[发明专利]用于高速机器应用的高频中压驱动系统

说明书

一方面，一种中压功率转换器包括多个片段，每个具有：变压器，其包括：多个初级绕组以联接到输入功率的公用电源，以及多个次级绕组；以及联接到多个次级绕组的多个供电柜，多个供电柜中的每个包括低频前端级、DC链路和高频碳化硅(SiC)逆变器级，以联接到频率负载或高速机器。

本发明是以政府支持在由能源部授予的批准号DE-EE0007254下完成的。政府对本发明有一定权利。

背景技术

典型的中压(MV)功率转换器或所谓的驱动系统由基于硅的拓扑结构(topology)形成。此系统不能满足为改善整体系统性能和成本由各个行业要求的高级要求。特定的系统挑战包括比当前可用的(例如，直至1000赫兹(Hz)用于直接驱动应用)高性能MV驱动器更高的基本频率操作，以处理中等功率范围(例如，直至20兆瓦(MW))内的功率需求，转换器系统整体效率好于97％，并降低了体积功率密度和占用空间，以改善系统功率密度和成本。当前的系统不能够进行此操作。

相反，基于硅装置的传统的多兆瓦和多级中压功率转换器技术在0-120Hz的基本频率、600Hz开关和直至95％的效率范围内操作。由于较高的开关损耗会导致系统刚性降额、急剧的系统效率和功率密度降低，因此禁止在较高的基础频率下操作。

发明内容

一方面，一种中压功率转换器包括多个片段(slice，有时也称为位片)，每个具有：变压器，其包括：联接到输入功率的公用电源的多个初级绕组，以及多个次级绕组；以及联接到多个次级绕组的多个供电柜(power cube)，多个供电柜中的每个包括低频前端级、DC链路和高频碳化硅(SiC)逆变器级，以联接到高频负载或高速机器。

在一个实施例中，中压功率转换器还包括一个或多个传感器，其联接到中压功率转换器的输入以获得传感器信息。中压功率转换器还可包括断路器系统，该断路器系统联接在输入功率的公用电源和中压功率转换器之间。断路器系统可至少部分地基于传感器信息来主动地将中压功率转换器与输入功率的公用电源连接或断开。中压功率转换器还可包括电网接口控制器和公用电网系统，所述电网接口控制器存储并提供对联接到高速机械负载的高速电机的支持功能。高频负载可为高速机器，以在500-1000赫兹之间的频率下操作，在其处输入功率的公用电源在50/60赫兹的频率下操作。低频前端级可为基于SiC的主动前端级。多个供电柜中的每个均包括具有朝供电柜的第一面移位的多个AC汇流条的封壳。DC链路的DC总线可具有朝供电柜的第二面移位的叠层构造，该叠层构造具有第一水平部分，该第一水平部分具有直接穿过其形成的栅极驱动器开口。DC总线还可包括从第一水平部分垂直偏移的第二水平部分。第二水平部分可联接到多个电容器，其可具有大约在7.6-11.4毫法拉之间的量级的电容。第一水平部分可包括：多个AC总线间隙，通过所述多个AC总线间隙多个AC总线可联接到至少一个SiC装置；以及多个栅极驱动器接口，通过该多个栅极驱动器接口，适配用于栅极驱动信号的通信的互连件(interconnect)。

另一方面，一种中压功率转换器包括：多个片段，每个具有变压器，该变压器包括联接到第一频率下的公用设施的公共联接点的多个初级绕组和分别联接到片段的多个供电柜中的每个的多个次级绕组，多个供电柜中的每个包括绝缘栅双极晶体管(IGBT)主动前端级、DC链路和SiC后端级以联接到第二频率下的负载，第二频率大于第一频率。

在一个实施例中，当存在电源而不是负载时，SiC后端级可操作为整流器(rectifier)，且IGBT主动前端级可操纵为逆变器(inverter)，以使产生的功率能够通过公共联接点提供给公用设施。中压功率转换器还可包括控制器，当公用设施是电源时，该控制器引起SiC后端级操作为驱动器，且引起IGBT主动前端级操作为整流器。

另一方面，一种用于中压功率转换器的变压器包括：适配在第一柱(column)和第二柱之间的多个芯柱(core leg)，多个芯柱中的每个具有：围绕对应芯柱适配的一组初级绕组；以及围绕一组初级绕组适配的次级绕组。