CN102246380A - 改进的dc总线调节器 - Google Patents

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Abstract

一种改进的DC总线调节器，其在一些时间采用用于功率变换的多个晶体管包，并且在其他时段采用二极管、SCR以及电阻器包。调节器基于电流负载所需的容量以及响应而选择变换技术。例如，在低功率负载情况下可采用晶体管包。通过该混合系统的使用，系统获得期望的晶体管包系统效果，包括：快速响应时间、调节电流的能力以及双向功率变换，同时还缓和了仅基于晶体管包的系统的高成本以及脆弱的性质。

Description

改进的DC总线调节器
相关申请的交叉参考
本申请要求在2008年11月12日提交的序列号为12/269,703的美国临时专利申请的优先权，该美国临时专利申请的全部内容在此通过引用被合并。
技术领域
本公开一般地涉及一种功率传输网络。特别地，本公开涉及操作来自一个或多个交流(AC)或者直流(DC)功率发电机的DC功率系统。更特别的是，本公开涉及对在AC和DC功率网络之间的能量转移的调节。
背景技术
功率传输网络可由AC系统、DC系统或者两者的结合组成。AC功率网络传统上已经在全球应用。但是，DC功率网络具有一定的优点。由于DC功率网络不会向功率系统中引入电抗，因此它们易于设计以及实施。在DC系统中能够实现来自发电机的较高效率，这是由于只有有功功率被传输。另外，由于DC电源的运行频率为0Hz，因此电源的并行化很简单。由此，当额外的电源或者负载被接入到网络上时，不需要进行同步。
AC功率网络的传统使用是易于在长距离上传输AC功率和采用变压器来处理电压改变的结果。但是，在短距离上，诸如在孤立环境中的那些，DC功率传输网络由于前面解释的原因，可能是有利的。如今可用的高功率发电机通常产生AC功率。由此，由AC发电机供电的DC传输网络的运行需要从AC至DC以及从DC至AC的变换。
功率网络的可靠运行是许多电子系统的关键元素，这些电子系统例如是在钻探平台或者船舰上以运行船载推进器。钻探船在海洋中并不锚定，而是被动态地控制来保持在海洋中的期望位置。推进器被用于将装置保持在钻探设备的特定容差内。推进器是螺旋桨驱动器，其能够具有可变的旋转速度和桨叶方位角。这些推进器通过钻探船上船载的电源而运行。电源的任何故障都可以导致船移位到钻探设备的容差之外。在这样的情况下，钻探设备将需要被机械地分离并在电源恢复且校正了钻探船的位置后被重新耦合。
促进可靠的电源的一个方法是采用DC总线来对推进器以及其他元件供电。这样的功率传输系统在图1中示出。在这样的系统中，电源通常由耦合至AC至DC变换器的AC发电机组成。该AC至DC变换器将来自AC发电机的功率置于中间DC总线上。中间DC总线可用DC发电机或者电池备用系统进行扩增。钻探船船载的每个电机或者推进器以及其它使用中间DC总线的装置通过DC至AC变换器耦合至中间DC总线。
图1是示出将多个AC电压生成系统耦合至不同负载的传统DC电压总线的框图。功率系统100包括发电机102。发电机102通过隔离装置106耦合至AC总线104。当不需要发电机102或者发电机102故障时，隔离装置106允许发电机102从总线上去除。AC总线104耦合至变压器108以对传输至线110的功率进行调节。AC至DC变换器112耦合至线110并且将AC功率变换为DC功率以输出至中间DC总线120上。DC至AC变换器130耦合至DC总线120。DC至AC变换器130将DC功率变换为AC功率，其中大多数元件被设计为使用AC功率。线132耦合至DC至AC变换器130，负载可被连接到线132。电机134耦合至线132，并且电机134可以是例如推进器。另外，变压器135耦合至线132以对用于负载136的功率进行调节。负载136可以是例如灯泡。
有多种方法用于实施将来自AC发电机的功率输送至中间DC总线上所必需的AC至DC变换器。这些方法通常采用或者是二极管、控硅整流器(SCR)或者是晶体管的使用。
用于AC至DC功率变换的一种设备是二极管整流器(或二极管包)。二极管整流器的多种形式是公知的。一种典型的二极管整流器是全波二极管整流器。钻探船上的AC功率系统典型地使用三相波形，使得典型地采用六个二极管整流器的配置。二极管仅在二极管的阳极处的电压大于该二极管的阴极处的电压时才传导电流。图2是示出了用于三相AC功率的传统的二极管全波整流器的示意图。二极管整流器200接受来自三相AC源202的输入。整流器200包括用于整流第一相的二极管204、用于整流第二相的二极管206以及用于整流第三相的二极管208。在每种情况下需要两个二极管以从正AC周期以及负AC周期二者产生输出。二极管204、二极管206以及二极管208被耦合在AC源202以及DC总线210之间。电容器212耦合至DC总线210以平均DC总线210上的电压波动。虽然将整流器200示出为单个整流器布置，但具有一功率容量的若干单独的布置可被并联放置以产生具有更高功率容量的整流器200。
