多電平逆變器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種多電平逆變器，包括：配置為接收三相的第一相位電壓并且提供整流電壓的整流單元；配置為接收整流電壓并將接收到的整流電壓作為具有不同電平的電壓提供給不同的第一至第三節(jié)點(diǎn)的平滑單元；以及包括用于傳遞從所述平滑單元提供的具有三個(gè)電平的電壓的多個(gè)開關(guān)單元的逆變器單元，其中，逆變器單元包括設(shè)置于第一節(jié)點(diǎn)和第一輸出端子之間的第一開關(guān)單元、設(shè)置于第二節(jié)點(diǎn)和第一輸出端子之間的第二開關(guān)單元、設(shè)置于第三節(jié)點(diǎn)和第一輸出端子之間的第三開關(guān)單元、設(shè)置于第一節(jié)點(diǎn)和第二輸出端子之間的第四開關(guān)單元、設(shè)置于第二節(jié)點(diǎn)和所述第二輸出端子之間的第五開關(guān)單元、以及設(shè)置于所述第三節(jié)點(diǎn)和所述第二輸出端子之間的第六開關(guān)單元。
【專利說明】多電平逆變器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及逆變器,特別涉及一種使用單位功率單元(unit power cell)的多電平中壓逆變器。

【背景技術(shù)】
[0002]多電平中壓逆變器是具有如下特性的逆變器:輸入線間電壓的有效值具有600V或更高的輸入電力，并且其輸出相位電壓具有多個(gè)級(或多個(gè)電平)。中壓逆變器通常用來驅(qū)動(dòng)具有范圍從幾百千瓦到幾十兆瓦的大容量的電動(dòng)機(jī)，以及主要用于例如風(fēng)扇、泵、壓縮機(jī)、牽引機(jī)、起重機(jī)、傳送機(jī)等領(lǐng)域。
[0003]通常的電壓型中壓逆變器使用級聯(lián)H橋逆變器或級聯(lián)中性點(diǎn)箝位(NPC)逆變器作為級聯(lián)H橋逆變器的改進(jìn)的逆變器。相對于現(xiàn)有的級聯(lián)H橋逆變器，級聯(lián)NPC逆變器顯現(xiàn)其小體積的特點(diǎn)。
[0004]應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域的多電平中壓逆變器被要求包括更小的元件以及具有更高的效率。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為此，詳細(xì)說明的一個(gè)方面提供了一種具有有效結(jié)構(gòu)的多電平中壓逆變器。
[0006]為了達(dá)到這些和其他的優(yōu)勢以及依照本說明書的目的，如本文具體化且廣義描述的，一種多電平中壓逆變器可以包括:整流單元，其配置為接收來自三相電源的相位電壓并且提供整流電壓；平滑單元，其配置為接收所述整流電壓并將接收到的所述整流電壓作為具有不同電平的電壓提供給第一節(jié)點(diǎn)至第三節(jié)點(diǎn)；以及逆變器單元，其包括用于將從所述平滑單元提供的具有三個(gè)電平的電壓傳送給負(fù)載的多個(gè)開關(guān)單元，其中，所述逆變器單元包括設(shè)置于所述第一節(jié)點(diǎn)和第一輸出端子之間的第一開關(guān)單元、設(shè)置于所述第二節(jié)點(diǎn)和所述第一輸出端子之間的第二開關(guān)單元、設(shè)置于所述第三節(jié)點(diǎn)和所述第一輸出端子之間的第三開關(guān)單元、設(shè)置于所述第一節(jié)點(diǎn)和第二輸出端子之間的第四開關(guān)單元、設(shè)置于所述第二節(jié)點(diǎn)和所述第二輸出端子之間的第五開關(guān)單元、以及設(shè)置于所述第三節(jié)點(diǎn)和所述第二輸出端子之間的第六開關(guān)單元。
[0007]所述第一開關(guān)單元至第六開關(guān)單元可以包括功率半導(dǎo)體和二極管。
[0008]所述第二開關(guān)單元可以包括:具有從所述第二節(jié)點(diǎn)到所述第一輸出端子的電流方向性的第一二極管；具有與所述第一二極管相反的電流流向并且連接所述第一二極管的一側(cè)和另一側(cè)的第一功率半導(dǎo)體；具有與所述第一二極管相反的電流流向并且串聯(lián)連接到所述第一二極管的第二二極管；以及具有與所述第一功率半導(dǎo)體相反的電流流向并且連接所述第二二極管的一側(cè)和另一側(cè)的第二功率半導(dǎo)體。
[0009]所述第一開關(guān)單元可以包括:具有從所述第一輸出端子到所述第一節(jié)點(diǎn)的電流方向性的第一二極管；以及具有與所述第一二極管相反的電流流向并且連接所述第一二極管的一側(cè)和另一側(cè)的第一功率半導(dǎo)體。
[0010]所述第三開關(guān)單元可以包括:具有從所述第三節(jié)點(diǎn)到所述第一輸出端子的電流方向性的第二二極管；以及具有與所述第二二極管相反的電流流向并且連接所述第二二極管的一側(cè)和另一側(cè)的第二功率半導(dǎo)體。
[0011]所述第五開關(guān)單元可以包括:具有從所述第二節(jié)點(diǎn)到所述第二輸出端子的電流方向性的第一二極管；具有與所述第一二極管相反的電流流向并且連接所述第一二極管的一側(cè)和另一側(cè)的第一功率半導(dǎo)體；具有與所述第一二極管相反的電流流向并且串聯(lián)連接到所述第一二極管的第二二極管；以及具有與所述第一功率半導(dǎo)體相反的電流流向并且連接所述第二二極管的一側(cè)和另一側(cè)的第二功率半導(dǎo)體。
