CN112803800B - 功率变换器 - Google Patents
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Abstract
本公开的实施例涉及一种功率变换器，包括T型三电平整流电路和第一开关电路。T型三电平整流电路包括三相AC端口；第一DC端子和第二DC端子；电容器电路，包括第一电容器和第二电容器，被耦合在第一DC端子和第二DC端子之间，并且具有第一中间节点；三相整流器电路，被耦合在三相AC端口与电容器电路之间；以及双向开关电路，被耦合至三相整流器电路。第一开关电路被耦合在第一DC端子和第二DC端子之间，并且被耦合至双向开关电路以及第一中间节点，第一开关电路被配置为能够在第一状态与第二状态之间切换，其中在第一开关电路处于第一状态时，功率变换器以三相变换模式操作，并且其中在第一开关电路处于第二状态时，功率变换器以单相变换模式操作。
Description
技术领域
本公开的实施例总体上涉及功率变换领域，并且更具体地，涉及一种功率变换器。
背景技术
随着现代电力电子技术的发展，功率变换器被广泛地应用在各个工业领域中。其中，Kolar J.W.等学者在1994年提出的T型三电平整流器(又称维也纳整流器)由于所需的功率管器件少、谐波低、效率高等优点，而得到广泛应用，诸如用在并网发电设备中。常规的T型三电平整流器在三相变换模式下，能够输出高电压和高功率。然而，如果使常规的T型三电平整流器工作在单相变换模式下，将无法实现三相支路的全部接入，因此输出的功率会低于三相变换模式。此外，常规T型三电平整流器在单相变换模式下将会输出与三相变换模式相同的高电压，高电压导致高阻抗，使得整流器的效率变低。
发明内容
本公开的目的是提供一种功率变换器，以至少部分地解决现有技术中存在的上述问题。
根据本公开的第一方面，提供了一种功率变换器，包括T型三电平整流电路和第一开关电路。T型三电平整流电路包括三相AC端口；第一DC端子和第二DC端子；电容器电路，包括第一电容器和第二电容器，被耦合在所述第一DC端子和所述第二DC端子之间，并且具有第一中间节点；三相整流器电路，被耦合在所述三相AC端口与所述电容器电路之间；以及双向开关电路，被耦合至所述三相整流器电路。第一开关电路被耦合在所述第一DC端子和所述第二DC端子之间，并且被耦合至所述双向开关电路以及所述第一中间节点，所述第一开关电路被配置为能够在第一状态与第二状态之间切换，其中在所述第一开关电路处于所述第一状态时，所述功率变换器以三相变换模式操作，并且其中在所述第一开关电路处于所述第二状态时，所述功率变换器以单相变换模式操作。
在一些实施例中，所述第一开关电路包括：第一可控半导体器件和第二可控半导体器件，被串联耦合在所述第一DC端子和所述第二DC端子之间，并且具有被耦合至所述双向开关电路的第二中间节点；以及第一开关，被耦合在所述第一中间节点与所述第二中间节点之间，其中在所述第一开关电路处于所述第一状态时，所述第一开关闭合并且所述第一可控半导体器件和所述第二可控半导体器件关断，并且其中在所述第一开关电路处于所述第二状态时，所述第一开关断开并且所述第一可控半导体器件和所述第二可控半导体器件交替地接通。
在一些实施例中，所述功率变换器还包括：第二开关电路，被耦合在所述第一DC端子和所述第二DC端子之间以及所述第一电容器和所述第二电容器之间，所述第二开关电路被配置为能够在第三状态与第四状态之间切换，以改变所述第一电容器和所述第二电容器之间的连接状态，其中在所述第二开关电路处于所述第三状态时，所述第一电容器和所述第二电容器被串联耦合在所述第一DC端子和所述第二DC端子之间，其中在所述第二开关电路处于所述第四状态时，所述第一电容器和所述第二电容器被并联耦合在所述第一DC端子和所述第二DC端子之间，其中在所述第一开关电路处于所述第一状态并且所述第二开关电路处于所述第三状态时，所述功率变换器以所述三相变换模式操作，并且其中所述单相变换模式包括第一单相变换模式和第二单相变换模式，在所述第一开关电路处于所述第二状态并且所述第二开关电路处于所述第三状态时，所述功率变换器以所述第一单相变换模式操作，并且在所述第一开关电路处于所述第二状态并且所述第二开关电路处于所述第四状态时，所述功率变换器以所述第二单相变换模式操作。
在一些实施例中，所述第二开关电路包括：第二开关，被耦合在所述第一电容器与所述第二电容器之间，其中所述第一电容器与所述第二开关之间的第三节点或者所述第二开关与所述第二电容器之间的第四节点作为所述第一中间节点被耦合至所述第一开关；第三开关，被耦合在所述第三节点与所述第二DC端子之间；以及第四开关，被耦合在所述第一DC端子与所述第四节点之间，其中在所述第二开关电路处于所述第三状态时，所述第二开关闭合，并且所述第三开关和所述第四开关断开；以及其中在所述第二开关电路处于所述第四状态时，所述第二开关断开，并且所述第三开关和所述第四开关闭合。
