多开关类型混合pebb功率转换器
1.i.相关申请的交叉引用本专利申请是申请人ge能量功率转换技术有限公司于2020年4月29日提交的标题为“powerelectronicsbuildingblocks(pebbs)withenhancedpowerdensity,reducedsize,isolatedpowerports"、未决pct申请号为pct/us20/30413的部分继续申请，并且本技术的部分重复在先申请号pct/us20/30413的实质部分。该部分继续的专利申请还增加在先申请pct/us20/30413中没有提出的附加公开。
2.本专利申请涉及于2020年3月31日提交的共同未决，共同转让的pct申请pct/us20/26026，“coolingsystemsforenhancedpowerdensitytransformers”。
技术领域
3.本主题一般涉及高功率电子器件功率系统，并且更特别地涉及用于转换高功率电功率系统中的电压或电流的高功率转换器。本主题还涉及作为模块化和可缩放功率转换器的基本元件的功率电子器件构建块（pebb）。
背景技术：
4.pebb概述：中高功率系统可以为大型工业工厂、工厂、大型交通工具（例如大型船和飞机），办公楼，公寓楼或整个城市提供电力。功率转换系统或功率转换器在中功率和高功率电子分布式功率母线和电网中变换电功率，例如：将较高电压转换成较低电压；将较低电压转换成较高电压；将电力从一个交流频率转换成另一个交流频率；或从直流转换成交流，或从交流转换成直流。本系统和方法特别地但不排他地适用于诸如在船和飞机上发现的微电网之类的微电网。（电网和微电网在本文中通常被称为“功率系统”。）电功率系统通常包括生成，传输，分配和终端使用元件。功率由一个或多个发电机提供，或者由诸如太阳能之类的可再生能源系统提供。在到其最终负载（使用电功率的装置）的路线中，功率通常由一个或多个功率转换器接收和传输。例如，发电机侧转换器可以经由定子母线从发电机接收交流（ac）功率，并且可以将ac功率转换成合适的输出频率，例如电网频率。ac功率经由线路母线提供给电网。
5.低、中和高电压不是严格定义的，但例如术语“低电压”可指小于或等于1.5kv的电压，“中电压”可指大于1.5kv且小于100kv的电压，而高电压可指100kv处及以上的电压。
6.功率电子器件构建块（pebb）是功率转换器的结构和功能元件。pebb可以是将任何输入电功率转换成期望的电压、电流和频率输出的任何功率处理器。pebb旨在供作为通常采用多个互连pebb的模块化和可缩放功率转换器架构的一部分使用。每个pebb可以在各种功率应用中使用，其中所有其接口和操作设置都是可配置的。
7.pebb通常将功率装置，栅极驱动器和其它组件并入构建块中，其中：（i）可配置和明确定义的功能性，（ii）标准化硬件，（iii）控制接口，以及（iv）与其它pebb的互操作性。
8.用于具有紧凑空间要求的船和其他环境的功率转换器：某些环境（例如军用和商用船和飞机）诱发空间的利用。结果，船要求比可在陆基环境中使用的功率转换器更紧凑的
功率转换器。还期望减小功率转换系统的重量以用于海上应用。功率转换器体积和功率转换器重量的减小导致改进的功率密度和船上更小的阻力。
9.对于海上应用，政府和工业发起的pebb研究和开发努力都集中在pebb1000构建块，也称为“pebb1000最小/线可更换单元”（下文中称为“pebb1000lru”）。
10.在已知的硬件配置中，pebb1000lru具有三个或四个功率转换级，其中高频固态变压器位于中间。现有的模块化三或四级pebb1000lru将在pebb1000的两侧上具有约1千伏（1kv）（或更小）的dc或ac电压。传统pebb1000lru中间的高频（hf）变压器具有1：1（单位）绕组比，这在传统功率使用中可能具有某些益处：用于不同pebb1000lru的对称性、简单性和通用部件/组件（即，1：1比率变压器的惯例或标准）。
11.在内部，这种现有的pebb1000lru硬件配置还利用用于开关的到期（matured）且可用的1.2kv或1.7kv额定sicmosfet和/或1.2kv或1.7kvigbt装置。已知的传统pebb1000lru的功率通常定额在85kw到125kw，且提供范围从680v到1kvdc或从480vac到707vac的电压。
12.对于一兆瓦（1mw）或更小的功率应用，且对于12kv或低于功率应用，通常使用十二（12）个pebb1000lru来架构共用或统一硬件功率转换器，所述pebb1000lru在pebb1000lru的每侧上具有并联或级联连接（取决于应用的电压要求）。通常，传统的海上功率转换器（涉及脉冲负载，能量存储和能量箱（magazine））在转换器中采用12个pebb1000lru，并且被定额以用于1kvdc到450vac、1kvdc到4160vac、1kvdc到6kvdc或1kv到12kvdcpebb的转换。
13.这样的传统功率转换器通常具有相同数量（12）的pebblru。在这些应用中，需要12个pebblru能够“堆叠/按比例放大”或联网以获得用于传统功率转换器的1mw额定输出功率。虽然基于pebb1000lru的功率转换器比具有等效额定值和功能性的传统/经典块体（或非模块化）功率转换器的功率密集，但pebb1000lru和转换器随着施加电压增加超过用于1mw额定转换器的12kv而变得“电压受限”。为了满足高中电压要求，转换器可能必须在功率方面过大，从而牺牲额定应用的功率密度。
14.由母案（pct'0624）申请解决的问题：本部分继续申请的母案申请是申请人ge能量功率转换技术有限公司于2020年1月28日提交的未决pct申请#pct/ib2020/050624，标题为“powerelectronicsbuildingblocks（pebbs）withenhancedpowerdensity，reducedsize，isolatedpowerports”——下文称为“pct'0624申请”，“'0624申请”或简称为“'0624”。
15.母案pct'0624申请解决以下问题：出于能量效率和有效的船上空间利用的原因，期望提供一种pebblru，其中可组合12个pebblru以获得比用当前pebb1000lru获得的更高的输出电压，更高的输出电流和/或更高的输出功率。在一些实施例中，期望具有pebblru，其被设计和配置成使得需要少于12个这样的pebblru来创建实现现有输出电压，电流和/或功率的功率转换器。
16.给定前述缺陷，例如关于pebb1000的体积功率密度挑战，存在对作为功率转换器的模块化组件的pebblru的需要，以支持功率转换器，与已知的功率转换器配置相比，所述功率转换器可升压高功率电压并递送更多功率，同时不需要额外的pebblru。还存在对作为功率转换器的模块化组件的pebblru的需要，以支持这样的功率转换器，该功率转换器可以升压高功率电压并递送更多功率，同时在空间受限的应用中不需要额外的空间，例如用于船的功率系统。
17.母案申请的解决方案的概述：本技术的母案申请（“pct'0624申请”）提供针对上述
问题的具有多个不同实施例的解决方案，这些实施例在此被概述，并且也在本技术中被重新获得并在下面详细讨论。
18.在一个实施例中，混合功率电子器件构建块（pebb）最小/线路可更换单元（lru）转换器采用第一低电压侧（例如，具有1000vmosfet或模块）和第二高电压侧（例如，具有6000vmosfet或模块）。具有1：n绕组比的高频变压器（其中n》1）提供两侧之间的耦合。k：n的比率可以被采用，其中k小于z（k《z），并且k个绕组在耦合的较低电压侧上，而z个绕组在较高电压侧上。在示范性实施例中，可以采用1：2，1：3，1：4，1：5，1：6的绕组比或其它比率。
19.在各种实施例中，可以从ac到ac电功率，或从ac到dc，dc到ac，或dc到dc实现高功率转换。该系统使转换器的重量和体积要求最小化，并且还降低在不同电压下生成输出功率所需的输入功率；也就是说，它减小硬件体积，同时增加了硬件的功率密度。
20.在实施例中，适用于紧凑空间应用（例如海事应用）中的功率转换的pebb lru减少功率转换器中所需的lru的数目，且因此减少pebb转换器的总体积和重量，这进而改进高于12kv中电压应用的功率密度。在实施例中，可以基于具有12个pebb lru的公共/标准拓扑来构造模块化和可缩放的1mw功率转换器，以用于美国海军和商业海洋应用的所有当前和未来的船功率系统平台。转换器内的pebb lru的统一或标准化配置为各种功率系统平台或应用提供pebb lru设计和功率转换器设计的通用性。
21.在一个实施方案中，本系统是pebb lru，其具有：（i）第一端，其具有用于以第一电压进行功率传输的低电压功率级，所述第一端具有配置成携载所述第一电压的低电压开关；（ii）第二端，其包括用于以第二电压进行功率传输的高电压功率级，其中所述第二电压高于所述第一电压，且其中所述高电压第二功率级包括能够携载所述第二较高电压的高电压开关；以及（iii）变压器，其具有电连接到低第一功率级的第一绕组和电连接到高功率级端的第二绕组，所述第一绕组具有整数匝数k，并且所述第二绕组具有整数匝数n，使得所述第一绕组与所述第二绕组的匝数比为k：其中n是大于k的整数值的整数值。
22.在实施例中，如此配置的pebb lru可在其中将电功率从第一端转移到第二端或将电功率从第二端转移到第一端，使得pebb lru的任一端可用于从功率源接收功率或向负载提供功率，而另一端能够向负载提供功率或从源接收功率。（将理解，在应用中，在给定时间，pebb lru的仅一端可接收功率，而仅另一端提供功率。）在本系统的备选实施例中，lru的一端配置成从功率源接收电功率，且另一端仅配置成仅向负载提供电功率。
23.在这个文献中，为了参考的简洁和方便，根据pct'0624申请的先前教导的系统的示范性pebb lru可以被称为“pebb x000 lru”,其中x可以是（替代/替换有）2、3或6或其他整数值，并且x000表示大于1000v的电压。在一些示范性实施例中，x000例如可以是六千（6000）伏，但是也可以设想其它电压（包括例如但不限于2000或3000v）。为了参考的进一步方便和简洁,“pebb x000 lru”也可称为“pebbxk”，例如pebb2k或pebb6k。出于将在以下进一步讨论时变得显而易见的原因，根据本系统的示范性pebb lru也可称为“混合pebb lru”或简称为hpebb；为了方便和一致起见，术语“混合pebb lru”，“hpebb lru”或简称为“hpebb”将通常用在这个文献中。如在本段落中列举的所有这样的术语贯穿这个文献是等同的。
24.在一些实施例中，本发明的系统和方法可采用hpebb的多个功率输出接合处以用于调节和不调节功率。
