CN101237191A

CN101237191A - 交流到交流变流器

Info

Publication number: CN101237191A
Application number: CNA2007100631780A
Authority: CN
Inventors: 刘丛伟; 吴斌
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-01-30
Filing date: 2007-01-30
Publication date: 2008-08-06

Abstract

本发明涉及交流到交流变流器，属于电能转换技术领域。该变流器包括：一个三相交流输入连接具有三个交流输入端子；一个三相交流输出连接具有三个交流输出端子；一个直流电路包含二个直流端子和能量存储组件；一个开关网络包含总共九个或六个开关器件形成三个或两个桥臂电路，每一个桥臂电路共有三个开关器件，每一个桥臂电路连接到对应的交流输入端子和对应的交流输出端子；并且一个控制***连接到开关网络，提供为开关器件开关控制信号将来至输入连接的输入交流电功率转换到输出连接的输出交流电功率，或将来至输出连接的输入交流电功率转换到输入连接的输出交流电功率。本发明使用少量的不对称功率开关器件将输入交流功率在同频或变频的运行模式下转换成输出交流功率。

Description

交流到交流变流器

技术领域

本发明属于电能转换技术领域，特别涉及交流到交流变流器的设计。

背景技术

输入交流(AC)输出交流(AC)的电能转换在工业界大量存在，特别是三相双向AC/DC/AC(交流到直流到交流)变流器已经应用在电机驱动，发电***，串联补偿器和不停电电源(UPS)等。这种转换在输入(电网)侧和输出(负载)侧提供了正弦波电流和可调功率因数。传统的三相双向AC/DC/AC变流器包括了由直流环节电抗连接的两个三相PWM逆变器，比如电容或者电感分别对应于电压型和电流型拓扑。因为需要两次转换，这种变流器有时被称为两级逆变器，第一次转换是从三相交流到直流，第二次转换是从直流到三相交流输出。其输出交流可变电压和可变频率。

然而，因为需要两次能量转换，传统两级变流器的能量转换效率低于单级转换。直接AC/AC变流器针对效率进行设计，例如在AC/AC矩阵式变换器中三相输入交流能量直接传递到三相输出电压。然而三相AC/AC矩阵式变流器需要18个功率开关管，同时需要复杂的换向开关控制以及吸收电路以避免输入侧短路和输出侧开路情况出现。为减少开关管的数量出现了所谓的稀疏矩阵变换器，这种变换器对矩阵式变换器进行了修改，实质上采用交流到直流和直流到交流两级能量转换，体现了传统两级AC/DC/AC变流器和AC/AC矩阵式变流器之间的折中平衡。这种稀疏矩阵变流器无需直流侧感性器件，通过特殊设计的PWM开关控制，可以降低输入侧开关的开关损耗，然而稀疏矩阵变流器设计上和两级AC/DC/AC变流器相比需要额外的三个开关器件和六个额外的二极管。与矩阵式变流器相比，稀疏矩阵变流器降低了开关管的数量，但是牺牲了效率，因此，需要一种改进的电能变流器设计来高效的从一种形式的交流电能转换为第二种形式的交流电能，同时无需大量的开关管和复杂的开关控制。

发明内容

本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种交流到交流变流器，本发明可使用少量的不对称功率开关器件将输入交流功率在同频或变频的运行模式下转换成输出交流功率，能量可以双向流动，即也可以将来自输出连接的交流电功率转换成输入连接的交流电功率。

本发明提出一个交流到交流变流器，其特征在于，该变流器包括：

一个三相交流输入连接具有第一，第二，和第三个交流输入端子以接收或提供三相交流电输入功率；

一个三相交流输出连接具有第一，第二，和第三个交流输出端子以提供或接收三相交流电输出功率；

一个直流电路包含第一和第二个直流端子和能量存储组件；

一个开关网络包含总共九个开关器件形成三桥臂电路，每一个桥臂电路共有三个开关器件，每一个桥臂电路连接到对应的交流输入端子和对应的交流输出端子，每一个桥臂电路包含第一个开关器件连接到对应的交流输入端子和第一个直流端子，第二个开关连接到对应的交流输入端子和对应的交流输出端子，和第三个开关连接到对应的交流输出端子和第二个直流端子；并且

一个控制***连接到开关网络，提供为开关器件开关控制信号将来至输入连接的输入交流电功率转换到输出连接的输出交流电功率或将来至输出连接的输入交流电功率转换到输入连接的输出交流电功率。

为对发明作基本的理解，特总结本发明的一个或多个特征如下：

这里的总结并非对发明全面的评述，其目的既不是表明发明的特定要素，也不是确定发明的范围。摘要的主要目的是在详细说明之前提出发明的一些简要概念。

所提出的发明涉及在单相或三相***交流到交流之间能量的双向转换，中间采用直流电路，并应用于任何能量转换场合，包括并不限于UPS，电网电压调节器，电压恢复器，电机驱动，和特殊的电源应用，其中输出可以提供可变电压或/和可变频率，或固定电压和频率。

