CN115997333A - 电力转换器 - Google Patents

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乔迪·埃弗茨
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Puzhuo Technology Innovation Service Co ltd
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Abstract

一种用于将具有三个相电压的AC信号转换成DC信号的电转换器(100)，该电转换器包括：三个相端子(A，B，C)、第一DC端子(P)和第二DC端子(N)；第一转换器级(11)，该第一转换器级被配置用于在该至少三个相端子处的AC信号与第一中间节点(x)和第二中间节点(y)处的第一信号之间进行转换；第二转换器级(12)，该第二转换器级可操作用于在第三中间节点和第四中间节点(r，s)处的第二信号与该第一DC端子和该第二DC端子(P，N)处的DC信号之间进行转换，其中，该第二转换器级包括至少一个第一有源开关(Sxm，Smy)。链路将该第一中间节点(x)连接到该第三中间节点(r)，并将该第二中间节点(y)连接到该第四中间节点(s)。电流注入电路包括第二有源开关。控制器(40)以第一操作模式实施，在该第一操作模式下，通过脉冲宽度调制来操作该至少一个第一有源开关(Sxm，Smy)和这些第二有源开关。控制器(40)以第二操作模式实施，在该第二操作模式下，该第三中间节点和该第四中间节点(r，s)分别持续连接到该第一DC端子和该第二DC端子(P，N)，使得该第二转换器级(12)不工作，并且这些第二有源开关通过脉冲宽度调制操作。

Description

电力转换器
技术领域
本发明涉及电力转换领域。具体地，本发明涉及一种电转换器和一种用于操作该电转换器的方法。
背景技术
当电动车辆的电池充电时，来自电网的AC电压通过电转换器被转换成DC电压，该DC电压然后被提供给正在充电的电池。例如，电转换器可以将三相AC电压转换成DC总线的端子之间的DC电压，车辆的高压(例如，800V)电池可以连接到该DC总线。同样，用于电动汽车的无线充电系统或用于磁共振成像(MRI)扫描仪的梯度放大器通常也需要这种三相AC到DC转换，以创建可以从中汲取电力的高压DC总线。
通常，例如当负载从电转换器的DC输出汲取电力时，电转换器从三相电网的每个相汲取的电流需要基本上是正弦的并且基本上与该特定相的正弦电压同相，从而导致功率因数基本上等于一。因此，三相AC到DC转换有利地需要三相功率因数校正(PFC)AC到DC电转换器。对于这种PFC转换器，通常还要求电网电流的低失真，例如低总谐波失真(THD)。
通常，当DC总线端子之间的电压高于全波整流AC电压时，使用包括升压型PFC级的升压型电转换器，该升压型PFC级具有700V到800V的DC输出。
升压型PFC转换器的输出通常递送到串联连接的电流隔离式DC/DC转换器级，该转换器级生成最终输出电压和/或电池充电电流。这两个转换器级的操作和控制通常是解耦的，以允许两个级被单独调试。然而，当所需的输出电压较低时——这可能是电池电量大量减少的情况，隔离式DC/DC转换器级必须充分吸收高电压比，这会给转换器部件施加应力并要求转换器部件具有过大的尺寸，因而会减少使用寿命并增加成本。
发明内容
本发明的目的是提供一种上述类型的转换器系统，并且特别是提供一种允许克服上述缺点的用于三相升压型PFC AC到DC转换的电转换器。
因此，根据本发明的第一方面，提供了一种如所附权利要求中阐述的电转换器。
根据本发明的电转换器允许将具有三个相电压的AC信号转换成DC信号、优选地DC电压。该电转换器包括三个相端子、第一DC端子和第二DC端子、第一转换器级、第二转换器级、电流注入电路以及控制单元。该电转换器可选地包括用于连接电网的中性导体的中性端子。第一转换器级可操作地耦合到三个相端子，并且包括第一中间节点和第二中间节点。第一转换器级被配置用于在三个相端子处的AC信号与第一中间节点和第二中间节点处的第一信号之间进行转换。第一信号可以是(切换的)电压或电流。第二转换器级可操作地耦合到第一DC端子和第二DC端子，并且包括第三中间节点和第四中间节点。第二转换器级包括至少一个第一有源开关，并且可操作用于在第三中间节点和第四中间节点处的第二信号(例如，(切换的)电压或电流)与第一DC端子和第二DC端子处的DC信号之间进行转换。
链路将第一中间节点连接到第三中间节点，并将第二中间节点连接到第四中间节点。该链路可以是DC链路，并且可以包括电能储存元件(比如，电容器和/或电感器)，或者该链路可以替代性地没有电能储存元件。
电流注入电路可操作用于通过第二有源开关连接在具有三个相电压中的最小绝对瞬时电压值的相端子与第一DC端子和第二DC端子之间、或者连接在具有最小绝对瞬时电压值的相端子与第一中间节点和第二中间节点之间。
控制单元(或控制器)以第一操作模式实施，在该第一操作模式下，通过脉冲宽度调制来操作该至少一个第一有源开关和这些第二有源开关。第二转换器级包括升压电路或由升压电路组成，以允许电转换器在第一操作模式下在第一DC端子和第二DC端子处获得DC电压，该电压高于AC信号的相电压的瞬时全波整流电压。这可以通过进行(经由控制单元的)脉冲宽度调制以操作(电流注入电路的)(多个)第一有源开关和可能的第二有源开关来实现。
根据本发明，控制单元以第二操作模式实施，在该第二操作模式下，第二有源开关通过(经由控制单元的)脉冲宽度调制来操作，而第二转换器级(例如，升压电路)不工作，具体地，第三中间节点和第四中间节点分别持续连接到第一DC端子和第二DC端子。通过这样做，可以获得第一DC端子和第二DC端子处的DC电压，该电压等于AC信号的相电压的瞬时全波整流电压。
本发明的一个优点是，当负载需要低电压时，第二操作模式允许降低平均DC总线电压。这减小了连接在DC端子上的任何转换器级上的应力。另一个优点是，通过在第二操作模式期间持续操作电流注入电路，可以在AC侧获得正弦电流和单位功率因数，同时DC信号是脉动电压(和电流)。当第三转换器级连接到第一DC端子和第二DC端子时尤其如此，该第三转换器级比如有利地是在恒定功率模式下操作的(电流隔离式)DC/DC转换器或DC/AC转换器。
电流注入电路可以以各种方式实施。一种实施方式涉及相选择器，该相选择器包括第三有源开关，这些第三有源开关被配置用于选择性地将三个相端子连接到第五中间节点，并且第二有源开关可操作用于将第五中间节点连接到第一DC端子和第二DC端子。控制单元被配置为根据切换模式控制第三有源开关的切换，在该切换模式下，具有最小绝对瞬时电压值的相端子持续连接到第五中间节点。一种替代实施方式将电流注入电路集成在第一转换器级的有源桥式转换器中。通过对有源桥式转换器的有源开关的有源(脉冲宽度调制)控制，可以将具有最小绝对瞬时电压值的相端子连接到第一中间节点和第二中间节点。
