双向能量传递控制制造技术

本发明专利技术涉及矩阵变换器的领域，并且更具体地讲，涉及包括双向开关的矩阵变换器的领域。本发明专利技术提出了提供用于所述矩阵变换器中的任何给定晶体管的最小晶体管切换周期的构思。可通过在换向序列中引入延迟来引发此类最小晶体管切换周期，所述换向序列通常用于将输出从第一输入切换到第二输入。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】双向能量传递控制
本专利技术涉及矩阵变换器的领域，并且更具体地讲，涉及包括双向开关的矩阵变换器的领域。
技术介绍
矩阵变换器通常是单级AC-AC变换器，其使用开关阵列将(任何数量相位的)第一AC信号以任意幅度和频率变换为(任何数量相位的)第二AC信号。矩阵变换器的一个优点是其不需要任何大储能元件。典型的矩阵变换器要求开关阵列中的每个开关是能够在两个方向上阻断电压并传导电流的双向开关。双二极管双晶体管双向开关是独立控制矩阵变换器内的电流方向的已知方法。用于这种双向开关的换向的四步序列(即通过其晶体管的选择性切换来断开第一双向开关和接通第二开关的方法)是已知的。一种已知的用于矩阵变换器的调制技术使用空间矢量调制(SVM)来执行第一AC信号的调制。若干SVM技术对于本领域技术人员是已知的，诸如三零、二零和一零方法。
技术实现思路
本专利技术由权利要求书限定。根据本专利技术构思的第一方面，提供了矩阵变换器，该矩阵变换器包括：用于连接到m相位电压源的m个输入节点，其中m为至少1；用于连接到n相位负载的n个输出节点，其中n为至少1，并且m或n中的至少一者为2或更大；m×n个双向开关，其中每个双向开关被连接在单个输入节点和单个输出节点之间，使得每个输出节点可通过双向开关选择性地连接到每个输入节点；和控制器，该控制器被连接以控制所述双向开关的传导性，使得每个输入节点和每个输出节点之间的双向连接是可选择性控制的，其中控制器被适配为使得在改变任何单个双向开关的传导性之间的最小时间周期不小于预先确定的时间周期。换句话讲，矩阵变换器可被适配为使得双向开关具有最小切换时间，这样任何单个双向开关在预先确定的时间周期内可能都不会脉冲式接通-断开-接通或断开-接通-断开。这不排除这样的可能性：第一双向开关切换状态(例如，从断开到接通)和第二双向开关切换状态之间的时间周期的差值可小于预先确定的时间周期。在至少一个优选实施方案中，矩阵变换器被适配，其中每个双向开关包括至少一个晶体管；所述控制器被连接以控制每个晶体管的传导性；并且所述控制器被适配为使得改变任何单个晶体管的传导性之间的所述最小时间周期不小于所述预先确定的时间周期。换句话讲，提供了包括m×n个双向开关的阵列的矩阵变换器。连接到该阵列的是多个m个输入节点和n个输出节点。每个双向开关被连接在独特一对输入节点和输出节点之间，使得输入节点和输出节点中的每一者可通过双向开关连接在一起。双向开关各自包括至少一个晶体管。控制器提供与所述双向开关的每个晶体管的可变电压连接，以便控制晶体管的传导性(即，控制流过任何给定晶体管的电流)。也就是说，控制器允许改变向每个晶体管的栅极施加的电压，以控制经过晶体管(例如，从连接到输入节点的源极或集电极至连接到输出节点的漏极或发射极)的传导性。从而，控制器可将任何输入节点可控制地连接到任何输出节点。控制器被适配为仅以最小预先确定的时间延迟改变任何单个晶体管的传导性，即，每个晶体管具有通过控制器控制的最大允许的切换事件频率。在这种方式下仅允许给定晶体管的传导性以最大频率改变，这可使设备中的过大热应力得以避免。这不排除在较短时间周期内改变不同晶体管的传导性的可能性。