根据发明的一个或多个特征，提出了一个九管三相交流到交流变流器，拓扑网络中采用九个开关形成三桥臂电路，其中每一个桥臂三个开关，用于把在三个输入端的输入交流功率转换成在三个输出端的交流输出功率，或反之。桥臂电路各自连接到对应的输入和输出端子，第一个开关连在输入端子和第一个直流端子之间，第二个开关连在输入端子和输出端子之间，第三个开关连在输出端子和第二个直流端子之间。一个控制***为开关提供信号用于将来自于输入连接的输入交流电功率转换到在输出连接的输出交流功率，或反之。在一个具体的实现中，为每一个桥臂电路提供一套信号来选择性的使桥臂电路处于三种状态之一，这三种状态包括第一种状态是将对应的输入和输出端子连接到第一个直流端子上，第二种状态时将输入和输出端子连接到第二种直流端子，第三种状态是将输入端子连接到第一个直流端子，将输出端子连接到第二个直流端子。这里开关控制信号可以按照使连接到每个桥臂电路的输出端子端电压小于或等于同样桥臂上的输入端子端电压的原则提供。在某一种具体实现时，由控制***利用正弦波脉冲宽度调制方法或空间矢量调制方法对控制信号进行脉冲宽度调制，控制***提供开关控制信号用于转换来自于输入的输入交流电功率到可变压或/和变频的输出交流电功率，或反之。另外，所用的开关管可以是不对称器件只能在一个方向上阻断电压，同时允许电流双向流动。

本发明的一个或多个进一步的特征与九管三相交流到交流变流器相关，其中有包括共九个能够单向阻断电压允许双向电流流动的开关器件的一个开关网络。变流器有一个控制***连接到开关网络用于控制开关器件把来自于输入三个端子连接的输入交流电功率转换成在输出三个端子连接的输出电功率，或反之。

在一个可能的实现中，开关网络由三个桥臂电路构成，其中每一个桥臂电路有三个开关，每一个桥臂电路连接到对应的输入输出端子对上。在一个实例中，控制***为桥臂提供开关信号来选择第一种状态用于连接对应的输入和输出端子到第一个直流端子，第二种状态用于连接输入和输出端子到第二个直流端子，第三种状态用于连接输入端子到第一个直流端子，连接输出端子到第二个直流端子。

本发明的其它特征提出了六个器件，单相交流到交流变流器，其中单相交流输入连接第一个和第二个输入端子，单相交流输出连接到第一和第二个输出端子，一个直流电路由第一和第二个直流端子和能量存储器件组成。

一个实现包括总共六个开关器件形成两个桥臂电路，在每一个桥臂电路包含共三个开关器件，这里每一个桥臂连到对应的一个交流输入端子和对应的一个交流输出端子，在这个实现中，每一个桥臂的第一个开关器件连接在对应的输入端子和第一个直流端子之间，第二个开关连接到输入端子和输出端子之间，第三个开关连接到输出端子和第二个直流端子之间，一个控制***提供开关控制信号将连接到输入的单相交流输入功率转换到连接到输出的交流输出功率，或将来自输出连接的交流电功率转换成输入连接的交流电功率。另外，在一个可能的实现中，开关网络包括了总共六个能够阻断单向电压允许电流双向流动不对称开关器件，控制***连接到开关网络用于把来自于输入连接的输入交流电功率转换成连接到输出的输出交流电功率，或反之。

附图说明

图1A是说明一个九管三相交流到交流变换***实施例的原理图，显示了发明的一个或多个特征。

图1B是说明一个带有六个不对称开关器件连接成一个双桥臂开关网络的单相交流到交流变换***实施例的原理图，显示了发明的进一步的特征。

图2A是一个来源于图1A和1B中变流器的单个桥臂电路的部分原理图，其中，第一个开关连接在对应的交流输入端子和第一个直流端子，第二个开关连接在输入端子和对应的交流输出端子，第三个开关连接在输出端子和第二个直流端子。

图2B是一个表格，显示出实施例的图1A，1B和2A中变流器桥臂电路三态的开关操作，定义为：第一个状态把输入和输出端子连接到第一个直流端子，第二个状态把输入和输出端子连接到第二个直流端子，第二个状态把输入连接到第一个直流端子，把输出端子连接到第二个直流端子。

图3提供了一个图示的实施例的输入和输出调制波形和共享的载波波形，当图1A和图1B所示的变流器运行在不同调制比的正弦波脉宽调制下的同频(CF)操作模式。

图4勾勒出一个图示的实施例的输入和输出调制波形和共享的载波波形，当图1A和图1B所示的变流器输入输出载波运行在调制比为0.433时的正弦波脉宽调制下的变频(VF)操作模式。

