CN101051792B

CN101051792B - 9器件ac-ac转换器

Info

Publication number: CN101051792B
Application number: CN2007100840748A
Authority: CN
Inventors: N·R·扎格里; C·刘; B·吴
Original assignee: Rockwell Automation Technologies Inc
Current assignee: Rockwell Automation Technologies Inc
Priority date: 2006-02-15
Filing date: 2007-02-15
Publication date: 2010-06-16
Anticipated expiration: 2027-02-15
Also published as: US7310254B2; EP1821397A3; EP1821397A2; CA2578585A1; US20070189044A1; CA2578585C; EP1821397B1; CN101051792A

Abstract

给出了AC-AC功率转换系统和方法，其中使用了少量的非对称功率开关器件以将输入AC功率转换成恒频或变频的输出AC功率。

Description

9器件AC-AC转换器

技术领域

本发明一般涉及电功率转换，尤其涉及AC-AC转换系统。

背景技术

从输入AC形式到输出AC形式的电功率转换广泛地使用于行业应用中。尤其是三相双向AC/DC/AC转换器已被使用于电机驱动器应用、发电系统、线路调节器、以及不可间断电源系统(UPS)中。这种类型的转换器在输入(线)侧和输出(负载)侧都提供正弦电流和可调节的功率因数。传统的三相双向AC/DC/AC转换器包括与直流传输线(dc-link)相耦合的两个三相PWM逆变器，所述直流传输线提供某种形式的电抗，如分别用于背靠背(back-to-back)电压或电流源配置的电容器或电感器。这种类型的转换系统有时被称为两级转换器，因为转换以两级发生，第一级涉及从三相AC到DC的转换，第二级提供从DC到三相输出AC的转换，其中输出AC能够具有可变的电压和/或频率。然而，由于存在两个能量转换，传统的两级转换器的能量效率比单级转换低。针对这种效率，已经提出了直接AC-AC转换器，包括AC/AC矩阵转换器，其中三相输入AC电压的能量直接被变换成三相输出电压。然而，三相AC/AC矩阵转换器需要18个电源转换器件以及利用缓冲电路(snubber circuit)的复杂的换向开关控制，以避免输入侧短路和输出侧开路情形。还引入了所谓的稀疏矩阵转换器，以试图减少开关器件的数量。这些转换器通过使用从AC-DC然后从DC-AC的两级能量转换而实质上改变了标准的矩阵转换器。稀疏矩阵转换器不需要直流传输线电抗分量，并且通过特殊的PWM开关控制能够降低输入侧开关的开关损耗。然而，与标准的两级AC/DC/AC转换器中所使用的12个电源开关器件相比，稀疏矩阵转换器设计需要3个附加的开关器件以及6个额外的二极管。因此，一直都需要改进的转换系统设计，使得一种形式的AC电功率能够被有效地转换成第二种AC形式，而无需大量的开关器件或复杂的开关控制。

发明内容

现在概述本发明的一个或多个方面以促进对本发明的基本理解，此概述并非是本发明的广延综述，既不标识本发明的确实的元素也不描绘其范围。相反，此概述的主要目的是在下文中给出更为详细的描述之前以简化的形式给出本发明的某些概念。本发明涉及使用中间直流电路在两个单相或三相系统之间的AC-AC能量转换，并发现能应用于任何数量的功率转换应用中，包括但不限于UPS、线路调节器、电压恢复器、电机驱动、以及专门的供电应用，其中输出可提供可变电压和/或可变频率的AC电功率。

根据本发明的一个或多个方面，提供了一种9器件三相AC-AC转换系统，具有网络形式的9个开关，形成三个支线电路，每个支线电路中有三个开关，以将三个输入端子处的AC输入功率转换到三个输出端子处的AC输出功率。支线电路分别连接到相应的输入端子和输出端子，第一开关耦合在所述输入端子和第一DC端子之间，第二开关耦合在所述输入端子和输出端子之间，第三开关耦合在所述输出端子和第二DC端子之间。控制系统向开关提供信号，以将来自输入连接的输入AC电功率转换成输出连接处的输出AC电功率。在一个实施例中，向每个支线电路提供一组信号，以选择性地将该支线电路置于三种状态之一，包括将相应的输入和输出端子耦合到第一DC端子的第一状态，将输入和输出端子耦合到第二DC端子的第二状态，以及将输入端子耦合到第一DC端子、将输出端子耦合到第二DC端子的第三状态，其中可提供开关控制信号使得连接到每个支线电路的输出端子保持在和与该支线电路相关联的连接的输入端子的电压相同或更低的电压。在某些实施例中，控制信号由控制系统使用正弦脉宽调制进行脉宽调制，控制系统提供开关控制信号以将来自输入的输入AC电功率转换到可变频率输出AC电功率。而且，开关可以是非对称器件，其能够仅在一个方向阻塞电压，而允许两个方向中的电流。

