基于H桥的功率转换器.pdf

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1、(10)申请公布号 CN 103946059 A (43)申请公布日 2014.07.23 CN 103946059 A (21)申请号 201280056191.2 (22)申请日 2012.11.08 13/296349 2011.11.15 US B60L 15/00(2006.01) (71)申请人 通用电气公司 地址 美国纽约州 (72)发明人 S. 施勒德 P.T.B. 维耶库恩 (74)专利代理机构 中国专利代理(香港)有限公 司 72001 代理人 何欣亭 刘春元 (54) 发明名称 基于 H 桥的功率转换器 (57) 摘要 功率转换器包含由dc链路级耦合至多个H桥 逆变器的有。

2、源前端 （AFE） 。诸如变压器或者电机 的具有开放绕组一个或更多多相电磁能量转换设 备， 提供再生或者部分再生功率转换器， 其中， 开 放绕组仅连接至AFE或者H桥逆变器、 或者连接至 AFE 和 H 桥逆变器的两者。 (30)优先权数据 (85)PCT国际申请进入国家阶段日 2014.05.15 (86)PCT国际申请的申请数据 PCT/US2012/064030 2012.11.08 (87)PCT国际申请的公布数据 WO2013/074358 EN 2013.05.23 (51)Int.Cl. 权利要求书 2 页 说明书 4 页 附图 5 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (1。

3、2)发明专利申请 权利要求书2页 说明书4页 附图5页 (10)申请公布号 CN 103946059 A CN 103946059 A 1/2 页 2 1. 一种功率转换器， 包括 ： 第一分段， 包括有源前端 （AFE） ； 第二分段， 包括多个 H 桥逆变器， 其中， 所述多个 H 桥逆变器通过 dc 链路级耦合至所述 AFE ； 以及 第一多相电磁能量转换设备 （EMECD） ， 包括仅连接至所述AFE或者仅连接至所述H桥逆 变器的开放绕组， 以提供再生功率转换器。 2.如权利要求1所述的功率转换器， 其中， 所述第一多相EMECD是具有开放二次绕组的 变压器。 3. 如权利要求 1 所。

4、述的功率转换器， 其中， 所述 AFE 包括多个 H 桥转换器。 4.如权利要求3所述的功率转换器， 其中， 至少一个H桥转换器包括3电平中性点箝位 H 桥。 5. 如权利要求 1 所述的功率转换器， 其中， 所述 dc 链路级包括多个 dc 链路电容分段， 各 dc 链路电容分段与每个其他 dc 链路电容分段隔离。 6. 如权利要求 1 所述的功率转换器， 其中， 所述 dc 链路级由单个 dc 链路电容分段组 成， 所述 dc 链路电容分段对所述 AFE 和所述多个 H 桥逆变器的两者是公共的。 7. 如权利要求 1 所述的功率转换器， 其中， 所述 AFE 由单个多相、 输入转换级组成。。

5、 8. 如权利要求 1 所述的功率转换器， 其中， 所述 AFE 包括多个多相输入转换级。 9. 如权利要求 1 所述的功率转换器， 其中， 所述 AFE 包括至少一个多相、 输入转换器级 和一个或更多多相、 二极管整流器转换器级。 10. 如权利要求 1 所述的功率转换器， 还包括第二多相 EMECD， 所述第二多相 EMECD 包 括开放绕组， 其中， 当所述第一多相 EMECD 开放绕组连接至所述 H 桥逆变器时， 所述第二多 相EMECD开放绕组仅连接至所述AFE， 此外， 其中， 当所述第一多相EMECD开放绕组连接至所 述 AFE 时， 所述第二多相 EMECD 开放绕组仅连接至所。

6、述 H 桥逆变器， 从而提供再生功率转换 器。 11.如权利要求10所述的功率转换器， 其中， 所述dc链路级由单个dc链路电容分段组 成， 所述 dc 链路电容分段对所述 AFE 和所述多个 H 桥逆变器的两者是公共的。 12.如权利要求10所述的功率转换器， 其中， 至少一个多相EMECD是具有开放二次绕组 的变压器。 13. 如权利要求 10 所述的功率转换器， 其中， 所述 AFE 包括多个 H 桥转换器。 14.如权利要求13所述的功率转换器， 其中， 至少一个H桥转换器包括3电平中性点箝 位 H 桥。 15. 一种功率转换器， 包括 ： 第一分段， 包括多个 H 桥转换器 ； 第二。