根据本发明的电转换器可以包括一个或多个电压测量传感器，用于测量AC信号的相电压和/或第一DC端子和第二DC端子处的电压和/或第一中间节点和第二中间节点处的电压。控制器可以可操作地耦合到(多个)电压测量传感器，并且可以包括用于接收表示第一DC端子和第二DC端子处的设定或测量电压的第三信号的第一输入端。控制器可以被配置为确定表示AC信号的瞬时全波整流电压值的阈值，并且基于第三信号和阈值之间的比较，例如当第三信号的(电压)值等于或低于阈值时，自动将操作切换到第二操作模式。
根据本发明的第二方面，提供了一种包括电源单元的电池充电系统、电动马达驱动系统或磁共振成像装置，该电源单元包括第一方面所述的电转换器。
根据第三方面，本文描述了一种将三相AC输入转换成DC输出的方法。该方法有利地在如上所述的电转换器中实施。
本发明的一方面涉及一种电转换器，该电转换器例如可以用于将来自电网(其可以是低压(例如，50Hz频率下的380-400Vrms)电网)的三相AC电压转换成高DC输出电压(例如，800V)。
附图说明
现在将参考附图更详细地描述本发明的方面，其中相同的附图标记展示了相同的特征，并且在附图中：
图1示意性地示出了根据本发明的实施例的单向电转换器。
图2A至图2G分别示出了在AC市电电压的360°周期期间电压(图2A、图2B、图2C)、电流(图2D、图2E)和相选择器开关的开关状态(图2F)以及升压(上部和下部)电路和降压-升压电路的开关的开关状态(图2G)的图，并且展示了根据本发明的实施例的电转换器的整体操作原理。
图3示出了根据本发明的实施例的中央控制单元和控制方法的有利实施方式的框图。
图4A、图4B、图4C示出了在电转换器的升压(上部和下部)桥臂和降压-升压桥臂的五个连续切换循环内的电压、电流和开关状态的图，并且展示了根据本发明的实施例的这些桥臂的PWM调制。
图5示意性地示出了根据本发明的实施例的双向电转换器。
图6示意性地示出了根据本发明的实施例的具有放置在第一转换器级之前而不是之后的输入滤波器的单向电转换器。
图7A、图7B示出了可以在本发明的电转换器中使用的第一转换器级的不同变体。
图8A和图8B示出了可以在本发明的电转换器中使用的第一转换器级的其他变体。
图9表示了根据本发明的各方面的电转换器，该电转换器是单向的并且包括用于连接到电网的中性导体(第四相)的连接端子。
图10A表示了三相市电电压va、vb和vc。图10B表示了跨输出端子P、N两端的输出电压VDC和对应的输出电流iDC，以及用于控制升压电路19、20是否操作的升压开启信号。
图11表示了根据本发明的电转换器的连接到隔离式DC/DC转换器级的DC端子。
图12表示了根据本发明的另一个实施例的电转换器的拓扑结构。
图13A表示了三相市电电压va、vb和vc。图13B表示了跨输出端子P、N两端的输出电压VDC(还被称为VPN)和对应的输出电流IDC，以及用于控制升压电路19、20是否操作的升压开启信号。
图14表示了根据本披露内容的各方面的电池充电系统。
具体实施方式
图1示出了被称为荷兰整流器(DUTCH RECTIFIER)的电转换器100，该电转换器包括呈三相有源相选择器11和DC/DC级12形式的两个转换器级11、12。电转换器100进一步包括输入滤波器13和输出滤波器15。
电转换器100是AC到DC转换器，该电转换器具有连接到三相AC电网21的三相电压的三个相输入端A、B、C，以及例如可以连接到DC负载22(比如电动汽车的高压(例如，800V)电池)的两个DC输出端P、N。
第一转换器级11包括与三个相输入端A、B、C连接的三个相接头a、b、c，并且包括三个输出端x、y、z。这些输出端可以看作是上部中间电压节点x、下部中间电压节点y和中部中间电压节点z。
第一转换器级11包括三相桥式整流器24和相选择器25，该三相桥式整流器由三个桥臂16、17、18构成，这三个桥臂各自包括以半桥配置的形式连接的两个无源半导体器件(二极管Dax和Dya用于臂16，Dbx和Dyb用于臂17，Dcx和Dyc用于臂18)，该相选择器包括三个选择器开关(Saza、Sbzb和Sczc)，这些选择器开关各自包括两个反向串联连接的可有源切换的半导体器件。每个这样的可切换半导体器件有利地具有反向并联二极管。在该示例中，金属氧化物场效应晶体管(MOSFET)用于可有源切换的半导体器件，并且各自包括可以代替外部反向并联二极管的内部反向并联体二极管。
DC/DC级12包括两个堆叠的升压桥臂19、20和一个降压-升压桥臂14或由其构成。每个升压桥臂(19，20)包括以半桥配置连接的升压开关(Sxm用于上部升压桥臂19以及Smy用于下部升压桥臂20)和升压二极管(DxP用于上部升压桥臂19以及DNy用于下部升压桥臂20)。降压-升压桥臂14包括以半桥配置连接的两个降压-升压开关(SPz和SzN)。上部升压桥臂19的中部节点r经由上部升压电感器Lx连接到中间电压节点x，下部升压桥臂20的中部节点s经由下部升压电感器Ly连接到中间电压节点y，并且降压-升压桥臂14的中部节点t经由中部降压-升压电感器Lz连接到中间电压节点z。
上部升压桥臂19和下部升压桥臂20的公共节点m有利地连接到输出滤波器15的中部电压节点q，以形成两个堆叠的两级升压电路。输出滤波器15包括串联连接在上部输出节点P与下部输出节点N之间的两个输出滤波电容器CPm、CmN、以及形成电容器CPm与CmN之间的中间节点的中部电压节点q。
上部升压桥臂19连接在上部输出节点P与公共节点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：当开关Sxm断开(非导通，关闭状态)时电流可以经由二极管DxP从中间电压节点x流到上部输出节点P，并且当开关Sxm闭合(导通，接通状态)时电流可以经由开关Sxm从中间电压节点x流到公共节点m(反之亦然)。升压桥臂19的升压开关(Sxm)是可有源切换的半导体器件，例如，MOSFET。
下部升压桥臂20连接在公共节点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：当开关Smy断开(非导通，关闭状态)时电流可以经由二极管DNy从下部输出节点N流到中间电压节点y，并且当开关Smy闭合(导通，接通状态)时电流可以经由开关Smy从公共节点m流到中间电压节点y(反之亦然)。升压桥臂20的升压开关(Smy)是可有源切换的半导体器件，例如，MOSFET。
