CN108331681B - 低温燃料动力系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及低温燃料动力系统。具体地，一种低温燃料动力系统包括发动机。低温燃料动力系统包括低温燃料供给源，其供给低温燃料以由发动机用作燃料。低温燃料动力系统包括低温总线，其构造成用以从低温燃料供给源提供低温燃料至发动机。低温燃料动力系统包括功率电子器件电路，其将来自发动机的动力转换成待施用至一个或多个负载的形式。功率电子器件电路定位成与低温总线成热量互通以从功率电子器件电路传输热至低温燃料。

Description

低温燃料动力系统
技术领域
本文中所公开的主题涉及动力系统，且更具体地涉及用于低温动力系统的转换动力的多级逆变器（inverter）。
背景技术
如文中所用，低温动力系统是指包括由发动机使用以产生动力的低温燃料的那些系统。例如，低温燃料可作为液体储存并且待使用时可提供至蒸发器（vaporizer），蒸发器使燃料蒸发以便由发动机使用。然后，发动机可使蒸发的燃料燃烧以产生机械动力，该机械动力随后可转换成电功率。电功率然后可转换成适用于使用功率电子器件电路（circuitry）向一个或多个负载提供动力的形式。
低温学可在广泛的各种应用中使用，例如汽车、机车、航空，或者固定物，等等。在这些应用的一些中，由低温动力系统所占据的较小重量和/或空间可导致增大的功率密度。然而，构件中的一些，例如蒸发器和功率电子器件电路，可增大低温动力系统的尺寸和/或重量。
发明内容
在一个实施例中，低温燃料动力系统包括发动机、供给低温燃料以便由发动机用作燃料的低温燃料供给源（supply）、从低温燃料供应源提供低温燃料至发动机的低温总线（或通路，bus），以及将来自发动机的动力转换成待施用至一个或多个负载的形式的功率电子器件电路，其中，功率电子器件电路定位成与低温总线成热量互通以将来自功率电子器件电路的热传输至低温燃料。
在另一实施例中，一种方法包括使低温燃料从低温燃料储存装置流动至构造成用以使由低温燃料生成的气体燃烧的发动机，在低温燃料储存装置和发动机之间，使低温燃料邻近功率电子器件电路流动以降低功率电子器件电路操作所处的温度，以及操作冷却的功率电子器件电路以将由发动机通过气体的燃烧所生成的电功率转换成待施用至一个或多个负载的形式。
在另一实施例中，一种动力系统包括构造成用以接收低温燃料和用以使低温燃料蒸发成气体的蒸发器、构造成用以接收气体和用以产生旋转能以便转换成电功率的发动机、构造成用以提供低温燃料至蒸发器的低温燃料供给源、构造成用以使电功率转换成待施用至一个或多个负载的形式的功率电子器件电路，其中，功率电子器件电路构造成用以定位成与低温燃料成热量互通以将由功率电子器件电路的操作所产生的热传输至低温燃料。
具体地，本发明还提供了以下技术方案。
技术方案1. 一种低温燃料动力系统，包括：
发动机；
低温燃料供给源，其构造成用以供给低温燃料来由所述发动机用作燃料；
低温总线，其构造成用以从所述低温燃料供给源提供所述低温燃料至所述发动机；以及
功率电子器件电路，其构造成用以将来自所述发动机的动力转换成待施用至一个或多个负载的形式，其中，所述功率电子器件电路定位成与所述低温总线成热量互通以从所述功率电子器件电路传输热至所述低温燃料。
技术方案2. 根据技术方案1所述的低温燃料动力系统，其特征在于，所述低温总线包括导管和收容所述功率电子器件电路的封壳，并且其中，所述低温燃料罐提供低温燃料至所述封壳以将所述功率电子器件电路安置成与所述低温燃料成热量互通。
技术方案3. 根据技术方案1所述的低温燃料动力系统，其特征在于，所述低温燃料动力系统包括在所述低温燃料供给源和所述发动机之间的流体流动通路中的蒸发器，其中，所述蒸发器至少部分地基于进入所述蒸发器的低温燃料的温度来设定尺寸。
技术方案4. 根据技术方案1所述的低温燃料动力系统，其特征在于，所述低温动力系统包括多个单元组块，其中，所述低温燃料动力系统构造成用以对所述多个单元组块中的每个单元组块中的多个相分配功率以向所述一个或多个负载供以动力。
技术方案5. 根据技术方案4所述的低温燃料动力系统，其特征在于，所述多个相中的每个相均包括：
谐振线路，其从DC总线提供AC功率的一部分；
变压器，其电流地隔离在所述谐振线路和可控整流器之间的AC功率的部分；以及
所述可控整流器，其结合所述多个相的其它可控整流器来操作以生成待施用至所述一个或多个负载的功率的叠加波形的一部分。
技术方案6. 根据技术方案5所述的低温燃料动力系统，其特征在于，所述多个单元组块中的每个单元组块均包括控制器，其构造成用以控制所述谐振线路、所述可控整流器或者两者的操作。
技术方案7. 根据技术方案1所述的低温燃料动力系统，其特征在于，所述低温动力系统包括多级逆变器，其构造成用以在不使用无源滤波器的情况下提供逆变的功率至所述一个或多个负载。
