CN103855913A - 能量变换系统及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示一种能量变换系统，其包括控制模块和能量变换装置。能量变换装置至少包括一个开关单元。开关单元包括开关装置，开关装置包括沟道和与沟道集成的体二极管。开关装置包括第一端口，第二端口和第三端口。第一端口用于接收开关控制信号。第二端口和第三端口用于提供电流流通路径。本发明还揭示了一种能量变换控制方法。本发明揭示的能量变换系统和能量变换控制方法，可提高能量变换的效率。

Description

能量变换系统及其控制方法
技术领域
本发明公开的实施方式涉及能量变换系统及其控制方法，特别涉及一种用于提高电动汽车中的整流器或者充电装置效率的系统和方法。
背景技术
随着电力电子技术的发展，能量变换系统被广泛地用于将一种形式的输入能量转换为另一种形式的输出电能。通常，能量变换系统至少包括一个半导体开关装置。通过给半导体开关装置提供开关控制信号，可以灵活的控制能量变换系统输出不同形式的电能。然而，如何提高能量变换系统的效率仍旧是一个亟待解决的技术问题。
近些年来，尽管大量的控制策略如零电压开关策略，零电流开关策略，优化的脉宽调制策略以及拓扑结构如三电平拓扑结构被用于提高能量变换系统的效率，然而，能量变换系统的效率仍有很大的提高空间。
因此，有必要提供一种改进的系统和方法来解决上述技术问题。
发明内容
鉴于上面提及的技术问题，本发明的一个方面在于提供一种改进的能量变换系统，该能量变换系统包括控制模块和能量变换装置。该控制模块用于提供开关控制信号。该能量变换装置包括输入端口，输出端口和至少一个开关单元，该开关单元连接在该输入端口和该输出端口之间，该开关单元包括开关装置，该开关装置包括沟道和与该沟道集成的体二极管。该开关装置包括第一端口，第二端口和第三端口，该第一端口用于接收由该控制模块提供的该开关控制信号，该第二端口和该第三端口用于提供电流流通路径，该开关装置的沟道用于提供正向电流流通路径，根据该第一端口接收到的第一开通控制信号，正向电流经由该正向电流流通路径从该开关装置的第二端口流向第三端口。该开关装置的体二极管用于提供第一反向电流流通路径，根据该第一端口接收到的第一关断控制信号，反向电流经由该第一反向电流流通路径从该开关装置的第三端口流向第二端口。该开关装置的沟道用于提供第二反向电流流通途径，根据该第一端口接收到的第二开通控制信号，该反向电流经由该第二反向电流流通路径从该开关装置的第三端口流向第二端口。
如上所述的能量变换系统，其中，该开关装置至少包括碳化硅晶体管或者氮化镓晶体管。
如上所述的能量变换系统，其中，该第一开通控制信号和该第一关断控制信号通过调制策略产生。
如上所述的能量变换系统，其中，部分该第一关断控制信号被该第二开通控制信号替换。
如上所述的能量变换系统，其中，该开关装置的第一端口接收第一死区时间关断控制信号和第二死区时间关断控制信号，该第一死区时间关断控制信号造成该第二开通控制信号延迟一个死区时间开通，该第二死区时间关断信号造成该第二开通控制信号提前一个死区时间关断。
如上所述的能量变换系统，其中，当该第一死区时间关断信号过渡到该第二开通控制信号时，该开关装置被零电压开通。
如上所述的能量变换系统，其中，该开关单元包括反并联二极管，该反并联二极管与该开关装置反并联连接，该反并联二极管用于提供第三反向电流流通途径，根据该第一端口接收到的该第一关断控制信号，该反向电流经由该第三反向电流流通路径从该开关装置的第三端口流向第二端口。
如上所述的能量变换系统，其中，部分该第一关断控制信号被该第二开通控制信号替换。
如上所述的能量变换系统，其中，该能量变换系统包括整流器，根据该控制模块提供的开关控制信号，该整流器用于将输入的交流电整流成输出的直流电以给直流负载充电。
如上所述的能量变换系统，该能量变换系统至少包括逆变器，直流/直流变换器以及交流/交流变换器。根据该控制模块提供的开关控制信号，该逆变器用于将输入的直流电逆变为输出的交流电；根据该控制模块提供的开关控制信号，该直流/直流变换器用于将输入的直流电变换为输出的直流电。根据该控制模块提供的开关控制信号，该交流/交流变换器用于将输入的交流电变换为输出的交流电。
本发明的另一个方面在于提供一种能量变换系统控制方法。该方法至少包括如下步骤：提供第一开通控制信号给该能量变换系统的开关装置的第一端口，正向电流可经由该开关装置的沟道提供的正向电流流通路径从该开关装置的第二端口流向第三端口；以及提供第二开通控制信号给该能量变换系统的开关装置的第一端口，反向电流可经由该开关装置的沟道提供的第二反向电流流通路径从该开关装置的第三端口流向第二端口。
如上所述的能量变换系统控制方法，该方法包括将部分第一关断控制信号替换成该第二开通控制信号。
如上所述的能量变换系统控制方法，该第一开通控制信号和该第一关断控制信号通过调制策略产生。
