CN1021866C - 电源转换器 - Google Patents

Abstract

本发明的电源转换器可以有多组分压电容器，靠近各开关器件分开设置，将直流电压源分压成多段，通过对开关器件的通-断控制从分压的直流电压获得多电平交流输出电压。各组分压电容器的串联点可以与各相对应的开关器件的分隔点连接。分压电容器可以在它们的串联点相互连接。因而，这种安排可以使各相的开关器件和分压电容器之间的接线长度缩短，并使之相等，以减少缓冲电路的损失，结果，可获得含谐波较少的交流电压输出。

Description

本发明涉及对把直流电转换成交流电或把交流电转换成直流电的电源转换器的改进，尤其涉及一种可用于减小电源转换器体积的结构技术。

迄今，有一种称为3电平逆变器的转换器。除了高电位点和低电位点之外，用于该3电平逆变器的直流电压源在高电位点和低电位点之间有一中间电位点。这种类型的逆变器，通过通-断开关器件可以从高电位点、低电位点和中间电位点这三级电位中选择一个电位电平，在交流端输出所选择的电位。因而，3电平逆变器可提高PWM（脉冲宽度调制）开关频率，提供低谐波成份的交流输出。

这种类型的逆变器在例如（1）JP-B-51-47848、（2）JP-B-53-14744、（3）JP-A-56-74088、（4）JP-A-56-115182、（5）JP-A-56-121374、（6）JP-A-57-177284、（7）JP-A-63-502953、（8）JP-A-64-34182和（9）JP-A-1-198280中均有所描述。

容量较大的逆变器如可变电压可变频率（VVVF）逆变器常常每相都有安排成直线型结构关系的转换开关臂。

然而，在上述传统的转换装置中，从分压电容到各相开关器件的接线长度较长而且不相等。接线电感可能在各开关器件或某一器件的缓冲电路中引起过大的电压，导致开关器件的缓冲电路电压过高，增加了缓冲器损失，并需要增加缓冲电路的尺寸。因此，尤其在大容量装置中，人们迫切需要缩短接线，并最大限度地使接线等长。

在日本专利申请JP-A-57-206279中揭示了一种直流滤波电容器结构。该结构是包含六臂开关器件的三相全桥逆变器，其中，每相分配一个直流滤波电容器，因而，最大限度缩短了每相直流滤波电容器和开关器件之间的接线长度，使缓冲电路的损失减少，并且构成了一个小尺寸的装置。

然而，这种已有技术涉及所谓的2电平逆变器，该2电平逆变器的输出相电压只有和直流电源一样的高电位点和低电位点两个电平。并且分别为各相配置的电容器仅起滤波的作用。

本发明的一个目的在于提供一种小体积高效率的、能产生多个交流输出电压电平的电源转换器，其中，通过串联电容器把直流电源分成若干段，并且通过接通-断开开关器件从直流电压源获取多电平交流输出电压。

本发明的另一个目的在于提供一种可以产生低谐波成份的交流电压输出的电源转换器。

按照本发明的电源转换器具有多组串联连接的分压电容器，分开设置在转换器的直流电源侧，分压电容的串联连接点与各相开关器件的分隔点相连。

而且，按照本发明的第二方面，本发明的电源转换器的分压电容器配置在直流电源侧，并且在它们的串联点相互连接。

因为分压电容在直流电源侧分开配置，能把每相开关器件和对应的分压电容器之间的接线长度可以很短，所以能把在开关器件断开时由接线电感引起的缓冲电路的过电压限制在一很小的值。因而，有可能减少缓冲电路的损失，得到小体积的电源转换器。

此外，因为各分压电容器串接点相互连接，开关器件的开关引起的谐波可以与其它相的谐波抵消，取得一个脉动电压分量很少的电容器电压。结果，因装置的电阻性电压可以限制在一低电压，就有可能进一步减小体积，并且还可能减少包含在交流输出中的谐波 成分。

图1示出了本发明的三相电源转换器的接线图;

图2示出了本发明的另一个三相电源转换器接线图;

图3示出了本发明的再一个三相电源转换器接线图;

图4示出了本发明的又一个三相电源转换器接线图;

图5示出了本发明的又一个三相电源转换器接线图;

图6示出了本发明的另一个三相电源转换器接线图;

图7示出了用于图1-图6所示的转换器的开关臂和分压电容器安排的例子的外部侧视图;

图8是通用于图1至图6的转换器的单元逆变器的接线图;

图9是本发明的又一个三相电源变换器接线图;