[0012]所述第四開關(guān)單元可以包括:具有從所述第二輸出端子到所述第一節(jié)點(diǎn)的電流方向性的第一二極管；以及具有與所述第一二極管相反的電流流向并且連接所述第一二極管的一側(cè)和另一側(cè)的第一功率半導(dǎo)體。
[0013]所述第六開關(guān)單元可以包括:具有從所述第三節(jié)點(diǎn)到所述第二輸出端子的電流方向性的第二二極管；以及具有與所述第二二極管相反的電流流向并且連接所述第二二極管的一側(cè)和另一側(cè)的第二功率半導(dǎo)體。
[0014]所述平滑單元可以包括:串聯(lián)連接的第一和第二電容器，其中，所述第一和第二電容器通過其一側(cè)和另一側(cè)接收所述整流電壓，并且所述第一和第二電容器的一側(cè)、公共節(jié)點(diǎn)、和另一側(cè)為第一至第三節(jié)點(diǎn)。
[0015]所述整流單元可以包括:第一和第二二極管，用于連接所述第一和第二電容器中的每個(gè)的一側(cè)和另一側(cè)，并且通過所述公共節(jié)點(diǎn)接收第一相電壓；第三和第四二極管，用于連接所述第一和第二電容器中的每個(gè)的一側(cè)和另一側(cè)，并且通過所述公共節(jié)點(diǎn)接收第二相電壓；第五和第六二極管，用于連接所述第一和第二電容器中的每個(gè)的一側(cè)和另一側(cè)，并且通過所述公共節(jié)點(diǎn)接收第三相電壓。
[0016]所述多電平逆變器可以包括多個(gè)單位功率單元，每個(gè)所述單位功率單元均包括所述整流單元、所述平滑單元、以及所述逆變器單元，所述多電平逆變器進(jìn)一步包括移相變壓器，用于接收相位電壓以及向所述單位功率單元提供具有預(yù)定相位的功率信號。
[0017]本申請適用的范圍由下文的詳細(xì)描述來進(jìn)一步說明。應(yīng)當(dāng)理解的是，詳細(xì)描述和具體示例，雖然對本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施方式進(jìn)行了說明，只是示例的方式給出的，因此根據(jù)本發(fā)明的詳細(xì)描述，在本發(fā)明的實(shí)質(zhì)和保護(hù)范圍內(nèi)進(jìn)行的各種變形和修改，對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說是顯而易見的。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]所包括的附圖提供了對本發(fā)明的進(jìn)一步理解，其包含在本申請中并構(gòu)成本申請的一部分，附圖圖示出本公開的實(shí)施例并與說明書一起用于解釋本發(fā)明的原理。
[0019]在附圖中:
[0020]圖1為示出了根據(jù)本公開的示例性實(shí)施例的包括逆變器的功率轉(zhuǎn)換電路的框圖。
[0021]圖2為示出了圖1中所示的每個(gè)單位功率單元的結(jié)構(gòu)的框圖。
[0022]圖3為示出了包括另一逆變器的功率轉(zhuǎn)換電路的框圖。
[0023]圖4為示出了圖2中所示的每個(gè)單位功率單元的結(jié)構(gòu)的框圖。
[0024]圖5至10為示出了圖1和2中所示的逆變器單元的運(yùn)行的電路圖。
[0025]圖11為示出了根據(jù)本公開的第一示例性實(shí)施例的單位功率單元的電路圖。
[0026]圖12至14為分別示出了使用圖11的單位功率單元的逆變器的實(shí)例的框圖。
[0027]圖15至21為示出了圖11中所示的逆變器單元的運(yùn)行的電路圖。
[0028]圖22至25為示出了圖11中所示的逆變器單元的運(yùn)行的波形圖。

【具體實(shí)施方式】
[0029]下面結(jié)合附圖對示例性實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)描述。為了結(jié)合附圖描述簡便，相同或等同的組件將標(biāo)記為相同的附圖標(biāo)記，并且不重復(fù)對它們的說明。
[0030]圖1為示出了根據(jù)本公開的示例性實(shí)施例的包括逆變器的功率轉(zhuǎn)換電路的框圖。
[0031]參考圖1，包括移相變壓器和多電平中壓逆變器的逆變器系統(tǒng)包括輸入三相電源102、三相電動(dòng)機(jī)103、移相變壓器104、以及單位功率單元105a至105f。
[0032]輸入三相電源102提供均方根等于或高于600V的線間電壓。三相電動(dòng)機(jī)103為該逆變器系統(tǒng)的負(fù)載。移相變壓器104的初級繞組具有三相“Y”連接形式，以及包括與該初級繞組相位差為-15度的三個(gè)繞組、與該初級繞組相位差為O度的三個(gè)繞組、與該初級繞組相位差為15度的三個(gè)繞組、和與該初級繞組相位差為30度的三個(gè)繞組的共十二個(gè)次級繞組。次級繞組的結(jié)構(gòu)可以根據(jù)單位功率單元105a至105f的數(shù)量來確定。
