多電平功率轉(zhuǎn)換器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及多電平功率轉(zhuǎn)換器，更具體地用于工作在中等電壓范圍中。
【背景技術(shù)】
[0002] 已知的中等電壓功率轉(zhuǎn)換器通常使用設(shè)置為串聯(lián)以允許電壓增加的半導(dǎo)體開關(guān)。 將這些半導(dǎo)體開關(guān)設(shè)置為串聯(lián)的主要困難在于在每個(gè)時(shí)刻跨越所有這些半導(dǎo)體開關(guān)的端 子獲得相同的電壓。如果產(chǎn)生瞬時(shí)或永久過載，則可能發(fā)生半導(dǎo)體開關(guān)的毀壞。
[0003] 基于將開關(guān)的控制進(jìn)行交織（interleave)且與變壓器的使用相關(guān)聯(lián)的技術(shù)已經(jīng) 發(fā)展了，并且它們使得可以管理電壓的分配并且重構(gòu)波形。但是，變壓器具有不小的成本， 并且它們阻礙緊湊轉(zhuǎn)換器的實(shí)現(xiàn)。
[0004] 已經(jīng)出現(xiàn)了另一解決方案，即所謂的NPC(中性點(diǎn)鉗位）拓?fù)洹PC類型的電池包 括兩對(duì)串聯(lián)的半導(dǎo)體開關(guān)、一側(cè)連接至第一對(duì)的兩個(gè)開關(guān)之間的公共點(diǎn)、和另一側(cè)連接至 第二對(duì)的兩個(gè)開關(guān)之間的公共點(diǎn)的串聯(lián)的兩個(gè)二極管。此外發(fā)現(xiàn)串聯(lián)的兩個(gè)電容，它們連 接至由半導(dǎo)體開關(guān)對(duì)形成的組件的端子。串聯(lián)的兩個(gè)二極管之間的公共點(diǎn)鏈接至所述串聯(lián) 的兩個(gè)電容器之間的公共點(diǎn)。
[0005] 此拓?fù)洚a(chǎn)生令人滿意的波形以及對(duì)半導(dǎo)體開關(guān)的電壓約束的減少。另一方面，可 能發(fā)生跨越電容器的端子的電壓的不平衡。
[0006] 通過用一對(duì)半導(dǎo)體開關(guān)取代兩個(gè)二極管，改進(jìn)了NPC原始拓?fù)?。此拓?fù)浞Q為具有 3個(gè)電壓電平的ANPC。
[0007] 通過將開關(guān)設(shè)置為串聯(lián)并且通過添加電容器，產(chǎn)生了用于增加可接受的電壓電平 的另一改進(jìn)。此拓?fù)浞Q為具有5個(gè)電壓電平的ANPC。公司ABB已經(jīng)開發(fā)了該ANPC。然而， 目前，該ANPC被限制為6. 9kV量級(jí)的電壓電平。
[0008] 另一技術(shù)基于浮動(dòng)電容器電池（也稱為嵌套的基本電池）的關(guān)聯(lián)。電壓源可以經(jīng) 由任意數(shù)目的串聯(lián)的這樣的基本電池而鏈接至電流源。每個(gè)基本電池包括串聯(lián)的兩個(gè)半導(dǎo) 體開關(guān)，并且諸如電容器的儲(chǔ)能器件以階梯狀方式將兩個(gè)相鄰的基本電池鏈接在一起。然 而，此解決方案展現(xiàn)出與浮動(dòng)電容器在兩個(gè)基本電池之間的存在有關(guān)的缺點(diǎn)?；倦姵氐?數(shù)目越大，與電容器有關(guān)的成本開銷就越大，并且這些電容器中存儲(chǔ)的能量就越大。
[0009] 當(dāng)面對(duì)由于將大量半導(dǎo)體開關(guān)設(shè)置為串聯(lián)以便達(dá)到高電壓電平而導(dǎo)致的困難時(shí)， 已經(jīng)提倡限制串聯(lián)的開關(guān)的數(shù)目，以及將級(jí)（stages)與級(jí)聯(lián)嵌套的電池（cellsnestedin cascade)相關(guān)聯(lián)，其中每級(jí)包括若干個(gè)嵌套的基本電池。
[0010] 因此，在專利申請(qǐng)US2007/0025126中，描述了至少包括兩個(gè)臂的多電平功率轉(zhuǎn) 換器，其中該臂配備有通過電容器鏈接在一起的嵌套的基本電池。
[0011] 在第一配置（configuration)中，每個(gè)臂包括3級(jí)的級(jí)聯(lián)。這些級(jí)各自具有介于 一和三之間的不同等級(jí)。每級(jí)包括與該級(jí)的等級(jí)一樣多的嵌套的基本電池對(duì)。這些嵌套的 基本電池對(duì)可以采取三個(gè)電壓電平。此第一配置的缺點(diǎn)是其使用許多開關(guān)和電容器，因此 使得其昂貴且非常不可靠。
