多電平逆變器的制造方法
【專(zhuān)利摘要】公開(kāi)了一種多電平逆變器，其具有足夠提高效率同時(shí)減少導(dǎo)電損耗的構(gòu)造，該多電平逆變器包括整流器、平滑單元和逆變器單元，其中，逆變器單元包括置于第一節(jié)點(diǎn)和第一輸出端之間的第一開(kāi)關(guān)單元、置于第二節(jié)點(diǎn)和第一輸出端之間的第二開(kāi)關(guān)單元、置于第三節(jié)點(diǎn)和第一輸出端之間的第三開(kāi)關(guān)單元、置于第一節(jié)點(diǎn)和第二輸出端之間的第四開(kāi)關(guān)單元、置于第二節(jié)點(diǎn)和第二輸出端之間的第五開(kāi)關(guān)單元以及置于第三節(jié)點(diǎn)和第二輸出端之間的第六開(kāi)關(guān)單元。
【專(zhuān)利說(shuō)明】多電平逆變器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]按照本公開(kāi)的示例性實(shí)施例的教導(dǎo)主要涉及一種逆變器，并且更特別地，涉及一種多電平中壓逆變器。

【背景技術(shù)】
[0002]通常，多電平中壓逆變器是具有線間電壓的rms (均方根)值在600V以上的輸入電力的逆變器，并且具有輸出相電壓中的若干個(gè)級(jí)。多電平中壓逆變器一般性地用于驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇、泵、壓縮機(jī)、牽引機(jī)、起重機(jī)和輸送機(jī)(作為非限制性的示例)的范圍從幾kW到幾麗負(fù)載量的大慣性的工業(yè)負(fù)載。
[0003]多電平逆變器的一種形式是級(jí)聯(lián)H橋(Cascaded Η-Bridge, CHB)逆變器構(gòu)造，其采用多個(gè)串聯(lián)連接的H橋逆變器以用于驅(qū)動(dòng)各個(gè)電動(dòng)機(jī)繞組相，或者多電平逆變器的一種形式是從CHB逆變器變形而來(lái)的級(jí)聯(lián)NPC (Neutral Point Clamped,中性點(diǎn)鉗位)逆變器。近來(lái)所使用的NPC逆變器相比傳統(tǒng)的級(jí)聯(lián)CHB逆變器由于更小的尺寸是有利的。在各種領(lǐng)域中廣泛使用的多電平逆變器需要更高的效率和更少元件數(shù)量的拓?fù)洹?br>

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本公開(kāi)在于提供一種多電平逆變器，其被構(gòu)造成具有能夠通過(guò)減少導(dǎo)電損耗來(lái)增加效率的結(jié)構(gòu)。
[0005]在本公開(kāi)的一個(gè)一般方案中，提供了一種多電平逆變器，該多電平逆變器包括:
[0006]整流器，其被構(gòu)造成通過(guò)接收3-相的第一相電壓而提供整流的第一整流電壓和通過(guò)接收3-相的第二相電壓提供第二整流電壓；
[0007]平滑單元，其被構(gòu)造成通過(guò)接收由所述整流器整流的第一整流電壓和第二整流電壓來(lái)提供彼此不同電平的電壓給彼此不同的第一節(jié)點(diǎn)到第三節(jié)點(diǎn)；以及
[0008]逆變器單元，其形成有多個(gè)開(kāi)關(guān)用于傳送由所述平滑單元提供的三個(gè)電平的電壓，其中
[0009]逆變器單元包括置于第一節(jié)點(diǎn)和第一輸出端之間的第一開(kāi)關(guān)單元、置于第二節(jié)點(diǎn)和第一輸出端之間的第二開(kāi)關(guān)單元、置于第三節(jié)點(diǎn)和第一輸出端之間的第三開(kāi)關(guān)單元、置于第一節(jié)點(diǎn)和第二輸出端之間的第四開(kāi)關(guān)單元、置于第二節(jié)點(diǎn)和第二輸出端之間的第五開(kāi)關(guān)單元以及置于第三節(jié)點(diǎn)和第二輸出端之間的第六開(kāi)關(guān)單元。
[0010]優(yōu)選地，但非必須地，第一開(kāi)關(guān)單元到第六開(kāi)關(guān)單元可以包括功率半導(dǎo)體和二極管。
[0011]優(yōu)選地，但非必須地，所述第二開(kāi)關(guān)單元可以包括:具有從第二節(jié)點(diǎn)到第一輸出端的電流方向性的第一二極管；具有與第一二極管的電流方向性相反的電流方向性的第一功率半導(dǎo)體；具有與第一二極管的電流方向性相反的電流方向性并且串聯(lián)連接到第一二極管的第二二極管；以及具有與第一功率半導(dǎo)體的電流方向性相反的電流方向性并且將第二二極管的一側(cè)連接到另一側(cè)的第二功率半導(dǎo)體。
