CN104937830B - 级联的多电平功率转换器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种多电平功率转换器，包含：n个输入级(Ein_n)，n至少等于1，每个输入级包含n+1个连接在一起的相同的输入转换器(CONVx_En)，输入转换器(CONVx_En)展现了从NPC(受钳制中性点)、ANPC(活跃受钳制中性点)、NPP(先导控制中性点)以及SMC(堆栈式多单元转换器)的结构中选出的相同拓扑；输出级(Eout)，连接于第一输入级，并且包含输出转换器(CONVS)，向输出转换器(CONVS)提供差动电压(Vfloat)，该差动电压(Vfloat)是因施加于第一输入级的第一输入转换器输出端的第一电位和施加于第一输入级的第二输入转换器输出端的第二电位所产生的，输出转换器(CONVS)展现了从具有飞跨电容器(FC)、SMC(堆栈式多单元转换器)、NPC(受钳制中性点)、NPP(先导控制中性点)以及ANPC(活跃受钳制中性点)的结构中选出的拓扑。

Description

级联的多电平功率转换器
技术领域
本发明涉及一种多电平功率转换器。更具体地讲，本发明的多电平转换器旨在在中等电压范围内操作。
背景技术
当前的某些应用要求非常高的电压。即使用于功率转换器的半导体的性能水平正在不断提高，它们的承压度仍不足以产生紧致和安全的功率转换器。因此，形成了各种允许电压增加同时又符合部件承压度的方案。
第一种方案仅涉及串行链接交换器。然而，无论在静态***中还是在动态***中，都难以在交换器中的每一个交换器上均匀地分配电压约束。例如，当接通时，交换最慢的交换器冒着承受过量瞬时电压的风险，而当关闭时，最快的交换器冒着被毁坏的风险。为了克服这些不利之处，人们推出了其它一些基于对交换器进行交错控制的方案。这些方案允许采用旨在恢复波形的多个电压电平。
已经出现的第二方案为人们所熟悉的NPC(受钳制中性点)拓扑。这一拓扑使平衡交换器所承受电压的问题得以明显改进，并且允许生成满意的波形。然而，这一拓扑具有对其使用的限制，并且特别在总线电容器上电压的平衡方面存在不足。于是，人们通过用受控交换器取代二极管来对这一NPC 型拓扑进行了改进。这一改进的拓扑被称为ANPC(活跃受钳制中性点)，并且已经在某些产品(来自ABB公司的ACS 2000)中实现了这一拓扑。例如，专利US6930899中描述了一种替代NPC拓扑的、称为NPP(先导控制中性点)的可选拓扑。
第三种方案已经出现，其使用了嵌套的单元。嵌套的单元转换器允许通过串行链接任何数目的交换器把电压源连接于电流源，而无论所要求的转换类型如何。每一个基本单元均具有两个交换器和一个电容器。然而，这一方案同样具有与每一个单元中飞跨电容器(flying capacitor)的存在相关的不足之处，飞跨电容器的数目导致了额外的开销，并且需要大量存储的能量。
为了减小电容器的尺寸以及降低存储在转换器中的能量，人们提出了第四种方案。这一方案称为堆栈多单元转换器(SMC)。专利EP1287609中所描述的这一方案涉及多个嵌套的单元转换器的链接。
最终，专利US5625545中描述了最后一种方案。这一方案涉及串行地链接所述单元的输出端，并且使用独立的源向每一个单元提供电能。每一个单元均具有一个整流器和一个倒相器。串行地链接所述单元的输出端，以在负载上生成所希望的电压电平。使用对倒相器的控制中的时间位移获得多电平电压。
另外，以下文档中也对各方案进行了描述。
-FANG ZHENG:"A Generalized Multilevel Inverter Topology with SelfVoltage Balancing"–01/03/2001,XP011022945
-ZHIGUO PAN等人:"A diode-clamped multilevel converter with reducednumber of clamping diodes"–22/02/2004,XP010703326
-ALIAN CHEN等人:"A novel type of combined multilevel convertertopologies"–02/11/2004,XP010799316
