功率变换电路和功率变换系统的制作方法
【专利摘要】本发明提供了一种功率变换电路和功率变换系统，功率变换电路包括：第一功率变换模块，包括M个第一功率桥臂和第一耦合电感，M个第一功率桥臂与功率变换电路的第一端子相连接，第一耦合电感包括第一磁芯和绕制在该第一磁芯上的M个绕组，该M个绕组分别与M个第一功率桥臂相连接，用以耦合M个第一功率桥臂。第二功率桥臂，与功率变换电路的第一端子相连接；第二耦合电感包括：第二磁芯和绕制在该第二磁芯上的第一绕组和第二绕组，该第一绕组与第一耦合电感的耦合端相连接，该第二绕组与第二功率桥臂相连接，用以耦合该第二功率桥臂和第一功率变换模块，第二耦合电感的耦合端与功率变换电路的第二端相连接。本发明能够降低耦合电感的成本。
【专利说明】功率变换电路和功率变换系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及电力电子技术，尤其是涉及一种功率变换电路和功率变换系统。
【背景技术】
[0002]目前，采用交错关联技术的多电平逆变器得到广泛应用。多电平逆变器包括并联的多个功率桥臂，多个功率桥臂通过耦合电感中的多个绕组或线圈耦合，并且以交错方式运行。采用交错并联技术，既可以提高多电平逆变器的功率等级，又可以减小输入、输出电流波纹，还可以提高变换器的动态响应，减小电路中磁性元件的体积和实现变换器的自动均流。
[0003]通常，耦合电感要求磁路要完全对称，而在实际生产时，作为多绕组变压器，很难使奉禹合电感的磁路完全对称。
[0004]然而，耦合电感的磁路的不对称会造成耦合电感上的环流和滤波电感上的纹波电流增大，导致耦合电感工作时磁通密度的变化值增大，从而要求在设计时使用更大体积的电感(增大匝数或磁芯截面积)，才能保证磁芯在工作时不发生饱和。这样，造成耦合电感的成本增加。
【发明内容】
[0005]本发明实施例提供一种功率变换电路和功率变换系统，能够降低耦合电感的成本。
[0006]第一方面，提供了一种功率变换电路，该功率变换电路包括:第一功率变换模块，第一功率变换模块包括M个第一功率桥臂和第一耦合电感，M个第一功率桥臂与功率变换电路的第一端子相连接，并且以交错并联方式工作，第一耦合电感包括第一磁芯和绕制在第一磁芯上的M个绕组，M个绕组分别与M个第一功率桥臂相连接，用以耦合M个第一功率桥臂，M为大于或等于2的正整数，M个绕组的匝数相同；第二功率桥臂，与功率变换电路的第一端子相连接；第二耦合电感，第二耦合电感包括第二磁芯和绕制在第二磁芯上的第一绕组和第二绕组，第一绕组与第一耦合电感的耦合端相连接，第二绕组与第二功率桥臂相连接，用以耦合第二功率桥臂和第一功率变换模块，第二耦合电感的耦合端与功率变换电路的第二端子相连接，第一绕组和第二绕组的匝数不同。
[0007]结合第一方面，在第一种可能的实现方式中，第一磁芯为相互连接的M个柱体，M个绕组分别绕制在M个柱体上，并且M个绕组的绕制方向相同，M个绕组的匝数相同，第一绕组和第二绕组的匝数比为第二绕组连接的功率桥臂的数目与第一绕组连接的功率桥臂的数目之比。
[0008]结合第一方面，在第二种可能的实现方式中，该功率变换电路还包括:P个第三功率桥臂和P个第三耦合电感，P个第三功率桥臂分别与功率变换电路的第一端子相连接，P个第三耦合电感分别用于耦合P个第三功率桥臂、第二功率桥臂和第一功率变换模块，其中，P个第三耦合电感中的每个第三耦合电感包括第三绕组和第四绕组，第三绕组和第四绕组的匝数比等于第四绕组连接的功率桥臂的数目与第三绕组连接功率桥臂的数目之比，P为大于或等于I的正整数。
[0009]结合第二种可能的实现方式，在第三种可能的实现方式中，P个第三功率桥臂包括一个第三功率桥臂，与功率变换电路的第一端子相连接#个第三耦合电感包括一个第三耦合电感，第三耦合电感包括第三绕组和第四绕组，第三绕组与第二耦合电感的耦合端相连接，第四绕组与第三功率桥臂相连接，用以耦合第三功率桥臂、第二功率桥臂和第一功率变换模块，其中，第二耦合电感的耦合端通过第三耦合电感与功率变换电路的第二端子相连接，第三绕组和第四绕组的匝数比为1:(M+1)。
[0010]结合第一方面，在第四种可能的实现方式中，该功率变换电路还包括:第二功率变换模块，第二功率变换模块包括N个第四功率桥臂和第四耦合电感，N个第四功率桥臂与功率变换电路的第一端子相连接，并且以交错并联方式工作，第四耦合电感包括第四磁芯和绕制在第四磁芯上的N个绕组，N个绕组分别与N个第四功率桥臂相连接，用于耦合N个第四功率桥臂；第五耦合电感，包括第五绕组和第六绕组，用于耦合第二功率变换模块和第一功率变换模块，其中，第五绕组与第一耦合电感的耦合端相连接，第六绕组与第四耦合电感的耦合端相连接，M个绕组的匝数相同，N个绕组的匝数相同，第一绕组和第二绕组的匝数比为1: (N+M)，第五绕组和第六绕组的匝数比为N:M，N为大于或等于2的整数，第一绕组通过第五耦合电感与第一耦合电感的耦合端相连接。
[0011]结合第一方面或上述任一种可能的实现方式，在第五种可能的实现方式中，该功率变换电路还包括:滤波电路，包括电容，滤波电路与第二端子相连接，用于对交流电进行滤波。