[0012]優(yōu)選地，但非必須地，第一開(kāi)關(guān)單元可以包括:具有從第一輸出端到第一節(jié)點(diǎn)的電流方向性的第一二極管；以及具有與第一二極管的電流方向性相反的電流方向性并且將第一二極管的一側(cè)連接到另一側(cè)的第一功率半導(dǎo)體。
[0013]優(yōu)選地，但非必須地，第三開(kāi)關(guān)單元可以包括:具有從第三節(jié)點(diǎn)到第一輸出端的電流方向性的第二二極管；以及具有與第二二極管的電流方向性相反的電流方向性并且將第二二極管的一側(cè)連接到另一側(cè)的第二功率半導(dǎo)體。
[0014]優(yōu)選地，但非必須地，第五開(kāi)關(guān)單元可以包括:具有從第二節(jié)點(diǎn)到第二輸出端的電流方向性的第一二極管；具有與第一二極管的電流方向性相反的電流方向性并且將第一二極管的一側(cè)連接到另一側(cè)的第一功率半導(dǎo)體；具有與第一二極管的電流方向性相反的電流方向性并且串聯(lián)連接到第一二極管的第二二極管；以及具有與第一功率半導(dǎo)體的電流方向性相反的電流方向性并且將第二二極管的一側(cè)連接到另一側(cè)的第二功率半導(dǎo)體。
[0015]優(yōu)選地，但非必須地，第四開(kāi)關(guān)單元可以包括:具有從第二輸出端到第一節(jié)點(diǎn)的電流方向性的第一二極管；以及具有與第一二極管的電流方向性相反的電流方向性并且將第一二極管的一側(cè)連接到另一側(cè)的第一功率半導(dǎo)體。
[0016]優(yōu)選地，但非必須地，第六開(kāi)關(guān)單元可以包括:具有從第三節(jié)點(diǎn)到第二輸出端的電流方向性的第二二極管；以及具有與第二二極管的電流方向性相反的電流方向性并且將第二二極管的一側(cè)連接到另一側(cè)的第二功率半導(dǎo)體。
[0017]優(yōu)選地，但非必須地，平滑單元可以包括串聯(lián)連接的第一電容器和第二電容器，其中所述第一電容器接收來(lái)自一側(cè)和另一側(cè)的第一整流電壓，第二電容器接收來(lái)自一側(cè)和另一側(cè)的第二整流電壓，并且其中第一電容器和第二電容器的一側(cè)節(jié)點(diǎn)、公共節(jié)點(diǎn)和另一側(cè)節(jié)點(diǎn)分別為第一節(jié)點(diǎn)到第三節(jié)點(diǎn)。
[0018]優(yōu)選地，但非必須地，所述整流器可以包括:第一二極管和第二二極管，該第一和第二二極管連接第一電容器和第二電容器的一側(cè)和另一側(cè)，并且通過(guò)公共節(jié)點(diǎn)接收第一相電壓的第一相電壓；第三二極管和第四二極管，該第三和第四二極管連接第一電容器和第二電容器的一側(cè)和另一側(cè)，并且通過(guò)公共節(jié)點(diǎn)接收第一相電壓的第二相電壓；以及第五二極管和第六二極管，該第五和第六二極管連接第一電容器的一側(cè)和另一側(cè)，并且通過(guò)公共節(jié)點(diǎn)接收第一相電壓的第三相電壓；第七二極管和第八二極管，該第七和第八二極管連接第二電容器的一側(cè)和另一側(cè)，并且通過(guò)公共節(jié)點(diǎn)接收第二相電壓的第一相電壓；第九二極管和第十二極管，該第九和第十二極管連接第二電容器的一側(cè)和另一側(cè)，并且通過(guò)公共節(jié)點(diǎn)接收第二相電壓的第二相電壓；以及第十一二極管和第十二二極管，該第十一和第十二二極管連接第二電容器的一側(cè)和另一側(cè)，并且通過(guò)公共節(jié)點(diǎn)接收第二相電壓的第三相電壓。
[0019]優(yōu)選地，但非必須地，所述平滑單元可以包括串聯(lián)連接的第一電容器到第四電容器，其中第一電容器的一側(cè)和第二電容器的另一側(cè)分別為第一節(jié)點(diǎn)和第二節(jié)點(diǎn)，第四電容器的另一側(cè)是第三節(jié)點(diǎn)，通過(guò)第一電容器的一側(cè)和第二電容器的另一側(cè)提供第一整流電壓，通過(guò)第三電容器的一側(cè)和第四電容器的另一側(cè)提供第二整流電壓。
[0020]優(yōu)選地，但非必須地，多電平逆變器可以進(jìn)一步包括移相變換器，該移相變換器包括多個(gè)單位功率單元(unit power cells),所述多個(gè)單位功率單元形成有整流器、平滑單元以及逆變器單元，所述移相變換器通過(guò)接收3-相電壓來(lái)提供具有預(yù)定相位的電力信號(hào)給單位功率單元。
[0021]本公開(kāi)的有益效果
[0022]如此描述的根據(jù)本公開(kāi)的多電平逆變器具有的有益效果在于，由于通過(guò)使用新型多電平逆變器，相比傳統(tǒng)的串聯(lián)連接的NPC逆變器而言功率半導(dǎo)體二極管的數(shù)量減少并且導(dǎo)電損耗減少，所以提高了效率同時(shí)減少了成本和尺寸。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0023]圖1為圖示出根據(jù)本公開(kāi)的包括逆變器的功率轉(zhuǎn)換電路的框圖。
