混合有功功率链路模块装置及相关的系统和方法与流程

本发明是在由美国海军研究办公室授予的合同编号n00014-14-c-0103下利用政府支持完成的。政府可拥有在本发明中的某些权利。

本公开的领域一般涉及电功率转换和电能存储系统，以及更具体地，涉及用于在直流（dc）功率系统中使用的混合有功功率链路装置及相关的系统和方法。

背景技术：

在采用诸如多个超级电容器的多个高功率密度能量存储装置(esd)的已知的dc功率转换系统中，采用升压类型的dc到dc转换器。这类已知的dc功率转换系统需要具有高电压esd的全额定功率转换器以支持在中到低电压操作的电气负载装置。此外，至少一些已知的dc功率转换系统利用用于热管理的超大尺寸esd、重型电感器、以及庞大的总线电容器，这除了降低特定功率密度之外，还增加了尺寸和重量。

此外，在至少一些已知的dc功率转换系统中，非模块化的拓扑（诸如升压类型架构）受限于可得到的开关频率和动态响应能力，并且还呈现与故障隔离和容限相关的挑战。在这类已知dc功率转换系统中的故障的情况下，因此支持的电气负载要求关机直到系统修复完成。此外，在这类已知系统中，充电和放电esd是不方便的并且将支持的功率负载在延长的时间段内置于停止服务。此外，在至少一些已知的dc功率转换系统中，高估的组件在仅需要对于电气负载装置的适度瞬态支持的部分控制的应用中呈现不必要的花费和复杂度。

技术实现要素：

在一个方面中，提供了混合有功功率链路装置。混合有功功率链路装置包括多个有功功率链路模块（aplm）。多个aplm中的每个aplm包括多个开关装置，所述多个开关装置包括串联耦合的第一开关装置和第二开关装置。多个aplm中的每个aplm还包括与第一开关装置和第二开关装置两者都并联耦合的至少一个第一类型能量存储装置（esd）。混合有功功率链路装置还包括与多个aplm的至少一个aplm串联耦合的至少一个第二类型esd。

在另一个方面中，提供了功率转换系统。功率转换系统包括至少一个电气负载装置，和与所述至少一个电气负载装置并联耦合的至少一个混合有功功率链路装置。所述至少一个混合有功功率链路装置包括多个aplm。多个aplm中的每个aplm包括多个开关装置，所述多个开关装置包括串联耦合的第一开关装置和第二开关装置。多个aplm中的每个aplm还包括与第一开关装置和第二开关装置两者并联耦合的至少一个第一类型esd。功率转换系统还包括与多个aplm中的至少一个aplm串联耦合的至少一个第二类型esd，其中所述至少一个混合有功功率链路装置配置为感生第一直流（dc）电压。

在又一个方面中，提供了操作功率转换系统的方法。功率转换系统包括耦合到包括多个esd和多个aplm的至少一个混合有功功率链路装置的至少一个电气负载装置。所述至少一个混合有功功率链路装置配置为感生第一dc电压。所述至少一个电气负载装进一步耦合到配置为感生第二dc电压的功率源。所述方法包括确定所述至少一个电气负载装置的平均dc操作电压、所述至少一个电气负载装置的平均dc电流、所述至少一个电气负载装置的平均额定电功率、以及大于该平均额定电功率的至少一个额外额定电功率。所述方法还包括向至少一个电气负载装置供应在大体上等于平均dc操作电压的第二dc电压的平均dc电流，其中平均dc电流向所述至少一个电气负载装置提供大体上等于平均额定电功率的第一电功率。所述方法进一步包括使所述多个esd放电以向所述至少一个电气负载装置供应在大体上等于第二dc电压的电压的补充dc电流，其中补充dc电流和平均dc电流当被加在一起时，向所述至少一个电气负载装置提供大体上等于所述至少一个额外额定电功率的第二电功率。

附图说明

当参考附图来阅读下面详细的描述时，本公开的这些和其他的特征、方面、以及优点将变得更好理解，其中贯穿附图相似字符表示相似部分，其中：

图1是功率转换系统的示例性实施例的示意图；

图2是功率转换系统的备选实施例的示意图；

图3是可在图1和2中示出的功率转换系统中使用的有功功率链路模块（aplm）的示例性实施例的示意图；

图4是可与在图1和2中示出的功率转换系统一起使用的混合有功功率链路装置的示例性实施例的示意图；

图5是可与在图1和2中示出的功率转换系统一起使用的混合有功功率链路装置的备选实施例的示意图；

图6是在图1和2中示出的功率转换系统的操作的图形表示；以及

图7是操作可与在图1和2中示出的功率转换系统一起使用的功率转换系统的示例性方法的流程图。

除非另外指出，本文提供的附图意味着示出本公开的实施例的特征。这些特征被认为可应用于包括本公开的一个或多个实施例的广泛多种系统中。因此，附图并非意味着包括由本领域技术人员所知对实施本文公开的实施例所必须的所有常规特征。