[0012]结合第五种可能的实现方式，在第六种可能的实现方式中，滤波电路还包括滤波电感，第二磁芯包括第一磁柱、第二磁柱和第三磁柱，第一绕组和第二绕组分别绕制在第一磁柱和第二磁柱上，滤波电感绕制在第三磁柱上，第一绕组和第二绕组分别与滤波电感耦口 ο
[0013]结合第一方面或上述任一种可能的实现方式，在第七种可能的实现方式中，功率桥臂为中点箝位型多电平桥臂或电容箝位型多电平桥臂。
[0014]第二方面，提供了一种三相功率变换器，该三相功率变换器包括:三相功率变换电路，用于在三相交流点与直流点之间进行功率变换，其中每相功率变换电路如第一方面或第一方面的第一种至第四种实现方式中的任一种实现方式下的功率变换电路。
[0015]结合第二方面，在第一种可能的实现方式中，该三相功率变换器还包括:三相滤波电路，包括三个电容，用于对三相交流电进行滤波，三个电容中的每个电容的一端分别与三相功率逆变电路中的一相功率逆变电路的第二端子相连接，三个电容的另一端连接在一起。
[0016]结合第一种可能的实现方式中，在第二种可能的实现方式中，该三相功率变换器还包括:第一中线，用于与电网的中线相连接，其中第一中线连接到三个电容的连接在一起的一端。
[0017]第三方面，提供了一种功率变换系统，包括:第一功率变换电路如第一方面的任一种可能的实现方式下的功率变换电路，用于将直流电变换成交流电，其中第一端子为输入端子，第二端子为输出端子；第二功率变换电路如第一方面的任一种可能的实现方式下的功率变换电路，用于将交流电变换成直流电，其中，第二端子为输入端子，第一端子为输出端子，并且第一功率变换电路的输出端子与第二功率变换电路的输入端子相连接，或第二功率变换电路的输出端子与第一功率变换电路的输入端子相连接。
[0018]因此，本发明实施例可以采用包含两个匝数不同的绕组的耦合电感耦合一个功率桥臂和包含多个功率桥臂的功率模块来实现功率变换电路，本发明的实施例不需要严格要求第一耦合电感的磁路的对称性，因此，制造难度变小，而第二耦合电感为两绕组的耦合电感，制造的可控性高，工艺简单，而且生产成本相对多路耦合电感较低。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0020]图1是根据本发明的一个实施例的功率变换电路的示意性框图。
[0021]图2示出了根据本发明的一个实施例的不对称耦合电感的示意性框图。
[0022]图3是根据本发明的一个实施例的功率桥臂的电路图。
[0023]图4是根据本发明的另一实施例的功率变换电路的示意性框图。
[0024]图5示出了根据本发明的另一实施例的不对称耦合电感的示意性框图。
[0025]图6是根据本发明的另一实施例的功率变换电路的示意性框图。
[0026]图7是根据本发明的另一实施例的功率变换电路的示意性框图。
[0027]图8是根据本发明的一个实施例的三相功率变换器的示意性框图。
[0028]图9是根据本发明的一个实施例的N相功率变换器的示意性框图。
[0029]图10是根据本发明的一个实施例的功率变换系统的示意性框图。
[0030]图11是根据本发明的另一实施例的功率变换系统的示意性框图。
【具体实施方式】
[0031]下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
[0032]图1是根据本发明的一个实施例的功率变换电路100的示意性框图。功率变换电路100包括:第一端子110、第二端子120、第一功率变化模块130、第二功率桥臂140和第二耦合电感150。
[0033]第一功率变换模块130包括:M个第一功率桥臂和第一耦合电感131，M个第一功率桥臂与功率变换电路100的第一端子110相连接，并且以交错并联方式工作，第一耦合电感131包括第一磁芯和绕制在该第一磁芯上的M个绕组，该M个绕组分别与M个第一功率桥臂相连接，用以耦合M个第一功率桥臂，M为大于或等于2的正整数。第二功率桥臂140，与功率变换电路100的第一端子110相连接。第二耦合电感150包括:第二磁芯和绕制在该第二磁芯上的第一绕组LI和第二绕组L2,该第一绕组LI与第一稱合电感131的稱合端相连接，该第二绕组L2与第二功率桥臂140相连接，用以耦合该第二功率桥臂140和第一功率变换模块130，第二耦合电感的耦合端与功率变换电路100的第二端120相连接。
[0034]具体地，第一耦合电感的多个绕组的一端相互耦合在一起，即多个绕组的一端连接至耦合端，而第一耦合电感的多个绕组的另一端可以分别与多个功率桥臂相连接。第一耦合电感的多个绕组的匝数可以相同，即磁路对称，因此，第一耦合电感也称为对称耦合电感。第二耦合电感150的第一绕组LI通过第一耦合电感的M个绕组与M个功率桥臂相连接。第二耦合电感150的第一绕组LI的匝数与第二绕组L2的匝数可以不同，即磁路不对称，因此，第二耦合电感也可以称为不对称耦合电感。第一绕组LI与第二绕组L2的匝数比可以为第二绕组L2相连接的功率桥臂的数目与第一绕组LI相连接的功率桥臂的数目之t匕。例如，如果与第一绕组LI连接(包括直接连接或间接连接)的功率桥臂的数目为M，与第二绕组L2相连接的(包括直接连接或间接连接)的功率桥臂的数目为N，则第一绕组与第二绕组的匝数比N:M。
