[发明专利]改进的多电平电压源转换器和系统

说明书

背景技术

电力转换器用于将输入电能从一种形式转换为另一种形式以驱动负载。电力转换器系统的一种形式为电机驱动器，其可以被采用用于电动机负载的变速操作。针对需要相对大的输出电压的应用，开发了所谓的多电平电压源转换器结构，包括飞跨电容器设计、中性点钳位(NPC)设计以及级联混合类型。NPC设计包括跨提供中性节点的直流输入连接的一对电容器，每个电容器被充电至直流输入值的一半。跨直流母线连接了一系列开关，一对二极管将中间开关节点连接至中性点。NPC转换器有利地提供了相对简单的电路结构，但是增加NPC转换器中的输出电平的个数增加了开关和二极管传导损耗并且导致增加的反向恢复电流。另外，高输出电平NPC转换器经受开关器件损耗的不均匀分布，从而限制针对给定开关类型的最大电力定额、输出电流和开关频率。此外，随着输出电平的个数增加，钳位二极管的个数基本上增加。飞跨电容器设计利用选择性地互连的一个或更多个电容器以提供输出电压。然而，该类多电平转换器经受高切换频率的需求以保持电容器适当平衡，并且飞跨电容器上的电压必须初始化。可以使用级联H桥接(CHB)类型以实现显著高的输出电压电平和高输出电力定额，并且使得能够使用相对低的切换频率和低电压部件。然而，CHB设计需要显著更高个数的部件以实现再生操作，CHB转换器通常需要相移变压器，导致更高的成本。另外，CHB方法需要大量的隔离直流源。因此，仍然需要能够提供用于以可变的速度和扭矩驱动负载的多电平逆变器输出能力的改进的多电平电力转换器和系统设计。

发明内容

现在总结本公开内容的各个方面以便利对本公开内容的基本理解，其中，本发明内容不是本公开内容的宽泛概述，既不意在标识本公开内容的特定元素，也不意在描述本公开内容的范围。更确切地，本发明内容的主要目的为在以下呈现更详细的描述之前以简化形式来呈现本公内容的各种构思。

本公开内容提供了多电平电力转换器级和采用以多种配置连接的两个或更多个这样的多电平转换器的电力转换系统。多电平电力转换器包括NPC型逆变器电路，其嵌套在开关电容器电路中以形成嵌套NPC(NNPC)电力转换器，其中，控制器操作逆变器和开关电容器电路的开关以提供多电平输出电压。在某些实施方式中，控制器采用对冗余开关状态的选择性选择来控制开关电容器的充电和放电以实现预定的目标电容器电压值。在某些实施中，开关控制和电容器电压调节有利地确保开关电容器电压小于直流输入电压值的一半，便利提供在基本上等间隔步进的多个不同电平之一处的转换器输出电压，从而平衡由各个开关器件可见的电压。

在某些实施方式中，逆变器电路包括在逆变器电路输入节点之间串联连接的两个或更多个逆变器开关器件、以及连接所述逆变器开关器件中的两个逆变器开关器件的逆变器输出节点。所述逆变器还包括钳位电路，所述钳位电路具有在所述逆变器开关电路的第一内部节点与第二内部节点之间串联连接的第一钳位元件和第二钳位元件例如钳位开关或二极管、以及接合所述第一钳位元件与所述第二钳位元件的第三内部节点。在某些实施中，开关电容器电路包括：两个或更多个开关，所述两个或更多个开关各自连接在所述逆变器输入节点之一与相应的直流输入之间；以及第一电容器和第二电容器，所述第一电容器和第二电容器各自连接在所述逆变器电路输入节点中的相应一个与所述第三内部节点之间。所述控制器向逆变器开关和开关电容器电路开关器件提供开关控制信号，以提供在所述逆变器输出节点处的多电平输出并且控制第一电容器和第二电容器的充电和放电。各种实施是可以的，例如四个或更多个不同的线与中性点之间的输出电压电平。某些实施提供了级联的开关电容器电路系统，其包括针对更高个数的可能输出电平的两个飞跨电容器以及相关联的开关器件的多个集合。

根据本公开内容的另外的方面，提供了一种电力转换系统，包括两个或更多个嵌套NPC转换器级或模块。在某些实施方式中，两个NNPC模块的直流输入被连接在一起，其中，第一转换器级的逆变器输出连接至系统中性节点，第二级的逆变器输出提供系统的交流输出。以这种方式，可以实现NNPC H桥接配置，两个或更多个这样的配置可以级联或串联连接以实现各种输出电力电平和输出电压。此外，可以使用这样的模块或其组的多个集合来构造电力转换系统，以提供用于驱动负载的多相输出。另外，在这些多级系统中，可以提供开关控制以从各种冗余总开关状态中进行选择以实现对各个开关电容器的充电和放电的控制，并且可以便利由各个开关器件可见的电压平衡并且有利地提供在基本上等间隔步进的任何合适个数的不同电平处的输出电压。

附图说明