[发明专利]电路和其操作方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种多电平半桥形式的电路的操作方法以及被构造为执行所述方法的电路。

背景技术

目前多电平半桥被理解为两个接头经过在中间接头相遇的两个支路相连的电路，在两个接头之间施加桥电压，其中，在中间接头处，相对于前述接头中的一个的电势施加中间电压，并且其中，与中间接头对称地构造的支路分别具有给定的数量n个串联连接的开关元件。在此，第一支路的每两个相邻开关元件之间的连接点，分别经过电容器连接到与中间接头对称地布置的、第二支路的每两个开关元件之间的连接点。多电平半桥的开关元件在使用控制单元的条件下能够被切换到不同的开关状态。

从现有技术基本上公知经常也称为“飞跨电容器(Flying Capacitor)多电平变流器”或者“飞跨电容器多电平变换器/逆变器”的这样的多电平半桥，其中，这里对多电平半桥的(外部)接头施加(外部)桥电压，由此中间接头用于引出中间电压作为输出电压。

相应的电路和其操作方法例如由以下公开文献已知：

-“Modified Phase-Shifted PWM Control for Flying Capacitor Multilevel Converters”；Feng,C；Liang,J；Agelidis V.G.；IEEE Transactions on Power Electronics,Vol.22,No.1,January 2007,第178–185页，以及

-“Modelling and Control of a Flying-Capacitor Inverter”；Watkins,S.J.；Zhang,L；School of Electronic and Electrical Engeneering,University of Leeds,UK,EPE 2001,Graz

之所以称为“飞跨电容”，是因为电容各自的电势(取决于单个开关元件的具体开关状态)相对于对多电平半桥的接头施加的参考电势持续偏移。在此有利的是，通过单个开关元件进行切换的电压可以降低到总的待切换的电压的一部分，由此对设计的要求降低。此外，已知在给定的桥电压的情况下，对于每个(在不同的电压水平下可给定的)中间电压，只要其不是0或者对应于桥电压，则依据选择的电容器的充电水平，存在多个不同的开关状态，其以冗余的方式分别提供相同的中间电压，然而重新使用电路的不同的电容器，这取决于开关元件的具体开关状态。然而，这样的半桥的操作经证明(即使在半桥的中间输出端处的主要是恒定的负载的情况下)是非常复杂的，因为开关元件的不同的开关状态对单个电容器的充电状态有不同的影响，并且因为(在电容器中的一个的充电太高或者太低的情况下)一个或更多个开关元件或者电容器可能损坏。

目前，只要开头提及的形式的多电平半桥通常来说投入实际使用，其主要用于切换大功率范围内的电压。然而，这样的多电平半桥的复杂的构造和操作使得其在中低功率范围内的使用呈现很低的吸引力。

根据惯常的现有技术，电压或者电流变流器在中小功率范围直至几百千瓦功率的数量级内，通常以普通降压转换器/降压变换器、升压转换器/升压调节器(Hochsetzsteller)/升压变换器、反转转换器/降压-升压变换器、SEPIC转换器、Cuk转换器/Cuk变换器、双重逆变器、Zeta转换器、流量转换器或者反向转换器(Sperrwandler)的形式，作为双点转换器来实现。

在所有所提及的拓扑中，在两个电压水平之间切换所连接的电压。因此，这些拓扑也被称为双点转换器拓扑。这里产生谐波，开关脉冲越陡，EMV干扰、寄生电容上的再充电损耗、电感中的磁滞损耗以及传导电流的部件上的欧姆损耗越大，其由于谐波和与谐波一起的高频还会进一步增大(集肤效应(Skin-Effekt))。

因此在能源技术中，用于大功率的电压或电流变流器使用一般位于兆瓦范围内的有时所称的多电平变流器。这里，通常使用具有分离的直流中间电路的模块化或可级联多电平变流器或者级联多点逆变器，其中，在功率侧作为两极工作的几个模块与自己的直流中间电路和电荷存储器串联连接在一起，并且与半桥连接在一起。这些变流器良好地适用于大功率，并且以模块性、良好的规模可缩放性、减少的谐波、良好的EMV特性和高效率而闻名。为此，构造和控制开销相对大，因此这些系统暂时对于小功率等级不适合。

此外，存在开头已经提及的形式的多电平半桥形式的飞跨电容器多电平变流器以及所谓的二极管箝位多电平变流器。