CN105391322B

CN105391322B - 多级变换器

Info

Publication number: CN105391322B
Application number: CN201510516585.7A
Authority: CN
Inventors: 张迪; 东栋; A.A.罗克希尔
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2014-08-22
Filing date: 2015-08-21
Publication date: 2019-10-11
Anticipated expiration: 2035-08-21
Also published as: CN105391322A; BR102015018691A2; US9537421B2; EP2993777B1; US20160056728A1; EP2993777A1; CA2900194A1

Abstract

功率变换器（104）包含至少一个具有第一串（302）的桥臂（300），第一串在操作上经由第一连接结点（301）和第二连接结点（301）耦合到第二串（304）。第一串包含在操作上经由第三连接结点（318）耦合的第一支路（314）和第二支路（306）。支路中的每一个具有多个开关单元（320、324）、可控半导体开关（322、328）以及第一连接结点和第二连接结点。第一串在操作上跨第一母线（306）和第二母线（308）耦合。此外，第二串包含多个可控半导体开关（332、334）。

Description

多级变换器

技术领域

本发明一般涉及功率变换器，并且更具体地涉及多级变换器。

背景技术

最近数十年中，功率变换的领域由于其在电机驱动、可再生能量系统、高压直流（HVDC）系统等中的迫切的优势，已惊人地发展。例如，需要数百兆瓦特的电功率的海底油气产生系统可能使用HVDC传输和分配系统用于电功率的递送。这类HVDC系统通常包含执行AC到DC功率变换的基于地面或甲板上（topside）变换器分站。作为用于这类介质和高压应用的有前途的功率变换技术，多级变换器正在显现。

多级变换器相对于普通的两级变换器提供若干优势。例如，多级变换器的功率质量比两级变换器的功率质量更好。多级变换器也对于电网和诸如光伏（PV）、燃料电池、风力涡轮机等的可再生能源之间的接口是理想的。另外，多级变换器的效率由于其最小的开关频率而相对更高。

最近，已经设计了具有模块化结构并且没有变压器的多级变换器。变换器的模块化结构允许将这些变换器迭加到几乎无限数量的级。模块化结构也有助于缩放到不同功率和电压级。然而，诸如模块化多级变换器（MMC）的某些当前可用的多级变换器通常采用大量完全可控的半导体开关，比如绝缘栅双极型晶体管（IGBT）。

发明内容

按照本技术的实施例，提出了一种功率变换器。该功率变换器包含至少一个具有第一串和第二串的桥臂（leg）。第一串包括第一支路和第二支路。每个支路包括多个开关单元和可控半导体开关、第一连接结点和第二连接结点。第一串在操作上跨第一母线和第二母线耦合，并且第二支路在操作上经由第三连接结点耦合到第一支路。第二串在操作上经由第一连接结点和第二连接结点耦合到第一串，其中第二串包括多个可控半导体开关。在根据前述功率变换器的第一方面中，所述第二串包括第一部分和第二部分。在根据前述功率变换器的第一方面的第二方面中，所述第二串的所述第一和第二部分各自包括可控半导体开关并且在操作上耦合到第四母线。在根据前述功率变换器的第二方面的第三方面中，所述第四母线包括交流相。在根据前述功率变换器的第四方面中，所述多个可控半导体开关包括部分可控半导体开关、完全可控半导体开关或其组合。