具体实施方式

在下述说明书和权利要求书中，将参考多个术语，这些术语应定义为具有下述的含义。

除非上下文清晰地描述，否则单数形式“一（a/an）”以及“所述（the）”包括复数参考。

“可选的”或“可选地”意味着接下来描述的事件或者情形可发生或可不发生，并且描述包括其中事件发生的实例以及其中事件不发生的实例。

在在本文中贯穿说明书和权利要求书中使用时，近似语言可适用于修饰可在不导致其相关的基本功能的改变的情况下获准地改变的任何数量表示。因而，由例如“关于”、“大约地”、以及“大体上”的一个或多个术语所修饰的值不限制于特定的精确值。在至少一些实例中，近似语言可与用于测量值的工具的精度对应。除非上下文或语言指示，否则在本文且贯穿说明书和权利要求中，范围限制可结合和/或相互交换，并且这些范围被标识并且包括其中包含所有子范围。

在本文中使用时，术语“处理器”和“计算机”以及相关的术语，例如“处理装置”、“计算装置”、以及“控制器”不限于本领域中被称为计算机的仅仅那些集成电路，而广泛地指的是微控制器、微计算机、可编程逻辑控制器（plc）、专用集成电路（asic）、以及其他可编程电路，并且这些术语在本文中可互换地被使用。在本文描述的实施例之中，存储器可包括但不限于诸如随机存取存储器（ram）的计算机可读介质，以及诸如闪速存储器的计算机可读非易失性介质。备选地，也可使用软盘、紧致盘只读存储器（cd-rom）、磁光盘（mod）、和/或数字通用盘（dvd）。同样，在本文描述的实施例之中，额外的输入通道可以是但不限于与诸如鼠标和键盘的操作者接口相关的计算机外围设备。备选地，其他计算机外围设备也可使用，可包括但不限于，例如扫描装置。此外，在示例性实施例中，额外的输出通道可包括但不限于操作者界面监视器。

此外，在本文中使用时，术语“软件”和“固件”是可互换的，并且包括存储在存储器中的由个人计算机、工作站、客户端以及服务器执行的任何计算机程序。

此外，在本文中使用时，术语“实时”指以下中的至少一个：相关的事件发生的时间、预定的数据的测量以及收集的时间、处理数据的时间、以及响应于事件和环境的系统的时间。在本文中描述的实施例中，这些活动和事件大体上同时发生。

本文描述的混合有功功率链路装置及相关系统和方法能够将像模块化多级转换器（mmc）的功率电子装置功能集成到进诸如超级电容器的能量存储装置（esd）中，以用于在dc功率系统操作电压的宽范围之的应用中。本文所描述的实施例也可提供模块化的、基于构件的系统，其在中心化的和分布式的功率转换应用来自中都能实现可缩放性和冗余度、和高效率以及故障容限操作。此外，本文描述的实施例促进基于支持的电气负载的电流和功率轮廓（profile）的能量和功率管理系统（ems）简化的控制方案的使用。本文中描述的混合有功功率链路装置及相关的系统和方法还提供高效率功率转换器，所述高效率功率转换器具有：改进的特定功率密度、较少的设计和开发时间和费用、以及减少的一次性工程（nre）以及与已知系统相关的其他操作成本。本文中描述的实施例进一步能够实现将大量的esd类型到dc功率转换系统中的有效功能集成，而不要求又重又大的电感和电容组件。此外，本文中描述的实施例提供较低的操作和维护成本，以及能够实现在仅需要对于电气负载装置的适度瞬态支持的部分控制的应用中的更低复杂度控制系统。

图1是功率转换系统100的示例性实施例的示意图。在示例性实施例之中，功率转换系统100包括至少一个混合有功功率链路装置102。混合有功功率链路装置102包括多个有功功率链路模块（aplm）104。多个aplm104的每个aplm包括多个开关装置和至少一个第一类型esd（如下参考附图3所示和所述）。混合有功功率链路装置102还包括至少一个混合aplm（h-aplm）串106。h-aplm串106包括至少两个aplm104，其包括但不限于电串联耦合的第一aplm107和第二aplm108。h-aplm串106还包括与第二aplm108电串联耦合的至少一个第二类型esd110。第二aplm108相对于第二类型esd110在h-aplm串106中与第一aplm107相对定位。第二类型esd110被实施在超级电容器中。在未示出的其他实施例之中，第二类型esd110被实施在除了超级电容器之外的esd中，包括但不限于电池、薄膜电容器、电解质电容器、以及燃料电池中的至少一种。h-aplm串106进一步包括与第一aplm107电串联耦合的至少一个电感器112。

功率转换系统100还包括与混合有功功率链路装102电并联耦合的esd串114（即，dc功率源）。esd串114包括至少一个第三类型esd116。在示例性实施例之中，esd串114包括彼此电串联耦合的多个第三类型esd116。第三类型esd116被实施在电池中。在未示出的其他实施例之中，第三类型esd116被实施在除了电池之外的esd中，包括但不限于，超级电容器、薄膜电容器、电解质电容器、以及燃料电池中的至少一种。在未示出的仍有其他实施例之中，esd串114被实施在彼此电并联耦合的多个esd串114中。在未示出的另外其他实施例之中，esd串114被实施在交流（ac）到dc转换器中，ac到dc转换器配置为将ac功率源（例如来源于公共电网）转换为适用于功率转换系统100的dc功率。

