基于h橋的功率轉(zhuǎn)換器的制造方法
【專利摘要】功率轉(zhuǎn)換器包含由dc鏈路級耦合至多個H橋逆變器的有源前端（AFE）。諸如變壓器或者電機的具有開放繞組一個或更多多相電磁能量轉(zhuǎn)換設備，提供再生或者部分再生功率轉(zhuǎn)換器，其中，開放繞組僅連接至AFE或者H橋逆變器、或者連接至AFE和H橋逆變器的兩者。
【專利說明】基于H橋的功率轉(zhuǎn)換器
【背景技術(shù)】
[0001]本公開的主題一般涉及功率轉(zhuǎn)換器，更具體而言涉及基于H橋的、耦合至一個或更多多相電磁能量轉(zhuǎn)換設備(EMECD)的功率轉(zhuǎn)換器拓撲結(jié)構(gòu)，包含但不限于具有開放繞組(open winding)的多相變壓器和/或具有開放繞組的電機，以提供再生或者部分再生功率轉(zhuǎn)換器。
[0002]與變頻驅(qū)動(VFD)應用關聯(lián)的功率轉(zhuǎn)換器單元拓撲結(jié)構(gòu)持續(xù)受到矚目。不斷引入新的功率轉(zhuǎn)換器單元拓撲結(jié)構(gòu)。一些已知的功率轉(zhuǎn)換器單元拓撲結(jié)構(gòu)采用了 H橋轉(zhuǎn)換器和/或H橋逆變器。
[0003]當連接至諸如馬達的負載時，當在馬達驅(qū)動模式下操作時，一些上述功率單元可以從輸入源向馬達提供功率。這樣的功率單元有時可以被稱為單向或者2象限(2Q)單元。這是因為當考慮了速度和扭矩的4個象限時，單元的操作特性使其在速度和扭矩兩者都是正的象限(第一象限)、或者速度和扭矩兩者都是負的象限(第三象限)中操作。
[0004]然而，當需要減小馬達速度時，來自馬達的功率需要被功率轉(zhuǎn)換器單元吸收。該操作模式一般被稱為再生模式。在這樣的操作模式下，需要再生或者4象限單元。
[0005]再生轉(zhuǎn)換器可以包含3電平輸出功率轉(zhuǎn)換級。輸出功率級一般包含諸如IGBT(絕緣柵雙極晶體管)的電開關。其他有用的開關包含GTO (門極可關斷晶閘管)、IGCT (集成門極換流晶閘管)、IEGT (注入增強柵晶體管)和MOSFET (金屬氧化物半導體場效應晶體管)。開關可以與反并聯(lián)續(xù)流二極管配對來供應例如感應馬達負載電流。控制器一般用于控制各個開關。控制器例如可以包括計算機和/或數(shù)字信號處理器。
[0006]由于需要來提供可行的拓撲結(jié)構(gòu)的大量的有源開關，已知的包括H橋的再生功率轉(zhuǎn)換器拓撲結(jié)構(gòu)在尺寸、成本和可靠性方面受到困擾。鑒于上述情況，需要提供一種再生功率轉(zhuǎn)換器單元構(gòu)造，其需要更少的有源開關來提供可行的拓撲結(jié)構(gòu)，具有更少的組件、更高的可靠性、更低的成本，并且比已知的再生功率轉(zhuǎn)換器單元拓撲結(jié)構(gòu)具有更小的物理尺寸。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]功率轉(zhuǎn)換器的示范性實施例包括:
第一分段，包括多個H橋轉(zhuǎn)換器；
第二分段，包括多個H橋逆變器，其中，各H橋逆變器由對應的dc鏈路級耦合至對應的H橋轉(zhuǎn)換器，使得各dc鏈路級與每個其他dc鏈路級隔離；以及
多相電磁能量轉(zhuǎn)換設備(EMECD)，包括連接至所述功率轉(zhuǎn)換器的開放繞組，以提供再生功率轉(zhuǎn)換器。
[0008]功率轉(zhuǎn)換器的另一個實施例包括:
第一分段，包括多個H橋轉(zhuǎn)換器；
第二分段，包括多個H橋逆變器，其中，各H橋逆變器由對應的dc鏈路級耦合至對應的H橋轉(zhuǎn)換器，使得各dc鏈路級與每個其他dc鏈路級隔離；以及
