CN102545647A - 将第一频率ac电压转换成第二频率ac电压的ac到ac转换器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及将第一频率AC电压转换成第二频率AC电压的AC到AC转换器。本发明描述了一种用于将第一频率的AC电压转换成第二频率的AC电压的AC到AC转换器，所述转换器包括：第一转换器部分（101，201），其具有至少第一输入端子（109）和第二输入端子（111）并且具有第一DC输出节点（117）和第二DC输出节点（119）；第二转换器部分（103，203），其具有连接到第一DC输出节点的第一DC输入节点并且具有连接到第二DC输出节点的第二DC输入节点并且具有至少两个第二输出端子（131，133，135）；耦合在第一DC输出节点与第二DC输出节点之间的DC链路过电压箝位电路（105，205）；以及电容器系统（107，207）。其中，第一转换器部分、第二转换器部分、DC链路过电压箝位电路和电容器系统被集成到一个组件中。

Description

将第一频率AC电压转换成第二频率AC电压的AC到AC转换器

技术领域

本发明涉及一种AC到AC转换器以及一种用于将第一频率（特别是可变频率）的AC电压（或者电流或功率）转换成第二频率（特别是至少近似固定的频率）的AC电压的方法，其中所述转换器可以特别在风力涡轮机中被利用。

背景技术

传统的AC到AC功率转换器（其也被简单地称作功率转换器或转换器）可以被用来将电力信号的频率适配到公用电网的频率，以便允许消费者使用AC电信号来驱动需要固定频率的消费设备。

在传统上，针对用于风力涡轮机的满刻度转换器和部分转换器（DFIG）的需求已经通过按照对于任何动态制动任务所需要的那样将两个单独的3相逆变器模块和另外的单独模块连接在一起而得到解决，从而形成具有适当额定值的总体功率转换器。在这方面有许多商用实例：

Converteam MV3000 DELTA Module系统允许将多达12个模块关联到1个完整的功率转换器方案中，其中多达6个并联模块用于发电机（或电动机）逆变器功能，并且多达6个并联模块用于网络逆变器功能。ABB ACS800 Modular功率转换器系统也提供这种类型的结构。

通常来说，当被应用于其额定功率高于1个模块的额定值的系统时，这样的产品通过把多个模块连接在一起成为一个并联阵列而获得更高的额定值。还知道可以通过把总体功率处理分解成多个分开通道而实现更高额定功率的系统，从而可以在1个逆变器模块发生故障的情况下实现更高级别的可用性，尽管在部分操作模式下最大功率吞吐量能力会有所降低。通过按照这种方式将单独的3相逆变器模块连接起来，必须将dc电流从一个逆变器模块载送到另一个逆变器模块。对于满刻度转换器来说，标称dc电流是将涡轮机额定功率除以额定或标称操作dc链路电压的结果。

以前，Converteam提供一种集成逆变器封装“Alspa GD4000”，其将机器（发电机或电动机）3相逆变器和3相网络逆变器包括到具有高达160A额定值的1个封装内。这些集成逆变器封装未被配置成用于并联配置并且未被销售用于这样的并联布置。Converteam还提供了将3个单独的3相逆变器部分集成到1个液体冷却模块中的液体冷却产品。该产品使用1个冷却剂系统（其等效于1个散热器）和1个dc链路层叠板（laminate）。

可能存在对其构造得到简化并且具有更高成本效益的功率转换器的需要。可能存在对特别针对风力涡轮机应用的需求的功率转换器模块的结构的需要：4Q AC到AC功率转换器，其中，中间的“dc”接口不是除了形成总体功能的两个逆变器部分之外的任何其他部分需要与之接合的主要端口。在用于风力涡轮机的满刻度转换器系统中，总体功率转换器实质上是频率改变器，其接收来自发电机的可变频率可变电压并且将其施加到第一逆变器级（其一般操作在（活动）整流模式下）的ac相端子，第一逆变器级的dc端口（输出）连接到第二逆变器级（其一般操作在逆变模式下）的dc端口（输入），该第二逆变器级的ac相（输出）端子按照需要通过滤波部件连接以产生标称固定频率和固定电压输出以便与公用电网相匹配。对于用在风力涡轮机应用中的典型发电机（例如永磁体直接驱动发电机），当由于网络损耗（例如电网故障）而必须缩减功率吞吐量时，则必须在功率转换器中包括用以允许保持连接以便提供诸如无功功率支持之类的次要服务的装置。其结果是，必须包括用以限制dc链路电容器的过电压并且从而保持在保护电路的过电压跳闸阈值以下的装置。可以提供这项功能的一种已知电路是动态制动单元。在传统的驱动器中，其尺度被标注成用以应对存储在系统的机件中的能量，但是在本申请中，尺度标注由用以应对在将功率从现行功率减小到零的时间期间从发电机释放的能量所必要的情况确定。这正是我们将其描述为“dc链路过电压箝位电路”而不是动态制动的原因。从电路的角度来看二者是等效的，只尺度标注有相关联的功率部件以及特别地不同的能量耗散电阻器元件。

