CN109861572B - 转换器电路的高效切换 - Google Patents

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Abstract

一种装置，包括连接在第一输入端子和第一输出端子之间的第一开关分支，该第一开关分支包括串联连接的开关。该装置还包括连接在第二输入端子和第一输出端子之间的第二开关分支，该第二开关分支包括串联连接的开关。该装置还包括连接在输入电压中点和第一输出端子之间的第三开关分支。控制器控制第一开关分支、第二开关分支和第三开关分支，其中该控制器被配置为在第一时段禁用第二开关分支并且在第一时间期间交替地启用第一开关分支和第三开关分支，并且在第二时段禁用第一开关分支并且在第二时间段期间交替地启用第二分支和第三分支。

Description

转换器电路的高效切换
相关申请
本申请要求2017年11月20日提交的名称为“Efficient Switching Circuit(高效切换电路)”的美国临时申请序列号62/588,474的优先权，其全部内容通过引用结合于此。本申请还要求2018年5月21日提交的题为“Efficient Switching Circuit(高效切换电路)”的中国申请序列号201810491782.1的优先权，其全部内容通过引用结合于此。
技术领域
本申请涉及功率设备。
背景技术
功率转换器可用于将直流(DC)电压转换为交流(AC)电压或另一不同的DC电压。转换器结构通常可以使用功率晶体管和二极管。功率晶体管和二极管可以作为电子开关操作。某些转换器设计可以使用“硬”开关，这可能引起开关损耗，对于高的开关频率值，开关损耗可能导致能量转换效率的降低。硬开关的特征在于在电流换向时间上载流开关上的总换向电压降。在硬开关的情况下，电压可以增加到换向电压的值，同时电流在电压下降之前继续流动，这可能导致开关中的高的功率损耗峰值。因此可能需要开发能够实现“软”开关的转换器拓扑和切换方法，这可以减少总切换损耗。
为了提高转换器效率并且降低成本，高功率转换器可以利用被称为多级转换的技术。多级转换器设计可以在切换过程期间减少同时高电压和电流值的出现，从而减小高功率损耗值。另外，多电平转换器拓扑可以提供多个输出电压值，这可以减小相关输出滤波器的尺寸。可能需要开发转换器拓扑结构和有效的切换方法以改善逆变器的成本和/或效率。
发明内容
以下概述是一些发明概念的简短概述，仅用于说明目的，并不旨在限制或约束详细描述中的发明和实施例。本领域技术人员将从详细描述中认识到其他新颖的组合和特征。
本文公开的方面可以包括AC/DC转换器(也称为逆变器)电路和用于将逆变器电路输入处的直流(DC)功率转换为逆变器电路输出处的交流(AC)功率的方法。根据至少一个方面，逆变器电路可以包括电路，该电路可以被配置为减少将DC功率转换为AC功率的逆变器电路中使用的开关的开关损耗和/或传导损耗，并且逆变器电路可以提供辅助开关以减少开关损耗并且可能提高逆变器电路的效率。
根据至少一个方面，多个开关(例如，金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET))可以串联连接以形成开关分支，其具有等于单个开关的电压阻断能力的约几倍的有效电压阻断能力。多个开关可以被配置为在切换周期的第一时间部分期间动态地阻断第一电压，并且在切换周期的第二时间部分期间静态地阻断第二电压。例如，可以串联连接三个MOSFET以形成具有大约600V的额定电压的有效开关分支，每个MOSFET都具有Vo伏的电压额定值(表示电压阻断能力)，例如200V。为了减少开关损耗和/或减少对高度同步开关的需要，当在开关分支上施加的电压可被减少数量的开关阻断时，在切换周期的一部分期间，开关分支的一个或多个开关可被维持在接通状态。
例如，转换器的开关分支可以具有两个600V额定的绝缘栅双极晶体管(IGBT)。在切换周期期间，对于切换周期的第一部分，开关分支可以在导通(两个IGBT都接通)和动态阻断600V(其中一个IGBT保持接通而另一个断开以阻断高达600V)之间交替。对于切换周期的第二部分，两个IGBT可以是断开的，静态地阻断高达1200V的电压。
作为另一示例，开关分支可以具有三个200V额定的MOSFET开关。在切换周期期间，开关分支可以在接通状态(即，所有三个开关都接通)和断开状态(三个MOSFET中的一个或多个为断开)之间交替。如果对于切换周期的第一部分，当处于断开状态时，开关分支阻断不超过200V，则可以在接通和断开状态之间切换单个开关，并且可以在切换周期的整个第一部分期间将两个开关维持在接通状态。当单个开关断开时，开关分支动态地阻断高达200V的电压，当单个开关接通时(两个开关维持在接通状态)，开关分支导通。如果对于切换周期的第二部分，当处于断开状态时，开关分支动态地阻断不超过400V，则两个开关可以在接通和断开状态之间一起切换，并且单个开关在整个切换周期期间可以保持接通状态。当两个开关接通时(单个开关保持接通)，开关分支导通，并且当两个开关断开时，开关分支动态地阻断高达400V的电压。对于切换周期的第三部分，当要求开关分支阻断超过400V时，所有三个开关都可以维持在断开状态，静态阻断高达600V。
根据至少一个方面，开关分支可以具有以低频率(例如，诸如50Hz或60Hz的电网频率)切换的一个或多个开关以及以高频率(例如，1kHz、10kHz、100kHz、1MHz或更高)切换的一个或多个开关。作为示例而非通过限定的方式，高频至少比低频大一个数量级。
根据至少一个方面，开关分支可包括一个或多个主开关的分支，该分支与包括串联连接的一个或多个辅助开关的分支并联连接。与辅助开关相比，主开关可具有改善的传导特性。当切换开关分支时，一个或多个辅助开关可以在相应的主开关之前的短时间延迟时接通，并且一个或多个辅助开关可以在相应的主开关之后的短时间延迟时断开，为主开关提供软开关操作条件。
根据至少一个方面，辅助开关可以代替主开关，并且开关分支可以包括串联连接的开关的单个分支。
根据至少一个方面，提供了一种用于转换器的开关电路。开关电路包括串联连接的多个开关以形成开关分支。开关电路还包括控制器，该控制器被配置为使开关分支在以下状态之间交替：a)接通状态，其中包括开关分支的多个开关中的至少一个维持在接通状态，并且包括开关分支的多个开关中的至少一个在开关电路的每个切换周期的第一部分期间在接通状态和断开状态之间切换，以及b)断开状态，其中包括开关分支的多个开关中的每一个在开关电路的每个切换周期的第二部分期间维持在断开状态。
根据上述至少一个方面，开关分支包括第一开关和第二开关，每个开关都具有Vo伏的额定电压，使得开关分支具有2*Vo伏的额定电压，其中控制器控制开关分支，使得在每个切换周期的第一部分期间第一开关在接通状态和断开状态之间切换并且第二开关维持在接通状态，并且其中开关分支在每个切换周期的第一部分期间阻断不超过Vo伏，以便在每个切换周期的第一部分期间导致高达Vo电压电平的动态阻断。
