CN108322070B - 多级逆变器、功率系统及方法 - Google Patents
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Abstract
一种功率系统包括第一单元块,其具有从DC总线接收功率的第一谐振电路、将功率的第一部分在第一电压水平下提供至一个或多个负载的第一受控整流器,以及联接在第一谐振电路与第一受控整流器之间的第一变压器。第二单元块包括从DC总线接收功率的第二谐振电路、配置成将功率的第二部分在第二电压水平下提供至一个或多个负载的第二受控整流器,以及联接在谐振电路与受控整流器之间的第二变压器。第一单元块和第二单元块串联联接来输出加和波形。
Description
技术领域
本文公开的主题涉及功率系统,且更具体地涉及转换用于低温功率系统的功率的多级逆变器。
背景技术
如本文使用的低温功率系统是包括由发动机使用来产生功率的低温燃料的那些。例如,低温燃料可作为液体储存和使用,可提供至汽化器,汽化器汽化燃料来由发动机使用。发动机然后可燃烧汽化燃料来产生机械功率,机械功率然后可转换成电功率。电功率然后可转换成适用于使用功率电子电路来对一个或多个负载供能的形式。
低温学可用于许多应用中,诸如汽车、机车、航空或固定物等。在这些应用中的一些中,由低温功率系统占有的较少的重量和/或空间可导致功率密度提高。然而,构件中的一些(诸如汽化器和功率电子电路)可增大低温功率系统的尺寸和/或重量。
发明内容
在一个实施例中,一种功率系统包括:包括至少第一相的第一单元块,第一相包括配置成从DC总线接收功率的第一谐振电路、配置成将功率的第一部分在第一电压水平下提供至一个或多个负载的第一受控整流器,以及联接在第一谐振电路与第一受控整流器之间的第一变压器,其中第一变压器配置成将从谐振电路接收的功率与由第一受控整流器输送的功率的第一部分电隔离,以及包括至少第二相的第二单元块,第二相与第一相串联联接,第二相包括配置成从DC总线接收功率的第二谐振电路、配置成将功率的第二部分在第二电压水平下提供至一个或多个负载的第二受控整流器,以及联接在谐振电路与受控整流器之间的第二变压器,其中第二变压器配置成将从第二谐振电路接收的功率与由第二受控整流器输送的功率的第二部分电隔离,其中第一相和第二相串联(并联)联接来输出电压(电流)加和波形,其中第一相配置成在第一电压水平下提供功率的第一部分,且第二相配置成在第二电压水平下提供功率的第二部分。
在另一个实施例中,一种方法包括在主控制器处接收基准信号,在第一相处从DC总线接收功率,其中第一相包括第一谐振电路、第一受控整流器,以及联接在第一谐振电路与第一受控整流器之间的第一变压器,其中第一变压器配置成将从谐振电路接收的功率与由第一受控整流器输送的功率电隔离,在第二相处从DC总线接收功率,其中第二相包括第二谐振电路、第二受控整流器,以及联接在第二谐振电路与第二受控整流器之间的第二变压器,其中第二变压器配置成将从第二谐振电路接收的功率与由第二受控整流器输送的功率电隔离,将一个或多个控制信号从主控制器发送至第一相的第一从属控制器来引起第一从属控制器控制第一相的开关以输出功率的第一部分,将一个或多个控制信号从主控制器发送至第二相的第二从属控制器来引起第二从属控制器控制第二相的开关以输出功率的第二部分,以及基于基准信号将从第一相和第二相输出的功率提供至一个或多个负载。
在另一个实施例中,一种功率系统包括:包括多个相的逆变器,该多个相中的各个相包括配置成从DC总线接收功率的谐振电路、配置成将功率的一部分提供至一个或多个负载的受控整流器、连接在谐振电路与受控整流器之间的变压器,其中变压器配置成将从谐振电路接收的功率与由受控整流器输送的功率的部分电隔离,以及配置成控制受控整流器、谐振电路或两者的开关的操作的从属控制器,以及包括处理器的主控制器,处理器配置成接收基准信号,且将一个或多个控制信号发送至各个相的从属控制器来控制开关的操作,以引起各个相基于基准信号输出功率。
技术方案1. 一种功率系统,包括:
包括至少第一相的第一单元块,所述第一相包括:
配置成从DC总线接收功率的第一谐振电路;
配置成将功率的第一部分在第一电压水平下提供至一个或多个负载的第一受控整流器;以及
联接在所述第一谐振电路与所述第一受控整流器之间的第一变压器,其中所述第一变压器配置成将从所述谐振电路接收的功率与由所述第一受控整流器输送的功率的所述第一部分电隔离;以及
包括至少第二相的第二单元块,所述第二相与所述第一相串联联接,所述第二相包括:
配置成从所述DC总线接收功率的第二谐振电路;
配置成将功率的第二部分在第二电压水平下提供至所述一个或多个负载的第二受控整流器;以及
联接在所述谐振电路与所述受控整流器之间的第二变压器,其中所述第二变压器配置成将从所述第二谐振电路接收的功率与由所述第二受控整流器输送的功率的所述第二部分电隔离;
其中所述第一相和所述第二相串联联接来输出加和波形,其中所述第一相配置成在第一电压水平下提供功率的所述第一部分,且所述第二相配置成在所述第二电压水平下提供功率的所述第二部分。