7、分段， 包括多个 H 桥逆变器， 其中， 各 H 桥逆变器由对应的 dc 链路级耦合至对应的 H 桥转换器， 使得各 dc 链路级与每个其他 dc 链路级隔离 ； 以及 多相电磁能量转换设备 （EMECD） ， 包括连接至所述功率转换器的开放绕组， 以提供再生 功率转换器。 16.如权利要求15所述的功率转换器， 其中， 所述多相EMECD是具有仅连接至所述H桥 转换器的开放二次绕组的变压器。 权 利 要 求 书 CN 103946059 A 2 2/2 页 3 17.如权利要求15所述的功率转换器， 其中， 所述多相EMECD是具有仅连接至所述H桥 逆变器的开放绕组的机器。 18.如权利要求。

8、15所述的功率转换器， 其中， 至少一个H桥转换器包括3电平中性点箝 位 H 桥。 19.如权利要求15所述的功率转换器， 其中， 利用所述EMECD内的共模电压或者电流的 自由度， 以控制所述 dc 链路之间的功率流。 20. 一种功率转换器， 包括 ： 第一分段， 包括至少一个多相输入转换级 ； 第二分段， 包括由单个的公共 dc 链路耦合至所述第一分段的多个 H 桥逆变器 ； 以及 多相电磁能量转换设备 （EMECD） ， 包括仅连接至所述 H 桥逆变器的开放绕组， 以提供再 生功率转换器。 21. 一种功率转换器， 包括 ： 第一分段， 包括多个 H 桥转换器 ； 第二分段， 包括多个。

9、H桥逆变器， 其中， 第一分段由单个的公共dc链路级耦合至所述第 二分段 ； 第一多相电磁转换设备 （EMECD） ， 包括仅连接至所述 H 桥转换器的开放绕组 ； 以及 第二多相 EMECD， 包括仅连接至所述 H 桥逆变器的开放绕组， 以提供再生功率转换器。 权 利 要 求 书 CN 103946059 A 3 1/4 页 4 基于 H 桥的功率转换器 背景技术 0001 本公开的主题一般涉及功率转换器， 更具体而言涉及基于 H 桥的、 耦合至一个或 更多多相电磁能量转换设备 （EMECD） 的功率转换器拓扑结构， 包含但不限于具有开放绕组 （open winding） 的多相变压器和 /。

10、 或具有开放绕组的电机， 以提供再生或者部分再生功率 转换器。 0002 与变频驱动 （VFD） 应用关联的功率转换器单元拓扑结构持续受到瞩目。不断引入 新的功率转换器单元拓扑结构。一些已知的功率转换器单元拓扑结构采用了 H 桥转换器和 / 或 H 桥逆变器。 0003 当连接至诸如马达的负载时， 当在马达驱动模式下操作时， 一些上述功率单元可 以从输入源向马达提供功率。这样的功率单元有时可以被称为单向或者 2 象限 （2Q） 单元。 这是因为当考虑了速度和扭矩的 4 个象限时， 单元的操作特性使其在速度和扭矩两者都是 正的象限 （第一象限） 、 或者速度和扭矩两者都是负的象限 （第三象限） 。

11、中操作。 0004 然而， 当需要减小马达速度时， 来自马达的功率需要被功率转换器单元吸收。 该操 作模式一般被称为再生模式。在这样的操作模式下， 需要再生或者 4 象限单元。 0005 再生转换器可以包含 3 电平输出功率转换级。输出功率级一般包含诸如 IGBT （绝 缘栅双极晶体管） 的电开关。其他有用的开关包含 GTO（门极可关断晶闸管） 、 IGCT（集成门 极换流晶闸管） 、 IEGT（注入增强栅晶体管） 和 MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管） 。 开关可以与反并联续流二极管配对来供应例如感应马达负载电流。 控制器一般用于控制各 个开关。控制器例如可以包括计算机和 / 或数。