降压-升压桥臂14连接在上部输出节点P与下部输出节点N之间(即，与DC负载22并联)并且充当电流注入电路，使得：当开关SPz闭合(导通，接通状态)而开关SzN断开(非导通，关闭状态)时电流从中间电压节点z流到上部输出节点P(反之亦然)，并且当开关SzN闭合(导通，接通状态)而开关SPz断开(非导通，关闭状态)时电流从中间电压节点z流到下部输出节点N(反之亦然)。降压-升压桥臂14的降压-升压开关(SPz、SzN)是以互补方式控制的(即，一个闭合时另一个断开，反之亦然)可有源切换的半导体器件，例如，MOSFET。
有利地，作为输入滤波器13的一部分的三个高频(HF)滤波电容器Cx、Cy、Cz以星形连接的形式使中间电压节点x、y、z互连。通常，有利的是，三个电容器Cx、Cy、Cz具有基本上相等的值以便对称地加载AC电网。
根据本发明的一方面，控制器被配置为根据被称为正常操作的第一操作模式和被称为民主操作的第二操作模式进行操作，如将在本文中进一步描述的。
中央控制单元40有利地控制电转换器100的所有可控制半导体器件(开关)，经由通信接口50向每个开关发送控制信号。具体地，半导体器件Saza、Sbzb、Sczc、Sxm、Smy、SPz、SzN由控制器40控制。此外，控制单元具有测量输入端口(42，43，44，45)，用于接收以下各项的测量结果：
·42：AC电网相电压va、vb、vc；
·43：电感器电流iLx、iLy、iLz；
·44：DC总线电压VDC；
·45：DC总线中点电压VmN＝-VNm，
并且控制单元还具有输入端口41，用于接收设定值，该设定值可以是所请求的DC输出电压
Figure BDA0004030224670000061
控制器操作特别允许在正常操作期间实现电感器电流iLx、iLy、iLz的分段正弦形状。
图1中示出的电转换器100是单向的，因为输入级11和输出功率级12包含二极管，仅允许从AC电网21中汲取电力并将该电力在输出端处提供给负载22。另一方面，图5示出了根据本发明的双向电转换器200。电转换器200与转换器100的不同之处在于，图1中示出的转换器的输入级11的二极管(Dax，Dbx，Dcx，Dya，Dyb，Dyc)和输出功率级12的二极管(DxP，DNy)已经分别用输入级11中的可控制半导体开关(Sxa，Sxb，Sxc，Say，Sby，Scy)和输出功率级12中的可控制半导体开关(SyN，SPx)代替。
电转换器200可以包括连接在桥式转换器24的上部节点与上部中间节点x之间的开关器件23。开关器件23允许中断桥式整流器24与上部中间节点x之间的电连接。开关器件23被提供为半导体开关(例如，MOSFET)，但是替代性地可以是任何合适的开关器件(比如，继电器开关)。开关器件23有利地可操作地连接到控制器40。替代性地或另外，可以在桥式转换器24的下部节点与下部中间节点y之间提供与器件23相同的开关器件。
在图6中，示出了电转换器300，该电转换器与转换器100的不同之处在于，输入滤波器13放置在第一转换器级11之前(而不是之后)，即，输入滤波器13连接在相输入端子A、B、C与第一转换器级11之间。第一转换器级11经由输入滤波器13的对应电感器La、Lb、Lc将相输入端子A、B、C连接到中间节点x、y、z。电容器Ca、Cb、Cc布置在相输入端子与电感器之间。电容器以星形构型连接，有利地，星点连接到输出滤波器15的中点，就像在先前示例中一样。替代性地，电容器Ca、Cb、Cc可以布置在跨三条相输入线的三角形(Δ)构型中。将容易注意到，在图6的示例中，三个中间节点x、y、z处的电压信号与先前示例(图1、图5)相比有所不同，因为开关节点r、s和t处的电压与中间节点x、y、z处的电压相同。因此，高频电流将流过第一转换器级11，而在先前示例(图1和图5)中，高频电流仅出现在输入滤波器13下游的输出功率级中。
在电转换器100、200和300中的任一个中，二极管都可以由可有源切换的半导体器件代替以允许电转换器的双向电力流。
在电转换器100、200和300中的任一个中，HF电容器Cx、Cy、Cz(或在图6的情况下的Ca、Cb、Cc)以星形构型连接。通过控制公共节点m处的电压可以控制星点连接中的电压。
图7A、图7B示出了第一转换器级11的不同变体，这些变体可以用在图1、图5、图6中的任一个的电转换器中。
在图8A至图8B中示出了第一转换器级11的又其他变体。在这些变体中，相选择器的三个桥臂16、17和18被布置为半控晶闸管臂(图8A)，即，在连接到上部中间节点的桥臂部分中包括晶闸管Thyax、Thybx、Thycx并且在连接到下部中间节点的另一桥臂部分中包括二极管(反之亦然)，或被布置为全控晶闸管臂(图8B)，即，在每个桥半臂中都包括晶闸管Thyax、Thybx、Thycx、Thyya、Thyyb、Thyyc，而不是二极管。这种相选择器允许可控地对输出滤波电容器CPm、CmN或CPN进行预充电，而无需附加的预充电电路。
参考图9，电转换器400与电转换器100、200或300的不同之处在于，该电转换器包括用于连接三相AC电网的中性导体的连接端子n。在一些应用中，比如电动车辆的充电，通常需要的是可以独立地控制从三相电网的每个相汲取的正弦电流的振幅，以便能够减少某一相的负载，使得其他消费性设备仍然能够在车辆电池充电期间从该特定相中汲取电力而不会使该相过载。在这种情况下，连接端子n有利地连接到三相电网的中性导体，从而允许基本上等于三相电流之和的返回电流流回到电网的中性导体。在有利的方面，通过提供连接到与输入端的中性导体连接的公共节点，可以完全独立地控制三相电流。
中性连接端子n有利地连接到AC电容器Cx、Cy、Cz的星点并且连接到堆叠的升压桥19、20的公共节点m(并且因此还连接到输出滤波器15的中点)。这导致完全对称的转换器结构。在这种情况下，在星点处和在公共节点处的电压等于电网的中性导体的电压。
电转换器的正常操作
在正常操作期间，开关器件23(如果存在的话)保持闭合(导通状态)，以通过桥式整流器24将具有最高电压的相输入施加到上部中间节点x。
参考图1(或图5，其中对二极管Dax、Dbx、Dcx、Dya、Dyb、Dyc和DxP、DNy的提及应当分别被理解为对有源开关Sxa、Sxb、Sxc、Say、Sby、Scy和SPx、SyN的提及)，桥式整流器24的与具有三相AC输入电压中的最高电压的相输入端A、B或C连接的桥臂以对应相输入端A、B或C连接到上部中间电压节点x的方式进行切换。为了实现这一点，桥臂经由桥臂的上部二极管(Dax，Dbx，Dcx)将对应相接头a、b或c与节点x连接，而桥臂的对应选择器开关(Saza，Sbzb，Sczc)断开(非导通，关闭状态)。与具有三相AC输入电压中的最低电压的相输入端A、B或C连接的整流器24的桥臂以对应相输入端A、B或C连接到下部中间电压节点y的方式进行切换。为了实现这一点，桥臂经由桥臂的下部二极管(Dya，Dyb，Dyc)将对应相接头a、b或c与节点y连接，而桥臂的对应选择器开关(Saza，Sbzb，Sczc)断开(非导通，关闭状态)。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端A、B或C通过相选择器25连接到中部中间电压节点z。为了实现这一点，通过相选择器25经由闭合的(导通的，接通状态)选择器开关(Saza，Sbzb，Sczc)将对应相接头a、b或c与节点z连接。
