再生级联h桥电力供应装置
阅读说明：本技术 再生级联h桥电力供应装置 (Regenerative cascade H-bridge power supply device ) 是由 纳维德·R·扎加里 萨拉·巴达维 程仲元 迈赫迪·纳里马尼 张烨 于 2020-04-23 设计创作，主要内容包括：本申请公开了再生级联H桥电力供应装置。对于具有减少数量的半导体器件的电力供应装置,变压器接收三相初级电压并且利用多个次级绕组集将三相初级电压升高或降低至次级电压以升高或降低至多个第一相电压、多个第二相电压和多个第三相电压。多个电力单元组各自包括级联连接的多个电力单元。每个电力单元包括整流器和逆变器。整流器包括串联连接并在第一开关中点处接收相电压的两个第一有源开关、串联连接并在第二开关中点处接收另一相电压的两个第二有源开关以及串联连接并在电容器之间的电容器中点处接收另一相电压的两个电容器。(The application discloses a regenerative cascaded H-bridge power supply. For a power supply apparatus having a reduced number of semiconductor devices, a transformer receives a three-phase primary voltage and boosts or lowers the three-phase primary voltage to a secondary voltage using a plurality of secondary winding sets to boost or lower to a plurality of first phase voltages, a plurality of second phase voltages, and a plurality of third phase voltages. The plurality of power unit groups each include a plurality of power units connected in cascade. Each power unit includes a rectifier and an inverter. The rectifier includes two first active switches connected in series and receiving the phase voltage at a first switching point, two second active switches connected in series and receiving the other phase voltage at a second switching point, and two capacitors connected in series and receiving the other phase voltage at a capacitor midpoint between the capacitors.)
相关申请的交叉引用
这是Zhong Y.Cheng于2019年4月24日提交的题为“REDUCED SEMICONDUCTORDEVICE POWER CELL VOLTAGE DRIVE”的美国专利申请号16/393,613的部分继续申请，并要求其优先权，其通过引用并入本文中。
技术领域
本文中公开的主题涉及电力供应装置，并且更具体地涉及再生级联H桥电力供应装置。
背景技术
级联的H桥电力供应装置的成本受到每个电力单元中的功率半导体器件例如有源开关的数量显著影响。级联的H桥电力供应装置通常可以在整流器中具有至少六个有源开关。减少功率半导体器件显著降低了电力供应装置的成本。
发明内容
公开了一种基于具有减少数量的半导体器件的级联的电力单元的电力供应装置。该电力供应装置包括变压器和多个电力单元组。变压器接收三相初级电压，并且利用多个次级绕组集将三相初级电压升高或降低至次级电压，以升高或降低至多个第一相电压、多个第二相电压和多个第三相电压。多个电力单元组各自包括级联连接的多个电力单元。每个电力单元包括整流器和逆变器。该整流器包括：串联连接并且在第一开关中点处接收相电压的两个第一有源开关；串联连接并且在第二开关中点处接收另一相电压的两个第二有源开关；以及串联连接并且在电容器之间的电容器中点处接收另一相电压的两个电容器。每个电力单元的两个第一有源开关、两个第二有源开关以及两个电容器并联连接。设备和驱动器还执行电力供应装置的功能。
附图说明
为了将容易理解本发明的实施方式的优点，将通过参考附图中示出的特定实施方式来对上面简要描述的实施方式进行更具体的描述。应当理解这些附图仅描绘了一些实施方式并且因此不应认为是对范围的限制，将通过使用附图以附加的独特性和细节来描述和解释实施方式，在附图中：
图1A是根据实施方式的电力供应装置的示意图；
图1B是根据替选实施方式的电力供应装置的示意图；
图1C是根据实施方式的功率半导体器件的示意图；
图2A是根据实施方式的具有六器件整流器和两器件逆变器的电力单元的示意图；
图2B是根据实施方式的包括具有六器件整流器和两器件逆变器的电力单元的电力供应装置的示意图；
图3A是根据替选实施方式的具有六器件整流器和两器件逆变器的电力单元的示意图；
图3B是根据替选实施方式的包括具有六器件整流器和两器件逆变器的电力单元的电力供应装置的示意图；
图4A是根据实施方式的具有四器件整流器和两器件逆变器的电力单元的示意图；