按照本技术的另一个实施例，提出了一种用于功率变换的系统。该系统包含功率源、负载、第一功率变换器和控制器。第一功率变换器包括一个或多个桥臂。该一个或多个桥臂中的每个包含第一串和第二串。该第一串包括第一支路和第二支路，该第一支路和第二支路各自包括多个开关单元和可控半导体开关、第一连接结点和第二连接结点。第一串在操作上跨第一母线和第二母线耦合，并且第二支路在操作上经由第三连接结点耦合到第一支路。第二串在操作上经由第一连接结点和第二连接结点耦合到第一串，其中第二串包括多个可控半导体开关。此外，控制器配置成控制多个可控半导体开关以及多个开关单元的开关。在根据前述系统的第一方面中，所述负载包括电网、电气器具或其组合。在根据前述系统的第二方面中，所述第一支路中的所述多个开关单元和所述可控半导体开关经由所述第一连接结点互相连接，并且所述第二支路中的所述多个开关单元和所述可控半导体开关经由所述第二连接结点互相连接。在根据前述系统的第三方面中，所述系统还包括以背对背功率变换器配置的在操作上耦合到的所述第一功率变换器的第二功率变换器。在根据前述系统的第四方面中，所述控制器还配置成在线循环期间调节存储在所述第二串中的能量。在根据前述系统的第五方面中，所述多个开关单元包括半桥变换器、全桥变换器或其组合。在根据前述系统的第六方面中，所述第二串包括各自包括可控半导体开关的第一部分和第二部分并且在操作上耦合到第四母线。

按照本技术的又一个实施例，提出了一种用于功率变换的系统。该系统包含功率源、负载、第一功率变换器和控制器。第一功率变换器包含一个或多个桥臂，其中该一个或多个桥臂中的每个包括第一串和第二串。第一串在操作上耦合在第一母线和第二母线之间，并且包含第一支路和第二支路。每个支路包含多个开关单元和可控半导体开关、第一连接结点和第二连接结点。第二支路在操作上经由第三连接结点耦合到第一支路，并且该一个或多个桥臂的第三连接结点在操作上彼此耦合。第二串在操作上经由第一连接结点和第二连接结点耦合到第一串，其中第二串包括多个可控半导体开关。此外，控制器还配置成控制多个可控半导体开关以及多个开关单元的开关。在根据前述系统的第一方面中，所述一个或多个桥臂的所述第三连接结点在操作上耦合到第三母线。

附图说明

图1是用于功率变换的系统的图解表示；

图2是根据本公开多方面的供在图1的系统中使用的功率变换器的一部分的示范性实施例的图解表示；

图3是根据本公开多方面的供在图2的功率变换器的所述部分中使用的开关单元的示范性实施例的图解表示；

图4是根据本公开多方面的供在图2的功率变换器的所述部分中使用的开关单元的另一个实施例的图解表示；功率变换器的桥臂的操作状态；

图5(a)-5(c)是根据本公开多方面的图2的功率变换器的桥臂的不同操作状态的图解表示；

图6是根据本公开多方面的供在图1的系统中使用的三相功率变换器的示范性实施例的图解表示；

图7是根据本公开多方面的变换器桥臂从正操作状态转变成零操作状态的图解表示；以及

图8是根据本公开多方面的变换器桥臂从零操作状态转变成负操作状态的图解表示。

具体实施方式

除非另有规定，本文所使用的技术和科学术语具有与本公开属于的领域中的普通技术人员一般理解相同的意义。如本文使用的术语“第一”、“第二”等不表示任何顺序、数量或重要性，而是用来使一个要素区别于另一个要素。未被限定数目的要素也不表示数量的限制，而是表示至少一个参考项目的存在。术语“或者”意味着包含在内并且表示所列项目的一个、一些或全部。本文的“包含”、“包括”或“具有”以及其变化的使用意味着包括其后所列项目和其等价物以及附加项目。术语“连接”和“耦合”不是限制于物理或机械的连接或耦合，并且能够包含电气连接或耦合，不管是直接还是间接。此外，术语“电路”和“线路”和“控制器”可包含单一组件或者多个组件，其是有源的和/或无源的并且被连接或以别的方式耦合在一起以提供所描述的功能。

如将在下文详细描述的，提出了示范性的用于功率变换的系统和用于功率变换的方法的各种实施例。通过采用下文所描述的功率变换器和用于功率变换的方法，提供了多级变换器。在一个实施例中，功率变换器可包含模块化多级变换器。