本发明的目的可以是在任何可能的地方最小化或消除材料成分、部件和部件过额定，所有这些的目的都是降低所得到的功率转换器模块或功率转换器系统的成本。

发明内容

该需要可以通过根据独立权利要求的主题来实现。本发明的有利实施例由从属权利要求描述。

根据一个实施例，提供一种用于将第一频率的AC电压转换成第二频率的AC电压的AC到AC转换器，其中所述转换器包括第一转换器部分、第二转换器部分、DC链路过电压箝位电路以及电容器系统，其中所述第一转换器部分、第二转换器部分、DC链路过电压箝位电路和电容器系统被集成为一个组件。

所述组件可以是单个单元，其中第一转换器部分、第二转换器部分、DC链路过电压箝位电路和电容器系统被布置成彼此相邻或者彼此旁邻以便靠近在一起，而不需要将不同部件连接在一起的任何过多的或冗长的线缆或母线系统。具体来说，第一转换器部分、第二转换器部分、DC链路过电压箝位电路和电容器系统可以由单个电源供电，这些部件的热量可以由单个热传导热耗散器耗散，并且这些部件可以被封闭在单个外壳或外罩内，以便降低功率转换器的总体成本。

第一转换器部分具有至少第一输入端子和第二输入端子（或者可以包括总共3、4、5、6或7个或者甚至更多端子，端子的数目特别对应于相的数目）并且具有第一DC输出节点和第二DC输出节点，其中第一转换器部分被适配成将施加在第一输入端子与第二输入端子（其特别相对于彼此被相移）之间的第一频率（其特别是可变频率）的AC电压（或者电流或功率）转换成第一DC输出节点与第二DC输出节点之间的DC电压（其至少是近似直流电压但是可以包括电压振荡，比如波纹电流或波纹电压）。

因此，两个逆变器级与动态制动或dc链路过电压箝位电路功能一起被集成到一个组件中，从而最小化或者消除了非主要接口。

具体来说，第一转换器部分可以包括一个或多个电子部件，比如晶体管，特别是绝缘栅极双极型晶体管（IGBT）。

第二转换器部分具有连接到第一DC输出节点的第一DC输入节点并且具有连接到第二DC输出节点的第二DC输入节点（从而使得第一转换器部分连接到第二转换器部分），并且具有至少两个第二输出端子（或者对应于相的数目的3或4或5或6或7个或者甚至更多输出端子），其中第二转换器部分被适配成将第一DC输入节点与第二DC输入节点之间的DC电压转换成所述至少两个第二输出端子之间的第二频率（特别是至少近似固定的频率，比如具有50Hz或60Hz的频率）的AC电压。所述至少两个第二输出端子可以连接到公用电网以便向消费者及其电子消费设备供应电能，并且可以通过滤波部件相连接，所述滤波部件随后可以连接到公用电网。

DC链路过电压箝位电路被耦合在第一DC输出节点与第二DC输出节点之间，并且控制第一DC输出节点与第二DC输出节点之间的DC电压（该电压也简单地被称作DC电压）保持在预定电压极限内，从而特别防止所述DC电压的过电压。具体来说，DC链路过电压箝位电路可以包括电子部件，比如至少一个晶体管（比如IGBT）和用于耗散与过电压相关联的能量的耗散电阻器。

所述电容器系统被耦合在第一DC输出节点与第二DC输出节点之间以便充当临时能量存储装置并且还充当整流器。具体来说，所述电容器系统可以包括一个或多个电容器，其中一个或多个电容器串联连接在第一DC输出节点与第二DC输出节点之间，并且其中特别地可以并联连接几个串联连接的电容器集合。