根据上述至少一个方面，控制器控制开关分支，使得在每个切换周期的第二部分期间第一开关和第二开关切换到断开状态，从而导致在每个切换周期的第二部分期间静态地阻断高达2*Vo电压电平。
根据上述至少一个方面，控制器控制开关分支，使得在每个切换周期的第二部分期间，第一开关和第二开关切换到断开状态，从而导致在每个切换周期的第二部分期间静态地阻断高达2*Vo电压电平。
根据上述至少一个方面，开关分支包括第一开关、第二开关和第三开关，每个开关都具有Vo伏的额定电压，使得开关分支具有3*Vo伏的额定电压，其中在每个切换周期的第一部分期间第一和第二开关每个都在接通状态和断开状态之间切换并且第三开关维持在接通状态，并且其中开关分支在每个切换周期的第一部分期间阻断不超过2*Vo伏，以便在每个切换周期的第二部分期间导致高达2*Vo电压电平的静态阻断。
根据上述至少一个方面，控制器控制开关分支，使得在每个切换周期的第二部分期间切换第一开关、第二开关和第三开关以处于断开状态，从而导致在每个切换周期的第二部分期间静态阻断高达3*Vo的电压电平。
如上所述，该发明内容仅仅是本文描述的一些特征的概述。它并非详尽无遗，并不是对权利要求的限制。
附图说明
参考以下描述、权利要求和附图，将更好地理解本公开的这些和其他特征、方面和优点。通过示例的方式示出了本公开，并且不限于附图。
图1A和图1B示出了根据至少一个方面的电力***的框图。
图2A示出了根据至少一个方面的逆变器实施方式。
图2B、图2C和图2D示出了根据至少一个方面的图2A中所示的滤波器的实施方式的进一步细节。
图2E示出了根据至少一个方面的逆变器的操作的波形。
图2F示出了根据至少一个方面的逆变器实施方式。
图3A、图3B、图3C是根据至少一个方面的指示电流流动路径的逆变器的图。
图3D示出了根据至少一个方面的功率转换器。
图4示出了根据至少一个方面的用于操作开关的时序图。
具体实施方式
在各种说明性方面的以下描述中，参考了附图，附图形成了本发明的一部分，并且其中通过说明的方式示出了可以实践本公开的各方面的各个方面。应当理解，在不脱离本公开的范围的情况下，可以利用其他方面并且可以进行结构和功能修改。
本发明的特征可以应用于从DC电压到另一不同DC电压或到AC电压的功率转换。这些特征可以包括通过控制转换器开关来组合动态(在'PWM'操作模式期间)和静态(在'断开'操作模式期间)电压阻断和/或使用与主开关并联连接的可能具有有效的开关瞬态特性的辅助开关来减少开关损耗。与主开关并联连接的辅助开关可以帮助将开关损耗从主开关移动到辅助开关的较高侧，而绝大部分电流仍然可以流过主开关。
本文使用的关于下面描述的开关的操作的术语“接通”是指在该时间段期间有效使用开关，使得在该时间段期间，开关保持基本上闭合的电路(即，导通)。本文使用的术语“断开”是关于下面描述的开关的操作，并且指的是在该时间段期间有效使用开关，使得在该时间段期间，开关在该时间段内保持基本上开路(即，不导通并且静态阻断电压)。本文使用的术语“PWM”是关于下面描述的开关的操作。这样，除非另有说明，术语“PWM”指的是开关在一段时间内的有效使用，使得开关以高频率交替地从接通切换到断开，反之亦然。在该时间段期间有效使用开关可以包括开关在该时间段期间以高频率重复地为基本上断开的电路(并且动态地阻断电压)和闭合的电路(并且导通)。
本文说明书中使用的术语“多个”表示具有或涉及若干部分、元件或构件的特性。如本文权利要求部分中所使用的权利要求术语“多个(a plurality of)”得到在说明书中使用的术语“多个(multiple)”和/或其他复数形式的支持。其他复数形式可以包括例如通过添加字母's'或'es'来形成其复数的常规名词，使得例如多个转换器是转换器或者多个开关是开关。
现在参考图1A，其示出了根据至少一个方面的电力***10a的框图。电力***10a包括多个布线配置111。每个布线配置111都可以包括可以连接到相应的电力设备(也未示出)的一个或多个电源(未示出)。例如，电源可以例如是AC电源(例如，风力涡轮机)或源自风力涡轮机、电池组、光伏太阳能电池板、整流交流电(AC)或汽油发电机的DC电源。每个布线配置111可以包括输出端子A和B。布线配置111的端子A和B上的输出可以串联连接以形成布线配置111输出的串联连接，所述布线配置111输出可以连接到链接单元107的输入端子C和D。连接到链接单元107的端子E和F的是多个存储设备106。存储设备106可以是例如电池、飞轮和/或超级电容器。链接单元107的端子E和F的特征可以是链接单元107可以是可配置的，以便允许存储设备106从布线配置111和/或***功率设备209充电和/或经由***存储设备209放电到负载104中。***功率设备209的输入端子P和Q可以连接到链接单元107的端子G和H。***功率设备209的输出端子J和K可以连接到一个负载104和/或多个负载104。根据一个或多个方面的***功率设备209可以是DC到AC逆变器，并且负载104可以是例如AC公用电网。作为另一示例，***功率设备209可以是DC汇流箱，并且负载104可以是连接到AC公用电网的DC到AC逆变器。
现在参考图1B，其示出了根据至少一个方面的电力***10b的框图。除了布线配置111之外，电力***10b可以类似于电力***10a。在电力***10b中，每个布线配置111都可以包括输出端子A和B，由此布线配置111的端子A和B上的输出可以并联连接以形成布线配置111输出的并联连接，所述布线配置111输出可以连接到链接单元107的输入端子C和D。
根据某些方面的链接单元107的特征可以包括可以双向转换功率的功率设备。功率设备(诸如以下描述中描述的功率设备103)的功率转换的第一方向可以是当多个存储设备106获得来源于功率设备的转换功率时。例如，当存储设备106正在充电时，存储设备106可以从功率设备接收转换的功率。功率转换的第二方向可以是当来自存储设备106的功率被功率设备转换以经由***功率设备209供应给负载104时。
现在参考图2A，其示出了根据至少一个方面的逆变器20a。当***功率设备209可以是或包括逆变器时，逆变器20a可以用作图1A或图1B的***功率设备209。开关SC1-SC6中的任何一个可以通过各种固态开关(例如，金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)、双极结型晶体管(BJT)、碳化硅开关(SiC)、氮化镓(GaN)开关、超结晶体管等)来实施。
开关SC1和SC2可以串联连接，形成第一开关分支212。开关SC3和SC4可以串联连接，形成第二开关分支210。开关SC5和SC6可以串联连接，形成第三开关分支211。在具有两个或更多个串联连接的开关的分支中，如果串联连接的开关中的至少一个是“断开”而没有通过开关以及通过体二极管导通，则分支可以是“断开的”。在具有两个或更多个串联连接的开关的分支中，如果所有串联连接的开关都是“接通”且通过开关和/或通过体二极管导通，则分支可以是“接通”。