25.由于实现增加的功率密度，本系统和方法的一些实施例可以采用新颖的冷却系统来散热。例如，本系统和方法的各种实施例可采用与hpebb的功率变压器相关联的液体冷却系统。本系统和方法的各种实施例可以仅使用一种液体冷却剂，而其它实施例可以在各种冷却配置中使用两种或更多种液体冷却剂。
26.虽然本文所描述的示范性实施例通常是指配置成接收1000伏且递送6000伏或甚至高电压的hpebb，但本系统和方法的一些实施例也可用于较低功率pebb lru，例如接收500伏且递送2000伏或递送3000伏或更高电压的hpebb；或者甚至额定用于仍更低功率应用的pebb lru。
27.本技术解决的问题：组件可用性。本技术部分解决了与母案申请相同的问题，即：需要具有减小的空间要求和/或减小的重量要求的高功率生成和转换。如在这个文献中教导的本系统和方法解决可能未被母案pct'0624申请完全解决的问题的一些方面。特别地：专利申请pct'0624教导使用高电压碳化硅（sic）mosfet装置和模块；但是在提交本技术时，只有低电压的sic mosfet（1.7kv和更低）被很好地建立以用于商业用途。高电压（大于1.7kv）sic mosfet装置和模块仍然处于一般开发阶段。在提交本技术时，该技术还没有成熟，因此在提交本技术时，高电压sic mosfet装置和模块不容易且成本有效地获得，并且在未来的一些未知时间之前通常不能在市场上获得。
28.为了克服这个问题，在本系统的一些模块或部分中采用一种备选的，成熟的，容易获得的技术。特别地，在这个hpebb发明中使用可用的、已知的且可靠的商业现成（cots）高电压（大于1.7kv）si igbt。
29.更通常，在本领域中已知的是，基本开关元件（bjt，igbt和mosfet）可以根据在其组成中采用的电气材料而分类为不同类型。例如，一些开关组件可以被认为是严格地基于硅（si）的装置，而其它的可以被分类为基于硅碳（sic）的装置。如本领域中已知的，具有不同材料组成的其它类似装置在例如它们可承载的最大电压，它们可承载的最大电流，最大开关速度和/或最大频率，可靠性，稳定性，耐热性，制造成本和其它性能因素方面可具有明显不同的性质。此外，对于给定的最大频率容限，电压额定值，电流额定值和/或总功率额定值，不同的基本类型的开关可能在它们的物理尺寸，物理重量，由组件产生的热量以及影响真实世界设计考虑的其它有形因素方面不同。
30.由于具有数十个或数百个不同组件的许多电气系统的复杂性，通常不清楚在单个系统中对装置类型的哪些选择和/或不同装置类型的哪些组合将导致作为整体的电气系统的最佳性能。
31.本系统和方法的创新方法克服现有技术（包括专利申请pct'0624的母案）的组件可用性障碍，而不牺牲性能。本系统和方法解决中至高电压sic mosfet装置/模块的高成本和不可靠性的挑战，这些装置/模块目前可能是有限可用性的。另外，本系统和方法减少lru的数量，因此减少pebb转换器的总体积和重量，这又改进高于12kv中压应用的功率密度。这对于pebb转换器能够装配到军用和商用船上的非常紧凑的空间中是非常重要的。
技术实现要素：
32.在先前在专利申请pct'0624中公开的实施例中，示范性pebb的高端功率侧被实现为例如10kvsic开关115.2。（例如参见本技术的图1，其图示pebb的高端侧（其是该图的右手
侧或（b）侧）。在一些实施例中，如图1中所图示，高功率开关115.2被实现为与二极管并联的mosfet（金属氧化物半导体场效应晶体管）。
33.（这里注意的是，在pct'0624专利申请的母案中，术语“功率开关115”在点处用作表示硅（si）igbt（绝缘栅双极晶体管）及其并联二极管。在结构或操作上没有实质性差异，术语“功率开关”在每个应用中被定义为最好地满足每个应用的清楚的需要。）本系统和方法通过在混合pebb（hpebb）的高电压端105.2上使用硅（si）igbt而不是碳化硅（sic）mosfet模块，同时仍然在hpebb的低电压（a）侧上使用sic mosfet装置或模块来扩展和补充pct'0624申请中描述的发明。因此，本系统和方法采用双功率器件类型——硅igbt以及先前采用的sic mosfet——来创建可以用当前可用技术实现的模块化和可缩放的混合pebb。
34.本系统和方法的高电压si igbt模块是成熟且可靠的商用现货（cots）技术。这些成熟的si igbt元件允许目前生产实用的，有成本效益的多装置类型（mst）hpebb，与在专利申请pct'0624中教导的高电压（大于1.7kv）sic mosfet模块相比具有显著的商业优势。
35.本发明提供一组技术方案，如下。
36.技术方案1.一种多开关类型混合功率电子器件构建块最小可更换单元（mst hpebb lru），包括：第一端，其包括用于以第一电压a进行功率传输的低电压功率级，所述第一功率级包括低电压桥转换器，所述低电压桥转换器包括第一基本类型的开关装置的多个低电压开关，所述第一基本类型的开关装置配置成承载所述第一电压a；第二端，其包括用于以高于所述第一电压a的第二电压b进行功率传输的高电压功率级，高电压第二功率级包括高电压功率桥，其中：（i）所述高电压功率桥包括第二基本类型的开关装置的多个高电压开关，所述第二基本类型的开关装置不同于所述第一基本类型的开关装置的类型，以及（ii）所述高电压功率桥配置成承载更高的第二电压b；以及所述第一端和所述第二端经由1：1变压器电压耦合和电流隔离。
37.技术方案2.如技术方案1所述的mst hpebb lru，其中：所述低电压桥转换器包括基本开关类型，其适于在使所述mst hpebb lru的功率密度最大化的同时开关低电压（a）；以及所述高电压桥转换器包括适于将所述低电压（a）升压到所述高电压（b）的基本开关类型，其中经由所述高电压桥转换器提供所述mst hpebb lru的降压或升压。
38.技术方案3.如技术方案1所述的msthpebblru，其中：所述多个低电压开关包括多个碳化硅mosfet开关；以及所述多个高电压开关包括以下中的至少一个：多个硅（si）igbt开关，多个集成栅极换向晶闸管开关，以及多个注入增强栅极晶体管开关。
39.技术方案4.如技术方案3所述的mst hpebb lru，其中：所述多个低电压开关包括额定在2kv或更小的多个sic mosfet开关，并且所述多个高电压开关包括额定在3kv或更大的多个si igbt开关。
40.技术方案5.如技术方案4所述的mst hpebb lru，其中：所述多个低电压开关包括多个1.7kv开关，并且所述多个高电压开关包括多个4.5kv开关。
41.技术方案6.如技术方案5所述的mst hpebb lru，其中：所述1：1变压器包括具有非晶磁芯的变压器。
42.技术方案7.如技术方案1所述的mst hpebb lru，其中，具有所述第二基本类型的功率开关的所述高电压功率桥包括与全桥转换器子单元并联耦合的半桥转换器子单元，其中：所述半桥转换器子单元被配置用于升压和补偿电压中的至少一个，并且所述全桥转换器被配置用于与高电压负载耦合。
43.技术方案8.如技术方案1所述的mst hpebb lru，其中，具有所述第二基本类型的功率开关的所述高电压功率桥包括与第二半桥转换器并行耦合的第一半桥转换器，其中：所述第一半桥转换器子单元被配置用于升压电压和补偿电压中的至少一个，并且所述全桥转换器被配置用于与高电压负载耦合。
44.技术方案9.如技术方案1所述的mst hpebb lru，其中：所述低电压端包括与第二低电压桥转换器并行耦合的第一低电压桥转换器，所述第一低电压桥转换器还具有用于与低电压功率资源连接的功率端口；所述高电压端包括与所述高电压桥转换器并行耦合的第三低电压桥转换器，所述高电压桥转换器还具有用于与高电压功率资源连接的功率端口；所述变压器将所述第二低电压桥转换器与所述第三低电压桥转换器耦合；以及所述四个桥转换器中的每个相应的桥转换器包括两个和仅两个不同的基本类型的开关装置中的一个和仅一个相应的基本类型的开关装置。
45.技术方案10.如技术方案1所述的mst hpebb lru，其中：所述mst hpebb lru在所述mst hpebb lru的每个相应端处被配置有对应的全桥转换器，以及所述mst hpebb lru被配置用于dc到dc功率转换、dc到ac功率转换、ac到dc功率转换和ac到ac功率转换中的任何的现场适配。
46.技术方案11.如技术方案1上述的mst hpebb lru，其中：所述mst hpebb lru在所述mst hpebb lru的每个相应端处包括相应的全桥转换器-1.f，以及所述mst hpebb lru可配置用于dc到dc功率转换、dc到ac功率转换、ac到dc功率转换和ac到ac功率转换中的任何的现场适配。
47.技术方案12.如技术方案1上述的mst hpebb lru，其中：所述mst hpebb lru在所述mst hpebb lru的每个相应端处包括相应的半桥转换器，以及所述mst hpebb lru可配置用于降压转换或升压对话的现场适配。
48.技术方案13.一种多装置型混合功率电子器件构建块（mst hpebb），包括：第一电压相位模块，所述第一电压相位模块包括多个串联连接的多开关类型功率电子构建块块线路更换单元（mst hpebb lru），其中所述mst hpebb进一步包括：
（i）多个低电压桥转换器，所述多个低电压桥转换器各自包括被配置成携载第一电压a的第一基本类型的开关装置的多个低电压开关；以及（ii）多个高电压桥转换器，所述多个高电压桥转换器各自包括被配置成携载大于a的第二电压b的第二基本类型的开关装置的多个高电压开关。
49.技术方案14.如技术方案13上述的mst hpebb，其中：所述多个低电压开关包括额定在2kv或更小的多个sic mosfet开关，并且所述多个高电压开关包括额定在3kv或更大的多个si igbt开关。
50.技术方案15.如技术方案13所述的mst hpebb，其中：所述mst hpebb现场可适配于dc到dc功率转换、dc到ac功率转换、ac到dc功率转换和ac到ac功率转换中的任何功率转换。
附图说明
51.本发明的实施例的有利设计由独立和从属权利要求，说明书和附图产生。在下文中，借助于附图详细解释本发明的实施例的优选示例。结合于此并形成说明书的一部分的附图图示本发明，并与说明书一起进一步用于解释本发明的原理，并使（一个或多个）相关领域的技术人员能够制造和使用本发明。
52.图1图示根据如在母案'0624申请中提出的本系统和方法的一个或多个实施例的示范性混合功率电子器件构建块线路更换单元（hpebb lru）。
53.图2图示根据如在母案'0624申请中提出的本系统和方法的一个或多个实施例的包括多个混合功率电子器件构建块列表更换单元（hpebb lru）的示范性功率转换器。
54.图3a提供根据如在母案申请中提出的本系统和方法的一个或多个实施例的具有液体冷却系统（lcs）的示范性高频变压器的一些元件的示意图。
