CN107306089A - 充气管切换的高压dc功率转换器 - Google Patents

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Abstract

直流(DC)‑DC转换器包含变压器和充气管切换的逆变器电路。变压器包含一次绕组和二次绕组。充气管切换的逆变器电路包含第一和第二逆变器负载端子与第一和第二逆变器输入端子。第一和第二逆变器负载端子耦合到一次绕组。第一和第二逆变器输入端子可耦合到DC节点。充气管切换的逆变器电路还包含分别耦合在第一和第二逆变器负载端子与第一和第二逆变器输入端子之间的多个充气管开关。多个充气管开关配置成进行操作以在一次绕组处生成交流(AC)电压。

Description

充气管切换的高压DC功率转换器
有关联邦赞助的研究和开发的声明
本发明根据由能源部授予的合同号DE-AR0000298以政府支持来进行。政府具有本发明的某些权利。
背景技术
本公开的领域一般涉及高压直流(HVDC)系统，并且更具体地说，涉及用于HVDC系统的充气管切换的DC功率转换器。
已知功率传输系统利用直流(DC)或交流(AC)网络。在已知AC系统中，各种AC网络使用变压器连接以在电压级别之间转变，并且提供电流隔离。DC节点使用变压器和AC-DC转换器连接到此种AC系统。另外的DC节点可使用在DC节点之间的DC电路断路器连接以阻断故障传播。DC节点包含例如但不限于DC负载、DC功率源和DC电网。
相对于更普遍的AC传输系统，已知中电压和低电压DC传输系统提供了成本降低和损耗降低。用于例如超过10000伏的高压DC (HVDC)传输系统的成本相对于AC备选传输系统仍是高的。高成本是由于组装HVDC系统所必需的DC组件的成本和数量引起。此类DC组件包含例如但不限于DC电路断路器和功率半导体。在例如但不限于诸如DC-DC转换器的某些组件中，将多个中电压或低电压组件串联连接以实现高电压级别。多个串联连接的组件引入累积的成本和损耗。
发明内容
在一方面中，提供了一种DC-DC转换器。DC转换器包含变压器和充气管切换的逆变器电路。变压器包含一次绕组和二次绕组。充气管切换的逆变器电路包含第一和第二逆变器负载端子与第一和第二逆变器输入端子。负载端子耦合到一次绕组。输入端子可耦合到DC节点。充气管切换的逆变器电路还包含分别耦合在第一和第二逆变器负载端子与第一和第二逆变器输入端子之间的多个充气管开关。多个充气管开关配置成进行操作以在一次绕组处生成交流(AC)电压。
在另一方面中，提供了一种充气管切换的功率转换器。充气管切换的功率转换器包含多个充气管开关，包含第一、第二、第三和第四充气管开关。第一充气管开关耦合在第一输入节点与第一输出节点之间。第二充气管开关耦合在第一输入节点与第二输出节点之间。第三充气管开关耦合在第二输入节点与第一输出节点之间。第四充气管开关耦合在第二输入节点与第二输出节点之间。充气管切换的功率转换器还包含耦合到多个充气管开关的每个的控制器。控制器配置成操作多个充气管开关以将AC功率转换成DC功率。
在仍有的另一方面中，提供了一种DC传输系统。DC传输系统包含第一DC节点和第二DC节点。第一DC节点在第一DC电压是可操作的。第二DC节点在第二DC电压是可操作的。DC传输系统还包含配置成在第一DC电压与第二DC电压之间转换的DC-DC转换器。DC-DC转换器包含变压器、充气管切换的逆变器和充气管切换的整流器。变压器包含一次绕组和二次绕组。充气管切换的逆变器耦合在第一DC节点与一次绕组之间。充气管切换的整流器耦合在第二DC节点与二次绕组之间。
本发明提供一组技术方案,如下:
1. 一种直流(DC)-DC转换器，包括：
变压器，包括一次绕组和二次绕组；以及
充气管切换的逆变器电路，包括：
第一逆变器负载端子和第二逆变器负载端子，所述第一逆变器负载端子和所述第二逆变器负载端子中的每个耦合到所述一次绕组；
第一逆变器输入端子和第二逆变器输入端子，所述第一逆变器输入端子和所述第二逆变器输入端子中的每个可耦合到第一DC节点；以及
第一多个充气管开关，分别耦合在所述第一和第二逆变器负载端子与所述第一和第二逆变器输入端子之间，所述第一多个充气管开关配置成进行操作以在所述一次绕组处生成交流(AC)电压。
2. 如技术方案1所述的DC-DC转换器，还包括充气管切换的整流器电路，其包括：
耦合到所述二次绕组的第一和第二整流器输入端子；
可耦合到第二DC节点的第一和第二整流器负载端子；以及
第二多个充气管开关，分别耦合在所述第一和第二整流器输入端子与所述第一和第二整流器负载端子之间，所述第二多个充气管开关配置成进行操作以在所述第一和第二整流器负载端子处生成DC电压。
3. 如技术方案1所述的DC-DC转换器，其中所述第一多个充气管开关包括：