技术方案2. 根据技术方案1所述的功率系统,其中,所述第一谐振电路和所述第二谐振电路各自包括电感器、电容器或两者,以定形所述输出而包括减小的电压脉动、减小的脉动频率或两者。
技术方案3. 根据技术方案1所述的功率系统,其中,所述第一谐振电路和所述第二谐振电路配置成将所述输出的脉动频率减小到小于或等于所述逆变器的切换频率的2N倍,其中N是相的总数。
技术方案4. 根据技术方案1所述的功率系统,其中,所述第一变压器和所述第二变压器关于接收的功率具有浮动输出,以允许所述第一相和所述第二相中的各个的串联输出连接。
技术方案5. 根据技术方案1所述的功率系统,其中,所述功率系统包括第三相,其中所述第三相并联联接至所述第一相,其中通过所述第一相和所述第三相中的各个的电流被分配以输送额外的功率至所述一个或多个负载,而不增大由所述电流产生的磁场,且其中所述第三相并联联接至所述第二相。
技术方案6. 根据技术方案1所述的功率系统,其中,所述第一相的电路与所述第二相的电路相同。
技术方案7. 根据技术方案1所述的功率系统,其中,所述第一相和所述第二相配置成形成加和波形,而不使用被动过滤器。
技术方案8. 根据技术方案1所述的功率系统,其中,所述第一单元块和所述第二单元块中的各个是模块化的,以允许所述第一单元块与所述第二单元块串联或并联地连接。
技术方案9. 根据技术方案1所述的功率系统,其中,所述功率系统包括控制器,其配置成接收基准信号且将控制信号发送至所述第一相和所述第二相中的各个的开关来基于所述基准信号控制所述加和波形的输出。
技术方案10. 根据技术方案1所述的功率系统,其中,所述加和波形包括正弦波形或三角形波形。
技术方案11. 一种方法,包括:
在主控制器处接收基准信号;
在第一相处从DC总线接收功率,其中所述第一相包括第一谐振电路、第一受控整流器和联接在所述第一谐振电路与所述第一受控整流器之间的第一变压器,其中所述第一变压器配置成将从所述谐振电路接收的功率与由所述第一受控整流器输送的功率电隔离;
在第二相处从所述DC总线接收功率,其中所述第二相包括第二谐振电路、第二受控整流器和联接在所述第二谐振电路与所述第二受控整流器之间的第二变压器,其中所述第二变压器配置成将从所述第二谐振电路接收的功率与由所述第二受控整流器输送的功率电隔离;
将一个或多个控制信号从所述主控制器发送至所述第一相的第一从属控制器来引起所述第一从属控制器控制所述第一相的开关以输出功率的第一部分;
将一个或多个控制信号从所述主控制器发送至所述第二相的第二从属控制器来引起所述第二从属控制器控制所述第二相的开关以输出功率的第二部分;以及
基于所述基准信号将从所述第一相和所述第二相输出的功率提供至一个或多个负载。
技术方案12. 根据技术方案11所述的方法,其中,所述方法包括控制所述第一相的开关以在所述基准信号低于第一阈值电压时输出第一电压。
技术方案13. 根据技术方案12所述的方法,其中,所述方法包括控制所述第二相的开关以在所述基准信号在所述第一阈值电压与第二阈值电压之间时输出第二电压,以产生所述第一电压和所述第二电压的组合电压。
技术方案14. 根据技术方案11所述的方法,其中,所述方法包括在所述第一相和所述第二相之间分配电流,其中所述第一相与所述第二相并联联接。
技术方案15. 一种功率系统,包括:
包括多个相的逆变器,所述多个相的各个相包括:
配置成从DC总线接收功率的谐振电路;
配置成将功率的一部分提供至一个或多个负载的受控整流器;
联接在所述谐振电路与所述受控整流器之间的变压器,其中所述变压器配置成将从所述谐振电路接收的功率与由所述受控整流器输送的功率的所述部分电隔离;以及
配置成控制所述受控整流器、所述谐振电路或两者的开关的操作的从属控制器电路;以及
主控制器,包括:
处理器,其配置成:
接收基准信号;以及
将一个或多个控制信号发送至各个相的所述从属控制电路来控制所述开关的操作,以引起各个相基于所述基准信号输出功率。
技术方案16. 根据技术方案15所述的功率系统,其中,各个相的所述从属控制器电路配置成控制所述开关的操作来输出加和而形成加和波形的相应单元电压。
技术方案17. 根据技术方案15所述的功率系统,其中,所述谐振电路配置成将所述功率输出的脉动频率减小到小于或等于所述逆变器的切换频率的2N倍,其中N是所述多个相的相的数目。
技术方案18. 根据技术方案15所述的功率系统,其中,所述主控制器配置成发送一个或多个控制信号至所述多个相的第一相的第一从属控制器以在所述基准信号的电压低于第一阈值时生成所述第一相上的电压。
技术方案19. 根据技术方案15所述的功率系统,其中,所述主控制器配置成发送信号至所述第一相电路和所述第二相电路的一个或多个开关以在所述基准信号的电压在所述第一阈值与第二阈值之间时提供功率至一个或多个负载,使得所述第一相电路和所述第二相电路的电压的和接近所述基准信号。
技术方案20. 根据技术方案15所述的功率系统,其中,所述多个相中的各个并联连接、串联联接或以它们的组合联接。
附图说明
在参照附图阅读以下详细描述时,本发明的这些及其它特征、方面和优点将变得更好理解,附图中相似的标号表示附图各处相似的部分,在附图中:
图1为根据本公开的方面的具有在低温燃料进入汽化器之前由低温燃料冷却的功率电子电路的低温燃料(cryofuel)功率系统的框图。