图4B是根据实施方式的包括具有四器件整流器和两器件逆变器的电力单元的电力供应装置的示意图；
图5A是根据替选实施方式的具有四器件整流器和两器件逆变器的电力单元的示意图；
图5B是根据替选实施方式的包括具有四器件整流器和两器件逆变器的电力单元的电力供应装置的示意图；
图6A是根据实施方式的具有两器件整流器和四器件逆变器的电力单元的示意图；
图6B是根据实施方式的包括具有两器件整流器和四器件逆变器的电力单元的电力供应装置的示意图；
图7A是根据替选实施方式的具有两器件整流器和四器件逆变器的电力单元的示意图；
图7B是根据替选实施方式的包括具有两器件整流器和四器件逆变器的电力单元的电力供应装置的示意图；
图8A是根据实施方式的具有两器件整流器和两器件逆变器的电力单元的示意图；
图8B是根据实施方式的包括具有两器件整流器和两器件逆变器的电力单元的电力供应装置的示意图；
图9A是根据替选实施方式的具有两器件整流器和两器件逆变器的电力单元的示意图；
图9B是根据替选实施方式的包括具有两器件整流器和两器件逆变器的电力单元的电力供应装置的示意图；
图10是根据实施方式的电力供应方法的流程图；
图11是根据实施方式的电力供应输出的曲线图；
图12A是根据实施方式的电力供应装置的示意图；
图12B是根据实施方式的替选电力供应装置的示意图；
图12C是根据实施方式的替选电力供应装置的示意图；
图12D是根据实施方式的替选电力供应装置的示意图；
图13A是根据实施方式的有源开关的示意图；
图13B至图13D是根据实施方式的电力单元的示意图；
图14A至图14D是根据实施方式的电力单元切换的示意图；
图15是根据实施方式的电力单元相电压的曲线图；
图16是根据替选实施方式的电力供应方法的流程图；
图17A是根据实施方式的电力供应谐波频谱的曲线图；
图17B是根据实施方式的电力供应输出电流的曲线图；
图17C是根据替选实施方式的电力供应谐波频谱的曲线图；
图17D是根据替选实施方式的电力供应输出电流的曲线图；
图17E是根据实施方式的马达速度分布曲线和马达扭矩的曲线图；
图17F是根据实施方式的电力供应谐波频谱的曲线图；
图17G是根据实施方式的电力供应谐波频谱的曲线图；
图17H是根据替选实施方式的电力供应谐波频谱的曲线图；以及
图17I是根据替选实施方式的电力供应谐波频谱的曲线图。
具体实施方式
在整个说明书中，对“一个实施方式”、“实施方式”或类似语言的引用意指结合实施方式描述的特定特征、结构或特性包括在至少一个实施方式中。因此，在整个说明书中，短语“在一个实施方式中”、“在实施方式中”和类似语言的出现可以但并不一定全部指代相同的实施方式，而是意指“一个或更多个但不是所有实施方式”，除非另外明确说明。术语“包含”、“包括”、“具有”及其变型意指“包括但不限于”，除非另外明确说明。列举的项目清单并不暗指项目中的任何或所有都是相互排斥和/或相互包含的，除非另外明确说明。术语“一”、“一个”和“该”也指“一个或更多个”，除非另外明确说明。
附图中的示意性流程图和/或示意性框图示出了可能的实现的架构、功能和操作。还应注意，在一些替选实现中，框中指出的功能可以不按图中指出的顺序发生。例如，取决于所涉及的功能，实际上可以基本上同时执行连续示出的两个框，或者有时可以以相反的顺序执行这些框。尽管可以在流程图和/或框图中采用各种箭头类型和线条类型，但是应理解它们不限制相应实施方式的范围。实际上，一些箭头或其他连接器可以用于仅指示所描绘的实施方式的示例性逻辑流程。
每个附图中的元件的描述可以参考过程附图的元件。在所有附图中，相同的附图标记指代相同的元件，包括相同元件的替选实施方式。
图1A是电力供应装置100a的示意图。电力供应装置100a向负载提供具有可变电压和频率的三相AC输出。AC输出可以驱动作为负载的一个或更多个马达。电力供应装置100a包括移相变压器105和多个电力单元组115。
在所描绘的实施方式中，移相变压器105包括初级绕组135、铁心140和多个次级绕组集130。移相变压器105的初级绕组135接收三相初级电压。多个次级绕组集130与初级绕组135磁耦合，并且将三相初级电压升高或降低至次级电压。在一个实施方式中，在不同的次级绕组集130之间存在相移。示出具有Δ形连接的初级绕组135和Z形连接的次级绕组集130的变压器105。也可以是Y形连接的初级绕组135和扩展Δ形连接的次级绕组集130或多边形连接的次级绕组集130。
在所描绘的实施方式中，如图1A中所示，移相变压器105包括9个次级绕组集130，其中在由顶部三个次级绕组集130a、中间三个次级绕组集130b和底部三个次级绕组集130c提供的电压之间具有20度相移。每个次级绕组集130将具有指定相位的次级电压提供给电力单元组115。
在该实施方式中，示出了示例性9个电力单元电路。电力单元110的数量可以根据输出电压的要求而改变，因此用于每个电力单元组115的次级绕组集130的数量将相应地改变。一般而言，相同的电路拓扑可以用于每个电力单元组115中的任意数量n个串联的电力单元110，并且将存在为电力单元110中的每个馈电的相同量的次级绕组集130。对于n＝3，图1A中示出的相移角度也是示例性的。这些角度可以改变。通常，对于为每个三相电力单元组115A至115C的n个电力单元110馈电的n个次级绕组集130，每个集内的相移角度为60°/n或20°/n。例如，如果n＝4，则每个电力单元组115的变压器次级绕组130的相移角度为60°/4＝15°或20°/4＝5°。如果n＝5，则相移角度将为60°/5＝12°或20°/5＝4°等等。
