CN106464134B

CN106464134B - 转换器

Info

Publication number: CN106464134B
Application number: CN201580017674.5A
Authority: CN
Inventors: C.巴克; J.马奈罗
Original assignee: Alstom Technology AG
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2014-02-07
Filing date: 2015-02-06
Publication date: 2020-02-21
Anticipated expiration: 2035-02-06
Also published as: US20160344286A1; WO2015118114A1; US10003257B2; EP2905885A1; EP2905885B1; CN106464134A

Abstract

描述一种用于在两个电压电平之间转换电压的DC到DC转换器(300，300a，700)。转换器(300，300a，700)包括多个电容器(404)和开关装置(304，406)，并且在第一与第二换向状态之间是可控的。在第一换向状态中，转换器(300，300a，700)配置用于到较高电压端子的连接，并且电容器(404)串联连接。在第二换向状态中，转换器(300，300a，700)配置用于到较低电压端子的连接，并且电容器(404)被连接以形成并联连接的至少两个分支(502)，分支(502)包括至少两个电容器(404)的串联连接。在一些实施例中，还可提供一个或多个中间换向状态。

Description

转换器

本发明涉及直流到直流(DC-DC)转换器,具体来说而非排他地供中压或高压电网中使用。

常常预期改变功率源的电压电平。这种预期在从低功率装置(例如计算机中的电池可供应特定电压，但是在其中的电路可个别要求不同的电压)到高压直流(HVDC)网络的各种电子装置中看到。例如，在HVDC功率传输的开发领域，可期望互连DC传输网络和DC分配网络。但是，这些网络可工作在不同的电压电平。

在较高功率应用中，DC到DC转换器通常包括两个转换级，从而将电流从DC变换成交流(AC)然后再变换回DC。这个中间AC级可要求使用变压器。这类转换器是重的并且庞大的，其具有大量组件。

直接DC到DC转换器也是已知的。这些包含所谓的“DC斩波器”电路，其中使用通常涉及无源能量存储组件(例如电感器和电容器)和半导体(二极管和控制开关，例如双极结晶体管(BJT)、金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)或绝缘栅双极晶体管(IGBT))的布置，分别如图1A和图1B所示，其分别图示逐渐降低(降压)和逐步增加(升压)转换器。

参照图1A和图1B所示的装置，开关S以预期频率和占空比来换向，以便实现从电压源V_in到电感器L和电容器C的能量传递，同时调节输出电压电平V_out。二极管D是单向电流装置。

这类切换拓扑要求高切换频率，以便减小无源组件的大小。此外，它们要求开关S耐受全DC电压。由于这类开关的电压额定通常被限制，所以对于较高电压操作，单个开关能够通过串联连接的开关来取代，或者能够使用具有半桥或全桥单元的备选布置。但是，如果这种电路将要用于中压或高压DC环境，则半导体装置中的功率损耗将会达到不可接受等级。

技术人员还将知道“马克斯发生器”，用来生成高压脉冲的电路。这种电路通常包括一组电容器和机电或固态开关，其布置成形成重复结构。使用半导体开关的这个电路的一般配置在图2A至图2C中示出，其中电容器表示为C，二极管表示为D，以及开关表示为S。

两个换向状态被定义并且依次和循环地应用于电路。第一换向状态将电容器C_n并联连接于低压源V_dc(图2B)两端，从而允许电容器C与源V_dc之间的能量传递。第二换向状态将电容器串联连接于电路(图2C)的高压端子(V_o)两端。

RU2454779和RU2394344公开一种电路，其包括电容器的连接，并且被提出用于铁路列车中的DC到DC转换器的实现。电路使用固态开关和电容器的组合将能量从低压源传递到高压源。电路包括两个臂，其中高压源连接于两个臂两端，以及低压源连接于两个臂的中点两端。电路能够布置为上述换向状态中的马克斯发生器(图2B和图2C)，其中所有顶部和底部臂电容器首先并联连接于低压源两端并且然后串联连接于高压源两端，这引起与图2B和图2C所示的状态相同的等效电路换向状态。备选地，为了降低由在其中的开关所耐受的电压应力，两个臂均能够单独并联连接于低压源两端，并且然后共同串联连接于高压源两端。各电容器中的电压电平必须在两种操作模式中等于低压源的电压电平。这将电路低压输出限制到能够对每个电容器进行充电到的最大电压，其又被电路中采用的固态开关的最大电压额定限制。