如上所述的能量变换系统控制方法，该方法包括提供第一死区时间关断控制信号，该第一死区时间关断控制信号造成该第二开通控制信号延迟一个死区时间开通；提供第二死区时间关断控制信号，该第二死区时间关断控制信号造成该第二开通控制信号提前一个死区时间关断。
如上所述的能量变换系统控制方法，该方法包括以零电压开关策略开通该开关装置。
本发明提供的能量变换系统以及能量变换系统控制方法与传统的方法相比，将具有反向沟道导通特性的半导体开关装置应用于该能量变换装置中。与该半导体开关装置的体二极管以及反并联二极管相比，该半导体开关装置的沟道具有更小的导通电阻，因此，通过将该反向沟道导通策略与传统调制策略相结合可减小该能量变换装置的能量损耗进而提高该能量变换系统的效率。
附图说明
通过结合附图对于本发明的实施方式进行描述，可以更好地理解本发明，在附图中：
图1所示为能量变换系统的一种实施方式的模块示意图；
图2所示为能量变换系统的另一种实施方式的模块示意图；
图3所示为将传统调制策略施加在如图1或图2所示的开关单元时在该开关单元中产生的波形示意图；
图4所示为将传统调制策略与反向沟道导通策略相结合的开关控制策略施加在如图1或图2所示的开关单元时在该开关单元中产生的波形示意图；
图5所示为将图4所示的开关控制策略与死区时间开关控制策略相结合的开关控制策略施加在如图1或图2所示的开关单元时在该开关单元中产生的波形示意图；
图6所示为应用于电动汽车系统中给如蓄电池等能量存储装置充电的整流器的一种实施方式的模块示意图；
图7所示为将SVPWM策略应用于如图6所示的整流器中所产生的相应波形图；
图8所示为将SVPWM策略与反向沟道导通策略相结合并应用于如图6所示整流器中所产生的相应波形图；
图9所示为将SVPWM策略应用于如图6所示的整流器中时的电流流通路径示意图；以及
图10所示为将SVPWM策略与反向沟道导通策略相结合并应用于如图6所示的整流器中时的电流流通路径示意图。
具体实施方式
以下将描述本发明的一个或者多个具体实施方式。首先要指出的是，在这些实施方式的具体描述过程中，为了进行简明扼要的描述，本说明书不可能对实际的实施方式的所有特征均作详尽的描述。应当可以理解的是，在任意一种实施方式的实际实施过程中，正如在任意一个工程项目或者设计项目的过程中，为了实现开发者的具体目标，或者为了满足系统相关的或者商业相关的限制，常常会做出各种各样的具体决策，而这也会从一种实施方式到另一种实施方式之间发生改变。此外，还可以理解的是，虽然这种开发过程中所作出的努力可能是复杂并且冗长的，然而对于与本发明公开的内容相关的本领域的普通技术人员而言，在本公开揭露的技术内容的基础上进行的一些设计，制造或者生产等变更只是常规的技术手段，不应当理解为本发明公开的内容不充分。
除非另作定义，在本说明书和权利要求书中使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本说明书以及权利要求书中使用的“第一”或者“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“一个”或者“一”等类似词语并不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“或者”包括所列举的项目中的任意一者或者全部。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的元件或者物件及其等同元件，并不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。此外，“电路”或者“电路系统”以及“控制器”等可以包括单一组件或者由多个主动元件或者被动元件直接或者间接相连的集合，例如一个或者多个集成电路芯片，以提供所对应描述的功能。
本发明中使用的“可”、“可以”与“可能”等词语表明在某些环境中事件发生的可能性；拥有一种特定属性、特征或功能；和/或通过与某一合格动词结合表示一个或多个能力、性能或可能性。相应地，“可能”的使用表明：被修饰的术语对于所示的能力、功能或用途是明显适当、可匹配或合适的；同时考虑到在某些情况的存在，被修饰的术语有时可能不适当，不匹配或不合适。例如，在某些情况下，可能预期出现某一结果或性能；而在其他情况下，该结果或性能可能不出现。这一区别由表示“可能”的词语体现。
图1所示为本发明揭示的能量变换系统10的一种实施方式的概略模块示意图。如图1所示，该能量变换系统10大致包括能量变换装置13和控制模块17。在一些实施方式中，该能量变换装置13包括输入端口19和输出端口21，该输入端口19与第一功率装置11连接，该输出端口21与第二功率装置15连接。该控制模块17与该能量变换装置13通讯，该控制模块17用于给该能量变换装置13提供开关控制信号18，根据该开关控制信号18，该能量变换装置13可以通过单向方式或者双向方式进行电能转换。
该第一功率装置11和该第二功率装置15包括多种形式，根据该第一功率装置11和该第二功率装置15的形式，该能量变换系统10可以用于实现不同的电能转换功能。在一些实施方式中，能够提供或者接收交流电或者直流电的功率装置可用作该第一功率装置11和该第二功率装置15。
