CN103119531B - 耦联到电流源电源上的m2lc*** - Google Patents

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Abstract

一种***。***是模块式多电平转换器***，并且包括多个串联连接的两端子模块式多电平转换器子***。子***磁性地耦联到交流电流源电源上。

Description

耦联到电流源电源上的M2LC***
对于相关申请的交叉参考
本申请要求在2010年8月4日提交的美国临时专利申请No.61/370,515的较早申请日期的在35U.S.C.§119（e）下的好处。
技术领域
本申请公开了一种发明，该发明一般地和在各个实施例中涉及一种模块式多电平转换器（M2LC）***，该模块式多电平转换器***具有耦联到电流源电源上的多个M2LC子***（单元）。电流源电源在M2LC子***外部，并且独立于M2LC子***的能量状态将控制电力供给到每个M2LC子***。
背景技术
已经发表了关于模块式多电平转换器（M2LC）布局的多个论文。图1表明M2LC单元的两电平构造，该M2LC单元具有两个端子，并且图2表明M2LC单元的三电平构造，该M2LC单元具有两个端子。
如图1所示，M2LC单元包括两个切换装置、两个二极管、一个电容器及两个端子。关于在图1中表示的构造，两个切换装置可被这样控制，从而跨两个端子可以存在两个不同电位之一（例如，零伏特或Vcap）。如图2所示，M2LC单元包括四个切换装置、四个二极管、两个电容器及两个端子。关于在图2中表示的构造，四个切换装置可被这样控制，从而跨两个端子可以存在三个不同电位之一（例如，零伏特、Vcap或2Vcap）。尽管M2LC单元的其它布局是可能的，但所有布局都可以定义为具有内部电容器能量存储的两端子子***或单元，该两端子子***或单元依据切换装置的状态，能够在两个端子之间产生各个电平的电压。
将认识到，M2LC布局拥有级联H桥（CCH）布局的优点，因为它是模块式的，并且由于冗余度能够具有高操作利用率。另外，M2LC布局可应用在公共总线构造中，而具有和没有多绕组变压器的使用。与M2LC相反，CCH要求利用多绕组变压器，该多绕组变压器包含各个次级绕组，这些各个次级绕组将输入能量供给到单元。
然而，不像CCH，M2LC单元（或子***）不是从隔离电压源或次级绕组独立地供电。对于给定M2LC单元，在两个端子之一处输出的能量的量取决于在两个端子的另一个处输入的能量的量。当单元的一个或多个需要被旁通或使得不起作用时，这在电力电路的预先充电期间或在异常操作期间可引起控制在这些单元中的直流环节（link）电压方面的问题。
由于在预先充电期间，在单元直流环节上的操作电压可取决于串联连接的其它单元的适当或不适当操作，所以存在如下危险：在单元电源可变得起作用，并且允许单元与较高电平控制器（例如，集线器（hub））通信之前，可发生显著的***损坏。
而且，由于M2LC布局使用是其CCH对应布局两倍的IGBT开关，所以M2LC布局最好地适于单元操作电压，这些单元操作电压可以是可比较CCH设计的两倍或甚至四倍，以标准化或限制电力开关计数。这些较高总线电压对于开关模式电源的设计提出挑战，该开关模式电源通常是电力单元的一部分，以将电力供给到IGBT的栅极控制，并且供给到单元控制电路。
此外，M2LC布局允许关闭单元或部分单元（事实上，将部分电力布局旁通），其中，单元控制或栅极控制不能正确地操作。然而，因为使M2LC单元关闭引起直流环节电压的最终失去-该直流环节电压向单元电源供电，所以关闭M2LC单元引起单元控制电力的失去。
因而，将认识到，利用在每个单元中的单个电源以将要求的单元控制和栅极控制电力提供给相应的M2LC单元，在全部操作条件下不是最佳的，这些操作条件包括故障条件。
附图说明
这里作为例子联系如下附图描述本发明的各个实施例，其中，类似附图标记指示相同或相似元素。
图1表明M2LC单元的两电平构造，该M2LC单元具有两个端子；
图2表明M2LC单元的三电平构造，该M2LC单元具有两个端子；
图3表明M2LC***的各个实施例；
图4表明在图3中表示的变流器的各个实施例；
图5表明另一个M2LC***的各个实施例；
图6表明根据各个实施例的可控交流电流源电源的电路图；
图7表明根据各个实施例的电流源电源的电路图；
图8表明根据其它实施例的电流源电源的电路图；及
图9表明根据另外其它实施例的电流源电源的电路图。
具体实施方式
要理解，图中的至少一些和本发明的描述已经简化成，为了本发明的清楚理解表明相关的元素，同时为了清楚起见，消除本领域的技术人员将认识到也可以构成本发明的一部分的其它元素。然而，因为这样的元素在技术中是熟知的，并且因为它们不便于本发明的较好理解，所以这里不提供这样的元素的描述。