[0024]圖2為圖示出圖1中所圖示的各個(gè)單位功率單元的結(jié)構(gòu)的電路圖。
[0025]圖3為圖示出包括另一逆變器的功率轉(zhuǎn)換電路的框圖。
[0026]圖4為圖示出圖2中所圖示的各個(gè)單位功率單元的結(jié)構(gòu)的框圖。
[0027]圖5到圖10為圖示出圖1和圖2中所圖示的逆變器單元的操作的電路圖。
[0028]圖11為圖示出根據(jù)本公開(kāi)的第一示例性實(shí)施例的單位功率單元的電路圖。
[0029]圖12為圖示出根據(jù)本公開(kāi)的第二示例性實(shí)施例的單位功率單元的電路圖。
[0030]圖13和圖14為圖示出使用三個(gè)單位功率單元和五個(gè)單位功率單元的功率轉(zhuǎn)換電路的框圖。
[0031]圖15到圖20為圖示出圖11和圖12中所圖示的逆變器單元的操作的電路圖。

【具體實(shí)施方式】
[0032]這里描述的以下實(shí)施例意圖解釋實(shí)踐本公開(kāi)的已知模式并且意圖易于使本領(lǐng)域其他技術(shù)人員能夠使用所附附圖來(lái)利用本公開(kāi)。
[0033]圖1為圖示出根據(jù)本公開(kāi)的包括逆變器的功率轉(zhuǎn)換電路的框圖。
[0034]參見(jiàn)圖1，包括移相變換器和多電平中壓逆變器的功率轉(zhuǎn)換電路101包括輸入3-相電力102、3_相電動(dòng)機(jī)103、移相變換器104和單位功率單元105a?105f。輸入3-相電力102意指線間電壓的rms (均方根)值在600V以上的輸入電力。3-相電動(dòng)機(jī)103是功率轉(zhuǎn)換電路的負(fù)載。移相變換器104的原繞組具有3-相Y形繞組形狀，并且二次繞組具有總共12個(gè)繞組，各個(gè)繞組相對(duì)于原繞組具有_15°、0°、15°、和30°的相位差。S卩，二次繞組的結(jié)構(gòu)由單位功率單元105a?105f中的功率單元的數(shù)量確定。
[0035]單位功率單元105a?105f的各個(gè)輸出電壓為5電平。充當(dāng)負(fù)載的3_相電動(dòng)機(jī)103對(duì)于各個(gè)相形成有兩個(gè)單位功率單元，并且如果需要，單位功率單元的數(shù)量是可擴(kuò)展的。單位功率單元105a和105b的輸出被串聯(lián)連接以輸出所負(fù)載的3-相電動(dòng)機(jī)的“a”相電壓，并且單位功率單元105c和105d輸出“b”相電壓，單位功率單元105e和105f輸出“c”相電壓。單位功率單元105a、105c、105e被連接到移相變換器104的輸出中的具有-15°和O0相位的輸出，并且單位功率單元105b、105d、105f被連接到移相變換器104的輸出中的具有15°和30°相位的輸出。
[0036]圖2為圖示出圖1中所圖示的各個(gè)單位功率單元的結(jié)構(gòu)的電路圖。
[0037]參見(jiàn)圖2，單位功率單元包括二極管整流器201、平滑單元202以及被構(gòu)造成合成輸出電壓的逆變器單元203。二極管整流器201接收兩個(gè)3-相電力，其中輸入電力是圖1的移相變換器104的輸出電壓。將二極管整流器201的輸出傳送到兩個(gè)串聯(lián)連接的直流鏈(DC link)電容器，其中這兩個(gè)直流鏈電容器中的每一個(gè)具有相同的電容值。逆變器單元203被構(gòu)造成合成輸出電壓，其中輸出的線間電壓是5個(gè)電平。
[0038]圖3為圖示出包括另一逆變器的功率轉(zhuǎn)換電路的框圖。
[0039]參見(jiàn)圖3，功率轉(zhuǎn)換電路301包括輸入3-相電力302、3_相電動(dòng)機(jī)303、移相變換器304和單位功率單元305a?305c。輸入3-相電力302意指線間電壓的rms (均方根)值在600V以上的輸入電力。3-相電動(dòng)機(jī)303是功率轉(zhuǎn)換電路的負(fù)載。移相變換器304的原繞組具有3相Y形繞組形狀，并且二次繞組具有總共12個(gè)繞組，各個(gè)繞組相對(duì)于原繞組具有_15°、0°、15°、和30°的相位差。即，二次繞組的結(jié)構(gòu)由單位功率單元305a?305c中的功率單元的數(shù)量確定。單位功率單元305a?305c能夠合成5-電平的輸出電壓。單位功率單元305a能夠輸出所負(fù)載的3-相電動(dòng)機(jī)303的“a”相電壓，單位功率單元305b能夠輸出“b ”相電壓，并且單位功率單元305c能夠輸出“ c ”相電壓。