多个电力单元组115各自包括级联连接的多个电力单元110。每个电力单元110接收移相变压器105的不同的次级绕组集130的单相电压和三相电压之一。每个电力单元组115产生三相AC输出的一个相160A至160C。
电力单元110包括多个半导体器件，以对从次级绕组集130接收的电压进行整流并将其反相为三相AC输出的相160A至160C。随着在电力单元110中使用更多的半导体器件，电力单元110和电力供应装置100a的成本和尺寸增加。实施方式减少了电力单元110和/或电力供应装置100中的半导体器件的数量，以减小电力供应装置100的成本和尺寸。在一个实施方式中，每个电力单元110包括不超过八个功率半导体器件。电力供应装置100被组织为利用数量减少的功率半导体器件提供AC输出，从而引起显著的成本节约。
图1B是电力供应装置100b的示例性示意图。在所描绘的实施方式中，移相变压器105包括3个次级绕组集130，其中每个次级绕组集130所提供的电压之间具有20度相移。与图1A的不同之处在于，三相次级绕组集以如下方式终止，该方式使得可以向电力单元提供单相电力，因此与图1A相比，三相次级绕组的数量为1/3倍。
在该实施方式中，示出了示例性9个电力单元电路。电力单元的数量可以根据输出电压的要求而改变，因此用于每个电力单元组115的次级绕组130的数量将相应地改变。一般而言，相同的电路拓扑可以用于每个电力单元组115中的任意数量n个串联的电力单元110，并且将存在为电力单元110中的每个馈电的相同量的次级绕组130。对于n＝3，图1B中示出的相移角度也是示例性的。这些角度可以改变。通常，对于为每个三相电力单元组115A至115C的n个电力单元110馈电的n个次级绕组130，每个电力单元组115内的相移角度为60°/n。例如，如果n＝4，则用于每个电力单元组115的变压器次级绕组130的相移角度为60°/4＝15°。如果n＝5，则相移角度将为60°/5＝12°等等。
图1A和图1B中示出的拓扑将应用于稍后描绘的电力单元。每组示例性n＝3个电力单元用于演示电路拓扑。在实际实现中，n可以是任何自然数。
图1C是功率半导体器件125的示意图。如本文中所使用的，功率半导体器件125是二极管125a和有源开关125b之一。二极管125a也可以是晶闸管或其他有源半导体开关。有源开关125b可以是绝缘栅双极晶体管(IGBT)125b。在一个实施方式中，有源开关125b是场效应晶体管(FET)125b。有源开关125b可以是金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)125b或集成门极换流晶闸管(IGCT)。有源开关125b可以是其他半导体开关器件，例如硅控整流器(SCR)。从电路原理的角度来计算半导体开关的数量。并联或串联连接的半导体器件被视为单个功能器件。每个有源开关125b可以包括反并联二极管143。电力单元110可以具有不超过八个的功率半导体器件125。在一个实施方式中，不超过八个的功率半导体器件125被组织为电力单元110内的整流器150和逆变器155。整流器150可以选择性地修改输入电流的方向。逆变器155可以形成所需的AC输出。在一个实施方式中，电力单元110包括另外的非功率半导体器件，诸如电容器、连接器、连接件等。非功率半导体器件的数量可能不会减少。
图2A是具有六功率半导体器件整流器150和两功率半导体器件逆变器155的电力单元110-1的示意图。在所描绘的实施方式中，电力单元110-1包括整流器150和逆变器155。整流器150包括六个二极管125a。整流器150连接至一个次级绕组集130ac1至130ac3。逆变器155包括输出三相AC输出的相的两个IGBT 125b和中性点145N。还示出了两个非功率半导体器件电容器195。
图2B是包括具有六功率半导体器件整流器150和两功率半导体器件逆变器155的图2A的电力单元110-1的图1A的电力供应装置100a的示意图。在所描绘的实施方式中，次级绕组集130的三相的每个相包括三个多相部分185。每个电力单元110-1的整流器150包括六个二极管125a。每个电力单元110-1的逆变器155包括两个IGBT 125b。为了清楚起见，一个电力单元组115被完全显示，而另外两个电力单元组115被示意性地显示。
图3A是具有六功率半导体器件整流器150和两功率半导体器件逆变器155的电力单元110-2的示意图。在所描绘的实施方式中，电力单元110-2包括整流器150和逆变器155。整流器150包括六个IGBT 125b。整流器150连接至一个次级绕组集130ac1至130ac3。逆变器155包括输出三相AC输出的相160A至160C的两个IGBT 125b和中性点145N。还示出了两个非功率半导体器件电容器195。
图3B是包括具有六半导体功率器件整流器150和两半导体功率器件逆变器155的图3A的电力单元110-2的图1A的电力供应装置100a的示意图。次级绕组集130的三相的每个相包括三个多相部分185。每个电力单元110-2的整流器150包括六个IGBT 125b。每个电力单元110-2的逆变器155包括两个IGBT 125b。为了清楚起见，一个电力单元组115被完全显示，而另外两个电力单元组115被示意性地显示。
图4A是具有四半导体功率器件整流器150和两半导体功率器件逆变器155的电力单元110-3的示意图。在所描绘的实施方式中，电力单元110-3包括整流器150和逆变器155。整流器150包括四个二极管125a。整流器150连接至一个次级绕组集130acl至130ac2。逆变器155包括输出三相AC输出的相160A至160C的两个IGBT 125b和中性点145N。还示出了两个非功率半导体器件电容器195。
