[发明专利]多电平逆变器

说明书

本发明涉及多电平逆变器。一种多电平逆变器，其具有至少两个组，每个组都包含多个低电压MOSFET晶体管；以及处理器，其被配置成切换每个组中的多个低电压MOSFET晶体管以在每个周期内进行多次切换。

技术领域

本发明涉及多电平逆变器及其相关控制方法。

背景技术

尽管经过了多年的研究，但是寻找成本更有效的逆变器实现（单相或三相）的目的还远未达到。一些尝试在电路布局中使用高压开关（例如600V的IGBT），其目的在于降低切换损耗和/或减小无源部件（主要是磁性元件）的尺寸。参照例如“Multilevel inverters:Asurvey of Topologies,Control and Applications”。这些以降低切换损耗为目的的逆变器通常包含高压开关（例如600V的IGBT），其以大约10倍于输电线频率（50Hz）或最高达16kHz的频率进行切换。IGBT在这一频率范围的切换损耗是相当大的，并且即使在这些频率的较低端，其切换损耗也是相当大的。而且，低频率切换导致了扼流圈的成本接近或超过逆变器的总成本的20%。可选择的研究已经寻求使用更先进的开关技术（例如碳化硅和/或氮化镓）来提高频率并且减小无源部件的尺寸。这一研究也可以在一定程度上降低切换损耗，但却仅仅是以先进的开关技术的高成本为代价而取得的。尽管进行了扩展研究，但是这些逆变器的电路布局仅仅提供了有限的改进，而不能达到成本降低和高效逆变器技术所需要的效率的目的。

目前仍存在对低成本、高效率的逆变器技术的需求。

发明内容

下面的概述仅仅出于说明性的目的，而不是旨在对本文的详细描述进行限制或约束。

本文的实施方式可以采用带有专门的控制系统的多电平逆变器（例如单相和/或三相逆变器），所述专门的控制系统使具有高效率、低成本的逆变器成为可能。在本文讨论的一些实施方式中，多电平逆变器可以用在逆变器的输出（滤波之前）具有多个电压等级的情况中，从而减小了逆变器的磁性元件上的应力，并且改善了输出电压波形，这样允许切换频率的进一步降低。

在本文描述的示例性的多电平逆变器（单相或三相）中，控制系统允许使用低电压（例如80V）MOSFET以产生等价的高电压开关（例如，使用6个80V的MOSFET能产生等价的480V开关）。低电压切换多电平逆变器的导通特性和切换特性比其他的多电平逆变器实现方式有实质上和意料不到的改善。在这些实施方式中，通过错开低电压MOSFET的接通和断开，可以对每个多电平开关使用较低频率调制，例如，每个MOSFET能以中等频率（例如200kHz）进行切换，同时保持了比其他开关技术低的切换损耗，并且获得了200kHz*N的有效频率的好处，其中N是串接的时间上错开的开关数目，从而根据实际扩展频率减小了无源部件的尺寸要求。在一些实施方式中，MOSFET能根据占空比按错开的时间（其可以或可以不根据正弦波变化）切换，例如，其中每个MOSFET都被移了1/6的切换周期（例如使用6个串接的MOSFET）。

根据本文讨论的实施方式，除了本文所讨论的关于导通损耗和切换损耗方面的优点之外，这些例子还提供了比如减少了无源部件（例如，主扼流圈磁性元件和/或输出滤波器）的其他重要优点。例如，由于多电平电压和低成本MOSFET开关的使用，可以实现部件尺寸和/或成本减小N（例如该例子中的6）倍。另外，本文所讨论的示例性的实施方式可以在主扼流圈中获得可能是切换频率的N倍（例如该例子中的6*200kHz）的有效频率。因此，在这些实施方式中，主扼流圈可能比标准设计小了N^2（例如36）倍。在本文讨论的实施方式中，例如，相对于使用16kHz切换频率的标准的基于IGBT的逆变器系统，主扼流圈的尺寸的总增益倍数可能是200kHz/16kHz*36=450，这使得扼流圈的成本变得如此低廉以至于在本文讨论的多电平逆变器的例子中这几乎可以忽略不计。可以对输出滤波器进行相似的计算，并且能够表明在成本降低和效率提高方面的更大的优势。

如上所述，该概述仅仅是对本文描述的一些特征的总结。其不是排他性的，且不对权利要求进行限制。