在一些实施例中，所述功率变换器还包括：第一DC-DC转换电路，包括第一输入端子、第二输入端子、第一输出端子和第二输出端子，所述第一输入端子被耦合至所述第一DC端子；以及第二DC-DC转换电路，包括第三输入端子、第四输入端子、第三输出端子和第四输出端子，所述第四输入端子被耦合至所述第二DC端子，其中在所述第一开关电路处于所述第一状态并且所述第二开关电路处于所述第三状态时，所述第二输入端子被耦合至所述第三输入端子，其中在所述第一开关电路处于所述第二状态并且所述第二开关电路处于所述第三状态时，所述第二输入端子被耦合至所述第二DC端子并且所述第三输入端子被耦合至所述第一DC端子，以及其中在所述第一开关电路处于所述第二状态并且所述第二开关电路处于所述第四状态时，所述第二输入端子被耦合至所述第二DC端子并且所述第三输入端子被耦合至所述第一DC端子。
在一些实施例中，所述第二输入端子被耦合至所述第三节点，并且所述第三输入端子被耦合至所述第四节点。
在一些实施例中，所述功率变换器还包括第三开关电路，所述第三开关电路包括：第五开关，被耦合在所述第一DC端子与所述第三输入端子之间；第六开关，被耦合在所述第二输入端子与所述第二DC端子之间；以及第七开关，被耦合在所述第二输入端子与所述第三输入端子之间，其中在所述第一开关电路处于所述第一状态并且所述第二开关电路处于所述第三状态时，所述第五开关和所述第六开关断开并且所述第七开关闭合，其中在所述第一开关电路处于所述第二状态并且所述第二开关电路处于所述第三状态时，所述第五开关和所述第六开关闭合并且所述第七开关断开，以及其中在所述第一开关电路处于所述第二状态并且所述第二开关电路处于所述第四状态时，所述第五开关和所述第六开关闭合并且所述第七开关断开。
在一些实施例中，所述第三输出端子被耦合至所述第一输出端子，并且所述第二输出端子被耦合至所述第四输出端子。
在一些实施例中，所述第二输出端子被耦合至所述第三输出端子。
在一些实施例中，所述的功率变换器还包括：第四开关电路，被耦合至所述第一输出端子、所述第二输出端子、所述第三输出端子以及所述第四输出端子，并且被配置为能够在第五状态和第六状态之间切换，其中在所述第四开关电路处于所述第五状态时，所述第三输出端子被耦合至所述第一输出端子并且所述第二输出端子被耦合至所述第四输出端子，并且在所述第四开关电路处于所述第六状态时，所述第二输出端子被耦合至所述第三输出端子。
在一些实施例中，所述第四开关电路包括：第八开关，被耦合在所述第二输出端子与所述第三输出端子之间；第九开关，被耦合在所述第二输出端子与所述第四输出端子之间；以及第十开关，被耦合在所述第一输出端子与所述第三输出端子之间，其中在所述第四开关电路处于所述第五状态时，所述第八开关断开并且所述第九开关和所述第十开关闭合，并且其中在所述第四开关电路处于所述第六状态时，所述第八开关闭合并且所述第九开关和所述第十开关断开。
在根据本公开的实施例中，通过将第一开关电路在第一状态和第二状态之间切换，能够使功率变换器兼容三相变换模式和单相变换模式。此外，通过第一开关电路能够使T型三电平整流电路的三相支路在单相变换模式下全部接入，从而能够输出与三相变换模式基本相同的功率，并且所输出的电压低于三相变换模式，降低了电路阻抗，提高了功率变换器的效率。
提供发明内容部分是为了简化的形式来介绍对概念的选择，它们在下文的具体实施方式中将被进一步描述。发明内容部分无意标识本公开内容的关键特征或主要特征，也无意限制本公开内容的范围。
附图说明
通过参考附图阅读下文的详细描述，本公开的实施例的上述以及其他目的、特征和优点将变得易于理解。在附图中，以示例而非限制性的方式示出了本公开的若干实施例，其中：
图1示出了根据本公开的一个实施例的功率变换器的电路原理图；
图2示出了图1所示的功率变换器在三相变换模式下的配置；
图3示出了图1所示的功率变换器在单相变换模式下的配置；
图4A至图4D示出了图1所示的功率变换器的一相支路在单相变换模式下的操作；
图5示出了根据本公开的一个实施例的功率变换器的电路原理图；
图6示出了图5所示的功率变换器在三相变换模式下的配置；
图7示出了图5所示的功率变换器在第一单相变换模式下的配置；
图8示出了图5所示的功率变换器在第二单相变换模式下的配置；
图9示出了根据本公开的一个实施例的功率变换器的电路原理图；
图10示出了根据本公开的一个实施例的功率变换器的电路原理图；
图11示出了根据本公开的一个实施例的功率变换器的电路原理图；
图12示出了根据本公开的一个实施例的功率变换器的电路原理图；
图13示出了图12所示的功率变换器在三相变换模式下的配置；
图14示出了图12所示的功率变换器在第一单相变换模式下的配置；
图15示出了图12所示的功率变换器在第二单相变换模式下的配置；
图16示出了根据本公开的一个实施例的功率变换器的电路原理图；
图17示出了根据本公开的一个实施例的功率变换器的电路原理图；以及
图18示出了根据本公开的一个实施例的功率变换器的电路原理图。
在各个附图中，相同或对应的标号表示相同或对应的部分。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的优选实施例。虽然附图中显示了本公开的优选实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。
