CN103946059A - 基于h桥的功率转换器 - Google Patents

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Abstract

功率转换器包含由dc链路级耦合至多个H桥逆变器的有源前端（AFE）。诸如变压器或者电机的具有开放绕组一个或更多多相电磁能量转换设备，提供再生或者部分再生功率转换器，其中，开放绕组仅连接至AFE或者H桥逆变器、或者连接至AFE和H桥逆变器的两者。

Description

基于H桥的功率转换器
背景技术
本公开的主题一般涉及功率转换器，更具体而言涉及基于H桥的、耦合至一个或更多多相电磁能量转换设备（EMECD）的功率转换器拓扑结构，包含但不限于具有开放绕组（open winding）的多相变压器和/或具有开放绕组的电机，以提供再生或者部分再生功率转换器。
与变频驱动（VFD）应用关联的功率转换器单元拓扑结构持续受到瞩目。不断引入新的功率转换器单元拓扑结构。一些已知的功率转换器单元拓扑结构采用了H桥转换器和/或H桥逆变器。
当连接至诸如马达的负载时，当在马达驱动模式下操作时，一些上述功率单元可以从输入源向马达提供功率。这样的功率单元有时可以被称为单向或者2象限（2Q）单元。这是因为当考虑了速度和扭矩的4个象限时，单元的操作特性使其在速度和扭矩两者都是正的象限（第一象限）、或者速度和扭矩两者都是负的象限（第三象限）中操作。
然而，当需要减小马达速度时，来自马达的功率需要被功率转换器单元吸收。该操作模式一般被称为再生模式。在这样的操作模式下，需要再生或者4象限单元。
再生转换器可以包含3电平输出功率转换级。输出功率级一般包含诸如IGBT（绝缘栅双极晶体管）的电开关。其他有用的开关包含GTO（门极可关断晶闸管）、IGCT（集成门极换流晶闸管）、IEGT（注入增强栅晶体管）和MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）。开关可以与反并联续流二极管配对来供应例如感应马达负载电流。控制器一般用于控制各个开关。控制器例如可以包括计算机和/或数字信号处理器。
由于需要来提供可行的拓扑结构的大量的有源开关，已知的包括H桥的再生功率转换器拓扑结构在尺寸、成本和可靠性方面受到困扰。鉴于上述情况，需要提供一种再生功率转换器单元构造，其需要更少的有源开关来提供可行的拓扑结构，具有更少的组件、更高的可靠性、更低的成本，并且比已知的再生功率转换器单元拓扑结构具有更小的物理尺寸。
发明内容
功率转换器的示范性实施例包括：
第一分段，包括多个H桥转换器；
第二分段，包括多个H桥逆变器，其中，各H桥逆变器由对应的dc链路级耦合至对应的H桥转换器，使得各dc链路级与每个其他dc链路级隔离；以及
多相电磁能量转换设备（EMECD），包括连接至所述功率转换器的开放绕组，以提供再生功率转换器。
功率转换器的另一个实施例包括：
第一分段，包括多个H桥转换器；
第二分段，包括多个H桥逆变器，其中，各H桥逆变器由对应的dc链路级耦合至对应的H桥转换器，使得各dc链路级与每个其他dc链路级隔离；以及
多相电磁能量转换设备（EMECD），具有开放绕组，其中，所述开放绕组仅连接至所述H桥逆变器，以提供再生功率转换器。
根据又一个实施例，功率转换器包括：
第一分段，包括至少一个三相输入转换级；
第二分段，包括由单个的公共dc链路耦合至所述第一分段的多个H桥逆变器；以及
多相电磁能量转换设备（EMECD），包括仅连接至所述H桥逆变器的开放绕组，以提供再生功率转换器。
根据再一个实施例，功率转换器包括：
第一分段，包括多个H桥转换器；