与传统方案相比，将功率转换器集成到单个组件中可以降低功率转换器的成本，并且还可以改进发电机逆变器的DC链路电流谐波与网络逆变器的DC链路电流谐波之间的波纹电流抵消。此外，与对于传统转换器需要两个DC链路电压反馈通道相比，对于每个功率转换器通道只需要一个DC链路电压反馈通道。

该实施例的实质可以是将与一个功率转换器“通道”有关的所有功率半导体器件集成到一个散热器上。对于包括永磁体发电机的各种发电机类型，发电机特性与涡轮机满足电网规程的操作要求相组合意味着可以包括动态制动或等效的过电压箝位系统。

通过在该实施例中所描述的布置，从第一逆变器级（或部分）的dc端口（输出）产生的dc功率可以直接流到第二逆变器级的dc端口（输入）或者到动态制动功能的dc输入端口，而无需离开所述模块（或组件）。对于两级三相电压源逆变器配置的一个实例，总共可能需要7个半桥：3个半桥包括第一3相逆变器级，其将来自发电机的可变电压可变频率转换成dc；1个半桥（其可能被替代装备成仅仅包括上方开关与下方续流二极管，或者反之亦然）用于动态制动或dc链路过电压箝位电路功能；3个半桥包括第二3相逆变器级，其将dc转换成标称固定电压固定频率和固定电压输出，以便通过适当滤波器与公用电网相匹配。

从该集成步骤得到其他经济效益：部件数量的减少，例如对于集成组件只有1个散热器，冷却剂端口的数目减少（能够应于对于在风力涡轮机中采用的额定功率所典型的具有液体冷却的系统）；给定功率转换器通道的所有功率半导体器件通过1个dc链路层叠系统互连；对于控制及保护发电机和网络逆变器部分所需要的dc链路电压反馈布置由一个功能元件实施；其他电气部件额定值益处包括：随着对于dc链路电容器部件的谐波波纹额定电流的相应减小，发电机与网络逆变器部分之间的dc链路波纹电流谐波抵消得到改进。

为了允许将所得到的功率转换器模块用在其额定功率高于一个功率转换器模块的额定值的功率转换器系统中，在设计中可以包括允许较小水平的dc电流在并联的功率转换器模块之间流动的规定。这样于是可以允许将控制器结构的相应简化作为一个实体来控制的所得到的功率转换器布置的dc链路电压，并且允许较小水平的dc电流在单独模块的dc链路之间流动，以便载送从任何功率转换器模块之间的相电流和或相电压的较小差异而导致的任何不平衡电流。该dc接口通常将被额定在传统布置的额定电流的1/50。针对发电机（G1－G3）和网络（N1－N3）的保险丝可以是可选的。

根据一个实施例，所述功率转换器还包括热耗散器（其特别由诸如金属之类的导热材料制成，并且特别被集成地形成），所述热耗散器具有供热表面（可以通过将供热表面与待冷却部件的表面接触而向供热表面施加热量）和用于耗散供应到供热表面的热量的热耗散表面（其特别通过包括在热耗散器内的集成地形成的材料与供热表面热接触），其中第一转换器部分包括至少一个第一功率晶体管（能够控制高功率信号的晶体管，比如IGBT），其与供热表面热接触（从而使得功率晶体管可以传递当所述功率晶体管被操作到供热表面时所生成的至少一部分热量），其中第二转换器部分包括与供热表面热接触的至少一个第二功率晶体管，并且其中DC链路过电压箝位电路包括与供热表面热接触的第三功率晶体管。因此，包括在第一转换器部分、第二转换器部分和DC链路过电压箝位电路中的功率晶体管全都热耦合到相同的热耗散器（其特别是集成地形成的）。因此，可以通过单个热耗散器（以及诸如冷却剂系统之类的伴随装备）有效地带走在操作期间于各功率晶体管内生成的热量。

根据一个实施例，所述热耗散器被集成地形成（特别由诸如金属之类的传导材料制成，比如铝）。因此可以按照非常紧凑的方式来构造所述热耗散器，其尺度比其中第一转换器部分、第二转换器部分和DC链路过电压箝位电路当中的每一个都具有单独的热耗散器的情况更小。

根据一个实施例，所述热耗散器包括：冷却剂液体进口（特别用于作为冷却剂液体的水乙二醇混合物）以用于供应要与耗散表面热接触的冷却液体（从而使得冷却剂液体可以吸收被传递到耗散表面的包括在热耗散器中的热量）；以及冷却剂液体出口以用于释放承载有从耗散表面接收的热量的冷却剂液体。从而可以实现用于冷却功率转换器中的功率晶体管的有效冷却功能。具体来说，可能不需要另外的冷却液体进口和另外的冷却液体出口，从而简化了功率转换器的构造。

