[发明专利]多电平转换器

说明书

技术领域

本发明涉及半导体功率转换技术，尤其涉及一种可以输出多个电压电平的多电平转换器。

背景技术

多电平转换器通常使用多个功率半导体开关，其耦合于较低电平的DC-link(直流母线)电压来通过合成阶梯电压波形执行功率转换。多电平转换器能够有效地减少输出电压的谐波失真及dv/dt，提高输出电压的谐波性能。因此，近年来多电平转换器在例如并网接口及马达驱动器等的高压大容量电力电子及交流调速系统中已经得到了广泛应用。

用于实现多电平功率转换器可以具有多种不同的拓扑结构，例如中性点箝位(Neutral-PointClamped，NPC)转换器拓扑结构、中性点先导(Neutral-PointPiloted，NPP)转换器拓扑结构、飞跨电容器(FlyingCapacitor，FC)转换器拓扑结构以及H桥(H-Bridge)转换器拓扑结构等。

发明内容

本发明的一个方面在于提供一种多电平转换器，其包括：

第一开关支路，其连接在正极直流母线端与交流输出端之间，并包括串联连接的第一开关元件及第二开关元件；

第二开关支路，其连接在所述交流输出端与负极直流母线端之间，并包括串联连接的第三开关元件及第四开关元件；

第三开关支路，其连接在直流母线中性点与所述第一开关支路的所述第一开关元件和所述第二开关元件的连接点之间；

第四开关支路，其连接在所述直流母线中性点与所述第二开关支路的所述第三开关元件和所述第四开关元件的连接点之间，并且，所述第四开关支路完全独立于所述第三开关支路；以及

飞跨电容器，其连接在所述第一开关支路的所述第一开关元件和所述第二开关元件的所述连接点与所述第二开关支路的所述第三开关元件和所述第四开关元件的所述连接点之间。

本发明的多电平转换器的结构简单、对称，降低了各个开关元件的控制及布局复杂度；相较于现有的多电平转换器拓扑结构来说需要更少的功率半导体开关，使用更少的飞跨电容器，因此，本发明的多电平转换器的成本低廉；本发明的多电平转换器通过半导体开关状态的合适选择，达到飞跨电容器电路结构的冗余设计，使得飞跨电容器的充电和放电能够交替性地进行，从而能够容易地平衡飞跨电容器两端的电压，进而能够输出稳定的电压电平；本发明的多电平转换器能够有效地减少输出电压的谐波失真及dv/dt，提高输出电压的谐波性能。此外，本发明的多电平转换器的操作方法简单、控制容易。

附图说明

当参照附图阅读以下详细描述时，本发明的这些和其它特征、方面及优点将变得更好理解，在附图中，相同的元件标号在全部附图中用于表示相同的部件，其中：

图1是根据本发明的第一具体实施方式的三相多电平转换器的电路图；

图2是图1所示的多电平转换器的一个相脚的电路图；

图3示出图2所示的带有双向可控载流方向的双向功率半导体开关模块的另一种实现方式；

图4a-4b示出图2所示的多电平转换器在输出第一电压电平时电流流过的路径；

图5a-5b示出图2所示的多电平转换器在输出第二电压电平时电流流过的路径；

图6a-6b示出图2所示的多电平转换器在输出第三电压电平时电流流过的路径；

图6c-6d示出图2所示的多电平转换器在输出第三电压电平时电流流过的另一条路径；

图7a-7d示出图2所示的多电平转换器在输出第四电压电平时电流流过的路径；

图8a-8d示出图2所示的多电平转换器在输出第五电压电平时电流流过的路径；

图9a示出图2所示的多电平转换器在电流为正向时的各个半导体开关的操作；

图9b示出图2所示的多电平转换器在电流为负向时的各个半导体开关的操作；

图10是根据本发明的第二具体实施方式的多电平转换器的电路图；及

图11是根据本发明的第三具体实施方式的多电平转换器的电路图。

具体实施方式

为帮助本领域的技术人员能够确切地理解本发明所要求保护的主题，下面结合附图详细描述本发明的具体实施方式。