[0040]圖4為圖示出圖3中所圖示的各個(gè)單位功率單元的結(jié)構(gòu)的內(nèi)部電路圖，該電路包括二極管整流器401、電容器402和被構(gòu)造成合成輸出電壓的逆變器單元403。圖4圖示了四個(gè)輸入端二極管整流器401，并且逆變器單元403的操作基本上與圖2的相同。但是，用于單位功率單元的功率器件的額定電壓值和額定電流值可以響應(yīng)于圖2和圖4中的單位功率單元中所需的輸出而變化。單位功率單元的輸出電壓能夠呈現(xiàn)達(dá)到5個(gè)電平。
[0041]圖5到圖10為圖示出圖1和圖2中所圖示的逆變器單元的操作的電路圖。接下來(lái)，將參照?qǐng)D1到圖11描述逆變器單元的操作。特別地，描述將集中在圖1和圖2中所圖示的逆變器單元的操作上。
[0042]圖2中所圖示的逆變器單元203的一個(gè)橋臂(leg)是這樣的:四個(gè)開(kāi)關(guān)單元203a、203b,203c,203d串聯(lián)連接，并且輸出電壓由開(kāi)關(guān)單元的操作來(lái)限定。
[0043]開(kāi)關(guān)單元203a、203c的操作是互補(bǔ)的，并且開(kāi)關(guān)單元203b、203d的操作也是互補(bǔ)的。因而，當(dāng)假定DC端處串聯(lián)連接的電容器202的電壓分別為E時(shí)，并且當(dāng)開(kāi)關(guān)單元203a、203b接通時(shí)，開(kāi)關(guān)單元203c、203d變?yōu)榍袛?，并且此時(shí)輸出的極電壓變?yōu)镋。而且，當(dāng)開(kāi)關(guān)單元203a、203c接通時(shí)，開(kāi)關(guān)單元203b、203d變?yōu)榍袛嘁允沟幂敵龅臉O電壓為零。同樣地，當(dāng)開(kāi)關(guān)單元203a、203b切斷時(shí)，開(kāi)關(guān)單元203c、203d變?yōu)榻油ㄒ允沟幂敵龅臉O電壓為_(kāi)E。
[0044]當(dāng)使用如此定義的輸出的極電壓時(shí)，各個(gè)單位單元(unit cell)的線間電壓具有2E、E、0、-E和-2E這五個(gè)電平。由于各個(gè)單位單元的線間電壓被定義為5個(gè)電平，則可由圖3的單位功率單元305a、305b合成的電壓現(xiàn)在具有4E、3E、2E、E、0、_E、-2E、-3E、-4E這九個(gè)電平，并且負(fù)載電動(dòng)機(jī)303的輸出線間電壓現(xiàn)在可以具有8E、7E、6E、5E、4E、3E、2E、E、
O、-E、-2E、-3E、-4E、-5E、-6E、-7E、-8E 這 17 個(gè)電平。
[0045]基于三角載波的類(lèi)型，可以將多電平中壓逆變器的PWM方法劃分成移相PWM和移動(dòng)電平PWM(Level shifted PWM)，并且根據(jù)本公開(kāi)的使用單相NPC逆變器的多電平逆變器主要由移動(dòng)電平PWM操作。此外，移動(dòng)電平PWM基于載波的相位而劃分成iro (同相層疊)、apod(交替反相層疊)以及pod(正負(fù)反相層疊)，并且iro(同相層疊)方法一般在輸出電壓的諧波方面極佳。因而，將在本發(fā)明中主要使用iro方法的移動(dòng)電平PWM來(lái)描述多電平中壓逆變器的電壓合成方法。
[0046]當(dāng)輸出極電壓分別被確定為E、0、-E時(shí)，基于電流方向的功率半導(dǎo)體的導(dǎo)電狀態(tài)可以如在圖5到圖10中所圖示。
[0047]圖5圖示出了當(dāng)輸出極電壓為O并且輸出電流為正的時(shí)開(kāi)關(guān)單元的導(dǎo)電狀態(tài)，圖6圖示出了當(dāng)輸出極電壓為E并且輸出電流為正的時(shí)的導(dǎo)電狀態(tài)，以及圖7圖示出了當(dāng)輸出極電壓為-E并且輸出電流為正的時(shí)的導(dǎo)電狀態(tài)。圖5圖示出了二極管和開(kāi)關(guān)單元導(dǎo)電的導(dǎo)電狀態(tài)，圖6圖示出了兩個(gè)開(kāi)關(guān)導(dǎo)電的導(dǎo)電狀態(tài)，以及圖7圖示出了兩個(gè)二極管導(dǎo)電的導(dǎo)電狀態(tài)。
[0048]圖8圖不出了當(dāng)輸出極電壓為O并且輸出電流為負(fù)的時(shí)開(kāi)關(guān)單兀的導(dǎo)電狀態(tài)，圖9圖示出了當(dāng)輸出極電壓為E并且輸出電流為負(fù)的時(shí)的導(dǎo)電狀態(tài)，以及圖10圖示出了當(dāng)輸出極電壓為-E并且輸出電流為負(fù)的時(shí)的導(dǎo)電狀態(tài)。圖8圖示出了二極管和開(kāi)關(guān)單元導(dǎo)電的導(dǎo)電狀態(tài)，圖9圖示出了兩個(gè)二極管導(dǎo)電的導(dǎo)電狀態(tài)，以及圖10圖示出了兩個(gè)開(kāi)關(guān)單元導(dǎo)電的導(dǎo)電狀態(tài)。
