CN112970182A - 具有高频中间交流和两个独立输出的交流-直流三电平转换系统 - Google Patents

具有高频中间交流和两个独立输出的交流-直流三电平转换系统 Download PDF

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Abstract

一种电力转换系统，包括：第一电力转换端口，该第一电力转换端口包括三电平功率因数校正器件和初级电力转换电路；第二电力转换端口，该第二电力转换端口包括三电平整流器；以及第三电力转换端口，该第三电力转换端口包括整流器，第一电力转换端口、第二电力转换端口和第三电力转换端口通过变压器彼此磁耦合。

Description

具有高频中间交流和两个独立输出的交流-直流三电平转换 系统
技术领域
本公开内容涉及三电平电力转换系统，并且在特定实施方式中，涉及连接在交流(Alternating Current，AC)电力源与直流(Direct Current，DC)负载之间的三电平电力转换系统。
背景技术
由于新技术的指数式发展的持续改进，电力电子行业经历了快速的增长。随着电力电子技术的进一步发展，车载电池充电器已经成为针对一些新能源应用的关键要素。电动车辆(Electric Vehicle，EV)是最重要的新能源应用之一。不同的EV配备有不同的容量和电压电池。EV需要合适的充电器以用于对各种电池进行充电。
车载电池充电器包括用于将AC电力转换为DC电力的电路。车载电池充电器可以包括AC/DC级和DC/DC级。AC/DC级的输入连接至AC公用线路。AC/DC级用于将来自AC公用线路的AC输入电压转换为合适的DC母线电压。AC/DC级可以包括各种电磁干扰(Electromagnetic interference，EMI)滤波器、由四个二极管形成的桥式整流器、以及功率因数校正电路。
EMI滤波器用于减少可能引起对车载电池充电器的其他装置的干扰的高频噪声。作为使用EMI滤波器的结果，车载电池充电器可以满足各种EMI规定。桥式整流器将AC电压转换为全波整流的DC电压。这样的全波整流的DC电压针对功率因数校正电路提供DC输入电压。功率因数校正电路可以实现为合适的电力转换器，诸如升压转换器。通过采用适当的控制电路，升压转换器能够将输入线路电流整形为正弦的且与AC输入源的正弦输入电压同相。因此，AC/DC级的功率因数可以按照各种国际标准的要求接近于一。
DC/DC级连接在AC/DC级的输出与多个电池之间。DC/DC级可以包括具有一个初级绕组、次级绕组和次级整流器的隔离式DC/DC电力转换器，用于将DC母线电压转换为用于对EV电池进行充电的DC电压。
发明内容
通过提供了用于在AC电力源与两个DC负载之间的电力传递的三电平电力转换系统和方法的本公开内容的优选实施方式，总体上解决或规避了这些问题和其他问题，并且总体上实现了技术优点。
根据实施方式，一种电力转换系统包括：第一电力转换端口，该第一电力转换端口包括三电平功率因数校正器件和初级电力转换电路；第二电力转换端口，该第二电力转换端口包括三电平整流器；以及第三电力转换端口，该第三电力转换端口包括整流器，第一电力转换端口、第二电力转换端口和第三电力转换端口通过变压器彼此磁耦合。
三电平功率因数校正器件为三电平中性点钳位(neutral point clamped，NPC)功率因数校正转换器。初级电力转换电路包括三电平电感器-电感器-电容器(Inductor-Inductor-Capacitor，LLC)转换器的初级开关网络和谐振槽路。
三电平功率因数校正器件包括：输入端口，所述输入端口连接至单相AC电力源；第一输出端口，该第一输出端口连接至第一电压母线；第二输出端口，该第二输出端口连接至第二电压母线；以及第三输出端口，该第三输出端口连接至第三电压母线。通过调整跨第一电压母线和第二电压母线的电压来调节三电平整流器的输出电压。
电力转换系统还包括：第一二极管；第二二极管，该第二二极管与第一二极管串联连接在第一电压母线与第二电压母线之间；第一电容器；以及第二电容器，该第二电容器与第一电容器串联连接在第一电压母线与第二电压母线之间；以及继电器，该继电器连接在第一二极管和第二二极管的公共节点与第一电容器和第二电容器的公共节点之间。该继电器被配置成在闭合状态与断开状态之间转换。当继电器处于闭合状态时，第一二极管、第二二极管、第一电容器和第二电容器形成倍压器。
三电平功率因数校正器件包括：第一三电平功率因数校正电路，该第一三电平功率因数校正电路具有连接至三相AC电力源的第一相的输入；第二三电平功率因数校正电路，该第二三电平功率因数校正电路具有连接至三相AC电力源的第二相的输入；以及第三三电平功率因数校正电路，该第三三电平功率因数校正电路具有连接至三相AC电力源的第三相的输入。
初级电力转换电路包括：第一初级开关、第二初级开关、第三初级开关和第四初级开关，该第一初级开关、该第二初级开关、该第三初级开关和该第四初级开关串联连接在第一电压母线与第二电压母线之间；以及谐振槽路，该谐振槽路连接在第一初级开关和第二初级开关的公共节点与变压器的初级绕组的第一端子之间，并且变压器的初级绕组的第二端子连接至第三初级开关和第四初级开关的公共节点。
根据另一实施方式，一种方法包括：通过三电平功率因数校正器件、初级三电平电力转换电路和第一次级电力转换电路将能量从AC电力源传递至第一DC负载，该第一次级电力转换电路通过变压器磁耦合至初级三电平电力转换电路；以及通过三电平功率因数校正器件、初级三电平电力转换电路和第二次级电力转换电路将能量从AC电力源传递至第二DC负载，该第二次级电力转换电路通过变压器磁耦合至初级三电平电力转换电路。
该方法还包括通过调整三电平功率因数校正器件的输出电压来对跨第一DC负载的电压进行调节。该方法还包括将三电平功率因数校正器件配置成生成第一电压母线、第二电压母线和第三电压母线，其中，第一二极管；第二二极管，该第二二极管与第一二极管串联连接在第一电压母线与第二电压母线之间；第一电容器；以及第二电容器，该第二电容器与第一电容器串联连接在第一电压母线与第二电压母线之间；以及继电器，该继电器连接在第一二极管和第二二极管的公共节点与第一电容器和第二电容器的公共节点之间。该方法还包括通过将继电器从断开状态改变为闭合状态，将第一二极管、第二二极管、第一电容器和第二电容器以及继电器配置为倍压器。
该方法还包括将第二次级电力转换电路配置成：当第二次级电力转换电路的输入电压超过预定电压阈值时，作为线性调节器进行操作。该方法还包括将第一DC负载配置为向第二DC负载和连接至AC电力源的端子的AC负载中的至少之一提供电力的电力源。该方法还包括通过借助于导通第二次级电力转换电路的两个下部开关来使变压器的次级侧绕组短路，将第二次级电力转换电路配置成以升压转换器模式进行操作。
根据又一实施方式，一种电力转换系统包括：三端口电力转换子系统，该三端口电力转换子系统具有：第一端口，该第一端口连接至AC电力源；第二端口，该第二端口连接至第一DC负载；以及第三端口，该第三端口连接至第二DC负载；以及第一两端口电力转换子系统，该第一两端口电力转换子系统具有：第一端口，该第一端口连接至AC电力源；以及第二端口，该第二端口连接至所述第一DC负载，该第一两端口电力转换子系统的第二端口为第一单向电力端口。
三端口电力转换子系统的第一端口包括第一三电平功率因数校正器件和第一初级电力转换电路，该第一三电平功率因数校正器件和该第一初级电力转换电路级联连接在AC电力源与第一变压器的第一绕组之间。三端口电力转换子系统的第二端口包括三电平整流器，该三电平整流器连接在第一变压器的第二绕组与第一DC负载之间。三端口电力转换子系统的第三端口包括第一二极管整流器，该第一二极管整流器在第一变压器的第三绕组与第二DC负载之间。
第一两端口电力转换子系统的第一端口包括第二三电平功率因数校正器件和第二初级电力转换电路，该第二三电平功率因数校正器件和该第二初级电力转换电路级联连接在AC电力源与第二变压器的第一绕组之间。第一两端口电力转换子系统的第二端口包括第二二极管整流器，该第二二极管整流器连接在第二变压器的第二绕组与第一DC负载之间。
电力转换系统还包括第二两端口电力转换子系统，该第二两端口电力转换子系统具有：第一端口，该第一端口连接至AC电力源；以及第二端口，该第二端口连接至第一DC负载，该第二两端口电力转换子系统的第二端口为第二单向电力端口。
本公开内容的实施方式的优点是实现AC电力源与DC负载之间诸如主EV电池与辅助EV电池之间的三电平电力转换系统。
前述内容已经相当广泛地概述了本公开内容的特征和技术优点，以便可以更好地理解随后的本公开内容的详细描述。在下文中将描述形成本公开内容的权利要求书的主题的本公开内容的附加特征和优点。本领域技术人员应当意识到，所公开的构思和具体实施方式可以被容易地用作用于修改或设计用于实现本公开内容的相同目的的其他结构或处理的基础。本领域的技术人员还应当认识到，这样的等同结构并未偏离在所附权利要求书中阐明的本公开内容的精神和范围。
附图说明
为了更完整地理解本公开内容及其优点，现在参考结合附图进行的以下描述，在附图中：
图1示出根据本公开内容的各种实施方式的双向电力转换系统；
图2示出根据本公开内容的各种实施方式的图1所示的双向电力转换系统的第一实现方式的框图；
图3示出根据本公开内容的各种实施方式的图2所示的三电平电力转换系统的第一实现方式的示意图；
图4示出根据本公开内容的各种实施方式的图2所示的三电平电力转换系统的第二实现方式的示意图；
图5示出根据本公开内容的各种实施方式的图2所示的三电平电力转换系统的第三实现方式的示意图；
图6示出根据本公开内容的各种实施方式的用于控制图2所示的三电平电力转换系统的方法的流程图；
图7示出根据本公开内容的各种实施方式的图1所示的双向电力转换系统的第二实现方式的框图；
图8示出根据本公开内容的各种实施方式的图7所示的双向电力转换系统的第一实现方式的示意图；
图9示出根据本公开内容的各种实施方式的图7所示的双向电力转换系统的第二实现方式的示意图；
图10示出根据本公开内容的各种实施方式的单向电力转换系统；
图11示出根据本公开内容的各种实施方式的图10所示的单向电力转换系统的框图；
图12示出根据本公开内容的各种实施方式的图11所示的单向电力转换系统的示意图；
图13示出根据本公开内容的各种实施方式的双向多端口电力转换系统；
图14示出根据本公开内容的各种实施方式的图13所示的双向多端口电力转换系统的框图；
图15示出根据本公开内容的各种实施方式的双向三端口电力转换系统的第一实现方式的框图；
图16示出根据本公开内容的各种实施方式的图15所示的双向三端口电力转换系统的第一实现方式的示意图；
图17示出根据本公开内容的各种实施方式的图15所示的双向三端口电力转换系统的第二实现方式的示意图；