图4B是包括具有四半导体功率器件整流器150和两半导体功率器件逆变器155的图4A的电力单元110-3的图1B的电力供应装置110b的示意图。移相变压器105包括3个次级绕组集130，其中每个次级绕组集130所提供的电压之间具有20度相移。每个电力单元110-3的整流器150包括四个二极管125a。每个电力单元110-3的逆变器155包括两个IGBT 125b。为了清楚起见，一个电力单元组115被完全显示，而另外两个电力单元组115被示意性地显示。
图5A是具有四半导体功率器件整流器150和两半导体功率器件逆变器155的电力单元110-4的示意图。在所描绘的实施方式中，电力单元110-4包括整流器150和逆变器155。整流器150包括四个IGBT 125b。整流器150连接至一个次级绕组集130acl至130ac2。逆变器155包括输出三相AC输出的相160A至160C的两个IGBT 125b和中性点145N。还示出了两个非功率半导体器件电容器195。
图5B是包括具有四半导体功率器件整流器150和两半导体功率器件逆变器155的图5A的电力单元110-4的图1B的电力供应装置100b的示意图。在所描绘的实施方式中，每个电力单元110-4的整流器150包括四个IGBT。每个电力单元110-4的逆变器155包括两个IGBT125b。另外，每个电力单元110-4包括对来自次级绕组集130的电流进行滤波的LCL滤波器15。为了清楚起见，一个电力单元组115被完全显示，而另外两个电力单元组115被示意性地显示。
图6A是具有两半导体功率器件整流器150和四半导体功率器件逆变器155的电力单元110-5的示意图。在所描绘的实施方式中，电力单元110包括整流器150和逆变器155。整流器150包括两个二极管125a。整流器150连接至一个次级绕组集130acl至130ac2。逆变器155包括输出三相AC输出的相160A至160C的四个IGBT 125b和中性点145N。还示出了两个非功率半导体器件电容器195。
图6B是包括具有两半导体功率器件整流器150和四半导体功率器件逆变器155的电力单元110-5的图1B的电力供应装置100b的示意图。每个电力单元110-5的整流器150包括两个二极管125a。每个电力单元110-5的逆变器155包括四个IGBT 125b。为了清楚起见，一个电力单元组115被完全显示，而另外两个电力单元组115被示意性地显示。
图7A是具有两半导体功率器件整流器150和四半导体功率器件逆变器155的电力单元110-6的示意图。在所描绘的实施方式中，电力单元110-6包括整流器150和逆变器155。整流器150包括两个IGBT 125b。整流器150连接至一个次级绕组集130acl至130ac2。逆变器155包括输出三相AC输出的相160A至160C的四个IGBT 125b和中性点145N。还示出了两个非功率半导体器件电容器195。
图7B是包括具有两半导体功率器件整流器150和四半导体功率器件逆变器155的图7A的电力单元110-6的图1B的电力供应装置100b的示意图。在所描绘的实施方式中，每个电力单元110-6的整流器150包括两个IGBT 125b。每个电力单元110-6的逆变器155包括四个IGBT 125b。另外，每个电力单元110-6包括LCL滤波器15。为了清楚起见，一个电力单元组115被完全显示，而另外两个电力单元组115被示意性地显示。
图8A是具有两半导体功率器件整流器150和两半导体功率器件逆变器155的电力单元110-7的示意图。在所描绘的实施方式中，电力单元110-7包括整流器150和逆变器155。整流器150包括两个二极管125a。整流器150连接至一个次级绕组集130acl至130ac2。逆变器155包括输出三相AC输出的相160A至160C的两个IGBT 125b和中性点145N。还示出了两个非功率半导体器件电容器195。
图8B是包括具有两半导体功率器件整流器150和两半导体功率器件逆变器155的图8A的电力单元110-7的图1B的电力供应装置100b的示意图。在所描绘的实施方式中，每个电力单元110-7的整流器150包括两个二极管125a。每个电力单元110-7的逆变器155包括两个IGBT 125b。为了清楚起见，一个电力单元组115被完全显示，而另外两个电力单元组115被示意性地显示。
图9A是具有两半导体功率器件整流器150和两半导体功率器件逆变器155的电力单元110-8的示意图。在所描绘的实施方式中，电力单元110-8包括整流器150和逆变器155。整流器150包括两个IGBT 125b。整流器150连接至一个次级绕组集130acl至130ac2。逆变器155包括输出三相AC输出的相160A至160C的两个IGBT 125b和中性点145N。还示出了两个非功率半导体器件电容器195。
图9B是包括具有两半导体功率器件整流器150和两半导体功率器件逆变器155的图9A的电力单元110-8的图1B的电力供应装置100b的示意图。在所描绘的实施方式中，每个电力单元110-8的整流器150包括两个IGBT 125b，并且每个电力单元110-8的逆变器155包括两个IGBT 125b。另外，每个电力单元110-8包括LCL滤波器15。为了清楚起见，一个电力单元组115被完全显示，而另外两个电力单元组115被示意性地显示。