第一充气管开关，耦合在所述第一逆变器输入端子与所述第一逆变器负载端子之间；
第二充气管开关，耦合在所述第一逆变器输入端子与所述第二逆变器负载端子之间；
第三充气管开关，耦合在所述第二逆变器输入端子与所述第一逆变器负载端子之间；以及
第四充气管开关，耦合在所述第二逆变器输入端子与所述第二逆变器负载端子之间。
4. 如技术方案3所述的DC-DC转换器，其中所述第一充气管开关和所述第四充气管开关配置成一起打开和闭合。
5. 如技术方案1所述的DC-DC转换器，其中所述第一多个充气管开关每个在超过10000伏DC的电压是可操作的。
6. 如技术方案2所述的DC-DC转换器，还包括耦合在所述第一和第二逆变器负载端子与所述一次绕组之间的阻抗电路，所述阻抗电路配置成对所述第二DC节点进行阻抗匹配。
7. 如技术方案1所述的DC-DC转换器，还包括耦合到所述第一多个充气管开关的控制器，所述控制器配置成在切换频率控制所述多个充气管开关的操作。
8. 如技术方案7所述的DC-DC转换器，其中所述控制器配置成在500赫兹与20000赫兹之间并且包括500赫兹和20000赫兹的切换频率操作所述第一多个充气管开关。
9. 一种充气管切换的功率转换器，包括：
多个充气管开关，包括：
耦合在第一输入节点与第一输出节点之间的第一充气管开关；
耦合在所述第一输入节点与第二输出节点之间的第二充气管开关；
耦合在第二输入节点与所述第一输出节点之间的第三充气管开关；以及
耦合在所述第二输入节点与所述第二输出节点之间的第四充气管开关；以及
控制器，耦合到所述多个充气管开关的每个充气管开关，所述控制器配置成操作所述多个充气管开关以将交流(AC)功率转换成直流(DC)功率。
10. 如技术方案9所述的充气管切换的功率转换器，其中所述控制器还配置成：
打开所述第一充气管开关并且互补地闭合所述第三充气管开关；以及
打开所述第二充气管开关并且互补地闭合所述第四充气管开关。
11. 如技术方案9所述充气管切换的功率转换器，其中所述控制器还配置成将相应的切换信号传送到所述多个充气管开关以控制所述每个充气管开关的打开。
12. 如技术方案9所述充气管切换的功率转换器，其中所述控制器还配置成将相应的保活信号传送到所述多个充气管开关以控制所述每个充气管开关的闭合。
13. 如技术方案9所述充气管切换的功率转换器，其中所述多个充气管开关包括多个冷阴极切换装置。
14. 如技术方案9所述充气管切换功率转换器，其中所述控制器还配置成操作所述多个充气管开关以双向转换AC功率到DC功率和DC功率到AC功率。
15. 一种直流(DC)传输系统，包括：
在第一DC电压可操作的第一DC节点；
在第二DC电压可操作的第二DC节点；以及
DC-DC转换器，配置成在所述第一DC电压与所述第二DC电压之间转换，所述DC-DC转换器包括：
变压器，包括一次绕组和二次绕组；
充气管切换的逆变器，耦合在所述第一DC节点与所述一次绕组之间；以及
充气管切换的整流器，耦合在所述第二DC节点与所述二次绕组之间。
16. 如技术方案15所述的DC传输系统，其中所述第一DC节点在10千伏到300千伏并且包括10千伏和300千伏的范围中是可操作的。
17. 如技术方案15所述的传输系统，其中所述充气管切换的逆变器包括：
第一多个充气管开关，包含：
耦合在所述第一DC节点与所述一次绕组的第一端子之间的第一充气管开关；
耦合在所述第一DC节点与所述一次绕组的第二端子之间的第二充气管开关；
耦合在所述第一DC节点与所述一次绕组的所述第一端子之间的第三充气管开关；和
耦合在所述第一DC节点与所述一次绕组的所述第二端子之间的第四充气管开关；以及
控制器，耦合到所述第一多个充气管开关的每个充气管开关，所述控制器配置成操作所述第一多个充气管开关以将所述第一DC电压转换成在所述一次绕组处的交流(AC)电压。
18. 如技术方案17所述的DC传输系统，其中所述第一多个充气管开关的每个具有至少100千伏的对峙额定。
19. 如技术方案17所述的DC传输系统，其中所述控制器配置成在2000赫兹的切换频率操作所述第一多个充气管开关。
20. 如技术方案17所述的DC传输系统，其中所述充气管切换的逆变器还包括分别与所述第一多个充气管开关串联耦合的第二多个充气管开关。
本发明提供另一组技术方案,如下:
1. 一种直流(DC)-DC转换器(100;412,414,416,418,420)，包括：
变压器(102)，包括一次绕组(104)和二次绕组(106)；以及
充气管切换的逆变器电路(108;500)，包括：
第一逆变器负载端子(116)和第二逆变器负载端子(116)，所述第一逆变器负载端子和所述第二逆变器负载端子中的每个耦合到所述一次绕组；