本发明的一个或多个进一步的方面涉及一种9器件、三相AC-AC转换系统，包括开关网络，所述开关网络包括能够仅在一个方向中阻塞电压而允许两个方向中的电流的总共9个开关器件。转换器具有与所述开关网络耦合的控制系统，控制所述开关器件以将来自三端子输入连接的AC电功率转换到三端子输出连接处的输出AC电功率。在一个可能的实现方式中，开关网络包括三个支线电路，每个支线电路有三个开关，每个支线电路连接到相应的一对输入和输出端子。在一个实例中，控制系统以三种状态之一向支线电路提供开关信号，以选择性地在第一状态中将相应的输入和输出端子耦合到第一DC端子，在第二状态中将输入和输出端子耦合到第二DC端子，在第三状态中将输入端子耦合到第一DC端子、而将输出端子耦合到第二DC端子。

本发明的其它方面提供一种6器件、单相AC-AC转换器，具有单相AC输入、单相AC输出以及DC电路，该单相AC输入具有第一和第二输入端子，所述单相AC输出具有第一和第二输出端子，所述DC电路具有第一和第二DC端子和储能元件。一种实现方式包括形成两个支线电路的总共6个开关器件，每个支线电路中总共有3个开关器件，每个支线连接到相应的AC输入端子和相应的AC输出端子。在该实施例中，每个支线的第一开关器件耦合在所述相应的输入端子和第一DC端子之间，第二开关耦合在输入端子和输出端子之间，第三开关耦合在输出端子和第二DC端子之间，一控制系统提供开关控制信号以将单相AC输入功率转换成输出连接处的输出AC功率。在另一可能的实现方式中，开关网络包括总共6个非对称开关器件，能够仅在一个方向中阻塞电压而允许在两个方向中的电流，一控制系统与所述开关网络相耦合，以将来自输入连接的输入AC电功率转换到输出连接处的输出AC电功率。

附图说明

下面的说明和附图详细给出了本发明的某些说明性的实现方式，指示出可以实现本发明的原理的若干示例性的方式。然而，所例示的例子并非是穷举本发明的各种可能的实施例。连同附图一起考虑，本发明的目的、优点和新颖特征将在下面的详细说明中给出，附图中：

图1A是例示出根据本发明的一个或多个方面的示例性9器件三相AC-AC转换系统的示意图；

图1B是例示出根据本发明的进一步方面的、具有以双支线开关网络配置的6个非对称开关器件的示例性单相AC-AC转换器的示意图；

图2A示出图1A和1B的转换器的单支线电路的部分示意图，该单支线电路具有耦合在相应AC输入端子和第一DC端子之间的第一开关、耦合在输入端子和相应AC输出端子之间的第二开关、以及耦合在输出端子和第二DC端子之间的第三开关；

图2B是示出图1A、1B和2A的转换器支线电路的示例性三状态开关操作的表，定义了将输入端子和输出端子耦合到第一DC端子的第一状态、将输入端子和输出端子耦合到第二DC端子的第二状态、以及将输入端子耦合到第一DC端子以及将输出端子耦合到第二DC端子的第三状态；