[0049]如圖5到圖10中所討論的，能夠斷定兩個(gè)功率半導(dǎo)體一直導(dǎo)電。級(jí)聯(lián)NPC(中性點(diǎn)鉗位)逆變器相比于傳統(tǒng)的級(jí)聯(lián)CHB逆變器由于更小的尺寸是有利的，但是由于兩個(gè)功率半導(dǎo)體在電壓合成中一直連續(xù)導(dǎo)電而遭遇不利，導(dǎo)致難以提高效率并且相對(duì)地增加了散熱設(shè)備的尺寸。
[0050]因而，本公開(kāi)提出級(jí)聯(lián)T-型NPC(中性點(diǎn)鉗位)逆變器，其被構(gòu)造成雖然與級(jí)聯(lián)NPC逆變器的性能相同但是減少了所需功率半導(dǎo)體器件的數(shù)量并且減少了導(dǎo)電損耗。根據(jù)本公開(kāi)的級(jí)聯(lián)T-型NPC逆變器由于逆變器單元所改變的結(jié)構(gòu)而能夠減少導(dǎo)電的功率半導(dǎo)體器件的平均數(shù)量，并且通過(guò)易于散熱的設(shè)計(jì)來(lái)減少導(dǎo)電損耗，由此系統(tǒng)的尺寸和成本能夠減少。本公開(kāi)所提出的單位功率單元可以應(yīng)用到圖1和圖3的系統(tǒng)。
[0051]圖11為圖示出根據(jù)本公開(kāi)的第一示例性實(shí)施例的單位功率單元的電路圖。
[0052]參見(jiàn)圖11，單位功率單元包括整流器1101、平滑單元1102以及逆變器單元1103。整流器1101用于對(duì)所提供的AC電壓整流。平滑單元1102起的作用是通過(guò)包括電容器來(lái)提供由整流器1101整流的電壓到處于不同電壓電平的彼此不同的第一節(jié)點(diǎn)到第三節(jié)點(diǎn)A、B、C。逆變器單元1103包括多個(gè)開(kāi)關(guān)1103a?1103h以傳送由平滑單元1102提供的三個(gè)不同的電壓電平。
[0053]逆變器單元1103包括置于第一節(jié)點(diǎn)A和第一輸出端OUTl之間的第一開(kāi)關(guān)單元1103a、置于第二節(jié)點(diǎn)B和第一輸出端OUTl之間的第二開(kāi)關(guān)單元1103b、置于第三節(jié)點(diǎn)C和第一輸出端OUTl之間的第三開(kāi)關(guān)單元1103c、置于第一節(jié)點(diǎn)A和第二輸出端0UT2之間的第四開(kāi)關(guān)單元1103d、置于第二節(jié)點(diǎn)B和第二輸出端0UT2之間的第五開(kāi)關(guān)單元1103e以及置于第三節(jié)點(diǎn)C和第二輸出端0UT2之間的第六開(kāi)關(guān)單元1103f。一個(gè)開(kāi)關(guān)單元被構(gòu)造成使得二極管和功率半導(dǎo)體的各個(gè)電流方向被反向，其中功率半導(dǎo)體可以包括IGBT(絕緣柵雙極晶體管)或功率MOSFET (金屬氧化物硅場(chǎng)效應(yīng)晶體管)。
[0054]將形成在平滑單元1102上的電容器連接到整流器1101，并且電容器可以另外地串聯(lián)和/或并聯(lián)地形成到整流器1101的輸出端。逆變器單元1103是單T-型NPC逆變器。開(kāi)關(guān)單元1103a、1103b、1103c、1103d可以形成橋臂并且開(kāi)關(guān)單元1103e、1103f、1103g、1103h可以形成另一橋臂，由此能夠使用兩個(gè)橋臂之間的電勢(shì)差來(lái)合成輸出電壓。
[0055]圖12為根據(jù)本公開(kāi)的第二示例性實(shí)施例的單位功率單元的電路圖。
[0056]參見(jiàn)圖12，根據(jù)本公開(kāi)的第二示例性實(shí)施例的單位功率單元包括整流器1201、平滑單元1202和逆變器單元1203，其中根據(jù)本公開(kāi)的第二示例性實(shí)施例的單位功率單元的逆變器單元1203在構(gòu)造上與根據(jù)本公開(kāi)的第一示例性實(shí)施例的單位功率單元的逆變器單元相同，但是整流器1201在構(gòu)造方面與第一示例性實(shí)施例不同。
[0057]盡管由本公開(kāi)的示例性實(shí)施例所提出的級(jí)聯(lián)T-型NPC逆變器具有與圖1和圖3中的描述相同的操作原理，但是，當(dāng)針對(duì)電動(dòng)機(jī)的各相以多于三個(gè)單位功率單元作出構(gòu)造時(shí)，圖1的移相變換器104和圖3的移相變換器中的相位角和輸出端的數(shù)量必須適當(dāng)?shù)馗淖儭?br> [0058]圖13和圖14為圖示出使用三個(gè)單位功率單元和五個(gè)單位功率單元的功率轉(zhuǎn)換電路的框圖。