功率转换系统100进一步包括与混合有功功率链路装置102和esd串114两者电并联耦合的至少一个滤波电容器118。而且，在示例性实施例中，esd串114、混合有功功率链路装置102和滤波电容器118共同形成第一dc总线120。第一dc总线120在dc到dc转换器122的第一侧124耦合到dc到dc转换器122。第二dc总线126耦合到dc到dc转换器122的第二侧128。功率转换系统100还包括电并联耦合到第二dc总线126的至少一个电气负载装置130。

在示例性实施例之中，在操作中，混合有功功率链路装置102配置为感生第一dc电压（即，v1）并且具有至少一个第三类型esd116的esd串114配置为感生第二dc电压（即，v2）。v1的值大体上等于v2的值，并且因此第一dc总线120具有大体上等于由esd串114确立的v2的值的电压。因此，在第一dc总线120和dc到dc转换器122的第一侧124上的v2从而被转换为在第二dc总线126上的第三dc电压（即，v3）。并且，在示例性实施例中，v3是与v1和v2不同的电压值，并且电气负载装置的操作电压大体上等于v3。在未示出的其他实施例中，v3大体上等于v1和v2。dc到dc转换器122进一步配置为以下中的至少一个：分别将第一dc总线120感应耦合到第二dc总线126和将第一dc总线120电流隔离于第二dc总线126，因此提供具有有效故障容限的高效dc到dc功率转换。

并且，在操作中，功率转换系统100包括与第二dc总线126耦合的至少一个总线传感器132（例如，电表）。总线传感器132还电气耦合和通信耦合中的一种来耦合到与混合有功功率链路装置102。总线传感器132配置为传送电流信号134，电流信号134表示流过电气负载装置130的负载电流（即，il）。电气负载装置130操作在v3的平均值和il的平均值，并且因此具有平均功率要求（即，pavg）。利用第一dc总线120和第二dc总线126两者的宽的范围的操作电压，混合有功功率链路装置102和功率转换系统100的模块性能够使其设计适合广泛多种的应用。例如但并非限制，在功率转换系统100具有v1=1kv（即，低电压第一侧124）并且其中1kv<v3≤20kv（即，中电压第二侧128）的情况下，电气负载装置130需要平均功率，即pavg=v3*il。因此，对于电气负载装置130，功率转换系统100的用户确定用于操作的v3的平均值和il的平均值，并且选择电气负载装置130被选择成具有平均额定电功率，即，pavg=v3*il。此外，在操作中，由功率转换系统的用户确定电气负载装置130的至少一个额外额定电功率，例如额定峰值功率ppeak。所述至少一个额外额定电功率大于pavg并且表示在示例性实施例的操作期间电气负载装置130被预期经历（例如在负载瞬态期间）的电功率上的上限。

具有至少一个第三类型esd116的esd串114维持在电压v2，并且作为主功率源起作用以用于通过dc到dc转换器122向电气负载装置130供应pavg。第一总线电流（即，i1）的平均值因而从第一dc总线上的esd串114流动以向dc到dc转换器122的第一侧124供应大体上等于在dc到dc转换器122的第二侧128上的pavg的电功率量。多个aplm104的第一类型esd310和第二类型esd110维持在相应的电压电位，使得混合有功功率链路装置102维持在v1=v2。在当电气负载装置130需要额外额定功率（即，例如在负载瞬态瞬间所需的ppeak，其例如由总线传感器132所指示）向其供应的这类时间期间，功率转换系统100使多个aplm104的第一类型esd310以及第二类型esd110中的至少一个放电，以在大体上等于v2的电压在第一dc总线120上向i1供应补充的dc电流（即，isupp）。因此，从esd串114和混合有功功率链路装置102两者传送大体上等于i1+isupp的电流的值到dc到dc转换器122，这从而在需要时向电气负载装置130供应ppeak=v2*（i1+isupp）。

图2是功率转换系统100的备选实施例的示意图。在备选实施例中，功率转换系统100包括至少一个混合有功功率链路装置102，混合有功功率链路装置102在dc到dc转换器122的第二侧128上电并联耦合到第二dc总线126。在未示出的其他实施例中，功率转换系统100包括至少一个混合有功功率链路装置102，混合有功功率链路装置102电并联耦合到第一dc总线120和第二dc总线126两者。

在备选实施例中，在操作中，混合有功功率链路装置102配置为感生v1并且esd串114配置为感生v2。v1大体上等于v3，并且因此第二dc总线126具有大体上等于由dc到dc转换器122和电气负载装置130所确立的v3值的电压。因此，第一dc总线120上的v2由dc到dc转换器122转换为第二dc总线126上的v3。同样，在备选实施例上，v3是与v2不同的电压值，并且电气负载装置的操作电压大体上等于v3。在未示出的其他实施例中，v3大体上等于v2。dc到dc转换器122进一步配置为以下中的至少一个：分别将第一dc总线120感应耦合到第二dc总线126和将第一dc总线120电流隔离于第二dc总线126，因此提供具有有效故障容限的高效dc到dc功率转换。