图18示出根据本公开内容的各种实施方式的图15所示的双向三端口电力转换系统的第三实现方式的示意图；
图19示出根据本公开内容的各种实施方式的用于控制图18所示的双向三端口电力转换系统的方法的流程图；
图20示出根据本公开内容的各种实施方式的用于控制图18所示的双向三端口电力转换系统的又一方法的流程图；
图21示出根据本公开内容的各种实施方式的双向三端口电力转换系统的第二实现方式的框图；
图22示出根据本公开内容的各种实施方式的图21所示的双向三端口电力转换系统的第一实现方式的示意图；
图23示出根据本公开内容的各种实施方式的图21所示的双向三端口电力转换系统的第二实现方式的示意图；
图24示出根据本公开内容的各种实施方式的模块化双向电力转换系统的框图；
图25示出根据本公开内容的各种实施方式的又一模块化双向电力转换系统的框图；
图26示出根据本公开内容的各种实施方式的又一模块化双向电力转换系统的框图；
图27示出根据本公开内容的各种实施方式的又一模块化双向电力转换系统的框图；
图28示出根据本公开内容的各种实施方式的又一模块化双向电力转换系统的框图；
图29示出根据本公开内容的各种实施方式的三相双向电力转换系统的框图；
图30示出根据本公开内容的各种实施方式的图29所示的三相双向电力转换系统的第一实现方式的示意图；
图31示出根据本公开内容的各种实施方式的图29所示的三相双向电力转换系统的第二实现方式的示意图；
图32示出根据本公开内容的各种实施方式的三相电力转换系统的框图；
图33示出根据本公开内容的各种实施方式的图32所示的三相电力转换系统的第一实现方式的示意图；
图34示出根据本公开内容的各种实施方式的图32所示的三相电力转换系统的第二实现方式的示意图；
图35示出根据本公开内容的各种实施方式的图32所示的三相电力转换系统的第三实现方式的示意图；
图36示出根据本公开内容的各种实施方式的三相三端口电力转换系统的第一实现方式的框图；
图37示出根据本公开内容的各种实施方式的图36所示的三相三端口电力转换系统的第一实现方式的示意图；
图38示出根据本公开内容的各种实施方式的图36所示的三相三端口电力转换系统的第二实现方式的示意图；
图39示出根据本公开内容的各种实施方式的图36所示的三相三端口电力转换系统的第三实现方式的示意图；
图40示出根据本公开内容的各种实施方式的图36所示的三相三端口电力转换系统的第二实现方式的框图；
图41示出根据本公开内容的各种实施方式的图40所示的三相三端口电力转换系统的第一实现方式的示意图；
图42示出根据本公开内容的各种实施方式的图40所示的三相三端口电力转换系统的第二实现方式的示意图；
图43示出根据本公开内容的各种实施方式的模块化三相电力转换系统的框图；
图44示出根据本公开内容的各种实施方式的另一模块化三相电力转换系统的框图；
图45示出根据本公开内容的各种实施方式的另一模块化三相电力转换系统的框图；以及
图46示出根据本公开内容的各种实施方式的另一模块化三相电力转换系统的框图。
除非另有说明，否则不同附图中的相应附图标记和符号通常指相应的部分。绘制附图以清楚地示出各种实施方式的相关方面，但是不一定按比例绘制。
具体实施方式
下面详细讨论当前优选实施方式的实施和使用。然而，应当理解，本公开内容提供了可以在多种具体上下文中实施的许多适用发明构思。所讨论的具体实施方式仅是说明用以实施和使用本公开内容的具体方式，而不限制本公开内容的范围。
将在特定上下文中关于优选实施方式描述本公开内容，即，用于对电动车辆的电池进行充电的三电平电力转换系统。然而，本公开内容也可以应用于各种电力转换系统。在下文中，将参照附图详细说明各种实施方式。
图1示出了根据本公开内容的各种实施方式的双向电力转换系统。双向电力转换系统100连接在AC元件101与DC元件103之间。根据不同的应用和设计需要，可以将AC元件101实现为AC电力源或AC负载。同样，可以将DC元件103实现为DC负载或DC电力源。
在一些实施方式中，当双向电力转换系统100被配置成将AC电力转换为DC电力时，AC元件101被实现为来自公用电网的单相AC电力源或三相AC电力源。DC元件103可以为半导体芯片、电池、下游电力转换器等。在一些实施方式中，DC元件103可以为电动车辆的电池组。图1所示的双向电力转换系统100可以用作电动车辆充电转换器。
在替选实施方式中，当双向电力转换系统100被配置成将DC电力转换为AC电力时，DC元件103被实现为DC电力源，诸如可再充电电池。AC元件101被实现为AC负载。
图2示出了根据本公开内容的各种实施方式的图1所示的双向电力转换系统的第一实现方式的框图。双向电力转换系统200包括级联连接在AC元件101与变压器191的初级绕组NP之间的三电平功率因数校正器件102和三电平初级电力转换网络104。三电平功率因数校正器件102将AC电压转换为DC电压，即，第一电压母线VB1、第二电压母线VB2和第三电压母线VB3。在一些实施方式中，第一电压母线VB1上的电压大于第三电压母线VB3上的电压。第三电压母线VB3上的电压大于第二电压母线VB2上的电压。
在一些实施方式中，第三电压母线VB3上的电压处于两个串联连接的电容器的中点处的电压。电压母线VB1、VB2和VB3可以被统称为双极性DC母线。该双极性DC母线上的电压可以在宽范围内进行调节。例如，该双极性DC母线上的电压可以在从约400V至约800V的范围内变化。这种宽范围的电压变化有助于调节双向电力转换系统200的输出电压。
双向电力转换系统200还包括三电平次级电力转换网络112。如图2所示，三电平次级电力转换网络112连接在次级绕组NS与DC元件103之间。贯穿说明书，双向电力转换系统200可以替选地被称为三电平电力转换系统。另外，贯穿说明书，初级电力转换网络可以替选地被称为初级电力转换电路。第二电力转换网络可以替选地被称为第二电力转换电路。
在一些实施方式中，三电平电力转换系统200的三电平功率因数校正器件102被配置成使得通过调整流入三电平功率因数校正器件102的输入电流来将三电平电力转换系统200的功率因数调整为近似等于一的水平。三电平功率因数校正器件102可以实现为任何合适的功率因数校正转换器，诸如升压功率因数校正整流器等。
此外，三电平功率因数校正器件102的输出电压可以在宽范围内变化。例如，三电平功率因数校正器件102的输出电压可以在从约370V至约800V的范围内变化。这种宽的输出电压范围有助于调节三电平电力转换系统的输出电压。更具体地，三电平功率因数校正器件102与DC元件103之间的电路可以为未经调节的电力转换器或者具有窄的电压变化范围的电力转换器。三电平电力转换系统200的输出电压的调节是通过或主要通过调节三电平功率因数校正器件102的输出电压来实现的。下面将关于图3描述三电平功率因数校正器件102的详细示意图。
在一些实施方式中，三电平初级电力转换网络104包括三电平电感器-电感器-电容器(LLC)谐振转换器的初级侧电路。更具体地，三电平初级电力转换网络104包括三电平LLC谐振转换器的初级侧开关网络以及谐振槽路(tank)。在一些实施方式中，三电平LLC谐振转换器被配置为未经调节的电力转换器。三电平初级电力转换网络104的多个开关的开关频率等于谐振槽路的谐振频率。替选地，根据设计需求和不同的应用，三电平LLC谐振转换器的多个开关的开关频率可以在窄范围(例如，谐振槽路的谐振频率的+/-5％)内变化，以帮助三电平电力转换系统200调节输出电压。下面将关于图3描述三电平初级电力转换网络104的详细示意图。
变压器191在三电平电力转换系统200的初级侧(具有102和104的一侧)与次级侧(具有112的一侧)之间提供电隔离。根据实施方式，变压器191可以如图2所示由初级变压器绕组(例如，绕组NP)和次级变压器绕组(例如，绕组NS)形成。应当注意，本文和贯穿说明书所示出的变压器仅是示例，其不应当不适当地限制权利要求书的范围。本领域普通技术人员将认识到许多变型、替换和修改。例如，变压器191还可以包括各种偏置绕组和栅极驱动辅助绕组。
三电平次级电力转换网络112将从变压器191的次级绕组NS接收到的交变极性波形转换为单极性波形。下面将关于图3讨论三电平次级电力转换网络112的详细操作和结构。
应当注意，三电平LLC谐振转换器仅是示例，其不应当不适当地限制权利要求书的范围。本领域普通技术人员将认识到许多变型、替换和修改。三电平初级电力转换网络104可以被实现为任何合适的隔离式转换器，诸如反激式转换器、正激式转换器、推挽式转换器、半桥式转换器、全桥式转换器、其任意组合等。
在一些实施方式中，三电平电力转换系统200为双向电力转换系统。在操作中，当三电平电力转换系统200被配置成将AC电力转换为DC电力时，三电平初级电力转换网络104、变压器191和三电平电力转换网络被配置为隔离式DC/DC转换器，以用于将三电平功率因数校正器件102的输出电压转换为施加至DC元件103的合适的DC电压。另一方面，当三电平电力转换系统200被配置成将DC电力转换为AC电力时，DC元件103用作DC电力源，并且AC负载连接至三电平功率因数校正器件102的输入端子。三电平次级电力转换网络112被配置为将来自DC元件103的DC电压转换为交变极性波形的逆变器，该逆变器通过变压器191磁耦合至三电平初级电力转换网络104。三电平初级电力转换网络104用作将交变极性波形转换为单极性波形的整流器。三电平功率因数校正器件102被配置为逆变器，通过该逆变器，双极性DC电压母线(VB1至VB3)处的单极性波形被转换为AC波形，该AC波形被施加至AC负载101。
图3示出了根据本公开内容的各种实施方式的图2所示的三电平电力转换系统的第一实现方式的示意图。三电平电力转换系统300包括级联连接在AC电力源VIN与DC负载RL之间的三电平功率因数校正器件102、三电平初级电力转换网络104、变压器191和三电平次级电力转换网络112。在一些实施方式中，AC电力源VIN为单相AC电力源。AC电力源VIN的电压在从约85V至约265V AC的范围内。
三电平功率因数校正器件102被实现为中性点钳位(Neutral-Point Clamped，NPC)升压功率因数校正转换器。三电平功率因数校正器件102的输入连接至AC电力源VIN的输出。三电平功率因数校正器件102的第一输出为第一电压母线VB1。三电平功率因数校正器件102的第二输出为第二电压母线VB2。三电平功率因数校正器件102的第三输出为第三电压母线VB3。
在第一电压母线VB1与第二电压母线VB2之间串联连接有两个输出电容器C1和C2。输出电容器C1和C2的公共节点连接至第三电压母线VB3。采用输出电容器C1和C2以减少纹波分量并且为三电平初级电力转换网络104提供稳定的DC电压。