[0035]根据本发明的实施例，功率变换电路100可以为整流电路或逆变电路。例如，当第一端子110为输入端，第二端子120为输出端时，功率变换电路100为逆变电路。相反，当第二端子120为输入端，第一端子110为输出端时，功率变换电路100为整流电路。
[0036]应理解，在本发明实施例中，功率桥臂可以称为多电平桥臂或多电平拓扑，包括多个开关管，多个开关管可以在驱动信号的控制下互补导通或关断，使得能够在功率桥臂的交流节点上生成随时间变化的多个电平，或者在交流节点上随时间呈现多个电平。交错并联是指多个功率桥臂并联工作，并且多个功率桥臂的驱动信号的相位之间相隔预设的角度，例如，360/M度。例如，M个第一功率桥臂可以以相位错开预设角度的方式工作。举例来说，三路功率桥臂的驱动信号的相位之间的相隔为120度，五路功率桥臂的驱动信号的相位之间的间隔为72度。
[0037]应理解，两个相邻多电平桥臂的驱动信号的相位之间的间隔可以是相同的角度，例如，360/M度，也可以是不同的角度。在本发明的实施例，可以将该相位间隔设置为相同的角度使得功率桥臂的控制方法更简单。
[0038]因此，本发明实施例可以采用包含两个匝数不同的绕组的耦合电感耦合一个功率桥臂和包含多个功率桥臂的功率模块来实现功率变换电路，本发明的实施例不需要严格要求第一耦合电感的磁路的对称性，因此，制造难度变小，而第二耦合电感为两绕组的耦合电感，制造的可控性高，工艺简单，而且生产成本相对多路耦合电感较低。
[0039]另外，由于不对称耦合电感只有两个绕组，因此不对称耦合电感的磁件的加工工艺简单，使得能够比较精确地控制磁件参数特性，不需要保留较大的电感裕量，从而提高了环路的响应速度。
[0040]根据本发明的实施例，多电平桥臂为K电平桥臂，N路多电平桥臂生成(K-1) *N+1个电平。例如，多电平桥臂为三电平桥臂，N路多电平桥臂生成2N+1个电平。例如，三路三电平桥臂生成七个电平，五路三电平桥臂生成13个电平。
[0041]根据本发明的实施例，第一耦合电感的M个绕组的匝数相同。采用M个绕组设置相同的匝数的第一耦合电感的方案可以减小纹波电流，从而抑制高次谐波。
[0042]根据本发明的实施例,第一磁芯为相互连接的M个柱体，M个绕组分别缠绕M个柱体，并且M个绕组的缠绕方向相同。换句话说，M路第一功率桥臂可以分别连接到M个绕组的同名端。由于这样的耦合电感的结构可以产生漏感，因此无需在滤波电路中设置电感，从而降低了滤波电路的成本。
[0043]根据本发明的实施例，第二耦合电感150的第一绕组LI和第二绕组L2的匝数比为1:M，即第二耦合电感为不对称的耦合电感。第一耦合电感使得一部分高频纹波电流以差模的形式在各个功率桥臂之间消耗掉，使得输出电流(共模部分)的纹波频率增加到M倍的开关频率、纹波幅值减小。绕组匝数为1:M的不对称耦合电感使得M倍电流i与电流i交错，从而减小总输出电流(N+l)*i上的高频电流纹波的幅值，同时使得总输出电流上的高频电流纹波的频率增加至M+1倍的开关频率。第一绕组LI和第二绕组L2的匝数比设计为1:M，使得两个绕组所在两个磁路的励磁电感的对称，从而减小了两个磁路中的环流。
[0044]本发明的实施例不需要严格要求第一耦合电感的磁路的对称性，因此，制造难度变小，第二耦合电感为两绕组的耦合电感，制造的可控性高，工艺简单，而且生产成本相对多路耦合电感较低。因此，采用这种不对称的耦合电感能够实现低成本的多电平功率变换电路。
[0045]另外，第二耦合电感的匝数比设计成使得第二耦合电感的两个磁路的励磁电感满足对称性要求，从而减小了两个磁路中的环流，提高了电路性能。
[0046]根据本发明的实施例，图1的功率变换电路100还包括:滤波电路(未示出)，滤波电路可以与功率变换电路100的第二端子120相连接，用于对交流电进行滤波。
[0047]根据本发明的实施例，滤波电路可以为电容。滤波电路可以对输出电流进行滤波，以到达更优的电能质量。另外，本发明的实施例采用耦合电感产生的漏感与电容构成滤波电路，因此无需在滤波电路中设置电感，这样可以缩小滤波电路的尺寸和成本，从而缩小了功率变换电路的尺寸，并且降低了功率变换电路的成本。
[0048]可选地，作为另一实施例，滤波电路还可以包括滤波电感，例如，该电感(未示出)可以串联连接在第二端子120与第二耦合电感150之间。
[0049]应理解，滤波电路可以为LC滤波器或LCL滤波器。
[0050]根据本发明的实施例，图1的功率变换电路100还包括:分压电路(未示出)，分压电路可以连接在第一端子110的正负极之间，用于对直流电进行分压。
[0051]根据本发明的实施例，功率变换电路100可以为整流电路或逆变电路。例如，当第一端子110为输入端，第二端子120为输出端时，功率变换电路100为逆变电路。相反，当第二端子120为输入端，第一端子110为输出端时，功率变换电路100为整流电路。