图10是电力供应方法500的流程图。方法500可以由电力供应装置100执行。方法500可以提供501移相变压器105，该移相变压器105接收三相初级电压并且利用多个次级绕组集130a至130c将三相初级电压降低至次级电压。在一个实施方式中，在不同的次级绕组集130之间存在相移。
该方法还可以提供503多个电力单元组115，多个电力单元组115各自包括级联连接的多个电力单元110。每个电力单元110可以接收移相变压器105的不同的次级绕组集130的单相电压和三相电压之一。每个电力单元110可以包括被组织为整流器150和逆变器155的不超过八个的功率半导体器件125。每个功率半导体器件125可以是二极管125a和IGBT125b之一。每个IGBT可以包括反并联二极管143。每个电力单元组115可以产生三相AC输出的一个相。
图11是将关于现有技术电力单元、图2A的电力单元110-1、图4A的电力单元110-3、图6A的电力单元110-5和图8A的电力单元110-7的输出的线对线输出电压201、线对线谐波203、线对中性点输出电压205和线对中性点电流207进行比较的电力供应输出的曲线图。
图12A是电力供应装置100c的示意图。电力供应装置100c可以是支持再生的级联H桥电力供应装置100。电力供应装置100c将具有可变电压和频率的三相AC输出160提供给诸如马达123的负载。电力供应装置100c包括移相变压器105和多个电力单元组115。
在所描绘的实施方式中，移相变压器105包括初级绕组135、铁心140和多个3k个次级绕组集130，其中k是整数。移相变压器105的初级绕组135接收三相初级电压。多个次级绕组集130与初级绕组135磁耦合，并且将三相初级电压升高或降低至具有多个第一相电压、多个第二相电压和多个第三相电压的次级电压。第一相电压、第二相电压和第三相电压之后在图13B至图13D中示出。
在所描绘的实施方式中，变压器105采用Y形连接的初级绕组135和Z形连接的次级绕组集130。变压器105也可以采用Δ形连接的初级绕组135、扩展Δ形连接的次级绕组集130和/或多边形连接的次级绕组集130。
多个三个电力单元组115各自包括级联连接的多个电力单元110。每个电力单元组115包括k个电力单元110。每个电力单元组115产生三相AC输出160A至160C的一个相。在所描绘的实施方式中，移相变压器105包括3k个次级绕组集130和k个电力单元行113-1至113-k。在一个实施方式中，对于每个电力单元组115，次级绕组集130之间的次级相移δ是度。例如，对于k＝5，δ1＝+24度，δ2＝+12度，δ3＝0度，δ4＝-12度，δ5＝-24度。
电力单元110可以由控制器127利用正弦脉宽调制控制信号来控制。在一个实施方式中，利用选自由以下组成的组的调制控制信号来控制电力单元110：正弦脉宽调制控制信号、经修改的脉宽调制控制信号、随机脉宽调制控制信号、三次谐波注入脉宽调制控制信号和空间矢量调制控制信号。对于所有电力单元110中的整流器150，载波角度相移θ可以相同，θ1＝θ2＝θ3，并且调制控制信号的开关频率为4020Hz。可替选地，电力单元组115中的整流器150的载波相移角度可以彼此偏移120度。例如，载波角度可以是θ1、θ2＝θ1±120°以及θ3＝θ1±240°。在某些实施方式中，调制控制信号的开关频率是1980Hz。
图12B是电力供应装置100d的示意图。电力供应装置100d可以是支持再生的级联H桥电力供应装置100。电力供应装置100d将具有可变电压和频率的三相AC输出160提供给负载。在所描绘的实施方式中，负载是马达123。AC输出160可以驱动作为负载的一个或更多个马达123。电力供应装置100d包括移相变压器105和多个电力单元组115。
在所描绘的实施方式中，移相变压器105包括初级绕组135、铁心140和多个次级绕组集130。移相变压器105的初级绕组135接收三相初级电压。多个次级绕组集130与初级绕组135磁耦合，并且将三相初级电压升高或降低至具有多个第一相电压、多个第二相电压和多个第三相电压的次级电压。
在所描绘的实施方式中，变压器105采用Y形连接的初级绕组135和Z形连接的次级绕组集130。变压器105还可以采用Δ形连接的初级绕组135、扩展Δ形连接的次级绕组集130和/或多边形连接的次级绕组集130。
多个电力单元组115各自包括级联连接的多个电力单元110。每个电力单元组115产生三相AC输出160A至160C的一个相。在所描绘的实施方式中，移相变压器105包括9个次级绕组集130和三个电力单元行113-1至113-3。在一个实施方式中，在不同的次级绕组集130之间存在次级相移。次级相移δ可以是20度。例如，δ1＝+20度，δ2＝0度，δ3＝-20度。
电力单元110可以由控制器127利用正弦脉宽调制控制信号来控制。在一个实施方式中，利用选自由以下组成的组的调制控制信号来控制电力单元110：正弦脉宽调制控制信号、经修改的脉宽调制控制信号、随机脉宽调制控制信号、三次谐波注入脉宽调制控制信号和空间矢量调制控制信号。对于所有电力单元110中的整流器150，载波角度相移θ可以相同，θ1＝θ2＝θ3，并且调制控制信号的开关频率为4020Hz。可替选地，电力单元110-1、110-2和110-3中的整流器150的载波角度θ1、θ2和θ3可以相移120度。例如，载波角度可以是θ1、θ2＝θ1+120度以及θ3＝θ1+240度。在某些实施方式中，调制控制信号的开关频率是1980Hz。
图12C是电力供应装置100e的示意图。电力供应装置100e可以是支持再生的级联H桥电力供应装置100。电力供应装置100e将具有可变电压和频率的三相AC输出160提供给诸如马达123的负载。电力供应装置100e包括移相变压器105和多个电力单元组115。
