多電平逆變器的制造方法
【專利摘要】提供了一種具有高效結(jié)構(gòu)的多電平逆變器，所述多電平逆變器包括：模塊化移相變壓器，其包括多個(gè)模塊以通過接收三相輸入電壓來提供移相電壓；多個(gè)第一組電力單元組件，其被配置為通過從多個(gè)模塊中的任一模塊接收對(duì)應(yīng)于第一相位電壓中的每一相的信號(hào)，經(jīng)由執(zhí)行預(yù)定的逆變操作，來提供預(yù)定相的輸出電壓；多個(gè)第二組電力單元組件，其被配置為通過從多個(gè)模塊中的任一模塊接收對(duì)應(yīng)于第二相位電壓中的每一相的信號(hào)，經(jīng)由執(zhí)行預(yù)定的逆變操作，來提供預(yù)定相的輸出電壓；多個(gè)第三組電力單元組件，其被配置為通過從多個(gè)模塊中的任一模塊接收對(duì)應(yīng)于第三相位電壓中的每一相的信號(hào)，經(jīng)由執(zhí)行預(yù)定的逆變操作，來提供預(yù)定相的輸出電壓。
【專利說明】多電平逆變器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 符合本公開的示例性實(shí)施例的教義一般地涉及多電平逆變器，且更特別地，涉及 被配置為使用電力單元組件的多電平中壓逆變器。

【背景技術(shù)】
[0002] -般地，多電平中壓逆變器是具有其有效值(均方根)為超過600V的線間電壓的輸 入電力的逆變器，并具有若干級(jí)輸出相電壓。對(duì)于非限制性的示例，多電平中壓逆變器通常 用于驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)、泵、壓縮機(jī)、牽引機(jī)、起重機(jī)和輸送機(jī)的范圍從幾千瓦到數(shù)兆瓦容量的大慣 量的工業(yè)負(fù)載。
[0003] 多電平逆變器的一種形式是級(jí)聯(lián)Η橋（CHB)逆變器架構(gòu)，其采用用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)各 相繞組的多個(gè)串聯(lián)Η橋逆變器，或從CHB逆變器轉(zhuǎn)換的級(jí)聯(lián)NCP (中性點(diǎn)鉗位）逆變器。最 近使用的NCP逆變器由于其較小的尺寸而優(yōu)于傳統(tǒng)的串聯(lián)CHB逆變器。廣泛用于各種領(lǐng)域 的多電平逆變器需要更高的效率和較少數(shù)量的元件的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本公開提供一種多電平逆變器，其被配置為具有較高效率的結(jié)構(gòu)。
[0005] 在本公開的一個(gè)總體方案中，提供了一種多電平逆變器，所述多電平逆變器包 括：
[0006] 模塊化移相變壓器，其包括多個(gè)模塊以通過接收三相輸入電壓來提供移相電壓；
[0007] 多個(gè)第一組電力單元組件，其被配置為通過從多個(gè)模塊中的任一模塊接收對(duì)應(yīng)于 第一相位電壓中的每一相的信號(hào)，經(jīng)由執(zhí)行預(yù)定的逆變操作，來提供預(yù)定相的輸出電壓；
[0008] 多個(gè)第二組電力單元組件，其被配置為通過從多個(gè)模塊中的任一模塊接收對(duì)應(yīng)于 第二相位電壓中的每一相的信號(hào)，經(jīng)由執(zhí)行預(yù)定的逆變操作，來提供預(yù)定相的輸出電壓；
[0009] 多個(gè)第三組電力單元組件，其被配置為通過從多個(gè)模塊中的任一模塊接收對(duì)應(yīng)于 第三相位電壓中的每一相的信號(hào)，經(jīng)由執(zhí)行預(yù)定的逆變操作，來提供預(yù)定相的輸出電壓；其 中，第一組電力單元組件中的其中一個(gè)電力單元組件、第二組電力單元組件中的其中一個(gè) 電力單元組件和第三組電力單元組件中的其中一個(gè)電力單元組件配對(duì)以提供相同相位的 輸出電壓。
[0010] 優(yōu)選地，但非必須地，模塊化移相變壓器可以包括：第一模塊，其被配置為通過接 收三相輸入電壓，來提供經(jīng)由初級(jí)繞組和次級(jí)繞組移相后的第一相位電壓；第二模塊，其被 配置為通過接收三相輸入電壓，來提供經(jīng)由用于對(duì)與所述第一模塊不同地預(yù)定的相位進(jìn)行 偏移的初級(jí)繞組和次級(jí)繞組移相后的第二相位電壓；以及第三模塊，其被配置為通過接收 三相輸入電壓，來提供經(jīng)由用于對(duì)與所述第一模塊和所述第二模塊不同地預(yù)定的相位進(jìn)行 偏移的初級(jí)繞組和次級(jí)繞組移相后的第三相位電壓。
[0011] 優(yōu)選地，但非必須地，所述第二模塊的所述初級(jí)繞組是三相星形連接，而所述第二 模塊的所述次級(jí)繞組是預(yù)定的三相連接，且所述第一模塊和所述第三模塊的所述初級(jí)繞組 中的每一個(gè)初級(jí)繞組具有絕對(duì)值相等的相位值且纏繞成具有正相位和負(fù)相位。
[0012] 優(yōu)選地，但非必須地，第一模塊至第三模塊可以被配置為對(duì)稱的。
[0013] 優(yōu)選地，但非必須地，所述多個(gè)第一組電力單元組件包括第一電力單元組件至第 三電力單元組件，該第一電力單元組件至第三電力單元組件被配置為通過接收對(duì)應(yīng)于所述 第二相位電壓中的每一相的信號(hào)，經(jīng)由執(zhí)行預(yù)定的逆變操作，來提供預(yù)定相的輸出電壓；所 述多個(gè)第二組電力單元組件包括第四電力單元組件至第六電力單元組件，該第四電力單元 組件至第六電力單元組件被配置為通過接收對(duì)應(yīng)于所述第三相位電壓中的每一相的信號(hào)， 經(jīng)由執(zhí)行預(yù)定的逆變操作，來提供預(yù)定相的輸出電壓；以及所述多個(gè)第三組電力單元組件 包括第七電力單元組件至第九電力單元組件，該第七電力單元組件至第九電力單元組件被 配置為通過接收對(duì)應(yīng)于所述第三相位電壓中的每一相的信號(hào)，經(jīng)由執(zhí)行預(yù)定的逆變操作， 來提供預(yù)定相的輸出電壓；其中，所述第一組電力單元組件至第三組電力單元組件中的其 中一個(gè)電力單元組件、所述第四組電力單元組件至第六組電力單元組件中的其中一個(gè)電力 單元組件以及所述第七組電力單元組件至第九組電力單元組件中的其中一個(gè)電力單元組 件配對(duì)以提供相同相位的輸出電壓。
[0014] 優(yōu)選地，但非必須地，所述第一電力單元組件包括：整流器，其被配置為通過接收 所述第一相位電壓的第一相而提供經(jīng)整流的第一整流電壓；整平單元，其被配置為通過接 收由所述整流器整流后的所述第一整流電壓來給互不相同的第一節(jié)點(diǎn)至第三節(jié)點(diǎn)提供電 平互不相同的電壓；以及逆變器單元，其由多個(gè)用于傳送由所述整平單元提供的三個(gè)電平 的電壓的開關(guān)構(gòu)成，其中，逆變器單元包括：第一開關(guān)單元，其插置在所述第一節(jié)點(diǎn)和第一 輸出端之間；第二開關(guān)單元，其插置在所述第二節(jié)點(diǎn)和所述第一輸出端之間；第三開關(guān)單 元，其插置在所述第三節(jié)點(diǎn)和所述第一輸出端之間；第四開關(guān)單元，其插置在所述第一節(jié)點(diǎn) 和第二輸出端之間；第五開關(guān)單元，其插置在所述第二節(jié)點(diǎn)和所述第二輸出端之間；以及 第六開關(guān)單元，其插置在所述第三節(jié)點(diǎn)和所述第二輸出端之間。
[0015] 優(yōu)選地，但非必須地，第一開關(guān)單元至第六開關(guān)單元可以包括功率半導(dǎo)體器件和 二極管。
[0016] 優(yōu)選地，但非必須地，所述第二開關(guān)單元包括第一二極管，其具有從所述第二節(jié)點(diǎn) 至所述第一輸出端的電流方向性；第一功率半導(dǎo)體器件，其具有反向于所述第一二極管的 電流方向性的電流方向性；第二二極管，其具有反向于所述第一二極管的電流方向性的電 流方向性并串聯(lián)至所述第一二極管；以及第二功率半導(dǎo)體器件，其具有反向于所述第一功 率半導(dǎo)體器件的電流方向性的電流方向性并連接所述第二二極管的一側(cè)至所述第二二極 管的另一側(cè)。
[0017] 優(yōu)選地，但非必須地，第一開關(guān)單元可以包括：第一二極管，其具有從第一輸出端 至第一節(jié)點(diǎn)的電流方向性；以及第一功率半導(dǎo)體器件，其具有反向于第一二極管的電流方 向性的電流方向性并將第一二極管的一側(cè)連接至另一側(cè)。
[0018] 優(yōu)選地，但非必須地，第三開關(guān)單元可以包括：第二二極管，其具有從第三節(jié)點(diǎn)至 第一輸出端的電流方向性；以及第二功率半導(dǎo)體器件，其具有反向于第二二極管的電流方 向性的電流方向性并將第二二極管的一側(cè)連接至另一側(cè)。