多相電磁能量轉(zhuǎn)換設備(EME⑶)，具有開放繞組，其中，所述開放繞組僅連接至所述H橋逆變器，以提供再生功率轉(zhuǎn)換器。
[0009]根據(jù)又一個實施例，功率轉(zhuǎn)換器包括:
第一分段，包括至少一個三相輸入轉(zhuǎn)換級；
第二分段，包括由單個的公共dc鏈路耦合至所述第一分段的多個H橋逆變器；以及多相電磁能量轉(zhuǎn)換設備(EMECD)，包括僅連接至所述H橋逆變器的開放繞組，以提供再生功率轉(zhuǎn)換器。
[0010]根據(jù)再一個實施例，功率轉(zhuǎn)換器包括:
第一分段，包括多個H橋轉(zhuǎn)換器；
第二分段，包括多個H橋逆變器，其中，第一分段由單個的公共dc鏈路級耦合至所述第二分段；
第一多相電磁轉(zhuǎn)換設備(EMECD)，包括僅連接至所述H橋轉(zhuǎn)換器的開放繞組；以及 第二多相EMECD，包括僅連接至所述H橋逆變器的開放繞組，以提供再生功率轉(zhuǎn)換器。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]本發(fā)明的上述和其他特性、方面和優(yōu)點通過結(jié)合附圖的下面的【具體實施方式】可以知曉，其中，所有附圖中同樣的標記代表同樣的部分，其中:
圖1是示出本領域已知的再生功率轉(zhuǎn)換器單元拓撲結(jié)構(gòu)的簡化圖；
圖2示出根據(jù)一個實施例的再生轉(zhuǎn)換器；
圖3示出根據(jù)另一個實施例的再生轉(zhuǎn)換器；
圖4示出根據(jù)一個實施例的再生轉(zhuǎn)換器；
圖5示出根據(jù)另一個實施例的再生轉(zhuǎn)換器；
圖6示出根據(jù)又一個實施例的再生轉(zhuǎn)換器；以及 圖7示出根據(jù)再一個實施例的部分再生轉(zhuǎn)換器。
[0012]雖然上述的附圖敘述了備選的實施例，但還能想到本發(fā)明的其他實施例，如說明中提到的那樣。在所有情況下，本公開通過代表而非限制的方式呈現(xiàn)出示出的本發(fā)明的實施例。本領域的技術(shù)人員可以設計大量的其他修改和實施例，其落入本發(fā)明的原理和精神的范圍內(nèi)。
[0013]實施方式
圖1是示出本領域已知的再生轉(zhuǎn)換器拓撲結(jié)構(gòu)10的簡化圖?？梢娹D(zhuǎn)換器10每相采用高零件計數(shù)(high parts count)有源前端(AFE)轉(zhuǎn)換器12,因為其需要使用9個相連接14和轉(zhuǎn)換器12中的轉(zhuǎn)換器相腿，以連接一個或更多常規(guī)三相變壓器16。為了易于理解，所有的附圖已利用小斜線交叉單線連接來簡化。這些小斜線被用于表明由單線圖代表的實際連接導線的數(shù)量。
[0014]可以看到轉(zhuǎn)換器10還采用多個H橋逆變器18，各H橋逆變器18通過對應的dc鏈路19耦合至對應的AFE轉(zhuǎn)換器12。各三相的H橋逆變器18的一個輸出一般連接至各其他H橋逆變器18的對應的輸出。各其他H橋逆變器輸出然后連接至其對應的機器相。因此，各dc鏈路19必須與每個其他dc鏈路19隔離，以避免短路狀況。
[0015]由于dc鏈路19已經(jīng)通過輸出H橋逆變器18 (間接)連接至輸出側(cè)20上，因此，不能使用在電網(wǎng)(grid)側(cè)22使用H橋的相同的方法。本發(fā)明人認識到，可以連同在轉(zhuǎn)換器的輸入(電網(wǎng))側(cè)的H橋轉(zhuǎn)換器一起采用具有隔離的二次相繞組(開放繞組)的三相變壓器，如本文中參考圖2說明的那樣，以將各dc鏈路與每個其他dc鏈路隔離，并避免短路狀況。因此可以理解，在轉(zhuǎn)換器分段12、18或者19中的僅一個中或者沒有轉(zhuǎn)換器分段12、18、19中，
三相可以一起連接。