同样，在操作中，功率转换系统100包括耦合到第二dc总线126和耦合到混合有功功率链路装置102的至少一个总线传感器132（例如，电表）（如上参考图1所示和所述）。电气负载装置130在v+的平均值和i+的平均值操作，并且因此具有平均功率要求（即，pavg=v3*il，如上参考图1所示和所述）。此外，在操作中，至少一个额外额定电功率（例如ppeak>pavg）表示在备选实施例的操作期间电气负载装置130预期经历（例如，在负载瞬态期间）的电功率上的上限。

具有至少一个第三类型esd116的esd串114维持在v2，并且作为主功率源起作用以用于通过dc到dc转换器122向电气负载装置130供应pavg。在大体上等于v2的电压的i1的平均值因此向第一侧124供应大体上等于pavg的电功率量。多个aplm104的第一类型esd310和多个第二类型esd110维持在相应的电压电位，使得混合有功功率链路装置102维持在v1=v3。在当电气负载装置130需要额外额定功率（即，例如在负载瞬态瞬间所需的ppeak，其例如由总线传感器132所指示）向其供应的这类时间期间，功率转换系统100使多个aplm104中的第一类型esd310以及第二类型esd110中的至少一个放电，以在大体上等于v3的电压在第二dc总线上向il供应isupp。因此，从dc到dc转换器122的第二侧128和混合有功功率链路装置102两者传送大体上等于il+isupp的电流到电气负载装置130，这从而在需要时向电气负载装置130供应ppeak=v3*（il+isupp）。

图3是可用于功率转换系统100（分别于图1和2中所示）中的aplm104的示例性实施例的示意图。在示例性实施例中，多个aplm104中的每个aplm104包括多个开关装置302。多个开关装置302包括第一开关装置304和与第一开关装置304电串联耦合的第二开关装置306。多个开关装置302中的每个开关装置302包括电并联耦合于其的反并联二极管308。aplm104包括与第一开关装置304和第二开关装置306两者电并联耦合的至少一个第一类型esd310。第一类型esd310在aplm104的第一aplm端子312和第二aplm端子314两端感生模块dc电压（即，vm）。电容器316与第一开关装置304和第二开关装置306电并联耦合。

在示例性实施例中，第一类型esd310被实施在超级电容器中。在未示出的其他实施例中，第一类型esd310被实施在电池、薄膜电容器、电解质电容器、以及燃料电池中的至少一种中。第一类型esd310与第二类型esd110是相同类型的esd（例如超级电容器），但是与第三类型esd116（例如，电池）是不同类型的esd。在未示出的其他实施例中，第一类型esd310和第三类型esd116是相同类型的esd。同样，在示例性实施例中，第二类型esd110配置为比第一类型esd存储更大量的电能。

第一开关装置304在第一节点318与第二开关装置306电串联耦合。第一节点318包括第二aplm端子314。第一开关装置304进一步耦合到第一节点318相对的第二节点320。第二节点320包括第一aplm端子312。第二开关装置306进一步耦合到第一节点318相对的第三节点322。相似地，第一类型esd310和电容器316耦合到第二节点320和第三节点322。多个开关装置302的每个开关装置302被实施在绝缘栅双极型晶体管（igbt）中。在未示出的其他实施例中，多个开关装置302中的每个开关装置被实施在以下至少一个中：集成栅极换流晶体管、非线性可控电阻、变阻器、以及除igbt类型外的晶体管（包括但不限于金属氧化物半导体场效应晶体管（mosfet）、注入增强栅极晶体管、结型场效应晶体管（jfet）、双极结型晶体管（bjt））、以及其各种组合。这些装置可由硅（si）和型带隙材料（诸如，碳化硅（sic）和氮化镓（gan）中的至少一种）中的至少一种制成。

多个开关装置302的每个开关装置302包括耦合到开关控制器326的开关端子324。开关控制器326配置为传送至少一个开关控制信号以交替地断开和闭合第一开关装置304和第二开关装置306以及控制其开关状态，包括但不限于，其开关的占空比（dutycycle）和频率。开关控制器326进一步配置为传送至少一个开关控制信号328以交替地断开和闭合多个开关装置302中的至少一个开关装置302。因此，开关控制器326使功率转换系统100能够确立aplm104中的多个开关装置302的多个开关状态。在未示出的其他实施例中，开关控制器326向其他控制器传送其他控制信号，和从其他控制器接收其他控制信号，其他控制器位于aplm104和功率转换系统100中至少一个的之内和之外的至少一个的某处。

