【技術實現步驟摘要】
【國外來華專利技術】
技術介紹
1、各種類型的功率轉換器已經被生產和用于許多工業和環境中。示例功率轉換器包括交流(ac)到直流(dc)整流器、dc到ac逆變器以及dc到dc轉換器。ac到dc整流器，也稱為ac/dc整流器，將ac功率轉換為dc功率。dc到ac整流器，也稱為dc/ac整流器，將dc功率轉換為ac功率。功率轉換器可以用于各種目的，諸如將來自ac電網功率電源的ac功率整流為dc功率以給電池充電，或者將來自電池的dc功率逆變為ac功率以驅動電機或者向ac電網供應ac功率。此外，功率轉換器可以用在各種環境中，諸如在電動交通工具、發動機發電機、太陽能電池板等中或連接到電動交通工具、發動機發電機、太陽能電池板等。
技術實現思路
1、可以根據功率轉換效率、功率密度和成本以及其他特性來描述功率轉換器。通常，希望具有更高功率效率、更高功率密度和更低成本的功率轉換器。高效的功率轉換器能夠在沒有顯著能量損失的情況下轉換功率(例如，ac到dc，dc到ac，和/或dc到dc)。低效率功率轉換器在功率轉換期間經歷較高的能量損耗。例如，此類能量損失可以表現為功率轉換器在轉換功率時生成的熱量。功率轉換器、電感器或其他電子部件的功率效率可以表示為0和100％之間的百分比，并基于部件的功率輸入和來自部件的功率輸出使用方程：功率效率＝(功率輸出)/(功率輸入)來確定。與由功率轉換器占用的物理空間相比，具有高功率密度的功率轉換器具有由功率轉換器輸出的高比率。功率密度可以使用方程：功率密度＝(功率輸出)/(功率轉換器的體積)來計
2、能量成本，包括貨幣成本和環境成本，仍然是許多采用功率轉換器的行業的重要因素。因此，功率轉換器的功率效率即使輕微增加(例如，十分之一)也可能是顯著的且非常理想的。類似地，功率轉換器的材料和尺寸的減少可以是顯著的和非常期望的，從而允許在結合功率轉換器的系統中容納功率轉換器的成本和物理空間的降低。
3、在電網連接的功率轉換器應用中，諸如電動交通工具(ev)充電器和光伏(pv)電源、泄漏電流和dc母線利用率是影響性能的因素。對于泄漏電流問題，通常安裝體積龐大的線路頻率變壓器來阻擋公共耦合點(pcc)處的泄漏路徑，這增加了系統的成本、體積和重量。對于dc母線利用率，dc母線電壓需要提升至電網電壓幅度的至少兩倍以避免飽和問題，這帶來了額外的開關損耗，并且對開關電壓容限能力提出了挑戰。
4、雙向功率轉換器可以用于使用ac功率對dc源充電并且使用來自dc源的dc功率驅動ac電機。當此類功率轉換器被包括在電動交通工具中時，也可以被稱為集成充電器。集成充電器既可以用作電動交通工具的電池的主充電接口，也可以用作驅動電動交通工具的電機的牽引逆變器。通過使用雙用功率轉換器，而不是單獨的充電器轉換器和牽引逆變器，可以降低材料成本和尺寸。然而，相對于專用功率轉換器，雙用功率轉換器增加了為充電和牽引力模式設計高效和有效的轉換器的復雜性。此外，設計因素超出了效率問題，因為如果沒有適當的設計，功率轉換器會由于泄漏電流和/或共模電壓導致電機軸承、電機軸、電機繞組和齒輪系中的一個或多個中的電流尖峰，從而相應損壞和縮短這些部件的壽命。
5、本文公開的一些實施例解決了這些或其他問題。例如，本文公開的一些實施例涉及具有以下一項或多項的非隔離的功率轉換器：(i)用于零序電壓控制的n相諧波的倍數的注入，(ii)級聯控制系統，(iii)用于主動阻尼以減輕諧振的模型預測控制(mpc)，(iv)可變頻率臨界軟開關(vfcss)，以及(v)模塊化轉換器塊。這些特征可以獨立地或以任何組合包括在功率轉換器的實施例中。例如，功率轉換器可以包括上述特征之一、上述特征中的任意兩個、上述特征中的任意三個、上述特征中的任意三個、上述特征中的任意四個、或上述特征中的全部五個。