[发明专利]通用功率变换器

说明书

用于在两个或更多口部之间变换电功率的方法和系统。任意或所有口部可以是DC、单相AC或多相AC。变换是通过多个双向传导和阻断的半导体开关实现的，所述半导体开关交替的在所述口部之间连接电感器和并联电容器，使得能量从一个或多个输入口部和/或相传输到电感器中，然后能量传输离开电感器至一个或多个输出口部和/或相，其中所述并联电容器促进“软”关闭，并且任意多余的电感器能量被返回到输入，也促进软开启和反向恢复。所述双向开关允许每个电感器/电容器循环两个功率传输，从而最大化电感器/电容利用并使用高输入/输出电压比率提供最优变换器操作。控制装置调节开关以实现期望的功率传输。

本申请是申请日为2007年6月6日、国际申请号为PCT/US2007/013552、国家申请号为200780029208.4、发明名称为“通用功率变换器”的发明专利申请的分案申请。

与其它申请的交叉引用

本申请要求2006年6月6日提交的美国临时申请60/811,191的优先权，该申请通过引用包含于此。

背景技术和发明内容

本申请涉及电功率变换，并且更具体地涉及降压-升压式变换器电路、方法和系统，该降压-升压式变换器电路、方法和系统可以进行DC至DC、DC至AC 和AC至AC变换，并且适用于下列应用，包括：线路功率调节器、电池充电器、混合动力车辆功率系统、太阳能系统、马达驱动件和市电变换。

已经提出多种技术用于从一种形式到另一种形式的电功率的电子变换。图3 中示出：通常商业使用的用于以固定频率和电压市电的可变频率和电压关断操作三相感应马达的一种技术是在PWM控制下的输入二极管桥、DC链电容器和输出有源开关桥的AC-DC-AC技术。因为不需要磁部件而只需要6个有源开关，该马达驱动件技术(“标准驱动件”)产生紧凑型且低成本的马达驱动件。

然而，标准驱动件存在许多困难。虽然名义上与输入电压同相，但输入电流典型的以脉冲方式汲取。这些脉冲导致在整个配电系统中的增加的电损耗。该脉冲还导致在DC链电容器中较高的损耗。这些损耗降低了驱动件的效率，并且还减少了DC链电容器(通常为铝电解型)的使用寿命，DC链电容器在任何情况下具有有限寿命。如果电源的阻抗太低，该脉冲可能变得太大以至于不能管理，这种情况下，必须增加输入线路中的电抗，这增加了驱动件的损耗、尺寸、成本和重量。还有，输出部分的可用电压被减少了，当需要全功率、全速度马达运行时，这可能导致输出波形上的产生损耗的谐波或低于设计的电压。

由于固定的DC链电压，通常使用脉冲宽度调制(PWM)来操作输出开关以将准正弦电流波形合成到马达，使用马达的电感将来自驱动件的高电压切换波形转变成对于电流的更加正弦的形状。虽然这确实消除了较低阶谐波，但由于涡电流损耗、附加的IR(以欧姆测定的)加热和电介质损耗，得到的高频谐波导致马达中附加的损耗。这些损耗显著的增加马达的额定损耗，其降低能量效率、导致较高马达温度，其减少马达的有效寿命，和/或减少从马达可用的功率。此外，由于传输线路效应，马达可能经受双倍于额定峰峰线路电压的电压，其通过降低其绝缘而减少马达的寿命。所应用的马达电压也没有相对于地被平衡，并且可能具有从这样的平衡的突然偏离，这可能导致电流通过对于接地马达框架的马达轴承，导致轴承损伤和马达寿命的减少。在马达输入处的突然的电压摆动也导致从马达发出讨厌的声音。

在该马达驱动件中使用的输出开关必须构建为用于非常快速的操作和非常高的dV/dt，以便在PWM切换期间最小化损耗。这种需要导致具有急剧的减少的载流子寿命和有限内部增益的开关的选择。这又降低每个设备的电导，使得对于给定量的电流需要更多硅面积。此外，开关必须构建为在输出线路的情况下提供电流限制，其在该开关上施加附加的设计折衷，这又增加了它们的成本和损耗。

标准驱动件的另一个问题是DC链电压必须总是小于最高的线-线输入电压的平均值，使得在输入电压减少期间(例如当跨线路的其它马达被启动时)，DC 链电压不足以驱动该马达。