例如，在一些实施方式中，能够提供交流电的交流功率装置如交流电网和发电装置（如风机）可用作该第一功率装置11。在一些实施方式中，能够接收直流电的直流功率装置如直流电机，蓄电池和超级电容可用作该第二功率装置15。该能量变换系统10作为整流器将由该交流功率装置11提供的交流电整流为直流电输出给该直流功率装置15。
在一些实施方式中，能够提供直流电的直流功率装置如太阳能电池板，蓄电池和超级电容可用作该第一功率装置11。在一些实施方式中，能够接收交流电的交流功率装置如交流电机和交流电网可用作该第二功率装置15。该能量变换系统10作为逆变器将由该直流功率装置11提供的直流电逆变为交流电输出给该交流功率装置15。
在一些实施方式中，能够提供直流电的直流功率装置如太阳能电池板，蓄电池和超级电容可用作该第一功率装置11。在一些实施方式中，能够接收直流电的直流功率装置如直流电机可用作该第二功率装置15。该能量变换系统10作为直流/直流变换器将由该直流功率装置11提供的一种直流电变换为另一种直流电输出给该直流功率装置15。
在一些实施方式中，能够提供交流电的交流功率装置如交流电网和发电装置（如风机）可用作该第一功率装置11。在一些实施方式中，能够接收交流电的交流功率装置可用作该第二功率装置15。该能量变换系统10作为交流/交流变换器将由该交流功率装置11提供的一种交流电变换为另一种交流电输出给该交流功率装置15。
该能量变换系统13至少包括一个开关单元23。在一些实施方式中，该开关单元23包括开关装置25。该开关装置25包括沟道20和与该沟道20集成的体二极管22。特别地，该开关装置25的沟道20被设计为具有正向沟道导通特性和反向沟道导通特性。更具体地，在一些实施方式中，该开关装置25可以允许正向电流从该沟道20提供的路径流通。在一些实施方式中，该开关装置25可允许反向电流至少从分别由该体二极管22和该沟道20提供的路径流通。具有该反向沟道导通特性的该开关装置25不局限于宽禁带半导体器件，该宽禁带半导体器件可能包括氮化镓晶体管或者碳化硅晶体管如碳化硅金属氧化物半导体场效应管（SiCMOSFET）。
在如上所述的实施方式中，该开关装置25包括第一端口24，第二端口26和第三端口28。在一些实施方式中，该第一端口24可能是门极，该门极用于接收由该控制模块17提供的该开关控制信号18。该第二端口26和该第三端口28可能分别是源极和漏极，根据提供给该第一端口24的该开关控制信号18，该源极和漏极用于提供电流流通路径。
在一些实施方式中，根据不同的该开关信号18和不同方向的电流，该开关单元23可包括多条电流流通路径。根据电流在该第二端口26和该第三端口28中流通的方向，电流可以包括正向电流和反向电流。该正向电流从该第二端口26流向该第三端口28，该反向电流从该第三端口28流向该第二端口26。
在一些实施方式中，根据该第一端口24接收到的第一开通控制信号，该正向电流可能流经由该开关装置25的沟道20提供的正向电流流通路径。在一些实施方式中，根据该第一端口24接收到的第一关断控制信号，该反向电流可能流经由该体二极管22提供的第一反向电流流通路径。在一些实施方式中，根据该第一端口24接收到的第二开通控制信号，该反向电流可能流经由该开关装置25的沟道20提供的第二反向电流流通路径。
在一些实施方式中，该能量变换装置13可包括一个具有反向沟道导通特性的开关单元。在一些实施方式中，该能量变换装置13可包括多于一个该开关单元。例如，该能量变换装置13可包括H桥结构或者包括四个该开关单元的拓扑结构，其中部分或者全部该开关单元具有反向沟道导通特性。该能量变换装置13可包括三相桥结构或者包括六个该开关单元的拓扑结构，其中部分或者全部该开关单元都具有反向沟道导通特性。在一些实施方式中，该能量变换装置13还可能包括任何数量开关单元的其他结构。
为了保证该能量变换装置13的安全运行，该能量变换装置13或者该能量变换系统10包括其他电路例如缓冲电路。
图2所示为本发明揭示的能量变换系统100的另一种实施方式的概略模块示意图。和图1所示能量变换系统10类似，该能量变换系统100包括能量变换装置103和控制模块17。而且，该能量变换装置103至少包括一个开关单元123。
在一些实施方式中，与如图1所示的该开关单元23相比，该开关单元123还包括反并联二极管101，该反并联二极管101与该开关装置25反并联连接。更具体地，该反并联二极管101的阳极与该开关装置25的第三端口28连接，该反并联二极管101的阴极与该开关装置25的第二端口26连接。在一些实施方式中，该开关单元123可能包括其他装置如电容与该开关装置25并联连接或串联连接。
如图1所述，该体二极管22和该沟道20可以用于分别提供该第一反向电流流通路径和该第二反向电流流通路径。如图2所示，根据该第一端口24接收到的该第一关断控制信号，该反向电流可能流经由该反并联二极管101提供的第三反向电流流通路径，以此来减轻该体二极管22中的电流负担。
