CN115699553A - 电力转换器 - Google Patents

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Abstract

一种电转换器包括：(i)m＝3个相输入端子(a，b，c)、中性端子(N)和两个输出端子(p，n)，(ii)第一功率级(11)，该第一功率级包括桥式整流器以及连接到上部中间节点公式(I)和下部中间节点
Figure DDA0003944584530000011
的输出部，该桥式整流器具有连接到m个相输入端子中的每个相输入端子的第一有源开关，(iii)输入滤波器，该输入滤波器用于对AC电流进行滤波，(iv)第二功率级，该第二功率级包括连接在上部中间节点公式(I)与公共节点(m)之间的上部升压级、以及连接在公共节点(m)与下部中间节点
Figure DDA0003944584530000012
之间的下部升压级，(v)输出滤波器(14)，以及(vi)控制器(40)，该控制器能够操作地连接到第一有源开关、第二有源开关和第三有源开关，并且被配置为根据第一操作模式操作，以将多相AC输入转换为DC输出，或者反之亦然。控制器(40)被配置为根据第二操作模式操作，以将施加于m个相输入端子中的至少一个相输入端子和中性端子的单相AC输入转换为DC输出。在第二操作模式中，第二有源开关公式(II)和第三有源开关
Figure DDA0003944584530000013
被配置为呈现相反的状态。

Description

电力转换器
技术领域
本发明涉及电力转换的领域。具体地，本发明涉及一种电转换器拓扑，该电转换器拓扑允许从三相AC功率和单相AC能量二者转换为DC功率，反之亦然，并且涉及一种用于控制这种电转换器的方法。
背景技术
众所周知，基本上也可以使用一些三相AC到DC转换器拓扑来将单相AC转换为DC。为此，将三个相输入端子中的一个用作正向导体，而将三个相输入端子中的另一个用作回流导体，并且不使用第三个端子。在单相AC到DC操作中，可以在AC侧与DC侧之间传递的功率取决于连接在相输入的电流路径中的电子部件的用于单相操作的额定功率。通常，单相AC到DC操作的额定功率将约为三相AC到DC操作的额定功率的1/3。然而，在三相AC到DC转换器中实施单相AC到DC操作并不简单，并且需要对转换器的控制进行复杂的更改。
从2020年2月20日的WO 2020/035527中已知一种三相AC到DC转换器拓扑，也被称为比利时整流器(Belgian Rectifier)。该转换器包括三相整流桥和升压级，该升压级利用AC输入滤波器级的电感器作为能量储存元件，以用于提供高于AC输入电压的DC输出电压。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种低成本的电转换器拓扑，该电转换器拓扑可以高效地用于三(多)相升压型PFC AC-DC转换和单相升压型PFC AC-DC转换二者。一个目的是提供这种允许在三(多)相操作和单相操作中具有相同的额定功率的电转换器拓扑，有利的是无需增加复杂度且具有最低的成本。
根据本发明的第一方面，因此提供了一种如所附权利要求中阐述的电转换器。
根据本发明的各方面的电转换器允许在具有m个电网相端子的多相AC输入与DC输出之间转换电能，其中，m＝3。所述电转换器包括：(i)m个相输入端子、中性端子(N)和两个输出(DC)端子，(ii)第一功率级，所述第一功率级包括桥式整流器以及连接到上部中间节点和下部中间节点的输出部，所述桥式整流器具有连接到该m个相输入端子中的每个相输入端子的第一有源开关，(iii)输入滤波器，所述输入滤波器用于对施加于m个相输入端子的AC电流进行滤波，(iv)第二功率级，所述第二功率级包括上部升压级和下部升压级，所述上部升压级包括连接在上部中间节点与公共节点之间的第二有源开关，所述下部升压级包括连接在公共节点与下部中间节点之间的第三有源开关，(v)输出滤波器，所述输出滤波器包括布置在第二功率级与输出端子之间的至少一个滤波电容器，以及(vi)控制器，所述控制器被配置为根据第一操作模式进行操作，以将多相AC输入转换为DC输出，或者反之亦然。为此，控制器可操作地连接到第一有源开关、第二有源开关和第三有源开关。公共节点连接到中性端子。
根据本发明，控制器被配置为根据第二操作模式进行操作，以将单相AC输入转换为DC输出，或者反之亦然。单相AC输入被施加于m个相输入端子中的至少一个相输入端子与中性端子之间。也就是说，单相AC输入的正向导体连接到m个相输入端子中的至少一个，并且回流导体连接到中性端子。有利地，不使用不连接(即，断开)到正向导体的m个相输入端子。在第二操作模式中，控制器有利地被配置为通过脉冲宽度调制来操作第一开关。通过这样做，在输出端子处获得整流(DC)电压。可以但不需要操作第二开关和第三开关。
有利地，第二开关和第三开关各自包括反并联布置的二极管。有利地，第二开关和第三开关被配置为在第二操作模式中呈现相反(即，互补)的状态。在第二开关和第三开关未被操作的情况下，通过将呈现相反的状态的反并联二极管获得第二操作模式，即，第二开关和第三开关的反并联二极管之一正导通电流，而另一个正阻断电流。
将方便地注意到，单相AC输入的术语“正向导体”和“回流导体”可以互换使用。
根据本发明，为了允许转换器在第二操作模式和第一操作模式二者下操作，可以根据以下可能的配置来布置输出滤波器：
a)输出滤波器包括中点节点(例如，输出滤波器包括在输出端子之间串联的至少两个滤波电容器，以允许限定中点节点)，并且公共节点通过第四开关连接到中点节点，
b)输出滤波器包括中点节点，并且公共节点(永久性地)不连接到中点节点，
c)输出滤波器不包括中点节点，因此消除了将公共节点连接到输出滤波器(的中点节点)的可能性。
有利地，在配置(a)中，控制器被配置为当在第二操作模式中操作时，断开第四开关以中断公共节点与中点节点之间的连接。有利地，控制器被配置为当在第一操作模式下操作时闭合第四开关。
利用上述电转换器拓扑，通过利用中性端子作为单相AC输入的回流路径来以简单和高效的方式利用相同的转换器进行三相(多相)AC与DC之间的转换以及单相AC与DC之间的转换成为可能。
有利地，在第二操作模式中，m个相输入端子中的至少两个和可能所有三个相输入端子被接合以形成接合端子，并且单相AC输入的正向导体被应用于/连接到接合端子。控制器被配置为通过PWM并行(同步或交错)操作与m个相输入端子中的至少两个相输入端子相对应的第一开关。通过这样做，上述拓扑允许在三相操作和单相操作二者中有效地利用功率级的所有相输入的电流路径，使得可以在三相操作和单相操作中转换相同的电力，而几乎不需要附加硬件(仅需要增加配置(a)中的第四开关)。因此，对于单相操作，无需使用具有比三相操作用于传递相同功率所需的额定功率更高的额定功率的部件。因此，上述拓扑允许高效地利用三相拓扑，也允许用于单相操作。
