将是相同的，并且如图4中所示闭合那个开关12将不会导致从第一高电压母线2到电容性列100的电荷转移。但是，假定使第一高电压节点2上的电压比(n-m)/n×V₂稍大。在那种情况下，图4中开关12的闭合将导致从第一高电压节点2到电容性列100内的n-m个电容器93的谐振电荷转移，同时，如上面所指出的，那些电容器93中的m个仍然被旁路，保持充电至V₂/n。如果串联的m个被旁路的电容器93和n-m个未被旁路的电容器随后简单地谐振连接到第二高电压母线3，如图5中所示，则电容性列100的电压会超过V₂并导致能量被转移到那个母线。但是，结果也将使得n-m个电容器具有比m个电容器更高的放电后电压–该差异将随着每个重复周期而增长。因此，在这个实施例内，在如图4中所示的n-m个电容器93从第一高电压节点2接收电荷的充电时间的谐振半周期间，被旁路的电容器的实际数目保持等于m。但是，被旁路的(一个或多个)电容器应当在一个或多个周期中以一定顺序在电容器93当中旋转，并且该过程持续确保所有电容器，m和n-m，具有相等的电荷和电压变化的持续时间。这是一种常用的被称为“排序”的电荷均衡过程。

步骤2：

这个步骤仅包括闭合开关13，以便使现在全部旁路都被去除的总电容性列100谐振地放电到第二高电压母线3，如图5中所示。

这个实施例的修改可以通过在充电和放电周期之间持续地旋转被旁路的电容器的指派来实现，其中该实施例的修改还将克服上述通过排序过程补救的电容器电压中的累积不平衡。因此，在一个周期中被旁路的电容器可以在接下来的几个周期中不被旁路，并且在那个周期中未被旁路的电容器可以在下一个周期中被旁路，在每种情况下进行选择，以便通过大量的周期稳定所有电容器当中的电荷分布。

从以上所述显而易见的是，在这个实施例中，从一次节点2流到二次节点3的功率的量将依赖于一次电压上升超过V₂×(n-m)/n的程度，并且，进一步，如果主母线2上的电压降至低于V₂×(n-m)/n，则上述顺序将导致功率从第二高电压节点3流到第一高电压节点2。

同样明显的是，流动方向和电平将以相同的方式响应于二次节点3的电压电平的变化。功率流的这些变化是外部电压调整而不是功率控制信号的结果。因此，通过这个dc变换系统实施例，功率流将由相对于n与m之比的端子电压之比来控制，就像对于ac变压器那样，功率流由其两个端子上的系统的相位角差决定。如果这个实施例被用来链接到独立的dc系统，则将在没有内部功率控制的情况下在那些系统之间交换功率并且响应于任一系统上的电压调整。此外，如果实施例链接完全相同电压的两个dc系统，则在那两个系统操作过程中被旁路的电容器90的数量，m，的选择的变化可被使用，允许在那两个系统之间沿任一方向的功率流的控制。

在列100中提供的电容性模块90的数量可以超过上述过程中所用的数量，以便被插入以更换在操作中故障的电容性模块90并且被未定更换持久旁路。

前述实施例的解释是基于所讨论的实施例的升高操作。对本领域技术人员显而易见的是，操作的逆顺序将功率从较高电压总线向较低电压母线转移，从而构成减低动作。

DCT的电压比可以通过改变在步骤1期间被旁路的电容器的数量并相应地调整电抗器的值以保持相同的谐振频率来改变。因此，其中被旁路的电容器的数目m变化的本发明的另一个实施例可以在高电压dc电网内被用来调节在一个或多个特定线路上的流。

前述方法和系统中的谐振切换将导致在图6中所示性质的输入和输出脉冲波形；这将是非常难以转换成有用的、恒定dc电流的波形。但是，本发明的第二个(复合)实施例由两个或更多个并联的DCT(在图7的示例说明中是三个)组成，其中使得每个生成在在时间上彼此相等隔开的脉冲；由此针对该三DCT的情况产生如图8中所示的一系列叠加的(additive)电流脉冲。所得到的复合dc波形已经通过详细的瞬态仿真示出，以便容易地被过滤成平滑的dc电流。除了平滑输出和输入波形二者，复合DCT实施例将单独的DCT的复合兆瓦传送能力增加到与并联的DCT的数目相等的倍数。

被体现成高电压dc系统的任何设备都必须能够承受(sustain)在连接的(一个或多个)dc系统内的意外短路，并且，相反，绝不能由于其自身内部的短路或通过其到另一系统的连接的短路而对所连接的系统增加(一个或多个)短路的风险或后果。

本文所述的DCT实施例满足那些标准。在图7中节点2或节点3任一个上的故障将不会被传送到其它节点，因为在任何时候都没有从一个节点到另一个节点的电流路径。当图7中的每个开关对12和13、14和15、或16和17中的一个闭合时，另一个是打开的。

对本领域技术人员将显而易见的是，在图2中诸如90的个别模块内发生接地故障的情况下，现有技术方法的状态可以在诸如图1中所示的半桥模块内作为部件94被采用，以保护剩余的模块。

一个或多个电感器可以被包括在由各个模块90组成的电容器列中，以便在内部故障的情况下保护直接电容器放电。因此被包括在电容器列中的总电感是相对于电感器70和71的值确定的，以维持设计的谐振频率。

已经描述了多种实现。不过，将被理解的是，在不背离本文所述的发明性构思的范围的情况下可以进行附加的修改，并且，相应地，其它实施例在以下权利要求的范围之内。