55.图3b提供根据如在母案申请中提出的本系统和方法的一个或多个实施例的具有液体冷却系统（lcs）的示范性高频变压器的一些元件的示意图。
56.图4a图示根据如在母案'0624申请中提出的本系统和方法的一个或多个实施例的包括多个混合功率电子器件构建块线路更换单元（hpebb lru）的示范性功率转换器。
57.图4b图示根据如在母案'0624申请中提出的本系统和方法的一个或多个实施例的示范性功率转换器，其包括在高电压侧具有公共调节mvdc输出的多个混合功率电子器件构建块线路更换单元（hpebb lru）。
58.图5图示根据如在母案'0624申请中所公开的本系统和方法的一个或多个实施例的示范性全兆瓦级功率转换器，其包括多个混合功率电子器件构建块线路更换单元（hpebb lru）。
59.图6图示根据本系统和方法的一个或多个实施例的示范性多开关类型混合功率电子器件构建块线路更换单元（mst hpebb lru）。
60.图7图示根据本系统和方法的一个或多个实施例的示范性多开关类型混合功率电子器件构建块线路更换单元（mst hpebb lru）。
61.图8图示根据本系统和方法的一个或多个实施例的示范性多开关类型混合功率电子器件构建块线路更换单元（mst hpebb lru）。
62.图9图示根据本系统和方法的一个或多个实施例的示范性多开关类型混合功率电
子器件构建块线路更换单元（mst hpebb lru）。
63.图10图示根据本系统和方法的一个或多个实施例的示范性多开关类型混合功率电子器件构建块线路更换单元（mst hpebb lru）。
64.图11图示根据本系统和方法的一个或多个实施例的示范性功率转换器，其包括多个多开关型混合功率电子器件构建块线路更换单元（mst hpebb lru）。
65.关于附图中的文本：附图中的任何文本都是为了便于帮助理解、提醒读者元件的至少一个可能的实施例而提供的。这样的文本不应当被解释为限制性的，并且不同的元素可以通过附加的或备选的标签，命名法或备选的实施例来获知或理解，如在书面公开中所描述的。附图中所示的特定功能或操作值（例如，电压值或功率值）应解释为仅是示范性的而非限制性的。
具体实施方式
66.虽然本文利用用于特定应用的说明性实施例描述本发明，但是应当理解，本发明不限于此。
67.以下详细描述本质上仅是示范性的，并且不旨在限制所教导的系统，配置和方法，也不旨在限制所教导的系统，配置和方法的元件或步骤，也不旨在限制如本文所公开的本系统，方法和配置的应用。此外，在前面的背景技术或发明内容中，以及在下面的详细说明中，不存在将范围限制或限定为任何理论或通过任何理论来限制或限定的意图。可以得到本文提供的教导的本领域技术人员将认识到在其范围内的附加修改，应用和实施例以及其中本发明将具有显著效用的附加领域。
68.贯穿本技术，各种实施例的描述可以使用“包括”语言，指示该系统和方法可以包括所描述的某些元件或步骤；但是该系统和方法还可以包括未描述的其他元件或步骤，或者可以结合其他实施例描述的其他元件或步骤，或者可以仅在附图中示出的其他元件或步骤，或者如对于功率系统的功能必要的本领域中众所周知的那些元件或步骤。然而，本领域技术人员将理解，在一些特定实例中，可以使用语言“基本上由
……
组成”或“由
……
组成”备选描述实施例。
69.出于更好地理解本教导并且绝不以任何方式限制教导的范围的目的，本领域技术人员将清楚的是，除非另有特定规定，单数的使用包括复数。因此，术语“一”，“一个”和“至少一个”在本技术中可互换使用。
70.本详细描述中使用的标题仅用于帮助使本文献可读且易于导航，而不应被解释为限定或限制。
71.该系统和方法不限于下面描述的仅是示范性的实施例。相反，该系统和方法的全部范围在所附权利要求书中记载。还将理解，所附权利要求书本身是公开的，并且该系统和方法的全部范围可以包括仅在权利要求书中记载的元件。
72.术语功率资源：在这个文献中，术语“功率资源”通常是指作为电功率源的任何电气系统（包括例如但不限于电池，超级电容器，其它形式的能量存储模块，多功能能量存储模块（mfesm）273（参见图2），发电机，太阳能电池板，电功率电网）；或作为电功率的负载（包括例如但不限于激光器，传感器，电灯，电马达，加热和冷却系统，雷达，声纳，医疗设备，压缩机，
泵，数字系统，通信系统和要求用于操作的电功率的其它系统）。
73.本系统和方法涉及功率转换器203和功率转换器203的结构构建块（pebb），例如混合pebb lru103；本文描述的系统一般被配置成在一端处接受功率源并且在另一端处接受负载；或者更通常，在任一端处连接到功率资源。在下面的一些实施例中，功率资源可以在沿着功率转换器203的内部功率母线的中间配置的其它功率端口处连接。
74.出于以下以及所附权利要求书中的说明和教导的目的，并且除非另有说明：（i）本文中公开为功率转换器203和hpebb lru 103的系统要解释为与（ii）提供电功率或充当用于功率转换器/hpebb 203/103的电负载的功率资源（源或负载）分离且与其区分的功能硬件单元。
75.功率转换器和pebb：功率电子构建块（“pebb”）是功率转换器的结构和功能元件，并且可以是将任何输入电功率转换成期望的电压，电流和频率输出的任何功率处理器。对于海上应用，功率转换器通常采用多个pebb最小/线路可更换单元（“lru”）。
[0076]“降压”和“升压”：在这个文献中，术语“降压转换器”是指这样的电转换器，其接受较高的输入电压b并将其降低或逐步降低到较低的电压a。如本文所使用的“降压”是指将电压从b降压到a的动作或过程。
[0077]
在这个文献中，术语“升压转换器”是指这样的电转换器，其接受较低的输入电压a并将其增大或逐步增大到较高的电压b。如本文所用的“升压”是指将电压从a升压到b的动作或过程。
[0078]
示范性系统如上所述，在传统功率转换器技术中使用的典型pebb 1000 lru在功率上额定在85kw到125kw，其中电压范围从680v dc-1kvdc或480vac-707vac。对于1兆瓦（更小）和12kv（或以下）功率应用，功率转换器可使用12个传统pebb 1000 lru来设计，其中在pebb lru的每侧上具有并联或级联连接。
[0079]
对于较高的中电压功率转换器（大于12kv，例如，海军或海上13.8kvac船功率平台），满足三相ac电压要求所需的传统pebb 1000 lru的数量为三倍到三十六（36），其中每相12个lru。对于相同功率额定值的lru，pebb 1000 lru，使用三十六（36）个pebb 1000 lru将全功率转换器额定值增加到3mw。因此，对于1mw功率应用，组合36个pebb 1000 lru将导致过额定或过大的功率转换器。在此传统示例情况下，对于转换器所需的lru数目由传统pebb 1000 lru的电压能力确定/限制，或它是电压限制的。
[0080]
如下所述，具有hpebb lru的本系统和方法利用减小的重量和减小的尺寸的基于hpebb的功率转换器来减轻该限制。
[0081]
示范性hpebb在这个文献中，根据本系统的pebb lru可称为“混合pebb lru”103；或等效地作为“pebb x000 lru”，其中x可以被替换/替换有2、3或6，并且x000表示大于1000v的电压。在一些示范性实施例中，x000例如可以是六千（6000）伏，但是也可以设想其它电压（包括例如但不限于2000或3000v）。hpebb 103是较低电压组件和较高电压功率组件的混合。为了进一步方便和简洁，示范性实施例在本文中也可简称为“混合pebb”或“hpebb”103。
[0082]
本系统的实施例包括hpebb 103和hpebb 103的元件，其可组合使用以构造功率转换器203，所述功率转换器203可例如为1kv dc到13.8kv ac pebb。在各种实施例中，根据本
发明的系统和方法的hpebb 103要求比传统系统中将要求的传统pebb 1000 lru的数目更少的hpebb lru 103，由此减少功率转换器的总体积和重量，且增加转换器的功率密度和比功率。
[0083]
图1图示根据本系统和方法的示范性hpebb 103。为了减少1kvdc-13.8kvac pebb转换器所需的lru的数量，本系统引入供在功率转换器中使用的混合pebb lru 103，并且其建立在混合低电压功率装置（105.1，110.1，115.1）和高电压功率装置（105.2，110.2，115.2）上。
[0084]
桥转换器和功率开关：示范性hpebb 103可包括具有较低电压开关装置115.1的较低电压桥转换器110.1，以及还包括较高电压桥转换器110.2和较高电压功率开关115.2。个体桥转换器110也从左到右标记为转换器110.1-1，110.1-2，110.2-1和110.2-2，其中转换器110.1-1是最左边的低电压转换器和转换器110.2-2是最右边的高电压转换器。通过装置的功率流通常是从110.1-1到110.2-2，尽管在一些实施例中功率流的方向可以反转。
[0085]
通常，较低电压可称为a伏且较高电压可称为b伏。在一个示范性实施例中，a=1.7kv并且可以经由1.7kv碳化硅（sic）开关115.1来实现，而b=10kv并且可以经由10kvsic开关115.2来实现。本系统和方法被设计成部分地受益于本技术时正在开发或正出现的较高功率开关115.2。
[0086]
在本系统和方法的一个实施例中，功率开关115被实现为与二极管并联的mosfet（金属氧化物半导体场效应晶体管），如图1中所示。在备选实施例中，如图1中所示，功率开关115被实现为与二极管并联的igbt（绝缘栅双极晶体管）。相关领域的技术人员将理解领会，在本系统和方法的范围内，功率开关115可以被实现为一个或多个功率晶体管和诸如gan（氮化镓）宽带隙装置，jfet，igct（集成栅极换向晶闸管）和二极管之类的其它组件的其它组合。
[0087]
在本系统的各种不同实施例中，任何一个桥转换器110可以被设计和配置为将交流（ac）功率转换成ac功率（～/～）；将交流（ac）功率转换成直流（dc）功率（～/=）；将dc功率转换成ac功率（=/～）；或将dc功率转换成dc功率（=/=）。单个hpebb 103可仅采用一种类型的桥转换器（例如，ac到ac（=/=），或仅dc到dc（=/=））；或者可以采用多种类型的桥转换器（例如ac到dc（～/=）和dc到ac（～/=）或其他组合）。
[0088]
在图1的示范性实施例中，较低电压元件105.1被配置用于1000v的电压，而较高电压元件105.2被配置用于6000v的电压。通常，采用较低电压a（例如1000v或2000v）和较高电压b（例如3000v或6000v或较高电压）。
[0089]
在图1的示范性hpebb lru中，总共使用四个桥转换器110。在备选实施例中，可以使用总共两个，三个或多于四个的桥转换器110。