在一些实施方式中，该反并联二极管101可包括硅二极管或者宽禁带半导体二极管如碳化硅二极管或者氮化镓二极管。采用这种宽禁带半导体二极管的好处是该能量变换装置13的能量损耗会被降低。
在该能量变换装置103的输入端口19接收到输入功率后，该控制模块17可实施一种调制策略来控制该能量变换装置103以将该输入功率转换为输出功率。一种传统调制策略和一种将该传统调制策略与反向沟道导通策略相结合的开关控制策略将在本发明的以下内容中进行详细描述。在一些实施方式中，该开关控制策略可施加于至少一个开关单元（如图1所示的该开关单元23和图2所示的该开关单元123）。
图3所示为将传统调制策略施加在如图1或图2所示的开关单元时在该开关单元中产生的波形图。在一些实施方式中，第一开通控制信号201和第二开通控制信号203通过传统调制策略如脉宽调制策略产生，该脉宽调制策略至少包括空间矢量脉宽调制（SVPWM）策略和正弦波脉宽调制（SPWM）策略。
在一些实施方式中，根据该开关装置25的第一端口24接收到的该第一开通控制信号201，正向电流流经由该开关装置25的沟道20提供的该正向电流流通路径。然而，在二极管中（如图1所示的体二极管22和图2所示的反并联二极管101）没有电流流过。
在一些实施方式中，根据该开关装置25的第一端口24接收到的该第一关断控制信号203，反向电流205流经由如图1所示的该开关装置25的体二极管22提供的该第一反向电流流通路径。在一些实施方式中，该反向电流205可能流经由如图2所示的该反并联二极管101提供的该第三反向电流流通路径。在一些实施方式中，该反向电流205可能流经该第一反向电流流通路径和该第三反向电流流通路径。
如图3所示，在该开关装置25的第一端口24接收到该第一关断控制信号203的时间内，没有反向电流流经如图1或图2所示的该开关装置25的沟道20。因此，在传统调制策略中，反向电流在该体二极管22和/或该反并联二极管101的流通造成导通损耗。
图4所示为将传统调制策略与反向沟道导通策略相结合的开关控制策略施加在如图1或图2所示的开关单元时在该开关单元中产生的波形图。在一些实施方式中，该第一开通控制信号201通过该传统调制策略产生。第一开通控制信号303由该反向沟道导通策略产生，这样可以充分利用该反向沟道导通特性。
如图4所示，在一些实施方式中，该第二开通控制信号303紧随该第一开通控制信号201。在一些实施方式中，根据该开关装置25的第一端口24接收到的该第二开通控制信号303，该开关装置25的沟道20被开通来传导电流。更具体地，反向电流经由该开关装置25的沟道20从该第三端口28流向该第二端口26。由于该开关装置25的沟道20的导通电阻要小于该开关装置25的体二极管或该反并联二极管101的导通电阻。因此，当该反向电流在该开关装置25的沟道20中流通时可减小开通损耗，进而提高该能量变换系统10，100的效率。
图5所示为将如图4中所示开关控制策略与死区时间开关控制策略相结合的开关控制策略施加在如图1或图2所示的开关单元时在该开关单元中产生的波形图。更具体地，部分开关控制信号如部分该第二开通控制信号被死区时间关断控制信号代替。然后最终的开关控制信号被提供给该开关装置25的第一端口24。施加该死区时间开关控制策略的目的是为避免当串联在一个桥臂的两个开关单元同时导通时发生短路故障。
如图5所示，在一些实施方式中，该第二开通控制信号403紧随该第一开通控制信号201。该第二开通控制信号403伴随着至少第二关断控制信号如第一和第二死区时间关断控制信号402，404。与图4所示的该第二开通控制信号303相比，该第一和第二死区时间关断控制信号402，404可分别造成该第二开通控制信号403延迟一个死区时间导通，提前一个死区时间关断。
另外，当该开关装置25从关断状态过渡到开通状态时，该开关装置25可以实现零电压开通。更具体地，根据该第一死区时间关断控制信号402，反向电流406流经二极管，该二极管包括如图1所示的该开关装置25的体二极管22和如图2所示的该反并联二极管101。该第二端口26和该第三端口28之间的电压为该二极管的导通电压，该导通电压大致为零。根据该第二开通控制信号403，反向电流405从流经该二极管转向流经该开关装置25的沟道20。也就是说，当从该第一死区时间关断控制信号402过渡到该第二开通控制信号403时，该开关装置25可被零电压导通。结果可降低开通损耗。根据该第二死区时间关断控制信号404，反向电流408流经该二极管。
图6所示为应用于电动汽车系统中给如蓄电池等能量存储装置充电的整流器的一种实施方式的模块示意图。该电动汽车系统包括纯电动汽车系统，混合电动汽车系统和燃料电池电动汽车系统等。该整流器500包括三相能量变换装置503和控制模块507。为了便于描述，尽管该整流器500如图6所示包括三相桥臂结构，在其他实施方式中，该整流器500可包括单相或者多相结构。在图示的实施方式中，该三相能量变换装置503包括六个开关单元521-526，该六个开关单元521-526与图2中所描述的该开关单元123大致相同。每一个开关单元如521包括SiCMOSFET，反并联二极管和电容。