在具有基本上均衡的相电压的三相AC电网中，例如，如图2A所示，三相AC输入电压(图2A中示出)被转换成提供在上部中间电压节点x、下部中间电压节点y与中部中间电压节点z之间的三个中间DC电压(图2B中示出的vxz、vzy、vxy)。这些DC电压因此以分段正弦形状示出。如以上所解释的，三相AC输入电压到三个中间DC电压的转换是第一转换器级11的操作结果。选择器开关(Saza，Sbzb，Sczc)的开关状态(接通→S＝1，关闭→S＝0)在图2F中示出。可以看出，在AC市电电压周期(360°)内的整个特定60°扇形期间，开关持续“接通”或“关闭”。同样，在AC市电电压的周期(360°)内，在整个特定扇形(例如60°)期间，桥式整流器24的二极管为“导通”或“非导通”。开关和二极管的状态组合对于三相AC输入电压的每个60°扇形都是唯一的并且取决于相输入端(A，B，C)的电压值。开关和二极管的6种唯一状态的序列会在AC市电电压的每个周期(360°)内重复其自身。
从中间电压节点x、y、z朝向输出端子P、N的角度看，形成常规的DC-DC升压电路(上部升压电路)，该DC-DC升压电路包括HF滤波电容器Cx、上部升压电感器Lx、上部升压桥臂19和上部输出电容器CPm。该上部升压电路的输入电压是跨电容器Cx两端的电压vCx(图2C中示出)并且该上部升压电路的输出电压是跨上部输出电容器CPm两端的电压VPm，其电压值基本上等于总DC总线电压的一半(VPm≈VDC/2)。可以通过开关Sxm的PWM调制以指定的、可能可变的切换频率fs来操作所形成的上部升压电路，以便控制上部升压电感器Lx中的电流。
从中间电压节点x、y、z朝向输出端子P、N的角度看，形成常规的“反向的”(负输入电压和负输出电压)DC-DC升压电路(下部升压电路)，该DC-DC升压电路包括HF滤波电容器Cy、下部升压电感器Ly、下部升压桥臂20和下部输出电容器CmN。该下部升压电路的输入电压是跨电容器Cy两端的电压vCy(图2C中示出)并且该下部升压电路的输出电压是跨下部输出电容器CmN两端的电压VNm，其电压值基本上等于总DC总线电压的负一半(VNm≈-VDC/2)。可以通过开关Smy的PWM调制以指定的、可能可变的切换频率fs来操作所形成的下部升压电路，以便控制下部升压电感器Ly中的电流。
从中间电压节点x、y、z朝向输出端子P、N的角度看，形成常规的DC-DC降压-升压电路(中部降压-升压电路)，该DC-DC降压-升压电路包括HF滤波电容器Cz、中部降压-升压电感器Lz、降压-升压桥臂14和输出电容器CPm、CmN的串联连接。该DC-DC降压-升压电路可以看作是类似于单相半桥电压源转换器(VSC)。该中部降压-升压电路的输入电压是跨电容器Cz的电压vCz(图2C中示出)并且该中部降压-升压电路的输出电压是跨输出电容器CPm、CmN的串联连接的输出电压VDC。可以通过开关SPz、SzN的PWM调制以指定的、可能可变的切换频率fs来操作所形成的中部降压-升压电路，以便控制中部降压-升压电感器Lz中的电流。
图2G示出了上部升压桥臂19的开关Sxm的状态、下部升压桥臂20的开关Smy的状态以及中部降压-升压桥臂14的开关SPz的状态(注意开关SzN的状态与开关SPz的状态互补)。从指示对应开关的PWM调制的黑色条形可以看出，开关Sxm、Sxy、SPz、SzM均为PWM调制的。
电感器Lx、Ly、Lz中的电流iLx、iLy、iLz的示例在图2D中示出。如可以看到的，这些电流被控制为具有分段正弦形状，并且被变换(即，作为第一转换器级11的操作结果)成为图2E中示出的三个正弦AC相电流ia、ib、ic。
图3示出了在被称为正常操作的第一操作模式期间，图1的中央控制单元40的有利实施方式的框图。电转换器100在图3中被表示为‘单线’等效电路，其中，元件的标注对应于图1中给出的那些标注。信号线中的三个斜线指示三个相信号的捆绑，并且可以表示到向量表示的转变。
控制单元40的目标是将输出电压VPN控制为经由输入端口41从外部单元接收到的所请求的设定值
Figure BDA0004030224670000101
以及均衡跨两个输出电容器CPm和CmN两端的电压，例如通过将跨下部输出电容器CmN两端的电压控制为基本上等于DC总线电压的一半来均衡。另外，从相输入端(a，b，c)汲取的电流需要基本上呈正弦形状，并且与对应相电压基本上同相控制。如先前所解释的，这也可以通过控制电感器电流iLx、iLy、iLz(即，代替直接控制相电流ia、ib、ic)以具有分段正弦形状来实现。具体地，控制电感器电流的低通滤波值，同时通过HF滤波电容器(Cx，Cy，Cz)对电感器电流的高频纹波进行滤波。
使用级联控制结构有利地完成对输出电压VDC的控制，该级联控制结构包括外部电压控制回路60和内部电流控制回路70。输出电压的设定值经由输入端口41输入到比较器61，并且与从测量处理单元95(例如，包括低通滤波器)获得的测量输出电压进行比较。比较器61的输出是输出电压的控制误差信号，该控制误差信号进一步输入到控制元件62(例如，包括比例积分控制块)，该控制元件输出相电流的振幅的瞬时设定值。这些振幅输入到乘法器63，并且与从计算元件64获得的信号相乘(该计算元件输出相电压的归一化瞬时值)。计算元件64的输入是从测量处理单元93(例如，包括低通滤波器)获得的测量相电压。乘法器63的输出是瞬时的(例如经过低通滤波的)相电流ia、ib、ic的设定值
Figure BDA0004030224670000102
并且其形状基本上为正弦形状并且基本上与对应相电压同相定位。在通过加法元件67和选择元件81之后，设定值
Figure BDA0004030224670000103
输入到电流控制器70，加法元件和选择元件的功能将在下文中进一步详细描述。
电流控制器70分为三个单独的电流控制器71、74、77，其中：
·单独的电流控制器71用于控制中部降压-升压电感器Lz中的电流。该控制通过对包含中部降压-升压桥臂14的中部降压-升压电路的开关SPz、SzN进行PWM调制来完成。作为第一转换器级11的操作结果，随后，控制器71控制具有介于三相AC电压中的最高电压与最低电压之间的电压的相输入端A、B、C的电流；
·单独的电流控制器74用于控制上部升压电感器Lx中的电流。该控制通过对包含上部升压桥臂19的上部升压电路的开关Sxm进行PWM调制来完成。作为第一转换器级11的操作结果，随后，控制器74控制具有三相AC电压中的最高电压的相输入端A、B、C的电流；