在本文中使用的术语“包括”及其变形表示开放性包括，即“包括但不限于”。除非特别申明，术语“或”表示“和/或”。术语“基于”表示“至少部分地基于”。术语“一个示例实施例”和“一个实施例”表示“至少一个示例实施例”。术语“另一实施例”表示“至少一个另外的实施例”。术语“第一”、“第二”等等可以指代不同的或相同的对象。
如在上文中所描述的，如果使常规的T型三电平整流器工作在单相变换模式下，将无法实现三相支路的全部接入，因此输出的功率会低于三相变换模式。此外，常规T型三电平整流器在单相变换模式下将会输出与三相变换模式相同的高电压，高电压导致高阻抗，使得整流器的效率变低。本公开的实施例通过将第一开关电路在第一状态和第二状态之间切换，使功率变换器能够兼容三相变换模式和单相变换模式。在下文中将参考附图结合示例性实施例来详细描述本公开的原理。
图1示出了根据本公开的一个实施例的功率变换器100的电路原理图。如图1所示，总体上，在此描述的功率变换器100包括T型三电平整流电路和第一开关电路4。T型三电平整流电路包括三相AC端口L1、L2、L3，第一DC端子DC+和第二DC端子DC-，电容器电路1，三相整流器电路2以及双向开关电路3。
电容器电路1包括第一电容器C1和第二电容器C2。第一电容器C1和第二电容器C2被串联耦合在第一DC端子DC+和第二DC端子DC-之间，并且具有第一中间节点N1。
三相整流器电路2被耦合在三相AC端口L1、L2、L3与电容器电路1之间，用于将输入的交流电转变为直流电。三相整流器电路2包括三个电感器(例如用于第一相支路的电感器L0)和由六个晶体管(例如用于第一相支路的晶体管M3和M4)组成的整流桥。各个晶体管可以是二极管或可控半导体器件，诸如MOSFET或IGBT等。在采用二极管的情况下，功率变换器100可以实现单向操作，即作为整流器实现交流到直流的变换。在采用可控半导体器件的情况下，功率变换器100可以实现双向操作。也即，在将三相AC端口L1、L2、L3用作输入并且将第一DC端子DC+和第二DC端子DC-用作输出时，功率变换器100可以作为整流器实现交流到直流的变换。相反，在将第一DC端子DC+和第二DC端子DC-用作输入并且将三相AC端口L1、L2、L3用作输出时，功率变换器100可以作为逆变器实现直流到交流的变换。
双向开关电路3包括三个分支，分别被耦合至三相整流器电路2中的相应整流支路。例如，双向开关电路3的第一分支包括反向串联的MOSFET M5和M6。
T型三电平整流电路是一种常规的电路结构，其具体电路配置和操作原理对于本领域技术人员而言是清楚的，在本文中对此将不再详细描述。
第一开关电路4被耦合在第一DC端子DC+和第二DC端子DC-之间，并且被耦合至双向开关电路3以及第一中间节点N1。第一开关电路4能够在第一状态与第二状态之间切换。在第一开关电路4处于第一状态的情况下，功率变换器100将会以三相变换模式操作。在第一开关电路4处于第二状态时，功率变换器100将会以单相变换模式操作。因此，通过将第一开关电路4在第一状态和第二状态之间切换，能够使功率变换器100兼容三相变换模式和单相变换模式。
在一个实施例中，如图1所示，第一开关电路4包括第一可控半导体器件M1、第二可控半导体器件M2和第一开关S1。第一可控半导体器件M1和第二可控半导体器件M2被串联耦合在第一DC端子DC+和第二DC端子DC-之间。在第一可控半导体器件M1和第二可控半导体器件M2之间具有第二中间节点N2，其被耦合至双向开关电路3。第一开关S1被耦合在第一中间节点N1与第二中间节点N2之间。
图2示出了图1所示的功率变换器100在三相变换模式下的配置。如图2所示，在第一开关电路4处于第一状态时，第一开关S1闭合并且第一可控半导体器件M1和第二可控半导体器件M2关断。此时，功率变换器100将以三相变换模式操作，也即作为常规的T型三电平整流器操作，对于其具体操作过程在此将不再赘述。在一些实施例中，第一可控半导体器件M1和第二可控半导体器件M2可以为MOSFET。在另一些实施例中，第一可控半导体器件M1和第二可控半导体器件M2可以为IGBT。在其他实施例中，第一可控半导体器件M1和第二可控半导体器件M2还可以是其他类型的功率开关器件，本公开的范围在此方面不受限制。
在一些实施例中，功率变换器100还包括N线，此时功率变换器100是三相四线系统。在其他实施例中，功率变换器100可以不具有N线，此时功率变换器100是三相三线系统。
图3示出了图1所示的功率变换器100在单相变换模式下的配置。如图3所示，在第一开关电路4处于第二状态时，第一开关S1断开并且第一可控半导体器件M1和第二可控半导体器件M2交替地接通。此时，功率变换器100的三相AC端口L1、L2、L3将连接至同一相L，以单相变换模式操作。第一可控半导体器件M1和第二可控半导体器件M2可以以工频或高频操作，使得T型三电平整流电路的三相支路并联连接，交错地进行操作。因此，功率变换器100在单相变换模式下能够提供与三相变换模式基本相同的功率，并且在在第一DC端子DC+和第二DC端子DC-处输出的直流电压将会远低于三相变换模式。例如，功率变换器100在三相变换模式下输出800V的电压，而在单相变换模式下能够输出400V的电压。较低的输出电压导致较低的电路阻抗，因而能够实现较高的功率变换效率。