图3表明M2LC***10的各个实施例。***10包括多个M2LC子***12。为了简单起见，只有一个M2LC子***12表示在图3中。然而，将认识到，M2LC***10可以包括任何数量的M2LC子***12。每个M2LC子***12电气连接到对应变流器14的次级绕组上，并且相应变流器14每个包括初级绕组，该初级绕组电气连接到电流源电源16上。因而，将认识到，多个M2LC子***12磁性地耦联到电流源电源16上。变流器14在M2LC子***12外部，将单元控制电力供给到对应M2LC子***12，及可以实施成任何适当类型的变流器。为了简单起见，电流源电源16的仅一部分表示在图3中。然而，将认识到，电流源电源16可以实施成电流源电源的任何适当构造。
给定M2LC子***12可以实施成M2LC单元的任何适当构造。例如，如图3所示，给定M2LC子***12可以实施成M2LC单元的三电平构造。对于这样的实施例，M2LC子***12包括控制器18、第一电阻器20、第二电阻器22、第一电容器24、第二电容器26、第一切换装置28、第二切换装置30、第三切换装置32、第四切换装置34、第一二极管36、第二二极管38、第三二极管40、第四二极管42、第一端子44及第二端子46。切换装置28-34可以实施成任何适当类型的切换装置。例如，如图3所示，切换装置28-34可以实施成绝缘栅双极晶体管（IGBT）。
如图3所示，控制器18电气连接到对应变流器14上。根据各个实施例，变流器14将电力供给到控制器18，并且控制器18将电力供给到切换装置28-34的相应栅极端子。为了简单起见，在控制器12与相应切换装置28-34的栅极端子之间的连接未表示在图3中。将认识到，对于给定M2LC子***10，供给到给定M2LC子***12的电力因而可以经仅单个对应变流器14供给。控制器18也一般经例如两根光学纤维可通信地连接到较高电平控制器（例如，集线器控制器）上。为了简单起见，较高电平控制器未表示在图3中。
对于在图3中表示的实施例，第一和第二电阻器20、22电气连接到控制器18上，并且彼此电气连接。根据各个实施例，第一和第二电阻器20、22形成公共电位，该公共电位电气连接到控制器18的端子（例如，基准电位端子）上，并且控制器18将公共电位用作基准电位，以帮助相应切换装置28-34的栅极的控制。第一电阻器20可以实施成单个电阻器或一堆电阻器。类似地，第二电阻器22可以实施成单个电阻器或一堆电阻器。一般地，第一和第二电阻器20、22的电阻大体具有相同值。然而，根据其它实施例，第一和第二电阻器20、22的电阻可以具有不同值。
第一电容器24电气连接到第一电阻器20上，并且第二电容器26电气连接到第二电阻器22上。根据各个实施例，第一电容器24的第一端子电气连接到第一电阻器20上，第二电容器26的第一端子电气连接到第二电阻器22上，及第一电容器24的第二端子和第二电容器26的第二端子彼此电气连接。第一电容器24可以实施成单个电容器或一堆电容器。类似地，第二电容器26可以实施成单个电容器或一堆电容器。一般地，第一和第二电容器24、26的电容大体相同。
为了简单起见，下文将对于其中切换装置28-34是IGBT的实施例描述M2LC子***12。第一IGBT28电气连接到第一电容器24上，并且电气连接到第一电阻器20上。根据各个实施例，第一IGBT28的集电极电气连接到第一电容器24的第一端子上，并且电气连接到第一电阻器20上。第二IGBT30电气连接到第一IGBT28上，并且电气连接到第一和第二电容器24、26上。根据各个实施例，第二IGBT30的集电极电气连接到第一IGBT28的发射极上，并且第二IGBT30的发射极电气连接到第一电容器26的第二端子上，并且电气连接到第二电容器26的第二端子上。
第三IGBT32电气连接到第二IGBT30上，并且电气连接到第一和第二电容器18、20上。根据各个实施例，第三IGBT32的集电极电气连接到第二IGBT30的发射极上，电气连接到第一电容器24的第二端子上，及电气连接到第二电容器26的第二端子上。第四IGBT34电气连接到第三IGBT32上，电气连接到第二电容器26上，及电气连接到第二电阻器22上。根据各个实施例，第四IGBT34的集电极连接到第三IGBT32的发射极上，并且第四IGBT34的发射极连接到第二电容器26的第一端子上并且连接到第二电阻器22上。