此外，在示例性实施例中，包括但不限于如非线性可控电阻、变阻器、以及晶体管（诸如igbt、mosfet、jfet、bjt）、以及继电器的这类装置的至少一个旁路开关330与aplm104耦合。旁路开关330与多个开关装置302中的至少一个开关装置302电并联耦合。旁路开关330包括耦合到第二节点320的第一旁路端子332以及耦合到第一节点318的第二旁路端子334。旁路开关330还包括耦合到至少一个旁路控制器338的旁路控制端子336。旁路控制器338配置为向旁路控制端子336传送旁路控制信号340以交替地断开和闭合旁路开关330。例如但不限于，当至少一个aplm状态（包括但不限于，诸如与第一类型esd310相关的电压、电流、电荷、以及温度的物理状态）出现时，旁路控制器338传送旁路控制信号340以闭合旁路开关330。同样地，旁路控制器338配置为当至少一个aplm状态未出现时向旁路控制端子336传送旁路控制信号340以断开旁路开关330。当旁路开关330断开时，aplm104电流（即，im）流经aplm104到第一类型esd和多个开关装置302中的至少一个。另一方面，当旁路开关330闭合时，im不流经aplm104，即，im绕过aplm104。

在示例性实施例中，在操作中，多个开关装置302提供了集成进每个aplm104中的像mmc的功率电子设备。在h-aplm串106中im的流动和其中im流动的方向（也就是im相对-im）是经由多个开关装置302的多个开关状态的定时所控制的，如由开关控制器326所实现。同样地，在示例性实施例的操作中，开关控制器326促进维持第一类型esd310和第二类型esd110两者期望的充电或放电状态，并且从而维持由混合有功功率链路装置102供应向第一dc总线120和第二dc总线126中的至少一个的电功率的比例。例如但不限于，为了向电气负载装置130提供pavg，开关控制器326以预定的频率和占空比交替地断开和闭合第一开关装置304和第二开关装置306两者，以在第一类型esd310、第二类型esd110、以及第三类型esd116之间和之中维持高效功率和能量平衡。

同样，在操作中，旁路控制器338配置为传送旁路控制信号340以在至少一个aplm状态具有第一预定的值时闭合旁路开关330并且在至少一个aplm状态具有与第一预定的值不同的第二预定的值时断开旁路开关330。旁路控制器338和开关控制器326中的至少一个进一步配置为确定操作状态，包括在功率转换系统100中多个aplm104中的至少一个aplm104的功能状态和非功能状态。例如但不限于，诸如第一类型esd310的温度上升高于预定温度阈值的aplm104的物理状态指示aplm104的非功能状态，然而在预定温度范围内的第一类型esd310的温度指示aplm104的功能状态。类似地，在vm的预定容限之外的第一类型esd310的操作电压指示aplm104的非功能状态，然而在vm的预定容限之内的第一类型esd310的操作电压指示aplm104的功能状态。

多个aplm104的每个aplm104可分离地和电气地与混合有功功率链路装置102耦合，使得在故障的情况中，非功能性的aplm作为可分离地和电气地与混合有功功率链路装置102耦合的可替换模块，从模块化功率转换系统100中可移除。旁路开关330进一步配置为：分别将相应至少一个功能性的和至少一个非功能性的aplm104交替地分别电气耦合到混合有功功率链路装置102和从功率转换系统100中电气隔离。

此外，在操作中，开关控制器326被配置（例如通过在开关控制器36的软件和固件中的至少一个对其中的控制逻辑进行编程）成控制开关状态，包括但不限于aplm104中的多个开关装置302的开关的定时、频率、以及占空比。通过传送开关控制信号328的开关控制器326在aplm104中确立多个开关状态。aplm104中的多个开关装置302的多个开关状态包括其中il大体上等于通过电气负载装置130的平均dc电流值的第一开关状态。第一开关状态因此配置为下述中的至少一个：将混合有功功率链路装置102维持在v1；以及使第一类型esd310和第二类型esd110中的至少一个充电，以使混合有功功率链路装置102达到大体上等于v1的电压电位。在aplm104中的多个开关装置302的多个开关状态还包括与第一开关状态不同的第二开关状态，其中il比通过电气负载装置130的平均dc电流值大预定的量。第二开关状态因此配置为当由电气负载装置130所需时使在混合有功功率链路装置102中的第一类型esd310和第二类型esd110中的至少一个放电以提供isupp。isupp的值因此大体上等于：

isupp=n*im+m*iuc等式（1）

其中n是多个aplm104的aplm104的数量，其第一类型esd310在第二开关状态期间被放电，im是通过被放电的每个aplm104的结果电流，m是混合有功功率链路装置102中的第二类型esd110的数量，以及iuc是h-aplm串106上从每个第二类型esd110所供应的电流的值。

图4是可与功率转换系统100（分别地在附图1和2中示出）一起使用的混合有功功率链路装置102的示例性实施例的示意图。在示例性实施例中，混合有功功率链路装置102耦合到第一dc总线120（如上参考图1所示和所述）。在未示出的其他实施例中，混合有功功率链路耦合到第二dc总线126（如上参考图2所示和所述）。混合有功功率链路装置102包括多个第二类型esd402，多个第二类型esd402包括彼此之间电串联耦合的第一第二类型esd404（即，第一第二类型esd110）和第二第二类型esd406（即，是第二第二类型esd110）。第一第二类型esd404耦合到第二第二类型esd406相对的第一dc总线120。混合有功功率链路装置102还包括电串联耦合到第二第二类型esd406和多个aplm104的第二aplm108的第三开关装置408。第三开关装置408在第二第二类型esd406和第二aplm108之间延伸。第三开关装置408被实施在igbt中。在未示出的其他实施例中，第三开关装置408被实施在集成栅极换流晶体管、非线性可控电阻、变阻器、以及除了igbt类型之外晶体管（包括但不限于mosfet、注入增强栅极晶体管、jfet，bjt），以及其组合中的至少一个中。这些装置可由si和诸如sic和gan中的至少一个宽带隙材料制成。