图4A至图4D示出了图1所示的功率变换器100的一相支路在单相变换模式下的操作，其中图4A和图4B示出了在开关周期的正半周期的操作，并且图4C和图4D示出了在开关周期的负半周期的操作。如图4A所示，在正半周期，电流路径首先从AC端口L开始，经过电感器L0以及MOSFET M5和M6，到达N线，从而对电感器L0储能。随后，如图4B所示，电流路径从AC端口L开始，经过电感器L0、晶体管M3、第一电容器C1、第二电容器C2、第二可控半导体器件M2，到达N线，从而对电感器L0释放能量，实现整流。如图4C所示，在负半周期，电流路径首先从N线开始，经过MOSFET M6和M5以及电感器L0，到达AC端口L，从而对电感器L0储能。随后，如图4D所示，电流路径从N线开始，经过第一可控半导体器件M1、第一电容器C1、第二电容器C2、晶体管M4和电感器L0，到达AC端口L，从而对电感器L0释放能量，实现整流。
功率变换器100的另外两相支路具有与结合图4A至图4D所描述的操作过程类似的操作，在此将不再赘述。在单相变换模式下，功率变换器100的三相支路并联连接，交错地进行操作。因此，功率变换器100在单相变换模式下能够提供与三相变换模式基本相同的功率，并且在在第一DC端子DC+和第二DC端子DC-处输出的直流电压将会远低于三相变换模式。
应当理解，在其他实施例中，第一开关电路4还可以具有其他结构，例如可以包括更多个可控半导体器件和/或更多个开关。通过将第一开关电路4在第一状态和第二状态之间切换，同样能够实现功率变换器100对单相变换模式和多相变换模式的兼容。
图5示出了根据本公开的一个实施例的功率变换器100的电路原理图。图5所示的功率变换器100与图1所示的功率变换器100具有类似的结构，区别仅在于图5所示的功率变换器100还包括第二开关电路5。在此将仅对二者的区别进行详细描述，而对于相同的部分将不再赘述。
在此提供的第二开关电路5旨在实现对第一电容器C1与第二电容器C2之间的连接状态进行控制。如图5所示，第二开关电路5被耦合在第一DC端子DC+和第二DC端子DC-之间以及第一电容器C1和第二电容器C2之间。第二开关电路5能够在第三状态与第四状态之间切换，以改变第一电容器C1和第二电容器C2之间的连接状态。在第二开关电路5处于第三状态时，第一电容器C1和第二电容器C2被串联耦合在第一DC端子DC+和第二DC端子DC-之间。在第二开关电路5处于第四状态时，第一电容器C1和第二电容器C2被并联耦合在第一DC端子DC+和第二DC端子DC-之间。
在一个实施例中，如图5所示，第二开关电路5包括第二开关S2、第三开关S3和第四开关S4。第二开关S2被耦合在第一电容器C1与第二电容器C2之间。第一电容器C1与第二开关S2之间具有第三节点N3，其可以作为第一中间节点N1被耦合至第一开关S1。第二开关S2与第二电容器C2之间具有第四节点N4。第三开关S3被耦合在第三节点N3与第二DC端子DC-之间。第四开关S4被耦合在第一DC端子DC+与第四节点N4之间。在第二开关电路5处于第三状态时，第二开关S2闭合，并且第三开关S3和第四开关S4断开，从而使得第一电容器C1与第二电容器C2被串联耦合。在第二开关电路5处于第四状态时，第二开关S2断开，并且第三开关S3和第四开关S4闭合，从而使得第一电容器C1与第二电容器C2被并联耦合。
与图1所示的功率变换器100类似，图5所示的功率变换器100能够兼容三相变换模式和单相变换模式。下面将结合图6至图8对此进行描述。
图6示出了图5所示的功率变换器100在三相变换模式下的配置。如图6所示，第一开关电路4处于第一状态，即第一开关S1闭合并且第一可控半导体器件M1和第二可控半导体器件M2关断；第二开关电路5处于第三状态，即第二开关S2闭合，并且第三开关S3和第四开关S4断开。在此情况下，功率变换器100将以三相变换模式操作，也即作为常规的T型三电平整流器操作。
此外，由于提供了第二开关电路5，使得图5所示的功率变换器100可以在两种单相变换模式下操作，即第一单相变换模式和第二单相变换模式。在第一单相变换模式下，第一电容器C1与第二电容器C2被串联耦合。在第二单相变换模式下，第一电容器C1与第二电容器C2被并联耦合。
图7示出了图5所示的功率变换器100在第一单相变换模式下的配置。如图7所示，第一开关电路4处于第二状态，即第一开关S1断开并且第一可控半导体器件M1和第二可控半导体器件M2交替地接通；第二开关电路5处于第三状态，即第二开关S2闭合，并且第三开关S3和第四开关S4断开。在此情况下，功率变换器100以第一单相变换模式操作，其操作过程与结合图3以及图4A至图4D所描述的功率变换器100的操作过程相同。该功率变换器100在第一单相变换模式下能够提供与三相变换模式基本相同的功率，并且在在第一DC端子DC+和第二DC端子DC-处输出的直流电压将会远低于三相变换模式。例如，功率变换器100在三相变换模式下输出800V的电压，而在第一单相变换模式下能够输出400V的电压。