三电平功率因数校正器件102包括电感器L1、四个开关S11至S14以及八个二极管D11至D16和D1至D2。四个开关S11至S14串联连接在第一电压母线VB1与第二电压母线VB2之间。电感器L1连接在AC电力源VIN的第一输出端子与开关S12和S13的公共节点之间。AC电力源VIN的第二输出端子连接至输出电容器C1和C2的公共节点。
二极管D15和D16串联连接在开关S11和S12的公共节点与开关S13和S14的公共节点之间。二极管D11至D14与其相应的开关S11至S14并联连接。二极管D15和D16的公共节点连接至输出电容器C1和C2的公共节点。
如图3所示，AC电力源VIN的第二输出端子连接至第三电压母线VB3，该第三电压母线VB3为双极性DC母线的中点。在一些实施方式中，AC电力源VIN的第二输出端子可以为中性点。通过将中性点连接至双极性DC母线的中点，三电平电力转换系统300可以节省开关桥，从而降低电力转换系统的成本。
三电平初级电力转换网络104、变压器191和三电平次级电力转换网络112形成三电平LLC电力转换器，以将电压母线VB1上的DC电压、电压母线VB2上的DC电压和电压母线VB3上的DC电压转换为合适的DC电压，用于DC负载RL。三电平初级电力转换网络104包括开关网络和谐振槽路。开关网络包括串联连接在第一电压母线VB1与第二电压VB2之间的开关S41、S42、S43和S44。开关S42和S43的公共节点连接至电容器C1和C2的公共节点。开关S41和S42的公共节点通过谐振槽路连接至变压器191的第一端子。开关S43和S44的公共节点直接连接至变压器191的第二端子。
谐振槽路可以以多种方式来实现。例如，如图3所示，谐振槽路包括串联谐振电感器Lrl、并联谐振电感器Lm和串联谐振电容器Crl。
串联谐振电感器和并联谐振电感器可以实现为外部电感器。本领域技术人员将认识到可能存在许多变型、替换和修改。例如，串联谐振电感器可以实现为变压器191的漏电感。
总之，谐振槽路包括三个关键谐振元件，即，串联谐振电感器、串联谐振电容器和并联谐振电感器。这种配置通常称为LLC谐振转换器。根据LLC谐振转换器的操作原理，在开关频率近似等于谐振槽路的谐振频率时，谐振槽路有助于实现针对初级侧开关元件的零电压切换和针对次级侧开关元件的零电流切换。
变压器191可以由两个变压器绕组形成，即，如图3所示的初级变压器绕组NP和次级变压器绕组NS。替选地，变压器191可以具有中心抽头的次级，从而具有三个变压器绕组，包括初级变压器绕组、第一次级变压器绕组和第二次级变压器绕组。
三电平次级电力转换网络112将从变压器191的次级绕组NS接收到的交变极性波形转换为单极性波形，该单极性波形被施加至DC负载RL。在第一次级电压母线V1与第二次级电压V2之间串联连接有两个输出电容器C3和C4。输出电容器C3和C4的公共节点为第三次级电压母线V3。采用输出电容器C3和C4以减小纹波分量并且为DC负载RL提供稳定的DC电压。
三电平次级电力转换网络112包括：次级谐振电容器Cr2，开关S61、S62、S63和S64，以及二极管D61、D62、D63和D64。如图3所示，开关S61、S62、S63和S64串联连接在第一次级电压母线V1与第二次级电压V2之间。开关S62和S63的公共节点连接至电容器C3和C4的公共节点。开关S61和S62的公共节点通过次级谐振电容器Cr2连接至次级绕组NS的第一端子。开关S63和S64的公共节点直接连接至次级绕组NS的第二端子。
应当注意，三电平次级电力转换网络112的示意图仅是示例，其不应当不适当地限制权利要求书的范围。本领域普通技术人员将认识到许多变型、替换和修改。例如，三电平次级电力转换网络112可以包括次级谐振槽路(谐振电感器和谐振电容器)。特别地，当三电平电力转换系统300被配置为DC/AC电力转换系统时，次级谐振槽路对于提高三电平电力转换系统300的效率是必需的。
根据实施方式，开关(例如，开关S11至S14、S41至S44和S61至S64)可以为绝缘栅双极型晶体管(Insulate Gate Bipolar Transistor，IGBT)器件。替选地，图3所示的开关元件可以为任何可控开关，诸如金属氧化物半导体场效应晶体管(Metal OxideSemiconductor Field Effect Transistor，MOSFET)器件、集成栅极换流晶闸管(Integrated Gate Commutated Thyristor，IGCT)器件、栅极关断晶闸管(Gate Turn-offThyristor，GTO)器件、硅可控整流器(Silicon Controlled Rectifier，SCR)器件、结型栅场效应晶体管(Junction Gate Field-effect Transistor，JFET)器件、MOS可控晶闸管(MOS Controlled Thyristor，MCT)器件、基于氮化镓(Gallium Nitride，GaN)的电力器件、基于碳化硅(Silicon Carbide，SiC)的电力器件等。贯穿说明书，开关符号(例如，IGBT的符号)仅是示例。根据不同的应用和设计需求，本公开内容中示出的开关可以为任何可控开关。
应当注意，当通过MOSFET器件来实现开关S11至S14、S41至S44和S61至S64时，可以使用开关S11至S14、S41至S44和S61至S64的体二极管来提供续流通道。另一方面，当通过IGBT器件来实现开关S11至S14、S41至S44和S61至S64时，需要单独的续流二极管以与其对应的开关并联连接。
如图3所示，需要二极管D11至D14、D41至D44和D61至D64以提供反向传导路径。换句话说，二极管D11至D14、D41至D44和D61至D64为反并联二极管。在一些实施方式中，二极管D11至D14、D41至D44和D61至D64与其相应的IGBT器件S11至S14、S41至S44和S61至S64共封装。在替选实施方式中，二极管D11至D14、D41至D44和D61至D64被放置在其相应的IGBT器件S11至S14、S41至S44和S61至S64的外部。
还应当注意，虽然图3示出了每个双向开关由以反并联布置连接的二极管和IGBT器件形成，但是本领域普通技术人员将认识到许多变型、代替和修改。例如，可以由一些新的半导体开关诸如反并联反向阻断IGBT装置来实现双向开关。本文中对IGBT器件的讨论可适用于本公开内容的其他IGBT器件。
图4示出了根据本公开内容的各种实施方式的图2所示的三电平电力转换系统的第二实现方式的示意图。图4所示的三电平电力转换系统的第二实现方式类似于图3所示的三电平电力转换系统的实现方式，不同之处在于在三电平电力转换系统400中包括倍压器。
如图4所示，三电平电力转换系统400还包括二极管D1、D2和继电器R1。二极管D1和D2串联连接在第一电压母线VB1与第二电压母线VB2之间。二极管D1和D2的公共节点连接至AC电力源VIN的第二输出端子。继电器R1连接在二极管D1至D2的公共节点与电容器C1至C2的公共节点之间。
在操作中，当继电器R1闭合时，三电平功率因数校正器件102形成倍压器。换句话说，双极性DC母线(VB1至VB3)上的电压等于继电器R1断开时双极性DC母线上的电压的两倍。下面将关于图5描述倍压器的详细操作原理。
图5示出了根据本公开内容的各种实施方式的图2所示的三电平电力转换系统的第三实现方式的示意图。图5所示的三电平电力转换系统的第三实现方式类似于图4所示的三电平电力转换系统的实现方式，不同之处在于继电器R1响应于不同的操作条件而闭合。
在继电器R1闭合之前，在AC电力源VIN的正半周期间期间，使用三电平功率因数校正器件102的输出电压对电容器C1和电容器C2两者进行充电。同样，在AC电力源VIN的负半周期期间，使用三电平功率因数校正器件102的输出电压来对电容器C1和电容器C2两者进行充电。
在继电器R1闭合之后，三电平功率因数校正器件102和电容器C1、C2形成倍压器。在AC电力源VIN的正半周期期间，二极管D2被闭合的继电器R1旁路。作为旁路二极管D2的结果，三电平功率因数校正器件102的输出电压用于仅对电容器C1进行充电。在AC电力源VIN的负半周期期间，二极管D1被闭合的继电器R1旁路。作为旁路二极管D1的结果，三电平功率因数校正器件102的输出电压用于仅对电容器C2进行充电。如此，与继电器R1闭合之前跨电压总线VB1和VB2的电压相比，在继电器R1已经闭合之后，跨电压母线VB1和VB2的电压加倍。
具有图5所示的倍压器的一个有利特征是图4至图5所示的三电平电力转换系统400适用于对各种电池进行充电。例如，当三电平电力转换系统400用于对具有在从约240V至约350V范围内的电压的电池进行充电时，继电器R1断开，以具有跨电压母线VB1和VB2的低输出电压。另一方面，当三电平电力转换系统400用于对具有在从约350V至约500V范围内的电压的电池进行充电时，继电器R1闭合，以具有跨电压母线VB1和VB2的高输出电压。
图6示出了根据本公开内容的各种实施方式的用于控制图2所示的三电平电力转换系统的方法的流程图。图6所示的流程图仅是示例，其不应当不适当地限制权利要求书的范围。本领域普通技术人员将认识到许多变型、替换和修改。例如，图6所示的各种步骤可以被添加、被移除、被代替、被重新布置和被重复。
双向电力转换系统包括功率因数校正器件和隔离式电力转换器。当双向电力转换系统被配置为AC/DC电力转换系统时，来自AC电力源的电力通过功率因数校正器件和隔离式电力转换器被输送至隔离式电力转换器。通过调整功率因数校正器件的输出电压来对双向电力转换系统的输出电压进行调节。换句话说，功率因数校正器件的输出电压可以在宽范围内变化，以用于调节双向电力转换系统的输出电压。
双向电力转换系统还包括继电器。通过控制继电器的断开/闭合，可以将功率因数校正器件的输出级配置为倍压器。
双向电力转换系统还可以被配置为DC/AC电力转换系统。在DC/AC电力转换系统中，双向电力转换系统的隔离式电力转换器和功率因数校正器件被配置为级联连接在DC电力源与AC负载之间的第一逆变器、整流器和第二逆变器。
在步骤602处，合适的电压传感器对双向电力转换系统的输入电压进行检测。双向电力转换系统包括功率因数校正器件和隔离式电力转换器、连接在功率因数校正器件与隔离式电力转换器之间的继电器。
在步骤604处，响应于其中输入电压低于预定阈值的操作条件，对继电器进行激活或闭合，以将功率因数校正器件的输出配置为倍压器。替选地，在相同的输入电压下，当高压DC负载(例如，高压电池)连接至双向电力转换系统时，可以对继电器进行激活以形成倍压器。
在步骤606处，在输入电压大于预定电压阈值之后，禁用或断开继电器。在继电器断开之后，功率因数校正器件的输出电压将相应地减小。
图7示出了根据本公开内容的各种实施方式的图1所示的双向电力转换系统的第二实现方式的框图。双向电力转换系统700类似于图2所示的双向电力转换系统200，不同之处在于次级电力转换网络113被实现为两电平次级电力转换网络。下面将关于图8至图9描述两电平次级电力转换网络113的详细结构。