相关概念全部在N. N. Lopatkin、G. S. Zinoviev和L. G. Zotov的“Bidirectional high-voltage DC-DC converter for advanced railway locomotives”(Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE)，2010 IEEE，2010，第1123-1128页)中论述。

按照本发明的第一方面，提供一种用于在较高电压与较低电压之间转换电压的DC到DC转换器，该转换器包括多个电容器和开关装置，并且通过至少一个开关装置的操作在第一与第二换向状态之间是可控的，其中，

在第一换向状态中，转换器配置用于到较高电压端子的连接，并且电容器串联连接，以及

在第二换向状态中，转换器配置用于到较低电压端子的连接，并且电容器被连接以形成并联连接的至少两个分支，分支包括至少两个电容器的串联连接。

因此，转换器在‘串联’配置与所谓‘矩阵’配置之间是可控的，其中提供串联连接电容器的并联分支。串联连接的至少两个电容器在配置用于到较低电压端子的连接时的提供意味着，较低电压连接可以是串联连接电容器的最大电压之和。因此，这为转换器提供灵活拓扑，其中较低电压网络的电压并不局限于单个电容器的电压额定，并且而是可适当地选择串联连接电容器的数量。

在这个上下文内，术语‘较高电压’和‘较低电压’在比较意义上使用，如为技术人员一般通过转换器的论述将会熟悉的：实际上，这种设备一般描述为简单地具有高压侧和低压侧。因此，术语‘较低电压’或‘低电压’和‘较高电压’或‘高电压’在这个意义上(即，当具体提到转换器的任一侧的连接端子或连接网络时)将不被采取以暗示对实际电压的任何限制，其在一些优选实施例中均可以比较高，例如在数千伏特至数百千伏特范围中。

常规地，每个分支包括相同数量的电容器或者至少相同电容。

在一些实施例中，电容器可按照集群来布置。优选地，集群被布置,使得在第一和第二换向状态中，集群内的电容器串联连接。因此，集群可提供第二换向状态的‘矩阵’状配置的分支。根据集群来配置转换器简化从串联到并联连接的重新配置。

在一些示例中，转换器由有限数量的类型的集群、例如1、2、3或4种类型的集群来组成。相同类型的多个集群可提供在给定转换器中。这降低制造和设计要求，从而为转换器提供易于可缩放设计，其中集群的数量可按照给定转换器的预计功能环境来选择。

在第一换向状态中，集群可串联连接，而在第二换向状态中，集群可并联连接。转换器可包括至少两个集群和至少两个开关装置，其布置成允许集群在第一换向状态中的串联以及在第二换向状态中的并联的选择性连接。

在一个实施例中，每个电容器与例如功能单元中的至少一个开关装置关联。这种设计将是易于可缩放的。转换器可由有限数量的类型的单元、例如二、三或四种类型的单元来组成。至少一个这种类型的多个单元可提供在给定转换器中，这降低制造要求。

在优选实施例中，转换器通过在第一与第二换向状态之间的变换期间将至少一个开关装置操作成一个或多个中间换向状态是可控的。这类中间状态可布置成对转换器内的至少一些开关装置的切换利用、实行和/或保持低或甚至零电压条件。(一个或多个)中间换向状态可包括当转换器处于第二换向状态时中断(例如通过打开开关)电容器(例如转换器的分支内的那些电容器)之间的至少一个串联连接。因此，可提供至少一个开关装置，以便有选择地串联连接电容器或者中断串联连接。在一个示例中，至少一个开关装置为此目的而提供在分支中的各电容器之间。作为替代或补充，(一个或多个)中间换向状态可布置成将电容器配置成钳制(clamp)一个或多个开关装置两端的电压。例如，电压可在一个或多个开关装置两端钳制为最多在单个电容器两端的电压。

这可以是有利的，例如以便在切换期间限制组件两端的电压。即使与两种网络断开，但是如果电容器保持在串联连接中，则可看到电路组件、例如开关两端的电压。但是，提供减少其中串联连接电容器的数量(或者在一些示例中，去除大多数或全部串联连接)的至少一个中间换向状态在从第一换向状态切换到第二换向状态期间限制电路组件两端的电压，并且因此允许在切换以低或零电压进行，从而导致开关装置的较低损耗和较低额定要求(这通常与成本的降低关联)。