图8示出了图5所示的功率变换器100在第二单相变换模式下的配置。如图8所示，第一开关电路4处于第二状态，即第一开关S1断开并且第一可控半导体器件M1和第二可控半导体器件M2交替地接通；第二开关电路5处于第四状态，即第二开关S2断开，并且第三开关S3和第四开关S4闭合。在此情况下，功率变换器100以第二单相变换模式操作，其操作过程与结合图3以及图4A至图4D所描述的功率变换器100的操作过程类似，区别在于由于第一电容器C1与第二电容器C2被并联耦合，增加了电容的容量，从而能够降低第一电容器C1与第二电容器C2上的电压纹波。
图9示出了根据本公开的一个实施例的功率变换器100的电路原理图。图9所示的功率变换器100与图5所示的功率变换器100具有类似的结构，区别仅在于在图9所示的功率变换器100中，第四节点N4作为第一中间节点N1被耦合至第一开关S1。图9所示的功率变换器100与图5所示的功率变换器100具有类似的操作，在此将不再赘述。
应当理解，在其他实施例中，第二开关电路5还可以具有其他结构，例如可以包括更多个开关。通过将第二开关电路5在第三状态和第四状态之间切换，同样能够实现对第一电容器C1与第二电容器C2之间的连接状态进行控制。
图10示出了根据本公开的一个实施例的功率变换器100的电路原理图。图10所示的功率变换器100与图5所示的功率变换器100具有类似的结构，区别在于图10所示的功率变换器100还包括第一DC-DC转换电路DCDC1和第二DC-DC转换电路DCDC2。在此将仅对二者的区别进行详细描述，而对于相同的部分将不再赘述。
如图10所示，第一DC-DC转换电路DCDC1包括第一输入端子IN1、第二输入端子IN2、第一输出端子OUT1和第二输出端子OUT2。第一输入端子IN1被耦合至第一DC端子DC+。第二输入端子IN2被耦合至第三节点N3。第二DC-DC转换电路DCDC2包括第三输入端子IN3、第四输入端子IN4、第三输出端子OUT3和第四输出端子OUT4。第三输入端子IN3被耦合至第四节点N4。第四输入端子IN4被耦合至第二DC端子DC-。第一DC-DC转换电路DCDC1和第二DC-DC转换电路DCDC2的输出端子并联连接，即第三输出端子OUT3被耦合至第一输出端子OUT1，并且第二输出端子OUT2被耦合至第四输出端子OUT4。第一DC-DC转换电路DCDC1和第二DC-DC转换电路DCDC2能够对在第一DC端子DC+与第二DC端子DC-之间的电压进行DC-DC变换，并且在第一输出端子OUT1之间与第四输出端子OUT4之间提供经变换的直流电压。
如图10所示，在第二开关电路5处于第三状态(即第二开关S2闭合，并且第三开关S3和第四开关S4断开)时，第二输入端子IN2被耦合至第三输入端子IN3。在第二开关电路5处于第四状态(即第二开关S2断开，并且第三开关S3和第四开关S4闭合)时，第二输入端子IN2被耦合至第二DC端子DC-并且第三输入端子IN3被耦合至第一DC端子DC+。
在图10所示的功率变换器100以三相变换模式操作时，其在第一DC端子DC+和第二DC端子DC-之间提供高电压，例如800V。在此情况下，由于第二开关S2闭合并且第三开关S3和第四开关S4断开，使得第一电容器C1与第二电容器C2串联连接，并且第二输入端子IN2被耦合至第三输入端子IN3。因此，第一DC-DC转换电路DCDC1和第二DC-DC转换电路DCDC2能够分担第一DC端子DC+和第二DC端子DC-之间的800V电压，即第一DC-DC转换电路DCDC1和第二DC-DC转换电路DCDC2的输入电压分别为400V。
在功率变换器100以第一单相变换模式和第二单相模式操作时，其在第一DC端子DC+和第二DC端子DC-之间输出低电压，例如400V。在此情况下，由于第二开关S2断开并且第三开关S3和第四开关S4闭合，使得第二输入端子IN2被耦合至第二DC端子DC-并且第三输入端子IN3被耦合至第一DC端子DC+。因此，第一DC-DC转换电路DCDC1和第二DC-DC转换电路DCDC2的输入电压均为400V。
通过上述方式，能够使得在功率变换器100处于不同操作模式的情况下，第一DC-DC转换电路DCDC1和第二DC-DC转换电路DCDC2的输入电压均保持相同，例如400V。
图11示出了根据本公开的一个实施例的功率变换器100的电路原理图。图11所示的功率变换器100与图10所示的功率变换器100具有类似的结构，区别仅在于在图11所示的功率变换器100中，第一DC-DC转换电路DCDC1和第二DC-DC转换电路DCDC2的输出端子串联连接，即第二输入端子IN2被耦合至第三输入端子IN3，从而提供更高的输出电压。对于二者相同的部分，在此将不再赘述。
图12示出了根据本公开的一个实施例的功率变换器100的电路原理图。图12所示的功率变换器100与图10所示的功率变换器100具有类似的结构，区别仅在于图12所示的功率变换器100还包括第三开关电路6。在此将仅对二者的区别进行详细描述，而对于相同的部分将不再赘述。
在一个实施例中，如图12所示，第三开关电路6包括第五开关S5、第六开关S6和第七开关S7。第五开关S5被耦合在第一DC端子DC+与第三输入端子IN3之间。第六开关S6被耦合在第二输入端子IN2与第二DC端子DC-之间。第七开关S7被耦合在第二输入端子IN2与第三输入端子IN3之间。通过采用第三开关电路6，同样能够实现在功率变换器100处于不同操作模式的情况下，将第一DC-DC转换电路DCDC1和第二DC-DC转换电路DCDC2的输入电压均保持相同。下面将结合图13至图15对此进行详细描述。