第一二极管36电气连接到第一IGBT28上。根据各个实施例，第一二极管36的阴极电气连接到第一IGBT28的集电极上，并且第一二极管36的阳极电气连接到第一IGBT28的发射极上。第二二极管38电气连接到第二IGBT30上。根据各个实施例，第二二极管38的阴极连接到第二IGBT30的集电极上，并且第二二极管38的阳极连接到第二IGBT30的发射极上。第三二极管40连接到第三IGBT32上。根据各个实施例，第三二极管40的阴极连接到第三IGBT32的集电极上，并且第三二极管40的阳极连接到第三IGBT32的发射极上。第四二极管42连接到第四IGBT34上。根据各个实施例，第四二极管42的阴极连接到第四IGBT34的集电极上，并且第四二极管42的阳极连接到第四IGBT34的发射极上。
第一端子44连接到第一和第二IGBT28、30上。根据各个实施例，第一端子44连接到第一IGBT28的发射极上，并且连接到第二IGBT30的集电极上。第二端子46连接到第三和第四IGBT32、34上。根据各个实施例，第二端子46连接到第三IGBT32的发射极上，并且连接到第四IGBT34的集电极上。
在操作中，给定M2LC子***12通过控制各个IGBT的栅极电压，能够跨第一和第二端子44、46产生三个不同电压电平（0伏特、Vcap或2Vcap）。当给定M2LC子***12用作较大***（例如，M2LC***10）的元件时，在电压施加到与较大***相联的直流环节上之前，可以按将跨第一和第二电容器24、26的电压带到高达100%（例如，全线电压）的方式，控制IGBT的栅极。将认识到，100%电平可以是例如1000伏特、2000伏特、3000伏特等等。
图4表明在图3中表示的变流器14的各个实施例。变流器14是高压变流器，该高压变流器包括中心导体52、具有次级绕组的芯54、及在中心导体52与芯54之间的隔离部件56。中心导体52构造成用来接连到电流源电源16上，并且作为单匝初级绕组操作。芯54可以由任何适当材料构造，并且可以具有任何适当构造。例如，根据各个实施例，芯54由铁氧体构造，并且为环形线圈的形状。隔离部件56可以由任何适当材料构造。例如，根据各个实施例，隔离部件56可以由聚酯构造。隔离部件56提供与芯54相关联的高压相对于中心导体52之间的足够隔离。因而，将认识到，每个变流器14在对应M2LC子***12控制电路与电流源电源16之间提供高压隔离。
图5表明另一个M2LC***60的各个实施例。如图5所示，M2LC***60构造成三相桥路，该三相桥路包括多个M2LC子***62。M2LC子***62可以与在图3中表示的M2LC子***12相似或相同。对于M2LC***60的十八个M2LC子***62，将认识到，十八个对应变流器（例如，与变流器14相似或相同的十八个变流器）会用来将控制动力提供给十八个M2LC子***62。然而，为了简单起见，十八个对应变流器未表示在图5中。M2LC子***62布置成三个输出相模块64。每个输出相模块64包括多个串联连接M2LC子***62，并且每个输出相模块64还布置到正臂（或阀）和负臂（或阀）中，其中，每个臂（或阀）由电感滤波器66分离。
图6表明根据各个实施例的可控交流电流源电源70的电路图。可控交流电流源电源70是高频可控电流源电源，并且可以用来将受控交流电流提供给多个分布式高压变流器（例如，变流器14），这些分布式高压变流器又将控制电力提供给对应M2LC子***12。将认识到，交流电流源电源70和变流器可以用来将控制电力提供给M2LC子***12，而与M2LC子***12的相应操作电压和操作模式无关。如图6所示，可控交流电流源70包括20KHz调制的反相器和电流调节器。
图7表明根据各个实施例的电流源电源80的电路图。电流源电源80是低频电流源电源，并且可以用来将交流电流提供给多个高压变流器（例如，变流器14），这些高压变流器又将控制电力提供给对应M2LC子***12。与图6的可控交流电流源电源70相反，电流源电源80可能不能够在全部异常操作条件下控制供给电流的幅度。然而，因为电流源电源80从低频电流供电，该低频电流由适当大小的电感器控制，所以电流源电源80可以将希望的窗口电流提供给多个高压变流器。尽管60Hz交流电流表示在图7中，但将认识到，交流电流可以按除60Hz之外的频率（例如，50Hz）提供。
图8表明根据其它实施例的电流源电源90的电路图。电流源电源90是包括不间断电源92的低频电流源电源，并且可以用来将交流电流提供给多个高压变流器（例如，变流器14），这些高压变流器又将控制电力提供给对应M2LC子***12。将认识到，不间断电源92可以在供给电压的失去（例如，电力停止）期间用来将能量供给到电流源电源90。尽管60Hz交流电流表示在图7中，但将认识到，交流电流可以按除60Hz之外的频率（例如，50Hz）提供。
