CN115053440A - 固态功率转换系统 - Google Patents

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Abstract

本发明的各方面通过使用高频固态交流ac/ac模块化功率转换方法来克服传统低频LPT的单片方法。本发明的实施方案使得能够结合新技术，而无需在所有情况下从头开始重新进行LPT设计。此外，鉴于LPT是长期的，本发明的各方面确保它们是耐用、高效且容错的，具有过载能力。

Description

固态功率转换系统
相关申请的交叉引用
这是要求2019年12月24日提交的美国临时专利申请序列号62/953,465的优先权的非临时申请，其公开内容以全文引用的方式并入本文中。
背景技术
一般来说，大型电力变压器(LPT)系统是一种传统方法并且在图1中说明为现有技术，诸如由美国能源部电力输送和能源可靠性办公室于2020年6月出版的“Large powertransformers and the U.S.Electric Grid”(“2012年6月出版物”)所证明。如图1所说明，各个部件不能彼此互换，并且其高成本(在减少单位体积的情况下)阻碍了部件的大量备用库存。例如，套管、储油柜、散热器和风扇、绕组以及铁芯和油箱都是分立的部件。因此，平均而言，仅针对个别设计制造了有限量的PT。这是因为如果需要改变或修改，那么传统LPT不能容易地修改，并且修改可能需要等待一段时间才能安装更新、修改或更换。鉴于几种现有LPT即将达到其服务寿命，这种先前方法带来了进一步的挑战。例如，美国安装的LPT的平均年龄远远超过几十年，多个LPT估计为25岁或以上。此外，形成美国电网主干的多个这种LPT的损耗显然会遇到与无法获得足够备件相关的能源安全问题，而这些备件不可互换以用于安装在不同位置的事实进一步加剧了这一问题。另外，传统LPT的典型额定电压可说明于下表中：
Figure BDA0003712644760000011
Figure BDA0003712644760000021
表1：传统LPT的典型额定电压。
此外,LPT的采购和制造是一个复杂的过程，由于其尺寸和重量，需要对制造商进行资格预审、竞标过程、原材料采购以及特殊的运输方式。结果是，如果制造商难以获得某些关键部件或材料，则可能会延长交货时间，交货时间可能超过20个月。关键行业来源——包括能源部门特定计划、国家基础设施咨询委员会的“Framework for EstablishingCritical Infrastructure Resilience Goals and the North American ElectricReliability Corporation’s Critical Infrastructure Strategic Roadmap”确定了备用LPT的有限供应是美国关键基础设施复原力的一个潜在问题,公共和私营部门都在努力解决这一问题。另见2012年6月出版物。
由于与更换LPT的采购和制造相关的大量资本支出、较长的交货时间和独特的规格，所以有机会研究更灵活和适应性强的LPT设计。尽管成本和定价因制造商和尺寸而异，但LPT可能花费数百万美元，并且重约数百吨。图2说明了示出LPT主要部件的成本和重量的典型概览的表格，所述表格得到2012年6月出版物的支持。
两种原材料，铜和电工钢，通常占LPT总成本的一半以上，另见2012年6月出版物。例如，制造商估计原材料成本占2008年至2010年间在美国销售的LPT总成本的57％至67％。在总材料成本中，铜约占18％至27％，电工钢约占22％至24％。铜和钢的平均价格多年来都显著上升，如图3所示，这对于传统LPT具有明确的含义，并得到2012年6月出版物的支持。电工钢用于电力变压器的核心，对于装备的效率和性能至关重要。另外，铜用于绕组。近年来，这两种商品在全球市场的价格波动影响了LPT的制造条件和采购策略。
运输也是总LPT成本的重要组成部分，因为LPT可能重达数百吨，并且通常需要长途运输。运输LPT是运输传统笨重的低频(LF)(60Hz以及50Hz)LPT的巨大挑战。这些物品尺寸大、重量重，对确保安全和高效的运输提出了独特的要求。目前的公路、铁路和港口条件使得运输花费更多时间并且变得更加昂贵。