技术方案8. 根据技术方案1所述的低温燃料动力系统，其特征在于，所述功率电子器件电路直接地浸入在所述低温燃料中。
技术方案9. 一种方法，包括：
使低温燃料从低温燃料储存装置流动至发动机，所述发动机构造成用以使由所述低温燃料生成的气体燃烧；
在所述低温燃料储存装置和所述发动机之间，使所述低温燃料邻近功率电子器件电路流动以降低所述功率电子器件电路操作所处的温度；以及
操作冷却的所述功率电子器件电路以将通过由所述发动机燃烧所述气体生成的电功率转换成待施用至一个或多个负载的形式。
技术方案10. 根据技术方案9所述的方法，其特征在于，所述低温燃料通过冷却所述功率电子器件电路的行为而在通向所述发动机的途中被加热。
技术方案11. 根据技术方案9所述的方法，其特征在于，所述功率电子器件电路将直流（DC）电功率转换成交流（AC）电功率以施用至所述一个或多个负载。
技术方案12.一种动力系统，包括：
蒸发器，其构造成用以接收低温燃料和用以使所述低温燃料蒸发成气体；
发动机，其构造成用以接收所述气体和用以产生旋转能以便转换成电功率；
低温燃料供给源，其构造成用以提供低温燃料至所述蒸发器；
功率电子器件电路，其构造成用以将所述电功率转换成待施用至一个或多个负载的形式，其中，所述功率电子器件电路构造成用以定位成与所述低温燃料成热量互通以将由所述功率电子器件电路的操作产生的热传输至所述低温燃料。
技术方案13.根据技术方案12所述的动力系统，其特征在于，所述功率电子器件构造成用以对所述低温燃料在进入所述蒸发器之前进行预热。
技术方案14.根据技术方案12所述的动力系统，其特征在于，所述动力系统包括在所述蒸发器和所述低温燃料供给源之间的导管以从所述低温燃料供给源传输所述低温燃料至所述蒸发器。
技术方案15.根据技术方案14所述的动力系统，其特征在于，所述功率电子器件电路构造成用以沿着所述导管浸入在所述低温燃料内。
技术方案16.根据技术方案14所述的动力系统，其特征在于，所述功率电子器件电路收容在壳体中，所述壳体与所述低温燃料成热量互通。
技术方案17.根据技术方案12所述的动力系统，其特征在于，所述功率电子器件电路构造成用以通过在多个相上分配所述功率来提供转化的功率至所述一个或多个负载以限制经过所述多个相中的每个相的电流，从而限制由所述功率电子器件电路所生成的磁场。
技术方案18.根据技术方案12所述的动力系统，其特征在于，所述功率电子器件构造成用以转换所述电功率以形成正弦波形、三角波形、矩形波形或者DC波形。
技术方案19.根据技术方案12所述的动力系统，其特征在于，所述功率电子器件电路包括单元组块，所述单元组块均提供待施用至所述一个或多个负载的叠加波形的一部分。
附图说明
当参照附图阅读下文详细描述时，将更好地理解本发明的这些及其它特征、方面和优点，其中贯穿附图，同样的标号表示同样的部件，附图中：
图1为根据本公开内容的方面的低温燃料（cryofuel）动力系统的方框图，该低温燃料动力系统具有在低温燃料进入蒸发器之前由低温燃料冷却的功率电子器件电路；
图2为根据本公开内容的方面的图1中功率电子器件电路的方框图，该功率电子器件电路具有多级逆变器的单一单元；
图3为根据本公开内容的方面的图2中多级逆变器的单一单元的示意图；
图4为根据本公开内容的方面在多级逆变器中来自图3的一组单元的方框图；
图5为根据本公开内容的方面的图4中单元中的每个的输出电压的图表，这些输出电压形成叠加（或加和，summation）波形；
图6为根据本公开内容的方面的图4中的每个单元的输出电压的另一图表，这些输出电压形成另一叠加波形；
图7为根据本公开内容的方面在多级逆变器中图3的四个单元的方框图；以及
图8为根据本公开内容的方面的图7的三个多级逆变器的输出电压的方框图，这三个多级逆变器提供三相功率至一个或多个负载。
具体实施方式
文中所公开的主题涉及用于在利用低温燃料产生电功率的低温动力系统中使用的功率电子器件电路。如文中所用，低温燃料（cryofuel）是指在燃料处于液体状态（也即，在给定压力下低于其沸点）的温度下储存的燃料，例如液化天然气（LNG）Hydrogen等。在常规系统中，液体低温燃料可从供给源或储存装置流动至蒸发器，该蒸发器加热燃料（或降低其压力）以将燃料从液体状态转化成气态状态。气态燃料然后可提供至发动机，例如内燃发动机，其使气体燃烧以生成机械运动。机械运动可驱动发电机以产生电功率。低温动力系统的功率电子器件电路可将电功率转换成适于施用至一个或多个负载的形式。另外，功率电子器件电路可包括硬件，例如压缩机、热交换器等等，以控制功率电子器件电路的温度。
蒸发器的尺寸和/或重量可取决于在用以将低温燃料从液体转换成气体的气化过程中使用的热和/或膨胀体积的量。也就是说，蒸发器越大，则蒸发器可提供至低温燃料的热和/或膨胀空间越多。因此，蒸发器可占用一定量的空间和重量，该一定量的空间和重量适于使低温燃料蒸发成特定体积或流率的气态燃料。相似地，功率电子器件电路的设计尺寸取决于由功率电子器件电路所控制的功率和能量的量。由于功率密度是指每单位重量或体积所调节的功率量，故希望减少由蒸发器所占据的空间量以及减少由功率电子器件电路所占据的空间量来提高功率密度。同样，关注的是减小这些元件的重量来进一步地提高总体功率密度。