例如，在第一时间点(ti1)，第一晶体管可不允许电流流过并且第二晶体管可允许电流流过；在第二时间点(ti2)，可改变第一晶体管的传导性以允许电流流过。在第三时间点(ti3)，小于第二时间点后的预先确定的时间周期(tpd)(即，ti3-ti2<tpd)，可改变第二晶体管的传导性以不允许电流流过。任选地，控制器是现场可编程门阵列，FPGA。此类FPGA可例如通过充当提供定时“保持状态”的状态机来提供在改变传导性之间的该最小时间周期，其中向任何给定晶体管施加的电压(改变传导性)可仅在“保持状态”的设定时间周期已流逝并因此该状态退出时改变。此类矩阵变换器还可包括连接到FPGA的微控制器，该微控制器被适配为选择输出节点要被双向地连接到哪个输入节点。矩阵变换器可被适配为使得改变双向开关的任何单个晶体管的传导性之间的时间周期取决于由输出节点驱动的n相位负载。可基于任何数量的因素来计算预先确定的时间周期，这些因素例如为：负载的相位；电压源的相位；调制方法；开关的规格以及开关的热特性(例如，晶体管的技术和所用封装的类型)；或供应给负载的电压或开关所承受的损耗。矩阵变换器还可包括连接在输入节点中的每一者之间的至少一个电容器。电容器的尺寸可取决于所需的高频谐波性能。它们可足够大以确保变换器的输入处的电压纹波充分小，从而允许变换器自身的正确操作。对于有技术的读者而言，该尺寸可容易计算。在一些实施方案中，每个输出节点在某一时间被双向地连接到仅一个输入节点。换句话讲，可仅允许双向电流从单个输入节点流向输出节点。换句话讲，在输入节点处提供的电压源可向不止一个输出节点和连接负载提供双向电流；但任何给定的输出节点可能不能从不止一个输入节点接收双向电流。示例性双向开关可包括：串联布置的第一晶体管和第一二极管；以及串联布置的第二晶体管和第二二极管，其中第一晶体管和第二晶体管背对背地布置，使得双向开关可配置为提供从相关联的输入节点到相关联的输出节点的第一单向连接，或从所述输出节点到所述输入节点的第二单向连接。换句话讲，每个双向开关可包括反向串联布置的两个单向开关。可能的双向开关的一种配置包括第一晶体管和第二晶体管以及第一二极管和第二二极管。正如在常规电子器件中，每个晶体管包括栅极、集电极和发射极。在一个实施方案中，晶体管被布置成使得第一晶体管的发射极被连接到第二晶体管的发射极以提供双向电流可控性。在此类配置中，矩阵变换器的输入节点可被连接到第一晶体管的集电极，并且输出节点可被连接到第二晶体管的集电极。对于本配置而言，第一二极管从第一晶体管的发射极跨越到所述输出节点，并且第二二极管从第二晶体管的发射极跨越到所述输入节点。因此第一晶体管和第一二极管被串联连接，并且第二晶体管和第二二极管也被串联连接。具有第一晶体管和第二晶体管以及第一二极管和第二二极管的双向开关的另选布置方式是可能的。例如，晶体管可被布置成使得第一晶体管的集电极被连接到第二晶体管的集电极以提供双向电流可控性。相应地，矩阵变换器的输入节点可被提供给第一晶体管的发射极，并且矩阵变换器的输出节点可被提供给第二晶体管的发射极。对于该配置而言，第一二极管从第一晶体管的集电极跨越到所述输出节点，并且第二二极管从第二晶体管的集电极跨越到所述输入节点。因此第一晶体管和第一二极管保持串联连接，并且第二晶体管和第二二极管也保持串联连接。具有诸如这些的此类双向开关的矩阵变换器可被适配为使得输出节点在某一时间被单向地连接到不超过两个输入节点。换句话讲，与任何给定输出节点相关联的双向开关的仅最多两个单向开关可在任何给定时间点处于高传导性。因此，示例性输出节点可具有与第一输入节点的第一单向连接(例如，允许电流从第一输入节点流向示例性输出节点)以及与第二输入节点的第二单向连接(例如，允许电流从示例性输出节点流向第二输入节点)。