根据一个实施例，所述DC链路过电压箝位电路还包括二极管和电阻器，其中第三功率晶体管（特别是IGBT）包括连接到第一DC输出节点的第一端子（比如集电极或源极端子）以及连接到第一二极管端子与第一电阻器端子所连接到的中点的第二端子（比如发射极或漏极端子），其中第二二极管端子和第二电阻器端子连接到第二DC输出节点。

因此，取决于第三功率晶体管的状态（导通或不导通），可以通过导通第三功率晶体管和所述电阻器来释放第一DC输出节点与第二DC输出节点之间的过电压，从而耗散与使用所述电阻器进而生成热量的过电压相关联的能量。因此，通过DC链路过电压箝位电路提供了有效的过电压保护。因此，可以保护功率转换器的其他部分内的电子部件（比如功率晶体管）免受过电压。

根据一个实施例，第三功率晶体管（其被包括在DC链路过电压箝位电路中）包括控制端子，其中第三功率晶体管的第一端子与第三功率晶体管的第二端子之间的导通状态取决于施加到所述功率晶体管的第三控制端子的信号，其中所述转换器还包括箝位控制电路，其具有连接到第三功率晶体管的控制端子的输出端子，其中在箝位控制电路的输出端子处生成的信号（至少）是基于第一DC输出节点与第二DC输出节点之间的电压。

具体来说，当第一DC输出节点与第二DC输出节点之间的电压高于阈值电压时，所述箝位控制电路可以在输出端子处生成信号以便将第三功率晶体管切换到导通状态，从而保护第一功率晶体管和/或第二功率晶体管和/或第三晶体管免受过电压。

根据一个实施例，所述功率转换器还包括：用于控制第一功率晶体管的栅极的第一栅极驱动器电路；用于控制第二功率晶体管的栅极的第二栅极驱动器电路；（第三晶体管具有箝位控制电路以作为栅极驱动器）以及用于向第一栅极驱动器电路、第二栅极驱动器电路和箝位控制电路供应电能量的电源。具体来说，所述电源可以是用于操作功率转换器的唯一电源。因此，与传统功率转换器相比，可以减小功率转换器的大小和尺度并且还可以降低功率转换器的成本。

根据一个实施例，所述电容器系统包括连接在第一DC输出节点与第二DC输出节点之间的至少一个串联连接的电容器集合。因此，与通常施加在第一DC输出节点与第二DC输出节点之间的电压相比，包括在所述电容器系统中的单个电容器可以被额定在较低电压。具体来说，所述电容器系统可以包括21个电容器（其中每一个都包括三个串联连接的电容器的七个电容器链集合），所述21个电容器可以被并联连接在第一DC输出节点与第二DC输出节点之间。因此，传统上可用的电容器可以被用于所述功率转换器，以便降低功率转换器的成本。还将可行的是具有实施dc链路电容器功能的一个单个金属化聚丙烯电容器。

根据一个实施例，所述功率转换器还包括DC链路层叠系统（其包括导体和绝缘构件），其包括连接到第一DC输出节点的第一金属表面和连接到第二DC输出节点的第二金属表面。所述DC链路层叠系统可以提供用于实现功率转换器的不同部件之间的所需连接性的紧凑装置。

根据一个实施例，所述功率转换器还包括用于封闭至少第一转换器部分、第二转换器部分、DC链路过电压箝位电路和电容器系统的外壳（或者外罩或封壳），并且其特别还封闭热耗散器、冷却剂液体进口、冷却剂液体出口、箝位控制电路、第一栅极驱动器电路、第二栅极驱动器电路和电源。从而可以获得紧凑的组件。

根据一个实施例，DC链路过电压箝位电路被布置成邻近第一转换器部分或邻近第二转换器部分。具体来说，在DC链路过电压箝位电路与第一或第二耦合部分的其中一个之间不提供空间或余隙（隐含地肯定存在余隙，但是只是为了确保功能元件之间的必要的电气隔离距离），以便获得紧凑的组件。