转换器还可布置成在来自连接网络的零或接近零电流流动的条件下从第一换向状态切换到第二换向状态(所述状态可因电路的谐振性质而被看到)。

在这类示例中，电路可包括一个或多个电感器。在一些示例中，转换器可提供有帮助平衡串联连接电容器的部件(例如与每个电容器并联连接的电阻器)。这种布置将为本领域的技术人员熟悉的。

转换器可被布置,使得在第一与第二换向状态之间的变换期间在单元内的任何开关装置(和/或在一些示例中的单元外部的至少一个开关装置)两端的最大电压最多是一个单元电容器两端的电压。

在一些示例中，转换器可以是双极转换器，并且包括两个臂，每个臂包括多个电容器和开关装置，并且通过至少一个开关装置的操作在第一与第二换向状态之间是可控的，其中，

在第二换向状态中，转换器配置用于到较低电压端子的连接，并且每个臂中的电容器被连接以形成至少两个并联分支，分支包括至少两个电容器的串联连接，其中较低电压端子连接到臂之间的点。

在一些这类实施例中，臂之间的较低电压端子可处于地电位处，其允许与其连接的任何设备的更宽松电压隔离额定。

在这类实施例中，一个或多个开关装置可提供在至少一个臂中，以便允许至少一个臂到正和负较低电压端子的选择性连接。

开关装置可包括下列一个或多个：单个开关；一系列连接开关；并联连接的开关；串联和并联连接开关的组合；与反并联单向电流装置(例如二极管)关联的至少一个单向开关；串联连接的单向开关，其中串联连接与至少一个反并联单向电流装置关联；等等。在优选实施例中，至少一个开关装置包括一个或多个半导体装置，例如双极结晶体管(BJT)、金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)或绝缘栅双极晶体管(IGBT)。

在转换器可将功率从较高电压端子传递到较低电压端子或者反之的意义上，转换器优选地是双向的。这提供多功能转换器，其可以能够对关联网络或网络母线的条件起反应，或者适合于其中要求双向功率流的安装。

按照本发明的第二方面，提供一种在较高电压与较低电压之间转换电压的方法，该方法包括：(i) 提供按照连接到较高电压端子的串联配置的多个电容器；(ii) 将电容器与较高电压端子断开；(iii) 将在其之间的连接重新配置为包括至少两个并联分支的矩阵配置，分支包括至少两个电容器的串联连接；以及(iv) 将矩阵配置连接到较低电压端子。

在一些示例中，该方法还包括下列步骤：(v) 将电容器与较低电压端子断开；(vi)将在其之间的连接重新配置为串联配置；以及(vii) 将串联配置连接到较高电压端子。

步骤可依次执行，或者至少两个步骤可在重叠时帧中或者基本上同时执行。

术语‘矩阵’配置不应当采取以暗示提供电容器的规则阵列(但是情况也可以是这样)，而是简单地暗示该布置包括并联连接的至少两个分支，以及至少两个这类分支在其中具有串联连接电容器。

优选地，步骤在低、接近零或零电流流动(current flow)的条件下执行。在这类示例中，电路可便利地为谐振电路。提供按照连接到较高电压端子的串联配置的多个电容器的步骤(即，步骤(i))或者提供按照包括至少两个并联分支(分支包括连接到较低电压端子的至少两个电容器的串联连接(即，步骤(iv)之后的转换器的状态))的矩阵配置的多个电容器的步骤可继续进行直到电路内的电流流动停止，在所述点处执行步骤(ii)至(iv)和/或(v)至(vii)。

如将领会，步骤(i)至(vii)可循环地执行，使得到较高和较低电压端子的连接交替和重复地进行。该方法可开始于步骤(i)或者以提供按照包括至少两个并联分支的矩阵配置的多个电容器来开始，每个分支包括连接到较低电压母线的至少两个电容器的串联连接(即，步骤(iv)之后的转换器的状态)。

该方法可以是将功率从较高电压端子传递到较低电压端子或者反之的方法，或者能够在两个方向上来传递功率(即，转换器可以是逐步增加、逐步降低或双向转换器)的方法。

在一些实施例中，该方法还包括将电容器之间的连接重新配置为至少一个中间换向状态。这种中间状态可布置成在在与网络断开、重新配置电容器之间的连接以及连接到网络的步骤的至少一个期间保持至少一个开关装置两端的低或者甚至零电压条件。具体来说，该方法可包括重新配置电容器之间的连接，以去除在其之间的至少一个串联连接。