逆变器20a可以在端子P和Q处具有输入，该输入可以从DC电源或从开关单元107的端子G和H接收DC电压Vdc。DC电源(例如，开关单元107的端子G和H)可以是浮动输入电压(Vdc)，或者端子G和H中的任一个可以连接到地。在下面的描述中，节点N和Np可以被认为连接到中性连接点，该中性连接点在电气***中可以连接到地表或地面。这样，在随后的逆变器20的描述中与中性连接点的连接可以提供双极输出，其在节点A处具有在大致+Vdc除以2(Vdc/2)和大致-Vdc除以2(-Vdc/2)之间交替的峰值AC电压输出。在节点N和Np可能未连接到中性连接点的情况下(例如，其中节点Q可能未连接到参考和/或接地点)，节点A处的输出可以例如在大致+Vdc和大致零之间交替。在这种情况下，中点电压可以是大致+Vdc除以2(Vdc/2)，并且逆变器20的输出可以被认为是单极的。
电容器C1和C2的串联连接可以连接在端子P和Q之间。节点N可以是电容器C1和C2之间的中间连接点。根据本公开的方面，电容器C1和C2可以由具有大致直流(DC)电压的其他元件代替。节点N可以连接到开关SC1的发射极(e)。在双极布置中，节点N可以连接到滤波器22的连接到地表或地面的输入端子(Np)，并且在单极布置中，输入端子Np可以连接到端子Q，输入端子Np不连接到地面或者地球。开关SC1和SC2被示出为绝缘栅双极晶体管(IGBT)，并且开关SC3、SC4、SC5和SC6被示出为n沟道金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。开关SC1、SC2、SC3、SC4、SC5和SC6也可以使用p沟道MOSFET或另一不同的开关类型来实施。开关SC1的集电极(c)可以连接到开关SC2的集电极(c)。开关SC2的发射极(e)可以连接到节点A，节点A可以连接到滤波器22的输入端D。滤波器22在端子J和K上的输出可以连接到负载104的输入。负载104，如前所述，可以例如是公用电网。
开关SC3的漏极(d)可以连接到端子P，并且开关SC3的源极(s)可以连接到开关SC4的漏极(d)。开关SC4的源极可以连接到节点A和开关SC5的漏极(d)。开关SC5的源极可以连接到开关SC6的漏极(d)。开关SC6的源极可以连接到节点Q。
现在参考图2B、图2C和图2D，其示出了根据至少一个方面的滤波器22a、LPF 22b和LPF 22c的相应进一步细节，这些滤波器可以是滤波器22的实施方式或部分实施方式。滤波器22在图2A中被示出为具有输入端子D和Np以及输出端子J和K的双端口网络。或者，滤波器22可以被实施为多端口网络。类似地，滤波器22a、22b和22c可以具有输入端子D和Np以及输出端子J和K，并且还可以被实施为多端口网络。
滤波器22a被示出为电感器L2和电容器C3的串联连接，该串联连接的电感器L2和电容器C3连接在输入端子D/输出端子J和输入端子Np/输出端子K之间。
LPF 22b被示为连接在输入端子D和输出端子J之间的电感器L3。此外，LPF 22b被示出为具有将输入端子Np连接到输出端子K的直通连接。
LPF 22c被示为输入端子D和输出端子J之间的串联连接的电感器L4与电感器L5。电容器C4的一端连接在电感器L4和L5的串联连接之间的点处。电容器C4的另一端连接到将输入端子Np连接到输出端子K的直通连接。根据LPF 22c的变型，可以不包括电感器L5，并且端子J可以直接连接到电感器L4和电容器C4。
通常，图2B、图2C和图2D的滤波器可以级联并且组合在一起以形成滤波器22的其他滤波器实施方式。例如，在滤波器22的实施方式中，LPF 22b可以在滤波器22a之前级联，使得LPF 22b的节点J连接到滤波器22a的节点D。该实施方式还可以包括在滤波器22a之后级联的附加LPF 22b，使得LPF 22b的节点D连接到滤波器22a的节点J。
在下面的描述中，关于开关SC1-SC6的操作和功能描述逆变器20a的操作，其中开关SC1和SC2可以被配置为形成双向开关，例如，通过具有二极管(与开关集成或与开关并联连接)的开关SC1和SC2中的每一个，并且连接两个二极管的阳极或连接两个二极管的阴极，如图2A所示。在以下关于图2A的描述中，可以认为开关SC3、SC4、SC5和SC6执行主开关的作用。开关SC3和SC4可以形成第一主分支，并且开关SC5和SC6可以形成第二主分支。在随后的进一步描述中，根据至少一个方面，可以根据对其他主开关执行辅助作用来描述开关SC3、SC4、SC5和SC6。
通过施加被施加到开关SC1-SC6的栅极(g)的控制信号，可以将DC输入电压(Vdc)转换为特定频率(例如，50Hz或60Hz)的AC电压。控制信号可以由配置成操作开关SC1-SC6的控制器提供。控制器可以是例如数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、微控制器、模拟控制设备或其他控制设备。逆变器20a的拓扑结构可以在逆变器输出(节点A)处提供三个离散电压电平，这三个离散电压电平可以施加到滤波器22的输入端子D和Np。根据双极性输入电压布置(当端子Np大致等于端子N处的电压时)，这三个电压电平可以是大致+Vdc除以2(Vdc/2)，大致-Vdc除以2(-Vdc/2)和大致零(0)伏。这三个电压电平可以对应于逆变器20a的三个操作开关状态。当电压Vdc可以被认为是逆变器20a的双极输入电压时，下面详述三个开关状态的进一步细节。
开关状态1
开关状态1对应于在节点A处大致正电压Vdc除以2(Vdc/2)，来自DC链电压(Vdc)的电流可以流过开关SC3和SB4(开关SC3和SC4接通)持续一段时间，而开关SC1、SC2、SC5和SC6在该时间段内为可能断开。或者，如果开关SC5和SC6中的至少一个被评定为阻断全部DC链电压，则开关SC5或开关SC6之一可以是“接通”，其中包括开关SC5和SC6的开关分支由于开关SC5和SC6中的另一个为“断开”而有效地“断开”。
开关状态2
在开关状态2下，节点D经由开关SC1和SC2连接到节点A。开关SC3、SC4、SC5和SC6可以是“断开”并且第一电流从DC链电压(Vdc)流过开关SC1的体二极管，流过开关SC2(施加'PWM')到节点A，或第二电流在第一电流的相反方向上流过开关SC2的体二极管并且流过开关SC1。根据开关SC1和SC2可以是MOSFET的变型，开关SC1和SC2都可以是“接通”，并且可以不利用经由体二极管的导通。
开关状态3
在开关状态3中，对应于在节点A处的-Vdc除以2(-Vdc/2)，电流可以通过开关SC5和SC6(开关SC5和SC6可以是'接通')持续一段时间，而开关SC1、SC2、SC3和SC4在该时间段内为“断开”。电流可以流过开关SC5并且流过开关SC6，它们来自节点D并且通过节点N(中性)，节点N可以连接到端子Np(中性)。或者，如果开关SC3和SC4中的至少一个被评定为阻断全DC链电压，则开关SC3或开关SC4中的一个可以是“接通”，其中包括开关SC3和SC4的开关分支有效地“断开”，这是由于开关SC3和SC4中的另一个为“断开”。