[0012] 在第二配置中，每個(gè)臂包括兩級(jí)的級(jí)聯(lián)，其中一個(gè)是等級(jí)一，另一個(gè)是等級(jí)二。每 級(jí)包括三個(gè)一組的多個(gè)嵌套的基本電池。這些基本電池的三個(gè)一組可以采取四個(gè)電壓電 平。在此第二變型中，將根據(jù)所使用的電容器屬于第一級(jí)還是第二級(jí)，用不同的電壓電平對(duì) 所述電容器充電。這給出對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化的限制。此外，電容器的寄生電感全部越高，耐壓就越大。 由于為電池切換最大電壓電平而導(dǎo)致的過壓將限制該設(shè)置（setup)的吸引力。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013] 本發(fā)明的目的是提出一種多電平轉(zhuǎn)換器，其能夠工作在比現(xiàn)有技術(shù)的電壓電平高 的電壓電平，而既無(wú)需憑借變壓器也無(wú)需增加半導(dǎo)體開關(guān)的數(shù)目。
[0014] 本發(fā)明的另一目的是提出一種多電平轉(zhuǎn)換器，其對(duì)于給定電壓電平來說，比現(xiàn)有 技術(shù)的多電平轉(zhuǎn)換器更便宜且更可靠。
[0015] 本發(fā)明的又一目的是提出一種多電平轉(zhuǎn)換器，其使用具有有限耐壓的標(biāo)準(zhǔn)電容器 組。
[0016] 本發(fā)明的再一目的是提出一種多電平轉(zhuǎn)換器，其限制寄生電感的出現(xiàn)。
[0017] 這些目的通過NPC類型的電池和電容電池的關(guān)聯(lián)而實(shí)現(xiàn)。
[0018] 更具體地，本發(fā)明是包括一個(gè)或多個(gè)臂的多電平轉(zhuǎn)換器，所述臂各自配置為連接 在電壓源與電流源之間。所述臂或每個(gè)臂包括級(jí)聯(lián)連接的兩級(jí)，第一級(jí)用于連接至所述電 壓源，第二級(jí)用于連接至所述電流源。第一級(jí)包括級(jí)聯(lián)連接的等級(jí)為1至n(n大于1)的n 個(gè)基本級(jí)，等級(jí)為1的基本級(jí)連接至第二級(jí)，等級(jí)為n的基本級(jí)用于連接至所述電壓源。每 個(gè)基本級(jí)包括串聯(lián)連接的一對(duì)相同的NPC類型的電池，所述連接是在等級(jí)為1的基本級(jí)中 直接的，對(duì)于等級(jí)為n(n大于1)的每個(gè)基本級(jí)，經(jīng)由n-1個(gè)電容電池進(jìn)行所述連接。第二 級(jí)包括浮動(dòng)電容器類型的電池。
[0019] 在此多電平轉(zhuǎn)換器中，電容電池包括串聯(lián)布置的兩個(gè)儲(chǔ)能器件，這些儲(chǔ)能器件具 有同一個(gè)儲(chǔ)能量。
[0020] 在基本級(jí)中，NPC類型的電池包括具有兩個(gè)儲(chǔ)能器件的電容橋，其中所述儲(chǔ)能器件 具有同一個(gè)儲(chǔ)能量。此基本級(jí)的電容電池的每個(gè)儲(chǔ)能器件具有與NPC類型的電池的儲(chǔ)能器 件之一相同的儲(chǔ)能量。
[0021] 因此，第一級(jí)的所有儲(chǔ)能器件具有同一個(gè)儲(chǔ)能量。
[0022] 為了遵守關(guān)于電壓源和電流源的連接規(guī)則，經(jīng)由電感將基本級(jí)的至少一個(gè)NPC類 型的電池連接至相鄰基本級(jí)的NPC類型的電池。
[0023] 在作為本發(fā)明的主題的轉(zhuǎn)換器中，NPC類型的電池包括串聯(lián)布置的一組四個(gè)基本 開關(guān)，其中兩個(gè)在末端（extreme)位置并且，其中兩個(gè)在中間位置。不直接鏈接的在末端位 置的基本開關(guān)和在中間位置的基本開關(guān)總是處于互補(bǔ)狀態(tài)，其中一個(gè)被啟用并且另一個(gè)被 禁用，并且這兩個(gè)基本開關(guān)形成基本開關(guān)單元（cell)。
[0024] NPC類型的電池?fù)碛袑⒃谒鲭姵氐妮斎胧┘拥碾妷号c在所述電池的輸出出現(xiàn)的 電壓相關(guān)的轉(zhuǎn)換函數(shù)（功能）。所述電池的兩個(gè)基本開關(guān)單元也各自擁有轉(zhuǎn)換函數(shù)。NPC 類型的電池的轉(zhuǎn)換函數(shù)取決于兩個(gè)基本開關(guān)單元的轉(zhuǎn)換函數(shù)。