第二分段，包括多个H桥逆变器，其中，第一分段由单个的公共dc链路级耦合至所述第二分段；
第一多相电磁转换设备（EMECD），包括仅连接至所述H桥转换器的开放绕组；以及
第二多相EMECD，包括仅连接至所述H桥逆变器的开放绕组，以提供再生功率转换器。
附图说明
本发明的上述和其他特性、方面和优点通过结合附图的下面的具体实施方式可以知晓，其中，所有附图中同样的标记代表同样的部分，其中：
图1是示出本领域已知的再生功率转换器单元拓扑结构的简化图；
图2示出根据一个实施例的再生转换器；
图3示出根据另一个实施例的再生转换器；
图4示出根据一个实施例的再生转换器；
图5示出根据另一个实施例的再生转换器；
图6示出根据又一个实施例的再生转换器；以及
图7示出根据再一个实施例的部分再生转换器。
虽然上述的附图叙述了备选的实施例，但还能想到本发明的其他实施例，如说明中提到的那样。在所有情况下，本公开通过代表而非限制的方式呈现出示出的本发明的实施例。本领域的技术人员可以设计大量的其他修改和实施例，其落入本发明的原理和精神的范围内。
实施方式
图1是示出本领域已知的再生转换器拓扑结构10的简化图。可见转换器10每相采用高零件计数（high parts count）有源前端（AFE）转换器12，因为其需要使用9个相连接14和转换器12中的转换器相腿，以连接一个或更多常规三相变压器16。为了易于理解，所有的附图已利用小斜线交叉单线连接来简化。这些小斜线被用于表明由单线图代表的实际连接导线的数量。
可以看到转换器10还采用多个H桥逆变器18，各H桥逆变器18通过对应的dc链路19耦合至对应的AFE转换器12。各三相的H桥逆变器18的一个输出一般连接至各其他H桥逆变器18的对应的输出。各其他H桥逆变器输出然后连接至其对应的机器相。因此，各dc链路19必须与每个其他dc链路19隔离，以避免短路状况。
由于dc链路19已经通过输出H桥逆变器18（间接）连接至输出侧20上，因此，不能使用在电网（grid）侧22使用H桥的相同的方法。本发明人认识到，可以连同在转换器的输入（电网）侧的H桥转换器一起采用具有隔离的二次相绕组（开放绕组）的三相变压器，如本文中参考图2说明的那样，以将各dc链路与每个其他dc链路隔离，并避免短路状况。因此可以理解，在转换器分段12、18或者19中的仅一个中或者没有转换器分段12、18、19中，三相可以一起连接。
图2示出根据一个实施例的再生转换器30。转换器30拓扑结构是有利的由于其允许使用通常机器连接。可以看到转换器30采用多个有源H桥转换器32。各H桥转换器32通过对应的dc链路19耦合至对应的H桥逆变器18。转换器30 H桥转换器32还各耦合至具有开放的（隔离的）二次绕组38的三相变压器36的开放的二次绕组连接34的对应对。转换器30有利地需要更少的有源前端中的有源组件、以及将电网变压器36连接至转换器30的有源前端的更少的连接。
根据变压器36的设计，对于电网侧H桥控制出现一定的自由度。具体而言，当变压器36的一次侧是三角形连接时，共模电流可以注入到H桥相电流中，而不影响电网。当变压器的一次侧是星形连接时，共模电压可以注入到H桥相电压中，而不影响电网。可以利用这两个自由度来控制相之间的功率平衡，例如减小dc链路电压纹波、或者去除长期漂移。
图3示出根据另一个实施例的再生转换器40。转换器40拓扑结构类似于转换器30拓扑结构，除了转换器40在转换器40的机器侧采用具有开放绕组的机器42。机器42在dc链路19之间提供所需要的隔离，以避免否则会由将常规三相变压器44连接至H桥转换器32而导致的短路状况。H桥转换器32配置为对再生转换器40的有源前端提供输入转换级。