[0090]
在一些实施例中，桥转换器110内的组件（例如功率开关115）如图1所示的那样电耦合，利用串联和并联连接电耦合。相关领域的技术人员将领会，在本系统和方法的范围内，可以利用其它连接拓扑来实现桥转换器110。在一些实施例中，桥转换器110通过分立装置（例如分立功率开关115）实现。在备选实施例中，桥转换器110可以实现为集成模块。
[0091]
还将理解，在本领域中，桥转换器110有时被其他术语指代，包括例如但不限于：功率级，功率桥，h桥转换器和全桥转换器。（在本领域的一些文献中，桥转换器110本身可称为“功率转换器”。在这个文献中，术语“功率转换器”通常被保留用于包含多个hpebb lru 103
的功率转换器203。
[0092]
还将理解（部分参考传统pebb lru术语），低电压组件105.1可以被称为pebb 1000元件；而高电压元件105.2在高电压（hv）侧可称为pebb 6000元件。
[0093]
图1的示范性实施例还示出：1：n（n=2，3
……
）高频（hf）变压器120，其被配置为链接低电压元件105.1和高电压元件105.2。即，示范性hpebb 103经由高频（hf）变压器120耦合较低电压元件105.1和较高电压元件105.2，高频（hf）变压器120具有高于一（1：1）的绕组比，诸如k：n，例如比如但不限于1：3比率或1：6比率。
[0094]
在一些实施例中，示范性hpebb 103可具有与传统pebb 1000 lru相同或类似的架构（即，元件到元件电连接性或元件到元件拓扑），但hpebb lru 103在高功率侧105.2上使用6kv（或更高）额定开关115.2，例如碳化硅mosfet或igbt。
[0095]
图1示出用于hpebb 103的桥转换器110和高频变压器120之间的电连接的一个示范性配置。在第一端处的是用于第一功率资源（未示出，但参见图2中用于示范性第一功率资源的mfesm（273），在这种情况下是功率源）的功率连接145，其可以连接到第一较低电压桥式转换器110.1；然后与第二较低电压桥转换器110.1串联；其依次与k：n高频变压器120串联，并且再与两个高电压桥转换器110.2串联；具有端接功率连接155。
[0096]
在谐振电路或高频变压器120的任一侧上直接串联连接的h桥转换器（110）中的每个有时也可称为“谐振级”（110）。h桥转换器（110）之间的串联功率连接通过内部电气母线130实现。
[0097]
端接电源连接155被配置用于连接到第二功率资源（未示出），该第二功率资源支持或要求比第一电源更高的电压。在本系统的一些实施例中，功率连接145可以专用于提供输入功率的功率资源（即，功率源），其中功率连接155专用于接收输出功率的功率资源（即，负载）。在备选实施例中，功率连接145可以专门用于输出功率，其中功率连接155专门用于输入功率。
[0098]
在备选实施例中，功率连接145或功率连接155中的任一者可用于功率输入，其中另一连接则用于功率输出，这取决于应用且可能随所连接功率资源的使用时间而随时间变化。
[0099]
hpebb lru中间区段125可定义为包括k：n高频功率变压器与低电压桥转换器110.1和高电压桥转换器110.2组合。
[0100]
在本系统的一些实施例中，示范性的高功率开关装置115.2可以由10kv的sic mosfet组成，或者可以包括10kv的sic mosfet，在本技术时由cree（cree，inc.，4600silicondrive，durham，northcarolina，27703）开发。在备选实施例中，高功率开关115.2可以经由其它已知的或正在开发的高功率开关来实现，包括但不限于高功率mosfet和/或高功率igbt。hf变压器120的较高匝数比（例如1：3）提供电压提升，并且使得混合pebb（1000/6000）对于较高mv（》12kv）应用不再受电压限制。
[0101]
在图1的示范性实施例中，低电压侧105.1上的桥转换器110.1可以使用1.7kv sic mosfet/igbt装置，而高电压侧105.2上的桥转换器110.2可以使用10kvsic mosfet/igbtzz 。在具有绕组/匝数比为1：3的hf固态变压器120（一个（1）在低电压侧上，且三个（3）在高电压侧上）的示范性实施例中，那么可针对空间和能量密度高效的1kvdc到13.8kvac功率转换器来配置多个此类hpebb 103。（参见下面的图2）
在一些实施例中，图1的示范性hpebb lru 103则可理解为具有以下的pebb lru：（i）第一端105.1，其包括用于以第一较低电压a进行功率传输的低电压功率级，所述第一端具有配置成携载所述第一电压a的低电压开关115.1和/或转换器110.1；（ii）第二端，其包括用于以高于a的第二电压b进行功率传输的高电压功率级105.2，并且其中高电压第二功率级105.2包括能够承载第二较高电压b的高电压开关115.2和/或桥转换器110.2；以及（iii）变压器120，其具有电连接到低的第一功率级105.1的第一绕组和电连接到高功率级端105.2的第二绕组，第一绕组具有整数匝数k，并且第二绕组具有整数匝数n，使得第一绕组与第二绕组的匝数比为k：n：其中n是大于k的整数值的整数值。
[0102]
相关领域的技术人员将领会，图1的混合pebb lru 103仅是示范性的，并且其它配置也是可能的，包括但不限于具有其它功率额定值和电压额定值的功率开关115，以及具有其它绕组比的高频变压器120。所示的配置仅是示范性的而非限制性的。相关领域的技术人员将领会，仅示出了一些组件，而在实际实现中可能需要其它组件。例如在图1中示出的是一些示范性电容器170，但是也可以采用附加的电容器170以及电感器，其它开关，用于控制的集成电路（ic），电和热传感器以及其它元件。
[0103]
传统pebb功率转换器与hpebb功率转换器术语：在这个文献中，术语“基于hpebb lru技术的功率转换器”203，“基于hpebb的功率转换器”203和“hpebb功率转换器”203用作同义的等效术语。
[0104]
传统与hpebb：为了支持1kvdc-13.8kv1mw功率转换，同时仅采用传统pebb 1000 lru，传统功率转换器将需要远超过十二（12）个pebb 1000 lru。在一些已知的配置中，需要36个pebb 1000 lru，每个相12个。
[0105]
示范性hpebb功率转换器：图2是采用hpebb lru103（例如图1的示范性hpebb103）的示范性基于hpebb的功率转换器203.1的示意图。如图2中所示，混合pebb lru 103（用于示范性单相功率转换器）的总数已维持在每相四（4）个且对于三（3）相保持十二（12）个（图2中未示出），但具有比基于pebb 1000 lru的功率转换器更大的电压和功率输出。
[0106]
功率转换器体积和重量：由于在初级或高电压侧105.2上使用pebb 6000组件110.2，115.2，混合pebb lru转换器203.1的体积和重量可能稍微增加；并且可能由于额外的冷却要求而进一步增加。然而，由于对hpebb lru 103的总数的要求减少（与传统功率转换器相比），在各种实施例中，示范性1kvdc-13.8kv 1mw混合pebb功率转换器203.1的总体积和重量将显著减少（与具有相同电压/功率容量的基于传统pebb 1000 lru的功率转换器的重量/体积相比）。
[0107]
相应地，在各种实施例中，本发明系统提供具有经由使用hpebb lru 103显著增加的功率密度和比功率的hpebb功率转换器203.1（与具有相同总功率容量的基于传统pebb 1000 lru的功率转换器的功率密度/比功率相比）。
[0108]
如图2中所示，在示范性实施例中，hpebb功率转换器203.1可配置有四（4）个hpebb lru 103.n，n=1到4。附图中所示的hpebb lru 103.n的竖直堆叠仅是示范性的，并且为了便于说明。在实际实现中，hpebb lru 103.n可竖直堆叠，水平定位，空间上布置成2
×
2布置；也可以设想其它空间关系。
[0109]
在本系统和方法的实施例中，如附图中所指示，多个hpebb lru 103利用接合所有pebb lru 103的第一（低电压）端的并联电连接205.1和接合所有pebblru的第二（高电压）
端的串联电连接205.2电耦合。在实施例中，还可以采用并行连接205.3来接合hpebb lru 103的内部电气母线130。在备选实施例中，可以省略并行连接205.3。
[0110]
交流（ac）和直流（dc）转换：关于示范性hpebb lru 103.n的桥转换器110，其功率开关115的内部细节未在图2中示出（替代地参见图1）。然而，将注意，在本系统和方法的实施例中，并且如图2的示范性实施例所示，一些桥转换器110可以被配置用于dc到dc（=/=）电流转换，或者用于dc到ac（=/=）转换，或者用于ac到dc（=/=）转换。虽然在图2中未示出，但是在一些实施例中，也可以采用一个或多个ac到ac（～/～）桥转换器110。在本系统和方法的不同实施例中，ac到ac，dc到dc，ac到dc和dc到ac桥转换器110的精确组合可以是不同功率转换器专用的。
[0111]
如图2中所示，示范性hpebb功率转换器203.1可经由低电压侧105.1上的第一功率端口或连接280连接到功率资源273。例如，且但不作为限制，功率源273可以是额定在680kv到1000伏dc之间的多功能能量存储模块（mfesm）273。示范性hpebb功率转换器203.1还可经由高电压侧上的第二功率资源端口或连接285提供第二功率连接。这里也可以连接功率资源（负载或源，附图中未示出）。在实施例中，第二功率端口285可以递送13.8kv的单相三相中电压ac。
[0112]
示范性hpebb功率转换器203.1通常包含在箱（cabinet）或外壳260中，所述箱或外壳260含有所有上述元件以及未在附图中示出但在本领域中已知的其它元件。箱260可以包括，包含或已经附接，例如但不限于：各种内部结构支承元件（未示出），系统母线，电源母线，用于与外部元件连接和与外部系统连接的端口，用于气流的通风口，用于与冷却系统225相关联的冷却剂的管道或导管，外部状态显示器，用于反馈和控制系统227（包括处理器和存储器）的电子器件，以及不必在图2中示出的其他元件。
[0113]
箱或外壳260可以包括一个或多个冷却系统225的元件，如下面进一步讨论的。虽然（一个或多个）冷却系统225在图2中被示为单个块或模块，但这仅是出于说明的目的而不是限制性的。冷却系统225的元件可以具有不同的元件或由不同的元件组成，其可以分布在整个箱260的内部。
[0114]