图8示出了根据本公开内容的各种实施方式的图7所示的双向电力转换系统的第一实现方式的示意图。双向电力转换系统800包括级联连接在AC电力源VIN与DC负载RL之间的三电平功率因数校正器件102、三电平初级电力转换网络104、变压器191和两电平次级电力转换网络113。电力转换系统800还包括连接在三电平功率因数校正器件102与三电平初级电力转换网络104之间的继电器R1。
上面已经关于图3至图5讨论了三电平功率因数校正器件102、三电平初级电力转换网络104、变压器191和继电器R1，并且因此本文不再讨论以避免不必要的重复。
两电平次级电力转换网络113包括开关S51、S52、S53、S54以及次级谐振电容器Cr2。如图8所示，开关S51和S52跨输出电容器C3的两个端子串联连接。同样，开关S53和S54跨输出电容器C3的两个端子串联连接。开关S51和S52的公共节点通过次级谐振电容器Cr2连接至次级绕组NS的第一端子。开关S53和S54的公共节点直接连接至次级绕组NS的第二端子。
两电平次级电力转换网络113能够将从变压器191的次级绕组NS接收到的交变极性波形转换为单极性波形。采用输出电容器C3以减小由两电平次级电力转换网络113生成的波形的纹波分量并且向DC负载RL提供稳定的DC电压。
图9示出了根据本公开内容的各种实施方式的图7所示的双向电力转换系统的第二实现方式的示意图。双向电力转换系统900类似于图8所示的双向电力转换系统800，不同之处在于次级电力转换网络113的开关元件(开关S51至S54)被实现为IGBT，如图9所示。二极管D51至D54为反并联二极管，其与它们相应的IGBT开关并联连接。
图10示出了根据本公开内容的各种实施方式的单向电力转换系统。单向电力转换系统1000连接在AC元件101与DC元件103之间。由于单向电力转换系统1000耦合在AC元件101与DC元件103之间，因此AC元件101被实现为AC电力源并且DC元件103被实现为DC负载。单向电力转换系统1000仅允许电力从AC电力源向DC负载流动，如由图10所示的箭头所指示的。
图11示出了根据本公开内容的各种实施方式的图10所示的单向电力转换系统的框图。单向电力转换系统1000的框图类似于图7所示的双向电力转换系统700的框图，不同之处在于两电平次级电力转换网络113被实现为二极管整流器。作为具有二极管整流器的结果，电流仅可以从AC元件101(AC电力源)向DC元件103(DC负载)流动。
图12示出了根据本公开内容的各种实施方式的图11所示的单向电力转换系统的示意图。电力转换系统1200包括级联连接在AC电力源VIN与DC负载RL之间的三电平功率因数校正器件102、三电平初级电力转换网络104、变压器191和两电平次级电力转换网络113。电力转换系统1200还包括连接在三电平功率因数校正器件102与三电平初级电力转换网络104之间的继电器R1。
上面已经关于图3至图5讨论了三电平功率因数校正器件102、三电平初级电力转换网络104、变压器191和继电器R1，并且因此本文不再讨论以避免不必要的重复。
两电平次级电力转换网络113包括二极管D51、D52、D53、D54。如图12所示，二极管D51和D52跨输出电容器C3的两个端子串联连接。同样，二极管D53和D54跨输出电容器C3的两个端子串联连接。二极管D51和D52的公共节点连接至次级绕组NS的第一端子。二极管D53和D54的公共节点连接至次级绕组NS的第二端子。
两电平次级电力转换网络113能够将从变压器191的次级绕组NS接收到的交变极性波形转换为单极性波形。采用输出电容器C3以减小单极性波形的纹波分量并且向DC负载RL提供稳定的DC电压。
图13示出了根据本公开内容的各种实施方式的双向多端口电力转换系统。双向多端口电力转换系统1300连接在AC元件101与多个DC元件122和124之间。根据不同的应用和设计需求，可以将AC元件101实现为AC电力源或AC负载。同样，可以将多个DC元件122和124实现为DC负载或DC电力源。
贯穿说明书，根据不同的系统配置，AC元件101可以替选地被称为AC电力源101或AC负载101。同样，根据不同的系统配置，多个DC元件122和124中的每个DC元件可以替选地被称为DC负载或DC电力源。
在一些实施方式中，当双向多端口电力转换系统1300被配置成将AC电力转换为DC电力时，AC元件101被实现为来自公用电网的AC电力源。更具体地，AC元件101可以被实现为单相AC电力源。多个DC元件122和124可以为多个DC负载，诸如电池组、下游电力转换器等。在一些实施方式中，DC元件122和124可以分别为电动车辆的主电池和辅助电池。图13所示的双向多端口电力转换系统1300可以用作电动车辆充电转换器。
在替选实施方式中，当双向多端口电力转换系统1300被配置成将DC电力转换为不同DC负载之间的DC电力时，多个DC元件中之一(例如，DC元件122)用作DC电力源，并且另一DC元件(例如，DC元件124)被配置为DC负载。DC电力源能够通过双向多端口电力转换系统1300向DC负载提供电力。应当注意，DC电力源(例如，DC元件122)能够通过双向多端口电力转换系统1300向多个负载(例如，DC元件124)提供电力。
此外，当双向多端口电力转换系统1300被配置成将DC电力转换为AC电力时，DC元件中的至少之一(例如，DC元件122)可以被实现为DC电力源。AC元件101被实现为AC负载。多个DC元件(例如，DC元件122和124)中之一(例如，DC元件122)或组合可以向AC负载101提供电力。
在一些实施方式中，双向多端口电力转换系统1300可以包括具有初级绕组和多个次级绕组的变压器。双向多端口电力转换系统1300还包括级联连接在AC元件101与变压器的初级绕组之间的功率因数校正器件和初级电力转换网络。多个次级电力转换网络分别连接在多个次级绕组与DC元件之间。下面将关于图14描述双向多端口电力转换系统1300的详细结构。
在操作中，可以将双向多端口电力转换系统1300配置为AC/DC电力转换系统。AC元件101为单相AC电力源。功率因数校正器件被配置成使得：通过调整流入功率因数校正器件的输入电流，将双向多端口电力转换系统1300的功率因数调整为近似等于一的水平。此外，功率因数校正器件能够在宽范围内改变其输出电压。这样的宽范围有助于调节双向多端口电力转换系统1300的主输出电压。
初级电力转换网络可以被实现为三电平LLC谐振转换器。在一些实施方式中，三电平LLC谐振转换器能够在基本上等于三电平LLC谐振转换器的谐振频率的开关频率下进行操作。作为使三电平LLC谐振转换器在基本上等于谐振频率的开关频率下操作的结果，双向多端口电力转换系统1300为高效电力转换系统。
多个次级电力转换网络被实现为次级整流器，所述次级整流器中的每个次级整流器能够将从变压器的次级绕组接收到的交变极性波形转换为单极性波形。
在操作中，可以将双向多端口电力转换系统1300配置为DC/DC电力转换系统。AC元件101与双向多端口电力转换系统1300断开连接。DC元件中之一(例如，DC元件122)被配置为DC电力源。其他DC元件中的至少之一(例如，DC元件124)被配置为DC负载。DC电力源122用于通过双向多端口电力转换系统1300向DC负载124提供电力。特别地，连接至DC电力源122的次级电力转换网络被配置为三电平逆变网络或全桥开关网络。连接至DC负载124的次级电力转换网络被配置为次级整流器。通过全桥开关网络、变压器和次级整流器将电力从DC电力源122传递至DC负载124。
在操作中，可以将双向多端口电力转换系统1300配置为DC/AC电力转换系统。AC元件101被实现为AC负载。DC元件中的至少之一(例如，DC元件122)被配置为DC电力源。DC电力源122用于通过双向多端口电力转换系统1300向AC负载101提供电力。特别地，连接至DC电力源122的次级电力转换网络被配置为三电平逆变网络或全桥开关网络。初级电力转换网络被配置为整流器，该整流器将从变压器的初级绕组接收到的交变极性波形转换为单极性波形并且建立DC电压母线。功率因数校正器件被配置为逆变器，以将DC电压母线上的DC电压转换为用于AC负载101的AC电压。
在操作中，可以将双向多端口电力转换系统1300配置为混合电力转换系统。AC元件101被实现为AC负载。DC元件中的至少之一(例如，DC元件122)被配置为DC电力源，并且其他DC元件中的至少之一(例如，DC元件124)被配置为DC负载。DC电力源122用于通过双向多端口电力转换系统1300同时向AC负载101和DC负载124提供电力。特别地，连接至DC电力源122的次级电力转换网络被配置为三电平逆变网络或全桥开关网络。连接至DC负载124的次级电力转换网络被配置为次级整流器。初级电力转换网络被配置为整流器，该整流器将从变压器的初级绕组接收到的交变极性波形转换为单极性波形并且建立DC电压母线。功率因数校正器件被配置为逆变器，以将DC电压母线上的DC电压转换为用于AC负载101的AC电压。
图14示出了根据本公开内容的各种实施方式的图13所示的双向多端口电力转换系统的框图。双向多端口电力转换系统1300包括级联连接在AC元件101与变压器291的初级绕组NP之间的三电平功率因数校正器件102和三电平初级电力转换网络104。双向多端口电力转换系统1300还包括多个次级电力转换网络112和114。如图14所示，三电平次级电力转换网络112连接在次级绕组NS1与DC元件122之间。次级电力转换网络114连接在次级绕组NS2与DC元件124之间。
应当认识到，虽然图14示出了具有两个次级电力转换网络的双向多端口电力转换系统1300，但是双向多端口电力转换系统1300可以容纳任意数目的次级电力转换网络及其相应的DC元件。
在一些实施方式中，双向多端口电力转换系统1300的三电平功率因数校正器件102被配置成使得：通过调整流入三电平功率因数校正器件102的输入电流，将双向多端口电力转换系统1300的功率因数调节为近似等于一的水平。三电平功率因数校正器件102可以被实现为任何合适的功率因数校正转换器，诸如升压功率因数校正整流器、维也纳(Vienna)整流器等。下面将关于图16描述三电平功率因数校正器件102的详细示意图。
在一些实施方式中，三电平初级电力转换网络104被实现为三电平LLC谐振转换器的初级侧电路。更特别地，三电平初级电力转换网络104包括三电平LLC谐振转换器的初级侧开关网络以及谐振槽路。在一些实施方式中，三电平初级电力转换网络104被配置为未经调节的电力转换器。三电平初级电力转换网络104的多个开关的开关频率等于谐振槽路的谐振频率。替选地，根据设计需求和不同的应用，三电平LLC谐振转换器的多个开关的开关频率可以在窄范围内变化，以帮助双向多端口电力转换系统1300调节输出电压中之一。下面将关于图16描述三电平初级电力转换网络104的详细示意图。