图4示出根据一个实施例的再生转换器50。转换器50包括三相输入转换级12，三相输入转换级12在其输入耦合至常规三相变压器44二次绕组的三相，并在其输出耦合至公共dc链路52。公共dc链路52将三相输入转换级12耦合至3个H桥逆变器18，H桥逆变器18在其输出连接至在转换器50的机器侧的、具有开放绕组42的三相机器。
图5示出根据另一个实施例的再生转换器60。转换器60包含有源前端（AFE），该有源前端包括3个H桥转换器32，H桥转换器32在其输入耦合至具有开放二次绕组38的三相变压器36的6个相端子34，并在其输出耦合至公共dc链路52。公共dc链路52将3个H桥转换器32耦合至包括3个H桥逆变器18的H桥逆变器级，H桥逆变器18在其输出连接至在转换器60的机器侧的、具有开放绕组42的三相机器。
图6示出根据又一个实施例的再生转换器70。转换器70包含有源前端，该有源前端包括多个三相输入转换级12。各输入转换级12在其输入/电网侧耦合至对应的常规三相变压器16的3个二次绕组相，并在其输出耦合至公共dc链路52。公共dc链路52将多个3电平输入转换级12耦合至多个H桥逆变器18，H桥逆变器18在其输出连接至在转换器70的输出/机器侧的、具有开放绕组42的三相机器。
图7示出根据再一个实施例的部分再生转换器80。转换器80包含有源前端，该有源前端包括三相输入转换分段12和一对二极管整流器转换器分段82。有源前端的各分段12、82在其输入/电网侧耦合至对应的常规三相变压器84的3个二次绕组相，并在其输出耦合至公共dc链路52。公共dc链路52将有源前端的各分段耦合至多个H桥逆变器18，H桥逆变器18在其输出连接至在转换器80的输出/机器侧的、具有开放绕组42的三相机器。
在概要说明，已描述了各种转换器拓扑结构。优选的实施例包括三相至三相、基于3电平中性点箝位H桥和对于三相的各个相的反相级的有源前端转换器拓扑结构。根据一个实施例，使用多个、例如5个独立电压电平来合成输出电压，以产生期望的正弦波形。可以由本地控制器对各H桥逆变器或者H桥逆变器的组产生期望的电压电平，诸如图2所示。本地控制器其本身可以从中央控制器被控制，也诸如图2所示。相桥的各dc链路彼此之间隔离，如本文所述。根据一个方面，可以在输入使用具有开放（隔离）二次绕组的变压器，与使用H桥的其他已知的再生转换器拓扑结构相比，这提供更简单的拓扑结构。使用本文描述的原理的再生转换器拓扑结构对于输出电压和电流提供4个象限的操作，与该种类的最接近已知的拓扑结构相比，有利采用等于或者少于三分之二数量的有源前端组件。此外，跨各个隔离的dc链路的有源功率流控制的一些实施例可以减小所需要的dc链路电容的数量。
虽然已示出并描述了本发明的仅仅某些特征，但本领域的技术人员可以想到很多变化和改变。例如，功率转换器领域的技术人员容易理解本文示出的各种变压器一次绕组和二次绕组配置仅仅是示范性的，并且二次绕组的其他数量和配置是可能的。因此，要理解的是添附的权利要求旨在覆盖落入本发明的真正精神的所有该变化和改变。
例如，附图示出了用于三相桥和H桥中的3电平中性点箝位（NPC）拓扑结构。然而，本文描述的原理还可以使用2电平相腿、或者另外的多电平拓扑结构来适用，以建立三相桥或者H桥。此外，尽管附图在每侧每相仅示出单个的H桥，但本文描述的原理还可以在每侧和每相对多个H桥适用。尽管示出拓扑结构用于三相系统，但其可以容易对其他多相系统适用。当电网电压与转换器额定电压匹配时，示出在电网侧的标准变压器的实施例还可以不用变压器来进行工作。

Claims (21)

1. 一种功率转换器，包括：
第一分段，包括有源前端（AFE）；
第二分段，包括多个H桥逆变器，其中，所述多个H桥逆变器通过dc链路级耦合至所述AFE；以及