在逆变器20a的操作中，开关状态1和2可以在切换周期的第一部分期间以高频率(例如，5kHz、10kHz、16kHz、100kHz、200kHz、1MHz或更高)交替，并且开关状态2和3在切换周期的第二部分期间可以以高频率交替。在切换周期的第一部分期间，开关分支210和212可以以“PWM”模式操作(即，开关分支210和212中的每一个在导通和动态地阻断电容器C1两端的电压之间交替)，并且开关分支211可以在“断开”模式下工作，即，静态地阻断电容器C1和C2两端的组合电压。在切换周期的第二部分期间，开关分支211和212可以以“PWM”模式操作(即，开关分支211和212中的每一个在导通和动态地阻断电容器C2两端的电压之间交替)，并且开关分支210可以在“断开”模式下工作，即静态地阻断电容器C1和C2两端的组合电压。例如，对于切换周期的第一部分，可能希望向滤波器22输入以高频交替在Vdc/2和0之间的电压，并且对于切换周期的第二部分，可能希望向滤波器22输入以高频交替在-Vdc/2和0之间的电压。
总之，下面的表1示出了用于开关SC1、SC2、SC3、SC4、SC5和SC6的可能的开关表。
表1
根据一个或多个方面的某些特征和模式，可以颠倒串联连接的开关的单独操作。例如，在开关状态1中，如果SC5为“断开”，则SC6可以是“断开”或“接通”，同时维持包括开关SC5和SC6的开关分支处于“断开”状态。
关于在开关状态1、2和3期间作为切换开关SC1-SC6结果的热量分布，可以颠倒或交换在开关状态1中开关SC3和SC4以及在开关状态3中开关SC5和SC6的作用。例如，在开关状态1中，来自DC链电压(Vdc)的电流流过开关SC3(施加'PWM')持续一段时间，而开关SC4在该时间段内保持大致闭合或'接通'，还可以相反，来自DC链电压(Vdc)的电流可能流过开关SC4(施加'PWM')持续一段时间，而开关SC3在该时间段内保持基本闭合或“接通”。类似地，在开关状态3中，电流可以通过开关SC6(施加'PWM')持续一段时间，而开关SC5在该时间段内保持基本闭合或“接通”。可能需要(例如，减少特定开关上的磨损)交换作用，即，在第一低频半周期期间，开关SC3可以在PWM模式下操作并且开关SC4可以在该时间段内“接通”，并且在下一个、第二个低频半周期期间，作用可以颠倒，其中SC4＝在PWM模式下操作并且开关SC3在该时间段内可以是“接通”。
总之，三个开关状态可以呈现在节点A处提供的三个离散电压电平(+Vdc/2、0v和-Vdc/2)。施加到滤波器22的输入的节点A处的AC电压的滤波结果出现在滤波器22的输出的端子J和K上。实际上，滤波器22可以减小节点A处的电压的高频分量的幅度，以在端子J和K上实现AC电压，这例如更像是类似于公用电网上提供的正弦波。
在替代布置中，逆变器20a可以由具有连接到端子Q的Np的DC/DC转换器代替。在该布置中，端子D和Np之间的电压输出是DC电压，并且负载104可以是DC负载(例如，电池或另一不同类型的DC负载)。在这种情况下，开关分支212可以具有仅单个开关(SC2)，因为开关分支212的双向有源切换可能不是必需的。
现在参考图2E，其示出了根据至少一个方面的与操作逆变器20a相关联的波形。功率逆变器可用于产生来自直流(DC)源的交流(AC)波形，直流源诸如布线配置111或布线配置111和/或存储设备106的不同互连，如上面参考图1A和1B所述。通过使用滤波器22对在节点A处产生的电压进行滤波来导出AC波形。由于在上面描述的并且在表1中总结的三个开关状态中的每一个中的开关SC1-SC6的操作期间将控制信号施加到开关SC1-SC6的栅极(g)的影响，可能需要在节点A处产生滤波电压。逆变器20a可以由响应于如图2E所示的作为参考波形24的参考波形的控制信号控制，参考波形24是用虚线绘制的正弦波。例如，参考波形也可以是三角波形。或者，可以使用频率调制或包括可变脉冲宽度和频率的控制信号。因此，在期望频率和大致Vdc的峰峰值幅度方面，参考波形24也可以表示在端子J和K上的期望AC正弦波输出。通过操作开关SC1-SC6产生节点A处的电压以跟踪图2E中的波形24。控制逆变器20a的控制信号被示出为TR1、TR2、TR3、TR4和TR5，它们分别对应于施加到开关SC1/SC2、SC3，SC4、SC5和SC6的栅极的控制信号。施加到开关SC1/SC2、SC3、SC4、SC5和SC6的栅极的控制信号是施加到开关SC1/SC2、SC3、SC4、SC5和SC6的栅极的脉冲宽度调制的示例，用于跟踪波形24。
施加到逆变器20a的栅极(g)的控制信号的示例可以是响应于参考AC波形24相对于连接到公用电网或独立电网的滤波器22的脉宽调制(PWM)信号的应用：公用电网和/或独立电网所需的电压和电流幅度、频率、相位平衡、基于频率的功率降低、无功功率控制、逆变器重新连接条件、总谐波失真水平、功率因数和输出功率控制。也可能需要考虑电网转换器的其他国际标准，并且可能包括例如考虑；德国低压电网规范VDE-AR-N-4105(LVGC)，IEEE929-2000：光伏(PV)***实用接口的推荐规范，IEC 61727；“光伏(PV)***的实用接口的特性”；国际电工委员会，IEC 61727,2002和EN61000-3-2-A电流谐波标准。
逆变器20a的操作
逆变器20a可以是中性点钳位(NPC)逆变器。在正常操作中，换向路径可以包括包括开关SC3和SC4的第一分支的外部换向路径和由开关SC1和SC2组成的双向开关的内部换向路径。换向路径还可以包括开关SC5和SC6的外部换向路径。根据下面进一步详细描述的模式，双向开关可以允许电流在彼此相反的两个方向上流动。双向开关的双向特性可以是使用SC2和开关SC1的体二极管或开关SC1和开关SC2的体二极管，以便电流能够在彼此相反的两个方向上流动。
控制信号TR1可以施加到分支210。当信号TR1被示为“高”时，分支210通过开关SC1接通并且开关SC2的体二极管导通或通过开关接通SC2接通并且开关SC1的体二极管导通而处于“接通”。可以将控制信号TR2施加到开关SC3，其中当信号TR2为“高”时，开关SC3为“接通”，而当TR2为“低”时，开关SC4为“断开”。在时间段220期间，可以观察到TR2在高频下在“高”和“低”之间切换，指示开关SC3正在“PWM”开关状态下操作。类似地，在时间段230期间，可以观察到开关TR2仅为“低”，表示开关SC3正在“断开”开关状态下操作。类似地，控制信号TR3-TR5可以分别应用于开关SC4-SC6。
模式1