[0025] 此外，同一個(gè)基本級(jí)的NPC類型的電池具有同一個(gè)轉(zhuǎn)換函數(shù)。
[0026] 在同一個(gè)基本級(jí)的NPC類型的兩個(gè)電池中，以相同方式控制相似的基本開關(guān)。
[0027] 在作為本發(fā)明的主題的轉(zhuǎn)換器中，浮動(dòng)電容器類型的電池包括串聯(lián)布置的一組四 個(gè)基本開關(guān)，其中兩個(gè)在末端位置，并且其中兩個(gè)在中間位置。在末端位置的兩個(gè)基本開關(guān) 總是處于互補(bǔ)狀態(tài)，在中間位置的兩個(gè)基本開關(guān)總是處于互補(bǔ)狀態(tài)，其中一個(gè)被啟用并且 另一個(gè)被禁用。在末端位置的兩個(gè)基本開關(guān)形成第一基本開關(guān)單元。在中間位置的兩個(gè)基 本開關(guān)形成第二基本開關(guān)單元。
[0028] 基本開關(guān)各自包括與反向并聯(lián)連接的二極管關(guān)聯(lián)的可控電子電源開關(guān)。
[0029] 從電容器、電池和燃料電池之中選擇儲(chǔ)能器件。
[0030] 本發(fā)明還涉及一種變速驅(qū)動(dòng)裝置（drive)，包括具有特征在于作為AC/DC整流器 工作的轉(zhuǎn)換器、和特征在于作為DC/AC逆變器工作的轉(zhuǎn)換器的級(jí)聯(lián)，所述兩個(gè)轉(zhuǎn)換器在它 們兩端通過電壓源而連續(xù)鏈接在一起。
【附圖說明】
[0031] 通過在參考附圖的同時(shí)閱讀純粹通過完全非限制的指示方式給出的對(duì)示例性實(shí) 施例的描述，將更好地理解本發(fā)明，其中：
[0032] 圖1A以非常示意的方式圖示了作為本發(fā)明的主題的多電平轉(zhuǎn)換器臂，其中級(jí)聯(lián) 地安裝第一級(jí)和第二級(jí)，第一級(jí)是n個(gè)基本級(jí)的級(jí)聯(lián)，圖1B是包括與圖1A的臂類似的兩個(gè) 臂的單相多電平轉(zhuǎn)換器；
[0033] 圖2A示出了作為本發(fā)明的主題的多電平轉(zhuǎn)換器的NPC類型的電池，并且圖2B、圖 2C、圖2D圖示了在此電池中導(dǎo)致NPC類型的電池的三個(gè)狀態(tài)的電流流動(dòng)；
[0034] 圖3A示出了帶有具有作為本發(fā)明的主題的多電平轉(zhuǎn)換器的三個(gè)電壓電平的浮動(dòng) 電容器的類型的電池，并且圖3B、圖3C、圖3D、圖3E圖示了在此浮動(dòng)電容器電池中導(dǎo)致浮動(dòng) 電容器電池的四個(gè)狀態(tài)的電流流動(dòng)；
[0035] 圖4A和圖4B圖示了作為本發(fā)明的主題的多電平轉(zhuǎn)換器臂的示例，其中第一級(jí)是 兩個(gè)第一基本級(jí)的級(jí)聯(lián)，圖4A涉及逆變器并且圖4B涉及整流器；
[0036] 圖5A和圖5B分別圖示了用于在脈寬調(diào)制P麗類型的控制的情況下，控制諸如圖 4A的電池CelO的浮動(dòng)電容器電池的兩個(gè)基本開關(guān)單元的基本開關(guān)的三角波信號(hào)；圖5(：和 圖分別圖示了用于在脈寬調(diào)制PWM類型的控制的情況下，控制諸如圖4A的電池Cell的 NPC類型的電池的兩個(gè)基本開關(guān)單元的基本開關(guān)的三角波信號(hào)；圖5E圖示了要與三角波信 號(hào)進(jìn)行比較以便確定基本開關(guān)單元的基本開關(guān)的開關(guān)時(shí)刻的命令信號(hào)；
[0037] 圖6至圖9圖示了在諸如圖4A的轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換器的情況下的信號(hào)，其中在節(jié)點(diǎn)S 與節(jié)點(diǎn)N3之間連接RL類型的負(fù)載10 ;
[0038] 圖6. 00至圖6. 04分別圖示了要與用于控制基本開關(guān)T4u和T3u的載波Car3、用 于控制基本開關(guān)T5u和T6u的載波Car4、用于控制基本開關(guān)T1的載波Carl、用于控制基本 開關(guān)T2的載波Car2進(jìn)行比較的命令信號(hào)Vref;
[0039] 圖6. 1至圖6. 8是對(duì)應(yīng)于第一基本級(jí)Ell的時(shí)序圖：圖6. 1和圖6. 2分別圖示了