本公开内容的实施例通过将热从功率电子器件电路传输至低温燃料以在低温燃料传送至蒸发器时升高低温燃料的温度来提高低温动力系统的功率密度而同时降低功率电子器件（electronics）的温度。也就是说，当前的实施例可包括从低温燃料供给源至功率电子器件电路的封壳（enclosure）的导管，用以冷却功率电子器件电路和用以在低温燃料朝向蒸发器流动时对低温燃料加热。因此，封壳可包括导管用以在一定温度下提供低温燃料至蒸发器（在冷却功率电子器件之后），该温度高于如果低温燃料改为直接地传递至蒸发器而不冷却功率电子器件时将发生的温度。因此，由于通过功率电子器件电路对低温燃料的加热，故蒸发器可具有减小的尺寸或甚至被除去。
另外，在低温温度下操作的功率电子器件电路相比于在处理相同功率大小的高温下操作的功率电子器件电路占据少得多的体积（且重量较小）。
另外，由于在低于如果不通过低温燃料流冷却时将发生的温度下操作功率电子器件电路，功率电子器件电路可包括具有减小尺寸的电路。例如，由于通过低温燃料流提供冷却，功率电子器件电路可通过不包括压缩机或热交换器（或与其它情形相比使用较小的压缩机或热交换器）来减小尺寸。因此，低温动力系统的功率密度可通过减小蒸发器和/或功率电子器件电路的尺寸来提高。
此外，在一些实施例中，功率电子器件电路可包括向一个或多个负载提供电功率而无需输出滤波器的电路以提高低温动力系统的效率以及进一步减小其尺寸。也就是说，常规的逆变器可使用无源滤波来向一个或多个负载提供功率。然而，无源滤波器可包括足够大的电感器，低温温度可影响该电感器的磁场以及由嵌入在低温动力系统中的其它电感器所产生的磁场，从而降低低温动力系统的效率。因此，当前实施例的功率电子器件电路可提供降低很多的功率输出或甚至不使用无源滤波。
为了在不使用无源滤波器的情况下提供功率转换，功率电子器件电路可包括至少两个谐振相，其在每个谐振相上分配输入功率。功率电子器件电路可包括用于每个相的变压器。例如，每个谐振相均可耦合（或联接）至相应变压器的初级绕组。每个变压器的次级绕组可耦合至相应的可控整流器。通过在多个相上分解功率转换，可减小经过每个相的功率，从而允许使用设计成用以在每个相上耐受较小功率的构件。每个相均可包括用以基于基准输出提供总体功率输出的一部分的电路。通过在多个相上分配功率，功率电子器件电路可在不包括由无源滤波器滤波的谐波频率的步骤下提供功率。
考虑到前述介绍性说明，图1示出使用冷却的燃料例如液化天然气的低温燃料（cryofuel）动力系统10的方框图，其中该燃料在燃料呈液体状态的温度下储存。低温燃料动力系统10可包括低温燃料供给源12，例如，可经隔热或主动冷却的低温燃料罐。低温燃料动力系统10还可包括具有导管16的低温总线15，该导管从低温燃料供给源12提供液体低温燃料至蒸发器14以便气化。蒸发器14可向液体燃料提供热（和/或呈膨胀空间形式的降低压力）以使燃料蒸发成气体18。发动机20可接收气体并使气体18燃烧以产生机械运动。发动机20可为适用于由蒸发的低温燃料提供机械运动的任何发动机，例如内燃发动机、燃气发动机等。机械运动然后可经由发电机转换成电功率。
低温燃料动力系统10可包括下文描述的功率电子器件电路22以将电功率转换成适用于在各种应用中向一个或多个负载提供动力的形式，例如向电力网、机车、运载工具（例如，卡车、轿车、船舶或飞机）供以动力。低温燃料动力系统10包括一个或多个接头24（例如，功率、控制、通信或逻辑接头）以向功率电子器件电路22提供功率、控制、通信、逻辑，或者它们的任何组合。低温燃料动力系统10还包括一个或多个接头26（例如，功率、控制、通信或逻辑接头）以提供功率至上述一个或多个负载。
在这些应用的一些中，可能希望提高低温燃料系统每单位质量所产生的功率（称为功率密度）而不降低系统的效率。在功率转换过程期间，功率电子器件电路22可由于在操作期间存在于系统中的电阻和/或阻抗而产生一定量的热。热可降低功率电子器件电路22的效率和增大在电路上的损耗。因此，低温燃料动力系统10的一些实施例可包括附加的硬件，例如风扇、热交换器等，以降低功率电子器件电路22上的热或以其它方式将功率电子器件电路22的热环境保持在某些特定操作界限（或范围）内。
此外，蒸发器14可设计成具有足够的尺寸和/或功率以在操作期间提供足够量的热或体积来使工作体积或流率的天然气从液体状态蒸发成气态状态。因此，蒸发器14的体积和/或质量可至少部分地取决于天然气在进入蒸发器之前的温度和天然气在加热之后的期望温度。也就是说，在操作期间在液体燃料的入口温度和蒸发燃料的出口温度之间的差异将典型地决定设计到蒸发器中的操作参数，例如体积（例如，尺寸）和/或生热能力。因此，低温燃料动力系统10典型地包括蒸发器14，其具有一定的尺寸和功率以提供热来将天然气从所供给天然气的温度加热至适用于发动机20的操作的温度。然而，用以冷却功率电子器件电路的附加硬件和蒸发器14的尺寸和功率均会降低低温燃料动力系统10的功率密度。