图5A和5B是输入和输出开关序列波形的图示，是图1A和图1B所示的变流器在一个单个脉宽调制周期内实施例的正弦波脉宽调制实现。

图6是一个部分原理图给出了图1A和图1B所示的变流器实施例正弦波脉脉宽调制实现中变流器开关控制***用以产生变流器任一个桥臂电路三个开关器件驱动信号的逻辑电路。

图7图示了图1A和图1B所示的变流器的图6所示逻辑电路的一套输入和输出信号。

图8图示了一套在一个实现了图1A所示的三相交流到交流变流器同频运行模式的实验中的实施例桥臂电路门极驱动器开关信号。

图9图示了在一个实现了图1A所示的三相交流到交流变流器同频运行模式的实验中的实施例的输入和输出电流波形。

图10A和10B分别图示了在一个实现了图1A所示的三相交流到交流变流器同频运行模式的实验中的输入和输出线电压和相电流曲线。

图11A到11C图示了在一个实现了图1A所示的三相交流到交流变流器同频运行模式的对应超前，单位和滞后功率因数运行方式下的实验中的输入相电压和相电流曲线。

图12图示了在一个实现了图1A所示的三相交流到交流变流器同频运行模式的实验中的输入相电压和输出相电流曲线，以表明当输入电压下降时输出可以实现电压恢复操作。

图13A图示了在一个实现了图1A所示的三相交流到交流变流器变频(VF)运行模式的实验中的输入和输出相电压波形。

图13B图示了在一个实现了图1A所示的三相交流到交流变流器变频运行模式的实验中的输入和输出线电压波形。

图14A图示了在一个实现了图1A所示的三相交流到交流变流器变频运行模式的实验中的输入线电压和输入电流波形。

图14B图示了在一个实现了图1A所示的三相交流到交流变流器变频运行模式的实验中的输出线电压和输出电流波形。

图15图示了在一个实现了图1A所示的三相交流到交流变流器变频运行模式的实验中的输入相电压和相电流波形。

图16图示了在一个实现了图1A所示的三相交流到交流变流器变频运行模式的实验中的输入和输出相电流波形。

图17A和图17B图示了在一个实现了图1A所示的三相交流到交流变流器变频运行模式的实验中当输出频率发生突变时的输入和输出线电压和相电流波形。

具体实施方式

下面的描述和附图阐述了某些发明的详细直观的实现，仅表明发明原理可能的几个实施例实现方式，然而，并不是发明多个可能实现的穷举。发明的其它目的，优点和新特性如果与附图相关，将在下面的具体对发明的描述中阐述，其中：

图1A显示一个九管交流到交流功率变流器或者功率变流器的实施例，说明发明的一个或多个特征，本实施例的功率变流器或者功率变流器10包括一个三相交流输入连接或电路20带有交流输入端子20a，20b，和20c(端子A，B，和C)用于从一个三相输入电源70接收三相交流输入电功率，或向三相输入电源70提供三相交流电功率，以及一个三相交流输出连接或电路30带有输出端子30a，30b，和30c(R，S，和T)用于提供三相交流输出电功率到三相负载80，或从三相负载80接收三相交流能量，还有一个直流电路40包含端子40a和40b(P和N)和能量储存组件例如一个直流电容C_DC，在所举的例子中，输入电源70在原理图中表示为三相交流电压源V_AS，V_BS，和V_CS与输入端子A，B，和C通过串联阻感阻抗组件L_SA，R_SA，L_SB，R_SB，和L_SC，R_SC分别连接。同时电源V_AS，V_BS，和V_CS以”Y”型连接方式连接到一个共同的中点或节点“0”，虽然任何类型的三相交流输入电源70都可以连到输入20。输出连接30的端子R，S和T可以连到任何类型的三相负载80，图1A中实例为三个负载以”Y”型连接方式连接到一个共同的中点“m”，并且实例中的负载表示为电感L_LR和电阻R_LR串联负载，连接到输出R相，电感L_LS和电阻R_LS串联负载，连接到输出S相，电感L_LT和电阻R_LT串联负载，连接到输出T相，虽然发明中的变流器可以为包括三相交流电机在内的任意类型负载供电。

***10也包括一个九管开关网络50包括一个总共九个开关器件S形成三个桥臂电路52a，52b，和52c。每一个桥臂电路包括总共三个开关S，此时电路52a分别包含第一，第二，和第三个开关S_A1，S_A2，和S_A3，电路52b分别包含第一，第二，和第三个开关S_B1，S_B2，和S_B3，电路52c分别包含第一，第二，和第三个开关S_C1，S_C2，和S_C3。每个桥臂电路52连接到直流电路40的正和负端子40a和40b上，并且也连接到一个相应的交流输入端子和相应的交流输出端子，这里第一个桥臂电路52a连接到输入端子A 20a和输出端子R 30r，第二个桥臂电路52b连接到输入端子B 20b和输出端子S 30s，第三个桥臂电路52c连接到输入端子C 20c和输出端子T 30t。

而且，如图1A所示，每个桥臂电路包含第一个开关器件(S_A1，S_B1，S_C1)连接在相应的输入端子(A，B，C)和第一个直流端子P 40a，第二个开关器件(S_A2，S_B2，S_C2)连接在相应的输入端子和相应的输出端子(R，S，T)，和第三个开关器件(S_A3，S_B3，S_C3)连接在输出端子和第二个直流端子40b(N)。任何类型的开关器件S都可用来选择第一个状态电气连接，第二个状态电气隔离，例如GTOs，IGBTs，IGCTs，(IEGT)等等(在图示的实例中为IGBTs)，在图示的实例中，单个开关器件S包括了反并联二极管D_A1-D_A3，D_B1-D_B3，和D_C1-D_C3，因此开关器件的电压阻断能力是单向或不对称的，运行中只能在一个方向阻断电压，允许电流双向流动，虽然发明本身并没有严格的要求。

