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CN103718447B - 功率转换设备 - Google Patents

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CN103718447B CN201280005298.4A CN201280005298A CN103718447B CN 103718447 B CN103718447 B CN 103718447B CN 201280005298 A CN201280005298 A CN 201280005298A CN 103718447 B CN103718447 B CN 103718447B
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Abstract

为了提供一种功率转换设备使得可在宽幅的交流电源电压波动的范围上向负载提供恒定电压以及抑制双向开关元件的浪涌电压，同时避免大小的增大、成本的增加以及效率的降低，设备包括升压/降压斩波单元10、逆变器单元20a、整流器单元30a、第一至第三电压检测装置61至63，以及驱动控制单元71。根据电压检测装置61检测到的所检测的电压值，驱动控制单元71的电压调节装置71生成用于使电容器3的有效电压值保持恒定的控制信号。通过经由控制信号驱动升压/降压斩波单元10以及逆变器单元20a的开关元件，电容器3的有效电压值被控制成恒定。整流器单元30a通过在双向开关元件5和6被切断时使存储元件21和22吸收存储在电感器4中的能量来抑制浪涌电压。

Description

功率转换设备
技术领域
本发明涉及功率转换设备，其中交流电功率源电压波动或功率中断被补偿，由此向负载提供稳定电压。
背景技术
图6示出了使用半导体开关元件的交流升压斩波电路(在下文中称为双向开关元件)，其补偿交流电源电压降，向负载提供恒定电压，并且可控制双向电流的接通和切断(专利文献1，图17)。
交流升压斩波电路包括：第一串联电路，其中第一电感器4和第一双向开关元件6被串联连接；以及第二串联电路，其被并联至第一双向开关元件6，其中第二双向开关元件5和电容器3被串联连接。
通过在交流升压斩波电路中交替地使两个双向开关元件5和6接通和切断，可能保持负载电压Vout(V输出)(电容器3两端的电压)，即使在交流电源1的电压Vin(V输入)下降时亦然。负载电压Vout由两个双向开关元件5和6的接通和切断比率来决定。
例如，当电源电压Vin下降至额定的80％，则用于使负载电压Vout保持在额定的100％的升压比率为[1.0/0.8]。因此，双向开关元件5的接通比率为[0.8]，而双向开关元件6的接通比率为[0.2(＝1-0.8)]。
图7是用在交流升压斩波器中的双向开关元件的配置的示例。在图7A中，两个反向阻断IGBT(给定相对于反向极性的击穿电压等于相对于正向极性的击穿电压)被反并联连接。图7B示出了电路，其中给定反向击穿电压由被串联连接至不具有反向击穿电压的正常IGBT的二极管给出，这些电路被进一步反并联连接。图7C示出了反向导电元件，其中二极管被并行连接至IGBT，进一步这些反向导电元件被反串联连接。图7D示出了与图7C相同类似的连接，但是MOSFET被用作开关元件。
与IGBT不同，MOSFET具有使得电流和前向电压降成比例的电阻特性，这意味着理论上，可通过增大并联的MOSFET的数目来使得前向电压降愈加接近零。而且，由于当电压被施加到MOSFET的栅极时，该MOSFET在反向上也导通，因此在特定条件下有可能使前向电压降减小得比使用并行二极管更多。具体地，由于使用SiC(金刚砂)的MOSFET最近已开始商业化，因此预期有前向电压降中相当量的减小。
然而，关于先前所描述的交流升压斩波电路已知有以下的两个问题。
第一个问题是对用于交流电源电压降的电压补偿的量的限制。在升压操作中，输入电路Iin(I输入)流动多出与负载电流Iout(I输出)的升压成比例的量。例如，假定电源电压Vin下降至其额定的[1/5]，则输入电流Iin即刻变成额定的五倍。由此，用作双向开关元件的半导体开关元件需要能容忍5倍的电流量。而且，必需的是，即使在先前所描述的电流流动时，电感器不变成饱和。由此，半导体开关元件和电感器在大小上随所要补偿的电压范围的增宽而增加，并且成本也增大。由此，在实际实践中，功率转换设备使用时，电源电压的50％至100％作为补偿范围，而50％或更小被认为落在补偿范围的外部。
然而，无法保证当存在瞬时电压降时的电压降的量恒定，并且虽然增大补偿电压范围以便降低负载设备中的故障的风险是较佳的，但是在存在短功率中断以致电源电压降至零时向负载提供功率是不可能的。而且，由于降压操作是不可能的，因此补偿电压上升以使得电源电压Vin变得高于负载电压Vout是不可能的。此外，当交流电源电压和负载电压是异步的，诸如当电源频率异常时，向负载提供功率是不可能的。结果，尽管交流升压斩波电路是简单的，但是存在关于负载所要求的电源质量水平和可靠性的问题。
第二个问题是在双向开关元件被切断时的生成的浪涌电压，并且在最坏的情形中，构成负载和交流升压斩波电路的元件被破坏。作为生成浪涌电压的因素，存在当给开关元件的电流在正常工作操作期间被中断时导致的一个因素，以及在保护设备时由切断所有开关元件的操作所导致的一个因素，且后一个因素构成特定问题。如所公知的，前者使得当切断开关元件时，发生高dl/dt(dl是电流改变的量，而dt是时间)，并且因开关元 件周围的线电感而生成浪涌电压L×dl/dt(L是线电感)。
为了给出对后一因素的描述，当一些意外时，诸如例如在升压操作期间发生负载短路，双向开关元件5和6必须停止以便确保安全性。然而，当在转换操作期间同时切断双向开关元件5和6时，不再有用来消耗存储在电感器4中的能量的路径，这意味着在双向开关元件5或6中生成浪涌电压。就线电感而言，通过例如缩短开关元件之间的线路等实现一定程度的改进是可能的，但是由于后一因素的电感器4电感由电路状况决定，其相对于线电感而言是极大的(几十毫微亨至几百毫微亨)，并且浪涌电压也很高。