在操作模式1中(例如，在如图2E所示的时间段220期间)，输出电压VA以高频率在0V和Vdc/2之间变化，电流I1为正，并且电流I1流向节点D。使用开关SC2和开关SC1的体二极管，换向在具有开关SC3/SC4的分支210和具有双向开关的分支212之间来回。在操作模式1中，电流交替地流过分支210并且流过分支212。分支210和212每个都可以在开关状态'PWM'下操作，当分支210接通时，分支212断开(静态阻断至少Vdc的全电压)，反之亦然。当分支210接通时，开关SC3和SC4都处于开关状态“接通”，并且开关SC1和SC2都可以处于开关状态“断开”。当分支212在操作模式1中断开时，开关SC3和SC4的第一开关(例如，SC4)可以处于开关状态“接通”，并且第二开关(例如，SC3)可以处于开关状态“断开”，动态地阻断高达至少达到Vdc/2的电压。开关SC3和SC4每个可以被额定设为承受至少Vdc/2的电压，并且开关SC3和SC4可以共同承受施加在端子P和Q之间的Vdc的电压。电流I1交替地从节点P经由开关SC3流出('PWM'施加)/SC4('接通')到节点D，并且当开关SC3/SC4中的一个为“断开”时，电流换向到内部开关SC2和开关SC1的体二极管(开关状态2)，使得电流I1现在从节点N通过SC2(施加'PWM')和开关SC1的体二极管流向节点D。一旦开关SC3/SC4处于开关状态1，开关SC1的体二极管就可以阻断电压VA，因此避免节点P和N/电容器C1两端的直流链电压(Vdc)的上半部分短路。在操作模式1中，开关SC5和SC6都可以是断开的，并且开关SC5和SC6可以各自被额定设为承受至少Vdc/2的电压，使得当开关SC5和SC6都断开时，分支211可以承受至少Vdc的电压。
模式2
在操作模式2中(如时间段230所示)，输出电流I1仍为正，而电压VA在0V和-Vdc/2之间交替。电流I1在分支212和分支211之间来回换向。开关SC3和SC4都可以断开。在操作模式2中，电流交替地流过分支211并且流过分支212。分支211和212各自可以在开关状态'PWM'下操作，当分支211接通时，分支212断开，反之亦然。当分支211接通时，开关SC5和SC6都处于开关状态“接通”，并且开关SC1和SC2都可以处于开关状态“断开”。当分支212在操作模式2中断开时，开关SC5和SC6的第一开关(例如，SC5)可以处于开关状态“接通”，并且第二开关(例如，SC6)可以处于开关状态“断开”。可以观察到控制信号TR5在“高”和“低”之间以高频交替，指示开关SC6正在开关状态“PWM”中操作。在操作模式2中，开关SC3和SC4都可以是断开的，并且开关SC3和SC4可以各自被额定设为承受至少Vdc/2的电压，使得当开关SC3和SC4都断开时，分支210可以承受至少Vdc的电压。
模式3
在操作模式3中，电流I1经由开关SC1(“接通”)和开关SC2的体二极管在分支211和分支212之间来回换向。电流I1从节点A流到节点Q的直流链电压(Vdc)，开关SC5(施加'PWM')/SC6('接通')，电流I1可以是负的，电压VA在0V和-Vdc/2之间交替。通过开关SC5(施加'PWM')/SC6('接通')(开关状态3)切换，开关SC2的体二极管阻断电压VA并且避免使节点N和Q/电容器C2两端的直流链电压(Vdc)的负半侧短路。
模式4
在操作模式4中，电流I1为负的，而电压VA可以在0V和Vdc/2之间交替。电流I1可以在分支212(经由开关SC1/开关SC2的体二极管)和分支210(经由开关SC3/SC4(“断开”)的体二极管或通过将开关SC3和/或SC4接通)之间来回换向。
仍然参考图2E，可以观察到控制信号TR3和TR4在一段时间内(例如，220或230)连续地“高”或者在一段时间内连续地“低”，指示开关SC4和SC5与开关SC3和SC6(由控制信号TR2和TR5控制)相比以低频(例如，50Hz或60Hz)切换。图2E的图示仅是说明性的，而控制信号TR5和TR2被示为切换大约20次，与控制信号TR3和TR4一样快。实际上，控制信号TR5和TR2的切换可以比控制信号TR3和TR4快100倍、1000倍或甚至20000倍。
根据至少一个方面，两个串联连接的开关可以在不同的时间段具有相反的作用。例如，在第一时间段220期间，开关SC3可以接通，并且开关SC4可以以PWM模式操作(交替地导通并且动态地阻断至少Vdc/2的电压)，并且在第二时间段220期间(例如，20毫秒之后，对应于50Hz的频率)，开关SC4可以接通，并且开关SC3可以以PWM模式操作。以这种方式，可以在电路板上的不同位置处产生由高频切换引起的热量，并且可以改善整体散热。
根据至少一个方面，分支210中的一个开关可以是IGBT(而不是如图所示的MOSFET)，并且分支211中的一个开关可以是IGBT(而不是如图所示的MOSFET)。与MOSFET相比，IGBT可以提供更低的导通损耗，但是可能遭受较差的开关特性(例如，较高的开关损耗)。通过使用以低频切换的IGBT来实施开关SC4和SC5(如图2E中的控制信号TR3和TR4所示)，可以获得分支210和211处的减小的传导损耗。
以图2E所示的方式操作开关SC3-SC6可以提供某些益处。例如，与其中所有四个开关以高频率切换的操作相比，可以显著减少开关损耗(和产生的热量)。作为另一个潜在的益处，开关SC3-SC6中的每个开关可以被额定设为承受仅Vdc/2的下降电压。
现在参考图2F，其示出了根据至少一个方面的逆变器20b。逆变器20b类似于逆变器20a，其中开关分支218代替图2A的分支210并且开关分支219代替图2A的分支211。开关分支218可包括开关SC3和开关SC40......SC4n。开关SC3可以与关于图2A和图2E所描述的那样类似地操作。图2E的控制信号TR2可以应用于开关SC3。开关SC40......SC4n可以共同代替图2A的开关SC4。类似地，开关SC6可以与关于图2A和图2E所描述的那样类似地操作。图2E的控制信号TR5可以应用于开关SC5。开关SC50......S54n可以共同代替图2A的开关SC5。
开关SC3和SC6可以被额定设为可以承受至少Vdc/2的电压。开关SC40......SC4n可以各自被额定设为承受至少Vdc/2n的电压，其中n是组SC40...SC4n中的开关的数量。图2E的控制信号Tr3可以应用于开关SC40......SC4n。类似地，开关SC50......SC5n各自可以被额定设为承受至少Vdc/2n的电压，其中n是组SC50...SC5n中的开关的数量，并且图2E的控制信号Tr4可以应用于开关SC50...SC5n。
用开关SC40......SC4n代替开关SC4可以提供某些优点。例如，在图2A中使用被额定设计为承受900V且具有100mΩ的电导电阻的MOSFET实现开关SC4的情况下，开关SC40......SC4n可以是六个开关(例如，MOSFET)，每个开关被额定设为承受约150V并且具有约3mΩ的电导电阻(Rds,on)，导致总电导电阻约为20mΩ(这可以显著降低开关SC40......SC4n两端的电导损耗)。当用多个串联开关替换单个开关时，可以获得较低的总电导电阻(由于额定电压与Rds,on之间的非线性关系)，但在某些布置中，必须小心(并且可能增加成本)以确保多个串联连接的开关的同步切换，以避免其中单个开关处于断开状态而阻断大于单个开关的额定电压的电压的情况。在图2F的布置中，当开关SC3断开和/或当分支212接通时，可以切换开关SC40......SC4n，从而降低了开关SC40......SC4n上的过电压的风险。类似地，当开关SC6断开和/或当分支212接通时，可以切换开关SC50......SC5n，从而降低了开关SC50......SC5n上的过电压的风险。