[0019] 優(yōu)選地，但非必須地，第五開關(guān)單元可以包括：第一二極管，其具有從第二節(jié)點(diǎn)至 第二輸出端的電流方向性；第一功率半導(dǎo)體器件，其具有反向于第一二極管的電流方向性 的電流方向性并將第一二極管的一側(cè)連接至另一側(cè)；第二二極管，其具有反向于第一二極 管的電流方向性的電流方向性并串聯(lián)至第一二極管；以及第二功率半導(dǎo)體器件，其具有反 向于第一功率半導(dǎo)體器件的電流方向性的電流方向性并將第二二極管的一側(cè)連接至另一 側(cè)。
[0020] 優(yōu)選地，但非必須地，第四開關(guān)單元可以包括：第一二極管，其具有從第二輸出端 至第一節(jié)點(diǎn)的電流方向性；以及第一功率半導(dǎo)體器件，其具有反向于第一二極管的電流方 向性的電流方向性并將第一二極管的一側(cè)連接至另一側(cè)。
[0021] 優(yōu)選地，但非必須地，第六開關(guān)單元可以包括：第二二極管，其具有從第三節(jié)點(diǎn)至 第二輸出端的電流方向性；以及第二功率半導(dǎo)體器件，其具有反向于第二二極管的電流方 向性的電流方向性并將第二二極管的一側(cè)連接至另一側(cè)。
[0022] 優(yōu)選地，但非必須地，整平單元可以包括串聯(lián)連接的第一電容器和第二電容器，其 中，第一電容器和第二電容器接收從一側(cè)到另一側(cè)的第一整流電壓，且其中，第一電容器和 第二電容器的一側(cè)節(jié)點(diǎn)、共用節(jié)點(diǎn)和另一側(cè)節(jié)點(diǎn)分別是第一節(jié)點(diǎn)至第三節(jié)點(diǎn)。
[0023] 優(yōu)選地，但非必須地，所述整流器包括：第一二極管和第二二極管，其連接所述第 一電容器和所述第二電容器的一側(cè)和另一側(cè)，并通過共用節(jié)點(diǎn)接收所述第一相位電壓的第 一相電壓；第三二極管和第四二極管，其連接所述第一電容器和所述第二電容器的一側(cè)和 另一側(cè)，并通過共用節(jié)點(diǎn)接收所述第一相位電壓的第二相電壓；以及第五二極管和第六二 極管，其連接所述第一電容器的一側(cè)和另一側(cè)，并通過共用節(jié)點(diǎn)接收所述第一相位電壓的 第三相電壓。
[0024] 在本公開的另一個(gè)總體方案中，提供了一種多電平逆變器，所述多電平逆變器包 括：
[0025] 模塊化移相變壓器，其包括：第一模塊，所述第一模塊被配置為通過接收三相輸入 電壓，來提供經(jīng)由初級(jí)繞組和次級(jí)繞組移相后的第一相位電壓；第二模塊，其被配置為通過 接收三相輸入電壓，來提供經(jīng)由用于對(duì)與所述第一模塊不同地預(yù)定的相位進(jìn)行偏移的初級(jí) 繞組和次級(jí)繞組移相后的第二相位電壓；以及第三模塊，其被配置為通過接收三相輸入電 壓，來提供經(jīng)由用于對(duì)與所述第一模塊和所述第二模塊不同地預(yù)定的相位進(jìn)行偏移的初級(jí) 繞組和次級(jí)繞組移相后的第三相位電壓；以及第四模塊，其被配置為通過接收三相輸入電 壓，來提供使用用于對(duì)與所述第一模塊至第三模塊不同地預(yù)定的且同樣多的相位進(jìn)行偏移 的初級(jí)繞組和次級(jí)繞組移相后的第四相位電壓；第一電力單元組件至第三電力單元組件， 其被配置為通過接收對(duì)應(yīng)于第一相位電壓中的每一相的信號(hào)，經(jīng)由執(zhí)行預(yù)定的逆變操作， 來提供預(yù)定相的輸出電壓；第四電力單元組件至第六電力單元組件，其被配置為通過接收 對(duì)應(yīng)于第二相位電壓中的每一相的信號(hào)，經(jīng)由執(zhí)行預(yù)定的逆變操作，來提供預(yù)定相的輸出 電壓；第七電力單元組件至第九電力單元組件，其被配置為通過接收對(duì)應(yīng)于第三相位電壓 中的每一相的信號(hào)，經(jīng)由執(zhí)行預(yù)定的逆變操作，來提供預(yù)定相的輸出電壓；以及第十電力單 元組件至第十二電力單元組件，其被配置為通過接收對(duì)應(yīng)于第四相位電壓中的每一相的信 號(hào)，經(jīng)由執(zhí)行預(yù)定的逆變操作，來提供預(yù)定相的輸出電壓；其中，第一組電力單元組件至第 三組電力單元組件中的其中一個(gè)電力單元組件、第四組電力單元組件至第六組電力單元組 件中的其中一個(gè)電力單元組件、第七組電力單元組件至第九組電力單元組件中的其中一個(gè) 電力單元組件以及第十組電力單元組件至第十二組電力單元組件中的其中一個(gè)電力單元 組件配對(duì)以提供相同相位的輸出電壓。
[0026] 優(yōu)選地，但非必須地，第一電力單元組件可以包括：整流器，其被配置為通過接收 第一相位電壓的第一相而提供經(jīng)整流的第一整流電壓；整平單元，其被配置為通過接收由 整流器整流后的第一整流電壓來給互不相同的第一節(jié)點(diǎn)至第三節(jié)點(diǎn)提供電平互不相同的 電壓；以及逆變器單元，其由多個(gè)用于傳送由整平單元所提供的三個(gè)電平的電壓的開關(guān)構(gòu) 成，其中，逆變器單元包括：第一開關(guān)單元，其插置在第一節(jié)點(diǎn)和第一輸出端之間；第二開 關(guān)單元，其插置在第二節(jié)點(diǎn)和第一輸出端之間；第三開關(guān)單元，其插置在第三節(jié)點(diǎn)和第一輸 出端之間；第四開關(guān)單元，其插置在第一節(jié)點(diǎn)和第二輸出端之間；第五開關(guān)單元，其插置在 第二節(jié)點(diǎn)和第二輸出端之間；以及第六開關(guān)單元，其插置在第三節(jié)點(diǎn)和第二輸出端之間。 [0027] 優(yōu)選地，但非必須地，整平單元可以包括串聯(lián)連接的第一電容器至第四電容器，其 中，第一電容器至第四電容器接收從第一電容器至第四電容器的一側(cè)到另一側(cè)的第一整流 電壓至第四整流電壓，且其中，第一電容器和第二電容器的一側(cè)和另一側(cè)是第一節(jié)點(diǎn)和第 二節(jié)點(diǎn)，而第四點(diǎn)電容器的另一側(cè)是第三節(jié)點(diǎn)。
[0028] 優(yōu)選地，但非必須地，整流器可以包括：第一二極管和第二二極管，其連接第一電 容器和第二電容器的一側(cè)和另一側(cè)，并通過共用節(jié)點(diǎn)接收第一相位電壓的第一相電壓；第 三二極管和第四二極管，其連接第一電容器和第二電容器的一側(cè)和另一側(cè)，并通過共用節(jié) 點(diǎn)接收第一相位電壓的第二相電壓；以及第五二極管和第六二極管，其連接第一電容器的 一側(cè)和另一側(cè)，并通過共用節(jié)點(diǎn)接收第一相位電壓的第三相電壓。
[0029] 本公開的有益效果
[0030] 如此描述的根據(jù)本公開的多電平逆變器系統(tǒng)具有的有益效果在于：可利用布局自 由度來減小整個(gè)系統(tǒng)的尺寸并增加整個(gè)系統(tǒng)的冗余度，其可以通過將用于多電平中壓逆變 器的輸入端的移相變壓器的結(jié)構(gòu)模塊化并使用六脈沖二極管形成電力單元組件的輸入端 來實(shí)現(xiàn)。
[0031] 另一個(gè)有益效果是模塊化移相變壓器用于增加整個(gè)系統(tǒng)的冗余度。
[0032] 另一個(gè)有益效果是可以提高操作效率，其可以通過改變逆變器單元的結(jié)構(gòu)而導(dǎo)致 減少導(dǎo)通的功率半導(dǎo)體器件和二極管的平均數(shù)量來實(shí)現(xiàn)，以及通過允許輕松完成散熱設(shè) 計(jì)，在減小多電平逆變器的導(dǎo)通損耗的同時(shí)，還能夠極大地減小整個(gè)系統(tǒng)的體積和重量。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0033] 圖1是示出了根據(jù)本公開的包括多電平逆變器的逆變器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖；
[0034] 圖2是示出了圖1中所示的每一個(gè)電力單元組件的結(jié)構(gòu)的電路圖；
[0035] 圖3是示出了包括另一種逆變器的逆變器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖；
[0036] 圖4是示出了圖3中所示的每一個(gè)電力單元組件的結(jié)構(gòu)的電路圖；
[0037] 圖5至圖10是示出了圖2中所示的逆變器單元的操作的電路圖；
[0038] 圖11是示出了根據(jù)本公開的第一示例性實(shí)施例的逆變器系統(tǒng)的電路圖；
[0039] 圖12是示出了圖11的電力單元組件的電路圖；
[0040] 圖13和圖14是示出了根據(jù)本公開的第二示例性實(shí)施例和第三示例性實(shí)施例的逆 變器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖；
[0041] 圖15至圖20是示出了圖12所示的逆變器單元的操作的電路圖。