图13示出了图12所示的功率变换器100在三相变换模式下的配置。如图13所示，在第一开关电路4处于第一状态并且第二开关电路5处于第三状态时，第五开关S5和第六开关S6断开并且第七开关S7闭合，使得第二输入端子IN2被耦合至第三输入端子IN3。在此情况下，第一DC-DC转换电路DCDC1和第二DC-DC转换电路DCDC2能够分担第一DC端子DC+和第二DC端子DC-之间的高电压(例如800V)，即第一DC-DC转换电路DCDC1和第二DC-DC转换电路DCDC2的输入电压分别为400V。
图14示出了图12所示的功率变换器100在第一单相变换模式下的配置。如图14所示，在第一开关电路4处于第二状态并且第二开关电路5处于第三状态时，第五开关S5和第六开关S6闭合并且第七开关S7断开，使得第二输入端子IN2被耦合至第二DC端子DC-并且第三输入端子IN3被耦合至第一DC端子DC+。在此情况下，第一DC-DC转换电路DCDC1和第二DC-DC转换电路DCDC2的输入电压均与第一DC端子DC+和第二DC端子DC-之间的电压相同，也为400V。
图15示出了图12所示的功率变换器100在第二单相变换模式下的配置。如图15所示，在第一开关电路4处于第二状态并且第二开关电路5处于第四状态时，第五开关S5和第六开关S6闭合并且第七开关S7断开，使得第二输入端子IN2被耦合至第二DC端子DC-并且第三输入端子IN3被耦合至第一DC端子DC+。在此情况下，第一DC-DC转换电路DCDC1和第二DC-DC转换电路DCDC2的输入电压均与第一DC端子DC+和第二DC端子DC-之间的电压相同，也为400V。
图16示出了根据本公开的一个实施例的功率变换器100的电路原理图。图16所示的功率变换器100与图12所示的功率变换器100具有类似的结构，区别仅在于在图16所示的功率变换器100中，第一DC-DC转换电路DCDC1和第二DC-DC转换电路DCDC2的输出端子串联连接，即第二输入端子IN2被耦合至第三输入端子IN3，从而提供更高的输出电压。对于二者相同的部分，在此将不再赘述。
应当理解，在其他实施例中，第三开关电路6还可以具有其他结构，例如可以包括更多个开关。通过改变第三开关电路6的状态，同样能够实现对第一DC-DC转换电路DCDC1和第二DC-DC转换电路DCDC2的输入端子的连接状态进行控制。
图17示出了根据本公开的一个实施例的功率变换器100的电路原理图。图17所示的功率变换器100与图12所示的功率变换器100具有类似的结构，区别仅在于图17所示的功率变换器100还包括第四开关电路7。在此将仅对二者的区别进行描述。
在此提供的第四开关电路7旨在对第一DC-DC转换电路DCDC1和第二DC-DC转换电路DCDC2的输出端子之间的连接状态进行控制。如图17所示，第四开关电路7被耦合至第一输出端子OUT1、第二输出端子OUT2、第三输出端子OUT3以及第四输出端子OUT4。第四开关电路7能够在第五状态和第六状态之间切换。在第四开关电路7处于第五状态时，第三输出端子OUT3被耦合至第一输出端子OUT1并且第二输出端子OUT2被耦合至第四输出端子OUT4。在第四开关电路7处于第六状态时，第二输出端子OUT2被耦合至第三输出端子OUT3。通过调节第四开关电路7，能够使得第一DC-DC转换电路DCDC1和第二DC-DC转换电路DCDC2的输出端子串联连接或并联连接，从而提供不同的输出电压。
在一个实施例中，如图17所示，第四开关电路7包括第八开关S8、第九开关S9和第十开关S10。第八开关S8被耦合在第二输出端子OUT2与第三输出端子OUT3之间。第九开关S9被耦合在第二输出端子OUT2与第四输出端子OUT4之间。第十开关S10被耦合在第一输出端子OUT1与第三输出端子OUT3之间。在第四开关电路7处于第五状态时，第八开关S8断开并且第九开关S9和第十开关S10闭合，从而使得第一DC-DC转换电路DCDC1和第二DC-DC转换电路DCDC2的输出端子并联连接。在第四开关电路7处于第六状态时，第八开关S8闭合并且第九开关S9和第十开关S10断开，从而使得第一DC-DC转换电路DCDC1和第二DC-DC转换电路DCDC2的输出端子串联连接。
图18示出了根据本公开的一个实施例的功率变换器10的电路原理图。图18所示的功率变换器100与图10所示的功率变换器100具有类似的结构，区别仅在于图18所示的功率变换器100也包括如上所述的第四开关电路7。
应当理解，在其他实施例中，第四开关电路7还可以具有其他结构，例如可以包括更多个开关。通过将第四开关电路7在第五状态和第六状态之间切换，同样能够使得第一DC-DC转换电路DCDC1和第二DC-DC转换电路DCDC2的输出端子串联连接或并联连接。
以上已经描述了本公开的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。
Claims (11)
1.一种功率变换器(100)，包括：