作为另一个数字示例，开关SC40......SC4n可以是九十个开关，每个开关额定设为承受10V，并且共同额定设为承受900V。开关SC40...SC4n可能不相同；可以使用加起来等于所需总电压额定值的电压额定值的任何组合，这可以在设计和潜在的成本降低方面提供很大的灵活性。
现在参考图3A、图3B和图3C，其示出了根据至少一个方面的逆变器20c。除了关于端子P和Q两端的电压Vdc的连接以及主开关SC7和SC8与辅助开关SC3、SC4和SC5、SC6的使用之外，逆变器20c与逆变器20a相同。电压Vdc的连接是DC电压源Vdc1和Vdc2的串联连接，其中电压源Vdc1和Vdc2之间的连接通过链路30连接到节点N。或者，可以移除链路30并且根据以上关于图2A的描述将Vdc施加到端子P和Q。连接到节点N的电压源Vdc1和Vdc2之间的连接的示例可以是当电压源Vdc1和Vdc2由提供相应电压Vdc1和Vdc2的光伏面板的串联连接提供时。
如图所示，开关SC3-SC6可以是MOSFET，并且开关SC7和SC8可以是不同类型的开关，例如IGBT、SiC或GaN开关。
图3A、图3B和图3C对应于逆变器20c的三个开关操作状态，以在节点A处提供对应于Vdc/2、0v和-Vdc/2的三电平输出。当***功率设备209可以是或包括逆变器时，逆变器20c可以用作***功率设备209。根据本文描述的一个或多个方面，开关SC3、SC4和开关SC5、SC6的作用可以是辅助作用，并且可以分别用于减轻主开关SC7和SC8的传导损耗。因此，开关SC3、SC4和以下描述中的开关SC5、SC6被称为辅助开关。在主开关SC7和SC8可以被实施为IGBT的情况下，与例如MOSFET的开关速度相比，IGBT的可能缺点可能是它们的开关速度较慢。主开关SC7和SC8的开关损耗的减小可以使得主开关SC7和SC8本身被额定设为阻断全DC链电压Vdc，并且在'PWM'模式下运行时可以以DC链电压的一半(±Vdc/2)换向。对辅助开关SC3、SC4、SC5和SC6的使用可用于补偿主开关SC7和SC8的可能导通损耗，以及补偿由于对更高直流链电压(Vdc)的需求增加的主开关SC7和SC8可能增加的开关损耗。
主开关SC7可以基本上与开关SC3和SC4之一串联地切换。例如，在SC3在图2E的时间段220内被PWM切换的情况下，主开关SC7可以基本上与开关SC4同时切换。如下面将更详细地讨论的(见图4)，当串联切换SC3和SC7时可以***轻微的延迟，以为开关SC7提供零电压切换条件。在一些方面，这种轻微延迟可以对应于1微秒和10微秒之间的值。
根据一个或多个方面，现在再次参考图3A、图3B、图3C和图2E。图3A、图3B、图3C包括灰线的标记区域，以指示换向路径。换向路径可以包括：外部换向路径通过分支215，其具有主开关SC7和辅助开关SC3/SC4；以及内部换向路径通过分支212，其具有由开关SC1和SC2组成的双向开关。换向路径还可以包括外部换向路径通过分支216，其具有主开关SC8和辅助开关SC5/SC6。双向开关允许根据下面进一步详细描述的模式使电流在彼此相反的两个方向上流动。双向开关的双向性质可以是使用SC2和开关SC1的体二极管或开关SC1和开关SC2的体二极管，以便能够使电流在彼此相反的两个方向上流动。
返回参考图2E，控制逆变器20c的控制信号被示出为TR1、TR2、TR3、TR4和TR5，这些控制信号分别对应于施加到开关SC1/SC2、SC7/SC3、SC4、SC5和SC6/SC8的栅极的控制信号。
在随后的描述中，分支215和主开关分支216之间可能没有换向。因此，图3A、图3B、图3C可以类似地具有与施加到逆变器20a的栅极(g)的控制信号相对应的类似的控制信号。控制信号可以是响应于如图2E所示的参考AC波形24的脉冲宽度调制(PWM)信号的应用。这样，在节点A连接到滤波器22的输入并且滤波器22的输出连接到公用电网和/或负载(诸如例如AC发动机)的情况下，可以控制逆变器20c以实现：公用电网和/或负载所需的期望的电压和电流幅度，频率，相位平衡，基于频率的功率降低，无功功率控制，逆变器重新连接条件，总谐波失真水平，功率因数和输出功率控制。或者，可以使用频率调制或包括可变脉冲宽度和频率的控制信号。
逆变器20c的操作
在正常操作中，换向路径可以包括：第一外部换向路径通过分支215，其具有主开关SC7/辅助开关SC3/SC4；和内部换向路径通过分支212，其具有由开关SC1和SC2组成的双向开关。换向路径还可包括：第二外换向路径通过分支216，其具有主开关SC8/辅助开关SC5/SC6；以及通过分支212，其具有双向开关。
可以注意到，在本文的元件之间阐述了各种连接。这些连接是一般描述，除非另有说明，否则可以是直接或间接的；在这方面，本说明书可能不是限制性的。此外，一个方面的元素可以以适当的组合或子组合与来自其他方面的元素组合。
在上面参考图2A描述的示例中，开关SC3、SC4、SC5和SC6用作逆变器20a中的主开关。在通过将PWM施加到一个开关持续一段时间而接通一个开关(例如，开关SC3)的情况下，而另一个开关(例如，开关SC4)在该时间段内保持“接通”。由于两个开关串联连接并且在开关状态1下操作，因此在开关SC3接通之前开关SC4为“接通”，而在开关SC4“断开”之前开关SC3“断开”，开关SC3两端的电压(“PWM”施加)减半，因此开关损耗减小，并且也可以消除试图控制开关SC3和SC4都接通的问题。然后可以进一步将优点——较低开关损耗和对试图控制开关SC3和SC4两者都“接通”的可能——问题的简化控制添加到逆变器20c的附加特征。
辅助开关SC3、SC4和SC5、SC6可以分别并联连接到主开关SC7和SC8，这可以帮助将开关损耗从主开关SC7和SC8移开。开关损耗可以移动到辅助开关SC3、SC5的较高侧，而绝大部分电流仍然可以流过主开关SC7和SC8。通常，关于图3A、图3B和图3C，两个辅助开关可以串联连接并且串联连接连接在主开关上。主开关的切换可以通过将PWM施加到主开关和一个辅助开关一段时间，而另一个辅助开关在该时间段内保持“接通”。或者，三个辅助开关可以串联布线，其中主开关的切换是通过将PWM施加到主开关和一个辅助开关持续一段时间，其中其它两个辅助开关在该时间段内保持“接通”。
现在参考图3D，其示出了根据本公开的方面的功率转换器20d。功率转换器20d的特征在于包括串联连接到串联开关电路242的混合开关电路241的第一开关分支240。混合开关电路241可以以与图3A的开关SC3、SC4和SC7相同或类似的方式布置，并且串联开关电路242可以包括开关(例如，MOSFET)的串联连接，类似于图2F的开关SC40......SC4n或者与图2F的开关SC40......SC4n相同。功率转换器20d还可以具有第二开关分支250，该第二开关分支250包括串联连接到串联开关电路252的混合开关电路251。混合开关电路251可以以与图3A的开关SC5、SC6和SC8相同或类似的方式布置。并且串联开关电路252可以包括开关(例如，MOSFET)的串联连接。