[0052]根据本发明实施例，第二耦合电感为不对称耦合电感，能够降低耦合电感的成本。
[0053]图2示出了根据本发明的一个实施例的不对称耦合电感的示意性框图。如图2所不，第二磁芯包括第一磁柱和第二磁柱，第一绕组LI和第二绕组L2分别绕制在第一磁柱和第二磁柱上。如果与第一绕组LI连接(包括直接连接或间接连接)的功率桥臂的数目为M，与第二绕组L2相连接的(包括直接连接或间接连接)的功率桥臂的数目为N，则第一绕组LI与第二绕组L2的匝数比为N:M。第一绕组LI和第二绕组L2的匝数比设计为N:M,使得两个绕组所在两个磁路的励磁电感的对称，从而减小了两个磁路中的环流。
[0054]图3是根据本发明的一个实施例的功率桥臂的电路图。如图3所示，本实施例以中点箝位型三电平桥臂为例进行说明。图3所示的功率桥臂是图1的实施例中的功率桥臂的一个例子。中点箝位型三电平桥臂包括第一开关Ql至第四开关Q4以及第一二极管Dl至第四二极管D4。
[0055]第一开关管Ql连接在功率变换电路的第一端子与功率桥臂的交流电节点之间。第一二极管Dl与第一开关管Ql并联，第一二极管Dl的正极连接到功率桥臂的交流电节点。第三开关管Q3的一端与功率桥臂的交流电节点相连接。第三二极管D3与第三开关管Q3并联，第三二极管D3的正极与功率桥臂的交流电节点相连接。第二开关管Q2的一端与分压电路的中点相连接，第二开关管Q2的另一端与第三开关管Q3的另一端相连接。第二二极管D2与第二开关管Q2并联，第二二极管Q2的正极与分压电路的中点相连接。第四开关管Q4连接在功率变换电路的第二端子与功率桥臂的交流电节点之间。第四二极管D4与第四开关管Q4并联，第四二极管D4的负极连接到功率桥臂的交流电节点。
[0056]应理解的是，图3的三电平桥臂只是中点箝位型三电平功率桥臂的一个例子，中点箝位型三电平功率桥臂还可以有其它变形。
[0057]根据本发明的实施例，本发明的开关管可以但不限于金属氧化物半导体(MetalOxide Semiconductor, M0SFET)、绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate BipolarTransistor, IGBT)、集成门极换流晶闸管(Integrated Gate Commutated Thyristors,IGCT)或可控硅整流器(Silicon Controlled Rectifier, SCR)等功率器件或不同功率器件的组合形式。
[0058]图4是根据本发明的另一实施例的功率变换电路400的电路图。功率变换电路400是图1的实施例的例子。
[0059]本实施例以功率变换电路为功率逆变电路且该功率逆变电路包括三路中点箝位型三电平功率桥臂为例进行说明，但本发明的实施例并不限于此，例如，功率变换电路400也可以包括更多路三电平功率桥臂。包括其它数目的三电平功率桥臂的功率变换电路的电路拓扑与包括三路三电平功率桥臂的功率变换电路的电路拓扑类似，在此不再赘述。
[0060]功率变换电路400包括直流母线(Bus) 410、第一功率变换模块430、第二功率桥臂440、第二耦合电感440、分压电路460和滤波电路470。
[0061 ] 分压电路460包括第一电容Cl和第二电容C2，第一电容Cl连接在Bus+与分压电路的中点Bus_N之间，第二电容C2连接在Bus-与Bus_N之间。
[0062]第一功率变换模块430包括三电平功率桥臂A和三电平功率桥臂B，第二功率桥臂440为三电平功率桥臂C。每路三电平桥臂的电路拓扑如图3所示，在此不再赘述。每路三电平桥臂的交流节点分别连接到相应的耦合电感的绕组上。每个三电平桥臂的第二开关管Q2和第三开关Q4串联连接在Bus_N与三电平桥臂的交流节点之间。每个三电平桥臂的第一开关管Ql连接在直流母线的Bus_+与该三电平桥臂的交流节点之间。每个三电平桥臂的第四开关管Q4连接在直流母线的Bus_-与该三电平桥臂的交流节点之间。每个三电平桥臂的箝位中点与分压电路的中点相连接。
[0063]第一功率变换模块430还包括第一稱合电感431,该第一稱合电感431的两绕组LI’和L2’共用第一磁芯，该第一磁芯包括两个柱体，两个绕组分别缠绕在两个柱体上且缠绕方向相同，两个绕组的两个首端分别与三电平桥臂A的交流节点a和三电平功率桥臂B的交流节点b连接，两个绕组的两个尾端与第二耦合电感中的绕组LI的首端连接，其中，绕组LI’和绕组L2’的匝数比为1:1。
[0064]应理解，第二耦合电感450的两个绕组LI和L2共用第二磁芯，该第二磁芯可以包括两个磁柱，绕组LI和L2分别绕制在两个磁柱上且缠绕方向相同，绕组L2的首端与三电平功率桥臂C的交流节点c连接，绕组LI和L2的尾端与滤波电感L的首端连接，滤波电感L的尾端与该功率变换电路400的第二端子420相连接，其中，绕组LI和绕组L2的匝数比为1:2。另外，滤波电路470包括电容C3和滤波电感L，电容C3与功率变换电路400的第二端子420相连接。