图2为根据本公开的方面的具有多级逆变器的单个单元的图1的功率电子电路的框图;
图3为根据本公开的方面的图2的多级逆变器的单个单元的示意图;
图4为根据本公开的方面的多级逆变器中来自图3的一组单元的框图;
图5为根据本公开的方面的形成加和波形的图4的各个单元的输出电压的图表;
图6为根据本公开的方面的形成另一个加和波形的图4的各个单元的输出电压的另一个图表;
图7为根据本公开的方面的多级逆变器中的图3的四个单元的框图;以及
图8为根据本公开的方面将三相功率提供至一个或多个负载的图7的三个多级逆变器的输出电压的框图。
具体实施方式
本文公开的主题涉及用在使用低温燃料产生电功率的低温功率系统中的功率电子电路。如本文使用的低温燃料(cryofuel)是指在燃料为液态的温度(即,在给定压力下低于其沸点)下储存的燃料,诸如液压天然气(LNG)、氢和其它的。在常规系统中,液体低温燃料可从供应源或储存器流至汽化器,汽化器加热燃料(或减小其压力)以将燃料从液态转变成气态。气态燃料然后可提供至发动机,诸如内燃机,其燃烧气体来生成机械运动。机械运动可驱动发电机来产生电功率。低温功率系统的功率电子电路可将电功率转换成适于施加到一个或多个负载的形式。此外,功率电子电路可包括硬件,诸如压缩机、换热器等,以控制功率电子电路的温度。
汽化器的尺寸和/或重量可取决于用于气化过程中来将低温燃料从液体转换成气体的膨胀体积和/或热量的量。即,汽化器越大,则汽化器可提供至低温燃料的热量和/或膨胀空间越多。因此,汽化器可占据适合将低温燃料汽化至指定体积或流率的气态燃料的重量和空间量。类似地,功率电子电路的设计尺寸取决于从功率电子电路控制的能量和功率量。由于功率密度是指每单位重量或体积决定的功率量,故期望减小由汽化器占据的空间量且减少由功率电子电路占据的空间量来改善功率密度。同样,关注的是将这些元件的重量减小来进一步改善总体功率密度。
本公开的实施例通过将热量从功率电子电路传递至低温燃料而使低温燃料在输送至汽化器时提高温度同时降低功率电子电路的温度来改善低温功率系统的功率密度。即,当前的实施例可包括从低温燃料供应源到功率电子电路的封壳的管道,以在低温燃料朝汽化器流动时将其加热且冷却功率电子电路。因此,封壳可包括管道,以在比低温燃料改为直接传送至汽化器而不冷却功率电子电路的情况下出现的温度更高的温度下将低温燃料提供至汽化器(在冷却功率电子电路之后)。因此,由于低温燃料由功率电子电路加热,汽化器可具有减小的尺寸或甚至除去。
此外,在低温温度下操作的功率电子电路比在处理相同量的功率的高温下操作的功率电子电路占据小得多的体积(且重量较小)。
此外,由于在比不由低温燃料流冷却的情况下出现的温度更低的温度下操作功率电子电路,功率电子电路可包括减小尺寸的电路。例如,由于冷却由低温燃料流提供,功率电子电路可通过不包括压缩机或换热器(或使用比其它情况更小的压缩机或换热器)来减小尺寸。因此,低温功率系统的功率密度可通过减小汽化器和/或功率电子电路的尺寸来改善。
此外,在一些实施例中,功率电子电路可包括将电功率提供至一个或多个负载而没有输出过滤器的电路,以改善低温功率系统的效率且进一步减小其尺寸。即,常规逆变器可使用被动过滤来将功率提供至一个或多个负载。然而,被动过滤器可包括电感器,其足够大,使得低温温度可影响其磁场和由嵌入低温功率系统中的其它电感器产生的磁场,从而降低低温功率系统的效率。因此,当前的实施例的功率电子电路可在很大程度减少使用或甚至不使用被动过滤的情况下提供功率输出。
为了在不使用被动过滤器的情况下提供功率转换,功率电子电路可包括至少两个谐振相,其在各个谐振相上分配输入功率。功率电子电路可包括用于各个相的变压器。例如,各个谐振相可联接至相应的变压器的一次绕组。各个变压器的二次绕组可联接至相应的受控整流器。通过在多个相上分开功率转换,可减小通过各个相的功率,从而允许使用设计成经得起各个相上的较小功率的构件。各个相可包括电路以基于基准输出提供总功率输出的一部分。通过在多个相上分配功率,功率电子电路可在不包括由被动过滤器过滤的谐波频率的步骤下提供功率。
着眼于先前的介绍说明,图1示出了使用在燃料处于液态的温度下储存的冷却燃料(诸如液化天然气)的低温燃料(cryofuel)功率系统10的框图。低温燃料功率系统10可包括低温燃料供应源12,诸如隔热或主动冷却的低温燃料罐。低温燃料供应源10还可包括具有管道16的低温总线15,其将来自低温燃料供应源12的液体低温燃料提供至汽化器14来气化。汽化器14可提供热量(和/或膨胀空间形式的降低的压力)至液体燃料来将燃料汽化成气体18。发动机20可接收气体且燃烧气体18来产生机械运动。发动机20可为适用于从汽化的低温燃料提供机械运动的任何发动机,诸如内燃机、气体发动机等。机械运动然后可经由发电机转换成电功率。
低温燃料功率系统10可包括下文所述的功率电子电路22,以将电功率转换成适用于在各种应用中对一个或多个负载供能的形式,诸如对电网、机车、交通工具(例如,卡车、汽车、船舶或飞机)供能。低温燃料功率系统10包括一个或多个连接24(例如,功率、控制、通信或逻辑连接),以向功率电子电路22提供功率、控制、通信、逻辑或它们的任何组合。低温燃料功率系统10还包括一个或多个连接26(例如,功率、控制、通信或逻辑连接)以将功率提供至该一个或多个负载。
