用于操作转换器的方法、用于执行该方法的控制单元以及转换器技术

本发明专利技术涉及一种用于操作转换器的方法。所述转换器包括：第一输入端子和第二输入端子，用于接收DC电压；输出端子，用于提供可在第一电压电平和第二电压电平之间变化的输出电压；作为半导体开关的两个或多个开关的第一串联连接和第二串联连接；一个或多个电容器单元。所述方法包括以下步骤：通过以下方式补偿所述开关的不同功率损耗：控制所述开关，使得所述一个或多个电容器单元中的一个或多个充电到相应第三电压电平以上以及/或者所述一个或多个电容器单元中的一个或多个充电到相应第三电压电平以下，使得所述DC电压不均等地分配给所述开关。所述开关。所述开关。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于操作转换器的方法、用于执行该方法的控制单元以及转换器


[0001]本专利技术涉及一种用于操作转换器的方法、一种用于转换器的控制单元(其中，所述控制单元用于执行此类方法)以及一种转换器。所述转换器可以是多电平转换器。

技术介绍

[0002]本专利技术的领域涉及转换器(可以称为电源转换器)以及用于操作此类转换器的方法。此类转换器可用于电源，例如数据中心电源、太阳能光电(photo voltaic，PV)逆变器、充电系统(例如，电动汽车(electric vehicle，EV)充电站)以及向电力设备提供电力的类似应用。