[0065]应理解，作为替代的实施例，第二耦合电感450的两个绕组LI和L2共用第二磁芯，该第二磁芯可以包括三个磁柱，绕组LI和L2分别绕制在三个磁柱中的两个磁柱上且缠绕方向相同，滤波电感L绕制在第三磁柱上，绕组L2的首端与三电平功率桥臂C的交流节点c连接，绕组LI和L2的尾端与滤波电感L的首端连接，滤波电感L的尾端与该功率变换电路400的第二端子420相连接，其中，绕组LI和绕组L2的匝数比为1:2。另外，滤波电路470可以由电容C3和第二耦合电感上的滤波电感L构成，电容C3与功率变换电路400的第二端子420相连接。
[0066]应理解的是，当功率变换电路400为整流器时，滤波电路450与交流电源(未示出)相连接，即滤波电路450接收交流电输入。当功率变换电路400为逆变器时，滤波电路与负载(未不出)相连接，即滤波电路450输出交流电。
[0067]图5 示出了根据本发明的另一实施例的不对称耦合电感的示意性框图。如图5所示，第二磁芯包括第一磁柱、第二磁柱和第三磁柱，第一绕组LI和第二绕组L2分别绕制在第一磁柱和第二磁柱上，滤波电感L绕制在第三磁柱上，第一绕组LI和第二绕组L2分别与滤波电感L耦合。
[0068]根据本发明实施例，第二耦合电感为不对称耦合电感，且将滤波电感绕组在不对称耦合电感包括的第三磁柱上，能够缩小滤波电路的尺寸和成本，从而缩小了功率变换电路的尺寸，并且降低了功率变换电路的成本。
[0069]图6根据本发明的另一实施例的功率变换电路600的示意性框图。功率变换电路600包括:第一端子610、第二端子620、第一功率变换模块630、第二功率桥臂640和第二耦合电感650。功率变换电路600与图1的功率变换电路100类似，在此适当省略详细的描述。
[0070]与图1的功率变换电路100不同的是，图6的功率变换电路600还包括:第三功率桥臂660和第三耦合电感670。第三功率桥臂660与功率变换电路600的第一端子610相连接。第三耦合电感670包括:第三绕组L3和第四绕组L4，该第三绕组L3与第二耦合电感650的耦合端相连接，该第四绕组L4与第三功率桥臂660相连接，用以耦合第一功率变换模块630、第二功率桥臂640和该第三功率桥臂660，其中，第二耦合电感650的耦合端通过第三耦合电感670与功率变换电路600的第二端620相连接，第三绕组L3和第四绕组L4的匝数比为I: (Μ+1) ο
[0071]应理解，在本发明实施例中，功率变换电路600可以包括多个第三功率桥臂和多个第三耦合电感。例如:功率变换电路600包括P个第三功率桥臂和P个第三耦合电感，则有:
[0072]第I个第三耦合电感670包括第三绕组IA和第四绕组ΙΛ，第三绕组I^1与第二耦合电感650的耦合端相连接，第四绕组ΙΛ与第I个第三功率桥臂660相连接，用以耦合第一功率变换模块630、第二功率桥臂640和第I个第三功率桥臂660，其中，第三绕组L3和第四绕组L4的匝数比为1: (M+1)。P为大于或等于I的正整数。
[0073]第i个第三耦合电感包括第三绕组IA和第四绕组ΙΛ，第三绕组I^i与第i_l个第三耦合电感的耦合端相连接，第四绕组ΙΛ与第i个第三功率桥臂相连接，其中，i的取值是从2到P的整数，用以耦合第一功率变换模块630、第二功率桥臂640和i个第三功率桥臂，其中，第三绕组IA和第四绕组ΙΛ的匝数比为1:(M+i)。
[0074]第P个第三耦合电感包括第三绕组L3P和第四绕组L4P，第三绕组L3P与第P_1个第三耦合电感的耦合端相连接，第四绕组L4P与第P个第三功率桥臂相连接，用以耦合第一功率变换模块640和P个第三功率桥臂，其中，第二耦合电感650的耦合端通过P个第三耦合电感与功率变换电路600的第二端620相连接，第三绕组L3P和第四绕组L4P的匝数比为
I:(M+P)。
[0075]根据本发明的实施例，图6的功率变换电路600还包括:滤波电路680，滤波电路680与功率变换电路600的第二端子620相连接，用于对交流电进行滤波。
[0076]根据本发明的实施例，滤波电路680为电容。本发明的实施例采用耦合电感产生的漏感与电容构成滤波电路，因此无需在滤波电路中设置电感，这样可以缩小滤波电路的尺寸和成本，从而缩小了功率变换电路的尺寸，并且降低了功率变换电路的成本。
[0077]可选地，作为另一实施例，滤波电路还可以包括滤波电感，例如，该电感(未示出)可以串联连接在第二端子620与第三耦合电感670之间。应理解，在本发明实施例中，滤波电感的绕制方式如图5所示，在此不再赘述。
[0078]根据本发明的实施例，功率变换电路600可以为整流电路或逆变电路。例如，当第一端子610为输入端，第二端子620为输出端时，功率变换电路600为逆变电路。相反，当第二端子620为输入端，第一端子610为输出端时，功率变换电路600为整流电路。