九管变流器10也包括一个控制***60与开关网络50连接，为开关器件S提供开关控制信号SC把来自输入连接20的输入交流电功率转换成在输入连接30的输出交流电功率。任意类型的控制***60都可以使用，例如逻辑，基于处理器的电路，基于可编程逻辑芯片CPLD或FPGA的电路，软件，固件，软硬件结合等等。为选择性的操作开关S以控制交流到交流转换，实例中***60采用脉冲宽度调制(PWM)方法来提供三套开关控制信号SC到开关网络50。在图示的例子中，第一个控制信号序列SC_A1，SC_A2，和SC_A3分别提供给第一套桥臂电路52a的开关S_A1，S_A2，and S_A3，第二个控制信号序列SC_B1，SC_B2，和SC_B3分别提供给第一套桥臂电路52b的开关S_B1，S_B2，and S_B3，第三个控制信号序列SC_C1，SC_C2，和SC_C3分别提供给第三套桥臂电路52c的开关S_C1，S_C2，and S_C3。对图2A和2B下面作进一步的说明，在实例三相变流器10中，三种状态之一的信号用于将输入交流功率转化成在输出端子R，S，和T的输出功率。此外，虽然在单方向能量转换的背景下讨论，发明中的变流器可以用来双向转换能量。其中输出连接30可以互换成接收输入电能，输入连接20可以用于输出交流能量。

根据所提出的发明的另一个特征，图1B图示了另一种实施例交流到交流变流器110，这种六管单向实现从电源170接收正弦形交流输入电功率，或向电源170提供单相电功率，向单相负载180提供输出电功率，或从单相负载180接收单相电功率。单相变流器110包括一个单相交流输入连接120带有第一和第二个交流输入端子120a和120b(A和B)用于从电源170接收或提供单相交流输入电功率。这里实施例电源170为一个交流电压源V_AS串联一个电源电感L_SA和一个串联电阻R_SA。单相变流器110包括一个单相交流输出连接130带有第一和第二个交流输出端子130r和130s(R和S)从负载提供或接收单相电功率，实施例负载170为电感L_LR和电阻R_LR串联负载，虽然包括单相电机在内的任意单相负载都可以应用。另外提供了一个直流电路140包括第一和第二个直流端子140a(P)和140b(N)以及能量存储组件(电容C_DC)，还有六管的开关网络150带有一对三管桥臂电路152a和152b。

如同在上述的三相变流器10中一样，在单相变流器110中六个开关器件S是带有反并联二极管的IGBTs，具有单向阻断电压和双向电流流动的特点，每个桥臂电路152包括3个开关器件S。此外每一个桥臂电路152连接到一个对应的交流输入端子(A或B)和一个对应交流输出端子(R或S)，并包括第一个开关器件(S_A1或S_B1)连接对应的输入端子(A，B)和第一个直流端子140a(P)，第二个开关器件(S_A2 or S_B2)连接对应的输入端子(A，B)和输出端子(R，S)，第三个开关(S_A3，S_B3)连接输出端子(R，S)和第二个直流端子140b(N)。一个PWM开关控制***160连接双桥臂开关网络150并提供开关控制信号SC到开关器件S用于将从连接120来的输入功率转换成输出连接130的输出交流电功率，或反之。

在图2A和2B中，三相和单相变流器10，110的桥臂电路52，152，以及所产生的一套开关控制信号SC可以以与在实施例***10，110中的每一个单相桥臂电路52，152相似的方式来将输入交流功率转化为输出交流，或反之，可工作在同频(CF运行模式输入输出频率相同)或在变输出频率(VF运行模式输出频率可以相对于输入频率发生变化)模式下。图2A图示了一个实施例桥臂52a，152a，包括连接成图1A和1B方式的开关S_A1-S_A3，桥bi与分别对应的第一个输入和输出端子A和R连接，并连接直流端子P和N，其中其它的桥臂电路52，152以类似的方式构造。来自控制***60，160的对应的信号序列SC包括信号SC_A1，SC_A2，和SC_A3分别连接到桥臂电路52a，152a的第一，第二，和第三个开关器件S_A1，S_A2，and S_A3，实施例变流器10，110中的其它的桥臂电路52，152连接方式和进行下面将提到的三状态开关运行方式与第一个桥臂电路52a，152a及其开关控制信号相似。图2B显示的表格200说明由图1A所示的变流器10，110中的控制***60，160所实现的实施例桥臂电路52a，152a的三状态开关操作。表格200定义了第一个状态对应开关S_A1和S_A2导通，S_A3关断以连接输入和输出端子A和R到第一个直流端子P，第二个状态对应开关S_A1关断，S_A2和S_A3导通以连接输入和输出端子到第二个直流端子，第三个状态对应开关S_A1和S_A3导通，S_A2关断以连接输入端子A到直流端子P，输出端子到直流端子N。

针对图1A的三相变流器10，下面介绍桥臂电路52和控制***60以说明发明的不同概念，其中图1B的单相实现110也以相似方式运行。在图1A的变流器10运行时，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分别受输入端子A，B和C以及输出端子R，S和T的电压控制，端子电压又受控制***60控制开关控制信号SC处于图2B中显示的三种状态之一而控制。以这种方式，输入能量的一部分被传递到了直流电路40，之后传递到输出80，其它的能量通过比传统背对背变流器数量更少的开关被从输入70直接转换到输出80，或反之。在图示的实现中，由控制***60提供的脉冲宽度调制信号(PWM)SC_A1，SC_A2，和SC_A3(以及其它桥臂电路52b和52c的信号)，利用显示在图2B中的表格200所示的实施例三状态开关方案，使得每个桥臂电路52连接的输出端子电压等于或小于同一桥臂上的输入端子，这里开关控制信号SC可以由任何开关技术提供，包括但不限于图中实施例的正弦波脉冲宽度调制或空间矢量调制(SVM)，或其它开关方法。如下所述，图示的开关方案在保持给定桥臂电路的输出电压小于等于输入电压的情况下，通过为输入输出调制波形添加不同偏置或共模电压的方法利用对桥臂开关状态的控制，允许对输入和输出相电压分别控制。而且，如下所述，通过控制***60提供开关控制信号SC，变流器10，110可以工作在同频(CF)模式其中输入交流电功率在输出连接30被转换成同频的输出交流电功率，或变频(VF)模式其中输入交流电功率在输出连接30被转换成变频的输出交流电功率，或反之。