[0033]單位功率單元105a至105f中的每個(gè)單位功率單元的輸出電壓的量值有五個(gè)電平。作為負(fù)載運(yùn)行的電動(dòng)機(jī)103的每個(gè)相位設(shè)有兩個(gè)單位功率單元，并且單位功率單元的數(shù)量可以根據(jù)需要增加。單位功率單元105a和105b被串聯(lián)連接以輸出a相電壓到作為負(fù)載的三相電動(dòng)機(jī)，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和105e接收移相變壓器104的輸出中的具有_15度和O度相位的輸出，并且單位功率單元105b、105d和105f接收移相變壓器104的輸出中的具有15度和30度相位的輸出。
[0034]圖2為示出了圖1中所示的每個(gè)單位功率單元的結(jié)構(gòu)的框圖。
[0035]參考圖2，單位功率單元包括二極管整流單元201、平滑單元202、以及合成輸出電壓的逆變器單元203。二極管整流單元201接收兩個(gè)三相電力，以及該輸入電力從圖1所示的移相變壓器104輸出。二極管整流單元201的輸出被輸送到兩個(gè)串聯(lián)連接的直流鏈(DC-1ink)電容器，這兩個(gè)直流鏈電容器具有相同的電容。逆變器單元203用來合成二極管整流單元201的輸出，并且輸出的線間電壓的具有5個(gè)電平。
[0036]圖3為示出了包括另一逆變器的功率轉(zhuǎn)換電路的框圖。
[0037]參考圖3，逆變器系統(tǒng)包括輸入三相電源302、三相電動(dòng)機(jī)303、移相變壓器304、以及單位功率單元305a到305c。
[0038]輸入三相電源302提供均方根等于或高于600V的線間電壓。三相電動(dòng)機(jī)303為該逆變器系統(tǒng)的負(fù)載。移相變壓器304的初級繞組具有三相“Y”連接形式，以及包括與該初級繞組相位差為-15度的三個(gè)繞組、與該初級繞組相位差為O的三個(gè)繞組、與該初級繞組相位差為15度的三個(gè)繞組、和與該初級繞組相位差為30度的三個(gè)繞組的共十二個(gè)次級繞組。次級繞組的結(jié)構(gòu)可以根據(jù)單位功率單元305a到305c的數(shù)量來確定。單位功率單元305a到305c可以合成5電平輸出電壓。單位功率單元305a輸出a相電壓到負(fù)載電動(dòng)機(jī)303，單位功率單兀305b輸出b相電壓，以及單位功率單兀305c輸出c相電壓。
[0039]圖4為示出了圖3中所示的每個(gè)單位功率單元的內(nèi)部電路圖。單位功率單元包括二極管整流單元401、平滑單元402、以及合成輸出電壓的逆變器單元403。在圖4的單位功率單元中，配置了四個(gè)輸入端子二極管整流單元401，逆變器單元403的運(yùn)行基本上與圖2相同。但是，在圖2和圖4的單位功率單元的情況下，單位功率單元中使用的功率元件的額定電壓和額定電流的值可以根據(jù)要求的輸出而改變。單位功率單元的輸出電壓可以具有5個(gè)電平。
[0040]圖5至圖10為示出了圖1和2中所示的逆變器單元的運(yùn)行的電路圖。將參考圖1至圖10來描述逆變器單元的運(yùn)行。特別地，將主要地描述圖1和圖2中所示的逆變器單元的運(yùn)行。
[0041]四個(gè)開關(guān)單元203a、203b、203c和203d串聯(lián)連接成圖2所示的逆變器單元203的一條支路，根據(jù)開關(guān)單元的操作來限定輸出電壓。
[0042]開關(guān)單元203a和203c的操作是互補(bǔ)的，開關(guān)單元203b和203d的開關(guān)操作也是互補(bǔ)的。因此，在串聯(lián)連接的平滑單元202的電容器電壓被限定為E(伏特)的情況下，相應(yīng)地，當(dāng)開關(guān)單元203a和203b打開時(shí)，開關(guān)單元203c和203d關(guān)閉，此時(shí)輸出極電壓(polevoltage) E。同樣地，當(dāng)開關(guān)單元203a和203c打開時(shí)，開關(guān)單元203b和203d關(guān)閉，此時(shí)，輸出的極電壓為O。類似地，在開關(guān)單元203a和203b關(guān)閉的狀態(tài)下，開關(guān)單元203c和203d打開，在這種情況下，輸出極電壓-E。
[0043]使用以該種方式限定的輸出極電壓，輸出線間電壓可以具有五個(gè)等級(或電平)2E、E、0、-E、和-2E。因?yàn)槊總€(gè)單元的輸出線間電壓被限定為具有5個(gè)電平，可以被圖3的單位功率單元305a、305b和305c合成的電壓可以具有九個(gè)電平，即4E、3E、2E、E、
O、-E、-2E、-3E、和-4E，輸出到負(fù)載發(fā)動(dòng)機(jī)303的線間電壓可以具有17個(gè)電平，即8E、7E、6E、5E、4E、3E、2E、E、0、_E、-2E、-3E、-4E、-5E、-6E、-7E、和-8E。
[0044]多電平中壓逆變器的脈寬調(diào)制(PWM)方法可以根據(jù)三角形載波的形式分成移相PWM和電平移位PWM(level-shifted PWM)。本公開描述的使用單相NPC逆變器的多電平逆變器主要根據(jù)電平移位PWM方法運(yùn)行。電平移位PWM可以根據(jù)三角形載波的相位分成同相層疊(in-phase disposit1n, IF1D)、交替反相層疊(alternative phase oppositedisposit1n, APOD)、和正負(fù)反相層疊(phase opposite disposit1n, POD),通常，IF1D方案在輸出電壓的諧波方面較為優(yōu)秀。因此，在本公開的一個(gè)實(shí)施例中，將會(huì)詳細(xì)描述主要使用基于iro方案的電平移位PWM方法的多電平中壓逆變器的電壓合成方法。