如从图2中将显而易见的，外部功率可流入第一端口280，分布在多个hpebb lru 103.n中；在每个hpebb lru 103.n内，功率可以通过高频变压器120被引导到低电压桥转换器110.1，并且然后进一步被引导到高电压桥转换器110.2。来自高电压桥转换器110.2的输出在端口285处被组合，以便传送到功率负载。在备选实施例中，功率和电流可以从端口285处的源流到端口280处的负载。
[0115]
冷却本领域技术人员将领会，散热对于电力系统的有效操作是必要的。基于hpebb 1000技术的传统功率转换器通常采用空气冷却（例如采用冷却风扇，通风口和散热器）。
[0116]
如上所述，在使用hpebb lru 103的各种实施例中，本系统向hpebb功率转换器203.1提供显著增加的功率密度和比功率（与基于传统pebb 1000 lru的功率转换器的功率密度/比功率相比）。本hpebb lru 103和hpebb功率转换器203的增加的功率密度和比功率可以产生比基于传统pebb 1000 lru的功率转换器产生的更多的体积或重量热（或每单位体积或重量的热）和更高的温度。
[0117]
为了消散可以通过本系统和方法产生的热量，并且在本系统和方法的一些实施例
中，可以采用基于液体的冷却系统225，其或者与基于空气的冷却相结合，或者基本上代替基于空气的冷却。
[0118]
特别地，较高电压，多个变压器绕组以及hpebb lru 103.n和hpebb功率转换器203.1的更压缩大小的组合作为整体可导致高频变压器120产生强烈热量。在操作期间从hf变压器120产生的热包括初级和次级线圈中的i2t损耗（电流平方（i2）时间损耗）（线圈损耗），以及高频变压器120的磁芯中的热/功率损耗（磁芯损耗）。在一些实施例中，本系统和方法为hf变压器120引入专用的基于液体的冷却。
[0119]
因此，在一些实施例中，本系统改进具有液冷式热管理解决方案320的气冷式pebb转换器，以进一步改进用于特别是空间受限的脉冲负载应用（例如，在军用或商用船上）的体积功率密度。
[0120]
线圈损耗和铁芯损耗之中的热损耗分布根据所使用的特定设计和材料而变化。为了减小体积和增加功率密度，本系统和方法的实施例采用液冷式hf变压器120，其具有用于变压器线圈和芯的热管理的液冷式解决方案。
[0121]
图3a提供具有液体冷却系统（lcs）320.1的示范性高频变压器120的一些元件的示意图，如可以在本系统和方法的一些实施例中采用的。在实施例中，lcs 320.1可以是用于示范性hpebb lru 103和hpebb功率转换器203的整个冷却系统225的元件。在一些实施例中，lcs 320.1和hf变压器120的元件形成结构集成系统，即，lcs 320.1的元件嵌入在高频变压器120的结构内。
[0122]
在实施例中，hf变压器120包括两个初级（高电压/hv）线圈340，两个次级（低电压/lv）线圈335，三个磁（铁）芯345和电连接350（在附图中仅示出一个）。初级和第二线圈实际上未示出；相反，在附图中示出的是实心线圈组件340，345，其可以例如由树脂，环氧树脂，陶瓷，玻璃或其它非导电物质材料制成，其中嵌入有导电（通常为金属）线圈。由导电线圈产生的热容易传递到芯组件340，345的周围的环氧树脂，树脂或陶瓷材料中。
[0123]
在所示的示范性实施例中，三个冷却板360（也称为“热交换器360”）物理地插入或夹在所有的线圈组件340，335和芯345之间并与它们基本接触。在实施例中，冷却板由非铁（非磁性）金属制成。在备选实施例中，冷却板360可由其它适于传热的非铁，非金属材料制成。
[0124]
穿过每个冷却板360的是一个或多个液体输送通道367（在图3a中未示出，参见图3b），其适于传导冷却剂流体，例如去离子水，冷却水或具有或不具有石化添加剂的工艺水，或其它冷却剂液体。一个或多个冷却剂管365（或“冷却剂管”）将液体冷却剂导入和导出冷却板360。冷却剂流体通过冷却板360的（一个或多个）内部通道367的输送将热量从变压器120传导走。
[0125]
本领域技术人员将领会，可以使用各种附加的传导材料，例如热粘合材料或胶，以帮助将线圈335，340和芯345粘合或粘附到冷却板360中，并保持有效和均匀的热传递。
[0126]
相关领域的技术人员将领会，用于变压器120的完全或完整的液体冷却系统将不仅包括冷却系统320.1的元件，而且还包括各种冷却剂泵，热交换器，阀，温度传感装置，冷却剂储存器和图3a中未示出的其它元件。在一些实施例中，此类额外元件将是混合pebb lru 103和/或混合pebb功率转换器203.1的部分。
[0127]
相关领域的技术人员还将领会，具有冷却系统320.1的变压器的确切配置和布置
仅是示范性的，并且可以设想其它布置。这些可包括例如但不限于：更多或更少的冷却板360；一个或多个备选或附加的冷却板360，其结合到磁芯345的外表面；其他备选几何形状；更多或更少的冷却剂管365；以及在所附权利要求的范围内的其他变型。
[0128]
图3b提供具有液体冷却系统（lcs）320.2的示范性高频变压器120的一些元件的示意图，如可以在本系统和方法的一些实施例中采用的。在图3b中，以截面图示出具有液体冷却系统（lcs）320.2的变压器，并且与图3a的实施例320.1相比省略了一些元件。在具有lcs 320.2的变压器中，仅采用单个初级线圈340，其夹在两个次级线圈335之间。在副线圈335的外表面上使用两个冷却板360。冷却板360也与磁芯345热接触。还示出了具有贯穿热交换器360的内部通道367的冷却剂管360。
[0129]
在备选实施例（未示出）中，冷却板360可以设置成与磁芯345的外部热接触（除了如图3b所示夹在磁芯和热交换器之间的冷却板360之外，或者作为备选方案）。
[0130]
浸入油中的变压器：在备选实施例（附图中未示出）中，并且作为上述实施例的备选或附加，整个hf变压器120可以在结构上固定和/或悬挂在基本上密封的容器内。整个容器可以填充非导电但导热的流体，例如矿物油（“油”），从而将变压器120浸入油中。在各种实施例中，容器配置有允许管道和电连接的合适的液体密封端口，而不允许油冷却剂泄漏。通过油或其它导热流体，热量从变压器120传输到密封容器。然后，结合到密封容器（例如冷却板360）或基本接近密封容器的冷却元件可以进一步从密封变压器组件传递热量。
[0131]
将注意，用于上述变压器（120）的冷却系统（320）是可选的；并且进一步地，这样的冷却系统（320）可以在不同于hpebb lru（103）的上下文中实现和使用。
[0132]
附加功率母线链路选项非隔离第二dc功率端口/母线：图4a示意性地示出根据本系统和方法的示范性功率转换器203.2，其包括多个混合功率电子器件构建块线路更换单元（hpebblru）。功率转换器203.2可以采用与以上关于上述示范性功率转换器203.1（参见图2）所述的元件和元件布置相同或基本相似的元件和元件布置。这里将不描述重复的元件。
[0133]
在示范性实施例中，功率转换器203.2通过在可重新配置的有源前端（afe）404的非储能端启用经调节的dc母线/链路选项410来提供可重新配置的降压和升压有源储能前端功率转换器/转换级（功率级）。（afe的非能量存储端是桥转换器110.1的未连接到输入端口280的端。）在实施例中，并且如附图所示，该附加功能通过经由功率连接412并联连接afe功率级404的非能量存储端来实现；以及通过利用经由运行在适当处理器（图中未示出）上的软件实现的功率调节算法来控制afe功率级，而不需要添加另外的功率电子器件硬件。在一些实施例中，这提供第二调节的dc母线/端口410（除了第一功率端口或连接280之外），而不需要额外的转换器110.1，由此节省成本，减小体积并且提高总体系统功率密度。
[0134]
第二dc母线/端口410可以与需要调节的dc母线/链路的能量/功率源或负载连接。一个实用且新兴的示例是用于军事（例如，海军大型水面战斗人员）和商业（例如，钻井船）船舶动力系统应用。
[0135]
图4a的示范性功率转换器203.2被配置用于三相功率操作，但是类似的非隔离调节的lvdc链路410也可以被提供用于被配置为单相功率转换器的实施例。
[0136]
电流隔离的第二dc功率端口/母线：图4b示意性地示出根据本系统和方法的示范性功率转换器203.3，其包括多个混合功率电子器件构建块线路更换单元（hpebblru）。功率
转换器203.3可以采用与以上关于上述示范性功率转换器203.1（参见图2）所述的元件和元件布置相同或基本相似的元件和元件布置。这里将不描述重复的元件。
[0137]
在示范性实施例中，功率转换器203.3通过在功率转换器203.3的调节后端（be）407处启用调节的，电流隔离的dc母线/链路选项420来提供可重新配置的降压和升压有源能量存储后端功率转换器/转换级（功率级）。
[0138]
在实施例中，并且如附图所示，该附加dc母线/链路420可以通过经由功率连接414并联连接功率级407的后端的内部电气母线130来启用；并且通过利用经由在适当的处理器（附图中未示出）上运行的软件实现的功率调节算法来控制be功率级407，而不需要添加另外的功率电子器件硬件。
[0139]
图4b的示范性功率转换器203.3被配置用于三相功率操作，但是在单相功率转换器中也可以提供类似的电流隔离调节mvdc链路420。
[0140]
电流隔离：输出的电流隔离使得具有相对于输入“浮动”的功率输出（意味着在输入和输出之间没有直接的电连接或没有电流传导路径）。电流隔离的益处包括例如但不限于：该接地回路可以断开以减少电气系统中的噪声；输出极性可自由选择；并且电流隔离屏障（由变压器120形成）可以形成重要的安全元件以防止电击并减少由电气故障状况（例如短路）引起的其他危险。
[0141]
由于可用作输出端口的功率端口420与功率资源端口280（（其可用于功率输入）电流隔离，所以用于输入或输出侧的“零”参考电压的选择也是任意的。实现示范性功率转换器203.3的经调节的，电流隔离的dc母线/链路420的电连接414与示范性功率转换器203.2（图4a）的电连接相似，除了经调节的dc母线/链路420现在位于固态高频变压器130的相对侧。因此，调节的dc链路/母线420与非调节的dc母线/链路410（图4b中未示出，见图4a）和/或与能量存储器（端）273/280电流隔离。
[0142]
在一些实施例中，这提供第二调节的dc母线/端口420（除了第一功率端口或连接280之外），而不需要额外的转换器110.1，由此节省成本，减小体积并且提高总体系统功率密度。
[0143]
将注意，上文所描述的额外hpebb功率端口（410，420）对于本文所描述的hpebb lru（103）是可选的；此外，这种附加端口（410，420）也可以在传统pebb lru中实现和使用。
[0144]