根据当前的方式，由功率电子器件电路22的操作所生成的热用于对燃料（例如，液化天然气）在进入蒸发器14之前进行加热或预热。这因而相对于蒸发器减小了在燃料的进入（也即，入口）和排出（也即，出口）温度之间的差异，且因此降低了燃料在蒸发器中受热以获得对于气体的期望膨胀的程度。
举例来说，低温总线15可包括封壳，其包括功率电子器件22的壳体。封壳28联接在导管16和蒸发器14之间。功率电子器件电路22的壳体可定位成邻近低温总线15以当低温燃料向蒸发器14流动时从功率电子器件电路传输热至燃料。在所示实施例中，功率电子器件的壳体定位在封壳内，使得可在壳体和低温燃料之间传输热。也就是说，封壳28在入口30处从导管16接收液体低温燃料并且由功率电子器件电路22的操作所产生的热传输至（也即，加热）燃料以降低功率电子器件电路22的操作温度，同时升高低温燃料的温度。虽然采用的是将功率电子器件电路22收容在封壳内作为示例，但也可采用使用低温燃料来冷却功率电子器件的任何合适的方法。天然气可经由将蒸发器14联接至封壳28的出口32离开封壳28。虽然上述实施例包括封壳以从功率电子器件22除热，但在其它实施例中，功率电子器件也可通过被浸入在低温燃料内来直接地冷却。
通过使用低温燃料（也即，液化天然气）降低功率电子器件电路22的温度，可减少或消除否则被用来冷却功率电子器件电路22的硬件构件。另外，通过使用来自功率电子器件电路22的热对低温燃料（也即，液化天然气）在进入蒸发器14之前进行加热，相比于在尺寸方面设定成用以提供蒸发燃料所需的全部热（也即，在没有附加热来自功率电子器件电路22的情况下的热）的蒸发器14而言，低温燃料动力系统10可消除或减小蒸发器14的尺寸和/或功率。另外和/或备选地，由于来自功率电子器件电路22的热使进入蒸发器14的燃料从其否则所处的温度升高，故蒸发器14可耗用较少的能量。
在低温燃料动力系统10中，含有产生磁场的材料的电路可由于与低温学相关联的低温而具有增大的损耗。例如，常规逆变器可包括无源滤波器用以对输出滤波和用以降低总谐波失真（THD）然而，无源滤波器可包括电感器，其产生与低温燃料相互作用的磁场，从而增大功率电子器件电路22的损耗且因此增大动力系统10的损耗。因此，下文所述的功率电子器件电路22可在磁性材料减少或消除的情况下提供电功率至一个或多个负载。例如，功率电子器件电路22可在不使用无源滤波器（例如，其对逆变器的输出滤波）而产生最小THD的情况下操作。
图2示出功率电子器件电路22的单元组块38的方框图。功率电子器件电路22可经由接头24接收功率。功率电子器件电路22可包括对输入功率滤波的有源滤波器40。功率电子器件电路22可包括N相谐振线路（circuit）42，其从有源滤波器40接收功率并且将该功率分配到N个相中。相的数量可取决于应用，以及N个相是指任何适合数量的相。N相谐振线路42的每个相均可电性地耦合至N相变压器44的相应相的初级绕组。功率电子器件电路22可包括N相可控整流器46，其提供功率输出至接头26。N相可控整流器46的每个相均可电性地耦合至N相变压器44的相应次级绕组。功率电子器件电路22可包括从属控制器48，其控制N相谐振线路42和/或N相可控整流器46的操作。
从属控制器48可电性地耦合至功率电子器件电路22以接收和/或提供信号来控制功率电子器件电路22的各个部件。例如，从属控制器48可包括传感器，其接收表示接头26的功率输出的第一信号。另外，从属控制器48可发送信号以控制N相谐振线路42和/或N相可控整流器46的操作。另外，它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可接收来自主控制装置的基准信号（电压、电流和/或功率）。
图3示出功率电子器件电路22的单元组块38的实施例的线路图。下文的相可表示可包括N倍数目的电路的分支（leg）或组（set）。虽然关于图3详细地描述了两个相，但注意的是所示实施例包括取决于应用的任何合适数量的相。功率电子器件电路22的N相谐振线路42包括至少两个相，文中称为第一相谐振线路50和第二相谐振线路52。第一相谐振线路50包括第一切换器（或开关）54和第二切换器56，以及电容器58和电感器60。第二相谐振线路52包括第一切换器62和第二切换器64，以及电容器66和电感器68。在一些实施例中，第一相谐振线路50和/或第二相谐振线路52可包括电容器而没有电感器，或者包括电感器而没有电容器。
第一相谐振线路50可电性地耦合至第一变压器的初级绕组70。在某些实施例中，代替单独的电容器和/或电感器，变压器可包括电容和/或电感。例如，第一相谐振线路50可电性地耦合至初级绕组70而没有电感器60和/或电容器58。第二相谐振线路52可电性地耦合至第二变压器的初级绕组72。
