带有旁路能量转移电抗的消弧开关的功率转移器件、方法和系统技术方案

本申请应用一种通用的多端口结构揭示了功率转换的方法、电路和系统。当瞬变出现在功率输入端(例如，它可以是多相交流)时，输入和输出开关被打开，消弧开关对用于能量转移的电感旁路。此举防止了该电感当其与外部连线断开时建立起一个过电压。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】带有旁路能量转移电抗的消弧开关的功率转移器件、方法和系统交叉引用优先权由提交于6/29/2009的美国申请61/221，345和提交于8/17/2009的美国申请61/234，373 二者所主张。优先权由提交于6/5/2009并现在公布为US2010/0067272的美国申请12/749，207’由此上溯至提交于6/6/2007并现在发布为7，599，196的美国申请11/759，006，以及由此上溯至由提交于6/6/2006的美国申请60/811，191所主张。优先权还由提交于6/6/2007的美国申请11/758，970,以及由此上溯至提交于6/6/2006的美国申请60/811，191所主张。所有这些申请由此一并被包括在内以供参考。
技术介绍
本申请涉及功率转换器,尤其是涉及利用感抗以供能量转移的非谐振功率转换 器。请注意下面讨论的各点可反映由所揭示的专利技术而得到的事后认知，并且不一定被承认是现有技术。功率转换是功率半导体最重要的应用之一,在许多系统中起重要的作用。功率转换可用于使电源的电压移动以与特定负载的工作要求相匹配，或允许作为可变电压源或可变电流源使用，或补偿在不可靠的电源中所预料的变化，或允许一个单元可以有多种功率输入来使用，或当交流电源与无功负载连接时补偿“功率因数”移动。在许多案例中，对于特定种类的功率转换有不同的术语,例如，DC-AC转换器通常指的是逆变器,某些类型的AC-AC转换器指的是循环换流器。许多种类的电动机驱动可认为是一类功率转换例如，可变频率驱动器可视作一种功率转换器，其中交流输出的频率是可调节的。在本申请中，术语“功率转换”从种属上说常常指全部这些种类。本专利技术人过去曾对一类提供了几乎是通用的功率转换结构的新的功率转换器件工作和器件进行过申请。在一种这样的结构中，各输入线与具有两个双向开关的一相分支的中点连接，这些双向开关进行工作，以便从一个输入端或其它输入端驱动链路(link)电抗的端点。一个相应的输出开关阵列被用来将能量从链路电抗按照期望地转移至两个或多个输出端点，以构建所希望的输出波形。优选情况是，链路电抗包括被一个电容器旁路的一个电感器。这提供了一个几乎通用的硬件结构，该结构工作以执行所希望的功率转换功能。该结构适合于DC-AC、AC-AC和AC-DC转换。但是，本专利技术人现在提供附加的改进，可用于这些以及其它布局。在专利和科学文献中，示出了许多DC-DC、DC-AC和AC-AC降压-升压转换器。经典的降压-升压(Buck-Boost)转换器以连续电流使电感器工作，该电感器可以有输入和输出绕组以形成变换,用于隔离和/或电压/电流变换,在该情形中，它被称之为返驰式(Flyback)转换器。该基本转换器有许多例子,所有例子一定是硬转换，因而没有软转换属性,这导致降低了的转换器效率和较高的成本。硬转换三相-三相降压-升压转换器的例子示于图4,引自K. Ngo，“PWM逆变、整流和循环换流中的布局和分析”，学位论文,加利福尼亚理工学院(1984)。一种被推荐的DC-AC降压-升压转换器(见美国专利号No. 5，903，448)在其输出部分包括一个双向导通/阻塞开关以适应四象限工作，具有交流输出和双向功率转移。但是，输入不可以是交流,并且它使用硬转换。
技术实现思路