第一多相电磁能量转换设备（EMECD），包括仅连接至所述AFE或者仅连接至所述H桥逆变器的开放绕组，以提供再生功率转换器。
2. 如权利要求1所述的功率转换器，其中，所述第一多相EMECD是具有开放二次绕组的变压器。
3. 如权利要求1所述的功率转换器，其中，所述AFE包括多个H桥转换器。
4. 如权利要求3所述的功率转换器，其中，至少一个H桥转换器包括3电平中性点箝位H桥。
5. 如权利要求1所述的功率转换器，其中，所述dc链路级包括多个dc链路电容分段，各dc链路电容分段与每个其他dc链路电容分段隔离。
6. 如权利要求1所述的功率转换器，其中，所述dc链路级由单个dc链路电容分段组成，所述dc链路电容分段对所述AFE和所述多个H桥逆变器的两者是公共的。
7. 如权利要求1所述的功率转换器，其中，所述AFE由单个多相、输入转换级组成。
8. 如权利要求1所述的功率转换器，其中，所述AFE包括多个多相输入转换级。
9. 如权利要求1所述的功率转换器，其中，所述AFE包括至少一个多相、输入转换器级和一个或更多多相、二极管整流器转换器级。
10. 如权利要求1所述的功率转换器，还包括第二多相EMECD，所述第二多相EMECD包括开放绕组，其中，当所述第一多相EMECD开放绕组连接至所述H桥逆变器时，所述第二多相EMECD开放绕组仅连接至所述AFE，此外，其中，当所述第一多相EMECD开放绕组连接至所述AFE时，所述第二多相EMECD开放绕组仅连接至所述H桥逆变器，从而提供再生功率转换器。
11. 如权利要求10所述的功率转换器，其中，所述dc链路级由单个dc链路电容分段组成，所述dc链路电容分段对所述AFE和所述多个H桥逆变器的两者是公共的。
12. 如权利要求10所述的功率转换器，其中，至少一个多相EMECD是具有开放二次绕组的变压器。
13. 如权利要求10所述的功率转换器，其中，所述AFE包括多个H桥转换器。
14. 如权利要求13所述的功率转换器，其中，至少一个H桥转换器包括3电平中性点箝位H桥。
15. 一种功率转换器，包括：
第一分段，包括多个H桥转换器；
第二分段，包括多个H桥逆变器，其中，各H桥逆变器由对应的dc链路级耦合至对应的H桥转换器，使得各dc链路级与每个其他dc链路级隔离；以及
多相电磁能量转换设备（EMECD），包括连接至所述功率转换器的开放绕组，以提供再生功率转换器。
16. 如权利要求15所述的功率转换器，其中，所述多相EMECD是具有仅连接至所述H桥转换器的开放二次绕组的变压器。
17. 如权利要求15所述的功率转换器，其中，所述多相EMECD是具有仅连接至所述H桥逆变器的开放绕组的机器。
18. 如权利要求15所述的功率转换器，其中，至少一个H桥转换器包括3电平中性点箝位H桥。
19. 如权利要求15所述的功率转换器，其中，利用所述EMECD内的共模电压或者电流的自由度，以控制所述dc链路之间的功率流。
20. 一种功率转换器，包括：
第一分段，包括至少一个多相输入转换级；
第二分段，包括由单个的公共dc链路耦合至所述第一分段的多个H桥逆变器；以及
多相电磁能量转换设备（EMECD），包括仅连接至所述H桥逆变器的开放绕组，以提供再生功率转换器。
21. 一种功率转换器，包括：
第一分段，包括多个H桥转换器；
第二分段，包括多个H桥逆变器，其中，第一分段由单个的公共dc链路级耦合至所述第二分段；
第一多相电磁转换设备（EMECD），包括仅连接至所述H桥转换器的开放绕组；以及
第二多相EMECD，包括仅连接至所述H桥逆变器的开放绕组，以提供再生功率转换器。
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