T型三电平整流电路，包括：
三相AC端口(L1、L2、L3)；
第一DC端子(DC+)和第二DC端子(DC-)；
电容器电路(1)，包括第一电容器(C1)和第二电容器(C2)，被耦合在所述第一DC端子(DC+)和所述第二DC端子(DC-)之间，并且具有第一中间节点(N1)；
三相整流器电路(2)，被耦合在所述三相AC端口(L1、L2、L3)与所述电容器电路(1)之间；以及
双向开关电路(3)，被耦合至所述三相整流器电路(2)；以及
第一开关电路(4)，被耦合在所述第一DC端子(DC+)和所述第二DC端子(DC-)之间，并且被耦合至所述双向开关电路(3)以及所述第一中间节点(N1)，所述第一开关电路(4)被配置为能够在第一状态与第二状态之间切换，其中在所述第一开关电路(4)处于所述第一状态时，所述功率变换器(100)以三相变换模式操作，并且其中在所述第一开关电路(4)处于所述第二状态时，所述功率变换器(100)以单相变换模式操作。
2.根据权利要求1所述的功率变换器(100)，其中所述第一开关电路(4)包括：
第一可控半导体器件(M1)和第二可控半导体器件(M2)，被串联耦合在所述第一DC端子(DC+)和所述第二DC端子(DC-)之间，并且具有被耦合至所述双向开关电路(3)的第二中间节点(N2)；以及
第一开关(S1)，被耦合在所述第一中间节点(N1)与所述第二中间节点(N2)之间，
其中在所述第一开关电路(4)处于所述第一状态时，所述第一开关(S1)闭合并且所述第一可控半导体器件(M1)和所述第二可控半导体器件(M2)关断，并且
其中在所述第一开关电路(4)处于所述第二状态时，所述第一开关(S1)断开并且所述第一可控半导体器件(M1)和所述第二可控半导体器件(M2)交替地接通。
3.根据权利要求1所述的功率变换器(100)，还包括：
第二开关电路(5)，被耦合在所述第一DC端子(DC+)和所述第二DC端子(DC-)之间以及所述第一电容器(C1)和所述第二电容器(C2)之间，所述第二开关电路(5)被配置为能够在第三状态与第四状态之间切换，以改变所述第一电容器(C1)和所述第二电容器(C2)之间的连接状态，
其中在所述第二开关电路(5)处于所述第三状态时，所述第一电容器(C1)和所述第二电容器(C2)被串联耦合在所述第一DC端子(DC+)和所述第二DC端子(DC-)之间，
其中在所述第二开关电路(5)处于所述第四状态时，所述第一电容器(C1)和所述第二电容器(C2)被并联耦合在所述第一DC端子(DC+)和所述第二DC端子(DC-)之间，
其中在所述第一开关电路(4)处于所述第一状态并且所述第二开关电路(5)处于所述第三状态时，所述功率变换器(100)以所述三相变换模式操作，并且
其中所述单相变换模式包括第一单相变换模式和第二单相变换模式，在所述第一开关电路(4)处于所述第二状态并且所述第二开关电路(5)处于所述第三状态时，所述功率变换器(100)以所述第一单相变换模式操作，并且在所述第一开关电路(4)处于所述第二状态并且所述第二开关电路(5)处于所述第四状态时，所述功率变换器(100)以所述第二单相变换模式操作。
4.根据权利要求3所述的功率变换器(100)，其中所述第二开关电路(5)包括：
第二开关(S2)，被耦合在所述第一电容器(C1)与所述第二电容器(C2)之间，其中所述第一电容器(C1)与所述第二开关(S2)之间的第三节点(N3)或者所述第二开关(S2)与所述第二电容器(C2)之间的第四节点(N4)作为所述第一中间节点(N1)被耦合至所述第一开关(S1)；
第三开关(S3)，被耦合在所述第三节点(N3)与所述第二DC端子(DC-)之间；以及
第四开关(S4)，被耦合在所述第一DC端子(DC+)与所述第四节点(N4)之间，
其中在所述第二开关电路(5)处于所述第三状态时，所述第二开关(S2)闭合，并且所述第三开关(S3)和所述第四开关(S4)断开；以及
其中在所述第二开关电路(5)处于所述第四状态时，所述第二开关(S2)断开，并且所述第三开关(S3)和所述第四开关(S4)闭合。
5.根据权利要求4所述的功率变换器(100)，还包括：
第一DC-DC转换电路(DCDC1)，包括第一输入端子(IN1)、第二输入端子(IN2)、第一输出端子(OUT1)和第二输出端子(OUT2)，所述第一输入端子(IN1)被耦合至所述第一DC端子(DC+)；以及
第二DC-DC转换电路(DCDC2)，包括第三输入端子(IN3)、第四输入端子(IN4)、第三输出端子(OUT3)和第四输出端子(OUT4)，所述第四输入端子(IN4)被耦合至所述第二DC端子(DC-)，
其中在所述第一开关电路(4)处于所述第一状态并且所述第二开关电路(5)处于所述第三状态时，所述第二输入端子(IN2)被耦合至所述第三输入端子(IN3)，
其中在所述第一开关电路(4)处于所述第二状态并且所述第二开关电路(5)处于所述第三状态时，所述第二输入端子(IN2)被耦合至所述第二DC端子(DC-)并且所述第三输入端子(IN3)被耦合至所述第一DC端子(DC+)，以及