附加地，結合這些實施例中的任一個，功率轉換器可以包括針對功率轉換器的n個相位中的每一相的至少一個lc濾波器(其中n≥1)，其中每個lc濾波器的電容器連接到功率轉換器的dc母線正端子或負端子，并且在一些情況下，每個lc濾波器的另一個電容器連接到功率轉換器的dc母線正端子或負端子中的另一者。這些具有連接到dc母線正端子或負端子的公共點的多相電容器創建用于零序電壓控制的旁路路徑。耦合到dc母線正端子的電容器(上電容器)也可以在不增加總電容或體積的情況下降低功率轉換器的emi和總紋波電流處理要求。在本文公開的一些實施例中，附加的漏源電容器(cds)跨越功率開關元件的漏極和源極端子耦合，這可以減緩開啟到關閉轉換期間的電壓上升。這種減緩的電壓上升進而可以減少功率開關元件的開關損耗。
6、本文公開的一些實施例包括針對新穎的非隔離n相dc/ac(對于n≥1)轉換器的模塊化模型預測控制(mpc)方法的系統、方法和其他實現(包括硬件、軟件和混合硬件/軟件實現)，該轉換器具有零序電壓穩定和可選地調節共模電壓注入(例如，三相系統的三次諧波注入(thi)，或任何其他倍數的諧波)的能力，用于增加給定dc電壓的可用基頻ac電壓幅度的目的。當n＝1或n＝2時，dc/ac功率轉換器被認為是單相系統。當n＝3時，功率轉換器為三相系統，當n>3時，功率轉換器稱為多相系統。盡管本文的描述可以集中在三相系統上，但是所描述的各種實現和特征適用于任何數量的相位。
7、這種非隔離拓撲被設計用于連接三相lc濾波電容器和正/負dc母線端子的公共點，以繞過零序泄漏電流。在一些實施例中，零序電壓mpc控制器將零序電容器電壓穩定為大約dc母線電壓的一半的常數。因此，流經電網或其它耦合元件的泄漏電流被衰減。此外，本文公開的調節三次諧波電壓注入(thi)技術改進了dc母線的利用率。通過向零序電壓mpc參考中添加三次諧波，改進了穩定性和穩健性。與傳統的thi技術相比，由于沒有額外的諧波注入電網，因此電網連接功率質量得到了改進。每相顯式mpc簡化了控制器(例如，數字信號處理器(dsp))上的執行復雜性，并且不需要更新狀態空間矩陣中的角速度，這允許離線mpc優化。與傳統的比例積分(pi)控制器相比，本文公開的mpc控制器的實施例提供了具有改進的動態性能和具有更快響應的控制帶寬的功率轉換器控制。
8、有效的零序電壓控制(通過本文公開的lc濾波器和控制方案)還用于降低某些軸承電流、軸電流、電機繞組電流、齒輪系電流和其他可能潛在損壞和降低電機及其部件(軸承、軸、線路等)壽命的電流。例如，由高電壓變化率(dv/dt)引起的電流，特別是在較高電壓下(例如，高于400v、高于或接近800v，以及介于兩者之間的電平)，會對電機軸承、電機軸、電機繞組(例如，絕緣可能被損壞)和齒輪系造成損壞(例如，軸承電流會經由電磁干擾(emi)或由軸承座圈壁損壞而產生的噪聲、振動、粗糙度(nvh)傳播到齒輪系中)。
9、在一些示例中，使用可變頻率臨界軟開關(vfcss)方案來驅動功率轉換器。vfcss方案可以為功率轉換器提供改進的效率和減小的濾波器體積(即，改進的功率密度)。
10、在一些示例中，功率轉換器通過本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.一種非隔離功率轉換器系統，所述系統包括：
2.如權利要求1所述的功率轉換器系統，其特征在于，所述控制系統是級聯控制系統，所述級聯控制系統包括：
3.如權利要求2所述的功率轉換器系統，其特征在于，為了根據所述控制參考目標來驅動所述功率開關元件的所述部分，至少一個局部控制器中的每一個局部控制器被配置成用于：
4.如權利要求2所述的功率轉換器系統，其特征在于，所述中央控制器被進一步配置成用于：