该第一和第二开关装置521，522串联连接形成第一相桥臂。该第三和第四开关装置523，524串联连接形成第二相桥臂。该第五和第六开关装置525，526串联连接形成第三相桥臂。该三相桥臂用于接收由交流功率装置501提供的三相输入功率，并通过两个输出端口508，510将直流输出功率提供给直流负载505。
更具体地，第一开关装置S1的第三端口和第二开关装置S2的第二端口共同连接到第一输入端口502，该第一输入端口502用于接收由该交流功率装置501提供的第一相功率。第三开关装置S3的第三端口和第四开关装置S4的第二端口共同连接到第二输入端口504，该第二输入端口504用于接收由该交流功率装置501提供的第二相功率。第五开关装置S5的第三端口和第六开关装置S6的第二端口共同连接到第三输入端口506，该第三输入端口506用于接收由该交流功率装置501提供的第三相功率。每个开关装置S1，S3，S5的第二端口共同连接到该直流负载505的正端508，每个开关装置S2，S4，S6的第三端口共同连接到该直流负载505的负端510。
该控制模块507至少与该三相整流器503通讯，该控制模块507用于给该三相整流器503中各个开关装置的第一端口提供开关控制信号。在一些实施方式中，该控制模块507可以包括任何合适的可编程电路或者装置，包括数字信号处理器（Digital Signal Processor，DSP）、现场可编程门阵列（FieldProgrammable Gate Array，FPGA）、可编程逻辑控制器（Programmable LogicController，PLC）以及专用集成电路（Application Specific Integrated Circuit，ASIC）等。在一些实施方式中，该控制模块507可以通过硬件或软件或软硬件结合的形式实现。下面将详细描述该开关控制信号的产生。
图7所示为将SVPWM策略应用于如图6所示整流器中的相应波形图。在一些实施方式中，每相桥臂的开关状态包括“0”和“1”。其中，“0”表示在每相桥臂中，上桥臂开关例如S1被关断，下桥臂开关例如S2被开通。“1”表示在每相桥臂中，上桥臂开关例如S1被开通，下桥臂开关例如S2被关断。三相桥臂的开关状态可形成如下8个开关向量
Figure BDA00002506585600111
和
在图示的实施方式中，该调制方式基于7段式SVPWM策略。图7所示为如图6中所示该六个开关单元的波形图。每一段式都与开关矢量和该三相整流器503的运行模式相关。在该所述实施方式中，
Figure BDA00002506585600114
Figure BDA00002506585600115
和
Figure BDA00002506585600116
四个开关矢量的切换可改变该能量变换系统的能量转换过程。例如，当开关矢量
Figure BDA00002506585600117
切换到
Figure BDA00002506585600118
时，该能量转换过程从模式1变化到模式2。当开关矢量
Figure BDA00002506585600119
切换到
Figure BDA000025065856001110
时，该能量转换过程从模式2变化到模式3。
当反向电流存在于该第一开关单元521中时，根据第一开关装置S1接收到的如模式1到模式7中所示的第一关断控制信号601，如模式2到模式6中所示的反向电流603可流经第一反并联二极管D1。当正向电流存在于该第三开关单元523中时，根据第三开关装置S3接收到的如模式3到模式5中所示的第一开通控制信号605，正向电流可流经第三开关装置S3。如图7所示，其他开关单元与第一开关单元和第三开关单元521，523类似，具有大致相同的控制方式。因此，对在其他开关单元中产生的波形图的描述在此省略。
图8所示为将SVPWM策略与反向沟道导通策略相结合并应用于如图6所示该整流器中的相应波形图。与图7所示的SVPWM策略相比，第一开通控制信号如605仍通过SVPWM策略产生。然而，如图7所示的当反向电流流经如图6所示的每个开关单元时，第一关断控制信号如601产生一些变化。
如图8所示，根据该第一开关装置S1接收到的如模式1中所示的第一死区时间关断控制信号702和模式6中所示的第二死区时间关断控制信号704，如模式2中所示反向电流703和模式6中所示反向电流705仍在该第一反并联二极管D1中流通。根据该第一开关装置S1接收到的如模式2到模式6中所示的第二开通控制信号701，与图7所示的该反向电流603相比，该反向电流由流经该第一反并联二极管D1变为流经该第一开关装置S1。
图9所示为将SVPWM策略应用于如图6所示的该整流器中时的电流流通路径图。更具体地，该电流流通路径图所示为如图7所示的模式1中该整流器的电流流经路径。如图7所示，在模式1中，第一开通控制信号607被提供给第二开关装置S2，第一关断控制信号609被提供给第四开关装置S4，第一关断控制信号601被提供给第六开关装置S6，如图9所示，电流从该交流功率装置501以ia的形式从该第一输入端口502流出，然后以ib和ic的形式分别从该第二输入端口504和该第三输入端口506流回该交流功率装置501。