-ALIAN CHEN等人:"A multilevel converter topology with fault tolerantability"–22/02/2004,XP010703838
-BARBOSA P等人:"Active-Neutral-point-Clamped(ANPC)MultilevelConverter Technology",XP010933291
US2007/025126A1
这些文档中所描述的方案推荐的是串联转换器，全部具有相同的拓扑。
本发明的目的旨在推荐所有先前方案的一种替代方案，其允许链接大量部件，以能够在高电压电平操作，而且无需使用变压器，也不对无源部件的最大数目加以限制。
发明内容
通过多电平功率转换器实现这一目的，所述多电平功率转换器包含：
n个输入级(stage)，n至少等于1，每一个输入级具有n+1个互相连接的相同的输入转换器，向每一个转换器提供一个输入电压，并且对其加以控制，以根据所述输入电压把一个电位施加于输出端，
如果n大于或者等于2，则向第n-1个输入级的每一个输入转换器提供因两个第n转换器向两个输出端所施加的电位所产生的电压，
一个输出级，连接于第一输入级，并且具有一个输出转换器，向输出转换器提供一个差动电压，这一差动电压是因施加于第一输入级的第一输入转换器输出端的第一电位和施加于第一输入级的第二输入转换器输出端的第二电位所产生的，控制所述输出转换器，以向输出端施加一个电位。
展现了相同拓扑的输入转换器，所述拓扑是从NPC、ANPC、NPP以及 SMC型结构中选出的，
展现了不同于为输入转换器所选拓扑的拓扑的输出转换器，输出转换器的所述拓扑是从飞跨电容器、SMC、NPC,NPP以及ANPC结构中选出的。
根据一个变通实施例，输入转换器展现了NPP型拓扑，输出转换器展现了飞跨电容器拓扑。
根据另一个变通实施例，输入转换器展现了NPC型拓扑，输出转换器展现了飞跨电容器拓扑。
根据另一个变通实施例，输入转换器展现了ANPC型拓扑，输出转换器展现了飞跨电容器拓扑。
根据另一个变通实施例，输入转换器展现了NPP型拓扑，输出转换器展现了SMC型拓扑。
根据另一个变通实施例，输入转换器展现了NPC型拓扑，输出转换器展现了SMC型拓扑。
根据另一个变通实施例，输入转换器展现了ANPC型拓扑，输出转换器展现了SMC型拓扑。
附图说明
在以下参照下列附图的详细描述中将会发现本发明的其它特性与优点：
图1示意性地示出了本发明的多电平功率转换器，
图2示出了包含单个输入级和一个输出级的本发明的多电平转换器，
图3示出了本发明的具有一个输入级和一个输出级的多电平转换器，其中输入级具有NPP拓扑，而输出级具有飞跨电容器拓扑，
图4示出了本发明的具有一个输入级和一个输出级的多电平转换器，其中输入级具有NPC拓扑，而输出级具有飞跨电容器拓扑，
图5示出了本发明的具有一个输入级和一个输出级的多电平转换器，其中输入级具有ANPC拓扑，而输出级在输出端具有飞跨电容器拓扑，
图6A～图6L说明了本发明的多电平转换器中电流的不同的流动顺序，所述多电平转换器具有一个输入级和一个输出级，其中输入级具有NPP拓扑，而输出级具有飞跨电容器拓扑，以及
图7示出了本发明的具有一个输入级和一个输出级的多电平转换器，其中输入级具有NPP拓扑，而输出级具有SMC拓扑。
具体实施方式
本发明涉及一种多电平功率转换器，其允许在高电压操作，更精确地讲，其允许在2.3kV～13.8kV的中等电压范围内操作。这取决于按级联方式链接的基本结构，每一个基本结构基于有限量串行链接的部件。
参照图1，本发明的多电平转换器具有：
-n个输入级Ein_n，n至少等于1，每一个输入级Ein_n具有n+1个互相连接的相同的输入转换器CONVx_En(x处于1～n+1的范围)，向每一个转换器 CONVx_En提供输入电压Vx_En，并且对其加以控制，以根据所述输入电压把一个电位施加于输出端Sy_En(y处于1～n的范围)，
-如果n大于或者等于2，则向第n-1个输入级的每一个输入转换器提供因两个第n转换器向两个输出端所施加的电位所产生的电压，