图9表明根据另外其它实施例的电流源电源100的电路图。电流源电源100是低频电源，并且可以用来将交流电流提供给多个高压变流器（例如，变流器14），这些高压变流器又将控制电力提供给对应M2LC子***12。电流源电源100与图7的电流源电源80相似，但不同之处在于，电流源电源100包括并联的两个低频交流电流源。将认识到，两个低频交流电流源操作，以相对于供给到M2LC***的M2LC子***的外部控制电力，消除单个失效点。
鉴于上文，将认识到，以上描述的分布式电源可在全部操作条件下，将要求的控制电力（例如，单元控制和栅极控制电力）提供给M2LC子***，这些操作条件包括故障条件。分布式电源由电流源馈电，从而在子***上的分布式电源的任一个的失效-这可导致在一个子***中的单元供给电压的短路，将不影响任何其它子***的电源操作。
另外，也将认识到，利用具有从公共控制交流电源馈电的变流器的M2LC布局，允许实现如下功能的任一个：
（1）M2LC两端子子***局部控制（表示在图1中）可在对于主直流源的电压的任何施加之前完全特征化和生效，该主直流源馈电串联的两端子子***（见图3）；
（2）在单元的直流环节的预先充电期间两端子子***的栅极信号的完全控制，从而随着***预先充电，建立适当操作电压；
（3）单元没有由单元控制电源限制的操作电压极限。因而，两端子子***的电力切换的部分或全部可放置在零电压状态下，因为子***的局部直流环节不要求维持单元控制电力。这当给定两端子子***的各种失效发生时，允许给定两端子子***的功能旁通，允许其它两端子子***继续操作；
（4）由于对于每个子***的电源从外部电流源（不是从子***直流环节）馈电，所以子***电源可设计成，利用为各种IGBT（例如，1700v、3300v、6500v、等等）设计的M2LC的子***操作，而没有显著变化；及
（5）由于操作在每个子***上的控制***要求的正确电流可由可控电流源设置，所以生成单元电源电压的周期性电压监视可用来确定和转向子***控制电路的“健康”。
在以上描述中没有东西意味着，将本发明限于任何具体材料、几何形状、或元素的方位。在本发明的范围内想到多种部分/方位替代，并且对于本领域的技术人员将是显然的。这里描述的实施例仅作为例子呈现，并且不应该用来限制本发明的范围。
尽管就在本申请中的具体实施例而论已经描述了本发明，但本领域的技术人员鉴于这里的讲授，可产生另外的实施例和修改，而不脱离要求保护的本发明的精神或超过其范围。相应地，要理解，这里仅提供描述和附图以促进本发明的理解，并且不应该解释成限制其范围。

Claims (14)

1.一种模块式多电平转换器***，包括：
多个串联连接的两端子模块式多电平转换器子***，
其中，子***中的至少一个子***包括：
多个电容器；
多个切换装置，其中，切换装置中的至少一个切换装置连接到电容器之一；
多个二极管，其中，二极管中的至少一个二极管连接到切换装置之一；和
连接到切换装置的控制器，
其中，子***中的至少一个子***的控制器磁性地耦联到交流电流源电源。
2.根据权利要求1所述的***，其中，子***中的至少一个子***在子***的全部操作条件下接收控制电力。
3.根据权利要求1所述的***，其中，子***中的全部子***在子***的全部操作条件下接收控制电力。
4.根据权利要求1所述的***，其中，子***中的至少一个子***连接到分布式电源。
5.根据权利要求1所述的***，其中，各个子***连接到对应的分布式电源。
6.根据权利要求1所述的***，其中，子***中的至少一个子***连接到变流器，所述变流器连接到交流电流源电源。
7.根据权利要求6所述的***，其中，子***中的所述至少一个子***从变流器接收控制电力。
8.根据权利要求1所述的***，其中，各个子***连接到对应的变流器，所述对应变流器连接到交流电流源电源。
9.根据权利要求8所述的***，其中，各个子***从对应的变流器接收控制电力。
10.根据权利要求1所述的***，其中，控制器还连接到变流器，所述变流器连接到交流电流源电源。
11.根据权利要求1所述的***，其中，交流电流源电源是可控交流电流源电源。
12.根据权利要求1所述的***，其中，交流电流源电源是高频交流电流源电源。
13.根据权利要求1所述的***，其中，交流电流源电源是低频交流电流源电源。
14.根据权利要求1所述的***，其中，交流电流源电源包括：
第一交流电流源电源；和
第二交流电流源电源。
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