在这些应用中的一些中,可能期望改善低温燃料系统的每单位质量产生的功率(称为功率密度),而不会降低系统的效率。在功率转换过程期间,功率电子电路22可由于操作期间在系统中存在的电阻和/或阻抗而产生一定量的热量。热量可降低功率电子电路22的效率且增大电路上的损耗。因此,低温燃料功率系统10的一些实施例可包括额外的硬件,诸如风扇、换热器等,以减小功率电子电路22上的热量,或另外将功率电子电路22的热环境保持在某些特定的操作边界内。
此外,汽化器14可设计成具有足以在操作期间提供足以使工作体积或流率的天然气从液态汽化成气态的体积或热量的尺寸和/或功率。因此,汽化器14的体积和/或质量可至少部分地取决于天然气在进入汽化器之前的温度和天然气在加热之后的期望温度。即,在操作期间,液体燃料的入口温度与汽化燃料的出口温度之间的差异通常将确定设计到汽化器中的操作参数,诸如体积(例如,尺寸)和/或生热能力。因此,低温燃料功率系统10通常包括具有一定尺寸和功率的汽化器14,以提供热量来将天然气从供应的天然气的温度加热至适用于发动机20的操作的温度。然而,冷却功率电子电路的额外硬件以及气化器14的尺寸和功率均会降低低温燃料功率系统10的功率密度。
根据当前的途径,由功率电子电路22的操作生成的热量用于在进入汽化器14之前加热或预热燃料(例如,液化天然气)。这从而减小了燃料关于汽化器的进入(即,入口)和离开(即,出口)温度之间的差异,且因此减小了燃料在汽化器中受热的程度以实现至气体的期望膨胀。
举例来说,低温总线15可包括封壳,其包括功率电子电路22的壳体。封壳28联接在管道16与汽化器14之间。功率电子电路22的壳体可定位在低温总线15附近,以在燃料流至汽化器14时将热量从功率电子电路传递至低温燃料。在所示实施例中,功率电子电路的壳体定位在封壳内,使得热量可在壳体与低温燃料之间传递。即,封壳28在入口30处从管道16接收液体低温燃料,且来自功率电子电路22的操作的热量传递至(即,加热)燃料以降低功率电子电路22的操作温度,同时提高低温燃料的温度。尽管将功率电子电路22容纳在封壳内用作实例,但使用低温燃料来冷却功率电子电路的任何适合的方法可被使用。天然气可经由出口32离开封壳28,出口32将汽化器14联接至封壳28。尽管上文所述的实施例包括从功率电子设备22移除热量的封壳,但在其它实施例中,功率电子设备可通过浸没在低温燃料中来直接地冷却。
通过使用低温燃料(即,液化天然气)降低功率电子电路22的温度,可减少或除去另外用于冷却功率电子电路22的硬件构件。此外,通过在进入汽化器14之前使用来自功率电子电路22的热量加热低温燃料(即,液化天然气),相比于尺寸确定成提供汽化燃料所需的所有热量(即,没有来自功率电子电路22的附加热量的热量)的汽化器14,低温燃料功率系统10可减小汽化器14的尺寸和/或功率或除去汽化器14。此外和/或作为备选,由于来自功率电子电路22的热量升高进入汽化器14的燃料的温度,汽化器14可使用较少能量(否则热量将来自汽化器)。
在低温燃料功率系统10中,包括产生磁场的材料的电路可由于与低温相关联的低的温度而具有增大的损失。例如,常规逆变器可包括被动过滤器来过滤输出且减小总谐波失真(THD)。然而,被动过滤器可包括产生磁场的电感器,其与低温燃料相互作用,增大了功率电子电路22且因此功率系统10的损失。因此,下文所述的功率电子电路22可在减少或除去磁性材料的情况下将功率提供至一个或多个负载。例如,功率电子电路22可在不使用被动过滤器(例如,其过滤逆变器的输出)同时产生最小THD的情况下操作。
图2示出了功率电子电路22的单元块38的框图。功率电子电路22可经由连接24接收功率。功率电子电路22可包括过滤输入功率的主动过滤器40。功率电子电路22可包括N相谐振电路42,其从主动过滤器40接收功率且将功率分成N相。相的数目可取决于应用,且N相是指任何适合数目的相。N相谐振电路42的各个相可电连接到N相变压器44的相应相的一次绕组上。功率电子电路22可包括N相受控整流器46,其将功率输出提供至连接26。N相受控整流器46的各个相可电连接到N相变压器44的相应二次绕组上。功率电子电路22可包括从属控制器48,其控制N相谐振电路42和/或N相受控整流器46的操作。
从属控制器48可电联接到功率电子电路22上来接收和/或提供信号以控制功率电子电路22的各个部分。例如,从属控制器48可包括传感器,其接收指示连接26的功率输出的第一信号。此外,从属控制器48可发送信号来控制N相谐振电路42和/或N相受控整流器46的操作。此外,其可包括输出电流传感器以及输入电压传感器。此外,从属控制器48可从主控制器接收基准信号(电压、电流和/或功率)。
