多電平轉(zhuǎn)換器制造技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)公開一種多電平轉(zhuǎn)換器。該多電平轉(zhuǎn)換器包括連接在正極直流母線端與交流輸出端之間并包括串聯(lián)連接的第一開關(guān)元件及第二開關(guān)元件的第一開關(guān)支路、連接在交流輸出端與負(fù)極直流母線端之間并包括串聯(lián)連接的第三開關(guān)元件及第四開關(guān)元件的第二開關(guān)支路、連接在直流母線中性點(diǎn)與第一開關(guān)支路的第一開關(guān)元件和第二開關(guān)元件的連接點(diǎn)之間的第三開關(guān)支路、連接在直流母線中性點(diǎn)與第二開關(guān)支路的第三開關(guān)元件和第四開關(guān)元件的連接點(diǎn)之間并且完全獨(dú)立于第三開關(guān)支路的第四開關(guān)支路、以及連接在第一開關(guān)支路的第一開關(guān)元件和第二開關(guān)元件的連接點(diǎn)與第二開關(guān)支路的第三開關(guān)元件和第四開關(guān)元件的連接點(diǎn)之間的飛跨電容器。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)涉及半導(dǎo)體功率轉(zhuǎn)換技術(shù)，尤其涉及一種可以輸出多個(gè)電壓電平的多電平轉(zhuǎn)換器。
技術(shù)介紹
多電平轉(zhuǎn)換器通常使用多個(gè)功率半導(dǎo)體開關(guān)，其耦合于較低電平的DC-link(直流母線)電壓來通過合成階梯電壓波形執(zhí)行功率轉(zhuǎn)換。多電平轉(zhuǎn)換器能夠有效地減少輸出電壓的諧波失真及dv/dt，提高輸出電壓的諧波性能。因此，近年來多電平轉(zhuǎn)換器在例如并網(wǎng)接口及馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器等的高壓大容量電力電子及交流調(diào)速系統(tǒng)中已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。用于實(shí)現(xiàn)多電平功率轉(zhuǎn)換器可以具有多種不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，例如中性點(diǎn)箝位(Neutral-Point Clamped, NPC)轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、中性點(diǎn)先導(dǎo)(Neutral-Point Piloted,NPP)轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、飛跨電容器(Flying Capacitor, FC)轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及Η橋(H-Bridge)轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的一個(gè)方面在于提供一種多電平轉(zhuǎn)換器，其包括:第一開關(guān)支路，其連接在正極直流母線端與交流輸出端之間，并包括串聯(lián)連接的第一開關(guān)元件及第二開關(guān)元件；第二開關(guān)支路，其連接在所述交流輸出端與負(fù)極直流母線端之間，并包括串聯(lián)連接的第三開關(guān)元件及第四開關(guān)元件；第三開關(guān)支路，其連接在直流母線中性點(diǎn)與所述第一開關(guān)支路的所述第一開關(guān)元件和所述第二開關(guān)元件的連接點(diǎn)之間；第四開關(guān)支路，其連接在所述直流母線中性點(diǎn)與所述第二開關(guān)支路的所述第三開關(guān)元件和所述第四開關(guān)元件的連接點(diǎn)之間，并且，所述第四開關(guān)支路完全獨(dú)立于所述第三開關(guān)支路；以及飛跨電容器，其連接在所述第一開關(guān)支路的所述第一開關(guān)元件和所述第二開關(guān)元件的所述連接點(diǎn)與所述第二開關(guān)支路的所述第三開關(guān)元件和所述第四開關(guān)元件的所述連接點(diǎn)之間。