这种例如专利文献2中所示的功率转换设备已知为一种用于解决第一问题的方法。图8中示出了配置。藉由在电源电压Vin在恒定范围内波动时通过逆变器42经由变压器31将电容器35和36的能量提供给负载2，可补偿与电源电压Vin的波动量相等的电压，由此使负载电压Vout保持恒定，并且电容器35和36的能量由逆变器43来补充或返回。同时，当电源电压Vin下降至落在补充范围之外的电压时，电容器35和36的能量通过逆变器43被提供给负载2。
用此设备来在电源电压Vin的宽幅波动范围上向负载提供恒定电压是可能的，但是由于电压补偿变压器31(具有商用频率50至60Hz的绝缘变压器)是必需的，因此在设备的能力、重量、或成本方面存在问题。而且，由于与电压补偿的量相等的功率穿过两个逆变器，因此发生的另一问题在于，功率转换器损耗比交流升压斩波器的情形中的大。
这种例如专利文献3中所示的整流缓冲器电路已知为一种用于解决第二问题的方法。图9中所示的专利文献3的矩阵转换器设备50包括矩阵转换器46、输入滤波器47和整流器缓冲器电路48。整流器缓冲器电路48被连接到矩阵转换器46的输入侧和输出侧。输入滤波器47包括例如电感器和电容器。图9是对三相矩阵转换器的应用的示例，但是整流器缓冲器电路48在单相或三相交流升压斩波中也达成相同益处。
在当保护设备时切断所有开关元件的情形中，如先前所描述的，由存储在电源侧(这里指输入滤波器47的组件)上的电感和负载侧(这里指电动机49)上的电感中的能量生成浪涌电压。所生成的浪涌电压通过穿过 整流器电路51或52来整流，并且电源侧和负载侧上的电压上升被抑制，且通过被充电的电容器53来防止过电压。而且，当电源侧和负载侧的电感组件生成的能量的量很大且电容器53的直流电压升至高于预定值时，通过在放电电路56中消耗该能量来防止过电压。该操作使得电压检测电路57检测到过电压，并且通过接通半导体开关元件54在电阻器55中消耗能量。
引用列表
专利文献
专利文献1：日本专利No.3,902,030
专利文献2：JP-A-11-178216
专利文献3：JP-A-2007-221844
发明内容
技术问题
如背景技术中所描述的，通过改变或增加电路解决每个问题是可能的，但是这不仅无法同时解决两个迄今为止描述的问题，还存在其中发生其他问题的情形。
因此，本发明的目的在于提供功率转换设备以使得能在宽幅交流电源电压波动范围上向负载提供恒定电压，并抑制双向开关元件的浪涌电压，同时避免大小的增加、成本的增加、以及效率的降低。
问题的解决方案
一种根据本发明的功率转换设备，其特征在于，包括：第一串联电路，其中第一电感器和第一双向开关元件被串联连接；第二串联电路，其被并联连接至第一双向开关元件，其中第二双向开关元件和电容器被串联连接；串行开关元件，其中2N(N为正整数)个开关元件被串联连接，在这些开关元件的每一个中，二极管被反并联连接；串行存储元件，其被并联连接至串行开关元件，其中第一和第二存储元件被串联连接；第一串行整流器元件，其被并联连接至串行存储元件，其中第一和第二整流器元件被串联连接；从2N个开关元件的中间点连接至第二双向开关元件和电容器的连接点的第二电感器，其中所述第一和第二存储元件的连接点被连接至第一双向开关元件和电容器的连接点，第一和第二整流器元件的连接点被 连接至第一双向开关元件和第二双向开关元件的连接点，以及连接至第一串行电路的交流电被转换，且从电容器的两端输出。
根据迄今为止所描述的功率转换设备，可能的是：通过驱动第一和第二双向开关元件和/或2N个开关元件，来使交流电源电压升压或降压，由此使电容器(跨负载)的电压保持恒定。
此外，当第一和第二双向开关元件被切断时，藉由经由串行整流器元件通过串行存储元件吸收存储在第一电感器中的能量，可保护双向开关元件免于浪涌电压。
而且，本发明的功率转换设备使得避免设备的大小的增加以及成本的增加成为可能。
根据本发明的功率转换设备，其特征在于，还包括：第二串行整流器元件，其被并联连接至第一整流器元件，其中第三和第四整流器元件被串联连接，其中第三和第四整流器元件的连接点被连接至第二双向开关元件和电容器的连接点。
根据迄今为止所描述的功率转换设备，存储在负载侧的电感组件中的能量可被迅速吸收，由此可能更可靠地抑制双向开关元件的浪涌电压。
根据本发明的功率转换设备，其特征在于，包括：电压检测装置，其检测交流电的电压值；以及驱动控制单元，其驱动第一和第二双向开关元件以及第一和第二开关元件中的每一个，该驱动控制单元包括第一模式，当电压检测装置检测到的交流电压值落在第一电压范围内，则第一模式切断第一双向开关元件，接通第二双向开关元件，并驱动2N个开关元件以使交流电升压，由此使所述串行存储元件的电压保持在预定电压值，第二模式，当交流电源值落在低于第一电压范围的预定第二电压范围内时，第二模式驱动所述第一和第二双向开关元件以使交流电升压，并将其施加到电容器，由此使电容器的电压保持在预定电压值，并且驱动2N个开关元件以使交流电升压，由此使串行存储元件的电压保持在预定电压值，第三模式，当交流电压值第一所述第二电压范围时，第三模式切断第一和第二双向开关元件，并驱动2N个开关元件，由此使用存储在串行存储元件中的功率来使电容器的电压保持在预定电压值，以及第四模式，当交流电压值高于第一电压范围时，第四模式切断第一双向开关并驱动第二双向开关 元件以使交流电降压，由此使电容器的电压保持在所述预定电压值，并且驱动2N个开关元件以使交流电升压，由此使串行存储元件的电压保持在预定电压值。
根据迄今为止所描述的功率转换设备，可能的是：在宽幅交流电源电压波动的范围上使交流电源电压升压或降压，由此使电容器(跨负载)的电压保持恒定。
而且，由于每个模式导致功率穿过最小所需数目的双向开关元件和半导体开关元件，因此可避免效率的降低。