图3和4所示的图210和250说明了一种为控制变流器10的九个开关器件S的开关控制***选用的脉冲宽度调制方案。总的来说，输入和输出各自使用不同的调制波形，而载波波形相同以产生开关控制信号SC，此时，调制波形的幅值和频率决定或控制了所调制的输入和输出波形性的幅值和频率。图3中的图像210表示了实施例输入和输出调制波形分别为220和240，和一个共同的三角载波调制波形230，用于表示不同调制系数(MI)下图1A和1B中变流器10，110处于正弦波脉冲宽度调制同频(CF)运行模式。

而且，在图示的开关网络设计中，需要防止任一桥臂电路52中的输出端子电压超过输入端子电压。因此，实施例脉冲宽度调制开关控制方案引入了偏置或直流共模电压分量以确保输入相电压A，B，和C的调制波形220(例如，Vma，Vmb，Vmc)在输入相电压(V_AN，V_BN，V_CN)的变化范围内总是大于(或至等于)输出相R，S，和T的所有可能的输出相电压(V_RN，V_SN，V_TN)对应的输出调制波形240(例如，Vmr，Vms，and Vmt)这样确保每个桥臂电路上的输入电压总是大于等于输出电压，而且，实施例的输入和输出调制同相位(时间上)，采用同一个载波波形即图3和4中的实施例三角载波230V_cr。图4中的图形250显示了当调制比MI为0.433时的实施例输入输出调制波形220和240，加上载波波形230产生图1A和1B中变流器10，110工作在变频(VF)模式时的正弦波脉冲宽度调制，此时输出交流频率不同于(高于)输入频率。

在这个正弦波脉冲宽度调制实现中，每一个调制波形220，240都和载波波形230相比，并以此产生变流器10的输入和输出波形，任何合适的脉冲宽度调制方案都可以应用于发明。例如可以利用波形发生电路产生图3和4表示的调制和载波波形220，230，240，再加上不同的偏置电压电路和两个比较电路来用单个调制信号220和240和载波230比较以产生信号送入逻辑电路，图6给出了逻辑电路的实施例即逻辑电路300。另外，脉冲宽度调制可以用基于处理器的方法实现，并且图示的调制波形(载波波形)，偏置和比较可以用软件，固件或其它数字逻辑实现。在变流器10的同频或变频交流到交流运行中，控制***60为输入调制波形220提供了正的直流偏移，为输出调制波形240提供了负的直流偏移，这些偏移或偏置的数值可以是任何方式实现的防止在任一个桥臂电路52上的输出电压超过输入电压。在图示的***10中，不同的脉宽调制方案采用不同的偏移，这些偏移可以随着输入输出调制系数的变化而变化，或根据时刻不同而变化，也可以根据变流器10运行在同频或变频模式不同而变。

在图示的同频实现(例如，图3)中，输入和输出调制波形220和240根据相互的相位差来决定电平偏移，以防止输出调制波形240超过输入调制波形220。在这种情况下，如图3和4实施例波形显示，输入调制波形220(例如，对三相输入波形Wma，Wmb，和Wmc)由下式(1)决定：

Vm_INPUT＝Vd-Vip+VipSINθ， (1)

这里Vd是C_DC之间的直流电路电压(图1A)Vip时任意时刻输入调制波形的峰值，其中三相A，B，和C的调制波形互相差120度(例如对单相变流器110为180度相差)。另外输出调制波形240(例如波形Wmr，Wms，和Wmt)由下式(2)决定：

Vm_OUTPUT＝Vop+VopSINθ， (2)

这里Vop时输出调制波形任意时刻的峰值，其中三相A，B，和C的调制波形互相差120度(例如对单相变流器110为180度相差)。在这点上，发明人考虑到在同频运行模式时输入输出相位差的不同所需的直流电压Vd的最小值会发生变化，此时实现时最好能限制输入到输出的相位差。

在一个实施例三相变流器10的变频(VF)实现中(例如图4)，输入调制波形220(例如，波形Wma，Wmb，和Wmc)的直流偏移由下式(3)给出：

(3Vd/4)+VipSINθ₁， (3)

输出调制波形240(例如波形Wmr，Wms，和Wmt)可以由下式(4)给出：

(Vd/4)+VopSINθ₂， (4)

这里θ₁和θ₂可以以不同频率变化。这样如图3和4所示，最小的输入调制波形221和最大的输出调制波形246是一条曲线，但是采用上述偏置，实施例脉冲宽度调制方案中输入调制波形220总是大于或等于输出波形240。