在所示实施例中，各个相谐振线路50和52的初级绕组70和72可分别地在次级绕组78和80中感应电压。另外，次级绕组78和80可电性地耦合至N相可控整流器46的第一相可控整流器82和第二相可控整流器84。第一相可控整流器82可包括第一切换器86和第二切换器88，以及第二相可控整流器84可包括第三切换器90和第四切换器92。另外，N相可控整流器46可耦合至电容器94。
通过将第一变压器耦合在第一相谐振线路50和第一相可控整流器82之间，变压器可电流地（galvanically）隔离第一相谐振线路50的功率与第一相可控整流器82的功率。相似地，通过将第二变压器耦合在第二相谐振线路52和第二相可控整流器84之间，第二变压器可电流地隔离第二相谐振线路52的功率与第二相可控整流器84的功率。如上文所述，变压器可包括许多绕组以逐步抬高或逐步减低由变压器提供至可控整流器的电压。
各个相均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，以及电感器60具有与电感器68的电感相等的电感。另外，各个变压器均可具有与次级绕组78和80相似或相同关系的初级绕组70和72。此外，N相可控整流器46的各个相中的切换器82和84均可与N相可控整流器46的其它相的相应切换器86和88相似或相同。
在某些实施例中，从属控制器48可包括各种电路来执行文中所述的方法。例如，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/或指令以控制N个相中的每个，如由第一相电路100和第二相电路102所示。从属控制器48可作为对第一相电路100和第二相电路102的主控制（master）进行操作。处理器可操作地联接至存储器以执行用于实施当前所公开技术的指令，例如控制切换器54、56、62、64、86、88、90和92的操作。这些指令可编码成程序或代码，其储存在有形非暂时计算机可读介质例如存储器和/或其它储存装置中。处理器可为通用处理器、片上系统（SoC）装置，或者专用集成电路，或者一些其它的处理器构造。
在该实施例中，存储器98可包括计算机可读介质，例如但不限于硬盘驱动器、固态硬盘、磁盘、闪盘驱动器、光盘、数字影碟光盘、随机存取存储器（RAM）、固件、只读存储器（ROM、EPROM、闪速存储器等）和/或使处理器能够储存、检索和/或执行指令（例如，代码）和/或数据的任何适合储存装置。存储器98还可包括一个或多个当地和/或远程储存装置。
从属控制器48可检索来自主控制器123的信号（多个），在下文详细地描述。例如，主控制器123可接收表示期望输出的基准信号，例如电力网的信号。另外，主控制器123可接收来自传感器106（例如，电压和/或电流传感器）的传感器信号，其表示在接头26上的功率输出。备选地和/或此外，从属控制器48可接收来自传感器106的信号。如在下文详细地描述，主控制器123可发送信号（多个）至从属控制器48以促使从属控制器48控制切换器基于基准信号104和传感器信号（多个）来输出功率。输入功率然后可经由N相谐振线路42分配到N个相中。通过在各个相之间分配功率，相比于不包括N个相的逆变器而言，功率电子器件电路22可通过对于各个相以较低电流操作来提供受控的功率，同时使损耗最小化。此外，通过将功率分配到不同相中，在每个相上的电路（例如，切换器、电容器、电感器、变压器等）相比于未将功率分配到不同相中的功率电子器件电路22而言可定额成耐受减小的电流和/或电压。另外，通过限制每个相的输出电流，由逆变器的电流生成的磁场可受限制，从而降低低温燃料动力系统10中功率电子器件电路22的损耗。在所示实施例中，输出纹波频率可等于切换频率的2N倍，其中，N为N相中的相的数量。因此，输出纹波可基于每个相的切换频率和相的数量得以最小化。另外，电容器107可使逆变器的输出平滑。此外，由于高纹波频率，滤波器电感器相比于传统方式小很多或者可完全地移除。如下文所述，多于一个的单元组块38可结合在一起来形成功率电子器件电路22的多级逆变器。多级逆变器101可模块化，使得单元组块38中的每个均可整装以根据应用实现对多级逆变器101的改变。
图4示出具有多个单元组块103、107、109和111的多级逆变器101。尽管在图4中示出了四个单元组块，但这仅是例示性的，并且可使用任何合适数量的单元组块。各个单元组块均可包括上文所述的功率电子器件电路38，例如输入有源滤波器40、N相谐振线路42、N相变压器44、N相可控整流器46，以及从属控制器48。
在所示实施例中，单元组块103经由接头113串联地连接至单元组块107。另外，单元组块107经由接头115串联地连接至单元组块109，其经由接头117串联地连接至单元组块111。也就是说，四个单元组块103、107、109和111彼此串联地连接以提供相对于接地的输出电压119。