[0045]圖5至10分別示出了基于電流流向輸出極電壓E、0和-E的方向的功率半導(dǎo)體的導(dǎo)電狀態(tài)。
[0046]在圖5中，一個(gè)二極管和開關(guān)單元203b導(dǎo)通，輸出電流沿正向流動(dòng)，輸出極電壓O。此處，一個(gè)二極管和一個(gè)開關(guān)單兀導(dǎo)通。在圖6中，開關(guān)單兀203a和203b導(dǎo)通,輸出電流沿正向流動(dòng)，輸出極電壓E。此處，兩個(gè)開關(guān)單元導(dǎo)通。在圖7中，兩個(gè)二極管導(dǎo)通，輸出電流沿正向流動(dòng)，輸出極電壓-E。此處，導(dǎo)通了兩個(gè)二極管。
[0047]在圖8中，一個(gè)二極管和開關(guān)單元203c導(dǎo)通，輸出電流沿反向流動(dòng)，輸出極電壓O。在圖9中，兩個(gè)二極管導(dǎo)通，輸出電流沿反向流動(dòng)，輸出極電壓E。在圖10中，兩個(gè)開關(guān)單元203c和203d導(dǎo)通，輸出電流沿反向流動(dòng)，輸出極電壓-E。
[0048]以下將會(huì)描述圖2和圖4的二極管整流單元201和401的運(yùn)行。圖2的整流單元201和圖4的整流單元401連接到圖3的移相變壓器104和圖3的移相變壓器304的次級偵牝以及將整流電壓分別應(yīng)用到平滑單元202和402的電容器。在如圖1和圖3所示配置的系統(tǒng)中，整流單元201和401的輸出端子分別直接連接到圖2的平滑單元202和圖4的平滑單元402中提供的電容器，因此，在無負(fù)載狀態(tài)下，各電容器的電壓普遍具有如等式I表達(dá)的值:
[0049](Vdccup) ^[等式 I]
[0050]其中，V為輸入整流單元201和401的相位電壓的量值。具有如等式I所表達(dá)的關(guān)系的兩個(gè)DC鏈源電壓在圖2中示出以及具有如等式I所表達(dá)的關(guān)系的四個(gè)DC鏈源電壓在圖4中示出，移相變壓器104和404的輸出的數(shù)量根據(jù)整流單元的數(shù)量來確定。
[0051]可以看出，在上述參考圖1至圖10所描述的級聯(lián)NPC逆變器中，始終有兩個(gè)功率半導(dǎo)體導(dǎo)通。上述參考圖1至圖1所描述O的級聯(lián)NPC逆變器相比于級聯(lián)H橋逆變器有利之處在于，其體積小，但因?yàn)樾枰瑫r(shí)導(dǎo)通兩個(gè)功率半導(dǎo)體，其增加效率困難并且其需要的散熱設(shè)備相應(yīng)較大。
[0052]為了解決上述問題，本公開提供了多電平中壓逆變器，其中的單位功率單元的輸入單元被配置為6脈沖的二極管整流單元，并且單位功率單元的逆變器單元被配置為根據(jù)導(dǎo)通來減少熱損耗，相比于現(xiàn)有的3電平NPC逆變器，由此提升單位功率單元的效率。
[0053]在現(xiàn)有的高壓逆變器中，單位功率單元的逆變器單元被配置為H橋逆變器或單相NPC逆變器以串聯(lián)連接單位功率單元。相反地，本公開提供的多電平中壓逆變器的單位功率單元實(shí)施為單相T型NPC逆變器。配置為單相T型NPC逆變器的單位功率單元相比于現(xiàn)有的單位功率單元具有較小的導(dǎo)通熱損耗，因此可以有利于散熱的設(shè)計(jì)。另外，用于運(yùn)行的功率半導(dǎo)體元件(開關(guān))的數(shù)量小于其在使用單相NPC逆變器的單位功率單元中的數(shù)量。
[0054]另外，本公開中使用的使用T型NPC逆變器的單位功率單元的輸入端子可以被配置為6脈沖、12脈沖、或24脈沖的二極管整流單元。相比于使用12脈沖或24脈沖的二極管整流單元，使用6脈沖的二極管整流單元可以簡化輸入端子的移相變壓器的結(jié)構(gòu)。
[0055]圖11為示出了根據(jù)本公開的第一示例性實(shí)施例的單位功率單元的電路圖。
[0056]如圖11所示，單位功率單元包括整流單元1101、平滑單元1102、和逆變器單元1103。整流單元1101用來對供給的AC電壓整流，通過使用六個(gè)二極管接收三相輸入電壓并向平滑單元1102提供整流電壓。平滑單元1102包括電容器1102a和1102b。逆變器單元1103包括多個(gè)開關(guān)單元1103a至1103h并接收來自平滑單元1102的3電平電壓。逆變器單兀1103包括設(shè)置于第一節(jié)點(diǎn)A和第一輸出端子OUTl之間的第一開關(guān)單兀1103a、設(shè)置于第二節(jié)點(diǎn)B和第一輸出端子OUTl之間的第二開關(guān)單元1103c和1103d、設(shè)置于第三節(jié)點(diǎn)C和第一輸出端子OUTl之間的第三開關(guān)單元1103b、設(shè)置于第一節(jié)點(diǎn)A和第二輸出端子0UT2之間的第四開關(guān)單元1103e、設(shè)置于第二節(jié)點(diǎn)B和第二輸出端子0UT2之間的第五開關(guān)單元1103g和1103h、以及設(shè)置于第三節(jié)點(diǎn)C和第二輸出端子0UT2之間的第六開關(guān)單元1103f。開關(guān)單元包括二極管和功率半導(dǎo)體。二極管和功率半導(dǎo)體具有相反的電流方向。功率半導(dǎo)體包括IGBT或功率MOSFET。