由于需要过渡到具有无缝/接近无缝缩放能力的更模块化和灵活(例如，在电压、电流、功率流方面)设计的历史原因，传统低频LPT通常遵循单片设计方法，因此需要改进的方法。鉴于原材料成本持续上升，现有LPT的可运输性和运输成本较高。
发明内容
本发明的各方面通过使用高频固态交流ac/ac模块化功率转换方法来克服传统低频LPT的单片方法。本发明的实施方案使得能够结合新技术，而无需在所有情况下从头开始重新进行LPT设计。此外，鉴于LPT是长期的，本发明的各方面确保它们是耐用、高效且容错的，具有过载能力。
附图说明
本领域的普通技术人员可以理解，为了简单和清楚起见，图中的元件被说明，所以并非所有连接和选项都被示出。例如，在商业上可行的实施方案中有用或必要的常见但容易理解的元件通常可以不描绘，以促进本公开的这些各种实施方案的较少阻碍的视图。可以进一步理解，某些动作和/或步骤可以以特定的发生顺序描述或描绘，而本领域的技术人员可以理解，实际上不需要关于序列的这种特异性。还可以理解，本文使用的术语和表达可以关于其对应的相应调查和研究领域来定义，除非本文另外阐述了具体含义。
图1是现有技术的大型电力变压器(LPT)系统的图示。
图2说明了示出LPT主要部件的成本和重量的典型概览的表格。
图3说明了多年来铜和钢的平均价格已大幅上升的图表。
图4a说明了根据一些实施方案的单相系统的示意图。
图4b说明了具有本发明的电感器和变压器方面的单相系统的示意图。
图4c说明了本发明的两级系统方面的示意图。
图4d说明了本发明的开关电容器系统方面的示意图。
图4e说明了本发明的软开关拓扑系统方面的示意图。
图5说明了用于本发明的N相操作方面的N次复制的单相系统，其中N＝3。
图6说明了本发明的单相电压缩放路径方面的示意图。
图7a说明了根据一些实施方案的具有级联N相系统的电压缩放系统的示意图。
图7b说明了根据一些实施方案的具有N个三相ac/ac模块的电压缩放系统的示意图，其中N＝3。
图8a说明了根据一些实施方案的用于响应于N相系统而控制单相系统的图。
图8b说明了根据一些实施方案的用于基于开关状态的最优控制来控制单相系统的图解。
图9a说明了根据一些实施方案的基于相的ac/ac的控制的环架构的图解。
图9b说明了根据一些实施方案的基于相的ac/ac的控制的网状架构的图解。
图10说明了根据现有技术的传统LPT的示意图。
图11a说明了根据一些实施方案的具有一组功率电子转换器的基于高频的固态变压器(SST)系统的图。
图11b说明了根据一些实施方案的具有一组功率电子转换器的基于高频的固态变压器(SST)系统的图解。
具体实施方式
现在可以参考附图更全面地描述实施方案，附图形成其一部分，并且通过说明的方式示出可以实践的特定示例性实施方案。这些图示和示例性实施方案可以理解为本公开是一个或多个实施方案的原理的例示，并且可以不预期限制所说明实施方案中的任何一个实施方案。实施方案可以许多不同形式体现，并且不应解释为限于本文阐述的实施方案；相反，提供这些实施方案使得本公开可以是彻底和完整的，并且可以将实施方案的范围完全传达给本领域技术人员。此外，本发明可以体现为方法、系统、计算机可读介质、装置或设备。因此，本发明可以采用全硬件实施方案、全软件实施方案或组合软件和硬件方面的实施方案的形式。因此，以下详细描述可以不理解为限制性意义的。
高频固态功率转换系统
现参考图4a,示出本发明的各方面的单相模块。在一个实施方案中，单相模块可以提供基本的构建块，以在有或没有隔离的变压器的情况下工作。例如，磁体或磁力源(例如，电磁体)可以作为外部、单独或分立的元件提供。在另一实施方案中，图4b中的磁源图示可以是磁芯，所述磁芯包括高频变压器、电容器和电感器作为单个芯。在一些实施方案中，它们可以如图4b所说明而集成。
仍参考图4a,单相系统400包括用于单相实现的两组块402和404,它们在输入侧处以及在输出侧处串联连接。在一个实施方案中，输入和输出都可以是可具有不同尺寸的交流(ac)功率信号。
在一个实施方案中，在每个块402或404中，当输入侧开关(例如,Qa1)打开时，输入和输出电感器(例如,La1或La2)的通量建立。另一方面，如果输出侧开关(例如,Qa2)打开，则电感器的能量可以传送到交流链路电容器(例如,Ca2)和输出电容器(例如,Ca4)。针对不同的需要，ac的频率也可以有不同的值。
例如，美国电网频率在标称上为60Hz,但它可以围绕所述标称频率变化一点。此外，在另一实施方案中，亚洲国家的某些地方可能是50Hz。然而，在诸如航空应用的其他应用中，频率可能是400Hz。
