[发明专利]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

说明书

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。

背景技术

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发明而得到的事后认知，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。

本发明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，本发明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。

发明内容

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。

所揭示的发明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发明的每一个，本优点表并不限定各种所主张的发明。

下列优点由图1的发明实施方式，以及由许多其它所揭示的和等效的实施方式提供。

●低谐波的、功率因数为1的电流从公用电力设施(utility)抽取，与输出电压无关。

●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。

●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。

●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。

●输出电容器滤掉脉冲形电流。

●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。