混合有功功率链路装置102进一步包括与多个第二类型esd402和第三开关装置408两者电并联耦合的续流二极管412。混合有功功率链路装置102还包括耦合到第三开关装置408和耦合到第一dc总线120的减饱和控制器414。在未示出的其他实施例中，例如在其中混合有功功率链路装置102耦合到第二dc总线126的实施例中，减饱和控制器414耦合到第二dc总线126。减饱和控制器414配置为对跨第一dc总线120（以及第二dc总线126，在未示出的那些实施例中，其中混合有功功率链路装置102耦合到第二dc总线126）的电压降的变化进行测量和探测中的至少一种。在减饱和控制器414确定跨第一dc总线120的电压降的值以及跨第一dc总线120的电压电位的改变中的至少一个满足和超过（两种中的至少一种）预定的阈值时探测到过电流情况。响应于过电流情况，减饱和控制器414进一步配置为向第三开关装置408传送减饱和控制信号。

混合有功功率链路装置102还包括与多个aplm104中的每个aplm104（即，第一aplm107和第二aplm108中的每个）电并联耦合的电功率供应422。电功率供应422还与多个第二类型esd402的每个第二类型esd402（即，第一第二类型esd404和第二第二类型esd406）电并联耦合。多个aplm104的每个aplm104和多个第二类型esd402的每个第二类型esd402通过包括第一继电器424和第二继电器426的多个继电器423电并联耦合到电功率供应422。同样，在示例性实施例中，多个继电器423耦合到开关控制器326(未示出)，以及从而基于混合有功功率链路装置102的相应第一类型esd310和第二类型esd110的充电状态被控制。在未示出的其他实施例中，多个继电器423耦合到除了开关控制器以外的其他控制器，包括但不限于，未示出的位于功率转换系统100之内和之外中至少一个的充电控制器。

在操作中，在示例性实施例中，减饱和控制器414配置为探测过电流情况，包括但不限于，在第一dc总线120上的短路故障电流。过电流情况表示在第二类型esd402、电气负载装置130，以及多个aplm104的至少一个aplm104中的至少一个中出现了故障。在探测过电流情况时，减饱和控制器414向例如但不下限于igbt类型第三开关装置408的栅极端子428实时传送减饱和信号420以改变其开关状态。交替地改变第三开关装置408的多个开关状态因此按需求交替地使混合有功功率链路装置102能够和不能够向电气负载装置130供应isupp。

减饱和控制器414、第三开关装置408、旁路二极管410、续流二极管412、以及电感器112作为功率转换系统100中的过电流保护子系统起作用。如上参考图3所述。第二类型esd110配置为比第一类型esd310存储更大量的电能。同样地，功率转换系统100中的过电流保护子系统的包括减轻了电弧并且为用户、系统组件、以及电气负载装置130的保护提供了有效的故障隔离。

减饱和控制信号420配置为：当过电流情况（即，如由减饱和控制器414探测的）出现和不出现时，分别交替地断开第三开关装置408（即，使电流不能流过）和闭合第三开关装置408（即，使电流能流过）。由减饱和控制器414和过电流保护子系统所实现的第三开关装置408的多个开关状态的这种控制的交替促进基于过电流情况的分别地出现和不出现的多个第二类型esd402和多个aplm104交替地电隔离和电耦合。

当响应于功率转换系统100中的至少一个位置中的过电流情况而断开第三开关装置408时，通过混合有功功率链路装置102的isupp和故障电流中的至少一个的流动被转移通过续流二极管412绕过多个第二类型esd402和第三开关装置408。同样，在示例性实施例中，减饱和控制器414进一步耦合到在多个aplm104的每个aplm104中的（未示出）开关控制器326。当响应于过电流情况减饱和控制器414传送减饱和信号420来断开第三开关装置408时，减饱和控制器414向开关控制器326实时传送控制信号（未示出）以断开多个开关装置302。响应于过电流情况断开多个aplm104中的每个aplm104中的多个开关装置302，因此使第一类型esd310不能向isupp做出贡献。

如图4中通过阴影电流路径所示，故障电流和isupp中至少一个的转移的电流路径经过有效地耗散电能装置（例如包括续流二极管412、反并联二极管308、以及电感器112），然而提供减少故障电流和减少isupp中的至少一个的更慢和更平滑的时间变化率（即，di/dt）。在过电流情况期间第一类型esd310和第二类型esd110从混合有功功率链路装置102电隔离的情况下，剩余故障电流和剩余isupp中的至少一个（即，由于电感器112和来自电气负载装置130的返回路径电流）惯性流过（free-wheel）混合有功功率链路装置102直到该电流不再被增加到第一dc总线120。因此，在示例性实施例中，在过电流情况的事件中，不需要将电气负载装置130置于停止服务并且将继续从esd串114被供应有pavg。此外，给定在功率转换系统100中的混合有功功率链路装置102的模块性和冗余度质量，故障的aplm104、故障的第一类型esd310、以及故障的第二类型esd110中的至少一个是以迅速的方式是可替换的，并且返回到完全操作以如上所述支持电气负载装置130。