本專利技術(shù)的多電平轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、對(duì)稱，降低了各個(gè)開關(guān)元件的控制及布局復(fù)雜度；相較于現(xiàn)有的多電平轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來說需要更少的功率半導(dǎo)體開關(guān)，使用更少的飛跨電容器，因此，本專利技術(shù)的多電平轉(zhuǎn)換器的成本低廉；本專利技術(shù)的多電平轉(zhuǎn)換器通過半導(dǎo)體開關(guān)狀態(tài)的合適選擇，達(dá)到飛跨電容器電路結(jié)構(gòu)的冗余設(shè)計(jì)，使得飛跨電容器的充電和放電能夠交替性地進(jìn)行，從而能夠容易地平衡飛跨電容器兩端的電壓，進(jìn)而能夠輸出穩(wěn)定的電壓電平；本專利技術(shù)的多電平轉(zhuǎn)換器能夠有效地減少輸出電壓的諧波失真及dV/dt，提高輸出電壓的諧波性能。此外，本專利技術(shù)的多電平轉(zhuǎn)換器的操作方法簡(jiǎn)單、控制容易。【附圖說明】當(dāng)參照附圖閱讀以下詳細(xì)描述時(shí)，本專利技術(shù)的這些和其它特征、方面及優(yōu)點(diǎn)將變得更好理解，在附圖中，相同的元件標(biāo)號(hào)在全部附圖中用于表示相同的部件，其中:圖1是根據(jù)本專利技術(shù)的第一【具體實(shí)施方式】的三相多電平轉(zhuǎn)換器的電路圖；圖2是圖1所示的多電平轉(zhuǎn)換器的一個(gè)相腳的電路圖；圖3示出圖2所示的帶有雙向可控載流方向的雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)模塊的另一種實(shí)現(xiàn)方式；圖4a_4b示出圖2所示的多電平轉(zhuǎn)換器在輸出第一電壓電平時(shí)電流流過的路徑；圖5a_5b示出圖2所示的多電平轉(zhuǎn)換器在輸出第二電壓電平時(shí)電流流過的路徑；圖6a_6b示出圖2所示的多電平轉(zhuǎn)換器在輸出第三電壓電平時(shí)電流流過的路徑；圖6c_6d示出圖2所示的多電平轉(zhuǎn)換器在輸出第三電壓電平時(shí)電流流過的另一條路徑；圖7a_7d示出圖2所示的多電平轉(zhuǎn)換器在輸出第四電壓電平時(shí)電流流過的路徑；圖8a_8d示出圖2所示的多電平轉(zhuǎn)換器在輸出第五電壓電平時(shí)電流流過的路徑；圖9a示出圖2所示的多電平轉(zhuǎn)換器在電流為正向時(shí)的各個(gè)半導(dǎo)體開關(guān)的操作；圖9b示出圖2所示的多電平轉(zhuǎn)換器在電流為負(fù)向時(shí)的各個(gè)半導(dǎo)體開關(guān)的操作；圖10是根據(jù)本專利技術(shù)的第二【具體實(shí)施方式】的多電平轉(zhuǎn)換器的電路圖 '及圖11是根據(jù)本專利技術(shù)的第三【具體實(shí)施方式】的多電平轉(zhuǎn)換器的電路圖。【具體實(shí)施方式】為幫助本領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠確切地理解本專利技術(shù)所要求保護(hù)的主題，下面結(jié)合附圖詳細(xì)描述本專利技術(shù)的【具體實(shí)施方式】。除非另作定義，本權(quán)利要求書和說明書中所使用的技術(shù)術(shù)語或者科學(xué)術(shù)語應(yīng)當(dāng)為本專利技術(shù)所屬
內(nèi)具有一般技能的人士所理解的通常意義。本說明書以及權(quán)利要求書中所使用的“第一”、“第二”、“第三”、“第四”、“第五”、“第六”以及類似的詞語并不表示任何順序、數(shù)量或者重要性，而只是用來區(qū)分不同的組成部分。“一個(gè)”或者“一”等類似詞語并不表示數(shù)量限制，而是表示存在至少一個(gè)。“包括”或者“具有”等類似的詞語意指出現(xiàn)在“包括”或者“具有”前面的元件或者物件涵蓋出現(xiàn)在“包括”或者“具有”后面列舉的元件或者物件及其等同元件，并不排除其他元件或者物件。“連接”或者“相連”等類似的詞語并非限定于物理的或者機(jī)械的連接，而是可以包括電性的連接，不管是直接的還是間接的。圖1是根據(jù)本專利技術(shù)的第一【具體實(shí)施方式】的多電平轉(zhuǎn)換器去實(shí)現(xiàn)三相多電平轉(zhuǎn)換器的一個(gè)示例的電路圖，圖2是圖1所示的三相多電平轉(zhuǎn)換器的一個(gè)相腳的電路圖。如圖1和圖2所示，根據(jù)本專利技術(shù)的第一【具體實(shí)施方式】的多電平轉(zhuǎn)換器100包括用于DC母線電壓輸入的正極直流母線端P與負(fù)極直流母線端N、以及串聯(lián)連接在正極直流母線端P與負(fù)極直流母線端N之間的第一電容器C1和第二電容器C2，直流母線中性點(diǎn)Μ位于第一電容器C1和第二電容器C2之間。