第一开关分支240可以交替在断开操作模式(例如，其中开关分支240静态地阻断全输入DC电压持续大约一半的低频时间段，例如，持续对应于50Hz频率的20ms时间段中的大约10ms)和PWM操作模式(其中开关分支在高频率下在(i)动态地阻断输入DC电压的一半和(ii)导通之间交替)。当处于断开操作模式时，开关分支240中的所有开关可以断开。当处于PWM操作模式时，串联开关电路242可以接通，并且混合开关电路241可以在接通和断开之间(以高频率)交替(动态地阻断输入DC电压的大约一半)。当处于PWM操作模式时，混合开关电路241可以利用第一开关(例如，IGBT)作为主开关，并且使用一个或多个附加开关(例如，MOSFET)作为辅助开关以减小传导损耗。
第二开关分支250可以以与第一开关分支240类似但互补的方式构造和操作。
现在参考图4，其示出了用于操作混合开关电路的时序图，混合开关电路例如是图3A的具有开关SC3、SC4和SC7的分支215，和/或图3D的混合开关电路241和251。时序图400示出了可以施加到图3A的开关SC3、SC4和SC7的栅极电压信号。时序图400示出了辅助开关栅极信号401和主开关栅极信号402。主开关可以是例如图3A的开关SC7，辅助开关可以是例如图3A的开关SC3(其中开关SC4可以以低频率切换)或者图3A的开关SC4(其中开关SC3可以以低频率切换)。主开关和辅助开关可以如下操作：
a.当从断开切换到接通时，辅助开关(例如，SC3)可以接通(并且图3A的开关SC4可以连续接通)，传导电流并且降低主开关两端的电压。
b.在适当的短延迟(例如，几微秒或几十微秒)之后，主开关可以接通并使辅助开关短路，从而为主电流提供明显更低的传导路径。如果主开关具有比辅助开关本质上更大的开关延迟，则操作主开关和辅助开关的控制器可能不会***任何延迟。
c.在所需的接通时间之后，可以断开主开关并且电流可以换向回到辅助开关。
d.在适当的短延迟之后，可以断开辅助开关并且其漏极-源极电压可以升高。
与单个主开关和/或单个辅助开关相比，将串联连接的两个或三个辅助开关布设在一个主开关和/或串联连接和操作的多个主开关两端的益处可以是：借助于串联连接，辅助开关的操作(即，阻断)电压需求可以相应地减少一半或三分之一。降低的电压可以降低开关的传导损耗。与例如开关状态1、2和3的一个主开关和/或一个辅助开关相比，由于实施开关状态1、2和3的主开关和/或辅助开关的串联连接的总成本，操作电压的降低可以降低逆变器的制造成本。
上面的描述已经示出了单相逆变器，但是开关的相同使用也可以应用于类似的三相逆变器电路实施方式。可以将相同的开关使用应用于针对三相和单相逆变器的其他中性点钳位逆变器拓扑。对开关的相同使用也可以类似地应用于各种类型的多电平逆变器。
第1条：一种装置，包括：
第一开关分支，其连接在第一输入端子和第一输出端子之间，所述第一开关分支包括多个串联连接的开关；
第二开关分支，其连接在第二输入端子和所述第一输出端子之间，所述第二开关分支包括多个串联连接的开关；
第三开关分支，其连接在输入电压中点和所述第一输出端子之间；和
控制器，其被配置为控制所述第一开关分支、所述第二开关分支和所述第三开关分支，其中所述控制器被配置为在第一时间段禁用所述第二开关分支并且在所述第一时间段期间交替地启用所述第一开关分支和所述第三开关分支，并且被配置为在第二时间段禁用所述第一开关分支，且被配置为在所述第二时间段期间交替地启用所述第二分支和所述第三分支。
第2条：根据第1条所述的装置，其中所述第一开关分支和所述第二开关分支各自包括多个串联连接的金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。
第3条：根据第1条所述的装置，其中所述第一开关分支和所述第二开关分支各自包括至少一个MOSFET和至少一个绝缘栅双极晶体管(IGBT)。
第4条：根据第2条所述的装置，其中所述第三开关分支包括多个串联连接的IGBT。
第5条：根据第2条所述的装置，其中所述控制器被配置为以第一频率操作所述第一开关分支的第一MOSFET并且以低于所述第一频率的第二频率操作所述第一开关分支的第二MOSFET。
第6条：根据第3条所述的装置，其中所述控制器被配置为以第一频率操作所述第一开关分支的至少一个MOSFET并且被配置为以低于所述第一频率的第二频率操作所述第一开关分支的至少一个IGBT。
第7条：根据第1条所述的装置，其中所述第一开关分支还包括并联开关，所述并联开关并联连接到所述多个串联连接的开关中的至少一个。
第8条：根据第7条所述的装置，其中所述并联开关是IGBT。
第9条：根据第1条所述的装置，还包括连接在所述第一输入端子和所述输入电压中点之间的第一电容器和连接在所述第二输入端和所述输入电压中点之间的第二电容器，并且所述第一开关分支和所述第二开关分支中的每一个都被额定设为静态地阻断所述第一电容器和所述第二电容器两端的总电压。
第10条：根据第9条所述的装置，其中所述第一开关分支被额定设为动态地阻断所述第一电容器两端的电压，并且所述第二开关分支被额定设为动态地阻断所述第二电容器两端的电压。
第11条：根据第6条所述的装置，其中所述第二频率是电网频率。
第12条：一种方法，包括：
由控制器控制第一开关分支、第二开关分支和第三开关分支以跟踪周期性参考波形，其中每个开关分支包括多个串联连接的开关，
其中所述控制包括：
在所述周期性参考波形的第一半周期期间，控制所述第一开关分支和所述第三开关分支交替启用和禁用，并且控制所述第二开关分支在所述周期性参考波形的第一半周期内禁用；和
在周期性参考波形的第二半周期期间，控制所述第二开关分支和所述第三开关分支交替地启用和禁用，并且控制所述第三开关分支在所述周期性参考波形的第二半周期内被禁用。
第13条：根据第12条所述的方法，其中交替地启用和禁用第一开关分支包括将所述第一开关分支的第一开关控制为接通并且将所述第一开关分支的第二开关控制为交替地接通和断开。
第14条：根据第13条所述的方法，其中控制开关分支在半周期内被禁用包括在半周期内控制所述开关分支中的所有开关为断开。
第15条：根据第13条所述的方法，其中启用和禁用所述第一开关分支还包括控制所述第一开关分支的第三开关交替地接通和断开，其中所述第三开关基本上与所述第二开关串联控制，并且其中所述第三开关并联连接到所述第一开关和所述第二开关的串联连接，或仅连接到所述第二开关。
第16条：一种用于转换器的开关电路，包括：
多个开关，其串联连接以形成开关分支；和
控制器，其被配置为使得所述开关分支在接通状态与断开状态之间交替，其中在所述开关分支的接通状态中，在所述开关电路的每个切换周期的第一部分期间，包括所述开关分支的多个开关中的至少一个被维持在接通状态，并且包括所述开关分支的多个开关中的至少一个在接通状态和断开状态之间切换；在所述开关分支的断开状态中，在所述开关电路的每个切换周期的第二部分期间，包括开关分支的多个开关中的每一个都维持在断开状态。