在一些实施方案中，控制器被适配为使得预先确定的时间周期不小于2.5μs，例如2.5μs。在另外的实施方案中，控制器被进一步适配为使得改变双向开关的任何单个晶体管的传导性之间本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种矩阵变换器(1)，包括：m个输入节点(111，112)，所述m个输入节点(111，112)用于连接到m相位电压源(100)，其中m为至少1；n个输出节点(130)，所述n个输出节点(130)用于连接到n相位负载(140)，其中n为至少1，并且m或n中的至少一者为2或更大；m×n个双向开关(121，122)，其中每个双向开关连接在单个输入节点和单个输出节点之间，使得每个输出节点能够通过双向开关选择性地连接到每个输入节点；和控制器，所述控制器被连接以控制所述双向开关的传导性，使得每个输入节点和每个输出节点之间的双向连接是能够选择性控制的，其中所述控制器被适配为使得在改变任何单个双向开关的所述传导性之间的最小时间周期不小于预先确定的时间周期。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.05.15 GB 1508382.71.一种矩阵变换器(1)，包括：m个输入节点(111，112)，所述m个输入节点(111，112)用于连接到m相位电压源(100)，其中m为至少1；n个输出节点(130)，所述n个输出节点(130)用于连接到n相位负载(140)，其中n为至少1，并且m或n中的至少一者为2或更大；m×n个双向开关(121，122)，其中每个双向开关连接在单个输入节点和单个输出节点之间，使得每个输出节点能够通过双向开关选择性地连接到每个输入节点；和控制器，所述控制器被连接以控制所述双向开关的传导性，使得每个输入节点和每个输出节点之间的双向连接是能够选择性控制的，其中所述控制器被适配为使得在改变任何单个双向开关的所述传导性之间的最小时间周期不小于预先确定的时间周期。2.根据权利要求1所述的矩阵变换器，其中：每个双向开关包括至少一个晶体管；所述控制器被连接以控制每个晶体管的传导性；并且所述控制器被适配为使得改变任何单个晶体管的所述传导性之间的所述最小时间周期不小于所述预先确定的时间周期。3.根据权利要求1或2中任一项所述的矩阵变换器，其中所述控制器包括现场可编程门阵列，FPGA。4.根据任一前述权利要求所述的矩阵变换器，其中所述预先确定的时间周期取决于由所述输出节点驱动的所述n相位负载。5.根据任一前述权利要求所述的矩阵变换器，其中至少一个电容器(103)连接在所述输入节点中的每个输入节点之间。6.根据任一前述权利要求所述的矩阵变换器，其中每个输出节点在某一时间被双向地连接到仅一个输入节点。7.根据任一前述权利要求所述的矩阵变换器，其中每个双向开关(121)包括：串联布置的第一晶体管(211)和第一二极管(212)；和串联布置的第二晶体管(221)和第二二极管(222)，其中所述第一晶体管和所述第二晶体管背对背地布置，使得所述双向开关能够配置为提供从相关联的输入节点到相关联的输出节点的第一单向连接，或从所述输出节点到所述相关联的输入节点的第二单向连接。8.根据权利要求7所述的矩阵变换器，其中每个输出节点在某一时间被单向地连接到不超过两个输入节点。9.根据任一前述权利要求所述的矩阵变换器，其中所述控制器被进一步适配为使得所述预先确定的...

【专利技术属性】
技术研发人员：迪安·威廉斯，李·恩普林厄姆，利利亚纳·德利洛，
申请(专利权)人：ITT制造企业有限责任公司，
类型：发明
国别省市：美国,US