二极管整流器可从不同的厂商购买获得或者可通过布置单独购买的二极管而被构造成。二极管整流器的优点在于部件的低成本。单独的二极管以及整个整流器对于高功率配置、即几兆瓦(MW)来说相对低廉。与其他以等同的功率负载可获得的解决方案相比，二极管也是相对小的装置。但是二极管整流器没有调节输出电压或电流的能力。另外，它们仅在一个方向上导通。
由于不能调节来自二极管整流器的输出电压或电流，也被称为晶闸管整流器的SCR替代二极管的位置被大量使用。图3是示出用于三相AC至DC变换的SCR的传统布置的示意图。SCR包300接受来自三相AC源302的输入。SCR包300包括用于变换第一相的SCR 304、用于变换第二相的SCR 306以及用于变换第三相的SCR 308。每个单独的SCR包括用于接受输入的门极端子305。在每种情况下需要两个SCR以从正AC周期以及负AC周期两者产生输出。SCR304、SCR 306以及SCR 308耦合到AC源302以及耦合到DC总线310。电容器312耦合至DC总线310以平均DC总线310上的电压波动。虽然SCR包300被示出为SCR布置，但具有一功率容量的若干单独的布置可被并联放置以产生具有更高功率容量的SCR包300。
当在AC周期中门极端子305导通时通过经由门极端子305进行控制，可以在SCR中调节输出电流。SCR也提供二极管的低成本、小体积以及可靠性。SCR的缺点在于其切换时间缓慢，该切换时间必须与AC电源同步地发生。由此，它们不太适于处理在功率系统的不稳定期间所经历的功率负载改变。另外，一旦SCR通过门极端子305被导通，则它不可以通过门极端子305被关断。
晶体管为AC至DC功率变换提供了另一种解决方案。图4是示出用于三相AC至DC功率变换的晶体管的传统布置的示意图。晶体管包400接受来自三相AC源402的输入。晶体管包400包括用于变换第一相的晶体管404、用于变换第二相的晶体管406以及用于变换第三相的晶体管408。另外，二极管405在两端上耦合至晶体管404以保护晶体管404免遭可能发生在晶体管404的两端的破坏电压以及完成功率转移电路。对耦合至晶体管406的二极管407以及耦合至晶体管408的二极管409重复该设置。电感403在功率抵达晶体管404、晶体管406以及晶体管408之前调节功率。晶体管404、晶体管406、晶体管408耦合至AC源402以及DC总线410。电容器412耦合至DC总线410以平均DC总线410上的电压波动。虽然晶体管包400被示出为晶体管布置，但具有一功率容量的若干独立的布置可被并联放置以产生具有更高功率容量的晶体管包400。
晶体管具有比SCR更快的开关特性以及控制导通和关断时刻的能力，从而使得晶体管在由于有效负载导致的瞬变的情况下成为更好的解决方案。另外，晶体管允许通过变换器的双向功率流。这允许功率从DC总线移动返回至AC总线。典型地，要求并联地布置多个基于晶体管的变换装置以处理大负载。晶体管相对于二极管和SCR来说是昂贵的装置，并且占据显著更大量的空间。另外，晶体管是脆弱的其容易破裂。
由此，需要一种具有晶体管的快速切换能力以及二极管或SCR的低成本、耐久性以及小覆盖区的功率系统。
发明内容
一种用于连接AC总线以及DC总线的设备，包括：耦合到AC总线且耦合到DC总线的一个或多个晶体管的集合；耦合到AC总线且耦合到DC总线的一个或多个二极管的集合；以及微控制器，其耦合至所述一个或多个晶体管的集合，并且被配置为调节流经所述一个或多个晶体管的集合的电流以及调节流经所述一个或多个二极管的集合的电流。微控制器可被配置为通过调节DC总线上的电压来调节流经所述一个或多个二极管的集合的电流。微控制器还可被配置为调节流经所述一个或多个晶体管的集合以及所述一个或多个二极管的集合的电流以使得当DC总线的功率负载位于第一功率范围中时，基本上所有的功率都流经所述一个或多个晶体管的集合。所述一个或多个晶体管的集合可具有第一总功率容量，并且所述一个或多个二极管的集合可具有第二总功率容量，其中第一总功率容量小于第二总功率容量，并且其中第一功率范围可以在0和部分地根据第一总功率容量动态地选择的水平之间。该设备还可包括：一个或多个功率消耗或存储装置的集合；以及耦合至DC总线以及所述一个或多个功率消耗装置的集合的开关，其中微控制器进一步被配置为对到所述一个或多个功率消耗或存储装置的集合的功率转移进行调节。所述一个或多个功率消耗装置的集合可包括电阻器。所述一个或多个功率消耗装置的集合可包括电容器。所述一个或多个晶体管的集合可包括一个或多个晶体管包，每个晶体管包被配置为作为独立的单元而运行。该设备还可包括：布置在AC总线和晶体管包中的一个晶体管包之间的开关，使得该晶体管包不是直接耦合至AC总线，该开关耦合至AC总线、AC负载装置以及该晶体管包，其中该开关被配置为选择性地将晶体管包耦合至AC总线或者AC负载装置；其中该晶体管包被配置为：当被耦合至AC总线和DC总线时执行AC至DC的功率变换，以及当被耦合至DC总线和AC负载装置时执行DC至AC的功率变换。