与网络端子断开、重新配置电容器之间的连接以及连接到网络端子的步骤可包括控制开关装置。开关装置可包括一个或多个半导体开关。

该方法可包括使用按照本发明的第一方面的转换器的方法。相对于本发明的一个方面所提供的教导可适用于本发明的另一方面。

现在将仅作为举例、参照附图来描述本发明的实施例，附图包括：

图1A和图1B分别示出现有技术逐步调低和逐步增加转换器；

图2A至图2C示出马克斯发生器的现有技术配置；

图3示出按照本发明的一个实施例的模块化DC-DC转换器；

图4示出如图3所示的DC-DC转换器集群的细节；

图5A和图5B分别示出图3的转换器的第一和第二换向状态的表示；

图6A至图6F分别示出图3的转换器的第一、四种中间和第二换向状态；

图7示出按照本发明的一个实施例的双极模块化DC-DC转换器；

图8示出图7的转换器内的单元的细节；

图9A至图9E示出操作期间的单极转换器内的功率、电流和电压波形；以及

图10A至图10G示出操作期间的双极转换器内的功率、电流和电压波形。

图3示出按照本发明的一个实施例的转换器300，供具有单极配置(即，具有接地负网络极)的DC系统(例如，MVDC和HVDC系统)之间使用。转换器300包括布置在开关装置(其在这个示例中是开关304a-c)之间的多个集群302。

集群302可通过开关304的选择性操作有选择地串联或并联并且与较高电压网络或较低电压网络连接，如以下更详细描述。在其中提供N个集群302的一般情况下，转换器300包括2N个开关304。

提供开关304的两个类别。具体来说，存在两个网络开关304a和304b,较高电压网络开关304a和较低电压网络开关304b，从而允许分别到较高电压或者较低电压端子的选择性连接。另外，存在并联连接开关304c，其被布置,使得当开关304c闭合(即，使得电流可经过其中)时，集群302可按照并联连接布置，每个集群302提供转换器300的矩阵配置的分支。

虽然如本文所示，开关304表示为简单开关，但是在一些示例中，至少一个开关304可通过包括与单向电流装置、例如二极管关联的单向开关的开关装置来提供，使得开关可在电流流动在第一方向上时在其打开状态中被旁路，但是电流将不会在相反方向上流动，除非开关304闭合。作为替代或补充，若干开关能够按照串联和/或并联连接来提供，并且布置成共同操作以提供单个开关的功能，例如以便与能够与相同额定的单个开关一起使用的转换器相比增加转换器300的电流额定。

转换器300还包括较高电压(V_{dc high})端子306a、306b(在如所绘制的附图的右手侧上示出)以及较高电压电感器L_HV，其与集群302内部的电容器创建谐振电路，如下面将描述。较低电压端子(V_{dc low})308a、308b布置在如所绘制的附图的左手侧上，并且与较低电压电感器L_LV和较低电压电容器C_LV关联，较低电压电感器L_LV和较低电压电容器C_LV创建另一个谐振电路。

虚线的一部分能够在图3中看到，以便图示可根据需要提供任何数量的集群和并联连接开关304c。在附图中通篇使用类似记号。

在这个实施例中，使用单个类型的集群302，即，所有集群302具有相同设计。

转换器300的集群302在图4中示出。在这个示例中，集群302包括许多功能单元402，各包括至少一个单元电容器404和至少一个单元开关406a、406b、406c。将注意，存在两种单元类型：本文中称作连接单元402a的第一单元类型包括单个开关406a和单个电容器404。本文中称作串联连接单元402b的第二单元类型包括两个开关(本文中称作串联连接开关406b和中间开关406c)和单个电容器404。

此外,虽然单元开关406表示为简单开关，但是在一些示例中，至少一个单元开关406可通过包括与单向电流装置、例如二极管关联的单向开关的开关装置来提供，使得开关可在电流流动在第一方向上时在其打开状态中被旁路，但是电流将不会在相反方向上流动，除非单元开关406闭合。备选地，若干开关能够按照串联和/或并联连接来提供，并且布置成共同操作以提供单个开关的功能。如以下更详细说明，这种串联连接对于连接单元开关406a可以是更合乎需要的。

如上所述，并联连接开关304c被布置,使得集群302之间的连接可以是串联连接或者并联连接。在各集群302内，如果串联连接开关406b闭合而中间开关406c打开，则在其中的电容器404串联连接。

