[发明专利]AC至DC和DC至AC功率转换

说明书

一种功率转换器电路包括：直流(DC)侧；第一无源网络；第一电流开关网络；至少一个浮动电容器；第二电流开关网络；第二无源网络；以及交流(AC)侧。第一无源网络连接在DC侧和第一电流开关网络之间，用于链接DC侧和第一电流开关网络。第一电流开关网络包括至少四个串联的开关，用于在开关周期之间切换功率转换器电路。至少一个浮动电容器连接到第一电流开关网络。第二电流开关网络包括两对开关，用于提供第一电流开关网络和第二无源网络之间的接口。第二无源网络连接在第二电流开关网络和AC侧之间。

相关申请的交叉引用

本专利申请要求在2019年3月11日提交的美国临时专利申请No.62/816,483的利益，其通过引用并入。

技术领域

本申请的实施例涉及功率转换器，包括单相交流(AC)至直流(DC)功率转换器和DC至AC功率转换器。

背景技术

同时具有高功率密度、高转换效率和高可靠性(H³)的单相功率转换器是许多新兴应用的理想选择，诸如驱动发光二极管(LED)、手机快速充电和光伏(PV)逆变器。单相转换器利用储能容量来缓冲AC侧和DC侧之间的双线路频率功率不平衡。传统上，笨重的电解电容器(E-cap)连接到单相转换器的DC侧以作为无源脉动功率缓冲器(PPB)。例如，如图1所示，现有技术的转换器100设置有电容器C_b 102，该电容器C_b 102附接到H桥逆变器106(常用的单相功率逆变器电路)的DC链路104(本文也称为DC源或负载)，该H桥逆变器106又连接到电感器L_ac 108和AC电压V_ac 110。这里，由于严格的DC链路电压纹波要求，C_b 102的能量存储要求很大，因此C_b的体积通常很大。使用大型E-cap会导致两个问题：(i)由于体积庞大，功率密度较低；以及(ii)由于E-cap的典型使用寿命在105℃时7,000小时，这远短于LED或PV面板的使用寿命，因此可靠性较低。

利用有源脉动功率缓冲(PPB)可以显著降低单相转换器的能量存储需求。有源PPB的基本思想是将PPB电容器C_b 102从DC链路104解耦并允许跨越其的大电压波动(即，Δv_c)。由于C_b 102的功率与Δv_c成比例，因此在给定大Δv_c的情况下，可以利用具有小形状因数的小C_b 102来缓冲纹波功率。此外，由于减少了能量存储需求，可以将更可靠和紧凑的非电解电容器(诸如薄膜或层压陶瓷电容器)用于C_b 102。

尽管已经开发了具有有源PPB的许多功率转换解决方案，但此类现有解决方案具有关键局限性，包括：(i)半导体开关的高电压应力，以及(ii)在单个功率转换级中输出低DC电压(在AC至DC应用的情况下)或从低DC电压源生成电力(在DC至AC应用的情况下)的不可行性。这些现有的解决方案通常会产生更多的功率损耗(这会降低功率转换效率)，需要使用昂贵的半导体开关(这会增加成本)，并且应用领域非常有限。

发明内容

在示例性实施例中，本申请提供了一种功率转换器电路。功率转换器电路包括：直流(DC)源或负载；第一无源网络；第一电流开关网络；至少一个浮动电容器；第二电流开关网络；第二无源网络；以及交流(AC)源或负载。第一无源网络连接在DC源或负载和第一电流开关网络之间，用于链接DC源或负载和第一电流开关网络。

在另一个示例性实施例中，本申请提供了一种用于操作功率转换器电路的方法。该方法包括：在第一间隔期间，第一无源网络提供直流(DC)源或负载和第二无源网络的整流转换器侧电压之间的接口；在第二间隔期间，第一无源网络单独连接到DC源或负载；在第三间隔期间，第一无源网络提供至少一个浮动电容器和DC源或负载之间的接口；以及在第四间隔期间，第一无源网络提供至少一个浮动电容器、DC源或负载和第二无源网络的整流转换器侧电压之间的接口。