第一逆变器输入端子(112)和第二逆变器输入端子(114)，所述第一逆变器输入端子和所述第二逆变器输入端子中的每个可耦合到第一DC节点(200;300;402,404,406,408,410)；以及
第一多个充气管开关(120,122,124,126;502,504,506,508)，分别耦合在所述第一和第二逆变器负载端子与所述第一和第二逆变器输入端子之间，所述第一多个充气管开关配置成进行操作以在所述一次绕组处生成交流(AC)电压。
2. 如技术方案1所述的DC-DC转换器(100;412,414,416,418,420)，还包括充气管切换的整流器电路(110;500)，其包括：
耦合到所述二次绕组(106)的第一和第二整流器输入端子(132)；
可耦合到第二DC节点(200;300;402,404,406,408,410)的第一和第二整流器负载端子(128,130)；以及
第二多个充气管开关(134,136,138,140;502,504,506,508)，分别耦合在所述第一和第二整流器输入端子与所述第一和第二整流器负载端子之间，所述第二多个充气管开关配置成进行操作以在所述第一和第二整流器负载端子处生成DC电压。
3. 如技术方案1所述的DC-DC转换器(100;412,414,416,418,420)，其中所述第一多个充气管开关包括：
第一充气管开关(120;502)，耦合在所述第一逆变器输入端子(112)与所述第一逆变器负载端子(116)之间；
第二充气管开关(122;504)，耦合在所述第一逆变器输入端子与所述第二逆变器负载端子(116)之间；
第三充气管开关(124;506)，耦合在所述第二逆变器输入端子(114)与所述第一逆变器负载端子之间；以及
第四充气管开关(126;508)，耦合在所述第二逆变器输入端子与所述第二逆变器负载端子之间。
4. 如技术方案3所述的DC-DC转换器(100;412,414,416,418,420)，其中所述第一充气管开关(120;502)和所述第四充气管开关(126;508)配置成一起打开和闭合。
5. 如技术方案1所述的DC-DC转换器(100;412,414,416,418,420)，其中所述第一多个充气管开关(120,122,124,126;502,504,506,508)每个在超过10000伏DC的电压是可操作的。
6. 如技术方案2所述的DC-DC转换器(100;412,414,416,418,420)，还包括耦合在所述第一和第二逆变器负载端子(116)与所述一次绕组(104)之间的阻抗电路(118)，所述阻抗电路配置成对所述第二DC节点(200;300;402,404,406,408,410)进行阻抗匹配。
7. 如技术方案1所述的DC-DC转换器(100;412,414,416,418,420)，还包括耦合到所述第一多个充气管开关(120,122,124,126;502,504,506,508)的控制器(532)，所述控制器配置成在切换频率控制所述多个充气管开关的操作。
8. 如技术方案7所述的DC-DC转换器(100;412,414,416,418,420)，其中所述控制器配置成在500赫兹与20000赫兹之间并且包括500赫兹和20000赫兹的切换频率操作所述第一多个充气管开关(120,122,124,126;502,504,506,508)。
9. 一种充气管切换的功率转换器(500)，包括：
多个充气管开关，包括：
耦合在第一输入节点(512)与第一输出节点(516)之间的第一充气管开关(502)；
耦合在所述第一输入节点与第二输出节点(518)之间的第二充气管开关(504)；
耦合在第二输入节点(514)与所述第一输出节点之间的第三充气管开关(506)；以及
耦合在所述第二输入节点与所述第二输出节点之间的第四充气管开关(508)；以及
控制器(532)，耦合到所述多个充气管开关的每个充气管开关，所述控制器配置成操作所述多个充气管开关以将交流(AC)功率转换成直流(DC)功率。
10. 如技术方案9所述的充气管切换的功率转换器(500)，其中所述控制器(532)还配置成：
打开所述第一充气管开关(502)并且互补地闭合所述第三充气管开关(506)；以及
打开所述第二充气管开关(504)并且互补地闭合所述第四充气管开关(508)。
11. 如技术方案9所述充气管切换的功率转换器(500)，其中所述控制器(532)还配置成将相应的切换信号(534,536,538,540)传送到所述多个充气管开关(502,504,506,508)以控制所述每个充气管开关的打开。
12. 如技术方案9所述充气管切换的功率转换器(500)，其中所述控制器(532)还配置成将相应的保活信号传送到所述多个充气管开关(502,504,506,508)以控制所述每个充气管开关的闭合。