12、字信号处理器。 0006 由于需要来提供可行的拓扑结构的大量的有源开关， 已知的包括 H 桥的再生功率 转换器拓扑结构在尺寸、 成本和可靠性方面受到困扰。 鉴于上述情况， 需要提供一种再生功 率转换器单元构造， 其需要更少的有源开关来提供可行的拓扑结构， 具有更少的组件、 更高 的可靠性、 更低的成本， 并且比已知的再生功率转换器单元拓扑结构具有更小的物理尺寸。 发明内容 0007 功率转换器的示范性实施例包括 ： 第一分段， 包括多个 H 桥转换器 ； 第二分段， 包括多个 H 桥逆变器， 其中， 各 H 桥逆变器由对应的 dc 链路级耦合至对应的 H 桥转换器， 使得各 dc 链路级与每个。

13、其他 dc 链路级隔离 ； 以及 多相电磁能量转换设备 （EMECD） ， 包括连接至所述功率转换器的开放绕组， 以提供再生 功率转换器。 0008 功率转换器的另一个实施例包括 ： 第一分段， 包括多个 H 桥转换器 ； 第二分段， 包括多个 H 桥逆变器， 其中， 各 H 桥逆变器由对应的 dc 链路级耦合至对应的 H 桥转换器， 使得各 dc 链路级与每个其他 dc 链路级隔离 ； 以及 多相电磁能量转换设备 （EMECD） ， 具有开放绕组， 其中， 所述开放绕组仅连接至所述 H 说 明 书 CN 103946059 A 4 2/4 页 5 桥逆变器， 以提供再生功率转换器。 0009。

14、 根据又一个实施例， 功率转换器包括 ： 第一分段， 包括至少一个三相输入转换级 ； 第二分段， 包括由单个的公共 dc 链路耦合至所述第一分段的多个 H 桥逆变器 ； 以及 多相电磁能量转换设备 （EMECD） ， 包括仅连接至所述 H 桥逆变器的开放绕组， 以提供再 生功率转换器。 0010 根据再一个实施例， 功率转换器包括 ： 第一分段， 包括多个 H 桥转换器 ； 第二分段， 包括多个H桥逆变器， 其中， 第一分段由单个的公共dc链路级耦合至所述第 二分段 ； 第一多相电磁转换设备 （EMECD） ， 包括仅连接至所述 H 桥转换器的开放绕组 ； 以及 第二多相 EMECD， 包括仅。

15、连接至所述 H 桥逆变器的开放绕组， 以提供再生功率转换器。 附图说明 0011 本发明的上述和其他特性、 方面和优点通过结合附图的下面的具体实施方式可以 知晓， 其中， 所有附图中同样的标记代表同样的部分， 其中 ： 图 1 是示出本领域已知的再生功率转换器单元拓扑结构的简化图 ； 图 2 示出根据一个实施例的再生转换器 ； 图 3 示出根据另一个实施例的再生转换器 ； 图 4 示出根据一个实施例的再生转换器 ； 图 5 示出根据另一个实施例的再生转换器 ； 图 6 示出根据又一个实施例的再生转换器 ； 以及 图 7 示出根据再一个实施例的部分再生转换器。 0012 虽然上述的附图叙述了备选。

16、的实施例， 但还能想到本发明的其他实施例， 如说明 中提到的那样。在所有情况下， 本公开通过代表而非限制的方式呈现出示出的本发明的实 施例。本领域的技术人员可以设计大量的其他修改和实施例， 其落入本发明的原理和精神 的范围内。 0013 实施方式 图 1 是示出本领域已知的再生转换器拓扑结构 10 的简化图。可见转换器 10 每相采用 高零件计数 （high parts count） 有源前端 （AFE） 转换器 12， 因为其需要使用 9 个相连接 14 和转换器 12 中的转换器相腿， 以连接一个或更多常规三相变压器 16。为了易于理解， 所有 的附图已利用小斜线交叉单线连接来简化。 这些。