图3示出了功率电子电路22的单元块38的实施例的电路图。下面的相可表示可包括N倍数目的电路的分支或组。尽管关于图3详细描述了两个相,但注意所示实施例包括取决于应用的任何适合数目的相。功率电子电路22的N相谐振电路42包括至少两个相,这里称为第一相谐振电路50和第二相谐振电路52。第一相谐振电路50包括第一开关54和第二开关56,以及电容器58和电感器60。第二相谐振电路52包括第一开关62和第二开关64,以及电容器66和电感器68。在一些实施例中,第一相谐振电路50和/或第二相谐振电路52可包括电容器而没有电感器,或包括电感器而没有电容器。
第一相谐振电路50可电联接到第一变压器的一次绕组70上。在某些实施例中,变压器可包括电容和/或电感而不是单独的电容器和/或电感器。例如,第一相谐振电路50可电联接到一次绕组70上,而没有电感器60和/或电容器58。第二相谐振电路52可电联接到第二变压器的一次绕组72上。
在所示实施例中,各个相谐振电路50和52的一次绕组70和72分别在二次绕组78和80中感生电压。此外,二次绕组78和80可电联接到N相受控整流器46的第一相受控整流器82和第二相受控整流器84上。第一相受控整流器82可包括第一开关86和第二开关88,且第二相受控整流器84可包括第三开关90和第四开关92。此外,N相受控整流器46可联接到电容器94上。
通过使第一变压器联接在第一相谐振电路50与第一相受控整流器82之间,变压器可将第一相谐振电路50的功率与第二相受控整流器82的功率电隔离。类似地,通过使第二变压器联接在第二相谐振电路52与第二相受控整流器82之间,第二变压器可将第二相谐振电路52的功率与第二相受控整流器82的功率电隔离。如上文所述,变压器可包括若干绕组以逐步升高或逐步降低由变压器提供到受控整流器的电压。
各个相可具有与其它相的硬件相似或相同的硬件。在所示实施例中,电容器58具有与电容器66的电容相等的电容,且电感器60具有与电感器68的电感相等的电感。此外,各个变压器可具有一次绕组70和72到二次绕组78和80的相似或相同的关系。此外,N相受控整流器46的各个相的开关82和84可与N相受控整流器46的其它相的相应开关86和88相似或相同。
在某些实施例中,从属控制器48可包括执行本文所述的方法的各种电路。举例来说,从属控制器48可包括处理器96或多个处理器、存储器98,和/或现场可编程门阵列(FPGA)和/或复杂可编程逻辑装置(CPLD)。从属控制器48可包括电路和/或指令来控制N相中的每一个,如由第一相电路100和第二相电路102所示的那样。从属控制器48可在第一相电路100和第二相电路102上操作为主控。处理器可操作地联接至存储器来运行指令以用于实现目前公开的技术,诸如控制开关54, 56, 62, 64, 86, 88, 90和92的操作。这些指令可编码于储存在有形非暂时性计算机可读介质(诸如存储器和/或其它储存器)中的程序或代码中。处理器可为通用处理器、片上系统(SoC)装置,或专用集成电路,或一些其它处理器构造。
在实施例中,存储器98可包括计算机可读介质,诸如而不限于硬盘驱动器、固态驱动器、磁盘、闪速驱动器、光盘、数字视频盘、随机存取存储器(RAM)、固件、只读存储器(ROM、EPROM、闪速存储器等),和/或允许处理器储存、检索和/或运行指令(例如,代码)和/或数据的任何适合的储存装置。存储器98还可包括一个或多个本地和/或远程储存装置。
从属控制器48可从下文详述的主控制器123接收控制信号。例如,主控制器123可接收指示期望的输出的基准信号,诸如电网的信号。此外,主控制器123可从传感器106(例如,电压和/或电流传感器)接收指示连接26上的功率输出的传感器信号。作为备选和/或此外,从属控制器48可从传感器106接收信号。如下文详细所述,主控制器123可发送信号至从属控制器48,以引起从属控制器48基于基准信号104和传感器信号控制开关来输出功率。输入功率然后可经由N相谐振电路42分配到N相中。通过在各个相之间分配功率,功率电子电路22可提供受控的功率,同时通过相比于不包括N相的逆变器在较低的每相电流下操作而最大限度地减少损失。此外,通过将功率分配到不同相中,相比于未将功率分配到不同相中的功率电子电路22,各个相上的电路(例如,开关、电容器、电感器、变压器等)可定额成经得起减小的电流和/或电压。此外,通过限制各个相的输出电流,可限制由逆变器的电流生成的磁场,从而减少低温燃料功率系统10中的功率电子电路22的损失。在所示实施例中,输出脉动频率可等于切换频率的2N倍,其中N是N相的相的数目。因此,输出脉动可基于每相的切换频率和相的数目最小化。此外,电容器107可使逆变器的输出平滑。此外,由于高脉动频率,过滤器电感器小得多,或其可相比于传统途径完全除去。如下文所述,一个以上的单元块38可组合在一起来形成功率电子电路22的多级逆变器。多级逆变器101可为模块化的,使得各个单元块38是整装的,使得能够取决于应用改变多级逆变器101。
图4示出了具有多个单元块103,107,109和111的多级逆变器101。尽管图4中示出了四个单元块,但这仅意味着是示范性的,且可使用任何适合数目的单元块。各个单元块可包括上文所述的功率电子电路38,诸如输入主动过滤器40、N相谐振电路42、N相变压器44、N相受控整流器46,以及从属控制器48。