【具體實(shí)施方式】
[0042] 本文以下所描述的實(shí)施例旨在使用附圖來解釋實(shí)施本公開的已知的方式并易于 使本領(lǐng)域的其他技術(shù)人員應(yīng)用本公開。
[0043] 圖1是示出了根據(jù)本公開的包括多電平逆變器的逆變器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。
[0044] 參照?qǐng)D1，包括移相變壓器和多電平中壓逆變器的逆變器系統(tǒng)101包括三相輸入 電力102、三相電機(jī)103、移相變壓器104和電力單元組件105a?105f。三相輸入電力102 意指其有效值(均方根）為超過600V的線間電壓的輸入電力。三相電機(jī)103為逆變器系統(tǒng) 的負(fù)載。移相變壓器104的初級(jí)繞組具有三相星形繞組形狀，而次級(jí)繞組具有總共12個(gè)繞 組，每一個(gè)繞組具有相對(duì)于初級(jí)繞組的-15°、0°、15°和30°相位差。也就是說，由在電 力單元組件105a?105f中的電力單元數(shù)量來確定次級(jí)繞組的結(jié)構(gòu)。
[0045] 電力單兀組件105a?105f的每一個(gè)輸出電壓都是5個(gè)電平的電壓。用作負(fù)載 的三相電機(jī)103由用于每一個(gè)相位的兩個(gè)電力單元組件構(gòu)成，且如果有必要，電力單元組 件的數(shù)量是可擴(kuò)展的。電力單元組件l〇5a和105b的輸出端被串聯(lián)以輸出所負(fù)載的三相 電機(jī)的"a"相電壓而電力單元組件105c和105d輸出"b"相電壓，且電力單元組件105e和 l〇5f輸出"c"相電壓。電力單元組件105a、105c、105e連接至移相變壓器104的輸出端中 具有-15°和0°相位差的輸出端，而電力單元組件105b、105d、105f連接至移相變壓器104 的輸出端中具有15°和30°相位差的輸出端。
[0046] 圖2是示出了圖1中所示的每一個(gè)電力單元組件的結(jié)構(gòu)的電路圖。
[0047] 參照?qǐng)D2,電力單元組件包括二極管整流器201、整平單元202以及逆變器單元 203,所述逆變器單元被配置為合成輸出電壓。二極管整流器201接收兩個(gè)三相電力，其中 輸入電力是圖1的移相變壓器104的輸出電壓。二極管整流器201的輸出量被傳送至兩 個(gè)串聯(lián)連接的直流側(cè)電容器，其中兩個(gè)直流側(cè)電容器中的每一個(gè)電容器都具有相同的電容 量。逆變器單元203被配置為合成輸出電壓，其中所輸出的線間電壓為5個(gè)電平的電壓。
[0048] 圖3是示出了包括另一種逆變器的逆變器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。
[0049] 參照?qǐng)D3,逆變器系統(tǒng)301包括三相輸入電力302、三相電機(jī)303、移相變壓器304 和電力單元組件305a?305c。三相輸入電力302意指其有效值(均方根）為超過600V的 線間電壓的輸入電力。三相電機(jī)303為逆變器系統(tǒng)的負(fù)載。移相變壓器304的初級(jí)繞組 具有三相星形繞組形狀，而次級(jí)繞組具有總共12個(gè)繞組，每一個(gè)繞組具有相對(duì)于初級(jí)繞組 的-15°、0°、15°和30°相位差。也就是，由在電力單元組件305a?305c中的電力單元 數(shù)量來確定次級(jí)繞組的結(jié)構(gòu)。電力單元組件305a?305c可以合成5個(gè)電平的輸出電壓。 電力單元組件305a可以輸出所負(fù)載的三相電機(jī)303的"a"相電壓而電力單元組件305b可 以輸出"b"相電壓，且電力單元組件305c可以輸出"c"相電壓。
[0050] 圖4是示出了圖3中所示的每一個(gè)電力單元組件的結(jié)構(gòu)的內(nèi)部電路圖，所述電路 圖包括二極管整流器401、整平單元402以及逆變器單元403,所述逆變器單元被配置為合 成輸出電壓。圖4示出了 4個(gè)輸入端二極管整流器401，且逆變器單元403的操作與圖2的 逆變器單元的操作相同。然而，用于電力單元組件的電力設(shè)備的額定電壓值和額定電流值 可以變化以響應(yīng)于圖2和圖4中的電力單元組件所需要的輸出量。電力單元組件的輸出電 壓可示出最多5個(gè)電平。
[0051] 圖5至圖10是示出了圖1和圖2中所示的逆變器單元的操作的電路圖。將參照 圖1至圖11來描述逆變器單元的操作。特別地，描述將集中于圖1和圖2中所示的逆變器 的操作。
[0052] 圖2中所示的逆變器單元203的一條支路為串聯(lián)的4個(gè)開關(guān)單元203a、203b、 203c、203d，且由開關(guān)單元的操作來定義輸出電壓。
[0053] 開關(guān)單元203a、203c的操作是互補(bǔ)的，而開關(guān)單元203b、203d的操作也是互補(bǔ)的。 因而，當(dāng)假設(shè)串聯(lián)的整平單元202的電壓相應(yīng)地為E時(shí)，且當(dāng)開關(guān)單元203a、203b接通時(shí)， 開關(guān)單元203a、203c變?yōu)閿嚅_，且此時(shí)輸出的極電壓變?yōu)镋。此外，當(dāng)開關(guān)單元203a、203c 接通時(shí)，開關(guān)單元203b、203d變?yōu)閿嚅_以使輸出的極電壓為零。同樣地，當(dāng)開關(guān)單元203a、 203b斷開時(shí)，開關(guān)單元203c、203d變?yōu)榻油ㄒ允馆敵龅臉O電壓為-E。
[0054] 當(dāng)使用這樣定義的輸出極電壓時(shí)，每一個(gè)電力單元組件的線間電壓具有5個(gè) 電平：2E、E、0、-E和-2E。由于每一個(gè)電力單元組件的線間電壓被定義為5個(gè)電平的電 壓，由圖3的電力單元組件305a、305b可合成的電壓現(xiàn)在具有9個(gè)電平：4E、3E、2E、E、 0、-E、-2E、-3E、-4E，且負(fù)載電機(jī)303的輸出線間電壓現(xiàn)在具有17個(gè)電平：8E、7E、6E、5E、 4E、3E、2E、E、0、-E、-2E、-3E、-4E、-5E、-6E、-7E、-8E。
[0055] 多電平中壓逆變器的PWM方法可以分類為移相PWM和基于三角載波的類型的電 平移位PWM，且根據(jù)本發(fā)明的使用單相NPC逆變器的多電平逆變器主要是通過電平移位 PWM來操作的。此外，電平移位PWM分類為IPD (In-phase disposition，同相層疊)、AP0D (Alternative phase opposite disposition,相鄰反相層疊）和基于載波的相位的POD (Phase opposite disposition,反相層疊)，且根據(jù)輸出電壓的諧波，IPD (同相層疊）法一 般是極好的方法。因而，iro法的電平移位PWM將主要地用在本發(fā)明中以描述多電平中壓 逆變器的電壓合成方法。
[0056] 現(xiàn)在，當(dāng)輸出極電壓確定為E、0、-E時(shí)，基于電流的功率半導(dǎo)體器件的導(dǎo)通狀態(tài)將 如圖5至圖10所示。
[0057] 圖5不出了當(dāng)輸出極電壓為0且輸出電流為正時(shí)，開關(guān)單兀的導(dǎo)通狀態(tài)；圖6不出 了當(dāng)輸出極電壓為E且輸出電流為正時(shí)，開關(guān)單元的導(dǎo)通狀態(tài)；而圖7示出了當(dāng)輸出極電壓 為-E且輸出電流為正時(shí)，開關(guān)單元的導(dǎo)通狀態(tài)。圖5示出了在二極管和開關(guān)單元都導(dǎo)通情 況下的導(dǎo)通狀態(tài)，圖6示出了在兩個(gè)開關(guān)都導(dǎo)通情況下的導(dǎo)通狀態(tài)，而圖7示出了在兩個(gè)二 極管都導(dǎo)通情況下的導(dǎo)通狀態(tài)。
[0058] 圖8不出了當(dāng)輸出極電壓為0且輸出電流為負(fù)時(shí)，開關(guān)單兀的導(dǎo)通狀態(tài)；圖9不出 了當(dāng)輸出極電壓為E且輸出電流為負(fù)時(shí)，開關(guān)單元的導(dǎo)通狀態(tài)；而圖10示出了當(dāng)輸出極電 壓為-E且輸出電流為負(fù)時(shí)，開關(guān)單元的導(dǎo)通狀態(tài)。圖8示出了在二極管和開關(guān)單元都導(dǎo)通 情況下的導(dǎo)通狀態(tài)，圖9示出了在兩個(gè)二極管都導(dǎo)通情況下的導(dǎo)通狀態(tài)，而圖10示出了在 兩個(gè)開關(guān)單元都導(dǎo)通情況下的導(dǎo)通狀態(tài)。
[0059] 接著，將討論圖1的移相變壓器104的操作和圖3的移相變壓器304的操作。
[0060] 移相變壓器104、304將來自三相輸入電力102的具有電絕緣的三相電力施加給每 一個(gè)電力單元組件。此時(shí)，移相變壓器1〇4、304的初級(jí)繞組具有星形連接或三角形連接，且 次級(jí)繞組輸出由初級(jí)繞組移相后的電力，其中可以輸出具有足夠大小的電壓以滿足電力單 元組件的要求。