两个设备的开关方案，诸如像场效应晶体管的多数载流子设备和/或少数载流子设备。在此示例中，单相模块400的每个块中的开关可不同。例如，在一个方案中，两个块中的所有四个开关可以在高频下开关。在另一方案中，虽然一个块的两个开关可以在高频下操作，但另一块的两个开关在开关状态下可以是静态的。在又一方案中，可以实现这两个开关方案的混合组合。还应注意，虽然图4a中的ac/ac单相拓扑对于一些开关状态可以是硬开关的，但是通过使用可能性的组合，可以进行软开关以提供额外的损耗减轻。
在一个方面中，磁体可以是基于磁芯的和/或可以是基于空气芯的。在另一实施方案中，即使图4a中所示的基本构建块是两级实施方案，也可包括三个或更高级变体，如图4c中的一个实施方案中所说明。另外，即使图4a可以说明基于基于电感器和电容器无源方法的一个实施方案，但仅依赖于电容器的开关电容器方法也可以是图4a所示的相同架构方法的变体。此方法在图4d中示出。在此实施方案中，本发明的方面可以用相位交错来示出。例如，在隔离的开关电容器方法中，开关可用于响应于适当的时间相移而开关到每个ac/ac模块，以减小纹波并减小磁无源尺寸。
对于使用隔离式变压器的实施方案，基于高频的变压器解决方案的尺寸显著减小了使用如在传统LPT中使用的传统低频变压器方法获得的变压器的尺寸，因为频率的升高可以减少磁通周期，这反过来又减小了芯尺寸。如所说明，开关Qa1-Qa4不限于场效应晶体管(FET)。在一个实施方案中，开关Qa1-Qa4可以具有不同的结构(例如，绝缘栅极双极晶体管(IGBT)、接合门场效应晶体管(JFET)、金属氧化物硅场效应晶体管(MOSFET)或双极连接晶体管(BJT)),并且可以具有不同的基质(例如，GaN、SiC、Si、GOx)。在一个方面中，图4a中的块的基本拓扑可以具有差异，并且架构输入-串联-输出-串联系统也可使用其他较低阶和较高阶功率转换器拓扑实现。例如，降压或升压基本或派生拓扑，诸如Zeta或Sepic拓扑。
例如，图4e中捕获了软开关拓扑的一个实施方案。在一个实施方案中，软开关电路可用作损耗减轻软开关电路。在另一种方案中，不是仅使用ac链路作为电容器，而是可以使用电感-电容链路来代替电容器。在一个示例中，链路的电感部分可以是外部电感器和/或隔离式变压器本身的寄生电感。另一实施方案中的电感链路也可以与开关串联。在另一实施方案中，还可以使用适当地嵌入在图4a所示的核心拓扑中的共振、准共振零电压开关、零电流开关，甚至零电压-零电流开关辅助电路。
仍参考图4a,在一个实施方案中，单相系统可包括具有双向功率流能力的单级拓扑ac/ac图示。在此方面中，ac输入在A输入与A’输入之间馈送，而ac输出在A输出与A’输出之间馈送。在图4b中，图4a的变化系统410可包括单片集成的每个块中的电感器和变压器，以减小尺寸和纹波。
参考图4c,图4a和图4b所示的两级块的另一多级变体图示420。参考图4d,以级联配置连接的两个ac/ac模块的另一说明性实施方案430。与图4a不同，每个ac/ac模块可不包括电感器。相反，可以使用交错(或交错的相位)来操作模块。例如，交错或相位交错可包括开关每个ac/ac模块的开关被移位Ts/N，其中Ts是开关周期，并且N是ac/ac模块的数目。通过此方法，可以减小纹波，并且可以减小磁体尺寸。
在一个实施方案中，图4d可标识2个模块：模块432和434。本发明的各方面可扩展到多个模块。输入和输出电感器(例如，分别为La11和La12以及La21和La22)可以在多个配置中实现。例如，它们可以是分立的，或者它们可以在输入侧和输出侧上耦合，或者它们可以全部耦合。取决于应用，输入侧和输出侧上也只需一个电感器即可。
现在参考图4e,另一实施方案说明用于减少例如图4a和图4b所示的基本实现的半导体损耗的另一配置440。说明了整体ac/ac模块440的每个块(例如,442和444)的附加软开关(SS)电路446。应当注意，取决于应用，在每个块442或444中的两个主要设备(例如,Qa11和Qa21)中的每一个设备上可能需要添加电容以启用SS。此外，每个块442或444中的SS设备446(例如,Qass12和Qass21)可以是其他类型的适当替代，其可以包括双极和/或窄/宽带隙设备(例如，具有反并联二极管的Si IGBT)。另外，在每个块442或444中,SS电路446可包括电感器(例如,Lass11和Lass21),所述电感器可以是分立的或耦合的或耦合到变压器。在一个实施方案中，用于软开关的辅助电感器可以是分立的(即，每个芯上一个)或可以组合(耦合)到单个芯上，或2个电感可以耦合到也承载变压器的同一个芯。在图4e的变体中，这些固态(SS)电路446可以是SS电感器，并且这些电路可以在同一块的变压器中完全或部分地被吸收(例如，作为泄漏电感)。