图3给出了例示出图1A和1B的转换器对于不同的调制指数(MI)值的正弦PWM恒频(CF)操作的示例性输入和输出调制波形以及公共载波波形的图；

图4描绘了例示出图1A和1B的转换器对于单个示例性调制指数值的正弦PWM变频(VF)操作的示例性输入和输出调制波形以及公共载波波形的图；

图5A和5B是示出图1A和1B的转换器的示例性正弦PWM实现在单个开关周期上的输入和输出开关顺序波形的图；

图6是例示出图1A和1B的转换器的示例性正弦PWM实现中用于驱动转换器支线电路之一的转换器开关控制系统逻辑电路的部分示意图；

图7是例示出图1A和1B的转换器中的图6的逻辑电路的输入和输出信号的图；

图8是示出图1A的三相AC-AC转换器的实验性恒频实现中的示例性的一组支线电路开关门驱动器信号的图；

图9是例示出图1A的转换器的实验性恒频实现中的示例性输入和输出电流波形的图；

图10A和10B是分别示出图1A的转换器的实验性恒频实现中示例性的输入和输出线电压和相电流标绘图；

图11A-11C是分别例示出图1A的转换器的实验性恒频实现中、对于超前功率因数、整功率因数以及滞后功率因数的示例性的输入线电压和相电流曲线图；

图12是示出图1A的转换器的实验性恒频实现中、为了例示出输入电压下降时输出电压的恢复操作的示例性输入电压线和输出相电流曲线的图；

图13A是例示出图1A的转换器的实验性变频(VF)实现中的示例性输入和输出相电压曲线的图；

图13B是例示出图1A的转换器的实验性变频实现中的示例性输入和输出线电压曲线的图；

图14A是示出图1A的转换器的实验性变频实现中的示例性输入线电压和输入电流曲线的图；

图14B是示出图1A的转换器的实验性变频实现中的示例性输出线电压和输出电流曲线的图；

图15是示出图1A的转换器的实验性变频实现中的示例性输入相电压和相电流曲线的图；

图16是示出图1A的转换器的实验性变频实现中的示例性输入和输出相电流曲线的图；以及

图17是示出图1A的转换器的实验性变频实现中、输出频率变化期间的示例性输入和输出线电压和相电流曲线的图。

具体实施方式

现在参考附图，连同附图在下文中描述了本发明的若干实施例和实现方式，其中全文使用相同的参考标号指代相同的元件。图1A示出了根据本发明的一个或多个方面的示例性9器件AC-AC功率转换系统或功率转换器10。系统10包括三相AC输入连接或电路20、三相AC输出连接或电路30以及DC电路40，三相AC输入连接具有AC输入端子20a、20b和20c(端子A、B、C)用于接收来自三相输入源70的三相AC电输入功率，三相AC输出连接具有输出端子30a、30b和30c(R、S、T)用于将三相AC电输出功率提供给三相负载80，DC电路包括端子40a和40b(P和N)以及诸如DC电容器C_DC之类的储能元件。在所例示的例子中，示意性地将输入源70示为三个AC电压源V_AS、V_BS和V_CS，分别通过串联的电感性和电阻性阻抗元件L_SA、R_SA、L_SB、R_SB以及L_SC、R_SC耦合到输入端子A、B和C，其中源V_AS、V_BS和V_CS以“Y”形配置连接到公共的中性点或节点“O”，虽然如此，但是可以将任何类型的三相AC输入源70连接到输入20。输出连接30的端子R、S和T可连接到任何类型的三相负载80，图1A中例示了以Y形配置连接到公共中性点“m”的三个负载，其中所例示的示例性的负载为与输出相R耦合的串联负载电感L_LR和电阻R_LR、与输出相S耦合的串联负载电感L_LS和电阻R_LS、以及与输出相T耦合的串联负载电感L_LT和电阻R_LT，虽然如此，但是本发明的转换器可用于将AC输出功率提供给任何类型的负载，如三相AC电机等。

系统10还包括9器件开关网络50，后者包括形成了3个支线电路52a、52b和52c的总共9个开关器件S。每个支线电路包括总共3个开关S，其中电路52a分别具有第一、第二和第三开关S_A1、S_A2和S_A3，电路52b分别具有第一、第二和第三开关S_B1、S_B2和S_B3、以及电路52c分别具有第一、第二和第三开关S_C1、S_C2和S_C3。每个支线电路52连接到DC电路40的正极端子40a和负极端子40b，还连接到相应的AC输入端子和相应的AC输出端子，其中第一支线电路52a连接到输入端子A 20a和输出端子R 30r，第二支线电路52b连接到输入端子B 20b和输出端子S 30s，第三支线电路52c连接到输入端子C20c和输出端子T 30t。而且，如图1A所示，每个支线电路包括耦合在相应的输入端子(A、B、C)和第一DC端子P 40a之间的第一开关器件(S_A1、S_B1、S_C1)、耦合在所述相应的输入端子和相应的输出端子(R、S、T)之间的第二开关(S_A2、S_B2、S_C2)、以及耦合在所述相应的输出端子和第二DC端子40b(N)之间的第三开关(S_A3、S_B3、S_C3)。可使用任何形式的开关器件S，以在第一状态下提供电连接而在第二状态下提供电隔离，例如GTO、IGBT、IGCT等(所例示的实施例中为IGBT)，其中所例示的实施例中的各个开关器件S包括续流二极管D_A1-D_A3、D_B1-D_B3以及D_C1-D_C3，借此开关器件相对于电压阻塞(voltage blocking)来说是单向或非对称的，能够仅在一个方向中阻塞电压并允许两个方向中的电流，但是这并非是本发明的限制要求。