13. 如技术方案9所述充气管切换的功率转换器(500)，其中所述多个充气管开关(502,504,506,508)包括多个冷阴极切换装置。
14. 如技术方案9所述充气管切换功率转换器(500)，其中所述控制器(532)还配置成操作所述多个充气管开关(502,504,506,508)以双向转换AC功率到DC功率和DC功率到AC功率。
15. 一种直流(DC)传输系统(400)，包括：
在第一DC电压可操作的第一DC节点(200;300;402,404,406,408,410)；
在第二DC电压可操作的第二DC节点(200;300;402,404,406,408,410)；以及
DC-DC转换器，配置成在所述第一DC电压与所述第二DC电压之间转换，所述DC-DC转换器包括：
变压器(102)，包括一次绕组(104)和二次绕组(106)；
充气管切换的逆变器(108)，耦合在所述第一DC节点与所述一次绕组之间；以及
充气管切换的整流器(108)，耦合在所述第二DC节点与所述二次绕组之间。
附图说明
在参照附图阅读下面详细描述时，本公开的这些和其它特征、方面和优点将变得更好理解，附图中相似的字符在图形通篇中表示相似的部分，其中：
图1是示范DC-DC转换器的框图；
图2是供与图1的DC-DC转换器一起使用的示范DC节点的框图；
图3是供与图1的DC-DC转换器一起使用的另一示范DC节点的框图；
图4是供与图1的DC-DC转换器一起使用的示范DC系统的框图；
图5是供在图1的DC-DC转换器中使用的示范充气管切换的转换器电路的示意图；以及
图6是供在图1的DC-DC转换器中使用的示范双向充气管开关的示意图。
除非另有指示，否则，本文中提供的图形意味着图示本公开的实施例的特征。这些特征被认为在包括本公开的一个或更多个实施例的广泛的多种系统中均可适用。因此，图形不意味着包含由本领域技术人员已知的用于实践本文中公开的实施例所要求的所有常规特征。
具体实施方式
在下面的说明书和权利要求书中，参考了具有下面含义的多个术语。
除非上下文另有明确指示，否则，单数形式“一”，“一个”和“该”包含多数参考。
“可选的”或“可选地”意味着随后描述的事件或情况可发生或可不发生，并且描述包含其中事件发生的实例或其中事件未发生的实例。
如在本文中说明书和权利要求书通篇中使用的，可以应用近似语言来修饰能够在不导致与其相关的基本功能中的变化的情况下准许变化的任何定量表示。因此，由诸如“约”、“大约”或“基本上”的一个或多个术语修饰的值不限于所指定的精确值。在至少一些实例中，近似语言可以对应于用于测量该值的仪器的精度。在这里以及在说明书和权利要求书通篇中，除非上下文或语言另有指示，可以组合和/或互换范围限制，此类范围被标识且包含所有在其中所含的子范围。
一些实施例涉及使用一个或更多个电子或计算装置。此类装置通常包含处理器、处理装置或控制器，例如通用中央处理单元(CPU)、图形处理单元(GPU)、微控制器、精简指令集计算机(RISC)处理器、专用集成电路(ASIC)、可编程逻辑电路(PLC)、现场可编程门阵列(FPGA)、数字信号处理(DSP)装置和/或能够运行本文中描述的功能的任何其它电路或处理装置。本文中描述的方法可编码为在包含但不限于存储装置和存储器装置的计算机可读媒介中体现的可运行指令。此类指令在由处理装置运行时，促使处理装置执行本文中描述的方法的至少一部分。上述示例只是示范的，并且因此不意图以任何方式限制术语处理器、处理装置和控制器的定义和/或含义。
在本文中描述的实施例中，存储器可包含但不限于计算机可读媒介，例如随机存取存储器(RAM)和诸如闪速存储器的计算机可读非易失性媒介。备选地，也可使用软盘、压缩光盘只读存储器(CD-ROM)、磁光盘(MOD)和/或数字多功能光盘(DVD)。而且，在本文中描述的实施例中，另外的输入信道可以但不限于是与诸如鼠标和键盘的操作员接口相关联的计算机外设。备选地，也可使用其它计算机外设，这些外设可包含例如但不限扫描仪。此外，在示范实施例中，另外的输出信道可包含但不限于操作员接口监测器。
本公开的实施例涉及HVDC系统和充气管切换的DC功率转换器。本文中描述的DC功率转换器提供AC和DC功率的双向全桥转换。更具体地说，本文中描述的DC功率转换器提供利用具有超过10000伏的单装置电压对峙(voltage standoff)和低前向电压降的充气管开关的全桥电路。本文中描述的DC功率转换器有利于在各种HVDC级别操作的DC节点之间的高电压DC-DC功率转换。此类DC-DC转换器还有利于对接在不同级别的两个HVDC节点，而无需另外的保护组件用于隔离或堆叠许多半导体切换装置来实现用于装置和功率传输的所预期电压额定。本文中描述的高电压DC-DC转换器提供可控的开启和关闭的电压源和电流源操作和双向操作。