根据本发明的功率转换设备，其特征在于，驱动控制单元包括第五模式，当交流电压值落在低于第二电压范围的预定第三电压范围内并且时间落在预定时间内时，第五模式切断所述第二双向开关元件并驱动所述第一双向开关元件以使交流电升压，由此使串行存储元件的电压保持在预定电压值，并且驱动所述2N个开关元件，由此使用存储在串行存储元件中的功率来使电容器的电压保持在预定电压值。
根据迄今为止所描述的功率转换设备，即使当在交流电源中发生瞬时电压降时，也能使电容器(跨负载)的电压保持恒定。
而且，本发明的功率转换设备使得：由于大电流的流动持续极短时段，因此避免设备的大小的增加以及成本的增加是可能的。
根据本发明的功率转换设备，其特征在于，驱动控制单元包括：包括第六模式，当交流电压值落在所述第三电压范围内，时间落在预定时间内，且交流电的电压相位与电容器的电压相位同步时，第六模式驱动第一和第二双向开关元件以使所述交流电升压，并且驱动2N开关元件，由此使用存储在串行存储元件中的功率来使电容器的电压保持在预定电压值。
根据迄今为止所描述的功率转换设备，即使在存储元件具有小容量的情形中，通过驱动第一和第二双向开关元件来补偿存储在存储元件中的功率的缺乏，由此从交流电提供功率也是可能的。因此，第六模式可比第五模式更可靠地补偿瞬时电压降。替换地，减小2N个开关元件以及串行存储元件的大小是可能的。
根据本发明的功率转换设备，其特征在于，还包括：频率检测装置，检测交流电的频率，该驱动控制单元包括第七模式，当交流电压值落在低 于所述第二电压范围内或者高于所述第二电压范围并且频率检测装置检测到电压值偏离了预定频率范围时，第七模式切断第二双向开关元件并驱动所述第一双向开关元件以使交流电升压或降压，由此使串行存储元件的电压保持在预定电压值，并且驱动2N个开关元件，由此使用存储在串行存储元件中的功率来使电容器的电压保持在预定电压值。
根据迄今为止所描述的功率转换设备，即使在交流电源频率异常时，也能使电容器(跨负载)的电压保持恒定。
根据本发明的功率转换设备，其特征在于，还包括：从2N个开关元件的连接点连接至第一和第二存储元件的连接点的第三双向开关元件。
根据迄今为止所描述的功率转换设备，通过用驱动以便接通2N个开关元件的上臂侧开关元件或下臂侧开关元件或第三双向开关元件中的任一个的操作，替代以第一至第七模式驱动2N个开关元件的操作，来获得给电容器的三个电压输出电平是可能的。结果，本发明的功率转换设备使得：由于施加到半导体开关元件的幅度值减小，因此因开关损耗的降低而增大效率是可能的。而且，由于流过第二电感器的电流的dl/dt减小，因此减小第二电感器的大小是可能的。
本发明的有益效果
根据本发明的功率转换设备，所达成的出众的优势在于，在宽幅交流电源电压波动的范围上向负载提供恒定电压与抑制双向开关元件的浪涌电压之间存在平衡，且没有设备大小的增加、设备成本的增加、或设备效率的降低。
附图说明
[图1A]
图1A是示出本发明的第一至第三实施例的主电路的示图。
[图1B]
图1B是示出本发明的第一至第三实施例的驱动控制单元的示图。
[图2A]
图2A是示出本发明的第四实施例的主电路的示图。
[图2B]
图2B是示出本发明的第四实施例的驱动控制单元的示图。
[图3]
图3是示出本发明的第五实施例的电路图。
[图4]
图4是示出本发明的第六实施例的电路图。
[图5]
图5是示出本发明的第七实施例的电路图。
[图6]
图6是示出迄今为止已知的技术1的实施例的电路图。
[图7A]
图7A是示出了迄今为止已知的技术1的双向开关元件的第一配置示例的电路图。
[图7B]
图7B是示出了迄今为止已知的技术1的双向开关元件的第二配置示例的电路图。
[图7C]
图7C是示出了迄今为止已知的技术1的双向开关元件的第三配置示例的电路图。
[图7D]
图7D是示出了迄今为止已知的技术1的双向开关元件的第四配置示例的电路图。
[图8]
图8是示出迄今为止已知的技术2的实施例的电路图。
[图9]
图9是示出迄今为止已知的技术3的实施例的电路图。
具体实施方式
下面，参考附图给出对本发明的各实施例的描述。
实施例1
图1A示出了根据本发明的示例1的功率转换设备，其中给定与图6中相同的附图标记的部分指示相同事物，并且基本配置也与迄今为止已知 的图6中所示的配置相同。而且，图1B示出了生成用于操作根据本发明的示例1的功率转换设备的控制信号的驱动控制单元。
接着，将给出对示例1的电路配置的描述。
根据本发明的示例1的功率转换设备包括升压/降压斩波单元10、逆变器单元20a、整流器单元30a、第一至第三电压检测装置61至63、以及驱动控制单元71。
升压/降压斩波单元10包括第一串联电路，其中第一电感器4和第一双向开关元件6被串联连接。升压/降压斩波电路单元10包括并联连接至第一双向开关元件6的第二串联电路，其中第二双向开关元件5和第一电容器3被串联连接。
逆变器单元20a包括串行开关元件，其中第一和第二半导体开关元件24和25被串联连接，在第一和第二半导体开关元件24和25中的每一个中，二极管被反并联连接。逆变器单元20a包括与串行半导体开关元件24和25并联连接的串行存储元件，其中第一和第二存储元件21和22被串联连接。而且，逆变器单元20a包括从半导体开关元件24和25的中间点连接至第二双向开关元件5和第一电容器3的连接点的第二电感器7。此外，逆变器单元20a被配置成使得存储元件21和22的连接点被连接至第一双向开关元件6和电容器3的连接点。
整流器单元30a包括第一串行整流器元件，其中第一和第二整流器元件11和12被串联连接。第一串行整流器元件11和12的连接点被连接至双向开关元件6与双向开关元件5的连接点。而且，第一串行整流器元件11和12被并联连接至串行存储元件21和22，从而配置成缓冲器电路。
第一电压检测装置61的检测器端子被连接至交流电源1的任一端。第二电压检测装置62的检测器端子被连接至电容器3的任一端。第三电压检测装置63的检测器端子被连接至串行存储元件21和22的任一端。
驱动控制单元71包括电压范围确定装置72、电源调节装置74和栅极驱动电路75。
