[發明專利]改進的多電平電壓源轉換器和系統

有效

• 申請號: 201410247768.9
• 申請日: 2014-06-05
• 公開（公告）號: CN104242710B
• 公開（公告）日: 2017-05-31
• 發明（設計）人: 邁赫迪·納里馬尼;吳斌;程仲元;納維德·R·扎加里
• 申請（專利權）人: 洛克威爾自動控制技術股份有限公司
• 主分類號: H02M7/487
• 分類號: H02M7/487;H02M7/483
• 代理公司: 北京集佳知識產權代理有限公司11227
• 代理人: 朱勝,李春暉

背景技術

電力轉換器用于將輸入電能從一種形式轉換為另一種形式以驅動負載。電力轉換器系統的一種形式為電機驅動器，其可以被采用用于電動機負載的變速操作。針對需要相對大的輸出電壓的應用，開發了所謂的多電平電壓源轉換器結構，包括飛跨電容器設計、中性點鉗位(NPC)設計以及級聯混合類型。NPC設計包括跨提供中性節點的直流輸入連接的一對電容器，每個電容器被充電至直流輸入值的一半?？缰绷髂妇€連接了一系列開關，一對二極管將中間開關節點連接至中性點。NPC轉換器有利地提供了相對簡單的電路結構，但是增加NPC轉換器中的輸出電平的個數增加了開關和二極管傳導損耗并且導致增加的反向恢復電流。另外，高輸出電平NPC轉換器經受開關器件損耗的不均勻分布，從而限制針對給定開關類型的最大電力定額、輸出電流和開關頻率。此外，隨著輸出電平的個數增加，鉗位二極管的個數基本上增加。飛跨電容器設計利用選擇性地互連的一個或更多個電容器以提供輸出電壓。然而，該類多電平轉換器經受高切換頻率的需求以保持電容器適當平衡，并且飛跨電容器上的電壓必須初始化?？梢允褂眉壜揌橋接(CHB)類型以實現顯著高的輸出電壓電平和高輸出電力定額，并且使得能夠使用相對低的切換頻率和低電壓部件。然而，CHB設計需要顯著更高個數的部件以實現再生操作，CHB轉換器通常需要相移變壓器，導致更高的成本。另外，CHB方法需要大量的隔離直流源。因此，仍然需要能夠提供用于以可變的速度和扭矩驅動負載的多電平逆變器輸出能力的改進的多電平電力轉換器和系統設計。

發明內容

現在總結本公開內容的各個方面以便利對本公開內容的基本理解，其中，本發明內容不是本公開內容的寬泛概述，既不意在標識本公開內容的特定元素，也不意在描述本公開內容的范圍。更確切地，本發明內容的主要目的為在以下呈現更詳細的描述之前以簡化形式來呈現本公內容的各種構思。

本公開內容提供了多電平電力轉換器級和采用以多種配置連接的兩個或更多個這樣的多電平轉換器的電力轉換系統。多電平電力轉換器包括NPC型逆變器電路，其嵌套在開關電容器電路中以形成嵌套NPC(NNPC)電力轉換器，其中，控制器操作逆變器和開關電容器電路的開關以提供多電平輸出電壓。在某些實施方式中，控制器采用對冗余開關狀態的選擇性選擇來控制開關電容器的充電和放電以實現預定的目標電容器電壓值。在某些實施中，開關控制和電容器電壓調節有利地確保開關電容器電壓小于直流輸入電壓值的一半，便利提供在基本上等間隔步進的多個不同電平之一處的轉換器輸出電壓，從而平衡由各個開關器件可見的電壓。

在某些實施方式中，逆變器電路包括在逆變器電路輸入節點之間串聯連接的兩個或更多個逆變器開關器件、以及連接所述逆變器開關器件中的兩個逆變器開關器件的逆變器輸出節點。所述逆變器還包括鉗位電路，所述鉗位電路具有在所述逆變器開關電路的第一內部節點與第二內部節點之間串聯連接的第一鉗位元件和第二鉗位元件例如鉗位開關或二極管、以及接合所述第一鉗位元件與所述第二鉗位元件的第三內部節點。在某些實施中，開關電容器電路包括：兩個或更多個開關，所述兩個或更多個開關各自連接在所述逆變器輸入節點之一與相應的直流輸入之間；以及第一電容器和第二電容器，所述第一電容器和第二電容器各自連接在所述逆變器電路輸入節點中的相應一個與所述第三內部節點之間。所述控制器向逆變器開關和開關電容器電路開關器件提供開關控制信號，以提供在所述逆變器輸出節點處的多電平輸出并且控制第一電容器和第二電容器的充電和放電。各種實施是可以的，例如四個或更多個不同的線與中性點之間的輸出電壓電平。某些實施提供了級聯的開關電容器電路系統，其包括針對更高個數的可能輸出電平的兩個飛跨電容器以及相關聯的開關器件的多個集合。

根據本公開內容的另外的方面，提供了一種電力轉換系統，包括兩個或更多個嵌套NPC轉換器級或模塊。在某些實施方式中，兩個NNPC模塊的直流輸入被連接在一起，其中，第一轉換器級的逆變器輸出連接至系統中性節點，第二級的逆變器輸出提供系統的交流輸出。以這種方式，可以實現NNPC H橋接配置，兩個或更多個這樣的配置可以級聯或串聯連接以實現各種輸出電力電平和輸出電壓。此外，可以使用這樣的模塊或其組的多個集合來構造電力轉換系統，以提供用于驅動負載的多相輸出。另外，在這些多級系統中，可以提供開關控制以從各種冗余總開關狀態中進行選擇以實現對各個開關電容器的充電和放電的控制，并且可以便利由各個開關器件可見的電壓平衡并且有利地提供在基本上等間隔步進的任何合適個數的不同電平處的輸出電壓。

附圖說明