多级逆变器101可包括主控制器，其构造成用以发送信号来控制各个单元组块的从属控制器。尽管在图4中示出了接线，但主控制器可使用任何合适的通信技术或协议（例如，无线或有线的）进行通讯。另外，主控制器123可包括处理器125和存储器127。处理器125和存储器127可为任何合适的处理器和存储器（例如，如关于从属控制器48所述）。存储器127可包括指令以由处理器125执行来实施文中所述的技术。
处理器125可发送控制信号至单元组块103、107、109和111中的各个从属控制器以促使从属控制器根据主控制器的控制信号来控制相应单元组块103、107、109和111的切换器。多级逆变器101可在与串联联接的单元组块的数量对应的电压电平的数量下提供功率。如将在下文描述，处理器125可发送控制信号至各个从属控制器以控制相应单元组块103、107、109和111的切换器来基于控制信号生成叠加波形。
单元组块103、107、109和111中的每个均可联接至直流（DC）总线VDC。另外，各个单元组块103、107、109和111的输出均与DC总线电流地隔离以使各个单元组块103、107、109和111的输出浮动来实现多个模块的串联输出连接。也就是说，单元组块103、107、109和111中的每个均可电流地隔离，使得串联接头113、115和117在电压输出119和接地121之间形成叠加电压，其使单元组块103、107、109和111的各个输出电压相结合（例如，跨过各个单元组块103、107、109和111的接头26的电压）。另外，通过利用串联接头使单元组块103、107、109和111联接，单元组块的每个相均可彼此串联地联接（或耦合），使得每个单元组块的电压叠加。
图5示出来自图4的多级逆变器101的功率输出的输出电压（在纵坐标110上所示）相对于时间（在横坐标112上所示）的图表108。经由控制器48，主控制器123可各个控制单元组块103、107、109和111的N个相中的每个以提供可加和（或叠加）来形成正弦波形114的功率输出。功率电子器件电路22可包括四个单元组块，各个单元组块均具有N相谐振线路、N个变压器以及N个可控整流器。各个区段116、118、120和122示出为表示各个单元组块103、107、109和111的输出电压。如上文所述，根据情况，单元组块103、107、109和111可模块化，或者N个相可结合。
主控制器可发送信号至从属控制器来控制各个谐振线路的切换器以从DC总线VDC提供交流（AC）功率的一部分。例如，从属控制器48可控制谐振线路的操作来提供功率，如区段116中所示。由于各个谐振线路中的构件（例如，电感器、电容器等）或变压器，或者可控整流器，各个单元组块103、107、109和111均可在不使用无源滤波的情况下提供AC功率的一部分，其中谐波最小和/或电压纹波最小。例如，第一单元组块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纹波、减小的纹波频率，或者两者。相似地，第二单元组块107可包括相似或相同的构件以使由第二单元组块107所提供的AC功率的部分相似地成形来相比于在没有谐振电路的构件（例如，电感器、电容器等）的情况下的逆变器而言包括减小的电压纹波、减小的纹波频率，或者两者。另外，通过将电流经过多个相分配，经由谐振线路的切换器，由逆变器生成的磁场可最小化以减小逆变器对低温燃料动力系统的影响。也就是说，从属控制器可限制经过各个谐振线路中的电流以减小或消除因在由低温燃料引起的较低温度下的磁场造成的效率下降。
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（多个）至第一单元组块103的从属控制器来控制第一单元组块103以基于基准信号104提供电压，以及向其它单元组块107、109和111提供等于0的基准信号。例如，第一单元组块103的从属控制器可控制（例如，发送信号（多个）以打开和/或关闭）第一单元组块103的各个相中的切换器来在时间0和时间t1之间生成输出电压，如由区段116所示，并且各个其它单元的从属控制器都将操作单元的切换器来生成零值输出电压。尽管基准信号104处于第一阈值124和第二阈值126之间，但主控制器123可发送信号（多个）至第一单元组块103的从属控制器以保持等于阈值的恒定电压，以及发送信号至第二单元组块107的从属控制器48来控制（例如，发送信号以打开）第二单元组块107的切换器来生成在t1和t2之间的输出电压，由区段118所示。单元组块109和111将受控制以产生零电压输出。相似地，尽管基准信号104处于第二阈值126和第三阈值128之间，但主控制器123可发送信号（多个）至第三单元组块109的从属控制器48以控制（例如，发送信号以打开）第三单元组块109的切换器来生成t2和t3之间的输出电压，如由区段120所示，以及发送信号（多个）至单元组块103和109的从属控制器以产生等于阈值的恒定电压，以及发送信号至单元组块111的从属控制装置以产生零电压输出。