变压器291在双向多端口电力转换系统1300的初级侧(具有102和104的一侧)与次级侧(具有112和114的一侧)之间提供电隔离。根据实施方式，变压器291可以如图14所示由初级变压器绕组(例如，绕组NP)和多个次级变压器绕组(例如，绕组NS1和NS2)形成。应当注意，本文和贯穿说明书所示出的变压器仅是示例，其不应当不适当地限制权利要求书的范围。本领域普通技术人员将认识到许多变型、替换和修改。例如，变压器291还可以包括各种偏置绕组和栅极驱动辅助绕组。
次级电力转换网络(例如，次级电力转换网络112和114)将从变压器291的次级绕组接收到的交变极性波形转换为单极性波形。次级电力转换网络可以由串联连接的四个开关元件形成。替选地，次级电力转换网络可以由两对开关元件诸如n型金属氧化物半导体(N-type Metal Oxide Semiconductor，NMOS)晶体管形成。替选地，次级电力转换网络可以由两对二极管形成。此外，次级电力转换网络可以由开关元件和二极管的组合形成。下面将关于图16讨论次级电力转换网络的详细操作和结构。
应当注意，三电平LLC谐振转换器仅是示例，其不应当不适当地限制权利要求书的范围。本领域普通技术人员将认识到许多变型、替换和修改。初级电力转换网络104可以被实现为任何合适的隔离式转换器，诸如反激式转换器、正激式转换器、推挽式转换器、半桥式转换器、全桥式转换器、其任意组合等。
图15示出了根据本公开内容的各种实施方式的双向三端口电力转换系统的第一实现方式的框图。双向三端口电力转换系统1500类似于图14所示的双向多端口电力转换系统1300，不同之处在于仅两个次级电力转换网络连接至变压器292。
如图15所示，双向三端口电力转换系统1500的第一端口包括级联连接在AC元件101与变压器292的初级绕组NP之间的三电平功率因数校正器件102和三电平初级电力转换网络104。第二端口包括连接在变压器292的次级绕组NS1与DC元件122之间的三电平次级电力转换网络112。第三端口包括连接在变压器292的次级绕组NS2与DC元件124之间的两电平次级电力转换网络114。
在一些实施方式中，通过调整双极性DC母线(VB1至VB3)上的电压来调节施加至DC元件122的DC电压。在替选实施方式中，主要通过调整双极性DC母线(VB1至VB3)上的电压并且部分地通过在窄范围(例如，谐振槽路的谐振频率的+/-5％)内改变三电平初级电力转换网络104的开关频率来调节施加至DC元件122的DC电压。
在一些实施方式中，通过将两电平次级电力转换网络114配置为线性调节器或升压转换器来调节施加至DC元件124的DC电压。下面将关于图19至图20描述两电平次级电力转换网络114被配置为线性调节器或升压转换器。在替选实施方式中，通过在两电平次级电力转换网络114与DC元件124之间添加功率调节器(未示出)来调节施加至DC元件124的DC电压。该功率调节器用作后调节器，其在本领域中是公知的并且因此不再讨论。
图16示出了根据本公开内容的各种实施方式的图15所示的双向三端口电力转换系统的第一实现方式的示意图。双向三端口电力转换系统1600包括三电平功率因数校正器件102、三电平初级电力转换网络104、变压器292、三电平次级电力转换网络112和两电平次级电力转换网络114。三电平功率因数校正器件102被实现为NPC升压功率因数校正转换器。三电平初级电力转换网络104包括三电平LLC谐振转换器的初级侧网络。
上面已经描述了三电平功率因数校正器件102、三电平初级电力转换网络104、变压器292和三电平次级电力转换网络112的详细结构和操作原理，并且因此本文不再讨论。两电平次级电力转换网络114为包括二极管D71至D74的二极管整流器。采用输出电容器C5以减小施加至第二负载RL2的电压的纹波分量。二极管整流器在本领域中是公知的，并且因此本文不再讨论。
在一些实施方式中，第一负载RL1为电动车辆的主电池。主电池可以为锂离子聚合物电池。主电池的额定电压为从约240V至约500V的范围。主电池的功率在从约6KW至约20KW的范围内。在一些实施方式中，第二负载RL2为电动车辆的辅助电池。辅助电池可以为锂离子聚合物电池。辅助电池的额定电压在从约9V至约16V的范围内。
图17示出了根据本公开内容的各种实施方式的图15所示的双向三端口电力转换系统的第二实现方式的示意图。图17所示的双向三端口电力转换系统1700类似于图16所示的双向三端口电力转换系统，不同之处在于在双向三端口电力转换系统1700中包括倍压电路。如上面关于图5所描述的，必要时采用继电器R1以形成倍压器。
图18示出了根据本公开内容的各种实施方式的图15所示的双向三端口电力转换系统的第三实现方式的示意图。图18所示的双向三端口电力转换系统1800类似于图17所示的双向三端口电力转换系统，不同之处在于两电平次级电力转换网络114的二极管由相应的开关S71至S74代替。在操作中，对开关S71至S74的栅极进行控制，使得开关S71至S74模拟图17所示的相应二极管的操作。具有图18所示的两电平次级电力转换网络114的一个有利特征是开关S71至S74可以有助于节省由二极管D71至D74的正向电压降引起的传导损耗，从而提高双向三端口电力转换系统1800的效率。
图19示出了根据本公开内容的各种实施方式的用于控制图18所示的双向三端口电力转换系统的方法的流程图。图19所示的该流程图仅是示例，其不应当不适当地限制权利要求书的范围。本领域普通技术人员将认识到许多变型、替换和修改。例如，图19所示的各种步骤可以被添加、被移除、被代替、被重新布置和被重复。
双向三端口电力转换系统包括功率因数校正器件和具有三个端口的隔离式电力转换器。第一端口通过初级电力转换网络连接至功率因数校正器件。初级电力转换网络可以被实现为三电平LLC电力转换器。第二端口通过第一次级电力转换网络连接至第一DC负载。第一次级电力转换网络用作整流器。第三端口通过第二次级电力转换网络连接至第二DC负载。第二次级电力转换网络被实现为整流器。
在操作中，主要通过在宽范围内调整功率因数校正器件的输出电压并且部分通过在窄范围内调整三电平LLC转换器的开关频率来调节施加至第一DC负载的电压。应当注意，LLC谐振转换器的调节可以通过多种控制方法来实现，诸如脉冲宽度调制(Pulse WidthModulation，PWM)控制机制、相位调制控制机制和/或频率调制控制机制。上面的LLC谐振转换器的控制机制在本领域中是公知的，并且因此本文不再详细讨论以避免不必要的重复。
在步骤1902处，采用三端口电力转换系统，以将来自单相ac源的AC电压转换为用于第一DC负载的第一DC电压和用于第二DC负载的第二DC电压。在一些实施方式中，第一DC负载为电动车辆的主电池。第二DC负载为电动车辆的辅助电池。三端口电力转换系统的初级侧包括功率因数校正器件和LLC谐振转换器。第一DC负载通过第一整流器装置连接至三端口电力转换系统的次级侧。第二DC负载通过第二整流器装置连接至三端口电力转换系统的次级侧。通过初级侧控制方案来调节施加至第一DC负载的电压。例如，通过在宽范围内调整功率因数校正器件的输出电压来调节施加至第一DC负载的电压。通过下面描述的次级控制方案来调节施加至第二DC负载的电压。
在步骤1904处，合适的电压传感器对馈送至第二整流器装置中的输入电压进行检测。采用控制器来将检测到的输入电压与预定电压阈值进行比较。
在步骤1906处，当施加至第二整流器装置的输入电压超过预定电压阈值时，将第二整流器装置配置为整流器和线性调节器两者。作为线性调节器，通过控制跨第二整流器装置的开关的电压降来调节线性调节器的输出电压。将第二整流器装置配置为线性调节器的一个有利特征是第二整流器装置能够生成适用于对电力供应噪声敏感的DC负载的无噪声电压。
图20示出了根据本公开内容的各种实施方式的用于控制图18所示的双向三端口电力转换系统的又一方法的流程图。图20所示的该流程图仅是示例，其不应当不适当地限制权利要求书的范围。本领域普通技术人员将认识到许多变型、替换和修改。例如，图20所示的各种步骤可以被添加、被移除、被代替、被重新布置和被重复。
返回参照图18，三电平初级电力转换网络104和两电平次级电力转换网络114可以被配置成以升压转换器模式进行操作。在升压转换器模式期间，通过强制LLC谐振转换器以类似于升压转换器的方式进行操作来实现对两电平次级电力转换网络114的输出电压的调节。特别地，在每个开关周期的开始，开关S72和S74同时导通并且保持导通状态达预定时间段。贯穿说明书，预定时间段替选地被称为升压时段。在升压时段期间，开关S71和S73被关断以防止直通。
在升压时段期间，三电平初级电力转换网络104可以以三种不同的操作模式进行操作。在第一操作模式中，在升压时段期间，开关S41和S44处于导通状态。导通的开关S41和S44导致第一正电压施加至谐振槽路的输入端子。同时，导通的开关S72和S74可能使变压器292的次级侧绕组短路。由于在升压时段期间变压器292的次级侧电压近似等于零，因此在变压器292的初级侧处的反射电压近似等于零。因此，输入电压被直接施加至谐振槽路。响应于施加至谐振槽路的这种电压，流过谐振电感器Lrl的电流以类似于在升压转换器的导通时段期间流过升压电感器的电流的方式快速斜升。
在第二操作模式中，在升压时段期间，开关S41和S43处于导通状态。导通的开关S41和S43导致第二正电压施加至谐振槽路的输入端子。第二正电压为上面描述的第一正电压的约一半。类似于第一操作模式，响应于施加至谐振槽路的输入端子的第二正电压，流过谐振电感器Lrl的电流以类似于在升压转换器的导通时段期间流过升压电感器的电流的方式快速斜升。
在第三操作模式中，在升压时段期间，开关S42和S44处于导通状态。导通的开关S42和S44导致第三正电压施加至谐振槽路的输入端子。第三正电压为第一正电压的约一半。类似于第一操作模式，响应于施加至谐振槽路的输入端子的第三正电压，流过谐振电感器Lrl的电流以类似于在升压转换器的导通时段期间流过升压电感器的电流的方式快速斜升。
能量在谐振电感器Lrl中累积。在随后的时间段期间，累积的能量被释放至两电平次级电力转换网络114的输出。因此，两电平次级电力转换网络114的输出电压被升高至更高的水平。
在步骤2002处，采用三端口电力转换系统以将来自单相ac源的AC电压转换为用于第一DC负载的第一DC电压和用于第二DC负载的第二DC电压。在一些实施方式中，第一DC负载为电动车辆的主电池。第二DC负载为电动车辆的辅助电池。三端口电力转换系统的初级侧包括功率因数校正器件和LLC谐振转换器。第一DC负载通过第一整流器网络连接至三端口电力转换系统的次级侧。第二DC负载通过第二整流器网络连接至三端口电力转换系统的次级侧。