三相功率转换在本系统和方法的一些实施例中，诸如示范性功率转换器203.2和示范性功率转换器203.3，以及基于hpebb的功率转换器可递送三相电流。
[0145]
图5提供hpebb功率转换器203.5的另一实施例的示意图，该hpebb功率转换器203.5被配置成递送兆瓦级三相功率，将直流转换成ac电流功率。这里，示范性hpebb功率转换器203.5采用三相转换器203.a，203.b，203.c（或简称为“203.p”），每个转换器是用于功率系统的单相a，b或c的功率转换器203。每个相转换器203.p包括四（4）个pebb最小可更换单元（lrus）103.n。每相（a，b，c）内的四个lru 103.n在afe功率级的两侧上并联连接205.1，205.3，从而启用双（未经调节和经调节）dc母线/链路。四个lru 103.n在lru 103的ac端口/侧串联连接285。三相（a，b和c）的未调节和调节的lvdc（在afe功率级的两侧）并联连接502。三相的mvac侧的中性点504系在一起。系统控制将管理双向功率和能量流，并提供经调节的lvdc。
[0146]
在各种示范性实施例中，本系统和方法可能需要使用或集成控制系统227来调节开关，电容器，冷却系统和其它需要实时控制的因素。这种控制系统227可能需要使用微处理器，数字输入/输出元件，存储器（例如随机存取存储器（ram）和各种形式的非易失性存储器），显示系统，音频输入和/或音频信号系统，和/或本领域中已知或将开发的模拟控制元件。这种控制系统227可以采用存储在存储器中的适当编码的软件来控制系统操作的各个方面。
[0147]
以上，已经以各种功率，电流和/或电压额定值的示范性组件（例如1.7kv开关和10kv开关）提出本系统的示范性实施例。在所附权利要求的范围内可以采用其它功率/电流/电压额定值。例如，在一些实施例中，可以采用3.3kv sic mosfet或igbt，包括可能使用超结sic-高效率，低损耗技术。在备选实施例中，可以在桥转换器内串联或级联地采用两个（2）或更多个1.7kv电源开关或装置/模块。
[0148]
以上，以具有1：3对1：6的绕组比（也称为“匝数比”）的示范性k：n功率变压器提出本系统的示范性实施例。在一些实施例中，可以采用其他比率，例如1：2，1：4，1：5，并且根据功率开关的相对电压（a与b相比）也可以实现其他匝数比。
[0149]
混合pebb的其它实施例和应用出于海事目的，包括诸如海军功率系统和能量系统（npes）技术的海军应用，正在开发pebb桥转换器和功率转换器作为多功能能量存储模块（mfesm）工作的一部分。传统的开发努力集中在每个模块/转换器1mw pebb上。能量箱（em）在具有450vac和4160vac配电系统的船平台上的潜在初始应用是目标。中电压直流（mvdc）系统的pebb也在6kvdc链路电压下开发，其也可扩展并适用于12kv dc系统。
[0150]
在传统系统中，使用1.7kv sic开关的模块化和可扩展pebb 1000 lru可用于各种船平台（450vac，4160vac，6kvdc和12kvdc）。pebb 1000 lru在680v至1kv电压下设计/额定在85kw至125kw。对于用于450vac，4160vac，6kvdc和12kvdc船平台的1mw pebb转换器，pebb 1000是功率受限的。也就是时候，多个pebb 1000 lru需要串联或并联堆叠以构成1mw额定功率。堆叠式pebb转换器具有用于实现所需电压的额外或足够余量。
[0151]
在usn（美国海军）舰队中的一种附加的普通配电系统是13.8kvac配电系统，例如在航空母舰上使用的配电系统。13.8kvac功率分配也可以是usn未来大型地面战斗人员（lsc）的首选。展望未来，对于13.8kv（或更高）的船舶平台，pebb 1000 lru电压受限；即，堆叠到所需电压所需的pebb 1000的数量将超过1mw额定功率。结果是用于1mw应用的过大尺寸的pebb转换器。这种基于pebb 1000的，这种基于pebb 1000的超大型转换器必定比其它功率转换器存在挑战和缺点。
[0152]
母案pct'0624申请的hpebb因此，更高的功率密度和比功率是期望/需要的，并且对于未来的船舶平台应用是关键的。本技术中教导的利用/利用具有高频（hf）变压器的更高（与1：1相比）或多匝数比的pebb 1000和pebb 6000的混合pebb功率转换器被设计用于13.8kv ac或大于（》）12kv dc应用。具有本文所公开的示范性实施例，且其它实施例在所附权利要求书的范围内,系统/船平台所需的混合pebb lru的数量可以是12个这样的模块，其数量与用于所有其他船舶平台（450vac，4160vac，6kvdc和12kvdc）的基于pebb 1000的功率转换器相同。
[0153]
结果，本文教导的系统和实施例，以及在所附权利要求的范围内的其它实施例，按
照相同/相同的转换器体系结构，进一步增强和标准化基于pebb的功率转换器的模块性和可扩展性。在本系统和方法的一些实施例中，可以采用10kv的sic功率开关和桥转换器，而不需要功率转换器的尺寸过大或在功率容量过大方面进行过设计。然而，在针对功率转换器电平的替代实施例中，尤其是针对具有高达3mw的较高额定功率要求的13.8kvac应用，且基于hpebb的功率转换器将具有约30％更小的体积或约43％更好（1.43x）的功率密度。
[0154]
混合pebb不仅满足13.8kvac船上功率系统的需求，而且为3mw em和npes应用提供更密集的转换器选项/解决方案。混合pebb转换器与npes相关，并且将对npes实现的不同阶段有贡献和更好地适用。
[0155]
多开关型hpebb lru开关类型：如本领域已知的，功率电子开关中采用的最低电平或最基本的电开关装置通常是称为“晶体管”的单个电组件。（也可以采用二极管装置，并且在一些技术背景中，二极管也可以被解释为一种简单的开关。为了这个文献的目的，术语“开关”，当与基本电子元件相关使用时，通常指晶体管，除非另有说明。
[0156]
当前在本领域中已知的基本开关装置类型包括双极结型晶体管（bjt）和场效应晶体管（fet），其中fet通常有利于高功率电子系统。fet又可以具有不同的结构和组成，并且因此被进一步分类在不同的装置类型之中，诸如可以采用各种不同材料的金属氧化物半导体场效应晶体管（mosfet）。其它类型的基本开关元件可以是混合元件，例如绝缘栅双极晶体管（igbt），其在单个最低电平电元件中使用bjt和fet的一些元件。
[0157]
（将注意，在本领域中，术语“开关”具有各种重叠使用。例如，通常也使用“开关”来指可以使用电耦合的两个或更多个基本开关装置（即，两个或更多个晶体管）的多装置开关模块或复杂开关装置。于是，在文献中，术语“开关”可以指单个基本开关装置（诸如单个bjt或单个fet，两者都在下面进一步讨论）中的任一个；或更复杂的多装置模块或系统。在许多情况下，术语“开关”的含义从上下文中是显而易见的。
[0158]
开关组件类型，材料组成和操作特性：基本开关元件（bjt，igbt和mosfet）可以根据在其组成中使用的电气材料而被进一步表征或分类为不同类型。例如，一些开关装置可以被认为是严格地基于硅（si）的装置，而其它的可以被分类为基于硅碳（sic）的装置。如本领域中已知的，具有不同材料组成的其它类似器件在例如它们可承载的最大电压，它们可承载的最大电流，最大开关速度和/或最大频率，可靠性，稳定性，耐热性，制造成本和其它性能因素方面可具有明显不同的性质。
[0159]
多开关类型：在这个文献中的上述实施例中，hpebb lru采用碳化硅（sic）功率开关（sic mosfet）115.1，115.2用于lru的低功率侧105.1和高功率侧105.2上的高功率和低功率开关元件。如以上在这个文献中所描述的，并且在此提交高功率时，sic mosfet组件目前是有限的供应，昂贵的，并且可能是不可靠的。因此，本系统和方法用可用的，可靠的硅（si）igbt替换任何高电压（大于1.7kv）sic mosfet部件。
[0160]
这样，下面在该文献中公开的hpebb lru包括sic mosfet开关和硅igbt开关。这样的hpebb lru本文被称为多开关类型混合功率电子构建块线路更换单元603，或者简称为mst hpebb lru 603。（为了简洁起见，经常使用“多开关类型”代替“多开关类型”。）下面的讨论提出图6到10中的五个不同的示范性mst hpebb lru603。相关领域的技术人员将领会，本系统和方法不限于这些实施例，并且可以在所附权利要求的范围内实
现其它mst hepbb lru 603。
[0161]
将注意到，在图6到图10中，新配置（不同于）于以上图1的示范性hpebb lru 103的对应桥转换器110.1，110.2的桥转换器110.3以粗的、暗色调的、加倍的边界突出显示。在图11中，这样的可适配桥转换器110.3用特别厚的边界突出显示，并进一步用=/=/～（dc，dc，ac）符号注解。
[0162]
通用多装置类型设计考虑：在选择供在mst hpebb lru 115中使用的基本开关装置的那些类型中，可以对各种设计考虑进行加权。作为一般考虑，pebb lru具有多个桥转换器110，其中一些桥转换器被配置用于承载第一较低电压a，而其它桥转换器110被配置用于承载第二较高电压b。任何pebb lru内的不同桥转换器110也可以被配置成仅用于dc电流，ac电流，或ac和dc电流两者。而且，相关的是最终指定的输入电压和电流以及最大输出电压和电流。
[0163]
在根据本系统和方法的任何多开关类型设计中，pebb lru内的特定模块或子模块110，630，632，634相对于它们预期承载的任何或所有电压或电流，它们是否将处理ac，dc或两者，以及它们要耦合到的其它源，负载和/或内部模块来评估。在本系统或方法的实施例中，每个模块或子模块110，630，632，634将用可以在mst hpebb lru 603中采用的若干不同装置类型115.1，115.2，
…
，115.n
dt
中的一个装置类型115.x来实现。
[0164]
在本系统和方法的实施例中，为给定模块或子模块110，630，632，634选择的特定装置类型115.x将基于选择基本装置类型115.x来选择，基本装置类型115.x：（i）满足特定模块或子模块的性能要求，以及（ii）至少对于该模块/子模块，优化诸如最大功率密度，最小开关器件尺寸，最小开关器件重量，由每个开关器件产生的减少的热量，开关器件成本，以及由基本器件类型所要求的任何种类的电路复杂性之类的因素。（例如，对于每个基本开关，不同类型的基本器件类型可能需要用于相关联的电阻器，电容器或电感器的不同类型或不同的电路连接。）特定的设计选择，包括不同基本开关类型115的数量，以及它们在mst hpebb lru 603内的特定使用，将根据mst hpebb lru 603的特定操作目标而变化。在一些实施例中，所采用的不同基本器件类型115的数目（n