[0016]圖2示出根據(jù)一個實施例的再生轉(zhuǎn)換器30。轉(zhuǎn)換器30拓撲結(jié)構(gòu)是有利的由于其允許使用通常機器連接?？梢钥吹睫D(zhuǎn)換器30采用多個有源H橋轉(zhuǎn)換器32。各H橋轉(zhuǎn)換器32通過對應的dc鏈路19耦合至對應的H橋逆變器18。轉(zhuǎn)換器30 H橋轉(zhuǎn)換器32還各耦合至具有開放的(隔離的)二次繞組38的三相變壓器36的開放的二次繞組連接34的對應對。轉(zhuǎn)換器30有利地需要更少的有源前端中的有源組件、以及將電網(wǎng)變壓器36連接至轉(zhuǎn)換器30的有源前端的更少的連接。
[0017]根據(jù)變壓器36的設計，對于電網(wǎng)側(cè)H橋控制出現(xiàn)一定的自由度。具體而言，當變壓器36的一次側(cè)是三角形連接時，共模電流可以注入到H橋相電流中，而不影響電網(wǎng)。當變壓器的一次側(cè)是星形連接時，共模電壓可以注入到H橋相電壓中，而不影響電網(wǎng)?？梢岳眠@兩個自由度來控制相之間的功率平衡，例如減小dc鏈路電壓紋波、或者去除長期漂移。
[0018]圖3示出根據(jù)另一個實施例的再生轉(zhuǎn)換器40。轉(zhuǎn)換器40拓撲結(jié)構(gòu)類似于轉(zhuǎn)換器30拓撲結(jié)構(gòu)，除了轉(zhuǎn)換器40在轉(zhuǎn)換器40的機器側(cè)采用具有開放繞組的機器42。機器42在dc鏈路19之間提供所需要的隔離，以避免否則會由將常規(guī)三相變壓器44連接至H橋轉(zhuǎn)換器32而導致的短路狀況。H橋轉(zhuǎn)換器32配置為對再生轉(zhuǎn)換器40的有源前端提供輸入轉(zhuǎn)換級。
[0019]圖4示出根據(jù)一個實施例的再生轉(zhuǎn)換器50。轉(zhuǎn)換器50包括三相輸入轉(zhuǎn)換級12，三相輸入轉(zhuǎn)換級12在其輸入耦合至常規(guī)三相變壓器44 二次繞組的三相，并在其輸出耦合至公共dc鏈路52。公共dc鏈路52將三相輸入轉(zhuǎn)換級12耦合至3個H橋逆變器18，H橋逆變器18在其輸出連接至在轉(zhuǎn)換器50的機器側(cè)的、具有開放繞組42的三相機器。
[0020]圖5示出根據(jù)另一個實施例的再生轉(zhuǎn)換器60。轉(zhuǎn)換器60包含有源前端(AFE)，該有源前端包括3個H橋轉(zhuǎn)換器32，H橋轉(zhuǎn)換器32在其輸入耦合至具有開放二次繞組38的三相變壓器36的6個相端子34，并在其輸出耦合至公共dc鏈路52。公共dc鏈路52將3個H橋轉(zhuǎn)換器32耦合至包括3個H橋逆變器18的H橋逆變器級，H橋逆變器18在其輸出連接至在轉(zhuǎn)換器60的機器側(cè)的、具有開放繞組42的三相機器。
[0021]圖6示出根據(jù)又一個實施例的再生轉(zhuǎn)換器70。轉(zhuǎn)換器70包含有源前端，該有源前端包括多個三相輸入轉(zhuǎn)換級12。各輸入轉(zhuǎn)換級12在其輸入/電網(wǎng)側(cè)耦合至對應的常規(guī)三相變壓器16的3個二次繞組相，并在其輸出耦合至公共dc鏈路52。公共dc鏈路52將多個3電平輸入轉(zhuǎn)換級12耦合至多個H橋逆變器18，H橋逆變器18在其輸出連接至在轉(zhuǎn)換器70的輸出/機器側(cè)的、具有開放繞組42的三相機器。
[0022]圖7示出根據(jù)再一個實施例的部分再生轉(zhuǎn)換器80。轉(zhuǎn)換器80包含有源前端，該有源前端包括三相輸入轉(zhuǎn)換分段12和一對二極管整流器轉(zhuǎn)換器分段82。有源前端的各分段