主控制器123然后可发送信号（多个）至第四单元组块111的从属控制器48以控制第四相的切换器来生成t3和t4之间的输出电压，同时基准信号高于第三阈值128，如由区段122所示，并且发送信号（多个）至单元组块103、107和109的从属控制器以产生等于阈值电压的恒定输出电压。从属控制器48可继续控制切换器以按相似的方式逐步地减小电压，使得对来自各个单元组块的各个电压的叠加形成正弦波形114。通过使用各个单元组块逐步地升高和/或降低电压，来自功率电子器件电路22的输出并不具有在惯常由无源滤波器滤波的频率下的谐波。另外，各个相中的谐振线路可使由各个相所提供的AC功率的部分成形，如由区段116、118、120和122所示，以相比于在没有谐振电路的构件的情况下的逆变器而言包括减小的电压纹波、减小的纹波频率，或者两者。
尽管使用的是正弦波形作为基准信号，但文中所述的系统和方法可结合任何合适波形作为基准信号使用。图6示出三角波形的示例的图表130。尽管文中作为示例使用三角波形和正弦波形，但功率电子器件电路22可用来生成矩形、锯齿形，或者任何其它适合波形，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（多个）至各个单元组块的从属控制器48以基于基准信号104和传感器信号来控制模块化多级逆变器38的各个相。也就是说，主控制器123可将基准三角波形的电压与各种阈值相比较以经由各个相控制提供功率。来自这些相中的每个的功率可加和（或叠加）成合成的信号。
图7示出逆变器136的一组单元组块的方框图，该逆变器提供适于向一个或多个负载供以动力的功率输出。各个单元组块均可包括从属控制器48、输入有源滤波器40、N相谐振线路42、N相变压器44，以及N相可控整流器46。另外，各个单元组块均可串联地、并联地或者以它们的任何组合电性地联接，以在更大电流和/或电压下提供功率。也就是说，为了增大由逆变器的单元组块所提供的电流和/或电压的大小，可串联地、并联地或以它们的任何组合添加附加的逆变器单元。
在所示实施例中，逆变器136包括第一单元组块138，其并联地电性联接至第二单元组块140。逆变器136还包括第三单元组块142，其并联地电性联接至第四单元组块144。第一单元组块138和第二单元组块140与第三单元组块142和第四单元组块144串联地电性联接。也就是说，逆变器136包括串联的两对逆变器单元的联合，其中每对逆变器单元均具有并联的两个单元。另外，由于变压器的电流隔离，单元组块可模块化以串联地或并联地联接。通过并联地联接单元组块，逆变器可通过经过单元组块的各个相分配电流来向负载提供增大的总电流。通过串联地联接附加的单元组块，逆变器可在附加的电压电平下向上述一个或多个负载提供功率。尽管这是作为示例示出，但一组逆变器单元可串联地、并联地或者以二者的联合来联接。
图8示出使用三个逆变器提供功率的三相功率系统146的方框图。例如，第一逆变器136、第二逆变器148和第三逆变器150单元可分别地提供功率的第一相、第二相以及第三相，以提供三相功率至负载。
本发明的技术效果包括提高功率密度，例如在低温动力系统中。通过使用低温燃料冷却功率电子器件，低温燃料在由蒸发器加热之前被预热，从而降低由蒸发器耗用的功率。另外，通过冷却功率电子器件，功率电子器件可在没有散热件和/或风扇的情况下操作，从而减小功率电子器件的尺寸。由功率电子器件提供的功率可使用模块化多级逆变器来操作。多级逆变器可经过多个模块分配功率。另外，各个模块均可包括多个相。各个模块的控制器均可控制相的切换器以形成叠加波形。通过在多个相之间分配功率，功率电子器件电路可在不使用无源滤波器的情况下提供功率，从而降低由无源滤波器的磁性材料所引起的损耗。另外，通过减少磁性材料和经过多个相分配电流，逆变器可使得低温动力系统能够在蒸发器的尺寸减小以及电子器件减小的情况下操作。
在该描述中使用的用语“切换器”包括具有或没有反平行二极管的诸如IGBTMOSFET的技术，以及不同种类的材料例如硅、锗、碳化硅、氮化镓等。在整流器部分中的切换器可为单向的或双向的。
本书面描述采用示例来公开包括最佳方式的本发明，并且还使得本领域普通技术人员能够实施本发明，包括制作和使用任何装置或系统以及执行任何所并入的方法。本发明可取得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。如果此类其它示例具有与权利要求的字面语言并无不同的结构元件或者如果此类其它示例包括与权利要求的字面语言并无实质差异的同等结构元件，则认为它们处在权利要求的范围内。

Claims (18)

1.一种低温燃料动力系统，包括：
发动机；
低温燃料供给源，其构造成用以供给低温燃料来由所述发动机用作燃料；