现转向附图，作为图1中的示例，描绘了用于变换功率的系统100。在一个实施例中，用于变换功率的系统100可包含源102、功率变换器104和电网/公用事业/负载106。如本文使用的术语“源”用来指的是可再生功率源、非可再生功率源、发电机、电网等。如本文所使用的术语“负载”也可用来指的是电网、电气器具等。另外，功率变换器104可以是多级变换器。在一个实施例中，源102可在操作上耦合到功率变换器104的第一端子(未示出）。功率变换器104的第二端子（未示出）可在操作上耦合到负载106。

系统100也可包含控制器108。在一个实施例中，控制器108可配置成控制功率变换器104的操作。作为示例，控制器108可配置成通过控制功率变换器104的多个半导体开关的开关来控制功率变换器104的操作。此外，在一个实施例中，系统100也可包含其他电路组件（未示出），比如，但是不限制于，电路断路器、电感器、补偿器、电容器、整流器、电抗器、滤波器等。

现转向图2，描绘了诸如图1中功率变换器104的功率变换器的一部分的示范性实施例的图解表示300。特别的是，图2的实施例中描绘了功率变换器的桥臂300。功率变换器的桥臂300可包含第一串302和第二串304。更特别的是，第一串302可在操作上耦合到第二串304以形成桥臂300。此外，第一串302可在操作上耦合在第一母线306和第二母线308之间。在一个实施例中，第一母线306可包含正DC母线并且第二母线308可包含负DC母线。第二串304可在操作上经由第一连接结点310和第二连接结点312耦合到第一串302。第一串302也可包含第一支路314，第一支路314在操作上经由第三连接结点318耦合到第二支路316。而且，第一支路314可包含在操作上经由第一连接结点310和第一电感器326耦合到第一可控半导体开关322的第一部分320。类似地，第二支路316可包含在操作上经由第二连接结点312和第二电感器329耦合到第二可控半导体开关328的第二部分324。第三连接结点318可在操作上耦合到第三母线330。此外，第二串304可包含第三可控半导体开关332，第三可控半导体开关332在操作上经由AC相336耦合到第四可控半导体开关334。

而且，在图2的本示例中，第三母线330可以是直流母线并且更特别的是，是可以相对于第一母线306处于负电势而相对于第二母线308处于正电势的中间DC母线。在一个实施例中，中间母线可以是浮动的或被接地或是高阻抗接地母线。在图2的示例中，可控半导体开关322、328、332、334可包含部分可控半导体开关。然而，在另一个实施例中，可控半导体开关可包含完全可控半导体开关。而且，可控半导体开关可包含部分可控半导体开关和完全可控半导体开关的组合。图2示出的可控半导体开关仅用于表示目的并且在其他实施例中也可使用能够构成或中断相应结点之间的连接的任何其他开关。例如，在一个实施例中，可控半导体开关332和334中的每一个可使用多个串联连接的可控半导体开关代替，只要它们全部一起连接以及断开并且满足其他操作特性。

另外，第一串302的第一部分320和第二部分324可包含多个开关单元334。开关单元334可以是多个完全可控半导体开关和能量存储装置的组合。完全可控半导体开关可包含绝缘栅双极型晶体管（IGBT）、金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）、场效应晶体管（FET）、栅控断开闸流管、绝缘栅换向型晶闸管（IGCT）、注入增强栅晶体管（IEGT）、基于碳化硅开关、基于氮化镓开关、基于砷化镓开关或者其等价物。

现转向图3，描绘了供在图2的桥臂300中使用的诸如图2中开关单元320或324的开关单元的示范性实施例的图解表示400。在目前预期的配置中，开关单元400可称为半桥变换器并且包含完全可控半导体开关402和404、能量存储装置406、第一连接器408和第二连接器410。如先前提到的，完全可控半导体开关402、404可包含IGBT、 MOSFET、FET、 IEGT、栅控断开闸流管、IGCT、基于碳化硅开关、基于氮化镓开关、基于砷化镓开关或者其等价物。而且，完全可控半导体开关402、404中的每个也可包含功率二极管412，其可以是嵌入的并且与完全可控半导体开关402和404反并联。嵌入的功率二极管412可提供快速恢复式整流（freewheeling）路径。这些功率二极管412也可称为快速恢复式整流二极管。