在步骤2004处，合适的电压传感器对馈送至第二整流器网络的输入电压进行检测。
在步骤2006处，在馈送至第二整流器网络的输入电压低于预定电压阈值之后，第二整流器网络的低侧开关被同时导通，以使连接至第二整流器网络的次级绕组短路。作为具有短路的次级绕组的结果，LLC谐振转换器以升压模式进行操作，并且第二整流器网络的输出电压能够生成更高的电压。
图21示出了根据本公开内容的各种实施方式的双向三端口电力转换系统的第二实现方式的框图。图21所示的双向三端口电力转换系统2100类似于图15所示的双向三端口电力转换系统，不同之处在于连接至第一DC负载122的次级电力转换网络被实现为两电平次级电力转换网络113。
图22示出了根据本公开内容的各种实施方式的图21所示的双向三端口电力转换系统的第一实现方式的示意图。图22所示的双向三端口电力转换系统2200类似于图17所示的双向三端口电力转换系统，不同之处在于第一次级电力转换网络113被实现为两电平次级电力转换网络。如图22所示，开关S51和S52跨输出电容器C3的两个端子串联连接。开关S53和S54跨输出电容器C3的两个端子串联连接。开关S51和S52的公共节点通过谐振电容器Cr2连接至次级绕组NS1的第一端子。开关S53和S54的公共节点直接连接至次级绕组NS1的第二端子。
图23示出了根据本公开内容的各种实施方式的图21所示的双向三端口电力转换系统的第二实现方式的示意图。图23所示的双向三端口电力转换系统2300类似于图22所示的双向三端口电力转换系统，不同之处在于次级电力转换网络114的二极管由相应的开关S71至S74代替。在操作中，对开关S71至S74的栅极进行控制，使得开关S71至S74模拟图22所示的相应二极管的操作。具有图23所示的整流器的一个有利特征是开关S71至S74可以有助于节省由二极管的正向电压降引起的传导损耗。
图24示出了根据本公开内容的各种实施方式的模块化双向电力转换系统的框图。模块化双向电力转换系统2400包括并联连接在AC电力源VIN与DC负载之间的多个电力模块。可以将至少一个电力模块实现为图16所示的双向三端口电力转换系统1600。将其他电力模块实现为图10至图12所示的单向电力转换系统1000。双向三端口电力转换系统1600将AC电力转换为DC电力，并且向第一DC负载122提供第一DC电压且向第二DC负载124提供第二DC电压。单向电力转换系统1000将AC电力转换为DC电力，并且向第一DC负载122提供第一DC电压。当模块化双向电力转换系统2400被配置为DC/AC电力转换系统时，第一DC负载122用作DC电力源。通过双向三端口电力转换系统1600来将能量从DC电力源传递至AC负载。贯穿说明书，电力模块(例如，双向三端口电力转换系统和单向电力转换系统)可以替选地被称为电力子系统。
在一些实施方式中，模块化双向电力转换系统2400包括一个双向电力模块和两个单向电力模块。每个电力模块具有6.6KW的额定功率。模块化双向电力转换系统2400的总功率为约20KW。
具有模块化双向电力转换系统2400的一个有利特征是，双向电力转换系统1600和单向电力转换系统1000的组合可以实现通过双向电力转换系统1600的双向电力传递。同时，单向电力转换系统1000有助于降低系统成本，从而实现成本效益的解决方案。
具有模块化双向电力转换系统2400的另一有利特征是并联连接的电力模块有助于实现大规模的电力转换系统。例如，在EV充电应用中，根据不同的需求，最大负载可以为6KW、11KW或22KW。通过采用模块化双向电力转换系统2400，EV充电器可以通过并行添加更多电力模块来满足不同的负载需求。
图25示出了根据本公开内容的各种实施方式的又一模块化双向电力转换系统的框图。模块化双向电力转换系统2500类似于图24所示的模块化双向电力转换系统，不同之处在于该双向电力转换系统由图17所示的双向三端口电力转换系统1700代替。
图26示出了根据本公开内容的各种实施方式的又一模块化双向电力转换系统的框图。模块化双向电力转换系统2600类似于图24所示的模块化双向电力转换系统，不同之处在于该双向电力转换系统由图18所示的双向三端口电力转换系统1800代替。
图27示出了根据本公开内容的各种实施方式的又一模块化双向电力转换系统的框图。模块化双向电力转换系统2700类似于图24所示的模块化双向电力转换系统，不同之处在于该双向电力转换系统由图22所示的双向三端口电力转换系统2200代替。
图28示出了根据本公开内容的各种实施方式的又一模块化双向电力转换系统的框图。模块化双向电力转换系统2800类似于图24所示的模块化双向电力转换系统，不同之处在于该双向电力转换系统由图23所示的双向三端口电力转换系统2300代替。
应当注意，图24至图28示出了基于本公开内容的各种实施方式的几个组合。图24至图28所示的图仅是示例，其不应当不适当地限制权利要求书的范围。本领域普通技术人员将认识到许多变型、替换和修改。例如，图24至图28所示的双向电力转换系统可以由本公开内容中讨论的任意双向三端口电力转换系统及其变型代替。同样，图24至图28所示的单向电力转换系统可以由本公开内容中讨论的任意单向电力转换系统及其变型代替。
图29示出了根据本公开内容的各种实施方式的三相双向电力转换系统的框图。图29所示的三相双向电力转换系统2900类似于图2所示的双向电力转换系统，不同之处在于AC电力源由三相AC电力源代替并且三电平功率因数校正器件由三相三电平功率因数校正器件121代替。
如图29所示，三相AC电力源具有三个相，即，VA、VB和VC。三相三电平功率因数校正器件121的输入连接至三相AC电力源。具有三相三电平功率因数校正器件121的一个有利特征是双极性DC母线(VB1至VB3)上的电压可以在宽范围内变化。这样的宽范围有助于在充电模式(AC/DC系统)和逆向模式(DC/AC系统)两者中有效地传递电力。
图30示出了根据本公开内容的各种实施方式的图29所示的三相双向电力转换系统的第一实现方式的示意图。三相双向电力转换系统3000包括三相三电平功率因数校正器件121、三电平初级电力转换网络104、变压器191和三电平次级电力转换网络112。三相三电平功率因数校正器件121被实现为三相NPC升压功率因数校正转换器。三电平初级电力转换网络104、变压器191和三电平次级电力转换网络112形成三电平LLC谐振转换器，其在上面已经进行了描述，并且因此本文不再讨论。
三相三电平功率因数校正器件121包括分别连接至AC电力源110的三个相的三个NPC升压转换器。在第一电压母线VB1与第二电压母线VB2之间串联连接有两个输出电容器C1和C2。
第一NPC升压转换器包括第一电感器La、四个开关S11至S14以及两个二极管D15至D16。开关S11至S14串联连接在第一电压母线VB1与第二电压母线VB2之间。第一电感器La连接在第一相VA的输出端子与开关S12和S13的公共节点之间。二极管D15和D16串联连接在开关S11和S12的公共节点与开关S13和S14的公共节点之间。
第二NPC升压转换器包括第二电感器Lb、四个开关S21至S24以及两个二极管D25至D26。开关S21至S24串联连接在第一电压母线VB1与第二电压母线VB2之间。第二电感器Lb连接在第二相VB的输出端子与开关S22和S23的公共节点之间。二极管D25和D26串联连接在开关S21和S22的公共节点与开关S23和S24的公共节点之间。
第三NPC升压转换器包括第三电感器Lc、四个开关S31至S34以及两个二极管D35至D36。开关S31至S34串联连接在第一电压母线VB1与第二电压母线VB2之间。第三电感器Lc连接在第三相VC的输出端子与开关S32和S33的公共节点之间。二极管D35和D36串联连接在开关S31和S32的公共节点与开关S33和S34的公共节点之间。
二极管D15至D16的公共节点、二极管D25至D26的公共节点以及二极管D35至D36的公共节点连接在一起，并且还连接至输出电容器C1和C2的公共节点。三相AC源的中性点N连接至输出电容器C1和C2的公共节点。三相NPC升压功率因数校正转换器的操作原理是公知的，并且因此本文不再讨论。
应当注意，三相AC源的中性点N连接至第三电压母线VB3，该中性点N由三相NPC升压功率因数校正转换器进行调节。这种经调节的中性点有助于降低三相双向电力转换系统3000的系统成本。更具体地，当三相双向电力转换系统3000被配置为AC/DC电力转换系统时，经调节的中性点可以用作基准。另一方面，当三相双向电力转换系统3000被配置为DC/AC电力转换系统时，经调节的中性点可以用作回路(return)。
此外，三相三电平功率因数校正器件121生成三个电压母线VB1、VB2和VB3，这有助于平衡输出电容器C1和C2两端的电压并且减少纹波分量。三个电压母线VB1、VB2和VB3还提供用于三相AC电力源的中性点的连接节点。此外，三个电压母线VB1、VB2和VB3还提供用于无功功率的传导路径。
根据实施方式，开关(例如，开关S11至S14、S21至S24以及S31至S34)可以为IGBT器件。替选地，开关元件可以为任何可控的开关，诸如MOSFET器件、IGCT器件、GTO器件、SCR器件、JFET器件、MCT器件等。
应当注意，当通过MOSFET器件实现开关S11至S14、S21至S24以及S31至S34时，开关S11至S14的体二极管、S21至S24的体二极管以及S31至S34的体二极管可以用于提供续流通道。另一方面，当通过IGBT器件实现开关S11至S14、S21至S24以及S31至S34时，需要单独的续流二极管以与其相应的开关并联连接。
如图30所示，需要二极管D11至D14、D21至D24以及D31至D34来提供反向传导路径。换句话说，二极管D11至D14、D21至D24以及D31至D34为反并联二极管。在一些实施方式中，二极管D11至D14、D21至D24以及D31至D34与其相应的IGBT器件S11至S14、S21至S24以及S31至S34共封装。在替选实施方式中，二极管D11至D14、D21至D24以及D31至D34被放置在其相应的IGBT器件S11至S14、S21至S24以及S31至S34的外部。
还应当注意，虽然图30示出了每个双向开关由以反并联布置连接的二极管和IGBT器件形成，但是本领域的普通技术人员将认识到许多变型、替换和修改。例如，可以由一些新的半导体开关诸如反并联反向阻断IGBT装置来实现双向开关。本文中对IGBT器件的讨论可适用于本公开内容的其他IGBT器件。
图31示出了根据本公开内容的各种实施方式的图29所示的三相双向电力转换系统的第二实现方式的示意图。三相双向电力转换系统3100类似于图30所示的三相双向电力转换系统，不同之处在于在三相双向电力转换系统3100中包括二极管D1至D2和继电器R1。由于三相双向电力转换系统3100连接至三相AC电力源的中性点N，因此三相双向电力转换系统3100可以被配置成具有单相操作。在单相操作下，继电器R1可以被配置成实现如上所述的倍压器。