在本发明的一个方面中，基本ac/ac创新的模块化可扩展性是多重的。例如，模块化可扩展性可以应用于相位的数目、电压电平和电流电平。关于多相操作，模块化可扩展性可以具有不同的路径，这将在下文讨论。一个这种示例可包括图4a中所示的用于N相操作的N次的单相构建系统的示例。因此，在这种示例中，对于三相操作(即，其中N＝3),系统500可需要包括三个单相模块(图4a至图4e中示出)。替代地，N相系统也可以使用如图5所说明的N个块来实现，用于具有块502、504和506的三相系统(即，其中N＝3)。
在一个示例中，图5所示的三相设计系统可包括3个块，每个块具有2个开关。在此实施方案中，每个块中的开关可在高频下连续地开关，或者它们有时可在高频下开关，随后为在不在高频下操作时的持续时间，并且可能不会改变开关状态。
在另一实施方案中，多相方案可建立在针对图4a所示的单相系统概述的开关方案之上。例如，多相方法可以相对于N个块的所有开关以相同的方式扩展，从而包括对于N相系统操作可以使所有开关始终在高频条件下全部开关的可能性。在另一实施方案中，开关中的一些开关在高频下操作，而开关中的一些开关不改变开关状态，或这两个开关可能性的任意组合。
在本发明的一个方面中，图4a中的单相系统还可以能够处理损耗减轻。例如，使用图4a所示的单相系统变体的软开关来减轻损耗的机制也可以扩展到N相可扩展版本。在另一实施方案中，尽管用于多相扩展的参考到目前为止被称为图4a中的拓扑变体，但是本发明的各方面可以扩展用于基本ac/ac模块的拓扑扩展和/或变体，如先前利用图4a中提供的一些说明性实施方案详细描述的。
在另一实施方案中，图5中的系统还可包括图4b、图4c、图4d和图4e中所示的本发明的方面。换句话说，图5中的系统中的块可以结合图4b、图4c、图4d和图4e的各种特征。在另一实施方案中，结合可以是选择性的；例如，各种实施方案的结合可以单独地或分立地结合。
关于电压可扩展性，存在若干路径。路径中的一个路径可能需要级联图4a所示的单相系统，如图6所说明。图6可以是根据一些实施方案的具有作为构建块的单相ac/ac系统的电压缩放方法。
在图6中，示意图说明了具有用于单相电压缩放路径的ac/ac模块602、064和606的单相系统600。例如，每个“ac/ac”块(诸如602)可以是单相系统，如图4a中的一个实施方案所说明。例如，每个ac/ac电压的输出可以相加以进行电压缩放。在另一实施方案中，变体可以是单相ac/ac缩放，其遵循与先前方案类似的方法，不同之处在于对于图6中的每个ac/ac块，可以不重复每个块的输入和输出处的电感器和电容器(LC)滤波器。
在另一实施方案中，图6中的系统还可包括图4b、图4c、图4d和图4e所示的本发明的方面。换句话说，图6中的系统中的块可以结合图4b、图4c、图4d和图4e的各种特征。在另一实施方案中，结合可以是选择性的；例如，各种实施方案的结合可以单独地或分立地结合。
相反，图7a说明了示出构建在图4a所示的系统上的系统700的示意图。在一个示例中，系统700可包括在块的输入和输出处的LC滤波器，并且以级联配置添加降阶块的输入和输出电压，并且最终将LC滤波器置于整体多级单元的整体(或甚至中间)输入和整体输出端口处。另外，级联的单相ac/ac系统可复制N组以实现整体N相系统。在另一实施方案中，用于多相扩展的参考目前为止参考图4a中的拓扑变体。在一个方面中，一个实施方案可包括基础ac/ac模块的拓扑扩展和/或变化，如先前利用图6中提供的一些说明性实施方案详细描述的。
本发明的其他方面可包括电压缩放的变化。现在参考图7a,可以包括根据一些实施方案的具有通用方法的系统700,其中整个N相系统级联。在图7a中针对n个三相ac/ac模块(诸如702、704和706)说明了针对N＝3(即，三相系统)的这种方法的一个实施方案。图7b示出了构建在图7a的系统700上的系统710的示意图，图7b中示出n＝3的更详细图示，诸如712、714和716。在一个实施方案中，系统710还可以展示针对额外N相系统进行缩放的能力。