在一些实施方式中，可定义ia为正向电流，ib和ic为反向电流。其中，ia流经该第二开关装置S2的沟道，ib和ic分别流经第四反并联二极管D4和第六反并联二极管D6。
图10所示为将SVPWM策略与反向沟道导通策略相结合并应用于如图6所示的该整流器中时的电流流通路径图。如图8所示的模式1中的波形图和如图7所示的模式1中的波形图相似，在模式1中，该第一开通控制信号607仍被提供给第二开关装置S2，进一步地，第二开通控制信号709和第一死区时间关断控制信号708被提供给第四开关装置S4，第二开通控制信号711和第一死区时间关断控制信号710被提供给第六开关装置S6。
与图9所示的实施方式相比，该正向电流ia仍旧流经该第二开关装置S2的沟道。然而，该反向电流ib流经该第四开关装置S4的沟道而不流经该第四反并联二极管D4，该反向电流ic流经该第六开关装置S6的沟道而不流经该第六反并联二极管D6。正如前面所描述，反向电流在该沟道中流通而不在该体二极管或该反并联二极管中流通，该反向沟道导通策略有助于减小该能量变换系统的导通损耗，从而提高该能量变换系统的效率。
虽然结合特定的实施方式对本发明进行了说明，但本领域的技术人员可以理解，对本发明可以作出许多修改和变型。因此，要认识到，权利要求书的意图在于涵盖在本发明真正构思和范围内的所有这些修改和变型。

Claims (15)

1.一种能量变换系统，其特征在于：
该能量变换系统包括控制模块和能量变换装置；
该控制模块用于提供开关控制信号；
该能量变换装置包括输入端口，输出端口和至少一个开关单元，该开关单元连接在该输入端口和该输出端口之间，该开关单元包括开关装置，该开关装置包括沟道和与该沟道集成的体二极管，该开关装置包括第一端口，第二端口和第三端口，该第一端口用于接收由该控制模块提供的该开关控制信号，该第二端口和该第三端口用于提供电流流通路径，该开关装置的沟道用于提供正向电流流通路径，根据该第一端口接收到的第一开通控制信号，正向电流经由该正向电流流通路径从该开关装置的第二端口流向第三端口；该开关装置的体二极管用于提供第一反向电流流通路径，根据该第一端口接收到的第一关断控制信号，反向电流经由该第一反向电流流通路径从该开关装置的第三端口流向第二端口；该开关装置的沟道用于提供第二反向电流流通途径，根据该第一端口接收到的第二开通控制信号，该反向电流经由该第二反向电流流通路径从该开关装置的第三端口流向第二端口。
2.如权利要求1所述的能量变换系统，其中，该开关装置至少包括碳化硅晶体管或者氮化镓晶体管。
3.如权利要求1所述的能量变换系统，其中，该第一开通控制信号和该第一关断控制信号通过调制策略产生。
4.如权利要求3所述的能量变换系统，其中，部分该第一关断控制信号被该第二开通控制信号替换。
5.如权利要求1所述的能量变换系统，其中，该开关装置的第一端口用于接收第一死区时间关断控制信号和第二死区时间关断控制信号，该第一死区时间关断控制信号造成该第二开通控制信号延迟一个死区时间开通，该第二死区时间关断信号造成该第二开通控制信号提前一个死区时间关断。
6.如权利要求5所述的能量变换系统，其中，当该第一死区时间关断信号过渡到该第二开通控制信号时，该开关装置被零电压开通。
7.如权利要求3所述的能量变换系统，其中，该开关单元包括反并联二极管，该反并联二极管与该开关装置反并联连接，该反并联二极管用于提供第三反向电流流通途径，根据该第一端口接收到的该第一关断控制信号，该反向电流经由该第三反向电流流通路径从该开关装置的第三端口流向第二端口。
8.如权利要求7所述的能量变换系统，其中，部分该第一关断控制信号被该第二开通控制信号替换。
9.如权利要求1所述的能量变换系统，其中，该能量变换系统包括整流器，根据该控制模块提供的开关控制信号，该整流器用于将输入的交流电整流成输出的直流电以给直流负载充电。
10.如权利要求1所述的能量变换系统，该能量变换系统至少包括：逆变器，直流/直流变换器以及交流/交流变换器；根据该控制模块提供的开关控制信号，该逆变器用于将输入的直流电逆变为输出的交流电；根据该控制模块提供的开关控制信号，该直流/直流变换器用于将输入的直流电变换为输出的直流电；根据该控制模块提供的开关控制信号，该交流/交流变换器用于将输入的交流电变换为输出的交流电。
11.一种能量变换系统控制方法，其特征在于：该方法至少包括如下步骤：提供第一开通控制信号给能量变换系统的开关装置的第一端口，正向电流经由该开关装置的沟道提供的正向电流流通路径从该开关装置的第二端口流向第三端口；以及提供第二开通控制信号给该能量变换系统的开关装置的第一端口，反向电流经由该开关装置的沟道提供的第二反向电流流通路径从该开关装置的第三端口流向第二端口。
12.如权利要求11所述的能量变换系统控制方法，该方法包括将部分第一关断控制信号替换成该第二开通控制信号。
13.如权利要求11所述的能量变换系统控制方法，该第一开通控制信号和该第一关断控制信号通过调制策略产生。