在所示实施例中,单元块103经由连接113串联连接到单元块107上。此外,单元块107经由连接115串联连接到单元块109上,其又经由连接117串联连接到单元块111上。即,四个单元快103,107,109和111彼此串联连接以关于地线提供输出电压119。
多级逆变器101可包括主控制器,其配置成发送信号来控制各个单元块的从属控制器。尽管图4中示出了布线,但主控制器可使用任何适合的通信技术或协议(例如,无线或有线的)来通信。此外,主控制器127可包括处理器125和存储器127。处理器125和存储器127可为任何适合的处理器和存储器(例如,如关于从属控制器48所述的那样)。存储器127可包括由处理器125运行来执行本文所述的技术的指令。
处理器125可发送控制信号至单元块103,107,109和111的各个从属控制器,以引起从属控制器根据主控制器的控制信号来控制相应单元块103,107,109和111的开关。多级逆变器101可在对应于串联联接的单元块的数目的电压水平的数目下提供功率。如下文所述,处理器125可发送信号至各个从属控制器来控制相应单元块103,107,109和111的开关,以基于控制信号生成加和波形。
各个单元块103,107,109和111可联接到直流(DC)总线VDC上。此外,各个单元块103,107,109和111的输出与DC总线电隔离,以使各个单元块103,107,109和111的输出浮动来允许多个模块的串联输出连接。即,单元块103,107,109和111中的各个可被电隔离,以便串联连接113,115和117形成电压输出119和地线121之间的加和电压,其组合单元块103,107,109和111的各个电压输出(例如,跨过各个单元块103,107,109和111的连接26的电压)。此外,通过利用串联连接来联接单元块103,107,109和111,单元块的各个相可与彼此串联联接,各个单元块的电压也如此。
图5示出了来自图4的多级逆变器101的功率输出的关于横坐标112上示出的时间在纵坐标110上示出的输出电压的图表108。主控制器123可通过控制器48控制各个单元块103,107,109和111的N相中的每一个,以提供可加和形成正弦波形114的功率输出。功率电子电路22可包括四个单元块,每个均具有N相谐振电路、N个变压器和N个受控整流器。区段116,118,120和122中的各个示为代表各个单元块103,107,109和111的输出电压。如上文所述,取决于情形,单元块103,107,109和111可为模块化的,或N相可组合。
主控制器可发送信号至从属控制器,以控制各个谐振电路的开关的操作来从DC总线Vdc提供交变电流(AC)功率的一部分。例如,从属控制器48可控制谐振电压的操作来提供功率,如区段116中所示的那样。由于各个谐振电路(例如,电感器、电容器等)或变压器或受控整流器的构件,各个单元块103,107,109和111可向AC功率的一部分的提供最小限度的谐波和/或最小限度的电压脉动,而不使用被动过滤。例如,第一单元块103可用于提供由第一谐振电路提供的AC功率的第一部分,以包括减小的电压脉动、减小的脉动频率或两者。类似地,第二单元块107可包括相似或相同的构件来相似地定形由第二单元块107提供的AC功率的部分,以相比于没有谐振电路的构件(例如,电感器、电容器等)的逆变器包括减小的电压脉动、减小的脉动频率或两者。此外,通过将电流通过多个相分配,经由谐振电流的开关,由逆变器生成的磁场可最小化来减小逆变器在低温燃料功率系统上的影响。即,从属控制器可限制通过各个谐振电路的电流来减少或除去在低温燃料所引起的较低温度下的磁场引起的效率降低。
主控制器123可基于基准信号104和传感器信号来控制各个从属控制器。如果主控制器123确定基准正弦波形114的电压低于第一阈值124,则主控制器可发送信号至第一单元块103的从属控制器,以控制第一单元块103来基于基准信号104提供电压,以及至其它单元块107,109和111,基准信号等于0。例如,第一单元块103的从属控制器可控制(例如,发送信号来打开和/或关闭)第一单元块103的各个相的开关,以生成时间0和时间t1之间的输出电压(如区段116所示),且每隔一个单元的从属控制器将操作单元的开关来生成零值输出电压。尽管基准信号104在第一阈值124与第二阈值126之间,但主控制器123可发送信号至第一单元块103的从属控制器,以保持等于阈值的恒定电压,且至第二单元块107的从属控制器47来控制(例如,发送信号来打开)第二单元块107的开关以生成区段118所示的t1和t2之间的输出电压。单元块109和111将控制成产生零电压输出。类似地,尽管基准信号104在第二阈值126与第三阈值128之间,但主控制器123可发送信号至第三单元块109的从属控制器48来控制第三单元块109的开关(例如,发送信号来打开)以生成如区段120所示的t2和t3之间的输出电压,且发送信号至单元块103和109的从属控制器来产生等于阈值的恒定电压,且至单元块111的从属控制器来产生零电压输出。主控制器123然后可发送信号至第四单元块111的从属控制器48来控制第四相的开关以生成t3和t4之间的输出电压,而基准信号如区段122所示高于第三阈值128,且发送信号至单元块103,107和109的从属控制器来产生等于阈值电压的恒定输出电压。从属控制器48可继续控制开关来以相似的方式逐步减小电压,使得来自各个单元块的各个电压的加和形成正弦波形114。通过使用各个单元块逐步增大和/或减小电压,来自功率电子电路22的输出并不具有通常由被动过滤器过滤的频率下的谐波。此外,各个相的谐振电路可定形如由区段116,118,120和122所示的各个相提供的AC功率的一部分,以相比于没有谐振电路的构件的逆变器包括减小的电压脉动、减小的脉动频率或两者。