技术实现思路

[0003]具体而言，本专利技术的实施例基于专利技术人做出的以下考虑：
[0004]多电平飞跨电容器拓扑的准操作是一种替代概念，旨在实现有效的中压(medium voltage，MV)开关以获得高功率MV转换器的成本、密度和效率(Cost,Density and Efficiency，CDE)优势。图1示出了具有多电平飞跨电容器拓扑/结构的此类转换器的示例。也就是说，所述转换器对应于多电平转换器。多电平转换器可用于将电压从AC转换为DC(反之亦然)，实现中间电压电平，以便更好地表示AC电压。使用此类多电平转换器的主要原因是在所述转换器电压等级较低的开关之间均等分配最大电压。
[0005]图1所示的转换器可以作为两电平转换器操作。也就是说，可以分别控制并切换所述转换器的开关，使得转换器1的输出端子OUT1可以提供可在第一电压电平和第二电压电平之间变化的输出电压Vout。所述第一电压电平可以对应于施加到所述转换器1的第一输入端子IN1的电压电平，所述第二电压电平可以对应于施加到所述转换器1的第二输入端子IN2的电压电平。施加到所述转换器1的所述输入端的电压Vin(也可以称为输入电压)，尤其是所述第一输入端子IN1和所述第二输入端子IN2接收的电压，对应于所述第一电压电平和所述第二电压电平之间的差值。也就是说，所述第一输入端子和所述第二输入端子接收的所述输入电压Vin对应于施加在所述转换器1的所述第一输入端子IN1和所述第二输入端子IN2之间的电压。具体而言，可以控制所述转换器的开关，使得在所述转换器1的第一稳态时，所述转换器1的所述输出电压Vout等于所述第一电压电平，并且在所述转换器1的第二稳态时，所述输出电压Vout等于所述第二电压电平。
[0006]所述转换器的所述输出电压Vout可能潜在地等于两个以上的电压电平，尤其是在图1所示转换器结构的情况下，等于所述第一电压电平和所述第二电压电平之间的两个附加电压电平。因此，将图1所示的转换器1作为两电平转换器操作也可以称为将所述转换器1作为准两电平(quasi
‑
two
‑
level，Q2L)转换器操作。所述两个附加电压电平可以具体对应于所述转换器1的电容器单元C1两端的电压和电容器单元C2两端的电压。所述两电平配置允许使用低压半导体器件，尤其是用于所述转换器的所述开关的低压半导体开关，以降低
所述转换器的成本并增加有效的工作电压电平。
[0007]本专利技术的一个应用示例可以是将太阳能PV装置产生的电能转换为更高的电压，以实现高效传输。通常，这些较高的电压电平可以是10kV、20kV或35kV。为了承受所需电压范围的如此高电平，无法使用所述半导体器件(尤其是半导体开关)。因此，可以使用基于低压设备(尤其是低压开关)的不同多电平配置获得所需的电压范围。如图1所示的飞跨电容器拓扑是多电平配置的一个可能示例。
[0008]具有典型多电平操作的飞跨电容器配置需要大型电容器组来存储中间电压电平所需的功率。然而，准两电平操作(即，将多电平转换器作为两电平转换器操作)在所述转换器的第一稳态和第二稳态之间的转换(也可以称为转换阶段)期间使用少量电容。这大大减小了电容器组所需的尺寸，提高了效率和功率密度(减小了体积和重量)。
[0009]所述转换器的寿命取决于所述转换器每个组件的健康状况。由于来自所述开关行为和内阻的恒定应力，所述转换器的所述开关(也可以称为开关器件)，尤其是晶体管和二极管的形式，是最脆弱的组件。这种应力是由操作过程中产生的功率损耗导致的，并以热量的形式产生，以瓦特为单位。
[0010]由于组件的非理想行为，这些热应力分布不均。因此，经过一段时间的使用，一些晶体管的健康状况较之其它晶体管的健康状况显著下降。
[0011]具体而言，所述开关并不理想，可能具有略微不同的特性，例如导通电阻、栅极阈值电压、接通/关断时间和热阻抗。此外，所述开关的热界面具有微小的缺陷，这可能会使空气粒子聚集在外壳和散热器之间。这会降低所述开关和外部散热器之间的热阻抗。由于这些原因，所述转换器的开关上的热应力在所述转换器的开关之间分布不均。因此，在持续运行一段时间后，一些开关的健康状况明显低于其它器件的健康状况。所述转换器的健康状况和寿命取决于健康状况最差的组件，因此取决于状况最差/寿命最短的组件。也就是说，一旦所述转换器的单个开关的健康状况以及寿命降低，则所述转换器的健康状况以及寿命就会相应地降低。
[0012]鉴于上述问题和缺点，本专利技术的实施例旨在改善上述问题。具体而言，目的是提供一种用于操作转换器的方法，所述方法能够增加转换器的寿命。
[0013]该目的通过所附独立权利要求中描述的本专利技术的实施例实现。从属权利要求中进一步定义了本专利技术实施例的有利实现方式。具体而言，本专利技术的实施例通过将一些应力(尤其是热应力)从健康状况较低的开关重新分配给健康状态较高的开关来实现上述目的。
[0014]本专利技术的第一方面提供了一种用于操作转换器的方法。所述转换器包括：第一输入端子和第二输入端子，用于接收DC电压；输出端子，用于提供可在第一电压电平和第二电压电平之间变化的输出电压；作为半导体开关的两个或多个开关的第一串联连接和第二串联连接；一个或多个电容器单元。所述第一输入端子通过所述两个或多个开关的所述第一串联连接与所述输出端子电连接。所述第二输入端子通过所述两个或多个开关的所述第二串联连接与所述输出端子电连接。所述一个或多个电容器单元中的每一个将所述第一串联连接的两个开关之间的第一节点与所述第二串联连接的两个开关之间的第二节点彼此电连接，其中，所述第一节点和所述输出端子之间的节点数量与所述第二节点和所述输出端子之间的节点数量彼此相等。通过以下方式可将所述DC电压均等分配给所述第一串联连接和所述第二串联连接的所述开关：控制所述开关，使得所述一个或多个电容器单元中的每
一个充电到相应第三电压电平。所述方法包括以下步骤：通过以下方式补偿所述开关的不同功率损耗：控制所述开关，使得所述一个或多个电容器单元中的一个或多个充电到所述相应第三电压电平以上以及/或者所述一个或多个电容器单元中的一个或多个充电到所述相应第三电压电平以下，使得所述DC电压不均等地分配给所述开关。
[0015]换言之，根据所述第一方面的方法，控制所述开关，使得所述一个或多个电容器单元中的一个或多个充电到所述相应第三电本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于操作转换器(1)(尤其是多电平转换器)的方法，其特征在于，
‑
所述转换器(1)包括：
‑
第一输入端子和第二输入端子(IN1、IN2)，用于接收DC电压(Vin)，
‑
输出端子(OUT1)，用于提供可在第一电压电平(V
IN1
)和第二电压电平(V
IN2
)之间变化的输出电压(Vout)，
‑
作为半导体开关的两个或多个开关(S
U(N
‑
1)
、S
U1
；S
L1
、S
L(N
‑
1)
)的第一串联连接和第二串联连接(SC
U
、SC
L
)，
‑