一种用于连接AC总线和DC总线的设备，包括：耦合到AC总线且耦合到DC总线的一个或多个晶体管的集合；耦合到AC总线且耦合到DC总线的一个或多个SCR的集合；以及第一微控制器，其耦合至所述一个或多个晶体管的集合，并且被配置为调节流经所述一个或多个晶体管的集合的电流以及调节流经所述一个或多个SCR的集合的电流。第一微控制器可被配置为通过调节DC总线上的电压来调节流经所述一个或多个SCR的集合的电流。第一微控制器可通过控制SCR的门极来进一步调节流经所述一个或多个SCR的集合的电流。该设备还可包括：耦合至所述一个或多个SCR的第二微控制器；其中第一微控制器通过向第二微控制器发送信号来调节流经所述一个或多个SCR的集合的电流。微控制器可被配置为调节流经所述一个或多个晶体管的集合以及所述一个或多个SCR的集合的电流以使得当DC总线的功率负载位于第一功率范围内时，基本上所有的功率都流经所述一个或多个晶体管的集合。所述一个或多个晶体管的集合可具有第一总功率容量，并且所述一个或多个SCR的集合可具有第二总功率容量，其中第一总功率容量小于第二总功率容量，并且其中第一功率范围在0和部分地根据第一总功率容量动态地选择的水平之间。该设备还可包括：一个或多个功率消耗装置的集合；以及耦合至DC总线以及所述一个或多个功率消耗装置的集合的开关，其中第一微控制器进一步被配置为对到所述一个或多个功率消耗装置的集合的功率转移进行调节。所述一个或多个功率消耗装置的集合可包括电阻器。所述一个或多个功率消耗装置的集合可包括电容器。
一种用于连接AC总线与DC总线的方法，该AC总线耦合至一个或多个发电机的集合，该方法包括：将具有第一总功率容量的一个或多个晶体管的集合耦合至AC总线和DC总线；将具有第二总功率容量的一个或多个二极管的集合耦合至AC总线和DC总线；以及调节流经所述一个或多个晶体管的集合以及所述一个或多个二极管的集合的电流，以使得当DC总线的功率负载位于第一功率范围内时，基本上所有的功率都流经所述一个或多个晶体管的集合；其中第一总功率容量基本上小于所述一个或多个发电机的集合的总功率容量。可以将第一功率范围选择为至少部分地对应于如下这样的功率范围：在该功率范围中已知整个系统是较不稳定的，其中所述整个系统包括所述一个或多个发电机、AC总线以及DC总线。第一功率范围可以是在0与一水平之间，该水平可部分地根据第一总功率容量来动态地选择。该水平可部分地通过所述一个或多个发电机的容量来动态地选择。所述调节电流的步骤可以包括调节DC总线上的电压。该方法还可包括：通过开关将DC总线耦合至一个或多个功率消耗或存储装置的集合；当DC总线的功率负载高于第二水平时，调节流经所述一个或多个功率消耗或存储装置的集合的电流。该第二水平可部分地根据第一总功率容量来动态地选择。
一种用于AC至DC以及DC至AC的功率变换的设备，包括：一个或多个晶体管包的集合，每个晶体管包被配置为作为耦合至AC总线和DC总线的独立的单元而工作；设置在AC总线和所述晶体管包中的一个晶体管包之间的开关，以使得该晶体管包不直接耦合至AC总线，该开关耦合至AC总线、AC负载装置以及该晶体管包，其中该开关被配置为选择性地将该晶体管包耦合至AC总线或者AC负载装置；其中该晶体管包被配置为当被耦合至AC总线和DC总线时执行AC至DC的功率变换，以及当被耦合至DC总线和AC负载装置时执行DC至AC的功率变换。该设备还可包括：设置在AC总线和所述晶体管包中的第二晶体管包之间的第二开关，使得第二晶体管包不直接耦合至AC总线，该开关耦合至AC总线、AC负载装置以及第二晶体管包，其中该开关被配置为选择性地将第二晶体管包耦合至AC总线或者AC负载装置；其中第二晶体管包被配置为当被耦合至AC总线和DC总线时执行AC至DC的功率变换，以及当被耦合至DC总线和AC负载装置时执行DC至AC的功率变换。
一种用于连接AC总线和DC总线的设备，包括：耦合到AC总线且耦合到DC总线的一个或多个晶体管的集合；耦合到AC总线且耦合到DC总线的一个或多个SCR的集合；以及微控制器，其耦合至所述一个或多个晶体管的集合，并且被配置为调节流经所述一个或多个晶体管的集合的电流以及调节流经所述一个或多个SCR的集合的电流。微控制器可被配置为通过调节DC总线上的电压来调节流经所述一个或多个SCR的集合的电流。微控制器可被配置为调节流经所述一个或多个晶体管的集合以及所述一个或多个SCR的集合的电流，以使得当DC总线的功率负载位于第一功率范围内时，基本上所有的功率都流经所述一个或多个晶体管的集合。所述一个或多个晶体管的集合可具有第一总功率容量，并且所述一个或多个SCR的集合可具有第二总功率容量，其中第一总功率容量小于第二总功率容量，并且其中第一功率范围在0与部分地根据第一总功率容量而动态地选择的水平之间。该设备还可包括：一个或多个功率消耗或存储装置的集合；以及耦合至DC总线以及所述一个或多个功率消耗装置的集合的开关，其中微控制器进一步被配置为对到所述一个或多个功率消耗或存储装置的集合的功率转移进行调节。所述一个或多个功率消耗装置的集合可包括电阻器。所述一个或多个功率消耗装置的集合可包括电容器。所述一个或多个晶体管的集合可包括一个或多个晶体管包，每个晶体管包被配置为作为独立的单元而工作。该设备还可包括：在AC总线和所述晶体管包中的一个晶体管包之间设置的开关，使得该晶体管包不直接耦合至AC总线，该开关耦合至AC总线、AC负载装置以及该晶体管包，其中该开关被配置为选择性地将该晶体管包耦合至AC总线或者AC负载装置；其中该晶体管包被配置为当被耦合至AC总线和DC总线时执行AC至DC的功率变换，以及当被耦合至DC总线和AC负载装置时执行DC至AC的功率变换。