在一个非限制示例中，能量存储装置406也可包含电容器。在图3的示例中，完全可控半导体开关402可在操作上串联耦合到能量存储装置406以形成第一臂414。其他的完全可控半导体开关404也形成第二臂416。第二臂416可在操作上并联耦合到第一臂414。另外，第一臂414和第二臂416可在操作上耦合在第一连接器408和第二连接器410之间。虽然图3的示例描绘了如包含两个完全可控半导体开关和一个能量存储装置的半桥变换器配置中的开关单元400，但是也预期其他数量的完全可控半导体开关402、404和能量存储装置406的使用。在一个实施例中，开关单元的一些或全部可布置成形成如将在图4中描述的全桥变换器配置。

此外，在一个非限制的示例中，在完全可控半导体开关402被激活而完全可控半导体开关404被停用时，能量存储装置406可跨第一连接器408和第二连接器410出现。因此，跨能量存储装置406的电荷作为跨第一连接器408和第二连接器410的电压而出现。备选地，在完全可控半导体开关404被激活而完全可控半导体开关402被停用时，第一臂414被旁路，由此提供跨第一连接器408和第二连接器410的零电压。因此，通过控制图2的第一串302上多个开关单元324中完全可控半导体开关402和404的开关，跨第一串302形成的电压可以被调节。

现参考图4，描绘了图2中开关单元320或324的备选实施例的图解表示450。在目前预期的配置中，开关单元450可称为全桥变换器并且可包含完全可控半导体开关452、454、464和466、能量存储装置456、第一连接器458和第二连接器460。如先前提到的，完全可控半导体开关452、454、464和466可包含IGBT、MOSFET、FET 、IEGT、栅控断开闸流管、IGCT、基于碳化硅开关、基于氮化镓开关、基于砷化镓开关或者其等价物。此外，完全可控半导体开关452、454、464和466中的每个也可分别包含可嵌入的和与完全可控半导体开关反并联的功率二极管468、470、472或474。如能够看出的，与图3的开关单元400相比较，开关单元450包含两个附加的完全可控半导体开关并且开关单元450的输出跨第一连接器458和第二连接器460出现。在一个实施例中，完全可控半导体开关452、454、464、466被控制以调节跨第一连接器458和第二连接器460的电压。与开关单元400相反，开关单元450能够产生跨第一连接器458和第二连接器460的3个电压级。该三个电压级别将会是零电压级以及负极性电压级和正极性电压级，其中正极性电压级和负极性电压级表示跨能量存储装置456的电荷。

现转向图5（a）-5（c），描绘了根据本公开多方面的诸如图2中桥臂300的变换器桥臂的不同操作状态的图解表示500。

参考图5（a），提出了处于第一操作状态的诸如图2中桥臂300的桥臂502的图解表示。第一操作状态也可称为负状态。桥臂502可包含第一串504和第二串506。桥臂502也可在操作上耦合在第一母线508和第二母线510之间。如在上文提到的，第一母线508可包含正DC母线而第二母线510可包含负DC母线。此外，第一串504可在操作上经由第一连接结点512和第二连接结点514耦合到第二串506。

另外，诸如第一串504的图2中第一部分320的第一部分和诸如第一串504的图2中第二部分324的第二部分可分别由电压源516和518表示。如上文提到的，第一串504的第一部分和第二部分可包含多个开关单元（未示出）。第一串504的第一部分（即电压源516）在操作上经由第一连接结点512和第一电感器513耦合到可控半导体开关S1，并且第一串504的第二部分（即电压源518）在操作上经由第二连接结点514和第二电感器515耦合到另一个可控半导体开关S4。可控半导体开关S1和S4也可经由可在操作上耦合到第三母线524的第三连接结点522而耦合。在目前预期的配置中，第二串506也包含表示为S₂和S₃的两个可控半导体开关，其在操作上经由交流（AC）相母线520而耦合。另外，第一母线508处的电压可表示为+V_dc并且第二母线510处的电压可表示为-V_dc。作为示例，第一母线508处+V_dc的电压和第二母线510处-V_dc的电压可相对于假接地。第三母线524处的电压也可表示为V_mid，并且交流相母线处的电压可表示为V_ac。在一个实施例中，第三母线524可以是接地母线，因此，使电压V_mid为零。