第一电压检测装置61的输出端子被连接至电压范围确定装置72。第二电压检测装置62和第三电压检测装置63的输出端子被连接到电压调节装置74。电压范围确定装置72的输出端子被连接到电压调节装置74。电 压调节装置74的输出端子被连接到栅极驱动电路75。栅极驱动电路75的多个输出端子被连接到开关元件5、6、24和25中的一个至每一个。
接着，将给出对根据示例1的功率转换设备的操作的概要描述。
用于使电容器3的电压保持在预定有效电压值的控制信号在驱动控制单元71中生成。之后，将给出对使电容器3的电压保持在预定有效电压值的情形的描述，但是用作目标值的电压值不限于有效电压值。接着，将给出对在驱动控制单元71中生成控制信号的装置的描述。
开关元件5、6、24和25中的每一个由被输入到控制端子的、在驱动控制单元71中生成的控制信号来驱动。通过驱动开关元件5、6、24和25中的每一个，存储在电感器4的能量以及存储在第一和第二存储元件21和22中的能量中的至少一个被提供给电容器3。由此，电容器3的电压被保持在预定有效电压值。
接下来，将给出对驱动控制单元71的操作的详细描述。驱动控制单元71的电压范围确定装置72确定由电压检测装置61检测的交流电源1的有效电压值位于什么样的电压范围中。根据电压范围确定装置72确定的结果从多个操作模式中选择一种操作模式。接着，将就使用有效电压值之时描述电压范围确定装置72确定电压范围时所用的阈值以及电压检测装置61检测的电压值，但是它们不限于有效电压值。在下文中将给出每个操作模式的详细描述。
两组控制信号——用于双向开关元件5和6的控制信号以及用于半导体开关元件24和25的控制信号——在电压调节装置74中生成。这两组控制信号由第一或第二功能生成，这将在以下描述。而且，用于双向开关元件5和6的控制信号使得根据操作模式进一步添加第三功能。
第一功能为诸如生成用于使由电压检测装置62检测到的电容器3的电压保持在预定有效电压值。第二功能为诸如生成用于使由电压检测装置63检测到的跨存储元件21和22的电压保持在预定有效电压值。第三功能为诸如用所生成的用于使双向开关元件5和6中的至少一个开关元件保持在恒定接通状态或恒定切断状态的控制信号来替代由第一和第二功能生成的控制信号。
栅极驱动电路75将在电压调节装置74中生成的两组控制信号转换成 用于驱动开关元件5、6、24和25中的每一个的信号并将信号输出到控制端子。
如迄今为止所描述的图1B中所示的驱动控制单元是用于选择操作模式、以及生成和输出开关元件控制信号的逻辑的一个示例。因此，只要是能产生根据本发明的优点，图1B中所示的框图不进行任何限制。
接着，将给出对示例1的每个操作模式的描述。
(操作模式1)
当电压范围确定装置72确定由第一电压检测装置61检测到的交流电源1的有效电压值落在预定第一电压范围内时，选择操作模式1。这里，第一电压范围被假定为例如有效额定电压值的90％至110％。
在升压/降压斩波电路10中，用添加到第一功能的第三功能生成的控制信号切断双向开关元件6并接通双向开关元件5。由此，交流电源1的电压被直接施加到电容器3。
通过经由第二功能所生成的控制信号在使逆变器单元20a中的半导体开关元件24和25被排他地接通和切断，使电容器3的电压升压，并将其提供给存储元件21和22。这样，通过使用电容器3的能量，驱动控制单元71使跨存储元件21和22的电压保持在预定有效电压值。
(操作模式2)
当电压范围确定装置72确定由第一电压检测装置61检测到的交流电源1的有效电压值落在与第一电压范围不同的预定第二电压范围内时，选择操作模式2。这里，第二电压范围被假定为例如有效额定电压值的50％至90％。
在升压/降压斩波电路10中，通过经由第一功能所生成的控制信号排他地接通和切断双向开关元件5和6，使交流电源1的电压升压并将其提供给电容器3。这样，通过使用交流电源1的能量，驱动控制单元71使电容器3的电压保持在预定有效电压值。
通过经由第二功能所生成的控制信号在使逆变器单元20a中的半导体开关元件24和25被排他地接通和切断，使电容器3的电压升压，并将其提供给存储元件21和22。这样，通过使用电容器3的能量，驱动控制单元71使跨存储元件21和22的电压保持在预定有效电压值。
(操作模式3)
当电压范围确定装置72确定由第一电压检测装置61检测到的交流电源1的有效电压值低于第二电压范围内时，选择操作模式3。这里，低于第二电压范围的电压范围被假定为例如有效额定电压值的0％至50％。
通过用添加到第一功能的第三功能生成的控制信号使升压/降压斩波电路10中的双向开关元件5和6切断。由此，电容器3处于其中其与交流电源1断开的状况。
通过经由第一功能所生成的控制信号在使逆变器单元20a中的半导体开关元件24和25被排他地接通和切断，存储元件21和22的能量被提供给电容器3。这样，通过使用存储元件21和22的能量，驱动控制单元71使电容器3的电压保持在预定有效电压值。
(操作模式4)
当电压范围确定装置72确定由第一电压检测装置61检测到的交流电源1的有效电压值高于预定第一电压范围内时，选择操作模式4。这里，高于预定第一电压范围的电压范围被假定为例如高于有效额定电压值的110％。
通过用添加到第一功能的第三功能生成的控制信号在升压/降压斩波电路10中切断双向开关元件6以及接通和切断双向开关元件5，使交流电源1的电压升压并将其提供给电容器3。这样，通过使用交流电源1的能量，驱动控制单元71使电容器3的电压保持在预定有效电压值。
通过经由第二功能所生成的控制信号在使逆变器单元20a中的半导体开关元件24和25被排他地接通和切断，使电容器3的电压升压，并将其提供给存储元件21和22。这样，通过使用电容器3的能量，驱动控制单元71使跨存储元件21和22的电压保持在预定有效电压值。
接着，将给出对示例1的优点的描述。
在大多数负载设备中，容忍输入电源有效电压值中特定量——例如±10％——的波动。此时，本发明的功率转换设备使得：由于通过使双向开关元件5接通并使双向开关元件6切断来将交流电源1的电压施加到电容器3，因此绝对没有切换损耗发生。