[0057]平滑單元1102中提供的電容器1102a和1102b連接到整流單元1101，并且電容器可以額外地以串聯(lián)或并聯(lián)的方式連接到整流單元1101的輸出端子。逆變器單元1103為單相T型NPC逆變器。開關(guān)單元1103a、1103b、1103c和1103d組成一條支路，開關(guān)單元1103e、1103f、1103g和1103h組成另一條支路，輸出與兩條支路之間的電位差對應(yīng)的電壓。
[0058]圖12至圖14為分別示出了使用圖11的單位功率單元的T型NPC逆變器的實(shí)例的框圖。
[0059]圖12為示出了以電動(dòng)機(jī)的每相有三個(gè)單位功率單元、共九個(gè)單位功率單元的方式實(shí)施的中壓逆變器的圖，圖13為示出了以電動(dòng)機(jī)的每相有四個(gè)單位功率單元、共十二個(gè)單位功率單元的方式實(shí)施的中壓逆變器的圖，圖14為示出了以電動(dòng)機(jī)的每相有五個(gè)單位功率單元、共十五個(gè)單位功率單元的方式實(shí)施的中壓逆變器的圖。
[0060]參考圖12，根據(jù)本公開的第一示例性實(shí)施例的多電平逆變器1201包括九個(gè)單位功率單元1205a至1205i以及移相變壓器1204。電壓供給單元1202提供均方根等于或高于600V的電壓。附圖標(biāo)記1203表不作為負(fù)載的三相電動(dòng)機(jī)。移相變壓器1204輸出的電力的相位角可以是變化的。單位功率單元1205a至1205i可以合成五個(gè)電平(或五個(gè)類型)的輸出電壓。單位功率單元1205a、1205b和1205c輸出a相電壓到電動(dòng)機(jī)1203，單位功率單元1205d、1205e和1205f輸出b相電壓，單位功率單元1205g、1205h和1205?輸出c相電壓。
[0061]參考圖13，根據(jù)本公開的第二示例性實(shí)施例的多電平逆變器1301包括十二個(gè)單位功率單元1305a至13051以及移相變壓器1304。供電單元1302提供均方根等于或高于600V的電壓。附圖標(biāo)記1303表不作為負(fù)載的三相電動(dòng)機(jī)。移相變壓器1304輸出的電力的相位角可以是變化的。單位功率單元1305a至13051可以合成5個(gè)電平的輸出電壓。單位功率單元1305a、1305b、1305c和1305d輸出a相電壓到電動(dòng)機(jī)1303，單位功率單元1305e、1305f、1305g和1305h輸出b相電壓，單位功率單元13051、1305j、1305k和13051輸出c相電壓。
[0062]參考圖14，根據(jù)本公開的第三示例性實(shí)施例的多電平逆變器1401包括十五個(gè)單位功率單元1405a至1405ο以及移相變壓器1404。供電單元1402提供均方根等于或高于600V的電壓。附圖標(biāo)記1403表不作為負(fù)載的三相電動(dòng)機(jī)。移相變壓器1404輸出的電力的相位角可以是變化的。單位功率單元1405a至1405ο可以合成5個(gè)電平的輸出電壓。單位功率單元1405a、1405b、1405c、1405d和1405e輸出a相電壓到電動(dòng)機(jī)1403，單位功率單元 1405f、1405g、1405h、1405i 和 1405j 輸出 b 相電壓，單位功率單元 1405k、14051、1405m、1405η和1405ο輸出c相電壓。
[0063]本示例性實(shí)施例中描述的逆變器單元作為單相T型NPC逆變器實(shí)施，如圖11所示，在單位功率單元設(shè)置的逆變器單元1103中，每條支路包括四個(gè)開關(guān)單元。輸出極電壓是根據(jù)開關(guān)單元1103a、1103b、1103c和1103d的運(yùn)行而被限定的。開關(guān)單元1103a和1103c不能被同時(shí)打開，開關(guān)單元1103b和1103d不能被同時(shí)打開。而且，開關(guān)單元1103a和1103b的運(yùn)行是獨(dú)立的。在要求輸出的極電壓的參考為正⑴的情況下，開關(guān)單元1103a和1103c運(yùn)行，在要求輸出的極電壓的參考為負(fù)(_)的情況下，開關(guān)單元1103b和1103d運(yùn)行。
[0064]在平滑單元1102中串聯(lián)連接的DC鏈電容器1102a和1102b的電壓被限定為E的情況下，相應(yīng)地，如果輸出的極電壓的參考為正(+)，則開關(guān)單元1103a打開并且開關(guān)單元1103c關(guān)閉以輸出極電壓E。在該情況下，當(dāng)開關(guān)單元1103a關(guān)閉并且開關(guān)單元1103c打開時(shí)，輸出極電壓O。如果輸出的極電壓的參考為負(fù)(_)，則開關(guān)單元1103b打開并且開關(guān)單元1103d關(guān)閉以輸出極電壓-E。在該情況下，當(dāng)開關(guān)單元1103b關(guān)閉并且開關(guān)單元1103d打開，輸出極電壓O?；谶@種輸出結(jié)構(gòu),每個(gè)單位單兀的輸出線間電壓，即輸出極電壓，具有五個(gè)電平(或類型)，即2E、E、0、-E、-2E。當(dāng)輸出極電壓被確定為E、0、-E時(shí)，根據(jù)電流方向的功率半導(dǎo)體的導(dǎo)通狀態(tài)如圖15至圖20所示。
