級(jí)聯(lián)的多電平功率轉(zhuǎn)換器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種多電平功率轉(zhuǎn)換器。更具體地講，本發(fā)明的多電平轉(zhuǎn)換器旨在在 中等電壓范圍內(nèi)操作。
【背景技術(shù)】
[0002] 當(dāng)前的某些應(yīng)用要求非常高的電壓。即使用于功率轉(zhuǎn)換器的半導(dǎo)體的性能水平正 在不斷提高，它們的承壓度仍不足以產(chǎn)生緊致和安全的功率轉(zhuǎn)換器。因此，形成了各種允許 電壓增加同時(shí)又符合部件承壓度的方案。
[0003] 第一種方案僅涉及串行鏈接交換器。然而，無(wú)論在靜態(tài)系統(tǒng)中還是在動(dòng)態(tài)系統(tǒng)中， 都難以在交換器中的每一個(gè)交換器上均勻地分配電壓約束。例如，當(dāng)接通時(shí)，交換最慢的交 換器冒著承受過(guò)量瞬時(shí)電壓的風(fēng)險(xiǎn)，而當(dāng)關(guān)閉時(shí)，最快的交換器冒著被毀壞的風(fēng)險(xiǎn)。為了克 服這些不利之處，人們推出了其它一些基于對(duì)交換器進(jìn)行交錯(cuò)控制的方案。這些方案允許 采用旨在恢復(fù)波形的多個(gè)電壓電平。
[0004] 已經(jīng)出現(xiàn)的第二方案為人們所熟悉的NPC(受鉗制中性點(diǎn)）拓?fù)洹＿@一拓?fù)涫蛊?衡交換器所承受電壓的問(wèn)題得以明顯改進(jìn)，并且允許生成滿意的波形。然而，這一拓?fù)渚哂?對(duì)其使用的限制，并且特別在總線電容器上電壓的平衡方面存在不足。于是，人們通過(guò)用受 控交換器取代二極管來(lái)對(duì)這一NPC型拓?fù)溥M(jìn)行了改進(jìn)。這一改進(jìn)的拓?fù)浔环Q為ANPC(活躍 受鉗制中性點(diǎn)），并且已經(jīng)在某些產(chǎn)品（來(lái)自ABB公司的ACS2000)中實(shí)現(xiàn)了這一拓?fù)洹＠?如，專利US6930899中描述了一種替代NPC拓?fù)涞?、稱為NPP(先導(dǎo)控制中性點(diǎn)）的可選拓 撲。
[0005] 第三種方案已經(jīng)出現(xiàn)，其使用了嵌套的單元。嵌套的單元轉(zhuǎn)換器允許通過(guò)串行鏈 接任何數(shù)目的交換器把電壓源連接于電流源，而無(wú)論所要求的轉(zhuǎn)換類型如何。每一個(gè)基本 單元均具有兩個(gè)交換器和一個(gè)電容器。然而，這一方案同樣具有與每一個(gè)單元中飛跨電容 器（flyingcapacitor)的存在相關(guān)的不足之處，飛跨電容器的數(shù)目導(dǎo)致了額外的開(kāi)銷，并 且需要大量存儲(chǔ)的能量。
[0006] 為了減小電容器的尺寸以及降低存儲(chǔ)在轉(zhuǎn)換器中的能量，人們提出了第四種方 案。這一方案稱為堆棧多單元轉(zhuǎn)換器（SMC)。專利EP1287609中所描述的這一方案涉及多 個(gè)嵌套的單元轉(zhuǎn)換器的鏈接。
[0007] 最終，專利US5625545中描述了最后一種方案。這一方案涉及串行地鏈接所述單 元的輸出端，并且使用獨(dú)立的源向每一個(gè)單元提供電能。每一個(gè)單元均具有一個(gè)整流器和 一個(gè)倒相器。串行地鏈接所述單元的輸出端，以在負(fù)載上生成所希望的電壓電平。使用對(duì) 倒相器的控制中的時(shí)間位移獲得多電平電壓。
[0008] 另外，以下文檔中也對(duì)各方案進(jìn)行了描述。
[0009]-FANGZHENG:GeneralizedMultilevelInverterTopologywithSelf VoltageBalancing" - 01/03/2001，XP011022945