5.如權利要求4所述的功率轉換器系統，其特征在于，所述中央控制器被進一步配置成用于：
6.如權利要求4所述的功率轉換器系統，其特征在于，所述中央控制器被進一步配置成用于：
7.如權利要求6所述的功率轉換器系統，
8.如權利要求1所述的功率轉換器系統，其特征在于，對于所述功率轉換器級的所述N相中的每一相，所述功率開關元件包括在中點節點處連接的高側元件和低側元件，并且
9.如權利要求8所述的功率轉換器系統，其特征在于，每個相應LC濾波器進一步包括耦合在所述相應LC濾波器的所述濾波器節點和所述DC源的正
10.如權利要求8所述的功率轉換器系統，進一步包括：
11.如權利要求10所述的功率轉換器系統，進一步包括：
12.如權利要求10所述的功率轉換器系統，其特征在于，所述N個接口端子包括用于耦合到N相電機的N個電機連接點和用于耦合到N相功率電網的N個電網連接點。
13.如權利要求12所述的功率轉換器系統，進一步包括牽引力模式和充電模式，其特征在于：
14.如權利要求1所述的功率轉換器系統，其特征在于：
15.如權利要求1所述的功率轉換器系統，其特征在于，為了使用可變頻率軟開關來驅動所述功率開關元件，所述控制系統被配置成用于基于所述N相LC濾波器的電氣特性來確定用于驅動所述轉換器的所述功率開關元件的開關頻率。
16.如權利要求2所述的功率轉換器系統，進一步包括：
17.一種轉換功率的方法，所述方法包括：
18.如權利要求17所述的方法，其特征在于所述控制系統是級聯控制系統，所述方法進一步包括：
19.如權利要求18所述的方法，其特征在于，由所述至少一個局部控制器中的每一個局部控制器根據所述控制參考目標來驅動所述功率開關元件的一部分，包括
20.如權利要求18所述的方法，進一步包括：
21.如權利要求20所述的方法，進一步包括：
22.如權利要求20所述的方法，進一步包括：
23.如權利要求22所述的方法，其特征在于，由所述中央控制器基于所述旋轉參考系目標生成所述靜止參考系中的所述N個控制參考系目標包括：
24.如權利要求17所述的方法，其特征在于，對于所述功率轉換器的所述N相中的每一相，所述功率開關元件包括在中點節點處連接的高側元件和低側元件，并且
25.如權利要求24所述方法，其特征在于，每個相應LC濾波器進一步包括耦合在所述相應LC濾波器的所述濾波器節點和所述DC源的正DC端子之間的第二電容器。
26.如權利要求24所述的方法，進一步包括：
27.如權利要求26所述的方法，進一步包括：
28.如權利要求27所述的方法，進一步包括：
29.如權利要求17所述的方法，其特征在于，
30.如權利要求17所述的方法，其特征在于，使用可變頻率軟開關驅動所述功率開關元件包括：
31.一種用于電動交通工具的非隔離功率轉換器系統，所述系統包括：
32.如權利要求31所述的系統，進一步包括：
33.如權利要求31所述的系統，其特征在于，在所述牽引力模式和所述充電模式期間，所述AC端子連接到電機連接點和AC電網連接點。
34.如權利要求31所述的系統，進一步包括：
35.如權利要求31所述的系統，進一步包括：
36.如權利要求31所述的系統，其特征在于，所述控制系統是級聯控制系統，所述級聯控制系統包括：
37.如權利要求36所述的系統，其特征在于，為了根據所述控制參考目標來驅動所述功率開關元件的所述部分，至少一個局部控制器中的每一個局部控制器被配置成用于：
38.如權利要求36所述的系統，其特征在于，所述中央控制器進一步被配置成用于：
39.如權利要求38所述的系統，其特征在于，所述中央控制器進一步被配置成用于：
40.如權利要求38所述的系統，其特征在于，所述中央控制器進...