[0065]圖15至圖21為示出了圖11中所示的逆變器單元的運(yùn)行的電路圖，圖22至圖25為示出了圖11中所示的逆變器單元的運(yùn)行的波形圖。
[0066]在圖15中，一個(gè)二極管和一個(gè)開關(guān)單元1103d導(dǎo)通，輸出電流沿正向流動(dòng)，輸出極電壓O。此處，一個(gè)二極管和一個(gè)開關(guān)導(dǎo)通。在圖16中，開關(guān)單元1103a導(dǎo)通，輸出電流沿正向流動(dòng)，輸出極電壓E。此處,一個(gè)開關(guān)單兀導(dǎo)通。在圖17中，一個(gè)二極管導(dǎo)通,輸出電流沿正向流動(dòng)，輸出極電壓-E。此處，一個(gè)二極管導(dǎo)通。在圖18中，一個(gè)二極管和一個(gè)開關(guān)單兀1103c導(dǎo)通,輸出電流沿負(fù)向流動(dòng),輸出極電壓O。此處,一個(gè)二極管和一個(gè)開關(guān)導(dǎo)通。在圖19中，一個(gè)二極管導(dǎo)通，輸出電流沿負(fù)向流動(dòng)，輸出極電壓E。此處，一個(gè)二極管導(dǎo)通。在圖20中，開關(guān)單元1103b導(dǎo)通，輸出電流沿負(fù)向流動(dòng)，輸出極電壓-E。此處，一個(gè)開關(guān)單元導(dǎo)通。
[0067]在圖15和圖18的情況下，一個(gè)開關(guān)單元和一個(gè)二極管導(dǎo)通，而在其他情況下，只有一個(gè)二極管或只有一個(gè)開關(guān)單元導(dǎo)通，因此，相比于圖5至圖10的情況，總體上減少了導(dǎo)通的功率半導(dǎo)體元件的數(shù)量，因此，降低了功率半導(dǎo)體元件造成的損耗，提升了整個(gè)系統(tǒng)的效率，因此，散熱器的尺寸可以減小。
[0068]以下描述當(dāng)單位功率單元的二極管整流單元被配置為6脈沖二極管整流單元時(shí)可能產(chǎn)生的兩個(gè)DC鏈電容器之間的不平衡問題的解決方案。
[0069]在圖11中，整流單元1101的平均輸出電壓定義如下:
[0070][等式2]
' w π
[0071]其中，V為二極管整流單元的輸入電力的相位電壓的量值。當(dāng)圖11的平滑單元的電容器1102a和1102b的電壓被定義為Vdc_l和Vdc_2，如下關(guān)系被建立。
[0072]<Vdc cap> = Vdc_l+Vdc_2 [等式 3]
[0073]從等式3中可以看出，施加到電容器1102a和1102b的電壓之和可以始終為常量，而Vdc_l和Vdc_2的值可以不同。
[0074]參考根據(jù)圖15至圖20所示的電流方向合成的電壓，使用施加到平滑單元的電容器的電壓來輸出極電壓。此處，負(fù)載電流的路徑可以穿過電容器1102a和1102b之間的內(nèi)部節(jié)點(diǎn)，在該情況下，DC鏈電容器的端電壓可以改變。
[0075]平滑單元的相應(yīng)的電容器1102a和1102b的端電壓可以被負(fù)載電流的量值和方向、開關(guān)狀態(tài)、和DC鏈電容器的容量影響。當(dāng)DC鏈電容器的端電壓的變化累積時(shí)，DC鏈電容器的電壓不相等而導(dǎo)致不平衡，輸出極電壓可能失真。如果平滑單元的電容器1102a和1102b的電壓的量值不同，則根據(jù)圖15至圖20定義的逆變器單元的輸出情況，電壓Vdc_l和Vdc_2中的一個(gè)收斂于O且另一個(gè)收斂于Vdc_cap。當(dāng)一個(gè)DC鏈電容器的電壓增加到超過DC鏈電容器的耐受電壓時(shí)，對應(yīng)的DC鏈電容器或配置為功率半導(dǎo)體的開關(guān)出錯(cuò)，以及逆變器單元出現(xiàn)故障，需要針對其的解決方案。
[0076]在本示例性實(shí)施例中，DC鏈電容器的電壓通過如下過程平衡。
[0077]圖21示出了圖11的逆變器單元的一條支路。在圖21中，虛線和實(shí)線形成了如圖22和圖23所示的載波。在圖22和圖23中，附圖標(biāo)記2201和2301表示圖21的參考極電壓。2202a和2302a表示圖21的開關(guān)單元1103a和1103b的載波，當(dāng)Vdc_l和Vdc_2的值相等時(shí)，該載波是最大值為Vdc_l且最小值為O的三角波。2202b和2302b是圖21的開關(guān)單元1103c和1103d的載波，當(dāng)Vdc_l和Vdc_2的值相等時(shí)，該載波的最大值為O且最小值為-Vdc_2。2203a和2303a表示開關(guān)單元1103a的開關(guān)狀態(tài)。2203b和2303b表示開關(guān)單元1103b的開關(guān)狀態(tài)。2203c和2303c表示開關(guān)單元1103c的開關(guān)狀態(tài)。2203d和2303d表示開關(guān)單元1103d的開關(guān)狀態(tài)。