如图5（a）中所描绘的，在负操作状态期间，可控半导体开关S₁和S₃被激活并且导通，而可控半导体开关S₂和S₄被维持在停用状态。在这种状态期间，电压源516支持母线508和524之间的电压，然而电压源V_n支持母线510和520之间的电压。例如，如果母线524处的电压V_mid等于零并且母线508处的电压等于+V_dc，那么电压源516的电压V_p将需要支持电压+V_dc。类似地，如果母线520处的电压等于V_a并且母线510处的电压等于-V_dc，那么电压源518的电压V_n将需要支持电压V_a+V_dc。电压源516和518将通过对应于诸如图2中开关单元320和324的第一串504中多个开关单元的完全可控半导体开关的开关来支持相应的电压。应注意的是，负操作状态指的是AC相电压V_a为负。类似地，如果AC相电压V_a为正，那么它将被称为正操作状态并且如果AC相电压V_a大约为零，那么它将被称为零操作状态。

图5（b）是处于第二或负操作状态的桥臂的图解表示528。为了便于理解，图5（b）参考图5（a）来解释。在第二状态中，可控半导体开关S₂和S₄被激活并且正导通，而可控半导体开关S₁和S₃被停用并且不导通。在这种操作状态中，电压源516将需要支持跨结点508和520的电压（例如V_p＝V_dc-V_a），并且电压源518将需要支持跨结点510和524的电压（例如V_n＝V_dc+V_mid）。

类似地，图5（c）是处于第三或零操作状态的桥臂的图解表示532。为了便于理解，图5（c）参考图5（a）来解释。此外，在第三状态中，可控半导体开关S₂和S₃被激活并且正导通，而可控半导体开关S₁和S₄被停用并且不导通。在这种操作状态中，电压源516将需要支持跨结点508和520的电压（例如V_p＝V_dc-V_a），并且电压源518将需要支持跨结点510和520的电压（例如V_n＝V_a + V_dc）。虽然图5（a）-图5（c）相对于单一桥臂提出了三个操作状态，但是这三个操作状态可同时被用于两相功率变换器、三相功率变换器等中的多个桥臂。

如图5（a）-图5（c）中所描绘的，在任何时刻，第二串504的电压源516（即图2的第一部分320）和电压源518（即图2的第二部分324）的每一个在操作上耦合在第一母线508和第三母线524之间、第三母线524和第二母线510之间或者母线520和第一母线508或第二母线510之间。因此，电压源516和518的每一个可不得不承受大约V_dc的数值的最大电压。因此，电压源516和518中合起来总的开关单元的所希望数量与常规模块化多级变换器相比可以更少。

参考图6，描绘了根据本公开多方面的三相多级变换器的示范性实施例的图解表示600。在目前预期的配置中，三相多级变换器600包含三个桥臂626、628、630。每个桥臂可包含相应的第一和第二串602、604。

此外，第一串602包含在操作上经由第三连接结点618互相耦合的第一支路606和第二支路608。而且，第一支路606可包含在操作上经由第一连接结点614和第一电感器615耦合到第一可控半导体开关622的第一部分610。类似地，第二支路608可包含在操作上经由第二连接结点616和第二电感器617耦合到第二可控半导体开关624的第二部分612。第二串604的一端也可在操作上耦合到相应第一串602的第一连接结点614，并且第二串604的另一端可在操作上耦合到相同第一串602的第二连接结点616。特别地是，第一串602的第一部分610的一端可在操作上经由第一连接结点614而耦合到第二串602。另外，第一串602的第二部分612的一端可在操作上经由第二连接结点616而耦合到第二串604。