同时，本发明的功率转换设备是这样的：在准备补偿电压时的操作时， 通过驱动半导体开关元件24和25，驱动控制单元71使存储元件21和22的电压保持在预定有效电压值。一旦存储元件21和22被充电，足以提供与漏电流相等的能量。因此，半导体开关元件24和25的通过电流极小，并且其损耗是处于可忽略的程度。
本发明的功率转换设备为：逆变器单元20a的端子S和V以及端子Vi具有相同电位。即，交流电源1的电位相对于存储元件21和22的中性点的电位而言是固定的。结果，整流器元件11和12以及存储元件21和22操作为双向开关元件5和6的缓冲器电路(所谓的箝位缓冲器电路)。因此，本发明的功率转换设备是这样的：由于当双向开关元件5和6被切断时的能量或者当所有双向开关元件处于切断状态时能量可被吸收，因此抑制浪涌电压是可能的。
本发明的功率转换设备是这样的：当执行降压操作时，双向开关元件6恒定地处于切断状态，并且由双向开关元件5在电源电压Vin上执行斩波操作。而且，当双向开关元件5处于切断状态时，存储在电感器4中的能量经由逆变器单元20a被返回给电源。由于此时通过逆变器的功率等于电源补偿的量，因此缩减损耗是可能的。
实施例2
由于根据示例2的功率转换设备的配置与示例1中的相同，因此将省去描述。
根据示例2的功率转换设备的操作包括示例1的操作模式1至4，并且还包括操作模式5。
(操作模式5)
当满足以下两个条件时，选择操作模式5。第一条件是电压范围确定装置72确定由第一电压检测装置61检测到的交流电源1的有效电压值落在低于第二电压范围的预定第三电压范围内。这里，预定第三电压范围的电压范围被假定为例如有效额定电压值的10％至50％。第二条件是交流电源1的电压降在预定时间内。这里，预定时间被假定为例如几十毫秒至1秒。在示例2中，当电压检测装置61检测到的交流电源1的有效电压值处于以下两个状态，则选择如先前所描述的操作模式3。
状态1：有效电压值落在第三电压范围内，但是超过预定时间。
状态2：有效电压值低于第三电压范围。
通过用添加到第一功能的第三功能生成的控制信号在升压/降压斩波电路10中切断双向开关元件5以及接通和切断双向开关元件6，使交流电源1的电压升压并将其提供给存储元件21和22。这样，通过使用交流电源1的能量，驱动控制单元71使存储元件21和22的电压保持在预定有效电压值。
通过经由第一功能所生成的控制信号在使逆变器单元20a中的半导体开关元件24和25被排他地接通和切断，使存储元件21和22的电压升压并将其提供给电容器3。这样，通过使用存储元件21和22的能量，驱动控制单元71使电容器3的电压保持在预定有效电压值。
在示例2中，在图1A和1B中所示的功率转换设备中执行所谓双转换操作(由此交流在整流器30a中被转换成直流而直流在逆变器单元20a中被转换成交流)。双转换操作使得，当所有功率通过两个转换器(整流器单元30a和逆变器单元20a)时，与在执行交流升压斩波操作时相比，损耗减小。然而，示例2中设想的瞬时电压降通常为几十毫秒至1秒的短时间。因此，归因于双转换操作的损耗的增大不构成问题。
而且，开关元件和电感器的热时间常数大于设想的瞬时电压降。因此，没有电感器4或双向开关元件6断路的危险。通过采用存储元件21和22作为电池，使用此设备来作为不可中断电源设备也是可能的。
实施例3
由于根据示例3的功率转换设备的配置与示例1中的相同，因此将省去描述。
根据示例3的功率转换设备的操作包括示例1的操作模式1至4，并且还包括操作模式6。根据示例3的功率转换设备还可进一步包括操作模式5。
(操作模式6)
当满足以下三个条件时，选择操作模式6。第一条件是电压范围确定装置72确定由第一电压检测装置61检测到的交流电源1的有效电压值落在第三电压范围内。第二条件是交流电源1的电压降在预定时间内。第三条件第一电压检测装置61检测到的交流电源1的电压相位与电容器3的 电压相位同步。由于同步检测装置是迄今为止已知的技术，因此将省去描述。在示例3中，当第一电压检测装置61检测到的交流电源1的有效电压值处于以下三个状态，则选择如先前所描述的操作模式3。而且，在单独状态3的情况下，可选择操作描述5。
状态1：有效电压值落在第三电压范围内，但是超过预定时间。
状态2：有效电压值低于第三电压范围。
状态3：有效电压值不与电容器3的电压相位同步。
通过经由第一功能所生成的控制信号在升压/降压斩波电路10中排他地接通和切断双向开关元件5和6，使交流电源1的电压升压并将其提供给电容器3。由此，升压/降压斩波电路10将功率从交流电源1提供给电容器3。
通过经由第一功能所生成的控制信号在使逆变器单元20a中的半导体开关元件24和25被排他地接通和切断，存储元件21和22的能量被提供给电容器3。由此，逆变器单元20a将功率从存储元件21和22提供给电容器3。
在示例3中，升压/降压斩波电路10和逆变器20a划分所提供的功率，并将使电容器3的电源保持在预定有效电压值。
甚至当存储元件21和22具有小容量时，通过使升压/降压斩波电路10同时操作由此从交流电源1提供功率来补偿存储元件中所存储的功率的缺乏也是可能的。因此，操作模式6可比操作模式5更可靠地补偿瞬时电压降。而且，可减小存储元件21和22的容量，尽管这仅仅是在省去补偿完全功率中断的功能(操作模式3)时。即，减小大小并降低功率转换设备的成本是可能的。此外，还有一个优点是可能减小半导体开关元件24和25的大小。
实施例4
图2A和2B示出了根据本发明的示例4的功率转换设备。
根据示例4的功率转换设备的基本配置与示例1中的相同。在示例4中，除示例1的配置之外，包括频率检测装置64和频率确定装置73。
频率检测装置64的检测端子被连接至交流电源1的任一端。频率确定装置73被设置在驱动控制单元71中。频率检测装置64的输出端子被 连接至频率确定装置73，而频率确定装置73的输出端子被连接至电压调节装置74。
根据示例4的功率转换设备的操作包括示例1的操作模式1至4，并且还包括操作模式7。根据示例4的功率转换设备还可进一步包括操作模式5和6。
(操作模式7)
当满足以下两个条件时，选择操作模式7。第一条件是电压范围确定装置72确定由第一电压检测装置61检测到的交流电源1的有效电压值落在预定第二电压范围内或高于预定第二电压范围。第一条件是频率检测装置73确定频率检测装置64检测到的交流电源1的电源偏离了预定频率范围。这里，落在第二电压范围内或高于第二电压范围的电压范围被假定为例如有效额定电压值的50％或更大。而且，预定频率范围被假定为例如额定频率±0.2Hz。当频率确定装置73确定电压偏离了预定频率范围时，选择操作模式7优先于电压范围确定装置72选择的操作模式。此外，当频率检测装置64检测到的交流电源1的电压处于使得其偏离了预定频率范围的状态，且第一电压检测装置61检测到的交流电源1的有效电压值小于第二电压范围时，则选择如先前描述的操作模式3。
通过用添加到第一功能的第三功能生成的控制信号在升压/降压斩波电路10中切断双向开关元件5以及接通和切断双向开关元件6，使交流电源1的电压升压并将其提供给存储元件21和22。这样，通过使用交流电源1的能量，驱动控制单元71使存储元件21和22的电压保持在预定有效电压值。
通过经由第一功能所生成的控制信号在使逆变器单元20a中的半导体开关元件24和25被排他地接通和切断，使存储元件21和22的电压升压并将其提供给电容器3。这样，通过使用存储元件21和22的能量，驱动控制单元71使电容器3的电压保持在预定有效电压值。
在示例4中，以与示例3相同的方式，执行双转换操作。双转换操作使得负载电压恒定是可能的，即使在交流电电源电源和负载电压异步的情况下——诸如当例如电源频率异常时。而且，由于示例4的功率转换设备使得在交流电源1电压相位和负载电压相位再次变得同步之前经过短时段 (0至几秒)，因此其损耗不构成问题。
实施例5
图3示出了根据本发明的示例5的功率转换设备。驱动控制单元71对应于主电路，其与示例1不同，但是省去其附图。
虽然根据示例5的功率转换设备的基本配置与示例1中的相同，但是用整流器单元30b替代整流器30a。
整流器单元30b包括并联连接至第一串行整流器元件的第二串行整流器元件，其中第三和第四整流器元件13和14被串联连接。第三和第四整流器元件13和14的连接点被连接至双向开关元件5与电容器3的连接点。而且，第二串行整流器元件通过被并联连接至串行存储元件来配置成缓冲器电路。
根据示例5的功率转换设备的操作与示例1至4的操作模式1至7相同。
示例5为在所有半导体开关元件5、6、24和25被切断的情形中，诸如当事故发生时，存储在负载电感组件中的能量被缓冲器电路吸收。由于此能量吸收操作比使用电感器7的半导体开关元件24和25的寄生二极管的操作更迅速，因此可可靠地抑制浪涌电压。
实施例6
图4示出了根据本发明的示例6的功率转换设备。驱动控制单元71对应于主电路，其与示例1不同，但是省去其附图。
虽然根据示例6的功率转换设备的基本配置与示例5中的相同，但是用逆变器单元20b替代逆变器单元20a。
逆变器单元20b包括除逆变器单元20a之外的第三双向开关元件23。双向开关元件23被连接至存储元件21和22的连接点以及半导体开关元件24和25的连接点，从而配置成三层逆变器。逆变器单元20b的配置不限于此，因为交流电位相对于直流电位而言固定即是足够的，如先前所述的。
根据示例6的功率转换设备的基本操作与示例1至4的操作模式1至7相同。与示例1的操作的差异在于逆变器单元20b作为公知三电平逆变器来操作。
由于示例6为逆变器单元20b包括三电平逆变器，且施加到电感器7的电压幅度值和电压在切换时被二等分，因此降低半导体开关元件24和25中的损耗以及减小电感器7的大小是可能的。
实施例7
图5示出了根据本发明的示例7的功率转换设备。驱动控制单元71对应于主电路，其与示例1不同，但是省去其附图。
由于根据示例7的功率转换设备为示例5施加到三电平电路，因此基本配置与示例5的相同。
图5中所示的示例被配置成使得升压/降压斩波单元10和逆变器单元20a各自具有三个相位且是三角形连接(delta connected)，并且存储元件21和22的连接点被连接至V相输出。逆变器单元20c的配置也不限于此，其可例如具有三个电平且被三角形连接，如图4中所示的。
根据示例7的功率转换设备的基本操作与示例1至4的操作模式1至7相同。
示例7也使得可实现宽的交流电源电压波动范围上电压补偿之间的平衡以及抑制双向开关元件浪涌电压。

Claims (19)

1.一种功率转换设备，其特征在于，包括：
第一串联电路，其中第一电感器和第一双向开关元件被串联连接；
第二串联电路，其被并联连接至第一双向开关元件，其中第二双向开关元件和电容器被串联连接；
串行开关元件，其中2N个开关元件被串联连接，在所述2N个开关元件的每一个中，二极管被反并联连接，其中，N为正整数；
串行存储元件，其被并联连接至所述串行开关元件，其中第一和第二存储元件被串联连接；
第一串行整流器元件，其被并联连接至所述串行存储元件，其中第一和第二整流器元件被串联连接；以及
从所述2N个开关元件的中间点连接至所述第二双向开关元件和电容器的连接点的第二电感器，其中
所述第一和第二存储元件的连接点被连接至所述第一双向开关元件和第一电容器的连接点，
所述第一和第二整流器元件的连接点被连接至所述第一双向开关元件和第二双向开关元件的连接点，以及
施加至所述第一串联电路的交流电被转换，且从所述电容器的两端输出。
2.如权利要求1所述的功率转换设备，其特征在于，还包括：
第二串行整流器元件，其被并联连接至所述第一串行整流器元件，其中第三和第四整流器元件被串联连接，其中
所述第三和第四整流器元件的连接点被连接至所述第二双向开关元件和电容器的连接点。
3.如权利要求1或2所述的功率转换设备，其特征在于，还包括：
电压检测装置，其检测所述交流电的电压值；以及
驱动控制单元，其驱动所述第一和第二双向开关元件以及第一和第二开关元件中的每一个，
所述驱动控制单元包括
第一模式，当所述电压检测装置检测到的交流电的电压值落在预定第一电压范围内，则所述第一模式切断所述第一双向开关元件，接通所述第二双向开关元件，并驱动所述2N个开关元件以使所述电容器的电压升压，由此使所述串行存储元件的电压保持在预定电压值，
第二模式，当所述交流电的电压值落在低于所述第一电压范围的预定第二电压范围内时，所述第二模式驱动所述第一和第二双向开关元件以使所述交流电升压，并将其施加到所述电容器，由此使所述电容器的电压保持在所述预定电压值，并且驱动所述2N个开关元件以使所述电容器的电压升压，由此使所述串行存储元件的电压保持在所述预定电压值，
第三模式，当所述交流电的电压值低于所述第二电压范围时，所述第三模式切断所述第一和第二双向开关元件，并驱动所述2N个开关元件，由此使用存储在串行存储元件中的功率来使所述电容器的电压保持在所述预定电压值，以及
第四模式，当所述交流电的电压值高于所述第一电压范围时，所述第四模式切断所述第一双向开关元件并驱动所述第二双向开关元件以使所述交流电降压，由此使所述电容器的电压保持在所述预定电压值，并且驱动所述2N个开关元件以使所述电容器的电压升压，由此使所述串行存储元件的电压保持在预定电压值。
4.如权利要求3所述的功率转换设备，其特征在于，
所述驱动控制单元包括第五模式，当所述交流电的电压值落在低于所述第二电压范围的预定第三电压范围内、并且所述交流电的电压降在预定时间内时，所述第五模式切断所述第二双向开关元件并驱动所述第一双向开关元件以使所述交流电升压，由此使所述串行存储元件的电压保持在所述预定电压值，并且驱动所述2N个开关元件，由此使用存储在所述串行存储元件中的功率来使所述电容器的电压保持在所述预定电压值。
5.如权利要求3所述的功率转换设备，其特征在于，
所述驱动控制单元包括第六模式，当所述交流电的电压值落在低于所述第二电压范围的预定第三电压范围内，所述交流电的电压降在预定时间内，且所述交流电的电压相位与所述电容器的电压相位同步时，所述第六模式驱动所述第一和第二双向开关元件以使所述交流电升压，并且驱动所述2N个开关元件，由此使用存储在串行存储元件中的功率来使所述电容器的所述电压保持在所述预定电压值。
6.如权利要求4所述的功率转换设备，其特征在于，
所述驱动控制单元包括第六模式，当所述交流电的电压值落在低于所述第二电压范围的预定第三电压范围内，所述交流电的电压降在预定时间内，且所述交流电的电压相位与所述电容器的电压相位同步时，所述第六模式驱动所述第一和第二双向开关元件以使所述交流电升压，并且驱动所述2N个开关元件，由此使用存储在串行存储元件中的功率来使所述电容器的所述电压保持在所述预定电压值。
7.如权利要求3所述的功率转换设备，其特征在于，还包括：
频率检测装置，检测所述交流电的频率，
所述驱动控制单元包括
第七模式，当所述交流电的电压值落在所述第二电压范围内或者高于所述第二电压范围、并且所述频率检测装置检测到所述交流电的电压的频率偏离了预定频率范围时，所述第七模式切断所述第二双向开关元件并驱动所述第一双向开关元件以使所述交流电升压，由此使所述串行存储元件的电压保持在所述预定电压值，并且驱动所述2N个开关元件，由此使用存储在所述串行存储元件中的功率来使所述电容器的电压保持在所述预定电压值。
8.如权利要求4所述的功率转换设备，其特征在于，还包括：
频率检测装置，检测所述交流电的频率，
所述驱动控制单元包括
第七模式，当所述交流电的电压值落在所述第二电压范围内或者高于所述第二电压范围、并且所述频率检测装置检测到所述交流电的电压的频率偏离了预定频率范围时，所述第七模式切断所述第二双向开关元件并驱动所述第一双向开关元件以使所述交流电升压，由此使所述串行存储元件的电压保持在所述预定电压值，并且驱动所述2N个开关元件，由此使用存储在所述串行存储元件中的功率来使所述电容器的电压保持在所述预定电压值。
9.如权利要求5所述的功率转换设备，其特征在于，还包括：
频率检测装置，检测所述交流电的频率，
所述驱动控制单元包括
第七模式，当所述交流电的电压值落在所述第二电压范围内或者高于所述第二电压范围、并且所述频率检测装置检测到所述交流电的电压的频率偏离了预定频率范围时，所述第七模式切断所述第二双向开关元件并驱动所述第一双向开关元件以使所述交流电升压，由此使所述串行存储元件的电压保持在所述预定电压值，并且驱动所述2N个开关元件，由此使用存储在所述串行存储元件中的功率来使所述电容器的电压保持在所述预定电压值。
10.如权利要求6所述的功率转换设备，其特征在于，还包括：
频率检测装置，检测所述交流电的频率，
所述驱动控制单元包括
第七模式，当所述交流电的电压值落在所述第二电压范围内或者高于所述第二电压范围、并且所述频率检测装置检测到所述交流电的电压的频率偏离了预定频率范围时，所述第七模式切断所述第二双向开关元件并驱动所述第一双向开关元件以使所述交流电升压，由此使所述串行存储元件的电压保持在所述预定电压值，并且驱动所述2N个开关元件，由此使用存储在所述串行存储元件中的功率来使所述电容器的电压保持在所述预定电压值。
11.如权利要求1或2所述的功率转换设备，其特征在于，还包括：
从所述2N个开关元件的连接点连接至所述第一和第二存储元件的连接点的第三双向开关元件。
12.如权利要求11所述的功率转换设备，其特征在于，包括：
电压检测装置，其检测所述交流电的电压值；以及
驱动控制单元，其驱动所述第一和第二双向开关元件以及第一和第二开关元件中的每一个，
所述驱动控制单元包括
第一模式，当所述电压检测装置检测到的所述交流电的电压值落在预定第一电压范围内时，所述第一模式切断所述第一双向开关元件，接通所述第二双向开关元件，并进行驱动以接通所述2N个开关元件中的上臂侧开关元件和下臂侧开关元件和所述第三双向开关元件中的任一个，从而使所述电容器升压并由此使所述串行存储元件的电压保持在预定电压值，