[0078]圖22示出了極電壓的參考為正(+)的情況，圖23示出了極電壓的參考為負(fù)(-)的情況。在圖22所示的極電壓的參考為正⑴的情況下，根據(jù)三角波與極電壓的參考的比較，開關(guān)單元1103a和1103b打開或關(guān)閉，開關(guān)單元1103c總是打開，開關(guān)單元2103d總是關(guān)閉。在圖23所示的極電壓的參考為負(fù)(-)的情況下，根據(jù)三角波與極電壓的參考的比較，開關(guān)單元1103c和1103d打開或關(guān)閉，開關(guān)單元1103a總是關(guān)閉，開關(guān)單元1103b總是打開。當(dāng)Vdc_l和Vdc_2的值不同時(shí)，圖22和圖23的三角波與圖24和圖25所示的不同。
[0079]在圖24中，Vdc_2大于Vdc_2，在圖25中，Vdc_l大于Vdc_2。在圖24和圖25中，2401a和2501a是開關(guān)單元1102a和1102b的三角波，其最大值為(Vdc_l+Vdc_2) /2且最小值為(_Vdc_l+Vdc_2)/2。2401b和2501b是開關(guān)單元1102c和1102d的三角波，其最大值為(_Vdc_l+Vdc_2)/2且最小值為(-Vdc_l-Vdc_2)/2。在圖24的情況下，當(dāng)極電壓的參考為正時(shí)，圖16和圖19的狀態(tài)維持的持續(xù)時(shí)間縮短，而當(dāng)極電壓的參考為負(fù)時(shí)，圖17和20的狀維持態(tài)的持續(xù)時(shí)間增長。在圖25的情況下，當(dāng)極電壓的參考為正時(shí)，圖16和圖19的狀態(tài)維持的持續(xù)時(shí)間增長，而當(dāng)極電壓的參考為負(fù)時(shí)，圖17和圖20的狀態(tài)維持的持續(xù)時(shí)間縮短。因此，應(yīng)用在平滑單元中的具有小的DC鏈電壓的電容器的使用減少，對具有大的DC鏈電壓的電容器的使用增加，因此解決了 DC鏈功率電壓不平衡的問題。
[0080]如上所述，本公開提供了一種多電平中壓逆變器，其中單位功率單元包括單相3電平逆變器單元1103，特別地，單位功率單元的輸入單元被配置為6脈沖二極管整流單元，并且單位功率單元的逆變器單元相對于現(xiàn)有的3電平NPC逆變器減小了導(dǎo)通損耗，提升了單位功率單元的效率。
[0081]在現(xiàn)有的中壓逆變器中，單位功率單元的逆變器單元被配置為H橋逆變器或單相NPC逆變器，并且單位功率單元被串聯(lián)地連接。不同地，本公開提供的多電平中壓逆變器的單位功率單元包括單相T型NPC逆變器。本公開提供的包括單相T型NPC逆變器的單位功率單元具有比現(xiàn)有的單位功率單元更小的導(dǎo)通損耗，因此，有利于散熱設(shè)計(jì)，并且運(yùn)行單位功率單元時(shí)使用的功率半導(dǎo)體的數(shù)量少于使用單相NPC逆變器的單位功率單元中的數(shù)量。因此，相比于現(xiàn)有的多電平中壓逆變器，該多電平逆變器提升了效率，可以降低其成本，減小其體積。
[0082]同樣地，本公開中使用的使用T型NPC逆變器的單位功率單元的輸入端子可以被配置為6脈沖、12脈沖或24脈沖的二極管整流單元。在使用6脈沖的二極管整流單元的情況下，相比于使用12脈沖或24脈沖的二極管整流單元的情況，輸入端子的移相變壓器的結(jié)構(gòu)可以被簡化。同樣地，在單位功率單元的輸入端子被配置為6脈沖的二極管整流單元的情況下，通過減少移相變壓器的次級側(cè)輸出端子的數(shù)量，可以通過改變載波的量值來平衡平滑單元的DC鏈電容器的電壓。
[0083]前述實(shí)施例和優(yōu)點(diǎn)只是示例性的并不能認(rèn)為是對本公開的限制。本公開可以被容易地應(yīng)用到其他類型的裝置。本說明書是為了說明而不是為了限制權(quán)利要求的范圍。許多替換方案、修改方案、以及變化方案對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說是顯而易見的。這里描述的示例性實(shí)施例的特征、結(jié)構(gòu)、方法和其他特性可以以各種方式組合來獲得額外的和/或替換的示例性實(shí)施例。
[0084]當(dāng)前的特征可以在不與本發(fā)明特性背離的情況下以若干形式實(shí)施，應(yīng)當(dāng)理解的是，上述實(shí)施例不受限于任何前述的細(xì)節(jié)描述，除非另有說明，應(yīng)當(dāng)認(rèn)為其在本申請的權(quán)利要求書限定的保護(hù)范圍內(nèi)，因此所有的變型和修改均落入權(quán)利要求的保護(hù)范圍和界限，或者由權(quán)利要求書意圖包含的等價(jià)的保護(hù)范圍和界限。
【權(quán)利要求】
1.一種多電平逆變器，包括: 整流單元，其配置為接收三相的第一相位電壓并且提供整流電壓；以及平滑單元，其配置為接收所述整流電壓并且將接收到的整流電壓作為具有不同電平的電壓提供給不同的第一節(jié)點(diǎn)至第三節(jié)點(diǎn)，其特征在于，所述多電平逆變器進(jìn)一步包括: 逆變器單元，其包括用于傳遞從所述平滑單元提供的具有三個(gè)電平的電壓的多個(gè)開關(guān)單元，其中，所述逆變器單元包括設(shè)置于所述第一節(jié)點(diǎn)和第一輸出端子之間的第一開關(guān)單元、設(shè)置于所述第二節(jié)點(diǎn)和所述第一輸出端子之間的第二開關(guān)單元、設(shè)置于所述第三節(jié)點(diǎn)和所述第一輸出端子之間的第三開關(guān)單元、設(shè)置于所述第一節(jié)點(diǎn)和第二輸出端子之間的第四開關(guān)單元、設(shè)置于所述第二節(jié)點(diǎn)和所述第二輸出端子之間的第五開關(guān)單元、以及設(shè)置于所述第三節(jié)點(diǎn)和所述第二輸出端子之間的第六開關(guān)單元。