在另一实施方案中，可以通过多个选项来完成电流缩放方法，所述多个选项包括将块中的多个开关并联和/或将多个块和/或多个ac/ac模块并联，和/或将整个ac/ac系统并联。遵循图4方法中的一些方法对这些方法进行额外变化也是可行的。
在本发明的一些方面中，下文可进一步描述功率电子系统的控制和保护方面。例如，当开关(或调制方案在前面讨论)时，这些开关可以响应于电力系统之外期望的控制和性能目标而实现不同的输出。在一个实施方案中，用于控制的机制可以基于具有变换的比例共振和/或谐波补偿器(PRC)以减轻非线性增益的影响。
一个这种实施方案是图8a所示的用于N＝3的N相系统的图，其中三相负载可以是ac/ac转换器系统的负载或输出。调制方案可以是线性的、非线性的或混合的。例如，在802处提供3相输出电压参考并且在804处提供3相输出电压反馈作为806处的负载。
根据其他实施方案，另一种方法可以基于系统开关状态的最优控制。图8b可包括根据一些实施方案的用于响应于N相系统而控制单相系统的流程图。在一个实施方案中，在820处，确定ac/ac块或系统的开关序列是否可行。开关序列是开关状态的时间演化。本质上，每个开关都会打开(比如二进制状态1)或关闭(比如二进制状态0)(因此，如果忽略了相当小的转变时间，通常会出现二进制状态)。开关序列可以是0,随后是1，或可以是1，随后是0，或可以是0，随后是1，随后是0等。可行的开关序列是功率转换器的所有可能的开关序列的子集。
在824处，使用稳定性准则进一步确定可达开关序列。在826处，本发明的实施方案解决了成本优化问题，所述成本优化问题在稳定性界限下可产生单个最优可达开关序列或最优可达开关序列的并集。在一个实施方案中，开关序列控制可以具有3个主要要素：预测模型、系统约束和优化问题，所述主要要素转化为最小化/最大化单个或多目标成本函数。在每个时间范围内，选择开关序列，并且所选择的序列可以使用模型的预测并且在可允许的约束内将成本函数最小化。在另一实施方案中，成本函数可以是在期望电压与实际电压和/或功率转换器损耗(需要最小化)之间进行区分。
一旦它被求解，在826处，可以根据求解的解将最优函数切换到ac/ac系统或系统块。在另一实施方案中，在828处，输出还可向传感器或反馈回路或估计返回提供以进一步微调成本优化。在另一实施方案中，在触发解之前，可在830处切换所述系统的ac/ac系统或块的混合模型。
在一个实施方案中，本发明的各方面提供了最优成本函数，其解决了需要实现的性能度量(例如，效率、总谐波失真、调节、功率控制、电磁干扰噪声),然后可以使用预测模型并且在系统约束下使此成本函数最小化或最大化以生成开关状态，从而生成开关序列。为了实时地减少计算开销，开关序列也可以在稳定性(和/或可达性约束)下离线合成。
在又一实施方案中，从ac/ac模块级到多相系统的多个ac/ac模块的控制的扩展可以包括多个实现路径，其范围从分层到分布式到伪分散控制，具有有限的通信以实现局部(ac/ac模块)和全局(整体多ac/ac模块系统)控制目标。在一个示例中，为了区分本地和全局控制目标，可以实施实际的全局控制器，其可以与命令功率转换器的多个本地控制器协调。替代地，每个控制器可以具有本地控制器，而全局控制器可以分布在本地控制器之间并且在网络层上协调，因此需要专用的全局控制器。上文已经提到了本地控制目标。在另一实施方案中，本地或全局控制器可以是专用于控制参数的物理硬件设备的形式。在另一实施方案中，本地或全局控制器的功能可以由软件或程序实施。
在另一实施方案中，全局控制目标可以具有多个目标，包括但不限于负载共享、电压共享、交错等，仅举几例。对于基于通信的协调，除了基于协议的通信之外，通信机制还可以基于信息压缩、编码、事件/自触发等，以降低ac/ac模块之间的数据和信息交换速率。
在一个实施方案中，图8a可以说明N＝3的N相系统的线性控制方案。在另一实施方案中，图8b可以是ac/ac系统或其块的最优和/或非线性控制方案。在另一实施方案中，控制方案被配置成从用户接收输入或指令。例如，用户可以提供指令作为编程代码。因此，用于控制方案的开关控制件可以从用户接收这些代码或指令，并且开关控制件可以相应地处理这些指令。在一个实施方案中，开关控制件可包括图形用户界面(GUI),所述图形用户界面可被设计成从图8a和图8b所示的控制方案接收参数或数据，使得用户可以控制或选择实现控制方案。在另一实施方案中，来自图8a和图8b中的控制方案的参数可进一步配置为应用编程接口(API)的输入，使得其他程序或软件可介接控制方案以使得能够容易地操纵控制件。在另外的方面中，参数或控制件可以呈数字控制模块、单元或设备的形式。在另一实施方案中，控制件可以是模拟设备。在另一实施方案中，控制件可以是数字设备与模拟设备的组合。在又一实施方案中，控制设备可进一步包括经由无线信号传输或接收其参数或数据的无线能力。