-一个输出级Eout，连接于第一输入级，并且具有一个输出转换器 CONVS，向输出转换器CONVS提供差动电压Vfloat，该差动电压Vfloat是因施加于第一输入级的第一输入转换器输出端的第一电位和施加于第一输入级的第二输入转换器输出端的第二电位所产生的，控制所述输出转换器，以向其输出端S1_S施加一个电位。
根据本发明，各输入转换器展现了相同拓扑。所述拓扑是从NPC(受钳制中性点)、ANPC(活跃受钳制中性点)、NPP(先导控制中性点)以及 SMC(堆栈式多单元转换器)型结构中选出的。
根据本发明，输出转换器展现了不同于为输入转换器所选拓扑的拓扑，输出转换器的所述拓扑是从飞跨电容器(FC)、SMC、NPC,NPP以及ANPC 结构中选出的。
在本说明书的其余部分中，为了加以简化，将主要关注满足以上所定义的准则的、并且具有单个输入级Ein_1和一个输出级Eout的基本结构。这一基本结构具有：
第一输入转换器CONV1_E1，向其输入端提供第一电压V1_E1，并且对其加以控制，以向第一输出端S1_E1提供第一电位，
第二输入转换器CONV2_E1，向其输入端提供第二电压V2_E1，并且对其加以控制，以向第二输出端S2_E1提供第二电位，
输出转换器CONVS，将其连接于第一输出端S1_E1和第二输出端S2_E1，以向其提供因第一电位和第二电位所产生的差动电压Vfloat，并且对其加以控制，以向输出端S1_S施加电位。
以下参照图3～5描述第一推荐。
在输入级Ein_1中，使用简单的拓扑提供了输入转换器CONV1_E1、 CONV2_E1，例如，串行地链接两个交换器。在这些方案中，差动电压Vfloat等于电压V(＝V1_E1＝V2_E1),或者等于总输入电压(V1_E1+V2_E1)的一半。因此，输入交换器中的每个输入交换器必须承受一半的输入电压。
在输出级，对转换器进行选择，以使用与输入级中的交换器相同的交换器，以便把所述多个交换器限制于这一阶段。
图3 ～ 7 中示出了满足这些准则的不同结构。
图3示出了本发明的类型的多电平转换器，其包含输入转换器 CONV1_E1、CONV2_E1和输出转换器CONVS，其中输入转换器CONV1_E1、 CONV2_E1具有NPP拓扑，输出转换器CONVS具有飞跨电容器型拓扑。
图4示出了本发明的类型的多电平转换器，其包含输入转换器 CONV1_E1、CONV2_E1和输出转换器CONVS，其中输入转换器CONV1_E1、 CONV2_E1具有NPC拓扑，输出转换器CONVS具有飞跨电容器型拓扑。
图5示出了本发明的类型的多电平转换器，其包含输入转换器 CONV1_E1、CONV2_E1和输出转换器CONVS，其中输入转换器CONV1_E1、 CONV2_E1具有ANPC拓扑，输出转换器CONVS具有飞跨电容器型拓扑。
图6A～图6L更具体地说明了具有针对输入转换器的NPP拓扑和针对输出转换器的飞跨电容器拓扑的结构的操作顺序。
对于输出级，需要遵守某些规则：
-晶体管T1和T2除失效时间外具有互补的操作。
-晶体管T3和T4除失效时间外具有互补的操作。
为了维持飞跨电容器Cfloat端点处平均电压的稳定，对晶体管T1和T3或者T2和T4的控制，除不同相外，是相同的，这将允许负载电流瞬间流过所述电容器。
例如，输出级的交换器的控制基于使用N个三角形载波、时间位移(理想情况下为2π/n)，按相应于这一阶段的n个单元的交换频率(在这一情况下 N等于2)的交叉调制以及按输出信号的频率的正弦调制，以确定交换器的交换时间(switching times)。
对于输入级，需要遵守某些规则：
成对儿链接晶体管(T5a,T5b)、(T7a,T7b)、(T9a,T9b)、(T11a, T11b)，以使它们的交换同步(simultaneous)。
禁止对T5和T6的同步控制。这两个交换器除失效时间外具有互补操作。
禁止对T5和T7的同步控制。这两个交换器除失效时间外具有互补操作。
禁止对T7和T11的同步控制。这两个交换器除失效时间外具有互补操作。
禁止对T7和T8的同步控制。这两个交换器除失效时间外具有互补操作。
禁止对T9和T10的同步控制。这两个交换器除失效时间外具有互补操作。
禁止对T11和T12的同步控制。这两个交换器除失效时间外具有互补操作。
禁止对T9和T11的同步控制。这两个交换器除失效时间外具有互补操作。