根据一个实施例，所述组件的基底面积总计为小于功率晶体管的基底面积乘以包括在组件中的功率晶体管的数目的5倍，特别地3倍。所述设计可以具有由七个功率晶体管模块的基底面积加上各功率晶体管模块之间的功能绝缘所需的功率晶体管模块间余隙所确定的基底面积。这全部可以取决于装备的具体额定值以及功率晶体管模块的特性。在某些额定值下将可行的是针对发电机桥使用“6包”IGBT模块，针对网络桥使用另一个“6包”IGBT模块，以及针对过电压箝位电路使用单个半桥。“6包”在一个组件中包括三个半桥。还有可能的是购买七个包，其包括用于逆变器部分（发电机或网络）的三个半桥，以及用于过电压箝位电路（其通常被称作DB（动态制动））功能的另一个替代装备的半桥。

根据一个实施例，提供一种风力涡轮机，其包括：具有至少第一输出端子和第二输出端子（或者3、4、5、6、7个或甚至更多输出端子）以用于输出可变频率功率信号的发电机；用于驱动发电机的转子（所述转子特别包括一个或多个由风驱动的转子叶片）；以及根据如前所述的一个实施例的AC到AC转换器，其中第一转换器部分的第一输入端子连接到发电机的第一输出端子，并且其中第一转换器部分的第二输入端子连接到发电机的第二输出端子。具体来说，第二转换器部分的至少两个第二输出端子可以连接到公用电网，以便向消费设备提供电能量。取决于风力涡轮机的应用和额定值以及功率转换器的额定值，可以对单个风力涡轮机提供一个或多个转换器模块。这些模块例如可以并联或串联连接。

应当理解的是，相对于用来将第一频率的AC电压转换成第二频率的AC电压的AC到AC转换器的实施例或者相对于风力涡轮机所公开、描述、解释或提到的特征也可以（单独地或者以任意组合）在用于将第一频率的AC电压转换成第二频率的AC电压的方法中被应用、使用或者采用。

根据一个实施例，提供一种用于将第一频率的AC电压转换成第二频率的AC电压的方法，其中所述方法包括：将施加在第一转换器部分的第一输入端子与第一转换器部分的第二输入端子之间的第一频率的AC电压转换成第一DC输出节点与第二DC输出节点之间的DC电压；将第二转换器部分的第一DC输入节点与第二转换器部分的第二DC输入节点之间的DC电压转换成第二转换器部分的至少两个第二输出端子之间的第二频率的AC电压；通过使用耦合在第一DC输出节点与第二DC输出节点之间的DC链路过电压箝位电路将所述DC电压箝位到阈值电压以下；以及通过使用耦合在第一DC输出节点与第二DC输出节点之间的电容器系统对所述DC电压进行整流，其中第一转换器部分、第二转换器部分、DC链路过电压箝位电路和电容器系统被集成到一个组件中。

在所有前述内容中，功率流动的方向可以反转，从而从供电网络获取功率并且馈送到驱动机器（电动机）。在这样的布置中，所述电路可以保持完全相同，但是输入和输出陈述可以反转。

应当提到的是，本发明的实施例是参照不同主题描述的。具体来说，一些实施例是参照方法类型权利要求描述的，而其他实施例则是参照设备类型权利要求描述的。但是，从前面的和后面的描述，本领域技术人员将推断出，除非另行表明，否则除了属于一种类型的主题的任意特征组合之外，关于不同主题的特征之间的任意组合，特别是方法类型权利要求的特征与设备类型权利要求的特征之间的任意组合也被视为由本文献公开。

除了其他优点之外，通过各实施例还可以实现下面的优点：将功率转换器“通道”集成到1个散热器上（可以降低成本），虽然散热器较大，但是只有1项加工操作、1项物流成本、1项设立成本等等；冷却剂端口的数目减少，与对于从每个都具有单独散热器的单独的3相到dc逆变器部分建立的传统布置的2×进口和2×出口相比，对于集成到一个散热器上的功率转换器通道只需要1×进口和1×出口；所有dc链路互连都被包含在1个dc链路层叠系统中，通过部件数目减少可以降低成本，尽管dc链路层叠系统较大，1项物流成本、1项设立成本等等；与传统方案相比改进了发电机逆变器的dc链路电流谐波与网络逆变器的dc链路电流谐波之间的波纹电流抵消；相比于针对传统方案的每个功率转换器通道2个dc链路电压反馈通道，每个功率转换器通道1个dc链路电压反馈通道；相比于对于传统方案的两个单独的辅助开关模式或等效电源功能，对于集成布置的所有7个半桥的1个辅助开关模式或等效电源功能；与传统方案中所需要的较大额定值的部件相比，对于多个功率转换器通道之间的dc互连的故障保护现在是利用低额定电流的保险丝实施的。