同样，在操作中，电功率供应422被配置作为充电装置以促进多个aplm104的第一类型esd310和多个第二类型esd402维持在能使混合有功功率链路装置102维持在v1的电压电位上。在示例性实施例中，被配置作为充电装置的电功率供应422被实施在专门的充电子系统中，其在与在功率转换系统100中维持的电压（即，vm、vuc、v1、v2和v3）相关的相对低电压和功率等级操作。在未示出的其他实施例中，被配置作为充电装置的电功率供应422被实施在包括但不限于esd串114的电池和第二混合有功功率链路装置102中的至少一个中。在其中充电装置是多个aplm104中的另一个aplm104的实施例中，在混合有功功率链路装置102中，电功率供应422进一步配置为在多个aplm104的所有aplm104之中和之间有功地平衡电能存储。开关控制器326和充电控制器中的至少一个（未示出）通过多个继电器423将电功率供应422与混合有功功率链路装置102交替地电气耦合和电气隔离。电功率供应422还用于在开始使用功率转换系统100中的混合有功功率链路装置102之前使多个第一类型esd310和第二类型esd110充电。在未示出的仍有其他实施例中，电功率供应422还包括耗散的（也就是阻性的）电路，其用于停止在功率转换系统100中的混合有功功率链路装置102操作之前和之后中的至少一个，使第一类型esd310和第二类型esd110放电。

图5是可与功率转换系统100一起使用的混合有功功率链路装置102（分别在图1和2中示出）的备选实施例的示意图。在备选实施例中，混合有功功率链路装置102耦合到第一dc总线120处（如上参考图1所示和所述）。在未示出的其他实施例中，混合有功功率链路装置102耦合到第二dc总线126（如上参考图2所示和所述）。混合有功功率链路装置102包括多个第二类型esd，所述多个第二类型esd包括彼此间电串联耦合的第一第二类型esd404（即，第一第二类型esd110）和第二第二类型esd406（即，第二第二类型esd110）。混合有功功率链路装置102还包括多个aplm104，所述多个aplm104包括第一aplm107和第二aplm108。第一电感器502耦合到第一aplm107和第一总线dc120。第二电感器504耦合到第二aplm108和第一dc总线120。第一电感器502相对于第一aplm107与第二第二类型esd406相对定位，并且第二电感器504相对于第二aplm108与第一第二类型esd404相对定位。混合有功功率链路装置102进一步包括与第一aplm107和第二第二类型esd406电串联耦合的第三开关装置408。此外，在备选实施例中，多个第二类型esd402在第三开关装置408和第二aplm108之间延伸并且电串联耦合到第三开关装置408和第二aplm108。

此外，在备选实施例中，多个aplm104包括偶数个aplm104,其中相同数量的aplm104耦合到多个第二类型esd402的相对末端。在未示出的其他实施例中，多个aplm104也包括偶数个aplm104，但其中第一aplm107实施在多个第一aplm107中和第二aplm108实施在多个第二aplm108中。因此，在备选实施例中，架构和开关方案中的对称性出现在混合有功功率链路装置102中，这提供多个优点，包括但不限于电磁干扰（emi）性能（如下参考图6所示和所述）。

图6是功率转换系统100（在图1和2中示出）的操作图形表示（即，图表600）。在示例性实施例中，图表600包括第一曲线602和第二曲线604。第一曲线602和第二曲线604的每个描绘对于具有混合有功功率链路装置102的功率转换系统100（分别在图4和5中示出）的共模（cm）噪声等级对时间。使用假定在功率转换系统100和地之间在第一曲线602和第二曲线604中的14毫微法拉的分布式杂散电容的线路阻抗稳定网络（lisn）方法确定了功率转换系统100的emi性能特性。在图4中示出的具有示例性混合有功功率装置102的功率转换系统100表现了cm噪声等级，其周期地变化并且在大约-0.4db到大约0.5db的范围内变动。在另一方面，在图5中示出的具有备选混合有功功率装置102的功率转换系统100表现了大体上等于0（零）db的cm噪声等级，并且没有周期性变化。

如上参考图5所示和所述，混合有功功率链路装置102的大体上对称的设计和实现用于多个aplm104中的多个开关装置302的开关方案中的对称性能够实现有效cm噪声消除，这在第二曲线604上是明显的。在至少两个aplm104之间耦合多个第二类型esd402，以及在第一dc总线120上包括第一电感器502和第二电感器504促进在需要高emi性能特征（包括但不限于，陆地和海上的运输和军用交通工具，以及商用和军用飞行器）的应用中的cm噪声消除。