互补信号用于控制交换器T7和T9，这些信号本身与用于交换器T8和 T10的控制信号互补。这些信号依赖于设置点电压的符号。
例如，对交换器T5、T6、T11以及T12的控制使用了两个三角形载波，相对用于控制输出级的交换器的载波，这两个三角形载波幅移并且不同相，这是为了限制输出电压的谐波含量。
遵守以上所定义的规则，图6A～图6L中说明了不同的操作顺序。每一个图示出了流过输入级和输出级的电流的一个不同的路径。
当电容器端子上的电压平衡时，这些操作规则完全相适。然而，如果需要平衡这些电压，则必须这样做。因此，以下描述一个控制实例。
以下将结合图4中所给出的拓扑，描述平衡本发明的多电平转换器的电容器端子上的电压的原理。
在图4中，本发明的多电平转换器具有多个交换单元。由具有互补操作 (即，一个接通时，另一个关闭)的两个交换器(T1、T1'–T2、T2'–T3U、 T3'U–T3L、T3'L–T4U、T4'U–T4L、T4'L)形成每一个交换单元。
使用交换函数fk描述每一个单元的操作。
如果fk＝1,则意味着交换器Tk关闭，而交换器T'k打开。
如果fk＝0,则意味着单元的交换器Tk打开，而交换器T'k关闭。
在诸如具有图4中的拓扑的多电平转换器的拓扑的拓扑中，需要在输入电容器C1、C2、C3、C4之间均匀地分配输入电压，并且，为了确保交换器之间电压的良好分配，电容器Cf的电压需要等于输入电压的四分之一。
对交换单元进行控制，以满足以下3个目标：
-获得所希望的输出电压，
-平衡飞跨电容器Cf端子上的电压VCf，
-平衡由电容器C1、C2、C3以及C4所形成的DC总线的电压Vdc。
平衡电压VCf
通过其中电流的流动，修改飞跨电容器Cf端子上的电压VCf。以下的表根据交换器的状态描述了流过飞跨电容器的输出电流的值。
在交换器所采用的其它状态中，飞跨电容器Cf不载有任何电流，因此其电压不改变，而且进行平衡是不必要的，或者是不可能的。
总而言之，如果在输出端要求值为–Vdc/4的电压，则交换器的控制单元在考虑到飞跨电容器端子上的电压VCf的变化的情况下，在状态V1和V2之间进行选择。
为了获得一个0输出电压，控制单元需要根据飞跨电容器端子上的电压 VCf的状态，在以上的表中，在状态V5和V6之间进行选择。
为了获得一个值为Vdc/4的输出电压，控制单元需要根据飞跨电容器端子上的电压VCf的状态，在以上的表中，在状态V9和V10之间进行选择。
平衡DC总线的电压Vdc
就平衡DC总线的电压Vdc而言，已知中间点O展现了固定在平均值的浮动电位，然而，这一电位随负载条件的变化或者交换器控制的变化在这一平均值附近波动。需要使这一波动得以控制，以使其维持在可接受的操作范围内。
在输入转换器上，图4的拓扑具有3个中间点O+,O,O-。在这3个点处， 3个电流IO+,IO以及IO-能够流动。
通过对这3个电流中每一个电流的影响进行处理，可以获得以下结果：
-使用非零电流IO+和假定的零电流IO和IO-：
其中:
TS表示交换周期，
C表示电容器C1、C2、C3以及C4的电容，
ΔVCi表示交换周期中电容器Ci(i＝1,2,3或者4)端子上电压的变化。
-使用非零电流IO和假定的零电流IO+和IO-：
-使用非零电流IO-和假定的零电流IO+和IO-：
使用叠加原理，通过把每一种可能配置中所获得的变化结果相加，获得电容器端子上电压的总变化：
为了去耦所述量值，可以关注：
-把针对点O+的平衡链接于关系：
-把针对点O-的平衡链接于关系：
-把针对点O的平衡链接于关系：
ΔVO＝(ΔVC1+ΔVC2)-(ΔVC3+ΔVC4)
或者:
下面的表再访(revisit)了提示电流IO+,IO,IO-的存在并因此导致电容器端子上的电压VC1、VC2、VC3、VC4变化的交换器的状态。
为了确保具有值–Vdc/4的输出电压，控制单元根据总线的电容器的充电状态选择上表中所定义的状态V1、V2以及V4之一，以获得电流IO或者 IO-。
为了确保零输出电压，控制单元根据总线的电容器的充电状态选择上表中所定义的状态V3、V5、V6以及V7之一，以获得电流IO、IO-或者IO+。
为了确保具有值Vdc/4的输出电压，控制单元根据总线的电容器的充电状态选择上表中所定义的状态V7、V9以及V10之一，以获得电流IO或者IO+。
对于此第一推荐，图中没有示出所有可能的配置。根据图3～图5，这些其它配置涉及使用具有NPC、NPP或者ANPC拓扑的输出转换器取代具有飞跨电容器的输出转换器CONVS。
参照图7，以下描述第二推荐。
此第二推荐涉及链接其输入转换器CONV1_E1、CONV2_E1使用了简单拓扑的输入级Ein_1和其输出转换器CONVs展现了较复杂拓扑并且具有大量串行交换器的输出级Eout。
在输入端，与第一推荐中相同，根据NPC、NPP或者ANPC型拓扑提供了转换器CONV1_E1,CONV2_E1。
在输出端，根据SMC型拓扑提供转换器CONVs，其中，SMC型拓扑允许通过限制所使用的飞跨电容器的尺寸串行地链接多个交换器。
图7示出了这样多电平转换器：展示了其输入转换器CONV1_E1、 CONV2_E1具有NPP拓扑的输入级Ein_1以及其输出转换器CONVS具有SMC 拓扑的输出级Eout。
图中未示出针对此第二推荐的其它可能的配置，即，NPC+SMC和 ANPC+SMC，但应该意识到，它们形成了本发明的一部分。
因此，本发明的目的旨在按级联方式链接已知的基本模块，从而能够串行地设置适当数目的交换器。所推荐的各种结构均允许对不同的操作电压进行调整，所述不同操作电压可处于2.3kV～13.8kV的范围。
以上所描述的第一推荐具有仅需要少量交换器的优点。
第二推荐，就其方面而言，允许增加串行交换器的数目，但也允许混合交换器的类型。用于输入级的交换器的类型最好为不同于输出级所使用的交换器的类型。为了维持所述部件中每一个部件所需的电压电平，施加于输出转换器输入端的差动电压为E/2。对于输入级，两个交换器必须能够承受E/2，同时，输出转换器的6个交换器也需承受E/2。
在以上的两个推荐中，为了确保电容器端子上电压的平衡，需要以上所描述的控制。按相同的方式把平衡原理应用于本申请中所描述的所有拓扑。

Claims (7)

1.一种级联的多电平功率转换器，包含：
n个输入级(Ein_n)，n大于或者等于2，每个第k个输入级具有k+1个互相连接的相同的输入转换器(CONVx_En)，向每个转换器提供输入电压(Vx_En)，并且根据所述输入电压控制其向输出端(Sy_En)施加电位，其中k为1至n，
向第k-1个输入级的每个输入转换器提供因第k个输入级的两个转换器向两个输出端所施加的电位所产生的电压，
一个输出级(Eout)，连接于第1个输入级，并且具有输出转换器(CONVS)，向输出转换器(CONVS)提供差动电压(Vfloat)，该差动电压(Vfloat)是因施加于第1个输入级的第一输入转换器输出端的第一电位和施加于第1个输入级的第二输入转换器输出端的第二电位所产生的，控制所述输出转换器，以向输出端(S1_S)施加电位，
其特征在于，
输入转换器(CONVx_En)展现了从NPC、ANPC、NPP以及SMC型结构中选出的相同拓扑，
输出转换器(CONVS)展现了与为输入转换器所选拓扑不同的拓扑，输出转换器的所述拓扑是从飞跨电容器(FC)、SMC、NPC,NPP以及ANPC结构中选出的。
2.如权利要求1所述的功率转换器，其特征在于，输入转换器(CONVx_En)展现了NPP型拓扑，而输出转换器(CONVS)展现了飞跨电容器拓扑。
3.如权利要求1所述的功率转换器，其特征在于，输入转换器(CONVx_En)展现了NPC型拓扑，而输出转换器展现了(CONVS)飞跨电容器拓扑。
4.如权利要求1所述的功率转换器，其特征在于，输入转换器(CONVx_En)展现了ANPC型拓扑，而输出转换器(CONVS)展现了飞跨电容器拓扑。
5.如权利要求1所述的功率转换器，其特征在于，输入转换器(CONVx_En)展现了NPP型拓扑，而输出转换器(CONVS)展现了SMC型拓扑。
6.如权利要求1中所述的功率转换器，其特征在于，输入转换器(CONVx_En)展现了NPC型拓扑，而输出转换器(CONVS)展现了SMC型拓扑。
7.如权利要求1所述的功率转换器，其特征在于，输入转换器(CONVx_En)展现了ANPC型拓扑，而输出转换器(CONVS)展现了SMC型拓扑。
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