图10示出了用于图9所示转换器的开关臂和分压电容器的安排的例子的外部侧视图;和

图11示出了用于图9所示转换器的开关臂和分压电容器的另一安排例子的外部侧视图。

下面，结合附图详细描述本发明的最佳实施例。

图1所示的第一个例子是一个二分压的直流电源并输出在三个电位电平之间交变的三相交流电压。

参见图1。图中标号1表示如直流电源或直流马达电枢的直流电压源，2a、2b和2c分别表示a相、b相和c相的3电平开关臂。a相臂包含一组具有自熄灭功能的开关器件G1a到G4a整流器件D1a到D4a和辅助整流器件D5a到D6a，并且该臂输出一个交流电压至Ta端。b相和c相的臂也具有相似的结构。3a、3b和3c分别表示分压电容器，在其中间点进行分压。电容器的各串联连接点（中间电位点）Oca、Ocb和Occ与辅助整流器件D5a和D6a之间、D5b和D6b之间和D5c和D6c之间的相应的连接点Osa、Osb和Osc连接，连接点Osa和Osb和Osc对应于开关器件组的分隔点或中间电位输入 点。

P表示直流电压源的高电位点，N表示直流电压源的低电位点。

设Ed1和Ed2分别为a相电容器31a和32a两端的电压，通过如下面的表1所示对开关器件G1a到G4a的通-断控制，能把在高电位点电位Ed1、中间点电位O和低电位点电位-Ed2之间交变的3电平电压的交流输出ea引向Ta端。Spa、Soa、Sna和Sa表示各开关器件的开关功能，用数字1、0和-1指示其导通状态。当Ed1＝Ed2＝Ed2/2时，输出电压ea能用下面等式表示：

ea＝SpaEd1-SnaEd2＝SaEd/2.

通过组合分别具有Ed/2（高电位）值、O（中间电位）和-Ed/2（低电位）值的脉冲电压形成输出电压ea的波形。通常，Sa受脉宽调制控制，所以ea接近正弦波。

表1

开关状态    开关功能    输出电压ea

G1a    G2a    G3a    G4a    Spa    Soa    Sna    Sa

通    通    断    断    1    0    0    1    Ed1

断    通    通    断    0    1    0    0    0

断    断    通    通    0    0    1    -1    -Ed2

在本实施例的转换器中，分压电容器各自设置在每相的直流输入侧。因而，这些电容器能设置在开关器件组附近，使接线长度缩短至最大限度。结果，分压电容器和开关器件之间的接线电感能够减小。从而，使开关器件的电阻性电压和缓冲电路（图1中未画出）的体积的减小成为可能。

上述的电源转换器是具有三相的转换器。当然，对两相或三相以上的多相也能获得相似的效果。

图2示出了本发明的另一个实施例。图2所示的电源转换器除 了各相的分压电容器的连接点Oca、Ocb和Occ彼此之间相互连接之外，其余的均与图1所示的相同。下面将与分压电容器连接点未相互连接在一起的情况作对比来讨论分压电容器连接点相互连接在一起的电路的工作情况。

先考虑连接点未连接的情况，此时，可获得下列关系：

Ed＝ 1/(Ct) ∫（is-isp-io/2）dt ……（2）

其中Ed项表示直流电压源的输出电压;

is项表示直流电压源供给的电流;

C项表示每相各个分压电容器的电容值;

Ct是所有分压电容连接在一起后的总电容值（＝3C/2）;

isp是电流ispa、ispb和ispc的总和;

io是电流ioa、iob和ioc的总和;以及

其中，电流ispa、ispb和ispc分别流过自熄灭开关器件G1a、G1b和G1c;和

电流ioa、iob和ioc分别流入分压电容器的连接点Oca、Ocb和Occ。

流入a相分压电容器上面一个电容的电流icpa由下列等式表示：

icpa＝（is-isp-io/2）/3+ioa/2    ……（3）

因而，a相上面的分压电容器电压VCpa可由下式描述：

VCpa＝ 1/2 Ed+ 1/(2C) ∫ioadt ……（4）

从式中可明显看出，ioa在VCpa中引起了脉动。如果用PWM控制使输出电压成为正弦波，电流ioa可含有大量的逆变器输出频率的主分量（基波分量）和三次谐波分量，因此，分压电容器的连接点电压以这些频率波动。

另一方面，如果各相的分压电容器的中间点相互连接，则a相 的上面一个分压电容器的电压VCpa可由下式表示：

VCpa＝ 1/2 Ed+ 1/(2C) ∫（io/3）dt ……（5）

在这种情况下，电压VCpa取决于电流io。因io是流入分压电容器中间点的电流ioa、iob和ioc的总和，所以io不包含除了ioa、iob和ioc的零相电流以外的其它分量。因而，消除了因基波分量产生的脉动。

图2所示的转换器除了具有图1实施例的效果之外，还有额外的效果，因为在前述的分压电容器两端加了一个稳定的电压。因而，转换器有利于降低器件的电阻性电压，减少交流输出中的谐波分量。而且，通过把各中间电位点之间的接线阻抗值设置得相等，谐波能被消除。