9器件转换器10还包括与开关网络50耦合的控制系统60，用于将开关控制信号SC提供给开关器件S，以将来自输入连接20的输入AC电功率转换到输出连接30处的输出AC电功率。可使用任何方式的控制系统60，例如逻辑、基于处理器的电路、软件、固件、硬件或软件的组合等等，以选择性地操作开关S进行受控的AC-AC转换，其中示例性的系统60是将三组开关控制信号SC提供给开关网络50的脉宽调制(PWM)类型。在所例示的例子中，第一组控制信号SC_A1、SC_A2和SC_A3分别提供给第一支线电路52a的开关S_A1、S_A2和S_A3，第二组SC_B1、SC_B2和SC_B3分别提供给第二支线电路52b的开关S_B1、S_B2和S_B3，第三组控制信号SC_C1、SC_C2和SC_C3分别提供给第三支线电路52c的开关S_C1、S_C2和S_C3。如下面进一步参考图2A和2B所述那样，在示例性的三相转换器10中，以支线中三种状态中的一种提供信号组，用于输入AC功率到输出端子R、S和T处的输出功率的转换。而且，虽然是以单向功率转换的上下文来讨论的，但是，本发明的转换器可以任何方向转换功率，其中可替代地使用输出连接30来接收输入电功率，而可使用输入连接20来提供输出AC功率。分别在图1A和图1B中，输入连接20、120可连接到输出负载80、180，而输出连接30、130可连接到输入源70、170。

参考图1B，根据本发明的各方面，例示出另一示例性的AC-AC转换系统110，在此情况下为6器件、单相实施例，接收来自源170的单相AC输入功率，并向单相负载180提供输出功率。单相转换器110包括单相AC输入连接120，后者具有第一和第二AC输入端子120a和120b(A和B)，用于接收来自源170的单相AC电输入功率，其中示例性的源170被示为与源电感L_SA和串联电阻R_SA串联的AC电压源V_AS。转换系统110还包括单相AC输出连接130，后者具有输出端子130r和130s(R和S)，用于向负载提供单相AC电输出功率，在所示的例子中，负载为电感L_LR和电阻R_LR的串联组合。此外，提供了DC电路140，该电路包括第一和第二DC端子140a(P)和140b(N)以及储能元件(电容器C_DC)，还提供了具有一对3器件支线电路152a和152b的6器件开关网络150。与在上述的三相转换器10中一样，单相转换器110中的6个开关器件S是连接了回归二极管(flyback diode)的IGBT，能够仅在一个方向中阻塞电压并允许两个方向中的电流，每个支线电路152中有三个器件S。而且，每个支线电路152连接到相应的AC输入端子(A或B)和相应的AC输出端子(R或S)，并包括耦合在所述相应的输入端子(A、B)和第一DC端子140a(P)之间的第一开关器件(S_A1或S_B1)、耦合在所述相应的输入(A、B)和输出(R、S)端子之间的第二开关(S_A2或S_B2)、以及耦合在所述输出端子(R、S)和第二DC端子140b(N)之间的第三开关(S_A3、S_B3)。PWM开关控制系统160与双支线开关网络150耦合，并向其开关器件S提供开关控制信号SC，以将来自连接120的输入功率转换成输出连接130处的输出AC电功率。

参考图2A和2B，三相和单相转换器10、110的支线电路52和152，以及提供给它们的各组开关信号SC可以相似的方式实现，以在示例性系统10、110中实现每个开关支线电路52、152的三状态开关操作，用于以恒频(CF操作，输入和输出频率相同，且基频输入和输出电压的幅度可变)或可变输出频率(VF操作，输出频率可相对于输入频率而调整，且基频输入和输出电压的幅度可变)将输入AC功率转换成输出AC。图2A例示出示例性的支线电路52a、152a，包括按照图1A和1B那样连接的开关S_A1-S_A3，它们分别与相应的第一输入和输出端子A和R相耦合，还与DC端子P和N相耦合，其它支线电路52、152类似构成。来自控制系统60、160的相应的一组信号SC包括信号SC_A1、SC_A2和SC_A3，分别耦合到支线电路52a、152a的第一、第二和第三开关器件S_A1、S_A2和_SA3，示例性转换器10、110的其它支线电路52、152类似地连接并如下文中相对于第一支线电路52a、152a和相应的开关控制信号组描述的三状态操作那样进行开关操作。图2B示出了例示出图1A、1B和2A的转换器10、110中的控制系统60、160所实现的示例性支线电路52a、152a的示例性三状态开关操作的表200。表200定义了第一状态、第二状态和第三状态，第一状态中开关S_A1和S_A2导通而开关S_A3关断，以将输入和输出端子A和R耦合到第一(正)DC端子P；第二状态中，S_A1关断而S_A2和S_A3导通，以将输入和输出端子耦合到第二DC端子；第三状态中，S_A1和S_A3导通而S_A2关断，以将输入端子A耦合到DC端子P，并将输出端子R耦合到DC端子N。