这在图5A和图5B中示意图示，其分别示出串联和并联连接的集群302，使得转换器300分别处于第一和第二换向状态中。集群302内部的单元之间的连接处于两种配置中的串联连接。图5B中，看到电容器404的矩阵配置，其包括多个分支502，各由单个集群302来组成，分支502并联连接于较低电压网络两端。

在第一与第二换向状态之间的重新配置期间，并且即使转换器300与较高和较低电压网络隔离，也仍然可存在某些电路组件两端的较高电压电平。对于与切换组件的额定和功率损耗相关的以下详细叙述的原因，在换向事件期间以低或零电压和/或电流条件来操作开关一般是优选的。为了利用或实现低电压条件，可提供一个或许多中间换向状态，如以下所述。此外，有可能利用电路(如由技术人员将会领会并且如上所述，其是LC电路)的谐振性质以‘过零点’或者接近‘过零点’来操作开关，并且因此实现低或零电流条件。

转换器300a的换向状态的示例在图6A至6F中示出。在这个示例中，示出简单转换器300a，其包括两个集群302，各包含三个单元402(仅相对图6A的上集群302所标记)。

图6A中，示出第一换向状态。集群302串联连接到较高电压网络。为此，较高电压开关304闭合，而较低电压网络开关304b打开。并联连接开关304c也打开。在单元402内，连接单元402a中的连接单元开关406a闭合，并且集群302因此串联布置。串联连接单元402b中的串联连接开关406b也闭合，而串联连接单元402b的中间开关406c打开：因此，各集群302内的电容器404也串联连接。

如从粗黑线能够看到，这形成正与负较高电压dc端子306a、306b之间的连接，其中所有单元402中的所有电容器404都串联布置。

其中转换器连接到较低电压dc网络的第二换向状态在图6F中示出。但是，现在参照图6B至图6E来描述各种中间换向状态。

第一中间换向状态在图6B中示出。将注意，两种网络开关304a和304b这时打开，因此转换器300a没有连接到任一个网络。另外，连接单元402a中的连接单元开关406a打开。否则，开关304、406的换向状态从图6A所示的换向状态保持不变。在这个状态中，集群302之间的串联连接通过连接单元开关406a的打开而中断，但是各集群302内的电容器404的串联连接保持。如将会领会，一旦与两种网络的连接已经断开，连接单元开关406a两端的电压应当为零或较低，因为应当平衡电容器404。因此，在这个周期期间打开连接单元开关406a允许这些开关406a的零或低电压换向。由于这个低/零电压状态在后续切换状态中不会被看到，所以期望在循环中的这个点处操作这些开关(但是如将会领会，如果开关406a充分高地定额则不是必要的)。

第二中间换向状态在图6C中示出。两种网络开关304a和304b保持打开，连接单元402a中的连接单元开关406a也是一样。但是，串联连接单元402b内的切换位置反转：串联连接开关406b打开，而串联连接单元402b的中间开关406c闭合。因此，各集群302内的电容器404的串联连接已经中断，以便减小并联连接开关304c两端的电压。实际上，在这个换向状态中，两个电容器404没有串联连接。电容器404行动以钳制各单元内的电压，使得这个操作中开关406b、406c两端的电压最多是电容器404其中之一两端的电压。

图6D中，较低电压网络开关304b闭合，并联连接开关304c也是一样。由于图6C中假定的配置，这种切换以较低电压—最多为模块中的电容器的组合电压—进行。但是，较低电压网络两端的连接不是完整的，因为连接单元402a中的连接单元开关406a保持打开。如同图6C中一样，串联连接开关406b打开，而串联连接单元402b的中间开关406c闭合。如同图6C中一样，两个电容器404没有串联连接。

图6E中，串联连接单元402b内的切换位置再次反转，使得串联连接开关406b闭合而串联连接单元402b的中间开关406c打开(电容器404再次行动以将各单元中的电压钳制到单元电容器404两端的电压)。因此恢复了各集群302内的电容器404的串联连接。但是，两种连接单元402a中的连接单元开关406a保持打开，因此集群302保持相互隔离(并且还与较低电压端子断开)。