减小总体高电流开关dc电路的大小尺度标注和额定电流，使得更容易实现电磁相容性，从而有效地实现针对其他附近装备的更小广播天线。

总而言之，对于给定功率转换器通道的额定电流通常由利用在给定时间可以获得的最大功率半导体器件（或者一起操作的这样的功率半导体器件的内部并联配置）所可能得到的额定值确定。对于额定功率更高的系统，比如对于现代风力涡轮机所需要的那些系统，必须采用多个功率转换器通道来获得额定功率。这里所描述的实施例的目的可以是将与给定功率转换器通道有关的所有这些功能元件一起带到一个组件中，并且从而最小化接口的数目和额定值并且最小化必要部件（散热器、dc链路互连层叠板、封壳、辅助电路、固定件等等）的件数。

下面将参照附图来描述本发明的实施例。

从将要在下文中描述的实施例的示例本发明的前述和其他方面将变得显而易见，并且将参照实施例的示例来解释的本发明的前述和其他方面。在下文中将参照实施例的示例更加详细地描述本发明，但是本发明不限于此。

附图说明

图1示意性地图示了根据一个实施例的AC到AC转换器（功率转换器）的电路图；

图2图示了集成在单个组件中的图1所示意性地图示的AC到AC转换器；以及

图3以分解图图示了图2中所图示的AC到AC转换器的组件。

具体实施方式

附图中的图示是示意性的形式。应当提到的是，在不同图中，为类似的或完全相同的元件提供有相同的附图标记或者仅有第一位数字与相应附图标记不同的附图标记。

图1中所图示的AC到AC转换器100（其也被称作功率转换器）包括第一转换器部分101、第二转换器部分103、DC链路过电压箝位电路105和电容器系统107。作为对于功率转换器100的输入，第一转换器部分具有第一输入端子109（其也被记作G1）、第二输入端子111（其也被记作G2）和第三输入端子113（其也被记作G3）。端子G1、G2和G3例如可以连接到向功率转换器100提供可变频率AC信号的风力涡轮机的发电机的输出端子。

第一转换器部分还包括三对IGBT 115，其中所述三对当中的每一对都连接到第一DC输出节点117和第二DC输出节点119。包括在第一转换器部分101中的三对IGBT 115将施加到端子G1、G2和G3的可变频率的AC电压转换成第一DC输出节点117与第二DC输出节点119之间的基本上为直流的电压。

为了防止第一DC输出节点117与第二DC输出节点119之间的过电压（其例如由于直接驱动发电机停机而导致），提供DC链路过电压箝位电路105（其也被简单地称作电压箝位电路）。电压箝位电路105包括IGBT 121，其（通过连接到其栅极端子）由未图示的箝位控制电路来控制。IGBT 121与可选的而非强制性的保险丝123串联连接。与保险丝并联布置二极管125。与保险丝123串联布置内部电压箝位电阻器127。

当在第一DC输出节点117与第二DC输出节点119之间应当出现过电压的情况下，可以将电压箝位电路105的IGBT 121切换到导通状态，从而可以通过流过保险丝123（并且特别还流过电阻器127）的电流减小过电压并且耗散能量。

提供电容器系统107（其可以特别包括21个单个电容器）以用于临时存储能量并且/或者至少近似地整流DC电压。

第二转换器部分103（其也被称作网络桥）包括三对IGBT 129，其中所述三对IGBT 129并联连接在第一DC输出节点117与第二DC输出节点119之间。因此，各IGBT 129被连接并且控制（由未图示的栅极驱动器电路），以使得第一DC输出节点117与第二DC输出节点119之间的DC电压被转换成施加到第二输出端子131（其也被称作N1）、133（其也被称作N2）和135（其也被称作N3）的固定频率的AC电压。对于这种转换，IGBT 129由连接到相应栅极的未图示的栅极驱动器电路控制。

图2图示了根据一个实施例的被集成到单个组件200中的图1中示意性地图示的功率转换器100。在图3中图示了组件200的分解图。从作为三维图示的图2中可以看到，第一转换器部分（其也被称作发电机桥）201被布置在第二转换器部分203（其也被称作网络桥）旁边并且与之紧邻。与第一转换器部分201相邻地布置电压箝位电路205。功率转换器的所有部件都被封闭在一个外壳内，所述外壳具有外壳面或外壳壁237、239、241、243。第二DC输出节点119在这里被实施为铜金属层219，其被包括在所谓的DC链路层叠板245中。如在图3中更加详细地示出的那样，DC链路层叠板245实现了功率转换器200的不同部件之间的电气连接性。