dt
）被限制为二（2）（例如但不限于，可能是低功率sic mosfet 115.1和高功率si igbt 115.3）。在替代实施例中，用于mst hpebb lru 603的不同基本装置类型115的数目（n
dt
）可以是三（3）个或更多个不同的基本装置类型115。应当注意，虽然这里讨论的本系统和方法的实施例一般采用mosfet和/或igbt的开关器件类型115，但是在本公开和所附权利要求的范围内可以采用其他多种不同的开关器件类型115，包括例如但不限于：gan（氮化镓），和/或igct（集成栅极换向晶闸管），和iegt（注入增强栅极晶体管）。
[0165]
第一示范性mst hpebb lru图6示出根据本系统和方法的一个或多个实施例的示范性多开关类型混合功率电子器件构建块线路更换单元（mst hpebb lru）603.1。
[0166]
mst hpebb lru 603.1的多个元件与上面结合图1讨论的示范性hpebb lru 103的元件相同或相似，这里将不详细描述一些重复的元件。
[0167]
示范性mst hpebb 603.1被配置用于直流（dc）到交流（ac）转换，即dc到ac或ac到dc转换。示范性mst hpebb 603.1可以包括具有较低电压开关设备115.1的较低电压桥式转
换器110.1，以及一个或多个较高电压桥式转换器110.3和较高电压电源开关115.3。个体桥转换器110从左到右被标记为转换器110.1-1、110.1-2、110.1-3（全部较低电压）和110.1（较高电压）。较低电压级称为“a”级，较高电压级称为“b”级，其中“a”和“b”是指较低（a）和较高（b）电压。然而，应注意，b级可包括较低电压功率开关（例如在示范性桥式转换器110.1-3中）。
[0168]
在本系统和方法的示范性实施例603中，功率开关115被实现为与二极管618并联配置的功率晶体管617。二极管618是所谓的“续流二极管=”或“回扫二极管”，其用于保护电路免受由于流过电路的电流的突然减小而引起的异常损坏。相关领域的技术人员将领会，在本系统和方法的范围内，可以实现功率开关115，以便包括一个或多个功率晶体管617和其它组件的其它组合，诸如gan宽带隙装置，jfet，igct，iegt和二极管618。
[0169]
在图6的示范性hpebb lru 603.1中，总共使用四个桥转换器110。在备选实施例中，可以使用总共两个，三个或多于四个的桥转换器110。
[0170]
在一些实施例中，桥转换器110内的组件（例如功率开关115）如图6所示的那样电耦合，利用串联和并联连接电耦合。相关领域的技术人员将领会，在本系统和方法的范围内，可以用其它连接拓扑来实现桥转换器110。在一些实施例中，桥转换器110通过分立器件（例如分立电源开关617和二极管618）实现。在备选实施例中，桥转换器110可以实现为集成模块。
[0171]
还将理解（部分参考传统pebb lru术语），低电压组件110.1，115.1可称为pebb 1000元件；而高电压元件可以称为pebb 3000元件。
[0172]
变压器：图6的示范性实施例还示出被配置成链接两个较低电压转换器110.1-2和110.1-3的1：1高频（hf）变压器620。变压器620通过经由电压耦合的功率传输同时还提供低电压a和高电压b级（输入和输出级）之间的电流隔离。在本系统和方法的一些实施例中，变压器可以采用由硅钢（ss）芯645制成的铁质，高频，非晶芯645，或者可以由具有高磁导率的其它非晶芯材料构成；芯645的这种材料选择可以减小涡流并因此减小芯功率损耗。
[0173]
图6示出用于mst hpebb lru 603.1的桥转换器110和高频变压器620之间的电连接的一个示范性配置。在连接与关于图1的hpebb lru 103所说明和描述的那些连接相同或类似的情况下，在此不重复细节，除非在本节中公开的变化适用。
[0174]
利用si igbt功率器件的升压：在图6的示范性mst hpebb 603.1中——并且与图1的示范性hpebb103不同，其中k：n个变压器120提供升压——升压由升压功率桥转换器110.3提供，升压功率桥转换器110.3包括两个子模块：（i）提供升压的半桥子模块630，以及（ii）支持dc/ac转换的全桥子模块632。
[0175]
升压功率桥转换器110.3用si igbt开关115.3实现。在图6的示范性mst hpebb 603.1中，对于pebb lru（pebb 3000）的“高”侧上的3kv dc（链路）电压，si igbt模块115.3额定为4.5kv，150a。pebb 3000桥转换器还可以被描述为在示范性mst hpebb lru 603的右侧或高电压（b）侧的“外部功率转换级”。
[0176]
将注意，高电压功率桥输出端转换器110.3的配置在下面分别结合图7、图9和图10讨论的其它示范性功率转换器603.2、603.4、603.5中的一些重复。然而，下面结合图8讨论的示范性功率转换器603.3对高电压功率桥输出端转换器603.3''采用不同的配置。
[0177]
第二示范性mst hpebb lru
图7示出根据本系统和方法的一个或多个实施例的另一示范性多开关类型混合功率电子器件构建块线路更换单元（mst hpebb lru）603.2。示范性mst hpebb lru 603.2的许多元件与上文关于示范性hpebb lru 103和示范性mst hpebb lru 603.1所论述的元件相同或类似，且此处不重复细节。
[0178]
示范性mst hpebb lru 603.2被配置用于dc-ac会话。虽然示范性hpebb lru 603.1（图6，紧上方）在最左外侧pebb 1000桥转换器110.1-1中采用sic mosfet装置/模块115.1，但是图7的第二示范性hpebb lru 603.2代替地在最左pebb 1000桥式转换器110.1-1中采用1.7kvsi igbt装置/模块115.4。
[0179]
这种在左手侧和右手侧110.1-1、110.3上的外部功率桥中具有si igbt模块的进一步混合版本通过利用成熟且成本有效的1.7kv si igbt而进一步降低成本，所述1.7kv si igbt为：（i）容易获得和（ii）更广泛地用于混合动力和电动车辆以及其它工业应用中。
[0180]
第三，第四和第五示范性mst hpebb lru图8、图9和图10示出根据本系统和方法的一个或多个实施例的附加的示范性多开关类型混合功率电子器件构建块线路更换单元（mst hpebblru 603.3、603.4和603.5）。示范性mst hpebb lru603.3、603.4和603.5的许多元件与上文关于示范性hpebb lru 103和示范性mst hpebb lru603.1、603.2所论述的元件相同或类似，且此处不重复细节。
[0181]
上面分别结合图6和图7讨论的本系统和方法的603.1、603.2的示范性实施例是mst hpebb lru 603.1，603.2，其被配置用于dc/ac应用，直流在低功率（a）侧105.1上，并且交流在高电压（b）侧105.2上。
[0182]
图8呈现被配置用于ac/dc功率转换的另一示范性mst hpebb lru 603.3的示意图，其中高电压（b）侧105.2连接到兆伏直流（mvdc）配电系统或源。低电压（a）侧105.1连接到低电压ac源，例如1千伏。在一个实施例中，示范性mst hpebb lru 603.3可在pebb3000转换器110.3"中采用高功率4.5kv硅（si）igbt开关115.3，而在最左边的pebb 1000转换器110.1-1中采用低电压1.7kv sic mosfet 115.1。将注意，pebb 3000转换器110.3"的最右边采用两个半桥子模块（与结合其它实施例论述的示范性pebb 3000 100.1形成对比，其采用与全桥子模块632并联耦合的半桥子模块630）。
[0183]
图9呈现配置用于ac/ac功率转换的另一示范性mst hpebb lru 603.4的示意图，其中高电压（b）侧105.2连接到兆伏交流电（mvac）配电系统或源。低电压（a）侧105.1连接到低电压ac源273.2，例如1千伏。在一个实施例中，示范性mst hpebb lru 603.3可在pebb 3000转换器110.3中采用高功率4.5kv硅（si）igbt开关115.3，而在最左边的pebb 1000转换器110.1-1中采用低电压1.7kv sic mosfet 115.1。
[0184]
图10呈现配置用于ac/ac功率转换的另一示范性mst hpebb lru 603.4的示意图，其中高电压（b）侧105.2连接到兆伏交流电（mvac）配电系统或电源。低功率（a）侧105.1连接到低电压ac源273.2，例如1千伏。在一个实施例中，示范性mst hpebb lru 603.3可在pebb 3000转换器110.3中采用高功率4.5kv硅（si）igbt开关115.3，而在最左边的pebb 1000转换器110.1-1中采用低电压1.7kv siigbt115.4。
[0185]
低电压和高电压：在上述mst hpebb lru 603.1，
…
，603.5的各种示范性实施例中，低端电源电压145被描述为1000伏，高端电压155被描述为2000伏。相关领域的技术人员将领会，这些电压仅是示范性的。在本系统和方法的范围内可以采用更低或更高的输入电
压145和更高或更低的输出电压155。
[0186]
示范性端桥配置如mst hpebb lru 603.1，
…
，603.5的各种示范性实施例中所说明，上文论述的一些本系统和方法的各种实施例可针对最左边的低功率桥式转换器110.1-1采用以下任一者：（i）半桥转换器（例如图6和图7的mst hpebb lru6 03.1，603.2）；或（ii）全桥转换器（例如图7，8，9的mst hpebb lru 603.3，603.4，603.5）。
[0187]
类似地，最右边的高电压桥转换器110.3可以是：（i）具有并联电容耦合的两个半桥转换器子单元630,634，形成全桥转换器110.3"（例如图8的mst hpebb lru 603.3）；或（ii）组合转换器110.3*，其具有半桥转换器子单元630，该半桥转换器子单元630具有到全桥转换器632的并联电容耦合（例如图6、图7、图9和图10的示例mst hpebb lru 603.1，603.2，603.4，603.5）。
[0188]