[0059]參見(jiàn)圖13，功率轉(zhuǎn)換電路可以包括多電平逆變器1301、3_相電壓源1302和3_相電動(dòng)機(jī)1303。3-相電壓源1302提供具有范圍在600V以上的輸入線間電壓的均方根值的電壓。3-相電動(dòng)機(jī)1303是作為功率轉(zhuǎn)換電路1303的負(fù)載的3-相電動(dòng)機(jī)。多電平逆變器包括移相變換器1304和單位功率單元1305a?1305i。移相變換器1304的相位角可以響應(yīng)于應(yīng)用方法而變化。單位功率單元1305a?1305i能夠合成5個(gè)電平的輸出電壓。
[0060]單位功率單元1305a、1305b、1305c輸出“a”相電壓，單位功率單元1305d、1305e、1305f輸出“b”相電壓，而單位功率單元1305g、1305h、1305?輸出“c”相電壓。
[0061]圖14圖示出了使用圖11的單位功率單元來(lái)為電動(dòng)機(jī)的各個(gè)相設(shè)計(jì)五個(gè)單位功率單元的情況。
[0062]功率轉(zhuǎn)換電路可以包括多電平逆變器1401、3_相電壓源1402以及3_相電動(dòng)機(jī)1403。多電平逆變器1401可以包括單位功率單元1405a?1405ο和移相變換器1404。3-相電壓源1402提供具有范圍在600V以上的輸入線間電壓的均方根值的電壓。3-相電動(dòng)機(jī)1403是作為功率轉(zhuǎn)換電路1403的負(fù)載的3-相電動(dòng)機(jī)。移相變換器1404的相位角可以響應(yīng)于應(yīng)用方法而變化。單位功率單元1405a?1405ο能夠合成5個(gè)電平的輸出電壓。
[0063]單位功率單元1405a、1405b、1405c、1405d、1405e輸出“a”相電壓，單位功率單元1405f、1405g、1405h、14051、1405 j 輸出 “b” 相電壓，而單位功率單元 1405k、14051、1405m、1405n、1405o輸出“c”相電壓。如圖13和圖14中所圖示的系統(tǒng)可以使用圖12的單位功率單元來(lái)具體化。
[0064]圖15到圖20為圖示出圖11和圖12中所圖示的逆變器單元的操作的電路圖。接下來(lái)，參見(jiàn)圖11到圖20，將具體描述根據(jù)本公開(kāi)的示例性實(shí)施例的多電平逆變器的操作。
[0065]如圖11和圖12中所圖示的，根據(jù)本公開(kāi)的示例性實(shí)施例的逆變器單元可以通過(guò)單T-型NPC逆變器來(lái)具體化。
[0066]圖11的逆變器單元的橋臂包括四個(gè)開(kāi)關(guān)單元1103a、1103b、1103c、1103d，其中輸出極電壓由其操作來(lái)限定。開(kāi)關(guān)單元1103a和1103c不能同時(shí)被接通，并且開(kāi)關(guān)單元1103b和1103d也不能被同時(shí)接通。此外，開(kāi)關(guān)單元1103a、1103b的操作是這樣的:當(dāng)彼此獨(dú)立需要的輸出極電壓指令為正的時(shí)開(kāi)關(guān)單元1103a、1103c工作，并且當(dāng)輸出極電壓指令為負(fù)的時(shí)，開(kāi)關(guān)單元1103b、1103d工作。
[0067]當(dāng)串聯(lián)連接到平滑單元的電容器兩端的電壓分別被定義為E并且輸出極電壓為正的時(shí)，開(kāi)關(guān)單元1103a被接通，并且當(dāng)開(kāi)關(guān)單元1103c被切斷時(shí)，輸出為E的輸出極電壓，并且當(dāng)開(kāi)關(guān)單元1103a被切斷并且開(kāi)關(guān)單元1103c被接通時(shí)，輸出極電壓為零。當(dāng)輸出極電壓指令為負(fù)的時(shí)，開(kāi)關(guān)單元1103b被接通，并且當(dāng)開(kāi)關(guān)單元1103d被切斷時(shí)，輸出為-E的輸出極電壓，并且當(dāng)開(kāi)關(guān)單元1103b被切斷并且開(kāi)關(guān)單元1103d被接通時(shí)，輸出為零的輸出極電壓。
[0068]當(dāng)使用如此描述的輸出極電壓時(shí)，各個(gè)單位單元的輸出線間電壓可以具有2E、E、
0、-E、-2E這五個(gè)電平。圖15到圖20圖示了當(dāng)輸出極電壓被確定為Ε、0、-Ε時(shí)響應(yīng)于電流方向的功率半導(dǎo)體的導(dǎo)電。
[0069]圖15圖不了當(dāng)輸出極電壓為O并且輸出電流為正的時(shí)導(dǎo)電的開(kāi)關(guān)單兀，圖16圖示了當(dāng)輸出極電壓為E并且輸出電流為正的時(shí)導(dǎo)電的開(kāi)關(guān)單元，以及圖17圖示了當(dāng)輸出極電壓為-E并且輸出電流為正的時(shí)導(dǎo)電的開(kāi)關(guān)單兀。在圖15中一個(gè)二極管和一個(gè)開(kāi)關(guān)單兀是導(dǎo)電的，在圖16中一個(gè)開(kāi)關(guān)單元是導(dǎo)電的，而在圖17中一個(gè)二極管是導(dǎo)電的。