为了说明本发明的各种概念，下文中相对于图1A的三相转换器10描述支线电路52和控制系统60的操作，在图1B的单相实现方式中提供了类似的操作。在图1A的转换器10的操作中，通过以图2B所示的支线的三种状态之一选择性地提供来自控制系统60的开关控制信号SC，分别控制输入端子A、B和C以及输出端子R、S和T的电压，来控制三相输入电流I_A、I_B和I_C和输出电流I_R、I_S和I_T。以此方式，一部分输入能量被转移到DC电路40用于随后转移给输出80，剩余的能量被直接从输入70转换到输出80，这使用了比传统的背靠背转换系统中所需更少的开关。在所例示的实现方式中，控制系统60提供脉宽调制(PWM)信号SC_A1、SC_A2和SC_A3(以及对其它支线电路52b和52c的信号)，以便使用图2B的表200中的示例性三状态开关方案将与每个支线电路52相关联的输出端子处的电压维持在或低于相应输入端子处的电压，其中可使用任何开关技术来提供开关控制信号SC，包括但不限于所例示的例子中的正弦脉宽调制或空间矢量调制(SVM)，或其它开关方法。如下文中进一步描述的那样，所例示的开关方案通过将不同的补偿或共模电压加到输入和输出的调制波形上来对支线电路开关状态进行控制，允许对输入和输出相电压的单独控制，同时将给定支线电路的输出电压维持在或低于输入电平。而且，如下文所示，转换器10、110可工作在恒频(CF)模式或变频(VF)模式，在变频模式中，控制系统60、160提供开关控制信号SC以将输入AC电功率转换成输出连接30、130处的可变频率输出AC电功率。

现在参考图3和4，示出了图形210和250，例示出可在控制系统60中实现的用于控制转换器10中的9个开关器件S的开关操作的较佳的脉宽调制方案。一般来说，为输入和输出都创建调制波形，公共载波用于脉宽调制以产生开关控制信号SC，其中调制波形的幅度和频率确定或控制被调制的输入或输出的幅度和频率。图3中的图形210分别例示出图1A和1B的转换器10、110的正弦PWM恒频(CF)操作对于不同的调制指数(MI)值的示例性的输入和输出调制波形220和240以及公共三角载波波形230。在图形210中，输入调制曲线226、225、224、223、222和221连同输出调制曲线241、242、243、244、245、246一起示出，分别对应于0、0.173、0.346、0.519、0.693以及0.866的调制指数值。

而且，在所例示的开关网络配置中，在任何支线电路52中，希望防止输出端子电压超过输入端子电压。为此，示例性的PWM开关控制方案对调制波形引入了补偿或DC共模电压，以确保对于输出相电压(V_RN、V_SN、V_TN)所有可能的值，输入相A、B和C的输入调制波形220(如Vma、Vmb、Vmc)在输入相电压(V_AN、V_BN、V_CN)的范围上总是大于(或至少等于)输出相R、S、T的相应输出调制波形240(如Vmr、Vms和Vmt)，这确保了每个支线电路中输入电压总是大于输出电压。而且，示例性的输入和输出调制彼此是同相的(时间上对齐)，并采用公共载波波形，如图3和4的示例性三角载波信号230Vcr。图4中的图形250示出了图1A和1B的转换器10、110的正弦PWM变频(VF)操作的对于调制指数值0.433的示例性输入和输出调制波形220和240以及载波波形230，其中以不同于(高于)输入AC功率的频率的频率提供输出AC功率。

在该正弦PWM实现方式中，每个调制波形220、240与载波波形230相比较，相应地确定转换器10、110的输入和输出波形，根据本发明可使用任何适当的脉宽调制技术。例如，可使用波形产生电路来产生如图3和4所例示的调制和载波波形220、230、240，并连同各种补偿电压电路和用于将各个调制信号220和240与载波230相比较的两个比较器电路一起，以产生施加到诸如图6所示的逻辑电路300之类的逻辑的信号。可选地，可以基于处理器的实现方式来实现脉宽调制，其中以软件、固件或其它数字逻辑来执行所例示的调制波形、补偿和比较。在转换系统60的CF或VF AC-AC操作中的任一操作中，控制系统60对输入调制波形220提供正直流偏移，而将负直流偏移加到输出调制波形240，这些偏移或补偿的量可以是防止任一支线电路52内系统输出电压超过输入电压的任何形式。在所例示的系统10中，对于不同的PWM方案使用不同的补偿，补偿可以随着输入和输出电压的调制指数、以及根据转换器10是工作于恒频模式还是变频模式而变化。

在所例示的恒频实现方式(如图3)中，输入和输出调制波形220和240根据其间的相差来偏移，以便防止输出调制波形240超过输入调制波形220。在此情况下，如图3和图4的曲线中所例示的那样，以下式1)给出输入调制波形220(如三个输入相的波形Wma、Wmb和Wmc)：

1)Vm_输入＝Vd-Vip+VipSINθ，

其中，Vd是跨电容器C_DC(图1A)的DC电路电压，Vip是输入调制波形的峰值，三个相A、B、C的各调制波形彼此偏移120度(例如对于单相转换器110为180度偏移)。此外，由下式2)给出输出调制波形240(如对于三个输出相R、S和T的波形Wmr、Wms和Wmt)：

2)Vm_输出＝Vop+Vop SINθ，

其中，Vop是输出调制波形的峰值，三个输出相R、S、T的各调制波形彼此偏移120度(例如对于单相转换器110为180度偏移)。在这一点上，发明人已认识到恒频工作模式下，DC电路电压Vd的最小值会随输入和输出电压之间的相差量而变化，在某些实现方式中限制输入-输出相差可能较佳。

在三相转换器10的示例性变频(VF)实现方式(如图4)中，由下式3)给出输入调制波形220(如波形Wma、Wmb和Wmc)的直流偏移：

3)(3Vd/4)+Vip SINθ₁，

由下式4)给出输出调制波形240(如波形Wmr、Wms和Wmt)：

4)(Vd/4)+Vop SINθ₂，

其中，θ₁和θ₂以不同的频率变化。从而，如图3和图4所示，在使用上述补偿的示例性PWM方案中，最大输入调制波形221和最大输出调制波形246一般相等，但输入调制波形220总是大于或等于输出波形240。然而，可采用其它补偿方案和PWM技术，使得与每个支线电路52相关联的输入端子处的电压从不被相应的输出端子电压超过。

参考图5A和5B，在控制系统60的所例示的实现方式中，控制器60中的示例性的正弦脉宽调制开关顺序每个PWM周期被划分成7个开关或换向段(每个开关模式周期中7段顺序)。对于载波230的频率比调制波形220、240的频率高得多的示例性情况，在一个典型开关周期上，图5A例示出示例性的图形260，而图5B示出图形270，其中为了说明起见，图形260和270被抽象化，输入调制波形值Vma、Vmb和Vmc以及输出调制波形Vmr、Vms和Vmt被示为恒定。相对于所希望的输入和输出波形V_AN、V_BN、V_CN以及V_RN、V_SN和V_TN，它们分别示于图形260和270中，当相应的调制波形大于载波230时，它们每个都为高，使得所希望的输入和输出波形的宽度由调制和载波波形来确定，输入和输出调制波形220和240的三个相被相应地相移。从而，这些可通过例如使用比较器电路(未示出)或以软件方式通过将各输入和输出调制波形220、240与载波230比较来产生。在所例示的图5A的例子中，所希望的第一相输入V_AN从时间TI1至TI6为高，V_BN从时间TI2至TI5为高，V_CN从时间TI3至TI4为高。在图5B的输出图形270中类似，所希望的输出V_RN从时间TO1至TO6为高，V_SN从时间TO2至TO5为高，V_TN从时间TO3至TO4为高。

参考图6和图7，对于每个支线电路，可提供逻辑电路300(图6)，它把相应的支线输入和输出期望信号波形作为电路输入(如第一支线电路52a的期望支线输入V_AN和支线输出V_RN)，并产生该相应的支线电路52的开关控制信号SC(如用于示例性第一支线电路52a的SC_A1、SC_A2和SC_A3)，其中提供各电路300用于驱动支线电路52。可选地，这里描述的用于驱动支线电路52的电路300的逻辑和功能可以以固件、软件等来实现。所产生的第一组示例性开关控制信号SC_A1、SC_A2和SC_A3例示在图7的图形320中，其中控制系统60的开关逻辑分别提供不同的开关状态2、3、1、3和2。

图5A至图7的例子示出了图1A的三相转换器10的正弦脉宽调制开关方法，根据本发明，这也可用于图1B的单相实现方式中以及其它转换器中。可以实现其它PWM方法，其中对调制波形作出一个或多个修改，例如，将三次谐波分量加到主或基频正弦，用载波(如三角或其它)来调制合成波形，不论调制波形是否完全是正弦，所有这些变型都被认为是本发明范围内的正弦脉宽调制的等价形式。而且，可以采用其它脉宽调制技术，例如空间矢量调制(SVM)，其中根据基准矢量通过其旋转的空间矢量图来定义开关状态或模式的顺序，根据当前的基准矢量位置来确定所采用的特定模式或状态顺序以及相应的停留时间(dwell time)，适当的选择开关状态和停留时间计算来确保每个支线电路52的输入端子处于或高于相应输出端子的电压。此外，可通过等价的脉宽调制或其它开关技术来实现诸如上述图1B的转换器110之类的单相实现方式，其中支线电路开关信号组彼此偏移180度，利用适当的调制补偿或调节来为各支线电路152的输出端子提供处于或低于相应输入端子的电压的电压。

现在参考图8至图17，评估了恒频(CF)和变频(VF)工作模式下图1A所示类型的7.5KVA原型三相AC-AC转换器的性能。在这些实验中，线路rms输入电压(如V_AB)对于CF模式为208VAC，而对于VF模式为104VAC，源电感Ls为2.5mH，包含输出负载的三相R-L负载中R＝14.6OHMS、L＝2.5mH，DC电容器C_DC＝2350μF，使用空间矢量调制PWM方案，采样频率fsw＝3.24kHz。以60Hz的输入功率测试该系统，其中输入侧使用面向线电压的闭环矢量控制系统来控制输入电流，输出侧使用开环电压控制。在测试的恒频(CF)操作中，使用输入和输出调制指数值0.8，控制输入和输出电压波形以保持几乎同相，而DC电路电压Vd保持在360VDC。

对于恒频操作，图8给出了示出转换器10的实验性实现方式中示例性的一组支线电路开关门驱动器信号SC_A1、SC_A2和SC_A3的图形400。图9包含分别例示出CF实验性转换器10中示例性输入和输出电流波形I_A和I_R的图形410，表现出几乎正弦输入和输出电流性能，而输出功率因数略微滞后。图10A和10B分别给出图形420和430，分别示出恒频操作中实验性输入和输出线电压(V_AB和V_RS)和相电流标绘图(I_A和I_R)，其中输入和输出线电压波形共用相同的直流电路电压Vd。图11A至图11C是图形440、450和460，分别示出实验性恒频实现方式中对于超前功率因数、整功率因数以及滞后功率因数的输入线电压和相电流曲线(V_AS和I_A)。图11A至11C的图形例示出示例性实验性转换器10的可调节功率因数能力，输入功率因数实际上对控制输出功率因数的能力没有不利影响，这表明本发明的转换器系统10补偿低负载功率因数应用的适应能力。图12给出了图形470，具有输入线电压和输出相电流曲线V_AS和I_R，例示出系统10关于在存在输入电压降的情况下保持输出电流I_R的调节能力(电压恢复能力)。

对于可变输出频率(VF)模式，实验性的AC-AC转换器性能例示于图13A至图17中，DC电路电压Vd保持在360VDC，使用输入和输出调制指数值0.4。图13A包括图形500，分别例示出对于60Hz的输入频率和30Hz的输出频率的输入和输出相电压曲线V_AN和V_RN，而图13B的图形510示出输入和输出线电压曲线(V_AB和V_RS)，其中输入频率保持在60Hz，输出频率为30Hz。如图13A中最佳地示出的那样，即使输出的幅度和频率是可变的，输出电压V_RN总是小于或等于输入电压V_AN。图14A和图14B分别示出输入和输出线电压和电流曲线V_AB、I_A、V_RS和I_R，其中输出频率仍为30Hz。图15中的图形540例示出输入AC源相电压和相电流曲线V_AS和I_A，而图16给出了示出转换器10中不同频率的输入和输出相电流I_A和I_R的图形550。图17是分别示出三相转换系统10中输出频率从120Hz到30Hz变化期间，示例性的输入和输出线电压V_AB和V_RS以及输入和输出相电流I_A和I_R，其中输入电流和电压波形I_A和V_AB在频率调节动态期间基本不受干扰。从而，本发明可用于需要以可变幅度和频率从输入AC功率到输出AC功率的转换的各种应用中，而不需要代价高、占用空间大和复杂的背靠背或矩阵转换器，本发明一次需要9个器件来转换三相AC功率。

上述例子仅仅是说明本发明的各方面的若干可能的实施例，在阅读和理解本说明书和所附附图的基础上，本领域的技术人员会认识到其它等价变型和/或修改。尤其对于上述组件(部件、器件、系统、电路等)所执行的各种功能而言，除非另外指定，用于描述这些组件的术语(包含对“装置”的引用)意图对应于执行所描述的组件的专门功能的任何组件，如固件、软件或其组合(即功能等价)，即使是结构上不等同于所揭示的执行本发明所例示的实现方式中的功能的结构也是如此。此外，虽然本发明的某一特征可能是仅关于若干实现方式之一来揭示的，但是此特征可与其它实现方式中的一个或多个其它特征相结合，这对于任何给定或特定的应用来说是所希望和有利的。又，就在详细说明和/或权利要求中使用的术语“包含”、“具有”、“有”或其变型来说，这些术语意图为类似于术语“包括”的方式表示包含性。