图32示出了根据本公开内容的各种实施方式的三相电力转换系统的框图。三相电力转换系统3200包括级联连接在三相AC电力源与DC元件103之间的维也纳功率因数校正器件132、三电平初级电力转换网络104、变压器191和两电平次级电力转换网络113。图32所示的三相AC电力源包括第一相VA、第二相VB和第三相VC。第一相VA的输出、第二相VB的输出和第三相VC的输出连接至维也纳功率因数校正器件132的输入。
采用维也纳功率因数校正器件132以提高电网电力质量并且减少谐波电流分量。对维也纳功率因数校正器件132进行控制，使得输入电流为正弦的并且与相应的输入AC电压同相，从而实现为一的功率因数。维也纳功率因数校正器件132包括分别连接至VA、VB和VC的三个输入电感器以及串联连接在第一输出电压母线VB1与第二输出电压母线VB2之间的两个输出电容器。两个输出电容器的公共节点连接至三相AC电力源的中性点和第三输出电压母线VB3。
维也纳功率因数校正器件132包括连接在输入电感器与中性点之间的不受控制的二极管整流器以及三个开关。利用该中性点，维也纳功率因数校正器件132可以解耦为三个单相三电平功率因数校正器件。维也纳功率因数校正器件132具有低数目的有源开关和无源开关。例如，维也纳功率因数校正器件132可以实现为用于高功率三相应用的具有六个二极管和六个MOSFET的功率因数校正器件。
上面已经描述了三电平初级电力转换网络104、变压器191和两电平次级电力转换网络113，并且因此本文不再讨论以避免重复。
图33示出了根据本公开内容的各种实施方式的图32所示的三相电力转换系统的第一实现方式的示意图。三相电力转换系统3300包括级联连接在三相AC电力源与DC负载RL之间的维也纳功率因数校正器件132、三电平初级电力转换网络104、变压器191和两电平次级电力转换网络113。三相AC电力源包括三个相VA、VB、VC以及中性点N。
维也纳功率因数校正器件132包括：三个输入电感器La、Lb、Lc；六个二极管D81至D86以及三个双向开关。六个二极管D81至D86形成二极管桥。二极管D81和D82的公共节点通过第一输入电感器La连接至第一相VA。二极管D83和D84的公共节点通过第二输入电感器Lb连接至第二相VB。二极管D85和D86的公共节点通过第三输入电感器Lc连接至第三相VC。
第一双向开关包括两个背对背连接的开关S81和S82。第一双向开关连接在二极管D81、D82的公共节点与输出电容器C1、C2的公共节点之间。如图33所示，输出电容器C1、C2的公共节点连接至三相AC电力源的中性点N。第二双向开关包括两个背对背连接的开关S83和S84。第二双向开关连接在二极管D83、D84的公共节点与输出电容器C1、C2的公共节点之间。第三双向开关包括两个背对背连接的开关S85和S86。第三双向开关连接在二极管D85、D86的公共节点与输出电容器C1、C2的公共节点之间。
维也纳功率因数校正器件132被配置成使得通过调整流入维也纳功率因数校正器件132的输入电流来将三相电力转换系统3300的功率因数调整为近似等于一的水平。三电平初级电力转换网络104、变压器191和两电平次级电力转换网络113形成LLC谐振转换器，以用于生成施加至DC负载RL的调节电压。
具有图33所示的维也纳功率因数校正器件132的一个有利特征是可以将双向开关实现为低压开关(例如，S81至S86)，从而降低三相电力转换系统3300的成本并且提高可靠性。
图34示出了根据本公开内容的各种实施方式的图32所示的三相电力转换系统的第二实现方式的示意图。图34所示的三相电力转换系统3400类似于图33所示的三相电力转换系统3300，不同之处在于两电平次级电力转换网络113被实现为包括二极管D51至D54的二极管整流器。具有二极管整流器的一个有利特征是二极管整流器可以简化三相电力转换系统3400的设计，从而降低三相电力转换系统3400的成本并且提高可靠性。
图35示出了根据本公开内容的各种实施方式的图32所示的三相电力转换系统的第三实现方式的示意图。图35所示的三相电力转换系统3500类似于图33所示的三相电力转换系统3300，不同之处在于三相电力转换系统3500被实现为双向电力转换系统。如图35所示，由具有六个开关S91至S96的桥代替图33所示的二极管桥。具有双向电力转换系统的一个有利特征是可以将DC负载RL配置为向连接至三相电力转换系统3500的输入端子的AC负载提供电力的DC电力源。
图36示出了根据本公开内容的各种实施方式的三相三端口电力转换系统的第一实现方式的框图。三相三端口电力转换系统3600类似于图15所示的双向三端口电力转换系统1500，不同之处在于AC电力源为三相AC电力源并且功率因数校正器件为三相三电平功率因数校正器件121。
图36所示的三相AC电力源包括第一相VA、第二相VB和第三相VC。第一相VA的输出、第二相VB的输出和第三相VC的输出连接至三相三电平功率因数校正器件121的输入。
采用三相三电平功率因数校正器件121以提高电网电力质量并且减少谐波电流分量。对三相三电平功率因数校正器件121进行控制，使得输入电流为正弦的并且与相应的输入AC电压同相，从而实现为一的功率因数。
上面已经描述了三电平初级电力转换网络104、变压器292、三电平次级电力转换网络112、两电平次级电力转换网络114、第一DC元件122和第二DC元件124，并且因此本文不再讨论以避免重复。
图37示出了根据本公开内容的各种实施方式的图36所示的三相三端口电力转换系统的第一实现方式的示意图。三相三端口电力转换系统3700包括三个端口。如图37所示，三相三端口电力转换系统3700的第一端口包括级联连接在三相AC电力源与变压器292的初级绕组NP之间的三相三电平功率因数校正器件121和三电平初级电力转换网络104。第二端口包括连接在变压器292的次级绕组NS1与第一DC负载RL1之间的三电平次级电力转换网络112。第三端口包括连接在变压器292的次级绕组NS2与第二DC负载RL2之间的两电平次级电力转换网络114。
三相三电平功率因数校正器件121被实现为三相NPC升压功率因数校正转换器，其已经在上面关于图30进行了详细描述，并且因此本文不再讨论。三相三电平功率因数校正器件121建立第一电压母线VB1、第二电压母线VB2和第三电压母线VB3。三电平初级电力转换网络104、三电平次级电力转换网络112和两电平次级电力转换网络114用于将电压母线VB1至VB3上的DC电压转换为施加至DC负载RL1和RL2的合适的DC电压。上面已经描述了三电平初级电力转换网络104、三电平次级电力转换网络112和两电平次级电力转换网络114，并且因此本文不再讨论。
图38示出了根据本公开内容的各种实施方式的图36所示的三相三端口电力转换系统的第二实现方式的示意图。三相三端口电力转换系统3800类似于图37所示的三相三端口电力转换系统，不同之处在于在三相三端口电力转换系统3800中包括二极管D1至D2和继电器R1。由于三相三端口电力转换系统3800连接至三相AC电力源的中性点N，因此该三相三端口电力转换系统可以被配置成具有单相操作。在单相操作下，继电器R1可以被配置成实现如上面关于图5描述的倍压器。
图39示出了根据本公开内容的各种实施方式的图36所示的三相三端口电力转换系统的第三实现方式的示意图。图39所示的三相三端口电力转换系统3900类似于图38所示的三相三端口电力转换系统，不同之处在于两电平次级电力转换网络114的二极管由相应的开关S71至S74代替。在操作中，对开关S71至S74的栅极进行控制，使得开关S71至S74模拟图38所示的相应二极管的操作。具有图39所示的整流器的一个有利特征是开关S71至S74可以有助于节省由二极管的正向电压降引起的传导损耗。
图40示出了根据本公开内容的各种实施方式的图36所示的三相三端口电力转换系统的第二实现方式的框图。三相三端口电力转换系统4000类似于图36所示的三相三端口电力转换系统3600，不同之处在于功率因数校正器件被实现为维也纳功率因数校正器件132。
采用维也纳功率因数校正器件132以提高电网电力质量并且减少谐波电流分量。对维也纳功率因数校正器件132进行控制，使得输入电流为正弦的并且与相应的输入AC电压同相，从而实现为一的功率因数。
图41示出了根据本公开内容的各种实施方式的图40所示的三相三端口电力转换系统的第一实现方式的示意图。三相三端口电力转换系统4100包括三个端口。如图41所示，三相三端口电力转换系统4100的第一端口包括级联连接在三相AC电力源与变压器292的初级绕组NP之间的维也纳功率因数校正器件132和三电平初级电力转换网络104。第二端口包括连接在次级绕组NS1与第一DC负载RL1之间的两电平次级电力转换网络113。第三端口包括连接在次级绕组NS2与第二DC负载RL2之间的两电平次级电力转换网络114。
上面已经关于图33详细描述了维也纳功率因数校正器件132，并且因此本文不再讨论。维也纳功率因数校正器件132建立第一电压母线VB1、第二电压母线VB2和第三电压母线VB3。三电平初级电力转换网络104、两电平次级电力转换网络113和两电平次级电力转换网络114用于将电压母线VB1至VB3转换为施加至DC负载RL1和RL2的合适的DC电压。上面已经描述了三电平初级电力转换网络104，并且因此本文不再讨论。
两电平次级电力转换网络113包括开关S51至S54。在操作中，对开关S51至S54的栅极进行控制，使得开关S51至S54模拟相应二极管的操作。两电平次级电力转换网络114包括开关S72、S74以及二极管D71、D73。在操作中，对开关S72的栅极和开关S74的栅极进行控制，使得开关S72和S74模拟相应二极管的操作。
图42示出了根据本公开内容的各种实施方式的图40所示的三相三端口电力转换系统的第二实现方式的示意图。三相三端口电力转换系统4200类似于图41所示的三相三端口电力转换系统4100，不同之处在于该维也纳功率因数校正器件被实现为双向维也纳功率因数校正器件。
如图42所示，维也纳功率因数校正器件的不受控制的二极管桥由开关S91至S96代替。在操作中，对开关S91至S96的栅极进行控制，使得开关S91至S96模拟图41所示的相应二极管的操作。具有图42所示的整流器的一个有利特征是开关S91至S96可以有助于节省由二极管D81至D86的正向电压降引起的传导损耗。另外，双向维也纳功率因数校正器件允许电流从电压母线VB1至VB3向AC电力源的流动。