[0070]圖18圖示了當(dāng)輸出極電壓為O并且輸出電流為負(fù)的時(shí)導(dǎo)電的開(kāi)關(guān)單元，圖19圖示了當(dāng)輸出極電壓為E并且輸出電流為負(fù)的時(shí)導(dǎo)電的開(kāi)關(guān)單元，以及圖20圖示了當(dāng)輸出極電壓為-E并且輸出電流為負(fù)的時(shí)導(dǎo)電的開(kāi)關(guān)單元。在圖18中一個(gè)二極管和一個(gè)開(kāi)關(guān)單元是導(dǎo)電的，在圖19中一個(gè)二極管是導(dǎo)電的，而在圖20中一個(gè)開(kāi)關(guān)單元是導(dǎo)電的。
[0071]進(jìn)而，能夠注意到的是，盡管在圖15和圖18中一個(gè)開(kāi)關(guān)單元和一個(gè)二極管是導(dǎo)電的，但是在其余圖中只有一個(gè)二極管或一個(gè)開(kāi)關(guān)是導(dǎo)電的，相比于圖5到圖10，導(dǎo)電的功率半導(dǎo)體的平均數(shù)量減少。
[0072]因?yàn)楫?dāng)使用如此描述的根據(jù)本公開(kāi)的多電平逆變器時(shí)在操作中被接通器件的數(shù)量減少，所以由功率半導(dǎo)體產(chǎn)生的損耗也能夠減少，由此整個(gè)系統(tǒng)的效率能夠增加，并且由此用于散熱的散熱元件的尺寸也能夠減小。
[0073]如從之前中注意到的，使用新型多電平逆變器的根據(jù)本公開(kāi)的示例性實(shí)施例的新的多電平逆變器相比于級(jí)聯(lián)NPC逆變器而言能夠有利地減少有效使用的功率半導(dǎo)體的數(shù)量，并且能夠減少導(dǎo)電損耗，由此相比于傳統(tǒng)的多電平逆變器能夠提高效率，并且由此能夠減少成本和尺寸。由于逆變器構(gòu)造中的變化，上述優(yōu)點(diǎn)能夠通過(guò)平均導(dǎo)電功率半導(dǎo)體的數(shù)量減少來(lái)實(shí)現(xiàn)，并且能夠通過(guò)易于散熱的設(shè)計(jì)來(lái)具體化減少的導(dǎo)電損耗。
[0074]盡管已經(jīng)參照之前的實(shí)施例和優(yōu)點(diǎn)詳細(xì)描述了本公開(kāi)，但是在權(quán)利要求書(shū)的界限和范圍內(nèi)，眾多替代、修改以及變形對(duì)那些本領(lǐng)域技術(shù)人員而言將是顯而易見(jiàn)的。因此，應(yīng)當(dāng)理解到，除非另外規(guī)定的情形，否則上述實(shí)施例不受之前描述的任意細(xì)節(jié)所限制，而是相反，應(yīng)該在如所附權(quán)利要求書(shū)定義的范圍內(nèi)進(jìn)行寬泛的解釋。
【權(quán)利要求】
1.一種多電平逆變器，該多電平逆變器包括: 整流器，其被構(gòu)造成通過(guò)接收3-相的第一相電壓而提供整流的第一整流電壓和通過(guò)接收3-相的第二相電壓提供第二整流電壓； 平滑單元，其被構(gòu)造成通過(guò)接收由所述整流器整流的第一整流電壓和第二整流電壓來(lái)提供彼此不同電平的電壓給彼此不同的第一節(jié)點(diǎn)到第三節(jié)點(diǎn)；以及 逆變器單元，其形成有多個(gè)開(kāi)關(guān)用于傳送由所述平滑單元提供的三個(gè)電平的電壓，其中 所述逆變器單元包括置于第一節(jié)點(diǎn)和第一輸出端之間的第一開(kāi)關(guān)單元、置于第二節(jié)點(diǎn)和第一輸出端之間的第二開(kāi)關(guān)單元、置于第三節(jié)點(diǎn)和第一輸出端之間的第三開(kāi)關(guān)單元、置于第一節(jié)點(diǎn)和第二輸出端之間的第四開(kāi)關(guān)單元、置于第二節(jié)點(diǎn)和第二輸出端之間的第五開(kāi)關(guān)單元以及置于第三節(jié)點(diǎn)和第二輸出端之間的第六開(kāi)關(guān)單元。
2.如權(quán)利要求1所述的多電平逆變器，其中第一開(kāi)關(guān)單元到第六開(kāi)關(guān)單元包括功率半導(dǎo)體和二極管。
3.如權(quán)利要求1所述的多電平逆變器，其中所述第二開(kāi)關(guān)單元包括:具有從第二節(jié)點(diǎn)到第一輸出端的電流方向性的第一二極管；具有與第一二極管的電流方向性相反的電流方向性的第一功率半導(dǎo)體；具有與第一二極管的電流方向性相反的電流方向性并且串聯(lián)連接到第一二極管的第二二極管；以及具有與第一功率半導(dǎo)體的電流方向性相反的電流方向性并且將第二二極管的一側(cè)連接到另一側(cè)的第二功率半導(dǎo)體。
4.如權(quán)利要求1所述的多電平逆變器，其中第一開(kāi)關(guān)單元包括:具有從第一輸出端到第一節(jié)點(diǎn)的電流方向性的第一二極管；以及具有與第一二極管的電流方向性相反的電流方向性并且將第一二極管的一側(cè)連接到另一側(cè)的第一功率半導(dǎo)體。