14.如权利要求11所述的能量变换系统控制方法，该方法包括：提供第一死区时间关断控制信号，该第一死区时间关断控制信号造成该第二开通控制信号延迟一个死区时间开通；以及提供第二死区时间关断控制信号，该第二死区时间关断控制信号造成该第二开通控制信号提前一个死区时间关断。
15.如权利要求14所述的能量变换系统控制方法，该方法包括以零电压开关策略开通该开关装置。
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BR102013030827A BR102013030827A8 (pt) 2012-11-30 2013-11-29 sistema de conversão de potência e método para operar um sistema de conversão de potência

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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106797184A (zh) * 2014-08-29 2017-05-31 东芝三菱电机产业系统株式会社 整流器以及使用该整流器的功率转换装置
CN107305889A (zh) * 2016-04-19 2017-10-31 株式会社电装 半导体模块和电力转换装置
CN109600026A (zh) * 2017-09-30 2019-04-09 沃尔缇夫能源系统公司 一种图腾柱电路中的氮化镓器件的驱动方法及装置

Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104081646A (zh) * 2012-01-31 2014-10-01 株式会社安川电机 电力变换装置和用于制造电力变换装置的方法
US9941813B2 (en) 2013-03-14 2018-04-10 Solaredge Technologies Ltd. High frequency multi-level inverter
US9318974B2 (en) 2014-03-26 2016-04-19 Solaredge Technologies Ltd. Multi-level inverter with flying capacitor topology
CN104348225B (zh) * 2014-08-12 2017-07-11 矽力杰半导体技术(杭州)有限公司 一种单开关的电池充放电电路及电池充放电的控制方法
JP2016144326A (ja) * 2015-02-03 2016-08-08 富士電機株式会社 共振型ｄｃ−ｄｃコンバータ
DE102017100530A1 (de) * 2017-01-12 2018-07-12 Danfoss Silicon Power Gmbh Drei-Stufen-Leistungsmodul
US11296529B2 (en) 2018-05-21 2022-04-05 Scandinova Systems Ab Output rectifier and arrangement comprising an output rectifier
WO2020041412A1 (en) 2018-08-21 2020-02-27 General Electric Company System and method for generating a high frequency switching signal for a power converter

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101904080A (zh) * 2007-12-20 2010-12-01 松下电器产业株式会社 电力变换装置、开关装置以及电力变换装置的控制方法
CN101978589A (zh) * 2008-02-12 2011-02-16 特兰斯夫公司 桥式电路及其元件
CN101978588A (zh) * 2008-03-19 2011-02-16 三菱电机株式会社 电力变换装置
EP2456065A2 (en) * 2010-11-19 2012-05-23 General Electric Company High power-density, high back emf permanent magnet machine

Family Cites Families (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7768800B2 (en) * 2007-12-12 2010-08-03 The Board Of Trustees Of The University Of Illinois Multiphase converter apparatus and method