[0079]图7是根据本发明的另一实施例的功率变换电路700的示意性框图。功率变换电路700包括:第一端子710、第二端子720、第一功率变换模块730、第二功率桥臂740、第二耦合电感750第二功率变换模块760和第五耦合电感770。
[0080]第一功率变换模块730包括:M个第一功率桥臂和第一耦合电感731，M个第一功率桥臂与功率变换电路700的第一端子710相连接，并且以交错并联方式工作，第一耦合电感731包括第一磁芯和绕制在该第一磁芯上的M个绕组，M个绕组分别与M个第一功率桥臂相连接，用以耦合M个第一功率桥臂，M个绕组的匝数相同，其中，M为大于或等于2的正整数。
[0081]第二功率变换模块760包括:N个第四功率桥臂和第四耦合电感761，N个第四功率桥臂与所述功率变换电路700的第一端子710相连接，并且以交错并联方式工作，第四耦合电感包括第四磁芯和绕制在该第四磁芯上的N个绕组，该N个绕组分别与N个第四功率桥臂相连接，用于耦合N个第四功率桥臂，N个绕组的匝数相同，其中，N为大于或等于2的正整数。
[0082]第五耦合电感770包括:第五绕组L5和第六绕组L6，用于耦合所述第二功率变换模块和所述第一功率变换模块，其中，第五绕组L5与第一耦合电感731的耦合端相连接，第六绕组L7与第四耦合电感761的耦合端相连接，第五绕组L5和第六绕组L7的匝数比为N:M0
[0083]第二功率桥臂740与功率变换电路700的第一端子相连接。
[0084]第二耦合电感750包括:第二磁芯和绕制在该第二磁芯上的第一绕组LI和第二绕组L2，该第一绕组LI与第五耦合电感770的耦合端相连接，第二绕组L2与第二功率桥臂740相连接，用以耦合所述第一功率变换模块730、第二功率桥臂740和第二功率变换模块760，第二耦合电感750的耦合端与功率变换电路700的第二端720相连接，其中，第一绕组LI和第二绕组L2的匝数比为1: (M+N)。
[0085]应理解，在本发明实施例中，第一功率变换模块包括的M个功率桥臂和第二功率变换模块包括的N个功率桥臂，在数量上可以是相等的也可以是不相等的，即M可以等于N，M也可以不等于N，本发明对称不作限定。
[0086]还应理解，在本发明实施例中，功率变换电路700可以包括多个第二功率桥臂和多个第二耦合电感。例如:功率变换电路700包括K个第二功率桥臂和K个第二耦合电感，其中，K取大于或者等于2的正整数，则有:
[0087]第I个第二耦合电感750包括第一绕组Ll1和第二绕组I^1，第一绕组Ll1与第五耦合电感770的耦合端相连接，第二绕组IA与第I个第二功率桥臂740相连接，用以耦合第一功率变换模块730、第二功率变换模块770和第I个第二功率桥臂740，其中，第一绕组Ll1和第二绕组IA的匝数比为1: (M+N)。
[0088]第i个第二耦合电感包括的第一绕组Lli和第二绕组I^i中的第一绕组Lli与第1-Ι个第二耦合电感的耦合端相连接，第二绕组IA与第i个第二功率桥臂相连接，其中，i的取值是从2到k的整数，用以耦合第一功率变换模块730、第二功率变换模块760和i个第二功率桥臂,其中,第一绕组Lli和第二绕组L2i的匝数比为1:(M+N+i)。
[0089]第k个第二耦合电感包括的第一绕组Llk和第二绕组L2k中的第一绕组Llk与第k-Ι个第二耦合电感的耦合端相连接，第二绕组L2k与第k个第二功率桥臂相连接，用以耦合第一功率变换模块730、第二功率变换模块760和K个第二功率桥臂，其中，第K个第二耦合电感与功率变换电路700的第二端720相连接，第一绕组Llk和第二绕组L2k的匝数比为I:(M+N+K)。
[0090]还应理解，在本发明实施例中，功率变换电路700还可以包括多个第二功率变换模块和多个第五耦合电感，其中，多个第二功率变换模块中的每个第二功率变换模块包括的功率桥臂的数量可以相同，也可以不相同。
[0091]图8是根据本发明的一个实施例的三相功率变换器800的示意性框图。三相功率变换器800包括:A相功率变换电路820、B相功率变换电路830和C相功率变换电路840，用于在三相交流电与直流电之间进行功率变换。
[0092]A相功率变换电路820、B相功率变换电路830、C相功率变换电路840中的每相功率变换电路为如图1至图6的实施例所述的功率变换电路。
[0093]可选地，作为另一实施例，三相功率变换器800还包括:三相滤波电路，包括A相电容Cl、B相电容C2和C相电容C3，用于对三相交流电进行滤波，三个电容中的每个电容的一端分别与三相功率变换电路中的一相功率变换电路的第二端子相连接，这三个电容中的另一端连接在一起。
[0094]可选地，作为另一实施例，三相功率变换器800还包括第一中线N,用于与电网的中线相连接，其中该第一中线连接到A相电容C1、B相电容C2和C相电容C3中的每个电容的连接在一起的一端。
[0095]因此，在本发明实施例提供的三相功率变换器中，可以采用包含两个匝数不同的绕组的耦合电感耦合一个功率桥臂和包含多个功率桥臂的功率模块来实现功率变换电路，本发明的实施例不需要严格要求第一耦合电感的磁路的对称性，因此，制造难度变小，而第二耦合电感为两绕组的耦合电感，制造的可控性高，工艺简单，而且生产成本相对多路耦合电感较低。。