Claims

1.一种AC-AC转换系统，包括：

具有用于接收三相AC电输入功率的第一、第二和第三AC输入端子的三相AC输入连接；

具有用于提供三相AC电输出功率的第一、第二和第三AC输出端子的三相AC输出连接；

包括第一和第二DC端子和储能元件的DC电路；

包含形成了3个支线电路的总共9个开关器件的开关网络，每个支线电路中总共有3个开关器件，每个支线电路连接到相应的AC输入端子和相应的AC输出端子，每个支线电路包括耦合在所述相应的AC输入端子和所述第一DC端子之间的第一开关器件、耦合在所述相应的AC输入端子和所述相应的AC输出端子之间的第二开关、以及耦合在所述相应的AC输出端子和所述第二DC端子之间的第三开关；以及

与所述开关网络相耦合的控制系统，向所述开关器件提供开关控制信号以将来自输入连接的输入AC电功率转换成输出连接处的输出AC电功率。

2.如权利要求1所述的转换系统，其特征在于，所述控制系统向所述开关网络提供三组开关控制信号，每组开关控制信号提供给相应的一个支线电路，所述控制系统以三种状态中的一种提供各组开关控制信号，所述三种状态包括将所述相应的输入和输出端子耦合到所述第一DC端子的第一状态、将所述相应的输入和输出端子耦合到所述第二DC端子的第二状态、以及将所述相应的输入端子耦合到所述第一DC端子而将所述相应的输出端子耦合到所述第二DC端子的第三状态。

3.如权利要求2所述的转换系统，每组开关控制信号包括分别与相应的支线电路的第一、第二和第三开关器件耦合的第一、第二和第三开关控制信号，在所述第一状态中，所述第一和第二开关器件导通而所述第三开关器件关断，在所述第二状态中，所述第一开关器件关断而所述第二和第三开关器件导通，在所述第三状态中，所述第一和第三开关器件导通而所述第二开关器件关断。

4.如权利要求1所述的转换系统，其特征在于，所述控制系统向所述开关网络提供三组开关控制信号，每组开关控制信号提供给相应的一个支线电路，每组开关控制信号包括分别与相应的一个支线电路的第一、第二和第三开关器件耦合的第一、第二和第三开关控制信号，在第一状态中，所述第一和第二开关器件导通而所述第三开关器件关断，在第二状态中，所述第一开关器件关断而所述第二和第三开关器件导通，在第三状态中，所述第一和第三开关器件导通而所述第二开关器件关断。

5.如权利要求1所述的转换系统，其特征在于，所述开关控制信号由所述控制系统提供，以将连接到每个支线电路的输出端子维持在与连接到同一支线电路的输入端子的电压相同或更低的电压。

6.如权利要求1所述的转换系统，其特征在于，所述开关控制信号由所述控制系统使用正弦脉宽调制或空间矢量调制来进行脉宽调制。

7.如权利要求1所述的转换系统，其特征在于，所述控制系统提供开关控制信号，以将来自输入连接的输入AC电功率转换到输出连接处的可变频率输出AC电功率。

8.如权利要求1所述的转换系统，其特征在于，所述开关器件可仅在一个方向中阻塞电压，而允许在两个方向中的电流。

9.一种AC-AC转换系统，包括：

包括第一和第二DC端子和储能元件的DC电路；

包含总共9个开关器件的开关网络，所述开关器件能够仅在一个方向中阻塞电压而允许两个方向中的电流，所述开关网络与所述AC输入和输出连接耦合，并与所述DC电路耦合；以及

与所述开关网络耦合的控制系统，控制所述开关器件以将来自输入连接的输入AC电功率转换到输出连接处的输出AC电功率。

10.如权利要求9所述的转换系统，其特征在于，所述开关网络包括三个支线电路，每个支线电路中总共有3个开关器件，每个支线电路连接到相应的AC输入端子和相应的AC输出端子，其中，所述控制系统向所述开关网络提供三组开关控制信号，每组开关控制信号提供给相应的一个支线电路，所述控制系统以三种状态中的一种提供各组开关控制信号，所述三种状态包括将所述相应的输入和输出端子耦合到所述第一DC端子的第一状态、将所述相应的输入和输出端子耦合到所述第二DC端子的第二状态、以及将所述相应的输入端子耦合到所述第一DC端子而将所述相应的输出端子耦合到所述第二DC端子的第三状态。

11.如权利要求10所述的转换系统，其特征在于，所述控制系统控制所述开关器件，以将连接到每个支线电路的输出端子维持在与连接到同一支线电路的输入端子的电压相同或更低的电压。

12.如权利要求9所述的转换系统，其特征在于，所述控制系统使用正弦脉宽调制或空间矢量调制向所述开关网络提供脉宽调制开关控制信号，以控制所述开关器件。

13.如权利要求9所述的转换系统，其特征在于，所述控制系统提供开关控制信号，以将来自输入连接的输入AC电功率转换到输出连接处的可变频率输出AC电功率。