5.如權(quán)利要求4所述的多電平逆變器，其中第三開(kāi)關(guān)單元包括:具有從第三節(jié)點(diǎn)到第一輸出端的電流方向性的第二二極管；以及具有與第二二極管的電流方向性相反的電流方向性并且將第二二極管的一側(cè)連接到另一側(cè)的第二功率半導(dǎo)體。
6.如權(quán)利要求1所述的多電平逆變器，其中第五開(kāi)關(guān)單元包括:具有從第二節(jié)點(diǎn)到第二輸出端的電流方向性的第一二極管；具有與第一二極管的電流方向性相反的電流方向性并且將第一二極管的一側(cè)連接到另一側(cè)的第一功率半導(dǎo)體；具有與第一二極管的電流方向性相反的電流方向性并且串聯(lián)連接到第一二極管的第二二極管；以及具有與第一功率半導(dǎo)體的電流方向性相反的電流方向性并且將第二二極管的一側(cè)連接到另一側(cè)的第二功率半導(dǎo)體。
7.如權(quán)利要求1所述的多電平逆變器，其中第四開(kāi)關(guān)單元包括:具有從第二輸出端到第一節(jié)點(diǎn)的電流方向性的第一二極管；以及具有與第一二極管的電流方向性相反的電流方向性并且將第一二極管的一側(cè)連接到另一側(cè)的第一功率半導(dǎo)體。
8.如權(quán)利要求7所述的多電平逆變器，其中第六開(kāi)關(guān)單元包括:具有從第三節(jié)點(diǎn)到第二輸出端的電流方向性的第二二極管；以及具有與第二二極管的電流方向性相反的電流方向性并且將第二二極管的一側(cè)連接到另一側(cè)的第二功率半導(dǎo)體。
9.如權(quán)利要求1到8的任一項(xiàng)所述的多電平逆變器，其中所述平滑單元包括串聯(lián)連接的第一電容器和第二電容器，其中所述第一電容器接收來(lái)自一側(cè)和另一側(cè)的第一整流電壓，第二電容器接收來(lái)自一側(cè)和另一側(cè)的第二整流電壓，并且其中第一電容器和第二電容器的一側(cè)節(jié)點(diǎn)、公共節(jié)點(diǎn)和另一側(cè)節(jié)點(diǎn)分別為第一節(jié)點(diǎn)到第三節(jié)點(diǎn)。
10.如權(quán)利要求9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，該第一和第二二極管連接第一電容器和第二電容器的一側(cè)和另一側(cè)，并且通過(guò)公共節(jié)點(diǎn)接收第一相電壓的第一相電壓； 第三二極管和第四二極管，該第三和第四二極管連接第一電容器和第二電容器的一側(cè)和另一側(cè)，并且通過(guò)公共節(jié)點(diǎn)接收第一相電壓的第二相電壓； 第五二極管和第六二極管，該第五和第六二極管連接第一電容器的一側(cè)和另一側(cè)，并且通過(guò)公共節(jié)點(diǎn)接收第一相電壓的第三相電壓； 第七二極管和第八二極管，該第七和第八二極管連接第二電容器的一側(cè)和另一側(cè)，并且通過(guò)公共節(jié)點(diǎn)接收第二相電壓的第一相電壓； 第九二極管和第十二極管，該第九和第十二極管連接第二電容器的一側(cè)和另一側(cè)，并且通過(guò)公共節(jié)點(diǎn)接收第二相電壓的第二相電壓；以及 第十一二極管和第十二二極管，該第十一和第十二二極管連接第二電容器的一側(cè)和另一側(cè)，并且通過(guò)公共節(jié)點(diǎn)接收第二相電壓的第三相電壓。
11.如權(quán)利要求1到8的任一項(xiàng)所述的多電平逆變器，其中所述平滑單元包括串聯(lián)連接的第一電容器到第四電容器，其中第一電容器的一側(cè)和第二電容器的另一側(cè)分別為第一節(jié)點(diǎn)和第二節(jié)點(diǎn)，第四電容器的另一側(cè)是第三節(jié)點(diǎn)，通過(guò)第一電容器的一側(cè)和第二電容器的另一側(cè)提供第一整流電壓，通過(guò)第三電容器的一側(cè)和第四電容器的另一側(cè)提供第二整流電壓。
12.如權(quán)利要求1到8的任一項(xiàng)所述的多電平逆變器，進(jìn)一步包括移相變換器，該移相變換器包括多個(gè)單位功率單元，所述多個(gè)單位功率單元形成有整流器、平滑單元以及逆變器單元，所述移相變換器通過(guò)接收3-相電壓來(lái)提供具有預(yù)定相位的電力信號(hào)給單位功率單元。
【文檔編號(hào)】H02M7/487GK104242713SQ201410247158
【公開(kāi)日】2014年12月24日 申請(qǐng)日期:2014年6月5日 優(yōu)先權(quán)日:2013年6月5日
【發(fā)明者】俞安櫓 申請(qǐng)人:Ls產(chǎn)電株式會(huì)社