[0010] -ZHIGU0PAN等人："Adiode-clampedmultilevelconverterwithreduced number of clamping diodes〃- 22/02/2004,XP010703326
[0011]-ALIANCHEN等人："Anovel type of combined multilevel converter topologies〃- 02/11/2004, XP010799316
[0012] -ALIANCHEN等人："Amultilevel converter topology with fault tolerant ability〃- 22/02/2004, XP010703838
[0013] -BARBOSA P等人："Active-Neutral-point_Clamped(ANPC)Multilevel Converter Technology^, XP010933291
[0014] US2007/025126A1
[0015] 這些文檔中所描述的方案推薦的是串聯(lián)轉(zhuǎn)換器，全部具有相同的拓?fù)洹?br>[0016] 本發(fā)明的目的旨在推薦所有先前方案的一種替代方案，其允許鏈接大量部件，以 能夠在高電壓電平操作，而且無(wú)需使用變壓器，也不對(duì)無(wú)源部件的最大數(shù)目加以限制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0017] 通過(guò)多電平功率轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)這一目的，所述多電平功率轉(zhuǎn)換器包含：
[0018]n個(gè)輸入級(jí)（stage)，n至少等于1，每一個(gè)輸入級(jí)具有n+1個(gè)互相連接的相同的輸 入轉(zhuǎn)換器，向每一個(gè)轉(zhuǎn)換器提供一個(gè)輸入電壓，并且對(duì)其加以控制，以根據(jù)所述輸入電壓把 一個(gè)電位施加于輸出端，
[0019] 如果n大于或者等于2,則向第n-1個(gè)輸入級(jí)的每一個(gè)輸入轉(zhuǎn)換器提供因兩個(gè)第n 轉(zhuǎn)換器向兩個(gè)輸出端所施加的電位所產(chǎn)生的電壓，
[0020] -個(gè)輸出級(jí)，連接于第一輸入級(jí)，并且具有一個(gè)輸出轉(zhuǎn)換器，向輸出轉(zhuǎn)換器提供一 個(gè)差動(dòng)電壓，這一差動(dòng)電壓是因施加于第一輸入級(jí)的第一輸入轉(zhuǎn)換器輸出端的第一電位和 施加于第一輸入級(jí)的第二輸入轉(zhuǎn)換器輸出端的第二電位所產(chǎn)生的，控制所述輸出轉(zhuǎn)換器， 以向輸出端施加一個(gè)電位。
[0021] 展現(xiàn)了相同拓?fù)涞妮斎朕D(zhuǎn)換器，所述拓?fù)涫菑腘PC、ANPC、NPP以及SMC型結(jié)構(gòu)中選 出的，
[0022] 展現(xiàn)了不同于為輸入轉(zhuǎn)換器所選拓?fù)涞耐負(fù)涞妮敵鲛D(zhuǎn)換器，輸出轉(zhuǎn)換器的所述拓 撲是從飛跨電容器、SMC、NPC，NPP以及ANPC結(jié)構(gòu)中選出的。