·单独的电流控制器77用于控制下部升压电感器Ly中的电流。该控制通过对包含下部升压桥臂20的下部升压电路的开关Smy进行PWM调制来完成。作为第一转换器级11的操作结果，随后，控制器77控制具有三相AC电压中的最低电压的相输入端A、B、C的电流。
选择器元件81用于根据相输入端(A，B，C)的电压值，将瞬时相电流的设定值
Figure BDA0004030224670000111
(图2D中示出)发送给正确的单独电流控制器(71，74，77)，从而产生每个电感器电流控制器的电感器电流设定值
Figure BDA0004030224670000112
(图2E中示出)，其中：
·将具有三相AC电压中的最高电压的相输入端A、B、C的相电流设定值发送到单独的电流控制器74，从而产生设定值
Figure BDA0004030224670000113
·将具有三相AC电压中的最低电压的相输入端A、B、C的相电流设定值发送到单独的电流控制器77，从而产生设定值
Figure BDA0004030224670000114
·将具有介于三相AC电压中的最高电压与最低电压之间的电压的相输入端A、B、C的相电流设定值发送到单独的电流控制器71，从而产生设定值
Figure BDA0004030224670000115
在每个单独的电流控制器中，将接收到的瞬时电感器电流的设定值
Figure BDA0004030224670000116
输入到比较器(例如，单独的电流控制器71的比较器72)，并且与从测量处理单元94(例如，包括低通滤波器)获得的测量电感器电流进行比较。比较器的输出是电流的控制误差信号，该控制误差信号进一步输入到控制元件(例如，单独的电流控制器71的控制元件73)，该控制元件的输出被输入到PWM生成元件(例如，单独的电流控制器71的PWM生成元件54)。单独的电流控制器的PWM生成元件生成PWM调制的控制信号以用于PWM控制的桥臂(即，上部升压电路的上部升压桥臂19、下部升压电路的下部升压桥臂20和中部降压-升压电路的中部降压-升压桥臂14)的可控制半导体开关。这些PWM调制的控制信号经由通信接口50发送到适当的桥臂。
取决于相输入端(A，B，C)的电压值，在三相AC输入电压的每个60°扇形期间，第一转换器级11的选择器开关为“接通”或“关闭”。用于选择器开关的控制信号由开关信号发生器51、52、53生成。
可以通过将偏移值加到由乘法器63输出的瞬时(例如，经低通滤波的)相电流ia、ib、ic的设定值
Figure BDA0004030224670000117
来完成DC总线中点均衡。通过使用比较器65将从测量处理单元96(例如，包括低通滤波器)获得的测量的DC总线中点电压与设定值(例如，VDC/2)进行比较并将比较器65输出的误差信号馈送到控制元件66中来获得偏移值。
通过使用这样的控制单元40和在上文中详细描述的控制方法控制电转换器100来获得图2E中示出的相电流ia、ib、ic。在图2E中还示出了瞬时(例如，经低通滤波的)相电流ia、ib、ic的设定值
Figure BDA0004030224670000118
作为到图3中示出的选择器元件81的输入。如上文所解释的，相电流ia、ib、ic是间接控制的，即，这些相电流是电感器电流iLx、iLy、iLz(图2D中示出)的控制和第一转换器级11的操作的结果。电感器电流
Figure BDA0004030224670000121
的设定点是由选择器元件81基于测量的相电压从设定值
Figure BDA0004030224670000122
得到的。
图4A至图4C示出了电转换器100的桥臂的在大约ωt＝45°的时间间隔内的五个连续切换循环(即，每个切换循环具有切换周期Ts，其等于1/fs，其中fs为切换频率)内的图，该时间间隔位于三相AC输入电压的其中0≤ωt<60°的扇形内(参见图2)。在该扇形内，第一转换器级11的选择器开关和二极管处于以下开关状态：
·开关Saza＝0(关断)，二极管Dax＝1(导通)，二极管Dya＝0(阻断)；相接头a与节点x连接；
·开关Sbzb＝0(关断)，二极管Dbx＝0(阻断)，二极管Dyb＝1(导通)；相接头b与节点y连接；
·开关Sczc＝1(接通)，二极管Dcx＝0(阻断)，二极管Dyc＝0(阻断)；相接头c与节点z连接；
图4A至图4C在毫秒时间轴上示出了电压、电流和切换信号。图4A对应于上部升压电路的操作，示出了对应电感器电流iLx(以及该电流的设定值
Figure BDA0004030224670000123
)、电感器电压vLx以及PWM调制的上部升压桥臂19的开关的控制信号Sxm。图4B对应于下部升压电路的操作，示出了对应电感器电流iLy(以及该电流的设定值
Figure BDA0004030224670000124
)、电感器电压vLy以及PWM调制的下部升压桥臂20的开关的控制信号Smy。图4C对应于中部降压-升压电路的操作，示出了对应电感器电流iLz(以及该电流的设定值
Figure BDA0004030224670000125
)、电感器电压vLz以及PWM调制的桥臂14的上部开关的控制信号SPz。注意，PWM调制的桥臂14的下部开关控制信号SzN与控制信号SPz互补。
为了最小化电转换器的AC输入电流的总谐波失真(THD)，有利地最小化了相电流ia、ib、ic的高频纹波。
电转换器100的优点在于上部升压电感器和下部升压电感器的半切换周期伏秒积/面积小于常规六开关升压型PFC整流器的升压电感器的伏秒积/面积。这是因为施加到这些电感器的电压小于在常规六开关升压型PFC整流器的情况下施加的电压。对于中部降压-升压电感器，施加的电压不一定更小，但是电感器中流动的电流的值小于常规六开关升压型PFC整流器的电感器中流动的电流的值。因此，具有较小的磁能储存的较小电感器是可行的，从而使得由本发明提供的三相AC到DC电转换器100的功率容积比更高。
对于设有开关器件23的转换器200，在启动时，开关器件23被断开以中断桥式整流器24的上部节点与上部中间节点x之间的导通。没有电流流过电感器Lx。现在，相选择器25操作以在有限时间量(例如，1us)内在中部中间节点z处施加相输入电压，该相输入电压略高于输出端子P、N两端的(瞬时)输出电压VPN。通过这样做，在该有限时间量期间，由于连接到开关节点t与端子P之间的开关SPz的(内部)反向并联二极管DzP的导通，中部中间节点z处的电压与输出电压VDC之间的正电压差被施加在电感器Lz两端，导致相电流流过电感器Lz，并且进一步流到上部输出端子P。因此，电流路径从中部中间节点z经过开关节点t、经过反向并联二极管DzP、并经过输出滤波器15的电容器CPm、CmN，回到下部中间节点y、并经过桥式整流器24的下部对应二极管之一回到电网的相。通过这样做，输出电压VPN可以逐渐升高。
电转换器的民主控制