尽管正弦波形用作基准信号,但本文所述的系统和方法可结合作为基准信号的任何适合的波形使用。图6示出了三角形波形的实例的图表130。尽管三角形波形和正弦波形在此用作实例,但功率电子电路22可用于生成矩形、锯齿形或任何其它适合的波形,包括直流(DC)和/或交流(AC)波形。类似于图5,主控制器123可发送信号至各个单元块的从属控制器48,以基于基准信号104和传感器信号控制模块化多级逆变器38的各个相。即,主控制器123可将基准三角形波形的电压与各个阈值相比较来控制经由各个相提供功率。来自这些相中的各个的功率可加和成合成信号。
图7示出了提供适合于对一个或多个负载供能的功率输出的逆变器136的一组单元块的框图。各个单元块可包括从属控制器48、输入主动过滤器40、N相共振电路42、N相变压器44和N相受控整流器46。此外,各个单元块可串联、并联或以它们的任何组合电连接,以在较大的电流和/或电压下提供功率。即,为了提高由逆变器的单元块提供的电流和/或电压的量,额外的逆变器单元可串联、并联或以它们的任何组合增加。
在所示实施例中,逆变器136包括并联地电联接到第二单元块140上的第一单元块138。逆变器136还包括并联地电联接到第四单元块144上的第三单元块142。第一单元块138和第二单元块140与第三单元块142和第四单元块144串联地电联接。即,逆变器136包括混合的两对串联的逆变器单元,其中各对具有并联的两个单元。此外,由于变压器的电隔离,单元块可为模块化的,以串联或并联地联接。通过并联地联接单元块,逆变器可通过将电流通过单元块的各个相分配来将增大的总电流提供至负载。通过串联地联接额外的单元块,逆变器可在额外的电压水平下将功率提供至一个或多个负载。尽管这示为实例,但一组逆变器可串联、并联或以两者的混合联接。
图8示出了使用三个逆变器来提供功率的三相功率系统146的框图。例如,第一逆变器136、第二逆变器148和第三逆变器150单元可分别提供功率的第一相、第二相和第三相,以提供三相功率至负载。
本发明的技术效果包括改善诸如低温功率系统中的功率密度。通过使用低温燃料冷却功率电子电路,低温燃料在由汽化器加热之前预热,从而减少由汽化器使用的功率。此外,通过冷却功率电子电路,功率电子电路可在没有热沉和/或风扇的情况下操作,从而减小功率电子电路的尺寸。由功率电子电路提供的功率可使用模块化多级逆变器来操作。多级逆变器可通过多个模块分配功率。此外,各个模块可包括多个相。各个模块的控制器可控制相的开关来形成加和波形。通过在多个相之间分配功率,功率电子电路可在不使用被动过滤器的情况下提供功率,从而减小由被动过滤器的磁性材料引起的损失。此外,通过减少磁性材料且通过多个相分配电流,逆变器可允许低温功率系统结合减小尺寸的汽化器和减少的电子电路操作。
该描述中使用的词语开关包括具有或没有反平行二极管的诸如IGBT MOSFET的技术,以及不同类型的材料,诸如硅、锗、碳化硅、氮化镓等。整流器部分中的开关可为单向或双向的。
该书面描述使用示例来公开本发明,包括最佳模式,并且还使本领域技术人员能够实施本发明,包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何结合的方法。本发明可申请专利的范围由权利要求限定,并且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果这些其它示例具有不与权利要求的字面语言不同的结构元件,或者如果它们包括与权利要求的字面语言无实质差异的等同结构元件,则意在使这些其它示例处于权利要求的范围内。
Claims (20)
1.一种用于低温功率系统的多级逆变器,包括:
包括至少第一相的第一单元块,所述第一相包括:
配置成从DC总线接收功率的第一谐振电路;
配置成将功率的第一部分在第一电压水平下提供至一个或多个负载的第一受控整流器;以及
联接在所述第一谐振电路与所述第一受控整流器之间的第一变压器,其中所述第一变压器配置成将从所述谐振电路接收的功率与由所述第一受控整流器输送的功率的所述第一部分电隔离;以及
包括至少第二相的第二单元块,所述第二相与所述第一相串联联接,所述第二相包括:
配置成从所述DC总线接收功率的第二谐振电路;
配置成将功率的第二部分在第二电压水平下提供至所述一个或多个负载的第二受控整流器;以及
联接在所述第二谐振电路与所述第二受控整流器之间的第二变压器,其中所述第二变压器配置成将从所述第二谐振电路接收的功率与由所述第二受控整流器输送的功率的所述第二部分电隔离;
其中所述第一相和所述第二相串联联接来输出加和波形,其中所述第一相配置成在第一电压水平下提供功率的所述第一部分,且所述第二相配置成在所述第二电压水平下提供功率的所述第二部分。