图1是示范DC-DC转换器100的框图。DC-DC转换器100包含变压器102，其包含一次绕组104和二次绕组106。DC-DC转换器100还包含充气管切换的逆变器电路108和充气管切换的整流器电路110。
充气管切换的逆变器电路108包含第一输入端子112和第二输入端子114。充气管切换的逆变器电路108还包含耦合在第一输入端子112和第二输入端子114之间并且包含一对负载端子116的全桥逆变器。负载端子116通过阻抗电路118耦合到变压器102的一次绕组104。充气管切换的逆变器电路108的全桥逆变器利用至少四个充气管开关120、122、124和126。图1图示通过四个充气管开关实现的充气管切换的逆变器电路108；然而，在备选实施例中，充气管切换的逆变器电路108的全桥逆变器包含串联“堆叠”的两个或更多个充气管开关以替代充气管开关120、122、124和126的每个。开关的堆叠配置提供比单个开关的电压额定更大的对峙电压额定。
阻抗电路118包含作为滤波器操作以有利于功率转换器的进一步控制的电抗负载，进一步控制包含例如但不限于充气管开关120、122、124和126的软导通和关断。
充气管开关120、122、124和126被操作以将跨第一输入端子112和第二输入端子114应用的DC电压转换成在负载端子116处的AC电压。通常，在充气管开关122和124是打开的时，充气管开关120和126是闭合的。同样地，在充气管开关122和124是闭合的时，充气管开关120和126是打开的。例如，在应用正DC电压到第一输入端子112，并且应用负DC电压到第二输入端子114时，交替打开和闭合充气管开关120、122、124和126以交替应用正和负电压到负载端子116。充气管开关120、122、124和126在特定切换频率操作以实现在一次绕组104处的所预期质量的AC功率。例如，在某些实施例中，在500赫兹与20000赫兹之间(包括500赫兹和20000赫兹)的切换频率操作充气管开关120、122、124和126。充气管开关120和124交替切换，使得在给定时间一个开关是打开的，而一个开关是闭合的。在充气管开关120和124在某个时间段内均是打开的情况下，应用“死区时间”。同样地，通过死区时间来交替切换充气管开关122和126。在某些实施例中，通过在充气管开关120和122与124和126中控制信号之间的相移来操作充气管开关120、122、124和126。
充气管切换的整流器电路110包含第一负载端子128和第二负载端子130。充气管切换的整流器电路110还包含耦合在第一负载端子128和第二负载端子130之间并且包含一对输入端子132的全桥整流器。输入端子132耦合到变压器102的二次绕组106。充气管切换的整流器电路110的全桥整流器利用至少四个充气管开关134、136、138和140。关于充气管切换的逆变器电路108，充气管切换的整流器110在图1中示为通过四个充气管开关134、136、138、140实现。在备选实施例中，充气管切换的整流器电路110的全桥整流器包含串联堆叠的两个或更多个充气管开关以替代充气管开关134、136、138和140的每个。
如在充气管切换的逆变器电路108中一样，充气管开关134、136、138和140被操作以将在二次绕组106处感应的AC电压转换成在第一负载端子128和第二负载端子130处的DC电压。在充气管开关136和138是闭合的时，充气管开关134和140是打开的。同样地，在充气管开关136和138是打开的时，充气管开关134和140是闭合的。例如，在二次绕组106处感应的AC电压是高的时，充气管开关134和140是闭合的，并且充气管开关136和138是打开的。在二次绕组106处感应的AC电压是低的时，充气管开关134和140是打开的，并且充气管开关136和138是闭合的。充气管开关134、136、138和140在特定切换频率操作以实现在第一负载端子128和第二负载端子130处的所预期质量的DC功率。
在某些实施例中，充气管开关120、122、124和126包含多个充气管开关的反并联布置以有利于双向操作。在单向实施例中，例如在全桥二极管电路中,充气管切换的逆变器电路108和充气管切换的整流器电路110中的一个的充气管开关配置成被有源切换，同时另一个被无源操作。例如，充气管开关120、122、124和126作为有源受控开关操作，并且充气管开关134、136、138和140作为无源开关操作。
在某些实施例中，充气管切换的逆变器电路108在电压源模式和电流源模式任一中是可操作的。同样地，充气管切换的整流器电路110在电压源模式和电流源模式任一中是可操作的。通常，全桥电路不能同时在电压源模式和电流源模式两者中操作。