第二串604的第三可控半导体开关632可在操作上经由第四母线而耦合到第二串604的第四可控半导体开关634。如本文所使用的术语“第四母线”可以是交流（AC）相。特别地是，三个桥臂626、628、630的每一个可与至少一个AC相相关联。在非限制示例中，三相AC系统可包含AC相-A 636、AC相-B 638和AC相-C 640。另外，DC端子可通过第一母线620和第二母线642的组合来形成。AC相，AC相-A 636，AC相-B 638和AC相-C 640经组合可形成AC端子。此外，第一母线620是正DC母线，然而第二母线642是负DC母线。功率变换器600的功率通量可以从DC端子到AC端子，反之亦然。

另外，在一个实施例中，第三连接结点618可以是第一串602的中间点。此外，在一个示例中，三个第一串602的每一个的第三连接结点618可在操作上互相耦合以形成浮动点。在另一个实施例中，三个第一串602的每一个的第三连接结点618可在操作上耦合到第三母线644。第三母线644是中间母线，其可以浮动或被接地或是高阻抗接地母线。然而，在另一个实施例中，对于机械驱动中的应用，三个第一串602的每一个的第三连接结点618可在操作上耦合到中性母线。而且，三个桥臂626、628、630可在操作上耦合在第一母线620和第二母线642之间。

此外，功率变换器600可在操作上耦合到诸如图1中控制器108的控制器。如先前提到的，第一串602可包含多个诸如半桥或全桥变换器的开关单元和可控半导体开关，而第二串604可包含多个可控半导体开关。控制器可配置成控制第一串602的多个开关单元和第一串602以及第二串604的可控半导体开关的开关。在一个示例中，第一串602中开关单元的开关可基于调制技术。调制技术可包含脉宽调制技术、空间矢量调制等。而且，控制器可配置成帮助相对于第二母线642产生跨第一母线620的直流电压。控制器也可配置成在线循环期间平衡和调节存储在第一串602中的能量。因此，控制器可配置成确保第一串602在一个线循环期间的平均功率为零。如本文所使用的术语“线循环”可以是AC电压循环。在一个实施例中，控制器可以布置在远程位置。

参考图7，描绘了根据本公开多方面的诸如图2中桥臂300的变换器桥臂从负操作状态转变到零操作状态的图解表示700。为了便于理解，图7将相对于图5（a）-5（c）和图6来描述。图7示出三个状态，负操作状态702、瞬时状态704和零操作状态706。在负操作状态702中，如更早讨论的，可控半导体开关S1和S3被激活并且可控半导体开关S2和S4被停用，然而在零操作状态706中，可控半导体开关S2和S3被激活并且可控半导体开关S1和S4被停用。因此，为了从正操作状态702转变到零操作状态706，在负操作状态702期间被激活的第一可控半导体S1被停用，如瞬时状态704中所示。这导致通过S1的电流被减少到零并维持在零。因此，可控半导体S1能够被完全断开，即使是使用诸如晶闸管的部分可控装置。其后，在负操作状态702期间被停用的可控半导体S2被停用，如在零操作状态704中所示。此外，应注意的是，为了将可控半导体S1停用或断开，两相之间（即两个桥臂之间）的正循环的电流可被利用并且因此不需要来自相同桥臂的负电压。

参考图8，描绘了根据本公开多方面的诸如图2中桥臂300的变换器桥臂从零操作状态转变成正操作状态的图解表示800。为了便于理解，图8将相对于图5（a）-5（c）和图6来描述。图8示出三个状态，零操作状态802、瞬时状态804和负操作状态806。在零操作状态802中，如更早讨论的，可控半导体开关S2和S3被激活并且可控半导体开关S1和S4被停用，然而在负操作状态806中，可控半导体开关S2和S4被激活并且可控半导体开关S1和S3被停用。因此，为了从零操作状态802转变到正操作状态806，在零操作状态802期间被激活的第一可控半导体S3被停用，如瞬时状态804中所示。然后，通过可控半导体开关S3的电流被减少并维持在零。因此，可控半导体S3能够被完全断开，即使是使用诸如晶闸管的部分可控装置。其后，在零操作状态802期间被停用的可控半导体S4被停用，如在正操作状态804中所示。此外，应注意的是，为了将可控半导体S3停用或断开，两相之间（即两个桥臂之间）的正循环的电流可被利用并且因此不需要来自相同桥臂的负电压。