一种用于连接AC总线和DC总线的设备，包括：耦合到AC总线且耦合到DC总线的一个或多个晶体管的集合；耦合到AC总线且耦合到DC总线的一个或多个SCR的集合；以及第一微控制器，其耦合至所述一个或多个晶体管的集合，并且被配置为调节流经所述一个或多个晶体管的集合的电流以及调节流经所述一个或多个SCR的集合的电流。第一微控制器可被配置为通过调节DC总线上的电压来调节流经所述一个或多个SCR的集合的电流。第一微控制器可通过控制SCR的门极来进一步调节流经所述一个或多个SCR的集合的电流。该设备还可包括：耦合至所述一个或多个SCR的第二微控制器；其中第一微控制器通过向第二微控制器发送信号来调节流经所述一个或多个SCR的集合的电流。该微控制器可被配置为调节流经所述一个或多个晶体管的集合以及所述一个或多个SCR的集合的电流，以使得当DC总线的功率负载位于第一功率范围内时，基本上所有的功率都流经所述一个或多个晶体管的集合。所述一个或多个晶体管的集合可具有第一总功率容量以及所述一个或多个SCR的集合可具有第二总功率容量，其中第一总功率容量小于第二总功率容量，并且其中第一功率范围在0和部分地根据第一总功率容量而动态地选择的水平之间。该设备还可包括：一个或多个功率消耗装置的集合；以及耦合至DC总线以及所述一个或多个功率消耗装置的集合的开关，其中第一微控制器进一步被配置为对到所述一个或多个功率消耗装置的集合的功率转移进行调节。所述一个或多个功率消耗装置的集合可包括电阻器。所述一个或多个功率消耗装置的集合可包括电容器。
一种用于连接AC总线与DC总线的方法，该AC总线耦合至一个或多个发电机的集合，其中该方法包括：将具有第一总功率容量的一个或多个晶体管的集合耦合至AC总线和DC总线；将具有第二总功率容量的一个或多个SCR的集合耦合至AC总线和DC总线；以及调节流经所述一个或多个晶体管的集合以及所述一个或多个SCR的集合的电流，以使得当DC总线的功率负载位于第一功率范围内时，基本上所有的功率都流经所述一个或多个晶体管的集合；其中第一总功率容量基本上小于所述一个或多个发电机的集合的总功率容量。可以将第一功率范围选择为至少部分地对应于如下这样的功率范围：在该功率范围中，已知整个系统是较不稳定的，其中所述整个系统包括所述一个或多个发电机、AC总线以及DC总线。第一功率范围可在0至一水平之间。该水平可部分地根据第一总功率容量来动态地选择。该水平可部分地根据所述一个或多个发电机的容量来动态地选择。调节电流的步骤可包括调节DC总线上的电压。该方法还可包括：通过开关将DC总线耦合至一个或多个功率消耗或存储装置的集合；当DC总线的功率负载高于第二水平时，调节流经所述一个或多个功率消耗或存储装置的集合的电流。该第二水平可部分地根据第一总功率容量来动态地选择。
一种用于AC至DC以及DC至AC的功率变换的设备，包括：一个或多个晶体管包的集合，每个晶体管包被配置为作为耦合至AC总线和DC总线的独立的单元而工作；设置在AC总线和所述晶体管包中的一个晶体管包之间的开关，使得该晶体管包不直接耦合到AC总线，该开关耦合到AC总线、AC负载装置以及该晶体管包，其中该开关被配置为选择性地将该晶体管包耦合至AC总线或者AC负载装置；其中该晶体管包被配置为当被耦合至AC总线和DC总线时执行AC至DC的功率变换，以及当被耦合至DC总线和AC负载装置时执行DC至AC的功率变换。该设备还可包括：设置在AC总线和所述晶体管包中的第二晶体管包之间的第二开关，使得第二晶体管包不直接耦合至AC总线，该开关耦合至AC总线、AC负载装置以及第二晶体管包，其中该开关被配置为选择性地将第二晶体管包耦合至AC总线或者AC负载装置；其中第二晶体管包被配置为当被耦合至AC总线和DC总线时执行AC至DC的功率变换，以及当被耦合至DC总线和AC负载装置时执行DC至AC的功率变换。