此外，所述功率转换器包括与被示出为安装到热耗散器的每一个IGBT半桥模块有关的栅极驱动器和电流传感器的组件247，其包括用于驱动被包括在第一转换器部分201以及还被包括在第二转换器部分203中的各IGBT的栅极驱动器电路。此外，组件247包括用于测量电流并且将所测量的电流值提供给栅极驱动器电路的电流传感器。此外，参照图3，功率转换器200包括热耗散器249（其由导热材料制成），第一转换器部分、第二转换器部分和DC链路过电压箝位电路的IGBT被螺拧到该热耗散器249上并且从而与之热连接或接触。

此外，所述热耗散器包括冷却剂液体出口251和冷却剂液体进口253。通过冷却剂液体出口251可以向热耗散器249的内部供应冷却液体，以便吸收并且随后带走由与电压箝位功能相关联的半桥IGBT模块221、与发电机桥功能相关联的半桥IGBT模块215和与网络桥功能相关联的半桥IGBT模块229生成的热量，并且将所述热量传递到热耗散器249。对于半桥IGBT模块221、215、229的其他物理布置是可能的，例如从上到下的G1、N1、G2、N2、G3、N3、VC或者以任何可能的排列的G1、G2、G3、VC、N1、N2、N3等。

此外，功率转换器200包括一定数目的21个电容器255以作为电容器系统207，所述电容器被图示为圆柱体并且彼此并联布置。功率转换器200还包括用以向栅极驱动器电路供应电气能量的电源。

图2和3的功率转换器的物理构造包括对于G1－G3、N1－N3以及电压箝位功能的7个半桥模块。最小额定的dc接口被示为在图2的机械示意图的右下部。图2的组件200从左到右包括：DC链路过电压箝位电路半桥部分；G1到G3；N1到N3。

其他布置也是可行的，其中包括：

DC链路过电压箝位电路；G1；N1；G2；N2；G3；N3；或者

G1；N1；G2；DC链路过电压箝位电路；N2；G3；N3；

或者任何其他布置或组合。

发电机和网络逆变器与动态制动或dc链路过电压箝位电路功能被集成到1个功率转换器通道中的布置可以被应用于任何4象限功率转换布置并且可以被应用于其中功率在任一方向上经过功率转换器流动的其他发电方案或功率转换方案，例如对于发电机方案从发电机逆变器流向网络逆变器，或者从现在充当整流器的网络逆变器流向现在操作在逆变模式下的发电机逆变器从而驱动电动机或类似负载。所述布置还可以被应用于其他标准的和公知的逆变器拓扑结构，比如3级中性点箝位方案和快速电容器（Foch-Meynard）方案。

应当提到的是，术语“包括”不排除其他元件或步骤，并且“一”或“一个”不排除多个。此外，可以将与不同实施例相关联地描述的元件相组合。还应当提到的是，权利要求中的附图标记不应当被解释为限制权利要求的范围。

Claims (15)

1.用于将第一频率的AC电压转换成第二频率的AC电压的AC到AC转换器，所述转换器包括：

· 第一转换器部分（101，201），其具有至少第一输入端子（109）和第二输入端子（111）并且具有第一DC输出节点（117）和第二DC输出节点（119），第一转换器部分被适配成将施加在第一输入端子与第二输入端子之间的第一频率的AC电压转换成第一DC输出节点与第二DC输出节点之间的DC电压；

· 第二转换器部分（103，203），其具有连接到第一DC输出节点的第一DC输入节点和连接到第二DC输出节点的第二DC输入节点并且具有至少两个第二输出端子（131，133，135），第二转换器部分被适配成将第一DC输入节点与第二DC输入节点之间的DC电压转换成所述至少两个第二输出端子之间的第二频率的AC电压；