[0061] 移相變壓器104、304的次級(jí)繞組的輸出端對(duì)應(yīng)于電力單元組件的二極管整流器 的數(shù)量從而具有如下等式1的關(guān)系。
[0062] Nsec=3Nunit*Ndiode(1)
[0063] 其中，Nsec是移相變壓器的次級(jí)繞組處的輸出端的數(shù)量，Nunit是連接至負(fù)載電 機(jī)的每一相的電力單元組件的數(shù)量，且Ndiode是安裝在單個(gè)電力單元組件處的二極管整 流器的數(shù)量。例如，Nunit在圖1的結(jié)構(gòu)中為2, Ndiode為2,且Nsec為12 ;且Nunit在圖 3的結(jié)構(gòu)中為1，Ndiode為4且Nsec為12。
[0064] 可以由如下等式2的關(guān)系來確定根據(jù)本公開的移相變壓器的次級(jí)繞組的移相角：
[0065] a sec=360/2Nsec [度](2)
[0066] 其中，a se。是次級(jí)繞組處的移相角。例如，在如圖1和圖3所示Nsec為12的情況 下，在次級(jí)繞組處的移相角為15°。次級(jí)繞組的每一個(gè)輸出電壓的相位改變得與基于次級(jí) 繞組處的移相角相對(duì)于初級(jí)繞組處的輸入電力電壓而確定的移相角同樣多。
[0067] 如此討論的在輸入端具有移相變壓器的多電平中壓變壓器為單個(gè)組件型，其僅配 置初級(jí)繞組處的一個(gè)三相電力，同時(shí)所有的次級(jí)繞組連接至從一個(gè)變壓器輸出的電力單元 組件。必須通過一個(gè)單一變壓器來滿足單個(gè)組件的移相變壓器所需要的輸出電力。因此， 在單個(gè)組件中的移相變壓器具有如下缺陷，例如，由于變壓器自身的重量而造成體積和重 量增大，在設(shè)計(jì)中布局自由度小，以及整個(gè)系統(tǒng)的體積增大，這樣如果傳統(tǒng)的單個(gè)組件的移 相變壓器中的初級(jí)繞組出現(xiàn)問題，整個(gè)系統(tǒng)就會(huì)變得不可操作。
[0068] 電力單元組件配置有具有4個(gè)二極管和8個(gè)有源開關(guān)的逆變器，且因?yàn)樵陔妷汉?成過程中兩個(gè)功率半導(dǎo)體器件總是導(dǎo)通，逆變器單元的損耗相對(duì)高。此外，移相變壓器具有 其他缺陷是因?yàn)椋杭热恍枰?個(gè)或多個(gè)用于電力單元組件的三相二極管整流器，由于在次 級(jí)繞組處的輸出端的數(shù)量增多，所以體積增大。
[0069] 因此，在單個(gè)組件中的多電平中壓逆變器中的移相變壓器被配置為模塊化以提供 設(shè)計(jì)中的布局自由度，并減小整個(gè)系統(tǒng)的體積和重量。此外，本公開的另一個(gè)方案有利地提 供了模塊化移相變壓器，從而使得即使一個(gè)模塊處于故障狀態(tài)下，負(fù)載電機(jī)也能夠在降低 輸出的減載狀態(tài)下連續(xù)運(yùn)行。
[0070] 此外，根據(jù)本發(fā)明的用于逆變器系統(tǒng)中的電力單元組件提供級(jí)聯(lián)T型NPC (Neutral Point Clamped,中性點(diǎn)鉗位）逆變器，從而與傳統(tǒng)的電力單元組件相比較減少了 導(dǎo)通損耗。所提出的電力單元組件使用6脈沖二極管整流器，從而減少了在次級(jí)繞組處的 輸出端的數(shù)量，由此能夠減小移相變壓器的體積，從而導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的體積減小。
[0071] 圖11是示出了根據(jù)本公開的第一示例性實(shí)施例的逆變器系統(tǒng)的電路圖。
[0072] 參照?qǐng)D11，根據(jù)本公開的第一示例性實(shí)施例的采用移相變壓器的多電平中壓逆變 器系統(tǒng)使用適合于電機(jī)1103的每一相的3個(gè)電力單兀組件。
[0073] 根據(jù)本公開的第一示例性實(shí)施例的多電平中壓逆變器系統(tǒng)1101包括9個(gè)電力單 元組件1105a?1105i和移相變壓器1104。電壓供給裝置1102提供均方根值為大于等于 600V的電壓。三相電機(jī)1103是作為逆變器系統(tǒng)1101的負(fù)載的三相電機(jī)。相角可以根據(jù)移 相變壓器1104的應(yīng)用方式來變化。
[0074] 根據(jù)本公開的示例性實(shí)施例的模塊化移相變壓器1104被配置成3個(gè)模塊。
[0075] 也就是，模塊化移相變壓器1104可以包括多個(gè)模塊1104a、1104b、1104c，其被配 置為通過接收三相輸入電壓1102來提供移相后的相電壓。
[0076] 第一模塊1104a的初級(jí)繞組包括-6. 7°移相后的三相連接，而第一模塊的次級(jí)繞 組包括-20°、0°、20°移相后的3種絕緣的三相連接。
[0077] 第二模塊1104b的初級(jí)繞組包括三相星形連接，而次級(jí)繞組可以相同于第一模 塊1104a的次級(jí)繞組。第三模塊1104c的初級(jí)繞組包括6. 5°移相后的三相連接，而次級(jí) 繞組可以相同于第一模塊1104a的次級(jí)繞組。在本公開的示例性實(shí)施例中，電力單元組件 1105a?1105i的輸出電壓為5個(gè)電平的電壓。盡管負(fù)載電機(jī)1103由用于每一相的3個(gè)電 力單元組件構(gòu)成，但對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該清楚電力單元組件的數(shù)量可以根據(jù)需要擴(kuò) 大。
[0078] 同時(shí)，電力單元組件1105a?1105i可以分類為3種電力單元組件，S卩，第一組電 力單元組件1105 &、1105(1、11058，第二組電力單元組件110513、11056、110511以及第三組電 力單元組件 ll〇5c、ll〇5f、ll〇5i。
[0079] 第一組電力單元組件1105a、1105d、1105g是第一電力單元組件至第三電力單元 組件1105 &、1105(1、11058，其被配置為通過從第一模塊1104&接收對(duì)應(yīng)于第一相位電壓中 的每一相的信號(hào)以執(zhí)行預(yù)定的逆變操作來提供預(yù)定相的輸出電壓。
[0080] 第二組電力單元組件1105b、1105e、1105h是第四電力單元組件至第六電力單元 組件110513、11056、110511，其被配置為通過從第二模塊110413接收對(duì)應(yīng)于第二相位電壓中 的每一相的信號(hào)以執(zhí)行預(yù)定的逆變操作來提供預(yù)定相的輸出電壓。
[0081] 第三組電力單元組件1105c、1105f、1105i是第七電力單元組件至第九電力單元 組件1105〇、110511105丨，其被配置為通過從第三模塊1104〇接收對(duì)應(yīng)于第三相位電壓中 的每一相的信號(hào)以執(zhí)行預(yù)定的逆變操作來提供預(yù)定相的輸出電壓。
[0082] 此時(shí)，第一組電力單元組件1105a、1105d、1105g中的其中一個(gè)電力單元組件、第 二組電力單元組件ll〇5b、1105e、1105h中的其中一個(gè)電力單元組件以及第三組電力單元 組件1105c、1105f、1105i中的其中一個(gè)電力單元組件配對(duì)以提供相同相位的輸出電壓。
[0083] 也就是，電力單元組件1105a、1105b、1105c的輸出端被串聯(lián)以輸出三相負(fù)載電 機(jī)的"a"相電壓，且電力單元組件1105d、1105e、1105f輸出"b"相電壓，且電力單元組件 1105g、1105h、1105i輸出"c"相電壓。電力單元組件1105a、1105d、1105g連接至第一模塊 1104a的輸出端，電力單元組件1105b、1105e、1105h連接至第二模塊1104b的輸出端，且電 力單元組件1105c、1105f、1105i連接至第三模塊1104c的輸出端。
[0084] 圖12是示出了圖11的電力單元組件的電路圖。
[0085] 參照?qǐng)D12,電力單元組件包括三相二極管整流器1201、整平單元1202和逆變器單 元 1203。
[0086] 整平單元1202包括兩個(gè)電容器C1、C2,且連接至二極管整流器1201的輸出端，其 中，連接是串聯(lián)的，但連接可以是串聯(lián)或并聯(lián)配置。逆變器單元1203是單相T型NPC(中性 點(diǎn)鉗位）逆變器。
[0087] 開關(guān)單元1203a、1203b、1203c、1203d可以形成一條支路，且開關(guān)單元1203e、 1203f、1203g、1203h可以形成另一條支路，以允許根據(jù)兩條支路之間的電位差來合成輸出 電壓 0UT1、0UT2。