图2是供与DC-DC转换器100（图1中示出）一起使用的示范DC节点200的框图。DC节点200包含耦合到AC/DC转换器200的功率源210。功率源210可包含例如但不限于AC发电机、AC电网或可再生AC功率源，例如风力发电机。AC/DC转换器220将由功率源210提供的AC功率转换成DC功率用于到在节点接口230处的DC网络或DC-DC转换器100的连接。
图3是供与DC-DC转换器100（图1中示出）一起使用的示范DC节点300的框图。DC节点300包含节点接口310、320和330。节点接口310、320和330中的每个可耦合到DC-DC转换器100。DC节点300还包含表示为传输线阻抗的传输线340、350、360和370。DC节点300是供与DC-DC转换器100一起使用的DC传输系统的示例。
图4是示范DC系统400的框图。DC系统400包含通过充气管切换的DC-DC转换器412、414、416、418和420耦合在一起的HVDC节点402、404、406、408和410的网络。HVDC节点402、404、406、408和410包含例如但不限于诸如DC节点200（图2中示出）的功率源、诸如DC节点300（图3中示出）的传输系统及各种AC和DC负载。HVDC节点402、404、406、408和410中的每个可在变化的DC电压级别操作。充气管切换的DC-DC转换器412、414、416、418和420包含例如但不限于诸如DC-DC转换器100（图1中示出）的DC-DC转换器，其在HVDC节点402、404、406、408和410之中在各种HVDC级别之间对接。
图5是供与DC-DC转换器100（图1中示出）一起使用的示范充气管切换的功率转换器电路500的示意图。功率转换器电路500包含在全桥电路510中布置的四个充气管开关502、504、506和508。全桥电路510包含四个端子512、514、516和518。在某些实施例中，全桥电路510是可双向操作的，因为跨端子512和514应用的DC电压产生跨端子516和518的AC电压，并且跨端子516和518应用的AC电压产生跨端子512和514的DC电压。
在备选实施例中，充气管开关502、504、506和508中的每个用串联耦合或“堆叠”的两个或更多个充气管开关替换。此种堆叠配置提供比单个充气管开关的对峙电压更高的对峙电压。例如，如果单个充气管开关具有100000伏的对峙电压，则三个此类充气管开关的堆叠产生300000的组合的对峙电压。同样地，如果单个充气管开关具有100伏的前向电压降，则三个的堆叠具有300伏的组合的前向电压降。
充气管开关502、504、506和508在一个实施例中实现为冷阴极切换装置，例如在作为美国专利申请公布号2016/0020057公布的并且在美国专利申请号14/776758中所述的那些开关，因此该申请通过引用全部结合。
充气管开关502、504、506和508中的每个包含与阴极522相对的阳极520。阳极520和阴极522位于室524内并且通过放电间隙分开。室524还包含占用放电间隙的可电离气体526。在开关是闭合的时，可电离气体526被电离化，产生从阳极520延伸到阴极522的传导等离子体。充气管开关502、504、506和508中的每个包含帮助保持传导等离子体的保活(keep-alive)电极528。保持传导等离子体导致某一损耗，其称为前向电压降。在开关是打开的时，不传导的可电离气体526使阳极520和切换电极530绝缘，这通过对峙电压来表征。对峙电压是开关的各种设计参数的函数，设计参数包含例如但不限于电极材料、电极几何结构、放电间隙几何结构、可电离气体256的性质、室524内的压力及开关的操作温度。用于充气管开关502、504、506和508的对峙电压例如但不限于从10000伏到300000伏(包含10000伏和300000伏)的范围。在备选实施例中，用于充气管开关502、504、506和508的对峙电压可超过300000伏。
对于充气管开关502、504、506和508中的每个，在换向时，使用保活电极528和切换电极530控制在阳极520与阴极522之间的电场。在充气管开关是打开的时，保活电极528可选地用来在保活电极528与阴极522之间保持弱等离子体，从而改进闭合过程的可重复性并且缩短了抖动时间。在闭合时，切换电极530被激励以初始化在阳极520与切换电极530之间的可电离气体526的电离化，以产生从阳极520延伸到阴极522的传导等离子体。在打开时，切换电极530被激励以短暂地截断传导等离子体的电流，从而有利于开关的打开。