一种与AC发电机、AC负载以及DC总线一起使用的设备，包括：被配置为执行AC至DC的功率变换和DC至AC的功率变换的晶体管包，所述晶体管包包括至少第一输入和第二输入；第一开关，其耦合至AC发电机、AC负载、DC总线以及晶体管包的第一输入；第一开关被布置为将晶体管包的第一输入连接至AC发电机、AC负载或者DC总线；第二开关，其耦合至AC发电机、AC负载、DC总线以及晶体管包的第二输入，第二开关被布置为将晶体管包的第二输入连接至AC发电机、AC负载或者DC总线；以及微控制器，其被配置为在第一情况中，指示第一开关和第二开关连接晶体管包的第一和第二输入以使得晶体管包可将来自AC发电机的AC功率变换成用于DC总线的DC功率，以及在第二情况中，指示第一开关和第二开关连接晶体管包的第一和第二输入以使得晶体管包可将来自DC总线的DC功率变换成用于AC负载的AC功率。微控制器可被配置为指示第一开关将晶体管包的第一输入连接至AC发电机，以及指示第二开关将晶体管包的第二输入连接至DC总线以使得晶体管包可将来自AC发电机的AC功率变换成用于DC总线的DC功率，以及该微控制器可被进一步配置为指示第一开关将晶体管包的第一输入连接至DC总线以及指示第二开关将晶体管包的第二输入连接至AC负载以使得晶体管包可将来自DC总线的DC功率变换成用于AC负载的AC功率。
一种用于与发电机、负载和DC总线相结合地使用能够执行AC至DC、DC至AC或DC至DC的变换的晶体管包的方法，该方法包括：将晶体管包耦合至发电机以及DC总线以使得晶体管包可执行AC至DC或DC至DC的变换。该方法还包括将晶体管包耦合至DC总线和负载以使得晶体管包可执行DC至AC的变换或DC至DC的变换。
附图说明
为了更透彻地理解本发明，现在将参考集合附图所进行的下面的说明，在附图中：
图1是示出将多个AC电压生成系统耦合至各个负载的传统的DC电压总线的框图。
图2是示出传统的六个二极管全波二极管整流器的示意图。
图3是示出用于AC至DC的变换的SCR的传统布置的示意图。
图4是示出晶体管的传统布置的示意图。
图5是示出根据本发明一个实施例的由功率变换系统经历的不同工作区域的图示。
图6是示出根据本发明一个实施例的采用晶体管包和二极管包的示例性DC总线调节器的示意图。
图7是示出根据本发明一个实施例的采用晶体管包和SCR包的示例性DC总线调节器的示意图。
图8是示出根据本发明一个实施例的采用电阻器的示例性DC总线调节器的示意图。
图9是示出根据本发明一个实施例的采用电阻器和电容器的示例性DC总线调节器的示意图。
图10是示出根据本发明一个实施例的用于AC至DC、DC至AC以及DC至DC变换的摆动包(swing pack)的框图。
具体实施方式
在某些时间，与其他相比，更可能需要DC总线调节器中的快速切换特性。在特定条件下，更加可能的是，负载场景可能是不可预测的并且经历快速的变化，从而使得为了保持功率系统的稳定性必须进行快速切换。例如，在海上钻探设备上的功率系统的情况下，当负载相比于在线发电机容量来说较小时，功率系统易于不稳定。在这些不稳定的条件下，晶体管的快速反应时间是期望的。但是，当功率系统稳定时，可能并不需要快速切换。当不需要晶体管的快速切换时，二极管或者SCR对于功率变换来说是更耐用并且性价比更高的解决方案。
通过认识到仅在特定的系统条件(诸如用于海上钻探设备功率系统的相比于发电机容量的低功率负载场景)下需要晶体管的快速切换能力，可以将系统设计为包括仅处理总功率负载的一部分的晶体管以及处理其余负载的二极管或SCR。因此，与用于相同总功率负载的全晶体管系统相比，这样的混合系统可减小尺寸并降低成本，同时，在需要时仍能够保持快速切换能力。仅通过简单地组合这两种技术来实现这样的系统是不可能，这是由于这两种技术通常执行同样的功能。相反，混合系统的产生需要利用以下这样的控制系统：该控制系统识别更需要快速切换的功率条件以及系统可能更稳定的功率条件。
图5是示出根据本发明一个实施例的由海上钻探设备功率系统中的示例性DC总线调节器经历的不同工作区域的图示。图500在y轴501上绘出流经DC总线调节器的功率流，相对地在x轴502上绘出DC总线的功率消耗。线503、504、505以及506表示包括在示例性DC总线调节器中的晶体管的总容量，其仅仅是由线507和508表示的系统的总容量的一部分。区域51覆盖了从AC发电机到DC总线的正向导通。区域51具有两个工作模式。在区域511中，晶体管处于正向导通。在区域512中，晶体管的容量已被超过，并且二极管被切换为接通以辅助处理大的负载。区域52覆盖了从DC总线到AC发电机的逆向导通。区域52具有两种工作模式。在区域521中，晶体管工作在逆向导通中。在区域522中，晶体管的容量已被超过，并且一组电阻器或其他功率消耗或存储装置被切换为接通以消耗DC总线的额外的功率。图5示出了一种示例性工作图示。线503、504、505以及506可以是预先定义的水平或者是基于功率系统的工作条件而动态地选择的。下面将讨论其他替代方式并且本领域技术人员基于本文中的教导可认识到其他方式。
图6是示出根据本发明一个实施例的采用晶体管包和二极管包的示例性DC总线调节器的示意图。调节器600可用于实施图5中所示的工作图示。调节器600接受由变压器604调节的来自三相AC源602的输入。用于AC源602的典型值在一个应用中可为11kV。变压器604输出电压到线路610和线路620上。线路610和620的典型值是600V，但它们不必相等。晶体管包612可耦合至线路610和DC总线614。晶体管包612可至少部分地采用图4中的晶体管包400来实施。二极管包622可耦合至线路610和DC总线614。二极管包622可至少部分地采用图2中的二极管整流器200来实施。微控制器613可操作地连接至晶体管包612以控制流经晶体管包612的电流以及其输出电压。微控制器613可为任何能够控制晶体管包612的控制系统，诸如，例如可编程微处理器、数字信号处理器(“DSP”)、现场可编程门阵列(“FPGA”)、专用集成电路(“ASIC”)，或者任何其他逻辑装置。微控制器613可与晶体管包612相集成或者可以是独立的。在另一个实施例中，晶体管包612可独立地监视DC总线614的电压并调节流经晶体管包612的电流。在再一实施例中，连接至调节器600的负载可被配置为向微控制器613提供有关将来的功率需求的输入。