图3示出了本发明的另一个转换器实施例，它对图2所示的转换器作了些变动，它把直流输入电压分成三部分。通过增加直流输入电压的分压的数目，可从分压电容器的稳定的电压获得多电平交流输出电压。

本发明的又一种转换器具有多个独立的相互串联的直流电压源，如包括在直流电源1中的各个电源101和102，如图4所示。通过把这些直流电压源的连接点与分压电容连接点相连，可以确保电源转换器在上下分压电容器之间获得相等的电压分配。

图5示出了又一个电源转换器。它具有阻抗元件41、42和43，这些元件一起连接在各相分压电容器的中间连接点之间。此电源转换器可以获得比图1的转换器更稳定的分压电容器电压。例如，如果阻抗元件是电容值为Co的电容器，并且星形连接，则a相上面一个分压电容器的电压VCpa可用下式表示：

VCpa＝ 1/2 Ed+ 1/(2C+Co) ∫（ioa+ (Co)/(6C) io）′dt ……（6）

在这种情况下，包含在流入分压电容器的中间连接点的电流内 的基波分量减少了2C/（2C+Co）倍。虽然上面描述的阻抗元件呈星形连接的情况，但也可用三角形连接来代替。

又，在图6所示的实施例中，稳定的直流电压源可以由并联设置在直流电压输入侧的滤波电容器来建立。这种安排在直流电压源1产生带有谐波的直流电压输出时是很有效的，例如具有整流电路12的交流电源11。图6大致地示出了一种已知的PWM转换器，它包含标号为121-124的可控硅和标号为125-128的二极管。

图7是装配在车辆上的配套设备的外部斜视图，它具有通用于图1到图6的实施例的开关臂2a、2b和2c以及各相分压电容器3a、3b和3c。

图8示出了每相的单元逆变器（电源转换器件）

那就是说，在图1-图6所描述的所有实施例中的a、b和c相的单元逆变器的结构包括分压电容器在内是完全相同的。因而，可通过对大批量生产的具有直流端P、N和Oc和交流端T的单元逆变器进行组合而构成任意相的电源转换器。

图9示出了本发明的电源变换器的又一个实施例。与图2的实施例不同，该三相三电平逆变器的电源转换器只有两组分开设置的分压电容器3b和3c。各分压电容器的中间连接点Ocb和Occ和各相开关臂2a、2b和2c的中间电压输入点（器件组分割点）Osa、Osb和Osc连接在一起。

图10是套件的外部侧视图，示出了用于图9实施例的开关臂2a、2b和2c和分压电容器3b和3c的配套设备。

那就是说，各相开关臂2a、2b和2c以直线型安排关系安排，分压电容3b和3c分别分开设置在两相开关臂2a和2b之间和开关臂2b和2c之间的两个位置上。

图11也是一套件的外部侧视图，示出了用于图9实施例的开关臂2a、2b和2c以及分压电容器3b和3c的配套设置的另一种安 排。

那就是说，各相开关臂2a、2b和2c以直线型安排关系安排，两等分的分压电容器3b和3c设置在它们的两端。

在图10和图11的结构中，虽然三相所有开关器件组的情况不是完全相同，但其体积减小的效果不是已有技术所能相比。

上述的所有实施例仅涉及逆变器。然而，也可以通过阻抗元件把这些逆变器的输出端连接到一交流电源上，使它们如自激变换器那样工作把交流转换成直流。在这种情况下，也可以得到与逆变器的相似的效果。

按照本发明，当上述的实施例中所描述的电容器3a到3c或3b和3c安排在开关臂2a到2c之间（分别如图7和图10所示）或安排在一行开关臂两端（图11）时，电容器也可安排在开关臂的顶部或底部或者开关臂的前部或后部。

本发明可以实现高效率的电源转换器，其体积相当小，电源转换器从直流电源分压电容分压而得的输入电压可以产生出多电平交流电压。而且，该电源转换器还能提供谐波分量减少了的交流输出。

Claims (9)

1、一种产生交流输出电压的电源转换器，至少具有从直流电压源来的三个电位电平，所述电源转换器包含：

至少两个电容器组，每组包括至少两个分压电容器，两个端点和至少一个串联连接所述分压电容器的串联连接点；电容器组把从直流电压源来的电压分压成分压直流电压，所述端点分别与直流电压源的输出端相连；和

至少两个开关臂，从分压的直流电压获取交流输出电压，每个开关臂具有一接收所述分压直流电压的中间输入端、控制交流输出电压的开关器件和为每相提供所述交流输出的输出端。

其特征在于，每个电容器组相应设置在每个开关臂上，每个电容器组的串联连接点连接到相应的开关臂的中间输入端，每个电容器组的串联连接点分别与其它电容器组的串联连接点相连。