图5A和5B图示的控制***60在控制器60中实现了实施例正弦波脉冲宽度调制开关序列，该序列在每一个PWM周期可以分成7个开关或换向段(每一个开关模式周期中7段序列)。图5A图示了实施例图形260.图5B图示了图形270，实施例情况给出了当载波230的频率远大于调制波形220，240典型一个开关周期范围情况。这里图形260和270为了方便说明以输入调制波形Vma，Vmb，和Vmc和输出波形Vmr，Vms，和Vmt为常数为例，脉冲宽度调制也可用5段法，3段法或其它方法实现。

并将所需的输入和输出波形V_AN，V_BN，V_CN，和V_RN，V_SN，V_TN，分别显示在图形260和270，当对应的调制波形高于载波230时，实际输入输出波形为高，这样需要的输入和输出波形的宽度就取决于调制和载波波形，三相的输入和输出调制器220和240可以相应的进行相移。这样，例如使用比较器电路(未画出)或采用软件通过将各自的输入和输出调制波形220，240与载波230比较，可以得到输入和输出波形。在图5A图示的例子中，所需的第一相输入V_AN从时刻TI1到TI6为高，V_BN从TI2到TI5为高，V_CN从TI3到TI4为高。

与此类似，图5B的输出图形270所需的V_RN从时刻T01到T06为高，V_SN从T02到T05为高，V_TN从T03到T04为高。

图6和7显示对每一个桥臂电路，可以提供一个逻辑电路300(图6)，其输入时对应桥臂输入和输出所需信号波形(例如，对第一个桥臂52a为所需的桥臂输入V_AN和桥臂输出V_RN)，其输出产生对应于桥臂电路52的开关控制信号SC(例如，对第一个桥臂52a为SC_A1，SC_A2，和SC_A3)。这里每一个桥臂电路52需要单独的电路300。作为变通，用来驱动桥臂电路52的电路300的逻辑所定义的功能可以以固件，软件等方式实现。图7的图片320显示了第一套实施例开关控制信号SC_A1，SC_A2，和SC_A3，这里控制***60提供的开关逻辑在所显示的图5A到7中的开关周期中产生7个开关段S1-S7(S3-S5段为状态1)分别出现不同的开关状态2，3，1，3，和2。

图5A-7中的例子显示了用于图1A中三相变流器10的正弦波脉冲宽度调制方法，根据发明该方法也可以应用于图1B的单相实现110中。其它的对调制波形进行一个或多个修改的正弦波PWM方法也可以使用，比如，当三次谐波成分加入基本或基波正弦形，合成的波形用载波来调制(例如，三角波或其它)，这里所有如此的变化都被认为是正弦脉冲宽度调制的等效形式纳入专利的范围，无论调制波形是否是纯粹的正弦形状。而且，其它的脉宽调制技术也可以使用，比如，空间矢量调制(SVM)产生的开关状态序列或模式的产生通过一个参考旋转矢量在空间矢量图中定义，采用特定的模式或状态序列，根据目前参考矢量的位置确定对应的矢量持续时间，通过选择合适的开关状态和持续时间计算来确保各桥臂电路52的输入端电压等于或高于对应输出端电压。而且，像图1B中的变流器110那样的单相实现可以通过等效的脉冲宽度调制或其它的开关技术实现，两个桥臂电路的开关信号序列需要彼此相差180度，通过合适的调制偏置或调整来使单个桥臂电路152的输出端子电压等于或小于对应的输入端子。

在图8-17中，图1A中所示的三相交流到交流变流器的一个7.5KVA的样机进行了同频(CF)模式和变频(VF)模式的实验。实验中，输入线电压的有效值(例如V_AB)为208V，电源电感Ls为2.5mH，输出负载为三相电阻电感负载，电阻为14.6欧姆，电感为2.5mH，直流电容C_DC电容值为2350μF，采用采样频率fsw为3.24kHz空间矢量调制PWM方案。输入电源频率为60Hz，输入侧使用线电压定向的闭环矢量控制***以控制输入侧电流，输入侧采用开关电压控制。在所实验的同频(CF)运行中，输入和输出电压波形接近同相，直流电路电压Vd保持在360V左右，对应的输入和输出调制系数为0.8左右。

在同频时，图8中图形400显示了一套变流器10实验装置上的实施例桥臂电路开关门极驱动信号SC_A1，SC_A2，和SC_A3。图9中图形410分别显示了实施例输入和输出电流波形I_A and I_R，在变流器10同频运行中，输入和输出电流波形接近正弦波，输出电流有很小的滞后功率因数。图10A和10B分别给出了图形420和430，分别显示出输入和输出线电压(V_AB和V_RS)和相电流图形(I_A和I_R)的实验波形，在同频运行中输入和输出线电压波形都包含同样的直流电路电压Vd的波形。图11A-11C中有图形440，450和460分别显示了在实验装置同频运行时，对应输入侧超前，单位，和滞后功率因数的情况下，输入线电压和相电流(V_AS和I_A)。图11A-11C中的图形显示了实施例实验变流器10具有输入侧可调功率因数的能力，并且输入功率因数的变化对输出功率因数没有影响，表明所发明的变流器***10可以适应补偿低功率因数负载的要求。图12所示的图形470中分别显示了输入线电压和输出相电流，表明当输入电压下降时，***10具有调节能力可以保持输出电流I_R。