最后，图6F中，直接连接到较低电压dc网络的负端子308b的连接单元402a中的连接单元开关406a闭合，从而完成到较低电压网络的连接。将注意，另一集群的连接单元402a中的连接单元开关406a保持打开，以确保集群302并联连接。如果提供更多集群，则这个开关406a将会在所有这类集群中打开，其中只有直接连接到负端子308b的连接单元402a中的连接单元开关406a闭合。通过并联连接开关304c闭合并且传导电流，集群302被并联布置，如从图6F中的粗黑线能够看到，并且因而被连接以提供较低电压dc网络两端的电容器404的2×3矩阵(因为在这个示例中，存在各具有三个单元402的两个集群302)。

类似的换向状态序列将会用于逆过程，也就是说，从集群302的并联连接转到集群302的串联连接。

将注意，虽然串联连接单元402b的串联连接开关406b和中间开关406c必须定额成耐受等于一个单元电容器两端的电压的电压幅值。但是，较低电压网络开关304b和并联连接开关304c以及连接单元402a中的连接单元开关406a必须定额成耐受等于集群302内部串联连接的所有电容器404的电压的电压幅值，其也是电路的较低电压输出(V_{dc low})。在这个示例中，较高电压开关304a可遭遇较高电压、具体来说是较高电压网络的电压(V_hvdc)减去集群的电压(V_cluster)、即V_hvdc - V_cluster，并且应当相应地选择或配置。

对于其中可预计开关工作在超过容易可用(或者容易可提供)半导体开关的电压额定(在编写时对于IGBT通常大约为6.5 kV)的电压(例如对于开关304b、304c、406中的许多的电路的较低电压侧输出或者对于较高电压开关304a的V_hvdc - V_cluster)处的电路配置，一系列开关可用来提供外部开关304和连接单元开关406a的任何、一些或全部(但是大体上，串联连接开关406b和中间开关406c也能够各包括开关的串联连接)。虽然如上所述，以低或零电流和电压条件进行切换因为它降低对切换组件的损坏的风险而一般是合乎需要的，但是在其中各开关实际上通过较低定额电压开关的串联连接来提供的具体示例中，它也是合乎需要的，因为它避免了平衡这些开关两端的电压使得没有一个开关必须超过其电压额定的需要。

因此能够看到，通过按照使得中间开关406c闭合以确保任何这类串联连接的连接开关304、406a的零或低电压切换的方式以中间切换状态操作转换器300，来避免串联连接开关304、406a的换向期间的任何这类动态电压共享问题。

通过如图6C和图6D那样闭合中间开关406c并且打开串联连接开关，去除电容器404之间的串联连接，从而实现串联连接开关的零或低电压换向。这种布置中的电容器404行动以钳制集群302内的开关两端的电压。

将注意，这种转换器300是易于可缩放的，因为能够添加更多集群302以增加较高电压输出，以及假定提供电容器404,使得串联布置在集群302内，它们定额成匹配较低电压峰值，将另外单元402添加到集群302允许较高的较低电压。在任何情况下，因为没有一个集群电容器404在并联连接中单独出现(即，不是与至少一个其他电容器串联)，所以没有一个电容器404必须定额成完全较低电压。这意味着，较高电压可用于较低电压侧上，和/或因为高定额电容器是稀少并且较昂贵的，所以可使用很可能以降低成本的更大范围的电容器。

此外，串联连接半导体开关在转换过程期间无需耐受高电压电平，因为电容器404行动以钳制每个集群302内部的开关406两端的电压，因而避免任何动态电压共享问题，其可能以其他方式在与串联连接半导体装置关联的换向期间发生。

转换器、具体来说是双极转换器700的第二实施例在图7中示出。在这个示例中，转换器700具有双极配置，具体来说布置为‘对称单极’，其中正和负极点对地均处于电压电平

处。双极转换器700包括两个臂702、704，以及较低电压端子连接到臂702、704之间的中点。在这个实施例中，较低电压输出处于地电位处，其允许与其连接的任何设备的更宽松电压隔离额定，如例如对于为本地AC电网馈电的较小VSC站可以是合乎需要的。

转换器臂各包括许多集群302，来自每个臂的其中之一在图7内以放大视图示出。在下臂中，直接连接到较低电压端子的底部臂704的集群302'具有连接单元402a'，其具有与先前所述布置不同的布置，并且具体来说具有图8所示的布置，以便允许到正和负较低电压端子的连接。图8所示的连接单元具有两个端子连接，正端子连接802和负端子连接804，各与开关装置806关联。这允许这个下臂704到正和负较低电压端子的选择性连接。