其中在所述第一开关电路(4)处于所述第二状态并且所述第二开关电路(5)处于所述第四状态时，所述第二输入端子(IN2)被耦合至所述第二DC端子(DC-)并且所述第三输入端子(IN3)被耦合至所述第一DC端子(DC+)。
6.根据权利要求5所述的功率变换器(100)，其中所述第二输入端子(IN2)被耦合至所述第三节点(N3)，并且所述第三输入端子(IN3)被耦合至所述第四节点(N4)。
7.根据权利要求5所述的功率变换器(100)，还包括第三开关电路(6)，所述第三开关电路(6)包括：
第五开关(S5)，被耦合在所述第一DC端子(DC+)与所述第三输入端子(IN3)之间；
第六开关(S6)，被耦合在所述第二输入端子(IN2)与所述第二DC端子(DC-)之间；以及
第七开关(S7)，被耦合在所述第二输入端子(IN2)与所述第三输入端子(IN3)之间，
其中在所述第一开关电路(4)处于所述第一状态并且所述第二开关电路(5)处于所述第三状态时，所述第五开关(S5)和所述第六开关(S6)断开并且所述第七开关(S7)闭合，
其中在所述第一开关电路(4)处于所述第二状态并且所述第二开关电路(5)处于所述第三状态时，所述第五开关(S5)和所述第六开关(S6)闭合并且所述第七开关(S7)断开，以及
其中在所述第一开关电路(4)处于所述第二状态并且所述第二开关电路(5)处于所述第四状态时，所述第五开关(S5)和所述第六开关(S6)闭合并且所述第七开关(S7)断开。
8.根据权利要求5所述的功率变换器(100)，其中所述第三输出端子(OUT3)被耦合至所述第一输出端子(OUT1)，并且所述第二输出端子(OUT2)被耦合至所述第四输出端子(OUT4)。
9.根据权利要求5所述的功率变换器(100)，其中所述第二输出端子(OUT2)被耦合至所述第三输出端子(OUT3)。
10.根据权利要求5所述的功率变换器(100)，还包括：
第四开关电路(7)，被耦合至所述第一输出端子(OUT1)、所述第二输出端子(OUT2)、所述第三输出端子(OUT3)以及所述第四输出端子(OUT4)，并且被配置为能够在第五状态和第六状态之间切换，其中在所述第四开关电路(7)处于所述第五状态时，所述第三输出端子(OUT3)被耦合至所述第一输出端子(OUT1)并且所述第二输出端子(OUT2)被耦合至所述第四输出端子(OUT4)，并且在所述第四开关电路(7)处于所述第六状态时，所述第二输出端子(OUT2)被耦合至所述第三输出端子(OUT3)。
11.根据权利要求10所述的功率变换器(100)，其中所述第四开关电路(7)包括：
第八开关(S8)，被耦合在所述第二输出端子(OUT2)与所述第三输出端子(OUT3)之间；
第九开关(S9)，被耦合在所述第二输出端子(OUT2)与所述第四输出端子(OUT4)之间；以及
第十开关(S10)，被耦合在所述第一输出端子(OUT1)与所述第三输出端子(OUT3)之间，
其中在所述第四开关电路(7)处于所述第五状态时，所述第八开关(S8)断开并且所述第九开关(S9)和所述第十开关(S10)闭合，并且
其中在所述第四开关电路(7)处于所述第六状态时，所述第八开关(S8)闭合并且所述第九开关(S9)和所述第十开关(S10)断开。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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Address after: Delft Applicant after: ABB Electric Transportation Co.,Ltd. Address before: Rotterdam Applicant before: ABB A/S |
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Effective date of registration: 20221104 Address after: Rotterdam Applicant after: ABB A/S Address before: Baden Applicant before: ABB Switzerland Co.,Ltd. |
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| TA01 | Transfer of patent application right | ||
| CB02 | Change of applicant information |
Address after: Delft Applicant after: ABB Electric Vehicles LLC Address before: Delft Applicant before: ABB Electric Transportation Co.,Ltd. |
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| CB02 | Change of applicant information | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |