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CN111384868A - 平衡电容器功率转换器 - Google Patents

平衡电容器功率转换器 Download PDF

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CN111384868A CN201911403715.0A CN201911403715A CN111384868A CN 111384868 A CN111384868 A CN 111384868A CN 201911403715 A CN201911403715 A CN 201911403715A CN 111384868 A CN111384868 A CN 111384868A
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R.利维
D.肖沙尼
A.基珀
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Abstract

一种功率装置，所述功率装置包含彼此串联并且与DC电源并联的至少两个电容器。所述功率装置可以包含第一转换器，所述第一转换器包含被配置成平衡所述至少两个电容器的电压的控制器。所述功率装置可以包含第二转换器，所述第二转换器连接到所述至少两个电容器。所述第二转换器可以包含至少三个输入导体，每个输入导体连接到所述至少两个电容器的端。所述第二转换器可以包含至少两个输出导体。所述第二转换器可以包含开关电路，所述开关电路在所述至少三个输入导体和至少两个输出导体之间。所述第二转换器可以包含控制器，所述控制器被配置成操作所述开关电路。所述第二转换器可以被动地保持所述至少两个电容器之间的电压平衡。

Description

平衡电容器功率转换器
相关申请的交叉引用
本申请要求于2018年12月31日提交的美国临时专利申请序列号no.62/786,723的优先权，其全部内容通过引用并入本文。
背景技术
本公开涉及电子领域。
功率转换器通常具有用于向控制转换器的电子器件提供功率的辅助(AUX)电源，例如向控制器、开关、通信电路、和/或等提供功率。AUX电源或转换器，例如降压或反激直流到直流(DC/DC)功率转换器，可以能够接受高输入电压，例如在250和1000伏DC(VDC)之间。例如，反激拓扑可以用于生成到高电压转换器的辅助功率，例如在太阳能逆变器电路中使用。例如，辅助电源供给太阳能发电系统中的逆变器，并且逆变器将太阳能从光伏板串(例如600VDC输入)转换成供到家庭或供给到电网(例如240VAC)的交流电(AC)功率。
发明内容
以下是在本文中描述的一些发明概念的简短概述，仅仅用于说明的目的而不作为广泛的概览，并且不意图标识关键或重要的元件或限制或约束在具体实施方式中描述的特征。
本文中所公开的方面针对用于从平衡电容器汲取功率的功率转移拓扑的装置和方法。可以汲取功率而不影响电容器之间的能量平衡。拓扑可以包括例如在中性点箝位(NPC)逆变器拓扑、三级NPC逆变器拓扑、多级NPC逆变器拓扑和/或等拓扑中使用的直流(DC)链路电容器。装置和/或方法中的一些可以包括使用两个或更多个二极管和/或两个或更多个开关的拓扑，以在不干扰电容器两端的电荷平衡的情况下从平衡的多电容器转换器设计固有地汲取功率，例如当使用开环控制时。用于提供辅助(AUX)功率的开关电路可以连接到平衡电容器，潜在地允许电容器平衡不受从电容器汲取的额外功率干扰。在某些条件下，例如当电容器两端的电压较低时，可以使用额外的开关来从两个串联连接的电容器汲取功率。
根据本文中公开的进一步的方面，公开了一种功率装置，所述功率装置可以包含多个电容器，所述多个电容器彼此串联连接并且与直流(DC)电源并联连接；第一转换器，所述第一转换器包含被配置成平衡多个电容器中的每个的两端电压的控制器；以及第二转换器，所述第二转换器连接到多个电容器的端并且被配置成基于电容器两端的电压而生成输出电压。第一转换器可以被配置成主动地平衡(例如有力地保持平衡)至少两个电容器两端的电压，并且第二转换器可以被配置成被动地(例如微弱地)保持多个电容器之间的电压平衡。
第二转换器可以包含(a)至少三个输入导体，每个连接到多个电容器中的一个的端，(b)至少两个输出导体，每个连接到输出电压，(c)开关电路，所述开关电路连接在至少三个输入导体和至少两个输出导体之间，以及(d)控制器，所述控制器被配置成操作开关电路。控制器可以被配置成利用在例如在小于10,000赫兹的频率的特定频率操作的开环控制来操作开关电路。开关电路可以包含至少两个开关，所述至少两个开关被配置成在将多个电容器中的每个依次电连接到两个输出导体之间交替。开关电路可以包含至少两个二极管或开关，以将电流从多个电容器中的至少一个引导到至少两个输出导体。
至少三个输入导体可以包含低电压导体、高电压导体和中电压导体。至少两个二极管可以包含第一二极管和第二二极管，每个二极管包含阳极端和阴极端，并且其中至少两个开关包含第一开关和第二开关，每个开关包含源极端和漏极端，并且其中：(a)第一开关的源极端连接到低电压导体，(b)第一二极管的阳极端连接到第一开关的漏极端，(c)第一二极管的阴极端和第二二极管的阳极端连接到中性点导体，(d)第二二极管的阴极端连接到第二开关的源极端，以及(e)第二开关的漏极端是高电压导体。至少两个二极管可以包含例如呈二极管桥配置的四个二极管，二极管桥配置包含阳极端、阴极端和两个交流端，其中至少两个开关包含第一开关和第二开关，每个开关包含源极端和漏极端，并且其中：(a)第一开关的源极端连接到低电压导体，(b)二极管桥配置的阳极端连接到高输出电压导体，(c)二极管桥配置的阴极端连接到低输出电压端，(d)第一开关的漏极端连接到第二开关的源极端和二极管桥配置的第一交流端，(e)二极管桥配置的第二交流端连接到中性点导体，以及(f)第二开关的漏极端是高电压导体。替代地，二极管桥配置可以包含阳极端、阴极端和两个交流端，其中至少两个开关包含第一开关、第二开关和第三开关，每个开关包含源极端和漏极端，并且其中第三开关的源极连接到低电压导体，并且其中第三开关的漏极连接到二极管桥配置的阴极端。
开关电路可以被配置成在多个DC到DC电源之间切换多个电容器的端，每个DC到DC电源被配置成向第一转换器提供电压和电流，并且开关电路可以被配置成保持多个电容器两端的电压之间的平衡。多个电容器可以包含例如三个电容器，至少三个输入导体可以包含例如四个输入导体，并且开关电路可以包含例如四个二极管和四个开关(例如在图2A中)。
此外，多个电容器可以包含多个DC链路电容器。多个电容器中的每个可以包含电容器组。
如在本文中描述的进一步的方面针对一种方法(例如一种用于操作在本文中描述的功率装置的方法)，所述方法包含通过第一转换器(例如功率装置的)的控制器来平衡多个电容器(例如功率装置的)中的每个的两端的电压，所述多个电容器彼此串联连接并且与直流(DC)电源并联连接；以及通过连接到多个电容器的端的第二转换器(例如功率装置的)，基于多个电容器两端的电压生成输出电压。功率装置的各种可能方面的所有上述概述同样适用于所述方法。
附图说明
参考以下描述、权利要求和附图，本公开的这些和其它特征、方面和优点将变得更好理解。本公开通过实例的方式绘示，并且不受附图的限制。
图1展示了根据本公开的绘示性方面的具有N个平衡电容器和开关电路的实例功率装置的框图。
图2A-2G展示了根据本公开的绘示性方面的用于三个平衡电容器的实例开关电路的电路图。
图3A-3C展示了根据本公开的绘示性方面的用于平衡电容器的实例开关电路的电路图。
图4A-4C展示了根据本公开的绘示性方面的用于平衡电容器的实例开关电路的电路图。
图5A-5C展示了根据本公开的绘示性方面的用于平衡电容器的实例开关电路的电路图。
图6A展示了根据本公开的绘示性方面的用于连接到平衡电容器的双辅助功率转换器的实例开关电路的电路图。
图6B展示了根据本公开的绘示性方面的用于组合和不组合的平衡电容器和反激转换器的实例开关电路的电路图。
图6C展示了根据本公开的绘示性方面的用于与降压转换器组合的平衡电容器的实例开关电路的电路图。
图7示意性地展示了根据本公开的绘示性方面的用于发电的实例系统，所述系统包含连接到转换器平衡电容器的开关电路。
具体实施方式
形成本文的一部分的附图展示了本公开的实例。应理解，附图中所展示和/或本文中所论述的实例是非排他性的，并且存在可以如何实践本公开的其它实例。
本文中所公开的是可以用于从串联连接的平衡电容器汲取功率的装置、方法和系统的特征的实例。这些实例可以汲取功率，同时固有地保持电容器平衡(例如保持每个电容器两端基本上相等的电压降)。功率转换器可以使用串联的平衡电容器，每个所述平衡电容器可以以作为输入电压值的分数的电压差动来存储能量。例如，可以将串联的n个平衡电容器(例如输入电容器)串联连接到输入电压，并且每个电容器可以承载输入电压的n分之一的电压。功率转换器可以例如使用直流(DC)链路电容器电压来产生交流(AC)输出电压，并且进而可以具有平衡电路，所述平衡电路可以主动地平衡n个电容器中的每个的两端的电压。本文中所公开的与n个平衡电容器并联连接的开关电路可以依次连接到电容器中的一个或多个，并且可以在基本上不影响电容器电压平衡的情况下允许从平衡电容器固有地汲取辅助功率。
所公开的开关电路不可以从输入电容器中的一个汲取功率，当此电容器具有比其它电容器更低的电压时。例如，当在输入电容器两端存在不平衡时，开关电路可以跳过较低电压电容器(在其两端具有较低电压的那些电容器)并且从较高电压电容器(在其两端具有较高电压的那些电容器)汲取电流。这与可以通过将电荷从高电压电容器移动到低电压电容器来主动地平衡电容器的电容器平衡电路形成对比。开关电路可以与不从低电压电容器汲取功率的电压保持电路相似。开关电路可以是无源电路，其例如不将电荷从一个电容器移动到另一个电容器，并且当电容器两端的电压不同时不从较低电压电容器汲取功率(自然地、固有地、通过设计地、和/或等)。电容器平衡电路可以是有源的或无源的，并且调节电压以匹配电容器两端(例如通过将电荷从一个移动到另一个)。
现在参考图1，其展示了根据本公开的绘示性方面的具有n个平衡电容器C1-Cn和开关电路110的实例功率装置100的框图。电容器C1、C2、C3、C4到Cn可以跨端Vi+和Vi之间的DC输入电压串联连接。高电压功率转换器120可以连接到电容器C1-Cn的每个端，并且功率转换器120的电容器平衡电路126可以例如通过使用箝位二极管和/或等来主动地平衡这些电容器C1-Cn两端的电压。开关电路110可以与电容器C1-Cn的端并联连接。开关电路110可以是功率装置100的辅助电源或辅助电源的一部分。开关电路110可以被配置成将电容器C1-Cn的子集之间的连接提供到在端(端Vs+和端Vs-，分别用于正极端和负极端)两端提供的输出电压。
电容器C1-Cn的子集(例如被选择作为子集的一部分的一个或多个电容器)可以由开关电路110确定，并且可以随时间动态地变化。在开关电路110的输出端Vs+和Vs-两端连接的输出电容器Cs可以帮助向开关控制器124提供功率，例如通过向辅助DC-DC转换器112供给输入电压，所述辅助DC-DC转换器将功率调节到表示为Vaux的辅助输入电压，直接从Vs+和Vs-到Vaux(例如当Vaux具有宽输入范围时)，和/或等。如下文将要解释的，开关电路110可以选择性地将输出电容器Cs连接到电容器C1-Cn中的一个或多个。开关控制器124，例如包括处理器和开关驱动器的电路，可以操作功率(例如高电压(“HV”))开关，所述功率开关操作功率转换器120以产生功率转换器120的输出电压，所述输出电压表示为Vout，在一对输出端两端。开关电路110可以被配置成使得平衡电容器C1-Cn两端的电压平衡被固有地保持，从而允许以低频切换速率使用开环控制方法。
通过使用用于操作开关电路110的开关的反馈控制，开关电路110和辅助DC-DC转换器112可以组合成单个电路114。例如，可以使用电压反馈电路来向开关电路的开关提供闭环控制。例如，可以通过耦合开关电路控制器来将降压转换器结合到开关电路中，所述开关电路控制器可以感测输出电压Vaux(例如通过光耦合器、传感器等)，并且选择性地断开和闭合开关电路的开关以在输出上维持调节电压Vaux。辅助DC-DC转换器112的电感器可以结合到开关电路中，并且控制器被配置成通过控制开关来调节输出电压。例如，可以在输出电容器Cs的正极(或负极)端之前在开关电路输出Vs+(或Vs-)之间使用串联电感器Z，由此将降压转换器结合到开关电路中。相似地，可以在开关电路中实施反激转换器，并且因此不可以省略辅助DC-DC转换器112，因为开关电路可以直接向开关控制器124输出Vaux。
例如，开关电路110可以被配置成当在电容器C1-Cn之间存在电压不平衡时从电容器C1-Cn中具有较高电压的那些电容器汲取功率，由此辅助电容器平衡电路126而不是阻碍电容器平衡电路126的活动。如本文中所使用的，输入电压，例如端Vi+和Vi-之间的电压差表示为Vi。如本文中所使用的，开关电路输出电压，例如端Vs+和Vs-之间的电压差表示为Vs。
用于串联连接的电容器的平衡电路可以是例如专用电路，所述专用电路可以主动地调节电容器电压，使得在正常操作期间所述电容器电压是基本上相等的电压，例如通过使用与闭环电压箝位技术组合的电路。例如，可以使用基于晶体管和电阻器的箝位桥。箝位桥控制可以使用空间矢量实现来平衡每个电容器的DC输入电压，例如通过使用转换器的冗余切换状态。可以使用基于载体的脉冲宽度调制(PWM)方案，例如添加到调制信号的零序电压信号和/或等。当使用直接转矩控制技术时，可以测量电容器电压的差并且使用查找表来校正电压不平衡。当使用基于成本函数的预测控制时，电容器电压的平衡可以简单地通过向成本函数添加额外项来实现，例如电容器电压的预测值和加权因子。可以通过使用背靠背整流器/逆变器系统和适当的电压平衡控制来解决电压不平衡。
使用用于AUX功率的开关电路(例如开关电路110)的潜在益处可以包括获得更有效的AUX功率转换器(例如从下游的AUX转换器)，使得能够使用开环控制、有效的切换速率、使用死区时间的鲁棒操作和/或等。例如，通过使用电容器C1-Cn的选定子集两端的减小的电压来生成电压Vs，高电压功率转换器(例如功率装置100)的辅助电源(其可以包括开关电路110)可以包含较低额定电压的开关。较低额定电压输入开关对于相同的额定电流可以具有较低的导通电阻，并且因此在功率转换期间可以更有效。例如，通过实施用于生成AUX功率(例如Vaux电压差动)的开关电路110，可以为较低的动态输入电压范围设计辅助电源(例如开关电路110、包括开关电路110的较大电路和/或等)。较低的输入电压范围可以促进更简单和更有效的功率转换，因为占空比的变化形式可以更窄，并且PWM脉冲可以更宽。例如，与设计用于200V至500V的较窄输入电压范围的电源相比，设计用于接收200VDC至1000VDC之间的输入电压的反激辅助电源可能效率更低并且更复杂。宽的输入电压范围可能意味着AUX电源使用设计用于更宽的动态占空比范围的开关模式转换器拓扑。例如，在电压范围的高电压端和低功率负载处，AUX电源的操作可能导致占空比太小而不能实现用于在高频转换时控制主功率半导体开关的有效脉冲宽度，这可能导致低效率转换。
在另一个实例中，功率装置100可以包括中性点箝位(NPC)逆变器的一对电容器(因此，电容器C1-Cn，其中n＝2)，所述一对电容器包含连接在低电位输入端和中电压点之间的第一电容器(例如C1)以及连接在中点电位和高电位输入端之间的第二电容器(例如C2)。如本文中所使用，术语“中电压”是指两个或更多个串联连接的组件的任何中间端的电压，其中中间端不处于高极限或低极限，并且可以或可以并非精确地处于串联中的中间位置，并且还可以指中间电位点、中点电压、中点电位等。下面描述此配置的实例，参考图3A-3C、4A-4C、5A-5C和6。在功率装置100的正常操作期间，平衡电容器端两端的电压可以在两个电容器之间主动地维持相等，例如通过用于监测平衡并且迫使电容器两端的电压基本上相等的另一个电路。第一和/或第二电容器C1和/或C2中的每个可以实施为电容器组，所述电容器组包含在每个组中串联和/或并联连接的一个以上的电容器。开关电路，例如开关电路110，可以使用例如两个或更多个开关和两个或更多个二极管并联连接到电容器C1和C2两者。开关电路110可以被配置成依次将辅助功率输入电压Vaux连接到第二电容器C2或第一电容器C1，同时自然地(例如固有地)保持电容器两端的平衡。开关电路允许将第二功率转换器连接到电容器，而不干扰电容器的平衡。
以下是开关电路110在发电系统中的一些应用的实用性实例。太阳能逆变器是对功率转换器的应用，其中DC输入电压可以很高(例如数百伏或1000伏以上)，并且许多逆变器设计可以包含两个或更多个平衡电容器组，其中电压或电荷在这些组之间平衡。可以在功率转换器的输入处使用电容器，其中每个电容器可以提供能量储存器以交替地将能量传递到功率转换器并且由输入电源再充电。平衡电容器的使用可以允许正电流和负电流流通两者的生成，例如从DC电流源到输出的对称AC的生成，而电容器的中心连接点可以用作参考点。平衡电容器可以在正电流和负电流流通期间提供对称操作，并且可以得到更好的磁性组件利用率(例如可以使用更小的磁性体)，因为组件两端的电压和/或电流应力可以是对称的。
当输入电压较高时，例如高于500V，某些DC/DC转换器拓扑可能受限于低效率和有限的占空比，例如小的占空比。其它功率转换器可以使用两个或更多个级来有效地降低电压，例如，第一级将电压从500伏DC(VDC)降低到100VDC，并且第二级将电压从100VDC降低到12VDC，例如用于操作高电压转换器的控制器电路。例如，降压DC/DC转换器可以将输入电压从1000VDC降低到500VDC，并且第二级反激DC/DC转换器可以将输入电压从500VDC降低到250VDC。两级转换器拓扑可以相对于一级具有增加的组件数和降低的效率。
例如，用于太阳能系统的功率装置可以是中性点箝位(NPC)配置逆变器、飞跨电容器逆变器或多电平或二电平逆变器的其它拓扑。这些实例可以用于将来自光伏板串的500至2000VDC输入功率转换成240伏交流(VAC)输出。例如，可以使用高达1000VDC的输入电压来为3相220VAC输出供给逆变器。逆变器可以包含电容器平衡电路以确保两个电容器C1和C2平衡。例如，VAC输出可以在90和260伏AC之间。
当电容器C1-Cn中的第一电容器两端的电压低于电容器C1-Cn中的第二电容器两端的电压超过阈值(例如当那些相应电容器两端的电压之间的差超过阈值时)时，例如由二极管的正向电压确定，开关电路110可以固有地防止从第一电容器汲取电流。作为实例，当第一电容器两端具有第一电压V1、并且第二电容器两端具有第二电压V2>V1时，当V2和V1之间的差大于阈值时，开关电路110可以防止从第一电容器汲取电流。例如，开关电路110可以取代两级电压转换器的第一级，这可以提高效率、可靠性和成本效益。因此，开关电路110可以自然地(例如被动地——无需主动控制或努力)保持电容器C1-Cn两端的电压平衡。以此方式，第二转换器、一个或多个其它开关电路和/或等可以并联连接到电容器C1-Cn，并且所有连接的开关电路的组合操作可以通过从具有较高电压的电容器汲取功率来被动地保持电容器两端的平衡。
例如，电容器C1-Cn中的一个(“第一”电容器)可以具有550VDC的电压，并且电容器C1-Cn中的另一个(“第二”电容器)可以具有525VDC的电压。在此实例中，当开关电路110将输出电容器Cs连接到第一电容器时，例如由于电容器之间的电荷平衡，例如545VDC，输出电容器Cs可以被充电到稍低的电压，从而可能将第一电容器电压降低到相同的545VDC。当开关电路将输出电容器(在545VDC)连接到在525VDC的第二电容器时，则没有电流从第二电容器流向输出电容器Cs。以此方式，在每个切换周期期间，当连接到Cs时，第一电容器电压可以减小例如大约4VDC(或任何其它相似的量，取决于电容值和电压，例如逐渐减小的值)，直到第一和第二电容器平衡。
现在参考图2A，其展示了根据本公开的绘示性方面的用于三个平衡电容器的实例开关电路200的电路图。开关电路200可以是开关电路110(图1)的实例实施方案。电容器C1、C2和C3(其可以是图1的电容器C1-Cn的实例，其中在此实例中n＝3)可以串联连接到DC电压源Vi(端Vi+和Vi-之间)，并且串联连接的四个端(电容器C1的两个端和电容器C3的两个端，其中电容器C2连接在电容器C1和电容器C3之间)连接到功率转换器(未展示)，所述功率转换器可以主动地平衡电容器C1、C2和C3中的每个的两端的电压。与功率转换器并联地，开关电路200可以连接到串联连接的电容器端，并且可以在端Vs+和Vs-(其可以与图1中的端Vs+和Vs-相同)两端存在输出电压Vs。开关电路200可以包括开关S1、S2、S3和S4，根据它们的相对状态，所述开关提供各种配置，用于连接到输出端Vs+和Vs-，串联连接的电容器C1、C2和/或C3两端的电压中的一个、两个或全部三个。本文中所展示的开关电路200包含四个二极管D1、D2、D3和D4以及四个开关S1、S2、S32和S4。当需要导通时，二极管D1、D2、D3和D4每个都可以用被控制为ON的开关取代。在电路200中可以包括阻抗Z(其可以是每个都具有阻抗的一个或多个组件的阻抗)和输出电容器Cs，以帮助稳定输出电压Vo。
现在参考图2B，其展示了根据本公开的绘示性方面的开关电路200的特定切换配置的实例电流流通，其中S1闭合(例如处于导通状态)并且其它开关S2-S4断开(例如处于非导通状态)。虚线指示电流流通。闭合开关S1将端Vi+电连接到端Vs+，并且电流的返回路径是从端Vs-到电容器C1和C2之间的公共端，使得电容器C1的电压连接到Vs。
现在参考图2C，其展示了根据本公开的绘示性方面的开关电路200的另一个特定切换配置的另一个实例电流流通，其中开关S2和S3闭合并且其它开关S1和S4断开。虚线指示电流流通。闭合开关S2将电容器C1和C2之间的公共端电连接到端Vs+，并且闭合开关S3将电容器C2和C3之间的公共端电连接到端Vs-，因此电容器C2的电压连接到Vo。
现在参考图2D，其展示了根据本公开的绘示性方面的开关电路200的特定切换配置的另一个实例电流流通，其中开关S4闭合并且其它开关S1-S3断开。虚线指示电流流通。闭合开关S4将端Vi-电连接到端Vs-，并且从电容器C2和C3之间的公共端到端Vs+产生电流环路，因此电容器C3的电压连接到Vo。
现在参考图2E，其展示了根据本公开的绘示性方面的开关电路200的特定切换配置的另一个实例电流流通，其中开关S1和S3闭合并且其它开关S2和S4断开。虚线指示电流流通。闭合开关S1将端Vi+电连接到端Vs+，并且闭合开关S3将C2和C3之间的公共端电连接到端Vs-。串联连接的电容器C1和C2的电压之和提供开关电路200的输出电压Vs。在不使用阻抗Z的情况下，开关电路200的电压Vs是在端Vs+和端Vs-上提供的电压Vs。
现在参考图2F，其展示了根据本公开的绘示性方面的开关电路200的特定切换配置的另一个实例电流流通，其中开关S2和S4闭合并且其它开关S1和S3断开。虚线指示电流流通。闭合开关S2将电容器C1和C2之间的公共端电连接到端Vs+，闭合开关S4将端Vi-电连接到端Vs-，因此串联的电容器C2和C3的电压连接到Vo。
现在参考图2G，其展示了根据本公开的绘示性方面的开关电路200的特定切换配置的另一个实例电流流通，其中开关S1和S4闭合并且其它开关S2和S3断开。虚线指示电流流通。闭合开关S1将端Vi+电连接到端Vs+，并且闭合开关S4将端Vi-电连接到端Vs-，使得电压Vi连接到Vo。
现在参考图3A，其展示了根据本公开的绘示性方面的用于平衡电容器的实例开关电路310的绘示性电路图。开关电路310可以是图1的开关电路110的实例实施方案。电容器Csys1和Csys2(其可以是图1中的电容器C1-Cn的实例实施方案，其中n＝2)可以是输入电压Vi的两个端两端的串联连接的平衡电容器，其中两个电容器之间的连接点CNT可以是中性点端、中点电压、中电压、DC链路电压等。二极管D1的阳极可以连接到CNT，并且阴极耦合到表示为Vo的输出电压的正极端(表示为端Vs+)，任选地通过阻抗Z。虽然在特定电路中可能不存在阻抗Z，但是在其存在的地方，阻抗Z可以是例如一个或多个组件，例如一个或多个电阻器、电感器、电容器、热敏电阻、谐振电路和/或等。二极管D4的阴极可以连接到CNT，并且二极管D4的阳极可以连接到输出电压的负极端Vs-。二极管D3的阴极可以连接到端Vs+和二极管D1的阴极，并且D2的阳极可以连接到端Vs-和二极管D4的阳极。二极管D3的阳极可以在开关中性端(SNT)处连接到D2的阴极。开关S1的第一端(例如当开关S1是MOSFET时的源极端)可以连接到SNT，并且S1的第二端(例如漏极端)可以连接到端Vi+。开关S2的第一端(例如当开关S2是MOSFET时的源极端)连接到端Vi-，并且S2的第二端(例如漏极端)可以连接到SNT和S1的第一端。输出电容器Cs(例如保持电容器)可以连接在输出电压的端之间(例如端Vs+和Vs-之间)。
现在参考图3B，其展示了根据本公开的绘示性方面的电路310中的实例电流流通，其中S1闭合并且S2断开。虚线指示电流流通。开关S1和S2可以交替地连接在两个平衡电容器(其可以各自为电容器组)Csys1和Csys2中的一个的端和输出电压端之间，具有短的死区时间以抑制直通电流情况。例如，死区时间，例如当S1和S2都断开时的时间，可以在0.001秒和1秒之间。当S1和S2都闭合时，可能发生直通电流情况，产生短路情况。当S1闭合时，电容器Csys1电压可以通过二极管D3和阻抗Z转移到输出电容器Cs。阻抗Z(如本文中所描述的任何其它组件)是任选的，并且可以减小开关应力以及可以增加噪声过滤。当S1断开很短的持续时间时，Cs可以被充电到Csys1的电压。在平衡电容器逆变器设计中，例如双电容器NPC逆变器等(例如在图3A-3C中)，当平衡的情况存在时，每个电容器Csys1和Csys2电压可以是总DC输入电位的大约一半(例如Vi+和Vi-之间的差的大约一半)。
从当S1断开直到S2闭合，来自电容器Cs的能量向输出电压端Vs+和Vs-供给电流，以支持在VS+和Vs-两端连接的负载的功率消耗，其中电压基本上是输入电压的一半。例如，Cs两端的最大纹波电压可以由电容器Cs的电容值、输出功率、控制死区时间和开关频率决定。低开关频率允许减少损耗、减少电磁干扰和/或等。当在开关电路中使用阻抗Z时，二极管D2和D3可以被正向偏置，并且可以在死区时间期间维持通过Z的电流。可以使用不同的阻抗元件来代替Z(电阻器R、电容器C、电感器L、NTC、L+R、L+NTC或其它组合)。电阻元件通常具有较低的成本和占用面积，并且具有当Cs电压开始从零电压斜升时限制开关电路的初始启动时的涌入电流的简单方式的益处。
开关电路可以使用各种类型的开关作为开关组件，例如场效应晶体管(FET)、金属氧化物半导体FET(MOSFET)、绝缘栅极双极晶体管(IGBT)、双极晶体管、功率晶体管、固态继电器、机电继电器和/或等。开关电路的二极管可以用开关(例如例如MOSFET的晶体管)和/或等取代。串联连接在输入电压两端的电容器C1-Cn可以包含两个电容器、三个电容器、四个电容器或更多个电容器。本文中的实例展示了当在输入电压两端串联使用各种数目(例如两个、三个或更多个)的平衡电容器时的配置，并且开关电路110可以被配置成在一个、两个或更多个输入电容器之间切换到输出。可能需要其它组件，例如输出电容器、电感器、电阻器和/或等，或不取决于应用和/或设计的具体要求。例如，输入电压可以具有三个串联的平衡电容器，并且开关电路交替地将输入电容器中的任两个连接到输出。例如，输入电压可以具有三个串联的平衡电容器，并且开关电路交替地将输入电容器中的一个连接到输出。如本文中所用，术语“栅极”是指开关的控制端，例如但不限于MOSFET的栅极、双极结型晶体管的基极或继电器的控制端。术语“栅极”的使用并不意图将技术方案限制为任何特定类型的开关。因此，本文中论述的任何开关控制器也可以被认为是控制开关的栅极的栅极控制器。
开关电路110可以具有使用开环控制进行切换而不是专用的闭环控制处理器控制电路的益处。开环拓扑可以降低开关电路110的复杂性，并且可以避免使用金属氧化物变阻器或电压浪涌抑制器来控制开关电路。通常，当在高功率电路中使用时，这些组件可能具有相对低的功率传送能力和低的最终效率。开关电路110可以使用低开关频率，例如小于100千赫(kHz)。例如，开关频率可以小于10KHz、小于1KHz、小于100赫兹(Hz)、小于10Hz、小于1Hz、小于0.1Hz等。例如，开关电路可以使用固定频率为10千赫(kHz)并且固定占空比为45％(45微秒)的两个交替方波来实施。每个方波可以控制一个开关，并且可以向电路开关施加10％(10微秒)的死区时间以防止出现旁路模式或直通电流情况。
现在参考图3C，其展示了根据本公开的绘示性方面的电路310中的实例电流流通，其中开关S1断开并且开关S2闭合。虚线指示电流流通。当开关S2闭合时，来自电容器Csys2的电流可以通过二极管D1和D2流向输出端。电容器Cs和桥式二极管D1-D4维持电容器Csys1和Csys2的峰值电压。当电容器Csys1和Csys2之间的电压失配超过二极管正向电压的两倍时，开关电路可以执行电压平衡(例如被动地)，因为可以从具有较高电压的电容器Csys1或Csys2汲取功率，直到失配被平衡(例如直到电容器Csys1和Csys2两端的电压基本上相等)。
现在参考图4A，其展示了根据本公开的绘示性方面的用于平衡电容器的实例开关电路400的电路图。开关电路400可以是图1的开关电路110的实例实施方案并且与开关电路310(图3A)相似，除了可以包括第三开关S3之外。在输入电压范围是动态的功率装置中，第三开关S3可以用于将输入电压直接供给到输出电压。
现在参考图4B，其展示了根据本公开的绘示性方面的电路400中的实例电流流通，其中开关S1和S3闭合并且开关S2断开。虚线箭头指示电流流通。闭合开关S3和开关S1可以将电容器Csys1和Csys2两端的全输入电压连接到Cs，例如通过将端Vi-连接到端Vs-。在此情况下，开关S2可以保持关断(断开)以抑制直通电流情况。
现在参考图4C，其展示了根据本公开的绘示性方面的用于平衡电容器的实例开关电路420的电路图。开关电路420可以是图1的开关电路110的实例实施方案并且与开关电路400(图4A)相似，除了第三开关S3可以用所展示的开关S4取代(或补充)。开关S4可以位于端Vi+到端Vs+之间，由此能够将全输入电压Vi连接到Cs。图4C中的开关的第一配置可以允许电容器中的一个交替连接到输出电容器，并且开关的第二配置可以允许将全输入电压连接到输出电容器。可以根据需要使用第一配置，例如当输入电压高于电压阈值时，例如600VDC。也可以根据需要使用第二配置，例如当输入电压低于阈值电压时。
现在参考图5A，其展示了根据本公开的绘示性方面的用于平衡电容器的实例开关电路500的电路图。开关电路500可以是图1的开关电路110的实例实施方案。开关电路500可以用较低的组件数来实施，并且可以提供当开关S1和S2一起闭合时抑制直通电流可能性的控制线。为了从平衡电容器(其可以各自为电容器组)Csys1和/或Csys2汲取输入功率，开关S1和S2可以在接通与断开之间交替切换，其间具有短暂的死区时间。可以包括阻抗Z，例如线圈、电感器、电阻器和/或等。取决于开关S1和/或S2的配置，二极管D1和D2可以引导电流从电容器Csys1和/或Csys2流出。当为开关电路500指定调节电压输出时(例如避免包括单独的DC-DC转换器)，可以包括开关控制器Ctr1，所述开关控制器感测Vs+和Vs-之间的电压差，并且操作开关S1和S2，使得电压差是恒定的并且被调节。在开关电路以此方式与降压转换器组合的实例中，阻抗Z可以是或包括电感器。相似地，可以在Vs+和Vs-之间使用变压器，并且在Z*处使用二极管，其中这些阻抗组件被配置成提供组合到开关电路500中的反激转换器。反激开关电路可以使用与Ctr1相似但是被配置用于反激阻抗布置Z*的控制器。以相似的方式，阻抗Z*和控制器Ctr1可以被配置用于组合到开关电路500中的其它类型的转换器。将转换器结合到开关电路500中具有多个潜在的益处，包括潜在地减少组件的数量、额定值和/或尺寸、潜在地减少热需求、潜在地更高密度的解决方案和/或等。
现在参考图5B，其展示了根据本公开的绘示性方面的开关电路500中的实例电流流通，其中开关S1闭合并且开关S2断开。虚线箭头指示电流流通。当开关S1闭合并且开关S2断开时，Cs可以通过阻抗Z和二极管D2充电到Csys1的电势(减去二极管正向电压)。阻抗Z可以帮助实现更低的开关应力和更好的滤波。
现在参考图5C，其展示了根据本公开的绘示性方面的开关电路500中的实例电流流通，其中开关S1断开并且开关S2闭合。虚线指示电流流通。当开关S2闭合并且开关S1断开时，Cs可以通过二极管D1和阻抗Z充电到电容器Csys2电势。在S1和S2的ON(开关闭合)间隔之间的死区时间期间，Cs可以向Vaux供给电流，例如在Vs+和Vs-之间。当阻抗Z作为电感器结合到电路500中时，例如，电感器的电流可以续流通过二极管D1和D2。当需要1:1的输入到输出电压比时，例如，开关S1和S2可以一起闭合。
除了较低的组件数之外，图5A和5B的电路500还可以在切换之间提供更短(例如几乎为零)的死区时间。当开关S1和S2都闭合时，结果可以是全输入电压可以施加到电容器Cs，从而潜在地防止直通情况。
现在参考图6A，其示意性地展示了根据本公开的绘示性方面的实例功率装置600和实例开关电路610，用于连接到多个平衡串联连接电容器的双辅助功率转换器。与功率装置100相似，功率装置600可以接受来自端Vi+和Vi-的输入电压，并且可以产生输出电压Vout。功率装置600使用平衡电容器C1-Cn(在此实例中n＝2)，并且因此使用彼此串联的两个平衡电容器C1和C2以及功率转换器620，以将输入电压转换成Vout。功率转换器620可以包含电容器平衡电路626、多个功率开关622、控制器624和多个栅极驱动器628。控制器624可以使用腋窝电压Vaux1操作，并且栅极驱动器可以使用辅助电压Vaux2操作。Vaux1可以由第一辅助转换器611供给，并且Vaux2可以由第二辅助转换器612供给。开关电路610可以在串联连接的电容器之间(例如在电容器C1和C2之间)交替辅助转换器611和622，以便防止任何电容器的过多消耗。相似地，可以使用开关控制器将辅助转换器611和612并入到开关电路610中，所述开关控制器感测Vaux1和Vaux2并且控制开关电路610的开关以调节恒定输出电压Vaux1和Vaux2。开关转换器电路614将转换器611和612的组件中的至少一些并入到开关电路610中，由此减少组合解决方案中的组件。例如，组合到开关电路610中的降压转换器可以使用串联电感器，并且所包括的开关栅极控制器可以被配置成控制开关电路610的栅极，使得Vaux1和Vaux2恒定到最大电流。功率装置600可以是如何实施功率装置100的另一个实例。功率转换器620可以是功率转换器120的实例。例如，开关电路610可以是前文所描述的开关电路110、200、310、400或500中的任何一个。例如，电容器平衡电路626可以是电容器平衡电路126。例如，功率开关622可以是功率开关122。例如，控制器624和/或栅极驱动器628可以是开关控制器124。
现在参考图6B，其展示了根据本公开的绘示性方面的用于多个平衡电容器和反激转换器的实例开关电路的电路图，在顶部(电路图630)展示而不进行组合，并且在底部(电路图640)展示而进行组合。电路图630和640中的开关电路可以用作本公开中提供的任何其它附图和实例中的开关电路，包括但不限于开关电路110和610中的任何一个。电路图630包括实例开关电路，所述实例开关电路具有在例如固定频率和占空比开关控制的开环开关控制中操作的控制器/驱动器631。电路图630的开关电路包括输出电容器637和开关638。在开关电路之后，提供反激转换器，用于向负载635供给调节输出。反激转换器包括反馈电路632、控制器633、驱动器634和开关636。组合电路图640包含用于向负载644供给调节输出的开关电路和反激转换器、监测输出电压的反馈电路641、确定开关范例(例如频率、占空比、波形和/或等)的控制器642、以及接收基于开关范例的信号并且根据此信号操作开关的驱动器643。如例如在电路图640中所展示，组合开关电路和反激转换器可以涉及组件和电路的配置，但是与电路图630相比可以总体上节省组件，例如通过允许省去开关(例如开关636)和电容器(例如输出电容器637)。
现在参考图6C，其展示了根据本公开的绘示性方面的用于与降压转换器集成的多个平衡电容器的实例开关电路的电路图650。电路图650中的开关电路可以用作本公开中提供的任何其它附图和实例中的开关电路，包括但不限于开关电路110和610中的任何一个。在用于向负载654供给调节输出的组合开关电路和降压转换器中，反馈电路651监测输出电压，控制器652确定开关范例(例如频率、占空比、波形等)，并且驱动器653接收基于开关范例的信号并且根据此信号操作开关。组合开关电路和反激转换器可以涉及组件和电路的配置，但是可以总体上节省组件，与图6B的组合反激电路相似。
现在参考图7，其示意性地展示了根据本公开的绘示性方面的用于发电的实例系统700，所述系统包含连接到转换器730平衡电容器720的实例开关电路740。在此实例中，功率装置100或功率装置600可以是逆变器710。逆变器710可以包含开关电路740(其可以是例如前文所论述的开关电路110、200、310、400、500、610、630、640或650中的任何一个)、平衡电容器720(其可以是例如前文所论述的平衡电容器C1-Cn)和转换器730(其可以是例如功率转换器120或功率转换器620)，所述转换器用于将来自使用功率优化器701A的一个或多个太阳能板701的功率(例如DC功率)和/或来自风力涡轮机702和/或等的功率(例如AC功率)转换为转换器730的输出处的DC和/或AC功率。例如，由转换器730输出的转换的功率可以作为用于供给到电网760中的AC功率用于对蓄电装置750(例如电池、压缩空气蓄电装置、热蓄电装置和/或等)充电，和/或用于任何其它目的。
在此，如在说明书和权利要求书中的其它地方，范围可以组合以形成更大的范围，并且所描述的任何特定值都是非限制性实例。
例如，本文中所公开的特定尺寸、特定材料、特定范围、特定电阻率、特定电压、特定形状和/或其它特定性质和值本质上是绘示性的，并且不意图限制本公开的范围。本文中对于给定参数的特定值和特定值范围的公开并不排除可以用于本文中所公开的一个或多个实例中的其它值和值范围。此外，设想本文中所陈述的特定参数的任何两个特定值可以限定可以合适于给定参数的值范围的端点(例如，给定参数的第一值和第二值的公开可以解释为公开第一和第二值之间的任何值也可以用于给定参数)。例如，如果参数X在本文中示范为具有值A并且还示范为具有值Z，则设想参数X可以具有约A至约Z的值范围。相似地，设想参数的两个或更多个值范围(无论此类范围是嵌套的、重叠的还是不同的)的公开包涵使用所公开范围的端点可以要求保护的值的范围的所有可能组合。例如，如果参数X在本文中示范为具有在1-10、或2-9、或3-8的范围内的值，则还设想参数X可以具有包括1-9、1-8、1-3、1-2、2-10、2-8、2-3、3-10和3-9的其它值范围。
在对各种绘示性特征的描述中，参考形成本文的一部分的附图，并且在附图中以说明的方式展示可以实践本公开的方面的各种特征。应理解，在不脱离本公开的范围的情况下，可以利用其它特征并且可以进行结构和功能的修改。
本公开中使用的术语例如“多个”指示具有或涉及若干零件、元件或组件的性质。
可以注意，本文中在元件之间阐述了各种连接。这些连接被一般性地描述，并且除非另有说明，否则可以是直接的或间接的；本说明书在这方面不意图是限制性的，并且无论何时描述连接，都设想直接和间接连接两者。此外，任何实例中的一个特征的元件可以与任何实例中的其它特征的元件以任何组合或子组合来组合。
如本文中所使用，将两个元件连接或耦合在一起的论述意图包括直接电连接以及间接电连接，其中一个或多个介入元件(例如但不限于二极管、电阻器和/或熔断器)可以被设置在连接这两个元件的电路径中。

Claims (17)

1.一种功率装置，其包含：
多个电容器，所述多个电容器彼此串联连接并且被配置成与直流(DC)电源并联连接；
第一转换器，所述第一转换器包含被配置成平衡所述多个电容器中的每个的两端电压的控制器；以及
第二转换器，所述第二转换器连接到所述多个电容器的端并且被配置成基于所述多个电容器两端的所述电压而生成输出电压。
2.根据权利要求1所述的功率装置，其中所述第一转换器被配置成主动地平衡所述多个电容器两端的所述电压，并且其中所述第二转换器被配置成被动地平衡所述多个电容器两端的所述电压。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的功率装置，其中所述第一转换器被配置成有力地保持所述多个电容器两端的所述电压的所述平衡。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的功率装置，其中所述第二转换器被配置成微弱地保持所述多个电容器两端的所述电压的所述平衡。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的功率装置，其中所述第二转换器包含：
(a)至少三个输入导体，每个所述输入导体连接到所述多个电容器中的一个的端，
(b)至少两个输出导体，每个所述输出导体连接到所述输出电压，
(c)开关电路，所述开关电路连接在所述至少三个输入导线和至少两个输出导体之间；以及
(d)控制器，所述控制器被配置成操作所述开关电路。
6.根据权利要求5所述的功率装置，其中所述控制器被配置成利用以小于10,000赫兹的频率操作的开环控制来操作所述开关电路。
7.根据权利要求5所述的功率装置，其中所述开关电路包含至少两个开关，所述至少两个开关被配置成在将所述多个电容器中的每个依次电连接到所述至少两个输出导体之间交替。
8.根据权利要求7所述的功率装置，其中所述开关电路包含至少两个二极管或开关，以将电流从所述多个电容器中的至少一个引导到所述至少两个输出导体。
9.根据权利要求8所述的功率装置，其中所述至少三个输入导体包含低电压导体、高电压导体和中电压导体。
10.根据权利要求9所述的功率装置，其中所述至少两个二极管包含第一二极管和第二二极管，每个二极管包含阳极端和阴极端，并且其中所述至少两个开关包含第一开关和第二开关，每个开关包含源极端和漏极端，并且其中：
(a)所述第一开关的所述源极端连接到所述低电压导体，
(b)所述第一二极管的所述阳极端连接到所述第一开关的所述漏极端，
(c)所述第一二极管的所述阴极端和所述第二二极管的所述阳极端连接到所述中电压导体，
(d)所述第二二极管的所述阴极端连接到所述第二开关的所述源极端，并且
(e)所述第二开关的所述漏极端是所述高电压导体。
11.根据权利要求9所述的功率装置，其中所述至少两个二极管包含二极管桥配置中的四个二极管，所述二极管桥配置包含阳极端、阴极端、第一交流端和第二交流端，其中所述至少两个开关包含第一开关和第二开关，每个开关包含源极端和漏极端，并且其中：
(a)所述第一开关的所述源极端连接到所述低电压导体，
(b)所述二极管桥配置的所述阳极端连接到所述至少两个输出导体中的高输出电压导体，
(c)所述二极管桥配置的所述阴极端连接到所述至少两个输出导体中的低输出电压导体，
(d)所述第一开关的所述漏极端连接到所述第二开关的所述源极端和所述二极管桥配置的所述第一交流端，
(e)所述二极管桥配置的所述第二交流端连接到所述中电压导体，以及
(f)所述第二开关的所述漏极端是所述高电压导体。
12.根据权利要求9所述的功率装置，其中所述至少两个二极管包含二极管桥配置中的四个二极管，所述二极管桥配置包含阳极端、阴极端和两个交流端，其中所述至少两个开关包含第一开关、第二开关和第三开关，每个开关包含源极端和漏极端，并且其中所述第三开关的所述源极端连接到所述低电压导体，并且其中所述第三开关的所述漏极端连接到所述二极管桥配置的所述阴极端。
13.根据权利要求5所述的功率装置，其中所述开关电路被配置成在多个DC到DC电源之间切换所述多个电容器的所述端，所述DC到DC电源中的每个被配置成向所述第一转换器提供电压和电流，并且其中所述开关电路被配置成保持所述多个电容器两端的所述电压之间的平衡。
14.根据权利要求5所述的功率装置，其中所述多个电容器包含三个电容器，所述至少三个输入导体包含四个输入导体，并且所述开关电路包含四个二极管和四个开关。
15.根据权利要求1至14中任一项所述的功率装置，其中所述多个电容器包含多个DC链路电容器。
16.根据权利要求1至14中任一项所述的功率装置，其中所述多个电容器中的每个包含电容器组。
17.一种方法，其包含：
通过第一转换器的控制器来平衡多个电容器中的每个的两端的电压，所述多个电容器彼此串联连接并且与直流(DC)电源并联连接；以及
通过连接到所述多个电容器的端的第二转换器基于所述多个电容器两端的所述电压而生成输出电压。
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