[0088] 整流器1201通過接收第一相位電壓的第一相來提供經(jīng)整流的第一整流電壓。整 平單元1202接收由整流器1201整流后的第一整流電壓以給互不相同的第一節(jié)點(diǎn)至第三節(jié) 點(diǎn)分別提供不同電平的電壓。逆變器單元1203可以由多個(gè)用于傳送由整平單元1202所提 供的3個(gè)電平的電壓的開關(guān)單元構(gòu)成。逆變器單元1203可以包括第一開關(guān)單元1203a，其插 置在第一節(jié)點(diǎn)和第一輸出端OUT1之間；第二開關(guān)單元1203c、1203d，其插置在第二節(jié)點(diǎn)和 第一輸出端OUT1之間；第三開關(guān)單元1203b，其插置在第三節(jié)點(diǎn)和第一輸出端OUT1之間； 第四開關(guān)單元1203e，其插置在第一節(jié)點(diǎn)和第二輸出端OUT2之間；第五開關(guān)單元1203g、 1203h，其插置在第二節(jié)點(diǎn)和第二輸出端OUT2之間以及第六開關(guān)單元1203f，其插置在第三 節(jié)點(diǎn)和第二輸出端OUT2之間。
[0089] 可以通過包括功率半導(dǎo)體器件和二極管來配置第一開關(guān)單元至第六開關(guān)單元 1203a、1203b、1203c、1203d、1203e、1203f、1203g。
[0090] 可以配置第二開關(guān)單元1203c、1203d包括：第一二極管1203c，其具有從第二節(jié)點(diǎn) 至第一輸出端0UT1的電流方向性；第一功率半導(dǎo)體器件1203c，其具有反向于第一二極管 的電流方向性的電流方向性并連接第一二極管的一側(cè)至另一側(cè)；第二二極管1203d，其具 有反向于第一二極管的電流方向性的電流方向性并串聯(lián)連接至第一二極管；以及第二功率 半導(dǎo)體器件1203d，其具有反向于第一功率半導(dǎo)體器件的電流方向性的電流方向性并連接 第二二極管的一側(cè)至另一側(cè)。
[0091] 可以配備第一開關(guān)單元1203a包括：第一二極管，其具有從第一輸出端0UT1至第 一節(jié)點(diǎn)的電流方向性；以及第一功率半導(dǎo)體器件，其具有反向于第一節(jié)點(diǎn)的電流方向性的 電流方向性并連接第一節(jié)點(diǎn)的一側(cè)至另一側(cè)。
[0092] 第三開關(guān)單元1203b可以包括第二二極管，其具有從第三節(jié)點(diǎn)至第一輸出端0UT1 的電流方向性；以及第二功率半導(dǎo)體器件，其具有反向于第二二極管的電流方向性的電流 方向性并連接第二二極管的一側(cè)至另一側(cè)。
[0093] 第五開關(guān)單元1203g、1203h可以包括第一二極管1203g，其具有從第二節(jié)點(diǎn)至第 二輸出端0UT2的電流方向性；第一功率半導(dǎo)體器件1203g，其具有反向于第一二極管的電 流方向性的電流方向性并連接第一二極管的一側(cè)至另一側(cè)；第二二極管1203f，其具有反 向于第一二極管的電流方向性的電流方向性并串聯(lián)連接至第一二極管；以及第二功率半 導(dǎo)體器件1203f，其具有反向于第一功率半導(dǎo)體器件的電流方向性的電流方向性并連接第 二二極管的一側(cè)至另一側(cè)。
[0094] 第四開關(guān)單元1203e可以包括第一二極管，其具有從第二輸出端0UT2至第一節(jié)點(diǎn) 的電流方向性；以及第一功率半導(dǎo)體器件，其具有反向于第一二極管的電流方向性的電流 方向性并連接第一二極管的一側(cè)至另一側(cè)。
[0095] 第六開關(guān)單元1203f可以包括第二二極管，其具有從第三節(jié)點(diǎn)至第二輸出端0UT2 的電流方向性；以及第二功率半導(dǎo)體器件，其具有反向于第二二極管的電流方向性的電流 方向性并連接第二二極管的一側(cè)至另一側(cè)。
[0096] 整平單元1202可以包括串聯(lián)連接的第一電容器和第二電容器Cl、C2。第一電容 器C1和第二電容器C2接收通過一側(cè)和另一側(cè)的第一整流電壓，其中第一電容器C1和第二 電容器C2的一側(cè)、共用節(jié)點(diǎn)和另一側(cè)節(jié)點(diǎn)被布置為第一節(jié)點(diǎn)至第三節(jié)點(diǎn)。
[0097] 整流器1201可以包括：第一二極管D1和第二二極管D2,其被連接至第一電容器 和第二電容器一側(cè)和另一側(cè)，并通過共用節(jié)點(diǎn)接收輸入電壓的第一相電壓；第三二極管D3 和第四二極管D4,其連接第一電容器和第二電容器的一側(cè)和另一側(cè)，并通過共用節(jié)點(diǎn)接收 輸入電壓的第二相電壓；第五二極管D5和第六二極管D6,其連接第一電容器和第二電容器 的一側(cè)和另一側(cè)，并通過共用節(jié)點(diǎn)接收輸入電壓的第三相電壓。
[0098] 圖13和圖14是示出了根據(jù)本公開的第二示例性實(shí)施例和第三示例性實(shí)施例的逆 變器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，其中圖13示出了由適用于采用圖12的電力單元組件的電機(jī)的每一相 的4個(gè)電力單元組件構(gòu)成的逆變器系統(tǒng)。
[0099] 參照?qǐng)D13,逆變器系統(tǒng)1301包括移相變壓器1304和電力單元組件1305a? 13051。移相變壓器1304從三相電力供給裝置1302接收電壓并將電壓供給電力單元組件 1305a?13051。電機(jī)是作為逆變器系統(tǒng)1303的負(fù)載的三相電機(jī)1303。三相電力供給裝置 1302是具有均方根值為600V或以上范圍的輸入線間電壓的三相電力。
[0100] 根據(jù)本公開的示例性實(shí)施例的移相變壓器由4個(gè)模塊構(gòu)成。第一模塊1304a的 初級(jí)繞組包括-5°移相后的三相連接，且次級(jí)繞組包括-20°、0°和20°移相后的三相連 接。第二模塊1304b的初級(jí)繞組包括三相星形連接，且次級(jí)繞組可以相同于第一模塊1304a 的次級(jí)繞組。
[0101] 第三模塊1304c的初級(jí)繞組包括5°移相后的三相連接，且次級(jí)繞組可以相同于 第一模塊1304a的次級(jí)繞組。
[0102] 第四模塊1304d的初級(jí)繞組包括10°移相后的三相連接，且次級(jí)繞組可以相同于 第一模塊1304a的次級(jí)繞組。電力單元組件1305a?13051的輸出電壓中的每一個(gè)都是5 個(gè)電平的電壓。
[0103] 盡管負(fù)載電機(jī)1303由用于每一相的3個(gè)電力單元組件構(gòu)成，但對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù) 人員應(yīng)該清楚電力單元組件的數(shù)量可以根據(jù)需要擴(kuò)大。
[0104] 電力單元組件1305a?13051可以分類為第一組電力單元組件1305a、1305e、 1305g，第二組電力單元組件1305b、1305f、1305j，第三組電力單元組件1305c、1305g、 1305k以及第四組電力單元組件1305d、1305h、13051。
[0105] 第一組電力單元組件1305a、1305e、1305g是第一電力單元組件至第三電力單元 組件1305a、1305e、1305g，其被配置為通過從第一模塊1304a接收對(duì)應(yīng)于第一相位電壓中 的每一相的信號(hào)以執(zhí)行預(yù)定的逆變操作來提供預(yù)定相的輸出電壓。
[0106] 第二組電力單元組件1305b、1305f、1305j是第四電力單元組件至第六電力單元 組件130513、130511305」，其被配置為通過從第二模塊130413接收對(duì)應(yīng)于第二相位電壓中 的每一相的信號(hào)以執(zhí)行預(yù)定的逆變操作來提供預(yù)定相的輸出電壓。
[0107] 第三組電力單元組件1305c、1305g、1305k是第七電力單元組件至第九電力單元 組件1305c、1305g、1305k，其被配置為通過從第三模塊1304c接收對(duì)應(yīng)于第三相位電壓中 的每一相的信號(hào)以執(zhí)行預(yù)定的逆變操作來提供預(yù)定相的輸出電壓。
[0108] 第四組電力單元組件1305d、1305h、13051是第十電力單元組件至第十二電力單 元組件1305(1、130511、13051，其被配置為通過從第四模塊1304(1接收對(duì)應(yīng)于第四相位電壓 中的每一相的信號(hào)以執(zhí)行預(yù)定的逆變操作來提供預(yù)定相的輸出電壓。
[0109] 此時(shí)，第一組電力單元組件1305a、1305e、1305g中的其中一個(gè)電力單元組件、第 二組電力單元組件1305b、1305f、1305j中的其中一個(gè)電力單元組件、第三組電力單元組 件1305c、1305g、1305k中的其中一個(gè)電力單元組件以及第四電力單元組件1305d、1305h、 13051中的其中一個(gè)電力單元組件配對(duì)以提供相同相位的輸出電壓。