[0096]应理解，三相功率变换器800可以为三相功率逆变器，分别接收接入的直流电压810，并经过逆变输出三相交流电压V_a、V_b和V_c。
[0097]应理解，三相功率变换器800也可以为三相功率整流器，分别用于接收三相交流输入电压V_a、V_b和V_c，并经过整流输出直流电压。
[0098]图9是根据本发明的一个实施例的N相功率变换器900的示意性框图。N相功率变换器900包括:A相功率变换电路920、B相功率变换电路930、C相功率变换电路940、……、N相功率变换电路，用于在N相交流电与直流电之间进行功率变换。
[0099]N相功率变换电路中的每相功率变换电路为如图1至图6的实施例所述的功率变换电路。
[0100]可选地，作为另一实施例，N相功率变换器900还包括:N个电容，用于与对N相交流电进行滤波，N 个电容中的每个电容的一端分别与N相功率变换电路中的一相功率变换电路的第二端子相连接，这N个电容中的另一端连接在一起。
[0101]可选地，作为另一实施例，三相功率变换器900还包括第一中线N,用于与电网的中线相连接，其中该第一中线连接到N个电容中的每个电容的连接在一起的一端。
[0102]因此，在本发明实施例提供的N相功率变换器中，可以采用包含两个匝数不同的绕组的耦合电感耦合一个功率桥臂和包含多个功率桥臂的功率模块来实现功率变换电路，本发明的实施例不需要严格要求第一耦合电感的磁路的对称性，因此，制造难度变小，而第二耦合电感为两绕组的耦合电感，制造的可控性高，工艺简单，而且生产成本相对多路耦合电感较低。。
[0103]应理解，N相功率变换器900可以为N相功率逆变器，分别接收接入的直流电压910，并经过逆变输出N相交流电压V_a、V_b、V_c、……、V_n。
[0104]应理解，N相功率变换器900也可以为N相功率整流器，分别用于接收N相交流输入电压V_a、V_b、V_c、……、V_n，并经过整流输出直流电压。
[0105]图10是根据本发明的一个实施例的功率变换系统1000的示意性框图。功率变换系统1000包括第一功率变换电路和第二功率变换电路，用于实现交流/交流(AC/AC)变换。第一功率变换电路可以为如图1所述的功率变换电路100，用于将直流电变换成交流电。第二功率变换电路可以为如图6所述的功率变换电路600，用于将交流电变换成直流电。功率变换电路100的输入端子与功率变换电路600的输出端子相连接。换句话说，第二功率变换电路的直流输出连接到第一功率变换电路直流输入，从而实现AC/AC变换。
[0106]因此，在本发明实施例提供的功率变换系统中，可以采用包含两个匝数不同的绕组的耦合电感耦合一个功率桥臂和包含多个功率桥臂的功率模块来实现功率变换电路，本发明的实施例不需要严格要求第一耦合电感的磁路的对称性，因此，制造难度变小，而第二耦合电感为两绕组的耦合电感，制造的可控性高，工艺简单，而且生产成本相对多路耦合电感较低。。
[0107]另外，通过将第二功率变换电路的直流输出连接到第一功率变换电路直流输入，从而实现AC/AC变换。
[0108]图11是根据本发明的另一实施例的功率变换系统1100的示意性框图。功率变换系统1100包括第一功率变换电路和第二功率变换电路，用于实现直流/直流(DC/DC)变换。第一功率变换电路可以为如图1所述的功率变换电路100，用于将直流电变换成交流电。第二功率变换电路可以为如图6所述的功率变换电路600，用于将交流电变换成直流电。功率变换电路100的输出端子与功率变换电路600的输入端子相连接。换句话说，第一功率变换电路的交流输出连接到第二功率变换电路交流输入，从而实现DC/DC变换。
[0109]因此，在本发明实施例提供的功率变换系统中，可以采用包含两个匝数不同的绕组的耦合电感耦合一个功率桥臂和包含多个功率桥臂的功率模块来实现功率变换电路，本发明的实施例不需要严格要求第一耦合电感的磁路的对称性，因此，制造难度变小，而第二耦合电感为两绕组的耦合电感，制造的可控性高，工艺简单，而且生产成本相对多路耦合电感较低。
[0110]另外，通过第一功率变换电路的交流输出连接到第二功率变换电路交流输入，从而实现DC/DC变换。
[0111]尽管通过参考附图并结合优选实施例的方式对本发明进行了详细描述，但本发明并不限于此。在不脱离本发明的精神和实质的前提下，本领域普通技术人员可以对本发明的实施例进行各种等效的修改或替换，而这些修改或替换都应在本发明的涵盖范围内。
【权利要求】
1.一种功率变换电路，其特征在于，包括: 第一功率变换模块，所述第一功率变换模块包括M个第一功率桥臂和第一耦合电感，所述M个第一功率桥臂与所述功率变换电路的第一端子相连接，并且以交错并联方式工作，所述第一耦合电感包括第一磁芯和绕制在所述第一磁芯上的M个绕组，所述M个绕组分别与所述M个第一功率桥臂相连接，用以耦合所述M个第一功率桥臂，M为大于或等于2的正整数，所述M个绕组的匝数相同； 第二功率桥臂，与所述功率变换电路的所述第一端子相连接； 第二耦合电感，所述第二耦合电感包括第二磁芯和绕制在所述第二磁芯上的第一绕组和第二绕组，所述第一绕组与所述第一耦合电感的耦合端相连接，所述第二绕组与所述第二功率桥臂相连接，用以耦合所述第二功率桥臂和所述第一功率变换模块，所述第二耦合电感的耦合端与所述功率变换电路的第二端子相连接，所述第一绕组和第二绕组的匝数不同。