与以上所述体系类似的换向体系能够与这种转换器700一起使用。

图9A至9E示出单极配置中的模块化级联DC-DC转换器的操作期间所预计的一些波形。在这个具体示例中，实现具有2:1的HV(高压)/LV(低压)(6kV/3kV)转换比的2MW转换器。在这种情况中的转换器具有每集群302两个单元402和两个集群302，因此转换器具有四个电容器，并且电容器电压限制到1.5 kV。

图9A中，转换器的较高电压和较低电压端子中的平均有效功率流被示出，并且正确地跟踪±2MW功率需求。功率反转在没有对波形的显著中断的情况下发生(但是对于功率确实花费短时间量来呈现(assume)稳态)。

图9B示出电压波形，以及图9C示出在较低电压端子的电流波形。将注意，将电压正确地调节到3 kV的预期值，并且当功率流方向改变时平滑地反转电流。

图9D示出电容器电压，其保持在1500 V平均电压值附近的预期电压纹波余量之内并且完全平衡，以及图9E示出经过较低电压电感器和电路中的四个外部固态开关(即，较高电压开关304a、较低电压网络开关304b和并联连接开关304c)的电流。具体来说，图9E示出经过较高电压网络开关304a的电流在与其连接的电容器404进行充电的同时进行建立并且然后下降。当实现零电流条件时，转换器300切换到第二换向状态，其中电流流经较低电压网络开关304b，并且流经并联连接开关304c的每个(或者在这种情况下为两者)，直到电流流动再次为零(如由技术人员将会领会，在遍及这个过程中，在到较高电压侧的连接期间所获得的电荷被传递到较低电压侧，以及电流因谐振电路的作用而上升并且回降到零)，在所述点，恢复第一换向状态。看到两个换向状态之间的电容器404中的零净能量交换。

图9E的电流波形示出转换器300操作的谐振性质和转换器开关的零电流换向。

图10A至图10E示出具有与图7配置类似的配置的具有HV(高压)/LV(低压)转换比为6:1 (72kV/12kV)的±6MW双极转换器的模拟结果。这种情况中的转换器具有每集群302三个单元402和每臂三个集群302，因此转换器700具有每臂九个电容器404。由于每个集群302由三个单元402组成，所以每个个别电容器404中的电压限制到4 kV。

图10A中，转换器的较高电压和较低电压端子中的平均有效功率流被绘制，并且正确地跟踪±6MW功率需求。

图10B示出电压波形，以及图10C示出在较低电压端子的电流波形。

图10D和图10E分别示出顶部和底部臂的电容器电压，其保持在4 kV平均电压值附近的预期电压纹波余量之内，并且完全平衡。由于双极电路的两个臂交替操作，所以能够观察到，电容器404的放电对顶部和底部臂同时发生(即，当所有电容器404在较高电压侧两端串联时)，但是来自较低电压侧的电荷择一首先对顶部臂中的单元402并且然后对底部臂中的单元402发生(当它们每个与较低电压输出并联连接时)。在这种情况中，当功率流方向是从较低电压侧到较高电压侧时，对操作间隔显示电容器电压和开关电流。

图10F示出经过电路中的较低电压电感器和六个外部固态开关(即，较高电压开关304a(IS_ext1)、较低电压网络开关304b(IS_ext6)和并联连接开关304c(IS_ext2-IS_ext5))的电流完全平衡。

虽然本文描述了某些示例，但是本发明并不局限于所述示例，以及备选方案将被技术人员想到。具体来说，虽然描述了具有特定数量的单元和模块的转换器，但是可提供或多或少模块/单元，并且其设计能够与所示设计有所不同。在本文提供数值示例的情况下，这些只是用于示例的目的。在本文描述电容器、二极管、电感器和/或开关的情况下，技术人员将会知道，多于一个电容器/开关/二极管/电感器能够用来提供所述功能，并且应当相应地理解术语。

Claims

1.一种用于在较高电压与较低电压之间转换电压的DC到DC转换器，所述转换器包括多个电容器和多个开关装置，并且通过至少一个开关装置的操作使得所述转换器能够受控地处于第一换向状态、一个或多个中间换向状态和第二换向状态，其中：

在所述第一换向状态中，所述转换器配置用于到较高电压端子的连接和从较低电压端子的断开，并且所述多个电容器串联连接；以及

在所述第二换向状态中，所述转换器配置用于到较低电压端子的连接和从较高电压端子的断开，并且所述多个电容器被连接以形成并联连接的至少两个分支，每个分支包括至少两个电容器的串联连接，其中所述转换器布置成在采取所述第一换向状态与所述第二换向状态之间采取至少一个中间换向状态，以及所述至少一个中间换向状态包括其中中断在所述第二换向状态中处于所述转换器的相同分支内的电容器之间的至少一个串联连接的状态。