返回至图5，在工作区域511中，经过调节器600的总能量中的大部分基本上都将经过晶体管包612。在优选实施例中，这通过微控制器613控制晶体管包612以使得DC总线614上的电压处于低于线路620上的电压的水平、从而导致二极管不导通来实现。微控制器613可以控制系统以使得所有电流流经晶体管包612或者仅使得大部分流经晶体管包612而较小部分流经二极管包622。当功率负载增大并从而使得进入工作区域512时，额外的能量将流经二极管包622。这在优选实施例中可以通过微控制器613配置晶体管包612来更改DC总线614上的电压从而使能通过二极管包622的导通来实现。当工作重新进入区域511时，微控制器613配置晶体管包612以更改DC总线614上的电压从而使通过二极管包622的导通无效或显著降低。当工作在区域512中时，在一些实施例中通过晶体管包612的功率导通可被显著地降低或者终止。如下面详细地讨论的，这可能允许晶体管包612或者其一些部分被用在分配网络周围的其他操作中。应当注意，区域511和512之间的边界不需要是可用的晶体管的绝对容量。相反地，该边界可以是考虑了调节器600的可用资源以及系统的工作特性的合适的值。
进行AC至DC功率变换的系统的另一实施例将晶体管包和SCR包结合在一起。该设计的优点在于晶体管的快速响应时间以及SCR的高容量、低成本以及可控电流。SCR工作在与二极管相同的最简单的情况下，但是具有通过门极定时进行电流控制的增加的特征。
图7是示出根据本发明一个实施例的采用晶体管包和SCR包的示例性DC总线调节器的框示意图。调节器700例如可实施图5所示出的系统。晶体管包612耦合至线路610以及DC总线614，这与调节器600类似。SCR包722可耦合至线路620，并且在经过电感723进行调节后耦合至DC总线614，这与图6中的二极管包622的放置类似。SCR包722可至少部分地采用图3中的SCR包300来实施。在工作区域511中，经过调节器700的总能量中的大部分都将经过晶体管包612。在优选实施例中，微控制器613可控制流经晶体管包612的功率流以便调节DC总线614上的电压。在一个实施例中，微控制器613还耦合至SCR包722。微控制器613可控制SCR包722中的SCR的门极以使能流经SCR包722的功率流。可替换地，微控制器613可控制第二微控制器(未示出)，第二微控制器控制SCR。
进行AC至DC功率变换的系统的另一实施例将晶体管与二极管或SCR以及电阻器相结合。当正向功率超过晶体管的容量时，图6和图7中所示出的二极管和SCR可用于扩增晶体管的容量。但是，二极管和SCR仅在一个方向上导通，这阻止了它们允许逆向功率流。在工作区域522中，可添加电阻器、电池、电容器或其他存储装置以从DC总线移除功率。
图8是示出根据本发明一实施例的采用电阻器的示例性DC总线调节器的示意图。调节器800接受经过变压器604调节后而至线路610和线路620中的来自AC源602的输入。晶体管包612将线路610耦合至DC总线614，并且二极管包822将线路620耦合至DC总线614。如图7所示，可使用SCR包替代二极管包822来实现相似的结果。另外，晶体管包832将电阻器834耦合至DC总线614。晶体管包832可包括可能类似于用于晶体管包612中的晶体管的晶体管，或者可以是具有必要的工作特性的任何其他开关部件。晶体管包832可由微控制器613控制以使能电阻器834或使其无效。在如图5所示的逆向功率工作区域521中，功率可流经晶体管包612返回至AC源602。当达到晶体管包612的功率容量时，微控制器613可使能晶体管包832，从而允许功率流到电阻器834并以热的形式耗散。当工作返回至区域521时，微控制器613可关断晶体管包832，且仅发生经过晶体管包612的功率流。如上所述，区域521和522之间的边界不需要是可用的晶体管的绝对容量。相反，该边界可以是考虑了调节器800的可用资源以及系统的工作特性的合适的值。
虽然电阻器在需要取走DC总线上的功率时提供功率消耗，但该功率以热耗散的形式被损失。由于发电机消耗资源来产生从DC总线上被取走的能量，因此优选的将是以在随后的时间可以将该能量放回到DC总线上的方式来存储能量。这样的配置将增加效率并且降低运行用于功率系统的发电机的成本。另外，存储的能量可更动态地响应功率负载的变化。利用AC发电机很难满足功率需求的突然增加，这是由于增加燃料消耗以产生所需的功率所需要的响应时间的长度。另外，由于AC发电机的瞬时故障可由存储的功率来补偿，因此可获得发电机的自治。