在所描绘的实施方式中，移相变压器105包括初级绕组135、铁心140和多个3k个次级绕组集130，其中k为整数。移相变压器105的初级绕组135接收三相初级电压。多个次级绕组集130与初级绕组135磁耦合，并且将三相初级电压升高或降低至具有多个第一相电压、多个第二相电压和多个第三相电压的次级电压。
在所描绘的实施方式中，变压器105采用Y形连接的初级绕组135和Z形连接的次级绕组集130。变压器105还可以采用Δ形连接的初级绕组135和/或和扩展Δ形连接的次级绕组集130和/或多边形连接的次级绕组集130。
多个三个电力单元组115各自包括级联连接的多个电力单元110。每个电力单元组115包括k个电力单元110。每个电力单元组115产生三相AC输出160A至160C的一个相。在所描绘的实施方式中，移相变压器105包括3k个次级绕组集130和k个电力单元行113-1至113-k。在一个实施方式中，在次级绕组集130之间没有次级相移δ，并且δ1＝δ2＝.....＝δk。
电力单元110可以由控制器127利用正弦脉宽调制控制信号来控制。在一个实施方式中，利用选自由以下组成的组的调制控制信号来控制电力单元110：正弦脉宽调制控制信号、经修改的脉宽调制控制信号、随机脉宽调制控制信号、三次谐波注入脉宽调制控制信号和空间矢量调制控制信号。每个电力单元行113-n中的整流器150的载波角度θ可以相同。例如，第一行113-1的载波角度可以是θ1度。不同的电力单元行113中的整流器150的载波相移角度θ1、θ2、……θk可以彼此偏移度。例如，对于k＝5，载波相移角度为θ1、θ2＝θ1+62度、θ3＝θ1+124度、θ4＝θ1-62度、θ5＝θ1-124度。对于k＝3，第一电力单元行113-1的载波角度为θ1，第二电力单元行113-2的载波角度为θ2＝θ1±120°以及第三电力单元行113-3的载波角度为θ3＝θ1±240°。在某些实施方式中，调制控制信号的开关频率是1980Hz。
图12D是电力供应装置100f的示意图。电力供应装置100f可以是支持再生的级联H桥电力供应装置100。电力供应装置100f将具有可变电压和频率的三相AC输出160提供给诸如马达123的负载。电力供应装置100f包括移相变压器105和多个电力单元组115。
在所描绘的实施方式中，移相变压器105包括初级绕组135、铁心140和多个次级绕组集130。移相变压器105的初级绕组135接收三相初级电压。多个次级绕组集130与初级绕组135磁耦合，并且将三相初级电压升高或降低至具有多个第一相电压、多个第二相电压和多个第三相电压的次级电压。
在所描绘的实施方式中，变压器105采用Y形连接的初级绕组135和Z形连接的次级绕组集130。变压器105还可以采用Δ形连接的初级绕组135、扩展Δ形连接的次级绕组集130和/或多边形连接的次级绕组集130。
多个电力单元组115各自包括级联连接的多个电力单元110。每个电力单元组115产生三相AC输出160A至160C中的一个相。在所描绘的实施方式中，移相变压器105包括9个次级绕组集130和三个电力单元行113-1至113-3。在一个实施方式中，在顶部次级绕组集130、中间次级绕组集130与底部次级绕组集130之间没有次级相移δ，并且δ1＝δ2＝δ3。
电力单元110可以由控制器127利用正弦脉宽调制控制信号来控制。在一个实施方式中，利用选自由以下组成的组的调制控制信号来控制电力单元110：正弦脉宽调制控制信号、经修改的脉宽调制控制信号、随机脉宽调制控制信号、三次谐波注入脉宽调制控制信号和空间矢量调制控制信号。电力单元行113中的整流器150的载波角度对于第一电力单元行113-1可以是θ1，对于第二电力单元行113-2可以是θ2＝θ1±120°，以及对于第三电力单元行113-3可以是θ3＝θ1±240°，并且调制控制信号的开关频率是1980Hz。
图13A是有源开关125b的示意图。在所描绘的实施方式中，有源开关125b包括反并联二极管143。有源开关125b由来自控制器127的调制控制信号129控制。
图13B至图13D是电力单元110的示意图。每个电力单元110包括整流器150和逆变器155。在所描绘的实施方式中，逆变器155是四个有源开关125b的H桥。逆变器155输出AC输出160的相并且连接至中性点145。
整流器150包括串联连接并在第一开关中点133-1处接收相电压131的两个第一有源开关125b-1、串联连接并在第二开关中点133-2处接收另一相电压131的两个第二有源开关125b-2以及串联连接并在电容器195之间的电容器中点133-3处接收另一相电压131的两个电容器195，其中，每个电力单元110的两个第一有源开关125b-1、两个第二有源开关125b-2和两个电容器195并联连接。如此后所示的，相电压131在第一开关中点133-1、第二开关中点133-2和电容器中点133-3处的分布减小了初级电流谐波频谱的谐波。
在图13B中，示出了第一电力单元110-1。第二相电压131-2连接至第一开关中点133-1，第三相电压131-3连接至第二开关中点133-2，并且第一相电压131-1连接至电容器中点133-3。在图13C中，对于第二电力单元110-2，第三相电压131-3连接至第一开关中点133-1，第一相电压131-1连接至第二开关中点133-2，并且第二相电压131-2连接至电容器中点133-3。在图13D中，对于第三电力单元110-3，第一相电压131-1连接至第一开关中点133-1，第二相电压131-2连接至第二开关中点133-2，并且第三相电压131-3连接至电容器中点133-3。在一个实施方式中，所述连接用于图12C至图12D的电力供应装置100e/100f，并且对于一些实施方式，所述连接用于图12A至图12B的电力供应装置100c/100d。