现在参考图9a和图9b,环架构900和网状架构920被说明为这种实施方案中的两个实施方案。使用网络架构和(有线/无线)通信协议可以是一种任意类型的网络来实现从单个ac/ac N相系统到m模块N相ac/ac系统的控制方法的模块化扩展。例如，并且如图9a和图9b所说明，网格920和环900架构被说明为这种实施方案中的两个实施方案。模块化系统可以具有针对通信故障发生时的场景实现容错和/或自愈的能力，或者甚至具有在没有通信或使用事件触发的通信的情况下操作的能力。本发明的另一控制方面可涉及对用于多个相位和模块的ac/ac独立和多模块系统的保护。在另一实施方案中，保护可包括三个单独元素：针对输入和输出ac侧的故障的保护、对ac/ac转换器系统的保护，以及这两组保护之间的协调。本发明的各方面通过利用ac/ac功率电子系统的高速保护能力来降低压力、成本并且增强输入和输出ac侧保护的可靠性，从而改进了协调部分。在一个实施方案中，可以配置保护，其中固态ac/ac功率转换系统可以由ac输入馈送并且输出ac输出，其中功率转换器恰好在中间以实现这一点。输入和/或输出ac侧上可能发生故障。例如，线到地故障或线到线故障等。也可能在ac/ac转换器本身中出现故障。在任一情况下，都可以考虑包括快速协调的迅速动作，使得快速减轻故障的影响。
所提议创新与其他固态变压器(SST)技术的比较
图10可包括传统LPT的图示。在此示例中,LPT包括60Hz的通量循环。在一个方面中，通量循环的图示可以是传统LPT中的50Hz。基于循环的传统60/50Hz LPT不具有有源半导体设备。由于变压器的通量循环1002非常低(例如，与在20000(如果不是更高的话)的量级上开关的固态变压器相比，典型的低频60/50Hz LPT具有低通量循环),LPT的尺寸和重量显著较高。传统的低频LPT具有有限的灵活性、模块化和可扩展性。注意，在一些情况下，传统60/50Hz循环LPT的次级侧1004可以用次级侧功率电子抽头改变调节器进行修改。然而，即使这样的LPT也具有大尺寸和重重量，因为通量循环仍然低。
通过增加LPT磁通周期的频率以产生基于高频的固态变压器(SST)来减小50/60Hz周期LPT的重量和尺寸减小。然而，为了在SST中获得这种高频，在高频(HF)变压器的输入侧处和输出侧处可能需要一组功率电子转换器，如图11a和图11b所说明。有不同的方式来实现这一点。
根据本发明的各方面，根据图13a,前端功率电子转换器1100可以是低频ac到高频ac单级(LFAC/HFAC)转换器1102,其也可以被称为回旋转换器。类似地，在输出处，可以使用高频ac到低频ac单级(HFAC/LFAC)转换器1104,其也可以是单级回旋转换器。
在一个实施方案中，本发明的各方面可包括两个回旋转换器级，其中HF变压器夹在所述两个回旋转换器级中间。然而，为了支持回旋转换，可能需要四象限高频半导体设备，这在现有技术的现有配置中不可用。因此，本发明的实施方案可以包括多个可用的高频设备以实现相同的实现。
在又一种方法中，并且如图13b中所说明，根据一些实施方案，另一图可以说明SST系统以减轻对四象限设备的需要。在一个示例中,HF变压器1120的前端(例如,LFAC/HFAC)可以是两级功率电子系统1110的一部分，所述两级功率电子系统包括ac/dc整流器1112，随后为dc/ac HF逆变器1114；而HF变压器1122的输出端(例如,HFAC/LFAC)包括整流器1116,随后为dc/ac HF逆变器1118。因此，本发明的这个方面可以提供四个功率转换级，同时消除对四象限设备的需要。
相比之下，本发明的各方面(例如如图4a所示的一个实施方案)提供具有模块化、灵活且可扩展功率转换系统的单级方法，其提供制造的便利性。对于可比较的传统SST，这种方法可以减少设备的数目、半导体设备成本以及系统的复杂性。与60/50Hz的通量循环LPT相比，本发明的实施方案可以显著减少变压器的尺寸和重量。本发明的实施方案还可以减少对电磁干扰(EMI)滤波的需要，因为它产生输入和输出电流连续性。在一个示例中，由于输入-输出连续性，在Ca1和Ca4之前和之后的块402中的图4a的La1和La2产生减少的源和负载电流纹波。此配置可以减轻对电磁干扰(EMI)滤波器的需要。相比之下且作为示例，降压转换器相比之下将具有脉动输入电流，这将需要较大的EMI滤波器。