上文所描述的功率变换的方法和功率变换器的各种实施例帮助开发多级功率变换器，由此允许高功率/电压/电流输出的产生。此外，由于在与常规模块化功率变换器相比较时，示范性功率变换器利用大约一半数量的开关单元，所以可提供更低成本的系统。在功率变换器中使用诸如晶闸管的部分可控半导体开关也提供较少花费的系统。此外，晶闸管的使用提供具有实质上更低损耗的功率变换器。另外，示范性功率变换器可规避DC链路中对于附加电容器的需要。功率变换器的各种实施例可在太阳、风力或其他可再生发电装置中找到应用。功率变换器也可用于如同热电厂、水电站以及其等价物的非可再生发电系统。另外，功率变换器可用作DC-AC变换器或AC-DC变换器供在HVDC传输和分配系统中使用。

虽然本文已经仅描述和图示了本发明的某些特征，但是本领域的技术人员将想到许多修改和变化。因此，要理解，所附权利要求书旨在覆盖落在本发明的真实精神内的全部此类修改和变化。

元件表

100 变换功率的系统

102 源

104 功率变换器

106 电网/公用事业/负载

108 控制器

300 功率变换器的一个桥臂

302 第一串

304 第二串

306 第一母线

308 第二母线

310 第一连接结点

312 第二连接结点

314 第一支路

316 第二支路

318 第三连接结点

320 第一部分

322 第一可控半导体开关

324 第二部分

326 第一电感器

328 第二可控半导体开关

329 第二电感器

330 第三母线

332 第三可控半导体开关

334 第四可控半导体开关

336 AC相

400 开关单元

402、404 完全可控半导体开关

406 能量存储装置

408 第一连接器

410 第二连接器

412 功率二极管

414 第一臂

416 第二臂

450开关单元

452、454、464、466完全可控半导体开关

456能量存储装置

458 第一连接器

460 第二连接器

468、470、472、474 功率二极管

500 功率变换器桥臂的不同操作状态的图解表示

502 变换器桥臂

504 第一串

506 第二串

508 第一母线

510 第二母线

512 第一连接结点

513 第一电感器

514 第二连接结点

515 第二电感器

516、518 电压源

520 交流相

522 第三连接结点

524 第三母线

526 第一电流流径

528 变换器桥臂

532变换器桥臂

600 三相多级变换器

602 第一串

604 第二串

606 第一支路

608 第二支路

610 第一部分

612 第二部分

614 第一连接结点

615 第一电感器

616 第二连接结点

617 第二电感器

618 第三连接结点

620 第一母线

622 第一可控半导体开关

624第二可控半导体开关

626、628、630 三个桥臂

632第三可控半导体开关

634第四可控半导体开关

636、638、640 AC相

642 第二母线

644 第三母线

700 变换器桥臂从负操作状态转变到零操作状态的图解表示

702 负操作状态

704 瞬时状态

706 零操作状态

800 变换器桥臂从零操作状态转变到正操作状态的图解表示

802 零操作状态

804 瞬时状态

806 负操作状态。

Claims

1.一种功率变换器，包括：

至少一个桥臂，包括：

第一串，包括各自包括串联连接的多个开关单元和可控半导体开关的第一支路和第二支路，所述第一支路还包括第一电感和位于所述第一电感与所述可控半导体开关之间的第一连接结点，并且所述第二支路还包括第二电感和位于所述第二电感与所述可控半导体开关之间的第二连接结点，其中所述第一串在操作上跨第一母线和第二母线耦合，并且其中所述第二支路在操作上经由第三连接结点耦合到所述第一支路；以及

第二串，在操作上经由所述第一连接结点和所述第二连接结点耦合到所述第一串，其中所述第二串包括多个可控半导体开关;