图9是示出根据本发明一个实施例的用于逆向功率调节的采用电阻器和电容器的示例性DC总线调节器的示意图。调节器900接受经过变压器604调节后而至线路610和线路620中的来自AC源602的输入。晶体管包612将线路610耦合至DC总线614，并且二极管包822将线路620耦合至DC总线614。SCR包可用于替代二极管包822来实现相似的结果。另外，开关942将电容器944以及电阻器946耦合至DC总线914。开关942可由微控制器613控制从而使能电容器944或使其失效。另外，分别耦合至电容器944以及电阻器946的开关950和开关952允许能量存储在电容器944中或者通过电阻器946被耗散。在逆向功率工作区域521中，功率可流经晶体管包612返回至AC源602。当达到晶体管包612的功率容量时，微控制器613可使能942，从而允许功率流至电容器944。当工作返回至区域521时，微控制器613可关断开关942并且发生仅流经晶体管包612的功率流。调节器900还可使用电阻器和电容器的组合来代替电容器944。另外，任何其他的能量耗散或者能量存储技术也可与电容器944结合使用或者作为电容器944的替代而使用，诸如旋转块(rotating mass)或者电池。
虽然使用三相AC源来对本公开进行了详细描述，但本领域技术人员可容易地改变本申请中的公开以使之工作在两相或其他AC系统上或者根据DC发电机来工作。
在图1的设计中，需要多个AC至DC变换器，如同多个DC至AC变换器以及DC至DC变换器。例如，电机134可能工作在AC功率上，因此在功率被电机134使用之前必须将DC总线上的功率变换回AC。本领域技术人员可认识到DC至AC功率变换可采用如用于AC至DC功率变换中的类似的部件来实现。例如，图6、图7、图8以及图9中示出的晶体管包612可被配置为执行DC至AC变换。另外，DC至DC功率变换可采用与DC至AC以及AC至DC功率变换类似的部件来实现。
在图5中示例性地示出的不同工作区域中，当功率被从晶体管转向至二极管或SCR时，至少一部分不再使用的晶体管包可从为DC总线进行AC至DC功率变换被切换为为所附的负载、能量存储装置或电阻器进行DC至AC功率变换。这样的配置可减少图1中所示的功率系统需要的晶体管数量，由此减少整个功率系统的空间需求以及成本。
图10是示出根据本发明一个实施例的用于AC至DC、DC至AC以及DC至DC的变换的摆动包的框图。功率系统1000包括变换器堆1002。变换器堆1002可为任意数量的能够进行AC至DC、DC至AC以及DC至DC的变换的装置或其组合，诸如图4中示出的晶体管包400。该变换器堆1002在一侧上耦合至DC总线1020并且在另一侧上耦合至隔离装置1004。隔离装置1004在闭合时将堆1002中的一个变换器耦合至通向AC或DC发电机的线路1014，或者耦合至通向AC或DC负载的线路1012。该隔离装置可以例如由微控制器或其他可能与微控制器613分离或相同的控制系统来控制。电感1006在功率抵达线路1012或线路1014之前对功率进行调节。可根据就近处理来选择哪些功率消耗单元连接在发电机至DC总线功率转移中或DC总线至负载中。例如，当DC总线具有过大的功率时，将实现采用堆1002的接通功率包来将功率传递至能量存储装置，并且因此在将功率从发电机移至DC总线时将不需要连接功率包。
虽然本公开以及其优点已被详细描述，应当理解，各种变化、替代以及改变在此可被实施而不偏离由所附的权利要求所限定的本公开的精神和范围。并且，本申请的范围并不意图被限制于在说明书中所描述的过程、机器、制造、物质的组成、手段、方法以及步骤的具体实施例。根据本发明、公开，本领域普通技术人员将很容易理解，根据本公开可以使用已经存在的或者后期发展的并且与这里描述的相应实施例相比执行基本上相同的功能或实现基本上相同的结果的机器、制造、物质的组成、手段、方法、或步骤。因此，所附的权利要求意在在其范围中包括这样的过程、机器、制造、物质的组成、手段、方法或步骤。

Claims (22)

1.一种用于连接AC总线和DC总线的设备，包括：
耦合至AC总线以及耦合至DC总线的一个或多个晶体管的集合；
耦合至AC总线以及耦合至DC总线的一个或多个二极管的集合；以及
微控制器，其耦合至所述一个或多个晶体管的集合，并且被配置为调节流经所述一个或多个晶体管的集合的电流以及调节流经所述一个或多个二极管的集合的电流。
2.权利要求1的设备，其中微控制器被配置为通过调节DC总线上的电压来调节流经所述一个或多个二极管的集合的电流。
3.权利要求1的设备，其中微控制器被配置为调节流经所述一个或多个晶体管的集合以及所述一个或多个二极管的集合的电流，以使得当DC总线的功率负载位于第一功率范围内时，基本上所有的功率都流经所述一个或多个晶体管的集合。