图7是操作能与功率转换系统100一起使用的功率转换系统（分别地在图1和2中示出）的示例性方法700的流程图。参考图1、3和7，在示例性实施例中，方法700包括确定702电气负载装置130的平均dc操作电压（即，v3）、电气负载装置130的平均dc电流（即、il）、电气负载装置130的平均额定电功率（即，pavg）、以及大于pavg的至少一个额外额定电功率（即，ppeak）。方法700还包括在大体上等于v3的v2向电气负载装置130供应704平均dc电流，其中平均dc电流向电气负载装置130提供大体上等于pavg的第一电功率。方法700还包括多个esd放电706（即，多个aplm104中的第一类型esd310和第二类型esd110中的至少一个）以在大体上等于v2的电压向电气负载装置130供应isupp，其中isupp和平均dc电压当加在一起时向电气负载装置130提供大体上等于ppeak的第二电功率。

上述的混合有功功率链路模块装置及相关的系统和方法能够实现像mmc的功率电子装置到诸如超级电容器的esd之中的功能集成，以用于在dc功率系统操作电压的宽范围中的应用。上述实施例还提供了模块化、基于构件的系统，其在中心化的和分布式的功率转换应用两者中能实现可缩放性和冗余度、和高效率以及故障容限操作。此外，上述实施例促进基于支持的电气负载的电流和功率轮廓的对于ems的简化的控制方案的使用。上述的混合有功功率链路模块装置及相关的系统和方法还提供高效率功率转换器，所述高效率功率转换器具有：改进的特定功率密度、较少的设计和开发时间和费用、以及减少的nre以及其他与已知系统相关的操作成本。上述实施例进一步能够实现大量的esd类型到直流dc转换系统中的有效的功能集成，而不要求重且大的感性和容性组件。此外，上述实施例提供较低的操作和维护成本，以及能够实现在仅需要对于电气负载装置的适度瞬态支持的部分控制的应用中的更低复杂度的控制系统。

上述的混合有功功率链路模块装置及相关的系统和方法的示例性技术效果包括至少下列中的一个：（a）能够实现像mmc的功率电子装置到诸如超级电容器的esd之中的功能集成，以用于在dc功率系统操作电压的宽范围中的应用；（b）提供模块化、基于构件的系统，其在中心化的和分布式的功率转换应用两者中能实现可缩放性和冗余度、和高效率以及故障容限操作；（c）促进基于支持的电气负载的电流和功率轮廓的对于ems的简化的控制方案的使用；（d）提供高效率功率转换器，所述高效率功率转换器具有：改进的特定功率密度、较少的设计和开发时间和费用、以及减少的nre以及其他与已知系统相关的操作成本；（e）能够实现大量的esd类型到dc转换系统中的有效的功能集成，而不要求重且大的感性和容性组件；（f）提供与已知系统和方法相关的较低的操作和维持成本；以及（g）能够实现在仅需要对于电气负载装置的适度瞬态支持的部分控制的应用中的更低复杂度的控制系统。

混合有功功率链路装置的示例性实施例、以及操作这种系统和装置的方法不限制于本文描述的特定实施例，而是相反能够与本文描述的其他组件和/或步骤独立地和分离地利用系统的组件和/或方法的步骤。例如，还能够与需要模块性、可缩放性以及冗余度的其他系统结合使用所述系统，以及相关的方法，并不限制于只利用如本文描述的混合有功功率链路装置的系统和方法实践。而是，示例性实施例可结合许多其他功率系统应用来实现和利用，所述许多其他功率系统应用目前配置为提供高效dc功率转换，例如且不限于，在可再生功率生成设施中的功率系统。

尽管本公开的各种实施例的特定特征可在一些附图中示出而在其他附图中不示出，但这仅仅是为了方便。根据本公开的原理，附图的任何特征可与任何其他附图的任何特征结合来参考和/或要求保护。

一些实施例涉及一个或多个电子或计算装置的使用。这类装置典型地包括处理器、处理装置、或者控制器，诸如通用中央处理单元（cpu）、图形处理单元（gpu）、微控制器、精简指令集计算机（risc）处理器、专用集成电路（asic）、可编程逻辑电路（plc）、现场可编程门阵列（fpga）、数字信号处理（dsp）装置、和/或能够执行本文描述的功能的任何其他电路或者处理装置。本文描述的方法能够作为实施在计算机可读介质（包括但不限于存储装置和/或存储器装置）中的可执行指令来编码。这些指令，当由处理装置执行时，使处理装置执行本文描述的方法的至少一部分。以上示例仅是示例性的，并且因此不旨在以任何方式限制术语处理器和处理装置的定义和/或含义。

本书面描述使用示例来公开实施例，包括最佳模式，并且还使本领域技术人员能够实践实施例，包括制造和使用任何装置或系统并且执行任何合并的方法。本公开的可专利保护的范围由权利要求书所定义，并且可以包括本领域技术人员想到的其他示例。如果这些其他示例具有与权利要求书的字面语言没有不同的结构元件，或者如果它们包括与权力要求书的字面语言无实质的区别的等效结构元件，则它们意图在权利要求书的范围之内。