有利地，转换器包括耦接到控制器的电压测量模块或传感器，该电压测量模块或传感器用于感测m个相输入端子中的每一个相输入端子处的电压(或其他合适的信号)。在第二操作模式中，控制器被配置为确定在m个相输入端子中的哪个相输入端子处施加单相AC输入，并且被配置为相应地操作第一开关。这允许转换器在第二操作模式下完全自动配置，没有误差。
有利地，输入滤波器包括一个或多个输入滤波器级。输入滤波器有利地包括差模滤波器，并且有利地包括共模滤波器。差模滤波器和共模滤波器可以分布在不同的输入滤波器级中，该输入滤波器级可以单独包括差模滤波器级和/或共模滤波器级。有利地，第一差模滤波器级包括m+1个第一电感器、m+1个第一滤波器输入节点和m+1个第一滤波器输出节点。m+1个第一滤波器输入节点中的m个第一滤波器输入节点连接到m个相输入端子。m+1个第一电感器中的m个第一电感器连接在m+1个第一滤波器输入节点中的m个第一滤波器输入节点与m+1个第一滤波器输出节点中的m个第一滤波器输出节点之间。m+1个第一滤波器输入节点中的最后一个第一滤波器输入节点连接到中性端子，并且m+1个第一电感器中的最后一个第一电感器连接在m+1个第一滤波器输入节点中的最后一个第一滤波器输入节点与m+1个第一滤波器输出节点中的最后一个第一滤波器输出节点之间。有利地，第二差模滤波器级包括m个第二电感器、m+1个第二滤波器输入节点和m+1个第二滤波器输出节点。m+1个第二滤波器输入节点中的m个第二滤波器输入节点连接到m个相输入端子。m个第二电感器连接在m+1个第二滤波器输入节点中的m个第二滤波器输入节点与m+1个第二滤波器输出节点中的m个第二滤波器输出节点之间。m+1个第二滤波器输入节点中的最后一个第二滤波器输入节点连接到中性端子，并且连接到m+1个第二滤波器输出节点中的最后一个第二滤波器输出节点，其中，在第二滤波器输入节点中的最后一个第二滤波器输入节点与第二滤波器输出节点中的最后一个第二滤波器输出节点之间没有连接电感器。输入滤波器可以包括第一差模滤波器级和第二差模滤波器级中的一个或两个。输入滤波器可以包括共模滤波器级和/或差模滤波器级的串联布置。第二差模滤波器级有利地被布置为串联中的最后一级。
根据本公开的第二方面，提供了一种用于对电池进行充电的电池充电系统、或者包括如第一方面所述的电转换器的磁共振成像设备。有利地，磁共振成像设备包括梯度放大器，所述梯度放大器包括电源单元，所述电源单元包括如第一方面所述的电转换器。
根据第三方面，提供了一种在单相AC电力与DC电力之间进行转换的方法，如所附权利要求所阐述的。该方法有利地利用了根据第一方面所述的转换器拓扑。
附图说明
现在将参照附图更详细地描述本发明的各方面，其中，相同的附图标记表示相同的特征，并且在附图中：
图1示出了根据现有技术的包括中性连接端子并且是双向的三相电转换器拓扑。
图2示出了平衡AC三相市电电压的360°周期内的电压图。
图3示出了根据本发明第一实施例的电转换器的拓扑。
图4至图6表示在根据本发明的在电转换器中使用的输入滤波器级的实施例。
图7表示连接到单相AC输入的图3的电转换器。
图8A在上部曲线图中表示在整流器级的输入端子之一与电转换器的中性输入端子之间的开关电压，并且在下部曲线图中表示单相操作模式中的AC电感器电流。
图8B表示图8A的上部曲线图和下部曲线图的放大部分，其中整流器桥柱(bridgeleg)的并联交错操作在单相操作模式中被清楚地示出。
图9表示根据本发明的实施例的双向电转换器。
图10表示根据本发明的另一实施例的电转换器，其中，上部升压桥电路与下部升压桥电路之间的公共节点未连接到输出滤波器的中点。
图11A、图11B示出了根据本发明的实施例的电转换器的整流器功率级的不同变型，该电转换器包括作为三电平半桥的桥柱。
图12表示具有输入滤波器级的示例性布置的电转换器。
图13表示根据本公开的包括电转换器的电池充电装置的图。
具体实施方式
说明书中和权利要求书中的术语“第一”、“第二”、“第三”等用于在类似元件之间进行区分并且不一定用于描述连续的或按时间的顺序。术语在适当的情况下是可互换的，并且本发明的实施例可以以不同于本文所描述或图示的其他顺序操作。
图1示出了已知的电转换器10，该电转换器被称为比利时整流器并在WO2020/035527中进一步描述。电转换器10包括两个功率级11、12——采用第一三相有源整流器级11和第二功率级12的形式。电转换器10进一步包括输入滤波器13和输出滤波器14。
电转换器10是AC到DC转换器，该AC到DC转换器具有连接到三相AC电网20的三相电压的三个相输入a、b、c，例如可以连接到DC负载21(例如，电动汽车的高压(例如，800V)电池)的两个DC输出p、n，以及用于连接AC电网20的中性导体的端子N。
两个功率级11、12可以被看作是一个‘集成’转换级，因为在这两个功率级之间不存在高频滤波电容器，并且因为这两个级使用公共的能量储存电感器(升压电感器)。特别地，输入滤波器13的相电感器La、Lb、Lc被用作升压电感器并且在这两个功率级11、12之间共享。
整流器级11具有经由输入滤波器13的相电感器La、Lb、Lc连接到三相输入a、b、c的三相输入
Figure BDA0003944584510000051
以及两个输出
Figure BDA0003944584510000052
这些输出可以看作是上部中间电压节点
Figure BDA0003944584510000053
和下部中间电压节点
Figure BDA0003944584510000054
其示出了由第二功率级12的切换引起的‘切换’电压电势。
整流器级11包括三个桥柱15、16、17，每个桥柱包括以半桥配置的形式连接的两个可主动切换的半导体器件(臂15的
Figure BDA0003944584510000055
和
Figure BDA0003944584510000056
臂16的
Figure BDA0003944584510000057
和
Figure BDA0003944584510000058
臂17的
Figure BDA0003944584510000059
和
Figure BDA00039445845100000510
)。每个可切换半导体器件具有反并联二极管。在该示例中，金属氧化物场效应晶体管(MOSFET)用于可主动切换的半导体器件，每个可主动切换的半导体器件都包含可以代替外部的反并联二极管的内部的反并联主体二极管。
第二功率级12包括两个堆叠的(串联连接的)升压桥18、19。每个升压桥包括以半桥配置连接的升压开关(上部升压桥18的
Figure BDA00039445845100000511
以及下部升压桥19的
Figure BDA00039445845100000512
)。上部升压桥18的中间节点连接到中间电压节点
Figure BDA00039445845100000513
并且下部升压桥19的中间节点连接到中间电压节点
Figure BDA0003944584510000061
两个升压级18、19的公共节点m连接到输出滤波器14的中点，该输出滤波器包括在上部输出节点p与下部输出节点n之间串联连接的两个输出滤波电容器Cpm、Cmn。
上部升压桥18连接在上部输出节点p与中间输出节点m之间(即，与上部输出滤波电容器Cpm并联)，并且以如下方式布置：可以通过控制开关
Figure BDA0003944584510000062
将中间电压节点
Figure BDA0003944584510000063
交替地连接到中间输出节点m和上部输出节点p，其中，当开关
Figure BDA0003944584510000064
断开(不导通)时，电流可以经由开关
Figure BDA0003944584510000065
(的二极管)从中间电压节点
Figure BDA0003944584510000066
流到上部输出节点p，并且当开关
Figure BDA0003944584510000067
闭合(导通)时，电流可以经由开关
Figure BDA0003944584510000068
从中间电压节点
Figure BDA0003944584510000069
流到中间输出节点m(或者反之亦然)。
下部升压桥19连接在中间输出节点m与下部输出节点n之间(即，与下部输出滤波电容器Cmn并联)，并且以如下方式布置：可以通过控制开关
Figure BDA00039445845100000610
将中间电压节点
Figure BDA00039445845100000611
交替地连接到中间输出节点m和下部输出节点n，其中，当开关
Figure BDA00039445845100000612
断开(不导通)时，电流可以经由开关
Figure BDA00039445845100000613
(的二极管)从下部输出节点n流到中间电压节点
Figure BDA00039445845100000614
并且当开关
Figure BDA00039445845100000615
闭合(导通)时，电流可以经由开关
Figure BDA00039445845100000616
从中间输出节点m流到中间电压节点
Figure BDA00039445845100000617
(或者反之亦然)。将方便地注意到，由于在相应的上部中间节点或下部中间节点
Figure BDA00039445845100000618
与相应的输出端子p、n之间连接有有源开关
Figure BDA00039445845100000619
和
Figure BDA00039445845100000620
因此电转换器10是双向的。
升压桥18、19的升压开关
Figure BDA00039445845100000621
是可主动切换的半导体器件，比如MOSFET。
作为输入滤波器13的一部分的三个AC电容器Ca、Cb、Cc以星形连接的形式与相输入a、b、c互连。通常，有利的是，三个电容器Ca、Cb、Cc具有基本上相等的值，以便对称地加载AC电网。
三相AC电网的中性导体连接到转换器10的中性连接端子N。该中性连接端子N进一步连接到AC电容器Ca、Cb、Cc的星形点，并且连接到堆叠的升压桥18、19的公共节点m(并且因此还连接到输出滤波器14的中点)。这产生了完全对称的转换器结构。
整流器级11的接收具有三相AC输入电压中的最高电压的相输入a、b或c的桥柱经由对应的相电感器(La、Lb或Lc)将对应的相输入a、b或c连接到上部中间电压节点
Figure BDA00039445845100000622
为实现这一点，桥柱将对应的相输入
Figure BDA00039445845100000623
或
Figure BDA00039445845100000624
与节点
Figure BDA00039445845100000625
连接。结果，由具有最高电压的相的AC电容器(Ca、Cb或Cc)、具有最高电压的相的相电感器(La、Lb或Lc)、上部升压桥18以及上部输出电容器Cpm形成常规的DC/DC升压转换器(上部升压转换器)。该上部升压转换器的输入电压是具有最高电压水平的相输入a、b或c的电压va、vb或vc，并且该上部升压转换器的输出电压是上部输出电容器Cpm两端的电压Vpm，该输出电压具有基本上等于总DC总线电压(Vpm≈VDC/2)的一半的电压值。可以通过以一定的可能变化的开关频率fs对开关
Figure BDA0003944584510000071
进行PWM调制来操作所形成的上部升压转换器，以便控制在具有最高电压的相的相电感器(La、Lb或Lc)中的电流。
整流器级11的接收具有三相AC输入电压中的最低电压的相输入a、b或c的桥柱经由对应的相电感器(La、Lb或Lc)将对应的相输入a、b或c连接到下部中间电压节点
Figure BDA0003944584510000072
为实现这一点，桥柱将对应的相输入
Figure BDA0003944584510000073
或
Figure BDA0003944584510000074
与节点
Figure BDA0003944584510000075
连接。结果，由具有最低电压的相的AC电容器(Ca、Cb或Cc)、具有最低电压的相的相电感器(La、Lb或Lc)、下部升压桥19以及下部输出电容器Cmn形成常规的‘反相’(负输入电压和负输出电压)DC/DC升压转换器(下部升压转换器)。该下部升压转换器的输入电压是具有最低电压水平的相输入a、b或c的电压va、vb或vc，并且该下部升压转换器的输出电压是下部输出电容器Cmn两端的电压Vnm，该输出电压具有基本上等于负的总DC总线电压的一半(Vnm≈-VDC/2)的电压值。可以通过以一定的可能变化的开关频率fs对开关
Figure BDA0003944584510000076
进行PWM调制来操作所形成的下部升压转换器，以便控制在具有最低电压的相的相电感器(La、Lb或Lc)中的电流。
整流器级11的接收具有在三相AC输入电压中的最高电压与最低电压之间的电压的相输入a、b或c的桥柱的切换方式为：对应的相输入a、b或c经由对应的相电感器(La、Lb或Lc)交替地连接到上部中间电压节点
Figure BDA0003944584510000077
和下部中间电压节点
Figure BDA0003944584510000078
为实现这一点，桥柱交替地将对应的相输入
Figure BDA0003944584510000079
或
Figure BDA00039445845100000710
与节点
Figure BDA00039445845100000711
和
Figure BDA00039445845100000712
连接。整流器级11的与具有三相AC输入电压中的最高电压与最低电压之间的电压的相输入a、b或c连接的桥柱可以以与单相半桥电压源转换器(VSC)类似的方式进行切换，并且通过以一定的可能变化的开关频率fs对该桥柱的开关进行PWM调制来操作该桥柱，以便控制具有三相AC输入电压中的最高电压与最低电压之间的电压的相的相电感器(La、Lb或Lc)中的电流。
综上所述，可以说整流器级11的三个桥柱中的两个桥柱处于“选择状态”，即选择哪个AC电容器(Ca、Cb或Cc)和相电感器(La、Lb或Lc)作为包含上部升压桥18和上部输出电容器Cpm、并且用于控制具有三相AC输入电压中最高电压的相输入a、b或c的相电感器(La、Lb或Lc)中的电流的上部升压转换器的一部分，以及选择哪个AC电容器(Ca、Cb或Cc)和相电感器(La、Lb或Lc)作为包含下部升压桥19和下部输出电容器Cmn、并且用于控制具有三相AC输入电压中最低电压的相输入a、b或c的相电感器(La、Lb或Lc)中的电流的下部升压转换器的一部分。整流器级11的其余桥柱处于‘有源开关状态’，并且可以以与单相半桥电压源转换器(VSC)类似的方式操作。该其余桥柱形成其余开关电路，该其余开关电路包含具有三相AC输入电压中最高电压与最低电压之间的电压的相输入a、b或c的其余相电感器(La、Lb或Lc)和其余相电容器(Ca、Cb或Cc)。其余开关电路还包含两个输出电容器Cpm、Cmn的串联连接，并且用于控制具有三相AC输入电压中最高电压与最低电压之间的电压的相的相电感器(La、Lb或Lc)中的电流。
例如，如图2所示，在具有基本上平衡的相电压的三相AC电网中，向所形成的上部升压转换器、所形成的下部升压转换器以及所形成的其余开关电路分配整流器级11的桥柱的状态(‘选择状态’和‘有源开关状态’)以及分配AC电容器Ca、Cb、Cc和相电感器La、Lb、Lc取决于相输入(a，b，c)的电压值在三相AC输入电压的每60°扇区改变一次。这产生了6种唯一的分配。这些分配的顺序在AC市电电压的每个周期(360°)重复一次。
表1总结了整流器级11的桥柱在图2所示的AC市电电压的周期(360°)的每60°扇区期间的状态(‘选择状态’和‘有源开关状态’)。应注意，处于‘有源开关状态’的桥柱的开关被PMW调制，如也在表1中指示的(开关被“PWM调制”→S＝PWM)。处于‘选择状态’的桥柱的开关在特定扇区期间为‘闭合’或者‘断开’，如也在表1中指示的(开关‘闭合’→S＝1，开关‘断开’：→S＝0)。电转换器1的操作的进一步的细节可在WO 2020/035527中找到，其内容通过引用并入本文。
表1：整流器级11的桥柱的状态及其开关。
Figure BDA0003944584510000091
现在参考图3，根据第一实施例的电转换器100具有与图1的现有技术转换器10的拓扑非常相似的拓扑。转换器100被示出为具有连接到具有电网电压va、vb、vc的三相市电电源(AC电网20)的相输入端子a、b、c，并且其中，AC电网的中性导体连接到中性连接端子N。功率级11和12的拓扑以及输出滤波器14的拓扑在电转换器10与转换器100之间可以是相同的。在转换器100中，上部升压桥18和下部升压桥19设置有用于上部升压桥18的二极管
Figure BDA0003944584510000092
和用于下部升压桥19的二极管
Figure BDA0003944584510000093
而不是转换器10的具有反并联二极管的有源开关
Figure BDA0003944584510000094
从而使得转换器100是单向的。
转换器100与转换器10的拓扑之间的第一个区别在于输入滤波器130，尽管这不是必需的，并且转换器100可以根据本发明与转换器10的输入滤波器13一起操作。输入滤波器130包括m+1个输入节点和m+1个输出节点，其中，m＝3是相数。输入滤波器130有利地包括接地端子131，以用于连接到保护接地。输入滤波器130包括在m+1个输入节点与m+1个输出节点之间串联布置的一个或多个输入滤波器级。可能的输入滤波器级如图4、图5和图6所示。
每个输入滤波器级132包括m个相输入节点133和m个相输出节点135，以及中性输入节点134和中性输出节点136。第一输入滤波器级的m个相输入节点133连接到m个相输入端子a、b、c。最后一个输入滤波器级的m个相输出节点连接到功率级11的输入节点
Figure BDA0003944584510000101
和
Figure BDA0003944584510000102
第一输入滤波器级的中性输入节点134连接到中性输入端子N。最后一个输入滤波器级的中性输出节点136连接到第二功率级12的公共节点m，特别是上部升压桥18与下部升压桥19之间的公共节点。
每个输入滤波器级132、137、138有利地包括共模滤波器部分。共模滤波器有利地包括共模滤波器扼流圈(choke)71，该共模滤波器扼流圈包括m+1个线圈710，每个线圈710连接在对应的相/中性输入节点133、134与对应的相/中性输出节点135、136之间。共模滤波器部分可以包括共模滤波器扼流圈71与接地端子131之间的电容耦接74。电容耦接74可以包括连接在中性输入节点134与接地端子131之间的电容器。
附加地或可替代地，每个输入滤波器级132、137、138有利地包括差模滤波器部分。差模滤波器部分可以包括m或m+1个电感器73，每个电感器连接在对应的相输入节点133与对应的相输出节点135之间，并且在第m+1个电感器的情况下连接在中性输入节点134与中性输出节点136之间。共模滤波器扼流圈71的线圈710和电感器73可以串联布置在它们对应的相/中性输入节点133、134与它们对应的相/中性输出节点135、136之间。
每个输入滤波器级132、137、138有利地包括形成差模滤波器部分的一部分的电容器网络75。电容器网络75有利地包括连接到m个相输入节点133的电容器750，并且有利地被布置成星形连接，尽管m个相输入节点133之间的电容器750的三角形连接是可能的。电容器网络75的星形点(可能通过附加电容器76)连接到中性输入节点134(图4)、中性输出节点136(图6)，或者连接到共模滤波器扼流圈71的线圈710与中性输入节点134(图5)的线路上的电感器73之间的中点77。
再次参考图3，输入滤波器13可以包括输入滤波器级132、137、138的一个或一系列布置，如图4至图6所示。有利地，一系列输入滤波器级中的最后一级包括仅具有m个电感器73的差模滤波器部分。m个电感器73包括连接到m个相输入节点133的输入端子和连接到m个相输出节点135的输出端子。有利的是，在这种情况下，中性输入节点134与中性输出节点136之间没有电感器。
与转换器10相比，电转换器100的第二个区别在于存在将公共节点m连接到输出滤波器中点t的可控开关30，其操作将在下面进一步详细描述。
控制单元40用于控制电转换器100的所有可控开关，从而经由通信接口50向每个开关发送控制信号。此外，控制单元40包括：用于接收以下各项的测量结果的测量输入端口(43、44、45、46)：
·43：AC电网相电压va、vb、vc；
·44：AC电感器电流ia、ib、ic；
·45：DC总线电压VDC；
·46：DC总线中点电压Vmn＝-Vnm。
控制单元40被配置为通过输入端口41接收设定值，该设定值可以是所请求的DC输出电压
Figure BDA0003944584510000111
并且被配置为当在三相操作中操作转换器时，通过输入端口42接收用于相不平衡电流控制的设定值。例如，用于相不平衡电流控制的设定值可以是百分比值，该百分比值针对每个相限定了所请求的对相电流的最大幅度的减小，以便例如当在三相操作中操作时对特定相进行卸荷(unload)。
控制单元40被配置为根据以下两种操作模式进行操作：多相AC操作和单相AC操作。在多相AC操作模式中，多相AC输入(例如，三相输入)被施加于输入端子，如图3所示。在单相AC操作模式中，如图7所示，m个相输入端子a、b、c中的一个或多个(例如至少两个或有利地所有三个)被短接，并且单相AC输入的正向导体被应用于短接的输入端子，并且回流导体被应用于中性输入端子N。
控制单元40的目标是将输出电压VDC控制到经由输入端口41从外部单元接收的所请求的设定值
Figure BDA0003944584510000112
另外地，在多相操作模式和单相操作模式中，从相输入(a，b，c)得到的电流基本上呈正弦形，并且被控制为与对应的相电压基本上同相。应注意，从相输入(a，b，c)得到的电流等于输入滤波器130(的最后一级)的电感器73中的经(低通)滤波的电流ia、ib、ic，因为电感器电流ia、ib、ic的高频纹波被布置在如上所述的输入滤波器130的一个或多个输入滤波器级中的AC电容器滤波。因此，对从相输入(a，b，c)获得的电流的控制可以通过控制例如经低通滤波的电感器电流ia、ib、ic来完成。
输出电压VDC可以由控制单元40使用级联控制结构来控制，该级联控制结构包括外部电压控制回路和内部电流控制回路，如关于WO 2020/035527的图3所描述的，其内容通过引用并入本文。
在多相AC操作模式下，电流控制器被分为三个单独的电流控制器，每个电流控制器控制相应的相输入线中的相应电流ia、ib、ic，如下所示：
·第一单独的电流控制器用于控制具有三相AC电压中的最高电压的相输入a、b、c中的电流。该控制通过对包含上部升压桥18的上部升压转换器的开关
Figure BDA0003944584510000121
进行PWM调制来完成；
·第二单独的电流控制器用于控制具有三相AC电压中的最低电压的相输入a、b、c中的电流。该控制通过对包含下部升压桥19的下部升压转换器的开关
Figure BDA0003944584510000122
进行PWM调制来完成；
·第三单独的电流控制器用于控制具有三相AC电压中的最高电压与最低电压之间的电压的相输入a、b、c中的电流。该控制通过对其余开关电路(包含整流器的处于‘有源开关状态’的桥柱)的桥柱的开关进行PWM调制来完成。
在多相AC操作模式中，控制器40控制开关30闭合(节点m与t之间的导电状态)。这允许以与WO 2020/035527中描述的针对转换器10相同的方式来操作转换器100。特别地，闭合开关30允许主动平衡两个输出电容器Cpm和Cmn两端的电压，例如，通过控制下部输出电容器Cmn两端的电压Vnm基本上等于DC总线电压VDC的一半。
在单相AC操作模式中，控制器40控制开关30断开(节点m与t之间的非导电状态)。参考图7，电转换器100的操作如下。
参考图7和图8A至图8B，在AC输入电压VaN的正部分期间，上部升压桥18的开关
Figure BDA0003944584510000123
断开(不导通)，而下部升压转换器桥19的开关
Figure BDA0003944584510000124
闭合(导通)。结果，在假定当转换器的功率流是从AC输入到DC输出时由于电流从
Figure BDA0003944584510000125
流向p并且从n流向
Figure BDA0003944584510000126
而导通二极管
Figure BDA0003944584510000127
和
Figure BDA0003944584510000128
的情况下，中间电压节点
Figure BDA0003944584510000129
连续地连接到输出节点p，并且中间电压节点
Figure BDA00039445845100001210
连续地连接到公共节点m和输出节点n。由于开关
Figure BDA00039445845100001211
闭合，因此，节点n和
Figure BDA00039445845100001212
连续地连接到中性输入端子N，并且因此连接到AC输入电压的底部。
整流器桥柱15-17的开关(柱15的
Figure BDA00039445845100001213
和
Figure BDA00039445845100001214
柱16的
Figure BDA00039445845100001215
和
Figure BDA00039445845100001216
以及柱17的
Figure BDA00039445845100001217
和
Figure BDA00039445845100001218
)由控制器40 PWM控制，使得节点
Figure BDA00039445845100001219
交替地连接到节点
Figure BDA00039445845100001220
和
Figure BDA00039445845100001221
在AC输入电压VaN的正部分期间，有利地执行PWM，使得节点
Figure BDA00039445845100001222
相对于AC输入(线)电压的底部(在节点N、
Figure BDA00039445845100001223
n处)的平均电压等于AC输入电压。换句话说，其端子连接到节点
Figure BDA00039445845100001224
的输入滤波器130的电感器应该处于稳态条件，即这些电感器的伏秒在输入电压的一个周期中应该为0。
在AC输入电压VaN的负部分期间，上部升压桥18的开关
Figure BDA00039445845100001225
闭合(导通)，而下部升压转换器桥19的开关
Figure BDA00039445845100001226
断开(不导通)。结果，在假定当转换器的功率流是从AC输入到DC输出时由于电流从
Figure BDA00039445845100001227
流向p并且从n流向
Figure BDA00039445845100001228
而导通二极管
Figure BDA00039445845100001229
和
Figure BDA00039445845100001230
的情况下，公共节点m连续地连接到中间电压节点
Figure BDA0003944584510000131
和输出节点p，并且中间电压节点
Figure BDA0003944584510000132
连续地连接到输出节点n。由于开关
Figure BDA0003944584510000133
闭合，因此，节点p和
Figure BDA0003944584510000134
连续地连接到中性输入端子N。
整流器桥柱15-17的开关(柱15的
Figure BDA0003944584510000135
和
Figure BDA0003944584510000136
柱16的
Figure BDA0003944584510000137
和
Figure BDA0003944584510000138
柱17的
Figure BDA0003944584510000139
和
Figure BDA00039445845100001310
)由控制器40PWM控制，使得节点
Figure BDA00039445845100001311
交替地连接到节点
Figure BDA00039445845100001312
和
Figure BDA00039445845100001313
在AC输入电压VaN的负部分期间，有利地执行PWM，使得节点
Figure BDA00039445845100001314
相对于AC输入(线)电压的底部(在节点N、
Figure BDA00039445845100001315
p处)的平均电压等于AC输入电压。换句话说，其端子连接到节点
Figure BDA00039445845100001316
Figure BDA00039445845100001317
的输入滤波器130的电感器应该处于稳态条件，即这些电感器的伏秒在输入电压的一个周期中应该为0。因为节点a、b、c处的输入电压相对于N为负，所以节点
Figure BDA00039445845100001318
Figure BDA00039445845100001319
处相对于N的平均电压也将为负。由于在VaN的负部分期间开关
Figure BDA00039445845100001320
将N连接到
Figure BDA00039445845100001321
的事实，因此这是可能的。
可替代地，可以在第二操作模式中不操作开关
Figure BDA00039445845100001322
和
Figure BDA00039445845100001323
中的任何开关。因此，这些开关将保持断开(不导通)，并且如上所述的第二操作模式的操作通过与开关
Figure BDA00039445845100001324
和
Figure BDA00039445845100001325
反并联布置的二极管来实现。然而，通过在第二操作模式中操作开关
Figure BDA00039445845100001326
和
Figure BDA00039445845100001327
与仅通过反并联二极管操作的情况相比，损耗减少了。
控制器40可以被配置为对整流器桥柱15-17的开关(柱15的
Figure BDA00039445845100001328
和
Figure BDA00039445845100001329
柱16的
Figure BDA00039445845100001330
和
Figure BDA00039445845100001331
柱17的
Figure BDA00039445845100001332
和
Figure BDA00039445845100001333
)进行PWM控制，以便稍微偏离上面指示的稳态条件，以便能够动态地控制电感器电流ia、ib、ic(的总和)来调整功率因数，例如，来确保应用单位功率因数。有利地，在单相操作模式中，控制器40被配置为控制AC输入电流(该AC输入电流是电感器电流ia、ib、ic之和)以具有进一步与电网电压同相的正弦形状。有利地，实现对桥柱15-17的开关的PWM控制使得AC输入电流在(所连接的)相输入端子a、b、c中均匀分配，即，ia＝ib＝ic。
在单相AC操作模式下，DC输出电压可以通过内部电流控制回路来控制，以允许控制电感器电流ia、ib、ic的大小。外部(闭合)电压控制回路可以确定输出DC电压误差，该输出DC电压误差可以作为输入参数馈送到内部控制回路，以调整AC输入电流(即，电感器电流ia、ib、ic之和)，以便使输出电压误差逐渐变为零。
在单相AC操作模式中，控制器40有利地被配置为并联地操作不同桥柱15、16和17的开关(柱15的
Figure BDA00039445845100001334
和
Figure BDA00039445845100001335
柱16的
Figure BDA00039445845100001336
和
Figure BDA00039445845100001337
柱17的
Figure BDA00039445845100001338
和
Figure BDA00039445845100001339
)。这允许在第一功率级11的所有可用桥柱上传播传输功率。通过这样做，在单相操作模式中，假设所有输入相端子a、b、c都用于单相操作，则可以传递与多相操作模式中相同的功率。
有利地，同步地操作桥柱15、16和17的对应开关。可替代地，可以在单相操作模式期间以交错方式操作桥柱15、16和17的对应开关。针对这种操作的电感器电流和开关电压在图8A和放大图图8B中示出。交错操作减少了中间节点
Figure BDA0003944584510000141
和
Figure BDA0003944584510000142
中的总电流的电流纹波和AC输入电流(即，电感器电流ia、ib、ic之和)的电流纹波。因此，输入滤波器130可以被制造得更小。
图3和图7中示出的电转换器是单向的，这是因为输出功率级12包含二极管，从而仅允许从AC电网20获得功率并将该功率在其输出部处提供给负载21。另一方面，图9示出了双向的电转换器200，这是因为图3所示的转换器的第二(升压)功率级12的二极管
Figure BDA0003944584510000143
和
Figure BDA0003944584510000144
已经补充有连接在相应的上部中间节点和下部中间节点
Figure BDA0003944584510000145
与相应的输出端子p、n之间的可控半导体开关
Figure BDA0003944584510000146
在单相操作模式中，开关
Figure BDA0003944584510000147
有利地由控制器40操作以保持闭合。以类似于图7的方式连接AC单相输入相电压。
在图10中，示出了电转换器300，其中不存在升压桥中点节点m与输出滤波器中点节点t之间的连接。因此，可以省去图7和图9的开关30。在多相操作模式中，不使用中性连接端子N，并且可以利用相同的PWM信号操作开关
Figure BDA0003944584510000148
和
Figure BDA0003944584510000149
以同步操作，从而模仿单个开关。在多相操作期间，该转换器不为等于三相电流之和的回流电流提供流回到电网的中性导体的路径，并且在不存在电网的中性导体情况下和/或在不需要完全独立地控制从三相AC电网获得的三相电流的幅度的情况下(例如，在获得具有基本上相等幅度的电流就足够时)可能是有利的。单相操作模式与图9所示的转换器200的情况相同。
仍然参考图10，输出滤波器14可以可替代地被提供为单个电容器滤波器，其中，该单个电容器连接在输出端子p与n之间。在这种情况下，不存在中点节点t。
图11A、图11B示出了三相有源整流器11的不同变型，该变型可以在转换器100、200或300中使用。在图11A和图11B中，桥柱是三电平半桥，而不是图3和图9的双电平半桥。在图11A的三相有源整流器11中，半桥是基于NPC的(NPC代表“中性点箝位(Neutral PointClamped)”)，而在图11B的三相有源整流器11中，半桥是基于T型的。应注意，在图11A和图11B中，三电平桥柱包括中间输出节点z。中间输出节点z可以连接到升压级的公共节点m，或者可以连接到输出滤波器的中点节点t，即，中间输出节点z可以连接到开关30的左侧端子或右侧端子。
图11A、图11B中的整流器级的与具有三相AC输入电压中的最高电压与最低电压之间的电压的相输入a、b或c连接的桥柱可以以如下方式进行切换：对应的相输入a、b或c经由对应的相电感器交替地连接到上部中间电压节点
Figure BDA0003944584510000151
下部中间电压节点
Figure BDA0003944584510000152
以及中间输出节点z，其中，将附加电压电势施加于相电感器，这可以允许进一步减小电感器电流的高频纹波。
参考图12，示出了具有输入滤波器130的可能布置的电转换器100，该电转换器包括两个输入滤波器级132和139。输入滤波器级139是纯差模滤波器级，并且不包括具有连接在滤波器级的中性输入节点与输出节点之间的端子的电感器。开关30进一步包括连接在开关端子与保护接地之间的电容器31。
在单相AC操作模式中，控制器40可以在端口43处读取输入端子a、b、c的AC电网电压信号，以便确定输入端子中的哪些(全部三个或更少)输入端子连接到单相AC电网。这允许控制器40确定控制桥柱15、16、17中的哪一个。
根据本公开的电转换器例如可以用于将来自电网的三相AC电压或单相AC电压转换为高DC输出电压(例如，700-1000V)，该电网可以是低压(例如，50Hz频率下的380-400Vrms或240Vrms)电网。
参考图13，电池充电装置400包括电源单元404。电源单元404耦接到接口402，该接口例如包括允许将电源单元404连接到电池403的开关器件。电源单元404包括耦接到DC-DC转换器401的如上所述的电转换器100中的任何一个。DC-DC转换器401可以是隔离的DC-DC转换器。DC-DC转换器可以包括实现电流隔离的变压器、特别是在电源单元404与电池403之间有线功率传递的情况下。DC-DC转换器可以包括一对通过空气感应耦接的线圈，例如在无线功率传递的情况下。在一些情况下，接口402可以包括例如在有线功率传递中的插头和插座。可替代地，插头和插座可以设置在输入处(例如，在节点a、b、c、N处)。

Claims (20)

1.一种用于在多相AC输入与DC输出之间转换电力的电转换器(100，200，300)，所述电转换器包括：
m＝3个相输入端子(a，b，c)、中性端子(N)和两个输出端子(p，n)，
第一功率级(11)，所述第一功率级包括：桥式整流器(15，16，17)和输出部，所述桥式整流器连接到所述m个相输入端子中的每一个相输入端子，所述输出端连接到上部中间节点
Figure FDA0003944584500000011
和下部中间节点
Figure FDA0003944584500000012
其中，所述桥式整流器包括第一有源开关
Figure FDA0003944584500000013
Figure FDA0003944584500000014
输入滤波器(130)，所述输入滤波器连接在所述m个相输入端子(a，b，c)、所述中性端子(N)和所述第一功率级(11)之间，
第二功率级(12)，所述第二功率级包括：上部升压级(18)和下部升压级(19)，所述上部升压级包括连接在所述上部中间节点
Figure FDA0003944584500000015
与公共节点(m)之间的第二有源开关
Figure FDA0003944584500000016
所述下部升压级包括连接在所述公共节点(m)与所述下部中间节点
Figure FDA0003944584500000017
之间的第三有源开关
Figure FDA0003944584500000018
其中，所述公共节点(m)连接到所述中性端子(N)，其中，所述第二有源开关和所述第三有源开关各自包括反并联二极管，
输出滤波器(14)，所述输出滤波器包括连接在所述第二功率级(12)与所述输出端子(p，n)之间的至少一个滤波电容器(Cpm，Cmn)，以及
控制器(40)，所述控制器能够操作地连接到所述第一有源开关、所述第二有源开关和所述第三有源开关
Figure FDA0003944584500000019
并且被配置为根据第一操作模式操作，以用于将施加在所述m个相输入端子处的所述多相AC输入转换为所述DC输出，或者反之亦然，
其特征在于，
所述输出滤波器(14)包括中点节点(t)并且所述公共节点(m)不连接到所述中点节点(t)，或者所述公共节点(m)通过第四开关(30)连接到所述中点节点，或者所述输出滤波器不包括中点节点(t)，以及
所述控制器(40)被配置为根据第二操作模式操作，以用于将施加于所述m个相输入端子(a，b，c)中的至少一个相输入端子与所述中性端子(N)之间的单相AC输入转换为所述DC输出，或者反之亦然，其中，所述第二有源开关
Figure FDA00039445845000000110
和所述第三有源开关
Figure FDA00039445845000000111
被配置为在所述第二操作模式中呈现相反的状态。
2.如权利要求1所述的电转换器，其中，在所述第二操作模式中，所述控制器(40)被配置为通过脉冲宽度调制来操作连接到所述m个相输入端子(a，b，c)中的所述至少一个相输入端子的第一开关。
3.如权利要求1或2所述的电转换器，其中，在所述单相AC输入的正电压半周期(VaN)期间，所述第二有源开关
Figure FDA0003944584500000021
被配置为处于非导通状态，而所述第三有源开关
Figure FDA0003944584500000022
被配置为处于导通状态，并且在所述单相AC输入的负电压半周期(VaN)期间，所述第三有源开关
Figure FDA0003944584500000023
被配置为处于非导通状态，而所述第二有源开关
Figure FDA0003944584500000024
被配置为处于导通状态。
4.如前述权利要求中任一项所述的电转换器，包括所述第四开关(30)，其中，所述控制器(40)被配置为当在所述第二操作模式中操作时断开所述第四开关(30)，以中断所述公共节点(m)与所述中点节点(t)之间的连接。
5.如权利要求4所述的电转换器，其中，所述控制器被配置为当在所述第一操作模式中操作时闭合所述第四开关(30)。
6.如前述权利要求中任一项所述的电转换器，其中，所述控制器(40)被配置为在所述第二操作模式中操作所述第二有源开关
Figure FDA0003944584500000025
和所述第三有源开关(Smy)以呈现所述相反的状态。
7.如前述权利要求中任一项所述的电转换器，其中，所述输出滤波器(14)包括：上部滤波电容器(Cpm)和下部滤波电容器(Cpm)，所述上部滤波电容器连接在所述输出端子的上部输出端子(p)与所述中点节点(t)之间，所述下部滤波电容器连接在所述中点节点(t)与所述输出端子的下部输出端子(n)之间。
8.如前述权利要求中任一项所述的电转换器，其中，所述输入滤波器(130)包括第一输入滤波器级(132，137，138)，所述第一输入滤波器级包括第一电感器(73)和m+1个第一滤波器输入节点，其中，所述m+1个第一滤波器输入节点分别连接到所述m个相输入端子(a，b，c)和所述中性端子(N)。
9.如权利要求8所述的电转换器，其中，所述第一输入滤波器级包括m+1个第一电感器(73)，每个第一电感器耦接到所述m个相输入端子中的对应的一个相输入端子和所述中性端子(N)。
10.如前述权利要求中任一项所述的电转换器，其中，所述第一输入滤波器级包括电容器网络(75)，所述电容器网络通过电容器(750)将所述m个相输入端子(a，b，c)中的每一个相输入端子连接到所述中性端子(N)。
11.如前述权利要求中任一项所述的电转换器，其中，所述输入滤波器(130)包括共模滤波器(71)。
12.如前述权利要求中任一项所述的电转换器，其中，所述桥式整流器包括m个桥柱(15，16，17)，其中，所述控制器(40)被配置为在所述第二操作模式中以交错方式操作所述桥柱中对应位置处的第一开关
Figure FDA0003944584500000031
13.如前述权利要求中任一项所述的电转换器，包括用于测量通过所述第一电感器(73)的相电流(ia，ib，ic)的模块，并且其中，所述控制器(40)包括耦接到用于测量所述相电流的所述模块并且耦接到所述第二有源开关和所述第三有源开关
Figure FDA0003944584500000032
的电流控制回路(70)，其中，所述电流控制回路被配置为基于在所述第一操作模式中测量的所述相电流(ia，ib，ic)来生成馈送到所述第二有源开关和所述第三有源开关的脉冲宽度调制控制信号。
14.如前述权利要求中任一项所述的电转换器，包括用于测量通过所述第一电感器(73)的相电流(ia，ib，ic)的模块，其中，所述控制器(40)被配置为利用脉冲宽度调制控制信号来控制所述第一开关，以在所述第二操作模式中获得通过所述m个相输入端子中的至少两个相输入端子的基本相等的相电流(ia，ib，ic)。
15.如前述权利要求中任一项所述的电转换器，其中，在所述第一操作模式中，所述控制器被配置为操作所述桥式整流器的连接到具有最高电压与最低电压之间的中间电压的所述相输入端子的桥柱的所述第一开关，以便交替地将具有所述中间电压的所述相输入端子连接到所述上部中间节点和所述下部中间节点。
16.如前述权利要求中任一项所述的电转换器，其中，在所述第二操作模式中，将所述m个相输入端子(a，b，c)短接以提供用于连接所述单相AC输入的正向导体的公共输入端子。
17.如前述权利要求中任一项所述的电转换器，包括感测模块，所述感测模块用于感测所述m个相输入端子(a，b，c)中的每一个相输入端子处的输入，并且被配置为向所述控制器(40)提供信号(43)，其中，所述控制器被配置为基于来自所述感测模块的所述信号(43)来自动确定操作所述第一开关中的哪个。
18.一种特别是用于对电动车辆的电池进行充电的电池充电系统，所述电池充电系统包括电源单元，所述电源单元包括如前述权利要求中任一项所述的电转换器(100，200，300)。
19.一种在单相AC电力与DC电力之间转换的方法，包括：
提供如权利要求1至17中任一项所述的电转换器(100，200，300)，
将单相AC输入的正向导体连接到所述m个相输入端子(a，b，c)中的至少一个相输入端子，
将所述单相AC输入的回流导体连接到所述中性端子(N)，以及
在所述第二操作模式中操作所述控制器(40)。
20.如权利要求19所述的方法，其中，所述正向导体连接到所述m个相输入端子(a，b，c)中的至少两个相输入端子。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116760270A (zh) * 2023-08-11 2023-09-15 西南交通大学 一种平抑电压二次纹波的Boost-PFC变换器

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2023219595A1 (en) * 2022-05-12 2023-11-16 Aselsan Elektroni̇k Sanayi̇ Ve Ti̇caret Anoni̇m Şi̇rketi̇ Transformerless 3-phase, 3-level t-type npc unfolding inverter with 3 hf switches on dc side
JP2024065969A (ja) * 2022-10-31 2024-05-15 株式会社Soken 電力変換装置、プログラム

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2929635B2 (ja) * 1990-01-31 1999-08-03 東芝ライテック株式会社 電源回路
JP2008236817A (ja) * 2007-03-16 2008-10-02 Yaskawa Electric Corp コモンモードトランスとコモンモードフィルタおよびフィルタ装置
JP5276335B2 (ja) * 2008-02-12 2013-08-28 オークマ株式会社 モータ駆動機械用３相コモンモードフィルタ
JP6336031B2 (ja) * 2014-02-19 2018-06-06 三菱電機株式会社 直流電源装置および、それを備えた電動機駆動装置、ならびに、それを備えた冷凍サイクル適用機器
NL2021479B1 (en) 2018-08-17 2020-02-24 Prodrive Tech Bv Electrical power converter
CN109861357A (zh) * 2018-09-07 2019-06-07 台达电子工业股份有限公司 充放电方法与装置

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116760270A (zh) * 2023-08-11 2023-09-15 西南交通大学 一种平抑电压二次纹波的Boost-PFC变换器
CN116760270B (zh) * 2023-08-11 2023-11-07 西南交通大学 一种平抑电压二次纹波的Boost-PFC变换器

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