对变频(VF)运行模式，交流到交流变流器的实施例性能显示在图13A-17中，其中输入和输出调制比都为0.4左右。图13A包括了图形500分别显示出输入和输出相电压曲线V_AN andV_RN，{输入频率为60Hz。}图13B中的图形510显示出输入和输出线电压曲线(V_AB and V_RS)，可以看出，输入频率为60Hz，输出频率为30Hz。图13A可以清楚的看出，即使输出电压的幅值和频率发生变化，输出电压V_RN总是小于或等于输入电压V_AN。图14A和14B分别显示输入和输出线电压和相电流曲线V_AB，I_A，V_RS，and I_R，这里输出频率也是30Hz。图15中的图形540分别显示出输入相电压和相电流曲线V_AS和I_A。

图16给出了图形550分别显示出在变流器10的不同频率下输入和输出相电流I_A和I_R。图17A的图形560和图17B的图形570分别显示了实施例当输出频率从120Hz变化到30Hz时三相变流器10中的输入和输出线电压V_AB和V_RS，以及输入和输出电流I_A和I_R，此时当输出频率调节动态时，输入电流和电压波形I_A和V_AB基本上不受扰动。这样，发明可以发现多种应用领域，包括要求以变幅值或/和变频率方式转换输入交流功率到输出交流功率，但不需要像背对背变流器或矩阵式变流器那样的成本，体积，和复杂度。本发明只需九个开关器件来转换三相交流功率，六个开关器件来转换单相交流功率。

上述实施例仅用来表明所提出的发明的多个方面其中的几个可能的实现，在阅读和理解了本说明和附图后，等效的变化和/或修改对本行业的其它人是显而易见的。特别对关于上面描述的组件(集合，器件，开关器件，***，电路，和类似的)所执行的各种功能，用来描述该组件的术语(包括对“方法”的引用)也会用来描述任何组件，除非特殊指出，例如硬件，软件，或两者的结合，只要能够完成所描述的组件的特殊功能(也就是说，功能上等效)，即使和在发明图示实现中披露出的完成功能结构在结构上不等效也有效。

另外，虽然发明的某个特征只以几个实现中的一个来披露，这些特征可以和其它实现的一个或多个其它特征结合后可能满足任何给定或特定的应用和具有优势。并且，对于详细说明和/或在要求中的术语“包括”，“具有”，“有”，“带有”，或其它的变化，与“包含”同义。

Claims

1. 一个交流到交流变流器，其特征在于，该变流器包括：

一个直流电路包含第一和第二个直流端子和能量存储组件；

一个控制***连接到开关网络，提供为开关器件开关控制信号将来至输入连接的输入交流电功率转换到输出连接的输出交流电功率，或将来至输出连接的输入交流电功率转换到输入连接的输出交流电功率。

2. 如权利要求1所述的变流器，其特征在于，所述控制***为开关网络提供三套开关控制信号，每一套提供给对应的一个桥臂电路，控制***控制每套开关控制信号处于三种状态中的一种，包括第一个状态连接对应的输入和输出端子到第一个直流端子，第二个状态连接输入和输出端子到第二个直流端子，和第三个状态连接输入端子到第一个直流端子，连接输出端子到第二个直流端子。

3. 如权利要求2所述的变流器，其特征在于，所述每一套开关控制信号包括第一，第二，和第三个开关控制信号分别连接到对应桥臂的第一，第二，第三个开关器件，定义第一和第二各开关器件导通，第三个开关器件关断为第一个状态，第一个开关器件关断，第二和第三个开关器件导通为为第二个状态，第一和第三个开关器件导通，第二个开关器件关断为第三个状态。

4. 如权利要求1所述的变流器，其特征在于，所述控制***提供三套开关控制信号连接到开关网络，每一套用于控制对应的一个桥臂电路，开关控制信号中的每一套包含第一，第二和第三个开关信号分别连接到对应桥臂上的第一，第二和第三个开关器件，第一和第二各开关器件导通，第三个开关器件关断形成第一个状态，第一个开关器件关断，第二和第三个开关器件导通形成第二个状态，第一和第三个开关器件导通，第二个开关器件关断形成第三个状态。

5. 如权利要求1所述的变流器，其特征在于，所述开关控制信号由控制***提供以保持连接到每一个桥臂电路的输出端子电压等于或低于连接到同一个桥臂电路上的输入端子。

6. 如权利要求1所述的变流器，其特征在于，所述开关控制信号由控制***利用正弦波脉冲宽度调制或空间矢量调制方法脉冲宽度调制而成。

7. 如权利要求1所述的变流器，其特征在于，所述控制***提供开关控制信号从输入连接的输入交流电功率转换到输出连接的同频或变频输出交流电功率，从输出连接的输入交流电功率转换到输入连接的同频或变频输出交流电功率。

8. 如权利要求1所述的变流器，其特征在于，所述开关器件只能单方向阻断电压，允许电流双向流动。

9. 一个交流到交流变流器，其特征在于，该变流器包括：

一个三相交流输入连接具有第一，第二，和第三个交流输入端子以接收或提供三相交流电输入功率：

一个三相交流输出连接具有第一，第二，和第三个交流输出端子以提供或接收三相交流电输出功率：

一个直流电路包括第一和第二个直流端子和一个能量存储组件；

一个开关网络包括总共九个开关器件，该器件只能单方向阻断电压，允许电流双向流动，该开关网络连接到所谓的交流输入和输出连接和所谓的直流电路；

一个控制***与开关网络连接用于控制开关器件把来自于输入连接的输入交流电功率转换成输出连接上的输出交流电功率，或把来自于输出连接的输入交流电功率转换成输入连接上的输出交流电功率。