第17条：根据第16条所述的用于转换器的开关电路，其中所述开关分支包括第一开关和第二开关，每个开关都具有Vo伏的额定电压，使得所述开关分支具有2*Vo伏的额定电压，其中控制器控制所述开关分支，使得在每个切换周期的第一部分期间所述第一开关在接通状态和断开状态之间切换并且所述第二开关被维持在接通状态，并且其中所述开关分支在每个切换周期的第一部分期间阻断不超过Vo伏，以便在每个切换周期的第一部分期间导致高达Vo电压电平的动态阻断。
第18条：根据第17条所述的用于转换器的开关电路，其中所述控制器控制所述开关分支，使得在每个切换周期的第二部分期间所述第一开关和所述第二开关被切换到处于断开状态，从而导致在每个切换周期的第二部分期间静态地阻断高达2*Vo电压电平。
第19条：根据第16条所述的用于转换器的开关电路，其中所述开关分支包括第一开关、第二开关和第三开关，每个开关都具有Vo伏的额定电压，使得所述开关分支具有3*Vo伏的额定电压，其中在每个切换周期的第一部分期间所述第一开关和第二开关各自在接通状态和断开状态之间切换，并且所述第三开关维持在接通状态，并且其中所述开关分支在每个切换周期的第一部分期间阻断不超过2*Vo伏，以便在每个切换周期的第二部分期间导致高达2*Vo电压电平的静态阻断。
第20条：根据第19条所述的用于转换器的开关电路，其中所述控制器控制所述开关分支，使得所述第一开关、所述第二开关和所述第三开关在每个切换周期的第二部分期间切换到断开状态，以便在每个切换周期的第二部分期间导致静态阻断高达3*Vo电压电平。

Claims (15)

1.一种用于功率设备的装置，包括：
第一开关分支，其连接在第一输入端子和第一输出端子之间，所述第一开关分支包括多个第一串联连接的开关；
第二开关分支，其连接在第二输入端子和所述第一输出端子之间，所述第二开关分支包括多个第二串联连接的开关；
第三开关分支，其连接在输入电压中点和所述第一输出端子之间；和
控制器，其被配置：
在第一时间段期间禁用所述第二开关分支并且在所述第一时间段期间交替地启用所述第一开关分支和所述第三开关分支；并且
在第二时间段期间禁用所述第一开关分支并且在所述第二时间段期间交替地启用所述第二开关分支和所述第三开关分支。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述多个第一串联连接的开关和所述多个第二串联连接的开关各自包括多个串联连接的金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET。
3.根据权利要求1所述的装置，其中所述第一开关分支和所述第二开关分支各自包括至少一个金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET和至少一个绝缘栅双极晶体管IGBT。
4.根据权利要求2所述的装置，其中所述第三开关分支包括多个串联连接的IGBT。
5.根据权利要求2所述的装置，其中所述控制器还被配置为：以第一频率操作在所述第一开关分支中的多个串联连接的MOSFET中的第一MOSFET，并且以低于所述第一频率的第二频率操作在所述第一开关分支中的多个串联连接的MOSFET中的第二MOSFET。
6.根据权利要求3所述的装置，其中所述控制器还被配置为：以第一频率操作所述第一开关分支的至少一个MOSFET，并且以低于所述第一频率的第二频率操作所述第一开关分支的至少一个IGBT。
7.根据权利要求1所述的装置，其中所述第一开关分支还包括并联开关，所述并联开关并联连接到所述多个第一串联连接的开关中的至少一个。
8.根据权利要求7所述的装置，其中所述并联开关是IGBT，其中所述控制器还被配置为：
在所述第一时间段期间禁用所述第二开关分支并且在所述第一时间段期间交替地启用所述第一开关分支和所述第三开关分支以使得：
在所述第一时间段的至少第一部分期间，当所述第三开关分支中的多个第三串联连接的开关断开时，所述多个第一串联连接的开关接通，并且
在所述第一时间段的至少第二部分期间，当所述多个第三串联连接的开关接通时，所述多个第一串联连接的开关断开；以及
在所述第二时间段期间禁用所述第一开关分支并且在所述第二时间段期间交替地启用所述第二开关分支和所述第三开关分支以使得：
在所述第二时间段的至少第一部分期间，当所述多个第三串联连接的开关断开时，所述多个第二串联连接的开关接通，并且
在所述第二时间段的至少第二部分期间，当所述多个第三串联连接的开关接通时，所述多个第二串联连接的开关断开。
9.根据权利要求1所述的装置，还包括：
连接在所述第一输入端子和所述输入电压中点之间的第一电容器，和
连接在所述第二输入端和所述输入电压中点之间的第二电容器，
其中，所述第一开关分支和所述第二开关分支中的每一个被额定设为静态地阻断跨所述第一电容器和所述第二电容器的总电压。
10.根据权利要求9所述的装置，其中所述第一开关分支被额定设为动态地阻断跨所述第一电容器的电压，并且
其中，所述第二开关分支被额定设为动态地阻断跨所述第二电容器的电压。
11.根据权利要求6所述的装置，其中所述第二频率是电网频率。
12.一种用于功率设备的方法，包括：
由控制器控制第一开关分支、第二开关分支和第三开关分支以跟踪周期性参考波形，其中所述第一开关分支、所述第二开关分支和所述第三开关分支中的每个开关分支包括多个串联连接的开关，
其中所述控制包括：
控制所述第一开关分支和所述第三开关分支在所述周期性参考波形的第一半周期期间交替地被启用和被禁用，并且控制所述第二开关分支在所述周期性参考波形的所述第一半周期期间被禁用；和
控制所述第二开关分支和所述第三开关分支在所述周期性参考波形的第二半周期期间交替地被启用和被禁用，并且控制所述第三开关分支在所述周期性参考波形的所述第二半周期期间被禁用。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，交替地启用和禁用所述第一开关分支包括：将所述第一开关分支的第一开关控制为接通，并且将所述第一开关分支的第二开关控制为交替地接通和断开。
14.根据权利要求12所述的方法，其中控制所述第二开关分支在第一半周期期间被禁用包括在所述第一半周期期间将所述第二开关分支中的多个串联连接的开关控制为断开，并且
其中，控制所述第三开关分支在所述第二半周期期间被禁用包括在所述第二半周期期间将所述第三开关分支中的多个串联连接的开关控制为断开。
15.根据权利要求13所述的方法，其中控制所述第一开关分支交替地被启用和被禁用包括将所述第一开关分支的第三开关控制为交替地接通和断开，
其中，所述第三开关与所述第二开关串联地被控制，并且
其中，所述第三开关并联连接到下列中的一个：(i)所述第一开关和所述第二开关的串联连接，或(ii)所述第二开关。
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