17、小斜线被用于表明由单线图代表的实际连 接导线的数量。 0014 可以看到转换器 10 还采用多个 H 桥逆变器 18， 各 H 桥逆变器 18 通过对应的 dc 链 路 19 耦合至对应的 AFE 转换器 12。各三相的 H 桥逆变器 18 的一个输出一般连接至各其他 H 桥逆变器 18 的对应的输出。各其他 H 桥逆变器输出然后连接至其对应的机器相。因此， 各 dc 链路 19 必须与每个其他 dc 链路 19 隔离， 以避免短路状况。 0015 由于 dc 链路 19 已经通过输出 H 桥逆变器 18 （间接） 连接至输出侧 20 上， 因此， 不 能使用在电网 （grid） 侧 22 使。

18、用 H 桥的相同的方法。本发明人认识到， 可以连同在转换器的 说 明 书 CN 103946059 A 5 3/4 页 6 输入 （电网） 侧的 H 桥转换器一起采用具有隔离的二次相绕组 （开放绕组） 的三相变压器， 如 本文中参考图 2 说明的那样， 以将各 dc 链路与每个其他 dc 链路隔离， 并避免短路状况。因 此可以理解， 在转换器分段 12、 18 或者 19 中的仅一个中或者没有转换器分段 12、 18、 19 中， 三相可以一起连接。 0016 图 2 示出根据一个实施例的再生转换器 30。转换器 30 拓扑结构是有利的由于其 允许使用通常机器连接。可以看到转换器 30 采用多。

19、个有源 H 桥转换器 32。各 H 桥转换器 32 通过对应的 dc 链路 19 耦合至对应的 H 桥逆变器 18。转换器 30 H 桥转换器 32 还各耦 合至具有开放的 （隔离的） 二次绕组 38 的三相变压器 36 的开放的二次绕组连接 34 的对应 对。转换器 30 有利地需要更少的有源前端中的有源组件、 以及将电网变压器 36 连接至转 换器 30 的有源前端的更少的连接。 0017 根据变压器36的设计， 对于电网侧H桥控制出现一定的自由度。 具体而言， 当变压 器 36 的一次侧是三角形连接时， 共模电流可以注入到 H 桥相电流中， 而不影响电网。当变 压器的一次侧是星形连接时，。

20、 共模电压可以注入到 H 桥相电压中， 而不影响电网。可以利用 这两个自由度来控制相之间的功率平衡， 例如减小 dc 链路电压纹波、 或者去除长期漂移。 0018 图 3 示出根据另一个实施例的再生转换器 40。转换器 40 拓扑结构类似于转换器 30 拓扑结构， 除了转换器 40 在转换器 40 的机器侧采用具有开放绕组的机器 42。机器 42 在 dc 链路 19 之间提供所需要的隔离， 以避免否则会由将常规三相变压器 44 连接至 H 桥转 换器 32 而导致的短路状况。H 桥转换器 32 配置为对再生转换器 40 的有源前端提供输入转 换级。 0019 图 4 示出根据一个实施例的再生。

21、转换器 50。转换器 50 包括三相输入转换级 12， 三相输入转换级 12 在其输入耦合至常规三相变压器 44 二次绕组的三相， 并在其输出耦合 至公共 dc 链路 52。公共 dc 链路 52 将三相输入转换级 12 耦合至 3 个 H 桥逆变器 18， H 桥 逆变器 18 在其输出连接至在转换器 50 的机器侧的、 具有开放绕组 42 的三相机器。 0020 图 5 示出根据另一个实施例的再生转换器 60。转换器 60 包含有源前端 （AFE） ， 该 有源前端包括 3 个 H 桥转换器 32， H 桥转换器 32 在其输入耦合至具有开放二次绕组 38 的 三相变压器 36 的 6 个。