【技術特征摘要】
【國外來華專利技術】
1.一種非隔離功率轉換器系統，所述系統包括：
2.如權利要求1所述的功率轉換器系統，其特征在于，所述控制系統是級聯控制系統，所述級聯控制系統包括：
3.如權利要求2所述的功率轉換器系統，其特征在于，為了根據所述控制參考目標來驅動所述功率開關元件的所述部分，至少一個局部控制器中的每一個局部控制器被配置成用于：
4.如權利要求2所述的功率轉換器系統，其特征在于，所述中央控制器被進一步配置成用于：
5.如權利要求4所述的功率轉換器系統，其特征在于，所述中央控制器被進一步配置成用于：
6.如權利要求4所述的功率轉換器系統，其特征在于，所述中央控制器被進一步配置成用于：
7.如權利要求6所述的功率轉換器系統，
8.如權利要求1所述的功率轉換器系統，其特征在于，對于所述功率轉換器級的所述n相中的每一相，所述功率開關元件包括在中點節點處連接的高側元件和低側元件，并且
9.如權利要求8所述的功率轉換器系統，其特征在于，每個相應lc濾波器進一步包括耦合在所述相應lc濾波器的所述濾波器節點和所述dc源的正dc端子之間的第二電容器。
10.如權利要求8所述的功率轉換器系統，進一步包括：
11.如權利要求10所述的功率轉換器系統，進一步包括：
12.如權利要求10所述的功率轉換器系統，其特征在于，所述n個接口端子包括用于耦合到n相電機的n個電機連接點和用于耦合到n相功率電網的n個電網連接點。
13.如權利要求12所述的功率轉換器系統，進一步包括牽引力模式和充電模式，其特征在于：
14.如權利要求1所述的功率轉換器系統，其特征在于：
15.如權利要求1所述的功率轉換器系統，其特征在于，為了使用可變頻率軟開關來驅動所述功率開關元件，所述控制系統被配置成用于基于所述n相lc濾波器的電氣特性來確定用于驅動所述轉換器的所述功率開關元件的開關頻率。
16.如權利要求2所述的功率轉換器系統，進一步包括：
17.一種轉換功率的方法，所述方法包括：
18.如權利要求17所述的方法，其特征在于所述控制系統是級聯控制系統，所述方法進一步包括：
19.如權利要求18所述的方法，其特征在于，由所述至少一個局部控制器中的每一個局部控制器根據所述控制參考目標來驅動所述功率開關元件的一部分，包括
20.如權利要求18所述的方法，進一步包括：
21.如權利要求20所述的方法，進一步包括：
22.如權利要求20所述的方法，進一步包括：
23.如權利要求22所述的方法，其特征在于，由所述中央控制器基于所述旋轉參考系目標生成所述靜止參考系中的所述n個控制參考系目標包括：
24.如權利要求17所述的方法，其特征在于，對于所述功率轉換器的所述n相中的每一相，所述功率開關元件包括在中點節點處連接的高側元件和低側元件，并且
25.如權利要求24所述方法，其特征在于，每個相應lc濾波器進一步包括耦合在所述相應lc濾波器的所述濾波器節點和所述dc源的正dc端子之間的第二電容器。
26.如權利要求24所述的方法，進一步包括：
27.如權利要求26所...
【專利技術屬性】
技術研發人員：M·普雷德爾，周力為，WM·歐爾，M·詹恩斯，
申請(專利權)人：紐約市哥倫比亞大學理事會，
類型：發明
國別省市：
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