根据本发明，以第二操作模式(被称为模式II)实施控制器40，该模式在所请求和/或测量的输出电压VDC等于或低于瞬时全波整流AC线电压(即，max{va,vb,vc}-min{va,vb,vc})时被选择。在第二操作模式下，上部升压桥臂19和下部升压桥臂20不操作，并且开关Sxm、Sxy断开(非导通)。在这种情况下，二极管DxP、DNy导通并将中间节点r、s连接到输出端子P、N。在二极管DxP、DNy由有源开关SPx、SyN代替的情况下(比如图5的转换器200中)，自不必说将这些开关有利地设置为闭合/导通状态以提高效率。
在第二操作模式下，第一转换器级11和电流注入电路14就像在正常操作期间一样操作。
通过这样做，在输出端子P、N处获得降低的电压(如图10B的部分II所示)，其在稳定状态下等于经整流的市电电压。部分I指代正常操作，被称为模式I操作，其中，上部升压桥臂和下部升压桥臂操作以提供更高的输出电压，并且电转换器100因此作为正常升压转换器操作。
图10B的部分III指代转变模式，其有利地应用于在操作模式I与操作模式II之间转变，和/或应用于获得在模式I与模式II的平均输出电压中间的平均输出电压。
仅在所请求和/或测量的输出电压VDC高于瞬时全波整流AC线电压的时间部分期间，通过操作上部升压桥臂和下部升压桥臂(开关Sxm、Smy)来实现转变模式，如图10B中的“升压开启”信号所示，在该信号中，高值指示升压桥臂19、20操作，低值指示电路19、20不操作。
将容易注意到，在模式II操作中获得了脉动输出电压(例如，对于50Hz市电频率的150Hz脉动)，但是这可以很容易被连接到输出端子P、N的附加DC/DC转换器级吸收，该转换器级特别是如图11所示的电流隔离式DC/DC转换器级26，其通常被设置在(车辆)电池充电系统中。转换器级26串联连接在DC端子P、N与负载22之间。模式II操作的一个重要优点是，当请求低输出电压时(例如，当电池为空时)，(隔离式)DC/DC转换器级26可以以降低的电压比操作。这减小了(隔离式)DC/DC转换器级上的应力，并允许使其更小且更高效。
有利地，在模式II操作期间、以及可能在模式I操作和/或转变模式III期间，附加DC/DC转换器级26在恒定功率模式下操作。当转换器级26在恒定功率模式下操作时，由于功率P、电流I和电压v之间的关系：i*v＝P，在DC端子P、N处获得的电流iDC如图11B所示，即；iDC*VDC＝常数。在DC/DC转换器级26的恒定功率模式操作中，可以在AC市电侧21获得正弦电流，从而允许获得单位功率因数。在这种情况下，在模式II操作期间，电流注入电路14被有利地操作。
在模式II操作期间，开关器件23(见图5)(如果存在的话)保持闭合(导通状态)，以通过桥式整流器24将具有最高电压的相输入施加到上部中间节点x。
图12中表示了电转换器500的又一示例性实施例。电转换器500与转换器100、200、300和400的不同之处在于缺少相选择器25和电流注入电路14。替代地，直接通过桥臂16、17、18的开关提供三次谐波电流注入。这些桥臂作为有源桥臂提供，从而允许双向操作。
替代性转换器拓扑结构
被称为比利时整流器(BELGIAN RECTIFIER)的电转换器500包括呈三相有源整流器级11和DC/DC级12形式的第一转换器级。电转换器500进一步包括输入滤波器13和输出滤波器14。
电转换器500是AC到DC转换器，该电转换器具有连接到三相AC电网21的三相电压的三个相输入端a、b、c，例如可以连接到DC负载22(比如电动汽车的高压(例如，800V)电池)的两个DC输出端P、N，以及用于连接AC电网21的中性导体的端子n。
两个转换器级11、12可以看作是一个“集成”转换级，因为在两个功率级之间不存在高频滤波电容器，并且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，并且在两个转换器级11、12之间共享。
整流器级11具有三个相输入端
Figure BDA0004030224670000141
和两个输出端
Figure BDA0004030224670000142
这三个相输入端经由输入滤波器13的相电感器La、Lb、Lc连接到三个相输入端A、B、C。这些输出端可以看作是上部中间电压节点
Figure BDA0004030224670000151
和下部中间电压节点
Figure BDA0004030224670000152
它们会表现出由DC/DC级12的切换引起的“切换的”电压电势。
整流器级11由三个桥臂16、17、18构成，每个桥臂包括以半桥配置形式连接的两个可有源切换的半导体器件(
Figure BDA0004030224670000153
和
Figure BDA0004030224670000154
用于臂16，
Figure BDA0004030224670000155
和
Figure BDA0004030224670000156
用于臂17，
Figure BDA0004030224670000157
和
Figure BDA0004030224670000158
用于臂18)。每个可切换半导体器件具有反向并联二极管。在该示例中，金属氧化物场效应晶体管(MOSFET)用于可有源切换的半导体器件，每个半导体器件包含可以代替外部反向并联二极管的内部反向并联体二极管。
输出功率级由两个堆叠的升压桥19、20构成。每个升压桥包括以半桥配置连接的升压开关(
Figure BDA0004030224670000159
用于上部升压桥19，并且
Figure BDA00040302246700001510
用于下部升压桥20)和升压二极管(
Figure BDA00040302246700001511
用于上部升压桥19，并且
Figure BDA00040302246700001512
用于下部升压桥20)。上部升压桥19的中部节点连接到中间电压节点
Figure BDA00040302246700001513
下部升压桥20的中部节点连接到中间电压节点
Figure BDA00040302246700001530
两个升压级的公共节点m连接到输出滤波器15的中点，该输出滤波器包括串联连接在上部输出节点p与下部输出节点n之间的两个输出滤波电容器CPm、CmN。
上部升压桥19连接在上部输出节点p与中部输出节点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：通过控制开关
Figure BDA00040302246700001514
中间电压节点
Figure BDA00040302246700001515
可以交替地连接到中部输出节点m和上部输出节点P，其中，当开关
Figure BDA00040302246700001516
断开(非导通)时，电流可以经由二极管
Figure BDA00040302246700001517
从中间电压节点
Figure BDA00040302246700001518