2.根據(jù)權(quán)利要求1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)體和二極管。
3.根據(jù)權(quán)利要求1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)到所述第一輸出端子的電流方向性； 第一功率半導(dǎo)體，其具有與所述第一二極管相反的電流流向性并且連接所述第一二極管的一側(cè)和另一側(cè)； 第二二極管，其具有與所述第一二極管相反的電流方向性并且串聯(lián)地連接到所述第一二極管；以及 第二功率半導(dǎo)體，其具有與所述第一功率半導(dǎo)體相反的電流方向性并且連接所述第二二極管的一側(cè)和另一側(cè)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1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子到所述第一節(jié)點(diǎn)的電流方向性；以及 第一功率半導(dǎo)體，其具有與所述第一二極管相反的電流流向性并且連接所述第一二極管的一側(cè)和另一側(cè)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4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)到所述第一輸出端子的電流方向性；以及 第二功率半導(dǎo)體，其具有與所述第二二極管相反的電流流向性并且連接所述第二二極管的一側(cè)和另一側(cè)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1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)到所述第二輸出端子的電流方向性； 第一功率半導(dǎo)體，其具有與所述第一二極管相反的電流流向性并且連接所述第一二極管的一側(cè)和另一側(cè)； 第二二極管，其具有與所述第一二極管相反的電流方向性并且串聯(lián)地連接到所述第一二極管；以及 第二功率半導(dǎo)體，其具有與所述第一功率半導(dǎo)體相反的電流方向性并且連接所述第二二極管的一側(cè)和另一側(cè)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多電平逆變器，其特征在于，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子到所述第一節(jié)點(diǎn)的電流方向性；以及 第一功率半導(dǎo)體，其具有與所述第一二極管相反的電流流向性并且連接所述第一二極管的一側(cè)和另一側(cè)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7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)到所述第二輸出端子的電流方向性；以及 第二功率半導(dǎo)體，其具有與所述第二二極管相反的電流流向性并且連接所述第二二極管的一側(cè)和另一側(cè)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1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，所述第一電容器和第二電容器通過其一側(cè)和另一側(cè)接收所述整流電壓，并且所述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)為所述第一節(jié)點(diǎn)至第三節(jié)點(diǎn)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的多電平逆變器，其中，所述整流單元包括: 第一二極管和第二二極管，連接所述第一電容器的一側(cè)和另一側(cè)，并且通過所述公共節(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，連接所述第一電容器的一側(cè)和另一側(cè)，并且通過所述公共節(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，連接所述第一電容器的一側(cè)和另一側(cè)，并且通過所述公共節(jié)點(diǎn)接收所述第一相位電壓的第三相電壓。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多電平逆變器，進(jìn)一步包括: 移相變壓器，其包括多個(gè)單位功率單元，每個(gè)所述單位功率單元均包括所述整流單元、所述平滑單元、以及所述逆變器單元，所述移相變壓器接收三相相位電壓以及向所述單位功率單元提供具有預(yù)定相位的功率信號。
【文檔編號】H02M7/483GK104242709SQ201410270500
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年6月17日 優(yōu)先權(quán)日:2013年6月17日
【發(fā)明者】俞安櫓 申請人:Ls產(chǎn)電株式會(huì)社