2.根据权利要求1所述的多级逆变器,其特征在于,所述第一谐振电路和所述第二谐振电路各自包括电感器、电容器或两者,以定形所述输出而包括减小的电压脉动、减小的脉动频率或两者。
3.根据权利要求1所述的多级逆变器,其特征在于,所述第一谐振电路和所述第二谐振电路配置成将所述输出的脉动频率减小到小于或等于所述逆变器的切换频率的2N倍,其中N是相的总数。
4.根据权利要求1所述的多级逆变器,其特征在于,所述第一变压器和所述第二变压器关于接收的功率具有浮动输出,以允许所述第一相和所述第二相中的各个的串联输出连接。
5.根据权利要求1所述的多级逆变器,其特征在于,所述功率系统包括第三相,其中所述第三相并联联接至所述第一相,其中通过所述第一相和所述第三相中的各个的电流被分配以输送额外的功率至所述一个或多个负载,而不增大由所述电流产生的磁场,且其中所述第三相并联联接至所述第二相。
6.根据权利要求1所述的多级逆变器,其特征在于,所述第一相的电路与所述第二相的电路相同。
7.根据权利要求1所述的多级逆变器,其特征在于,所述第一相和所述第二相配置成形成加和波形,而不使用被动过滤器。
8.根据权利要求1所述的多级逆变器,其特征在于,所述第一单元块和所述第二单元块中的各个是模块化的,以允许所述第一单元块与所述第二单元块串联或并联地连接。
9.根据权利要求1所述的多级逆变器,其特征在于,所述功率系统包括控制器,其配置成接收基准信号且将控制信号发送至所述第一相和所述第二相中的各个的开关来基于所述基准信号控制所述加和波形的输出。
10.根据权利要求1所述的多级逆变器,其特征在于,所述加和波形包括正弦波形或三角形波形。
11.一种用于操作具有逆变器的功率系统的方法,所述方法包括:
在主控制器处接收基准信号;
在第一相处从DC总线接收功率,其中所述第一相包括第一谐振电路、第一受控整流器和联接在所述第一谐振电路与所述第一受控整流器之间的第一变压器,其中所述第一变压器配置成将从所述谐振电路接收的功率与由所述第一受控整流器输送的功率电隔离;
在第二相处从所述DC总线接收功率,其中所述第二相包括第二谐振电路、第二受控整流器和联接在所述第二谐振电路与所述第二受控整流器之间的第二变压器,其中所述第二变压器配置成将从所述第二谐振电路接收的功率与由所述第二受控整流器输送的功率电隔离;
将一个或多个控制信号从所述主控制器发送至所述第一相的第一从属控制器来引起所述第一从属控制器控制所述第一相的开关以输出功率的第一部分;
将一个或多个控制信号从所述主控制器发送至所述第二相的第二从属控制器来引起所述第二从属控制器控制所述第二相的开关以输出功率的第二部分;以及
基于所述基准信号将从所述第一相和所述第二相输出的功率提供至一个或多个负载。
12.根据权利要求11所述的方法,其特征在于,所述方法包括控制所述第一相的开关以在所述基准信号低于第一阈值电压时输出第一电压。
13.根据权利要求12所述的方法,其特征在于,所述方法包括控制所述第二相的开关以在所述基准信号在所述第一阈值电压与第二阈值电压之间时输出第二电压,以产生所述第一电压和所述第二电压的组合电压。
14.根据权利要求11所述的方法,其特征在于,所述方法包括在所述第一相和所述第二相之间分配电流,其中所述第一相与所述第二相并联联接。
15.一种功率系统,包括:
包括多个相的逆变器,所述多个相的各个相包括:
配置成从DC总线接收功率的谐振电路;
配置成将功率的一部分提供至一个或多个负载的受控整流器;
联接在所述谐振电路与所述受控整流器之间的变压器,其中所述变压器配置成将从所述谐振电路接收的功率与由所述受控整流器输送的功率的所述部分电隔离;以及
配置成控制所述受控整流器、所述谐振电路或两者的开关的操作的从属控制器电路;以及
主控制器,包括:
处理器,其配置成:
接收基准信号;以及
将一个或多个控制信号发送至各个相的所述从属控制器电路来控制所述开关的操作,以引起各个相基于所述基准信号输出功率。
16.根据权利要求15所述的功率系统,其特征在于,各个相的所述从属控制器电路配置成控制所述开关的操作来输出加和而形成加和波形的相应单元电压。
17.根据权利要求15所述的功率系统,其特征在于,所述谐振电路配置成将所述功率输出的脉动频率减小到小于或等于所述逆变器的切换频率的2N倍,其中N是所述多个相的相的数目。
18.根据权利要求15所述的功率系统,其特征在于,所述主控制器配置成发送一个或多个控制信号至所述多个相的第一相的第一从属控制器以在所述基准信号的电压低于第一阈值时生成所述第一相上的电压。
19.根据权利要求18所述的功率系统,其特征在于,所述主控制器配置成发送信号至所述第一相电路和所述第二相电路的一个或多个开关以在所述基准信号的电压在所述第一阈值与第二阈值之间时提供功率至一个或多个负载,使得所述第一相电路和所述第二相电路的电压的和接近所述基准信号。
20.根据权利要求15所述的功率系统,其特征在于,所述多个相中的各个并联连接、串联联接或以它们的组合联接。
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