流到上部输出节点P，并且当开关
Figure BDA00040302246700001519
闭合(导通)时，电流可以经由开关
Figure BDA00040302246700001520
从中间电压节点
Figure BDA00040302246700001521
流到中部输出节点m(反之亦然)。
下部升压桥20连接在中部输出节点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：通过控制开关
Figure BDA00040302246700001522
中间电压节点
Figure BDA00040302246700001523
可以交替地连接到中部输出节点m和下部输出节点N，其中，当开关
Figure BDA00040302246700001524
断开(非导通)时，电流可以经由二极管
Figure BDA00040302246700001525
从下部输出节点N流到中间电压节点
Figure BDA00040302246700001526
并且当开关
Figure BDA00040302246700001527
闭合(导通)时，电流可以经由开关
Figure BDA00040302246700001528
从中部输出节点m流到中间电压节点
Figure BDA00040302246700001529
(反之亦然)。
升压桥的升压开关
Figure BDA00040302246700001531
是可有源切换的半导体器件。在图12的示例中，使用了MOSFET。
作为输入滤波器13的一部分的三个AC电容器Ca、Cb、Cc以星形连接的形式使相输入端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电网的中性导体在可用时可以连接到转换器500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的星点并且连接到堆叠的升压桥19、20的公共节点m(并且因此还连接到输出滤波器15的中点)。这导致完全对称的转换器结构。
与具有三相AC输入电压中的最高电压的相输入端A、B或C连接的整流器级11的桥臂以对应相输入端A、B或C经由对应的相电感器(La、Lb或Lc)连接到上部中间电压节点
Figure BDA00040302246700001612
的方式进行切换。结果，常规DC/DC升压转换器(上部升压转换器)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19和上部输出电容器CPm形成。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端A、B或C的电压va、vb、vc，并且该上部升压转换器的输出电压是跨上部输出电容器CPm两端的电压VPm，其电压值基本上等于总DC总线电压的一半(VPm≈VDC/2)。可以通过以某个可能可变的切换频率fs对开关
Figure BDA0004030224670000161
进行PWM调制来操作所形成的上部升压转换器，以便控制具有最高电压的相的相电感器(La、Lb或Lc)中的电流。
与具有三相AC输入电压中的最低电压的相输入端A、B或C连接的整流器级11的桥臂以对应相输入端A、B或C经由对应的相电感器(La、Lb或Lc)连接到下部中间电压节点
Figure BDA0004030224670000162
的方式进行切换。为了实现这一点，桥臂将对应的相输入端
Figure BDA0004030224670000163
或
Figure BDA0004030224670000164
与节点
Figure BDA0004030224670000165
连接。结果，常规“反向”(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)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20和下部输出电容器CmN形成。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端A、B或C的电压va、vb、vc，并且该下部升压转换器的输出电压是跨下部输出电容器CmN两端的电压VNm，其电压值基本上等于总DC总线电压的负一半(VNm≈-VDC/2)。可以通过以某个可能可变的切换频率fs对开关
Figure BDA00040302246700001613
进行PWM调制来操作所形成的下部升压转换器，以便控制具有最低电压的相的相电感器(La、Lb或Lc)中的电流。
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端A、B或C连接的整流器级11的桥臂以对应相输入端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 BDA0004030224670000166
和下部中间电压节点
Figure BDA0004030224670000167
的方式进行切换。为了实现这一点，桥臂交替地将对应相输入端
Figure BDA0004030224670000168
或
Figure BDA0004030224670000169
与节点
Figure BDA00040302246700001610
和
Figure BDA00040302246700001611
连接。与具有三相AC输入电压的最高电压与最低电压之间的电压的相输入端A、B或C连接的整流器级11的桥臂可以以与单相半桥电压源转换器(VSC)类似的方式进行切换，并且通过以某个可能可变的切换频率fs对桥臂的开关进行PWM调制来操作该桥臂，以便控制具有三相AC输入电压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。
总之，可以说整流器级11的三个桥臂中的两个处于“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)是包含上部升压桥19和上部输出电容器CPm的上部升压转换器的一部分，并且用于控制具有三相AC输入电压中最高电压的相输入端A、B或C的相电感器(La、Lb或Lc)中的电流；并且选择哪个AC电容器(Ca、Cb或Cc)和相电感器(La、Lb或Lc)是包含下部升压桥20和下部输出电容器CmN的下部升压转换器的一部分，并且用于控制具有三相AC输入电压中最低电压的相输入端A、B或C的相电感器(La、Lb或Lc)中的电流。整流器级11的剩余桥臂处于“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。该剩余桥臂形成包含具有在三相AC输入电压的最高电压与最低电压之间的电压的相输入端a、b或c的剩余相电感器(La、Lb或Lc)和剩余相电容器(Ca、Cb或Cc)的剩余开关电路。剩余的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。