在另一实施方案中，如图4b中所示，其中由于电感器的集成和单相系统产生减小的电流纹波，输入和输出电流纹波甚至可进一步减小。这对减少对EMI滤波器的需求具有深远影响。
另外，本发明的各方面可以基于其电感式和电容式变体来提供升压和降压的双重能力。在此示例中，此方法产生拓扑的对称性，同时提供经由磁集成减小基于高频的ac/ac系统的尺寸的能力。
可以理解，如上所描述的本发明可以使用计算机软件以模块化或集成方式以控制逻辑的形式实施。基于本文所提供的公开内容和教示，本领域的普通技术人员可以知道并了解使用硬件、软件或硬件与软件的组合实施本发明的其他方式和/或方法。
以上描述是说明性的，并且不是限制性的。在审查本公开后，对于本领域技术人员来说，实施方案的许多变化可能变得显而易见。因此，范围实施方案不应参考上述描述来确定，而应参考待决权利要求书和其全部范围或等同物来确定。
在不脱离范围实施方案的情况下，任何实施方案的一个或多个特征可以与任何其他实施方案的一个或多个特征组合。“一”、“一种”或“所述”的叙述旨在意指“一个或多个”，除非明确指示相反。除非明确指示相反，否则提及“和/或”旨在表示术语的最包容性意义。
本系统的一个或多个元件可以要求作为用于实现特定功能的手段。在这样的装置加功能元件用于描述要求保护的系统的某些元件的情况下，具有本说明书、附图和在其之前的权利要求的本领域普通技术人员可以理解，相应的结构包括计算机、处理器，或微处理器(视情况而定)被编程为使用在特殊编程之后在计算机中找到的功能和/或通过实施一种或多种算法来实现特别列举的功能，以实现上述权利要求或步骤中列举的功能。如本领域的普通技术人员将理解的，算法可以在本公开内表达为数学公式、流程图、叙述和/或为本领域的普通技术人员提供足够结构以实施所叙述过程和其等同物的任何其他方式。
虽然本公开可以许多不同形式体现，但附图和论述呈现有以下理解：本公开是一个或多个发明的原理的范例，并且不意图将任何一个实施方案限制于所说明的实施方案。
所属领域的技术人员可以容易地想到上述系统和方法的另外优点和修改。
因此，本公开在其更广泛方面不限于上文所示和描述的具体细节、代表性系统和方法以及说明性示例。在不脱离本公开的范围或精神的情况下，可以对上述说明书进行各种修改和变化，并且本公开旨在涵盖所有这种修改和变化，只要它们属于所附权利要求书和其等同物的范围。

Claims (20)

1.一种固态功率转换系统，所述固态功率转换系统包括：
单级第一块，所述单级第一块在第一输入侧处包括：
至少一个第一输入开关；
至少一个第一输入电感器；和
至少一个第一输入电容器；
并且
在第一输出侧处包括：
至少一个第一输出开关；
至少一个第一输出电感器；和
至少一个第一输出电容器；以及
第一高频变压器(HFT)；
单级第二块，所述单级第二块在第二输入侧处包括：
至少一个第二输入开关；
至少一个第二输入电感器；和
至少一个第二输入电容器；
并且
在第二输出侧处包括：
至少一个第二输出开关；
至少一个第二输出电感器；和
至少一个第二输出电容器；以及
第二HFT；并且
其中所述第二块和所述第一块在输入侧和输出侧处串联连接。
2.如权利要求1所述的固态功率转换系统，其中所述第一输入电感器、所述第一输出电感器和所述第一HFT形成公共磁芯。
3.如权利要求1所述的固态功率转换系统，其中响应于所述至少一个第一输入开关通电而建立所述至少一个第一输入电感器和所述至少一个第一输出电感器的通量，或者其中响应于所述至少一个第二输入开关通电而建立所述至少一个第二输入电感器和所述至少一个第二输出电感器的通量。
4.如权利要求1所述的固态功率转换系统，其中响应于所述至少一个第一输出开关通电而将所述至少一个第一输入电感器和所述至少一个第一输出电感器的能量传送到所述至少一个第一输入电容器和所述至少一个第一输出电容器，或其中响应于所述至少一个第二输出开关通电而将所述至少一个第二输入电感器和所述至少一个第二输出电感器的能量传送到所述至少一个第二输入电容器和所述至少一个第二输出电容器。