图12A和图12B的电力供应装置100c/100d中的电力单元110可以如下连接至次级绕组集：对于第一电力单元110-1，第一开关中点133-1从av次级绕组集130-av接收第二相电压131-2，第二开关中点133-2从aw次级绕组集130-aw接收第三相电压131-3，并且电容器中点133-3从au次级绕组集130-au接收第一相电压131-1。对于第二电力单元110-2，第一开关中点133-1从bw次级绕组集130-bw接收第三相电压131-3，第二开关中点133-2从bu次级绕组集130-bu接收第一相电压131-1，并且电容器中点133-3从bv次级绕组集130-bv接收第二相电压131-2。对于第三电力单元110-3，第一开关中点133-1从cu次级绕组集130-cu接收第一相电压131-1，第二开关中点133-2从cv次级绕组集130-cv接收第二相电压131-2，并且电容器中点133-3从cw次级绕组集130-cw接收第三相电压131-3。实施方式包括电气等效物。对于图12B和图12A，针对k＝3，电力单元110可以如表1中所示连接至次级绕组集130。
表1
次级绕组输出130
电力单元110
相电压131
130-av
110-1
133-1
130-aw
110-1
133-2
130-au
110-1
133-3
130-bw
110-2
133-1
130-bu
110-2
133-2
130-bv
110-2
133-3
130-cu
110-3
133-1
130-cv
110-3
133-2
130-cw
110-3
133-3
在一个实施方式中，对于图12A和图12B的电力供应装置100c和100d，对于所有电力单元110，第一开关中点133-1、第二开关中点133-2和电容器中点133-3以相同的相顺序连接。实施方式包括电气等效物。
在一个实施方式中，图12A和图12B的电力供应装置100c/100d中的电力单元110如下连接至次级绕组集：第一开关中点133-1从au次级绕组集130-au接收相同的相电压131-1，第二开关中点133-2从av次级绕组集130-av接收第二相电压131-2，并且电容器中点133-3从aw次级绕组集130-aw接收第三相电压131-3。关于图12B的电力供应装置100和关于图12A的电力供应装置100，对于k＝3，电力单元110可以如表2中所示连接至次级绕组集130。
表2
图12A的电力供应装置100中的电力单元110可以如下连接至次级绕组集：对于电力单元行113-x，其中x＝3L-2，其中L为整数并且L＝1至
在一个实施方式中，对于图12A(对于k＝3)和图12B中的电力供应装置100c/100d中的电力单元行113-1，第一开关中点133-1从av次级绕组集130-av接收第二相电压131-2，第二开关中点133-2从aw次级绕组集130-aw接收第三相电压131-3，并且电容器中点133-3从au次级绕组集130-au接收第一相电压131-1，对于电力单元行113-2，第一开关中点133-1从bw次级绕组集130-bw接收第三相电压131-3，第二开关中点133-2从bu次级绕组集130-bu接收第一相电压131-1，并且电容器中点133-3从bv次级绕组集130-bv接收第二相电压131-2，以及对于电力单元行113-3，第一开关中点133-1从cu次级绕组集130-cu接收第一相电压131-1，第二开关中点133-2从cv次级绕组集130-cv接收第二相电压131-2，并且电容器中点133-3从cw次级绕组集130-cw接收第三相电压131-3。关于图12B的电力供应装置100和关于图12A的电力供应装置100，对于k＝3，电力单元110可以如表3中所示连接至次级绕组集130。
表3
次级绕组输出130
电力单元110
相电压131
130-av
113-1
133-1
130-aw
113-1
133-2
130-au
113-1
133-3
130-bw
113-2
133-1
130-bu
113-2
133-2
130-bv
113-2
133-3
130-cu
113-3
133-1
130-cv
113-3
133-2
130-cw
113-3
133-3
图12C和图12D的电力供应装置100e/100f中的电力单元110可以如下连接至次级绕组集。对于第一电力单元110-1，第一开关中点133-1从av次级绕组集130-av接收第二相电压131-2，第二开关中点133-2从aw次级绕组集130-aw接收第三相电压131-3，并且电容器中点133-3从au次级绕组集130-au接收第一相电压131-1。对于第二电力单元110-2，第一开关中点133-1从bw次级绕组集130-bw接收第三相电压131-3，第二开关中点133-2从bu次级绕组集130-bu接收第一相电压131-1，并且电容器中点133-3从bv次级绕组集130-bv接收第二相电压131-2。对于第三电力单元110-3，第一开关中点133-1从cu次级绕组集130-cu接收第一相电压131-1，第二开关中点133-2从cv次级绕组集130-cv接收第二相电压131-2，并且电容器中点133-3从cw次级绕组集130-cw接收第三相电压131-3。
关于图12C的电力供应装置100e(对于k＝3)和图12D的电力供应装置100f，电力单元110可以如表4中所示连接至次级绕组集130。