4.权利要求3的设备，其中所述一个或多个晶体管的集合具有第一总功率容量以及所述一个或多个二极管的集合具有第二总功率容量，其中第一总功率容量小于第二总功率容量，并且其中第一功率范围在0和第一水平之间，该第一水平部分地根据第一总功率容量来选择。
5.权利要求1的设备，进一步包括：
一个或多个功率消耗或存储装置的集合；以及
耦合至DC总线以及所述一个或多个功率消耗装置的集合的开关，
其中微控制器进一步被配置为对到所述一个或多个功率消耗或存储装置的集合的功率转移进行调节。
6.权利要求5的设备，其中所述一个或多个功率消耗装置的集合包括电阻器。
7.权利要求5的设备，其中所述一个或多个功率消耗装置的集合包括电容器。
8.权利要求1的设备，其中所述一个或多个晶体管的集合包括一个或多个晶体管包，每个晶体管包被配置为作为独立的单元而工作，该设备还包括：
在AC总线和所述晶体管包中的一个晶体管包之间设置的开关，该开关使得该晶体管包不直接耦合至AC总线，该开关耦合至AC总线、AC负载装置以及该晶体管包，其中该开关被配置为选择性地将该晶体管包耦合至AC总线或者AC负载装置；
其中该晶体管包被配置为当被耦合至AC总线和DC总线时执行AC至DC的功率变换，以及当被耦合至DC总线和AC负载装置时执行DC至AC的功率变换。
9.一种用于连接AC总线和DC总线的设备，包括：
耦合至AC总线以及耦合至DC总线的一个或多个晶体管的集合；
耦合至AC总线以及耦合至DC总线的一个或多个SCR的集合；以及
第一微控制器，其耦合至所述一个或多个晶体管的集合，并且被配置为调节流经所述一个或多个晶体管的集合的电流以及调节流经所述一个或多个SCR的集合的电流。
10.权利要求9的设备，其中第一微控制器被配置为通过调节DC总线上的电压来调节流经所述一个或多个SCR的集合的电流。
11.权利要求10的设备，其中第一微控制器进一步被配置为通过控制SCR的门极来调节流经所述一个或多个SCR的集合的电流。
12.权利要求11的设备，还包括：
耦合至所述一个或多个SCR的第二微控制器；
其中第一微控制器通过向第二微控制器发送信号来调节流经所述一个或多个SCR的集合的电流。
13.权利要求9的设备，其中微控制器被配置为调节流经所述一个或多个晶体管的集合以及所述一个或多个SCR的集合的电流，以使得当DC总线的功率负载位于第一功率范围内时，基本上所有的功率都流经所述一个或多个晶体管的集合。
14.权利要求9的设备，其中所述一个或多个晶体管的集合具有第一总功率容量以及所述一个或多个SCR的集合具有第二总功率容量，其中第一总功率容量小于第二总功率容量，并且其中第一功率范围在0和一水平之间，该水平部分地根据第一总功率容量来选择。
15.权利要求9的设备，进一步包括：
一个或多个功率消耗装置的集合；以及
耦合至DC总线以及所述一个或多个功率消耗装置的集合的开关，
其中第一微控制器进一步被配置为对到所述一个或多个功率消耗装置的集合的功率转移进行调节。
16.权利要求15的设备，其中所述一个或多个功率消耗装置的集合包括电阻器。
17.权利要求15的设备，其中所述一个或多个功率消耗装置的集合包括电容器。
18.一种用于连接AC总线和DC总线的方法，该AC总线耦合至一个或多个发电机的集合，其中该方法包括：
将具有第一总功率容量的一个或多个晶体管的集合耦合至AC总线和DC总线；
将一组具有第二总功率容量的一个或多个SCR耦合至AC总线和DC总线；以及
调节流经所述一个或多个晶体管的集合以及所述一个或多个SCR的集合的电流，以使得当DC总线的功率负载位于第一功率范围内时，基本上所有的功率都流经所述一个或多个晶体管的集合。
19.权利要求18的方法，其中调节电流的步骤包括调节DC总线上的电压。
20.权利要求18的方法，还包括：
通过开关将DC总线耦合至一个或多个功率消耗或存储装置的集合；
当DC总线的功率负载高于第二水平时，调节流经所述一个或多个功率消耗或存储装置的集合的电流。
21.一种用于AC至DC以及DC至AC的功率变换的设备，包括：
一个或多个晶体管包的集合，每个晶体管包被配置为作为耦合至AC总线和DC总线的独立的单元而工作；
设置在AC总线和所述晶体管包中的一个晶体管包之间的开关，使得该晶体管包不直接耦合至AC总线，该开关耦合至AC总线、AC负载装置以及该晶体管包，其中该开关被配置为选择性地将该晶体管包耦合至AC总线或者AC负载装置；
其中该晶体管包被配置为当被耦合至AC总线和DC总线时执行AC至DC的功率变换，以及当被耦合至DC总线和AC负载装置时执行DC至AC的功率变换。
22.权利要求21的设备，还包括：
设置在AC总线和所述晶体管包中的第二晶体管包之间的第二开关，使得第二晶体管包不直接耦合至AC总线，该开关耦合至AC总线、AC负载装置以及第二晶体管包，其中该开关被配置为选择性地将第二晶体管包耦合至AC总线或者AC负载装置；
其中第二晶体管包被配置为当被耦合至AC总线和DC总线时执行AC至DC的功率变换，以及当被耦合至DC总线和AC负载装置时执行DC至AC的功率变换。
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