一个或多个电容器单元(C1)，其中
‑
所述第一输入端子(IN1)通过所述两个或多个开关(S
U(N
‑
1)
、S
U1
)的所述第一串联连接(SC
U
)与所述输出端子(OUT1)电连接，
‑
所述第二输入端子(IN2)通过所述两个或多个开关(S
L1
、S
L(N
‑
1)
)的所述第二串联连接(SC
L
)与所述输出端子(OUT1)电连接，
‑
所述一个或多个电容器单元(C1)中的每一个将所述第一串联连接(SC
U
)的两个开关之间的第一节点与所述第二串联连接(SC
L
)的两个开关之间的第二节点彼此电连接，其中，所述第一节点和所述输出端子(OUT1)之间的节点数量与所述第二节点和所述输出端子(OUT1)之间的节点数量彼此相等，
‑
通过以下方式可将所述DC电压(Vin)均等分配给所述第一串联连接和所述第二串联连接(SC
U
、SC
L
)的所述开关(S
U(N
‑
1)
、S
U1
、S
L1
、S
L(N
‑
1)
)：控制所述开关(S
U(N
‑
1)
、S
U1
、S
L1
、S
L(N
‑
1)
)，使得所述一个或多个电容器单元(C1)中的每一个充电到相应第三电压电平；
‑
所述方法包括以下步骤：
‑
通过以下方式补偿所述开关(S
U(N
‑
1)
、S
U1
、S
L1
、S
L(N
‑
1)
)的不同功率损耗：控制所述开关(S
U(N
‑
1)
、S
U1
、S
L1
、S
L(N
‑
1)
)，使得
‑
所述一个或多个电容器单元(C1)中的一个或多个充电到所述相应第三电压电平以上，以及/或者
‑
所述一个或多个电容器单元(C1)中的一个或多个充电到所述相应第三电压电平以下，使得所述DC电压(Vin)不均等地分配给所述开关(S
U(N
‑
1)
、S
U1
、S
L1
、S
L(N
‑
1)
)。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
‑
通过以下方式补偿所述开关(S
U(N
‑
1)
、S
U1
、S
L1
、S
L(N
‑
1)
)的不同功率损耗：控制所述开关(S
U(N
‑
1)
、S
U1
；S
L1
、S
L(N
‑
1)
)，使得
‑
所述一个或多个电容器单元(C1)中的一个或多个充电到所述相应第三电压电平以上，以及/或者
‑
所述一个或多个电容器单元(C1)中的一个或多个充电或放电到所述相应第三电压电平以下；可选地，在所述转换器(1)的第一稳态(在所述第一稳态时，所述输出电压(Vout)等于所述第一电压电平(V
IN1
))与所述转换器(1)的第二稳态(在所述第二稳态时，所述输出电压(Vout)等于所述第二电压电平(V
IN2
))之间的一个或多个转换阶段执行上述步骤。3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
‑
通过以下方式确定所述开关(S
U(N
‑
1)
、S
U1
、S
L1
、S
L(N
‑
1)
)中的一个或多个开关(尤其是所述
开关中的每一个开关)的温度：测量所述相应开关的温度，作为所述相应开关的功率损耗指标。4.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
‑
确定所述开关(S
U(N
‑
1)
、S
U1
、S
L1
、S
L(N
‑
1)
)的功率损耗中功率损耗最高的开关；
‑
控制所述开关(S
U(N
‑
1)
、S
U1
、S
L1
、S
L(N
‑
1)
)，使得分配给所述功率损耗最高的开关的一部分所述DC电压(Vin)降低。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
‑
控制所述开关(S
U(N
‑
1)
、S
U1
、S
L1
、S
L(N
‑
1)
)，使得分配给所述功率损耗最高的开关的一部分所述DC电压(Vin)降低并且其余所述DC电压(Vin)均等分配给其余所述开关。6.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
‑
确定每个开关对的组合功率损耗，所述开关对包括所述第一串联连接(SC
U
)的第一开关和所述第二串联连接(SC
L
)的第二开关，其中，所述第一开关和所述输出端子(OUT1)之间的开关数量与所述第二开关和所述输出端子(OUT1)之间的开关数量彼此相等；
‑
确定所述第一串联连接和所述第二串联连接(SC
U
、SC
L
)的所述开关对的组合功率损耗中组合功率损耗最高的开关对；
‑
控制所述开关(S
U(N
‑
1)
、S
U1
、S
L1
、S
L(N
‑
1)
)，使得分配给所述组合功率损耗最高的开关对的所述第一开关和所述第二开关的一部分所述DC电压(Vin)降低。7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
‑
控制所述开关(S
U(N
‑
1)
、S
U1
、S
L1
、S
L(N
‑
1)
)，使得分配给所述组合功率损耗最高的开关对的所述第一开关和所述第二开关的一部分所述DC电压(Vin)降低并且其余所述DC电压(Vin)均等分配给其余所述开关(S
U(N
‑
1)
、S
U1
、S
L1
、S
L(N
‑
1)
)。8.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
‑
通过以下方式确定所述开关对中的一个或多个开关对(尤其是所述开关对中的每一个开关对)的组合功率损耗：确定所述相应开关对的所述第一开关的温度与所述相应开关对的所述第二开关的温度之和，作为所述相应开关对的组合功率损耗指标。9.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，为了降低分配给与所述输出端子(OUT1)电连接的开关(S
U1
；S
L1
)的一部分所述DC电压(Vin)，所述方法包括以下步骤：
‑
控制所述开关(S
U3
、S
U2
、S
U1
、S
L1
、S
L2
、S
L3
)，使得所述一个或多个电容器单元(C1、C2)中的电容器单元(C1)充电到所述相应第三电压电平以下，其中，所述电容器单元(C1)与所述第一串联连接(SC
U
)的所述第一节点和所述第二串联连接(SC
L
)的所述第二节点电连接，所述第一串联连接的所述第一节点和所述第二串联连接的所述第二节点在节点数量方面最接近所述输出端子(OUT1)。10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，
‑
所述电容器单元(C1)充电到所述相应第三电压电平以下越少，分配给所述开关(S
U1
；S
L1
)的一部分所述DC电压(Vin)就降低越多。11.根据权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：皮尼万，
申请(专利权)人：华为技术有限公司，
类型：发明
国别省市：