2.如权利要求1所述的转换器，其中所述多个电容器布置在至少两个集群中，其被布置，使得在所述第一换向状态和所述第二换向状态中，每个集群内的所述电容器串联连接，并且还使得所述至少两个集群在所述第一换向状态中串联连接而在所述第二换向状态中并联连接。

3.如权利要求2所述的转换器，其中至少两个这类集群包括相同配置的组件。

4.如权利要求2至3中的任一项所述的转换器，其中集群包括单元并且在单元中每个电容器与至少一个开关装置关联，以及至少两个这类单元包括相同配置的组件。

5.如权利要求1所述的转换器，其中在所述第二换向状态中处于相同分支内的串联的电容器跨接在多个串联连接开关装置两端，以及所述一个或多个中间换向状态被布置，使得在所述第一换向状态与所述第二换向状态之间的变换期间在任何串联连接开关装置两端的最大电压最多是在单个电容器两端的电压。

6.如权利要求1至3中的任一项所述的转换器，所述转换器具有双极配置，其中所述转换器包括两个臂，每个臂包括多个电容器和多个开关装置，以及通过至少一个开关装置的操作使得所述转换器能够受控地处于所述第一换向状态和所述第二换向状态，其中，

在所述第一换向状态中，所述转换器配置用于到较高电压端子的连接和从较低电压端子的断开，并且所述多个电容器串联连接，以及

在所述第二换向状态中，所述转换器配置用于到较低电压端子的连接和从较高电压端子的断开，并且每个臂中的所述多个电容器被连接以形成至少两个并联分支，所述分支包括至少两个电容器的串联连接，其中所述较低电压端子连接到所述两个臂之间的点。

7.如权利要求6所述的转换器，其中一个或多个开关装置提供在至少一个臂中以允许至少一个臂到正的较低电压端子和负的较低电压端子两者的选择性连接。

8.如权利要求1至3中的任一项所述的转换器，其中所述开关装置包括下列中的一个或多个：单个开关、一系列连接开关。

9.如权利要求1至3中的任一项所述的转换器，其中所述开关装置包括下列中的一个或多个：并联连接的开关；与反并联单向电流装置关联的至少一个单向开关；串联连接的单向开关，其中所述串联连接的单向开关与至少一个反并联单向电流装置关联。

10.如权利要求1至3中的任一项所述的转换器，其中所述开关装置包括半导体装置。

11.如权利要求1至3中的任一项所述的转换器，所述转换器是双向的。

12.一种在较高电压与较低电压之间转换电压的方法，所述方法包括：

(i) 提供按照连接到较高电压端子的串联配置的多个电容器；

(ii) 将所述多个电容器与所述较高电压端子断开；

(iii) 将所述多个电容器之间的串联连接重新配置为包括至少两个并联分支的矩阵配置，每个分支包括串联连接的至少两个电容器；

(iv) 重新配置按照所述矩阵配置和所述串联配置所串联连接的所述电容器之间的所述连接以去除在相同分支内的电容器之间的至少一个串联连接；以及

(v) 将所述矩阵配置连接到较低电压端子。

13.如权利要求12所述的转换电压的方法，所述方法还包括下列步骤：

(vi) 将所述电容器与所述较低电压端子断开；

(vii) 将在所述分支之间的并联连接重新配置为串联配置；以及

(viii) 将所述串联配置连接到所述较高电压端子。

14.如权利要求13所述的转换电压的方法，所述方法还包括在步骤(vi)与步骤(vii)之间执行下列步骤：将所述电容器之间的所述串联连接重新配置为至少一个中间配置，将所述电容器之间的所述串联连接重新配置为至少一个中间配置包括重新配置按照所述矩阵配置和所述串联配置所串联连接的所述电容器之间的所述连接以去除在相同分支内的电容器之间的至少一个串联连接。

15.如权利要求12所述的转换电压的方法，其中执行步骤(i)，直到电路内的电流流动停止为止，并且接着执行步骤（ii）至（v）。

16.如权利要求13至14中的任一项所述的转换电压的方法，其中执行步骤(i)，直到电路内的电流流动停止为止，并且接着执行步骤（ii）至（viii）。