[0023] 根據(jù)一個(gè)變通實(shí)施例，輸入轉(zhuǎn)換器展現(xiàn)了NPP型拓?fù)洌敵鲛D(zhuǎn)換器展現(xiàn)了飛跨電 容器拓?fù)洹?br>[0024] 根據(jù)另一個(gè)變通實(shí)施例，輸入轉(zhuǎn)換器展現(xiàn)了NPC型拓?fù)?，輸出轉(zhuǎn)換器展現(xiàn)了飛跨 電容器拓?fù)洹?br>[0025] 根據(jù)另一個(gè)變通實(shí)施例，輸入轉(zhuǎn)換器展現(xiàn)了ANPC型拓?fù)?，輸出轉(zhuǎn)換器展現(xiàn)了飛跨 電容器拓?fù)洹?br>[0026] 根據(jù)另一個(gè)變通實(shí)施例，輸入轉(zhuǎn)換器展現(xiàn)了NPP型拓?fù)?，輸出轉(zhuǎn)換器展現(xiàn)了SMC型 拓?fù)洹?br>[0027] 根據(jù)另一個(gè)變通實(shí)施例，輸入轉(zhuǎn)換器展現(xiàn)了NPC型拓?fù)?，輸出轉(zhuǎn)換器展現(xiàn)了SMC型 拓?fù)洹?br>[0028] 根據(jù)另一個(gè)變通實(shí)施例，輸入轉(zhuǎn)換器展現(xiàn)了ANPC型拓?fù)?，輸出轉(zhuǎn)換器展現(xiàn)了SMC 型拓?fù)洹?br>【附圖說(shuō)明】
[0029] 在以下參照下列附圖的詳細(xì)描述中將會(huì)發(fā)現(xiàn)本發(fā)明的其它特性與優(yōu)點(diǎn)：
[0030] 圖1示意性地示出了本發(fā)明的多電平功率轉(zhuǎn)換器，
[0031] 圖2示出了包含單個(gè)輸入級(jí)和一個(gè)輸出級(jí)的本發(fā)明的多電平轉(zhuǎn)換器，
[0032] 圖3示出了本發(fā)明的具有一個(gè)輸入級(jí)和一個(gè)輸出級(jí)的多電平轉(zhuǎn)換器，其中輸入級(jí) 具有NPP拓?fù)?，而輸出?jí)具有飛跨電容器拓?fù)洌?br>[0033] 圖4示出了本發(fā)明的具有一個(gè)輸入級(jí)和一個(gè)輸出級(jí)的多電平轉(zhuǎn)換器，其中輸入級(jí) 具有NPC拓?fù)?，而輸出?jí)具有飛跨電容器拓?fù)洌?br>[0034] 圖5示出了本發(fā)明的具有一個(gè)輸入級(jí)和一個(gè)輸出級(jí)的多電平轉(zhuǎn)換器，其中輸入級(jí) 具有ANPC拓?fù)?，而輸出?jí)在輸出端具有飛跨電容器拓?fù)洌?br>[0035] 圖6A~圖6L說(shuō)明了本發(fā)明的多電平轉(zhuǎn)換器中電流的不同的流動(dòng)順序，所述多電 平轉(zhuǎn)換器具有一個(gè)輸入級(jí)和一個(gè)輸出級(jí)，其中輸入級(jí)具有NPP拓?fù)?，而輸出?jí)具有飛跨電 容器拓?fù)洌约?br>[0036] 圖7示出了本發(fā)明的具有一個(gè)輸入級(jí)和一個(gè)輸出級(jí)的多電平轉(zhuǎn)換器，其中輸入級(jí) 具有NPP拓?fù)?，而輸出?jí)具有SMC拓?fù)洹?br>【具體實(shí)施方式】
[0037] 本發(fā)明涉及一種多電平功率轉(zhuǎn)換器，其允許在高電壓操作，更精確地講，其允許在 2. 3kV~13. 8kV的中等電壓范圍內(nèi)操作。這取決于按級(jí)聯(lián)方式鏈接的基本結(jié)構(gòu)，每一個(gè)基 本結(jié)構(gòu)基于有限量串行鏈接的部件。
[0038] 參照?qǐng)D1，本發(fā)明的多電平轉(zhuǎn)換器具有：
[0039]_n個(gè)輸入級(jí)Einn，n至少等于1，每一個(gè)輸入級(jí)Einn具有n+1個(gè)互相連接的相同的 輸入轉(zhuǎn)換器C0NVxEn(x處于1~n+1的范圍），向每一個(gè)轉(zhuǎn)換器C0NVxEn提供輸入電壓VxEn， 并且對(duì)其加以控制，以根據(jù)所述輸入電壓把一個(gè)電位施加于輸出端SyEn(y處于1~n的范 圍），
[0040] -如果n大于或者等于2,則向第n-1個(gè)輸入級(jí)的