參照?qǐng)D2所示，多電平轉(zhuǎn)換器100包括連接在正極直流母線端Ρ與交流輸出端a之間的第一開關(guān)支路101和連接在交流輸出端a與負(fù)極直流母線端N之間的第二開關(guān)支路102，其中第一開關(guān)支路101包括串聯(lián)連接的第一開關(guān)元件S1及第二開關(guān)元件S2，第二開關(guān)支路102包括串聯(lián)連接的第三開關(guān)元件S3及第四開關(guān)元件S4。多電平轉(zhuǎn)換器100還包括第三開關(guān)支路103、第四開關(guān)支路104以及飛跨電容器Cf，其中，第三開關(guān)支路103連接在直流母線中性點(diǎn)Μ與第一開關(guān)支路101的第一開關(guān)元件S1和第二開關(guān)元件S2的連接點(diǎn)1之間，第四開關(guān)支路104連接在直流母線中性點(diǎn)Μ與第二開關(guān)支路102的第三開關(guān)元件S3和第四開關(guān)元件S4的連接點(diǎn)2之間，并且，第三開關(guān)支路103完全獨(dú)立于第四開關(guān)支路104。在本說明書中，所謂的第三開關(guān)支路103完全獨(dú)立于第四開關(guān)支路104是指:第一，第三開關(guān)支路103與第四開關(guān)支路104在各自的元件上是相互獨(dú)立的，第三開關(guān)支路103和第四開關(guān)支路104不存在共用的元件；第二，分別流過第三開關(guān)支路103與第四開關(guān)支路104的電流也是各自獨(dú)立的，第三開關(guān)支路103和第四開關(guān)支路104不存在電流共同流過的路徑。從而，第三開關(guān)支路103和第四開關(guān)支路104在控制上完全獨(dú)立、控制簡(jiǎn)便，可以減輕元件布局的復(fù)雜度；而且，能夠降低支路的電流負(fù)載，便于元件的散熱，提高元件的使用壽命。飛跨電容器Cf連接在第一開關(guān)支路101的第一開關(guān)元件S1和第二開關(guān)元件S2的連接點(diǎn)1與第二開關(guān)支路102的第三開關(guān)元件S3和第四開關(guān)元件S4的連接點(diǎn)2之間。第一開關(guān)元件S1包括帶有單向可控載流方向的雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)模塊，在本【具體實(shí)施方式】中，第一開關(guān)元件S1包括反并聯(lián)連接的帶有單向可控載流方向的單向第一半導(dǎo)體開關(guān)Q1與第一續(xù)流二極管D1。在一個(gè)【具體實(shí)施方式】中，第一半導(dǎo)體開關(guān)Q1可以為一種絕緣柵雙極晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT)。在另一個(gè)【具體實(shí)施方式】中，第一半導(dǎo)體開關(guān)Q1也可以為一種集成門極換流晶閘管(Integrated Gat本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種多電平轉(zhuǎn)換器，其包括：第一開關(guān)支路，其連接在正極直流母線端與交流輸出端之間，并包括串聯(lián)連接的第一開關(guān)元件及第二開關(guān)元件；第二開關(guān)支路，其連接在所述交流輸出端與負(fù)極直流母線端之間，并包括串聯(lián)連接的第三開關(guān)元件及第四開關(guān)元件；第三開關(guān)支路，其連接在直流母線中性點(diǎn)與所述第一開關(guān)支路的所述第一開關(guān)元件和所述第二開關(guān)元件的連接點(diǎn)之間；第四開關(guān)支路，其連接在所述直流母線中性點(diǎn)與所述第二開關(guān)支路的所述第三開關(guān)元件和所述第四開關(guān)元件的連接點(diǎn)之間，并且，所述第四開關(guān)支路完全獨(dú)立于所述第三開關(guān)支路；以及飛跨電容器，其連接在所述第一開關(guān)支路的所述第一開關(guān)元件和所述第二開關(guān)元件的所述連接點(diǎn)與所述第二開關(guān)支路的所述第三開關(guān)元件和所述第四開關(guān)元件的所述連接點(diǎn)之間。

【技術(shù)特征摘要】

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：徐勇，張帆，斯蒂芬施勒德，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：通用電氣能源電能變換科技有限公司，
類型：發(fā)明
國別省市：英國;GB