2、如权利要求1所述的电源转换器，其特征在于，各相电容器组的串联连接点通过阻抗元件彼此相互连接。

3、如权利要求1所述的电源转换器，其特征在于，直流电压源至少与一滤波电容器并联连接。

4、如权利要求1所述的电源转换器，其特征在于，直流电压源至少在一个分割点上被分割成与分压电容器分割的数目相同的直流电压源，电压源的每个分割点与每相分压电容器之间的对应的串联连接点相连。

5、一种电源转换器，包含：

一直流电压源;

一各相的电容器组，包括一对分压电容器和一串联连接所述分压电容器的串联连接点;

一各相的开关器件，包括四个串联连接的开关元件和与直流电压源并联连接的整流器，所述开关器件具有一把所述四个开关元件分割成上部两个元件和下部两个元件的中间连接点，和在上部两个元件之间的上连接点和在下部两个元件之间的下连接点;所述整流器把上连接点和下连接点分别连接到电容器组的串联连接点上;和

一连接到开关器件的中间连接点的交流输出端，

其特征在于电容器组与各个开关器件相邻设置，各相电容器组的串联连接点彼此连接。

6、一种具有多相的电源转换器，包含：

一直流电压源，具有提供高电位的高电位输出点和提供低电位的低电位输出点;

至少比相数少一个的、包括多个分压电容器的多个电容器组，每个所述电容器组具有一接收所述高电位所述低电位的中间电位输出点，通过所述中间电位输出点提供高电位和低电位之间的中间电位;和

与相数相同数目的开关臂，每个开关臂设置在每相上，每个开关臂具有直流端、交流端和由开关器件组成的开关器件组，直流端连接到高电位输出点、中间电位输出点和低电位输出点，开关器件组通过对开关器件有选择地通断控制从高电位输出点、中间电位输出点和低电位输出点的电位中选择一个电位，并且交流端输出选出的电位;

其特征在于开关臂和电容器组成行排列，每个电容器组设置在两个开关臂之间，由此每个电容器组和相应的开关臂之间的距离基本相等，且每个电容器组的串联连接点分别与其它电容器组的串联连接点相连。

7、形成一个相单元的电源转换器的三电平逆变器，具有从直流电压源产生交流输出电压的分压电容器，所述三电平逆变器包含：

两直流端;

一交流端;

一电容器对，包括一对在串联连接点串联连接的串联连接分压电容器，电容器对连接在直流端之间;

一与所述串联连接点连接的中间端;和

连接到两直流端、中间端和交流端的开关臂，开关臂具有按照选出器件上的通断控制控制电流的开关器件，

其特征在于开关臂通过对开关器件有选择的通断控制，从直流端和中间端的电位中选择一个电位，并且通过交流端输出选出的电位。

8、一种电源转换器，包含：

一转换器单元，具有高电位点和低电位点，把交流电流转换成直流电流，并通过所述高电位点和所述低电位点提供直流输出;

一滤波电容器单元，具有两个端点，并且连接在转换器单元的直流输出的所述高电位点和所述低电位点之间;和

对各相接收直流输出和提供交流输出的逆变器单元，连接在位于滤波电容器单元每端点上的高电位点和低电位点之间;

每个逆变器单元包含：

连接到所述高电位点和低电位点的直流端：

一交流端;

连接到其它逆变单元的中间端的中间端;

一电容器对，具有一串联连接点和一对串联连接在所述串联连接点的分压电容器，电容器对连接在直流端之间，所述串联连接点连接在所述中间端上;和

一从交流端提供交流输出的开关臂，开关臂包括开关器件组，并且连接到直流端和电容器对的串联连接点，

其特征在于开关臂通过对开关器件组有选择的通断控制从高电位点、低电位点和串联连接点提供的电位中选择一个电位，并且把该电位通过交流端作为交流输出，和

每个电容器对的串联连接点分别连接到其它电容器对的串联连接点。

9、一种提供交流输出的电源转换器，包含：

直流电压源，具有提供高电位输出的高电位输出点和提供低电位输出的低电位输出点;

两电容器组，每个电容器组包括多个分压电容器，所述每个电容器组具有接收所述高电位输出和所述低电位输出的中间电位点并且通过所述中间电位点在高电位输出和低电位输出之间提供一个中间电位输出，两个电容器组的所述中间电位点彼此相互连接;和

多个开关臂，每个开关臂提供一个交流输出相，并且具有直流端、交流端和由开关器件组成的开关器件组，直流端与高电位点、中间电位点和低电位点相连，并且接收各个直流输出;开并器件组通过对开关器件组有选择的通断控制从高电位点、中间电位点和低电位点上的电位中选择一个电位，并且交流端把选出的电位作为交流输出输出;

其特征在于开关臂和两个电容器组成行排列，其中一个电容器组位于行的一端，另一个电容器组设置在行的另一端。

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