现场可配置ac/dc选项：在本系统和方法的一些实施例中，在mst hpebb lru 603的两端使用全桥（例如，如利用图8、图9和图10的示范性mst hpebb lru 603.3、603.4。603.5示出）使得hpebb lru是现场可配置的，以用于在ac/ac，dc/dc，ac/dc和dc/ac中的任一个之间切换功率转换模式。
[0189]
降压/升压选项：在一些备选实施例中，在低功率端和高功率端的两个半桥使mst hpebb lru 603能够被现场重新配置为降压转换器或升压转换器。
[0190]
尺寸/重量折衷：同时，为了节省空间，减轻重量和降低成本，希望仅使用用于最左和最右转换器级110.1－1，110.3的半桥。因此，mst hpebb lru 603的预期使用环境，客户要求，成本期望和期望的硬件适应性程度将影响特定的设计选择。通常，并且至少出于节省空间的原因，可能希望在低功率端和高功率端（在每一端是一个半桥或者在每一端是一个全桥）保持半桥的数目相同。
[0191]
对于最低成本和最低尺寸/重量设计，可以按照图8的示范性mst hpebb lru 603.3在每一端采用半桥。然而，应当注意，这种配置仅限于dc-ac对话。
[0192]
示范性mst hpebb图11提供示范性mst hpebb功率转换器1103的示意图，该mst hpebb功率转换器1103被配置成递送兆瓦级三相功率，将直流转换成ac电流功率。
[0193]
这里，示范性hpebb功率转换器1103采用三个示范性相位转换器1103.a，1103.b，1103.c（或简称为“1103.p”），每个相转换器是用于电功率的单相a，b或c的功率转换器（应当理解，每个相与其它相相差120度）。每个示范性相转换器1103.p包括四（4）个mst hpebb最小可更换单元（lru）603.1，
…
，603.n。将理解，四个mst hpebb lru 603的选择仅是示范性的，且可采用其它数目的此类单元（例如两个，三个，五个，六个或更多个）。
[0194]
每相（a，b，c）内的四个lru 603.n在afe功率级的两侧上并联连接205.1，205.3，从而启用双（未经调节和经调节）dc总线/链路。四个lru 103.n在lru603的ac端口/侧（pebb 3000侧）上串联205.2连接285。
[0195]
三相（a，b和c）的未经调节和经调节的lvdc（在前端功率级110.1-1的两侧）并联连接502。三相的高电压ac侧的中性处504连接在一起。系统控制将管理双向功率和能量流，并提供经调节的lvdc。
[0196]
在各种示范性实施例中，本系统和方法可能需要使用或集成控制系统227来调节
开关，电容器，冷却系统和其它需要实时控制的因素。这种控制系统227可能需要使用微处理器，数字输入/输出元件，存储器（例如随机存取存储器（ram）和各种形式的非易失性存储器），显示系统，音频输入和/或音频信号系统，和/或本领域中已知或将开发的模拟控制元件。这种控制系统227可以采用存储在存储器中的适当编码的软件来控制系统操作的各个方面。
[0197]
在本系统的各种不同实施例中，任何一个桥转换器110可以被设计和配置为将交流（ac）功率转换成ac功率（～/～）；将交流（ac）功率转换成直流（dc）功率（～/=）；将dc功率转换成ac功率（=/～）；或将dc功率转换成dc功率（=/=）。单个hpebb 1103可仅采用一种类型的桥转换器（例如，ac到ac（=/=），或仅dc到dc（=/=））；或者可以采用多种类型的桥转换器（例如ac到dc（～/=）和dc到ac（～/=）或其他组合）。
[0198]
现场可适配ac/dc转换：如上所述，在本系统和方法的一些实施例中，pebb 3000 110.3可以现场适用于多种不同的可能类型的功率转换，例如dc到dc，dc到ac，ac到dc和dc到ac。（在一些实施例中，可通过使用三个内部半桥转换器和合适的内部开关来实现该场适应性。）在本系统和方法的一个实施例中，示范性mst hpebb功率转换器1103可包括配置有场适应性桥转换器110.3的mstpebb桥转换器110.3，从而使mst hpebb功率转换器1103作为整体对ac或dc输出是场适应性的。
[0199]
在mst hpebb功率转换器1103的一个实施例中，转换器1103可以被配置用于在低功率端与680vdc到1kvdc范围内的低电压dc源/漏极273接口，并且用于与例如可以是13.8kv ac电网/源应用的中压ac源/漏极接口。
[0200]
示范性功率转换器1103采用总共十二（12）个mst hpebb lru。与传统功率转换器相比，功率转换器1103减少了总功率转换器体积，重量和lru数量；进一步导致在高于12kv的中压（mv）应用中用于能量存储（es）集成的pebb转换器的功率密度和比功率增加。对于图11的示范性mst hpebb转换器1103，lru数目的减少（与传统功率转换器相比）可以高达lru数目的2/3减少。（即，具有类似功率能力的传统pebb功率转换器可能需要大约三十六（36）个传统lru。
[0201]
即使考虑到mst hpebb lru可能大于传统pebb lru，与基于传统pebb 1000的功率转换器相比，根据本系统和方法的mst hpebb的总体积可减少约50％。结果可以是具有等效额定功率的基于传统pebb 1000的转换器的大约两倍的功率密度的msthpebb功率转换器。增加的功率密度将有益于具有受限的空间/体积要求的环境（例如船舶）的功率系统。
[0202]
示范性mst hpebb1103还可以导致简化的转换器硬件，控制和软件，这是由于所使用的部件和lru的数量明显更少，这具有提高可靠性的潜力。
[0203]
多开关类型（mst）hpebb lru和mst hpebb lru功率转换器的其它实施例本技术中公开的mst hpebb lru 603在许多方面区别于传统pebb和母案pct'0624申请的hpebb lru 103中的任一个或两者。
[0204]
本系统和方法采用多开关类型，即具有sic mosfet的pebb 1000和具有si igbt的pebb 3000的混合使用。高功率（大于1.7kv）si igbt是成熟的，可用的和可靠的高电压开关技术。
[0205]
本文教导的各种要素，在各种组合和实施方案中，可导致：
►
与传统pebb和母pct'0624申请的hpebb相比，降低了组件成本（由于使用商业现
成（cots）组件）并降低了生产成本；
►
对于高于12kvmv应用的适用性，例如1kvdc（es）至13.skvac mst混合式pebb转换器；
►
对于相同的额定功率（1mw），与基于pebb 1000的等效pebb转换器相比体积减小（高达-2/3或67%）；
►
与相同额定功率（1mw）的基于pebb 1000的等效pebb转换器相比，功率密度增加（高达3倍），同时利用mst混合型pebb转换器的相同数量的12个lru；
►
用于所有美国海军船舶平台的pebb转换器的通用性（现在450vac，4160vac，13.5kvac，以及未来6kvdc和12kvdc）；
►
紧凑和模块化的拓扑配置；
►
由于lru数量减少，硬件，控制和软件简化；
►
由于每个转换器的lru/零件/组件数量减少，可靠性提高。
[0206]
冷却将注意到，母案pct'0624申请的hpebb lru103采用用于升压的1：n或k：n：变压器120。由于1：n或k：n：变压器120产生的热量，变压器120可以受益于或可能需要上面结合图3讨论的类型的液体冷却系统320；和/或在共同未决，共同转让的pct申请pct/us20/26026，“用于增强功率密度变压器的冷却系统”中教导的类型。
[0207]
在本系统和方法的mst hpebb lru 603中使用1：1低电压变压器620与1：1相比可以产生更少的热量。n（或k：n）在母案pct'0624申请的hpebb lru 103中采用变压器120。在本系统和方法的一些实施例中，这可能导致1：1变压器620不需要液体冷却系统320。在本系统和方法的其它实施例中，如上所述，1：1变压器可能仍然需要液体冷却，但是使用了更适度规模的液体冷却系统320。
[0208]“更适度缩放的”冷却系统320可以例如采用更少的冷却管365；较小直径冷却管365；较小和/或较少的冷却板360；用于冷却剂流体的较低压力和/或较低液体泵送速度；较便宜的冷却剂流体（具有较低的比热容）；以及其他冷却系统简化。与pct'0624申请的hpebb 103相比，用于冷却目的的任何方式，系统体积，重量和成本都可以降低。
[0209]
本系统和方法受益于高功率si igbt开关的当今广泛的可用性和更高的可靠性，这与它们更新的高功率sic mosfet对应物相反。本系统和方法足够小，以能够装配到军用和商用船上的严格受限的空间中。
[0210]
结论特别是根据上述教导，本领域技术人员可以做出仍将被本公开包含的备选实施例，示例和修改。此外，应当理解的是，用于描述本公开的术语旨在描述词语的性质而不是限制。
[0211]
本领域技术人员还将领会，在不脱离本公开的范围的情况下，可以配置上述优选和备选实施例的各种适配和修改。因此，要理解，在所附权利要求书的范围内，本公开可以以不同于本文特别描述的方式实施。
[0212]
上面已经借助于示出特定功能及其关系的实现的功能构建块描述了本发明。为了便于描述，在此任意定义了这些功能构建块的边界。只要适当地执行指定的功能及其关系，就可以定义替换边界。
[0213]
应当注意，本发明的各种实施例的模拟，综合和/或制造可以部分地通过使用各种材料来实现，这些材料包括金属，非金属，树脂，环氧树脂，半导体，玻璃，聚合物，含铁材料，非含铁材料，导体，绝缘体和液体，一些材料在本领域中是已知的并且还有一些有待开发。
[0214]
在对于本系统和方法（例如对于在微处理器上运行的控制系统227）要求计算机代码的情况下，计算机可读代码可以设置在任何已知的包括半导体，磁盘，光盘（例如cd-rom，dvd-rom）的计算机可用介质中，并且作为计算机数据信号，其体现在计算机可用（例如可读）传输介质（例如载波或任何其它介质，包括基于数字，光学或模拟的介质）中。因此，代码可以在包括因特网和内联网的通信网络上传输。
[0215]
理解的是，结合上述系统和技术实现的控制功能或监测功能可以在体现在程序代码中的核（例如cpu核）中表示，并且可以经由适当的电路，无线通信和/或光学消息传送被变换为硬件。
[0216]
要领会，详细描述部分（而不是发明内容和摘要部分）主要旨在用于解释权利要求书。发明内容和摘要部分可以阐述如由（一个或多个）发明人所设想的本发明的一个或多个但不是所有的示范性实施例，并且因此不旨在以任何方式限制本发明和所附权利要求书。
[0217]
进一步关于所附权利要求书，提供任何和所有参考符号/数字以使权利要求更容易理解，并且不应被视为限制由权利要求保护的主题的范围；它们的唯一功能是为了清楚地参考本公开和附图中的元件。