5.如权利要求1所述的固态功率转换系统，所述固态功率转换系统进一步包括至少一个损耗减轻软开关电路，其中所述至少一个软开关电路至少包括开关、电容器和电感器。
6.如权利要求1所述的固态功率转换系统，所述固态功率转换系统进一步包括用于所述第一块或所述第二块的开关控制件以提供所述第一块和所述第二块中的每一者的开关的开关状态和开关序列，其中用于所述第一块或所述第二块的所述开关控制件被配置成协调所述第一块和所述第二块中的每一者的所述开关状态和所述开关状态的所述序列。
7.如权利要求6所述的固态功率转换系统，其中所述第一块的所述开关控制件和所述第二块的所述开关控制件被配置成彼此协调。
8.如权利要求1所述的固态功率转换系统，所述固态功率转换系统进一步包括第三块，所述第三块在第三输入侧处包括：
至少一个第三输入开关；
至少一个第三输入电感器；和
至少一个第三输入电容器；
并且
在第三输出侧处包括：
至少一个第三输出开关；
至少一个第三输出电感器；和
至少一个第三输出电容器；
第三HFT；
其中所述第一块、所述第二块和所述第三块在输入侧和输出侧处串联连接。
9.一种固态功率转换系统，所述固态功率转换系统具有至少两个交流(ac)到ac(ac/ac)模块，所述固态功率转换系统包括：
所述至少两个ac/ac模块中的每一个ac/ac模块中的至少两个单相块，所述两个单相块中的每一个单相块在第一输入侧处包括：
至少一个第一输入开关；和
至少一个第一输入电容器；
并且
在第一输出侧处包括：
至少一个第一输出开关；和
至少一个第一输出电容器；以及
高频变压器(HFT)；
其中所述两个单相模块中的每一个单相模块在所述输入和所述输出处彼此串联连接。
10.如权利要求9所述的固态功率转换系统，所述固态功率转换系统进一步包括在所述至少两个ac/ac模块中的至少一个ac/ac模块外部的输入电感器。
11.如权利要求9所述的固态功率转换系统，所述固态功率转换系统进一步包括在所述至少两个ac/ac模块中的至少一个ac/ac模块外部的输出电感器。
12.如权利要求9所述的固态功率转换系统，所述固态功率转换系统进一步包括用于所述两个单相块中的每一个单相块的开关控制件以提供所述块中的每一个块的开关状态和所述开关状态的开关序列，其中所述开关控制件被配置成协调所述块中的每一个块的所述开关状态和所述开关状态的所述序列。
13.如权利要求12所述的固态功率转换系统，其中用于所述两个ac/ac模块中的所述两个单相块中的每一个单相块的所述开关控制件被配置成与所述模块中的所述开关控制件协调。
14.如权利要求9所述的固态功率转换系统，所述固态功率转换系统进一步包括至少一个损耗减轻软开关电路，其中所述软开关电路至少包括开关、电容器和电感器。
15.如权利要求9所述的固态功率转换系统，其中响应于所述至少一个第一输入开关通电而建立所述至少一个第一输入电感器和所述至少一个第一输出电感器的通量。
16.如权利要求9所述的固态功率转换系统，其中响应于所述至少一个第一输出开关通电而将所述至少一个第一输入电感器和所述至少一个第一输出电感器的能量传送到所述至少一个第一输入电容器和所述至少一个第一输出电容器。
17.一种三相固态功率转换系统，所述三相固态功率转换系统包括：
至少一个交流(ac)到ac(ac/ac)模块中的至少三个块，所述三个块中的每一个块在输入侧处包括：
至少一个输入开关；
至少一个输入电感器，和
至少一个输入电容器；
并且
在输出侧处包括：
至少一个输出开关；
至少一个输出电感器，和
至少一个输出电容器；以及
高频变压器(HFT)；并且
其中所述三个块中的每一个块在所述输入和所述输出处彼此串联连接。
18.如权利要求17所述的固态功率转换系统，所述固态功率转换系统进一步包括用于所述三个单相块中的每一个单相块的开关控制件以提供所述块中的每一个块的开关状态和开关序列，其中所述开关控制件被配置成协调所述块中的每一个块的所述开关状态和所述开关状态的所述序列。
19.如权利要求17所述的固态功率转换系统，其中用于所述至少一个ac/ac模块中的所述三个单相块中的每一个单相块的所述开关控制件被配置成与所述至少一个模块中的所述开关控制件协调。
20.如权利要求17所述的固态功率转换系统，所述固态功率转换系统进一步包括至少一个损耗减轻软开关电路，其中所述软开关电路至少包括开关、电容器和电感器。
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