低温总线，其构造成用以从所述低温燃料供给源提供所述低温燃料至所述发动机；以及
功率电子器件电路，其构造成用以将来自所述发动机的动力转换成待施用至一个或多个负载的形式，其中，所述功率电子器件电路定位成与所述低温总线成热量互通以从所述功率电子器件电路传输热至所述低温燃料；
其中，所述低温总线包括导管和收容所述功率电子器件电路的封壳，并且其中，所述低温燃料供给源提供低温燃料至所述封壳以将所述功率电子器件电路安置成与所述低温燃料成热量互通。
2.根据权利要求1所述的低温燃料动力系统，其特征在于，所述低温燃料动力系统包括在所述低温燃料供给源和所述发动机之间的流体流动通路中的蒸发器，其中，所述蒸发器至少部分地基于进入所述蒸发器的低温燃料的温度来设定尺寸。
3.根据权利要求1所述的低温燃料动力系统，其特征在于，所述低温燃料动力系统包括多个单元组块，其中，所述低温燃料动力系统构造成用以对所述多个单元组块中的每个单元组块中的多个相分配功率以向所述一个或多个负载供以动力。
4.根据权利要求3所述的低温燃料动力系统，其特征在于，所述多个相中的每个相均包括：
谐振线路，其从DC总线提供AC功率的一部分；
变压器，其电流地隔离在所述谐振线路和可控整流器之间的AC功率的部分；以及
所述可控整流器，其结合所述多个相的其它可控整流器来操作以生成待施用至所述一个或多个负载的功率的叠加波形的一部分。
5.根据权利要求4所述的低温燃料动力系统，其特征在于，所述多个单元组块中的每个单元组块均包括控制器，其构造成用以控制所述谐振线路、所述可控整流器或者两者的操作。
6.根据权利要求1所述的低温燃料动力系统，其特征在于，所述低温燃料动力系统包括多级逆变器，其构造成用以在不使用无源滤波器的情况下提供逆变的功率至所述一个或多个负载。
7.根据权利要求1所述的低温燃料动力系统，其特征在于，所述功率电子器件电路直接地浸入在所述低温燃料中。
8.一种用于低温动力系统的转换动力的方法，包括：
使低温燃料从低温燃料储存装置流动至发动机，所述发动机构造成用以使由所述低温燃料生成的气体燃烧；
在所述低温燃料储存装置和所述发动机之间，使所述低温燃料邻近功率电子器件电路流动以降低所述功率电子器件电路操作所处的温度；以及
操作冷却的所述功率电子器件电路以将通过由所述发动机燃烧所述气体生成的电功率转换成待施用至一个或多个负载的形式。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述低温燃料通过冷却所述功率电子器件电路的行为而在通向所述发动机的途中被加热。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述功率电子器件电路将直流（DC）电功率转换成交流（AC）电功率以施用至所述一个或多个负载。
11.一种动力系统，包括：
蒸发器，其构造成用以接收低温燃料和用以使所述低温燃料蒸发成气体；
发动机，其构造成用以接收所述气体和用以产生旋转能以便转换成电功率；
低温燃料供给源，其构造成用以提供低温燃料至所述蒸发器；
功率电子器件电路，其构造成用以将所述电功率转换成待施用至一个或多个负载的形式，其中，所述功率电子器件电路构造成用以定位成与所述低温燃料成热量互通以将由所述功率电子器件电路的操作产生的热传输至所述低温燃料；以及
低温总线，其构造成用以从所述低温燃料供给源提供所述低温燃料至所述发动机，其中，所述低温总线包括收容所述功率电子器件电路的封壳，并且其中，所述低温燃料供给源提供低温燃料至所述封壳以将所述功率电子器件电路安置成与所述低温燃料成热量互通。
12.根据权利要求11所述的动力系统，其特征在于，所述功率电子器件构造成用以对所述低温燃料在进入所述蒸发器之前进行预热。
13.根据权利要求11所述的动力系统，其特征在于，所述动力系统包括在所述蒸发器和所述低温燃料供给源之间的导管以从所述低温燃料供给源传输所述低温燃料至所述蒸发器。
14.根据权利要求13所述的动力系统，其特征在于，所述功率电子器件电路构造成用以沿着所述导管浸入在所述低温燃料内。
15.根据权利要求13所述的动力系统，其特征在于，所述功率电子器件电路收容在壳体中，所述壳体定位在所述封壳内并且与所述低温燃料成热量互通。
16.根据权利要求11所述的动力系统，其特征在于，所述功率电子器件电路构造成用以通过在多个相上分配所述功率来提供转化的功率至所述一个或多个负载以限制经过所述多个相中的每个相的电流，从而限制由所述功率电子器件电路所生成的磁场。
17.根据权利要求11所述的动力系统，其特征在于，所述功率电子器件构造成用以转换所述电功率以形成正弦波形、三角波形、矩形波形或者DC波形。
18.根据权利要求11所述的动力系统，其特征在于，所述功率电子器件电路包括单元组块，所述单元组块均提供待施用至所述一个或多个负载的叠加波形的一部分。
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