表4
图14A至图14D是电力单元切换的示意图。控制器127控制调制控制信号129，使得有源开关125被切换。图14A示出了其中有源开关125-11和有源开关125-22接通并且有源开关125-12和有源开关125-21断开的第一位置。图14B示出了其中有源开关125-11和有源开关125-21接通并且有源开关125-12和有源开关125-22断开的第二位置。图14C示出了其中有源开关125-12和有源开关125-21接通并且有源开关125-11和有源开关125-22断开的第三位置。图14D示出了其中有源开关125-12和有源开关125-22接通并且有源开关125-11和有源开关125-21断开的第四位置。
图15是用于图14A至图14D的电力单元切换的电力单元相电压121的曲线图。切换导致两个相反的直接/正交矢量121，它们的大小相等且异相180度。相电压121-1用于图14A的电力单元切换，相电压121-2用于图14B的电力单元切换，相电压121-3用于图14C的电力单元切换，以及相电压121-4用于图14D的电力单元切换。在一个实施方式中，不存在零相电压矢量。
图16是电力供应方法510的流程图。方法510向诸如马达123的负载提供电力并且可以由电力供应装置100执行。方法510可以提供511变压器105，其接收三相初级电压并且利用多个次级绕组集130将三相初级电压升高或降低至次级电压，该次级电压具有多个第一相电压131-1、多个第二相电压131-2和多个第三相电压131-3。
方法510还提供513各自包括级联连接的多个电力单元110的多个电力单元组115。每个电力单元110包括整流器150和逆变器155。整流器150包括串联连接并在第一开关中点133-1处接收相电压131的两个第一有源开关125b-1、串联连接并在第二开关中点133-2处接收另一相电压131的两个第二有源开关125b-2以及串联连接并在电容器195之间的电容器中点133-3处接收另一相电压131的两个电容器195。每个电力单元110的两个第一有源开关125b-1、两个第二有源开关125b-2和两个电容器195并联连接。
图17A是关于图12B的电力供应装置100的电力供应谐波频谱的曲线图。开关频率为4020Hz，具有表1的连接。对于所有电力单元110中的整流器150，载波角度相同。次级绕组集130的次级电流谐波频谱和初级绕组135的初级电流谐波频谱被示为幅度601，幅度601被表示为相对于基本谐波的百分比。还规定了总谐波失真(THD)。
图17B是关于图12B的电力供应装置100的AC输出160的电力供应输出电流Ia、Ib和Ic的曲线图。每单位测量电流603。
图17C是关于图12B的电力供应装置100的电力供应谐波频谱的曲线图。开关频率为4020Hz，具有表2的连接。对于所有电力单元110中的整流器150，载波角度相同。次级绕组集130的次级电流谐波频谱和初级绕组135的初级电流谐波频谱被示为幅度601，幅度601被表示为相对于基本谐波的百分比。还规定了THD。
图17D是关于图12B的电力供应装置100的AC输出160的电力供应输出电流Ia、Ib和Ic的曲线图。每单位测量电流603。
图17E是关于图12B的马达123的马达速度分布曲线和马达扭矩的曲线图。示出了在马达驱动时以及在再生期间在时间间隔内每单位测量的速度607和每单位测量的扭矩609。
图17F是在马达驱动期间关于图12D的电力供应装置100的电力供应谐波频谱的曲线图。在所描绘的实施方式中，开关频率为1980Hz，使用表4的连接，并且电力单元行113-1/113-2/113-3中的整流器150的载波角度偏移120度。初级绕组135的初级电流谐波频谱被示为幅度601，幅度601被表示为相对于基本谐波的百分比。还规定了THD。
图17G是在再生期间关于图12D的电力供应装置100的电力供应谐波频谱的曲线图。在所描绘的实施方式中，开关频率为1980Hz，使用表4的连接，并且电力单元行113-1/113-2/113-3中的整流器150的载波角度偏移120度。初级绕组135的初级电流谐波频谱被示为幅度601，幅度601被表示为相对于基本谐波的百分比。还规定了THD。
图17H是在马达驱动期间关于图12B的电力供应装置100的电力供应谐波频谱的曲线图。开关频率为1980Hz，使用表3的连接，并且电力单元110-1/110-2/110-3中的整流器150的载波角度偏移120度。初级绕组135的初级电流谐波频谱被示为幅度601，幅度601被表示为相对于基本谐波的百分比。还规定了THD。
图17I是在再生期间关于图12B的电力供应装置100的电力供应谐波频谱的曲线图。开关频率为1980Hz，使用表3的连接，并且电力单元110-1/110-2/110-3中的整流器150的载波角度偏移120度。初级绕组135的初级电流谐波频谱被示为幅度601，幅度601被表示为相对于基本谐波的百分比。还规定了THD。
问题/解决方案
级联的H桥电力供应装置100的成本受到每个电力单元110中的功率半导体器件125例如有源开关125b的数量显著影响。级联的H桥电力供应装置100通常可以在整流器150中具有至少六个有源开关125b。减少功率半导体器件125显著降低了电力供应装置100的成本。实施方式采用在整流器150中具有减少的有源开关125b的电力单元110。因此，实施方式能够实现成本显著降低的再生电力供应装置100。
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