[0110] 也就是，電力單元組件1305a、1305b、1305c、1305d的輸出端被串聯(lián)以輸出三相負(fù) 載電機(jī)的"a"相電壓，且電力單元組件13056、1305^305 8、130511輸出"13"相電壓，且電力 單元組件1305i、1305j、1305k、13051輸出"c"相電壓。電力單元組件1305a、1305e、1305i 連接至第一模塊1304a的輸出端，電力單元組件1305b、1305f、1305 j連接至第二模塊1304b 的輸出端，電力單元組件1305c、1305g、1305k連接至第三模塊1104c的輸出端，且電力單元 組件1305d、1305h、13051連接至第四模塊1304d的輸出端。
[0111] 圖14示出了由適用于采用圖12的電力單元組件的電機(jī)的每一相的5個(gè)電力單元 組件構(gòu)成的逆變器系統(tǒng)。
[0112] 參照?qǐng)D14,逆變器系統(tǒng)1401包括移相變壓器1404和電力單元組件1405a? 1405〇。移相變壓器1404從三相電力供給裝置1402接收電壓并將電壓供給電力單元組件 1405a?1405〇。電機(jī)是作為逆變器系統(tǒng)1401的負(fù)載的三相電機(jī)1403。三相電力供給裝置 1402是具有均方根值為600V或以上范圍的輸入線間電壓的三相電力。
[0113] 根據(jù)本公開的不例性實(shí)施例的移相變壓器1404由5個(gè)模塊構(gòu)成。第一模塊1404a 的初級(jí)繞組包括-8°移相后的三相連接，且次級(jí)繞組包括-20°、0°和20°移相后的三相 連接。第二模塊1404b的初級(jí)繞組包括-4°移相后的三相連接，且次級(jí)繞組可以相同于第 一模塊1404a的次級(jí)繞組。
[0114] 第三模塊1404c的初級(jí)繞組包括星形連接，且次級(jí)繞組可以相同于第一模塊 1404a的次級(jí)繞組。
[0115] 第四模塊1404d的初級(jí)繞組包括4°移相后的三相連接，且次級(jí)繞組可以相同于 第一模塊1404a的次級(jí)繞組。第五模塊1404e的初級(jí)繞組包括4°移相后的三相連接，且次 級(jí)繞組可以相同于第一模塊1404a的次級(jí)繞組。電力單元組件1405a?1405ο的輸出電壓 中的每一個(gè)都是5個(gè)電平的電壓。
[0116] 盡管負(fù)載電機(jī)1403由用于每一相的5個(gè)電力單元組件構(gòu)成，但對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù) 人員應(yīng)該清楚電力單元組件的數(shù)量可以根據(jù)需要擴(kuò)大。
[0117] 電力單元組件1405a?1405〇可以分類為第一組電力單元組件1405a、1405f、 1405k，第二組電力單元組件1405b、1405g、14051，第三組電力單元組件1405c、1405h、 1405m，第四組電力單元組件1405d、1405i、1405n以及第五組電力單元組件1405e、1405j、 1405〇。
[0118] 第一組電力單元組件1405a、1405f、1405k是第一電力單元組件至第三電力單元 組件1405a、1405f、1405k，其被配置為通過從第一模塊1404a接收對(duì)應(yīng)于第一相位電壓中 的每一相的信號(hào)以執(zhí)行預(yù)定的逆變操作來提供預(yù)定相的輸出電壓。
[0119] 第二組電力單元組件1405b、1405g、14051是第四電力單元組件至第六電力單元 組件140513、14058、14051，其被配置為通過從第二模塊140413接收對(duì)應(yīng)于第二相位電壓中 的每一相的信號(hào)以執(zhí)行預(yù)定的逆變操作來提供預(yù)定相的輸出電壓。
[0120] 第三組電力單元組件1405c、1405h、1405m是第七電力單元組件至第九電力單元 組件1405〇、140511、1405111，其被配置為通過從第三模塊1404(3接收對(duì)應(yīng)于第三相位電壓中 的每一相的信號(hào)以執(zhí)行預(yù)定的逆變操作來提供預(yù)定相的輸出電壓。
[0121] 第四組電力單元組件1405d、1405i、1405n是第十電力單元組件至第十二電力單 元組件1405d、1405i、1405η，其被配置為通過從第四模塊1404d接收對(duì)應(yīng)于第四相位電壓 中的每一相的信號(hào)以執(zhí)行預(yù)定的逆變操作來提供預(yù)定相的輸出電壓。
[0122] 第五組電力單元組件1405e、1405j、1405o是第十三電力單元組件至第十五電力 單元組件1405e、1405 j、1405〇,其被配置為通過從第五模塊1404e接收對(duì)應(yīng)于第五相位電 壓中的每一相的信號(hào)以執(zhí)行預(yù)定的逆變操作來提供預(yù)定相的輸出電壓。
[0123] 此時(shí)，第一組電力單元組件1405a、1405f、1405k中的其中一個(gè)電力單元組件、第 二組電力單元組件1405b、1405g、14051中的其中一個(gè)電力單元組件、第三組電力單元組件 1405c、1405h、1405m中的其中一個(gè)電力單元組件，第四電力單元組件1405d、1405i、1405n 中的其中一個(gè)電力單元組件以及第五電力單元組件1405e、1405j、1405o中的其中一個(gè)電 力單元組件配對(duì)以提供相同相位的輸出電壓。
[0124] 也就是，電力單元組件1405a、1405b、1405c、1405d、1405e的輸出端被串聯(lián)以輸出 三相負(fù)載電機(jī)的"a"相電壓，且電力單元組件1405f、1405g、1405h、1405i、1405j輸出"b" 相電壓，且電力單元組件1405k、1405i、1405m、1405η、1405ο輸出"c"相電壓。電力單元組 件1405a、1405f、1405k連接至第一模塊1404a的輸出端，電力單元組件1405b、1405g、14051 連接至第二模塊1404b的輸出端，電力單元組件1405c、1405h、1405m連接至第三模塊1404c 的輸出端，電力單元組件1405(1、14051、140511連接至第四模塊1404(1的輸出端，且電力單元 組件1405e、1405j、1405o連接至第五模塊1404e的輸出端。
[0125] 至此所描述的根據(jù)本公開的示例性實(shí)施例的逆變器系統(tǒng)模塊化待用于具有電力 單元組件的多電平中壓逆變器的單個(gè)組件的移相變壓器。
[0126] 由等式1和等式2來確定根據(jù)本公開的移相變壓器的次級(jí)繞組的移相角。此外， 由等式3來確定根據(jù)本公開的移相變壓器的初級(jí)繞組的移相角。
[0127] a prim=360/Nm_T*l/Nsec_out*l/Ndiode_pulse [度](3)
[0128] 其中，Nm_T是移相變壓器的模塊的數(shù)量，NseC_〇Ut是單器身移相變壓器的次級(jí)繞 組處的輸出端的數(shù)量，且Ndi 〇de_pUlse是二極管整流器的脈沖的數(shù)量。
[0129] 例如，在圖11的情況下，Nm_T為3，Nsec_out為6且Ndiode_pulse為6，由此 a prim為6.7°。優(yōu)選地，基于移相變壓器的初級(jí)繞組為0°，以+-prim的倍數(shù)的形式進(jìn)行 移相。
[0130] 根據(jù)本公開的示例性實(shí)施例的模塊化移相變壓器的容量與傳統(tǒng)的單個(gè)組件型移 相變壓器的容量具有如下等式4的樣式的關(guān)系。
[0131] Sm_T=Sconv/Nm_T(4)
[0132] 其中，Sm_T是根據(jù)本公開的每一個(gè)模塊化移相變壓器的視在功率，且Sconv是傳 統(tǒng)的單個(gè)組件型移相變壓器的視在功率。
[0133] 模塊化移相變壓器優(yōu)于傳統(tǒng)的單個(gè)組件型移相變壓器之處在于：容量小，從而減 小繞組窗口，并減小整體尺寸和重量。其結(jié)果是，移相變壓器的尺寸和重量減小，從而減小 了整個(gè)系統(tǒng)的尺寸和重量。
[0134] 此外，根據(jù)本公開的模塊化移相變壓器具有與Nm_T-樣小的變壓器，結(jié)果為整個(gè) 系統(tǒng)提供了布局自由度和設(shè)計(jì)中的靈活性。
[0135] 雖然傳統(tǒng)的單個(gè)組件型移相變壓器在初級(jí)繞組出故障的情況下在整個(gè)系統(tǒng)中是 不可操作的，但根據(jù)本公開的模塊化移相變壓器在這一點(diǎn)是有優(yōu)勢的，因?yàn)槿绻K化移 相變壓器處的一個(gè)模塊的初級(jí)繞組出故障，連接至出故障模塊的電力單元被旁路（detour) 以使得能夠在降低輸出的條件下繼續(xù)運(yùn)行。
[0136] 根據(jù)本公開的在多電平中壓逆變器中的模塊化移相變壓器是這樣的，使得由于如 此描述的結(jié)構(gòu)特征，可以提高整個(gè)系統(tǒng)的冗余度。這有可能在輸入端處產(chǎn)生電流失真。