10. 如权利要求9所述的变流器，其特征在于，所述开关网络有三个桥臂电路构成，每个桥臂电路共有三个开关器件，每一个桥臂电路连接到一个对应的交流输入端子和一个对应的交流输出端子，(第一和第二各直流端子)，控制***为开关网络提供三套开关控制信号，每一套提供给对应的一个桥臂电路，控制***控制每套开关控制信号处于三种状态之一，包括第一个状态连接对应的输入和输出端子到第一个直流端子，第二个状态链接输入和输出端子到第二个直流端子，和第三个状态连接输入端子到第一个直流端子，连接输出端子到第二个直流端子。

11. 如权利要求10所述的变流器，其特征在于，所述控制***控制开关器件保持连到每个桥臂电路中的输出端子其电位等于或小于连接到同样桥臂的输入端子。

12. 如权利要求9所述的变流器，其特征在于，所述控制***为开关网络提供了脉冲宽度调制开关控制信号，用正弦波脉冲宽度调制或空间矢量调制方法控制开关器件。

13. 如权利要求9所述的变流器，其特征在于，所述控制***提供了开关控制信号以控制来自于输入连接的输入交流电功率转化成在输出连接的变频输出交流电功率，或控制来自于输出连接的输入交流电功率转化成在输入连接的变频输出交流电功率。

14. 一个交流到交流变流器，其特征在于，该变流器包括：

一个单相交流输入连接具有第一个和第二个交流输入端子以接收或提供交流电输入功率；

一个单相交流输出连接具有第一和第二个交流输出端子以提供或接收单相交流电输出功率；

一个直流电路包含第一和第二个直流端子和一个能量存储组件；

一个开关网络包括总共六个开关器件形成两个桥臂电路，每一个桥臂电路共有三个开关器件，每一个桥臂电路连接到对应的交流输入端子和对应的交流输出端子，每一个桥臂电路包含了第一个开关器件连接对应的交流输入端子和第一个直流端子，第二个开关连接对应的交流输入端子和交流输出端子，和第三个开关连接对应的交流输出端子和第二个直流端子；并且一个控制***连接到开关网络，为开关器件提供开关控制信号以将来自输入连接的输入交流电功率转换到输出连接的输出交流电功率，或将来自输出连接的输入交流电功率转换到输入连接的输出交流电功率。

15. 如权利要求14所述的变流器，其特征在于，所述控制***提供两套开关控制信号到开关网络，每一套提供给对应的一个桥臂电路，控制***控制每一套开关控制信号处于三种状态之一，包括第一个状态连接输入和输出端子到第一个直流端子，第二个状态连接输入和输出端子到第二个直流端子，和第三个状态连接输入端子到第一个直流端子，连接输出端子到第二个直流端子。

16. 如权利要求14所述的变流器，其特征在于，所述控制***为开关网络提供了脉冲宽度调制开关控制信号，用正弦波脉冲宽度调制或空间矢量调制方法控制开关器件。

17. 如权利要求14所述的变流器，其特征在于，所述控制***提供了开关控制信号将来自输入连接的输入交流电功率转换成在输出连接的变频输出交流电功率，或将来自输出连接的输入交流电功率转换成在输入连接的变频输出交流电功率。

18. 如权利要求1所述的变流器，其特征在于，所述开关器件只能单方向阻断电压，允许电流双向流动。

19. 一个交流到交流变流器，其特征在于，该变流器包括：

一个单相交流输入连接具有第一和第二各交流输入端子以接收或提供单相交流电输入功率；

一个开关网络包括总共六个开关器件，所谓的开关器件只能在单方向阻断电压，允许电流双向流动，所谓的开关网络连接到所谓的交流输入和输出连接和所谓的直流电路；并且

一个控制***连接到开关网络以控制开关器件将来自于输入连接的输入交流电功率转换到输出连接的输出交流电功率，或将来自于输出连接的输入交流电功率转换到输入连接的输出交流电功率。

20. 如权利要求19所述的变流器，其特征在于，所述开关网络包含两个桥臂电路，每一个桥臂电路中共有三个开关器件，每一个桥臂电路连接到对应的交流输入端子和对应的交流输出端子，控制***为开关网络提供了两套开关控制信号，每一套提供给对应的桥臂电路之一，控制***控制每一套开关控制信号处于三种状态之一，包括第一个状态连接对应的输入和输出端子到第一各直流端子，第二个状态连接输入和输出端子到第二个直流端子，和第三个状态连接输入端子到第一个直流端子，输出端子到第二个直流端子。

21. 如权利要求19所述的变流器，其特征在于，所述控制***为开关网络提供了脉冲宽度调制开关控制信号，用正弦波脉冲宽度调制或空间矢量调制方法控制开关器件。

22. 如权利要求19所述的变流器，其特征在于，所述控制***提供了开关控制信号将来自于输入连接的输入交流电功率转换到在输出连接的输出交流电功率，或将来自于输出连接的输入交流电功率转换到在输入连接的输出交流电功率。