12、82在其輸入/電網(wǎng)側(cè)耦合至對應的常規(guī)三相變壓器84的3個二次繞組相，并在其輸出耦合至公共dc鏈路52。公共dc鏈路52將有源前端的各分段耦合至多個H橋逆變器18，H橋逆變器18在其輸出連接至在轉(zhuǎn)換器80的輸出/機器側(cè)的、具有開放繞組42的三相機器。[0023]在概要說明，已描述了各種轉(zhuǎn)換器拓撲結(jié)構(gòu)。優(yōu)選的實施例包括三相至三相、基于3電平中性點箝位H橋和對于三相的各個相的反相級的有源前端轉(zhuǎn)換器拓撲結(jié)構(gòu)。根據(jù)一個實施例，使用多個、例如5個獨立電壓電平來合成輸出電壓，以產(chǎn)生期望的正弦波形。可以由本地控制器對各H橋逆變器或者H橋逆變器的組產(chǎn)生期望的電壓電平，諸如圖2所示。本地控制器其本身可以從中央控制器被控制，也諸如圖2所示。相橋的各dc鏈路彼此之間隔離，如本文所述。根據(jù)一個方面，可以在輸入使用具有開放(隔離)二次繞組的變壓器，與使用H橋的其他已知的再生轉(zhuǎn)換器拓撲結(jié)構(gòu)相比，這提供更簡單的拓撲結(jié)構(gòu)。使用本文描述的原理的再生轉(zhuǎn)換器拓撲結(jié)構(gòu)對于輸出電壓和電流提供4個象限的操作，與該種類的最接近已知的拓撲結(jié)構(gòu)相比，有利采用等于或者少于三分之二數(shù)量的有源前端組件。此外，跨各個隔離的dc鏈路的有源功率流控制的一些實施例可以減小所需要的dc鏈路電容的數(shù)量。
[0024]雖然已示出并描述了本發(fā)明的僅僅某些特征，但本領域的技術(shù)人員可以想到很多變化和改變。例如，功率轉(zhuǎn)換器領域的技術(shù)人員容易理解本文示出的各種變壓器一次繞組和二次繞組配置僅僅是示范性的，并且二次繞組的其他數(shù)量和配置是可能的。因此，要理解的是添附的權(quán)利要求旨在覆蓋落入本發(fā)明的真正精神的所有該變化和改變。
[0025]例如，附圖示出了用于三相橋和H橋中的3電平中性點箝位(NPC)拓撲結(jié)構(gòu)。然而，本文描述的原理還可以使用2電平相腿、或者另外的多電平拓撲結(jié)構(gòu)來適用，以建立三相橋或者H橋。此外，盡管附圖在每側(cè)每相僅示出單個的H橋，但本文描述的原理還可以在每側(cè)和每相對多個H橋適用。盡管示出拓撲結(jié)構(gòu)用于三相系統(tǒng)，但其可以容易對其他多相系統(tǒng)適用。當電網(wǎng)電壓與轉(zhuǎn)換器額定電壓匹配時，示出在電網(wǎng)側(cè)的標準變壓器的實施例還可以不用變壓器來進行工作。
【權(quán)利要求】
1.一種功率轉(zhuǎn)換器，包括: 第一分段，包括有源前端(AFE)； 第二分段，包括多個H橋逆變器，其中，所述多個H橋逆變器通過dc鏈路級耦合至所述AFE ；以及 第一多相電磁能量轉(zhuǎn)換設備(EMECD)，包括僅連接至所述AFE或者僅連接至所述H橋逆變器的開放繞組，以提供再生功率轉(zhuǎn)換器。
2.如權(quán)利要求1所述的功率轉(zhuǎn)換器，其中，所述第一多相EMECD是具有開放二次繞組的變壓器。
3.如權(quán)利要求1所述的功率轉(zhuǎn)換器，其中，所述AFE包括多個H橋轉(zhuǎn)換器。
4.如權(quán)利要求3所述的功率轉(zhuǎn)換器，其中，至少一個H橋轉(zhuǎn)換器包括3電平中性點箝位H橋。
5.如權(quán)利要求1所述的功率轉(zhuǎn)換器，其中，所述dc鏈路級包括多個dc鏈路電容分段，各dc鏈路電容分段與每個其他dc鏈路電容分段隔離。
6.如權(quán)利要求1所述的功率轉(zhuǎn)換器，其中，所述dc鏈路級由單個dc鏈路電容分段組成，所述dc鏈路電容分段對所述AFE和所述多個H橋逆變器的兩者是公共的。