[0137] 現(xiàn)在，將描述根據(jù)本公開的逆變器系統(tǒng)中的電力單元組件的逆變器單元。如圖12 所示，根據(jù)本公開的逆變器單元包括單一 T型NPS逆變器。
[0138] 參照?qǐng)D12,電力單元組件的逆變器單元1203的每一條支路包括4個(gè)開關(guān)單元 1203a、1203b、1203c、1203d，且由開關(guān)單元的操作來定義輸出極電壓。開關(guān)單元1203a和 1203c不能同時(shí)接通，且開關(guān)單元1203b和1203d也不能同時(shí)接通。開關(guān)單元1203a和1203b 的操作是這樣的，當(dāng)相互獨(dú)立要求的輸出極電壓為正時(shí)，開關(guān)單元1203a和1203c運(yùn)行，而 當(dāng)相互獨(dú)立要求的輸出極電壓為負(fù)時(shí)，開關(guān)單元1203b和1203d運(yùn)行。
[0139] 如果在整平單元1202的DC端處串聯(lián)的電容器C1和C2的每一個(gè)電壓被定義為E， 則輸出極電壓為正，開關(guān)單元1203a接通而開關(guān)單元1203c斷開，輸出為E的輸出極電壓； 而如果開關(guān)單元1203a斷開，則開關(guān)單元1203c接通，輸出極電壓為零。
[0140] 如果輸出極電壓為負(fù)，開關(guān)單元1203b接通而開關(guān)單元1203d斷開，輸出為-E的 輸出極電壓；而如果開關(guān)單元1203b斷開而開關(guān)單元1203d接通，輸出為零的輸出極電壓。 如果使用如此定義的輸出極電壓，每個(gè)電力單元組件的輸出線間電壓為5個(gè)電平2E、E、 0、_E、-2E的電壓。
[0141] 圖15至圖20示出了當(dāng)輸出極電壓被確定為E、0、-E時(shí)，響應(yīng)于電流方向的功率 半導(dǎo)體器件的導(dǎo)通。也就是，圖15至圖20是示出了圖12所示的逆變器單元的運(yùn)行的電路 圖。
[0142] 圖15不出了當(dāng)輸出極電壓為0,且輸出電流為正時(shí)導(dǎo)通的開關(guān)單兀，圖16不出了 當(dāng)輸出極電壓為E，且輸出電流為正時(shí)導(dǎo)通的開關(guān)單元，且圖17示出了當(dāng)輸出極電壓為-E， 且輸出電流為正時(shí)導(dǎo)通的開關(guān)單元。
[0143] 圖15中一個(gè)二極管和一個(gè)開關(guān)單元都導(dǎo)通，圖16中一個(gè)開關(guān)單元導(dǎo)通且圖17中 一個(gè)二極管導(dǎo)通。
[0144] 圖18不出了當(dāng)輸出極電壓為0,且輸出電流為負(fù)時(shí)導(dǎo)通的開關(guān)單兀，圖19不出了 當(dāng)輸出極電壓為E，且輸出電流為負(fù)時(shí)導(dǎo)通的開關(guān)單元，且圖20示出了當(dāng)輸出極電壓為-E， 且輸出電流為負(fù)時(shí)導(dǎo)通的開關(guān)單元。
[0145] 圖18中一個(gè)二極管和一個(gè)開關(guān)單元都導(dǎo)通，圖19中一個(gè)二極管導(dǎo)通且圖20中一 個(gè)開關(guān)單元導(dǎo)通。
[0146] 可以指出的是，盡管圖15和圖18中的一個(gè)開關(guān)和一個(gè)二極管都導(dǎo)通，但在各附圖 中的其他剩余配置中僅一個(gè)二極管或僅一個(gè)開關(guān)單元導(dǎo)通，使得導(dǎo)通的功率半導(dǎo)體器件的 平均數(shù)量比圖5至圖10的導(dǎo)通的功率半導(dǎo)體器件的平均數(shù)量減小得更多，由此，由功率半 導(dǎo)體器件所造成的損耗降低，從而提高整個(gè)系統(tǒng)的效率，且結(jié)果減小了用于散熱的尺寸。根 據(jù)本公開的示例性實(shí)施例的功率半導(dǎo)體器件可以包括IGBTs或功率MOSFETs。
[0147] 如此描述的根據(jù)本公開的逆變器系統(tǒng)可以提高整個(gè)系統(tǒng)的布局自由度并減小整 個(gè)系統(tǒng)的尺寸和重量，這可以通過將用于多電平中壓逆變器的輸入端移相變壓器模塊化， 以及通過配置用于電力單元組件的輸入端的6脈沖二極管來實(shí)現(xiàn)。
[0148] 此外，根據(jù)本公開的在多電平中壓逆變器中的模塊化移相變壓器是有優(yōu)勢的在 于：由于如此描述的結(jié)構(gòu)特征，可以提高整個(gè)系統(tǒng)的冗余度。根據(jù)本公開的逆變器系統(tǒng)也可 以提高操作效率，這可以通過由于逆變器單元的結(jié)構(gòu)特征改變而導(dǎo)致減少平均導(dǎo)通的功率 半導(dǎo)體器件的數(shù)量來實(shí)現(xiàn)。如果逆變器系統(tǒng)的導(dǎo)通損耗減小，則可以輕松地進(jìn)行散熱設(shè)計(jì) 從而減小整個(gè)系統(tǒng)的重量和尺寸。
[0149] 盡管已經(jīng)參照前述實(shí)施例和有益效果詳細(xì)地描述了本公開，但許多替換例、修改 例和變化例對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說在權(quán)利要求的界限和范圍內(nèi)都是顯而易見的。因 此，應(yīng)該理解地是，除非另有規(guī)定，否則上述實(shí)施例并不受前述說明的任何細(xì)節(jié)限制，而是 應(yīng)該在所附權(quán)利要求限定的范圍內(nèi)被廣泛地解釋。
【權(quán)利要求】
1. 一種多電平逆變器，所述多電平逆變器包括： 模塊化移相變壓器，其包括多個(gè)模塊以通過接收三相輸入電壓來提供移相電壓； 多個(gè)第一組電力單元組件，其被配置為通過從多個(gè)模塊中的任一模塊接收對(duì)應(yīng)于第一 相位電壓中的每一相的信號(hào)，經(jīng)由執(zhí)行預(yù)定的逆變操作，來提供預(yù)定相的輸出電壓； 多個(gè)第二組電力單元組件，其被配置為通過從多個(gè)模塊中的任一模塊接收對(duì)應(yīng)于第二 相位電壓中的每一相的信號(hào)，經(jīng)由執(zhí)行預(yù)定的逆變操作，來提供預(yù)定相的輸出電壓； 多個(gè)第三組電力單元組件，其被配置為通過從多個(gè)模塊中的任一模塊接收對(duì)應(yīng)于第三 相位電壓中的每一相的信號(hào)，經(jīng)由執(zhí)行預(yù)定的逆變操作，來提供預(yù)定相的輸出電壓；其中， 所述第一組電力單元組件中的其中一個(gè)電力單元組件、所述第二組電力單元組件中的 其中一個(gè)電力單元組件和所述第三組電力單元組件中的其中一個(gè)電力單元組件配對(duì)以提 供相同相位的輸出電壓。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多電平逆變器，其中，所述模塊化移相變壓器包括：第一模 塊，其被配置為通過接收三相輸入電壓，來提供經(jīng)由初級(jí)繞組和次級(jí)繞組移相后的第一相 位電壓；第二模塊，其被配置為通過接收三相輸入電壓，來提供經(jīng)由用于對(duì)與所述第一模塊 不同地預(yù)定的相位進(jìn)行偏移的初級(jí)繞組和次級(jí)繞組移相后的第二相位電壓；以及第三模 塊，其被配置為通過接收三相輸入電壓，來提供經(jīng)由用于對(duì)與所述第一模塊和所述第二模 塊不同地預(yù)定的相位進(jìn)行偏移的初級(jí)繞組和次級(jí)繞組移相后的第三相位電壓。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的多電平逆變器，其中，所述第二模塊的所述初級(jí)繞組是三相 星形連接，而所述第二模塊的所述次級(jí)繞組是預(yù)定的三相連接，且所述第一模塊和所述第 三模塊的所述初級(jí)繞組中的每一個(gè)初級(jí)繞組具有絕對(duì)值相等的相位值且纏繞成具有正相 位和負(fù)相位。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的多電平逆變器，其中，所述第一模塊至所述第三模塊被配置 成對(duì)稱的。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多電平逆變器，其中，所述多個(gè)第一組電力單元組件包括第 一電力單元組件至第三電力單元組件，該第一電力單元組件至第三電力單元組件被配置為 通過接收對(duì)應(yīng)于所述第二相位電壓中的每一相的信號(hào)，經(jīng)由執(zhí)行預(yù)定的逆變操作，來提供 預(yù)定相的輸出電壓；所述多個(gè)第二組電力單元組件包括第四電力單元組件至第六電力單元 組件，該第四電力單元組件至第六電力單元組件被配置為通過接收對(duì)應(yīng)于所述第三相位電 壓中的每一相的信號(hào)，經(jīng)由執(zhí)行預(yù)定的逆變操作，來提供預(yù)定相的輸出電壓；以及所述多個(gè) 第三組電力單元組件包括第七電力單元組件至第九電力單元組件，該第七電力單元組件至 第九電力單元組件被配置為通過接收對(duì)應(yīng)于所述第三相位電壓中的每一相的信號(hào)，經(jīng)由執(zhí) 行預(yù)定的逆變操作，來提供預(yù)定相的輸出電壓；其中，所述第一組電力單元組件至第三組電 力單元組件中的其中一個(gè)電力單元組件、所述第四組電力單元組件至第六組電力單元組件 中的其中一個(gè)電力單元組件以及所述第七組電力單元組件至第九組電力單元組件中的其 中一個(gè)電力單元組件配對(duì)以提供相同相位的輸出電壓。