其中所述多个开关单元中的每个包括多个完全可控半导体开关以及至少一个能量存储装置;以及，

其中所述第一支路中的所述多个开关单元和所述可控半导体开关经由所述第一连接结点和所述第一电感互相连接，并且所述第二支路中的所述多个开关单元和所述可控半导体开关经由所述第二连接结点和所述第二电感互相连接。

2.如权利要求1所述的功率变换器，其中所述多个完全可控半导体开关包括绝缘栅双极晶体管、金属氧化物半导体场效应晶体管、场效应晶体管、栅控断开晶闸管、绝缘栅换向型晶闸管、注入增强栅晶体管、基于碳化硅开关、基于氮化镓开关、基于砷化镓开关或者其组合。

3.如权利要求1所述的功率变换器，其中所述第一母线包括正直流母线并且所述第二母线包括负直流母线。

4.如权利要求3所述的功率变换器，其中所述第三连接结点在操作上耦合到第三母线。

5.如权利要求4所述的功率变换器，其中所述第三母线包括直流母线。

6.如权利要求1所述的功率变换器，其中所述第二串包括第一部分和第二部分。

7.如权利要求6所述的功率变换器，其中所述第二串的所述第一和第二部分各自包括可控半导体开关并且在操作上耦合到第四母线。

8.如权利要求7所述的功率变换器，其中所述第四母线包括交流相。

9.如权利要求1所述的功率变换器，其中所述多个可控半导体开关包括部分可控半导体开关、完全可控半导体开关或其组合。

10.一种用于功率变换的系统，包括：

功率源；

负载；

第一功率变换器，包括：

一个或多个桥臂，其中所述一个或多个桥臂的每个包括：

第一串，包括各自包括串联连接的多个开关单元和可控半导体开关的第一支路和第二支路，所述第一支路还包括第一电感和位于所述第一电感与所述可控半导体开关之间的第一连接结点，并且所述第二支路还包括第二电感和位于所述第二电感与所述可控半导体开关之间的第二连接结点，其中所述第一串在操作上跨第一母线和第二母线耦合，并且其中所述第二支路在操作上经由第三连接结点耦合到所述第一支路；

第二串，在操作上经由所述第一连接结点和所述第二连接结点耦合到所述第一串，其中所述第二串包括多个可控半导体开关；以及

控制器，配置成控制所述多个可控半导体开关和所述多个开关单元的开关；

其中所述多个开关单元中的每个包括多个完全可控半导体开关以及至少一个能量存储装置；以及，

11.如权利要求10所述的系统，其中所述负载包括电网、电气设备或其组合。

12.如权利要求10所述的系统，还包括以背对背功率变换器配置的在操作上耦合到的所述第一功率变换器的第二功率变换器。

13.如权利要求10所述的系统，其中所述控制器还配置成在线循环期间调节存储在所述第二串中的能量。

14.如权利要求10所述的系统，其中所述多个开关单元包括半桥变换器、全桥变换器或其组合。

15.如权利要求10所述的系统，其中所述第二串包括各自包括可控半导体开关的第一部分和第二部分并且在操作上耦合到第四母线。

16.一种用于功率变换的系统，包括：

功率源；

负载；

第一功率变换器，包括：

一个或多个桥臂，其中所述一个或多个桥臂的每个包括：

第一串，在操作上耦合在第一母线和第二母线之间，其中所述第一串包括各自包括串联连接的多个开关单元和可控半导体开关的第一支路和第二支路，所述第一支路还包括第一电感和位于所述第一电感与所述可控半导体开关之间的第一连接结点，并且所述第二支路还包括第二电感和位于所述第二电感与所述可控半导体开关之间的第二连接结点，其中所述第二支路在操作上经由第三连接结点耦合到所述第一支路，并且其中所述一个或多个桥臂的所述第三连接结点在操作上互相耦合；

控制器，配置成控制所述多个可控半导体开关和多个开关单元的开关；

17.如权利要求16所述的系统，其中所述一个或多个桥臂的所述第三连接结点在操作上耦合到第三母线。