由控制器532使用控制线534控制用于充气管开关502的保活电极528和切换电极530。用于充气管开关504、506和508的保活电极528和切换电极530同样地由控制器532分别使用控制线536、538和540控制。在某些实施例中，控制线534和536分别涉及端子516和518，并且控制线538和540涉及端子514。控制器532配置成操作充气管开关502、504、506和508以将DC功率转换成AC功率或反之亦然。例如，在充气管开关504和506是打开的时，充气管开关502和508是闭合的。此外，在充气管开关504和506是闭合的时，充气管开关502和508是打开的。控制器532交替打开和闭合充气管开关502和508与504和506以影响(affect)应用到端子512和514的DC电压到在端子516和518处的AC电压的转换，即逆变。同样地，控制器532交替打开和闭合充气管开关502和508与504和506以影响在端子516和518处的AC电压到在端子512和514处的DC电压的转换，即整流。
控制器532在切换频率操作充气管开关502、504、506和508。以赫兹为单位的切换频率量化每秒每个充气管开关502、504、506和508的换向次数。充气管开关502、504、506和508通过从打开到闭合或者从闭合到打开的单次转变进行换流。控制器532在500赫兹与20000赫兹之间(包括500赫兹和20000赫兹)的切换频率操作。控制器532操作所在的切换频率进一步根据耦合到端子512、514、516和518的装置或组件来确定。例如，充气管切换的DC-DC转换器100（图1中示出）包含耦合在诸如全桥电路510的两个全桥电路108与110之间的变压器102。用于充气管切换的DC-DC转换器100的切换频率的确定是变压器102的至少芯材料的函数。
图6是供在DC-DC转换器100（图1中示出）中使用的示范双向充气管开关600的示意图。双向充气管开关600包含第一端子602和第二端子604。两个充气管开关606和608以反并联布置耦合在第一端子602与第二端子604之间。如相对于图5中充气管开关502、504、506和508所示，每个充气管开关606和608包含设置在室524并且通过间隙分开的阳极520和阴极522。室524填充有可电离气体526。使用控制线610和612控制充气管开关606和608以激励保活电极528和切换电极530，以便实现双向操作。在某些实施例中，控制线612涉及第一端子602，并且控制线610涉及第二端子604。
上述DC功率转换器提供AC和DC功率的双向全桥转换。更具体地说，本文中描述的DC功率转换器提供利用具有超过10000伏的单装置电压对峙和低前向电压降的充气管开关的全桥电路。本文中描述的DC功率转换器有利于在各种HVDC级别操作的DC节点之间的高电压DC-DC功率转换。此类DC-DC转换器还有利于对接在不同级别的两个HVDC节点，而无需另外的保护组件进行隔离或堆叠许多半导体切换装置来实现用于装置和功率传输的所预期电压额定。本文中描述的高电压DC-DC转换器提供可控的开启和关闭的电压源和电流源操作和双向操作。
本文中描述的方法、系统和设备的示范技术效果包含下列中的至少一个：(a)增大单装置对峙电压额定；(b)通过使用更少的切换装置来降低HVDC功率转换器的复杂性以实现所预期的对峙电压额定；(c)通过使用传导等离子体，降低前向电压损耗；(d)消除在不同HVDC级别操作的HVDC系统之间对接所要求的组件；以及(e)通过降低的复杂性和组件计数，降低HVDC传输系统的成本。
用于DC电路断路器的方法、系统和设备的示范实施例不限于本文中描述的特定实施例，但是相反，系统的组件和/或方法的步骤可与本文中描述的其它组件和/或步骤分开和独立地利用。例如，方法也可与其它非常规HVDC功率转换器组合使用，并且不限于仅通过如本文中所述的系统和方法来实践。相反，结合可从增大的效率，降低的操作成本和降低的资本支出中受益的许多其它应用、设备和系统，能够实现和利用示范实施例。
虽然本公开的各种实施例的特定特征可在一些图形中示出而未在其它图形中示出，但这只是为了方便。根据本公开的原理，可与任何其它图形的任何特征组合地引用和/或要求保护图形的任何特征。
本书面描述使用包含最佳模式的示例来公开本实施例，并且还使本领域的技术人员能够实践本实施例，包含制作和使用任何装置或系统，以及执行任何结合方法。本公开的可取得的专利范围由权利要求书来定义，并且可包含本领域的技术人员想到的其他示例。如果这类其他示例具有与权利要求的文字语言完全相同的结构单元，或者如果它们包含具有与权利要求的文字语言的非实质差异的等效结构单元，则预计它们处于权利要求的范围之内。

Claims (10)

1. 一种直流(DC)-DC转换器(100;412,414,416,418,420)，包括：