图43示出了根据本公开内容的各种实施方式的模块化三相电力转换系统的框图。模块化三相电力转换系统4300包括并联连接在三相AC电力源与DC负载之间的多个电力模块。可以将至少一个电力模块实现为三相三端口电力转换系统3700，该三相三端口电力转换系统3700为三相AC电力源与DC元件122之间的双向电力转换系统。将其他电力模块实现为三相电力转换系统3400，该三相电力转换系统3400为单向电力转换系统。
双向三相三端口电力转换系统3700将AC电力转换为DC电力，并且向第一DC负载122提供第一DC电压且向第二DC负载124提供第二DC电压。单向三相电力转换系统3400将AC电力转换为DC电力并且向第一DC负载122提供第一DC电压。当模块化三相电力转换系统4300被配置为DC/AC电力转换系统时，第一DC负载122用作DC电力源。通过双向三相三端口电力转换系统3700来将能量从DC电力源传递至AC负载。
具有模块化三相电力转换系统4300的一个有利特征是双向电力转换系统3700和单向电力转换系统3400的组合可以实现模块化三相电力转换系统4300中的双向电力传递。同时，单向电力转换系统3400有助于降低系统成本，从而实现成本效益的解决方案。
具有模块化三相电力转换系统4300的另一有利特征是，模块化三相电力转换系统4300充分利用了双向三相三端口电力转换系统3700的优点和单向三相电力转换系统3400的优点两者。如上面关于图33至图34所描述的，单向三相电力转换系统3400为低成本电力转换系统，其可以降低模块化三相电力转换系统4300的总成本。另一方面，双向三相三端口电力转换系统3700可以用于实现该系统所需的逆向操作模式。
图44示出了根据本公开内容的各种实施方式的另一模块化三相电力转换系统的框图。模块化三相电力转换系统4400类似于图43所示的模块化三相电力转换系统，不同之处在于该双向电力转换系统由图38所示的三相三端口电力转换系统3800代替。
图45示出了根据本公开内容的各种实施方式的另一模块化三相电力转换系统的框图。模块化三相电力转换系统4500类似于图43所示的模块化三相电力转换系统，不同之处在于该双向电力转换系统由图39所示的三相三端口电力转换系统3900代替。
图46示出了根据本公开内容的各种实施方式的另一模块化三相电力转换系统的框图。模块化三相电力转换系统4600类似于图43所示的模块化三相电力转换系统，不同之处在于该双向电力转换系统由图42所示的三相三端口电力转换系统4200代替。
应当注意，图43至图46示出了基于本公开内容的各种实施方式的几个组合。图43至图46所示的图仅是示例，其不应当不适当地限制权利要求书的范围。本领域普通技术人员将认识到许多变型、替换和修改。例如，图43至图46所示的双向电力转换系统可以由本公开内容中讨论的任意双向三相三端口电力转换系统及其变型代替。同样，图43至图46所示的单向电力转换系统可以由本公开内容中讨论的任意三相单向电力转换系统及其变型代替。
虽然详细描述了本公开内容的实施方式及其优点，但是应当理解，在不脱离由所附权利要求书限定的本公开内容的精神和范围的情况下，可以在本文中做出各种改变、替代和变更。
此外，本申请的范围不旨在限于说明书中描述的处理、机器、制造、物质组成、装置、方法和步骤的特定实施方式。本领域普通技术人员根据本公开的公开内容将容易理解，根据本公开内容可以使用当前存在或之后开发的执行与本文描述的相应实施方式基本上相同的功能或者实现与本文描述的相应实施方式基本上相同的结果的处理、机器、制造、物质组成、装置、方法或步骤。因此，所附权利要求书旨在在其范围内包括这样的处理、机器、制造、物质组成、装置、方法或步骤。因此，说明书和附图仅被简单地视为如由所附权利要求书限定的本公开内容的说明，并且被预期覆盖落入本公开内容的范围内的任何和所有修改、变型、组合或等同方案。

Claims (20)

1.一种系统，包括：
第一电力转换端口，所述第一电力转换端口包括三电平功率因数校正器件和初级电力转换电路；
第二电力转换端口，所述第二电力转换端口包括三电平整流器；以及
第三电力转换端口，所述第三电力转换端口包括整流器，所述第一电力转换端口、所述第二电力转换端口和所述第三电力转换端口通过变压器彼此磁耦合。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述三电平功率因数校正器件为三电平中性点钳位(NPC)功率因数校正转换器，并且所述初级电力转换电路包括三电平电感器-电感器-电容器(LLC)转换器的初级开关网络和谐振槽路。
3.根据权利要求1至2中任一项所述的系统，其中，所述三电平功率因数校正器件包括：输入端口，所述输入端口连接至单相AC电力源；第一输出端口，所述第一输出端口连接至第一电压母线；第二输出端口，所述第二输出端口连接至第二电压母线；以及第三输出端口，所述第三输出端口连接至第三电压母线。
4.根据权利要求3所述的系统，其中，通过调整跨所述第一电压母线和所述第二电压母线的电压来调节所述三电平整流器的输出电压。
5.根据权利要求3所述的系统，还包括：第一二极管；第二二极管，所述第二二极管与所述第一二极管串联连接在所述第一电压母线与所述第二电压母线之间；第一电容器；以及第二电容器，所述第二电容器与所述第一电容器串联连接在所述第一电压母线与所述第二电压母线之间；以及继电器，所述继电器连接在所述第一二极管和所述第二二极管的公共节点与所述第一电容器和所述第二电容器的公共节点之间。
6.根据权利要求5所述的系统，其中，所述继电器被配置成在闭合状态与断开状态之间转换，并且其中，当所述继电器处于闭合状态时，所述第一二极管、所述第二二极管、所述第一电容器和所述第二电容器形成倍压器。
7.根据权利要求1至2和4至6中任一项所述的系统，其中，
所述三电平功率因数校正器件包括：第一三电平功率因数校正电路，所述第一三电平功率因数校正电路具有连接至三相AC电力源的第一相的输入；第二三电平功率因数校正电路，所述第二三电平功率因数校正电路具有连接至所述三相AC电力源的第二相的输入；以及第三三电平功率因数校正电路，所述第三三电平功率因数校正电路具有连接至所述三相AC电力源的第三相的输入。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的系统，其中，所述初级电力转换电路包括：第一初级开关、第二初级开关、第三初级开关和第四初级开关，所述第一初级开关、所述第二初级开关、所述第三初级开关和所述第四初级开关串联连接在所述第一电压母线与所述第二电压母线之间；以及谐振槽路，所述谐振槽路连接在所述第一初级开关和所述第二初级开关的公共节点与所述变压器的初级绕组的第一端子之间，并且所述变压器的所述初级绕组的第二端子连接至所述第三初级开关和所述第四初级开关的公共节点。
9.一种方法，包括：
通过三电平功率因数校正器件、初级三电平电力转换电路和第一次级电力转换电路将能量从AC电力源传递至第一DC负载，所述第一次级电力转换电路通过变压器磁耦合至所述初级三电平电力转换电路；以及
通过所述三电平功率因数校正器件、所述初级三电平电力转换电路和第二次级电力转换电路将能量从所述AC电力源传递至第二DC负载，所述第二次级电力转换电路通过所述变压器磁耦合至所述初级三电平电力转换电路。
10.根据权利要求9所述的方法，还包括：
通过调整所述三电平功率因数校正器件的输出电压来对跨所述第一DC负载的电压进行调节。
11.根据权利要求9至10中任一项所述的方法，还包括：
将所述三电平功率因数校正器件配置成生成第一电压母线、第二电压母线和第三电压母线，其中，第一二极管；第二二极管，所述第二二极管与所述第一二极管串联连接在所述第一电压母线与所述第二电压母线之间；第一电容器；以及第二电容器，所述第二电容器与所述第一电容器串联连接在所述第一电压母线与所述第二电压母线之间；以及继电器，所述继电器连接在所述第一二极管和所述第二二极管的公共节点与所述第一电容器和所述第二电容器的公共节点之间。
12.根据权利要求11所述的方法，还包括：
通过将所述继电器从断开状态改变为闭合状态，将所述第一二极管、所述第二二极管、所述第一电容器和所述第二电容器以及所述继电器配置为倍压器。
13.根据权利要求9至12中任一项所述的方法，还包括：
将所述第二次级电力转换电路配置成：当所述第二次级电力转换电路的输入电压超过预定电压阈值时，作为线性调节器进行操作。
14.根据权利要求9至13中任一项所述的方法，还包括：
将所述第一DC负载配置为向所述第二DC负载和连接至所述AC电力源的端子的AC负载中的至少之一提供电力的电力源。
15.根据权利要求9至14中任一项所述的方法，还包括：
通过借助于导通所述第二次级电力转换电路的两个下部开关来使所述变压器的次级侧绕组短路，将所述第二次级电力转换电路配置成以升压转换器模式进行操作。
16.一种系统，包括：
三端口电力转换子系统，所述三端口电力转换子系统具有：第一端口，所述第一端口连接至AC电力源；第二端口，所述第二端口连接至第一DC负载；以及第三端口，所述第三端口连接至第二DC负载；以及
第一两端口电力转换子系统，所述第一两端口电力转换子系统具有：第一端口，所述第一端口连接至所述AC电力源；以及第二端口，所述第二端口连接至所述第一DC负载，所述第一两端口电力转换子系统的所述第二端口为第一单向电力端口。
17.根据权利要求16所述的系统，其中，
所述三端口电力转换子系统的第一端口包括第一三电平功率因数校正器件和第一初级电力转换电路，所述第一三电平功率因数校正器件和所述第一初级电力转换电路级联连接在所述AC电力源与第一变压器的第一绕组之间；
所述三端口电力转换子系统的第二端口包括三电平整流器，所述三电平整流器连接在所述第一变压器的第二绕组与所述第一DC负载之间；并且
所述三端口电力转换子系统的第三端口包括第一二极管整流器，所述第一二极管整流器在所述第一变压器的第三绕组与所述第二DC负载之间。
18.根据权利要求17所述的系统，其中，所述第一三电平功率因数校正器件为三电平中性点钳位(NPC)功率因数校正转换器，并且所述第一初级电力转换电路和所述三电平整流器形成三电平电感器-电感器-电容器(LLC)转换器。
19.根据权利要求16至18中任一项所述的系统，其中，
所述第一两端口电力转换子系统的第一端口包括第二三电平功率因数校正器件和第二初级电力转换电路，所述第二三电平功率因数校正器件和所述第二初级电力转换电路级联连接在所述AC电力源与第二变压器的第一绕组之间；并且
所述第一两端口电力转换子系统的第二端口包括第二二极管整流器，所述第二二极管整流器连接在所述第二变压器的第二绕组与所述第一DC负载之间。
20.根据权利要求16至18中任一项所述的系统，还包括：
第二两端口电力转换子系统，所述第二两端口电力转换子系统具有：第一端口，所述第一端口连接至所述AC电力源；以及第二端口，所述第二端口连接至所述第一DC负载，所述第二两端口电力转换子系统的所述第二端口为第二单向电力端口。
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