控制器40被配置为操作具有最小绝对瞬时电压(三相AC输入电压的最高电压与最低电压之间的电压)的AC相输入通过脉冲宽度调制被施加到其的桥臂，以将该相交替地连接到上部中间节点x和下部中间节点y。
类似于转换器100，电转换器500的控制器40可以以如上所述的模式II操作来实施。在模式II操作中，升压桥臂19、20不操作，并且第一转换器级正常操作。参考图12B，模式II操作允许获得类似于转换器100可以获得的降低的电压。在WO 2020/035527中描述了可以以本文描述的操作模式实施的合适的替代性转换器拓扑结构。
参考图14，电池充电系统700包括电源单元704。电源单元704在一侧通过端子A、B、C耦合到AC电网，并且在另一侧(在端子P’、N’处)耦合到接口702，该接口例如包括允许将电源单元704连接到电池703的开关器件。电源单元704包括如上描述的具有第一转换器级和第二转换器级的电转换器100中的任何一个以及第三转换器级701，在本系统中，该第三转换器级是DC-DC转换器。比如在无线电力传输(未示出)的情况下，电源单元704可以进一步包括一对通过空气感应耦合的线圈。在一些情况下，例如在有线电力传输中，接口702可以包括插头和插座。替代性地，插头和插座可以设置在输入端(例如，在节点A、B、C处)。

Claims (13)

1.一种用于将具有三个相电压的AC信号转换成DC信号的电转换器(100，200，300，400，500)，包括：
三个相端子(A，B，C)、第一DC端子(P)和第二DC端子(N)，
第一转换器级(11)，该第一转换器级可操作地耦合到该三个相端子并且包括第一中间节点(x)和第二中间节点(y)，其中，该第一转换器级被配置用于在该至少三个相端子处的AC信号与该第一中间节点(x)和该第二中间节点(y)处的第一信号之间进行转换，
第二转换器级(12)，该第二转换器级可操作地耦合到该第一DC端子和该第二DC端子(P，N)并且包括第三中间节点(r)和第四中间节点(s)，其中，该第二转换器级包括升压电路(19，20)，其可操作用于在该第三中间节点和该第四中间节点(r，s)处的第二信号与该第一DC端子和该第二DC端子(P，N)处的DC信号之间进行转换，其中，该升压电路包括至少一个第一有源开关(Sxm，Smy)，
链路，该链路将该第一中间节点(x)连接到该第三中间节点(r)，并将该第二中间节点(y)连接到该第四中间节点(s)，
电流注入电路，该电流注入电路可操作用于通过第二有源开关连接在具有该至少三个相端子中的最小绝对瞬时电压值的相端子与该第一DC端子和该第二DC端子(P，N)之间、或者连接在具有最小绝对瞬时电压值的该相端子与该第一中间节点和该第二中间节点之间，
控制器(40)，该控制器以第一操作模式实施，在该第一操作模式下，通过脉冲宽度调制来操作该至少一个第一有源开关(Sxm，Smy)和这些第二有源开关，
其特征在于，该电转换器进一步包括第三转换器级，该第三转换器级可操作地耦合到该第一DC端子和该第二DC端子(P，N)，并且可操作用于将该第一DC端子和该第二DC端子处的DC信号转换成至少两个第三端子(P’，N’)处的第四信号，
以及该控制器(40)以第二操作模式实施，在该第二操作模式下，该第三中间节点和该第四中间节点(r，s)分别持续连接到该第一DC端子和该第二DC端子(P，N)，使得该第二转换器级(12)不工作，这些第二有源开关通过脉冲宽度调制操作，并且该第三转换器级被配置为在恒定功率模式下操作。
2.如权利要求1所述的电转换器，其中，该控制器包括用于接收表示该第一DC端子和该第二DC端子处的设定或测量电压的第三信号的第一输入端，其中，该控制器被配置为确定表示该AC信号的瞬时全波整流电压值的阈值，并且基于该第三信号与该阈值之间的比较而在该第二操作模式下操作。
3.如权利要求2所述的电转换器，其中，该控制器被配置为当该第三信号等于或低于该阈值时在该第二操作模式下操作。
4.如前述权利要求中任一项所述的电转换器，其中，该控制器被配置为通过该升压电路(19，20)的间歇操作而在该第一操作模式与该第二操作模式之间转变。
5.如前述权利要求中任一项所述的电转换器，其中，该第三转换器级包括至少一个DC/DC转换器(26)或DC/AC转换器。
6.如权利要求5所述的电转换器，其中，该第三转换器级包括电流隔离式DC/DC转换器(26)。
7.如前述权利要求中任一项所述的电转换器，其中，该升压电路包括堆叠在该第一DC端子(P)与该第二DC端子(N)之间的第一升压电路(19)和第二升压电路(20)，其中，该第一升压电路和该第二升压电路包括公共节点(m)，该第一升压电路和该第二升压电路中的每一个包括该第一有源开关(Sxm，Smy)中的至少一个。
8.如前述权利要求中任一项所述的电转换器(100，200，300，400)，其中，该电流注入电路包括相选择器(25)，该相选择器包括第三有源开关(Saza，Sbzb，Sczc)，这些第三有源开关被配置用于选择性地将该三个相端子连接到第五中间节点(z)，其中，这些第二有源开关(SPz，SzN)可操作用于将该第五中间节点(z)连接到该第一DC端子(P)和该第二DC端子(N)，其中，该控制器(40)被配置为根据切换模式来控制这些第三有源开关的切换，在该切换模式下，具有该三个相电压中的最小绝对瞬时电压值的相端子持续连接到该第五中间节点(z)。
9.如权利要求8所述的电转换器，其中，在该第二操作模式下，该控制器(40)被配置为通过脉冲宽度调制来操作这些第二有源开关(SPz，SzN)。
10.如权利要求1至7中任一项所述的电转换器(500)，其中，该第一转换器级包括桥式转换器，该桥式转换器包括用于在该三个相端子处的AC信号与该第一中间节点(x)和该第二中间节点(y)处的第一信号之间进行转换的三个有源桥臂，并且其中，该控制器(40)被配置为通过脉冲宽度调制来操作该三个有源桥臂中的与具有最小绝对瞬时电压值的该AC信号的相电压相对应的有源桥臂，以充当该电流注入电路的第二有源开关，并且其中，优选地，该第一信号是该第二信号。
11.如权利要求10所述的电转换器，其中，桥式转换器被配置为使得与具有最高瞬时电压值的该AC信号的相相对应的相端子持续连接到该第一中间节点，并且与具有最低瞬时电压值的AC信号的相相对应的相端子持续连接到该第二中间节点。
12.一种包括电源的电池充电系统，该电源包括如前述权利要求中任一项所述的电转换器。
13.一种包括电源的电动马达驱动系统，该电源包括如权利要求1至11中任一项所述的电转换器。
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