7.如權(quán)利要求1所述的功率轉(zhuǎn)換器，其中，所述AFE由單個多相、輸入轉(zhuǎn)換級組成。
8.如權(quán)利要求1所述的功率轉(zhuǎn)換器，其中，所述AFE包括多個多相輸入轉(zhuǎn)換級。
9.如權(quán)利要求1所述的功率轉(zhuǎn)換器，其中，所述AFE包括至少一個多相、輸入轉(zhuǎn)換器級和一個或更多多相、二極管整流器轉(zhuǎn)換器級。
10.如權(quán)利要求1所述的功率轉(zhuǎn)換器，還包括第二多相EME⑶，所述第二多相EME⑶包括開放繞組，其中，當所述第一多相EMECD開放繞組連接至所述H橋逆變器時，所述第二多相EME⑶開放繞組僅連接至所述AFE，此外，其中，當所述第一多相EME⑶開放繞組連接至所述AFE時，所述第二多相EMECD開放繞組僅連接至所述H橋逆變器，從而提供再生功率轉(zhuǎn)換器。
11.如權(quán)利要求10所述的功率轉(zhuǎn)換器，其中，所述dc鏈路級由單個dc鏈路電容分段組成，所述dc鏈路電容分段對所述AFE和所述多個H橋逆變器的兩者是公共的。
12.如權(quán)利要求10所述的功率轉(zhuǎn)換器，其中，至少一個多相EME⑶是具有開放二次繞組的變壓器。
13.如權(quán)利要求10所述的功率轉(zhuǎn)換器，其中，所述AFE包括多個H橋轉(zhuǎn)換器。
14.如權(quán)利要求13所述的功率轉(zhuǎn)換器，其中，至少一個H橋轉(zhuǎn)換器包括3電平中性點箝位H橋。
15.—種功率轉(zhuǎn)換器,包括: 第一分段，包括多個H橋轉(zhuǎn)換器； 第二分段，包括多個H橋逆變器，其中，各H橋逆變器由對應的dc鏈路級耦合至對應的H橋轉(zhuǎn)換器，使得各dc鏈路級與每個其他dc鏈路級隔離；以及 多相電磁能量轉(zhuǎn)換設備(EMECD)，包括連接至所述功率轉(zhuǎn)換器的開放繞組，以提供再生功率轉(zhuǎn)換器。
16.如權(quán)利要求15所述的功率轉(zhuǎn)換器，其中，所述多相EMECD是具有僅連接至所述H橋轉(zhuǎn)換器的開放二次繞組的變壓器。
17.如權(quán)利要求15所述的功率轉(zhuǎn)換器，其中，所述多相EMECD是具有僅連接至所述H橋逆變器的開放繞組的機器。
18.如權(quán)利要求15所述的功率轉(zhuǎn)換器，其中，至少一個H橋轉(zhuǎn)換器包括3電平中性點箝位H橋。
19.如權(quán)利要求15所述的功率轉(zhuǎn)換器，其中，利用所述EMECD內(nèi)的共模電壓或者電流的自由度，以控制所述dc鏈路之間的功率流。
20.—種功率轉(zhuǎn)換器，包括: 第一分段，包括至少一個多相輸入轉(zhuǎn)換級； 第二分段，包括由單個的公共dc鏈路耦合至所述第一分段的多個H橋逆變器；以及多相電磁能量轉(zhuǎn)換設備(EMECD)，包括僅連接至所述H橋逆變器的開放繞組，以提供再生功率轉(zhuǎn)換器。
21.—種功率轉(zhuǎn)換器，包括: 第一分段，包括多個H橋轉(zhuǎn)換器； 第二分段，包括多個H橋逆變器，其中，第一分段由單個的公共dc鏈路級耦合至所述第二分段； 第一多相電磁轉(zhuǎn)換設備(EMECD)，包括僅連接至所述H橋轉(zhuǎn)換器的開放繞組；以及 第二多相EMECD，包括僅連接至所述H橋逆變器的開放繞組，以提供再生功率轉(zhuǎn)換器。
【文檔編號】B60L15/00GK103946059SQ201280056191
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2012年11月8日 優(yōu)先權(quán)日:2011年11月15日
【發(fā)明者】S.施勒德, P.T.B.維耶庫恩 申請人:通用電氣公司