JP5770412B2 (ja) * 2008-01-31 2015-08-26 ダイキン工業株式会社 電力変換装置
JP4654423B2 (ja) * 2008-07-22 2011-03-23 独立行政法人産業技術総合研究所 電力変換装置
US8410489B2 (en) * 2009-04-30 2013-04-02 Panasonic Corporation Semiconductor element, semiconductor device, and power converter
JP4687829B2 (ja) * 2009-07-31 2011-05-25 ダイキン工業株式会社 電力変換装置
CN104113229B (zh) * 2009-12-24 2017-01-11 三菱电机株式会社 电力变换装置以及电力变换装置的驱动方法
JP5592943B2 (ja) * 2010-04-28 2014-09-17 本田技研工業株式会社 スイッチング回路
CN103190048B (zh) * 2010-10-27 2015-08-05 三菱电机株式会社 电力变换装置
CN202334359U (zh) * 2010-10-29 2012-07-11 松下电器产业株式会社 变换器
US8493753B2 (en) * 2011-03-07 2013-07-23 Allis Electric Co., Ltd. Photovoltaic powered system
JP5530401B2 (ja) * 2011-05-26 2014-06-25 株式会社日立情報通信エンジニアリング 電源装置
EP2765706B1 (en) * 2011-10-03 2019-11-06 Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. Semiconductor device, power converter, and method for controlling power converter
MX338023B (es) * 2012-01-23 2016-03-31 Univ Utah State Sistema inalambrico de transferencia de energia.
US8891261B2 (en) * 2012-01-31 2014-11-18 Delta Electronics, Inc. Three-phase three-level soft-switched PFC rectifiers

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101904080A (zh) * 2007-12-20 2010-12-01 松下电器产业株式会社 电力变换装置、开关装置以及电力变换装置的控制方法
CN101978589A (zh) * 2008-02-12 2011-02-16 特兰斯夫公司 桥式电路及其元件
CN101978588A (zh) * 2008-03-19 2011-02-16 三菱电机株式会社 电力变换装置
EP2456065A2 (en) * 2010-11-19 2012-05-23 General Electric Company High power-density, high back emf permanent magnet machine

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106797184A (zh) * 2014-08-29 2017-05-31 东芝三菱电机产业系统株式会社 整流器以及使用该整流器的功率转换装置
US10116228B2 (en) 2014-08-29 2018-10-30 Toshiba Mitsubishi-Electric Industrial Systems Corporation Converter and power conversion device manufactured using the same
CN106797184B (zh) * 2014-08-29 2019-06-14 东芝三菱电机产业系统株式会社 整流器以及使用该整流器的功率转换装置
CN107305889A (zh) * 2016-04-19 2017-10-31 株式会社电装 半导体模块和电力转换装置
CN109600026A (zh) * 2017-09-30 2019-04-09 沃尔缇夫能源系统公司 一种图腾柱电路中的氮化镓器件的驱动方法及装置
CN109600026B (zh) * 2017-09-30 2021-02-19 维谛公司 一种图腾柱电路中的氮化镓器件的驱动方法及装置

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