[发明专利]多电平功率转换器中使用的模块化多脉冲变压器整流器

说明书

发明背景

通常，被称为功率转换器（power converter）、倒相器（inverter）或驱动器（drive）的设备被用来提供功率给另一件设备，诸如电动机。具体地，这样的转换器(本文转换器通常用来指转换器、倒相器和驱动器)被耦合到公用设施连接（utility connection）以接收进入的输入功率，诸如三相AC功率。转换器对功率进行调整以把调整的功率信号提供给要被供电的设备。这样，至设备的进入功率可以具有改进的效率，这导致运行设备的成本得以减少。

多电平功率转换器主要由于改进的功率质量、较低的转换损耗、更好的电磁兼容性和较高的电压能力的原因而得到广泛流行。在功率转换方面的这些改进是通过使用多个电压阶梯策略达到的。一个常用的多电平倒相器拓扑是系列H-电桥倒相器，在其中多个H-电桥倒相器串联连接。由于此拓扑包含系列功率转换单元，所以可以容易地对电压和功率电平进行标量。

然而，此拓扑需要大量隔离的DC电压源来供应每个单元。常用的实践是使用隔离变压器来供应功率单元的整流器。然而，至整流器的供应电流包含许多谐波电流分量，其对于设备和功率系统而言是非常烦扰的，并引起电磁干扰(EMI)。

一些系统使用带有多个相移的次级绕组的单级变压器。然而，单级变压器中的谐波抵消不能被最佳化。要做到这一点的主要障碍是制造过程和较小的自由度，这是因为匝数较少，这使得它非常难于实现高效且最佳化的谐波抵消所需要的小的相移角度。

发明内容

在一个方面中，本发明是针对包括模块变压器的中等电压驱动系统。该系统可以包括多个变压器，均提供输出到一个或多个功率单元，其中所述功率单元提供AC功率到负荷。每个变压器可以具有至少一个初级绕组和多个次级绕组，其中每个变压器的初级绕组相对于其相邻的变压器是相移的，且次级绕组也是相移的。在一个实现方式中，初级绕组的相移基于次级绕组的相移和多个变压器的数目。作为一个示例，可以具有三个模块变压器，则该系统用作54-脉冲变压器。在一些实现方式中，除了相移的变压器以外，还可以有一个或多个非相移的变压器以提供输出到至少一个功率单元。

本发明的另一方面是针对具有多个模块变压器的系统，每个变压器包括用来接收来自公用设施连接的功率的至少一个相移的绕组初级组和多个绕组次级组。另外，该系统包括功率单元，均耦合到所述模块变压器中的一个模块变压器的绕组次级组中的一个。所述功率单元被配置成使得功率单元的第一子组耦合到第一相输出线，功率单元的第二子组耦合到第二相输出线，且功率单元的第三子组耦合到第三相输出线。每个模块变压器提供输出到这三个相输出线中的一对相输出线的第一数目的功率单元和相输出线中的最后相输出线的第二数目的功率单元。而且，功率单元中的任何功率单元可以耦合到模块变压器中的任何模块变压器的绕组次级组中的任何。

在一个实现方式中，每个变压器提供输出到这三个相输出线中的不同对相输出线的第一数目的功率单元。例如，第一模块变压器可以提供输出到第一和第二相输出线的第一功率单元和第三相输出线的两个功率单元。

本发明的又一方面是针对具有多个变压器的系统，每个变压器提供输出到耦合到至少一个相输出线且被配置成提供AC功率到负荷的至少一个功率单元。每个变压器可以包括至少一个初级绕组和多个次级绕组，其中每个变压器的初级绕组相对于其相邻的变压器是相移的而次级绕组相对于对应的变压器的其它次级绕组是相移的。另外，该系统还包括非相移变压器以提供输出到至少一个第二功率单元。（一个或多个）这样的第二功率单元可以被配置成执行来自负荷的部分再生。为此，（一个或多个）第二功率单元包括有源前端，其耦合到其对应的（一个或多个）次级绕组的输出。控制器可以耦合到至少（一个或多个）第二功率单元以控制有源前端的切换。