第二模式，当所述交流电的电压值落在低于所述第一电压范围的预定第二电压范围内时，所述第二模式驱动所述第一和第二双向开关元件以使所述交流电升压，并将其施加到所述电容器，由此使所述电容器的电压保持在所述预定电压值，并且进行驱动以接通所述2N个开关元件中的所述上臂侧开关元件或下臂侧开关元件或所述第三双向开关元件中的任一个，使所述电容器升压，并由此使所述串行存储元件的电压保持在所述预定电压值，
第三模式，当所述交流电的电压值低于所述第二电压范围时，所述第三模式切断所述第一和第二双向开关元件，并进行驱动以接通所述2N个开关元件中的所述上臂侧开关元件或下臂侧开关元件或所述第三双向开关元件中的任一个，由此使用存储在所述串行存储元件中的功率来使所述电容器的电压保持在所述预定电压值，以及
第四模式，当所述交流电的电压值高于所述第一电压范围时，所述第四模式切断所述第一双向开关元件并驱动所述第二双向开关元件以使所述交流电降压，由此使所述电容器的电压保持在所述预定电压值，并且进行驱动以接通所述2N个开关元件中的所述上臂侧开关元件或下臂侧开关元件或所述第三双向开关元件中的任一个，使所述电容器升压，并由此使所述串行存储元件的电压保持在所述预定电压值。
13.如权利要求12所述的功率转换设备，其特征在于，
所述驱动控制单元包括第五模式，当所述交流电的电压值落在低于所述第二电压范围的预定第三电压范围内、并且所述交流电的电压降在预定时间内时，所述第五模式切断所述第二双向开关元件并驱动所述第一双向开关元件以使所述交流电升压，由此使所述串行存储元件的电压保持在所述预定电压值，并且进行驱动以接通所述2N个开关元件中的所述上臂侧开关元件和下臂侧开关元件和所述第三双向开关元件中的任一个，由此使用存储在所述串行存储元件中的功率来使所述电容器的电压保持在所述预定电压值。
14.如权利要求12所述的功率转换设备，其特征在于，
所述驱动控制单元包括第六模式，当所述交流电的电压值落在低于所述第二电压范围的预定第三电压范围内，所述交流电的电压降在预定时间内，且所述交流电的电压相位与所述电容器的电压相位同步时，所述第六模式驱动所述第一和第二双向开关元件以在不超过所述第一双向开关元件和第一电感器中的每一个的额定电流值的范围内使所述交流电升压，并且进行驱动以接通所述2N个开关元件中的所述上臂侧开关元件和下臂侧开关元件和所述第三双向开关元件中的任一个，由此使用存储在串行存储元件中的功率来使所述电容器的所述电压保持在所述预定电压值。
15.如权利要求13所述的功率转换设备，其特征在于，
所述驱动控制单元包括第六模式，当所述交流电的电压值落在低于所述第二电压范围的预定第三电压范围内，所述交流电的电压降在预定时间内，且所述交流电的电压相位与所述电容器的电压相位同步时，所述第六模式驱动所述第一和第二双向开关元件以在不超过所述第一双向开关元件和第二电感器中的每一个的额定电流值的范围内使所述交流电升压，并且进行驱动以接通所述2N个开关元件中的所述上臂侧开关元件和下臂侧开关元件和所述第三双向开关元件中的任一个，由此使用存储在串行存储元件中的功率来使所述电容器的所述电压保持在所述预定电压值。
16.如权利要求12所述的功率转换设备，其特征在于，还包括：
频率检测装置，检测所述交流电的频率，
所述驱动控制单元包括
第七模式，当所述交流电的电压值落在所述第二电压范围内或者高于所述第二电压范围、并且所述频率检测装置检测到所述交流电的电压的频率偏离了预定频率范围时，所述第七模式切断所述第二双向开关元件并驱动所述第一双向开关元件以使所述交流电升压，由此使所述串行存储元件的电压保持在所述预定电压值，并且进行驱动以接通所述2N个开关元件中的上臂侧开关元件和下臂侧开关元件和所述第三双向开关元件中的任一个，由此使用存储在所述串行存储元件中的功率来使所述电容器的电压保持在预定电压值。
17.如权利要求13所述的功率转换设备，其特征在于，还包括：
频率检测装置，检测所述交流电的频率，
所述驱动控制单元包括
第七模式，当所述交流电的电压值落在所述第二电压范围内或者高于所述第二电压范围、并且所述频率检测装置检测到所述交流电的电压的频率偏离了预定频率范围时，所述第七模式切断所述第二双向开关元件并驱动所述第一双向开关元件以使所述交流电升压，由此使所述串行存储元件的电压保持在所述预定电压值，并且进行驱动以接通所述2N个开关元件中的所述上臂侧开关元件和下臂侧开关元件和所述第三双向开关元件中的任一个，由此使用存储在所述串行存储元件中的功率来使所述电容器的电压保持在所述预定电压值。
18.如权利要求14所述的功率转换设备，其特征在于，还包括：
频率检测装置，检测所述交流电的频率，
所述驱动控制单元包括
包括第七模式，当所述交流电的电压值落在所述第二电压范围内或者高于所述第二电压范围、并且所述频率检测装置检测到所述交流电的电压的频率偏离了预定频率范围时，所述第七模式切断所述第二双向开关元件并驱动所述第一双向开关元件以使所述交流电升压，由此使所述串行存储元件的电压保持在所述预定电压值，并且进行驱动以接通所述2N个开关元件中的所述上臂侧开关元件和下臂侧开关元件和所述第三双向开关元件中的任一个，由此使用存储在所述串行存储元件中的功率来使所述电容器的电压保持在所述预定电压值。
19.如权利要求15所述的功率转换设备，其特征在于，还包括：
频率检测装置，检测所述交流电的频率，
所述驱动控制单元包括
第七模式，当所述交流电的电压值落在所述第二电压范围内或者高于所述第二电压范围、并且所述频率检测装置检测到所述交流电的电压的频率偏离了预定频率范围时，所述第七模式切断所述第二双向开关元件并驱动所述第一双向开关元件以使所述交流电升压，由此使所述串行存储元件的电压保持在所述预定电压值，并且进行驱动以接通所述2N个开关元件中的所述上臂侧开关元件和下臂侧开关元件和所述第三双向开关元件中的任一个，由此使用存储在所述串行存储元件中的功率来使所述电容器的电压保持在所述预定电压值。
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