22、相端子 34， 并在其输出耦合至公共 dc 链路 52。公共 dc 链路 52 将 3 个 H 桥转换器 32 耦合至包括 3 个 H 桥逆变器 18 的 H 桥逆变器级， H 桥逆变器 18 在其输出 连接至在转换器 60 的机器侧的、 具有开放绕组 42 的三相机器。 0021 图6示出根据又一个实施例的再生转换器70。 转换器70包含有源前端， 该有源前 端包括多个三相输入转换级 12。各输入转换级 12 在其输入 / 电网侧耦合至对应的常规三 相变压器 16 的 3 个二次绕组相， 并在其输出耦合至公共 dc 链路 52。公共 dc 链路 52 将多 个 3 电平输入转换级 12 耦合。

23、至多个 H 桥逆变器 18， H 桥逆变器 18 在其输出连接至在转换 器 70 的输出 / 机器侧的、 具有开放绕组 42 的三相机器。 0022 图7示出根据再一个实施例的部分再生转换器80。 转换器80包含有源前端， 该有 源前端包括三相输入转换分段 12 和一对二极管整流器转换器分段 82。有源前端的各分段 12、 82 在其输入 / 电网侧耦合至对应的常规三相变压器 84 的 3 个二次绕组相， 并在其输出 耦合至公共 dc 链路 52。公共 dc 链路 52 将有源前端的各分段耦合至多个 H 桥逆变器 18， H 桥逆变器 18 在其输出连接至在转换器 80 的输出 / 机器侧的、。

24、 具有开放绕组 42 的三相机 器。 说 明 书 CN 103946059 A 6 4/4 页 7 0023 在概要说明， 已描述了各种转换器拓扑结构。 优选的实施例包括三相至三相、 基于 3 电平中性点箝位 H 桥和对于三相的各个相的反相级的有源前端转换器拓扑结构。根据一 个实施例， 使用多个、 例如 5 个独立电压电平来合成输出电压， 以产生期望的正弦波形。可 以由本地控制器对各 H 桥逆变器或者 H 桥逆变器的组产生期望的电压电平， 诸如图 2 所示。 本地控制器其本身可以从中央控制器被控制， 也诸如图 2 所示。相桥的各 dc 链路彼此之间 隔离， 如本文所述。根据一个方面， 可以在输。

25、入使用具有开放 （隔离） 二次绕组的变压器， 与 使用 H 桥的其他已知的再生转换器拓扑结构相比， 这提供更简单的拓扑结构。使用本文描 述的原理的再生转换器拓扑结构对于输出电压和电流提供 4 个象限的操作， 与该种类的最 接近已知的拓扑结构相比， 有利采用等于或者少于三分之二数量的有源前端组件。 此外， 跨 各个隔离的 dc 链路的有源功率流控制的一些实施例可以减小所需要的 dc 链路电容的数 量。 0024 虽然已示出并描述了本发明的仅仅某些特征， 但本领域的技术人员可以想到很多 变化和改变。例如， 功率转换器领域的技术人员容易理解本文示出的各种变压器一次绕组 和二次绕组配置仅仅是示范性的，。

26、 并且二次绕组的其他数量和配置是可能的。 因此， 要理解 的是添附的权利要求旨在覆盖落入本发明的真正精神的所有该变化和改变。 0025 例如， 附图示出了用于三相桥和 H 桥中的 3 电平中性点箝位 （NPC） 拓扑结构。然 而， 本文描述的原理还可以使用 2 电平相腿、 或者另外的多电平拓扑结构来适用， 以建立三 相桥或者 H 桥。此外， 尽管附图在每侧每相仅示出单个的 H 桥， 但本文描述的原理还可以在 每侧和每相对多个 H 桥适用。尽管示出拓扑结构用于三相系统， 但其可以容易对其他多相 系统适用。当电网电压与转换器额定电压匹配时， 示出在电网侧的标准变压器的实施例还 可以不用变压器来进行工作。 说 明 书 CN 103946059 A 7 1/5 页 8 图 1 说 明 书 附 图 CN 103946059 A 8 2/5 页 9 图 2 说 明 书 附 图 CN 103946059 A 9 3/5 页 10 图 3 说 明 书 附 图 CN 103946059 A 10 4/5 页 11 图 4 图 5 说 明 书 附 图 CN 103946059 A 11 5/5 页 12 图 6 图 7 说 明 书 附 图 CN 103946059 A 12 。