· 耦合在第一DC输出节点与第二DC输出节点之间的DC链路过电压箝位电路（105，205）；以及

· 耦合在第一DC输出节点与第二DC输出节点之间的电容器系统（107，207），

其中，第一转换器部分、第二转换器部分、DC链路过电压箝位电路和电容器系统被集成到一个组件中。

2.根据权利要求1的AC到AC转换器，还包括：

· 热耗散器（249），其具有供热表面和用于耗散被供应到供热表面的热量的热耗散表面，

其中，第一转换器部分包括与供热表面热接触的至少一个第一功率晶体管（215），

第二转换器部分包括与供热表面热接触的至少一个第二功率晶体管（229），以及

DC链路过电压箝位电路包括与供热表面热接触的第三功率晶体管（221）。

3.根据权利要求2的AC到AC转换器，其中，所述热耗散器被集成地形成。

4.根据权利要求2或3的AC到AC转换器，其中，所述热耗散器包括用于供应要与耗散表面热接触的冷却液体的冷却剂液体进口（253），以及用于释放载送接收自耗散表面的热量的冷却剂液体的冷却剂液体出口（251）。

5.根据权利要求2到4之一的AC到AC转换器，其中，所述DC链路过电压箝位电路还包括二极管（125）和保险丝（123），

其中，第三功率晶体管包括连接到第一DC输出节点的第一端子以及连接到第一二极管端子与第一电阻器端子所连接到的中点的第二端子，

其中，第二二极管端子和第二电阻器端子连接到第二DC输出节点。

6.根据权利要求5的AC到AC转换器，其中，第三功率晶体管包括控制端子，其中第三功率晶体管的第一端子与第三功率晶体管的第二端子之间的导通状态取决于施加到该功率晶体管的第三控制端子的信号，

所述转换器还包括：

· 箝位控制电路，其具有连接到第三功率晶体管的控制端子的输出端子，其中在箝位控制电路的输出端子处生成的信号是基于第一DC输出节点与第二DC输出节点之间的电压。

7.根据权利要求6的AC到AC转换器，其中，如果第一DC输出节点与第二DC输出节点之间的电压高于阈值电压，则所述箝位控制电路被适配成在其输出端子处生成信号从而使得第三功率晶体管处于导通状态，以便保护第一功率晶体管和/或第二功率晶体管免受过电压。

8.根据权利要求6或7的AC到AC转换器，还包括：

· 用于控制第一功率晶体管的栅极的第一栅极驱动器电路；

· 用于控制第二功率晶体管的栅极的第二栅极驱动器电路；

· 用于向第一栅极驱动器电路、第二栅极驱动器电路和箝位控制电路供应电能量的电源。

9.根据前述权利要求之一的AC到AC转换器，其中，所述电容器系统包括连接在第一DC输出节点与第二DC输出节点之间的至少一个串联连接的电容器集合。

10.根据前述权利要求之一的AC到AC转换器，还包括DC链路层叠系统（245），其包括连接到第一DC输出节点的第一金属表面和连接到第二DC输出节点的第二金属表面。

11.根据前述权利要求之一的AC到AC转换器，还包括用于封闭至少第一转换器部分、第二转换器部分、DC链路过电压箝位电路和电容器系统的外壳（237、239、241、243）。

12.根据前述权利要求之一的AC到AC转换器，其中，所述DC链路过电压箝位电路被布置成邻近第一转换器部分或第二转换器部分。

13.根据前述权利要求之一的AC到AC转换器，其中，所述组件的基底面积总计小于功率晶体管的基底面积乘以包括在组件中的功率晶体管的数目的5倍，特别地3倍。

14.风力涡轮机，包括：

· 具有用于输出可变频率功率信号的至少第一输出端子和第二输出端子的发电机；

· 用于驱动所述发电机的转子；以及

· 根据权利要求1到13之一的AC到AC转换器，其中第一转换器部分的第一输入端子连接到发电机的第一输出端子，并且第一转换器部分的第二输入端子连接到发电机的第二输出端子。

15.用于将第一频率的AC电压转换成第二频率的AC电压的方法，所述方法包括：

· 将施加在第一转换器部分的第一输入端子与第一转换器部分的第二输入端子之间的第一频率的AC电压转换成第一DC输出节点与第二DC输出节点之间的DC电压；

· 将第二转换器部分的第一DC输入节点与第二转换器部分的第二DC输入节点之间的DC电压转换成第二转换器部分的至少两个第二输出端子之间的第二频率的AC电压；

· 通过使用耦合在第一DC输出节点与第二DC输出节点之间的DC链路过电压箝位电路将所述DC电压箝位到阈值电压以下；以及

· 通过使用耦合在第一DC输出节点与第二DC输出节点之间的电容器系统对所述DC电压进行整流，

其中，第一转换器部分、第二转换器部分、DC链路过电压箝位电路和电容器系统被集成到一个组件中。

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