变压器(102)，包括一次绕组(104)和二次绕组(106)；以及
充气管切换的逆变器电路(108;500)，包括：
第一逆变器负载端子(116)和第二逆变器负载端子(116)，所述第一逆变器负载端子和所述第二逆变器负载端子中的每个耦合到所述一次绕组；
第一逆变器输入端子(112)和第二逆变器输入端子(114)，所述第一逆变器输入端子和所述第二逆变器输入端子中的每个可耦合到第一DC节点(200;300;402,404,406,408,410)；以及
第一多个充气管开关(120,122,124,126;502,504,506,508)，分别耦合在所述第一和第二逆变器负载端子与所述第一和第二逆变器输入端子之间，所述第一多个充气管开关配置成进行操作以在所述一次绕组处生成交流(AC)电压。
2.如权利要求1所述的DC-DC转换器(100;412,414,416,418,420)，还包括充气管切换的整流器电路(110;500)，其包括：
耦合到所述二次绕组(106)的第一和第二整流器输入端子(132)；
可耦合到第二DC节点(200;300;402,404,406,408,410)的第一和第二整流器负载端子(128,130)；以及
第二多个充气管开关(134,136,138,140;502,504,506,508)，分别耦合在所述第一和第二整流器输入端子与所述第一和第二整流器负载端子之间，所述第二多个充气管开关配置成进行操作以在所述第一和第二整流器负载端子处生成DC电压。
3.如权利要求1所述的DC-DC转换器(100;412,414,416,418,420)，其中所述第一多个充气管开关包括：
第一充气管开关(120;502)，耦合在所述第一逆变器输入端子(112)与所述第一逆变器负载端子(116)之间；
第二充气管开关(122;504)，耦合在所述第一逆变器输入端子与所述第二逆变器负载端子(116)之间；
第三充气管开关(124;506)，耦合在所述第二逆变器输入端子(114)与所述第一逆变器负载端子之间；以及
第四充气管开关(126;508)，耦合在所述第二逆变器输入端子与所述第二逆变器负载端子之间。
4.如权利要求3所述的DC-DC转换器(100;412,414,416,418,420)，其中所述第一充气管开关(120;502)和所述第四充气管开关(126;508)配置成一起打开和闭合。
5.如权利要求1所述的DC-DC转换器(100;412,414,416,418,420)，其中所述第一多个充气管开关(120,122,124,126;502,504,506,508)每个在超过10000伏DC的电压是可操作的。
6.如权利要求2所述的DC-DC转换器(100;412,414,416,418,420)，还包括耦合在所述第一和第二逆变器负载端子(116)与所述一次绕组(104)之间的阻抗电路(118)，所述阻抗电路配置成对所述第二DC节点(200;300;402,404,406,408,410)进行阻抗匹配。
7.如权利要求1所述的DC-DC转换器(100;412,414,416,418,420)，还包括耦合到所述第一多个充气管开关(120,122,124,126;502,504,506,508)的控制器(532)，所述控制器配置成在切换频率控制所述多个充气管开关的操作。
8.如权利要求7所述的DC-DC转换器(100;412,414,416,418,420)，其中所述控制器配置成在500赫兹与20000赫兹之间并且包括500赫兹和20000赫兹的切换频率操作所述第一多个充气管开关(120,122,124,126;502,504,506,508)。
9.一种充气管切换的功率转换器(500)，包括：
多个充气管开关，包括：
耦合在第一输入节点(512)与第一输出节点(516)之间的第一充气管开关(502)；
耦合在所述第一输入节点与第二输出节点(518)之间的第二充气管开关(504)；
耦合在第二输入节点(514)与所述第一输出节点之间的第三充气管开关(506)；以及
耦合在所述第二输入节点与所述第二输出节点之间的第四充气管开关(508)；以及
控制器(532)，耦合到所述多个充气管开关的每个充气管开关，所述控制器配置成操作所述多个充气管开关以将交流(AC)功率转换成直流(DC)功率。
10. 如权利要求9所述的充气管切换的功率转换器(500)，其中所述控制器(532)还配置成：
打开所述第一充气管开关(502)并且互补地闭合所述第三充气管开关(506)；以及
打开所述第二充气管开关(504)并且互补地闭合所述第四充气管开关(508)。
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