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的多電平逆變器，其中，所述第一電力單元組件包括：整流器， 其被配置為通過接收所述第一相位電壓的第一相而提供經(jīng)整流的第一整流電壓；整平單 元，其被配置為通過接收由所述整流器整流后的所述第一整流電壓來給互不相同的第一節(jié) 點(diǎn)至第三節(jié)點(diǎn)提供電平互不相同的電壓；以及逆變器單元，其由多個(gè)用于傳送由所述整平 單元提供的三個(gè)電平的電壓的開關(guān)構(gòu)成，其中，逆變器單元包括：第一開關(guān)單元，其插置在 所述第一節(jié)點(diǎn)和第一輸出端之間；第二開關(guān)單元，其插置在所述第二節(jié)點(diǎn)和所述第一輸出 端之間；第三開關(guān)單元，其插置在所述第三節(jié)點(diǎn)和所述第一輸出端之間；第四開關(guān)單元，其 插置在所述第一節(jié)點(diǎn)和第二輸出端之間；第五開關(guān)單元，其插置在所述第二節(jié)點(diǎn)和所述第 二輸出端之間；以及第六開關(guān)單元，其插置在所述第三節(jié)點(diǎn)和所述第二輸出端之間。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的多電平逆變器，其中，所述第一開關(guān)單元至第六開關(guān)單元包 括功率半導(dǎo)體器件和二極管。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的多電平逆變器，其中，所述第二開關(guān)單元包括：第一二極管， 其具有從所述第二節(jié)點(diǎn)至所述第一輸出端的電流方向性；第一功率半導(dǎo)體器件，其具有反 向于所述第一二極管的電流方向性的電流方向性；第二二極管，其具有反向于所述第一二 極管的電流方向性的電流方向性并串聯(lián)至所述第一二極管；以及第二功率半導(dǎo)體器件，其 具有反向于所述第一功率半導(dǎo)體器件的電流方向性的電流方向性并連接所述第二二極管 的一側(cè)至所述第二二極管的另一側(cè)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的多電平逆變器，其中，所述第一開關(guān)單元包括：第一二極管， 其具有從所述第一輸出端至所述第一節(jié)點(diǎn)的電流方向性；以及第一功率半導(dǎo)體器件，其具 有反向于所述第一二極管的電流方向性的電流方向性并連接所述第一二極管的一側(cè)至所 述第一二極管的另一側(cè)。
10. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的多電平逆變器，其中，所述第三開關(guān)單元包括：第二二極管， 其具有從所述第三節(jié)點(diǎn)至所述第一輸出端的電流方向性；以及第二功率半導(dǎo)體器件，其具 有反向于所述第二二極管的電流方向性的電流方向性并連接所述第二二極管的一側(cè)至所 述第二二極管的另一側(cè)。
11. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的多電平逆變器，其中，所述第五開關(guān)單元包括：第一二極管， 其具有從所述第二節(jié)點(diǎn)至所述第二輸出端的電流方向性；第一功率半導(dǎo)體器件，其具有反 向于所述第一二極管的電流方向性的電流方向性并將所述第一二極管的一側(cè)連接至另一 偵h第二二極管，其具有反向于所述第一二極管的電流方向性的電流方向性并串聯(lián)至所述 第一二極管；以及第二功率半導(dǎo)體器件，其具有反向于所述第一功率半導(dǎo)體器件的電流方 向性的電流方向性并將所述第二二極管的一側(cè)連接至另一側(cè)。
12. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的多電平逆變器，其中，所述第四開關(guān)單元包括：第一二極管， 其具有從所述第二輸出端至所述第一節(jié)點(diǎn)的電流方向性；以及第一功率半導(dǎo)體器件，其具 有反向于所述第一二極管的電流方向性的電流方向性并連接所述第一二極管的一側(cè)至所 述第一二極管的另一側(cè)。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的多電平逆變器，其中，所述第六開關(guān)單元包括：第二二極 管，其具有從所述第三節(jié)點(diǎn)至所述第二輸出端的電流方向性；以及第二功率半導(dǎo)體器件，其 具有反向于所述第二二極管的電流方向性的電流方向性并連接所述第二二極管的一側(cè)至 所述第二二極管的另一側(cè)。
14. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的多電平逆變器，其中，所述整平單元包括串聯(lián)連接的第一電 容器和第二電容器，其中，所述第一電容器和所述第二電容器接收從一側(cè)到另一側(cè)的所述 第一整流電壓，且其中，所述第一電容器和所述第二電容器的一側(cè)節(jié)點(diǎn)、共用節(jié)點(diǎn)和另一側(cè) 節(jié)點(diǎn)分別是所述第一節(jié)點(diǎn)至所述第三節(jié)點(diǎn)。
15. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的多電平逆變器，其中，所述整流器包括：第一二極管和第 二二極管，其連接所述第一電容器和所述第二電容器的一側(cè)和另一側(cè)，并通過共用節(jié)點(diǎn)接 收所述第一相位電壓的第一相電壓；第三二極管和第四二極管，其連接所述第一電容器和 所述第二電容器的一側(cè)和另一側(cè)，并通過共用節(jié)點(diǎn)接收所述第一相位電壓的第二相電壓； 以及第五二極管和第六二極管，其連接所述第一電容器的一側(cè)和另一側(cè)，并通過共用節(jié)點(diǎn) 接收所述第一相位電壓的第三相電壓。
16. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的多電平逆變器，其中，所述逆變器單元包括單相T型NPC(中 性點(diǎn)鉗位）逆變器。
17. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的多電平逆變器，其中，所述模塊化移相變壓器進(jìn)一步包括： 第四模塊，其被配置為通過接收三相輸入電壓，來提供使用用于對(duì)與所述第一模塊至第三 模塊不同地預(yù)定的且同樣多的相位進(jìn)行偏移的初級(jí)繞組和次級(jí)繞組移相后的第四相位電 壓；以及多個(gè)第四組電力單元組件，其被配置為通過接收對(duì)應(yīng)于所述第四相位電壓中的每 一相的信號(hào)，經(jīng)由執(zhí)行預(yù)定的逆變操作，來提供預(yù)定相的輸出電壓，其中，所述第一組電力 單元組件中的其中一個(gè)電力單元組件、所述第二組電力單元組件中的其中一個(gè)電力單元組 件、所述第三組電力單元組件中的其中一個(gè)電力單元組件以及所述第四組電力單元組件中 的其中一個(gè)電力單元組件配對(duì)以提供相同相位的輸出電壓。
18. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的多電平逆變器，其中，所述模塊化移相變壓器進(jìn)一步包括： 第五模塊，其被配置為通過接收三相輸入電壓，來提供使用用于對(duì)與所述第一模塊至第四 模塊不同地預(yù)定的且同樣多的相位進(jìn)行偏移的初級(jí)繞組和次級(jí)繞組移相后的第五相位電 壓；以及多個(gè)第五組電力單元組件，其被配置為通過接收對(duì)應(yīng)于所述第五相位電壓中的每 一相的信號(hào)，經(jīng)由執(zhí)行預(yù)定的逆變操作，來提供預(yù)定相的輸出電壓，其中，所述第一組電力 單元組件中的其中一個(gè)電力單元組件、所述第二組電力單元組件中的其中一個(gè)電力單元組 件、所述第三組電力單元組件中的其中一個(gè)電力單元組件、所述第四組電力單元組件中的 其中一個(gè)電力單元組件以及所述第五組電力單元組件中的其中一個(gè)電力單元組件配對(duì)以 提供相同相位的輸出電壓。
【文檔編號(hào)】H02M5/44GK104104236SQ201410143736
【公開日】2014年10月15日 申請(qǐng)日期:2014年4月10日 優(yōu)先權(quán)日:2013年4月10日
【發(fā)明者】俞安櫓 申請(qǐng)人:Ls產(chǎn)電株式會(huì)社