本申请揭示了对链路功率转换电路中的瞬变电压进行探讨的新方法。在一类优选实施方式中，半导体开关不仅提供各输入线对链路电抗的任何一端的连接,而且另一半导体开关对链路电抗旁路以防止当输入/输出端口断开时产生过电压。所揭示的专利技术在各种实施方式中提供至少一种或多种下述优点。然而，并非这些优点的全部都归因于所揭示专利技术的每一个，本优点表并不限定各种所主张的专利技术。 下列优点由图I的专利技术实施方式，以及由许多其它所揭示的和等效的实施方式提供。參低谐波的、功率因数为I的电流从公用电力设施(utility)抽取，与输出电压无关。參电流从高频脉冲内各相抽取，类似于电流源转换器,带有输入电容器以及可选的线电感器,将脉冲电流转换成正弦波电流。⑩具有从输入至输出升高电压或降低电压的能力，甚至当存在输入电压下沉时还允许有全输出电压,如同在工业电力系统内通常发生的那样。參带有微小电压波纹的正弦波输出电压允许使用标准感应电动机以及低电抗同步电动机。參输出电容器滤掉脉冲形电流。參波纹频率总是很高，以避免与输入和/或输出滤波器或电抗有关的任何谐振问题。參具有在低输出电压下供给200%或更高的额定输出电流的能力，这对于启动大的惯性负载是有利的。參具有接近于零的输出电压，转换器在大约一半的最大频率或最大频率(half ormaximum frequency)下工作，电感器首先由输入端充满电，然后在该满电平下在两倍于满电压的放电周期内放电到输出端，然后放电到零电流回到输入端，重复此循环,只是用反向电流。參峰值电流保持相同，只是输出电流加倍。參输入-输出隔离，在输出端得到零共模电压。參因为永远不会出现输入线与输出线被连接在一起的时刻,如同在电压源和电流源、以及矩阵转换器内所一直发生的那样，平均输出电压保持在地电位。这就无需隔离变压器。參慢反向恢复器件是可用的。在换向时电流的变化速率相对较慢,在反向恢复后所加的反向电压也低,故所用的开关可以有整流二极管状恢复特性。采用反向阻塞IGBT和GTO则尤为优越,它们对反向恢复固有地缓慢。參较慢的正向截止器件是可用的。參由于电容与电感器并联,截止dv/dt相对较低。⑩紧凑、质轻和高效。參传统的电压源驱动在各输入线和输出线上都需要多个笨重庞大的功率电感器。对于给定的输出质量,在此处揭示的专利技术实施方式中则并非如此。參为了生成满输出电压,传统的电流源驱动需要一个大而重的直流电感器。对于给定的输出质量，在此处揭示的专利技术实施方式中则并非如此。參滤波合适的、商业上可得到的电压源驱动对于40hp而言超过300磅，与之相比，本专利技术的重量能够减轻10倍,而本专利技术的驱动的重量对于40hp而言将轻于301b。參没有大的输入/输出滤波电感器极大地改善了本专利技术相对于传统驱动的效率。⑩无需变压器,因输入电流谐波很低且没有共模输出电压。 參部件数目相对较少。參通过使用双向开关，对于多相驱动而言,仅需12个功率开关。參高带宽。因为在电感器的各个循环，电流幅度确定达到两倍,本专利技术的电流控制带宽固有地很高，使得本专利技术适合于高带宽伺服应用，甚至大功率声频放大器。附图说明所揭示的本专利技术将参照附图进行描述，附图中示出了重要的实施例，附图由此被包括在说明书中以供参考，其中图I示出了在全桥式降压-升压转换器中一个实施例。图2a-2d示出了用于图I的电路的基本的双向导通和阻塞开关(BCBS)的四种替换形式。图3示出了一种传统的“标准驱动”。图4示出了一种传统的硬转换三相-三相交流降压-升压转换器。图5示出了一种传统的软转换“部分谐振”三相—三相交流降压-升压转换器，图6示出了对于图5的转换器的电感器电流和电压波形。图7和8示出了其它的传统转换器。图9示出了输入线电压，图10示出了输出线电压,用于图ll、12a-12j和13的电流转换例子。图11总括了用于几种电感器循环的线电流波形和电感器电流波形。图12a-12j示出了在一个典型的循环中电感器上的电压和电流波形。图1本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2009.06.29 US 61/221345;2009.08.17 US 61/2343731.一种降压-升压转换器,包括 能量转移电抗； 第一和第二功率接口，各有两个或以--1的端口,通过这些端口，电功率从所述接口输入或输出至所述接口； 第一和第二桥式开关阵列，介于所述电抗与相应的一个所述接口之间，且各包括一个双向转换器件用于各所述功率接口的各所述端口 ；以及 链路开关，在包括电阻的消弧配置中，跨接所述电抗，以当所述链路开关接通时，消耗存储在所述电抗内的能量。2.如权利要求I的转换器,其中,所述桥式阵列被对称地连接至所述能量转移电抗。3.如权利要求I的转换器,其中,所述桥式阵列是全桥式阵列。4.如权利要求I的转换器，还包括第三开关阵列，其与所述第一和第二开关阵列并联连接至所述电抗。5.如权利要求I的转换器，其中,各所述接口被一个电容器旁路，由此提供一个低阻抗电压源。6.如权利要求I的转换器，其中，所述电抗包括一个变压器。7.如权利要求I的转换器，其中，所述电抗包括一个电感器与一个电容器的一个并联组合。8.如权利要求I的转换器,其中,所述电抗在小于其谐振频率一半的基频下被驱动。9.一种降压-升压转换器,包括 能量转移电抗； 第一桥式开关阵列,包括至少两个双向转换器件，被共同连接在一起，以可操作地将所述电抗的至少一端以可逆的连接极性连接至-一个功率输入端； 第二桥式开关阵列，包括至少两个双向转换器件，被共同连接在一起，以可操作地将所述电抗的至少一端以可逆的连接极性连接至一个功率输出端； 链路开关,在包括电阻的消弧配置中，跨接所述电抗，以当所述链路开关接通时，消耗存储在所述电抗内的能量；以及 其中，所述第一开关阵列以非正弦电压波形驱动所述电抗。10.如权利要求9的转换器,其中,所述桥式阵列被对称地连接至所述能量转移电抗。11.如权利要求9的转换器，其中，所述桥式阵列是全桥式阵列。12.如权利要求9的转换器,还包括第三开关阵列,其与所述第一和第二开关阵列并联连接至所述电抗。13.如权利要求9的转换器,其中，所述输入端被一个电容器旁路，由此提供一个低阻抗电压源。14.如权利要求9的转换器,其中，所述输入端和输出端均被相应的电容器旁路，由此提供低阻抗电压源。15.如权利要求9的转换器,其中，所述电抗包括一个变压器。16.如权利要求9的转换器，其中，所述电抗包括一个电感器与一个电容器的一个并联组合。17.如权利要求9的转换器，其中，所述电抗在小于其谐振频率一半的基频F被驱动。18.如权利要求9的转换器,其中，所述桥式阵列被对称地连接至所述能量转移电抗。19.一种全桥式降压-升压转换器，包括 第一和第二全桥式开关阵列，各包括至少四个双向转换器件， 实质上并联的电感器-电容器组合,其被对称地连接以分别受所述开关阵列的任何一个驱动；以及 链路开关，在包括电阻的消弧配置中，跨接所述电感器-电容器组合，以当所述链路开关接通时，消耗存储在所述电抗内的能量； 所述开关阵列之一可操作地被连接至一个功率输入端,并且所述开关阵列的另一个可操作地被连接以供应一个功率输出端。20.如权利要求19的转换器,其中，所述功率输入端被一个电容器旁路，由此提供一个低阻抗电压源。21.如权利要求19的转换器,其中，所述功率输出端被一个电容器旁路，由此提供一个低阻抗电压消耗装置。22.如权利要求19的转换器，其中,所述电抗包括一个变压器。23.如权利要求19的转换器,其中，所述桥式阵列是全桥式阵列。24.如权利要求19的转换器,进而包括第三开关阵列，其与所述第一和第二开关阵列并联连接至所述电抗。25.如权利要求19的转换器,其中，所述电抗包括一个电感器与一个电容器的一个并联组合。26.如权利要求19的转换器,其中，所述电抗在小于其谐振频率一半的基频下被驱动。27.一种降压-升压转换器,包括: 第一和第二开关阵列，各包括至少两个双向转换器件； 实质上并联的电感器-电容器组合，被连接至各所述开关阵列；以及 链路开关,在包括电阻的消弧配置中，跨接所述电感器-电容器组合，以当所述链路开关接通时,消耗存储在所述电抗内的能量； 其中，所述开关阵列的第一阵列可操作地被连接至一个功率输入端，并且被操作以利用非正弦波形将功率驱动进入所述电感器-电容器组合； 以及其中，所述开关阵列的第二阵列进行工作，以从所述电感器-电容器组合抽出功率至一个输出端。28.如权利要求27的转换器,其中，所述桥式阵列是全桥式阵列。29.如权利要求27的转换器,其中,所述桥式阵列被对称地连接至所述能量转移电抗。30.如权利要求27的转换器，其中，所述功率输入端被一个电容器旁路，由此提供一个低阻抗电压源。31.如权利要求27的转换器，其中，所述功率输出端被一个电容器旁路，由此提供一个低阻抗电压消耗装置。32.如权利要求27的转换器,其中，所述电感器由一个变压器实现。33.^-种功率转换器,包括 能量转移电抗，包括至少一个电感器，其在小于电抗谐振频率一半的初级交流磁场频率下工作；链路开关，在包括电阻的消弧配置中，跨接所述电抗，以当所述链路开关接通时，消耗存储在所述电抗内的能量； 输入开关阵列，被组装成驱动流过所述电抗的交流电流；以及 输出网络开关阵列,被连接成从所述电抗抽取能量； 其中，所述输入开关阵列在所述电抗的单个半循环时,进行至少两个驱动工作,在同一方向，但来自不同电源。34.如权利要求33的转换器,其中，所述开关阵列是全桥式阵列。35.如权利要求33的转换器,其中,所述电抗包括一个变压器。36.一种功率转换器,包括 能量转移电抗，包括至少一个电感器，并且在小于电抗谐振频率一半的初级交流磁场频率下工作； 链路开关，在包括电阻的消弧配置中，跨接所述电感器-电容器组合上，以当所述链路开关接通时,消耗存储在所述电抗内的能量； 输入开关阵列，被设置成驱动流过所述电抗的电流；以及 输出开关阵列,从所述电抗抽取能量； 其中，所述输入开关阵列，在所述电抗的单个循环时,在不同的时间，进行至少两个不同的驱动工作， 以及其中，所述输出开关阵列，在所述电抗的单个循环时，在不同的时间，进行至少两个不同的驱动工作。37.如权利要求36的转换器,其中,所述桥式阵列是全桥式阵列。38.如权利要求36的转换器,其中,所述第^-阵列将所述电抗连接至一个功率输入端，该功率输入端被一个电容器旁路，由此提供一个低阻抗电压源。39.如权利要求36的转换器,其中,所述第一阵列将所述电抗连接至一个功率输入端，该功率输入端被一个电容器旁路，由此提供一个低阻抗电压源。40.如权利要求36的转换器,其中，所述电抗包括一个变压器。41.一种降压-升压转换器，包括 能量转移电抗，包括至少一个电感器； 链路开关,在包括电阻的消弧配置中，跨接所述电感器-电容器组合，以当所述链路开关接通时,消耗存储在所述电抗内的能量； 多个输入开关阵列，各个所述阵列被设置成驱动交流电流而无平均直流电流地流经所述电抗；以及 多个输出开关阵列，各被连接成从所述电抗抽取能量； 所述阵列在任何给定时间具有不多于两个开关从所述电抗驱动或抽取能量； 其中，所述输入开关阵列以非正弦电压波形各自驱动所述电抗。42.如权利要求41的转换器...

【专利技术属性】
技术研发人员：W·C·亚历山大，
申请(专利权)人：理想能量转换器有限公司，
类型：发明
国别省市：