2.根据权利要求1所述的功率变换电路，其特征在于，所述第一磁芯为相互连接的M个柱体，所述M个绕组分别绕制在所述M个柱体上，并且所述M个绕组的绕制方向相同，所述M个绕组的匝数相同，所述第一绕组和所述第二绕组的匝数比为所述第二绕组连接的功率桥臂的数目与所述第一绕组连接的功率桥臂的数目之比。
3.根据权利要求1所述的功率变换电路，其特征在于，还包括:P个第三功率桥臂和P个第三耦合电感，所述P个第三功率桥臂分别与所述功率变换电路的所述第一端子相连接，所述P个第 三耦合电感分别用于耦合所述P个第三功率桥臂、所述第二功率桥臂和所述第一功率变换模块，其中，所述P个第三耦合电感中的每个第三耦合电感包括第三绕组和第四绕组，所述第三绕组和所述第四绕组的匝数比等于所述第四绕组连接的功率桥臂的数目与所述第三绕组连接功率桥臂的数目之比，P为大于或等于I的正整数。
4.根据权利要求3所述的功率变换电路，其特征在于，所述P个第三功率桥臂包括一个第三功率桥臂，与所述功率变换电路的所述第一端子相连接； 所述P个第三耦合电感包括一个第三耦合电感，所述第三耦合电感包括第三绕组和第四绕组，所述第三绕组与所述第二耦合电感的耦合端相连接，所述第四绕组与所述第三功率桥臂相连接，用以耦合所述第三功率桥臂、所述第二功率桥臂和所述第一功率变换模块，其中，所述第二耦合电感的耦合端通过所述第三耦合电感与所述功率变换电路的所述第二端子相连接，所述第三绕组和所述第四绕组的匝数比为1:(M+1)。
5.根据权利要求1所述的功率变换电路，其特征在于，还包括: 第二功率变换模块，所述第二功率变换模块包括N个第四功率桥臂和第四耦合电感，所述N个第四功率桥臂与所述功率变换电路的所述第一端子相连接，并且以交错并联方式工作，所述第四耦合电感包括第四磁芯和绕制在所述第四磁芯上的N个绕组，所述N个绕组分别与所述N个第四功率桥臂相连接，用于耦合所述N个第四功率桥臂； 第五耦合电感，包括第五绕组和第六绕组，用于耦合所述第二功率变换模块和所述第一功率变换模块，其中，所述第五绕组与所述第一耦合电感的耦合端相连接，所述第六绕组与所述第四耦合电感的耦合端相连接，所述M个绕组的匝数相同，所述N个绕组的匝数相同，所述第一绕组和所述第二绕组的匝数比为1:(N+M)，所述第五绕组和所述第六绕组的匝数比为N:M, N为大于或等于2的整数，所述第一绕组通过所述第五耦合电感与所述第一耦合电感的耦合端相连接。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的功率变换器，其特征在于，还包括: 滤波电路，包括电容，所述滤波电路与所述第二端子相连接，用于对所述交流电进行滤波。
7.根据权利要求6所述的功率变换器，所述滤波电路还包括滤波电感，所述第二磁芯包括第一磁柱、第二磁柱和第三磁柱，所述第一绕组和所述第二绕组分别绕制在所述第一磁柱和所述第二磁柱上，所述滤波电感绕制在所述第三磁柱上，所述第一绕组和所述第二绕组分别与所述滤波电感耦合。
8.根据权利要求1至7中的任一项所述的功率变换电路，其特征在于，所述功率桥臂为中点箝位型多电平桥臂或电容箝位型多电平桥臂。
9.一种三相功率变换器，其特征在于，包括: 三相功率变换电路，用于在三相交流点与直流点之间进行功率变换，其中每相功率变换电路包括根据权利要求1-5中任一项所述的功率变换电路。
10.根据权利要求9所述的功率变换器，其特征在于，还包括: 三相滤波电路，包括三个电容，用于对所述三相交流电进行滤波，所述三个电容中的每个电容的一端分别与所述三相功率逆变电路中的一相功率逆变电路的第二端子相连接，所述三个电容的另一端连接在一起。
11.根据权利要求10所述的三相功率变换器，其特征在于，还包括: 第一中线，用于与电网的中线相连接，其中所述第一中线连接到所述三个电容的连接在一起的一端。
12.—种功率变换系统，其特征在于，包括: 第一功率变换电路为根据权利要求1-11中任一项所述的功率变换电路，用于将直流电变换成交流电，其中所述第一端子为输入端子，所述第二端子为输出端子； 第二功率变换电路为根据权利要求1-11中任一项所述的功率变换电路，用于将交流电变换成直流电，其中，所述第二端子为输入端子，所述第一端子为输出端子，并且所述第一功率变换电路的输出端子与所述第二功率变换电路的输入端子相连接，或所述第二功率变换电路的输出端子与所述第一功率变换电路的输入端子相连接。
【文档编号】H02M7/48GK104079195SQ201410309235
【公开日】2014年10月1日 申请日期:2014年6月30日 优先权日:2014年6月30日
【发明者】石磊, 徐志武, 石勇 申请人:华为技术有限公司